JP2014129656A - 建設機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】省エネ効果を得ることができる建設機械を提供する。
【解決手段】旋回電動機４が回生した回生電力が、蓄電装置５が充電可能な電力の最大量である最大許容充電量以上であるか否を判断し、最大許容充電量以上であると判断した場合に、発電電動機３にエンジン２をアシストさせることで、回生電力から最大許容充電量を差し引いた、余剰電力以上の電力を発電電動機３で消費させる。
【選択図】図１
【解決手段】旋回電動機４が回生した回生電力が、蓄電装置５が充電可能な電力の最大量である最大許容充電量以上であるか否を判断し、最大許容充電量以上であると判断した場合に、発電電動機３にエンジン２をアシストさせることで、回生電力から最大許容充電量を差し引いた、余剰電力以上の電力を発電電動機３で消費させる。
【選択図】図１
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式の建設機械に関する。
特許文献１に開示されているように、ハイブリッドショベル等の建設機械においては、エンジンを動力源として油圧ポンプと発電電動機とを駆動させ、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動させる一方、発電電動機と、この発電電動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させる構成がとられている。
ところで、特許文献１に開示されているような建設機械においては、蓄電装置の充電率が増加し、充電率の上限を超えて過充電となると、蓄電装置が発火、故障に至る可能性がある。そのため、蓄電装置の充電率が上限を超えないように、蓄電装置の充電量を管理する必要がある。
しかしながら、全ての条件の時に、蓄電装置の充電率を所定の範囲内に収めると、充電率の範囲を狭くすることとなり、ハイブリッド式の建設機械の性能を十分に発揮させることができない。また、蓄電装置の容量を最大限に使用することができず、省エネ効果が得られないという問題がある。
本発明の目的は、省エネ効果を得ることが可能な建設機械を提供することである。
本発明における建設機械は、上部旋回体が下部走行体上に旋回自在に搭載された建設機械において、エンジンと、前記エンジンの出力軸に接続され、電力を消費して前記エンジンをアシストすることが可能な電動機と、前記上部旋回体を旋回させ、前記上部旋回体を制動させた際に回生電力を回生する旋回電動機と、前記回生電力を検出する回生電力検出手段と、前記電動機および前記旋回電動機にそれぞれ電気的に接続され、前記回生電力を充放電する蓄電装置と、前記蓄電装置の充電率を検出する充電率検出手段と、前記充電率検出手段が検出した前記充電率に基づいて、前記蓄電装置が充電可能な電力の最大量である最大許容充電量を算出する最大許容充電量算出手段と、を有し、前記回生電力検出手段が検出した前記回生電力が、前記最大許容充電量算出手段が算出した前記最大許容充電量以上の場合に、前記電動機に前記エンジンをアシストさせることで、前記回生電力から前記最大許容充電量を差し引いた電力以上の電力を前記電動機で消費させることを特徴とする。
上記の構成によれば、回生電力が最大許容充電量以上のとき、即ち、回生電力の一部を蓄電装置に充電することができないときに、電動機にエンジンをアシストさせることで、回生電力から最大許容充電量を差し引いた電力、即ち、蓄電装置に充電しきれない余剰電力以上の電力を電動機で消費させる。これにより、蓄電装置の容量を許容充電量の範囲内で最大限に使用して充電を行うことができるとともに、蓄電装置に充電しきれない余剰電力を消費することができる。また、エンジン出力のアシストにより、エンジンの燃料噴射量を低減させることができる。これにより、省エネ効果を得ることができる。
また、本発明における建設機械においては、前記エンジンの実回転数を検出する実回転数検出手段と、前記エンジンの回転数を制御する回転数制御手段と、を更に有し、前記回転数制御手段は、前記実回転数検出手段が検出した前記実回転数と前記回転数制御手段が制御する前記回転数との差が所定の範囲を超えた場合に、前記回転数を低下させてよい。上記の構成によれば、電動機にエンジンをアシストさせた結果、電動機の出力が、エンジンの出力軸に接続された機器で消費される動力とエンジンの連れ回りトルクとの合計を上回ると、エンジンが電動機により回されてエンジンの実回転数が増加し始めるが、エンジンの実回転数とエンジン制御上の回転数との差が所定の範囲を超えた場合に、エンジン制御上の回転数を低下させることで、エンジンの実回転数の増加を抑制することができる。よって、エンジンの実回転数が増加することにより、エンジンやエンジンの出力軸に接続された機器が故障するのを抑制することができる。また、エンジン制御上の回転数を低下させることで、燃料噴射量を低下させることができる。
また、本発明における建設機械においては、前記蓄電装置の温度を測定する温度測定手段を更に有し、前記最大許容充電量算出手段は、前記温度測定手段が測定した前記蓄電装置の温度と、前記充電率検出手段が検出した前記充電率とに基づいて、前記最大許容充電量を算出してよい。上記の構成によれば、蓄電装置の温度と充電率とに基づいて最大許容充電量を算出する。一般に、蓄電装置の最大許容充電量は、蓄電装置の温度が高いほど多くなる。そこで、蓄電装置の温度に応じた最大許容充電量を算出することで、蓄電装置の温度に応じた容量の電力を蓄電装置に充電することができる。
本発明の建設機械によると、蓄電装置の容量を許容充電量の範囲内で最大限に使用して充電を行うことができるとともに、蓄電装置に充電しきれない余剰電力を消費することができる。また、エンジン出力のアシストにより、エンジンの燃料噴射量を低減させることができる。これにより、省エネ効果を得ることができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
（建設機械の電気的構成）
本発明の実施形態による建設機械１は、ハイブリッドショベルなどの建設機械であって、図１に示すように、エンジン２、エンジン２の出力軸に接続された発電電動機（電動機）３、下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体を旋回させる旋回電動機４、発電電動機３および旋回電動機４にそれぞれ電気的に接続された蓄電装置５、エンジン・電動機制御装置６などを有している。なお、図１においては、信号の送受信を行うための信号線を破線で図示している。
本発明の実施形態による建設機械１は、ハイブリッドショベルなどの建設機械であって、図１に示すように、エンジン２、エンジン２の出力軸に接続された発電電動機（電動機）３、下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体を旋回させる旋回電動機４、発電電動機３および旋回電動機４にそれぞれ電気的に接続された蓄電装置５、エンジン・電動機制御装置６などを有している。なお、図１においては、信号の送受信を行うための信号線を破線で図示している。
エンジン２は、図示しない油圧ポンプ（エンジン２の出力軸に接続された機器）の動力源である。エンジン２により油圧ポンプが駆動されることで、図示しない油圧アクチュエータ（例えば、ショベルでいうとブーム、アーム、バケット各シリンダや走行用油圧モータ等）が駆動される。エンジン２の回転数は、エンジン制御装置（回転数制御手段）１１により制御される。また、エンジン２の実回転数は、実回転数検出センサ（実回転数検出手段）１２により検出される。
発電電動機３は、蓄電装置５に蓄えられた電力により回転され、エンジン２をアシストして油圧ポンプを駆動するものである。また、発電電動機３は、エンジン２の負荷に余裕のあるときに、エンジン２の出力の一部を用いて発電を行い、発電電力を蓄電装置５に充電する。発電電動機３の動作は、発電電動機制御装置１５により制御される。
旋回電動機４は、蓄電装置５に蓄えられた電力により駆動される。上部旋回体に制動をかける際には、旋回電動機４を発電機として作動させ、制動により回生された回生電力を蓄電装置５に充電する。旋回電動機４で回生された回生電力は、回生電力検出センサ（回生電力検出手段）１６により検出される。また、旋回電動機４の動作は、旋回電動機制御装置１７により制御される。
蓄電装置５は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などのバッテリであり、発電電動機３が発電した発電電力、および、旋回電動機４が回生した回生電力を充放電する。蓄電装置５は、許容充電量の範囲内において充電される。蓄電装置５の充電率は、充電率検出センサ（充電率検出手段）１３により検出される。ここで、蓄電装置５の充電率は、蓄電装置５の電流を積算することによって求められる。また、蓄電装置５の温度は、温度センサ（温度測定手段）１４により測定される。
エンジン・電動機制御装置６は、エンジン制御装置１１、発電電動機制御装置１５、および、旋回電動機制御装置１７を制御することで、建設機械１の全体を制御している。
エンジン・電動機制御装置（大許容充電量算出手段）６は、温度センサ１４が測定した蓄電装置５の温度と、充電率検出センサ１３が検出した蓄電装置５の充電率とに基づいて、蓄電装置５が現時点で充電可能な電力の最大量である最大許容充電量を算出する。ここで、図２に示すように、蓄電装置５の最大許容充電量は、蓄電装置５の温度が高いほど多くなる。即ち、蓄電装置５の温度がＡのときの最大許容充電量は、蓄電装置５の温度がＡよりも低いＢのときの最大許容充電量よりも多い。同様に、蓄電装置５の温度がＢのときの最大許容充電量は、蓄電装置５の温度がＢよりも低いＣのときの最大許容充電量よりも多い。
また、エンジン・電動機制御装置６は、回生電力検出センサ１６が検出した回生電力が、算出した蓄電装置５の最大許容充電量以上であるか判断する。そして、エンジン・電動機制御装置６は、回生電力検出センサ１６で検出した回生電力が、算出した蓄電装置５の最大許容充電量以上である場合には、発電電動機３にエンジン２をアシストさせることで、回生電力から最大許容充電量を差し引いた電力（蓄電装置５に充電しきれない余剰電力）以上の電力を発電電動機３で消費させるようにエンジン制御装置１１、発電電動機制御装置１５、および、旋回電動機制御装置１７を制御する。
また、エンジン・電動機制御装置６は、発電電動機３にエンジン２をアシストさせた結果、実回転数検出センサ１２が検出したエンジン２の実回転数とエンジン制御装置１１が制御するエンジン２の回転数との差が所定の範囲を超えた場合に、エンジン２の回転数を低下させるようにエンジン制御装置１１を制御する。エンジン制御装置１１は、エンジン２に回転数を下げるように指令する補正エンジン回転数指令をエンジン２に送ることで、エンジン２の回転数を低下させる。具体的には、図３に示すように、エンジン２の実回転数が、エンジン制御装置１１が制御するエンジン２の回転数（回転数指令値）ａを超えて、エンジン２の実回転数と回転数指令値ａとの差が、閾値ｂと回転数指令値ａとの差よりも大きくなった場合に、エンジン２に回転数を下げるように指令する補正エンジン回転数指令をエンジン制御装置１１からエンジン２に送る。
（建設機械の動作）
次に、図４に示すフローチャートを参照して、建設機械１の動作について説明する。
次に、図４に示すフローチャートを参照して、建設機械１の動作について説明する。
まず、エンジン・電動機制御装置６は、蓄電装置５の温度と充電率から、図２に示す関係図を用いて、蓄電装置５の最大許容充電量を算出する（ステップＳ１、以下、単にＳ１という。他も同じ）。
このように、蓄電装置５の温度に応じた最大許容充電量を算出することで、蓄電装置５の温度に応じた容量の電力を蓄電装置に充電することができる。
次に、エンジン・電動機制御装置６は、旋回電動機４で回生電力が発生したか否かを判断する（Ｓ２）。旋回電動機４で回生電力が発生していないと判断した場合には（Ｓ２：ＮＯ）、エンジン・電動機制御装置６は、ステップＳ１に戻る。
一方、旋回電動機４で回生電力が発生したと判断した場合には（Ｓ２：ＹＥＳ）、エンジン・電動機制御装置６は、旋回電動機４で回生された回生電力が蓄電装置５の最大許容充電量以上であるか否かを判断する（Ｓ３）。回生電力が最大許容充電量以上ではないと判断した場合には（Ｓ３：ＮＯ）、エンジン・電動機制御装置６は、回生電力を蓄電装置５に充電させるように旋回電動機制御装置１７を制御し（Ｓ４）、ステップＳ１に戻る。
一方、回生電力が最大許容充電量以上であると判断した場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、エンジン・電動機制御装置６は、回生電力から最大許容充電量を差し引いた電力を余剰電力として算出する（Ｓ５）。そして、発電電動機３にエンジン２をアシストさせることで、余剰電力以上の電力を発電電動機３で消費させるように発電電動機制御装置１５を制御する（Ｓ６）。
このように、発電電動機３にエンジン２をアシストさせることで、蓄電装置５に充電しきれない余剰電力以上の電力を発電電動機３で消費させる。これにより、蓄電装置５の容量を許容充電量の範囲内で最大限に使用して充電を行うことができるとともに、蓄電装置５に充電しきれない余剰電力を消費することができる。また、エンジン出力のアシストにより、エンジン２の燃料噴射量を低減させることができる。これにより、省エネ効果を得ることができる。
発電電動機３にエンジン２をアシストさせると、発電電動機３の出力が、油圧ポンプの動力とエンジン２の連れ回りトルクとの合計を上回り、エンジン２の実回転数が増加し始める場合がある。そこで、エンジン・電動機制御装置６は、エンジン２の実回転数とエンジン制御上の回転数（回転数指令値ａ）との差が所定の範囲を超えたか（閾値ｂと回転数指令値ａとの差よりも大きくなったか）否かを判断する（Ｓ７）。エンジン２の実回転数とエンジン制御上の回転数との差が所定の範囲を超えていないと判断した場合には（Ｓ７：ＮＯ）、ステップＳ１に戻る。
一方、エンジン２の実回転数とエンジン制御上の回転数との差が所定の範囲を超えたと判断した場合には（Ｓ７：ＹＥＳ）、エンジン・電動機制御装置６は、回転数を下げるように指令する補正エンジン回転数指令をエンジン２に送るようにエンジン制御装置１１を制御する（Ｓ８）。そして、ステップＳ１に戻る。
このように、発電電動機３にエンジン２をアシストさせた結果、発電電動機３の出力が、油圧ポンプの動力とエンジン２の連れ回りトルクとの合計を上回ると、エンジン２が発電電動機３により回されてエンジン２の実回転数が増加し始めるが、エンジン２の実回転数とエンジン制御上の回転数との差が所定の範囲を超えた場合に、エンジン制御上の回転数を低下させることで、エンジン２の実回転数の増加を抑制することができる。よって、エンジン２の実回転数が増加することにより、エンジン２や油圧ポンプが故障するのを抑制することができる。また、エンジン制御上の回転数を低下させることで、燃料噴射量を低下させることができる。
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る建設機械１によると、回生電力が最大許容充電量以上のとき、即ち、回生電力の一部を蓄電装置５に充電することができないときに、発電電動機３にエンジン２をアシストさせることで、回生電力から最大許容充電量を差し引いた電力、即ち、蓄電装置５に充電しきれない余剰電力以上の電力を発電電動機３で消費させる。これにより、蓄電装置５の容量を許容充電量の範囲内で最大限に使用して充電を行うことができるとともに、蓄電装置５に充電しきれない余剰電力を消費することができる。また、エンジン出力のアシストにより、エンジン２の燃料噴射量を低減させることができる。これにより、省エネ効果を得ることができる。
以上に述べたように、本実施形態に係る建設機械１によると、回生電力が最大許容充電量以上のとき、即ち、回生電力の一部を蓄電装置５に充電することができないときに、発電電動機３にエンジン２をアシストさせることで、回生電力から最大許容充電量を差し引いた電力、即ち、蓄電装置５に充電しきれない余剰電力以上の電力を発電電動機３で消費させる。これにより、蓄電装置５の容量を許容充電量の範囲内で最大限に使用して充電を行うことができるとともに、蓄電装置５に充電しきれない余剰電力を消費することができる。また、エンジン出力のアシストにより、エンジン２の燃料噴射量を低減させることができる。これにより、省エネ効果を得ることができる。
また、発電電動機３にエンジン２をアシストさせた結果、発電電動機３の出力が、油圧ポンプの動力とエンジン２の連れ回りトルクとの合計を上回ると、エンジン２が発電電動機３により回されてエンジン２の実回転数が増加し始めるが、エンジン２の実回転数とエンジン制御上の回転数との差が所定の範囲を超えた場合に、エンジン制御上の回転数を低下させることで、エンジン２の実回転数の増加を抑制することができる。よって、エンジン２の実回転数が増加することにより、エンジン２や油圧ポンプが故障するのを抑制することができる。また、エンジン制御上の回転数を低下させることで、燃料噴射量を低下させることができる。
また、蓄電装置５の温度と充電率とに基づいて最大許容充電量を算出する。一般に、蓄電装置５の最大許容充電量は、蓄電装置５の温度が高いほど多くなる。そこで、蓄電装置５の温度に応じた最大許容充電量を算出することで、蓄電装置５の温度に応じた容量の電力を蓄電装置５に充電することができる。
（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
１ 建設機械
２ エンジン
３ 発電電動機（電動機）
４ 旋回電動機
５ 蓄電装置
６ エンジン・電動機制御装置（大許容充電量算出手段）
１１ エンジン制御装置（回転数制御手段）
１２ 実回転数検出センサ（実回転数検出手段）
１３ 充電率検出センサ（充電率検出手段）
１４ 温度センサ（温度測定手段）
１５ 発電電動機制御装置
１６ 回生電力検出センサ（回生電力検出手段）
１７ 旋回電動機制御装置
２ エンジン
３ 発電電動機（電動機）
４ 旋回電動機
５ 蓄電装置
６ エンジン・電動機制御装置（大許容充電量算出手段）
１１ エンジン制御装置（回転数制御手段）
１２ 実回転数検出センサ（実回転数検出手段）
１３ 充電率検出センサ（充電率検出手段）
１４ 温度センサ（温度測定手段）
１５ 発電電動機制御装置
１６ 回生電力検出センサ（回生電力検出手段）
１７ 旋回電動機制御装置
Claims (3)
- 上部旋回体が下部走行体上に旋回自在に搭載された建設機械において、
エンジンと、
前記エンジンの出力軸に接続され、電力を消費して前記エンジンをアシストすることが可能な電動機と、
前記上部旋回体を旋回させ、前記上部旋回体を制動させた際に回生電力を回生する旋回電動機と、
前記回生電力を検出する回生電力検出手段と、
前記電動機および前記旋回電動機にそれぞれ電気的に接続され、前記回生電力を充放電する蓄電装置と、
前記蓄電装置の充電率を検出する充電率検出手段と、
前記充電率検出手段が検出した前記充電率に基づいて、前記蓄電装置が充電可能な電力の最大量である最大許容充電量を算出する最大許容充電量算出手段と、
を有し、
前記回生電力検出手段が検出した前記回生電力が、前記最大許容充電量算出手段が算出した前記最大許容充電量以上の場合に、前記電動機に前記エンジンをアシストさせることで、前記回生電力から前記最大許容充電量を差し引いた電力以上の電力を前記電動機で消費させることを特徴とする建設機械。 - 前記エンジンの実回転数を検出する実回転数検出手段と、
前記エンジンの回転数を制御する回転数制御手段と、
を更に有し、
前記回転数制御手段は、前記実回転数検出手段が検出した前記実回転数と前記回転数制御手段が制御する前記回転数との差が所定の範囲を超えた場合に、前記回転数を低下させることを特徴とする請求項１に記載の建設機械。 - 前記蓄電装置の温度を測定する温度測定手段を更に有し、
前記最大許容充電量算出手段は、前記温度測定手段が測定した前記蓄電装置の温度と、前記充電率検出手段が検出した前記充電率とに基づいて、前記最大許容充電量を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の建設機械。
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