JP2015198495A - ショベル - Google Patents

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誠 柳澤
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Abstract

【課題】エンジン及び蓄電器の暖機を効率的に実行することができ、省燃費及び低騒音に優れたショベルを提供すること。
【解決手段】作業要素を備えた上部旋回体と、該上部旋回体に搭載された電動発電機と、 該電動発電機にそれぞれ電気的に接続された二つの蓄電器と、制御装置と、を備え、該制御装置は、暖機運転時において、前記二つの蓄電器の一方の蓄電器と他方の蓄電器との間で充電と放電を繰り返すことによって暖機する。
【選択図】図3

Description

本開示は、蓄電器に蓄積された電力によって駆動される電動発電機を備えるショベルに関する。
近年、ショベルのハイブリッド化の開発が進められている。このようなショベルは、内燃機関等のエンジンと、電動発電機と、蓄電器とを含む。エンジンが電動発電機を駆動することにより、電動発電機が発電を行う。発電された電力は蓄電器に充電される。蓄電器の放電電力によって電動発電機が駆動されることにより、電動発電機がエンジンをアシストする。
ところで、寒冷地でショベルの運転を行う場合には、エンジンの暖機運転が必要になる。暖機運転が必要となるような低温環境下では、蓄電器の内部抵抗が大きくなる。内部抵抗が大きな状態で、蓄電器に定格値の充電電流を供給すると、端子間電圧が過大になり、制御不能となる場合がある。制御不能な状況の発生を防止するために、蓄電器を定格値の充放電電流で動作させる前に温めておくことが好ましい。
そこで、蓄電器を充放電させることにより蓄電器を暖める技術が開示されている(特許文献1参照)。上記蓄電器を暖める技術では、電動発電機によるアシスト動作と発電動作を交互に繰り返し内部発熱を生じさせ蓄電器の暖機を行っている。
特許第5356416号公報
しかしながら、上記構成のショベルだと以下のような問題が生じる。すなわち、電動発電機と蓄電器との間で、充放電を繰り返すことによって暖機を行うため、エンジンが電動発電機によってアシストされる。そのため、エンジンの発熱量が小さくなり暖機に時間を要するとともに、エネルギが無駄に消費されることになる。さらに、アシスト動作と発電動作が繰り返されることにより、エンジン及び発電機の騒音が大きくなる。
上述に鑑み、エンジン及び蓄電器の暖機を効率的に実行することができ、省燃費及び低騒音に優れたショベルを提供することが望ましい。
本開示の一局面によれば、作業要素を備えた上部旋回体と、該上部旋回体に搭載された電動発電機と、該電動発電機にそれぞれ電気的に接続された二つの蓄電器と、制御装置と、を備え、該制御装置は、暖機運転時において、前記二つの蓄電器の一方の蓄電器と他方の蓄電器との間で充電と放電を繰り返すことによって暖機する、ショベルが提供される。
本開示によれば、エンジン及び蓄電器の暖機を効率的に実行することができ、省燃費及び低騒音に優れたショベルを提供することができる。
ショベルの側面図である。 駆動系の構成例を示すブロック図である。 蓄電系の構成例を示すブロック図である。 図1に示すショベルの暖機時の運転を説明するブロック図である。 図1に示すショベルの通常時の運転を説明するブロック図である。 本実施形態に係るショベルの駆動系及び蓄電系を流れる電流の検出値を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら実施例について詳細に説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
まず、本発明の一実施形態に係るショベルの全体構成について説明する。
図1は、本発明が適用されるショベルを示す側面図である。ショベルの下部走行体1には、旋回機構2を介して上部旋回体3が搭載されている。上部旋回体3には、ブーム4が取り付けられている。ブーム4の先端にはアーム5が取り付けられ、アーム5の先端にはバケット6が取り付けられている。ブーム4、アーム5、及びバケット6は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成し、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9(作業要素の一つ)によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体3には、キャビン10が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。
図2は、図1に示すショベルの駆動系の構成を表すブロック図である。図2において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細い実線でそれぞれ示されている。
機械式駆動部としてのエンジン11と、アシスト駆動部としての電動発電機12は、ともに変速機13の入力軸に接続されている。変速機13の出力軸には、メインポンプ14及びパイロットポンプ15が接続されている。メインポンプ14には、高圧油圧ライン16を介してコントロールバルブ17が接続されている。ここで、変速機を用いず、エンジン11と電動発電機12とを直接接続するようにしてもよい。
コントロールバルブ17は、油圧系の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ17には、下部走行体1用の油圧モータ1A(右用)及び1B(左用)、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9が高圧油圧ラインを介して接続される。
電動発電機12には、第1インバータ18を介して蓄電器を含む蓄電系120が接続されている。蓄電系120には、第2インバータ20を介して旋回用電動機21が接続されている。旋回用電動機21の回転軸21Aには、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、及び旋回変速機24が接続される。パイロットポンプ15には、パイロットライン25を介して操作装置26が接続される。操作装置26には、油圧ライン27及び28を介して、コントロールバルブ17及びレバー操作検出部としての圧力センサ29がそれぞれ接続される。圧力センサ29は、電気系の駆動制御を行うコントローラ30に接続されている。
以上の構成を有するショベルは、エンジン11、電動発電機12、及び旋回用電動機21を動力源とする建設機械である。これらの動力源は、図1に示す上部旋回体3に搭載される。以下、各部について説明する。
エンジン11は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は変速機13の一方の入力軸に接続される。エンジン11は、ショベルの運転中は常時運転される。
電動発電機12は、力行運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよい。すなわち、電動発電機12は発電機兼電動機である。ここでは、電動発電機12として、第1インバータ18によって駆動される電動発電機を示す。この電動発電機12は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnet)モータで構成することができる。電動発電機12の回転軸は変速機13の他方の入力軸に接続される。なお、本実施形態では力行運転及び発電運転の双方が可能な電動発電機12を用いているが、力行運転を行なう電動機と発電運転を行なう発電機とを変速機13を介してエンジン11に接続することとしてもよい。
変速機13は、2つの入力軸と1つの出力軸を有する。2つの入力軸には、エンジン11の駆動軸と電動発電機12の駆動軸がそれぞれ接続される。また、出力軸にはメインポンプ14の駆動軸が接続される。電動発電機12の力行運転と発電運転の切り替えは、コントローラ30により、エンジン11の負荷等に応じて行われる。
メインポンプ14は、コントロールバルブ17に供給するための油圧を発生する油圧ポンプである。メインポンプ14で発生した油圧は、コントロールバルブ17を介して油圧モータ1A、1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9の各々を駆動するために供給される。パイロットポンプ15は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。
コントロールバルブ17は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体1用の油圧モータ1A、1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9の各々に供給する油圧をオペレータの操作入力に応じて制御する。コントロールバルブ17は、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。
第1インバータ18は、上述の如く電動発電機12と蓄電系120との間に設けられ、コントローラ30からの指令に基づき、電動発電機12の運転制御を行う。これにより、第1インバータ18が電動発電機12の力行を運転制御している場合には、必要な電力を蓄電系120から電動発電機12に供給する。また、電動発電機12の発電運転を制御している場合には、電動発電機12により発電された電力を蓄電系120に供給する。
蓄電器を含む蓄電系120は、第1インバータ18と第2インバータ20との間に配設されている。蓄電系120は、電動発電機12と旋回用電動機21の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている場合に、力行運転に必要な電力を供給するための電源である。また、蓄電系120は、少なくともどちらか一方が発電運転又は回生運転を行っている場合には、発電運転又は回生運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積するための電源である。本実施形態においては、2個の蓄電系120A、120Bが備えられている。詳細は後述する。
図3は、蓄電系120の内部の詳細図である。本実施形態では、2個の蓄電系120A、120Bを備える(図2参照)。120Aを第1蓄電系と称し、120Bを第2蓄電系と称する。
2個の蓄電系は、同じ容量である方が制御上好ましい。また、2個の蓄電系は、同じ構造である方が、メンテナンスが容易であり、低コスト化を図ることができるため好ましい。
本実施形態においては、2個の蓄電系は同一構造を有するものとして説明する。
以下では、第1蓄電系120Aについて説明する。第2蓄電系120Bについては説明は省略する。
第1蓄電系120Aは、一定電圧蓄電部としてのDCバス110、蓄電制御部としての第1昇降圧コンバータ100A、及び変動電圧蓄電部としての第1バッテリ19A(一方の蓄電器)により構成される。
第1昇降圧コンバータ100Aは、一方側がDCバス110を介して電動発電機12及び旋回用電動機21に電気的に接続され、他方側が第1バッテリ19Aに電気的に接続されており、DCバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧又は降圧を行う。
電動発電機12が電動(アシスト)運転を行う場合には、第1インバータ18を介して電動発電機12に電力を供給し、DCバス電圧値を昇圧する。一方、電動発電機12が発電運転を行う場合には、発電された電力を第1インバータ18を介して第1蓄電系120Aの第1バッテリ19Aに充電し、DCバス電圧値を降圧する。
旋回用電動機21の力行運転においても上記昇圧動作及び降圧動作を繰り返す。さらに、電動発電機12はエンジン11の負荷状態に応じて運転状態が切り替えられ、旋回用電動機21は上部旋回体3の旋回動作に応じて運転状態が切り替えられる。そのため、電動発電機12及び旋回用電動機21には、いずれかが電動(アシスト)運転又は力行運転を行い、いずれかが発電運転又は回生運転を行う状況が生じうる。
このため、第1昇降圧コンバータ100Aは、電動発電機12及び旋回用電動機21の運転状態に応じて、DCバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。
DCバス110は、第1インバータ18(図2参照)と第1昇降圧コンバータ100Aとの間に配設されており、第1バッテリ19A、電動発電機12、及び旋回用電動機21の間で電力の授受が可能に構成されている。
DCバス電圧検出部111は、DCバス電圧値を検出する。検出されるDCバス電圧値はコントローラ30に入力され、このDCバス電圧値を一定の範囲内に収めるための昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。
バッテリ電圧検出部112は、第1バッテリ19Aの電圧値を検出し、バッテリの充電状態を検出するために用いられる。検出されるバッテリ電圧値はコントローラ30に入力され、コントローラ30は、第1昇降圧コンバータ100Aの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行う。
バッテリ電流検出部113は、第1バッテリ19Aの電流値を検出する。検出されるバッテリ電流値は、第1バッテリ19Aから第1昇降圧コンバータ100Aに流れる電流を正の値とする(第1昇降圧コンバータ100Aから第1バッテリ19Aに流れる電流を負の値とする)。検出されるバッテリ電流値はコントローラ30に入力され、コントローラ30は、第1昇降圧コンバータ100Aの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行う。
続いて、本実施形態に係るショベルの暖機時の運転について説明する。図4は、図1に示すショベルの暖機時の運転を説明するブロック図である。ショベルの駆動系の構成については、上述した通りであるため、説明は省略する。
寒冷地で作業を行う場合は、エンジン及びバッテリを暖機させることによってショベルの暖機運転を行う。暖機を行わない状態でショベルを運転すると、オペレータが意図する特性が得られないことがあるからである。
まず、エンジン11の暖機について説明する。
エンジン11の暖機は、エンジン11を無負荷状態で所定の時間運転する。暖機運転時には、早く暖まるようにエンジン11の回転数を高く設定する。すなわち、エンジン11を始動してから暖機運転をしている間は高い回転数でエンジン11を運転し、エンジン11の温度が迅速に上昇するように制御する。
次にバッテリの暖機について説明する。
バッテリの暖機は、第1バッテリ19A(例えば、一方の蓄電器)と、第2バッテリ19B(例えば、他方の蓄電器)との間で充放電制御を交互に繰り返すことによって行う。すなわち、第1バッテリ19Aへの充電が行われる場合には、第2バッテリ19Bから放電が行われ、第2バッテリ19Bへの充電が行われる場合には、第1バッテリ19Aから放電が行われる。
第1バッテリ19Aは、DCバス110を介して、電動発電機12及び旋回用電動機21と電気的に接続されている。第2バッテリ19Bは、DCバス110を介して、電動発電機12、旋回用電動機21、及び第1バッテリ19Aと電気的に接続されている。
コントローラ30は、蓄電系120の暖機を行う場合は、第1バッテリ19Aと第2バッテリ19Bとの間で充電処理と放電処理とを交互に繰り返す。第1バッテリ19Aと第2バッテリ19Bとの間の充放電に伴う内部抵抗による自己発熱によって第1バッテリ19A及び第2バッテリ19Bを暖機する。
このとき、第1バッテリ19A又は第2バッテリ19Bからの放電電力は、旋回用電動機21や電動発電機12には供給しない。このように、第1バッテリ19Aと第2バッテリ19Bとの間で充電と放電を繰り返し暖機を行うため、旋回用電動機21や電動発電機12と、第1バッテリ19A及び第2バッテリ19Bとの間では、電力の授受が行われない。
本実施形態は以上のように構成されているため、バッテリが1個しか備えられていない場合とは異なり、暖機運転のために、バッテリからの放電電力が、旋回用電動機21や電動発電機12に供給されない。そのため、電動発電機12がアシストモータとして駆動することはない。
したがって、電動発電機12のアシストに伴いエンジン11のトルクが低下し、エンジン11の発熱量が減少することはない。そのため、エンジン11の暖機を効率的に行うことができる。また、エネルギが無駄に消費されることもない。さらに、電動発電機12がアシスト動作と発電動作を繰り返すことにより、エンジン11及び電動発電機12の騒音が大きくなることもない。このように、ショベルの省エネ化及び低騒音化が実現できる。
この充放電の切り替えは、例えば、コントローラ30が、充電量を判定することによって行う。コントローラ30が、一方のバッテリ(第1バッテリ19A又は第2バッテリ19B)の充電量がゼロであると判定した時点で、他方のバッテリ(第2バッテリ19B又は第1バッテリ19A)から電力を放電するように充放電制御を行う。
次に、本実施形態に係るショベルの通常時の運転について説明する。図5は、図1に示すショベルの通常時時の運転を説明するブロック図である。
旋回用電動機21は、バッテリから電力が供給され駆動される。旋回用電動機21は、例えば電動機兼発電機のように回生電力を発生することができるもので、発生した回生電力は第1バッテリ19A又は第2バッテリ19Bに供給されて蓄積されるか、あるいは電動発電機12に供給されて、電動発電機12をアシストモータとして駆動する電力となる。
第1バッテリ19A及び第2バッテリ19Bは、上述のように旋回用電動機21からの回生電力により充電される。
また、電動発電機12がエンジン11からの動力を受けて発電機として機能した場合、電動発電機12が発生した電力を第1バッテリ19A及び第2バッテリ19Bに供給して充電することもできる。電動発電機12が発生した電力を直接供給して旋回用電動機21を駆動することもできる。
次に、本実施形態に係るショベルの駆動系及び蓄電系を流れる電流の検出値について説明する。図6は、本実施形態に係るショベルの駆動系及び蓄電系を流れる電流の検出値を示す図である。
バッテリ電流値は、第1バッテリ19Aから第1昇降圧コンバータ100Aに流れる電流、及び第2バッテリ19Bから第2昇降圧コンバータ100Bに流れる電流が正の値として検出される。すなわち、旋回用電動機21や電動発電機12に対し、第1バッテリ19A又は第2バッテリ19Bから放電する場合は、その流れる電流が正の値として検出される。
したがって、第1昇降圧コンバータ100Aから第1バッテリ19Aに流れる電流、及び第2昇降圧コンバータ100Bから第2バッテリ19Bに流れる電流が負の値として検出されることになる。すなわち、旋回用電動機21や電動発電機12から、第1バッテリ19A又は第2バッテリ19Bに対し充電する場合は、その流れる電流が負の値として検出されることになる。
まず、暖機時の運転について説明する。
第1バッテリ19Aから第1昇降圧コンバータ100Aに電流が流れ(放電し)、第2昇降圧コンバータ100Bを介して第2バッテリ19Bに電流が供給(充電)される場合、電流の検出値は、図6に示すように、第1バッテリ19Aが正の値となり、第2バッテリ19Bが負の値となる。
これに対し、第2バッテリ19Bから第2昇降圧コンバータ100Bに電流が流れ(放電)、第1昇降圧コンバータ100Aを介して第1バッテリ19Aに電流が供給される場合(充電)、電流の検出値は、図6に示すように、第1バッテリ19Aが負の値となり、第2バッテリ19Bが正の値となる。
このように、暖機運転の場合は、第1バッテリ19Aと第2バッテリ19Bとの間で電力の授受が行われるため、第1バッテリ19Aと第2バッテリ19Bでは、電流の検出値は正負が逆になる。
次に、暖機運転を行わない通常時の運転について説明する。
第1バッテリ19Aから第1昇降圧コンバータ100Aに電流を流して(放電して)、旋回用電動機21に対し電力を供給する場合、第2バッテリ19Bからも第2昇降圧コンバータ100Bに電流を流し(放電し)、旋回用電動機21に対し電力を供給する。
これに対し、第1昇降圧コンバータ100Aから第1バッテリ19Aに対し電流を流す(充電する)場合、第2昇降圧コンバータ100Bからも第2バッテリ19Bに電流を流す(充電する)。
このように、暖機運転を行わない場合は、暖機時の運転とは異なり電流の検出値が同じ正の値又は負の値になる。一方のバッテリが正の値である場合は他方のバッテリも正の値となり、一方のバッテリが負の値である場合は他方のバッテリも負の値となる。
なお、一方のバッテリ(第1バッテリ19A又は第2バッテリ19B)に対してのみ、充放電制御を行うよりも、両方のバッテリ(第1バッテリ19A及び第2バッテリ19B)において充放電制御を行う方が、充電量のバランスが取れるため好ましい。
本実施形態に係るショベルの駆動系及び蓄電系は、以上のように構成されているため、暖機運転時において、バッテリの暖機のための充放電制御が停止されることはない。
バッテリが1個しか備えられていない構成のショベルにおいて旋回操作を行う場合、バッテリは、上部旋回体3の力行運転に必要なエネルギを出力するための充放電制御に移行する。暖機のために、バッテリが電動発電機に対し放電を行うタイミングで上部旋回体3の回生運転が行われるとバッテリに電力が充電される。そのため、バッテリの暖機のための充放電制御が停止されることになる。本実施形態によれば、そのような問題は生じない。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
上述の実施形態では、旋回用電動機を上部旋回体の駆動源として構成するショベルについて説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
上部旋回体を旋回用油圧モータによって駆動する油圧旋回型のショベルにおいても本発明を実現することができる。この場合において、上記2個のバッテリがエンジンをアシストするエンジン用の電動発電機にのみ接続される構成であっても、本発明を実現することができる。
また、旋回用油圧モータと旋回用電動機を備えるハイブリッド型のショベルにおいても本発明を実現することができる。この場合において、上記2個のバッテリが旋回用電動機にのみ接続される構成であっても、本発明を実現することができる。
また、上述の実施形態では、コンバータ及びバッテリを含む蓄電系を2個備える場合を例示して説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、2個以上の蓄電系を備えてもよい。蓄電器の暖機を行う場合には、2個の蓄電系の間で充放電制御が繰り返し行われるため、2個一組として蓄電系を構成するのが好ましい。
このように構成することにより、例えば、一方の蓄電系に対しインバータから電力の供給が要求されている場合であっても、他方の蓄電系において暖機のための充放電制御を別途行うことができる。この場合において、DCバスの電圧が減少又は増加することになるが、他方の蓄電系において、一方の蓄電系とは逆の制御を行えばよい。例えば、一方の蓄電系から電力が放電され、DCバスの電圧が増加する場合は、他方の蓄電系に対し、増加分の電力が吸収されるように制御する。
上述の構成によれば、寒冷地において、ショベルの運転状態にかかわらず、蓄電系を暖機させることが可能になる。
1・・・下部走行体 1A・・・右側走行用油圧モータ 1B・・・左側走行用油圧モータ 2・・・旋回機構 3・・・上部旋回体 4・・・ブーム 5・・・アーム 6・・・バケット 7・・・ブームシリンダ 8・・・アームシリンダ 9・・・バケットシリンダ 10・・・キャビン 11・・・エンジン 12・・・電動発電機 13・・・変速機 14、14L、14R・・・メインポンプ 14a、14aL、14aR・・・レギュレータ 15・・・パイロットポンプ 16・・・高圧油圧ライン 17・・・コントロールバルブ 18・・・第1インバータ 19A・・・第1バッテリ(一の蓄電器) 19B・・・第2バッテリ(他の蓄電器) 20・・・第2インバータ 21・・・旋回用電動機 22・・・レゾルバ 23・・・メカニカルブレーキ 24・・・旋回変速機 25・・・パイロットライン 26・・・操作装置 27・・・油圧ライン 28・・・油圧ライン 30・・・コントローラ 50L、50R・・・リリーフ弁 100A・・・第1昇降圧コンバータ 100B・・・第2昇降圧コンバータ 110・・・DCバス 111・・・DCバス電圧検出部 112・・・キャパシタ電圧検出部 113・・・キャパシタ電流検出部 120・・・蓄電系 120A・・・第1蓄電系 120B・・・第2蓄電系

Claims (2)

  1. 作業要素を備えた上部旋回体と、
    該上部旋回体に搭載された電動発電機と、
    該電動発電機にそれぞれ電気的に接続された二つの蓄電器と、
    制御装置と、を備え、
    該制御装置は、暖機運転時において、前記二つの蓄電器の一方の蓄電器と他方の蓄電器との間で充電と放電を繰り返すことによって暖機する、ショベル。
  2. 前記制御装置は、
    暖機運転を行わない場合は、前記一方の蓄電器と前記他方の蓄電器との間における充放電を停止し、前記一方の蓄電器から前記電動発電機に対し放電を行うときは、前記他方の蓄電器からも前記電動発電機に対し放電を行い、
    前記電動発電機から前記一方の蓄電器に対し充電を行うときは、前記他方の蓄電器に対しても充電を行う、請求項1に記載のショベル。
JP2014074739A 2014-03-31 2014-03-31 ショベル Pending JP2015198495A (ja)

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