JP5779973B2

JP5779973B2 - ハイブリッド作業機械

Info

Publication number: JP5779973B2
Application number: JP2011109743A
Authority: JP
Inventors: 允紀廣澤
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2031-05-16
Also published as: JP2012241339A

Description

本発明はエンジンと蓄電器とを動力源として併用するハイブリッド作業機械に関するものである。

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６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を縦軸Ｏまわりに旋回自在に搭載し、この上部旋回体２に作業アタッチメントＡを装着して構成される。

この作業アタッチメントＡは、起伏自在なブーム３と、このブーム３の先端に取付けられたアーム４と、このアーム４の先端に取付けられたバケット５と、これらを駆動する油圧アクチュエータであるブーム、アーム、バケット各シリンダ６,７，８とによって構成される。

また、図示しない別の油圧アクチュエータとして、下部走行体１の左右のクローラを駆動する走行モータ、及び上部旋回体２を旋回駆動する旋回モータが設けられる。

一方、ハイブリッドショベルは、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機とがエンジンに接続され、発電電動機の発電機作用によって蓄電器が充電されるとともに、この蓄電器の放電力により発電電動機が電動機作用を行って油圧ポンプの駆動をアシストするように構成される。

また、キースイッチによるエンジン始動操作に基づいて発電電動機に電動機作用を行わせ、エンジンを始動させるように構成されている。

ここで、発電電動機の電動機作用のみによってエンジンを始動させる構成をとる場合もあるし、特許文献１に示されているように、スタータによるエンジン始動時に発電電動機に電動機作用を行わせてエンジン始動をアシストする構成をとる場合もある。

また、ショベルにおいては、省エネと騒音低減を目的として無操作時にエンジンを自動的に停止させ、操作開始とともにエンジンを自動的に始動させる「自動アイドルストップ制御方式」をとるものが公知である。

特開２００８−２５５８３９号公報

上記のように発電電動機をエンジン始動(始動アシストを含む)に使用するハイブリッド作業機械においては、エンジン停止時点で、蓄電器のＳＯＣ(充電状態。State Of Charge)が次回のエンジン始動に必要な値を保っていることが必要となる。

ところが、特許文献１を含めた従来技術では、エンジン停止時点での蓄電器ＳＯＣについてはとくに考慮していないため、「自動アイドルストップ制御方式」をとる機械でのエンジン再始動時を含めて、次のエンジン始動時にＳＯＣ不足で始動不能となるおそれがあった。

そこで本発明は、蓄電器駆動の発電電動機をエンジン始動に用いるものにおいて、エンジン停止時点での蓄電器ＳＯＣを次のエンジン始動に必要な値に保って確実なエンジン始動を可能とするハイブリッド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、油圧源としての油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機と、上記油圧ポンプ及び発電電動機を駆動するエンジンと、このエンジンの始動／停止を指令するキースイッチと、上記エンジン及び発電電動機の運転を制御する制御手段とを備え、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電器の充電を行う一方、この蓄電器の放電作用によって上記発電電動機に電動機作用を行わせ、この電動機作用により、油圧ポンプの駆動をアシストするとともに上記エンジンを始動させるように構成したハイブリッド作業機械において、ロック操作時に機械の動きを停止させ、ロック解除操作時に機械の動きを許容するように構成されたロックレバーと、上記ロックレバーのロック／ロック解除操作を検出するロック検出手段と、をさらに備え、上記制御手段は、上記ロックレバーがロック操作されたことを条件として、上記キースイッチからのエンジン停止指令があったときに、そのときの蓄電器のＳＯＣが次回のエンジン始動に必要な値の下限値として予め設定された第１設定値未満である場合に、エンジンの運転を継続させることにより上記発電電動機に発電機作用を行わせて蓄電器の充電を行わせ、この結果として上記ＳＯＣが充電完了値として予め設定された第２設定値に達したときにエンジンの運転を停止させる蓄電器充電制御を行うように構成したものである。

この構成によれば、エンジン停止指令があった時点で蓄電器ＳＯＣが次回のエンジン始動に必要な値(第１設定値)未満であれば、ＳＯＣを充電完了値(第２設定値)まで回復させた上でエンジンを停止させるため、「自動アイドルストップ制御方式」をとる機械でのエンジン再始動時を含めて、次回のエンジン始動を確実なものとすることができる。

この場合、第２設定値を第１設定値と同じとしてもよいが、第１設定値＜第２設定値に設定するのが望ましい(請求項２)。

このように、エンジン停止時点でのＳＯＣを次のエンジン始動に必要な下限値(第１設定値)よりも高めに設定することにより、電圧変動や、次の始動までの放電によってＳＯＣがやや低下した場合でも、第１設定値を確保することができるため、エンジン始動がより確実となる。

ショベル等においては、一般に、オペレータ乗降口を遮断機のように開閉する状態でロックレバーが設けられ、降車時にこのロックレバーが上げ操作(ロック操作)されると、パイロットポンプから各リモコン弁に送られるパイロット一次圧が遮断されて、旋回、走行を含む機械の一切の動作が停止するという安全策がとられる。

この場合、ロック操作があったことを条件としてＳＯＣ回復のためのエンジン運転を継続させるため、このエンジン運転継続中、作業用または旋回、走行用の操作レバーが誤って操作されても機械が不意に動き出すおそれがない。

いいかえれば、ロック操作さえされていれば、たとえオペレータが不在であってもエンジンが継続運転されるため、ＳＯＣ回復までオペレータが付きっきりで監視する必要がない。

ここで、上記のハイブリッド作業機械は、オペレータが運転席に着座していることを検出する着座検出手段をさらに備え、上記制御手段は、上記ロックレバーがロック操作されたこと、およびオペレータが着座していることを条件として上記蓄電器充電制御を行う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、オペレータが運転席にいれば蓄電器充電制御が行われるため、オペレータが充電状況を運転席で確認することができる。

また本発明において、上記制御手段は、エンジン停止指令があったときに、エンジン回転数を、そのときの蓄電器ＳＯＣから求められる必要充電量に応じた回転数に設定するように構成するのが望ましい(請求項４)。

このように蓄電器充電制御時のエンジン回転数を、エンジン停止指令の入力時点での蓄電器ＳＯＣに応じた回転数(ＳＯＣが低ければ高回転数、高ければ低回転数)に設定することにより、蓄電器充電制御を最短時間で、かつ、最小限のエネルギーで実行することができる。

本発明によると、発電電動機をエンジン始動に用いるものにおいて、エンジン停止時点での蓄電器ＳＯＣを次のエンジン始動に必要な値に保って確実なエンジン始動を可能とすることができる。

本発明の実施形態を示すシステム構成図である。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ＳＯＣの変動状況と第１、第２両設定値の関係を示す図である。エンジン停止指令があった時点での蓄電器の必要充電量と、設定されるエンジン回転数の関係を示す図である。蓄電器充電制御中に表示器に表示する内容を示す図である。本発明の適用対象であるショベルの概略側面図である。

実施形態はハイブリッドショベルを適用対象としている。

図１は実施形態のシステム構成を示す。

図１において、油圧回路のつながりを実線、制御系のつながりを破線でそれぞれ示している。

図示のように、エンジン１１に、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機１２と油圧ポンプ１３とがタンデム(パラレルでもよい)に接続され、これらがエンジン１１によって駆動される。

油圧ポンプ１３には、制御弁(アクチュエータごとに設けられているが、ここでは複数の制御弁の集合体として示す)１４を介して油圧アクチュエータ(図６の作業アタッチメントＡを構成するブーム、アーム、バケット各シリンダ６〜８、それに旋回用及び走行用油圧モータ等。統括符号「１５」で示す)が接続され、油圧ポンプ１３から供給される圧油によって油圧アクチュエータ１５が駆動される。

なお、図１では油圧ポンプ１３が一台のみ接続された場合を示しているが、複数台が直列または並列に接続される場合もある。

発電電動機１２には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の電源としての蓄電器１６がインバータ／コンバータ１７を介して接続され、基本的作用として、制御手段１８からインバータ／コンバータ１７に送られる制御信号により、蓄電器１６のＳＯＣに応じた充放電作用、及び発電電動機１２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、蓄電器１６の充電量が低下すれば発電電動機１２が発電機作用を行い、発生した電力が蓄電器１６に送られて充電される一方、適時、この蓄電器１６の電力により発電電動機１２が電動機作用を行ってエンジン１１をアシストする。

また、エンジン１１の始動／停止を指令するキースイッチ１９によるエンジン始動操作に基づいて発電電動機１２が電動機作用を行い、エンジン１１を始動させるように構成されている。

この場合、発電電動機１２の電動機作用のみによってエンジン１１を始動させる構成をとってもよいし、特許文献１に示されているように、スタータによるエンジン始動時に発電電動機１２に電動機作用を行わせてエンジン始動をアシストする構成をとってもよい。

一方、センサとして、前記ロックレバーの操作(オペレータの降車時に安全策として機械の動きを止めるロック操作とロック解除操作)を検出するロックレバーセンサ(たとえばリミットスイッチや光電スイッチ)２０と、機械の運転席にオペレータが着座しているか否かを検出する着座センサ(たとえば荷重センサ)２１と、エンジン回転数を検出する回転数センサ２２が設けられ、これらの検出信号が制御手段１８に送られる。

制御手段１８は、キースイッチ１９及び各センサ２０〜２２からの信号が入力されるメインコントローラ２３と、このメインコントローラ２３と連係してエンジン１１を制御するエンジン制御部２４とから成っている。

詳述すると、メインコントローラ２３は、蓄電器１６の充放電制御のための情報としてＳＯＣを常時検出し、この情報に基づいて蓄電器１６の充放電と発電電動機１７の運転を指令する。

また、メインコントローラ２３は、エンジン制御部２４と信号の授受を行い、キースイッチ１９からエンジン停止指令信号が入力されたときに、ロックレバーセンサ２０からのロック／ロック解除信号、着座センサ２１からの信号、エンジン回転数信号、それに蓄電器ＳＯＣに基づき、エンジン制御部２４と連係して、蓄電器ＳＯＣを次回のエンジン始動に必要な値に保つための蓄電器充電制御を行うとともに、運転席近くに設けられた表示器２５にオペレータに向けたメッセージを表示する。

この制御手段１８による蓄電器充電制御の内容を図２のフローチャートによって説明する。

キースイッチ１９のオフ操作(エンジン停止指令)によって制御が開始され、ステップＳ１でそのときのバッテリＳＯＣが、次回のエンジン始動に必要な値の下限値として予め設定された第１設定値未満か否かが判断される。

ここでＮＯ(第１設定値以上)のときは、蓄電器ＳＯＣが十分であるからこのままエンジン停止しても差し支えないとしてエンジン１１を停止させる。

これに対し、ステップＳ１でＹＥＳ(ＳＯＣが第１設定値未満)の場合は、蓄電器充電制御を行う必要があるとしてステップＳ２でロック操作されたか否かが判断され、ここでＹＥＳ(ロック操作された)の場合は直接ステップＳ３に移行する。

一方、ＮＯ(ロック操作されていない)の場合は、ステップＳ４でオペレータが着座しているか否かを判断し、ＹＥＳ(着座)の場合にステップＳ３に移行する。

なお、ステップＳ４でＮＯ(着座していない＝オペレータが不在)の場合は、ロック操作されていないしオペレータも不在であるから、この状態でエンジン運転を継続するのは安全上好ましくないとしてエンジン１１を停止させる。

ステップＳ３では、ロック操作されていること、及びオペレータが着座していることの少なくとも一方の条件が整ったことで蓄電器充電制御を開始するべく、図５に示すように表示器２５にオペレータに向けた「蓄電器充電中」及び「エンジンは自動的に切れます」のメッセージを表示する。

なお、オペレータは着座しているがロック操作はされていない場合を考慮し、安全を期すために「ロックレバーを上げて下さい」のメッセージを併せて表示する。

続くステップＳ５では、充電完了値として予め設定された第２設定値から蓄電器ＳＯＣの検出値を差し引いて必要充電量を求め、予め設定・記憶された図４の必要充電量／エンジン回転数の特性、すなわち、ＳＯＣが低ければ高回転数、高ければ低回転数の特性に基づいて必要なエンジン回転数を求め、エンジン回転数をこの回転数に設定する。

その上で、ステップＳ６で、蓄電器ＳＯＣが第２設定値となるまでエンジン運転を継続させ、発電電動機１２に発電機作用を行わせて蓄電器１６の充電を行った後、エンジン１１を停止させる。

いいかえれば、蓄電器ＳＯＣが第２設定値に達したときにエンジン運転を停止させる。

ここで、図３に示すように、第２設定値は第１設定値よりも少し高い値(第１設定値＜第２設定値)に設定している。

このように、エンジン停止指令があった時点で蓄電器ＳＯＣが次回のエンジン始動に必要な第１設定値未満であれば、エンジン停止を遅らせ、ＳＯＣを充電完了値(第２設定値)まで回復させた上でエンジン１１を停止させる蓄電器充電制御を行うため、「自動アイドルストップ制御方式」をとる機械でのエンジン再始動時を含めて、次のエンジン始動を確実なものとすることができる。

この場合、エンジン停止となる蓄電器ＳＯＣの第２設定値を、次のエンジン始動に必要な下限値(第１設定値)よりも高めに設定しているため、電圧変動や、次の始動までの放電によってＳＯＣがやや低下した場合でも、第１設定値を確保することができるため、エンジン始動がより確実となる。

また、ロックレバーのロック操作があったことを条件として蓄電器充電制御を行うため、同制御によるエンジン運転継続中の誤ったレバー操作によって機械が不意に動き出すおそれがない。

いいかえれば、ロック操作されていれば、たとえオペレータが不在であってもエンジン１１が継続運転されるため、ＳＯＣ回復までオペレータが付きっきりで監視する必要がない。

さらに、ロック操作されていなくても、オペレータが運転席にいればＳＯＣ回復のためのエンジン１１の継続運転が行われるため、オペレータが充電状況を運転席で確認することができる。

一方、蓄電器充電制御時のエンジン回転数を、エンジン停止指令の入力時点での蓄電器ＳＯＣに応じた回転数(ＳＯＣが低ければ高回転数、高ければ低回転数)に設定するため、蓄電器充電制御を最短時間で、かつ、最小限のエネルギーで実行することができる。

ところで、上記蓄電器充電制御は、キースイッチ１９がオンの状態であることを前提として行うように構成してもよいし、キースイッチオフでもエンジンの電気系に電源(たとえば補助蓄電器による電源)を供給してエンジン１１を継続運転させるように構成してもよい。

後者の構成をとれば、オペレータがエンジンキーを抜き取っても蓄電器充電制御が行われるため、オペレータが機械につきっきりとなる必要がない。

また、本発明はショベルに限らず、ショベルを母体として構成される解体機や破砕機等、他のハイブリッド作業機械にも適用することができる。

１１エンジン
１２発電電動機
１３油圧ポンプ
１５油圧アクチュエータ
１６蓄電器
１７コンバータ
１７発電電動機
１８制御手段
１９キースイッチ
２０ロックレバーセンサ(ロック検出手段)
２１着座センサ(着座検出手段)
２２回転数センサ
２３制御手段を構成するメインコントローラ
２４同、エンジン制御部

Claims

油圧源としての油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機と、上記油圧ポンプ及び発電電動機を駆動するエンジンと、このエンジンの始動／停止を指令するキースイッチと、上記エンジン及び発電電動機の運転を制御する制御手段とを備え、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電器の充電を行う一方、この蓄電器の放電作用によって上記発電電動機に電動機作用を行わせ、この電動機作用により、油圧ポンプの駆動をアシストするとともに上記エンジンを始動させるように構成したハイブリッド作業機械において、
ロック操作時に機械の動きを停止させ、ロック解除操作時に機械の動きを許容するように構成されたロックレバーと、
上記ロックレバーのロック／ロック解除操作を検出するロック検出手段と、をさらに備え、
上記制御手段は、上記ロックレバーがロック操作されたことを条件として、上記キースイッチからのエンジン停止指令があったときに、そのときの蓄電器のＳＯＣが次回のエンジン始動に必要な値の下限値として予め設定された第１設定値未満である場合に、エンジンの運転を継続させることにより上記発電電動機に発電機作用を行わせて蓄電器の充電を行わせ、この結果として上記ＳＯＣが充電完了値として予め設定された第２設定値に達したときにエンジンの運転を停止させる蓄電器充電制御を行うように構成したことを特徴とするハイブリッド作業機械。
上記第１設定値＜第２設定値に設定したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド作業機械。
オペレータが運転席に着座していることを検出する着座検出手段をさらに備え、
上記制御手段は、上記ロックレバーがロック操作されたこと、およびオペレータが着座していることを条件として上記蓄電器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または２記載のハイブリッド作業機械。
上記制御手段は、エンジン停止指令があったときに、エンジン回転数を、そのときの蓄電器ＳＯＣから求められる必要充電量に応じた回転数に設定するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド作業機械。