JP2001207482A - ハイブリッドショベル - Google Patents
ハイブリッドショベルInfo
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Abstract
成できるハイブリッドショベルを提供する。 【解決手段】 作業機を駆動する油圧シリンダ7の油圧
回路において、油圧シリンダ7からの油排出回路に回生
用発電機8と連結した油圧モータを設ける。旋回用駆動
源を旋回用電動発電機6とする。走行用駆動源を走行用
電動機5とする。電力コントローラ4によって回生用発
電機8、旋回用電動発電機6、走行用電動機5、エンジ
ン1に連結された発電電動機2およびバッテリ3の間の
給電および充電を行う。
Description
等の油圧駆動装置で構成されていた駆動源の一部を、電
動機または回生発電を行う電動発電機としたハイブリッ
ドショベルに関する。
回部と、ブーム、アームおよびバケット等を備えた作業
部からなり、図5、図6に示す構成を備えていた。
成を示しており、旋回部49に設けられたエンジン40
で油圧回路のポンプ41を駆動し、このポンプ41で発
生した油圧でコントロールバルブ42を介して作業部5
0の駆動用シリンダ44、旋回部49の旋回モータ43
および走行部48に設けられた走行モータ46を駆動し
ていた。なお、45はセンタージョイントである。
圧回路は、エンジン40にカップリングした油圧ポンプ
41から直接コントロールバルブ42に連結し、コント
ロールバルブ42から油圧シリンダ44に給排出する回
路、油圧旋回モータ43に給排出する回路、油圧走行モ
ータ46に給排出する回路が接続された回路になってい
た。この回路では、圧力源である油圧ポンプ41に対
し、負荷を構成する各種油圧モータ43,46及び油圧
シリンダ44等のアクチュエータの複数対象の同時制御
を行っていた。また、油圧系は駆動力を発生する必要性
から高圧回路部分を有していた。なお、47は作動タン
クである。
た従来の油圧回路は、接続部からの油漏れ、油の膨張伸
縮特性に基づく応答性の悪さ、制御および切換の衝撃に
よる制御の困難さ、複数負荷の同時制御時のポンプ流量
圧の不十分さに基づく操作性の悪さ、等の問題点があっ
た。
すると共に、省エネルギー化を達成できるハイブリッド
ショベルの提供を目的としている。
題を達成するために、 〔1〕走行部上に旋回部を載置し、この旋回部前部に作
業部を俯仰動可能に枢着したショベルにおいて、前記作
業部を作動する油圧シリンダとこの油圧シリンダに圧油
を供給する油圧ポンプとこの油圧ポンプからの圧油の方
向を切り換えるコントロールバルブを含む油圧回路と、
前記旋回部を旋回駆動すると共にこの旋回部を制動時回
生発電する旋回用電動発電機とを備え、前記回生発電し
た発電電力を充電できるように接続したバッテリと、前
記旋回用電動発電機を制御するように設けた制御装置と
を備えたことを特徴とする。
ベルにおいて、前記走行部を駆動すると共にこの走行部
を制動時回生発電する走行用電動発電機とを備えること
を特徴とする。
リッドショベルにおいて、前記制御装置により制御さ
れ、前記旋回用電動発電機及び又は走行用電動発電機と
1つ以上の負荷と前記バッテリに接続されてこれらの間
の電路の切換制御を行う電力コントローラを備えたこと
を特徴とする。
ベルにおいて、前記油圧回路の油圧シリンダからの排出
油が油圧ポンプに戻る排出油回路に発電機を連結した油
圧モータを設け、バルブを制御するバルブ制御装置を設
けたことを特徴とする。
ベルにおいて、前記発電機にバッテリを接続したことを
特徴とする。
ベルにおいて、前記発電機と前記バッテリの間に、制御
装置により制御され1つ以上の負荷に接続された電力コ
ントローラを接続したことを特徴とする。
ョベルによれば、旋回用電動発電機により制動動作と回
生発電とを行うことができるので、エネルギー効率が改
善されると共に、油圧では難しい操作性および応答性の
改善を図ることができる。
よれば、更に、前記走行部を駆動すると共に該走行部を
制動時回生発電する走行用電動発電機とを備えるように
したので、旋回用電動発電機及び又は走行用電動発電機
により制動動作と回生発電とを行うことができるので、
エネルギー効率が改善されると共に、油圧では難しい操
作性および応答性の改善を実現できる。
よれば、油圧系のバックアップを電力系で行えるので、
操作性および応答性が改善できる。
よれば、排出油の油圧エネルギーを有効に電力に変換で
きるので、エネルギー効率を改善できる。
よれば、更に、上記変換した電力をバッテリに蓄積でき
るので、エネルギーの利用効率を向上できる。
よれば、更に、他の負荷に対する給電システムを構成で
きるので、負荷に対する電力の安定供給および制御が容
易になる。
示す図面に基づいて説明する。 (第1の実施の態様)図1は本発明の第1実施例を示す
ハイブリッドショベルの模式図、図2はそのシステムの
模式図、図3はその制御系のブロック図である。
ののように走行部、旋回部および作業部に分けることが
できる。
り、また、1はエンジンであり、ベルト等の駆動力伝達
手段やクラッチを介して油圧ポンプ10及び発電電動機
2に連結され、エンジン回転数検出センサ14とエンジ
ンの回転数を制御するエンジン制御装置24とを備えて
いる。発電電動機2は発電電動機出力(電圧・電流)セ
ンサ15を備え、エンジン1の回転力が作用していると
きには、発電機の機能に設定されて発電し、エンジン停
止中には電動機の機能に設定されて、バッテリ3の出力
により電動機として動作して油圧ポンプ10を駆動す
る。また、エンジン回転中であっても、一時的に大きな
油馬力を必要とする場合は、電力系統からエンジンをア
シストする。バッテリ3は旋回用電動発電機6が電動機
の機能に設定されて動作し、走行用電動機5と共に負荷
となるときに、発電電動機2が発電機の機能に設定され
その発電電力が負荷としての走行用電動機5と旋回用電
動発電機6の要求する電力に満たないとき、制御装置の
制御下で電力コントローラ4を介して負荷としての走行
用電動機5と旋回用電動発電機6に給電し、また、発電
電動機2が電動機の機能に設定され動作するとき、この
発電電動機2を負荷として制御装置の制御下で電力コン
トローラ4を介して給電するように機能する。
で発電電動機2,バッテリ3,回生用発電機8(ブーム
のための回生用発電機8a,アームのための回生用発電
機8b,バケットのための回生用発電機8c),作業機
を旋回するための旋回用電動発電機6及び走行用電動機
5の間の給電制御を行う。走行用電動機5は、発電電動
機2及びバッテリ3から必要な制御下で電力コントロー
ラ4を介して給電され、その回転出力はエンコーダ12
により検出される。旋回用電動発電機6は、旋回動作
中、電動機の設定で動作し、発電電動機2及びバッテリ
3から必要な制御のもとに電力コントローラ4を介して
給電され、旋回制動時、発電機の設定で動作し、電動機
の設定の発電電動機2およびバッテリ3に給電し、その
回転出力はエンコーダ13によって検出される。油圧シ
リンダ7は、ブームシリンダ7a、アームシリンダ7
b、バケットシリンダ7cを有し、油圧ポンプ10から
の圧油がコントロールバルブ9を介して供給される。こ
の油圧シリンダ7は、コントロールバルブ制御装置25
を備えている。回生用発電機8はコントロールバルブ9
と油圧シリンダ7とを直接結んだ油圧回路に迂回するよ
うに設け、制御装置18の制御下でのバルブ制御装置2
6によるバルブ11の切換により、油圧シリンダ7から
の排出油により回転し発電する。9は、コントロールバ
ルブであり、油圧ポンプ10と油圧シリンダ7と作動油
タンク47との3者間の油流路の制御を行う。コントロ
ールバルブ9は、コントロールバルブ制御装置25を備
えている。油圧ポンプ10は、エンジン1または電動機
として設定された発電電動機2のクラッチおよび伝達機
構を介して連結され、駆動されるバルブ制御装置26
は、前記直接結んだ油圧回路と迂回回路とにわたって設
けられ、交互に回路を切り替える。エンコーダ12,1
3は、旋回用電動発電機6および走行用電動機5の回転
数を検出し、コード化して出力する。14はエンジン回
転数検出センサである。15は電動発電機出力センサで
あり、電圧、電流を検出する。16はバッテリ出力検出
センサであり、電圧、電流を検出する。17は油圧セン
サであり、ポンプ10の油圧を検出する。
び入出力ポートよりなる。入力ポートには各種センサ、
即ち、エンジン回転数検出センサ14、発電電動機出力
センサ15、バッテリ出力検出センサ16、旋回用電動
発電機6および走行用電動機5の回転数を検出するエン
コーダ12,13、油圧ポンプ10の油圧を検出する油
圧センサ17、旋回用電動発電機6の駆動により旋回す
る作業用アクチュエータの旋回角度を検出する旋回角度
検出センサ20、走行用電動機5の駆動により達成され
る走行スピードを検出する走行スピード検出センサ2
1、油圧シリンダ7を操作したとき、この油圧シリンダ
7により伸縮されるブーム、アーム、バケットの伸縮程
度を検出する伸縮検出センサ22、バケットで土砂など
の負荷を持ち上げた時の荷重の重量を検出する荷重検出
センサ23、の検出データが入力される。入力ポートに
は、上記各センサの他に、操作者の操作する入力装置1
9の出力データが入力される。出力ポートには、電力コ
ントローラ4、エンジン制御装置24、コントロールバ
ルブ制御装置25、バルブ制御装置26、モニター装置
27が接続されている。電力コントローラ4には、発電
電動機2、旋回用電動発電機6、走行用電動機5および
バッテリ3が制御対象として接続されている。
機械について、以下その動作を説明する。
と、制御装置18は、その指示に応じてプログラムを起
動して、入力された各センサからのデータを取り込み、
メモリに記憶すると共に、プログラムを実行してその結
果を出力ポートより指定された出力装置に出力する。
態様を実施の態様毎に分けて説明する。 (節電時の実施の態様)エンジン1を始動し、油圧ポン
プ10と発電電動機2を駆動する。制御装置18は、プ
ログラムの実行に従って、油圧ポンプ10の圧油を、油
圧センサ17の検出データを基にコントロールバルブ9
で切り替えて油圧シリンダ7に給排出する。このときの
油圧シリンダ7からの排出油は、バルブ制御装置26の
制御出力によるバルブ11の切換によって流路を迂回路
に変え、回生用発電機8の油圧モータを回転駆動し、こ
の油圧モータに連結する発電機を駆動して発電する。発
電した電力は、プログラムに基づいて電力コントローラ
4によりバッテリ3に充電される。この態様は、油圧シ
リンダ7を反復駆動すれば常時発生し、その結果回生発
電が行われる。
御により、電動機の機能に設定されると、旋回動作中、
電力コントローラ4を介した発電電動機2およびバッテ
リ3からの給電によりそれらの負荷となる電動機として
動作する。旋回用電動発電機6は、旋回停止時、今まで
の慣性力により回転を続けようとするモータ軸に設けた
ロータコイルの回転に対して遅れた位相となる回転磁界
を発生するようにステータコイルを通電制御すると、ス
テータコイルに誘導起電力を発生する。また、このよう
にステータコイルに誘導起電力を発生させた状態でモー
タ軸に連結されたロータを回転させると、モータ軸に制
動力が作用する。上記誘導起電力は、回生電力として、
電力コントローラ4を介してバッテリ3に、場合によっ
ては発電電動機2にも給電される。 (節電時以外の実施の態様)制御装置18は、各センサ
の検出データを取り込み、入力装置19の設定操作信号
によって、所定のプログラムを実行して、その実行結果
を基に出力機器を制御する。 (旋回用電動発電機の実施の態様)旋回用電動発電機6
は、入力装置19の設定操作信号に基づいて、制御装置
18によって電動機の機能か、または発電機の機能に設
定される。その設定状態で、制御装置18は、旋回用電
動発電機6を、エンコーダ13、旋回角度検出センサ2
0、荷重検出センサ23の各検出データを基に、旋回速
度を複合動作を行うための一定速度または慣性力が一定
範囲内となるような速度または負荷の軽重に応じた変速
に制御する。旋回部の制動時、制御装置18は、旋回用
電動発電機6を発電機の機能に設定し、ステータコイル
にロータコイルの回転に対して遅れた位相の回転磁界が
発生するように、ステータコイルに通電制御する。その
結果発生する誘導起電力は、回生電力としてバッテリ3
または他の電動機等の負荷に給電される。 (走行用電動機の実施の態様)走行用電動機5は、入力
装置19の設定操作信号により、制御装置18の制御下
で、エンコーダ12、走行スピード検出センサ21の検
出データに基づいて、所定のスピードでの回転動作を行
う。走行部の両側に配置した走行用電動機5を直進走行
するように同じスピードに制御することもできる。 (油圧系の実施の態様)油圧ポンプ10の圧油は、コン
トロールバルブ9を介してアクチュエータを作動する油
圧シリンダ7に供給される。油圧シリンダ7からの排出
油は、バルブ11を介して発電機と連結された油圧モー
タを介してコントロールバルブ9に戻る。制御装置18
の制御により、油圧センサ17の検出データを取り込み
ながら、油圧シリンダ7内の油圧ピストンの駆動が行わ
れる。図2の実施例では、バルブ11の挿入部を油圧シ
リンダ7のチューブ側通路としているブームシリンダの
例である。アーム、バケットシリンダに関しては、この
限りではなく、回生機能が有効に作用する油通路(チュ
ーブ又はロッド側)にバルブ11を挿入する。
は、バッテリ3又はその他の負荷に給電される。 (エンジン系)制御装置18は、入力装置19の設定操
作信号に応じて、エンジン回転数検出センサ14、発電
電動機出力センサ15、バッテリ出力検出センサ16の
検出データを取り込んで、バッテリ電圧・電流を設定値
と比較しながら、必要とする負荷に所定の電力が給電で
きるように制御する。 (他の実施の態様)図2の実施の態様において、エンジ
ン1を外し、発電電動機2を燃料電池、商用電源とする
ことも可能であり、その場合には図4の実施例のように
なる。
リンダ7の油排出回路中に回生用発電機8を介在し、発
電を行うようにしたので、通常無駄になっている油圧を
有効に利用する事ができる。旋回用電動発電機6は、旋
回動作の制動時に無駄になる制動エネルギーを回生電力
として有効に取り出すことができる。
テリ3によりバックアップされているので、エンジン1
が停止しても、しばらくは油圧ポンプ10の圧油を確保
でき、油圧シリンダ7を駆動し続けることができ、ま
た、電源はエンジン1に連結された発電電動機2とバッ
テリ3の併用なので、従来の油圧ショベルに比べて、エ
ンジンの小型化が図られ、さらに、回生電力をも利用で
き、さらに環境に優しく、省エネルギー化を図ることが
できる。
ッドショベルのシステムの模式図である。
電源、32は電力コントローラ、33は油圧ポンプ用電
動機、34は油圧ポンプ、35は旋回用電動発電機、3
6は走行用電動発電機である。
らの回生電力の回収のみならず、走行用電動発電機36
からの回生電力の回収を行い、油圧ポンプ用電動機33
への電力の補充を行うことができる。
31のみを搭載することにより、各部への電力の供給を
行なわせることができる。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
よれば、油圧シリンダの油排出回路中に回生用発電機を
介在し、発電を行うようにしたので、通常無駄になって
いる油圧を有効に利用する事ができる。旋回用電動発電
機は、旋回動作の制動時に無駄になる制動エネルギーを
回生電力として有効に取り出すことができる。また、本
発明の制御システムは、系がバッテリによりバックアッ
プされているので、エンジンが停止しても、しばらくは
油圧ポンプの圧油を確保でき、油圧シリンダを駆動し続
けることができ、また、電源はエンジンに連結された発
電電動機とバッテリの併用なので、従来の油圧ショベル
に比べて、エンジンの小型化が図られ、さらに、回生電
力をも利用でき、さらに環境に優しく、省エネルギー化
を図ることができる。
ルの模式図である。
ルのシステムのブロック図である。
ルの制御システムのブロック図である。
ルのシステムの模式図である。
る。
である。
Claims (6)
- 【請求項1】 走行部上に旋回部を載置し、該旋回部前
部に作業部を俯仰動可能に枢着したショベルにおいて、 前記作業部を作動する油圧シリンダと該油圧シリンダに
圧油を供給する油圧ポンプと該油圧ポンプからの圧油の
方向を切り換えるコントロールバルブを含む油圧回路
と、前記旋回部を旋回駆動すると共に該旋回部を制動時
回生発電する旋回用電動発電機とを備え、前記回生発電
した発電電力を充電できるように接続したバッテリと、
前記旋回用電動発電機を制御するように設けた制御装置
とを備えたことを特徴とするハイブリッドショベル。 - 【請求項2】 請求項1記載のハイブリッドショベルに
おいて、前記走行部を駆動すると共に該走行部を制動時
回生発電する走行用電動発電機とを備えることを特徴と
するハイブリッドショベル。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載のハイブリッドショ
ベルにおいて、前記制御装置により制御され、前記旋回
用電動発電機及び又は走行用電動発電機と1つ以上の負
荷と前記バッテリに接続されてこれらの間の電路の切換
制御を行う電力コントローラを備えたことを特徴とする
ハイブリッドショベル。 - 【請求項4】 請求項1記載のハイブリッドショベルに
おいて、前記油圧回路の油圧シリンダからの排出油が油
圧ポンプに戻る排出油回路に発電機を連結した油圧モー
タを設け、バルブを制御するバルブ制御装置を設けたこ
とを特徴とするハイブリッドショベル。 - 【請求項5】 請求項4記載のハイブリッドショベルに
おいて、前記発電機にバッテリを接続したことを特徴と
するハイブリッドショベル。 - 【請求項6】 請求項5記載のハイブリッドショベルに
おいて、前記発電機と前記バッテリの間に、制御装置に
より制御され1つ以上の負荷に接続された電力コントロ
ーラを接続したことを特徴とするハイブリッドショベ
ル。
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