(57)【要約】【課題】回生抵抗を用いずに、かつ、エンジンの過剰な増速を招くことなく、旋回電動機の回生エネルギーを消費して回生ブレーキ作用を確保する。【解決手段】蓄電装置故障検出手段２９によって蓄電装置２７の故障が検出されたときに、旋回減速時の非常制御として、旋回電動機２６の回生電力により発電電動機１１を駆動してエンジンアシスト動作を行わせる一方、油圧ポンプ１２の傾転を増やしてポンプ流量を増加させるポンプ流量制御、及び可変アンロード弁２１の開度を絞ってポンプ吐出圧を上昇させるポンプ圧制御を行うように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、油圧アクチュエータの油圧源としての可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプの吐出量を制御するポンプレギュレータと、上記油圧ポンプとタンクの間に設けられた開度可変の圧力制御弁と、発電機作用と上記エンジンをアシストするための電動機作用を行う発電電動機と、上記油圧ポンプ及び発電電動機の動力源としてのエンジンと、上記上部旋回体の旋回駆動源としての旋回電動機と、上記発電電動機及び上記旋回電動機との間で電力の授受を行う蓄電装置と、上記蓄電装置の故障を検出する蓄電装置故障検出手段と、上記発電電動機と旋回電動機の運転及び上記蓄電装置の充放電を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記蓄電装置故障検出手段によって蓄電装置の故障が検出されたときに、旋回減速時の非常制御として、上記旋回電動機の回生電力によって上記発電電動機に電動機作用を行わせるとともに、上記ポンプレギュレータによって油圧ポンプの吐出量を増加させるポンプ流量制御、及び上記圧力制御弁の開度を絞ってポンプ吐出圧を上昇させるポンプ圧制御の少なくとも一方を行うように構成したことを特徴とするハイブリッド建設機械。
【請求項２】
上記油圧アクチュエータの動作を制御するコントロールバルブと、このコントロールバルブを操作するアクチュエータ操作手段を備え、上記制御手段は、上記アクチュエータ操作手段の操作量に応じて上記油圧ポンプの吐出量及び上記圧力制御弁の開度の少なくとも一方を制御するように構成したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械。
【請求項３】
上記油圧アクチュエータの動作を停止させるアクチュエータ動作停止手段を備え、上記制御手段は、上記非常制御時に上記アクチュエータ動作停止手段によって油圧アクチュエータの動作を停止させるように構成した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建設機械。
【請求項４】
上記油圧アクチュエータの動作を制御する油圧パイロット切換式のコントロールバルブと、このコントロールバルブをパイロット圧によって操作するリモコン弁と、このリモコン弁にパイロット一次圧を供給するパイロットポンプとを備え、上記アクチュエータ動作停止手段として、上記パイロットポンプとリモコン弁とを結ぶパイロット一次圧ラインに、上記パイロット一次圧を供給／遮断するパイロット一次圧切換弁を設けたことを特徴とする請求項３記載のハイブリッド建設機械。
【請求項５】
上記上部旋回体が旋回動作中か否かを検出する旋回動作検出手段を備え、上記制御手段は、上記旋回動作検出手段によって旋回停止が検出されたときに、上記非常制御をキャンセルするとともに、上記アクチュエータ動作停止手段によるアクチュエータ動作停止を解除するように構成したことを特徴とする請求項３または４記載のハイブリッド建設機械。
【請求項６】
上記制御手段は、上記非常制御時に上記蓄電装置を上記発電電動機及び旋回電動機から切り離すように構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッド建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンによって油圧ポンプと発電電動機を駆動し、旋回電動機によって上部旋回体を旋回駆動するハイブリッド建設機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ショベルを例にとって背景技術を説明する。
【０００３】
ショベルは、図３に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が地面に対して巣直となる軸Ｘのまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に掘削作業用のフロントアタッチメント３が取付けられて構成される。
【０００４】
フロントアタッチメント３は、起伏自在なブーム４と、このブーム４の先端に取付けられたアーム５と、このアーム５の先端に取付けられたバケット６と、これらを駆動する油圧アクチュエータであるブーム、アーム、バケット各シリンダ７〜９によって構成される。
【０００５】
また、上部旋回体２の旋回駆動源として、ハイブリッドショベルでは旋回電動機が用いられる。
【０００６】
このハイブリッドショベルにおいては、エンジンを動力源として油圧ポンプと発電電動機を駆動し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動する一方、発電電動機と、この発電電動機の出力で充電される蓄電装置とによって旋回電動機を駆動する構成がとられる(特許文献１,２参照)。
【０００７】
また、旋回減速時に旋回電動機に発生する回生電力は、蓄電装置に充電される。
【０００８】
このハイブリッドショベルにおいて、蓄電装置がリレーダウン等によって故障する可能性がある。
【０００９】
この蓄電装置の故障が生じると、旋回減速時に、旋回電動機で作られた回生電力の受け皿がなくなるため、回生ブレーキが働かなくなる等の問題が生じる。
【００１０】
対策として、旋回電動機の回生電力で発電電動機を駆動し、エンジンをアシストすることで回生エネルギーを消費することが考えられるが、こうするとエンジンが過剰に増速されてしまう弊害が生じる。
【００１１】
また、このような問題の解決策として、回生抵抗を設け、旋回電動機の回生電力を回生抵抗で消費させることにより、エンジンの増速を招かずに回生ブレーキ作用を確保する技術が公知である(特許文献３参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−２８３１０７号公報
【特許文献２】特開平１０−４２５８７号公報
【特許文献３】特許第４６０９５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、特許文献３に記載された公知技術によると、蓄電装置の故障時のためだけに回生抵抗とその制御装置を追加しなければならないため、とくにスペースの制限が厳しいショベルにおいて、機器レイアウトが困難となるとともにコストアップになる。
【００１４】
そこで本発明は、回生抵抗を用いずに、かつ、エンジンの過剰な増速を招くことなく、旋回電動機の回生エネルギーを消費して回生ブレーキ作用を確保することができるハイブリッド建設機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する手段として、本発明においては、下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、油圧アクチュエータの油圧源としての可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプの吐出量を制御するポンプレギュレータと、上記油圧ポンプとタンクの間に設けられた開度可変の圧力制御弁と、発電機作用と上記エンジンをアシストするための電動機作用を行う発電電動機と、上記油圧ポンプ及び発電電動機の動力源としてのエンジンと、上記上部旋回体の旋回駆動源としての旋回電動機と、上記発電電動機及び上記旋回電動機との間で電力の授受を行う蓄電装置と、上記蓄電装置の故障を検出する蓄電装置故障検出手段と、上記発電電動機と旋回電動機の運転及び上記蓄電装置の充放電を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記蓄電装置故障検出手段によって蓄電装置の故障が検出されたときに、旋回減速時の非常制御として、上記旋回電動機の回生電力によって上記発電電動機に電動機作用を行わせるとともに、上記ポンプレギュレータによって油圧ポンプの吐出量を増加させるポンプ流量制御、及び上記圧力制御弁の開度を絞ってポンプ吐出圧を上昇させるポンプ圧制御の少なくとも一方を行うように構成したものである。
【００１６】
この構成によれば、蓄電装置が故障によって使用不能となった状況で、旋回減速時に旋回電動機に発生する回生電力を発電電動機の駆動力として消費させ、同時に、ポンプ流量とポンプ圧の一方、つまり油圧負荷を意図的に増加させる非常制御を行うことにより、エンジン負荷を増やしてその増速を抑えることができる。
【００１７】
すなわち、旋回電動機の回生エネルギーを油圧負荷で消費して回生ブレーキ作用を確保し、上部旋回体を安全に旋回停止させることができる。
【００１８】
しかも、特許文献３に記載の公知技術のように回生抵抗とその制御装置を追加する必要がないため、機器レイアウト及びコストの面で有利となる。
【００１９】
また、非常制御としてポンプ吐出量の増加制御を用いる場合には、可変容量型の油圧ポンプが搭載されたハイブリッド建設機械において、同ポンプとその制御系という既存の設備を非常制御に利用することができるため、機器レイアウトの容易化、コストダウンの効果が高くなる。
【００２０】
本発明において、上記油圧アクチュエータの動作を制御するコントロールバルブと、このコントロールバルブを操作するアクチュエータ操作手段を備え、上記制御手段は、上記アクチュエータ操作手段の操作量に応じて上記油圧ポンプの吐出量及び上記圧力制御弁の開度の少なくとも一方を制御するように構成するのが望ましい(請求項２)。
【００２１】
この構成によれば、アクチュエータ操作手段の操作量に応じて油圧ポンプの流量と圧力の少なくとも一方を制御するハイブリッド建設機械において、既存の油圧ポンプ及び圧力制御弁の一方または双方とその制御系を非常制御にそのまま利用することができるため、機器レイアウトの容易化及びコストダウンの効果がさらに高くなる。
【００２２】
また本発明においては、上記油圧アクチュエータの動作を停止させるアクチュエータ動作停止手段を備え、上記制御手段は、上記非常制御時に上記アクチュエータ動作停止手段によって油圧アクチュエータの動作を停止させるように構成するのが望ましい(請求項３，４)。
【００２３】
この構成によれば、非常制御時、つまりポンプ流量または圧力が増加した状態で油圧アクチュエータがオペレータの意思に反した動作を行うことを防止することができる。
【００２４】
この場合、上記油圧アクチュエータの動作を制御する油圧パイロット切換式のコントロールバルブと、このコントロールバルブをパイロット圧によって操作するリモコン弁と、このリモコン弁にパイロット一次圧を供給するパイロットポンプとを備え、上記アクチュエータ動作停止手段として、上記パイロットポンプとリモコン弁とを結ぶパイロット一次圧ラインに、上記パイロット一次圧を供給／遮断するパイロット一次圧切換弁を設けるのが望ましい(請求項４)。
【００２５】
この構成によれば、非常制御時に、パイロット一次圧切換弁により低圧のパイロット一次圧ラインを遮断してコントロールバルブを切換不能とすることでアクチュエータの動作を停止させるため、高圧のアクチュエータ回路を遮断する場合と比較して、低圧用の小型かつ安価な切換弁を用いることができる。
【００２６】
本発明において、上記上部旋回体が旋回動作中か否かを検出する旋回動作検出手段を備え、上記制御手段は、上記旋回動作検出手段によって旋回停止が検出されたときに、上記非常制御をキャンセルするとともに、上記アクチュエータ動作停止手段によるアクチュエータ動作停止を解除するように構成するのが望ましい(請求項５)。
【００２７】
この構成によれば、旋回停止とともに非常制御がキャンセルされ、ポンプ流量や圧力が通常状態に戻るとともに油圧アクチュエータが動作可能となるため、安全確保のための措置(機械の安全な場所への移動やフロントアタッチメントの設置等)をとることが可能となる。
【００２８】
さらに本発明においては、上記制御手段は、上記非常制御時に上記蓄電装置を上記発電電動機及び旋回電動機から切り離すように構成するのが望ましい(請求項６)。
【００２９】
この構成によれば、故障した蓄電装置を電力系から切り離すことで、蓄電装置がダメージを受ける事態を回避することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によると、回生抵抗を用いずに、かつ、エンジンの過剰な増速を招くことなく、旋回電動機の回生エネルギーを消費して回生ブレーキ作用を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係るハイブリッドショベルのシステム構成図である。
【図２】同ショベルの作用を説明するためのフローチャートである。
【図３】ハイブリッドショベルの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
実施形態はハイブリッドショベルを適用対象としている。
【００３３】
図１にこのハイブリッドショベルのシステム構成を示す。
【００３４】
油圧系
図示のように、動力源としてのエンジン１０に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機１１と、油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプ(メインポンプ)１２及びパイロットポンプ１３が接続され、これらがエンジン１０によって駆動される。
【００３５】
油圧ポンプ１２には、コントロールバルブ１４を介してブームシリンダその他の油圧アクチュエータ（一括して符号「１５」を付している）が接続され、油圧ポンプ１２から供給される圧油によってこの油圧アクチュエータ１５が駆動される。
【００３６】
コントロールバルブ１４は複数の油圧アクチュエータごとに設けられるが、ここでは代表として一つだけを図示している。
【００３７】
油圧ポンプ１２は、制御手段を構成するコントローラ１６からの傾転指令に基づくポンプレギュレータ１７の作動により傾転が制御されて吐出量(ポンプ流量)が変化する可変容量ポンプとして構成されている。
【００３８】
コントロールバルブ１４は、アクチュエータ操作手段としてのリモコン弁１８からのパイロット圧(パイロット二次圧)によって中立位置イと両側作動位置ロ，ハの間で切換わり作動する油圧パイロット切換弁として構成され、中立位置イで油圧ポンプ１２及びタンクＴと油圧アクチュエータ１５の接続を遮断する。
【００３９】
なお、コントロールバルブ１４としてセンターバイパス通路付きのものを用いるとともに、タンクに通じるセンターバイパスラインを、各コントロールバルブのセンターバイパス通路を縦貫して設け、必要に応じてこのセンターバイパスラインを最下流部分でカット弁によって閉じる周知の回路構成をとってもよい。要は、コントロールバルブ中立状態で油圧ポンプ１２及びタンクＴと油圧アクチュエータ１５の接続を遮断し得る回路構成であればよい。
【００４０】
油圧ポンプ１２とコントロールバルブ１４を結ぶポンプライン１９とタンクＴの間に、回路の最高圧を設定するリリーフ弁２０と、圧力制御弁としての可変アンロード弁２１がパラレルに設けられている。
【００４１】
可変アンロード弁(以下、単に「アンロード弁」という) ２１は、外部からのパイロット圧によって開度が大小変化する油圧パイロット弁として構成され、コントローラ１６からのアンロード弁開度指令に応じたパイロット圧を出力する電磁比例弁２２によってこのアンロード弁２１の開度が制御され、これによって油圧ポンプ１２の吐出圧(ポンプ圧)が制御される。
【００４２】
また、パイロットポンプ１３からのパイロット圧をリモコン弁１８の一次側にパイロット一次圧として送るパイロット一次圧ライン２３に、アクチュエータ動作停止手段としての電磁式のパイロット一次圧切換弁２４が設けられている。
【００４３】
このパイロット一次圧切換弁(以下、単に「切換弁」という)２４は、コントローラ１６からの切換指令に基づいて開通位置イと遮断位置ロの間で切換わり、同切換弁２４の開通位置イでパイロット一次圧がリモコン弁１８に供給されてリモコン弁１８によるコントロールバルブ１４のコントロール、すなわち油圧アクチュエータ１５の動作が可能となる。
【００４４】
一方、同切換弁２４が遮断位置ロに切換わると、リモコン弁１８に対するパイロット一次圧の供給が遮断されるとともにリモコン弁一次側がタンクＴに連通する。これにより、リモコン弁１８によるコントロールバルブ１４のコントロールが不能となってコントロールバルブ１４が中立復帰し、油圧アクチュエータ１５の動作が停止する。
【００４５】
また、リモコン弁１８の操作量が図示しない操作量検出手段(たとえばリモコン弁１８のパイロット圧を検出する圧力センサ)により検出されてコントローラ１６に入力され、リモコン弁１８の操作量に応じて油圧ポンプ１２の傾転(ポンプ流量)とアンロード弁２１の開度(ポンプ圧)がコントローラ１６によって制御される。
【００４６】
このように、コントローラ１６により、油圧ポンプ１２の傾転(ポンプ流量)と、アンロード弁２１の開度(ポンプ圧)と、油圧アクチュエータ１５の動作／停止が制御されるように構成されている。
【００４７】
電気系
発電電動機１１には、コントローラ１６とともに制御手段を構成するインバータ２５を介して旋回電動機２６と蓄電装置２７が接続され、発電電動機１１の発電力と蓄電装置２７の蓄電力により旋回電動機２６が駆動されて上部旋回体２が旋回する。
【００４８】
また、発電電動機１１の発電力、及び旋回減速時に旋回電動機２６に発生する回生電力が、適時、蓄電装置２７に送られて充電される。
【００４９】
インバータ２５は、この発電電動機１１、旋回電動機２６、蓄電装置２７の三者間の電力の授受、すなわち蓄電装置２７の充放電と、発電電動機１１及び旋回電動機２６の駆動を制御する。
【００５０】
さらに、インバータ２５と蓄電装置２７との間に、コントローラ１６からの開閉指令に応じて両者を接続／遮断する開閉器２８が設けられている。
【００５１】
この開閉器２８は、蓄電装置２７が健在な状態では閉じてインバータ２５と蓄電装置２７を接続し、蓄電装置故障検出手段２９によって蓄電装置２７の故障が検出されたときに両者を遮断して蓄電装置２７を電力系(発電電動機１１及び旋回電動機２６)から切り離す。
【００５２】
また、上部旋回体２の旋回速度を検出する旋回動作検出手段としての旋回速度センサ３０が設けられ、同センサ３０の検出信号(旋回速度信号)がコントローラ１６に入力される。
【００５３】
蓄電装置故障検出手段(以下、単に「故障検出手段」という)２９は、たとえば、インバータ２５と蓄電装置２７を結ぶ直流母線の電圧の検出値から蓄電装置２７が故障しているか否か(使用不能状態か否か)を判断し、故障と判断したときにコントローラ１６に故障信号を送る。
【００５４】
そして、この故障信号と旋回速度信号に基づいて、コントローラ１６が、旋回制御として蓄電装置正常時の通常制御に代えて非常制御を行う。
【００５５】
この制御内容を図２のフローチャートを併用して説明する。
【００５６】
たとえば旋回操作されたことによって制御が開始されると、ステップＳ１で蓄電装置２７が故障しているか否かが判断される。
【００５７】
ここでＮＯ(故障していない)の場合は、ステップＳ２に移行し、通常制御、すなわち図示しない旋回操作レバーの操作量に応じて旋回電動機２６の回転速度を制御する通常制御が開始される。
【００５８】
一方、ステップ２でＹＥＳ(故障している)となると、次の非常制御が行われる。
【００５９】
まず、ステップＳ３で切換弁２４の遮断位置ロに切換えるとともに、ステップＳ４で開閉器２８を開いてインバータ２５と蓄電装置２７を遮断する。
【００６０】
これにより、リモコン弁１８のパイロット一次圧ライン２３が遮断されてコントロールバルブ１４が作動不能となり、油圧アクチュエータ１５の動作が停止するとともに、故障状態の蓄電装置２７が電力系(発電電動機１１及び旋回電動機２６)から切り離される。
【００６１】
また、ステップＳ５でポンプレギュレータ１７を通じて油圧ポンプ１２の傾転を増加させるとともに、ステップＳ６でアンロード弁２１の開度を絞る。
【００６２】
このポンプ傾転の増加とアンロード弁２１の開度絞りにより、油圧ポンプ１２のポンプ流量とポンプ圧、すなわち油圧負荷が増加する。
【００６３】
そして、ステップＳ７において、旋回減速時に旋回電動機２６に発生する回生電力によって発電電動機１１を駆動し、エンジンアシスト動作を開始させる。
【００６４】
こうして、油圧負荷(エンジン負荷)の増加とエンジンアシスト動作を同時に行わせることにより、旋回電動機２６の回生電力を発電電動機１１で消費して回生ブレーキを働かせながら、エンジン１０の増速を抑えることができる。
【００６５】
ステップＳ８では、回生ブレーキの結果として旋回速度が０になったか否か、つまり旋回停止したか否かが判断され、ＮＯの場合はステップＳ３に戻って非常制御が継続される。
【００６６】
一方、ステップＳ８でＹＥＳとなると、ステップＳ９でポンプ傾転及びアンロード弁開度を通常状態に復帰させるとともに、ステップＳ１０で切換弁２４を開通位置イに復帰させ、かつ、ステップＳ１１でインバータ２５を停止させて非常制御を終了する。
【００６７】
このように、蓄電装置２７が故障によって使用不能となった状況で、旋回減速時に旋回電動機２６に発生する回生電力を発電電動機１１の駆動力として消費させ、同時に、ポンプ流量とポンプ圧、つまり油圧負荷を意図的に増加させる非常制御を行うことにより、エンジン負荷を増やしてその増速を抑えることができる。
【００６８】
すなわち、旋回電動機２６の回生エネルギーを油圧負荷で回収して回生ブレーキ作用を確保し、上部旋回体２を安全に旋回停止させることができる。
【００６９】
しかも、特許文献３に記載の公知技術のように回生抵抗とその制御装置を追加する必要がないため、機器レイアウト及びコストの面で有利となる。
【００７０】
また、油圧ポンプ１２及びアンロード弁２１とその制御系という、ハイブリッドショベルに元々装備された油圧制御のための設備を非常制御に用いることができるため、機器レイアウトの容易化、コストダウンの効果が高くなる。
【００７１】
さらに、非常制御時に油圧アクチュエータ１５の動作を停止させるため、油圧ポンプ１２の流量と圧力が増加した状態で油圧アクチュエータ１５がオペレータの意思に反した動作を行うことを防止することができる。
【００７２】
この場合、切換弁２４により低圧のパイロット一次圧ライン２３を遮断してコントロールバルブ１４を切換不能とすることでアクチュエータ動作を停止させるため、高圧のアクチュエータ回路を遮断する場合と比較して、切換弁２４として低圧用の小型かつ安価なものを用いることができる。
【００７３】
一方、非常制御時に、故障した蓄電装置２７を発電電動機１１及び旋回電動機２６から切り離すため、蓄電装置２７がダメージを受ける事態を回避することができる。
【００７４】
また、非常制御の結果として旋回停止したときに、非常制御をキャンセル、すなわちポンプ傾転及びアンロード弁開度を通常状態に復帰させるとともに切換弁２４を開いてアクチュエータ動作が可能となるように構成したから、安全確保のための措置(機械の安全な場所への移動やフロントアタッチメントの設置等)をとることが可能となる。
【００７５】
他の実施形態
(１)  上記実施形態では、非常制御として、ポンプ流量とポンプ圧力の双方を増加させるようにしたが、いずれか一方のみを増加させるようにしてもよい。
【００７６】
(２)  上記実施形態では、ポンプ圧を増加させる圧力制御弁として、既存のアンロード弁２１とその制御系を利用する構成をとったが、別の圧力制御弁とその制御系を追加してもよい。
【００７７】
(３)  本発明はハイブリッドショベルに限らず、これと同じ基本構成をとる他のハイブリッド建設機械に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１  下部走行体
２  上部旋回体
１０  エンジン
１１  発電電動機
１２  油圧ポンプ
１４  コントロールバルブ
１５  油圧アクチュエータ
１６  制御手段を構成するコントローラ
１７  ポンプレギュレータ
１８  リモコン弁
１９  ポンプライン
２１  可変アンロード弁
２２  可変アンロード弁を制御する電磁比例弁
２３  パイロット一次圧ライン
２４  アクチュエータ動作停止手段としてのパイロット一次圧切換弁
２５  制御手段を構成するインバータ
２６  旋回電動機
２７  蓄電装置
２８  開閉器
２９  蓄電装置故障検出手段
３０  旋回動作検出手段としての旋回速度センサ
【図１】
2014145225.tif 000003
【図２】
2014145225.tif 000004
【図３】
2014145225.tif 000005