(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、該エンジンによって駆動される油圧ポンプと、旋回体と、該旋回体を駆動する電動モータ及び油圧モータと、前記旋回体を駆動するためにオペレータが操作する旋回用操作レバーと、前記電動モータに供給するための電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた信号を入力し、前記蓄電装置の充放電を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記蓄電装置の蓄電量に関して、当該蓄電装置の最適な使用範囲である通常使用領域と、前記蓄電装置の蓄電量に関して、前記旋回体の旋回速度に応じて設定される前記通常使用領域内における放電指令特性とを記憶する記憶部と、
前記蓄電装置の蓄電量が前記記憶部に記憶された前記通常使用範囲内であって、前記放電指令特性より低いときには、前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた前記旋回体の駆動と制動とを行うためのトルク指令値を演算し、前記トルク指令値を前記電動モータ側に出力し、
前記蓄電装置の蓄電量が前記記憶部に記憶された前記放電指令特性より高いときには、前記蓄電装置の蓄電量に応じて前記電動モータの力行量を増加させるための前記電動モータの上乗せ駆動トルク指令値を演算し、前記旋回体を駆動するために前記上乗せ駆動トルク指令値を前記電動モータ側に出力する演算部とを備えた
ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項２】
エンジンと、該エンジンによって駆動される油圧ポンプと、旋回体と、該旋回体を駆動する電動モータ及び油圧モータと、前記旋回体を駆動するためにオペレータが操作する旋回用操作レバーと、前記電動モータに供給するための電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた信号を入力し、前記蓄電装置の充放電を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記蓄電装置の蓄電量に関して、当該蓄電装置の最適な使用範囲である通常使用領域と、前記蓄電装置の蓄電量に関して、前記旋回体の旋回速度に応じて設定される前記通常使用領域内における充電指令特性とを記憶する記憶部と、
前記蓄電装置の蓄電量が前記記憶部に記憶された前記通常使用範囲内であって、前記充電指令特性より高いときには、前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた前記旋回体の駆動と制動とを行うためのトルク指令値を演算し、前記トルク指令値を前記電動モータ側に出力し、
前記蓄電装置の蓄電量が前記記憶部に記憶された前記充電指令特性より低いときには、前記蓄電装置の蓄電量に応じて前記電動モータの回生量を増加させるための前記電動モータの上乗せ駆動トルク指令値を演算し、前記旋回体を制動するために前記上乗せ駆動トルク指令値を前記電動モータ側に出力する演算部とを備えた
ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のハイブリッド式建設機械において、
前記コントローラは、前記上乗せ駆動トルク指令値と前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた前記旋回体の駆動と制動とを行うためのトルク指令値とから電動モータトルク指令を演算し、該電動モータトルク指令を前記電動モータ側に出力する油圧電動複合制御手段を更に備えた
ことを特徴とする旋回体を有する建設機械。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のハイブリッド式建設機械において、
前記蓄電装置の蓄電量に応じて演算される前記電動モータの上乗せ駆動トルク指令値は、前記旋回体の駆動又は制動と同一の条件において前記蓄電量に応じて変動するが、
その変動トルク巾は、前記旋回体の駆動又は制動と同一の条件における前記電動モータのトルクと前記油圧モータのトルクとを加算した合計トルクの標準値に対して、２０％以下である
ことを特徴とする旋回体を有する建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の旋回体を有するハイブリッド式建設機械に係り、特に、旋回体駆動用の電動モータと蓄電装置とを備えた旋回体を有するハイブリッド式建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベル等の旋回体を有する建設機械は、従来、エンジンで油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプから吐出される油圧にて油圧モータを回転し、慣性体である旋回体を駆動するものが主流であったが、近年に至り、エンジンの燃費向上、騒音レベルの低減及び排ガス量の低減などを図るため、蓄電装置からの電気エネルギの供給を受けて駆動する電動モータ及び油圧モータの双方を用いて旋回体を駆動するハイブリッド方式のものが、提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の建設機械には、旋回用の電動モータに加えて、蓄電装置の蓄電レベルが低下した場合に、電気エネルギを蓄電装置に供給する発電用の別の電動モータも備えられている。
【０００３】
特許文献１には、ハイブリッド方式の建設機械の制御手段として、電動モータが駆動制御されるときのトルクを、旋回駆動用の油圧モータのイン側とアウト側の差圧に関連して指令するトルク指令手段を備える技術が開示されている。また、特許文献１には、加速駆動時における油圧モータのトルクと電動モータのトルクの比率、及び減速駆動時における油圧モータのトルクと電動モータのトルクの比率を、油圧モータのイン側とアウト側の差圧をパラメータとして定める技術も開示されている（例えば、段落００６０）。特許文献１には、これらの技術によれば、慣性体である旋回体を連続してスムースに駆動制御することが可能になり、かつ制動時のエネルギを電気エネルギとして効果的に蓄電装置に取り込むことができると記載されている（例えば、段落００３３、００３４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−６３８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載の技術は、油圧モータのイン側とアウト側の差圧をパラメータとして、加速駆動時及び減速駆動時における油圧モータが分担するトルクと電動モータが分担するトルクのそれぞれを変更することによってその比率を変更し、旋回体の駆動に必要なトルクを得る構成であるが、機械の動作中に油圧モータの出力を自由に変更することは、実際には非常に困難である。かかる構成によると、加速駆動時に電動モータが消費する電気エネルギと、減速駆動時に電動モータが発電する電気エネルギとに差があるため、蓄電装置の蓄電量が増減することになる。言うまでもなく、蓄電装置の蓄電量が不足すると、電動モータを所要のトルクで駆動できなくなるし、蓄電装置の蓄電量が過充電の状態になると、蓄電装置の寿命に悪影響を与え、最悪の場合には、蓄電装置が故障することにもなる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１には、蓄電装置の充放電管理に関して、蓄電装置の蓄電量が所定値よりも低下している場合に、発電用の電動機を駆動して、その発電エネルギを蓄電装置に供給する（段落００５３、００５５）と記載されているだけで、蓄電装置の過充電による寿命への悪影響を考慮したエネルギマネジメントについては、何ら記載されていない。
【０００７】
一方、このような建設機械においては、油圧モータのみを用いて旋回体を駆動する従来方式の建設機械の操作に慣れたオペレータが違和感なく操作できるように、油圧モータ及び電動モータが分担する駆動トルクを適切に制御する必要がある。その際に、電動モータが、駆動（力行）時に消費し、制動（回生）時に発生するエネルギを、電動モータと接続された蓄電装置が充放電することになる。蓄電装置の容量には限界があるので、蓄電装置の蓄電量を適正に管理すること、即ち、エネルギマネジメントが特に重要となる。
【０００８】
なお、大容量の蓄電装置を備えれば、上述したようなエネルギマネジメントを不要とすることも可能になるが、蓄電装置の大容量化に伴って建設機械における蓄電装置の設置スペースが大きくなり、かつ建設機械が高コスト化するというデメリットがある。
【０００９】
さらに、蓄電装置の蓄電量が、寿命を考慮した場合に適正とされる使用範囲となるようなエネルギマネジメントを実施しても、機械の作業パターンは規定されていないので、加速駆動時に電動モータが消費する電気エネルギと減速駆動時に電動モータが発電する電気エネルギとの差によっては、蓄電装置の蓄電量が適正範囲を超えることもあり得る。これを防ぐためには、蓄電装置の大容量化が考えられるが、前述のように設置スペースやコストの観点から望ましくない。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、従来方式の建設機械と違和感のない旋回動作の操作性を備えるとともに、蓄電装置を大容量化することなく、寿命を考慮した適正範囲に蓄電装置の蓄電量が制御されるハイブリッド式建設機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、第１の発明は、エンジンと、該エンジンによって駆動される油圧ポンプと、旋回体と、該旋回体を駆動する電動モータ及び油圧モータと、前記旋回体を駆動するためにオペレータが操作する旋回用操作レバーと、前記電動モータに供給するための電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた信号を入力し、前記蓄電装置の充放電を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記蓄電装置の蓄電量に関して、当該蓄電装置の最適な使用範囲である通常使用領域と、前記蓄電装置の蓄電量に関して、前記旋回体の旋回速度に応じて設定される前記通常使用領域内における放電指令特性とを記憶する記憶部と、前記蓄電装置の蓄電量が前記記憶部に記憶された前記通常使用範囲内であって、前記放電指令特性より低いときには、前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた前記旋回体の駆動と制動とを行うためのトルク指令値を演算し、前記トルク指令値を前記電動モータ側に出力し、前記蓄電装置の蓄電量が前記記憶部に記憶された前記放電指令特性より高いときには、前記蓄電装置の蓄電量に応じて前記電動モータの力行量を増加させるための前記電動モータの上乗せ駆動トルク指令値を演算し、前記旋回体を駆動するために前記上乗せ駆動トルク指令値を前記電動モータ側に出力する演算部とを備えたものとする。
【００１２】
また、第２の発明は、エンジンと、該エンジンによって駆動される油圧ポンプと、旋回体と、該旋回体を駆動する電動モータ及び油圧モータと、前記旋回体を駆動するためにオペレータが操作する旋回用操作レバーと、前記電動モータに供給するための電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた信号を入力し、前記蓄電装置の充放電を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記蓄電装置の蓄電量に関して、当該蓄電装置の最適な使用範囲である通常使用領域と、前記蓄電装置の蓄電量に関して、前記旋回体の旋回速度に応じて設定される前記通常使用領域内における充電指令特性とを記憶する記憶部と、前記蓄電装置の蓄電量が前記記憶部に記憶された前記通常使用範囲内であって、前記充電指令特性より高いときには、前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた前記旋回体の駆動と制動とを行うためのトルク指令値を演算し、前記トルク指令値を前記電動モータ側に出力し、前記蓄電装置の蓄電量が前記記憶部に記憶された前記充電指令特性より低いときには、前記蓄電装置の蓄電量に応じて前記電動モータの回生量を増加させるための前記電動モータの上乗せ駆動トルク指令値を演算し、前記旋回体を制動するために前記上乗せ駆動トルク指令値を前記電動モータ側に出力する演算部とを備えたものとする。
【００１４】
更に、第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記コントローラは、前記上乗せ駆動トルク指令値と前記旋回用操作レバーの操作量及び操作方向に応じた前記旋回体の駆動と制動とを行うためのトルク指令値とから電動モータトルク指令を演算し、該電動モータトルク指令を前記電動モータ側に出力する油圧電動複合制御手段を更に備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、第４の発明は第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記蓄電装置の蓄電量に
応じて演算される前記電動モータの上乗せ駆動トルク指令値は、前記旋回体の駆動又は制
動と同一の条件において前記蓄電量に応じて変動するが、その変動トルク巾は、前記旋回
体の駆動又は制動と同一の条件における前記電動モータのトルクと前記油圧モータのトル
クとを加算した合計トルクの標準値に対して、２０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、旋回電動モータのトルクを基準値に対して上乗せしたトルク指令信号により旋回電動モータを駆動制御することができるので、蓄電装置の蓄電量を寿命が考慮された適正範囲内に管理できる。この結果、蓄電装置の大容量化とその設置スペースの確保が不要となると共に、従来方式の建設機械と遜色のない旋回動作の操作性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態を適用した油圧ショベルの側面図である。
【図２】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図３】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図である。
【図４】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態におけるレバー操作量と油圧モータ及び電動モータの駆動トルクとの関係を示す特性図である。
【図５】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態を構成するエネルギマネジメント制御手段の構成図である。
【図６】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態を構成するコントローラに記憶される通常使用領域、回生禁止領域及び旋回禁止領域、並びに放電指令及び充電指令を説明する特性図である。
【図７】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態における旋回電動モータのトルク指令値を算出する処理フローを示すフローチャート図である。
【図８】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態におけるキャパシタ電圧に対する上乗せ要求出力指令値の関係を示す特性図である。
【図９】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態における旋回体の起動から停止に至るまでの油圧モータトルクと、旋回電動モータトルクと、上乗せトルクとの変化を示す特性図である。
【図１０Ａ】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態における油圧単独モード切替要求の出力例（回生禁止フラグ設定例）を示す特性図である。
【図１０Ｂ】本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態における油圧単独モード切替要求の出力例（旋回禁止フラグ設定例）を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、建設機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた建設機械全般（作業機械を含む）に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。例えば、本発明は旋回体を備えたクレーン車等、その他の建設機械にも適用可能である。図１は本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態を適用した油圧ショベルの側面図、図２は本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図、図３は本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図、図４は本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態におけるレバー操作量と油圧モータ及び電動モータの駆動トルクとの関係を示す特性図である。
【００１９】
図１において、油圧ショベルは走行体１０と、走行体１０上に旋回可能に設けた旋回体２０及びショベル機構３０を備えている。
【００２０】
走行体１０は、左右一対のクローラ１１及びクローラフレーム１２（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１を独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３、１４及びその減速機構等で構成されている。
【００２１】
旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、旋回電動モータ２５及び旋回油圧モータ２７と、旋回電動モータ２５に接続される蓄電装置であるキャパシタ２４と、旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転を減速する減速機構２６等から構成され、旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の駆動力が減速機構２６を介して伝達され、その駆動力により走行体１０に対して旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させる。
【００２２】
また、旋回体２０にはショベル機構（フロント装置）３０が搭載されている。ショベル機構３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。
【００２３】
さらに、旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述した走行用油圧モータ１３，１４、旋回油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アークシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧システム４０が搭載されている。油圧システム４０は、油圧を発生する油圧源となる油圧ポンプ４１（図２）及び各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブ４２（図２）を含み、油圧ポンプ４１はエンジン２２によって駆動される。
【００２４】
次に、油圧ショベルの電動・油圧機器のシステム構成について概略説明する。図２に示すように、エンジン２２の駆動力は油圧ポンプ４１に伝達されている。コントロールバルブ４２は、旋回用の操作レバー装置７２（図３参照）からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、旋回油圧モータ２７に供給される圧油の流量と方向を制御する。またコントロールバルブ４２は、旋回以外の操作レバー装置７３（図３参照）からの操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６及び走行用油圧モータ１３，１４に供給される圧油の流量と方向を制御する。
【００２５】
なお、本実施の形態に係るコントロールバルブ４２は、旋回操作レバーの操作量が中間域（中立と最大の間）の時のブリードオフ開口面積を通常機よりも大きくし、操作量が中間域での旋回油圧モータ２７の駆動トルク（旋回体２０を駆動する方向のトルク）が通常機よりも小さくなるようにしている。また、このコントロールバルブ４２は、旋回用の操作レバー装置７２の操作量が中間域の時のメータアウト開口面積を通常機よりも大きくし、操作量が中間域での旋回油圧モータ２７の制動トルク（上部旋回体２０を制動する方向のトルク）が通常機よりも小さくなるようにしている。
【００２６】
旋回制御システムは、図２に示すように、操作レバー装置７２（図３参照）からの指令に応じた制御信号を上述したコントロールバルブ４２と、キャパシタ２４の充放電を制御するパワーコントロールユニット５５に出力するコントローラ８０が備えられている。パワーコントロールユニット５５はチョッパ５１、インバータ５２、平滑コンデンサ５４等を有し、メインコンタクタ５６はメインリレー５７、突入電流防止回路５８等を有している。
【００２７】
キャパシタ２４からの直流電力はチョッパ５１によって所定の母線電圧に昇圧され、旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５２に入力される。平滑コンデンサ５４は、母線電圧を安定化させるために設けられている。旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転軸は結合されており、減速機構２６を介して旋回体２０を駆動する。旋回電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、キャパシタ２４は充放電されることになる。
【００２８】
次に、本発明による旋回制御を行うのに必要なデバイスや制御手段、制御信号等を図３を用いてさらに詳細に説明する。  
油圧ショベルは、エンジン２２を始動するためのイグニッションキー７０と、作業中止時にパイロット圧遮断弁７６をＯＮにして油圧システムの作動を不能とするゲートロックレバー装置７１とを備えている。また、油圧ショベルは、上述したコントローラ８０と、コントローラ８０の入出力に係わる油圧・電気変換装置７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂＲ、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ及び油圧単独旋回モード固定スイッチ７７を備え、これらは旋回制御システムを構成する。油圧・電気変換装置７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂＲはそれぞれ例えば圧力センサであり、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄは例えば電磁比例減圧弁である。
【００２９】
コントローラ８０は、図３に示すように、異常監視・異常処理制御ブロック（手段）８１、エネルギマネジメント制御ブロック（手段）８２、油圧電動複合旋回制御ブロック（手段）８３、油圧単独旋回制御ブロック（手段）８４、及び油圧電動複合旋回制御ブロック（手段）８３と油圧単独旋回制御ブロック（手段）８４の切替手段８５とからなる。
【００３０】
異常監視・異常処理制御ブロック８１には、パワーコントロールユニット５５から出力されるエラー・故障・警告信号が入力される。エネルギマネジメント制御ブロック８２は、パワーコントロールユニット５５から出力されるキャパシタ残量信号とチョッパ電流信号と旋回モータ速度と、コントロールバルブ４２から出力され、圧力→電気信号変換デバイス（例えば、圧力センサ）７４ｂＬ，７４ｂＲによって電気信号に変換された旋回作動圧とを入力し、油圧電動複合旋回制御ブロック８３への上乗せトルク要求と、切替手段８５への油圧単独旋回モードへ切替えるための要求とを出力する。
【００３１】
油圧電動複合旋回制御ブロック８３は、旋回操作レバー７２から出力され、油圧→電気信号変換デバイス（例えば、圧力センサ）７４ａによって電気信号に変換された旋回パイロット圧信号と、パワーコントロールユニット５５から出力される旋回モータ速度と、コントロールバルブ４２から出力され、圧力→電気信号変換デバイス（例えば、圧力センサ）７４ｂＬ，７４ｂＲによって電気信号に変換された旋回作動圧とを入力し、パワーコントロールユニット５５への旋回電動モータトルク指令と、油圧ポンプ４１へのポンプ吸収トルク補正指令と、コントロールバルブ４２への旋回油圧モータ出力トルク減少指令とを出力する。なお、ポンプ吸収トルク補正指令と、旋回油圧モータ出力トルク減少指令とは、電気→圧力信号変換デバイス（例えば、電磁比例弁）７５ａ，７５ｂによって油圧パイロット信号に変換された信号が油圧ポンプ４１やコントロールバルブ４２に入力されている。
【００３２】
油圧単独旋回制御ブロック８４は、旋回操作レバー７２から出力され、油圧→電気信号変換デバイス７４ａによって電気信号に変換された旋回パイロット圧信号を入力し、コントロールバルブ４２へ、油圧旋回特性補正指令と、旋回パイロット圧補正信号とを電気→圧力信号変換デバイス７５ｃ，７５ｄを介して出力する。切替手段８５は、後述するように、旋回体２０の駆動状態及びキャパシタ２４の蓄電量に応じてコントローラ８０が自動的に切り替えるほか、コントローラ８０に付設された油圧単独旋回モード固定スイッチ７７により、手動で切り替えることもできる。
【００３３】
システム全体に異常がなく、旋回電動モータ２５が駆動可能な状態では、油圧電動複合旋回制御ブロック８３により、旋回体２０の旋回制御が行われる。即ち、オペレータが旋回操作レバー７２を操作すると、その操作方向及び操作量に応じた油圧パイロット信号が発生し、コントロールバルブ４２に入力されると共に、油圧→電気信号変換デバイス７４ａを介してコントローラ８０にも電気信号に変換された旋回パイロット圧信号が入力される。これにより、旋回油圧モータ２７用のコントロールバルブが開放され、旋回油圧モータ２７が駆動されると共に、旋回電動モータ２５がキャパシタ２４からの電力供給を受けて駆動される。
【００３４】
上述したように、本実施の形態に係るコントロールバルブ４２は、駆動時には、旋回操作レバー７２の操作量が中間域のときのブリードオフ開口面積を通常機よりも大きくして駆動トルクを小さくしており、制動時においても、旋回操作レバー７２の操作量が中間域の時のメータアウト開口面積を通常機よりも大きくして制動トルクを小さくしている。したがって、本実施の形態に係る油圧システム４０では、旋回油圧モータ２７の駆動トルクが従来の油圧機よりも小さくなる。コントローラ８０は、この旋回油圧モータ２７の駆動トルクの低下分を補う駆動トルクで旋回電動モータ２５を駆動するに足る旋回電動モータトルク指令を算出する。図４に、旋回操作レバー７２の操作量に応じた旋回電動モータ２５の駆動トルクＴｍｓ１及び旋回油圧モータ２７の駆動トルクＴｍｏを模式的に示す。
【００３５】
油圧電動複合旋回制御ブロック８３は、旋回操作レバー７２の操作量に応じた旋回電動モータ２５の駆動トルクＴｍｓ１及び旋回油圧モータ２７の駆動トルクＴｍｏに、エネルギマネジメント制御ブロック８２から要求される上乗せトルクを加算し、パワーコントロールユニット５５に旋回電動モータトルク指令を出力する。上乗せトルクは、旋回電動モータ２５の駆動トルクＴｍｓ１に上乗せされるものである。上乗せトルクを加味した旋回電動モータトルク指令の算出方法については、後に説明する。
【００３６】
旋回電動モータ２５が加速時に消費する電気エネルギと減速時に回生する電気エネルギとの差により、キャパシタ２４の蓄電量は増減する。このキャパシタ２４の蓄電量を適正な範囲に制御するのがエネルギマネジメント制御ブロック８２であり、旋回電動モータ２５に上乗せするトルクを調整することにより、キャパシタ２４の蓄電量を適正な範囲に保つ制御を行う。
【００３７】
次に、コントローラ８０のエネルギマネジメント制御ブロック８２の処理内容を図５と図６を用いて説明する。図５は本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態を構成するエネルギマネジメント制御手段の構成図、図６は本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態を構成するコントローラに記憶される通常使用領域、回生禁止領域及び旋回禁止領域、並びに放電指令及び充電指令を説明する特性図である。図５及び図６において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。  
図５に示すエネルギマネジメント制御ブロック８２の処理は、油圧電動複合旋回制御部８３で算出した旋回電動モータ２５の駆動トルクまたは回生トルクによるキャパシタ２４の充放電だけでは、キャパシタ２４の蓄電量を所定の範囲に保つことができない場合、オペレータに旋回感触の違和感を与えない範囲のトルクを旋回電動モータ２５の駆動トルクまたは制動トルクに上乗せし、キャパシタ２４の蓄電量を調節するものである。
【００３８】
本実施の形態においては、キャパシタ目標電圧Ｖｃ＊に対して、旋回電動モータ２５の上乗せトルクを算出し、旋回電動モータ２５を力行動作あるいは回生動作させることでキャパシタ電圧Ｖｃを制御する。キャパシタ目標電圧Ｖｃ＊は、上部旋回体２０の運動エネルギに依存するように設定する。ここでは、図６に示すように、キャパシタ２４の目標電圧Ｖｃ＊を、充電指令ＶＬ＊、放電指令ＶＨ＊として予め設定し、旋回速度に応じたテーブルとして記憶部に保持している。例えば、旋回力行動作時においては、運動エネルギが小さい場合よりも運動エネルギが大きい場合、即ち旋回速度が大きい場合の方が、回生動作時に得られる回生エネルギが大きくなるため、それに備えてキャパシタの充電状態を低くするように、キャパシタ目標電圧Ｖｃ＊を低く設定している。回生動作時においても同様に、運動エネルギが小さい場合、即ち旋回速度が小さくなるにつれ、次の力行動作に備えてキャパシタの充電状態を高くしておくように、キャパシタ目標電圧Ｖｃ＊を高く設定している。
【００３９】
なお、図６は図５で示すブロック１００の関数発生器が定義するテーブル１の内容を示していて、Ｖｍａｘは回生禁止領域を規定するキャパシタ電圧、Ｖｈｉｇｈは通常使用領域の最大電圧を規定するキャパシタ電圧、Ｖｌｏｗは通常使用領域の最小電圧を規定するキャパシタ電圧、Ｖｍｉｎは旋回禁止領域を規定するキャパシタ電圧をそれぞれ示している。
【００４０】
以上のようなキャパシタ目標電圧Ｖｃ＊を設定することにより、エネルギマネジメント制御ブロック８２における演算部は、図６において旋回速度がＷｘのときに、キャパシタ電圧Ｖｃが（Ｖｈ_ｘ＋α）よりも高い場合には、旋回電動モータ２５のトルクは、予め設定した最大出力（力行側）で上乗せされるように制御される。また、旋回速度がＷｘのときにキャパシタ電圧Ｖｃが（Ｖｌ_ｘ−β）よりも低い場合には、旋回電動モータ２５のトルクは，予め設定した最大出力（回生側）で上乗せされるように制御される。また、キャパシタ電圧ＶｃがＶｌ_ｘ≦Ｖｃ≦Ｖｈ_ｘの場合には、旋回電動モータ２５のトルクは上乗せされず（上乗せ量が０となる）、旋回電動モータ２５の力行動作と回生動作に応じた電気エネルギがキャパシタ２４に充放電されることになる。
【００４１】
図６において、キャパシタ２４への充電指令と放電指令を意味するキャパシタ目標電圧ＶＬ＊及びＶＨ＊は、キャパシタ２４の通常使用領域を有効に使用するように設定すべきである。即ち、寿命の観点から、キャパシタ２４を適正に使用するための電圧範囲を通常使用領域とした場合に、キャパシタ電圧Ｖｃが最小電圧Ｖｍｉｎから最大電圧Ｖｍａｘの範囲内を最大限に使用する程、電気エネルギを有効に活用でき、効率が向上する。よって、回生エネルギを得て充電されたときのキャパシタ電圧がＶｍａｘに近く、力行動作にて放電されたときのキャパシタ電圧がＶｍｉｎに近いほどエネルギ効率は向上する。
【００４２】
但し、実際には、例えば傾斜地等での旋回作業で回生によるキャパシタ２４への充電が続く場合や、押し当て作業等でキャパシタ２４からの放電が続く場合等を考慮して、回生エネルギ余裕値Ｅｘ１や、力行エネルギ余裕値Ｅｘ２を設定して、余裕を持たせてキャパシタ目標電圧ＶＬ＊及びＶＨ＊を設定する。本システムによれば、後述するように、キャパシタ残量が所定の範囲から外れた場合においても、油圧モータ単独モードへの切り換えが可能であるため、回生エネルギ余裕値Ｅｘ１及び力行エネルギ余裕値Ｅｘ２を小さな値に設定することができ、キャパシタ２４の小型化を図ることができる。なお、最大電圧Ｖｍａｘ以上の電圧範囲は、旋回電動モータ２５から回生される電気エネルギの充電が禁止される回生禁止領域であり、最小電圧Ｖｍｉｎ以下の電圧範囲は、旋回電動モータ２５を力行駆動による旋回作業が禁止される旋回禁止領域である。コントローラ８０は、これら図６に示す通常使用領域、回生禁止領域及び旋回禁止領域を記憶している。
【００４３】
図５において、制御ブロック１００の関数発生器は、パワーコントロールユニット５５から出力される旋回モータ速度を入力し、上述したキャパシタ目標電圧Ｖｃ＊を出力する。また、制御ブロック１０３はキャパシタ電圧の補正演算を行う補正演算器であって、具体的にはパワーコントロールユニット５５から出力されるキャパシタ２４の電圧検出値Ｖｃとチョッパ検出電流とを入力し、内部抵抗値による電圧降下分を補正したキャパシタ電圧を出力する。制御ブロック１０１は偏差演算器であって、制御ブロック１００の出力と制御ブロック１０３の出力とを入力し、これらの偏差を制御ブロック１０２の制御演算器に出力している。制御ブロック１０２の制御演算器は、予め定めた比例ゲインを入力値に乗じてキャパシタ２４から充放電すべき出力を演算している。制御ブロック１０４は旋回モータ上乗せ要求トルク演算処理を行う演算器であり、制御ブロック１０２の出力とパワーコントロールユニット５５から出力される旋回モータ速度とを入力して旋回モータ上乗せトルク指令を算出している。具体的には、制御ブロック１０２で算出された出力を旋回電動モータ２５の回転速度で除して旋回モータ上乗せトルク指令に換算し、この旋回モータ上乗せトルク指令を油圧電動複合旋回制御部８３に出力している。
【００４４】
次に、制御ブロック１０４の旋回モータ上乗せ要求トルク演算処理の処理内容について図７及び図８を用いて説明する。図７は本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態における旋回電動モータのトルク指令値を算出する処理フローを示すフローチャート図、図８は本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態におけるキャパシタ電圧に対する上乗せ要求出力指令値の関係を示す特性図である。図７及び図８において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。  
まず、図７のステップ（Ｓ１００）では、旋回油圧モータ２７の油圧モータトルクＴｍｏを計算する。具体的には、旋回油圧モータ２７の作動油の入口と出口の２つのポートに設けられた圧力→電気信号変換デバイス（例えば、圧力センサ）７４ｂＬ，７４ｂＲからの旋回作動圧力の信号を取り込み、これらの差を演算することで油圧モータトルクＴｍｏを算出している。
【００４５】
次に、ステップ（Ｓ１０１）では、旋回油圧モータ２７が駆動しているのか制動しているのかを判断する。具体的には、例えば、検出された旋回モータ速度と旋回作動圧力との変化状態量を比較演算することで判断する。旋回油圧モータ２７が駆動状態と判断されれば、ＹＥＳと判断されてステップ（Ｓ１０２）へ進み、制動状態と判断されれば、ＮＯと判断されてステップ（Ｓ１０３）へ進む。
【００４６】
ステップ（Ｓ１０２）では、駆動時の電動モータトルク指令値Ｔｍｓ１を計算する。具体的には、旋回操作量に応じて設定している駆動ゲインテーブルを用いてゲインを算出し、算出した駆動ゲインとステップ（Ｓ１００）で算出した油圧モータトルクＴｍｏとを乗算して電動モータトルク指令値Ｔｍｓ１を計算している。
【００４７】
ステップ（Ｓ１０３）では、制動時の電動モータトルク指令値Ｔｍｓ１を計算する。具体的には、旋回操作量に応じて設定している制動ゲインテーブルを用いてゲインを算出し、算出した制動ゲインとステップ（Ｓ１００）で算出した油圧モータトルクＴｍｏとを乗算して電動モータトルク指令値Ｔｍｓ１を計算している。これらの電動モータトルク指令値Ｔｍｓ１は、従来機の油圧モータのみで旋回体を駆動する場合のトルクとほぼ同じになるように設定されている。よって、算出した電動モータトルク指令値Ｔｍｓ１は、図４に示すように、旋回操作レバーの操作量が中間域の時に大きくなるように設定されている。
【００４８】
ステップ（Ｓ１０４）では、上乗せ要求トルクＴａｄｄを計算する。具体的には、キャパシタ２４の充電状態を示すキャパシタ電圧Ｖｃに応じて入出力すべき充放電電力を算出し、この充放電電力を旋回速度で徐算して上乗せ要求トルクＴａｄｄを算出している。図８に、キャパシタ電圧Ｖｃに対して上乗せ要求出力指令を設定するテーブルを示す。旋回駆動時（力行動作）においては、キャパシタ電圧がＶＨ＊以上において、放電可能なパワーＰａｄｄｍａｘ［ｋＷ］以下で放電するように上乗せ要求出力を設定している。また、旋回制動時（回生動作）においては、キャパシタ電圧がＶＬ＊以下において、充電可能なパワーＰａｄｄｍｉｎ［ｋＷ］以下で充電するように上乗せ要求出力を設定している。
【００４９】
次に、ステップ（Ｓ１０５）では、ステップ（Ｓ１０４）で算出した上乗せ要求トルクＴａｄｄが予め設定した上限値Ｔａｄｄ１より小さいか否かの判断を行う。
【００５０】
ステップ（Ｓ１０５）で、上乗せ要求トルクＴａｄｄが予め設定した上限値Ｔａｄｄ１より小さい場合ＹＥＳと判断されステップ（Ｓ１０６）に進み、上限値Ｔａｄｄ１と等しいか大きい場合ＮＯと判断されてステップ（Ｓ１０７）へ進む。
【００５１】
ステップ（Ｓ１０６）では、上乗せ要求トルクＴａｄｄをステップ（Ｓ１０４）で算出した値とする。
【００５２】
ステップ（Ｓ１０７）では、上乗せ要求トルクＴａｄｄを予め設定した上限値Ｔａｄｄ１とする。この上限値Ｔａｄｄ１は、上乗せ要求トルクＴａｄｄと旋回電動モータ２５の駆動トルクＴｍｓ１の加算値で旋回電動モータ２５を駆動したときに、オペレータが感じる旋回感触と、上乗せ要求トルクＴａａｄが加算されていない旋回電動モータ２５の駆動トルクＴｍｓ１で旋回電動モータ２５を駆動したときに、オペレータが感じる旋回感触とに差が生じない範囲に設定されている。発明者らの実験によると、旋回電動モータ２５の駆動トルクＴｍｓ１に対して、２０％程度のトルクを上乗せしても、大部分のオペレータは旋回感触に違和感を持たないことが判明している。本実施の形態においては、上乗せ要求トルクの上限値Ｔａｄｄ１をステップ（Ｓ１０２）またはステップ（Ｓ１０３）のいずれかで算出した油圧モータトルク指令値Ｔｍｓ１にゲインＫ１を乗じて得た値としている。つまり、Ｔａｄｄ１＝Ｋ１・Ｔｍｓ１として、Ｋ１を０．２としている。
【００５３】
ステップ（Ｓ１０８）では、ステップ（Ｓ１０６）またはステップ（Ｓ１０７）のいずれかで算出した上乗せトルク要求Ｔａｄｄを基に電動モータトルク指令値Ｔｍｓ２を算出する。具体的には、上述した油圧モータトルク指令値Ｔｍｓ１に上乗せ要求トルクＴａｄｄを加算して電動モータトルク指令値Ｔｍｓ２（＝Ｔｍｓ１＋Ｔａｄｄ）を算出している。
【００５４】
算出された電動モータトルク指令値Ｔｍｓ２は、図３に示すように、コントローラ８０の油圧電動複合旋回制御ブロック８３からパワーコントロールユニット５５に出力されている。
【００５５】
次に、本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態の動作について図９を用いて説明する。図９は本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態における旋回体の起動から停止に至るまでの油圧モータトルクと、旋回電動モータトルクと、上乗せトルクとの変化を示す特性図である。  
図９は、旋回体２０の起動から停止に至るまでの油圧モータトルクＴｍｏ及び旋回電動モータトルクＴｍｓ１と、旋回電動モータトルクＴｍｓ１に上乗せされる上乗せトルクＴａｄｄの変化を示す。時刻ｔ０から時刻ｔ５までのキャパシタ蓄電状態に応じた旋回モータ２５，２７の各トルクについて説明する。上段のレバー操作量における（Ａ）と（Ｂ）の表示は、オペレータにより（Ａ）と（Ｂ）と同じレバー操作量の旋回操作が行われたことを示す。
（１）旋回操作レバーの操作を開始した時刻ｔ０においては、キャパシタ蓄電状態が高いため、上乗せトルクＴａｄｄは大きくなり、旋回電動モータ２５が最終的に出力するトルク（旋回電動モータトルク）は、基準となる旋回電動モータトルクＴｍｓ１にＴａｄｄを上乗せした分（Ｔｍｓ１＋Ｔａｄｄ）となる。
（２）時刻ｔ１からｔ２においては、レバー操作に基づく同様の処理によって、旋回電動モータ２５で回生する旋回電動モータトルクＴｍｓ１が出力される。
（３）次に、（Ａ）と同じレバー操作量の旋回操作（Ｂ）が開始された時刻ｔ３では、キャパシタ蓄電状態が通常領域の範囲内でも比較的低めであることを示している。この場合は、基準となる旋回電動モータトルクＴｍｓ１にトルクを上乗せすることなく、旋回電動モータトルクＴｍｓ１を最終的に出力するトルクとして出力している。
（４）以上より、時刻ｔ０からｔ１の力行時に出力する力行エネルギは、時刻ｔ３からｔ４の力行時に出力する力行エネルギよりも大きくなる。
【００５６】
このような制御をおこなうことにより、キャパシタ２４の蓄電状態を適正な範囲に管理しやすくなり、以下に説明する油圧単独旋回モードへの切替えを可能な限り減らすことができる。また、キャパシタ２４の容量を小さくしたシステム構成が実現できる。さらには、オペレータに操作上の違和感を与えることがなく、エネルギも有効に活用できて、燃費を向上することができる。
【００５７】
次に、図５に戻り油圧単独モード切替要求演算処理を行う演算器である制御ブロック１０５について説明する。旋回電動モータ２５のトルクを上乗せしても、キャパシタ２４の蓄電量が所定の範囲内に収まらない場合、旋回電動モータ２５の駆動と制動によるキャパシタ２４への充放電を防止するため、油圧電動複合旋回モードから油圧単独モードに切り替える。図５において、制御ブロック１０５の演算器は、制御ブロック１０３の出力である補正されたキャパシタ電圧を入力し、油圧単独モード切替え要求を図３に示すコントローラ８０の切替手段８５に出力する。油圧単独モードへの切り替えは、キャパシタ２４の蓄電状態に基づいておこなうように設定し、蓄電量が多い場合には回生禁止フラグ、蓄電量が少ない場合には旋回禁止フラグをそれぞれ２段階で出力している。
【００５８】
回生禁止フラグ及び旋回禁止フラグの設定例について図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａは本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態における油圧単独モード切替要求の出力例（回生禁止フラグ設定例）を示す特性図、図１０Ｂは本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態における油圧単独モード切替要求の出力例（旋回禁止フラグ設定例）を示す特性図である。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、図１乃至図９に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００５９】
図１０Ａにおいて、キャパシタ電圧が上昇し、回生禁止領域のしきい値Ｖｍａｘに至った場合には、回生禁止要求フラグがＯＮとなって、油圧単独モードに切り替えられる。その後、自己放電などによりキャパシタ電圧が通常使用領域の中央値Ｖｃｅｎｔまで下降復帰した段階で、回生禁止フラグがＯＦＦとなって、油圧単独モードが解除される。
【００６０】
図１０Ｂにおいて、キャパシタ電圧が下降し、旋回禁止領域のしきい値Ｖｍｉｎに至った場合には、旋回禁止フラグがＯＮとなって、油圧単独モードに切り替えられる。この場合は、作業は油圧単独モードで作業を続けることが可能である。再び油圧電動複合制御を可能とするためには、キャパシタ２４の蓄電量を所定の範囲内になるように充電する必要がある。この充電方法としては、例えば、別途充電回路を設けて外部から充電する方法と、所定の作業モード（充電モード）を設けて旋回電動モータ２５を用いて充電する方法とが考えられ、いずれかの方法が用いられればよい。なお、上述した各フラグのＯＮ，ＯＦＦは、可能な限り操作中のショックを低減するため、旋回動作及び操作が行われていないタイミングがきた段階で、その切り替えがなされている。
【００６１】
なお、図１０Ａ，Ｂで説明した制御に加えて、キャパシタ電圧が、回生禁止領域のしきい値Ｖｍａｘ以上の所定の電圧値、例えばＶｆｕｌｌに至った段階で、第２の回生禁止フラグをＯＮに切り替えるという制御方法をとることもできる。キャパシタ電圧がＶｆｕｌｌに至る状態とは、キャパシタ２４に異常が発生した場合であると判断されるので、この第２の回生禁止フラグのＯＦＦからＯＮへの切り替えは、旋回動作が行われているか否かにかかわりなく、直ちに行われる。
【００６２】
また、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードへの切替は、上述したエネルギマネジメント制御ブロック８２からの要求によって行われるほか、パワーコントロールユニット５５、旋回電動モータ２５、キャパシタ２４等の電動系に異常が発生した場合にも実施することができる。この場合の油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードへの切替は、異常監視・異常処理ブロック８１の判断で行われる。
【００６３】
油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードとの間のモード切替は、モード切替時に油圧回路上のバルブの切り替え動作が行われることなどにより、操作上軽いショックが生じる可能性があるので、エラー信号の内容が深刻ではなく、直ちに切替える緊急性がない場合は、旋回動作及び操作が行われてないタイミング、あるいは、フロントも含め操作がまったく行われていないアイドリング時などに行う。インバータの過電流異常等、システムを損傷させる恐れや重大な故障や災害に繋がる恐れがある異常については、操作中であっても、直ちに電動系を停止させ、油圧単独旋回モードに切替える。
【００６４】
なお、油圧単独旋回制御中に、所定のエラー処理によって、あるいは、自然にエラー信号が解消された場合は、旋回動作及び操作が行われてないタイミング、あるいは、フロントも含め操作がまったく行われていないアイドリング時などにおいて、油圧電動複合旋回モードへの復帰動作を行う。
【００６５】
このように、キャパシタ電圧が所定の回生禁止値又は旋回禁止値に至ったとき、上部旋回体２０の駆動モードを、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードに切り替えると、上部旋回体２０の駆動を継続できるので、高い作業性を維持することができる。
【００６６】
上述した本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態によれば、旋回電動モータ２５のトルクを基準値に対して上乗せして出力する制御を実行するので、蓄電装置であるキャパシタ２４の蓄電量が寿命を考慮した適正範囲内に管理できる。この結果、蓄電装置であるキャパシタ２４を大容量化せずに、従来方式の建設機械と違和感のない旋回動作の操作性を備えたハイブリッド式建設機械を提供することができる。
【００６７】
また、上述した本発明のハイブリッド式建設機械の一実施の形態によれば、蓄電装置であるキャパシタ２４の蓄電量が予め設定された回生禁止値又は旋回禁止値に至ったとき、旋回電動モータ２５による旋回体２０の駆動及び制動を停止して、この旋回体２０の駆動及び制動を旋回油圧モータ２７のみを用いて行う方式に切り替えるので、建設機械による作業を継続的に行うことができる。
【００６８】
なお、本実施の形態においては、旋回電動モータ２５の駆動時と制動時の両方についてキャパシタ電圧に対する上乗せ要求出力指令を設定しているが、これに限るものではない。システムによっては、駆動時又は制動時のいずれか一方のみに設定してもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１０          走行体
１１          クローラ
１２          クローラフレーム
２０          旋回体
２１          旋回フレーム
２２          エンジン
２４          キャパシタ
２５          旋回電動モータ
２６          減速機構
２７          旋回油圧モータ
３０          ショベル機構
３１          ブーム
３２          ブームシリンダ
３３          アーム
３４          アームシリンダ
３５          バケット
３６          バケットシリンダ
４０          油圧システム
４１          油圧ポンプ
４２          コントロールバルブ
５１          チョッパ
５２          インバータ
５５          パワーコントロールユニット
７２          旋回操作レバー
８０          コントローラ
８２          エネルギマネジメント制御ブロック
８３          油圧電動複合旋回制御ブロック
８４          油圧単独旋回制御ブロック
８５          切替手段
【図１】
0005562272.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005562272.tif 000008
【図８】
0005562272.tif 000009
【図９】
0005562272.tif 000010
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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