JP2006335221A - ハイブリッド式駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンを停止させた状態で電動・発電機によりポンプを駆動できるハイブリッド式駆動装置を提供する。
【解決手段】エンジン11に、このエンジン11から出力した回転動力を断続する入力側クラッチ12を接続し、入力側クラッチ12に動力伝達装置14の入力軸13を接続する。動力伝達装置14の出力軸15a，15bに出力側クラッチ16a，16bをそれぞれ接続し、出力側クラッチ16a，16bにそれぞれポンプ17a，17bを接続する。ポンプ17a，17bに対してエンジン11と並列的な関係で、動力伝達装置14の入出力軸21に、エンジン11による駆動により発電機として機能するとともに電力の供給を受けて電動機として機能する電動・発電機22を接続する。電動・発電機22に、発電機として機能する電動・発電機22から供給した電力を蓄えるとともに電動機として機能する電動・発電機22に電力を供給する蓄電器23を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンと並列的な関係で動力伝達装置に接続された電動・発電機によりポンプを駆動するハイブリッド式駆動装置に関する。

エンジンに動力伝達装置の入力軸が接続され、この動力伝達装置の出力軸にポンプが接続され、このポンプに対してエンジンと並列的な関係で動力伝達装置に電動・発電機が接続され、ポンプと並列的な関係で動力伝達装置に油圧ポンプおよび油圧モータとして機能するポンプ・モータが接続され、電動・発電機には、発電機として機能する電動・発電機から供給された電力を蓄えるとともに電動機として機能する電動・発電機に電力を供給する蓄電器が接続されたハイブリッド式駆動装置がある（例えば、特許文献１参照）。

動力伝達装置には、ポンプ・モータが油圧モータとして電動・発電機を駆動する際にこのポンプ・モータを電動・発電機に直結させるとともにエンジンおよびポンプから切離すためのクラッチ機構が内蔵されている。
特開２００４−１９０８４５号公報（第１５−１６頁、図８）

動力伝達装置を用いてエンジンの動力と電動・発電機の動力とを同時に利用できるようにしたハイブリッド式駆動装置は、エンジンと電動・発電機とを直列的に接続したハイブリッド式駆動装置よりも大きな動力が得られ、その分、エンジンや電動・発電機の小型化が可能になる利点を有するが、エンジンを停止させた状態で電動・発電機によりポンプを駆動することはできない。

また、特許文献１に記載されたハイブリッド式駆動装置は、動力伝達装置にクラッチ機構を内蔵しているが、そのクラッチ機構は、ポンプ・モータと電動・発電機との間の断続、ポンプ・モータとエンジンおよびポンプとの間の断続に係るものであり、エンジンと動力伝達装置との間を断続するものではないので、エンジンを停止させた状態で電動・発電機によりポンプを駆動することはできない。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、エンジンを停止させた状態で電動・発電機によりポンプを駆動できるハイブリッド式駆動装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、エンジンと、エンジンに接続されエンジンから出力された回転動力を断続する入力側クラッチと、入力側クラッチに入力軸が接続された動力伝達装置と、動力伝達装置の出力軸に接続された出力側クラッチと、出力側クラッチに接続されたポンプと、ポンプに対してエンジンと並列的な関係で動力伝達装置に接続されエンジンにより駆動されて発電機として機能するとともに電力の供給を受けて電動機として機能する電動・発電機と、発電機として機能する電動・発電機から供給された電力を蓄えるとともに電動機として機能する電動・発電機に電力を供給する蓄電器とを具備したハイブリッド式駆動装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のハイブリッド式駆動装置における動力伝達装置が、変速された回転をそれぞれ出力可能な複数の出力軸を有し、出力側クラッチは、動力伝達装置の複数の出力軸にそれぞれ接続され、ポンプは、複数の出力側クラッチにそれぞれ接続された複数の固定容量型ポンプを備えたものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のハイブリッド式駆動装置におけるポンプが、流体圧アクチュエータ制御回路に作動流体を供給し、蓄電器は、流体圧アクチュエータ制御回路中に設けられたエネルギ回生モータにより駆動された発電機から回収された電力を蓄えるものである。

請求項４記載の発明は、請求項１または２記載のハイブリッド式駆動装置におけるポンプが、流体圧アクチュエータ制御回路に作動流体を供給し、電動・発電機は、流体圧アクチュエータ制御回路中に設けられたエネルギ回生モータにより回生用クラッチを介して駆動されるものである。

請求項１記載の発明によれば、エンジンと動力伝達装置との間に設けられた入力側クラッチを切ることにより、エンジンを停止させた静かな状態で、蓄電器に蓄えられた電力により電動・発電機を電動機として作動させてポンプを駆動することができるとともに、入力側クラッチを入れることにより、動力伝達装置を介しエンジンの動力と電動・発電機の動力とを同時に利用して大きな動力を得ることもできる。また、動力伝達装置とポンプとの間に設けられた出力側クラッチを切ることにより、ポンプ負荷を駆動する必要のないときは、ポンプ負荷から独立させてエンジンにより電動・発電機を発電機として効率良く作動させることもできる。

請求項２記載の発明によれば、変速された回転を複数の出力軸からそれぞれ出力可能な動力伝達装置により固定容量型ポンプを駆動するので、可変容量型ポンプよりも小型化された固定容量型ポンプを用いて、可変容量型ポンプと同等の効果を得ることができる。さらに、複数の出力側クラッチにより、複数の固定容量型ポンプを選択的に作動するので、作動されるポンプ数によりポンプ吐出流量の大きな切換もできる。

請求項３記載の発明によれば、蓄電器は、発電機として機能する電動・発電機から供給された電力を蓄えるとともに、流体圧アクチュエータ制御回路中のエネルギ回生モータにより駆動された発電機から回収された電力も蓄えるので、十分な電力の供給を受けて、エンジン停止状態での電動・発電機による長時間のポンプ駆動もできる。

請求項４記載の発明によれば、流体圧アクチュエータ制御回路の作動流体が有する余剰エネルギを電力に変換することなく、流体圧アクチュエータ制御回路中に設けられたエネルギ回生モータにより回生用クラッチを介して電動・発電機を直接駆動するので、流体圧アクチュエータ制御回路中の発電機を減らすとともにエネルギ効率を向上することができる。

以下、本発明を図１乃至図３に示された一実施の形態、図４に示された他の実施の形態を参照しながら詳細に説明する。なお、流体および流体圧は、油および油圧を用いる。

図３に示されるように、作業機械１は油圧ショベルであり、下部走行体２上に旋回軸受部３を介して上部旋回体４が回動自在に設けられ、この上部旋回体４に、エンジンおよび流体圧ポンプなどの動力装置５、オペレータを保護するキャブ６などが搭載されて、機体７を形成している。下部走行体２は、左右の履帯を駆動するための走行モータ2trL，2trRをそれぞれ備え、また、上部旋回体４は、旋回軸受部３に設けられた旋回減速機構を駆動するための旋回用電動・発電機（図３には示されず）を備えている。

上部旋回体４には、作業装置８が装着されている。この作業装置８は、上部旋回体４のブラケット（図示せず）にブーム8bm、スティック8stおよびバケット8bkが順次回動自在にピン結合され、ブーム8bmはブームシリンダ8bmcにより回動され、スティック8stはスティックシリンダ8stcにより回動され、バケット8bkはバケットシリンダ8bkcにより回動される。

図１はハイブリッド式駆動装置10を示し、エンジン11に、このエンジン11から出力された回転動力を断続する入力側クラッチ12が接続され、この入力側クラッチ12に動力伝達装置14の入力軸13が接続され、動力伝達装置14の２つの出力軸15a，15bに出力側クラッチ16a，16bがそれぞれ接続され、これらの出力側クラッチ16a，16bにそれぞれポンプ17a，17bが接続されている。

これらのポンプ17a，17bに対してエンジン11と並列的な関係で動力伝達装置14の入出力軸21に、エンジン11により駆動されて発電機として機能するとともに電力の供給を受けて電動機として機能する電動・発電機22が接続されている。この電動・発電機22の電動機動力は、エンジン動力より小さく設定する。この電動・発電機22には、インバータなどの電動・発電機制御器22cが接続されている。

電動・発電機制御器22cは、コンバータなどの蓄電器制御器23cを介して、発電機として機能する電動・発電機22から供給された電力を蓄えるとともに電動機として機能する電動・発電機22に電力を供給する蓄電器23が接続されている。蓄電器23は、バッテリや、キャパシタなどである。

ハイブリッド式駆動装置10における動力伝達装置14は、トロイダル式、遊星歯車式などの無段変速機構を内蔵し、外部からの制御信号により出力軸15a，15bに無段変速された回転をそれぞれ出力可能となっている。出力側クラッチ16a，16bは、外部からの制御信号により動力伝達装置14の各出力軸15a，15bの回転をそれぞれポンプ17a，17bに伝えたり切離したりする。ポンプ17a，17bは、各出力側クラッチ16a，16bにそれぞれ接続された固定容量型ポンプである。

ハイブリッド式駆動装置10におけるポンプ17a，17bは、タンク24内に収容された作動油などの作動流体を流体圧アクチュエータ制御回路25に供給する。この流体圧アクチュエータ制御回路25中にはエネルギ回生モータ26が設けられ、このエネルギ回生モータ26により駆動された発電機27からそのコンバータなどの発電機制御器27cを介して回収された電力は、蓄電器23に蓄えられる。

流体圧アクチュエータ制御回路25に対して、ハイブリッド式駆動装置10の蓄電器23から供給された電力により旋回用電動・発電機4swを電動機として作動するとともに上部旋回体４の旋回制動時に発電機として作動した旋回用電動・発電機4swから発生した電力を蓄電器23に回収する旋回用制御回路28が設置されている。

この旋回用制御回路28は、上部旋回体４を旋回減速機構4grを介して旋回駆動する旋回用電動・発電機4swと、インバータなどの旋回用電動・発電機制御器4swcとを備え、ハイブリッド式駆動装置10の蓄電器23から供給された電力により電動機として機能するとともに、慣性旋回力により強制回転されると発電機として機能して蓄電器23に電力を回収する。

エンジン11の速度、入力側クラッチ12の断続、動力伝達装置14の変速、出力側クラッチ16a，16bの断続などは、コントローラ29から出力された信号により制御される。

図２は、流体圧アクチュエータ制御回路25を示し、ポンプ17a，17bの吐出口に接続されたポンプ通路31，32は、タンク24に戻されるバイパス通路中に設けられた電磁比例弁として作動する電磁弁33，34に接続されているとともに、走行直進弁として作動する電磁弁35に接続されている。

電磁弁33，34は、バイパス弁として機能し、オペレータが流体圧アクチュエータ2trL，2trR，8bmc，8stc，8bkcを操作する操作信号がないときは、コントローラ29からの制御信号によりポンプ通路31，32をタンク24に連通する全開位置に制御され、オペレータが流体圧アクチュエータ2trL，2trR，8bmc，8stc，8bkcを操作する操作信号の大きさに比例して閉じ位置に変位する。

電磁弁35は、図２に示された左側の作業位置では、２つのポンプ17a，17bから流体圧アクチュエータ2trL，2trR，8bmc，8stc，8bkcに作動流体を供給でき、右側の走行直進位置に切換わると、一方のポンプ17bのみから２つの走行モータ2trL，2trRに等分された作動流体を供給して、直進走行が可能となる。

流体圧アクチュエータ制御回路25は、ハイブリッド式駆動装置10のポンプ17a，17bから走行モータ2trL，2trRに供給される作動流体を制御する走行用制御回路36と、ハイブリッド式駆動装置10のポンプ17a，17bから、作業装置８を作動する作業用アクチュエータ8bmc，8stc，8bkcに供給される作動流体を制御する作業装置用制御回路37とを備えている。

走行用制御回路36は、走行直進弁として作動する電磁弁35から引出された走行モータ用作動流体供給通路41，42を経て供給された作動流体を方向制御および流量制御する電磁弁43，44を備えている。

作業装置用制御回路37は、ハイブリッド式駆動装置10のポンプ17a，17bからブームシリンダ8bmcに供給される作動流体を制御するブーム用制御回路45と、ハイブリッド式駆動装置10のポンプ17a，17bからスティックシリンダ8stcに供給される作動流体を制御するスティック用制御回路46と、ハイブリッド式駆動装置10のポンプ17a，17bからバケットシリンダ8bkcに供給される作動流体を制御するバケット用制御回路47とを備えている。

ブーム用制御回路45は、走行直進弁として作動する電磁弁35から引出されたブームシリンダ用作動流体供給通路48を経て供給された作動流体を方向制御および流量制御する電磁弁49を備え、この電磁弁49の作動流体給排通路51，52がブームシリンダ8bmcのヘッド側室とロッド側室とに連通されている。

ヘッド側の作動流体給排通路51には、落下防止弁として機能する電磁弁53が介在され、この電磁弁53をブーム停止時に左側の逆止弁位置に切換制御してブーム8bmの自重による下降を防止する。また、両方の作動流体給排通路51，52間には再生弁として機能する電磁弁54が設けられ、この電磁弁54をブーム下降時に逆止弁位置に切換制御して、ブームシリンダ8bmcのヘッド側室から排出された戻り流体の一部をロッド側室に再生する。

電磁弁49のタンク通路側には、ブームシリンダ8bmcから排出される戻り流体を分流する戻り流体通路55が設けられ、この戻り流体通路55の一方の戻り通路56および他方の戻り通路57には、これらの戻り通路56，57に分流される流量比を制御する流量比制御弁58，59が設けられている。この流量比制御弁58，59は、前記エネルギ回生モータ26を有する一方の戻り通路56に設けられた流量制御用の一方の電磁弁58と、この一方の電磁弁58の上流側で分岐された他方の戻り通路57に設けられた流量制御用の他方の電磁弁59とによって形成されている。

そして、流量比制御弁58，59により流量制御された一方の戻り通路56の戻り流体量により、作動されるエネルギ回生モータ26の回転速度を制御し、このエネルギ回生モータ26により駆動される発電機27により、ハイブリッド式駆動装置10の蓄電器23に電力を供給し蓄える。

このエネルギ回生モータ26が作動するのは、方向制御および流量制御する電磁弁49が図２において右室にあるときが望ましい。すなわち、ブーム下降時に、ブームシリンダ8bmcのヘッド側の作動流体給排通路51が戻り流体通路55に連通して、ブームシリンダ8bmcのヘッド側から排出された戻り流体によりエネルギ回生モータ26がブーム自重により余裕を持って作動することが望ましい。

スティック用制御回路46は、走行直進弁として作動する電磁弁35から引出されたスティックシリンダ用作動流体供給通路61を経て供給された作動流体を方向制御および流量制御する電磁弁62を備え、この電磁弁62の作動流体給排通路63，64がスティックシリンダ8stcのヘッド側室とロッド側室とに連通されている。また、両方の作動流体給排通路63，64間にはロッド側からヘッド側への再生弁として機能する電磁弁65が設けられ、この電磁弁65をスティック・イン下降時に逆止弁位置に切換制御して、スティックシリンダ8stcのロッド側室から排出された戻り流体をへッド側室に再生する。

バケット用制御回路47は、走行直進弁として作動する電磁弁35から引出されたバケットシリンダ用作動流体供給通路66を経て供給された作動流体を方向制御および流量制御する電磁弁67を備え、この電磁弁67の作動流体給排通路68，69がバケットシリンダ8bkcのヘッド側室とロッド側室とに連通されている。

スティックシリンダ用作動流体供給通路61とブームシリンダ8bmcのヘッド側との間には、これらを連通するスティック・ブーム間の回路間連通通路71が設けられ、このスティック・ブーム間の回路間連通通路71中には、スティックシリンダ用作動流体供給通路61からブームシリンダ8bmcのヘッド側への一方向流れを可能とする位置と流れを遮断する位置との間で変位されるスティック・ブーム間の電磁弁72が設けられている。

バケットシリンダ用作動流体供給通路66とスティックシリンダ用作動流体供給通路61との間には、これらの間を連通するブーム・スティック間の回路間連通通路73が設けられ、このブーム・スティック間の回路間連通通路73中には、バケットシリンダ用作動流体供給通路66からスティックシリンダ8stcへの一方向流れを可能とする位置および遮断する位置をそれぞれ有するブーム・スティック間の電磁弁74が設けられている。

各種電磁弁33，34，35，43，44，49，53，54，58，59，62，65，67，72，74は、図１に示されたコントローラ29により比例制御されるソレノイドと、リターンスプリング（図示せず）とをそれぞれ備え、ソレノイド励磁力とスプリング復元力とがバランスした位置に変位制御される。

次に、図１乃至図３に示された実施の形態の作用効果を説明する。

エンジン11と動力伝達装置14との間に設けられた入力側クラッチ12を切離すことにより、エンジン11を停止させた静かな状態で、蓄電器23に蓄えられた電力により電動・発電機22を電動機として作動させてポンプ17a，17bを駆動することができるとともに、入力側クラッチ12を入れることにより、動力伝達装置14を介しエンジン11の動力と電動・発電機22の動力とを同時に利用して大きな動力を得ることもできる。

さらに、動力伝達装置14とポンプ17a，17bとの間に設けられた出力側クラッチ16a，16bを切離すことにより、ポンプ負荷を駆動する必要のないときは、ポンプ負荷から独立させてエンジン11により電動・発電機22を発電機として効率良く作動させることもできる。

また、変速された回転を複数の出力軸15a，15bからそれぞれ出力可能な動力伝達装置14により固定容量型のポンプ17a，17bを駆動するので、可変容量型ポンプよりも小型化された固定容量型のポンプ17a，17bを用いて、可変容量型ポンプと同等の効果を得ることができる。さらに、複数の出力側クラッチ16a，16bにより、複数の固定容量型のポンプ17a，17bを選択的に作動するので、作動されるポンプ数によりポンプ吐出流量の大きな切換もできる。

蓄電器23は、発電機として機能する電動・発電機22から供給された電力を蓄えるとともに、流体圧アクチュエータ制御回路25中のエネルギ回生モータ26により駆動された発電機27から回収された電力も蓄えるので、十分な電力の供給を受けて、エンジン停止状態での電動・発電機22による長時間のポンプ駆動もできる。

また、作業装置用制御回路37は、ブームシリンダ8bmcから排出される戻り流体を戻り流体通路55にて分流し、その分流された流量比を流量比制御弁58，59により制御し、この流量比制御弁58，59により流量制御された一方の戻り流体によりエネルギ回生モータ26を作動し、このエネルギ回生モータ26により発電機27を駆動して、ハイブリッド式駆動装置10の蓄電器23に電力を供給するので、ブームシリンダ8bmcからの戻り流体が発生した時点からエネルギ回生モータ26側に分流される流量比を徐々に増加させることによってモータ起動時のショックの発生を防止できるとともに、ブームシリンダ8bmcの急激な負荷変動を抑えることで、ブームシリンダ8bmcの安定した動作が得られる。

すなわち、作業装置８のブーム8bmが自重落下する際に、一方の電磁弁58と他方の電磁弁59の開度を制御することで、ブームシリンダ8bmcのヘッド側から排出される戻り流体が有するエネルギをエネルギ回生モータ26により円滑に吸収できるとともに、ブームシリンダ8bmcのヘッド側の負荷変動を抑えることで、ブーム8bmの自重落下動作を安定させることができる。

ブームシリンダ8bmcから排出される戻り流体を分流する戻り流体通路55では、一方の電磁弁58と他方の電磁弁59とを、一方の戻り通路56および他方の戻り通路57の任意の場所にそれぞれ分離して設置できるとともに、一方の戻り通路56および他方の戻り通路57の開度を相互に関連することなく個別に制御でき、制御上の自由度がある。

また、下部走行体２に対し電動機として作動する旋回用電動・発電機4swにより旋回させた上部旋回体４を停止させるときは、旋回用制御回路28により旋回用電動・発電機4swを発電機として作動させることで、上部旋回体４の旋回を制動できるとともに旋回用電動・発電機4swから発生した電力を、エネルギ回生モータ26により駆動された発電機27から発生した電力とともにハイブリッド式駆動装置10の蓄電器23に効率良く回収でき、ハイブリッド式駆動装置10のポンプ動力として回生できる。

また、ブーム・スティック間の電磁弁74を一方向流れ位置に開いてスティック・ブーム間の電磁弁72を閉じることで、一のポンプ17aからブームシリンダ8bmcに供給される作動流体を、他のポンプ17bからスティックシリンダ8stcに供給される作動流体に合流させて、スティックシリンダ8stcの高速化を図れるとともに、ブーム・スティック間の電磁弁74を閉じてスティック・ブーム間の電磁弁72を開くことで、他のポンプ17bからスティックシリンダ8stcに供給される作動流体を、一のポンプ17aからブームシリンダ用作動流体供給通路48、電磁弁49の左室を経てブームシリンダ8bmcのヘッド側に供給される作動流体に合流させることで、ブームアップ動作の高速化を図れる。

次に、図４に基づき、他の実施の形態を示す。なお、この図４において、図２に示されたものと同一の部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

ハイブリッド式駆動装置10におけるポンプ17a，17bは、流体圧アクチュエータ制御回路25に作動流体を供給し、電動・発電機22は、流体圧アクチュエータ制御回路25中に設けられたエネルギ回生モータ26により回生用クラッチ111を介して駆動されるように構成されている。

そして、流体圧アクチュエータ制御回路25の作動流体が有する余剰エネルギを電力に変換することなく、流体圧アクチュエータ制御回路25中に設けられたエネルギ回生モータ26により回生用クラッチ111を介して電動・発電機22を直接駆動するので、流体圧アクチュエータ制御回路25中の発電機を削減できるとともにエネルギ効率を向上できる。

一方、エネルギ回生モータ26を作動させないときや、エンジン11のみによりポンプ17a，17bを駆動するときは、回生用クラッチ111を切離して、エネルギ回生モータ26がハイブリッド式駆動装置10の負荷となることを防止できる。

本発明に係るハイブリッド式駆動装置の一実施の形態を示す構成図である。 同上駆動装置により駆動される制御回路の一実施の形態を示す回路図である。 同上駆動装置を備えた作業機械の側面図である。 同上駆動装置により駆動される制御回路の他の実施の形態を示す回路図である。

符号の説明

11 エンジン
12 入力側クラッチ
13 入力軸
14 動力伝達装置
15a，15b 出力軸
16a，16b 出力側クラッチ
17a，17b ポンプ（固定容量型ポンプ）
22 電動・発電機
23 蓄電器
25 流体圧アクチュエータ制御回路
26 エネルギ回生モータ
27 発電機
111 回生用クラッチ

Claims (4)

1. エンジンと、
   エンジンに接続されエンジンから出力された回転動力を断続する入力側クラッチと、
   入力側クラッチに入力軸が接続された動力伝達装置と、
   動力伝達装置の出力軸に接続された出力側クラッチと、
   出力側クラッチに接続されたポンプと、
   ポンプに対してエンジンと並列的な関係で動力伝達装置に接続されエンジンにより駆動されて発電機として機能するとともに電力の供給を受けて電動機として機能する電動・発電機と、
   発電機として機能する電動・発電機から供給された電力を蓄えるとともに電動機として機能する電動・発電機に電力を供給する蓄電器と
   を具備したことを特徴とするハイブリッド式駆動装置。
2. 動力伝達装置は、変速された回転をそれぞれ出力可能な複数の出力軸を有し、
   出力側クラッチは、動力伝達装置の複数の出力軸にそれぞれ接続され、
   ポンプは、複数の出力側クラッチにそれぞれ接続された複数の固定容量型ポンプを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド式駆動装置。
3. ポンプは、流体圧アクチュエータ制御回路に作動流体を供給し、
   蓄電器は、流体圧アクチュエータ制御回路中に設けられたエネルギ回生モータにより駆動された発電機から回収された電力を蓄える
   ことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド式駆動装置。
4. ポンプは、流体圧アクチュエータ制御回路に作動流体を供給し、
   電動・発電機は、流体圧アクチュエータ制御回路中に設けられたエネルギ回生モータにより回生用クラッチを介して駆動される
   ことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド式駆動装置。

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