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発明の名称 ハイブリッド建設機械の制御装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−3397(P2001−3397A)
公開日 平成13年1月9日(2001.1.9)
出願番号 特願平11−179682
出願日 平成11年6月25日(1999.6.25)
代理人 【識別番号】100089196
【弁理士】
【氏名又は名称】梶 良之
【テーマコード(参考)】
2D003
3H089
5H115
【Fターム(参考)】
2D003 AA01 AA02 AA06 AB06 BA08 CA05 CA10 DA04 
3H089 BB01 BB26 CC01 CC11 DA13 DA14 DA18 DA20 GG02 JJ01 JJ02 JJ20
5H115 PA14 PA15 PI15 PI16 PI22 PI29 PO17 PU01 PU24 PU26 QE16 RB08 RB14 TU16 TU17
発明者 鹿児島 昌之
要約 目的


構成
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によりバッテリを充電可能であると共に、少なくともバッテリから放電される電力により電動機を作動させることにより作業可能なハイブリッド建設機械の制御装置において、作業内容に応じて前記発電機から出力される電力を変更する出力変更手段を有することを特徴とするハイブリッド建設機械の制御装置。
【請求項2】 オペレータにより操作される操作レバーと、前記操作レバーからの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記出力変更手段に出力する作業判別部と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の制御装置。
【請求項3】 オペレータにより作業内容を指定可能な作業内容切換えスイッチと、前記作業内容切替えスイッチで指定された作業内容を検出して前記出力変更手段に出力する切換えスイッチ検出部と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の制御装置。
【請求項4】 前記ハイブリッド建設機械が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ないし3の何れか1項に記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
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の制御装置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号公報等)。そして、この構成であれば、例えば図7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る。従って、従来は、作業時に消費されるバッテリを充電する際に、一定のエンジン出力となるように制御することによって、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している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、建設機械で実施される作業の種類は、例えばショベルの作業にあっては堀削や水平引き均し、土羽打ち、ばらまき等の作業が存在するように、作業負荷が大幅に異なる各種の作業が存在する(図4参照)。従って、上記従来のように、全ての作業に対して一律に一定のエンジン出力となるように制御しながら充電を行う構成では、小さな負荷の作業を行う場合に、一定のエンジン出力で充電される電力が消費電力に対して過剰となってバッテリの充電能力を上回る結果、エネルギーの無駄やバッテリの劣化の原因になるという問題がある。また、大きな負荷の作業を行う場合には、一定のエンジン出力で充電される電力が消費電力に対して過少となってバッテリの放電能力を上回る結果、小さな負荷の場合と同様にバッテリの劣化の原因になるという問題がある。
【0005】そこで、本発明は、負荷の異なる各種の作業を行う場合に、バッテリの過剰な充電および放電による劣化を防止することができるハイブリッド建設機械の制御装置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によりバッテリを充電可能であると共に、少なくともバッテリから放電される電力により電動機を作動させることにより作業可能なハイブリッド建設機械の制御装置において、作業内容に応じて前記発電機から出力される電力を変更する出力変更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、作業内容に応じて発電機から出力される電力を変更すると、大きな作業負荷のときには大きな電力が発電機から出力され、小さな作業負荷のときには小さなで電力が発電機から出力可能となる。また、作業負荷は、電動機の消費電力に対して比例関係にあるため、大きな作業負荷のときには大きな電力がバッテリから放電され、小さな作業負荷のときには小さなで電力がバッテリから放電される。従って、所定の作業内容で作業が行われると、負荷に応じてバッテリから放電される電力が増減することになるが、負荷に応じて発電機から出力される電力も増減され、結果的にバッテリへの充電量も増減されるため、バッテリが過剰に放電や充電されて劣化することはない。
【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の制御装置であって、オペレータにより操作される操作レバーと、前記操作レバーからの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記出力変更手段に出力する作業判別部とを有することを特徴としている。上記の構成によれば、操作レバーの操作信号を基にして作業内容を判別して認識することができるため、オペレータが作業内容を指定する手間を省力することができる。
【0009】請求項3の発明は、請求項1記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、オペレータにより作業内容を指定可能な作業内容切換えスイッチと、前記作業内容切替えスイッチで指定された作業内容を検出して前記出力変更手段に出力する切換えスイッチ検出部とを有することを特徴としている。上記の構成によれば、作業内容切替えスイッチに指定された作業内容を高い信頼性で認識することができるため、誤認識によるバッテリの過剰な充電および放電を確実に防止することができる。
【0010】請求項4の発明は、請求項1ないし3の何れか1項に記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、前記ハイブリッド建設機械が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、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業内容を実施す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。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図1ないし図6に基づいて以下に説明する。本実施の形態に係る制御装置は、図3に示すように、ハイブリッド建設機械であるハイブリッドショベルに設けられている。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。ハイブリッドショベルは、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。
【0012】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。
【0013】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。
【0014】上記のブーム17の先端部には、アーム19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・A3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。
【0015】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。
【0016】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43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替えに使用され、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からの放電との切替えに使用される。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手動や自動の操作で切り替えられる。
【0017】また、モータコントローラ37には、図3のキャビン9内に設けられた操作レバー45が接続されている。操作レバー45は、上記のモータコントローラ37と共に作業判別部46に接続されており、作業判別部46は、操作レバー45からの操作信号に基づいて作業モードを判別する。作業判別部46は、発電機出力制御部51に接続されており、発電機出力制御部51は、図2の出力変更ルーチンを実行することによって、作業モードに対応した発電機11の発電出力となるようにエンジン10の回転速度をガバナ制御等により制御する。尚、発電機出力制御部51は、エンジン10を制御する代わりに、界磁電流制御等により発電機11を制御するようになっていても良い。
【0018】上記の作業判別部46で作業モードに応じた電力を出力する発電機11は、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、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、作業モード等に基づいて任意に実行する。
【0019】上記の構成において、ハイブリッドショベルの制御装置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および作業判別部46にそれぞれ入力される。そして、モータコントローラ37においては、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から放電した電力を利用して作業を開始する。また、作業判別部46においては、操作信号の特徴を抽出し、作業を判別する。作業判別方法としては、例えば特開平9−217702号公報に示されるものを用いる。
【0021】上記のようにして作業判別部46で認識された作業モードは、発電機出力制御部51に信号出力される。この際、発電機出力制御部51は、図3に示すように、出力変更ルーチンを実行しており、作業判別部46から作業モード信号(作業内容)を取り込むことによって、信号中に含まれる作業モード(作業内容)を認識する。作業モードを認識すると、図5に示すように、記憶部に格納された作業モードと発電機11の出力との関係から、認識した作業モードに対応した発電機11の出力データを選択する。例えば“ばらまき”の作業モードであると認識した場合には、この作業モードに対応して設定された4kWの出力データを選択し、“押しつけ堀削”の作業モードであると認識した場合には、この作業モードに対応して設定された20kWの出力データを選択する(S2)。
【0022】この後、選択した出力データに対応したエンジン10の回転速度を求め、この回転速度となるようにエンジン10を制御する(S3)。これにより、例えば“ばらまき”の作業モードで作業が行われる場合には、発電機11で発電される電力(4kW)が小さなものになるが、図4に示すように、“ばらまき”の作業モードが小さな作業負荷であって主バッテリ12の放電量が僅かなものであるため、過剰な充電を回避しながら効率良く充電することができる。また、例えば“押しつけ堀削”の作業モードで作業が行われる場合には、発電機11で発電される電力(20kW)が大きなものになるが、“押しつけ堀削”の作業モードが大きな作業負荷であって主バッテリ12の放電量が大きなものであるため、過剰な放電を回避しながら効率良く充電することができる。
【0023】この後、作業モード信号や操作信号等の状態を監視することによって、作業が終了したか否かを判定し(S4)、作業が終了していなければ(S4,NO)、上述の作業モードに対応して選択した発電機11の出力を維持するように、エンジン10を制御する。そして、作業が終了すれば(S4,YES)、次の作業モードに対応した制御を行うようにS1から再実行する。
【0024】以上のように、本実施形態のハイブリッドショベルの制御装置は、図1に示すように、エンジン10で駆動される発電機11の電力により主バッテリ12を充電可能であると共に、少なくとも主バッテリ12から放電される電力により電動機6等を作動させることにより作業可能なものであって、作業モード(作業内容)の作業負荷に応じて発電機11から出力される電力を変更する発電機出力制御部51(出力変更手段)を有した構成にされている。
【0025】上記の構成によれば、作業モードの作業負荷に応じて発電機11から出力される電力を変更すると、大きな作業負荷のときには大きな電力が発電機11から出力され、小さな作業負荷のときには小さなで電力が発電機11から出力される。また、作業負荷は、電動機6等の消費電力に対して比例関係にあるため、大きな作業負荷のときには大きな電力が主バッテリ12から放電され、小さな作業負荷のときには小さなで電力が主バッテリ12から放電される。従って、所定の作業モードで作業が行われると、作業負荷に応じて主バッテリ12から放電される電力が増減することになるが、作業負荷に応じて発電機11から出力される電力も増減され、結果的に主バッテリ12への充電量も増減されるため、主バッテリ12が過剰に放電や充電されて劣化することはない。
【0026】また、本実施形態の制御装置は、オペレータにより操作される操作レバーと、操作レバーからの操作信号に基づいて作業モード(作業内容)を判別して発電機出力制御部51(出力変更手段)に出力する作業判別部46とを有した構成にされている。そして、この構成によれば、操作レバー45の操作信号を基にして作業モードを判別して認識することができるため、オペレータが作業モードを指定する手間を省力することができる。
【0027】尚、本実施形態の制御装置においては、作業判別部46により操作レバー45の操作信号に基づいて作業モードを認識するようになっているが、これに限定されるものではない。即ち、図6に示すように、制御装置は、オペレータにより作業モードを指定可能な作業モード切換えスイッチ49(作業内容切換えスイッチ)と、作業モード切換えスイッチ49で指定された作業モード(作業内容)を検出して発電機出力制御部51(出力変更手段)に出力する切換えスイッチ検出部50とを有した構成にされていても良い。そして、この構成によれば、作業モード切換えスイッチ49に指定された作業モードを高い信頼性で認識することができるため、誤認識による主バッテリ12の過剰な充電および放電を確実に防止することができる。
【0028】また、本実施形態の制御装置は、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業モードを実施す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のように複数の作業内容を実施可能な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によりバッテリを充電可能であると共に、少なくともバッテリから放電される電力により電動機を作動させることにより作業可能なハイブリッド建設機械の制御装置において、作業内容に応じて前記発電機から出力される電力を変更する出力変更手段を有する構成である。
【0030】上記の構成によれば、作業内容に応じて発電機から出力される電力を変更すると、大きな作業負荷のときには大きな電力が発電機から出力され、小さな作業負荷のときには小さなで電力が発電機から出力可能となる。また、作業負荷は、電動機の消費電力に対して比例関係にあるため、大きな作業負荷のときには大きな電力がバッテリから放電され、小さな作業負荷のときには小さなで電力がバッテリから放電される。従って、所定の作業内容で作業が行われると、作業負荷に応じてバッテリから放電される電力が増減することになるが、作業負荷に応じて発電機から出力される電力も増減され、結果的にバッテリへの充電量も増減されるため、バッテリが過剰に放電や充電されて劣化することはない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の制御装置であって、オペレータにより操作される操作レバーと、前記操作レバーからの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記出力変更手段に出力する作業判別部とを有する構成である。上記の構成によれば、操作レバーの操作信号を基にして作業内容を判別して認識することができるため、オペレータが作業内容を指定する手間を省力す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記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、オペレータにより作業内容を指定可能な作業内容切換えスイッチと、前記作業内容切替えスイッチで指定された作業内容を検出して前記出力変更手段に出力する切換えスイッチ検出部とを有する構成である。上記の構成によれば、作業内容切替えスイッチに指定された作業内容を高い信頼性で認識することができるため、誤認識によるバッテリの過剰な充電および放電を確実に防止することができるという効果を奏する。
【0033】請求項4の発明は、請求項1ないし3の何れか1項に記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、前記ハイブリッド建設機械が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、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業内容を実施す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という効果を奏する。




 

 


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