JP2002227241A - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents
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Abstract
性能を十分に発揮できるハイブリッド式建設機械を提供
する。 【解決手段】 下部走行体上に旋回自在に配置された上
部旋回体10上に、エンジン1と、エンジン1により駆
動する発電機3と、発電機3による発電電力を充電する
バッテリ5と、バッテリ5の電力により駆動する電動機
7と、電動機7の駆動を制御するインバータ6と、運転
室12とを備えたハイブリッド式建設機械において、バ
ッテリ5を、エンジン1及び発電機3から隔離して配置
した構成とする。
Description
設機械に関する。
い、建設機械の排ガスや騒音といった作業環境を改善す
る技術が種々提案されている。例えば、特開2000−
226183号公報にハイブリッド式の作業車両に関す
る技術が開示されている。すなわち、図7に示すよう
に、エンジン51を動力源として駆動される発電機52
により生成される電力をバッテリチャージャ53を介し
てバッテリ54に充電し、充電された電力によりインバ
ータ55を介して電動機56を駆動して、作業機駆動用
の油圧ポンプ57を駆動するように構成している。ま
た、エンジン51によりクラッチ58を介して駆動され
る油圧ポンプ59も備えている。そして、作業機駆動モ
ードを切換えることにより、油圧ポンプ57,59の駆
動を、「バッテリ駆動」、「エンジン駆動」、「エンジ
ン駆動とバッテリによるアシスト駆動」に切換えて、作
業内容や作業現場に応じた騒音低減を実現している。
機械はコンパクトな外形とする必要があり、このため、
搭載される各機器も小型化が要求されている。従来大き
な体積を必要としていたハイブリッド式建設機械用の大
容量バッテリとして、小型で入出力特性の優れたバッテ
リ(例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池
等)を採用することが考えられる。この種のバッテリは
温度の影響を受け易いため、その性能を発揮するために
バッテリの温度管理は非常に厳しく、バッテリに付属す
るバッテリコントローラが、バッテリの電圧、電流、温
度等を常に監視して、充放電を制御している。
ハイブリッド式建設機械においては、エンジンや油圧機
器等の発熱体の近くにバッテリが設置されており、バッ
テリの温度管理を行う設置方法や設置場所に配慮が為さ
れていないため、バッテリの性能を十分に発揮できる構
成となっていない。
ものであり、合理的な機器配置を行うと共に、バッテリ
の温度管理を行い、バッテリの性能を十分に発揮できる
ハイブリッド式建設機械を提供することを目的としてい
る。
的を達成するために、下部走行体上に旋回自在に配置さ
れた上部旋回体上に、エンジンと、エンジンにより駆動
する発電機と、発電機による発電電力を充電するバッテ
リと、バッテリの電力により駆動する電動機と、電動機
の駆動を制御するインバータと、運転室とを備えたハイ
ブリッド式建設機械において、バッテリを、エンジン及
び発電機から隔離して配置した構成としている。
ッテリを配置しているので、バッテリが高温になりにく
い。これにより、バッテリの高温化によるバッテリの性
能や寿命の低下を防止でき、バッテリの性能を十分に発
揮できる。
のフレーム内に配置し、エンジンと発電機と燃料タンク
とを上部旋回体後部の機械室に配置し、作動油タンクと
操作弁とを上部旋回体の前部右側に配置した構成として
いる。
所である運転室下方の上部旋回体のフレーム内に配置し
ているので、バッテリが高温になりにくく、バッテリの
性能を十分に発揮できる。また、燃料タンクをエンジン
の近傍に配置し、作動油タンクを操作弁の近傍に配置し
ているので、燃料配管及びドレン配管を短くでき、組み
立ての容易化・システムの小型化が可能となる。
内に、運転室に連通する冷却風入口と、冷却風出口とを
備えたバッテリ収納室を設け、バッテリをバッテリ収納
室に収納した構成としている。
所である運転室下方の上部旋回体フレーム内にバッテリ
収納室を設け、さらに、このバッテリ収納室は運転室に
連通する冷却風入口と、冷却風出口とを備えているの
で、冷却風を送風してバッテリが高温になることを防止
できる。さらに、エアコンの冷却風の導入により、バッ
テリを適温に温度管理することも可能となり、これによ
ると、バッテリの性能をさらに十分に発揮できる。
通する吸気室」又は、「運転室の後部に設けたインバー
タ収納室」又は、「バッテリ収納室」に収納した構成と
している。
ータを、エンジン等の発熱体から隔離した「吸気室」又
は、「インバータ収納室」又は、「バッテリ収納室」に
収納しているので、インバータが高温になりにくい。ま
た、それぞれ、「エンジン冷却空気」、「運転室冷
気」、「バッテリ冷却風」によりインバータを冷却する
ことが可能で、よって、インバータを適温に維持でき、
インバータの性能を十分に発揮できる。また、運転室回
りにバッテリとインバータとを配置しているので、互い
を結ぶ配線が短くなり、組み立てが容易となる。
ついて詳細に説明する。まず、第1実施形態を、図1か
ら図3を参照しながら説明する。図1は、第1実施形態
における油圧ショベルのハイブリッドシステムの要部ブ
ロック図である。エンジン1とエンジン1により駆動さ
れる可変容量式の油圧ポンプ2との間には、フライホイ
ールと一体となった発電機3が連結されている。電動機
としても作動する発電機3は、インバータ4を介してリ
チウムイオンバッテリ5(以後、バッテリ5と呼ぶ)に
接続されている。また、バッテリ5はインバータ6を介
して旋回用の電動機7に接続されている。
ており、油圧ポンプ2を駆動する。油圧ポンプ2から吐
出する圧油は、操作弁24(図2参照)を含む油圧回路
(図示せず)を介して油圧ショベルの作業機を駆動する
油圧アクチュエータ(図示せず)に供給され、作業機を
駆動する。作業機にかかる負荷が小さく油圧ポンプ2の
吸収トルクがエンジン1の出力トルクよりも小さい場合
には、インバータ4はエンジン1の余剰トルクにより発
電機3を駆動制御して電力を発生しバッテリ5を充電す
る。そして、インバータ6は充電された電力により旋回
用の電動機7を駆動制御する。また、作業機にかかる負
荷が大きくなり油圧ポンプ2の吸収トルクがエンジン1
の出力トルクよりも大きくなると、インバータ4は発電
機4をバッテリ5から電力の供給を受け電動機として駆
動制御し、不足分のトルクを発生してエンジン1をアシ
ストする。さらに、インバータ6は、旋回ブレーキ時に
上部旋回体の運動エネルギにより電動機7を回転駆動し
て電力を発生させバッテリ5を充電する(旋回ブレーキ
時のエネルギ回生)。
いて説明する。油圧ショベルの下部走行体上に旋回自在
に配置された上部旋回体10の下部には、上部旋回体フ
レーム11(以後、レボフレーム11と呼ぶ)が設けら
れている。そして、このレボフレーム11上には、前部
の左寄り(図2の下側)に運転室12を搭載し、後部は
エンジンフード13とカウンタウェイト14とに囲まれ
た機械室15を備えている。機械室15には左側から、
ラジエータ20、冷却ファン21、エンジン1、発電機
3及び油圧ポンプ2がこの順に配置されている。ラジエ
ータ20に沿って延設された隔壁18により、ラジエー
タ20より左側の機械室15には吸気室15aが設けら
れている。エンジン1が駆動すると、冷却ファン21の
回転により、吸気室15aのエンジンフード13に設け
られた吸気口13aから吸気室15aに吸い込まれた冷
却空気は、ラジエータ20にて熱交換しながらラジエー
タ20を通過し、エンジン1、発電機3及び油圧ポンプ
2を冷却して、機械室15のエンジンフード13に設け
られた排気口13bから排出される。上部旋回体10の
前部右側には、作動油タンク22、燃料タンク23及び
操作弁24が配置され、上部旋回体10の中央部には、
旋回用の電動機7が装着されている。
フレーム11のブラケット11aにゴムマウント25を
介してフロアフレーム26が装着され、このフロアフレ
ーム26上に運転室12が固定されている。運転室12
の下方のレボフレーム11内には、バッテリ収納室30
が設けられており、この中にバッテリ5が収納されてい
る。バッテリ収納室30の一側には、冷却風入口30a
が設けられ、運転室12の後部に設けられたバッテリ温
度管理用のエアコン27と連通しており、バッテリ収納
室30の他側には冷却風出口30bが設けられている。
バッテリ5は、充放電の制御やエアコン27に対する冷
却指令制御を行うバッテリコントローラ5aを備えてい
る。28は、運転室12用のエアコンである。また、吸
気室15aにはインバータ4,6が設置されている。
ンプ2等の発熱体から隔離した場所である運転室12下
方のレボフレーム11内にバッテリ収納室30を設け、
この中に熱に弱いバッテリ5を収納しているので、バッ
テリ5が高温になりにくい。そして、バッテリ5が高温
になった場合には、これをバッテリコントローラ5aが
検出してエアコン27に冷却指令を出力し、冷却風入口
30aから冷気をバッテリ収納室30内に導入しバッテ
リ5を冷却できる。このため、バッテリ5を適温に維持
でき、バッテリ5の性能を十分に発揮することが可能と
なる。バッテリ5と同様に、インバータ4,6も熱に弱
く、高温になると素子の破壊を防止するために出力を止
めてしまうが、インバータ4,6を吸気室15aに設置
しているので冷却空気により冷却され高温となることが
防止される。これによりインバータ4,6による、旋回
用の電動機7の駆動や、発電機3のアシスト駆動を確実
に制御できる。また、運転室回りにバッテリ5とインバ
ータ4,6とを配置しているので、互いを結ぶ配線が短
くなると共に、運転室内に装着される車両制御装置との
配線も短くなり、組み立てが容易となる。
しながら説明する。なお、第1実施形態と同一要素には
同一符号を付し、重複説明は省略する。図4は、第2実
施形態における油圧ショベルのハイブリッドシステムの
要部ブロック図である。エンジン1に連結された発電機
3Aは、インバータ4を介してバッテリ5に接続されて
いる。また、バッテリ5は、第1実施形態と同様にイン
バータ6を介して旋回用の電動機7に接続されると共
に、インバータ6A,6B,…を介して電動油圧ユニッ
ト8A,8B,…に接続されている。電動油圧ユニット
8A,8B,…は、操作弁を含む油圧回路、電動機及び
電動機に連結された油圧ポンプを備えており、油圧ショ
ベルの作業機を駆動する油圧アクチュエータ毎に対応し
て設けられ、対応する油圧アクチュエータを駆動する。
ており、発電機3Aを駆動して電力を発生し、インバー
タ4を介してバッテリ5に充電する。そして、インバー
タ6,6A,6B,…は充電された電力により旋回用の
電動機7や電動油圧ユニット8A,8B,…を駆動制御
し、作業を行う。第1実施形態での「旋回ブレーキ時の
エネルギ回生」に加え、例えば作業機のブーム下げ時
に、インバータ6Aは、油圧アクチュエータ(ブームシ
リンダ)からの戻り油により、電動油圧ユニット8Aの
油圧ポンプ(このとき、油圧モータとして作動)を介し
て電動油圧ユニット8Aの電動機を駆動して発電し、バ
ッテリ5に充電する(ブーム下げ時のエネルギ回生)。
ら、ラジエータ20、冷却ファン21、エンジン1、及
び発電機3Aがこの順に配置されている。上部旋回体1
0の前部右側には、作動油タンク22、インバータ6
A,6B,…及び電動油圧ユニット8A,8B,…が配
置され、上部旋回体10の中央部には、旋回用の電動機
7が装着されている。また吸気室15aには燃料タンク
23が配置されている。運転室12の下方のレボフレー
ム11内には、第1実施形態と同様に冷却風入口30a
と冷却風出口30bとが設けられたバッテリ収納室30
が設けられており、この中にバッテリ5及びインバータ
4,6が収納されている。
動機7等から隔離し、エアコン27により冷却自在なバ
ッテリ収納室30に、熱に弱いバッテリ5及びインバー
タ4,6を収納しているので、上記各機器を適温に維持
できる。これにより、上記各機器の性能を十分に発揮す
ることが可能となる。また、燃料タンク23をエンジン
1に近い吸気室15aに配置しているので、燃料配管を
短くでき、組み立ても容易となる。そして、エンジン関
連機器類を機械室15に機械室のモジュール化に対応で
きる。同様に、作動油タンク22を操作弁(本実施形態
では電動油圧ユニット8A,8B,…に含まれている)
に近い上部旋回体10の前部右側に配置しているので、
ドレン配管を短くでき、組み立ても容易となる。本実施
形態においては、電動油圧ユニット8A,8B,…が油
圧ポンプを備えているので、サクション配管を短くで
き、組み立ても容易となる。そして、油圧関連機器類を
集めて配置しているので、油圧関連機器類のモジュール
化に対応できる。上述した機能別のモジュール化によ
り、モジュール毎の組み立て及び検査が可能となり、仕
様の異なるモジュールを組み合わせることにより、建設
機械の多数の仕様に対応可能となる。
るものではなく、本発明の範囲内において変更や修正を
加えても構わない。例えば、バッテリ温度管理用のエア
コン27の代わりにファンのみにより、運転室12の冷
気をバッテリ収納室30に送風するように構成してもよ
い。バッテリ5は一つの例にて説明したが、車両の仕様
及びバッテリの容量により複数個用いてもよい。また、
第1実施形態において、吸気室15aに配置するインバ
ータ4,6は、冷却空気にて空冷する例にて説明した
が、インバータをウォータジャケットで覆い強制水冷を
行い、これに流す冷却水の冷却にラジエータ20を利用
するように構成してもよい。この場合、インバータは機
械室15に配置しても構わない。図6に示すように、運
転室12の後部にインバータ収納室31を設けて、この
中にインバータ4,6を収納してもよい。この場合、同
図に示すように、冷却風入口31a、冷却風出口31b
及びファン32を設けておくのが望ましい。さらに、建
設機械のハイブリッドシステムとして、図1及び図4に
示すシステムを例に挙げたが、エンジンと、エンジンに
より駆動する発電機と、これによる発電電力を充電する
バッテリと、バッテリの電力により駆動する電動機と、
電動機の駆動を制御するインバータとを備えた他の形式
のハイブリッド式建設機械に、本発明を適用できるのは
言うまでもない。
料タンクをエンジンの近傍に、作動油タンクを操作弁の
近傍にそれぞれ配置した合理的な配置としているので、
配管類を短くでき組み立てが容易となると共に、機能別
のモジュール化に対応可能となる。また、エンジン等の
発熱体から隔離した場所である運転室下方のレボフレー
ム内にバッテリ収納室を設け、この中に高温に弱く温度
管理の必要なバッテリを収納して、エアコンにより冷却
自在としているので、バッテリを適温に維持できる。こ
れにより、バッテリの性能を十分に発揮することが可能
となる。また、バッテリと同様に高温に弱いインバータ
を、エンジン等の発熱体から隔離して、冷却空気により
冷却できる場所に配置しているので、インバータを適温
に維持できる。これにより、インバータの性能を十分に
発揮することが可能となる。
ッドシステムの要部ブロック図である。
を示す平面図である。
を示す側面図である。
ッドシステムの要部ブロック図である。
を示す平面図である。
側面図である。
4,6,6A,6B…インバータ、5…バッテリ、7…
電動機、8…電動油圧ユニット、10…上部旋回体、1
1…レボフレーム、12…運転室、15…機械室、15
a…吸気室、20…ラジエータ、26…フロアフレー
ム、27…エアコン、30…バッテリ収納室、30a…
冷却風入口、30b…冷却風出口、31…インバータ収
納室、32…ファン。
ブリッド式建設機械において、 運転室下方の上部旋回体のフレーム内に、運転室に連通
する冷却風入口と、冷却風出口とを備えたバッテリ収納
室を設け、バッテリをバッテリ収納室に収納したことを
特徴とするハイブリッド式建設機械。
ブリッド式建設機械において、 上部旋回体後部の機械室は、ラジエータに連通する吸気
室を備えると共に、 インバータを吸気室に収納したことを特徴とするハイブ
リッド式建設機械。
ブリッド式建設機械において、 運転室は、後部にインバータ収納室を備えると共に、 インバータをインバータ収納室に収納したことを特徴と
するハイブリッド式建設機械。
において、 インバータをバッテリ収納室に収納したことを特徴とす
るハイブリッド式建設機械。
のフレーム内に配置した構成としている。さらに、エン
ジンと発電機と燃料タンクとを上部旋回体後部の機械室
に配置し、作動油タンクと操作弁とを上部旋回体の前部
右側に配置した構成としている。
Claims (6)
- 【請求項1】 下部走行体上に旋回自在に配置された上
部旋回体上に、エンジンと、エンジンにより駆動する発
電機と、発電機による発電電力を充電するバッテリと、
バッテリの電力により駆動する電動機と、電動機の駆動
を制御するインバータと、運転室とを備えたハイブリッ
ド式建設機械において、 バッテリを、エンジン及び発電機から隔離して配置した
ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。 - 【請求項2】 請求項1記載のハイブリッド式建設機械
において、 バッテリを運転室下方の上部旋回体のフレーム内に配置
し、 エンジンと発電機と燃料タンクとを上部旋回体後部の機
械室に配置し、 作動油タンクと操作弁とを上部旋回体の前部右側に配置
したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載のハイブリッド式建
設機械において、 運転室下方の上部旋回体のフレーム内に、運転室に連通
する冷却風入口と、冷却風出口とを備えたバッテリ収納
室を設け、バッテリをバッテリ収納室に収納したことを
特徴とするハイブリッド式建設機械。 - 【請求項4】 請求項1から3のいずれかに記載のハイ
ブリッド式建設機械において、 上部旋回体後部の機械室は、ラジエータに連通する吸気
室を備えると共に、 インバータを吸気室に収納したことを特徴とするハイブ
リッド式建設機械。 - 【請求項5】 請求項1から3のいずれかに記載のハイ
ブリッド式建設機械において、 運転室は、後部にインバータ収納室を備えると共に、 インバータをインバータ収納室に収納したことを特徴と
するハイブリッド式建設機械。 - 【請求項6】 請求項3記載のハイブリッド式建設機械
において、 インバータをバッテリ収納室に収納したことを特徴とす
るハイブリッド式建設機械。
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