JP5614373B2

JP5614373B2 - 旋回式作業機械

Info

Publication number: JP5614373B2
Application number: JP2011125222A
Authority: JP
Inventors: 山▲崎▼　洋一郎; 洋一郎山▲崎▼
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2031-06-03
Also published as: JP2012251371A

Description

本発明はハイブリッド式または電動式で、かつ、油圧モータと電動機とによって上部旋回体を旋回駆動する旋回式作業機械に関するものである。

ハイブリッド式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が地面に対して鉛直となる軸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及びこれらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ６，７，８から成る作業アタッチメント９が装着されて構成される。

また、ハイブリッド式ショベルにおいては、動力源としてのエンジンに油圧ポンプと発電電動機とを接続し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動するとともに、発電電動機の発電機作用によってバッテリに充電し、適時、このバッテリ電力により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するように構成される。

このハイブリッド式ショベルにおいて、上部旋回体を旋回駆動する旋回駆動システムとして、旋回用油圧モータを駆動源とする油圧旋回ユニットに加えて、旋回用電動機を駆動源とする電動旋回ユニットを設け、旋回力行時(起動を含む加速時及び加速後の定常運転時)には両ユニットの合計トルクによって上部旋回体を旋回駆動し、旋回減速時には旋回用電動機を発電機として作動させ、ブレーキ力を発揮させるとともに、その回生電力を蓄電器に充電する構成をとるものが公知である(特許文献１参照)。

一方、ハイブリッドショベルを含めて、充電式の蓄電器を備えた旋回式作業機械において、蓄電器の充電状態が自然放電等によって適正範囲未満に低下する過放電状態となる場合がある。

この蓄電器の過放電対策として、過放電が検出されたときに、発電電動機の発電機作用により蓄電器が適正範囲まで充電されるようにエンジンを制御する技術が公知である(特許文献２参照)。

特開２００５−２９０８８２号公報特開２００４−１５０３０７号公報

蓄電器の過放電状態では、その端子間電圧が適正範囲以下に低下した状態となるため、この状態から発電電動機の発電機作用や旋回用電動機の回生作用による通常の充電作用を行わせようとすると、直流電源回路に過大電流が流れ、適正に充電できないだけでなく、蓄電器の異常発熱や劣化、蓄電器(セルや、セル間を接続するバスバー、接続ケーブル等の蓄電器を構成する機器類)の破損を招くおそれがある。

このため、過放電状態に陥ると、特許文献２に記載された通常の充電作用によっては蓄電器の充電そのものができなくなり、これに伴って旋回動作も不能となる。

そこで本発明は、蓄電器が過放電状態であるときに、蓄電器の異常発熱や破損を招くことなく、発電電動機の発電機作用により蓄電器に充電して充電状態を適正範囲に回復させることができる旋回式作業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、下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、動力源と、蓄電器と、上記動力源により駆動される油圧ポンプと、上記動力源により駆動されて発電機作用を行うとともに上記蓄電器を電源として電動機作用を行う発電電動機とを具備する一方、上記上部旋回体を旋回駆動する旋回ユニットとして、上記油圧ポンプからの圧油により駆動される旋回用油圧モータを駆動源とする油圧旋回ユニットと、上記蓄電器の蓄電力より駆動される旋回用電動機を駆動源とする電動旋回ユニットとを備え、上記油圧及び電動両ユニットの合計トルクによって上記上部旋回体が旋回駆動され、かつ、上記発電電動機の発電機作用、及び旋回減速時の上記旋回用電動機の回生作用によって蓄電器が充電されるとともに、この蓄電器の蓄電力により上記発電電動機が電動機として駆動されて上記動力源をアシストするように構成された旋回式作業機械において、上記蓄電器の充電状態を検出する充電状態検出手段と、この充電状態検出手段からの信号に基づいて上記発電電動機及び旋回用電動機を制御する制御手段とが設けられ、この制御手段は、検出された充電状態が適正範囲に満たない過放電状態であるときに、上記蓄電器の充電状態が上記適正な充電範囲に回復するまで、上記蓄電器の充電電流を、蓄電器にとって安全な電流値として設定された設定電流に制限しながら、上記発電電動機に発電機作用を行わせて上記蓄電器に充電する制限充電制御を行い、かつ、上記制限充電制御中は、上記電動旋回ユニットの旋回駆動作用を停止させ、上記油圧旋回ユニットのみによって上記上部旋回体を旋回駆動するように構成したものである。

この構成によれば、電動旋回ユニットにより油圧旋回ユニットをアシストし、かつ、発電電動機の発電機作用と旋回用電動機の回生作用によって蓄電器に充電する構成を前提として、蓄電器が過放電状態(端子間電圧が低下した状態)であるときに、発電電動機の発電機作用により、充電電流を蓄電器(蓄電器を構成するすべての機器類を含む)にとって安全な電流値(設定電流)に制限しながら蓄電器に充電する制限充電制御を行うため、蓄電器及び回路構成機器類の異常発熱や破損を防止しながら、発電電動機の発電作用によって蓄電器に充電し、充電状態を適正範囲に回復させることができる。

この場合、上記制御手段は、上記制限充電制御中は、上記電動旋回ユニットの旋回駆動作用を停止させ、上記油圧旋回ユニットのみによって上記上部旋回体を旋回駆動するように構成したから、充電中、電動旋回ユニットの旋回アシストによる蓄電器の放電を防止しながら、油圧旋回ユニットによる旋回動作を確保することができる。

すなわち、過放電状態でも作業が可能となるとともに、蓄電器の過放電状態からのさらなる放電による劣化を防止することができる。

また本発明においては、上記動力源の始動を検出する始動検出手段を設け、上記制御手段は、始動時に上記制限充電制御を行うように構成するのが望ましい(請求項２)。

この構成によれば、始動時点で過放電状態を把握し、いち早く制限充電制御を行うことにより、蓄電器とその構成機器類のダメージを防止しながら蓄電器の充電状態を適正範囲に速やかに回復させて作業を開始することができる。

一方、本発明においては、上記旋回用油圧モータを駆動する油圧旋回回路は、旋回減速時に油圧ブレーキ力を発揮するブレーキ弁を備え、上記制御手段は、上記蓄電器の過充電状態が検出されたときに、上記充電状態が上記適正範囲となるまで、旋回減速時の上記旋回用電動機の回生作用を停止させ、上記ブレーキ弁による油圧ブレーキ力のみを働かせるように構成するのが望ましい(請求項３)。

この構成によれば、蓄電器が過充電状態のときに、旋回用電動機の回生作用による充電作用を停止させるとともに、ブレーキ弁による油圧ブレーキ力のみによって旋回の減速、停止を確保することができる。

本発明によると、蓄電器が過放電状態となったときに、蓄電器の異常発熱や破損を招くことなく、発電電動機の発電機作動や旋回用電動機の回生作動によって蓄電器に充電して適正充電範囲に回復させることができる。

本発明の実施形態にかかる旋回駆動制御システムの構成図である。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。蓄電器の充電状態と蓄電器電圧の関係を示す図である。本発明の適用対象であるショベルの概略側面図である。

本発明の実施形態を図によって説明する。

実施形態はハイブリッド式ショベルを適用対象としている。

図１は旋回駆動制御システムの全体構成を示す。同図において、油圧系の回路を実線、電気、制御系の回路を破線でそれぞれ示す。

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

油圧ポンプ１２には油圧アクチュエータごとの油圧回路(油圧旋回回路１４のみを図示する)が接続され、油圧ポンプ１３からの圧油によって各アクチュエータが駆動される。

油圧旋回回路１４は、旋回駆動源の一つである旋回用油圧モータ１５と、図示しない旋回リモコン弁の操作に基づいて同モータ１５の作動(回転方向と速度)を制御するコントロールバルブ１６と、それぞれ一対のリリーフ弁及びチェック弁から成るブレーキ弁１７とを具備する。

また、第２の旋回駆動源としての旋回用電動機１８が設けられ、旋回用油圧モータ１５を駆動源とする油圧旋回ユニットと、旋回用電動機１８を駆動源とする電動旋回ユニットとによって図４の上部旋回体(図１中に四角形で示す)２が旋回駆動される。

すなわち、電動旋回ユニットが油圧旋回ユニットをアシストするように構成されている。

発電電動機１３には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の充電式の蓄電器１９が接続され、基本的作用として、制御手段としてのコントローラ２０からの制御信号により蓄電器１９の充電状態に応じた充放電作用、発電電動機１３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、稼動中、蓄電器１９の充電量が低下すれば発電電動機１３が発電機作用を行い、発生した電力が蓄電器１９に送られて充電される一方、適時、この蓄電器１９の蓄電力により発電電動機１３が電動機作用を行ってエンジン１１をアシストする。

また、発電電動機１３及び蓄電器１９にインバータ／コンバータ２１を介して旋回用電動機１８が接続され、発電電動機１３が発生する電力及び蓄電器１９の蓄電力によって旋回用電動機１８が回転駆動される。

コントローラ２０は、旋回リモコン弁の操作に基づいてコントロールバルブ１６の作動を制御する油圧制御部と、インバータ／コンバータ２１を介して発電電動機１３の作動及び蓄電器１９の充放電を制御する電気制御部とから成っている。

一方、センサとして、旋回用電動機１８の回転数検出する回転数センサ２２と、蓄電器１９の端子間電圧を通じて充電状態を検出する充電状態検出手段としての電圧センサ２３とが設けられ、これらからの検出信号が、旋回リモコン弁の操作信号、及びエンジン１１を始動させるキースイッチ２４の操作信号とともにコントローラ２０に入力される。

コントローラ２０は、通常の旋回制御として、旋回力行時における油圧モータ１５(油圧旋回ユニット)と旋回用電動機１８(電動旋回ユニット)の旋回トルク配分の決定及び指令、旋回減速時における電動機１８の回生動力の決定及び指令等を行う。

また、このショベル特有の制御として、エンジン始動時(キースイッチ２４のオン操作時)に、蓄電器１９の充電状態の判別、過放電状態であるときの制限充電制御、過充電状態であるときのブレーキ制御を行う。

この点の作用を図２のフローチャート、及び図３の蓄電器特性図によって説明する。

キースイッチオンで制御が開始され、ステップＳ１で、検出された端子間電圧から蓄電器１９が過放電状態か否かを判断する。

すなわち、検出された端子間電圧が、図３中に示す適正充電範囲の下限値である第１設定電圧Ｖｓ１に満たないとき(図３中の過放電領域内にあるとき)に過放電(ＹＥＳ)と判断してステップＳ２に移行する。

ステップＳ２では、発電電動機１３の発電量、つまり充電電流を、蓄電器１９(蓄電器を構成するすべての構成機器類を含む)にとって安全な電流値として設定された設定電流に制限しながら、発電電動機１３に発電機作用を行わせて蓄電器１９に充電する制限充電制御を行う。

続くステップＳ３では、電動旋回ユニットの旋回アシスト作動を禁止し(具体的には旋回用電動機１８の作動を停止させ)、油圧旋回ユニットのみによる旋回駆動を指令してステップＳ１に戻る。

こうして、蓄電器１９の充電状態が適正範囲に回復する(端子間電圧が(第１設定電圧Ｖｓ１以上になる)まで制限充電制御が行われ、この制御中に旋回操作があると油圧旋回ユニットのみによる旋回動作が行われる。

そして、蓄電器充電状態が適正範囲に回復すると、通常制御に戻り、蓄電器１９を電源とする発電電動機１３の電動機作用によるエンジンアシスト、発電電動機１３の発電機作用及び旋回用電動機１８による回生作用による蓄電器１９の充電、電動旋回ユニットによる旋回アシストが行われる。

なお、この通常制御では、制限充電制御時の蓄電器１９の充電電流の制限は行われない。

一方、ステップＳ１でＮＯ、つまり、蓄電器端子間電圧が第１設定電圧Ｖｓ１以上である場合は、過放電状態ではないとしてステップＳ４に移行し、過充電か否かを判断する。

すなわち、検出された端子間電圧が、図３中に示す過充電領域の下限値である第２設定電圧Ｖｓ２未満であれば、蓄電器充電状態が適正範囲にあるとしてそのままステップＳ１に戻る。

これに対し、蓄電器端子間電圧が第２設定電圧Ｖｓ２以上であるときは、過充電(ＹＥＳ)と判断されてステップＳ５に移行し、これ以上充電作用が行われないように発電電動機１３の発電機作用を禁止する。

さらに、続くステップＳ６で、旋回用電動機１８の回生作用を禁止し、旋回減速時の制動はブレーキ弁１７の油圧ブレーキ作用のみによって行わせる。

こうして、蓄電器１９の充電状態が適正範囲に戻るまで充電が停止し、放電のみが行われる。

このように、蓄電器１９が過放電状態であるときに、発電電動機１３の発電機作用により、充電電流を蓄電器１９にとって安全な(設定電流に保ちながら蓄電器１９に充電する制限充電制御を行うため、蓄電器１９の異常発熱や破損を防止しながら、発電電動機１３の発電機作用によって蓄電器１９に充電し、充電状態を適正範囲に回復させることができる。

また、この充電中、電動旋回ユニットの旋回アシストによる蓄電器１９の放電を防止しながら、油圧旋回ユニットによる旋回動作を確保することができる。

すなわち、過放電状態でも作業が可能となるとともに、蓄電器１９の過放電状態からのさらなる放電による劣化を防止することができる。

さらに、始動時点で過放電状態を把握し、いち早く制限充電制御を行うため、蓄電器１９とその構成機器類のダメージを防止しながら蓄電器１９の充電状態を適正範囲に速やかに回復させて作業を開始することができる。

一方、蓄電器１９が過充電状態のときに、旋回用電動機１８の回生作用による充電作用を停止させるとともに、ブレーキ弁１７による油圧ブレーキ力のみによって旋回の減速、停止を確保することができる。

ところで、本発明はハイブリッド式ショベルに限らず、電動式のショベルにも適用することができる。

この場合、エンジン１１に代わる動力源がメインの電動機となり、このメインの電動機で油圧ポンプ１２と発電電動機１３を駆動する構成がとられる。他の構成はハイブリッド式と同じである。

１下部走行体
２上部旋回体
１１動力源としてのエンジン
１２油圧ポンプ
１３発電電動機
１４油圧旋回回路
１５旋回用油圧モータ
１５油圧モータ
１７ブレーキ弁
１８旋回用電動機
１９蓄電器
２０制御手段を構成するコントローラ
２１制御手段を構成するインバータ／コンバータ
２２回転数センサ
２３電圧センサ
２４キースイッチ

Claims

下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、動力源と、蓄電器と、上記動力源により駆動される油圧ポンプと、上記動力源により駆動されて発電機作用を行うとともに上記蓄電器を電源として電動機作用を行う発電電動機とを具備する一方、上記上部旋回体を旋回駆動する旋回ユニットとして、上記油圧ポンプからの圧油により駆動される旋回用油圧モータを駆動源とする油圧旋回ユニットと、上記蓄電器の蓄電力より駆動される旋回用電動機を駆動源とする電動旋回ユニットとを備え、上記油圧及び電動両ユニットの合計トルクによって上記上部旋回体が旋回駆動され、かつ、上記発電電動機の発電機作用、及び旋回減速時の上記旋回用電動機の回生作用によって蓄電器が充電されるとともに、この蓄電器の蓄電力により上記発電電動機が電動機として駆動されて上記動力源をアシストするように構成された旋回式作業機械において、上記蓄電器の充電状態を検出する充電状態検出手段と、この充電状態検出手段からの信号に基づいて上記発電電動機及び旋回用電動機を制御する制御手段とが設けられ、この制御手段は、検出された充電状態が適正範囲に満たない過放電状態であるときに、上記蓄電器の充電状態が上記適正な充電範囲に回復するまで、上記蓄電器の充電電流を、蓄電器にとって安全な電流値として設定された設定電流に制限しながら、上記発電電動機に発電機作用を行わせて上記蓄電器に充電する制限充電制御を行い、かつ、上記制限充電制御中は、上記電動旋回ユニットの旋回駆動作用を停止させ、上記油圧旋回ユニットのみによって上記上部旋回体を旋回駆動するように構成したことを特徴とする旋回式作業機械。
上記動力源の始動を検出する始動検出手段を設け、上記制御手段は、始動時に上記制限充電制御を行うように構成したことを特徴とする請求項１記載の旋回式作業機械。
上記旋回用油圧モータを駆動する油圧旋回回路は、旋回減速時に油圧ブレーキ力を発揮するブレーキ弁を備え、上記制御手段は、上記蓄電器の過充電状態が検出されたときに、上記充電状態が上記適正範囲となるまで、旋回減速時の上記旋回用電動機の回生作用を停止させ、上記ブレーキ弁による油圧ブレーキ力のみを働かせるように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の旋回式作業機械。