JP6232795B2 - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

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Description

本発明はエンジン動力と蓄電装置の電力とを併用するハイブリッド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、図５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が地面に対して垂直となる軸Ｘのまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に掘削作業用のフロントアタッチメント３が取付けられて構成される。
フロントアタッチメント３は、起伏自在なブーム４と、このブーム４の先端に取付けられたアーム５と、このアーム５の先端に取付けられたバケット６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７〜９によって構成される。
ハイブリッドショベルにおいては、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装置が充電される一方、適時、この蓄電装置の蓄電力により発電電動機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用によりエンジンをアシストするように構成される。
また、ハイブリッドショベルでは、蓄電装置を電源として作動する電動アクチュエータ(たとえば上部旋回体２の旋回駆動源である旋回電動機やフロントアタッチメント３を作動させる電動シリンダ等)が用いられる場合がある。
また、電動アクチュエータの回生動作、たとえば旋回電動機の場合に旋回減速動作によって発生する回生電力は蓄電装置に充電され、この充電作用によって回生ブレーキが働く。
以上のハイブリッド建設機械の構成はたとえば特許文献１，２に示されている。
特開２０００−２８３１０７号公報 特開２００７−２４７２３０号公報
上記のように電動アクチュエータを備え、かつ、電動アクチュエータの回生動力(電力)を蓄電装置に充電電力として回収するハイブリッドショベルの場合、動力回収時点での蓄電装置の充電率が高いと、回生動力回収によって蓄電装置が適正充電率を超えて過充電となり、故障したり寿命が縮められたりする可能性がある。
この点の対策として、回生抵抗を設け、電動アクチュエータの回生動力を回生抵抗で消費させることが考えられる。
しかし、こうすると、駆動系とは別に、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、電動アクチュエータの回生動力を駆動系で回収することを前提として、蓄電装置の過充電を防止することができるハイブリッド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、油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプと、発電機作用とエンジンをアシストするための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の動力源としてのエンジンと、回生動力を発生する電動アクチュエータと、充放電作用によって上記発電電動機及び上記電動アクチュエータとの間で電力の授受を行う蓄電装置と、上記発電電動機の運転及び上記蓄電装置の充放電を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記蓄電装置の充電率を検出し、検出される充電率Ｃ１が、上記電動アクチュエータの回生動力を受け入れると蓄電装置の過充電に至るおそれのある値として予め決められた設定値Ｃｓを超えるときに、上記発電電動機の電動機作用によるアシスト動力を、Ｃ１≦Ｃｓのときよりも大きくする過充電防止制御を行うように構成し、
上記制御手段は、上記油圧ポンプの圧力と流量から求められるポンプ要求動力をＡとし、上記エンジンの本体を駆動するための動力と、上記油圧ポンプを除いてエンジン付属部分の駆動に要する連れ回り動力の和であるエンジン総動力をＢとし、上記発電電動機によってアシスト可能な動力の最大値である最大アシスト動力をＤとして、Ｃ１＞Ｃｓのときに、Ｄ＝(Ａ＋Ｂ)として上記過充電防止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、蓄電装置が過充電に至るおそれのある状況(Ｃ１＞Ｃｓ)で、発電電動機のアシスト動力を、Ｃ１≦Ｃｓのときよりも大きくすることにより、蓄電装置の放電力を増やして充電率を減らし、回生動力を受け入れることによって過充電となる事態を回避することができる。
また、この構成によれば、Ｃ１＞Ｃｓのときに、蓄電装置の過充電を確実に防止できるだけでなく、エンジンの燃料噴射量を０に近付けて省エネ効果を得ることができる。
また本発明においては、上記制御手段は、上記油圧ポンプの圧力と流量から求められるポンプ要求動力をＡとし、上記発電電動機によってアシスト可能な動力の最大値である最大アシスト動力をＤとして、Ｃ１≦Ｃｓのときに、Ｄ＝Ａとするように構成するのが望ましい(請求項２)。
この構成によれば、過充電のおそれのない状況では、ポンプ要求動力Ａ分だけアシストすることによって、適正な充放電作用を確保することができる。
一方、請求項１または２の構成において、上記制御手段は、上記電動アクチュエータに発生する回生動力をＥ、上記蓄電装置の充電率から求められる充電の余力としての充電可能動力をＦとして、上記発電電動機のアシスト動力として消費すべき蓄電装置電力である必要アシスト動力Ｇを、Ｇ＝(Ｅ−Ｆ)で求め、Ｄ≧Ｇのときに上記必要アシスト動力Ｇを上記発電電動機のアシスト動力とする一方、Ｄ＜Ｇのときは最大アシスト動力Ｄを上記発電電動機のアシスト動力とする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、必要なアシスト動力以上の動力を加えることによるエネルギーの無駄遣いを防止することができる。
この場合、上記制御手段は、上記蓄電装置の温度を検出し、検出される充電率Ｃ１と蓄電装置温度とから上記充電可能動力Ｆを求めるように構成するのが望ましい(請求項４)。
蓄電装置の充電可能動力は、充電率だけでなく蓄電装置温度によっても左右されるため、上記のように蓄電装置温度を加味することで充電可能動力を正確に割り出すことができる。
本発明によると、電動アクチュエータの回生動力を駆動系で回収することを前提として、蓄電装置の過充電を防止することができる。
本発明の実施形態に係るハイブリッドショベルのシステム構成図である。 同ショベルの作用を説明するためのフローチャートである。 充電率と蓄電装置の充電可能動力の関係を示す図である。 エンジン回転数とエンジン総動力の関係を示す図である。 ハイブリッド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、電動アクチュエータとして旋回駆動源となる旋回電動機が設けられた場合を例にとっている。
図１はこのハイブリッド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１０に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機１１と、油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプ１２が接続され、これらがエンジン１０によって駆動される。
油圧ポンプ１２には、コントロールバルブ１３を介して図３中のブームシリンダ７その他の油圧アクチュエータ（一括符号「１４」を付している）が接続され、油圧ポンプ１２から供給される圧油によって油圧アクチュエータ１４が駆動される。
発電電動機１１は、エンジン１０で駆動されて発電機作用を行い、発生した電力が蓄電装置１５に送られて充電(蓄電)される一方、適時、この蓄電装置１５の電力により発電電動機１１が電動機作用を行ってエンジン１０をアシストする。
発電電動機１１には、コントローラ１６とともに制御手段を構成する電動機等制御部１７を介して旋回電動機１８及び蓄電装置１５が接続され、蓄電装置１５の蓄電力により旋回電動機１８が駆動されて図５中の上部旋回体２が旋回する。
また、旋回減速時に旋回電動機１８に発生する回生動力(回生電力)が、適時、蓄電装置１５に送られて蓄電装置１５が充電される。
電動機等制御部１７は、発電電動機１１、旋回電動機１８、蓄電装置１５の三者間の電力の授受、すなわち、蓄電装置１５の充放電と、発電電動機１１及び旋回電動機１８の運転を制御する。
一方、検出手段として、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１９と、油圧ポンプ１２の圧力と流量から油圧ポンプ１２が要求する動力(ポンプ要求動力)を検出するポンプ動力検出部２０と、蓄電装置１５の充電率を検出する充電率センサ２１と、蓄電装置１５の温度を検出する温度センサ２２と、旋回電動機１８の旋回速度に応じた回生動力(その速度で減速したときに発生する回生電力)を検出する回生動力検出部２３が設けられ、これらからの検出信号(エンジン回転数、ポンプ要求動力、充電率、蓄電装置温度、回生動力の各信号)がコントローラ１６に送られる。
コントローラ１６には、次のような特性等が予め設定・記憶されている。
(Ｉ) 蓄電装置１５の温度に応じた充電率と充電可能な動力の関係
蓄電装置１５に充電可能な動力(適正充電率を超えない範囲で蓄電装置１５が外部から受け入れることができる充電の余力)Ｆは、図３に示すように充電開始時点での充電率が低いほど大きくなる。また、この充電可能動力Ｆは、同じ充電率でも蓄電装置１５の温度が高い方が大きくなる。
そこで、図３に示す特性が予め設定・記憶され、検出される充電率Ｃ１と温度からそのときの充電可能動力Ｆが割り出される。
(ＩＩ) エンジン回転数とエンジン総動力の関係
エンジン１０の回転に要する動力(エンジン総動力)Ｂは、エンジン本体を駆動するための動力と、油圧ポンプ１２以外のエンジン付属部分(ファン、エンジンピストン、クランクシャフト等)の連れ回り動力の和となる。このエンジン総動力Ｂは、図４に示すようにエンジン回転数に応じて変化し、エンジン回転数が高いほど大きくなる。
そこで、図４に示すエンジン回転数とエンジン総動力Ｂの関係が予め設定・記憶され、検出されるエンジン回転数からそのときのエンジン総動力Ｂが求められる。
(ＩＩＩ) 充電率
蓄電装置１５の充電率が高い状態で旋回電動機１８の回生電力によって充電が行われると、過充電となって故障や寿命低下に至る可能性がある。
そこで、旋回電動機１８の回生動力を受け入れると蓄電装置１５が過充電に至るおそれのある値として充電率の設定値Ｃｓ(図３中に示す)が予め決められ記憶されている。
設定値Ｃｓは、具体的にはたとえば適正充電率(一定の幅を持った範囲)の上限値よりも少し低い値として決定される。
コントローラ１６は、上記(Ｉ)の特性に基づいて、検出される充電率Ｃ１から、充電の余力としての充電可能動力Ｆを求め、そのときの充電率Ｃ１が設定値Ｃｓよりも低い場合と高い場合とに応じて、発電電動機１１のアシスト動力を決定し、出力させる。
このコントローラ１６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において、検出された蓄電装置１５の充電率Ｃ１及び温度から、図３の特性に基づいて蓄電装置１５の充電可能動力Ｆを算出する。
なお、図３では蓄電装置温度についてＩ〜ＩＩＩの三通りのみを示しているが、もっと密に温度設定してもよいし、Ｉ，ＩＩ間及びＩＩ，ＩＩＩ間の温度に対する充電可能動力Ｆを補完演算によって求めるようにしてもよい。
続くステップＳ２では検出された充電率Ｃ１が設定値Ｃｓよりも高いか否かが判断される。
ここでＮＯ(Ｃ１≦Ｃｓ)の場合は、ステップＳ３において、発電電動機１１によるアシスト動力の最大値である最大アシスト動力をＤ、ポンプ要求動力をＡとして、
Ｄ＝Ａ
とされる。
これに対してＹＥＳ(Ｃ１＞Ｃｓ)の場合は、ステップＳ４において、検出されたエンジン回転数から図４の特性に基づいてエンジン総動力Ｂが算出され、ステップＳ５において、
Ｄ＝Ａ＋Ｂ
とされる。
ステップＳ６では、ステップＳ１で求めた充電可能動力Ｆと、旋回電動機１８に発生する回生動力(旋回速度によって決まり、旋回停止中は０となる)Ｅから、過充電を避けるために発電電動機１１のアシスト動力として消費すべき蓄電装置電力である必要アシスト動力Ｇを、
Ｇ＝Ｅ−Ｆ
によって求める。この場合、旋回停止中であれば回生動力Ｅ＝０であるため、必要アシスト動力Ｇはマイナスとなる。
次に、ステップＳ７において、最大アシスト動力Ｄが必要アシスト動力Ｇよりも大きいか否かが判断され、ＮＯ(Ｄ＜Ｇ)の場合はステップＳ８において、実際のアシスト動力Ｈが、
Ｈ＝Ｄとされる。
これに対し、ＹＥＳ(Ｄ≧Ｇ)の場合は、ステップＳ９において、実際のアシスト動力Ｈが、
Ｈ＝Ｇとされる。
ステップＳ１０では、ステップＳ８またはＳ９を受けて、最大アシスト動力Ｄまたは必要アシスト動力Ｇを実際のアシスト動力(発電電動機出力)Ｈとして指令し、この後ステップＳ１に戻る。
この制御装置によると、次の効果を得ることができる。
(１) 蓄電装置１５が過充電に至るおそれのある状況(Ｃ１＞Ｃｓ)で、発電電動機１１のアシスト動力を、Ｃ１≦Ｃｓのときよりも大きくするため、蓄電装置１５の放電力を増やして充電率を減らし、旋回電動機１８の回生動力を受け入れることによって過充電となる事態を回避することができる。
(２) Ｃ１＞Ｃｓのときに、Ｄ＝(Ａ＋Ｂ)とするため、蓄電装置１５の過充電を確実に防止できるだけでなく、エンジン１０の燃料噴射量を０に近付けて省エネ効果を得ることができる。
(３) Ｃ１≦Ｃｓのとき、すなわち、 過充電のおそれのない状況では、ポンプ要求動力Ａ分だけアシストするため、適正な充放電作用を確保することができる。
(４) 蓄電装置１５の温度を検出し、検出される充電率Ｃ１と蓄電装置温度とから充電可能動力Ｆを求めるため、蓄電装置１５の充電可能動力を正確に割り出すことができる。
ところで、上記実施形態では、旋回停止中にも過充電防止制御を行うようにしたが、実際の過充電は旋回減速によって回生動力が発生した場合に起こる可能性が高いため、旋回を前提として過充電防止制御を行うようにしてもよい。
また、上記実施形態では、電動アクチュエータとして旋回電動機１８を備えたハイブリッドショベルを例示したが、本発明は、旋回電動機１８に加えて、あるいはこれに代えて、フロントアタッチメントを作動させる電動シリンダを設けたハイブリッドショベルにも、またショベル以外のハイブリッド建設機械にも上記同様に適用することができる。
１０ エンジン
１１ 発電電動機
１２ 油圧ポンプ
１４ 油圧アクチュエータ
１５ 蓄電装置
１６ 制御手段を構成するコントローラ
１７ 同、電動機等制御部
１８ 電動アクチュエータとしての旋回電動機
１９ エンジン回転数センサ
２０ ポンプ動力検出部
２１ 充電率センサ
２２ 温度センサ
２３ 回生動力検出部

Claims (4)

  1. 油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプと、発電機作用とエンジンをアシストするための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の動力源としてのエンジンと、回生動力を発生する電動アクチュエータと、充放電作用によって上記発電電動機及び上記電動アクチュエータとの間で電力の授受を行う蓄電装置と、上記発電電動機の運転及び上記蓄電装置の充放電を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記蓄電装置の充電率を検出し、検出される充電率Ｃ１が、上記電動アクチュエータの回生動力を受け入れると蓄電装置の過充電に至るおそれのある値として予め決められた設定値Ｃｓを超えるときに、上記発電電動機の電動機作用によるアシスト動力を、Ｃ１≦Ｃｓのときよりも大きくする過充電防止制御を行うように構成し、
    上記制御手段は、上記油圧ポンプの圧力と流量から求められるポンプ要求動力をＡとし、上記エンジンの本体を駆動するための動力と、上記油圧ポンプを除いてエンジン付属部分の駆動に要する連れ回り動力の和であるエンジン総動力をＢとし、上記発電電動機によってアシスト可能な動力の最大値である最大アシスト動力をＤとして、Ｃ１＞Ｃｓのときに、Ｄ＝(Ａ＋Ｂ)として上記過充電防止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建設機械。
  2. 上記制御手段は、上記油圧ポンプの圧力と流量から求められるポンプ要求動力をＡとし、上記発電電動機によってアシスト可能な動力の最大値である最大アシスト動力をＤとして、Ｃ１≦Ｃｓのときに、Ｄ＝Ａとするように構成したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械。
  3. 上記制御手段は、上記電動アクチュエータに発生する回生動力をＥ、上記蓄電装置の充電率から求められる充電の余力としての充電可能動力をＦとして、上記発電電動機のアシスト動力として消費すべき蓄電装置電力である必要アシスト動力Ｇを、Ｇ＝(Ｅ−Ｆ)で求め、Ｄ≧Ｇのときに上記必要アシスト動力Ｇを上記発電電動機のアシスト動力とする一方、Ｄ＜Ｇのときは最大アシスト動力Ｄを上記発電電動機のアシスト動力とする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建設機械。
  4. 上記制御手段は、上記蓄電装置の温度を検出し、検出される充電率Ｃ１と蓄電装置温度とから上記充電可能動力Ｆを求めるように構成したことを特徴とする請求項３記載のハイブリッド建設機械。
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