JP4386256B2

JP4386256B2 - ハイブリッド式建設車両

Info

Publication number: JP4386256B2
Application number: JP2003367466A
Authority: JP
Inventors: 栄治江川; 正巳落合; 誠二山下; 光夫園田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: JP2005133319A

Description

本発明は、内燃機関と電動モータの二種類の異なる動力源を有するハイブリッド式建設車両に係わり、特にホイールローダやホイールショベルなどのホイール式建設機械のハイブリッド式建設車両に関する。

ホイールローダやホイールショベルなどのホイール式建設機械においては、掘削作業を行うと同時にステアリングやブレーキのアシストを行う油圧作業装置と、走行を行う走行装置とを備えている。走行装置は一般に作業装置と同様に油圧駆動であり、その一例として、１９９２年版油空圧工業総覧（507〜533頁）に記載のように、エンジン駆動力をトルクコンバータやＨＳＴ等で直接ホイールに伝達し走行を行うものがある。また、ステアリング及びブレーキは、不測の事態への対応を考慮して、エンジンが万が一故障し油圧作業装置の油圧系統が機能しない場合にも、機械的な伝達機構により最低限の操作は可能となっている。

一方、近年、建設機械のハイブリッド化が検討されており、特開２００１−９９１０３号公報には、走行装置としてクローラを有する油圧ショベルにおいて、駆動源としてエンジン以外に電気モータを追加設置し、エンジン待機状態においてはエンジンの出力伝達部をクラッチにより断絶し、電気モータにより油圧ポンプを駆動することで、エンジン停止時においても油圧システムの動作を可能としたものが提案されている。

１９９２年版油空圧工業総覧（507〜533頁）

特開２００１−９９１０３号公報

しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある。

１９９２年版油空圧工業総覧（507〜533頁）に記載のようなエンジン駆動力をトルクコンバータやＨＳＴ等で直接ホイールに伝達する方式では、走行負荷が直接エンジンに加わるため、エンジンの負荷変動が大きくなると同時に、走行減速時の車体の慣性エネルギーは熱エネルギー等として外部に放出される結果、エンジンの最適運転や慣性エネルギーの回収が困難であり、省エネや排ガス低減、低騒音化には限界があった。

また、１９９２年版油空圧工業総覧（507〜533頁）に記載のような通常のホイールローダなどのホイール式建設機械においては、エンジンが万が一故障し油圧作業装置の油圧系統が機能しない場合にも、機械的な伝達機構により最低限の操作は可能となっているが、自動車とは異なり車重が大きい分、油圧によるアシストがないため、ステアリングやブレーキの操作は非常に重く、実際の操縦には困難を極める。

特開２００１−９９１０３号公報に記載のものでは、エンジン待機状態においてはエンジンの出力伝達部をクラッチにより断絶し、電気モータにより油圧ポンプを駆動することで、エンジン停止時においても油圧システムの動作が可能であるが、そのためにはエンジン停止時に油圧ポンプを駆動するための電気モータやバッテリを別途追加しなければならず、製造コストが増加すると同時に設置スペースが必要となる。

本発明の目的は、駆動源のハイブリッド化によりエンジンの負荷変動を抑え、省エネや排ガス低減、低騒音化を可能とするとともに、ハイブリッド駆動装置の電力発生源として搭載している発電機を利用することで、エンジン停止時でも油圧によるステアリングやブレーキの操作を可能とし、燃費や排ガス、騒音を低減したアイドルストップを実現できるハイブリッド式建設車両を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、ハイブリッド式建設車両において、エンジンと、このエンジンにより油圧ポンプを駆動し、その吐出油によりアクチュエータを駆動する油圧作業装置と、前記エンジンにより発電機を駆動し蓄電装置に対して電力授受を行い、前記蓄電装置との電力授受により電動モータを制御し走行駆動力を発生する電動走行装置と、前記エンジン及び電動モータを駆動するためのアクセル信号を出力するアクセルペダルと、前記エンジンの動力を前記油圧ポンプと発電機に分配する動力分配機構と、前記エンジンと前記動力分配機構との間に配置されたクラッチと、前記アクセルペダルが踏まれたときは、前記エンジンを起動しかつ前記クラッチを接続し、前記エンジンによって前記発電機を駆動して発電を行うとともに、前記エンジンによって前記油圧ポンプを駆動し、前記アクセルペダルが踏まれなくなったときに、一定のタイムラグをおいて前記エンジンを停止させ、かつ前記クラッチを切り、前記発電機を前記蓄電装置の電力により駆動し電動モータとして機能させ、前記電動モータとして機能する前記発電機によって前記油圧ポンプを駆動するアイドルストップ制御手段とを備えるものとする。

このように駆動源としてエンジンと電動モータを設けたハイブリッド駆動方式とすることにより、エンジンの負荷変動を抑え、省エネや排ガス低減、低騒音化が可能となる。

また、エンジンと動力分配機構との間にクラッチを設け、エンジンの停止時にクラッチを切り、ハイブリッド駆動装置の電力発生源として搭載している発電機を蓄電装置の電力により駆動し電動モータとして機能させ、油圧ポンプを駆動することで、エンジン停止時でも油圧によるステアリングやブレーキの操作が可能となり、燃費や排ガス、騒音を考慮したアイドルストップを実現することができる。

更に、ハイブリッド駆動装置の電力発生源として搭載している発電機を利用してアイドルストップ制御を行うので、電気モータや蓄電装置を別途追加する必要が無く、製造コスト及び設置スペースの増加を回避することができる。

（２）また、上記（１）のハイブリッド式建設車両において、好ましくは、前記エンジンの動作が正常かどうかを検出する手段を更に備え、前記アイドルストップ制御手段は、前記エンジンの動作が正常でないときに前記エンジンを停止させ、前記クラッチを切り、前記発電機を前記蓄電装置の電力により駆動し電動モータとして機能させる。

駆動源としてエンジンと電動モータを設けたハイブリッド駆動方式としたので、エンジンの負荷変動を抑え、省エネや排ガス低減、低騒音化が可能となる。

また、エンジンの停止時にクラッチを切り、発電機を蓄電装置の電力により駆動し電動モータとして機能させ、油圧ポンプを駆動することができるので、エンジン停止時でも油圧によるステアリングやブレーキの操作が可能となり、燃費や排ガス、騒音を考慮したアイドルストップを実現することができる。また、不測のエンジン故障時にも容易に車体を移動することができる。

更に、ハイブリッド駆動装置の電力発生源としてもともと搭載している発電機を利用してアイドルストップ制御を行うので、電気モータや蓄電装置を別途追加する必要が無く、製造コスト及び設置スペースの増加を回避することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係わるハイブリッド式建設車両のシステム構成を示す図である。

図１において、本実施の形態に係わるハイブリッド式建設車両は、エンジン１と、油圧作業部Ａと、電動走行部Ｂと、操作制御部Ｃとを備えている。

油圧作業部Ａは、エンジン１により駆動されメインの油圧を供給するローダポンプ２と、ステアリング装置３と、フロント作業装置４と、ステアリング装置３へ優先的に油圧を供給しながらフロント作業装置４への油圧の供給を可能にするプライオリティバルブ５と、図示しないブレーキ等の補助機器に油圧を供給するブレーキポンプ６とを備えている。ステアリング装置３はステアリングシリンダ３ａ，３ｂと、ハンドル３ｃと、ハンドル３ｃにより操作されハンドル３ｃの操作方向と操作量に応じた油圧流量をステアリングシリンダ３ａ又は３ｂに供給するステアリングバルブ３ｄとを有している。フロント作業装置４はバケットシリンダ４ａと、アームシリンダ４ｂと、バケットシリンダ４ａ及びアームシリンダ４ｂに供給される圧油の流れを制御するコントロールバルブ４ｃとを有している。

電動走行部Ｂは、エンジン１により駆動される発電機８と、走行用の電動モータ９と、高／低速を切換える変速機１０と、実際に走行動力を地面に伝達する車輪１１ａを備えた走行装置１１と、蓄電を行うバッテリ１２と、バッテリ１２との電力の授受を行い発電機８を制御するコンバータ（発電機制御装置）１３と、バッテリ１２との電力の授受を行い電動モータ９を制御するインバータ（電動モータ制御装置）１４とを備えている。

操作制御部Ｃは、エンジン１及び電動モータ９のアクセル信号を出力するアクセルペダル１６と、電動モータ９の駆動指令を調整するインチングペダル１７と、前後進を切換える前後進切換レバー１８と、全体のエネルギーの流れや燃料消費量を表示するモニタ１９と、エンジン１の回転数を検出する回転センサ２５と、全体の制御を行うコントローラ２０とを備えている。

エンジン１の軸出力は動力分配機構３０を介して油圧作業部Ａのローダポンプ２及びブレーキポンプ６と電動走行部Ｂの発電機８に分配される。動力分配機構３０は、エンジン１の出力軸に連結された歯車３０ａと、この歯車３０ａに噛み合う歯車３０ｂ，３０ｃを有し、歯車３０ｂは油圧作業部Ａのローダポンプ２及びブレーキポンプ６に連結され、歯車３０ｃは電動走行部Ｂの発電機８に連結されている。

また、エンジン１の出力軸と動力分配機構３０の歯車３０ａとの間にはエンジン１の出力伝達断接用の電動クラッチ３１が設けられている。

図２に本発明が適用されるハイブリッド式建設車両の一例としてホイールローダを示す。

図２において、１００はホイールローダであり、ホイールローダ１００は、車体前部１０１と車体後部１０２とで構成され、車体前部１０１と車体後部１０２は、ステアリングシリンダ３ａ，３ｂにより車体後部１０２に対して車体前部１０１の向きが変わるように相対回動白在に連結されている。車体前部１０１にはフロント作業装置４と車輸１０３が設けられ、車体後部１０２には運転席１０４と上記の車輸１１ａとが設けられ、運転席１０４にはハンドル３ｃとアクセルペダル１６及びインチングペダル１７（図示せず）と前後進切換レバー１８とモニタ１９とが設けられている。また、車体後部１０２には、上述したエンジン１、ローダポンプ２、ステアリングバルブ３ｄ、コントロールバルブ４ｃ、プライオリティバルブ５、ブレーキポンプ６、発電機８、電動モータ９、変速機１０、バッテリ１２、コンバータ１３、インバータ１４、コントローラ１５、動力分配機構３０、電動クラッチ３１が搭載されている。フロント作業装置４はバケット１０５とリフトアーム１０６からなり、バケット１０５はバケットシリンダ４ａの伸縮によりチルト・ダンプ動作し、リフトアーム１０６はアームシリンダ４ｂの伸縮により上下に動作する。

図１に戻り、コントローラ２０は、アクセルペダル１６、インチングペダル１７、前後進切換レバー１８の操作に応じてエンジン１と電動走行部Ｂを制御するとともに、作業状況に応じて電動クラッチ３１の断接を制御し、アイドルストップ制御を行う。

ここで、電動走行部Ｂに関して、コントローラ２０は、例えば、アクセルペダル１６の踏み込み量が増加すると、それに応じてエンジン１の回転数を増やすとともに電動機モータ９の回転数を増やし走行速度を上げ、インチングペダル１７の踏み込み量が増加すると、それに応じて電動モータ９の回転数を減らし、走行速度を低下させるよう制御する。また、コントローラ２０は、エンジン１の出力を発電機８により一旦電力に変換してバッテリ１２に蓄電し、電動モータ９の駆動出力に応じてバッテリ１２との電力授受を行うよう制御し、これによりエンジン１の効率的な運転を行う、いわゆるシリーズハイブリッド方式を実現している。更に、コントローラ２０は、走行の減速時は発電機８を走行力で駆動し、エネルギー回生を行うよう制御する。このように電動モータ９をバッテリ１２の電力を用いて駆動したり、減速時にエネルギー回生を行うことにより、エンジン１の負荷変動を抑え、燃費や排出ガス、騒音を低減することができる。

以上のように電動走行部Ｂ及びコントローラ２０を構成することにより、この方式の走行システムにおいては、エンジン１が停止した場合でもバッテリ１２に蓄電された電力により、電動モータ９による走行動作は可能な構成となっている。しかしながら、油圧作業部Ａに関しては、本発明のアイドルストップ制御の構成を備えない場合、エンジン１が停止した際には油圧ポンプ２，６が駆動されないため、ステアリングやブレーキのアシスト作用をはじめ、全ての油圧作業が行えない。このとき、発電機８により油圧ポンプ２，６を強制的に駆動することは構成上は可能ではあるが、実際にはエンジン１の出力伝達軸が接続したままの状態ではエンジン１の駆動摩擦のために動力損失が大きく、発電機８の出力定格によっては駆動自体が困難な場合もあり得る。

本実施の形態は、エンジン１の出力伝達部に電動クラッチ３１を設け、エンジン停止時には電動クラッチ３１を切り離し、発電機８により油圧ポンプ２，６を駆動するアイドルストップ制御を行うことで、ステアリングやブレーキのアシスト作用をはじめ全ての油圧作業が効率良く行えるようにしたものである。具体的には、例えば、アクセルペダル１６を離したときに、電動クラッチ３１を切り離すとともにエンジン１を停止するように制御すれば、エンジン停止後に速やかにバッテリ１２に蓄えられた電力を用いた発電機８による油圧ポンプ２，６の駆動形態に移行できる。ここで、バッテリ１２の残量に応じて電動クラッチ３１を接続し、エンジン１を再起動するように自動的に制御すれば、バッテリ１２の残量を特に気にせずに自動的に通常の駆動形態に移行できる。

その具体的な制御内容を図３〜図５を用いて説明する。図３は、コントローラ２０のアイドルストップ制御機能を示すフローチャートであり、図４及び図５は動作例を説明するタイムチャートである。

図３において、まず、エンジン１が正常であるかどうかを判定する（ステップＳ１００）。この判定は、例えば、アクセルペダル１６の踏み込み量に応じて計算されるエンジン１の目標回転数と回転センサ２５で検出された実回転数を比較することで行い、目標回転数と実回転数の偏差が所定値を超えるとエンジン１は正常でないと判定する。なお、エンジン冷却水の水温を検出し、水温が異常に高いかどうかでエンジン１が正常かどうかを判定するなど、他の方法で判定してもよい。

この判定で、エンジン１が正常であれば、アクセルペダル１６が踏まれているかどうか（アクセルＯＮかどうか）を判定し（ステップＳ１１０）、アクセルペダル１６が踏まれていれば、タイマー時間ｔを０に初期設定した後（ステップＳ１２０）、エンジン１に燃料を供給して駆動し（ステップＳ１３０）、かつ電動クラッチ３１をＯＮにする（ステップＳ１４０）。次いで、発電機８で発電を行う（ステップＳ１５０）。このとき発電機８で発生した電力の一部は電動モータ９の駆動に使用されるとともに、残りはバッテリ１２に蓄えられる。アクセルペダル１６が踏まれていない場合は、現在のタイマー時間ｔに一定時間Δｔを加算する処理を行い（ステップＳ１６０）、タイマー時間ｔが所定時間ｔ０を超えたかどうかを判定し（ステップＳ１７０）。タイマー時間ｔが所定時間ｔ０を超えていなければエンジン１を駆動するステップＳ１３０の処理を行う。タイマー時間ｔが所定時間ｔ０を超えていれば、バッテリ１２の残量が最小値ｍｉｍより多いかどうかを判定し（ステップＳ１８０）、バッテリ残量が最小値ｍｉｍ以下であればエンジン１を駆動するステップＳ１３０の処理を行う。エンジン１が正常でない場合、或いはタイマー時間ｔが所定時間ｔ０を超えておりかつバッテリ残量が最小値ｍｉｍより多い場合は、エンジン１の燃料供給をカットしてエンジン１を停止し（ステップＳ１９０）、電動クラッチ３１をＯＦＦにし（ステップＳ２００）、発電機８をモータリング制御する（ステップＳ２１０）。

図４は、上記アイドルストップ制御による動作の一例である。

図４において、アクセルペダル１６を離すと、ある一定のタイムラグをおいて、エンジン１の燃料供給をカットしてエンジン１を停止するとともに電動クラッチ３１を切り離す（ステップＳ１００→ステップＳ１１０→ステップＳ１６０〜Ｓ２００）。ここで、タイムラグを置いたのは、あまり頻繁にエンジン１の起動停止が行われないようにするためである。そして、このとき、発電機８をモータリング制御する（ステップＳ２１０）ことで、発電機８を油圧ポンプ２，６の駆動用として用いることができ、エンジン停止時にも油圧装置による作業も可能となる。次に、アクセルペダル１６が踏まれると、速やかに電動クラッチ３１が接続され、エンジン１が再起動することで（ステップＳ１００→Ｓ１１０〜Ｓ１５０）、通常のエンジン１による油圧ポンプ２，６の駆動形態に移行する。

図５は、アクセルペダル１６がしばらく踏まれず、バッテリ残量が少なくなった場合の動作例である。

図４の場合と同様に、アクセルペダル１６を離すとタイムラグをおいてからエンジン１を停止するとともに電動クラッチ３１を切り離し（ステップＳ１００→ステップＳ１１０→ステップＳ１６０〜Ｓ２００）、発電機８をモータリング制御する（ステップＳ２１０）。その後、バッテリ１２の残量が設定値よりも少なくなると、自動的に電動クラッチ１４を接続し、エンジン１を再起動して、発電機８の発電を行う（ステップＳ１００，Ｓ１１０→Ｓ１６０〜Ｓ１８０→Ｓ１３０〜Ｓ１５０）。これにより通常のエンジン１による油圧ポンプ２，６の駆動形態に移行するとともに、バッテリ１２に電力を供給することで、バッテリ残量の減少を防ぐ。

なお、以上では、アクセルペダル１６を離したとき、自動的に電動クラッチ３１を切り離しエンジン１を停止するとしたが、エンジン１が十分暖機されていない場合など、動作が安定していない状態では、エンジン１を停止せず通常の油圧ポンプ駆動形態のままとしてもよい。

以上のように本実施の形態によれば、駆動源としてエンジン１と電動モータ９を設けたハイブリッド駆動方式としたので、エンジン１の負荷変動を抑え、省エネや排ガス低減、低騒音化が可能となる。

また、エンジン１と動力分配機構３０との間に電動クラッチ３１を設け、エンジン１の停止時に電動クラッチ３１を切り、ハイブリッド駆動装置の電力発生源として搭載している発電機８をバッテリ１２の電力により駆動し電動モータとして機能させ、油圧ポンプ２，６を駆動するので、エンジン停止時でも油圧によるステアリングやブレーキの操作はじめ全ての油圧作業が行えるエンジンのアイドルストップを実現でき、燃費や排ガス、騒音低減のハイブリッド化の効果が更に向上できるとともに、不測のエンジン故障時にも容易に車体を移動できるようになる。

更に、ハイブリッド駆動装置の電力発生源として搭載している発電機８を利用してアイドルストップ制御を行うので、電気モータや蓄電装置を別途追加する必要が無く、製造コスト及び設置スペースの増加を回避した合理的なアイドルストップ制御が可能となる。

なお、以上の実施形態は本発明をホイールローダに適用した場合のものであるが、本発明はホイールショベル、テレハンドラー等他のホイール式建設機械にも同様に適用し得るものである。

本発明の一実施の形態に係わるハイブリッド式建設車両の全体構成図である。本発明が適用されるハイブリッド式建設車両の一例としてホイールローダを示す図である。コントローラのアイドルストップ制御機能を示すフローチャートである。アイドルストップ制御による一動作例を示すタイムチャートである。アイドルストップ制御による一動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

Ａ油圧作業部
Ｂ電動走行部
Ｃ操作制御部
１エンジン
２ローダポンプ
３ステアリング装置
４フロント作業装置
５プライオリティバルブ
６ブレーキバルブ
８発電機
９電動モータ
１０変速機
１１走行装置
１２バッテリ
１３コンバータ
１４インバータ
１６アクセルペダル
１７インチングペダル
１８前後進切換レバー
１９モニタ
２０コントローラ

Claims

エンジンと、
このエンジンにより油圧ポンプを駆動し、その吐出油によりアクチュエータを駆動する油圧作業装置と、
前記エンジンにより発電機を駆動し蓄電装置に対して電力授受を行い、前記蓄電装置との電力授受により電動モータを制御し走行駆動力を発生する電動走行装置と、
前記エンジン及び電動モータを駆動するためのアクセル信号を出力するアクセルペダルと、
前記エンジンの動力を前記油圧ポンプと発電機に分配する動力分配機構と、
前記エンジンと前記動力分配機構との間に配置されたクラッチと、
前記アクセルペダルが踏まれたときは、前記エンジンを起動しかつ前記クラッチを接続し、前記エンジンによって前記発電機を駆動して発電を行うとともに、前記エンジンによって前記油圧ポンプを駆動し、前記アクセルペダルが踏まれなくなったときに、一定のタイムラグをおいて前記エンジンを停止させかつ前記クラッチを切り、前記発電機を前記蓄電装置の電力により駆動し電動モータとして機能させ、前記電動モータとして機能する前記発電機によって前記油圧ポンプを駆動するアイドルストップ制御手段とを備えることを特徴とするハイブリッド式建設車両。
請求項１記載のハイブリッド式建設車両において、
前記エンジンの動作が正常かどうかを検出する手段を更に備え、
前記アイドルストップ制御手段は、前記エンジンの動作が正常でないときに前記エンジンを停止させ、前記クラッチを切り、前記発電機を前記蓄電装置の電力により駆動し電動モータとして機能させることを特徴とするハイブリッド式建設車両。