JP2001012404A

JP2001012404A - ハイブリッド建設機械

Info

Publication number: JP2001012404A
Application number: JP18117599A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Murakami; 茂樹村上
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 1999-06-28
Publication date: 2001-01-16
Anticipated expiration: 2019-06-28
Also published as: JP3828679B2

Abstract

(57)【要約】【課題】バッテリ等の重量物の蓄電手段を配置する場
合であっても、重心位置を大幅に下げ、車体の安定化を
図る。【解決手段】下部走行体１上に上部旋回体２が搭載さ
れ、エンジン１０で駆動される発電機１１の電力により
蓄電手段１２，４２に蓄電可能であると共に、これら発
電機１１および蓄電手段１２，４２の少なくとも一方の
電力により電動機６，７を作動させることによって、必
要な作業モードとりうるハイブリッド建設機械に関す
る。この蓄電手段６，７の全部又は一部を、前記下部走
行体１に配置し、車体の重心位置Ｇを下げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、下部走行体上に上
部旋回体が搭載され、エンジンとバッテリ等の蓄電手段
とを組み合わせて各種の作業を行うハイブリッドショベ
ル等のハイブリッド建設機械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
建設機械およびその制御装置が開発や提案されている
（実開平５−４８５０１号公報等）。そして、この構成
であれば、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】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
ように、エンジンとバッテリとを組み合わせたハイブリ
ッド建設機械の制御装置においては、大容量のバッテリ
を搭載する必要がある。エンジン及び発電機は空間的に
余裕のある上部旋回体に配置されるため、前記バッテリ
も上部旋回体に配置されることになる。しかし、ハイブ
リッド方式のバッテリは重量があるため、バッテリによ
り上部旋回体のバランスが崩れる恐れがある。

【０００５】そこで、特開平１１−２１９４８号公報に
は、重量物であるバッテリを複数に分割し、これらを旋
回軸を囲むように上部旋回体の底部に配置することによ
り、上部旋回体をバランスさせる手段が提案されてい
る。また、重量物であるバッテリに対抗するカウンタウ
ェイトを上部旋回体に配設し、上部旋回体を旋回軸の回
りでバランスさせる手段も考えられる。

【０００６】前記特開平１１−２１９４８号公報の手段
によると、上部旋回体内のバッテリの均等配置は達成で
きるものの、上部旋回体の位置が高いことから、車体の
重心位置が上がり、車体の安定性が損なわれるという問
題点がある。また、バッテリに対抗するカウンタウェイ
トを配設する手段によると、車体の重心位置が更に上が
り、車体の安定性が損なわれるという問題点がある。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、本発明の目的は、バッテリ等の重量物の蓄電手
段を車体に配置する場合であっても、重心位置を大幅に
下げ、車体の安定化を図ることができるハイブリッド建
設機械を提供することにある。

【０００８】

【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、下部走行体上に上部旋回体が搭
載され、エンジンで駆動される発電機の電力により蓄電
手段に蓄電可能であると共に、これら発電機および蓄電
手段の少なくとも一方の電力により電動機を作動させる
ことによって、必要な作業モードとりうるハイブリッド
建設機械であって、前記蓄電手段の全部又は一部を、前
記下部走行体に配置したハイブリッド建設機械である。
上記の構成によれば、重量物である蓄電手段の全部又は
一部を下部走行体に配置するため、車体の重心位置が下
がり、重量物になる蓄電手段を搭載するハイブリッド建
設機械であっても、重心位置が上がらないようにするこ
とができる。

【０００９】請求項２の発明は、前記蓄電手段は、前記
上部旋回体に配設した第１蓄電手段と、前記下部走行体
に配設した第２蓄電手段と、からなる請求項１記載のハ
イブリッド建設機械である。上記の構成によれば、前記
上部旋回体に配設した第１蓄電手段と、前記下部走行体
に配設した第２蓄電手段との割合に応じて、車体の重心
位置が下がり、重量物である蓄電手段を搭載するハイブ
リッド建設機械であっても、重心位置を適切に高さにで
きる。

【００１０】請求項３の発明は、前記下部走行体には走
行用の電動機が設けられ、この電動機は前記第２蓄電手
段を使用して作動する請求項２記載のハイブリッド建設
機械である。上記の構成によれば、前記下部走行体に配
設した第２蓄電手段を使用して、走行用の電動機が作動
するため、上部旋回体に配置した第１蓄電手段と前記電
動機の接続が何らかの原因で断たれても、同じ下部走行
体に配置した第２蓄電手段を使用して走行できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１ないし
図２に基づいて以下に説明する。本実施の形態に係る制
御装置は、図１に示すように、ハイブリッド建設機械で
あるハイブリッドショベルに設けられている。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。

【００１２】ハイブリッドショベルは、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堀削
アタッチメント３とを有している。下部走行体１は、両
端部に並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。

【００１３】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。

【００１４】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が回動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、上述の堀削アタッチメント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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】また、上述の機械収容部４１内すなわち上
部旋回体２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１
０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、第１バッテリ（第１蓄電手段）１２等
が配設されている。また、下部走行体１の中央には、第
１バッテリ（第１蓄電手段）４２等が配設されている。
下部走行体１の走行用の電動機６，７は、第１電力供給
路５１により第１バッテリと接続されるだけではなく、
第２電力供給路５２により第２バッテリとも接続され
る。尚、上記の両バッテリ１２・４２には、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
能な二次電池が通常使用される。

【００１８】上記の発電機１１は、図２に示すように、
制御装置のモータコントローラ３７に接続されている。
モータコントローラ３７は、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、第
１バッテリ１２および第２バッテリ４２にも接続されて
いる。ここで、電動機６，７及び第２バッテリ４２は下
部走行体１に配設され、それ以外の機器は上部旋回体２
に配設される。上部旋回体２は下部走行体１に対して旋
回自在であるため、電動機６，７及び第２バッテリ４２
は上部旋回体２にあるモータコントローラ３７に対して
電気的なロータリージョイント５３を介して接続され
る。また、電動機６，７と第２バッテリ４２とは、モー
タコントローラ３７で制御される切換手段４３を介して
直接的に接続可能な構造になっている。

【００１９】また、モータコントローラ３７には、キャ
ビン９内に設けられた操作レバー４５と、電力供給路異
常検知手段４６が接続されている。操作レバー４を操作
すると、モータコントローラ３７は操作された作業モー
ドを判別し、判別された作業モードに基づいて必要な電
動機を駆動する。電力供給路異常検知手段４６は、特に
ロータリージョインを介する電力供給路５１の断線等の
異常を検知するために設けられる。電力供給路異常検知
手段４６が異常を検知すると、切換手段４３により、第
２バッテリ４２と電動機６，７を接続して駆動を続け、
建設機械の制御された走行を維持する。

【００２０】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、第１バッ
テリ１２及び第２バッテリ４２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
レバーからの操作信号に基づいて例えば第１バッテリ１
２及び第２バッテリ４２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第１バ
ッテリ１２及び第２バッテリ４２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
回生電力を第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２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
機能を第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２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。

【００２１】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作を行うこと
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、第１バッテリ１２及び第２バッテリ４
２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第１バッテリ１２及び第２
バッテリ４２を充電する。

【００２２】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。モータコントロー
ラ３７は操作信号の特徴を抽出し、抽出した特徴と各作
業モードの負荷特性とに基づいてオペレータの意図する
作業モードを認識する。例えば定期的に大きな負荷と小
さな負荷とが繰り返される操作信号である場合には、土
羽根打ちの作業モードであると認識し、安定した小さな
負荷の操作信号である場合には、吊り作業の作業モード
であると認識する。モータコントローラ３７は、操作信
号の操作量でもって操作信号に対応する電動機６・７・
１３・１５・２３・２５を作動させることによって、例
えばショベルの走行や堀削、土羽打ち等の各作業を行わ
せる。

【００２３】以上のように、本実施形態のハイブリッド
ショベルの制御装置は、エンジン１０で駆動される発電
機１１の電力により第１バッテリ１２及び第２バッテリ
４２を充電可能であると共に、これら発電機１１および
バッテリ１２，４２の少なくとも一方の電力により電動
機６等を作動させることによって、複数の作業モードを
任意に選択して作業可能なものである。

【００２４】図３に示されるように、各作業モードにお
ける作業負荷（作業エネルギー）が大きいときは、エン
ジン１０で駆動される発電機１１の電力に加えて、第１
バッテリ１２及び第２バッテリ４２から放電される電力
の両方で作業し、各作業モードにおける作業負荷（作業
エネルギー）が小さいときは、エンジン１０で駆動され
る発電機１１の電力のうち余剰分を、第１バッテリ１２
及び第２バッテリ４２に充電する。すると、作業負荷の
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。

【００２５】図３のような負荷の平滑化を行うとなる
と、第１バッテリ１２及び第２バッテリ４２の容量が大
きくなって、その重量も大きくなる。しかし、図１のよ
うに、第１バッテリ１２は上部旋回体２に配置し、第２
バッテリ４２を下部走行体１に配置しているため、車体
の重心位置Ｇを従来よりも下方に設定できるとともに、
旋回中心付近に位置させることができ、作業時又は走行
時の車体が安定化する。

【００２６】特に、上部旋回体２の第１バッテリ１２
と、下部走行体１の第２バッテリ４２とに区分している
ため、第１バッテリ１２と第２バッテリ４２との重量比
を重心位置Ｇが適切な位置になるように決めることがで
きる。

【００２７】特に、走行用の電動機６．７は下部走行体
１に配置されているため、この電動機６，７に対する電
力供給路５１は旋回中心付近に設けられた電気的なロー
タリージョイント５３（図２参照）を有する。このロー
タリージョイント５３が摩耗等により破損した場合、電
力供給路異常検知手段４６がこの破損を検出し、モータ
コントローラ３７は切換手段４３を切り換えて、下部走
行体１の第２バッテリ４２から直接的に走行用の電動機
６．７に給電する。すると、建設機械の走行が停止する
ことはなく、危険な状態を脱する程度の走行を第２バッ
テリ４２からの給電で続けることができる。

【００２８】図４は、他の実施形態に係るハイブリッド
ショベルの全体概略側面図である。下部走行体１にスペ
ース的余裕がある場合、下部走行体１に配置したバッテ
リ６０だけとすることができる。この場合、車体の重心
Ｇは更に下がり、車体の安定性が更に増す。図４のハイ
ブリッドショベルの概略的なブロックが図５に示され
る。この場合のバッテリ６０は、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二次電
池である。

【００２９】図６に示すように、バッテリ６０に代え
て、コンデンサー方式ように電力を一時的に蓄えるキャ
パシタ６１を蓄電手段として用いることもできる。ま
た、図７のように、バッテリ６０とキャパシタ６１の両
方を切換手段を有するパワーコントローラ６２に接続す
ることもできる。このように、蓄電手段には、バッテリ
に限らず、キャパシタも使用でき、これら両方を併用す
ることもできる。

【００３０】なお、本実施形態のハイブリッド建設機械
は、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業モード
を実施する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のように複数の作業モードで作業を
行う全てのハイブリッド建設機械に適用することができ
る。また、アクチュエータの形態、配置などについて
は、上述した本実施形態に限定されるものではない。

【００３１】

【発明の効果】請求項１の発明は、下部走行体上に上部
旋回体が搭載され、エンジンで駆動される発電機の電力
により蓄電手段に蓄電可能であると共に、これら発電機
および蓄電手段の少なくとも一方の電力により電動機を
作動させることによって、必要な作業モードとりうるハ
イブリッド建設機械であって、前記蓄電手段の全部又は
一部を、前記下部走行体に配置した構成である。上記の
構成によれば、重量物である蓄電手段の全部又は一部を
下部走行体に配置するため、車体の重心位置が下がり、
重量物である蓄電手段を搭載するハイブリッド建設機械
であっても、重心位置が上がらないようにすることがで
きる。その結果、ハイブリッド建設機械の車体の安定性
を増すことができるという効果を奏する。

【００３２】請求項２の発明は、請求項１において、前
記蓄電手段は、前記上部旋回体に配設した第１蓄電手段
と、前記下部走行体に配設した第２蓄電手段と、からな
る構成である。上記の構成によれば、前記上部旋回体に
配設した第１蓄電手段と、前記下部走行体に配設した第
２蓄電手段との割合に応じて、車体の重心位置が下が
り、重量物である蓄電手段を搭載するハイブリッド建設
機械であっても、重心位置を適切に高さにできる。その
結果、ハイブリッド建設機械の車体の安定性を確実にす
ることができるという効果を奏する。

【００３３】請求項３の発明は、請求項２において、前
記下部走行体には走行用の電動機が設けられ、この電動
機は前記第２蓄電手段を使用して作動する構成である。
上記の構成によれば、前記下部走行体に配設した第２蓄
電手段を使用して、走行用の電動機が作動するため、上
部旋回体に配置した第１蓄電手段と前記電動機の接続が
何らかの原因で断たれても、同じ下部走行体に配置した
第２蓄電手段を使用して走行できる。その結果、下部走
行体と上部旋回体との間の電力接続が損なわれたような
緊急時にも、第２蓄電手段を使用して走行することによ
り、最低限の車体の移動ができるという効果を奏する。

【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】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３】ハイブリット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。

【図４】他の実施形態に係るハイブリッドショベルの全
体概略側面図である。

【図５】他の実施形態に係るハイブリッドショベルの第
１ブロック図である。

【図６】他の実施形態に係るハイブリッドショベルの第
２ブロック図である。

【図７】他の実施形態に係るハイブリッドショベルの第
３ブロック図である。

【符号の説明】

１下部走行体２上部旋回体３堀削アタッチメント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第１バッテリ（蓄電手段）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４１機械収容部４２第２バッテリ（蓄電手段）４５操作レバー６０バッテリ（蓄電手段）６１キャパシタ（蓄電手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部走行体上に上部旋回体が搭載され、
エンジンで駆動される発電機の電力により蓄電手段に蓄
電可能であると共に、これら発電機および蓄電手段の少
なくとも一方の電力により電動機を作動させることによ
って、必要な作業モードとりうるハイブリッド建設機械
であって、前記蓄電手段の全部又は一部を、前記下部走
行体に配置したハイブリッド建設機械。
【請求項２】前記蓄電手段は、前記上部旋回体に配設
した第１蓄電手段と、前記下部走行体に配設した第２蓄
電手段と、からなる請求項１記載のハイブリッド建設機
械。
【請求項３】前記下部走行体には走行用の電動機が設
けられ、この電動機は前記第２蓄電手段を使用して作動
する請求項２記載のハイブリッド建設機械。