JP2001012418A - ハイブリッド作業機械 - Google Patents

ハイブリッド作業機械

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電動機で駆動される液圧ポンプに接続された
液圧アクチュエータに対する負荷の変動を考慮し、常時
良好な液圧アクチュエータの速度制御性を保持する。 【解決手段】 電動機１５によって駆動させる液圧ポン
プ１６と、液圧ポンプ１６によって作動される液圧アク
チュエータ１８と、液圧アクチュエータ１８の負荷状況
を検出する検出手段６０，６１と、検出手段６０，６１
が検出した逆負荷などの負荷状況に応じて、液圧アクチ
ュエータ１８から液圧ポンプ１６に戻る側の作動液の状
態を制限する制限手段６２，６３と、を備える構成にす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンで駆動さ
れる発電機の電力により蓄電手段に蓄電可能であると共
に、これら発電機および蓄電手段の少なくとも一方の電
力により電動機を作動させるハイブリッド作業機械に関
する。
【０００２】
【従来の技術】近年、油圧ショベル、ホイールローダな
どの建設機器やフォークリフトなどの油圧作業機を含む
油圧駆動装置として、エンジンの負担や燃料消費率低減
などのために動力源としてエンジンのほかに発電機およ
びバッテリをも備えるようにした、所謂ハイブリッド型
のものの開発が進められている。
【０００３】かかるハイブリッド型の油圧駆動装置など
では、エンジンにより発生したトルクで油圧ポンプを駆
動するのに代えて、バッテリに蓄えられた電気エネルギ
ーを動力源とする電動機により発生したトルクで油圧ポ
ンプを駆動し、これによって油圧シリンダを動作させる
ことが可能である。
【０００４】このように、電動機で駆動される油圧ポン
プに接続された油圧シリンダの速度を制御しようとする
場合の技術としては、特開平９−１７４３００号公報に
記載されているように油圧シリンダの加圧圧力を検出
し、検出された圧力に基づいてインバータを介して電動
機の回転数を制御するという技術がある。このように油
圧シリンダへの負荷変動に応じて電動機の回転数を制御
することよって、油圧ポンプから吐出される圧油の流量
が制御されて油圧シリンダの速度を変更することが可能
である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に記載された技術は、加圧加工装置を対象としている
ため、油圧シリンダに作用する負荷の方向は常に一定方
向に限定され、前記負荷の大きさもある程度予測が可能
である。しかし、建設機械等の作業機械の場合、油圧シ
リンダに作用する負荷の方向及び大きさは共に常時変化
する。負荷状況によっては、油圧シリンダと油圧ポンプ
の閉回路であっても、十分な速度制御性能が得られない
場合がある。
【０００６】この点について、図５を参照して説明す
る。図５のように、油圧シリンダのロッド側を引っ張る
向きに負荷が作用している状態で、更に同じ方向（図５
の下方向）に油圧シリンダを動作させる場合、配管Ａ部
分にキャビテーションが発生し、シリンダストロークの
電動機回転数に対する線形性が悪化する。また、油圧シ
リンダが引っ張られる側に荷重を受けるため、意図する
以上の速度となり、配管Ｂ部分にはポンプ流量より過剰
な作動油が供給され、過大な圧力が発生し、この圧力に
よって油圧シリンダの速度が低下し、操作レバーによる
速度指令値と異なる速度になるという問題点がある。
【０００７】そこで、本発明の主な目的は、電動機で駆
動される液圧ポンプに接続された液圧アクチュエータに
対する負荷の変動を考慮し、常時良好な液圧アクチュエ
ータの速度制御性を保持することができるハイブリッド
作業機械を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、エンジンで駆動される発電機の
電力により蓄電手段に蓄電可能であると共に、これら発
電機および蓄電手段の少なくとも一方の電力により電動
機を作動させるハイブリッド作業機械において、前記電
動機によって駆動させる液圧ポンプと、前記液圧ポンプ
によって作動される液圧アクチュエータと、前記液圧ア
クチュエータの負荷状況を検出する検出手段と、前記検
出手段が検出した負荷状況に応じて、前記液圧アクチュ
エータから前記液圧ポンプに戻る側の作動液の状態を制
限する制限手段と、を備えてなるハイブリッド作業機械
である。上記の構成によれば、液圧アクチュエータに逆
負荷が作用している状態で、更に同じ方向に液圧アクチ
ュエータを作動させるような負荷状況を検出手段が検出
し、制限手段により、液圧アクチュエータから前記液圧
ポンプに戻る側の作動液の状態を制限すると、液圧アク
チュエータは制御された動作を保つ。
【０００９】請求項２の発明は、前記制限手段は、前記
液圧アクチュエータから前記液圧ポンプに戻る液量を制
御する流量制御手段である請求項１記載のハイブリッド
作業機械である。上記の構成によれば、負荷の状況に応
じて、液圧アクチュエータから液圧ポンプに戻る流量を
制御すると、液圧アクチュエータは流量制御手段で決ま
る液量により制御された動作を保つ。
【００１０】請求項３の発明は、前記制限手段は、前記
液圧アクチュエータから前記液圧ポンプに戻る液圧を制
御する圧力制御手段である請求項１記載のハイブリッド
作業機械である。上記の構成によれば、負荷の状況に応
じて、前記液圧アクチュエータから液圧ポンプに戻る液
圧を高く制御すると液圧アクチュエータは液圧ポンプの
回転で決まる制御された動作を保つ。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態に係るハイブリッド作業機械であるショベルの概略構
成を示す模式図である。図１において、ショベル１００
は、下部走行体１と、上部旋回体２と、掘削アタッチメ
ント３とから構成されている。
【００１２】下部走行体１は、左右のクローラフレーム
４およびクローラ５（いずれも片側のみ図示）と、クロ
ーラ５を回転駆動する左右の走行用電動機７（６）およ
び走行減速機３６（３５）（図１には左側のみ示されて
いる）とを有している。走行減速機３６、３５は、走行
用電動機７、６の回転を減速して走行機構に伝える。
【００１３】上部旋回体２は、旋回フレーム８、キャビ
ン９などから成っている。旋回フレーム８には、動力源
としてのエンジン１０と、エンジン１０によって駆動さ
れる発電機１１と、主バッテリ１２と、補助バッテリ４
２と、上部旋回体３を回転させるための旋回用電動機１
３と、旋回用電動機１３の回転を減速して旋回機構（旋
回歯車）に伝える旋回減速機１４と、ブーム用電動機１
５と、ブーム用油圧ポンプ（以下、「ブームポンプ」と
いう）１６が設置されている。このほか、上部旋回体３
内には、コントローラ３７（ともに図２参照）などを含
む制御部（図示せず）が設けられている。
【００１４】掘削アタッチメント３は、ブーム１７と、
伸縮作動してブーム１７を起伏させるブームシリンダ１
８と、アーム１９と、アーム１９を回動させるアームシ
リンダ２０と、バケット２１と、バケット２１を回動さ
せるバケットシリンダ２２とを具備している。また、ア
ームシリンダ２０には、アーム用電動機２３およびこれ
によって駆動されるアーム用油圧ポンプ（以下、「アー
ムポンプ」という）２４が取り付けられているととも
に、バケットシリンダ２２には、バケット用電動機２５
およびこれによって駆動されるバケット用油圧ポンプ
（以下、「バケットポンプ」という）２６が取り付けら
れている。本実施の形態において、アーム用電動機２３
とアームポンプ２４とアームシリンダ２０、および、バ
ケット用電動機２５とバケットポンプ２６とバケットシ
リンダ２２は、それぞれ一体化されたものが用いられて
いる。
【００１５】次に、ショベル１００の駆動系について、
図２に基づいて説明する。図２は、ショベル１００の駆
動系を概略的に示すブロック図である。図２に示すよう
に、発電機１１はエンジン１０の出力軸に取り付けられ
ている。また、発電機１１は、エンジン１０の出力トル
クから交流電力を発生してインバータを含むコントロー
ラ３７に供給する。発電機１１に接続されたコントロー
ラ３７は、発電機１１で発生した交流電力を直流電力に
変換してバッテリ１２、４２に蓄える通常充電作用、コ
ントローラ３７に接続された電動機１５、２３、２５、
６、７、１３の回生作用によって発生した交流電力を直
流電力に変換してバッテリ３２に蓄える回生充電作用の
各作用を行なう。
【００１６】また、コントローラ３７は、バッテリ１
２、４２に蓄えられた電気エネルギーを交流に変換して
電動機１５、２３、２５、６、７、１３に供給する放電
作用、発電機１１からの交流電力を電動機１５、２３、
２５、６、７、１３に供給する供給作用の各作用を行な
う。これら２つの作用を行う際、コントローラ３７は交
流電流の周波数を操作レバー４５に基づく命令にしたが
って任意の値に変更することが可能であり、これによっ
て電動機１５、２３、２５、６、７、１３の回転数を制
御することができるようになっている。
【００１７】コントローラ３７に接続された６つの電動
機１５、２３、２５、６、７、１３のうち、ブーム用電
動機１５は、ブームポンプ１６を作動させてブームシリ
ンダ１８を駆動し、アーム用電動機２３は、アームポン
プ２４を作動させてアームシリンダ２０を駆動し、パケ
ット用電動機２５は、パケットポンプ２６を作動させて
バケットシリンダ２２を駆動する。旋回用電動機１３お
よび走行用電動機６、７はそれぞれ旋回減速機１４およ
び走行減速機３５、３６に連結されている。これら６つ
の電動機１５、２３、２５、６、７、１３は、オペレー
タによる操作レバー４５の操作によって、それぞれのオ
ンオフ、回転速度および回転方向が制御される。
【００１８】電動機１５、２３、２５、６、７、１３
は、これらへの合計負荷が小さいときには発電機１１か
らコントローラ３７経由で供給される交流電力によって
駆動される。このとき、発電機１１で発電された交流電
力の余剰分は、コントローラ３７において直流電力に変
換されてバッテリ１２、４２に蓄えられる。なお、例え
ばショベル１００の走行時のようにアームシリンダ２０
およびブームシリンダ１８を使用しておらず、主バッテ
リ１２の蓄電力が十分であり且つ電動機１５、２３、２
５、６、７、１３への合計負荷が小さいときには、エン
ジン１０の出力を低下させ或いはエンジン１０を停止し
て主バッテリ１２だけから電動機１５、２３、２５、
６、７、１３に電力を供給するようにしてもよい。これ
によって、エンジン１０を無駄に動作させるのを防止し
て騒音および排ガスを削減し、さらに燃料消費率を低減
することができる。
【００１９】一方、電動機１５、２３、２５、６、７、
１３の合計負荷が所定値よりも大きくなると、発電機１
１で発電された交流電力のバッテリ１２、４２への蓄電
は停止され、そして、電動機１５、２３、２５、６、
７、１３の駆動エネルギーとして、発電機１１から供給
された電力だけではなく必要であれば主バッテリ１２に
蓄電された電力が併せて用いられる。
【００２０】このように、コントローラ３７は電動機１
５、２３、２５、６、７、１３の合計負荷が所定値より
も大きいかどうかでその動作が切り換えられ、この切り
換えは電動機１５、２３、２５、６、７、１３を流れる
電流とその電圧の積に基づいて或いは手動により制御部
の制御により行われる。
【００２１】また、運転中、電動機１５、２３、２５、
６、７、１３をその位置エネルギーおよび運動エネルギ
ーを利用して発電機として作用（回生作用）させ、これ
によって発生する回生電力をバッテリ１２、４２に蓄え
ることができる。特に、旋回用電動機１３は旋回加速時
に大きな運動エネルギーを蓄えることができるので減速
時におけるエネルギーの回生効果が高い。
【００２２】本実施の形態によるショベル１００におい
ては、ブームポンプ１６とブームシリンダ１８とを結ぶ
圧油閉回路５０にブームシリンダ１８の負荷状況を検出
する検出手段５１とブームシリンダ１８からブームポン
プ１６に戻る側の作動油の状態を制限する制限手段５２
が設けられている。また、同様の検出手段５４，５７と
制限手段５５，５８が、アームポンプ２４とアームシリ
ンダ２０とを結ぶ圧油閉回路５３、および、バケットポ
ンプ２６とバケットシリンダ２２とを結ぶ圧油閉回路５
６にも設けられている。これら検出手段５１，５４，５
７は、コントローラ３７に接続され、制限手段５２，５
５，５８はコントローラ３７によって制御可能とされて
いる。
【００２３】次に、本実施の形態のショベル１００にお
けるブーム１７の駆動系の詳細について図３に基づいて
説明する。図３は、ブームに関連する駆動系を詳細に示
した回路図であり、図１および図２と対応する部分には
同じ符号が用いられている。なお、ここではブーム１７
について説明するがアーム１９やバケット２１について
も同様の駆動系が構成されている。
【００２４】圧油閉回路５０のシリンダ２２の給排口付
近に、圧力センサ６０，６１が設けられ、これらが液圧
アクチュエータの負荷状況を検出する検出手段５１を構
成する。また、圧油閉回路５０のうちシリンダ１８のロ
ッド側室１８ｂからポンプ１５に戻る側で作動する流量
調整弁６２と、圧油閉回路５０のうちシリンダ１８のシ
リンダ側１８ａからポンプ１５に戻る側で作動する流量
調整弁６３とが設けられ、これらが液圧アクチュエータ
から液圧ポンプに戻る側の作動液の状態を制限する制限
手段５２を構成する。また、圧油閉回路５０のうちポン
プ１６と流量調整弁６２，６３との間に、シリンダ１８
のロッドの体積分に相当する油量をタンク６４に対して
給排する回路６５が設けられ、圧油閉回路５０の油量バ
ランスが確保されている。
【００２５】このように構成されたブーム１７の駆動系
において、ブームシリンダ１８が伸びる方向に操作レバ
ー４５が操作されると、コントローラ３７を介してブー
ム用電動機１５が制御されて、配管５０ａがブームシリ
ンダ１８のシリンダ室１８ａへの圧油の供給側配管とな
りかつ配管５０ｂがロッド側室１８ｂからの圧油の戻り
側配管となるようにブームポンプ１６が駆動され、ブー
ムシリンダ１８が図中下側に移動する。このとき、ブー
ムシリンダ１８には、下向きの逆負荷（移動方向と同じ
向きの荷重）１８ｃが作用しているものとする。
【００２６】ブームシリンダ１８に対する逆負荷によ
り、戻り側の配管５０ｂの油圧が上がり、供給側の配管
５０ａの油圧が下がり、供給側の配管５０ａにキャビテ
ーションが発生したり、ポンプ１５によるブームシリン
ダ１８のリニアな制御性が損なわれる。この逆負荷の状
況は、圧力センサ６０，６１の何れかの圧力又は圧力セ
ンサ６０，６１の差圧によって検出できる。コントロー
ラ３７は、圧力センサ６０，６１が逆負荷の状況を検出
すると、戻り側の配管５０ｂの流量調整弁６２を作動さ
せ、レバー４５で指令された流量になるように、流量調
整弁６２の開き度を調整する。すると、ブームシリンダ
１８は逆負荷の状況に関わらず、所定の速度を保って伸
長する。このとき、ポンプ１５も所定流量になるように
回転制御されるが、流量が多いと、流量調整弁６２の図
示されないリリーフ弁からタンクに逃がされる。なお、
逆負荷の状況でない普通の場合、流量調整弁６２の開き
度は十分な開口面積を有するように制御し、圧力損失を
できるだけ少なくする。
【００２７】次に、本発明の第２の実施の形態につい
て、さらに図４を参照して説明する。図４は、本実施の
形態においてブームに関連する駆動系を詳細に示した回
路図であり、図３と対応する部分には同じ符号が用いら
れている。
【００２８】本実施の形態は、流量調整弁６２，６３に
代わり、圧力調整弁７０，７１を設けた駆動系である。
また必要により、ポンプ１６と圧力調整弁７０，７１の
間に、圧力センサ７２，７３を付加する。
【００２９】コントローラ３７は、圧力センサ６０，６
１が逆負荷の状況を検出すると、戻り側の配管５０ｂの
圧力調整弁７０を作動させ、戻り側の配管５０ｂの圧力
調整弁７０の手前側の配管の圧力が高くなるようにす
る。すると、ブームシリンダ１８は逆負荷の状況に関わ
らず、モータ１５で駆動されるポンプ１５の回転数で決
まる速度でブームシリンダ１８が伸長する。
【００３０】また、圧力センサ７２，７３を使用する
と、圧力調整弁７０，７１で所定流量を流すこともでき
る。圧力調整弁７０，７１の前後の差圧ΔＰを、圧力セ
ンサ６０，７２又は圧力センサ６１，７３の差圧で検出
し、圧力調整弁７０，７１の開口面積をＡとすると、通
過流量Ｑは、Ｑ＝ｃ・Ａ・√（ΔＰ）と表される。ここ
で、ｃは流量係数である。この通過流量Ｑが所望になる
ように開口面積Ａを制御すればよい。
【００３１】このように、本実施の形態によると、油圧
ポンプと油圧アクチュエータが閉回路を構成し、油圧ア
クチュエータに逆負荷が作用した場合でも、操作レバー
で指令される油圧アクチュエータの制御された作動を確
保することができる。
【００３２】また、上述した実施の形態のショベル１０
０は、エンジン１０で駆動される発電機１１の電力によ
りバッテリ１２、４２に蓄電可能であるとともに、これ
ら発電機１１およびバッテリ１２、４２の少なくとも一
方の電力により電動機１５、２３、２５、６、７、１３
を作動させるものである。そのため、電動機１５、２
３、２５、６、７、１３をブームシリンダ１８やアーム
シリンダ２０などの動作部ごとに別々に設けてそのオン
オフや出力を所望の値に容易に制御することができると
ともに、エンジン１０の余剰エネルギーをバッテリ１
２、４２に蓄電しておくことができるので、高いエネル
ギー効率を得ることができる。
【００３３】以上、本実施の形態の好適な実施の形態に
ついて説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにお
いて様々な設計変更を行うことが可能である。例えば、
負荷状況の検出手段は、油圧閉回路に設けられた圧力セ
ンサに限らず、切削アタッチメントに取り付けられた姿
勢検出器や負荷検出器によって負荷状況を検出できる。
【００３４】また、本実施形態のハイブリッド作業機械
は、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業モード
を実施するハイブリッドショベルに対して好適に適用す
ることができるが、これに限定されるものではなく、ブ
ルドーザやクレーンのように複数の作業モードで作業を
行う全てのハイブリッド作業機械に適用することができ
る。
【００３５】
【発明の効果】請求項１の発明は、液圧アクチュエータ
に逆負荷が作用している状態で、更に同じ方向に液圧ア
クチュエータを作動させるような負荷状況を検出手段が
検出し、制限手段により、液圧アクチュエータから前記
液圧ポンプに戻る側の作動液の状態を制限すると、液圧
アクチュエータは制御された動作を保つため、ハイブリ
ッド作業機械において、油圧ポンプと油圧アクチュエー
タが閉回路で接続された場合でも、負荷の状態のを考慮
したうえで、油圧アクチュエータの良好な速度制御を行
うことができ、作業機械の良好な操作性を確保できると
いう効果を奏する。
【００３６】請求項２の発明は、負荷の状況に応じて、
液圧アクチュエータから液圧ポンプに戻る流量を制御す
ると、液圧アクチュエータは制御された動作を保つた
め、作業機械の良好な操作性を確保できるという効果を
奏する。
【００３７】請求項３の発明は、負荷の状況に応じて、
前記液圧アクチュエータから液圧ポンプに戻る液圧を制
御すると液圧アクチュエータは制御された動作を保つた
め、作業機械の良好な操作性を確保できるという効果を
奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るハイブリッド
作業機械であるショベルの概略構成を示す模式図であ
る。
【図２】図１に示したショベルの駆動系を概略的に示す
ブロック図である。
【図３】図１に示したブームに関連する駆動系を詳細に
示した回路図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態において、ブームに
関連する駆動系を詳細に示した回路図である。
【図５】従来の技術の問題点を説明するための油圧回路
図である。
【符号の説明】
１ 下部走行体 ２ 上部旋回体 ３ 堀削アタッチメント １０ エンジン １１ 発電機 １２ 主バッテリ（蓄電手段） １３ 旋回用電動機 １４ 減速機 １５ ブーム用電動機 １６ ブームポンプ １７ ブーム １８ ブームシリンダ １９ アーム ２０ アームシリンダ ２１ バケット ２２ バケットシリンダ ２３ アーム用電動機 ２４ アームポンプ ３７ コントローラ ４５ 操作レバー ５０，５３，５６ 油圧閉回路 ５１，５４，５７ 負荷状況の検出手段 ５２，５５，５８ 作動液状態の制限手段 ６０，６１ 圧力センサ（負荷状況の検出手段） ６２，６３ 流量調整弁（作動液状況の制限手段） ７０，７１ 圧力調整弁（作動液状況の制限手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１５Ｂ 11/028 Ｂ６０Ｋ 9/00 Ｃ // Ｂ６０Ｌ 11/12 Ｆ１５Ｂ 11/02 Ｘ (72)発明者 今西 悦二郎 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 Ｆターム(参考） 2D003 AA01 AB03 AB04 BA01 BA05 BA08 BB02 BB03 CA05 CA10 DA04 DB02 3D037 CA04 CB02 CB06 CB07 CB09 CB26 CB32 CB34 3H089 AA01 AA21 BB04 BB15 BB26 CC01 DA02 DA14 DB02 DB12 FF07 GG02 JJ01 JJ02 JJ09 5H115 PG10 PI15 PI16 PI22 PI29 PI30 PO17 PU01 PU24 PU26 QA07 QE10 QE16 QI04 RB08 RB14

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エンジンで駆動される発電機の電力によ
    り蓄電手段に蓄電可能であると共に、これら発電機およ
    び蓄電手段の少なくとも一方の電力により電動機を作動
    させるハイブリッド作業機械において、 前記電動機によって駆動させる液圧ポンプと、前記液圧
    ポンプによって作動される液圧アクチュエータと、前記
    液圧アクチュエータの負荷状況を検出する検出手段と、
    前記検出手段が検出した負荷状況に応じて、前記液圧ア
    クチュエータから前記液圧ポンプに戻る側の作動液の状
    態を制限する制限手段と、を備えてなるハイブリッド作
    業機械。
  2. 【請求項２】 前記制限手段は、前記液圧アクチュエー
    タから前記液圧ポンプに戻る液量を制御する流量制御手
    段である請求項１記載のハイブリッド作業機械。
  3. 【請求項３】 前記制限手段は、前記液圧アクチュエー
    タから前記液圧ポンプに戻る液圧を制御する圧力制御手
    段である請求項１記載のハイブリッド作業機械。
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