JP2014231299A - 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ときに直流母線の電圧変動を抑え、直流母線に接続された電気機器を保護する。【解決手段】 ホイールローダ１は、エンジン２１によって駆動される発電機２７と、発電機２７からの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２９Ａ，２９Ｂと、直流母線２９Ａ，２９Ｂに接続される蓄電装置３４と、蓄電装置３４の異常を検出する蓄電装置異常検出手段４０と、発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４の電力出力を制御するハイブリッド制御装置３７とを備える。蓄電装置３４の異常時に、走行電動機３１が力行動作を行っている場合には、発電機２７の電力出力を遮断した後に走行電動機３１の電力出力を遮断し、走行電動機３１が回生動作を行っている場合には、走行電動機３１の電力出力を遮断した後に発電機２７の電力出力を遮断する。【選択図】 図２

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。

このとき、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構成となっている。

特開２０１０−１７８５０８号公報

しかし、ハイブリッド作業機械の作動時に蓄電装置に異常が生じた場合には、直流母線の電圧を一定に保持できなくなるため、発電機や電動機の動作を一旦停止させることが望ましい。このとき、発電機と電動機の動作状態を考慮せずにこれらを停止すると、例えば電動機が力行動作を行っている状態で発電機から直流母線への電力出力よりも先に電動機の電力出力を遮断すると、発電機からの発電電力によって直流母線の電圧が変動して過電圧となることがある。また、電動機が回生動作を行っている状態で電動機から直流母線への電力出力よりも先に発電機の電力出力を遮断すると、電動機からの回生電力によって直流母線の電圧が変動して過電圧となることがある。この結果、直流母線に接続された発電機、電動機等の電気機器に過電圧が供給され、さらなる異常が生じる虞れがある。

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ときに直流母線の電圧変動を抑え、直流母線に接続された電気機器を保護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動作状態に応じて前記発電機、前記電動機から前記直流母線への電力出力を遮断する順序を変える構成としたことにある。

請求項２の発明は、前記ハイブリッド制御装置は、前記電動機が力行動作を行っている状態で前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記発電機から前記直流母線への電力出力を遮断した後に前記電動機の電力出力を遮断し、前記電動機が回生動作を行っている状態で前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記電動機から前記直流母線への電力出力を遮断した後に前記発電機の電力出力を遮断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検出された前記蓄電装置の異常を記憶する異常記憶手段をさらに備え、前記発電機には、前記発電機の出力を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設け、前記ハイブリッド制御装置は、前記発電機の起動時に前記異常記憶手段が前記蓄電装置の異常を記憶していないときには、前記発電機制御装置を前記トルク制御モードに設定し、前記発電機の起動時に前記異常記憶手段が前記蓄電装置の異常を記憶しているときには、前記発電機制御装置を前記電圧制御モードに設定する構成としたことにある。

請求項４の発明は、前記発電機の異常を検出する発電機異常検出手段と、前記電動機の異常を検出する電動機異常検出手段とをさらに備え、前記ハイブリッド制御装置は、前記発電機の起動時に前記異常記憶手段が前記蓄電装置の異常を記憶し、かつ前記発電機異常検出手段によって前記発電機の異常が検出されず、前記電動機異常検出手段によって前記電動機の異常が検出されないときには、前記発電機制御装置を前記電圧制御モードに設定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、電動機の動作状態に応じた最適な順序で発電機、電動機から直流母線への電力出力を遮断することができる。これにより、蓄電装置、発電機、電動機が接続された直流母線が、蓄電装置の異常に伴って電圧変動を生じるのを抑えることができる。この結果、直流母線に接続された発電機、電動機等を保護することができ、ハイブリッド作業機械の信頼性を高めることができる。

請求項２の発明によれば、蓄電装置に異常が発生したときに電動機が力行動作を行っている場合には、発電機から直流母線への電力出力を遮断した後に電動機の電力出力を遮断することにより、発電機の発電電力によって直流母線が過電圧となるのを抑えることができる。一方、蓄電装置が異常を発生したときに電動機が回生動作を行っている場合には、電動機から直流母線への電力出力を遮断した後に発電機の電力出力を遮断することにより、電動機が発生する回生電力によって直流母線が過電圧となるのを抑えることができる。この結果、直流母線に接続された発電機、電動機等を保護することができ、ハイブリッド作業機械の寿命を延ばすことができる。

請求項３の発明によれば、ハイブリッド作業機械の起動時に、蓄電装置の異常が記憶されていない場合には、発電機制御装置の制御モードを予めトルク制御モードに設定することができる。一方、ハイブリッド作業機械の起動時に、蓄電装置の異常が記憶されている場合には、発電機制御装置の制御モードを予め電圧制御モードに設定することができる。従って、蓄電装置に異常がある状態でハイブリッド作業機械を作動させた場合に、発電機に対する制御モードが作動中にトルク制御モードから電圧制御モードに切換わることがない。このため、ハイブリッド作業機械の作動時に、発電機制御装置がトルク制御モードから電圧制御モードに切換わることによって直流母線の電圧変動を招くことがなく、電動機を安定して作動させることができる。

請求項４の発明によれば、蓄電装置の異常を検出するだけでなく、発電器異常検出手段、電動機異常検出手段によって発電機、電動機の異常を検出することができる。このため、蓄電装置に異常がない場合でも、発電機または電動機の異常を検出した場合には、発電機、電動機、蓄電装置の電力出力を遮断することができる。この結果、これら発電機、電動機、蓄電装置のうちいずれか一の電気機器が異常を生じることに伴い、正常な他の電気機器に二次的な異常が生じるのを抑えることができ、ハイブリッド作業機械の信頼性を一層高めることができる。

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。 蓄電装置に異常が発生したときに発電機と走行電動機の電力出力を遮断する制御処理のフローチャートである。 起動時に発電機に対する制御モードを設定する制御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。

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。そして、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。

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に一定の電力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。また、ハイブリッド制御装置３７は、異常記憶手段としての異常記憶部３７Ａを有し、この異常記憶部３７Ａは、ホイールローダ１の作動時に蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したときに、後述する蓄電装置異常検出手段４０からの検出信号に基づいて異常データが書込まれるものである。

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、走行時に発電機２７、走行電動機３１、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、発電機２７の異常を検出する発電機異常検出手段３８、走行電動機３１の異常を検出する走行電動機異常検出手段３９、蓄電装置３４の異常を検出する蓄電装置異常検出手段４０が設けられ、これら各検出手段３８，３９，４０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。なお、走行電動機異常検出手段３９、蓄電装置異常検出手段４０は、ハードウェアの異常検出回路によって構成してもよく、ハイブリッド制御装置３７内において電流、電圧等に基づく異常判定を行うソフトウェア処理によって構成してもよい。

ここで、蓄電装置３４およびコンバータ３５に異常がないとき（正常時）には、発電機制御装置３０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。

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４１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、トルク補償部３０Ｂと信号生成部３０Ｄとを接続しており、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、第１のインバータ２８を制御するための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となり、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の駆動が制御される構成となっている。

しかし、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、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は、トルク制御から電圧制御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４２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４２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からの切換指令Ｓ５によって電圧補償部３０Ｅと信号生成部３０Ｄとを接続しており、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、第１のインバータ２８を制御するための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の駆動が制御される構成となっている。

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、発電機２７の出力を制御する発電機制御装置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と、発電機２７の出力を直流母線２９Ａ，２９Ｂ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構成となっている。例えば蓄電装置３４およびコンバータ３５に異常が生じていないときには、発電機制御装置３０は、発電機２７の出力をトルク制御によって制御する。

一方、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５が異常を生じたときには、発電機制御装置３０は、発電機２７の出力を電圧制御によって制御する。このように、ホイールローダ１の走行時に蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したとしても、発電機制御装置３０が、発電機２７に対する制御モードをトルク制御から電圧制御に切換えることにより、ホイールローダ１を走行させることができる。

ここで、ホイールローダ１の走行時に蓄電装置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と直流母線２９Ａ，２９Ｂとの接続を遮断して、ホイールローダ１を一旦停止させる。このとき、直流母線２９Ａ，２９Ｂに急峻な電圧変動が生じても、この電圧変動を蓄電装置３４によって吸収することができない。このため、発電機２７、走行電動機３１から直流母線２９Ａ，２９Ｂへの電力出力を適切な順序で遮断しないと、直流母線２９Ａ，２９Ｂが過電圧となり、発電機２７、走行電動機３１等に不具合が生じる虞れがある。

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の動作状態に応じて、発電機２７および走行電動機３１から直流母線２９Ａ，２９Ｂへの電力出力を遮断する順番を設定することにより、発電機２７および走行電動機３１を過電圧から保護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、発電機２７および走行電動機３１の電力出力を遮断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において蓄電装置異常検出手段４０等からの検出信号に基づいて蓄電装置３４、コンバータ３５の異常を診断し、続くステップ２で蓄電装置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１に戻り、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の異常があるのでステップ３に進む。ステップ３では、蓄電装置３４から直流母線２９Ａ，２９Ｂへの電力出力を遮断し、その後ステップ４に進む。

ステップ４においては、走行電動機３１が力行動作を行っているか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定した場合、即ち、ホイールローダ１の加速走行時等において走行電動機３１が力行動作を行っている場合には、ステップ５に進む。そして、ステップ５において発電機２７から直流母線２９Ａ，２９Ｂへの電力出力を遮断した後、ステップ６において走行電動機３１の電力出力を遮断することにより、制御処理を終了する。

一方、ステップ４において「ＮＯ」と判定した場合、即ち、ホイールローダ１の制動時等において走行電動機３１が回生動作を行っている場合には、ステップ７に進む。そして、ステップ７において、走行電動機３１から直流母線２９Ａ，２９Ｂへの電力出力を遮断した後、ステップ８において、発電機２７の電力出力を遮断することにより、制御処理を終了する。

かくして、本実施の形態によれば、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、走行電動機３１が力行動作を行っている場合には、発電機２７から直流母線２９Ａ，２９Ｂへの電力出力を遮断した後に、走行電動機３１の電力出力を遮断する。これにより、発電機２７が発生した発電電力によって直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧が過電圧となるのを抑えることができ、走行電動機３１等を保護することができる。

一方、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したときに、走行電動機３１が回生動作を行っている場合には、走行電動機３１から直流母線２９Ａ，２９Ｂへの電力出力を遮断した後に、発電機２７の電力出力を遮断する。これにより、ホイールローダ１の慣性走行によって走行電動機３１が回生電力を発生するのを抑え、直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧が過電圧となるのを抑えることができるので、発電機２７等を保護することができる。

ところで、発電機２７の出力を制御する発電機制御装置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と、発電機２７を直流母線２９Ａ，２９Ｂ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構成となっている。

このため、本実施の形態では、ホイールローダ１の作動時に蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したときには、ハイブリッド制御装置３７の異常記憶部３７Ａに蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常データが書込まれる。そして、次回の発電機２７の起動時（起動スイッチの投入時）において、異常記憶部３７Ａに蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常が記憶されていないときには、発電機２７に対する発電機制御装置３０の制御モードを予めトルク制御モードに設定し、異常記憶部３７Ａに蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常が記憶されているときには、発電機２７に対する発電機制御装置３０の制御モードを予め電圧制御モードに設定するようになっている。

そこで、ハイブリッド制御装置３７が、発電機制御装置３０の制御モードをトルク制御モードまたは電圧制御モードに設定する制御処理について、図５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１１において、前回のホイールローダ１の作動時に蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生したことが、異常記憶部３７Ａに異常データとして書込まれているか否かを判定する。そして、ステップ１１において「ＮＯ」と判定した場合には、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常が記憶されていないのでステップ１２に進み、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の異常が記憶されているので、後述するステップ１８に進む。

ステップ１２では、システム起動時における初期異常診断を行い、発電機異常検出手段３８、走行電動機異常検出手段３９、蓄電装置異常検出手段４０等の検出信号に基づいて、発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４およびコンバータ３５の異常を診断し、続くステップ１３で蓄電装置３４、コンバータ３５が正常であるか否かを判定する。

ステップ１３において「ＮＯ」と判定した場合には、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常があるのでステップ１４に進み、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常があることを示す異常データを異常記憶部３７Ａに書込んで制御処理を終了する。

一方、ステップ１３において「ＹＥＳ」と判定した場合には、蓄電装置３４およびコンバータ３５が正常なのでステップ１５に進み、発電機２７、走行電動機３１が正常であるか否かを判定する。

ステップ１５において「ＹＥＳ」と判定した場合には、蓄電装置３４およびコンバータ３５が正常であり、かつ発電機２７、走行電動機３１も正常である。このため、ステップ１６に進み、発電機制御装置３０の制御モードをトルク制御モードに設定して制御処理を終了する。

一方、ステップ１５において「ＮＯ」と判定した場合には、蓄電装置３４およびコンバータ３５が正常であるものの、発電機２７または走行電動機３１に異常がある。このため、ステップ１７に進み、発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４の出力を遮断する立下げ動作を実行して制御処理を終了する。このように、蓄電装置３４およびコンバータ３５が正常である場合でも、発電機２７または走行電動機３１に異常がある場合には、発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４の出力を遮断することができるので、これら発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４のうちいずれか一つの電気機器が異常を生じることに伴い、正常な他の電気機器に二次的な異常が生じるのを抑えることができる。

次に、ステップ１１において「ＹＥＳ」と判定した場合には、前回のホイールローダ１の作動時における蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常が記憶されているので、ステップ１８に進む。ステップ１８では、システム起動時における初期異常診断を行い、発電機異常検出手段３８、走行電動機異常検出手段３９等の検出信号に基づいて発電機２７、走行電動機３１の異常を診断し、続くステップ１９で発電機２７、走行電動機３１が正常であるか否かを判定する。

ステップ１９で「ＮＯ」と判定した場合には、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常があることに加え、発電機２７または走行電動機３１にも異常がある。このため、ステップ１７に進み、発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４の出力を遮断する立下げ動作を実行して制御処理を終了する。

一方、ステップ１９で「ＹＥＳ」と判定した場合には、蓄電装置３４およびコンバータ３５に異常があるものの、発電機２７および走行電動機３１は正常である。このため、ステップ２０に進み、発電機制御装置３０の制御モードを電圧制御モードに設定して制御処理を終了する。

なお、ステップ１４で蓄電装置３４またはコンバータ３５の異常データを書込んだ後には、発電機２７が起動されることなく制御処理が終了するが、ホイールローダ１の起動スイッチを再投入することにより、ステップ１８以降の制御処理を実行することができる。

かくして、本実施の形態によれば、前回のホイールローダ１の作動時に蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常が発生した場合には、その異常データをハイブリッド制御装置３７の異常記憶部３７Ａに記憶することができる。そして、次回のホイールローダ１の起動時に、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常が記憶されていない場合には、発電機制御装置３０の制御モードを予めトルク制御モードに設定することができる。一方、次回のホイールローダ１の起動時に、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５の異常が記憶されている場合には、発電機制御装置３０の制御モードを予め電圧制御モードに設定することができる。

従って、蓄電装置３４あるいはコンバータ３５に異常がある状態でホイールローダ１を作動させた場合に、発電機２７に対する発電機制御装置３０の制御モードが、例えばホイールローダ１の走行途中でトルク制御モードから電圧制御モードに切換わることがない。このため、例えばホイールローダ１の走行時に、発電機制御装置３０がトルク制御モードから電圧制御モードに切換わることによって直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧変動を招くことがなく、走行電動機３１を安定して駆動することができる。

また、本実施の形態では、蓄電装置３４およびコンバータ３５の異常を検出するだけでなく、発電機異常検出手段３８、走行電動機異常検出手段３９によって発電機２７、走行電動機３１の異常を検出することができる。このため、蓄電装置３４およびコンバータ３５に異常がない場合でも、発電機２７または走行電動機３１の異常を検出した場合には、発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４の出力を遮断することができる。この結果、これら発電機２７、走行電動機３１、蓄電装置３４のうちいずれか一つの電気機器が異常を生じることに伴い、正常な他の電気機器が異常を生じるのを抑えることができ、ハイブリッド式のホイールローダ１の信頼性を高めることができる。

なお、上述した実施の形態では、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、上述した実施の形態では、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
２７ 発電機
２９Ａ，２９Ｂ 直流母線
３０ 発電機制御装置
３１ 走行電動機（電動機）
３４ 蓄電装置
３７ ハイブリッド制御装置
３７Ａ 異常記憶部（異常記憶手段）
３８ 発電機異常検出手段
３９ 走行電動機異常検出手段（電動機異常検出手段）
４０ 蓄電装置異常検出手段

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動作状態に応じて前記発電機、前記電動機から前記直流母線への電力出力を遮断する順序を変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. 前記ハイブリッド制御装置は、前記電動機が力行動作を行っている状態で前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記発電機から前記直流母線への電力出力を遮断した後に前記電動機の電力出力を遮断し、
   前記電動機が回生動作を行っている状態で前記蓄電装置の異常が検出されたときには、前記電動機から前記直流母線への電力出力を遮断した後に前記発電機の電力出力を遮断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検出された前記蓄電装置の異常を記憶する異常記憶手段をさらに備え、
   前記発電機には、前記発電機の出力を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設け、
   前記ハイブリッド制御装置は、前記発電機の起動時に前記異常記憶手段が前記蓄電装置の異常を記憶していないときには、前記発電機制御装置を前記トルク制御モードに設定し、前記発電機の起動時に前記異常記憶手段が前記蓄電装置の異常を記憶しているときには、前記発電機制御装置を前記電圧制御モード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. 前記発電機の異常を検出する発電機異常検出手段と、前記電動機の異常を検出する電動機異常検出手段とをさらに備え、
   前記ハイブリッド制御装置は、前記発電機の起動時に前記異常記憶手段が前記蓄電装置の異常を記憶し、かつ前記発電機異常検出手段によって前記発電機の異常が検出されず、前記電動機異常検出手段によって前記電動機の異常が検出されないときには、前記発電機制御装置を前記電圧制御モードに設定する構成としてなる請求項３に記載のハイブリッド作業機械。

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