JP2015063147A - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】回生抵抗の追加や蓄電装置の大型化を回避しながら、アクチュエータ回生電力による蓄電装置の過充電を防止する。【解決手段】蓄電装置１２の充電率が設定値以上の範囲で旋回／ブーム下げの複合操作があったときに、発電電動機１０の発電機作用を停止させるとともに、ブームシリンダ６におけるブーム下げ操作時の戻り側に設けた回生回路２４の流量を流量調整弁２９により調整してブーム下げ回生電力を制限し、このブーム下げ回生電力による過充電を防止するとともに旋回ブレーキ性能を確保するようにした。【選択図】図１

Description

本発明はブームシリンダ等の油圧アクチュエータの戻り油によって回生作用を行うハイブリッド建設機械に関するものである。
ショベルを例にとって背景技術を説明する。
ショベルは、図７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が地面に対して鉛直となる軸Ｏのまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２にブーム３、アーム４、バケット５及びブーム用、アーム用、バケット用各シリンダ６，７，８を備えた作業用のアタッチメントＡが装着されて構成される。
また、下部走行体１は走行用油圧モータを駆動源とする走行駆動装置によって、上部旋回体２は旋回電動機を駆動源とする旋回駆動装置によって(いずれも図示しない)それぞれ駆動される。
ハイブリッドショベルにおいては、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装置が充電される一方、適時、この蓄電装置の蓄電力により発電電動機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用によりエンジンをアシストするように構成される。
また、ハイブリッドショベルにおいて、油圧アクチュエータの戻り油、たとえばブーム下げ操作時のブームシリンダ６からの戻り油のエネルギーによって回生作用を行い、発生した回生電力を蓄電装置に充電する構成が公知である(特許文献１参照)。
また、特許文献１には、ブーム下げ回生作用に加えて旋回回生作用を行う構成、すなわち、旋回制動時に、旋回駆動源としての旋回電動機の回生電力によって蓄電装置に充電するとともに回生ブレーキ力を発揮させる構成が示されている。
なお、旋回駆動源として油圧モータを用い、この油圧モータに発電機を接続して同様の旋回回生作用を行う構成をとるものも公知である(特許文献２参照)。
特開２００６−３３６３０６号公報 特開２００９−１２７６４３号公報
上記公知技術において、蓄電装置の充電率が高い状態でアクチュエータ回生作用が行われると、蓄電装置が適正充電率を超えて過充電となり、故障したり寿命が縮められたりする可能性がある。
とくに、ブーム下げ操作時にはブームシリンダ６からの大流量の戻り油によって大きな回生電力(ブーム下げ回生電力)が発生するため、過充電の可能性が高くなる。
また、旋回回生作用とブーム下げ回生作用の両方を行う構成をとる場合、両回生作用が同時に行われる旋回／ブーム下げの複合操作時に、過充電の可能性がさらに高くなるだけでなく、旋回エネルギーを回生し切れずに旋回ブレーキ性能が低下するおそれがある。
対策として、回生抵抗を設け、回生動力の不要分を回生抵抗で消費させることが考えられる。
しかし、こうすると、発生させた回生電力を熱として捨てるためエネルギーロスとなるとともに、比較的大きな回生抵抗とその制御装置、さらには回生抵抗で発生する熱を処理するための設備を追加しなければならないことから、とくにスペースの制限が厳しいショベルにおいて機器レイアウトが困難となり、かつ、大幅なコストアップとなる。
また、別の策として蓄電装置の大容量化(大型化)が考えられるが、コスト、設置スペース等の面でさらに不利となる。
そこで本発明は、回生抵抗の追加や蓄電装置の大型化を回避しながら、アクチュエータ回生電力による蓄電装置の過充電を防止することができるハイブリッド建設機械を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明においては、エンジンと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機と、上記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプを油圧源として作動する油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータからの戻り油により回生作用を行ってアクチュエータ回生電力を発生するアクチュエータ回生手段と、蓄電装置と、制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記発電電動機の発電力及び上記アクチュエータ回生手段のアクチュエータ回生電力によって上記蓄電装置に充電する一方、この蓄電装置の蓄電力により上記発電電動機に電動機作用を行わせて上記エンジンをアシストするように構成されたハイブリッド建設機械において、上記蓄電装置の充電率を検出する充電率検出手段を備え、上記制御手段は、上記蓄電装置の充電率が、それ以上の充電を制限すべき値として予め設定された充電率設定値以上となったときに、上記発電電動機の発電機作用を停止させるとともに、上記アクチュエータ回生手段によるアクチュエータ回生電力を制限する回生制御を行うように構成したものである。
この構成によれば、充電率が充電率設定値以上となったときに、発電電動機の発電機作用を停止させるとともに、アクチュエータ回生電力を制限するため、蓄電装置の過充電を防止することができる。
また、過充電が起こらないように蓄電装置を大容量化大型化)したり、回生抵抗を追加したりする必要がない。
さらに、過充電の可能性がある状態でのみアクチュエータ回生電力を制限し、それ以外は制限しないため、適正な充電作用と過充電防止を両立させることができる。
本発明において、上記油圧アクチュエータの戻り側に接続された回生回路と、上記油圧アクチュエータからの戻り油によって回転駆動される状態で上記回生回路に設けられた回生モータと、上記回生回路を通る戻り油の流量である回生流量を調整する流量調整弁と、上記回生モータにより駆動されて発電作用を行う回生発電機とによって上記アクチュエータ回生手段を構成し、上記制御手段は、上記回生制御として上記流量調整弁を制御するように構成するのが望ましい(請求項２〜５)。
この構成によれば、戻り油の流量調整によってアクチュエータ回生電力量を調整できるため、たとえば戻り油調整を行わずに全アクチュエータ回生電力のうち充電に回す電力量を電気的に制御する場合と比べて制御が容易で設備コストが安くてすむ。
ところで、ハイブリッドショベルにおいては、前記のようにブーム下げ操作時に大流量の戻り油によって大きな回生電力が発生するため、過充電に至る可能性が高い。
そこで、下部走行体上に上部旋回体を旋回自在に搭載するとともに、上記上部旋回体に、上記油圧アクチュエータとしてのブームシリンダによって作動するブームを備えた作業用のアタッチメントを取付けたハイブリッド建設機械において、上記ブームシリンダにおけるブーム下げ操作時の戻り側に上記回生回路を設け、上記制御手段は、ブーム下げ操作時に発生する上記アクチュエータ回生電力としてのブーム下げ回生電力について回生制御を行うように構成するのが望ましい(請求項３〜５)。
こうすれば、高い過充電防止効果を得ることができる。
また、旋回とブーム下げの複合操作時には総回生電力が高くなるため、過充電が発生し易い。しかも、回生電力を十分取り込めないと、旋回エネルギーを回生できなくなって旋回ブレーキ力が不足し、正常な旋回制動機能が行われなくなる。
そこで、上記上部旋回体を旋回駆動する旋回駆動装置を備え、この旋回駆動装置は、旋回制動時に回生作用を行い、この回生作用によって発生した旋回回生電力を上記蓄電装置に充電するとともに旋回ブレーキ作用を発揮するように構成し、上記制御手段は、上記旋回回生電力と、上記ブーム下げ回生電力の双方が上記蓄電装置に充電される旋回／ブーム下げの複合操作時に上記回生制御を行うように構成するのが望ましい(請求項４)。
このように、旋回／ブーム下げの複合操作時に回生制御を行うことにより、過充電防止の実効が高いとともに旋回制動機能を確保することができる。
この場合、上記制御手段は、上記検出されるバッテリ充電率から、上記蓄電装置に充電可能な許容回生電力を求めるとともに、この許容回生電力と上記旋回回生電力とから、充電可能な許容ブーム下げ回生電力を求め、この許容ブーム下げ回生電力が得られるように上記回生制御を行うように構成するのが望ましい(請求項５)
こうすれば、総回生電力が許容回生電力を超えるおそれがないため、過充電防止と旋回制動機能の確保の両立がより確実となる。
本発明によると、回生抵抗の追加や蓄電装置の大型化を回避しながら、アクチュエータ回生電力による蓄電装置の過充電を防止することができる
本発明の実施形態を示すシステム構成図である。 実施形態における蓄電装置の充電率と許容総回生電力の関係を示す図である。 同、旋回速度と旋回回生電力の関係を示す図である。 同、許容総回生電力と許容ブーム下げ回生電力の関係を示す図である。 同、許容ブーム下げ回生電力と許容ブーム下げ回生流量の関係を示す図である。 実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。 本発明の適用対象となるハイブリッドショベルの概略側面図である。
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。
図１は実施形態のシステム構成を示す。
図１において、動力系の回路を太い実線、信号系の回路を破線、油圧回路を普通の実線でそれぞれ示している。
図示のようにエンジン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とがタンデム(パラレルでもよい)に接続され、これらがエンジン９によって駆動される。
発電電動機１０には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の電源としての蓄電装置１２が接続され、基本的作用として、制御手段１３からの制御信号により蓄電装置１２の充電率に応じた放電作用、発電電動機１０の発電機作用と電動機作用の切換え等が行われる。
すなわち、蓄電装置１２の充電率が低下すれば発電電動機１０が発電機作用を行い、発生した電力が蓄電装置１２に送られて充電される一方、適時、この蓄電装置１２の電力により発電電動機１０が電動機作用を行ってエンジン９をアシストする。
また、蓄電装置１２に旋回駆動源としての旋回電動機１４が接続され、蓄電装置１２の蓄電力によって旋回電動機１４が回転駆動されるとともに、旋回制動時に旋回電動機１４が発電機作用を行い、発生した電力が蓄電装置１２に充電される。
制御手段１３は、コントローラ１５と、発電電動機１０の運転を制御する発電電動機インバータ１６と、旋回駆動装置の駆動源としての旋回電動機１４の運転を制御する旋回電動機インバータ１７と、後述するブーム下げ回生用の発電機の運転を制御する発電機インバータ１８とによって構成される。
また、検出手段として、蓄電装置１２の充電率を検出する充電率検出手段１９と、旋回速度(旋回電動機１４の回転速度)を検出する旋回速度センサ２０が設けられ、これらによって検出された充電率と旋回速度がコントローラ１５に送られる。
さらに、旋回操作レバー(旋回用リモコン弁のレバー)２１の操作によって発生する旋回操作信号、及びブーム操作レバー(ブーム用リモコン弁のレバー)２２のブーム下げ操作によって発生するブーム下げ操作信号がコントローラ１５に送られる。
一方、油圧ポンプ１１には、ブーム操作レバー２２によって操作される油圧パイロット式のコントロールバルブ２３を介してブームシリンダ６が接続され、ポンプ吐出油によってブームシリンダ６が伸縮駆動される。
なお、他の油圧アクチュエータ(図７のアタッチメントＡを構成するアーム、バケット両シリンダ７，８、走行用油圧モータ等)と、そのコントロールバルブ及び操作レバーはここでは図示省略している。
ブームシリンダ６には、アタッチメント自重によって常にブーム下げ(シリンダ縮小)方向の荷重が作用するため、伸び側油室６ａ(６ｂは縮み側油室)に常に圧力が立ち、ブーム下げ操作時に同油室６ａから出る油は一定のエネルギーを持っている。
そこで、このブーム下げ操作時のシリンダ伸び側油室６ａからの戻り油を用いたアクチュエータ回生手段として、伸び側油室６ａにタンクＴに通じる回生回路２４が接続され、この回生回路２４に戻り油によって回転駆動される回生モータ(油圧モータ)２５が設けられている。
回生モータ２５には回生発電機２６が接続され、回生モータ２５によりこの回生発電機２６が駆動されて発電作用を行い、発生した電力が蓄電装置１２に充電される。２７は回生回路２４に設けられた逆流阻止用のチェック弁である。
また、回生回路２４に対して並列にバイパス回路２８が接続され、このバイパス回路２８に流量調整弁２９が設けられている。
この流量調整弁２９は、コントローラ１５からの信号によって制御される電磁弁として構成され、バイパス回路２８をブロックするブロック位置イと、バイパス回路２８を開く開き位置ロの間で作動してバイパス流量を調整する。
この流量調整弁２９の流量調整作用により、回生回路２４を通過する流量、すなわち回生モータ２５の回転速度(＝回生発電機２６の発電量)が調整される。
コントロールバルブ２３は、中立、ブーム下げ、ブーム上げの各位置ａ，ｂ，ｃを有し、ブーム操作レバー２２のブーム下げ操作時にこのコントロールバルブ２３がブーム下げ位置ｂに切換わる。
このブーム下げ位置ｂでは、ブームシリンダ６の伸び側油室６ａからの戻り油がブロックされ、戻り油全量が回生油として回生回路２４またはバイパス回路２８に流れる。
以上のように、蓄電装置１２は、発電電動機１０の発電機作用によって発生した電力(以下、基本発電力という)によって充電されるほか、旋回制動時の旋回電動機１４の回生電力(旋回回生電力)、及びブーム下げ操作時の回生発電機２６の電力(ブーム下げ回生電力)によっても充電される。
コントローラ１５は、上記構成を前提として、入力される蓄電装置充電率、旋回速度、旋回操作信号、ブーム下げ操作信号に基づき、次のような制御を行う。
(ｉ) 充電率が安全範囲にあるとき
図２は蓄電装置１２の充電率αと、許容総回生電力Ｅ(充電可能な総回生電力＝旋回回生電力ブーム下げ回生電力)の関係を示し、充電率αが、それ以上の充電を制限すべき値として予め設定された充電率設定値αｓ未満の、過充電のおそれのない安全範囲にあるときは、各インバータ１６〜１８を通じて、基本発電力に加えて、旋回回生、ブーム下げ回生両電力の蓄電装置１２への充電を無制限に許容する。すなわち、通常制御が行われる。
(ｉｉ) 充電率が充電率設定値αｓ以上となったとき
この状況では、蓄電装置１２への無制限の充電を許容すると過充電の可能性がある。
とくに旋回／ブーム下げの複合操作時に、前記のように総回生電力が高くなるため、過充電の可能性が高くなるだけでなく、旋回回生ブレーキ性能が低下するおそれがある。
そこで、発電電動機１０の発電機作用を停止させる一方、許容総回生電力を充電率αの増加に応じて減らすべく、ブーム下げ回生電力を制限する回生制御を行う。
図３は旋回速度と旋回回生電力Ｅ１の関係を示し、旋回速度の上昇に比例して旋回回生電力Ｅ１が増加する。
図４は許容総回生電力Ｅと許容ブーム下げ回生電力Ｅ２の関係を示し、許容総回生電力Ｅの減少に比例して許容ブーム下げ回生電力Ｅ２を低下させる回生制御を行う。
具体的には、図５に示すように許容ブーム下げ回生電力Ｅ２の低下に比例して許容ブーム下げ回生流量が減少して回生発電機２６の発電量が減少するように、流量調整弁２９の開度、すなわち回生回路２４のブーム下げ流量を調整する。
この回生制御により、旋回／ブーム下げ複合操作時のブーム下げ回生電力を減らして過充電を防止するとともに、旋回回生作用を確保して旋回ブレーキ性能を確保することができる。
上記作用を図６のフローチャートによってまとめて説明する。
制御開始とともにステップＳ１で旋回制動時か否か、ステップＳ２でブーム下げ操作されたか否か、つまり旋回／ブーム下げの複合操作時か否かが判断され、ＹＥＳ(複合操作時)となると、ステップＳ３で蓄電装置１２の充電率αが充電率設定値αｓ未満か以上かが判断される。
なお、ステップＳ１の旋回制動時か否かの判断は、旋回操作信号と旋回速度の変化に基づいて行うことができる。
ステップＳ３でＹＥＳ(充電率α≧充電率設定値αｓ)となると、ステップＳ４で発電電動機１０の発電機作用を停止させるとともに、ステップＳ５で許容総回生電力Ｅ、旋回回生電力Ｅ１及び許容ブーム下げ回生電力Ｅ２が演算される。
この演算結果に基づき、続くステップＳ６で、ブーム下げによって発生する電力が許容ブーム下げ回生電力Ｅ２となるように許容回生流量が演算され、流量調整弁２９に開度指令として送られた後、ステップＳ１に戻る。
なお、ステップＳ１〜Ｓ３でＮＯの場合はそのままステップＳ１に戻る。
このハイブリッドショベルによると、次の効果を得ることができる。
(Ｉ) 充電率αが充電率設定値αｓ以上となったときに、発電電動機１０の発電機作用を停止させるとともに、ブーム下げ回生電力を制限するため、蓄電装置１２の過充電を防止することができる。
(ＩＩ) 過充電が起こらないように蓄電装置１２を大容量化大型化)したり、回生抵抗を追加したりする必要がない。
(ＩＩＩ) 大流量の戻り油によって大きな回生電力が発生するブーム下げ操作時に回生制御を行うため、過充電防止効果が高くなる。
(ＩＶ) 過充電の可能性がある状態でのみブーム下げ回生電力を制限し、それ以外は制限しないため、適正な充電作用と過充電防止を両立させることができる。
(Ｖ) ブーム下げ操作時のブームシリンダ６の戻り油の流量調整によってブーム下げ回生電力量を調整できるため、戻り油調整を行わずに全ブーム下げ回生電力のうち充電に回す電力量を電気的に制御する場合と比べて制御が容易で設備コストが安くてすむ。
(ＶＩ) 総回生電力が高く、かつ、旋回ブレーキ性能に影響を与える旋回／ブーム下げ複合操作時に回生制御を行うため、過充電防止の実効が高いとともに旋回制動機能を確保することができる。
(ＶＩＩ) 検出されるバッテリ充電率αから、蓄電装置１２に充電可能な許容総回生電力Ｅを求めるとともに、この許容総回生電力Ｅと旋回回生電力Ｅ１とから、充電可能な許容ブーム下げ回生電力Ｅ２を求め、この許容ブーム下げ回生電力Ｅ２が得られるように制御するため、総回生電力が許容回総生電力Ｅを超えるおそれがない。このため、過充電防止と旋回制動機能の確保の両立がより確実となる。
他の実施形態
(１) 上記実施形態では、過充電防止のために効果的な回生制御としてブーム下げ回生電力を制限する構成をとったが、ブーム下げに代えて、あるいは加えて、他の油圧アクチュエータについて回生作用を行う構成をとるハイブリッドショベルにおいて、上記他のアクチュエータ回生電力について、あるいはブーム下げ回生電力と他のアクチュエータ回生電力の双方について回生制御を行うようにしてもよい。
(２) 本発明は、上記実施形態のように旋回／ブーム下げの複合操作時に回生制御を行う構成をとると最も効果的であるが、ブーム下げ単独操作時にも回生制御を行う構成をとってもよい。
(３) 上記実施形態では、 回生制御時に発電電動機１０の発電機作用を停止させるだけとしたが、発電機作用から電動機作用に切換えてエンジンアシスト作用を実行するようにしてもよい。
(４) 本発明はショベルに限らず、ショベルを母体として構成される解体機や破砕機等の他の建設機械にも上記同様に適用することができる。
１ 下部走行体
２ 上部旋回体
Ａ アタッチメント
３ ブーム
４ アーム
５ バケット
６ ブームシリンダ
９ エンジン
１０ 発電電動機
１１ 油圧ポンプ
１２ 蓄電装置
１３ 制御手段
１４ 旋回電動機
１５ 制御手段を構成するコントローラ
１６ 同、発電電動機インバータ
１７ 同、旋回電動機インバータ
１８ 同、発電機インバータ
１９ 充電率検出手段
２０ 旋回速度センサ
２１ 旋回操作レバー
２２ ブーム操作レバー
２３ コントロールバルブ
２４ 回生回路
２５ 回生モータ
２６ 回生発電機
２８ バイパス回路
２９ 流量調整弁

Claims (5)

  1. エンジンと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機と、上記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプを油圧源として作動する油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータからの戻り油により回生作用を行ってアクチュエータ回生電力を発生するアクチュエータ回生手段と、蓄電装置と、制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記発電電動機の発電力及び上記アクチュエータ回生手段のアクチュエータ回生電力によって上記蓄電装置に充電する一方、この蓄電装置の蓄電力により上記発電電動機に電動機作用を行わせて上記エンジンをアシストするように構成されたハイブリッド建設機械において、上記蓄電装置の充電率を検出する充電率検出手段を備え、上記制御手段は、上記蓄電装置の充電率が、それ以上の充電を制限すべき値として予め設定された充電率設定値以上となったときに、上記発電電動機の発電機作用を停止させるとともに、上記アクチュエータ回生手段によるアクチュエータ回生電力を制限する回生制御を行うように構成したことを特徴とするハイブリッド建設機械
  2. 上記油圧アクチュエータの戻り側に接続された回生回路と、上記油圧アクチュエータからの戻り油によって回転駆動される状態で上記回生回路に設けられた回生モータと、上記回生回路を通る戻り油の流量である回生流量を調整する流量調整弁と、上記回生モータにより駆動されて発電作用を行う回生発電機とによって上記アクチュエータ回生手段を構成し、上記制御手段は、上記回生制御として上記流量調整弁を制御するように構成したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械。
  3. 下部走行体上に上部旋回体を旋回自在に搭載するとともに、上記上部旋回体に、上記油圧アクチュエータとしてのブームシリンダによって作動するブームを備えた作業用のアタッチメントを取付けたハイブリッド建設機械において、上記ブームシリンダにおけるブーム下げ操作時の戻り側に上記回生回路を設け、上記制御手段は、ブーム下げ操作時に発生する上記アクチュエータ回生電力としてのブーム下げ回生電力について回生制御を行うように構成したことを特徴とする請求項２記載のハイブリッド建設機械。
  4. 上記上部旋回体を旋回駆動する旋回駆動装置を備え、この旋回駆動装置は、旋回制動時に回生作用を行い、この回生作用によって発生した旋回回生電力を上記蓄電装置に充電するとともに旋回ブレーキ作用を発揮するように構成し、上記制御手段は、上記旋回回生電力と、上記ブーム下げ回生電力の双方が上記蓄電装置に充電される旋回／ブーム下げの複合操作時に上記回生制御を行うように構成したことを特徴とする請求項３記載のハイブリッド建設機械。
  5. 上記制御手段は、上記検出されるバッテリ充電率から、上記蓄電装置に充電可能な許容総回生電力を求めるとともに、この許容総回生電力と上記旋回回生電力とから、充電可能な許容ブーム下げ回生電力を求め、この許容ブーム下げ回生電力が得られるように上記回生制御を行うように構成したことを特徴とする請求項４記載のハイブリッド建設機械。
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