JP2010248736A

JP2010248736A - ハイブリッド型建設機械

Info

Publication number: JP2010248736A
Application number: JP2009097250A
Authority: JP
Inventors: Kyoko Takanashi; 今日子高梨
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-04-13
Also published as: JP5037558B2

Abstract

【課題】油圧系に異常が発生した場合であっても、油圧ポンプへの余計な出力の発生を抑制することができるハイブリッド型建設機械を提供する。
【解決手段】パワーショベル１は、エンジン１１と、エンジン１１の駆動力により発生した油圧を油圧駆動部へ供給するメインポンプ１４と、エンジン１１に連結され、エンジン１１の駆動力により発電を行うとともに、自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助する電動発電機１２と、メインポンプ１４の出力、並びに電動発電機１２の発電電力及び補助出力を制御するコントローラ３０とを備える。コントローラ３０は、油圧系の異常を検知した場合に、メインポンプ１４の出力上限値および電動発電機１２の補助出力の上限値をそれぞれ正常時より低く設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハイブリッド型建設機械に関するものである。

従来より、駆動機構の一部を電動化したハイブリッド型の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は、例えばブーム、アーム、及びバケットといった可動部を油圧駆動するための油圧ポンプを備えており、この油圧ポンプを駆動するための内燃機関発動機（エンジン）に交流電動機（電動発電機）を連結し、該エンジンの駆動力を補助するとともに、発電により得られる電力を蓄電池（バッテリ）に蓄える。

また、建設機械は、例えば上部旋回体といった作業要素を備えていることが多い。このような場合、ハイブリッド型建設機械は、作業要素を駆動するための油圧モータに加え、この油圧モータを補助するための作業用電動機を備えることがある。例えば上部旋回体を旋回させる際、加速旋回時には交流電動機によって油圧モータの駆動を補助し、減速旋回時には交流電動機において回生運転を行い、発電された電力をバッテリに蓄える。

このようなハイブリッド型建設機械の例として、特許文献１に記載された油圧駆動装置がある。この装置では、発電機を兼ねる電動機を油圧ポンプに付設し、コントローラの切換制御により電動機に発電作動とアシスト作動とを行わせている。また、旋回体を駆動する旋回ポンプモータを備えており、旋回系の制動時に回転運動エネルギーを回生している。

特開平１０−１０３１１２号公報

上述したハイブリッド建設機械において、油圧ポンプに異常が発生した場合、そのまま運転を継続すると、油圧駆動部を正しく動作させようとして油圧ポンプに対する要求出力が過剰になることがある。このような場合、油圧ポンプの出力を高めようとして、エンジンに対する電動発電機の補助出力をより大きくすることとなり、電動発電機において多くの電力を消費してしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、油圧系に異常が発生した場合であっても、油圧ポンプへの余計な出力の発生を抑制することができるハイブリッド型建設機械を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明によるハイブリッド型建設機械は、内燃機関発動機と、内燃機関発動機の駆動力により発生した油圧を油圧駆動部へ供給する油圧ポンプと、内燃機関発動機に連結され、内燃機関発動機の駆動力により発電を行うとともに、自身の駆動力により内燃機関発動機の駆動力を補助する電動発電機と、油圧ポンプの出力、並びに電動発電機の発電電力及び補助出力を制御する制御部とを備え、制御部が、油圧系の異常を検知した場合に、油圧ポンプの出力上限値を正常時より低く設定することを特徴とする。

また、このハイブリッド型建設機械においては、制御部が、油圧系の異常を検知した場合に、電動発電機の補助出力の上限値を正常時より低く設定することが好ましい。

また、このハイブリッド型建設機械においては、油圧系の異常発生の前後において内燃機関発動機の出力上限値が一定であることが好ましい。

本発明によるハイブリッド型建設機械によれば、油圧系に異常が発生した場合であっても、油圧ポンプへの余計な出力の発生を抑制することができる。

本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、パワーショベル１の外観を示す斜視図である。パワーショベル１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。図２における蓄電手段１２０の内部構成を示す図である。コントローラ３０が有する機能を示すブロック図である。コントローラ３０において行われる処理のフローチャートである。図５のステップＳ４に関する詳細なフローチャートである。図５のステップＳ５に関する詳細なフローチャートである。油圧系に異常が検出された場合にコントローラ３０において行われる、メインポンプ１４の出力上限値の変更を概略的に示すグラフである。図５のステップＳ６に関する詳細なフローチャートである。バッテリ充電率（ＳＯＣ）とバッテリ出力との関係を示す図である。図５のステップＳ７に関する詳細なフローチャートである。電動発電機１２の補助出力の算出モデルを示す図である。油圧系に異常が検出された場合にコントローラ３０において行われる、電動発電機１２の補助出力の上限値の変更を概略的に示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明によるハイブリッド型建設機械の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、本実施形態に係るパワーショベル１は、無限軌道を含む走行機構２と、走行機構２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された旋回体４とを備えている。旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット７とが取り付けられている。ブーム５、アーム６、及びバケット７は、それぞれブームシリンダ８、アームシリンダ９、及びバケットシリンダ１０によって油圧駆動される。また、旋回体４には、バケット７の位置や角度を操作する操作者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン（内燃機関発動機）１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。

図２は、本実施形態のパワーショベル１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。なお、図２では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。また、図３は、図２における蓄電手段１２０の内部構成を示す図である。

図２に示すように、パワーショベル１は電動発電機１２および減速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２がこのエンジン１１を作業要素として駆動することによりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、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。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、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が発電を行う。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 Magnetic）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切り替えは、パワーショベル１における電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

減速機１３の出力軸には、メインポンプ１４が接続されている。メインポンプ１４は、エンジン１１の駆動力によって圧油を発生するための油圧ポンプであり、傾転角を制御するためのポンプ制御弁１４Ａを有する。このポンプ制御弁１４Ａは、ギアポンプに接続された電磁比例弁によって構成されており、この電磁比例弁がコントローラ３０によって電気的に駆動されることにより、メインポンプ１４の傾転角の制御が行われる。メインポンプ１４から吐出される圧油は、図１に示した走行機構２を駆動するための油圧モータ２ａ及び２ｂ、ブームシリンダ８、アームシリンダ９、並びにバケットシリンダ１０といった各油圧駆動部を駆動するために、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７へ供給される。

コントロールバルブ１７は、パワーショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、油圧モータ２ａ及び２ｂ、ブームシリンダ８、アームシリンダ９、並びにバケットシリンダ１０が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

メインポンプ１４には、パイロットポンプ１５が接続されている。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ための油圧ポンプである。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が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、走行機構２、ブーム５、アーム６、及びバケット７を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。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）を操作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。

圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構３を旋回させるための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。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、後述する旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。

電動発電機１２の電気的な端子には、インバータ回路１８の出力端が接続されている。インバータ回路１８の入力端には、蓄電手段１２０が接続されている。蓄電手段１２０は、図３に示すように、直流母線であるＤＣバス１１０、昇降圧コンバータ１００及びバッテリ１９を備えている。すなわち、インバータ回路１８の入力端は、ＤＣバス１１０を介して昇降圧コンバータ１００の入力端に接続されることとなる。昇降圧コンバータ１００の出力端には、蓄電池としてのバッテリ１９が接続されている。

インバータ回路１８は、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。すなわち、インバータ回路１８が電動発電機１２を力行運転させる際には、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を回生運転させる際には、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。なお、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バス電圧値、バッテリ電圧値、及び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。これにより、ＤＣバス１１０を、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。

なお、本実施形態の昇降圧コンバータ１００はスイッチング制御方式を備えており、図３に示すように、互いに直列に接続されたトランジスタ１００ａ及び１００ｂと、これらの接続点とバッテリ１９の正側端子との間に接続されたリアクトル１０１と、トランジスタ１００ａに対し逆方向に並列接続されたダイオード１００ｃと、トランジスタ１００ｂに対し逆方向に並列接続されたダイオード１００ｄとを有する。トランジスタ１００ａ及び１００ｂは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成される。直流電力をバッテリ１９からＤＣバス１１０へ供給する際には、コントローラ３０からの指令によってトランジスタ１００ａのゲートにＰＷＭ電圧が印加される。そして、トランジスタ１００ａ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がダイオード１００ｄを介して伝達され、この電力がＤＣバス１１０のコンデンサ１１０ａにより平滑化される。また、直流電力をＤＣバス１１０からバッテリ１９へ供給する際には、コントローラ３０からの指令によってトランジスタ１００ｂのゲートにＰＷＭ電圧が印加されるとともに、トランジスタ１００ｂから出力される電流がリアクトル１０１により平滑化される。

再び図２を参照すると、蓄電手段１２０には、インバータ回路２０が接続されている。インバータ回路２０の一端には旋回用電動機２１が接続されており、インバータ回路２０の他端は蓄電手段１２０のＤＣバス１１０に接続されている。旋回用電動機２１は、旋回体４を旋回させる旋回機構３の動力源である。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。

旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、旋回体４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体４の慣性回転により、旋回減速機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。旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号によりインバータ回路２０によって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。

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回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３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、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。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３に機械的に伝達する減速機である。

なお、ＤＣバス１１０には、インバータ回路１８及び２０を介して、電動発電機１２及び旋回用電動機２１が接続されているので、電動発電機１２で発電された電力が旋回用電動機２１に直接的に供給される場合もあり、旋回用電動機２１で回生された電力が電動発電機１２に供給される場合もある。

コントローラ３０は、本実施形態における制御部を構成する。コントローラ３０は、ＣＰＵ及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。また、コントローラ３０の電源は、バッテリ１９とは別のバッテリ（例えば２４Ｖ車載バッテリ）である。コントローラ３０は、圧力センサ２９から入力される信号のうち、旋回機構３を旋回させるための操作量を表す信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。また、コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（アシスト運転及び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の充放電制御を行う。

本実施形態のコントローラ３０は、また、メインポンプ１４及びコントロールバルブ１７を含む油圧系の異常を検出するための油圧系異常検出部を構成している。例えば、メインポンプ１４の傾斜板のさび付きやポンプ制御弁１４Ａの損傷等によってメインポンプ１４の傾転角を制御できなくなったとする。この場合、コントローラ３０からポンプ制御弁１４Ａに供給される駆動電流は、メインポンプ１４の傾転角を要求通り動作させようとして増加する。コントローラ３０は、このような現象によって駆動電流が所定の電流範囲から逸脱した場合には、メインポンプ１４を含む油圧系に異常が発生したものと判断する。コントローラ３０は、このような油圧系の異常を検知した場合、メインポンプ１４の出力上限値および電動発電機１２の補助出力の上限値がそれぞれ正常時より低く抑えられるように、これらを制御する。

ここで、本実施形態におけるコントローラ３０の機能について詳細に説明する。図４は、コントローラ３０が有する機能を示すブロック図である。図４に示すように、本実施形態のコントローラ３０は、エンジン１１及びバッテリ１９への出力依存度に相当する出力の上下限値を算出する出力条件算出部３９と、動力分配部３８とを含む。出力条件算出部３９は、機能ブロック３１〜３７によって構成される。

まず、エンジン１１の実際の回転数を示す信号であるエンジン実回転数Ｎ_actが、出力条件算出部３９のブロック３１に入力される。ブロック３１は、エンジン実回転数Ｎ_actに基づいてエンジン出力トルクの上限値Ｐ_EngMax及び下限値Ｐ_EngMinを決定し、これらの値を動力分配部３８へ提供する。ブロック３１は、エンジン１１の回転数と出力トルクとの関係において、上限値と下限値とを示すマップあるいは変換テーブルを有しており、このマップあるいは変換テーブルに基づいてエンジン出力トルクの上限値Ｐ_EngMax及び下限値Ｐ_EngMinを決定する。マップあるいは変換テーブルは、コントローラ３０のメモリに予め格納されている。なお、マップあるいは変換テーブルを用いることなく、上限値と下限値とを表す式にエンジン実回転数Ｎ_actを代入して上限値Ｐ_EngMaxと下限値Ｐ_EngMinとを求めてもよい。

動力分配部３８には、油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqを示す信号、および電気負荷要求出力Ｐ_ElcReqを示す信号が入力される。油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqは、油圧負荷（油圧により駆動される構成部品。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、及び油圧モータ２ａ，２ｂなど）が必要とする動力を示す変数であり、例えば油圧負荷を運転者が操作する際の操作レバーの操作量に相当する。電気負荷要求出力Ｐ_ElcReqは、電気負荷（電動モータや電動アクチュエータのように電力で駆動される構成部品。旋回用電動機２１など）が必要とする電力を示す変数であり、例えば電気負荷を運転者が操作する際の操作レバーの操作量に相当する。

出力条件算出部３９のブロック３２には、バッテリ電圧Ｖ_actが入力される。バッテリ電圧Ｖ_actは、バッテリ１９の出力電圧を示す変数である。キャパシタ型蓄電池の場合、その充電量がキャパシタの端子間電圧の二乗に比例することから、バッテリ電圧Ｖ_actを通じてバッテリ１９の充電率を知ることができる。ブロック３２は、バッテリ電圧Ｖ_actに基づいて、バッテリ１９の現在の充電率ＳＯＣ_actを求め、ブロック３３、３４及び３７へ提供する。

出力条件算出部３９のブロック３３には、充電率ＳＯＣに応じて最大電流で充電するための出力［ｋＷ］と最大電流で放電するための出力［ｋＷ］とを表すマップ又は変換テーブルが格納されている。ブロック３３は、このマップ又は変換テーブルと、ブロック３２から提供されたバッテリ１９の充電率ＳＯＣ_actとに基づいて、最大放電量であるバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax11、及び最大充電量であるバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin11を求める。ブロック３３は、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax11をブロック３５へ提供し、バッテリ出力下限値Ｐ_BatMin11をブロック３６へ提供する。

例えば、ブロック３３のマップは、或る充電率ＳＯＣにおいて、コンバータやキャパシタの能力により制限される充放電最大電流を流すときに決まる電力（充放電最大電流×キャパシタ電圧）を表す。充電率ＳＯＣは充放電電圧（キャパシタ電圧）の二乗に比例するため、充電率ＳＯＣに対して最大充電電力及び最大放電電力は放物線を描くこととなる。ブロック３３は、このマップ又は変換テーブルを参照して、現在の充電率ＳＯＣ_actにおいて一定の電流のもとで許容される最大充電電力（バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax11）及び最大放電電力（バッテリ出力下限値Ｐ_BatMin11）を求める。

ブロック３４には、充電率ＳＯＣがＳＯＣ下限値となるまでのエネルギーを所定の時間で放電するための出力［ｋＷ］と、充電率ＳＯＣがＳＯＣ上限値となるまでのエネルギーを所定の時間で充電するための出力［ｋＷ］とを表すマップ又は変換テーブルが格納されている。ブロック３４は、このマップ又は変換テーブルと、ブロック３２から提供されたバッテリ１９の充電率ＳＯＣ_actとに基づいて、最大放電量であるバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax12、及び最大充電量であるバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin12を求める。ブロック３４は、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax12をブロック３５へ提供し、バッテリ出力下限値Ｐ_BatMin12をブロック３６へ提供する。

例えば、ブロック３４に示すマップは、或る充電率ＳＯＣにおける適切な充放電電力を表している。ブロック３４に示すマップのうち、下限値は充電率がゼロとならないように余裕を持たせるために設定された充電率ＳＯＣである。充電率ＳＯＣがゼロ又はゼロに近い値になるまで減ってしまうと、放電要求があった場合にすぐに放電できなくなってしまうため、ある程度充電された状態に維持しておくことが望ましい。そのため、充電率ＳＯＣに下限値（例えば３０％）を設け、充電率ＳＯＣがこの下限値以下であるときには放電しないように制御する。したがって、最大放電電力（放電可能な最大電力）は充電率ＳＯＣの下限値においてゼロ（すなわち放電させない）であり、充電率ＳＯＣが大きくなるにつれて放電可能な電力に余裕が生じるので、最大放電電力を大きくしている。図中のブロック３４のマップでは、充電率ＳＯＣの上限値から最大放電電力が直線的に増加しているが、直線的な増加に限ることなく、放物線を描いて増加させてもよく、任意のパターンで増加するように設定してもよい。

一方、充電率ＳＯＣが１００％のときに、例えば電気負荷から回生電力が発生した場合、回生電力をバッテリ１９で直ちに吸収することができなくなるので、充電率ＳＯＣが１００％とならないように上限値（例えば９０％）を設け、充電率ＳＯＣがこの上限値以上であるときには充電しないように制御する。したがって、最大充電電力（充電可能な最大電力）は充電率ＳＯＣの上限値においてゼロ（すなわち充電させない）であり、充電率ＳＯＣが小さくなるにつれて充電可能な電力に余裕が生じるので、最大充電電力を大きくする。図中のブロック３４のマップでは、最大充電電力が充電率ＳＯＣの上限値から直線的に増加しているが、直線的な増加に限ることなく、放物線を描いて増加させてもよく、任意のパターンで増加するように設定してもよい。

このように、ブロック３４は、このマップ又は変換テーブルを参照して現在の充電率ＳＯＣ_actにおいて許容される最大放電電力（バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax12）及び最大充電電力（バッテリ出力下限値Ｐ_BatMin12）を求める。

ブロック３５は、ブロック３３から提供されたバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax11と、ブロック３４から提供されたバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax12とのうち、小さい方をバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1として動力分配部３８へ提供する。また、ブロック３６は、ブロック３３から提供されたバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin11と、ブロック３４から提供されたバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin12のうち、大きい方（通常、バッテリ出力下限値は充電状態を示す負の値となるので、絶対値が小さい方と言い換えてもよい）をバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1として動力分配部３８へ提供する。

ブロック３７には、バッテリ１９の現在の充電率ＳＯＣ_actと、充電率ＳＯＣ_actをを所定のＳＯＣ目標値に近づけるためのバッテリ目標出力Ｐ_BatTgtとの相関を表すマップ又は変換テーブルが予め格納されている。ブロック３７は、このマップ又は変換テーブルと、ブロック３２から提供されたバッテリ１９の現在の充電率ＳＯＣ_actとに基づいてバッテリ目標出力Ｐ_BatTgtを求め、この値を動力分配部３８へ提供する。

動力分配部３８は、エンジン出力上限値Ｐ_EngMax、エンジン出力下限値Ｐ_EngMin、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1、バッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1、及びバッテリ目標出力Ｐ_BatTgtに基づいて、油圧負荷実出力Ｐ_HydOut、電気負荷実出力Ｐ_ElcOut、及びアシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefを決定し、コントローラ３０の各部に出力する。

油圧負荷実出力Ｐ_HydOutは、油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqに対して、実際に油圧負荷に供給する動力である。油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqに対して常に要求された動力を供給すると、同時に駆動されている電気負荷の要求を満たせなくなったり、バッテリ１９の充電率ＳＯＣを適当な範囲内に維持できなくなってしまう。このため、実際に油圧負荷に供給する動力をある程度制限しなくてはならない場合がある。なお、本実施形態では、コントローラ３０が油圧系の異常を検知した場合に、油圧負荷に供給する動力を低く制限する。

電気負荷実出力Ｐ_ElcOutは、電気負荷要求出力Ｐ_ElcReqに対して、実際に電気負荷に供給する電力である。電気負荷要求出力Ｐ_ElcReqに対して常に要求された電力を供給すると、同時に駆動されている油圧負荷の要求を満たせなくなったり、バッテリ１９の充電率ＳＯＣを適当な範囲内に維持できなくなってしまう。このため、実際に電気負荷に供給する電力をある程度制限しなくてはならない場合がある。

アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefは、電動発電機１２の出力を指示する値である。アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefにより、電動発電機１２が電動機として機能するか、あるいは発電機として機能するかが指示される。なお、本実施形態では、コントローラ３０が油圧系の異常を検知した場合には、電動発電機１２が電動機として機能する際の出力を低く制限する。

ここで、コントローラ３０において、油圧負荷実出力Ｐ_HydOut、電気負荷実出力Ｐ_ElcOut、及びアシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefを決定するための処理について説明する。図５は、コントローラ３０において行われる処理のフローチャートである。

まず、ブロック３１において、エンジン１１の現在の回転数を示すエンジン実回転数Ｎ_actに基づき、エンジン１１のエンジン出力上限値Ｐ_EngMax及びエンジン出力下限値Ｐ_EngMinが決定される（ステップＳ１）。なお、コントローラ３０が油圧系の異常を検知した場合であっても、その前後においてエンジン１１のエンジン出力上限値Ｐ_EngMaxは一定（不変）とされる。次に、ブロック３２〜３６において、現在のバッテリ電圧Ｖ_actに基づき、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1及びバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1が決定される（ステップＳ２）。

続いて、ブロック３７において、現在の充電率ＳＯＣ_actからバッテリ目標出力Ｐ_BatTgtが決定される（ステップＳ３）。その後、動力分配部３８において、電気負荷実出力Ｐ_ElcOutが、エンジン１１及びバッテリ１９の要求出力の限界値に基づいて決定される（ステップＳ４）と共に、油圧負荷実出力Ｐ_HydOutが、エンジン１１及びバッテリ１９の要求出力の限界値に基づいて決定される（ステップＳ５）。また、動力分配部３８において、バッテリ１９の充放電量の指令値であるバッテリ出力Ｐ_BatOutが、エンジン１１、電気負荷、及び、バッテリ１９の算出された出力に基づいて決定される（ステップＳ６）。そして、動力分配部３８において、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefが、電気負荷実出力Ｐ_ElcOutとバッテリ出力Ｐ_BatOutとの比較に基づいて決定される（ステップＳ７）。

ここで、上述したステップＳ４〜Ｓ７における処理について詳細に説明する。

図６を参照すると、ステップＳ４では、まず、電気負荷に供給可能な最大電力である電気負荷出力上限値Ｐ_ElcMaxを算出すると共に、バッテリ１９に蓄積可能な電力である電気負荷出力下限値Ｐ_ElcMinを算出する（ステップＳ４１）。ここで、電気負荷出力上限値Ｐ_ElcMaxは、エンジン出力上限値Ｐ_EngMaxとバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1との和である。すなわち、電気負荷に供給可能な最大の電力は、エンジン１１の最大出力で得られる電動発電機１２による発電量と、バッテリ１９の最大放電量との和である。また、電気負荷出力下限値Ｐ_ElcMinは、エンジン出力下限値Ｐ_EngMin及びバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1を加算した値から油圧負荷出力要求Ｐ_HydReqを減算して求められる。

次に、電気負荷要求出力Ｐ_ElcReqが、電気負荷出力上限値Ｐ_ElcMax以下であり且つ電負荷出力下限値Ｐ_ElcMin以上であるか否かを判定する（ステップＳ４２）。ステップＳ４２において電気負荷要求出力Ｐ_ElcReqが電気負荷出力上限値Ｐ_ElcMaxより大きい場合（ステップＳ４２；Ｎｏ）、電気負荷実出力Ｐ_ElcOutの値を電気負荷出力上限値Ｐ_ElcMaxの値と等しくする（ステップＳ４３）。すなわち、電気負荷が要求する電力が、電動発電機１２とバッテリ１９とで供給できる最大電力より大きい場合には、この最大電力を電気負荷へ供給する。また、電気負荷要求出力Ｐ_ElcReqが電気負荷出力下限値Ｐ_ElcMinより小さい場合（ステップＳ４２；Ｎｏ）、電気負荷実出力Ｐ_ElcOutの値を電気負荷出力下限値Ｐ_ElcMinの値に等しくする（ステップＳ４３）。すなわち、電気負荷から回生される電力が、電動発電機１２で消費できる最大電力とバッテリ１９に蓄積できる最大電力とを加算した電力より大きい場合には、この電力より電気負荷の回生電力が大きくならないようにする。なお、電気負荷要求出力Ｐ_ElcReqが、電気負荷出力上限値Ｐ_ElcMax以下であり且つ電負荷出力下限値Ｐ_ElcMin以上である場合には（ステップＳ４２；Ｙｅｓ）、電気負荷実出力Ｐ_ElcOutの値を電気負荷要求Ｐ_ElcReqの値と等しくして、電気負荷が要求する電力をそのまま供給する（ステップＳ４４）。

また、図７を参照すると、ステップＳ５では、まず、油圧負荷に供給可能な最大動力である油圧負荷出力上限値Ｐ_HydMaxの設定を行う（ステップＳ５１）。通常、油圧負荷出力上限値Ｐ_HydMaxは、エンジン出力上限値Ｐ_EngMaxとバッテリ出力上限値Ｐ_BatMaxとを加算した値から電気負荷実出力Ｐ_ElcOutを減算して算出される。また、メインポンプ１４といった油圧系の異常を検知した場合には、この算出値より低い値に設定される。

次に、油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqが、油圧負荷出力上限値Ｐ_HydMax以下であるか否かが判定される（ステップＳ５２）。油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqが油圧負荷出力上限値Ｐ_HydMaxより大きい場合（ステップＳ５２；Ｎｏ）、油圧負荷出力Ｐ_HydOutの値を油圧負荷出力上限値Ｐ_HydMaxと等しくする（ステップＳ５３）。一方、油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqが油圧負荷出力上限値Ｐ_HydMax以下である場合には（ステップＳ５２；Ｙｅｓ）、油圧負荷出力Ｐ_HydOutの値を油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqの値と等しくして、油圧負荷が要求する動力をそのまま供給する（ステップＳ５４）。

ここで、図８は、本実施形態における油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqと油圧負荷出力Ｐ_HydOutとの関係を示すグラフである。通常、油圧負荷出力上限値Ｐ_HydMaxは、図中に示すＰ_HydMax1（＝Ｐ_EngMax＋Ｐ_BatMax−Ｐ_ElcOut）に設定されているものとする。この場合、グラフＧ１に示すように、油圧負荷出力Ｐ_HydOutは、油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqがＰ_HydMax1に達するまでは油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqと等しく設定される。そして、油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqがＰ_HydMax1を超えている場合には、油圧負荷出力Ｐ_HydOutはＰ_HydMax1と等しく設定される。

これに対して、メインポンプ１４といった油圧系の異常を検知した場合、油圧負荷出力上限値Ｐ_HydMaxは、Ｐ_HydMax1より低いＰ_HydMax2（＜Ｐ_HydMax1）に設定される。この場合、グラフＧ２に示すように、油圧負荷出力Ｐ_HydOutは、油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqがＰ_HydMax2に達するまでは油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqと等しく設定される。そして、油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqがＰ_HydMax2を超えている場合には、油圧負荷出力Ｐ_HydOutはＰ_HydMax2と等しく設定される。なお、このＰ_HydMax2は、Ｐ_HydMax1に係数を掛けて算出しても良いし、予め定められた値であっても良い。

また、図９を参照すると、ステップＳ６では、まず、バッテリ制御出力上限値Ｐ_BatMax2およびバッテリ制御出力下限値Ｐ_BatMin2を算出する（ステップＳ６１）。バッテリ制御出力上限値Ｐ_BatMax2は、電気負荷で消費できる電力と、電動発電機１２で油圧系をアシストして消費することのできる電力との和であって、電気負荷実出力Ｐ_ElcOutと油圧負荷出力Ｐ_HydOutとを加算した値からエンジン出力下限値Ｐ_EngMinを減算して算出される。また、バッテリ制御出力下限値Ｐ_BatMin2は、電気負荷の回生電力と電動発電機１２で発電する電力との和であって、電気負荷実出力Ｐ_ElcOutと油圧負荷出力Ｐ_HydOutとを加算した値からエンジン出力上限値Ｐ_EngMaxを減算して算出される。

次に、バッテリ制御出力上限値Ｐ_BatMax2とバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1とを比較し、またバッテリ制御出力下限値Ｐ_BatMin2とバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1とを比較する（ステップＳ６２）。ここでの比較は、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1及びバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1のそれぞれについて行われる。そして、バッテリ制御出力上限値Ｐ_BatMax2がバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1以上である場合（ステップＳ６２；Ｙｅｓ）、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMaxの値をバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1の値と等しくする（ステップＳ６３）。また、バッテリ制御出力下限値Ｐ_BatMin2がバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1以下である場合（ステップＳ６２；Ｙｅｓ）、バッテリ出力下限値Ｐ_BatMinの値をバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1の値と等しくする（ステップＳ６３）。

一方、バッテリ制御出力上限値Ｐ_BatMax2がバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1より小さい場合（ステップＳ６２；Ｎｏ）、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMaxの値をバッテリ制御出力上限値Ｐ_BatMax2の値と等しくする（ステップＳ６４）。また、バッテリ制御出力下限値Ｐ_BatMin2がバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1より大きい場合（ステップＳ６２；Ｎｏ）、バッテリ出力下限値Ｐ_BatMinの値をバッテリ制御出力下限値Ｐ_BatMin2の値と等しくする（ステップＳ６４）。

続いて、バッテリ目標出力Ｐ_BatTgtとバッテリ出力上限値Ｐ_BatMaxとを比較し、またバッテリ目標出力Ｐ_BatTgtとバッテリ出力下限値Ｐ_BatMinとを比較する（ステップＳ６５）。ここでの比較は、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax及びバッテリ出力下限値Ｐ_BatMinのそれぞれについて行われる。バッテリ目標出力Ｐ_BatTgtがバッテリ出力上限値Ｐ_BatMaxより大きい場合（ステップＳ６５；Ｎｏ）、バッテリ出力Ｐ_BatOutの値をバッテリ出力上限値Ｐ_BatMaxの値と等しくする（ステップＳ６６）。また、バッテリ目標出力Ｐ_BatTgtがバッテリ出力下限値Ｐ_BatMinより小さい場合（ステップＳ６５；Ｎｏ）、バッテリ出力Ｐ_BatOutの値をバッテリ出力下限値Ｐ_BatMinの値と等しくする（ステップＳ６６）。

一方、バッテリ目標出力Ｐ_BatTgtがバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax以下であり、且つバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin以上である場合（ステップＳ６５；Ｙｅｓ）には、バッテリ出力Ｐ_BatOutの値をバッテリ目標出力Ｐ_BatTgtの値と等しくする（ステップＳ６７）。

ここで、図１０は、バッテリ充電率（ＳＯＣ）とバッテリ出力との関係を示す図である。図１０のグラフ中には、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax11（図中の細い破線）及びＰ_BatMax12（図中の太い破線）、並びにバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1（図中の二点鎖線）が示されている。バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1は、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax11及びＰ_BatMax12のうち小さい方の値である。同様に、図９のグラフ中には、バッテリ出力下限値Ｐ_BatMin11（図中の細い一点鎖線）及びＰ_BatMin12（図中の太い一点鎖線）、並びにバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1（図中の二点鎖線）が示されている。バッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1は、バッテリ出力下限値Ｐ_BatMin11及びＰ_BatMin12のうち大きい方の値である。この図中において、実際のバッテリ出力Ｐ_BatOutは、放電を示すプラス側ではバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1より小さい領域に入るように決定され、充電を示すマイナス側ではバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1より大きい領域に入るように決定される。

また、図１０に示すグラフには、バッテリ目標出力Ｐ_BatTgtも示されている。本実施形態では、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1及びバッテリ出力下限値Ｐ_BatMin1に加え、バッテリ１９の現在の充電率ＳＯＣ_actも考慮して、バッテリ１９の実際の放電量又は充電量をバッテリ出力Ｐ_BatOutとして決定する。

一例として、バッテリ１９の充電率ＳＯＣ_actが図１０に示す値（現在値）である場合について説明する。このとき、バッテリ制御出力上限値Ｐ_BatMax2が図１０に示すようにバッテリ出力上限値Ｐ_BatMax1より小さければ、バッテリ出力上限値Ｐ_BatMaxはバッテリ制御出力上限値Ｐ_BatMax2と等しく設定される（図９のステップＳ６４）。更に、当該充電率ＳＯＣ_actにおけるバッテリ目標出力Ｐ_BatTgtがバッテリ出力上限値Ｐ_BatMaxより大きい場合には、バッテリ出力Ｐ_BatOutはバッテリ出力上限値Ｐ_BatMaxと等しく設定される（図９のステップＳ６６）。

また、図１１を参照すると、ステップＳ７では、まず、ステップＳ７１において、アシストモータ５２の運転を指示するアシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefを算出する。アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefは、バッテリ出力Ｐ_BatOutから電気負荷実出力Ｐ_ElcOutを減算して算出される。

ここで、図１２は、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefの算出モデルを示す図である。図１２において、電気負荷５６が実際に電力を消費する場合、バッテリ１９が放電する電力から電気負荷５６で消費される電力である電気負荷出力（電気負荷５６において電力が回生される場合には、負の値となる）を減算した値が正であれば、その電力が電動発電機１２に供給され、電動発電機１２はエンジン１１の駆動力をアシストする。一方、バッテリ１９が放電する電力から電気負荷５６で消費される電力である電気負荷出力を減算した値が負であれば、エンジン１１からの動力が電動発電機１２に供給され、電動発電機１２は発電を行う。すなわち、電動発電機１２のアシスト出力は、バッテリ１９から放電する電力から電気負荷５６で消費される電力を差し引いて得られる電力に相当するので、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefは、バッテリ出力Ｐ_BatOutから電気負荷実出力Ｐ_ElcOutを減算して算出できる。

再び図１１を参照すると、続くステップＳ７２において（或いはステップＳ７１の前でもよい）、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefの上限値であるアシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMaxの設定を行う。通常、アシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMaxは所定の値に設定されている。そして、メインポンプ１４といった油圧系の異常を検知した場合には、この所定値より低い値に設定される。

そして、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefが、アシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMax以下であるか否かが判定される（ステップＳ７３）。アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefがアシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMaxより大きい場合（ステップＳ７３；Ｎｏ）、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefの値をアシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMaxと等しくする（ステップＳ７４）。一方、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefがアシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMax以下である場合には（ステップＳ７３；Ｙｅｓ）、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefの値をそのまま出力する。

ここで、図１３は、本実施形態におけるアシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefとアシスト出力［Ｗ］との関係を示すグラフである。通常、アシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMaxは、図中に示すＰ_AsmMax1に設定されているものとする。この場合、グラフＧ３に示すように、アシスト出力は、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefがＰ_AsmMax1に達するまではアシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefと等しく設定される。そして、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefがＰ_AsmMax1を超えている場合には、アシスト出力はＰ_AsmMax1と等しく設定される。

これに対して、コントローラ３０がメインポンプ１４といった油圧系の異常を検知した場合、アシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMaxは、Ｐ_AsmMax1より低いＰ_AsmMax2（但し、０≦Ｐ_AsmMax2＜Ｐ_AsmMax1）に設定される。なお、Ｐ_AsmMax2がゼロである場合、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefが必ずゼロ以下となり、電動発電機１２がアシスト動作を行わないことを意味する。アシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMaxがＰ_AsmMax2に設定された場合、グラフＧ４に示すように、アシスト出力は、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefがＰ_AsmMax2に達するまではアシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefに従って制御される。そして、アシストモータ出力指令Ｐ_AsmRefがＰ_AsmMax2を超えている場合には、アシスト出力はＰ_AsmMax2の値に従って制御される。

なお、上述した油圧系異常時のアシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMax2の決定に際しては、例えばメインポンプ１４の回転を維持するために最低限必要な出力値をアシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMax2とするとよい。メインポンプ１４の回転を維持することで、エンジン１１の回転速度を安定させることができ、また旋回用電動機２１からの回生電力やバッテリ１９の充電率が高い場合に、これらのエネルギーを電動発電機１２を介して油圧系へ逃がすことが可能となるからである。

以上に説明した本実施形態のパワーショベル１による効果について説明する。既に述べたように、パワーショベル１は、メインポンプ１４の出力、並びに電動発電機１２の発電電力及びアシスト出力を制御するコントローラ３０を備えており、コントローラ３０は、メインポンプ１４といった油圧系の異常を検知した場合に、メインポンプ１４の出力上限値（油圧負荷出力上限値Ｐ_HydMax）および電動発電機１２のアシスト出力の上限値（アシストモータ出力上限値Ｐ_AsmMax）をそれぞれ正常時より低く設定する。ここで、発電出力の上限値については、油圧系の異常が発生した前後で変更されない。

したがって、油圧系の異常に起因してメインポンプ１４に対する油圧負荷要求出力Ｐ_HydReqが過剰になったとしても、メインポンプ１４の実際の出力Ｐ_HydOutが低く抑えられるので、エンジン１１に対する電動発電機１２のアシスト出力を増大させる必要が無く、また、電動発電機１２の実際のアシスト出力も低く抑えられるので、油圧ポンプへの余計な出力の発生を抑制することができる。また、バッテリ１９の充電率の過度の低下を抑制できる。すなわち、このパワーショベル１によれば、油圧系に異常が発生した場合であっても、より長く運転を継続することができる。また、バッテリ１９の寿命の低下を抑えることができる。

また、本実施形態のように、油圧系の異常発生の前後において、エンジン１１の出力上限値Ｐ_EngMaxは一定であることが好ましい。これにより、油圧系の異常が発生した際に電気負荷の出力要求があった場合には、電動発電機１２の発電出力の上限値は変更されないので十分な発電運転が可能となる。これにより、電気負荷の出力を低下させることなく、作業を継続させることができる。

本発明によるハイブリッド型建設機械は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではハイブリッド型建設機械としてパワーショベルを例示して説明したが、他のハイブリッド型建設機械（例えば、リフティングマグネット車両やホイルローダ、クレーン等）にも本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、油圧系の異常として油圧ポンプの傾斜板の固着やポンプ制御弁の故障を例示したが、油圧系の異常としては、これ以外にも所望の圧油の発生を妨げる様々な異常がある。また、このような異常を検出する手段として、上記実施形態では、ポンプ制御弁を駆動するための電流値の異常を制御部が検知する構成を例示したが、制御部が他の方法によって油圧系の異常を検出してもよく、或いは制御部とは別に油圧系異常検出部を設け、この油圧系異常検出部からの信号を制御部が受けても良い。

１…パワーショベル、２…走行機構、２ａ，２ｂ…油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、５…ブーム、６…アーム、７…バケット、８…ブームシリンダ、９…アームシリンダ、１０…バケットシリンダ、１１…エンジン、１２…電動発電機、１３…減速機、１４…メインポンプ、１８…インバータ回路、１９…バッテリ、２０…インバータ回路、２１…旋回用電動機、２９…圧力センサ、３０…コントローラ、３８…動力分配部、３９…出力条件算出部、１００…昇降圧コンバータ、１１０…ＤＣバス、１２０…蓄電手段。

Claims

内燃機関発動機と、
前記内燃機関発動機の駆動力により発生した油圧を油圧駆動部へ供給する油圧ポンプと、
前記内燃機関発動機に連結され、前記内燃機関発動機の駆動力により発電を行うとともに、自身の駆動力により前記内燃機関発動機の駆動力を補助する電動発電機と、
前記油圧ポンプの出力、並びに前記電動発電機の発電電力及び補助出力を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記油圧系の異常を検知した場合に、前記油圧ポンプの出力上限値を正常時より低く設定する
ことを特徴とする、ハイブリッド型建設機械。
前記制御部は、前記油圧系の異常を検知した場合に、前記電動発電機の補助出力の上限値を正常時より低く設定することを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド型建設機械。
前記油圧系の異常発生の前後において前記内燃機関発動機の出力上限値は一定であることを特徴とする、請求項１または２に記載のハイブリッド型建設機械。