KR101824853B1 - 하이브리드 작업 차량 - Google Patents

Abstract

간단한 구성으로 차량 탑재성이 좋고, 또한 효율적으로 동력을 전달하는 것이 가능해지는 하이브리드 작업 차량을 제공한다. 엔진(1)과, 이 엔진으로 구동되는 유압 펌프(4)와, 차량 전방에 배치되어 유압 펌프를 구동원으로 하여 작업을 행하는 작업 장치(5)와, 엔진의 회전력에 의해 발전하는 모터·제너레이터(6)와, 이 모터·제너레이터에 의해 발전된 전력에 의해 차륜을 회전 구동하여 차량을 주행시키는 주행 구동 장치를 갖고, 센터 조인트(15)를 통해 차량을 굴절시키면서 조타하는 하이브리드 작업 차량에 있어서, 주행 구동 장치는, 복수의 전동기(21, 22)와, 이들 복수의 전동기와 연결되고, 차륜에 복수의 전동기로부터의 동력을 전달하는 프로펠러 샤프트(8)를 구비하고, 복수의 전동기는, 센터 조인트를 사이에 두고 전후로 나누어져 배치되는 구성으로 되어 있다.

Description

하이브리드 작업 차량 {HYBRID WORK VEHICLE}

본 발명은, 하이브리드 작업 차량에 관한 것으로, 특히 센터 조인트를 통해 차량을 굴절시키면서 조타하는 아티큘레이트식의 하이브리드 작업 차량에 적합한 것이다.

최근, 환경 문제, 원유 앙등 등의 점에서, 각 공업 제품에 대한 에너지 절약 지향이 강해지고 있다. 지금까지 디젤 엔진에 의한 유압 구동 시스템이 중심이었던 건설 차량, 작업용 차량 등의 분야에 있어서도, 그 경향에 있어, 전동화에 의한 고효율화, 에너지 절약화의 사례가 증가해 오고 있다.

예를 들어, 건설 기계 등에 있어서 차량의 구동 부분을 전동화, 즉 동력원을 전기 모터로 한 경우, 배기 가스의 저감 외에, 엔진의 고효율 구동(하이브리드), 동력 전달 효율의 향상, 회생 전력의 회수 등 많은 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다. 또한, 전술한 건설 차량, 작업용 차량 등의 분야에서는, 포크리프트의 전동화가 가장 진행되어 있고, 배터리의 전력을 사용하여 모터를 구동하는 「배터리 포크리프트」가 타차량에 앞서 실용화되어 있다. 이에 계속하여, 최근에는 유압 셔블, 엔진식 포크리프트 등에 있어서, 디젤 엔진과 전기 모터를 조합한 「하이브리드 차량」이 제품화되기 시작하고 있다.

여기서, 전동화에 의한 환경 대응·에너지 절약화가 진행되는 건설 기계, 작업용 차량 중에서, 하이브리드화한 경우의 효과에 비교적 큰 연비 저감 효과가 예상되는 차량에 휠 로더가 있다. 종래의 휠 로더는, 예를 들어 도 10에 도시한 바와 같이, 주행부(휠 부분)와 프론트의 유압 작업부(리프트／버킷 부분)를 갖고 있고, 엔진(1)의 동력을 토크 컨버터(2) 및 트랜스미션(T／M)(3)에 의해 타이어에 전달하여 주행을 행하면서, 유압 펌프(4)를 구동원으로 하는 프론트부의 유압 작업 장치(5)의 버킷 부분에서 토사 등을 운반하는 작업용 차량이다. 이와 같이, 현재 가장 사용되고 있는 휠 로더는, 동력원으로 엔진만을 사용하고, 주행은 토크 컨버터(2) 및 트랜스미션(T／M)(3), 프론트의 유압 작업부는 유압 펌프(4)에 의해 각각 구동되어 있다.

상기 종래의 휠 로더의 주행 구동 부분을 전동화한 경우, 토크 컨버터(2), 트랜스미션(3) 부분의 전달 효율을 전기에 의한 전달 효율까지 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 휠 로더에서는, 작업 중, 빈번히 발진·정지의 주행 동작을 반복하므로, 상기 주행 구동 부분을 전동화함으로써, 종래는 기계 브레이크의 열손실로서 배출되어 있었던 제동 시의 에너지를 회생 전력으로서 회수, 재이용할 수 있게 된다.

이상과 같이, 현상의 휠 로더의 구동 장치의 일부에 전동화를 실시하여 하이브리드화하면, 일반적으로 연료 소비량을 수10％ 정도는 저감 가능하다고 일컬어지고 있다. 그 하이브리드화의 실현에는 여러 구성이 생각된다. 우선, 일반 자동차를 포함시켜 생각하면, 하이브리드 기종에는 크게 2개의 타입이 있고, 그들은 병렬 하이브리드형과 직렬 하이브리드형으로 크게 구분한다. 이중, 직렬 하이브리드형은 엔진과 모터의 동력 전달 경로가 시리즈로 연결되어 있고, 즉 엔진의 동력으로 발전기를 구동하고, 그 발전 전력에 의해 전동기를 구동하는 형태로 되어 있다. 그에 대해 병렬 하이브리드형은 엔진과 배터리나 대용량 캐패시터의 축전 장치를 병용하고, 엔진의 동력을 직접 기계적으로 전동기의 동력으로 보조하는 형태이다.

여기서, 전동기로 보조하는 엔진 동력의 전달 방식은 각종 방식이 채용되어 있고, 예를 들어 종래의 휠 로더의 주행부와 마찬가지로, 토크 컨버터, 트랜스미션(T／M)을 조합한 방식, 혹은 일반적으로 HST라고 불리는 유압 구동 장치에 의한 방식이 사용되고 있다. 또한, 최근에는 엔진의 동력을 기계적으로 가장 효율적으로 전달할 수 있는 방식으로서 유성 기어와 전동기를 조합하여 전기 변속을 행하는 구성도 제안되어 있다. 이와 같이 하이브리드기에는 각종 시스템 구성이 생각되고, 자동차나 건설 기계에 있어서 하이브리드화를 실시하는 경우에는, 그 작업／동작 내용, 기기 사양 등에 맞추어 최적의 하이브리드 구성을 준비하는 것이 필요하다.

이중, 본 발명에서 대상으로 하고 있는 작업 차량(휠 로더나 덤프 트럭 등)은, 주행에 필요한 동력 외에, 비교적 큰 동력의 비율을 차지하는 프론트의 유압 작업 장치로부터의 요구 동력을 엔진에서 부담하고 있으므로, 전술한 병렬 하이브리드 시스템에서는 전동기에 의한 어시스트 방법이 비교적 복잡해지는 것이 생각되어, 일반 자동차에서는 그다지 보급되어 있지 않은 직렬 하이브리드형의 적용도 효과적이라고 생각된다.

여기서, 휠 로더에 대해 일반적인 직렬 하이브리드 시스템을 적용한 경우의 구성예를 도 11에 도시한다. 도 11에 도시하는 구성예는 휠 로더의 구동부 중, 주행부를 전동화한 하이브리드 구성이고, 엔진(1)의 출력축에 모터／제너레이터(M／G)(6), 그것을 제어하는 인버터(7) 및 주행부의 출력축(프로펠러 샤프트)(8)에 설치된 주행용 전동기(9), 또한 그것을 제어하는 인버터(10)가 탑재된다. 또한, 축전 장치(11)는 DCDC 컨버터(12)를 통해 인버터(7, 10)와 전기적으로 접속되어 있고, 이들 전력 변환기의 사이에서 직류 전력의 수수를 행한다. 특히, 도 11의 예에서는, 축전 장치(11)는 전기 2중층 캐패시터로서 기재하고 있고, DCDC 컨버터(12)에 의해 캐패시터 전압의 승강압 제어를 행하고, 전력의 인버터(7, 10)와의 직류 전력의 전달을 행한다.

도 11에 도시하는 하이브리드 휠 로더에 있어서도, 도 10의 종래 기계와 마찬가지로, 토사 등의 굴삭 작업을 행하는 프론트의 유압 작업 장치(5)에 오일을 공급하는 유압 펌프(4)를 구비하고 있어, 목적에 따른 작업을 실시한다. 그에 대해 차량의 주행은, 주로 엔진(1)의 동력을 바탕으로 모터／제너레이터(M／G)(6)에서 발전한 전력을 이용하고, 주행용 전동기(9)로 차량을 주행 구동한다. 도 10의 종래 기계에서는 토크 컨버터(2)의 손실이 크지만, 도 11에 도시한 바와 같이 이 부분을 전동화함으로써, 동력 전달 효율의 개선이 예상된다. 또한, 주행 시, 축전 장치(11)에서는 차량의 제동 시에 발생하는 회생 전력의 흡수나 엔진(1)에 대한 파워(토크) 어시스트를 행하여, 차량의 소비 에너지 저감에 기여하는 것이 가능해진다.

그러나 휠 로더가 도 11에 도시한 바와 같은 하이브리드 시스템이었던 경우, 이하와 같은 문제점이 생각된다. 여기서, 도 12에 휠 로더에 요구되는 주행 구동 성능의 일례를 나타낸다. 휠 로더는 일반적으로 4륜 휠 주행하면서 토사 등의 운반 작업 및 지산으로 돌입하는 굴삭 작업을 실시하기 위해, 정지, 혹은 초저속 시에 있어서, 큰 구동력을 필요로 하고, 또한 고속측에서는 30 내지 40㎞／h 정도의 차속까지 주행한다. 따라서 도 12에 나타낸 바와 같이, 휠 로더에는, 일반 산업용의 전동기에 요구되는 동작 범위와는 크게 다르고, 넓은 동작 범위의 주행 구동 성능이 요구되는 것이다. 이와 같은 주행 구동 성능을 도 11에 도시한 바와 같은 1개의 주행용 전동기(9)로 주행하는 하이브리드 시스템에서 실현하고자 한 경우, 주행용 전동기(9)만으로 저속의 대 토크와 고속 회전 영역의 양쪽을 구동하게 되므로, 전동기는 요구되는 출력의 대략 배 정도의 용량의 것이 필요해진다. 실제로 요구되는 성능에 대해 배 정도의 용량을 갖는 전동기로 되면, 차량에 탑재하는 것이 매우 곤란해지는 것이 생각된다.

따라서 상기한 과제를 해결하기 위해서는, 주행 구동용의 전동기를 복수로 나누어 탑재하는 것이 유효한 수단으로 된다. 2대의 전동기를 사용한 작업 기계에 관한 기술로서, 예를 들어 특허문헌 1에는, 주행체와 작업기를 구비한 주행 작업 기계에 있어서, 제1 전동 모터와, 제2 전동 모터와, 제1 및 제2 전동 모터의 구동 토크가 입력되고, 제1 및 제2 전동 모터의 구동 토크가 주행체의 구동축과 작업기의 구동축으로 분배되어 전달되는 토크 분배 전달 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 주행 작업 기계가 개시되어 있다. 이에 따르면, 전동 모터를 구동원으로 하여 주행 작업 기계의 주행체, 작업기를 작동시킬 때, 전동 모터의 용량의 총합을 작게 하는 동시에, 전동 모터의 구동력을 각 구동축으로 배분하기 위한 구성, 제어 내용을 간이한 것으로 함으로써, 장치 비용을 저감시키는 동시에, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다고 하는 기재가 있다.

일본 특허 출원 공개 제2006-205777호 공보

그러나 상기 기술에 기재된 주행 작업 기계에서는, 2개의 전동기로 작업용 유압 펌프의 동력과 주행부의 동력을 분배하면서 가동하므로, 기계의 동작 모드에 따라 수시 동력 배분을 반복하도록 제어를 행할 필요가 있어, 그것을 실현하는 제어 내용은 그에 상응하게 복잡한 것으로 된다. 또한, 이 주행 작업 기계가 엔진의 동력에 의해 발전기를 구동하고, 발전된 전력에 의해 전동기를 구동하는 하이브리드기의 경우에는, 종래의 작업기보다도 전달 효율이 낮아질 가능성이 있다.

따라서 본 발명의 목적은, 휠 로더와 같은 4륜의 타이어로 주행을 행하면서 프론트의 유압 작업 장치로 작업을 행하는 휠형의 작업 차량에 있어서, 간단한 구성으로 차량 탑재성이 좋고, 또한 효율적으로 동력을 전달하는 것이 가능해지는 하이브리드 작업 차량을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔진과, 이 엔진으로 구동되는 유압 펌프와, 차량 전방에 배치되어 상기 유압 펌프를 구동원으로 하여 작업을 행하는 작업 장치와, 상기 엔진의 회전력에 의해 발전하는 모터·제너레이터와, 이 모터·제너레이터에 의해 발전된 전력에 의해 차륜을 회전 구동하여 차량을 주행시키는 주행 구동 장치를 갖고, 센터 조인트를 통해 상기 차량을 굴절시키면서 조타하는 하이브리드 작업 차량(예를 들어, 아티큘레이트형의 휠 로더나 덤프 트럭)에 있어서, 상기 주행 구동 장치는, 복수의 전동기와, 이들 복수의 전동기와 연결되고, 상기 차륜에 상기 복수의 전동기로부터의 동력을 전달하는 프로펠러 샤프트를 구비하고, 상기 복수의 전동기는, 상기 센터 조인트를 사이에 두고 전후로 나누어져 배치되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따르면, 작업 차량이 필요로 하는 광범위한 주행 구동 성능을 복수의 전동기로 커버할 수 있으므로, 광범위한 주행 구동 성능을 1개의 전동기로 커버하는 것에 비해, 하나하나의 전동기를 소형화할 수 있어, 차량에의 탑재가 용이해진다. 또한, 본 발명에서는, 복수의 전동기가 센터 조인트를 사이에 두고 전후로 나누어져 배치되므로, 복수의 전동기를 센터 조인트를 사이에 두고 편측에 통합하여 배치하는 경우에 비해, 차량의 중량의 밸런스가 좋아, 전동기를 차량에 탑재하기 위해 설계 변경을 할 필요는 없다. 더 말하면, 본 발명에서는, 종래의 작업 차량의 센터 조인트의 전후의 빈 스페이스에, 복수의 전동기를 나누어 탑재하는 것만으로 되는 것이다. 물론, 본 발명은, 복수의 전동기를 동력원으로서 사용하고 있으므로, 동력원으로 엔진만을 사용하는 종래의 작업 차량에 비해 효율적으로 동력을 전달할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 구성에 있어서, 상기 복수의 전동기는, 저속 영역으로부터 고속 영역에 걸쳐 토크의 출력이 가능한 특성을 갖는 고속형 전동기와, 이 고속형 전동기에 비해 저속 영역에서의 토크는 크지만 고속 영역에서의 토크는 작은 특성을 갖는 저속형 전동기를 포함하고, 상기 저속형 전동기를 상기 센터 조인트의 후방측에 배치하고, 상기 고속형 전동기를 상기 센터 조인트의 전방측에 배치한 것을 특징으로 하고 있다.

상기한 특성을 갖는 고속형 전동기와 저속형 전동기에서는, 일반적으로 저속형 전동기 쪽이 대형이다. 여기서, 차량 전방에 작업 장치를 구비한 작업 차량에서는, 차량의 균형을 취하기 위해 카운터 웨이트가 설치되어 있는 것이 일반적인 바, 본 발명에서는, 고속형 전동기를 센터 조인트의 전방측에 배치하고, 고속형 전동기보다 대형인 저속형 전동기를 후방측에 배치하였으므로, 저속형 전동기의 중량을 카운터 웨이트의 일부로서 이용할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 있어서의 고속형 전동기는, 저속 영역으로부터 고속 영역에 걸쳐 토크의 출력이 가능한 특성을 갖는 것이지만, 바꾸어 말하면, 주로 차량의 고속 주행에 요구되는 주행 구동 성능을 갖는 것이다. 또한, 본 발명에 있어서의 저속형 전동기는, 고속형 전동기에 비해 저속 영역에서의 토크는 크지만 고속 영역에서의 토크는 작은 특성을 갖는 것이지만, 바꾸어 말하면, 주로 작업 장치에 의한 작업 시에 요구되는 주행 구동 성능을 갖는 것이다.

또한, 본 발명은, 상기 구성에 있어서, 상기 주행 구동 장치는, 상기 차량으로부터의 주행 출력 요구값 및 상기 복수의 전동기의 각 효율 테이블에 기초하여, 상기 복수의 전동기의 총합 효율이 최고 효율 근방의 특성으로 되도록 상기 복수의 전동기의 각각의 토크를 결정하는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명에 따르면, 간단한 제어로 가일층 효율적으로 동력을 전달하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명은, 상기 구성에 있어서, 상기 저속형 전동기로서 영구 자석형의 동기 모터가 사용되고, 상기 영구 자석형의 동기 모터의 출력축은, 클러치를 통해 상기 프로펠러 샤프트에 연결되어 있고, 상기 영구 자석형의 동기 모터가 동반 회전 상태로 되는 고속 영역에서는, 상기 클러치가 개방되고, 상기 영구 자석형의 동기 모터의 출력축은, 상기 프로펠러 샤프트로부터 기계적으로 분리되는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명에 따르면, 동반 회전이 회피되어, 고속 주행 시의 낭비되는 손실의 발생을 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 구성에 있어서, 상기 저속형 전동기는, 상기 고속형 전동기에 소정의 기어비로 구성되는 감속기를 조합한 구성으로부터 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명에 따르면, 저속형 전동기를 소형화할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 구성에 있어서, 상기 모터·제너레이터는, 상기 엔진의 전방에 동축상에 배치되고, 상기 센터 조인트의 후방에 배치된 상기 전동기는, 상기 모터·제너레이터의 하방에 배치되는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명에 따르면, 종래의 엔진 구동만에 의한 작업 차량에 있어서의 토크 컨버터 및 트랜스미션이 설치된 스페이스를 그대로 이용하여 모터·제너레이터와 전동기를 배치할 수 있으므로, 이들 장치를 설치하기 위한 설계 변경이 불필요하여, 차량에의 탑재가 가일층 용이해진다.

본 발명에 따르면, 4륜의 타이어로 주행을 행하면서 프론트의 유압 작업 장치로 작업을 행하는 휠 로더나 덤프 트럭 등의 작업 차량에 있어서, 간단한 구성으로 차량 탑재성이 좋고, 또한 효율적으로 동력을 전달하는 것이 가능한 하이브리드 시스템을 탑재한 하이브리드 작업 차량을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 2기의 주행용 전동기를 사용한 휠 로더의 하이브리드 시스템을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 고속형과 저속형의 2기의 주행용 전동기를 사용한 휠 로더의 하이브리드 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 고속형과 저속형의 2기의 주행용 전동기의 N-T 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 하이브리드 휠 로더의 컨트롤러 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 주행용 전동기의 토크를 결정하는 부분의 블록선도를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예인 고속형과 저속형의 2기의 유도기를 주행용 전동기에 사용한 휠 로더의 하이브리드 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예인 고속형과 저속형의 2기의 영구 자석형의 동기 모터를 주행용에 사용한 휠 로더의 하이브리드 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예인 고속형의 유도기와 저속형의 영구 자석형의 동기 모터를 주행용에 사용한 휠 로더의 하이브리드 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예인 2기의 고속형 유도기를 주행용에 사용한 휠 로더의 하이브리드 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 종래부터의 토크 컨버터 방식의 휠 로더 구동 시스템 구성을 도시하는 도면이다.
도 11은 주행 시리즈형의 하이브리드 구동 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 12는 휠 로더의 주행 성능예를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 관한 휠 로더의 측면도이다.

이하, 본 발명에 관한 하이브리드 작업 차량의 일 실시 형태로서, 하이브리드 휠 로더를 예로 들어 설명한다. 우선, 2기의 주행용 전동기(전동기)(21, 22)를 구비한 하이브리드 휠 로더의 구성을 도 1에 도시한다. 도 1에 도시하는 휠 로더는, 직렬 하이브리드형의 휠 로더이고, 엔진(1)을 구동하여 모터·제너레이터(6)에 의해 발전한 전력에 의해 주행용 전동기(21, 22)를 회전시키고, 그 회전에 의해 4개의 차륜(13)을 회전 구동하여 차량을 주행시키는 구성으로 되어 있다. 구체적으로는, 도 1에 도시하는 하이브리드 시스템에서는, 프로펠러 샤프트(8)의 축상, 또는 그 부근에 주행용 전동기(21, 22)를 배치하여 주행 구동 장치가 구성되어 있다. 주행용 전동기(21, 22)가 회전하면, 그 동력은 프로펠러 샤프트(8)에 전달되고, 디퍼렌셜 기어(Dif) 및 기어(G)를 통해 차륜(13)이 회전 구동하는 것이다.

또한, 이 실시예에 관한 휠 로더는, 차량의 중심 부근에서 중절되어 스티어링을 꺾는 아티큘레이트 타입의 차량이고, 프로펠러 샤프트(8)의 중절되는 부분에 센터 조인트(CJ)(15)가 내장되어 있는(도 1) 동시에, 이 센터 조인트(15)보다 전방측의 프론트 프레임(50)과 후방측의 리어 프레임(60)을 갖고 있다(도 13 참조). 그리고 센터 조인트(CJ)(15)를 사이에 두고 전후의 프로펠러 샤프트(8)의 각각에, 주행용 전동기로서 전동기(M1)(21), 전동기(M2)(22)가 배치되어 있다. 예를 들어, 차체의 전방측에 탑재되는 전동기(M1)(21)를 레이아웃에 여유가 있는 프론트 프레임(50)측에 설치하고, 차체의 후방측에 탑재되는 전동기(M2)(22)를 리어 프레임(60)측에 설치하고 있다. 또한, 주행용 전동기(21, 22)를 프로펠러 샤프트(8)의 축상에 배치하는 경우에는, 중공 구조의 주행용 전동기(21, 22)를 사용하고, 그 중공 부분에 프로펠러 샤프트(8)를 삽입함으로써 주행용 전동기와 프로펠러 샤프트를 연결하도록 하면 된다. 주행용 전동기(21, 22)를 프로펠러 샤프트(8)의 축 근방에 배치하는 경우에는, 주행용 전동기(21, 22)의 축과 프로펠러 샤프트(8)를 기어 등에 의해 연결하면 된다.

또한, 엔진(1)을 구동하면 유압 펌프(4)가 작동하고, 이 유압 펌프(4)로부터 압유가 유압 작업 장치(작업 장치)(5)에 공급된다. 유압 작업 장치(5)에 공급된 압유는, 제어 밸브 C／V를 통해 버킷, 리프트, 스티어링에 공급되어 있고, 도시하지 않은 운전실로부터 오퍼레이터가 조작 레버 등을 조작함으로써, 버킷, 리프트, 스티어링은 소정의 동작을 행할 수 있도록 되어 있다.

이와 같이, 도 1에 도시하는 하이브리드 휠 로더는, 2기의 주행용 전동기(21, 22)의 출력축을 기계적으로 접속한 상태에서 차량이 요구하는 동력을 분배하여 구동하므로, 주행용 전동기(21, 22)는 1기의 전동기로 구성할 때에 비해, 용량이 작은 전동기로 구성하는 것이 가능해진다. 결과, 1기의 주행용 전동기로 구성하는 경우에 비해, 리어 프레임(60)측에 설치하는 전동기(M2)(22)의 크기를 작게 구성할 수 있어, 차량에의 탑재성(레이아웃의 자유도)이 향상된다. 여기서, 2기의 주행용 전동기(21, 22)를 동일 사양의 전동기로 한 경우, 2개의 전동기(21, 22)는 도 1에 도시한 바와 같이 프로펠러 샤프트(8)로 기계적으로 접속되어 있으므로, 차량으로부터 요구되는 동력을 1／2분씩 출력하도록 하면 된다.

또한, 상기 2기의 주행용 전동기는, 도 3에 나타낸 바와 같이 각각 구동 특성이 다른 전동기로 구성함으로써 각 주행용 전동기의 용량을 최적으로 구성할 수 있고, 또한 차량이 요구하는 주행 동력에 대해 최고의 전동기 효율로 토크를 내는 것이 가능해진다. 예를 들어, 센터 조인트(15)보다 전방의 주행용 전동기(21)는 도 3의 N-T 특성에 나타낸 바와 같이, 저속 영역에서 큰 토크를 낼 수는 없지만 고속 회전까지 구동 가능한 특성(M1 특성, 도 3 중 실선)을 갖는 고속형 전동기로 하고, 반대로 센터 조인트(15)보다 후방의 주행용 전동기(22)는, 동일하게 도 3의 N-T 특성에 나타낸 바와 같이, 고속 회전까지 토크를 낼 수는 없지만, 저속 영역에서 큰 토크를 내는 것이 가능한 특성(M2 특성, 도 3 중 점선)을 갖는 저속형 전동기를 사용하도록 한다. 이와 같이 한 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이 특성이 다른 각 전동기는 고효율로 구동할 수 있는 동작 영역이 다르므로, 차량에 요구되는 동력 성능의 넓은 범위에서 고효율의 전동기 구동이 가능해진다.

특성이 다른 전동기를 2기 탑재한 하이브리드 휠 로더의 구성예를 도시한 것이 도 2이다. 주행용 전동기(21)는 고속형 전동기이고, 주행용 전동기(22)는 저속형 전동기이다. 또한, 주행용 전동기(21)보다 주행용 전동기(22) 쪽이 대형이지만, 이것을 도시하기 위해, 도 2에 있어서, 주행용 전동기(21)를 도시하는 원보다도 주행용 전동기(22)를 도시하는 원 쪽을 크게 하고 있다.

여기서, 상기 2기의 주행용 전동기로 이루어지는 하이브리드 시스템에서의 각 주행용 전동기의 토크 결정 방법의 일례를 나타낸다. 도 4에 이 하이브리드 휠 로더를 제어하는 컨트롤러의 구성예를 도시한다. 도 4의 컨트롤러는, 주행 구동 장치에 내장되어 있다. 이 컨트롤러에는, 차량 전체의 에너지를 관리하는 하이브리드 제어 장치(25)가 구비되어 있고, 이 하이브리드 제어 장치(25)에 의해 각 컴포넌트에 있어서 어떤 출력으로 구동되는지가 결정된다. 도 4의 각 제어 장치(26 내지 30)는 하이브리드 제어 장치(25)로부터의 출력에 관한 지령값에 따라서, 각 컴포넌트를 제어한다. 이와 같은 컨트롤러의 구성으로 도 2에 도시하는 하이브리드 시스템의 각 주행용 전동기의 토크 결정 방법을 도 5에 도시한다.

도 5에 도시하는 각 주행용 전동기의 토크 결정 방법에서는, 우선 오퍼레이터로부터의 조작 지령에 상당하는 액셀러레이터 신호, 브레이크 신호, 전후진 SW 신호 및 현재의 차량 주행 속도 등을 입력하고, 차량 주행 출력 연산(31)에 있어서, 차량으로부터 요구되는 주행 출력 지령이 연산된다. 또한, 여기서는 연산되는 상태량을 출력(파워)으로 기재하였지만, 이미 차량의 주행 속도(전동기의 회전수)는 일반적으로 검출 가능하므로, 토크의 상태량으로 변환하여 산출해도 된다. 또한, 연산된 주행 출력 지령을 주행용 전동기 토크 연산(32)에 있어서, 각각 주행용 전동기(M1)(21) 및 주행용 전동기(M2)(22)에 요구하는 토크를 연산한다. 이때, 주행용 전동기(M1)(21) 및 주행용 전동기(M2)(22)의 각각의 요구 토크를 합계하면, 전술한 차량이 요구하는 주행 출력 지령에 상당하는 토크값으로 되어 있다.

여기서, 주행용 전동기 토크 연산(32)에서는 내부에 주행용 전동기(M1)(21) 및 주행용 전동기(M2)(22)의 효율 데이터 테이블을 갖고 있고, 그 효율 데이터 테이블에 기초하여, 주행 출력 지령에 대해 최고의 전동기 효율로 되도록 토크의 분배를 결정한다. 그리고 최종적으로 주행용 전동기(M1)(21)용의 인버터 제어 장치(28) 및 주행용 전동기(M2)(22)용의 인버터 제어 장치(29)에 대해 토크 지령으로서 출력할 때는, 리미터(33)에 있어서 하이브리드 시스템 및 차량의 제한 사항에 기초하는 토크 제한 처리를 실시하여, M1 토크 지령, M2 토크 지령으로 한다. 각 M1, M2용 인버터 제어 장치(28, 29)는 상기 M1 토크 지령, M2 토크 지령에 기초하여 주행용 전동기(M1)(21) 및 주행용 전동기(M2)(22)를 구동하고, 차량의 주행 동작을 행한다.

이상과 같이, 본 실시예에서는 특성이 다른 2개의 주행용 전동기(21, 22)를 사용하여, 전동기의 효율이 최고로 되도록 차량 요구에 대해 토크의 배분을 행하므로, 각 주행용 전동기를 최적의 용량으로 할 수 있어, 구동 장치의 소형화 및 고효율화를 실현하는 것이 가능해진다.

또한, 상기한 경우, 특성이 다른 2개의 전동기를 사용하고 있는 점에서, 저속측에서 큰 토크를 내는 전동기가 이미 한쪽의 고속형 전동기에 대해 중량이 커지는 것이 생각된다. 이에 대해 일반 건설 기계 차량에서는, 차량 전방에 설치된 버킷 등의 유압 작업 장치(작업 장치)(5)로 중량물 반송 등의 각종 작업을 실시하는 관계상, 차량 후방에 균형을 취하기 위한 카운터 웨이트가 탑재되어 있다. 따라서 도 2에 도시하는 하이브리드 시스템의 구성에서는, 유압 작업 장치(5)의 반대 방향, 즉 차량의 후방에 중량물로 되는, 저속측에서 큰 토크를 내는 전동기를 탑재하는 것이 바람직하다. 특히 스티어링 조작에 의해 차량을 중절시키는 센터 조인트(15)가 프로펠러 샤프트(8) 상에 있으므로, 이 센터 조인트(15)의 후방에 저속측에서 큰 토크를 내는 주행용 전동기(22)를 탑재하게 된다.

또한, 상기 2기의 주행용 전동기는 특별히 종류를 한정시키는 것은 아니지만, 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이 2기의 주행용 전동기(21a, 22a)를 함께 유도기로 구성하는 것이 가능하다. 이 경우에 있어서도 고속형 유도기(IM1)(21a)는 센터 조인트(15)의 전방, 또한 저속형 유도기(IM2)(22a)는 센터 조인트(15)의 후방에 설치한다. 이때, 주행용 전동기(21a)의 효율 특성은 도 3에 나타내는 M1 특성으로 하고, 주행용 전동기(22a)의 효율 특성은 도 3에 나타내는 M2 특성으로 한다. 가령 도 6에 도시하는 하이브리드 구성으로 고속 주행을 행하는 경우, 저속형 유도기(IM2)(22a)는 동반 회전 동작으로 되지만, 부호 22a는 유도기이므로, 전동기의 여자를 정지함으로써, 손실이 적은 동반 회전 동작으로 하는 것이 가능하다. 이상의 점에서, 하이브리드 휠 로더에 탑재하는 주행용 전동기에 유도기를 사용하면, 제어의 간이성, 고속 주행에서의 손실이 적은 점에서 적합하다고 할 수 있다.

그런데, 일반적으로 유도기는 출력에 대해 비교적 체격이 커지는 점에서, 최근에는 유도기 대신에 영구 자석형의 동기 모터가 사용되는 경향에 있다. 본 실시예에 있어서도 영구 자석형의 동기 모터를 사용하여 하이브리드 시스템을 구성하는 것이 가능하다. 영구 자석형의 동기 모터를 사용한 경우의 하이브리드 구성을 도 7에 도시한다. 이 실시예에 있어서도, 고속형 동기기(SM1)(21b)는 센터 조인트(15)의 전방, 또한 저속형 동기기(SM2)(22b)는 센터 조인트(15)의 후방에 설치한다. 이때, 주행용 전동기(21b)의 효율 특성은 도 3의 M1 특성으로 하고, 주행용 전동기(22b)의 효율 특성은 도 3에 나타내는 M2 특성으로 한다. 이와 같이 주행용 전동기를 영구 자석형의 동기 모터로 한 경우에는, 유도기를 탑재한 경우에 비해 주행용 전동기를 소형으로 하는 것이 가능하다.

그러나 주행용 전동기에 영구 자석형의 동기 모터를 사용한 경우, 전동기가 갖는 영구 자석으로 인해 고속 주행을 행한 경우에는, 영구 자석에 의한 유기 전압의 발생을 억제하기 위해 약한 계자 전류를 흘려보낼 필요가 발생한다. 이에 의해, 고속 주행 동작에서는 동반 회전하는 저속형 동기기(SM2)(22b)로부터 그 분의 손실이 발생하는 것이 생각된다. 이와 같은 여분의 손실을 억제하기 위해서는 도 7에 도시한 바와 같이, 저속형 동기기(22b)와 프로펠러 샤프트(8)의 사이에 클러치(40)를 설치하여, 고속 주행 시의 동반 회전 시에 있어서 클러치(40)의 접속을 개방하도록 한다. 그러면, 저속형 동기기(22b)의 출력축과 프로펠러 샤프트(8)의 접속이 기계적으로 분리된다. 이와 같이 함으로써, 도 7에 도시하는 하이브리드 휠 로더의 구성에 있어서도 고속 주행 시의 낭비되는 손실이 발생하는 일 없이, 동작을 계속할 수 있다.

단, 도 7에 도시하는 클러치(40)는, 주행용 전동기(22b)의 출력축의 전달을 개방하는 것일 뿐이고, 차축 자체는 연결된 상태인 4륜 구동의 구성으로 한다. 또한, 도 6의 하이브리드 구성과 도 7의 하이브리드 구성에서는, 각각 각 구성에 있어서 2기의 주행용 전동기는 각각 동일한 종류를 사용하는 것으로서 기재하였지만, 유도기와 영구 자석형의 동기 모터를 혼재하여 사용해도 상관없다. 전술한 바와 같이, 통상 유도기는 고속 영역에서 손실이 작고, 영구 자석형의 동기 모터는 저속 영역에 있어서 효율적으로 대 토크를 낼 수 있으므로, 차량 전방에 배치하는 고속형은 유도기(IM1)(21a)로, 차량 후방에 배치하는 저속형은 동기기(SM2)(22b)로 구성하는 것이 현실적이다. 이 하이브리드 구성을 도 8에 도시한다.

또한, 그 외의 실시예로서, 2기의 전동기를 동일한 특성의 전동기로 구성하는 실시예를 이하에 서술한다. 이 구성을 도 9에 도시한다. 이 실시예에서는, 고속형 유도기(IM1)(21a, 21b)를 차량 전방부와 함께 차량 후방부에도 배치하는 하이브리드 시스템이다. 이와 같이 2기의 주행용 전동기를 동일한 특성을 갖는 전동기로 하는 경우에는, 도 9에 도시한 바와 같이, 차량 후방부의 고속형 유도기(IM1)(21b)에 대해 감속기(41)를 통해 프로펠러 샤프트(8)의 축에 접속한다. 종래, 고속 영역에서 토크를 발생시킬 수 있는 고속형 유도기(IM1)(21b)지만, 저속 영역에서 큰 토크를 발생시키기 위해 감속기(41)를 사용하여 프로펠러 샤프트(8)에 전해지는 토크를 증대시킨다. 이와 같이 감속기(41)를 사용함으로써, 2기의 주행용 전동기에 동일한 특성을 갖는 전동기를 사용할 수 있다. 이에 의해, 통상 대형으로 되는 경향에 있는 저속형 전동기를 소형화하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시예에서의 각 주행용 전동기의 토크 결정 방법은 전술한 도 5의 제어 구성으로 실현 가능하다. 이 경우, 차량 후방부의 주행용 전동기의 회전수는 감속기(41)의 변속비 분만큼 빨라지므로, 도 5의 주행용 전동기 토크 연산(32)에는 차량 전방부의 주행용 전동기의 회전수와 함께, 차량 후방부의 주행용 전동기의 실회전수도 입력하는 것이 필요하다.

또한, 상기한 실시예에서 서술한 하이브리드 시스템을 구성하는 모터·제너레이터(M／G)(6)는, 종래의 토크 컨버터 구동차의 토크 컨버터(2)의 위치(도 10 참조)에 상당하는 엔진(1)과 동축상에 배치하는 것이 가능하다. 또한, 차량 후방의 주행용 전동기는 그 하부 방향, 즉 토크 컨버터 구동차의 트랜스미션(3)의 위치(도 10 참조)에 탑재하는 것이 가능하고, 하이브리드 시스템에 필요한 전기 컴포넌트를 적정하게 배치하는 것이 가능해진다. 또한, 상기한 실시예의 구성을 하이브리드 덤프 트럭에 적용하는 것도 가능한 것은 말할 필요도 없다.

1 : 엔진
2 : 토크 컨버터
3 : 트랜스미션(T／M)
4 : 유압 펌프
5 : 유압 작업 장치(작업 장치)
6 : 모터·제너레이터(M／G)
7 : 인버터
8 : 프로펠러 샤프트
9 : 주행용 전동기
10 : 인버터
11 : 축전 장치
12 : DCDC 컨버터
13 : 차륜
15 : 센터 조인트(CJ)
21, 21a, 21b : 주행용 전동기(전동기)
22, 22a, 22b : 주행용 전동기(전동기)
25 : 하이브리드 제어 장치
28 : M1용 인버터 제어 장치
29 : M2용 인버터 제어 장치
31 : 차량 주행 출력 연산
32 : 주행용 전동기 토크 연산
33 : 리미터
40 : 클러치
41 : 감속기

Claims (3)

1. 프론트 프레임과 리어 프레임을 갖는 차량과,
   상기 차량에 설치된 엔진과,
   이 엔진으로 구동되는 유압 펌프와,
   상기 차량의 전방에 배치되어 상기 유압 펌프를 구동원으로 하여 작업을 행하는 작업 장치와,
   상기 엔진의 회전력에 의해 발전하는 모터·제너레이터와,
   이 모터· 제네레이터에 의해 발전된 전력을 저장하는 축전 장치와,
   상기 모터·제너레이터에 의해 발전된 전력 또는 상기 축전 장치에 저장된 전력에 의해 차륜을 회전 구동하여 상기 차량을 주행시키는 주행 구동 장치를 갖고, 센터 조인트를 통해 상기 차량을 굴절시키면서 조타하는 하이브리드 작업 차량에 있어서,
   상기 주행 구동 장치는,
   저속 영역으로부터 고속 영역에 걸쳐 토크의 출력이 가능한 특성을 갖는 주행용 전동기로서의 고속형 전동기와,
   이 고속형 전동기에 비해 저속 영역에서의 토크는 크지만 고속 영역에서의 토크는 작은 특성을 갖고, 상기 고속형 전동기보다도 대형인 주행용 전동기로서의 저속형 전동기와,
   상기 고속형 전동기 및 상기 저속형 전동기와 연결되고, 상기 차륜에 상기 고속형 전동기 및 상기 저속형 전동기로부터의 동력을 전달하는 프로펠러 샤프트를 갖고,
   상기 저속형 전동기를 상기 센터 조인트의 후방측이며 상기 리어 프레임측에 배치하고, 상기 고속형 전동기를 상기 센터 조인트의 전방측이며 상기 프론트 프레임측에 배치하고,
   상기 저속형 전동기로서 영구 자석형의 동기 모터가 사용되고, 상기 영구 자석형의 동기 모터의 출력축은, 클러치를 통해 상기 프로펠러 샤프트에 연결되어 있고,
   상기 영구 자석형의 동기 모터가 동반 회전 상태로 되는 고속 영역에서는, 상기 클러치가 개방되고, 상기 영구 자석형의 동기 모터의 출력축은, 상기 프로펠러 샤프트로부터 기계적으로 분리되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 작업 차량.
2. 제1항에 있어서,
   상기 저속형 전동기는, 상기 고속형 전동기에 소정의 기어비로 구성되는 감속기를 조합한 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 작업 차량.
3. 삭제

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