KR20140032364A

KR20140032364A - 쇼벨

Info

Publication number: KR20140032364A
Application number: KR1020137017950A
Authority: KR
Inventors: 유타 스기야마
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2014-03-14
Also published as: KR101821326B1; CN103493328B; CN103493328A; JP5647270B2; JPWO2012102351A1; WO2012102351A1; EP2670019A1; EP2670019A4; US20130300378A1; US9203261B2

Abstract

쇼벨은, 전동부하와, 전동부하에 전력을 공급하기 위한 축전부(19)를 가지는 축전장치와, 축전부(19)의 충전율이 시스템제어 상한치와 시스템제어 하한치와의 사이가 되도록, 축전부(19)에 충전하는 양을 제어하는 제어장치(30)를 가진다. 제어장치(30)는, 축전율의 검출치의 변화경향에 근거하여, 축전부(19)에 충전하는 양을 제어한다.

Description

쇼벨{Shovel}

본 발명은, 전동작업요소에 전력을 공급하기 위한 축전장치를 가지는 쇼벨에 관한 것이다.

전동모터나 전동액추에이터로 구동되는 전동작업요소를 가지는 쇼벨에는, 당해 전동작업요소에 전력을 공급하기 위한 축전장치가 설치된다. 엔진을 어시스트하는 전동발전기(어시스트 모터)를 가지는 하이브리드식 쇼벨에는, 전동발전기를 구동하여 얻어진 전력을 축전하기 위한 축전기 또는 축전지 등을 포함하는 축전장치가 설치된다. 어시스트 모터는 축전장치로부터의 전력으로 구동되어 엔진을 어시스트한다. 또, 어시스트 모터는 엔진의 동력으로 구동되어 발전을 행한다. 발전한 전력은 축전장치의 축전기 또는 축전지에 축전된다.

축전장치의 축전기나 축전지는, 요구된 전력을 공급할 수 있도록 그 충전율(SOC)이 항상 일정치 이상이 되도록 제어된다. 따라서, 충전율(SOC)이 크게 저하되었을 때에는 급속히 충전율(SOC)을 올리려고 하여 큰 충전전류가 공급되는 경우가 있다. 축전기 또는 축전지는 내부저항을 가지므로, 충전전류가 흐르면 발열하여, 내부저항 손실이 된다. 내부저항 손실은 전류의 제곱에 비례하여 커지므로, 충전전류가 커지면 내부저항 손실은 급격하게 증대한다. 따라서, 축전기나 축전지를, 내부저항을 적게 하여 효율적으로 사용하기 위해서는, 충전전류를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.

여기에서, 외부의 교류전원으로부터 전력평준화 장치를 통하여 전기구동식 건설기계의 배터리에 전력을 공급하는 것이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.). 전력평준화 장치는, 교류전원으로부터의 전력의 피크전력을 상한치로 억제하여 평준화한 후, 평준화된 전력을 배터리에 공급한다. 구체적으로는, 충전전류에 대하여 상한치를 설정함으로써, 충전전류가 상한치를 넘지 않도록 하고 있다.

(특허문헌)

특허문헌 1: 일본공개특허공보 2009-114653호

축전기 또는 축전지에 공급하는 충전전류에 대하여 하나의 상한치를 설정하고, 그 상한치를 높게 설정한 경우로서, 충전전류가 상한치보다 약간 낮은 값으로 제어되고 있으면, 내부저항 손실이 커져, 비효율적이 된다. 한편, 상한치를 낮게 설정한 경우, 작은 충전전류밖에 흐르게 할 수 없기 때문에 충전속도가 작아져, 충전율(SOC)을 높은 상태로 유지할 수 없게 될 우려가 있다.

따라서, 축전장치의 충전율(SOC)을 고려하면서 충전전류 또는 충전전력을 제어하여 축전장치의 축전부(축전기 또는 축전지)를 효율적으로 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 전동부하와, 상기 전동부하에 전력을 공급하기 위한 축전부를 가지는 축전장치와, 상기 축전부의 충전율이 시스템제어 상한치와 시스템제어 하한치와의 사이가 되도록, 상기 축전부에 충전하는 양을 제어하는 제어장치를 가지고, 상기 제어장치는, 축전율의 검출치의 변화경향에 근거하여, 상기 축전부에 충전하는 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 쇼벨이 제공된다.

상술의 발명에 의하면, 축전장치의 충전율(SOC)의 변화경향에 근거하여 축전장치에 축전하는 양을 제한하므로, 충전손실을 저감시켜 효율적으로 축전을 행할 수 있다.

도 1은 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다.
도 2는 제1 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 축전계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 축전계의 회로도이다.
도 5는 쇼벨의 작업 시에 있어서의 커패시터의 충전율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 의한 충전량 제어를 나타내는 제어블록도이다.
도 7은 충전량 제어처리의 플로우차트이다.
도 8은 충전전력 제한제어의 일례에 있어서의 충전율의 변화와, 거기에 대응하는 충전전력제한을 나타내는 도이다.
도 9는 충전전력 제한제어의 다른 예에 있어서의 충전율의 변화와, 거기에 대응하는 충전전력제한을 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태에 의한 충전량 제어를 나타내는 제어블록도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태에 의한 충전전력 제한제어의 일례에 있어서의 충전율의 변화와, 거기에 대응하는 충전전력제한을 나타내는 도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시형태에 의한 충전량 제어를 나타내는 제어블록도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시형태에 의한 충전전력 제한제어의 일례에 있어서의 충전율의 변화와, 거기에 대응하는 충전전력제한을 나타내는 도이다.
도 14는 시리즈형의 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 15는 모든 구동부가 유압에 의하여 작동하는 구성의 하이브리드식 쇼벨의 구동계를 나타내는 블록도이다.
도 16은 전기식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1은, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 쇼벨을 나타내는 측면도이다.

하이브리드식 쇼벨의 하부 주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부 선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부 선회체(3)에는, 붐(4)이 장착되어 있다. 붐(4)의 선단에, 암(5)이 장착되고, 암(5)의 선단에 버킷(6)이 장착되어 있다. 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은, 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 상부 선회체(3)에는, 캐빈(10)이 설치되고, 또한 엔진 등의 동력원이 탑재된다.

다만, 본 발명이 적용 가능한 쇼벨은, 하이브리드식 쇼벨에 한정되지 않고, 축전장치를 가지는 쇼벨이면, 예를 들면 외부전원으로부터 충전전력이 공급되는 전기구동식 쇼벨에도 본 발명을 적용할 수 있다.

도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선, 고압유압라인은 실선, 파일럿라인은 파선, 전기구동·제어계는 실선으로 각각 나타나 있다.

기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 변속기(13)의 2개의 입력축에 각각 접속되어 있다. 변속기(13)의 출력축에는, 유압펌프로서 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다.

컨트롤밸브(17)는, 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 하부 주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)는, 고압유압라인을 통하여 컨트롤밸브(17)에 접속된다.

전동발전기(12)에는, 인버터(18A)를 통하여, 축전기로서의 커패시터를 포함하는 축전계(축전장치)(120)가 접속된다. 축전계(120)에는, 인버터(20)를 통하여 전동작업요소로서의 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메커니컬 브레이크(23), 및 선회 변속기(24)가 접속된다. 또, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 선회용 전동기(21)와, 인버터(20)와, 리졸버(22)와, 메커니컬 브레이크(23)와, 선회 변속기(24)로 부하 구동계가 구성된다.

조작장치(26)는, 레버(26A), 레버(26B), 및 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A), 레버(26B), 및 페달(26C)은, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 압력센서(29)에 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속되어 있다.

본 실시형태에서는, 붐회생전력을 얻기 위한 붐회생용 모터(300)(발전기(300)라고도 칭한다)가 인버터(18C)를 통하여 축전계(120)에 접속되어 있다. 발전기(300)는, 붐실린더(7)로부터 토출되는 작동유에 의하여 구동되는 유압모터(310)에 의하여 구동된다. 발전기(300)는, 붐(4)이 중력에 따라 내려질 때에 붐실린더(7)로부터 토출되는 작동유의 압력을 이용하여, 붐(4)의 위치 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 다만, 도 2에 있어서, 설명의 편의상, 유압모터(310)와 발전기(300)는 떨어진 위치로 나타나 있지만, 실제로는, 발전기(300)의 회전축은 유압모터(310)의 회전축에 기계적으로 접속되어 있다.

즉, 유압모터(310)는, 붐(4)이 내려질 때에 붐실린더(7)로부터 토출되는 작동유에 의하여 회전되도록 구성되어 있으며, 붐(4)이 중력에 따라 내려질 때의 에너지를 회전력으로 변환하기 위하여 설치되어 있다. 유압모터(310)는, 컨트롤밸브(17)와 붐실린더(7) 사이의 유압배관(7A)에 설치되어 있으며, 상부 선회체(3) 내의 적당한 장소에 장착될 수 있다.

발전기(300)에서 발전된 전력은, 회생전력으로서 인버터(18C)를 거쳐 축전계(120)에 공급된다. 발전기(300)와 인버터(18C)로 부하 구동계가 구성된다.

다만, 본 실시형태에서는, 붐(4)의 각도를 검출하기 위한 붐각도센서(7B)가 붐(4)의 지지축에 장착되어 있다. 붐각도센서(7B)는, 검출한 붐각도(θB)를 컨트롤러(30)에 공급한다.

도 3은 축전계(120)의 구성을 나타내는 블록도이다. 축전계(120)는, 축전기로서의 커패시터(19)와, 승강압 컨버터와 DC 버스(110)를 포함한다. 제2 축전기로서의 DC 버스(110)는, 제1 축전부로서의 커패시터(19), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21) 사이에서의 전력의 수수(授受)를 제어한다. 커패시터(19)에는, 커패시터 전압치를 검출하기 위한 커패시터 전압검출부(112)와, 커패시터 전류치를 검출하기 위한 커패시터 전류검출부(113)가 설치되어 있다. 커패시터 전압검출부(112)와 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치와 커패시터 전류치는, 컨트롤러(30)에 공급된다.

승강압 컨버터(100)는, 전동발전기(12), 발전기(300), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태에 따라, DC 버스전압치를 일정한 범위 내에 들어가도록 승압동작과 강압동작을 전환하는 제어를 행한다. 제2 축전부로서의 DC 버스(110)는, 인버터(18A, 18C, 및 20)와 승강압 컨버터(100)와의 사이에 배치되어 있으며, 커패시터(19), 전동발전기(12), 발전기(300), 및 선회용 전동기(21) 사이에서의 전력의 수수를 행한다.

도 2로 되돌아와, 컨트롤러(30)는, 하이브리드식 쇼벨의 구동제어를 행하는 주제어부로서의 제어장치이다. 컨트롤러(30)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부 메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성되어, CPU가 내부 메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 실행함으로써 실현되는 장치이다.

컨트롤러(30)는, 압력센서(29)로부터 공급되는 신호를 속도지령으로 변환하여, 선회용 전동기(21)의 구동제어를 행한다. 압력센서(29)로부터 공급되는 신호는, 선회기구(2)를 구동하기 위하여 조작장치(26)를 조작하였을 때의 조작량을 나타내는 신호에 상당한다.

컨트롤러(30)는, 전동발전기(12)의 운전제어(전동(어시스트)운전 또는 발전운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압 제어부로서의 승강압 컨버터(100)를 구동제어함으로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동(어시스트)운전 또는 발전운전), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태(역행운전 또는 회생운전)에 근거하여, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 또, 컨트롤러(30)는, 후술과 같이 커패시터에 충전하는 양(충전전류 또는 충전전력)의 제어도 행한다.

승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC 버스전압검출부(111)에 의하여 검출되는 DC 버스전압치, 커패시터 전압검출부(112)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치, 및 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전류치에 근거하여 행해진다.

이상과 같은 구성에 있어서, 어시스트 모터인 전동발전기(12)가 발전한 전력은, 인버터(18A)를 통하여 축전계(120)의 DC 버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 선회용 전동기(21)가 회생운전하여 생성한 회생전력은, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)의 DC 버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 또, 붐회생용의 발전기(300)가 발전한 전력은, 인버터(18C)를 통하여 축전계(120)의 DC 버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다.

선회용 전동기(21)의 회전속도(각속도(ω))는 리졸버(22)에 의하여 검출된다. 또, 붐(4)의 각도(붐각도(θB))는 붐(4)의 지지축에 설치된 로터리 인코더 등의 붐각도센서(7B)에 의하여 검출된다. 컨트롤러(30)는, 선회용 전동기(21)의 각속도(ω)에 근거하여 추정 선회 회생전력(에너지)을 연산으로 구하고, 또, 붐각도(θB)에 근거하여 추정 붐회생전력(에너지)을 연산으로 구한다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 연산으로 구한 추정 선회 회생전력과 추정 붐회생전력에 근거하여, SOC의 회생예상 목표치를 연산에 의하여 구한다. 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 SOC를, 구한 회생예상 목표치에 근접시키도록 하이브리드식 쇼벨의 각 부를 제어한다.

도 4는, 축전계(120)의 회로도이다. 승강압 컨버터(100)는, 리액터(101), 승압용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(102A), 강압용 IGBT(102B), 커패시터(19)를 접속하기 위한 전원접속단자(104), 인버터(105)를 접속하기 위한 출력단자(106), 및, 한 쌍의 출력단자(106)에 병렬로 삽입되는 평활용 콘덴서(107)를 구비한다. 승강압 컨버터(100)의 출력단자(106)와 인버터(18A, 18C, 20)와의 사이는, DC 버스(110)에 의하여 접속된다.

리액터(101)의 일단은 승압용 IGBT(102A)와 강압용 IGBT(102B)와의 사이의 중간점에 접속되고, 타단은 전원접속단자(104)의 1개에 접속된다. 리액터(101)는, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라 발생하는 유도 기전력을 DC 버스(110)에 공급하기 위하여 설치되어 있다.

승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 게이트부에 장착한 바이폴러 트랜지스터로 구성되어, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체소자이다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, 컨트롤러(30)에 의하여, 게이트단자에 PWM 전압이 인가됨으로써 구동된다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)에는, 정류소자인 다이오드(102a 및 102b)가 각각 병렬 접속된다.

커패시터(19)는, 승강압 컨버터(100)를 통하여 DC 버스(110)와의 사이에서 전력의 수수가 행해지도록, 충방전 가능한 축전부이면 된다. 다만, 도 4에는, 제1 축전부로서 커패시터(19)(축전기)를 나타내지만, 커패시터(19) 대신에, 리튬이온전지 등의 충방전 가능한 이차전지(축전지), 리튬이온커패시터, 또는, 전력의 수수가 가능한 그 외의 형태의 전원을 제1 축전부로서 이용하여도 된다.

전원접속단자(104) 및 출력단자(106)는, 커패시터(19) 및 DC 버스(110)가 접속되는 단자이다. 한 쌍의 전원접속단자(104) 사이에는, 커패시터 전압을 검출하는 커패시터 전압검출부(112)가 접속된다. 한 쌍의 출력단자(106) 사이에는, DC 버스전압을 검출하는 DC 버스전압검출부(111)가 접속된다.

커패시터 전압검출부(112)는, 커패시터(19)의 전압치(vbat_det)를 검출한다. DC 버스전압검출부(111)는, DC 버스(110)의 전압(이하, DC 버스전압: vdc_det)을 검출한다. 평활용 콘덴서(107)는, 출력단자(106)의 양극단자와 음극단자와의 사이에 삽입되어, DC 버스전압을 평활화하기 위한 축전소자이다. 이 평활용 콘덴서(107)에 의하여, DC 버스(110)의 전압은 미리 정해진 전압으로 유지된다. 커패시터 전류검출부(113)는, 커패시터(19)에 흐르는 전류의 값을 검출하는 검출수단이며, 전류검출용의 저항기를 포함한다. 즉, 커패시터 전류검출부(113)는, 커패시터(19)에 흐르는 전류치(ibat_det)를 검출한다.

승강압 컨버터(100)에 있어서, DC 버스(110)를 승압할 때에는, 승압용 IGBT(102A)의 게이트단자에 PWM 전압이 인가된다. 따라서, 강압용 IGBT(102B)에 병렬로 접속된 다이오드(102b)를 통하여, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라 리액터(101)에 발생하는 유도 기전력이 DC 버스(110)에 공급된다. 이로써, DC 버스(110)가 승압된다.

DC 버스(110)를 강압할 때에는, 강압용 IGBT(102B)의 게이트단자에 PWM 전압이 인가된다. 따라서, 강압용 IGBT(102B)를 통하여 공급되는 회생전력이 DC 버스(110)로부터 커패시터(19)에 공급된다. 이로써, DC 버스(110)에 축적된 전력이 커패시터(19)에 공급되어, DC 버스(110)가 강압된다.

다만, 실제로는, 컨트롤러(30)와 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)와의 사이에는, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 구동하는 PWM 신호를 생성하는 구동부가 존재하지만, 도 4에서는 생략한다. 이러한 구동부는, 전자회로 또는 연산처리장치의 어느 것으로도 실현할 수 있다.

상술과 같은 구성의 하이브리드식 쇼벨에 있어서, 커패시터(19)의 충전율(SOC)을 항상 높은 상태로 유지함으로써, 커패시터(19)의 전압이 항상 높은 상태로 유지된다. 커패시터(19)의 전압이 높은 상태로 충전되면, 커패시터(19)로의 충전전류를 작게 할 수 있다. 따라서, 충전전류가 흐름으로써 발생하는 커패시터(19)의 내부저항 손실을 저감시킨다는 관점에서는, 커패시터(19)의 충전율(SOC)을 항상 높은 상태로 유지하는 것이 바람직하다.

단, 쇼벨의 운전 중은, 커패시터(19)는 충전·방전을 반복하고 있으며, 커패시터(19)의 충전율은 항상 변화하고 있다. 즉, 전기부하를 구동하기 위하여 방전하면 충전율은 저하되어 가고, 전동발전기(12)의 발전전력이나 발전기(300)(붐회생용 모터)의 회생전력으로 충전되면 충전율은 상승되어 간다. 따라서, 커패시터(19)의 충전율을 높게 유지하기 위하여, 커패시터(19)의 충전율의 시스템제어 상의 상한치 및 하한치(시스템제어 상한치 및 시스템제어 하한치라고 칭한다)를 결정해 둘 필요가 있다.

도 5는 쇼벨의 작업 시에 있어서의 커패시터(19)의 충전율(SOC)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5에 나타내는 예에서는, 충전율(SOC)의 시스템제어 상한치는 90%로 설정되고, 시스템제어 하한치는 40%로 설정되어 있지만, 시스템제어 상한치 및 시스템제어 하한치는, 쇼벨의 구동시스템이나 커패시터(19) 상태에 따라 적절한 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 여기에서, 충전율(SOC)은, 커패시터(19)가 정격전압일 때의 충전율을 100%로 하고 있다.

쇼벨의 운전이 개시되어 엔진(11)이 구동되면, 전동발전기(12)에서의 발전이 가능해진다. 쇼벨의 운전 중은, 통상, 커패시터(19)의 전력에 의하여 전동부하가 구동되어 커패시터(19)의 SOC가 내려가면, 바로 커패시터(19)의 충전이 행하여져, 커패시터(19)의 SOC는 상승한다. 즉, 쇼벨이 작업을 개시하면, 쇼벨의 전동부하를 구동하기 위하여, 커패시터(19)는 방전되어, 충전율(SOC)은 저하되어 간다. 그리고, 전동부하의 구동이 없어지면 커패시터(19)는 충전되어, 충전율(SOC)은 상승으로 전환된다. 충전율(SOC)이 저하에서 상승으로 전환되는 점을 극소치라고 칭한다. 커패시터(19)로의 충전이 개시된 후 충전율(SOC)이 상승되어 가면, 어느 시점에서 다시 전동부하를 구동하기 위하여 커패시터(19)로부터의 방전이 필요하게 된다. 이 때는, 충전율(SOC)이 상승에서 저하로 전환된다. 충전율(SOC)이 상승에서 저하로 전환되는 점을 극대치라고 칭한다.

통상, 쇼벨의 작업은 굴삭동작과 같이 동일한 동작의 반복이 많고, 커패시터(19)의 충전율(SOC)의 변화는 도 5에 나타내는 바와 같이 동일한 파형의 반복이 되는 경우가 많다. 여기에서, 도 5에 나타내는 예에서는, 커패시터(19)로 공급하는 충전전류에 일정한 제한이 있어, 충전전류의 상한치가 설정되어 있다. 즉, 커패시터(19)로의 충전전류는 일정한 상한치 이하가 되도록 제어되고 있다.

커패시터(19) 충전전류의 크기는, 충전율(SOC)의 상승속도에 비례한다. 충전전류가 크면 충전율(SOC)의 상승속도는 커지고, 도 5에 있어서 충전율(SOC)의 극소치로부터 극대치까지의 변화가 빨라져, 커패시터(19)를 신속히 충전할 수 있다. 그러나, 커패시터(19)로 공급하는 충전전류가 너무 크면, 커패시터(19)의 내부저항에 의한 발열 등의 문제가 발생하기 때문에, 충전전류에는 일정한 제한이 있어, 충전전류의 상한치가 설정되어 있다. 즉, 커패시터(19)로의 충전전류(또는 충전전력)는 일정한 상한치 이하가 되도록 제어되고 있다.

도 5에 나타내는 예에서는, 반복동작의 매회의 충전전류(충전량)가, 충전율(SOC)을 유지하기에 충분한 크기의 전류이며, 충전율(SOC)의 평균치(극소치와 극대치의 중간치)는 서서히 상승하고 있다. 그리고 충전율(SOC)의 값이 시스템제어 상한치를 넘지 않도록 제어가 작용하고, 충전율(SOC)의 극대치는 시스템제어 상한치에 도달하는 상태가 된다. 따라서, 도 5에 나타내는 예에서는, 충전율(SOC)의 평균치가 항상 높은 상태로 유지되고 있다.

커패시터(19)로의 충전전류가 클수록, 커패시터(19)의 충전율(SOC)을 보다 신속히 상승시킬 수 있어, 충전율(SOC)을 높은 상태로 유지하기 쉬워진다. 그러나, 충전시의 커패시터(19)의 내부저항에 의한 에너지 손실은, 충전전류의 제곱에 비례하여 커지기 때문에, 커패시터(19)의 충전율(SOC)의 상승률을 지나치게 높게 하면, 커패시터(19)에서의 에너지 효율이 저하되어 버린다.

따라서, 본 발명의 실시형태에서는, 충전전류 또는 충전전력을 제한하면서, 충전율(SOC)을 가능한 한 높은 상태로 유지하도록 충전전류 또는 충전전력을 제어하여, 커패시터(19)를 효율적으로 이용하고 있다. 구체적으로는, 본 실시형태에서는, 충전율(SOC)의 추이(변화)에 근거하여, 커패시터(19)에 충전하는 양(충전전류, 충전전력)을 제어함으로써, 충전율(SOC)이 높은 상태로 추이하도록 제어한다. 보다 구체적으로는, 충전율(SOC)의 극소치와 극대치의 추이(혹은, 변화경향)에 근거하여 충전전력제한 또는 충전전류제한을 단계적으로 전환하여, 충전율(SOC)을 높은 상태로 유지하는 제어를 행한다.

도 6은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 충전량 제어를 나타내는 제어블록도이다. 충전량 제어에서는, 연산블록(40)에 있어서, 차례로 입력되는 커패시터(19)의 충전율(SOC)의 현재치로부터, 커패시터(19)의 충전율(SOC)의 극소치와 극대치가 연산에 의하여 구해진다. 연산에 의하여 구해진 극소치는 SOC 저하판단블록(42)에 출력되고, 극대치는 SOC 유지판단블록(44)에 출력된다.

SOC 저하판단블록(42)에서는, 입력되는 극소치의 추이(변화)로부터 충전율(SOC)이 저하되고 있는지 아닌지가 판단된다. 충전율(SOC)이 저하되고 있다고 판단되면, 전력제한 업플래그가 생성된다. 보다 구체적으로는, SOC 저하판단블록(42)에서는, 시간의 경과와 함께 차례로 구해지는 극소치를 전회 구해진 극소치와 비교함으로써, 연속하여 N회, 금회의 극소치가 전회의 극소치보다 저하되었는지(작아졌는지) 아닌지가 판단된다. 여기에서 N은 임의의 정수(극소치의 연속 저하수)이며, 예를 들면 N=3이라고 하면, 3회 연속으로 금회의 극소치가 전회보다 낮아졌는지 아닌지가 판단된다. 전력제한 업플래그는, 충전율(SOC)이 계속해서 저하되는 경향에 있다는 것을 나타내는 플래그이다.

또, SOC 저하판단블록(42)에서는, 입력되는 극소치가 시스템제어 하한치 이하가 되었는지 아닌지가 판단된다. 극소치가 시스템제어 하한치 이하가 되었다고 판단되면, 전력제한 최대 업플래그가 생성된다. 전력제한 최대 업플래그는, 충전율(SOC)이 너무 저하되고 있기 때문에 급속히 충전을 행할 필요가 있다는 것을 나타내는 플래그이다.

한편, SOC 유지판단블록(44)에서는, 입력되는 극대치의 추이(변화)로부터 충전율(SOC)이 유지되고 있는지 아닌지가 판단된다. 충전율(SOC)이 유지되고 있다고 판단되면, 전력제한 다운플래그가 생성된다. 보다 구체적으로는, SOC 유지판단블록(44)에서는, 시간의 경과와 함께 차례로 구해지는 극대치를 전회 구해진 극대치와 비교함으로써, 연속하여 N회, 금회의 극대치가 전회의 극대치 이상인지(유지되고 있는지) 아닌지가 판단된다. 여기에서 N은 임의의 정수(극대치의 연속 상승수)이며, 예를 들면 N=3이라고 하면, 3회 연속으로 극대치가 유지되고 있는지 아닌지가 판단된다. 전력제한 다운플래그는, 충전율(SOC)이 유지되는 경향이 있다는 것을 나타내는 플래그이다. 또, SOC 유지판단블록(44)은, 시간의 경과와 함께 차례로 구해지는 극대치를 시스템제어 상한치와 비교함으로써, 연속하여 N회, 극대치가 시스템제어 상한치 이상인지(유지되고 있는지) 아닌지를 판단한다. 여기에서 N은 임의의 정수(극대치의 연속 상승수)이며, 예를 들면 N=3이라고 하면, 3회 연속으로 극대치가 시스템제어 상한치로 유지되고 있는지 아닌지가 판단된다. 3회 연속으로 극대치가 시스템제어 상한치로 유지되고 있는 경우에도, 전력제한 다운플래그가 생성된다.

다음으로, 충전전력제한 전환판단블록(46)은, 충전전력제한의 단계를 전환하는 전환신호를 생성하여 전환블록(48)에 공급한다. 예를 들면, 상술의 전력제한 업플래그가 생성되었을 때에는, 충전전력제한 전환판단블록(46)은, 충전전력제한의 단계를 한 단계 높이기 위한 전환신호를 전환블록(48)에 공급한다. 또, 상술의 전력제한 최대 업플래그가 생성되었을 때에는, 충전전력제한 전환판단블록(46)은, 충전전력제한의 단계를 최고의 단계로 올리기 위한 전환신호를 전환블록(48)에 공급한다. 한편, 상술의 전력제한 다운플래그가 생성되었을 때에는, 충전전력제한 전환판단블록(46)은, 충전전력제한의 단계를 한 단계 낮추기 위한 전환신호를 전환블록(48)에 공급한다.

충전전력제한의 단계란, 커패시터(19)에 충전하는 전력량을 단계적으로 정한 것으로, 예를 들면, A단계는 -10kW 이하, B단계는 -20kW 이하, C단계는 -30kW 이하, D단계는 -40kW 이하이다. 전환블록(48)은, 전환신호에 근거하여 어떤 단계를 선택하고, 선택된 단계의 충전전력제한치(-10kW, -20kW, -30kW, 또는 -40kW)가 제한기(50)에 출력된다.

제한기(50)에는, 컨트롤러(30)로부터 충전전력 지령치(1)가 공급된다. 제한기(50)는, 전환블록(48)으로부터 공급되는 충전전력제한치에 근거하여 충전전력 지령치(1)에 제한을 가하여 충전전력 지령치(2)를 생성하고, 상위 시스템에 출력한다. 따라서, 제한기(50)로부터 출력되는 충전전력 지령치(2)는, 충전율의 변화경향에 근거하여 제한이 가해진 지령치가 된다. 본 실시형태에서는, 충전전력 지령치(2)는, 상술과 같이 충전율(SOC)의 변화경향에 근거하여 단계적으로 -10kW 이하, -20kW 이하, -30kW 이하, 또는 -40kW 이하로 제한된 값이 된다. 이 충전전력 지령치(2)가, 실제로 커패시터(19)에 공급하는 충전전력의 지령치가 된다.

다만, 충전전력제한 전환판단블록(46)은, 전환신호를 전환블록(48)에 출력함과 함께, 리셋판단신호를, SOC 저하판단블록(42) 및 SOC 유지판단블록(44)에 출력한다. SOC 저하판단블록(42) 및 SOC 유지판단블록(44)은, 리셋판단신호를 받으면, 극소치 또는 극대치의 N회 연속의 비교를 첫 회부터 개시한다.

또, 극소치 또는 극대치의 N회 연속의 비교는, 충전율(SOC)이 상승 경향에 있는지, 하강 경향에 있는지를 판단하기 위하여 행하고 있는 것이며, 반드시 극소치가 N회 연속으로 저하되고 있는지, 혹은 극대치가 N회 연속으로 유지되고 있는지에 따라 판단할 필요는 없다. 즉, 예를 들면, 어떤 시간 내의 축전율(SOC)의 변화경향을 판단할 수 있다면, N회 연속이 아니어도 되고, 예를 들면 1회 간격의 극소치 혹은 극대치에 근거하여 판단을 행하여도 된다. 혹은, 극소치와 극대치의 이동평균에 근거하여 판단을 행하여도 된다.

또, 변화경향을 판단하기 위하여 검출하는 충전율(SOC)의 검출치는, 극소치 및 극대치에 한정하는 일 없이, 예를 들면, 극소치 또는 극대치로부터 소정 시간 후의 검출치여도 된다. 또, 변화율이 미리 정한 값 이상인지 아닌지로 판단하여도 된다. 구체적으로는, 현재의 충전율(SOC)의 검출치와 소정 시간 후의 충전율(SOC)의 검출치의 차가, 미리 정해진 값 이상인지를 근거로, 변화경향을 판단할 수 있다.

본 실시형태에서는, 커패시터(19)에 충전하는 양으로서 충전전력을 제한하도록 제어하고 있지만, 충전전력 대신에 커패시터(19)에 충전하는 양으로서 충전전류를 제한하도록 제어하여도 된다.

도 7은 충전량 제어처리의 플로우차트이다. 먼저, 충전량 제어처리가 개시되면, 스텝 S1에 있어서, 커패시터(19)의 충전율(SOC)의 현재치(SOC0)가 연산에 의하여 구해진다. 다음으로, 스텝 S2에 있어서, 충전율(SOC)의 현재치(SOC0)가 충전율(SOC)의 시스템제어 하한치(도 5 참조)보다 낮은지 아닌지가 판단된다.

충전율(SOC)의 현재치(SOC0)가 시스템제어 하한치보다 낮은 경우(스텝 S2의 YES), 충전전력제한의 단계를 최고의 단계(D단계)로 전환한다. 즉, 현재의 충전율이 너무 낮기 때문에, 커패시터(19)를 급속히 충전하기 위하여, 충전전력제한을 최대치로 하여, 큰 충전전력을 공급한다.

한편, 충전율(SOC)의 현재치(SOC0)가 시스템제어 하한치 이상의 경우(스텝 S2의 NO), 처리는 스텝 S3으로 진행된다.

이상의 처리는, 도 6에 나타내는 충전량 제어 전에 행하여진다.

다음으로, 스텝 S3에 있어서, 충전율(SOC)의 극소치가 N회 산출된다. 첫 회의 산출치가 SOC-1이 되고, N회째의 산출치가 SOC-N이 된다. N회째의 산출치(SOC-N)가 산출되면, 스텝 S4에 있어서, 충전율(SOC)의 극소치가 N회 연속하여 저하되었는지 아닌지가 판정된다.

충전율(SOC)의 극소치가 N회 연속하여 저하되었을 경우(스텝 S4의 YES), 충전전력제한의 단계를 한 단계 위로 전환하여, 충전전력제한치를 상승시킨다. 예를 들면, 충전율(SOC)의 극소치가 N회 연속하여 저하되었을 때의 단계가 B단계인 경우는 C단계로 전환되고, 충전전력제한치는 B단계의 -20kW로부터 C단계의 -30kW로 상승된다. 여기에서, 충전전력제한치가 마이너스의 값으로 되어 있는 것은, 방전전력을 플러스로 하고 충전전력을 마이너스로 하여 충전전력과 방전전력을 구별하고 있기 때문이다. 따라서, 커패시터(19)를 최대 -20kW로 충전하고 있었을 때에는, 충전전력제한치의 전환에 의하여 최대 -30kW로 충전 가능해져, 커패시터(19)를 신속히 충전하여 충전율(SOC)의 저하 경향을 억제할 수 있다.

한편, 충전율(SOC)의 극소치가 N회 연속하여 저하되지 않았던 경우(스텝 S4의 NO), 처리는 스텝 S5로 진행된다. 스텝 S5에서는, 충전율(SOC)의 극대치가 N회 산출된다. 첫 회의 산출치가 SOC+1이 되고, N회째의 산출치가 SOC+N이 된다. N회째의 산출치(SOC+N)가 산출되면, 스텝 S6에 있어서, 충전율(SOC)의 극대치가 N회 연속하여 충전율(SOC)의 시스템제어 상한치(도 5 참조) 이상인지 아닌지, 또는 충전율(SOC)의 극대치가 N회 연속하여 상승되고 있는지 아닌지가 판정된다.

충전율(SOC)의 극대치가 N회 연속하여 충전율(SOC)의 시스템제어 상한치 이상인 경우, 또는 충전율(SOC)의 극대치가 N회 연속하여 상승하고 있는 경우(스텝 S6의 YES), 충전전력제한의 단계를 한 단계 아래로 전환하여, 충전전력제한치를 저하시킨다. 예를 들면, 충전율(SOC)의 극대치가 N회 연속하여 상승하였을 때의 단계가 C단계였던 경우는 B단계로 전환되어, 충전전력제한치는 C단계의 -30kW로부터 C단계의 -20kW로 저감된다. 여기에서, 충전전력제한치가 마이너스의 값으로 되어 있는 것은, 방전전력을 플러스로 하고 충전전력을 마이너스로 하여 충전전력과 방전전력을 구별하고 있기 때문이다. 따라서, 커패시터(19)를 최대 -30kW로 충전하고 있었을 때에는, 충전전력제한치의 전환에 의하여 최대 -20kW로 제한되어, 커패시터(19)에 충전하는 양을 저감하여 충전율(SOC)이 저하되도록 제어한다.

한편, 충전율(SOC)의 극대치가 N회 연속하여 충전율(SOC)의 시스템제어 상한치 이상이 아닌 경우, 또는 충전율(SOC)의 극대치가 N회 연속하여 상승하고 있지 않는 경우(스텝 S6의 NO), 충전전력제한의 단계는 그대로 유지되어, 충전전력제한치는 변경되지 않는다. 충전율(SOC)의 극대치가 N회 연속하여 충전율(SOC)의 시스템제어 상한치 이상이 아닌 경우, 즉, 충전율(SOC)의 극대치가 시스템제어 상한치 이상이 되는 것이 N회 연속하지 않는 경우, 또는 충전율(SOC)의 극대치가 N회 연속하여 상승하고 있지 않는 경우는, 커패시터(19)의 충전율(SOC)은 과도하게 높아져 있지 않아, 이 때의 충전전력제한을 낮출 필요는 없다고 판단하여, 충전전력제한은 저감시키지 않는다.

다음으로, 이상과 같은 충전전력제한 처리에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 8은 충전전력 제한제어의 일례에 있어서의 충전율(SOC)의 변화와, 거기에 대응하는 충전전력제한을 나타내는 도면이다. 도 8에 나타내는 예에서는, 커패시터(19)의 충전율(SOC)이, 시스템제어 상한치(예를 들면 90%)의 상태로부터 서서히 감소하고, 이에 따라 충전율(SOC)의 극대치 및 극소치도 시간과 함께 서서히 저하되고 있다. 도 8의 (a)에 나타내는 예에서는, 판단 횟수(N)는 N=3으로 설정되어 있다. 따라서, 충전율(SOC)의 극소치가 연속하여 N=3회, 전회의 극소치보다 저하된 시점에서, 충전전력제한의 단계가 한 단계 올려져, A단계로부터 B단계로 전환되고 있다. 이로써, 충전전력제한치는 -10kW로부터 -20kW로 상승되어 있다(마이너스는 충전을 의미한다). 그러나, 그 후, 부하가 증대하면, 전동발전기(12)에 의한 엔진 어시스트 운전의 출력이나, 선회용 전동기(21)로의 출력이 증대하여 버린다. 이로 인하여, 충전율(SOC)은 그 후에도 계속 저하되고, 이번에는 극소치가 시스템제어 하한치를 밑돌고 있다. 따라서, 도 8의 (b)에 나타내는 바와 같이, 극소치가 시스템제어 하한치를 밑돈 시점에서, 충전전력제한의 단계가 최고 단계까지 올려져, B단계로부터 D단계로 전환되어 있다. 이로써, 충전전력제한치는 -20kW로부터 -40kW로 상승되어, 보다 급속히 커패시터(19)에 충전전력을 공급할 수 있게 되어 있다.

다만, 도 8에서는 충전율(SOC)의 극소치가 연속하여 N=3회, 전회의 극소치보다 저하되고 있는 예를 나타내고 있지만, 충전율(SOC)의 극대치가 연속하여 N=3회, 전회의 극대치보다 상승하는 경우에는, 충전전력제한의 단계를 한 단계 올리게 된다.

도 9는 충전전력 제한제어의 다른 예에 있어서의 충전율(SOC)의 변화와, 거기에 대응하는 충전전력제한을 나타내는 도이다. 도 9에 나타내는 예에서는, 커패시터(19)의 충전율(SOC)이, 시스템제어 상한치(예를 들면 90%) 상태로부터 서서히 감소하고, 이것에 따라, 충전율(SOC)의 극대치 및 극소치도 시간과 함께 서서히 저하되고 있다. 도 9의 (a)에 나타내는 예에서는, 판단 횟수(N)는 N=3으로 설정되어 있다. 따라서, 충전율(SOC)의 극소치가 연속하여 N=3회, 전회의 극소치보다 저하된 시점에서, 충전전력제한의 단계가 한 단계 올려져, A단계로부터 B단계로 전환되고 있다. 이로써, 충전전력제한치는 -10kW로부터 -20kW로 상승되어 있다(마이너스는 충전을 의미한다).

여기에서, 도 8에 나타내는 예와는 달리, 충전전력제한치가 -10kW로부터 -20kW로 상승되었기 때문에, 충전율(SOC)은 그 후 상승으로 전환되고, 이번에는 극대치가 연속하여 N=3회, 시스템제어 상한치가 되고 있다(충전율(SOC)은 시스템제어 상한치 이상이 되지 않도록 제어되고 있기 때문에, 극대치도 시스템제어 상한치 이상은 되지 않는다). 따라서, 도 9의 (b)에 나타내는 바와 같이, 극대치가 연속하여 N=3회 상승한 시점에서, 충전전력제한의 단계가 한 단계 내려가, B단계로부터 A단계로 전환되고 있다. 이로써, 충전전력제한치는 -20kW로부터 -10kW로 저감되어, 충전전력이 저감되도록 제어되고 있다. 본 실시형태에서는, 충전율(SOC)을 근거로 충전율의 전력제한을 행하는 예를 나타냈지만, 본 실시형태에 한정되는 일 없이, 예를 들면, 충전율로서 축전장치의 전압치를 이용하는 경우도 포함된다. 이와 같이, 극대치가 연속하여 미리 정해진 횟수 상승하였을 경우에 충전전력제한을 저하시킴으로써, 충전율(SOC)을 시스템 상한치 이내로 억제할 수 있다.

또, 충전율(SOC)이, 연속하여 시스템 상한치를 유지하는 경우에도, 더욱, 충전전력제한을 저하시키도록 하여도 된다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 의한 충전량 제어에 대하여 설명한다. 도 10은 본 발명의 제2 실시형태에 의한 충전량 제어를 나타내는 제어블록도이다. 도 10에 있어서, 도 6에 나타내는 기능 블록과 동등한 기능 블록에는 동일한 부호를 나타내고, 그 설명은 생략한다.

본 실시형태에서는, 도 6에 나타내는 전환블록(48)이 맵 전환블록(60)으로 치환되어, 맵 전환블록(60)으로부터 충전전력 지령치(1)가 출력된다. 충전전력 지령치(1)는 상위 프로세스에 공급된다. 상위 프로세스에 있어서 결정된 충전전력 지령치가 충전전력 지령치(1)를 넘는 경우는, 제한기(70)에 의하여 제한되고, 제한기(70)로부터 충전전력 지령치(2)로서 출력된다.

맵 전환블록(60)에는, 충전전력 지령치(1)를 생성하기 위한 복수의 맵(62-1~62-4)이 설치되어 있다. 맵(62-1)은, 상술의 A단계에 상당하는 충전전력제한치와 충전율(SOC)과의 관계를 나타내고 있다. 맵(62-1)에 충전율(SOC)의 현재치가 입력되면, A단계에서 설정된 충전전력(예를 들면, 최대로 -10kW)으로 제한된 충전전력 지령치(1)가 출력된다. 맵(62-1)은, 충전율(SOC)이 어떠한 값이더라도, 커패시터(19)에 흐르는 충전전류가 소정의 전류치(A단계의 전류치)를 넘지 않도록 충전전력을 설정하였을 때의 맵이다. 따라서, 맵(62-1)으로부터 출력되는 충전전력 지령치(1)를 이용하면, 충전율(SOC)이 어떠한 값이더라도 소정의 전류치(A단계의 전류치)를 넘지 않도록 커패시터(19)를 충전할 수 있다. 여기에서, 맵(62-1)에 있어서 충전율(SOC)이 낮아지면 충전전력제한치가 저하되고 있는 것은, 충전전류(I)를 일정하게 하였을 경우, 충전전력(W)은 충전율(SOC)의 제곱근에 비례하는 값이 되기 때문이다(W=I×V0×√SOC:V0은 커패시터의 만충전 전압).

마찬가지로, 맵(62-2, 62-3, 62-4)은, 각각 상술의 B단계, C단계, D단계에 상당하는 충전전력제한치와 충전율(SOC)과의 관계를 나타내고 있다. 맵(62-2, 62-3, 62-4)에 충전율(SOC)의 현재치가 입력되면, B단계, C단계, D단계에서 설정된 충전전력(예를 들면 -20kW, -30kW, -40kW)으로 제한된 충전전력 지령치(1)가 각각 출력된다. 맵(62-2, 62-3, 62-4)은, 충전율(SOC)이 어떠한 값이더라도, 커패시터(19)에 흐르는 충전전류가 소정의 전류치(B단계, C단계, D단계의 전류치)를 넘지 않도록 충전전력을 설정하였을 때의 맵이다. 따라서, 맵(62-2, 62-3, 62-4)으로부터 출력되는 충전전력 지령치(1)를 이용하면, 각각 충전율(SOC)이 어떠한 값이더라도 소정의 전류치(B단계, C단계, D단계의 전류치)를 넘지 않도록 커패시터(19)를 충전할 수 있다.

도 11은 본 실시형태에 의한 충전전력 제한제어의 일례에 있어서의 충전율(SOC)의 변화와, 거기에 대응하는 충전전력제한을 나타내는 도이다. 도 11에 나타내는 예에서는, 커패시터(19)의 충전율(SOC)이, 시스템제어 상한치(예를 들면 90%)의 상태로부터 서서히 감소하고, 이에 따라 충전율(SOC)의 극대치 및 극소치도 시간과 함께 서서히 저하되고 있다. 도 11의 (a)에 나타내는 예에서는, 판단 횟수(N)는 N=3으로 설정되어 있다. 따라서, 충전율(SOC)의 극소치가 연속하여 N=3회, 전회의 극소치보다 저하된 시점에서, 충전전력제한의 단계가 한 단계 상승되어, A단계로부터 B단계로 전환되고 있다. 이로써, 도 11의 (b)에 나타내는 바와 같이, 충전전력제한치는 맵(62-1)에 있어서의 제한치(A단계: 최대로 -10kW)로부터 맵(62-2)에 있어서의 제한치(B단계: 최대로 -20kW)로 상승되어 있다(마이너스는 충전을 의미한다). 그러나, 이 후, 부하가 증대하면, 전동발전기(12)에 의한 엔진 어시스트 운전의 출력이나, 선회용 전동기(21)로의 출력이 증대해 버린다. 이로 인하여, 충전율(SOC)은 이 후에도 계속 저하되어, 이번에는 극소치가 시스템제어 하한치를 밑돌고 있다. 따라서, 극소치가 시스템제어 하한치를 밑돈 시점에서, 충전전력제한의 단계가 최고 단계까지 올려져, B단계로부터 D단계로 전환되고 있다. 이로써, 충전전력제한치는 맵(62-2)에 있어서의 제한치(B단계: 최대로 -20kW)로부터 맵(62-4)에 있어서의 제한치(D단계: 최대로 -40kW(최대 충전전력))로 상승되어, 보다 급속히 커패시터(19)에 충전전력을 공급할 수 있게 되어 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시형태에 의한 충전량 제어에 대하여 설명한다. 도 12는 본 발명의 제3 실시형태에 의한 충전량 제어를 나타내는 제어블록도이다. 도 12에 있어서, 도 6에 나타내는 기능 블록과 동등한 기능 블록에는 동일한 부호를 나타내고, 그 설명은 생략한다.

본 실시형태에서는, 도 6에 나타내는 전환블록(48)이 게인 연산블록(80) 및 비례 제어블록(82)으로 치환되고, 비례 제어블록(82)으로부터 충전전력 지령치(1)가 출력된다. 또, 비례 제어블록(62)에는, 충전율(SOC)의 현재치와 SOC 목표치와의 차분이 입력된다. 비례 제어블록(82)으로부터 출력되는 충전전력 지령치(1)는 상위 프로세스에 공급된다. 상위 프로세스에 있어서 결정된 충전전력 지령치가 충전전력 지령치(1)를 넘는 경우는, 제한기(70)에 의하여 제한되고, 제한기(70)로부터 충전전력 지령치(2)로서 출력된다.

게인 연산부 블록(80)은, 충전전력제한 전환판단블록(46)으로부터의 전환신호에 근거하여, 각 단계에 있어서의 비례 게인을 산출한다. 비례 제어블록(82)은, 충전율(SOC)의 현재치와 SOC 목표치와의 차분과 게인 연산부 블록(80)에서 구한 비례 게인에 근거하여, 충전전력 지령치(1)를 산출한다. 충전전력 지령치(1)는 상위 프로세스에 공급된다. 상위 프로세스에 있어서 결정된 충전전력 지령치가 충전전력 지령치(1)를 넘는 경우는, 제한기(70)에 의하여 제한되고, 제한기(70)로부터 충전전력 지령치(2)로서 출력된다.

도 13은 본 실시형태에 의한 충전전력 제한제어의 일례에 있어서의 충전율(SOC)의 변화와, 거기에 대응하는 충전전력제한을 나타내는 도이다. 도 13에 나타내는 예에서는, 커패시터(19)의 충전율(SOC)이, 시스템제어 상한치(예를 들면 90%)의 상태로부터 서서히 감소하고, 이것에 따라, 충전율(SOC)의 극대치 및 극소치도 시간과 함께 서서히 저하되고 있다. 도 13의 (a)에 나타내는 예에서는, 판단 횟수(N)는 N=3으로 설정되어 있다. 따라서, 충전율(SOC)의 극소치가 연속하여 N=3회, 전회의 극소치보다 저하된 시점에서, 충전전력제한을 연산하기 위하여 이용하는 비례 게인이 한 단계 상승되어, A단계로부터 B단계로 전환되고 있다. 이로써, 도 13의 (b)에 나타내는 바와 같이, 충전전력제한치는 A단계에 있어서의 제한치(-10kW＋비례 게인)로부터 B단계에 있어서의 제한치(-20kW＋비례 게인)로 상승되어 있다(마이너스는 충전을 의미한다). 그러나, 그 후, 부하가 증대하면, 전동발전기(12)에 의한 엔진 어시스트 운전의 출력이나, 선회용 전동기(21)로의 출력이 증대해 버린다. 이로 인하여, 충전율(SOC)은 그 후에도 계속 저하되고, 이번에는 극소치가 시스템제어 하한치를 밑돌고 있다. 따라서, 극소치가 시스템제어 하한치를 밑돈 시점에서, 충전전력제한의 단계가 최고 단계까지 올려져, B단계로부터 D단계로 전환되고 있다. 이로써, 충전전력제한치는 B단계에 있어서의 제한치(-20kW＋비례 게인)로부터 D단계에 있어서의 제한치(최대 충전전력: -40kW＋비례 게인)로 상승되어, 보다 급속히 커패시터(19)에 충전전력을 공급할 수 있게 되어 있다.

상술의 실시형태에서는, 엔진(11)과 전동발전기(12)를 유압펌프인 메인펌프(14)에 접속하여 메인펌프를 구동하는, 이른바 패러럴형의 하이브리드식 쇼벨에 본 발명을 적용한 예에 대하여 설명했다. 상술의 실시형태는, 도 14에 나타내는 바와 같이 엔진(11)으로 전동발전기(12)를 구동하고, 전동발전기(12)가 생성한 전력을 축전계(120)에 축적한 후 축적한 전력에 의해서만 메인펌프(14)를 구동하는, 이른바 시리즈형의 하이브리드식 쇼벨에도 적용할 수도 있다. 이 경우, 전동발전기(12)는, 본 실시형태에서는 엔진(11)으로 구동되는 것에 의한 발전운전만을 행하는 발전기로서의 기능을 구비하고 있다.

또, 도 15에 나타내는 바와 같이 모든 구동부가 유압에 의하여 작동하는 구성의 하이브리드식 쇼벨에도 본 발명을 적용할 수 있다. 도 11에 나타내는 구성의 하이브리드식 쇼벨에서는, 엔진(11)의 잉여출력에 의하여 전동발전기(12)에서 발전된 발전전력 및 붐회생 모터(300)에 의하여 발전된 발전전력이, 축전계(120)에 축전된다. 축전계(120)에 축전된 축전전력은, 엔진(11)의 출력을 어시스트하기 위하여 이용된다.

또한, 엔진이 탑재되지 않고 전동기만으로 유압펌프를 구동하는 전기식 쇼벨에도 본 발명을 적용할 수 있다. 도 16은 전기식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 전동기로서 기능하는 전동발전기(120)는 메인펌프(14)에 접속되고, 메인펌프(14)는 전동발전기(12)에 의해서만 구동된다. 축전계(120)에는, 컨버터(410)를 통하여 외부전원(400)이 접속되고, 축전계(120)의 축전부(커패시터(19))에는, 외부전원(400)으로부터 전력이 공급되어 충전된다.

본 발명은 구체적으로 개시된 상술의 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이, 다양한 변형예 및 개량예가 이루어질 것이다.

본 출원은, 2011년 1월 28일 출원된 우선권 주장 일본 특허출원 제2011-016545호에 근거하는 것이며, 그 전체 내용은 본 출원에 원용된다.

(산업상 이용가능성)

본 발명은, 전동작업요소에 전력을 공급하기 위한 축전장치를 가지는 쇼벨에 적용 가능하다.

1 하부 주행체 1A, 1B 유압모터
2 선회기구 3 상부 선회체
4 붐 5 암
6 버킷 7 붐실린더
7A 유압배관 7B 붐각도센서
8 암실린더 9 버킷실린더
10 캐빈 11 엔진
12 전동발전기 13 변속기
14 메인펌프 15 파일럿펌프
16 고압유압라인 17 컨트롤밸브
18, 18A, 18B, 20 인버터 19 커패시터
21 선회용 전동기 22 리졸버
23 메커니컬 브레이크 24 선회 변속기
25 파일럿라인 26 조작장치
26A, 26B 레버 26C 페달
26D 버튼 스위치 27 유압라인
28 유압라인 29 압력센서
30 컨트롤러 35 표시장치
40 연산블록 42 SOC 저하판단블록
44 SOC 유지판단블록 46 충전전력제한 전환블록
48 전환블록 50 제한기
60 맵 전환블록 70 제한기
80 게인 연산블록 82 비례 제어블록
100 승강압 컨버터 101 리액터
102A 승압용 IGBT 102B 강압용 IGBT
104 전원접속단자 106 출력 단자
107 콘덴서 110 DC 버스
111 DC 버스전압검출부 112 커패시터 전압검출부
113 커패시터 전류검출부 120 축전계
300 붐회생용 모터(발전기) 310 붐회생용 유압모터
400 외부전원 410 컨버터

Claims

전동부하와,
상기 전동부하에 전력을 공급하기 위한 축전부를 가지는 축전장치와,
상기 축전부의 충전율이 시스템제어 상한치와 시스템제어 하한치와의 사이가 되도록, 상기 축전부에 충전하는 양을 제어하는 제어장치를 가지고,
상기 제어장치는, 축전율의 검출치의 변화경향에 근거하여, 상기 축전부에 충전하는 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 1 항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 검출치가 전회의 검출치보다 커지는 경우, 및/또는, 상한치로 유지되는 경우가 소정 횟수 연속하여 계속되었을 때에, 상기 충전하는 양이 과대하다고 판단하여, 상기 충전하는 양의 제한치를 저하시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 1 항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 검출치로서 상기 축전부의 충전율의 변화에 있어서의 극대치를 검출하고, 상기 극대치의 변화경향에 근거하여, 상기 충전하는 양의 제한치를 저하시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출치가 전회의 검출치보다 작아지는 경우가 소정 횟수 연속하여 계속되었을 때에, 상기 충전하는 양이 부족하다고 판단하여, 상기 충전하는 양의 제한치를 상승시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 검출치로서 상기 축전부의 충전율의 변화에 있어서의 극소치를 검출하고, 상기 극소치의 변화경향에 근거하여, 상기 충전하는 양의 제한치를 상승시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 충전율의 극소치가 상기 시스템제어 하한치 이하가 되면, 상기 충전하는 양의 제한치를 상승시키는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 충전하는 양의 제한치로서, 충전율의 변화에 대응한 복수의 제한치가 설정되는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 1 항에 있어서,
상기 제어장치는, 충전전력의 지령치에 대하여 제한을 가하는 제한부를 구비하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 1 항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 검출치의 변화경향에 근거하여 충전전력의 지령치를 변경하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 9 항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 축전부의 충전율로부터 상기 충전전력의 지령치를 생성하는 맵을 복수 구비하고, 상기 검출치의 변화경향에 근거하여, 상기 충전전력의 지령치를 생성하기 위하여 이용하는 맵을 전환하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제 10 항에 있어서,
상기 복수의 맵은 각각 상기 검출치에 따라 상기 충전전력의 지령치의 크기가 상이한 것을 특징으로 하는 쇼벨
제 9 항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 검출치의 변화경향에 근거하여, 상기 충전전력의 지령치에 대한 게인을 변경하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.