JP2018087496A - ハイブリッド建設機械の始動装置 - Google Patents

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Koichi Shibata
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Abstract

【課題】エンジン始動時のパワーリレーの開放（強制遮断）に伴うパワーリレーの劣化や損傷などを防止できる新規なハイブリッド式建設機械の始動装置を提供する。
【解決手段】スタータモータ４１、パワーリレー５４および制御手段８０に電力を供給する共用バッテリー４４の電圧が、これらの動作に必要な電圧以上となってから電動モータ２３を駆動する。これによって、電動モータ２３によるアシスト駆動中におけるパワーリレー５４の開放（強制遮断）を未然に防止することができるため、パワーリレー５４の開放によるパワーリレー５４の劣化、損傷などを防止できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、スタータモータで始動するエンジンと、このエンジンの始動をアシストする電動モータとを備えたハイブリッド式建設機械に係り、特にエンジン始動時のバッテリー電圧低下に伴う制御を行う始動装置に関するものである。
油圧ショベルなどの建設機械は、エンジンで駆動される油圧ポンプから各アクチュエータに作動油を供給することで動作するようになっているが、低温ではこれらの作動油やエンジンの潤滑油の粘性が常温に比べて高くなっているため、エンジンの始動時には大きなトルクが必要となる。
一方、近年、油圧ショベルなどの建設機械には、蓄電装置およびエンジンの出力軸に電動モータを備え、この蓄電装置の電力によって電動モータを駆動してエンジンの動力をアシスト可能な、いわゆるハイブリッド式の建設機械も増えてきている。このようなハイブリッド式建設機械では低温時における始動性向上のため、エンジンの始動用に一般に用いられるスタータモータと、前述の動力アシスト用電動モータを併用して始動する方法が提案されている。
例えば、以下の特許文献１では、低温時に始動要求信号が入力されてから所定の時間が経過してもスタータモータによりエンジンが始動できないときには、動力アシスト用電動モータによって動力をアシストする方式が開示されている。また、以下の特許文献２では、始動時にスタータモータによりクランキングを行うと共に、電動モータにより動力アシストを行い、始動性の向上を図る方式が開示されている。
また、以下の特許文献３には、ハイブリッド車両においてスタータモータと、電動モータを併用して始動を行うもので、スタータモータによるクランキング時に、スタータモータと制御装置に電力を供給する始動用バッテリーの電圧低下により電動モータの制御装置が動作できなくなることを防止するために、電動モータの電力を供給する高電圧蓄電装置からＤＣＤＣコンバータにより電圧を降圧して前述の制御装置に電力を供給する方式が提案されている。
特開２０１２−６６７８６号公報 特開平１０−１３６５０８号公報 特開２００５−８６９８８号公報
ところで、一般に動力アシスト用の電動モータには、高電圧蓄電装置によりパワーリレーを中継して電力が供給されるため、動力アシスト用電動モータを駆動するときにはこのパワーリレーに大きな電流が流れる。また、スタータモータと電動モータとを併用してエンジン始動を行った場合、スタータモータへの電力供給により、始動用バッテリーに電圧低下が発生するとともに、エンジンの負荷トルクの脈動などによっても電圧変動が発生する。そのため、スタータモータに電力を供給する始動用バッテリーとパワーリレーを含む制御装置に電力を供給するバッテリーを共用とした場合には、以下に示すような不都合が生ずることがある。
すなわち、スタータモータによるクランキング中に動力アシスト用の電動モータの駆動を開始した場合にその後の始動用バッテリーの電圧変動によってパワーリレーへの供給電圧が低下して励磁電流が減少すると、パワーリレーが開放（強制遮断）されてしまい、その結果、パワーリレーの節点の一部に電流が集中して節点部の劣化を生じたり、開放の繰り返しによりパワーリレーが損傷する場合がある。
また、始動用バッテリーの電圧変動によりパワーリレーを駆動する車体コントローラへの供給電圧が低下すると、その車体コントローラがリセット状態となり、リレー制御信号がオフとなることによってもパワーリレーが開放され、同様の損傷を招くことがある。
そして、このパワーリレーは、一般に高電圧蓄電装置と一体のモジュール（蓄電モジュール）で構成されることが多いため、前述のような理由でパワーリレーが故障した場合には、パワーリレーを含む蓄電モジュール全体を交換しなければならない。その結果、交換作業に多くの手間を要する上に、その費用も多大なものとなる。
そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、エンジン始動時のパワーリレーの開放（強制遮断）に伴うパワーリレーの劣化や損傷などを防止できる新規なハイブリッド式建設機械の始動装置を提供するものである。
前記課題を解決するために第１の発明は、エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、前記制御手段は、前記スタータモータによるエンジン始動を検出したときは前記共用バッテリーの電圧を検出し、その共用バッテリー電圧が所定値を超えたときに前記電動モータを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置である。
このようにスタータモータ、パワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーの電圧が、クランキング開始後に少なくともこれらの動作に必要な電圧以上となってから電動モータを駆動するように制御すれば、電動モータの駆動中（アシスト中）におけるパワーリレーの開放（強制遮断）を防止することができる。すなわち、本発明は劣化や充電不足などによって共用バッテリーの電圧が下がっている状態のときには、無理に電動モータを駆動させないようにしたものであり、これによって、電動モータの駆動中（アシスト中）におけるパワーリレーの開放に伴うパワーリレーの劣化、損傷などを防止することができる。
第２の発明は、エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、前記制御手段は、前記電動モータを駆動した後に前記共用バッテリーの電圧が所定値以下になったときは、前記パワーリレーによるリレー電流を通常値よりも下げて前記電動モータの駆動トルクを減少するか、または前記電動モータの駆動トルクを零にすることを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置である。
このように電動モータを駆動した後に共用バッテリーの電圧が低くなった場合には、電動モータの駆動トルクを減少または零とするように制御すれば、電圧低下時にパワーリレーの電流を小さく抑えられるので、共用バッテリーの電圧低下によってパワーリレーが開放された場合でもパワーリレーの劣化、損傷を抑制することができる。
第３の発明は、エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、前記制御手段は、前記スタータモータによるエンジン始動を検出したときは前記エンジンの回転速度を検出し、その回転速度が所定値を超えたときに前記電動モータを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置である。
スタータモータに流れる電流はエンジン回転数が低いときは大きく、回転数が上昇するにつれて小さくなる。このようにスタータモータの電流が小さくなる回転数を所定値（閾値）とし、エンジンの回転速度がこの閾値を超えた後に電動モータを駆動するように制御すれば、共用バッテリー電圧の低下が大きいクランキング初期にはスタータモータのみを駆動し、エンジンの回転速度が上昇して共用バッテリー電圧が回復してきたときに電動モータを駆動するように制御すれば、電動モータ駆動中のパワーリレー開放を防止できる。これにより、パワーリレーの劣化、損傷などを防止することができる。
第４の発明は、エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記スタータモータおよび前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、前記制御手段は、前記スタータモータによるエンジン始動を検出したときは前記エンジンの回転速度を検出し、その回転速度が所定値を超えたときは、前記スタータモータを停止してから前記電動モータを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置である。
このようにスタータモータによるクランキング状態を検出してからエンジンの回転速度が所定値を超えた後に共用バッテリーからのスタータモータへの電力供給を停止し、その後に電動モータを駆動するように制御すれば、電動モータ駆動時には共用バッテリー電圧の低下が生じず、電動モータ駆動中のパワーリレー開放を防止できる。これにより、パワーリレーの劣化、損傷などを防止することができる。
第５の発明は、エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、前記制御手段は、前記エンジン始動前における前記電動モータへの供給電力または供給電流の制限値を、前記エンジン始動後における前記電動モータへの供給電力または供給電流の制限値に対して小さくするようにして前記電動モータを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置である。
このようにエンジン始動前と始動後における、供給電力または供給電流を変えるように制御することで、電圧低下時にパワーリレーの電流が小さく抑えられるので、パワーリレーが開放された場合でもパワーリレーの劣化、損傷などを防止できる。
本発明によれば、エンジンの始動初期はスタータモータのみでクランキングを開始し、このスタータモータ、パワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーの電圧が、これらの動作に必要な電圧以上となってから電動モータを駆動するため、電動モータによるアシスト駆動中におけるパワーリレーの開放（強制遮断）を未然に防止することができる。これによって、パワーリレーの開放によるパワーリレーの劣化、損傷などを防止することができる。
本発明に係るハイブリッド式建設機械の１つである油圧ショベルの実施の一形態を示した全体図である。 本発明に係る始動装置１００の実施の一形態を示す構成図である。 本発明に係る始動装置１００による制御の流れを示すブロック図である。 本発明に係る始動装置１００による始動制御の第１の実施形態を示すフローチャート図である。 本発明に係る始動装置１００による始動制御の第１の実施形態を示すタイムチャート図である。 本発明に係る始動装置１００による始動制御の第２の実施形態を示すタイムチャート図である。 本発明に係る始動装置１００による始動制御の第３の実施形態を示すタイムチャート図である。 第３の実施形態に係る始動アシスト条件を示すタイムチャート図である。 スタータモータの電流と回転速度との関係を示すグラフ図である。 本発明に係る始動装置１００による始動制御の第４の実施形態を示すタイムチャート図である。 本発明に係る始動装置１００による始動制御の第５の実施形態を示すタイムチャート図である。 電力制限値ＰＳＬＭとトルク制限値ＴＳＬＭの設定方法に関するタームチャート図である。
次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るハイブリッド式建設機械の１つである油圧ショベル１００の実施の一形態を示した全体図である。図示するようにこの油圧ショベル１００は、下部走行体１０と、この下部走行体１０上に旋回自在に設けられた上部旋回体２０と、この上部旋回体２０の前方に設けられたショベル機構３０とから主に構成されている。下部走行体１０は、一対のクローラ１１およびクローラフレーム１２（図では片側のみを示す）と、各クローラ１１を独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３，１４およびその減速機構などから構成されている。
上部旋回体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の出力軸に取り付けられる電動モータ２３と、電動機で構成される旋回モータ２５と、電動モータ２３および旋回モータ２５に電力を供給する高電圧蓄電装置２４と、旋回モータ２５の回転を減速する減速機構とを含み、旋回モータ２５の駆動力により、下部走行体１０に対して上部旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させるための旋回機構２６などで構成されている。
ショベル機構３０は、ブーム３１と、このブーム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、このアーム３３を駆動するためのアームシンリダ３４と、このアームの先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、このバケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６などから構成されている。そして、このショベル機構３０を構成するブームシリンダ３２、アームシンリダ３４、バケットシリンダ３６などの各油圧アクチュエータは、上部旋回体２０の旋回フレーム２１上に設けられた油圧ポンプ（図示せず）を含む油圧機構３７によって前記走行用油圧モータ１３，１４と共に駆動されるようになっている。この油圧ポンプは、エンジン２２と動力アシスト用の電動モータ２３によって駆動されるようになっている。
このような構成をしたハイブリッド式の油圧ショベル１００にあっては、上部旋回体２０の旋回制動時には、旋回モータ２５の回生電力により、高電圧蓄電装置２４に充電され、その後充電された電力は、エンジン２２の動力アシストや旋回モータ２５の駆動に利用される。これにより、燃料消費量が抑えられて燃費効率を向上することができる。なお、電動モータ２３でも発電可能であり、必要に応じてエンジン２２の動力を電力に変換して高電圧蓄電装置２４を充電することができる。
図２はこのハイブリッド式の油圧ショベル１００に搭載される、本発明に係る始動装置２００の実施の一形態を示したものである。図において、符号２２はエンジンであり、その出力軸には、リングギア４５と、電動モータ２３と、油圧ポンプ３８とが順に取り付けられている。油圧ポンプ３８は、図示しない操作レバーからの指令に応じて図１で示したブームシリンダ３２，アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６および走行用油圧モータ１３，１４へ作動油の供給を行う。
リングギア４５には、スタータモータ４１が取り付けられており、始動スイッチ４６からの信号が信号線４７を介してスタータリレー４２を駆動することでこのスタータモータ４１が共用バッテリー４４から供給される電力によって動作する。符号２４は、例えばリチウムイオンバッテリーやキャパシタなどからなる高電圧蓄電装置２４であり、数百ボルトの高電圧で電力供給を行うと共に、その電力は電源ケーブル５０を経て電動モータ２３を駆動するための電動モータ用インバータ５３、ならびに旋回モータ２５を駆動するための旋回モータ用インバータ５３に供給されるようになっている。そして、この電源ケーブル５０の途中には同じく共用バッテリー４４から供給される電力によって動作するパワーリレー５４が設けられており、電磁作用により機械的に接点を開閉させて停止時や異常時に高電圧蓄電装置２４の電力を遮断する機能を有する。
エンジン２２および電動モータ２３には、それぞれ回転センサ４０，５１が設けられており、それぞれの回転速度を検出してその信号（検出値）を図示しない信号線または通信線により車体コントローラ８０に入力される。また、始動スイッチ４６の状態も同様に図示しない信号線または通信線により車体コントローラ８０に入力される。
車体コントローラ８０は、インバータ５２，５３、パワーリレー５４を制御すると共に、必要に応じて制御信号線４３を介してスタータリレー４２（スタータモータの作動）を制御可能となっている。この共用バッテリー４４は、前記高電圧蓄電装置２４が数百ボルトの高電圧で電力供給を行うのに対して、１２〜２４Ｖの低電圧で電力供給を行うものであり、前述したようにスタータモータ４１、車体コントローラ８０、パワーリレー５４、エンジンコントローラ８１などに電力を供給してこられを作動するようになっている。そして、車体コントローラ８０には、この共用バッテリー４４の電圧を検出する電圧センサ８２が内蔵されており、検出したバッテリー電圧を取り込むことが可能となっている。
次に、このような構成をした本発明の始動装置２００の作用を説明する。先ず、前述したように低温でエンジン始動を行う場合には、エンジンオイルや油圧ポンプ３８の作動油の粘性が高くなっているため、エンジン負荷トルクが大きい状態となっている。このようなときにスタータモータ４１と動力アシスト用の電動モータ２３を併用することでエンジン始動性を向上することができる。
このようにスタータモータ４１と電動モータ２３とを併用してエンジン始動を行う際に、スタータモータ４１の作動により共用バッテリー４４の電圧低下が発生すると共に、その後のエンジンの負荷トルクの脈動によって電圧変動も発生することがある。一般的な建設機械と同様に、スタータモータ４１に電力を供給するバッテリーと、パワーリレー５４および車体コントローラ８０を含む制御機器に電力を供給するバッテリーとを共用とした場合、エンジン始動初期に電動モータ２３の駆動を開始しても、その後の共用バッテリー４４の電圧変動により、パワーリレー５４への供給電圧が低下（励磁電流が減少）してパワーリレー５４が開放される場合がある。
また、スタータモータ４１作動時にはパワーリレー５４を駆動する車体コントローラ８０への供給電圧も低下するので、電圧低下により車体コントローラ８０がリセット状態となってリレー制御信号がオフとなることによってもパワーリレー５４が開放される場合がある。動力アシスト用の電動モータ２３の駆動時は、パワーリレー５４に大きな電流が流れるが、このときにパワーリレー５４が開放されると、前述したようにパワーリレー５４の接点の一部に電流が集中して接点部の劣化を生じるため、開放を頻繁に繰り返すとパワーリレー５４が損傷するという問題がある。
この問題を解決するための車体コントローラ８０による制御を示したのが図３のブロック図であり、その処理の流れを示したのが図４のフローチャートである。先ず、図３に示すように、この車体コントローラ８０には、始動スイッチ４６からの始動要求信号と、回転センサ４０からのエンジン回転速度、電圧センサ８２からの共用バッテリー４４のバッテリー電圧がそれぞれ入力されるようになっている。そして、この車体コントローラ８０は、その入力値に応じて以下の処理を行い、電動モータ２３，スタータモータ４１、パワーリレー５４などを制御するようになっている。
この車体コントローラ８０によるエンジン始動制御の第１の実施形態を説明する。車体コントローラ８０は、最初のステップＳ９０で始動スイッチ４６がオンになったか否か判定し、オンになったと判断したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ１００に移行してエンジン２２の温度を読み込んで次のステップＳ１１０に移行する。ステップＳ１１０では、エンジン２２の温度が所定値以上（ＮＯ）であれば通常始動と判断するが、所定値未満のとき（ＹＥＳ）は、低温始動であると判定する。ここでエンジン温度に加えて油圧ポンプ３８の作動温度を検出し、いずれかの温度が所定値未満のときに低温始動と判定するようにしても良い。
エンジン温度が所定値以上であるときは、低温始動でなく、スタータモータ４１のみでの始動が可能であるとしてスタータモータ４１単独によるクランキング（通常始動）を行って始動する。これに対し、低温始動であると判定したときは、ステップ１２０に移行して共用バッテリー４４の電圧を読み込んで次のステップＳ１３０に移行する。ステップＳ１３０では、パワーリレー５４の動作が可能であるかを判断するためにバッテリー電圧が所定値ＶＳＲ以上であるかを判定する。ＶＳＲは、パワーリレー５４の動作電圧とする。
バッテリー電圧がＶＳＲ以上であれば、次のステップ１４０に移行してパワーリレー５４を接続するが、バッテリー電圧がＶＳＲ未満であれば、スタータモータ４１単独による通常始動を行う。なお、この通常始動の場合は、共用バッテリー４４の劣化および充電不足の可能性が高く、エンジンが始動しない可能性があるが、この場合には無理に電動モータ２３によるアシストを行うことなく、共用バッテリー４４の交換や充電作業を優先する。
ステップ１４０でパワーリレー５４を接続したならば、次のステップＳ１５０に移行してエンジンの回転センサ４０または電動モータ２３の回転センサ５１の信号などによりクランキング状態であるかを判定する。車体コントローラ８０は、エンジン２２の回転センサ４０または電動モータ２３の回転センサ５１の信号よりエンジンの回転を検出したとき、または始動スイッチ４６がオンになったときにクランキング状態と判定する。クランキング状態と判定したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ１６０に移行して始動アシスト条件が成立しているかを判定する。
この始動アシストを実施する条件としては、図５に示すようにクランキング開始後の共用バッテリー４４の電圧が所定値ＶＳＬ１以上であるときとする。ここでＶＳＬ１は、パワーリレー５４および車体コントローラ８０を含む制御機器の動作電圧以上であり、クランキング時のエンジン負荷の脈動によるバッテリー電圧の変動を考慮し、制御機器の動作電圧に対し、余裕をもった高めの値に設定する。
図５は、（ａ）スタータモータ４１のオン・オフと、（ｂ）エンジン２２の回転速度と、（ｃ）共用バッテリー４４の電圧と、（ｄ）始動アシスト条件の成立・不成立と、（ｅ）電動モータ２３のオン、オフ（駆動・停止）との関係を示したタイムチャートである。図示するように始動スイッチ４６をオンにしてスタータモータ４１が作動すると、（ｃ）共用バッテリー４４の電圧が一気に低下するが、その後徐々に回復して所定値ＶＳＬ１を超えたときに始動アシスト条件が成立したと判定する。
ここで、このバッテリー電圧は変動するため、上記判定に用いるバッテリー電圧は、平均化処理を行っても良い。また、所定の時間間隔毎にバッテリー電圧の最小値を求め、上記判定に用いても良い。また、共用バッテリー４４が劣化している場合などでは一旦始動アシスト制御を開始した後に、図中破線に示すようにバッテリー電圧が低下する場合も考えられるが、この場合はバッテリー電圧が所定の電圧ＶＳＬ２未満になったときに始動アシスト条件が不成立と判定して始動アシスト制御を解除（電動モータ２３をオフ）とする。
すなわち、図４のステップＳ１６０で始動アシスト条件が成立していないと判定したとき（ＮＯ）は、ステップＳ２２０側に移行して始動アシスト制御をオフ（電動モータ２３をオフ）とする。反対に、ステップＳ１６０で始動アシスト条件が成立したと判定したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ２００に移行して始動アシスト制御を実施（電動モータ２３を駆動）する。
このような制御を行うことにより、共用バッテリー４４の電圧が制御機器の動作電圧（ＶＳＬ１）以上に上昇しないときには始動アシスト制御は開始されないため、電動モータ２３は駆動することはない。これによってパワーリレー５４の開放を防止できる。
また、共用バッテリー４４が劣化している場合などで一旦始動アシストを開始した後に、バッテリー電圧が制御機器の最低動作電圧（ＶＳＬ２）に低下したときは、図示するように（ｄ）始動アシスト条件が不成立になったとして、電動モータ２３を直ちにオフにする。これによって、バッテリー電圧が制御機器の最低動作電圧（ＶＳＬ２）よりも低下してパワーリレー５４が開放されても既に電動モータ２３の駆動は停止しているのでパワーリレー５４に流れる電流は零であり、パワーリレー５４の劣化、損傷を招くことはない。
一方、共用バッテリー４４の劣化度合いが小さく、スタータモータ４１始動時のバッテリー電圧が制御機器の動作電圧よりも高い場合は、電圧回復を待つまでもなく、速やかに電動モータ２３による始動アシストが実施されるため、良好な始動性を確保することができる。
そして、図４に示すステップＳ２１０で、エンジン回転速度が所定値ＮＬ未満のとき、すなわち、エンジン２２が安定して運転できる完爆回転数に達していないときは、始動が完了していないとして始動が完了するまで前述のステップＳ１６０以降の制御を繰り返が、エンジン回転数が所定値ＮＬ以上となったなら始動完了と判定してスタータモータ４１の停止および電動モータ２３による始動アシスト制御を終了して通常制御に移行する。なお、通常制御とは、高電圧蓄電装置２４へのエネルギー回生、および高電圧蓄電装置２４の電力によるエンジン２２のトルクアシスト制御などである。
次に、この車体コントローラ８０による始動アシスト制御に関する第２の実施形態を説明する。本実施の形態では、図４のステップＳ９０〜１５０までは、第１の実施形態と同様である。そして、ステップＳ１６０の始動アシスト条件については第１の実施形態と同様にバッテリー電圧が所定値以上であるときとしても良いし、特に条件を設けず、低温始動でクランキング状態を検出後は、無条件に始動アシスト制御を起動するようにしても良い。ステップＳ１６０で始動アシスト条件が成立したときは、ステップＳ２００で始動アシスト制御を実施する。
本実施の形態における始動アシスト制御について図６を用いて説明する。車体コントローラ８０は、始動アシスト制御中にエンジン２２の回転速度が完爆回転速度未満のときは、所定のトルクとなるように電動モータ用インバータ５３を制御して電動モータ２３のトルクを制御するが、このときの電動モータ２３のトルクについては図６の特性で示されるような制限値を設ける。すなわち、バッテリー電圧が制御機器の動作電圧より十分高いときはトルク制限値を通常の値ＴＬＭ１に設定する。これに対し、バッテリー電圧が低下し、パワーリレー５４、車体コントローラ８０を含む制御機器の動作電圧近くに低下したときにはバッテリー電圧の低下に従ってトルク制限値を減少させる。
つまり、制御機器の動作電圧未満ではトルク制限値を通常よりも低い値ＴＬＭ２に設定する。ＴＬＭ２は、パワーリレー５４が電動モータ２３の動作中に開放されても節点の劣化が殆ど生じない電流値もしくは零に設定される。
これによって図７に示すように、電動モータ２３の動作中にトルクが鎖線で示されるトルク制御機器の動作電圧未満に低下した場合でも、電動モータ２３のトルクが鎖線で示されるトルク制限値以下に制限されることにより、パワーリレー５４の電流が減少するため、バッテリー電圧低下によってパワーリレー５４が開放された場合でも、パワーリレー５４の劣化、損傷を抑制することができる。
ここで、パワーリレー５４が開放された後にバッテリー電圧がパワーリレー５４の動作電圧以上に上昇したときにはパワーリレー５４を接続するようにしても良い。また、トルク制限値の代わりに高電圧蓄電装置２４から供給される電力に制限値を設け、この電力制限値以内となるように電動モータ２３のトルクを制御するようにしても良い。本実施の形態について図４のステップＳ２１０は第１の実施形態と同様である。ステップＳ２２０はステップＳ１６０で始動アシスト条件を設ける場合は第１の実施形態と同様にバッテリー電圧が所定値未満のときに始動アシスト制御を解除する。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施の形態における車体コントローラ８０の動作のうち図４のフローチャートのステップＳ９０〜Ｓ１５０については第１の実施形態と同様である。従って、本実施の形態におけるステップＳ１６０の始動アシスト条件について図８を用いて説明する。図示するように、本実施の形態ではスタータモータ４１によるクランキング開始後、始動アシスト起動条件として、エンジン２２の回転センサ４０または電動モータ２３の回転センサ５１で検出されたエンジンの回転速度が所定値ＮＳＬ１以上となったときに始動アシスト条件成立として電動モータ２３による始動アシスト制御を開始するようにしたものである。
一般にスタータモータ４１の電流は、図９のように回転速度により変化し、回転速度が低いときはスタータモータ４１の誘起電圧が小さくスタータモータ４１に大きな電流が流れる。このため、回転速度が零近くになるクランキング開始時はスタータモータ４１に大きな電流が流れ、バッテリー電圧が急激に低下する。これに対し、回転が上昇するに従ってスタータモータ４１の電流が徐々に減少して、バッテリー電圧が徐々に回復してくる。このことから、電動モータ２３による始動アシストを開始する回転速度ＮＳＬ１は、エンジン２２が初爆前のクランキング中においてエンジンの回転速度がある程度立ち上がった後の回転速度に設定される。
エンジンの回転速度がある程度立ち上がった状態であれば、出力軸の慣性により、回転速度が維持されるため、スタータモータ４１の電流上昇も抑制されるのでバッテリー電圧の急激な低下は発生し難くなる。これにより、バッテリー電圧が高い状態で始動アシストが実施されるので電動モータ２３の駆動中にパワーリレー５４が開放される頻度が減少し、パワーリレー５４の劣化を抑制することができる。
また、図８の破線で示すように始動アシスト中にエンジンの回転速度が所定値ＮＳＬ２未満となったときは、バッテリー電圧が低下し易いので始動アシスト条件が不成立として始動アシスト抑制を解除すればその後のパワーリレー５４の開放を防止することができる。
そして、本実施の形態でも第１の実施形態と同様に図４のステップＳ１６０で始動アシスト条件が成立していないときは、ステップＳ２２０で始動アシスト制御をオフ（電動モータ２３をオフ）とする。これに対し、ステップＳ１６０で始動アシスト条件が成立したときは、ステップＳ２００で始動アシスト制御を実施（電動モータ２３を駆動）する。図４のステップＳ２１０は、第１の実施形態と同様である。ここで、本実施の形態のエンジン回転の検出値による始動アシスト条件と、第１の実施形態で前述したバッテリー電圧の検出値による始動アシスト条件とを組み合わせるようにしても良い。
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施の形態では、図２に示すように車体コントローラ８０より制御信号線４３を介してスタータリレー４２（スタータモータ４１の作動）を制御できるように構成している。本実施の形態を図１０のフローチャートを用いて説明するが、図示するようにステップＳ９０〜ステップＳ１５０までは第１の実施の形態と同様である。
本実施の形態では、始動スイッチ４６による始動要求時に、信号線４７を介してスタータリレー４２がオンとなり、スタータモータ４１によるクランキングが開始される。ここでスタータリレー４２は、始動スイッチ４６による始動要求時に車体コントローラ８０からの制御信号４３を介してオンとするようにしても良い。前述したようにエンジン２２の低温時は、エンジンオイルや油圧ポンプ３８の作動油の粘性が増加することに加えて、クランキング開始初期は油圧ポンプ３８のかじり等も発生するため、大きな起動トルクが必要となる。
スタータモータ４１の特性として停止からクランキング回転までの低い回転速度の条件では大きなトルクを発生させることができる。このため、クランキング初期はスタータモータ４１を作動させるようにしている。一方、クランキングで出力軸が回転し始めた後は、クランキング初期に比べて、要求されるトルクは小さくなるので、スタータモータ４１の駆動を停止して電動モータ２３でエンジンを始動し、完爆回転まで立ち上げることが可能である。そこで、本実施の形態では、スタータモータ４１によるクランキング開始後、ステップＳ１６０でエンジン２２の回転速度が所定値ＮＳＴＣＵＴ以上となったかを判定する。ＮＳＴＣＵＴは、エンジンが初爆前のクランキング中においてエンジンの回転速度がある程度立ち上がった後の加点速度に設定される。
エンジン２２の回転速度が所定値ＮＳＴＣＵＴ以上となったと判定したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ１７０に移行して車体コントローラ８０によってスタータリレー４２をオフとし、スタータモータ４１の駆動を停止（スタータカット）して次のステップＳ１８０に移行する。スタータカット後は、スタータモータ４１駆動に伴うバッテリー電圧の低下は生じないため、バッテリー電圧が上昇する。
ステップＳ１８０では、始動アシスト条件が成立しているか判定する。始動アシスト条件としては、バッテリー電圧がパワーリレー５４を含む制御機器の動作電圧以上となっているものとする。このステップＳ１８０で始動アシスト条件が成立していないと判定したとき（ＮＯ）ときは、ステップＳ２２０側に移行して始動アシスト制御をオフ（電動モータ２３をオフ）とし、次のステップＳ２３０でスタータカットを解除して再度クランキングが可能な状態とする。
一方、このステップＳ１８０で始動アシスト条件が成立していると判定したとき（ＹＥＳ）は、次のステップＳ１９０に移行してパワーリレー５４を接続する。パワーリレー５４を接続した後は、次のステップＳ２００に移行して始動アシスト制御（電動モータ２３の駆動）を行う。エンジン２２の出力軸は慣性を有するので、スタータカット直後はエンジン２２の出力軸の回転が暫く持続し、その間に始動アシストを開始すれば、容易にエンジン２２を始動して完爆回転まで立ち上げることが可能となる。
ステップＳ２１０では始動が完了したか否か、すなわちエンジン２２の回転速度が所定値ＮＬを超えたか否かを判定し、所定値ＮＬ未満のとき（エンジン２２が安定して駆動できる完爆回転数に達していないとき）は、始動が完了していないとして、始動が完了するまで前述のステップＳ１８０以降の制御を繰り返す。
このような本実施の形態による始動アシスト制御によれば、スタータモータ４１の動作中には始動アシストが実施されないので電動モータ２３の駆動中にパワーリレー５４が開放されることがなく、パワーリレー５４の劣化や損傷を防止できる。また、スタータカット後にバッテリー電圧の低下が生じないので、制御機器を確実に動作させることができ、始動性も向上する。
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。本実施の形態は、始動アシスト制御中（電動モータ２３動作中）にバッテリー電圧が制御機器の動作電圧未満に低下してパワーリレー５４が開放された場合でも第２の実施形態と同様にパワーリレー５４の損傷を防止できるようにしたものである。すなわち、第２の実施形態では、バッテリー電圧の検出値に応じて電動モータ２３のトルクを制限するようにしたが、本実施の形態では、簡易的に始動中および始動後の状態により電動モータ２３のトルク制限値を切り換えるようにしたものである。
本実施の形態における車体コントローラ８０の処理動作を図１１のフローチャートを用いて説明する。図示するようにステップＳ９０〜Ｓ１６０は、第２の実施形態と同様であるが、本実施の形態では、ステップＳ１６０で始動アシスト条件が成立した後、ステップＳ３００で始動アシストを行う電動モータ２３への供給電力の電力制限値（始動用電力制限値）ＰＳＬＭを算出した後、次のステップＳ３１０で電動モータ２３のトルク制限値ＴＳＬＭを算出する。
この電力制限値ＰＳＬＭとトルク制限値ＴＳＬＭの設定方法について図１２を用いて説明する。図示するように、始動用の電力制限値ＰＳＬＭについて、パワーリレー５４に電流が流れている状態でリレーが開放されてもリレーが損傷しない許容電流（電流の制限値）をＩｒｍａｘ、蓄電装置の出力電圧をＶｈとすると、ＰＳＬＭは以下の式（１）で示される。
ＰＳＬＭ＝Ｉｒｍａｘ・Ｖｈ…（１）
始動完了後に通常のトルクアシストを行うときの電力制限値ＰＬＭは、一般に高電圧蓄電装置２４の許容電流により制限されるが、ＰＳＬＭはＰＬＭより小さい値となる。ＰＳＬＭおよびモータ回転速度ｎ、モータ効率ηｍより、電動モータ２３のトルク制限値ＴＳＬＭを以下の式（２）で求める。
ＴＳＬＭ＝６０・ＰＳＬＭ・ηｍ／２πｎ…（２）
本実施の形態では、パワーリレー５４の電流の制限値から高電圧蓄電装置２４の電力制限値を求め、電動モータ２３のトルク制限値を算出するようにしたが、車体コントローラ８０のメモリに設定する制限値は、高電圧蓄電装置２４の電力制限値、パワーリレー５４に流れる電流（高電圧蓄電装置２４に流れる電流）の制限値のいずれであっても良い。
このようにしてステップＳ３１０で電動モータ２３のトルク制限値ＴＳＬＭを算出したならば、ステップＳ２００に移行して始動アシストを行うときの電動モータ２３のトルクを上記トルク制限値以内に制限する。これにより、始動アシスト中に共用バッテリー４４の電圧が制御機器の動作電圧未満に低下してパワーリレー５４が開放されてもリレーの損傷を防止できる。次のステップＳ２１０およびステップＳ１６０での始動アシスト条件が成立しない場合（ＮＯ）に移行するステップＳ２２０は、第２の実施形態と同様である。
ステップＳ２１０で始動完了と判定されたとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ３２０に移行して高電圧蓄電装置２４の許容電流をＩｂｍａｘ、高電圧蓄電装置２４の出力電圧をＶｈとして、通常時の電動モータ２３の電力制限値ＰＬＭを以下の式（３）で求める。
ＰＬＭ＝Ｉｂｍａｘ・Ｖｈ…（３）
次に、ステップＳ３３０に移行してＰＬＭ、およびモータ回転数ｎ、モータ効率ηｍより、電動モータ２３のトルク制限値ＴＬＭを以下の式（４）で求める。
ＴＬＭ＝６０・ＰＬＭ・ηｍ／２πｎ…（４）
通常制御として、レバー操作状態や蓄電装置の充電状態などより必要に応じて次のステップＳ３４０で電動モータ２３によりエンジンのトルクアシストを行うが、このときの電動モータ２３のトルクは上記トルク制限値ＴＬＭ以内に制限される。
１００…ハイブリッド式建設機械
２００…始動装置
２２…エンジン
２３…電動モータ
２４…高電圧蓄電装置
２５…旋回モータ
３８…油圧ポンプ
４０，５１…回転センサ
４１…スタータモータ
４２…スタータリレー
４３…制御信号線
４４…共用バッテリー
４５…リングギア
４６…始動スイッチ
４７…信号線
５０…電源ケーブル
５２…旋回モータ用インバータ
５３…電動モータ用インバータ
５４…パワーリレー
８０…車体コントローラ（制御手段）
８１…エンジンコントローラ
８２…電圧センサ

Claims (5)

  1. エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、
    前記制御手段は、前記スタータモータによるエンジン始動を検出したときは前記共用バッテリーの電圧を検出し、その共用バッテリー電圧が所定値を超えたときに前記電動モータを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置。
  2. エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、
    前記制御手段は、前記電動モータを駆動した後に前記共用バッテリーの電圧が所定値以下になったときは、前記パワーリレーによるリレー電流を通常値よりも下げて前記電動モータの駆動トルクを減少するか、または前記電動モータの駆動トルクを零にすることを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置。
  3. エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、
    前記制御手段は、前記スタータモータによるエンジン始動を検出したときは前記エンジンの回転速度を検出し、その回転速度が所定値を超えたときに前記電動モータを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置。
  4. エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記スタータモータおよび前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、
    前記制御手段は、前記スタータモータによるエンジン始動を検出したときは前記エンジンの回転速度を検出し、その回転速度が所定値を超えたときは、前記スタータモータを停止してから前記電動モータを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置。
  5. エンジンを始動するスタータモータと、前記スタータモータによるエンジン始動をアシストする電動モータと、前記電動モータへの電力供給をオン・オフするパワーリレーと、前記パワーリレーを制御する制御手段と、前記スタータモータとパワーリレーおよび制御手段に電力を供給する共用バッテリーとを備えたハイブリッド式建設機械の始動装置であって、
    前記制御手段は、前記エンジン始動前における前記電動モータへの供給電力または供給電流の制限値を、前記エンジン始動後における前記電動モータへの供給電力または供給電流の制限値に対して小さくするようにして前記電動モータを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械の始動装置。
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