JP2012172521A - ハイブリッド建設機械の動力源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ポンプ最大入力の設定値を通常作業時と上記高負荷圧連続運転時とに応じて最適なものとする。
【解決手段】油圧ポンプと発電電動機とがエンジンに接続され、発電電動機の発電機作用によって蓄電器に充電するとともに、この蓄電器の放電力により発電電動機を駆動してエンジンをアシストするとともに、馬力制御によってポンプ流量を制御するハイブリッドショベルにおいて、低圧域から中間域までのポンプ圧で運転される通常作業時と、高圧域で連続運転される高負荷圧連続運転時とに応じてポンプ最大入力の設定値に関する特性を第１及び第２の両特性のうちで切換えるように構成した。
【選択図】図３

Description

本発明はエンジン動力と蓄電器電力とを併用するハイブリッド建設機械の動力源装置に関するものである。
ショベルを例にとって背景技術を説明する。
エンジンのみを動力源とする通常ショベルにおいては、ポンプの負荷圧(ポンプ圧)に応じてポンプ流量を制御する馬力制御が行われ、制御開始圧(図３中のＡの圧力区間)で最大流量、最高圧(リリーフ圧)で最小流量となる。
この馬力制御では、図３に示すように、エンジンが過負荷とならないように、ポンプ最大入力の設定値がエンジンの最大出力以下でほぼ一定となるように定められる。
すなわち、
エンジン最大出力＞ポンプ最大入力(＝ポンプ圧×流量 但し、効率と係数を省略)
となる。
なお、ポンプ流量の制御に関して、一般的には、油圧アクチュエータを操作する操作手段の操作量(以下、レバー操作量という場合がある)に応じてポンプ流量を制御する流量制御方式が馬力制御と併用され、両制御によって演算される流量のうち低位側を選択してポンプのレギュレータに指令する構成がとられる。
上記流量制御では、レバー中立でスタンバイ流量（動き始めのシステム応答性を考慮して決定される）、レバーフル操作で最大流量となる。
これに対し、上記馬力制御では、制御開始圧で最大流量、リリーフ圧で最小流量となる。
従って、上記圧力区間Ａではレバー操作量に応じた流量制御によるポンプ流量が指令され、この区間Ａを超えるポンプ圧範囲では馬力制御によるポンプ流量が指令される。
一方、ハイブリッドショベルは、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機とがエンジンに接続され、発電電動機の発電機作用によって蓄電器が充電されるとともに、この蓄電器の放電力により発電電動機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用により油圧ポンプの駆動をアシストするように構成される。
このハイブリッドショベルにおいて、ポンプ流量特性は、機械性能を維持するために基本的に通常ショベルと同じとされる。
但し、上記のようにエンジン動力に発電電動機(蓄電器)のアシスト分がプラスされるため、図４に示すようにエンジンの最大出力は上記アシスト分を考慮して通常ショベルのそれよりも低い値（通常は平均動力。以下、この場合で説明する）に設定される。
すなわち、
エンジン最大出力＜ポンプ最大入力
であって、
(エンジン最大出力＋最大アシスト力)＞ポンプ最大入力
とされる。
このハイブリッドショベルには、固有の問題点として、第１に、蓄電器充電量が減少すると上記アシスト能力が低下し、限界を超えるとアシスト能力が喪失してエンジンが過負荷となり、エンストのおそれがある。
第２に、頻繁な高レベルの充放電が行われると蓄電器の劣化が激しくなる。
この問題の対応策として、蓄電器の充電量に応じてポンプ最大入力を制限する技術が提案されている(たとえば特許文献１参照)。
特開２００５−８３２４２号公報
上記公知技術では、蓄電器の充電量の減少を見てポンプ最大入力を制限し、放電の進行と急激な充放電を抑えるという、いわば対症療法的な制御を行うため、蓄電器の消耗(放電)が緩やかな通常作業時には有効となる。
しかし、寒冷時におけるエンジン始動直後の暖機運転時や岩石の掘り起こし作業時のような高負荷圧(とくにリリーフ圧)での連続運転時、つまり、ポンプが連続してフル稼働し、蓄電器が高レベルで急速に消耗(放電)する状況では、上記制御では間に合わず、蓄電器のアシスト能力が急速に低下し、その後の通常作業時にアシスト能力が不足しまたはアシスト不能となって作業に支障を来たすことになる。
そこで本発明は、ポンプ最大入力の設定値を通常作業時と上記高負荷圧連続運転時とに応じて最適なものとすることができるハイブリッド建設機械の動力源装置を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明においては、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とがエンジンに接続され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電器が充電されるとともに、この蓄電器の放電力により上記発電電動機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用により油圧ポンプの駆動をアシストするように構成されたハイブリッド作業機械の動力源装置において、上記油圧ポンプの負荷圧であるポンプ圧を検出するポンプ圧検出手段と、ポンプ圧に応じてポンプ流量を決める馬力制御を行う制御手段を備え、この制御手段は、上記馬力制御によるポンプ圧とポンプ流量とで求められるポンプ最大入力の設定値に関する特性として、ポンプ圧の低圧から最高圧までの全区域を通じてポンプ最大入力がエンジン最大出力よりも大きくなる第１の特性と、ポンプ最大入力がポンプ圧の低圧側でエンジン最大出力よりも大きく、高圧側に向かって徐々に小さくなり、最高圧力でエンジン最大出力よりも小さくなる第２の特性とを定め、
(ｉ) 上記ポンプ圧検出手段によって検出されるポンプ圧が設定値未満のとき、及びポンプ圧が設定値以上の状態が設定時間継続しないときは、上記第１の特性に基づいてポンプ最大入力の設定値を決め、
(ｉｉ) ポンプ圧が設定値以上の状態が設定時間継続したとき上記第２の特性に基づいてポンプ最大入力の設定値を決める
ように構成したものである。
この構成によれば、低圧域から中間域までのポンプ圧で運転される通常作業時と、高圧域で連続運転される高負荷圧連続運転時とに応じてポンプ最大入力の設定値に関する特性が切換えられ、通常作業時は、
ポンプ最大入力＞エンジン最大出力
で、高負荷圧連続運転時は、
ポンプ最大入力＜エンジン最大出力
でそれぞれ運転される。
すなわち、通常作業時には、ハイブリッドシステム本来の蓄電器によるアシスト能力を生かした省エネルギー運転が行われ、高負荷圧連続運転時には蓄電器の消耗(放電)を抑えてアシスト能力を温存し、その後の通常作業時に十分なアシスト能力を発揮させることができる。
いいかえれば、中、軽負荷での通常作業時には常にハイブリッドシステムが有効に働くため、省エネルギー効果を高めることができる一方、高負荷圧連続運転時には蓄電器の急速な放電とその後の充電という高レベルでの充放電を回避できるため蓄電器の劣化を抑制することができる。
しかも、高負荷圧運転時は、本来、力(圧力)を必要とするが速度(流量)の必要が少ないため、上記設定によるデメリットがないとともに、徐々に流量を低下させるため操作上の違和感も生じない。
本発明によると、ポンプ最大入力の設定値を通常作業時と高負荷圧連続運転時とに応じて最適なものとし、省エネルギーと蓄電器保護を両立させることができる
本発明の実施形態に係る動力源装置の全体構成を示すブロック図である。 実施形態によるポンプ圧とポンプ流量の関係を示すグラフである。 実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。 通常ショベルによるポンプ圧とポンプ流量の関係を示すグラフである。 従来のハイブリッドショベルにおけるポンプ圧とポンプ流量の関係を示すグラフである。
本発明の実施形態を図１〜図３によって説明する。実施形態はハイブリッドショベルを適用対象としている。
図１はシステム全体のブロック構成を示し、エンジン１に、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機２と油圧ポンプ３とが接続される。
なお、ハイブリッドショベルにおいて、油圧ポンプ３に対する動力の供給方式として所謂パラレル方式とシリーズ方式とがあるが、本発明は両方式のいずれにも適用することができる。
油圧ポンプ３は、制御手段としてのコントローラ４で制御されるレギュレータ５により傾転が変化して吐出量(ポンプ流量)が変化する可変容量ポンプとして構成され、この油圧ポンプ３からの圧油が制御弁６を介して複数の油圧アクチュエータ（たとえばショベルでいうとブーム、アーム、バケット各シリンダや走行用油圧モータ等）に供給される。
また、レギュレータ５は、コントローラ４からの電気信号によって直接作動するものを用いてもよいし、コントローラ４からの信号で電磁弁を作動させ、この電磁弁からの油圧によってレギュレータ作動するものを用いてもよい。
７は操作手段としてのリモコン弁で、このリモコン弁７の操作量(レバー操作量)に応じたパイロット圧によって制御弁６が作動し、油圧アクチュエータに対する圧油の給排（油圧アクチュエータの動作方向と速度）が制御される。
発電電動機２は、インバータ８を介して蓄電器９に接続されている。
インバータ８は、発電電動機２の発電機作用と電動機作用の切換え、発電機、電動機としての電流またはトルクを制御するとともに、発電機出力に応じて蓄電器９の充・放電を制御する。
また、検出手段として、前記レバー操作量に応じた流量制御のためにリモコン弁７のパイロット圧(レバー操作量)を検出するパイロット圧センサ１０と、馬力制御のためにポンプ圧(負荷圧)を検出するポンプ圧検出手段としてのポンプ圧センサ１１とが設けられている。
コントローラ４は、この両センサ１０，１１によって検出されたレバー操作量及びポンプ圧に基づいて流量制御及び馬力制御によるポンプ流量を演算で求め、この求められたポンプ流量が得られるようにレギュレータ５を制御する。
コントローラ４には、予め、馬力制御によるポンプ圧とポンプ流量とで求められるポンプ最大入力の設定値に関する特性として、従来のハイブリッドシステムと同じ、図５に示す第１の特性と、この動力源装置固有の、図２に示す第２の特性とが設定・記憶され、ポンプ圧センサ１１によって検出されるポンプ圧の状態に応じて両特性を切換えるように構成されている。
すなわち、第１の特性は前記のようにポンプ圧の低圧から最高圧までの全ポンプ圧を通じて、
エンジン最大出力＜ポンプ最大入力
となるようにポンプ最大入力の設定値が定められている。
第２の特性は、ポンプ最大入力が、ポンプ圧の低圧側でエンジン最大出力よりも大きく、高圧側に向かって徐々に小さくなり、最高圧力でエンジン最大出力よりも小さくなるようにポンプ最大入力の設定値が定められている。
つまり、馬力制御による最大流量点であるポンプ圧ＰＰ１では、
エンジン最大出力＜ポンプ最大入力
となり、馬力制御による最小流量点である最高ポンプ圧ＰＰ３(リリーフ圧)で、
エンジン最大出力＞ポンプ最大入力
と逆転し、上記両点間の中間域でポンプ最大入力の設定値が滑らかに変化する。
図２中のＰＰ２は、
エンジン最大出力＝ポンプ最大入力
となる、反転の境界点としてのポンプ圧である。
そして、
(ｉ) 上記ポンプ圧検出手段によって検出されるポンプ圧が設定値未満のとき、及びポンプ圧が設定値以上の状態が設定時間継続しないとき(内蔵されたタイマーによって計測される)は、上記第１の特性に基づいてポンプ最大入力の設定値を決め、
(ｉｉ) ポンプ圧が設定値以上の状態が設定時間継続したとき上記第２の特性に基づいてポンプ最大入力の設定値を決める
ように構成されている。
ここで、上記特性の切換点となるポンプ圧の「設定値」は、上記反転の境界点Ｐｐ２でもよいし、このＰｐ２より少し低い圧力でもよい。
また、上記継続する「時間」は蓄電器９の容量等に応じて数分〜数十分の間で設定される。
この実施形態の作用を図３のフローチャートによって説明する。
制御開始後、ステップＳ１でポンプ圧が検出されるとともに、ステップＳ２でこのポンプ圧が設定値以上か否かが判定される。
ここでＮＯの場合、つまりポンプ圧が設定値未満のときは図５の第１の特性が選択され、ステップＳ３でこの第１の特性によるポンプ最大入力の設定値に基づいてポンプ圧に応じたポンプ制御が行われる。
これに対し、ステップＳ２でＹＥＳ、つまりポンプ圧が設定値以上のときは、ステップＳ４において、
ポンプ圧≧設定値
の状態が設定時間継続したか否かが判定され、ここでＹＥＳとなると、ステップＳ５で図２の第２の特性が選択される。
つまり、第２の特性によるポンプ最大入力の設定値に基づいてポンプ圧に応じたポンプ制御が行われ、以後、上記処理が繰り返される。
この制御により、ポンプ圧が設定値未満の状態が継続するか、または設定値以上になってもごく一時的である通常作業時には、ハイブリッドシステム本来の蓄電器９のアシスト作用を用いた運転が行われる一方、寒冷時におけるエンジン始動直後の暖機運転時や岩石の掘り起こし作業時のような、ポンプが連続してフル稼働することによって蓄電器が高レベルで急速に放電する高負荷圧での連続運転時には、自動的に第２の特性が選択されてほぼエンジン出力のみでポンプ最大入力を負担するため、蓄電器の消耗を抑えてアシスト能力を温存し、その後の通常作業時に十分なアシスト能力を発揮させることができる。
すなわち、中、軽負荷での通常作業時には常にハイブリッドシステムが有効に働くため、省エネルギー効果を高めることができるとともに、高負荷圧連続運転時には蓄電器の頻繁な高レベルでの充放電を回避できるため、蓄電器の劣化を抑制することができる。
しかも、高負荷圧運転時は、本来、力(圧力)を必要とするが速度(流量)の必要が少ないため上記設定によるデメリットがないとともに、流量を徐々に低下させるため操作上の違和感も生じない。
ところで、本発明はショベルに限らず、たとえはショベルを母体として構成される解体機や破砕機等の他のハイブリッド建設機械に広く適用することができる。
１ エンジン
２ 発電電動機
３ 油圧ポンプ
４ 制御手段としてのコントローラ
５ レギュレータ
９ 蓄電器
１１ ポンプ圧センサ(ポンプ圧検出手段)

Claims (1)

  1. 油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とがエンジンに接続され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電器が充電されるとともに、この蓄電器の放電力により上記発電電動機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用により油圧ポンプの駆動をアシストするように構成されたハイブリッド作業機械の動力源装置において、上記油圧ポンプの負荷圧であるポンプ圧を検出するポンプ圧検出手段と、ポンプ圧に応じてポンプ流量を決める馬力制御を行う制御手段を備え、この制御手段は、上記馬力制御によるポンプ圧とポンプ流量とで求められるポンプ最大入力の設定値に関する特性として、ポンプ圧の低圧から最高圧までの全区域を通じてポンプ最大入力がエンジン最大出力よりも大きくなる第１の特性と、ポンプ最大入力がポンプ圧の低圧側でエンジン最大出力よりも大きく、高圧側に向かって徐々に小さくなり、最高圧力でエンジン最大出力よりも小さくなる第２の特性とを定め、
    (ｉ) 上記ポンプ圧検出手段によって検出されるポンプ圧が設定値未満のとき、及びポンプ圧が設定値以上の状態が設定時間継続しないときは、上記第１の特性に基づいてポンプ最大入力の設定値を決め、
    (ｉｉ) ポンプ圧が設定値以上の状態が設定時間継続したとき上記第２の特性に基づいてポンプ最大入力の設定値を決める
    ように構成したことを特徴とするハイブリッド建設機械の動力源装置。
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