(57)【要約】  【課題】バッテリの電圧変動を抑制すると共に、装置の小型・軽量化、及びコストの低減、並びに高出力化を図ることができる構造を得る。  【解決手段】バッテリ２５の電圧変動を検出し、該バッテリ電圧が上昇した時、電動／発電機２２をエンジン２１のトルクアシスト用電動機として動作させて油圧ポンプ２３のトルクを増加させ、該バッテリ電圧が下降した時、電動／発電機２２を発電機として動作させて該発電機で生成される電気エネルギーをバッテリ２５に蓄えるように制御する制御手段２４を設けて、バッテリ２５の電圧変動を抑えることができるようにした建設機械用動力制御装置を提供する。【選択図】図２
2005155252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、該エンジンのパワーラインに接続された油圧ポンプと、該エンジンの余剰トルクで駆動される発電機と、該発電機で生成された電気エネルギーを蓄えるためのバッテリと、該バッテリから受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記油圧ポンプに供給するトルクアシスト用電動機とを備える建設機械用動力系制御装置に於いて、
前記バッテリの電圧変動を検出し、該バッテリ電圧が上昇した時、前記トルクアシスト用電動機を動作させて前記油圧ポンプの設定トルクを増加し、該バッテリ電圧が下降した時、前記発電機を動作させて生成される電気エネルギーを前記バッテリに蓄えるように制御する制御手段を備え、前記バッテリ電圧の変動を抑えるようにしたことを特徴とする建設機械用動力系制御装置。
【請求項２】
上記油圧ポンプは、該油圧ポンプの設定トルク調整を行うための電磁比例弁を有し、上記制御手段は前記電磁比例弁を介して前記油圧ポンプの設定トルク調整を行うようにした請求項１記載の建設機械用動力系制御装置。
【請求項３】
上記制御手段は、上記油圧ポンプの設定トルクを増加させたときに上記エンジンの回転数を低下させるように構成した請求項１又は２記載の建設機械用動力系制御装置。
【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建設機械用動力系制御装置に関するものであり、特に、建設機械を駆動する動力源としてエンジンの他に、発電機とトルクアシスト用の電動機を備えるハイブリッド方式の建設機械用動力系制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、油圧ショベルでは、駆動源としてディーゼルエンジンを装備し、該ディーゼルエンジンにより走行し、又、油圧ポンプを駆動してアーム、ショベル等を動作させ、各種の作業を行うようにしている。この方法は、エンジンの負担が大きく、黒煙を排気する等、排ガスの点で問題があると共に、騒音及び燃費効率の点でも問題があった。
【０００３】
そこで、エンジンの負担低減や燃費効率の改善等を目的として、動力源としてエンジンの他に電動機を備え、該電動機とエンジンとで油圧ポンプを駆動するハイブリッド方式を用いた構成のものが公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
又、同じ特許文献１に示されているように、ハイブリッド方式に於いて、動力源としてエンジンの他に発電機と電動機を備え、該エンジンの余剰トルクで発電機を駆動し、該発電機で生成される電気エネルギーをバッテリに蓄え、該バッテリの電気エネルギーを必要に応じて電動機に供給し、該電動機を回転させてエンジンをアシストし、該エンジンの負担を軽減させる技術も公知となっている。
【特許文献１】特開平２００１−１６７０４号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１記載の発明は、電動機でエンジンをアシストすると、バッテリ電力が消費されてバッテリ電圧が下降し、反対に発電するとバッテリに電気エネルギーが蓄えられてバッテリ電圧が上昇することになるが、このバッテリの電圧変動はバッテリの寿命を縮め、又、バッテリ電圧の上限／下限付近での制御に制約を受けることになり望ましくない。即ち、電圧の上限では、それ以上は充電できないため、エンジンに余裕があっても軽負荷運転となり、燃費効率が悪くなる。一方、電圧の下限ではアシストできないという問題点があった。
【０００６】
更に、特許文献１記載の発明は、電動機と発電機が別々に用意された構造になっているため、装置が大形化並びに重量化し、又コストも高くなるという問題点があった。
【０００７】
そこで、バッテリの電圧変動を抑制すると共に、装置の小型・軽量化、及びコストの低減、並びに、常に此種の建設機械で要求されている高出力化を図るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、エンジンと、該エンジンのパワーラインに接続された油圧ポンプと、該エンジンの余剰トルクで駆動される発電機と、該発電機で生成された電気エネルギーを蓄えるためのバッテリと、該バッテリから受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記油圧ポンプに供給するトルクアシスト用電動機とを備える建設機械用動力系制御装置に於いて、前記バッテリの電圧変動を検出し、該バッテリ電圧が上昇した時、前記トルクアシスト用電動機を動作させて前記油圧ポンプの設定トルクを増加し、該バッテリ電圧が下降した時、前記発電機を動作させて生成される電気エネルギーを前記バッテリに蓄えるように制御する制御手段を備え、前記バッテリ電圧の変動を抑えるようにした建設機械用動力系制御装置を提供する。
【０００９】
この構成によれば、バッテリ電圧が上昇した時は、トルクアシスト用電動機でエンジンをアシストすると、油圧ポンプのトルクが増加すると共にバッテリの電力が消費されてバッテリ電圧が下降し、反対にバッテリ電圧が降下した時は発電機で発電するとバッテリに電気エネルギーが蓄えられてバッテリ電圧が上昇することで、バッテリ電圧の変動を抑制できる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、上記油圧ポンプは、該油圧ポンプの設定トルク調整を行うための電磁比例弁を有し、上記制御手段は前記電磁比例弁を介して前記油圧ポンプの設定トルク調整を行うようにした建設機械用動力系制御装置を提供する。
【００１１】
この構成によれば、バッテリ電圧の変動に応じて制御手段が電磁比例弁を制御することにより、油圧ポンプの設定トルクが調整される。又、油圧ポンプの設定トルクを可変調整するので、バッテリ電圧の上限／下限付近での制御に制約を受けないようにすることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記制御手段は、上記油圧ポンプの設定トルクを増加させたときに上記エンジンの回転数を低下させるように構成した請求項１又は２記載の建設機械用動力系制御装置を提供する。
【００１３】
この構成によれば、油圧ポンプの設定トルクを上げるとエンジンの回転数が低下することで、エンジンの燃費効率がアップし、騒音が低下する。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明は、バッテリ電圧の変動が抑えられるので、バッテリへの負担を少なくして、該バッテリの寿命を延ばすことができる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、バッテリ電圧の変動に応じて制御手段が電磁比例弁を制御することにより油圧ポンプの設定トルクが調整できるので、請求項１記載の発明の効果に加えて、設定トルクの調整操作が簡単になる。又、バッテリ電圧の上限／下限付近での制御に制約を受けないようにすることができるので、従来装置で問題となっていた、電圧の上限での燃費効率の低下や、電圧の下限でアシストできないという問題等をそれぞれ解決することができる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、油圧ポンプの設定トルクを上げるとエンジンの回転数も低下するので、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、エンジンの燃費効率がアップすると共に騒音も低下する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
発電機を回転させるときのエンジンに対する負担やバッテリに対する負担を軽減させると共に、装置の小型・軽量化、及びコストの低減、並びに高出力化を図るという目的を達成するために、バッテリの電圧変動を検出し、該バッテリ電圧が上昇した時、トルクアシスト用電動機を動作させて油圧ポンプの設定トルクを増加し、バッテリ電圧が下降した時、発電機を動作させ、該発電機で生成される電気エネルギーをバッテリに蓄えさせるように制御する制御手段を設けて、バッテリ電圧の変動を抑えるようにした建設機械用動力系制御装置を提供する。
【００１８】
以下、本発明の実施例を図面に従って詳述する。図１は本発明を適用した建設機械としての油圧ショベルを示す。該油圧ショベル１０は、下部走行体１１の上に旋回機構１２を介して上部旋回体１３が旋回自在に載置されている。上部旋回体１３には、その前方一側部にキャブ１４が設けられ、且つ、前方中央部にブーム１５が俯仰可能に取り付けられている。又、ブーム１５の先端にアーム１６が上下回動自在に取り付けられ、更に該アーム１６の先端にバケット１７が取り付けられている。
【００１９】
図２は図１に示した油圧ショベルに適用可能な動力系の概略構成を示すブロック図である。図２に於いて、本実施例の動力系は、油圧ショベルを駆動するエンジン２１と、該エンジン２１のパワーラインに接続された電動／発電機２２及び油圧ポンプ２３と、制御手段２４と、バッテリ２５と、電磁比例弁３０と、アクチュエータ３１とで構成されている。
【００２０】
前記エンジン２１は、本実施例ではディーゼルエンジンであり、該エンジン２１を駆動源として油圧ショベル１０が走行する。又、油圧ポンプ２３もエンジン２１で駆動される。
【００２１】
前記電動／発電機２２は、エンジン２１により回転された機械エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリ２５に蓄える発電機としての機能と、バッテリ２５からの電気エネルギーを受け取り、該受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して油圧ポンプ２３を駆動する電動機としての機能を有し、電動機と発電機を１つのハウジング内にまとめた構造になっている。
【００２２】
前記油圧ポンプ２３は、ブーム１５，アーム１６，バケット１７を動作させる各油圧シリンダを含むアクチュエータ(図示せず)を駆動するもので、エンジン２１の駆動力及び電動／発電機２２の駆動力を受けて動作する。
【００２３】
前記制御手段２４は、センサ２６と、リミッタ回路２７と、インバータ回路２８と、制御回路２９とで構成されている。
【００２４】
前記センサ２６はバッテリ２５の電圧変動を検出するセンサであり、バッテリ電圧に応じた信号を制御回路２９に出力する。
【００２５】
前記リミッタ回路２７は、電動／発電機２２が有している電動機の機能と発電機の機能を択一的に切り換える回路である。そして、該リミッタ回路２７の動作で電動／発電機２２が電動機の態様に切り換えられると、バッテリ２５に蓄えられている電気エネルギーが電動／発電機２２に供給される。反対に、電動／発電機２２が発電機の態様に切り換えられると、エンジン２１の余剰トルクで回転され、該電動／発電機２２から電気エネルギーが生成されて、該電気エネルギーがバッテリ２５に供給され、これがバッテリ２５に蓄電される。
【００２６】
前記インバータ回路２８は、バッテリ２５に蓄積されている電気エネルギーが電動／発電機２２に供給されるとき、該電気エネルギーを交流電力に変換して供給し、反対に、電動／発電機２２で生成された交流電力を直流電力に変換してバッテリ２５に供給する変換機能を有する。
【００２７】
制御回路２９は、マイクロコンピュータ(通称「マイコン」という)であり、予めプログラムされている手順に従い、リミッタ回路２７を介して電動／発電機２２の動作を制御すると共に、エンジン２１の回転と電磁比例弁３０とリミッタ回路２７等を制御する。
【００２８】
電磁比例弁３０は、油圧ポンプ２３の設定トルク調整をするためのものである。
【００２９】
図３は前記制御回路２９に予めプログラムされている制御手順の一例を示すフローチャートである。図３のフローチャートを用いて図２に示す動力系制御装置の動作を次に説明する。
【００３０】
先ず、制御回路２９は、センサ２６のバッテリ電圧の情報からバッテリ２５のバッテリ電圧Ｖｔが基準電圧Ｖｓよりも上か下かを判定する(ステップＳ１)。
【００３１】
ここでの基準電圧Ｖｓは、例えば図４に示す油圧ポンプのトルク線図に於いて、油圧ポンプ２３の標準的な必要トルクの領域が曲線Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄで囲まれた範囲とすると、該曲線Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄを基準電圧Ｖｓとし、曲線Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄの範囲内ではバッテリ電圧が下降していると判定し、反対に越えた領域ではバッテリ電圧が上昇していると判定する。尚、図４に於いて、縦軸は油圧ポンプ２３の吐出圧力Ｐ、横軸は油圧ポンプの押しのけ容積Ｑを示している。又、バッテリ電圧は、電動／発電機２２がアシスト用電動機として使用されているときは降下し、発電機として使用されているは上昇し、更に油圧ショベル１０の負荷変動によっても、アシストと発電の割合が変わって変動することになる。
【００３２】
そして、バッテリ電圧Ｖｔが基準電圧Ｖｓよりも上昇していると、制御回路２９は電動／発電機２２をアシスト用電動機の態様に切り換えると共に、エンジン２１の回転数を若干低下させる(ステップＳ２)。即ち、エンジン２１の回転数が低下すると、該エンジン２１の燃費効率がアップし、騒音も低下することになる。
【００３３】
反対に、バッテリ電圧Ｖｔが基準電圧Ｖｓよりも降下している時、制御回路２９は、電動／発電機２２を発電機として動作する態様に切り換えると共にエンジン２１の回転数に対する上記規制、即ち回転数を低下させて運転する状態を解く(ステップＳ３)。
【００３４】
又、ステップＳ２或いはステップＳ３からはステップＳ１に戻り、以後、この動作を繰り返す。
【００３５】
従って、本実施例の構成では、バッテリ電圧Ｖｔが基準電圧Ｖｓよりも上昇している時、電動／発電機２２を電動機に使用してバッテリ電圧を消費し、反対に下降している時、発電機に使用してバッテリ電圧を蓄積するので、バッテリ電圧の大きな変動が抑えられる。これにより、バッテリ２５への負担が少なくなり、該バッテリ寿命を延ばすことができる。又、電動機の機能と発電機の機能とが一体化された電動／発電機２２を使用しているので、電動機と発電機を個々に用意しなくても済み、装置の小型・軽量化とコストの低減が可能になる。
【００３６】
尚、上記実施例の構造に於いて、リミッタ回路２７を可変形にし、電動／発電機２２が電動機の態様から発電機の態様、或いは発電機の態様から電動機の態様に切り換えるための閾値を調整するようにしてもよい。このように、可変形にすると、バッテリ電圧の上限／下限付近での制御に制約を受けないようにすることが可能となり、従来装置で問題となっていた、電圧の上限での燃費効率の低下や、電圧の下限でアシストできないという問題等をそれぞれ解決することができる。
【００３７】
又、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
図は本発明の一実施の形態を示すものである。
【図１】本発明に係る建設機械用動力系制御装置を適用した油圧ショベルの全体構成図。
【図２】同上油圧ショベルに於ける動力系制御装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】同上動力系制御装置の制御回路に於ける制御手順の一例を示すフローチャート。
【図４】油圧ポンプのトルク特性とバッテリ電圧の上昇・下降の判断基準の一例を説明する図。
【符号の説明】
【００３９】
２１    エンジン
２２    電動／発電機
２３    油圧ポンプ
２４    制御手段
２５    バッテリ
２６    センサ
２７    リミッタ回路
２８    インバータ回路
２９    制御回路 
【図１】
2005155252.tif 000003
【図２】
2005155252.tif 000004
【図３】
2005155252.tif 000005
【図４】
2005155252.tif 000006