JP2005304206A - ハイブリッド建設機械の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置の負担を軽くし、該蓄電装置の寿命を向上させることができる構造を得る。
【解決手段】吸収トルク検出手段３３で検出された油圧ポンプ２３の吸収トルクＴ1が予め定めた設定値Ｔsよりも小さく、且つ、蓄電装置２５の充電量Ｅ１が予め定めた設定値Ｅs1より小さい時に、エンジン２１の余剰トルクで電動／発電機２２を発電機として作動させ、前記吸収トルクＴ1が前記設定値Ｔs以上で、且つ、蓄電装置２５の充電量Ｅ1が予め定めた設定値Ｅs2よりも大きい時に、前記電動／発電機２２をエンジンアシスト用の電動機として作動させ、前記吸収トルクＴ1が前記設定値Ｔs以上で、且つ、前記充電量Ｅ1が前記設定値Ｅs2以下の時に、前記吸収トルクＴ1を小さくするための制御を自動的に切り換えるコントローラ２４を設けて、蓄電装置２５の充電量Ｅ1が設定値Ｅs2以下になるのを少なくして該蓄電装置２５に於ける負担を軽くするハイブリッド建設機械の駆動制御装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に於ける駆動制御装置に関し、特にエンジンにより駆動される油圧ポンプを駆動源とした駆動と、電動機を駆動源とした駆動の、２つの駆動方式で駆動可能なハイブリッド建設機械の駆動制御装置に関するものである。

近年、排気ガスや騒音等の作業環境を改善した建設機械が種々提案されている。その一つに、電動・発電機によりエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせて、効率的な運転を行い、燃料消費量の低減化、エンジン騒音の低減化、排ガス量の低減化を可能にした建設機械又は油圧作業機における油圧駆動装置が知られている。この油圧駆動装置は、油圧ポンプとの間でトルク伝達を可逆的に行う発電機を兼ねる電動機と、この電動機との間で電気エネルギーの受け渡しを行う蓄電手段とを備え、吸収トルク検出手段により検出された油圧ポンプの吸収トルクと予め定めたトルク設定値を比較し、その結果により発電作動又はアシスト作動に切り換えて燃料消費量の節減及び騒音の低減を図るものである（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２２４３５４号公報。

この特許文献１記載の発明は、検出された吸収トルクが予め定めたトルク設定値よりも小さいときは電動機を発電作動に切り換え、その発電作用により発生した電気エネルギーを蓄電手段に蓄え、一方、検出された吸収トルクが予め定めたトルク設定値よりも大きいときは電動機をアシスト作動に切り換え、蓄電手段に蓄えられた電気エネルギーにより電動機をアシスト駆動するものであるが、電動機は蓄電手段に十分な充電量がない時でもトルクアシスト用として作動される場合があり、蓄電手段の電力が過剰に消費されて、該蓄電手段の負担が大きくなり、寿命を短くしている問題があった。

そこで、蓄電装置の負担を軽くし、該蓄電装置の寿命を向上させることができる構造にす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。

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、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、蓄電を行う蓄電装置と、発電機としての作動と電動機としての作動を選択的に行うことが可能な電動／発電機と、前記油圧ポンプで駆動されて油圧作業部を作動する油圧アクチュエータと、前記蓄電装置の電力で駆動して電動作業部を作動する電動アクチュエータとを備えるハイブリッド建設機械の駆動制御装置に於いて、前記油圧ポンプの吸収トルクを検出する吸収トルク検出手段と、前記蓄電装置の充電量を検出する充電量監視手段と、前記吸収トルク検出手段で検出された吸収トルクが予め定めた設定値よりも小さく、且つ、前記蓄電装置の充電量が予め定めた設定値よりも小さい時に、前記エンジンの余剰トルクで前記電動／発電機を前記発電機として作動させ、前記吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、前記蓄電装置の充電量が予め定めた設定値よりも大きい時に、前記電動／発電機を前記トルクアシスト用電動機として作動させ、前記吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、前記充電量が予め定めた設定値以下の時に、前記油圧ポンプの前記吸収トルクを小さくするための制御を自動的に切り換える制御手段、とを備えたハイブリッド建設機械の駆動制御装置を提供する。

この構成によれば、油圧ポンプの吸収トルクが予め定めた設定値よりも小さく、蓄電装置の充電量が予め定めた設定値よりも小さい時には、エンジンの余剰トルクで電動／発電機を発電機として作動させる。油圧ポンプの吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、蓄電装置の充電量が予め定めた設定値よりも大きい時に、電動／発電機をトルクアシスト用電動機として作動させてエンジンをアシストし、エンジンの負荷を軽減する。又、吸収トルクが予め定めた設定値以上の場合であっても、充電量が予め定めた設定値以下の時は、蓄電装置の電力消耗を防ぐために、電動／発電機をトルクアシスト用電動機として作動させずに、代わりに、油圧ポンプの吸収トルクを小さくして運転する。これらの切り換え制御により、蓄電装置の充電量が設定値以下になるのをできるだけ少なくする。

請求項２記載の発明は、上記油圧ポンプの上記吸収トルクを制御する手段として、前記油圧ポンプの斜板角度を可変制御する斜板駆動手段を設けたハイブリッド建設機械の駆動制御装置を提供する。

この構成によれば、傾斜駆動手段が油圧ポンプの斜板角度を小さくすると、油圧ポンプの圧油の吐出流量が減少して油圧ポンプの吸収トルクも小さくなる。

請求項３記載の発明は、上記制御手段は、上記蓄電装置の充電量が予め定められた設定値よりも小さく、且つ、上記油圧ポンプの吸収トルクが予め設定された設定値よりも大きい時に、油圧ポンプの吸収トルクを小さく制御し、上記電動／発電機を発電機として作動させるように切り換えるハイブリッド建設機械の駆動制御装置を提供する。

この構成によれば、蓄電装置の充電量が予め定められた設定値よりも小さく、且つ、油圧ポンプの吸収トルクが予め設定された設定値よりも大きい時に、油圧ポンプの吸収トルクを小さくし、電動／発電機を発電機として作動させて蓄電装置の充電量を増やす。

請求項１記載の発明は、油圧ポンプの吸収トルクが予め定めた設定値以上の場合であっても、充電量が予め定めた設定値以下の時は、電動／発電機をトルクアシスト用電動機として作動させずに、代わりに、油圧ポンプの吸収トルクが小さくなるように制御し、蓄電装置の充電量が設定値以下になるのを少なくして該蓄電装置に於ける負担を軽くしているので、該蓄電装置の寿命を延ばすことができる。一方、油圧ポンプの吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、蓄電装置の充電量が予め定めた設定値よりも大きい時に、電動／発電機をトルクアシスト用電動機として作動させてエンジンをアシストし、エンジンの負荷を軽減するので、燃費の向上を図ることができる。

請求項２記載の発明は、傾斜駆動手段が油圧ポンプの斜板角度を可変させて油圧ポンプの吸収トルクを制御するので、請求項１記載の発明の効果に加えて、油圧ポンプの吸収トルクの制御を簡単に行うことができる。

請求項３記載の発明は、蓄電装置の充電量が予め定められた設定値よりも小さく、且つ、油圧ポンプの吸収トルクが予め設定された設定値よりも大きい時に、油圧ポンプの吸収トルクを小さくし、電動／発電機を発電機として作動させて蓄電装置の充電量を増やすので、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、蓄電装置の充電量を常に一定に近い状態に制御して該蓄電装置の寿命を延ばすことができる。

蓄電装置の負担を軽くし、該蓄電装置の寿命を向上させるという目的を達成するために、吸収トルク検出手段で検出された油圧ポンプの吸収トルクが予め定めた設定値よりも小さい時に、エンジンの余剰トルクで電動／発電機を発電機として作動させ、前記吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、蓄電装置の充電量が予め定めた設定値よりも大きい時に、前記電動／発電機をエンジンアシスト用の電動機として作動させ、前記吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、前記充電量が予め定めた設定値以下の時に、前記油圧ポンプの前記吸収トルクを小さくするための制御を自動的に切り換えるコントローラを設けて蓄電装置の消耗を防ぐようにしたハイブリッド建設機械の駆動制御装置を提供する。

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。

図２は図１に示した油圧ショベルに係わる駆動制御装置の概略構成を示すブロック回路図である。図２に於いて、本実施の形態に係わる駆動制御装置は、油圧ショベル１０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した電動／発電機２２及び油圧ポンプ２３と、制御手段としてのコントローラ２４と、蓄電装置２５と、該蓄電装置２５に蓄電されている電力で駆動し油圧ショベルの電動作業部を駆動する電動アクチュエータとしての電動機２６と、該電動機２６と蓄電装置２５との電力授受の制御を行う電動機制御部としてのインバータ２７と、電動／発電機２２と蓄電装置２５との電力授受の制御を行う電動／発電機制御部としてのインバータ２８と、蓄電装置２５の充電状態を検出するセンサである充電量監視手段２９と、油圧ポンプ２３から吐出される圧油の吐出流量を制御するコントロールバルブ３０と、該油圧ポンプ２３からの圧油で駆動されて油圧ショベルの油圧作業部を作動する油圧作業部用のアクチュエータ３１と、油圧ポンプ２３の吸収トルクを検出する吸収トルク検出手段３３と、油圧ポンプ２３の斜板２３ａの斜板角度を変更して押しのけ容量（吸収トルク）を制御するための斜板駆動装置３２とを備えている。

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る。前記電動／発電機２２は、該エンジン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蓄電装置２５に蓄える発電機としての機能と、蓄電装置２５からの電気エネルギーを受け取り、この受け取った電気エネルギーで回転して機械エネルギーに変換し、この回転でエンジン２１をアシストする電動機としての機能とを有し、電動機と発電機を１つのハウジング内に収納させた構造になっている。

前記コントローラ２４は、マイクロコンピュータ(通称「マイコン」)であり、装置全体の動作を予め決められた手順に従って制御するもので、例えば、充電量監視手段２９で検出した蓄電装置２５の充電状態、及び、吸収トルク検出手段３３で検出した油圧ポンプ２３の吸収トルク状態により、電動／発電機２２を電動機として機能させる電動機態様として作動させるか、或いは、発電機として機能させる発電機態様として作動させるかの判断をし、その切り換え指令をインバータ２８に出力する。又、コントローラ２４は、充電量監視手段２９で検出した蓄電装置２５の充電状態、及び、吸収トルク検出手段３３で検出した油圧ポンプ２３の吸収トルク状態により、斜板２３ａの斜板角度の変更を必要とする場合は、その指令信号を斜板駆動装置３２に出力する。尚、斜板２３ａは、斜板角度を小さくすると油圧ポンプ２３の油圧の吐出流量が減少して、油圧ポンプ２３の吸収トルクも小さくなるように構成されている。

このように構成された駆動制御装置は、装置全体がコントローラ２４によって制御される。そして、油圧アクチュエータ３１は、油圧ポンプ２３からの圧油で駆動されて油圧系の作業部を作動する。一方、電動作業部用のアクチュエータである電動機２６は、蓄電装置２５に蓄えられている電力(電気エネルギー)で駆動されて電動系の作業部を作動させる。

図３はコントローラ２４に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に示した駆動制御装置の動作を次に説明する。

コントローラ２４には、充電量監視手段２９から蓄電装置２５の充電量Ｅ1の情報が逐次入力され、吸収トルク検出手段３３から油圧ポンプ２３の吸収トルクＴ1の情報が逐次入力される。ステップＳ１では油圧ポンプ２３の吸収トルクＴ1が予め定めた設定値Ｔsよりも小さい時は、ステップＳ２に移行し、蓄電装置２５の充電量Ｅ１が予め定めた設定値Ｅs1より小さい時は、インバータ２８を介して電動／発電機２２を発電機態様に切り換え、エンジン２１の余剰トルクで電動／発電機２２を回転させて発電をし、ここで発電された電気エネルギーを蓄電装置２５に電力として蓄える（ステップＳ３）。そして、蓄電装置２５の充電量Ｅ１が予め定めた設定値Ｅs1以上の場合には、ステップＳ１に戻る。

反対に、油圧ポンプ２３の吸収トルクＴ1が予め定めた設定値Ｔs以上の時はステップＳ４に移行し、ステップＳ４で蓄電装置２５の充電量Ｅ1を予め定めた設定値Ｅs2と比較する。ここで、充電量Ｅ1が設定値Ｅs2よりも大きい時はステップＳ５に移行し、インバータ２８を介して電動／発電機２２を電動機態様に切り換える。そして、蓄電装置２５に蓄えられている電力で電動／発電機２２を電動機として回転駆動させ、この電動／発電機２２の回転駆動力でエンジン２１のアシストを行う。又、ステップＳ５からは再びステップＳ1に戻って、同じ処理を繰り返す。

一方、ステップＳ４で、蓄電装置２５の充電量Ｅ1が設定値Ｅs2以下の時は、ステップＳ６に移行し、斜板駆動装置３２を介して油圧ポンプ２３の斜板角度を変更し、油圧ポンプ２３の吸収トルクＴ1が小さくなるように制御する。この制御で、油圧ポンプ２３の吸収トルクＴ1が徐々に小さくなって負荷が軽減され、吸収トルクＴ1が予め定めた設定値Ｔsよりも小さくなると、次の処理ではステップＳ１を経てステップＳ２に移行し、電動／発電機２２が発電機態様に切り換えられて、エンジン２１の余剰トルクで蓄電装置２５に充電を行うことになる。そして、再びステップＳ1に戻って同じ処理を繰り返す。

従って、本実施の形態に於ける駆動制御装置によれば、油圧ポンプ２３の吸収トルクＴ1が予め定めた設定値Ｔs以上の場合であっても、充電量Ｅ1が予め定めた設定値Ｅs2以下の時は、電動／発電機２２をトルクアシスト用電動機として作動させずに、代わりに、斜板駆動装置３２を介して斜板２３ａの斜板角度を小さくなる方向に操作し、この操作で油圧ポンプ２３の吸収トルクＴ1を設定値Ｔsよりも小さくして発電を行わせ、この発電で蓄電装置２５の充電量Ｅ1が設定値Ｅs2以下になるのを少なくして該蓄電装置２５の負担を軽くしているので、該蓄電装置２５の寿命を延ばすことができる。一方、油圧ポンプの吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、蓄電装置２５の充電量Ｅ1が予め定めた設定値Ｅsよりも大きい時に、電動／発電機２２をトルクアシスト用電動機として作動させてエンジン２１をアシストし、該エンジン２１の負荷を軽減するので、燃費の向上を図ることができる。又、その切り換え操作をコントローラ２４が予め設定された手順に従って自動的に行うので、切り換え操作を簡単、且つ、適正に行うことができる。

更に、油圧ポンプ２３の吸収トルクを制御する手段として斜板駆動装置３２を使用し、該斜板駆動装置３２で油圧ポンプ２３の斜板２３ａを作動させて吸収トルクＴ1を制御するようにしているので、吸収トルクの制御を簡単に行うことができる。

尚、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。

本発明に係る建設機械の駆動制御装置を適用した油圧ショベルの全体構成図。 同上油圧ショベルに於ける駆動制御装置の概略構成を示すブロック回路図。 同上駆動制御装置の制御手段に於ける制御手順の一例を示すフローチャート。

符号の説明

２１ エンジン
２２ 電動／発電機
２３ 油圧ポンプ
２３ａ 斜板
２４ コントローラ（制御手段）
２５ 蓄電装置
２６ 電動機(電動アクチュエータ)
２７ インバータ（電動機制御部）
２８ インバータ（電動／発電機制御部）
２９ 充電量監視手段
３０ コントロールバルブ
３１ アクチュエータ(油圧アクチュエータ)
３２ 斜板駆動装置
３３ 吸収トルク検出手段

Claims (3)

1. エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、蓄電を行う蓄電装置と、発電機としての作動と電動機としての作動を選択的に行うことが可能な電動／発電機と、前記油圧ポンプで駆動されて油圧作業部を作動する油圧アクチュエータと、前記蓄電装置の電力で駆動して電動作業部を作動する電動アクチュエータとを備えるハイブリッド建設機械の駆動制御装置に於いて、
   前記油圧ポンプの吸収トルクを検出する吸収トルク検出手段と、
   前記蓄電装置の充電量を検出する充電量監視手段と、
   前記吸収トルク検出手段で検出された吸収トルクが予め定めた設定値よりも小さく、且つ、前記蓄電装置の充電量が予め定めた設定値より小さい時に、前記エンジンの余剰トルクで前記電動／発電機を前記発電機として作動させ、前記吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、前記蓄電装置の充電量が予め定めた設定値よりも大きい時に、前記電動／発電機を前記トルクアシスト用電動機として作動させ、前記吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、前記充電量が予め定めた設定値以下の時に、前記油圧ポンプの前記吸収トルクを小さくするように自動的に切り換える制御手段、
   とを備えたことを特徴とするハイブリッド建設機械の駆動制御装置。
2. 上記油圧ポンプの上記吸収トルクを制御する手段として、前記油圧ポンプの斜板角度を可変制御する斜板駆動手段を設けた請求項１記載のハイブリッド建設機械の駆動制御装置。
3. 上記制御手段は、上記油圧ポンプの吸収トルクが予め定めた設定値以上で、且つ、上記蓄電装置の充電量が予め定められた設定値よりも小さい時に、前記油圧ポンプの吸収トルクを小さく制御し、上記電動／発電機を発電機として作動させるように切り換える請求項１又は２記載のハイブリッド建設機械の駆動制御装置。

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