JP5676641B2 - ハイブリッドショベルのブーム駆動システム及びその制御方法 - Google Patents

ハイブリッドショベルのブーム駆動システム及びその制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、従来技術の問題点を解決するために案出されたものであって、電動機を用いながらもショベルの主な用途である掘削作業時におけるエネルギー損失を最小化し、ブームの作動性能を確保し、ブームの回生可能なエネルギーを回収することができるハイブリッドショベルのブーム駆動システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システムは、モータ又は発電機により作動される電動機、前記電動機で発生した電気を貯蔵する蓄電装置、前記電動機で駆動されてブームに作動油を供給する油圧ポンプモータ、前記油圧ポンプモータの吐出ラインと流入ラインをブームのヘッド又はロッド側と選択的に連通又は遮断する閉回路を構成するブーム制御弁、前記電動機と別に設けられた駆動源により駆動され、バケット、走行モータ又はアームに作動油を供給するメインポンプ、前記メインポンプの吐出ラインを前記油圧ポンプモータの吐出ラインに連結させ、前記メインポンプ及び前記油圧ポンプモータのそれぞれから吐き出される作動油を合流可能にさせるためのブーム補助弁、並びに前記電動機、前記油圧ポンプモータ、前記ブーム制御弁を制御する制御部を備える。
ここで、第１の制御弁は、ブームの上昇中に選択的に切り替えられ、ブームの下降時に遮断され、また、第２の制御弁は、ブームの上昇時に遮断され、ブームの下降時に選択的に切り替えられる。
また、前記第１の制御弁は、ブームの下降時にブームシリンダーから前記油圧ポンプモータ側への流入流量が、前記油圧ポンプモータの許容流量を超過又は前記電動機の発電容量を超過する場合、連通されて、ブームシリンダーから前記油圧ポンプモータへの流入流量をタンクに流入させることができる。
更に、本発明に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システムの制御方法は、ブームジョイスティックの操作量を検出するステップ；前記ブームジョイスティックの操作によるブームの上昇又は下降を判断するステップ；前記ブームが上昇であれば、第１の制御弁を開放するステップ；前記ブームが上昇であれば、前記ブームジョイスティックの操作量に応じたブームの駆動動力と前記電動機の最大供給可能な動力とを比較し、ブームの駆動動力が前記電動機の最大供給可能な動力より小さい場合は、ブームシリンダーの所要流量と前記油圧ポンプモータの最大流量とを比較するステップ；前記ブームシリンダーの所要流量が前記油圧ポンプモータの最大流量より小さい場合は、前記ブーム補助弁を遮断するステップ；前記ブームの駆動動力が前記電動機の最大供給可能な動力より大きい場合は、前記ブーム補助弁を連結するステップ；前記ブームが下降であれば、第２の制御弁を開放し、ブームの回生動力と前記電動機の最大回生可能な動力とを比較し、ブームの回生動力が前記電動機の最大回生可能な動力より小さい場合は、ブームシリンダーの回生流量と前記油圧ポンプモータの許容流量とを比較するステップ；前記ブームシリンダーの回生流量が前記油圧ポンプモータの許容流量より小さい場合は、前記第１の制御弁を遮断するステップ；前記ブームシリンダーの回生流量が前記油圧ポンプモータの許容流量より大きい場合は、前記第１の制御弁を連結するステップ；及び前記ブームの回生動力が前記電動機の最大回生可能な動力より大きい場合は、前記第１の制御弁を連結するステップを含む。
上述のような本発明に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システム及びその制御方法によれば、電動機を用いながらもショベルの主な用途である掘削作業時におけるエネルギー損失を最小化し、ブームの作動性能を確保し、ブームの回生可能なエネルギーを回収することができるという効果が得られる。
即ち、ブームの上昇時において、電動機とブームの油圧ポンプモータを用いてブームを駆動することで、低流量の微細操作を行う時に油圧システムで発生する損失をなくして燃費向上が可能となる。
また、ブームの単独動作時、初期の微細操作区間において必要な流量は、電動機及びブームの油圧ポンプモータから供給し、一般にブームの最大供給流量と同じ水準を越える超過分は、メインポンプを備えた既存の油圧システムを用いて供給することができる。
また、小容量の電動機及びポンプモータを用いながらも既存のショベルと同水準のブーム作業性能を確保することができ、ブームエネルギーの回生が可能であり、瞬時に高い動力及び大流量が必要となる場合は、既存の油圧システムで補充することで既存のショベルと同水準の性能を確保することができる。
また、瞬時に回生エネルギーが多く生じる場合は、容量の超過分はバイパスし、ブームの最大供給流量及びエンジン最大動力に相当する油圧ポンプ及び電動機の容量のみでブーム駆動に必要なほとんどのエネルギーを供給することができ、ブームの回生可能なエネルギーの大部分を回収することができる。
また、ブームを、既存の油圧システムから分離することで、既存の油圧システムにおける損失をなくすことが可能となり、メインコントロール弁の構造の簡略化が可能である。
更に、２つのメインポンプが、アームとバケットをそれぞれ担当しているため、アームとバケットの作業性能が向上できる。
図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システムを示す構成図である。 図２は、図１のブームの上昇状態を示す構成図である。 図３は、図１のブームの下降状態を示す構成図である。 図４は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システムの制御方法を示すフローチャートである。
以下、本発明に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システム及びその制御方法の好適な実施形態を添付の図面に基づいて説明する。なお、図中の線や構成要素などは、明確な説明及び説明の便宜のために、誇張して示されたものがあり得る。また、後述の用語は、本発明における機能を考慮して定義されたものであり、これらは、使用者や運用者の意図又は慣例に応じて変えることができる。
図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システムを示す構成図、図２は、図１のブームの上昇状態を示す構成図、図３は、図１のブームの下降状態を示す構成図、図４は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システムの制御方法を示すフローチャートである。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システムは、モータ又は発電機として作動する電動機１１０、電動機で生産した電気を貯蔵する蓄電装置１１５、電動機１００で駆動されてブーム１００に作動油を供給する油圧ポンプモータ１２０、油圧ポンプモータ１ ２０の吐出ライン１２１と流入ライン１２２をブーム１００のヘッド１０６又はロッド１０７側に選択的に連結又は遮断するブーム制御弁１２５を備える。この実施形態において、蓄電装置１１５は、エンジン１４１に連結された不図示の別の他の電動機（モータ／発電機）の駆動により大部分の電力が供給される。
ブーム制御弁１２５は、作動油が供給されるブーム補助ライン１４５によりメインポンプ１４０に連結される。２つのメインポンプ１４０が設けられ、エンジン１４１により駆動されることで、バケット、走行モータ又はアームに作動油を供給する。
油圧ポンプモータ１２０には、作動油が吐き出される吐出ライン１２１と、作動油が流入される流入ライン１２２とが連結されている。吐出ライン１２１と流入ライン１２２は、ブーム制御弁１２５によりブームシリンダー１０５のヘッド１０６又はロッド１０７側に連結される。即ち、吐出ライン１２１と流入ライン１２２との油圧回路の接点は、ブーム制御弁１２５によって連通又は遮断されるようになる。
ブーム制御弁１２５は、吐出ライン１２１と流入ライン１２２を順方向に連結してブーム１００を上昇させる順方向連結部位１２６、吐出ライン１２１と流入ライン１２２を逆に連結する交差連結部位１２７、及び吐出ライン１２１と流入ライン１２２の連結を切断する遮断部位１２８から構成されている。ブーム制御弁１２５は、電磁比例制御弁又は別のパイロット油圧ラインにより作動し、吐出ライン１２１と流入ライン１２２の連通状態が切り替えられる。
油圧ポンプモータ１２０の吐出ライン１２１には、逆方向への流動を防止するチェック弁１２９が設けられており、油圧ポンプモータ１２０側においてチェック弁１２９の近くにブーム補助ライン１４５が連結されている。油圧ポンプモータ１２０とブーム制御弁１２５とを連結する油圧ライン１２２と、タンクとを連結する第１の制御弁１５１が連結される。ブーム補助ライン１４５の連結部位と油圧ポンプモータ１２０との間には、タンクと連結する第２の制御弁１５２が連結される。電動機１１０、油圧ポンプモータ１２０、ブーム制御弁１２５、第１の制御弁１５１、及び第２の制御弁１５２は、制御部１６０によって作動が制御される。
図２を参照すると、ブームジョイスティック１６１からブーム１００の上昇信号が制御部１６０へ入力されると、制御部１６０によって、電動機１１０はモータで動作されて油圧ポンプモータ１２０をポンプで駆動する。また、ブーム制御弁１２５の切り替えによって油圧ポンプモータ１２０の出口側が吐出ライン１２１を介してブーム１００のヘッド１０６側に連結され、ブーム１００のロッド１０７側は、油圧ポンプモータ１２０の流入ライン１２２によって油圧ポンプモータ１２０の吸入側に連結される。このとき、ブーム１００は、油圧ポンプモータ１２０から吐き出される流量によって上昇を開始し、電動機１１０の回転速度と斜板角度制御装置１７０による斜板角度の制御によってブーム１００の速度制御が行われる。
なお、油圧ポンプモータ１２０とブームシリンダー１０５との間には、閉回路が構成されるが、シリンダー面積差によって、ブームシリンダー１０５から油圧ポンプモータ１２０への供給流量は、油圧ポンプモータ１２０からブームシリンダー１０５への供給流量に比べて不足している。このとき、流量の不足分は、第１の制御弁１５１が連結され、タンクから供給される。
また、制御部１６０は、電動機１１０のトルク、回転速度から電動機１１０の動力を計算し、斜板角度制御装置１７０から出力される斜板角度及び回転速度を通じて油圧ポンプモータ１２０の流量をモニタリングする。
一方、ブームジョイスティック１６１の制御信号が立ち上がり、油圧ポンプモータ１２０の供給流量を超過又は電動機１１０の容量を超過する場合、制御部１６０は、ブーム補助弁１４４を制御してメインポンプ１４０の流量をブームシリンダー１０５に供給する。制御部１６０は、ブームシリンダー１０５がブームジョイスティック１６１の信号を追従できるようにブーム補助弁１４４の開閉を制御する。ブーム補助弁１４４は、連通が切れた状態で制御部１６０により右側に切り替えられ、ブーム補助ライン１４５は、エンジン１４１により駆動されるメインポンプ１４０に連結される。
図３を参照すると、ブームジョイスティック１６１からブームの下降信号が制御部１６０へ入力されると、制御部１６０によって、油圧ポンプモータ１２０は、ブームシリンダー１０５から復帰する流量により動作し、電動機１１０は、油圧ポンプモータ１２０の駆動力により発電機で作動し、発生した電力は、蓄電装置１１５を備えた電気貯蔵装置１１６に貯蔵される。
なお、ブーム１００の下降時に、ブーム制御弁１２５の切り替えによって、ブーム１００のヘッド１０６側は流入ライン１２２により油圧ポンプモータ１２０の吸入側に連結され、ブーム１００のロッド１０７側は吐出ライン１２１により油圧ポンプモータ１２０の吐出側に連結される。ブーム１００の下降速度の制御は、斜板角度制御装置１７０を通じて斜板角度を制御して油圧ポンプモータ１２０の回転速度を制御することで行われ、電動機１１０の発電量制御が共に制御される。
また、油圧ポンプモータ１２０とシリンダーとの間では、閉回路が構成されるが、ロッド１０７の有無によるブームシリンダー１０５の面積差によって、ブームシリンダー１０５から油圧ポンプモータ１２０への供給流量が、油圧ポンプモータ１２０からブームシリンダー１０５への供給流量より多い。このとき、油圧ポンプモータ１２０からブームシリンダー１０５への余剰供給流量は、吐出ライン１２１に連結された第２の制御弁１５２が制御部１６０の信号により連通状態となることで、タンクへ排出される。
また、油圧ポンプモータ１２０の許容流量を超過又は電動機１１０の発電容量を超過する流量が、ブームシリンダー１０５から油圧ポンプモータ１２０へ供給される場合、制御部１６０は、第１の制御弁１５１を連通状態に作動させることで、油圧ポンプモータ１２０と電動機１１０の容量を超過する余剰流量を、タンクに排出させることができる。このとき、第１の制御弁１５１は、ブームシリンダー１０５から流入ライン１２２を介して油圧ポンプモータ１２０に流動する作動油の余剰流量をタンクへ排出する機能を果す。
図２及び図３を参照すると、第１の制御弁１５１は、ブーム１００の上昇時は、タンクを連結して作動油の不足分をブームシリンダー１０５に供給することができ、逆に、ブーム１００の下降時には、ブームシリンダー１０５から油圧ポンプモータ１２０側へ余剰流量の発生時を除いては、遮断される。
また、第２の制御弁１５２は、ブーム１００の上昇時に遮断状態にあり、ブームの下降時には、連結されて油圧ポンプモータ１２０からブームシリンダー１０５に過給される流量をタンクに排出する機能を行う。このような第２の制御弁１５２は、上述のように、ブームの下降時において、常時開放状態に制御することもできるが、更に下記のように制御することもできる。
即ち、第２の制御弁１５２は、ブーム１００の下降時に閉じ状態にあるが、ブームのヘッド１０６側に必要な流量に比べて油圧ポンプモータ１２０を経由して供給される流量の方が多い場合においてのみ開放するように制御することもできる。
更に、種々の問題によって油圧ポンプモータ１２０が作用流量を必要以上に過剰供給する場合は、安全事故発生及びシステムへの損傷を防止するため、循環する流量をドレインさせるように制御することができ、この場合、第１の制御弁１５１は、第２の制御弁１５２と連動して開放され、作動油をドレインさせるように働くことがより好ましい。
また、ブーム補助弁１４４は、ブームジョイスティック１６１の制御信号が立ち上がり、油圧ポンプモータ１２０の供給流量を超過又は電動機１１０の容量を超過する場合、メインポンプ１４０の流量がブームシリンダー１０５側へ供給されるように制御部１６０により連結されるようになる。
図２乃至図４を参照すると、本発明の一実施形態に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システムの制御方法は、ブームジョイスティック１６１の操作量を検出するステップ（ａ）、前記ブームジョイスティック１６１の操作によるブームの上昇又は下降を判断するステップ（ｂ）、前記ブーム１００が上昇であれば、第１の制御弁１５１を開放するステップ（ｃ）、及び前記ブーム１００が上昇であれば、前記ブームジョイスティック１６１の操作量に応じたブーム１００の駆動動力と前記電動機１１０の最大供給可能な動力とを比較し（ｄ）、ブーム１００の駆動動力が前記電動機１１０の最大供給可能な動力より小さい場合は、ブームシリンダー１０５の所要流量と前記油圧ポンプモータ１２０の最大流量とを比較するステップ（ｅ）を含む。
ここで、前記ブームシリンダー１０５の所要流量が前記油圧ポンプモータ１２０の最大流量より小さい場合は、前記ブーム補助弁１４４を遮断するステップ（ｆ）が行われる。その反面、ブームシリンダー１０５の所要流量が前記油圧ポンプモータ１２０の最大流量より大きい場合は、前記ブーム補助弁１４４を開放してメインポンプ１４０を連結することで、作動油の不足分を供給するステップ（ｇ）が行われる。また、ブーム１００の駆動動力が前記電動機１１０の最大供給可能な動力より大きい場合は、前記ブーム補助弁１４４を開放してメインポンプ１４０を連結することで、作動油の不足分を供給するステップ（ｇ）を含む。
なお、前記ブーム１００が下降であれば、前記第２の制御弁１５２を開放し（ｈ）、ブーム１００の回生動力と前記電動機１１０の最大回生可能な動力とを比較するステップ（ｉ）を含む。また、ブーム１００の回生動力が前記電動機１１０の最大回生可能な動力より小さい場合は、ブームシリンダー１０５の回生流量と前記油圧ポンプモータ１２０の許容容量とを比較するステップ（ｊ）を含む。このとき、前記ブームシリンダー１０５の回生流量が前記油圧ポンプモータ１２０の許容流量より小さい場合は、前記第１の制御弁１５１を遮断するステップ（ｋ）を含む。これに対し、前記ブームシリンダー１０５の回生流量が前記油圧ポンプモータ１２０の許容流量より大きい場合は、前記第１の制御弁１５１を連結して余剰流量をタンクに排出するステップ（ｌ）を含む。また、前記ブーム１００の回生動力が前記電動機１１０の最大回生可能な動力より大きい場合は、前記第１の制御弁１５１を連結して余剰流量をタンクに排出するステップ（ｍ）を含む。
上述のように、本発明の一実施形態に係るハイブリッドショベルのブーム駆動システム及びその制御方法では、ブーム１００の上昇時に、電動機１１０と油圧ポンプモータ１２０を用いてブーム１００を駆動することで、低流量の微細操作を行う時、油圧システムで発生する損失をなくすことで、燃費が向上できる。
また、ブーム１００の単独動作時、初期の微細操作区間において必要な流量は、電動機１１０及び油圧ポンプモータ１２０から供給され、一般にブーム１００の最大供給流量と同じ水準を越える超過分は、メインポンプ１４０を備えた既存の油圧システムを用いて供給することができる。
また、小容量の電動機１１０及びポンプモータを用いながらも既存のショベルと同水準のブーム１００の作業性能を確保することができ、ブーム１００のエネルギー回生が可能である。更に、掘削作業を行う時は、大部分のエネルギー供給及びエネルギー回生を、電動機１１０及び油圧ポンプモータ１２０を用いたハイブリッド駆動システムが担当することができる。
また、瞬時に高い動力及び大流量が必要となる場合は、既存の油圧システムで補充することで、既存のショベルと同水準の性能を確保することができる。更に、瞬時に回生エネルギーが多く生じる場合は、容量の超過分はバイパスし、ブーム１００の最大供給流量及びエンジン１４１の最大動力に相当する油圧ポンプ及び電動機１１０の容量のみでブーム駆動に必要なほとんどのエネルギーを供給することができ、ブーム１００の回生可能なエネルギーの大部分を回収することができる。
本発明は、建設機械において、ハイブリッドショベルの駆動システムに適用することができる。
１００ ブーム
１０５ ブームシリンダー
１０６ ヘッド
１０７ ロッド
１１０ 電動機
１１５ 蓄電装置
１１６ 電気貯蔵装置
１２０ 油圧ポンプモータ
１２１ 吐出ライン
１２２ 流入ライン
１２５ ブーム制御弁
１２６ 順方向連結部位
１２７ 交差連結部位
１２８ 遮断部位
１２９ チェック弁
１４０ メインポンプ
１４１ エンジン
１４４ ブーム補助弁
１４５ ブーム補助ライン
１５１ 第１の制御弁
１５２ 第２の制御弁
１６０ 制御部
１７０ 斜板角度制御装置

Claims (5)

  1. ハイブリッドショベルのブーム駆動システムであって、
    モータ又は発電機として作動される電動機；
    前記電動機で発生した電気を貯蔵する蓄電装置；
    前記電動機で駆動されてブームに作動油を供給する油圧ポンプモータ；
    前記油圧ポンプモータの吐出ラインと流入ラインを前記ブームのヘッド又はロッド側に選択的に連結又は遮断する閉回路を構成するブーム制御弁；
    前記電動機と別に設けられた駆動源により駆動され、バケット、走行モータ又はアームに前記作動油を供給するメインポンプ；
    前記メインポンプの吐出ラインを前記油圧ポンプモータの吐出ラインに連結させ、前記メインポンプ及び前記油圧ポンプモータのそれぞれから吐出される前記作動油を合流可能にさせるブーム補助弁；
    前記電動機、前記油圧ポンプモータ、及び前記ブーム制御弁を制御する制御部；並びに
    前記油圧ポンプモータと前記ブーム制御弁とを連結する流入ラインと、作動油のタンクとを連結する第１の制御弁、及び前記油圧ポンプモータと前記ブーム制御弁とを連結する吐出ラインと、前記作動油のタンクとを連結する第２の制御弁；を含み、
    前記制御部が、前記第１の制御弁及び前記第２の制御弁を制御し、
    前記第１の制御弁が、前記ブームの下降時に、ブームシリンダーから前記油圧ポンプモータ側へ流入される流量が、前記油圧ポンプモータの許容流量を超過、又は前記電動機の発電容量を超過する場合、連結されて、前記ブームシリンダーから前記油圧ポンプモータへ流入される流量をタンクにドレインさせることを特徴とするハイブリッドショベルのブーム駆動システム。
  2. 前記第１の制御弁が、前記ブームの上昇中に選択的に切り替えられ、前記ブームの下降時に遮断され、
    前記第２の制御弁が、前記ブームの上昇時に遮断され、前記ブームの下降時に選択的に切り替えられる請求項１に記載のハイブリッドショベルのブーム駆動システム。
  3. 前記ブーム補助弁が、ブームジョイスティックの制御信号が立ち上がり、前記油圧ポンプモータの供給流量又は前記電動機の容量を超過する流量が必要となる場合、前記メインポンプの流量が前記ブームシリンダー側へ供給されるように切り替えられる請求項１に記載のハイブリッドショベルのブーム駆動システム。
  4. 請求項１に記載のハイブリッドショベルのブーム駆動システムの制御方法であって、
    ブームジョイスティックの操作量を検出するステップ；
    前記ブームジョイスティックの操作によるブームの上昇又は下降を判断するステップ；
    前記ブームが上昇であれば、第１の制御弁を開放するステップ；
    前記ブームが上昇であれば、前記ブームジョイスティックの操作量に応じた前記ブームの駆動動力と、電動機の最大供給可能な動力とを比較し、前記ブームの駆動動力が前記電動機の最大供給可能な動力より小さい場合は、ブームシリンダーの所要流量と油圧ポンプモータの最大流量とを比較するステップ；
    前記ブームシリンダーの所要流量が前記油圧ポンプモータの最大流量より小さい場合は、ブーム補助弁を遮断するステップ；
    前記ブームシリンダーの所要流量が前記油圧ポンプモータの最大流量より大きい場合、前記ブーム補助弁を連結するステップ；
    前記ブームの駆動動力が前記電動機の最大供給可能な動力より大きい場合は、前記ブーム補助弁を連結するステップ；
    前記ブームが下降であれば、第２の制御弁を開放し、前記ブームの回生動力と前記電動機の最大回生可能な動力とを比較し、前記ブームの回生動力が前記電動機の最大回生可能な動力より小さい場合は、前記ブームシリンダーの回生流量と前記油圧ポンプモータの許容流量とを比較するステップ；
    前記ブームシリンダーの回生流量が前記油圧ポンプモータの許容流量より小さい場合は、前記第１の制御弁を遮断するステップ；
    前記ブームシリンダーの回生流量が前記油圧ポンプモータの許容流量より大きい場合は、前記第１の制御弁を連結するステップ；及び
    前記ブームの回生動力が前記電動機の最大回生可能な動力より大きい場合は、前記第１の制御弁を連結するステップ；
    を含むことを特徴とするハイブリッドショベルのブーム駆動システムの制御方法。
  5. 前記第１の制御弁が、前記ブームの下降時に前記ブームシリンダーから前記油圧ポンプモータ側へ流入される流量が、前記油圧ポンプモータの許容流量以下、又は前記電動機の発電流量以下である場合、遮断される請求項１に記載のハイブリッドショベルのブーム駆動システム。
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