JP2010116707A - ハイブリッド型作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】電動発電機又はその駆動制御部に異常が発生した場合においても、バッテリの充電状態を保持し、旋回用の電動機の駆動を確保できるハイブリッド型作業機械を提供する。
【解決手段】機械式駆動部１３により駆動される油圧ポンプ１４と、前記油圧ポンプ１４の駆動をアシストする電動発電機１２と、油圧作業要素を駆動するための油圧駆動部７と、前記油圧ポンプ１４から前記油圧駆動部７への圧油の流れを制御するコントロールバルブ１７と、前記油圧駆動部７から前記コントロールバルブ１７に戻される圧油によって回転される油圧モータ１５０と、前記油圧モータ１５０によって駆動される発電機１６０と、前記電動発電機１２又はその駆動制御系１２０の異常を検出する異常検出部と、前記異常検出部によって異常が検出されると、前記コントロールバルブ１７をバイパスして前記油圧ポンプ１４と前記油圧モータ１５０とを接続するバイパス部１６Ｂとを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動作業要素と油圧作業要素を含むハイブリッド型作業機械に関する。

従来より、駆動機構の一部を電動化したハイブリッド型建設機械が提案されている。このような建設機械は、ブーム、アーム、及びバケット等の作業要素を油圧駆動するための油圧ポンプを備え、この油圧ポンプを駆動するためのエンジンに減速機を介して電動発電機を接続し、電動発電機でエンジンの駆動をアシストするとともに、発電によって得る電力をバッテリに充電している。

また、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油圧モータに加えて電動機を備え、旋回機構の加速時に電動機で油圧モータの駆動をアシストし、旋回機構の減速時に電動機で回生運転を行い、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、ブームを下げるときにブームシリンダからコントロールバルブに戻される圧油で油圧モータを駆動し、この油圧モータで発電機を駆動することにより、エネルギ回生を行うハイブリッド型建設機械もあった（例えば、特許文献２）。
特開平１０−１０３１１２号公報 特開２００２−２４２２３４号公報

ところで、従来のハイブリッド型作業機械では、電動発電機、又はこの電動発電機の駆動制御を行うインバータ等の駆動制御部に異常が発生した場合には、バッテリの充電は旋回用の電動機の回生運転によって行われることになる。

しかしながら、旋回用の電動機は、回生運転によって回収する電力よりも、力行運転によって消費する電力の方が大きいため、電動発電機又はその駆動制御部に異常が生じた場合には、バッテリの充電率が徐々に低下し、これにより旋回用の電動機を駆動することができなくなる可能性があった。

これは、ブームシリンダから戻される圧油で油圧モータを駆動し、これにより発電機を駆動するハイブリッド型作業機械においても、ブームの下降動作を行わない限り発電は行われないため、バッテリの充電率が徐々に低下し、旋回用の電動機を駆動することができなくなる可能性がある点では同様であった。

そこで、本発明は、圧油が油圧作業要素に使用されていない場合に、効率よく発電へ使用することで、バッテリの充電率を十分に確保することができるハイブリッド型作業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作業機械は、機械式駆動部により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプの駆動をアシストする電動発電機と、油圧作業要素を駆動するための油圧駆動部と、前記油圧ポンプから前記油圧駆動部への圧油の流れを制御するコントロールバルブと、前記油圧駆動部から前記コントロールバルブに戻される圧油によって回転される油圧モータと、前記油圧モータによって駆動される発電機と、前記コントロールバルブをバイパスして前記油圧ポンプと前記油圧モータとを接続するバイパス部とを含む。

また、前記油圧駆動部から前記油圧モータを接続する回路と、前記油圧ポンプから前記油圧モータを接続する回路とを切り替える切替部をさらに含んでもよい。

また、前記電動発電機又は前記電動発電機の駆動制御系の異常を検出する異常検出部と、前記異常検出部によって異常が検出されていないときには、前記油圧モータと前記コントロールバルブを接続し、前記異常検出部によって異常が検出されると、前記油圧モータと前記バイパス部を接続する切替部とをさらに含んでもよい。

また、前記油圧駆動部への圧油の出力要求がないときには、前記油圧モータと前記バイパス部とを接続する切替部を含んでもよい。

本発明によれば、圧油が油圧作業要素に使用されていない場合に、効率よく発電へ使用することで、バッテリの充電率を十分に確保することができるハイブリッド型作業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作業機械を適用した実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械を含む建設機械を示す側面図である。

このハイブリッド型作業機械の下部走行体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、実施の形態１のハイブリッド型作業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、高圧油圧ラインを太実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を細実線でそれぞれ示す。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、ともに増力機としての減速機１３の入力軸に接続されている。また、この減速機１３の出力軸には、メインポンプ１４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１４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。

コントロールバルブ１７は、実施の形態１の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、コントロールバルブ１７には、切替弁１３０及び１４０を介して油圧モータ１５０が接続される。切替弁１３０は、入力側がメインポンプ１４とコントロールバルブ１７に接続されており、出力側が切替弁１４０を介して油圧モータ１５０に接続されている。

切替弁１３０は、圧油の供給源をメインポンプ１４又はコントロールバルブ１７で切り替える切替弁である。また、切替弁１４０は、油圧モータ１５０への圧油の供給／非供給を切り替える切替弁である。

なお、メインポンプ１４から切替弁１３０及び１４０を介して油圧モータ１５０に圧油を供給する高圧油圧ライン１６Ｂは、バイパス部を構成する。

油圧モータ１５０の出力軸１５０Ａには発電機１６０が接続されており、油圧モータ１５０が駆動される際に、電力を発電する。発電された電力は、インバータ１７０を介してＤＣバス１１０に供給される。

なお、切替弁１３０、１４０、及びインバータ１７０の駆動制御は、後述する駆動制御部１２０によって行われる。

また、電動発電機１２には、インバータ１８及び蓄電制御部としての昇降圧コンバータ１００を介して蓄電器としてのバッテリ１９が接続される。このインバータ１８と昇降圧コンバータ１００との間は、ＤＣバス１１０によって接続されている。

また、ＤＣバス１１０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。ＤＣバス１１０は、バッテリ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行うために配設されている。

ＤＣバス１１０には、ＤＣバス１１０の電圧値（以下、ＤＣバス電圧値と称す）を検出するためのＤＣバス電圧検出部１１１が配設されている。検出されるＤＣバス電圧値は、コントローラ３０に入力される。なお、バッテリ１９、ＤＣバス１１０と昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１との間で電力の授受を行う蓄電系を構成する。

また、バッテリ１９には、バッテリ電圧値を検出するためのバッテリ電圧検出部１１２と、バッテリ電流値を検出するためのバッテリ電流検出部１１３が配設されている。これらによって検出されるバッテリ電圧値とバッテリ電流値は、コントローラ３０に入力される。

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。旋回用電動機２１、インバータ２０、レゾルバ２２、及び旋回用減速機２４とで負荷駆動系を構成する。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃを含み、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃ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、実施の形態１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。

このような実施の形態１の建設機械は、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型作業機械である。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１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、電動（アシスト）運転及び発電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１２として、インバータ２０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１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。

減速機１３は、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１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が電動（アシスト）運転を行い、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電運転による発電を行う。電動発電機１２の力行運転と発電運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

メインポンプ１４は、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。

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。

また、上述のように、コントロールバルブ１７には、切替弁１３０及び１４０を介して油圧モータ１５０が接続されている。油圧モータ１５０は、ブーム４が下げられるときにブームシリンダ７からコントロールバルブ１７に戻される圧油、又は、コントロールバルブ１７を介さずに、メインポンプ１４から直接供給される圧油によって駆動される油圧モータである。この油圧モータ１５０の駆動制御と切替弁１３０、１４０の構成及び切替制御については、後に詳しく述べる。

インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２と昇降圧コンバータ１００との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８が電動発電機１２の力行を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９と昇降圧コンバータ１００からＤＣバス１１０を介して電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２の回生を運転制御している際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス１１０及び昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９に充電する。電動発電機１２とインバータ１８とで電動発電系を構成する。

バッテリ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してインバータ１８及びインバータ２０に接続されている。これにより、電動発電機１２の電動（アシスト）運転と旋回用電動機２１の力行運転との少なくともどちらか一方が行われている際には、電動（アシスト）運転又は力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、電動発電機１２の発電運転と旋回用電動機２１の回生運転の少なくともどちらか一方が行われている際には、発電運転又は回生運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積するための電源である。

このバッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、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、昇降圧コンバータ１００によって行われる。この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、バッテリ電圧検出部１１２によって検出されるバッテリ電圧値、及びバッテリ電流検出部１１３によって検出されるバッテリ電流値に基づき、コントローラ３０によって行われる。

インバータ２０は、旋回用電動機２１と昇降圧コンバータ１００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の力行を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から昇降圧コンバータ１００を介して旋回用電動機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昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９へ充電する。図２には、旋回電動機（１台）及びインバータ（１台）を含む実施の形態を示すが、その他マグネット機構や旋回機構部以外の駆動部として備えることで、複数の電動機及び複数のインバータをＤＣバス１１０に接続するようにしてもよい。

昇降圧コンバータ１００は、一側がＤＣバス１１０を介して電動発電機１２及び旋回用電動機２１に接続されるとともに、他側がバッテリ１９に接続されており、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧又は降圧を切り替える制御を行う。電動発電機１２が電動（アシスト）運転を行う場合には、インバータ１８を介して電動発電機１２に電力を供給する必要があるため、ＤＣバス電圧値を昇圧する必要がある。一方、電動発電機１２が発電運転を行う場合には、発電された電力をインバータ１８を介してバッテリ１９に充電する必要があるため、ＤＣバス電圧値を降圧する必要がある。これは、旋回用電動機２１の力行運転と回生運転においても同様であり、その上、電動発電機１２はエンジン１１の負荷状態に応じて運転状態が切り替えられ、旋回用電動機２１は上部旋回体３の旋回動作に応じて運転状態が切り替えられるため、電動発電機１２と旋回用電動機２１には、いずれか一方が電動（アシスト）運転又は力行運転を行い、他方が発電運転又は回生運転を行う状況が生じうる。

また、実施の形態１のハイブリッド型作業機械では、油圧モータ１５０によって駆動される発電機１６０で発電される電力がＤＣバス１１０に供給される。このように発電機１６０からＤＣバス１１０に供給される電力は、電動発電機１２の電動運転、又は旋回用電動機２１の力行運転によって消費される場合と、バッテリ１９に蓄積される場合とがある。

このため、昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、旋回用電動機２１、及び発電機１６０の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。

ＤＣバス１１０は、インバータ１８、２０、及び１７０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、バッテリ１９、電動発電機１２、旋回用電動機２１、及び発電機１６０の間で電力の授受を行うことができるように構成されている。

ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス電圧値を検出するための電圧検出部である。検出されるＤＣバス電圧値はコントローラ３０に入力され、このＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収めるための昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。

バッテリ電圧検出部１１２は、バッテリ１９の電圧値を検出するための電圧検出部であり、バッテリの充電状態を検出するために用いられる。検出されるバッテリ電圧値は、コントローラ３０に入力され、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。

バッテリ電流検出部１１３は、バッテリ１９の電流値を検出するための電流検出部である。バッテリ電流値は、バッテリ１９から昇降圧コンバータ１００に流れる電流を正の値として検出される。検出されるバッテリ電流値は、コントローラ３０に入力され、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。

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。

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。また、図２にはレゾルバ２２を取り付けた形態を示すが、電動機の回転センサを有しないインバータ制御方式を用いてもよい。

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。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転力を増力させ、より大きな回転力として旋回体へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、旋回体で発生した回転数を増加させ、より多くの回転動作を旋回用電動機２１に発生させることができる。

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。

切替弁１３０は、圧油の入力をメインポンプ１４又はコントロールバルブ１７で切り替える切替弁であり、例えば、スプールバルブで構成される。

切替弁１４０は、油圧モータ１５０への圧油の供給／非供給を切り替える切替弁であり、例えば、スプールバルブで構成される。

切替弁１３０及び１４０の詳細な構成については、図４を用いて後述する。

油圧モータ１５０は、ブーム４が下げられるときにブームシリンダ７からコントロールバルブ１７に戻される圧油、又は、コントロールバルブ１７を介さずに、メインポンプ１４から直接供給される圧油によって駆動されることにより、これらの圧油の圧力エネルギを回転駆動力に変換する油圧モータである。この油圧モータ１５０は、発電機１６０を駆動するために配設される。

発電機１６０は、上述のように油圧モータ１５０によって回転駆動力に変換された圧油の圧力エネルギを電気エネルギに変換して回収するための発電機である。この発電機１６０により、ブーム４が下げられるときにブームシリンダ７からコントロールバルブ１７に戻される圧油、又は、コントロールバルブ１７を介さずに、メインポンプ１４から直接供給される圧油の圧力エネルギを電気エネルギとして回収することができる。

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、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、キャビン１０内の運転席の前方に配設されている。

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、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）をレバー２６Ａ、２６Ｂ、及びペダル２６Ｃ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９の駆動に必要な油圧をコントロールバルブに供給する。

旋回用操作検出部としての圧力センサ２９では、操作装置２６のレバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々に対して操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。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。これにより、操作装置２６に入力される下部走行体１、旋回機構２、ブーム４、アーム５、及びバケット６を駆動させるための操作量を的確に把握することができる。この電気信号は、コントローラ３０に入力される。

また、実施の形態１では、レバー操作検出部としての圧力センサを用いる形態について説明するが、操作装置２６に入力される旋回機構２を旋回させるための操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。

「コントローラ３０」
コントローラ３０は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械の駆動制御を行う制御装置であり、駆動制御部１２０を含み、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、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。

駆動制御部１２０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）、及び、昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるバッテリ１９の充放電制御に加えて、切替弁１３０、１４０の切替制御、発電機１６０の運転制御を行うための制御装置である。

駆動制御部１２０は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりバッテリ１９の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、バッテリ電圧検出部１１２によって検出されるバッテリ電圧値、及びバッテリ電流検出部１１３によって検出されるバッテリ電流値に基づいて行われる。

また、駆動制御部１２０は、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６の駆動状態に応じて、切替弁１３０、１４０の切替制御を行い、油圧モータ１５０によって駆動される発電機１６０の運転制御を行う。このため、駆動制御部１２０には、圧力センサ２９を通じて、操作装置２６のレバー２６Ａ、２６Ｂ、及びペダル２６Ｃに入力されるすべての操作状況を表す電気信号が入力される。

また、駆動制御部１２０には、電動発電機１２の温度、電動発電機１２に通流する電流値、電動発電機１２に印加される電圧値、インバータ１８に含まれるスイッチング素子の温度、インバータ１８に供給される電圧値、及びインバータ１８に供給される電流値を表す信号が入力されるように構成されている。

駆動制御部１２０は、これらの温度等に基づき、電動発電機１２とインバータ１８の異常を検出する。このため、駆動制御部１２０は、電動発電機１２とインバータ１８の異常を検出する異常検出部としての機能も担う。

なお、電動発電機１２の異常とは、例えば、電動発電機１２に断線が生じている場合や、温度が異常に上昇している状態をいう。

なお、駆動制御部１２０は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

図３は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械に用いる蓄電系の詳細図である。この昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、バッテリ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１０５を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。コンバータ１０の出力端子１０６とインバータ１０５との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。なお、インバータ１０５は、インバータ１８及び２０（図２参照）に相当する。

リアクトル１０１は、一端が昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続されるとともに、他端が電源接続端子１０４に接続されており、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、後述する昇降圧コンバータの駆動制御装置からゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

バッテリ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図３には、蓄電器としてバッテリ１９を示すが、バッテリ１９の代わりに、コンデンサ、充放電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。

電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、バッテリ１９及びインバータ１０５が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

バッテリ電圧検出部１１２は、バッテリ１９の電圧値(vbat_det)を検出し、ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧（以下、ＤＣバス電圧：vdc_det）を検出する。

平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化できる蓄電素子であればよい。

バッテリ電流検出部１１３は、バッテリ１９に通流する電流の値を検出可能な検出手段であればよく、電流検出用の抵抗器を含む。このリアクトル電流検出部１０８は、バッテリ１９に通流する電流値(ibat_det)を検出する。

「昇降圧動作」
このような昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧を印加し、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力をＤＣバス１１０に供給する。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

また、ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧を印加し、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１０５を介して供給される回生電力をＤＣバス１１０からバッテリ１９に供給する。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がバッテリ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

図４は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械の発電機１６０によるエネルギ回収機構及びその周辺部を詳細に示す構成図である。この図４には、説明の便宜上、ブームシリンダ７と油圧モータ１５０の駆動に関係する構成要素のみを示し、他の構成要素は省略する。

コントロールバルブ１７には、ブームシリンダ７への圧油の供給制御を行うための切替弁１７Ａ、１７Ｂ、絞り１７Ｃ、及び圧油タンク１７Ｄが含まれる。切替弁１７Ａ及び１７Ｂは、操作装置２６への操作入力に応じて変化するパイロット圧によって切り替えられる。

また、切替弁１７Ａは、例えば、スプールバルブで構成され、３つの油路１７Ａ−１、１７Ａ−２、１７Ａ−３を有する。この切替弁１７Ａの切り替えは、操作装置２６に入力される操作量に応じて変化するパイロット圧によって行われる。

油路１７Ａ−１は、メインポンプ１４からブームシリンダ７の下降用シリンダ室７Ａに圧油を供給し、上昇用シリンダ室７Ｂから油を抜き取るための油路である。なお、このとき、切替弁１７Ｂは油路１７Ｂ−２に切り替えられる。また、油路１７Ａ−２は、図４に示すように接続されることにより、メインポンプ１４で生成される圧油を圧油タンク１７Ｄに供給する油路である。この油路１７Ａ−２が高圧油圧ライン１６Ａに接続されているときには、ブームシリンダ７は静止状態に保持される。なお、このとき、切替弁１７Ｂは油路１７Ｂ−１に切り替えられる。さらに、油路１７Ａ−３は、メインポンプ１４で生成される圧油をブームシリンダ７の上昇用シリンダ室７Ｂに供給するとともに、下降用シリンダ室７Ａの内部の油を抜き取るための油路である。なお、このとき、切替弁１７Ｂは油路１７Ｂ−２に切り替えられる。

切替弁１７Ｂは、ブームシリンダ７の上昇用シリンダ室７Ｂと切替弁１７Ａとの間に配設され、２つの油路１７Ｂ−１、１７Ｂ−２を有する。この切替弁１７Ｂの切り替えは、操作装置２６に入力される操作量に応じて変化するパイロット圧によって行われる。

油路１７Ｂ−１は、遮断用の油路であり、油路１７Ｂ−２は、圧油が両方向に通流可能な油路である。この切替弁１７Ｂの油路１７Ｂ−１、１７Ｂ−２の切り替えは、上述の通り、ブームシリンダ７を静止状態に保持する場合には、油路１７Ｂ−１に切り替えられ、ブームシリンダ７を駆動する場合には、油路１７Ｂ−２に切り替えられる。

切替弁１３０は、圧油の供給源をメインポンプ１４又はコントロールバルブ１７のいずれかに切り替える回生切替弁である。切替弁１３０は、例えば、スプールバルブで構成され、３つの油路１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃを有する。この切替弁１３０の切り替えは、駆動制御部１２０によって電気的に行われる。

油路１３０Ａは、メインポンプ１４で生成される圧油を直接的に油圧モータ１５０に供給する際に接続される油路である。このとき、メインポンプ１４で生成される圧油は、高圧油圧ライン１６Ｂを通じて、コントロールバルブ１７をバイパスされ、直接的に油圧モータ１５０に供給される。なお、このとき、切替弁１４０は、油路１４０Ａに切り替えられる。

油路１３０Ｂは、切替弁を切り替える際、コントロールバルブ１７から入力ポートとメインポンプ１４からの入力ポートとがバイパスするのを防ぐための不感帯として機能する油路である。油路１３０Ａから油路１３０Ｃ、若しくは、油路１３０Ｃから油路１３０Ａから油路１３０Ｃへ切り替えを行う際に、一時的に経由する。

油路１３０Ｃは、図４に示すような接続状態にされることにより、ブーム４が下げられるときに、ブームシリンダ７の上昇用シリンダ室７Ｂからコントロールバルブ１７に戻される圧油を油圧モータ１５０に供給する場合に接続される油路である。なお、このとき、切替弁１４０は、油路１４０Ａに切り替えられる。

切替弁１４０は、油圧モータ１５０への圧油の供給／非供給を切り替える切替弁である。切替弁１４０は、例えば、スプールバルブで構成され、２つの油路１４０Ａ、１４０Ｂを有する。この切替弁１４０の切り替えは、駆動制御部１２０によって電気的に行われる。なお、切替弁１４０は、油圧モータ１５０に圧油を供給する場合には、油路１４０Ａに切り替えられ、油圧モータ１５０に圧油を供給しない場合には、油路１４０Ｂに切り替えられる。

このような実施の形態１のハイブリッド型作業機械において、図４に示す状態では、切替弁１７Ａは油路１７Ａ−２に切り替えられ、高圧油圧ライン１６Ａは絞り１７Ｃを介して圧油タンク１７Ｄに接続されており、切替弁１７Ｂは油路１７Ｂ―１に切り替えられて遮断されている。これにより、ブームシリンダ７は静止されている。

また、切替弁１３０は、油路１３０Ｃに切り替えられているため、高圧油圧ライン１６Ｂは遮断され、また、切替弁１４０は、油路１４０Ｂに切り替えられているため、油圧モータ１５０は駆動されておらず、発電機１６０は静止状態にある。

次に、高圧油圧ライン１６Ｂを経て油圧モータ１５０に圧油を供給する場合について説明する。

図５は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械において、高圧油圧ライン１６Ｂを経て油圧モータ１５０に圧油を供給する場合の油圧回路の接続状態を示す図である。

図５に示すように、切替弁１３０は、油路１３０Ａに切り替えられ、切替弁１４０は、油路１４０Ａに切り替えられている。

これにより、メインポンプ１４で生成される圧油は、コントロールバルブ１７を経ずに（コントロールバルブ１７をバイパスして）、高圧油圧ライン１６Ｂを通じて、直接的に油圧モータ１５０に供給される。油圧モータ１５０が駆動されることにより、発電機１６０が発電を行い、インバータ１７０を介してＤＣバス１１０に直流電力が供給される。

このように、コントロールバルブ１７を経ずに、メインポンプ１４から圧油を直接的に油圧モータ１５０に供給する場合は、ブーム４が下げられるときにブームシリンダ７からコントロールバルブ１７に戻される圧油によって油圧モータ１５０を駆動する場合と異なり、切替弁１３０及び１４０を切り替えるだけで、継続的に発電を行うことができる。

実施の形態１のハイブリッド型作業機械において、電動発電機１２が駆動されなくなっても、メインポンプ１４は、エンジン１１によって常に駆動されているため、切替弁１３０及び１４０を油路１３０Ａ及び１４０Ａに切り替えるだけで、継続的に発電を行うことができる。

図６は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械において実行される切替弁１３０及び１４０の切替制御処理の内容を示す処理手順を示す図である。この処理は、駆動制御部１２０によって実行される。

駆動制御部１２０は、ハイブリッド型作業機械の運転が開始されると、切替制御処理を開始する。

駆動制御部１２０は、電動発電機１２又はインバータ１８の異常が発生していないか否かを判定する（ステップＳ１）。

駆動制御部１２０は、異常が発生していると判定した場合は（ステップＳ１でＹｅｓ）、切替弁１３０を油路１３０Ａに切り替え、切替弁１４０を油路１４０Ａに切り替える（ステップＳ２）。これは、図５に示す状態に相当する。

これにより、メインポンプ１４で生成される圧油は、コントロールバルブ１７を経ずに（コントロールバルブ１７をバイパスして）、高圧油圧ライン１６Ｂを通じて、直接的に油圧モータ１５０に供給される。

このように、油圧モータ１５０が駆動されることにより、電動発電機１２が発電運転を行うことができない状態であっても、発電機１６０が発電を行い、インバータ１７０を介してＤＣバス１１０に直流電力が供給されるため、旋回用電動機２１の駆動制御を行うことができる。

一方、ステップＳ１において、駆動制御部１２０が電動発電機１２又はインバータ１８の異常が発生していないと判定した場合は（ステップＳ１でＮｏ）、切替弁１３０Ｃを切り替え（ステップＳ３）、駆動制御部１２０は、ブーム４が下げられているか否かを判定する（ステップＳ４）。ブーム４が下げられていることは、圧力センサ２９から駆動制御部１２０に入力される信号に基づき、操作装置２６のレバー２６Ｂにブーム４を下げるための操作が入力されたか否かを判定することによって検知することができる。

駆動制御部１２０は、ブーム４が下げられていると判定した場合は（ステップＳ４でＹｅｓ）、切替弁１４０を油路１４０Ａに切り替える（ステップＳ５）。

これにより、ブームシリンダ７からコントロールバルブ１７に戻される圧油によって油圧モータ１５０が駆動され、発電機１６０によって発電が行われる。

また、ステップＳ４において、ブーム４が下げられていないと判定した場合は、駆動制御部１２０は、切替弁１４０を油路１４０Ｂに切り替える（ステップＳ６）。これは、図４に示す状態に相当する。

これにより、ブームシリンダ７の静止、又は上昇動作が可能になる。

従来のハイブリッド型作業機械は、高圧油圧回路１６Ｂ及び切替弁１３０を有しないため、電動発電機１２又はインバータ１８に異常が生じて発電運転を行えなくなった場合には、旋回用電動機２１の力行運転を行うための電力は、バッテリ１９に蓄積された電力だけに限られてしまう。

このため、電動機１２又はインバータ１８に異常が生じた場合に、バッテリ１９の充電率が低下すると、旋回用電動機２１を旋回駆動させることができなくなる可能性がある。

しかしながら、実施の形態１のハイブリッド型作業機械によれば、そのような場合に切替弁１３０及び１４０を油路１３０Ａ及び１４０Ａに切り替えれば、常時駆動されているメインポンプ１４で生成される圧油が高圧油圧回路１６Ｂを経て油圧モータ１５０に直接的に供給される。これにより、油圧モータ１５０の駆動を継続的に行うことができ、これにより発電機１６０で継続的に発電が行われるため、バッテリ１９を充電することができ、旋回用電動機２１の駆動制御を継続的に行うことができる。また、メインポンプ１４から油圧駆動部への圧油の出力要求がない場合にもブームシリンダ７へ圧油を供給する必要がないため、コントロールバルブ１７を経ずに、メインポンプ１４から圧油を油圧モータ１５０に供給することができる。

なお、以上では、バケット６を有するハイブリッド型作業機械について説明したが、バケット６の代わりに、インバータを介してＤＣバス１１０に接続されるリフティングマグネットを有していてもよい。

電動発電機１２又はインバータ１８に異常が生じた場合に、切替弁１３０及び１４０が油路１３０Ａ及び１４０Ａに切り替えられることにより、高圧油圧ライン１６Ｂを介してメインポンプ１４から油圧モータ１５０に圧油を直接的に供給できるため、旋回用電動機２１に加えて、リフティングマグネットの駆動制御も行うことができる。

［実施の形態２］
図７は、実施の形態２のハイブリッド型作業機械の発電機１６０によるエネルギ回収機構及びその周辺部を詳細に示す構成図である。この図７には、説明の便宜上、ブームシリンダ７と油圧モータ１５０の駆動に関係する構成要素のみを示し、他の構成要素は省略する。

実施の形態２のハイブリッド型作業機械は、切替弁２３０の構成が実施の形態１の切替弁１３０と異なる。その他の構成は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械と同一であるため、同一の構成要素には、同一符号を付し、その説明を省略する。

切替弁２３０は、油路２３０Ａ、２３０Ｂ、２３０Ｃを含む。このうち、油路２３０Ｂ及び２３０Ｃは、実施の形態１のハイブリッド型作業機械における切替弁１３０の油路１３０Ｂ及び１３０Ｃと同一である。すなわち、切替弁２３０は、油路２３０Ａの構成が実施の形態１の切替弁１３０と異なる。

切替弁２３０の油路２３０Ａは、高圧油圧ライン１６Ｂを経てメインポンプ１４から直接的に供給される圧油と、ブームシリンダ７の上昇用シリンダ室７Ｂから供給される圧油との両方を油圧モータ１５０に供給するための油路である。

図８は、実施の形態２のハイブリッド型作業機械において、切替弁２３０の油路２３０Ａを経て、高圧油圧ライン１６Ｂ及びブームシリンダ７の上昇用シリンダ室７Ｂから油圧モータ１５０に圧油を供給する場合の油圧回路の接続状態を示す図である。

図８に示すように、切替弁２３０は、油路２３０Ａに切り替えられ、切替弁１４０は、油路１４０Ａに切り替えられている。

これにより、メインポンプ１４で生成される圧油は、コントロールバルブ１７を経ずに（コントロールバルブ１７をバイパスして）、高圧油圧ライン１６Ｂを通じて、直接的に油圧モータ１５０に供給される。また、これに加えて、ブーム４が下げられる場合には、切替弁１７Ａが油路１７Ａ−１に切り替えられるとともに、切替弁１７Ｂが油路１７Ｂ−２に切り替えられるため、高圧油圧ライン１６Ｂ及びブームシリンダ７の上昇用シリンダ室７Ｂの双方から油圧モータ１５０に圧油が供給される。

このように、高圧油圧ライン１６Ｂ及びブームシリンダ７の上昇用シリンダ室７Ｂの双方から油圧モータ１５０に圧油を供給できるので、継続的に発電を行うことができ、電動発電機１２又はインバータ１８に異常が発生した場合でも、旋回用電動機２１の駆動制御を行うことができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態のハイブリッド型作業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。

実施の形態１のハイブリッド型作業機械を含む建設機械を示す側面図である。 実施の形態１のハイブリッド型作業機械の構成を表すブロック図である。 実施の形態１のハイブリッド型作業機械に用いる蓄電系の詳細図である。 実施の形態１のハイブリッド型作業機械の発電機１６０によるエネルギ回収機構及びその周辺部を詳細に示す構成図である。 実施の形態１のハイブリッド型作業機械において、高圧油圧ライン１６Ｂを経て油圧モータ１５０に圧油を供給する場合の油圧回路の接続状態を示す図である。 実施の形態１のハイブリッド型作業機械において実行される切替弁１３０及び１４０の切替制御処理の内容を示す処理手順を示す図である。 実施の形態２のハイブリッド型作業機械の発電機１６０によるエネルギ回収機構及びその周辺部を詳細に示す構成図である。 実施の形態２のハイブリッド型作業機械において、切替弁２３０の油路２３０Ａを経て、高圧油圧ライン１６Ｂ及びブームシリンダ７の上昇用シリンダ室７Ｂから油圧モータ１５０に圧油を供給する場合の油圧回路の接続状態を示す図である。

符号の説明

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 走行機構
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
１１ エンジン
１２ 電動発電機
１３ 減速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６Ａ、１６Ｂ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８ インバータ
１９ バッテリ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
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
１００ 昇降圧コンバータ
１０１ リアクトル
１０２Ａ 昇圧用ＩＧＢＴ
１０２Ｂ 降圧用ＩＧＢＴ
１０４ 電源接続端子
１０５ 電動機
１０６ 出力端子
１０７ コンデンサ
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１１２ バッテリ電圧検出部
１１３ バッテリ電流検出部
１２０ 駆動制御部
１７Ａ、１７Ｂ、１３０、１４０、２３０ 切替弁
１７Ａ−１、１７Ａ−２、１７Ａ−３、１７Ｂ−１、１７Ｂ−２、１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１４０Ａ、１４０Ｂ、２３０Ａ、２３０Ｂ、２３０Ｃ 油路

Claims (4)

1. 機械式駆動部により駆動される油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプの駆動をアシストする電動発電機と、
   油圧作業要素を駆動するための油圧駆動部と、
   前記油圧ポンプから前記油圧駆動部への圧油の流れを制御するコントロールバルブと、
   前記油圧駆動部から前記コントロールバルブに戻される圧油によって回転される油圧モータと、
   前記油圧モータによって駆動される発電機と、
   前記コントロールバルブをバイパスして前記油圧ポンプと前記油圧モータとを接続するバイパス部と
   を含む、ハイブリッド型作業機械。
2. 前記油圧駆動部から前記油圧モータを接続する回路と、前記油圧ポンプから前記油圧モータを接続する回路とを切り替える切替部をさらに含む、請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
3. 前記電動発電機又は前記電動発電機の駆動制御系の異常を検出する異常検出部と、
   前記異常検出部によって異常が検出されていないときには、前記油圧モータと前記コントロールバルブを接続し、前記異常検出部によって異常が検出されると、前記油圧モータと前記バイパス部を接続する切替部と
   をさらに含む、請求項１又は２に記載のハイブリッド型作業機械。
4. 前記油圧駆動部への圧油の出力要求がないときには、前記油圧モータと前記バイパス部とを接続する切替部を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のハイブリッド型作業機械。

Images