(57)【要約】【課題】大容量の蓄電器を用いることなく、回生エネルギーを利用してエンジンをアシストできる安価なハイブリット式作業機械を提供する。【解決手段】作業機（１）と、エンジン（２）と、アシストモータ（３）と、回生装置（４）と、発電機（５）と、コンバータ（６）と、インバータ（７）とを備え、コンバータ（６）とインバータ（７）との間には、電圧安定用のコンデンサ（８）を接続し、エンジン（２）の負荷に応じて発電機（５）の発電量を制御する。コンデンサ（８）の容量は、３７５００［μＦ］以下である。【選択図】図１
2014070328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機（１）と、
上記作業機（１）の動力となるエンジン（２）と、
上記エンジン（２）をアシストするためのアシストモータ（３）と、
上記作業機（１）の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを回生させる回生装置（４）と、
上記回生装置（４）により回生させたエネルギーにより発電する発電機（５）と、
上記発電機（５）より発電された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ（６）と、
上記コンバータ（６）により変換された直流電圧を、上記アシストモータ（３）を駆動する交流電圧に変換するインバータ（７）と、
上記コンバータ（６）と上記インバータ（７）との間に接続される電圧安定用のコンデンサ（８）と、
上記エンジン（２）の負荷に応じて上記発電機（５）の発電量を制御する制御装置と
を備え、
上記コンデンサ（８）の容量は、３７５００［μＦ］以下であることを特徴とするハイブリット式作業機械。
【請求項２】
請求項１に記載のハイブリット式作業機械において、
上記コンデンサ（８）の容量は、１００［μＦ］以上であることを特徴とするハイブリット式作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ハイブリット式作業機械に関し、詳しくはエンジンをアシストするアシストモータを備えたハイブリット式作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ハイブリット式作業機械としては、油圧ポンプを駆動するエンジンをアシストするためのアシストモータを備えたものがある（例えば、国際公開第２００８／１１７７４８号パンフレット（特許文献１）参照）。
【０００３】
上記ハイブリット式作業機械では、バッテリーやキャパシタ等の大容量の蓄電器を用いることが一般的であり、回生したエネルギーを一旦蓄電器に蓄え、エンジン負荷・回転数や蓄電器の残容量に応じて予め定められた出力でエンジンのアシストを行う。
【０００４】
しかしながら、上記ハイブリット式作業機械に用いる大容量の蓄電器は、高コストでかつ搭載サイズが大きいという課題がある。また、この大容量の蓄電器は、振動対策や冷却対策が必要であり、経年変化が大きいために内部発熱が増大して蓄電量が低下するという課題がある。さらに、上記ハイブリット式作業機械では、保守作業時に大容量の蓄電器に対して安全性を確保する必要があり、大容量の蓄電器の廃棄コストも高くつくと共に、遮断リレー、突入電流抑制回路等の付帯回路によりコストが高くなるという課題がある。
【０００５】
上記従来のハイブリット式作業機械では、回生エネルギーが返っている最中にもエンジンが油圧ポンプの負荷を駆動する等によりエンジン負荷がある状態であれば、発電と同時にエンジンアシスト可能であるため、一旦蓄電器にエネルギーを蓄える必要がなく、回生エネルギーをエンジンアシストに使用する事が可能である。
【０００６】
しかしながら、エンジン回転数や作業機の作業状態によっては、回生エネルギーから発電する発電量がエンジン負荷よりも大きくなる場合がある。このような回生エネルギーから発電する発電量がエンジン負荷よりも大きいときにそのまま発電を継続すると、エンジン回転数が上昇して機器を破壊したり、コントローラ内の電圧安定用のコンデンサ電圧値が上昇して機器を破損したりする恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００８／１１７７４８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、この発明の課題は、アシストモータを駆動するための電力を蓄電することなく、回生エネルギーを利用してエンジンをアシストできる安価なハイブリット式作業機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、この発明のハイブリット式作業機械は、
作業機と、
上記作業機の動力となるエンジンと、
上記エンジンをアシストするためのアシストモータと、
上記作業機の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを回生させる回生装置と、
上記回生装置により回生させたエネルギーにより発電する発電機と、
上記発電機より発電された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
上記コンバータにより変換された直流電圧を、上記アシストモータを駆動する交流電圧に変換するインバータと、
上記コンバータと上記インバータとの間に接続される電圧安定用のコンデンサと、
上記エンジンの負荷に応じて上記発電機の発電量を制御する制御装置と
を備え、
上記コンデンサの容量は、３７５００［μＦ］以下であることを特徴としている。
【００１０】
この発明のハイブリット式作業機械によれば、作業機の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを回生装置により発電機に回生させて発電し、発電機からの交流電圧をコンバータにより直流電圧に変換して、コンバータの直流電圧をインバータにより交流電圧に変換する。そうして、インバータにより変換された交流電圧によりアシストモータを駆動する。
【００１１】
このとき、エンジンの負荷に応じて制御装置が発電機の発電量を制御することによって、例えば、エンジン負荷に相当する電力量よりも発電機の発電量が大きくならないように、発電機の発電量を制限することで、コンバータとインバータとの間の直流リンク電圧の上昇を許容電圧以下にすることが可能になる。これにより、アシストモータを駆動するための電力を蓄電することなく、回生エネルギーを利用して発電と同時にエンジンをアシストすることが可能になる。
【００１２】
また、コンバータとインバータとの間に電圧安定用のコンデンサを接続し、このコンデンサの容量を３７５００［μＦ］以下とすることによって、振動対策、冷却対策、安全対策などが必要でかつサイズの大きな蓄電器を用いないので、取り扱いが容易でかつ安価なハイブリット式作業機械を実現することができる。
【００１３】
したがって、アシストモータを駆動するための電力を蓄電することなく、回生エネルギーを利用してエンジンをアシストできる安価なハイブリット式作業機械を実現できる。
【００１４】
また、一実施形態のハイブリット式作業機械では、上記コンデンサの容量は、１００［μＦ］以上である。
【００１５】
この実施形態のハイブリット式作業機械によれば、上記コンデンサの容量は、１００［μＦ］以上であるので、耐圧性に優れ、過電圧等の異常の発生を防止できる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明のハイブリット式作業機械によれば、大容量の蓄電器を用いることなく、回生エネルギーを利用してエンジンをアシストできる安価なハイブリット式作業機械を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の一形態のハイブリット式作業機械の構成図である。
【図２】上記ハイブリット式作業機械の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１９】
図１は、この発明の実施の一形態のハイブリット式作業機械の構成図を示している。このハイブリット式作業機械は、図１に示すように、作業機１と、エンジン２と、アシストモータ３と、回生装置４と、発電機５と、コンバータ６と、インバータ７とを備えている。
【００２０】
上記エンジン２は、上記作業機１の動力となる。この作業機１は、例えば、エンジン２により駆動される油圧ポンプを備えた建設機械などである。上記アシストモータ３は、エンジン２をアシストするためのモータである。
【００２１】
上記回生装置４は、作業機１の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを回生させる。上記発電機５は、回生装置４により回生させたエネルギーにより発電する。
【００２２】
上記コンバータ６は、発電機５により発電された三相交流電圧を直流電圧に変換する。上記インバータ７は、コンバータ６により変換された直流電圧を、アシストモータ３を駆動する三相交流電圧に変換する。
【００２３】
上記コンバータ６と上記インバータ７との間の直流リンク部１０に、電圧安定用のコンデンサ８が接続される。このコンデンサ８は、アシストモータ３を駆動するための電力を蓄電する蓄電器とは、異なる。
【００２４】
上記ハイブリット式作業機械は、作業機１を制御する作業機コントローラ１１と、エンジン２を制御するエンジンコントローラ１２とを備えている。上記作業機コントローラ１１とエンジンコントローラ１２は、互いに通信を行って協調動作する。
【００２５】
上記作業機１は、負荷の一例としての旋回油圧モータ（図示せず）を備えている。この旋回油圧モータが加速または減速する時に動作するリリーフバルブを介してタンク（図示せず）に戻るときのエネルギーを利用して回生装置４は発電機５を回す。
【００２６】
上記コンバータ６は、発電可能電力算出部６ａと、発電量判定部６ｂと、発電量制御部６ｃとを有する。
【００２７】
上記発電可能電力算出部６ａは、発電機５による発電可能電力を算出する。上記発電量判定部６ｂは、作業機１の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーで発電機５が発電可能な発電量がエンジン２の負荷に相当する電力以上か否かを判定する。
【００２８】
上記発電量制御部６ｃは、発電量判定部６ｂが発電機５の発電可能電力がエンジン２の負荷に相当する電力以上であると判定したとき、発電機５の発電量がエンジン２の負荷に相当する発電量になるように、発電機５の発電量を制御する。発電量制御部６ｃは、例えば、発電機５に供給する発電機トルクを制御することにより、発電機５の発電量を制御する。
【００２９】
上記エンジンコントローラ１２と上記コンバータ６の発電可能電力算出部６ａ、発電量判定部６ｂおよび発電量制御部６ｃで、エンジン２の負荷に応じて発電機５の発電量を制御する制御装置を、構成している。
【００３０】
上記コンデンサ８の容量は、１００［μＦ］以上でかつ３７５００［μＦ］以下である。
【００３１】
上記下限値１００［μＦ］の設定方法について説明する。インバータとコンバータの間の主回路電圧の上限値を、コンデンサの耐圧またはパワーデバイスの耐圧の低い方として、設定する。そして、発電機およびアシストモータが最大トルクで動作している状態で同時に励磁ＯＦＦしても主回路電圧が上記主回路電圧の上限値を超えないコンデンサ容量で、かつ、実作業における戻り油の変化量が最大に変化した場合でも主回路電圧が上記主回路電圧の上限値を超えないコンデンサ容量を、下限値とする。
【００３２】
上記上限値３７５００［μＦ］の設定方法について説明する。主回路の電圧値に応じてトルクを出力するアシストモータの応答性には限界があるため、発電量が変化してからアシストモータが応答する時間に発生する電力を蓄えるのに必要なコンデンサ容量を、上限値とする。
【００３３】
具体的に述べると、発電機の出力の平均値が３０ｋＷ、アシストモータの応答の遅れが０．１秒の時、アシストモータが応答するまでにコンデンサに蓄える必要のある発電機が発生するエネルギーは、Ｊ＝Ｗ×ｓより、Ｊ＝３０，０００×０．１＝３０００［Ｊ］となる。コンデンサの上限電圧を４００Ｖとすると、上記エネルギーを蓄えるのに必要なコンデンサ容量は、Ｊ＝１／２ＣＶ２より、Ｃ＝２Ｊ／Ｖ２＝２×３０００／４００２＝０．０３７５［Ｆ］＝３７５００［μＦ］となる。
【００３４】
上記ハイブリット式作業機械の動作を説明する。回生装置４により作業機１の加速時に生じる余剰エネルギーまたは減速時に生じる慣性エネルギーを発電機５に回生させて発電し、発電機５からの三相交流電圧をコンバータ６により直流電圧に変換して、コンバータ６の直流電圧をインバータ７により三相交流電圧に変換する。そうして、インバータ７により変換された三相交流電圧によりアシストモータ３を駆動して、エンジン２をアシストする。
【００３５】
上記エンジンコントローラ１２と上記コンバータ６の動作を説明する。図２に示すように、まず、エンジンコントローラ１２は、ステップＳ１１でエンジン負荷を算出する。ここで、エンジン負荷は、エンジン２の回転数や作業コントローラ１１からの油圧ポンプ（図示せず）の吐出圧などに基づいて、エンジンコントローラ１２により算出される。
【００３６】
次に、ステップＳ１２で算出されたエンジン負荷をコンバータ６に送信した後、ステップＳ１１に戻る。一方、コンバータ６は、ステップＳ２１でエンジンコントローラ１２から送信されたエンジン負荷を受信する。
【００３７】
次に、ステップＳ２２に進み、発電可能電力がエンジン負荷よりも大きいか否かを判断する。そして、発電可能電力がエンジン負荷よりも大きいと判断すると、ステップＳ２３に進む一方、発電可能電力がエンジン負荷よりも以下であると判断すると、ステップＳ２４に進む。
【００３８】
ここで、発電可能電力は、油タンクに戻すべき作動油が回生装置４に供給されるときの作動油の圧力や流量またはエンジン２の回転数などに基づいて、コンバータ６の発電可能電力算出部６ａにより算出される。
【００３９】
次に、ステップＳ２３では、コンバータ６の発電量制御部６ｃにより、発電機５の発電電力をエンジン負荷に相当する電力にする。一方、ステップＳ２４では、コンバータ６の発電量制御部６ｃにより、発電機５の発電電力を発電可能電力にする。
【００４０】
ここで、エンジンコントローラ１２から送信されるエンジン負荷は、エンジンコントローラ１２とコンバータ６との間の通信方式に応じた形式の信号とする。
【００４１】
なお、上記実施の形態では、エンジンコントローラ１２で算出されたエンジン負荷をコンバータ６に送信したが、作業機コントローラ１１で算出された作業機１の操作状態および負荷をコンバータ６に送信してもよい。この場合、作業機１の操作状態および負荷とエンジン負荷とは相関関係を有するので、コンバータ６の発電量判定部６ｂは、作業機コントローラ１１から送信された作業機１の操作状態および負荷に基づいてエンジン負荷を推定する。
【００４２】
上記構成のハイブリット式作業機械によれば、エンジンコントローラ１２とコンバータ６の発電量制御部６ｃにより、エンジン負荷に相当する電力量よりも発電機５の発電量が大きくならないように、発電機５の発電量を制限することで、コンバータ６とインバータ７との間の直流リンク電圧の変動を許容電圧以下にすることが可能になる。アシストモータ３を駆動するための電力を蓄電することなく、回生エネルギーを利用して発電と同時にエンジン２をアシストすることが可能になるので、エンジン２をアシストできる安価なハイブリット式作業機械を実現することができる。
【００４３】
また、上記コンバータ６と上記インバータ７との間に電圧安定用のコンデンサ８を接続し、このコンデンサ８の容量を３７５００［μＦ］以下とすることによって、振動対策、冷却対策、安全対策などが必要でかつサイズの大きな蓄電器を用いないので、取り扱いが容易でかつ安価なハイブリット式作業機械を実現することができる。
【００４４】
また、上記コンデンサ８の容量は、１００［μＦ］以上であるので、耐圧性に優れ、過電圧等の異常の発生を防止できる。
【００４５】
なお、この発明は、上述の実施形態に限定されず、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【００４６】
上記実施の形態では、旋回油圧モータ(図示せず)を作業機１に備えたハイブリット式作業機械について説明したが、この発明のハイブリット式作業機械の作業機は旋回油圧モータに限らず、回生エネルギーを利用できる作業機であればよい。
【符号の説明】
【００４７】
１  作業機
２  エンジン
３  アシストモータ
４  回生装置
５  発電機
６  コンバータ
６ａ  発電可能電力算出部
６ｂ  発電量判定部
６ｃ  発電量制御部
７  インバータ
８  電圧安定用コンデンサ
１０  直流リンク部
１１  作業機コントローラ
１２  エンジンコントローラ
【図１】
2014070328.tif 000003
【図２】
2014070328.tif 000004