JP2012153174A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＳＴモータおよび走行電動モータによって制駆動する建設機械においては、停止状態から急加速を行う場合に、エンジンをアシストするために、蓄電装置から発電電動機を介してエンジン軸に伝えられた出力が、ＨＳＴポンプへの動力として吸収されてしまい、エンジンの加速が遅れる可能性があった。また、蓄電装置からの出力は、発電機やＨＳＴポンプ等を介した後に走行動力として得られるため、駆動効率が低下するという課題があった。
【解決手段】本発明の建設機械は、エンジンをアシストする発電電動機が電動機動作を行う場合に出力されるアシスト要求出力と、ＨＳＴモータおよび／または走行電動モータのモータ回転数とに基づいて、走行電動モータを駆動するために出力される電動走行トルク指令およびＨＳＴモータを駆動するために出力されるＨＳＴ走行トルク指令を算出する制御手段を有することを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、特にホイールローダやホイール式油圧ショベル等の建設機械に関する。

従来、走行用の駆動装置と電動モータを組み合わせて制駆動するハイブリッド建設機械においては、特許文献１に開示されているように、走行用の駆動装置として、油圧ポンプと油圧モータとを閉回路接続したＨＳＴ（Hydraulic Static Transmission）駆動装置（以下ＨＳＴと称する。）を用い、電動モータと組み合わせたものが挙げられる。

また、特許文献２には、トルクコンバータ式自動変速機と電動モータとを組み合わせたハイブリッド建設機械が開示されている。

さらに、特許文献３には、エンジンに機械的に接続される発電機を備え、エンジンにかかる負荷に応じて発電機で発電または力行を行う建設機械が開示されている。

特許文献１および２に記載のハイブリッド建設機械においては、特性の異なる２つの走行動力伝達経路を備えている。

特許文献１に記載の技術では、車両速度に応じてＨＳＴ駆動装置と電動モータの動力配分割合を変化させることで、エンジン出力から効率良く走行動力を得ることができる。

また、特許文献２に記載の技術では、設定速度に向けて加速する過程において、発電機出力を制限するように構成することで、エンジンの加速を発電電動機の発電機作動によって妨げられることなく走行することができる。

さらに、特許文献３に記載の従来技術においては、高負荷時において蓄電装置の電力を使って発電機を力行動作させ、エンジンをアシストすることができる。そのため、標準機よりも小型のエンジンを搭載し、燃費を低減することができる。

特開２００８−１３７５２４号公報 特開２００９−１４３４７８号公報 特開２００４−１００６２１号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。

従来技術では、建設機械が低速時に、ＨＳＴに分配する動力の割合が電動モータに分配する動力の割合よりも大きくなるように構成される。そして、車速の増加に伴い、ＨＳＴの動力の割合が小さく、一方、電動モータに分配する動力の割合が大きくなるように動力分配割合を制御することが記載されている。

しかしながら、停止時から操作者がアクセルを大きく踏み込むとき、つまり停止時から急加速を行う場合においては、エンジンを発電電動機でアシストしながら加速させる必要がある。一方でこの場合、建設機械は低速なので、従来技術においてはＨＳＴに分配する動力の割合が電動モータに分配する動力の割合よりも大きくなるように構成される。

よって、エンジンをアシストするための発電電動機の出力はＨＳＴへの動力として使用されるため、エンジンの加速のために必要な動力がエンジンに対しては供給されにくい。

よって、アクセルの踏み込み量に応じて出力されるエンジンの加速指令に対して、実際のエンジンの加速が遅れる可能性が生じる。一般に、エンジンは回転数が高くなるほど出力が大きくなるという特性を有すため、エンジン加速が遅れると、エンジンが供給すべき出力を蓄電装置から供給する必要が生じ、この結果、蓄電装置の容量を大きくする必要がある。また、蓄電装置が供給した出力を、再び蓄電装置へ戻すために発電を行う必要があり、燃費悪化につながる。

また、この場合、ＨＳＴは、蓄電装置から出力される電力によって駆動されている。蓄電装置から出力される電力は、発電電動機に接続されたインバータや発電電動機を介して、ＨＳＴのＨＳＴポンプに与えられる。そして、ＨＳＴポンプが駆動することよりＨＳＴモータが駆動し、走行動力を得ることができる。つまり、蓄電装置からの電力がＨＳＴモータの動力として得られるまでには、インバータ、発電電動機等を介するため、エネルギーの損失があり、駆動効率が低下するという可能性があった。

本発明の目的は、走行加速を行いながら発電電動機によってエンジンをアシストするシーンにおいて、エンジンの加速を遅らせることなく、駆動効率よく走行することができる建設機械を提供することである。

上記目的を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記目的を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、エンジンと、エンジンと同軸上に機械的に接続され、発電機動作と電動機動作とを行う発電電動機と、発電電動機と同軸上に機械的に接続されるＨＳＴポンプと、ＨＳＴポンプの油圧によって制駆動するＨＳＴモータと、ＨＳＴモータと同軸上に機械的に接続される走行電動モータとを有し、ＨＳＴモータの出力および走行電動モータの出力によって車軸を制駆動する建設機械において、エンジンのエンジン回転数指令とエンジンのエンジン回転数と発電出力指令を用いて演算され、発電電動機が電動機動作を行う場合に発電電動機に対して出力されるアシスト要求出力を算出し、アシスト要求出力と走行電動モータまたは／およびＨＳＴモータの回転数とに基づいて、走行電動モータを駆動するために出力される電動走行トルク指令およびＨＳＴモータを駆動するために出力されるＨＳＴ走行トルク指令を算出し、アシスト要求出力の増加に伴い、電動走行トルク指令に応じて出力される電動走行モータの出力およびＨＳＴ走行トルク指令に応じて出力されるＨＳＴモータの出力の合計出力に対するＨＳＴモータの出力は減少することを特徴とする。

本発明によれば、走行用の駆動装置および電動モータを組み合わせたハイブリッド建設機械において、エンジンをアシストしながら走行加速を行う場合に、エンジン加速が遅れることなく、駆動効率の良い建設機械を提供することができる。

第１の実施形態における走行駆動装置の構成図。 第１の実施形態にかかる走行駆動装置が適用されるホイールローダの側面図。 第１の実施形態におけるホイールローダのＶ字掘削の模式図。 本実施形態の走行駆動装置において、時間経過に対するエンジン回転数、発電電動機出力、走行電動モータ出力およびＨＳＴモータ出力図。 ＨＳＴ配分割合を演算するためのマップ図の一例。 ハイブリッドコントローラ１００の構成図。 ハイブリッドコントローラ１００の各指令算出の処理フロー図。 ポンプ要求流量を演算するためのマップ図の一例。 走行要求出力を演算するためのマップ図の一例。 放電要求出力を演算するためのマップ図の一例。 最適エンジン回転数を演算するためのマップ図の一例。 本発明の効果を説明するための模式図。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。

図１は、第１の実施形態にかかる走行駆動装置の構成図である。

図１に示すように、走行駆動装置は、エンジン１と、エンジン１の出力軸に直結する発電電動機４とを有している。発電電動機４は、エンジン出力に余裕のあるときには発電機としての動作を行い、電力を回生する。また、エンジン出力よりも大きな出力が必要なときには、電動機として動作を行い、エンジン１の出力のアシストを行う。

そして、発電電動機４の同軸上には、ＨＳＴポンプ９およびメインポンプ８が接続されている。ＨＳＴポンプ９は、プロペラシャフト１１に直結するＨＳＴモータ１０とから、ＨＳＴ駆動装置２０と称される閉回路を構成し、ＨＳＴポンプ９により生じさせる油流や油圧を利用して、ＨＳＴモータ１０に動力を伝え、ＨＳＴモータ１０が制駆動する。また、メインポンプ８は、油の圧力エネルギーによりバケット等のフロント部を駆動させる。

さらに、発電電動機４には、発電用インバータ５が接続されている。そして、発電用インバータ５には、同一の電力線を介して、コンバータ３および走行用インバータ７が接続されている。

コンバータ３には、蓄電装置として、例えばキャパシタ２が接続されている。なお、本実施形態ではキャパシタ２を備えた構成としているが、キャパシタ２に替えて他の蓄電装置、例えばリチウムイオンバッテリを備えてもよい。そしてコンバータ３は、電力線の電圧が所定の値となるようにキャパシタ２からの充放電を制御している。

発電電動機４が発電機として動作を行う時には、回生電力は発電用インバータ５およびコンバータ３を介してキャパシタ２に充電される。

また、発電電動機４が電動機として動作を行う時には、キャパシタ２からの電力が、コンバータ３および発電用インバータ５を介して発電電動機４に供給され、発電電動機４が電動機として動作することによってエンジンの出力をアシストする。

一方で、走行用インバータ７には、プロペラシャフト１１に直結する走行電動モータ６が接続されている。走行電動モータ６は、発電用インバータ５や走行用インバータ７を介して供給される発電電動機４の発電機作動による電力や、コンバータ３や走行用インバータ７を介してキャパシタ２から供給される電力によって駆動される。

走行電動モータ６およびＨＳＴモータ１０に連結されているプロペラシャフト１１には、ディファレンシャルギア１２ｆ、１２ｒを介してドライブシャフト１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが接続されている。そして、ドライブシャフト１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄには車輪１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが設けられており、走行電動モータ６およびＨＳＴモータ１０を駆動することにより、建設機械を走行させることができる。

また、本実施形態にかかる走行駆動装置には、相互に通信を行うハイブリッドコントローラ１００、メインコントローラ５００、およびエンジン１の回転数を制御する図示しないエンジンコントローラが備えられている。

メインコントローラ５００は、図示しない前後進スイッチのシフト位置、アクセルペダルのアクセル踏量、リフトレバーやバケットレバーのレバー操作量およびメインポンプ８のポンプ吐出圧を検出し、ハイブリッドコントローラ１００へ送信する。

ハイブリッドコントローラ１００は、メインコントローラ５００から送信された前述の前後進スイッチのシフト位置、アクセル踏量、レバー操作量およびポンプ吐出圧を受信するとともに、図示しないエンジンコントローラから受信するエンジン回転数、コンバータ３から受信するキャパシタ電圧および走行用インバータ７から受信するモータ回転数を受信する。以上の値に基づいて、エンジン１に対して出力されるエンジン回転数指令、発電電動機４に対して出力される発電機トルク指令、走行電動モータ６に対して出力される電動走行トルク指令、およびメインコントローラ５００に対して出力されるＨＳＴ走行トルク指令を演算する。以上のようなハイブリッドコントローラ１００で行う指令値の演算方法の詳細は後述する。

メインコントローラ５００は、レバー操作量に応じたポンプ吐出流量が得られるように、図示しないエンジンコントローラから受信するエンジン回転数に応じて、メインポンプ８の傾転角を制御する。また、メインコントローラ５００は、ハイブリッドコントローラ１００において算出されたＨＳＴ走行トルク指令に応じて、ＨＳＴポンプ９とＨＳＴモータ１０のそれぞれの傾転角を調節し、ＨＳＴモータのトルクを制御する。これらのメインコントローラ５００で行う制御は、公知の油圧制御手段であるため、その詳細説明を省略する。

図２は、本実施形態にかかる走行駆動装置を備えたホイールローダの側面図である。オペレータは運転室１５に搭乗し、図示しないアクセルペダル、ブレーキペダルおよび前後進スイッチを操作することで、車輪１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを駆動して車両を走行させることができる。また、オペレータは、図示しないステアリングホイールを操作することで、ステアシリンダ１６を伸縮させて車両の屈折角を調節し、車両を旋回させることができる。また、図示しないリフトレバー、バケットレバーなどを操作することで、リフトシリンダ１７、バケットシリンダ１８を伸縮させて、バケット１９の位置と傾きを調節することができる。

ここで、ホイールローダの主たる作業であるＶ字掘削の一例を、図３を使って説明する。図のＡ点において、オペレータは前後進スイッチを前進方向に入れ、アクセルを踏み込んで車両を加速させ、掘削対象のある図のＢ点に向かって前進する。図のＢ点において、オペレータはアクセルを踏み込むと同時にレバーを操作し、掘削対象をバケットですくい込む。次にオペレータは、前後進スイッチを後進方向に入れ、アクセルを踏み込み、図のＡ点まで後進し、図のＡ点付近まで後進した後、再び前後進スイッチを前進方向に切り替える。そして、レバーを操作してバケットをリフトアップしながら、アクセルを踏み込むと同時にステアリングホイールを操作し、トラックのある図のＣ点へ向かって前進する。
図のＣ点でブレーキを踏んで停止した後、レバーを操作してトラックに掘削対象を積み込む。そして、前後進スイッチを後進方向に切り替えて、車両を図のＡ点まで後進させながら、レバーを操作してバケットを元の位置へと下げる。図のＡ点まで後進すると、前後進スイッチを前進方向へと切り替えて、再び図のＢ点へ向かって前進する。ここで、作業を早く行うために、オペレータは前後進の開始および切り替え時にアクセルを大きく踏み込むことが多く、アクセルの踏み込み量に応じて車両が必要とする出力が頻繁に大きく変化する。

このように、ホイールローダにおいては、車両が停止状態から急加速するシーンがあり、エンジンが必要とする出力が大きいために、発電電動機を電動機動作させてエンジンの出力アシストが行われる場合がある。

従来技術においては、建設機械の車速に応じて、走行電動モータおよびＨＳＴモータの出力の配分を決定していた。つまり、ＨＳＴは、低速時には特に大きな牽引力を発揮し、高速時には効率が低下する特性を持っているので、車速の増加に伴い、ＨＳＴに分配する動力の割合を小さくし、走行電動モータに分配する動力の割合を大きくなるような制御を行っていた。よって、従来技術では、上述のように建設機械が停止状態からの急加速を行うシーンにおいては、低速時における動力配分が行われることになる。

しかしながら、上述のような動力配分を行った場合には、エンジンの加速遅れが生じていた。これは、発電電動機４が電動機動作を行うことによって発生する動力が、ＨＳＴ駆動装置２０を駆動するための動力としてその多くを使用されてしまい、オペレータの急加速要求に応じたエンジン加速をするための動力が、エンジン１に伝達されず、エンジン回転数指令に対してエンジン１の加速が遅れるという問題点が生じてしまうものである。エンジン１の加速が遅れると、オペレータの加速要求に応じたエンジン出力が得られないため、エンジン加速に必要な動力を、さらに発電電動機４の電動機動作によって補うことが必要となる。よって、発電電動機４に大きな電力を供給するために蓄電手段２の容量を大きくしなければならなくなる。また、蓄電装置が供給した電力を、再び蓄電装置へ戻すために発電を行う必要があり、燃費が低下する恐れがある。また、蓄電手段２から出力される電力は、ＨＳＴモータ１０に動力として伝達されるまでに、コンバータ３、発電電動機用インバータ５、ＨＳＴポンプ９等を介するために、電力・動力の損失が大きくなり、駆動効率が低下する。

本発明では、停止状態から急加速を行うために発電電動機４が電動機動作を行う場合において生じる上記のような課題を解決するものであり、発電電動機４が電動機動作を行い、電動機出力が増加する場合には、走行電動モータ６に対するＨＳＴモータ１０の出力の割合が減少するように制御を行う。このような制御を行うことにより、発電電動機４の電動機出力がＨＳＴポンプの動力としてその多くを使用されることにより生じるエンジン１の加速遅れや、燃費の低下を生じさせることなく、建設機械を駆動することができる。

以下、上記のような効果を得るための一実施例である走行電動モータ６およびＨＳＴモータ１０の合計出力に対するＨＳＴモータ１０の出力割合を図４および図５を用いて説明する。

図４は、車両停止状態から一定出力で加速走行する場合における、本実施形態の走行駆動装置の動作を示したものである。（ａ）は、時間経過に対するエンジン回転数、（ｂ）は、発電機出力、（ｃ）は、走行電動モータ出力、および（ｄ）は、ＨＳＴモータ出力を示したものである。

（ａ）に、時間経過に対するエンジン回転数指令を一点鎖線で、実際のエンジン回転数を実線で示す。時刻ｔ₁において、一定出力で走行加速を開始する際、時刻ｔ₁においてエンジン回転数指令はステップ状に立ち上がる。エンジンは、エンジン回転数指令に追従するように、実線のような変移を取りながら回転数を増加させ、時刻ｔ₂においてエンジン回転数指令と一致する。

このように時刻ｔ₁からｔ₂にかけて、エンジン回転数を増加させる過程において、発電電動機４は電動機として動作し、エンジン１をアシストする。（ｂ）に、時刻経過に対する発電電動機４の発電電動機出力を示す。発電電動機出力が正の場合は、発電電動機４が電動機として動作しているときの出力を示し、負の場合は、発電電動機４が発電機として動作しているときの出力を示す。（ｂ）では、時刻ｔ₁からｔ₂にかけて、エンジン回転数を増加させる過程において、発電電動機４は電動機として動作し、エンジン１をアシストするので、時刻ｔ₁からｔ₂にかけて電動機として出力していることがわかる。

なお、アクセルを踏み込む量が大きく、速度が速いと、要求される時間に対するエンジン回転数の増加量の変化率が大きくなるので、発電電動機出力の出力量及び出力量変化率も大きくなる。例えば、車両が停止状態から急加速するような場面においては、エンジン回転数を増加させるために発電電動機が電動機として動作し、発電電動機出力の出力量や出力量変化率が大きくなる。また、アクセルを大きく踏み込んでいなくても、リフトレバーやバケットレバーのレバー操作量が大きくなると、エンジンに要求される出力が大きくなるため、電動機出力は正となる。

時刻ｔ₂以降では、エンジン回転数指令値に基づくエンジン回転数までエンジン回転数が上昇するので、発電電動機４によるアシストが必要でなくなる。そして、エンジン１の出力に余裕が生じると、発電電動機の出力は負の値をとり発電を行うことがわかる。

このように、発電電動機４が電動機動作を行う際、本発明における走行電動モータ出力およびＨＳＴモータ出力は、それぞれ（ｃ）および（ｄ）における実線で示すような、時刻経過に対する出力となる。発電電動機４が電動機動作を行う時刻ｔ₁からｔ₂にかけて、走行電動モータの出力は一時的に大きくなり、その分ＨＳＴモータ出力が小さくなる。

一方、（ｃ）および（ｄ）において破線で示される出力は、従来において、車速に応じて決定される走行電動モータおよびＨＳＴモータの出力を示したものである。エンジン回転数が小さい時刻ｔ₁からｔ₂にかけては、走行電動モータに対するＨＳＴモータの出力配分が大きい。

つまり、本発明においては、発電電動機４が電動機動作を行う際には、従来の制御方法において決定された出力と比較して、ＨＳＴモータ出力が小さく、また走行電動モータ出力が大きく設定される。よって、従来であると、発電電動機４で生じた動力はＨＳＴモータの動力として使用され、エンジン加速の遅れを引き起こしていたが、本発明においては走行電動モータの出力を一時的に増加させ、その分ＨＳＴモータの出力を小さくすることでエンジンの加速遅れを防ぐことができる。

そして、本発明では、発電電動機４が電動機動作を行う場合に、発電電動機４に対して出力されるアシスト要求出力の大きさおよびモータ回転数の絶対値に応じてＨＳＴモータの出力配分を決定する。

図５は、モータ回転数の絶対値およびアシスト要求出力に基づいて決定される、ＨＳＴ配分割合を演算するためのマップの一例である。図５に示されるように、モータ回転数の絶対値が増加すると、ＨＳＴ出力配分割合が減少するように設定されている。ここで、車両の速度はモータ回転数に依存するので、言い換えれば、車速が増加するとともにＨＳＴ出力配分が減少するように設定されている。なお、モータ回転数は、走行電動モータ６および／またはＨＳＴモータ１０の回転数である。このようにモータ回転数に応じてＨＳＴ出力配分を決定したのは、ＨＳＴが低速走行時においては大きな牽引力を発揮できるが、高速走行時においては、動力伝達効率が低下し燃費が悪化するという特性を考慮したものであり、このような出力配分とすることで、ＨＳＴを効率よく作動させることができる。

そして、エンジン１をアシストする発電電動機４のアシスト要求出力が増加すると、同一のモータ回転数におけるＨＳＴ配分割合は、アシスト要求出力の増加に伴って減少するように設定する。

このような出力配分とすることで、従来技術のようにＨＳＴ出力配分が大きいことにより、エンジン加速遅れが生じることを防ぐことができる。

以上のように、アシスト要求出力およびモータ回転数に基づいて、ＨＳＴモータ１０および走行電動モータ６の出力配分を設定し、設定された出力配分を出力するように、ＨＳＴ走行トルク指令および電動走行トルク指令を算出することにより、エンジン加速の遅れを生じることなく、駆動効率の良い走行加速を行うことができる。特に、アシスト要求出力の大きさに応じたＨＳＴ配分割合を設定されていることによって、アシスト要求出力が大きな値をとる急加速状態を考慮した出力配分となっており、車両が停止状態から急加速する際に生じるエンジンの加速遅れを解決するのに有効である。

以下、図６を用いて、ハイブリッドコントローラ１００において算出されるエンジン回転数指令、発電機トルク指令、ＨＳＴ走行トルク指令および電動走行トルク指令の算出方法を説明する。

図６は、ハイブリッドコントローラ１００の構成図である。ハイブリッドコントローラ１００は、エネルギーマネジメント部１１０、油圧要求出力演算部１２０、走行要求出力演算部１３０、パワーフロー制御部１４０、エンジン制御部１５０、走行制御部１６０から構成される。

図７は、ハイブリッドコントローラ１００を構成する上記各制御部における処理フロー図である。ハイブリッドコントローラ１００において、油圧要求出力演算部１２０において油圧要求出力演算、走行要求出力演算部１３０において走行要求出力演算、エネルギーマネジメント部１１０においてエネルギーマネジメント演算、パワーフロー制御部１４０においてパワーフロー制御演算、エンジン制御部１５０においてエンジン制御演算、および走行制御部１６０において走行制御演算の順に演算処理を行う。ハイブリッドコントローラ１００におけるこれらの演算処理は、一定の周期でこれらの一連の計算を繰り返す。

以下、図６に示される各制御部における演算方法の詳細を、図７のフロー図に基づいて順を追って説明する。

まず、油圧要求出力演算部１２０では、メインポンプ８のポンプ要求流量およびポンプ吐出圧を用いて油圧要求出力を演算する。

ここで、ポンプ要求流量は、予めレバー操作量に応じて設定された値を用いる。図８は、ポンプ要求流量を演算するためのマップの一例を示したものである。マップは、レバー操作量の絶対値に対してポンプ要求流量が略比例するように設定しておく。

このように決定されたポンプ要求流量およびポンプ吐出圧から、数（１）に表される式を用いて油圧要求出力を演算する。ここで、レバー操作量が略０の場合や、リフトダウンなどメインポンプ８からの油圧を必要としない場合は、ポンプ要求流量は最小吐出流量とする。

油圧要求出力Ｐ_{wr_pmp_r}は、数（１）を用いて、ポンプ要求流量ｑ_{pmp_r}とポンプ吐出圧ｐ_pmpから算出される。

また、油圧要求出力演算部１２０では、ポンプ要求流量ｑ_{pmp_r}およびメインポンプ８の単位角度当たりの最大容積Ｄ_{p_pmp_maxに}基づいてエンジン回転数下限値Ｎ_{eng_min}を算出する。エンジン回転数下限値Ｎ_{eng_min}は、メインポンプの容量Ｄｐを最大とした場合に、要求流量を満足するエンジン回転数の下限値を表したものである。エンジン回転数下限値Ｎ_{eng_min}は、数（２）を用いて、ポンプ要求流量ｑ_{pmp_r}およびメインポンプ８の単位角度当たりの最大容積Ｄ_{p_pmp_max}から算出される。

このようにして、油圧要求出力演算部１２０では、レバー操作量およびポンプ吐出圧に基づいて、油圧要求出力Ｐ_{wr_pmp_r}およびエンジン回転数下限値Ｎ_{eng_min}が算出される。

次に、走行要求出力演算部１３０では、操作レバーの前後シフト位置、車両速度およびアクセル踏量から、ＨＳＴモータ１０および走行電動モータ６に要求される出力である走行要求出力Ｐ_{wr_drv_r}を決定する。

走行要求出力Ｐ_{wr_drv_r}は、例えば図９に示すような一例のマップを用いて決定される。前後進スイッチのシフト位置に対応する方向と、現在の車両速度の方向とが同一の方向の場合は、アクセル踏量に略比例して走行要求出力Ｐ_{wr_drv_r}が増加する。一方シフト位置に対応する方向と、現在の車両速度の方向とが異なる方向であれば、アクセル踏量に略比例して走行要求出力Ｐ_{wr_drv_r}が減少する。このようなマップに基づいて、走行要求出力Ｐ_{wr_drv_r}は、操作レバーの前後シフト位置、車両速度およびアクセル踏量に応じて決定される。

次に、エネルギーマネジメント部１１０では、キャパシタ電圧と車両速度に基づいて、蓄電装置の放電出力値である放電要求出力Ｐ_{wr_cap_r}を演算する。

放電要求出力Ｐ_{wr_cap_r}は、例えば図１０に示すようなマップを用いて演算される。図１０に示すように、キャパシタ電圧の使用電圧範囲内において、キャパシタ電圧が高く、車両速度が高いほど放電要求出力が大きくなるように、キャパシタ電圧に対して放電要求出力が略比例するように設定されている。ここで、放電要求出力が正の場合は、キャパシタから放電を行い、放電要求出力が負の場合は、キャパシタに充電を行う。なお、車両速度は、車両の絶対速度で、光学式の絶対車速センサや車輪速センサなどを使って検出してもよいが、モータ回転数を基に車輪半径、ディファレンシャルギア比などから推定してもよい。

次に、パワーフロー制御部１４０では、エネルギーマネジメント部１１０において算出された放電要求出力Ｐ_{wr_cap_r}、走行要求出力演算部において算出された走行要求出力Ｐ_{wr_drv_r}、および後述するエンジン制御部１５０において算出されたアシスト要求出力Ｐ_{wr_ast_r}に基づいて、発電電動機４に対して発電機作動または電動機作動として機能させるために出力される発電出力指令Ｐ_{wr_gen_t}が演算される。ここで、アシスト要求出力Ｐ_{wr_ast_r}は、現処理周期の一つ前の周期においてエンジン制御部１５０で演算された値を用いる。発電出力指令Ｐ_{wr_gen_t}は、以下のような数（３）を用いて演算される。

また、パワーフロー制御部１４０では、油圧要求出力演算部１２０で算出された油圧要求出力Ｐ_{wr_pmp_r}、および数（３）にて算出された発電出力指令Ｐ_{wr_gen_t}に基づいて、エンジンに要求される出力を生じさせるためのエンジン出力指令Ｐ_{wr_eng_t}が数（４）を用いて演算される。

次に、エンジン制御部１５０では、油圧要求出力演算部１２０で算出されたエンジン回転数下限値Ｎ_{eng_min}およびパワーフロー制御部１４０で算出されたエンジン出力指令Ｐ_{wr_gen_t}を用いて、エンジン回転数指令Ｎ_engを演算する。エンジン回転数指令Ｎ_engは、例えば図１１に示されるようなエンジン出力指令Ｐ_{wr_gen_t}に基づいて最適エンジン回転数が設定されるマップを用いて、最適エンジン回転数を決定し、エンジン回転数下限値Ｎ_{eng_min}と比較し、大きい方をエンジン回転数指令Ｎ_engとする。図１１に示されるような最適エンジン回転数を演算するためのマップは、予め実験などで得たエンジンの等燃費マップを基に、同一のエンジン出力指令に対して最も燃料消費率が低くなる回転数を最適エンジン回転数としてマップを設定する。

このように決定されたエンジン回転数指令Ｎ_engは、図示されないエンジンコントローラへ送信され、エンジンコントローラによってエンジン１の燃料噴射量が調節され、エンジン１の回転数が制御される。

また、エンジン制御部１５０においては、このように決定されたエンジン回転数指令Ｎ_eng、およびパワーフロー制御部１４０において算出された発電出力指令Ｐ_{gen_t}から、数（５）を用いて発電機トルク指令Ｔ_{gen_t}を演算する。

ただし、右辺第２項のＴ_{gen_FB}は速度フィードバックトルクで、エンジン回転数指令とエンジン回転数の偏差に応じて公知のＰＩＤ制御などを用いて演算する。このように演算された発電機トルク指令Ｔ_{gen_t}は、発電用インバータ５に対して出力され、発電電動機４のトルク制御を行う。
さらに、エンジン制御部１５０では、算出された発電機トルク指令Ｔ_{gen_t}およびエンジン回転数Ｎ_engから数（６）を用いてアシスト要求出力Ｐ_{wr_ast_r}を算出する。アシスト要求出力Ｐ_{wr_ast_r}は、エンジン１を加速させるために発電電動機４を電動機として作動させる場合に要求される発電機出力である。つまり、停止状態からの急発進を行う場合が想定される、エンジンに対する加速の要求が大きい場合には、アシスト要求出力の値が大きい。逆に、エンジンに対する加速の要求が小さい場合には、アシスト要求出力の値は小さい。

また、走行制御部１６０では、走行要求出力演算部１３０において算出された走行要求出力Ｐ_{wr_drv_r}、エンジン制御部１５０において算出されたアシスト要求出力Ｐ_{wr_ast_r}、および走行電動モータ６またはＨＳＴモータ１０モータの回転数から、走行電動モータ６に対して出力される電動走行トルク指令Ｔ_{em_t}、およびＨＳＴモータ１０に対して出力されるＨＳＴ走行トルク指令Ｔ_{hm_t}を演算する。
走行要求出力演算部１３０において算出された走行要求出力Ｐ_{wr_drv_r}およびモータ回転数Ｎ_motから、走行電動モータ６およびＨＳＴモータ１０に求められる合計トルクを出力させるための指令値である駆動トルク指令Ｔ_{drv_t}を、数（７）を用いて演算する。

ここで、駆動トルク指令Ｔ_{drv_t}の絶対値は、予め設定するＨＳＴモータと走行電動モータの最大トルクの合計値である最大駆動トルク以下になるように、駆動トルク指令Ｔ_{drv_t}に制限をかける。ただし、モータ回転数Ｎ_motが略０の場合は、最大駆動トルクに走行要求出力Ｐ_{wr_drv_r}の符号をかけた値を駆動トルク指令Ｔ_{drv_t}とする。

以上のようにして算出された駆動トルク指令Ｔ_{drv_t}を、予め設定したマップを用いて、走行電動モータ出力およびＨＳＴモータ出力の合計出力に対するＨＳＴモータ出力の出力配分割合を演算する。ＨＳＴ出力配分割合は、例えば図５のように、モータ回転数の絶対値およびアシスト要求出力Ｐ_{wr_ast_r}に基づいて設定したＨＳＴ出力配分割合のマップを用いて決定する。つまり、アシスト要求出力が増加し、エンジンに対する加速要求が大きい場合には、電動走行トルク指令およびＨＳＴ走行トルク指令の合計値に対するＨＳＴ走行トルク指令は減少するようなＨＳＴ出力配分割合にする。このような構成を有することにより、走行電動モータおよびＨＳＴモータを組み合わせたハイブリッド建設機械において、走行加速を行う場合であって、特に停止状態から急加速を行う場合に、エンジンが加速遅れすることなく、駆動効率の良い建設機械を提供することができる。

このようなマップを用いて、モータ回転数の絶対値およびアシスト要求出力Ｐ_{wr_ast_r}に基づいて決定されたＨＳＴ配分割合ｒ_hstおよび前述の駆動トルク指令Ｔ_{drv_t}から、数（８）を用いてＨＳＴ走行トルク指令Ｔ_{hm_t}を演算する。

ただし、Ｔ_{drv_th}は駆動トルク閾値であり、駆動トルクが極端に低いことによるＨＳＴの効率の大幅な低下を防ぐために、駆動トルク閾値Ｔ_{drv_th}を設定する。

以上のようにして算出した駆動トルク指令Ｔ_{drv_t}およびＨＳＴ走行トルク指令Ｔ_{hm_t}から、数（９）を用いて電動走行トルク指令Ｔ_{em_t}を演算する。

なお、ＨＳＴ走行トルク指令Ｔ_{hm_t}および走行電動トルク指令Ｔ_{em_t}の符号は、それぞれＨＳＴモータ、走行電動モータの回転方向に対するトルクの方向を示している。すなわち、任意の時刻での回転方向に対して、トルクが同じ方向ならば正、逆方向ならば負の値をとる。

以上のように、ＨＳＴを用いた建設機械においては、モータの回転数の増加に伴い、ＨＳＴ配分割合が小さくなるようにＨＳＴ走行トルク指令を決定し、ＨＳＴモータ出力を減少させた分だけ、走行電動モータ出力を増加させる。このような構成をとることによって、車両が高速時において生じるＨＳＴの燃費の悪化を防ぎ、ＨＳＴを効率よく作動することができる。さらには、発電電動機４に対するアシスト要求出力Ｐ_{wr_ast_r}の増加に伴い、ＨＳＴ出力配分を減少させることで、エネルギー効率の良い走行をすることができる。

次に、本実施例において決定される、走行電動モータ出力およびＨＳＴ走行モータ出力とした場合の、走行駆動装置における電力のパワーフローを、図１２を用いて説明する。

図１２は、上記の動作における本発明の効果を説明した本実施例の走行駆動装置の模式図である。２重線の丸四角は目的とする動作を示し、ここでは走行加速を行うためにエンジン加速が必要であるシーンを表している。矢印は出力の方向を、数値は必要な出力のノミナル値を表す。

（ａ）は本実施形態の走行駆動装置のパワーフロー、（ｂ）は本実施形態を用いない場合の走行駆動装置のパワーフローを表す。いずれも、走行加速のシーンにおいて、発電電動機を電動機として作動させ、走行加速に必要な出力を１０、エンジン加速に必要な出力を２とした場合を考える。

（ａ）に示されるように、本実施形態の走行駆動装置では、発電電動機が電動機として作動し、停止状態から急加速を行うような車両速度が小さい場合には、走行電動モータの出力割合が大きくなる。そのため、例えば走行加速に必要な出力１０を、走行電動モータの出力を７、ＨＳＴモータの出力を３と配分する。ここで、簡単化のために各コンポーネントの効率をそれぞれ０.５とする。走行電動モータの出力７を得るためには、キャパシタからは１４の出力が必要となる。また、ＨＳＴモータが必要とする出力が３であるため、ＨＳＴポンプが必要な出力１２、エンジン加速に用いられる出力が２であることを考慮すると、キャパシタから発電電動機への出力は２８となる。よって、キャパシタは、走行電動モータおよびＨＳＴモータを駆動させるためには、４２の出力を出せばよいことになる。

一方、（ｂ）に示されるように、本実施形態を用いない場合の走行駆動装置では、停止状態から急加速を行うような状況では、車両速度が小さいので、ＨＳＴモータの出力配分が大きくなるように制御されるために、走行加速に必要な出力１０の配分は、ＨＳＴモータの出力が７、走行電動モータの出力は３となる。よって、上述のように各コンポーネントの効率を考慮すると、キャパシタは６６の出力を出せばよいことになる。

以上のように、建設機械が停止時からの急加速をする場合において、本実施形態では、本実施形態を用いない場合のＨＳＴに必要な出力と比較して小さな動力配分とするので、電動機のアシストによって、エンジンを遅れることなく加速させることができる。一方、本実施形態を用いない場合には、ＨＳＴに必要な出力が大きいため、電動機でのアシスト出力も大きくなり、アシスト出力の多くはＨＳＴに必要な出力を与えるために使用される。よって、その場合にはエンジンの加速に必要な出力がエンジンに十分に与えられなくなるため、エンジンの加速が遅れてしまう。加えて、本実施例に基づくＨＳＴ出力配分を設定することにより、停止時から急加速を行う場合においては電動機でのアシスト出力が小さくなるため、ＨＳＴに出力が伝達する際に生じる駆動効率の低下を防ぐことができる。

本実施形態では、走行電動モータとＨＳＴモータで車輪を駆動する構成を示したが、本発明の実施形態はこれに限定するものではなく、走行用駆動装置、例えばトルクコンバータ式自動変速機や無段自動変速機で車輪を駆動する構成であってもよい。

本実施形態では、図５に示すように、モータ回転数の絶対値が大きいほどＨＳＴ配分割合を小さくしたが、これは、回転数が高くなるほど効率が低下するＨＳＴの特性を考慮した結果である。そのため、他の変速装置を備える場合は、他の変速装置の効率分布を基に、配分割合を決定することが望ましい。なお、アシスト要求出力が大きいほど他の変速装置の配分割合を小さくする点は、他の変速装置を備える場合であっても同様でよい。

また、本実施形態では、エンジンの出力軸に、発電機、メインポンプ、ＨＳＴポンプが直結されている構成を示したが、本発明はこれに限定するものではなく、発電機、メインポンプ、ＨＳＴポンプはそれぞれギアなどを介してエンジンの出力軸に接続されていてもよい。

本実施形態では、プロペラシャフトに、走行電動モータ、ＨＳＴモータが直結されている構成を示したが、本発明はこれに限定するものではなく、走行電動モータ、ＨＳＴモータはそれぞれギアなどを介してプロペラシャフトに接続さていてもよい。

１ エンジン
２ キャパシタ
３ コンバータ
４ 発電電動機
５ 発電用インバータ
６ 走行電動モータ
７ 走行用インバータ
８ メインポンプ
９ ＨＳＴポンプ
１０ ＨＳＴモータ
１１ プロペラシャフト
１２ｆ、１２ｒ ディファレンシャルギア
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ ドライブシャフト
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 車軸
１５ 運転室
１６ ステアシリンダ
１７ リフトシリンダ
１８ バケットシリンダ
１９ バケット
２０ ＨＳＴ駆動装置
１００ ハイブリッドコントローラ
５００ メインコントローラ

Claims (3)

1. エンジンと、
   前記エンジンと同軸上に機械的に接続され、発電機動作と電動機動作とを行う発電電動機と、
   前記発電電動機と同軸上に機械的に接続されるＨＳＴポンプと、
   前記ＨＳＴポンプの油圧によって制駆動するＨＳＴモータと、
   前記ＨＳＴモータと同軸上に機械的に接続される走行電動モータと、前記走行電動モータを駆動するために出力される電動走行トルク指令および前記ＨＳＴモータを駆動するために出力されるＨＳＴ走行トルク指令を算出するハイブリッドコントローラと、を有し、
   前記ＨＳＴモータの出力および前記走行電動モータの出力によって車軸を制駆動する建設機械において、
   前記ハイブリッドコントローラは、
   前記エンジンのエンジン回転数指令と前記エンジンのエンジン回転数と発電出力指令を用いて演算され、前記発電電動機が電動機動作を行う場合に前記発電電動機に対して出力されるアシスト要求出力を算出し、
   前記電動走行トルク指令および前記ＨＳＴ走行トルク指令は、
   前記アシスト要求出力と前記走行電動モータまたは／およびＨＳＴモータの回転数とに基づいて、算出され、
   前記アシスト要求出力の増加に伴い、前記電動走行トルク指令および前記ＨＳＴ走行トルク指令の合計値に対する前記ＨＳＴ走行トルク指令は減少することを特徴とする建設機械。
2. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記電動走行モータの出力および前記ＨＳＴモータの出力の合計出力に対する前記ＨＳＴモータの出力の割合は、前記ＨＳＴモータの回転数または／および前記走行用電動モータの回転数の増加に伴い減少することを特徴とする建設機械。
3. エンジンと、
   前記エンジンと同軸上に機械的に接続され、発電機動作と電動機動作とを行う発電電動機と、
   前記発電電動機と同軸上に機械的に接続され、前記エンジンまたは／および前記発電電動機の出力を車軸に伝える走行用変速装置と、
   前記車軸に設けられた走行電動モータとを有し、
   前記走行用変速装置の出力および前記走行電動モータの出力によって車軸を制駆動する建設機械において、
   前記エンジンのエンジン回転数指令と前記エンジンのエンジン回転数と発電出力指令を用いて演算され、前記発電電動機が電動機動作を行う場合に前記発電電動機に対して出力されるアシスト要求出力を算出し、
   前記アシスト要求出力と前記走行電動モータまたは／および前記走行用モータの回転数とに基づいて、前記走行電動モータを駆動するために出力される電動走行トルク指令および前記走行用モータを駆動するために出力される走行トルク指令を算出し、
   前記アシスト要求出力の増加に伴い、前記電動走行トルク指令に応じて出力される前記電動走行モータの出力および前記走行トルク指令に応じて出力される前記走行用モータの出力の合計出力に対する前記走行用モータの出力は減少することを特徴とする建設機械。

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