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JP2001011888A - ショベル - Google Patents

ショベル

Info

Publication number
JP2001011888A
JP2001011888A JP11183516A JP18351699A JP2001011888A JP 2001011888 A JP2001011888 A JP 2001011888A JP 11183516 A JP11183516 A JP 11183516A JP 18351699 A JP18351699 A JP 18351699A JP 2001011888 A JP2001011888 A JP 2001011888A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
battery
generator
power
shovel
engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP11183516A
Other languages
English (en)
Inventor
Tomoshi Yonezawa
智志 米澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Kobe Steel Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kobelco Construction Machinery Co Ltd, Kobe Steel Ltd filed Critical Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority to JP11183516A priority Critical patent/JP2001011888A/ja
Priority to DE60031545T priority patent/DE60031545T2/de
Priority to AT00940841T priority patent/ATE343686T1/de
Priority to EP00940841A priority patent/EP1199411B1/en
Priority to PCT/JP2000/004190 priority patent/WO2001000936A1/ja
Publication of JP2001011888A publication Critical patent/JP2001011888A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2058—Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2062—Control of propulsion units
    • E02F9/2075—Control of propulsion units of the hybrid type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines
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    • B60K6/28—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the electric energy storing means, e.g. batteries or capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W10/00—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
    • B60W10/24—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of energy storage means
    • B60W10/26—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of energy storage means for electrical energy, e.g. batteries or capacitors
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    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60Y2200/00—Type of vehicle
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
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  • Component Parts Of Construction Machinery (AREA)
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  • Control Of Vehicle Engines Or Engines For Specific Uses (AREA)
  • Fluid-Pressure Circuits (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パワーユニットを分割して小さな単位で分散
して設置でき、しかも、パワーユニットの機械的結合部
分の頻繁な切換を要しないととも、エネルギー効率を向
上させる。 【解決手段】 動力源としてのエンジン１０によって発
電機１１を駆動し、この発電機１１から供給される電力
によって単数の電動機１３を回転させ、この電動機１３
によって下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッチメン
トの各作動部を作動させる。また、二つのバッテリ１２
ａ，１２ｂをバッテリ切換装置２４により負荷特性に応
じて使い分けるようにした

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電動機を駆動源とす
る掘削機械としてのショベルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、油圧ショベルと称される一般的な
ショベルは、下部走行体（通常はクローラ）に上部旋回
体を搭載し、この上部旋回体に、ブームとアームとバケ
ットを備えた掘削アタッチメントを取付けて構成し、上
部旋回体に設置されたエンジンを動力源として油圧ポン
プを回転させ、その吐出油を油圧アクチュエータ（油圧
モータまたは油圧シリンダ）に供給して、走行、旋回、
ブーム起伏、アーム作動、バケット作動を行わせるよう
に構成している。
【０００３】しかし、この従来の油圧式ショベルは、エ
ンジンにかかる負担が大きくて燃費が悪く、排ガス、騒
音の問題を抱えている。
【０００４】そこで、最近、実開平５−４８５０１号公
報に示されているように、エンジンのパワーラインに電
動機を連結し、ポンプ負荷が軽い時には電動機をエンジ
ンの余剰トルクにより発電機として作用（回生作用）さ
せて、作られた電力をバッテリに蓄え、重負荷時にバッ
テリの蓄電力により電動機を駆動してエンジンをアシス
トするように構成し、これによりエンジン負荷を平滑化
し、排ガスの削減、燃費低減を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、この公知の
電動機駆動方式によると、エンジン−電動機−油圧ポン
プの経路で回転力を伝える構成をとっているため、この
三者を機械的に結合し、一つのパワーユニットとして一
個所に集中して設置する必要がある。
【０００６】このため、次のような欠点があった。
【０００７】 パワーユニットが大きくなり、その設
置部分（上部旋回体）にまとまった大きなスペースを要
するため、この点が機器配置の障害となり、とくに近年
主流となりつつある小旋回型のショベルに不適となる。
【０００８】 ショベルの負荷変動は、作業によって
は自動車等に比べると時間的にもレベル的にも格段に激
しく、上記パワーユニットの機械的結合部分の切換が頻
繁に行われるため、このパワーユニットの応答性や耐久
性の点で大きな問題となる。
【０００９】一方、ショベルには、掘削、水平引き、土
羽打ち（バケットで地面を均し固める作業）、吊り等、
様々な作業があり、それぞれの作業によって負荷特性が
異なっている。
【００１０】たとえば土羽打ちは負荷の時間変動が激し
くて作業サイクルが短い。これに対し、吊り作業は負荷
の時間変動が緩やかで作業サイクルが比較的長い。
【００１１】このため、電動機駆動方式において使用さ
れるバッテリの選択が難しい。
【００１２】そこで本発明は、電動機駆動方式におい
て、パワーユニットを分割して設置でき、しかも、パワ
ーユニットの機械的結合部分の頻繁な切換を要しないと
ともに、エネルギー効率を向上させることができるショ
ベルを提供するものである。
【００１３】また本発明は、電動機駆動方式において、
負荷特性に適合するバッテリを選択し使用することがで
きるショベルを提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、下部
走行体上に上部旋回体が搭載され、この上部旋回体に掘
削アタッチメントが設けられてなるショベルにおいて、
動力源としてのエンジンと、このエンジンによって駆動
される発電機と、この発電機から供給される電力によっ
て回転する単数の電動機とを具備し、この電動機によっ
て油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプからの油によっ
て上記下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッチメント
の各作動部の油圧アクチュエータを作動させるように構
成したものである。
【００１５】請求項２の発明は、請求項１の構成におい
て、発電機からの余剰電力をバッテリに蓄え、かつ、必
要に応じてこのバッテリの蓄電力によって電動機を駆動
するように構成したものである。
【００１６】請求項３の発明は、請求項２の構成におい
て、特性の異なる複数のバッテリを備え、かつ、バッテ
リをこの複数のうちで切換えるバッテリ切換手段を具備
するものである。
【００１７】請求項４の発明は、請求項３の構成におい
て、相対的に容量が大きくて応答性が低い第１のバッテ
リと、容量が小さくて応答性が高い第２のバッテリとを
具備するものである。
【００１８】上記構成によると、エンジン−発電機−電
動機−油圧ポンプの経路で駆動力が伝達される。すなわ
ち、パワーユニットをエンジン＋発電機の組と、電動機
＋油圧ポンプの組に分割し、これらを別々に設置するこ
とが可能となる。
【００１９】このため、一個所にまとまった大きな設置
スペースを必要とせず、とくに小旋回型のショベルに適
したものとなる。
【００２０】また、発電機と電動機とは電気配線によっ
て接続できるため、機械的結合部分の頻繁な切換を要し
ないとともに、エネルギーの伝達ロスを大幅に削減する
ことができる。
【００２１】一方、請求項２の構成によると、軽負荷時
に、発電機で発生した電力をバッテリに蓄え、重負荷重
にバッテリの蓄電力で発電機の電力不足を補い、あるい
は発電機に代わって負担することにより、負荷変動の激
しいショベルのエンジン負荷を平滑化し、排ガスの削減
及び燃費の低減を実現することができる。
【００２２】また、請求項３，４の構成によると、作業
によって負荷特性が異なるショベルにおいて、負荷特性
にマッチングしたバッテリを選択して使用することがで
きる。
【００２３】たとえば、吊り作業のように負荷の時間変
動が緩やかで作業サイクルが比較的長い作業の場合は応
答性は低いが容量の大きなバッテリ、土羽打ち作業のよ
うに負荷の時間変動が激しくて作業サイクルが短い作業
の場合は容量は小さいが応答性は高いバッテリをそれぞ
れ選択すればよい。
【００２４】これにより、バッテリの蓄電力をより効率
良く使用できるとともに、バッテリが一つの場合よりも
エンジン負荷をより平滑化し、エンジン騒音及び排ガス
を削減し燃費を低減することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図によって説
明する。
【００２６】第１実施形態（図１，２参照） 図１にこの実施形態にかかるショベル全体を示してい
る。
【００２７】同図において、１は下部走行体、２は上部
旋回体、３は上部旋回体２の前部に装着された掘削アタ
ッチメントである。
【００２８】下部走行体１は、左右のクローラフレーム
４及びクローラ（いずれれも片側のみ図示）５から成
り、両側クローラ５が、左右の走行用油圧モータ（図３
参照）６，７により個別に回転駆動されて走行する。
【００２９】上部旋回体２は、旋回フレーム８、キャビ
ン９等から成り、旋回フレーム８に、動力源としてのエ
ンジン１０と、このエンジン１０によって駆動される発
電機１１と、バッテリ１２と、電動機１３と、この電動
機１３によって駆動される油圧ポンプ１４と、旋回用油
圧モータ１５が設置されている。
【００３０】掘削アタッチメント３は、ブーム１６と、
このブーム１６を起伏させるブームシリンダ１７と、ア
ーム１８と、このアーム１８を回動させるアームシリン
ダ１９と、バケット２０と、このバケット２０を作動さ
せるバケットシリンダ２１とを具備している。
【００３１】図２はこのショベルの駆動系及び制御系の
ブロック構成を示している。
【００３２】同図において、実線矢印は電気駆動系、点
線矢印は油圧駆動系をそれぞれ示す。
【００３３】発電機１１と、電動機１３及びバッテリ１
２との間にインバータ２２が設けられ、このインバータ
２２により、 発電機１１で作られた交流電力が直流に変換されて
バッテリ１２に蓄えられ（充電作用）、 バッテリ１２の蓄電力が交流に変換されて電動機１
３に供給される（放電作用）。
【００３４】なお、インバータ２２には、図示しないが
切換手段が設けられ、オペレータの操作により、あるい
は負荷状況に応じて自動で、上記充放電作用の切換が行
われる。
【００３５】電動機１３によって駆動される油圧ポンプ
１４の圧油は、各油圧アクチュエータごとに設けられた
コントロールバルブ２３（ここでは一括して図示してい
る）を介して各油圧アクチュエータ（旋回及び走行用油
圧モータ６，７、ブーム、アーム、バケット各シリンダ
１７，１９，２１）に供給され、コントロールバルブ２
３によって各油圧アクチュエータの作動速度、トルク、
作動方向が制御される。
【００３６】上記の充放電作用を含めたこのショベ
ルの駆動・制御作用を次に説明する。
【００３７】エンジン１０が運転されると発電機１１が
駆動されて発電作用を行い、発生した交流電力により電
動機１３が駆動されてポンプ１４が回転し、上記のよう
に各油圧アクチュエータが作動することにより、各ショ
ベル動作（掘削、走行、旋回）が行われる。
【００３８】ここで、基本的には、電動機１３は、発電
機１１からインバータ２２経由で供給される電力によっ
て駆動されるが、重負荷時には、前記した切換手段の作
用により、バッテリ１２の蓄電力によって電力不足を補
い、逆に軽負荷時には発電機１１の余剰電力がバッテリ
１２に蓄えられる。
【００３９】一方、軽負荷時でかつバッテリ容量が十分
な場合は、エンジン１０の出力を低下させ、あるいはエ
ンジン停止させてバッテリ電力のみによって電動機１３
を駆動することもできる。
【００４０】このような作用により、エンジン負荷を平
滑化し、騒音及び排ガスを削減し、燃費を低減すること
ができる。
【００４１】このショベルによると、上記のようにエン
ジン１０−発電機１１−電動機１３−油圧ポンプ１４の
経路で回転力が伝達され、パワーユニットをエンジン１
０＋発電機１１の組と、電動機１３＋油圧ポンプ１４の
組に分けて設置することが可能となる。従って、一個所
にまとまった大きな設置スペースを必要としないため、
とくに小旋回型のショベルに適したものとなる。
【００４２】また、発電機１１と電動機１３は電気配線
によって接続できるため、エネルギーの伝達ロスを大幅
に削減することができる。
【００４３】第２実施形態（図３，４参照） 第１実施形態との相違点のみを説明する。
【００４４】第２実施形態においては、特性の異なる二
つのバッテリを負荷特性に応じて使い分ける構成をとっ
ている。
【００４５】すなわち、第１及び第２両バッテリ１２
ａ，１２ｂが、バッテリ切換装置２４を介してインバー
タ２２に接続されている。
【００４６】第１のバッテリ１２ａは、図４の実線で示
すように、第２バッテリ１２ｂとの比較上、応答性は高
い（時間に対する出力の立ち上がりが早い）が容量は小
さい特性を有し、たとえばコンデンサ形式のものが使用
される。
【００４７】これに対し、第２のバッテリ１２ｂは、図
４の破線で示すように、応答性は低いが容量は大きい特
性を有し、この両バッテリ１２ａ，１２ｂが、オペレー
タによる切換スイッチ形式のバッテリ切換装置２４の操
作によって選択される。
【００４８】従って、たとえば土羽打ち作業のように負
荷の時間変動が激しくて作業サイクルが短い作業の場合
には、出力は小さくても立ち上がりの早い電力供給が求
められるため応答性の良い第１バッテリ１２ａを選択
し、逆に吊り作業のように負荷の時間変動が緩やかで作
業サイクルが比較的長い場合には応答性は低くても大出
力が確保される第２バッテリ１２ｂを選択することによ
り、負荷特性に合った効率の良い作業を行うことができ
る。
【００４９】また、このバッテリ１２ａ，１２ｂの使い
分けにより、エンジン負荷がより平滑化されるため、エ
ンジンの小形化、効率使用が可能となり、エンジン騒音
及び排ガスを削減し、燃費を低減することができる。
【００５０】ところで、上記実施形態では、二種類のバ
ッテリ１２ａ，１２ｂを使い分けるようにしたが、より
細かく三種類以上のバッテリを使い分けるようにしても
よい。
【００５１】また、本発明は、掘削アタッチメント３に
おいてバケット２０に代えて他の作業工具（たとえば排
土板や破砕機）を取付けたショベル、掘削アタッチメン
ト３として図１に示すような手前側に掘削するバックホ
ー型のものに代えて、手前側から向こう側に掘削するロ
ーディング型のものを備えたショベル、下部走行体とし
てクローラに代えてホイールを用いたショベルにも適用
することができる。
【００５２】
【発明の効果】上記のように本発明によるときは、動力
源としてのエンジンによって発電機を駆動し、この発電
機から供給される電力によって一つの電動機を回転さ
せ、この電動機により油圧ポンプを駆動して下部走行
体、上部旋回体及び掘削アタッチメントの各作動部の油
圧アクチュエータを作動させる構成としたから、パワー
ユニットをエンジン＋発電機の組と、電動機＋油圧ポン
プの組に分割し、これらを別々に設置することが可能と
なる。
【００５３】このため、一個所にまとまった大きな設置
スペースを必要とせず、とくに小旋回型のショベルに適
したものとなる。
【００５４】また、各作動部を電動機によって駆動する
構成であり、発電機と電動機とは電気配線によって接続
できるため、機械的結合部分の頻繁な切換を要しないと
ともに、エネルギーの伝達ロスを大幅に削減することが
できる。
【００５５】一方、請求項２の発明によると、軽負荷時
に、発電機で発生した電力をバッテリに蓄え、重負荷重
にバッテリの蓄電力で発電機の電力不足を補い、あるい
は発電機に代わって負担することにより、負荷変動の激
しいショベルのエンジン負荷を平滑化し、排ガスの削減
及び燃費の低減を実現することができる。
【００５６】さらに、請求項３，４の発明によると、作
業によって負荷特性が異なるショベルにおいて、負荷特
性にマッチングしたバッテリを選択して使用することが
できる。
【００５７】たとえば、吊り作業のように負荷の時間変
動が緩やかで作業サイクルが比較的長い作業の場合は応
答性は低いが容量の大きなバッテリ、土羽打ち作業のよ
うに負荷の時間変動が激しくて作業サイクルが短い作業
の場合は容量は小さいが応答性は高いバッテリをそれぞ
れ選択すればよい。
【００５８】これにより、バッテリの蓄電力をより効率
良く使用できるとともに、バッテリが一つの場合よりも
エンジン負荷をより平滑化し、エンジン騒音及び排ガス
を削減し燃費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるショベルの全体
概略側面図である。
【図２】同ショベルの駆動・制御系のブロック構成図で
ある。
【図３】本発明の第２実施形態にかかるショベルの図２
相当図である。
【図４】同実施形態における第１及び第２両バッテリの
特性図である。
【符号の説明】
１ 下部走行体 ２ 上部旋回体 ３ 掘削アタッチメント １０ エンジン １１ 発電機 １２ バッテリ １３ 電動機 １４ 油圧ポンプ １６ 掘削アタッチメントの作動部としてのブーム １８ 同アーム ２０ 同バケット １７ ブームシリンダ １９ アームシリンダ ２１ バケットシリンダ ６，７ 左右の走行用油圧モータ １５ 旋回用油圧モータ ２３ コントロールバルブ １２ａ，１２ｂ 特性の異なる第１、第２バッテリ ２４ バッテリ切換装置（バッテリ切換手段）
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｐ 7/00 Ｆ１５Ｂ 11/00 Ｊ // Ｂ６０Ｋ 6/02 Ｂ６０Ｋ 9/00 Ｃ Ｆターム(参考） 2D015 CA01 3G093 AA10 AA15 AA16 BA19 BA20 BA32 DB27 EB00 EB05 EC04 3H089 BB04 CC08 CC11 DA02 DA14 GG02 JJ02 5H570 AA05 AA30 BB03 CC04 CC07 DD01

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下部走行体上に上部旋回体が搭載され、
    この上部旋回体に掘削アタッチメントが設けられてなる
    ショベルにおいて、動力源としてのエンジンと、このエ
    ンジンによって駆動される発電機と、この発電機から供
    給される電力によって回転する単数の電動機とを具備
    し、この電動機によって油圧ポンプを駆動し、この油圧
    ポンプからの油によって上記下部走行体、上部旋回体及
    び掘削アタッチメントの各作動部の油圧アクチュエータ
    を作動させるように構成したことを特徴とするショベ
    ル。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のショベルにおいて、発電
    機からの余剰電力をバッテリに蓄え、かつ、必要に応じ
    てこのバッテリの蓄電力によって電動機を駆動するよう
    に構成したことを特徴とするショベル。
  3. 【請求項３】 請求項２記載のショベルにおいて、特性
    の異なる複数のバッテリを備え、かつ、バッテリをこの
    複数のうちで切換えるバッテリ切換手段を具備すること
    を特徴とするショベル。
  4. 【請求項４】 請求項３記載のショベルにおいて、相対
    的に容量が大きくて応答性が低い第１のバッテリと、容
    量が小さくて応答性が高い第２のバッテリとを具備する
    ことを特徴とするショベル。
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