(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンによって発電電動機と可変容量型の油圧ポンプを駆動し、上記発電電動機の発電運転によって蓄電器に充電し、この蓄電器の電力により上記発電電動機にアシスト運転を行わせて上記エンジンをアシストするように構成されたハイブリッド建設機械において、上記蓄電器の温度である蓄電器温度を検出する蓄電器温度検出手段と、上記蓄電器の充電状態である蓄電器ＳＯＣを検出する蓄電器ＳＯＣ検出手段と、上記油圧ポンプの馬力制御のためのポンプ圧を検出するポンプ圧検出手段と、上記油圧ポンプに油圧負荷を与える油圧負荷手段と、上記蓄電器及び作動油を昇温させるための暖機制御を行う制御手段を具備し、この制御手段は、上記暖機制御として、
(ｉ)  予め定められた上記蓄電器ＳＯＣに対する暖機時充電電力の特性と予め定められた上記蓄電器温度に対する暖機時充電電力の特性とから当該暖機時充電電力を求め、
(ｉｉ)  求められた上記暖機時充電電力に対応する発電トルクを算出し、算出した当該発電トルクで上記発電電動機に発電運転を行わせて上記蓄電器に充電し、
(ｉｉｉ)  上記発電運転時に、上記油圧負荷手段により上記油圧ポンプに負荷を与えるとともに、予め設定された暖機時ポンプ馬力から上記暖機時充電電力を減算した値を用いて上記油圧ポンプの馬力制御を行う
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】
上記制御手段は、上記暖機制御として、予め定められた上記蓄電器ＳＯＣに対する暖機時放電電力の特性と予め定められた上記蓄電器温度に対する暖機時放電電力の特性とから当該暖機時放電電力を求め、求められた暖機時放電電力に対応するアシストトルクを算出し、算出した当該アシストトルクで上記発電電動機にアシスト運転を行わせ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】
上記制御手段は、上記発電電動機のアシスト運転時に、予め設定された暖機時ポンプ馬力に上記暖機時放電電力を加算した値を用いて上記油圧ポンプの馬力制御を行うように構成したことを特徴とする請求項２記載のハイブリッド建設機械。
【請求項４】
上記制御手段は、上記発電電動機に上記発電運転とアシスト運転を交互に行わせるように構成したことを特徴とする請求項２または３記載のハイブリッド建設機械。
【請求項５】
上記制御手段は、上記蓄電器温度検出手段によって検出される蓄電器温度が予め設定された暖機開始温度以下になったときに上記暖機制御を開始するように構成したことを特徴とする請求項１〜４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】
本発明は蓄電器、及びアクチュエータ作動用の作動油を昇温させるための暖機制御を行うハイブリッド建設機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドショベルを例にとって背景技術を説明する。
【０００３】
ハイブリッドショベルにおいては、動力源としてのエンジンに発電電動機と油圧ポンプを接続し、発電電動機の発電運転によって蓄電器に充電し、適時、この蓄電器電力により発電電動機にアシスト運転(電動機としての運転)を行わせてエンジンをアシストするように構成される。
【０００４】
このハイブリッドショベルにおいて、低温時には蓄電器の容量が低下し、蓄電器性能(放電性能)が低下して十分な電力が得られなくなるため、冬期等の低温環境では蓄電器についてもエンジンのように適温まで加温する暖機対策をとることが望まれる。
【０００５】
この蓄電器の暖機技術として特許文献１に示されたもの(以下、「公知技術の１」という)が公知である。
【０００６】
この公知技術の１においては、蓄電器温度が暖機開始温度としての設定値以下になったときに、発電電動機を作動させて蓄電器に強制的に充放電作用を行わせ、内部加熱によって蓄電器温度を上昇させる構成がとられている。
【０００７】
一方、特許文献２には、蓄電器の放電電力により発電電動機にアシスト運転を行わせること、すなわち放電作用によって蓄電器の暖機を行う一方、このときエンジンのアシスト動力が過大となってエンジン回転数が上がり過ぎないように、油圧負荷(リリーフ弁)を作動させてポンプ負荷(＝エンジン負荷)を増加させる技術(以下、「公知技術の２」という)が開示されている。
【０００８】
この公知技術の２によると、油圧作動によって作動油が発熱するため、結果的に作動油も同時に暖機されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−５２８６６号公報
【特許文献２】特開平１１−１１７９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ハイブリッドショベルの場合、油圧ポンプに加えて発電電動機がエンジン負荷となるため、公知技術の１に示されているように発電電動機の発電運転(蓄電器から見れば充電)による蓄電器の暖機時に、油圧ショベルよりも基本的にエンジン負荷が大きくなる。
【００１１】
しかも、この蓄電器の暖機と同時に油圧負荷をかけて作動油の暖機を行うため、エンジンが過負荷となってエンストが発生するおそれがある。
【００１２】
そこで本発明は、蓄電器と作動油の同時暖機を可能としながら、蓄電器の充電による暖機時のエンジンの過負荷を防止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】
【００１３】
上記課題を解決する手段として、本発明においては、エンジンによって発電電動機と可変容量型の油圧ポンプを駆動し、上記発電電動機の発電運転によって蓄電器に充電し、この蓄電器の電力により上記発電電動機にアシスト運転を行わせて上記エンジンをアシストするように構成されたハイブリッド建設機械において、上記蓄電器の温度である蓄電器温度を検出する蓄電器温度検出手段と、上記蓄電器の充電状態である蓄電器ＳＯＣを検出する蓄電器ＳＯＣ検出手段と、上記油圧ポンプの馬力制御のためのポンプ圧を検出するポンプ圧検出手段と、上記油圧ポンプに油圧負荷を与える油圧負荷手段と、上記蓄電器及び作動油を昇温させるための暖機制御を行う制御手段を具備し、この制御手段は、上記暖機制御として、(ｉ)  予め定められた上記蓄電器ＳＯＣに対する暖機時充電電力の特性と予め定められた上記蓄電器温度に対する暖機時充電電力の特性とから当該暖機時充電電力を求め、(ｉｉ)  求められた上記暖機時充電電力に対応する発電トルクを算出し、算出した当該発電トルクで上記発電電動機に発電運転を行わせて上記蓄電器に充電し、(ｉｉｉ)  上記発電運転時に、上記油圧負荷手段により上記油圧ポンプに負荷を与えるとともに、予め設定された暖機時ポンプ馬力から上記暖機時充電電力を減算した値を用いて上記油圧ポンプの馬力制御を行うように構成したものである。
【００１４】
この構成によれば、発電電動機の発電運転(蓄電器の充電)によって蓄電器を暖機するとともに、油圧負荷をかけながらポンプ馬力制御を行うことによって作動油を暖機することができる。すなわち、蓄電器と作動油の同時暖機が可能となる。
【００１５】
このとき、発電電動機の発電運転による負荷分を暖機時ポンプ馬力から減じてポンプの馬力制御を行うため、暖機時のエンジンの過負荷、これによるエンストを防止することができる。
【００１６】
本発明において、上記制御手段は、上記暖機制御として、予め定められた上記蓄電器ＳＯＣに対する暖機時放電電力の特性と予め定められた上記蓄電器温度に対する暖機時放電電力の特性とから当該暖機時放電電力を求め、求められた暖機時放電電力に対応するアシストトルクを算出し、算出した当該アシストトルクで上記発電電動機にアシスト運転を行わせるように構成するのが望ましい。
【００１７】
この構成によれば、蓄電器の充電作用に加えて、発電電動機にアシスト運転(蓄電器から見て放電)を行わせることにより、蓄電器の暖機効率を上げることができる。
【００１８】
この場合、上記制御手段は、上記発電電動機のアシスト運転時に、予め設定された暖機時ポンプ馬力に上記暖機時放電電力を加算した値を用いて上記油圧ポンプの馬力制御を行うように構成するのが望ましい(請求項３)。
【００１９】
こうすれば、エンジンが発電電動機でアシストされる分、ポンプ馬力を上げることによって作動油の暖機効率を上げることができ、しかもエンストのおそれがない。
【００２０】
また、上記制御手段は、上記発電電動機に上記発電運転とアシスト運転を交互に行わせるように構成するのが望ましい(請求項４)。
【００２１】
こうすれば、蓄電器の充電と放電を交互に均等に行うため、蓄電器の暖機効率を上げることができる。
【００２２】
さらに本発明においては、記制御手段は、上記蓄電器温度検出手段によって検出される蓄電器温度が予め設定された暖機開始温度以下になったときに上記暖機制御を開始するように構成するのが望ましい(請求項５)。
【００２３】
こうすれば、蓄電器の暖機が必要な状態となれば自動的に暖機制御が開始されるため、たとえばオペレータのスイッチ操作によって暖機制御を開始する場合と比べて暖機の確実性が高いものとなる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によると、蓄電器と作動油の同時暖機を可能としながら、蓄電器の充電による暖機時のエンジンの過負荷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】蓄電器温度と暖機時充放電電力の関係を示す図である。
【図３】蓄電器ＳＯＣと暖機時充放電電力の関係を示す図である。
【図４】時間経過に対する発電電動機出力及びポンプ馬力の波形図である。
【図５】コントローラの作用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】
【００２６】
本発明の実施形態を図によって説明する。
【００２７】
図１に示すように動力源としてのエンジン１に発電電動機２が接続され、インバータ３の制御により、この発電電動機２がエンジン駆動で発電運転を行い、発生した電力が蓄電器４に送られて充電される一方、適時、この蓄電器４の電力により発電電動機２がアシスト運転(電動機運転)を行ってエンジン１をアシストする。
【００２８】
また、エンジン１には油圧ポンプ５が接続され、この油圧ポンプ５及びタンクＴと複数の油圧アクチュエータ(図では一つの油圧シリンダのみを例示する)６とが油圧アクチュエータ回路７によって接続される。
【００２９】
油圧ポンプ５には、レギュレータ５ａによって容量が大小制御される可変容量型ポンプが用いられる。
【００３０】
油圧アクチュエータ回路７は、油圧アクチュエータ６に対する油の給排を制御するコントロールバルブ８と、ポンプ吐出油をコントロールバルブ８経由で油圧アクチュエータ６に供給するポンプ管路９を備えている。
【００３１】
また、ポンプ管路９とタンクＴの間に、油圧アクチュエータ回路７の最高圧力を設定する油圧負荷手段としてのリリーフ弁１０と、作動油暖機時にリリーフ弁１０を作動させるアンロード弁１１が互いに並列状態で設けられている。
【００３２】
１２は油圧ポンプ５の吐出圧(ポンプ圧)を検出するポンプ圧センサである。
【００３３】
制御手段としてのコントローラＡは、蓄電器監視装置１３によって検出される蓄電器４の充電状態(蓄電器ＳＯＣ)と温度の情報を受け取る暖機開始判定処理部１４と、蓄電器４の暖機制御を行う蓄電器暖機制御部１５と、作動油の暖機制御を行う作動油暖機制御部１６から成っている。
【００３４】
暖機開始判定処理部１４は、蓄電器温度が予め設定された暖機開始温度以下となったときに、暖機を開始すべき指令(暖機開始指令)をバッテリ暖機、作動油暖機両制御部１５,１６に送る。
【００３５】
蓄電器暖機制御部１５は、暖機時充放電電力算出部１７と発電電動機指令出力算出部１８を有する。
【００３６】
暖機時充放電電力算出部１７には、図２に示す蓄電器温度に対する暖機時充放電電力の特性と、図３に示す蓄電器ＳＯＣに対する充放電特性を組み合わせたマップが記憶され、検出される蓄電器温度及び蓄電器ＳＯＣとこのマップを用いて蓄電器４の暖機のための暖機時充電電力及び暖機時放電電力が算出される。
【００３７】
上記マップは、たとえば蓄電器ＳＯＣを横軸に、蓄電器温度を縦軸にとり、蓄電器ＳＯＣは右向きに、蓄電器温度は下向きに増加する図表であって格子の交点に具体的数値を表示したものとして作成され、数値と数値の間は補完演算で補われる。
【００３８】
なお、暖機時充電電力及び暖機時放電電力は、ともに蓄電器温度が低いほど小さく、高いほど大きくなる。また、蓄電器ＳＯＣが高い状態では暖機時充電電力が小さく、放電電力が大きくなり、蓄電器ＳＯＣが低い状態では逆の関係となる。
【００３９】
発電電動機指令出力算出部１８は、算出された暖機時充電電力及び暖機時放電電力に応じた発電電動機トルク(発電トルク及びアシストトルク)を算出し、算出された指令トルクをインバータ３経由で発電電動機２に指令する。
【００４０】
この場合、図４の上段に示すように発電電動機出力が時間の経過に対して発電側とアシスト側に一定周期で交互に切換わり、この発電側及びアシスト側(蓄電器４の充電と放電)の出力の繰り返しによって蓄電器４の暖機が行われる。
【００４１】
一方、作動油暖機制御部１６は、暖機時ポンプ馬力算出部１９と、油圧ポンプ５の容量(＝ポンプ吐出量)を制御するポンプ容量制御部２０と、アンロード弁制御部２１から成り、油圧負荷をかけながら、発電電動機２の発電運転とアシスト運転の切換えに応じた油圧ポンプ５の馬力制御を行うことによって作動油を暖機する。
【００４２】
すなわち、ポンプ馬力を通常時(油圧ショベル)と同じにしたまま蓄電器暖機のための発電運転を行うと、前記のようにエンジン１が過負荷となってエンストを起こす可能性がある。
【００４３】
そこで、発電電動機２の発電運転時には、予め設定された暖機時ポンプ馬力(固定値)から暖機時充電電力分を減算した値を目標ポンプ馬力とし、ポンプ圧センサ１２で検出されるポンプ圧とポンプ馬力からポンプ容量を求め、そのポンプ容量となるようにレギュレータ５ａを通じて油圧ポンプ５を制御する。
【００４４】
一方、発電電動機２のアシスト運転時は、アシスト分、エンジン動力が下がるため、暖機効率を上げるために暖機時放電電力を加算した値を用いてポンプ馬力制御を行う。
【００４５】
まとめると、
(Ｉ)  発電電動機２の発電運転時
ポンプ馬力＝予め設定された暖機時ポンプ馬力−暖機時充電電力
(ＩＩ)  発電電動機２のアシスト運転時
ポンプ馬力＝予め設定された暖機時ポンプ馬力＋暖機時放電電力
となる。
【００４６】
一方、アンロード弁１１は、たとえば電気信号によって全開と全閉の間で開度が変化する電磁制御弁として構成され、アンロード弁制御部２１によって制御される。
【００４７】
具体的には、アンロード弁制御部２１は、通常制御として、図示しない操作レバーの操作時に、アンロード弁１１をレバー操作量に応じた開度に制御する。これにより、油圧アクチュエータ６に必要な流量以外の余剰油をアンロードさせる。
【００４８】
これに対し、作動油暖機時には、アンロード弁１１を全閉としてリリーフ弁１０を作動させ、前記のポンプ馬力制御を行いながらリリーフ作動を行わせることによって作動油の暖機を行う。
【００４９】
なお、アンロード弁１１として油圧パイロット弁を用い、電磁比例弁を通じて開度制御するようにしてもよい。
【００５０】
以上の作用を図５のフローチャートによってまとめて説明する。
【００５１】
たとえばエンジン始動によって制御が開始され、ステップＳ１で、検出された蓄電器温度が予め設定された暖機開始温度よりも低いか否か(暖機が必要か否か)が判断される。
【００５２】
ここでＮＯ(暖機の必要無し)となると、ステップＳ２で、発電電動機２及びアンロード弁１１について通常制御とするとともに、ステップＳ３で、油圧ポンプ５について予め設定された通常時ポンプ馬力に応じた通常制御としてステップＳ１に戻る。
【００５３】
ステップＳ１でＹＥＳ((暖機の必要有り)となると、ステップＳ４に移行し、蓄電器暖機制御部１５において蓄電器ＳＯＣと蓄電器温度からマップを用いて暖機時充電電力及び暖機時放電電力を算出する。
【００５４】
続くステップＳ５では発電タイマ(発電時間)が発電設定時間内か否かが判断され、ＹＥＳの場合はステップＳ６に移行し、ステップＳ５で算出された暖機時充電電力を発電電動機２の発電指令値とする。これにより、発電電動機２の発電運転による蓄電器４の充電作用(図４上段の下側)が行われる。
【００５５】
続くステップＳ７で発電タイマをインクリメントした後、ステップＳ８においてアシストタイマ(アシスト時間)がアシスト設定時間内か否かが判断される。
【００５６】
ここでＹＥＳの場合はステップＳ９に移行し、ステップＳ４で算出された暖機時放電電力を発電電動機２のアシスト指令値とする。これにより、発電電動機２のアシスト運転による蓄電器４の放電作用(図４上段の上側)が行われる。
【００５７】
続くステップＳ１０でアシストタイマをインクリメントしたのち、ステップＳ１１において発電電動機２の動作が発電運転(蓄電器充電)か否かが判断される。
【００５８】
なお、ステップＳ５でＮＯ(発電タイマ＞発電設定時間)の場合はステップＳ１２でアシストタイマをリセットしてステップＳ８に進み、ステップＳ８でＮＯ(アシストタイマ＞アシスト設定時間)の場合はステップＳ１３で発電タイマをリセットしてステップＳ１１に進む。
【００５９】
ステップＳ１１でＹＥＳ(発電電動機動作＝発電運転)となると、ステップＳ１４において、
ポンプ馬力＝暖機時ポンプ馬力−暖機時充電電力
によるポンプ馬力制御、ＮＯ(発電電動機動作＝アシスト運転)の場合はステップＳ１６において、
ポンプ馬力＝暖機時ポンプ馬力＋暖機時放電電力
によるポンプ馬力制御(図４下段参照)がそれぞれ開始された後、ステップＳ１６でアンロード弁１１を閉じてステップＳ１に戻る。
【００６０】
これにより、ポンプ馬力制御を行いながらリリーフ弁１０を作動させる作動油暖機が行われる。
【００６１】
上記構成によると、発電電動機２の発電運転(蓄電器４の充電)によって蓄電器４を暖機するとともに、リリーフ弁１０による油圧負荷をかけながらポンプ馬力制御を行うことによって作動油を暖機することができる。すなわち、蓄電器４と作動油の同時暖機が可能となる。
【００６２】
このとき、発電電動機２の発電運転による負荷分を暖機時ポンプ馬力から減じてポンプ５の馬力制御を行うため、暖機時のエンジン１の過負荷、これによるエンストを防止することができる。
【００６３】
また、発電電動機２にアシスト運転(蓄電器から見て放電)をも行わせるため、蓄電器４の暖機効率を上げることができる。
【００６４】
この場合、予め設定された暖機時ポンプ馬力に暖機時放電電力を加算した値を用いて油圧ポンプ５の馬力制御を行うため、エンストを回避しながら作動油の暖機効率を上げることができる。
【００６５】
しかも、蓄電器４の充電と放電を交互に均等に行うため、蓄電器４の暖機効率を一層上げることができる。
【００６６】
さらに、蓄電器温度を検出し、検出される蓄電器温度が予め設定された暖機開始温度以下になったときに自動的に暖機制御を開始するため、たとえばオペレータのスイッチ操作によって暖機制御を開始する場合と比べて暖機の確実性が高いものとなる。
【００６７】
他の実施形態
(１)  作動油暖機のための油圧負荷として、アンロード弁１１とリリーフ弁１０の組み合わせに代えて可変絞り弁等の暖機専用弁を設け、作動油暖機時にこの暖機専用弁を作動させる構成をとってもよい。
【００６８】
(２)  上記実施形態では、発電電動機２のアシスト運転時に、
ポンプ馬力＝予め設定された暖機時ポンプ馬力＋暖機時放電電力
による馬力制御を行うようにしたが、アシスト運転時に、
ポンプ馬力＝予め設定された暖機時ポンプ馬力
による馬力制御を行うようにしてもよい。
【００６９】
(３)  本発明はハイブリッドショベルに限らず、ショベル以外のハイブリッド建設機械にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１  エンジン
２  発電電動機
４  蓄電器
５  油圧ポンプ
５ａ  レギュレータ
６  油圧アクチュエータ
８  コントロールバルブ
１０  油圧負荷としてのリリーフ弁
１１  リリーフ弁を制御するアンロード弁
１２  制御手段としてのコントローラ
１３  蓄電器温度と蓄電器ＳＯＣを検出する蓄電器監視装置
１４  コントローラを構成する暖機開始判定処理部
１５  同、蓄電器暖機制御部
１６  同、作動油暖機制御部
１７  蓄電器暖機制御部の暖機時充放電電力算出部
１８  同、発電電動機指令出力算出部
１９  作動油暖機制御部の暖機時ポンプ馬力算出部
２０  同、ポンプ容量制御部
２１  同、アンロード弁制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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