JP6160127B2 - 建設機械 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンの動力を用いて所定の作業を行うとともに、エンジンの動力により発電されて蓄電装置に充電された電力を用いてエンジンをアシスト可能なハイブリッド式の建設機械に関するものである。
ハイブリッド式の建設機械は、エンジンと、蓄電装置と、エンジンからの動力により発電機として作動するとともに蓄電装置からの電力により電動機として作動する発電電動機と、蓄電装置の充放電を制御するインバータとを備えている。
ここで、蓄電装置は、低温環境下では内部抵抗が増加して充放電性能が低下するため、暖機を行なうことが望ましい。
従来、この蓄電装置の暖機技術として、蓄電装置の温度が所定の温度よりも低いときに蓄電装置の充放電を繰り返し、内部発熱により蓄電装置の暖機を行なう技術が公知である(例えば、特許文献1)。
特許文献1に記載の建設機械では、蓄電装置に対する目標SOC(State of Charge:以下充電率という)を上げ下げする手法が採られる。
特開2010−127271号公報
目標充電率を上げ下げする手法を採る場合、現在の充電率を推定又は把握することが前提となる。その手段として、例えば、充放電された電流値の積算値に基づいて現在の充電率を推定する方法が知られている。
しかし、低温環境下においては、蓄電装置の内部抵抗が大きいため、充放電による端子間電圧の変動が大きいこと、及び、充放電電流が小さく制限されることにより、上記方法によっても低温環境下における充電率を正確に推定することができない。
このため、目標充電率の上げ下げによる暖機方法では、適正な充放電制御が困難となる。
また、蓄電装置の暖機効率を高めるためには大電流を流すのが望ましいにもかかわらず、上述のように現在の充電率の正確な推定が困難な状況下においては、その推定誤差を考慮して、電流値を小さく制限せざるを得ず、十分に暖機することができない。すなわち、暖機効率が悪い。
一方、電流制限をせずに、一方向(充電方向又は放電方向)に大電流を流し続けると暖機効率は上がるが、内部抵抗が高い低温状況下においては、端子間電圧が許容範囲を超えて蓄電装置の劣化を加速させるおそれがある。
本発明の目的は、蓄電装置の劣化を抑えながら蓄電装置を効率よく暖機することができる建設機械を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、エンジンと、蓄電装置と、前記エンジンからの動力により発電機として作動するとともに、前記蓄電装置からの電力により電動機として作動する発電電動機と、前記発電電動機の作動及び前記蓄電装置の充放電を制御する充放電制御器と、前記蓄電装置の温度を検出する温度検出手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出手段と、前記温度検出手段により検出された前記蓄電装置の温度が予め設定された基準温度よりも低い低温条件下にあると判断された場合に、前記蓄電装置の充放電を繰り返す暖機制御が実行されるように前記充放電制御器を制御する暖機制御器とを備え、前記暖機制御器は、前記暖機制御において、前記蓄電装置の充電中に前記電圧検出手段により検出された電圧が、蓄電装置の劣化を招かないための高電圧側の許容電圧として予め設定された第1閾値を超える場合に充電状態から放電状態に切り換える一方、前記蓄電装置の放電中に前記電圧検出手段により検出された電圧が、蓄電装置の劣化を招かないための低電圧側の許容電圧として予め設定された第2閾値を下回る場合に放電状態から充電状態に切り換える、建設機械を提供する。
ここで、第1閾値は、蓄電装置の劣化を招かないための高電圧側の許容電圧として、また、第2閾値は、蓄電装置の劣化を招かないための低電圧側の許容電圧としてそれぞれ設定された値である。つまり、本発明では、両閾値を超えない範囲で充放電時の電流値を大きく設定することができる。
このように、本発明によれば、第1閾値及び第2閾値という蓄電装置の電圧を基準として充放電を切り換える電圧監視による蓄電装置の暖機を行なうため、従来のように目標充電率を上げ下げする場合と比較して、蓄電装置の許容電圧の範囲内で充放電時における電流値を大きく設定することができる。
したがって、本発明によれば、蓄電装置の劣化を抑えながら蓄電装置を効率よく暖機することができる。
前記建設機械において、作業操作の有無を検知する作業検知手段をさらに備え、前記暖機制御器は、前記暖機制御の実行期間中に前記作業検知手段により作業操作が検知された場合に前記暖機制御を中断する一方、前記暖機制御の中断期間中に前記作業検知手段により作業操作のないことが検知された場合に前記暖機制御を再開することが好ましい。
ここで、『作業操作』は、エンジンの動力及び蓄電装置の電力の少なくとも一方を用いて行なう作業を行うための操作、及びその操作前の作業態勢に入るための操作を含む。
前記態様によれば、作業操作が行われた場合に、蓄電装置の暖機を中断して建設機械の作業を優先させることができる。そのため、建設機械の作業時に蓄電装置の暖機を継続することにより、作業に要するエンジンの動力又は蓄電装置の電力が不足するといった不具合を抑制することができる。
前記建設機械において、前記暖機制御器は、前記暖機制御の中断期間中に、前記蓄電装置に充電される電流値及び前記蓄電装置から放電される電流値の上限を前記暖機制御の実行期間中の上限よりも制限することが好ましい。
前記暖機制御の中断期間中においても低温条件下にある蓄電装置の充放電時の電流値は、低温条件下にない蓄電装置の電流値よりも制限する必要がある。さらに、暖機制御の実行期間中と異なり、建設機械が作業操作を行っている状態においては、エンジン又は発電電動機の動作に応じて蓄電装置における電流の流れが一方向(放電側又は充電側、特に放電側)に連続して生じることが多く、蓄電装置の電圧が許容電圧を超えてしまうおそれがある。
そこで、前記態様のように、暖機制御の中断期間中に充放電に関する電流値の上限を暖機制御期間中の上限よりも制限することにより、蓄電装置の電圧が許容範囲を超えるのを防止することができる。
したがって、前記態様によれば、上述のように蓄電装置の暖機に対して建設機械の作業を優先させながら、より確実に蓄電装置の劣化を防止することができる。
前記建設機械において、前記暖機制御器は、前記暖機制御の中断期間中に、前記蓄電装置に充電される電流値及び前記蓄電装置から放電される電流値の上限を前記蓄電装置の温度が低いほど小さくなるように制限することが好ましい。
前記態様によれば、暖機制御の中断期間中に、蓄電装置の温度(内部抵抗)に応じて電流値を制限することができるため、暖機制御の中断期間中においても蓄電装置の劣化を防止することができる。
前記建設機械において、定の作業を行うためのアクチュエータと、前記アクチュエータの作動指令を出力する操作手段とをさらに備え、前記作業検知手段は、前記操作手段による作動指令を検知可能であることが好ましい。
また、前記建設機械において、前記建設機械の乗降口を作業時には閉じ、作業休止時には開くように操作される乗降遮断レバーを備え、前記作業検知手段は、この乗降遮断レバーの閉じ操作を検知することが好ましい。
これらの態様によれば、作業検知手段によって、作業操作が行なわれたか否かを確実に検知することができる。
本発明によれば、蓄電装置の劣化を抑えながら蓄電装置を効率よく暖機することができる。
本発明の第1実施形態に係る油圧ショベルの全体構成を示す左側面図である。 図1に示すハイブリッドショベルの駆動系を示す概略図である。 図2に示す制御器により実行される処理を示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係るハイブリッドショベルの図2相当図である。 図4に示す制御器に記憶された低温時出力マップである。 図4に示す制御器により実行される処理を示すフローチャートである。
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
(第1実施形態)
図1を参照して、建設機械の一例としてのハイブリッドショベル1は、クローラ式の下部走行体2と、下部走行体2上に旋回可能に設けられた上部旋回体3と、上部旋回体3に取り付けられた作業アタッチメント4とを備えている。
作業アタッチメント4は、上部旋回体3に対して起伏可能に取り付けられたブーム15と、ブーム15の先端部に対して揺動可能に取り付けられたアーム16と、アーム16の先端部に対して揺動可能に取り付けられたバケット17とを備えている。
また、作業アタッチメント4は、上部旋回体3に対してブーム15を起伏させるブームシリンダ18と、ブーム15に対してアーム16を揺動させるアームシリンダ19と、アーム16に対してバケット17を揺動させるバケットシリンダ20とを備えている。
以下、図2を参照して、ハイブリッドショベル1の駆動系について説明する。
ハイブリッドショベル1は、エンジン5と、エンジン5の出力軸に連結された油圧ポンプ6及び発電電動機8と、油圧ポンプ6から前記各シリンダ18〜20に対する作動油の給排を制御するコントロールバルブ7と、発電電動機8により発電された電力を充電可能な蓄電装置9と、蓄電装置9の充放電及び発電電動機8の作動を制御するインバータ(充放電制御器)10と、蓄電装置の温度を検出する温度検出器(温度検出手段)11と、蓄電装置9の端子間電圧を検出する電圧検出器(電圧検出手段)12と、インバータ10を制御する制御器(暖機制御器)14とを備えている。
油圧ポンプ6は、エンジン5の動力により作動して、作動油を吐出する。油圧ポンプ6から吐出された作動油は、コントロールバルブ7によって流量制御された状態で、各シリンダ18〜20に導かれる。
発電電動機8は、エンジン5からの動力により発電機として作動するとともに、蓄電装置9からの電力により電動機として作動する。
インバータ10は、発電電動機8の発電機としての作動と、発電電動機8の電動機としての作動との切り換えを制御する。また、インバータ10は、発電電動機8に対する電流及び発電電動機8のトルクを制御する。
制御器14は、温度検出器11により検出された蓄電装置9の温度が予め設定された基準温度よりも低い低温条件下にあると判断された場合に、蓄電装置9の充放電を繰り返す暖機制御が実行されるように前記インバータ10を制御する充放電切換部21を備えている。
具体的に、充放電切換部21は、前記暖機制御において、蓄電装置9の充電中に電圧検出器12により検出された電圧が第1閾値を超える場合に、充電状態から放電状態に切り換える。ここで、第1閾値は、蓄電装置9の劣化を招かないための高電圧側の許容電圧として予め設定され、制御器14に記憶された値である。
一方、充放電切換部21は、前記暖機制御において、蓄電装置9の放電中に電圧検出器12により検出された電圧が第2閾値を下回る場合に放電状態から充電状態に切り換える。ここで、第2閾値は、蓄電装置9の劣化を招かないための低電圧側の許容圧力として予め設定され、制御器14に記憶された値である。
以下、図3を参照して、制御器14により実行される暖機制御について説明する。
暖機制御が実行されると、まず、蓄電装置9の温度が検出され(ステップS1)、検出温度が基準温度よりも低いか否かが判定される(ステップS2)。
ステップS2において、検出温度が基準温度よりも低いと判定されると(ステップS2でYES)、蓄電装置9の充電が開始され(ステップS3)、蓄電装置9の電圧が検出される(ステップS4)。
次いで、検出電圧が第1閾値を超えるか否かが判定され(ステップS5)、ここで、検出電圧が第1閾値以下である(ステップS5でNO)と判定されると、蓄電装置9の充電を継続する(ステップS3)。
一方、ステップS5において、検出電圧が第1閾値を超える(ステップS5でYES)と判定されると、蓄電装置9の放電を開始する、つまり、充電状態から放電状態に切り換える(ステップS6)。
次いで、蓄電装置9の電圧が検出され(ステップS7)、検出電圧が第2閾値を下回るか否かが判定される(ステップS8)。
ステップS8で検出電圧が第2閾値以上である(ステップS8でNO)と判定されると、蓄電装置9の放電を継続する(ステップS6)。
一方、ステップS8で検出電圧が第2閾値を下回る(ステップS8でYES)と判定されると、処理がリターンし、前記ステップS2で蓄電装置9の検出温度が基準温度よりも低いと判定されると、蓄電装置9の充電が開始される。つまり、検出電圧が第2閾値を下回ると、放電状態から充電状態に切り換えられる。
なお、前記ステップS2において検出温度が基準温度以上である(ステップS2でNO)、つまり、蓄電装置9が通常通りに使用できる温度条件下にあると判定されると、通常制御に移行して、暖機制御は、終了する。
以上、説明したように、第1閾値及び第2閾値という蓄電装置9の電圧を基準として充放電を切り換える電圧監視による蓄電装置9の暖機を行なうため、従来のように目標充電率を上げ下げする場合と比較して、蓄電装置9の許容電圧の範囲内で充放電時における電流値を大きく設定することができる。
したがって、蓄電装置9の劣化を抑えながら蓄電装置9を最短時間で効率よく暖機することができる。
(第2実施形態)
以下、図4〜図6を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
第2実施形態に係るハイブリッドショベル1は、シリンダ(アクチュエータ)18〜20を操作するためにコントロールバルブ7にパイロット圧(作動指令)を出力する操作手段としてのリモコン弁23と、リモコン弁23からのパイロット圧の有無を検出する圧力センサ24(作業検知手段)と、エンジン5の駆動を制御するECU25とを備えている。
また、制御器14は、暖機制御(図3)の実行期間中に圧力センサ24によりパイロット圧が検出された場合に暖機制御を中断する旨の指令を充放電切換部21に出力する一方、暖機制御の中断中にパイロット圧が検出されない場合に暖機制御を再開する旨の指令を充放電切換部21に出力する充放電制限制御を実行する充放電制限部22を備えている。
ここで、充放電制限部22は、暖機制御の中断期間中に、蓄電装置9に充電される電流値及び蓄電装置9から放電される電流値の上限を暖機制御の実行期間中の上限よりも制限する。
具体的に、充放電制限部22は、制御器14に予め記憶された低温時出力マップ(図5)に基づいて、暖機制御の中断期間中(作業中)における蓄電装置9の充放電に関する電力を制御する。
低温時出力マップは、蓄電装置9の充放電時の電圧が蓄電装置9の許容電圧の範囲内に収まるように蓄電装置9の温度ごとに設定された、蓄電装置9の充放電時の電力の上限値を示すものである。
また、低温時出力マップには、実線で示す暖機時の放電電力の上限値L1と、破線で示す作業時の放電電力の上限値L2と、二点鎖線で示す作業時の充電電力の上限値L3と、一点鎖線で示す暖機時の充電電力の上限値L4とが設定されている。
作業時の放電電力の上限値L2は、暖機時の放電電力の上限値L1よりも小さく設定されている。同様に、作業時の充電電力の上限値L3は、暖機時の充電電力の上限値L4よりも小さく設定(マイナス方向の値として小さく設定)されている。
ここで、蓄電装置9の内部抵抗は、蓄電装置9の温度に応じて定まるため、低温時出力マップにおいて任意の温度で特定される各上限値L1〜L4の大小関係は、蓄電装置9の電圧が許容電圧内に収まるための電流値の上限の大小関係と考えることができる。
なお、正確には、蓄電装置9の内部抵抗は、蓄電装置9の温度及び充電率によって変化する。したがって、本来であれば、図4に示す充放電のマップも蓄電装置9の温度及び充電率によって定義されるものであるが、図4に示すマップは、主に暖機時の電力と作業時の電力との関係を示すものであるため、便宜上、図4には、充電率が一定の場合におけるマップを一例として示している。
したがって、この低温時出力マップと温度検出器11により検出された温度とに基づいて、蓄電装置9の電力を制御することにより、作業時における蓄電装置9の充放電に係る電流値の上限を暖機制御の実行期間中の上限よりも制限することができる。
また、充放電制限部22は、低温時出力マップと検出温度とに基づいて、暖機制御の中断期間中に、蓄電装置9に充電される電流値及び蓄電装置9から放電される電流値の上限を蓄電装置9の温度が低いほど小さくなるように制限することができる。
具体的に、充放電制限部22は、充放電切換部21及びインバータ10を介して発電電動機8の出力を制御するとともに、ECU25を介してエンジン5の出力を制御することにより、蓄電装置9に関する電力を相対的に制御する。
以下、図6を参照して、制御器14により実行される充放電制限制御について説明する。
充放電制限制御は、図3に示す暖機制御の開始とともに開始され、まず、レバー操作されるリモコン弁23のパイロット圧(以下、操作圧という)を検出し(ステップT1)、検出された操作圧が基準圧力よりも大きいか否かが判定される(ステップT2)。
ステップT2で操作圧が基準圧力を超えたか否かを判定するのは、不感帯を超えてレバー操作が行なわれたことを確実に検知するためである。
このステップT2で操作圧が基準圧力を超えていないと判定されると、ステップT1を繰り返し実行する一方、ステップT2で操作圧が基準圧力を超えていると判定されると、暖機制御を中断する(ステップT3)。
次いで、図5に示す低温時出力マップを参照して電力の上限値を特定する(ステップT4)。具体的に、ステップT5では、温度検出器11により蓄電装置9の温度を検出するとともに、この検出温度と低温時出力マップとに基づいて電力の上限値を特定する。
このように電力の上限値が特定されると、エンジン5の出力及び発電電動機8の出力を制御することにより、蓄電装置9の電力(電流値)を相対的に制御する(ステップT5)。
次いで、操作圧が基準圧力以下であるか否かを判定し(ステップT6)、操作圧が基準圧力よりも大きいと判定されると(ステップT6でNO)、前記ステップT4を繰り返し実行する。
一方、操作圧が基準圧力以下であると判定されると(ステップT6でYES)、図3に示す暖機制御を再開してリターンする。
なお、レバー操作に応じた作業に伴う充放電の結果、蓄電装置9が基準温度まで暖機されている場合、前記ステップT6で暖機制御が再開されると、図3に示すステップS2において基準温度よりも大きいと判定され(ステップS2でYES)、通常制御へ移行する(ステップS9)。
また、充放電制限制御は、暖機制御の終了とともに終了する。
以上説明したように、第2実施形態によれば、作業アタッチメント4を用いた作業が行われる場合に、蓄電装置9の暖機を中断して作業を優先して行なうことができる。そのため、作業アタッチメント4の作業時に蓄電装置9の暖機を継続することにより、作業に要するエンジン5の動力又は蓄電装置9の電力が不足するといった不具合を抑制することができる。
暖機制御の中断期間中(ステップT3〜T6)においても低温条件下にある蓄電装置9の充放電時の電流値は、低温条件下にない蓄電装置の電流値よりも制限する必要がある。さらに、暖機制御の実行期間中と異なり、作業アタッチメント4が作業を行っている状態においては、エンジン5又は発電電動機8の動作に応じて蓄電装置9における電流の流れが一方向(放電側又は充電側、特に放電側)に連続して生じることが多く、蓄電装置9の電圧が許容範囲を超えてしまうおそれがある。
そこで、第2実施形態のように、暖機制御の中断期間中(ステップT3〜T6)に充放電に関する電流値の上限を暖機制御期間中の上限よりも制限することにより、蓄電装置9の電圧が許容範囲を超えるのを防止することができる。
したがって、第2実施形態によれば、上述のように蓄電装置9の暖機に対して建設機械の作業を優先させながら、より確実に蓄電装置9の劣化を防止することができる。
また、第2実施形態によれば、図5に示す低温時出力マップに従い、暖機制御の中断期間中に、蓄電装置9の温度(内部抵抗)に応じて電流値を制限することができる。そのため、暖機制御の中断期間中においても蓄電装置9の劣化を防止することができる。
なお、第2実施形態では、各シリンダ18〜20の操作の検出時に暖機制御を中断することとしているが、他のアクチュエータ、例えば、蓄電装置9に電気的に接続された旋回モータの操作の検出時に暖機制御を中断することもできる。
また、第2実施形態では、リモコン弁23が操作されたこと、つまり、実際に作業が開始されたことを検知しているが、リモコン弁23の操作前の作業態勢に入ったことを検知して暖機制御を中断することもできる。
具体的に、ハイブリッドショベル1には、図4の二点鎖線で示すように、乗降口を遮断器のように開閉する乗降遮断レバー26と、乗降遮断レバー26の開閉を検知するリミットスイッチ27と、このリミットスイッチ27の作動に応じて開閉する電磁弁28とを有するシステムが設けられている。このシステムでは、乗降遮断レバー26がオペレータの降車時(作業休止時)に開かれると、電磁弁28がリモコン弁23のパイロット一次圧回路を遮断して、リモコン弁23の操作が無効にされる。
このシステムを利用し、乗降遮断レバー26が閉じ操作されたこと、つまりオペレータが着座して作業態勢に入ったことをリミットスイッチ27により検知し、この検知に応じて作業操作が行なわれたと判断する構成を採用することができる。
そして、充放電制限部22は、図6に示すステップT1を省略するとともに、ステップT2に代えて、リミットスイッチ27からの検知信号があるか否かを判定するステップを行い、ステップT6に代えて検知信号がないか否かを判定するステップを行なうことができる。
これにより、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、前記各実施形態では、検出温度が基準温度よりも低いと判定された場合(ステップS2でYES)に、蓄電装置9の充電を行うこととしているが放電を先に行なってもよい。
1 ハイブリッドショベル(建設機械の一例)
5 エンジン
8 発電電動機
9 蓄電装置
10 インバータ(充放電制御器の一例)
11 温度検出器(温度検出手段の一例)
12 電圧検出器(電圧検出手段の一例)
14 制御器(暖機制御器の一例)
18 ブームシリンダ(アクチュエータの一例)
19 アームシリンダ(アクチュエータの一例)
20 バケットシリンダ(アクチュエータの一例)
23 リモコン弁(操作手段の一例)
24 圧力センサ(作業検知手段の一例)
26 乗降遮断レバー(ロック手段の一例)
27 リミットスイッチ(ロック手段及び作業検知手段の一例)
28 電磁弁(ロック手段の一例)

Claims (6)

  1. エンジンと、
    蓄電装置と、
    前記エンジンからの動力により発電機として作動するとともに、前記蓄電装置からの電力により電動機として作動する発電電動機と、
    前記発電電動機の作動及び前記蓄電装置の充放電を制御する充放電制御器と、
    前記蓄電装置の温度を検出する温度検出手段と、
    前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記温度検出手段により検出された前記蓄電装置の温度が予め設定された基準温度よりも低い低温条件下にあると判断された場合に、前記蓄電装置の充放電を繰り返す暖機制御が実行されるように前記充放電制御器を制御する暖機制御器とを備え、
    前記暖機制御器は、前記暖機制御において、前記蓄電装置の充電中に前記電圧検出手段により検出された電圧が、蓄電装置の劣化を招かないための高電圧側の許容電圧として予め設定された第1閾値を超える場合に充電状態から放電状態に切り換える一方、前記蓄電装置の放電中に前記電圧検出手段により検出された電圧が、蓄電装置の劣化を招かないための低電圧側の許容電圧として予め設定された第2閾値を下回る場合に放電状態から充電状態に切り換える、建設機械。
  2. 作業操作の有無を検知する作業検知手段をさらに備え、
    前記暖機制御器は、前記暖機制御の実行期間中に前記作業検知手段により作業操作が検知された場合に前記暖機制御を中断する一方、前記暖機制御の中断期間中に前記作業検知手段により作業操作のないことが検知された場合に前記暖機制御を再開する、請求項1に記載の建設機械。
  3. 前記暖機制御器は、前記暖機制御の中断期間中に、前記蓄電装置に充電される電流値及び前記蓄電装置から放電される電流値の上限を前記暖機制御の実行期間中の上限よりも制限する、請求項2に記載の建設機械。
  4. 前記暖機制御器は、前記暖機制御の中断期間中に、前記蓄電装置に充電される電流値及び前記蓄電装置から放電される電流値の上限を前記蓄電装置の温度が低いほど小さくなるように制限する、請求項2又は3に記載の建設機械。
  5. 定の作業を行うためのアクチュエータと、
    前記アクチュエータの作動指令を出力する操作手段とをさらに備え、
    前記作業検知手段は、前記操作手段による作動指令を検知可能である、請求項2〜4の何れか1項に記載の建設機械。
  6. 前記建設機械の乗降口を作業時には閉じ、作業休止時には開くように操作される乗降遮断レバーを備え、
    前記作業検知手段は、この乗降遮断レバーの閉じ操作を検知する、請求項2〜4の何れか1項に記載の建設機械。
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