JP2014008027A - Hybrid system and portable equipment provided with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工具などの駆動対象を駆動する原動機としてエンジン及び電動モータを有すると共にエンジンの回転エネルギーの一部を電力に変換してバッテリを充電するように構成されたハイブリッドシステム及びこれを備えた携帯型作業機に関する。 The present invention includes a hybrid system that includes an engine and an electric motor as a prime mover for driving a drive target such as a tool, and is configured to charge a battery by converting a part of the rotational energy of the engine into electric power. The present invention relates to a portable work machine.
この種のハイブリッドシステムを採用した携帯型作業機として、例えば特許文献１に記載された背負式作業機械が知られている。この背負式作業機械は、発電機及び先端工具を駆動するための第１出力軸を有するエンジンと、上記発電機の発電電力によって充電されるバッテリと、上記先端工具を駆動するための第２出力軸を有する電動モータと、備え、切替スイッチによって上記エンジンによる上記先端工具の駆動と上記電動モータによる上記先端工具の駆動とが切り替え可能に構成されている。また、前記発電機は、前記エンジンを始動するスタータモータを兼用可能に構成されている。 As a portable work machine that employs this type of hybrid system, for example, a backpack-type work machine described in Patent Document 1 is known. The backpack-type work machine includes an engine having a first output shaft for driving a generator and a tip tool, a battery charged by power generated by the generator, and a second output for driving the tip tool. An electric motor having a shaft, and configured to be switchable between driving of the tip tool by the engine and driving of the tip tool by the electric motor by a changeover switch. Further, the generator is configured to be able to serve as a starter motor that starts the engine.
しかし、上記背負式作業機械においては、例えば上記バッテリが満充電状態又はそれに近い状態であるときに上記エンジンによる上記先端工具の駆動が選択されると、上記バッテリが過充電されてしまい当該バッテリに大きなダメージを与えるおそれがある。
これに対し、上記バッテリの過充電を防止するための保護機構等を設けることも考えられるが、複雑な保護機構等はコストアップを招くことになるため好ましくない。また、作業機械の使用環境などによっては上記保護回路等が正常に作動しなくなるおそれもある。
However, in the backpack type work machine, for example, when the driving of the tip tool by the engine is selected when the battery is in a fully charged state or a state close thereto, the battery is overcharged and the battery is overcharged. There is a risk of doing great damage.
On the other hand, it is conceivable to provide a protection mechanism or the like for preventing overcharging of the battery, but a complicated protection mechanism or the like is not preferable because it increases the cost. In addition, the protection circuit or the like may not operate normally depending on the use environment of the work machine.
なお、このような課題は、携帯型作業機に限るものではなく、駆動対象を駆動する原動機としてエンジン及び電動モータを有すると共に、エンジンの回転エネルギーの一部を電力に変換してバッテリを充電する構成のハイブリッドシステムについて共通するものであると言える。 Such a problem is not limited to a portable work machine, but has an engine and an electric motor as a prime mover for driving a driving target, and charges a battery by converting a part of the rotational energy of the engine into electric power. It can be said that this is common to the hybrid systems having the configuration.
そこで、本発明は、駆動対象を駆動する原動機としてエンジン及び電動モータを有すると共に、エンジンの回転エネルギーの一部を電力に変換してバッテリを充電する構成のハイブリッドシステムにおいて、バッテリの過充電を防止するための保護機構の簡略化を可能としつつ、バッテリの過充電を効果的に防止することを目的とする。 Therefore, the present invention prevents an overcharge of a battery in a hybrid system having an engine and an electric motor as a prime mover for driving an object to be driven, and charging a battery by converting a part of the rotational energy of the engine into electric power. It is an object of the present invention to effectively prevent overcharging of a battery while enabling simplification of a protection mechanism for the purpose.
本発明の一側面によると、ハイブリッドシステムは、駆動対象を駆動するための出力軸を有するエンジンと、前記エンジンの前記出力軸にトルクを伝達可能に設けられると共に前記エンジンの回転によって発電する発電機としても機能する電動モータと、前記電動モータの発電電力によって充電されるバッテリと、を備え、発電機として機能したときの前記電動モータの発電電圧が前記バッテリの満充電電圧を超えないように設定されている。 According to one aspect of the present invention, a hybrid system includes an engine having an output shaft for driving an object to be driven, and a generator that is provided so as to be able to transmit torque to the output shaft of the engine and generates electric power by rotation of the engine. An electric motor that also functions as a battery that is charged by the electric power generated by the electric motor, and the power generation voltage of the electric motor when functioning as a generator is set not to exceed the full charge voltage of the battery. Has been.
上記ハイブリッドシステムによると、電動モータによってエンジンの出力をアシストすることができるので、小型のエンジンを採用しながら出力の向上を図ることができる。また、発電機として機能したときの当該電動モータの発電電圧がバッテリの満充電電圧を超えないように設定されているので、特別な保護機構等を設けることなく、容易かつ確実にバッテリの過充電を防止することができる。 According to the hybrid system, the output of the engine can be assisted by the electric motor, so that the output can be improved while employing a small engine. In addition, since the power generation voltage of the electric motor when it functions as a generator is set so as not to exceed the full charge voltage of the battery, it is possible to easily and reliably overcharge the battery without providing a special protection mechanism. Can be prevented.
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明が適用された刈払機（携帯型作業機械）１の外観を示している。図１に示すように、刈払機１は、操作棹２と、操作棹２の後端部に取り付けられた動力ユニット３と、操作棹２の前端部に取り付けられたギヤヘッド４と、ギヤヘッド４に取り付けられた円盤状の刈刃５と、刈刃５を部分的に覆うように操作棹２に取り付けられた飛散防護カバー６と、操作棹２の中間部に取り付けられたハンドル７と、を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows the appearance of a brush cutter (portable work machine) 1 to which the present invention is applied. As shown in FIG. 1, the brush cutter 1 includes an operating rod 2, a power unit 3 attached to the rear end portion of the operating rod 2, a gear head 4 attached to the front end portion of the operating rod 2, and a gear head 4. A disc-shaped cutting blade 5 attached; a scattering protection cover 6 attached to the operation rod 2 so as to partially cover the cutting blade 5; and a handle 7 attached to an intermediate portion of the operation rod 2. .
操作棹２は、中空パイプ形状を有し、直線状に伸びている。操作棹２に内部には、図示省略したドライブシャフトが収容されている。このドライブシャフトは、動力ユニット３の出力（回転、トルク）をギヤヘッド４に伝達し、これにより刈刃５を回転させる。また、ハンドル７には、後述するエンジン１０のスロットル操作を行うスロットルレバー８やエンジン１０を停止させるストップスイッチ（図示省略）などが設けられている。刈払機１のユーザは、スロットルレバー８を操作することによりエンジン１０の出力を調整することができ、上記ストップスイッチを操作することによりエンジン１０を停止させることができる。 The operation rod 2 has a hollow pipe shape and extends linearly. A drive shaft (not shown) is accommodated in the operation rod 2. The drive shaft transmits the output (rotation, torque) of the power unit 3 to the gear head 4, thereby rotating the cutting blade 5. Further, the handle 7 is provided with a throttle lever 8 for performing a throttle operation of the engine 10 to be described later, a stop switch (not shown) for stopping the engine 10, and the like. The user of the brush cutter 1 can adjust the output of the engine 10 by operating the throttle lever 8, and can stop the engine 10 by operating the stop switch.
図２は、動力ユニット３の構成を説明するための図である。図２（ａ）は動力ユニット３の後部を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図２に示すように、動力ユニット３は、エンジン１０と、エンジン１０の燃料を蓄える燃料タンク２０と、エンジン１０を始動するためのリコイルスタータ３０と、エンジン１０に吸入される空気をろ過するエアフィルタ４０と、エンジン１０に吸入される空気に燃料を混合して混合気を形成するキャブレター５０と、エンジン１０からの排気を大気に放出するマフラ６０と、電動モータ７０と、を備えている。
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the power unit 3. FIG. 2A shows a rear portion of the power unit 3, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
As shown in FIG. 2, the power unit 3 includes an engine 10, a fuel tank 20 that stores fuel for the engine 10, a recoil starter 30 for starting the engine 10, and air that filters air taken into the engine 10. A filter 40, a carburetor 50 that mixes fuel with air sucked into the engine 10 to form an air-fuel mixture, a muffler 60 that discharges exhaust from the engine 10 to the atmosphere, and an electric motor 70 are provided.
本実施形態において、エンジン１０は空冷４ストローク単気筒エンジンである。但し、これに限るものではなく、例えば空冷２ストローク単気筒エンジンとしてもよい。エンジン１０は、シリンダ１１と、シリンダ１１に収容されたピストン１２と、クランクシャフト１３と、クランクシャフト１３を収容するクランクケース１４と、ピストン１２とクランクシャフト１３を連結したコネクティングロッド１５と、シリンダ１１に設けられた点火プラグ１６と、オイルパン１７と、を備えている。 In the present embodiment, the engine 10 is an air-cooled four-stroke single cylinder engine. However, the present invention is not limited to this. For example, an air-cooled two-stroke single cylinder engine may be used. The engine 10 includes a cylinder 11, a piston 12 accommodated in the cylinder 11, a crankshaft 13, a crankcase 14 that accommodates the crankshaft 13, a connecting rod 15 that connects the piston 12 and the crankshaft 13, and the cylinder 11. A spark plug 16 and an oil pan 17 are provided.
クランクシャフト１４は、エンジン１０の出力軸であり、図示省略した遠心クラッチ等を介して上記ドライブシャフトに接続されている。これにより、エンジン２０の出力（回転、トルク）が上記ドライブシャフト及びギヤヘッド４を介して刈刃５に伝達されて刈刃５が駆動される。すなわち、エンジン１０は、駆動対象である刈刃５を駆動する原動機である。 The crankshaft 14 is an output shaft of the engine 10 and is connected to the drive shaft via a centrifugal clutch (not shown). As a result, the output (rotation, torque) of the engine 20 is transmitted to the cutting blade 5 via the drive shaft and the gear head 4 to drive the cutting blade 5. That is, the engine 10 is a prime mover that drives the cutting blade 5 to be driven.
キャブレター５０はスロットルワイヤー８ａを介してスロットルレバー８に接続されている（図１参照）。スロットルレバー８が操作されることによってキャブレター５０のスロットル開度が変化し、これにより、エンジン１０の出力が調整される。 The carburetor 50 is connected to the throttle lever 8 via the throttle wire 8a (see FIG. 1). When the throttle lever 8 is operated, the throttle opening of the carburetor 50 changes, whereby the output of the engine 10 is adjusted.
電動モータ７０は、特に制限されないが、本実施形態においてはアウターロータ型の三相ブラシレスモータを採用している。電動モータ７０は、アウターロータ７１と、ステータ７２と、を備えている。また、電動モータ７０は、電子ギヤ機能を内蔵している。 The electric motor 70 is not particularly limited, but an outer rotor type three-phase brushless motor is employed in the present embodiment. The electric motor 70 includes an outer rotor 71 and a stator 72. In addition, the electric motor 70 has a built-in electronic gear function.
アウターロータ７１は、クランクシャフト１４に固定されてクランクシャフト１４とともに回転する。具体的には、アウターロータ７１は有底筒状に形成されており、その底部がクランクシャフト１４に固定されている。また、アウターロータ７１の筒状部の内周面にはマグネット７１ａが固定されている。 The outer rotor 71 is fixed to the crankshaft 14 and rotates together with the crankshaft 14. Specifically, the outer rotor 71 is formed in a bottomed cylindrical shape, and its bottom is fixed to the crankshaft 14. A magnet 71 a is fixed to the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the outer rotor 71.
ステータ７２は、動力ユニット３における固定部分に固定されると共にアウターロータ７１の筒状部の内側に配置されている。ステータ７２は、磁性材料で形成されたステータコア７２ａと、ステータコア７２ａに巻回された三相のステータコイル７２ｂと、を有する。そして、ステータコイル７２ｂは、通電されることによってアウターロータ７１を回転させる磁界を発生する。電動モータ７０の出力は、アウターロータ７１を介してクランクシャフト１４に伝達され、その後、上記ドライブシャフト及びギヤヘッド４を介して刈刃５に伝達される。すなわち、電動モータ７０は、クランクシャフト１４にトルクを伝達可能に設けられており、また、駆動対象である刈刃５を駆動する第２の原動機である。 The stator 72 is fixed to a fixed portion in the power unit 3 and is disposed inside the cylindrical portion of the outer rotor 71. The stator 72 includes a stator core 72a formed of a magnetic material, and a three-phase stator coil 72b wound around the stator core 72a. The stator coil 72b generates a magnetic field that rotates the outer rotor 71 when energized. The output of the electric motor 70 is transmitted to the crankshaft 14 via the outer rotor 71 and then transmitted to the cutting blade 5 via the drive shaft and the gear head 4. That is, the electric motor 70 is provided so as to be able to transmit torque to the crankshaft 14 and is a second prime mover that drives the cutting blade 5 to be driven.
このように、本実施形態による刈払機１の動力ユニット３は、駆動対象である刈刃５を駆動する原動機としてエンジン１０及び電動モータ７０を有している。すなわち、本実施形態による刈払機１においては、エンジン１０の出力のみ、電動モータ７０のみ、又は、エンジン１０の出力と電動モータ７０の出力との組み合わせによって刈刃５を駆動することが可能である。但し、本実施形態において電動モータ７０は、主にエンジン１０の出力をアシストするために使用するものとする。 As described above, the power unit 3 of the brush cutter 1 according to the present embodiment includes the engine 10 and the electric motor 70 as a prime mover for driving the cutting blade 5 to be driven. That is, in the brush cutter 1 according to the present embodiment, the cutting blade 5 can be driven by only the output of the engine 10, only the electric motor 70, or a combination of the output of the engine 10 and the output of the electric motor 70. . However, in the present embodiment, the electric motor 70 is mainly used to assist the output of the engine 10.
また、電動モータ７０は、クランクシャフト１４の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機、換言すれば、エンジン１０の回転によって発電する発電機として機能することもできる。例えば、エンジン１０の出力に余裕がある場合には、エンジン１０の出力（回転エネルギー）の一部が電動モータ７０によって電力に変換される。電動モータ６０が発電した電力は後述するバッテリ１１０に蓄えられる。すなわち、本実施形態による刈払機１において、動力ユニット３は、駆動対象を駆動する原動機としてエンジン１０及び電動モータ７０を有すると共に、エンジン１０の回転エネルギーの一部を電力に変換してバッテリ１１０を充電するハイブリッドシステムを構成している。なお、動力ユニット３の電気的な構成については後述する。 The electric motor 70 can also function as a generator that converts the rotational energy of the crankshaft 14 into electric energy, in other words, a generator that generates electric power by the rotation of the engine 10. For example, when there is a margin in the output of the engine 10, a part of the output (rotational energy) of the engine 10 is converted into electric power by the electric motor 70. The electric power generated by the electric motor 60 is stored in a battery 110 described later. In other words, in the brush cutter 1 according to the present embodiment, the power unit 3 includes the engine 10 and the electric motor 70 as a prime mover that drives a drive target, and converts a part of the rotational energy of the engine 10 into electric power to convert the battery 110. Configures a hybrid system to charge. The electrical configuration of the power unit 3 will be described later.
さらに、電動モータ７０は、エンジン１０を始動するスタータモータとしても機能することができる。例えば、ハンドル７にスタートスイッチ（図示省略）を設け、ユーザがこのスタートスイッチを操作することにより、バッテリ１１０から電動モータ７０へと電力が供給されて電動モータ７０がクランクシャフト１４を回転駆動するように構成することができる。 Furthermore, the electric motor 70 can also function as a starter motor that starts the engine 10. For example, the handle 7 is provided with a start switch (not shown), and when the user operates the start switch, electric power is supplied from the battery 110 to the electric motor 70 so that the electric motor 70 rotates the crankshaft 14. Can be configured.
電動モータ７０のアウターロータ７１には、冷却ファン８０が一体に設けられている。具体的には、冷却ファン８０は、アウターロータ７１の筒状部の外周面に取り付けられている。この冷却ファン８０は、エンジン１０、電動モータ７０及び後述するコントロールユニット１００に冷却風を送るように構成されている。 A cooling fan 80 is integrally provided on the outer rotor 71 of the electric motor 70. Specifically, the cooling fan 80 is attached to the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the outer rotor 71. The cooling fan 80 is configured to send cooling air to the engine 10, the electric motor 70, and a control unit 100 described later.
図３は、動力ユニット３のトルク特性を示す図である。
図３に実線で示すように、電動モータ７０は、その無負荷回転数がエンジン１０の許容上限回転数（例えば、１２，０００ｒｐｍ）とほぼ等しくなるように設定されている。なお、図３において一点鎖線はエンジントルクを示しており、ハッチング領域は上記電子ギヤ機能の使用領域（電子ギヤによるアシスト領域）を示している。
FIG. 3 is a diagram showing the torque characteristics of the power unit 3.
As indicated by a solid line in FIG. 3, the electric motor 70 is set so that its no-load rotational speed is substantially equal to the allowable upper limit rotational speed (for example, 12,000 rpm) of the engine 10. In FIG. 3, the alternate long and short dash line indicates the engine torque, and the hatched area indicates the use area of the electronic gear function (assist area by the electronic gear).
図４は、電動モータ７０の発電特性を示す図であり、より具体的には、刈払機１が刈り払いを行っていない空吹かしの状態で電動モータ７０を発電機として機能させた場合のエンジン１０の回転数（＝電動モータ７０の回転数）と電動モータ７０の発電電圧の関係を示している。図４に示すように、電動モータ７０は、エンジン１０の許容上限回転数で回転したときの発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧とほぼ等しくなるように、具体的には、バッテリ１１０の満充電電圧又はそれよりも僅かに低い電圧となるように設定されている。すなわち、電動モータ７０は、その発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧を超えないように設定されている。 FIG. 4 is a diagram illustrating the power generation characteristics of the electric motor 70. More specifically, the engine when the electric motor 70 functions as a generator in an idle state in which the brush cutter 1 is not trimming. 10 shows the relationship between the number of rotations 10 (= the number of rotations of the electric motor 70) and the generated voltage of the electric motor 70. As shown in FIG. 4, specifically, the electric motor 70 is fully charged so that the generated voltage when the engine 10 rotates at the allowable upper limit number of rotations is substantially equal to the fully charged voltage of the battery 110. The voltage is set to be a voltage or slightly lower than that. That is, the electric motor 70 is set so that the generated voltage does not exceed the full charge voltage of the battery 110.
ここで、エンジン１０の許容上限回転数とは、刈払機１の通常の使用状態においてエンジン１０が回転し得る最大回転数のことをいい、レブリミッターなどの過回転抑制装置を備えている場合には、当該過回転抑制装置によってそれ以上の回転上昇が制限されるエンジン１０の回転数を含む。また、バッテリ１１０の満充電電圧とは、バッテリ１１０を所定の条件で充電した場合に満充電状態に達したものとして充電を終了するように設定された電圧のことをいい、バッテリ１１０の製造元等によって提示された、バッテリ満充電時の電圧やこれに準ずる電圧を含む。 Here, the allowable upper limit number of rotations of the engine 10 means the maximum number of rotations at which the engine 10 can rotate in the normal use state of the brush cutter 1, and when an overspeed suppressing device such as a rev limiter is provided. , Including the number of rotations of the engine 10 in which further increase in rotation is restricted by the overspeed suppressing device. Further, the full charge voltage of the battery 110 is a voltage that is set so as to end the charge when the battery 110 is fully charged when the battery 110 is charged under a predetermined condition. The voltage when the battery is fully charged or the voltage equivalent to this is presented.
図５は、動力ユニット３の電気的な概略構成を示すブロック図である。
図５に示すように、動力ユニット３は、コントロールユニット１００と、コントロールユニット１００に接続されたバッテリ１１０と、を備えている。
FIG. 5 is a block diagram showing an electrical schematic configuration of the power unit 3.
As shown in FIG. 5, the power unit 3 includes a control unit 100 and a battery 110 connected to the control unit 100.
コントロールユニット１００は、マイクロコンピュータを含む複数の集積回路によって構成されており、エンジン１０及び電動モータ７０の作動を制御する。特にコントロールユニット１００は、電動モータ７０によってエンジン１０の出力をアシストする「トルクアシストモード」と、電動モータ７０を発電機として機能させてその発電電力でバッテリ１１０の充電を行う「発電充電モード」とを選択可能に構成されている。なお、上記トルクアシストモードと上記発電充電モードのいずれも選択しない場合、コントロールユニット１００は、電動モータ７０を駆動させず、また発電機としても機能させない。 The control unit 100 is composed of a plurality of integrated circuits including a microcomputer, and controls the operation of the engine 10 and the electric motor 70. In particular, the control unit 100 includes a “torque assist mode” in which the output of the engine 10 is assisted by the electric motor 70 and a “power generation charging mode” in which the electric motor 70 functions as a generator and charges the battery 110 with the generated power. Is configured to be selectable. When neither the torque assist mode nor the power generation charging mode is selected, the control unit 100 does not drive the electric motor 70 and does not function as a generator.
バッテリ１１０は、複数の二次電池セル（バッテリセル）を有しており、コントロールユニット１００を介して、点火プラグ１６や電動モータ７０に電力を供給し、また、発電機として機能した電動モータ７０の発電電力を蓄えるように構成されている。 The battery 110 has a plurality of secondary battery cells (battery cells), supplies power to the spark plug 16 and the electric motor 70 via the control unit 100, and also functions as an electric motor 70 that functions as a generator. It is configured to store the generated power.
コントロールユニット１００は、機能的に、点火タイミング検出回路１０１と、エンジン点火回路１０２と、スロットル開度検出回路１０３と、モード選択回路１０４と、ロータ位置検出回路１０５と、インバータ回路１０６と、昇圧チョッパ回路１０７と、モータ制御回路１０８と、発電・充電制御回路１０９と、を備えている。 The control unit 100 functionally includes an ignition timing detection circuit 101, an engine ignition circuit 102, a throttle opening detection circuit 103, a mode selection circuit 104, a rotor position detection circuit 105, an inverter circuit 106, and a boost chopper. A circuit 107, a motor control circuit 108, and a power generation / charge control circuit 109 are provided.
点火タイミング検出回路１０１は、クランク角センサ１１１の出力信号を入力し、入力したクランク角センサ１１１の出力信号に基づいてエンジン１０の点火タイミングを検出する。エンジン点火回路１０２は、点火タイミング検出回路１０１によって点火タイミングが検出されると、バッテリ１１０からの電力を点火プラグ１６に供給する。このとき、バッテリ１００からの電力はイグニッションコイル１６ａで高電圧に変換され、これにより、点火プラグ１６で放電が生じて混合気への点火が行われる。 The ignition timing detection circuit 101 receives the output signal of the crank angle sensor 111 and detects the ignition timing of the engine 10 based on the input output signal of the crank angle sensor 111. The engine ignition circuit 102 supplies the electric power from the battery 110 to the spark plug 16 when the ignition timing is detected by the ignition timing detection circuit 101. At this time, the electric power from the battery 100 is converted into a high voltage by the ignition coil 16a, whereby discharge occurs in the spark plug 16 and ignition of the air-fuel mixture is performed.
スロットル開度検出回路１０３は、キャブレター５０に接続されており、キャブレター５０のスロットル開度を検出する。検出されたスロットル開度はモード選択回路１０４やモータ制御回路１０８などに出力される。なお、スロットル開度検出回路１０３は、上記スロットル開度に代えて、スロットルレバー８の操作量を検出するようにしてもよい。 The throttle opening degree detection circuit 103 is connected to the carburetor 50 and detects the throttle opening degree of the carburetor 50. The detected throttle opening is output to the mode selection circuit 104, the motor control circuit 108, and the like. The throttle opening detection circuit 103 may detect the operation amount of the throttle lever 8 instead of the throttle opening.
モード選択回路１０４は、クランク角センサ１１１の出力信号やキャブレター５０のスロットル開度（又はスロットルレバー８の操作量）を入力し、これらに基づいて上記トルクアシストモードや上記発電充電モードの選択を行う。モード選択回路１０４は、エンジン１０の出力が不足した場合に上記トルクアシストモードを選択し、エンジン１０の出力に余裕がある場合に上記発電充電モードを選択する。 The mode selection circuit 104 inputs the output signal of the crank angle sensor 111 and the throttle opening (or the operation amount of the throttle lever 8) of the carburetor 50, and selects the torque assist mode or the power generation charging mode based on these signals. . The mode selection circuit 104 selects the torque assist mode when the output of the engine 10 is insufficient, and selects the power generation charging mode when the output of the engine 10 has a margin.
例えば、モード選択回路１０４は、クランク角センサ１１１の出力信号に基づいて算出されるエンジン１０の実回転数がキャブレター５０のスロットル開度（又はスロットルレバー８の操作量）に応じて予め設定された判定回転数の下限値を下回る場合、すなわち、エンジン１０に高い負荷がかかった場合に、上記トルクアシストモードを選択し、エンジン１０の実回転数が上記判定回転数の上限値を上回る場合、すなわち、エンジン１０にかかる負荷が低い場合に、上記発電充電モードを選択する。なお、上記トルクアシストモードや上記発電充電モードの選択（判定）基準は、刈払機１の仕様等に応じて適宜設定することができる。モード選択回路１０４の選択結果は、モータ制御回路１０８や発電・充電制御回路１０９に出力される。 For example, in the mode selection circuit 104, the actual rotational speed of the engine 10 calculated based on the output signal of the crank angle sensor 111 is preset according to the throttle opening (or the operation amount of the throttle lever 8) of the carburetor 50. When the engine speed is lower than the lower limit value of the determined rotational speed, that is, when a high load is applied to the engine 10, the torque assist mode is selected, and when the actual rotational speed of the engine 10 exceeds the upper limit value of the determined rotational speed, that is, The power generation charging mode is selected when the load on the engine 10 is low. The selection (determination) criteria for the torque assist mode and the power generation charging mode can be set as appropriate according to the specifications of the brush cutter 1 and the like. The selection result of the mode selection circuit 104 is output to the motor control circuit 108 and the power generation / charge control circuit 109.
ロータ位置検出回路１０５は、電動モータ７０に内蔵されたロータ位置検出センサ（エンコーダやホールＩＣ等）１１２の出力信号を入力し、入力した位置検出センサ１１２の出力信号に基づいてアウターロータ７１の回転位置を検出する。検出されたアウターロータ７１の回転位置はモータ制御回路１０８に出力される。 The rotor position detection circuit 105 inputs an output signal of a rotor position detection sensor (encoder, Hall IC, etc.) 112 built in the electric motor 70, and rotates the outer rotor 71 based on the input output signal of the position detection sensor 112. Detect position. The detected rotational position of the outer rotor 71 is output to the motor control circuit 108.
インバータ回路１０６は、ＡＣ−ＤＣコンバータ部とＤＣ−ＡＣインバータ部とを有している。インバータ回路１０６は、バッテリ１１０の直流出力を交流電力に変換して電動モータ７０に供給すると共に、電動モータ７０の交流出力（発電電力）を直流電力に変換する。 The inverter circuit 106 includes an AC-DC converter unit and a DC-AC inverter unit. The inverter circuit 106 converts the DC output of the battery 110 into AC power and supplies it to the electric motor 70, and converts the AC output (generated power) of the electric motor 70 into DC power.
昇圧チョッパ回路１０７は、インバータ回路１０６とバッテリ１１０の間に配置されている。昇圧チョッパ回路１０７は、インバータ回路１０６によって直流電力に変換された電動モータ７０の発電電力を昇圧してバッテリ１１０に供給する。 The step-up chopper circuit 107 is disposed between the inverter circuit 106 and the battery 110. The step-up chopper circuit 107 boosts the electric power generated by the electric motor 70 converted into DC power by the inverter circuit 106 and supplies it to the battery 110.
モータ制御回路１０８は、モータ選択回路１０４の選択結果、クランク角センサ１１１の出力信号、キャブレター５０のスロットル開度（又はスロットルレバー８の操作量）、アウターロータ７１の回転位置などを入力する。そして、モータ制御回路１０８は、モード選択回路１０４によってトルクアシストモードが選択された場合に、電動モータ７０をエンジン１０の出力をアシストするアシストモータとして機能させる。 The motor control circuit 108 inputs the selection result of the motor selection circuit 104, the output signal of the crank angle sensor 111, the throttle opening of the carburetor 50 (or the operation amount of the throttle lever 8), the rotational position of the outer rotor 71, and the like. The motor control circuit 108 causes the electric motor 70 to function as an assist motor that assists the output of the engine 10 when the mode selection circuit 104 selects the torque assist mode.
具体的には、モータ制御回路１０８は、アウターロータ７１の回転位置に応じてインバータ回路１０６の複数のスイッチング素子を制御し、各相のステータコイル７２とバッテリ１１０の電極とを選択的に接続して電動モータ７０を駆動する。また、モータ制御回路１０８は、ＰＷＭ制御による電動モータ７０の駆動が可能であり、例えば、エンジン１０の実回転数と上記判定回転数との比較結果に基づいて電動モータ７０の出力（トルク）を制御する。 Specifically, the motor control circuit 108 controls a plurality of switching elements of the inverter circuit 106 according to the rotational position of the outer rotor 71 and selectively connects the stator coil 72 of each phase and the electrode of the battery 110. Then, the electric motor 70 is driven. The motor control circuit 108 can drive the electric motor 70 by PWM control. For example, the motor control circuit 108 outputs the output (torque) of the electric motor 70 based on the comparison result between the actual rotational speed of the engine 10 and the determined rotational speed. Control.
発電・充電制御回路１０９は、モータ選択回路１０４の選択結果、バッテリ１１０の電圧を検知するバッテリセンサ（電圧検知部）１１３の出力信号、電動モータ７０の発電電圧を検知する電圧センサ１１４の出力信号などを入力する。そして、発電・充電制御回路１０９は、モード選択回路１０４によって発電充電モードが選択され、かつ、バッテリ１１０の電圧が満充電電圧よりも低い所定電圧以下である場合に、電動モータ７０を発電機として機能させる。 The power generation / charge control circuit 109 outputs the output signal of the battery sensor (voltage detection unit) 113 that detects the selection result of the motor selection circuit 104, the voltage of the battery 110, and the output signal of the voltage sensor 114 that detects the power generation voltage of the electric motor 70. Enter. The power generation / charge control circuit 109 uses the electric motor 70 as a generator when the power generation charging mode is selected by the mode selection circuit 104 and the voltage of the battery 110 is equal to or lower than a predetermined voltage lower than the full charge voltage. Make it work.
具体的には、発電・充電制御回路１０９は、インバータ回路１０６の上記複数のスイッチング素子を制御して各相のステータコイル７２とバッテリ１１０の電極とを接続する。また、発電・充電制御回路１０９は、昇圧チョッパ回路１０７をＰＷＭ制御によって駆動して、すなわち、昇圧チョッパ回路１０７のスイッチング素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比を適宜調整して電動モータ７０の発電電圧をバッテリ１１０の電圧以上に昇圧させる。これにより、上述したように電動モータ７０の発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧を超えないように設定されている場合であっても、電動モータ７０の発電電力によってバッテリ１１０を満充電状態まで充電することができる。ここで、昇圧チョッパ回路１０７の上記スイッチング素子のＯＦＦ時間は、電動モータ７０の発電電圧とバッテリ１１０の電圧との比較結果に基づいて設定される。 Specifically, the power generation / charge control circuit 109 controls the plurality of switching elements of the inverter circuit 106 to connect the stator coil 72 of each phase and the electrode of the battery 110. Further, the power generation / charge control circuit 109 drives the boost chopper circuit 107 by PWM control, that is, appropriately adjusts the ratio between the ON time and the OFF time of the switching element of the boost chopper circuit 107 to appropriately generate the generated voltage of the electric motor 70. Is increased to a voltage higher than the voltage of the battery 110. As a result, even when the power generation voltage of the electric motor 70 is set not to exceed the full charge voltage of the battery 110 as described above, the battery 110 is charged to the fully charged state by the power generated by the electric motor 70. can do. Here, the OFF time of the switching element of the step-up chopper circuit 107 is set based on a comparison result between the generated voltage of the electric motor 70 and the voltage of the battery 110.
以上のように構成された刈払機１は、ハイブリッドシステムを構成する動力ユニット３を備えており、エンジン１０の出力によって刈刃５を駆動すると共にエンジン１０の出力が不足した場合には電動モータ７０によってエンジン１０の出力をアシストする。これにより、エンジン１０の大型化を抑制しつつ、刈払機１の出力を向上させることができる。また、エンジン１０の出力に余裕がある場合には、電動モータ７０を発電機として機能させて電動モータ７０の発電電力によってバッテリ１１０が充電される。これにより、バッテリ１１０が電力不足の状態となることが抑制され、エンジン１０の出力が不足した場合の電動モータ７０によるトルクアシストを安定して得ることができる。 The brush cutter 1 configured as described above includes the power unit 3 that constitutes a hybrid system. When the cutting blade 5 is driven by the output of the engine 10 and the output of the engine 10 is insufficient, the electric motor 70 is provided. To assist the output of the engine 10. Thereby, the output of the brush cutter 1 can be improved while suppressing the enlargement of the engine 10. Further, when there is a margin in the output of the engine 10, the electric motor 70 is caused to function as a generator, and the battery 110 is charged with the electric power generated by the electric motor 70. Thereby, it is suppressed that battery 110 will be in the state where power is insufficient, and torque assist by electric motor 70 when the output of engine 10 is insufficient can be obtained stably.
ここで、電動モータ７０は、発電機として機能したときの発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧を超えないように設定されている。具体的には、エンジン１０がその許容上限回転数で回転したときの電動モータ７０の発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧とほぼ等しくなっている。これにより、特別な保護機構等を設けることなく、バッテリ１１０の過充電が容易かつ確実に防止される。 Here, the electric motor 70 is set so that the generated voltage when functioning as a generator does not exceed the full charge voltage of the battery 110. Specifically, the power generation voltage of the electric motor 70 when the engine 10 rotates at the allowable upper limit rotational speed is substantially equal to the full charge voltage of the battery 110. Thereby, overcharging of the battery 110 is easily and reliably prevented without providing a special protection mechanism or the like.
また、本実施形態においては、電動モータ７０の無負荷回転数がエンジン１０の上記許容上限回転数とほぼ等しくなっている。これにより、実際の使用においては高い出力を発揮できる回転数で電動モータ７０を作動させることができ、エンジン１０の出力が不足した場合の電動モータ７０による効果的なアシストを可能としつつ、エンジン１０の出力に余裕がある場合のバッテリ１１０の過充電を防止することができる。ここで、電動モータ７０の最高出力は上記無負荷回転数のほぼ半分の回転数で発生するので、電動モータ７０は上記無負荷回転数の５０％〜１００％の間を動作範囲とするのが一般的である。このため、発電機として機能したときの電動モータ７０の発電電圧は、バッテリ１１０の満充電電圧の５０％以上で、かつ、バッテリ１１０の満充電電圧以下の所定の値となる。 In the present embodiment, the no-load rotational speed of the electric motor 70 is substantially equal to the allowable upper limit rotational speed of the engine 10. Thus, in actual use, the electric motor 70 can be operated at a rotation speed capable of exhibiting a high output, and the electric motor 70 can effectively assist the engine 10 when the output of the engine 10 is insufficient. The battery 110 can be prevented from being overcharged when there is a margin in the output. Here, since the maximum output of the electric motor 70 is generated at a rotational speed almost half the no-load rotational speed, the electric motor 70 has an operating range between 50% and 100% of the no-load rotational speed. It is common. For this reason, the generated voltage of the electric motor 70 when functioning as a generator is a predetermined value that is 50% or more of the full charge voltage of the battery 110 and less than or equal to the full charge voltage of the battery 110.
さらに、バッテリ１１０の電圧を検知するバッテリセンサ１１３及び昇圧チョッパ回路１０７が設けられており、バッテリ１１０の電圧が満充電電圧よりも低い所定電圧以下である場合に、昇圧チョッパ回路１０７を駆動して電動モータ７０の発電電圧をバッテリ１１０の電圧以上に昇圧させる。これにより、電動モータ７０の発電電力（≦バッテリ１１０の満充電電圧）によってバッテリ１１０を満充電電圧まで充電することができる。 Further, a battery sensor 113 for detecting the voltage of the battery 110 and a boost chopper circuit 107 are provided. When the voltage of the battery 110 is equal to or lower than a predetermined voltage lower than the full charge voltage, the boost chopper circuit 107 is driven. The power generation voltage of the electric motor 70 is boosted to be higher than the voltage of the battery 110. Thereby, the battery 110 can be charged to the full charge voltage by the electric power generated by the electric motor 70 (≦ the full charge voltage of the battery 110).
なお、以上では携帯型作業機が刈払機１である場合について説明したが、刈払機１以外の携帯型作業機についても本発明を適用できることはもちろんである。刈払機１以外の携帯型作業機としては、草刈機、チェーンソー、カットオフソー、噴霧器、散布機、ブロワ、集塵機などがあり、この場合の駆動対象には、刈刃やソーチェーンなどの工具類はもちろん、送風ファンやポンプなども含まれる。さらに、本発明は、携帯型作業機に適用されるハイブリッドシステムに限られず、移動体などに適用されるハイブリッドシステムにも適用可能である。 In addition, although the case where the portable work machine was the brush cutter 1 was described above, the present invention can be applied to portable work machines other than the brush cutter 1 as well. Examples of portable work machines other than the brush cutter 1 include a mower, a chain saw, a cut-off saw, a sprayer, a spreader, a blower, and a dust collector. In this case, the driving objects include tools such as a cutting blade and a saw chain. Of course, a fan and a pump are included. Furthermore, the present invention is not limited to a hybrid system that is applied to a portable work machine, but can also be applied to a hybrid system that is applied to a mobile object or the like.
１…刈払機（携帯型作業機）、３…動力ユニット（ハイブリッドシステム）、５…刈刃（駆動対象）、１０…エンジン、７０…電動モータ、１００…コントロールユニット、１０６…インバータ回路、１０７…昇圧チョッパ回路、１０８…モータ制御回路、１０９…発電・充電制御回路、１１０…バッテリ（蓄電装置）、１１１…クランク角センサ、１１２…ロータ位置検出センサ、１１３…バッテリセンサ（検知部）、１１４…電圧センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Brush cutter (portable working machine), 3 ... Power unit (hybrid system), 5 ... Cutting blade (drive object), 10 ... Engine, 70 ... Electric motor, 100 ... Control unit, 106 ... Inverter circuit, 107 ... Step-up chopper circuit, 108 ... Motor control circuit, 109 ... Power generation / charge control circuit, 110 ... Battery (power storage device), 111 ... Crank angle sensor, 112 ... Rotor position detection sensor, 113 ... Battery sensor (detection unit), 114 ... Voltage sensor
Claims (6)
前記エンジンの前記出力軸にトルクを伝達可能に設けられると共に、前記エンジンの回転によって発電する発電機としても機能する電動モータと、
前記電動モータの発電電力によって充電されるバッテリと、を備え、
発電機として機能したときの前記電動モータの発電電圧が前記バッテリの満充電電圧を超えないように設定されている、ハイブリッドシステム。 An engine having an output shaft for driving the driven object;
An electric motor that is provided so as to be able to transmit torque to the output shaft of the engine and that also functions as a generator that generates electric power by rotation of the engine;
A battery charged by the electric power generated by the electric motor,
A hybrid system configured such that a generated voltage of the electric motor when functioning as a generator does not exceed a full charge voltage of the battery.
前記バッテリの電圧が前記満充電電圧よりも低い所定電圧以下である場合に、前記電動モータの発電電圧を前記バッテリの電圧以上に昇圧させる昇圧チョッパ回路と、
をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか一つに記載のハイブリッドシステム。 A detector for detecting the voltage of the battery;
A step-up chopper circuit that boosts the power generation voltage of the electric motor to be equal to or higher than the voltage of the battery when the voltage of the battery is equal to or lower than a predetermined voltage lower than the full charge voltage;
The hybrid system according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
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