(57)【要約】【課題】出力トルクの変動を抑制でき、エネルギー効率を高めることができる駆動装置および建設機械を提供することである。【解決手段】実施形態の駆動装置は、油圧モータと、可変容量型油圧ポンプと、電動モータと、蓄電装置と、操作部と、制御部と、を持つ。可変容量型油圧ポンプは、油圧モータに圧油を供給し、圧油の容量を可変可能である。蓄電装置は、電動モータに電力を供給する。操作部は、油圧モータの出力トルクと電動モータの出力トルクとを合算した合算トルクにより駆動される被駆動体を操作するための信号を出力する。制御部は、可変容量型油圧ポンプおよび電動モータの駆動制御を行う。また、制御部は、操作部からの出力信号と蓄電装置の蓄電量とに基づいて、可変容量型油圧ポンプおよび電動モータの駆動制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧モータと、
該油圧モータに圧油を供給し、該圧油の容量を可変可能な可変容量型油圧ポンプと、
電動モータと、
該電動モータに電力を供給する蓄電装置と、
前記油圧モータの出力トルクと前記電動モータの出力トルクとを合算した合算トルクにより駆動される被駆動体を操作するための信号を出力する操作部と、
前記可変容量型油圧ポンプおよび前記電動モータの駆動制御を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記操作部からの出力信号と前記蓄電装置の蓄電量とに基づいて、前記可変容量型油圧ポンプおよび前記電動モータの駆動制御を行う駆動装置。
【請求項２】
前記制御部に、電圧上限閾値と電圧下限閾値とが設定されており、
前記蓄電装置の蓄電量が、前記電圧上限閾値よりも大きい場合、前記可変容量型油圧ポンプの前記圧油の容量を減少する一方、前記電動モータの出力トルクを増加し、所定の前記合算トルクとし、
前記蓄電装置の蓄電量が、前記電圧下限閾値よりも小さい場合、前記可変容量型油圧ポンプの前記圧油の容量を増加する一方、前記電動モータの出力トルクを減少し、所定の前記合算トルクとする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記制御部に、電圧目標値が設定されており、
前記蓄電装置の蓄電量が、前記電圧目標値に近づくように、前記可変容量型油圧ポンプおよび前記電動モータの駆動制御を行う請求項１に記載の駆動装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の駆動装置を備え、
前記被駆動体は、旋回体であり、
前記駆動装置を前記旋回体の旋回駆動用として用いる建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、駆動装置および建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、建設機械、例えば、油圧ショベルの上部旋回体を旋回させるための駆動源として、油圧モータと電動モータとを備えたいわゆるハイブリッド型の駆動装置を用いることが知られている。電動モータは、建設機械に搭載されている蓄電装置から電力を得るようになっている。
この種の駆動装置は、例えば、上部旋回体を旋回させる際、油圧モータと電動モータとの両者を、操作信号に基づく出力で駆動させ、油圧モータと電動モータとで出力トルクを補いながら所定の旋回速度まで速やかに到達させることができる。また、蓄電装置への蓄電は、例えば、旋回エネルギーを回生することにより行われる。
【０００３】
ところで、蓄電装置への蓄電量が不足していると、電動モータが所定のトルクを出力することができず、駆動装置の出力トルクが変動してしまう場合があった。
一方、蓄電装置への蓄電量が満たされている場合、旋回エネルギーが回生されず、この旋回エネルギーを有効活用できない場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−３６１１１号公報
【特許文献２】特開２０１３−２３４６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、出力トルクの変動を抑制でき、エネルギー効率を高めることができる駆動装置および建設機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の駆動装置は、油圧モータと、可変容量型油圧ポンプと、電動モータと、蓄電装置と、操作部と、制御部と、を持つ。可変容量型油圧ポンプは、油圧モータに圧油を供給し、圧油の容量を可変可能である。蓄電装置は、電動モータに電力を供給する。操作部は、油圧モータの出力トルクと電動モータの出力トルクとを合算した合算トルクにより駆動される被駆動体を操作するための信号を出力する。制御部は、可変容量型油圧ポンプおよび電動モータの駆動制御を行う。また、制御部は、操作部からの出力信号と蓄電装置の蓄電量とに基づいて、可変容量型油圧ポンプおよび電動モータの駆動制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態の建設機械を示す概略構成図。
【図２】実施形態の蓄電装置の電圧範囲を示す説明図。
【図３】実施形態の制御装置の合算トルクを決定するフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態の駆動装置および建設機械を、図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は、建設機械１００と、この建設機械１００に用いられる駆動装置１の概略構成図である。
同図に示すように、建設機械１００は、例えば油圧ショベルであって、上部旋回体１０１を備えている。この上部旋回体１０１は、駆動装置１によって旋回駆動される。
【００１０】
駆動装置１は、上部旋回体１０１を旋回駆動するための旋回用油圧モータ２および電動モータ３と、旋回用油圧モータ２を駆動するための旋回用油圧ポンプ４と、電動モータ３に電力を供給する蓄電装置（バッテリ）５と、上部旋回体１０１を操作するための操作部６と、電動モータ３や旋回用油圧ポンプ４の駆動制御を行う制御装置７と、を主構成としている。
【００１１】
旋回用油圧ポンプ４には、原動機（エンジン）８の出力軸８ａが連結されている。原動機８は、軽油等の化石燃料を消費して回転駆動力を発生するものである。
旋回用油圧ポンプ４は、旋回用油圧モータ２を駆動するために、この旋回用油圧モータ２に圧油を供給するための斜板式可変容量型の油圧ポンプである。なお、斜板式可変容量型の油圧ポンプは、内部に、斜板とポンプ軸の回転に連動して往復運動するピストン（何れも不図示）とを有している。そして、斜板の傾斜角度によってピストンのストローク量を変化させ、圧油の吐出流量が調整できるようになっている。
【００１２】
旋回用油圧ポンプ４には、押しのけ容積を制御する旋回ポンプ制御部９が接続されている。旋回ポンプ制御部９は、電気信号ラインＬ１を介して制御装置７に接続されている。また、旋回用油圧ポンプ４の吐出側ラインＬ２には、この吐出側ラインＬ２の圧力を検出する油／電変換器１０が設けられている。この油／電変換器１０は、電気信号ラインＬ３を介して制御装置７に接続されている。そして、制御装置７に、油／電変換器１０の信号が出力されるようになっている。
【００１３】
さらに、旋回用油圧ポンプ４には、吐出側ラインＬ２を介して上部旋回体１０１の旋回用の切換制御弁１１が接続されている。この切換制御弁１１には、操作部６からの操作圧信号Ｓ２，Ｓ３が付与されている。また、操作部６は、電気信号ラインＬ４を介して制御装置７に接続されている。そして、操作部６は、切換制御弁１１への操作圧信号Ｓ２，Ｓ３の他に、制御装置７に操作信号を出力している。
【００１４】
また、旋回用油圧ポンプ４には、吐出側ラインＬ２、切換制御弁１１を介して旋回モータユニット１２が接続されている。この旋回モータユニット１２に、旋回用油圧モータ２が設けられている。旋回モータユニット１２は、旋回用油圧モータ２の他に、一対のリリーフ弁１３と、チェック弁１４と、連通弁１５とを備えている。これら一対のリリーフ弁１３、チェック弁１４および連通弁１５は、旋回用油圧モータ２と切換制御弁１１との間に配置されている。
【００１５】
一対のリリーフ弁１３は、旋回用油圧モータ２の過度の圧力上昇を防止するための安全弁として機能するものであって、旋回用油圧モータ２の駆動状態および制動状態の何れも場合も作動しない。なお、リリーフ弁１３のリリーフ設定圧は、駆動状態における旋回用油圧モータ２の目標圧力よりも高い圧力に設定されている。
【００１６】
連通弁１５は、電気信号ラインＬ５を介して制御装置７に接続されている。そして、連通弁１５は、制御装置７からの出力信号に基づいて、旋回用油圧モータ２をループ回路とし、この旋回用油圧モータ２を自由回転させる。例えば、上部旋回体１０１の加速時には、連通弁１５は作動しない。これに対し、上部旋回体１０１の制動時に連通弁１５を作動させ、旋回用油圧モータ２を自由回転させる。これにより、旋回用油圧モータ２に発生するブレーキトルクを最小限とし、上部旋回体１０１による旋回エネルギーを効率よく回生して蓄電装置５に蓄電させる。
【００１７】
旋回用油圧モータ２の出力軸２ａには、上部旋回体１０１が接続されていると共に、電動モータ３が同軸状に設けられている。電動モータ３は、旋回用油圧モータ２の駆動を補助するためのものであって、出力軸２ａに回転力を付与する。電動モータ３には、モータ制御部（インバータ）１６が接続されている。モータ制御部１６は、電気信号ラインＬ６を介して制御装置７に接続されている。そして、モータ制御部１６は、制御装置７から出力される駆動トルク指令信号に基づいて、電動モータ３の駆動制御を行う。
【００１８】
また、モータ制御部１６に、蓄電装置５が接続されている。そして、モータ制御部１６は、蓄電装置５の電力を所定のタイミングで電動モータ３に供給することにより、電動モータ３の駆動を制御する。蓄電装置５は、電気信号ラインＬ７を介して制御装置７に接続されている。そして、蓄電装置５の蓄電量が、信号として制御装置７に出力されるようになっている。
【００１９】
次に、上部旋回体１０１の駆動方法について、より具体的に説明する。
まず、オペレータによる操作部６への入力が無い場合、制御装置７により旋回用油圧ポンプ４の容積は、ゼロ近傍に制御される。
【００２０】
一方、オペレータによる操作部６への入力があると、駆動装置１は駆動状態となる。このとき、操作部６から操作方向（操作レバーの方向）に応じた操作信号が出力され、この出力信号に基づき、切換制御弁１１が切換る。そして、旋回用油圧ポンプ４と旋回モータユニット１２とが吐出側ラインＬ２を介して開通する。これと同時に、制御装置７は、油／電変換器１０により検出される圧力が所定の圧力となるように、旋回ポンプ制御部９に信号を出力する。この信号に基づいて、旋回ポンプ制御部９は、旋回用油圧ポンプ４の容積を制御する。そして、旋回用油圧ポンプ４から圧油を供給された旋回用油圧モータ２が、旋回トルクを出力する。
【００２１】
また、制御装置７は、オペレータによる操作部６への入力があると、操作部６の操作信号に基づいて、モータ制御部１６に駆動トルク指令信号を出力する。この駆動トルク指令信号に基づいて、モータ制御部１６により電動モータ３が駆動され、旋回トルクを出力する。そして、これら旋回用油圧モータ２による旋回トルクと電動モータ３による旋回トルクとを合算した合算トルク（以下、単に合算トルクという）により、上部旋回体１０１が旋回する。ここで、電動モータ３を駆動するにあたって、蓄電装置５から電動モータ３に電力（電圧）を供給する（放電状態となる）ので、蓄電装置５の蓄電量が減少する。
【００２２】
一方、オペレータにより操作部６への入力が解除されると、駆動装置１は制動状態になる。このとき、切換制御弁１１は中立位置に戻り、この切換制御弁１１によって、吐出側ラインＬ２が遮断される。これと同時に、制御装置７は、旋回ポンプ制御部９に信号を出力する。この信号に基づいて、旋回ポンプ制御部９は、旋回用油圧ポンプ４の容積がゼロ近傍になるように制御する。また、制御装置７は、連通弁１５に信号を出力してこの連通弁１５を作動させる。そして、旋回用油圧モータ２に発生するブレーキトルクを最小限とし、上部旋回体１０１による旋回エネルギーを効率よく回生して蓄電装置５に蓄電させる（充電状態）。これにより、蓄電装置５の蓄電量が上昇する。
【００２３】
このように、駆動装置１が駆動状態から制動状態となる場合、蓄電装置５は放電状態から充電状態となる。すなわち、蓄電装置５の放電量と充電量とのバランスにより、蓄電装置５の蓄電量が増減することになる。ここで、蓄電装置５は、そのシステム許容電圧から、許容電圧上限値と許容電圧下限値とからなる許容電圧範囲が設定されている。このため、放電量の多い状態で連続して電動モータ３を駆動させると、蓄電装置５の蓄電量が減少し続け、許容電圧下限値を下回ることになる。
【００２４】
一方、充電量が多い状態で連続して駆動すると（回生し続けると）、蓄電装置５の蓄電量が上昇し続け、許容電圧上限値を上回ることになる。
このような許容電圧範囲からの蓄電量の逸脱を防止するために、制御装置７は、以下のような制御を行い、旋回用油圧モータ２と電動モータ３との合算トルクを決定している。
【００２５】
図２は、蓄電装置５の電圧範囲を示す説明図である。図３は、制御装置７の合算トルクを決定するフローチャートである。
図２に示すように、制御装置７には、蓄電装置５の所定電圧上限値（電圧上限閾値）と所定電圧下限値（電圧下限閾値）とが予め設定されている。
【００２６】
なお、これら所定電圧上限値および所定電圧下限値は、許容電圧範囲を設定する許容電圧上限値と許容電圧下限値とは異なり、蓄電装置５に無駄なストレスを与えず、蓄電装置５を適正に使用できる範囲（所定電圧範囲）を設定するものである。このため、所定電圧上限値は、所定電圧上限値よりも小さく設定されている一方、所定電圧下限値は、許容電圧下限値よりも大きく設定されている。
また、これら所定電圧上限値および所定電圧下限値の情報を蓄電装置５が持っており、この蓄電装置５からの情報を、制御装置７が取得するように構成してもよい。
【００２７】
図３に示すように、操作部６への入力があると（操作部６から信号が出力されると）、制御装置７は、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧下限値よりも小さいか否かの判断を行う（ステップＳＴ１０）。
【００２８】
ステップＳＴ１０による判断が「Ｙｅｓ」、つまり、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧下限値よりも小さい場合、制御装置７は、電動モータ３の旋回トルクが、操作部６の入力に基づいて通常発生させる旋回トルク（補正なしのトルク。以下、通常旋回トルクという）よりも低減するように、駆動トルク指令信号を出力する（ステップＳＴ１１）。
これに対し、制御装置７は、旋回用油圧モータ２の旋回トルクが、通常トルクよりも増加するように、旋回ポンプ制御部９に信号を出力する。つまり、旋回用油圧ポンプ４の容量（圧力）を高める（ステップＳＴ１２）。これにより、合算トルクは、操作部６の操作信号に基づく所望のトルクとなり、上部旋回体１０１が旋回する。
【００２９】
一方、ステップＳＴ１０による判断が「Ｎｏ」、つまり、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧下限値以上である場合、制御装置７は、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧上限値よりも大きいか否かの判断を行う（ステップＳＴ２０）。
【００３０】
ステップＳＴ２０による判断が「Ｙｅｓ」、つまり、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧上限値よりも大きい場合、制御装置７は、電動モータ３の旋回トルクが、通常旋回トルクよりも増加するように、駆動トルク指令信号を出力する（ステップＳＴ２１）。
これに対し、制御装置７は、旋回用油圧モータ２の旋回トルクが、通常旋回トルクよりも低減するように、旋回ポンプ制御部９に信号を出力する（旋回用油圧ポンプ４の容量（圧力）を低減する：ステップＳＴ２２）。これにより、合算トルクは、操作部６の操作信号に基づく所望のトルクとなり、上部旋回体１０１が旋回する。
【００３１】
一方、ステップＳＴ２０による判断が「Ｎｏ」、つまり、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧上限値よりも小さい場合、制御装置７は、操作部６の入力に基づいて、旋回用油圧モータ２の旋回トルクが通常トルクとなるように、駆動トルク指令信号を出力する（ステップＳＴ３１）。
また、制御装置７は、操作部６の入力に基づいて、旋回用油圧モータ２の旋回トルクが通常トルクとなるように、旋回ポンプ制御部９に信号を出力する（ステップＳＴ３２）。これにより、合算トルクは、操作部６の操作信号に基づく所望のトルクとなり、上部旋回体１０１が旋回する。
【００３２】
このように、上述の実施形態では、操作部６からの出力信号と、蓄電装置５に蓄電されている電圧（蓄電量）とに基づいて、電動モータ３および旋回用油圧モータ２の旋回トルクを、通常トルクに対して増減させている。このため、蓄電装置５の蓄電量を、常に所定電圧範囲に収めることができる。この結果、蓄電装置５の蓄電量不足によって所望の合算トルクに対して出力される合算トルクが変動したり、旋回エネルギーを効率よく回生できなかったりしてしまうことを防止できる。
【００３３】
なお、上述の実施形態では、制御装置７は、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧下限値よりも小さいか否かの判断を行った後（ステップＳＴ１０）、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧上限値よりも大きいか否かの判断を行う（ステップＳＴ２０）場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧上限値よりも大きいか否かの判断を行った後、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧下限値よりも小さいか否かの判断を行ってもよい。
【００３４】
また、上述の実施形態では、制御装置７に、蓄電装置５の所定電圧上限値（電圧上限閾値）と所定電圧下限値（電圧下限閾値）とを予め設定した場合について説明した。また、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧下限値よりも小さいか否か、さらに、蓄電装置５に蓄電されている電圧が所定電圧上限値よりも大きいか否かの判断を行うことにより、電動モータ３および旋回用油圧モータ２の旋回トルクを、通常トルクに対して増減させる場合について説明した。
しかしながら、これに限られるものではなく、制御装置７に目標電圧値（図２における２点鎖線参照）を設定し、この目標電圧値に近づけるように、電動モータ３および旋回用油圧モータ２の旋回トルクを、通常トルクに対して増減させるようにしてもよい。
このように、制御装置７に目標電圧値を設定して電動モータ３および旋回用油圧モータ２の駆動制御を行うことにより、蓄電装置５の蓄電量を常にほぼ一定に保つことができ、電動モータ３および旋回用油圧モータ２を、常に安定動作させることができる。
【００３５】
また、上述の実施形態では、建設機械１００は、例えば油圧ショベルである場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、旋回用油圧モータ２と電動モータ３とを併用するいわゆるハイブリッド型のさまざまな建設機械に、上述の実施形態を適用することが可能である。
【００３６】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、操作部６からの出力信号と、蓄電装置５に蓄電されている電圧（蓄電量）とに基づいて、電動モータ３および旋回用油圧モータ２の旋回トルクを、通常トルクに対して増減させることにより、蓄電装置５の蓄電量を、常に所定電圧範囲に収めることができる。このため、蓄電装置５の蓄電量不足によって所望の合算トルクに対して出力される合算トルクが変動したり、旋回エネルギーを効率よく回生できなかったりしてしまうことを防止できる。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１…駆動装置、２…旋回用油圧モータ（油圧モータ）、３…電動モータ、４…旋回用油圧ポンプ（油圧ポンプ）、５…蓄電装置、６…操作部、７…制御装置（制御部）、１００…建設機械、１０１…上部旋回体（被駆動体）
【図１】
2016108948.tif 000003
【図２】
2016108948.tif 000004
【図３】
2016108948.tif 000005