WO2016194934A1 - ハイブリッド作業機の制御システム - Google Patents
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- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- F15B11/02—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member
- F15B11/024—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member by means of differential connection of the servomotor lines, e.g. regenerative circuits
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- F15B21/14—Energy-recuperation means
Definitions
- control system 100 for a hybrid work machine will be described with reference to FIG.
- the hybrid working machine is a hydraulic excavator
- hydraulic oil is used as the working fluid.
- the operation valves 1 to 5 are connected to the first main pump 26 through the neutral passage 6 and the parallel passage 7 which are parallel to each other.
- a pilot pressure generation mechanism 8 that generates a pilot pressure used to control the first main pump 26 is provided on the downstream side of the operation valve 5 in the neutral passage 6.
- the pilot pressure generation mechanism 8 generates a high pilot pressure if the flow rate of the passing hydraulic oil is large, and generates a low pilot pressure if the flow rate of the passing hydraulic fluid is small.
- the regulator 10 controls the tilt angle of the swash plate of the first main pump 26 in proportion to the pilot pressure in the pilot passage 9 (proportional constant is a negative number). Thereby, the regulator 10 controls the amount of push-off per rotation of the first main pump 26. Accordingly, when the operation valves 1 to 5 are switched to the full stroke, the flow of the neutral passage 6 is eliminated, and the pilot pressure in the pilot passage 9 becomes zero, the tilt angle of the first main pump 26 is maximized. At this time, the push-out amount per rotation of the first main pump 26 is maximized.
- the first main relief valve 62 always communicates with the neutral passages 6 and 16.
- the second main relief valve 63 communicates with the neutral passages 6 and 16 when the switching valve 64 is switched to the open state. Thereby, when the switching valve 64 is switched to the open state, the relief pressure of the neutral passages 6 and 16 becomes lower than that in the closed state.
- the regenerative unit 45 is connected to the regenerative motor 46 and a regenerative motor 46 which is rotated by the hydraulic oil discharged from the piston side chamber 30a of the boom cylinder 30 and guided through the regenerative control valve 53 as a regenerative valve.
- an electric motor 48 as a rotating electric machine that also serves as a generator
- an inverter 49 that converts electric power generated by the electric motor 48 into direct current
- a battery 24 as a storage battery that stores electric power generated by the electric motor 48.
- the regenerative control valve 53 is maintained at the non-regenerative position 53c by the spring force of the spring 53b when the pilot pressure is not supplied to the pilot chamber 53a (the state shown in FIG. 1).
- the regeneration control valve 53 is switched to the half regeneration position 53d, and when the pilot pressure further increases, it is switched to the full regeneration position 53e.
- the first supply / discharge passage 31 is in a state where the flow path is restricted by the restriction, and the first supply / discharge passage 31 and the regeneration passage 52 are in communication with each other through the restriction. For this reason, part of the hydraulic oil discharged from the piston side chamber 30 a is guided to the regenerative motor 46 through the regenerative passage 52, and the remaining hydraulic oil is discharged to the tank through the operation valve 14.
- the regeneration position is 53d.
- the boom assist passage 71a is provided with a boom assist control valve 74 as an actuator assist control valve
- the arm assist passage 71b is provided with an arm assist control valve 75 as an actuator assist control valve.
- the boom assist control valve 74 and the arm assist control valve 75 are electromagnetic proportional throttle valves whose opening degrees are controlled by output signals from the controller 50.
- check valves 76 and 77 that allow only the flow of hydraulic oil from the assist pump 47 to each actuator are provided in each of the boom assist passage 71a and the arm assist passage 71b.
- the regeneration unit 45 which has the battery 24 of the same capacity
- a regeneration passage 31a that connects the piston side chamber 30a and the rod side chamber 30b, and a regeneration flow rate control valve 33 that is provided in the regeneration passage 31a and guides part of the hydraulic oil discharged from the piston side chamber 30a to the rod side chamber 30b.
- the regeneration flow rate control valve 33 is opened in conjunction with the opening of the regeneration control valve 53, and the hydraulic oil supplied from the assist pump 47 through the actuator assist passages 71 and 71a is regenerated from the piston side chamber 30a. It is supplied to the rod side chamber 30b together with the hydraulic fluid guided through the flow control valve 33.
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Abstract
ハイブリッド作業機の制御システム(100)は、ブームシリンダ(30)に作動油を供給する第1,第2メインポンプ(26,27)と、ブームシリンダ(30)のピストン側室(30a)から排出される作動油によって回転する回生モータ(46)、回生モータ(46)に連結される電動モータ(48)、及び、電動モータ(48)によって発電された電力を貯めるバッテリ(24)を有する回生ユニット(45)と、回生モータ(46)に連結されるアシストポンプ(47)と、アシストポンプ(47)の吐出側とブームシリンダ(30)のロッド側室(30b)とを連通するアクチュエータアシスト通路(71,71a)と、を備える。
Description
本発明は、ハイブリッド作業機の制御システムに関するものである。
従来から、アクチュエータから導かれる作動油を利用して油圧モータを回転させてエネルギ回生を行うハイブリッド作業機が知られている。
JP2013-61044Aには、ブームを上下に回動させるブームシリンダを備えるハイブリッド作業機が開示されている。このハイブリッド作業機では、ブームを下降させる際にブームシリンダから戻される作動油を利用して油圧モータを回転させ、油圧モータの回転トルクで発電機を駆動している。
しかしながら、JP2013-61044Aに記載されるハイブリッド作業機では、蓄電池の充電量が所定値以上となると回生制御が停止され、作動油はエネルギを回収されることなく排出される。ブームシリンダから排出される作動油の最大流量に応じて、発電機の発電能力や蓄電池の充電容量が設計されれば、より多くの作動油のエネルギを効率よく回生することができる。しかし、ブームシリンダの大きさに合わせて、異なる仕様の回生ユニットが種々設計されるとハイブリッド作業機の製造コストが上昇するおそれがある。
本発明は、ハイブリッド作業機において、製造コストの上昇を抑制しつつ、作動流体が有するエネルギの回生効率を向上させることを目的とする。
本発明のある態様によれば、流体圧アクチュエータに作動流体を供給するメイン流体圧ポンプと、前記流体圧アクチュエータの負荷側圧力室から排出され回生弁を通じて導かれる作動流体によって回転する回生モータ、前記回生モータに連結される回転電機、及び、前記回転電機によって発電された電力を貯める蓄電池を有する回生ユニットと、前記回生モータに連結されるサブ流体圧ポンプと、前記サブ流体圧ポンプの吐出側と前記流体圧アクチュエータの反負荷側圧力室とを連通するアクチュエータアシスト通路と、を備えるハイブリッド作業機の制御システムが提供される。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
以下、図1を参照して、本発明の実施形態に係るハイブリッド作業機の制御システム100について説明する。以下の実施形態では、ハイブリッド作業機が油圧ショベルである場合について説明する。油圧ショベルでは、作動流体として作動油が用いられる。
図1に示すように、油圧ショベルは、メイン流体圧ポンプとしての第1,第2メインポンプ26,27を備える。第1,第2メインポンプ26,27は、斜板の傾転角を調整可能な可変容量型ポンプである。第1,第2メインポンプ26,27は、エンジン28によって駆動されて同軸回転する。
第1メインポンプ26から吐出される作動油は、上流側から順に、旋回モータ(図示省略)を制御する操作弁1と、アームシリンダ80を制御するアーム1速用の操作弁2と、ブームシリンダ30を制御するブーム2速用の操作弁3と、予備用アタッチメント(図示省略)を制御する操作弁4と、左走行用の第1走行用モータ(図示省略)を制御する操作弁5と、に供給される。これらの旋回モータ,アームシリンダ80,ブームシリンダ30,予備用アタッチメントに接続される油圧機器,及び第1走行用モータが、流体圧アクチュエータ(以下、単に「アクチュエータ」と称する。)に該当する。
各操作弁1~5は、第1メインポンプ26から各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。各操作弁1~5は、油圧ショベルのオペレータが操作レバーを手動操作することに伴って供給されるパイロット圧によって操作される。
各操作弁1~5は、互いに並列な中立通路6とパラレル通路7とを通じて第1メインポンプ26に接続されている。中立通路6における操作弁5の下流側には、第1メインポンプ26を制御するために用いられるパイロット圧を生成するパイロット圧生成機構8が設けられる。パイロット圧生成機構8は、通過する作動油の流量が多ければ高いパイロット圧を生成し、通過する作動油の流量が少なければ低いパイロット圧を生成する。
中立通路6は、操作弁1~5の全てが中立位置又は中立位置近傍にある場合には、第1メインポンプ26から吐出された作動油の全部又は大部分をタンクに導く。この場合、パイロット圧生成機構8を通過する流量が多くなるため、高いパイロット圧が生成される。
一方、操作弁1~5がフルストロークに切り換えられると、中立通路6が閉ざされて作動油の流通がなくなる。この場合、パイロット圧生成機構8を通過する流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。ただし、操作弁1~5の操作量によっては、第1メインポンプ26から吐出された作動油の一部がアクチュエータに導かれ、残りが中立通路6からタンクに導かれることになる。そのため、パイロット圧生成機構8は、中立通路6の作動油の流量に応じたパイロット圧を生成する。つまり、パイロット圧生成機構8は、操作弁1~5の操作量に応じたパイロット圧を生成する。
パイロット圧生成機構8にはパイロット通路9が接続される。パイロット通路9には、パイロット圧生成機構8にて生成されたパイロット圧が導かれる。パイロット通路9は、第1メインポンプ26の吐出容量(斜板の傾転角)を制御するレギュレータ10に接続される。
レギュレータ10は、パイロット通路9のパイロット圧と比例(比例定数は負の数)して第1メインポンプ26の斜板の傾転角を制御する。これにより、レギュレータ10は、第1メインポンプ26の1回転当たりの押し除け量を制御する。したがって、操作弁1~5がフルストロークに切り換えられて中立通路6の流れがなくなり、パイロット通路9のパイロット圧がゼロになれば、第1メインポンプ26の傾転角が最大になる。このとき、第1メインポンプ26の1回転当たりの押し除け量が最大になる。
パイロット通路9には、パイロット通路9の圧力を検出する第1圧力センサ11が設けられる。第1圧力センサ11によって検出された圧力は、後述するコントローラ50に出力される。
第2メインポンプ27から吐出される作動油は、上流側から順に、右走行用の第2走行用モータ(図示省略)を制御する操作弁12と、バケットシリンダ(図示省略)を制御する操作弁13と、ブームシリンダ30を制御するブーム1速用の操作弁14と、アームシリンダ80を制御するアーム2速用の操作弁15と、に供給される。これらの第2走行用モータ,バケットシリンダ,ブームシリンダ30,及びアームシリンダ80が、流体圧アクチュエータ(以下、単に「アクチュエータ」と称する。)に該当する。
各操作弁12~15は、第2メインポンプ27から各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。各操作弁12~15は、油圧ショベルのオペレータが操作レバーを手動操作することに伴って供給されるパイロット圧によって操作される。
各操作弁12~15は、中立通路16を通じて第2メインポンプ27に接続されている。また、操作弁13及び操作弁14は、中立通路16と並列なパラレル通路17を通じて第2メインポンプ27に接続されている。中立通路16における操作弁15の下流側には、パイロット圧を生成するためのパイロット圧生成機構18が設けられる。パイロット圧生成機構18は、第1メインポンプ26側のパイロット圧生成機構8と同じ機能を有するものである。
パイロット圧生成機構18にはパイロット通路19が接続される。パイロット通路19には、パイロット圧生成機構18にて生成されたパイロット圧が導かれる。パイロット通路19は、第2メインポンプ27の吐出容量(斜板の傾転角)を制御するレギュレータ20に接続される。
レギュレータ20は、パイロット通路19のパイロット圧と比例(比例定数は負の数)して第2メインポンプ27の斜板の傾転角を制御する。これにより、レギュレータ20は、第2メインポンプ27の1回転当たりの押し除け量を制御する。したがって、操作弁12~15がフルストロークに切り換えられて中立通路16の流れがなくなり、パイロット通路19のパイロット圧がゼロになれば、第2メインポンプ27の傾転角が最大になる。このとき、第2メインポンプ27の1回転当たりの押し除け量が最大になる。
パイロット通路19には、パイロット通路19の圧力を検出する第2圧力センサ21が設けられる。第2圧力センサ21によって検出された圧力は、後述するコントローラ50に出力される。
中立通路6,16における第1,第2メインポンプ26,27の下流には、予め設定された所定のメインリリーフ圧を超えたときに作動油をリリーフする第1メインリリーフ弁62と、第1メインリリーフ弁62と比較してリリーフ圧が低く設定される第2メインリリーフ弁63と、中立通路6,16を第2メインリリーフ弁63に接続可能な切換弁64と、が設けられる。所定のメインリリーフ圧は、各アクチュエータの最低作動圧を充分に確保できる程度に高く設定される。
第1メインリリーフ弁62は、常に中立通路6,16と連通する。第2メインリリーフ弁63は、切換弁64が開状態に切り換えられた場合に中立通路6,16と連通する。これにより、切換弁64が開状態に切り換えられると、閉状態の場合と比較して、中立通路6,16のリリーフ圧が低くなる。
中立通路16から分岐した分配通路60には、直進走行を行うときに切り換えられる切換弁61が設けられる。直進走行を行うために、第1走行用モータと第2走行用モータとが同じ方向に回転するように操作弁5及び操作弁12が切り換えられると、パイロットポンプ29からパイロット圧が供給されるパイロット通路65の圧力が上昇する。それと同時に、操作弁1~4,13~15の少なくとも一つがアクチュエータを動作させるように切り換えられると、パイロットポンプ29からパイロット圧が供給されるパイロット通路66の圧力が上昇する。これにより、切換弁61は、パイロット圧によって開状態に切り換えられ、切換弁64は、パイロット圧によって閉状態に切り換えられる。
切換弁61が開状態に切り換えられると、第2メインポンプ27から吐出された作動油が、操作弁5及び操作弁12を介して第1走行用モータ及び第2走行用モータに同じ流量ずつ供給される。これにより、油圧ショベルでは、オペレータが直進走行させようとしたときに他のアクチュエータが作動しても、その影響を受けず、第1走行用モータと第2走行用モータとが同じ速度で回転する。よって、油圧ショベルは直進走行が可能である。
エンジン28には、エンジン28の余力を利用して発電する発電機22が設けられる。発電機22で発電された電力は、バッテリチャージャー23を介してバッテリ24に充電される。バッテリチャージャー23は、通常の家庭用の電源25に接続した場合にも、バッテリ24に電力を充電できる。
次に、エネルギを有する作動油が収縮時に排出されるブームシリンダ30について説明する。
ブームシリンダ30は、ピストン側室(負荷側圧力室)30aとロッド側室(反負荷側圧力室)30bとを内部に画成するピストンと、ピストンとブームとを連結するピストンロッドと、を有する。ブームシリンダ30は、ピストン側室30aへの作動油の供給によって伸長してブームを上昇させ、ピストン側室30aからの作動油の排出によって収縮してブームを下降させる。
ブームシリンダ30の動作を制御する操作弁14は、3位置の切換弁である。操作弁14は、第1給排通路31を通じてブームシリンダ30のピストン側室30aに接続され、第2給排通路32を通じてブームシリンダ30のロッド側室30bに接続される。
操作弁14は、油圧ショベルのオペレータが操作レバー57を手動操作することに伴ってパイロットポンプ29からパイロット弁58を通じてパイロット室14b,14cに供給されるパイロット圧によって操作される。ブーム2速用の操作弁3は、オペレータによる操作レバー57の操作量が所定量より大きい場合に、操作弁14に連動して切り換わる。
パイロット室14bにパイロット圧が供給された場合には、操作弁14は伸長位置14dに切り換わる。操作弁14が伸長位置14dに切り換わると、第2メインポンプ27から吐出された作動油が第1給排通路31を通じてブームシリンダ30のピストン側室30aに供給されると共に、ロッド側室30bからの戻り作動油が第2給排通路32を通じてタンクに排出される。よって、ブームシリンダ30は伸長し、ブームは上昇する。
一方、パイロット室14cにパイロット圧が供給された場合には、操作弁14は収縮位置14eに切り換わる。操作弁14が収縮位置14eに切り換わると、第2メインポンプ27から吐出された作動油が第2給排通路32を通じてブームシリンダ30のロッド側室30bに供給されると共に、ピストン側室30aからの戻り作動油が第1給排通路31を通じてタンクに排出される。よって、ブームシリンダ30は収縮し、ブームは下降する。
また、各パイロット室14b,14cに共にパイロット圧が供給されない場合には、操作弁14は中立位置14fに切り換わる。操作弁14が中立位置14fに切り換わると、ブームシリンダ30に対する作動油の給排が遮断され、ブームは停止した状態に維持される。
操作弁14を中立位置14fに切り換えてブームの動きを止めた場合、バケット,アーム,及びブーム等の自重によって、ブームシリンダ30には収縮する方向の力が作用する。このように、ブームシリンダ30では、操作弁14が中立位置14fの場合にはピストン側室30aによって負荷が保持される。よって、ブームシリンダ30のピストン側室30aは負荷側圧力室に該当する。
ハイブリッド作業機の制御システム100は、ブームシリンダ30から排出される作動油のエネルギを回収してエネルギ回生を行う回生ユニット45をさらに備える。以下では、その回生ユニット45について説明する。
回生ユニット45は、ブームシリンダ30のピストン側室30aから排出され回生弁としての回生制御弁53を通じて導かれる作動油によって回転して作動油のエネルギを回収する回生モータ46と、回生モータ46に連結される発電機兼用の回転電機としての電動モータ48と、電動モータ48が発電した電力を直流に変換するインバータ49と、電動モータ48によって発電された電力を貯める蓄電池としてのバッテリ24と、を有する。
回生ユニット45による回生制御は、コントローラ50によって実行される。コントローラ50は、回生制御を実行するCPU(中央演算処理装置)と、CPUの処理動作に必要な制御プログラムや設定値等が記憶されたROM(リードオンリメモリ)と、各種センサによって検出された情報を一時的に記憶するRAM(ランダムアクセスメモリ)と、を備える。
回生モータ46は、傾転角が調整可能な可変容量型モータであり、電動モータ48と同軸回転するように連結されている。回生モータ46は、電動モータ48を駆動可能である。電動モータ48が発電機として機能した場合には、電動モータ48で発電された電力はインバータ49を介してバッテリ24に充電される。回生モータ46と電動モータ48とは、直接連結されてもよいし、減速機を介して連結されてもよい。
回生モータ46の斜板の傾転角は、レギュレータ36を介してコントローラ50により制御される。また、電動モータ48の回転数は、インバータ49を通じてコントローラ50により制御される。コントローラ50は、各種センサの出力に基づいてバッテリ24の充電量を監視し、バッテリ24に充電可能な電力量が電動モータ48によって効率よく発電されるように、回生モータ46の斜板の傾転角及び電動モータ48の回転数を制御する。
回生モータ46には、第1給排通路31に接続される回生通路52を通じて、ピストン側室30aから排出される作動油が導かれる。第1給排通路31と回生通路52との合流部には、ピストン側室30aから排出される作動油の排出先を切り換える回生制御弁53が設けられる。
回生制御弁53は、パイロット圧油の圧力によってスプールの位置が制御されるスプール弁であり、スプールの一方に臨むパイロット室53aと、スプールの他方に付勢力を付与するスプリング53bと、を有する。
回生制御弁53は、パイロット室53aにパイロット圧が供給されない状態では、スプリング53bのばね力によって無回生位置53cに維持される(図1に示す状態)。パイロット室53aにパイロット圧が供給されると、回生制御弁53は、半回生位置53dに切り換えられ、さらにパイロット圧が上昇すると全回生位置53eに切り換えられる。
無回生位置53cでは、第1給排通路31は全開状態になる一方、第1給排通路31と回生通路52との連通は遮断されるため、回生モータ46に作動油が流入することはない。このため、ブームシリンダ30を伸長させるときのように、第1給排通路31を通じてピストン側室30aに作動油を供給する場合には、無回生位置53cとされる。また、回生ユニット45が故障したときやバッテリ24が満充電となったときのように、回生モータ46でのエネルギの回収が停止される場合などにも、無回生位置53cとされる。
半回生位置53dでは、第1給排通路31は絞りによって流路が絞られた状態になるとともに、第1給排通路31と回生通路52とは絞りを通じて連通した状態となる。このため、ピストン側室30aから排出される作動油の一部は、回生通路52を通じて回生モータ46に導かれ、残りの作動油は操作弁14を通じてタンクへ排出される。オペレータによる操作レバー57の操作量が小さく、ピストン側室30aから排出される作動油の流量が少ない場合やバッテリ24の充電状態により回生モータ46でのエネルギの回収が制限される場合などには、半回生位置53dとされる。
全回生位置53eでは、第1給排通路31は遮断され、回生通路52はピストン側室30aと連通した状態となる。このため、ピストン側室30aから排出される作動油は、操作弁14を通じてタンクへ排出されることなく、全量が回生モータ46へと導かれる。バッテリ24の充電量が少ないときなど、回生モータ46において多くのエネルギを回収することが可能な場合には、全回生位置53eとされる。
なお、回生制御弁53は、上記の3つのポジションを択一的に選択する構成に限定されず、パイロット室53aのパイロット圧に応じてポジションが連続的に変化し、回生モータ46に導かれる作動油と操作弁14を通じてタンクへ排出される作動油との比率を徐々に変更することが可能な構成であってもよい。
回生通路52には、ピストン側室30aから回生モータ46に排出される作動油の流れを許容し、逆方向の流れを阻止するチェック弁55が設けられる。
また、回生通路52には、一端がタンク内に配置される吸上通路51が接続される。回生通路52を通じて回生モータ46へ供給される作動油の流量が少なくなった場合には、吸上通路51を通じてタンク内の作動油が回生通路52に吸い上げられ、回生モータ46へ供給される。吸上通路51には、タンクから回生通路52への作動油の流れのみを許容するチェック弁51aが設けられる。
ピストン側室30aと回生制御弁53との間の第1給排通路31は、再生弁としての再生流量制御弁33が設けられる再生通路31aを介して第2給排通路32に接続される。
再生流量制御弁33は、回生制御弁53を切り換えるパイロット圧油と同じパイロット圧油によって切り換えられるスプール弁であり、スプールの一端に臨むパイロット室33aと、スプールの他端に付勢力を付与するスプリング33bと、を有する。
再生流量制御弁33は、パイロット室33aにパイロット圧が供給されていないときには、ノーマル位置33cに切り換わり、再生通路31aを遮断する。一方、パイロット室33aにパイロット圧が供給されると、再生流量制御弁33は切換位置33dに切り換わり、パイロット圧に応じて絞りの開度が変化する状態となる。この状態では、絞りによって再生通路31aを流れる作動油の流量が制御される。
再生流量制御弁33は、ブームを下降させる際、すなわち、ピストン側室30aが圧縮される際に、パイロット室33aにパイロット圧が供給されると、切換位置33dとなる。切換位置33dでは、ピストン側室30aからタンクに排出される作動油の一部が再生流量としてロッド側室30bに導かれる。このように、圧縮され高圧となった作動油の一部がピストン側室30aからロッド側室30bに導かれると、ロッド側室30bに導かれた作動油の圧力は、ブームシリンダ30を収縮させる方向に作用するため、ブームシリンダ30の収縮速度を向上させることができる。
再生流量制御弁33のスプリング33bのばね力は、回生制御弁53のスプリング53bのばね力より大きく設定されているため、再生流量制御弁33が再生通路31aを連通させるタイミングは、回生制御弁53が半回生位置53dに切り換えられるタイミングよりも遅くなる。
再生通路31aには、ピストン側室30aから第2給排通路32への作動油の流れを許容し、逆方向の流れを阻止するチェック弁34が設けられる。
回生制御弁53のパイロット室53aと再生流量制御弁33のパイロット室33aとは、比例電磁弁54を通じて、パイロットポンプ29と接続される。比例電磁弁54は、供給される励磁電流に応じて開度が変化するため、各パイロット室53a,33aに供給されるパイロット圧は、コントローラ50から比例電磁弁54に供給される励磁電流に応じて変化する。つまり、回生制御弁53と再生流量制御弁33との状態は、コントローラ50から比例電磁弁54に供給される励磁電流の大きさを変更することによって制御することができる。コントローラ50から比例電磁弁54に供給される励磁電流の大きさは、操作弁14の変位方向とその変位量に応じて決定される。具体的には、ブームシリンダ30を収縮させる方向に操作弁14が変位し、その変位量が大きいほど各パイロット室53a,33aに供給されるパイロット圧が大きくなるように励磁電流の大きさは設定される。このように、回生制御弁53と再生流量制御弁33とは、共通の比例電磁弁54によって開度が制御される。この構成に代えて、それぞれ別々の比例電磁弁を通じて導かれるパイロット圧によって開度が制御されてもよい。また、回生制御弁53と再生流量制御弁33とをそれぞれ電磁駆動弁とし、コントローラ50によって直接開度が制御される構成としてもよい。
操作弁14の変位方向とその変位量は、操作弁14に設けられる変位センサ14aによって検出される。変位センサ14aにて検出された変位量はコントローラ50に出力される。操作弁14の変位方向とその変位量を検出することは、ブームシリンダ30の伸縮方向とその伸縮速度を検出することと等価である。したがって、変位センサ14aは、ブームシリンダ30の動作状態を検出する動作状態検出器として機能する。変位センサ14aは、パイロット室14b,14cの圧力を検出する圧力センサであってもよい。なお、変位センサ14aに代えて、ピストンロッドの移動方向とその移動量を検出するセンサを動作状態検出器としてブームシリンダ30に設けてもよい。
また、操作レバー57に、オペレータによる操作レバー57の操作方向とその操作量を検出する操作センサ57aが設けられてもよい。操作センサ57aにて検出された操作レバー57の変位量はコントローラ50に出力される。コントローラ50は、操作センサ57aの検出値からオペレータがどのようにブームシリンダ30を操作しようとしているのかを判定する。
コントローラ50は、変位センサ14aまたは操作センサ57aの検出結果に基づいて、オペレータがブームシリンダ30を伸長させようとしているのか、又は収縮させようとしているのかを判定する。コントローラ50は、ブームシリンダ30が伸長動作状態にあると判定すると、比例電磁弁54への励磁電流の供給を停止し、比例電磁弁54を通じて各パイロット室53a,33a内のパイロット圧油をタンクへ排出する。このため、回生制御弁53は、スプリング53bのばね力によって無回生位置53cとなって、ピストン側室30aと回生通路52との連通を遮断し、再生流量制御弁33は、スプリング33bのばね力によってノーマル位置33cとなり、第1給排通路31と第2給排通路32との連通を遮断する。
一方、コントローラ50は、ブームシリンダ30が収縮動作状態にあると判定すると、比例電磁弁54へ励磁電流を供給し、比例電磁弁54を通じて各パイロット室53a,33aへパイロット圧油を供給する。供給されるパイロット圧油の圧力に応じて、回生制御弁53は、半回生位置53dまたは全回生位置53eとなって、ピストン側室30aと回生通路52とを連通させる。これにより、ブームシリンダ30のピストン側室30aから排出される作動油の一部又は全部が回生モータ46に導かれ、ブーム回生が行われる。また、再生流量制御弁33は、切換位置33dとなり、絞りを通じて第1給排通路31と第2給排通路32とを連通させる。
ハイブリッド作業機の制御システム100は、回生モータ46に連結されるサブ流体圧ポンプとしてのアシストポンプ47をさらに備える。以下では、アシストポンプ47について説明する。
アシストポンプ47は、傾転角が調整可能な可変容量型ポンプであり、回生モータ46と同軸回転するように連結されている。アシストポンプ47は、回生モータ46と電動モータ48との何れか一方または両方の駆動力によって回転可能であり、傾転角に応じた作動油を吐出する。
アシストポンプ47の吐出側には、アシストポンプ47から吐出される作動油を各アクチュエータに導くアクチュエータアシスト通路71が接続される。アクチュエータアシスト通路71は、ブームシリンダ30のロッド側室30bに接続されるブームアシスト通路71aと、アームシリンダ80のピストン側室80aに接続されるアームアシスト通路71bと、に分岐して形成される。なお、アームシリンダ80は、ブームシリンダ30と同様の構成を有しており、ピストン側室80aとロッド側室80bとを内部に画成するピストンと、ピストンとアームとを連結するピストンロッドと、を有する。
ブームアシスト通路71aには、アクチュエータアシスト制御弁としてのブームアシスト制御弁74が設けられ、アームアシスト通路71bには、アクチュエータアシスト制御弁としてのアームアシスト制御弁75が設けられる。ブームアシスト制御弁74及びアームアシスト制御弁75は、コントローラ50からの出力信号によって開度が制御される電磁比例絞り弁である。また、ブームアシスト通路71aとアームアシスト通路71bとのそれぞれには、アシストポンプ47から各アクチュエータへの作動油の流れのみを許容するチェック弁76,77が設けられる。
ブームアシスト制御弁74及びアームアシスト制御弁75は、コントローラ50によってその開度が直接制御される形式の制御弁に限定されず、前述の回生制御弁53や再生流量制御弁33のようにパイロット圧によってその開度が制御される形式の制御弁であってもよい。この場合、供給されるパイロット圧を制御する電磁弁が別途設けられる。パイロット圧によって開度が制御される制御弁を用いた場合には、制御弁の弁体の作動速度が緩やかになるため、作動油の供給を開始する際のショックや作動油の供給量を変更する際のショックが低減される。
アシストポンプ47から各アクチュエータに供給される作動油の圧力及び流量は、コントローラ50によって制御される。コントローラ50は、レギュレータ35を介してアシストポンプ47の斜板の傾転角を制御することによって、アシストポンプ47から吐出される作動油の圧力及び流量を制御する。また、コントローラ50は、ブームアシスト制御弁74及びアームアシスト制御弁75の開度を制御することによって、各アクチュエータに供給される作動油の流量を制御する。
アシストポンプ47から吐出された作動油がブームアシスト制御弁74を通じてロッド側室30bに供給されると、ロッド側室30bに供給された作動油の圧力は、ブームシリンダ30を収縮させる方向に作用するため、ブームシリンダ30を収縮させる際の作動速度を向上させることができる。
同様に、アシストポンプ47から吐出された作動油がアームアシスト制御弁75を通じてピストン側室80aに供給されると、ピストン側室80aに供給された作動油の圧力は、アームシリンダ80を伸長させる方向に作用するため、アームシリンダ80を伸長させる際の作動速度を向上させることができる。
アームアシスト通路71bは、ピストン側室80aに代えて、ロッド側室80bに接続されてもよい。この場合、アシストポンプ47からロッド側室80bに供給された作動油の圧力は、アームシリンダ80を収縮させる方向に作用するため、アームシリンダ80を収縮させる際の作動速度を向上させることができる。また、アクチュエータアシスト通路71が接続されるアクチュエータは、ブームシリンダ30及びアームシリンダ80に限定されず、バケットシリンダや旋回モータなどハイブリッド作業機に備えられる何れのアクチュエータであってもよい。
次に、ハイブリッド作業機の制御システム100における回生制御について説明する。
コントローラ50は、変位センサ14aまたは操作センサ57aの検出結果に基づいて、ブームシリンダ30が収縮動作中であると判定すると、比例電磁弁54へ励磁電流を供給し、比例電磁弁54を通じて各パイロット室53a,33aへパイロット圧油を供給する。供給されるパイロット圧油の圧力に応じて、回生制御弁53は、半回生位置53dまたは全回生位置53eとなって、ピストン側室30aと回生通路52とを連通させる。これにより、ブームシリンダ30が収縮する際に、ブームシリンダ30のピストン側室30aから排出される作動油の一部又は全部が回生通路52を通じて回生モータ46に流入する。流入する作動油によって回生モータ46は回転し、連結される電動モータ48を回転させる。電動モータ48で発電された電力は、インバータ49を介してバッテリ24に充電される。このようにして回生ユニット45における回生制御は実行される。
このとき、再生流量制御弁33も供給されるパイロット圧油の圧力に応じて切換位置33dとなり、絞りを通じて第1給排通路31と第2給排通路32とを連通させる。これにより、ブームシリンダ30のピストン側室30aから排出される作動油の一部が再生流量としてロッド側室30bに導かれる。ロッド側室30bに導かれた作動油の圧力は、ブームシリンダ30を収縮させる方向に作用するため、ブームシリンダ30の収縮速度を向上させることができる。
ブームシリンダ30が収縮動作中であって回生制御が行われているときに、操作レバー57がブームを下げる方向、すなわちブームシリンダ30が収縮する方向に所定の操作量を超えて操作されると、コントローラ50は、ブームシリンダ30の収縮速度を上昇する指令が入力されたと判定し、ブームシリンダ30の収縮速度を上昇させるためにアクチュエータの作動速度制御を実行する。
ここで、アクチュエータの作動速度制御について説明する。
コントローラ50は、操作センサ57aの検出値に基づいて、操作レバー57が所定の操作量以上に操作されていることを検知した場合には、レギュレータ35を制御し、回生モータ46によって回転されるアシストポンプ47から作動油が吐出されるようにアシストポンプ47の斜板の傾転角を徐々に大きくする。同時に、コントローラ50は、ブームアシスト制御弁74を徐々に開弁させることによって、アシストポンプ47から吐出された作動油をブームアシスト通路71aを通じてロッド側室30bに供給する。ロッド側室30bに供給された作動油の圧力は、ブームシリンダ30を収縮させる方向に作用するため、ブームシリンダ30の収縮速度を向上させることができる。
さらに、コントローラ50は、操作センサ57aの検出値に基づいて、ロッド側室30bに供給される作動油の圧力及び流量を調整し、ブームシリンダ30の収縮速度を制御する。具体的には、操作レバー57の操作量が大きいほど、要求される収縮速度が高いと判定し、ロッド側室30bに供給される作動油の圧力が高くなるように、または、流量が多くなるように、アシストポンプ47及びブームアシスト制御弁74を制御する。ロッド側室30bに供給される作動油の圧力や流量は、アシストポンプ47の傾転角及びブームアシスト制御弁74の開度を変更することによって変化する。このため、アシストポンプ47の傾転角またはブームアシスト制御弁74の開度を調整することによって、ブームシリンダ30の収縮速度をオペレータが意図する速度に制御することができる。なお、作動油の圧力及び流量をアシストポンプ47の傾転角によって調整することができれば、ブームアシスト制御弁74はブームアシスト通路71aの開放と遮断とを切り換える切換弁としてもよい。
上述の回生制御とアクチュエータの作動速度制御との二つの制御によって、回生モータ46によって回収された作動油のエネルギは、電気エネルギに回生されるとともに、その一部はブームシリンダ30の作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生される。このため、エネルギが回収されることなく排出される作動油の量が減少し、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができる。
つまり、ブームシリンダ30が比較的大きく、エネルギを有する作動油の排出量が多い作業機であっても、作動油のエネルギの一部はブームシリンダ30の作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生されることになるので、バッテリ24の容量が小さい場合であってもエネルギが回収されることなく排出される作動油の量を減少させることができる。
このように、比較的大きいブームシリンダ30を備える作業機のバッテリ24の容量を小さくしても作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができるので、同じ容量のバッテリ24を有する回生ユニット45を、異なる大きさのブームシリンダ30を備える作業機に対して適用することが可能となる。
また、コントローラ50は、回生制御中に、図示しないアームの操作レバーが所定の操作量よりも大きく操作されると、アームシリンダ80の伸長速度を上昇させるためにアクチュエータの作動速度制御を実行する。制御の内容は、ブームシリンダ30の収縮速度を上昇させる場合と同様であるため、その説明は省略する。
また、図示しない増速スイッチを設け、このスイッチがオペレータによって操作されているときのみ、アクチュエータの作動速度制御を実行するようにしてもよい。高速作業に慣れていないオペレータにとっては、アクチュエータの作動速度が速くなるとかえって作業がしにくくなる場合がある。このため、増速スイッチが操作されない限り、アクチュエータの作動速度制御は実行されず、ブームアシスト制御弁74及びアームアシスト制御弁75は全閉に維持される。
また、アクチュエータの作動速度制御は、上述の回生制御が行われているときに実行されることが好ましいが、例えばバッテリ24が満充電となり回生制御が行われないときであっても、アシストポンプ47を電動モータ48によって回転させることにより実行することが可能である。また、ブームシリンダ30以外のアクチュエータの作動速度制御を実行する場合は、ブームシリンダ30が収縮動作中でなくとも、アシストポンプ47を電動モータ48によって回転させることによりアクチュエータの作動速度制御を実行することが可能である。
以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。
ハイブリッド作業機の制御システム100では、回生モータ46によって回収された作動油のエネルギは、電気エネルギに回生されるとともに、その一部はアクチュエータの作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生される。このため、例えば、バッテリ24の容量が小さくとも、電気エネルギに回生されない作動油のエネルギは、作動流体エネルギとして回生されることになるので、エネルギが回収されることなく排出される作動油の量を減少させることができる。このように、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができるため、エネルギを有する作動油の排出量が異なる作業機に対して、同じ容量のバッテリ24を有する回生ユニット45を適用することが可能となる。この結果、ハイブリッド作業機の制御システム100の製造コストの上昇を抑制しつつ、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。
ハイブリッド作業機の制御システム100は、ブームシリンダ30に作動油を供給する第1,第2メインポンプ26,27と、ブームシリンダ30のピストン側室30aから排出され回生制御弁53を通じて導かれる作動油によって回転する回生モータ46、回生モータ46に連結される電動モータ48、及び、電動モータ48によって発電された電力を貯めるバッテリ24を有する回生ユニット45と、回生ユニット45による回生制御を行うコントローラ50と、回生モータ46に連結されるアシストポンプ47と、アシストポンプ47の吐出側とブームシリンダ30のロッド側室30bとを連通するアクチュエータアシスト通路71,71aと、を備える。
この構成では、ブームシリンダ30がピストン側室30aを圧縮する方向へ作動する際、ピストン側室30aから排出される作動油によって回生モータ46が回転し、回生モータ46によって電動モータ48とアシストポンプ47とが回転される。電動モータ48によって発電された電力はバッテリ24に充電される一方、アシストポンプ47から吐出される作動油は、アクチュエータアシスト通路71,71aを通じてブームシリンダ30のロッド側室30bへ供給され、ブームシリンダ30の作動速度を向上させる。このように回生モータ46によって回収された作動油のエネルギは、電気エネルギに回生されるとともに、その一部はブームシリンダ30の作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生される。このため、例えば、バッテリ24の容量が小さくとも、電気エネルギに回生されない作動油のエネルギは、作動流体エネルギとして回生されることになるので、エネルギが回収されることなく排出される作動油の量を減少させることができる。このように、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができるため、エネルギを有する作動油の排出量が異なる作業機に対して、同じ容量のバッテリ24を有する回生ユニット45を適用することが可能となる。この結果、ハイブリッド作業機の製造コストを低減することができる。
また、回生ユニット45による回生制御を行うコントローラ50は、回生制御を行っている間にブームシリンダ30の作動速度を上昇する指令を受けた場合には、アシストポンプ47からの作動油の供給を開始させる。
この構成では、回生制御を行っている間にアシストポンプ47からの作動油の供給が開始される。このため、回生モータ46によって回収された作動油のエネルギの一部は、ブームシリンダ30の作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生される。この結果、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができる。
また、ピストン側室30aとロッド側室30bとを連通する再生通路31aと、再生通路31aに設けられ、ピストン側室30aから排出される作動油の一部をロッド側室30bへと導く再生流量制御弁33と、をさらに備え、再生流量制御弁33は、回生制御弁53の開弁に連動して開弁し、アクチュエータアシスト通路71,71aを通じてアシストポンプ47から供給される作動油は、ピストン側室30aから再生流量制御弁33を通じて導かれる作動油とともにロッド側室30bに供給される。
この構成では、ピストン側室30aとロッド側室30bとを連通する再生通路31aに再生流量制御弁33が設けられる。回生制御が行われるときに再生流量制御弁33が開弁しピストン側室30aからロッド側室30bに作動油が導かれるため、再生流量制御弁33が設けられない場合と比較し、ブームシリンダ30の収縮速度は速くなる。しかし、再生流量制御弁33を通じてロッド側室30bに導かれる作動油は、ピストン側室30aから排出される作動油の一部であり、流量に限界があるため、再生流量制御弁33を用いてもオペレータが意図するブームの下降速度を実現できないおそれがある。そのため、この構成では、アクチュエータアシスト通路71,71aを通じてアシストポンプ47から供給される作動油が、再生流量制御弁33を通じて導かれる作動油とともにロッド側室30bに供給される。このように、ロッド側室30bには、再生流量制御弁33からだけではなく、アシストポンプ47からも作動油が供給されるため、ブームシリンダ30の収縮速度をオペレータが意図する速度まで向上させることができる。
また、ブームアシスト通路71aに設けられ、アシストポンプ47からロッド側室30bに供給される作動油の流量を制御するブームアシスト制御弁74をさらに備える。
この構成では、アシストポンプ47からロッド側室30bに供給される作動油の流量は、ブームアシスト制御弁74によって制御される。このため、ブームアシスト制御弁74の開度を制御することによって、ブームシリンダ30の収縮速度をオペレータが意図する速度に制御することができる。
また、アシストポンプ47の吐出側とアームシリンダ80とを連通するアームアシスト通路71bと、アームアシスト通路71bに設けられ、アシストポンプ47からアームシリンダ80に供給される作動油の流量を制御するアームアシスト制御弁75と、をさらに備える。
この構成では、ブームシリンダ30だけではなくアームシリンダ80にもアシストポンプ47の吐出側が連通される。このため、アームシリンダ80のように、ブームシリンダ30以外のアクチュエータの作動速度も向上させることができる。また、アームアシスト制御弁75の開度を制御することによって、アームシリンダ80の伸長速度をオペレータが意図する速度に制御することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば、作業機としては、油圧ショベルに限定されず、流体圧シリンダによって駆動するブームを有する油圧クレーンや高所作業機等であってもよい。
本願は2015年6月3日に日本国特許庁に出願された特願2015-113253に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
Claims (5)
- ハイブリッド作業機の制御システムであって、
流体圧アクチュエータに作動流体を供給するメイン流体圧ポンプと、
前記流体圧アクチュエータの負荷側圧力室から排出され回生弁を通じて導かれる作動流体によって回転する回生モータ、前記回生モータに連結される回転電機、及び、前記回転電機によって発電された電力を貯める蓄電池を有する回生ユニットと、
前記回生モータに連結されるサブ流体圧ポンプと、
前記サブ流体圧ポンプの吐出側と前記流体圧アクチュエータの反負荷側圧力室とを連通するアクチュエータアシスト通路と、を備えるハイブリッド作業機の制御システム。 - 請求項1に記載のハイブリッド作業機の制御システムであって、
前記回生ユニットによる回生制御を行うコントローラをさらに備え、
前記コントローラは、前記回生制御を行っている間に前記流体圧アクチュエータの作動速度を上昇する指令を受けた場合には、前記サブ流体圧ポンプからの作動流体の供給を開始させるハイブリッド作業機の制御システム。 - 請求項1に記載のハイブリッド作業機の制御システムであって、
前記負荷側圧力室と前記反負荷側圧力室とを連通する再生通路と、
前記再生通路に設けられ、前記負荷側圧力室から排出される作動流体の一部を前記反負荷側圧力室へと導く再生弁と、をさらに備え、
前記再生弁は、前記回生弁の開弁に連動して開弁し、
前記アクチュエータアシスト通路を通じて前記サブ流体圧ポンプから供給される作動流体は、前記負荷側圧力室から前記再生弁を通じて導かれる作動流体とともに前記反負荷側圧力室に供給されるハイブリッド作業機の制御システム。 - 請求項1に記載のハイブリッド作業機の制御システムであって、
前記アクチュエータアシスト通路に設けられ、前記サブ流体圧ポンプから前記反負荷側圧力室に供給される作動流体の流量を制御するアクチュエータアシスト制御弁をさらに備えるハイブリッド作業機の制御システム。 - 請求項1に記載のハイブリッド作業機の制御システムであって、
前記流体圧アクチュエータとは異なる第2流体圧アクチュエータと、
前記サブ流体圧ポンプの吐出側と前記第2流体圧アクチュエータとを連通する第2アクチュエータアシスト通路と、
前記第2アクチュエータアシスト通路に設けられ、前記サブ流体圧ポンプから前記第2流体圧アクチュエータに供給される作動流体の流量を制御する第2アクチュエータアシスト制御弁と、をさらに備えるハイブリッド作業機の制御システム。
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Legal Events
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Ref document number: 16803368 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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DPE2 | Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101) | ||
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 16803368 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |