(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンで駆動される発電機の電力によりバッテリを充電可能であると共に、少なくともバッテリから放電される電力により電動機を作動させることにより作業可能なハイブリッド建設機械の制御装置において、
前記ハイブリッド建設機械が行うことができる作業内容であって作業負荷が互いに異なる複数の作業内容のうち前記ハイブリッド建設機械が実際に行う作業内容がいずれであるかに応じて、前記発電機から出力される電力を変更する出力変更手段を有することを特徴とするハイブリッド建設機械の制御装置。
【請求項２】
オペレータにより操作される操作レバーと、
前記操作レバーからの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記出力変更手段に出力する作業判別部とを有する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の制御装置。
【請求項３】
オペレータにより作業内容を指定可能な作業内容切換えスイッチと、
前記作業内容切替えスイッチで指定された作業内容を検出して前記出力変更手段に出力する切換えスイッチ検出部とを有する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の制御装置。
【請求項４】
前記ハイブリッド建設機械がハイブリッドショベルであることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンとバッテリとを組み合わせて各種の作業を行うハイブリッドショベル等のハイブリッド建設機械の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ショベル等の建設機械は、一般に、エンジンによりアクチュエータを駆動するように構成されているが、この構成では、作業時における大きな負荷変動に対応するようにエンジン出力を大幅に変動させながら作業を行う必要があるため、燃費効率が悪いと共に、騒音や排気ガス等の環境上の点でも問題がある。
【０００３】
そこで、近年においては、エンジンに電動機や発電機を連結し、エンジン出力の一部や全部を電力に変換し、軽負荷の作業時に余った電力をバッテリに充電しておく一方、重負荷の作業時にバッテリから電力を取り出して重負荷の作業に利用するというハイブリッド建設機械およびその制御装置が開発や提案されている（実開平５−４８５０１号公報等）。そして、この構成であれば、例えば図７に示すように、作業負荷（作業エネルギー）の変動分をバッテリの充放電で平滑化することができるため、作業負荷（作業エネルギー）が大幅に変動した場合であっても、エンジン出力の変動を最小限に抑制することができる。従って、従来は、作業時に消費されるバッテリを充電する際に、一定のエンジン出力となるように制御することによって、良好な燃費効率、低騒音化および排気ガスの低減化を実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、建設機械で実施される作業の種類は、例えばショベルの作業にあっては堀削や水平引き均し、土羽打ち、ばらまき等の作業が存在するように、作業負荷が大幅に異なる各種の作業が存在する（図４参照）。従って、上記従来のように、全ての作業に対して一律に一定のエンジン出力となるように制御しながら充電を行う構成では、小さな負荷の作業を行う場合に、一定のエンジン出力で充電される電力が消費電力に対して過剰となってバッテリの充電能力を上回る結果、エネルギーの無駄やバッテリの劣化の原因になるという問題がある。また、大きな負荷の作業を行う場合には、一定のエンジン出力で充電される電力が消費電力に対して過少となってバッテリの放電能力を上回る結果、小さな負荷の場合と同様にバッテリの劣化の原因になるという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、負荷の異なる各種の作業を行う場合に、バッテリの過剰な充電および放電による劣化を防止することができるハイブリッド建設機械の制御装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、エンジンで駆動される発電機の電力によりバッテリを充電可能であると共に、少なくともバッテリから放電される電力により電動機を作動させることにより作業可能なハイブリッド建設機械の制御装置において、前記ハイブリッド建設機械が行うことができる作業内容であって作業負荷が互いに異なる複数の作業内容のうち前記ハイブリッド建設機械が実際に行う作業内容がいずれであるかに応じて、前記発電機から出力される電力を変更する出力変更手段を有することを特徴としている。
【０００７】
上記の構成によれば、ハイブリッド建設機械が実際に行う作業内容に応じて発電機から出力される電力を変更すると、大きな作業負荷のときには大きな電力が発電機から出力され、小さな作業負荷のときには小さな電力が発電機から出力可能となる。また、作業負荷は、電動機の消費電力に対して比例関係にあるため、大きな作業負荷のときには大きな電力がバッテリから放電され、小さな作業負荷のときには小さな電力がバッテリから放電される。従って、所定の作業内容で作業が行われると、負荷に応じてバッテリから放電される電力が増減することになるが、負荷に応じて発電機から出力される電力も増減され、結果的にバッテリへの充電量も増減されるため、バッテリが過剰に放電や充電されて劣化することはない。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、オペレータにより操作される操作レバーと、前記操作レバーからの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記出力変更手段に出力する作業判別部とを有することを特徴としている。
上記の構成によれば、操作レバーの操作信号を基にして作業内容を判別して認識することができるため、オペレータが作業内容を指定する手間を省力することができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、オペレータにより作業内容を指定可能な作業内容切換えスイッチと、前記作業内容切替えスイッチで指定された作業内容を検出して前記出力変更手段に出力する切換えスイッチ検出部とを有することを特徴としている。
上記の構成によれば、作業内容切替えスイッチに指定された作業内容を高い信頼性で認識することができるため、誤認識によるバッテリの過剰な充電および放電を確実に防止することができる。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか１項に記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、前記ハイブリッド建設機械がハイブリッドショベルであることを特徴としている。
上記の構成によれば、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業内容を実施するハイブリッドショベルに対して好適に適用することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図６に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る制御装置は、図３に示すように、ハイブリッド建設機械であるハイブリッドショベルに設けられている。尚、以降の説明においては、シリーズ型ハイブリッド方式を採用したハイブリッドショベルについて説明するが、パラレル型ハイブリッド方式を採用したハイブリッドショベルに適用することもできる。ハイブリッドショベルは、下部走行体１と、下部走行体１の上面中心部に旋回可能に設けられた上部旋回体２と、上部旋回体２の前部に設けられた堀削アタッチメント３とを有している。下部走行体１は、両端部に平行配置された一対のクローラフレーム４と、各クローラフレーム４の周囲に回転可能に設けられ、地面に対して面状に接地するクローラ５と、クローラ５を回転駆動する減速機３５・３６および電動機６・７とを有している。そして、このように構成された下部走行体１は、各クローラ５を減速機３５・３６を介して電動機６・７により個別に正方向および逆方向に回転駆動することによって、ショベル全体を地面に対して前進や後退、回転、旋回させる。
【００１２】
上記の下部走行体１の上面中心部には、旋回軸８ａが下部走行体１に対して直交して設けられている。旋回軸８ａの上部には、上部旋回体２の一部を構成する旋回フレーム８が回動自在に設けられている。旋回フレーム８の上面には、オペレータの操縦室となるキャビン９と、保護カバー４０で覆われた機械収容部４１とが設けられていると共に、上述の堀削アタッチメント３のブーム１７およびブームシリンダ１８の一端部が上下方向に回動自在に設けられている。
【００１３】
機械収容部４１内には、旋回用電動機１３および減速機１４が設けられていると共に、ブーム用電動機１５とブームポンプ１６とを一体化して備えたブーム用一体型アクチュエータＡ１が設けられている。旋回用電動機１３は、減速機１４を介して旋回フレーム８を旋回軸８ａを旋回中心として旋回駆動する。また、ブーム用一体型アクチュエータＡ１は、上述のブームシリンダ１８に図示しない油圧配管を介して接続されており、ブームシリンダ１８のシリンダロッドを油圧により進退移動させることによって、ブーム１７の先端側（他端側）を上下動させる。
【００１４】
上記のブーム１７の先端部には、アーム１９が回動自在に設けられている。アーム１９の先端部には、バケット２１が回動自在に設けられている。また、ブーム１７とアーム１９とは、アームシリンダ２０を介して連結されており、アーム１９とバケット２１とは、バケットシリンダ２２を介して連結されている。これらのシリンダ２０・２２には、アーム用一体型アクチュエータＡ２とバケット用一体型アクチュエータＡ３とがそれぞれ設けられており、各アクチュエータＡ２・Ａ３は、電動機２３・２５とポンプ２４・２６とを一体化して構成されている。そして、各アクチュエータＡ２・Ａ３は、シリンダ２０・２２のシリンダロッドを油圧により進退移動させることによって、アーム１９およびバケット２１をそれぞれ上下方向に回動させる。
【００１５】
また、上述の機械収容部４１内には、旋回用電動機１３やブーム用一体型アクチュエータＡ１の他に、エンジン１０や、エンジン１０の回転速度（エンジン出力）に応じた交流電力を生成する発電機１１、通常運転時に使用される主バッテリ１２、主バッテリ１２が使用不能になった緊急時に使用される補助バッテリ４２等が設けられている。尚、上記の両バッテリ１２・４２には、鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池のような電力を繰り返して充放電可能な二次電池が使用される。
【００１６】
上記の発電機１１は、図１に示すように、制御装置のモータコントローラ３７に接続されている。モータコントローラ３７は、上述の各種の電動機６・７・１３・１５・２３・２５に接続されていると共に、主バッテリ１２および補助バッテリ４２に切換スイッチ４３を介して接続されている。切換スイッチ４３は、二方向に連動して切換可能なスイッチ部４３ａ〜４３ｃを３系統備えており、２系統のスイッチ部４３ａ・４３ｂは、主バッテリ１２に対する充電およびその停止の切替えに使用され、残りの１系統のスイッチ部４３ｃは、主バッテリ１２からの放電と補助バッテリ４２からの放電との切替えに使用される。そして、切換スイッチ４３は、通常運転時において全スイッチ部４３ａ〜４３ｃが主バッテリ１２とモータコントローラ３７とを接続状態にするように設定されており、緊急時にスイッチ部４３ａ・４３ｂが主バッテリ１２から切り離され、スイッチ部４３ｃが補助バッテリ４２とモータコントローラ３７とを接続状態にするように手動や自動の操作で切り替えられる。
【００１７】
また、モータコントローラ３７には、図３のキャビン９内に設けられた操作レバー４５が接続されている。操作レバー４５は、上記のモータコントローラ３７と共に作業判別部４６に接続されており、作業判別部４６は、操作レバー４５からの操作信号に基づいて作業モードを判別する。作業判別部４６は、発電機出力制御部５１に接続されており、発電機出力制御部５１は、図２の出力変更ルーチンを実行することによって、作業モードに対応した発電機１１の発電出力となるようにエンジン１０の回転速度をガバナ制御等により制御する。尚、発電機出力制御部５１は、エンジン１０を制御する代わりに、界磁電流制御等により発電機１１を制御するようになっていても良い。
【００１８】
上記の作業判別部４６で作業モードに応じた電力を出力する発電機１１は、モータコントローラ３７に接続されている。モータコントローラ３７は、発電機１１からの交流電力を直流電力に変換したり、バッテリ１２・４２からの直流電力を交流電力に変換する電力変換機能（インバータ機能）や、操作レバー４５からの操作信号に基づいて例えば主バッテリ１２から電力変換して得た交流電力を各電動機６・７・１３・１５・２３・２５に出力する電動機作動機能、発電機１１で生成された電力を主バッテリ１２に充電する通常充電機構、各電動機６・７・１３・１５・２３・２５で生じた回生電力を主バッテリ１２に充電する回生充電機能等の諸機能を備えており、これら諸機能を主バッテリ１２の充電量や発電機１１の発電量、作業モード等に基づいて任意に実行する。
【００１９】
上記の構成において、ハイブリッドショベルの制御装置の動作について説明する。
図３のキャビン９内のオペレータが運転キーを回動させる等の始動操作を行うことによって、モータコントローラ３７に電源が投入されると共にエンジン１０が運転されると、モータコントローラ３７は、先ず、主バッテリ１２の充電量を確認し、充電量が不十分であれば、エンジン１０により回転駆動される発電機１１で生成された交流電力を直流電力に変換して主バッテリ１２を充電する。尚、主バッテリ１２の充電量が極めて不十分である場合には、エンジン１０の出力（回転速度）を増大させて発電機１１の発電量を増大させることによって、主バッテリ１２に対する充電を早急に行う。一方、主バッテリ１２の充電量が十分であれば、エンジン１０の出力（回転速度）を最低のアイドリング状態にしたり、エンジン１０を停止することによって、主バッテリ１２の過剰な充電を防止しながら、操作レバー４５から操作信号が入力されるまで待機する。
【００２０】
次に、オペレータが所定の作業を行うように操作レバー４５を操作すると、操作レバー４５から操作量に応じた操作信号が出力される。操作信号は、モータコントローラ３７および作業判別部４６にそれぞれ入力される。そして、モータコントローラ３７においては、操作信号に応じた操作量でもって各電動機６・７・１３・１５・２３・２５を作動させるように主バッテリ１２から放電した電力を利用して作業を開始する。また、作業判別部４６においては、操作信号の特徴を抽出し、作業を判別する。作業判別方法としては、例えば特開平９−２１７７０２号公報に示されるものを用いる。
【００２１】
上記のようにして作業判別部４６で認識された作業モードは、発電機出力制御部５１に信号出力される。この際、発電機出力制御部５１は、図２に示すように、出力変更ルーチンを実行しており、作業判別部４６から作業モード信号（作業内容）を取り込む（Ｓ１）ことによって、信号中に含まれる作業モード（作業内容）を認識する。作業モードを認識すると、図５に示すように、記憶部に格納された作業モードと発電機１１の出力との関係から、認識した作業モードに対応した発電機１１の出力データを選択する。例えば“ばらまき”の作業モードであると認識した場合には、この作業モードに対応して設定された４ｋＷの出力データを選択し、“押しつけ堀削”の作業モードであると認識した場合には、この作業モードに対応して設定された２０ｋＷの出力データを選択する（Ｓ２）。
【００２２】
この後、選択した出力データに対応したエンジン１０の回転速度を求め、この回転速度となるようにエンジン１０を制御する（Ｓ３）。これにより、例えば“ばらまき”の作業モードで作業が行われる場合には、発電機１１で発電される電力（４ｋＷ）が小さなものになるが、図４に示すように、“ばらまき”の作業モードが小さな作業負荷であって主バッテリ１２の放電量が僅かなものであるため、過剰な充電を回避しながら効率良く充電することができる。また、例えば“押しつけ堀削”の作業モードで作業が行われる場合には、発電機１１で発電される電力（２０ｋＷ）が大きなものになるが、“押しつけ堀削”の作業モードが大きな作業負荷であって主バッテリ１２の放電量が大きなものであるため、過剰な放電を回避しながら効率良く充電することができる。
【００２３】
この後、作業モード信号や操作信号等の状態を監視することによって、作業が終了したか否かを判定し（Ｓ４）、作業が終了していなければ（Ｓ４，ＮＯ）、上述の作業モードに対応して選択した発電機１１の出力を維持するように、エンジン１０を制御する。そして、作業が終了すれば（Ｓ４，ＹＥＳ）、次の作業モードに対応した制御を行うようにＳ１から再実行する。
【００２４】
以上のように、本実施形態のハイブリッドショベルの制御装置は、図１に示すように、エンジン１０で駆動される発電機１１の電力により主バッテリ１２を充電可能であると共に、少なくとも主バッテリ１２から放電される電力により電動機６等を作動させることにより作業可能なものであって、作業モード（作業内容）の作業負荷に応じて発電機１１から出力される電力を変更する発電機出力制御部５１（出力変更手段）を有した構成にされている。
【００２５】
上記の構成によれば、ハイブリッドショベルが実際に行う作業モードの作業負荷に応じて発電機１１から出力される電力を変更すると、大きな作業負荷のときには大きな電力が発電機１１から出力され、小さな作業負荷のときには小さな電力が発電機１１から出力される。また、作業負荷は、電動機６等の消費電力に対して比例関係にあるため、大きな作業負荷のときには大きな電力が主バッテリ１２から放電され、小さな作業負荷のときには小さな電力が主バッテリ１２から放電される。従って、所定の作業モードで作業が行われると、作業負荷に応じて主バッテリ１２から放電される電力が増減することになるが、作業負荷に応じて発電機１１から出力される電力も増減され、結果的に主バッテリ１２への充電量も増減されるため、主バッテリ１２が過剰に放電や充電されて劣化することはない。
【００２６】
また、本実施形態の制御装置は、オペレータにより操作される操作レバーと、操作レバーからの操作信号に基づいて作業モード（作業内容）を判別して発電機出力制御部５１（出力変更手段）に出力する作業判別部４６とを有した構成にされている。そして、この構成によれば、操作レバー４５の操作信号を基にして作業モードを判別して認識することができるため、オペレータが作業モードを指定する手間を省力することができる。
【００２７】
尚、本実施形態の制御装置においては、作業判別部４６により操作レバー４５の操作信号に基づいて作業モードを認識するようになっているが、これに限定されるものではない。即ち、図６に示すように、制御装置は、オペレータにより作業モードを指定可能な作業モード切換えスイッチ４９（作業内容切換えスイッチ）と、作業モード切換えスイッチ４９で指定された作業モード（作業内容）を検出して発電機出力制御部５１（出力変更手段）に出力する切換えスイッチ検出部５０とを有した構成にされていても良い。そして、この構成によれば、作業モード切換えスイッチ４９に指定された作業モードを高い信頼性で認識することができるため、誤認識による主バッテリ１２の過剰な充電および放電を確実に防止することができる。
【００２８】
また、本実施形態の制御装置は、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業モードを実施するハイブリッドショベルに対して好適に適用することができるが、これに限定されるものではなく、ブルドーザやクレーンのように複数の作業内容を実施可能な全てのハイブリッド建設機械に適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、エンジンで駆動される発電機の電力によりバッテリを充電可能であると共に、少なくともバッテリから放電される電力により電動機を作動させることにより作業可能なハイブリッド建設機械の制御装置において、前記ハイブリッド建設機械が行うことができる作業内容であって作業負荷が互いに異なる複数の作業内容うち前記ハイブリッド建設機械が実際に行う作業内容がいずれであるかに応じて、前記発電機から出力される電力を変更する出力変更手段を有する構成である。
【００３０】
上記の構成によれば、ハイブリッド建設機械が実際に行う作業内容に応じて発電機から出力される電力を変更すると、大きな作業負荷のときには大きな電力が発電機から出力され、小さな作業負荷のときには小さな電力が発電機から出力可能となる。また、作業負荷は、電動機の消費電力に対して比例関係にあるため、大きな作業負荷のときには大きな電力がバッテリから放電され、小さな作業負荷のときには小さな電力がバッテリから放電される。従って、所定の作業内容で作業が行われると、作業負荷に応じてバッテリから放電される電力が増減することになるが、作業負荷に応じて発電機から出力される電力も増減され、結果的にバッテリへの充電量も増減されるため、バッテリが過剰に放電や充電されて劣化することはないという効果を奏する。
【００３１】
請求項２の発明は、請求項１記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、オペレータにより操作される操作レバーと、前記操作レバーからの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記出力変更手段に出力する作業判別部とを有する構成である。
上記の構成によれば、操作レバーの操作信号を基にして作業内容を判別して認識することができるため、オペレータが作業内容を指定する手間を省力することができるという効果を奏する。
【００３２】
請求項３の発明は、請求項１記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、オペレータにより作業内容を指定可能な作業内容切換えスイッチと、前記作業内容切替えスイッチで指定された作業内容を検出して前記出力変更手段に出力する切換えスイッチ検出部とを有する構成である。
上記の構成によれば、作業内容切替えスイッチに指定された作業内容を高い信頼性で認識することができるため、誤認識によるバッテリの過剰な充電および放電を確実に防止することができるという効果を奏する。
【００３３】
請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか１項に記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、前記ハイブリッド建設機械がハイブリッドショベルである構成である。
上記の構成によれば、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業内容を実施するハイブリッドショベルに対して好適に適用することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ハイブリッドショベルの制御装置のブロック図である。
【図２】  出力変更ルーチンのフローチャートである。
【図３】  ハイブリッドショベルの全体概略側面図である。
【図４】  各作業の負荷特性を示す説明図である。
【図５】  作業モードと発電機出力との関係を示す説明図である。
【図６】  ハイブリッドショベルの駆動制御系のブロック図である。
【図７】  ハイブリッド方式で作業した場合におけるバッテリの充放電の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１  下部走行体
２  上部旋回体
３  堀削アタッチメント
４  クローラフレーム
５  クローラ
８  旋回フレーム
９  キャビン
１０  エンジン
１１  発電機
１２  主バッテリ
１３  旋回用電動機
１４  減速機
１５  ブーム用電動機
１６  ブームポンプ
１７  ブーム
１８  ブームシリンダ
１９  アーム
２０  アームシリンダ
２１  バケット
２２  バケットシリンダ
２３  アーム用電動機
２４  アームポンプ
４１  機械収容部
４２  補助バッテリ
４３  切換スイッチ
４５  操作レバー
４６  作業判別部
４９  作業モード切換えスイッチ
５０  切換えスイッチ検出部
５１  発電機出力制御部
【図１】
0003828678.tif 000002
【図２】
0003828678.tif 000003
【図３】
0003828678.tif 000004
【図４】
0003828678.tif 000005
【図５】
0003828678.tif 000006
【図６】
0003828678.tif 000007
【図７】
0003828678.tif 000008