JP2001010350A - ハイブリッド建設機械用蓄電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄電装置を設置する場所を設ける必要がな
く、また、蓄電装置の温度管理や、メンテナンスを容易
に行うことができるハイブリッド建設機械用蓄電装置を
提供する。 【解決手段】 ハイブリッド建設機械の車両壁の内面に
沿って、蓄電装置１２を配置し、車両壁を熱伝導率の高
い材質で形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハイブリッド建設
機械の電動機を作動させる電力を供給するハイブリッド
建設機械用蓄電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
建設機械が採用されはじめている。このようなハイブリ
ッド建設機械は、例えば図９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、結果として良好な燃費
効率、低騒音化および排気ガスの低減化を実現すること
が可能になっている。

【０００４】このような上記従来の構成においては、例
えば、建設機械や、自動車等は、車体内部にバッテリ
や、キャパシタ等の蓄電装置を設置するスペースを確保
しておく必要があった。特開平１１−１３９１６８号公
報では、蓄電装置を、特別に設置スペースを確保しなく
ても済むようなキャパシタ形状とし、車両の空きスペー
スヘ搭載する方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、小型の
建設機械では、車両を大きくすることなく、大容量の蓄
電装置を設置するスペースを確保することは困難であ
る。また、小型の建設機械では、バスやトラック等の大
型車両と違い、十分な空きスペースもなく、空きスペー
スを利用するということも困難である。また、バッテリ
やキャパシタ等の蓄電装置は、温度管理を行わなければ
性能劣化が起こるため、車両内の空きスペースがあれば
何処にでも設置できるわけではなく、熱がこもるような
場所では冷却手段の付加が必要となる。したがって、前
記特開平１１−１３９１６８号公報に提案されているよ
うに、キャパシタ形状を変更し、空きスペースを無駄な
く利用しようとすると、場所によっては、非常に取り出
しにくい場所もあり、蓄電装置を交換する場合などに面
倒になるなどメンテナンス性が悪くなるといった問題が
発生する。

【０００６】そこで、本発明は、蓄電装置を設置する場
所を設ける必要がなく、また、蓄電装置の温度管理や、
メンテナンスを容易に行うことができるハイブリッド建
設機械用蓄電装置を提供するものである。

【０００７】

【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、ハイブリッド建設機械の電動機
を作動させる電力を供給するバッテリを備えたハイブリ
ッド建設機械用蓄電装置において、前記ハイブリッド建
設機械の車両壁の内面に沿って、前記バッテリが設けら
れていることを特徴とする。上記の構成によれば、大容
量の蓄電装置を設置する場所を特に確保する必要がなく
なり、車両内部の省スペース化を図ったり、車両自体の
小型化を図ることができる。また、蓄電装置は、直接外
気に晒されることがなく、外部から受ける損傷等を防ぐ
ことができる。ここで、バッテリは、平板状であること
が好ましい。平板状とすることで、省スペース化をより
効率的に行うことができる。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１記載のハイブ
リッド建設機械用蓄電装置であって、前記車両壁は、熱
伝導率の高い材質からなることを特徴とする。ここで、
熱伝導率の高い材質としては、アルミニウムや、鉄等が
例示できる。上記の構成によれば、車両内部のエンジン
等からの熱や、蓄電時に発生する熱により蓄電装置の温
度上昇を抑制することができ、蓄電装置のために特別な
冷却手段を付加しなくても、蓄電装置を冷却することが
可能なる。

【０００９】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
ハイブリッド建設機械用蓄電装置であって、前記バッテ
リは、複数の蓄電ユニットが並列若しくは直列に接続さ
れて、形成されていることを特徴とする。上記の構成に
よれば、複数の蓄電ユニットが直列若しくは並列に接続
されたバッテリから構成された蓄電装置を用いるため、
車両形状に制限されることなく、車両壁の内面に沿って
配置することができる。また、蓄電ユニットの構成変更
が自在であるため、任意の形状のバッテリを形成するこ
とができるため、蓄電装置も分割自在とすることがで
き、車両の分割部位に合わせ分割することが可能とな
る。更には、充放電効率の悪くなった蓄電ユニット毎に
交換することができ、蓄電装置としては常に一定の充放
電効率を発現することが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
しつつ以下に説明する。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。本実施の形態に係るハイブリッド建設機械であるハ
イブリッドショベルの車両は、図１に示すように、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
れた掘削アタッチメント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。

【００１１】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が回転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、上述の掘削アタッチメント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。

【００１２】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。

【００１３】上記のブーム１７の先端部には、アーム１
９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・Ａ
３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。

【００１４】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等が設
けられている。

【００１５】上記構成の機械収容部４１の保護カバー４
０は、機械収容部４１から発生する熱を放出しやすいよ
うに、熱伝導率の高い材質、例えば、アルミニウムや、
鉄等から形成されていることが好ましい。そして、その
内面に沿って、図２に示すような、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バッ
テリからなる蓄電装置１２が配置されている。

【００１６】蓄電装置１２は、図４に示すように、平板
状の各蓄電ユニット６１が、車両壁内面の取付け部位に
合わせた任意の大きさに成形された保持砕６３に嵌め込
まれ、直列若しくは並列に接続されて平板状に形成され
たバッテリ６０と、図示していない各電動機６・７・１
３・１５・２３・２５に接続される接続ケーブルとから
構成されている。ここで、バッテリ６０は、図２に示す
ように、保持枠６２を、熱伝導率の高い材質からなる板
６２に取り付けて、保護カバー４０等の車両壁を構成す
る部位の内面に溶接若しくは機械的方法で取り付けられ
ている。また、図３に示すように、直接保護カバー４０
に取り付けることもできる。なお、バッテリ６０の機械
収容部４１等の高温になる車両内部側に、反射板等を設
けることもできる。これによって、熱遮蔽をすることが
でき、蓄電装置１２の温度制御を行なうことができる。
また、蓄電ユニット６１は、六角形状のものを示した
が、円形、三角形、四角形等の形状であってもよい。ま
た、蓄電ユニット保持砕６２もハニカム構造に限定され
るものでもなく、各種形状の蓄電ユニット６１を保持で
きる形状であればよい。

【００１７】上記構成の蓄電装置１２は、図５乃至図７
に示すように、車両壁内面に沿って配置することができ
る。図５は２点鎖線示される上部旋回体２の保護カバー
４０の内面に蓄電装置１２が配置される場合を示してい
る。図６は、分割形の上部旋回体２の保護カバー４０の
内面に配置される場合を示している。図７は、上部旋回
体２のみでなく、堀削アタッチメント３の壁面内面に配
置される場合を示している。

【００１８】そして、蓄電装置１２は、図８に示すよう
に、モータコントローラ３７を介して、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、発電機１１に接続されている。

【００１９】上記の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、蓄電装置
１２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
に基づいて例えば蓄電装置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
蓄電装置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蓄電装置
１２に充電する回生充電機能等の諸機能を備えており、
これら諸機能を蓄電装置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。

【００２０】上記の構成において、ハイブリッドショベ
ルの動作について説明する。図１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件を行うこと
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、蓄電装置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
て蓄電装置１２を充電する。尚、蓄電装置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、蓄電装置１２に対する充電を早急に
行う。一方、蓄電装置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、蓄
電装置１２の過剰な充電を防止しながら、操作レバー４
５から操作信号が入力されるまで待機する。

【００２１】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に入力され、操作レバー45からの操
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蓄電装置１２や発
電機１１からの通常電力を利用して作業を行う。

【００２２】以上のように、本実施形態のハイブリッド
ショベルは、エンジン１０で駆動される発電機１１の電
力と、発電機１１の電力を充電可能な蓄電装置１２の電
力とで電動機１５等を作動可能にされたものである。

【００２３】一般に、運転時は、エンジン１０や、発電
機１１や、電動機１５等が発する熱によって、機械収容
部４１は高温となる。このため、本発明において使用さ
れているような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バッテリは高温になる
と、充放電効率が悪くなる。ところが、本発明における
蓄電装置１２は、車両外表面側を熱伝導率の高い材質の
もので形成するなど、放熱効果が高い構造とすること
で、機械収容部４１等からの熱や、蓄熱時に発生する熱
を効率よく外部に放熱することが可能となり、特別な冷
却手段を付加する必要がないように構成されている。

【００２４】また、蓄電装置１２は、分割可能なバッテ
リ６０から構成されていることから、各分割部の蓄電装
置１２に故障が発生した場合でも、その故障した部分を
交換すればよい。また、各バッテリ６０も複数の蓄電ユ
ニット６１が直列若しくは並列に接続されて構成されて
いることから、定期的に各バッテリ６０を構成している
各蓄電ユニット６１の充放電効率を管理し、充放電効率
の悪くなっている蓄電ユニット６１が有れば、逐次交換
する等することで、常に一定の充放電効率を有するバッ
テリ６０とすることができる。

【００２５】そして、これら、各バッテリ６０の交換
や、検査等は、これらバッテリ６０から構成されている
蓄電装置１２が、車両壁の内面に沿って配置されている
ため、これら車両壁を取り外すことで容易に行うことが
できる等、メンテナンス性に優れた構造とすることがで
きる。

【００２６】また、本実施形態の構成は、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等の
全てのハイブリッド建設機械に適用することができる。

【００２７】

【発明の効果】請求項１の発明によると、大容量の蓄電
装置を設置する場所を特に確保する必要がなくなり、車
両内部の省スペース化を図ったり、車両自体の小型化を
図ることができるとともに、蓄電装置は、直接外気に晒
されることがなくなり、外部から受ける損傷等を防ぐこ
とができる効果を奏する。

【００２８】請求項２の発明によると、車両内部のエン
ジン等からの熱や、蓄電時に発生する熱により蓄電装置
の温度上昇を抑制することができ、蓄電装置のために特
別な冷却手段を付加しなくても、蓄電装置を冷却するこ
とが可能となる効果を奏する。

【００２９】請求項３の発明によると、複数の蓄電ユニ
ットが直列若しくは並列に接続されたバッテリから構成
された蓄電装置を用いるため、車両形状に制限されるこ
となく、車両壁の内面に沿って配置することができる。
また、蓄電ユニットの構成変更が自在であるため、任意
の形状のバッテリを形成することができるため、蓄電装
置も分割自在とすることができ、車両の分割部位に併せ
分割することが可能となる。更には、充放電効率の悪く
なった蓄電ユニット毎に交換することができ、蓄電装置
としては常に一定の充放電効率を発現することが可能と
なる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ハイブリッドショベルの全体概略側面図であ
る。

【図２】本発明における蓄電装置の概略斜視図である。

【図３】本発明における蓄電装置の取り付け方を説明す
るための図である。

【図４】本発明における蓄電装置の構成を示す概略図で
ある。

【図５】本発明の実施形態の一例を示す全体概略斜視図
である。

【図６】本発明の実施形態の一例を示す全体概略斜視図
である。

【図７】本発明の実施形態の一例を示す全体概略側面図
である。

【図８】ハイブリッドショベルの制御装置のブロック図
である。

【図９】ハイブリッド方式で作業した場合におけるバッ
テリの充放電の状態を示す説明図である。

【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 ４ クローラフレーム ５ クローラ ８ 旋回フレーム ９ キャビン １０ エンジン １１ 発電機 １２ 主バッテリ １３ 旋回用電動機 １４ 減速機 １５ ブーム用電動機 １６ ブームポンプ １７ ブーム １８ ブームシリンダ １９ アーム ２０ アームシリンダ ２１ バケット ２２ バケットシリンダ ２３ アーム用電動機 ２４ アームポンプ ４０ 保護カバー ４１ 機械収容部 ４５ 操作レバー ６０ バッテリ ６１ 蓄電ユニット ６２ 板 ６３ 蓄電ユニット保持砕

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハイブリッド建設機械の電動機を作動さ
   せる電力を供給するバッテリを備えたハイブリッド建設
   機械用蓄電装置において、 前記ハイブリッド建設機械の車両壁の内面に沿って前記
   バッテリが設けられていることを特徴とするハイブリッ
   ド建設機械用蓄電装置。
2. 【請求項２】 前記車両壁は、熱伝導率の高い材質から
   なることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設
   機械用蓄電装置。
3. 【請求項３】 前記バッテリは、複数の蓄電ユニットが
   並列若しくは直列に接続されて、形成されていることを
   特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッド建設機械
   用蓄電装置。