JP5730794B2 - 建設機械のエネルギ回生装置 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械のエネルギ回生装置に関する。

従来から、ブームシリンダを備えたハイブリッド建設機械のエネルギ回生装置であって、ブームシリンダの圧油を利用して回転駆動されるブーム用電動発電機と、エンジンにより回転駆動されるエンジン用電動発電機と、上部旋回体の慣性力により回転駆動される旋回用電動発電機とを備え、これら電動発電機で得られた電力を蓄電装置に充電するように構成されたエネルギ回生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１９０８４５号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の構成では、ブーム用電動発電機、エンジン用電動発電機、旋回用電動発電機といった複数の電動発電機により発電（回生）した電力で蓄電装置を充電しているので、蓄電装置が大型化するという問題点がある。

そこで、本発明は、蓄電装置の大型化を招くことなく、効率的にエネルギを回生することができる建設機械のエネルギ回生装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、主油圧シリンダにより駆動される作業要素を、アシストシリンダによりアシスト駆動する建設機械のエネルギ回生装置であって、
前記アシストシリンダに油路を介して接続されるアキュムレータと、
前記アシストシリンダに前記油路を介して接続され、前記アキュムレータよりも前記アシストシリンダ側に配置されるポンプと、
前記ポンプを駆動する電動発電機と、
前記電動発電機により回生された電気エネルギを蓄電する蓄電装置と、
前記電動発電機を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記作業要素のストローク位置に応じて、前記電動発電機の動作状態を回生動作状態と力行動作状態との間で切り替えることを特徴とする、エネルギ回生装置が提供される。

本発明によれば、蓄電装置の大型化を招くことなく、効率的にエネルギを回生することができる建設機械のエネルギ回生装置が得られる。

本発明に係る建設機械１の構成例を示す図である。 建設機械１に搭載される油圧ポンプ制御装置１００の油圧回路図の一例を示す図である。 アシストシリンダ７０に関連したエネルギ回生装置１０２の一例の要部構成を示す図である。 ブームシリンダ長さに応じたブームシリンダ保持推力の特性とアキュムレータ圧による推力の特性との関係を示す図である。 メインコントローラ５４により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明に係る建設機械１の構成例を示す図である。図１において、建設機械１は、クローラ式の下部走行体２の上に、旋回機構を介して、上部旋回体３をＸ軸周りに旋回自在に搭載している。また、上部旋回体３は、前方中央部に、ブーム４、アーム５及びバケット６、並びに、これらをそれぞれ駆動する油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８及びバケットシリンダ９から構成される掘削アタッチメントを備える。掘削アタッチメントは、ブレーカや破砕機等のような他のアタッチメントであってもよい。

また、上部旋回体３は、ブームシリンダ７に加えて、ブーム４の上下動を補助するようにブーム４を駆動するアシストシリンダ７０を備える。アシストシリンダ７０は、ブームシリンダ７と同様、一端が上部旋回体３側に回転可能に取り付けられ、他端がブーム４に回転可能に取り付けられる。アシストシリンダ７０は、対で２つ設けられてもよいし、３つ以上設けられてもよい。また、アシストシリンダ７０は、ブームシリンダ７に平行に設けられてもよいし、ブームシリンダ７に対して角度をなして設けられてもよい。また、アシストシリンダ７０は、図１に示すように、ブームシリンダ７よりも前方側に設けられてもよいし、或いは、ブームシリンダ７よりも後方側に設けられてもよい。

図示の例では、アシストシリンダ７０は、ヘッド側が上部旋回体３に回転可能に取り付けられ、ロッド側がブーム４に回転可能に取り付けられる。また、図示の例では、アシストシリンダ７０は、ブーム４の上げ方向が伸び方向に対応し、ブーム４の下げ方向が縮み方向に対応する関係で配置されている。しかしながら、アシストシリンダ７０は、ブーム４の上げ方向が縮み方向に対応し、ブーム４の下げ方向が伸び方向に対応する関係で配置されてもよい。

図２は、建設機械１に搭載される油圧ポンプ制御装置１００の油圧回路図の一例を示す図である。図２においては、アシストシリンダ７０に関連した油圧回路部分は省略されている。アシストシリンダ７０に関連した油圧回路部分については、図３以降を参照して後述する。

油圧ポンプ制御装置１００は、エンジン又は電動モータによって駆動される二つの油圧ポンプ１０L、１０Rから、切換弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ及び１５Ｌを連通するセンターバイパス管路３０L、又は、切換弁１１Ｒ、１２R、１３Ｒ、１４Ｒ及び１５Ｒを連通するセンターバイパス管路３０Rを経てタンク２２まで圧油を循環させる。尚、油圧ポンプ１０L、１０Rは、可変容量傾斜板ピストンポンプであり、一回転当たりの吐出量（ｃｃ／ｒｅｖ）が可変である。油圧ポンプ１０L、１０Rの吐出圧Ｐ１，Ｐ２は、圧力センサ２８Ｌ，２８Ｒにより検出される。圧力センサ２８Ｌ，２８Ｒの出力信号は、メインコントローラ５４に供給される。

切換弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ及び１５Ｌ、及び、切換弁１１Ｒ、１２R、１３Ｒ、１４Ｒ及び１５Ｒは全てオープンセンター型である。即ち、切換弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ及び１５Ｌ、及び、切換弁１１Ｒ、１２R、１３Ｒ、１４Ｒ及び１５Ｒは、それぞれのブリードオフ通路がセンターバイパス管路３０L、３０Ｒに接続されることにより、常態で油圧ポンプ１０L、１０Rの吐出側をタンク２２に連通させる。

また、切換弁１１Ｌは、油圧ポンプ１０Lが吐出する圧油を走行用油圧モータ４２Lで循環させるために圧油の流れを切り換えるスプール弁である。

切換弁１１Ｒは、走行直進弁であり、下部走行体２を駆動する走行用油圧モータ４２L、４２Rと、上部旋回体３の何れかの油圧アクチュエータ（例えば、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９又は旋回用油圧モータ４４である。）とが同時に操作された場合に、下部走行体２の直進性を高めるために油圧ポンプ１０Ｌから左右の走行用油圧モータ４２L、４２Rに圧油を循環させるために圧油の流れを切り換えるスプール弁である。

また、切換弁１２Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する圧油を旋回用油圧モータ４４で循環させるために圧油の流れを切り換えるスプール弁であり、切換弁１２Ｒは、油圧ポンプ１０Rが吐出する圧油を走行用油圧モータ４２Rで循環させるために圧油の流れを切り換えるスプール弁である。

また、切換弁１３Ｌ、１３Ｒはそれぞれ、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する圧油をブームシリンダ７へ供給し、また、ブームシリンダ７内の圧油をタンク２２へ排出するために圧油の流れを切り換えるスプール弁であり、切換弁１３Ｒは、操作装置２６のブーム操作レバーが操作された場合に作動するスプール弁（以下、「第一速ブーム切換弁１３Ｒ」とする。）であり、切換弁１３Ｌは、ブーム操作レバーが所定操作量以上で操作された場合に油圧ポンプ１０Ｌの吐出する圧油を合流させるためのスプール弁（以下、「第二速ブーム切換弁１３Ｌ」とする。）である。

切換弁１４Ｒは、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する圧油をバケットシリンダ９へ供給し、また、バケットシリンダ９内の圧油をタンク２２へ排出するためのスプール弁である。

また、切換弁１５Ｌ、１５Ｒはそれぞれ、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する圧油をアームシリンダ８へ供給し、また、アームシリンダ８内の圧油をタンク２２へ排出するために圧油の流れを切り換えるスプール弁であり、切換弁１５Ｌは、操作装置２６のアーム操作レバーが操作された場合に作動するスプール弁（以下、「第一速アーム切換弁１５Ｌ」とする。）であり、切換弁１５Ｒは、アーム操作レバーが所定操作量以上で操作された場合に油圧ポンプ１０Ｒの吐出する圧油を合流させるためのスプール弁（以下、「第二速アーム切換弁１５Ｒ」とする。）である。

操作装置２６は、旋回用油圧モータ４４、走行用油圧モータ４２L、４２Ｒ、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、各種のレバーやペダル（アーム操作レバー、ブーム操作レバー、バケット操作レバー、旋回操作レバー、走行ペダル（右）、走行ペダル（左））を含んでよい。操作装置２６における各種のレバーやペダルの各操作量を表す電気信号は、メインコントローラ５４に供給される。ユーザによる各種のレバーやペダルの操作量の検知方法は、パイロット圧を圧力センサで検知する方法であってもよいし、レバー角度を検知する方法であってもよい。

センターバイパス管路３０L、３０Rは、それぞれ、最も下流にある切換弁１５Ｌ、１５Ｒとタンク２２との間にネガコン絞り２０L、２０Ｒを備え、油圧ポンプ１０L、１０Rが吐出した圧油の流れを制限することにより、ネガコン絞り２０L、２０Rの上流において、ネガコンシステムのための制御圧（以下、「ネガコン圧」とする。）を発生させる圧油管路である。ネガコン圧は、ネガコン圧センサ２７Ｌ，２７Ｒにより検出される。ネガコン圧センサ２７Ｌ，２７Ｒの出力信号は、メインコントローラ５４に供給される。

図２に示す構成では、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流のネガコン圧、及び吐出圧Ｐ１，Ｐ２等を圧力センサ２７Ｌ，２７Ｒ，２８Ｌ，２８Ｒで検出し、検出したネガコン圧、吐出圧Ｐ１，Ｐ２等に基づいてメインコントローラ５４により吐出流量の目標値を求め、その吐出流量の目標値となるように電磁比例弁５７Ａ，５５Ａを駆動してスプール弁６００Ｌ，６００Ｒを変位させて傾転アクチュエータ４１Ｌ，４１Ｒを制御する。

典型的には、メインコントローラ５４は、検出されるネガコン圧が大きいほど油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を減少させ、検出されるネガコン圧が小さいほど油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を増大させるようにする。

図２に示すように、建設機械１における何れの油圧アクチュエータも利用されていない場合（以下、「待機モード」とする。）、油圧ポンプ１０L、１０Rが吐出する圧油は、センターバイパス管路３０L、３０Rを通ってネガコン絞り２０L、２０Rに至り、ネガコン絞り２０L、２０Rの上流で発生するネガコン圧を増大させる。

この際、メインコントローラ５４は、スプール弁６００Ｌ、６００Ｒを第一位置に変位させ、傾転アクチュエータ４１Ｌ、４１Ｒを駆動して、油圧ポンプ１０L、１０Rの吐出量を減少させ、吐出した圧油がセンターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒを通過する際の圧力損失（ポンピングロス）を抑制するようにする。

一方、建設機械１における何れかの油圧アクチュエータが利用された場合、油圧ポンプ１０L、１０Rが吐出する圧油は、その油圧アクチュエータに対応する切換弁を介してその油圧アクチュエータに流れ込み、ネガコン絞り２０L、２０Rに至る量を減少或いは消滅させ、ネガコン絞り２０L、２０Rの上流で発生するネガコン圧を低下させる。

この際、メインコントローラ５４は、油圧ポンプ１０L、１０Rの吐出量を増大させ、各油圧アクチュエータに十分な圧油を循環させ、各アクチュエータの駆動を確かなものとする。

上述のような構成により、油圧ポンプ制御装置１００は、待機モードにおいては、油圧ポンプ１０L、１０Rにおける無駄なエネルギー消費（油圧ポンプ１０L、１０Rの吐出する圧油がセンターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒで発生させるポンピングロス）を抑制しながらも、各種油圧アクチュエータを作動させる場合には、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒから必要十分な圧油を各種油圧アクチュエータに供給できるようにする。

図３は、アシストシリンダ７０に関連したエネルギ回生装置１０２の一例の要部構成を示す図である。

エネルギ回生装置１０２は、アシストシリンダ７０に油路８０を介して接続されるアキュムレータ８４を備える。即ち、油路８０は、一端がアシストシリンダ７０のヘッド側に接続され、他端がアキュムレータ８４に接続される。油路８８は、一端がアシストシリンダ７０のロッド側に接続され、他端がタンク２２に接続される。油路８０には、アキュムレータ８４よりもアシストシリンダ７０側にブーム回生用ポンプ８２が配置される。ブーム回生用ポンプ８２は、ブーム回生用モータ８６に接続される。ブーム回生用モータ８６は、インバータ９０を介して蓄電装置９２に接続される。ブーム回生用モータ８６は、蓄電装置９２からの電力を用いてブーム回生用ポンプ８２を駆動する（原動機として動作する）。また、ブーム回生用モータ８６は、ブーム回生用ポンプ８２の回転に対して抵抗力を発生して（負方向のトルクを発生して）、回生制動を行い、発電する（発電機として動作する）。メインコントローラ５４は、インバータ９０を制御して、ブーム回生用モータ８６の動作を制御する。尚、メインコントローラ５４以外のコントローラが同制御を実現してもよい。

図４は、ブーム４のストローク位置（ブームシリンダ長さ）に応じたブームシリンダ保持推力の特性とアキュムレータ圧による推力（アキュムレータ推力）の特性との関係を示す図である。

図４に示すように、アキュムレータ推力は、ブームシリンダ長さが小さいときは大きく、ブームシリンダ長さが大きくなるにつれて小さくなる傾向を有する。このアキュムレータ推力の特性は、図４に示すように、ブームシリンダ保持推力の特性と大きく乖離する。従って、アキュムレータ推力のみでアシスト推力を発生させる構成では、位置エネルギの回収効率又はアタッチメントの操作性が悪化することになる。

そこで、本実施例では、メインコントローラ５４は、ブームシリンダ保持推力とアキュムレータ推力との関係に応じて、ブーム回生用モータ８６の動作状態を回生動作状態と力行動作状態との間で切り替える。例えば、ブーム４の上昇動作時、ブームシリンダ保持推力がアキュムレータ推力よりも小さい区間では（即ちブームシリンダ長さ＜Ｌｒ）、ブーム回生用モータ８６は回生動作を行う（発電機として動作する）。他方、ブームシリンダ保持推力がアキュムレータ推力よりも大きくなると（即ちブームシリンダ長さ＞Ｌｒ）、ブーム回生用モータ８６は力行動作を行う（原動機として動作する）。これにより、位置エネルギの回収効率と共にアタッチメントの操作性を改善することができる。

図５は、メインコントローラ５４により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。

ステップ５００では、操作レバー信号（操作装置２６のブーム操作レバーの操作量を表す信号）を受け取る。

ステップ５０２では、ブーム４のストローク位置（アタッチメント位置）を受け取る。ブーム４のストローク位置は、例えばブームシリンダ７の変位を検出する変位センサにより検出されてもよい。或いは、ブーム４のストローク位置は、アシストシリンダ７０のストローク位置に関連することから、アシストシリンダ７０のストローク位置に基づいて判断されてもよい。

ステップ５０４では、操作レバー信号とブーム４のストローク位置とに基づいて、アシスト目標推力を決定する。アシスト目標推力は、アシストシリンダ７０により発生させるべきアシスト推力の目標値である。操作レバー信号（ブーム操作レバーの操作量）とブーム４のストローク位置と、そのときのアシスト目標推力との関係は、予めマップとして保持されてよい。例えば、ブーム操作レバーの操作量が略ゼロであるときは、アシスト目標推力は、ブーム４のストローク位置に応じたブームシリンダ保持推力と略一致するように決定されてよい。これに対して、ブーム操作レバーの操作量が大きくなると、アシスト目標推力は、ブーム４のストローク位置に応じたブームシリンダ保持推力よりも上昇時には大きく、下降時には小さくなるように決定されてもよい。尚、ブーム４のストローク位置に応じたブームシリンダ保持推力の特性は、試験等で取得されてよい。また、ブーム４のストローク位置に応じたブームシリンダ保持推力の特性は、その際のアーム５の位置やバケット６の位置とによっても異なりうるので、それぞれに対して予め取得されてよい。

ステップ５０６では、アキュムレータ圧を受け取る。アキュムレータ圧は、例えば、油路８０に設けられる圧力センサ（図示せず）により検出されてよい。

ステップ５０８では、ブーム回生用ポンプ８２での油圧ポンプ差圧（目標値）及び油圧ポンプ流量（目標値）を算出する。油圧ポンプ差圧は、例えば、以下の式で算出されてもよい。
（油圧ポンプ差圧）＝（アシスト目標推力）／（アシストシリンダ受圧面積）−（アキュムレータ圧）
また、油圧ポンプ流量は、例えば、以下の式で算出されてもよい。
（油圧ポンプ流量）＝（目標アシストシリンダ速度）×（アシストシリンダ受圧面積）
ここで、アシストシリンダ受圧面積は、アシストシリンダ７０の受圧面積であり、アシストシリンダ７０が複数本のシリンダからなる場合は、複数のシリンダの合計の受圧面積である。目標アシストシリンダ速度は、例えばブーム操作レバーの操作量に基づいて決定されてもよい。例えば、目標アシストシリンダ速度は、ブーム操作レバーの操作量が大きいほど大きくなる態様で決定されてもよい。

ステップ５１０では、上記ステップ５０８で算出した油圧ポンプ差圧及び油圧ポンプ流量を実現するようにブーム回生用モータ８６を駆動（制御）する。尚、この際、例えば油圧ポンプ差圧が正であるとき、即ち（アシスト目標推力）＞（アシストシリンダ受圧面積）×（アキュムレータ圧）である場合には、ブーム回生用モータ８６は原動機として機能し、蓄電装置９２から電力を取り出してアシスト目標推力の一部を生成する。他方、油圧ポンプ差圧が負であるとき、即ち（アシスト目標推力）＜（アシストシリンダ受圧面積）×（アキュムレータ圧）である場合には、ブーム回生用モータ８６は発電機として機能し、回生発電を行って蓄電装置９２を充電する。

本実施例によれば、上述の如く、ブームシリンダ保持推力（又はアシスト目標推力）とアキュムレータ推力との差分を補償するようにブーム回生用モータ８６が回生又は力行運転するので、位置エネルギの回収効率と共にアタッチメントの操作性を改善することができる。また、ブーム回生用ポンプ８２は、アキュムレータ８４よりもアシストシリンダ７０側に配置され、蓄電装置９２には、回生可能なエネルギの一部が充電されるように構成されているので、蓄電装置９２の大型化を防止することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例では、アシストシリンダ７０は、ブーム４に対して設けられているが、他の作業要素（例えばアーム５）に対して設けられてもよい。

また、上述では、図２に示す特定の構成の油圧回路が開示されているが、油圧回路の構成は多種多様である。例えば、油圧アクチュエータの一部は、電動モータにより駆動される油圧ポンプにより実現されてもよい。また、ネガコン制御以外の制御方式（例えばポジコン）を実現する油圧回路が使用されてもよい。

１ 建設機械
２ 下部走行体
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０Ｌ、１０Ｒ 油圧ポンプ
１１Ｌ、１１Ｒ 切換弁
１２Ｌ、１２Ｒ 切換弁
１３Ｌ、１３Ｒ 切換弁
１４Ｒ 切換弁
１５Ｌ、１５Ｒ 切換弁
２０Ｌ、２０Ｒ ネガコン絞り
２２ タンク
２６ 操作装置
２７Ｌ、２７Ｒ ネガコン圧センサ
２８Ｌ、２８Ｒ 圧力センサ
３０Ｌ、３０Ｒ センターバイパス管路
４１Ｌ、４１Ｒ 傾転アクチュエータ
４２Ｌ、４２Ｒ 走行用油圧モータ
４４ 旋回用油圧モータ
５４ メインコントローラ
５５Ａ、５７Ａ 電磁比例弁
７０ アシストシリンダ
８０、８８ 油路
８２ ブーム回生用ポンプ
８４ アキュムレータ
９２ 蓄電装置
１００ 油圧ポンプ制御装置
１０２ エネルギ回生装置

Claims (3)

1. 主油圧シリンダにより駆動される作業要素を、アシストシリンダによりアシスト駆動する建設機械のエネルギ回生装置であって、
   前記アシストシリンダに油路を介して接続されるアキュムレータと、
   前記アシストシリンダに前記油路を介して接続され、前記アキュムレータよりも前記アシストシリンダ側に配置されるポンプと、
   前記ポンプを駆動する電動発電機と、
   前記電動発電機により回生された電気エネルギを蓄電する蓄電装置と、
   前記電動発電機を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記作業要素のストローク位置に応じて、前記電動発電機の動作状態を回生動作状態と力行動作状態との間で切り替えることを特徴とする、エネルギ回生装置。
2. 前記コントローラは、前記アシストシリンダによるアシスト目標推力を算出し、前記アシスト目標推力と、前記アキュムレータにより生成されるアキュムレータ圧との関係に基づいて、前記電動発電機の動作状態を回生動作状態と力行動作状態との間で切り替える、請求項１に記載のエネルギ回生装置。
3. 前記作業要素は、ブームである、請求項１又は２に記載のエネルギ回生装置。

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