JP2013240149A - ハイブリット式作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】アシストモータを駆動するための電力を蓄電することなく、回生エネルギーを利用してエンジンをアシストできる安価なハイブリット式作業機械を提供する。
【解決手段】作業機１と、作業機１の動力となるエンジン２と、エンジン２をアシストするためのアシストモータ３と、作業機１の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを回生させる回生装置４と、回生装置４により回生させた回生エネルギーにより発電する発電機５と、発電機５により発電された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ６と、コンバータ６の直流電圧を交流電圧に変換してアシストモータ３を駆動するインバータ７とを備える。上記エンジン２の負荷に応じて発電機６の発電量を制御する制御装置(エンジンコントローラ１２とコンバータ６の発電可能電力算出部６a,発電量判定部６b,発電量制御部６c)を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、ハイブリット式作業機械に関し、詳しくはエンジンをアシストするアシストモータを備えたハイブリット式作業機械に関する。

従来、ハイブリット式作業機械としては、油圧ポンプを駆動するエンジンをアシストするためのアシストモータを備えたものがある(例えば、国際公開第２００８／１１７７４８号パンフレット(特許文献１)参照)。

上記ハイブリット式作業機械では、バッテリーやキャパシタ等の大容量の蓄電器を用いることが一般的であり、回生したエネルギーを一旦蓄電器に蓄え、エンジン負荷・回転数や蓄電器の残容量に応じて予め定められた出力でエンジンのアシストを行う。

しかしながら、上記ハイブリット式作業機械に用いる大容量の蓄電器は、高コストでかつ搭載サイズが大きいという課題がある。また、この大容量の蓄電器は、振動対策や冷却対策が必要であり、経年変化が大きいために内部発熱が増大して蓄電量が低下するという課題がある。さらに、上記ハイブリット式作業機械では、保守作業時に大容量の蓄電器に対して安全性を確保する必要があり、大容量の蓄電器の廃棄コストも高くつくと共に、遮断リレー、突入電流抑制回路等の付帯回路によりコストが高くなるという課題がある。

上記従来のハイブリット式作業機械では、回生エネルギーが返っている最中にもエンジンが油圧ポンプの負荷を駆動する等によりエンジン負荷がある状態であれば、発電と同時にエンジンアシスト可能であるため、一旦蓄電器にエネルギーを蓄える必要がなく、回生エネルギーをエンジンアシストに使用する事が可能である。

しかしながら、エンジン回転数や作業機の作業状態によっては、回生エネルギーから発電する発電量がエンジン負荷よりも大きくなる場合がある。このような回生エネルギーから発電する発電量がエンジン負荷よりも大きいときにそのまま発電を継続すると、エンジン回転数が上昇して機器を破壊したり、コントローラ内の電圧安定用のコンデンサ電圧値が上昇して機器を破損したりする恐れがある。

国際公開第２００８／１１７７４８号パンフレット

そこで、この発明の課題は、アシストモータを駆動するための電力を蓄電することなく、回生エネルギーを利用してエンジンをアシストできる安価なハイブリット式作業機械を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のハイブリット式作業機械は、
作業機と、
上記作業機の動力となるエンジンと、
上記エンジンをアシストするためのアシストモータと、
上記作業機の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを回生させる回生装置と、
上記回生装置により回生させたエネルギーにより発電する発電機と、
上記発電機により発電された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
上記コンバータにより変換された直流電圧を、上記アシストモータを駆動する交流電圧に変換するインバータと、
上記エンジンの負荷に応じて上記発電機の発電量を制御する制御装置と
を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、作業機の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを回生装置により発電機に回生させて発電し、発電機からの交流電圧をコンバータにより直流電圧に変換して、コンバータの直流電圧をインバータにより交流電圧に変換する。そうして、インバータにより変換された交流電圧によりアシストモータを駆動する。このとき、エンジンの負荷に応じて制御装置が発電機の発電量を制御することによって、例えば、エンジン負荷に相当する電力量よりも発電機の発電量が大きくならないように、発電機の発電量を制限することで、コンバータとインバータとの間の直流リンク電圧の上昇を許容電圧以下にすることが可能になる。これにより、アシストモータを駆動するための電力を蓄電することなく、回生エネルギーを利用して発電と同時にエンジンをアシストすることが可能になる。したがって、エンジンをアシストできる安価なハイブリット式作業機械を実現できる。

また、一実施形態のハイブリット式作業機械では、
上記コンバータと上記インバータとの間を、電力を実質的に蓄電する蓄電器を接続しないように、直流リンク部で接続した構成とした。

上記実施形態によれば、コンバータとインバータとの間を、電力を実質的に蓄電する蓄電器を接続しないように直流リンク部で接続した構成とすることによって、振動対策、冷却対策、安全対策などが必要でかつサイズが大きい蓄電器を用いないので、取り扱いが容易なハイブリット式作業機械を実現することができる。

また、一実施形態のハイブリット式作業機械では、
上記制御装置は、
上記作業機の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーで上記発電機が発電可能な発電量が上記エンジンの負荷に相当する電力以上か否かを判定する発電量判定部と、
上記発電量判定部が上記発電機の発電可能電力が上記エンジンの負荷に相当する電力以上であると判定したとき、上記発電機の発電量が上記エンジンの負荷に相当する発電量になるように、上記発電機の発電量を制御する発電量制御部とを有する。

上記実施形態によれば、発電機の発電可能電力がエンジンの負荷に相当する電力以上であると発電量判定部が判定したとき、発電機の発電量がエンジンの負荷に相当する発電量になるように、発電量制御部により発電機の発電量を制御することによって、簡単な制御でコンバータとインバータとの間の直流リンク電圧を許容電圧以下に抑制できる。これにより、コンバータとインバータとの間の直流リンク電圧の過電圧を抑えて、部品の破損を確実に防止できる。

また、一実施形態のハイブリット式作業機械では、
上記回生装置が油圧機器である。

上記実施形態によれば、作業機が油圧により駆動される作業機械の場合に回生装置に油圧機器を用いることによって、作業機の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーの回生が油圧回路を利用して容易にできる。

以上より明らかなように、この発明によれば、大容量の蓄電器を用いることなく、回生エネルギーを利用してエンジンをアシストできる安価なハイブリット式作業機械を実現することができる。

図１はこの発明の実施の一形態のハイブリット式作業機械の構成図である。 図２は上記ハイブリット式作業機械の動作を説明するためのフローチャートである。 図３は上記ハイブリット式作業機械のエンジン負荷が減少したときの直流リンク電圧の変化を示す図である。

以下、この発明のハイブリット式作業機械を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１はこの発明の実施の一形態のハイブリット式作業機械の構成図を示している。

この実施の一形態のハイブリット式作業機械は、図１に示すように、作業機１と、作業機１の動力となるエンジン２と、エンジン２をアシストするためのアシストモータ３と、作業機１の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを回生させる回生装置４と、回生装置４により回生させたエネルギーにより発電する発電機５と、発電機５により発電された三相交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ６と、コンバータ６により変換された直流電圧を、アシストモータ３を駆動する三相交流電圧に変換するインバータ７とを備えている。ここで、作業機１は、エンジン２により駆動される油圧ポンプを備えた建設機械などである。

上記ハイブリット式作業機械は、コンバータ６とインバータ７との間の直流リンク部１０に、アシストモータ３を駆動するための電力を蓄電する蓄電器を備えていない構成としている。

また、上記ハイブリット式作業機械は、作業機１を制御する作業機コントローラ１１と、エンジン２を制御するエンジンコントローラ１２とを備えている。上記作業機コントローラ１１とエンジンコントローラ１２は、互いに通信を行って協調動作する。

また、作業機１は、負荷の一例としての旋回油圧モータ(図示せず)を備えている。この旋回油圧モータが加速または減速する時に動作するリリーフバルブを介してタンク(図示せず)に戻るときのエネルギーを利用して回生装置４は発電機５を回す。

また、コンバータ６は、発電機５による発電可能電力を算出する発電可能電力算出部６aと、作業機１の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーで発電機５が発電可能な発電量がエンジン２の負荷に相当する電力以上か否かを判定する発電量判定部６bと、発電量判定部６bが発電機５の発電可能電力がエンジン２の負荷に相当する電力以上であると判定したとき、発電機５の発電量がエンジン２の負荷に相当する発電量になるように、発電機５の発電量を制御する発電量制御部６cとを有する。

上記エンジンコントローラ１２とコンバータ６の発電可能電力算出部６a,発電量判定部６b,発電量制御部６cで、エンジン２の負荷に応じて発電機５の発電量を制御する制御装置を構成している。

上記コンバータ６の発電量制御部６cによって、例えば発電機５に供給する発電機トルクを制御することにより、発電機５の発電量を制御する。

上記構成のハイブリット式作業機械によれば、回生装置４により作業機１の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを発電機５に回生させて発電し、発電機５からの三相交流電圧をコンバータ６により直流電圧に変換して、コンバータ６の直流電圧をインバータ７により三相交流電圧に変換する。そうして、インバータ７により変換された三相交流電圧によりアシストモータ３を駆動して、エンジン２をアシストする。

図２に示すフローチャートに従ってハイブリット式作業機械のエンジンコントローラ１２とコンバータ６の動作を以下に説明する。

まず、エンジンコントローラ１２は、ステップＳ１１でエンジン負荷を算出する。ここで、エンジン負荷は、エンジン２の回転数や作業コントローラ１１からの油圧ポンプ(図示せず)の吐出圧などに基づいて、エンジンコントローラ１２により算出される。

次に、ステップＳ１２で算出されたエンジン負荷をコンバータ６に送信した後、ステップＳ１１に戻る。

一方、コンバータ６は、ステップＳ２１でエンジンコントローラ１２から送信されたエンジン負荷を受信する。

次に、ステップＳ２２に進み、発電可能電力がエンジン負荷よりも大きいか否かを判断する。そして、発電可能電力がエンジン負荷よりも大きいと判断すると、ステップＳ２３に進む一方、発電可能電力がエンジン負荷よりも以下であると判断すると、ステップＳ２４に進む。

ここで、発電可能電力は、油タンクに戻すべき作動油が回生装置４に供給されるときの作動油の圧力や流量またはエンジン２の回転数などに基づいて、コンバータ６の発電可能電力算出部６aにより算出される。

次に、ステップＳ２３では、コンバータ６の発電量制御部６cにより、発電機５の発電電力をエンジン負荷に相当する電力にする。一方、ステップＳ２４では、コンバータ６の発電量制御部６cにより、発電機５の発電電力を発電可能電力にする。

ここで、エンジンコントローラ１２から送信されるエンジン負荷は、エンジンコントローラ１２とコンバータ６との間の通信方式に応じた形式の信号とする。

なお、上記実施の形態では、エンジンコントローラ１２で算出されたエンジン負荷をコンバータ６に送信したが、作業機コントローラ１１で算出された作業機１の操作状態および負荷をコンバータ６に送信してもよい。この場合、作業機１の操作状態および負荷とエンジン負荷とは相関関係を有するので、コンバータ６の発電量判定部６bは、作業機コントローラ１１から送信された作業機１の操作状態および負荷に基づいてエンジン負荷を推定する。

また、図３は上記ハイブリット式作業機械のエンジン負荷が減少したときの直流リンク電圧の変化を示している。図３において、横軸は時間[任意目盛]を表し、縦軸は、直流リンク電圧[Ｖ]とエンジン負荷[ｋＷ]を表している。

図３に示す一点鎖線は、エンジン負荷に応じて発電機５の発電量を制御しないときの直流リンク電圧を示しており、エンジン負荷が減少したときにエンジン負荷に相当する電力量よりも発電機５の発電量が大きくなって、コンバータ６とインバータ７との間の直流リンク電圧が回路の許容上限電圧４００ＶＤＣよりも高くなってしまう。

これに対して、図３に示す実線は、この実施の形態のハイブリット式作業機械のエンジン負荷に応じて発電機５の発電量を制御するときの直流リンク電圧を示している。

この実施の形態のハイブリット式作業機械では、図３に示すように、エンジン負荷に相当する電力量よりも発電機５の発電量が大きくならないように、コンバータ６は発電機５の発電量を制限することによって、コンバータ６とインバータ７との間の直流リンク電圧の変動を許容電圧以下に抑制することが可能となる。

これにより、エンジン負荷よりもアシストモータ３が出力する動力の方が大きくなって、エンジン２の回転数が上昇してエンジン２が破損するのを防止できると共に、コンバータ６とインバータ７との間の直流リンク電圧の過電圧を抑えることで、コンバータ６とインバータ７の破損を防止できる。

このように、上記ハイブリット式作業機械によれば、エンジンコントローラ１２とコンバータ６の発電量制御部６cにより、エンジン負荷に相当する電力量よりも発電機５の発電量が大きくならないように、発電機５の発電量を制限することで、コンバータ６とインバータ７との間の直流リンク電圧の変動を許容電圧以下にすることが可能になる。アシストモータ３を駆動するための電力を蓄電することなく、回生エネルギーを利用して発電と同時にエンジン２をアシストすることが可能になるので、エンジン２をアシストできる安価なハイブリット式作業機械を実現することができる。

また、上記コンバータ６とインバータ７との間を、電力を実質的に蓄電する蓄電器を接続しないように直流リンク部１０で接続した構成とすることによって、振動対策、冷却対策、安全対策などが必要でかつサイズが大きい蓄電器を用いないので、取り扱いが容易なハイブリット式作業機械を実現することができる。

蓄電器は、リップル除去(平滑)用、電力蓄積用、交流結合用に大別されるが、この明細書において「電力を実質的に蓄電する蓄電器」とあるのは、電力蓄積用であって、コンバータとインバータなどに用いられるリップル除去(平滑)用コンデンサや交流結合用コンデンサとは異なるものである。

また、上記発電機５の発電可能電力がエンジン２の負荷に相当する電力以上であると発電量判定部６bが判定したとき、発電機５の発電量がエンジンの負荷に相当する発電量になるように、発電量制御部６cにより発電機５の発電量を制御することによって、簡単な制御でコンバータ６とインバータ７との間の直流リンク電圧を許容電圧以下に抑制できる。これにより、コンバータ６とインバータ７との間の直流リンク電圧の過電圧を抑えて、部品の破損を確実に防止することができる。

また、上記回生装置４に油圧機器を用いることによって、作業機１の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーの回生が油圧回路を利用して容易にできる。

上記実施の形態では、旋回油圧モータ(図示せず)を作業機１に備えたハイブリット式作業機械について説明したが、この発明のハイブリット式作業機械の作業機は旋回油圧モータに限らず、回生エネルギーを利用できる作業機であればよい。

この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

１…作業機
２…エンジン
３…アシストモータ
４…回生装置
５…発電機
６…コンバータ
６a…発電可能電力算出部
６b…発電量判定部
６c…発電量制御部
７…インバータ
１０…直流リンク部
１１…作業機コントローラ
１２…エンジンコントローラ

Claims (4)

1. 作業機(１)と、
   上記作業機(１)の動力となるエンジン(２)と、
   上記エンジン(２)をアシストするためのアシストモータ(３)と、
   上記作業機(１)の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを回生させる回生装置(４)と、
   上記回生装置(４)により回生させたエネルギーにより発電する発電機(５)と、
   上記発電機(５)より発電された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ(６)と、
   上記コンバータ(６)により変換された直流電圧を、上記アシストモータ(３)を駆動する交流電圧に変換するインバータ(７)と、
   上記エンジン(２)の負荷に応じて上記発電機(５)の発電量を制御する制御装置と
   を備えたことを特徴とするハイブリット式作業機械。
2. 請求項１に記載のハイブリット式作業機械において、
   上記コンバータ(６)と上記インバータ(７)との間を、電力を実質的に蓄電する蓄電器を接続しないように、直流リンク部(１０)で接続した構成としたことを特徴とするハイブリット式作業機械。
3. 請求項１または２に記載のハイブリット式作業機械において、
   上記制御装置は、
   上記作業機(１)の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーで上記発電機(５)が発電可能な発電量が上記エンジン(２)の負荷に相当する電力以上か否かを判定する発電量判定部(６b)と、
   上記発電量判定部(６b)が上記発電機(５)の発電可能電力が上記エンジン(２)の負荷に相当する電力以上であると判定したとき、上記発電機(５)の発電量が上記エンジン(２)の負荷に相当する発電量になるように、上記発電機(５)の発電量を制御する発電量制御部(６c)とを有することを特徴とするハイブリット式作業機械。
4. 請求項１から３までのいずれか１つに記載のハイブリット式作業機械において、
   上記回生装置(４)が油圧機器であることを特徴とするハイブリット式作業機械。

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