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JP4012885B2 - 作業機械の動力源装置 - Google Patents

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Description

本発明はエンジン動力と電力を併用するハイブリッド式の作業機械の動力源装置に関するものである。
ハイブリッド式の作業機械においては、たとえばエンジンによって油圧ポンプと発電機をパラレルに駆動し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動する一方、発電機と、この発電機の出力で充電された蓄電装置とによって電動機等を駆動する構成がとられる。
あるいは、エンジンで発電機を駆動し、この発電機の発電力と蓄電装置の蓄電力によって電動機を回転させ、この電動機で油圧ポンプを駆動する構成がとられる(特許文献１,２参照)。
また、上記蓄電装置として、作業装置や走行装置といった駆動系に対する電源となる主蓄電装置としてのキャパシタ(通常は電気二重層コンデンサが用いられる)と、制御装置や電装品等の補機系に対する電源となる補助蓄電装置(通常は二次電池が用いられる)を併備するものが公知である。
上記キャパシタは、鉛蓄電池やニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池と比較して遥かに高寿命であるという特長を備え、ショベルのように多数の充放電を繰り返す作業機械の主蓄電装置として適している。
特開２０００−２８３１０７号公報 特開平１０−４２５８７号公報
一方、キャパシタの弱点は、満充電(フロート)またはそれに近い状態(以下、満充電状態という)が継続した場合の劣化が激しい点にあり、この劣化によって静電容量の低下(エネルギー密度の減少)、内部抵抗の増加(出力密度の減少)が起こり、キャパシタが本来持っている寿命が低下することとなる。
この点、従来のハイブリッド作業機械においては、作業終了直前の作業負荷に対する充放電状態によって、キャパシタの充電量(電圧)が異なるものの、たとえば軽負荷状態が継続してキャパシタが満充電状態でその日の作業が終了し、翌日まで放置された場合には、キャパシタの寿命が短縮されるという問題があった。
なお、対策として、作業中、キャパシタの充電量を満充電未満のレベルに抑制する(設定値で充電停止させる)ことが考えられる。この場合、エンジン出力を下げるか、エンジンを停止してキャパシタから負荷へ動力供給を行なうことになるが、前者の場合はエンジン効率が低下し、後者の場合もエンジン停止・起動頻度が増えてシステムとしての効率低下につながる。
そこで本発明は、キャパシタの満充電状態が長時間継続することを回避し、しかもエネルギーを有効利用することができる作業機械の動力源装置を提供するものである。
請求項１の発明は、エンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、主蓄電装置としてのキャパシタと、補助蓄電装置とを備え、上記発電機出力を上記キャパシタ及び補助蓄電装置に蓄えるように構成された作業機械の動力源装置において、機械の作業終了を検出する作業終了検出手段と、上記キャパシタの充電量を検出するキャパシタ充電量検出手段と、充電制御手段とを備え、この充電制御手段は、上記作業終了検出手段によって作業の終了が検出され、かつ、このとき上記キャパシタ充電量検出手段によって検出されるキャパシタの充電量が予め定められた放電設定値よりも高い場合に、キャパシタから上記補助蓄電装置に向けて放電させる放電制御を行うように構成されたものである。
請求項２の発明は、請求項1の構成において、上記充電制御手段は、上記補助蓄電装置の充電量を、作業時には定格値よりも小さい第１の充電設定値以下に制限し、上記放電制御時にはこの第１の充電設定値よりも高い第２の充電設定値に上げるように構成されたものである。
本発明によると、作業終了時点でキャパシタの充電量が放電設定値を超える場合に、この超過分がキャパシタから補助蓄電装置に向けて放電される。
このため、満充電状態とならない充電量として放電設定値を設定しておくことにより、満充電状態のまま放置される事態を回避し、これによってキャパシタの劣化を防止することができる。
しかも、キャパシタの充電作用そのものを抑制するのではなく、キャパシタの余分な電力を補助蓄電装置に移すため、キャパシタの能力を最大限に活用しつつ高いシステム効率で稼動することができる。
ところで、作業終了時点で補助蓄電装置が満充電状態であると、キャパシタからこの補助蓄電装置への放電が行われず、所期の目的が達成できなくなる。
この点、請求項２の発明によると、補助蓄電装置の充電量を、作業時には定格値よりも小さい第1の充電設定値以下に制限して空き容量を確保し、作業終了時(放電制御時)に第１の設定値よりも高い第２の充電設定値に上げて上記空き容量分でキャパシタからの放電分を受け入れるため、作業終了時のキャパシタの放電作用を確保することができる。
図１は実施形態にかかる作業機械(たとえばショベル)の駆動系及び制御系のブロック構成を示す。
同図において、動力源としてのエンジン１にパワーデバイス２を介して油圧ポンプ３と、一台で発電機作用と電動機作用を行う発電機兼電動機４とがパラレルに接続され、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、制御弁を介して作業装置用の油圧アクチュエータ(いずれも図示省略)が接続され、油圧ポンプ３から供給される圧油によってこれら油圧アクチュエータが駆動される。
一方、発電機兼電動機４には、整流器、コンバータ等から成る制御器５を介して主蓄電装置としてのキャパシタ(通常は二重層コンデンサ)６が接続され、このキャパシタ６から作業用電動機等の駆動系に電力(たとえば３００Ｖ)が供給される。
また、制御器５には、電力変換装置７を介して補助蓄電装置としての補助バッテリ(たとえば鉛蓄電池)８が接続され、この補助バッテリ８から作業灯や電装品等の補機類に電力(たとえば２４Ｖ)が供給される。
キャパシタ６及び補助バッテリ８にはそれぞれ充電量検出手段としての電圧センサ９,１０が設けられ、この電圧センサ９,１０によって検出された両者の電圧(充電量)が充電制御装置１１に送られる。
また、作業終了検出手段としてのエンジンキースイッチ１２が充電制御装置１１に接続され、同スイッチ１２がオフ操作されたときにその信号が作業終了信号として充電制御装置１１に送られる。
この充電制御装置１１において、補助バッテリ８の充電電圧についてたとえば定格電圧の８０％程度に当たる充電電圧(第１の充電設定値)Ｖlowerと、定格電圧またはこれに近い値に当たる充電電圧(第２の充電設定値)Ｖupperとが設定され、作業時と作業終了時とに応じて、この２種類の設定値Ｖlower,Ｖupperの一方が選択されて電力変換装置７に補助バッテリ充電電圧の指令として送られる。
充電制御装置１１には、放電電圧設定手段１３によってキャパシタ６の放電を開始すべき電圧(放電設定値)Ｖｃｄが設定され、作業終了時にキャパシタ電圧Ｖｃがこの放電開始電圧Ｖｃｄよりも高い場合に、充電制御装置１１から電力変換装置７に、キャパシタ６の電力を補助バッテリ８に移すための充電切換指令が出される。
すなわち、充電制御装置１１と電力変換装置７と放電電圧設定手段１３とによって充電制御手段が構成され、この充電制御手段により、作業終了後にキャパシタ６が過充電状態のまま放置される事態を回避するための制御が行なわれる。
この制御の内容を図２のフローチャートを併用して詳述する。
制御開始とともに、作業時と作業終了時(放電制御時)における補助バッテリ充電電圧(第１及び第２の充電設定値)Ｖlower,Ｖupperの設定が行われる(ステップＳ１)。
そしてステップＳ２で作業終了か否かの判断がなされ、作業中の場合(ＮＯの場合)は、充電制御装置１１から電力変換装置７に補助バッテリ充電電圧を第１の充電設定値Ｖlowerとする指令が出される(ステップＳ３)。
これにより、補助バッテリ８に第１の充電設定値Ｖlowerを上限とした充電が行なわれる。このため、補助バッテリ８に、作業終了時のキャパシタ６からの放電電力を受け入れるための空き容量が確保される。
一方、ステップＳ２で作業終了が判断された場合(ＹＥＳの場合)は、ステップＳ４で、設定されたキャパシタ放電開始電圧Ｖｃｄとキャパシタ電圧Ｖｃの検出が行なわれた後、ステップＳ５でキャパシタ放電開始電圧Ｖｃｄとキャパシタ電圧Ｖｃとが比較される。
ここでＹＥＳの場合(Ｖｃ＜Ｖｃｄの場合)は、キャパシタ６が満充電状態でなく、キャパシタ６から放電させる必要がないため、制御終了となる。
これに対してＮＯの場合(Ｖｃ≧Ｖｃｄの場合)は、キャパシタ６が満充電状態であるため放電が必要として、充電制御装置１１から電力変換装置７に補助バッテリ充電電圧を第２の充電設定値Ｖupperに上げる充電切換指令が出される。
これにより、キャパシタ６から補助バッテリ８に向けて放電が行われる。
この放電作用は、Ｖｃ＜Ｖｃｄとなるまで(この間に補助バッテリ電圧がＶupperに達することのないようにＶlower,Ｖupperを設定しておく)行なわれる。
このように、作業終了時点でキャパシタ６の電圧(充電量)Ｖｃが放電開始電圧(放電設定値)Ｖｃｄよりも高い場合に、この放電開始電圧Ｖｃｄを超える電力分をキャパシタ６から補助バッテリ８に向けて放電するため、放電開始電圧Ｖｃｄをキャパシタ６の満充電状態とならない値に設定しておくことにより、作業終了後、キャパシタ６が過充電状態のまま放置される事態を回避することができる。このため、キャパシタ６の劣化を防止し、その本来の寿命を確保することができる。
しかも、キャパシタ６の充電作用そのものを抑制するのではなく、キャパシタ６の余分な電力(過充電分)を補助バッテリ８に移すため、キャパシタ６の能力を最大限に活用しつつ高いシステム効率で稼動することができる。
また、補助バッテリ８の充電電圧を、作業時には定格値よりも小さい第1の充電設定値Ｖlower以下に制限して補助バッテリ８に空き容量を確保し、作業終了時(放電制御時)に第１の充電設定値Ｖlowerよりも高い第２の充電設定値Ｖupperに上げて上記空き容量分でキャパシタ６からの放電分を受け入れるため、上記作業終了時のキャパシタ６の放電作用を確保することができる。
ところで、補助バッテリ８が複数設けられている場合等、補助バッテリ８にキャパシタ６の放電を受け入れる余裕が確保される環境では、必ずしも作業中における補助バッテリ８の充電量を規制する必要はない。
また、上記実施形態では、エンジン１で発電機兼電動機４を駆動し、エンジン負荷が高い場合に発電機兼電動機４の電動機作用によってエンジン１をアシストする構成を例示したが、発電機と電動機を別々に設けてもよい。
また本発明は、上記実施形態で挙げたような、エンジンで油圧ポンプと発電機をパラレルに駆動する所謂パラレル方式をとるハイブリッド作業機械に限らず、エンジンで発電機を駆動し、その発電電力で電動機を回転させて油圧ポンプを駆動する所謂シリーズ方式をとるハイブリッド作業機械にも適用することができる。
本発明の実施形態にかかる作業機械の駆動系及び制御系のブロック構成図である。 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。
符号の説明
１ エンジン
２ パワーデバイダ
３ 油圧ポンプ
４ 発電機兼電動機
６ キャパシタ
８ 補助バッテリ
７ 充電制御手段を構成する電力変換装置
１１ 同、充電制御装置
１３ 同、放電電圧設定手段

Claims (2)

  1. エンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、主蓄電装置としてのキャパシタと、補助蓄電装置とを備え、上記発電機出力を上記キャパシタ及び補助蓄電装置に蓄えるように構成された作業機械の動力源装置において、機械の作業終了を検出する作業終了検出手段と、上記キャパシタの充電量を検出するキャパシタ充電量検出手段と、充電制御手段とを備え、この充電制御手段は、上記作業終了検出手段によって作業の終了が検出され、かつ、このとき上記キャパシタ充電量検出手段によって検出されるキャパシタの充電量が予め定められた放電設定値よりも高い場合に、キャパシタから上記補助蓄電装置に向けて放電させる放電制御を行うように構成されたことを特徴とする作業機械の動力源装置。
  2. 請求項１記載の作業機械の動力源装置において、上記充電制御手段は、上記補助蓄電装置の充電量を、作業時には定格値よりも小さい第１の充電設定値以下に制限し、上記放電制御時にはこの第１の充電設定値よりも高い第２の充電設定値に上げるように構成されたことを特徴とする作業機械の動力源装置。
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