JP2015214174A - ハイブリッド作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンのラグダウンやオーバーレブの発生を抑制しつつ、充放電による蓄電装置の暖機運転ができるハイブリッド作業機械を提供する。
【解決手段】エンジンと、前記エンジンと機械的に接続され、駆動トルクを発生することで放電し、制動トルクを発生することで発電するアシストモータと、エンジンとアシストモータの合計トルクで駆動される油圧ポンプと、アシストモータが発電した電力を蓄積し、アシストモータが放電する時に電力を供給する蓄電装置と、アシストモータの駆動トルクまたは制動トルクを制御するためにトルク指令信号を出力するコントローラとを備えたハイブリッド作業機械において、油圧ポンプを駆動するために必要な油圧ポンプトルクを算出し、油圧ポンプトルクからエンジンの予め設定された最小トルクを減算した値以下のトルク指令信号を算出するトルク指令値演算部を備えた。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ハイブリッド作業機械に係り、更に詳しくは充放電による暖機運転が可能な蓄電装置を備えたハイブリッド作業機械に関する。

近年、省エネの観点からエンジンを小型化すると共に、エンジンの小型化に伴う出力不足を蓄電装置と電動発電機による出力で補助（アシスト）するハイブリッド作業機械が知られている。このようなハイブリッド作業機械において、エンジンの暖機運転が必要であるような低温環境においては、蓄電装置の内部抵抗が大きくなり、放電電流が低下するため、エンジンアシストを行うための十分な電力を電動発電機に供給できなくなるおそれがある。

このような問題に対し、蓄電装置の温度が予め設定された温度より低いときに、エンジンを作動させて暖機運転を行うと共に、蓄電装置の目標充電率を変化させ、電動発電機を作動させて、蓄電装置を充放電させることによって発熱（暖機）させるハイブリッド式建設機械の暖機方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１２７２７１号公報

上述した従来技術によれば、別個に加熱装置を用いることなく効率的に且つ迅速に蓄電装置を暖めることができる。
しかしながら、この暖機方法のように、作業機械に搭載した油圧ポンプや補機の運転状態を考慮せずに、電動発電機で充放電を行うと、エンジンがラグダウン（過負荷減速）、又は、オーバーレブ（過回転）する場合が起り得る。

具体的には、油圧ポンプや補機を駆動するのに必要なトルク（負荷トルク）が大きいときに、蓄電装置を大電力で充電するために電動発電機に大きな制動トルクを発生させると、エンジンには過負荷となり、ラグダウンや状況によってはエンジンストールする可能性が生じる。また、油圧ポンプや補機の負荷トルクが小さいときに、蓄電装置を大電力で放電するために電動発電機に大きな駆動トルクを発生させると、エンジンはオーバーレブし、状況によっては過回転により故障する可能性が生じる。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、エンジンのラグダウンやオーバーレブの発生を抑制しつつ、充放電による蓄電装置の暖機運転ができるハイブリッド作業機械を提供することにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、エンジンと、前記エンジンと機械的に接続され、駆動トルクを発生することで放電し、制動トルクを発生することで発電するアシストモータと、前記エンジンと前記アシストモータの合計トルクで駆動される油圧ポンプと、前記アシストモータが発電した電力を蓄積し、前記アシストモータが放電する時に電力を供給する蓄電装置と、前記蓄電装置と前記アシストモータとの間の電力授受を行うインバータと、前記アシストモータの駆動トルクまたは制動トルクを制御するために前記インバータへトルク指令信号を出力するコントローラとを備えたハイブリッド作業機械において、前記コントローラは、前記油圧ポンプを駆動するために必要な油圧ポンプトルクを算出し、前記油圧ポンプトルクから前記エンジンの予め設定された最小トルクを減算した値以下のトルク指令信号を算出するトルク指令値演算部を備えたものとする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記エンジンと機械的に接続された補機を更に備え、前記トルク指令値演算部は、前記補機を駆動するために必要な補機トルクを算出し、前記油圧ポンプトルクと前記補機トルクの合計値から前記エンジンの予め設定された最小トルクを減算した値以下のトルク指令信号を算出することを特徴とする。

更に、第３の発明は、第１の発明において、前記蓄電装置の温度を検出する温度センサを更に備え、前記コントローラは、通常運転モード用トルク指令値演算部と暖機運転モード用トルク指令値演算部とモード切替判定部とを備え、前記切替判定部は、前記温度センサが検出した前記蓄電装置の温度信号を取り込み、前記蓄電装置の温度が予め設定した第１温度閾値よりも低い時には、前記暖機運転モード用トルク指令値演算部の算出したトルク指令信号を出力し、前記蓄電装置の温度が前記第１温度閾値以上の値に予め設定した第２温度閾値よりも高い時には、前記通常運転モード用トルク指令値演算部の算出したトルク指令信号を出力することを特徴とする。

また、第４の発明は、第２の発明において、前記蓄電装置の温度を検出する温度センサを更に備え、前記コントローラは、通常運転モード用トルク指令値演算部と暖機運転モード用トルク指令値演算部とモード切替判定部とを備え、前記切替判定部は、前記温度センサが検出した前記蓄電装置の温度信号を取り込み、前記蓄電装置の温度が予め設定した第１温度閾値よりも低い時には、前記暖機運転モード用トルク指令値演算部の算出したトルク指令信号を出力し、前記蓄電装置の温度が前記第１温度閾値以上の値に予め設定した第２温度閾値よりも高い時には、前記通常運転モード用トルク指令値演算部の算出したトルク指令信号を出力することを特徴とする。

更に、第５の発明は、第３の発明において、前記暖機運転モード用トルク指令値演算部は、前記蓄電装置の充電率が予め設定した第１充電率閾値以上で、かつ、前記油圧ポンプトルクが前記エンジンの予め設定された最小トルクよりも大きい時には、前記アシストモータの駆動トルクが発生するようにトルク指令信号を出力することを特徴とする。

また、第６の発明は、第４の発明において、前記暖機運転モード用トルク指令値演算部は、前記蓄電装置の充電率が予め設定した第１充電率閾値以上で、かつ、前記油圧ポンプトルクと前記補機トルクとの合計値が前記エンジンの予め設定された最小トルクよりも大きい時には、前記アシストモータの駆動トルクが発生するようにトルク指令信号を出力することを特徴とする。

更に、第７の発明は、第５または第６の発明において、前記油圧ポンプのトルクを増加させる油圧ポンプトルク増加手段を更に備え、前記コントローラは、前記蓄電装置の充電率が前記第１充電率閾値以上で、かつ、前記油圧ポンプトルクが予め設定したトルク閾値よりも小さい時には、前記油圧ポンプのトルクが増加するように前記油圧ポンプトルク増加手段を制御することを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、可変容量型の油圧ポンプと、傾転角を変更することで前記油圧ポンプの容量を変更するレギュレータとを備え、前記油圧ポンプトルク増加手段は、前記レギュレータを制御して前記油圧ポンプの吐出流量を増加させることを特徴とする。

更に、第９の発明は、第７の発明において、前記油圧ポンプからタンクにいたる油路に開口面積制御手段をさらに備え、前記油圧ポンプトルク増加手段は、開口面積制御手段を制御して前記油圧ポンプの吐出圧を増加させることを特徴とする。

本発明によれば、エンジンのラグダウンやオーバーレブの発生を抑制しつつ、充放電による蓄電装置の暖機運転を行うことができる。

本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を示す側面図である。 本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。 本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するリチウムイオン電池のＳＯＣと電池温度に対する電池出力の特性を示す特性図である。 本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラのアシストモータトルク指令に関するブロック線図である。 本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラのモード切替部の挙動を説明するための特性図である。 本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラの通常運転モードにおける処理を示すフローチャート図である。 本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラにおけるＳＯＣ調整用トルクを決定するテーブルの一例を示す特性図である。 本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラの暖機運転モードにおける処理を示すフローチャート図である。 本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラにおける暖機運転用トルクを決定するテーブルの一例を示す特性図である。

以下、ハイブリッド作業機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は、蓄電装置を備えたハイブリッド作業機械全般に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。また、本実施の形態においては、蓄電装置にリチウムイオン電池を適用した場合を例に説明するが、これに限るものではない。キャパシタやニッケル水素電池等、低温時に出力が低下するその他の蓄電装置にも、同様に適用可能である。

図１は本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を示す側面図である。図１において、油圧ショベルは走行体１０と、走行体１０上に旋回可能に設けた旋回体２０及び旋回体２０に装設したショベル機構３０を備えている。

走行体１０は、一対のクローラ１１ａ、１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ、１２ｂ（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１ａ、１１ｂを独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３ａ、１３ｂ及びその減速機構等で構成されている。

旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジン２２により駆動されるアシストモータ２３と、旋回電動モータ２５と、アシストモータ２３及び旋回モータ２５に接続される蓄電装置２４と、旋回電動モータ２５の回転を減速する減速機構２６等から構成され、旋回電動モータ２５の駆動力が減速機構２６を介して伝達され、その駆動力により走行体１０に対して旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させる。

また、旋回体２０にはショベル機構（フロント装置）３０が搭載されている。ショベル機構３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。

さらに、旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述した走行用油圧モータ１３ａ、１３ｂ、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧システム４０が搭載されている。

次に、油圧ショベルの電動・油圧機器のシステム構成について図２を用いて説明する。図２はハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。

油圧システム４０は、エンジン２２により回転駆動される可変容量型の油圧ポンプ４１と、傾転角を変更することで油圧ポンプ４１の容量を変更するレギュレータ４２と、旋回以外の操作レバー装置（図示せず）からの操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、各種スプールを動作させて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６、走行用油圧モータ１３ａ、１３ｂに供給される圧油の流量と方向を制御するコントロールバルブ４３と、油圧ポンプ４１とコントロールバルブ４３との油路の一部の開口面積を一時的に狭くすることが可能な開口面積制御手段（電磁弁）４４とを備えている。油圧ポンプ４１は、回転数と容量の積に比例した作動油を吐出する。

なお、コントロールバルブ４３に入力される操作指令（油圧パイロット信号）は、図示しないゲートロックレバー装置により遮断することができる。ゲートロックレバーをロック状態にすると、操作指令（油圧パイロット信号）は遮断され、操作レバー装置を動かしても、各種スプールが中立状態を保ち、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６、走行用油圧モータ１３ａ、１３ｂは動作しなくなる。

電動システムは、油圧ポンプ４１と機械的に結合したアシストモータ２３と、電源であるリチウムイオン電池２４と、旋回電動モータ２５と、旋回電動モータ２５を駆動するための旋回電動モータ用インバータ５２と、アシストモータ２３を駆動するためのアシストモータ用インバータ５３とを備えている。

リチウムイオン電池２４からの直流電力は、旋回電動モータ用インバータ５２と、アシストモータ用インバータ５３とに入力される。旋回電動モータ２５は減速機構２６を介して旋回体２０を駆動する。アシストモータ２３または旋回電動モータ２５が駆動トルクを発生している時にリチウムイオン電池２４は放電され、アシストモータ２３または旋回電動モータ２５が制動トルクを発生している時にリチウムイオン電池２４は充電される。

リチウムイオン電池２４には、リチウムイオン電池２４の温度を検出する温度センサ２４ａと、リチウム電池２４の電圧を検出する電圧センサ２４ｂと、リチウム電池２４の電流を検出する電流センサ２４ｃとが設けられ、各センサが検出したリチウムイオン電池２４の温度信号、電圧信号、電流信号は、コントローラ８０に入力される。

コントローラ８０は、各種操作指令信号と、油圧ポンプ４１の吐出圧信号と、リチウムイオン電池２４の温度、電圧、電流信号と、エンジン２２の回転数信号と、旋回電動モータ２５の回転数信号等を用いて、旋回電動モータ２５のトルク指令値とアシストモータ２３のトルク指令値と油圧ポンプ４１の容量指令値とを演算する。旋回電動モータ２５へのトルク指令は、旋回電動モータ用インバータ５２へ出力し、アシスト発電モータ２３へのトルク指令は、アシストモータ用インバータ５３へ出力する。このことにより、旋回電動モータ用インバータ５２が旋回電動モータ２５のトルクを制御し、アシストモータ用インバータ５３がアシストモータ２３のトルクを制御する。油圧ポンプ４１への容量指令は、電気・油圧信号変換デバイス７０を介してレギュレータ４２へ出力され、レギュレータ４２が油圧ポンプ４１の容量を制御する。電気・油圧信号変換デバイス７０は、コントローラ８０からの電気信号を油圧パイロット信号へ変換するものであり、例えば電磁比例バルブに相当する。

次に、リチウムイオン電池２４のＳＯＣ（State Of Charge；充電率等のバッテリの充電状態を表す）と電池温度に応じた出力について図３を用いて説明する。図３は本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するリチウムイオン電池のＳＯＣと電池温度に対する電池出力の特性を示す特性図である。図３において、実線で示す特性はリチウムイオン電池２４の温度が高い場合を示し、一点鎖線で示す特性はリチウムイオン電池２４の温度が低い場合を示し、破線で示す特性はリチウムイオン電池２４の温度が中程度の場合を示している。図３に示すように、リチウムイオン電池２４の温度が低い、低温環境下では、電池出力が大幅に減少する。このため、十分な電池出力が供給可能となる電池温度まで、暖機運転を行うことが必要になる。

コントローラ８０における、リチウムイオン電池２４の暖機運転を含むアシストモータ２３のトルク指令値の算出について図４及び図５を用いて説明する。図４は本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラのアシストモータトルク指令に関するブロック線図、図５は本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラのモード切替部の挙動を説明するための特性図である。

図４に示すようにコントローラ８０は、モード切替判定部８１と、通常運転モード用トルク指令値演算部８２と、暖機運転モード用トルク指令値演算部８３と、切替器８４とを備えている。ここで、通常運転モード用トルク指令値演算部８２と暖機運転モード用トルク指令値演算部８３とでは、油圧ポンプ４１のトルクや補機類のトルクが変動した場合であっても、エンジン２２の回転数を維持できる範囲に、アシストモータ２３が発生するトルク（アシストモータトルク）を制御するように指令値を算出する点で一致するが、エンジン回転を維持できるアシストモータトルクの範囲に余裕がある場合におけるアシストモータトルク指令値の算出方法が異なる。

モード切替判定部８１は、温度センサ２４ａが検出したリチウムイオン電池２４の温度信号を入力し、予め定めた閾値と比較してアシストモータ２３へのトルク指令値を通常運転モード用にするか、暖機運転モード用にするかを判定し、切換器８４に切換信号を出力する。

モード切替判定部８１は、図５に示すように第１閾値Ｔ１とこの第１閾値Ｔ１より高い温度に設定した第２閾値Ｔ２とを備えている。ここで、リチウムイオン電池２４の温度が第１閾値Ｔ１より低い場合には、暖機運転モードと判定し、温度が上昇して第２閾値Ｔ２以上になったときに、通常運転モードと判定する。一方、モード切替判定部８１は、リチウムイオン電池２４の温度が第２閾値Ｔ２より高い場合には、通常運転モードと判定し、温度が下降して第１閾値Ｔ１未満になったときに、暖機運転モードと判定する。このように第１閾値Ｔ１と第２閾値Ｔ２とを備えることにより、一つの閾値の場合に起こり得る不必要なモード切替えの頻出を防止できる。

通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、温度センサ２４ａが検出したリチウムイオン電池２４の温度信号と、電圧センサ２４ｂが検出したリチウム電池２４の電圧信号と、電流センサ２４ｃが検出したリチウム電池２４の電流信号と、油圧ポンプ４１の容量信号と、油圧ポンプの吐出圧信号と、エンジン２２の回転数信号とを入力し、これらの信号に基づいて、通常運転モードにおけるアシストモータ２３のトルク指令値を算出する。通常運転モード用トルク指令値は、切替器８４の一の入力端へ出力する。

暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、温度センサ２４ａが検出したリチウムイオン電池２４の温度信号と、電圧センサ２４ｂが検出したリチウム電池２４の電圧信号と、電流センサ２４ｃが検出したリチウム電池２４の電流信号と、油圧ポンプ４１の容量信号と、油圧ポンプの吐出圧信号と、エンジン２２の回転数信号とを入力し、これらの信号に基づいて、暖機運転モードにおけるアシストモータ２３のトルク指令値を算出する。暖機運転モード用トルク指令値は、切替器８４の他の入力端へ出力する。

切替器８４は、通常運転モード用トルク指令値演算部８２からのトルク指令値を一の入力端に、暖機運転モード用トルク指令値演算部８３からのトルク指令値を他の入力端に入力し、モード切替判定部８１からの切替信号に応じて、出力信号を切替える。切替器８４からの出力信号は、アシストモータトルク指令値として、アシストモータ用インバータ５３へ出力される。

次に、通常運転モード用トルク指令値演算部８２の処理内容について図６及び図７を用いて説明する。図６は、本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラの通常運転モードにおける処理を示すフローチャート図、図７は本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラにおけるＳＯＣ調整用トルクを決定するテーブルの一例を示す特性図である。なお、以後の説明において、アシストモータ２３が発生するトルク（アシストモータトルク）をＴａと表し、駆動するときのトルクを正で表し、制動するときのトルクを負で表す。

図６に示すように、通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、現在のＳＯＣを推定する（ステップＳ１）。具体的には、次式により現在のＳＯＣを算出する。
現在のＳＯＣ＝ＳＯＣ（０）＋（ショベル稼働中の充放電電流積算値／電池の満充電容量）・・・（１）
数式（１）において、ＳＯＣ（０）は、ショベル稼働前のＳＯＣであり、ショベル起動時の電池電圧と電池温度とから、予め設定したテーブルに基づいて算出する。ショベル稼働中の充放電電流積算値とリチウムイオン電池２４の満充電容量との比率により変化量を算出し、ショベル稼働前のＳＯＣと変化量を加算することで、現在のＳＯＣを算出している。

通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、ＳＯＣ調整用アシストモータトルクＴａ＿ＳＯＣを算出する（ステップＳ２）。具体的には、図７に示すテーブルの一例に基づき、リチウムイオン電池２４の現在のＳＯＣに応じてＴａ＿ＳＯＣを算出する。図７に示すように、現在のＳＯＣの値が目標ＳＯＣの値に近接している場合には、リチウムイオン電池２４やアシストモータ２３の発熱をなるべく抑えるために、Ｔａ＿ＳＯＣの絶対値が小さくなるように設定している。現在のＳＯＣの値が目標ＳＯＣより大きい場合には、アシストモータ２３を駆動（放電）し、現在のＳＯＣの値が目標ＳＯＣより小さい場合には、アシストモータ２３を制動（充電）することで、目標ＳＯＣへ近づけるように制御する。

通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、油圧ポンプ４１を駆動するために必要なトルク（油圧ポンプトルク）Ｔｐを算出する（ステップＳ３）。具体的には、次式により算出する。
Ｔｐ＝Ｐ×ｑ／（２π×η）・・・（２）
数式（２）において、Ｐは油圧ポンプ４１の吐出圧、ｑは油圧ポンプ４１の容量である。ηは油圧ポンプ４１のポンプ効率であり、予め設定する一定値でも良いし、油圧ポンプ４１の回転数、容量、吐出圧等から、予め設定したテーブルに基づいて算出しても良い。

通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、補機類を駆動するために必要なトルク（補機トルク）Ｔｃを算出する（ステップＳ４）。ここで、補機トルクＴｃは、予め設定する一定値でも良いし、エアコンの起動／停止によって切り替える値であっても良い。

通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、エンジン最大トルクＴｅ＿ｍａｘとエンジン最小トルクＴｅ＿ｍｉｎとを算出する（ステップＳ５）。具体的には、エンジン２２の回転数から、予め設定したテーブルに基づいて算出する。

通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、油圧ポンプトルクＴｐと補機トルクＴｃの合計値（Ｔｐ＋Ｔｃ）が、エンジン最大トルクＴｅ＿ｍａｘ超過か否かを判断する（ステップＳ６）。（Ｔｐ＋Ｔｃ）がＴｅ＿ｍａｘ超過の場合には、エンジン回転数を維持するために（ラグダウンを抑制する）アシストモータ２３は（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍａｘ）以上の駆動トルクを発生する必要がある。（Ｔｐ＋Ｔｃ）がＴｅ＿ｍａｘ超過の場合には、ＹＥＳと判断されて（ステップＳ７）へ進み、それ以外の場合には、ＮＯと判断されて（ステップＳ８）へ進む。

通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍａｘ）の値とＳＯＣ調整用アシストモータトルクＴａ＿ＳＯＣの値とを比較し、大きい方の値をアシストモータトルクＴａに設定する（ステップＳ７）。

（ステップＳ６）において、（Ｔｐ＋Ｔｃ）がＴｅ＿ｍａｘ超過以外の場合には、通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、油圧ポンプトルクＴｐと補機トルクＴｃの合計値（Ｔｐ＋Ｔｃ）が、エンジン最小トルクＴｅ＿ｍｉｎ未満か否かを判断する（ステップＳ８）。（Ｔｐ＋Ｔｃ）がＴｅ＿ｍｉｎ未満の場合には、エンジン回転数を維持するために（オーバーレブを抑制する）アシストモータ２３は（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍｉｎ）で算出される数値以下の制動トルクを発生する必要がある。すなわち、（Ｔｐ＋Ｔｃ）がＴｅ＿ｍｉｎより大きければ、駆動トルクを発生させる可能性があるが、（Ｔｐ＋Ｔｃ）がＴｅ＿ｍｉｎより小さい場合には、制動トルクを発生する必要がある。（Ｔｐ＋Ｔｃ）がＴｅ＿ｍｉｎ未満の場合には、ＹＥＳと判断されて（ステップＳ９）へ進み、それ以外の場合には、ＮＯと判断されて（ステップＳ１０）へ進む。

通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍｉｎ）の値とＳＯＣ調整用アシストモータトルクＴａ＿ＳＯＣの値とを比較し、小さい方の値をアシストモータトルクＴａに設定する（ステップＳ９）。

（ステップＳ８）において、（Ｔｐ＋Ｔｃ）がＴｅ＿ｍｉｎ未満以外の場合には、通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍｉｎ）の値とＳＯＣ調整用アシストモータトルクＴａ＿ＳＯＣの値とを比較し、小さい方の値を選択し、この選択した値と（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍａｘ）の値とを比較し、大きい方の値をアシストモータトルクＴａに設定する（ステップＳ１０）。（ステップＳ６）と（ステップＳ８）とを経由して（ステップＳ１０）に進んだ場合、アシストモータ２３は、エンジン回転数を維持する目的では駆動や制動する必要がない。しかし、アシストモータトルクＴａが過度に大きいとオーバーレブする可能性があるし、アシストモータトルクが過度に小さい（マイナス側に大きい）とラグダウンする可能性がある。そこで、アシストモータトルクＴａを、上述したように制限した値に設定している。

通常運転モード用トルク指令値演算部８２は、アシストモータ用インバータ５３へ、アシストモータトルクＴａを指令値として出力する（ステップＳ１１）。（ステップＳ１１）の処理実行後、（ステップＳ１）に戻る。

以上のように、通常運転モードでは、油圧ポンプトルクや補機トルクが変動してもエンジン２２の回転数を維持できる範囲で、ＳＯＣを目標ＳＯＣに近づけ、かつ、リチウムイオン電池２４やアシストモータ２３の過剰な発熱を防ぐように、アシストモータ２３を制御することができる。

次に、暖機運転モード用トルク指令値演算部８３の処理内容について図８及び図９を用いて説明する。図８は本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラの暖機運転モードにおける処理を示すフローチャート図、図９は本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態を構成するコントローラにおける暖機運転用トルクを決定するテーブルの一例を示す特性図である。上述した通常運転モードとの違いは、ＳＯＣ調整用アシストモータトルクＴａ＿ＳＯＣに替えて暖機運転用アシストモータトルクＴａ＿ｗａｒｍを用いることである。以下、図７と異なる部分について説明する。

図８に示すように、暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、暖機運転駆動フラグに「１」をセットする（ステップＳ１２）。暖機運転駆動フラグは、「１」または「０」の値であって、「１」が駆動を「０」が制動を表す。

暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、現在のＳＯＣを推定する（ステップＳ１）。処理内容は通常運転モード用トルク指令値演算部８２と同じなので説明を省略する。

暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、暖機運転用アシストモータトルクＴａ＿ｗａｒｍを算出する（ステップＳ１３）。具体的には、図９に示すテーブルの一例に基づき、リチウムイオン電池２４の現在のＳＯＣの値と暖機運転駆動フラグの値に応じてＴａ＿ｗａｒｍを算出する。ここで、図９のテーブルの一例は、第１の閾値ＳＯＣ１と、この第１の閾値ＳＯＣ１よりも高いＳＯＣの値に設定した第２の閾値ＳＯＣ２とを備えている。

暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、現在のＳＯＣの値が予め設定した第１の閾値ＳＯＣ１以下の時はアシストモータ２３を制動（発電）し、現在のＳＯＣの値が第２の閾値ＳＯＣ２以上の時はアシストモータ２３を駆動（放電）する。現在のＳＯＣが第１の閾値ＳＯＣ１と第２の閾値ＳＯＣ２との間の時は、暖機運転駆動フラグの値に応じて駆動している場合はＳＯＣが第１の閾値ＳＯＣ１になるまで駆動し続け、制動している場合は現在のＳＯＣが第２の閾値ＳＯＣ２になるまで制動し続ける。この結果、ＳＯＣの値は、第１の閾値ＳＯＣ１と第２の閾値ＳＯＣ２の間に制御される。

暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、暖機運転駆動フラグを更新する（ステップＳ１４）。具体的には、（ステップＳ１３）で算出した暖機運転用アシストモータトルクＴａ＿ｗａｒｍ＞０のときに、暖機運転駆動フラグに「１」をセットし、Ｔａ＿ｗａｒｍ＜０のときに、暖機運転駆動フラグに「０」をセットする。

暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、通常運転モード用トルク指令値演算部８２と同様の処理を（ステップＳ３〜５、６、８）について行う。処理内容は通常運転モード用トルク指令値演算部８２と同じなので説明を省略する。

暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍａｘ）の値と暖機運転用アシストモータトルクＴａ＿ｗａｒｍの値とを比較し、大きい方の値をアシストモータトルクＴａに設定する（ステップＳ１５）。

暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍｉｎ）の値と暖機運転用アシストモータトルクＴａ＿ｗａｒｍの値とを比較し、小さい方の値をアシストモータトルクＴａに設定する（ステップＳ１６）。

（ステップＳ８）において、（Ｔｐ＋Ｔｃ）がＴｅ＿ｍｉｎ未満以外の場合には、暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍｉｎ）の値と暖機運転用アシストモータトルクＴａ＿ｗａｒｍの値とを比較し、小さい方の値を選択し、この選択した値と（（Ｔｐ＋Ｔｃ）−Ｔｅ＿ｍａｘ）の値とを比較し、大きい方の値をアシストモータトルクＴａに設定する（ステップＳ１７）。

暖機運転モード用トルク指令値演算部８３は、アシストモータ用インバータ５３へ、アシストモータトルクＴａを指令値として出力する（ステップＳ１１）。（ステップＳ１１）の処理実行後、（ステップＳ１）に戻る。

以上のように、暖機運転モードでは、油圧ポンプトルクや補機トルクが変動してもエンジン２２の回転数を維持できる範囲で、リチウムイオン電池２４の充放電量を大きく設定し、リチウムイオン電池２４の温度が迅速に上昇するように、アシストモータ２３を制御することができる。

なお、暖機運転用アシストモータトルクＴａ＿ｗａｒｍ＞０で、かつ、油圧ポンプトルクＴｐと補機トルクＴｃの合計値（Ｔｐ＋Ｔｃ）が、小さい場合には、図８に示す（ステップＳ１５）と（ステップＳ１７）から明らかなように、（Ｔｐ＋Ｔｃ）を増加させることで、アシストモータトルクＴａを増加させることができる。そこで、このような場合に、コントローラ８０にて、油圧ポンプトルクＴｐが大きくなるように油圧ポンプトルク増加手段を制御しても良い。

油圧ポンプトルク増加手段としては、上述した数式（２）から明らかなように、例えば、油圧ポンプ４１の容積ｑを大きくして吐出流量を増加させる手段でも良く、吐出流量が増加することで油圧ポンプトルクＴｐは増加する。

また、油圧ポンプトルク増加手段は、油圧ポンプ４１からタンクにいたる油路に設けられた開口面積制御手段４４の電磁弁により、油路の一部の開口面積を一時的に狭くして、油圧ポンプ４１の吐出圧Ｐを増加する手段でも良く、この場合でも油圧ポンプトルクＴｐは増加できる（数式（２）参照）。

なお、アクチュエータを操作している最中に、吐出流量を増加したり吐出圧を増加したりすると、操作性が悪化するため、アクチュエータを操作していない時だけ、油圧ポンプトルクＴｐを増加するように制御しても良い。また、吐出流量を増加したり吐出圧を増加したりしている最中にアクチュエータが操作されることがないように、ゲートロックレバーがロック状態の時だけ、油圧ポンプトルクＴｐを増加するように制御しても良い。

上述した本発明のハイブリッド作業機械の一実施の形態によれば、エンジン２２のラグダウンやオーバーレブの発生を抑制しつつ、充放電による蓄電装置であるリチウムイオン電池２４の暖機運転を行うことができる。

なお、本発明の実施の形態において、アシストモータトルクＴａの算出の際に、油圧ポンプトルクＴｐと補機トルクＴｃとの合計を用いた場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、油圧ポンプトルクＴｐのみを用いて算出しても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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。

１０ 走行体
１１ クローラ
１２ クローラフレーム
１３ 右走行用油圧モータ
１４ 左走行用油圧モータ
２０ 旋回体
２１ 旋回フレーム
２２ エンジン
２３ アシスト発電モータ
２４ リチウムイオン電池
２４ａ 温度センサ
２５ 旋回電動モータ
２６ 減速機
３０ ショベル機構
３１ ブーム
３２ ブームシリンダ
３３ アーム
３４ アームシリンダ
３５ バケット
３６ バケットシリンダ
４０ 油圧システム
４１ 油圧ポンプ
４２ レギュレータ
４３ コントロールバルブ
４４ 開口面積制御手段
５２ 旋回電動モータ用インバータ
５３ アシスト発電モータ用インバータ
７０ 電気・油圧信号変換デバイス
８０ コントローラ
８１ モード切替判定部
８２ 通常運転モード用トルク指令値演算部
８３ 暖機運転モード用トルク指令値演算部
Ｔａ アシストモータトルク
Ｔｐ 油圧ポンプトルク
Ｔｃ 補機トルク

Claims (9)

1. エンジンと、前記エンジンと機械的に接続され、駆動トルクを発生することで放電し、制動トルクを発生することで発電するアシストモータと、前記エンジンと前記アシストモータの合計トルクで駆動される油圧ポンプと、前記アシストモータが発電した電力を蓄積し、前記アシストモータが放電する時に電力を供給する蓄電装置と、前記蓄電装置と前記アシストモータとの間の電力授受を行うインバータと、前記アシストモータの駆動トルクまたは制動トルクを制御するために前記インバータへトルク指令信号を出力するコントローラとを備えたハイブリッド作業機械において、
   前記コントローラは、前記油圧ポンプを駆動するために必要な油圧ポンプトルクを算出し、前記油圧ポンプトルクから前記エンジンの予め設定された最小トルクを減算した値以下のトルク指令信号を算出するトルク指令値演算部を備えた
   ことを特徴とするハイブリッド作業機械。
2. 請求項１に記載のハイブリッド作業機械において、
   前記エンジンと機械的に接続された補機を更に備え、
   前記トルク指令値演算部は、前記補機を駆動するために必要な補機トルクを算出し、前記油圧ポンプトルクと前記補機トルクの合計値から前記エンジンの予め設定された最小トルクを減算した値以下のトルク指令信号を算出する
   ことを特徴とするハイブリッド作業機械。
3. 請求項１に記載のハイブリッド作業機械において、
   前記蓄電装置の温度を検出する温度センサを更に備え、
   前記コントローラは、通常運転モード用トルク指令値演算部と暖機運転モード用トルク指令値演算部とモード切替判定部とを備え、
   前記切替判定部は、前記温度センサが検出した前記蓄電装置の温度信号を取り込み、前記蓄電装置の温度が予め設定した第１温度閾値よりも低い時には、前記暖機運転モード用トルク指令値演算部の算出したトルク指令信号を出力し、前記蓄電装置の温度が前記第１温度閾値以上の値に予め設定した第２温度閾値よりも高い時には、前記通常運転モード用トルク指令値演算部の算出したトルク指令信号を出力する
   ことを特徴とするハイブリッド作業機械。
4. 請求項２に記載のハイブリッド作業機械において、
   前記蓄電装置の温度を検出する温度センサを更に備え、
   前記コントローラは、通常運転モード用トルク指令値演算部と暖機運転モード用トルク指令値演算部とモード切替判定部とを備え、
   前記切替判定部は、前記温度センサが検出した前記蓄電装置の温度信号を取り込み、前記蓄電装置の温度が予め設定した第１温度閾値よりも低い時には、前記暖機運転モード用トルク指令値演算部の算出したトルク指令信号を出力し、前記蓄電装置の温度が前記第１温度閾値以上の値に予め設定した第２温度閾値よりも高い時には、前記通常運転モード用トルク指令値演算部の算出したトルク指令信号を出力する
   ことを特徴とするハイブリッド作業機械。
5. 請求項３に記載のハイブリッド作業機械において、
   前記暖機運転モード用トルク指令値演算部は、前記蓄電装置の充電率が予め設定した第１充電率閾値以上で、かつ、前記油圧ポンプトルクが前記エンジンの予め設定された最小トルクよりも大きい時には、前記アシストモータの駆動トルクが発生するようにトルク指令信号を出力する
   ことを特徴とするハイブリッド作業機械。
6. 請求項４に記載のハイブリッド作業機械において、
   前記暖機運転モード用トルク指令値演算部は、前記蓄電装置の充電率が予め設定した第１充電率閾値以上で、かつ、前記油圧ポンプトルクと前記補機トルクとの合計値が前記エンジンの予め設定された最小トルクよりも大きい時には、前記アシストモータの駆動トルクが発生するようにトルク指令信号を出力する
   ことを特徴とするハイブリッド作業機械。
7. 請求項５または６に記載のハイブリッド作業機械において、
   前記油圧ポンプのトルクを増加させる油圧ポンプトルク増加手段を更に備え、
   前記コントローラは、前記蓄電装置の充電率が前記第１充電率閾値以上で、かつ、前記油圧ポンプトルクが予め設定したトルク閾値よりも小さい時には、前記油圧ポンプのトルクが増加するように前記油圧ポンプトルク増加手段を制御する
   ことを特徴とするハイブリッド作業機械。
8. 請求項７に記載のハイブリッド作業機械において、
   可変容量型の油圧ポンプと、傾転角を変更することで前記油圧ポンプの容量を変更するレギュレータとを備え、
   前記油圧ポンプトルク増加手段は、前記レギュレータを制御して前記油圧ポンプの吐出流量を増加させる
   ことを特徴とするハイブリッド作業機械。
9. 請求項７に記載のハイブリッド作業機械において、
   前記油圧ポンプからタンクにいたる油路に開口面積制御手段をさらに備え、
   前記油圧ポンプトルク増加手段は、開口面積制御手段を制御して前記油圧ポンプの吐出圧を増加させる
   ことを特徴とするハイブリッド作業機械。

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