JP2010265708A - バッテリ駆動式作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリと共にエンジンを搭載した作業機械において、小型のエンジンを用いて、稼働時における環境汚染および騒音を最小限に抑制し、かつ燃費の低減を図る。
【解決手段】下部走行体１の走行モータ１１，１２と、ブームシリンダ１３，アームシリンダ１４及びバケットシリンダ１５からなるアクチュエータを駆動するために油圧ポンプ２１を設け、この油圧ポンプ２１を電動モータ２２で駆動するようになし、この電動モータ２２と旋回用電動モータ１０とをバッテリ２４で駆動するが、さらにエンジン２７及び発電機２９，電力蓄電制御手段３０からなる給電装置２６を搭載して、エンジン２７を回転速度及び出力トルクが一定となるように駆動して発電を行い、制御されたエンジン２７と、このエンジンにより駆動される発電機２９とを備え、発電機２９で発生した電力は電力蓄電制御手段３０を介してバッテリ２４に蓄電される。
【選択図】図２

Description

本発明は油圧ショベル等の作業機械であって、バッテリを動力源とする複数のアクチュエータを設けたバッテリ駆動式作業機械に関するものである。

作業機械の一例としての油圧ショベルは、左右の履帯を有する下部走行体に旋回装置を介して上部旋回体が旋回可能に設置されている。そして、上部旋回体には、ブーム，アーム及びバケットからなり、土砂の掘削等といった作業を行う作業手段が設けられている。また、上部旋回体には、機械の操作を行うオペレータが搭乗する運転室も設けられている。

下部走行体は、走行モータにより駆動され、また旋回装置には旋回モータが装着されている。作業手段は、それぞれブームシリンダ，アームシリンダ，バケットシリンダというように、油圧シリンダにより駆動されるものである。従って、これらモータ及び油圧シリンダは機械のアクチュエータを構成し、各アクチュエータを作動させることにより、車両の走行、上部旋回体の旋回、作業手段による作業が実行される。ここで、複数設けられるアクチュエータとしてのモータは、電動モータであっても良く、また油圧モータを用いることもできる。一方、作業手段を駆動するのは油圧シリンダである。従って、油圧ショベルには油圧ポンプが設けられる。

作業機械の動力源としては、原動機としてのエンジンを用いたエンジン駆動式のものが従来から広く用いられている。しかしながら、近年においては、粒子状物質ＰＭ等の環境汚染物質を含む排ガスの発生の抑制，騒音の低減といった要請等の観点から、電気駆動式のものが開発され、実用化されている。ここで、電気駆動式という場合、電源を外部に求める外部電源式のものがあるが、この方式では、車両と外部電源との間は常に電源コードで接続しなければならず、作業性が悪いという問題点がある。

以上のことから、車両にエンジンに代えてバッテリを搭載し、このバッテリを駆動源としたバッテリ駆動式の作業機械がある。ただし、作業機械にあっては、高負荷状態で長時間稼働することもあることから、作業機械の全エネルギをバッテリで賄うようにすると、大容量のバッテリが必要となり、スペースの点から、また重量の点から、作業機械の上部旋回体に載置できない場合がある。

そこで、エンジンとバッテリとを搭載したハイブリッド式の作業機械が開発され、また実用化されている。このようにエンジンと共用することによって、搭載されるバッテリの小型化，軽量化が図られる。ハイブリッドシステムとしては、エンジンを主動力源として使用し、補助的にバッテリを電源とする発電機からの動力の供給も行うようにしたパラレルハイブリッド方式があるが、このパラレルハイブリッド方式はエンジンを主動力源とすることから、排ガスの低減等の点においてなお不満がある。

他のハイブリッドシステムとして、エンジンと、電動機と発電機としての機能を有する誘導機とを動力源として使用し、エンジンと誘導機とを同時に駆動するようにしたシリーズハイブリッド方式の作業機械が特許文献１に示されている。この特許文献１の記載から明らかなように、シリーズハイブリッド方式の車両においては、エンジンとバッテリとに加えて、誘導機を設置するようになし、エンジンとバッテリを動力源として誘導機を作動させることにより油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプを駆動する構成としている。つまり、作業機械を駆動するための動力源をエンジンとバッテリとに分割し、またエンジンは発電のためにも使用するというものである。これによって、バッテリが動力源の一部とすることから、エンジンの負担が軽減されて、排ガスの低減等が図られることになることから、このシリーズハイブリッド方式はパラレルハイブリッド方式より優れている。ここで、特許文献１においては、作業を効率的に行えるようにするために、エンジンと誘導機によって、最大負荷時に必要な動力を単独で賄える最大出力容量を持たせる構成としている。

特開２００６−２３３８１１号公報

ところで、作業機械は様々な状況下で作業が行われるものであり、例えば硬い地盤を掘削する場合等にあっては、極めて高負荷状態で稼働することになる。このような作業を行う際にも、エンジンで動力を賄えるようにすると、大型のエンジンを用いる必要があり、しかもエンジンから最大負荷時に必要な出力トルクを発生させるようにした場合には、多量の排ガスが発生することになって、大量の粒子状物質ＰＭを含む環境汚染物質が外部に放出されて、周囲環境を汚染することになると共に、騒音も大きくなる。しかも、負荷の変動に応じてエンジンの出力トルクが変化することになるので、燃費の低下を来すという問題点もある。

要するに、バッテリと共にエンジンを備えるハイブリッド式の作業機械において、エンジンを作業機械の駆動用として用いると、作業機械の稼働条件に応じてエンジンの回転速度及び出力トルクが変化することになる。このために、搭載されるエンジンは、作業機械の最大負荷時にも必要な動力を出力可能な能力を持たせることから、大型のものになり、またエンジンの回転速度の変化と出力トルクの変動に伴い、排ガスに含まれる環境汚染物質の発生及び騒音の発生を抑制する効果には限度があり、さらに低燃費化とうい点でも不満が残ることになる。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、バッテリと共にエンジンを搭載した作業機械において、エンジンを馬力の小さい小型のものを用いることによって、稼働時における環境汚染および騒音を最小限に抑制し、かつ燃費の低減を図ることができるようにすることにある。

前述した目的を達成するために、本発明は、走行車両に作業手段を設け、少なくとも車両の走行手段と、作業手段の駆動手段とを駆動させるために、バッテリを動力源とする複数のアクチュエータを有するバッテリ駆動式作業機械であって、前記走行車両には前記バッテリに電力を供給する給電装置が設けられ、前記給電装置は、回転速度及び出力トルクが一定となるように制御されたエンジンと、このエンジンにより駆動される発電機とを備える構成としたことをその特徴とするものである。

作業機械には、少なくとも車両の走行手段と、土砂の掘削等を行う作業手段とが設けられる。また、下部走行体に旋回可能な上部旋回体を設けたものにあっては、旋回手段をも備えている。そして、走行手段は走行モータにより、また作業手段は油圧シリンダにより、さらに旋回手段は旋回モータにより駆動される。これらがアクチュエータであり、少なくとも油圧シリンダは油圧ポンプが接続される。この油圧ポンプは電動モータにより駆動される。一方、走行モータや旋回モータは電動モータとして構成することができ、また油圧ポンプにより駆動される油圧モータとしても構成することができる。モータとしては、少なくとも旋回モータはエネルギの回生を行う点から、電動モータとして構成するのが望ましい。

作業機械にはバッテリとエンジンとを搭載しているが、油圧ポンプを駆動する電動モータや旋回モータ等からなるモータの動力源としては、バッテリだけであり、エンジンはモータとは接続されておらず、このエンジンと発電機とによって、バッテリに給電するための給電装置を構成する。従って、この作業機械はハイブリッド式のものではなく、駆動はバッテリを全動力源とするバッテリ駆動式のものである。

作業機械の稼働中は、エンジンを駆動して連続的に発電を行う。このように、作業機械の稼働中に連続的に発電することによって、このエンジンに起因する全発電量だけバッテリの電力容量に加算される。従って、その分だけバッテリの小型化，軽量化が図られる。給電装置にどの程度の給電能力を持たせるかは、つまり給電装置を構成するエンジンによる発電能力は、搭載されるバッテリに応じたものとする。バッテリの設置スペース等の関係で、電力容量の大きいバッテリが搭載可能であれば、エンジンはより小型のもので良いが、バッテリの電力容量を小さくすると、エンジンはある程度大型化する。

エンジンは作業機械におけるアクチュエータの駆動源としないことから、一定の回転速度で一定のトルクが出力できるように運転することができ、エンジンの負荷は変動することはない。ここで、エンジンは、回転速度が一定で、出力トルクも一定であれば、エンジン騒音が最小限のものとなり、また排ガスに含まれる粒子状物質ＰＭ等の環境汚染物質を抑制することができる。発電機を駆動するために、エンジンの回転速度が一定であれば、出力トルクも一定となる。ただし、エンジンの回転速度に応じて、排ガス中に含まれる環境汚染物質の量が変化し、また燃費も一定ではない。そこで、作業機械に搭載されるエンジンの構造に基づいて、最良稼働状態で駆動するように設定する。ここで、最良稼働状態は、主に排ガスのクリーン度と、燃費効率とに基づいて、しかも低騒音となるように設定することができる。例えば、排ガスの粒子状物質ＰＭが最小量となり、しかも最も低燃費で駆動されるように、回転速度を設定する。

エンジンはバッテリを充電するための給電手段を構成するものであり、バッテリの電力容量が所定値以上となっている状態で充電を行うと、バッテリの過充電状態となり、その寿命が低下する。そこで、バッテリには、その蓄電残量を検出する蓄電残量検出手段を設け、電力容量が設定値以下であるときには、エンジンを駆動して発電し、この設定値を超えるときには、エンジンの駆動を停止する。これによって、バッテリの過充電防止が図られることになり、長寿命化が図られる。

走行車両に搭載されるバッテリを小型化することができ、このバッテリでは不足となる電力をエンジンにより補うことができ、しかもエンジンの稼働時における環境汚染を抑制し、かつ騒音を低減するこことができる。

本発明の作業機械の一例としての油圧ショベルの構成説明図である。 図１の油圧ショベルの駆動機構を構成する回路構成図である。 油圧ショベルをある状況下で稼働させたときの動力源としてのバッテリの出力波形と消費エネルギとの関係を示す説明図である。 バッテリに加えて、給電装置としてのエンジンを設けた本発明の構成で、図３と同様の状況下で稼働させたときの動力源としてのバッテリの出力波形と消費エネルギとの関係を示す説明図である。 エンジンの回転速度と軸トルクとの関係で、粒子状物質ＰＭの発生度合を示す説明図である。 エンジンの回転速度と軸トルクとの関係で、燃費効率を示す説明図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。まず、図１に作業機械の一例として、油圧ショベルを示す。油圧ショベルは、クローラ式走行手段を左右に設けた下部走行体１を有し、この下部走行体１上には旋回装置２を介して上部旋回体３が設置されている。上部旋回体３には、フロント構造としての掘削作業手段４が装着されており、また運転室５及び建屋６が設けられている。掘削作業手段４は、上部旋回体３のフレームに俯仰動作可能に設けたブーム７と、ブーム７に回動可能に連結して設けたアーム８と、このアーム８の先端に設けたバケット９とから構成されている。

前述した構成を有する油圧ショベルにおいて、可動機構としては、旋回装置２と下部走行体１における左右のクローラ式走行手段と、掘削作業手段４とである。図２に示したように、これら各可動部を駆動する機構はアクチュエータである。アクチュエータのうち、旋回装置２は旋回用電動モータ１０で駆動されるものであり、左右の走行手段は走行モータ１１，１２で駆動され、掘削作業手段４を構成するブーム７はブームシリンダ１３，アーム８はアームシリンダ１４，バケット９はバケットシリンダ１５で駆動されるものである。

左右の走行モータ１１，１２は油圧モータから構成され、ブームシリンダ１３，アームシリンダ１４及びバケットシリンダ１５は油圧シリンダである。従って、油圧モータ及び油圧シリンダは油圧アクチュエータであり、これら油圧モータ及び油圧シリンダを駆動するために、油圧ポンプ２１が設けられており、この油圧ポンプ２１はポンプ駆動用電動モータ２２により駆動されるものである。従って、油圧ポンプ２１と走行モータ１１，１２及びブームシリンダ１３，アームシリンダ１４及びバケットシリンダ１５との間の配管の途中には油圧制御弁２３が設けられている。この油圧制御弁２３は操作レバーにより切り換え制御されるものであり、操作レバーを操作することによって、前述した各油圧アクチュエータの作動制御が行われることになる。ここで、旋回モータ１０を電動モータ２０で直接駆動するように構成しているので、旋回停止時に慣性エネルギを電力として回生するための電力回生ブレーキとして機能する。なお、回生は旋回以外にも、例えばブーム下げ動作やその他においても行われるように構成することができる。

電動モータ２０及び２２は、バッテリ２４を動力源とするものであり、これら電動モータ２０，２２は電力制御手段２５を介してバッテリ２４と接続されている。バッテリ２４は予め充電された状態となっている。しかも、油圧ショベルの稼働中にバッテリ２４に電力を補給するための給電装置２６を備えている。このために、油圧ショベルにエンジン２７が搭載されており、またこのエンジン２７に燃料を供給する燃料タンク２８が設けられている。そして、エンジン２７には発電機２９が接続されており、エンジン２７により発電機２９が駆動される。さらに、発電機２９は電力蓄電制御手段３０を介してバッテリ２４に電力供給が行われる構成となっている。従って、給電装置２６はこれらエンジン２７，発電機２９及び電力蓄電制御手段３０から構成される。

ここで、エンジン２７は電力制御手段２５には接続されておらず、油圧ショベルのいずれかの可動機構を直接駆動するものではなく、発電機２９の発電のみを行うためのものである。そして、電力蓄電制御手段３０はまたバッテリ２４の蓄電残量を検出する蓄電残量検出手段を構成するものであり、バッテリ２４の蓄電残量が電力容量として設定された所定値以下である場合には、エンジン２７を作動させるようになし、電力容量の設定値を超えているときには、油圧ショベルが稼働中であるにも拘わらず、エンジン２７が停止するように制御される。

今、図３において、油圧ショベルを時間Ｔだけ稼働させるとして、その間の出力波形をＰとすると、この時間Ｔ全体で出力された出力全エネルギはＥｔｏｌとなる。ここで、パワー出力がマイナスになっているのは回生を行っている状態である。従って、必要とする出力エネルギは出力全エネルギＥｔｏｌから回生エネルギＥｒｅｇを引いたＥｄｅｍとなる。この必要出力エネルギＥｄｅｍは、バッテリ２４の蓄電残量で賄うことになるが、そうすると電力容量の大きい大型のバッテリを搭載しなければならないことになる。

以上のことから、油圧ショベルには、給電装置２６としてエンジン２７を搭載されており、このエンジン２７を稼働させて、発電機２９を駆動することができる。ここで、給電装置２６を構成するエンジン２７は発電用のものであり、負荷の変動はないので、一定の回転速度で駆動する。そして、発電機２９で発生した電力は電力蓄電制御手段３０を介してバッテリ２４に蓄電される。これによって、バッテリ２４は所定の電力容量を確保することができる。その結果、図４に示したように、エンジン２７に由来する蓄電エネルギＥａｄｄが追加されることから、バッテリ２４からの出力エネルギはＥｎｅｔとすれば、時間Ｔ全体での出力全エネルギはＥｔｏｌが得られることになる。

ところで、バッテリ２４と共にエンジン２７を搭載して、このエンジン２７を発電のために稼働することによって、バッテリ２４の負担は軽減され、小型で軽量なバッテリを使用することができる。ただし、エンジン２７を駆動する際には、排ガスが発生することになり、またエンジン騒音も発生する。この意味では、バッテリで駆動される全電動式の作業機械より劣ることになる。

ところで、エンジン２７から発生する騒音の問題は、このエンジン２７の回転速度を変化したときに大きくなり、エンジン２７を一定の回転速度で駆動している場合には、騒音が最小限になり、特に周辺に迷惑を及ぼす程度とはならない。

そして、排ガスについては、エンジン２７の回転速度に応じて排ガスに含まれる粒子状物質ＰＭ等の環境汚染物質の量が変化する。具体的には、図５に示したように、エンジン２７を所定の出力トルク状態で駆動すると、その回転速度に応じて粒子状物質ＰＭの排出量が変化するが、回転速度に応じて比例的に増大するものではなく、その排出量はある回転速度の範囲内では少ないが、それより回転速度を高速化した場合でも、また回転速度を低速化した場合でも、粒子状物質ＰＭの排出量が多くなる。従って、この粒子状物質ＰＭの排出量が最も少ない回転速度により稼働させるようにする。

また、エンジン２７の燃費については、一定の回転速度で駆動することによって、燃費を低減することができる。また、図６に示したように、エンジン２７を所定の出力トルクをもって駆動したときにも、低燃費領域がある。

以上のことから、エンジン２７を一定の回転速度で駆動し、しかも図５に示した粒子状物質ＰＭの排出量が少なく、しかも図６において示した低燃費で駆動できるように、出力トルクと回転速度を選択すれば、エンジン２７を効率的に、しかも環境汚染を最小限にすることができる。このときのエンジン２７の回転速度は定格回転速度より低速である。

また、バッテリ２４が過充電状態にならないようにするために、このバッテリ２４の蓄電残量を電力蓄電制御手段３０を構成する蓄電残量検出手段で検出し、蓄電残量が電力容量として設定した所定値以下であるときにエンジン２７を駆動し、電力容量の設定値を超えると、エンジン２７を停止するように制御する。これによって、バッテリ２４の保護が図られて、その寿命を短縮するような事態は生じない。

１ 下部走行体 ２ 旋回装置
３ 上部旋回体 ４ 掘削作業手段
１０ 旋回駆動用電動モータ １１，１２ 走行モータ（油圧モータ）
１３ ブームシリンダ １４ アームシリンダ
１５ バケットシリンダ ２１ 油圧ポンプ
２２ 電動モータ ２４ バッテリ
２５ 電力制御手段 ２６ 給電装置
２７ エンジン ２９ 発電機
３０ 電力蓄電制御手段

Claims (3)

1. 走行車両に作業手段を設け、少なくとも車両の走行手段と、作業手段の駆動手段とを駆動させるために、バッテリを駆動源とする複数のアクチュエータを有するバッテリ駆動式作業機械において、
   前記走行車両には前記バッテリに電力を供給する給電装置が設けられ、
   前記給電装置は、回転速度及び出力トルクが一定となるように制御されたエンジンと、このエンジンにより駆動される発電機とを備える
   構成したことを特徴とするバッテリ駆動式作業機械。
2. 前記バッテリの蓄電残量を検出する蓄電残量検出手段を設け、この蓄電残量検出手段は、電力容量が設定値以下であるときには、前記エンジンを駆動して発電し、この設定値を超えるときには、前記エンジンの駆動を停止する構成としたことを特徴とする請求項１記載のバッテリ駆動式作業機械。
3. 前記エンジンの回転速度は、排ガスの環境汚染物質の排出量と燃費との関係に基づいて設定されるものであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のバッテリ駆動式作業機械。

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