KR20140005852A - 하이브리드 휠 로더 - Google Patents

Abstract

고효율이고, 안정적으로 동력을 공급할 수 있는 하이브리드 휠 로더를 제공한다. 차량의 전방에 프론트 작업기(5)를 구비함과 함께, 엔진(1) 및 축전 장치를 동력원으로 하고, 이 동력원의 출력을 제어하는 하이브리드 제어 장치(20)를 구비한 하이브리드 휠 로더에 있어서, 축전 장치로서의 캐패시터(11)를 구비하고, 상기 하이브리드 제어 장치는, 차량이 보유하는 에너지의 증가에 따라 상기 캐패시터의 전압을 내리도록 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

하이브리드 휠 로더{HYBRID WHEEL LOADER}

본 발명은, 하이브리드 휠 로더에 관한 것으로, 특히 축전 장치로서의 캐패시터의 출력을 제어하는 데 적합한 것이다.

최근, 환경 문제, 원유 앙등 등의 면에서, 각 공업 제품에 대하여 에너지 절약 지향이 강해지고 있다. 지금까지 디젤 엔진에 의한 유압 구동 시스템이 중심이었던 건설 차량, 작업용 차량 등의 분야에 있어서도, 그 경향이 있고, 전동화에 의한 고효율화, 에너지 절약화 사례가 증가하고 있다.

예를 들어, 차량의 구동 부분을 전동화, 즉 구동원을 전기 모터로 한 경우, 배기 가스의 저감 이외에, 엔진의 고효율 구동(하이브리드 기종), 동력 전달 효율의 향상, 회생 전력의 회수 등 많은 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다. 전술한 건설 차량, 작업용 차량 등의 분야에서는, 포크리프트의 전동화가 활발히 진행되고 있어, 배터리의 전력을 사용해서 모터를 구동하는 「배터리 포크리프트」가 타 차량보다 앞서 빠르게 실용화되고 있다. 최근에는 이에 이어서, 유압 셔블, 엔진식 포크리프트 등에 있어서, 디젤 엔진과 전기 모터를 조합한 「하이브리드 차량」이 제품화되기 시작하고 있다.

또한, 상기와 같이 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, 도 8에 도시한 바와 같이, 주된 가동부로서, 주행부(휠 부분)와 프론트의 유압 작업부(리프트/버킷 부분)를 갖고 있으며, 엔진(1)의 동력을 토크 컨버터(토크 컨버터: 2) 및 트랜스미션(T/M: 3)에 의해 타이어(13)로 전달해서 주행을 행하면서, 유압 펌프(4)에 의해 구동되는 차량 프론트부의 유압 작업 장치(5)에서 토사 등을 굴삭·운반한다.

이 종래의 휠 로더의 주행 구동 부분을 전동화한 경우, 종래부터 사용되고 있는 토크 컨버터의 동력 전달 효율이 전기에 의한 동력 전달 효율보다 떨어지기 때문에, 그만큼 엔진으로부터의 동력 전달 효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 휠 로더에서는, 작업 중에 빈번히 발진·정지의 주행 동작을 반복하기 때문에, 주행 부분을 전동화한 경우에는 주행용 전동기로부터 제동시의 회생 전력의 회수를 예상할 수 있다. 이렇게 현상의 휠 로더의 구동 장치의 일부에 전동화를 실시해서 하이브리드화한 경우, 일반적으로 연료 소비량을 수 10％ 정도 저감 가능하다.

이러한 작업용 차량의 하이브리드 시스템의 제어 방법에 대해서는, 예를 들어 특허문헌 1에 개시된 것이 있다. 이 특허문헌 1에는, 하이브리드식 작업 차량의 소음 레벨에 따라 제어 모드를 선택하는 방식에 대해서 개시되어 있다. 구체적으로는, 엔진의 로우 아이들 상태에서의 구동 방식에 대해서, 우선 엔진을 로우 아이들 상태로 고정시킴과 함께, 핸드 스로틀에서 설정한 펌프 출력이 되도록, 필요에 따라 엔진 구동만의 펌프 출력에서 부족한 부분을 전동 모터에 의해 보조한다. 다음에 전동 모터를 구동중인지 아닌지를 체크하여, 구동중인 경우에는 작업기 레버의 조작 신호에 따라 작업기를 구동한다.

이때, 전동 모터가 정지하고 있으면, 전동 모터를 일정 회전 수로 구동하고, 엔진과 전동 모터에 의해 작업기를 구동한다. 이 후, 배터리의 충전량을 연산하고, 이 충전량에 기초하여 배터리가 비어있는지 아닌지를 판단한다. 그리고, 배터리가 비어 있을 때는 경고를 출력함과 함께, 전동 모터를 정지해서 엔진의 로우 아이들에서만 유압 펌프를 구동한다. 또한, 작업기 레버의 조작 신호가 입력되지 않을 때는 전동 모터를 정지하고, 배터리가 만충전일 때는 엔진을 정지한다. 또한, 배터리가 만충전이 아닐 때는 발전기에 의해 충전을 행한다.

이와 같이, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 차량의 소음 레벨에 따라서 엔진을 로우 아이들 상태 혹은 아이들링 스톱 상태로 하여, 저 소음의 구동 방식이 실현 가능하게 된다.

일본 특허 공개 제2000-226183호 공보

상기 특허문헌 1에 기재된 종래 기술은, 엔진을 로우 아이들 상태로 한 후, 배터리의 충전량을 연산하고, 이 충전량에 기초하여 배터리가 비어 있는지 아닌지를 판단한다. 그리고, 배터리가 비어 있을 때는 경고를 출력함과 함께, 전동 모터를 정지해서 엔진의 로우 아이들에서만 유압 펌프를 구동한다. 이와 같이 한 경우, 배터리가 비어 있는 상태에서는, 오퍼레이터의 동력 요구에 대하여 출력 부족이 발생하여, 작업 기계를 만족할 수 있는 속도로 구동하는 것이 곤란해질 가능성이 있다.

또한, 상기 특허문헌 1에 기재된 종래 기술은, 공보 중에서 러프 터레인 크레인과 유압 셔블의 하이브리드기에 대하여 기재하고 있지만, 본 종래 기술이 그 밖의 건설 기계에도 그대로 적용할 수 있다고는 한정할 수 없다. 예를 들어, 상기 휠 로더는, 그 동작 모드 중에서, 엔진의 로우 아이들 상태(대기 상태)로부터 프론트의 버킷 부분을 상승시키면서 차량을 풀 가속시킨다는 특유의 동작 모드가 있다. 이러한 고부하의 동작 모드 시에, 특허문헌 1에 기재한 바와 같이 엔진의 로우 아이들 상태만으로 휠 로더를 구동한 경우는, 필요한 동작 성능이 얻어지지 않을 가능성이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 휠 로더 특유의 차량의 대기 상태로부터 풀 가속하는 고부하 동작 모드의 경우에도, 안정적으로 동력을 공급할 수 있는 하이브리드 휠 로더를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 차량의 전방에 프론트 작업기를 구비함과 함께, 엔진 및 축전 장치를 동력원으로 하고, 이 동력원의 출력을 제어하는 하이브리드 제어 장치를 구비한 하이브리드 휠 로더에 있어서, 상기 축전 장치로서의 캐패시터를 구비하고, 상기 하이브리드 제어 장치는, 차량이 보유하는 에너지의 증가에 따라 상기 캐패시터의 전압을 내리도록 제어하는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명에 따르면, 차량이 보유하는 에너지에 따라 캐패시터의 전압을 사용할 수 있기 때문에, 엔진과 캐패시터를 효율적으로 사용해서 차량을 구동할 수 있다.

여기서, 본 발명의 「차량이 보유하는 에너지」란, 예를 들어 차체 주행 속도에 의한 운동 에너지이다. 또한, 본 발명의 「차량이 보유하는 에너지」는, 차체 주행 속도에 의한 운동 에너지 외에, 프론트 작업기의 버킷 높이에 의한 위치 에너지, 엔진 및 모터·제네레이터의 회전 수에 의한 회전 에너지 등의 합계로서 연산된 것이어도 된다. 또한, 본 발명의 「차량이 보유하는 에너지」는, 차체 주행 속도에 의한 운동 에너지에 대하여, 프론트 작업기의 버킷 높이에 의한 위치 에너지, 엔진 및 모터·제네레이터의 회전 수에 의한 회전 에너지 중 어느 하나를 더한 것이어도 좋다.

즉, 상기 구성에 있어서, 상기 차량이 보유하는 에너지는, 차체의 주행 속도에 의한 운동 에너지 또는 상기 운동 에너지에, 상기 프론트 작업기의 버킷 높이에 의한 위치 에너지와, 상기 엔진 및 상기 모터·제네레이터의 회전 수에 의한 회전 에너지 중 적어도 한쪽을 가산한 에너지로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 구성에 있어서, 상기 하이브리드 제어 장치는, 통상의 작업 동작을 행하는 통상 동작 모드와, 상기 차량을 대기시키는 차량 대기 모드에서 상기 차량이 보유하는 에너지에 대한 상기 캐패시터 전압의 특성이 다르도록 제어함과 함께, 상기 통상 동작 모드에서, 상기 차량이 보유하는 에너지가 미리 정한 저출력값(예를 들어, 도 7의 차량이 보유하는 에너지 min(최소값)에 상당)인 경우에, 상기 캐패시터의 전압을, 최고 사용 전압값(예를 들어, 도 7의 Vcmax에 상당)보다 작고, 또한 최저 사용 전압값(예를 들어, 도 7의 Vcmin에 상당)보다 큰 제1 특정 전압값(예를 들어, 도 7의 Vc1에 상당)이 되도록 제어하고, 상기 차량이 보유하는 에너지가 상기 저출력값에 있는 상태가 소정 시간 계속될 경우에는, 상기 하이브리드 제어 장치는, 상기 캐패시터의 전압을 상기 제1 특정 전압값으로부터 상기 최고 사용 전압값으로 올리도록 제어하고, 그 후, 상기 엔진의 회전 수를 아이들 상태의 회전 수로 내려서 상기 차량 대기 모드로 이행하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 차량의 대기 상태에서는 캐패시터의 전압을 최고 사용 전압값까지 올리고 있기 때문에, 차량의 대기 상태로부터 풀 가속하는 휠 로더 특유의 고부하 동작 모드에 대하여도 안정된 동력을 캐패시터로부터 공급할 수 있다.

그런데, 캐패시터의 전압이 제1 특정 전압값으로부터 최고 사용 전압값까지 올리면서 동시에 엔진의 회전 수를 아이들 상태의 회전 수까지 내리면, 그 도중에 차량이 급발진하면 충분한 출력이 얻어지지 않는 경우가 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 캐패시터의 전압이 최고 사용 전압값까지 올라가고나서 엔진의 회전 수를 아이들 상태의 회전 수로 내리도록 하고 있으므로, 차량이 급발진할 경우에도 충분한 출력이 얻어진다.

또한, 상기 구성에 있어서, 상기 하이브리드 제어 장치는, 상기 통상 동작 모드의 경우에, 상기 캐패시터의 전압을 상기 차량이 보유하는 에너지의 증가에 따라 상기 제1 특정 전압값으로부터, 상기 최저 사용 전압값보다 크고, 또한 상기 제1 특정 전압값보다 작은 제2 특정 전압값(예를 들어, 도 7의 Vc2에 상당)까지 내리도록 제어하고, 상기 차량 대기 모드의 경우에, 상기 캐패시터의 전압을 상기 차량이 보유하는 에너지의 증가에 따라 상기 최고 사용 전압값으로부터 상기 최저 사용 전압값까지 내리도록 제어하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 차량의 대기 상태로부터 풀 가속하는 휠 로더 특유의 고부하의 동작 모드에 대하여는, 차량 대기 모드에 대응한 캐패시터의 전압 제어를 행함으로써, 차량이 가속됨에 따라 적극적으로 캐패시터로부터 전력을 방전하고, 엔진의 출력 어시스트를 행하여, 차량이 풀 가속될 때에는 캐패시터에 축적되어 있는 전력을 모두 사용할 수 있다.

또한, 통상 동작 모드에서는 이미 엔진이 작업시를 상정한 회전 수에서 가동하고 있고, 차량이 요구하는 동력에 대하여 충분한 출력을 낼 수 있는 상태에 있기 때문에, 본 발명과 같은 통상 동작 모드에 대응한 캐패시터의 전압 제어를 행함으로써, 모터·제네레이터로부터의 불필요한 발전에서의 캐패시터 충전을 피할 수 있다. 게다가, 가속 후, 차량 속도가 상승해도 엔진으로부터의 출력을 충분히 낼 수 있기 때문에, 캐패시터로부터의 방전 전력을 그대로 둘 수 있다.

본 발명에 따르면, 프론트부의 유압 작업 장치와 전동 모터에서 동력의 일부, 혹은 전부를 제공하는 주행 구동 장치를 갖는 하이브리드 휠 로더에 있어서, 차량의 대기 상태로부터의 풀 가속하는 고부하 동작 모드인 경우에도, 최적의 캐패시터의 용량으로 안정된 동력을 공급할 수 있다.

도 1은, 작업용 차량의 하이브리드 시스템의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 2는, 하이브리드 제어 장치와 주변 제어 장치의 결선 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은, 휠 로더의 작업 패턴의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는, 하이브리드 제어 장치 내의 제어 구성예를 도시하는 도면이다.
도 5는, 운전 모드 검출 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 6은, 출력 배분 제어 수단의 구성을 나타내는 블록선도이다.
도 7은, 하이브리드 휠 로더의 동작에 따른 캐패시터의 충방전 패턴을 도시하는 도면이다.
도 8은, 작업용 차량의 일례인 휠 로더의 종래의 구동 시스템 구성을 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태예에 관한 하이브리드 휠 로더에 대해서, 도 1 내지 도 7을 참조하면서 설명한다. 우선, 본 발명의 실시 형태예에 관한 하이브리드 휠 로더의 시스템 구성예에 대해서, 도 1을 사용해서 설명한다. 도 1에 도시하는 구성예는, 휠 로더의 가동부 중 주행부를 전동화한 구성이며, 구체적으로는, 엔진(1)의 출력축에 M/G(모터/제네레이터: 6), 그것을 제어하는 인버터(7) 및, 주행부의 프로펠러 샤프트(8)에 설치된 주행용 전동기(9), 그것을 제어하는 인버터(10)가 탑재된 시리즈형 하이브리드 시스템이다. 또한, 캐패시터(11)는 DCDC 컨버터(12)를 통해서 인버터(7, 10)와 전기적으로 접속되어 있고, 이들 전력 변환기 사이에서 직류 전력의 수수를 행한다. 특히 본 실시예에서는, 축전 장치로서 전기 이중층 캐패시터(11)가 사용되고 있고, DCDC 컨버터(12)에 의해 캐패시터 전압의 승강압 제어를 행하며, 인버터(7, 10) 사이에서 직류 전력의 수수를 행한다. 이와 같이, 본 실시 형태에 관한 하이브리드 휠 로더는, 엔진(1)과 캐패시터(11)가 동력원이 되고 있다.

또한, 도 1에 도시하는 하이브리드 휠 로더는, 도 8의 종래 기계와 마찬가지로, 토사 등의 굴삭 작업을 행하는 프론트부의 유압 작업 장치(5)에 오일을 공급하는 유압 펌프(4)를 구비하고 있어, 목적에 따른 작업을 실시한다. 그에 대하여, 차량의 주행은, 주로 엔진(1)의 동력을 바탕으로 모터·제네레이터(M/G: 6)에서 발전한 전력을 이용하고, 주행용 전동기(9)로 타이어(13)를 회전 구동시킴으로써 행해진다. 그때, 캐패시터(11)에서는 차량 제동시의 회생 전력의 흡수나 엔진(1)에 대한 출력 어시스트를 행하여, 차량의 소비 에너지 저감에 기여한다. 또한, 본 발명이 대상으로 하는 하이브리드 시스템은 도 1의 구성예에 한정되는 것이 아니고, 패러렐형 등 다양한 하이브리드 구성에 대하여도 본 발명은 적용 가능하다.

또한, 상기 하이브리드 시스템의 제어를 행하는 부분으로서, 차량에는 하이브리드 제어 장치(20)가 탑재된다. 이 하이브리드 제어 장치(20)는, 도 1에 도시하는 하이브리드 시스템 전체의 에너지나 파워의 제어를 행하는 컨트롤러이다. 또한, 차량에는 하이브리드 제어 장치(20) 외에, 각각 유압의 컨트롤 밸브(C/V)나 펌프를 제어하는 유압 제어 장치(21), 엔진의 제어를 행하는 엔진 제어 장치(22), 인버터(7, 10)를 제어하는 인버터 제어 장치(23), DCDC 컨버터(12)를 제어하는 컨버터 제어 장치(24)가 탑재되어 있고, 이들 주변 제어 장치는, 예를 들어 도 2에 도시한 바와 같이, CAN(Controller Area Network) 통신 등을 사용해서 결선되어, 서로 각 기기의 명령값 및 상태량을 송수신한다.

또한, 실제로 차량을 성립시키는데 있어서는, 각 주변 제어 장치(21 내지 24) 이외에 모니터나 정보계의 컨트롤러가 필요하지만, 그들은 본 발명과 직접적인 관계가 없기 때문에, 도 2에 있어서는, 도 1에 도시하는 하이브리드 시스템의 각 구동 부분을 제어하기 위해서 필요한 컨트롤러만을 나타내고 있다.

하이브리드 제어 장치(20)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 유압 제어 장치(21), 엔진 제어 장치(22), 인버터 제어 장치(23), 컨버터 제어 장치(24)의 각 컨트롤러의 상위에 위치해서 시스템 전체의 제어를 행하고 있고, 시스템 전체가 최고의 성능을 발휘하도록 각 제어 장치(21 내지 24)에 구체적 동작의 명령을 부여한다. 또한, 각 제어 장치는 도 2에 도시한 바와 같은 반드시 타 제어 장치와 별체라는 것이 아니라, 어느 하나의 제어 장치에 2개 이상의 제어 기능을 실장해도 상관없다.

또한, 본 실시 형태예에 관한 휠 로더에는 몇 개의 동작 패턴이 있고, 하이브리드 제어 장치(20)는, 그 동작에 따라 차량을 최적으로 가동시킬 필요가 있다. 예를 들어, 대표적인 작업 패턴으로서는, 도 3에 도시하는 V 사이클 굴삭 작업이 있다. 이 V 사이클 굴삭 작업은 실제의 휠 로더 작업 전체에 대하여, 약 7할 이상을 차지하는 주 동작 패턴이다. 이 V 사이클 굴삭 작업에서는, 휠 로더는, 우선 자갈산 등의 굴삭 대상물에 대하여 전진하고, 자갈산에 돌입하는 형태로 버킷에 자갈 등의 운반물을 싣는다. 그 후, 휠 로더는 후진해서 원래의 위치로 복귀되어, 스티어링을 조작하면서, 또한 프론트의 버킷 부분을 상승시키면서 덤프 등의 운반 차량을 향해서 전진한다. 그리고, 운반 차량에 운반물을 실은 후에는 다시 후진하여, 차량은 원래의 위치로 복귀된다. 이상의 설명과 같이, 휠 로더는 V자를 그리면서 이 작업을 반복해서 행한다.

이때, 도 1에 도시하는 하이브리드 시스템에서는, 각 전진/후진의 동작 중에 발생하는 제동 동작 시에 있어서 주행용 전동기(9)로부터 회생 전력을 발생시키기 위해서, 그 회생 전력을 캐패시터(11)에 축적하고, 다음 역행 동작에서 그 회생 전력을 재이용하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 V 사이클 굴삭 작업은, 차량의 속도가 최대라도 15km/h 정도의 저속 주행이며, 또한 빈번히 발진/정지를 반복하기 위해서, 종래부터 사용되고 있는 토크 컨버터에서는 동력의 전달 효율이 그다지 높지 않다. 그에 대하여, 도 1과 같은 시리즈형 하이브리드 시스템은 전동기를 사용해서 주행을 행하기 때문에, 상술한 바와 같이 소비 에너지를 상당량 삭감하는 것이 가능하다.

이상, 기재한 바와 같이, 휠 로더를 하이브리드화한 경우에는, 종래의 토크 컨버터로부터의 주행부의 전달 효율 향상분이나 회생 전력 회수분 등으로 큰 연비 개선 효과를 얻는 것이 가능하게 된다. 여기서, 일반 하이브리드 자동차는 축전 장치로서는 주로 2차 전지(배터리)를 탑재하고 있고, 비교적 큰 전기 에너지량을 갖고 있으며, 엔진과의 사이에서 동력 배분을 행하고 있다. 단, 2차 전지는 중량이나 비용, 수명 등의 과제가 아직 남아 있고, 반드시 모든 하이브리드 차에 탑재 가능한 축전 장치는 아니다. 예를 들어, 본 발명에서 대상으로 하고 있는 휠 로더에 있어서는, 빈번히 발진 정지를 반복하는 동작이 전체 작업 내용에 차지하는 비율이 높고, 이러한 기종에서는 전기 이중층 캐패시터 등의 대용량 콘덴서 쪽이 적합한 경우도 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 축전 장치로서 캐패시터(11)를 탑재하고, 이 캐패시터(11)의 출력이 하이브리드 휠 로더의 실제 동작에 적합한 것이 되도록 제어하고 있다.

한편, 하이브리드 휠 로더에 있어서 가장 전력의 어시스트를 필요로 하는 동작으로서는, 차량의 대기 상태로부터의 복합 동작이라고 생각된다. 이 구체적인 동작으로서는, 엔진을 로우 아이들(대기) 상태로 한 후부터, 프론트의 유압 작업부(리프트/버킷)를 최저 위치로부터 상승시키면서, 차량을 풀 가속시켜, 차량을 10km/h 이상까지 주행을 계속하는 것이다. 이러한 차량의 가속 동작에 있어서의 초기 상태에서는, 엔진이 로우 아이들 상태에 있을 때부터 프론트부의 버킷 및 리프트를 상승시키면서 차량을 풀 가속시키기 때문에, 큰 동력을 필요로 하고, 엔진은 항상 최대 출력 상태로 되어 있다. 이와 같이, 엔진의 로우 아이들 상태로부터의 풀 가속 동작은, 상술한 기본적인 V 사이클 굴삭 작업에 비해, 엔진에 대하여 큰 부담을 주게 된다.

또한, 일반적으로 하이브리드 시스템에서는, 종래의 탑재 엔진과 비교해서 이것을 소형으로 변경하는 경우가 있다. 이것은 효율이 좋은 소형 엔진을 사용함으로써 연비 개선을 실현하는 목적이 있다. 단, 단순히 엔진을 소형으로 한 것만으로는 엔진의 출력 부족을 초래하고, 결과적으로는 차량의 구동 성능이 저하하여, 최악으로 엔진이 정지해 버리는 것을 생각할 수 있다.

따라서, 실시 형태예에 관한 하이브리드 휠 로더에서는, 새롭게 탑재한 모터·제네레이터(M/G: 6) 및 대용량 캐패시터(11)에 의해 엔진(1)의 출력 어시스트를 행하여, 종래 기계와 동등 이상의 출력 성능을 실현하고 있다. 또한, 앞에서 설명한 통상의 기본적 작업 동작인 V 사이클 굴삭 작업에서는, 엔진(1)이 원래 정격 부근의 회전 수로 가동하고 있고, 엔진(1)으로부터 큰 동력을 출력할 수 있는 것이나, 작업 범위는 토사 등의 굴삭 대상과 덤프 등의 운반 차량 사이를 오 가는 정도의 한정된 범위 내인 것이므로, 차량으로부터 요구되는 동력은 전술한 「로우 아이들 상태로부터의 풀 가속 동작」에 비해서 작은 것이 된다. 따라서, 하이브리드 시스템에 있어서의 전기적인 출력 어시스트는 이 「로우 아이들 상태로부터의 풀 가속 동작」에 있어서 최대의 전기 에너지량을 사용한다고 할 수 있다.

이러한 작업 내용에 대하여, 본 실시예에서는, 축전 장치로서 대용량 캐패시터(11)를 상정하고 있기 때문에, 차량이 요구하는 동력을 그대로 축적되어 있는 전력으로 조달하고자 한 경우, 바로 캐패시터(11)의 사용 전압 하한값에 달해 버린다고 생각된다. 따라서, 하이브리드 제어 장치(20)에서는, 이러한 캐패시터(11)의 과방전 상태를 피하면서, 또한 고효율로 캐패시터(11)로부터의 출력을 제어할 필요가 있다.

하이브리드 휠 로더에 최적인 캐패시터 제어 방식을 실현하기 위해서는, 우선, 차량의 현재의 동작 모드를 하이브리드 제어 장치(20)에서 파악할 필요가 있다. 하이브리드 제어 장치(20)에서 현재, 혹은 이제부터 행하고자 하는 차량 동작을 인식할 수 있으면, 현재의 캐패시터(11)의 충전 상태 및 엔진(1)의 회전 가속 상태를 고려하면서, 캐패시터(11)로부터의 전력 출력량을 결정할 수 있다. 즉, 각각의 동작 모드에 따라 캐패시터(11)의 충방전 패턴을 변경하도록 제어를 행하면 된다고 할 수 있다.

이 제어를 실현하기 위해서는, 우선 하이브리드 제어 장치(20)는, 도 4에 도시하는 동작 모드 검출 수단(30)을 갖고, 이 동작 모드 검출 수단(30)에 의해 현재의 차량의 동작 내용을 파악한다. 이 운전 모드 검출 수단(30)의 처리의 일례를 도 5의 흐름도에 나타낸다. 본 실시예에서는, 캐패시터(11)의 충방전 제어에 관계되는 동작 모드를 「차량 대기 모드」와 「통상 동작 모드」의 2종류로 크게 구별하고, 이하에 각 동작 모드의 검출 방법을 나타낸다.

우선, 동작 모드 검출 수단(30)은, 스텝 S100에 있어서, 차량의 각종 명령값(액셀러레이터, 브레이크, 전후진 레버, 프론트 작업부의 레버 조작) 및 상태량(각 유압 펌프 압력, 엔진 회전 수, 차속 등)을 입력하고, 스텝 S101에서 동작 모드를 결정한다. 예를 들어, 스텝 S101에서는, 스텝 S100에서 얻어진 각 상태로부터 차량이 통상 작업 상태에 있는지, 또는 차량이 작업하고 있지 않고 차량 대기 상태에 있는지를 판정한다.

구체적으로는, 전술한 V 사이클 굴삭 작업이면, 상기 각종 명령 신호 중 어느 한쪽은 동작 명령 상태에 있는지, 혹은 엔진, 각 유압 펌프, 혹은 차속이 차량의 가동 상태인 것을 나타내고 있으므로, 동작 모드 검출 수단(30)은, 현재의 동작 모드를 「통상 동작 모드」로 결정한다. 그것에 대하여, 차량 대기 상태에서는, 우선 엔진 회전 수가 로우 아이들 회전 수까지 내려가고 있다. 또한, 각종 명령 신호는 대기 상태에서는 모두 입력되지 않는다. 이때는, 동작 모드 검출 수단(30)은 차량이 대기 상태로 하고, 동작 모드를 「차량 대기 모드」로 결정한다.

이상과 같이, 각종 신호의 입력값의 조합으로 캐패시터 충방전에 관계되는 현재의 차량의 동작 모드를 판정하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시예에서는 차량의 동작 모드를 통상 동작 모드와 차량 대기 모드로 크게 구별해서 검출하도록 기재했지만, 그 밖의 동작 모드에 따라 캐패시터(11)의 충방전 패턴을 변경하는 경우에는, 그 검출 처리 로직을 도 5의 흐름도 내에 추가함으로써 실현할 수 있다.

또한, 하이브리드 제어 장치(20)에서는, 검출된 동작 모드에 따라서 출력 배분 제어 수단(31)으로 캐패시터(11)의 충방전 출력을 결정한다. 구체적으로는, 하이브리드 제어 장치(20)는, 차량의 동작 모드에 따라 도 7에 도시한 바와 같은 충방전 패턴이 되도록 캐패시터(11)의 출력을 제어한다. 여기서, 도 7은 횡축을 차량이 보유하는 에너지, 종축은 캐패시터(11)의 전압(충전량에 상당)이며, 차량의 동작에 따른 캐패시터(11)의 충방전 패턴을 나타내고 있다. 또한, 횡축의 차량이 보유하는 에너지로서, 본 실시 형태에서는 차체의 주행 속도에 의한 운동 에너지가 사용되고 있지만, 유압 작업 장치(프론트 작업기: 5)의 버킷의 높이에 의한 위치 에너지, 엔진(1) 및 모터·제네레이터(6)의 회전 수에 의한 회전 에너지의 한쪽, 또는 양쪽을 차량의 주행 속도에 의한 운동 에너지에 더한 것을 차량이 보유하는 에너지로서 사용해도 좋다. 예를 들어 본 실시예에서는, 주행부를 전동 모터에서 치환한 시리즈형 하이브리드 시스템을 상정하고 있고, 이러한 경우에는 횡축은 차량 속도가 가장 적합한 파라미터가 된다.

본 실시예에서의 캐패시터의 충방전 패턴은, 도 7에 도시한 바와 같이, 차량이 보유하는 에너지(차량 주행 속도)에 따라서 충전량을 감하도록(방전량을 증가시킨다) 동작한다. 이렇게 하면, 차량 속도가 높은 상태에서 전기 제동을 걸었을 때에 발생하는 회생 에너지를 흡수하는 빈 용량을 캐패시터(11)에 확보할 수 있게 된다. 그 결과, 회생 에너지를 유효하게 이용하는 것이 가능하게 되고, 하이브리드 휠 로더의 에너지 절약화를 실현할 수 있다.

여기서, 본 실시예에서는 도 7에 도시한 바와 같이, 통상 동작 모드와, 차량 대기 모드에서 캐패시터(11)의 충방전 패턴(차량이 보유하는 에너지에 대한 캐패시터의 전압 특성)을 다른 것으로 하고 있다. 이것은, 차량의 동작 모드에 따라 최적으로 캐패시터(11)를 제어하도록 설정한 것이며, 예를 들어 도 7의 실선으로 나타내는 통상 동작시에 방전 패턴으로는 차속=0, 즉 차량이 정지한 상태에서도 캐패시터(11)를 만충전 상태로 하지 않고 차량을 멈춘다. 즉, 차량 정지 시에, 캐패시터 전압은, 최고 사용 전압값 Vcmax보다 낮은 제1 특정 전압값 Vc1의 상태로 되어 있다. 이것은, 통상 동작 모드에서는 이미 엔진이 작업시를 상정한 회전 수로가동하고 있고, 차량이 요구하는 동력에 대하여 충분한 출력을 낼 수 있는 상태에 있으며, 모터·제네레이터(M/G: 6)로부터의 불필요한 발전에서의 캐패시터 충전을 피하기 위해서이며, 가속 후, 차량 속도가 상승해도 엔진으로부터의 출력을 충분히 낼 수 있기 때문에, 캐패시터로부터의 방전 전력도 그대로 두는 것으로 하고 있다.

그리고, 이 통상 동작시 방전 패턴으로는, 차량이 보유하는 에너지가 최대(Max)일 때에, 캐패시터(11)의 전압이, 최저 사용 전압값 Vcmin보다 큰 제2 특정 전압값 Vc2(단, Vc1>Vc2)의 상태로 되어 있다. 즉, 차량이 보유하는 에너지가 최대이어도, 캐패시터(11)의 출력에 약간의 여력을 남기고 있다. 이렇게, 통상 동작 모드에서는, 이 통상 동작시 방전 패턴에 따라 캐패시터(11)의 충방전을 제어하고 있다.

이에 대해, 도 7의 파선으로 나타내는 대기 가속시 방전 패턴에 있어서는, 차량 정지시(차량 대기시이기 때문, 엔진(1)은 로우 아이들 상태)에 캐패시터(11)를 만충전 상태(캐패시터 전압이 최고 사용 전압 Vcmax가 되는 상태)로 둔다. 이것은 차량이 정지 상태에서 가속할 경우, 특히 프론트부의 유압 작업 장치(5)를 가동시키면서 가속할 경우에는 특히 큰 동력이 필요하지만, 엔진은 상기와 같이 로우 아이들 상태이기 때문에, 요구 동력 상당의 큰 출력을 엔진으로부터는 취출할 수 없기 때문이며, 그 경우에는 가능한 한 캐패시터(11)로부터의 전력에 의해 엔진(1)의 출력 어시스트를 행하도록 한다.

따라서, 대기 가속시 방전 패턴(도 7 파선)에서는, 차량 정지 상태(차량이 보유하는 에너지가 최소값인 상태)에서 만충전 상태로 하고, 차량이 가속됨에 따라서 적극적으로 캐패시터(11)로부터 전력을 방전해서, 엔진(1)의 출력 어시스트를 행하여, 차량이 최대까지 가속될 때에는 캐패시터(11)의 전압을 최저 사용 전압값 Vcmin까지 내려서 캐패시터(11)가 축적하고 있는 전력을 모두 사용할 수 있도록 한다. 이와 같이, 대기 가속시 방전 패턴은, 차량 대기 모드에 대응하는 캐패시터(11)의 충방전의 제어 패턴이며, 차량이 「로우 아이들 상태로부터의 풀 가속 동작」하는 것을 구비한 캐패시터(11)의 충방전 제어 패턴이라고 할 수 있다.

이때, 캐패시터(11)의 충방전량을 제어하는 것이 도 4에 도시하는 출력 배분 제어 수단(31)이다. 이 출력 배분 제어 수단(31)의 처리를 도 6의 블록선도에 나타낸다. 출력 배분 제어 수단(31)에서는, 우선 유압 요구 출력 연산(35) 및 주행 요구 출력 연산(36)에 도 6과 같은 각종 신호를 입력하고, 현재 차량이 작업에 필요로 하는 출력을 연산한다. 여기서 연산된 유압 요구 출력과 주행 요구 출력의 총합이 거의 차량 전체의 요구 출력에 상당한다. 또한, 연산된 유압 요구 출력, 주행 요구 출력, 엔진 회전 수, 캐패시터 전압(현재의 충전량을 연산) 및 동작 모드를 바탕으로 하여, 출력 배분부(37)에 있어서 엔진 동력에 의해 발전되는 M/G 출력 명령 및 캐패시터(11)로부터의 충방전 출력 명령이 연산된다. 기본적으로는 엔진 회전 수의 입력에 의해 현재의 엔진(1)의 최대 출력을 파악할 수 있기 때문에, 차량이 요구하는 총출력에 대한 부족분을 캐패시터(11)로부터 방전하도록 연산한다.

여기서, 앞에서 설명한 동작 모드의 검출값을 사용함으로써 미리 캐패시터(11)에 충전을 행하고, 엔진(1)의 로우 아이들 상태로부터의 가속시에 필요한 캐패시터 전력을 축적하거나, 통상 작업 동작에 의해 발생하는 회생 전력을 축적하거나, 나아가 엔진(1)의 효율이 저하하는 동작 면에서 캐패시터(11)의 방전 전력을 증가시키는 등, 하이브리드 휠 로더에 있어서의 연비 개선 효과를 발휘할 수 있도록 한다.

또한, 출력 배분 제어 수단(31)은, 통상 동작 모드에서, 차량이 보유하는 에너지가 최소값(미리 정한 저출력값)인 경우에, 캐패시터(11)의 전압을, 최고 사용 전압값 Vcmax보다 작고, 또한 최저 사용 전압값 Vcmin보다 큰 전압값 Vc1(제1 특정 전압값)이 되도록 제어한다. 그리고, 차량이 보유하는 에너지가 최소값에 있는 상태가 소정 시간 계속된 경우에는, 출력 배분 제어 수단(31)은, 캐패시터(11)의 전압을 전압값 Vc1로부터 최고 사용 전압값 Vcmax로 올리도록 제어한다.

캐패시터(11)의 전압이 최고 사용 전압값 Vcmax에 도달한 후에, 즉 캐패시터(11)가 만충전 상태가 된 후에, 하이브리드 제어 장치(20)는, 엔진(1)의 회전 수를 아이들 상태의 회전 수로 내려서 차량 대기 모드로 이행한다. 이에 의해, 차량의 대기 상태로부터의 풀 가속하는 고부하 동작 모드인 경우에도, 캐패시터(11)로부터 안정된 동력을 공급할 수 있다.

또한, 상술한 본 실시예에서는, V자 사이클 굴삭 작업에 상당하는 「통상 동작 모드」와, 차량의 대기 상태(특히, 차량이 로우 아이들 상태로부터 풀 가속하는 동작을 구비한 상태)에 상당하는 차량 대기 모드로 크게 구별하고 있지만, 실제의 동작에서는 통상 동작 모드 중에서도 「고속 운반 주행 모드(본 발명의 저 빈도 동작 모드에 상당)」 등, 그 밖의 동작 모드도 고려할 수 있다. 그러한 동작 모드는, 통상 동작 모드에 비하여 발생 빈도는 적고, 또한 차량 대기 모드에서 차량이 로우 아이들 상태로부터 풀 가속하는 상태에 비하여 동력을 필요로 하지 않는 모드라고 생각된다. 이때는, 예를 들어 캐패시터(11)에 그다지 전력의 출납을 행하지 않도록 제어하면 좋다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태예에 관한 하이브리드 휠 로더에 의하면, 동작 모드에 따라, 캐패시터(11)의 충방전 패턴을 변경·제어함으로써, 차량의 대기 상태로부터의 가속 시에 있어서의 엔진의 출력 부족을 피하는 것이 가능하게 되어, 원활한 차량 동작을 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 형태예에 관한 하이브리드 휠 로더에 의하면, 각 동작 모드에 따라 최적의 파워 어시스트를 실현할 수 있기 때문에, 캐패시터(11)의 탑재 용량을 최적으로 설정할 수 있어, 결과적으로 차량의 소형화, 저비용화가 도모된다.

1: 엔진
2: 토크 컨버터
3: 트랜스미션
4: 유압 펌프
5: 유압 작업 장치(프론트 작업기)
6: 모터·제네레이터
7: 인버터
8: 프로펠러 샤프트
9: 주행용 전동기
10: 인버터
11: 캐패시터(축전 장치)
12: DCDC 컨버터
13: 타이어
20: 하이브리드 제어 장치
21 내지 24: 주변 제어 장치
30: 동작 모드 검출 수단
31: 출력 배분 제어 수단
35: 유압 요구 출력 연산
36: 주행 요구 출력 연산
37: 출력 배분부

Claims (4)

1. 차량의 전방에 프론트 작업기를 구비함과 함께, 엔진, 모터·제네레이터 및 축전 장치를 동력원으로 하고, 이 동력원의 출력을 제어하는 하이브리드 제어 장치를 구비한 하이브리드 휠 로더에 있어서,
   상기 축전 장치로서의 캐패시터를 구비하고,
   상기 하이브리드 제어 장치는, 차량이 보유하는 에너지의 증가에 따라 상기 캐패시터의 전압을 내리도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 휠 로더.
2. 제1항에 있어서, 상기 차량이 보유하는 에너지는, 차체의 주행 속도에 의한 운동 에너지 또는, 상기 운동 에너지에, 상기 프론트 작업기의 버킷 높이에 의한 위치 에너지와, 상기 엔진 및 상기 모터·제네레이터의 회전 수에 의한 회전 에너지 중 적어도 한쪽을 가산한 에너지로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 휠 로더.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하이브리드 제어 장치는, 통상의 작업 동작을 행하는 통상 동작 모드와, 상기 차량을 대기시키는 차량 대기 모드로 상기 차량이 보유하는 에너지에 대한 상기 캐패시터 전압의 특성이 다르도록 제어함과 함께, 상기 통상 동작 모드에서, 상기 차량이 보유하는 에너지가 미리 정한 저출력값인 경우에, 상기 캐패시터의 전압을, 최고 사용 전압값보다 작고, 또한 최저 사용 전압값보다 큰 제1 특정 전압값이 되도록 제어하고,
   상기 차량이 보유하는 에너지가 상기 저출력값에 있는 상태가 소정 시간 계속된 경우에는, 상기 하이브리드 제어 장치는, 상기 캐패시터의 전압을 상기 제1 특정 전압값으로부터 상기 최고 사용 전압값으로 올리도록 제어하고, 그 후, 상기 엔진의 회전 수를 아이들 상태의 회전 수로 내려서 상기 차량 대기 모드로 이행하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 휠 로더.
4. 제3항에 있어서, 상기 하이브리드 제어 장치는, 상기 통상 동작 모드의 경우에, 상기 캐패시터의 전압을 상기 차량이 보유하는 에너지의 증가에 따라 상기 제1 특정 전압값으로부터, 상기 최저 사용 전압값보다 크고, 또한 상기 제1 특정 전압값보다 작은 제2 특정 전압값까지 내리도록 제어하고, 상기 차량 대기 모드의 경우에, 상기 캐패시터의 전압을 상기 차량이 보유하는 에너지의 증가에 따라 상기 최고 사용 전압값으로부터 상기 최저 사용 전압값까지 내리도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 휠 로더.

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