JP2010077727A - ハイブリッド型建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス規制に対応した車両用のディーゼルエンジンを二機搭載したハイブリッド型建設機械を提供することを課題とする。
【解決手段】油圧駆動作業要素の駆動に必要な油圧を発生する第１油圧ポンプ及び第２油圧ポンプをそれぞれ駆動するための第１内燃機関及び第２内燃機関と、前記第１油圧ポンプに同軸接続される第１電動発電機と、前記第２油圧ポンプに同軸接続される第２電動発電機と、上部旋回体を旋回させる旋回機構を駆動するための旋回用電動機と、前記第１電動発電機、前記第２電動発電機、又は前記旋回用電動機に供給するための電力を蓄積するとともに、前記第１電動発電機、前記第２電動発電機、又は前記旋回用電動機によって発電された電力を充電する蓄電器とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、動力源としてエンジンの他に電動機を含むハイブリッド型建設機械に関する。

従来より、上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源として電動機を備えるハイブリッド型建設機械が提案されている。このようなハイブリッド型建設機械では、電動機の力行運転で旋回機構を加速（駆動）するとともに、旋回機構を減速（制動）する際に回生運転を行い、発電される電力をバッテリに充電している（例えば、特許文献１参照）。また、この特許文献１に記載されたハイブリッド型建設機械は、旋回機構以外の駆動機構を油圧で駆動するために油圧ポンプを備えるが、この油圧ポンプを駆動するためのエンジンに増速機を介して発電機を接続し、発電で得る電力をバッテリの充電と旋回機構の電動機の駆動に用いている。
特開平２００４−０３６３０３号公報

ところで、大型のディーゼルエンジンを排気ガス規制に対応させるためには、例えば、燃料噴射装置や排気ガスを浄化する触媒装置等の改良が必要であり、エンジン自体及び周辺装置を大幅に改良する必要があるため、車両用のディーゼルエンジンよりも生産台数の少ない大型のディーゼルエンジンでは、技術的なことに加えてコスト面からも対応が困難であるという課題があった。

そこで、本発明は、排気ガス規制に対応した車両用のディーゼルエンジンを二機搭載したハイブリッド型建設機械を提供することを目的とする。

本発明の一局面のハイブリッド型建設機械は、油圧駆動作業要素の駆動に必要な油圧を発生する第１油圧ポンプ及び第２油圧ポンプをそれぞれ駆動するための第１内燃機関及び第２内燃機関と、前記第１油圧ポンプに同軸接続される第１電動発電機と、前記第２油圧ポンプに同軸接続される第２電動発電機と、上部旋回体を旋回させる旋回機構を駆動するための旋回用電動機と、前記第１電動発電機、前記第２電動発電機、又は前記旋回用電動機に供給するための電力を蓄積するとともに、前記第１電動発電機、前記第２電動発電機、又は前記旋回用電動機によって発電された電力を充電する蓄電器とを含む。

また、前記第１エンジン及び前記第２エンジンは、車両用のディーゼルエンジンであってもよい。

また、前記第１エンジン及び前記第２エンジンは、Tier4以上の排気ガス規制に適合したエンジンであってもよい。

本発明によれば、排気ガス規制に対応した車両用のディーゼルエンジンを二機搭載したハイブリッド型建設機械を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明のハイブリッド型建設機械を適用した実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態のハイブリッド型建設機械を示す側面図である。

この建設機械の下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。また、上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に加えて、キャビン１０及び動力源が搭載される。

［全体構成］
図２は、本実施の形態のハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。この図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。

本実施の形態のハイブリッド型建設機械は、機械式駆動部として２つのエンジン１１Ａ及び１１Ｂを備える。これらのエンジン１１Ａ及び１１Ｂは、従来のハイブリッド型建設機械のエンジンよりも小型化されており、例えば、Tier4以上の排気ガス規制に適合した排気量２０００ｃｃ程度の乗用車用のディーゼルターボエンジンを用いることができる。

また、本実施の形態のハイブリッド型建設機械は、２つのエンジン１１Ａ及び１１Ｂを含むことに対応して動力系統が２系統に分かれている。

機械式駆動部としてのエンジン１１Ａと、アシスト駆動部としての電動発電機１２Ａは、ともに増力機としての減速機１３Ａの入力軸に接続されている。また、この減速機１３Ａの出力軸には、メインポンプ１４Ａ及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４Ａには、高圧油圧ライン１６Ａを介してコントロールバルブ１７が接続されている。

同様に、機械式駆動部としてのエンジン１１Ｂと、アシスト駆動部としての電動発電機１２Ｂは、ともに増力機としての減速機１３Ｂの入力軸に接続されている。また、この減速機１３Ｂの出力軸には、メインポンプ１４Ｂが接続されている。メインポンプ１４Ｂには、高圧油圧ライン１６Ｂを介してコントロールバルブ１７が接続されている。

なお、高圧油圧ライン１６Ａ、１６Ｂには、メインポンプ１４Ａ、１４Ｂから出力される圧油の油圧を検出する油圧センサ１４ａ、１４ｂが配設されている。

このように、本実施の形態のハイブリッド型建設機械は、エンジン１１Ａ、電動発電機１２Ａ、減速機１３Ａ、及びメインポンプ１４Ａを含む動力系統と、エンジン１１Ｂ、電動発電機１２Ｂ、減速機１３Ｂ、及びメインポンプ１４Ｂを含む動力系統との２つの動力系統を含み、パイロットポンプ１５は一方の動力系統に含まれる減速機１３Ａの出力軸に接続されている。また、コントロールバルブ１７には、両方の動力系統に含まれるメインポンプ１４Ａ及び１４Ｂで生成される圧油が供給される。

コントロールバルブ１７は、本実施の形態のハイブリッド型建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。

また、電動発電機１２Ａ及び電動発電機１２Ｂは、それぞれ、インバータ１８Ａ及び１８Ｂを介してバッテリ１９に接続されている。このバッテリ１９には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。

旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。

操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、本実施の形態の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

このような本実施の形態の建設機械は、エンジン１１Ａ、１１Ｂ、電動発電機１２Ａ、１２Ｂ、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

［各部の構成］
エンジン１１Ａ及び１１Ｂは、例えば、Tier4以上の排気ガス規制に適合した排気量２２００ｃｃのディーゼルターボエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は、それぞれ、減速機１３Ａ及び１３Ｂの一方の入力軸に接続される。このエンジン１１Ａ及び１１Ｂは、同一のものであってよく、建設機械の運転中は常時運転される。

電動発電機１２Ａ及び１２Ｂは、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂとして、インバータ１８Ａ及び１８Ｂによって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２Ａ及び１２Ｂは、同一のものであってよく、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２Ａ及び１２Ｂの回転軸は、それぞれ、減速機１３Ａ及び１３Ｂの他方の入力軸に接続される。

減速機１３Ａ及び１３Ｂは、同一のものであってよく、それぞれ、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１Ａ及び１１Ｂの駆動軸と電動発電機１２Ａ及び１２Ｂの駆動軸がそれぞれ接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４Ａ及び１４Ｂの駆動軸が接続される。エンジン１１Ａ及び１１Ｂの負荷が大きい場合には、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂが力行運転を行い、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂの駆動力が減速機１３Ａ及び１３Ｂの出力軸を経て、それぞれ、メインポンプ１４Ａ及び１４Ｂに伝達される。これによりエンジン１１Ａ及び１１Ｂの駆動がアシストされる。一方、エンジン１１Ａ及び１１Ｂの負荷が小さい場合は、エンジン１１Ａ及び１１Ｂの駆動力が減速機１３Ａ及び１３Ｂを経て電動発電機１２Ａ及び１２Ｂにそれぞれ伝達されることにより、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂが回生運転による発電を行う。電動発電機１２Ａ及び１２Ｂの力行運転と回生運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１Ａ及び１２Ｂの負荷等に応じて行われる。

メインポンプ１４Ａ及び１４Ｂは、ともにコントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生するポンプである。この油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々を駆動するために供給される。なお、メインポンプ１４Ａ及び１４Ｂは、同一のものである。

パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８Ａは、電動発電機１２Ａの力行運転に必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２Ａに供給するとともに、電動発電機１２Ａの回生運転によって発電された電力をバッテリ１９に充電するために電動発電機１２Ａとバッテリ１９との間に設けられたインバータである。

同様に、インバータ１８Ｂは、電動発電機１２Ｂの力行運転に必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２Ｂに供給するとともに、電動発電機１２Ｂの回生運転によって発電された電力をバッテリ１９に充電するために電動発電機１２Ｂとバッテリ１９との間に設けられたインバータである。

バッテリ１９は、インバータ１８Ａ及び１８Ｂとインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂ、又は旋回用電動機２１の少なくともどちらかが力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらかが回生運転を行っている際には、回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギーとして蓄積するための電源である。

インバータ２０は、旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータが旋回用電動機２１の力行運転を制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力をバッテリ１９へ充電する。

旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。

なお、バッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂの運転状態（力行運転又は回生運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構２の回転角度及び回転方向が導出される。

メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。

旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構２に機械的に伝達する減速機である。

旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

操作装置２６は、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

この操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。

レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダの駆動に必要な油圧をコントロールバルブに供給する。

圧力センサ２９では、レバー２６Ａ、２６Ｂ、及びペダル２６Ｃの操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化が圧力センサ２９で検出される。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号には、レバー２６Ａに入力される旋回用電動機２１及びアーム５の操作内容（操作方向及び操作量）を表す信号、レバー２６Ｂに入力されるブーム４及びバケット６の操作内容（操作方向及び操作量）を表す信号、及び、ペダル２６Ｃに入力される下部走行体１の操作内容（操作方向及び操作量）を表す信号が含まれ、すべてコントローラ３０に入力される。

［コントローラ３０］
コントローラ３０は、本実施の形態の建設機械の駆動制御を行う制御装置であり、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０を含む。このコントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０は、コントローラ３０のＣＰＵが内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することにより、
実現される装置である。

速度指令変換部３１は、圧力センサ２９から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー２６Ａの操作量は、旋回用電動機２１を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。この速度指令は、駆動制御装置３２及び旋回駆動制御装置４０に入力される。なお、この速度指令変換部３１で用いる変換特性については、図３を用いて説明する。

駆動制御装置３２は、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂの運転制御（力行運転又は回生運転の切り替え）、及び、バッテリ１９の充放電制御を行うための制御装置である。この駆動制御装置３２は、エンジン１１Ａ及び１１Ｂの負荷の状態とバッテリ１９の充電状態に応じて、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂの力行運転と回生運転を切り替える。駆動制御装置３２は、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂの力行運転と回生運転を切り替えることにより、インバータ１８Ａ及び１８Ｂを介してバッテリ１９の充放電制御を行う。また、駆動制御装置３２には、油圧センサ１４ａ、１４ｂで検出される油圧を表す電気信号が入力されるとともに、バッテリ１９の充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）、劣化度合（ＳＯＨ：State Of Health）、及び温度を表す電気信号が入力される。

なお、コントローラ３０は、エンジン１１Ａと１１Ｂの回転数、油圧ポンプ１４Ａと１４Ｂの圧力、インバータ２０から入力される旋回用電動機２１の要求出力、及び、バッテリ１９のＳＯＣ、ＳＯＨ、温度に基づき、油圧ポンプ１４Ａ、１４Ｂ、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、及びインバータ２０の各々で利用可能な出力の配分（出力配分処理）を行う。この出力配分処理については後述する。

［操作量／速度指令の変換特性］
図３は、本実施の形態のハイブリッド型建設機械の速度指令変換部３１において操作レバー２６Ａの操作量を速度指令（上部旋回体３を旋回させるために旋回用電動機２１を回転させるための速度指令）に変換する変換特性を示す図である。この変換特性は、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、不感帯領域、零速度指令領域（左旋回用及び右旋回用）、左方向旋回駆動領域、及び右方向旋回駆動領域の５つの領域に区分される。

ここで、本実施の形態の建設機械の制御系では、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａが反時計回りに回転する回転方向を「正転」と称し、正転方向の駆動を表す制御量に正の符号を付す。一方、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａが時計回りに回転する回転方向を「逆転」と称し、逆転方向の駆動を表す制御量に負の符号を付す。正転は、上部旋回体３の右方向への旋回に対応し、逆転は、上部旋回体の左方向への旋回に対応する。

［不感帯領域］
この変換特性に示すように、不感帯領域は、レバー２６Ａの中立点付近に設けられている。この不感帯領域では、速度指令変換部３１から速度指令は出力されず、旋回駆動制御装置４０による旋回用電動機２１の駆動制御は行われない。また、不感帯領域では、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止された状態となる。

従って、レバー２６Ａの操作量が不感帯領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止され、これにより、上部旋回体３が機械的に停止された状態となる。

［零速度指令領域］
零速度指令領域は、レバー２６Ａの操作方向における不感帯領域の両外側に設けられている。この零速度指令領域は、不感帯領域における上部旋回体３の停止状態と、左右方向の旋回駆動領域における旋回状態とを切り替える際に操作性を良くするために設けられる緩衝領域である。

操作レバー２６Ａの操作量がこの零速度指令領域の範囲内にあるときは、速度指令変換部３１から零速度指令が出力され、メカニカルブレーキ２３は解除された状態となる。

ここで、零速度指令とは、上部旋回体３の旋回速度を零にするために、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を零にするための速度指令であり、後述するＰＩ(Proportional Integral)制御では、回転軸２１Ａの回転速度を零に近づけるための目標値として用いられる。

なお、メカニカルブレーキ２３の制動（オン）／解除（オフ）の切り替えは、不感帯領域と零速度指令領域の境界においてコントローラ３０内の旋回駆動制御装置４０によって行われる。

従って、レバー２６Ａの操作量が零速度指令領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３は解除され、零速度指令により、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａは停止状態に保持される。これにより、上部旋回体３は旋回駆動されずに停止状態に保持される。

［左方向旋回駆動領域］
左方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を左方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域である。

この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が左方向に旋回駆動される。

なお、上部旋回体３の旋回速度をある一定以下に制限するために、左方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

［右方向旋回駆動領域］
右方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を右方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域である。

この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が右方向に旋回駆動される。

なお、左方向旋回駆動領域と同様に、右方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

［旋回駆動制御装置４０］
図４は、本実施の形態のハイブリッド型建設機械の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。

旋回駆動制御装置４０は、インバータ２０を介して旋回用電動機２１の駆動制御を行うための制御装置であり、旋回用電動機２１を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成部５０、及び主制御部６０を含む。

駆動指令生成部５０には、レバー２６Ａの操作量に応じて速度指令変換部３１から出力される速度指令が入力され、この駆動指令生成部５０は速度指令に基づき駆動指令を生成する。駆動指令生成部５０から出力される駆動指令はインバータ２０に入力され、このインバータ２０によって旋回用電動機２１がＰＷＭ制御信号により交流駆動される。

主制御部６０は、旋回駆動制御装置４０の制御処理に必要な周辺処理を行う制御部である。具体的な処理内容については、関連箇所においてその都度説明する。

なお、旋回駆動制御装置４０は、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、旋回用電動機２１を駆動制御する際に、力行運転と回生運転の切り替え制御を行うと共に、インバータ２０を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

［駆動指令生成部５０］
駆動指令生成部５０は、減算器５１、ＰＩ制御部５２、トルク制限部５３、トルク制限部５４、減算器５５、ＰＩ制御部５６、電流変換部５７、及び旋回動作検出部５８を含む。この駆動指令生成部５０の減算器５１には、レバー２６Ａの操作量に応じた旋回駆動用の速度指令(rad/s)が入力される。

減算器５１は、レバー２６Ａの操作量に応じた速度指令の値（以下、速度指令値）から、旋回動作検出部５８によって検出される旋回用電動機２１の回転速度(rad/s)を減算して偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５２において、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５２は、減算器５１から入力される偏差に基づき、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるように（すなわち、この偏差を小さくするように）ＰＩ制御を行い、そのために必要なトルク電流指令を演算する。生成されたトルク電流指令は、トルク制限部５３に入力される。

トルク制限部５３は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令の値（以下、トルク電流指令値）を制限する処理と、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令値が旋回用電動機２１の許容最大トルク値以下となるように、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令値を制限する処理との２種類の制限処理を行う。

レバー２６Ａの操作量に応じた制限処理は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令値の許容値が緩やかに増大する制限特性に基づいて行われる。このようなトルク電流指令値の制限は、ＰＩ制御部５２によって演算されるトルク電流指令値が急激に増大すると制御性が悪化するため、これを抑制するために行われる。

この制限特性は、レバー２６Ａの操作量の増大に伴ってトルク電流指令値の許容値（の絶対値）を緩やかに増大させる特性を有し、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向を制限するための特性を有するものである。制限特性を表すデータは、主制御部６０の内部メモリに格納されており、主制御部６０のＣＰＵによって読み出され、トルク制限部５３に入力される。

また、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令値によって生じるトルクが旋回用電動機２１の許容最大トルク値以下となるようにトルク電流指令値を制限する処理では、トルク制限部５３においてトルク電流指令値を制限するための上限値（右旋回用の最大値）及び下限値（左旋回用の最小値）によってトルク電流指令値の制限が行われても、バケット６が積み上げられた土砂等に触れて旋回用電動機２１の負荷が大きい状態でも、旋回用電動機２１を駆動させるための駆動トルクを発生できるような値に設定されている。

なお、トルク電流指令値を制限するための特性を表すデータは、主制御部６０の内部メモリに格納されており、主制御部６０のＣＰＵによって読み出され、トルク制限部５３に入力される。

トルク制限部５４は、後述する出力配分を行う際に、旋回用電動発電機２１を駆動するためのトルク電流指令の値を制限する処理を行う。この処理は、コントローラ３０によって後述する出力配分演算が行われ、その配分結果に基づき、主制御部６０がトルク制限部５４の許容値を変更することによって実現される。

減算器５５は、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値から、電流変換部５７の出力値を減算して得る偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５６及び電流変換部５７を含むフィードバックループにおいて、電流変換部５７から出力される旋回用電動機２１の駆動トルクを、トルク制限部５４を介して入力されるトルク電流指令値（目標値）によって表されるトルクに近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５６は、減算器５５から入力される偏差に基づき、この偏差を小さくするようにＰＩ制御を行い、インバータ２０に送る最終的な駆動指令となる電圧指令を生成する。インバータ２０は、ＰＩ制御部５６から入力される電圧指令に基づき、旋回用電動機２１をＰＷＭ駆動する。

電流変換部５７は、旋回用電動機２１のモータ電流を検出し、これをトルク電流指令に相当する値に変換し、減算器５５に入力する。

旋回動作検出部５８は、レゾルバ２２によって検出される旋回用電動機２１の回転位置の変化（すなわち上部旋回体３の旋回）を検出するとともに、回転位置の時間的な変化から旋回用電動機２１の回転速度を微分演算によって導出する。導出された回転速度を表すデータは、減算器５１及び主制御部６０に入力される。

このような構成の駆動指令生成部５０において、速度指令変換部３１から入力される速度指令に基づき、旋回用電動機２１を駆動するためのトルク電流指令が生成され、上部旋回体３が所望の位置まで旋回される。

図５は、本実施の形態のハイブリッド型建設機械のコントローラ３０によって実行される出力配分処理を説明するための概念図である。

コントローラ３０は、図２で説明した速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０に加え、出力配分演算部３０Ａ、油圧ポンプ要求出力演算部３０Ｂ及び３０Ｃを含む。なお、出力配分処理には速度指令値を用いないため、図５では速度指令変換部３１を省略する。

出力配分演算部３０Ａには、圧力センサ２９で検出されるレバー２６Ａ、２６Ｂ、及びペダル２６Ｃの操作量を表す電気信号、油圧ポンプ要求出力演算部３０Ｂ及び３０Ｃで演算される油圧ポンプ１４Ａ及び１４Ｂで必要な出力を表す電気信号、旋回駆動制御装置４０で演算される旋回用電動機２１Ａの駆動に必要な出力を表す電気信号、駆動制御装置３２で検出されるバッテリ１９の最大出力を表す電気信号、及び、エンジン１１Ａ、１１Ｂの回転数を表す電気信号が入力される。

ここで、バッテリ１９の最大出力は、充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）、劣化度合（ＳＯＨ：State Of Health）、及び温度に基づいて駆動制御装置３２で演算される。

また、油圧ポンプ１４Ａ及び１４Ｂで必要な出力は、油圧ポンプ要求出力演算部３０Ｂ及び３０Ｃにおいて、油圧センサ１４ａと１４ｂで検出される油圧と、油圧ポンプ１４Ａと１４Ｂの回転数とを用いて油圧ポンプ１４Ａと１４Ｂの圧力−流量特性（Ｐ−Ｑ特性）に基づいて演算される。

出力配分演算部３０Ａは、入力される電気信号に基づき、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、油圧ポンプ１４Ａ、１４Ｂ、及び、インバータ２０の各々で利用しうる出力の配分を演算する。出力配分演算部３０Ａに入力されるすべての電気信号は、出力配分処理に必要なパラメータであり、これらのパラメータに基づいて出力の配分が行われる。

出力の配分を行う際には、次式（１）が成立するように演算処理が行われる。

ＥＧ出力Ａ＋ＥＧ出力Ｂ＋ＢＡＴ出力≧Ｐ出力Ａ＋Ｐ出力Ｂ＋旋回出力 ・・・（１）
ここで、「ＥＧ出力Ａ」はエンジン１１Ａの出力（Ｗ）であり、エンジン１１Ａの回転数に基づいて導出される。同様に、「ＥＧ出力Ｂ」はエンジン１１Ｂの出力（Ｗ）であり、エンジン１１Ｂの回転数に基づいて導出される。「ＢＡＴ出力」はバッテリ１９の最大出力（Ｗ）であり、ＳＯＣ、ＳＯＨ、及び温度に基づいて導出される。

また、「Ｐ出力Ａ」は油圧ポンプ１４Ａの出力であり、油圧センサ１４ａで検出される油圧と、油圧ポンプ１４Ａの回転数とを用いて油圧ポンプ１４Ａの圧力−流量特性に基づいて演算される。同様に、「Ｐ出力Ｂ」は油圧ポンプ１４Ｂの出力であり、油圧センサ１４ｂで検出される油圧と、油圧ポンプ１４Ｂの回転数とを用いて油圧ポンプ１４Ｂの圧力−流量特性に基づいて演算される。また、「旋回出力」は、旋回用電動機２１を駆動するための出力であり、この「旋回出力」に相当するトルク電流指令値が図４に示すトルク制限部５４の許容値として設定される。この許容値の設定はコントローラ３０内の主制御部６０によって行われる。

このように、本実施の形態のハイブリッド型作業機械では、（１）式が成り立つように出力の配分が行われる。

油圧ポンプ１４Ａ及び１４Ｂへの出力の配分は、（１）式を満たす「Ｐ出力Ａ」及び「Ｐ出力Ｂ」の値に基づき、油圧ポンプ１４Ａ及び１４Ｂの馬力（Ｗ＝吐出圧力（Ｐ）×吐出流量（Ｑ））を制限するための馬力制御部の制御が行われることにより、その出力が「Ｐ出力Ａ」及び「Ｐ出力Ｂ」に設定される。なお、馬力制御部の制御は電磁比例減圧弁によって行われる。

また、旋回用電動機２１については、（１）式を満たす「旋回出力」に相当するトルク電流指令値が図４に示すトルク制限部５４の許容値として設定される。

以上、本実施の形態によれば、動力系統を２つに分割し、それぞれの動力系統にTier4以上の排気ガス規制に適合した排気量２２００ｃｃの乗用車用のディーゼルターボエンジン１１Ａ及び１１Ｂと、電動発電機１２Ａ及び１２Ｂを有するので、７０トン級のような大型のハイブリッド型建設機械であっても、十分な出力を確保することができるとともに、市販の車両用のディーゼルターボエンジンを用いることにより、低コストで低公害のハイブリッド型建設機械を提供することができる。

以上では、旋回用電動機２１がインバータ２０によってＰＷＭ駆動される交流モータであり、その回転速度を検出するために、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５８を用いる形態について説明したが、旋回用電動機２１は直流モータであってもよい。この場合は、インバータ２０、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５８が不要となり、回転速度としては直流モータのタコジェネレータで検出される値を用いればよい。

また、高負荷時に旋回用電動機２１を駆動するための最終的なトルク電流値を増大させるために、トルク制限部５４のトルク許容値を絶対値で短時間定格トルクにまで増大させる形態について説明したが、旋回駆動制御装置及び建設機械の仕様等に応じて、連続定格トルクに対応するトルク許容値よりも大きく、かつ、短時間定格トルクに対応するトルク許容値以下の任意の値に設定してもよい。

また、以上では、トルク電流指令の演算にＰＩ制御を用いる形態について説明したが、これに代えて、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御等を用いてもよい。

また、以上では、ハイブリッド型の建設機械を用いて説明したが、旋回機構が電動化されている建設機械であれば、本実施の形態の旋回駆動装置の適用対象は、バイブリッド型に限定されるものではない。

以上、本発明の例示的な実施の形態のハイブリッド型建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本実施の形態のハイブリッド型建設機械を示す側面図である。 、本実施の形態のハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。 本実施の形態のハイブリッド型建設機械の速度指令変換部３１において操作レバー２６Ａの操作量を速度指令（上部旋回体３を旋回させるために旋回用電動機２１を回転させるための速度指令）に変換する変換特性を示す図である。 本実施の形態のハイブリッド型建設機械の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。 本実施の形態のハイブリッド型建設機械のコントローラ３０によって実行される出力配分処理を説明するための概念図である。

符号の説明

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１Ａ、１１Ｂ エンジン
１２Ａ、１２Ｂ 電動発電機
１３Ａ、１３Ｂ 減速機
１４Ａ、１４Ｂ メインポンプ
１４ａ、１４ｂ 油圧センサ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８Ａ、１８Ｂ インバータ
１９ バッテリ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
３１ 速度指令変換部
３２ 駆動制御装置
４０ 旋回駆動制御装置
５０ 駆動指令生成部
５１ 減算器
５２ ＰＩ制御部
５３ トルク制限部
５４ トルク制限部
５５ 減算器
５６ ＰＩ制御部
５７ 電流変換部
５８ 旋回動作検出部
６０ 主制御部

Claims (3)

1. 油圧駆動作業要素の駆動に必要な油圧を発生する第１油圧ポンプ及び第２油圧ポンプをそれぞれ駆動するための第１内燃機関及び第２内燃機関と、
   前記第１油圧ポンプに同軸接続される第１電動発電機と、
   前記第２油圧ポンプに同軸接続される第２電動発電機と、
   上部旋回体を旋回させる旋回機構を駆動するための旋回用電動機と、
   前記第１電動発電機、前記第２電動発電機、又は前記旋回用電動機に供給するための電力を蓄積するとともに、前記第１電動発電機、前記第２電動発電機、又は前記旋回用電動機によって発電された電力を充電する蓄電器と
   を含む、ハイブリッド型建設機械。
2. 前記第１エンジン及び前記第２エンジンは、車両用のディーゼルエンジンである、請求項１に記載のハイブリッド型建設機械。
3. 前記第１エンジン及び前記第２エンジンは、Tier4以上の排気ガス規制に適合したエンジンである、請求項２に記載のハイブリッド型建設機械。

Images