JP2012233312A - Hybrid work machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はエンジンと蓄電器とを動力源として併用するハイブリッド作業機械に関するものである。 The present invention relates to a hybrid work machine that uses an engine and a capacitor together as a power source.
ショベルを例にとって背景技術を説明する。 The background art will be described using an excavator as an example.
ショベルは、図5に示すようにクローラ式の下部走行体1上に上部旋回体2を縦軸Oまわりに旋回自在に搭載し、この上部旋回体2に作業アタッチメントAを装着して構成される。
As shown in FIG. 5, the excavator is configured such that an upper swing body 2 is mounted on a crawler type lower
この作業アタッチメントAは、起伏自在なブーム3と、このブーム3の先端に取付けられたアーム4と、このアーム4の先端に取付けられたバケット5と、これらを駆動する油圧アクチュエータであるブーム、アーム、バケット各シリンダ6,7,8とによって構成される。
The work attachment A includes a
また、別の油圧アクチュエータとして、下部走行体1の左右のクローラを駆動する走行モータ、及び上部旋回体2を旋回駆動する旋回モータ(いずれも図示しない)が設けられる。
Further, as another hydraulic actuator, a traveling motor that drives the left and right crawlers of the lower traveling
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電動機作用を行って油圧ポンプの駆動をアシストするように構成される。 On the other hand, in a hybrid excavator, a hydraulic pump that drives a hydraulic actuator and a generator motor that performs a generator action and a motor action are connected to an engine, and the capacitor is charged by the generator action of the generator motor. The generator motor is configured to assist the drive of the hydraulic pump by the electric motor action by the discharge force.
すなわち、油圧アクチュエータを駆動するのに必要な動力が小さいときは余剰動力を電気エネルギーとして蓄電器に蓄え(充電し)、必要動力が大きいときに蓄電力を放出(放電)してエンジンをアシストし、燃費を良くする。 In other words, when the power required to drive the hydraulic actuator is small, the surplus power is stored (charged) as electrical energy in the battery, and the stored power is released (discharged) when the required power is large to assist the engine. Improve fuel efficiency.
このハイブリッドシステムにおいて、蓄電器の過放電を防止する技術として、蓄電器の充電状態であるSOC(State Of Charge)を検出し、このSOC値の低下時にポンプ流量を減少させる技術が公知である(特許文献1)。 In this hybrid system, as a technique for preventing overdischarge of the battery, a technique for detecting SOC (State Of Charge) which is a charge state of the battery and reducing the pump flow rate when the SOC value is reduced is known (Patent Document). 1).
ショベルにおいては、通常作業として掘削→旋回→排土という一連の作業を行い、この通常作業の中で蓄電器の充電と放電が繰り返されることによって、最終的に蓄電器SOCが適正範囲に保たれる。 In the excavator, a series of operations such as excavation → turning → discharging is performed as a normal operation, and charging and discharging of the capacitor are repeated in the normal operation, so that the capacitor SOC is finally maintained in an appropriate range.
いいかえれば、通常作業中に一時的にSOCが低下しても、その後の充電によってSOCが回復する。 In other words, even if the SOC temporarily decreases during normal work, the SOC is recovered by subsequent charging.
ところが、上記公知技術によると、SOCが低下すればポンプ流量を減少させる制御が常時行われるため、SOC低下の都度、出力制限(ポンプ流量の調整)が行われる。 However, according to the above known technique, if the SOC decreases, the control for reducing the pump flow rate is always performed. Therefore, the output is limited (the pump flow rate is adjusted) every time the SOC is decreased.
この結果、通常作業中に油圧アクチュエータの速度(作業スピード)とトルク(作業能力)が頻繁に変化するため、安定した作業が行えないという弊害が生じる。 As a result, since the speed (working speed) and torque (working capacity) of the hydraulic actuator frequently change during normal work, there is a problem that stable work cannot be performed.
一方、蓄電器の過放電は、走行時(とくに登坂走行時)のように充電は行われずに放電のみが行われる放電側操作が一定時間以上、継続した場合に起こり易く、この放電側継続操作時にこそ出力制限を加える必要性が高い。 On the other hand, an overdischarge of the battery is likely to occur when a discharge side operation in which only a discharge is performed without being charged during traveling (especially when traveling on an uphill) continues for a certain time or more. There is a high need to add output limits.
そこで本発明は、蓄電器の過放電を防止しながら、通常作業時の作業の安定性を確保することができるハイブリッド作業機械を提供するものである。 Therefore, the present invention provides a hybrid work machine that can ensure the stability of work during normal work while preventing overdischarge of the battery.
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、この蓄電器の放電作用により上記発電電動機が電動機作用を行って油圧ポンプの駆動をアシストするように構成され、かつ、上記油圧ポンプが吐出する流量であるポンプ流量を制御するポンプレギュレータと、上記油圧ポンプの吐出圧力であるポンプ圧に応じたポンプ流量を上記ポンプレギュレータに指令する制御手段とを備えたハイブリッド作業機械において、上記蓄電器の充電状態であるSOC値を検出するSOC検出手段と、上記油圧アクチュエータを操作する操作手段と、この操作手段の操作を検出する操作検出手段とを設け、上記制御手段は、上記蓄電器の充電は行われずに放電のみが行われる放電側操作が予め設定された時間継続する放電側継続操作が行われ、かつ、上記SOC検出手段によって検出される蓄電器SOCの値が、蓄電器の過放電に至る値として予め設定された基準値以下になったときに、この基準値と上記検出値の差に応じて上記ポンプ流量を減少側に調整する調整制御を行うように構成したものである。 As means for solving the above problems, in the present invention, a hydraulic pump that drives a hydraulic actuator and a generator motor that performs a generator action and a motor action are connected to the engine, and the capacitor is charged by the generator action of the generator motor. And a pump regulator configured to assist the drive of the hydraulic pump by causing the generator motor to perform a motor action by the discharging action of the capacitor, and to control a pump flow rate that is a flow rate discharged from the hydraulic pump; And an SOC detection means for detecting an SOC value which is a charged state of the battery, in a hybrid work machine comprising: a control means for instructing the pump regulator of a pump flow rate corresponding to a pump pressure which is a discharge pressure of the hydraulic pump; Operating means for operating the hydraulic actuator, and operating the operating means And the control means performs a discharge-side continuation operation in which a discharge-side operation in which only the discharge is performed without charging the battery is continued for a preset time, and the SOC When the value of the battery SOC detected by the detection means becomes equal to or lower than a reference value set in advance as a value that leads to overdischarge of the battery, the pump flow rate is reduced according to the difference between the reference value and the detected value. It is configured to perform adjustment control to adjust to the side.
この場合、下部走行体を備え、この下部走行体が上記油圧ポンプを油圧源とする走行モータによって駆動されるハイブリッド作業機械において、走行操作が設定時間継続する操作を放電側継続操作として上記調整制御を行うように構成するのが望ましい(請求項2)。 In this case, in the hybrid work machine that includes the lower traveling body and is driven by a traveling motor that uses the hydraulic pump as a hydraulic source, the adjustment control is performed by setting the operation for which the traveling operation continues for a set time as the discharge-side continuous operation. (Claim 2).
上記構成によれば、走行操作(請求項2)のような放電側操作が設定時間継続して行われ、かつ、蓄電器SOCが基準値以下になったときのみに、ポンプ流量を減少側に調整する調整制御を行うため、いいかかえれば、充放電が繰り返される通常作業時には調整制御は行わないため、通常作業時にアクチュエータのスピードと能力を保った安定した作業を行うことができる。 According to the above configuration, the pump flow rate is adjusted to the decrease side only when the discharge side operation such as the traveling operation (Claim 2) is continuously performed for the set time and the battery SOC is equal to or lower than the reference value. In other words, since the adjustment control is not performed during normal operation in which charging and discharging are repeated, stable operation can be performed while maintaining the speed and capacity of the actuator during normal operation.
一方、放電側継続操作が行われ、かつ、これによって蓄電器SOCが基準値以下に低下して過放電の危険が生じたときには、調整制御によって放電を抑えるため、急に過放電状態となって作業のスピードや能力が急激にダウンする事態を回避することができる。 On the other hand, when the discharge-side continuation operation is performed and the battery SOC decreases below the reference value and there is a risk of overdischarge, the discharge is suddenly controlled by the adjustment control. You can avoid a situation where the speed and ability of the machine suddenly goes down.
この場合、蓄電器SOCの基準値以下の低下と、設定時間の継続操作とを条件としているため、SOCが基準値を超える間は放電側継続操作であってもフル出力での作業を確保できるとともに、二つの条件が揃った後はSOCの低下に応じてスピード、能力が徐々にダウンすることでオペレータにSOCの低下を知らせ、過放電回避手段をとることを促すことができる。 In this case, since the condition is that the storage SOC is lower than the reference value and the operation is continued for a set time, it is possible to ensure the operation at full output even if the operation continues on the discharge side while the SOC exceeds the reference value. After the two conditions are met, the speed and capacity gradually decrease in accordance with the decrease in SOC, so that the operator can be informed of the decrease in SOC and can be encouraged to take overdischarge avoidance means.
本発明によると、蓄電器の過放電を防止しながら、通常作業時の作業の安定性を確保することができる。 According to the present invention, it is possible to ensure the stability of work during normal work while preventing overdischarge of the battery.
本発明の実施形態を図1〜図4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。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The embodiment is applied to a hybrid excavator.
図1はこのハイブリッドショベルにおける制御システム全体のブロック構成を示し、油圧系を実線、電気系を破線でそれぞれ表している。 FIG. 1 shows a block configuration of the entire control system in this hybrid excavator, where a hydraulic system is represented by a solid line and an electric system is represented by a broken line.
エンジン9に、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機10と油圧ポンプ11とが接続される。
A
なお、図ではエンジン9、発電電動機10、油圧ポンプ11が同軸上で接続された場合を示すが、本発明は、エンジン9に対しパワーデバイダを介して発電電動機10と油圧ポンプ11をパラレルに接続した場合にも以下同様に実施することができる。
Although the figure shows the case where the
油圧ポンプ11は、制御手段としてのコントローラ12で制御されるポンプレギュレータ13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11からの圧油がコントロールバルブ(方向切換弁)14を介して複数の油圧アクチュエータ(図5中のブーム、アーム、バケット各シリンダ6〜8や走行モータ等)に供給される。
The
実施形態は、放電側操作の代表例が走行操作であることから、油圧アクチュエータ回路として走行モータ15の駆動回路のみを図示し、かつ、これを制御の対象としている。
In the embodiment, since a representative example of the discharge side operation is a traveling operation, only the driving circuit of the traveling
なお、走行モータ15は、左右のクローラに対応して左用と右用に二つ設けられ、油圧ポンプ11も左右別々に設けられるが、制御の内容は同一であるため、図では一つずつ示している。
Two
ポンプレギュレータ13は、コントローラ12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12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。
The
16は走行操作手段としてのリモコン弁で、このリモコン弁16の操作量に応じたパイロット圧によってコントロールバルブ14が作動し、走行モータ15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。
Reference numeral 16 denotes a remote control valve as travel operation means. The
発電電動機10は、インバータ17を介して蓄電器((キャパシタ、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等の二次電池)18に接続されている。
The
インバータ17は、発電電動機10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、蓄電器18の充・放電を制御する。
The
一方、検出手段として、リモコン弁16から出力されるパイロット圧(走行操作)を検出する操作検出手段としてのパイロット圧センサ19と、ポンプ圧に応じてポンプ流量を制御(馬力制御)するためにポンプ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20とが設けられている。
On the other hand, as a detecting means, a pilot pressure sensor 19 as an operation detecting means for detecting a pilot pressure (running operation) output from the remote control valve 16, and a pump for controlling the pump flow rate (horsepower control) according to the pump pressure. A
コントローラ12は、この両センサ19,20からの信号に基づいて、走行操作が行われたか、この走行操作が予め設定された時間継続して行われたかを判断するとともに、蓄電器18の電圧、電流等から算出される蓄電器SOC値が、蓄電器の過放電に至る値として予め設定された基準値以下になったか否かを判断し、この判断に基づいたポンプ流量をポンプレギュレータ13に指令する。
Based on the signals from both the
コントローラ12の制御内容を含めたこのハイブリッドショベルの作用を図2のフローチャートを用いて説明する。
The operation of this hybrid excavator including the control contents of the
制御開始後、図2のステップS1で走行操作が設定時間継続して行われたか否かを判断し、NO、つまり走行操作が無い場合や、有っても設定時間継続しなかった場合は、通常指令としてステップS2でポンプ圧に応じたポンプ流量をポンプレギュレータ13に指令する。
After the start of control, it is determined whether or not the traveling operation has been performed for a set time in step S1 of FIG. 2, and if NO, that is, if there is no traveling operation or if there is no traveling operation, As a normal command, a pump flow rate corresponding to the pump pressure is commanded to the
図3はポンプ圧とポンプ流量の関係を示し、ステップS1でNOとなった通常指令の場合は、特性Iに従ってポンプ流量を求め、これをポンプレギュレータ13に指令する。
FIG. 3 shows the relationship between the pump pressure and the pump flow rate. In the case of the normal command that is NO in step S1, the pump flow rate is obtained according to the characteristic I and this is commanded to the
詳しくは、ポンプ流量はポンプ回転数とポンプ傾転の積で求められるため、ポンプ圧に対応するポンプ流量を得るためのポンプ傾転をポンプレギュレータ13に指令する。
Specifically, since the pump flow rate is obtained by the product of the pump rotation speed and the pump tilt, the
なお、図3中の特性Iは、ポンプ出力(ポンプ圧力×ポンプ流量)が、エンジン動力と、蓄電器動力(正確には蓄電器18で駆動される発電電動機10のアシスト力)の和である機械の総供給動力を超えないように設定される。
The characteristic I in FIG. 3 is that the pump output (pump pressure × pump flow rate) is the sum of engine power and capacitor power (more precisely, the assist force of the
ステップS1でYESの場合、つまり走行操作が設定時間継続して行われた場合は、ステップS3に移行し、そのときの蓄電器SOCの検出値Erが基準値Esと比較される。 If YES in step S1, that is, if the traveling operation has been performed for a set time, the process proceeds to step S3, and the detected value Er of the battery SOC at that time is compared with the reference value Es.
なお、蓄電器18の時間Tsの間でのエネルギー変化量ΔEは、電流Iと電圧Vとから、
ΔE=〔Σ(I×V×Ts〕/3600
によって算出(積算)される。
Note that the amount of energy change ΔE during the time Ts of the
ΔE = [Σ (I × V × Ts) / 3600
Is calculated (integrated).
そして、電流の充電方向をプラスとして、定格充電量αに上記ΔEを加算した値の、定格充電量αに対する比率を%で表したものが蓄電器SOCである。 The capacitor SOC is obtained by expressing the ratio of the value obtained by adding ΔE to the rated charge amount α to the rated charge amount α in%, where the current charging direction is positive.
すなわち、
SOC=(α+ΔE)/α×100
となる。
That is,
SOC = (α + ΔE) / α × 100
It becomes.
ステップS3でNO、つまりSOC検出値Erが基準値Esを超えていれば、蓄電器18の過放電の危険がないとしてステップS2で通常指令を出す。
If NO in step S3, that is, if the SOC detection value Er exceeds the reference value Es, a normal command is issued in step S2 because there is no danger of overdischarge of the
これに対しYES、つまり検出値Erが基準値Es以下に低下した場合は、ステップS4において図3中の特性IIに基づいた調整流量を求める。 On the other hand, if YES, that is, if the detected value Er falls below the reference value Es, an adjusted flow rate based on the characteristic II in FIG. 3 is obtained in step S4.
特性IIは、特性Iに基づく本来のポンプ流量から、SOC値の差(Es−Er)にゲインKを乗じた流量分を減じた流量の特性であり、この調整流量がポンプレギュレータ13に指令される。
The characteristic II is a characteristic of the flow rate obtained by subtracting the flow rate obtained by multiplying the SOC value difference (Es−Er) by the gain K from the original pump flow rate based on the characteristic I, and this adjusted flow rate is commanded to the
これにより、ポンプ流量が減少して走行出力が減少し、蓄電器18の放電が抑えられる。
As a result, the pump flow rate is reduced, the running output is reduced, and the discharge of the
図4は二次電池(蓄電器)の放電特性を示し、一定電流出力状態で、放電に応じた電圧変化ΔV及び出力変化は少なく、長時間に亘ってフル放電が可能となる半面、過放電になると急激に電圧、出力がダウンする。この特性は高出力、大容量のものほど顕著となる。 FIG. 4 shows the discharge characteristics of the secondary battery (capacitor). In a constant current output state, the voltage change ΔV and the output change according to the discharge are small, and the full discharge can be performed for a long time. Then, the voltage and output suddenly go down. This characteristic becomes more conspicuous as the output is higher and the capacity is higher.
上記設定時間は、この放電特性に基づいて、電圧、出力が急激にダウンするよりも十分前の時点で上記調整制御が開始されるように設定される。 The set time is set based on the discharge characteristics so that the adjustment control is started at a time sufficiently before the voltage and the output are suddenly reduced.
このハイブリッドショベルによると、上記のように充電はされずに放電のみが行われる放電側操作である走行操作が設定時間継続して行われ、かつ、蓄電器SOCの検出値Erが基準値Es以下になったときのみに、ポンプ流量を減少側に調整する調整制御を行う。 According to this hybrid excavator, the traveling operation, which is a discharge-side operation in which only discharging is performed without being charged as described above, is continuously performed for a set time, and the detected value Er of the battery SOC is less than or equal to the reference value Es. Only when this happens, adjustment control is performed to adjust the pump flow rate to the decreasing side.
いいかかえれば、充放電が繰り返される通常作業時には調整制御は行わないため、通常作業時にアクチュエータのスピードと能力を保った安定した作業を行うことができる。 In other words, since adjustment control is not performed during normal work in which charging and discharging are repeated, stable work can be performed while maintaining the speed and capacity of the actuator during normal work.
一方、走行操作が設定時間継続して行われ、かつ、これによって蓄電器SOCの検出値Erが基準値Es以下に低下して過放電の危険が生じたときには、ポンプ流量を減少側に調整する調整制御によって放電を抑えるため、急に過放電状態となってスピードダウンや能力が急激にダウンする事態を回避することができる。 On the other hand, when the traveling operation is continuously performed for a set time and the detection value Er of the battery SOC is lowered below the reference value Es due to this, the adjustment of adjusting the pump flow rate to the decreasing side occurs. Since the discharge is suppressed by the control, it is possible to avoid a situation where the speed is suddenly reduced and the capacity is suddenly reduced due to an overdischarge state.
この場合、蓄電器SOCの検出値Erが基準値Ea以下に低下したことと、設定時間の継続操作とを条件としているため、SOCが基準値を超える間はフル出力での作業を確保できるとともに、二つの条件が揃った後はSOCの低下に応じてスピード、能力が徐々にダウンすることでオペレータにSOCの低下を知らせ、過放電回避手段をとることを促すことができる。 In this case, since the condition is that the detection value Er of the storage battery SOC has decreased to the reference value Ea or less and the continuation operation for the set time, work at full output can be ensured while the SOC exceeds the reference value, After the two conditions are met, the speed and capacity gradually decrease in accordance with the decrease in SOC, so that the operator can be informed of the decrease in SOC and can be encouraged to take overdischarge avoidance means.
他の実施形態
(1) 蓄電器の過放電は、とくに登坂走行時に起こり易いため、車体の傾き等から登坂走行時であることを検出し、この登坂走行時に限り、設定時間継続とSOC低下を条件として上記調整制御を行うようにしてもよい。
Other embodiments
(1) Since the overdischarge of the capacitor is likely to occur particularly during climbing, it is detected that the vehicle is climbing from the inclination of the vehicle body, and the above adjustment control is performed only when this climbing is performed, on the condition that the set time continues and the SOC decreases. May be performed.
(2) 本発明はショベルに限らず、ショベルと同じベースマシンに異なるアタッチメントを取付けて構成される他の作業機械(解体機や破砕機)等にも適用することができる。 (2) The present invention is not limited to the shovel, and can also be applied to other work machines (dismantling machines and crushers) configured by attaching different attachments to the same base machine as the shovel.
この場合、走行と同様の放電側操作が行われる機械にあってはその操作を監視して調整制御を行う構成をとってもよい。 In this case, in a machine in which a discharge side operation similar to traveling is performed, a configuration in which the operation is monitored and adjustment control may be performed.
1 下部走行体
2 上部旋回体
9 エンジン
10 発電電動機
11 油圧ポンプ
12 SOC検出手段を兼ねる制御手段としてのコントローラ
13 ポンプレギュレータ
14 コントロールバルブ
15 走行モータ
16 操作手段としてのリモコン弁
17 インバータ
18 蓄電器
19 操作手段としてのパイロット圧センサ
20 ポンプ圧センサ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2011100811A JP2012233312A (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Hybrid work machine |
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JP2011100811A JP2012233312A (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Hybrid work machine |
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JP2011100811A Withdrawn JP2012233312A (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Hybrid work machine |
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Country | Link |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2011
- 2011-04-28 JP JP2011100811A patent/JP2012233312A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
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