JP2016168920A

JP2016168920A - ハイブリッド建設機械

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Publication number: JP2016168920A
Application number: JP2015049756A
Authority: JP
Inventors: 土井　隆行; Takayuki Doi; 隆行土井; 英喜吉原; Hideki Yoshihara
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2016-09-23
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: JP6468428B2

Abstract

【課題】過回生状態の発生そのものを抑えて蓄電装置の過充電及び機器の破損を防止できるとともに、回生ブレーキを維持して作業継続の可能性を残す。
【解決手段】エンジン１１によって駆動される発電電動機１２の発電機作用によって蓄電装置１４に充電する一方、この蓄電装置１４の蓄電力により発電電動機１２に電動機作用を行わせて１１エンジンをアシストし、かつ、蓄電装置１４及び発電電動機１２の少なくとも一方の電力により旋回電動機１７を駆動して回生電力を発生させるハイブリッド建設機械において、コントローラ１５により、旋回電動機１７に発生する回生電力が発電電動機及１２及び蓄電装置１４の吸収可能電力の和以下となるように回生電力を制限するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は作業用電動機の回生電力を発電電動機と蓄電装置で吸収する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４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が地面に対して垂直となる軸Ｘ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等を備えたフロントアタッチメント６が取付けられて構成される。

このハイブリッドショベルにおいては、エンジンを動力源として油圧ポンプと発電電動機を駆動し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動する一方、発電電動機で発生した電力によって蓄電装置に充電し、この蓄電装置及び発電電動機の少なくとも一方からの電力によって作業用電動機(たとえば旋回駆動源としての旋回電動機。以下、この場合で説明する)を駆動する構成がとられる(特許文献１参照)。

また、特許文献１記載の公知技術では、旋回減速時に旋回電動機に発生する回生電力を蓄電装置に吸収させて回生ブレーキを発揮させる構成をとっている。

一方、特許文献２には、蓄電装置の過充電を防止する技術として、蓄電装置の充電率に基づいて過充電のおそれがあると判断したときに、遮断装置により蓄電装置への回生電力の入力を遮断する構成がとられている。

なお、この明細書において「蓄電装置」とは、リチウムイオン電池等の二次電池(所謂「バッテリ」)と、キャパシタ(電気二重層コンデンサ)の双方を含む。

特開２００８−１１５６４０号公報特許第５１８８８５４号公報

ハイブリッドショベルにおいて、旋回電動機で発生した回生電力を蓄電装置と発電電動機の双方で吸収する構成をとることは可能である。

この場合、発電電動機の吸収可能電力をＡ、蓄電装置の吸収可能電力をＢ、発生した回生電力をＣとして、発電電動機または蓄電装置の故障により、あるいは発電電動機、蓄電装置、作業用電動機の部品のばらつき等により、
Ｃ≧(Ａ＋Ｂ)
の状態、すなわち回生電力Ｃが全吸収可能電力(Ａ＋Ｂ)を上回る状態(以下、「過回生状態」という)となると、たとえば蓄電装置が過充電によって劣化し、またインバータ等の電気機器が破損するおそれがある。

ここで、特許文献２記載の公知技術を応用し、上記過回生状態が発生したときに、発電電動機及び蓄電装置への回生電力の入力を遮断する構成をとることが考えられる。

しかし、こうすると遮断状態で行き場がなくなった回生電力により電圧異常が発生してインバータ等の電気機器が破損するおそれがあるため、根本的な解決策とはならない。

また、過回生状態で回生電力を「遮断」するため、回生ブレーキが失われ、作業継続の可能性が無くなる。

そこで本発明は、過回生状態の発生そのものを抑えて、蓄電装置の過充電及び機器の破損を防止できるとともに、回生ブレーキを維持して作業継続の可能性を残す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、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機をエンジンに接続し、上記発電電動機の発電機作用によって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エンジンをアシストし、かつ、上記蓄電装置及び発電電動機の少なくとも一方の電力により作業用電動機を駆動して回生電力を発生させるように構成されたハイブリッド建設機械において、上記作業用電動機に発生する回生電力を上記発電電動機及び蓄電装置に供給する制御手段を備え、この制御手段は、
(ｉ) 上記発電電動機及び蓄電装置がそれぞれ吸収可能な回生電力である吸収可能電力を設定し、
(ｉｉ) 上記作業用電動機で発生する回生電力が上記発電電動機及び蓄電装置の吸収可能電力の和以下となるように上記回生電力を制限する回生電力制限制御を行う
ように構成されたものである。

この構成によれば、発電電動機及び蓄電装置で回生電力を吸収する構成を前提として、作業用電動機で発生する回生電力が全吸収可能電力を上回る「過回生状態」が発生する事態となったときに、発生する回生電力を発電電動機及び蓄電装置の吸収可能電力の和以下に制限する。すなわち、回生電力の発生そのものを抑えることができる。

このため、蓄電装置の過充電及びインバータ等の電気機器の破損を防止することができる。

また、過回生状態で回生電力を「遮断」するのではなく、回生電力の発生量を発電電動機及び蓄電装置の吸収可能電力の和以下に「制限」するため、回生ブレーキを維持して作業を継続する可能性を残すことができる。

いいかえれば、回生電力を１００％制限する場合(回生電力＝０の場合)以外は回生ブレーキを確保して作業の継続が可能となる。

本発明において、上記発電電動機及び蓄電装置の故障を検出する故障検出手段を設け、上記制御手段は、上記発電電動機及び蓄電装置の少なくとも一方の故障発生時に、この故障発生状態での吸収可能電力の和を求めるように構成するのが望ましい(請求項２)。

過回生状態は、実際上、吸収側である発電電動機または蓄電装置の故障による可能性が高く、この場合の手当として故障発生状態での吸収可能電力の和を求めることにより、過回生状態の発生を抑える点の実効が高いものとなる。

本発明によると、過回生状態の発生そのものを抑えて、蓄電装置の過充電や電気機器の破損を防止できるとともに、回生ブレーキを維持して作業継続の可能性を残すことができる。

本発明の実施形態に係るハイブリッドショベルのシステム構成図である。同ショベルの作用を説明するためのフローチャートである。蓄電装置のＳＯＣ及び温度と吸収可能電力の関係を示す図である。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はこのハイブリッドショベルのシステム構成を示す。

図示のように動力源としてのエンジン１１に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機１２と、油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプ１３が接続され、これらがエンジン１１によって駆動される。

油圧ポンプ１３には、図示しないコントロールバルブを介して油圧アクチュエータが接続され、油圧ポンプ１３から供給される圧油によって油圧アクチュエータが駆動される。

発電電動機１２は、エンジン１１で駆動されて発電機作用を行い、発生した電力が蓄電装置１４に送られて充電(蓄電)される一方、適時、この蓄電装置１４の電力により発電電動機１２が電動機作用を行ってエンジン１１をアシストする。

発電電動機１２には、コントローラ１５とともに制御手段を構成するインバータ１６を介して旋回駆動源としての旋回電動機１７及び蓄電装置１４が接続され、蓄電装置１４の蓄電力と発電電動機１２で発生した電力の少なくとも一方により旋回電動機１７が駆動されて図４中の上部旋回体２が旋回する。

また、旋回減速時に旋回電動機１７に発生する回生電力が、発電電動機１２及び蓄電装置１４に送られる。

これにより、蓄電装置１４が充電作用、発電電動機１２が電動機作用(エンジンアシスト作用)を行い、これらの作用によって回生ブレーキが発揮される。

以上の構成に加えて、発電電動機１２、蓄電装置１４、旋回電動機１７にそれぞれ監視装置(発電電動機監視装置、蓄電装置監視装置、旋回電動機監視装置)１８，１９，２０が設けられている。

発電電動機監視装置１８は、発電電動機１２の電圧等から故障の有無とその程度(たとえば重故障、中故障、軽故障)を検出し、その信号(発電電動機故障信号)をコントローラ１５に送る。

蓄電装置監視装置１９は、蓄電装置１４のＳＯＣ(State Of Charge)と温度、それに電圧、電流等から故障の有無とその程度(たとえば重故障、中故障、軽故障)を検出し、その信号(蓄電装置故障信号)をコントローラ１５に送る。

旋回電動機監視装置２０は、旋回電動機１７に発生する回生電力の大きさ(回生電力量)を検出し、その信号(回生電力信号)をコントローラ１５に送る。

コントローラ１５は、発電電動機１２、蓄電装置１４、旋回電動機１７の三者に対する通常制御を行う通常制御部２１に加えて、発電電動機１２及び蓄電装置１４の各吸収可能電力Ａ，Ｂを設定する発電電動機／蓄電装置吸収可能電力設定部２２と、発生する回生電力Ｃの大きさ(回生電力量)を制限する回生電力量制御部２３と、入力される各故障信号から発電電動機１２及び蓄電装置１４の故障の有無と程度を判定する発電電動機／蓄電装置故障判定部２４を具備する。

そして、発電電動機１２または蓄電装置１４の故障によって過回生状態が発生したときに、旋回電動機１７で発生する回生電力Ｃが発電電動機１２及び蓄電装置１４の吸収可能電力Ａ，Ｂの和以下となるように回生電力を制限する回生電力制限制御を行う。

この点の作用を図２のフローチャートによって説明する。

制御開始とともにステップＳ１で蓄電装置１４が故障か否かが判断され、ＮＯ(故障でない)の場合は図下のステップＳ２に、ＹＥＳ(故障)の場合は図右のステップＳ３にそれぞれ移る。

故障でない場合、ステップＳ２において、蓄電装置１４の通常時の吸収可能電力Ｂ１を、たとえば図３に示す充電状態ＳＯＣ及び温度と吸収可能電力の関係について予め設定されたマップに基づいて求め、これを蓄電装置１４の吸収可能電力Ｂとして設定する(Ｂ＝Ｂ１)。

続くステップＳ４では、発電電動機１２が故障か否かが判断され、ＮＯ(故障でない)となると、ステップＳ５で発電電動機１２の通常時吸収可能電力Ａ１を、たとえば発電電動機１２の回転数と吸収可能電力の関係について予め設定されたマップに基づいて求め、これを発電電動機１２の吸収可能電力Ａとして設定する(Ａ＝Ａ１)。

ステップＳ４でＹＥＳ(発電電動機故障)の場合は、ステップＳ６において発電電動機１２の故障時吸収可能電力Ａ２を、たとえば予め故障の程度(重故障、中故障、軽故障)に応じた決められた複数通りの固定値のうちから選択し、これを故障時吸収可能電力Ａとして設定する(Ａ＝Ａ２)。

一方、ステップＳ１でＹＥＳ(蓄電装置故障)の場合、ステップＳ３において蓄電装置１４の故障時吸収可能電力Ｂ２を、たとえば予め故障の程度(重故障、中故障、軽故障)に応じて決められた複数通りの固定値のうちから選択し、これを故障時吸収可能電力Ｂとして設定する(Ｂ＝Ｂ２)。

続くステップＳ７で発電電動機１２が故障か否かが判断され、ＮＯ(故障でない)とると、ステップＳ８において、発電電動機１２発電電動機１２の通常時吸収可能電力Ａ１を、前記ステップＳ５と同様に求め、これを発電電動機１２の吸収可能電力Ａとして設定する(Ａ＝Ａ１)。

ステップＳ７でＹＥＳ(発電電動機故障)の場合は、ステップＳ９において発電電動機１２の故障時吸収可能電力Ａ２を、たとえば前記ステップＳ６と同様に求め、これを発電電動機１２の吸収可能電力Ａとして設定する(Ａ＝Ａ２)。

ステップＳ５、Ｓ６，Ｓ８，Ｓ９の後はいずれもステップＳ１０に進み、発生する回生電力Ｃが発電電動機吸収可能電力Ａと蓄電装置吸収可能電力Ｂの和よりも大きいか否かが判断される。

ここでＹＥＳ、つまり、
(Ａ＋Ｂ)≦Ｃ
のときは、そのまま回生電力Ｃを受け入れると過充電や電気機器の破損を招くおそれがあるため、ステップＳ１１で回生電力Ｃを(Ａ＋Ｂ)以下に制限して制御が終了する。

この回生電力の制限は、具体的にはたとえばコントローラ１５からインバータ１６を介して旋回電動機１７に送られるトルク指令値を制限することによって行われる。

この場合、制限が効くまでの短い期間はごくわずかの回生電力がインバータ１６等に加えられるが、制御が働くことで回生電力の発生量がすぐに制限されるため、実害はない。

このように、旋回電動機１７で発生する回生電力Ｃが全吸収可能電力(Ａ＋Ｂ)を上回る「過回生状態」が発生する事態となったときに、発生する回生電力Ｃを全吸収可能電力以下に制限するため、すなわち、回生電力Ｃの発生そのものを抑えるため、蓄電装置１４の過充電及びインバータ１６等の電気機器の破損を防止することができる。

ここで、過回生が発生する可能性の高い、発電電動機１２または蓄電装置１４の故障に対する手当として、故障発生状態での吸収可能電力の和(Ａ＋Ｂ)を求めて回生電力Ｃと比較するため、過回生状態の発生を抑える点の実効が高いものとなる。

ところで、上記実施形態では作業用電動機として旋回電動機１７を用いるハイブリッドショベルを例示したが、旋回電動機１７に加えて、あるいは代えて他の作業用電動機を用いるハイブリッドショベルにも、またショベル以外のハイブリッド建設機械にも上記同様に適用することができる。

１１エンジン
１２発電電動機
１３油圧ポンプ
１４蓄電装置
１５制御手段を構成するコントローラ
１６同、インバータ
１７作業用電動機としての旋回電動機
１８発電電動機監視装置
１９蓄電装置監視装置
２０旋回電動機監視装置
２２コントローラの発電電動機／蓄電装置吸収可能電力設定部
２３同、回生電力量制御部
２４同、発電電動機／蓄電装置故障判定部

Claims

発電機作用と電動機作用を行う発電電動機をエンジンに接続し、上記発電電動機の発電機作用によって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エンジンをアシストし、かつ、上記蓄電装置及び発電電動機の少なくとも一方の電力により作業用電動機を駆動して回生電力を発生させるように構成されたハイブリッド建設機械において、上記作業用電動機に発生する回生電力を上記発電電動機及び蓄電装置に供給する制御手段を備え、この制御手段は、
(ｉ) 上記発電電動機及び蓄電装置がそれぞれ吸収可能な回生電力である吸収可能電力を設定し、
(ｉｉ) 上記作業用電動機で発生する回生電力が上記発電電動機及び蓄電装置の吸収可能電力の和以下となるように上記回生電力を制限する回生電力制限制御を行う
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。
上記発電電動機及び蓄電装置の故障を検出する故障検出手段を設け、上記制御手段は、上記発電電動機及び蓄電装置の少なくとも一方の故障発生時に、この故障発生状態での吸収可能電力の和を求め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。