JP2003009308A - 作業機械 - Google Patents

作業機械

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JP2003009308A
JP2003009308A JP2001189465A JP2001189465A JP2003009308A JP 2003009308 A JP2003009308 A JP 2003009308A JP 2001189465 A JP2001189465 A JP 2001189465A JP 2001189465 A JP2001189465 A JP 2001189465A JP 2003009308 A JP2003009308 A JP 2003009308A
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generator
power
clutch
electric motor
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JP2001189465A
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English (en)
Inventor
Masayuki Komiyama
昌之 小見山
Hideaki Yoshimatsu
英昭 吉松
Original Assignee
Kobelco Contstruction Machinery Ltd
コベルコ建機株式会社
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62Hybrid vehicles

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハイブリッド駆動による省エネルギ運転と、
発電機兼電動機のみによる排気ガスゼロ運転を作業状況
に応じて使い分けることができること。 【解決手段】 本油圧ショベルは、エンジン10の出力
軸にクラッチ14を介して接続された油圧ポンプ13
と、この油圧ポンプ10を経由して接続され、発電機動
作又は電動機動作を行う発電機兼電動機11と、これに
より発電された電力を蓄えるバッテリ12と、発電機兼
電動機11の動作状態に応じてクラッチ14の断続制御
を行う制御装置31とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、原動機と電動機と
を動力源とするショベル、クローラクレーン、ホイール
クレーン等の作業機械に係り、詳しくは油圧と電気とで
動力伝達するハイブリッド作業機械に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】近年、省エネルギの要請から、油圧ショ
ベル等の作業機械の動力システムとして、原動機と発電
機兼電動機とによるいわゆるハイブリッド作業機械が種
々開発されている(実開平5-48501号公報、特開平9-224
354号広報参照)。これらのハイブリッド作業機械は、
いずれも原動機とこの原動機に直結した発電機兼電動機
とを備えており、原動機の出力に余裕があるときには、
原動機で発電機兼電動機を回転して発電させ、この発電
された電力をバッテリに充電しておく。そして、原動機
の出力が不足したときには、バッテリに蓄えておいた電
力を発電機兼電動機に供給することで、原動機の出力の
不足分を補うものである。したがって、原動機自体を小
型化しても、非ハイブリッド機と同様の作業を行うこと
ができた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、現在の油圧シ
ョベルの作業現場は多様化しており、なかでも都市型シ
ョベルと呼ばれる中小型機では、後端半径を車幅内に納
めることにより後方を気にせず旋回できる後方小旋回型
に移行し、狭所での機動性を有するようになった。この
ため、住宅街における下水工事等、一般住民や家屋の間
近で作業を行うケースが増え、排気ガスによる住民や植
木等への影響が大きくなった。さらに、トンネル内での
作業、屋内に入っての解体作業等、排気ガスが充満する
ような現場もあり、その排気ガスの処理に換気用のファ
ンを設置するなどの配慮が必要になっている。かかる状
況下、ハイブリッド作業機械は、非ハイブリッド機と比
べると排気ガス量を少なくすることができるが、排気ガ
スを完全になくすことはできない。
【0004】なお、特開平9-278371号公報に開示された
技術では、原動機と発電機とによるハイブリッド作業機
械の構成をとっているが、この発電機への電力供給はバ
ッテリ又は外部電源からとられている。このバッテリ駆
動の場合には、排気ガスは全くなくなるものの、バッテ
リの放電可能時間によってその稼働時間が制約される。
また、外部電源駆動の場合には、電気コードによってそ
の行動範囲が制約される。これらの制約から、実際に、
バッテリ駆動等の作業機械を上記原動機と発電機兼電動
機とによるハイブリッド作業機械に代替することは困難
であった。
【0005】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、ハイブリッド駆動によ
る省エネルギ運転と、発電機兼電動機のみによる排気ガ
スゼロ運転とを作業状況に応じて使い分けできる作業機
械を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
下部走行体上に上部旋回体が搭載され、この上部旋回体
に作業用アタッチメントが設けられてなる作業機械にお
いて、原動機と、原動機の出力軸にクラッチを介して接
続された回転軸を有し、下部走行体、上部旋回体及び作
業用アタッチメントの少なくともいずれかを動かすため
の液圧アクチュエータを駆動する液圧ポンプと、液圧ポ
ンプの回転軸に接続され、発電機動作又は電動機動作を
行う発電機兼電動機と、発電機兼電動機に電気的に接続
された蓄電装置と、制御装置とを備え、制御装置は、発
電機兼電動機が原動機の出力と液圧ポンプの必要動力と
の関係に応じて発電機動作と電動機動作のうちのいずれ
かの動作を行うハイブリッドモードと、発電機兼電動機
が電動機動作のみを行う電動機モードとを有し、モード
切換操作により、ハイブリッドモードに切り換えられた
場合には、クラッチを接続状態とするとともに、上記出
力が上記必要動力よりも大きいときには、発電機兼電動
機を発電機動作させて、この発電機兼電動機で発電され
た電力を蓄電装置に蓄えさせ、上記出力が上記必要動力
よりも小さいときには、蓄電装置に蓄えられた電力を発
電機兼電動機に供給して、この発電機兼電動機を電動機
動作させ、かつ、電動機モードに切り換えられた場合に
は、クラッチを切断状態とするとともに、蓄電装置に蓄
えられた電力を発電機兼電動機に供給して、発電機兼電
動機を電動機動作させるように制御することを特徴とす
るものである。
【0007】上記構成によれば、原動機と液圧ポンプと
の間にクラッチが介在され、モード切換操作により、ハ
イブリッドモードに切り換えられた場合には、このクラ
ッチが接続状態とされるとともに、原動機の出力が液圧
ポンプの必要動力よりも大きいときには、液圧ポンプ経
由で伝達される原動機の回転力により該発電機兼電動機
で発電されて、この発電電力が蓄電装置に蓄えられ、原
動機の出力が液圧ポンプの必要動力よりも小さいときに
は、蓄電装置に蓄えられた電力が発電機兼電動機に供給
されて、上記原動機の回転力に加えて、この発電機兼電
動機で液圧ポンプがアシスト駆動されるので、原動機と
発電機兼電動機とのハイブリッド駆動で省エネルギ運転
がなされる(以下、ハイブリッド運転という)。
【0008】一方、モード切換操作により、電動機モー
ドに切り換えられた場合には、上記クラッチが切断状態
とされ、蓄電装置に蓄えられた電力が発電機兼電動機に
供給されて、この発電機兼電動機のみで液圧ポンプが駆
動される(以下、電動機運転という)。この電動機運転
では、原動機が停止されると排気ガスが全くでなくなる
ので、トンネル内の工事や地下鉄工事等、閉鎖空間での
使用に便宜である。また、低騒音であるので、住宅地や
病院付近等での使用に便宜でもある。
【0009】さらに、自走式であるので、作業機械をト
ンネルから外に出したり、住宅地から離せば、それ自身
の原動機で発電機兼電動機を駆動して蓄電装置に充電さ
れる。この充電が終了すれば、上記電動機運転が可能と
なる。
【0010】ところで、ハイブリッドモードにおいて、
軽負荷作業が長時間継続すると、発電機兼電動機が発電
機動作する状態が多くなり、蓄電装置への蓄電(充電)
が進む。蓄電装置は、最大充電量(満充電)に近づく
と、最大入力電力が低下してくる。原動機が定格出力を
行った場合に液圧ポンプへの動力供給を行った後の余剰
動力が蓄電装置に充電できなくなると、原動機は出力を
落とさざるを得なくなる。原動機は定格出力付近が最も
効率がよく、原動機の出力変動をさせることは、作業機
械のシステム全体として効率低下につながる。そこで、
請求項2記載の発明のように、制御装置は、ハイブリッ
ドモードにおいて、蓄電装置の蓄電量が設定値を超えた
ときに、電動機モードに切り換えるように制御すること
とすれば、例えば蓄電装置が満充電状態の場合には、電
動機モードに一時的に切り換えられ、クラッチが切断さ
れて、原動機が停止され、液圧ポンプが蓄電装置のみに
よって駆動されるように切り換えられ、蓄電装置の蓄電
量が減少すると、再度ハイブリッドモードに戻されるこ
とにより、原動機の出力変動を抑えて、その効率を低下
させることがなくなるので、作業機械のシステム全体の
高効率化が図られる。
【0011】請求項3記載の発明のように、クラッチ
は、外力が作用するまでは接続状態とされ、外力が作用
したときに切断状態とされるネガティブ作動型のクラッ
チであることとすれば、ハイブリッド運転の場合には、
クラッチの接続に動力を必要とせず、さらなる省エネル
ギ化が図られるようになる。
【0012】請求項4記載の発明のように、クラッチ
は、一方向にのみ回転を伝えるワンウエイクラッチであ
ることとすれば、ハイブリッド運転の場合には、クラッ
チが接続状態となり、原動機を停止して発電機兼電動機
で油圧ポンプを駆動する際にはその駆動力が原動機に伝
達されないので、クラッチの接続や切断の操作にも動力
も切換操作も不要となる。したがって、さらなる省エネ
ルギ化が図られるとともに、操作がより簡単化される。
【0013】請求項5記載の発明のように、下部走行
体、上部旋回体及び作業用アタッチメントの少なくとも
いずれかを動かすための駆動用電動機を備え、この駆動
用電動機に発電機兼電動機からの電力又は上記蓄電装置
からの電力を供給するように構成したこととすれば、例
えば旋回動作を直接電動機で駆動したり、ブームシリン
ダを電動機駆動の油圧ポンプで駆動することで、より一
層の省エネルギ化が図られるとともに、作業機械の駆動
方法が多様化される。
【0014】
【発明の実施の形態】(実施形態1)図1はクローラ式
油圧ショベルの全体構成を示す図であって、作業機械の
一例としての油圧ショベルの車体は、下部走行体1と、
上部旋回体2とより構成されており、この上部旋回体2
の前部には掘削用アタッチメント(作業用アタッチメン
ト)3が起伏自在に装着されている。
【0015】下部走行体1は、左右のクローラフレーム
4及びクローラ(いずれも片側のみ図示)5からなり、
両側クローラ5が、左右の走行用油圧モータ7により個
別に回転駆動されて走行する。
【0016】上部旋回体2は、旋回フレーム8、キャビ
ン9等からなり、旋回フレーム8に、原動機としてのエ
ンジン10と、このエンジン10によって油圧ポンプ1
3経由で駆動される発電機兼電動機11と、蓄電装置と
してのバッテリ12等が設置されている。
【0017】掘削用アタッチメント3は、ブーム17、
上記油圧ポンプ13からの圧油により伸縮動作してブー
ム17を起伏させるブームシリンダ18と、アーム19
と、このアーム19を回動させるアームシリンダ20
と、バケット21と、このバケット21を回動させるバ
ケットシリンダ22とを具備している。
【0018】図2は本発明の実施形態1に係るクローラ
式油圧ショベルの駆動系及び制御系を示すブロック図で
あるが、本図は後述する実施形態2と共通のものである
ため、実施形態2のみにおける構成要素(符号31h)
をも含んでいる。なお、同図中、実線は油圧系統、破線
は電気系統を示している。
【0019】ここでは、エンジン10の出力軸にクラッ
チ14を介して各油圧アクチュエータ(旋回及び左右走
行用油圧モータ6,7、ブーム、アーム、バケット各シ
リンダ18,20,22)を駆動する油圧ポンプ13の
回転軸が接続されており、さらにこの油圧ポンプ13の
回転軸に発電機兼電動機11が接続されている。
【0020】クラッチ14は、その制御装置(後述)と
ともに本発明の特徴をなすもので、このクラッチ14の
接続状態を維持する場合には外部からの動力又は人力を
必要とせず、切断状態とする場合にのみ外部からの動力
又は人力を必要とするネガティブ作動型のクラッチ、例
えばバネの力によってクラッチが接続し、油圧によって
切断する方式である。或いは、一方向にのみ回転を伝え
るワンウエイクラッチである。したがって、クラッチ1
4の接続操作においては動力又は人力が不要であるの
で、その分だけ省エネルギが図られる。さらに、上記ワ
ンウエイクラッチの場合には、接続と切断の操作自体も
不要となり、操作がより簡単化される。
【0021】発電機兼電動機11は、発電機動作又は電
動機動作を行うものであって、クラッチ14を切断状態
としてこの発電機兼電動機11のみで油圧ポンプ13を
駆動可能な出力(トルク)を発生できるものである。
【0022】発電機兼電動機11とバッテリ12との間
には制御装置31を電気的に介在させているが、この制
御装置31は、オペレータによる操作が可能なモード切
換スイッチ30aを備えており、発電機兼電動機11が
エンジン10の出力と油圧ポンプ13の必要動力との関
係に応じて発電機動作と電動機動作のいずれかの動作を
行うハイブリッドモードと、発電機兼電動機11が電動
機動作のみを行う電動機モードとを記憶するメモリ31
aと、上記モード切換スイッチ30aの操作内容を判断
する判断回路31bと、この判断回路31bでモード切
換スイッチ30aの操作によってハイブリッドモードへ
切り換えられたと判断された場合には、切断指令信号を
発することなくクラッチ14の接続状態を維持するとと
もに、エンジン10を定格出力で稼働させ、後述する比
較回路31fによる比較結果に応じて発電機兼電動機1
1の回転により発電された電力をバッテリ12に充電す
るか、或いは、バッテリ12に蓄えられた電力を発電機
兼電動機11に供給してこの発電機兼電動機11を回転
させ、かつ、モード切換スイッチ30aの操作によって
電動機モードに切り換えられたと判断した場合には、切
断指令信号を発することによりクラッチ14を切断状態
するとともに、エンジン10を停止(ゼロ出力)させ、
バッテリ12に蓄えられた電力を発電機兼電動機11に
供給してこの発電機兼電動機11を回転させるように、
上記発電機兼電動機11の動作切換を行う動作切換回路
31cとを備えている。なお、モード切換スイッチ30
aは終了動作を行うための終了モードをも操作可能であ
り、判断回路31bがモード切換スイッチ30aの操作
によって終了モードに切り換えられたと判断された場合
には、動作切換回路31cは終了動作を行うようになっ
ている。
【0023】また、油圧ポンプ13は、エンジン10の
出力よりも大きい最大動力を有し、その必要動力を検出
するために油圧ポンプ13の吐出圧を検出する圧力セン
サ30bを備えており、エンジン10は、その出力(ト
ルク)を検出するためにエンジン10の回転数を検出す
る回転計30cを備えている。
【0024】さらに、上記制御装置31は、回転計30
cの検出値からエンジン10の出力を計算する出力計算
回路31dと、圧力センサ30bの検出値から油圧ポン
プ13の必要動力を計算する必要動力計算回路31e
と、両回路31d,31eによる計算値を差分してその
正負を判断する比較回路31fと、比較回路31fで上
記差分が負、つまり、油圧ポンプ13の必要動力がエン
ジンの出力よりも大きいと判断した場合には、発電機兼
電動機11を電動機動作させ、上記差分に相当する電力
分だけバッテリ12から電力供給して油圧ポンプ13を
アシスト駆動し、上記差分が正、つまり、油圧ポンプ1
3の必要動力がエンジン10の出力よりも小さいと判断
した場合には、発電機兼電動機11を発電機動作させ、
上記差分に相当する電力分だけ発電し、この発電電力を
バッテリ12に充電するように発電機兼電動機11の入
出力電力を制御する入出力制御回路31gとを備えてい
る。
【0025】油圧ポンプ13からの圧油は、各油圧アク
チュエータ6,7,…ごとに設けられたコントロールバ
ルブ(ここでは一括して図示している。)32を介して
各油圧アクチュエータ6,7,…に供給され、このコン
トロールバルブ32によって各油圧アクチュエータ6,
7,…の作動速度、トルク、作動方向が制御されるよう
になっている。33は油圧ポンプ13によって吸入さ
れ、コントロールバルブ32から排出される作動油を貯
留するためのタンクである。
【0026】なお、上記制御装置31の各回路31b〜
31gは、ハードウエアでもソフトウエアでも構成でき
る。例えば、図示しないROMに記憶しておいたコンピ
ュータプログラムを、図示しないCPUに適宜読み出し
て実行させることで具現化することができる。
【0027】図3は本実施形態1の動作のフローチャー
トである。以下、同図を参照しつつ、本実施形態1の動
作をハイブリッド運転と電動機運転とに分けて説明す
る。
【0028】(ハイブリッド運転)オペレータがモード
切換スイッチ30aをハイブリッドモードに切換操作す
ると(ステップS1)、ハイブリッド運転が開始される
が、このとき制御装置31の判断回路31bは、まずメ
モリ31aの記憶内容を参照し、ハイブリッドモードと
電動機モードのいずれが入力されたか、或いは、終了モ
ードが入力されたかを判断する(ステップS2)。そし
て、ハイブリッドモードが入力されたと判断した場合に
は、動作切換回路31cから切断指令信号が発せられる
ことがないので、クラッチ14は接続状態を維持する
(ステップS3)。この場合、エンジン10が稼働さ
れ、これにより油圧ポンプ13が駆動されるとともに、
発電機兼電動機11が駆動される。
【0029】すると、油圧ポンプ13はタンク33から
作動油を吸引してコントロールバルブ32を経由して各
油圧アクチュエータ6,7,…に圧油として供給し、こ
の圧油によって各油圧アクチュエータ6,7,…を作動
させる。各油圧アクチュエータ6,7,…の作動によっ
て、各ショベル動作(掘削、走行、旋回)が行われる。
各油圧アクチュエータ6,7,…からの戻り油はコント
ロールバルブ32からタンク33に戻る。
【0030】そして、圧力センサ30bは油圧ポンプ1
3の吐出圧を検出し(ステップS5)、この検出値から
油圧ポンプ13の必要動力が必要動力計算回路31eで
計算され(ステップS6)。同時に、回転計30cはエ
ンジン10の回転数を検出し(ステップS7)、この検
出値からエンジン10の出力が出力計算回路31dで計
算される(ステップS8)。これらの計算結果の差分を
比較回路31fで求めてその正負を比較し(ステップS
9,S10)、上記差分が正であれば、油圧ポンプ13
がエンジン10の定格出力以下の負荷で運転されている
と判断する(ステップS10でYES)。この判断結果
に従って、入出力制御回路31gは、発電機兼電動機1
1を発電機として動作させ、発生した交流電力(上記差
分に相当)を図示しない電力変換器で直流に変換してバ
ッテリ12に充電する(ステップS11)。
【0031】一方、比較回路31fは、上記差分が負で
あれば、油圧ポンプ13がエンジン10の定格出力を超
える負荷を要求していると判断する(ステップS10で
NO)。この判断結果に従って、入出力制御回路31g
は、発電機兼電動機11を電動機に切り換えて動作さ
せ、上記定格出力を超える負荷を補うようにするが、そ
のための電力(上記差分に相当)はバッテリ12の蓄電
エネルギで賄う(ステップS12)。
【0032】そして、上記ステップS1の直前に戻り、
ステップS2で電動機モードが入力されたと判断された
ときは下記発電機運転に入り、また終了モードが入力さ
れたと判断されたときは終了動作するが、それまでは、
各ステップS1〜S3,S5〜S12を繰り返す。
【0033】このようにして、ハイブリッド運転では、
エンジン10を定格出力付近の高出力で安定して使用で
きるため、エンジン10は常にその効率のよい領域で使
用できる。
【0034】(電動機運転)オペレータがモード切換ス
イッチ30aを電動機モードに切換操作すると(ステッ
プS1)、電動機運転が開始されるが、このとき制御装
置31の判断回路31bは、まずメモリ31aの記憶内
容を参照し、ハイブリッドモードと電動機モードのいず
れが入力されたか、或いは、終了モードが入力されたか
を判断する(ステップS2)。そして、電動機モードが
入力されたと判断した場合には、制御装置31の動作切
換回路31cからの切断指令信号が発せられ、これによ
りクラッチ14は切断状態とされ、エンジン10は停止
される(ステップS4)。この場合、動作切換回路31
cは、発電機兼電動機11を電動機として動作させる
が、そのための電力はバッテリ12の蓄電エネルギで賄
う(ステップS12)。
【0035】そして、上記ステップS1の直前に戻り、
ステップS2でハイブリッドモードが入力されたと判断
されたときは上記ハイブリッド運転に入り、また終了モ
ードが入力されたと判断されたときは終了動作するが、
それまでは、各ステップS1,S2,S4,S12を繰
り返す。
【0036】このようにして、電動機運転では、発電機
兼電動機11のみによって油圧ポンプ13を駆動させ、
油圧系統を上記と全く同様に動作させるので、これによ
り各ショベル動作(掘削、走行、旋回)が行われ、十分
な作業能力を発揮させることができる。
【0037】以上説明したように、本実施形態1では、
エンジン10と油圧ポンプ13との間の接続状態を維持
又は切断可能なクラッチ14を介在させたので、クラッ
チ14で上記接続状態を維持することでエンジン10と
発電機兼電動機11とのハイブリッド運転で省エネルギ
運転が可能となるとともに、クラッチ14で上記接続状
態を切断することで発電機兼電動機11のみによって油
圧ポンプ13を駆動する電動機運転が可能となる。この
電動機運転では、エンジン10を停止しているので、排
気ガスが全くでなくなり、トンネル内の工事や地下鉄工
事等、閉鎖空間での使用に便宜である。また、低騒音で
あるので、住宅地や病院付近等での使用に便宜でもあ
る。
【0038】さらに、本実施形態1の油圧ショベルは自
走式であるので、油圧ショベルをトンネルから外に出し
たり、住宅地から離せば、それ自身のエンジン10で発
電機兼電動機11を駆動してバッテリ12に充電するこ
とができる。この充電が終了すれば、上記電動機運転が
可能となる。
【0039】(実施形態2)ところで、ハイブリッドモ
ードにおいて、軽負荷作業が長時間継続すると、発電機
兼電動機11が発電機動作する状態が多くなり、バッテ
リ12への充電が進む。バッテリ12は、満充電に近づ
くと、最大入力電力が低下してくる。エンジン10が定
格出力を行った場合に油圧ポンプ13への動力供給を行
った後の余剰動力がバッテリ12に充電できなくなる
と、エンジン10は出力を落とさざるを得なくなる。エ
ンジン10は定格出力付近が最も効率がよく、エンジン
10の出力変動をさせることは、油圧ショベルのシステ
ム全体として効率低下につながる。
【0040】そこで、本実施形態2では、制御装置31
は、ハイブリッドモードにおいて、バッテリ12の蓄電
量(充電量)が設定値(しきい値)を超えたときに、電
動機モードに切り換えるように制御するモード切換回路
31hを付加することとした(図1参照)。なお、上記
モード切換回路31hは、上記実施形態1の各回路31
b〜31gと同様に、ハードウエアでもソフトウエアで
も構成できる。バッテリ12の充電量は、制御装置31
にもともと備わっているバッテリ12との接続端子にお
ける端子電圧と入出力電流との積を累積的に加算するこ
とによって検出できる。電圧センサ、電流センサは図示
しない。その他の構成は上記実施形態1と同様である。
【0041】図4は本実施形態2の動作のフローチャー
トである。以下、同図を参照しつつ、本実施形態2の動
作をハイブリッド運転と電動機運転とに分けて説明す
る。なお、ここでは、バッテリ12の充電量のしきい値
として、所定値1,2の2種類が用意されているが、所
定値1<所定値2であるものとする。また、最初のルー
プを認識するためのFLAG1と、上記所定値1,2の
いずれを適用するかを判断するためのFLAG2とがそ
れぞれ設定される。
【0042】(ハイブリッド運転)電源投入により、初
期値としてFLAG1=OFF、FLAG2=OFFが
設定される(ステップS30)。オペレータがモード切
換スイッチ30aをハイブリッドモードに切換操作する
と(ステップS31)、ハイブリッド運転が開始される
が、このとき制御装置31の判断回路31bは、まずメ
モリ31aの記憶内容を参照し、ハイブリッドモードと
電動機モードのいずれが入力されたか、或いは、終了モ
ードが入力されたかを判断する(ステップS32)。こ
こでは、ハイブリッドモードが入力されたと判断され
る。
【0043】ついで、モード切換回路31hは、FLA
G2がONか否かを判断するが(ステップS33)、初
期設定のまま(FLAG2=OFF)であるので、バッ
テリ12の充電量(バッテリ容量)が所定値2よりも小
さいか否かが判断される(ステップS34)。そして、
バッテリ12の充電量が所定値2よりも大きいと判断さ
れた場合には(ステップS34でNO)、動作切換回路
31cから切断指令信号が発せられ、クラッチ14が切
断される。エンジン10は停止のままである(ステップ
S36)。ついで、FLAG1=ONか否かが判断され
るが(ステップS37)、最初のループ(FLAG1=
OFF)であるので、ステップS38に進み、ここでF
LAG1=ONとされる。そして、発電機兼電動機11
が電動機として駆動され(ステップS49)、上記ステ
ップS31の直前に戻る。
【0044】ついで、ステップS31〜S34,S36
を繰り返すと、今回はステップS37でFLAG1=O
Nと判断されるので、FLAG2=ONとされる(ステ
ップS39)。その後は、上記実施形態1のステップS
5〜S12と同様のステップを実行する(ステップS4
2〜S49)。
【0045】再びステップS31,S32を経由してス
テップS33に戻ると、今回はFLAG2=ONである
ので、バッテリ12の充電量(バッテリ容量)が所定値
1よりも小さいか否かが判断される(ステップS3
5)。
【0046】ここで、バッテリ12の充電量が所定値1
よりも大きいと判断された場合には(ステップS35で
NO)、動作切換回路31cから切断指令信号が発せら
れ、クラッチ14が切断されたままで、かつエンジン1
0が停止されたまま(ステップS36)、上記ステップ
S37,S39,S42〜49が実行される。
【0047】一方、ステップS35においてバッテリ1
2の充電量が所定値1よりも小さいと判断された場合に
は(ステップS35でYES)、動作切換回路31cか
ら切断指令信号が発せられないので、クラッチ14は接
続状態とされるとともに、エンジン10が稼働され(ス
テップS40)、FLAG2=OFFに維持されたま
ま、FLAG1=ONとされる(ステップS41)。
【0048】そして、上記ステップS42〜S49が実
行され、上記ステップS31の直前に戻り、ステップS
32で電動機モードが入力されたと判断されたときは下
記電動機運転に入り、また終了モードが入力されたと判
断されたときは終了動作するが、それまでは、各ステッ
プS31〜S49を繰り返す。
【0049】一方、上記ステップS34においてバッテ
リ12の充電量が所定値2よりも小さいと判断された場
合には(ステップS34でYES)、動作切換回路31
cから切断指令信号が発せらないので、クラッチ14は
接続状態とされるとともに、エンジン10が稼働され
(ステップS40)、FLAG2=OFFに維持された
まま、FLAG1=ONとされる(ステップS41)。
その後は、上記ステップS42〜S49を実行する。
【0050】なお、最初のループでFLAG1=OFF
と設定したのは、上記ステップS34又はS35でハイ
ブリッドモードから発電機モードに切り換わった場合、
最初のループであれば、最初のループで発電機モードが
入力された場合(後述)と同様に、まだエンジン10が
停止されたままであり、油圧ポンプ13が駆動されてお
らず、回路に油圧がたっていないことから、ステップS
42〜S47をバイパスさせて直接発電機兼電動機11
で電動機動作を行わせるようにするためである。
【0051】そして、ステップS39でFLAG1=O
Nとしたのは、発電機モードでの次のループでは、発電
機兼電動機11によって油圧ポンプ13が駆動されてい
るので、回路に油圧がたっており、ステップS42〜S
47を経由させることができるからである。
【0052】また、ステップS41でFLAG1=ON
としたのは、ハイブリッドモードでは、最初のループに
おいても、エンジン10によって油圧ポンプ13が駆動
されているので、回路に油圧がたっており、ステップS
42〜S47を経由させることができるからである。た
だし、ステップS41でFLAG1=OFFとしてもよ
く、その場合にはステップS38でFLAG1=ONと
される。
【0053】(電動機運転)電源投入により、初期値と
してFLAG1=OFF、FLAG2=OFFが設定さ
れる(ステップS30)。オペレータがモード切換スイ
ッチ30aを電動機モードに切換操作すると(ステップ
S31)、電動機運転が開始されるが、このとき制御装
置31の判断回路31bは、まずメモリ31aの記憶内
容を参照し、ハイブリッドモードと電動機モードのいず
れが入力されたか、或いは、終了モードが入力されたか
を判断する(ステップS32)。ここで、電動機モード
が入力されたと判断した場合には、制御装置31の動作
切換回路31cからの切断指令信号が発せられ、これに
よりクラッチ14は切断状態とされるが、エンジン10
は停止されたまま(ステップS36)、最初のループ
(ステップS37,S38,S49)が実行される。
【0054】そして、ステップS31に戻り、ステップ
S32でハイブリッドモードが入力されたと判断された
ときは上記ハイブリッド運転に入り、また終了モードが
入力されたと判断されたときは終了動作するが、それま
では、各ステップS31,S32,S36,S37,S
39〜S49を繰り返す。
【0055】以上のように、本実施形態2によれば、ク
ラッチ14を切断中(エンジン10停止、FLAG2=
ON)では、モード切換回路31hは、バッテリ12の
充電量と所定値1との大小比較を行い、クラッチ14の
接続中(エンジン10稼働中、FLAG2=OFF)で
は、モード切換回路31hは、バッテリ12の充電量と
所定値2との大小比較を行う。これにより、バッテリ1
2の充電量の判断におけるヒステリシス機能が備わる。
そして、モード切換回路31hの比較結果に応じて、動
作切換回路31が動作し、バッテリ12の充電量が小さ
い場合には、クラッチ14を接続状態とし、大きい場合
にはクラッチ14を切断状態とする。
【0056】したがって、ハイブリッドモードでの運転
中に、例えばバッテリ12が満充電状態の場合には、こ
のモード切換回路31hにより強制的に電動機モードに
切り換えられ、動作切換回路31cによりクラッチ14
が切断されて、エンジン10が停止され、油圧ポンプ1
3がバッテリ12のみによって駆動されるように切り換
えられ、バッテリ12の充電量が減少すると、再度ハイ
ブリッドモードに戻されることにより、エンジン10の
出力変動を抑えて、その効率を低下させることがなくな
るので、油圧ショベルのシステム全体の高効率化が図ら
れる。
【0057】(実施形態3)図5は本発明の実施形態3
に係るクローラ式油圧ショベルの駆動系及び制御系を示
すブロック図である。なお、同図中、実線は油圧系統、
破線は電気系統を示している。以下、主に上記実施形態
1,2と異なる要素について説明し、重複説明を極力な
くすものとする。
【0058】ここでも、エンジン10の出力軸に、上記
実施形態1と同様のクラッチ14を介して各油圧アクチ
ュエータ(旋回及び左右走行用油圧モータ6,7、ブー
ム、アーム、バケット各シリンダ18,20,22)を
駆動する油圧ポンプ13の回転軸が接続されており、さ
らにこの油圧ポンプ13の回転軸に発電機兼電動機11
が接続されている。
【0059】しかし、本実施形態3では、上記実施形態
1,2とは異なり、駆動用電動機の一例としての、旋回
駆動用の旋回電動機40と、旋回電動機40の回転を減
速する旋回減速機41と、旋回電動機用制御装置42と
を備えている。そして、バッテリ12の蓄電エネルギに
より旋回電動機40を駆動することで、この旋回電動機
40の出力軸に接続された旋回減速機41を介して上部
旋回体2(図1参照)を旋回動作させるようにしてい
る。
【0060】この場合、上部旋回体2の旋回駆動に際し
て、一旦油圧エネルギに変換する必要がないため、介在
する機器が少なくなり、その分だけエネルギの損失も少
なくなる。また、旋回電動機用制御装置41により、制
動時に旋回電動機40を回生作動させることで、運動エ
ネルギを電力に変換してバッテリ12に蓄積することが
できる。この回生作動により、一層の省エネルギを図る
ことができる。
【0061】また、本実施形態3では、上記実施形態
1,2とは異なり、駆動用電動機の他の例としての、ブ
ーム駆動用のブーム電動機45と、ブーム駆動用シリン
ダ18にのみ圧油を供給するブーム用油圧ポンプ46
と、ブーム電動機用制御装置47とを備えている。そし
て、バッテリ12の蓄電エネルギによりブーム電動機4
5を駆動することで、このブーム電動機45の出力軸に
接続されたブーム油圧ポンプ46を駆動し、ブーム駆動
用シリンダ18を伸縮動作させるようにしている。
【0062】この場合、ブーム駆動用シリンダ18の伸
縮駆動に際して、一旦油圧エネルギに変換しているが、
その電動機がブーム専用であるため、回転方向、回転速
度を図示しないブーム用操作レバーの操作量、負荷に応
じて制御することで必要な動力だけをブーム電動機45
から出力することができる。したがって、微操作時等に
余分なエネルギを発生させなくてもよくなり、その分だ
けエネルギの損失も少なくなる。
【0063】また、ブーム下げ時あるいは制動時には、
ブーム用油圧ポンプ46は油圧モータとして作動し、ブ
ーム電動機45を回転させるので、ブーム電動機用制御
装置47は、このときブーム電動機45を発電機として
回生作動させることで、運動エネルギを電力に変換して
バッテリ12に蓄積することができる。この回生作動に
より、一層の省エネルギ化を図ることができる。
【0064】以上説明したように、本実施形態3では、
旋回電動機40やブーム電動機45を備え、これらに発
電機兼電動機11からの電力又はバッテリ12からの電
力を供給することで、より一層の省エネルギ化を図ると
ともに、油圧ショベルの駆動方法を多様化させることが
できる。
【0065】なお、上記実施形態1〜3では、作動液と
して圧油を使用し、これに対応して液圧ポンプとして油
圧ポンプ13を使用し、液圧アクチュエータとして油圧
アクチュエータを使用しているが、作動液としてその他
の液体、例えば水等を使用することもできる。
【0066】また、上記実施形態1,2では、制御装置
31の判断回路31bにより、ハイブリッドモードか電
動機モードかの判断に加えて、終了動作を行うための終
了モードをも判断させているが、この終了動作は別途設
けたスイッチ等により行うようにしてもよい。また、上
記実施形態1,2では、比較回路31fにより行う、エ
ンジン10の出力と油圧ポンプ13の必要動力との差分
の正負判断から、入出力制御回路31gにより、発電機
兼電動機11が発電機動作、或いは、電動機動作を行う
ように制御しているが、エンジン10の出力が所定の設
定回転数から高速側にあるのか、或いは、低速側にある
のかを判断し、エンジン10の速度が所定値に近づくよ
うに発電機兼電動機11の制御を行うこととしてもよ
い。
【0067】また、上記実施形態2では、バッテリ12
の充電量のしきい値を2個として、ヒステリシスを設け
たが、ヒステリシスを特に必要としないときは、しきい
値は1つであってもよい。
【0068】また、上記実施形態1〜3では、エンジン
10、クラッチ14、油圧ポンプ13及び発電機兼電動
機11の順に連結してタンデム配置としているが、必ず
しもこのような配置とする必要はなく、例えば図6に示
すように、油圧ポンプを複数化してエンジン10、クラ
ッチ14、発電機兼電動機11及び油圧ポンプ13,1
3の順に連結してタンデム配置したり、図7に示すよう
に、パワーディバイダ50を用いて発電機兼電動機11
及び油圧ポンプ13,13をパラレル配置としてもよ
い。また、クラッチ14を複数化すれば、さらに多様な
配置とすることができる。
【0069】また、上記実施形態1〜3では、原動機と
してエンジン10を用いたが、この代わりにガスタービ
ンを用いてもよい。また、蓄電装置としてバッテリ12
の代わりに電気2重層コンデンサ(商品名ウルトラキャ
パシタ)を用いたり、或いは、これとバッテリとを併用
することとしてもよい。
【0070】また、上記実施形態1〜3では、クラッチ
14を切断する際にのみ動力等を加えるネガティブ作動
型のワンウエイクラッチとしているが、場合によって
は、この逆にクラッチ14を接続する際にのみ動力を加
えるようにしてもよく、さらにはクラッチ14に常時、
動力を加えておくこととしてもよい。
【0071】また、上記実施形態3では、旋回動作を電
動機駆動としているが、他のアクチュエータを電動機駆
動としてもよい。また、ブーム動作を電動/油圧駆動と
しているが、他のアクチュエータを電動/油圧駆動とし
てもよい。
【0072】また、上記実施形態1〜3では、作業機械
の一例として油圧ショベルを説明したが、本発明の適用
範囲はこれに限られず、本発明をクローラクレーン、ホ
イールクレーン等の他の作業機械にも同様に適用できる
のはもちろんである。
【0073】
【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、クラッチ
で原動機と液圧ポンプとの接続状態を維持することで、
原動機と発電機兼電動機とのハイブリッド駆動での省エ
ネルギ運転であるハイブリッド運転ができるようになる
とともに、クラッチで上記接続状態を切断することで発
電機兼電動機によって液圧ポンプを駆動する運転である
発電機運転ができるようになる。この発電機運転では、
原動機からの排気ガスが全くでなくなるので、トンネル
内の工事や地下鉄工事等、閉鎖空間での使用に便宜であ
る。また、低騒音であるので、住宅地や病院付近等での
使用に便宜でもある。
【0074】さらに、自走式であるので、作業機械をト
ンネルから外に出したり、住宅地から離せば、それ自身
の原動機で発電機兼電動機を駆動して蓄電装置に充電で
き、この充電が終了すれば、発電機兼電動機による運転
ができるようになる。
【0075】請求項2記載の発明によれば、例原動機の
出力変動を抑えて、その効率を低下させることがなくな
るので、作業機械のシステム全体の高効率化を図ること
ができる。
【0076】請求項3記載の発明によれば、ハイブリッ
ド運転の場合には、クラッチの接続に動力を必要とせ
ず、さらなる省エネルギ化を図ることができる。
【0077】請求項4記載の発明によれば、ハイブリッ
ド運転の場合には、クラッチが接続状態となり、原動機
を停止して発電機兼電動機で駆動する際にはその駆動力
が原動機に伝達されないので、クラッチの接続や切断の
操作にも動力も切換操作も不要となる。したがって、さ
らなる省エネルギ化を図ることができるとともに、操作
をより簡単化することができる。
【0078】請求項5記載の発明によれば、例えば旋回
動作を直接電動機で駆動したり、ブームシリンダを電動
機駆動の油圧ポンプで駆動することで、より一層の省エ
ネルギ化を図ることができるとともに、作業機械の駆動
方法を多様化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】クローラ式油圧ショベルの全体構成を示す図で
ある。
【図2】本発明の実施形態1,2に係るクローラ式油圧
ショベルの駆動系及び制御系を示すブロック図である。
【図3】実施形態1の動作のフローチャートである。
【図4】実施形態2の動作のフローチャートである。
【図5】本発明の実施形態3に係るクローラ式油圧ショ
ベルの駆動系及び制御系を示すブロック図である。
【図6】本発明の変形例を示すブロック図である。
【図7】本発明の変形例を示すブロック図である。
【符号の説明】
3 掘削用アタッチメント(作業用アタッチメント) 6 旋回モータ 7 走行モータ 10 エンジン(原動機) 11 発電機兼電動機 12 バッテリ(蓄電装置) 13 油圧ポンプ(液圧ポンプ) 14 クラッチ 18 ブーム駆動用油圧シリンダ(液圧アクチュエー
タ) 20 アーム駆動用油圧シリンダ(液圧アクチュエー
タ) 22 バケット駆動用油圧シリンダ(液圧アクチュエー
タ) 30a モード切換スイッチ 30b 圧力センサ 30c 回転計 31 制御装置 31a メモリ 31b 判断回路 31c 動作切換回路 31d 出力計算回路 31e 必要動力計算回路 31f 比較回路 31g 入出力制御回路 31h モード切換回路 32 コントロールバルブ 40 旋回電動機(駆動用電動機) 41 旋回減速機 42 旋回電動機用制御装置 45 ブーム電動機(駆動用電動機) 46 ブーム用油圧ポンプ 47 ブーム電動機用制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2D003 AA00 AB06 BA05 BB01 CA02 CA10 DA02 DA04 DB02 DB03 DC06 3F205 AA05 KA10 5H115 PA11 PA13 PG10 PI16 PI22 PO02 PU01 PU25 RE14 SE04 SE06 TI01 TU16 TZ10

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下部走行体上に上部旋回体が搭載され、
    この上部旋回体に作業用アタッチメントが設けられてな
    る作業機械において、 原動機と、 原動機の出力軸にクラッチを介して接続された回転軸を
    有し、下部走行体、上部旋回体及び作業用アタッチメン
    トの少なくともいずれかを動かすための液圧アクチュエ
    ータを駆動する液圧ポンプと、 液圧ポンプの回転軸に接続され、発電機動作又は電動機
    動作を行う発電機兼電動機と、 発電機兼電動機に電気的に接続された蓄電装置と、 制御装置とを備え、 制御装置は、発電機兼電動機が原動機の出力と液圧ポン
    プの必要動力との関係に応じて発電機動作と電動機動作
    のうちのいずれかの動作を行うハイブリッドモードと、
    発電機兼電動機が電動機動作のみを行う電動機モードと
    を有し、モード切換操作により、ハイブリッドモードに
    切り換えられた場合には、クラッチを接続状態とすると
    ともに、上記出力が上記必要動力よりも大きいときに
    は、発電機兼電動機を発電機動作させて、この発電機兼
    電動機で発電された電力を蓄電装置に蓄えさせ、上記出
    力が上記必要動力よりも小さいときには、蓄電装置に蓄
    えられた電力を発電機兼電動機に供給して、この発電機
    兼電動機を電動機動作させ、かつ、電動機モードに切り
    換えられた場合には、クラッチを切断状態とするととも
    に、蓄電装置に蓄えられた電力を発電機兼電動機に供給
    して、発電機兼電動機を電動機動作させるように制御す
    ることを特徴とする作業機械。
  2. 【請求項2】 制御装置は、ハイブリッドモードにおい
    て、蓄電装置の蓄電量が設定値を超えたときに、電動機
    モードに切り換えるように制御することを特徴とする請
    求項1記載の作業機械。
  3. 【請求項3】 クラッチは、外力が作用するまでは接続
    状態とされ、外力が作用したときに切断状態とされるネ
    ガティブ作動型のクラッチであることを特徴とする請求
    項1又は2記載の作業機械。
  4. 【請求項4】 クラッチは、一方向にのみ回転を伝える
    ワンウエイクラッチであることを特徴とする請求項1〜
    3のいずれかに記載の作業機械。
  5. 【請求項5】 下部走行体、上部旋回体及び作業用アタ
    ッチメントの少なくともいずれかを動かすための駆動用
    電動機を備え、この駆動用電動機に発電機兼電動機から
    の電力又は上記蓄電装置からの電力を供給するように構
    成したことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載
    の作業機械。
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