(57)【要約】【課題】複数の負荷を有する作業機械に設けられるハイブリッドシステムを、シンプル且つ効率的なシステム構成とする。【解決手段】ハイブリッドシステムを、第一動力装置５と、第一電動発電機６と、負荷ＷＡを駆動せしめるアクチュエータ８と、上記第一動力装置５、第一電動発電機６およびアクチュエータ８を機械的にパラレル接続する動力伝達機構９とを備えたパラレル駆動ブロック１と、負荷ＷＢを直接駆動せしめる第二電動発電機１７を備えた直接駆動ブロック２と、蓄電装置２０を備えた第二動力装置ブロック３とで構成する一方、前記パラレル駆動ブロック１、直接駆動ブロック２および第二動力装置ブロック３を、各ブロック間で電力の授受を行えるように母線２３で相互接続した。【選択図】図１
2008062822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の負荷を有する作業機械に設けられるハイブリッドシステムであって、該ハイブリッドシステムを、
第一動力源であると共に、力行機能を有する第一動力装置と、力行、回生機能を有する第一電動発電機と、負荷を駆動せしめると共に、速度制御機能、位置制御機能等の負荷制御機能を有するアクチュエータと、上記第一動力装置、第一電動発電機およびアクチュエータを機械的にパラレル接続する動力伝達機構とを備えたパラレル駆動ブロックと、
力行、回生機能を有すると共に、負荷を直接駆動せしめる第二電動発電機を備えた直接駆動ブロックと、
第二動力源であると共に、充放電機能を有する蓄電装置を備えた第二動力装置ブロックとを設けて構成する一方、
前記パラレル駆動ブロック、直接駆動ブロックおよび第二動力装置ブロックを、各ブロック間で電力の授受を行えるように母線で相互接続したことを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項２】
パラレル駆動ブロックまたは／および直接駆動ブロックを、単数あるいは複数設けたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドシステム。
【請求項３】
パラレル駆動ブロックのアクチュエータは、回生機能を有するアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッドシステム。
【請求項４】
パラレル駆動ブロックの第一動力装置と動力伝達機構との間に、動力伝達を断続するクラッチを設けたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のハイブリッドシステム。
【請求項５】
直接駆動ブロックの第二電動発電機は、速度制御機能、位置制御機能等の負荷制御機能を有すると共に、該第二電動発電機を非常時に停止せしめる非常用ブレーキ装置を設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のハイブリッドシステム。
【請求項６】
パラレル駆動ブロックおよび直接駆動ブロックにより駆動される各負荷の要求動力を求め、該要求動力に基づいて第一電動発電機、第二電動発電機への供給動力或いは回収動力を制御する動力制御手段を設けると共に、
該動力制御手段は、
第二電動発電機の電力制御を行う第二電力制御部に対し、直接駆動ブロックにより駆動される負荷の要求動力を供給或いは回収するべく制御指令を出力する一方、
第一電動発電機の電力制御を行う第一電力制御部に対し、パラレル駆動ブロックにより駆動される負荷の要求動力の合計から求められるパラレル駆動ブロック全体の要求動力と、直接駆動ブロックにより駆動される負荷の要求動力と、蓄電装置の蓄電状態とに基づいて、システム全体の動力の過不足を回収或いは供給するべく制御指令を出力することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のハイブリッドシステム。
【請求項７】
蓄電装置の充放電を制御する蓄電装置用電力制御部と、第一電動発電機および第二電動発電機に供給或いは回収される動力の合計を充放電するべく前記蓄電装置用電力制御部に制御指令を出力する充放電制御手段と、母線電圧の変動時に電力を供給或いは回収する電圧抑制器とを設ける共に、前記充放電制御手段は、第一電動発電機および第二電動発電機に供給或いは回収される動力の合計が蓄電装置の充放電容量の範囲内の場合に、母線電圧が予め設定される基準値に維持されるよう充放電量の補正を行う一方、第一電動発電機および第二電動発電機に供給或いは回収される動力の合計が蓄電装置の充放電容量を越える場合は、前記電圧抑制器で母線電圧の変動を抑えるように構成したことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のハイブリッドシステム。
【請求項８】
下部走行体と、該下部走行体に旋回自在に支持される上部旋回体と、該上部旋回体に装着され、ブーム、アーム、作業アタッチメントを備えた作業部とから構成される油圧ショベルに設けられるハイブリッドシステムであって、該ハイブリッドシステムを、
第一動力源であるエンジンと、力行、回生機能を有する第一駆動用電動発電機と、下部走行体、ブーム、アーム、作業アタッチメントを駆動せしめるアクチュエータとしての油圧機器と、上記エンジン、第一電動発電機および油圧機器を機械的にパラレル接続する動力伝達機構とを備えたパラレル駆動ブロックと、
力行、回生機能を有すると共に、上部旋回体を直接駆動せしめる第二電動発電機を備えた直接駆動ブロックと、
第二動力源であると共に、充放電機能を有する蓄電装置を備えた第二動力装置ブロックとを設けて構成する一方、
前記ブームを駆動せしめる油圧機器は、油エネルギーを動力伝達機構に伝達する回生機能を有するものとし、
さらに、前記パラレル駆動ブロック、直接駆動ブロックおよび第二動力装置ブロックを、各ブロック間で電力の授受を行えるように母線で相互接続したことを特徴とするハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の複数の負荷を駆動せしめる作業機械に好適なハイブリッドシステムの技術分野に属するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、油圧ショベル等の作業機械においても、省エネルギー化、燃費の向上、排ガス低減等を達成するべくハイブリッド化が図られているが、この様なハイブリッド油圧ショベルとして、エンジンにより発電される電動発電機を設けるとともに、ブームシリンダからの排出油が有する油エネルギーを回生発電することができる電動発電機や、旋回制動時や走行制動時に発生する制動エネルギーを回生発電することができる電動発電機を設けて、従来無駄に排出されていたエネルギーを有効利用できるようにした技術が提唱されている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−２４２２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかるに、前記特許文献１のものでは、油エネルギーや制動エネルギーを回生発電する場合に、全てエンジンから切離した電動発電機を用いる構成になっている。このため、油エネルギーや制動エネルギーを回収することができる負荷（特許文献１では、ブーム、上部旋回体、左右の走行装置）の数だけ電動発電機が必要である許りか、各電動発電機を制御するためのインバータもそれぞれ必要であって、コストが高くつくうえ、油圧ショベルのような限られたスペースに搭載する場合には、搭載スペースの確保も難しくなる。さらに、これら多数の電動発電機に対する配線や制御も複雑とならざるを得ないという問題があり、ここに本発明が解決しようとする課題がある。
また、前記特許文献１のものでは、負荷を直接駆動する電動発電機(旋回駆動用電動発電機や走行駆動用発電機)が設けられており、該電動発電機によって負荷の駆動速度制御（旋回速度や走行速度の制御）を行う構成になっているが、万一これら電動発電機を制御するインバータや該インバータに制御指令を出力する制御装置に故障があった場合、負荷を制御できなくなる惧れがあり、これらに本発明が解決しようとする課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、複数の負荷を有する作業機械に設けられるハイブリッドシステムであって、該ハイブリッドシステムを、第一動力源であると共に、力行機能を有する第一動力装置と、力行、回生機能を有する第一電動発電機と、負荷を駆動せしめると共に、速度制御機能、位置制御機能等の負荷制御機能を有するアクチュエータと、上記第一動力装置、第一電動発電機およびアクチュエータを機械的にパラレル接続する動力伝達機構とを備えたパラレル駆動ブロックと、力行、回生機能を有すると共に、負荷を直接駆動せしめる第二電動発電機を備えた直接駆動ブロックと、第二動力源であると共に、充放電機能を有する蓄電装置を備えた第二動力装置ブロックとを設けて構成する一方、前記パラレル駆動ブロック、直接駆動ブロックおよび第二動力装置ブロックを、各ブロック間で電力の授受を行えるように母線で相互接続したことを特徴とするハイブリッドシステムである。
そして、この様にすることにより、複数の負荷の駆動、エネルギー回収を行うことができるハイブリッドシステムでありながら、これら負荷の駆動、エネルギー回収を、負荷制御機能を有するアクチュエータによって駆動される負荷への動力供給を第一動力装置と第一電動発電機とで行うパラレル駆動ブロックと、第二電動発電機で負荷を直接駆動せしめる直接駆動ブロックとに分けて行うようにしたことで、シンプル且つ効率的なシステム構成とすることができる。しかも、パラレル駆動ブロックに設けられる第一電動発電機は、パラレル駆動ブロックにより駆動される負荷の数に関わらず、一個で各負荷への動力供給、或いは動力回収を行うことができるから、ハイブリッド化に伴って増加する電動発電機やインバータ等の電気機器の数を可及的に少なくすることができ、経済的にも優れたハイブリッドシステムとすることができる。
請求項２の発明は、パラレル駆動ブロックまたは／および直接駆動ブロックを、単数あるいは複数設けたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドシステムである。
そして、この様にすることにより、種々の規模の作業機械に対応できるハイブリッドシステムとすることができる。
請求項３の発明は、パラレル駆動ブロックのアクチュエータは、回生機能を有するアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッドシステムである。
そして、この様にすることにより、パラレル駆動ブロックにより駆動される負荷の間で力行、回生が共存する場合に、電動発電機やインバータ等の電気機器を介することなくパラレル駆動ブロック内での動力の授受を行うことができるから、動力損失の少ない効率的なシステム構成にすることができる。
請求項４の発明は、パラレル駆動ブロックの第一動力装置と動力伝達機構との間に、動力伝達を断続するクラッチを設けたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のハイブリッドシステムである。
そして、この様にすることにより、例えば第一動力装置をエンジンで構成した場合に、エンジン効率が低下する低負荷時に、クラッチを断状態にして第一動力装置を動力伝達機構から切離すことによって、第一動力装置を含めた全体の燃費向上に大きく貢献することができる。
請求項５の発明は、直接駆動ブロックの第二電動発電機は、速度制御機能、位置制御機能等の負荷制御機能を有すると共に、該第二電動発電機を非常時に停止せしめる非常用ブレーキ装置を設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のハイブリッドシステムである。
そして、この様にすることにより、第二電動発電機や該第二電動発電機の電力制御を行う制御装置等に故障があっても、負荷が駆動し続けてしまうような惧れを確実に回避できる。
請求項６の発明は、パラレル駆動ブロックおよび直接駆動ブロックにより駆動される各負荷の要求動力を求め、該要求動力に基づいて第一電動発電機、第二電動発電機への供給動力或いは回収動力を制御する動力制御手段を設けると共に、該動力制御手段は、第二電動発電機の電力制御を行う第二電力制御部に対し、直接駆動ブロックにより駆動される負荷の要求動力を供給或いは回収するべく制御指令を出力する一方、第一電動発電機の電力制御を行う第一電力制御部に対し、パラレル駆動ブロックにより駆動される負荷の要求動力の合計から求められるパラレル駆動ブロック全体の要求動力と、直接駆動ブロックにより駆動される負荷の要求動力と、蓄電装置の蓄電状態とに基づいて、システム全体の動力の過不足を回収或いは供給するべく制御指令を出力することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のハイブリッドシステムである。
そして、この様にすることにより、パラレル駆動ブロックおよび直接駆動ブロックにより駆動される負荷の状態や蓄電装置の蓄電状態に関わらず、システム全体の動力制御を総合的且つ効率的に行えることになって、ハイブリッドシステムの安定性、信頼性の向上に大きく貢献できる。
請求項７の発明は、蓄電装置の充放電を制御する蓄電装置用電力制御部と、第一電動発電機および第二電動発電機に供給或いは回収される動力の合計を充放電するべく前記蓄電装置用電力制御部に制御指令を出力する充放電制御手段と、母線電圧の変動時に電力を供給或いは回収する電圧抑制器とを設ける共に、前記充放電制御手段は、第一電動発電機および第二電動発電機に供給或いは回収される動力の合計が蓄電装置の充放電容量の範囲内の場合に、母線電圧が予め設定される基準値に維持されるよう充放電量の補正を行う一方、第一電動発電機および第二電動発電機に供給或いは回収される動力の合計が蓄電装置の充放電容量を越える場合は、前記電圧抑制器で母線電圧の変動を抑えるように構成したことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のハイブリッドシステムである。
そして、この様にすることにより、蓄電装置で対応できる負荷時には、充放電制御手段から蓄電装置用電力制御部に出力される制御指令によって母線電圧を基準値に維持する一方、蓄電装置で対応できない高負荷時には、電圧抑制器が電力の供給或いは回収を行うことになり、而して、蓄電装置を高負荷時に対応できる大容量のものにしなくても、通常作業時の負荷に対応できる容量のものを用いることができ、よって、蓄電装置の小型化を達成できて、コストの低減、省スペース化に寄与できる
請求項８の発明は、下部走行体と、該下部走行体に旋回自在に支持される上部旋回体と、該上部旋回体に装着され、ブーム、アーム、作業アタッチメントを備えた作業部とから構成される油圧ショベルに設けられるハイブリッドシステムであって、該ハイブリッドシステムを、第一動力源であるエンジンと、力行、回生機能を有する第一駆動用電動発電機と、下部走行体、ブーム、アーム、作業アタッチメントを駆動せしめるアクチュエータとしての油圧機器と、上記エンジン、第一電動発電機および油圧機器を機械的にパラレル接続する動力伝達機構とを備えたパラレル駆動ブロックと、力行、回生機能を有すると共に、上部旋回体を直接駆動せしめる第二電動発電機を備えた直接駆動ブロックと、第二動力源であると共に、充放電機能を有する蓄電装置を備えた第二動力装置ブロックとを設けて構成する一方、前記ブームを駆動せしめる油圧機器は、油エネルギーを動力伝達機構に伝達する回生機能を有するものとし、さらに、前記パラレル駆動ブロック、直接駆動ブロックおよび第二動力装置ブロックを、各ブロック間で電力の授受を行えるように母線で相互接続したことを特徴とするハイブリッドシステムである。
そして、この様にすることにより、シンプル且つ効率的なシステムのハイブリッド油圧ショベルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
次に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１は、複数の負荷を有する作業機械に設けられるハイブリッドシステムを示す構成図であって、該ハイブリッドシステムは、後述するパラレル駆動ブロック１と、直接駆動ブロック２と、第二動力装置ブロック３とから構成されると共に、これら各ブロック１、２、３を制御するための制御装置４が設けられている。
【０００６】
前記パラレル駆動ブロック１は、第一動力装置５と、第一電動発電機６および該第一電動発電機６の電力制御を行う第一インバータ（本発明の第一電力制御部に相当する）７と、複数の負荷ＷＡをそれぞれ駆動せしめる複数のアクチュエータ８と、上記第一動力装置５、第一電動発電機６、および複数のアクチュエータ８を機械的にパラレル接続する動力伝達機構９とを備えて構成される。
【０００７】
前記第一動力装置５は、第一動力源であると共に、力行機能を有するものであって、例えばエンジンにより構成される。さらに、該第一動力装置５と動力伝達機構９との間には、動力伝達を断続するクラッチ１０が配されている。そして、該クラッチ１０により動力伝達を絶つことによって、第一動力装置５をパラレル駆動ブロック１から切離すことができるようになっている。
【０００８】
また、前記第一電動発電機６は、力行、回生機能を有するものであって、力行時には、アクチュエータ８を駆動せしめる電動機として動作する一方、回生時には、第一動力装置５や回生機能を有するアクチュエータ８の駆動により発電する発電機として動作するようになっている。
【０００９】
さらに、前記アクチュエータ８は、第一動力装置５および／または第一電動発電機６、或いは回生機能を有するアクチュエータ８から動力伝達機構９を介して動力が供給されることで負荷ＷＡを駆動せしめる機器装置であって、各アクチュエータ８は、各負荷ＷＡの速度や位置等を制御する負荷制御機能（速度制御機能、位置制御機能等）を有している。例えば、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、負荷ＷＡが油圧シリンダ１１（或いは油圧モータ１１ａ）により駆動されるものの場合、アクチュエータ８は、上記油圧シリンダ１１（或いは油圧モータ１１ａ）と、負荷ＷＡ用の操作具操作に基づいて油圧シリンダ１１への油給排制御を行う制御弁１２と、油圧シリンダ１１（或いは油圧モータ１１ａ）の油圧供給源で、動力伝達機構９に連結される油圧ポンプ１３とを用いて構成される。尚、油圧シリンダ１１や油圧モータ１１ａにより駆動される負荷ＷＡが複数ある場合、油圧ポンプ１３は共通の油圧供給源として用いることができる。さらに、アクチュエータ８のうちの少なくとも一つのアクチュエータ８は、回生機能を有している。該回生機能を有したアクチュエータ８は、例えば、図２（Ｃ）に示す如く、負荷ＷＡを駆動せしめる油圧シリンダ１４と、負荷ＷＡ用の操作具操作に基づいて油圧シリンダ１４への油給排制御を行う制御弁１５と、油圧シリンダ１４の油圧供給源になるポンプ１６ａおよび油圧シリンダ１４からの排出油により回転するモータ１６ｂからなり、動力伝達機構９に連結される油圧ポンプモータ１６とを用いて構成される。そして、上記モータ１６ｂの回転力は、動力伝達機構９を介して他のアクチュエータ８や第一電動発電機６に伝達されて回生されるようになっている。
【００１０】
而して、パラレル駆動ブロック１においては、複数のアクチュエータ８への動力供給、或いはアクチュエータ８からの動力回収を、第一動力装置５と第一電動発電機６とで行う（第一動力装置５は動力供給のみ）ことになるが、該パラレル駆動ブロック８に設けられる電動発電機の数は、負荷ＷＡの数ｋに関わらず、第一電動発電機６の一個だけとなる（図３参照）。尚、通常規模の作業機械（例えば油圧ショベル）に適用されるハイブリッドシステムでは、パラレル駆動ブロック１のブロック数は一つであるが、複数の第一動力装置５が搭載されるような大規模な作業機械においては、パラレル駆動ブロック８のブロック数を複数にすることで対応できる。
【００１１】
一方、直接駆動ブロック２は、負荷ＷＢを直接駆動せしめる第二電動発電機１７と、該第二電動発電機１７の電力制御を行う第二インバータ（本発明の第二電力制御部に相当する）１８とを備えて構成されている。前記第二電動発電機１７は、前述したようなアクチュエータ８を介することなく負荷ＷＢに直接接続されており、そして、力行時には負荷ＷＢを直接駆動せしめる電動機として動作する一方、回生時には、負荷ＷＢの有する制動エネルギー等により回生電力を発電する発電機として動作するが、該第二電動発電機１７は、速度制御機能、位置制御機能等の負荷制御機能を有しており、而して、負荷ＷＢ用の操作具操作に対応するべく負荷ＷＡを制御できるようになっている。
【００１２】
さらに、前記第二電動発電機１７には、摩擦ブレーキ等からなる非常用ブレーキ装置１９が装備されている。そして、該非常用ブレーキ装置１９は、例えば第二電動発電機１７の回転速度が操作具操作に対応していないことが検知された場合、或いはオペレータが非常停止スイッチ（図示せず）を操作した場合のような非常時に、第二電動発電機１７の回転を停止させるべく作動するように構成されている。
【００１３】
前記直接駆動ブロック２は、第二電動発電機１７で負荷ＷＢを直接駆動せしめることで、制動エネルギー等のエネルギー回収を行えると共に、従来必要であった油圧機器等を削減できる等の効率上、経済上のメリットが得られる負荷ＷＢを対象とするブロックであって、前述したパラレル駆動ブロック１の回生機能を有するアクチュエータ８により駆動される負荷ＷＡのように、電動発電機に直接接続することができない負荷は対象としない。そしてこの直接駆動ブロック２は、対象とする負荷ＷＢの数ｎに対応して、単数或いは複数設けられる（図３参照）。
【００１４】
また、第二動力装置ブロック３は、第二動力源である蓄電装置（バッテリ、キャパシタ等）２０と、該蓄電装置２０の充放電を制御するコンバータ（本発明の蓄電装置用電力制御部に相当する）２１と、負荷ピーク時に電力を供給或いは回収するコンデンサ（本発明の電圧抑制器に相当する）２２とを備えて構成されているが、上記コンバータ２１とコンデンサ２２の作動については後述する。
【００１５】
さらに、前記パラレル駆動ブロック１の第一インバータ７と、直接駆動ブロック２の第二インバータ１８と、第二動力装置ブロック３のコンバータ２１およびコンデンサ２２とは母線２３を介して相互に接続されており、これによって、各ブロック１、２、３間で動力の授受を行えるように構成されている。つまり、蓄電装置２０からパラレル駆動ブロック１或いは直接駆動ブロック２への動力供給（放電）、または、パラレル駆動ブロック１或いは直接駆動ブロック２から蓄電装置２０への動力回収（充電）、または、パラレル駆動ブロック１と直接駆動ブロック２間で力行、回生が共存するときに、回生側から力行側への動力供給等を行うことができるようになっている。
【００１６】
一方、制御装置４は、前記各負荷ＷＡ、ＷＢを操作する各操作具の操作量等に基づいて、各負荷ＷＡ、ＷＢが要求する要求動力ＰＷＡ、ＰＷＢ（力行時にはプラス、回生時にはマイナス）を演算し、該要求動力ＰＷＡ、ＰＷＢが各負荷ＷＡ、ＷＢに供給（或いは回収）されるように、第一、第二電動発電機６、１７の電力制御を行う第一、第二インバータ７、１８に制御指令を出力する動力制御部（本発明の動力制御手段に相当する）２４を有している。
【００１７】
前記動力制御部２４は、第二インバータ１８に対して、第二電動発電機１７への供給動力（或いは回収動力）Ｐ２を、直接駆動ブロック２により駆動される負荷ＷＢの要求動力ＰＷＢと等しい動力にするように制御指令を出力する。
【００１８】
一方、動力制御部２４は、第一インバータ７に対しては、パラレル駆動ブロック１により駆動される各負荷ＷＡの要求動力ＰＷＡの合計から求められるパラレル駆動ブロック１全体の要求動力ΣＰＷＡと、直接駆動ブロック２により駆動される負荷ＷＢの要求動力ＰＷＢと、第一動力装置５の動力ＰＥおよび蓄電装置２０の蓄電状態とに基づいて、第一電動発電機６への供給動力（或いは回収動力）Ｐ１を求め、該供給動力（或いは回収動力）Ｐ１が第一電動発電機６に供給（或いは回収）されるように制御指令を出力するが、上記第一電動発電機６への供給動力（或いは回収動力）Ｐ１を求める制御手順について、以下、図４の制御ブロック図に基づいて説明する。尚、負荷ＷＡ、ＷＢの力行はプラス（＋）、回生はマイナス（−）、蓄電装置２０の放電はプラス（＋）、充電はマイナス（−）とする。
【００１９】
まず、パラレル駆動ブロック１により駆動される各負荷ＷＡの要求動力ＰＷＡは加算器２５に入力され、該加算器２５において各負荷ＷＡの要求動力ＰＷＡを加算することでパラレル駆動ブロック１全体の合計要求動力ΣＰＷＡを求め、該合計要求動力ΣＰＷＡを指令値「Ａ」として第二減算器２７に出力する。
また、直接駆動ブロック２により駆動される負荷ＷＢの要求動力ＰＷＢは、指令値「Ｂ」として第一減算器２６に入力される。
さらに、第一動力装置５の動力ＰＥは、指令値「Ｄ」として第二減算器２７に入力される。
一方、蓄電装置２０の要求動力（蓄電状態に基づいて蓄電装置２０自体が要求する動力）ＰＢは、指令値「Ｆ」として、蓄電装置２０が放電（＋）要求の場合には第一減算器２６に入力され、また、蓄電装置２０が充電（−）要求の場合には、第三減算器２８に入力される。
前記第一減算器２６は、指令値「Ｂ」から指令値「Ｆ」を減じ、該減じた値（Ｂ−Ｆ）を指令値「Ｃ」として第二減算器２７に出力する（但し、蓄電装置２０が放電（＋）要求の場合。蓄電装置２０が充電（−）要求の場合は、指令値「Ｂ」をそのまま指令値「Ｃ」として第二減算器２７に出力する。）。
前記第二減算器２７は、指令値「Ａ」から、指令値「Ｃ」と指令値「Ｄ」とを減じ、該減じた値（Ａ−Ｃ−Ｄ）を指令値「Ｅ」として第三減算器２８に出力する。
前記第三減算器２８は、指令値「Ｅ」から指令値「Ｆ」を減じ、該減じた値（Ｅ−Ｆ）を指令値「Ｇ」として第一インバータ７に出力する（但し、蓄電装置２０が充電（−）要求の場合。蓄電装置２０が放電（＋）要求の場合は、指令値「Ｅ」をそのまま指令値「Ｇ」として第一インバータ７に出力する。）。これにより第一インバータ７は、第一電動発電機６への供給電力（或いは回収電力）Ｐ１を、指令値「Ｇ」の動力とするように制御される。
【００２０】
次いで、前述した動力制御部２４の制御に基づいて実行される第一電動発電機６の動作について、パラレル駆動ブロック１および直接駆動ブロック２の負荷ＷＡ、ＷＢの状態に応じて、図５〜図８に基づいて説明する。
まず、パラレル駆動ブロック１が全体として力行（指令値「Ａ」がプラス、つまり、パラレル駆動ブロック１により駆動される負荷ＷＡの合計要求動力ΣＰＷＡがプラス）で、且つ、直接駆動ブロック２が動力不足（指令値「Ｂ」−指令値「Ｆ」＞０、つまり、直接駆動ブロック２により駆動される負荷ＷＢの要求動力ＰＷＢが、蓄電装置２０の要求動力ＰＢよりも大きい）の場合、第一電動発電機６は発電機（指令値「Ｇ」がマイナス、つまり、第一インバータ７に出力される制御指令がマイナス）として動作する（図５のモード１）。この場合の動力の流れを、図６に示す。
また、パラレル駆動ブロック１が全体として力行（指令値「Ａ」 がプラス）で、且つ、直接駆動ブロック２が動力過剰（指令値「Ｂ」−指令値「Ｆ」＜０、つまり、直接駆動ブロック２により駆動される負荷ＷＢの要求動力ＰＷＢが、蓄電装置２０の要求動力ＰＢよりも小さい）の場合、第一電動発電機６は電動機（指令値「Ｇ」がプラス、つまり、第一インバータ７に出力される制御指令がプラス）として動作する、或いは、電動機および発電機の何れとしても動作しない（指令値「Ｇ」がゼロ（０））（図５のモード２）。この場合の動力の流れを、図７に示す。
さらに、パラレル駆動ブロック１が全体として回生（指令値「Ａ」 がマイナス、つまり、パラレル駆動ブロック１により駆動される負荷ＷＡの合計要求動力ΣＰＷＡがマイナス）で、且つ、直接駆動ブロック２が動力不足（指令値「Ｂ」−指令値「Ｆ」＞０）の場合、第一電動発電機６は発電機（指令値「Ｇ」がマイナス）として動作する（図５のモード３）。この場合の動力の流れを、図８に示す。
さらにまた、パラレル駆動ブロック１が全体として回生（指令値「Ａ」 がマイナス）で、且つ、直接駆動ブロック２が動力過剰（指令値「Ｂ」−指令値「Ｆ」＜０）の場合、第一電動発電機６は発電機（指令値「Ｇ」がマイナス）として動作する（図５のモード４）。この場合の動力の流れは、前記図８となる。
【００２１】
而して、第一電動発電機６は、パラレル駆動ブロック１の負荷状態だけでなく、直接駆動ブロック２の負荷状態、あるいは蓄電装置２０の蓄電状態に対応して、システム全体の動力の過不足を回収、或いは供給するように制御されるようになっている。
【００２２】
さらに、動力制御部２４は、第一電動発電機６が電動機として動作（前記図５のモード２の場合）しており、且つ、パラレル駆動ブロック１により駆動される負荷ＷＡの合計所要動力ΣＰＷＡが、予め設定される低負荷時所要動力Ｐｏよりも小さい（ΣＰＷＡ＜Ｐｏ）場合に、クラッチ１０に対し、第一動力装置５を動力伝達機構９から切離すべく動力断の制御指令を出力する。そして、該クラッチ１０が動力断状態になることにより、パラレル駆動ブロック１は、第一電動発電機６の動力だけで駆動されるようになっている。
【００２３】
さらにまた、制御装置４は、蓄電装置２０の充放電制御を行うコンバータ２１に制御指令を出力する充放電制御部（本発明の充放電制御手段に相当する）２９を有しているが、該充放電制御部２９の制御について、以下、図９の制御ブロック図に基づいて説明する。
【００２４】
充放電制御部２９は、まず、前記動力制御部２４により求められた第一電動発電機６への供給動力（或いは回収動力）Ｐ１の指令値「Ｇ」と、第二電動発電機１７への供給動力（或いは回収動力）Ｐ２の指令値「Ｂ」とを加算器３０に入力して、合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴ（ＰＴ＝Ｐ１＋Ｐ２）を求め、該合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴの値を減算器３１に出力する。
一方、母線２３の電圧（母線電圧）Ｖと母線電圧基準値Ｖｏとを演算器３２入力し、該演算器３２において、母線電圧Ｖと母線電圧基準値Ｖｏとの偏差を無くすための補正値（動力値に換算）Ｙを演算する。
ここで、前記母線電圧基準値Ｖｏは、定常時の母線電圧の制御目標値で、例えば、機器の制約等により決定される電圧変動許容範囲の中央値に設定される。
前記演算器３２において演算された補正値Ｙは、前記加算器３０において求められた合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴの絶対値が、蓄電装置２０の充放電容量の絶対値よりも小さい（合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴの絶対値＜蓄電装置２０の充放電容量の絶対値）場合に、前記減算器３１に入力される。
減算器３１は、演算器３２から補正値Ｙが入力された場合は、合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴから補正値Ｙを減じ、該減じた値（ＰＴ−Ｙ）を指令値「Ｘ」としてコンバータ２１に出力する。一方、演算器３２から補正値Ｙが入力されない場合、つまり、合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴの絶対値が、蓄電装置２０の充放電容量の絶対値を越える（合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴの絶対値≧蓄電装置２０の充放電容量の絶対値）場合は、合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴの値をそのまま指令値「Ｘ」としてコンバータ２１に出力する。
【００２５】
而して、合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴの絶対値が、蓄電装置２０の充放電容量の絶対値よりも小さい場合、つまり、第一、第二電動発電機６、１７への供給動力（或いは回収動力）Ｐ１、Ｐ２の合計ＰＴが、蓄電装置２０の充放電容量で対応できる範囲の場合には、合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴをベースに、母線電圧Ｖの過渡偏差分を前記補正値Ｙで補正することによって、母線電圧Ｖを基準値Ｖｏ（定常時の母線電圧の制御目標値）に維持することができるようになっている。
【００２６】
一方、合計供給動力（或いは合計回収動力）ＰＴの絶対値が、蓄電装置２０の充放電容量の絶対値を越える場合、つまり、第一、第二電動発電機６、１７への供給動力（或いは回収動力）Ｐ１、Ｐ２の合計ＰＴが、蓄電装置２０の充放電容量で対応できる範囲を越えた場合、母線電圧変動を許容することにより、超過分は、コンデンサ２２によって供給（或いは回収）されるようになっている。
【００２７】
前記コンデンサ２２は、汎用のＡＬ電解コンデンサ等で構成されるものであって、前述したように、第一、第二電動発電機６、１７への供給動力（或いは回収動力）Ｐ１、Ｐ２の合計ＰＴが、蓄電装置２０の充放電容量で対応できる範囲を越えた場合に、該超過分の動力を供給（或いは回収）し、これによって、母線２３の電圧変動を、運転継続許容範囲内に抑えることができるようになっている。
【００２８】
叙述の如く構成された本形態において、ハイブリッドシステムは、複数の負荷ＷＡを駆動せしめる複数のアクチュエータ８への動力供給を、第一動力装置５と第一電動発電機６とで行うパラレル駆動ブロック１と、負荷ＷＢを第二電動発電機１７で直接駆動せしめる直接駆動ブロック２と、蓄電装置２０を備えた第二動力装置ブロック３とから構成されていると共に、各ブロック１、２、３は母線で相互接続されていて、各ブロック１、２、３間で電力の授受を行えることになるが、この場合、パラレル駆動ブロック１は、速度制御機能、位置制御機能等の負荷制御機能を有するアクチュエータ８で駆動される負荷ＷＡを対象とする一方、直接駆動ブロック２は、第二電動発電機１７で負荷ＷＢを直接駆動せしめることで、制動エネルギー等のエネルギー回収を行えると共に、従来必要であった油圧機器等を削減できる等の効率上、経済上のメリットがある負荷ＷＡを対象とすることになる。
【００２９】
この結果、前記ハイブリッドシステムは、複数の負荷ＷＡ、ＷＢの駆動、エネルギー回収を行うことができるものでありながら、対象とする負荷ＷＡ、ＷＢに応じてパラレル駆動ブロック１と直接駆動ブロック２とに分けることで、シンプル且つ効率的なシステム構成とすることができる。しかも、パラレル駆動ブロック１に係る負荷ＷＡを駆動せしめるアクチュエータ８は、油圧シリンダからの排出油の油エネルギーを回生できる等の回生機能を有するアクチュエータ８を含んでおり、而して、パラレル駆動ブロック１に係る負荷ＷＡの間で力行、回生が共存する場合に、電動発電機やインバータ等の電気機器を介することなくパラレル駆動ブロック１内での動力の授受を行うことができるから、動力損失の少ない効率的なシステム構成となる。さらに、パラレル駆動ブロック１に設けられる第一電動発電機６は、パラレル駆動ブロック１により駆動される負荷ＷＡの数に関わらず、一個で各負荷ＷＡへの動力供給、或いは動力回収を行うことができるから、ハイブリッド化に伴って増加する電動発電機やインバータ等の電気機器の数を可及的に少なくできることになり、経済的にも優れたハイブリッドシステムとすることができる。
【００３０】
また、前記直接駆動ブロック２は、第二電動発電機１７により直接駆動するのに適した負荷ＷＢの数に対応して単数或いは複数設けられる一方、パラレル駆動ブロック１は、油圧ショベル等の通常規模の作業機械では単数設けられるが、該パラレル駆動ブロック１を複数設けることによって、大規模な作業機械にも対応することができる。
【００３１】
さらに、パラレル駆動ブロック１の第一動力装置５と動力伝達機構９との間には、動力伝達を断絶するクラッチ１０が設けられている。而して、例えば第一動力装置５をエンジンで構成した場合に、エンジン効率が低下する低負荷時に、クラッチ１０を断状態にして第一動力装置５を動力伝達機構９から切離すことによって、第一動力装置５を含めた全体の燃費向上に大きく貢献することができる。
【００３２】
一方、直接駆動ブロック２の第二電動発電機１７は、速度制御機能、位置制御機能等の負荷制御機能を有しているが、該第二電動発電機１７には、例えば第二電動発電機１７の回転速度が操作具操作に対応していないことが検知された場合のような非常時に、該第二電動発電機１７を停止させるべく作動する非常用ブレーキ装置１９が装備されている。而して、万一第二電動発電機１７や該第二電動発電機１７の電力制御を行う第二インバータ１８に故障があっても、負荷ＷＢが駆動し続けてしまうような惧れを確実に回避できる。
【００３３】
また、パラレル駆動ブロック１の第一電動発電機６および直接駆動ブロック２の第二電動発電機１７に対する供給動力（或いは回収動力）Ｐ１、Ｐ２は、各負荷ＷＡ、ＷＢの要求動力ＰＷＡ、ＰＷＢに対応するべく動力制御部２４によって制御されることになるが、該動力制御部２４は、第二電動発電機１７の電力制御を行う第二インバータ１８に対し、直接駆動ブロック２により駆動される負荷ＷＢの要求動力ＰＷＢを供給或いは回収するべく制御指令を出力する一方、第一電動発電機６の電力制御を行う第一インバータ７に対しては、パラレル駆動ブロック１により駆動される負荷ＷＡの要求動力ＰＷＡの合計から求められるパラレル駆動ブロック１全体の要求動力ΣＰＷＡと、直接駆動ブロック２により駆動される負荷ＷＢの要求動力ＰＷＢと、蓄電装置２０の蓄電状態とに基づいて、システム全体の動力の過不足を回収或いは供給するべく制御指令を出力することになる。
【００３４】
この結果、パラレル駆動ブロック１および直接駆動ブロック２により駆動される負荷ＷＡ、ＷＢの状態や蓄電装置２０の蓄電状態に関わらず、システム全体の動力制御を総合的且つ効率的に行えることになって、ハイブリッドシステムの安定性、信頼性の向上に大きく貢献できる。
【００３５】
さらに、第二動力装置ブロック３には、充放電制御部２９からの制御指令に基づいて蓄電装置２０の充放電を制御するコンバータ２１と、母線電圧Ｖの変動時に電力を供給或いは回収するコンデンサ２２とが設けられており、そして、上記充放電制御部２９は、第一電動発電機６および第二電動発電機１７への供給動力（或いは回収動力）Ｐ１、Ｐ２を合計した合計動力ＰＴが蓄電装置２０の充放電容量の範囲内の場合に、母線電圧Ｖが母線電圧基準値Ｖｏに維持されるよう充放電量の補正を行う一方、上記合計動力ＰＴが蓄電装置２０の充放電容量を越えた場合は、上記コンデンサ２２が電力を供給或いは回収して母線電圧Ｖの変動を抑えることになる。
【００３６】
この結果、蓄電装置２０で対応できる負荷時には、充放電制御部２９からコンバータ２１に出力される制御指令によって、母線電圧Ｖを母線電圧基準値Ｖｏに維持する一方、蓄電装置２０で対応できない高負荷時には、コンデンサ２２が電力の供給或いは回収を行うことになり、而して、蓄電装置２０を高負荷時に対応できる大容量のものにしなくても、通常作業時の負荷に対応できる容量のもので良く、よって、蓄電装置２０の小型化を達成できて、コストの低減、省スペース化に寄与できる。
【００３７】
ところで、本発明のハイブリッドシステムは、複数の負荷を有する各種作業機械に適用することができるが、以下、作業機械の一例である油圧ショベル３０に適用した場合について説明する。該油圧ショベル３０は、図１０に示す如く、左右の走行装置３１ａを備えた下部走行体３１、該下部走行体３１に旋回装置３２ａを介して旋回自在に支持される上部旋回体３２、該上部旋回体３２に装着される作業部３３等から構成され、さらに、該作業部３３は、ブーム３４、アーム３５、バケット（本発明の作業アタッチメントに相当する）３６等を用いて構成されている。
【００３８】
図１１は、前記油圧ショベル３０に設けられるハイブリッドシステムを示す構成図であって、該ハイブリッドシステムは、パラレル駆動ブロック３７と、直接駆動ブロック３８と、第二動力装置ブロック３９とから構成されると共に、これら各ブロック１、２、３を制御するための制御装置４０が設けられている。
【００３９】
前記パラレル駆動ブロック３７は、第一動力源であるエンジン４１と、第一電動発電機４２および該第一電動発電機４２の動力制御を行う第一インバータ４３と、左右の走行用モータ４４、４５、アームシリンダ４６およびバケットシリンダ４７の油圧供給源となる油圧ポンプ４８と、ブームシリンダ４９の油圧供給源になるポンプ５０ａおよびブームシリンダ４９からの排出油により回転するモータ５０ｂとを備えた油圧ポンプモータ５０と、上記エンジン４１、第一電動発電機４２、油圧ポンプ４８および油圧ポンプモータ５０を機械的にパラレル接続する動力伝達機構５１とを備えて構成される。そして、前記第一電動発電機４２は、力行時には、油圧ポンプ４８や油圧ポンプモータ５０を駆動せしめる電動機として動作する一方、回生時には、エンジン４１や油圧ポンプモータ５０の回転により発電する発電機として動作するようになっている。また、前記エンジン４１と動力伝達機構５１との間には、動力伝達を断続するクラッチ５２が配されている。
【００４０】
さらに、前記左右の走行用モータ４４、４５、アームシリンダ４６、バケットシリンダ４７と油圧ポンプ４８との間、およびブームシリンダ４９と油圧ポンプモータ５０との間には、対応する操作具（図示しないが、左右の走行用操作レバー或いは操作ペダル、アーム用操作レバー、バケット用操作レバー、ブーム用操作レバー）の操作に基づいて、左右の走行用モータ４４、４５、アームシリンダ４６、バケットシリンダ４７、およびブームシリンダ４９への油給排制御をそれぞれ行うコントロールバルブ５３、５４が配されている。そして、該コントロールバルブ５３、５４によって、下部走行体３１の走行速度、アーム３５、バケット３６、ブーム３４の作動速度を、操作具操作に対応するべく制御できるようになっている。尚、前記左右の走行用モータ４４、４５、アームシリンダ４６、バケットシリンダ４７、ブームシリンダ４９、油圧ポンプ４８、油圧ポンプモータ５０、およびコントロールバルブ５３、５４が、本発明の下部走行体３１、ブーム３４、アーム３５、作業アタッチメント（バケット３６）を駆動せしめるアクチュエータとしての油圧機器に相当する。また、ブーム３４を駆動せしめる油圧機器を構成する油圧ポンプモータ５０は、回生機能を有している。つまり、ブームシリンダ４９からの排出油の油エネルギーでモータ５０ｂを回転させることにより、動力を動力伝達機構５１に供給できるようになっている。
【００４１】
一方、直接駆動ブロック３８は、上部旋回体３２の旋回装置３２ａを直接駆動せしめる第二電動発電機５５と、該第二電動発電機５５の電力制御を行う第二インバータ５６とを備えて構成されている。そして、上記第二電動発電機５５は、力行時には上部旋回体３２を駆動せしめる電動機として動作する一方、回生時には、上部旋回体３２の制動エネルギーにより回生電力を発電する発電機として動作するが、この場合の上部旋回体３２の旋回速度は、第二電動発電機５５の回転速度によって、操作具（図示しないが、旋回用レバー）操作に対応するべく制御されるようになっている。さらに、第二電動発電機５５には、摩擦ブレーキ等からなる非常用ブレーキ装置５７が装備されていて、第二電動発電機５５の回転速度が操作具操作に対応していないことが検知された場合のような非常時に、第二電動発電機５５の回転を停止させることができるように構成されている。そして、この様に上部旋回体３を第二電動発電機５５によって直接駆動せしめることによって、従来必要であった油圧機器（旋回用油圧モータや旋回用コントロールバルブ）を削減することができる構成になっている。
【００４２】
また、第二動力装置ブロック３９は、第二動力源である蓄電装置（バッテリ、キャパシタ等）５８と、該蓄電装置５８の充放電を制御するコンバータ５９と、負荷ピーク時に電力を供給或いは回収するコンデンサ６０とを備えて構成されている。
【００４３】
さらに、前記パラレル駆動ブロック３７の第一インバータ４２と、直接駆動ブロック３８の第二インバータ５６と、第二動力装置ブロック３９のコンバータ５９およびコンデンサ６０とは母線６１を介して相互に接続されており、これによって、各ブロック３７、３８、３９間で動力の授受を行えるように構成されている。
【００４４】
一方、制御装置４０は、第一、第二インバータ４２、５６およびクラッチ５２に制御指令を出力する動力制御部６３、およびコンバータ５９に制御指令を出力する充放電制御部６４を有している。これら動力制御部６３および充放電制御部６４は、前述した制御装置１１の動力制御部２４および充放電制御部２９と同様の制御を行う構成になっているため、説明は省略するが、上記動力制御部６３によってシステム全体の動力制御を総合的且つ効率的に行えると共に、充放電制御部６４によって、蓄電装置５８の小型化を達成できることになる。
【００４５】
そして、この様に本発明のハイブリッドシステムを油圧ショベル３０に適用することによって、シンプル且つ効率的なシステムのハイブリッド油圧ショベルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】ハイブリッドシステムの構成図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はアクチュエータの例を示す図である。
【図３】パラレル駆動ブロック、直接駆動ブロックの電動発電機の数を示す表図である。
【図４】動力制御部の制御手順を示す制御ブロック図である。
【図５】パラレル駆動ブロック、直接駆動ブロックの負荷の状態と第一電動発電機の動作との関係を示す表図である。
【図６】図５のモード１の動力の流れを示す図である。
【図７】図５のモード２の動力の流れを示す図である。
【図８】図５のモード３およびモード４の動力の流れを示す図である。
【図９】充放電制御部の制御手順を示す制御ブロック図である。
【図１０】油圧ショベルの側面図である。
【図１１】油圧ショベルにおけるハイブリッドシステムの構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１      パラレル駆動ブロック
２      直接駆動ブロック
３      第二動力装置ブロック
５      第一動力装置
６      第一電動発電機
７      第一インバータ
８      アクチュエータ
９      動力伝達機構
１０    クラッチ
１７    第二電動発電機
１８    第二インバータ
１９    非常用ブレーキ装置
２０    蓄電装置
２１    コンバータ
２２    コンデンサ
２３    母線
２４    動力制御部
２９    充放電制御部
【図１】
2008062822.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008062822.tif 000005
【図４】
2008062822.tif 000006
【図５】
2008062822.tif 000007
【図６】
2008062822.tif 000008
【図７】
2008062822.tif 000009
【図８】
2008062822.tif 000010
【図９】
2008062822.tif 000011
【図１０】
2008062822.tif 000012
【図１１】
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