JP2010281183A - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回生電力の利用効率を向上させ、且つ、バッテリー及びエンジン用電動発電機の小型化を図る。
【解決手段】ブームシリンダ７の圧油を回生して回転駆動されるブーム用電動発電機３９と、エンジン１１により回転駆動されるエンジン用電動発電機１２と、回生動作及び力行動作が可能な旋回用電動発電機２１とは、インバータ４１，１８，２０を介してバッテリー１９に夫々接続する。又、ブーム用電動発電機３９及び／又は旋回用電動発電機２１の回生動作時にエンジン用電動発電機１２を力行動作に移行させる駆動制御部３３を備える。旋回用電動発電機２１における旋回力行エネルギと旋回回生エネルギとの差は、ブーム用電動発電機３９のブーム回生エネルギにより補給する。
【選択図】図３

Description

本発明はハイブリッド建設機械に関するものであり、特に、ブーム用電動発電機とエンジン用電動発電機と旋回用電動発電機とをバッテリーに接続して成るハイブリッド建設機械に関するものである。

従来、ハイブリッド建設機械としては、例えば、エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプからの圧油（保持油又は戻り油）により駆動される油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ）と、該油圧アクチュエータの圧油を利用して電力を回生させる電動発電機とを搭載したものが知られている。

近年、ブームシリンダを備えたハイブリッド建設機械のエネルギ回生装置では、ブームシリンダの圧油を利用して回転駆動されるブーム用電動発電機と、エンジンにより回転駆動されるエンジン用電動発電機と、上部旋回体の慣性力により回転駆動される旋回用電動発電機とを備え、これら電動発電機で得られた電力をバッテリーに充電するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１９０８４５号公報

上記従来技術では、ブーム用電動発電機及び旋回用電動発電機により回生した電力をバッテリーに充電しているが、該バッテリーには、前記回生した電力の全量が充電される。従って、回生した電力量に応じて充電量が増加するのでバッテリーが大型化する。

又、バッテリーにおける充放電量及び充放電回数の増加に伴い、電力の放充電ロスが発生して回生電力の利用効率が低下するという問題があった。

更に、エンジン用電動発電機は、該エンジン用電動発電機自身の力行動作用の電力に加えて、旋回用電動発電機の力行動作用の電力を供給するための電力源としても使用されている。その結果、旋回力行動作用の電力の分だけ、エンジン用電動発電機が大型化するという問題もあった。

そこで、回生電力の利用効率を向上させ、且つ、バッテリー及びエンジン用電動発電機の小型化を図るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、ブームシリンダの圧油を回生して回転駆動されるブーム用電動発電機と、エンジンにより回転駆動されるエンジン用電動発電機と、回生動作及び力行動作が可能な旋回用電動発電機とがインバータを介してバッテリーに夫々接続されたハイブリッド建設機械において、前記各電動発電機を駆動制御するコントローラを設け、該コントローラは、前記ブーム用電動発電機及び／又は前記旋回用電動発電機の回生動作時に前記エンジン用電動発電機を力行動作に切り換える駆動制御部を備えることを特徴とするハイブリッド建設機械を提供する。

この構成によれば、ブーム用電動発電機及び／又は旋回用電動発電機が回生動作する時、エンジン用電動発電機は力行動作に切り換えられる。そして、ブーム用電動発電機及び／又は旋回用電動発電機による回生エネルギの一部は、エンジン用電動発電機の力行動作の動力として消費され、残りの回生エネルギ分のみがバッテリーに蓄電される。

請求項２記載の発明は、上記コントローラは、上記旋回用電動発電機における旋回力行エネルギと旋回回生エネルギとの差を上記ブーム用電動発電機のブーム回生エネルギにより補給するように制御することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械を提供する。

この構成によれば、旋回用電動発電機における旋回力行エネルギと旋回回生エネルギとの差は、ブーム用電動発電機のブーム回生エネルギにより補給される。従って、エンジン用電動発電機は、エンジン力行動作用の電力のみを発生させればよく、旋回用電動発電機の力行動作用の電力を供給する必要はない。

請求項１記載の発明は、ブーム用電動発電機及び／又は旋回用電動発電機の回生エネルギの一部を直ちに動力として消費することにより、バッテリーに蓄電される量は、消費されなかった回生エネルギの残り分のみであり、回生エネルギの全部ではない。依って、バッテリーの小型化が可能になると共に、バッテリーへの放充電に伴うエネルギロスが低減して、回生エネルギの利用効率を向上させることができる。

請求項２記載の発明は、エンジン用電動発電機は、エンジン力行動作用の電力のみを確保すればよく、旋回力行動作用の電力を供給する必要がないので、請求項１記載の発明の効果に加えて、エンジン用電動発電機の小型化が可能になる。

本発明は、回生電力の利用効率を向上させ、且つ、バッテリー及びエンジン用電動発電機の小型化を図るという目的を達成するために、ブームシリンダの圧油を回生して回転駆動されるブーム用電動発電機と、エンジンにより回転駆動されるエンジン用電動発電機と、回生動作及び力行動作が可能な旋回用電動発電機とがインバータを介してバッテリーに夫々接続されたハイブリッド建設機械において、前記各電動発電機を駆動制御するコントローラを設け、該コントローラは、前記ブーム用電動発電機及び／又は前記旋回用電動発電機の回生動作時に前記エンジン用電動発電機を力行動作に切り換える駆動制御部を備えることにより実現した。

以下、本発明の好適な一実施例を図１乃至図３に従って説明する。尚、本発明は、ブーム用電動発電機の回生エネルギが旋回用電動発電機の旋回エネルギよりも大きいハイブリッド建設機械に適用することが好ましいが、これに限定されない。

図１は本実施例に係るハイブリッド建設機械としての油圧ショベルを示す。同図に示すように、下部走行体１上には旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載され、又、該上部旋回体３にはブーム４、アーム５及びバケット６と、これらを駆動する油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８及びバケットシリンダ９、並びにキャビン１０が搭載されている。

図２は前記油圧ショベルの駆動回路を示す。同図において、１１は機械式駆動部としてのディーゼルエンジンであり、該ディーゼルエンジン１１の駆動軸にはエンジン用電動発電機（以下「エンジンモータ」という。）１２が変速機１３（図示せず）を介して接続されてい

更に、前記変速機１３の出力軸には可変容量型のメイン油圧ポンプ１４及びパイロットポンプ１５（図示せず）が接続されている。而して、ディーゼルエンジン１１の負荷が大きい時には、エンジンモータ１２の力行動作を行い、メイン油圧ポンプ１４に駆動力が伝達される。一方、ディーゼルエンジン１１の負荷が小さい時には、該ディーゼルエンジン１１の駆動力はエンジンモータ１２に伝達されて発電を行う。

前記メイン油圧ポンプ１４には高圧油圧ライン油圧１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。又、コントロールバルブ１７には方向切換弁が複数連設されていると共に、各方向切換弁には走行用油圧モータ１Ａ，１Ｂ、ブームシリンダ７及びアームシリンダ８等の各油圧アクチュエータが夫々接続されている。

符号２１は旋回用電動発電機（以下「旋回モータ」という。）を示し、該旋回モータ２１の回転軸２１Ａには、該回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するレゾルバ２２と、回転軸２１Ａに制動力を加えるメカニカルブレーキ２３及び旋回用減速機２４が接続されている。

又、旋回モータ２１は、力行動作又は回生動作を選択的に駆動できるように構成され、上部旋回体３の慣性回転により旋回用減速機２４を介して回生電力を発生させる。

上記パイロットポンプ１５にはパイロットライン２５を介して操作装置２６が接続され、更に、該操作装置２６には油圧ライン２７，２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９が夫々接続されている。該操作装置２６はブーム４及びアーム５等の各油圧アクチュエータを操作する。

圧力センサ２９には、電気系の各駆動部を統括制御するコントローラ３０が接続され、該コントローラ３０は速度指令変換部３１、エネルギ検出部３２及び駆動制御部３３などを内蔵している。前記エネルギ検出部３２は、旋回モータ２１における旋回力行動作のエネルギと旋回回生エネルギとの差を検出する。

又、駆動制御部３３は、エネルギ検出部３２で検出した前記エネルギの差をブーム回生エネルギにより補給するように、エンジンモータ１２等の各駆動部を切り換え制御する。

図３は、本発明に係るエネルギ回生装置の要部を示す。同図に示すように、ブームシリンダ７のピストン側油室とコントロールバルブ１７とを接続する油路３５の途中にはホールディング弁３６が介装されている。

更に、油路３５から分岐する戻り油路３７にはブーム用の回生油圧モータ３８が設けられている。又、回生油圧モータ３８の回転軸にはブーム用の電動発電機（以下「ブームモータ」という。）３９が連結されている。

これにより、回生油圧モータ３８はブームシリンダ７からの戻り油により回転駆動され、該回転エネルギはブームモータ３９により電力に変換される。又、ブームモータ３９及び／又は旋回モータ２１が回生動作する時には、コントローラ３０の駆動制御部３３により、エンジンモータ１２は力行動作を行うように駆動制御される。

前記エンジンモータ１２、旋回モータ２１及びブームモータ３９は電動機の機能及び発電機の機能を有し、インバータ１８，２０及び４１を介してバッテリー１９の直流母線に夫々接続されている。また、バッテリー２５の放充電は、インバータ１８，２０，４１に接続されたコントローラ３０により制御される。

コントローラ３０は、旋回モータ２１における力行動作時のエネルギと回生動作時のエネルギとの差を検出し、このエネルギ差（エネルギロス）をブームモータ３９で生じたブーム回生エネルギにより補給すべく制御する。従って、ブーム回生エネルギの一部は動力として即時に消費されるので、バッテリー１９に出し入れされる電力量は、ブーム回生エネルギの未消費分のみであり、ブーム回生エネルギの全量ではない。

本実施例では、上記ブームモータ３９及び／又は旋回モータ２１の回生動作時に、エンジンモータ１２は力行動作に切り換えられる。依って、ブームモータ３９及び／又は旋回モータ２１の回生エネルギの一部は動力として消費される。更に、エンジンモータ１２は、該エンジンモータ１２の力行動作に必要な電力のみを発電により確保できるように制御される。そのため、エンジンモータ１２は、旋回モータ２１に旋回力行動作用の電力を供給する必要はない。

旋回操作により旋回モータは力行動作を行い速度指令に応じた回転まで加速する。旋回操作レバーをを戻す等により実回転数が速度指令を超えると回生動作により減速する。旋回動作の力行/回生は、オペレータのレバー操作で決定され、ブーム回生とオペレータのブーム下げ操作で決定されることとなり、コントローラが意図的に制御できるのは、エンジンモータを力行状態にした時か、それとも、発電状態か、それとも、無動作状態にした時となる。

操作方法は作業内容により異なり各動作の力行、回生は一動作中でも時間的に差異がある。旋回力行で得た回転エネルギーは減速動作時の回生で電力に変換されるが効率分回生エネルギーは小さい。ブームの回生エネルギーは旋回力行エネルギーより旋回回生分を差し引いたエネルギーより通常大きい為、ブーム回生エネルギーで旋回動作に必要なエネルギーをまかなうことはできるが、同時間に動作は実施されない為、ブーム回生エネルギーの余剰分はエンジンモータ駆動と蓄電に使われることになる。

次に、前記エンジンモータ１２等の動作切り換えパターンについて詳述する。該動作切り換えパターンは、表１に示すように、ブームモータ３９が無負荷状態である場合の動作切り換えパターン１，２と、ブームモータ３９が回生動作である場合の動作切り換えパターン３，４とに分けられる。

先ず、動作切り換えパターン１では、エンジンモータ１２は無負荷状態に切り換えられ、且つ、旋回モータ２１は力行動作に切り換えられる。この場合、前記旋回モータ２１の力行動作に必要なエネルギはバッテリー１９により出力される。このパターン１ではブーム下げ動作をしていないとき、旋回モータが操作されるとバッテリーよりエネルギーが供給されることとなる。

又、動作切り換えパターン２では、エンジンモータ１２は力行動作に切り換えられ、且つ、旋回モータ２１は回生動作に切り換えられる。この場合、旋回モータ２１の回生エネルギの一部は、エンジンモータ１２の力行動作のエネルギ（力行エネルギ）に使用され、残りの回生エネルギは旋回モータ２１の力行動作用のエネルギとしてバッテリー１９に蓄電される。このパターン２では、旋回レバーを戻すと旋回モータは回生制動により減速し、旋回の回生エネルギーをエンジンモータで消費する。

次に、動作切り換えパターン３では、エンジンモータ１２は無負荷状態に切り換えられ、且つ、旋回モータ２１は力行動作に切り換えられる。この場合、ブームモータ３９の回生エネルギは、旋回モータ２１の力行動作のエネルギとして使用される。

ここで、ブームモータ３９の回生エネルギが旋回モータ２１の力行エネルギよりも小さいとき、即ち、旋回モータ２１の力行エネルギが不足するときは、その不足分だけバッテリー１９から電力が補給される。

これに対して、ブームモータ３９の回生エネルギが旋回モータ２１の力行エネルギよりも大きいとき、即ち、ブームモータ３９の回生エネルギに余剰が生ずるときは、その余剰分はバッテリー１９に蓄電される。このパターン３ではブーム下げ動作での回生中に旋回レバーを操作すると、ブーム回生エネルギーは旋回力行に使用され、過不足分はバッテリーで調整することとなる。

更に、動作切り換えパターン４では、エンジンモータ１２は力行動作に切り換えられ、且つ、旋回モータ２１は回生動作に切り換えられる。この場合には、前記動作切り換えパターン２と同様に、旋回モータ２１の回生エネルギの一部は、エンジンモータ１２の力行動作のエネルギに使用され、残りのエネルギは旋回モータ２１の力行動作用のエネルギとしてバッテリー１９に蓄電される。このパターン４ではブーム上げ動作による回生エネルギーと旋回回生エネルギーとが発生する。これらをエンジンモータで消費し、過分はバッテリーに蓄電することとなる。

このように本実施例では、エンジンモータ１２の力行動作の出力を制御することにより、ブームモータ３９の回生エネルギのみで旋回モータ２１を駆動することができる（上記動作切り換えパターン３）。

叙上の如く本発明によると、ブームモータ３９及び／又は旋回モータ２１が回生動作である時に、エンジンモータ１２は力行動作に切り換えられる。これにより、ブームモータ３９及び／又は旋回モータ２１の回生電力の一部は、極力リアルタイムで動力として消費される。

斯くして、回生電力の全量がバッテリー１９に出し入れされないので、バッテリー１９の小型化が可能になる。又、回生電力を効率良く利用できるので、その分だけ他の油圧アクチュエータ（油圧シリンダ）を駆動するために必要なエンジン出力を低減でき、以て、省エネルギ効果に寄与することができる。

又、ブームモータ３９及び／又は旋回モータ２１が回生動作時には、従来例に比べてバッテリー１９に出入りする電力量が減少し、それに伴いバッテリー１９における発熱量も減少して作動温度が低下するので、バッテリー１９の寿命がアップする。

本実施例では、ブームモータ３９のブーム上げ動作の終了又は旋回モータ２１の力行動作の終了をトリガーとして、エンジンモータ１２が力行動作に自動的に切り換えられる。斯くして、回生エネルギの動力への消費が可及的速やかに行われるため、有効な動力消費量の増加に応じてバッテリー１０の電圧レベルが低下する。それゆえ、バッテリー１９の過電圧を未然に防止でき、バッテリー１９の一層の小型化が可能になる。

更に、旋回モータ２１における旋回力行エネルギと旋回回生エネルギとの差は、ブームモータ３９からのブーム回生エネルギにより補給される。従って、エンジンモータ１２は、該エンジンモータ１２の力行動作に必要な電力のみを賄えばよく、前記旋回モータ２１に旋回力行エネルギを補給する必要はない。そのため、エンジンモータ１２の一層の小型化が可能になる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明に係る一実施例を示し、ハイブリッド建設機械（油圧ショベル）の側面図。 一実施例に係るハイブリッド建設機械の駆動回路を示すブロック図。 一実施例に係るハイブリッド建設機械のエネルギ回生装置を示す電気油圧制御系の駆動回路構成図。

７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
１１ エンジン
１２ エンジンモータ（エンジン用電動発電機）
１４ メイン油圧ポンプ
１９ バッテリー
２１ 旋回モータ（旋回用電動発電機）
１８，２０，４１ インバータ
３０ コントローラ
３３ 駆動制御部
３８ ブーム用回生油圧モータ
３９ ブームモータ（旋回用電動発電機）

Claims (2)

1. ブームシリンダの圧油を回生して回転駆動されるブーム用電動発電機と、エンジンにより回転駆動されるエンジン用電動発電機と、回生動作及び力行動作が可能な旋回用電動発電機とがインバータを介してバッテリーに夫々接続されたハイブリッド建設機械において、前記各電動発電機を駆動制御するコントローラを設け、該コントローラは、前記ブーム用電動発電機及び／又は前記旋回用電動発電機の回生動作時に前記エンジン用電動発電機を力行動作に切り換える駆動制御部を備えることを特徴とするハイブリッド建設機械。
2. 上記コントローラは、上記旋回用電動発電機における旋回力行エネルギと旋回回生エネルギとの差を上記ブーム用電動発電機のブーム回生エネルギにより補給するように制御することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械。

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