WO2014002846A1 - ハイブリッドシステム及びこれを備えた携帯型作業機 - Google Patents

Abstract

　駆動対象を駆動する原動機としてエンジン及び電動モータを有すると共にエンジンの回転エネルギーの一部を電力に変換してバッテリを充電する構成のハイブリッドシステムにおいて、バッテリの過充電を防止するための保護機構の簡略化を可能としつつ、バッテリの過充電を効果的に防止する。　ハイブリッドシステムを構成する動力ユニット３は、エンジン１０と、エンジン１０の出力軸にトルクを伝達可能に設けられると共にエンジン１０の回転によって発電する発電機としても機能する電動モータ７０と、電動モータ７０の発電電力によって充電されるバッテリ１１０と、を備える。電動モータ７０は、発電機として機能したときの発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧を超えないように設定されている。

Description

ハイブリッドシステム及びこれを備えた携帯型作業機

　本発明は、工具などの駆動対象を駆動する原動機としてエンジン及び電動モータを有すると共にエンジンの回転エネルギーの一部を電力に変換してバッテリを充電するように構成されたハイブリッドシステム及びこれを備えた携帯型作業機に関する。

　この種のハイブリッドシステムを採用した携帯型作業機として、例えば特許文献１に記載された背負式作業機械が知られている。この背負式作業機械は、発電機及び先端工具を駆動するための第１出力軸を有するエンジンと、上記発電機の発電電力によって充電されるバッテリと、上記先端工具を駆動するための第２出力軸を有する電動モータと、備え、切替スイッチによって上記エンジンによる上記先端工具の駆動と上記電動モータによる上記先端工具の駆動とが切り替え可能に構成されている。また、上記発電機は、前記エンジンを始動するスタータモータを兼用可能に構成されている。

特開２０１１－２４４７２４号公報

　しかし、上記背負式作業機械においては、例えば上記バッテリが満充電状態又はそれに近い状態であるときに上記エンジンによる上記先端工具の駆動が選択されると、上記バッテリが過充電されてしまい当該バッテリに大きなダメージを与えるおそれがある。
　これに対し、上記バッテリの過充電を防止するための保護機構等を設けることも考えられるが、複雑な保護機構等はコストアップを招くことになるため好ましくない。また、作業機械の使用環境などによっては上記保護回路等が正常に作動しなくなるおそれもある。

　なお、このような課題は、携帯型作業機に限るものではなく、駆動対象を駆動する原動機としてエンジン及び電動モータを有すると共に、エンジンの回転エネルギーの一部を電力に変換してバッテリを充電する構成のハイブリッドシステムについて共通するものであると言える。

　そこで、本発明は、駆動対象を駆動する原動機としてエンジン及び電動モータを有すると共に、エンジンの回転エネルギーの一部を電力に変換してバッテリを充電する構成のハイブリッドシステムにおいて、バッテリの過充電を防止するための保護機構の簡略化を可能としつつ、バッテリの過充電を効果的に防止することを目的とする。

　本発明の一側面によると、ハイブリッドシステムは、駆動対象を駆動するための出力軸を有するエンジンと、前記エンジンの前記出力軸にトルクを伝達可能に設けられると共に前記エンジンの回転によって発電する発電機としても機能する電動モータと、前記電動モータの発電電力によって充電されるバッテリと、を備え、発電機として機能したときの前記電動モータの発電電圧が前記バッテリの満充電電圧を超えないように設定されている。

　上記ハイブリッドシステムによると、電動モータによってエンジンの出力をアシストすることができるので、小型のエンジンを採用しながら出力の向上を図ることができる。また、発電機として機能したときの当該電動モータの発電電圧がバッテリの満充電電圧を超えないように設定されているので、特別な保護機構等を設けることなく、容易かつ確実にバッテリの過充電を防止することができる。

本発明が適用された刈払機の外観を示す図である。 上記刈払機の動力ユニットの構成を説明するための図である。 上記動力ユニットのトルク特性を示す図である。 上記動力ユニットを構成する電動モータの発電特性を示す図である。 上記刈払機の動力ユニットの電気的な概略構成を示す図である。

　以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
　図１は、本発明が適用された刈払機（携帯作業機械）１の外観を示している。図１に示すように、刈払機１は、操作棹２と、操作棹２の後端部に取り付けられた動力ユニット３と、操作棹２の前端部に取り付けられたギヤヘッド４と、ギヤヘッド４に取り付けられた円盤状の刈刃（作業工具）５と、刈刃５を部分的に覆うように操作棹２に取り付けられた飛散防護カバー６と、操作棹２の中間部に取り付けられたハンドル７と、を有する。

　操作棹２は、中空パイプ形状を有し、直線状に伸びている。操作棹２に内部には、図示省略したドライブシャフトが収容されている。このドライブシャフトは、動力ユニット３の出力（回転、トルク）をギヤヘッド４に伝達し、これにより刈刃５を回転させる。また、ハンドル７には、後述するエンジン１０のスロットル操作を行うスロットルレバー８やエンジン１０を停止させるストップスイッチ（図示省略）などが設けられている。刈払機１のユーザは、スロットルレバー８を操作することによりエンジン１０の出力を調整することができ、上記ストップスイッチを操作することによりエンジン１０を停止させることができる。

　図２は、動力ユニット３の構成を説明するための図である。図２（ａ）は動力ユニット３の後部を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。
　図２に示すように、動力ユニット３は、エンジン１０と、エンジン１０の燃料を蓄える燃料タンク２０と、エンジン１０を始動するためのリコイルスタータ３０と、エンジン１０に吸入される空気をろ過するエアフィルタ４０と、エンジン１０に吸入される空気に燃料を混合して混合気を形成するキャブレター５０と、エンジン１０からの排気を大気に放出するマフラ６０と、電動モータ７０と、を備えている。

　本実施形態において、エンジン１０は空冷４ストローク単気筒エンジンである。但し、これに限るものではなく、例えば空冷２ストローク単気筒エンジンとしてもよい。エンジン１０は、シリンダ１１と、シリンダ１１に収容されたピストン１２と、クランクシャフト１３と、クランクシャフト１３を収容するクランクケース１４と、ピストン１２とクランクシャフト１３を連結したコネクティングロッド１５と、シリンダ１１に設けられた点火プラグ１６と、オイルパン１７と、を備えている。

　クランクシャフト１４は、エンジン１０の出力軸であり、図示省略した遠心クラッチ等を介して上記ドライブシャフトに接続されている。これにより、エンジン２０の出力（回転、トルク）が上記ドライブシャフト及びギヤヘッド４を介して刈刃５に伝達されて刈刃５が駆動される。すなわち、エンジン１０は、駆動対象である刈刃５を駆動する原動機である。

　キャブレター５０はスロットルワイヤー８ａを介してスロットルレバー８に接続されている（図１参照）。スロットルレバー８が操作されることによってキャブレター５０のスロットル開度が変化し、これにより、エンジン１０の出力が調整される。

　電動モータ７０は、特に制限されないが、本実施形態においてはアウターロータ型の三相ブラシレスモータを採用している。電動モータ７０は、アウターロータ７１と、ステータ７２と、を備えている。また、電動モータ７０は、電子ギヤ機能を内蔵している。

　アウターロータ７１は、クランクシャフト１４に固定されてクランクシャフト１４とともに回転する。具体的には、アウターロータ７１は有底筒状に形成されており、その底部がクランクシャフト１４に固定されている。また、アウターロータ７１の筒状部の内周面にはマグネット７１ａが固定されている。

　ステータ７２は、動力ユニット３における固定部分に固定されると共にアウターロータ７１の筒状部の内側に配置されている。ステータ７２は、磁性材料で形成されたステータコア７２ａと、ステータコア７２ａに巻回された三相のステータコイル７２ｂと、を有する。そして、ステータコイル７２ｂは、通電されることによってアウターロータ７１を回転させる磁界を発生する。電動モータ７０の出力は、アウターロータ７１を介してクランクシャフト１４に伝達され、その後、上記ドライブシャフト及びギヤヘッド４を介して刈刃５に伝達される。すなわち、電動モータ７０は、クランクシャフト１４にトルクを伝達可能に設けられており、また、駆動対象である刈刃５を駆動する第２の原動機である。

　このように、本実施形態による刈払機１の動力ユニット３は、駆動対象である刈刃５を駆動する原動機としてエンジン１０及び電動モータ７０を有している。すなわち、本実施形態による刈払機１においては、エンジン１０の出力のみ、電動モータ７０のみ、又は、エンジン１０の出力と電動モータ７０の出力との組み合わせによって刈刃５を駆動することが可能である。但し、本実施形態において電動モータ７０は、主にエンジン１０の出力をアシストするために使用するものとする。

　また、電動モータ７０は、クランクシャフト１４の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機、換言すれば、エンジン１０の回転によって発電する発電機として機能することもできる。例えば、エンジン１０の出力に余裕がある場合には、エンジン１０の出力（回転エネルギー）の一部が電動モータ７０によって電力に変換される。電動モータ６０が発電した電力は後述するバッテリ１１０に蓄えられる。すなわち、本実施形態による刈払機１において、動力ユニット３は、駆動対象を駆動する原動機としてエンジン１０及び電動モータ７０を有すると共に、エンジン１０の回転エネルギーの一部を電力に変換してバッテリ１１０を充電するハイブリッドシステムを構成している。なお、動力ユニット３の電気的な構成については後述する。

　さらに、電動モータ７０は、エンジン１０を始動するスタータモータとしても機能することができる。例えば、ハンドル７にスタートスイッチ（図示省略）を設け、ユーザがこのスタートスイッチを操作することにより、バッテリ１１０から電動モータ７０へと電力が供給されて電動モータ７０がクランクシャフト１４を回転駆動するように構成することができる。

　電動モータ７０のアウターロータ７１には、冷却ファン８０が一体に設けられている。具体的には、冷却ファン８０は、アウターロータ７１の筒状部の外周面に取り付けられている。この冷却ファン８０は、エンジン１０、電動モータ７０及び後述するコントロールユニット１００に冷却風を送るように構成されている。

　図３は、動力ユニット３のトルク特性を示す図である。
　図３に実線で示すように、電動モータ７０は、その無負荷回転数がエンジン１０の許容上限回転数（例えば、１２，０００ｒｐｍ）とほぼ等しくなるように設定されている。なお、図３において一点鎖線はエンジントルクを示しており、ハッチング領域は上記電子ギヤ機能の使用領域（電子ギヤによるアシスト領域）を示している。

　図４は、電動モータ７０の発電特性を示す図であり、より具体的には、刈払機１が刈り払いを行っていない空吹かしの状態で電動モータ７０を発電機として機能させた場合のエンジン１０の回転数（＝電動モータ７０の回転数）と電動モータ７０の発電電圧の関係を示している。図４に示すように、電動モータ７０は、エンジン１０の許容上限回転数で回転したときの発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧とほぼ等しくなるように、具体的には、バッテリ１１０の満充電電圧又はそれよりも僅かに低い電圧となるように設定されている。すなわち、電動モータ７０は、その発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧を超えないように設定されている。

　ここで、エンジン１０の許容上限回転数とは、刈払機１の通常の使用状態においてエンジン１０が回転し得る最大回転数のことをいい、レブリミッターなどの過回転抑制装置を備えている場合には、当該過回転抑制装置によってそれ以上の回転上昇が制限されるエンジン１０の回転数を含む。また、バッテリ１１０の満充電電圧とは、バッテリ１１０を所定の条件で充電した場合に満充電状態に達したものとして充電を終了するように設定された電圧のことをいい、バッテリ１１０の製造元等によって提示された、バッテリ満充電時の電圧やこれに準ずる電圧を含む。

　図５は、動力ユニット３の電気的な概略構成を示すブロック図である。
　図５に示すように、動力ユニット３は、コントロールユニット１００と、コントロールユニット１００に接続されたバッテリ１１０と、を備えている。

　コントロールユニット１００は、マイクロコンピュータを含む複数の集積回路によって構成されており、エンジン１０及び電動モータ７０の作動を制御する。特にコントロールユニット１００は、電動モータ７０によってエンジン１０の出力をアシストする「トルクアシストモード」と、電動モータ７０を発電機として機能させてその発電電力でバッテリ１１０の充電を行う「発電充電モード」とを選択可能に構成されている。なお、上記トルクアシストモードと上記発電充電モードのいずれも選択しない場合、コントロールユニット１００は、電動モータ７０を駆動させず、また発電機としても機能させない。

　バッテリ１１０は、複数の二次電池セル（バッテリセル）を有しており、コントロールユニット１００を介して、点火プラグ１６や電動モータ７０に電力を供給し、また、発電機として機能した電動モータ７０の発電電力を蓄えるように構成されている。

　コントロールユニット１００は、機能的に、点火タイミング検出回路１０１と、エンジン点火回路１０２と、スロットル開度検出回路１０３と、モード選択回路１０４と、ロータ位置検出回路１０５と、インバータ回路１０６と、昇圧チョッパ回路１０７と、モータ制御回路１０８と、発電・充電制御回路１０９と、を備えている。

　点火タイミング検出回路１０１は、クランク角センサ１１１の出力信号を入力し、入力したクランク角センサ１１１の出力信号に基づいてエンジン１０の点火タイミングを検出する。エンジン点火回路１０２は、点火タイミング検出回路１０１によって点火タイミングが検出されると、バッテリ１１０からの電力を点火プラグ１６に供給する。このとき、バッテリ１００からの電力はイグニッションコイル１６ａで高電圧に変換され、これにより、点火プラグ１６で放電が生じて混合気への点火が行われる。

　スロットル開度検出回路１０３は、キャブレター５０に接続されており、キャブレター５０のスロットル開度を検出する。検出されたスロットル開度はモード選択回路１０４やモータ制御回路１０８などに出力される。なお、スロットル開度検出回路１０３は、上記スロットル開度に代えて、スロットルレバー８の操作量を検出するようにしてもよい。

　モード選択回路１０４は、クランク角センサ１１１の出力信号やキャブレター５０のスロットル開度（又はスロットルレバー８の操作量）を入力し、これらに基づいて上記トルクアシストモードや上記発電充電モードの選択を行う。モード選択回路１０４は、エンジン１０の出力が不足した場合に上記トルクアシストモードを選択し、エンジン１０の出力に余裕がある場合に上記発電充電モードを選択する。

　例えば、モード選択回路１０４は、クランク角センサ１１１の出力信号に基づいて算出されるエンジン１０の実回転数がキャブレター５０のスロットル開度（又はスロットルレバー８の操作量）に応じて予め設定された判定回転数の下限値を下回る場合、すなわち、エンジン１０に高い負荷がかかった場合に、上記トルクアシストモードを選択し、エンジン１０の実回転数が上記判定回転数の上限値を上回る場合、すなわち、エンジン１０にかかる負荷が低い場合に、上記発電充電モードを選択する。なお、上記トルクアシストモードや上記発電充電モードの選択（判定）基準は、刈払機１の仕様等に応じて適宜設定することができる。モード選択回路１０４の選択結果は、モータ制御回路１０８や発電・充電制御回路１０９に出力される。

　ロータ位置検出回路１０５は、電動モータ７０に内蔵されたロータ位置検出センサ（エンコーダやホールＩＣ等）１１２の出力信号を入力し、入力した位置検出センサ１１２の出力信号に基づいてアウターロータ７１の回転位置を検出する。検出されたアウターロータ７１の回転位置はモータ制御回路１０８に出力される。

　インバータ回路１０６は、ＡＣ－ＤＣコンバータ部とＤＣ－ＡＣインバータ部とを有している。インバータ回路１０６は、バッテリ１１０の直流出力を交流電力に変換して電動モータ７０に供給すると共に、電動モータ７０の交流出力（発電電力）を直流電力に変換する。

　昇圧チョッパ回路１０７は、インバータ回路１０６とバッテリ１１０の間に配置されている。昇圧チョッパ回路１０７は、インバータ回路１０６によって直流電力に変換された電動モータ７０の発電電力を昇圧してバッテリ１１０に供給する。

　モータ制御回路１０８は、モータ選択回路１０４の選択結果、クランク角センサ１１１の出力信号、キャブレター５０のスロットル開度（又はスロットルレバー８の操作量）、アウターロータ７１の回転位置などを入力する。そして、モータ制御回路１０８は、モード選択回路１０４によってトルクアシストモードが選択された場合に、電動モータ７０をエンジン１０の出力をアシストするアシストモータとして機能させる。

　具体的には、モータ制御回路１０８は、アウターロータ７１の回転位置に応じてインバータ回路１０６の複数のスイッチング素子を制御し、各相のステータコイル７２とバッテリ１１０の電極とを選択的に接続して電動モータ７０を駆動する。また、モータ制御回路１０８は、ＰＷＭ制御による電動モータ７０の駆動が可能であり、例えば、エンジン１０の実回転数と上記判定回転数との比較結果に基づいて電動モータ７０の出力（トルク）を制御する。

　発電・充電制御回路１０９は、モータ選択回路１０４の選択結果、バッテリ１１０の電圧を検知するバッテリセンサ（電圧検知部）１１３の出力信号、電動モータ７０の発電電圧を検知する電圧センサ１１４の出力信号などを入力する。そして、発電・充電制御回路１０９は、モード選択回路１０４によって発電充電モードが選択され、かつ、バッテリ１１０の電圧が満充電電圧よりも低い所定電圧以下である場合に、電動モータ７０を発電機として機能させる。

　具体的には、発電・充電制御回路１０９は、インバータ回路１０６の上記複数のスイッチング素子を制御して各相のステータコイル７２とバッテリ１１０の電極とを接続する。また、発電・充電制御回路１０９は、昇圧チョッパ回路１０７をＰＷＭ制御によって駆動して、すなわち、昇圧チョッパ回路１０７のスイッチング素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比を適宜調整して電動モータ７０の発電電圧をバッテリ１１０の電圧以上に昇圧させる。これにより、上述したように電動モータ７０の発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧を超えないように設定されている場合であっても、電動モータ７０の発電電力によってバッテリ１１０を満充電状態まで充電することができる。ここで、昇圧チョッパ回路１０７の上記スイッチング素子のＯＦＦ時間は、電動モータ７０の発電電圧とバッテリ１１０の電圧との比較結果に基づいて設定される。

　以上のように構成された刈払機１は、ハイブリッドシステムを構成する動力ユニット３を備えており、エンジン１０の出力によって刈刃５を駆動すると共にエンジン１０の出力が不足した場合には電動モータ７０によってエンジン１０の出力をアシストする。これにより、エンジン１０の大型化を抑制しつつ、刈払機１の出力を向上させることができる。また、エンジン１０の出力に余裕がある場合には、電動モータ７０を発電機として機能させて電動モータ７０の発電電力によってバッテリ１１０が充電される。これにより、バッテリ１１０が電力不足の状態となることが抑制され、エンジン１０の出力が不足した場合の電動モータ７０によるトルクアシストを安定して得ることができる。

　ここで、電動モータ７０は、発電機として機能したときの発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧を超えないように設定されている。具体的には、エンジン１０がその許容上限回転数で回転したときの電動モータ７０の発電電圧がバッテリ１１０の満充電電圧とほぼ等しくなっている。これにより、特別な保護機構等を設けることなく、バッテリ１１０の過充電が容易かつ確実に防止される。

　また、本実施形態においては、電動モータ７０の無負荷回転数がエンジン１０の上記許容上限回転数とほぼ等しくなっている。これにより、実際の使用においては高い出力を発揮できる回転数で電動モータ７０を作動させることができ、エンジン１０の出力が不足した場合の電動モータ７０による効果的なアシストを可能としつつ、エンジン１０の出力に余裕がある場合のバッテリ１１０の過充電を防止することができる。ここで、電動モータ７０の最高出力は上記無負荷回転数のほぼ半分の回転数で発生するので、電動モータ７０は上記無負荷回転数の５０％～１００％の間を動作範囲とするのが一般的である。このため、発電機として機能したときの電動モータ７０の発電電圧は、バッテリ１１０の満充電電圧の５０％以上で、かつ、バッテリ１１０の満充電電圧以下の所定の値となる。

　さらに、バッテリ１１０の電圧を検知するバッテリセンサ１１３及び昇圧チョッパ回路１０７が設けられており、バッテリ１１０の電圧が満充電電圧よりも低い所定電圧以下である場合に、昇圧チョッパ回路１０７を駆動して電動モータ７０の発電電圧をバッテリ１１０の電圧以上に昇圧させる。これにより、電動モータ７０の発電電力（≦バッテリ１１０の満充電電圧）によってバッテリ１１０を満充電電圧まで充電することができる。

　なお、以上では携帯型作業機が刈払機１である場合について説明したが、刈払機１以外の携帯型作業機についても本発明を適用できることはもちろんである。刈払機１以外の携帯型作業機としては、草刈機、チェーンソー、カットオフソー、噴霧器、散布機、ブロワ、集塵機などがあり、この場合の駆動対象には、刈刃やソーチェーンなどの工具類はもちろん、送風ファンやポンプなども含まれる。さらに、本発明は、携帯型作業機に適用されるハイブリッドシステムに限られず、移動体などに適用されるハイブリッドシステムにも適用可能である。

　１…刈払機（携帯型作業機）、３…動力ユニット（ハイブリッドシステム）、５…刈刃（駆動対象，作業工具）、１０…エンジン、７０…電動モータ、１００…コントロールユニット、１０６…インバータ回路、１０７…昇圧チョッパ回路、１０８…モータ制御回路、１０９…発電・充電制御回路、１１０…バッテリ（蓄電装置）、１１１…クランク角センサ、１１２…ロータ位置検出センサ、１１３…バッテリセンサ（検知部）、１１４…電圧センサ

Claims (6)

1. 　駆動対象を駆動するための出力軸を有するエンジンと、
   　前記エンジンの前記出力軸にトルクを伝達可能に設けられると共に、前記エンジンの回転によって発電する発電機としても機能する電動モータと、
   　前記電動モータの発電電力によって充電されるバッテリと、
   　を備え、
   　発電機として機能したときの前記電動モータの発電電圧が前記バッテリの満充電電圧を超えないように設定されている、
   　ハイブリッドシステム。
2. 　前記エンジンがその許容上限回転数で回転したときの前記電動モータの発電電圧が前記満充電電圧とほぼ等しい、請求項１に記載のハイブリッドシステム。
3. 　前記電動モータの無負荷回転数が前記エンジンの許容上限回転数とほぼ等しい、請求項１に記載のハイブリッドシステム。
4. 　発電機として機能したときの前記電動モータの発電電圧が、前記満充電電圧の５０％以上で、かつ、前記満充電電圧以下である、請求項１に記載のハイブリッドシステム。
5. 　前記バッテリの電圧を検知する検知部と、
   　前記バッテリの電圧が前記満充電電圧よりも低い所定電圧以下である場合に、前記電動モータの発電電圧を前記バッテリの電圧以上に昇圧させる昇圧チョッパ回路と、
   　をさらに備えた、請求項１に記載のハイブリッドシステム。
6. 　請求項１に記載のハイブリッドシステムを備え、
   　前記エンジン及び前記電動モータの少なくとも一方によって作業工具を駆動するように構成された、携帯型作業機。

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