JP2015016824A - ハイブリッド型作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下において各部の暖機を迅速に完了して実際の作業を早期に開始できるハイブリッド型作業機械を提供する。【解決手段】エンジン２１及びポンプ用電動発電機２２により油圧ポンプ２３を駆動し、吐出された作動油を油圧シリンダ５ａ，６ａ，７ａに供給して作業装置４を運転可能とする。低温環境で作業を開始する際には、エンジン２１を始動して暖機運転させた上で、蓄電器３０の充放電を繰り返して内部発熱により蓄電器３０を昇温する暖機制御を実行する。ポンプ用電動発電機２２の電源である蓄電器３０をヒータ３４と共に密閉した蓄電器室３５内に収容し、暖機制御時の蓄電器３０の放電電力をヒータ３４に供給して消費させると共に、ヒータ３４の熱により蓄電器３０の昇温を促進する。【選択図】図２

Description

本発明は、動力源としてエンジンと共に蓄電器からの電力供給により作動する電動発電機を搭載すると共に、低温環境で作業を開始する際に蓄電器を暖機する機能を備えたハイブリッド型作業機械に関する。

近年では機械全体のエネルギ効率を向上させるために、動力源としてエンジンに加えて発電機能を備えた電動機（以下、電動発電機という）を搭載したハイブリッド型作業機械が実用化されている。この種のハイブリッド型作業機械では、例えば電動発電機を力行運転させてエンジンをアシストすることにより、要求される駆動力を確保した上でエンジンを小型化して燃費節減を図っている。また、油圧ショベルなどの上部旋回体を電動発電機により旋回駆動する構成の場合には、旋回中の上部旋回体を停止させる際に電動発電機を回生運転させて制動力を発生させながら、上部旋回体の慣性エネルギを回生電力として回収して蓄電器に充電している。

この種のハイブリッド型作業機械では、一般的なエンジン駆動の作業機械と同じく低温環境で作業を開始する際にエンジンの暖機運転を要するばかりでなく、加えて電動発電機の電源である蓄電器を昇温する必要がある。
即ち、リチウムイオン電池などの蓄電器は低温環境下で内部抵抗が増大することから放電電流や充電電流が制限され、放電電流による電動発電機の作動、及び充電電流による蓄電器の充電に支障が生じる。そこで、低温環境で作業を開始する際には、早期に正常な蓄電器の充放電、ひいては正常な作業機械の運転が可能となるように、蓄電器を昇温して内部抵抗を低下させる必要がある（以下、蓄電器の暖機制御という）。

このような蓄電器の暖機制御に関する技術として、例えば特許文献１に記載のハイブリッド型油圧ショベルに適用されたものを挙げることができる。この油圧ショベルは、エンジンの駆動力或いはそれに加えて電動発電機の駆動力により油圧ポンプを作動させ、油圧ポンプから吐出された作動油を運転者の操作に応じてコントロールバルブにより切り換えてバケットやアームなどの各油圧シリンダに供給している。また、電動発電機はエンジンの駆動により発電運転可能であり、発電された電力は電動発電機に接続された蓄電系内の蓄電器に充電されるようになっている。
低温環境下での蓄電器の暖機制御は充電及び放電を交互に繰り返して行われ、充電時には電動発電機からの発電電力が蓄電器に充電され、放電時には蓄電器からの放電電力が電動発電機に供給されて消費される。これらの充放電により蓄電器は内部発熱を生じるため、早期に昇温して正常な充放電が可能となる。

特開２０１０―１２７２７１号公報

上記のように特許文献１の技術では、暖機制御中に蓄電器からの放電電力を電動発電機に供給して消費させている。電動発電機が発生した駆動力は油圧ポンプに入力され、その駆動力分だけエンジン側の負荷が軽減されるため、通常であればエンジンの燃費節減のために好ましい状況と見なせる。しかしながら、蓄電器の暖機制御が実行される低温環境下ではエンジンも暖機運転を必要としており、負荷の軽減はエンジンの暖機完了の遅延、ひいては作業開始の遅延を引き起こしてしまうという問題がある。

一方で、特許文献１のハイブリッド型油圧ショベルのような油圧式の作業機械は、低温環境では作動油の粘度が高くて正常な油圧シリンダなどの作動が望めないため、作業開始に先立って作動油を昇温して粘度を低下させる必要がある（以下、作動油の暖機制御という）。具体的な作動油の暖機制御は、油圧シリンダや油圧回路中のリリーフバルブなどを強制作動させることで行われるが、そのためには主動力源であるエンジンの暖機を完了させて油圧ポンプを駆動する必要がある。よって、低温環境で作業を開始する際には、まずエンジンを暖機完了させ、その後に作動油の暖機制御により作動油を昇温する段階を経ることになる。この点も実際の作業開始を遅延させる要因になるため、従来から低温環境下において作業を迅速に開始できる対策が要望されていた。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、低温環境下において各部の暖機を迅速に完了して実際の作業を早期に開始することができるハイブリッド型作業機械を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、動力源としてエンジンと電動発電機とを備え、作業装置の駆動のためにエンジンのアシストを要するときに蓄電器からの電力により電動発電機を力行運転させる一方、蓄電器の充電を要するときにエンジンの駆動により電動発電機を発電運転させるように構成され、低温環境で作業を開始する際にはエンジンを始動して暖機運転させながら、エンジンの駆動により電動発電機が発電した電力を蓄電器に充電する処理と蓄電器の電力を放電させる処理とを交互に繰り返す暖機制御を暖機制御手段により実行して蓄電器を昇温するハイブリッド型作業機械において、作業装置を駆動するためのエネルギ媒体を収容する収容容器に加熱手段を付設し、暖機制御手段が、暖機制御による蓄電器の放電電力を加熱手段に供給して加熱手段によりエネルギ媒体を昇温するものである。

請求項２の発明は、蓄電器の温度を検出する温度検出手段と、蓄電器の充電率を算出する充電率算出手段とを備え、暖機制御手段が、温度検出手段により検出された蓄電器の温度が予め設定された温度判定値未満であると判定したときに暖機制御を開始し、暖機制御中において、充電率算出手段により検出された蓄電器の充電率が予め設定された充電率判定値未満のときに蓄電器の充電処理を実行し、蓄電器の充電率が充電率判定値以上のときに蓄電器の放電処理を実行するものである。
請求項３の発明は、エネルギ媒体を、油圧式として構成された作業装置を駆動すべく作業装置に供給される作動油とし、収容容器を、作動油を貯留する作動油タンクまたは作動油を案内する油圧配管としたものである。
請求項４の発明は、エネルギ媒体を蓄電器とし、収容容器を、蓄電器を収容する蓄電器室としたものである。

以上説明したように請求項１の発明のハイブリッド型作業機械によれば、低温環境で作業を開始する際に、蓄電器の充放電を繰り返して昇温する暖機制御を実行すると共に、このときの蓄電器の放電電力を加熱手段に供給して作業装置を駆動するためのエネルギ媒体を昇温するようにした。このように蓄電器の放電電力を加熱手段で消費するため、エンジンは負荷を軽減されることなく迅速に暖機完了し、しかも加熱手段によりエネルギ媒体の昇温が促進されるため、作業機械の作業を早期に開始することができる。

請求項２の発明のハイブリッド型作業機械によれば、蓄電器の充電率が充電率判定値未満のときに蓄電器の充電処理を実行し、充電率が充電率判定値以上のときに蓄電器の放電処理を実行するようにした。よって、暖機制御中において蓄電器の充電率は常に充電率判定値近傍に保たれ、良好な蓄電器の充電率を保った状態で、暖機制御を完了した後の油圧ショベルの作業を開始することができる。
請求項３の発明のハイブリッド型作業機械によれば、エネルギ媒体を作動油とし、収容容器を作動油タンクとした。よって、加熱手段により作動油の昇温を促進して早期の段階で暖機を完了することができる。
請求項４の発明のハイブリッド型作業機械によれば、エネルギ媒体を蓄電器とし、収容容器を蓄電器室とした。よって、加熱手段により蓄電器の昇温を促進して早期の段階で暖機を完了することができる。

実施形態のハイブリッド型油圧ショベルを示す側面図である。 第１実施形態のハイブリッド型油圧ショベルの電気回路及び油圧回路を示す構成図である。 コントローラが実行する蓄電器暖機ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態のハイブリッド型油圧ショベルの電気回路及び油圧回路を示す構成図である。 油圧配管にヒータを設けた別例を示す構成図である。 第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせた別例を示す構成図である。

［第１実施形態］
以下、本発明をハイブリッド型油圧ショベルに具体化した第１実施形態を説明する。
図１は本実施形態のハイブリッド型油圧ショベルを示す側面図である。
ハイブリッド型油圧ショベル（以下、単に油圧ショベルという）の下部走行体１にはクローラ２が備えられ、クローラ２は図示しない走行用油圧モータにより駆動されて油圧ショベルを走行させる。下部走行体１上には上部旋回体３が設けられ、上部旋回体３は旋回用電動発電機３２（図２に示す）により駆動されて旋回する。上部旋回体３の前部には作業装置４が設けられ、作業装置４はブーム５、アーム６、及びバケット７から構成されている。ブーム５はブームシリンダ５ａにより角度変更され、アーム６はアームシリンダ６ａにより角度変更され、バケット７はバケットシリンダ７ａにより角度変更される。

上部旋回体３のフレーム８上の前部にはオペレータが搭乗する運転室９が設けられ、フレーム８上の運転室９の後側には燃料タンク１０、機械室１１及びカウンタウエイト１２などが設けられている。機械室１１内には、後述するエンジン２１、電動発電機２２、油圧ポンプ２３，２４、蓄電器３０（エネルギ媒体）など、油圧ショベルを作動させるための装置類が収容されている。また、上部旋回体３の旋回中心付近には図示しない旋回装置に電動発電機３２が搭載されている。

図２は第１実施形態のハイブリッド型油圧ショベルの電気回路及び油圧回路を示す構成図である。同図では、油圧配管を細い実線で示し、電力線を太い実線で示し、制御線を破線で示している。
油圧ショベルには、動力源としてエンジン２１及びポンプ用電動発電機２２が搭載され、エンジン２１の出力軸は電動発電機２２のロータを介してメイン油圧ポンプ２３及びパイロット油圧ポンプ２４に接続されている。各油圧ポンプ２３，２４はエンジン２１やポンプ用電動発電機２２により回転駆動されて作動油タンク２５内の作動油を汲み上げて吐出し、メイン油圧ポンプ２３からの作動油はコントロールバルブ２６に供給され、パイロット油圧ポンプ２４からの作動油はパイロットバルブ２７に供給される。

パイロットバルブ２７は運転者の操作に応じて作動油を切り換えてパイロット圧としてコントロールバルブ２６に入力する。コントロールバルブ２６はメイン油圧ポンプから供給される作動油をパイロット圧に応じて切り換えて上記した各油圧シリンダ５ａ，６ａ，７ａ（代表して１つのみ図示）に供給し、その供給状態に応じて各油圧シリンダ５ａ，６ａ，７ａが作動する。
上記ポンプ用電動発電機２２は、直交/交直両用の変換器２８及び昇降両用の変圧器２９を介して蓄電器３０に接続されている。蓄電器３０は繰り返し充放電可能な２次電池であり、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池などが使用される。

ポンプ用電動発電機２２の力行運転時には、蓄電器３０から放電された直流電力が変圧器２９による変圧後に変換器２８で交流電力に変換され、この交流電力の供給を受けてポンプ用電動発電機２２が油圧ポンプ２３，２４を駆動する。また、ポンプ用電動発電機２２はエンジン２１の駆動により発電運転可能であり、この発電運転により発電された交流電力は変換器２８による直流電力への変換後に変圧器２９で変圧されて蓄電器３０に充電される。
また、変圧器２９には、直交/交直両用の変換器３１を介して動力源として旋回用電動発電機３２が接続されている。旋回用電動発電機３２の力行運転時には、蓄電器３０から放電された直流電力が変圧器２９による変圧後に変換器３１で交流電力に変換され、この交流電力の供給を受けて旋回用電動発電機３２が上部旋回体３を旋回させる。また、旋回中の上部旋回体３を停止させる際には旋回用電動発電機３２が回生運転されて制動力を発生させ、この回生運転により発電された交流電力が変換器３１による直流電力への変換後に変圧器２９で変圧されて蓄電器３０に充電される。

エンジン２１、パイロットバルブ２７、変換器２８，３１などの各機器は、油圧ショベルの全体的な制御を司るコントローラ３３に接続されている。例えば油圧ショベルの作業中において、コントローラ３３はエンジン２１を運転して油圧ポンプ２３，２４を駆動させ、これにより運転者の操作に応じた各油圧シリンダ５ａ，６ａ，７ａの作動を可能とする。また、エンジン２１のみでは駆動力が不足する場合、コントローラ３３は変換器２８を駆動制御してポンプ用電動発電機２２を力行運転させ、これによりエンジン２１をアシストする。
また、コントローラ３３はパイロットバルブ２７から運転者による操作情報を常に入力しており、例えば運転者により上部旋回体３の旋回操作が行われたと判断すると、変換器３１を駆動制御してポンプ用電動発電機３２を力行運転させ、これにより運転者の操作方向に上部旋回体３を旋回させる。

ところで、［発明が解決しようとする課題］で述べたようにハイブリッド型油圧ショベルでは、低温環境での作業開始時にエンジン２１の暖機運転を要するばかりでなく、加えて蓄電器３０を昇温する必要がある。このような要請を受けて特許文献１の技術では、蓄電器の充電及び放電を繰り返して内部発熱により蓄電器を昇温する暖機制御を行っているが、放電時の蓄電器の電力により電動発電機を作動させているため、エンジン側の負荷が軽減されて暖機完了、ひいては油圧ショベルによる作業の開始が遅延してしまうという問題がある。
このような点を鑑みて本実施形態では、蓄電器３０の暖機制御中に蓄電器３０から放電される電力をヒータ３４（加熱手段）による蓄電器３０の昇温に活用しており、その詳細を以下に説明する。

図２に示すように、蓄電器３０と共にヒータ３４は密閉した蓄電器室３５（収容容器）内に収容され、蓄電器室３５内の空気を介してヒータ３４の熱が蓄電器３０に伝達されて昇温作用が奏される。なお、蓄電器室３５内に空気以外の気体を封入してもよいし、ヒータ３７を蓄電器室３５の外部に配設して壁面を介してヒータ３４の熱を内部に伝達するようにしてもよく、これらの場合でもヒータ３４による昇温作用は問題なく得られる。
ヒータ３４はヒータスイッチ３６を介して上記した変圧器２９に接続され、ヒータスイッチ３６の接続時には、蓄電器３０からの放電電力が変圧器２９による変圧後にヒータ３４に供給されてヒータ３４を通電させる。ヒータスイッチ３６はコントローラ３３に接続され、コントローラ３３により接続と切断との間で切り換えられる。

コントローラ３３には、蓄電器３０の温度Ｔを検出する温度センサ３７（温度検出手段）が接続されると共に、図示はしないが、蓄電器３０の電圧を検出する電圧センサ及び蓄電器３０の入出力電流を検出する電流センサが接続されている。これらのセンサ類の検出情報に基づき、コントローラ３３は蓄電器３０のＳＯＣ（充電率：State Of Charge）を逐次算出する（充電率算出手段）。

油圧ショベルのイグニションスイッチが接続されると、コントローラ３３はエンジン２１を始動して暖機運転させると共に、図３に示す蓄電器暖機ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。
まず、ステップＳ２で温度センサ３４により検出された蓄電器３０の温度Ｔが予め設定された温度判定値Ｔ0未満であるか否かを判定し、Ｎo（否定）のときには一旦ルーチンを終了する。ステップＳ２の判定がＹes（肯定）のときにはステップＳ４に移行し、現在の蓄電器３０のＳＯＣが予め設定されたＳＯＣ判定値ＳＯＣ0以上であるか否かを判定する。例えばＳＯＣ判定値ＳＯＣ0は、蓄電器３０の充放電効率が比較的よいとされるＳＯＣの制御範囲の中央値（制御範囲３０〜７０％では５０％）に設定される。

ステップＳ４の判定がＹesのときにはステップＳ６に移行してポンプ用電動発電機２３のトルクを０、即ち力行運転も発電運転も行わない状態に制御し、続くステップＳ８でヒータスイッチ３６を接続した後にルーチンを終了する。また、ステップＳ４の判定がＮoのときにはステップＳ１０に移行してヒータスイッチ３６を切断し、続くステップＳ１２でエンジン２１の駆動によりポンプ用電動発電機２２を発電運転させた後にルーチンを終了する。

従って、低温環境で油圧ショベルの作動を開始すると、蓄電器３０のＳＯＣがＳＯＣ判定値ＳＯＣ0以上のときには、ステップＳ６，８の処理によりポンプ用電動発電機２２のトルクを０にした上でヒータ３４が通電されるため、蓄電器３０は次第に放電してＳＯＣを低下させる。これによりＳＯＣがＳＯＣ判定値ＳＯＣ0未満になると、ステップＳ１０，１２の処理によりヒータ３４の通電を中止した上でポンプ用電動発電機２２を発電運転させるため、蓄電器３０は次第に充電されてＳＯＣを上昇させる。蓄電器３０のＳＯＣがＳＯＣ判定値ＳＯＣ0を横切る度に蓄電器３０の充放電が交互に繰り返され、蓄電器３０は内部発熱を生じて昇温する。
そして、蓄電器３０の放電時にはヒータ３４が通電され、発生した熱が蓄電器室３５内の空気を介して蓄電器３０に伝達される。結果として蓄電器３０の昇温が促進され、早期の段階で蓄電器３０の暖機が完了して正常な充放電が可能となる。

一方、蓄電器３０の放電時の電力はヒータ３４により消費される。低温環境下ではエンジン２１も暖機運転を必要とするが、特許文献１の技術のように放電電力により電動発電機を作動させていないため、エンジン２１は負荷を軽減されることなく迅速に暖機完了する。よって、上記した蓄電器３０の昇温促進と相俟って、油圧ショベルの作業を早期に開始することができる。
また本実施形態では、蓄電器３０の暖機制御中にＳＯＣ判定値ＳＯＣ0を閾値として蓄電器３０の充放電を切り換えている。このため、暖機制御中において蓄電器３０のＳＯＣは常にＳＯＣ判定値ＳＯＣ0近傍に保たれ、良好なＳＯＣを保った状態で、暖機制御を完了した後の油圧ショベルの作業を開始することができる。

ところで、［発明が解決しようとする課題］で述べたように、低温環境で作業を開始する際には、油圧ショベルの作動油を昇温するための暖機制御も必要であるが、油圧シリンダ５ａ，６ａ，７ａや油圧回路中のリリーフバルブなどを強制作動させるだけの従来の暖機制御では、早期に作動油の暖機を完了できなかった。そこで、蓄電器３０の暖機制御時の放電電力を活用して作動油の暖機を促進する対策が考えられ、以下に第２実施形態として説明する。

［第２実施形態］
本実施形態のハイブリッド型油圧ショベルの基本構成は、図１，２に基づき説明した第１実施形態のものと同様であり、相違点はヒータ３４の配置にある。そこで、同一構成の箇所は同一部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。
図４は第２実施形態のハイブリッド型油圧ショベルの電気回路及び油圧回路を示す構成図である。
本実施形態のヒータ３４は、作動油（エネルギ媒体）が貯留された作動油タンク２５（収容容器）の下面に接触するように配置されており、下面を介してヒータ３４の熱が作動油に伝達されて昇温作用が奏される。なお、ヒータ３４の配置状態はこれに限ることはなく、例えばヒータ３４を作動油タンク２５内に配設してもよく、この場合でもヒータ３４による昇温作用は問題なく得られる。

コントローラ３３が実行する蓄電器暖機ルーチンについても、図３に基づき説明した第１実施形態の処理内容と同様である。よって、低温環境での作業開始時には、蓄電器３０のＳＯＣに応じて充放電が繰り返され、内部発熱により蓄電器３０が昇温する。
そして、蓄電器３０の放電時にはヒータ３４が通電され、ヒータ３４の熱が作動油タンク２５の下面を介して内部の作動油に伝達される。結果として作動油の昇温が促進され、早期の段階で作動油の暖機が完了する。また、蓄電器３０の放電時の電力がヒータ３４により消費されるため、エンジン２１の暖機運転を遅延させる要因にはならず、エンジン２１は負荷を軽減されることなく迅速に暖機完了する。よって、油圧ショベルの作業を早期に開始することができる。

なお、本実施形態では作動油を貯留する作動油タンク２５にヒータ３４を配設したが、これに限ることはない。例えば図５に示すように、メイン油圧ポンプ２３とコントロールバルブ２６とを接続する油圧配管３８、及びパイロット油圧ポンプ２４とパイロットバルブ２７とを接続する油圧配管３８にヒータ３４をそれぞれ設けてもよい。この場合には油圧配管３８の内部を流通する作動油がヒータ３４の熱により昇温されるため、実施形態と同様の作用効果が得られる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態ではハイブリッド型油圧ショベルとして具体化したが、動力源としてエンジンと共に電動発電機を備えたハイブリッド型の作業機械であれば、その種別は上記に限定されるものではない。よって、例えばハイブリッド型のホイールローダやクローラキャリアなどに適用してもよい。
また、上記第１実施形態では蓄電器室３５内にヒータ３４を収容して蓄電器３０を昇温し、第２実施形態では作動油タンク２５の下面にヒータ３４を配置して作動油を昇温したが、これらを組み合わせてもよい。具体的には図６に示すように、蓄電器室３５内にヒータ３４を収容すると共に、作動油タンク２５の下面にヒータ３４を配置すればよい。言うまでもないが、作動油タンク２５の下面に代えて油圧配管３８にヒータ３４を設けてもよい。

４ 作業装置
２１ エンジン
２２ 電動発電機
２５ 作動油タンク（収容容器）
３０ 蓄電器（エネルギ媒体）
３３ コントローラ（暖機制御手段、充電率算出手段）
３４ ヒータ（加熱手段）
３５ 蓄電器室（収容容器）
３７ 温度センサ（温度検出手段）
３８ 油圧配管（収容容器）

Claims (4)

1. 動力源としてエンジンと電動発電機とを備え、作業装置の駆動のために上記エンジンのアシストを要するときに蓄電器からの電力により上記電動発電機を力行運転させる一方、上記蓄電器の充電を要するときに上記エンジンの駆動により上記電動発電機を発電運転させるように構成され、低温環境で作業を開始する際には上記エンジンを始動して暖機運転させながら、該エンジンの駆動により上記電動発電機が発電した電力を上記蓄電器に充電する処理と該蓄電器の電力を放電させる処理とを交互に繰り返す暖機制御を暖機制御手段により実行して該蓄電器を昇温するハイブリッド型作業機械において、
   上記作業装置を駆動するためのエネルギ媒体を収容する収容容器に加熱手段を付設し、
   上記暖機制御手段は、上記暖機制御による上記蓄電器の放電電力を上記加熱手段に供給して該加熱手段により上記エネルギ媒体を昇温することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
2. 上記蓄電器の温度を検出する温度検出手段と、
   上記蓄電器の充電率を算出する充電率算出手段とを備え、
   上記暖機制御手段は、上記温度検出手段により検出された蓄電器の温度が予め設定された温度判定値未満であると判定したときに上記暖機制御を開始し、該暖機制御中において、上記充電率算出手段により検出された蓄電器の充電率が予め設定された充電率判定値未満のときに該蓄電器の充電処理を実行し、上記蓄電器の充電率が上記充電率判定値以上のときに該蓄電器の放電処理を実行することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
3. 上記エネルギ媒体は、油圧式として構成された上記作業装置を駆動すべく該作業装置に供給される作動油であり、
   上記収容容器は、上記作動油を貯留する作動油タンクまたは作動油を案内する油圧配管であることを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド型作業機械。
4. 上記エネルギ媒体は、上記蓄電器であり、
   上記収容容器は、上記蓄電器を収容する蓄電器室であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のハイブリッド型作業機械。

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