JP2020029237A - Hybrid construction machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ハイブリッド建設機械に関する。 The present invention relates to a hybrid construction machine.
下記特許文献1には、ハイブリッド建設機械において、エンジンの目標回転数と実際の回転数との偏差に基づき、電動・発電機のアシストトルク又は発電トルクを演算する技術が開示されている。
下記特許文献2には、ハイブリッド建設機械において、エンジンの実回転数に基づいて決定されるエンジンの最大トルクとエンジンの実トルクとの差分によって求められるトルク余裕度に基づいて判断される出力制限、エンジンの目標回転数と実回転数との差分に基づいてモータトルク指令値を算出する技術が開示されている。
特許文献1では、油圧負荷が急変した場合エンジントルクが急激に増加することで、エンジンに過剰な負荷がかかり、エンジンの回転数が意図せずに低下するおそれがある。またエンジンの出力と電動・発電機のアシスト出力の使用割合を制御できないことから過度のアシストをする恐れがあり、作業負荷の変動に対する制御応答性に問題がある。
In
特許文献2では、エンジンのトルクまたは出力の余裕度に応じて、電動発電機が過度のアシストを行わないようにすることができるが、エンジンの出力制限を基本としているため、エンジンの出力と電動・発電機のアシスト出力の使用割合を制御できず、エンジンの最大トルクとエンジンの実トルクとの差分によるフィードバック制御を行っていることから電力収支については、制御することができないという問題もある。
According to
そこで、本発明は上記課題に鑑み、電力収支を維持しつつ、作業負荷の変動に対する制御応答性を高めることができるハイブリッド建設機械を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a hybrid construction machine that can improve control responsiveness to a change in a workload while maintaining a power balance.
本発明のハイブリッド建設機械は、上部旋回体と、
前記上部旋回体を旋回自在に支持する下部走行体と、
前記上部旋回体の内部に収容されるエンジンと、
前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプからの作動油により作動される油圧アクチュエータと、
力行時に前記エンジンの駆動をアシストし、回生時に発電する電動発電機と、
前記電動発電機が発電した電力を充電又は放電するバッテリと、
前記エンジンの目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との偏差に基づいて前記電動発電機の力行と回生を制御するインバータと、を備え、
前記目標エンジン負荷率は、前記エンジンの出力トルクと前記電動発電機の出力トルクから算出される外部負荷トルクに基づいて設定されるものである。
The hybrid construction machine of the present invention includes an upper rotating body,
A lower traveling body that supports the upper revolving body in a freely rotatable manner;
An engine housed inside the upper rotating body,
A hydraulic pump driven by the engine;
A hydraulic actuator operated by hydraulic oil from the hydraulic pump,
A motor generator that assists driving of the engine during power running and generates power during regeneration,
A battery that charges or discharges power generated by the motor generator,
An inverter that controls powering and regeneration of the motor generator based on a deviation between a target engine load factor and an actual engine load factor of the engine,
The target engine load factor is set based on an external load torque calculated from an output torque of the engine and an output torque of the motor generator.
本発明において、前記外部負荷トルクが第1規定値よりも大きいとき、前記目標エンジン負荷率は、第1設定値から前記第1設定値よりも低い第2設定値に設定されるものでもよい。 In the present invention, when the external load torque is larger than a first specified value, the target engine load factor may be set from a first set value to a second set value lower than the first set value.
本発明において、前記外部負荷トルクが第2規定値よりも小さいとき、前記目標エンジン負荷率は、第3設定値から前記第3設定値よりも高い第4設定値に設定されるものでもよい。 In the present invention, when the external load torque is smaller than a second specified value, the target engine load factor may be set from a third set value to a fourth set value higher than the third set value.
本発明において、前記目標エンジン負荷率は、目標エンジン回転数に応じて設定されるものでもよい。 In the present invention, the target engine load factor may be set according to a target engine speed.
本発明において、前記目標エンジン負荷率は、前記バッテリの蓄電量に対応する値に応じて設定されるものでもよい。 In the present invention, the target engine load factor may be set according to a value corresponding to the charged amount of the battery.
本発明によれば、目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率と偏差に基づいて、電動発電機の力行と回生を制御するため、エンジンの制御のみで、エンジンの出力と電動発電機の出力の使用割合を制御できることから、作業負荷の変動に対する制御応答性がよい。また、本発明によれば、外部負荷トルクに基づいて設定される目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との偏差に基づいて、電動発電機の力行と回生が制御されるため、エンジンの負荷状態に適した電動発電機の力行と回生を効率的に行うことができる。したがって、電力収支を維持しつつ、作業負荷の変動に対する制御応答性を高めることができる。 According to the present invention, since the power running and the regeneration of the motor generator are controlled based on the target engine load factor, the actual engine load factor, and the deviation, the use of the output of the engine and the output of the motor generator only by controlling the engine Since the ratio can be controlled, control responsiveness to changes in the workload is good. Further, according to the present invention, the power running and the regeneration of the motor generator are controlled based on the deviation between the target engine load factor set based on the external load torque and the actual engine load factor. Power generation and regeneration of the motor generator suitable for the vehicle can be efficiently performed. Therefore, control responsiveness to a change in the workload can be improved while maintaining the power balance.
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、図1を参照しながら、ハイブリッド建設機械の一例としてのバックホー1の概略構造について説明する。バックホー1は、下部走行体11と、作業機12と、上部旋回体13とを備える。
First, a schematic structure of a
下部走行体11は、上部旋回体13の内部に収容されるエンジン2からの動力を受けて駆動し、バックホー1を走行させる。下部走行体11は、左右一対のクローラ11a,11a及び左右一対の走行モータ11b,11bを備える。油圧モータである左右の走行モータ11b,11bが左右のクローラ11a,11aをそれぞれ駆動することでバックホー1の前後進を可能としている。また、下部走行体11には、ブレード11c、及びブレード11cを上下方向に回動させるためのブレードシリンダ11dが設けられている。
The
作業機12は、エンジン2からの動力を受けて駆動し、土砂等の掘削作業を行うものである。作業機12は、ブーム12a、アーム12b、及びバケット12cを備え、これらを独立して駆動することによって掘削作業を可能としている。ブーム12a、アーム12b、及びバケット12cは、それぞれ作業部に相当し、バックホー1は、複数の作業部を有する。
The
ブーム12aは、一端部が上部旋回体13の前部に支持されて、伸縮自在に可動するブームシリンダ12dによって回動される。また、アーム12bは、一端部がブーム12aの他端部に支持されて、伸縮自在に可動するアームシリンダ12eによって回動される。そして、バケット12cは、一端部がアーム12bの他端部に支持されて、伸縮自在に可動するバケットシリンダ12fによって回動される。
One end of the
上部旋回体13は、下部走行体11に対して旋回ベアリング(図示しない)を介して旋回可能に構成されている。上部旋回体13には、キャビン131、ボンネット132、カウンタウェイト133、旋回モータ134、エンジン2等が配置されている。旋回モータ134の駆動力で上部旋回体13が旋回ベアリング(図示しない)を介して旋回する。また、上部旋回体13には、エンジン2により駆動される電動発電機3及び油圧ポンプ4が配設される。油圧ポンプ4が、各油圧モータや各シリンダに作動油を供給する。
The
キャビン131には、運転席131aが配置されている。運転席131aの左右に一対の作業操作レバー(図示していない)、前方に一対の走行レバー131b,131bが配置されている。オペレータは、運転席131aに着座して作業操作レバー、走行レバー131b,131b等を操作することによって、エンジン2、各油圧モータ、各油圧シリンダ等の制御を行い、走行、旋回、作業等を行うことができる。
In the
上部旋回体13の後端部には、ボンネット132とカウンタウェイト133が上下に配設されている。カウンタウェイト133は、上部旋回体13の後端部に立設され、エンジン2を覆う。ボンネット132は、カウンタウェイト133の上端部から上方へ延びてキャビン131の後壁下端部に達し、カウンタウェイト133とともにエンジン2を覆っている。上部旋回体13の後端部は、平面視で円弧状に形成されており、ボンネット132とカウンタウェイト133は、上部旋回体13の後端部に沿わせて湾曲して形成されている。本実施形態のバックホー1は、いわゆる後方小旋回型となっている。
A
次に、バックホー1に搭載される油圧回路及び電気回路の構成を説明する。エンジン2は、クランクシャフトが上部旋回体13の左右方向に配置された、いわゆる横置きのエンジンであり、運転席131aの下方に配置されている。また、エンジン2は、平面視で上部旋回体13の後部中央に配置されている。
Next, configurations of a hydraulic circuit and an electric circuit mounted on the
エンジン2は、エンジンECU21を備える。エンジンECU21は、エンジン回転数の制御やその他種々の制御を行うためのものである。エンジンECU21には、アクセルダイヤル61が電気的に接続されており、アクセルダイヤル61から入力された電気信号に基づいて制御信号を作成する。アクセルダイヤル61は、エンジンECU21へエンジン2の目標エンジン回転数を指示する指示装置である。また、エンジンECU21は、エンジン2の実際の回転数(実エンジン回転数という)を検出できる。
The
オペレータは、アクセルダイヤル61を操作することによってエンジン2のエンジン回転数を設定する。アクセルダイヤル61で設定されたエンジン回転数(設定エンジン回転数という)がエンジン2の目標エンジン回転数としてエンジンECU21へ指示される。アクセルダイヤル61は、エンジンECU21を介してエンジン2に電気的に接続されており、エンジンECU21は、アクセルダイヤル61からの電気信号に基づいて制御信号を作成するとともに、作成した制御信号をエンジン2に出力する。すなわち、エンジンECU21は、エンジン2の出力を制御する装置であり、エンジンECU21は、オペレータによるアクセルダイヤル61の操作に基づいてエンジン2のエンジン回転数の制御を行なうことができる。
The operator sets the engine speed of the
また、エンジンECU21は、エンジン2の任意のエンジン回転数での最大出力に対する比率であるエンジン負荷率を算出することができる。通常、油圧ポンプ4はエンジン2で駆動されているため、作業内容によってエンジン負荷率は変動する。エンジン負荷率は、種々の方法によって算出され得るが、例えば、エンジン回転数と燃料噴射量との関係を用いて算出される。エンジン負荷率は、例えば、エンジンECU21の記憶部に予め記憶しているエンジン回転数と燃料噴射量との関係を用いて算出される。即ち、エンジンECU21は、実エンジン回転数及び前記エンジン回転数と燃料噴射量との関係から、当該実エンジン回転数における最大燃料噴射量及び無負荷燃料噴射量を得る。そして、エンジンECU21は、最大燃料噴射量及び無負荷燃料噴射量間の偏差に対する、実際の燃料噴射量及び無負荷燃料噴射量間の偏差の比率を、実際のエンジン負荷率(実エンジン負荷率に相当する)として算出することができる。
Further, the
電動発電機3は、エンジン2のクランクシャフトの一端側に接続されている。電動発電機3は、モータジェネレータとも呼ばれ、回生時には発電機として作動し、かつエンジン2の駆動トルクをアシストする必要がある時には電動機として作動する。電動発電機3は、インバータ/コンバータ31を介してハイブリッドコントローラ5により制御される。
The
電動発電機3は、インバータ/コンバータ31を介してバッテリ32に接続されている。バッテリ32は、電動発電機3で生じた回生エネルギーを蓄電し、かつ電動発電機3へ駆動エネルギーを供給する。バッテリ32は、図2に示すようにキャビン131の右側に配置されている。
The
インバータ/コンバータ31は、電動発電機3及びバッテリ32を制御する。インバータ/コンバータ31は、ハイブリッドコントローラ5からのアシスト指令に基づいて、バッテリ32の電力を放電して電動発電機3を駆動させ、エンジン2の出力をアシストする。また、インバータ/コンバータ31は、ハイブリッドコントローラ5からの充電指令に基づいて、電動発電機3が発電した電力をバッテリ32に充電する。
The inverter /
油圧ポンプ4は、電動発電機3に接続されている。油圧ポンプ4は、複数設けられてもよい。油圧ポンプ4には、コントロールバルブ41が接続されている。コントロールバルブ41は、油圧ポンプ4から各油圧アクチュエータ42(走行モータ11b,11b、ブームシリンダ12d、アームシリンダ12e、バケットシリンダ12f等)へ供給される作動油の向き及び流量を切り換えるものである。
The hydraulic pump 4 is connected to the
ハイブリッドコントローラ5は、インバータ31aに対して、電動発電機3の出力を制御するための制御指令を出力する。本実施形態では、ハイブリッドコントローラ5は、電動発電機3の出力トルクを指令値として出力する。電動発電機3の出力トルクは、力行の出力トルク又は回生の出力トルクであり、回生の出力トルクを正、力行の出力トルクを負と定義する。
ハイブリッドコントローラ5は、エンジン2の出力トルクを算出するエンジン出力トルク算出部51を備えている。エンジン出力トルク算出部51は、エンジンECU21から入力される実エンジン回転数、エンジン2の定格トルクカーブ、及び実エンジン負荷率に基づいて、エンジン2の出力トルクを算出する。エンジン2の出力トルクは、エンジン2の出力トルク[Nm]=実エンジン回転数での定格トルク[Nm](定格トルクカーブから求められる実エンジン回転数での定格トルク)×実エンジン負荷率[%]/100の計算で算出される。
The
ハイブリッドコントローラ5は、外部負荷トルクを算出する外部負荷トルク算出部52を備えている。外部負荷トルクは、エンジン2の出力トルクと電動発電機3の出力トルクから算出される。エンジン2の出力トルクは、エンジン出力トルク算出部51から入力され、電動発電機3の出力トルクは、後述する出力制御部54から入力される。外部負荷トルクは、外部負荷トルク[Nm]=エンジン2の出力トルク[Nm]−電動発電機3の出力トルク[Nm]の計算で算出される。なお、前述のように電動発電機3の出力トルクは、回生側を正、力行側を負と定義しているため、回生時の外部負荷トルクはエンジン2の出力よりも小さく、力行時の外部負荷トルクはエンジン2の出力よりも大きくなる。
The
ハイブリッドコントローラ5は、目標エンジン負荷率を算出する目標エンジン負荷率算出部53を備えている。目標エンジン負荷率は、外部負荷トルクと目標エンジン回転数から算出される。外部負荷トルクは、外部負荷トルク算出部52から入力され、目標エンジン回転数は、エンジンECU21から入力される。目標エンジン負荷率は、例えば、外部負荷トルク及び目標エンジン回転数を入力とした2次元マップにより算出される。2次元マップは、ハイブリッドコントローラ5に格納されている。
The
ハイブリッドコントローラ5は、エンジン2の目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との偏差に基づいて制御指令を生成する出力制御部54を備えている。より具体的には、出力制御部54は、目標エンジン負荷率から実エンジン負荷率を減じて負荷率偏差を算出し、算出した負荷率偏差に対して比例ゲインをかけた値と、負荷率偏差に対して積分ゲインをかけた値を積分した値との和によって、電動発電機3の出力トルクを算出する。目標エンジン負荷率は、目標エンジン負荷率算出部53から入力され、実エンジン負荷率は、エンジンECU21から入力される。出力制御部54は、算出した電動発電機3の出力トルクを指令値としてインバータ31aに出力する。
The
目標エンジン負荷率が実エンジン負荷率よりも大きいとき、すなわち、エンジン2の出力に余裕があるとき、ハイブリッドコントローラ5は、電動発電機3が発電した電力をバッテリ32に充電するようにインバータ31aを介して電動発電機3に制御指令を発信する。目標エンジン負荷率が実エンジン負荷率よりも大きいとき、出力制御部54で算出される出力トルクは正となるため、本実施形態では正の出力トルクが回生の出力トルクである。
When the target engine load factor is larger than the actual engine load factor, that is, when there is a margin in the output of the
一方、目標エンジン負荷率が実エンジン負荷率よりも小さいとき、すなわち、エンジン2の出力が不足しているとき、ハイブリッドコントローラ5は、バッテリ32の電力を放電して電動発電機3を駆動させるようにインバータ31aを介して電動発電機3に制御指令を発信する。目標エンジン負荷率が実エンジン負荷率よりも小さいとき、出力制御部54で算出される出力トルクは負となるため、本実施形態では負の出力トルクが力行の出力トルクである。
On the other hand, when the target engine load factor is smaller than the actual engine load factor, that is, when the output of the
ここで、目標エンジン負荷率の設定方法について説明する。前述のように、目標エンジン負荷率は、外部負荷トルク及び目標エンジン回転数を入力とした2次元マップにより算出される。この2次元マップの一例を図5に示す。図5のように、外部負荷トルクが大きい場合(150Nm及び200Nm)には目標エンジン負荷率を低く、外部負荷トルクが小さい場合(0Nm及び50Nm)には目標エンジン負荷率を高く設定されている。 Here, a method of setting the target engine load factor will be described. As described above, the target engine load factor is calculated from the two-dimensional map using the external load torque and the target engine speed as inputs. FIG. 5 shows an example of this two-dimensional map. As shown in FIG. 5, when the external load torque is large (150 Nm and 200 Nm), the target engine load factor is set low, and when the external load torque is small (0 Nm and 50 Nm), the target engine load factor is set high.
また、目標エンジン負荷率は、目標エンジン回転数に応じて設定されており、目標エンジン回転数が低い場合には目標エンジン負荷率を低く、目標エンジン回転数が高い場合には目標エンジン負荷率を高く設定されている。エンジン回転数によって燃費のよいエンジン負荷率があるため、エンジン回転数に応じたエンジン負荷率の適切な設定により、燃費の改善効果が得られる。低回転時であっても作業負荷と充放電収支のバランスが可能であり、連続作業を可能とする。 The target engine load ratio is set in accordance with the target engine speed. When the target engine speed is low, the target engine load ratio is low, and when the target engine speed is high, the target engine load ratio is low. It is set high. Since there is an engine load factor with good fuel efficiency depending on the engine speed, an effect of improving fuel efficiency can be obtained by appropriately setting the engine load factor according to the engine speed. Work load and charge / discharge balance can be balanced even at low rotation, and continuous work is possible.
図6A及び図6Bは、エンジン2及び電動発電機3の制御の一例を示すグラフである。
6A and 6B are graphs illustrating an example of control of the
図6Aに示すように、外部負荷トルクが第1規定値T1よりも大きいとき、目標エンジン負荷率は、第1設定値L1から第1設定値L1よりも低い第2設定値L2に設定される。外部負荷が高いときに目標エンジン負荷率を低く設定することにより、外部負荷に対する応答を相対的に応答速度の遅い電動発電機3ではなく、負荷に余裕のあるエンジン2の回転ガバニング(回転数の調整)を主体とすることから、作業負荷に対する制御応答性を高めることができる。また、目標エンジン負荷率を低く設定することで、実エンジン負荷率がそれほど高くない状態から電動発電機3によるアシストが可能となる。
As shown in FIG. 6A, when the external load torque is larger than the first specified value T1, the target engine load factor is set from the first set value L1 to a second set value L2 lower than the first set value L1. . By setting the target engine load factor to be low when the external load is high, the response to the external load is not controlled by the
一方、図6Bに示すように、外部負荷トルクが第2規定値T2よりも小さいとき、目標エンジン負荷率は、第3設定値L3から第3設定値L3よりも高い第4設定値L4に設定される。外部負荷が低いときに目標エンジン負荷率を高く設定することにより、エンジン2の出力を最大限充電の促進に活かすことができるため、バッテリ32の電力収支を維持することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 6B, when the external load torque is smaller than the second specified value T2, the target engine load factor is set from the third set value L3 to the fourth set value L4 higher than the third set value L3. Is done. By setting the target engine load factor to be high when the external load is low, the output of the
また、目標エンジン負荷率は、バッテリ32の蓄電量に対応する値に応じて設定されてもよい。例えば、目標エンジン負荷率の下限値が、図7に示すようなバッテリ32の電圧を入力としたテーブルにより設定される。バッテリ32の電圧が高い場合(400V以上)、目標エンジン負荷率の下限値を0%としており、これは目標エンジン負荷率の下限値が制限されていない状態である。そのため、バッテリ32の電圧が高い場合には、図5に示す2次元マップにより算出された目標エンジン負荷率が用いられる。
Further, the target engine load factor may be set according to a value corresponding to the charged amount of the
一方、バッテリ32の電圧が400Vから低くなるにつれて目標エンジン負荷率の下限値を0%から上げていき、バッテリ32の電圧が350Vまで下がると目標エンジン負荷率の下限値を80%とし、バッテリ32の電圧が低い場合(350V以下)、目標エンジン負荷率の下限値を80%に制限している。そのため、バッテリ32の電圧が低い場合、図5に示す2次元マップにより算出された目標エンジン負荷率が80%よりも低くても、目標エンジン負荷率を80%に設定する。これにより、バッテリ32の蓄電量が低下した場合には、目標エンジン負荷率の下限値を上げて、充電を促進させることができる。
On the other hand, as the voltage of the
[他の実施形態]
前述の実施形態では、バッテリ32の蓄電量に対応する値として、バッテリ32の電圧を用いているが、バッテリ32のSOC(Status of Charge)を用いてもよい。
[Other embodiments]
In the above-described embodiment, the voltage of the
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 As described above, the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings. However, it should be considered that the specific configuration is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is shown not only by the description of the embodiment but also by the claims, and further includes meanings equivalent to the claims and all modifications within the scope.
1 バックホー
11 下部走行体
13 上部旋回体
2 エンジン
3 電動発電機
4 油圧ポンプ
5 ハイブリッドコントローラ
21 エンジンECU
31a インバータ
32 バッテリ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記上部旋回体を旋回自在に支持する下部走行体と、
前記上部旋回体の内部に収容されるエンジンと、
前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプからの作動油により作動される油圧アクチュエータと、
力行時に前記エンジンの駆動をアシストし、回生時に発電する電動発電機と、
前記電動発電機が発電した電力を充電又は放電するバッテリと、
前記エンジンの目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との偏差に基づいて前記電動発電機の力行と回生を制御するインバータと、を備え、
前記目標エンジン負荷率は、前記エンジンの出力トルクと前記電動発電機の出力トルクから算出される外部負荷トルクに基づいて設定される、ハイブリッド建設機械。 An upper revolving structure,
A lower traveling body that supports the upper revolving body in a freely rotatable manner;
An engine housed inside the upper rotating body,
A hydraulic pump driven by the engine;
A hydraulic actuator operated by hydraulic oil from the hydraulic pump,
A motor generator that assists driving of the engine during power running and generates power during regeneration,
A battery that charges or discharges power generated by the motor generator,
An inverter that controls powering and regeneration of the motor generator based on a deviation between a target engine load factor and an actual engine load factor of the engine,
The hybrid construction machine, wherein the target engine load factor is set based on an external load torque calculated from an output torque of the engine and an output torque of the motor generator.
The hybrid construction machine according to any one of claims 1 to 4, wherein the target engine load factor is set according to a value corresponding to a charged amount of the battery.
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JP2016159785A (en) * | 2015-03-02 | 2016-09-05 | 日立建機株式会社 | Hybrid work machine |
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