JP3828679B2 - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下部走行体上に上部旋回体が搭載され、エンジンとバッテリ等の蓄電手段とを組み合わせて各種の作業を行うハイブリッドショベル等のハイブリッド建設機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ショベル等の建設機械は、一般に、エンジンによりアクチュエータを駆動するように構成されているが、この構成では、作業時における大きな負荷変動に対応するようにエンジン出力を大幅に変動させながら作業を行う必要があるため、燃費効率が悪いと共に、騒音や排気ガス等の環境上の点でも問題がある。
【０００３】
そこで、近年においては、エンジンに電動機や発電機を連結し、エンジン出力の一部や全部を電力に変換し、軽負荷の作業時に余った電力をバッテリに充電しておく一方、重負荷の作業時にバッテリから電力を取り出して重負荷の作業に利用するというハイブリッド建設機械およびその制御装置が開発や提案されている（実開平５−４８５０１号公報等）。そして、この構成であれば、作業負荷（作業エネルギー）の変動分をバッテリの充放電で平滑化することができるため、作業負荷（作業エネルギー）が大幅に変動した場合であっても、エンジン出力の変動を最小限に抑制することができ、結果として良好な燃費効率、低騒音化および排気ガスの低減化を実現することが可能になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のように、エンジンとバッテリとを組み合わせたハイブリッド建設機械の制御装置においては、大容量のバッテリを搭載する必要がある。エンジン及び発電機は空間的に余裕のある上部旋回体に配置されるため、前記バッテリも上部旋回体に配置されることになる。しかし、ハイブリッド方式のバッテリは重量があるため、バッテリにより上部旋回体のバランスが崩れる恐れがある。
【０００５】
そこで、特開平１１−２１９４８号公報には、重量物であるバッテリを複数に分割し、これらを旋回軸を囲むように上部旋回体の底部に配置することにより、上部旋回体をバランスさせる手段が提案されている。また、重量物であるバッテリに対抗するカウンタウェイトを上部旋回体に配設し、上部旋回体を旋回軸の回りでバランスさせる手段も考えられる。
【０００６】
前記特開平１１−２１９４８号公報の手段によると、上部旋回体内のバッテリの均等配置は達成できるものの、上部旋回体の位置が高いことから、車体の重心位置が上がり、車体の安定性が損なわれるという問題点がある。また、バッテリに対抗するカウンタウェイトを配設する手段によると、車体の重心位置が更に上がり、車体の安定性が損なわれるという問題点がある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、バッテリ等の重量物の蓄電手段を車体に配置する場合であっても、重心位置を大幅に下げ、車体の安定化を図ることができるハイブリッド建設機械を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、下部走行体上に上部旋回体が搭載され、エンジンで駆動される発電機の電力により蓄電手段に蓄電可能であると共に、これら発電機および蓄電手段の少なくとも一方から供給される電力により複数の電動機を作動させ、これら複数の電動機の作動により複数のアクチュエータを駆動することによって、必要な作業モードをとりうるハイブリッド建設機械であって、前記蓄電手段の全部又は一部を、前記下部走行体に配置したハイブリッド建設機械である。上記の構成によれば、重量物である蓄電手段の全部又は一部を下部走行体に配置するため、車体の重心位置が下がり、重量物になる蓄電手段を搭載するハイブリッド建設機械であっても、重心位置が上がらないようにすることができる。
【０００９】
請求項２の発明は、前記蓄電手段は、前記上部旋回体に配設した第１蓄電手段と、前記下部走行体に配設した第２蓄電手段と、からなる請求項１記載のハイブリッド建設機械である。上記の構成によれば、前記上部旋回体に配設した第１蓄電手段と、前記下部走行体に配設した第２蓄電手段との割合に応じて、車体の重心位置が下がり、重量物である蓄電手段を搭載するハイブリッド建設機械であっても、重心位置を適切な高さにできる。
【００１０】
請求項３の発明は、前記複数の電動機のうちの少なくとも１つが走行用電動機として前記下部走行体に設けられ、この走行用電動機は前記第２蓄電手段を使用して作動する請求項２記載のハイブリッド建設機械である。上記の構成によれば、前記下部走行体に配設した第２蓄電手段を使用して、走行用電動機が作動するため、上部旋回体に配置した第１蓄電手段と前記電動機の接続が何らかの原因で断たれても、同じ下部走行体に配置した第２蓄電手段を使用して走行できる。
請求項４の発明は、前記エンジン及び前記発電機が前記上部旋回体に配設されており、前記第２蓄電手段に接続された電気供給路が電気的なロータリージョイントを有しており、前記ロータリージョイントの破損が検出されたときに、前記第２蓄電手段からの電力が前記走行用電動機に供給される請求項３記載のハイブリッド建設機械である。上記の構成によれば、建設機械の走行が停止することはなく、危険な状態を脱する程度の走行を第２蓄電手段からの給電で続けることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図２に基づいて以下に説明する。本実施の形態に係る制御装置は、図１に示すように、ハイブリッド建設機械であるハイブリッドショベルに設けられている。尚、以降の説明においては、シリーズ型ハイブリッド方式を採用したハイブリッドショベルについて説明するが、パラレル型ハイブリッド方式を採用したハイブリッドショベルに適用することもできる。
【００１２】
ハイブリッドショベルは、下部走行体１と、下部走行体１の上面中心部に旋回可能に設けられた上部旋回体２と、上部旋回体２の前部に設けられた堀削アタッチメント３とを有している。下部走行体１は、両端部に並行配置された一対のクローラフレーム４と、各クローラフレーム４の周囲に回転可能に設けられ、地面に対して面状に接地するクローラ５と、クローラ５を回転駆動する減速機３５・３６および電動機６・７とを有している。
【００１３】
そして、このように構成された下部走行体１は、各クローラ５を減速機３５・３６を介して電動機６・７により個別に正方向および逆方向に回転駆動することによって、ショベル全体を地面に対して前進や後退、回転、旋回させる。
【００１４】
上記の下部走行体１の上面中心部には、旋回軸８ａが下部走行体１に対して直交して設けられている。旋回軸８ａの上部には、上部旋回体２の一部を構成する旋回フレーム８が回動自在に設けられている。旋回フレーム８の上面には、オペレータの操縦室となるキャビン９と、保護カバー４０で覆われた機械収容部４１とが設けられていると共に、上述の堀削アタッチメント３のブーム１７およびブームシリンダ１８の一端部が上下方向に回動自在に設けられている。
【００１５】
機械収容部４１内には、旋回用電動機１３および減速機１４が設けられていると共に、ブーム用電動機１５とブームポンプ１６とを一体化して備えたブーム用一体型アクチュエータＡ１が設けられている。旋回用電動機１３は、減速機１４を介して旋回フレーム８を旋回軸８ａを旋回中心として旋回駆動する。また、ブーム用一体型アクチュエータＡ１は、上述のブームシリンダ１８に図示しない油圧配管を介して接続されており、ブームシリンダ１８のシリンダロッドを油圧により進退移動させることによって、ブーム１７の先端側（他端側）を上下動させる。
【００１６】
上記のブーム１７の先端部には、アーム１９が回動自在に設けられている。アーム１９の先端部には、バケット２１が回動自在に設けられている。また、ブーム１７とアーム１９とは、アームシリンダ２０を介して連結されており、アーム１９とバケット２１とは、バケットシリンダ２２を介して連結されている。これらのシリンダ２０・２２には、アーム用一体型アクチュエータＡ２とバケット用一体型アクチュエータＡ３とがそれぞれ設けられており、各アクチュエータＡ２・Ａ３は、電動機２３・２５とポンプ２４・２６とを一体化して構成されている。そして、各アクチュエータＡ２・Ａ３は、シリンダ２０・２２のシリンダロッドを油圧により進退移動させることによって、アーム１９およびバケット２１をそれぞれ上下方向に回動させる。
【００１７】
また、上述の機械収容部４１内すなわち上部旋回体２には、旋回用電動機１３やブーム用一体型アクチュエータＡ１の他に、エンジン１０や、エンジン１０の回転速度（エンジン出力）に応じた交流電力を生成する発電機１１、第１バッテリ（第１蓄電手段）１２等が配設されている。また、下部走行体１の中央には、第２バッテリ（第２蓄電手段）４２等が配設されている。下部走行体１の走行用電動機６，７は、第１電力供給路５１により第１バッテリと接続されるだけではなく、第２電力供給路５２により第２バッテリとも接続される。尚、上記の両バッテリ１２・４２には、鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池のような電力を繰り返して充放電可能な二次電池が通常使用される。
【００１８】
上記の発電機１１は、図２に示すように、制御装置のモータコントローラ３７に接続されている。モータコントローラ３７は、上述の各種の電動機６・７・１３・１５・２３・２５に接続されていると共に、第１バッテリ１２および第２バッテリ４２にも接続されている。ここで、電動機６，７及び第２バッテリ４２は下部走行体１に配設され、それ以外の機器は上部旋回体２に配設される。上部旋回体２は下部走行体１に対して旋回自在であるため、電動機６，７及び第２バッテリ４２は上部旋回体２にあるモータコントローラ３７に対して電気的なロータリージョイント５３を介して接続される。また、電動機６，７と第２バッテリ４２とは、モータコントローラ３７で制御される切換手段４３を介して直接的に接続可能な構造になっている。
【００１９】
また、モータコントローラ３７には、キャビン９内に設けられた操作レバー４５と、電力供給路異常検知手段４６が接続されている。操作レバー４を操作すると、モータコントローラ３７は操作された作業モードを判別し、判別された作業モードに基づいて必要な電動機を駆動する。電力供給路異常検知手段４６は、特にロータリージョイントを介する電力供給路５１の断線等の異常を検知するために設けられる。電力供給路異常検知手段４６が異常を検知すると、切換手段４３により、第２バッテリ４２と電動機６，７を接続して駆動を続け、建設機械の制御された走行を維持する。
【００２０】
上記のモータコントローラ３７は、発電機１１からの交流電力を直流電力に変換したり、第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２からの直流電力を交流電力に変換する電力変換機能（インバータ機能）や、操作レバーからの操作信号に基づいて例えば第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２から電力変換して得た交流電力を各電動機６・７・１３・１５・２３・２５に出力する電動機作動機能、発電機１１で生成された電力を第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２に充電する通常充電機構、各電動機６・７・１３・１５・２３・２５で生じた回生電力を第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２に充電する回生充電機能等の諸機能を備えており、これら諸機能を第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２の充電量や発電機１１の発電量、作業モード等に基づいて任意に実行する。
【００２１】
上記の構成において、ハイブリッドショベルの動作について説明する。図１のキャビン９内のオペレータが運転キーを回動させる等の始動操作を行うことによって、モータコントローラ３７に電源が投入されると共にエンジン１０が運転されると、モータコントローラ３７は、先ず、第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２の充電量を確認し、充電量が不十分であれば、エンジン１０により回転駆動される発電機１１で生成された交流電力を直流電力に変換して第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２を充電する。
【００２２】
次に、オペレータが所定の作業を行うように操作レバー４５を操作すると、操作レバー４５から操作量に応じた操作信号が出力される。モータコントローラ３７は操作信号の特徴を抽出し、抽出した特徴と各作業モードの負荷特性とに基づいてオペレータの意図する作業モードを認識する。例えば定期的に大きな負荷と小さな負荷とが繰り返される操作信号である場合には、土羽根打ちの作業モードであると認識し、安定した小さな負荷の操作信号である場合には、吊り作業の作業モードであると認識する。モータコントローラ３７は、操作信号の操作量でもって操作信号に対応する電動機６・７・１３・１５・２３・２５を作動させることによって、例えばショベルの走行や堀削、土羽打ち等の各作業を行わせる。
【００２３】
以上のように、本実施形態のハイブリッドショベルの制御装置は、エンジン１０で駆動される発電機１１の電力により第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２を充電可能であると共に、これら発電機１１およびバッテリ１２，４２の少なくとも一方の電力により電動機６等を作動させることによって、複数の作業モードを任意に選択して作業可能なものである。
【００２４】
図３に示されるように、各作業モードにおける作業負荷（作業エネルギー）が大きいときは、エンジン１０で駆動される発電機１１の電力に加えて、第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２から放電される電力の両方で作業し、各作業モードにおける作業負荷（作業エネルギー）が小さいときは、エンジン１０で駆動される発電機１１の電力のうち余剰分を、第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２に充電する。すると、作業負荷の変動分をバッテリの充放電で平滑化することができるため、作業負荷（作業エネルギー）が大幅に変動した場合であっても、エンジン出力の変動を最小限に抑制することができ、結果として良好な燃費効率、低騒音化および排気ガスの低減化を実現する。
【００２５】
図３のような負荷の平滑化を行うとなると、第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２の容量が大きくなって、その重量も大きくなる。しかし、図１のように、第１バッテリ１２は上部旋回体２に配置し、第２バッテリ４２を下部走行体１に配置しているため、車体の重心位置Ｇを従来よりも下方に設定できるとともに、旋回中心付近に位置させることができ、作業時又は走行時の車体が安定化する。
【００２６】
特に、上部旋回体２の第１バッテリ１２と、下部走行体１の第２バッテリ４２とに区分しているため、第１バッテリ１２と第２バッテリ４２との重量比を重心位置Ｇが適切な位置になるように決めることができる。
【００２７】
特に、走行用電動機６．７は下部走行体１に配置されているため、この電動機６，７に対する電力供給路５１は旋回中心付近に設けられた電気的なロータリージョイント５３（図２参照）を有する。このロータリージョイント５３が摩耗等により破損した場合、電力供給路異常検知手段４６がこの破損を検出し、モータコントローラ３７は切換手段４３を切り換えて、下部走行体１の第２バッテリ４２から直接的に走行用電動機６．７に給電する。すると、建設機械の走行が停止することはなく、危険な状態を脱する程度の走行を第２バッテリ４２からの給電で続けることができる。
【００２８】
図４は、他の実施形態に係るハイブリッドショベルの全体概略側面図である。下部走行体１にスペース的余裕がある場合、下部走行体１に配置したバッテリ６０だけとすることができる。この場合、車体の重心Ｇは更に下がり、車体の安定性が更に増す。図４のハイブリッドショベルの概略的なブロックが図５に示される。この場合のバッテリ６０は、鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池のような電力を繰り返して充放電可能な二次電池である。
【００２９】
図６に示すように、バッテリ６０に代えて、コンデンサー方式ように電力を一時的に蓄えるキャパシタ６１を蓄電手段として用いることもできる。また、図７のように、バッテリ６０とキャパシタ６１の両方を切換手段を有するパワーコントローラ６２に接続することもできる。このように、蓄電手段には、バッテリに限らず、キャパシタも使用でき、これら両方を併用することもできる。
【００３０】
なお、本実施形態のハイブリッド建設機械は、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業モードを実施するハイブリッドショベルに対して好適に適用することができるが、これに限定されるものではなく、ブルドーザやクレーンのように複数の作業モードで作業を行う全てのハイブリッド建設機械に適用することができる。また、アクチュエータの形態、配置などについては、上述した本実施形態に限定されるものではない。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、下部走行体上に上部旋回体が搭載され、エンジンで駆動される発電機の電力により蓄電手段に蓄電可能であると共に、これら発電機および蓄電手段の少なくとも一方から供給される電力により複数の電動機を作動させ、これら複数の電動機の作動により複数のアクチュエータを駆動することによって、必要な作業モードをとりうるハイブリッド建設機械であって、前記蓄電手段の全部又は一部を、前記下部走行体に配置した構成である。上記の構成によれば、重量物である蓄電手段の全部又は一部を下部走行体に配置するため、車体の重心位置が下がり、重量物である蓄電手段を搭載するハイブリッド建設機械であっても、重心位置が上がらないようにすることができる。その結果、ハイブリッド建設機械の車体の安定性を増すことができるという効果を奏する。
【００３２】
請求項２の発明は、請求項１において、前記蓄電手段は、前記上部旋回体に配設した第１蓄電手段と、前記下部走行体に配設した第２蓄電手段と、からなる構成である。上記の構成によれば、前記上部旋回体に配設した第１蓄電手段と、前記下部走行体に配設した第２蓄電手段との割合に応じて、車体の重心位置が下がり、重量物である蓄電手段を搭載するハイブリッド建設機械であっても、重心位置を適切に高さにできる。その結果、ハイブリッド建設機械の車体の安定性を確実にすることができるという効果を奏する。
【００３３】
請求項３の発明は、請求項２において、前記複数の電動機のうちの少なくとも１つが走行用電動機として前記下部走行体に設けられ、この走行用電動機は前記第２蓄電手段を使用して作動する構成である。上記の構成によれば、前記下部走行体に配設した第２蓄電手段を使用して、走行用電動機が作動するため、上部旋回体に配置した第１蓄電手段と前記走行用電動機の接続が何らかの原因で断たれても、同じ下部走行体に配置した第２蓄電手段を使用して走行できる。その結果、下部走行体と上部旋回体との間の電力接続が損なわれたような緊急時にも、第２蓄電手段を使用して走行することにより、最低限の車体の移動ができるという効果を奏する。
請求項４の発明は、請求項３において、前記エンジン及び前記発電機が前記上部旋回体に配設されており、前記第２蓄電手段に接続された電気供給路が電気的なロータリージョイントを有しており、前記ロータリージョイントの破損が検出されたときに、前記第２蓄電手段からの電力が前記走行用電動機に供給される構成である。上記の構成によれば、建設機械の走行が停止することはなく、危険な状態を脱する程度の走行を第２蓄電手段からの給電で続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリッドショベルの全体概略側面図である。
【図２】ハイブリッドショベルの制御装置のブロック図である。
【図３】ハイブリット方式で作業した場合におけるバッテリの充放電の状態を示す説明図である。
【図４】他の実施形態に係るハイブリッドショベルの全体概略側面図である。
【図５】他の実施形態に係るハイブリッドショベルの第１ブロック図である。
【図６】他の実施形態に係るハイブリッドショベルの第２ブロック図である。
【図７】他の実施形態に係るハイブリッドショベルの第３ブロック図である。
【符号の説明】
１ 下部走行体
２ 上部旋回体
３ 堀削アタッチメント
４ クローラフレーム
５ クローラ
８ 旋回フレーム
９ キャビン
１０ エンジン
１１ 発電機
１２ 第１バッテリ（蓄電手段）
１３ 旋回用電動機
１４ 減速機
１５ ブーム用電動機
１６ ブームポンプ
１７ ブーム
１８ ブームシリンダ
１９ アーム
２０ アームシリンダ
２１ バケット
２２ バケットシリンダ
２３ アーム用電動機
２４ アームポンプ
４１ 機械収容部
４２ 第２バッテリ（蓄電手段）
４５ 操作レバー
６０ バッテリ（蓄電手段）
６１ キャパシタ（蓄電手段）

Claims (4)

1. 下部走行体上に上部旋回体が搭載され、エンジンで駆動される発電機の電力により蓄電手段に蓄電可能であると共に、これら発電機および蓄電手段の少なくとも一方から供給される電力により複数の電動機を作動させ、これら複数の電動機の作動により複数のアクチュエータを駆動することによって、必要な作業モードをとりうるハイブリッド建設機械であって、前記蓄電手段の全部又は一部を、前記下部走行体に配置したハイブリッド建設機械。
2. 前記蓄電手段は、前記上部旋回体に配設した第１蓄電手段と、前記下部走行体に配設した第２蓄電手段と、からなる請求項１記載のハイブリッド建設機械。
3. 前記複数の電動機のうちの少なくとも１つが走行用電動機として前記下部走行体に設けられ、この走行用電動機は前記第２蓄電手段を使用して作動する請求項２記載のハイブリッド建設機械。
4. 前記エンジン及び前記発電機が前記上部旋回体に配設されており、
   前記第２蓄電手段に接続された電気供給路が電気的なロータリージョイントを有しており、前記ロータリージョイントの破損が検出されたときに、前記第２蓄電手段からの電力が前記走行用電動機に供給される請求項３記載のハイブリッド建設機械。

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