JP2001003398A

JP2001003398A - ハイブリッド建設機械

Info

Publication number: JP2001003398A
Application number: JP11179683A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kagoshima; 昌之鹿児島
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2001-01-09

Abstract

(57)【要約】【課題】故障等により発電機１１や主バッテリ１２か
ら電力を得ることができくなったときに、電動機を緊急
に作動させて安全性を確保する。【解決手段】エンジン１０で駆動される発電機１１の
電力と、発電機１１の電力を充電可能な主バッテリ１２
の電力と、補助バッテリ４２の電力とで電動機１５等を
作動可能にされたものである。通常運転時には発電機１
１および主バッテリ１２の少なくとも一方の通常電力に
より電動機１５等を作動させる一方、通常電力で電動機
１５等を作動できない緊急運転時には補助バッテリ４２
の補助電力で電動機１５等を作動させるように切り換え
可能な切換スイッチ４３を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンとバッテ
リとを組み合わせて各種の作業を行うハイブリッドショ
ベル等のハイブリッド建設機械に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ショベル等の建設機械は、一般に、エン
ジンにより油圧ポンプを駆動し、その油圧によってアク
チュエータを駆動するように構成されているが、この構
成では、作業時における大きな負荷変動に対応するよう
にエンジン出力を大幅に変動させながら作業を行う必要
があるため、燃費効率が悪いと共に、騒音や排気ガス等
の環境上の点でも問題がある。

【０００３】そこで、近年においては、エンジンに電動
機や発電機を連結し、エンジン出力の一部や全部を電力
に変換し、軽負荷の作業時に余った電力をバッテリに充
電しておく一方、重負荷の作業時にバッテリから電力を
取り出して重負荷の作業に利用するというハイブリッド
建設機械およびその制御装置が開発や提案されている
（実開平５−４８５０１号公報や特開平１０−４２５８
７号公報等）。そして、この構成であれば、例えば図４
に示すように、作業負荷（作業エネルギー）の変動分を
バッテリの充放電で平滑化することができるため、作業
負荷（作業エネルギー）が大幅に変動した場合であって
も、エンジン出力の変動を最小限に抑制することがで
き、結果として良好な燃費効率、低騒音化および排気ガ
スの低減化を実現することが可能になっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、エンジンや発電機、バッテリ等が故障す
ることによって、発電機やバッテリから電力を得ること
ができなくなると、電動機を作動させることができない
ため、以後の動作を行うことができない。従って、例え
ばショベルがブームを上昇したときに故障した場合に
は、ブームが上方で停止した状態となり、この状態が修
理を完了するまで放置されることになるため、安全上の
問題が発生する。

【０００５】そこで、本発明は、故障等により発電機や
バッテリから電力を得ることができくなったときに、電
動機を緊急に作動させて安全性を確保することができる
ハイブリッド建設機械を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、エンジンで駆動される発電機の
電力と、該発電機の電力を充電可能な主バッテリの電力
と、補助バッテリの電力とで電動機を作動可能にされた
ハイブリッド建設機械であって、通常運転時には前記発
電機および主バッテリの少なくとも一方の通常電力によ
り前記電動機を作動させる一方、前記通常電力で電動機
を作動できない緊急運転時には前記補助バッテリの補助
電力で前記電動機を作動させるように切り換え可能な切
換手段を有することを特徴としている。

【０００７】上記の構成によれば、通常運転時に発電機
や主バッテリ等の故障により電動機に対して通常電力を
供給することができなくなったときに、切換手段により
補助バッテリに切り換えることによって、補助バッテリ
からの補助電力で電動機を作動させて緊急運転すること
ができるため、建設機械を安全な場所に移動したり、安
全な姿勢に復帰して安全性を確保した後に、故障箇所の
修理を行うことができる。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１記載のハイブ
リッド建設機械であって、前記緊急運転時に、前記補助
電力で作動する電動機を選択可能な電動機選択手段を有
することを特徴としている。上記の構成によれば、電動
機選択手段で選択された電動機のみが補助電力で作動す
るため、多くの電動機を同時に作動させる必要のある主
バッテリよりも小さな容量の補助バッテリを採用するこ
とができる。これにより、補助バッテリを小型化するこ
とができるため、補助バッテリを搭載することによる建
設機械の大型化を必要最小限に抑制することができる。
さらに、誤操作による意図しない動作を防止することに
よって、より安全性を向上させることができる。

【０００９】請求項３の発明は、請求項１または２記載
のハイブリッド建設機械であって、ハイブリッドショベ
ルであることを特徴としている。上記の構成によれば、
ハイブリッドショベルが例えばブームやアームを上昇さ
せる等の各種の姿勢をとるため、このような姿勢で停止
したときに好適に適用することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１ないし
図３に基づいて以下に説明する。尚、以降の説明におい
ては、シリーズ型ハイブリッド方式を採用したハイブリ
ッドショベルについて説明するが、パラレル型ハイブリ
ッド方式を採用したハイブリッドショベルに適用するこ
ともできる。本実施の形態に係るハイブリッド建設機械
であるハイブリッドショベルは、図３に示すように、下
部走行体１と、下部走行体１の上面中心部に旋回可能に
設けられた上部旋回体２と、上部旋回体２の前部に設け
られた堀削アタッチメント３とを有している。下部走行
体１は、両端部に平行配置された一対のクローラフレー
ム４と、各クローラフレーム４の周囲に回転可能に設け
られ、地面に対して面状に接地するクローラ５と、クロ
ーラ５を回転駆動する減速機３５・３６および電動機６
・７とを有している。そして、このように構成された下
部走行体１は、各クローラ５を減速機３５・３６を介し
て電動機６・７により個別に正方向および逆方向に回転
駆動することによって、ショベル全体を地面に対して前
進や後退、回転、旋回させる。

【００１１】上記の下部走行体１の上面中心部には、旋
回軸８ａが下部走行体１に対して直交して設けられてい
る。旋回軸８ａの上部には、上部旋回体２の一部を構成
する旋回フレーム８が回動自在に設けられている。旋回
フレーム８の上面には、オペレータの操縦室となるキャ
ビン９と、保護カバー４０で覆われた機械収容部４１と
が設けられていると共に、上述の堀削アタッチメント３
のブーム１７およびブームシリンダ１８の一端部が上下
方向に回動自在に設けられている。

【００１２】機械収容部４１内には、旋回用電動機１３
および減速機１４が設けられていると共に、ブーム用電
動機１５とブームポンプ１６とを一体化して備えたブー
ム用一体型アクチュエータＡ１が設けられている。旋回
用電動機１３は、減速機１４を介して旋回フレーム８を
旋回軸８ａを旋回中心として旋回駆動する。また、ブー
ム用一体型アクチュエータＡ１は、上述のブームシリン
ダ１８に図示しない油圧配管を介して接続されており、
ブームシリンダ１８のシリンダロッドを油圧により進退
移動させることによって、ブーム１７の先端側（他端
側）を上下動させる。

【００１３】上記のブーム１７の先端部には、アーム１
９が回動自在に設けられている。アーム１９の先端部に
は、バケット２１が回動自在に設けられている。また、
ブーム１７とアーム１９とは、アームシリンダ２０を介
して連結されており、アーム１９とバケット２１とは、
バケットシリンダ２２を介して連結されている。これら
のシリンダ２０・２２には、アーム用一体型アクチュエ
ータＡ２とバケット用一体型アクチュエータＡ３とがそ
れぞれ設けられており、各アクチュエータＡ２・Ａ３
は、電動機２３・２５とポンプ２４・２６とを一体化し
て構成されている。そして、各アクチュエータＡ２・Ａ
３は、シリンダ２０・２２のシリンダロッドを油圧によ
り進退移動させることによって、アーム１９およびバケ
ット２１をそれぞれ上下方向に回動させる。

【００１４】また、上述の機械収容部４１内には、旋回
用電動機１３やブーム用一体型アクチュエータＡ１の他
に、エンジン１０や、エンジン１０の回転速度（エンジ
ン出力）に応じた交流電力を生成する発電機１１、通常
運転時に使用される主バッテリ１２、主バッテリ１２が
使用不能になった緊急運転時に使用される補助バッテリ
４２等が設けられている。尚、上記の両バッテリ１２・
４２には、鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池のような電力
を繰り返して充放電可能な二次電池が使用される。

【００１５】上記の発電機１１は、図１に示すように、
制御装置のモータコントローラ３７に接続されている。
モータコントローラ３７は、上述の各種の電動機６・７
・１３・１５・２３・２５に接続されていると共に、主
バッテリ１２および補助バッテリ４２に切換スイッチ４
３を介して接続されている。切換スイッチ４３は、二方
向に連動して切換可能なスイッチ部４３ａ〜４３ｃを３
系統備えており、２系統のスイッチ部４３ａ・４３ｂ
は、主バッテリ１２に対する充電およびその停止の切換
えに使用され、残りの１系統のスイッチ部４３ｃは、主
バッテリ１２からの放電と補助バッテリ４２からの放電
との切換えに使用される。そして、切換スイッチ４３
は、通常運転時において全スイッチ部４３ａ〜４３ｃが
主バッテリ１２とモータコントローラ３７とを接続状態
にするように設定されており、緊急運転時にスイッチ部
４３ａ・４３ｂが主バッテリ１２から切り離され、スイ
ッチ部４３ｃが補助バッテリ４２とモータコントローラ
３７とを接続状態にするように切り換えられる。尚、切
換スイッチ４３の切換え操作は、オペレータにより手動
で行われても良いし、電力低下等の異常を検知したとき
に自動で行われても良い。

【００１６】上記のモータコントローラ３７は、発電機
１１からの交流電力を直流電力に変換したり、バッテリ
１２・４２からの直流電力を交流電力に変換する電力変
換機能（インバータ機能）や、操作レバー４５からの操
作信号に基づいて例えば主バッテリ１２から電力変換し
て得た交流電力を各電動機６・７・１３・１５・２３・
２５に出力する電動機作動機能、発電機１１で生成され
た電力を主バッテリ１２に充電する通常充電機構、各電
動機６・７・１３・１５・２３・２５で生じた回生電力
を主バッテリ１２に充電する回生充電機能等の諸機能を
備えており、これら諸機能を主バッテリ１２の充電量や
発電機１１の発電量等に基づいて任意に実行する。

【００１７】また、モータコントローラ３７は、バッテ
リ切換検出部５２とアクチュエータ切換部５３とを有し
ている。バッテリ切換え検出部５２には、切換スイッチ
４３が接続されており、切換スイッチ４３における各ス
イッチ部４３ａ〜４３ｃの切換え状態を検出して切換え
検出信号としてアクチュエータ切換部５３に出力する。
また、アクチュエータ切換部５３には、上記のバッテリ
切換検出部５２の他、操作レバー４５およびアクチュエ
ータ選択スイッチ５４が接続されている。これらの操作
レバー４５およびアクチュエータ選択スイッチ５４は、
図３のキャビン９内に設けられており、操作レバー４５
は、オペレータによる操作量に応じた操作信号を出力す
る。また、アクチュエータ選択スイッチ５４は、補助バ
ッテリ４２の電力により作動可能にする電動機６・７・
１３・１５・２３・２５をオペレータが指定する際に使
用される。

【００１８】上記のようにして各部４５・５２・５４か
ら各信号が入力されるアクチュエータ切換部５３は、図
２のアクチュエータ選択ルーチンを実行しながらバッテ
リ切換検出部５２からの切換え検出信号を監視してお
り、この信号を基にして主バッテリ１２への接続状態で
あると認識したときに、全ての電動機６・７・１３・１
５・２３・２５を作動可能にする一方、補助バッテリ４
２への接続状態であると認識したときに、アクチュエー
タ選択スイッチ５４で選択された特定の電動機６・７・
１３・１５・２３・２５のみを作動可能にする。

【００１９】上記の構成において、ハイブリッドショベ
ルの動作について説明する。図３のキャビン９内のオペ
レータが運転キーを回動させる等の始動操作を行うこと
によって、モータコントローラ３７に電源が投入される
と共にエンジン１０が運転されると、モータコントロー
ラ３７は、先ず、主バッテリ１２の充電量を確認し、充
電量が不十分であれば、エンジン１０により回転駆動さ
れる発電機１１で生成された交流電力を直流電力に変換
して主バッテリ１２を充電する。尚、主バッテリ１２の
充電量が極めて不十分である場合には、エンジン１０の
出力（回転速度）を増大させて発電機１１の発電量を増
大させることによって、主バッテリ１２に対する充電を
早急に行う。一方、主バッテリ１２の充電量が十分であ
れば、エンジン１０の出力（回転速度）を最低のアイド
リング状態にしたり、エンジン１０を停止することによ
って、主バッテリ１２の過剰な充電を防止しながら、操
作レバー４５から操作信号が入力されるまで待機する。

【００２０】次に、オペレータが所定の作業を行うよう
に操作レバー４５を操作すると、操作レバー４５から操
作量に応じた操作信号が出力される。操作信号は、モー
タコントローラ３７のアクチュエータ切換部５３に入力
される。この際、アクチュエータ切換部５３において
は、図２のアクチュエータ選択ルーチンを実行しながら
バッテリ切換検出部５２からの切換え検出信号を基にし
て切換スイッチ４３の接続状態（選択状態）を監視して
いる（Ｓ１）。そして、主バッテリ１２への接続状態で
あると認識した場合には（Ｓ１，ＹＥＳ）、操作レバー
４５からの操作信号に応じた操作量でもって各電動機６
・７・１３・１５・２３・２５を作動させるように主バ
ッテリ１２や発電機１１からの通常電力を利用して作業
を行う。

【００２１】次に、作業を行っているときに、エンジン
１０や発電機１１、主バッテリ１２等が故障することに
よって、電動機６・７・１３・１５・２３・２５に対し
て通常電力を供給することができなくなると、作業の途
中で図３のブーム１７やアーム１９等が停止する。そし
て、例えばブーム１７が上方に回動した姿勢で停止した
場合には、故障箇所の修理中に突然にブーム１７が自重
で降下するおそれがあるため、作業員にとって極めて危
険である。また、傾斜地で停止した場合には、ショベル
のバランスが悪いと共に、傾斜した状態で修理用の工具
を取り扱う必要があるため、作業員に大きな負担がかか
る。

【００２２】そこで、作業の途中で停止した場合には、
オペレータが切換スイッチ４３の接続状態を主バッテリ
１２から補助バッテリ４２に切り換えることによって、
補助バッテリ４２の補助電力がモータコントローラ３７
を介して各電動機６・７・１３・１５・２３・２５に供
給可能にされる。切換スイッチ４３の接続状態が切り換
えられると、この接続状態を検出したバッテリ切換検出
部５２が補助バッテリ４２への接続状態であることを示
す切換え検出信号をアクチュエータ切換部５３に出力す
る。そして、アクチュエータ切換部５３が切換え検出信
号を基にして補助バッテリ４２への接続状態であると認
識すると（Ｓ１，ＮＯ）、アクチュエータ選択スイッチ
５４からの選択信号を取り込み、この選択信号を基にし
てブーム１７の作動が選択されているか否かを判定する
（Ｓ３）。例えばブーム１７が上方に回動した姿勢で停
止した場合において、オペレータがアクチュエータ選択
スイッチ５４における“ブーム選択”を指定すると、ブ
ーム１７が選択されていると判定し（Ｓ３，ＹＥＳ）、
ブーム用電動機１５のみを補助バッテリ４２からの電力
で作動可能にする（Ｓ４）。これにより、オペレータが
操作レバー４５を操作することによって、ブーム１７を
安全な位置まで降下させることができると共に、誤操作
した場合でも、オペレータの意図しない動作でショベル
で作動することはない。

【００２３】また、ブーム１７が選択されていなければ
（Ｓ１，ＮＯ）、アーム１９が選択されているか否かを
判定し（Ｓ５）、選択されていれば（Ｓ５，ＹＥＳ）、
アーム用電動機２３のみを作動可能にする（Ｓ６）。一
方、選択されていなければ（Ｓ５，ＮＯ）、バケット２
１が選択されているか否かを判定する（Ｓ７）。そし
て、バケット２１が選択されていれば（Ｓ７，ＹＥ
Ｓ）、バケット用電動機２５のみを作動可能にする一方
（Ｓ８）、選択されていなければ（Ｓ７，ＮＯ）、旋回
動作が選択されているか否かを判定する（Ｓ９）。旋回
動作が選択されていれば（Ｓ９，ＹＥＳ）、旋回用電動
機１３のみを作動可能にする一方（Ｓ１０）、選択され
ていなければ（Ｓ９，ＮＯ）、走行動作が選択されてい
るか否かを判定し（Ｓ１１）、走行動作が選択されてい
れば（Ｓ１１，ＹＥＳ）、左走行用電動機６および右走
行用電動機７のみを作動可能にする（Ｓ１２）。

【００２４】そして、このようにして選択した特定の電
動機６・７・１３・１５・２３・２５のみを作動可能に
してショベルを安全な姿勢や安全な場所に移動した後、
故障箇所の検出や修理を行う。この後、修理が完了すれ
ば、切換スイッチ４３を主バッテリ１２への接続状態に
切り換えることによって、全電動機６・７・１３・１５
・２３・２５を通常電力で作動可能にして通常の動作で
作業を行う。

【００２５】以上のように、本実施形態のハイブリッド
ショベルは、エンジン１０で駆動される発電機１１の電
力と、発電機１１の電力を充電可能な主バッテリ１２の
電力と、補助バッテリ４２の電力とで電動機１５等を作
動可能にされたものであって、通常運転時には発電機１
１および主バッテリ１２の少なくとも一方の通常電力に
より電動機１５等を作動させる一方、通常電力で電動機
１５等を作動できない緊急運転時には補助バッテリ４２
の補助電力で電動機１５等を作動させるように切り換え
る切換スイッチ４３（切換手段）を有した構成にされて
いる。

【００２６】上記の構成によれば、通常運転時に発電機
１１や主バッテリ１２等の故障により電動機１５等に対
して通常電力を供給することができなくなったときに、
切換スイッチ４３により補助バッテリ４２に切り換える
ことによって、補助バッテリ４２からの補助電力で電動
機１５等を作動させて緊急運転することができるため、
建設機械を安全な場所に移動したり、安全な姿勢に復帰
して安全性を確保した後に、故障箇所の修理を行うこと
ができる。

【００２７】また、ハイブリッドショベルは、緊急運転
時に、補助電力で作動する電動機１５等を選択可能なア
クチュエータ選択スイッチ５４（電動機選択手段）を有
した構成にされている。これにより、アクチュエータ選
択スイッチ５４で選択された電動機１５等のみが補助電
力で作動するため、多くの電動機１５等を同時に作動さ
せる必要のある主バッテリ１２よりも小さな容量の補助
バッテリ４２を採用することができる。これにより、補
助バッテリ４２を小型化することができるため、補助バ
ッテリ４２を搭載することによるショベルの大型化を必
要最小限に抑制することができる。さらに、誤操作によ
る意図しない動作を防止することによって、より安全性
を向上させることができる。

【００２８】また、本実施形態の構成は、ブーム１７や
アーム１９を上昇させる等の各種の姿勢をとるハイブリ
ッドショベルに対して好適に適用することができるが、
これに限定されるものではなく、ブルドーザやクレーン
等の全てのハイブリッド建設機械に適用することができ
る。

【００２９】

【発明の効果】請求項１の発明は、エンジンで駆動され
る発電機の電力と、該発電機の電力を充電可能な主バッ
テリの電力と、補助バッテリの電力とで電動機を作動可
能にされたハイブリッド建設機械であって、通常運転時
には前記発電機および主バッテリの少なくとも一方の通
常電力により前記電動機を作動させる一方、前記通常電
力で電動機を作動できない緊急運転時には前記補助バッ
テリの補助電力で前記電動機を作動させるように切り換
え可能な切換手段を有する構成である。

【００３０】上記の構成によれば、通常運転時に発電機
や主バッテリ等の故障により電動機に対して通常電力を
供給することができなくなったときに、切換手段により
補助バッテリに切り換えることによって、補助バッテリ
からの補助電力で電動機を作動させて緊急運転すること
ができるため、建設機械を安全な場所に移動したり、安
全な姿勢に復帰して安全性を確保した後に、故障箇所の
修理を行うことができるという効果を奏する。

【００３１】請求項２の発明は、請求項１記載のハイブ
リッド建設機械であって、前記緊急運転時に、前記補助
電力で作動する電動機を選択可能な電動機選択手段を有
する構成である。上記の構成によれば、電動機選択手段
で選択された電動機のみが補助電力で作動するため、多
くの電動機を同時に作動させる必要のある主バッテリよ
りも小さな容量の補助バッテリを採用することができ
る。これにより、補助バッテリを小型化することができ
るため、補助バッテリを搭載することによる建設機械の
大型化を必要最小限に抑制することができる。さらに、
誤操作による意図しない動作を防止することによって、
より安全性を向上させることができるという効果を奏す
る。

【００３２】請求項３の発明は、請求項１または２記載
のハイブリッド建設機械であって、ハイブリッドショベ
ルである構成である。上記の構成によれば、ハイブリッ
ドショベルが例えばブームやアームを上昇させる等の各
種の姿勢をとるため、このような姿勢で停止したときに
好適に適用することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ハイブリッドショベルの制御装置のブロック図
である。

【図２】アクチュエータ選択ルーチンのフローチャート
である。

【図３】ハイブリッドショベルの全体概略側面図であ
る。

【図４】ハイブリッド方式で作業した場合におけるバッ
テリの充放電の状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１下部走行体２上部旋回体３堀削アタッチメント４クローラフレーム５クローラ８旋回フレーム９キャビン１０エンジン１１発電機１２主バッテリ１３旋回用電動機１４減速機１５ブーム用電動機１６ブームポンプ１７ブーム１８ブームシリンダ１９アーム２０アームシリンダ２１バケット２２バケットシリンダ２３アーム用電動機２４アームポンプ４１機械収容部４２補助バッテリ４３切換スイッチ４５操作レバー５２バッテリ切換検出部５３アクチュエータ切換部５４アクチュエータ選択スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2D003 AA01 AB06 BA05 BA07 CA02 CA10 DA04 3G093 AA07 AA10 AA16 BA12 CB14 EC01 3H089 BB01 CC01 CC08 DA06 DA14 GG02 JJ02 5H115 PA08 PG10 PI15 PI16 PI24 PO17 PU08 PU26 PV09 QE16 QI04 RB08 RB14 TU16 TZ14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンで駆動される発電機の電力と、
該発電機の電力を充電可能な主バッテリの電力と、補助
バッテリの電力とで電動機を作動可能にされたハイブリ
ッド建設機械であって、通常運転時には前記発電機および主バッテリの少なくと
も一方の通常電力により前記電動機を作動させる一方、
前記通常電力で電動機を作動できない緊急運転時には前
記補助バッテリの補助電力で前記電動機を作動させるよ
うに切り換え可能な切換手段を有することを特徴とする
ハイブリッド建設機械。
【請求項２】前記緊急運転時に、前記補助電力で作動
する電動機を選択可能な電動機選択手段を有することを
特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械。
【請求項３】ハイブリッドショベルであることを特徴
とする請求項１または２記載のハイブリッド建設機械。