(57)【要約】【課題】蓄電器の過放電を防止しながら、通常作業時の作業の安定性を確保する。【解決手段】発電電動機１０と油圧ポンプ１１とをエンジン９に接続し、発電電動機１０の発電機作用によって蓄電器１８に充電するとともに、この蓄電器１８の放電作用により発電電動機１０に電動機作用を行わせて油圧ポンプの駆動をアシストするように構成されたハイブリッドショベルにおいて、充電は行われずに放電のみが行われる走行操作が設定時間継続して行われ、かつ、蓄電器ＳＯＣの検出値が、過放電に至る値として予め設定された基準値以下となったときに、この基準値と検出値の差に応じてポンプ流量を減少側に調整する調整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】
油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とがエンジンに接続され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電器が充電されるとともに、この蓄電器の放電作用により上記発電電動機が電動機作用を行って油圧ポンプの駆動をアシストするように構成され、かつ、上記油圧ポンプが吐出する流量であるポンプ流量を制御するポンプレギュレータと、上記油圧ポンプの吐出圧力であるポンプ圧に応じたポンプ流量を上記ポンプレギュレータに指令する制御手段とを備えたハイブリッド作業機械において、上記蓄電器の充電状態であるＳＯＣ値を検出するＳＯＣ検出手段と、上記油圧アクチュエータを操作する操作手段と、この操作手段の操作を検出する操作検出手段とを設け、上記制御手段は、上記蓄電器の充電は行われずに放電のみが行われる放電側操作が予め設定された時間継続する放電側継続操作が行われ、かつ、上記ＳＯＣ検出手段によって検出される蓄電器ＳＯＣの値が、蓄電器の過放電に至る値として予め設定された基準値以下になったときに、この基準値と上記検出値の差に応じて上記ポンプ流量を減少側に調整する調整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作業機械。
【請求項２】
下部走行体を備え、この下部走行体が上記油圧ポンプを油圧源とする走行モータによって駆動されるハイブリッド作業機械において、上記制御手段は、走行操作が設定時間継続する操作を放電側継続操作として上記調整制御を行う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作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンと蓄電器とを動力源として併用するハイブリッド作業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５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を縦軸Ｏまわりに旋回自在に搭載し、この上部旋回体２に作業アタッチメントＡを装着して構成される。
【０００４】
この作業アタッチメントＡは、起伏自在なブーム３と、このブーム３の先端に取付けられたアーム４と、このアーム４の先端に取付けられたバケット５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６,７，８とによって構成される。
【０００５】
また、別の油圧アクチュエータとして、下部走行体１の左右のクローラを駆動する走行モータ、及び上部旋回体２を旋回駆動する旋回モータ(いずれも図示しない)が設けられる。
【０００６】
一方、ハイブリッドショベルは、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機とがエンジンに接続され、発電電動機の発電機作用によって蓄電器が充電されるとともに、この蓄電器の放電力により発電電動機が電動機作用を行って油圧ポンプの駆動をアシストするように構成される。
【０００７】
すなわち、油圧アクチュエータを駆動するのに必要な動力が小さいときは余剰動力を電気エネルギーとして蓄電器に蓄え(充電し)、必要動力が大きいときに蓄電力を放出(放電)してエンジンをアシストし、燃費を良くする。
【０００８】
このハイブリッドシステムにおいて、蓄電器の過放電を防止する技術として、蓄電器の充電状態であるＳＯＣ(State Of Charge)を検出し、このＳＯＣ値の低下時にポンプ流量を減少させる技術が公知である(特許文献１)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２４７２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ショベルにおいては、通常作業として掘削→旋回→排土という一連の作業を行い、この通常作業の中で蓄電器の充電と放電が繰り返されることによって、最終的に蓄電器ＳＯＣが適正範囲に保たれる。
【００１１】
いいかえれば、通常作業中に一時的にＳＯＣが低下しても、その後の充電によってＳＯＣが回復する。
【００１２】
ところが、上記公知技術によると、ＳＯＣが低下すればポンプ流量を減少させる制御が常時行われるため、ＳＯＣ低下の都度、出力制限(ポンプ流量の調整)が行われる。
【００１３】
この結果、通常作業中に油圧アクチュエータの速度(作業スピード)とトルク(作業能力)が頻繁に変化するため、安定した作業が行えないという弊害が生じる。
【００１４】
一方、蓄電器の過放電は、走行時(とくに登坂走行時)のように充電は行われずに放電のみが行われる放電側操作が一定時間以上、継続した場合に起こり易く、この放電側継続操作時にこそ出力制限を加える必要性が高い。
【００１５】
そこで本発明は、蓄電器の過放電を防止しながら、通常作業時の作業の安定性を確保することができるハイブリッド作業機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決する手段として、本発明においては、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とがエンジンに接続され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電器が充電されるとともに、この蓄電器の放電作用により上記発電電動機が電動機作用を行って油圧ポンプの駆動をアシストするように構成され、かつ、上記油圧ポンプが吐出する流量であるポンプ流量を制御するポンプレギュレータと、上記油圧ポンプの吐出圧力であるポンプ圧に応じたポンプ流量を上記ポンプレギュレータに指令する制御手段とを備えたハイブリッド作業機械において、上記蓄電器の充電状態であるＳＯＣ値を検出するＳＯＣ検出手段と、上記油圧アクチュエータを操作する操作手段と、この操作手段の操作を検出する操作検出手段とを設け、上記制御手段は、上記蓄電器の充電は行われずに放電のみが行われる放電側操作が予め設定された時間継続する放電側継続操作が行われ、かつ、上記ＳＯＣ検出手段によって検出される蓄電器ＳＯＣの値が、蓄電器の過放電に至る値として予め設定された基準値以下になったときに、この基準値と上記検出値の差に応じて上記ポンプ流量を減少側に調整する調整制御を行うように構成したものである。
【００１７】
この場合、下部走行体を備え、この下部走行体が上記油圧ポンプを油圧源とする走行モータによって駆動されるハイブリッド作業機械において、走行操作が設定時間継続する操作を放電側継続操作として上記調整制御を行うように構成するのが望ましい(請求項２)。
【００１８】
上記構成によれば、走行操作(請求項２)のような放電側操作が設定時間継続して行われ、かつ、蓄電器ＳＯＣが基準値以下になったときのみに、ポンプ流量を減少側に調整する調整制御を行うため、いいかかえれば、充放電が繰り返される通常作業時には調整制御は行わないため、通常作業時にアクチュエータのスピードと能力を保った安定した作業を行うことができる。
【００１９】
一方、放電側継続操作が行われ、かつ、これによって蓄電器ＳＯＣが基準値以下に低下して過放電の危険が生じたときには、調整制御によって放電を抑えるため、急に過放電状態となって作業のスピードや能力が急激にダウンする事態を回避することができる。
【００２０】
この場合、蓄電器ＳＯＣの基準値以下の低下と、設定時間の継続操作とを条件としているため、ＳＯＣが基準値を超える間は放電側継続操作であってもフル出力での作業を確保できるとともに、二つの条件が揃った後はＳＯＣの低下に応じてスピード、能力が徐々にダウンすることでオペレータにＳＯＣの低下を知らせ、過放電回避手段をとることを促すことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、蓄電器の過放電を防止しながら、通常作業時の作業の安定性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態にかかるハイブリッドショベルのシステム構成図である。
【図２】実施形態での制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図３】実施形態による制御結果としてのポンプ圧力／ポンプ流量の関係を示す図である。
【図４】蓄電器の放電特性を示す図である。
【図５】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】
【００２３】
本発明の実施形態を図１〜図４によって説明する。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。
【００２４】
図１はこのハイブリッドショベルにおける制御システム全体のブロック構成を示し、油圧系を実線、電気系を破線でそれぞれ表している。
【００２５】
エンジン９に、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機１０と油圧ポンプ１１とが接続される。
【００２６】
なお、図ではエンジン９、発電電動機１０、油圧ポンプ１１が同軸上で接続された場合を示すが、本発明は、エンジン９に対しパワーデバイダを介して発電電動機１０と油圧ポンプ１１をパラレルに接続した場合にも以下同様に実施することができる。
【００２７】
油圧ポンプ１１は、制御手段としてのコントローラ１２で制御されるポンプレギュレータ１３により傾転が変化して吐出量(ポンプ流量)が変化する可変容量ポンプとして構成され、この油圧ポンプ１１からの圧油がコントロールバルブ(方向切換弁)１４を介して複数の油圧アクチュエータ（図５中のブーム、アーム、バケット各シリンダ６〜８や走行モータ等）に供給される。
【００２８】
実施形態は、放電側操作の代表例が走行操作であることから、油圧アクチュエータ回路として走行モータ１５の駆動回路のみを図示し、かつ、これを制御の対象としている。
【００２９】
なお、走行モータ１５は、左右のクローラに対応して左用と右用に二つ設けられ、油圧ポンプ１１も左右別々に設けられるが、制御の内容は同一であるため、図では一つずつ示している。
【００３０】
ポンプレギュレータ１３は、コントローラ１２からの電気信号によって直接作動するものを用いてもよいし、コントローラ１２からの信号で電磁弁を作動させ、この電磁弁からの油圧によってレギュレータ作動するものを用いてもよい。
【００３１】
１６は走行操作手段としてのリモコン弁で、このリモコン弁１６の操作量に応じたパイロット圧によってコントロールバルブ１４が作動し、走行モータ１５に対する圧油の給排（油圧アクチュエータの動作方向と速度）が制御される。
【００３２】
発電電動機１０は、インバータ１７を介して蓄電器((キャパシタ、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等の二次電池)１８に接続されている。
【００３３】
インバータ１７は、発電電動機１０の発電機作用と電動機作用の切換え、発電機、電動機としての電流またはトルクを制御するとともに、蓄電器１８の充・放電を制御する。
【００３４】
一方、検出手段として、リモコン弁１６から出力されるパイロット圧(走行操作)を検出する操作検出手段としてのパイロット圧センサ１９と、ポンプ圧に応じてポンプ流量を制御(馬力制御)するためにポンプ圧を検出するポンプ圧検出手段としてのポンプ圧センサ２０とが設けられている。
【００３５】
コントローラ１２は、この両センサ１９，２０からの信号に基づいて、走行操作が行われたか、この走行操作が予め設定された時間継続して行われたかを判断するとともに、蓄電器１８の電圧、電流等から算出される蓄電器ＳＯＣ値が、蓄電器の過放電に至る値として予め設定された基準値以下になったか否かを判断し、この判断に基づいたポンプ流量をポンプレギュレータ１３に指令する。
【００３６】
コントローラ１２の制御内容を含めたこのハイブリッドショベルの作用を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
制御開始後、図２のステップＳ１で走行操作が設定時間継続して行われたか否かを判断し、ＮＯ、つまり走行操作が無い場合や、有っても設定時間継続しなかった場合は、通常指令としてステップＳ２でポンプ圧に応じたポンプ流量をポンプレギュレータ１３に指令する。
【００３８】
図３はポンプ圧とポンプ流量の関係を示し、ステップＳ１でＮＯとなった通常指令の場合は、特性Ｉに従ってポンプ流量を求め、これをポンプレギュレータ１３に指令する。
【００３９】
詳しくは、ポンプ流量はポンプ回転数とポンプ傾転の積で求められるため、ポンプ圧に対応するポンプ流量を得るためのポンプ傾転をポンプレギュレータ１３に指令する。
【００４０】
なお、図３中の特性Ｉは、ポンプ出力(ポンプ圧力×ポンプ流量)が、エンジン動力と、蓄電器動力(正確には蓄電器１８で駆動される発電電動機１０のアシスト力)の和である機械の総供給動力を超えないように設定される。
【００４１】
ステップＳ１でＹＥＳの場合、つまり走行操作が設定時間継続して行われた場合は、ステップＳ３に移行し、そのときの蓄電器ＳＯＣの検出値Ｅｒが基準値Ｅｓと比較される。
【００４２】
なお、蓄電器１８の時間Ｔｓの間でのエネルギー変化量ΔＥは、電流Ｉと電圧Ｖとから、
ΔＥ＝〔Σ(Ｉ×Ｖ×Ｔｓ〕／３６００
によって算出(積算)される。
【００４３】
そして、電流の充電方向をプラスとして、定格充電量αに上記ΔＥを加算した値の、定格充電量αに対する比率を％で表したものが蓄電器ＳＯＣである。
【００４４】
すなわち、
ＳＯＣ＝(α＋ΔＥ)／α×１００
となる。
【００４５】
ステップＳ３でＮＯ、つまりＳＯＣ検出値Ｅｒが基準値Ｅｓを超えていれば、蓄電器１８の過放電の危険がないとしてステップＳ２で通常指令を出す。
【００４６】
これに対しＹＥＳ、つまり検出値Ｅｒが基準値Ｅｓ以下に低下した場合は、ステップＳ４において図３中の特性ＩＩに基づいた調整流量を求める。
【００４７】
特性ＩＩは、特性Ｉに基づく本来のポンプ流量から、ＳＯＣ値の差(Ｅｓ−Ｅｒ)にゲインＫを乗じた流量分を減じた流量の特性であり、この調整流量がポンプレギュレータ１３に指令される。
【００４８】
これにより、ポンプ流量が減少して走行出力が減少し、蓄電器１８の放電が抑えられる。
【００４９】
図４は二次電池(蓄電器)の放電特性を示し、一定電流出力状態で、放電に応じた電圧変化ΔＶ及び出力変化は少なく、長時間に亘ってフル放電が可能となる半面、過放電になると急激に電圧、出力がダウンする。この特性は高出力、大容量のものほど顕著となる。
【００５０】
上記設定時間は、この放電特性に基づいて、電圧、出力が急激にダウンするよりも十分前の時点で上記調整制御が開始されるように設定される。
【００５１】
このハイブリッドショベルによると、上記のように充電はされずに放電のみが行われる放電側操作である走行操作が設定時間継続して行われ、かつ、蓄電器ＳＯＣの検出値Ｅｒが基準値Ｅｓ以下になったときのみに、ポンプ流量を減少側に調整する調整制御を行う。
【００５２】
いいかかえれば、充放電が繰り返される通常作業時には調整制御は行わないため、通常作業時にアクチュエータのスピードと能力を保った安定した作業を行うことができる。
【００５３】
一方、走行操作が設定時間継続して行われ、かつ、これによって蓄電器ＳＯＣの検出値Ｅｒが基準値Ｅｓ以下に低下して過放電の危険が生じたときには、ポンプ流量を減少側に調整する調整制御によって放電を抑えるため、急に過放電状態となってスピードダウンや能力が急激にダウンする事態を回避することができる。
【００５４】
この場合、蓄電器ＳＯＣの検出値Ｅｒが基準値Ｅａ以下に低下したことと、設定時間の継続操作とを条件としているため、ＳＯＣが基準値を超える間はフル出力での作業を確保できるとともに、二つの条件が揃った後はＳＯＣの低下に応じてスピード、能力が徐々にダウンすることでオペレータにＳＯＣの低下を知らせ、過放電回避手段をとることを促すことができる。
【００５５】
他の実施形態
(１)  蓄電器の過放電は、とくに登坂走行時に起こり易いため、車体の傾き等から登坂走行時であることを検出し、この登坂走行時に限り、設定時間継続とＳＯＣ低下を条件として上記調整制御を行うようにしてもよい。
【００５６】
(２)  本発明はショベルに限らず、ショベルと同じベースマシンに異なるアタッチメントを取付けて構成される他の作業機械(解体機や破砕機)等にも適用することができる。
【００５７】
この場合、走行と同様の放電側操作が行われる機械にあってはその操作を監視して調整制御を行う構成をとってもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１  下部走行体
２  上部旋回体
９  エンジン
１０  発電電動機
１１  油圧ポンプ
１２  ＳＯＣ検出手段を兼ねる制御手段としてのコントローラ
１３  ポンプレギュレータ
１４  コントロールバルブ
１５  走行モータ
１６  操作手段としてのリモコン弁
１７  インバータ
１８  蓄電器
１９  操作手段としてのパイロット圧センサ
２０  ポンプ圧センサ
【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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