JP2013536331A - ハイブリッド式掘削機の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】油圧ポンプの要求トルク及びＳＯＣに対応する所定の発電量値に基づいてエンジンに連結した電気発電機を駆動して燃費効率を最適化する。
【解決手段】エンジンによって駆動されて油圧アクチュエータを駆動させる油圧ポンプと、エンジンによって駆動される発電機と、発電機で発電した電気エネルギーを充電し、電気アクチュエータに供給するエネルギー保存装置と、油圧ポンプの駆動に必要なトルクを検出する必要トルク検出手段と、電気エネルギー保存装置の充電率または充電量を検出する充電量検出手段と、トルク、充電率または充電量に対応する発電程度または発電量を保存したメモリーと、必要トルク検出手段で検出されたトルク値と、充電量検出手段で検出された充電率値または充電量に対応するメモリー内の発電程度または発電量と、によって発電機を制御するハイブリッド制御手段とを備えるハイブリッド式掘削機の制御システムを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハイブリッド式掘削機の制御システムに係り、さらに詳細には、油圧ポンプの要求トルク及びＳＯＣ（State of Charge）に対応する所定の発電量値に基づいて、エンジンに連結した電気発電機を駆動して燃費効率を最適化するトルク−ＳＯＣ制御方式のハイブリッド式掘削機の制御システムに関する。

従来、掘削機などの建設機械は、燃料エンジンによって油圧ポンプを駆動し、その油圧によってアクチュエータを駆動する油圧駆動方式が一般的である。そのような従来の掘削機は、最大出力を要する作業だけでなく、それより小さい出力、例えば８０％または５０％の出力でも多様な作業を行うことができる。したがって、低出力で作業を行う場合にはエンジン効率や燃費効率が低下してしまう。

一方、図１は、従来の掘削機システムの必要トルクと出力との関係を示す図である。図１に示されるように、一般的な従来の油圧掘削機は、ユーザがレバー５を操作することによるパイロットバルブ６の出力に従い、メイン制御バルブ（ＭＣＶ）７の開口面積が調節される。油圧ポンプ１３の吐出流量は、ＭＣＶ７の開口面積によってそれぞれの油圧システムに伝達される流量が調節される。

そのような従来の油圧掘削機は、前述のような大きい負荷の変動に対応するように、エンジンの出力を大幅に変動させつつ作業を行う必要がある。また、エンジンの出力を効果的に活用することによって燃費の向上を図る必要がある。したがって、ハイブリッド車に適用した電気発電機を利用したハイブリッド技術を掘削機に適用しようとしている。すなわち、エンジンに発電機を連結して、軽負荷作業を行う場合に、エンジン出力の一部を利用することによって発電して充電し、旋回作業または他の電気装置を使用する場合に、バッテリーから供給される電気エネルギーを利用してアクチュエータを作動させるハイブリッド式掘削機が提案されている。

しかし、掘削機は、エンジン出力、トルク／速度動作領域、動力伝達装置の特性がハイブリッド車と非常に異なるため、ハイブリッド技術を適用することが難しい。従来、提案されていたハイブリッド式掘削機制御システムにおける油圧ポンプの駆動トルクとエンジンの出力トルクを単純に比較して、軽負荷作業の際に余剰分のエンジン出力トルクを利用してモーター−発電機により発電してバッテリーを充電し、重負荷作業の際に不足分のエンジン出力トルクだけ補助するために、バッテリーに充電された電気エネルギーの供給を受けてモーター−発電機をモーターにより動作させる技術のみでは、多様な負荷の作業領域、エンジン出力、トルク／速度動作領域、動力伝達装置などの特性の異なる掘削機のエンジン出力を効果的に活用して燃費の向上を図るのが困難である。

特に、掘削機は、掘削、地ならしなどの多様な作業を行い、作業負荷が大きく異なる各種の作業を行う。したがって、従来のハイブリッド式掘削機においては、ハイブリッド車でのような変速機の技術が適用されないため、燃費効率を最適化するのに困難さがある。

さらに、掘削機においては、バッテリーの充電状態を考慮しなければ、エネルギーの無駄使いや作業効率が低下するなどの問題が発生する。

本発明は、前述のような問題点を解決するためになされたものであって、燃費効率を最適化することができるハイブリッド式掘削機の制御システムを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、掘削機の反復的な作業領域で最適の効率や円滑なエンジンの作動のために、油圧ポンプの要求トルク及びＳＯＣに対応する所定の発電量値に基づいて、エンジンに連結した電気発電機を駆動するトルク−ＳＯＣ制御方式のハイブリッド式掘削機の制御システムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、上部旋回体を旋回させるための旋回用モーター−発電機を取り付けて、電気エネルギーにより旋回を加速させ、旋回が減速するときに発電して充電させることによって、燃費効率をさらに最適化することができるハイブリッド式掘削機の制御システムを提供することである。

前記目的を達成するための本発明に係るハイブリッド式掘削機の制御システムは、エンジンと、前記エンジンによって駆動され、吐出油によって油圧アクチュエータを駆動させる油圧ポンプと、前記エンジンによって駆動されて発電を行う発電機と、前記発電機によって発電した電気エネルギーを充電し、電気アクチュエータに電気エネルギーを供給するエネルギー保存装置とを備えるハイブリッド式掘削機の制御システムにおいて、前記油圧ポンプの駆動に必要なトルクを検出する必要トルク検出手段と、前記電気エネルギー保存装置の充電率または充電量を検出する充電量検出手段と、前記トルク、前記充電率または前記充電量に対応する発電程度または発電量を保存したメモリーと、前記必要トルク検出手段によって検出されたトルク値と、前記充電量検出手段によって検出された充電率値または充電量に対応する前記メモリー内の発電程度または発電量と、によって前記発電機を制御するハイブリッド制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド式掘削機の制御システムは、好ましくは、前記エンジンに連結して駆動される前記発電機が、モーターとして機能し、前記エンジンと共に前記油圧ポンプを駆動することを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド式掘削機の制御システムは、好ましくは、前記必要トルク検出手段により、所定のレベル以下のトルクが必要であると検出された場合に、前記ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、発電に適する他のエンジン回転数の適正のトルク領域でエンジンを作動させることにより前記電気エネルギー保存装置を充電する充電手段をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド式掘削機の制御システムは、好ましくは、前記必要トルク検出手段により、所定のレベル以下のトルクが必要であると検出された場合に、前記ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、燃料消耗の少ない、低いＲＰＭでエンジン回転数を減らすエンジン回転数調節部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド式掘削機の制御システムは、好ましくは、前記必要トルク検出手段により、所定のレベル以下のトルクが必要であると検出された場合に、前記ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、所定のレベル以上に前記発電機を駆動する発電機駆動部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド式掘削機の制御システムは、好ましくは、掘削機調整レバーの動きを確認する手段を備え、前記掘削機調整レバーが作動しないときに、前記ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、前記エンジンの使用領域を制御することを特徴とする。

そして、好ましい他の実施形態として、ハイブリッド式掘削機の制御システムは、エネルギー保存装置から供給されたエネルギーにより、上部旋回体の旋回を加速させるモーターとして作動し、上部旋回体の旋回減速の際に、慣性モーメントによって発電を行う発電機により作動する旋回用モーター−発電機をさらに備える。さらに、ハイブリッド制御手段は、上部旋回体の旋回減速の際に、旋回用モーター−発電機を発電機により作動させて、発電した電気エネルギーをエネルギー保存装置に充電するように制御し、旋回用モーター−発電機のモーターを作動させるための、エネルギー保存装置からの電気エネルギーの供給を制御することを特徴とする。

本発明は、従来の掘削機の変速器の部材及び必要トルクの急激な頻度の変化によって、従来のハイブリッド車から開発されたハイブリッド技術の適用が難しかったが、多様な作業領域に対するポンプの要求トルク及びＳＯＣによって制御するトルク−ＳＯＣ制御技術を開発して掘削機に適用することによって、優れた燃費改善効果を得ることができる。

また、本発明の他の実施形態によって、上部旋回体を旋回させるための旋回用モーター−発電機を取り付けて、電気エネルギーにより旋回を加速させ、旋回が減速するときに発電して充電することによって、さらに向上したエンジン効率及び燃費効率を得ることができる。

本発明の多様な実施形態によって、直接的に言及されていない多様な効果が本発明の実施形態による多様な構成から当業者によって案出されることができることは明らかである。

従来の掘削機システムの必要トルクと出力との関係を示す図である。 本発明に係るハイブリッド式掘削機の制御システムのブロック構成図である。 油圧ポンプの必要トルク及びＳＯＣによって発電量を求める例示図である。 テーブルを利用して油圧ポンプの必要トルク及びＳＯＣによって発電量を求める他の例示図である。 エンジン効率の低い、高いエンジン回転数のアイドリングを避けるために発電するか、低いエンジン回転数に変更して発電するか、または低いエンジン回転数のアイドリングによりエンジンの使用領域を変更する実施形態におけるエンジンの使用領域を示す図である。 本発明に係るハイブリッド式掘削機の概略的な構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明を説明する。

図２は、本発明に係るハイブリッド式掘削機の制御システムのブロック構成図である。

図２に示されるように、エンジン１０と、前記エンジン１０によって駆動され、吐出油によって油圧アクチュエータ１５を駆動させる油圧ポンプ１３と、前記エンジン１０によって駆動されて発電を行う発電機１７と、前記発電機１７によって発電した電気エネルギーを充電し、電気アクチュエータ２０５に電気エネルギーを供給するエネルギー保存装置（例：バッテリー）１９とを備えるハイブリッド式掘削機の制御システムは、前記油圧ポンプ１３の駆動に必要なトルクを検出する必要トルク検出手段２０１と、前記エネルギー保存装置１９の充電率（または、充電量）を検出する充電量検出手段２０２と、トルク及び充電率（または、充電量）に対応する、相異なる発電程度（または、発電量）に関する情報を保存したメモリー２０３と、前記必要トルク検出手段２０１によって検出されたトルク値と、充電量検出手段２０２から検出された充電率値（または、充電量）に対応するメモリー２０３内の発電程度（または、発電量）によって発電機１７を制御するハイブリッド制御手段２０４とをさらに備える。

さらに、前記エンジン１０に連結して駆動される発電機１７は、モーターとしても機能し、エンジン１０と共に油圧ポンプ１３を駆動する。

本発明のハイブリッド式掘削機の制御システムは、前記必要トルク検出手段２０１により、所定のレベル以下のトルクが必要であると検出された場合に、ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、発電に適する他のエンジン回転数の適正なトルク領域でエンジン１０を作動させることにより電気エネルギー保存装置１９を充電する充電手段（図示せず）をさらに備えることができる。

さらに、本発明のハイブリッド式掘削機の制御システムは、前記必要トルク検出手段２０１により、所定のレベル以下のトルクが必要であると検出された場合に、ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、燃料消耗の少ない、低いＲＰＭ（revolutions per minute）でエンジン１０のエンジン回転数を減らすエンジン回転数調節部（図示せず）をさらに備える構成としてもよい 。

そして、本発明のハイブリッド式掘削機の制御システムは、前記必要トルク検出手段２０１により、所定のレベル以下のトルクが必要であると検出された場合に、ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、所定のレベル以上に発電機１７を駆動する発電機駆動部（図示せず）をさらに備える構成としてもよい。

また、本発明のハイブリッド式掘削機の制御システムは、掘削機調整レバーの動作を確認する手段（図示せず）を備えて、ハイブリッド式掘削機調整レバーが作動しないときに、ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、エンジン１０の使用領域を制御する構成としてもよい 。

前記ハイブリッド制御手段２０４には、必要トルク検出手段２０１から、油圧ポンプ１３の駆動の際に必要な必要トルク値と、充電量検出手段２０２から、エネルギー保存装置１９の充電率（または、充電量）値とがそれぞれ入力され、これらの入力された必要トルク値及び充電率（または、充電量）値に対応するメモリー２０３内の発電量によって発電機１７を制御する。

図３は、トルク及びＳＯＣによる発電量を決定する一つの例を示す図である。油圧ポンプ１３の必要トルクによる値とＳＯＣに対する値とをそれぞれ設定して、それらを演算する方法によって発電量を決定する方式である。本発明の構成要素においては、油圧ポンプ１３の必要トルクとＳＯＣによる発電量とを保存するメモリー２０３を設けて、トルクとＳＯＣの両方の値に対応する発電量をメモリー２０３から読み出すことができる。

図４は、発電量を決定する他の例を示す図である。図４に示されるように、テーブルを予め定めて使用する方法である。すなわち、発電機１７の発電率を求める一つの例であって、油圧ポンプ１３の必要トルクとＳＯＣによる発電量とを、二つの変数に対するテーブルとして予め構成し、二つの入力変数（すなわち、油圧ポンプ１３の必要トルク及びＳＯＣ）に対応する値を抽出する方式により求める方法である。例えば、入力される油圧ポンプ１３の必要トルクが０．６であり、ＳＯＣ値が０．１である場合、その二つの値に対応する０．６６９値を発電量として抽出する。

図５は、エンジン効率の低い、高いエンジン回転数のアイドリングを避けるために発電するか、低いエンジン回転数に変更して発電するか、または低いエンジン回転数のアイドリングによりエンジン１０の使用領域を変更する実施形態におけるエンジン１０の使用領域を示す図である。

通常、ハイブリッド式掘削機を使用するにあたって、作業者は、所望する出力を得るために高いエンジン回転数にエンジン作動を設定して使用する。作業中は、エンジン回転数はほぼ維持されつつエンジン１０のトルクが増加する。作業を中止すれば、エンジン１０に発生するトルクは減少するが、依然として高いエンジン回転数を維持する。高いエンジン回転数で外部に対して作業をしないアイドリング領域（High idling）は、特にエンジン１０の効率が低い。したがって、このアイドリング領域でエンジン１０の運転を避けることが好ましいが、下記の表１に示すような実施形態を追加することによって、高いエンジン回転数のアイドリングを避けることができる。

図６は、本発明に係るハイブリッド式掘削機の概路的な構成を示す図である。図６に示されるように、本発明に係るハイブリッド式掘削機は、エンジンに連結した発電機１７、電気エネルギー保存装置１９、旋回動作のための旋回用モーター−発電機１１７、発電機を駆動するドライバー１８などを備える。

基本的に、旋回用モーター−発電機１１７は、電気エネルギー保存装置１９に保存された電気エネルギーを利用して旋回加速を行い、減速の際には、発電エネルギーを保存装置１９に充電する。電気モーター−発電機の効率及び摩擦などの状況による減速の際に発電するエネルギーより、加速の際に使用するエネルギーが大きいため、エンジンに連結した発電機１７を利用して発電させることが好ましい。

以下、前述のような構造を有する本発明に係るハイブリッド式掘削機の制御システムの動作について、図２を参照して説明する。

まず、メモリー２０３内に相異なるトルク及び充電率（または、充電量）値に対応する発電程度（または、発電量）情報を保存する。その後、必要トルク検出手段２０１が前記油圧ポンプ１３の駆動に必要なトルクを検出し、充電量検出手段２０２が前記エネルギー保存装置１９（例：バッテリー）の充電率（または、充電量）を検出すると、ハイブリッド制御手段２０４には、必要トルク検出手段２０１から油圧ポンプ１３の駆動の際に必要な必要トルク値が、充電量検出手段２０２からエネルギー保存装置１９の充電率（または、充電量）値が、それぞれ入力される。その後、メモリー２０３に保存された発電程度（または、発電量）情報のうち、入力されたトルク値及び充電率（または、充電量）値に対応する発電程度（または、発電量）を読み出し、読み出された発電程度（または、発電量）情報によって発電機１７を制御する。

本発明は、従来の掘削機の変速器の部材及び必要トルクの急激な頻度の変化によって、従来のハイブリッド車から開発されたハイブリッド技術の適用の困難さを解決したものであって、多様な作業領域に対するポンプの要求トルク及びＳＯＣによって制御するトルク−ＳＯＣ制御技術を開発して掘削機に適用することによって、優れた燃費改善効果を得ることができる建設機械、特に、掘削機分野に利用することができる。

１ モード選択スイッチ
２ Ｅ−ＥＣＵ回転速度コントローラ
３ 燃料噴射システム
４ 燃料
５ レバー
６ パイロットバルブ
７ メイン制御バルブ（ＭＣＶ）
１０ エンジン
１３ 油圧ポンプ
１４ 斜板角α調整
１５ 油圧アクチュエータ（アクチュエータ）
１７ 発電機
１８ ドライバー
１９ エネルギー保存装置
１１７ 旋回用モーター−発電機
２０１ 必要トルク検出手段
２０２ 充電量検出手段
２０３ メモリー
２０４ ハイブリッド制御手段
２０５ 電気アクチュエータ

Claims (6)

1. エンジンと、前記エンジンによって駆動され、吐出油によって油圧アクチュエータを駆動させる油圧ポンプと、前記エンジンによって駆動されて発電を行う発電機と、前記発電機によって発電した電気エネルギーを充電し、電気アクチュエータに電気エネルギーを供給するエネルギー保存装置とを備えるハイブリッド式掘削機の制御システムにおいて、
   前記油圧ポンプの駆動に必要なトルクを検出する必要トルク検出手段と、
   前記電気エネルギー保存装置の充電率または充電量を検出する充電量検出手段と、
   前記トルク、前記充電率または前記充電量に対応する発電程度または発電量を保存したメモリーと、
   前記必要トルク検出手段によって検出されたトルク値と、前記充電量検出手段によって検出された充電率値または充電量に対応する前記メモリー内の発電程度または発電量と、によって前記発電機を制御するハイブリッド制御手段と、
   を備えるハイブリッド式掘削機の制御システム。
2. 前記エンジンに連結して駆動される前記発電機は、モーターとして機能し、前記エンジンと共に前記油圧ポンプを駆動することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド式掘削機の制御システム。
3. 前記必要トルク検出手段により、所定のレベル以下のトルクが必要であると検出された場合に、前記ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、発電に適する他のエンジン回転数の適正のトルク領域でエンジンを作動させることにより前記電気エネルギー保存装置を充電する充電手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド式掘削機の制御システム。
4. 前記必要トルク検出手段により、所定のレベル以下のトルクが必要であると検出された場合に、前記ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、燃料消耗の少ない、低いＲＰＭでエンジン回転数を減らすエンジン回転数調節部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド式掘削機の制御システム。
5. 前記必要トルク検出手段により、所定のレベル以下のトルクが必要であると検出された場合に、前記ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、所定のレベル以上に前記発電機を駆動する発電機駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド式掘削機の制御システム。
6. 掘削機調整レバーの動きを確認する手段を備え、前記掘削機調整レバーが作動しないときに、前記ハイブリッド式掘削機が作業をしない待機状態と判断して、前記エンジンの使用領域を制御することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載のハイブリッド式掘削機の制御システム。