KR101504407B1 - 건설 기계의 충전 장치 - Google Patents

Abstract

충전장치는, 다이오드와, 스위치와, 고전압 변환 회로와, 저전압 배터리의 축전 용량이 임계값을 초과하고 있는지의 여부를 판정하고, 임계값 이하인 경우에 저전압 배터리에 발전기의 전력을 공급하기 위한 신호를 전환 회로에 출력하고, 임계값 이상인 경우에 고전압 배터리에 충전시키기 위한 신호를 전환 회로에 출력하는 컨트롤러를 구비한다.

Description

건설 기계의 충전 장치{CHARGING DEVICE FOR CONSTRUCTION MACHINERY}

본 발명은, 건설 기계, 예를 들어, 하이브리드 건설 기계의 배터리를 충전하는 충전 장치에 관한 것이다.

JP2009-235717A가 개시하는 건설 기계의 충전 장치는, 조작 밸브 등의 솔레노이드나 그들을 제어하는 컨트롤러 등이 필요로 하는 전력을 저전압 배터리에 축전한다. 저전압 배터리는, 엔진의 구동력으로 회전되는 발전기에 접속되고, 발전기에서 발전한 전력이 저전압 배터리에 충전된다.

저전압 배터리가 풀 충전의 상태가 되면, 발전기를 무부하로 공회전시켜, 발전기의 발전 기능을 정지시킨다. 저전압 배터리의 축전량이 저하되어 오면, 자동적으로 발전기의 발전 기능을 발휘시켜, 저전압 배터리를 재충전한다.

상기 종래의 건설 기계의 충전 장치에서는, 저전압 배터리가 풀 충전의 상태가 되면, 발전기를 무부하로 공회전시키므로, 그만큼 에너지 로스가 커진다.

본 발명의 목적은, 에너지 로스를 최소한으로 억제하는 건설 기계의 충전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 형태에 따르면, 펌프를 회전시키기 위한 엔진과, 상기 엔진의 구동력에 의해 회전하는 발전기와, 상기 발전기로부터의 전력을 충전하기 위한 저전압 배터리와, 상기 발전기에 대하여 상기 저전압 배터리와 병렬로 접속되어, 상기 발전기로부터의 전력을 충전하기 위한 고전압 배터리를 갖는 건설 기계의 충전 장치가 제공된다.

충전 장치는, 상기 발전기로부터의 전력을 상기 저전압 배터리 및 상기 고전압 배터리 중 어느 하나에 공급하기 위한 전환을 행하는 전환 회로와, 상기 전환 회로와 상기 고전압 배터리 사이에 설치되어, 저전압을 고전압으로 변환하는 고전압 변환 회로와, 상기 저전압 배터리의 축전 용량이 임계값을 초과하고 있는지의 여부를 판정하고, 상기 임계값 이하인 경우에는, 상기 저전압 배터리에 상기 발전기의 전력을 공급하기 위한 신호를 상기 전환 회로에 출력하고, 상기 임계값보다도 큰 경우에는, 상기 고전압 배터리에 충전시키기 위한 신호를 상기 전환 회로에 출력하는 컨트롤러를 구비한 충전 장치가 제공된다.

이 형태에 따르면, 저전압 배터리가 풀 충전의 상태가 된 경우에, 발전기에서 발전된 전력을 고전압 배터리에 충전할 수 있다. 발전기를 무부하 상태로 공회전시키는 일이 없어, 에너지 로스를 최소한으로 억제할 수 있다.

컨트롤러는 저전압 배터리의 축전 상황을 감시하고, 축전 용량이 임계값 이하로 된 경우에는, 발전기의 발전 전력을 저전압 배터리로 자동적으로 유도하므로, 저전압 배터리가 전력 부족으로 되지 않는다.

본 발명의 실시 형태 및 본 발명의 이점에 대해서는, 첨부된 도면을 참조하면서 이하에 상세하게 설명한다.

도 1은 제1 실시 형태의 유압 회로도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 제어 회로도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 제어 흐름도이다.
도 4는 제2 실시 형태의 제어 회로도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 제1 실시 형태는, 파워 셔블의 제어 시스템이다. 제어 시스템은, 가변 용량의 제1, 2 메인 펌프(MP1, MP2)를 구비한다. 제1 메인 펌프(MP1)에는 제1 회로 계통이 접속되고, 제2 메인 펌프(MP2)에는 제2 회로 계통이 접속된다.

제1 회로 계통에는, 상류측으로부터 순서대로, 선회 모터(RM)를 제어하는 조작 밸브(1), 아암 실린더를 제어하는 아암 1속용의 조작 밸브(2), 붐 실린더(BC)를 제어하는 붐 2속용의 조작 밸브(3), 예비용 어태치먼트를 제어하는 예비용의 조작 밸브(4) 및 좌측 주행용 모터를 제어하는 좌측 주행 모터용의 조작 밸브(5)가 접속된다.

각 조작 밸브(1 내지 5)의 각각은, 중립 유로(6) 및 패럴렐 통로(7)를 통해 제1 메인 펌프(MP1)에 접속하고 있다.

중립 유로(6)의 좌측 주행 모터용의 조작 밸브(5)의 하류측에는 파일럿압 생성 기구(8)가 설치된다. 파일럿압 생성 기구(8)는 그곳을 흐르는 유량이 많으면 높은 파일럿압을 생성하고, 그 유량이 적으면 낮은 파일럿압을 생성한다.

중립 유로(6)는, 조작 밸브(1 내지 5)의 모두가 중립 위치 혹은 중립 위치 근방에 있는 경우에, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 토출된 유체의 전부 또는 일부를 탱크(T)로 유도한다. 이 경우에는 파일럿압 생성 기구(8)를 통과하는 유량도 많아지므로 높은 파일럿압이 생성된다.

조작 밸브(1 내지 5)가 풀 스트로크의 상태로 전환되면, 중립 유로(6)가 폐쇄되어 유체의 유통이 없어진다. 따라서, 이 경우에는, 파일럿압 생성 기구(8)를 흐르는 유량이 거의 없어져, 파일럿압은 제로를 유지한다.

단, 조작 밸브(1 내지 5)의 조작량에 따라서는, 펌프 토출량의 일부가 액추에이터로 유도되고, 일부가 중립 유로(6)로부터 탱크(T)로 유도되므로, 파일럿압 생성 기구(8)는, 중립 유로(6)에 흐르는 유량에 따른 파일럿압을 생성한다. 바꾸어 말하면, 파일럿압 생성 기구(8)는, 조작 밸브(1 내지 5)의 조작량에 따른 파일럿압을 생성한다.

파일럿압 생성 기구(8)에는 파일럿 유로(9)가 접속된다. 파일럿 유로(9)는, 제1 메인 펌프(MP1)의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터(10)에 접속된다. 레귤레이터(10)는, 파일럿압과 역비례하여 제1 메인 펌프(MP1)의 토출량을 제어한다. 따라서, 조작 밸브(1 내지 5)를 풀 스트로크하여 중립 유로(6)의 흐름이 제로로 된 경우, 바꾸어 말하면 파일럿압 생성 기구(8)가 발생하는 파일럿압이 제로로 된 경우에 제1 메인 펌프(MP1)의 토출량이 최대로 유지된다.

파일럿 유로(9)에는 제1 압력 센서(11)가 접속된다. 제1 압력 센서(11)에서 검출된 압력 신호는 제1 컨트롤러(C1)에 입력된다.

제2 회로 계통에는, 상류측으로부터 순서대로, 우측 주행용 모터를 제어하는 조작 밸브(12), 버킷 실린더를 제어하는 버킷용의 조작 밸브(13), 붐 실린더(BC)를 제어하는 붐 1속용의 조작 밸브(14) 및 아암 실린더를 제어하는 아암 2속용의 조작 밸브(15)를 접속하고 있다. 붐 1속용의 조작 밸브(14)에는, 조작 방향 및 조작량을 검출하는 센서(14a)가 설치된다.

각 조작 밸브(12 내지 15)는, 중립 유로(16)를 통해 제2 메인 펌프(MP2)에 접속된다. 버킷용의 조작 밸브(13) 및 붐 1속용의 조작 밸브(14)는 패럴렐 통로(17)를 통해 제2 메인 펌프(MP2)에 접속된다.

중립 유로(16)의 아암 2속용의 조작 밸브(15)의 하류측에는 파일럿압 생성 기구(18)를 설치하고 있다. 파일럿압 생성 기구(18)는, 파일럿압 생성 기구(8)와 완전히 마찬가지로 기능한다.

파일럿압 생성 기구(18)에는 파일럿 유로(19)가 접속된다. 파일럿 유로(19)는, 제2 메인 펌프(MP2)의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터(20)에 접속된다. 레귤레이터(20)는, 파일럿압과 역비례하여 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량을 제어한다. 따라서, 조작 밸브(12 내지 15)를 풀 스트로크하여 중립 유로(16)의 흐름이 제로로 된 경우, 바꾸어 말하면 파일럿압 생성 기구(18)가 발생하는 파일럿압이 제로로 된 경우에는, 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량이 최대로 유지된다.

파일럿 유로(19)에는 제2 압력 센서(21)가 접속된다. 제2 압력 센서(21)에서 검출된 압력 신호는 제1 컨트롤러(C1)에 입력된다.

제1, 2 메인 펌프(MP1, MP2)는, 하나의 엔진(E)의 구동력으로 동축 회전한다. 엔진(E)에는 올터네이터(22)가 설치된다. 올터네이터(22)는 엔진(E)의 잉여 출력으로 회전되어, 발전한다. 올터네이터(22)가 발전한 전력은, 충전 장치(S)를 통해 저전압 배터리(23) 혹은 고전압 배터리(24)에 충전된다. 충전 장치(S)에 대해서는 후에 상세하게 설명한다. 저전압 배터리(23)는 건설 기계용의 24V 배터리, 고전압 배터리(24)는 전동 모터(MG) 등에 사용하는 배터리이다.

제1 회로 계통에 접속한 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트에는, 선회 모터(RM)에 연통하는 통로(26, 27)가 접속된다. 양 통로(26, 27)의 각각에는 브레이크 밸브(28, 29)가 접속된다. 조작 밸브(1)를 도시한 중립 위치에 유지하고 있는 경우에는, 액추에이터 포트가 폐쇄되어 선회 모터(RM)는 정지 상태를 유지한다.

상기한 상태로부터 조작 밸브(1)를 예를 들어 도면 우측 위치로 전환하면, 한쪽의 통로(26)가 제1 메인 펌프(MP1)에 접속되고, 다른 쪽의 통로(27)가 탱크(T)에 연통된다. 따라서, 통로(26)로부터 압력 유체가 공급되어 선회 모터(RM)가 회전하고, 선회 모터(RM)로부터의 복귀 유체가 통로(27)를 통해 탱크(T)로 복귀된다.

조작 밸브(1)를 좌측 위치로 전환하면, 통로(27)에 펌프 토출 유체가 공급되고, 통로(26)가 탱크(T)에 연통되고, 선회 모터(RM)는 역회전한다.

선회 모터(RM)를 구동하고 있는 경우에는, 브레이크 밸브(28 혹은 29)가 릴리프 밸브의 기능을 발휘한다. 통로(26, 27)가 설정압 이상이 된 경우에는, 브레이크 밸브(28, 29)가 개방되어 고압측의 유체를 저압측으로 유도한다. 선회 모터(RM)가 회전하고 있는 상태에서, 선회 모터용의 조작 밸브(1)를 중립 위치로 복귀시키면, 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트가 폐쇄된다. 이와 같이 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트가 폐쇄되어도, 선회 모터(RM)는 관성 에너지로 계속해서 회전한다. 선회 모터(RM)가 관성 에너지로 회전함으로써, 선회 모터(RM)가 펌프 작용을 한다. 이 경우에는, 통로(26, 27), 선회 모터(RM), 브레이크 밸브(28 혹은 29)에 의해 폐쇄 회로가 구성되고, 브레이크 밸브(28 혹은 29)에 의해, 관성 에너지가 열 에너지로 변환된다.

한편, 붐 1속용의 조작 밸브(14)를 중립 위치로부터 도면 우측 위치로 전환하면, 제2 메인 펌프(MP2)로부터의 압력 유체는, 통로(30)를 경유하여 붐 실린더(BC)의 피스톤측실(31)에 공급된다. 로드측실(32)로부터의 복귀 유체는 통로(33)를 경유하여 탱크(T)로 복귀되고, 붐 실린더(BC)는 신장된다.

반대로, 붐 1속용의 조작 밸브(14)를 도면 좌측 위치로 전환하면, 제2 메인 펌프(MP2)로부터의 압력 유체는, 통로(33)를 경유하여 붐 실린더(BC)의 로드측실(32)에 공급된다. 피스톤측실(31)로부터의 복귀 유체는 통로(30)를 경유하여 탱크(T)로 복귀되고, 붐 실린더(BC)는 수축된다. 붐 2속용의 조작 밸브(3)는, 붐 1속용의 조작 밸브(14)와 연동하여 전환한다.

붐 실린더(BC)의 피스톤측실(31)과 붐 1속용의 조작 밸브(14)를 연결하는 통로(30)에는, 제1 컨트롤러(C1)로 개방도가 제어되는 비례 전자기 밸브(34)가 설치된다. 비례 전자기 밸브(34)는 그 노멀 상태에서 완전 개방 위치를 유지한다.

다음으로, 제1, 2 메인 펌프(MP1, MP2)의 출력을 어시스트하는 가변 용량의 서브 펌프(SP)에 대해 설명한다.

가변 용량의 서브 펌프(SP)는, 발전기 겸용의 전동 모터(MG)의 구동력으로 회전한다. 전동 모터(MG)의 구동력에 의해, 가변 용량의 어시스트 모터(AM)도 동축 회전한다. 전동 모터(MG)에는 인버터(I)가 접속된다. 인버터(I)는, 제1 컨트롤러(C1)에 접속되고, 제1 컨트롤러(C1)에 의해 전동 모터(MG)의 회전수 등을 제어할 수 있다.

서브 펌프(SP) 및 어시스트 모터(AM)의 틸팅각은 틸팅각 제어기(35, 36)로 제어된다. 틸팅각 제어기(35, 36)는, 제1 컨트롤러(C1)의 출력 신호에 의해 제어된다.

서브 펌프(SP)에는 토출 통로(37)가 접속된다. 토출 통로(37)는, 제1 메인 펌프(MP1)의 토출측에 합류하는 제1 합류 통로(38)와, 제2 메인 펌프(MP2)의 토출측에 합류하는 제2 합류 통로(39)로 분기한다. 제1, 2 합류 통로(38, 39)의 각각에는, 제1 컨트롤러(C1)의 출력 신호에 의해 개방도가 제어되는 제1, 2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)가 설치된다.

어시스트 모터(AM)에는 접속용 통로(42)가 접속된다. 접속용 통로(42)는, 합류 통로(43) 및 체크 밸브(44, 45)를 통해, 선회 모터(RM)에 접속한 통로(26, 27)에 접속된다. 합류 통로(43)에는 제1 컨트롤러(C1)로 개폐 제어되는 전자기 전환 밸브(46)가 설치된다. 전자기 전환 밸브(46)와 체크 밸브(44, 45) 사이에는, 선회 모터(RM)의 선회 시의 압력 혹은 브레이크 시의 압력을 검출하는 압력 센서(47)가 설치된다. 압력 센서(47)의 압력 신호는 제1 컨트롤러(C1)에 입력된다.

합류 통로(43)의, 선회 모터(RM)로부터 접속용 통로(42)로의 흐름에 대하여 전자기 전환 밸브(46)보다도 하류측으로 되는 위치에는, 안전 밸브(48)가 설치된다. 안전 밸브(48)는, 예를 들어 전자기 전환 밸브(46) 등, 접속용 통로(42, 43) 계통에 고장이 발생한 경우에, 통로(26, 27)의 압력을 유지하여 선회 모터(RM)가 폭주하는 것을 방지한다.

또한, 붐 실린더(BC)와 비례 전자기 밸브(34) 사이에는, 접속용 통로(42)에 연통되는 통로(49)가 설치된다. 통로(49)에는 제1 컨트롤러(C1)로 제어되는 전자기 개폐 밸브(50)가 설치된다.

충전 장치(S)에는, 도 2에 도시되는 바와 같이, 올터네이터(22)와 저전압 배터리(23)를 접속하였을 때에 올터네이터(22)로부터 저전압 배터리(23)로의 전류의 흐름만을 허용하는 다이오드(51)가 설치된다.

올터네이터(22)에 대하여 다이오드(51)와 병렬로 스위치(52)가 설치된다. 스위치(52)는, 저전압을 고전압으로 변환하는 고전압 변환 회로(53)를 통해 고전압 배터리(24)에 접속하고 있다. 고전압 변환 회로(53)에 스위치(52)의 기능을 갖게 해도 된다.

저전압 배터리(23) 및 스위치(52)의 각각에 제2 컨트롤러(C2)가 접속된다. 제2 컨트롤러(C2)는 제1 컨트롤러(C1)에도 접속하고 있다. 제1 컨트롤러(C1)는, 고전압 배터리(24)에도 접속되고, 고전압 배터리(24)의 축전 용량을 체크하는 기능을 구비하고 있다.

제2 컨트롤러(C2)는, 저전압 배터리(23)의 전압이 임계값을 초과하고 있는지의 여부를 체크하는 기능을 구비하고, 스위치(52)를 개폐 제어한다.

제1 컨트롤러(C1)는, 고전압 배터리(24)의 충전 상황 등을 체크하고, 고전압 배터리(24)가 사용 가능 상태인 경우에는, 제2 컨트롤러(C2)에 대하여, 고전압 배터리(24)로의 충전 허가 신호를 출력한다.

제2 컨트롤러(C2)는, 저전압 배터리(23)가 임계값을 상회하고, 제1 컨트롤러(C1)로부터 충전 허가 신호가 입력되고, 또한, 고전압 배터리(24)의 축전량이 기준값보다도 작다고 판정한 경우에 스위치(52)를 폐쇄하고, 올터네이터(22)의 전력을 고전압 변환 회로(53)를 통해 승압하여 고전압 배터리(24)에 충전시킨다.

제1 실시 형태에서는 충전 장치(S)를 모듈러화하고, 기존의 장치, 즉 올터네이터(22), 저전압 배터리(23), 고전압 배터리(24) 및 제1 컨트롤러(C1)를 구비한 기존의 장치에, 시스템(S)을 내장할 수 있도록 하고 있다. 그 때문에, 제1 컨트롤러(C1) 이외에 제2 컨트롤러(C2)를 구비하고 있다. 따라서, 건설 기계에 충전 장치를 처음부터 내장하는 경우에는, 제1 컨트롤러(C1)에 제2 컨트롤러(C2)의 기능을 갖게 함으로써, 컨트롤러를 하나로 할 수 있다.

이하에는, 본 실시 형태의 작용을 설명한다. 본 실시 형태에서는, 서브 펌프(SP)의 어시스트 유량을 미리 설정해 두고, 제1 컨트롤러(C1)가, 서브 펌프(SP)의 틸팅각, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각, 전동 모터(MG)의 회전수 등을 어떻게 제어하면 가장 효율적일지를 판단하여 각각의 제어를 실시한다.

제1 회로 계통의 조작 밸브(1 내지 5)를 중립 위치에 유지하고 있으면, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 토출하는 유체의 전량이 중립 유로(6) 및 파일럿압 생성 기구(8)를 경유하여 탱크(T)로 유도된다. 제1 메인 펌프(MP1)의 토출 전량이 파일럿압 생성 기구(8)를 흐르는 경우에는, 그곳에서 생성되는 파일럿압이 높아져, 파일럿 유로(9)에도 상대적으로 높은 파일럿압이 유도된다. 파일럿 유로(9)에 유도된 높은 파일럿압의 작용으로, 레귤레이터(10)가 동작하고, 제1 메인 펌프(MP1)의 토출량을 최소로 유지한다. 이때의 높은 파일럿압의 압력 신호는, 제1 압력 센서(11)로부터 제1 컨트롤러(C1)에 입력된다.

제2 회로 계통의 조작 밸브(12 내지 15)를 중립 위치에 유지하고 있는 경우에도, 제1 회로 계통의 경우와 마찬가지로 파일럿압 생성 기구(18)가 상대적으로 높은 파일럿압을 생성하고, 그 높은 압력이 레귤레이터(20)에 작용하여, 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량을 최소로 유지한다. 이때의 높은 파일럿압의 압력 신호는, 제2 압력 센서(21)로부터 제1 컨트롤러(C1)에 입력된다.

제1, 2 압력 센서(11, 21)로부터 제1 컨트롤러(C1)에 상대적으로 높은 압력 신호가 입력되면, 제1 컨트롤러(C1)는, 제1, 2 메인 펌프(MP1, MP2)가 최소 토출량을 유지하고 있는 것이라고 판정하여 틸팅각 제어기(35, 36)를 제어하고, 서브 펌프(SP) 및 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 제로 혹은 최소로 한다.

제1 컨트롤러(C1)가, 제1, 2 메인 펌프(MP1, MP2)의 토출량이 최소인 취지의 신호를 수신한 경우에, 제1 컨트롤러(C1)가 전동 모터(MG)의 회전을 정지해도 되고, 그 회전을 계속하게 해도 된다.

전동 모터(MG)의 회전을 멈추는 경우에는, 소비 전력을 절약할 수 있다고 하는 효과가 있다. 전동 모터(MG)를 계속해서 회전시킨 경우에는, 서브 펌프(SP) 및 어시스트 모터(AM)도 계속해서 회전하므로, 서브 펌프(SP) 및 어시스트 모터(AM)의 기동 시의 쇼크를 적게 할 수 있다고 하는 효과가 있다. 어떻게 하든, 전동 모터(MG)를 멈출지 혹은 계속해서 회전시킬지는, 건설 기계의 용도나 사용 상황에 따라 정하면 된다.

상기한 상황에서 제1 회로 계통 및 제2 회로 계통 중 어느 하나의 조작 밸브를 전환하면, 그 조작량에 따라 중립 유로(6 혹은 16)를 흐르는 유량이 적어지고, 그에 따라 파일럿압 생성 기구(8 혹은 18)에서 생성되는 파일럿압이 낮아진다. 파일럿압이 낮아지면, 그에 따라 제1 메인 펌프(MP1) 혹은 제2 메인 펌프(MP2)는, 그 틸팅각을 크게 하여 토출량을 증대시킨다.

제1 메인 펌프(MP1) 혹은 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량을 증대하는 경우에는, 제1 컨트롤러(C1)는, 전동 모터(MG)를 항상 회전시킨 상태로 유지한다. 즉, 제1, 2 메인 펌프(MP1, MP2)의 토출량이 최소일 때에 전동 모터(MG)를 정지한 경우에는, 제1 컨트롤러(C1)는, 파일럿압이 낮아진 것을 검지하여, 전동 모터(MG)를 재기동시킨다.

제1 컨트롤러(C1)는, 제1, 2 압력 센서(11, 21)의 압력 신호에 따라, 제1, 2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)의 개방도를 제어하고, 서브 펌프(SP)의 토출량을 비례 배분하여, 제1, 2 회로 계통에 공급한다.

본 실시 형태에 따르면, 2개의 제1, 2 압력 센서(11, 21)의 압력 신호만으로, 제1 컨트롤러(C1)가, 서브 펌프(SP)의 틸팅각 및 제1, 2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)의 개방도를 제어할 수 있으므로, 압력 센서의 수를 적게 할 수 있다.

한편, 제1 회로 계통에 접속한 선회 모터(RM)를 구동하기 위해, 조작 밸브(1)를 좌우 중 어느 한쪽, 예를 들어 도면 우측 위치로 전환하면, 한쪽의 통로(26)가 제1 메인 펌프(MP1)에 연통되고, 다른 쪽의 통로(27)가 탱크(T)에 연통되어, 선회 모터(RM)를 회전시킨다. 이때의 선회압은 브레이크 밸브(28)의 설정압으로 유지된다. 조작 밸브(1)를 도면 좌측 방향으로 전환하면, 다른 쪽의 통로(27)가 제1 메인 펌프(MP1)에 연통되고, 한쪽의 통로(26)가 탱크(T)에 연통되어, 선회 모터(RM)를 회전시킨다. 이때의 선회압도 브레이크 밸브(29)의 설정압으로 유지된다.

선회 모터(RM)가 선회하고 있는 중에 선회 모터용의 조작 밸브(1)를 중립 위치로 전환하면, 통로(26, 27) 사이에서 폐쇄 회로가 구성되고, 브레이크 밸브(28 혹은 29)가 폐쇄 회로의 브레이크압을 유지하여, 관성 에너지를 열 에너지로 변환한다.

압력 센서(47)는 선회압 혹은 브레이크압을 검출하고, 압력 신호를 제1 컨트롤러(C1)에 입력한다. 제1 컨트롤러(C1)는, 선회 모터(RM)의 선회 혹은 브레이크 동작에 영향을 미치지 않는 범위 내이며, 브레이크 밸브(28, 29)의 설정압보다도 낮은 압력을 검출한 경우에는, 전자기 전환 밸브(46)를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 전환한다. 전자기 전환 밸브(46)가 개방 위치로 전환하면, 선회 모터(RM)로 유도된 압력 유체는, 합류 통로(43)에 흘러, 안전 밸브(48) 및 접속용 통로(42)를 경유하여 어시스트 모터(AM)에 공급된다.

제1 컨트롤러(C1)는, 압력 센서(47)로부터의 압력 신호에 따라, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 제어한다. 그것은 다음과 같다.

통로(26 혹은 27)의 압력은, 선회 동작 혹은 브레이크 동작에 필요한 압력으로 유지되어 있지 않으면, 선회 모터(RM)를 선회시키거나, 혹은 제동을 걸거나 할 수 없게 된다.

따라서, 통로(26 혹은 27)의 압력을, 상기 선회압 혹은 브레이크압으로 유지하기 위해, 제1 컨트롤러(C1)는 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 제어하면서, 선회 모터(RM)의 부하를 제어한다. 즉, 제1 컨트롤러(C1)는, 압력 센서(47)에서 검출되는 압력이 선회 모터(RM)의 선회압 혹은 브레이크압과 대략 동등해지도록, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 제어한다.

어시스트 모터(AM)가 회전력을 얻으면, 그 회전력은, 동축 회전하는 전동 모터(MG)에 작용한다. 어시스트 모터(AM)의 회전력은, 전동 모터(MG)에 대한 어시스트력으로서 작용한다. 따라서, 어시스트 모터(AM)의 회전력의 분만큼, 전동 모터(MG)의 소비 전력을 적게 할 수 있다.

어시스트 모터(AM)의 회전력으로 서브 펌프(SP)의 회전력을 어시스트할 수도 있다. 이 경우에는, 어시스트 모터(AM)와 서브 펌프(SP)가 더불어 압력 변환 기능을 발휘한다.

즉, 접속용 통로(42)에 유입되는 유체압은 펌프 토출압보다도 반드시 낮다. 이 낮은 압력을 이용하여, 서브 펌프(SP)에 높은 토출압을 유지시키기 위해, 어시스트 모터(AM) 및 서브 펌프(SP)에 의해 증압 기능을 발휘시킨다.

즉, 어시스트 모터(AM)의 출력은, 1회전당 배출 용적 Q1과 그때의 압력 P1의 곱으로 결정된다. 서브 펌프(SP)의 출력은 1회전당 배출 용적 Q2와 토출압 P2의 곱으로 결정된다.

그리고 본 실시 형태에서는, 어시스트 모터(AM)와 서브 펌프(SP)가 동축 회전하므로, Q1×P1＝Q2×P2가 성립하지 않으면 안 된다. 따라서, 예를 들어, 어시스트 모터(AM)의 배출 용적 Q1을 서브 펌프(SP)의 배출 용적 Q2의 3배, 즉 Q1＝3Q2로 하였다고 하면, 상기 등식이 3Q2×P1＝Q2×P2로 된다. 이 식으로부터 양변을 Q2로 나누면, 3P1＝P2가 성립한다.

따라서, 서브 펌프(SP)의 틸팅각을 바꾸어 배출 용적 Q2를 제어하면, 어시스트 모터(AM)의 출력으로, 서브 펌프(SP)에 소정의 토출압을 유지할 수 있다. 바꾸어 말하면, 선회 모터(RM)로부터의 유체압을 증압하여 서브 펌프(SP)로부터 토출할 수 있다.

단, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각은, 통로(26, 27)의 압력을 선회압 혹은 브레이크압으로 유지하도록 제어된다. 따라서, 선회 모터(RM)로부터의 유체를 이용하는 경우에는, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각은 필연적으로 정해진다. 이와 같이 어시스트 모터(AM)의 틸팅각이 결정된 가운데, 압력 변환 기능을 발휘시키기 위해서는, 서브 펌프(SP)의 틸팅각을 제어한다.

접속용 통로(42, 43) 계통의 압력이 어떠한 원인으로, 선회압 혹은 브레이크압보다도 낮아진 경우에는, 압력 센서(47)로부터의 압력 신호에 기초하여 제1 컨트롤러(C1)는, 전자기 전환 밸브(46)를 폐쇄하여, 선회 모터(RM)에 영향을 미치지 않도록 한다.

접속용 통로(42)에 유체의 누설이 발생한 경우에는, 안전 밸브(48)가 기능하여 통로(26, 27)의 압력이 필요 이상으로 낮아지지 않도록 하여, 선회 모터(RM)의 폭주를 방지한다.

다음으로, 붐 1속용의 조작 밸브(14) 및 그것에 연동하여 제1 회로 계통의 붐 2속용의 조작 밸브(3)를 전환하여, 붐 실린더(BC)를 제어하는 경우에 대해 설명한다.

붐 실린더(BC)를 작동시키기 위해, 붐 1속용의 조작 밸브(14) 및 그것에 연동하는 조작 밸브(3)를 전환하면, 센서(14a)에 의해, 조작 밸브(14)의 조작 방향과 그 조작량이 검출되고, 그 조작 신호가 제1 컨트롤러(C1)에 입력된다.

센서(14a)의 조작 신호에 따라, 제1 컨트롤러(C1)는, 작업자가 붐 실린더(BC)를 상승시키려고 하고 있는 것인지, 혹은 하강시키려고 하고 있는 것인지를 판정한다. 붐 실린더(BC)를 상승시키기 위한 신호가 제1 컨트롤러(C1)에 입력되면, 제1 컨트롤러(C1)는 비례 전자기 밸브(34)를 노멀 상태로 유지한다. 바꾸어 말하면, 비례 전자기 밸브(34)를 완전 개방 위치로 유지한다. 이때에는, 서브 펌프(SP)로부터 소정의 토출량이 확보되도록, 제1 컨트롤러(C1)는, 전자기 개폐 밸브(50)를 도시한 폐쇄 위치로 유지하고, 전동 모터(MG)의 회전수나 서브 펌프(SP)의 틸팅각을 제어한다.

한편, 붐 실린더(BC)를 하강시키는 신호가 센서(14a)로부터 제1 컨트롤러(C1)에 입력되면, 제1 컨트롤러(C1)는, 조작 밸브(14)의 조작량에 따라, 작업자가 요구하고 있는 붐 실린더(BC)의 하강 속도를 연산하고, 비례 전자기 밸브(34)를 폐쇄하여, 전자기 개폐 밸브(50)를 개방 위치로 전환한다.

비례 전자기 밸브(34)를 폐쇄하여 전자기 개폐 밸브(50)를 개방 위치로 전환하면, 붐 실린더(BC)의 복귀 유체의 전량이 어시스트 모터(AM)에 공급된다. 어시스트 모터(AM)에서 소비하는 유량이, 작업자가 요구한 하강 속도를 유지하기 위해 필요한 유량보다도 적으면, 붐 실린더(BC)는 작업자가 요구한 하강 속도를 유지할 수 없다. 이 경우에는, 제1 컨트롤러(C1)는, 조작 밸브(14)의 조작량, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각이나 전동 모터(MG)의 회전수 등을 기초로 하여, 어시스트 모터(AM)가 소비하는 유량 이상의 유량을 탱크(T)로 복귀시키도록 비례 전자기 밸브(34)의 개방도를 제어하고, 작업자가 요구하는 붐 실린더(BC)의 하강 속도를 유지한다.

어시스트 모터(AM)에 유체가 공급되면, 어시스트 모터(AM)가 회전한다. 어시스트 모터(AM)의 회전력은, 동축 회전하는 전동 모터(MG)에 작용하고, 전동 모터(MG)에 대한 어시스트력으로서 작용한다. 따라서, 어시스트 모터(AM)의 회전력의 분만큼, 소비 전력을 적게 할 수 있다.

한편, 전동 모터(MG)에 대하여 전력을 공급하지 않고, 어시스트 모터(AM)의 회전력만으로, 서브 펌프(SP)를 회전시킬 수도 있다. 이 경우에는, 어시스트 모터(AM) 및 서브 펌프(SP)가, 상기한 것과 마찬가지로 하여 압력 변환 기능을 발휘한다.

다음으로, 선회 모터(RM)의 선회 작동과 붐 실린더(BC)의 하강 작동을 동시에 행하는 경우에 대해 설명한다.

선회 모터(RM)를 선회시키면서, 붐 실린더(BC)를 하강시키는 경우에는, 선회 모터(RM)로부터의 유체와, 붐 실린더(BC)로부터의 복귀 유체가, 접속용 통로(42)에서 합류하여 어시스트 모터(AM)에 공급된다.

접속용 통로(42)의 압력이 상승하면, 그에 따라 합류 통로(43)측의 압력도 상승하지만, 그 압력이 선회 모터(RM)의 선회압 혹은 브레이크압보다도 높아졌다고 해도, 체크 밸브(44, 45)가 있으므로, 선회 모터(RM)에는 영향을 미치지 않는다.

접속용 통로(42)측의 압력이 선회압 혹은 브레이크압보다도 낮아지면, 제1 컨트롤러(C1)는, 압력 센서(47)로부터의 압력 신호에 기초하여 전자기 전환 밸브(46)를 폐쇄한다.

따라서, 선회 모터(RM)의 선회 동작과 붐 실린더(BC)의 하강 동작을 동시에 행하는 경우에는, 선회압 혹은 브레이크압에 관계없이, 붐 실린더(BC)의 필요 하강 속도를 기준으로 하여 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 정하면 된다.

어떻게 하든, 어시스트 모터(AM)의 출력으로, 서브 펌프(SP)의 출력을 어시스트하고, 서브 펌프(SP)로부터 토출된 유량을, 제1, 2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)에 비례 배분하여, 제1, 2 회로 계통에 공급할 수 있다.

한편, 어시스트 모터(AM)를 구동원으로 하여 전동 모터(MG)를 발전기로서 사용하는 경우에는, 서브 펌프(SP)의 틸팅각을 제로로 하여 대략 무부하 상태로 하고, 어시스트 모터(AM)에는, 전동 모터(MG)를 회전시키기 위해 필요한 출력을 유지해 두면, 어시스트 모터(AM)의 출력을 이용하여, 전동 모터(MG)에 발전 기능을 발휘할 수 있다.

제1 실시 형태에서는, 엔진(E)의 출력을 이용하여 올터네이터(22)에서 발전하거나, 어시스트 모터(AM)를 이용하여 전동 모터(MG)에 발전시키거나 할 수 있다. 그리고 발전한 전력을 고전압 배터리(24)에 축전하지만, 고전압 배터리(24)에 대해서는, 가정용의 전원(25)을 이용하여 배터리(24)에 축전할 수 있으므로, 전동 모터(MG)의 전력을 다방면에 걸쳐 조달할 수 있다.

조작 밸브의 솔레노이드, 그 솔레노이드를 제어하는 전기 계통, 혹은 제1, 2 컨트롤러(C1, C2) 등에 전력을 공급하는 저전압 배터리(23)는, 올터네이터(22)에서 발전한 전력으로 충전된다. 이때, 충전 장치(S)는 다음과 같이 기능한다.

즉, 도 3에 도시하는 바와 같이, 올터네이터(22)의 전력은, 다이오드(51)를 통해 저전압 배터리(23)에 우선적으로 충전된다(스텝 S1).

제2 컨트롤러(C2)는 저전압 배터리(23)의 전압 V1이 임계값보다도 큰지의 여부를 감시하고 있다. 전압 V1이 임계값 이하이면, 제2 컨트롤러(C2)는 스위치(52)를 오프의 상태로 유지한다(스텝 S2, S3). 즉, 충전 장치(S)는 저전압 배터리(23)로의 충전을 우선시킨다.

한편, 저전압 배터리(23)의 전압 V1이 임계값을 초과하고 있으면, 제2 컨트롤러(C2)는 제1 컨트롤러(C1)로부터 고전압 배터리(24)로의 충전 허가 신호가 입력되고 있는지의 여부를 판정한다(스텝 S4). 제1 컨트롤러(C1)는, 고전압 배터리(24)의 축전 용량을 상시 감시하고, 축전량 전압 신호를 출력한다.

제2 컨트롤러(C2)에 충전 허가 신호가 입력되어 있으면, 제1 컨트롤러(C1)는, 고전압 배터리(24)의 축전량 전압 신호를 제2 컨트롤러(C2)에 입력한다(스텝 S5). 제2 컨트롤러는, 고전압 배터리(24)의 축전량 전압이 기준값보다도 큰지의 여부를 판정한다.

그 결과, 고전압 배터리(24)의 축전량 전압이 기준값 이상이면, 제2 컨트롤러(C2)는 스위치(52)를 오프로 한다(스텝 S6, S3).

그리고 고전압 배터리(24)의 축전량 전압이 기준값보다도 낮으면, 제2 컨트롤러(C2)는 스위치(52)를 온으로 하고(스텝 S6, S7), 올터네이터(22)에서 발전된 전력을, 고전압 변환 회로(53)에서 승압하여 고전압 배터리(24)에 충전한다.

따라서, 제2 컨트롤러(C2)는, 저전압 배터리(23)의 전압 V1이 임계값을 초과하고 있고, 제1 컨트롤러(C1)로부터 고전압 배터리(24)로의 충전 허가 신호가 입력되고, 또한, 고전압 배터리(24)의 축전량 전압이 기준값보다도 하회하고 있다고 하는 조건을 만족하고 있는 경우에, 스위치(52)를 온으로 하여 고전압 배터리(24)를 충전한다.

도 4에 도시한 제2 실시 형태는, 제1 실시 형태의 다이오드(51) 대신에, 올터네이터(22) 및 저전압 배터리(23)를 접속하는 회로와, 올터네이터(22) 및 고전압 배터리(24)를 접속하는 회로를, 하나의 스위치 기구(54)로 온·오프하도록 하였다. 통상은 올터네이터(22)는 저전압 배터리(23)에 접속되어 있다.

스위치 기구(54)의 고전압 배터리의 온·오프는, 제2 컨트롤러(C2)가 제어한다. 그 제어 조건은 제1 실시 형태와 동일하다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적으로 한정하는 취지는 아니다.

본원은 2010년 2월 08일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2010-25810호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

본 발명은, 하이브리드 건설 기계에 이용할 수 있다.

Claims (3)

1. 펌프를 회전시키기 위한 엔진과, 상기 엔진의 구동력에 의해 회전하는 발전기와, 상기 발전기로부터의 전력을 충전하기 위한 저전압 배터리와, 상기 발전기에 대하여 상기 저전압 배터리와 병렬로 접속되어, 상기 발전기로부터의 전력을 충전하기 위한 고전압 배터리를 갖는 건설 기계의 충전 장치이며,
   상기 발전기로부터의 전력을 상기 저전압 배터리에 공급하고 상기 고전압 배터리에는 공급하지 않는 상태와, 상기 발전기로부터의 전력을 상기 고전압 배터리에 공급하는 상태의 전환을 행하는 전환 회로와,
   상기 전환 회로와 상기 고전압 배터리 사이에 설치되어, 저전압을 고전압으로 변환하는 고전압 변환 회로와,
   상기 저전압 배터리의 축전 용량이 임계값을 초과하고 있는지의 여부를 판정하고, 상기 임계값 이하인 경우에는, 상기 저전압 배터리에 상기 발전기의 전력을 공급하고 상기 고전압 배터리에는 공급하지 않기 위한 신호를 상기 전환 회로에 출력하고, 상기 임계값보다도 큰 경우에는, 상기 고전압 배터리에 충전시키기 위한 신호를 상기 전환 회로에 출력하는 컨트롤러를 구비하고,
   상기 임계값은 상기 저전압 배터리가 풀 충전된 값인, 충전 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
   상기 저전압 배터리의 축전 용량을 감시하고,
   상기 저전압 배터리의 축전 용량이 상기 임계값을 초과하고 있는지의 여부를 판정하고,
   상기 고전압 배터리의 축전 용량이 기준값을 하회하고 있는지의 여부를 판정하고,
   상기 저전압 배터리의 축전 용량이 상기 임계값을 초과하고 있다고 판정하고, 또한 상기 고전압 배터리의 축전 용량이 상기 기준값을 하회하고 있다고 판정한 경우에, 상기 전환 회로에 신호를 출력하여 그것을 전환 동작시켜, 상기 발전기로부터의 전력을, 상기 고전압 변환 회로를 통해 상기 고전압 배터리에 충전시키는, 충전 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 전환 회로는,
   상기 발전기와 상기 저전압 배터리 사이에 설치되고, 또한 상기 발전기로부터 상기 저전압 배터리로의 전류의 흐름만을 허용하는 다이오드와,
   상기 다이오드의 상류측과 상기 고전압 변환 회로 사이에 설치된 스위치를 구비하는, 충전 장치.
   

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