JP2006233811A - ハイブリッド式電動作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガスを一切出してはいけない作業環境の場合でも、外部電源１３が無い作業環境で高速走行の連続運転が続くような場合でも、常に最大負荷運転が可能で、省エネルギ効果も達成させる。
【解決手段】 誘導機と上記エンジンとを、作業機械が必要とする最大負荷時の必要動力をそれぞれ単独で賄うことができる出力容量を有する誘導機とエンジンで構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ショベル、クレーン、ローダ、ドーザ等のハイブリッド式電動作業機械に関し、特に最大負荷の作業に対応した出力容量のエンジンと同容量の電動機兼発電機とを備え、どのような作業環境でも最大負荷の作業に対応することができるハイブリッド式電動作業機械に関する。

知られるように、現在の油圧ショベルの作業現場は多様化しており、住宅街における下水工事等、一般住民や家屋の間近で作業を行うケースや、トンネル内での作業、屋内に入っての解体作業等、騒音や排気ガス発生量が少ない作業機械が要求されている。
このような背景から、下記公知文献１〜４に示されるようにバッテリショベルや電動ショベル、それらを組み合わせた電動バッテリショベルを始めとして、屋外でも屋内でも作業ができる作業機械として、ハイブリッドショベルやハイブリッドローダも開発され、既に実用化され始めている。

しかしながら、これらの従来技術に係る作業機械にあっては一長一短があり、どのような作業環境でも最大負荷の作業に対応することができ、且つ省エネルギ効果を奏することができる電動作業機械は未だ知られていない。
特開２００１−１２２７４号公報 特開平１０−３０２５９号公報 実開平４−５３８４６号公報 特開２００１−３０４００１号公報

従来のバッテリ駆動システムでは図２に原理図で示すように、油圧ポンプ１を電源であるバッテリ９からの電力により電動機２０で駆動し、コントロールバルブ２を介して負荷に応じた圧油を油圧シリンダ３や油圧モータ４に供給するように構成されている。

このバッテリ駆動システムによれば、排ガスゼロと低騒音が達成できるものの、作業機械の稼働時間がバッテリ９の容量で一義的に決まってしまい、長時間稼動ができないという問題点がある。また、長時間稼動させるためにはバッテリ９の容量を大きくすることが考えられるが、機械側の搭載スペースの問題もあり、所詮本質的な解決策には成り得ず、限られた作業環境でしか使えない。

更に従来の電動駆動システムでは、図３に原理図で示すように、上記バッテリシステム同様、排ガスゼロと低騒音が達成できるものの、外部電源供給設備が必要であり、加えて、外部電源１３と作業機械間の電源ケーブル１４が存在する為に、作業性を制限してしまう。また、機械輸送時に自力でトレーラへの積み込み・積み下ろしができない、という問題点がある。

この問題を解決する駆動システムとして、図４に原理図で示すバッテリ＆電動駆動システムが知られている。このシステムでは電動機２０への電源としてバッテリ９と外部電源１３とを有し、作業負荷に応じて電力制御手段８によって電動機への供給電力配分をコントロールし、適正な作業を可能にしている。そして、機械輸送時には外部電源１３が無くてもバッテリ９により自力でトレーラへの積み込み・積み下ろしをすることができるが、作業時には外部電源供給設備が必要であり、外部電源１３と作業機械間の電源ケーブル１４の存在による作業性を制限してしまう問題点もあり、限られた作業環境でしか使えない。

そこで、外部電源供給設備が無い作業環境での稼動と、自力でのトレーラへの積み込み・積み下ろしや移動距離の長い機械移動時には、エンジン駆動に切り替えるようにしたエンジン・電動切替駆動システムも知られている。これは図５に原理図で示すように、油圧ポンプ１に駆動源として電動機２０とエンジン５とが、動力伝達機構１７として例えばクラッチを介して接続されており、外部電源供給設備がある作業場での作業時にはクラッチ１７を介して電動機２０に切り替えられ、外部電源１３からの電力により電動機２０駆動とされる。

そして、外部電源供給設備が無い作業環境での稼動や機械の移動時や走行時には、クラッチ７を介してエンジン５に切り替えられ、エンジン動力により油圧ポンプ１が駆動される。このシステムによれば、どのような作業環境でも最大負荷の作業に対応することができるものの、省エネルギ効果を全く得ることができない。
このようにそもそも電動駆動システムにおいては、エンジン５とのハイブリッド化による省エネ効果の考え方そのものが全く存在せず、それぞれ異なる機能機械と認識されている。

一方、省エネルギを目的とした駆動システムとしては、エンジンと誘導機（電動機兼発電機）との少なくとも一方を駆動源としたパラレルハイブリッドシステムも、この種作業機械分野において多々出願公開されており周知技術となっている。

このような従来のパラレルハイブリッドシステムでは、図６に原理図を示すように作業機械の最大負荷時の要求出力をエンジン１５出力と誘導機１６での電動機出力との合計出力で賄うように構成することで、エンジン１５と誘導機１６とを小型化させている。そして、エンジン１５出力に余力のある軽負荷時にはエンジン１５で誘導機１６を発電機機能させてバッテリ９に蓄電したり、逆にエンジン１５出力が足らない時には、誘導機１６を電動機機能させてバッテリ９によりエンジンアシストしたりするように構成されている。更に、外部電源を併用できるようにしたものも公知である。

ところが、上記従来のパラレルハイブリッドシステムにおいては、省エネルギは達成できるものの、作業負荷がエンジン出力より大となって誘導機が電動機作用に切り替わる際に、エンジン回転数が大きく低下し、それが作業機械の油圧作動時の速度変化として現れ、作業機械を操作する上で使い勝手が悪くなるという問題点がある。そして、エンジン回転数を制御することでこれを解決した技術も公知である。

しかしながら、そのような問題点が解決されたとしてもパラレルハイブリッドシステムの発明思想が、そもそも作業機械の最大負荷時の要求出力をエンジン１５出力と誘導機１６での電動機出力との合計出力で賄うようにすることであり、作業機械の最大負荷時の要求出力を電動機出力のみで賄ったり、エンジン１５出力のみで賄ったりするという技術思想がない。その為、排気ガスを一切出してはいけない作業環境での最大負荷時運転には、電動機出力が不足するため作業機械としては成立しないことになる。

或いは逆に、外部電源１３が無い作業環境で高速走行の連続運転が続くような場合では、エンジン出力が小さくバッテリによる電動機駆動でのエンジンアシストを行ったとしても、短時間であれば高速走行が可能であるが、バッテリの蓄電量が減少するに連れて高速走行ができなくなる。尚、従来のパラレルハイブリッドシステムを搭載した作業機械において、外部電源を利用することが知られているが、あくまでもエンジンで油圧ポンプを駆動し、不足するポンプ駆動動力を誘導機でアシストする際の電源として利用できるようにするという技術思想に基づくものであり、上記の問題点を本質的に解決するものではなく、単に外部電源が利用できるというに過ぎない。

そこで、本発明者は発想の転換を図り、排気ガスを一切出してはいけない作業環境の場合でも、外部電源１３が無い作業環境で高速走行の連続運転が続くような場合でも、常に最大負荷運転が可能で、省エネルギ効果も達成できる駆動システムを備えたハイブリッド式電動作業機械を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明は、コントロールバルブを含む油圧回路を介して作業機のアクチュエータを駆動する油圧ポンプと、誘導機（電動機兼発電機）とエンジンとの少なくとも一方が上記油圧ポンプの駆動源となるように構成され、上記誘導機が発電機として機能した際の発電電力を蓄電すると共に電動機への放電を行うことができる蓄電装置を備えた駆動源と、を有するハイブリッド式電動作業機械であって、上記誘導機と上記エンジンとを、作業機械が必要とする最大負荷時の必要動力をそれぞれ単独で賄うことができる出力容量を有する誘導機とエンジンで構成したものである。

請求項２の発明は、コントロールバルブを含む油圧回路を介して作業機のアクチュエータを駆動する油圧ポンプと、誘導機（電動機兼発電機）とエンジンとの少なくとも一方が上記油圧ポンプの駆動源となるように構成され、上記誘導機が発電機として機能した際の発電電力を蓄電すると共に電動機への放電を行うことができる蓄電装置を備えた駆動源と、を有するハイブリッド式電動作業機械であって、上記誘導機を電動機として使用した時に、作業機械が必要とする最大負荷時の必要動力を単独で賄うことができる出力容量を有する誘導機とすると共に、上記エンジンは連続走行時の必要動力を単独で賄うことができる出力容量を有するエンジンで構成したものである

請求項３記載の発明のように、上記誘導機および上記蓄電装置の少なくともいずれか一方から電力供給を受ける電動機と、前記電動機によって駆動される旋回部とをさらに備えた構成としてもよい。

請求項４記載の発明のように、上記誘導機、蓄電装置、電動機への電力供給源として、外部電源が利用可能な外部電源接続部を備えた構成としてもよい。

本発明によれば、上記誘導機と上記エンジンとを、作業機械が必要とする最大負荷時の必要動力をそれぞれ単独で賄うことができる出力容量を有する誘導機とエンジンで構成したので、作業環境の変化に関らず常に最大負荷運転が可能となり、ハイブリッド運転時には省エネが達成できる。

請求項２の発明によれば、請求項１のエンジンサイズより小さなエンジンサイズにすることによりコスト低減するか、または、出力容量を作業モード、走行モードの出力選択を可能にすれば、更に省エネルギ効果は向上される。

請求項３の発明によれば、旋回回生によるエネルギ回生ができるので更に省エネルギ効果は向上される。

請求項４の発明によれば、誘導機単独出力時に蓄電装置の放電容量に不足が生じる場合には、その不足分を安価な外部電力を利用して、効率良く賄うことができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、従来技術と同一部材については同じ符号を用いて示し、その重複説明を省略する。

図１は、作業機械としてショベルに適用したハイブリッド式電動作業機械の駆動システム原理図であり、５は少なくとも連続走行時の必要動力を単独で賄うことができる出力容量以上のスペックのエンジンであり、６は作業機械が必要とする最大負荷時の必要動力を単独で賄うことができる出力容量を有する誘導機である。１０は誘導機６および蓄電装置９の少なくともいずれか一方から電力供給を受ける電動機で、減速機１１を介して旋回部１２を駆動する旋回用電動機である。この旋回用電動機１０は、旋回停止に伴うエネルギ回生により、回生電力をバッテリ９に充電することができる。

１は油圧ポンプで圧油がコントロールバルブ２を介して各油圧アクチュエータに供給される。３ａ、３ｂ、３ｃはアームシリンダ、ブームシリンダ、バケットシリンダで、４ａ、４ｂは左右の走行用油圧モータである。尚、実施例では旋回を電動として独立させているが、上記各油圧アクチュエータ群と同様に油圧モータとして組み込んでも良い。

上記構成を備えたハイブリッド式電動作業機械の各種作業環境での使用態様を以下に説明する。

＜屋外作業時＞
ハイブリッドモードで使用することにより、従来のハイブリッド作業機と全く同様に省エネ効果が得られる。即ち、軽負荷時にはエンジン５を効率の良い運転域で駆動し、余剰エネルギを誘導機６で発電して蓄電装置９に蓄電する。また、重負荷時にはエンジン５のみでも誘導機６のみでも必要な動力を単独で出力できるので、騒音が問題とならない作業環境においては前者のみか、双方のハイブリッドモードを使用し、排気ガスを一切出してはいけない作業環境や住宅街等騒音が問題となる作業環境においては後者で使用し、作業環境に応じた運転をすることができる。

＜屋外連続走行時＞
広い作業現場での移動やトレーラが入っていけない山間部の作業現場への移動の際には、連続走行運転状態となる。この場合、従来のハイブリッド作業機械では、エンジン５からの出力と蓄電装置９からの電力とで動力が賄われている為、蓄電装置９の蓄電電力が消費されるに連れて走行速度が低下してしまうが、本発明の作業機械にあっては、エンジン５を連続走行時の必要動力を単独で賄うことができる出力以上の出力容量としている為、エンジンのみの運転でも走行速度が低下することなくしかも高速移動が果たせる。

＜電源のある閉所での作業時＞
都市部地下工事現場や屋内閉所での作業においては、排気ガスゼロが要求されることがあり、そのような作業環境においては、エンジン５を停止して誘導機６を駆動源としてバッテリ９からの電力により駆動されるが、誘導機６を作業機械が必要とする最大負荷時の必要動力を単独で賄うことができる出力容量としているので、如何なる作業も支障なく行うことができる。この場合、バッテリ９のみでは電力が不足する際には外部電源１３から電力を補給することができる。

＜電源のない閉所での作業時＞
山間部や僻地でのトンネル工事等の電源のない閉所での作業においては、ハイブリッドモードで運転することで排気ガスを減少させると共に省エネルギ効果が期待できる。

上記したように本発明によれば、作業機械が必要とする最大負荷時の必要動力を単独で賄うことができる誘導機とエンジンとを備えているので、作業環境如何にかかわらず使用することができるハイブリッド式電動作業機械を提供することができる。

本発明の実施形態に係るハイブリッド式電動作業機械の駆動システムの原理図である。 従来のバッテリ式電動作業機械の駆動システムの原理図である。 従来の電動作業機械の駆動システムの原理図である。 従来のバッテリ＆電動作業機械の駆動システムの原理図である。 従来のエンジン／電動切替式作業機械の駆動システムの原理図である。 従来のパラレルハイブリッド駆動システムの原理図である。

符号の説明

１ 油圧ポンプ
２ コントロールバルブ
３ 油圧アクチュエータ（油圧シリンダ）
４ 油圧アクチュエータ（油圧モータ）
５，１５ エンジン
６，１６ 誘導機（電動機兼発電機）
７、１７ 動力伝達機構
８ 電力制御手段
９ 蓄電装置（バッテリ）
１０ 旋回用電動機
１２ 旋回部
１３ 外部電源
１４ 電源ケーブル

Claims (4)

1. コントロールバルブを含む油圧回路を介して作業機のアクチュエータを駆動する油圧ポンプと、誘導機（電動機兼発電機）とエンジンとの少なくとも一方が上記油圧ポンプの駆動源となるように構成され、上記誘導機が発電機として機能した際の発電電力を蓄電すると共に電動機への放電を行うことができる蓄電装置を備えた駆動源と、を有するハイブリッド式電動作業機械であって、
   上記誘導機と上記エンジンとを、作業機械が必要とする最大負荷時の必要動力をそれぞれ単独で賄うことができる出力容量を有する誘導機とエンジンで構成したことを特徴とするハイブリッド式電動作業機械。
2. コントロールバルブを含む油圧回路を介して作業機のアクチュエータを駆動する油圧ポンプと、誘導機（電動機兼発電機）とエンジンとの少なくとも一方が上記油圧ポンプの駆動源となるように構成され、上記誘導機が発電機として機能した際の発電電力を蓄電すると共に電動機への放電を行うことができる蓄電装置を備えた駆動源と、を有するハイブリッド式電動作業機械であって、
   上記誘導機を電動機として使用した時に、作業機械が必要とする最大負荷時の必要動力を単独で賄うことができる出力容量を有する誘導機とすると共に、上記エンジンは連続走行時の必要動力を単独で賄うことができる出力容量を有するエンジンで構成したことを特徴とするハイブリッド式電動作業機械。
3. 上記誘導機および上記蓄電装置の少なくともいずれか一方から電力供給を受ける電動機と、前記電動機によって駆動される旋回部とをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド式電動作業機械。
4. 上記誘導機、蓄電装置、電動機への電力供給源として、外部電源が利用可能な外部電源接続部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド式電動作業機械。

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