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JP4609567B2 - ハイブリッド作業機械 - Google Patents

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Description

本発明はエンジン動力と電力とを併用するハイブリッド作業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４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を縦軸Ｏまわりに旋回自在に搭載し、この上部旋回体２に作業アタッチメントＡを装着して構成される。
この作業アタッチメントＡは、起伏自在なブーム３と、このブーム３の先端に取付けられたアーム４と、このアーム４の先端に取付けられたバケット５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６,７，８とによって構成される。
そして、上部旋回体２を旋回させる旋回用アクチュエータとして、油圧ショベルの場合は旋回油圧モータ、ハイブリッドショベルの場合は旋回電動機がそれぞれ用いられる。
ハイブリッドショベルにおいては、エンジンを動力源として油圧ポンプと発電機を駆動し、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、発電機と、この発電機の出力で充電される蓄電装置とによって旋回電動機を駆動する構成がとられる(特許文献１,２参照)。
特開２０００−２８３１０７号公報 特開平１０−４２５８７号公報
このハイブリッドショベルにおいて、蓄電装置がたとえばリレーダウン等によって故障し、電源として使用できなくなる可能性がある。
この場合、従来は、
（イ）発電機出力の蓄電先であり、かつ、旋回電動機の電源の一つがなくなることで、発電機（発電機インバータ）と旋回電動機（旋回電動機インバータ）とを結ぶ直流母線電圧が不安定となること、
（ロ）発電機の発電力が旋回電動機の消費電力を賄いきれなくなること、
（ハ）エンジン負荷が大きくなることで油圧ポンプの出力が低下すること
により、旋回、油圧両動作とも安定して行えなくなるという問題があった。
そこで本発明は、蓄電装置の使用不能時でも安定した旋回及び油圧両動作を確保することができるハイブリッド作業機械を提供するものである。
請求項１の発明は、エンジンを動力源として、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とを駆動するとともに、上記発電機の発電電力によって蓄電装置に充電し、上記発電機と蓄電装置とによって旋回体の駆動源である旋回電動機を駆動するように構成されたハイブリッド式作業機械において、上記蓄電装置が使用不能であることを検出する蓄電装置故障検出手段と、上記発電機及び旋回電動機を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記蓄電装置故障検出手段によって蓄電装置の使用不能が検出されたときに、直流母線電圧をシステムの通常動作電圧以上に保ちながら、上記旋回電動機の消費電力を発電機の発電電力以下に抑える緊急避難制御を行うように構成されたものである。
請求項２の発明は、請求項１の構成において、旋回電動機の回生動作時に回生電力を消費する回生抵抗と、この回生抵抗を制御する回生抵抗制御手段とが設けられたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、直流母線の電圧を検出する母線電圧検出手段を備え、蓄電装置故障検出手段は、始動時に、蓄電装置が上記直流母線に接続された状態で上記母線電圧検出手段によって検出される母線電圧が設定値以下のときに蓄電装置が使用不能と判断するように構成されたものである。
本発明によると、蓄電装置の使用不能時に、直流母線電圧をシステムの通常動作電圧に保ちながら旋回電動機の消費電力を抑えるため、安定した旋回及び油圧両動作を確保することができる。
ところで、蓄電装置が健在であれば、旋回減速時に発生する回生電力が蓄電装置に蓄電されるが、蓄電装置が使用不能となると、回生電力の受け皿がなくなり、回生ブレーキ作用が正常に働かなくなるおそれがある。
この場合、請求項２の発明によると、旋回減速時に発生する回生電力を回生抵抗で消費させ、回生ブレーキ作用を正常に働かせることができる。
請求項３の発明によると、蓄電装置の状態が直接表れる直流母線電圧によって蓄電装置が使用不能であることを検出するため、蓄電装置本体の故障だけでなく他の原因による蓄電装置の使用不能状態を確実に検出することができる。
実施形態では適用対象としてハイブリッドショベルを例にとっている。
図１に駆動系及び制御系のブロック構成を示す。
図示のように動力源としてのエンジン１に、一台で発電機作用と電動機作用の双方を行う発電電動機２と油圧ポンプ３とが接続され、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、図示しないコントロールバルブを含む油圧回路４を介してブームシリンダその他の油圧アクチュエータ（一括して符号５を付している）が接続され、油圧ポンプ３から供給される圧油によって油圧アクチュエータ５が駆動される。
一方、発電電動機２には、制御手段を構成する発電電動機インバータ６及び旋回電動機インバータ７を介して旋回電動機８が接続されるとともに、両インバータ６，７を結ぶ直流母線９ａ，９ｂにバッテリ接続回路１０を介してバッテリ（蓄電装置）１１が接続され、発電電動機２とバッテリ１０を電源として旋回電動機８が駆動される。
また、直流母線９ａ，９ｂには、旋回減速時の回生電力を消費して回生ブレーキ作用を発揮する回生抵抗回路１２がバッテリ１１と並列に接続されている。１３はこの回生抵抗回路１２の回生抵抗を制御する回生抵抗制御手段である。
なお、バッテリ（主電源）１１のほか、補助電源として、制御系やスタータモータ等の電装品、作業灯等の電源となる補助バッテリ（図示省略）が設けられる。
また、図１において、旋回電動機８の駆動回路及びバッテリ回路を他と区別するために太線で示している。
このハイブリッドショベルにおいては、上記基本構成に加えて、直流母線電圧を検出する電圧センサ１４、故障検出手段１５、制御手段を構成する発電電動機制御手段１６及び旋回電動機制御手段１７が設けられている。
故障検出手段１５は、システムスタート時（キースイッチオン時）に電圧センサ１４で検出される直流母線電圧が正常時のバッテリ電圧（たとえば１５０Ｖ）以上か否かに基づいてバッテリ１１が故障（使用不能）か否かを判断し、使用不能と判断したときに故障信号が発電電動機制御手段１６及び旋回電動機制御手段１７に送られ、所定の制御が行われる。
この制御内容を図２，３のフローチャートによって説明する。
図２はバッテリ制御を通常制御と緊急避難制御との間で切換えるフロー、図３は緊急避難制御のフローをそれぞれ示す。
図２の制御切換フローにおいて、キースイッチオンによってシステムがスタートすると、ステップＳ１でバッテリ接続回路１６によってバッテリ１１が直流母線９ａ，９ｂに接続されるとともに、ステップＳ２，Ｓ３で、検出された電圧がバッテリ正常を示す正常値（たとえば１５０Ｖ）か否かが判断される。
ここで、バッテリ接続から設定時間経過しても検出電圧が正常値以下のときにバッテリ故障と判断し、緊急避難制御に切換える（ステップＳ４，Ｓ５）。
一方、検出電圧が正常値以上（ステップＳ２でＹＥＳ）のときはバッテリ健在と判断し、通常制御に移行する（ステップＳ６）。
図３の緊急避難制御フローにおいて、スタータモータによってエンジン１が始動すると、ステップＳ１１で直流母線電圧が第１設定値以上か否かが判断される。
第１設定値とは、発電電動機２の起電力程度の値をいい、ここでＹＥＳとなると、ステップＳ１２で発電電動機インバータ６によって発電電動機２のトルク設定が行われ、発電電動機２の発電動作が開始される。
この場合、直流母線電圧がバッテリ健在時におけるシステム全体の通常動作電圧（第２設定値。たとえば３００Ｖ）以上に保たれるように発電電動機２のトルク設定・制御が行われる。
続くステップＳ１３では、直流母線電圧が第２設定値以上に達したか否かが判断される。
ここでＹＥＳとなると、旋回電動機制御手段１７によって旋回電動機８が起動し、図示しない旋回操作レバーの操作量に応じて、かつ、
発電電動機２の発電力≧旋回電動機８の消費電力
となるように旋回電動機８の速度またはパワー（速度×トルク）を規制しながらの速度制御が行われる（ステップＳ１５）。
上記制御により、バッテリ１１が使用不能の状態下で、直流母線電圧をシステム全体の通常動作電圧以上に保ちながら、旋回電動機８の消費電力を発電電動機２の発電電力以下に抑え、旋回電動機８及び油圧アクチュエータ５を必要最小限の動力ながら安定して動作させることができる。
また、旋回減速時に旋回電動機８に発生する回生電力は、旋回電動機インバータ７を介して回生抵抗回路１２に送られ、ここで消費される。これにより、バッテリ健在時と同様の回生ブレーキ作用を確保することができる。
ところで、上記実施形態では、エンジン１で発電電動機２と油圧ポンプ３を同時に駆動する所謂パラレル方式のハイブリッド構成を例示したが、本発明はエンジンで発電機を駆動し、この発電機の発電電力で旋回電動機及びポンプ用電動機を駆動する所謂シリーズ方式のハイブリッド構成をとる場合にも適用し、上記同様の効果を得ることができる。
また、上記実施形態では発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機２を用いたが、発電機と電動機が分離したものを動力装置として用いてもよい。
さらに、本発明はハイブリッドショベルに限らず、ショベルを転用して構成される破砕機や解体機等にも適用することができる。
本発明の実施形態にかかるハイブリッドショベルのブロック構成図である。 同ショベルの制御切換フローを示すフローチャートである。 同ショベルの緊急避難制御のフローを示すフローチャートである。 ショベルの概略側面図である。
符号の説明
１ エンジン
２ 発電電動機
３ 油圧ポンプ
５ 油圧アクチュエータ
６ 制御手段を構成する発電電動機インバータ
７ 同旋回電動機インバータ
８ 旋回電動機
９ａ，９ｂ 直流母線電圧
１１ バッテリ（蓄電装置）
１２ 回生抵抗回路
１３ 回生抵抗制御手段
１４ 電圧センサ
１５ 故障検出手段
１６ 制御手段を構成する発電電動機制御手段
１７ 同、旋回電動機制御手段

Claims (3)

  1. エンジンを動力源として、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とを駆動するとともに、上記発電機の発電電力によって蓄電装置に充電し、上記発電機と蓄電装置とによって旋回体の駆動源である旋回電動機を駆動するように構成されたハイブリッド式作業機械において、上記蓄電装置が使用不能であることを検出する蓄電装置故障検出手段と、上記発電機及び旋回電動機を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記蓄電装置故障検出手段によって蓄電装置の使用不能が検出されたときに、直流母線電圧をシステムの通常動作電圧以上に保ちながら、上記旋回電動機の消費電力を発電機の発電電力以下に抑える緊急避難制御を行うように構成されたことを特徴とするハイブリッド作業機械。
  2. 旋回電動機の回生動作時に回生電力を消費する回生抵抗と、この回生抵抗を制御する回生抵抗制御手段とが設けられたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド作業機械。
  3. 直流母線の電圧を検出する母線電圧検出手段を備え、蓄電装置故障検出手段は、始動時に、蓄電装置が上記直流母線に接続された状態で上記母線電圧検出手段によって検出される母線電圧が設定値以下のときに蓄電装置が使用不能と判断するように構成され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作業機械。
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