JP2014231297A - ハイブリッド作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置に異常が発生した場合でも、直流母線の電圧変動を抑え、電動機を安定して駆動する。
【解決手段】ホイールローダは、エンジン２１と、エンジン２１によって駆動される発電機２７と、発電機２７により発電された電力によって駆動される走行電動機３１と、発電機２７と走行電動機３１とに接続される直流母線２９と、直流母線２９に接続される蓄電装置３４と、発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４を制御するハイブリッド制御装置３７とを備えている。蓄電装置３４の異常時には、ハイブリッド制御装置３７が、発電機２７の出力を直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧に基づいて電圧制御すると共に、走行電動機３１のトルクを制限する。これにより、走行電動機３１が要求する電力に対して発電機２７から過不足なく電力を供給することができ、走行電動機３１を安定して駆動することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧ショベル、ホイールローダ等の作業機械に関し、特に、動力源としてエンジンと電動機（電動モータ）とを併用したハイブリッド作業機械に関する。

一般に、油圧ショベル等の作業機械は、走行用、作業用の動力源としてエンジンを備え、このエンジンによって油圧ポンプを駆動することにより、油圧ポンプから吐出した圧油によって油圧モータ、油圧シリンダ等の油圧アクチュエータを作動させる構成となっている。

これに対し、走行用、作業用の動力源としてエンジンと電動機とを併用したハイブリッド作業機械が知られており、例えばハイブリッド式の油圧ショベルとして、上部旋回体を旋回させる旋回モータを電動機によって構成したものが提案されている。このハイブリッド作業機械は、エンジンと、エンジンによって駆動される発電機と、発電機により発電された電力によって駆動される電動機と、発電機と電動機とに接続された直流母線と、直流母線に接続された蓄電装置とを備えている（特許文献１参照）。

一方、走行モータを電動機によって構成したハイブリッド式のホイールローダも提案されており、このホイールローダは、エンジンに機械的に接続された発電機からの電力によって走行用の電動機を駆動している。ここで、ホイールローダが走行時に急加速したり、急停止した場合には、電動機の急峻な電力変動に発電機が応答することができず、電動機に対し過渡的な電力不足や過剰な電力供給が発生する。

これに対し、蓄電装置によって直流母線の電圧を一定に保ち、発電機が発生した余剰電力を蓄電装置に充電し、または電動機の不足電力を蓄電装置から電動機に供給することにより、電動機による電力の消費と発電機による電力の供給とのバランスを維持することができる。

従って、蓄電装置に異常が発生した場合には、発電機と電動機とが正常であるにも拘わらず、電動機の急峻な電力変動に発電機が応答しきれずに、直流母線が過電圧もしくは低電圧となり、ハイブリッド式のホイールローダの走行機能が停止してしまう虞れがある。

このため、蓄電装置に異常が発生した場合の対策として、発電機に対する制御モードを、正常時のトルク制御モードから電圧制御モードに切換えることが知られている。具体的には、蓄電装置の正常時には、電動機が必要とする電力を算出し、算出された電力が得られるように発電機の発電トルクを制御するトルク制御モードで発電機を制御する。一方、蓄電装置の異常時には、直流母線の電圧を目標の電圧とするための電圧指令値と、実際の直流母線の電圧との偏差に基づいて発電機を制御する電圧制御モードで発電機を制御することが知られている。

特開２０１０−１７８５０８号公報

上述の如く、蓄電装置に異常が発生した場合には、発電機を電圧制御モードで制御することにより、蓄電装置の異常時においても直流母線の電圧を制御することができ、走行用の電動機を駆動することができる。しかし、発電機はエンジンによって駆動されるため、発電機の応答性を蓄電装置と同程度にまで高めることは難しい。

このため、蓄電装置に異常が発生した場合には、ホイールローダの急加速や急停止に伴う急峻な電力変動に発電機が応答しきれずに、直流母線の電圧が低電圧あるいは過電圧となって走行用の電動機を安定して駆動することができず、走行機能が停止してしまう虞れがある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、蓄電装置に異常が発生した場合でも、直流母線の電圧変動を抑え、電動機を安定して駆動することができるようにしたハイブリッド作業機械を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明は、自走可能な車体に搭載されたエンジンと、該エンジンによって駆動され電力を発生する発電機と、該発電機により発電された電力によって駆動される電動機と、前記発電機と前記電動機とに接続され両者間で電力を伝達する直流母線と、該直流母線に接続され前記発電機および前記電動機との間で電力の充放電を行う蓄電装置と、該蓄電装置の異常を検出する蓄電装置異常検出手段と、前記エンジン、前記発電機、前記電動機、前記蓄電装置の出力を制御するハイブリッド制御装置とを備えてなるハイブリッド作業機械に適用される。

そして、請求項１の発明の特徴は、前記発電機の出力を当該発電機のトルクに基づいて制御するトルク制御モードと前記発電機の出力を前記直流母線の電圧に基づいて制御する電圧制御モードとを選択的に実行する発電機制御装置を備え、前記蓄電装置異常検出手段によって前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記ハイブリッド制御装置は、前記発電機制御装置を電圧制御モードに設定し、かつ、前記電動機および／または前記エンジンの出力に制限を加える構成としたことにある。

請求項２の発明は、前記蓄電装置異常検出手段によって前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記ハイブリッド制御装置は、前記電動機のトルクを制限する構成としたことにある。

請求項３の発明は、前記蓄電装置異常検出手段によって前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記ハイブリッド制御装置は、前記エンジンの回転数を一定の回転数に設定する構成としたことにある。

請求項４の発明は、前記蓄電装置異常検出手段によって前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記ハイブリッド制御装置は、前記電動機の回生動作を禁止する構成としたことにある。

請求項１の発明によれば、蓄電装置に異常が発生したときには、ハイブリッド制御装置が発電機制御装置を電圧制御モードで制御することにより、直流母線の電圧を制御することができ、電動機を駆動することができる。この場合、ハイブリッド制御装置が、電動機および／またはエンジンの出力に制限を加えることにより、電動機が要求する電力に対して発電機から過不足なく電力を供給することができ、発電機が直流母線の電圧を制御するときの応答性を維持することができ、蓄電装置の異常時においても電動機を安定して駆動することができる。

請求項２の発明によれば、ハイブリッド制御装置が電動機のトルクを制限することにより、電動機のトルクが過大となるのを抑え、電動機が要求する電力に対して発電機から過不足なく電力を供給することができる。この結果、蓄電装置の異常時においても電動機を安定して駆動することができる。

請求項３の発明によれば、ハイブリッド制御装置がエンジンの回転数を一定の回転数に設定することにより、エンジンによって駆動される発電機の回転速度が低下するのを抑えることができ、発電機が直流母線の電圧を制御するときの応答性を維持することができる。この結果、蓄電装置の異常時においても電動機を安定して駆動することができる。

請求項４の発明によれば、蓄電装置に異常が発生したときには、電動機の制動時における回生動作が禁止されるので、電動機からの電力（回生電力）の発生を抑えることができる。従って、電動機が発生した電力によって直流母線が過電圧になるのを防止することができ、電動機を安定して駆動することができる。

本発明の実施の形態に適用されるホイールローダを示す正面図である。 ホイールローダに搭載される油圧システムと電動システムを示すブロック図である。 発電機に対する制御モードの切換えを示すブロック図である。 第１の実施の形態によるハイブリッド制御装置が走行電動機の出力を制限する処理のフローチャートである。 ハイブリッド制御装置が走行電動機制御装置に指令するトルク指令値の一例を示す特性線図である。 図５のトルク指令値の絶対値を制限したトルク指令値を示す特性線図である。 図６のトルク指令値の変化速度を制限したトルク指令値を示す特性線図である。 第２の実施の形態によるハイブリッド制御装置がエンジンの回転数を一定にする処理のフローチャートである。 第３の実施の形態によるハイブリッド制御装置が走行電動機の出力を制限すると共にエンジンの回転数を一定にする処理のフローチャートである。 第４の実施の形態によるハイブリッド制御装置が走行電動機の出力を制限すると共にエンジンの回転数を一定にし、走行電動機の回生動作を禁止する処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係るハイブリッド作業機械としてホイールローダを例に挙げ、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図中、１はハイブリッド式のホイールローダを示している。このホイールローダ１は、左，右の前車輪２が設けられた前部車体３と、左，右の後車輪４が設けられた後部車体５とを有し、前部車体３と後部車体５とは、連結機構６を介して左，右方向に屈曲可能に連結されている。

前部車体３と後部車体５との間にはステアリングシリンダ７が設けられ、このステアリングシリンダ７を伸縮させることにより、前部車体３と後部車体５とが連結機構６を中心として屈曲する。このように、ホイールローダ１は、前部車体３と後部車体５とが連結機構６を中心として左，右方向に屈曲することにより、走行時の舵取りを行うアーティキュレート式の作業機械として構成されている。

前部車体３には、左，右方向に延びる前車軸８が設けられ、前車軸８の両端側には前車輪２が取付けられている。前車軸８の中間部にはデファレンシャル機構８Ａが設けられ、該デファレンシャル機構８Ａは、プロペラ軸９を介して後述の走行電動機３１に接続されている。

一方、後部車体５には、左，右方向に延びる後車軸１０が設けられ、後車軸１０の両端側には後車輪４が取付けられている。後車軸１０の中間部にはデファレンシャル機構１０Ａが設けられ、該デファレンシャル機構１０Ａは、プロペラ軸９を介して後述の走行電動機３１に接続されている。

従って、走行電動機３１によってプロペラ軸９が回転すると、プロペラ軸９の回転が、デファレンシャル機構８Ａを介して前車軸８に伝達されると共に、デファレンシャル機構１０Ａを介して後車軸１０に伝達される。これにより、左，右の前車輪２と左，右の後車輪４とが同時に回転駆動され、ホイールローダ１は４輪駆動の状態で走行動作を行う。

１１は前部車体３に設けられた作業装置を示し、該作業装置１１は、前部車体３に俯仰動可能に取付けられた左，右のアーム１２と、該各アーム１２の先端側に回動可能に取付けられたローダバケット１３と、前部車体３に対してアーム１２を俯仰動させるアームシリンダ１４と、アーム１２に対してローダバケット１３を回動させるバケットシリンダ１５とにより大略構成されている。作業装置１１は、アームシリンダ１４によってアーム１２を俯仰動させると共に、バケットシリンダ１５によってローダバケット１３を回動させることにより、ローダバケット１３によって掬った土砂等をダンプトラックの荷台等に排出する土木作業を行うものである。

１６は後部車体５に設けられたキャブを示し、該キャブ１６は、ホイールローダ１を運転するオペレータの運転室を画成するものである。キャブ１６内には、オペレータが着席する運転席、オペレータによって操作されるステアリングホイール、アクセルペダル、ブレーキペダル、作業用の操作レバー等（いずれも図示せず）が設けられている。

ここで、ハイブリッド式のホイールローダ１は、前部車体３および後部車体５の走行動作を制御する電動システムと、作業装置１１の動作を制御する油圧システムとを搭載しており、以下、ホイールローダ１のシステム構成について図２を参照して説明する。

２１は後部車体５に搭載されたエンジンを示し、該エンジン２１は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関によって構成される。エンジン２１の出力側には、後述の油圧ポンプ２３と発電機２７とが取付けられ、これら油圧ポンプ２３と発電機２７とは、エンジン２１によって駆動される。ここで、エンジン２１の作動はエンジン制御装置２２によって制御され、エンジン制御装置２２は、後述するハイブリッド制御装置３７からの指令信号に基づいて、エンジン２１の回転速度を制御する。

２３はエンジン２１によって駆動される油圧ポンプを示し、該油圧ポンプ２３は、タンク２４内に貯溜された作動油を加圧し、ステアリングシリンダ７、作業装置１１のアームシリンダ１４、バケットシリンダ１５等に圧油として吐出するものである。ここで、油圧ポンプ２３の作動は油圧ポンプ制御装置２５によって制御され、油圧ポンプ制御装置２５は、ハイブリッド制御装置３７からの指令信号に基づいて、油圧ポンプ２３の出力トルクを制御する。

油圧ポンプ２３及びタンク２４と各シリンダ７，１４，１５との間を接続する主管路の途中には、コントロールバルブ２６が設けられている。コントロールバルブ２６は、キャブ１６内に配置された作業用の操作レバーに対する操作に応じて、油圧ポンプ２３から吐出した圧油を各シリンダ７，１４，１５に選択的に給排（供給または排出）するものである。

２７はエンジン２１によって駆動される発電機を示し、該発電機２７は、第１のインバータ２８を介して一対の直流母線２９Ａ，２９Ｂに接続されている。発電機２７は、エンジン２１によって駆動されることにより発電し、発電した電力を直流母線２９Ａ，２９Ｂを介して後述の走行電動機３１または蓄電装置３４に供給するものである。また、発電機２７は、後述する蓄電装置３４からの電力によって駆動されることにより、エンジン２１による油圧ポンプ２３の駆動を補助（アシスト）するものである。

３０は発電機２７を制御する発電機制御装置を示し、該発電機制御装置３０は、第１のインバータ２８と後述するハイブリッド制御装置３７とに電気的に接続されている。即ち、発電機制御装置３０は、発電機２７と後述のコンバータ３５との間に位置して直流母線２９Ａ，２９Ｂ間に設けられた第１のインバータ２８に電気的に隣接して設けられている。

ここで、第１のインバータ２８は、例えばトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等からなる複数のスイッチング素子を用いて構成され、発電機制御装置３０によって各スイッチング素子のオン／オフが制御されるものである。直流母線２９Ａ，２９Ｂは、正極側と負極側とで対をなし、例えば数百Ｖ程度の直流電圧が印加されている。

発電機２７の発電時には、第１のインバータ２８は、発電機２７からの交流電力を直流電力に変換して走行電動機３１または蓄電装置３４に供給する。一方、発電機２７を補助電動機として用いるときには、第１のインバータ２８は、直流母線２９Ａ，２９Ｂの直流電力から三相交流電力を生成し、この三相交流電力を発電機２７に供給する。

発電機制御装置３０は、ハイブリッド制御装置３７からの指令信号に基づいて、第１のインバータ２８の各スイッチング素子のオン／オフを制御することにより、発電機２７の出力を制御する。そして、発電機制御装置３０は、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常がないとき（正常時）には、発電機２７の出力を当該発電機２７のトルクに基づいて制御するトルク制御を行う。一方、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したときには、直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧に基づいて発電機２７の駆動を制御する電圧制御を行う構成となっている。

３１は発電機２７により発電された電力によって駆動される電動機としての走行電動機を示し、該走行電動機３１は、第２のインバータ３２を介して直流母線２９Ａ，２９Ｂに接続されている。走行電動機３１は、発電機２７または蓄電装置３４あるいはその両方から電力が供給されることにより駆動され、プロペラ軸９を回転駆動することにより、ホイールローダ１を走行させるものである。

第２のインバータ３２も第１のインバータ２８と同様に、複数のスイッチング素子を用いて構成され、走行電動機制御装置３３によって各スイッチング素子のオン／オフが制御されることにより、直流母線２９Ａ，２９Ｂの直流電力から三相交流電力を生成し、この三相交流電力を走行電動機３１に供給する。走行電動機制御装置３３は、ハイブリッド制御装置３７からの指令信号に基づいて第２のインバータ３２の各スイッチング素子のオン／オフを制御することにより、走行電動機３１の出力を制御する。

３４は発電機２７によって発電された電力や走行電動機３１の回生による電力を蓄電する蓄電装置を示し、該蓄電装置３４は、例えばキャパシタによって構成され、コンバータ３５を介して直流母線２９Ａ，２９Ｂに接続されている。ここで、蓄電装置３４は、発電機２７の発電時には発電機２７から供給される電力を充電し、発電機２７のアシスト駆動時には発電機２７に向けて駆動電力を供給する。また、蓄電装置３４は、走行電動機３１の回生動作時には走行電動機３１から供給される回生電力を充電し、走行電動機３１の力行動作時には走行電動機３１に向けて駆動電力を供給する。このように、蓄電装置３４は、発電機２７によって発電された電力を蓄電することに加え、ホイールローダ１の制動時に走行電動機３１が発生した回生電力を吸収し、直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧を一定に保つ。これにより、蓄電装置３４は、ホイールローダ１の走行時における急発進や急停止によって走行電動機３１が急峻な電力変動を生じたときに、この電力変動を吸収することにより、走行電動機３１に一定の電圧を供給する機能を有している。なお、蓄電装置３４は、リチウムイオン電池等の充電池によって構成してもよい。

コンバータ３５は、ＩＧＢＴ等からなる複数のスイッチング素子とリアクトルを用いて構成され、各スイッチング素子のオン／オフは、蓄電装置制御装置３６によって制御される。そして、コンバータ３５は、蓄電装置３４の充電時には、発電機２７から出力される発電電力を降圧して蓄電装置３４に供給する。また、コンバータ３５は、蓄電装置３４を用いて発電機２７、走行電動機３１を駆動するときには、蓄電装置３４から出力される電力を昇圧して第１，第２のインバータ２８，３２に供給する。蓄電装置３４の作動は蓄電装置制御装置３６によって制御され、蓄電装置制御装置３６は、ハイブリッド制御装置３７からの指令信号に基づいて、蓄電装置３４の出力を制御する。

３７はハイブリッド制御装置を示し、該ハイブリッド制御装置３７は、例えばマイクロコンピュータによって構成されると共に、ＣＡＮ（Control Area Network）通信等を用いてエンジン制御装置２２、油圧ポンプ制御装置２５、発電機制御装置３０、走行電動機制御装置３３、蓄電装置制御装置３６に電気的に接続されている。

ハイブリッド制御装置３７は、例えばアクセルペダル、ブレーキペダル（いずれも図示せず）に対する操作等に応じて各制御装置２２，２５，３０，３３，３６に対する指令信号を出力し、システム全体が最高の性能を発揮するように、エンジン２１、油圧ポンプ２３、発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４の駆動制御、異常監視、エネルギ管理を行う構成となっている。

ホイールローダ１は一般道路を走行するため、走行時に蓄電装置３４等に異常が発生したときには、この異常を検出してホイールローダ１を安全に停止させる必要がある。このため、蓄電装置３４の異常を検出する蓄電装置異常検出手段３８が設けられ、この蓄電装置異常検出手段３８からの検出信号はハイブリッド制御装置３７に入力されている。

そして、発電機制御装置３０は、後述するように、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常がないとき（正常時）には、発電機２７の出力を当該発電機２７のトルクに基づいて制御するトルク制御を行う。一方、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したときには、直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧に基づいて発電機２７の駆動を制御する電圧制御を行う。

本実施の形態によるハイブリッド式のホイールローダ１は、上述の如き構成を有するもので、以下、その動作について説明する。

まず、オペレータは、キャブ１６に搭乗して運転席に着席する。そして、オペレータがアクセルペダル等（いずれも図示せず）を操作することにより、エンジン２１によって油圧ポンプ２３と発電機２７とが駆動される。

これにより、発電機２７からの電力が直流母線２９Ａ，２９Ｂを介して走行電動機３１に供給され、走行電動機３１はプロペラ軸９を回転駆動する。プロペラ軸９の回転は、デファレンシャル機構８Ａを介して前車軸８に伝達されると共に、デファレンシャル機構１０Ａを介して後車軸１０に伝達され、ホイールローダ１は、左，右の前車輪２と左，右の後車輪４とが同時に回転する４輪駆動の状態で走行動作を行う。

この状態で、オペレータがステアリングホイール（図示せず）を操舵することにより、油圧ポンプ２３から吐出した圧油が、コントロールバルブ２６を介してステアリングシリンダ７に供給される。これにより、ホイールローダ１は、前部車体３と後部車体５とが連結機構６を中心として左，右方向に屈曲し、旋回走行を行うことができる。

ホイールローダ１の加速走行時には、走行電動機３１の動作状態が力行動作となり、走行電動機３１は、発電機２７からの電力によって駆動される電動機（モータ）として作動する。一方、ホイールローダ１の制動時には、走行電動機３１の動作状態が回生動作となり、走行電動機３１はプロペラ軸９によって回転駆動される発電機として作動し、走行電動機３１が発電した電力（回生電力）は、直流母線２９Ａ，２９Ｂを通じて蓄電装置３４に充電される。

ここで、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常がない場合には、発電機制御装置３０は、発電機２７をそのトルクに基づいて制御するトルク制御モードを実行する。

具体的には、図３に示すように、ハイブリッド制御装置３７が、走行電動機３１が必要とする電力が得られるような発電機２７の発電トルクを演算し、この発電トルクに応じたトルク指令値Ｓ１が発電機制御装置３０に入力される。一方、実際の発電機２７の電流が電流センサ３９によって検出され、この検出値が発電機制御装置３０のトルク変換部３０Ａによってトルク値Ｓ２に変換される。

これにより、ハイブリッド制御装置３７からのトルク指令値Ｓ１とトルク変換部３０Ａからのトルク値Ｓ２との偏差がトルク補償部３０Ｂに供給され、トルク補償部３０Ｂは、トルク指令値Ｓ１とトルク値Ｓ２との偏差に基づいて電流指令を求める。このとき、切換スイッチ３０Ｃは、ハイブリッド制御装置３７から切換信号Ｓ５が出力されない間はトルク補償部３０Ｂと信号生成部３０Ｄとを接続し、信号生成部３０Ｄは、トルク補償部３０Ｂからの電流指令に基づいてスイッチング指令信号を生成し、このスイッチング指令信号を第１のインバータ２８に出力する。

この結果、蓄電装置３４およびコンバータ３５に異常がないときには、発電機制御装置３０がトルク制御モードを実行し、ハイブリッド制御装置３７が演算した発電トルクと実際の発電機２７のトルクとの偏差に基づいて、発電機２７の駆動を制御することができる。

一方、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合には、蓄電装置３４によって直流母線２９Ａ，２９Ｂの急峻な電圧変動を吸収することができず、走行電動機３１に対して一定の電圧を供給することができないため、ホイールローダ１の安定した走行動作が損なわれる。

このため、発電機制御装置３０は、トルク制御モードから電圧制御モードに切換えることにより、直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧に基づいて発電機２７の駆動を制御する。

具体的には、図３に示すように、ハイブリッド制御装置３７から発電機制御装置３０に対し、直流母線２９Ａ，２９Ｂを目標の電圧とするための電圧指令値Ｓ３が入力される。一方、実際の直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧が電圧センサ４０によって検出され、検出された電圧値Ｓ４が発電機制御装置３０に入力される。

これにより、ハイブリッド制御装置３７からの電圧指令値Ｓ３と電圧センサ４０からの電圧値Ｓ４との偏差が電圧補償部３０Ｅに供給され、電圧補償部３０Ｅは、電圧指令値Ｓ３と電圧値Ｓ４との偏差に基づいて電流指令を求める。このとき、切換スイッチ３０Ｃは、ハイブリッド制御装置３７から切換信号Ｓ５が出力されることにより電圧補償部３０Ｅと信号生成部３０Ｄとを接続する。信号生成部３０Ｄは、電圧補償部３０Ｅからの電流指令に基づいてスイッチング指令信号を生成し、このスイッチング指令信号を第１のインバータ２８に出力する。

この結果、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したときには、発電機制御装置３０が電圧制御モードに切換えられ、ハイブリッド制御装置３７からの目標電圧と実際の直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧との偏差に基づいて、発電機２７の駆動を制御することができる。

ここで、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常時には、発電機制御装置３０が電圧制御モードで発電機２７を制御するが、発電機２７は、エンジン２１によって駆動されるものであるため、蓄電装置３４に比較して電力供給の応答性が低い。これにより、発電機２７は、走行電動機３１が要求する電力を供給できなくなる場合があり、ホイールローダ１の安定した走行が損なわれる虞れがある。

これに対し、本実施の形態によるホイールローダ１は、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合には、ハイブリッド制御装置３７が、走行電動機３１のトルクを制限することにより、走行電動機３１が要求する電力に対して発電機２７から過不足なく電力を供給し、走行電動機３１を安定して駆動することができるようになっている。

そこで、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合に、ハイブリッド制御装置３７が、走行電動機３１のトルクを制限する制御処理について、図４を参照して説明する。

この制御処理は、ホイールローダ１の起動スイッチ（図示せず）を投入することによりスタートし、ステップ１において、アクセルペダル（図示せず）の操作、速度段（変速段）、車速等に基づいて、走行電動機３１へのトルク指令値を算出する。そして、続くステップ２において、蓄電装置異常検出手段３８からの検出信号に基づいて蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常があるか否かを判定する。

ステップ２において「ＮＯ」と判定した場合には、蓄電装置３４等の異常がない（正常）のでステップ３に進み、ステップ１で算出したトルク指令値を走行電動機制御装置３３に出力してステップ１に戻る。

従って、蓄電装置３４等の異常がない場合には、ステップ１，２，３の処理を繰返し、例えば図５に示す特性線４１のように、走行用電動機３１のトルクは最大値Ｔ１まで増大する。

一方、ステップ２において「ＹＥＳ」と判定した場合には、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生しているのでステップ４に進み、ステップ１で算出したトルク指令値の絶対値を制限すると共に変化速度を制限し、この制限を加えたトルク指令値を走行電動機制御装置３３に出力してステップ１に戻る。即ち、ハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理のステップ４が、蓄電装置３４の異常時に走行電動機３１のトルクを制限するトルク制限手段を構成している。

従って、蓄電装置３４等が異常を生じた場合には、ステップ１，２，４の処理を繰返し、ステップ１で算出されたトルク指令値の絶対値を制限すると共にトルクの変化速度を制限する。これにより、例えば図６に示す特性線４２のように、走行電動機３１のトルクの最大値Ｔ２は、図５に示す特性線４１の最大値Ｔ１よりも小さい値（Ｔ２＜Ｔ１）に抑えられる。さらに、絶対値が制限されたトルク指令値の変化速度を制限することにより、例えば図７に示す特性線４３のように、最大値がＴ２に抑えられると共にトルクがなだらかに変化するトルク指令値が形成される。

なお、図６に示す走行電動機３１のトルクの特性線４２は、図５に示す特性線４１を全体的に低下させた場合を例示したが、所定のトルク値（例えばＴ２）を超過する範囲だけを、当該所定のトルク値以下に制限してもよい。

このように、蓄電装置３４等に異常がない場合には、走行電動機制御装置３３は、アクセルペダルの操作、速度段、車速等に基づいて算出されたトルク指令値、例えば図５に示す特性線４１のようなトルク指令値に基づいて、走行電動機３１を制御する。

一方、蓄電装置３４等に異常が発生した場合には、走行電動機制御装置３３は、アクセルペダルの操作、速度段、車速等に基づいて算出されたトルク指令値に制限を加えたトルク指令値、例えば図７に示す特性線４３のようなトルク指令値に基づいて、走行電動機３１を制御する。

これにより、蓄電装置３４等の異常時において、発電機制御装置３０が電圧制御モードで発電機２７を制御する場合においても、ハイブリッド制御装置３７が走行電動機３１のトルクを制限することにより、走行電動機３１が要求する電力に対して発電機２７から過不足なく電力を供給することができる。この結果、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５が異常を発生した場合でも、発電機２７によって走行電動機３１を安定して駆動することができ、ホイールローダ１を安定して走行させることができる。

次に、図８は本発明の第２の実施の形態によるハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理を示している。第２の実施の形態では、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合に、ハイブリッド制御装置３７が、エンジン２１の回転数（回転速度）を制限する構成としている。なお、第２の実施の形態は、ハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理が、第１の実施の形態とは異なるもので、それ以外の構成については第１の実施の形態と同様である。

第２の実施の形態においても、ホイールローダ１に搭載された蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したときには、発電機制御装置３０が電圧制御モードに切換えられ、ハイブリッド制御装置３７からの目標電圧と実際の直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧との偏差に基づいて、発電機２７の駆動が制御される。

ここで、発電機２７によって直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧を制御する場合には、その制御の応答性は、エンジン２１によって駆動される発電機２７の回転速度に依存する。従って、エンジン２１の回転数が低下して発電機２７の回転速度が低くなると、発電機２７の電圧制御の応答性が低下し、直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧を制御することができず、走行電動機３１を安定して駆動することができなくなる虞れがある。

これに対し、第２の実施の形態では、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合には、ハイブリッド制御装置３７が、エンジン２１の回転数を制限することにより発電機２７の電圧制御の応答性を維持し、直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧を制御することにより、走行電動機３１を安定して駆動することができるようになっている。

そこで、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合に、ハイブリッド制御装置３７が、エンジン２１の回転数（回転速度）を制限する制御処理について、図８を参照して説明する。

この制御処理は、ホイールローダ１の起動スイッチを投入することによりスタートし、ステップ１１において、蓄電装置異常検出手段３８からの検出信号に基づいて蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常があるか否かを判定する。

ステップ１１において「ＮＯ」と判定した場合には、蓄電装置３４等に異常がないのでステップ１２に進む。そして、ステップ１２において、走行電動機３１の出力、エンジン２１の出力、蓄電装置３４の充電状態、油圧ポンプ２３の出力等に基づいてエンジン２１の回転数指令値を算出し、この回転数指令値をエンジン制御装置２２に出力した後、ステップ１１に戻る。従って、蓄電装置３４等の異常がない場合には、ステップ１１，１２の処理を繰返す。

一方、ステップ１１において「ＹＥＳ」と判定した場合には、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生しているのでステップ１３に進む。そして、ステップ１３において、予め定められた回転数指令値をエンジン制御装置２２に出力した後、ステップ１１に戻る。即ち、本実施の形態では、ハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理のステップ１３が、蓄電装置３４の異常時にエンジン２１の回転数を制限する回転数制限手段を構成している。

この場合、例えばエンジン２１の最大回転数が２０００ｒｐｍ、アイドル回転数が８００ｒｐｍである場合には、エンジン２１の回転数の中間値は１４００ｒｐｍとなる。従って、エンジン２１の高回転域は１４００ｒｐｍ以上となり、ステップ１３においてエンジン制御装置２２に出力される回転数指令値は、エンジン２１の高回転域である１４００ｒｐｍ以上の回転数に設定されている。なお、直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧制御の応答性を高めるためには、エンジン２１の回転数は高い方が良く、できるだけ最大回転数に近い回転数（例えば、１８００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍ）に設定するのが望ましい。

このように、第２の実施の形態によれば、蓄電装置３４等に異常が発生した場合には、ハイブリッド制御装置３７は、エンジン制御装置２２に対し、エンジン２１の高回転域である１４００ｒｐｍ以上となる一定の回転数指令値を出力する。

これにより、蓄電装置３４等の異常時において、発電機制御装置３０が電圧制御モードで発電機２７を制御する場合においても、ハイブリッド制御装置３７が、エンジン２１の回転数を高回転域である１４００ｒｐｍ以上の一定の回転数に設定することにより、エンジン２１によって駆動される発電機２７の回転速度が低下するのを抑えることができる。この結果、発電機２７による直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧に対する制御応答性を維持することができるので、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５が異常を発生した場合でも、発電機２７によって走行電動機３１を安定して駆動することができ、ホイールローダ１を安定して走行させることができる。

次に、図９は本発明の第３の実施の形態によるハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理を示している。第３の実施の形態では、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合に、ハイブリッド制御装置３７が、走行電動機３１の出力を制限すると共に、エンジン２１の回転数を制限する構成としている。なお、第３の実施の形態は、ハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理が、第１の実施の形態とは異なるもので、それ以外の構成については第１の実施の形態と同様である。

第３の実施の形態においても、ホイールローダ１に搭載された蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したときには、発電機制御装置３０が電圧制御モードに切換えられ、ハイブリッド制御装置３７からの目標電圧と実際の直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧との偏差に基づいて、発電機２７の駆動が制御される。

そして、第３の実施の形態では、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合には、ハイブリッド制御装置３７が、走行電動機３１のトルクを制限することにより、走行電動機３１を安定して駆動することができると共に、エンジン２１の回転数を制限することにより発電機２７の電圧制御の応答性を維持するようになっている。

そこで、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合に、ハイブリッド制御装置３７が、走行電動機３１のトルクを制限すると共に、エンジン２１の回転数を制限する制御処理について、図９を参照して説明する。

この制御処理は、ホイールローダ１の起動スイッチを投入することによりスタートし、ステップ２１において、アクセルペダルの操作、速度段、車速等に基づいて、走行電動機３１へのトルク指令値を算出する。そして、続くステップ２２において、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常があるか否かを判定する。

ステップ２２において「ＮＯ」と判定した場合には、蓄電装置３４等の異常がないのでステップ２３に進み、ステップ２１で算出したトルク指令値を走行電動機制御装置３３に出力してステップ２４に進む。

ステップ２４では、走行電動機３１の出力、エンジン２１の出力、蓄電装置３４の充電状態、油圧ポンプ２３の出力等に基づいてエンジン２１の回転数指令値を算出し、この回転数指令値をエンジン制御装置２２に出力した後、ステップ２１に戻る。従って、蓄電装置３４等の異常がない場合には、ステップ２１，２２，２３，２４の処理を繰返す。

一方、ステップ２２において「ＹＥＳ」と判定した場合には、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生しているのでステップ２５に進み、ステップ２１で算出したトルク指令値の絶対値を制限すると共に変化速度を制限し、この制限を加えたトルク指令値を走行電動機制御装置３３に出力する。

そして、ステップ２５を実行した後には、ステップ２６に進み、予め定められた回転数指令値、例えばエンジン２１の高回転域である１４００ｒｐｍ以上となる一定の回転数指令値を出力した後、ステップ２１に戻る。即ち、本実施の形態では、ハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理のステップ２５が、蓄電装置３４の異常時に走行電動機３１のトルクを制限するトルク制限手段を構成し、ステップ２６が、エンジン２１の回転数を制限する回転数制限手段を構成している。

このように、第３の実施の形態によれば、蓄電装置３４等に異常が発生した場合には、走行電動機制御装置３３は、アクセルペダルの操作、速度段、車速等に基づいて算出されたトルク指令値に制限を加えたトルク指令値、例えば図７に示す特性線４３のようなトルク指令値に基づいて走行電動機３１を制御すると共に、エンジン制御装置２２に対し、エンジン２１の高回転域である１４００ｒｐｍ以上となる一定の回転数指令値を出力する。

これにより、発電機制御装置３０が電圧制御モードで発電機２７を制御する場合においても、走行電動機３１が要求する電力に対して発電機２７から過不足なく電力を供給することができ、かつ、エンジン２１によって駆動される発電機２７の回転速度が低下するのを抑えることができ、発電機２７の制御応答性を維持することができる。

次に、図１０は本発明の第４の実施の形態によるハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理を示している。第４の実施の形態では、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合に、ハイブリッド制御装置３７が、走行電動機３１の出力を制限すると共にエンジン２１の回転数を制限し、かつ、走行電動機３１の回生動作を禁止する構成としている。なお、第４の実施の形態は、ハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理が、第１の実施の形態とは異なるもので、それ以外の構成については第１の実施の形態と同様である。

第４の実施の形態においても、ホイールローダ１に搭載された蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したときには、発電機制御装置３０が電圧制御モードに切換えられ、ハイブリッド制御装置３７からの目標電圧と実際の直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧との偏差に基づいて、発電機２７の駆動が制御される。

そして、第４の実施の形態では、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合には、ハイブリッド制御装置３７が、走行電動機３１のトルクを制限すると共にエンジン２１の回転数を制限することにより、走行電動機３１を安定して駆動すると共に発電機２７の電圧制御の応答性を維持し、かつ、走行電動機３１の回生動作を禁止することにより、直流母線２９Ａ，２９Ｂが過電圧になるのを抑えるようになっている。

そこで、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合に、ハイブリッド制御装置３７が、走行電動機３１のトルクを制限すると共にエンジン２１の回転数を制限し、かつ、走行電動機３１の回生動作を禁止する制御処理について、図１０を参照して説明する。

この制御処理は、ホイールローダ１の起動スイッチを投入することによりスタートし、ステップ３１において、アクセルペダルの操作、速度段、車速等に基づいて、走行電動機３１へのトルク指令値を算出する。そして、続くステップ３２において、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常があるか否かを判定する。

ステップ３２において「ＮＯ」と判定した場合には、蓄電装置３４等の異常がないのでステップ３３に進み、ステップ３１で算出したトルク指令値を走行電動機制御装置３３に出力してステップ３４に進む。

ステップ３４では、走行電動機３１の出力、エンジン２１の出力、蓄電装置３４の充電状態、油圧ポンプ２３の出力等に基づいてエンジン２１の回転数指令値を算出し、この回転数指令値をエンジン制御装置２２に出力した後、ステップ３１に戻る。従って、蓄電装置３４等の異常がない場合には、ステップ３１，３２，３３，３４の処理を繰返す。

一方、ステップ３２において「ＹＥＳ」と判定した場合には、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生しているのでステップ３５に進み、ステップ３１で算出したトルク指令値の絶対値を制限すると共に変化速度を制限し、この制限を加えたトルク指令値を走行電動機制御装置３３に出力する。

そして、ステップ３５を実行した後には、ステップ３６に進み、予め定められた回転数指令値、例えばエンジン２１の高回転域である１４００ｒｐｍ以上となる一定の回転数指令値を出力した後、ステップ３７に進む。即ち、本実施の形態では、ハイブリッド制御装置３７が実行する制御処理のステップ３５が、蓄電装置３４の異常時に走行電動機３１のトルクを制限するトルク制限手段を構成し、ステップ３６が、エンジン２１の回転数を制限する回転数制限手段を構成している。

ステップ３７では、走行電動機３１が回生動作を行っているか否かを判定し、ステップ３７において「ＮＯ」と判定した場合には、走行電動機３１は力行動作を行っているため、ステップ３１に戻る。

一方、ステップ３７において「ＹＥＳ」と判定した場合には、走行電動機３１が回生動作を行っているため、ステップ３８に進み、例えば走行電動機３１のステータに対する励磁を制御することにより、走行電動機３１から回生電力が発生する（回生動作）を禁止した後、ステップ３１に戻る。

このように、第４の実施の形態によれば、蓄電装置３４等に異常が発生した場合には、走行電動機制御装置３３は、アクセルペダルの操作、速度段、車速等に基づいて算出されたトルク指令値に制限を加えたトルク指令値、例えば図７に示す特性線４３のようなトルク指令値に基づいて走行電動機３１を制御すると共に、エンジン制御装置２２に対し、エンジン２１の高回転域である１４００ｒｐｍ以上となる一定の回転数指令値を出力する。

これにより、発電機制御装置３０が電圧制御モードで発電機２７を制御する場合においても、走行電動機３１が要求する電力に対して発電機２７から過不足なく電力を供給することができ、かつ、エンジン２１によって駆動される発電機２７の回転速度が低下するのを抑えることができ、発電機２７の制御応答性を維持することができる。

さらに、蓄電装置３４等の異常時には、走行電動機３１の回生動作を禁止することにより、走行電動機３１からの回生電力の発生を抑え、回生電力によって直流母線２９Ａ，２９Ｂが過電圧になるのを防止することができる。この結果、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５が異常を発生した場合でも、発電機２７によって走行電動機３１を安定して駆動することができ、ホイールローダ１を安定して走行させることができる。

なお、第１の実施の形態は、蓄電装置３４の異常時に走行電動機３１のトルクを制限する場合を例示している。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば走行電動機３１のトルクを制限すると共に、走行電動機３１の回生動作を禁止する構成としてもよい。

また、第２の実施の形態は、蓄電装置３４の異常時にエンジン２１の回転数を一定の回転数に設定する場合を例示している。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えばエンジン２１の回転数を一定の回転数に設定すると共に、走行電動機３１の回生動作を禁止する構成としてもよい。さらに、蓄電装置３４の異常時に、走行電動機３１の回生動作のみを禁止する構成としてもよい。

また、実施の形態では、ハイブリッド式作業機械としてホイールローダ１を例示している。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば走行電動機を用いてホイールを走行駆動するホイール式油圧ショベル等に適用してもよい。

これに加え、実施の形態では、発電機からの電力によって駆動される電動機として、ホイールローダ１の前車輪２と後車輪４とを駆動するための走行電動機３１を例示している。しかし、本発明はこれに限らず、例えば油圧ショベル、油圧クレーン等の旋回式作業機械に搭載され、下部走行体に対して上部旋回体を旋回させるための旋回モータとして、電動機を用いる構成としてもよい。

また、実施の形態では、左，右の前車輪２と左，右の後車輪４に動力を伝達するプロペラ軸９を駆動するため、１個の走行電動機３１を備えた場合を例示している。しかし、本発明はこれに限らず、例えば前車輪を駆動する１個の走行電動機と、後車輪を駆動する他の１個の走行電動機との合計２個の走行電動機を備える構成としてもよい。さらに、左，右の前車輪をそれぞれ独立に駆動する２個の走行電動機と、左，右の後車輪をそれぞれ独立に駆動する他の２個との合計４個の走行電動機を備える構成としてもよい。

３ 前部車体（車体）
５ 後部車体（車体）
２１ エンジン
２２ エンジン制御装置
２７ 発電機
２９ 直流母線
３０ 発電機制御装置
３１ 走行電動機（電動機）
３３ 走行電動機制御装置
３４ 蓄電装置
３６ 蓄電装置制御装置
３７ ハイブリッド制御装置
３８ 発電機異常検出手段

Claims (4)

1. 自走可能な車体に搭載されたエンジンと、該エンジンによって駆動され電力を発生する発電機と、該発電機により発電された電力によって駆動される電動機と、前記発電機と前記電動機とに接続され両者間で電力を伝達する直流母線と、該直流母線に接続され前記発電機および前記電動機との間で電力の充放電を行う蓄電装置と、該蓄電装置の異常を検出する蓄電装置異常検出手段と、前記エンジン、前記発電機、前記電動機、前記蓄電装置の出力を制御するハイブリッド制御装置とを備えてなるハイブリッド作業機械において、
   前記発電機の出力を当該発電機のトルクに基づいて制御するトルク制御モードと前記発電機の出力を前記直流母線の電圧に基づいて制御する電圧制御モードとを選択的に実行する発電機制御装置を備え、
   前記蓄電装置異常検出手段によって前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記ハイブリッド制御装置は、前記発電機制御装置を電圧制御モードに設定し、かつ、前記電動機および／または前記エンジンの出力に制限を加える構成としたことを特徴とするハイブリッド作業機械。
2. 前記蓄電装置異常検出手段によって前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記ハイブリッド制御装置は、前記電動機のトルクを制限する構成としてなる請求項１に記載のハイブリッド作業機械。
3. 前記蓄電装置異常検出手段によって前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記ハイブリッド制御装置は、前記エンジンの回転数を一定の回転数に設定する構成としてなる請求項１または２に記載のハイブリッド作業機械。
4. 前記蓄電装置異常検出手段によって前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記ハイブリッド制御装置は、前記電動機の回生動作を禁止する構成としてなる請求項１，２または３に記載のハイブリッド作業機械。

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