JP5699598B2

JP5699598B2 - 建設機械

Info

Publication number: JP5699598B2
Application number: JP2010292862A
Authority: JP
Inventors: 一茂小岩井; 允紀廣澤
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012140772A

Description

本発明は電動機の回生電力によって蓄電器に充電する一方、必要に応じて回生電力を回生抵抗で消費させる構成をとるショベル等の建設機械に関するものである。

ハイブリッドショベルを例にとって背景技術を説明する。

ハイブリッドショベルでは、エンジンに油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用とを行う電動機(以下、ハイブリッドショベルでの通称に従って発電電動機という)を接続し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動するとともに、発電電動機の発電機作用によって蓄電器に充電し、適時、この蓄電器電力により発電電動機に電動機作用を行わせてエンジンをアシストするように構成される。

このハイブリッドショベルにおいて、低温時には蓄電器の容量が低下し、蓄電器性能(放電性能)が低下して十分な電力が得られなくなるため、冬期等の低温環境では蓄電器についてもエンジンのように適温まで加熱する暖機対策をとることが望まれる。

この暖機対策として、蓄電器に専用の加熱装置を設けることが考えられるが、余分なコストがかかるため実用的でない。

一方、専用の加熱装置を用いない蓄電器暖機策として、蓄電器の温度が設定値以下になったときに、発電電動機を作動させて蓄電器に強制的に充放電作用を行わせ、内部加熱によって蓄電器温度を上昇させる技術(特許文献１参照)が公知である。

特開２０１０−１２７２７１号公報

ところが、一般的に低温での充電は蓄電器の劣化につながるため、暖機のために充放電を繰り返し行うことは蓄電器の寿命を縮めることになる。

とくに、内部抵抗の低い蓄電器では、充放電によって大電流が流れることで電極のリチウム析出も起こり易いため、劣化がより進み易くなる。

そこで本発明は、専用の加熱装置を用いずに、しかも蓄電器寿命に悪影響を与えない建設機械を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、蓄電器と、電動機作用と発電機作用とを行う電動機と、回生抵抗と、制御手段とを具備し、この制御手段により、上記電動機の発電機作用によって発生した電力を上記蓄電器に送って充電する一方、必要に応じて上記電力を上記回生抵抗で消費させるように構成された建設機械において、上記蓄電器を、上記回生抵抗の発熱により加熱されて暖機される状態で設けるとともに、蓄電器の温度を検出する蓄電器温度検出手段と、上記制御手段により制御されて上記電動機の接続先を上記蓄電器と上記回生抵抗の間で切換える切換手段を設け、上記制御手段は上記切換手段により、
(ｉ) 上記蓄電器温度検出手段によって検出された蓄電器温度が、上記蓄電器の暖機を行うべき温度範囲の上限値として予め設定された値以下のときに、上記電力が上記回生抵抗のみに供給されるように上記電動機を上記回生抵抗に接続し、
(ｉｉ) 上記蓄電器温度が、上記設定値を超えるときは上記電動機を上記蓄電器のみに接続する
ように構成したものである。

この構成によれば、蓄電器の満充電時のような充電不能時や電動機の緊急停止時に、電動機で発生した電力を熱として消費するための回生抵抗を備えた建設機械において、蓄電器温度が設定値以下のときに回生抵抗に電力供給し、その発熱を蓄電器の暖機に利用するため、暖気専用の加熱装置を用いずに蓄電器を暖機することができる。

しかも、低温下で蓄電器に強制的に充放電作用を行わせる場合のように蓄電器の寿命に悪影響を与えるおそれがない。

ここで、切換手段により、蓄電器温度の低下時には電動機を回生抵抗に接続し、蓄電器に対しては遮断するため、蓄電器の充放電が行われない。このため、低温下で充放電が行われることによる蓄電器の寿命低下を回避することができる。

本発明において、上記電動機をエンジンによって駆動し、上記制御手段は、上記電動機の発電機作用によって発生した電力を上記蓄電器に送って充電するとともに、この蓄電器の電力により上記電動機に上記電動機作用を行わせてエンジンをアシストし、かつ、必要に応じて上記電動機で発生した電力を上記回生抵抗で消費させるように構成することができる(請求項２)。

すなわち、エンジン動力と蓄電器電力を併用するハイブリッド建設機械において、電動機で発生した電力を回生抵抗に送って蓄電器の暖気を行うことができる。

また本発明において、駆動側と回生側とに作動する作業装置の駆動源として作業装置用電動機を備え、上記制御手段は、上記作業装置の回生側の作動時に作業装置用電動機で発生した回生電力を、必要に応じて上記回生抵抗で消費させるように構成することができる(請求項３)。

すなわち、作業装置(たとえば上部旋回体)を電動機(同、旋回電動機)で駆動する機械において、旋回制動時に電動機に発生する電力を回生抵抗に送って蓄電器の暖気を行うことができる。

本発明において、上記制御手段は、上記電動機の発電量を調整する発電量調整手段を備え、上記検出された蓄電器温度が設定値以下のときに、設定値を超えるときよりも上記電動機の発電量を増加させるように構成するのが望ましい(請求項４)。

この構成によれば、必要時に回生抵抗を大電流により速やかにかつ高温に発熱させて蓄電器温度を適温まで迅速に上昇させることができる。

本発明によると、専用の加熱装置を用いずに、しかも蓄電器寿命に悪影響を与えずに蓄電器を低温下で暖機することができる。

本発明の第１実施形態にかかるシステム構成を示す図である。第１実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。第１実施形態による蓄電器温度、電動機発電量、回生抵抗の消費電力、蓄電器充電電力の状況を示すグラフである。本発明の第２実施形態にかかるシステム構成を示す図である。

以下の実施形態ではハイブリッドショベルを適用対象としている。

第１実施形態(図１〜図３参照)
図１は第１実施形態のシステム構成を示す。

なお、図１において、動力系の回路を太線、信号系の回路を破線で示している。

図示のようにエンジン１に、発電機作用と電動機作用とを行う電動機(発電電動機)２と油圧ポンプ３とがタンデム(パラレルでもよい)に接続され、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、制御弁(アクチュエータごとに設けられているが、ここでは複数の制御弁の集合体として示す)４を介して油圧アクチュエータ５(たと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。

なお、図１では油圧ポンプ３が一台のみ接続された場合を示しているが、複数台が直列または並列に接続される場合もある。

発電電動機２には、コントローラ６とともに制御手段を構成するインバータ／コンバータ７を介してニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の蓄電器８が接続され、コントローラ６からの指令に基づくインバータ／コンバータ７からの制御信号により、蓄電器８の充電状態に応じた充放電作用、発電電動機２の発電機作用と電動機作用の切換え等が行われる。

すなわち、蓄電器８の充電量が低下すれば発電電動機２が発電機作用を行い、発生した電力が蓄電器８に送られて充電される一方、適時、この蓄電器８の電力により発電電動機２が電動機作用を行ってエンジン１をアシストする。

また、インバータ／コンバータ７は、後述するように蓄電器８の暖機時に発電電動機２の発電量を非暖機時よりも増加させる発電量調整手段としても機能する。

一方、蓄電器８が満充電状態にあって充電ができないときや、機械の緊急停止時に、発電電動機２で発生した電力を消費するための回生抵抗９が設けられている。

この回生抵抗９と蓄電器８は、回生抵抗９の発熱が蓄電器８に直接伝達されるように相近接して配置されている。

具体的には、たとえば蓄電器８及び回生抵抗９が一つのケーシングで覆われ、このケーシング内で回生抵抗９の発熱によって蓄電器８が加熱(暖機)される。

あるいは、両者を別々のケーシングで覆い、両ケーシング内の空気を通気穴で流通させる構成や、両ケーシング同士を密着させて伝熱させる構成をとってもよい。

また、蓄電器８及び回生抵抗９と発電電動機２(インバータ／コンバータ７)とを結ぶ回路１０中に、コントローラ６からの指令に応じて発電電動機２の接続相手を蓄電器８と回生抵抗９との間で切換える切換手段としてのスイッチ装置(図では単純化して切換スイッチとして示す)１１が設けられている。

図中、１１ａはこのスイッチ装置１１の蓄電器側接点、１１ｂは同、回生抵抗側両接点、１２は蓄電器側接点１１ａと蓄電器８とを結ぶ蓄電器側回路、１３は回生抵抗側接点１１ｂと回生抵抗９とを結ぶ回生抵抗側回路である。

さらに、蓄電器８の温度を検出する蓄電器温度検出手段として温度センサ１４が設けられ、この温度センサ１４によって検出された蓄電器温度信号がコントローラ６に入力される。

コントローラ６は、この検出された蓄電器温度が、蓄電器８の暖機を行うべき温度範囲の上限値として予め設定された値(設定値)以下のときに、スイッチ装置１１を回生抵抗側回路１３側に切換えるとともに、設定値を超えるとき(以下、平常時という)よりも発電電動機２の発電量を増加させ、この電力を回生抵抗９に送る。

この点の作用を図２のフローチャート及び図３のグラフによって詳述する。

図２に示すように、制御開始とともに蓄電器温度が設定値以下か否かが判断され、ＮＯ(平常時)のときは、蓄電器８の暖機が不要としてステップＳ２に移り、通常の制御として、スイッチ装置１１を蓄電器側回路１２に設定するとともに、発電電動機２の発電機作用によって発生した電力を蓄電器８に送って充電させる(ステップＳ３)。

一方、ステップＳ１でＹＥＳ(設定値以下)のときは、蓄電器８の暖機が必要であるとして、まずステップＳ４でスイッチ装置１１を回生抵抗側回路１３に切換えるとともに、ステップＳ５で発電電動機２への発電量を増加させる指令を出し、ステップＳ６で、この指令に基づいて発電電動機２で発電された電力〔図３(ｂ)〕を回生抵抗９に送る。

これにより、回生抵抗９が発熱し〔図３(ｃ)〕、この回生抵抗９からの熱により蓄電器８が加熱されて昇温する〔図３(ａ)〕。すなわち、蓄電器８の暖機作用が行われる。

この蓄電器暖機中、図３(ｄ)に示すように蓄電器８に充電のために供給される電力は０となる。

また、蓄電器暖機作用によって蓄電器温度が設定値を超えると、ステップＳ１からステップＳ２に移ってスイッチ装置１１が蓄電器側回路１２に切換わり、通常の蓄電器８の充電作用が行われる。

このように、蓄電器温度が設定値以下のときに回生抵抗９に電力供給し、その発熱を蓄電器８の暖機に利用する構成としているため、暖気専用の加熱装置を用いずに蓄電器８を、良好な性能を発揮し得る温度まで暖機することができる。

しかも、低温下で蓄電器８に強制的に充放電作用を行わせる場合のように蓄電器８の寿命に悪影響を与えるおそれがない。

また、蓄電器温度が設定値以下のときに、設定値を超えるときよりも発電電動機２の発電量を増加させるため、回生抵抗９を大電流により速やかにかつ高温に発熱させて蓄電器温度を適温まで迅速に上昇させることができる。

第２実施形態(図４参照)
第１実施形態との相違点のみを説明する。

第２実施形態は、上部旋回体を旋回電動機１５によって旋回駆動するハイブリッドショベルにおいて、旋回制動時に旋回電動機１５に発生する回生電力を回生抵抗９に送って蓄電器８の暖機を行うように構成されている。

旋回電動機１５は、図示しない操作手段の操作に基づき、コントローラ６と、このコントローラ６及び電動機用インバータ／コンバータ７とともに制御手段を構成する旋回電動機用のインバータ／コンバータ１６とによって制御される。

この旋回電動機１５は、インバータ／コンバータ１６を介して、発電電動機２の回路とパラレルに回路１０に接続され、旋回制動時に発生した電力(旋回回生電力)が、通常は、スイッチ装置１１及び蓄電器側回路１２を通って蓄電器８に充電電力として送られる。

一方、蓄電器温度が設定値以下のときは、コントローラ６からの指令に基づくスイッチ装置１１の回生抵抗側回路１３への切換わり動作により、旋回回生電力が回生抵抗側回路１３を通って回生抵抗９に送られ、蓄電器８の暖機作用が行われる。

なお、この場合、旋回電動機１５の旋回回生電力のみを回生抵抗９に送るように構成してもよいし、発電電動機２で発生した電力も回生抵抗９に併せて送るように構成してもよい。

この第２実施形態の構成によっても、基本的に第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

加えて、発電電動機２の発電電力を減らすことができるため、エンジン１の消費エネルギーを節減し、燃料消費を抑えることができる。

ところで、第２実施形態の構成は、旋回駆動源として油圧ユニットと電動ユニットを併用するハイブリッドショベルにも適用することができる。

また、第２実施形態の応用形態として、ブームやアーム等の他の作業装置を電動機で駆動する構成をとるハイブリッドショベルにおいて、上記他の作業装置用の電動機の回生電力を旋回回生電力等の他の回生電力と組み合わせて、あるいは単独で回生抵抗９に送るように構成してもよい。

さらに、本発明はハイブリッドショベル以外のハイブリッド建設機械にも、またハイブリッド建設機械に限らず、電動機作用と発電機作用を行う電動機と、電動機の電源となる蓄電器と、電動機の発電機作用による電力を消費する回生抵抗を備えた建設機械に広く適用することができる。

１エンジン
２電動機(発電電動機)
３油圧ポンプ
６制御手段を構成するコントローラ
７同、インバータ／コンバータ
８蓄電器
９回生抵抗
１０電動機と蓄電器及び回生抵抗とを接続する回路
１１スイッチ装置
１１ａ蓄電器側接点
１１ｂ回生抵抗側接点
１２蓄電器側回路
１３回生抵抗側回路
１４温度センサ(蓄電器温度検出手段)
１５旋回電動機
１６旋回電動機用のインバータ／コンバータ

Claims

蓄電器と、電動機作用と発電機作用とを行う電動機と、回生抵抗と、制御手段とを具備し、この制御手段により、上記電動機の発電機作用によって発生した電力を上記蓄電器に送って充電する一方、必要に応じて上記電力を上記回生抵抗で消費させるように構成された建設機械において、上記蓄電器を、上記回生抵抗の発熱により加熱されて暖機される状態で設けるとともに、蓄電器の温度を検出する蓄電器温度検出手段と、上記制御手段により制御されて上記電動機の接続先を上記蓄電器と上記回生抵抗の間で切換える切換手段を設け、上記制御手段は上記切換手段により、
(ｉ) 上記蓄電器温度検出手段によって検出された蓄電器温度が、上記蓄電器の暖機を行うべき温度範囲の上限値として予め設定された値以下のときに、上記電力が上記回生抵抗のみに供給されるように上記電動機を上記回生抵抗に接続し、
(ｉｉ) 上記蓄電器温度が上記設定値を超えるときは上記電動機を上記蓄電器に接続する
ように構成したことを特徴とする建設機械。
上記電動機をエンジンによって駆動し、上記制御手段は、上記電動機の発電機作用によって発生した電力を上記蓄電器に送って充電するとともに、この蓄電器の電力により上記電動機に上記電動機作用を行わせてエンジンをアシストし、かつ、必要に応じて上記電動機で発生した電力を上記回生抵抗で消費させるように構成したことを特徴とする請求項１記載の建設機械。
駆動側と回生側とに作動する作業装置の駆動源として作業装置用電動機を備え、上記制御手段は、上記作業装置の回生側の作動時に上記作業装置用電動機で発生した回生電力を、必要に応じて上記回生抵抗で消費させるように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の建設機械。
上記制御手段は、上記電動機の発電量を調整する発電量調整手段を備え、上記検出された蓄電器温度が設定値以下のときに、設定値を超えるときよりも上記電動機の発電量を増加させるように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の建設機械。