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JP5970898B2 - 動力伝達装置及びこれを備えたハイブリッド建設機械 - Google Patents

動力伝達装置及びこれを備えたハイブリッド建設機械 Download PDF

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JP5970898B2
JP5970898B2 JP2012068717A JP2012068717A JP5970898B2 JP 5970898 B2 JP5970898 B2 JP 5970898B2 JP 2012068717 A JP2012068717 A JP 2012068717A JP 2012068717 A JP2012068717 A JP 2012068717A JP 5970898 B2 JP5970898 B2 JP 5970898B2
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Japan
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允紀 廣澤
允紀 廣澤
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Kobelco Construction Machinery Co Ltd
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Kobelco Construction Machinery Co Ltd
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Description

本発明は、エンジンと、エンジンの動力により発電する発電機と、発電機により発電された電力により駆動可能な油圧ポンプとを有するハイブリッド建設機械に関する。
前記ハイブリッド建設機械としては、従来から、シリーズハイブリッドシステムを採用するものと、パラレルハイブリッドシステムを採用するものとが知られている。
シリーズハイブリッドシステムを採用する建設機械は、例えば、特許文献１に記載されている。具体的に、特許文献１に記載の建設機械は、エンジンと、エンジンによって駆動される発電機と、発電機によって発電された電力が供給される電動機と、電動機によって駆動される油圧ポンプとを備えている。このシリーズハイブリッドシステムでは、エンジンと油圧ポンプとが機械的に接続されていない。
一方、パラレルハイブリッドシステムでは、エンジンと、エンジンにより駆動される油圧ポンプと、エンジンの動力により発電機として作動することにより蓄電器に蓄電可能で、かつ、蓄電器からの電力により電動機として作動することにより油圧ポンプを駆動するエンジンをアシスト可能な発電電動機とを備えている。
特開２００１−３２９５７３号公報
しかしながら、シリーズハイブリッドシステムを採用する建設機械では、エンジンと油圧ポンプとが機械的に接続されていないため、エンジンの動力を直接油圧ポンプの動力として利用することができない。したがって、油圧ポンプを駆動するための電動機に高出力が要求され、電動機が大型化する結果、レイアウトの自由度が低下する。また、エンジンの出力に余裕がある場合であっても、エンジン動力を直接油圧ポンプに伝達することができない。さらに、電気系統に故障が生じた場合に、油圧ポンプを駆動することによる緊急退避動作を行なわせることも困難である。
一方、パラレルハイブリッドシステムでは、１台の発電電動機を発電機及び電動機として兼用するため、発電電動機を効率よく使用することができない。具体的に、発電電動機の発電時の出力と、アシスト時の出力とが異なる一方、１台の発電電動機に設定された定格出力は１つであるため、発電時及びアシスト時のそれぞれにおいて定格出力を有効に利用することができない。
本発明の目的は、エンジンの動力を油圧ポンプの動力として直接利用することができるとともに、発電及びアシストを効率よく行なうことができる動力伝達装置及びこれを備えたハイブリッド建設機械を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、ハイブリッド建設機械に設けられる動力伝達装置であって、エンジンと、前記エンジンの動力により作動することによって発電可能な発電機と、前記発電機により発電された電力を蓄電可能なバッテリと、前記エンジンの動力及び前記バッテリの電力により作動可能な電動機と、前記電動機の作動により駆動するように前記電動機に接続された油圧ポンプと、前記エンジンの動力が前記発電機と前記電動機とに分配されるように、前記エンジン、前記発電機、及び前記電動機に接続されたパワーデバイダとを備え、前記パワーデバイダは、前記発電機の回転数が前記電動機の回転数よりも高くなるように、前記エンジンの回転数を変化させる変速機構を有し、前記変速機構は、前記発電機の定格出力と前記電動機の定格出力との比に相当するギヤ比を有するギヤ機構を有している、動力伝達装置を提供する。
本発明では、発電用の発電機とエンジンをアシストするための電動機とを個別に備えているとともに、これら発電機及び電動機がパワーデバイダを介してエンジンに接続されている。これにより、エンジンの動力により発電を行いながらエンジンの動力を直接電動機（油圧ポンプ）の動力として利用することができる。一方、バッテリの電力により電動機を作動させることにより油圧ポンプを駆動する、つまり、エンジンをアシストすることができる。
そのため、本発明は、シリーズハイブリッドシステムと異なり、次の効果を奏する。具体的に、エンジンの動力を直接油圧ポンプの動力として利用できるため、電動機に要求される出力を小さく抑えることができ、電動機を小さくすることができる。また、エンジンの出力に余裕がある場合又は電気系統に故障が生じた場合には、エンジンの動力を用いて油圧ポンプを駆動することができる。
また、本発明は、パラレルハイブリッドシステムと異なり、次の効果を奏する。具体的に、本発明によれば、発電用の発電機とアシスト用の電動機とを個別に備えている。そのため、発電時の出力に応じた定格出力を持つ発電機を選択するとともに、アシスト時の出力に応じた定格出力を持つ電動機を選択することにより、発電及びアシストを効率よく行なうことができる。
したがって、本発明によれば、エンジンの動力を油圧ポンプの動力として直接利用することができるとともに、発電及びアシストを効率よく行なうことができる。
また、本発明では、前記パワーデバイダは、前記発電機の回転数が前記電動機の回転数よりも高くなるように、前記エンジンの回転数を変化させる変速機構を有する。
このように本発明では、変速機構により発電機の回転数が電動機の回転数よりも高く設定される。これにより、発電機の小型化及び発電効率の向上を図ることができる。具体的に、要求される出力を得るに当たり発電機の回転数を高めることができれば、発電機の容量を小さく抑えることができるため、発電機の小型化を図ることができる。また、発電機では回転数が高くなるほど高効率で駆動しやすいため、発電機の回転数を高めることにより、発電効率を向上することができる。
前記動力伝達装置において、前記変速機構は、前記エンジンの回転数を増加させた状態で前記エンジンの動力を前記発電機に伝達し、前記パワーデバイダは、前記エンジンの回転数を維持した状態で前記エンジンの動力を前記電動機に伝達することが好ましい。
この態様では、エンジンの回転数を基準として、発電機の回転数が増加するとともに、電動機の回転数が維持される。これにより、上述した発電機の小型化及び発電効率を図りながら、エンジンと油圧ポンプとが直結される建設機械に用いられる油圧ポンプを、その仕様を変更することなく利用することができる。したがって、複数種類の建設機械において油圧ポンプの共通化を図ることができる。
前記動力伝達装置において、前記パワーデバイダと前記電動機との間の動力の伝達経路を接続する接続状態と、前記パワーデバイダと前記電動機との間の動力の伝達経路を分断する分断状態との間で切換動作可能なクラッチと、前記バッテリの充電量を検出可能な充電量検出器と、前記充電量検出器により検出されたバッテリの充電量が規定値以上である場合に、前記クラッチを分断状態に切り換え、前記バッテリの電力により前記電動機を作動させ、さらに、エンジンを停止させる動力制御手段とを備えていることが好ましい。
この態様によれば、バッテリの充電量に余裕がある場合に、エンジンを停止させて、電動機の出力のみで油圧ポンプを駆動することができる。これにより、燃費の低減を図ることができる。
具体的に、前記動力制御手段は、前記クラッチを接続状態と分断状態との間で切り換えるためのクラッチ切換部材と、前記電動機の駆動を制御する電動機制御器と、前記エンジンの駆動を制御するエンジン制御器と、前記充電量検出器からの検出結果に基づいて、前記クラッチ切換部材、前記電動機制御器、及び前記エンジン制御器に対して制御指令を出力する動力制御器とを備えている構成とすることができる。
また、本発明は、油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプを有する前記動力伝達装置とを備えている、ハイブリッド建設機械を提供する。
本発明によれば、エンジンの動力を油圧ポンプの動力として直接利用することができるとともに、発電及びアシストを効率よく行なうことができる。
本発明の実施形態に係るハイブリッドショベルの全体構成を示す右側面図である。 図１のハイブリッドショベルが有する動力伝達装置の概略構成を示すブロック図である。 図２に示す発電機の駆動効率及び図２に示す電動機の駆動効率を示すグラフである。 パラレルシステムを採用するハイブリッドショベルの発電電動機の駆動効率を示すグラフである。 図２に実施器形態の変形例に係る動力伝達装置の概略構成を示すブロック図である。 図５に示す発電機の駆動効率を示すグラフである。 図５に示す動力制御器により実行される処理を示すフローチャートである。
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
本発明に係るハイブリッド建設機械の一例であるハイブリッドショベル１は、自走式の下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に設けられた上部旋回体３と、図２に示す動力伝達装置４とを備えている。
下部走行体２は、左右一対のクローラ２ａと、これらクローラ２ａにそれぞれ設けられた図外の走行モータとを備えている。
上部旋回体３は、下部走行体２上に旋回可能に取り付けられたアッパーフレーム５と、アッパーフレーム５を前記下部走行体２に対して旋回動作させる図外の旋回モータと、アッパーフレーム５に対して起伏可能に設けられた作業アタッチメント６とを備えている。
作業アタッチメント６は、アッパーフレーム５に対して起伏可能に取り付けられた基端部を有するブーム７と、ブーム７の先端部に対して揺動可能に設けられた基端部を有するアーム８と、アーム８の先端部に対して揺動可能に設けられたバケット９とを有する。また、作業アタッチメントは、アッパーフレーム５に対してブーム７を起伏動作させるブームシリンダ１０と、ブーム７に対してアーム８を揺動させるアームシリンダ１１と、アーム８に対してバケット９を揺動させるバケットシリンダ１２とを備えている。
下部走行体２の走行モータ（図示せず）、上部旋回体３の旋回モータ（図示せず）、及び各シリンダ１０〜１２は、本実施形態における油圧アクチュエータを構成する。
動力伝達装置４は、エンジン１４と、エンジン１４の動力により作動することにより発電可能な発電機１５と、発電機１５により発電された電力を蓄電可能なバッテリ１９と、エンジン１４の動力及びバッテリ１９の電力により作動可能な電動機１６と、電動機１６の作動により駆動するように電動機１６に接続された油圧ポンプ１８と、エンジン１４の動力を分配するパワーデバイダ１７と、発電機１５の駆動を制御する発電機制御器２０と、電動機１６の駆動を制御する電動機制御器２１と、発電機制御器２０及び電動機制御器２１に対して制御指令を出力する動力制御器２２とを備えている。
発電機１５は、エンジン１４からの動力を受けることができるように、パワーデバイダ１７を介してエンジン１４に接続されている。
バッテリ１９は、発電機１５により発電された電力を蓄電可能で、かつ、蓄電された電力を電動機１６に供給可能である。具体的に、バッテリ１９は、発電機１５及び電動機１６に対して電気的に接続されている。
電動機１６は、エンジン１４からの動力を受けることができるように、パワーデバイダ１７を介してエンジン１４に接続されている。また、電動機１６は、エンジン１４からの動力を受けている状態でバッテリ１９からの電力を受けることにより、エンジン１４からの動力に加えて電動機１６による動力を油圧ポンプ１８に供給することができる（エンジン１４をアシストすることができる）。
油圧ポンプ１８は、前記油圧アクチュエータ（走行モータ（図示せず）、旋回モータ（図示せず）、及び各シリンダ１０〜１２）のうちの少なくとも１つを駆動するための作動油を吐出する。
パワーデバイダ１７は、エンジン１４の動力を発電機１５及び電動機１６に分配する。具体的に、パワーデバイダ１７は、エンジン１４の動力を２系統に分配するためのギヤ機構を有する。本実施形態に係るパワーデバイダ１７は、エンジン１４の回転数と発電機１５及び電動機１６の回転数とのギヤ比が１：１であるギヤ機構を有する。したがって、エンジン１４の回転数が維持された状態で、エンジン１４の動力は、発電機１５及び電動機１６に分配される。
発電機制御器２０は、発電機１５による発電量を制御する。具体的に、発電機制御器２０は、発電機１５に対するトルクを制御する。発電機制御器２０は、例えば、インバータにより構成することができる。
電動機制御器２１は、電動機１６の駆動を制御する。具体的に、電動機制御器２１は、電動機１６に対するバッテリ１９からの電流を制御する。電動機制御器２１は、例えば、インバータにより構成することができる。
動力制御器２２は、エンジン１４の作動状態に応じて、発電機制御器２０及び電動機制御器２１に制御指令を出力する。具体的に、動力制御器２２は、エンジン１４の動力に余裕がある場合には、発電機制御器２０に対して発電を行なうための制御指令を出力する。一方、動力制御器２２は、エンジン１４の動力に余裕が無い場合に、電動機制御器２１に対して電動機１６によるアシストを行なうための制御指令を出力する。
以上説明したように、前記実施形態では、発電用の発電機１５とエンジン１４をアシストするための電動機１６とを個別に備えているとともに、これら発電機１５及び電動機１６がパワーデバイダ１７を介してエンジン１４に接続されている。これにより、エンジン１４の動力により発電を行ないながらエンジン１４の動力を直接電動機１６（油圧ポンプ１８）の動力として利用することができる。一方、バッテリ１９の電力により電動機１６を作動させることにより油圧ポンプ１８を駆動する、つまり、エンジン１４をアシストすることができる。
そのため、前記実施形態では、シリーズハイブリッドシステムと異なり、次の効果を奏する。具体的に、エンジン１４の動力を直接油圧ポンプ１８の動力として利用できるため、電動機１６に要求される出力を小さく抑えることができ、電動機１６を小さくすることができる。また、エンジン１４の出力に余裕がある場合又は電気系統に故障が生じた場合には、エンジン１４の動力を用いて油圧ポンプ１８を駆動することができる。
また、前記実施形態では、パラレルハイブリッドシステムと異なり、次の効果を奏する。具体的に、前記実施形態によれば、発電用の発電機１５とアシスト用の電動機１６とを個別に備えている。そのため、発電時の出力に応じた定格出力を持つ発電機１５を選択するとともに、アシスト時の出力に応じた定格出力を持つ電動機１６を選択することにより、発電及びアシストを効率よく行なうことができる。
具体的に、例えば、発電出力がアシスト出力よりも大きい場合を想定する。この場合、パラレルハイブリッドシステムのように、発電機としての機能と電動機としての機能とを共通の発電電動機に持たせると、図４に示すように、発電電動機の定格出力Ｐ３を有効に利用することができない。つまり、発電出力とアシスト出力との間の定格出力を持つ発電電動機を選択するのが限界である。
これに対し、前記実施形態では、図３に示すように、発電出力に対応する定格出力Ｐ１を持つ発電機１５と、アシスト出力に対応する定格出力Ｐ２を持つ電動機１６とを選択することにより、発電及びアシストを効率よく行なうことができる。
したがって、前記実施形態によれば、エンジン１４の動力を油圧ポンプ１８の動力として直接利用することができるとともに、発電及びアシストを効率よく行なうことができる。
以下、図５を参照して、前記実施形態の変形例について説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態に係る動力伝達装置４は、パワーデバイダ１７に設けられた増速機構（変速機構）２３と、パワーデバイダ１７と電動機１６との間に設けられたクラッチ２４と、クラッチ２４を切り換え動作させるためのクラッチ切換部材２５と、エンジン１４の駆動を制御するエンジン制御器２７と、バッテリ１９の充電量を検出する充電量検出器２６とを備えている。
増速機構２３は、発電機１５の回転数が電動機１６の回転数よりも高くなるように、エンジン１４の回転数を変化させる。具体的に、増速機構２３は、エンジン１４の回転数を増加させた状態でエンジン１４の動力を発電機１５に伝達する。本実施形態に係る増速機構２３は、エンジン１４の回転数（例えば、２０００ｒｐｍ）に対して発電機１５の回転数が２．５倍（５０００ｒｐｍ）となるように、１：２．５のギヤ比を有するギヤ機構を有する。なお、エンジン１４の動力により作動する電動機１６の回転数は、図２に示す場合と同様に、エンジン１４の回転数と同等である。
つまり、本実施形態では、増速機構２３により発電機１５の回転数が電動機１６の回転数よりも高く設定される。これにより、発電機１５の小型化及び発電効率の向上を図ることができる。具体的に、要求される出力を得るに当たり発電機１５の回転数を高めることができれば、発電機１５の容量を小さく抑えることができるため、発電機の小型化を図ることができる。また、発電機１５では、図６に示すように、回転数が高くなるほど高効率で駆動しやすいため、発電機１５の回転数を高めることにより、発電効率を向上することができる。具体的に、本実施形態では、図６に示すように、定格出力Ｐ４が５０００ｒｐｍの回転数において得られる発電機１５が選択されている。
また、本実施形態では、エンジン１４の回転数（２０００ｒｐｍ）を基準として、発電機１５の回転数（５０００ｒｐｍ）が増加するとともに、電動機の回転数（２０００ｒｐｍ）が維持される。これにより、上述した発電機１５の小型化及び発電効率を図りながら、エンジンと油圧ポンプとが直結される建設機械に用いられる油圧ポンプを、その仕様を変更することなく利用することができる。したがって、複数種類の建設機械において油圧ポンプ１８の共通化を図ることができる。
クラッチ２４は、パワーデバイダ１７と電動機１６との間の動力の伝達経路を接続する接続状態と、パワーデバイダ１７と電動機１６との間の動力の伝達経路を分断する分断状態との間で切換動作可能である。
クラッチ切換部材２５は、クラッチ２４に対して切換動作のための動力を供給する。例えば、クラッチ切換部材２５は、クラッチ２４に対する押付力を機械的に与えるシリンダ等の押圧部材、又は、クラッチが作動流体により動作可能である場合にクラッチに対する作動流体の流量を制御する制御弁等によって構成することができる。
エンジン制御器２７は、エンジン１４の回転数（エンジン１４の駆動又は停止を含む）を制御可能である。
充電量検出器２６は、バッテリ１９の充電量を電気的に検出する。なお、充電量検出器２６は、バッテリ１９の温度を検出するとともに、この検出温度に基づいて充電量を算出するものでもよい。また、充電量検出器２６は、各制御器２０〜２２と独立して設けられている必要はなく、例えば、各制御器２０〜２２のうちの１つが充電量検出器を構成してもよい。
本実施形態に係る動力制御器２２は、充電量検出器２６からの検出結果に基づいて、クラッチ切換部材２５、電動機制御器２１、及びエンジン制御器２７に対して制御指令を出力する。具体的に、動力制御器２２は、充電量検出器２６により検出されたバッテリ１９の充電量が規定値以上である場合に、クラッチ２４が分断状態に切り換えられ、バッテリ１９の電力により電動機を作動させ、さらに、エンジン１４が停止するための制御信号を出力する。
以下、動力制御器２２により実行される処理について、図７を参照して説明する。
動力制御器２２による処理は、エンジン１４の始動条件が成立した後に開始される。当該処理が開始されると、まず、クラッチ２４を接続状態に切り換えるとともにエンジン１４を始動する（ステップＳ１）。次いで、充電量検出器２６により検出された充電量が規定値以上であるか否かが判定される（ステップＳ２）。
ステップＳ２で充電量が規定値以上であると判定されると、クラッチ２４を分断（切断）状態に切り換えるとともに（ステップＳ３）、バッテリ１９の電力により電動機１６を駆動し（ステップＳ４）、さらに、エンジン１４を停止させる（ステップＳ５）。これらステップＳ３〜Ｓ５により、バッテリ１９の充電量に余裕がある場合に、エンジン１４を停止させた状態で油圧ポンプ１８を駆動することができる。したがって、燃費を向上することができる。これらステップＳ３〜Ｓ５は、バッテリ１９の充電量が前記規定値未満となるまでの間（ステップＳ６でＮＯと判定されている間）、継続して実行される。一方、バッテリ１９の充電量が前記規定値未満になると（ステップＳ６でＹＥＳ）、ステップＳ１にリターンする。
前記ステップＳ２で充電量が規定位置未満であると判定されると、電動機１６によるアシストが可能であるか否かが判定される（ステップＳ７）。つまり、ステップＳ７では、バッテリ１９の充電量とエンジン１４の駆動状態（油圧ポンプ１８における負荷を含む）とに基づいて、電動機１６によるアシストの可否が判断される。ステップＳ７で、アシスト可能であると判定されると、バッテリ１９の電力により電動機１６を駆動する（ステップＳ８）。ステップＳ８における電動機１６によるエンジン１４のアシストは、アシストが不能であると判断されるまでの間（ステップＳ９でＮＯと判定されている間）、継続して実行される。
ステップＳ７及びステップＳ９でアシスト不能であると判定されると、前記ステップＳ２を繰り返し実行する。
以上説明したように、前記実施形態によれば、バッテリ１９の充電量に余裕がある場合に、エンジン１４を停止させて、電動機１６の出力のみで油圧ポンプ１８を駆動することができる。これにより、燃費の低減を図ることができる。
１ ハイブリッドショベル（ハイブリッド建設機械）
４ 動力伝達装置
１４ エンジン
１５ 発電機
１６ 電動機
１７ パワーデバイダ
１８ 油圧ポンプ
１９ バッテリ
２０ 発電機制御器
２１ 電動機制御器
２２ 動力制御器
２３ 増速機構（変速機構）
２４ クラッチ
２５ クラッチ切換部材
２６ 充電量検出器
２７ エンジン制御器

Claims (5)

  1. ハイブリッド建設機械に設けられる動力伝達装置であって、
    エンジンと、
    前記エンジンの動力により作動することによって発電可能な発電機と、
    前記発電機により発電された電力を蓄電可能なバッテリと、
    前記エンジンの動力及び前記バッテリの電力により作動可能な電動機と、
    前記電動機の作動により駆動するように前記電動機に接続された油圧ポンプと、
    前記エンジンの動力が前記発電機と前記電動機とに分配されるように、前記エンジン、前記発電機、及び前記電動機に接続されたパワーデバイダとを備え、
    前記パワーデバイダは、前記発電機の回転数が前記電動機の回転数よりも高くなるように、前記エンジンの回転数を変化させる変速機構を有し、
    前記変速機構は、前記発電機の定格出力と前記電動機の定格出力との比に相当するギヤ比を有するギヤ機構を有している、動力伝達装置。
  2. 前記変速機構は、前記エンジンの回転数を増加させた状態で前記エンジンの動力を前記発電機に伝達し、
    前記パワーデバイダは、前記エンジンの回転数を維持した状態で前記エンジンの動力を前記電動機に伝達する、請求項１に記載の動力伝達装置。
  3. 前記パワーデバイダと前記電動機との間の動力の伝達経路を接続する接続状態と、前記パワーデバイダと前記電動機との間の動力の伝達経路を分断する分断状態との間で切換動作可能なクラッチと、
    前記バッテリの充電量を検出可能な充電量検出器と、
    前記充電量検出器により検出されたバッテリの充電量が規定値以上である場合に、前記クラッチを分断状態に切り換え、前記バッテリの電力により前記電動機を作動させ、さらに、エンジンを停止させる動力制御手段とを備えている、請求項１又は２に記載の動力伝達装置。
  4. 前記動力制御手段は、
    前記クラッチを接続状態と分断状態との間で切り換えるためのクラッチ切換部材と、
    前記電動機の駆動を制御する電動機制御器と、
    前記エンジンの駆動を制御するエンジン制御器と、
    前記充電量検出器からの検出結果に基づいて、前記クラッチ切換部材、前記電動機制御器、及び前記エンジン制御器に対して制御指令を出力する動力制御器とを備えている、請求項３に記載の動力伝達装置。
  5. 油圧アクチュエータと、
    前記油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプを有する請求項１〜４の何れか１項に記載の動力伝達装置とを備えている、ハイブリッド建設機械。
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