JP6175886B2

JP6175886B2 - ハイブリッド式建設機械

Info

Publication number: JP6175886B2
Application number: JP2013099778A
Authority: JP
Inventors: 允紀廣澤
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2033-05-10
Also published as: JP2014218855A

Description

本発明はエンジンによって油圧ポンプと発電電動機を駆動し、旋回電動機によって上部旋回体を旋回駆動するハイブリッド式建設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、クローラ式の下部走行体上に上部旋回体が地面に対して垂直となる軸のまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体にブーム、アーム、バケットを備えた作業用のフロントアタッチメントが取付けられて構成される。

また、上部旋回体の旋回駆動源として、ハイブリッド式ショベルでは旋回電動機が用いられる。

このハイブリッド式ショベルにおいては、エンジンによって油圧ポンプと発電電動機を駆動し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動する一方、発電電動機と、この発電電動機の出力で充電される蓄電器とによって旋回電動機を駆動する構成がとられる。

また、旋回減速時に旋回電動機に発生する回生電力は蓄電器に蓄えられ、この蓄電作用により回生電力を回収してブレーキ力を発揮させるように構成されている(特許文献１参照)。

特開２００８−１１５６４０号公報

上記のように旋回制動作用をもっぱら蓄電器の蓄電作用に頼る公知技術によると、低温時や蓄電器の劣化によって蓄電能力が低下すると、回生電力を吸収し切れずに十分な旋回制動を行えなくなる等、旋回制動の確実性、信頼性が低いものとなる。

対策として、旋回電動機の回生電力で発電電動機を駆動し、エンジンをアシストすることによって回生エネルギーを消費することが考えられる。

しかし、たとえば油圧アクチュエータの動作停止時のようなエンジン負荷が小さい状態では、エンジンアシストに必要な動力(アシスト動力)も小さいため、回生エネルギーを吸収し切れない可能性がある。

別の策として回生抵抗を設け、旋回電動機の回生電力を回生抵抗で消費させることによって回生ブレーキを働かせることが考えられる。

しかし、この構成によると、比較的大きな回生抵抗とその制御装置、さらには回生抵抗で発生する熱を処理するための設備を追加しなければならないため、とくにスペースの制限が厳しいショベルにおいて機器レイアウトが困難となるとともに、大幅なコストアップとなる。

そこで本発明は、回生エネルギーをエンジンアシスト動力として回収する構成をとりながら、確実な旋回制動作用を得ることができるハイブリッド式建設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、下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体の旋回駆動源としての旋回電動機と、エンジンと、このエンジンに接続されて発電機作用と電動機作用を行う発電電動機と、蓄電器と、上記エンジンの排気系に設けられたエンジン負荷を増加させるため排気ブレーキ装置と、上記上部旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出手段と、制御手段とを具備し、上記制御手段は、旋回減速時であって上記蓄電器の充電率が、上記回生電力を蓄えることができる上限値としての設定値を超えるときに、上記旋回電動機に発生する回生電力を回収して旋回制動力を発揮させるための旋回制動制御として、上記排気ブレーキ装置のブレーキ力を旋回速度に応じて、高速側で高くなる方向に制御することによって上記排気ブレーキ装置を作動させてエンジン負荷を増加させるとともに、上記発電電動機のエンジンアシストのための出力を旋回速度に応じて、高速側で高くなる方向に制御することによって上記回生電力により上記発電電動機に電動機作用を行わせて上記エンジンをアシストするように構成したものである。

この構成によれば、旋回減速時に、エンジンの排気系に設けた排気ブレーキ装置を作動させてエンジン負荷を増加させ、この状態で発電電動機によるエンジンアシスト作用を行わせるため、旋回電動機に発生する回生電力をエンジンアシスト動力として消費させ、必要な旋回制動作用を確保することができる。

すなわち、蓄電器の蓄電作用のみによって旋回制動する場合と比べて旋回制動の確実性、信頼性を高めることができる。

また、旋回制動のための蓄電作用が不要になり、あるいは蓄電作用を併用するにしてもその蓄電能力を小さくすることができるため、蓄電器を小型化することが可能となる。

しかも、排気ブレーキ装置は、エンジンの排気管に排気を絞る弁とその駆動部を設けるだけでよく、回生抵抗を設ける場合と比べて設備が遥かに小型かつ安価ですむ。このため、スペース制限の厳しいショベルにも容易にかつ低コストで適用することができる。

また、本発明において、上記制御手段は、上記蓄電器の充電率が、上記回生電力を蓄えることができる上限値としての設定値を超えるときに上記旋回制動制御を実行する。

これにより、蓄電器の充電率が設定値以下では蓄電作用によって回生ブレーキを働かせ、設定値を超えるときにエンジンアシスト作用に切換える、あるいは両者を併用するという使い分けが可能となる。

さらに、本発明においては、上記上部旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出手段を備え、上記制御手段は、上記旋回制動制御として、上記排気ブレーキ装置のブレーキ力を旋回速度に応じて、高速側で高くなる方向に制御する。

その上、本発明において、上記制御手段は、上記旋回制動制御として、上記発電電動機のエンジンアシストのための出力を旋回速度に応じて、高速側で高くなる方向に制御する。

このようにすることにより、旋回速度に応じて必要な旋回ブレーキ力のみが働くため、動力(排気ブレーキ力またはエンジンアシスト動力)の無駄遣いを回避することができる。

また、上記ハイブリッド式建設機械において、上記制御手段は、上記旋回減速時であって上記蓄電器の充電率が上記設定値以下のときに、上記蓄電器の蓄電作用による旋回制動力を発揮させることが好ましい。

さらに、上記ハイブリッド建設機械において、上記蓄電器の温度を検出する手段を有し、上記制御手段は、上記旋回減速時であって上記蓄電器の充電率が上記設定値以下であり、かつ、上記蓄電器の温度が予め設定された温度設定値以下の場合に、上記旋回制動制御を実行することが好ましい。

また、上記ハイブリッド建設機械において、上記制御手段は、上記旋回減速時であって上記蓄電器の充電率が上記設定値以下の場合に、上記蓄電器の蓄電作用による旋回制動力を発揮させ、さらに、上記排気ブレーキ装置を作動させてエンジン負荷を増加させるとともに、上記回生電力により上記発電電動機に電動機作用を行わせて上記エンジンをアシストすることにより旋回制動力を発揮させることが好ましい。

本発明によると、回生エネルギーをエンジンアシスト動力として回収する構成をとりながら、確実な旋回制動作用を得ることができる。

本発明の実施形態に係るハイブリッド式ショベルのシステム構成図である。同実施形態の旋回制動作用を説明するためのフローチャートである。同実施形態において旋回減速時の判断手法を説明するための図である。同実施形態における旋回速度と排気ブレーキ力の関係を示す図である。同実施形態における旋回速度と発電電動機のアシスト出力の関係を示す図である。

実施形態はハイブリッド式ショベルを適用対象としている。

図１はこのハイブリッド式ショベルのシステム構成を示す。

図示のように動力源としてのエンジン１に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機２と、油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプ３が接続され、これらがエンジン１によって駆動される。

油圧ポンプ３には、コントロールバルブを介してブームシリンダその他の油圧アクチュエータ（いずれも図示省略）が接続され、油圧ポンプ３から供給される圧油によってこの油圧アクチュエータが駆動される。

発電電動機２は、エンジン１で駆動されて発電機作用を行い、発生した電力が蓄電器４に送られて充電(蓄電)される一方、適時、この蓄電器４の電力により発電電動機２が電動機作用を行ってエンジン１をアシストする。

また、旋回駆動源としての旋回電動機５と、電動機等制御器６と、制御手段を構成するコントローラ７が設けられ、旋回操作手段としての旋回操作レバー８の操作状態(操作方向、操作量)や蓄電器４の充電状態に基づいて、コントローラ７及び電動機等制御器６により発電電動機２、旋回電動機５、蓄電器４の作動(発電電動機２及び旋回電動機５の転／停止、蓄電器４の充放電等)が制御される。

旋回電動機５は、発電電動機２で発生した電力または蓄電器４の電力によって駆動される一方、旋回減速時に回生作用を行う。

そして、発電電動機２に発生した回生電力が、後述するように充電率が設定値以下の条件下で蓄電器４に蓄電力として送られ、充電率が設定値を超えるときは発電電動機２にエンジンアシストのための駆動電力として送られる。

また、エンジン負荷を上げてエンジンアシストに必要な動力(エンジンアシスト動力)を増加させる手段として、エンジン１の排気系に排気ブレーキ装置９が設けられている。

この排気ブレーキ装置９は、トラック等の大型車両に用いられるものと同様に、排気管１０の途中に設けられたシャッター弁とその駆動部(図示省略)から成り、コントローラ７からの信号によりシャッター弁が閉じ側に操作されたときに排気ブレーキ作動が行われてエンジン負荷が増加する。

一方、検出手段として、旋回操作レバー８の操作状態を検出する旋回操作検出手段(たとえば旋回用リモコン弁の操作によって発生するパイロット圧を検出する圧力センサ)１１と、旋回電動機５の回転速度を上部旋回体の旋回速度として検出する旋回速度検出手段１２と、蓄電器４の充電率を検出する充電率検出手段１３が設けられ、これらからの検出信号(旋回操作信号、旋回速度信号、充電率信号)がコントローラ７に送られる。

コントローラ７は、旋回操作検出手段１１からの旋回操作信号に基づいて旋回減速時か否かを判断し、旋回減速時に、蓄電器４の充電率が設定値を超える条件下で、旋回電動機５に発生する回生電力を発電電動機２のエンジンアシスト作用により回収して旋回制動力を発揮させるための旋回制動制御を行う。

旋回減速時の判断は、たとえば、旋回操作レバー８の操作(一方向に力行操作された後、中立側に戻される操作)に応じた旋回パイロット圧の時間的変化(図３に示す過去パイロット圧と現パイロット圧の比較)に基づいて行われる。

あるいは、旋回操作レバー８の加減速操作そのものをポテンショメータ等によって電気的に検出するようにしてもよい。

一方、コントローラ７には、図４に示す、旋回速度に対する排気ブレーキ力(シャッター弁の閉じ量)の特性、及び図５に示す、旋回速度に対する発電電動機２のアシスト出力の特性がそれぞれ予め設定・記憶されている。

すなわち、排気ブレーキ力及びエンジンアシスト出力は、いずれも旋回速度に応じて高速側で高くなる(旋回速度に比例して高くなる)ように設定されている。

また、排気ブレーキ力及びアシスト出力は、図４，５に示すように制動作用が必要となる設定値以上の旋回速度域で働くように設定されている。

さらに、コントローラ７には、蓄電器４の充電率について、旋回減速時に旋回電動機５に発生する回生電力を蓄えることができる上限値としての設定値が予め設定・記憶され、検出される充電率が設定値を超えることを条件として排気ブレーキ及びエンジンアシストによる旋回制動制御が実行される。

このコントローラ７の作用を図２のフローチャートによって説明する。

制御開始後、ステップＳ１で蓄電器４の充電率が設定値を超えるか否か、つまり、蓄電する余裕がないか否か、ステップＳ２で減速か否かがそれぞれ判断され、ＮＯの場合はいずれも次のステップには進まない。

これに対し、ステップＳ１，Ｓ２でともにＹＥＳ(蓄電不能で減速時)と判断されると、ステップＳ３において、図４の排気ブレーキ特性に基づき、旋回速度に応じた排気ブレーキ作動が指令されるとともに、ステップＳ４において、図５の発電電動機アシスト出力特性に基づき、旋回速度に応じたアシスト出力が指令される。

このように、排気ブレーキ作動によってエンジン負荷を増加させた状態で発電電動機２によるエンジンアシスト作用を行わせることにより、旋回電動機５に発生する回生電力をエンジンアシスト動力として消費させ、必要な旋回制動作用を確保することができる。

すなわち、蓄電器４の蓄電作用のみによって旋回制動する場合と比べて旋回制動の確実性、信頼性を高めることができる。

また、蓄電器４は、旋回減速時に、充電率が設定値以下の条件下でのみ蓄電作用を行うため、その蓄電能力を小さくして小型化することが可能となる。

しかも、排気ブレーキ装置９は、エンジン１の排気管１０に排気を絞る弁(シャッター弁)とその駆動部を設けるだけでよく、回生抵抗を設ける場合と比べて設備が遥かに小型かつ安価ですむ。このため、スペース制限の厳しいショベルにも容易にかつ低コストで適用することができる。

一方、排気ブレーキ力及び発電電動機２のエンジンアシスト出力を旋回速度の増加に応じて高くするため、旋回速度に応じて必要な旋回ブレーキ力のみが働き、動力(エンジンアシスト動力または排気ブレーキ力)の無駄遣いを回避することができる。

他の実施形態
(１) 蓄電器４の蓄電能力は温度低下によって下がるため、蓄電器温度を検出し、旋回減速時に、充電率が設定値以下であっても蓄電器温度が設定値以下の場合には上記排気ブレーキ及びエンジンアシストによる旋回制動制御を行うようにしてもよい。

(２) 上記実施形態では、充電率が設定値以下の場合には蓄電器４の蓄電作用による制動作用を行わせる構成、いいかえれば充電率が設定値を超える場合には排気ブレーキとエンジンアシストによる旋回制動制御に切換える構成をとったが、充電率が設定値以下の場合に、蓄電器４の蓄電作用と上記旋回制動制御を同時に働かせる構成をとってもよい。

あるいは、蓄電器４の充電率に関係なく、旋回減速時には常に上記旋回制動制御のみを行い、蓄電器４は日常的な充電作用のみを行わせるようにしてもよい。

(３) 上記実施形態では、旋回速度の増加に比例して排気ブレーキ力及び発電電動機２のエンジンアシスト力の双方を高くするようにしたが、いずれか一方のみを高くするようにしてもよい。

(４) 本発明はハイブリッド式ショベルに限らず、これと同じ基本構成をとる他のハイブリッド式建設機械に広く適用することができる。

１エンジン
２発電電動機
４蓄電器
５旋回電動機
６電動機等制御器
７制御手段を構成するコントローラ
８旋回操作レバー
９排気ブレーキ装置
１０排気管
１１旋回操作検出手段
１２旋回速度検出手段
１３充電率検出手段

Claims

下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体の旋回駆動源としての旋回電動機と、エンジンと、このエンジンに接続されて発電機作用と電動機作用を行う発電電動機と、蓄電器と、上記エンジンの排気系に設けられたエンジン負荷を増加させるため排気ブレーキ装置と、上記上部旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出手段と、制御手段とを具備し、上記制御手段は、旋回減速時であって上記蓄電器の充電率が、上記回生電力を蓄えることができる上限値としての設定値を超えるときに、上記旋回電動機に発生する回生電力を回収して旋回制動力を発揮させるための旋回制動制御として、上記排気ブレーキ装置のブレーキ力を旋回速度に応じて、高速側で高くなる方向に制御することによって上記排気ブレーキ装置を作動させてエンジン負荷を増加させるとともに、上記発電電動機のエンジンアシストのための出力を旋回速度に応じて、高速側で高くなる方向に制御することによって上記回生電力により上記発電電動機に電動機作用を行わせて上記エンジンをアシストするように構成したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
上記制御手段は、上記旋回減速時であって上記蓄電器の充電率が上記設定値以下のときに、上記蓄電器の蓄電作用による旋回制動力を発揮させることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド式建設機械。
上記蓄電器の温度を検出する手段を有し、上記制御手段は、上記旋回減速時であって上記蓄電器の充電率が上記設定値以下であり、かつ、上記蓄電器の温度が予め設定された温度設定値以下の場合に、上記旋回制動制御を実行するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド式建設機械。
上記制御手段は、上記旋回減速時であって上記蓄電器の充電率が上記設定値以下の場合に、上記蓄電器の蓄電作用による旋回制動力を発揮させ、さらに、上記排気ブレーキ装置を作動させてエンジン負荷を増加させるとともに、上記回生電力により上記発電電動機に電動機作用を行わせて上記エンジンをアシストすることにより旋回制動力を発揮させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド式建設機械。