JP2015063847A

JP2015063847A - 作業車両

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Publication number: JP2015063847A
Application number: JP2013198685A
Authority: JP
Inventors: 市原　隆信; Takanobu Ichihara; 隆信市原; 誠司石田; Seiji Ishida; 守田　雄一朗; Yuichiro Morita; 雄一朗守田; 柴田　浩一; Koichi Shibata; 浩一柴田; 竹内　健; Takeshi Takeuchi; 健竹内; 宇田川　勉; Tsutomu Udagawa; 勉宇田川
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-04-09

Abstract

【課題】回生に伴うバッテリの劣化を防止できる作業機械の提供。
【解決手段】本発明は、エンジン２２と、発電モータ２３と、油圧ポンプ４１と、油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６と、旋回機構２６を駆動する旋回モータ２５と、発電モータ２３および旋回モータ２５へ電力を供給し、旋回モータ２５の制動時に生じる回生電力が供給されるバッテリ２４と、回生電力または油圧ポンプ４１の動力を消費させる絞り弁６４と、旋回モータ２５の制動時に、旋回モータ２５の回生電力またはバッテリ２４への供給電力から、バッテリ２４へ供給可能な電流制限値に応じた電力制限値を引いた余剰電力を、発電モータ２３に供給するとともに、余剰電力に応じて絞り弁６４での動力消費量を変化させる動力制御部８６と、を備えた構成にしてある。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば油圧ショベル等の可動部を有する作業機械に関する。

近年、油圧ショベル等の作業機械においては、上部旋回体の旋回駆動を電動機にて行う構成が、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された油圧駆動装置は、上部旋回体を制動させる際に生じる運動エネルギにて発電機を駆動させて電気エネルギに変換しバッテリ（蓄電装置）に蓄電する構成とされている。

特許第３６４７３１９号公報

上記の油圧ショベル等の作業機械においては、作業性等の観点から、大きな慣性を有する上部旋回体を短時間に制動させることが要求されるため、上部旋回体を制動させる際に発生する電気エネルギ（回生エネルギ）が非常に大きく、蓄電装置へ供給される電力が、蓄電装置の上限値を超えてしまうおそれがある。特に、リチウムイオン電池等は、負荷変動、すなわち高い電流値の電力が供給される等する頻度が大きくなることによって、蓄電性能が劣化してしまう特性を有している。

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、回生に伴う蓄電装置の劣化を防止できる作業機械を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明は、可動部を有する作業機械であって、動力源と、この動力源にて駆動される第１電動機と、この第１電動機にて駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される作動油にて駆動する油圧アクチュエータと、前記可動部を駆動する第２電動機と、前記第１および第２電動機へ電力を供給し、この第２電動機の制動時に生じる回生電力が供給される蓄電装置と、前記回生電力、または前記油圧ポンプの動力を消費させる動力消費部と、前記第２電動機の制動時に、この第２電動機の回生電力または前記蓄電装置への供給電力から、前記蓄電装置へ供給可能な電流制限値に応じた電力制限値を引いた余剰電力を、前記第１電動機に供給するとともに、前記余剰電力に応じて前記動力消費部での電力または動力消費量を変化させる動力制御部と、を備えたことを特徴としている。

このように構成した本発明は、作業機械の可動部を駆動する第２電動機の制動時に、この第２電動機の回生電力または蓄電装置への供給電力から、蓄電装置へ供給可能な電流制限値に応じた電力制限値を引いた余剰電力を、第１電動機に供給する。また同時に、この余剰電力に応じ電力制御部にて電力消費部での電力または動力消費量を変化させる。この結果、第２電動機の回生電力の一部を第１電動機に供給して回生できるとともに、電流制限値を超えた電力が蓄電装置へ供給されることを無くすことができるから、回生に伴う蓄電装置の劣化を防止することができる。

また本発明は、上記発明において、作動油が供給される作動油タンクを備え、前記動力消費部は、前記油圧ポンプと前記作動油タンクとの間に設けられ、開度の調整によって動力消費量が変更可能な絞り弁であることを特徴としている。

このように構成した本発明は、絞り弁の開度を調整することによって、油圧ポンプの動力消費量を変化させることができる。よって、動力消費部での動力消費量の変化を簡単な構成で確実に行うことができる。

また本発明は、上記発明において、前記動力源は、エンジンであり、前記動力制御部は、前記エンジンの回転速度に応じて前記動力消費部での電力または動力消費量を変化させることを特徴としている。

このように構成した本発明は、エンジンの回転速度に応じて動力制御部にて動力消費部での電力または動力消費量を変化させることにより、第２電動機の回生電力の一部を第１電動機に供給して回生させる際に伴う、エンジンの負荷変動を抑制することができる。

また本発明は、上記発明において、前記動力源は、エンジンであり、前記動力制御部は、前記第１電動機への供給電力、前記第２電動機の回生電力、前記エンジンの回転速度うちの少なくともいずれかの増減に応じて前記動力消費部での電力または動力消費量を変化させることを特徴としている。

このように構成した本発明は、第１電動機への供給電力、第２電動機の回生電力、エンジンの回転速度うちの少なくともいずれかの増減に応じて動力制御部にて動力消費部での電力または動力消費量を変化させることにより、第１電動機への供給電力の増減に伴うエンジンの負荷変動を防止できると同時に、電流制限値に応じた電力制限値を超えた電力が蓄電装置へ供給されることを無くすことができ、蓄電装置の劣化を防止することができる。

また本発明は、上記発明において、前記第１電動機は、回転磁界による位相差の制御にて出力電力または消費電力が調整可能な発電モータであり、前記電力制御部は、前記第１電動機の位相差を制御して、この第１電動機による電力消費量を変化させることを特徴としている。

このように構成した本発明は、動力制御部にて第１電動機の位相差を制御することによって、第１電動機による動力消費量を変化させることができるから、動力消費部での動力消費量の変化を簡単な構成で確実に行うことができる。

また本発明は、上記発明において、作動油が供給される作動油タンクを備え、前記動力消費部は、前記油圧ポンプと前記油圧アクチュエータとの間に設けられ前記油圧アクチュエータへ供給される作動油の供給方向および流量を制御するためのバルブ装置と、このバルブ装置と前記油圧ポンプとの間に設けられたバイパス油路とを有し、前記動力制御部は、前記油圧ポンプからの作動油の吐出量を増減させ、前記バルブ装置を介して前記バイパス油路へ通過させる際の、動力消費量を調整することを特徴としている。

このように構成した本発明は、油圧ポンプからの作動油の吐出量を動力制御部にて増減させることにより、バルブ装置を介してバイパス油路へ通過させる際の、動力消費量を調整でき、動力消費部での動力消費量を変化させることができる。よって、例えば作動油タンクと油圧ポンプとの間に絞り弁等を設け、絞り弁の開度調整により油圧ポンプの動力消費量を変化させる場合に比べ、作動油を供給する油路を加えるだけの構成で、動力消費部での動力消費量を変化できるから、動力消費部をより簡単な構成とすることができる。

本発明は、作業機械の可動部を駆動する第２電動機の制動時に、この第２電動機の回生電力または蓄電装置への供給電力から、蓄電装置へ供給可能な電流制限値に応じた電力制限値を引いた余剰電力を、第１電動機に供給するとともに、この余剰電力に応じ電力制御部にて電力消費部での電力または動力消費量を変化させる構成にしてある。この構成により本発明は、第２電動機の回生電力の一部を第１電動機に供給して回生でき、電流制限値を超えた電力の蓄電装置への供給を無くすことができるから、回生に伴う蓄電装置の劣化を防止することができる。そして、前述した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明より明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルを示す側面図である。上記油圧ショベルの油圧駆動装置の一部を示す概略構成図である。上記油圧ショベルの油圧駆動装置を示すシステム構成図である。上記油圧駆動装置の一部を示す構成図である。上記油圧駆動装置の動力制御方法を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータへの供給電力、（ｂ）はバッテリへの供給電力、（ｃ）は発電モータの出力、（ｄ）は動力消費量の目標値、（ｅ）は絞り弁の開度、（ｆ）はエンジン回転速度である。上記油圧駆動装置の動力制御方法を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置を示すシステム構成図である。本発明の第３実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置の動力制御方法を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータへの供給電力、（ｂ）はバッテリへの供給電力、（ｃ）は発電モータへの供給電力、（ｄ）動力消費量の目標値、（ｅ）絞り弁の開度、（ｆ）はエンジン回転速度である。本発明の第４実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置の動力制御方法を示すフローチャートである。上記油圧駆動装置の動力制御方法を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータへの供給電力、（ｂ）はバッテリへの供給電力、（ｃ）は燃料噴射量、（ｄ）はエンジンの回転速度、（ｅ）は動力消費量の目標値、（ｆ）は絞り弁の開度である。本発明の第５実施形態に係る作業機械の第１電動機を示す概略構成図である。上記第１電動機の回転磁界の位相と駆動効率との関係を示すグラフである。上記第１電動機を動力消費部とした場合のタイムチャートで、（ａ）は旋回モータへの供給電力、（ｂ）はバッテリへの供給電力、（ｃ）は発電モータへの供給電力、（ｄ）は動力消費量の目標値、（ｅ）は発電モータの位相差、（ｆ）は発電モータの出力である。本発明の第６実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置を示すシステム構成図である。上記油圧駆動装置のバイパス油路を動力消費部とした場合のタイムチャートで、（ａ）は旋回モータへの供給電力、（ｂ）はバッテリへの供給電力、（ｃ）は発電モータへの供給電力、（ｄ）は動力消費量の目標値、（ｅ）は油圧ポンプの吐出流量、（ｆ）はエンジン回転速度である。本発明の第７実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置の動力制御方法を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータへの供給電力、（ｂ）はバッテリへの供給電力、（ｃ）は発電モータへの供給電力、（ｄ）は動力消費量の目標値、（ｅ）は絞り弁の開度、（ｆ）は燃料噴射量、（ｇ）はエンジンの回転速度である。上記油圧駆動装置の動力制御方法を示すフローチャートである。上記油圧駆動装置の旋回モータからの回生電力のうちのバッテリの電力制限値を超える余剰電力を発電モータへ供給する場合のＮＯ_Ｘ排出量を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータへの供給電力、（ｂ）はバッテリへの供給電力、（ｃ）は発電モータへの供給電力、（ｄ）はエンジンの回転速度、（ｅ）は燃料噴射量、（ｆ）はＮＯ_Ｘ排出量である。油圧ショベルの旋回モータの回生時に発電モータに回生させる場合の負荷変動を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータへの供給電力、（ｂ）はバッテリへの供給電力、（ｃ）は発電モータの出力、（ｄ）はエンジン負荷、（ｅ）はエンジン回転速度である。油圧ショベルの旋回モータの回生時に発電モータに回生する場合の排気への影響を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータへの供給電力、（ｂ）はバッテリへの供給電力、（ｃ）は発電モータへの供給出力、（ｄ）はエンジン負荷である。エンジンの負荷変動による排気への影響を示すタイムチャートで、（ａ）は燃料噴射量、（ｂ）はスロットル開度、（ｃ）はＥＧＲ弁開度、（ｄ）は排気圧、（ｅ）は吸気圧、（ｆ）は吸気流量、（ｇ）はＥＧＲガス流量、（ｈ）はＥＧＲ率、（ｉ）はＮＯ_Ｘ排出量である。

［第１実施形態］
以下、本発明に係る作業機械の第１実施形態として、ハイブリッド式の油圧ショベルを例に挙げて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルを示す側面図である。図２は、油圧ショベルの油圧駆動装置の一部を示す概略構成図である。図３は、油圧ショベルの油圧駆動装置を示すシステム構成図である。図４は、油圧駆動装置の一部を示す構成図である。

＜構成＞
本発明の第１実施形態に係る油圧ショベル１は、クローラ式の油圧ショベルであって、図１に示すように、下部走行体１０上に上部旋回体２０が旋回可能に取り付けられている。下部旋回体２０は、走行装置である一対のクローラ１１と、これら一対のクローラ１１を支持するクローラフレーム１２と、各クローラ１１を独立して駆動制御するための一対の走行用油圧モータ１３，１４とを備えている。各走行用油圧モータ１３，１４は、供給される作動油にて駆動される油圧アクチュエータである。

上部旋回体２０は、本体である旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた動力源としての原動機であるエンジン２２と、エンジン２２の出力軸に取り付けられエンジン２２にて駆動される力行可能な第１電動機としての発電モータ（ＭＧ）２３と、第２電動機である旋回モータ（ＭＳ）２５と、発電モータ２３および旋回モータ２５に接続された蓄電装置としてのバッテリ（ＢＡＴ）２４と、旋回モータ２５の駆動力にて下部走行体１０に対して上部旋回体２０を旋回駆動させる可動部としての旋回機構２６とを備えている。

エンジン２２には、図２に示すように、空気をエンジン２２の燃焼室２２ａへ導く給気ライン２２ｂと、燃焼室２２ａから排気される排気ガスを導く排気ライン２２ｃと、一端が給気ライン２２ｂに接続され他端が排気ライン２２ｃに接続され、排気ライン２２ｃに導かれる排気ガスの一部を燃焼室２２ａへ導くバイパスライン２２ｄとが設けられている。給気ライン２２ｃには、給気ライン２２ｃを流れる空気量を検出する空気量センサ２２ｅと、コンプレッサ２２ｆと、インタークーラ（Ｉ／Ｃ）２２ｇと、給気ライン２２ｂを流れる空気、すなわち給気量を制御するスロットル２２ｈとが取り付けられている。また、給気ライン２２ｂのバイパスライン２２ｄとの接続位置より下流側には、圧力センサ２２ｉが設けられている。

バイパスライン２２ｄには、バイパスライン２２ｄを流れる排気ガスの流量を制御するＥＧＲ弁２２ｊと、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ２２ｋとが設けられている。排気ライン２２ｃには、タービン２２ｍが取り付けられている。エンジン２２は、ターボ式の過給機（図示せず）にて過給を行う構成とされ、エンジン２２の回転速度を検出する回転速度センサ（図示せず）が取り付けられている。スロットル２２ｈおよびＥＧＲ弁２２ｊには、これらスロットル２２ｈおよびＥＧＲ弁２２ｊの開度を調整するための電動機であるモータ２２ｎ，２２ｐが取り付けられている。これらモータ２２ｎ，２２ｐは、後述するエンジンコントローラ８１にて駆動制御され、このエンジンコントローラ８１には、空気量センサ２２ｅおよび圧力センサ２２ｉにて検出された各検出値が出力される。

上部旋回体２０には、その稼働部位として、基端側が上部旋回体２０上に回動可能に軸支されたブーム３１と、ブーム３１の先端部近傍に回動可能に軸支されたアーム３３と、アーム３３の先端側に回移動可能に軸支されたバケット３５とを備えたフロント作業機としてのショベル機構３０が取り付けられている。ショベル機構３０を構成するブーム３１、アーム３３およびバケット１５は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ３２、アームシリンダ３４およびバケットシリンダ３６によってそれぞれ駆動される。

油圧駆動装置４０は、図３に示すように、エンジン２２および発電モータ２３にて駆動される油圧ポンプ４１と、油圧ポンプ４１と各走行油圧モータ１３，１４、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４およびバケットシリンダ３６との間に接続されたバルブ装置としてのコントロール弁モジュール４３と備えている。コントロール弁モジュール４３は、油圧ポンプ４１から吐出され各走行油圧モータ１３，１４、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４およびバケットシリンダ３６へ供給される作動油の供給方向および流量を制御して、これら走行油圧モータ１３，１４、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４およびバケットシリンダ３６の駆動を制御する。

コントロール弁モジュール４３は、駆動制御する油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の個数に対応させて設けられたコントロール弁４５，４６，・・・，４９にて構成されている。コントロール弁４５は、ブーム用コントロール弁であって、ブームシリンダ３２へ供給される作動油の供給方向および流量を制御する。コントロール弁４６は、アーム用コントロール弁であって、アームシリンダ３４へ供給される作動油の供給方向および流量を制御する。コントロール弁４７は、バケット用コントロール弁であって、バケットシリンダ３６へ供給される作動油の供給方向および流量を制御する。コントロール弁４８，４９は、走行用コントロール弁であって、走行用油圧モータ１３，１４へ供給される作動油の吐出方向および吐出流量を制御する。

各コントロール弁４５，４６，・・・，４９は、操作レバー４２ａ，４２ｂの操作量に応じて出力されるパイロット圧（操作圧）に基づいて駆動され、対応する各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６への作動油の吐出方向および吐出流量を制御する。操作レバー４２ａ，４２ｂには、圧力センサ７０ａ，７０ｂがそれぞれ取り付けられ、各操作レバー４２ａ，４２ｂの操作量が圧力センサ７０ａ，７０ｂにて電気信号に変換され、車体コントローラ８０に入力される。車体コントローラ８０は、操作レバー７０ａ，７０ｂの操作量や、回転速度センサにて検出されるエンジン２２の回転速度の計測値等に応じて、油圧ポンプ４１の吐出油量を制御する。

油圧ポンプ４１は、各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６へ作動油を供給する油圧源であって、エンジン２２と発電モータ２３とにより駆動される。油圧ポンプ４１は、作動油タンク６２内の作動油を圧送して吐出させ、油圧ポンプ４１から吐出された作動油は、この油圧ポンプ４１から各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６へ作動油を供給するための供給油路６０を介して各コントロール弁４５，４６，・・・，４９へ供給され、これらコントロール弁４５，４６，・・・，４９の制御により各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６を駆動させる。供給油路６０と作動油タンク６２との間には、リリーフ弁６３が設けられ、供給油路６０内の作動油圧が予め定めた所定値以上となった場合に、リリーフ弁６３が開動作し、供給油路６０内の作動油を作動油タンク６２へ排出させる。

各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６から排出された作動油が通過する戻り油路６１には、動力消費部としての絞り弁６４が接続されている。この構成では、絞り弁６４に掛かる作動油圧が低いため、絞り弁６４が故障しにくいという利点がある。戻り油路６１は、各コントロール弁４５，４６，・・・，４９と作動油タンク６２とを接続し、各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６から排出される作動油を作動油タンク６２に戻すための油路である。

絞り弁６４は、例えば電磁比例弁等の開度、すなわち絞り量が調整可能とされ、この絞り量の調整に応じて作動油に対する動力消費量が変更可能とされている。絞り弁６４の開度は、車体コントローラ８０にて制御され、この車体コントローラ８０による絞り量の調整によって、戻り油路６１を通過する作動油に対する流路抵抗を増減させ、油圧ポンプ４１の動力の一部を熱エネルギに変換して外気へ放出させるエネルギ吸収量が調整可能な動力吸収部とされている。絞り弁６４は、例えば、絞り量を大きくする（開口面積を小さくする）に伴い、上記エネルギ吸収量を大きくする。

バッテリ２４は、旋回モータ２５および発電モータ２３へ電力を供給し、旋回モータ２５の制動時に生じる回生電力が供給されて蓄電される。具体的に、バッテリ２４は、直流母線５０を介して、旋回モータ２５を駆動するためのインバータ（ＩＮＶ）５２と、発電モータ２３を駆動するためのインバータ（ＩＮＶ）５３とに接続されている。バッテリ２４から出力される直流電力は、直流母線５０を介して各インバータ５２，５３に供給され、発電モータ２３または旋回モータ２５が駆動されて力行される場合にバッテリ２４に蓄えられた電力が放電されて利用され、発電モータ２３または旋回モータ２５の駆動が制動され回生している場合に発電モータ２３または旋回モータ２５の制動時に生じる回生電力（回生エネルギ）がバッテリ２４へ出力され充電される。インバータ５２，５３は、操作レバー４２ｂの操作量に応じて車体コントローラ８０から出力される制御信号が入力され、この制御信号に基づいて旋回モータ２５または発電モータ２３の駆動力を制御する。

直流母線５０には、バッテリ２４への供給電流および出力電流を検出する電流センサ５４と、バッテリ２４のバッテリ電圧を検出する電圧センサ５５とが接続されている。電流センサ５４および電圧センサ５５は、バッテリコントローラ（ＢＣＵ）８３に接続され、これら電流センサ５４および電圧センサ５５にて検出された検出信号（電流値信号、電圧値信号）がバッテリコントローラ８３へ出力され、このバッテリコントローラ８３から通信線８２を介して車体コントローラ８０およびエンジンコントローラ８１へ出力される。

エンジンコントローラ８１は、車体コントローラ８０から通信線８２を介して送受信される目標回転速度の指令に基づいたエンジン回転速度となるように、エンジン２２の燃焼室２２ａ内の燃料噴射量を制御するエンジン制御部である。エンジンコントローラ８１は、エンジン２２の出力調整や、このエンジン２２から排気される排気ガス低減のために、このエンジン２２へ吸入される空気量や、ＥＧＲ（排気再循環）率、過給機からエンジン２２へ供給される圧縮空気圧（過給圧、ブースト圧）等を制御する。

車体コントローラ８０は、図４に示すように、バッテリ２４の電流制限値を設定するバッテリ電流制限値設定部８５と、旋回モータ２５、発電モータ２３および絞り弁６４を制御する動力制御部８６とを備えている。動力制御部８６は、旋回モータ２５からインバータ５２を介して回生電力が出力されてくる場合に、インバータ５２，５３を制御して、この回生電力またはバッテリ２４への供給電力から、バッテリ電流制限値設定部８５にて設定した電流制限値を差し引いた余剰電力を発電モータ２３へ供給させるとともに、この余剰電力が大きくなるに従い、またはエンジン３３の回転速度が所定の閾値より高くなった場合に、絞り弁６４の開度を制御して戻り油路６１を通過する作動油のエネルギの消費量（前述のエネルギ吸収量と同じ）を増加させる。すなわち、動力制御部８６は、発電モータ２３への供給電力、旋回モータ２５から出力される回生電力、エンジン２２の回転速度のうちのいずれかの増加に応じて、この増加が大きい場合に、絞り弁６４の開度をより小さくなるように制御してエネルギの消費量を大きくさせる。

＜動作＞
次に、上記第１実施形態の油圧駆動装置４０の動作について、図５を参照して説明する。図５は、油圧駆動装置４０の動力制御方法を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータ２５への供給電力、（ｂ）はバッテリ２４への供給電力、（ｃ）は発電モータ２３の出力、（ｄ）は動力消費量の目標値、（ｅ）は絞り弁６４の開度、（ｆ）はエンジン回転速度である。

まず、旋回モータ２５が最大回転速度近傍で旋回している状態から、この旋回モータ２５を制動させる回生状態となった場合には、バッテリ２４のバッテリ容量の制約により、バッテリ２４の容量あたりの供給電流値が増加することが考えられる。ところが、バッテリ２４は、供給電力の電流値の積算値が多くなるのに伴い、蓄電性能の劣化が進むとともに、供給される電流値が高い条件で使用する頻度が多くなることによっても、蓄電性能が劣化する。そこで、油圧ショベル１の使用条件を考慮して、バッテリ２４の劣化が許容範囲となるように、バッテリ２４に供給される電流値に制限値を設けるようにする。

すなわち、図５（ａ）に示すように、旋回モータ２５が回生状態となった場合に、この旋回モータ２５から出力される回生電力（実線）のすべてを、バッテリ２４へ供給させると、図５（ｂ）に示すように、この回生電力がバッテリ２４に供給可能な電力制限値を超えているため、バッテリ２４の劣化が促進してしまう。そこで、バッテリ２４に供給可能な電力制限値（点線）を予め定めておき、バッテリ２４へ供給される供給電力が電力制限値以内となるように制御する。電力制限値は、（バッテリ２４から出力可能な電流制限値）と（バッテリ電圧）との積にて求められる。

図５（ｂ）に示すように、電流制限値を超える回生電力を余剰電力とし、この余剰電力を発電モータ２３に供給する。発電モータ２３への供給電力は、発電モータ２３の出力を調整することによって制御される。なお、発電モータ２３の出力を大きくすることによりバッテリ２４への供給電力が低下するため、バッテリ２４への供給電力を抑制できる。したがって、発電モータ２３への供給電力が余剰電力に一致するように、発電モータ２３の出力を調整することにより、バッテリ２４の電力制限値を超えた余剰電力（回生エネルギ）が発電モータ２３に供給されるため、バッテリ２４への供給電力を電力制限値以内にできる。

余剰電力にて発電モータ２３を駆動させることにより、エンジン２２の回転方向にトルクを発生させるものの、油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６を駆動するために必要な油圧ポンプ４１の消費動力Ｐａ、およびエンジン２２にて吸収できる最大動力Ｐｅｍａｘは、エンジン２２の回転とは逆方向のトルクとなる。消費動力Ｐａは、操作レバー４２ａ，４２ｂの操作量や、各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６を駆動する際の作動油の負荷圧および流量の推定値等から求めることができる。

エンジンコントローラ８１は、エンジン２２の回転速度を規定の回転速度になるようにエンジン２２の燃焼室２２ａ内の燃料噴射量を制御しており、エンジン負荷の減少に従って燃料噴射量が小さくなる制御を行う。このため、エンジン２２にて吸収できる最大動力Ｐｅｍａｘは、燃料噴射量が最小の状態（通常は燃料が噴射されない燃料カット状態）におけるエンジン２２のフリクションや補機負荷による負荷トルクに、エンジン２２の回転速度を掛けたものとなる。

図５（ｃ）に示すように、油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６が作動していない場合や、油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の負荷が小さい場合に、発電モータ２３の出力が（Ｐａ＋Ｐｅｍａｘ）を越えた際には、このＰａ＋Ｐｅｍａｘを越えた動力が余剰動力となり、エンジン２２の回転速度を上昇させてしまう。エンジン２２の回転速度の変動は、油圧ポンプ４１から吐出される作動油量を変動させてしまうため、油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６を操作する際の操作フィーリングが低下したり、特に、エンジン２２の回転速度の上昇が大きい場合には、オーバーレブの要因になるおそれがある。

そこで、上述した本発明の第１実施形態に係る油圧駆動装置４０においては、エンジン２２の負荷変動を抑制する観点から、発電モータ２３の出力が（Ｐａ＋Ｐｅｍａｘ）を越え余剰動力が発生した場合に、図５（ｅ）に示すように、車体コントローラ８０にて絞り弁６４の開度を減少させる制御を行い、絞り弁６４の開口面積を減少させ、絞り弁６４を通過する際の作動油の動力消費量（絞り損失）が余剰動力に一致するように制御する。すなわち、絞り弁６４の開口面積を余剰動力に対応させて減少させることにより、油圧ポンプ４１から吐出される作動油圧が上昇するため、油圧ポンプ４１を駆動するエンジン２２の負荷を増加でき、回生時のエンジン２２の負荷変動を抑制できる。

絞り弁６４を通過する作動油量をＱ、絞り弁６４での差圧をΔＰ、絞り弁６４の開口面積をＡとすると、絞り損失Ｐ_Ｌは、Ｐ_Ｌ＝（Ｑ×ΔＰ）＝（Ｑ^３／ｋ^２Ａ^２）となる。ｋは、作動油の粘性等から求まる絞り弁６４の流路係数である。余剰動力をＰ_ｓｓとすると、絞り損失Ｐ_ＬがＰ_ｓｓに一致するように制御するためには、Ｐ_ｓｓ＝Ｐ_Ｌ＝（Ｑ^３／ｋ^２Ａ^２）の関係を満たせば良いため、開口面積Ａは、Ａ＝√Ｑ^３／（ｋ^２×Ｐ_ｓｓ）となる。よって、絞り弁６４を通過する作動油量Ｑは、油圧ポンプ４１の総行程容積と、エンジン回転速度から求めることができる。

したがって、図５（ｅ）に示すように、絞り弁６４の開口面積Ａを余剰動力Ｐｓｓに応じて制御することにより、図５（ｆ）に示すように、絞り弁６４が無い場合（点線）に比べ、絞り弁６４の開度を制御した場合（実線）には、エンジン２２の負荷変動を減少でき、旋回モータ２５の回生時のエンジン２２の回転速度の変動を抑制できる。また、絞り弁６４の開口面積Ａを減少させた場合には、この絞り弁６４での発熱量が増加するものの、絞り弁６４を通過していく作動油の流れによる放熱によって、絞り弁６４での発熱による作動油の温度上昇は軽減される。

次に、本発明の第１実施形態に係る車体コントローラ８０の動作について、図６を参照して説明する。図６は、油圧駆動装置４０の動力制御方法を示すフローチャートである。

電流センサ５４および電圧センサ５５の検出値であるバッテリ電流およびバッテリ電圧を、バッテリコントローラ８３から通信線８３を介して車体コントローラ８０に読み込み（Ｓ１００）、車体コントローラ８０のバッテリ電流制限値設定部８５にてバッテリ電流制限値を設定する（Ｓ１１０）。この後、Ｓ１１０にて設定したバッテリ電流制限値と、上記Ｓ１００にて読み込んだバッテリ電圧との積から、バッテリ２４の電力制限値を計算する（Ｓ１２０）。そして、上記Ｓ１００にて読み込んだバッテリ電流とバッテリ電圧との積から、現在のバッテリ２４への供給電力を求める（Ｓ１３０）。

次いで、旋回モータ２５が回生中か否かを判定する（Ｓ１４０）。Ｓ１４０では、旋回モータ２５の回転方向とトルクの方向とが逆方向の場合に回生中（Ｙ）と判定し、旋回モータ２５の回転方向とトルクの方向とが同方向の場合に力行中（Ｎ）と判定する。Ｓ１４０にて旋回モータ２５が力行中（Ｎ）と判定した場合は、車体コントローラ８０にて絞り弁６４の開度が全開となるよう制御し、絞り弁６４による作動油からの動力消費量をゼロ（０）とする（Ｓ１５０）。

これに対し、上記Ｓ１４０にて旋回モータ２５が回生中（Ｙ）と判定した場合は、旋回モータ２５から出力される回生電力から、上記Ｓ１２０にて求めたバッテリ２４の電力制限値を差し引いた残りの電力を、余剰電力として計算する（Ｓ１６０）。旋回モータ２５から出力される回生電力は、旋回モータ２５の回転速度と、旋回モータ２５から出力されるモータ電流に基づくモータトルクとの積で求められ、インバータ５２から通信線８２を介して車体コントローラ８０に送信される。

次いで、上記Ｓ１６０にて求めた余剰電力を、発電モータ２３へ供給する供給電力Ｐｍｇｉとし（Ｓ１７０）、この余剰電力に発電モータ２３への供給電力が一致するように、この発電モータ２３へのトルク指令値を計算する（Ｓ１８０）。トルク指令値は、余剰電力とエンジン２２の回転速度との差分（余剰電力／エンジン回転速度）から求められる。そして、算出したトルク指令値と一致するように、発電モータ２３のモータトルクをインバータ５３にて制御する。この結果、バッテリ２４の電力制限値を超えた分の余剰電力（回生エネルギ）が発電モータ２３に供給されるため、バッテリ２４へ供給される供給電力を電力制限値以内にでき、バッテリ２４の劣化を抑制することができる。

この後、発電モータ２３の出力Ｐｍｇｏを、発電モータ２３への供給電力Ｐｍｇｉと、発電モータ２３の効率ηｍとの積、すなわちＰｍｇｏ＝Ｐｍｇｉ×ηｍの式から求める（Ｓ１９０）。また、エンジン３３の消費動力Ｐｅｍａｘを計算する（Ｓ２００）。消費電力Ｐｅｍａｘは、所定の条件での最小燃料噴射量（通常は、燃料カット状態での最小燃料噴射量はゼロ）におけるエンジン３３のフリクションや補機負荷による負荷トルクの合計と、エンジン３３の回転速度との積から求められる。

次いで、所定の油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の駆動に必要な油圧ポンプ４１の動力Ｐａを計算する（Ｓ２１０）。動力Ｐａは、油圧ポンプ４１の他の油圧系での圧力損失を含んだ値であり、この油圧ポンプ４１に入力される動力に相当する。なお、動力Ｐａは、簡易的に操作レバー４２ａ，４２ｂの操作量に基づく所定の関数として求めても良いし、これら操作レバー４２ａ，４２ｂの操作量等から所定の油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６を駆動する際の作動油の流量推定値を求め、この流量推定値と油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の負荷圧との積から油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の出力を求めたり、この油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の出力に圧力損失推定値等を加算するなどしたりして求めても良い。

この後、発電モータ２３の出力Ｐｍｇｏと、油圧ポンプ４１の動力Ｐａと、エンジン２２の消費動力Ｐｅｍａｘとに基づいて、余剰動力Ｐｓｓを、Ｐｓｓ＝Ｐｍｇｏ−（Ｐａ＋Ｐｅｍａｘ）の式から計算する（Ｓ２２０）。次いで、この余剰動力に応じた動力消費量の目標値Ｐ_Ｌを求める（Ｓ２３０）。Ｓ２３０において、上記Ｓ２２０で求めた余剰動力Ｐｓｓが負またはゼロ（０）の場合は、余剰動力が発生しないため、動力消費量の目標値Ｐ_Ｌをゼロ（０）とする。これに対し、上記Ｓ２２０で求めた余剰動力Ｐｓｓが正の場合は、余剰動力が発生することから、動力消費量の目標値Ｐ_Ｌが余剰動力Ｐｓｓ、すなわちＰ_Ｌ＝Ｐｓｓとなるように設定する。

そして、絞り弁６４を通過する際の作動油から吸収する動力の消費量（消費動力）が、上記Ｓ２３０にて求めた動力消費量の目標値Ｐ_Ｌに一致するように、この絞り弁６４の開度制御のための所定のパルス幅のパルス信号（制御信号）を出力する（Ｓ２４０）。すなわち、絞り弁６４の開口面積Ａを、上述したＡ＝√Ｑ^３／（ｋ^２×Ｐ_ｓｓ）となるように車体コントローラ８０にて絞り弁６４の開度を制御することによって、この絞り弁６４を通過する際の消費動力と余剰動力とを一致でき、旋回モータ２５回生時におけるエンジン２２の負荷をほぼ一定に保つことが可能となる。

次に、旋回モータ２５の回生時に、バッテリ２４の劣化を防止するために旋回モータ２５の回生電力の一部を発電モータ２３に回生したときのエンジン２２の負荷変動について説明する。

旋回している状態から上部旋回体２０を制動するときは、旋回モータ２５から出力される電力の回生を行うものの、上部旋回体２０は質量が大きく大きな慣性を有し、かつ作業性等の観点から上部旋回体２０を短時間で制動させることが要求される油圧ショベル１においては、制動時に旋回モータ２５から出力される電力が非常に大きなものとなる。

リチウムイオン電池やニッケル水素電池などのバッテリ２４は、充放電時の電流積算値が大きくなった場合や、高電流状態での使用頻度が高い場合に、蓄電性能が劣化してしまうおそれがある。ところが、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等は非常に高価であって、油圧ショベル１における搭載スペースの制約などの点から、バッテリ２４の容量が制限されることが多い。

上部旋回体２０の制動時に発生する回生電力が大きな油圧ショベル１においては、制動時に生じる回生電力のすべてをバッテリ２４に供給してしまうと、バッテリ２４の容量あたりに対する供給電流値や電流積算値が大きくなってしまい、バッテリ２４の寿命が短くなったり、長期間の使用に基づく蓄電性能の低下によって、燃費が低下するおそれがある。

これに対し、バッテリ２４へ供給される電流を抑制するために、制動時に旋回モータ２５から発生する回生電力に対し、バッテリ２４への供給電力を制限して、発電モータ２３に供給して回生電力の割合を増加させる動力制御方法が考えられる。図１９は、油圧ショベル１の旋回モータ２５の回生時に発電モータ２３に回生させる場合の負荷変動を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータ２５への供給電力、（ｂ）はバッテリ２４への供給電力、（ｃ）は発電モータ２３の出力、（ｄ）はエンジン負荷、（ｅ）はエンジン回転速度である。

図１９中の期間（i）は、旋回モータ２５を最大速度近くまで力行させている状態を示し、図１９中の期間（ii）は、上部旋回体２０を制動させるために旋回モータ２５を回生させている状態で、この旋回モータ２５への供給電力がマイナス側（発電状態）となり回生電力が出力される。上部旋回体２０の旋回動作は、作業性等の観点から短時間で停止させることが求められるため、旋回モータ２５から出力される回生電力は、力行させる場合の力行電力に対して大きい傾向にある。

旋回モータ２５から出力された回生電力を供給するためのバッテリ２４は、上述のように容量の制約があるため、回生電力を供給した場合に容量あたりの供給電流値が大きくなり、蓄電性能が低下して劣化しまうおそれがある。バッテリ２４の劣化を抑制するためには、バッテリ２４へ供給される供給電流が所定の制限値を超えないようにバッテリ２４への供給電力を制限し、この制限値を超える回生電力を、発電モータ２３に供給することが考えられる。

旋回モータ２５からの回生電力をＰｒｓ、バッテリ２４への供給電力の電力制限値をＰｃｍａｘとすると、余剰電力（Ｐｒｓ−Ｐｃｍａｘ）が発電モータ２３に供給される。発電モータ２３の出力Ｐｍｇｏが、油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の駆動に必要な動力Ｐａと、エンジン２２の最大消費動力Ｐｅｍａｘとの合計（Ｐａ＋Ｐｅｍａｘ）より大きい場合は、｛Ｐｍｇｏ−（Ｐａ＋Ｐｅｍａｘ）｝が余剰動力Ｐｓとなり、この余剰動力Ｐｓは、図１９（ｅ）に示すように、エンジン２２の回転速度を上昇させる。油圧ポンプ４１の吐出流量が変動して操作性が低下したり、エンジン２２の回転速度がエンジンの規定回転速度Ｎｍａｘを越えるおそれがある。

次に、旋回モータ２５の回生時に発電モータ２３に回生する場合のエンジン２２の負荷変動に基づく排気への影響について説明する。図２０は、油圧ショベル１の旋回モータ２５の回生時に発電モータ２３に回生する場合の排気への影響を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータ２５への供給電力、（ｂ）はバッテリ２４への供給電力、（ｃ）は発電モータ２３のへの供給出力、（ｄ）はエンジン負荷である。

図２０に示すように、旋回モータ２５を力行した直後に制動させる動作においては、旋回モータ２５の力行時には、バッテリ２４からの供給電力に加え、発電モータ２３の駆動にて生じる発電電力が旋回モータ２５に供給される。発電電力は、図２０（ｃ）に示すように、発電モータ２３への供給電力がマイナス値となる。旋回モータ２５の力行時は、発電モータ２３の発電によってエンジン２２の負荷が大きくなる。

旋回モータ２５を力行状態から制動させて回生させたときには、バッテリ２４の劣化を防止する観点から、バッテリ２４への供給電力を制限して発電モータ２３に供給する回生電力を増加させると、図２０（ｃ）および図２０（ｄ）に示すように、発電モータ２３が発電状態から力行状態に切り換わった際に、エンジン負荷が急速に減少する。このエンジン負荷の変動に伴い、エンジン２２においては、ＥＧＲ弁２２ｊの差圧変動や、バイパスライン２２ｄへ供給されるＥＧＲガスの温度変動、ＥＧＲ弁２２ｊの応答遅れ、ＥＧＲ弁２２ｊの吸気圧変動等の要因によって、エンジン２２のＥＧＲ率や吸入空気量の制御性が低下してしまい、ＮＯ_Ｘ排出量が増加してしまうおそれがある。

次いで、エンジン２２の負荷変動時のＥＧＲ弁２２ｊの差圧変動による排気への影響について、図２１を参照して説明する。図２１は、エンジン２２の負荷変動による排気への影響を示すタイムチャートで、（ａ）は燃料噴射量、（ｂ）はスロットル２２ｈ開度、（ｃ）はＥＧＲ弁２２ｊ開度、（ｄ）は排気圧、（ｅ）は吸気圧、（ｆ）は吸気流量、（ｇ）はＥＧＲガス流量、（ｈ）はＥＧＲ率、（ｉ）はＮＯ_Ｘ排出量である。すなわち、図２１は、エンジン２２の負荷減少時のＥＧＲ率を示している。

エンジン負荷（燃料噴射量）が減少すると、ＮＯ_Ｘ排出量を低減させる観点から、この燃料噴射量の減少に伴い、図２１（ｂ）および図２１（ｃ）に示すように、スロットル２２ｈの開度が小さくなり、かつＥＧＲ弁２２ｊの開度が大きくなる。図２１（ｄ）に示すように、エンジン２２の排気圧は、燃料噴射量の減少に伴って低下する。そして、ターボ式の過給機の慣性によって、コンプレッサ２２ｇの回転が燃料噴射量の減少に対して遅れて低下していくため、図２１（ｅ）に示すように、エンジン２２の吸気圧の低下にも遅れが生じる。

排気圧と吸気圧との差であるＥＧＲ弁２２ｊの差圧は、定常値より小さくなる。この結果、図２１（ｇ）に示すように、ＥＧＲガスの流量が減少していくとともに、図２１（ｆ）に示すように、吸気流量の減少にも遅れが生じるため、図２１（ｈ）に示すように、エンジン負荷減少直後のＥＧＲ率（実線）は、最適値（点線）に対して低下してしまう。ＥＧＲ率は、定常、最適値になるよう制御される。

図２１（ｉ）に示すように、エンジン負荷減少時においては、定常時に対しＮＯ_Ｘ排出量が増加する。よって、旋回モータ２５の回生時に、バッテリ２４の劣化を抑制するために回生電力の一部を発電モータ２３に回生させた場合は、エンジン負荷が急激に減少するため、このエンジン２２の負荷減少後に燃料カットに至らない場合においては、ＥＧＲ率の変動によってＮＯ_Ｘ排出量が増加してしまう。

上記第１実施形態に係る油圧駆動装置４０においては、バッテリ２４の劣化を防止する観点から、バッテリ２４への供給電力を制限し、発電モータ２３へ供給する供給電力を増加させた場合においても、絞り弁６４による動力消費量を制御することによって、エンジン２２の負荷変動を抑制できる。したがって、バッテリ２４の劣化を抑制しつつ、エンジン２２の回転変動を抑制でき、油圧ショベル１の操作性の低下や、エンジン２２の過回転を防止できる。

また、バッテリ２４の劣化を防止するために旋回モータ２５からの回生電力を発電モータ２３に回生させる際に、このエンジン２２を停止させるまでに至らない程度にエンジン２２の負荷を減少させた場合においては、このエンジン２２の負荷変動に応じてＮＯ_Ｘの排出量が増加するおそれが考えられるが、上述のように絞り弁６４の開度を制御して、この絞り弁６４を通過する作動油の動力消費量を制御することによって、エンジン２２の負荷変動を抑制できるため、旋回モータ２５を制動させて回生動力を出力させる際における、ＮＯ_Ｘの排出量の増加を抑制することもできる。

［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置を示すシステム構成図である。本第２実施形態が前述した第１実施形態と異なるのは、第１実施形態は、各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６から排出された作動油が通過する戻り油路６１に絞り弁６４が接続されているのに対し、第２実施形態は、油圧ポンプ４１からコントロール弁モジュール４３までの供給油路６０に絞り弁６４が接続されている。なお、本第２実施形態において、第１実施形態と同一又は対応する部分には同一符号を付している。

本第２実施形態に係る油圧駆動装置４０においては、絞り弁６４の開度を制御することによって、上述した第１実施形態と同様の作用効果を奏することができるとともに、絞り弁６４が油圧ポンプ４１に近い位置に接続されていることから、絞り弁６４の開度制御にて負荷変動を抑制する際の応答性を向上できる。

［第３実施形態］
図８は、本発明の第３実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置の動力制御方法を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータ２５への供給電力、（ｂ）はバッテリ２４への供給電力、（ｃ）は発電モータ２３への供給電力、（ｄ）動力消費量の目標値、（ｅ）絞り弁６４の開度、（ｆ）はエンジン回転速度である。本第３実施形態が前述した第１実施形態と異なるのは、燃費低減を目的として、旋回モータ２５から出力される回生電力がエンジン２２の負荷を越えている場合に、この負荷に相当する電力を発電モータ２３に優先的に供給する点である。なお、本第３実施形態において、第１実施形態と同一又は対応する部分には同一符号を付している。

本第３実施形態においては、上述した第１実施形態におけるＳ２２０において、燃費低減の点から、図８に示す期間（iii）中の、図８（ｃ）に示す余剰動力が負の場合であって、旋回モータ２５から出力される回生電力Ｐｓが、エンジン２２の負荷（最大消費動力Ｐｅｍａｘ＋油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の駆動に必要な動力Ｐａ）を越えている期間に、エンジン２２の負荷に相当する電力（Ｐｅｍａｘ＋Ｐａ）を発電モータ２３に優先的に供給し、残りの回生電力（Ｐｓ−（Ｐｅｍａｘ＋Ｐａ））をバッテリ２４に供給させる。この結果、旋回モータ２５から出力される回生電力を、バッテリ２４へ供給して充電させて利用する場合に比べ、直接発電モータ２３４へ供給して回生させるため、エネルギ損失が少なく、旋回モータ２５から出力される回生電力、すなわち回生動力をより効率良く利用できる。

［第４実施形態］
図９は、本発明の第４実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置の動力制御方法を示すフローチャートである。本第４実施形態が前述した第１実施形態と異なるのは、第１実施形態は、発電モータ２３の出力からエンジン２２の吸収動力と油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の必要動力とを差し引いた動力を余剰電力として絞り弁６４での動力消費量の目標値を求めたが、第４実施形態は、エンジン回転速度に基づいて絞り弁６４での動力消費量を制御する。なお、本第４実施形態において、第１実施形態と同一又は対応する部分には同一符号を付している。

本第４実施形態においては、発電モータ２３の出力と、実際のエンジン２２にて吸収できる最大動力と、油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６の必要動力とのバランスで決まるエンジン回転速度を計測し、回生時に実際の余剰動力に応じた動力消費量が得られるように絞り弁６４の開度を制御する。油圧駆動装置４０の車体コントローラ８０の動作としては、図９に示すように、Ｓ１００からＳ１８０までは、上述した第１実施形態と同様である。

上記Ｓ１８０の後、エンジン２２の燃焼室２２ａ内の燃料噴射量が所定の閾値ＬＶＦ以下か否かを判定する（Ｓ３００）。閾値ＬＶＦは、エンジン２２の燃焼室２２ａ内への燃料噴射量が最小である最小噴射量（通常は燃料カット状態に相当する燃料噴射量）程度に設定されている。本Ｓ３００にて、エンジン２２の燃料噴射量が閾値ＬＶＦを超えている（Ｎ）と判定された場合は、Ｓ１５０へ進み、エンジン２２の回転を燃料噴射量で制御できる状態の場合には、極力燃料噴射量を少なくして燃費向上を図る点から、エンジンコントローラ８１にて燃料噴射量を減量してエンジン回転速度を制御し、絞り弁６２による動力消費量をゼロ（０）にする。

上記Ｓ３００にて、エンジン２２の燃料噴射量が閾値ＬＶＦ以内（Ｙ）と判定された場合は、燃料噴射量にてエンジン回転速度の制御ができない状態であるため、エンジン回転速度が所定の閾値ＬＶＮ以上か否かを判定する（Ｓ３１０）。閾値ＬＶＮは、エンジン２２の回転変動によって油圧ショベル１の操作性への影響が少なく、かつエンジン２２の回転上昇によってエンジン２２の信頼性に影響を及ぼさない程度の範囲に設定されている。本Ｓ３１０にて、エンジン回転速度が閾値ＬＶＮ以上（Ｙ）と判定された場合は、絞り弁６４での動力消費量の目標値Ｐ_Ｌを増加方向に補正する（Ｓ３２０）。この後、絞り弁６４での消費動力が、上記Ｓ３２０にて求めた動力消費量の目標値Ｐ_Ｌに一致するように、絞り弁６４の開度制御のための所定のパルス幅のパルス信号（制御信号）を出力する（Ｓ３４０）。

上記Ｓ３１０にて、エンジン回転速度が閾値ＬＶＮ未満（Ｎ）と判定された場合は、絞り弁６４での動力消費量の目標値Ｐ_Ｌを減少方向に補正（Ｓ３３０）してから、上記Ｓ３４０へ進む。Ｓ３２０およびＳ３３０においては、エンジン回転速度と閾値ＬＶＮとの偏差に応じたＰＩＤ制御等によって、絞り弁６４での動力消費量の目標値Ｐ_Ｌを求める。

次に、旋回モータ２５回生時のエンジン回転速度に対する動力消費量の目標値Ｐ_Ｌ、および絞り弁６４の開度について、図１０を参照して説明する。図１０は、油圧駆動装置４０の動力制御方法を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータ２５への供給電力、（ｂ）はバッテリ２４への供給電力、（ｃ）は燃料噴射量、（ｄ）はエンジン回転速度、（ｅ）は動力消費量の目標値、（ｆ）は絞り弁６４の開度である。

閾値ＬＶＮは、図１０（ｄ）に示すように、エンジンコントローラ８１にてエンジン回転速度を制御する際の目標回転速度よりも少し高い値に設定されている。すなわち、閾値ＬＶＮは、目標回転速度に近い値であると、燃料噴射量によるエンジン２２の回転制御と、絞り弁６４によるエンジン２２の回転制御とが頻繁に切り換わり、エンジン２２の回転を不安定にさせてしまう。図９に示すＳ３４０においては、上述した第１実施形態と同様に、絞り弁６４による動力消費量の目標値Ｐ_Ｌに一致するように、絞り弁６４の開度を制御するパルス信号を出力させる。

上記第４実施形態に係る油圧駆動装置４０においては、上述した第１実施形態に係る油圧駆動装置４０と同様に、油圧ショベル１の大きな回生電力によるバッテリ２４の劣化を防止しつつ、この回生動力の一部を発電モータ２３に回生させて、エンジン２２の負荷変動を抑制できるため、油圧ショベル１の操作性の低下や、エンジン２２の負荷変動に伴うＮＯ_Ｘ排出量の増加を防止できる。

また、発電モータ２３の出力と、実際のエンジン２２の吸収動力と、油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６を駆動するために必要な動力とのバランスで定まるエンジン回転速度を計測し、このエンジン回転速度に基づいて、旋回モータ２５の回生時に実際の余剰動力に応じた動力消費量となるように絞り弁６４の開度を制御することが可能となる。したがって、これら発電モータ２３、エンジン２２、油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６等の種々の負荷条件においても、エンジン２２の回転を安定して制御することができる。

［第５実施形態］
図１１は、本発明の第５実施形態に係る作業機械の第１電動機を示す概略構成図である。図１２は、発電モータ２３の回転磁界の位相と駆動効率との関係を示すグラフである。本第５実施形態が前述した第４実施形態と異なるのは、第４実施形態は、戻り油路６１に接続された絞り弁６４での圧力欠損により余剰電力を消費させているのに対し、第５実施形態は、発電モータ２３を用いて余剰電力を消費させている。なお、本第５実施形態において、第４実施形態と同一又は対応する部分には同一符号を付している。

本第５実施形態に係る発電モータ２３は、余剰電力を吸収して消費させる動力消費部とされている。発電モータ２３は、図１１に示すように、例えば永久磁石モータであって、一対の固定子巻線２３ｂ間に、永久磁石にて構成された回転子２３ａが回転自在に取り付けられ、この発電モータ２３のモータ効率が最大となるように回転子２３ａと固定子巻線２３ｂとで形成される回転磁界による位相差が制御される。

発電モータ２３は、図１２に示すように、モータ効率が最大値ηｍａｘの場合の位相差をθｍａｘとすると、インバータ５３にて固定子巻線２ｂによる回転磁界の位相が調整され、位相差をθｍａｘからずらすことにより、発生する熱損失が増加しモータ効率が低下する特性を有している。よって、発電モータ２３は、位相差を制御することによって、モータ効率、すなわち旋回モータ２５から出力される回生電力のうちの発電モータ２３へ供給される供給電力に対する発電モータ２３の出力を調整でき、この発電モータ２３の出力電力または消費電力を調整できるため、回生時のエンジン２２の負荷変動を抑制することができる。

次に、上記第５実施形態の油圧駆動装置４０の動作について、図１３を参照して説明する。図１３は、第１電動機を動力消費部とした場合のタイムチャートで、（ａ）は旋回モータ２５への供給電力、（ｂ）はバッテリ２４への供給電力、（ｃ）は発電モータ２３への供給電力、（ｄ）は動力消費量の目標値、（ｅ）は発電モータ２３の位相差、（ｆ）は発電モータ２３の出力である。

旋回モータ２５が回生状態とされ、旋回モータ２５から出力される回生電力に対し、バッテリ２４への供給電力の電力制限値を超えた分の余剰電力が発電モータ２３に供給される。そして、上述した第３実施形態と同様に、エンジン回転速度と閾値ＬＶＮとの偏差に基づいて、図１３（ｄ）に示す動力消費量の目標値Ｐ_Ｌを求める。この動力消費量の目標値Ｐ_Ｌとなるように、インバータ５３にて固定子巻線２３ｂによる回転磁界の位相を調節し、位相差を効率最大となる位相差θｍａｘからずらす。動力消費量の目標値Ｐ_Ｌと位相差との関係は、テーブル化されて車体コントローラ８０に予め記憶されている。

図１３（ｆ）中の点線は、効率最大となる位相差での発電モータ２３の出力であり、図１３（ｆ）中の実線は、位相差をずらす制御をしたときの発電モータ２３の出力である。図１３（ｆ）中の斜線部が、動力消費量に相当する。以上により、インバータ５３よる発電モータ２３の位相差制御によって、旋回モータ２５から回生電力が出力される回生時の発電モータ２３の出力を減少できるから、上述した第１ないし第３実施形態における絞り弁６４の開度を制御する場合と同様に、エンジン２２の負荷変動を抑制できる。さらに、発電モータ２３の位相差制御にて動力消費量を制御できるため、絞り弁６４等の構成を別途追加しなくてもエンジン２２の負荷変動を抑制できるとともに、比較的高応答にエンジン２２の回転速度を制御することができる。

［第６実施形態］
図１４は、本発明の第６実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置を示すシステム構成図である。本第６実施形態が前述した第１実施形態と異なるのは、第１実施形態は、絞り弁６４での圧力損失により余剰電力を消費させるのに対し、第６実施形態は、各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６をバイパスするバイパス油路６５での圧力損失により余剰電力を消費させる。なお、本第６実施形態において、第１実施形態と同一又は対応する部分には同一符号を付している。

図１４に示すように、油圧ポンプ４１から吐出された作動油は、各コントロール弁４５，４６，・・・，４９の駆動制御によって、対応する油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６に供給されるものと、これら油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６をバイパスするバイパス油路６５に供給されるものとに分配される。バイパス油路６５は、各コントロール弁４５，４６，・・・，４９と供給油路６０との間、すなわち油圧ポンプ４１と各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６との間に設けられ、コントロール弁４５，４６，・・・，４９に供給されてくる作動油を、各油圧アクチュエータ１３，１４，３２，３４，３６を経由させずに油路６１へ戻す。

各コントロール弁４５，４６，・・・，４９には、絞り部としての絞り機構４４がそれぞれ設けられている。絞り機構４４は、バイパス油路６５と供給油路６０との間に取り付けられ、供給油路６０からパイパス油路６５へ供給される作動油に圧力損失を生じさせ、この作動油の吐出圧を圧力から熱に変換して消費させる動力消費部である。油圧ポンプ４１からの作動油の吐出流量を増加させることによって、バイパス油路６５での絞り損失が増加する。よって、油圧ポンプ４１からの作動油の吐出流量を調節することによって、バイパス油路６５での動力消費量を制御することができる。

次に、上記第６実施形態の油圧駆動装置４０の動作について、図１５を参照して説明する。図１５は、油圧駆動装置４０のバイパス油路６５を動力消費部とした場合のタイムチャートで、（ａ）は旋回モータ２５への供給電力、（ｂ）はバッテリ２４への供給電力、（ｃ）は発電モータ２３への供給電力、（ｄ）は動力消費量の目標値、（ｅ）は油圧ポンプ４１の吐出流量、（ｆ）はエンジン回転速度である。

図１５に示すように、旋回モータ２５が回生状態とされバッテリ２４の電力制限値を超えた余剰電力を発電モータ２３に回生させた場合には、上述した第３実施形態の絞り弁６４の場合と同様に、エンジン回転速度と閾値ＬＶＮとの偏差に基づいて、図１５（ｄ）に示す動力消費量の目標値Ｐ_Ｌの補正を行う。ここで、図１５（ｅ）に示すように、動力消費量の目標値Ｐ_Ｌの増大に伴い油圧ポンプ４１の容量を増大させ、この油圧ポンプ４１からの作動油の吐出油量を増加させる。この結果、バイパス油路６５を通過する際の作動油の圧力損失が増加し、油圧ポンプ４１の負荷トルクを増加できるため、余剰電力を発電モータ２３に供給した場合の出力の増加分をバイパス油路６５にて吸収できる。

上記第３実施形態での絞り弁６４の開度を制御する場合と同様に、エンジン２２の負荷変動を減少でき、図１５（ｆ）中の実線のように、エンジン回転速度の上昇を抑制できる。各コントロール弁４５，４６，・・・，４９の絞り機構４４を用いて動力消費量を制御しているため、絞り弁６４等の構成を別途追加しなくてもエンジン２２の負荷変動を抑制できるとともに、各絞り機構４４を通過しながら動力が消費されるため、作動油の圧力損失の増加に伴う発熱の影響が小さい。

［第７実施形態］
図１６は、本発明の第７実施形態に係る作業機械の油圧駆動装置の動力制御方法を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータ２５への供給電力、（ｂ）はバッテリ２４への供給電力、（ｃ）は発電モータ２３への供給電力、（ｄ）は動力消費量の目標値、（ｅ）は絞り弁６４の開度、（ｆ）は燃料噴射量、（ｇ）はエンジン回転速度である。本第７実施形態が前述した第１実施形態と異なるのは、第１実施形態は、バッテリ２４の劣化を防止するために旋回モータ２５による回生電力のうちのバッテリ２４の電力制限値を超える余剰電力を発電モータ２３に回生させるに留まり、第７実施形態は、発電モータ２３の出力変化に応じて絞り弁６４での動力消費量を制御して簡易的にエンジン２２の負荷変動を抑制する。なお、本第７実施形態において、第１実施形態と同一又は対応する部分には同一符号を付している。

本第７実施形態においては、図１６に示すように、上述した第１実施形態と同様に、旋回モータ２５の回生時にバッテリ２４の電力制限値を超える余剰電力を発電モータ２３に供給する。具体的には、図１６（ｃ）中の実線にて示す発電モータ２３への供給電力Ｐｍｇｉに対して一次遅れのローパスフィルタ処理を行い、発電モータ２３への供給電力のフィルタ値ＰＦｍｇｉを求める。

絞り弁６４による動力消費量の目標値Ｐ_Ｌは、発電モータ２３への供給電力Ｐｍｇｉから、この供給電力のフィルタ値ＰＦｍｇｉを差し引いた、Ｐ_Ｌ＝Ｐｍｇｉ−ＰＦｍｇｉの式から求める。目標値Ｐ_Ｌは、ラプラス演算子ｓ、およびローパスフィルタ処理の時定数Ｔを用いることにより、Ｐ_Ｌ＝Ｐｍｇｉ−｛１／（１＋ｓＴ）｝・Ｐｍｇｉ＝｛ｓＴ／（１＋ＳＴ）｝・Ｐｍｇａｉの式から求める。よって、目標値Ｐ_Ｌは、発電モータ２３への供給電力Ｐｍｇｉの変化率、および変化量に応じた値である。

次いで、上述した第１実施形態と同様に、絞り弁６４にて作動油から吸収して消費する動力（消費動力）が、動力消費量の目標値Ｐ_Ｌに一致するように、この絞り弁６４の開度を車体コントローラ８０にて制御する。絞り弁６４の制御により、発電モータ２３への供給電力Ｐｍｇｉの変化率および変化量に応じて、絞り弁６４による消費動力が制御されるため、図１６（ｆ）中の実線で示すように、エンジン２２での燃料噴射量、すなわちエンジン負荷の変動を抑制することができる。

次に、本発明の第７実施形態に係る車体コントローラ８０の動作について、図１７を参照して説明する。図１７は、油圧駆動装置４０の動力制御方法を示すフローチャートである。本第７実施形態に係る車体コントローラ８０の動作としては、図１７に示すように、Ｓ１００からＳ１８０までは、上述した第１実施形態と同様である。

上記Ｓ１８０の後、発電モータ２３への供給電力に対し、一次遅れのローパスフィルタ処理を行い、発電モータ２３への供給電力のフィルタ値を求める（Ｓ４００）。Ｓ４００においては、発電モータ２３への供給電力と、発電モータ２３への供給電力のフィルタ値との差分を計算する。Ｓ４００にて算出した差分を、動力消費量の目標値Ｐ_Ｌとして設定する（Ｓ４１０）。絞り弁６４での消費動力が、Ｓ４１０にて求めた動力消費量の目標値Ｐ_Ｌに一致するように、この絞り弁６４の開度制御のための指令値に応じた所定のパルス幅のパルス信号（制御信号）を計算する（Ｓ４２０）。

図１８は、油圧駆動装置４０の旋回モータ２５からの回生電力のうちのバッテリ２４の電力制限値を超える余剰電力を発電モータ２３へ供給する場合のＮＯ_Ｘ排出量を示すタイムチャートで、（ａ）は旋回モータ２５への供給電力、（ｂ）はバッテリ２４への供給電力、（ｃ）は発電モータ２３への供給電力、（ｄ）はエンジン回転速度、（ｅ）は燃料噴射量、（ｆ）はＮＯ_Ｘ排出量である。図１８に示すように、バッテリ２４の劣化を防止するために旋回モータ２５から出力される回生電力のうちのバッテリ２４の電力制限値を超える余剰電力を、発電モータ２３に回生させる場合には、エンジン２２の負荷が急激に減少するものの、燃料噴射量が低下し燃料カットに至らない程度にまでエンジン２２の負荷が減少した場合には、旋回モータ２５の回生時に発電モータ２３の出力が急激に増加することに基づくエンジン２２の負荷変動によって、図１８（ｆ）に示すように、ＮＯ_Ｘ排出量が増加するおそれがある。

上記第７実施形態に係る油圧駆動装置４０においては、発電モータ２３への供給電力と、発電モータ２３への供給電力に対し一次遅れのローパスフィルタ処理を行ったフィルタ値との差分に基づいて、絞り弁６４による動力消費量を制御する。この結果、旋回モータ２５から出力される回生電力の一部を発電モータ２３に回生させてバッテリ２４の劣化を防止しつつ、発電モータ２３に回生させることに伴う、エンジン２２の急激な負荷変動や回転変動を抑制できる。特に、発電モータ２３への供給電力の変化率および変化量に応じた制御で足りるため、上述した第１および第２実施形態の場合に比べ、より簡易的な制御で、油圧ショベル２の操作性の低下や、エンジン２２の負荷変動に伴うＮＯ_Ｘ排出量の増加を防止できる。

［その他］
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が含まれる。例えば、前述した実施形態は、本発明を分りやすく説明するために説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

さらに、上記各実施形態においては、可動部のうちの旋回機構２６を電動化したハイブリッド式の油圧ショベル１を例とし、その態様を説明した。本発明はこれに限定されず、例えば、ホイールローダや、ホイール式の油圧ショベル、クレーン、その他の一部または全部の可動部を電動化した種々の作業機械においても用いることができる。

また、上記各実施形態においては、油圧ポンプ４１の動力を消費させる動力消費部として、絞り弁６４、発電モータ２３、コントロール弁４５，４６，・・・，４９を複合的に用いて行うこともできる。

特に、上記第１実施形態においては、旋回モータ２５から出力される回生電力からバッテリ２４の電力制限値を差し引いた残りの電力を余剰電力として求めたが、バッテリ電流とバッテリ電圧との積で求まるバッテリ２４への供給電力からバッテリ２４の電力制限値を引いた残りの電力を余剰電力として求めてもよい。この場合には、バッテリ２４への供給電力を常時検出でき、旋回モータ２５以外の他の電動機が直流母線５０に接続される場合であっても、常にバッテリ電力を電力制限値以内にできる。

また、上記第７実施形態においては、発電モータ２３への供給電力と、発電モータ２３への供給電力に対し一次遅れのローパスフィルタ処理を行ったフィルタ値との差分に基づいて、絞り弁６４による動力消費量を制御する構成としたが、エンジン２２の負荷変動に関係するパラメータとして発電モータ２３への供給電力の代わりに、旋回モータ２５から出力される回生電力、エンジン２２の回転速度のいずれかのパラメータを用い、これらパラメータとこれらパラメータのフィルタ値の差分を算出し、この差分に基づいて絞り弁６４による動力消費量を制御してもよい。また、これらパラメータの変化率を直接求め、この変化率に基づいて絞り弁６４による動力消費量を制御してもよい。

１油圧ショベル（作業機械）
１０下部走行体
１１クローラ
１２クローラフレーム
１３，１４走行用油圧モータ（油圧アクチュエータ）
２０上部旋回体
２１旋回フレーム
２２エンジン（動力源）
２２ａ燃焼室
２２ｂ給気ライン
２２ｃ排気ライン
２２ｄバイパスライン
２２ｅ空気量センサ
２２ｆコンプレッサ
２２ｇインタークーラ
２２ｈスロットル
２２ｉ圧力センサ
２２ｊＥＧＲ弁
２２ｋＥＧＲクーラ
２２ｍタービン
２２ｎ，２２ｐモータ
２３発電モータ（第１電動機）
２３ａ回転子
２３ｂ固定子巻線
２４バッテリ（蓄電装置）
２５旋回モータ（第２電動機）
２６旋回機構（可動部）
３０ショベル機構
３１ブーム
３２ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３３アーム
３４アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３５バケット
３６バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）
４０油圧駆動装置
４１油圧ポンプ
４２ａ，４２ｂ操作レバー
４３コントロール弁モジュール（バルブ装置）
４４絞り機構（動力消費部）
４５，４６，４７，４８，４９コントロール弁
５０直流母線
５２，５３インバータ
５４電流センサ
５５電圧センサ
６０供給油路
６１戻り油路
６２作動油タンク
６３リリーフ弁
６４絞り弁（動力消費部）
６５バイパス油路
７０ａ，７０ｂ圧力センサ
８０車体コントローラ
８１エンジンコントローラ
８２通信線
８３バッテリコントローラ
８５バッテリ電流制限値設定部
８６動力制限部

Claims

可動部を有する作業機械であって、
動力源と、
この動力源にて駆動される第１電動機と、
この第１電動機にて駆動される油圧ポンプと、
この油圧ポンプから吐出される作動油にて駆動する油圧アクチュエータと、
前記可動部を駆動する第２電動機と、
前記第１および第２電動機へ電力を供給し、この第２電動機の制動時に生じる回生電力が供給される蓄電装置と、
前記回生電力、または前記油圧ポンプの動力を消費させる動力消費部と、
前記第２電動機の制動時に、この第２電動機の回生電力または前記蓄電装置への供給電力から、前記蓄電装置へ供給可能な電流制限値に応じた電力制限値を引いた余剰電力を、前記第１電動機に供給するとともに、前記余剰電力に応じて前記動力消費部での電力または動力消費量を変化させる動力制御部と、を備えた
ことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
作動油が供給される作動油タンクを備え、
前記動力消費部は、前記油圧ポンプと前記作動油タンクとの間に設けられ、開度の調整によって動力消費量が変更可能な絞り弁である
ことを特徴とする作業機械。
請求項１または２に記載の作業機械において、
前記動力源は、エンジンであり、
前記動力制御部は、前記エンジンの回転速度に応じて前記動力消費部での電力または動力消費量を変化させる
ことを特徴とする作業機械。
請求項１ないし３いずれか１項に記載の作業機械において、
前記動力源は、エンジンであり、
前記動力制御部は、前記第１電動機への供給電力、前記第２電動機の回生電力、前記エンジンの回転速度うちの少なくともいずれかの増減に応じて前記動力消費部での電力または動力消費量を変化させる
ことを特徴とする作業機械。
請求項１ないし４いずれか１項に記載の作業機械において、
前記第１電動機は、回転磁界による位相差の制御にて出力電力または消費電力が調整可能な発電モータであり、
前記電力制御部は、前記第１電動機の位相差を制御して、この第１電動機による電力消費量を変化させる
ことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
作動油が供給される作動油タンクを備え、
前記動力消費部は、前記油圧ポンプと前記油圧アクチュエータとの間に設けられ前記油圧アクチュエータへ供給される作動油の供給方向および流量を制御するためのバルブ装置と、このバルブ装置と前記油圧ポンプとの間に設けられたバイパス油路とを有し、
前記動力制御部は、前記油圧ポンプからの作動油の吐出量を増減させ、前記バルブ装置を介して前記バイパス油路へ通過させる際の、動力消費量を調整する
ことを特徴とする作業機械。