JP5657324B2 - ハイブリッド型作業機械 - Google Patents

Description

本発明は作業機械に係り、特に、油圧ポンプを駆動するエンジンを電動機によりアシストするハイブリッド型作業機械に関する。

ハイブリッド型作業機械の一例としてハイブリッド型油圧ショベルがある。ハイブリッド型油圧ショベルでは、一般的に、エンジンの出力で油圧ポンプを駆動して油圧負荷を駆動するとともに、蓄電装置から供給される電力でアシスト用電動機を駆動してエンジンをアシストする。

ハイブリッド型油圧ショベルにおいて、エンジンの出力が油圧ポンプを駆動するための出力以上のときにエンジンの出力で発電機を駆動して発電し、得られた電力を蓄電装置に供給して蓄電する。したがって、エンジンをアシストするための電動機と、エンジンからの出力で発電する発電機とがエンジンに接続される。電動機と発電機は基本構造が同じであり、一台の電動機を発電機としても機能させることができる。発電機としても機能する電動機を、電動発電機と称することもある。

ハイブリッド型油圧ショベルでは、一台の電動発電機を変速機を介してエンジンに機械的に接続し、電動発電機でアシスト及び発電を行なう場合が多い（例えば、特許文献１参照。）。一台の電動発電機を用いてエンジンのアシストと発電を交互に行なう場合、エンジンをアシストするときには電動発電機は電動モータとして機能し、発電をするときには発電機として機能する。

特開２００９−２６１０９６号公報

一般的なハイブリッド型油圧ショベルでは、通常の作業時には基本的に油圧負荷の要求の大部分をエンジンの出力でまかなえるようにエンジンの出力が設定されており、エンジンのアシストが必要となるのは、油圧負荷からの要求が一時的に大きくなった場合である。すなわち、電動機として機能してエンジンをアシストするときに必要な電動発電機の出力（アシスト動力）は、油圧負荷が要求する出力（動力）からエンジン出力を引いたものであり、エンジン出力に比較すると電動発電機の出力（すなわち、アシスト動力）は小さい。

一方、電動発電機を発電機として機能させて発電する際は、エンジンの出力の大部分を電力に変換することとなるので、電動発電機の出力（すなわち、発電電力）はエンジン出力に近く、比較的大きな出力（発電電力）となる。

以上のように、通常の作業を行なう場合、電動発電機が電動機として機能している際の電動発電機の出力（アシスト動力）は、電動発電機が発電機として機能している際の電動発電機の出力（発電電力）より小さくなる場合が多い。したがって、電動発電機が発電機として機能している際の電動発電機の効率が最大となるように電動発電機の定格出力を設定すると、電動発電機が電動機として機能している際の電動発電機の効率は小さくなってしまう。したがって、電動発電機を常に効率のよい状態で運転することができない。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、アシストの際の出力効率と発電の際の出力効率を常に最大に近い値に維持することのできるハイブリッド型作業機械を提供することを目的とする。

本発明によれば、エンジンと、該エンジンの駆動力によって発電を行なう発電機と、該発電機により発電された電力を蓄電する蓄電器と、該蓄電器から供給された電力により駆動して前記エンジンをアシストする電動機とを有し、前記アシストの際に前記電動機から出力される動力は、前記発電の際に前記発電機に供給される動力より小さいハイブリッド型作業機械であって、前記電動機と前記発電機は別個の構成部品であり、前記電動機、及び、前記発電機の各定格出力時において、前記電動機、及び、前記発電機の各効率が最大付近となり、前記電動機の定格出力は前記発電機の定格出力より小さいことを特徴とするハイブリッド型作業機械が提供される。

上述のハイブリッド型作業機械において、前記電動機に供給する電力に対する前記電動機から出力される動力の割合を表す電動機効率特性曲線は、前記発電機に供給する動力に対する前記発電機から出力される電力の割合を表す発電機効率特性曲線とは異なることが好ましい。また、前記電動機の定格出力と前記発電機の定格出力との比率は、前記エンジンをアシストする際に前記電動機が出力するアシスト動力と前記発電機が発電する際に出力する電力との比率に対応していることとしてもよい。

本発明によれば、発電機と電動機を別個に設けることで、発電機と電動機の各々を常に効率が最大に近くなるように制御することができる。

本発明の一実施形態によるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。 ハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 電動機及び発電機を兼用する電動発電機の出力を示すグラフである。 エンジンの最大出力と油圧負荷が要求する出力（動力）の時間変化を示すグラフである。 電動機と発電機を同じ回転数とした場合の電動機の電動機効率特性曲線と発電機の発電機効率特性曲線を示すグラフである。 旋回機構を電動化したハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。

ハイブリッド式油圧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、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット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、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に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を示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の出力側に、アシスト駆動部としての電動機１２が接続されている。また、発電機１３は電動機１２を介してエンジン１１に接続されている。の入力軸が接続されている。発電機１３には、油圧ポンプとしてメインポンプ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。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式油圧ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。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は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。また、旋回機構２を駆動するための旋回用油圧モータ２Ａもコントロールバルブ１７に接続される。

電動機１２には、インバータ１８Ｂを介して、蓄電器を含む蓄電系１２０が接続される。また、発電機１３には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器を含む蓄電系１２０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は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９に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。

コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、電動機１２及び発電機１３の運転制御（電動機１２の（アシスト）運転又は発電機１３の発電運転の切り替え）を行う。また、コントローラ３０は、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータを駆動制御することによる蓄電系１２０の充放電制御を行う。コントローラ３０は、蓄電系１２０内の蓄電器又は蓄電池の充電状態、電動機１２の運転状態（アシスト運転）、発電機１３の運転状態（発電運転）に基づいて、蓄電系１２０の昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これにより蓄電系１２０の充放電制御を行う。

ここで、上述のハイブリッド型油圧ショベルにおいて、電動機１２及び発電機１３を一台の電動発電機で兼用した場合の運転時における、電動発電機の出力について説明する。図３は電動機１２及び発電機１３を兼用する電動発電機の出力を示すグラフである。

図３のグラフにおいて、横軸は時間［秒］を表し、縦軸は電動発電機の出力［ｋＷ］を表す。縦軸の出力でプラス側は電動発電機がアシスト運転しているときのアシスト動力に相当し、マイナス側は電動発電機が発電運転しているときの発電電力に相当する。図３に示す例では、出力がプラス側となったアシスト動力の値は最大でも１５ｋＷ程度であるが、出力がマイナス側となった発電電力の値は４０ｋＷ以上にもなる。なお、図３に示す出力の数値は一例であり、ハイブリッド型油圧ショベルの大きさや種類、運転条件等により異なるものである。

図４はエンジン１１の最大出力と油圧負荷が要求する出力（動力）の時間変化を示すグラフである。図４において、油圧負荷の要求出力が実線で示され、エンジン１１の最大出力が一点鎖線で示されている。

油圧負荷の要求出力のほうがエンジン１１の最大出力より大きい部分は、その差分をアシスト動力で補う部分である。すなわち、アシスト動力はエンジン１１の最大出力では足りない部分を補うために出力されるもので、エンジンの最大出力に比較すると小さな動力となる。したがって、電動発電機がエンジン１１をアシストする場合は、比較的小さな電力が電動発電機に供給され、電動発電機はアシスト動力を発生する。

一方、油圧負荷の要求出力のほうがエンジン１１の最大出力より小さい部分は、エンジンの出力が余っている状態であり、その差分を発電のために用いることができる。発電可能な状態となると、蓄電系１２０の蓄電器又は蓄電池の蓄電量を維持するために、可能な限り急速に蓄電量を増やす必要がある。したがって、油圧負荷の要求出力がエンジン１１の最大出力より小さいなって発電可能な状態となると、エンジン１１の最大出力と油圧負荷の要求出力の差分を全て使用して発電が行なわれる。すなわち、エンジン１１の最大出力と油圧負荷の要求出力の差分が全て電動発電機に入力されて電動発電機が駆動される。

以上のように、アシスト動力を発生するときには、比較的小さな電力が電動発電機に供給されて電動発電機がアシスト運転される。これに対し、発電運転を行なうときには、比較的大きな動力が電動発電機に供給されて電動発電機が発電運転される。

一台の電動発電機で、電動機１２と発電機１３を兼用した場合は、アシスト運転するときには電動発電機は小さな出力でよく、発電運転するときには電動発電機は大きな出力でければならない。そこで、発電時の大きな出力が出せるような定格出力の大きな電動発電機を用いる必要がある。この場合、アシスト運転するときには電動発電機を定格出力より小さな領域で用いられこととなる。通常、電動機、発電機、及び電動発電機は、その定格出力時に効率が最大近くになるという効率特性を有するように設計されている。したがって、発電運転に合わせた定格出力を有する電動発電機をアシスト運転するときには、効率の悪いところで使用することなる。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、一台の電動発電機ではなく、電動機１２と発電機１３を個別に設け、電動機１２の定格出力（モータ容量）を発電機１３の定格出力（モータ容量）とは異なるように設定している。具体的には、電動機１２の定格出力（モータ容量）を発電機１３の定格出力（モータ容量）より小さくなるように設定している。

電動機１２の定格出力と発電機１３の定格出力を異ならせることにより、図５に示すように、電動機１２の効率（出力／入力）を示す特性曲線は、発電機１３の効率（出力／入力）を示す特性曲線とは異なることとなる。ここで、電動機１２の効率（出力／入力）とは、エンジン１１をアシストするために出力する動力をインバータ１８Ｂから入力される電力で除した値に相当する。電動機１２の効率（出力／入力）を示す特性曲線は、電動機１２に供給する電力に対する電動機１２から出力される動力の割合を表す電動機効率特性曲線である。一方、発電機１３の効率を示す特性曲線は、発電機１３に供給する動力に対する発電機１３から出力される電力の割合を表す発電機効率特性曲線である。ここで、発電機１３の効率とは、インバータ１８Ａに出力する電力をエンジン１１から入力される動力で除した値に相当する。なお、図５に示す例は、電動機１２の回転数と発電機１３の回転数を同じ回転数とした場合の電動機１２の電動機効率特性曲線と発電機１３の発電機効率特性曲線を示すグラフである。電動機１２の電動機効率特性曲線は、電動機１２の定格出力付近で効率が最大となることを示している。また、発電機１３の発電機効率特性曲線は、発電機１３の定格出力付近で効率が最大となることを示している。

このように、電動機１２と発電機１３を別個に設けることにより、ハイブリッド型油圧ショベルでのアシスト運転に最適な定格出力を有する電動機を電動機１２として用いることができ、同時に、ハイブリッド型油圧ショベルでの発電運転に最適な定格出力を有する発電機を発電機１３として用いることができる。これにより、電動機１２が最大に近い効率を示すところでアシスト運転することができ、同時に、発電機１３が最大に近い効率を示すところで発電運転を行なうことができる。

以上のように、小さなアシスト動力を出力するのに最適な小さな電動機を用いることで、アシスト効率が向上し、その分アシストに必要な電力を低減することができる。すなわち、蓄電系１２０の蓄電器に蓄えておく電力量を少なくできる。このため、蓄電系１２０の蓄電器に蓄電するための発電量を低減することができ、その結果、エンジンの燃料消費量を低減することができる。

なお、上述の実施形態では、電動機１２と発電機１３は直結されており、電動機１２の回転数と発電機１３の回転数は同じ回転数となっているが、電動機１２の回転数と発電機１３の間に変速機を設けて、電動機１２と発電機１３の回転数を異ならせてもよい。あるいは、電動機１２、発電機１３、及びメインポンプ１４を変速機を介してそれぞれ独立にエンジン１１に接続することもできる。

また、上述の実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルでは、旋回機構２を油圧駆動としているが、図６に示すように旋回機構２を電動駆動とすることもできる。図６は、旋回機構を電動化したハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図６において、図２に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

図６に示すハイブリッド型油圧ショベルにおいて、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。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。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。このように、蓄電系へ電動作業要素が付加されると、蓄電系から電動作業要素への放電電力が大きくなるので、発電機１３の発電電力もより大きくなる。したがって、電動機１２と発電機１３との定格出力を変えることが望ましく、本願発明が有効に作用する。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
２Ａ 旋回用油圧モータ
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
７Ａ 油圧配管
７Ｂ ブーム角度センサ
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 電動機
１３ 発電機
１４ メインポンプ
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
１８Ａ，１８Ｂ，２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２１Ａ 回転軸
２２ レゾルバ２２
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
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２６Ｄ ボタンスイッチ
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ

Claims (3)

1. エンジンと、
   該エンジンの駆動力によって発電を行なう発電機と、
   該発電機により発電された電力を蓄電する蓄電器と、
   該蓄電器から供給された電力により駆動して前記エンジンをアシストする電動機と
   を有し、
   前記アシストの際に前記電動機から出力される動力は、前記発電の際に前記発電機に供給される動力より小さいハイブリッド型作業機械であって、
   前記電動機と前記発電機は別個の構成部品であり、
   前記電動機、及び、前記発電機の各定格出力時において、前記電動機、及び、前記発電機の各効率が最大付近となり、
   前記電動機の定格出力は前記発電機の定格出力より小さいことを特徴とするハイブリッド型作業機械。
2. 請求項１記載のハイブリッド型作業機械であって、
   前記電動機に供給する電力に対する前記電動機から出力される動力の割合を表す電動機効率特性曲線は、前記発電機に供給する動力に対する前記発電機から出力される電力の割合を表す発電機効率特性曲線とは異なることを特徴とするハイブリッド型作業機械。
3. 請求項１又は２記載のハイブリッド型作業機械であって、
   前記電動機の定格出力と前記発電機の定格出力との比率は、前記エンジンをアシストする際に前記電動機が出力するアシスト動力と前記発電機が発電する際に出力する電力との比率に対応していることを特徴とするハイブリッド型作業機械。

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