KR101853147B1

KR101853147B1 - 하이브리드식 건설 기계

Info

Publication number: KR101853147B1
Application number: KR1020127030242A
Authority: KR
Inventors: 다케노리 히로키; 마나부 에다무라; 도시히코 이시다; 마나부 스기우라; 히데토시 사타케; 고우지 이시카와; 다카토시 오오키; 신지 니시카와
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2018-04-27
Also published as: JP2011241653A; EP2573281A1; JP5204150B2; EP2573281A4; CN102906346A; US20130058750A1; CN102906346B; US9290908B2; KR20130103326A; EP2573281B1; WO2011145585A1

Abstract

선회체의 구동에 전동 모터를 사용한 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 어떠한 이유에서 전동 모터의 토크를 발생할 수 없는 사태가 발생한 경우에서도, 만족한 작업을 행할 수 있는 하이브리드식 건설 기계를 제공한다. 선회체의 구동용으로서, 유압 모터(27)와 전동 모터(25) 양쪽을 구비하고, 유압 모터와 전동 모터의 복합 선회 모드와, 유압 모터 단독 선회 모드의 전환을 행하는 컨트롤러(80)를 설치한다. 이때, 양쪽 모드에 있어서 충분한 조작성과 성능이 실현되도록 한다. 보통은, 유압 전동 복합 선회 모드에서 에너지 절약 운전을 행한다. 축전량이 소정의 범위를 벗어났을 때, 혹은 인버터 고장 그 외의 전기계의 이상이 발생한 때는, 유압 단독 선회 모드로 전환하고, 유압 모터 단독에 의해 정상의 제동 토크로 구동할 수 있게 한다.

Description

하이브리드식 건설 기계{HYBRID　CONSTRUCTION　MACHINERY}

본 발명은 하이브리드식 건설 기계에 관한 것으로, 특히, 유압 셔블 등의 선회체를 갖는 하이브리드식 건설 기계에 관한 것이다.

예를 들어 유압 셔블과 같은 건설 기계에 있어서는, 동력원으로서, 가솔린, 경유 등의 연료를 사용하고, 엔진에 의해 유압 펌프를 구동해서 유압을 발생함으로써 유압 모터, 유압 실린더라고 하는 유압 액추에이터를 구동한다. 유압 액추에이터는, 소형 경량으로 대출력이 가능해서, 건설 기계의 액추에이터로서 널리 사용되고 있다.

한편, 최근, 전동 모터 및 축전 디바이스(배터리나 전기 이중층 캐패시터 등)를 사용함으로써, 유압 액추에이터만을 사용한 종래의 건설 기계보다 에너지 효율을 높이고, 에너지 절약화를 도모한 건설 기계가 제안되어 있다(특허 문헌 1).

전동 모터(전동 액추에이터)는 유압 액추에이터에 비해 에너지 효율이 좋고, 제동시의 운동 에너지를 전기 에너지로서 회생할 수 있다(유압 액추에이터의 경우에는 열로서 방출)고 하는, 에너지적으로 우수한 특징이 있다.

예를 들어, 특허 문헌 1에 제시되는 종래 기술에서는, 선회체의 구동 액추에이터로서 전동 모터를 탑재한 유압 셔블의 실시 형태가 제시되어 있다. 유압 셔블의 상부 선회체를 하부 주행체에 대하여 선회 구동하는 액추에이터(종래는 유압 모터를 사용)는, 사용 빈도가 높고, 작업에 있어서 기동 정지, 가속 감속을 빈번히 반복한다.

이때, 감속시(제동시)에 있어서의 선회체의 운동 에너지는, 유압 액추에이터의 경우에는 유압 회로상에서 열로서 버려지지만, 전동 모터의 경우에는 전기 에너지로서의 회생을 예상할 수 있어서, 에너지 절약화가 도모된다.

또한, 유압 모터와 전동 모터 양쪽을 탑재하고, 합계 토크에 의해 선회체를 구동하는 건설 기계가 제안 개시되어 있다(특허 문헌 2 및 특허 문헌 3).

특허 문헌 2에서는, 선회체 구동용 유압 모터에 전동 모터가 직결되어, 조작 레버의 조작량에 의해 컨트롤러가 전동 모터에 출력 토크를 지령하는 유압 건설 기계의 에너지 회생 장치가 개시되어 있다. 감속(제동)시에 있어서는, 전동 모터가 선회체의 운동 에너지를 회생하고, 전기 에너지로서 배터리에 축전한다.

특허 문헌 3에서는, 선회 구동용 유압 모터의 인(in)측과 아웃(out)측의 차압을 사용하여, 전동 모터에의 토크 지령값을 산출하고, 유압 모터와 전동 모터와의 출력 토크 배분을 행하는 하이브리드형 건설 기계가 개시되어 있다.

특허 문헌 2 및 3의 종래 기술은, 모두, 선회 구동용 액추에이터로서, 전동 모터와 유압 모터를 병용함으로써, 종래의 유압 액추에이터 구동의 건설 기계에 익숙해진 오퍼레이터도 위화감 없게 조작할 수 있는 동시에, 간단하고 또한 실용화가 용이한 구성으로 에너지 절약화를 도모하고 있다.

일본 특허 제3647319호 공보 일본 특허 제4024120호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-63888호 공보

특허 문헌 1 기재의 하이브리드식 유압 셔블에서는, 감속시(제동시)에 있어서의 선회체의 운동 에너지는, 전동 모터에 의해 전기 에너지로서 회생되기 때문에, 에너지 절약의 관점에서 효과적이다.

그러나, 전동 모터는 유압 모터와는 다른 특성을 가지기 때문에, 건설 기계의 선회체의 구동에 전동 모터를 사용하면, 이하와 같은 문제를 발생한다.

(1) 전동 모터의 속도 피드백 제어 불량 등에 의한 헌팅(특히 저속 영역, 정지 상태).

(2) 유압 모터와의 특성의 차이에 의한 조작상의 위화감.

(3) 모터가 회전하지 않는 상태에서 토크를 연속 출력하는 작업(예를 들어, 밀어 부치기 작업)에 있어서의 모터나 인버터의 과열.

(4) 유압 모터 상당의 출력을 보증하는 전동 모터를 사용하면 외형이 지나치게 커지거나, 혹은 비용이 현저하게 높아진다.

특허 문헌 2 및 3 기재의 하이브리드식 유압 셔블에서는, 유압 모터와 전동 모터 양쪽을 탑재하고, 합계 토크에 의해 선회체를 구동함으로써 상기의 문제를 해결하고, 종래의 유압 액추에이터 구동의 건설 기계에 익숙해진 오퍼레이터도 위화감 없게 조작할 수 있는 동시에, 간단하고 또한 실용화가 용이한 구성으로 에너지 절약화를 도모하고 있다.

그러나, 상술한 특허 문헌 1 내지 3 기재의 선행 기술 어느 것에 있어서도, 선회 구동에 필요한 전체 토크 중, 전동 모터가 일정한 토크를 담당하고 있기 때문에, 인버터, 모터 등의 전기계의 고장, 이상이나, 축전 디바이스의 에너지 부족이나 과충전 상태 등, 어떠한 이유에서 전동 모터의 토크를 발생할 수 없을 경우, 선회체를 구동하기 위한 전체 토크가 부족하여, 정상 시와 같이 기동·정지할 수 없게 된다고 하는 과제가 있다.

예를 들어 선회체의 속도가 높고 운동 에너지가 큰 상태에 있어서 돌연 이상이 일어난 경우에는, 전동 모터가 프리런 상태로 되고, 특허 문헌 1의 선행 기술에서는 정지할 수 없게 되고, 특허 문헌 2 및 3의 선행 기술에서는, 정지 거리, 정지 시간이 정상 상태보다 신장되기 때문에, 안전상 심각한 문제가 된다.

또한, 기계 기동 직후에 있어서는, 기계 정지중, 보관중의 자연 방전 등에 의해 축전 디바이스의 에너지량이 저하할 가능성이 있다. 이 경우, 선회용 전동 모터가 출력 불능하기 때문에, 바로 선회 동작을 개시할 수는 없다. 우선, 축전 디바이스의 축전량이 소정값이 이루어질 때까지 충전을 행할 필요가 있기 때문에, 오퍼레이터는, 작업을 개시하고 싶어도, 충전 완료까지 대기할 필요가 있다.

본 발명의 목적은, 선회체의 구동에 전동 모터를 사용한 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 어떠한 이유에서 전동 모터의 토크를 발생할 수 없는 사태가 발생한 경우에서도, 만족한 작업을 행할 수 있는 하이브리드식 건설 기계를 제공하는 것이다.

본 발명의 하이브리드식 건설 기계는, 선회체의 구동용으로서, 유압 모터와 전동 모터 양쪽을 구비하고, 제어 장치에 의해, 유압 모터와 전동 모터 양쪽을 구동해서 선회체를 구동하는 유압 전동 복합 선회 모드와, 유압 모터만을 구동해서 선회체를 구동하는 유압 단독 선회 모드로의 전환을 행하는 구성으로 한다. 유압 전동 복합 선회 모드와 유압 단독 선회 모드의 전환에서는, 양쪽 모드에 있어서 충분한 조작성과 성능이 실현되도록 한다. 보통은, 유압 전동 복합 선회 모드에서 에너지 절약 운전을 행한다. 축전량이 소정의 범위를 벗어났을 때, 혹은 인버터 고장 그 외의 전기계의 이상이 발생한 때는, 유압 단독 선회 모드로 전환하고, 전동 모터가 프리런 상태로 되어도, 유압 모터 단독에 의해 정상인 제동 토크로 구동할 수 있게 한다.

본 발명에 따르면, 선회체의 구동용으로서, 유압 모터와 전동 모터의 양쪽을 구비하고, 유압 모터와 전동 모터 양쪽의 토크로 선회 구동하는 모드(유압 전동 복합 선회 모드)와, 유압 모터 단독으로 선회 구동하는 모드(유압 단독 선회 모드)의 전환이 가능한 구성으로 함으로써, 유압 전동 복합 선회 모드에 있어서는, 예를 들어, 압박 굴삭 등의 유압 액추에이터 특유의 작업 동작, 유압 액추에이터 특유의 조작감을 실현하는 동시에, 제동(감속)시에는, 전동 모터에 의해 선회체의 운동 에너지를 회생함으로써, 에너지 절약화를 실현할 수 있다. 또한, 회생한 전기 에너지를 축전하기 위한 축전 디바이스의 에너지 잔량이 부족할 경우, 과충전의 경우나, 전동 시스템에 고장, 이상, 경고가 발생했을 경우에 있어서는, 유압 단독 선회 모드로 전환하는 것에 의해, 유압 모터 단독에 의해 정상인 선회 토크로 구동할 수 있고, 작업을 계속할 수 있다. 또한, 시동시에 있어서, 축전 디바이스의 에너지 잔량이 부족해도, 즉시 작업을 개시하는 것이 가능해진다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 어떠한 이유에서 전동 모터의 토크를 발생할 수 없는 사태가 발생한 경우에서도, 만족한 작업을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 시스템 구성 및 제어 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 선회 유압 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유압 펌프의 토크 제어 특성을 도시하는 도면이다.
도 6a는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 선회용 스풀의 미터 인 개구 면적 특성 및 블리드 오프 개구 면적 특성을 도시하는 도면이다.
도 6b는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 선회용 스풀의 미터 아웃 개구 면적 특성을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유압 파일럿 신호(조작 파일럿압)에 대한 선회용 스풀의 미터 인 조리개와 센터 바이패스 컷트 밸브와의 합성 개구 면적 특성을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유압 전동 복합 선회 모드에서의 선회 구동시에 있어서의 유압 파일럿 신호(파일럿압), 미터 인 압력(M/I압), 선회 전동 모터의 어시스트 토크, 상부 선회체의 회전 속도(선회 속도)의 시계열 파형을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유압 파일럿 신호(조작 파일럿압)에 대한 선회용 스풀의 미터 아웃 개구 면적 특성을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유압 전동 복합 선회 모드에서의 선회 제동 정지시에 있어서의 유압 파일럿 신호(파일럿압), 미터 아웃 압력(M/O압), 선회 전동 모터의 어시스트 토크, 상부 선회체의 회전 속도(선회 속도)의 시계열 파형을 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 선회용의 가변 오버로드 릴리프 밸브의 릴리프압 특성을 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 이상 처리 시퀀스(유압 전동 복합 선회 모드로부터 유압 단독 선회 모드로의 전환)를 흐름도로 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 이상 처리 시퀀스(유압 전동 복합 선회 모드로의 복귀)를 흐름도로 도시하는 도면이다.
도 14는 통상의 유압 셔블의 기동 시퀀스를 흐름도로 도시하는 도면이다.
도 15는 캐패시터와 선회 전동 모터를 갖는 종래의 하이브리드식 유압 셔블의 기동 시퀀스를 흐름도로 도시하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 기동 시퀀스를 흐름도로 도시하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 18은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 19는 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 20은 본 발명의 제5 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성도이다.

이하, 건설 기계로서 유압 셔블을 예로 들어서 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 또한, 본 발명은, 선회체를 구비한 건설 기계 전반(작업 기계를 포함한다)에 적용이 가능해서, 본 발명의 적용은 유압 셔블에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 본 발명은 선회체를 구비한 크레인 차 등, 그 밖의 건설 기계에도 적용가능하다.

본 발명의 제1 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 측면도를 도 1에 도시한다.

도 1에 있어서, 하이브리드식 유압 셔블은 하부 주행체(10), 상부 선회체(20) 및 셔블 기구(30)를 구비하고 있다.

하부 주행체(10)는, 한 쌍의 크롤러(11a, 11b) 및 크롤러 프레임(12a, 12b)(도 1에서는 한쪽만을 도시한다), 각 크롤러(11a, 11b)를 독립하여 구동제어하는 한 쌍의 주행용 유압 모터(13, 14) 및 그 감속 기구 등으로 구성되어 있다.

상부 선회체(20)는, 선회 프레임(21)과, 선회 프레임(21)상에 설치된, 원동기로서의 엔진(22)과, 엔진(22)에 의해 구동되는 어시스트 발전 모터(23)(충전장치)와, 선회용 전동 모터(25) 및 선회용 유압 모터(27)와, 어시스트 발전 모터(23) 및 선회용 전동 모터(25)에 접속되는 제1 축전 디바이스(24)와, 선회용 전동 모터(25)와 선회용 유압 모터(27)의 회전을 감속하는 감속 기구(26) 등으로 구성되고, 선회용 전동 모터(25)와 선회용 유압 모터(27)의 구동력이 감속 기구(26)를 통해서 전달되고, 그 구동력에 의해 하부 주행체(10)에 대하여 상부 선회체(20)(선회 프레임(21))를 선회 구동시킨다.

또한, 상부 선회체(20)에는 셔블 기구(프론트 장치)(30)가 탑재되어 있다. 셔블 기구(30)는, 붐(31)과, 붐(31)을 구동하기 위한 붐 실린더(32)와, 붐(31)의 선단부 근방에 회전 가능하게 축지지된 아암(33)과, 아암(33)을 구동하기 위한 아암 실린더(34)와, 아암(33)의 선단에 회전 가능하게 축지지된 버킷(35)과, 버킷(35)을 구동하기 위한 버킷 실린더(36) 등으로 구성되어 있다.

또한, 상부 선회체(20)의 선회 프레임(21)상에는, 상술한 주행용 유압 모터(13, 14), 선회용 유압 모터(27), 붐 실린더(32), 아암 실린더(34), 버킷 실린더(36) 등의 유압 액추에이터를 구동하기 위한 유압 시스템(40)이 탑재되어 있다. 유압 시스템(40)은, 유압을 발생하는 유압원이 되는 유압 펌프(41)(도 2) 및 각 액추에이터를 구동제어하기 위한 컨트롤 밸브(42)(도 2)를 포함하고, 유압 펌프(41)는 엔진(22)에 의해 구동된다.

유압 셔블의 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성을 도 2에 도시한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 엔진(22)의 구동력은 유압 펌프(41)에 전달된다. 컨트롤 밸브(42)는, 선회용의 조작 레버 장치(72)(도 3 참조)로부터의 선회 조작 지령(유압 파일럿 신호)에 따라, 선회용 유압 모터(27)에 공급되는 압유의 유량과 방향을 제어한다. 또 컨트롤 밸브(42)는, 선회 이외의 조작 레버 장치(73)(도 3 참조)로부터의 조작 지령(유압 파일럿 신호)에 따라, 붐 실린더(32), 아암 실린더(34), 버킷 실린더(36) 및 주행용 유압 모터(13, 14)에 공급되는 압유의 유량과 방향을 제어한다.

전동 시스템은, 상술한 어시스트 발전 모터(23), 제1 축전 디바이스(24) 및 선회용 전동 모터(25)와, 파워 컨트롤 유닛(55) 및 메인 콘택터(56) 등으로 구성되어 있다. 파워 컨트롤 유닛(55)은 초퍼(51), 인버터(52, 53), 평활 콘덴서(54) 등을 갖고, 메인 콘택터(56)는 메인 릴레이(57), 돌입 전류 방지 회로(58) 등을 갖고 있다.

제1 축전 디바이스(24)로부터의 직류 전력은 초퍼(51)에 의해 소정의 모선 전압으로 승압되어, 선회 전동 모터(25)를 구동하기 위한 인버터(52), 어시스트 발전 모터(23)를 구동하기 위한 인버터(53)에 입력된다. 평활 콘덴서(54)는, 모선 전압을 안정화시키기 위해서 설치된다. 선회 전동 모터(25)와 선회용 유압 모터(27)의 회전축은 결합되어, 감속 기구(26)를 통해서 상부 선회체(20)를 구동한다. 어시스트 발전 모터(23) 및 선회 전동 모터(25)의 구동 상태(역행하고 있는지 회생하고 있는지)에 의해, 제1 축전 디바이스(24)를 충방전시킨다.

컨트롤러(80)는, 선회 조작 지령 신호나, 압력 신호 및 회전 속도 신호 등(후술)을 사용하여, 컨트롤 밸브(42), 파워 컨트롤 유닛(55)에 대한 제어 지령을 생성하고, 유압 단독 선회 모드, 유압 전동 복합 선회 모드의 전환, 각 모드의 선회 제어, 전동 시스템의 이상 감시, 에너지 매니지먼트 등의 제어를 행한다.

유압 셔블의 시스템 구성 및 제어 블록도를 도 3에 도시한다. 도 3에 도시하는 전동·유압 기기의 시스템 구성은 기본적으로 도 2와 같지만, 본 발명에 의한 선회 제어를 행하는 데도 필요한 디바이스나 제어 수단, 제어 신호 등을 상세하게 도시하고 있다.

유압 셔블은, 엔진(22)을 시동하기 위한 이그니션 키(70)와, 작업중지시에 파일럿압 차단 밸브(76)를 ON으로 해서 유압 시스템의 작동을 불능 상태로 하는 게이트 로크 레버 장치(71)를 구비하고 있다. 또한, 유압 셔블은, 상술한 컨트롤러(80)와, 컨트롤러(80)의 입출력에 관계되는 유압·전기 변환 장치(74a, 74bL, 74bR), 전기·유압 변환 장치(75a, 75b, 75c, 75d) 및 유압 단독 선회 모드 고정 스위치(77)를 구비하고, 이들은 선회 제어 시스템을 구성한다. 유압·전기 변환 장치(74a, 74bL, 74bR)는 각각 예를 들어 압력 센서이며, 전기·유압 변환 장치(75a, 75b, 75c, 75d)는 예를 들어 전자기 비례 감압 밸브이다.

컨트롤러(80)는, 이상 감시·이상 처리 제어 블록(81), 에너지 매니지먼트 제어 블록(82), 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83), 유압 단독 선회 제어 블록(84), 제어 전환 블록(85) 등으로 이루어진다.

본디 시스템에 이상이 없고, 선회 전동 모터(25)가 구동 가능한 상태에서는, 컨트롤러(80)는 유압 전동 복합 선회 모드를 선택한다. 이때 제어 전환 블록(85)은 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)을 선택하고, 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)에 의해 선회 액추에이터 동작이 제어된다. 선회 조작 레버 장치(72)의 입력에 의해 발생되는 유압 파일럿 신호는 유압·전기 변환 장치(74a)에 의해 전기 신호로 변환되어, 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)에 입력된다. 선회 유압 모터(27)의 작동압은 유압·전기 변환 장치(74bL, 74bR)에 의해 전기 신호로 변환되어, 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)에 입력된다. 파워 컨트롤 유닛(55) 내의 전동 모터 구동용의 인버터로부터 출력되는 선회 모터 속도 신호도 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)에 입력된다. 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)은, 선회 조작 레버 장치(72)로부터의 유압 파일럿 신호와, 선회 유압 모터(27)의 작동압 신호 및 선회 모터 속도 신호에 기초해서 소정의 연산을 행해서 선회 전동 모터(25)의 지령 토크를 계산하고, 파워 컨트롤 유닛(55)에 토크 지령(EA)을 출력한다. 동시에, 전동 모터(25)가 출력하는 토크만큼, 유압 펌프(41)의 출력 토크 및 유압 모터(27)의 출력 토크를 감소시키는 토크 감소 지령(EB, EC)을 전기·유압 변환 장치 (75a ,75b)에 출력한다.

한편, 선회 조작 레버 장치(72)의 입력에 의해 발생되는 유압 파일럿 신호는 컨트롤 밸브(42)에도 입력되어, 선회 모터용의 스풀(61)(도 4 참조)을 중립 위치로부터 전환해서 유압 펌프(41)의 토출유를 선회용 유압 모터(27)에 공급하고, 유압 모터(27)도 동시에 구동한다.

전동 모터(25)가 가속시에 소비하는 에너지와 감속시에 회생하는 에너지의 차에 의해, 제1 축전 디바이스(24)의 축전량이 증감하게 된다. 이것을 제어하는 것이 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)이며, 어시스트 발전 모터(23)에 발전 또는 어시스트 지령(ED)을 내는 것에 의해, 제1 축전 디바이스(24)의 축전량을 소정의 범위로 유지하는 제어를 행한다.

전동 모터(25), 제1 축전 디바이스(24), 파워 컨트롤 유닛(55) 등의 전동 시스템에 고장, 이상, 경고 상태가 발생한 경우나, 제1 축전 디바이스(24)의 축전량이 소정의 범위 외에 이루어진 경우에는, 이상 감시·이상 처리 제어 블록(81) 및 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)이 제어 전환 블록(85)을 전환해서 유압 단독 선회 제어 블록(84)을 선택하고, 유압 전동 복합 선회 모드로부터 유압 단독 선회 모드로의 전환을 행한다. 기본적으로 선회의 유압 시스템은, 전동 모터(25)와 협조해서 동작하도록 매칭되어 있으므로, 유압 단독 선회 제어 블록(84)은, 선회 구동 특성 보정 지령(EE)과 선회 파일럿압 보정 지령(EF)을 각각 전기·유압 변환 장치(75c, 75d)로 출력하고, 유압 모터(27)의 구동 토크를 증가시키는 보정과 유압 모터(27)의 제동 토크를 증가시키는 보정을 행함으로써, 전동 모터(25)의 토크가 없어도 선회 조작성이 손상되지 않도록 제어를 행한다.

유압 단독 선회 모드 고정 스위치(77)는, 전동 시스템의 고장시나, 특정한 어태치먼트 장착시 등, 어떠한 이유에서, 유압 단독 선회 모드에 고정하고 싶을 경우에 사용하는 것이며, 고정 스위치(77)가 ON 위치로 조작되면, 전환 제어 블록(85)은 유압 단독 선회 제어 블록(84)을 선택하도록 고정된다.

선회 유압 시스템의 상세를 도 4에 도시한다. 도 3과 같은 요소에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 도 3의 컨트롤 밸브(42)는 액추에이터마다 스풀이라고 불리는 밸프 부품을 구비하고, 조작 레버 장치(72, 73)로부터의 지령(유압 파일럿 신호)에 따라서 대응하는 스풀이 변위함으로써 개구 면적이 변화되고, 각 스풀의 유로를 통과하는 압유의 유량이 변화된다. 도 4에 도시하는 선회 유압 시스템은, 선회용 스풀만을 포함하는 회로 부분을 추출한 것이다.

선회 유압 시스템은, 선회용 유압 모터(27)의 최대 출력 토크가 제1 토크가 되는 제1 모드와, 선회용 유압 모터(27)의 최대 출력 토크가 제1 토크보다 큰 제2 토크가 되는 제2 모드로 변경가능하다. 이하에 그 상세를 설명한다.

도 4에 있어서, 선회 유압 시스템은, 전술한 유압 펌프(41) 및 선회용 유압 모터(27)와, 선회용 스풀(61)과, 선회용의 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)와, 선회 보조 밸브로서의 센터 바이패스 컷트 밸브(63)를 구비하고 있다.

유압 펌프(41)는 가변 용량 펌프이며, 토크 제어부(64a)를 구비한 레귤레이터(64)를 구비하고, 레귤레이터(64)를 동작시킴으로써 유압 펌프(41)의 틸팅각이 바뀌어서 유압 펌프(41)의 용량이 바뀌고, 유압 펌프(41)의 토출 유량과 출력 토크가 바뀐다. 도 3의 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)으로부터 전기·유압 변환 장치(75a)로 토크 감소 지령(EB)이 출력되면, 전기·유압 변환 장치(75a)는 대응하는 제어 압력을 레귤레이터(64)의 토크 제어부(64a)에 출력하고, 토크 제어부(64a)는, 전동 모터(25)가 출력하는 토크만큼, 유압 펌프(41)의 최대 출력 토크가 감소하도록 토크 제어부(64a)의 설정을 변경한다.

유압 펌프(41)의 토크 제어 특성을 도 5에 도시한다. 횡축은 유압 펌프(41)의 토출 압력, 종축은 유압 펌프(41)의 용량을 도시한다. 실선(PT, PTS)의 특성은 유압 펌프(41)가 출력할 수 있는 최대 토크를 도시한다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되고, 전기·유압 변환 장치(75a)로 토크 감소 지령(EB)이 출력되어 있을 때는, 전기·유압 변환 장치(75a)는 제어 압력을 발생하고, 이때 제어부(64a)의 설정은, 실선(PTS)보다 최대 출력 토크가 감소한 실선(PT)의 특성에 있다(제1 모드). 유압 단독 선회 모드가 선택되고, 전기·유압 변환 장치(75a)로 토크 감소 지령(EB)이 출력되지 않고 있을 때는, 토크 제어부(64a)의 설정은 실선(PTS)의 특성으로 변화되어(제2 모드), 유압 펌프(41)의 최대 출력 토크는, 사선으로 도시하는 면적만큼 증가한다.

도 4로 돌아가, 선회용 스풀(61)은 A, B, C의 3 위치를 갖고, 조작 레버 장치(72)로부터의 선회 조작 지령(유압 파일럿 신호)을 받아서 중립 위치(B)로부터 A 위치 또는 C 위치로 연속적으로 바뀐다.

조작 레버 장치(72)는 파일럿 유압원(29)으로부터의 압력을 레버 조작량에 따라서 감압하는 감압 밸브를 내장하고, 레버 조작량에 따른 압력(유압 파일럿 신호)을 선회용 스풀(61)의 좌우 어느 하나의 압력실에 부여한다.

선회용 스풀(61)이 중립 위치(B)에 있을 때는, 유압 펌프(41)로부터 토출되는 압유는 블리드 오프 조리개를 통과하고, 또한 센터 바이패스 컷트 밸브(63)를 통과해서 탱크로 복귀된다. 선회용 스풀(61)이 레버 조작량에 따른 압력(유압 파일럿 신호)을 받아서 A 위치로 바뀌면, 유압 펌프(41)로부터의 압유는 A 위치의 미터 인 조리개를 통과해서 선회용 유압 모터(27)의 우측으로 보내지고, 선회용 유압 모터(27)로부터의 복귀 오일은 A 위치의 미터 아웃 조리개를 통과해서 탱크로 복귀되고, 선회용 유압 모터(27)는 1 방향으로 회전한다. 반대로, 선회용 스풀(61)이 레버 조작량에 따른 압력(유압 파일럿 신호)을 받아서 C 위치로 바뀌면, 유압 펌프(41)로부터의 압유는 C 위치의 미터 인 조리개를 통과해서 선회용 유압 모터(27)의 좌측으로 보내지고, 선회용 유압 모터(27)로부터의 복귀 오일은 C 위치의 미터 아웃 조리개를 통과해서 탱크로 복귀되고, 선회용 유압 모터(27)는 A 위치의 경우와는 역방향으로 회전한다.

선회용 스풀(61)이 B 위치와 A 위치의 중간에 위치하고 있을 때는, 유압 펌프(41)로부터의 압유는 블리드 오프 조리개와 미터 인 조리개로 분배된다. 이때, 미터 인 조리개의 입구측에는 블리드 오프 조리개의 개구 면적과 센터 바이패스 컷트 밸브(63)의 개구 면적에 따른 압력이 생기고, 그 압력으로 선회용 유압 모터(27)에 압유가 공급되고, 그 압력(블리드 오프 조리개의 개구 면적)에 따른 작동 토크가 주어진다. 또한, 선회용 유압 모터(27)로부터의 배출 오일은 그때의 미터 아웃 조리개의 개구 면적에 따른 저항을 받아서 배압이 생기고, 미터 아웃 조리개의 개구 면적에 따른 제동 토크가 발생한다. B 위치와 C 위치의 중간에 있어서도 같다.

조작 레버 장치(72)의 조작 레버를 중립 위치로 복귀시키고, 선회용 스풀(61)을 중립 위치(B)로 복귀시켰을 때, 상부 선회체(20)는 관성체이기 때문에, 선회용 유압 모터(27)는 그 관성으로 회전을 계속하려고 한다. 이때, 선회용 유압 모터(27)로부터의 배출 오일의 압력(배압)이 선회용의 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)의 설정 압력을 초과하려고 할 때는, 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)가 작동해서 압유의 일부를 탱크로 물러나게 함으로써 배압의 상승을 제한하고, 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)의 설정 압력에 따른 제동 토크를 발생한다.

도 6a는, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 선회용 스풀(61)의 미터 인 개구 면적 특성 및 블리드 오프 개구 면적 특성을 도시하는 도면이며, 도 6b는 동 미터 아웃 개구 면적 특성을 도시하는 도면이다.

도 6a에 있어서, 실선(MI)이 미터 인 개구 면적 특성이며, 실선(MB)이 블리드 오프 개구 면적 특성이며, 모두 본 실시 형태의 것이다. 2점 쇄선(MB0)은, 전동 모터를 사용하지 않는, 종래의 유압 셔블에 있어서 양호한 조작성을 확보할 수 있는 블리드 오프 개구 면적 특성이다. 본 실시 형태의 블리드 오프 개구 면적 특성(MB)은, 제어 영역 개시점 및 종점은 종래의 것과 동일하지만, 중간 영역에서는 종래의 것에 비해 자유롭게 개방되도록(큰 개구 면적이 되도록) 설계되어 있다.

도 6b에 있어서, 실선(MO)이 본 실시 형태의 미터 아웃 개구 면적 특성이며, 2점 쇄선(MO0)이 전동 모터를 사용하지 않는, 종래의 유압 셔블에 있어서 양호한 조작성을 확보할 수 있는 미터 아웃 개구 면적 특성이다. 본 실시 형태의 미터 아웃 개구 면적 특성(MO)은, 제어 영역 개시점 및 종점은 종래의 것과 동일하지만, 중간 영역에서는 종래의 것에 비해 자유롭게 개방되도록(큰 개구 면적이 되도록) 설계되어 있다.

도 7은, 유압 파일럿 신호(조작 파일럿압)에 대한 선회용 스풀(61)의 미터 인 조리개와 센터 바이패스 컷트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성을 도시하는 도면이다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되어 있을 때는, 선회 구동 특성 보정 지령(EE)은 출력되지 않기 때문에, 센터 바이패스 컷트 밸브(63)는 도시의 개방 위치에 있어, 선회용 스풀(61)의 미터 인 조리개와 센터 바이패스 컷트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성은, 도 6a의 블리드 오프 개구 면적 특성(MB)에 의해서만 결정되는 점선(MBC)의 특성이 된다(제1 모드).

유압 단독 선회 모드가 선택되었을 때는, 전술한 바와 같이 전기·유압 변환 장치(75c)에 선회 구동 특성 보정 지령(EE)이 출력되고, 전기·유압 변환 장치(75c)는 대응하는 제어 압력을 센터 바이패스 컷트 밸브(63)의 수압부로 출력하고, 센터 바이패스 컷트 밸브(63)는 도면 우측의 좁은 위치로 절환된다. 이 센터 바이패스 컷트 밸브(63)의 전환에 의해, 선회용 스풀(61)의 유압 파일럿 신호에 대한 선회용 스풀(61)의 미터 인 조리개와 센터 바이패스 컷트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성은 점선(MBC)의 특성보다 합성 개구 면적이 작은 실선(MBS)의 특성으로 변경된다(제2 모드). 이 실선(MBS)의 합성 개구 면적 특성은 종래의 유압 셔블에 있어서 양호한 조작성을 확보할 수 있는 도 6a에 도시하는 블리드 오프 개구 면적 특성(MB0)과 동등하다.

도 8은, 유압 전동 복합 선회 모드에서의 선회 구동시에 있어서의 유압 파일럿 신호(파일럿압), 미터 인 압력(M/I압), 선회 전동 모터(25)의 어시스트 토크, 상부 선회체(20)의 회전 속도(선회 속도)의 시계열 파형을 도시하는 도면이다. 파일럿압 0, 선회 정지 상태로부터 시간 T=T1 내지 T4에서 파일럿압 최대까지 램프 형상으로 유압 파일럿 신호를 증가시켰을 경우의 예이다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되어 있을 때는, 도 7의 점선(MBC)으로 도시한 바와 같이 선회용 스풀(61)의 미터 인 조리개와 센터 바이패스 컷트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성은 도 6a의 블리드 오프 개구 면적 특성(MB)에 의해서만 정해지는 특성이 되기 때문에, 종래에 비해 블리드 오프 조리개의 개구 면적이 큰만큼, 본 실시 형태 쪽이 미터 인 압력(M/I)은 낮아진다. 미터 인 압력은 선회 유압 모터(27)의 작동 토크(가속 토크)에 상당하므로, 미터 인 압력이 낮아진 만큼만 가속 토크를 전동 모터(25)에 의해 부여할 필요가 있다. 도 8에서는 역행측의 어시스트 토크를 정(正)이라고 하고 있다. 본 실시 형태에서는, 전동 모터(25)의 어시스트 토크와 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터 인 압력에 유래하는 가속 토크의 합계치가, 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 가속 토크와 거의 동등해지도록 제어한다. 이에 의해 상부 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등한 가속 휠링을 갖는 것이 가능해진다.

한편, 유압 단독 선회 모드가 선택되었을 때는, 선회용 스풀(61)의 미터 인 조리개와 센터 바이패스 컷트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성은, 도 7의 점선(MBC)보다 합성 개구 면적이 작은 실선(MBS)의 특성으로 변경되기 때문에, 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터 인 압력은, 도 8에 도시하는 종래의 유압 셔블에서 얻어지는 실선의 미터 인 압력까지 상승하고, 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터 인 압력에 유래하는 가속 토크가, 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 가속 토크와 거의 동등해지도록 제어된다. 이에 의해 상부 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등한 가속 휠링을 갖는 것이 가능해진다.

또한, 유압 모터(27) 단독으로 선회 가능한 것은, 선회 유압 모터(27)의 최대 출력 토크 쪽이, 선회 전동 모터(25)의 최대 출력 토크보다 크다고 하는 것이다. 이것은, 유압 전동 복합 선회 모드에 있어서, 만일, 전동 모터(25)가 의도하지 않는 움직임을 하였다고 해도 유압 회로가 정상이면, 그 정도 위험한 움직임이 안되는 것을 의미하고, 본 발명은 안전성에 있어서도 유리하다.

도 9는, 유압 파일럿 신호(조작 파일럿압)에 대한 선회용 스풀(61)의 미터 아웃 개구 면적 특성을 도시하는 도면이다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되어 있는 때는, 선회 파일럿압 보정 지령(EF)은 출력되지 않기 때문에, 선회용 스풀(61)의 미터 아웃 개구 면적 특성은 도 6b의 미터 아웃 개구 면적 특성(MO)과 같은 변화를 나타내는 점선(MOC)의 특성이 된다(제1 모드).

유압 단독 선회 모드가 선택되었을 때는, 전술한 바와 같이 도 3의 전기·유압 변환 장치(75d)(도 4의 전기·유압 변환 장치(75dL, 75dR)) 선회 파일럿압 보정 지령(EF)이 출력되고, 전기·유압 변환 장치(75d)는 조작 레버 장치(72)에서 생성된 유압 파일럿 신호(조작 파일럿압)를 감압 보정한다. 이 유압 파일럿 신호의 보정에 의해, 선회용 스풀(61)의 유압 파일럿 신호에 대한 미터 아웃 개구 면적 특성은, 도 9의 점선(MOC)의 특성에 대하여 중간 영역에 있어서의 개구 면적이 감소한 실선(MOS)의 특성으로 변경된다(제2 모드). 이 실선(MOS)의 개구 면적 특성은 종래의 유압 셔블에 있어서 양호한 조작성을 확보할 수 있는 도 6b에 도시하는 미터 아웃 개구 면적 특성(MO0)과 동등하다.

도 10은, 유압 전동 복합 선회 모드에서의 선회 제동 정지시에 있어서의 유압 파일럿 신호(파일럿압), 미터 아웃 압력(M/O압), 선회 전동 모터(25)의 어시스트 토크, 상부 선회체(20)의 회전 속도(선회 속도)의 시계열 파형을 도시하는 도면이다. 파일럿압 최대, 최고 선회 속도로부터 시간 T=T5 내지 T9로 파일럿압 0까지 램프 형상으로 유압 파일럿 신호를 저감시켰을 경우의 예이다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되어 있을 때는, 도 9의 점선(MOC)으로 도시한 바와 같이 선회용 스풀(61)의 유압 파일럿 신호에 대한 미터 아웃 개구 면적 특성은 도 6b의 미터 아웃 개구 면적 특성(MO)과 같은 변화되는 특성으로 되기 때문에, 도 6b에 도시한 바와 같이 종래에 비해 미터 아웃 조리개의 개구 면적이 큰만큼, 본 실시 형태 쪽이 미터 아웃 압력(M/O압)은 낮아진다. 미터 아웃 압력은 브레이크 토크(제동 토크)에 상당하므로, 미터 아웃 압력이 낮아진 만큼만 브레이크 토크를 전동 모터(25)에 의해 부여할 필요가 있다. 도 10에서는 회생측의 어시스트 토크를 부(負)라고 하고 있다. 본 실시 형태에서는, 전동 모터(25)의 어시스트 토크와 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터 아웃 압력에 유래하는 브레이크 토크의 합계치가 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 브레이크 토크와 거의 동등해지도록 제어한다. 이에 의해 상부 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블 동등의 감속 휠링을 갖는 것이 가능해진다.

한편, 유압 단독 선회 모드가 선택되었을 때는, 선회용 스풀(61)의 유압 파일럿 신호에 대한 미터 아웃 개구 면적 특성은, 도 9의 점선(MOC)의 특성에 대하여 중간 영역에 있어서의 개구 면적이 감소한 실선(MOS)의 특성으로 변경되기 때문에, 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터 아웃 압력은, 도 10에 도시하는 종래의 유압 셔블에서 얻어지는 실선의 미터 아웃 압력까지 상승하고, 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터 아웃 압력에 유래하는 브레이크 토크가, 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 브레이크 토크와 거의 동등해지도록 제어되고, 상부 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등의 감속 휠링을 갖는 것이 가능해진다.

도 11은, 선회용의 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 릴리프압 특성을 도시하는 도면이다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되고, 도 3의 전기·유압 변환 장치(75b)(도 4의 전·유압 변환 장치(75bL, 75bR))에서 토크 감소 지령(EC)이 출력되어 있을 때는, 전기·유압 변환 장치(75b)는 제어 압력을 생성하고, 그 제어 압력이 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 설정 압력 감소측에 작용하고, 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 릴리프 특성은 릴리프압이 Pmax1인 실선(SR)의 특성이 된다(제1 모드). 유압 단독 선회 모드가 선택되고, 전기·유압 변환 장치(75b)(도 4의 전기·유압 변환 장치(75bL, 75bR))에서 토크 감소 지령(EC)이 출력되지 않고 있을 때는, 전기·유압 변환 장치(75b)는 제어 압력을 생성하지 않기 때문에, 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 릴리프 특성은, 릴리프압이 Pmax1로부터 Pmax2로 상승한 실선(SRS)의 특성이 되고(제2 모드), 제동 토크는, 릴리프압이 높아진 만큼, 증가한다.

이에 의해 유압 전동 복합 선회 모드가 선택되었을 때는, 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 릴리프압은 Pmax2보다 낮은 Pmax1으로 설정되기 때문에, 조작 레버 장치(72)의 조작 레버를 중립 위치로 복귀시켰을 때에, 선회용 유압 모터(27)로부터의 배출 오일의 압력(배압)은 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 조금 낮은 설정 압력인 Pmax1까지 상승하고, 전동 모터(25)의 어시스트 토크와 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)에 의해 발생하는 배압에 유래하는 브레이크 토크의 합계치가 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 브레이크 토크와 거의 동등해지도록 제어되고, 상부 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블 동등의 감속 휠링을 갖는 것이 가능해진다.

또한, 유압 단독 선회 모드가 선택되었을 때는, 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 릴리프압은 Pmax1보다 높은 Pmax2로 설정되기 때문에, 조작 레버 장치(72)의 조작 레버를 중립 위치에 복귀시켰을 경우에, 선회용 유압 모터(27)로부터의 배출 오일의 압력(배압)은 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 높은 쪽의 설정 압력인 Pmax2까지 상승하고, 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)에 의해 발생하는 배압에 유래하는 브레이크 토크가, 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 브레이크 토크와 거의 동등해지도록 제어되고, 상부 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등의 감속 휠링을 갖는 것이 가능해진다.

도 12에 컨트롤러(80)의 이상 감시·이상 처리 제어 블록(81)에 의한 유압 전동 복합 선회 모드로부터 유압 단독 선회 모드로의 전환 시퀀스를 도시한다.

이상 감시·이상 처리 제어 블록(81)은, 전동 모터(25), 제1 축전 디바이스(24), 파워 컨트롤 유닛(55) 등의 전동 시스템에 고장, 이상, 경고 상태가 발생한 경우에, 그 것을 알리는 신호(이하 에러 신호라고 한다)가 파워 컨트롤 유닛(55)으로부터 통지 되었는지 여부를 판정하고(스텝 S100), 에러 신호가 통지되면, 그것이 긴급 대응을 필요로 하는 에러 신호인지 여부를 또한 판정한다(스텝 S110). 모드 전환 시에는, 유압 시스템의 밸브의 전환 동작 등에 의해 가벼운 쇼크가 발생할 가능성이 있어서, 에러 신호의 내용이 심각하지 않고, 즉시 전환하는 긴급성이 없는 경우에는, 모드 전환 가능한 타이밍인가 아닌가를 판정하고(스텝 S120), 선회체(20)의 동작 및 선회용의 조작 레버 장치(72)의 입력이 행해지지 않는 타이밍, 혹은, 선회체(20) 이외의 장치에 의하여 주행, 프론트의 동작 및 그들의 조작 레버 장치(73)의 입력도 포함시키고, 조작이 완전히 행해지지 않고 있는 아이들링 시 등으로 전환을 행한다(스텝 S130). 인버터의 과전류 이상 등, 시스템을 손상시킬 우려나 중대한 고장이나 재해로 연결될 우려가 있는 이상에 대해서는, 조작 중이어도, 즉시 전동 시스템을 정지시켜, 유압 단독 선회 모드로 전환한다(스텝 S110→S130).

도 13에 컨트롤러(80)의 이상 감시·이상 처리 제어 블록(81)에 의한 유압 단독 선회 모드로부터 유압 전동 복합 선회 모드로의 복귀 시퀀스를 도시한다.

이상 감시·이상 처리 제어 블록(81)은, 도 12의 흐름도에서 도시하는 처리에 의해 유압 단독 선회 모드로 전환했을 경우, 우선, 유압 단독 선회 제어중에 소정의 에러 신호해소 처리를 행한다(스텝 S150). 에러 신호해소 처리에서는, 에러 신호의 발생이 예를 들어 과전압 상태나 과온 상태에 의한 것이었을 경우, 그 상태가 해소될 때까지 대기하는 등의 처리를 행한다. 계속해서, 에러 신호가 해소되었는지 아닌지를 판정하고(스텝 S160), 에러 신호해소 처리에 의해, 혹은 자연히 에러 신호가 해소된 경우에는, 또한 모드 전환 가능한 타이밍인지 아닌지를 판정하고(스텝 S170), 선회 동작 및 조작이 행해지지 않는 타이밍, 혹은, 프론트도 포함하여 조작이 완전히 행해지지 않은 아이들링 시 등에 유압 전동 복합 선회 모드로의 전환(복귀 동작)을 행한다(스텝 S180).

본 발명에 의한 전환 가능한 2개의 선회 모드를 갖는 유압 셔블이 특히 유효한 것은 기계의 기동시이다. 통상의(유압 선회 모터만을 갖는다) 유압 셔블의 기동 시퀀스를 도 14에 도시한다. 이그니션 키를 온으로부터 스타트 위치로 하고, 엔진, 유압 펌프를 기동시켜, 게이트 로크 레버를 해제하면 즉시 선회를 포함하는 전 유압 액추에이터가 동작가능한 상태로 된다.

선회 구동에 전동 모터와 유압 모터를 사용하고, 축전 디바이스에 캐패시터를 사용한 종래의 하이브리드식 유압 셔블의 기동 시퀀스를 도 15에 도시한다. 도면 중, 점선내가 컨트롤러의 처리이다. 종래의 하이브리드식 유압 셔블의 경우, 엔진, 유압 펌프를 기동해도, 캐패시터에 충분한 축전량이 없을 경우, 즉시 선회 동작을 행할 수는 없다. 캐패시터는 용량이 작고, 몇 일간, 기계를 동작시키지 않으면 자연 방전에 의해 선회 구동을 행하는 데도 필요한 축전량을 확보할 수 없게 될 가능성이 있다. 그로 인해, 기계기동시에, 우선 초기 충전이 필요해지고(스텝 S200 내지 S240), 충전이 완료할 때까지 오퍼레이터는 대기할 필요가 발생한다.

본 발명의 하이브리드식 유압 셔블의 기동 시퀀스를 도 16에 도시한다. 도면 중, 점선내가 컨트롤러(80)의 에너지 매니지먼트 제어부(82)의 처리이다. 본 발명의 하이브리드식 유압 셔블에 있어서는, 전기적으로 어떤 상태이어도, 에너지 매니지먼트 제어부(82)는 초기 설정으로서 유압 단독 선회 제어 블록(84)을 선택함으로써 유압 단독 선회 모드로 설정한다(스텝 S300). 이에 의해 오퍼레이터가 게이트 로크 레버 장치(71)를 로크 위치로부터 로크 해제 위치로 조작해서 파일럿압 차단 밸브(76)를 OFF로 함으로써, 유압 셔블은 즉시 동작가능한 상태로 된다. 오퍼레이터가 유압 셔블을 조작하고, 작업을 행하고 있는 사이에, 에너지 매니지먼트 제어부(82)는 백그라운드에서 충전이나 방전 제어 등을 행하고(스텝 S310 내지 S350), 선회 전동 모터가 구동 가능한 상태로 된 후에, 모드 전환 가능한 타이밍인 것을 확인해서(스텝 S360) 유압 전동 복합 선회 모드로 전환한다(스텝 S370).

에너지 매니지먼트 제어부(82)에 의한 충전·방전 제어는 다음과 같이 행한다. 우선, 파워 컨트롤 유닛(55)을 기동하고(스텝 S310), 인버터(52, 53) 및 평활 콘덴서(54)의 초기 충전 처리와 메인 콘택터(56)의 접속 처리를 행한다(스텝 S320). 계속해서, 제1 축전 디바이스(24)가 규정 전압에 있는지 여부를 판정하고(스텝 S330), 캐패시터(34)가 규정 전압 이하이면 어시스트 발전 모터(23)로 발전 지령을 출력해서 캐패시터 충전 제어를 행하고, 규정 전압 이상이면 초퍼(51)를 제어해서 도시하지 않은 그리드 저항을 통해서 캐패시터 방전 제어를 행한다(스텝 S340). 제1 축전 디바이스(24)가 규정 전압이 되면 유압 전동 복합 선회 모드의 준비 완료 상태로 한다(스텝 S350).

이상과 같이 본 실시 형태에 따르면, 선회체(20)의 구동용으로서, 유압 모터(27)와 전동 모터(25) 양쪽을 구비하고, 유압 모터(27)와 전동 모터(25)의 양쪽 토크에서 선회 구동하는 모드(유압 전동 복합 선회 모드)와, 유압 모터(27) 단독으로 선회 구동하는 모드(유압 단독 선회 모드)의 전환가능한 구성으로 함으로써, 유압 전동 복합 선회 모드에 있어서는, 예를 들어, 압박 굴삭 등의 유압 액추에이터 특유의 작업 동작, 유압 액추에이터 특유의 조작감을 실현하는 동시에, 제동(감속) 시에는, 전동 모터(25)에 의해 선회체(20)의 운동 에너지를 회생함으로써, 에너지 절약화를 실현할 수 있다. 또한, 회생한 전기 에너지를 축전하기 위해서 제1 축전 디바이스(24)의 에너지 잔량이 부족할 경우, 과충전의 경우나, 전동 시스템에 고장, 이상, 경고가 발생했을 경우에 있어서는, 유압 단독 선회 모드로 전환하는 것에 의해, 유압 모터(27) 단독에 의해 정상의 선회 토크로 구동할 수 있고, 유압 셔블로서의 작업을 계속할 수 있다. 또한, 시동시에 있어서, 제1 축전 디바이스(24)의 에너지 잔량이 부족해도 즉시 작업을 개시하는 것이 가능해진다.

도 17에 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성을 도시한다. 도 2에 도시한 제1 실시 형태에서는, 엔진(22)의 구동축에 연결된 어시스트 발전 모터(23)를 사용하고 있었지만, 본 실시 형태에서는, 그 구성에 대신하여, 유압 펌프(41)의 토출유에 의해 구동되는 유압 모터(101)와, 이 유압 모터(101)의 구동축에 연결된 발전 기능을 갖는 전동 모터(100)(충전장치)를 사용한 것이다. 또한, 축전 디바이스로서는, 전기 이중층 캐패시터 이외에, 리튬 이온 캐패시터, 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지 등, 모든 축전 디바이스가 사용가능하고, 도 17에 도시하는 실시 형태에서는, 리튬 이온 전지 등의 배터리(103)를 사용하여 구성하고 있다.

도 18에 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성을 도시한다. 본 실시 형태에서는, 제1 축전 디바이스(24)의 초기 충전을 행하기 위해서, 올터네이터(110) 및 전장용 배터리(111)를 포함하는 전장계 배터리 라인으로부터 DC/DC 컨버터(112)를 사용해서 승압하는 구성으로 한 것이다. 단, 이 경우, 제1 축전 디바이스(24)에 잉여 에너지가 발생했을 때에 전장계 배터리 라인에 자유롭게 에너지를 내놓을 수 없기 때문에, 에너지 매니지먼트 제어부(82)는, 선회 동작의 가감속만으로 캐패시터 축전량을 어느 정도 일정화하도록 제어할 필요가 있다.

도 19 및 도 20에 본 발명의 제4 및 제5 실시 형태에 의한 하이브리드식 유압 셔블의 주요 전동·유압 기기의 시스템 구성을 도시한다.

지금까지의 실시 형태에서는, 원동기로서 엔진(22)을 사용한 유압 셔블을 도시했지만, 다른 원동기, 예를 들어, 전동 모터를 사용한 유압 셔블에 본 발명을 적용해도 문제는 없다. 도 19에 도시하는 실시 형태에서는, 상용 교류 전원(121)으로부터의 교류 전력에서 구동되는 전동 모터(120)를 사용한 유압 셔블, 도 20에 도시하는 실시 형태에서는, 제2 축전 디바이스(130)로 구동되는 전동 모터(120)를 사용한 유압 셔블의 시스템 구성도를 도시한다. 도 19에 도시하는 실시 형태에서는, 도 18의 실시 형태와 마찬가지로, 제1 축전 디바이스(24)의 초기 충전을 행하기 위해서, 상용 교류 전원(121)으로부터 AC/DC 컨버터(122)를 사용해서 승압한다.

원동기로서 전동 모터(120)를 사용한 유압 셔블에 대하여 본 발명을 적용할 때에 주의해야 할 것은, 전력 라인이나 파워 컨트롤 유닛을 선회용 전동 모터와 원동기용 전동 모터로 공용하면, 이들의 고장이 일어났을 경우에, 유압 단독 선회 모드에서의 동작조차 할 수 없게 될 가능성이 있다는 것이다.

도 19에 도시하는 실시 형태에서는, 메인 전동 모터(120)를 3상 교류 유도 모터로 해서 상용 전원(121)의 3상 교류에 의해 직접 구동하고, 제1 축전 디바이스(24)에 축전된 에너지를 사용하는 선회용 전동 모터(25)와는 별개의 파워 공급 라인으로 하고 있다. 도 20에 도시하는 실시 형태에서는, 파워 컨트롤 유닛(132, 133)을 메인과 선회로 별도로 하고, 선회 전동 모터(25)나 선회용 파워 컨트롤 유닛(133)에 단락 고장 등의 이상이 발생한 경우에는, 선회 전동부 차단 릴레이(134)에 의해 분리시키는 것에 의해, 유압 단독 선회 모드에서의 동작이 가능하게 구성하고 있다.

이상에 있어서, 본 발명을 유압 셔블에 적용했을 경우의 실시 형태를 설명했지만, 본 발명의 골자는, 선회체의 구동에 대하여, 유압 전동 복합 선회 모드와 유압 단독 선회 모드의 전환을 행할 수 있도록 하는 것이며, 유압 셔블 이외의 선회체를 갖는 건설 기계 전반에 본 발명은 적용가능하다.

10… 하부 주행체
11… 크롤러
12… 크롤러 프레임
13… 좌주행용 압유 모터
14… 우주행용 압유 모터
20… 상부 선회체
21… 선회 프레임
22… 엔진
23… 어시스트 발전 모터(충전 장치)
24… 제1 축전 디바이스
25… 선회 전동 모터
26… 감속 기구
27… 선회 유압 모터
30… 셔블 기구(프론트 장치）
31… 붐
32… 붐 실린더
33… 아암
34… 아암 실린더
35… 버킷
36… 버킷 실린더
40… 유압 시스템
41… 유압 펌프
42… 컨트롤 밸브
43… 유압 배관
51… 초퍼
52… 선회 전동 모터용 인버터
53… 어시스트 발전 모터용 인버터
54… 평활 콘덴서
55… 파워 컨트롤 유닛
56… 메인 콘택터
57… 메인 릴레이
58… 돌입 전류 방지 회로
61… 선회용 스풀
62a，62b… 가변 오버로드 릴리프 밸프
63… 센터 바이패스 컷트 밸브
64… 레귤레이터
64a… 토크 제어부
70… 이그니션 키
71… 게이트 로크 레버
72… 선회용 조작 레버 장치
73… 조작 레버 장치(선회 이외）
74a，74bL，74bR… 유압·전기 변환 장치
75a，75b，75ｃ，75d… 전기·유압 변환 장치
76… 파일럿압 신호 차단 밸브
77… 유압 단독 선회 모드 고정 스위치
80… 컨트롤러(제어 장치）
81… 이상 감시·이상 처리 제어 블록
82… 에너지 매니지먼트 제어 블록
83… 유압 전동 복합 선회 제어 블록
84… 유압 단독 제어 블록
85… 제어 전환 블록
100… 전동 모터(충전 장치）
101… 유압 모터
103… 배터리
110… 올터네이터
111… 전장계용 배터리
112… DC/DC 컨버터
120… 메인 전동 모터
121… 상용 전원
122… AC/DC 컨버터
130… 제2 축전 디바이스
131… 파워 컨트롤 유닛
132… 메인 전동 모터용 파워 컨트롤 유닛
133… 선회 전동 모터용 파워 컨트롤 유닛
134… 선회 전동부 차단 릴레이

Claims

원동기(22)와,
상기 원동기에 의해 구동되는 유압 펌프(41)와,
선회체(20)와,
상기 선회체 구동용의 선회 전동 모터(25)와,
상기 유압 펌프에 의해 구동되는 상기 선회체 구동용의 유압 모터(27)와,
상기 전동 모터에 접속된 제1 축전 디바이스(24)와,
상기 선회체의 구동을 지령하는 선회용의 조작 레버 장치(72)와,
상기 선회용의 조작 레버 장치가 조작되었을 때에 상기 전동 모터와 상기 유압 모터의 양쪽을 구동하고, 상기 전동 모터와 상기 유압 모터의 토크의 합계로 상기 선회체의 구동을 행하는 유압 전동 복합 선회 모드와, 상기 선회용의 조작 레버 장치가 조작되었을 때에 상기 유압 모터만을 구동하고, 상기 유압 모터만의 토크로 상기 선회체의 구동을 행하는 유압 단독 선회 모드의 전환을 행하는 제어 장치(80)를 구비하며,
상기 유압 모터(27)는 단독으로 상기 선회체(20)를 구동하는 것이 가능한 최대 토크를 출력가능하고, 상기 선회 전동 모터(25)의 최대 토크가 상기 유압 모터의 최대 토크보다 낮은 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 통상 운전 상태에서는, 상기 유압 전동 복합 선회 모드에서 상기 선회체(20)를 구동하고, 상기 선회 전동 모터(25), 상기 제1 축전 디바이스(24)를 포함하는 상기 전동 모터를 구동하기 위한 전동 시스템에 어떠한 고장, 이상, 경고 상태가 발생했을 때에, 상기 유압 전동 복합 선회 모드로부터 상기 유압 단독 선회 모드로 자동적으로 전환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제2항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 고장, 이상, 경고가 해소되었을 때, 상기 유압 단독 선회 모드로부터 상기 유압 전동 복합 선회 모드로 자동적으로 전환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 상기 제1 축전 디바이스(24)의 축전량이 소정 범위 내에 있을 때는, 상기 유압 전동 복합 선회 모드에서 상기 선회체(20)를 구동하고, 상기 제1 축전 디바이스의 축전량이 소정 범위 외로 되었을 때에, 상기 유압 전동 복합 선회 모드로부터 상기 유압 단독 선회 모드로 자동적으로 전환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 상기 유압 전동 복합 선회 모드와 상기 유압 단독 선회 모드의 전환을, 상기 선회체(20)의 동작이 행해지지 않는 상태에 한정해서 행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 상기 유압 전동 복합 선회 모드와 상기 유압 단독 선회 모드의 전환을, 상기 선회체(20)의 동작 및 상기 선회용의 조작 레버 장치(72)의 조작이 행해지지 않는 상태에 한정해서 행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 상기 유압 전동 복합 선회 모드와 상기 유압 단독 선회 모드의 전환을, 상기 선회체(20)의 동작 및 상기 선회용의 조작 레버 장치(72)의 입력, 상기 선회체 이외의 장치(10, 30)의 동작 및 상기 선회체 이외의 장치용의 조작 장치(73)의 입력이 모두 행해지지 않는 상태에 한정해서 행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 건설 기계의 기동 직후에 상기 제1 축전 디바이스(24)의 축전량이, 상기 유압 전동 복합 선회 모드에서 동작하는 데 필요한 소정의 축전량보다 낮을 경우에 있어서, 충전 장치(23)로부터 상기 제1 축전 디바이스로의 충전을 행하는 동시에, 이 충전 처리중에 상기 선회용의 조작 레버 장치(72)가 조작된 경우에는, 상기 유압 단독 선회 모드에서의 선회 동작을 행하고, 상기 제1 축전 디바이스가 소정의 축전량에 도달한 후, 상기 유압 전동 복합 선회 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 건설 기계의 기동 직후에 상기 제1 축전 디바이스(24)의 축전량이, 상기 유압 전동 복합 선회 모드에서 동작하는 데 필요한 소정의 축전량보다 높을 경우에 있어서, 상기 제1 축전 디바이스로부터의 방전을 행하는 동시에, 이 방전 처리중에 상기 선회용의 조작 레버 장치(72)가 조작된 경우에는, 상기 유압 단독 선회 모드에서의 선회 동작을 행하고, 상기 제1 축전 디바이스가 소정의 축전량에 도달한 후, 상기 유압 전동 복합 선회 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 원동기가 메인 전동 모터(120)이며, 그 전원이 상용 교류 전원(121)인 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 원동기가 메인 전동 모터(120)이며, 그 전원이 제2 축전 디바이스(130)인 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 제1 축전 디바이스(24)와 상기 선회 전동 모터(25) 사이의 전력의 수수를 제어하는 전력 제어부(55)와,
상기 유압 펌프(41)로부터 상기 유압 모터(27)에 공급되는 압유의 흐름 및 상기 유압 모터로부터 탱크로 복귀되는 압유의 흐름을 제어하는 선회용 스풀(61)을 포함하는 선회 유압 시스템을 더 구비하고,
상기 선회 유압 시스템은, 상기 유압 모터의 최대 출력 토크가 제1 토크가 되는 제1 모드와, 상기 유압 모터의 최대 출력 토크가 상기 제1 토크보다 큰 제2 토크가 되는 제2 모드로 변경가능하고,
상기 제어 장치(80)는, 상기 선회 유압 시스템을 상기 제1 모드로 전환하고 또한 상기 선회용의 조작 레버 장치(72)가 조작되었을 때에 상기 전력 제어부(55)에 토크 지령을 출력해서 상기 전동 모터를 구동하는 유압 전동 복합 선회 제어부(83)와, 상기 선회 유압 시스템을 상기 제2 모드로 전환하고 또한 상기 전력 제어부(55)에의 토크 지령의 출력을 정지하는 유압 단독 선회 제어부(84)를 갖고, 상기 유압 전동 복합 선회 제어부와 상기 유압 단독 선회 제어부의 한쪽을 선택함으로써 상기 유압 전동 복합 선회 모드와 상기 유압 단독 선회 모드의 전환을 행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제13항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 통상 운전 상태에서는 상기 유압 전동 복합 선회 제어부(83)를 선택하고, 상기 선회 전동 모터(25), 상기 제1 축전 디바이스(24), 상기 전력 제어부(55)를 포함하는 전동 시스템에 어떠한 고장, 이상, 경고 상태가 발생했을 때에 상기 유압 단독 선회 제어부(84)를 선택하는 이상 감시 제어부(81)를 더 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
제13항에 있어서,
상기 제어 장치(80)는, 상기 제1 축전 디바이스(24)의 축전량이 소정 범위 내에 있을 때는 상기 유압 전동 복합 선회 제어부(83)를 선택하고, 상기 제1 축전 디바이스의 축전량이 소정 범위 외로 되었을 때에 상기 유압 단독 선회 제어부(84)를 선택하는 에너지 매니지먼트 제어부(82)를 더 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.