JP2012092546A

JP2012092546A - ハイブリッド油圧ショベル

Info

Publication number: JP2012092546A
Application number: JP2010240031A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kubo; 隆久保; Hiroshi Ishiyama; 寛石山; Kiminori Sano; 公則佐野
Original assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】回生エネルギーの回収効率を向上させ、且つ、電動発電機の逸走を防止するハイブリッド油圧ショベルを提供する。
【解決手段】コントロールバルブ１４の切換え操作によりブームシリンダ８を駆動するとともに、ブームシリンダ８の戻り油により回生モータ３２を回転してブームエネルギーを回収するハイブリッド油圧ショベルにおいて、ブームシリンダ８に対してコントロールバルブ１４と回生モータ３２が並列に接続されているとともに、回生モータ３２の上流側にコントローラ２０により制御される回生弁２８が設けられ、コントローラ２０は、ブームシリンダ８のボトム圧が回生モータ３２の制動可能負荷圧を超えたときに、回生弁２８の開口量が小さくなるように制御する。
【選択図】図２

Description

本発明はハイブリッド油圧ショベルに関するものであり、特に、ブームシリンダの戻り油のエネルギーを回収できるようにしたハイブリッド油圧ショベルに関するものである。

近年、ブームを含む作業機が搭載されたハイブリッド油圧ショベルにおいては、ブームを動作させるブームシリンダと、該ブームシリンダにコントロールバルブ（方向切換弁）を介して圧油を供給する油圧ポンプと、前記ブームシリンダに接続された回生モータと、該回生モータに連結された電動発電機とを備え、ブームシリンダの戻り油が有するブームエネルギー（ブームの位置エネルギー）を回収できるように構成されている。

この場合、ブームシリンダの戻り油により回生モータを回転駆動し、このとき得られた回転エネルギーを電動発電機によって電力に変換して回収している（例えば、特許文献１，２又は３参照）。

特開２００４−１９０８４５号公報特願２００４−１４３２０３号公報特開２００４−２４７２５１号公報

上記従来技術では、回生モータはブームシリンダのボトム室に接続され、ブームシリンダのボトム室の油圧、即ち、ブームボトム圧により回転駆動される。その際、回生モータの入口側（上流側）に大きなブームボトム圧が作用した場合には、それに応じて回生モータに連結された電動発電機のトルクも増大する。

その結果、回生モータの入口負荷圧が制動可能負荷圧を超えると、電動発電機のトルクが最大許容値を上回る危険がある。ここで、制動可能負荷圧とは、電動発電機の逸走を抑止しうる回生モータの入口負荷圧の最大値をいう。

例えば、ブームを急停止させたときは、前記ブームボトム圧が急激に上昇するので大きなブレーキ圧が発生する。そのため、該ブレーキ圧に応じた大きな入口負荷圧が回生モータに作用して、電動発電機の回転トルクが過剰に増大する。

特に、コントロールバルブの操作量が大きい場合、ブームボトム圧の上昇速度が更に高くなり、その結果、回生モータの入口負荷圧が制動可能負荷圧以上に増大する。これにより、電動発電機が逸走する危険性が高くなる。又、掘削動作時に、回生モータの入口側にて大きな圧損が生じて、回生エネルギーの回収効率が低下するという問題があった。

そこで、回生エネルギーの回収効率を向上させ、且つ、電動発電機の逸走を防止す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、コントロールバルブの切換え操作によりブームシリンダを駆動するとともに、該ブームシリンダの戻り油により回生モータを回転してブームエネルギーを回収するハイブリッド油圧
ショベルにおいて、前記ブームシリンダに対して前記コントロールバルブと前記回生モータが並列に接続されているとともに、該回生モータの上流側にコントローラにより制御される回生弁が設けられ、該コントローラは、前記ブームシリンダのボトム圧が前記回生モータの制動可能負荷圧を超えたときに、前記回生弁の開口量が小さくなるように制御するハイブリッド油圧ショベルを提供する。

この構成によれば、ブーム下げ動作時に、ブームシリンダのボトム圧が回生モータの制動可能負荷圧を超えた場合は、回生モータの上流側に設けた回生弁（負荷圧低減手段）の開口量が小さくなるように制御される。依って、回生モータに作用する入口負荷圧が低減するため、電動発電機のトルクも小さくなる。

請求項２記載の発明は、上記コントローラは、電磁比例弁を介して上記回生弁の開口量を制御する請求項１記載のハイブリッド油圧ショベルを提供する。
この構成によれば、回生弁の開口量は、コントローラからの指令信号により電磁比例弁を介して任意に制御される。即ち、コントローラからの指令信号（電流値）の大きさに応じて電磁比例弁が動作するので、それに対応して回生弁の開口量が可変調整される。

請求項３記載の発明は、上記コントローラは、上記回生モータの回転速度が規定値を超えたときには、該回生モータの入口負荷圧が一定比率で低減するように、上記回生弁の開口量を制御する請求項１又は２記載のハイブリッド油圧ショベルを提供する。

この構成によれば、回生モータの回転速度が規定値を超えると、コントローラは、回生弁の開口量を可変調整することにより、前記回転速度に応じた一定の比率で回生モータの入口負荷圧が低減するように制御する。

請求項１記載の発明は、ブームを急停止させた時でも、回生弁の開口量を小さくすることにより、回生モータの入口負荷圧を低減できるので、電動発電機が逸走することを防止できるとともに、簡単な構成で回生エネルギーの回収効率を向上させることができる。

請求項２記載の発明は、コントローラからの指令信号の大きさに応じて、回生弁の開口量を可変調整できる。従って、例えば、回生弁の初期開口量を掘削作業条件などに応じた最適値に設定できるので、請求項１記載の発明の効果に加えて、掘削動作時に、回生弁における圧損発生を効率良く防止して、エネルギー回生効率を一層向上させることができる。

請求項３記載の発明は、回生モータの回転速度が規定値を超えた場合には、該回転速度に対応した一定比率で回生モータの負荷圧を低減させるので、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、高負荷操作によるブーム停止時であっても、回生モータのブレーキ圧上昇による過大回転を一層効率良く抑制することができる。

本発明に係る一実施例を示し、ハイブリッド油圧ショベルの側面図。一実施例に係るハイブリッド油圧ショベルのエネルギー回生制御油圧回路図。一実施例に係るコントローラの入力信号又は出力信号を説明する解説図。

本発明は、回生エネルギーの回収効率を向上させ、且つ、電動発電機の逸走を防止するという目的を達成するために、コントロールバルブの切換え操作によりブームシリンダを駆動するとともに、該ブームシリンダの戻り油により回生モータを回転してブームエネルギーを回収するハイブリッド油圧ショベルにおいて、該ブームシリンダに対して前記コントロールバルブと前記回生モータが並列に接続されているとともに、該回生モータの上流側にコントローラにより制御される回生弁が設けられ、該コントローラは、前記ブームシリンダのボトム圧が前記回生モータの制動可能負荷圧を超えたときに、前記回生弁の開口量が小さくなるように制御することによって実現した。

以下、本発明の好適な実施例を図１乃至図３に基づいて説明する。図１は本実施例に係るハイブリッド駆動方式の油圧ショベル１を示し、該油圧ショベル１の下部走行体２上には旋回機構３を介して上部旋回体４が搭載され、又、上部旋回体４にはブーム５を含む作業機が搭載されている。

即ち、上部旋回体４の前方中央部にはブーム５が俯仰動可能に取り付けられ、更に、ブーム５の先端部にアーム６が上下回動自在に取り付けられているとともに、該アーム６の先端部にバケット７が取り付けられている。これらブーム５、アーム６及びバケット７は、ブームシリンダ８、アームシリンダ９及びバケットシリンダ１０により夫々駆動される。図２は本発明に係るエネルギー回生制御油圧回路を示す。同図において、１１は上部旋回体４に搭載されたエンジンであり、該エンジン１１の出力軸には可変容量型の油圧ポンプ１２が連結されている。該油圧ポンプ１２には高圧油圧ライン１３を介して、圧油の方向を切り換える３位置６ポート型パイロット操作式のコントロールバルブ１４が接続されていると共に、該コントロールバルブ１４の下流側には油路１５a，１５bを介してブームシリンダ８，８が接続されている。従って、前記油圧ポンプ１２からの吐出油がコントロールバルブ１４を介してブームシリンダ８，８に供給されることにより、該ブームシリンダ８，８が伸長・収縮駆動される。

前記コントロールバルブ１４の流入口側にはＰ１ポート、Ｐ２ポート及びＴｎポートが設けられている。また、コントロールバルブ１４の流出口側には、Ｂポート、Ｓポート及びＴポートが設けられている。本実施例では、操作レバー１７によりリモコン弁１８をブーム上げ位置又はブーム下げ位置に操作することによって、コントロールバルブ１４は中立位置からブーム上げ位置（イ）又はブーム下げ位置（ロ）に切り換えられる。

コントロールバルブ１４が中立位置にあるときには、Ｐ１ポートはＢポートに接続され、且つ、Ｐ２ポート、Ｔｎポート、Ｓポート及びＴポートはブロック状態にあるが、ブーム上げ位置（イ）に切り換えられると、Ｐ１ポートはＢポートに対して遮断されるとともに、Ｐ２ポート及びＴｎポートは夫々Ｔポート及びＳポートに接続される。又、コントロールバルブ１４がブーム下げ位置（ロ）に切り換えられると、Ｐ２ポートはＳポートに接続されると共にＴｎポートはＴポートに接続される。

尚、ブーム下げ操作を行った時、リモコン弁１８のパイロットライン１６にブ−ム下げパイロット圧が発生する。このブ−ム下げパイロット圧は、圧力センサ１９により検出されてコントローラ２０に出力される。そして、コントローラ２０に前記パイロット圧信号が入力されると、コントローラ２０はブーム回生信号を出力する。

本実施例では、ブームシリンダ８，８のボトム室２２，２２に接続した油路１５ｂの途中には、逆流防止機能を有するホールディング弁２５が介設されている。ここで、ブーム下げ操作がなされていない時には、ブームシリンダ８，８のボトム室２２，２２からの排出油は、ホールディング弁２５を通過することができないため、ボトム室２２，２２の保持圧が低下しないように維持される。

しかし、ブーム下げ操作がなされた時には、このとき発生するブーム下げパイロット圧に基づいて、ホールディング弁２５が開放状態に切り換えられるため、ボトム室２２，２２からの排出油はホールディング弁２５を通過できるようになる。

また、ホールディング弁２５とコントロールバルブ１４を接続する油路１５ｂの途中には分岐点２６が設けられ、該分岐点２６にはブーム戻り油ライン２７が接続されている。そして、ブーム戻り油ライン２７の下流側には回生弁２８が設置されている。更に、回生弁２８の下流側に回生油路２９が接続されている。

本発明に係る回生弁２８としては、２位置４ポート型の方向切換弁が採択されている。回生弁２８はノーマル位置ではブロック状態にあるが、オフセット位置では、ブーム戻り
油ライン２７と回生油路２９が互いに連通する。また、回生弁２８の制御ポート３０には、該回生弁２８をオフセット位置に切り換える電磁比例弁３１が接続されている。この電磁比例弁３１のソレノイドにはコントローラ２０が接続され、該コントローラ２０からの指令信号の電流値に基づいて電磁比例弁３１の動作量を変化させることにより、回生弁２８のスプールの開口量が自在に可変制御される。

さらに、前記回生油路２９の途中には回生モータ３２が設置され、該回生モータ３２は、ブームシリンダ８，８のボトム室２２，２２からの戻り油を油圧源として回転される。依って、該戻り油の有するブームエネルギーは回生モータ３２により回転エネルギーに変換される。

前記回生モータ３２の駆動軸には電動発電機３３が連結されている。この電動発電機３３の回転軸には、該回転軸の回転位置及び回転角度を検出するレゾルバ（図示せず）と、該回転軸に制動力を加えるメカニカルブレーキ及び減速機（図示せず）とが設けられている。該電動発電機３３は、回生モータ３２と一体的に回動することにより、回生モータ３２の回転エネルギーを回生発電に変換する。

更に、電動発電機３３にはインバータ３４が接続されているとともに、該インバータ３４にバッテリ（図示せず）が接続されている。依って、電動発電機３３により回生発電された電力は、インバータ３４を介してバッテリに随時蓄電できるように構成されている。本実施例では、ブームシリンダ８，８のボトム室２２，２２からの戻り油が回生油路２９を通過する際、該回生油路２９に油圧が発生するが、該油圧は、圧力センサ３５により検出されてコントローラ２０に出力される。又、図３に示すように、コントローラ２０には、前記回生モータ３２の回転速度を検出する回転センサ３９が接続され、該回転センサ３９による検出値はコントローラ２０に入力される。

次に、本実施例によるエネルギー回生制御回路の作用について説明する。いま、操作レバー１７によりリモコン弁１８をブーム上げ位置側に操作すると、コントロールバルブ１４が中立位置からブーム上げ位置（イ）に切り換わる。その結果、油圧ポンプ１２からブームシリンダ８，８のボトム室２２，２２に圧油が供給されるとともに、ロッド室２３，２３の圧油が油タンク３６に戻される。これにより、ブームシリンダ８，８が伸長して上記ブーム５が上げ動作を行う。

一方、リモコン弁１８をブーム下げ位置側に操作すると、コントロールバルブ１４がブーム下げ位置（ロ）に切り換わり、このとき生ずるブ−ム下げパイロット圧は、圧力センサ１９により検出されてコントローラ２０に送信される。

そして、コントローラ２０はブ−ム下げパイロット圧信号に基づき、電磁比例弁３１を介して回生弁２８をオフセット位置に切り換えるとともに、ホールディング弁２５が開放状態に切り換えられる。

従って、油圧ポンプ１２からの吐出油がブームシリンダ８，８のロッド室２３，２３に供給されると共に、ボトム室２２，２２からの戻り油は、ホールディング弁２５、回生弁２８及び回生モータ３２を通過して油タンク３７に排出される。これにより、ブームシリンダ８，８が短縮してブーム５が下げ動作を行う。

ここで、前記ボトム室２２，２２からの戻り油が回生弁２８を経て回生モータ３２を通過する際、該戻り油を油圧源として回生モータ３２が回転駆動してエネルギーを発生させる。この回転エネルギーは電動発電機３３により電力に変換される。そして、電動発電機３３により変換された電力は、インバータ３４を介してバッテリに蓄電される。

本実施例では、回生弁２８のスプールの開口量はコントローラ２０により可変制御される。例えば、ブーム上げ動作時に、ブームボトム圧が回生モータ３２の制動可能負荷圧を超えた場合は、回生弁２８の開口量が小さくなるように絞り制御を行う。依って、回生モータ３２の入口部に高い負荷圧が作用することを抑止する。

ここで、制動可能負荷圧に関しては、例えば、回生モータ３２の容量が１００cc/rev、電動発電機３４の最大トルクが２００Ｎ・ｍ、回生モータ３２の機械効率が８０％であるとすると、制動可能負荷圧Pは、Ｐ=２×π×２００÷１００×０．８＝１５．７（ＭPa）となる。

また、前記回生弁２８の開口量は、コントローラ２０からの指令信号により電磁比例弁３１を介してアナログ方式にて所要値に制御される。すなわち、電磁比例弁３１はコントローラ２０の指令信号（電流値）の大きさに応じてストローク動作し、それに対応して回生弁２８の開口量が可変調整される。そのため、回生弁２８の初期開口量は、通常掘削動作の油圧負荷に応じた最適値に容易に調整できる。

ここに、初期開口量とは、回生弁２８のスプールの開口のみでブーム降下速度を制御するときの従来例における開口面積に相当するものであり、回生モータ３２に作用する負荷圧は極めて低圧になる。

さらに、本発明に係るコントローラ２０は、回生モータ３２の回転速度が規定値を超えた場合には、回生弁２８の開口量を可変調整することにより、前記回転速度に応じた一定の比率で、回生モータ３２の入口負荷圧が低減するように制御する。従って、高負荷・高レバー操作によるブーム停止時において、ブレーキ圧が急激に上昇しても、回生モータ３２の過大回転を効率良く抑止する。

特に、ブーム５の急停止時におけるコントロールバルブ１４の操作量が大きい場合であっても、回生弁２８を初期開口量に迅速に復帰させることができる。たとえば、コントロールバルブ１４の操作量が最大操作量に対して９０％以上である場合、負荷圧を７５％程度に低減させることができる。従って、ブレーキ圧が急激に上昇しても、電動発電機３３のトルクが最大許容値を超えないように制御できる。

叙上の如く本発明によると、ブームを急停止させた時でも、回生弁の開口量を小さくすることにより、回生モータの入口負荷圧を低減できるので、電動発電機の逸走を未然に防止できる。

又、コントローラからの指令信号（電流値）の大きさに応じて電磁比例弁が動作し、それに対応して回生弁の開口量を可変調整できる。斯くして、回生弁の初期開口量を掘削作業条件などに応じた最適値に容易に設定できる。従って、たとえば、掘削動作時に、回生弁における圧損発生を効率良く防止できる。本発明では、通常の掘削作業では使用しない操作領域でのみ回生弁で絞るため、エネルギーの回生効率を悪化させる懸念もなく、簡単な構成でエネルギー回収効率を大幅に向上させることができる。

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。

本発明は、コントロールバルブの切り換えによりブームシリンダを駆動するとともに、該ブームシリンダの戻り油により回生モータを駆動する建設機械であれば全て適用可能である。

１ハイブリッド駆動式油圧ショベル
５ブーム
８ブームシリンダ
１１エンジン
１２油圧ポンプ
１４コントロールバルブ
２０コントローラ
２５ホールディング弁
２８回生弁
３１電磁比例弁
３２回生モータ
３３電動発電機

Claims

コントロールバルブの切換え操作によりブームシリンダを駆動するとともに、該ブームシリンダの戻り油により回生モータを回転してブームエネルギーを回収するハイブリッド油圧ショベルにおいて、前記ブームシリンダに対して前記コントロールバルブと前記回生モータが並列に接続されているとともに、該回生モータの上流側にコントローラにより制御される回生弁が設けられ、該コントローラは、前記ブームシリンダのボトム圧が前記回生モータの制動可能負荷圧を超えたときに、前記回生弁の開口量が小さくなるように制御することを特徴とするハイブリッド油圧ショベル。
上記コントローラは、電磁比例弁を介して上記回生弁の開口量を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油圧ショベル。
上記コントローラは、上記回生モータの回転速度が規定値を超えたときには、該回生モータの入口負荷圧が一定比率で低減するように、上記回生弁の開口量を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッド油圧ショベル。