KR101897843B1

KR101897843B1 - 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치

Info

Publication number: KR101897843B1
Application number: KR1020137024375A
Authority: KR
Inventors: 마나부 에다무라; 고우지 이시카와; 마나부 스기우라; 다케노리 히로키; 도시히코 와타나베; 히데토시 사타케
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2018-09-12
Also published as: US8700275B2; WO2012128132A1; US20130311052A1; KR20140038375A; JP2012197625A; EP2690225A1; CN103443363B; JP5509433B2; CN103443363A; EP2690225A4

Abstract

선회용의 조작 레버 장치(72)가 조작되었을 때에 전동 모터(25)와 유압 모터(27)의 토크 합계로 선회체(20)의 구동을 행하는 유압 전동 복합 선회 모드와, 선회용의 조작 레버 장치(72)가 조작되었을 때에 유압 모터(27)만의 토크로 선회체(20)의 구동을 행하는 유압 단독 선회 모드의 전환을 행하는 제어 장치(80)와, 파워 컨트롤 유닛(55) 또는 축전 디바이스(24)가 고장 난 경우, 제거되는 파워 컨트롤 유닛(55) 또는 축전 디바이스(24)의 대체용 컨트롤러로서, 제어 장치(80)와 전동 모터(25)에 접속되어 전동 모터(25)의 온도 또는 누전을 감시하는 감시 컨트롤러를 갖는 보조 제어 장치(88)를 구비하였다.

Description

하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치 {HYBRID CONSTRUCTION MACHINERY AND AUXILIARY CONTROL DEVICE USED THEREIN}

본 발명은 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압 셔블 등의 선회체를 갖는 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치에 관한 것이다.

예를 들어 유압 셔블과 같은 건설 기계에 있어서는, 동력원으로서, 가솔린, 경유 등의 연료를 사용하여, 엔진에 의해 유압 펌프를 구동하여 유압을 발생함으로써 유압 모터, 유압 실린더 등의 유압 작동기를 구동한다. 유압 작동기는, 소형 경량으로 대출력이 가능하며, 건설 기계의 작동기로서 널리 사용되고 있다.

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

전동 모터(전동 작동기)는 유압 작동기에 비해 에너지 효율이 좋은, 제동 시의 운동 에너지를 전기 에너지로서 회생할 수 있는(유압 작동기의 경우에는 열로 하여 방출) 등의, 에너지적으로 우수한 특징이 있다.

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

이때, 감속 시(제동 시)에 있어서의 선회체의 운동 에너지는, 유압 작동기의 경우에는 유압 회로 상에서 열로서 소비되지만, 전동 모터의 경우에는 전기 에너지로서의 회생이 예상되므로, 에너지 절약화가 도모된다.

또한, 유압 모터와 전동 모터를 양쪽에 탑재하고, 합계 토크에 의해 선회체를 구동하는 건설 기계가 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 2 및 특허 문헌 3 참조).

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

특허 문헌 3에서는, 선회 구동용 유압 모터의 입구측과 출구측의 차압을 이용하여, 전동 모터로의 토크 명령값을 산출하고, 유압 모터와 전동 모터의 출력 토크 배분을 행하는 하이브리드형 건설 기계가 개시되어 있다.

특허 문헌 2 및 3의 종래 기술은, 모두 선회 구동용 작동기로서, 전동 모터와 유압 모터를 병용함으로써, 종래의 유압 작동기 구동의 건설 기계에 익숙해진 오퍼레이터에게도 위화감 없이 조작할 수 있는 동시에, 간단하면서도 또한 실용화가 용이한 구성으로 에너지 절약화를 도모하고 있다.

일본 특허 공개 제2001-016704호 공보 일본 특허 공개 제2004-124381호 공보 일본 특허 공개 제2008-63888호 공보

특허 문헌 1에 기재된 하이브리드식 유압 셔블에서는, 감속 시(제동 시)에 있어서의 선회체의 운동 에너지는, 전동 모터에 의해 전기 에너지로서 회생되므로, 에너지 절약의 관점에서 효과적이다.

한편, 전기계의 고장이 발생하면, 전동 모터로의 전력 공급이 끊어져 선회 동작을 일절 할 수 없게 된다고 하는 문제가 있다. 유압 셔블은 가혹한 환경에서 긴세월 사용되므로, 전기계의 치명적인 고장이 일어나, 수리 불가능해진 경우, 그 이상의 기계 사용을 할 수 없게 되어 버린다.

특허 문헌 2 및 3에 기재된 하이브리드식 유압 셔블에서는, 선회 장치에 유압 모터와 전동 모터를 양쪽에 탑재하고 있으므로, 만일 전기계의 고장이 발생해도, 유압 모터 단독으로 어느 정도의 동작을 행할 수 있는 가능성이 있다.

그러나 선회 구동에 필요로 하는 전체 토크 중, 전동 모터가 일정한 토크를 담당하고 있으므로, 인버터, 모터 등의 전기계의 고장, 이상이나 축전 디바이스의에너지 부족이나 과충전 상태 등, 어떠한 이유로 전동 모터의 토크를 발생할 수 없는 경우에는, 선회체를 구동하기 위한 전체 토크가 부족해, 정상 시와 동일하도록 기동·정지할 수 없게 될 가능성이 있다.

또한, 일반적으로 고출력 모터로서 사용되는 영구 자석 동기 모터에서는, 토크를 출력하지 않은 상태에서 로터부가 강제적으로 회전하게 되면, 발전 작용에 의해, 전동 모터 단자부에 유기 전압이 발생한다. 이러한 상태에서 건설 기계를 운전하고 있어, 전동 모터, 인버터, 축전 장치 등의 전동 시스템에 어떠한 고장이 발생한 경우에는, 상술한 유기 전압이 고장 부위에 의해 단락되어, 예상치 못한 단락 전류가 발생할 우려가 있다. 이 결과, 예를 들어 인버터를 구성하는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 등의 소자가 깨지거나, 전동 시스템의 일부가 과열되어 성능을 떨어뜨릴 가능성이 있다.

상술한 이들 특허 문헌에서는, 전기계가 고장났을 때의 구체적인 가동 방법 등에 대해서는, 명확하게 기재되어 있지 않다.

본 발명은 상술한 사항을 기초로 하여 이루어진 것으로, 그 목적은 선회체의 구동에 유압 모터와 전동 모터를 사용한 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 전동 모터, 인버터, 축전 장치 등의 전동 시스템의 고장 등에 의해, 전동 모터의 토크를 발생할 수 없는 사태가 발생된 경우에도 작업을 행할 수 있고, 특히 노후화 등에 의해 전동 시스템이 수복 불가능해도, 계속해서 안전하게 사용 가능한 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 제1 발명은, 원동기와, 상기 원동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 선회체와, 상기 선회체 구동용의 전동 모터와, 상기 전동 모터를 구동하는 파워 컨트롤 유닛과, 상기 유압 펌프에 의해 구동되는 상기 선회체 구동용의 유압 모터와, 상기 전동 모터에 접속된 축전 디바이스와, 상기 선회체의 구동을 명령하는 선회용의 조작 레버 장치를 구비한 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 상기 선회용의 조작 레버 장치가 조작되었을 때에 상기 전동 모터와 상기 유압 모터의 양쪽을 구동하여, 상기 전동 모터와 상기 유압 모터의 토크 합계로 상기 선회체의 구동을 행하는 유압 전동 복합 선회 모드와, 상기 선회용의 조작 레버 장치가 조작되었을 때에 상기 유압 모터만을 구동하여, 상기 유압 모터만의 토크로 상기 선회체의 구동을 행하는 유압 단독 선회 모드의 전환을 행하는 제어 장치와, 상기 파워 컨트롤 유닛 또는 상기 축전 디바이스가 고장 난 경우, 제거되는 상기 파워 컨트롤 유닛 또는 상기 축전 디바이스의 대체용 컨트롤러로서, 상기 제어 장치와 상기 전동 모터에 접속되어 상기 전동 모터의 온도 또는 누전을 감시하는 감시 컨트롤러를 갖는 보조 제어 장치를 구비한 것으로 한다.

또한, 제2 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 보조 제어 장치는 상기 전동 모터의 내부 온도를 검출하는 온도 센서와, 미리 설정한 제한 규정값을 기억하는 기억부와, 상기 온도 센서로부터의 검출값이 미리 설정한 제한 규정값을 초과했을 때에 상기 제어 장치에 이상을 통지하는 연산부를 갖는 감시 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 제3 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 보조 제어 장치는 상기 전동 모터의 출력 전류를 검출하는 전류 센서와, 미리 설정한 제한 규정값을 기억하는 기억부와, 상기 전류 센서로부터의 검출값이 미리 설정한 제한 규정값을 초과했을 때에 상기 제어 장치에 이상을 통지하는 연산부를 갖는 감시 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 제4 발명은, 원동기와, 상기 원동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 선회체와, 상기 선회체 구동용의 전동 모터와, 상기 전동 모터를 구동하는 파워 컨트롤 유닛과, 상기 유압 펌프에 의해 구동되는 상기 선회체 구동용의 유압 모터와, 상기 전동 모터에 접속된 축전 디바이스와, 상기 선회체의 구동을 명령하는 선회용의 조작 레버 장치와, 상기 선회용의 조작 레버 장치가 조작되었을 때에 상기 전동 모터와 상기 유압 모터의 양쪽을 구동하여, 상기 전동 모터와 상기 유압 모터의 토크 합계로 상기 선회체의 구동을 행하는 유압 전동 복합 선회 모드와, 상기 선회용의 조작 레버 장치가 조작되었을 때에 상기 유압 모터만을 구동하여, 상기 유압 모터만의 토크로 상기 선회체의 구동을 행하는 유압 단독 선회 모드의 전환을 행하는 제어 장치를 구비한 하이브리드식 건설 기계의 보조 제어 장치이며, 상기 보조 제어 장치는, 상기 파워 컨트롤 유닛 또는 상기 축전 디바이스가 고장 난 경우, 이들을 제거하고, 그 대신에 상기 제어 장치에 접속되어, 상기 전동 모터의 온도 또는 누전을 감시하는 감시 컨트롤러를 구비한 것으로 한다.

또한, 제5 발명은, 제4 발명에 있어서, 상기 전동 모터의 내부 온도를 검출하는 온도 센서와, 미리 설정한 제한 규정값을 기억하는 기억부와, 상기 온도 센서로부터의 검출값이 미리 설정한 제한 규정값을 초과했을 때에 상기 제어 장치에 이상을 통지하는 연산부를 갖는 감시 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 제6 발명은, 제4 발명에 있어서, 상기 전동 모터의 출력 전류를 검출하는 전류 센서와, 미리 설정한 제한 규정값을 기억하는 기억부와, 상기 전류 센서로부터의 검출값이 미리 설정한 제한 규정값을 초과했을 때에 상기 제어 장치에 이상을 통지하는 연산부를 갖는 감시 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 선회체의 구동에 유압 모터와 전동 모터를 사용한 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 전동 모터, 인버터, 축전 장치 등의 전동 시스템이 고장 나서 전동 모터의 토크를 발생할 수 없는 경우에도, 유압 모터 단독으로 선회체를 구동하여 작업을 행할 수 있다. 또한 노후화에 의해 전동 시스템이 수리 불가능해져도, 전동 시스템에 보조 제어 장치를 대체적으로 부설함으로써, 선회 전동 모터의 누전 또는 온도를 모니터하고, 유압 모터 단독으로 선회체를 구동하여 기계의 가동을 계속할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태를 도시하는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태를 구성하는 전동·유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태의 시스템 구성 및 제어 블록도이다.
도 4는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 선회 유압 시스템의 구성을 나타내는 유압 회로도이다.
도 5는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 유압 펌프의 토크 제어 특성을 도시하는 특성도이다.
도 6은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 선회용 스풀의 미터인 개구 면적 특성 및 블리드 오프 개구 면적 특성을 도시하는 특성도이다.
도 7은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 선회용 스풀의 미터아웃 개구 면적 특성을 도시하는 특성도이다.
도 8은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 유압 파일럿 신호(조작 파일럿압)에 대한 선회용 스풀(61)의 미터인 교축기와 센터 바이패스 커트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성을 도시하는 특성도다.
도 9는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 유압 전동 복합 선회 모드에서의 선회 구동 시에 있어서의 유압 파일럿 신호(파일럿압), 미터인 압력(M/I압), 선회 전동 모터의 어시스트 토크, 선회체의 회전 속도(선회 속도)의 시계열 파형을 도시하는 특성도이다.
도 10은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 유압 파일럿 신호(조작 파일럿압)에 대한 선회용 스풀(61)의 미터아웃 개구 면적 특성을 도시하는 특성도이다.
도 11은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 유압 전동 복합 선회 모드에서의 선회 정지 시에 있어서의 유압 파일럿 신호(파일럿압), 미터아웃 압력(M/O압), 선회 전동 모터의 어시스트 토크, 상부 선회체의 회전 속도(선회 속도)의 시계열 파형을 도시하는 특성도이다.
도 12는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 선회용의 가변 오버로드 릴리프 밸브의 릴리프압 특성을 도시하는 특성도다.
도 13은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 파워 컨트롤 유닛을 감시 컨트롤러로 교환한 후의 시스템 구성 및 제어 블록도이다.
도 14는 도 13에 도시한 감시 컨트롤러에 적용하는 유압 모터의 회전수와 제한 온도의 관계의 일례를 도시하는 특성도이다.

이하, 건설 기계로서 유압 셔블을 예로 들어서 본 발명의 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 본 발명은 선회체를 구비한 건설 기계 전반(작업 기계를 포함함)에 적용이 가능하고, 본 발명의 적용은 유압 셔블에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명은 선회체를 구비한 크레인 차 등, 그 밖의 건설 기계에도 적용 가능하다. 도 1은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태를 도시하는 측면도, 도 2는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태를 구성하는 전동·유압 기기의 시스템 구성도, 도 3은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태의 시스템 구성 및 제어 블록도이다.

도 1에 있어서, 하이브리드식 유압 셔블은 주행체(10)와, 주행체(10) 위에 선회 가능하게 설치한 선회체(20) 및 셔블 기구(30)를 구비하고 있다.

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

선회체(20)는 선회 프레임(21)과, 선회 프레임(21) 위에 설치된, 원동기로서의 엔진(22)과, 엔진(22)에 의해 구동되는 어시스트 발전 모터(23)와, 선회 전동 모터(25) 및 선회 유압 모터(27)와, 어시스트 발전 모터(23) 및 선회 전동 모터(25)에 접속되는 전기 이중층 캐패시터(24)와, 선회 전동 모터(25)와 선회 유압 모터(27)의 회전을 감속하는 감속 기구(26) 등으로 구성되어, 선회 전동 모터(25)와 선회 유압 모터(27)의 구동력이 감속 기구(26)를 통하여 전달되고, 그 구동력에 의해 주행체(10)에 대하여 선회체(20)[선회 프레임(21)]를 선회 구동시킨다.

또한, 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 선단부에 회전 가능하게 축지지된 버킷(35)과, 버킷(35)을 구동하기 위한 버킷 실린더(36) 등으로 구성되어 있다.

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

이어서, 유압 셔블의 전동·유압 기기의 시스템 구성에 대하여 대략 설명한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 엔진(22)의 구동력은 유압 펌프(41)에 전달되고 있다. 컨트롤 밸브(42)는 선회용의 조작 레버 장치(72)(도 3 참조)로부터의 선회 조작 명령(유압 파일럿 신호)에 따라서, 선회 유압 모터(27)에 공급되는 압유의 유량과 방향을 제어한다. 또한, 컨트롤 밸브(42)는 선회 이외의 조작 레버 장치(73)(도 3 참조)로부터의 조작 명령(유압 파일럿 신호)에 따라서, 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), 캐패시터(24) 및 선회 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.

캐패시터(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 위해 설치되어 있다. 선회 전동 모터(25)와 선회 유압 모터(27)의 회전축은 결합되어 있고, 감속 기구(26)를 개재하여 선회체(20)를 구동한다. 어시스트 발전 모터(23) 및 선회 전동 모터(25)의 구동 상태(역행하고 있거나 회생하고 있거나)에 의해, 캐패시터(24)는 충방전되게 된다.

컨트롤러(80)는 선회 조작 명령 신호나, 압력 신호 및 회전 속도 신호 등(후술)을 사용하여, 컨트롤 밸브(42), 파워 컨트롤 유닛(55)에 대한 제어 명령을 생성하고, 선회 유압 모터(27)를 사용하는 유압 단독 선회 모드, 선회 유압 모터(27)와 선회 전동 모터(25)를 사용하는 유압 전동 복합 선회 모드의 전환, 각 모드의 선회 제어, 전동 시스템의 이상 감시, 에너지 매니지먼트 등의 제어를 행한다.

이어서, 본 발명에 의한 선회 제어를 행하는데 필요한 디바이스나 제어 수단, 제어 신호 등을 도 3을 이용하여 더욱 상세하게 설명한다.

유압 셔블은, 엔진(22)을 시동하기 위한 이그니션 키(70)와, 작업 중지 시에 파일럿압 차단 밸브(76)를 온(ON)으로 하여 유압 시스템의 작동을 불가능하게 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 전자 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) 등을 포함하여 이루어진다.

전체 시스템에 이상이 없어, 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 있으며, 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)에 의해 선회 작동기 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 의거하여 소정의 연산을 행하여 선회 전동 모터(25)의 명령 토크를 계산하고, 파워 컨트롤 유닛(55)에 토크 명령 EA를 출력한다. 이 결과, 선회 전동 모터(25)가 구동한다. 동시에, 선회 전동 모터(25)가 출력하는 토크만큼, 유압 펌프(41)의 출력 토크 및 선회 유압 모터(27)의 출력 토크를 감소시키는 감속 토크 명령 EB, EC를 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 입력된다. 이에 의해, 선회용 스풀(61)(도 4 참조)이 중립 위치로부터 A 위치 또는 C 위치로 전환되어 유압 펌프(41)의 토출유가 선회 유압 모터(27)에 공급되어, 선회 유압 모터(27)도 동시에 구동한다.

선회 전동 모터(25)가 가속 시에 소비하는 에너지와 감속 시에 회생하는 에너지의 차에 의해, 캐패시터(24)의 축전량이 증감하게 된다. 이것을 제어하는 것이 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)이며, 상술한 캐패시터(24)의 전압·전류·온도의 검출 신호를 입력하고, 어시스트 발전 모터(23)에 발전 또는 어시스트 명령 ED를 보냄으로써, 캐패시터(24)의 축전량을 소정의 범위로 유지하는 제어를 행한다.

파워 컨트롤 유닛(55), 선회 전동 모터(25), 캐패시터(24) 등의 전동 시스템에 고장, 이상, 경고 상태가 발생한 경우나, 캐패시터(24)의 축전량이 소정의 범위 밖이 된 경우에는, 이상 감시·이상 처리 제어 블록(81) 및 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)이 제어 전환 블록(85)을 전환하여 유압 단독 선회 제어 블록(84)을 선택하고, 유압 전동 복합 선회 모드로부터 유압 단독 선회 모드로의 전환을 행한다. 기본적으로 선회의 유압 시스템은, 선회 전동 모터(25)와 협조하여 동작하도록 매칭되어 있으므로, 유압 단독 선회 제어 블록(84)은 선회 구동 특성 보정 명령 EE와 선회 파일럿압 보정 명령 EF를 각각 전기·유압 변환 장치(75c, 75d)에 출력하고, 선회 유압 모터(27)의 구동 토크를 증가시키는 보정과 선회 유압 모터(27)의 제동 토크를 증가시키는 보정을 행함으로써, 선회 전동 모터(25)의 토크가 없어도 선회 조작성이 손상되지 않는 제어를 행한다.

유압 단독 선회 모드 고정 스위치(77)는 전동 시스템의 고장 시나, 특정한 어태치먼트 장착 시 등, 어떠한 이유로, 유압 단독 선회 모드로 고정하고자 하는 경우에 사용하는 것이며, 고정 스위치(77)가 온 위치로 조작되면, 전환 제어 블록(85)은 유압 단독 선회 제어 블록(84)을 선택하도록 고정된다.

이어서, 선회 유압 시스템의 상세에 대하여 도 4 내지 도 12를 이용하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 선회 유압 시스템의 구성을 나타내는 유압 회로도이다. 도 4에 있어서, 도 1 내지 도 3에 도시하는 부호와 동일 부호의 것은, 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3의 컨트롤 밸브(42)는 작동기마다 스풀이라 불리는 밸브 부품을 구비하고, 조작 레버 장치(72, 73)로부터의 명령(유압 파일럿 신호)에 따라서 대응하는 스풀이 변위됨으로써 개구 면적이 변화되고, 각 유로를 통과하는 압유의 유량이 변화된다. 도 4에 도시하는 선회 유압 시스템은, 선회용 스풀만을 포함하는 것이다.

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

도 4에 있어서, 선회 유압 시스템은, 전술한 유압 펌프(41) 및 선회 유압 모터(27)와, 선회용 스풀(61)과, 선회용의 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)와, 선회 보조 밸브로서의 센터 바이패스 커트 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)에 감속 토크 명령 EB가 출력되면, 전기·유압 변환 장치(75a)는 대응하는 제어 압력을 레귤레이터(64)의 토크 제어부(64a)에 출력하고, 토크 제어부(64a)는 선회 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 나타내고 있다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되어, 전기·유압 변환 장치(75a)에 감속 토크 명령 EB가 출력되고 있을 때는, 전기·유압 변환 장치(75a)는 제어 압력을 발생하고 있으며, 이때 토크 제어부(64a)의 설정은, 실선 PTS보다 최대 출력 토크가 감소된 실선 PT의 특성에 있다(제1 모드). 유압 단독 선회 모드가 선택되어, 전기·유압 변환 장치(75a)에 감속 토크 명령 EB가 출력되고 있지 않을 때는, 토크 제어부(64a)는 실선 PTS의 특성으로 변화되고(제2 모드), 유압 펌프(41)의 최대 출력 토크는 사선으로 나타내는 면적만큼, 증가한다.

도 4로 돌아와, 선회용 스풀(61)은 A, B, C의 3 위치를 가지고, 조작 레버 장치(72)로부터의 선회 조작 명령(유압 파일럿 신호)을 받아서 중립 위치 B로부터 A 위치 또는 C 위치로 연속적으로 전환된다.

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 B에 있을 때는, 유압 펌프(41)로부터 토출되는 압유는 블리드 오프 교축기를 통해, 또한 센터 바이패스 커트 밸브(63)를 통해 탱크로 복귀된다. 선회용 스풀(61)이 레버 조작량에 따른 압력(유압 파일럿 신호)을 받아서 A 위치로 전환되면, 유압 펌프(41)로부터의 압유는 A 위치의 미터인 교축기를 통해 선회 유압 모터(27)의 우측으로 보내지고, 선회 유압 모터(27)로부터의 복귀유는 A 위치의 미터아웃 교축기를 통해 탱크로 복귀되어, 선회 유압 모터(27)는 일방향으로 회전한다. 반대로, 선회용 스풀(61)이 레버 조작량에 따른 압력(유압 파일럿 신호)을 받아서 C 위치로 전환되면, 유압 펌프(41)로부터의 압유는 C 위치의 미터인 교축기를 통해 선회 유압 모터(27)의 좌측으로 보내지고, 선회 유압 모터(27)로부터의 복귀유는 C 위치의 미터아웃 교축기를 통해 탱크로 복귀되어, 선회 유압 모터(27)는 A 위치의 경우와는 반대 방향으로 회전한다.

선회용 스풀(61)이 B 위치와 A 위치의 중간에 위치하고 있을 때는, 유압 펌프(41)로부터의 압유는 블리드 오프 교축기와 미터인 교축기로 분배된다. 이때, 미터인 교축기의 입구측에는 블리드 오프 교축기의 개구 면적과 센터 바이패스 커트 밸브(63)의 개구 면적에 따른 압력이 상승하여, 그 압력으로 선회 유압 모터(27)에 압유가 공급되고, 그 압력[블리드 오프 교축기의 개구 면적]에 따른 작동 토크가 부여된다. 또한, 선회 유압 모터(27)로부터의 배출유는 그때의 미터아웃 교축기의 개구 면적에 따른 저항을 받아서 배압이 상승하여, 미터아웃 교축기의 개구 면적에 따른 제동 토크가 발생한다. B 위치와 C 위치의 중간에 있어서도 마찬가지이다.

조작 레버 장치(72)의 조작 레버를 중립 위치로 복귀시키고, 선회용 스풀(61)을 중립 위치 B로 복귀시켰을 때, 선회체(20)는 관성체이므로, 선회 유압 모터(27)는 그 관성으로 회전을 계속하려고 한다. 이때, 선회 유압 모터(27)로부터의 배출유의 압력(배압)이 선회용의 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)의 설정 압력을 초과하려고 할 때는, 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)가 작동하여 압유의 일부를 탱크로 릴리프시킴으로써 배압의 상승을 제한하고, 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)의 설정 압력에 따른 제동 토크를 발생한다.

도 6은, 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 선회용 스풀(61)의 미터인 개구 면적 특성 및 블리드 오프 개구 면적 특성을 도시하는 특성도이며, 도 7은 상기 미터아웃 개구 면적 특성을 도시하는 특성도이다.

도 6에 있어서, 실선 MI가 미터인 개구 면적 특성이며, 실선 MB가 블리드 오프 개구 면적 특성으로, 모두 본 실시 형태의 것이다. 이점 쇄선 MB0은 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 MB는 제어 영역 개시점 및 종점은 종래의 것과 동일하지만, 중간 영역에서는 종래의 것에 비해 개구가 편리하게(큰 개구 면적이 되도록) 설계되어 있다.

도 7에 있어서, 실선 MO가 본 실시 형태의 미터아웃 개구 면적 특성이며, 이점 쇄선 MO0이 전동 모터를 사용하지 않는, 종래의 유압 셔블에 있어서 양호한 조작성을 확보할 수 있는 미터아웃 개구 면적 특성이다. 본 실시 형태의 미터아웃 개구 면적 특성 MO는, 제어 영역 개시점 및 종점은 종래의 것과 동일하지만, 중간 영역에서는 종래의 것에 비해 개구가 편리하게(큰 개구 면적이 되도록) 설계되어 있다.

도 8은, 유압 파일럿 신호(조작 파일럿압)에 대한 선회용 스풀(61)의 미터인 교축기와 센터 바이패스 커트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성을 도시하는 도면이다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되어 있을 때는, 선회 구동 특성 보정 명령 EE는 출력되고 있지 않으므로, 센터 바이패스 커트 밸브(63)는 도시한 개방 위치에 있고, 선회용 스풀(61)의 미터인 교축기와 센터 바이패스 커트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성은, 도 6의 블리드 오프 개구 면적 특성 MB에만 의해 결정되는 점선 MBC의 특성이 된다(제1 모드).

유압 단독 선회 모드가 선택되었을 때는, 전술한 바와 같이 전기·유압 변환 장치(75c)에 선회 구동 특성 보정 명령 EE가 출력되고, 전기·유압 변환 장치(75c)는 대응하는 제어 압력을 센터 바이패스 커트 밸브(63)의 수압부에 출력하고, 센터 바이패스 커트 밸브(63)는 도시한 우측의 교축기 위치로 전환된다. 이 센터 바이패스 커트 밸브(63)의 전환에 의해, 선회용 스풀(61)의 유압 파일럿 신호에 대한 선회용 스풀(61)의 미터인 교축기와 센터 바이패스 커트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성은 점선 MBC의 특성보다도 합성 개구 면적이 작은 실선 MBS의 특성으로 변경된다(제2 모드). 이 실선 MBS의 합성 개구 면적 특성은 종래의 유압 셔블에 있어서 양호한 조작성을 확보할 수 있는 블리드 오프 개구 면적 특성과 동등하다.

도 9는, 유압 전동 복합 선회 모드에서의 선회 구동 시에 있어서의 유압 파일럿 신호(파일럿압), 미터인 압력(M/I압), 선회 전동 모터(25)의 어시스트 토크, 상부 선회체(20)의 회전 속도(선회 속도)의 시계열 파형을 도시하는 특성도이다. 파일럿압 0, 선회 정지 상태로부터 시간 T=T1 내지 T4에서 파일럿압 최대까지 램프 형상으로 유압 파일럿 신호를 증가시킨 경우의 예이다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되어 있을 때는, 도 8의 점선 MBC로 나타낸 바와 같이 선회용 스풀(61)의 미터인 교축기와 센터 바이패스 커트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성은 도 6의 블리드 오프 개구 면적 특성 MB에만 의해 결정되는 특성이 되므로, 종래에 비해 블리드 오프 교축기의 개구 면적이 큰 만큼, 본 실시 형태의 쪽이 미터인 압력(M/I)은 낮아진다. 미터인 압력은 선회 유압 모터(27)의 작동 토크(가속 토크)에 상당하므로, 미터인 압력이 낮아진 만큼만 가속 토크를 선회 전동 모터(25)에 의해 부여할 필요가 있다. 도 8에서는 역행측의 어시스트 토크를 플러스로 하고 있다. 본 실시 형태에서는, 선회 전동 모터(25)의 어시스트 토크와 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터인 압력에 유래하는 가속 토크의 합계값이, 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 가속 토크와 대략 동등해지도록 제어한다. 이에 의해 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등한 가속 느낌을 가질 수 있게 된다.

한편, 유압 단독 선회 모드가 선택되었을 때는, 선회용 스풀(61)의 미터인 교축기와 센터 바이패스 커트 밸브(63)의 합성 개구 면적 특성은, 도 8의 점선 MBC보다도 합성 개구 면적이 작은 것으로 인해 실선 MBS의 특성으로 변경되므로, 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터인 압력은, 도 9에 나타내는 종래의 유압 셔블에서 얻어지는 실선의 미터인 압력까지 상승하고, 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터인 압력에 유래하는 가속 토크가, 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 가속 토크와 대략 동등해지도록 제어된다. 이에 의해 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등한 가속 느낌을 가질 수 있게 된다.

또한, 선회 유압 모터(27) 단독으로 선회 가능하다고 하는 것은, 선회 유압 모터(27)의 최대 출력 토크 쪽이, 선회 전동 모터(25)의 최대 출력 토크보다도 크다고 하는 것이다. 이것은, 유압 전동 복합 선회 모드에 있어서, 만일 선회 전동 모터(25)가 의도하지 않은 작용을 했다고 해도 유압 회로가 정상이면, 그만큼 위험한 작용이 되지 않는 것을 의미하며, 본 발명은 안전성에 있어서도 유리하다.

도 10은, 유압 파일럿 신호(조작 파일럿압)에 대한 선회용 스풀(61)의 미터아웃 개구 면적 특성을 도시하는 특성도이다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되어 있을 때는, 선회 파일럿압 보정 명령 EF는 출력되고 있지 않으므로, 선회용 스풀(61)의 미터아웃 개구 면적 특성은 도 7의 미터아웃 개구 면적 특성 MO와 마찬가지의 변화를 나타내는 점선 MOC의 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 명령 EF가 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 미터아웃 개구 면적 특성은, 도 10의 점선 MOC의 특성에 대하여 중간 영역에 있어서의 개구 면적이 감소된 실선 MOS의 특성으로 변경된다(제2 모드). 이 실선 MOS의 개구 면적 특성은 종래의 유압 셔블에 있어서 양호한 조작성을 확보할 수 있는 미터아웃 개구 면적 특성과 동등하다.

도 11은, 유압 전동 복합 선회 모드에서의 선회 제동 정지 시에 있어서의 유압 파일럿 신호(파일럿압), 미터아웃 압력(M/O압), 선회 전동 모터(25)의 어시스트 토크, 선회체(20)의 회전 속도(선회 속도)의 시계열 파형을 나타내는 특성도이다. 파일럿압 최대, 최고 선회 속도로부터 시간 T=T5 내지 T9에서 파일럿압(0)까지 램프 형상으로 유압 파일럿 신호를 저감시킨 경우의 예이다.

유압 단독 선회 모드가 선택되어 있을 때는, 도 10의 점선 MOC로 나타낸 바와 같이 선회용 스풀(61)의 유압 파일럿 신호에 대한 미터아웃 개구 면적 특성은 도 7의 미터아웃 개구 면적 특성 MO와 마찬가지로 변화하는 특성이 되므로, 도 7에 도시한 바와 같이 종래에 비해 미터아웃 교축기의 개구 면적이 큰 만큼, 본 실시 형태의 쪽이 미터아웃 압력(M/O압)은 낮아진다. 미터아웃 압력은 브레이크 토크(제동 토크)에 상당하므로, 미터아웃 압력이 낮아진 만큼만 브레이크 토크를 전동 모터(25)에 의해 부여할 필요가 있다. 도 11에서는 회생측의 어시스트 토크를 마이너스로 하고 있다. 본 실시 형태에서는, 선회 전동 모터(25)의 어시스트 토크와 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터아웃 압력에 유래하는 브레이크 토크의 합계값이 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 브레이크 토크와 대략 동등해지도록 제어한다. 이에 의해 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등한 감속 느낌을 가질 수 있게 된다.

한편, 유압 단독 선회 모드가 선택되었을 때는, 선회용 스풀(61)의 유압 파일럿 신호에 대한 미터아웃 개구 면적 특성은, 도 11의 점선 MOC의 특성에 대하여 중간 영역에 있어서의 개구 면적이 감소된 실선 MOS의 특성으로 변경되므로, 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터아웃 압력은, 도 11에 도시하는 종래의 유압 셔블에서 얻어지는 실선의 미터아웃 압력까지 상승하고, 선회용 스풀(61)에 의해 발생하는 미터아웃 압력에 유래하는 브레이크 토크가, 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 브레이크 토크와 대략 동등해지도록 제어되어, 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등한 감속 느낌을 가질 수 있게 된다.

도 12는, 선회용의 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 릴리프압 특성을 도시하는 도면이다.

유압 전동 복합 선회 모드가 선택되어, 도 3의 전기·유압 변환 장치(75b) [도 4의 전·유압 변환 장치(75bL, 75bR)]에 감속 토크 명령 EC가 출력되고 있을 때는, 전기·유압 변환 장치(75b)는 제어 압력을 생성하고, 그 제어 압력이 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 설정 압력 감소측에 작용하여, 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 릴리프 특성은 릴리프압이 Pmax1인 실선 SR의 특성이 된다(제1 모드). 유압 단독 선회 모드가 선택되어, 전기·유압 변환 장치(75b)[도 4의 전기·유압 변환 장치(75bL, 75bR)]에 감속 토크 명령 EC가 출력되고 있지 않을 때는, 전기·유압 변환 장치(75b)는 제어 압력을 생성하지 않으므로, 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 릴리프 특성은, 릴리프압이 Pmax1로부터 Pmax2로 상승한 실선 SRS의 특성이 되어(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 Pmax1로 설정되므로, 조작 레버 장치(72)의 조작 레버를 중립 위치로 복귀시켰을 때에, 선회 유압 모터(27)로부터의 배출유의 압력(배압)은 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 낮은 설정 압력인 Pmax1까지 상승하고, 선회 전동 모터(25)의 어시스트 토크와 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)에 의해 발생하는 배압에 유래하는 브레이크 토크의 합계값이 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 브레이크 토크와 대략 동등해지도록 제어되어, 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등한 감속 느낌을 가질 수 있게 된다.

또한, 유압 단독 선회 모드가 선택되었을 때는, 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 릴리프압은 Pmax1보다 높은 Pmax2로 설정되므로, 조작 레버 장치(72)의 조작 레버를 중립 위치로 복귀시킨 경우에, 선회 유압 모터(27)로부터의 배출유의 압력(배압)은 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a, 62b)의 높은 설정 압력인 Pmax2까지 상승하고, 가변 오버로드 릴리프 밸브(62a 또는 62b)에 의해 발생하는 배압에 유래하는 브레이크 토크가, 종래형의 유압 셔블에서 발생하는 브레이크 토크와 대략 동등해지도록 제어되어, 선회체(20)의 선회 속도는 종래형의 유압 셔블과 동등한 감속 느낌을 가질 수 있게 된다.

이어서, 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일실시 형태의 유압 셔블에 있어서의 파워 컨트롤 유닛을 감시 컨트롤러로 교환한 후의 시스템에 대하여 도 13 및 도 14를 이용하여 설명한다. 도 13은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 이에 사용하는 보조 제어 장치의 일실시 형태에 있어서의 파워 컨트롤 유닛을 감시 컨트롤러로 교환한 후의 시스템 구성 및 제어 블록도, 도 14는, 도 13에 나타내는 감시 컨트롤러에 적용하는 유압 모터의 회전수와 제한 온도의 관계의 일례를 도시하는 특성도이다. 도 13 및 도 14에 있어서, 도 1 내지 도 12에 나타내는 부호와 같은 부호의 것은, 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

상술한 하이브리드식 유압 셔블에 있어서, 파워 컨트롤 유닛이나 캐패시터에 수리가 필요한 레벨의 문제가 발생한 경우의 대응에 대하여 고찰한다. 이들 유닛은 전기·전자 부품을 포함하므로, 장기간의 사용에 의해 어떠한 문제를 발생시킬 가능성이 높다. 이들 부품에 문제가 발생한 경우에는, 부품마다 교환하는 것이 일반적으로 행해지고 있다.

그런데, 유압 셔블은 선진국뿐만 아니라 가혹한 환경이나 미개한 땅에서 장기간, 예를 들어 20년 이상 사용되는 경우도 고려된다. 이러한 경우로서, 제조업자의 수리 대응 기간이 지난 후에, 상술한 부품의 문제가 발생했다고 해도, 유압 셔블은 계속해서 사용할 수 있는 것이 바람직하다. 그러나 특정한 전기·전자 부품을 장기간에 걸쳐 계속해서 공급하는 것은, 제조업자에게 있어서 매우 곤란하다. 또한, 이들 특정 부품을 장기간에 걸쳐 관리 보관하는 것은, 사용자에게 있어서 매우 곤란하다.

본 실시 형태에 있어서는, 이러한 상황을 감안하여, 도 13에 도시한 바와 같이, 파워 컨트롤 유닛(55) 등을 제거하여, 대체용 컨트롤러로서, 선회 전동 모터(25)나 어시스트 발전 모터(23)의 온도 및 누전을 검출만 하는 간이한 감시 컨트롤러(88)(보조 제어 장치)를 배치하도록 하였다. 이때, 이들 모터(25, 23)의 구동 제어는 할 수 없으므로, 상위 컨트롤러(80)는 유압 단독 선회 제어만을 행하고, 선회 전동 모터(25)의 구동력 없이 유압 셔블을 운전할 수 있도록 하고 있다.

이 경우, 어시스트 발전 모터(23)는 엔진(22)에 의해, 선회 전동 모터(25)는 선회 유압 모터(27)에 의해 각각의 로터부가 강제적으로 회전하게 된다. 이들 모터(25, 23)가 영구 자석 동기 전동기인 경우, 발전 작용에 의해 전동 모터 단자부에 유기 전압이 발생한다. 이러한 상태에서 건설 기계를 운전하고 있으면, 전동 시스템에 어떠한 고장이 발생한 경우에는, 상술한 유기 전압이 고장 부위에 의해 단락되어, 예상치 못한 단락 전류가 발생해 전동 시스템의 일부가 과열될 우려가 있다. 이러한 리스크를 방지하기 위해, 감시 컨트롤러(88)(보조 제어 장치)는 온도와 누전의 감시만을 행하여, 상위 컨트롤러(80)에 이들 경보를 부여하도록 하고 있다.

도 13에 도시한 바와 같이, 파워 컨트롤 유닛(55), 메인 콘택터(56), 캐패시터(24) 등을 제거하고, 대체용 컨트롤러로서, 감시 컨트롤러(88)를 배치한다. 감시 컨트롤러(88)와 컨트롤러(80)는, 이상 경보 신호를 송수신할 수 있도록 전기적으로 접속하고 있다.

파워 컨트롤 유닛(55)과 선회 전동 모터(25) 사이에 부설되어 있던 케이블에는, 케이블을 흐르는 전류 I1을 검출하는 전류 센서(65)를, 또한 파워 컨트롤 유닛(55)과 어시스트 발전 모터(23) 사이에 부설되어 있던 케이블에는, 케이블을 흐르는 전류 I2를 검출하는 전류 센서(66)를, 각각 설치하고 있다. 이들 전류 센서(65, 66)는, 누전 시에 흐르는 과전류를 검출하고, 감시 컨트롤러(88)에 각각 전기적으로 접속하고 있다.

또한, 선회 전동 모터(25)의 내부에는 그 내부의 온도 t1을 검출하는 온도 센서(86)를, 또한 어시스트 발전 모터(23)의 내부에는 그 내부의 온도 t2를 검출하는 온도 센서(87)를 각각 설치하고 있다. 이들 온도 센서(86, 87)는, 감시 컨트롤러(88)에 각각 전기적으로 접속하고 있다.

또한, 선회 전동 모터(25)의 회전수를 검출하는 예를 들어 리절버 등은, 감시 컨트롤러(88)에 전기적으로 접속하고 있다.

감시 컨트롤러(88)는, 상술한 전류 센서(65, 66), 온도 센서(86, 87) 및 리절버 등으로부터의 검출 신호가 입력되어 연산값으로 변환되는 입력부와, 미리 설정된 설정값이 기억되는 기억부와, 입력부에서 변환된 연산값과 기억부에 기억된 설정값을 기초로 연산을 행하는 연산부와, 연산부에서 판단된 결과를 컨트롤러(80)에 출력하는 출력부를 구비하고 있다.

우선, 감시 컨트롤러(88)의 온도 신호에 의한 동작을 설명한다. 감시 컨트롤러(88)는 제1 스텝에 있어서, 온도 신호 t1, t2와 선회 유압 모터(27)의 회전수 신호 r을 읽어들인다. 구체적으로는, 온도 센서(86과 87)로부터 검출된 선회 전동 모터(25)의 내부 온도 신호 t1과 어시스트 발전 모터(23)의 내부 온도 신호 t2와 선회체(20)의 회전에 의해 회전하게 되는 선회 전동 모터(27)의 예를 들어 리절버 등으로부터 검출되는 회전수 r을 읽어들이게 된다.

제2 스텝에 있어서는, 제1 스텝에서 도입한 온도 신호가 높지 않은지의 체크가 행해진다. 구체적으로는, 미리 설정되어 기억된 선회 유압 모터(27)의 회전수 r에 대한 온도 신호 t1, t2의 제한값 특성과, 제1 스텝에서 읽어들이게 된 각 검출 신호를 비교한다. 도 14에 선회 유압 모터(27)의 회전수 r과 온도 신호 t1, t2의 제한값 특성의 일례를 나타낸다. 도 14에 있어서, ta는 선회 유압 모터(27)의 최대 회전수 rm에 있어서의 제한값 온도를, tb는 선회 유압 모터(27)의 정지 필요 온도를, ra는 선회 유압 모터(27)의 정지 필요 온도 tb에 있어서의 최대 허용 회전수를 각각 나타낸다.

예를 들어, 도 14에 있어서, 선회 유압 모터(27)의 회전수가 r₀인 경우, 제2 스텝에 있어서, 온도 신호 t1, t2가 제한값 특성상의 t₀보다 낮으면 정상이라고 판단되고, 높으면 이상이라 판단된다.

제2 스텝에서 이상이라 판단된 경우에는, 제3 스텝으로 진행하여, 컨트롤러(80)로 이상 신호를 통지한다. 이 결과, 컨트롤러(80)에 의해, 예를 들어 온도 신호 t1, t2가 정지 필요 온도를 초과하였다는 취지를 모니터 등의 표시 또는 음성으로 오퍼레이터에게 통지해도 된다.

이어서, 감시 컨트롤러(88)의 전류 신호에 의한 동작을 설명한다. 감시 컨트롤러(88)는 제1 스텝에 있어서, 전류 신호 I1, I2와 선회 유압 모터(27)의 회전수 신호 r을 읽어들인다. 구체적으로는, 전류 센서(65와 66)로부터 검출된 선회 전동 모터(25)의 전류 신호 I1과 어시스트 발전 모터(23)의 전류 신호 I2를 읽어들이게 된다.

제2 스텝에 있어서는, 제1 스텝에서 도입한 전류 신호가 높지 않은지의 체크가 행해진다. 구체적으로는, 미리 설정되어 있는 선회 유압 모터(27)의 정지 필요 전류 설정값 It와, 제1 스텝에서 읽어들이게 된 각 검출 신호를 비교한다.

제2 스텝에서 이상이라 판단된 경우에는, 제3 스텝으로 진행하여, 컨트롤러(80)로 이상 신호를 통지한다. 이 결과, 컨트롤러(80)에 의해, 예를 들어 전류 신호 I1, I2가 정지 필요 전류값을 초과하였다는 취지를 모니터 등의 표시 또는 음성으로 오퍼레이터에게 통지해도 된다.

상술한 본 발명의 일실시 형태에 의하면, 선회체(20)의 구동에 선회 유압 모터(27)와 선회 전동 모터(25)를 사용한 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 선회 전동 모터(25), 인버터(55), 축전 장치(24) 등의 전동 시스템이 고장 나서 선회 전동 모터(25)의 토크를 발생할 수 없는 경우에도, 선회 유압 모터(27) 단독으로 선회체(20)를 구동하여 작업을 행할 수 있다. 또한 노후화에 의해 전동 시스템이 수리 불가능해져도, 전동 시스템에 보조 제어 장치를 대체적으로 부설함으로써, 선회 전동 모터(25)의 누전 또는 온도를 모니터하고, 선회 유압 모터(27) 단독으로 선회체를 구동하여 기계의 가동을 계속할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 감시 컨트롤러(88)가 선회 유압 모터(27)의 회전수 r에 대한 온도 신호 t1, t2의 제한값 특성을 구비한 경우에 대하여 설명했지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 설정 온도와 검출 온도의 비교만으로 이상을 판단하는 것이라도 된다.

또한, 본 발명을 유압 셔블에 적용한 경우의 실시 형태를 설명했지만, 유압 셔블 이외의 선회체를 갖는 건설 기계 전반에 본 발명은 적용 가능하다.

10 : 주행체
11 : 크롤러
12 : 크롤러 프레임
13 : 우측 주행용 유압 모터
14 : 좌측 주행용 유압 모터
20 : 선회체
21 : 선회 프레임
22 : 엔진
23 : 어시스트 발전 모터
24 : 캐패시터
25 : 선회 전동 모터
26 : 감속기
27 : 선회 유압 모터
30 : 셔블 기구
31 : 붐
33 : 아암
35 : 버킷
40 : 유압 시스템
41 : 유압 펌프
42 : 컨트롤 밸브
51 : 쵸퍼
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
65 : 전류 센서
66 : 전류 센서
80 : 컨트롤러
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
86 : 온도 센서
87 : 온도 센서
88 : 감시 컨트롤러(보조 제어 장치)

Claims

원동기(22)와, 상기 원동기(22)에 의해 구동되는 유압 펌프(41)와, 선회체(20)와, 상기 선회체 구동용의 전동 모터(25)와, 상기 전동 모터(25)를 구동하는 파워 컨트롤 유닛(55)과, 상기 유압 펌프(41)에 의해 구동되는 상기 선회체 구동용의 유압 모터(27)와, 상기 전동 모터(25)에 접속된 축전 디바이스(24)와, 상기 선회체(20)의 구동을 명령하는 선회용의 조작 레버 장치(72)를 구비한 하이브리드식 건설 기계에 있어서,
상기 선회용의 조작 레버 장치(72)가 조작되었을 때에 상기 전동 모터(25)와 상기 유압 모터(27)의 양쪽을 구동하여, 상기 전동 모터(25)와 상기 유압 모터(27)의 토크 합계로 상기 선회체(20)의 구동을 행하는 유압 전동 복합 선회 모드와, 상기 선회용의 조작 레버 장치(72)가 조작되었을 때에 상기 유압 모터(27)만을 구동하여, 상기 유압 모터(27)만의 토크로 상기 선회체(20)의 구동을 행하는 유압 단독 선회 모드의 전환을 행하는 제어 장치(80)와,
상기 파워 컨트롤 유닛(55) 또는 상기 축전 디바이스(24)가 고장 난 경우, 제거되는 상기 파워 컨트롤 유닛(55) 또는 상기 축전 디바이스(24)의 대체용 컨트롤러로서, 상기 제어 장치(80)와 상기 전동 모터(25)에 접속되고, 상기 유압 단독 선회 모드에서 구동된 상기 유압 모터(27)에 의해 로터부를 강제적으로 회전시킬 수 있는 상기 전동 모터(25)의 온도 또는 누전을 감시하는 감시 컨트롤러를 갖는 보조 제어 장치(88)를 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 보조 제어 장치(88)는 상기 전동 모터(25)의 내부 온도를 검출하는 온도 센서(86)와, 미리 설정한 제한 규정값을 기억하는 기억부와, 상기 온도 센서(86)로부터의 검출값이 미리 설정한 제한 규정값을 초과했을 때에 상기 제어 장치(80)에 이상을 통지하는 연산부를 갖는 감시 컨트롤러(88)를 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 보조 제어 장치(88)는 상기 전동 모터(25)의 출력 전류를 검출하는 전류 센서(65)와, 미리 설정한 제한 규정값을 기억하는 기억부와, 상기 전류 센서(65)로부터의 검출값이 미리 설정한 제한 규정값을 초과했을 때에 상기 제어 장치(80)에 이상을 통지하는 연산부를 갖는 감시 컨트롤러(88)를 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
원동기(22)와, 상기 원동기(22)에 의해 구동되는 유압 펌프(41)와, 선회체(20)와, 상기 선회체 구동용의 전동 모터(25)와, 상기 전동 모터(25)를 구동하는 파워 컨트롤 유닛(55)과, 상기 유압 펌프(41)에 의해 구동되는 상기 선회체 구동용의 유압 모터(27)와, 상기 전동 모터(25)에 접속된 축전 디바이스(24)와, 상기 선회체(20)의 구동을 명령하는 선회용의 조작 레버 장치(72)와,
상기 선회용의 조작 레버 장치(72)가 조작되었을 때에 상기 전동 모터(25)와 상기 유압 모터(27)의 양쪽을 구동하여, 상기 전동 모터(25)와 상기 유압 모터(27)의 토크 합계로 상기 선회체(20)의 구동을 행하는 유압 전동 복합 선회 모드와, 상기 선회용의 조작 레버 장치(72)가 조작되었을 때에 상기 유압 모터(27)만을 구동하여, 상기 유압 모터(27)만의 토크로 상기 선회체(20)의 구동을 행하는 유압 단독 선회 모드의 전환을 행하는 제어 장치(80)를 구비한 하이브리드식 건설 기계의 보조 제어 장치(88)이며,
상기 보조 제어 장치(88)는 상기 파워 컨트롤 유닛(55) 또는 상기 축전 디바이스(24)가 고장 난 경우, 이들을 제거하고, 그 대신에 상기 제어 장치(80)에 접속되고, 상기 유압 단독 선회 모드에서 구동된 상기 유압 모터(27)에 의해 로터부를 강제적으로 회전시킬 수 있는 상기 전동 모터(25)의 온도 또는 누전을 감시하는 감시 컨트롤러(88)를 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계의 보조 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 전동 모터(25)의 내부 온도를 검출하는 온도 센서(86)와, 미리 설정한 제한 규정값을 기억하는 기억부와, 상기 온도 센서(86)로부터의 검출값이 미리 설정한 제한 규정값을 초과했을 때에 상기 제어 장치(80)에 이상을 통지하는 연산부를 갖는 감시 컨트롤러(88)를 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계의 보조 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 전동 모터(25)의 출력 전류를 검출하는 전류 센서(65)와, 미리 설정한 제한 규정값을 기억하는 기억부와, 상기 전류 센서(65)로부터의 검출값이 미리 설정한 제한 규정값을 초과했을 때에 상기 제어 장치(80)에 이상을 통지하는 연산부를 갖는 감시 컨트롤러(88)를 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계의 보조 제어 장치.