JP3833573B2 - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンと電動機兼発電機とを併用した動力源を有するハイブリッド式建設機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は従来の建設機械の油圧システムの構成図である。図１１に示すように、一般に油圧ポンプ４はエンジン１に直接接続されており、エンジン１の駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるようになっている。また、油圧ポンプ４の作動油の流量は、斜板制御装置４ａにより調整されるようになっている。
【０００３】
ここで斜板制御装置４ａは、油圧ポンプ４の斜板の傾斜角を制御するものであり、この傾斜角に応じて油圧ポンプ４の作動油の流量が決定されるようになっている。また斜板制御装置４ａは、ポンプ出力調整器（ポンプ出力調整手段）１７により制御されるようになっている。
一方、エンジン１の回転数はエンジン回転数設定器（回転数設定手段）１８により設定されるようになっており、このとき実際のエンジン回転数は、回転数検出計（エンジン回転数センサ）１０１により検出されるようになっている。
【０００４】
そして、この油圧ポンプ４で加圧された作動油は、コントロールバルブ５を介して各アクチュエータ７〜１１に供給されるようになっている。
また、このコントロールバルブ５は、リモコンレバー６ａ〜６ｅから構成されるリモコン弁６によりその動作が制御されるようになっている。
また、エンジン回転数設定器１８とエンジン回転数センサ１０１とからの出力はコントローラ１００へ入力されるようになっており、このコントローラ１００によりポンプ出力調整器１７の作動が制御されて、油圧ポンプ４の出力及び作動油の流量とが調整されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の建設機械の油圧システムにおいては、建設機械が行う軽負荷から高負荷までの種々の作業に対応すべく、最大負荷を見込んだ大出力のエンジンを搭載している。
しかしながら、一般に重負荷の作業は作業全体の一部でしかなく、使用率の大半を占める中負荷作業や軽負荷作業を行う場合にはエンジンの能力を持て余しているため、燃料消費量、騒音、生産コスト等の点で不利である。
【０００６】
また、軽負荷の作業時には、エンジンの出力を絞ったりエンジン回転数の低い状態にしたりするが、エンジンの特性からエンジン回転数が低くなるほどトルクが小さく且つ不安定になり、エンストや回転ムラが生じやすくなり、操作上好ましくない。
本発明は、このような課題を鑑み創案されたもので、負荷に応じて最適な動力を供給できるようにした、ハイブリッド式建設機械を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、エンジンと電動機兼発電機とを併用して油圧ポンプを駆動しうるハイブリッド式建設機械において、該油圧ポンプの出力を演算するポンプ出力演算手段と、該エンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、該電動機兼発電機の電動機としての機能と発電機としての機能とを切り替える閾値を、該回転数設定手段で設定される該エンジンの回転数に対する関数として設定する閾値設定手段と、該閾値設定手段で設定される閾値と該ポンプ出力演算手段で演算された該油圧ポンプの出力とを比較する比較手段と、該比較手段の比較結果に応じて該電動機兼発電機の機能を切換制御する切替制御手段とを有していることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、請求項１の構成に加えて、該切替制御手段が、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値以上であると判定されると該電動機兼発電機を電動機として機能させるとともに、該油圧ポンプの出力が該閾値より小さいと判定されると該電動機兼発電機を発電機として機能させることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１又は２記載の構成に加えて、該比較手段の比較結果に応じて該油圧ポンプの出力を調整可能なポンプ出力調整手段を有していることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項４記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項３記載の構成に加えて、該回転数設定手段の設定信号に基づいて該油圧ポンプの最大出力を設定するポンプ最大出力設定手段と、バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該油圧ポンプの出力低減量を設定する出力低減量設定手段と、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値以上であると判定されると、該ポンプ最大出力設定手段で設定される最大出力から出力低減量設定手段で設定される出力低減量を差し引いて該油圧ポンプの出力を抑制する最大出力抑制手段とを有していることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項５記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項４記載の構成に加えて、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値よりも小さいと判定されると、該最大出力抑制手段による該油圧ポンプの出力の抑制がキャンセルされることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項６記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１又は２記載の構成に加えて、該比較手段が該ポンプ出力演算手段で演算された該油圧ポンプの出力と該閾値設定手段で設定される閾値との差を演算するように構成されるとともに、バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の電動機出力を設定する電動機出力設定手段と、該電動機出力設定手段で設定された出力と該比較手段による演算結果とのうち、小さい値を選択する最小値選択手段とを有し、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値以上であると判定されると、該最小値選択手段で選択された値が、該電動機兼発電機の電動機出力としてあらためて設定されることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項７記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１又は２記載の構成に加えて、該比較手段が該ポンプ出力演算手段で演算された該油圧ポンプの出力と該閾値設定手段で設定される閾値との差を演算するよう構成されるとともに、バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の発電出力を設定する発電機出力設定手段と、該発電機出力設定手段で設定された出力と該比較手段による演算結果とのうち、大きい値を選択する最大値選択手段とを有し、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値より小さいと判定されると、該最大値選択手段で選択された値が、該電動機兼発電機の発電機出力としてあらためて設定されることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項８記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１〜７のいずれか１項に記載の構成に加えて、該油圧ポンプの要求出力を演算する要求出力演算手段と、該回転数設定手段の設定信号に基づいて該油圧ポンプの最大出力を設定するポンプ最大出力設定手段と、該要求出力演算手段で演算された要求出力と該ポンプ最大出力設定手段で設定された最大出力とを比較する第２の比較手段と、該第２の比較手段により、要求出力が最大出力を超えていると判定された場合は、該油圧ポンプの要求出力を制限する制限手段とを有していることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項９記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項８記載の構成に加えて、作業者の操作状況に応じて該油圧ポンプの出力要求値を設定する出力要求値設定手段と、該油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力検出手段とを有し、要求出力演算手段は、該出力要求値設定手段で設定された要求値と該圧力検出手段で検出された圧力との積を該油圧ポンプの要求出力として算出することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１０記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、エンジンと電動機兼発電機とを併用して油圧ポンプを駆動しうるハイブリッド式建設機械において、該油圧ポンプの出力を演算するポンプ出力演算手段と、該油圧ポンプの回転数を設定する回転数設定手段と、該回転数設定手段の設定信号に基づいて該電動機兼発電機の電動機としての機能と発電機としての機能とを切り換える閾値を設定する閾値設定手段と、該油圧ポンプの出力を振動成分と非振動成分とに分離する分離手段と、該分離手段で分離された該油圧ポンプの非振動成分の出力と、該閾値設定手段で設定される閾値との差を算出する差算出手段と、バッテリの充電量を検出する充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の電動機出力を設定する電動機出力設定手段と、該電動機出力設定手段で設定された出力と該差算出手段で算出された差とのうち、小さい値を選択する最小値選択手段と、該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の発電出力を設定する発電機出力設定手段と、該発電機出力設定手段で設定された出力と該差算出手段で算出された差とのうち、大きい値を選択する最大値選択手段と、該差算出手段で算出された差に応じて、該最小値選択手段で設定される値と、該最大値選択手段で設定される値とを選択する選択手段と、該選択手段で選択された値と該分離手段で分離された該油圧ポンプの振動成分とを加算する加算手段と、該加算手段の結果に応じて、該電動機兼発電機を電動機として機能させるか、又は発電機として機能させるかの信号を設定する信号設定手段とを有していることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項１１記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１０記載の構成に加えて、該差算出手段により算出される値が負の場合には、選択手段により、最大値選択手段の値が選択されるとともに、該差算出手段により算出される値が正の場合には、選択手段により、最小値選択手段の値が選択されることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項１２記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１０又は１１記載の構成に加えて、該信号設定手段が、該加算手段で算出された値が負の場合には、該電動機兼発電機を発電機として機能させる信号を設定し、該加算手段で算出された値が正の場合には、電動機として機能させる信号を設定することを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７により、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械について説明する。
図１に示すように、エンジン１には動力伝達機構２を介して油圧ポンプ４及びモータ・ジェネレータ（電動機兼発電機）３が接続されている。このモータ・ジェネレータ３は、電動機（モータ）としての機能と発電機（ジェネレータ）としての機能を有しており、モータとして機能する場合には、エンジン１の駆動力とモータ３の駆動力とが動力伝達機構２で合成され、これらの２つの駆動源（エンジン１及びモータ３）からの駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるようになっている。また、モータ・ジェネレータ３がジェネレータとして機能する場合には、エンジン１の駆動力が動力伝達機構２で２つに分割され、エンジン１の駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるとともに、ジェネレータ３が駆動されて発電が行われるようになっている。
【００２０】
エンジン１には、エンジン回転数を設定するエンジン回転数設定器（回転数設定手段）１８が付設されるとともに、油圧ポンプ４には、ポンプ流量や出力等を制御する斜板制御装置４ａが設けられている。
また、斜板制御装置４ａには油圧ポンプ４の斜板（図示せず）の傾斜角を検出する斜板角検出器１６と、ポンプ出力調整器（ポンプ出力調整手段）１７とが取り付けられている。
【００２１】
一方、バッテリ１４には、充電量を検出する充電量検出器（充電量検出手段）１９が設けられている。また、バッテリ１４とモータ・ジェネレータ３とは双方向コンバータ（切替制御手段）１２を介して接続されている。そしてこの双方向コンバータ１２により、モータ・ジェネレータ３の機能が切替制御されるようになっている。
【００２２】
油圧ポンプ４の下流側には圧力検出器（圧力検出手段）１５が設けられており、油圧ポンプ４で加圧された作動油の圧力が検出されるようになっている。
そして、この油圧ポンプ４で加圧された作動油は、コントロールバルブ５を介して各アクチュエータ７〜１１に供給されるようになっている。また、このコントロールバルブ５は、リモコンレバー６ａ〜６ｅから構成されるリモコン弁６によりその動作が制御されるようになっている。
【００２３】
また、双方向コンバータ１２とポンプ出力調整器１７との作動を制御するコントローラ１３が設けられている。このコントローラ１３には、圧力検出器１５，斜板角検出器１６，エンジン回転設定器１８及び充電量検出器１９からの情報が入力されるようになっており、コントローラ１３では、これらの情報に基づき所定の演算を行い、双方向コンバータ１２とポンプ出力調整器１７へ信号を出力するようになっている。
【００２４】
次に、図２にコントローラ１３のブロック線図（制御ブロック図）を示す。
２０は圧力検出器１５の出力と斜板角検出器１６の出力を乗じて油圧ポンプ４の出力を演算する乗算器（ポンプ出力演算手段）、２１は乗算器２０で求めたポンプ出力の振動成分を抽出するバンドパスフィルタ等のフィルタ（分離手段）、２２は乗算器２０で算出されるポンプ出力からフィルタ２１の出力を引いてポンプ出力の非振動成分（入力される油圧ポンプ４の出力を平均化した成分）を求める減算器である。なお、以下ではフィルタ２１によって出力されるポンプ出力の成分（振動成分）を交流成分といい、減算器２２によって出力されるポンプ出力の成分（非振動成分）を直流成分という。
【００２５】
２３はエンジン回転設定器１８の信号に基づいてモータ・ジェネレータ３をモータとして機能をさせるかジェネレータとして機能させるかを切り替えるための閾値を設定する電動／発電切替閾値設定器（閾値設定手段）である。この電動／発電切替え閾値は、図４の破線に示されるような、エンジン回転設定値に対する関数として設定されている。
【００２６】
２４はエンジン回転設定器１８の出力に基づいて油圧ポンプ４の最大出力値を設定する最大出力設定器（ポンプ最大出力設定手段）、２５は減算器２２で求めたポンプ出力の非振動成分から電動／発電切替閾値設定器２３で設定される電動／発電切替閾値を引いて差を求める減算器（比較手段又は差算出手段）、２６は減算器２５で求めた出力に基づいてＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する切替信号設定器である。
【００２７】
２７はバッテリ１４に設けられた充電量検出器１９の信号に基づいてポンプ出力削減量を設定する出力削減量設定器（出力低減量設定手段）、２８は零出力設定器、２９は切替信号設定器２６の信号に基づいて出力削減量設定器２７の出力と零出力設定器２８の出力を切り替える信号切替器、３０は最大出力設定器２４の出力から信号切替器２９の出力を引く減算器（最大出力抑制手段）である。
【００２８】
３１は充電量検出器１９の出力に基づいてモータ・ジェネレータ３の電動機出力（モータ出力）を設定する電動機出力設定器（電動機出力設定手段）、３２は充電量検出器１９の出力に基づいてモータ・ジェネレータ３の発電機出力（ジェネレータ出力）を設定する発電機出力設定器（発電機出力設定手段）である。３３は減算器２５の出力と電動出力設定器３１の出力の小さいほうの出力を選択する最小値選択器（最小値選択手段）、３４は減算器２５の出力と発電出力設定器３２の出力の大きいほうの出力を選択する最大値選択器（最大値選択手段）である。
【００２９】
選択器３５は切替信号設定器２６の信号に基づいて最小値選択器３３の出力と最大値選択器３４の出力を切り替える信号切替器、３６は信号選択器３５の出力にフィルタ２１の出力を加算する加算器、３７は加算器（加算手段）３６の出力に基づいて、モータ・ジェネレータ３をモータとして機能をさせるかジェネレータとして機能させるかを切り替えるための設定をする電動／発電切替信号設定器（信号設定手段）である。双方向コンバータ１２には、加算器３６の出力と電動／発電切替信号設定器３７の出力が入力されモータ・ジェネレータ３が制御される。
【００３０】
本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械は上述のように構成されているのでその作用を説明すると以下のようになる。
図１において、リモコン弁６ａ〜６ｅを操作するとコントロールバルブ５が切り替わり、油圧ポンプ４の作動油がアクチュエータ７〜１１に供給されて建設機械が駆動される。この時コントローラ１３において、以下の制御演算が行われ油圧ポンプ４の出力およびモータ・ジェネレータ３の出力が調整される。
【００３１】
まず、図２に示すコントローラ１３の制御ブロック図において、乗算器２０で圧力検出器１５の出力と斜板角検出器１６の出力とが掛け合わされ、油圧ポンプ４の出力が演算される。この油圧ポンプ出力は、フィルタ２１により図３（ｂ）に示すように振動成分が分離され、また減算器２２を用いて油圧ポンプ出力から振動成分を減算することで、図３（ａ）の破線で示すように非振動成分が算出される。
【００３２】
一方で、電動／発電切替閾値設定器２３には、切替閾値が図４の破線で示すようにエンジン回転設定値に対する関数として設定されており、エンジン回転設定器１８の信号に基づいて電動／発電切替閾値が求められる。
そして、上記の閾値と油圧ポンプ４の出力値が比較される。この閾値と油圧ポンプ４の出力の大小を比較するには、その差の符号で判断すればよいので、減算器２５で差の算出を行い、切替信号設定器２６に入力する。切替信号設定器２６は、入力が負の場合は０（ＯＦＦ）、入力が正の場合は１（ＯＮ）を出力する特性を有しており、油圧ポンプ４の出力が電動／発電切替閾値よりも小さい場合は、切替信号設定器２６からは０が出力される。
【００３３】
▲１▼油圧ポンプの出力＜電動／発電切替閾値の場合
このように油圧ポンプ４の出力（ここでは、油圧ポンプ４の出力を平均化した値である、非振動成分）が閾値よりも小さい場合にはエンジン出力に余力があると考えられるので、基本的にはモータ・ジェネレータはジェネレータとして機能するように制御される。ただし、フィルタ２１で処理された振動成分については、この段階では考慮されていないので、後述するように最後に振動成分を加味してからモータ・ジェネレータの作動状態が制御される。
【００３４】
また、この場合は上述のように、切替信号設定器２６では０（ＯＦＦ）の信号が出力されるので、信号切替器２９では零出力設定器２８が選択される。これにより、最大出力設定器２４の出力は減算器３０で削減されることなくポンプ出力調整器１７に出力され、油圧ポンプ４が制御される。つまり、この場合には、油圧ポンプ４の出力が閾値よりも小さいため比較的余裕のある軽負荷作業時であると判定できるので、油圧ポンプ４の出力を低減することなく、そのまま出力するのである。なお、最大出力設定器２４には図４の実線で示すようなマップが設けられ、このマップからエンジン回転数設定値に応じて設定される。
【００３５】
また、減算器２５で出力された値はエンジン出力の余力と考えることができるので、この余力分がジェネレータ３の発電負荷として設定される。ただし、エンジン余力が大きすぎるとジェネレータ３の負荷も大きくなりすぎるので、最大値選択器３４でこの値が制限される。
すなわち、バッテリ１４の充電量に応じて発電機出力設定器３２で発電機出力の制限値が出力され、最大値選択器３４において、減算器２５で求められた油圧ポンプ４の出力と電動／発電切替閾値との差が比較され、大きい方の出力（絶対値の小さい方の出力）が選択される。減算器２５では、油圧ポンプ４の出力から電動／発電切替閾値を減算するため、その差は負となる。一方、発電機出力設定器３２は図７に示すように発電機出力は充電量の関数で、負の値で表される。したがって、大きいほうの出力を選択すると実質的には発電機出力を発電機出力設定器３２の出力で制限することになる。
【００３６】
信号切替器３５は、切替信号設定器２６の出力が０であるので最大値選択器３４の出力を選択し、最後に加算器３６で油圧ポンプ４の出力の振動成分が加算される。そして、電動／発電切替信号設定器３７で加算器３６の出力に基づいて電動／発電の切替信号が設定され、加算器３６で出力された値が０以上であれば、電動／発電切替信号設定器３７で１（ＯＮ）の信号が設定されモータ・ジェネレータ３がモータとして駆動され、加算器３６で出力された値が負であれば、電動／発電切替信号設定器３７で０（ＯＦＦ）の信号が設定されモータ・ジェネレータがジェネレータとして駆動されるのである。
【００３７】
▲２▼油圧ポンプの出力≧電動／発電切替閾値の場合
この場合は大きなエンジン駆動力が必要なときであり、減算器２５で出力される値（油圧ポンプ出力−閾値）は、不足しているエンジン駆動力と考えることができる。そこで、基本的には、モータ・ジェネレータ３をモータとして駆動するとともに減算器２５で出力される値がモータ駆動力として設定される。ただし、このとき設定されるモータの出力が、バッテリ１４の充電量から規定される出力最大値を超えることがないように、最小値選択器３３でモータ３の出力が制限される。
【００３８】
また、このように油圧ポンプ４の出力（フィルタ処理された非振動成分）が閾値以上の場合には、エンジン出力のみでは油圧ポンプ４出力が不足するような重負荷作業時と考えることができるので、エンジン１の過負荷を回避する目的でポンプ４の最大出力が抑制される。つまり、この場合には切替信号設定機２６の出力は１となり、信号切替器２９により出力削減量設定器２７が選択されると同時に、減算器３０で最大出力設定器２４の出力から出力削減量設定器２７で設定された出力が減算される。出力削減量設定器２７は、図５に示すようにバッテリ１４の充電量が所定値以上の場合は削減量が０で、充電量が所定値よりも低くなると出力削減量が増える特性を有している。また、充電量がある値以下となると出力削減量が最大値に設定される。したがって、バッテリ１４の充電量が上記の所定値よりも低くなると減算器３０で油圧ポンプ４の最大出力から最大削減量が減算され、エンジン１が過負荷にならないようにポンプ出力調整器１７を介して油圧ポンプ４の出力が低減される。
【００３９】
一方、バッテリ１４の充電量に応じて電動出力設定器３１で電動機出力の制限値が出力され、その制限値と、減算器２５で求められた油圧ポンプ４の出力と電動／発電切替閾値の差とが比較され、最小値選択器３３で小さい方の出力が選択される。また、電動機出力設定器３１においては図６に示すように、電動機出力がバッテリ充電量に対する関数であり、充電量が所定値よりも高い場合は正の値で電動機出力が設定され、所定値よりも低くなると負の値に変わり発電機出力を設定する特性を有している。そして、このように最小値選択器３３で、小さい方の出力を選択することにより、実質的にはバッテリ１４の充電量に応じて電動機出力を制限していることになる。
【００４０】
また、信号切替器３５は切替信号設定器２６の出力が１であるので最小値選択器３３の出力を選択し、加算器３６で油圧ポンプ４の振動成分が加算される。そして加算器３６により最小値選択器３３で設定された値と油圧ポンプ４の出力の振動成分とが加算され、この結果に基づき電動／発電切替信号設定器３７で電動／発電の切替信号が設定される。そして双方向コンバータ１２に加算器３６の出力と電動／発電切替信号設定器３７の出力が入力されモータ・ジェネレータ３が制御される。
【００４１】
したがって、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式の建設機械では、油圧ポンプの出力＜電動／発電切替閾値の場合には、基本的には、エンジン１は油圧ポンプ４を駆動するとともにモータ・ジェネレータ３を発電機として駆動し、双方向コンバータ１２を介してバッテリ１４を充電することができる。この時、発電機によるエンジン１への負荷は小さく、効率的に充電を行うことができる。
【００４２】
また、モータ・ジェネレータ３の発電出力は、エンジン１の出力が電動／発電切替閾値に近づくように調整されることになるので、エンジン負荷を安定させることができ、さらに、エンジン負荷は、モータ・ジェネレータ３が油圧ポンプ４の出力の振動成分を吸収するので、結果的に負荷変動が滑らかになり、より安定した運転を行うことが可能となる。
【００４３】
つまり、油圧ポンプ４の出力の変動に応じて、モータ・ジェネレータ３をモータとして機能させたりジェネレータとして機能させたりすることにより、ポンプ出力の変動が吸収されて、振動や騒音を低減させることができるのである。
また、油圧ポンプの出力≧電動／発電切替閾値の場合には、双方向コンバータ１２を介してバッテリ１４の電力がモータ・ジェネレータ３に供給され、モータ・ジェネレータ３が電動機として機能し、油圧ポンプ４はエンジン１とモータ・ジェネレータ３とにより駆動される。この時、モータ・ジェネレータ３がエンジン１への負荷を低減させる補助動力として働くため、出力の小さいエンジンでも動作の安定性を高めることができる。
【００４４】
また、モータ・ジェネレータ３の発電機出力は、エンジン１の出力が電動／発電切替閾値に近づくように調整されることになるので、エンジン負荷を安定させることができ、さらにそのエンジン負荷は、モータ・ジェネレータ３が油圧ポンプ４の出力の振動成分を吸収するので、結果的に負荷変動が滑らかになり、より安定した運転を行うことが可能となる。
【００４５】
なお、図１０に示すように、電動／発電切替閾値をエンジン特性において最小燃費カーブに設定してもよい。このように設定した場合には、エンジンの燃料消費量をさらに改善することもできる。
【００４６】
次に、図８〜９により、本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械について説明する。
図８に示すように、エンジン１には動力伝達装置２を介してモータ・ジェネレータ（電動機兼発電機）３と油圧ポンプ４が接続されている。このモータ・ジェネレータ３は、電動機（モータ）としての機能と発電機（ジェネレータ）としての機能を併せ持ち、モータとして機能する場合には、エンジン１の駆動力とモータ３の駆動力とが動力伝達機構２で合成され、これらの２つの駆動源（エンジン１及びモータ３）からの駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるようになっている。また、モータ・ジェネレータ３がジェネレータとして機能する場合は、エンジン１の駆動力が動力伝達機構２で２つに分割され、エンジン１の駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるとともに、ジェネレータ３が駆動されて発電が行われるようになっている。
【００４７】
エンジン１には、エンジン回転数を設定するエンジン回転数設定機（回転数設定手段）１８が付設されているとともに、油圧ポンプ４には、ポンプ流量や出力等を制御する斜板制御装置４ａが設けられている。
また、斜板制御装置４ａには斜板位置調整器（ポンプ出力調整手段）４３が取り付けられ、油圧ポンプ４の斜板（図示せず）の傾斜角を制御することでポンプの出力を調整するようになっている。
【００４８】
一方、バッテリ１４には、バッテリ１４の充電量を検出する充電量検出器（充電量検出手段）１９が設けられている。またバッテリ１４とモータ・ジェネレータ３とは、双方向コンバータ（切替制御手段）１２を介して接続されている。そしてこの双方向コンバータ１２によってモータ・ジェネレータ３の機能が切換制御されるようになっている。
【００４９】
油圧ポンプ４の下流側には、圧力検出器（圧力検出手段）１５が設けられており、油圧ポンプ４で加圧された作動油の圧力が検出されるようになっている。
そして、この油圧ポンプ４で加圧された作動油は、コントロールバルブ５を介して各アクチュエータ７〜１１に供給されるようになっている。ここで、コントローラ４１にバルブ駆動器４２が制御されることで、コントロールバルブ５は駆動するようになっているが、この構造は本発明に直接関係しないため説明を省略する。
【００５０】
また、双方向コンバータ１２と斜板位置調整器４３との作動を制御するコントローラ４１が設けられている。このコントローラ４１は、圧力検出器１５，回転数設定器１８，充電量検出器１９及び操作器４０ａ〜４０ｅからの情報が入力されるようになっており、コントローラ４１では、これらの情報に基づき所定の演算を行い、双方向コンバータ１２と斜板位置調整器４３とバルブ駆動器４２へ信号を出力するようになっている。
【００５１】
次に、図９にコントローラ４１のブロック線図（制御ブロック図）を示す。
４４は圧力検出器１５の出力の振動成分を抽出するバンドパスフィルタ等のフィルタ（分離手段）、４５は圧力検出器１５の出力からフィルタ４４の出力を引いて圧力の非振動成分（入力される油圧ポンプ４の出力を平均化した成分）を求める減算器である。４６ａ〜４６ｅは操作器４０ａ〜４０ｅの信号に基づいてポンプ斜板要求値を設定する斜板要求値設定器（出力要求値設定手段）、４７は斜板要求値設定器４６ａ〜４６ｅの出力の総和を求める加算器である。
４８はエンジン回転設定器１８の出力に基づいて油圧ポンプ４の最大出力値を設定する最大出力設定器（ポンプ最大出力設定手段）、４９はエンジン回転設定器１８の信号に基づいてモータ・ジェネレータ３をモータとして機能させるかジェネレータとして機能させるかを切り替えるための閾値を設定する電動／発電切替閾値設定器（閾値設定手段）である。
【００５２】
５０はバッテリ１４の充電量検出器１９の信号に基づいてポンプ出力削減量を設定する出力削減量設定器（出力低減量設定手段）、５１は充電量検出器１９の出力に基づいて電動機としての出力量（モータ出力）を設定する電動機出力設定器（電動機出力設定手段）、５２は充電量検出器１９の出力に基づいて発電機としての出力量（ジェネレータ出力）を設定する発電機出力設定器（発電機出力設定手段）である。
【００５３】
５３は加算器４７で求められたポンプ斜板要求値の総和が１００％を超えた場合に１００％に制限する斜板要求値制限器、５４は減算器４５で求められた圧力の非振動成分と斜板要求値制限器５３の出力を掛け合わせて要求動力を求める乗算器（要求出力演算手段）である。５５は減算器（最大出力抑制手段）、５６は零出力設定器、５７は信号切替器である。信号切替器５７で出力削減量設定器５０と零出力設定器５６のどちらかが選択され、減算器５５で最大出力設定器４８の出力から減算する。
【００５４】
５８は除算器（第２の比較手段）では、乗算器５４で求めた要求動力を減算器５５の出力で割って最大動力／要求動力の比を算出する。５９は動力比制限器（制限手段）で、除算器５８の出力が１以上の場合は１に制限する。６０は乗算器で、動力比制限器５９の出力と斜板要求値制限器５３の出力を乗じてポンプ斜板要求値を補正する。６１は乗算器（ポンプ出力演算手段）で、乗算器６０で求められたポンプ斜板要求値に圧力検出器１５の出力を乗じて必要動力を算出する。６２は乗算器６１で求めたポンプの必要動力の振動成分を抽出するフィルタ（分離手段）、６３は乗算器６１で求めたポンプ必要動力からフィルタ６２で算出された振動成分を引いてポンプ必要動力の非振動成分を求める減算器である。
【００５５】
６４はゲイン設定器、６５は減算器で、減算器６５は圧力の振動成分にゲインを乗じた信号をフィードバックすることで、ポンプ斜板制御を安定化させる。
６６は減算器（比較手段）で、電動／発電切替閾値設定器４９の出力から減算器６３で求められた必要動力の非振動成分を引いて差を算出する。６７は減算器６６で求められた動力差に基づいてＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する切替信号設定器である。６８は電動出力設定器５１の出力と減算器６６で求められた動力差の小さいほうの値を選択する最小値選択器（最小値選択手段）で、６９は発電出力設定器５２の出力と減算器６６で求められた動力差の大きいほうの値を選択する最大値選択器（最大値選択手段）である。
【００５６】
７０は切替信号設定器６７の信号に基づいて最小値選択器６８の出力と最大値選択器６９の出力を切り替える信号切替器、７１は信号切替器６９の出力にフィルタ６２で算出される必要動力の振動成分を加算する加算器である。７２は加算器７１の出力に基づいてモータ・ジェネレータ３の機能の切替信号を出力する電動／発電切替信号設定器である。
【００５７】
本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械は上記のように構成されているのでその作用を説明すると以下のようになる。
図８において、操作器４０ａ〜４０ｅを操作すると、その信号はコントローラ４１に入力されバルブ駆動器４２を介してコントロールバルブ５が切り替えられ、油圧ポンプ４の作動油がアクチュエータ７〜１１に供給され建設機械が駆動される。この時、コントローラ４１にて以下の制御演算が行われ油圧ポンプ４の出力およびモータ・ジェネレータ３の出力が調整される。
【００５８】
まず、図９に示すコントローラ制御ブロック図において、圧力検出器１５の出力はフィルタ４４に入力され振動部分が抽出され、減算器４５によって元の出力との差から非振動成分も求められる。
一方、操作器４０ａ〜４０ｅの信号に基づいて斜板要求値設定器４６ａ〜４６ｅでポンプ斜板要求値が決定され加算器４７で総和が求められ、斜板要求知値制限器５３で１００％を越えないように制限される。
【００５９】
減算器４５で求めた圧力の非振動成分は、乗算器５４で斜板要求値制限器５３の出力と掛け合わされ要求動力が算出される。最大出力設定器４８で設定された油圧ポンプ４の最大出力値は、減算器５５で信号切替器５７の出力が引かれ補正され、除算器５８で最大動力／要求動力との比が求められる。要求動力＜最大動力の場合は、除算器５８の出力は１より大きくなるが、動力比制限器５９で１に制限される。また、要求動力≧最大動力の場合は、除算器５８の出力が１以下になるので、動力比制限器５９で制限されず、そのままの値が出力される。そして乗算器６０で斜板要求値制限器５３の出力と動力比制限器５９の出力が掛け合わされ、要求動力＜最大動力の場合は斜板要求値が補正される。
【００６０】
乗算器６０で補正された斜板要求値はフィルタ４４から出力される圧力の振動成分にゲイン設定器６４でゲインが乗じられ減算器６５で圧力フィードバックされ、ポンプ斜板指令として斜板位置調整器４３に出力され油圧ポンプ４の斜板制御が行われる。以上の作用により、油圧ポンプ４の出力は、所定の出力に制限される。
【００６１】
さて、乗算器６０で補正された斜板要求値と圧力検出器１５の出力は乗算器６１で掛け合わされ、最終的な必要動力が算出される。フィルタ６２で必要動力の振動成分が抽出され、減算器６３で乗算器６１で求めた必要動力からフィルタ６２で求めた必要動力の振動成分を引いて、必要動力の非振動成分が求められる。また、電動／発電切換閾値設定器４９で設定される閾値は図４の二点鎖線で示すようにエンジン回転設定値の関数であり、エンジン回転設定器１８の信号に基づいてその閾値は設定される。減算器６６で、減算器６３で求めた必要動力の非振動成分から電動／発電切替閾値設定器４９で設定される電動／発電切替閾値を引いて差が求められ、切替信号設定器６７に入力される。切替信号設定器６７は入力が負の場合は０（ＯＦＦ）、入力が正の場合は１（ＯＮ）を出力する特性を有しているので、必要動力の非振動成分が電動／発電切替閾値よりも小さい場合は、切替信号設定器６７は０を出力する。
【００６２】
▲１▼油圧ポンプの出力＜電動／発電切替閾値の場合
このように、油圧ポンプ４の出力（ここでは油圧ポンプ４の出力を平均化した値である非振動成分）が閾値よりも小さい場合には基本的には、モータ・ジェネレータは、ジェネレータとして機能するように制御される。ただし、フィルタ６２で処理された振動成分については、この段階では考慮されていないので、後述するように最後に振動成分を加味してからモータ・ジェネレータ３の作動状態が制御される。また、この場合は、上述のように切替振動設定機６７では０（ＯＦＦ）の信号が出力されるので、切替信号機５７で零出力設定器５６が参照される。これにより最大出力設定器４８の出力は減算器５５で削減されることなく除算器（第２の比較手段）５８へ出力される。つまり、この場合には、油圧ポンプ４の出力が閾値よりも小さいため、比較的余裕のある軽負荷作業であると判定できるので、油圧ポンプ４の出力削減量を設定することなくそのまま出力するのである。なお、最大出力設定器４８には図４の実線で示すようなマップが設けられ、このマップからエンジン回転数設定値に応じて設定される。
【００６３】
また、減算器６６で出力された値はエンジン出力の余力と考えることができ、この余力分がジェネレータ３の発電負荷として設定される。ただし、エンジン余力が大きすぎるとジェネレータ３の負荷も大きくなりすぎるので、最大値選択器６９でこの値が制限される。
すなわち、バッテリ１４の充電量に応じて発電機出力設定器５２で発電機出力の制限値が出力され、最大値選択器６９において、減算器６６で求められた油圧ポンプ４の出力と電動／発電切替閾値との差が比較され、大きい方の出力（絶対値の小さい方の出力）が選択される。減算器５５では、油圧ポンプ４の出力から電動／発電切替閾値を減算するため、その値は負となる。一方、発電機出力設定器５２は図７に示すように発電機出力は充電量の関数で、負の値で表される。したがって大きいほうの出力を選択すると、実質的には発電機出力を発電機出力設定器５２の出力で制限することになる。
【００６４】
信号切替器７０、は切替信号設定器６７の出力が０であるので最大値選択器６９の出力を選択し、最後に加算器７１で油圧ポンプ４の出力の振動成分が加算される。そして電動／発電切替信号設定器７２で加算器７１の出力に基づいて電動／発電の切替信号を設定され、加算機７１で出力された信号が０以上であれば、電動／発電切替信号設定器７２で１（ＯＮ）の信号が設定され、モータ・ジェネレータ３はモータとして駆動され、加算器７１の出力が負であれば、電動／発電切替信号設定器７２で０（ＯＦＦ）の信号が設定され、モータ・ジェネレータ３はジェネレータとして駆動されるのである。
【００６５】
▲２▼油圧ポンプの出力≧電動／発電切替閾値の場合
この場合は大きなエンジン駆動力が必要なときであり、減算器６６で出力される値（油圧ポンプ出力−閾値）は、不足しているエンジン駆動力と考えることができる。そこで、基本的には、モータ・ジェネレータ３をモータとして駆動するとともに減算器６６で出力される値がモータ駆動力として設定される。ただし、このとき設定されるモータ３の出力が、バッテリ１４の充電量から規定される出力最大値を超えることがないように、最小値選択器６８でモータ３の出力が制限される。
【００６６】
また、このように油圧ポンプ４の出力（フィルタ処理された非振動成分）が閾値以上の場合には、エンジン出力のみでは油圧ポンプ４出力が不足するような重負荷作業時と考えることができるので、エンジン１の過負荷を回避する目的で油圧ポンプ４の最大出力が制限される。つまり、切替信号設定器６７の出力は１となり、信号切替器７０により最小値選択器６８が選択されると同時に、減算器５５で最大出力設定器４８の出力から出力削減量設定器５０で設定された出力が減算される。出力削減量設定器５０は、図５に示すようにバッテリ１４の充電量が所定値以上の場合は削減量が０で、充電量が所定値よりも低くなると出力削減量が増える特性を有している。また、充電量がある値以下となると出力削減量が最大値に設定される。したがって、バッテリ１４の充電量が、上記の所定値よりも低くなると減算器５５で油圧ポンプ４の最大出力から最大削減量が減算され、エンジン１が過負荷にならないようにポンプ出力調整器１７を介して油圧ポンプ４の出力が低減される。
【００６７】
一方、バッテリ１４の充電量に応じて電動出力設定器５１で電動出力の制限値が出力され、最小値選択器６８で、減算器６６で求められた油圧ポンプ４の出力と電動／発電切替閾値との差と、該電動出力設定器５１で出力された値とが比較され、小さいほうの出力が選択される。また、該電動機出力設定器５１は、図６に示すように電動機出力はバッテリ充電量に対する関数であり、充電量が所定の値よりも高い場合は正の値で電動機出力が設定され、所定の値よりも低くなると負の値に変わり発電機出力を設定する特性を有している。このように最小値選択器６８で、小さい方の出力を選択することにより、実質的にはバッテリ１４の充電量に応じて電動機出力を制限していることになる。
【００６８】
また、切替信号設定器６７の出力が１であるので信号切替器７０は最小値選択器６８の出力を選択し、加算器７１で油圧ポンプ４の出力の振動成分が加算される。そして加算器７１の出力に基づいて電動／発電切替信号設定器７２で電動／発電の切替信号を設定され、双方向コンバータ１２に加算器７１の出力と電動／発電切替信号設定器７２の出力が入力されモータ・ジェネレータ３が制御される。
【００６９】
したがって、本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械では、油圧ポンプの出力＜電動／発電切替閾値の場合には、基本的には、エンジン１は油圧ポンプ４を駆動するとともにモータ・ジェネレータ３を発電機として駆動し、双方向コンバータ１２を介してバッテリ１４を充電することができる。この時、発電機によるエンジンへ１の負荷は小さく、効率的に充電を行うことができる。
【００７０】
また、モータ・ジェネレータ３の発電出力は、エンジン１の出力が電動／発電切替閾値に近づくように調整されることになるので、エンジン負荷を安定させることができ、さらに、そのエンジン負荷は、モータ・ジェネレータ３が油圧ポンプ４の出力の振動成分を吸収するので、結果的に負荷変動が滑らかになり、より安定した運転を行うことが可能となる。つまり、油圧ポンプ４の出力の変動に応じてモータ・ジェネレータ３をモータとして機能させたり、ジェネレータとして機能させたりすることにより、ポンプ出力の変動が吸収されて、振動や騒音を低減させることができるのである。
【００７１】
また、油圧ポンプ４の出力≧電動／発電切替閾値の場合には、双方向コンバータ１２を介してバッテリ１４の電力がモータ・ジェネレータ３に供給されて電動機として機能し、油圧ポンプ４はエンジン１とモータ・ジェネレータ３の併用で駆動する。この時、モータ・ジェネレータ３がエンジン１への負荷を低減させる補助動力として働くため、従来のエンジン単独駆動のものに比較して小型のシステムでの対応が期待でき、システムをコンパクトにすることができる。
【００７２】
また、モータ・ジェネレータ３の発電機出力は、エンジン１の出力が電動／発電切替閾値に近づくように調整されるので、エンジン負荷を安定させることができ、さらにそのエンジン負荷は、モータ・ジェネレータ３が油圧ポンプ４の出力の振動成分を吸収するので、結果的に負荷変動が滑らかになり、より安定した運転を行うことが可能となる。
【００７３】
さらに、本実施例では、操作器の信号に基づいてコントローラを介して油圧ポンプ４およびモータ・ジェネレータ３を同時に制御するので、第１実施形態の油圧ポンプ４の斜板角を検出して油圧ポンプ４およびモータ・ジェネレータ３を制御する構成に比較してシステムの応答性を改善でき、燃料消費量をさらに改善できる。
【００７４】
なお、電動／発電切替閾値を図１０に示すように、エンジン特性において最小燃料消費ライン（最小燃費カーブ）に設定してもよい。このように設定した場合には、エンジン１の燃料消費量をさらに改善することもできる。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明のハイブリッド式機建設機械によれば、エンジンの回転数に基づき電動機兼発電機の機能を切り換える閾値を設定し、この閾値と油圧ポンプの出力との比較結果に応じて該電動機兼発電機を電動機として機能させるか発電機として機能させるかを切替制御するので、エンジンの負荷に応じた最適な状態で該電動機兼発電機の作動状態を制御することができるという利点がある。
【００７６】
また、請求項２記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの出力が閾値以上であると判定されると、該電動機兼発電機が電動機として機能するとともに、該油圧ポンプの出力が閾値より小さいと判定されると該電動機兼発電機が発電機として機能する。
これにより、該油圧ポンプの出力が高く、したがってエンジンの負荷が大きいときには、該電動機兼発電機を電動機として作動させて該油圧ポンプをアシスト駆動することで、出力の小さいエンジンでも安定したポンプ出力を得ることができる。したがって、燃料消費量を向上できるとともに、騒音を低減することができる。
【００７７】
また、該油圧ポンプの出力が閾値より小さくエンジンの負荷が低いときには、該電動機兼発電機を発電機として作動させて充電を行うことで、効率の高い経済的な運転を行うことができる。また、エンジンの出力を絞ったり回転数を抑制したりする必要がないのでエンストの防止やエンジン回転変動の抑制を図ることができる。
【００７８】
また、請求項３記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、閾値と油圧ポンプの出力との比較結果に応じて該油圧ポンプの出力を調整するので、常にポンプ出力を最適な値に保持することができる。
また、請求項４記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、エンジン回転数に基づいて油圧ポンプの最大出力を設定するとともに、バッテリの充電量に基づいて該油圧ポンプの出力低減量を設定し、該油圧ポンプの出力が閾値以上であるとポンプ最大出力から出力低減量を差し引いて該油圧ポンプの出力を抑制するので、エンジンへの過負荷を防止することができる。
【００７９】
また、請求項５記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの出力が閾値より小さければ、油圧ポンプの出力の抑制がキャンセルされるので、油圧ポンプの本来の能力を発揮させることができる。
また、請求項６記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの出力が閾値以上である場合には、油圧ポンプの出力と閾値設定手段で設定される閾値との差と、充電量に基づいて設定される電動機出力とのうち、小さいほうの値が該電動機兼発電機の電動機出力としてあらためて設定されるので、電動機の出力を的確に制限することができる。
【００８０】
また、請求項７記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの出力が閾値より小さい場合には、油圧ポンプの出力と閾値設定手段で設定される閾値との差と、充電量に基づいて設定される電動機兼発電機の発電出力のうち大きいほうの値が、該電動機兼発電機の発電出力としてあらためて設定されるので、発電機の出力を的確に制限することができる。
【００８１】
また、請求項８記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの要求出力と、エンジン回転数に基づいて設定される油圧ポンプの最大出力とを比較して、要求出力が最大出力を超えている場合は、油圧ポンプの要求出力が制限され、エンジンへの過負荷が防止されるので、油圧ポンプを確実に保護することができる。
【００８２】
また、請求項９記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、作業者の操作状況に応じて設定される油圧ポンプの出力要求値と、圧力検出手段で検出された油圧ポンプの吐出圧とを乗算して油圧ポンプの要求出力を算出するので、簡単且つ正確に要求出力を算出することができる。
また、請求項１０記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、電動機兼発電機の発電出力と電動機出力との算出には油圧ポンプの出力の非振動成分が用いられるため、変動の少ない安定した発電出力と電動機出力とが算出され、電動／発電の切り換えの判断には油圧ポンプ出力の非振動成分と振動成分との和が用いられるため、出力の振動に応じて正確に電動機兼発電機を制御することができる。
【００８３】
また、請求項１１記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプ出力に応じて適切なフィルタが選択されるため、油圧ポンプ出力と充電量とに応じて発電機出力と電動機出力が適切に制限される。
また、請求項１２記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、電動／発電の切り換えの判断には、油圧ポンプの出力と閾値設定手段で設定される閾値との差に油圧ポンプの振動成分を加えたものが用いられ、その値の符号によって電動機兼発電機の電動／発電の機能が切り換えられるため、油圧ポンプ出力の交流部分の振動が吸収され、結果的にエンジン負荷変動が滑らかになり、より安定した運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械の油圧システム構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械のコントローラ制御ブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、ポンプ出力の振動成分と非振動成分を模式的に表したグラフである。（ａ）にポンプ出力を均した成分としての直流成分を示し、（ｂ）にポンプ出力から直流成分を引いた、交流成分を示している。
【図４】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、電動／発電切替閾値設定器に設定された関数グラフである。
【図５】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、出力削減量設定器に設定されたの関数グラフである。
【図６】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、電動出力設定器に設定されたの関数グラフである。
【図７】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、発電出力設定器に設定されたの関数グラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械の油圧システム構成図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械のコントローラ制御ブロック図である。
【図１０】第１実施形態及び第２実施形態の変形例に対して説明する図であって、エンジン燃料消費量の出力とエンジン回転数との関数関係を示すグラフである。
【図１１】従来の油圧電動を用いた作業機の油圧システム構成図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 動力伝達機構
３ モータ・ジェネレータ（電動機兼発電機）
４ 油圧ポンプ
４ａ 斜板制御装置
５ コントロールバルブ
６ リモコン弁
６ａ〜６ｅ リモコンレバー
７〜１１ アクチュエータ
１２ 双方向コンバータ（切替制御手段）
１３ コントローラ
１４ バッテリ
１５ 圧力検出器（圧力検出手段）
１６ 斜板角検出器
１７ ポンプ出力調整器（ポンプ出力調整手段）
１８ エンジン回転数設定器（回転数設定手段）
１９ 充電量検出器（充電量検出手段）
２０ 乗算器（ポンプ出力演算手段）
２１ フィルタ（分離手段）
２２ 減算器
２３ 電動／発電切替閾値設定器（閾値設定手段）
２４ 最大出力設定器（ポンプ最大出力設定手段）
２５ 減算器（比較手段又は差算出手段）
２６ 切替信号設定器
２７ 出力削減量設定器（出力低減量設定手段）
２８ 零出力設定器
２９ 信号切替器
３０ 減算器（最大出力抑制手段）
３１ 電動機出力設定器（電動機出力設定手段）
３２ 発電機出力設定器（発電機出力設定手段）
３３ 最小値選択器（最小値選択手段）
３４ 最大値選択器（最大値選択手段）
３５ 信号切替器（選択手段）
３６ 加算器（加算手段）
３７ 電動／発電切替信号設定器（信号設定手段）
４０ａ〜４０ｅ 操作器
４１ コントローラ
４２ バルブ駆動器
４３ 斜板位置調整器（ポンプ出力調整手段）
４４ フィルタ（分離手段）
４５ 減算器
４６ａ〜４６ｅ 斜板要求値設定器（出力要求値設定手段）
４７ 加算器
４８ 最大出力設定器（ポンプ最大出力設定手段）
４９ 電動／発電切替閾値設定器（閾値設定手段）
５０ 出力削減量設定器（出力低減量設定手段）
５１ 電動機出力設定器（電動機出力設定手段）
５２ 発電機出力設定器（発電機出力設定手段）
５３ 斜板要求値制限器
５４ 乗算器（要求出力演算手段）
５５ 減算器（最大出力抑制手段）
５６ 零出力設定器
５７ 信号切替器
５８ 除算器（第２の比較手段）
５９ 動力比制限器（制限手段）
６０ 乗算器
６１ 乗算器（ポンプ出力演算手段）
６２ フィルタ（分離手段）
６３ 減算器
６４ ゲイン設定器
６５ 減算器
６６ 減算器（比較手段又は差算出手段）
６７ 切替信号設定器
６８ 最小値選択器（最小値選択手段）
６９ 最大値選択器（最大値選択手段）
７０ 信号切替器（選択手段）
７１ 加算器（加算手段）
７２ 電動／発電切替信号設定器（信号設定手段）
１００ コントローラ
１０１ 回転数検出計（エンジン回転数センサ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンと電動機兼発電機とを併用した動力源を有するハイブリッド式建設機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は従来の建設機械の油圧システムの構成図である。図１１に示すように、一般に油圧ポンプ４はエンジン１に直接接続されており、エンジン１の駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるようになっている。また、油圧ポンプ４の作動油の流量は、斜板制御装置４ａにより調整されるようになっている。
【０００３】
ここで斜板制御装置４ａは、油圧ポンプ４の斜板の傾斜角を制御するものであり、この傾斜角に応じて油圧ポンプ４の作動油の流量が決定されるようになっている。また斜板制御装置４ａは、ポンプ出力調整器（ポンプ出力調整手段）１７により制御されるようになっている。
一方、エンジン１の回転数はエンジン回転数設定器（回転数設定手段）１８により設定されるようになっており、このとき実際のエンジン回転数は、回転数検出計（エンジン回転数センサ）１０１により検出されるようになっている。
【０００４】
そして、この油圧ポンプ４で加圧された作動油は、コントロールバルブ５を介して各アクチュエータ７〜１１に供給されるようになっている。
また、このコントロールバルブ５は、リモコンレバー６ａ〜６ｅから構成されるリモコン弁６によりその動作が制御されるようになっている。
また、エンジン回転数設定器１８とエンジン回転数センサ１０１とからの出力はコントローラ１００へ入力されるようになっており、このコントローラ１００によりポンプ出力調整器１７の作動が制御されて、油圧ポンプ４の出力及び作動油の流量とが調整されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の建設機械の油圧システムにおいては、建設機械が行う軽負荷から高負荷までの種々の作業に対応すべく、最大負荷を見込んだ大出力のエンジンを搭載している。
しかしながら、一般に重負荷の作業は作業全体の一部でしかなく、使用率の大半を占める中負荷作業や軽負荷作業を行う場合にはエンジンの能力を持て余しているため、燃料消費量、騒音、生産コスト等の点で不利である。
【０００６】
また、軽負荷の作業時には、エンジンの出力を絞ったりエンジン回転数の低い状態にしたりするが、エンジンの特性からエンジン回転数が低くなるほどトルクが小さく且つ不安定になり、エンストや回転ムラが生じやすくなり、操作上好ましくない。
本発明は、このような課題を鑑み創案されたもので、負荷に応じて最適な動力を供給できるようにした、ハイブリッド式建設機械を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、エンジンと電動機兼発電機とを併用して油圧ポンプを駆動しうるハイブリッド式建設機械において、該油圧ポンプの出力を演算するポンプ出力演算手段と、該エンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、該電動機兼発電機の電動機としての機能と発電機としての機能とを切り替える閾値を、該回転数設定手段で設定される該エンジンの回転数に対する関数として設定する閾値設定手段と、該閾値設定手段で設定される閾値と該ポンプ出力演算手段で演算された該油圧ポンプの出力とを比較する比較手段と、該比較手段の比較結果に応じて該電動機兼発電機の機能を切換制御する切替制御手段とを有していることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、請求項１の構成に加えて、該切替制御手段が、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値以上であると判定されると該電動機兼発電機を電動機として機能させるとともに、該油圧ポンプの出力が該閾値より小さいと判定されると該電動機兼発電機を発電機として機能させることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１又は２記載の構成に加えて、該比較手段の比較結果に応じて該油圧ポンプの出力を調整可能なポンプ出力調整手段を有していることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項４記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項３記載の構成に加えて、該回転数設定手段の設定信号に基づいて該油圧ポンプの最大出力を設定するポンプ最大出力設定手段と、バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該油圧ポンプの出力低減量を設定する出力低減量設定手段と、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値以上であると判定されると、該ポンプ最大出力設定手段で設定される最大出力から出力低減量設定手段で設定される出力低減量を差し引いて該油圧ポンプの出力を抑制する最大出力抑制手段とを有していることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項５記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項４記載の構成に加えて、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値よりも小さいと判定されると、該最大出力抑制手段による該油圧ポンプの出力の抑制がキャンセルされることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項６記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１又は２記載の構成に加えて、該比較手段が該ポンプ出力演算手段で演算された該油圧ポンプの出力と該閾値設定手段で設定される閾値との差を演算するように構成されるとともに、バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の電動機出力を設定する電動機出力設定手段と、該電動機出力設定手段で設定された出力と該比較手段による演算結果とのうち、小さい値を選択する最小値選択手段とを有し、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値以上であると判定されると、該最小値選択手段で選択された値が、該電動機兼発電機の電動機出力としてあらためて設定されることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項７記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１又は２記載の構成に加えて、該比較手段が該ポンプ出力演算手段で演算された該油圧ポンプの出力と該閾値設定手段で設定される閾値との差を演算するよう構成されるとともに、バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の発電出力を設定する発電機出力設定手段と、該発電機出力設定手段で設定された出力と該比較手段による演算結果とのうち、大きい値を選択する最大値選択手段とを有し、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値より小さいと判定されると、該最大値選択手段で選択された値が、該電動機兼発電機の発電機出力としてあらためて設定されることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項８記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１〜７のいずれか１項に記載の構成に加えて、該油圧ポンプの要求出力を演算する要求出力演算手段と、該回転数設定手段の設定信号に基づいて該油圧ポンプの最大出力を設定するポンプ最大出力設定手段と、該要求出力演算手段で演算された要求出力と該ポンプ最大出力設定手段で設定された最大出力とを比較する第２の比較手段と、該第２の比較手段により、要求出力が最大出力を超えていると判定された場合は、該油圧ポンプの要求出力を制限する制限手段とを有していることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項９記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項８記載の構成に加えて、作業者の操作状況に応じて該油圧ポンプの出力要求値を設定する出力要求値設定手段と、該油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力検出手段とを有し、要求出力演算手段は、該出力要求値設定手段で設定された要求値と該圧力検出手段で検出された圧力との積を該油圧ポンプの要求出力として算出することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１０記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、エンジンと電動機兼発電機とを併用して油圧ポンプを駆動しうるハイブリッド式建設機械において、該油圧ポンプの出力を演算するポンプ出力演算手段と、該油圧ポンプの回転数を設定する回転数設定手段と、該回転数設定手段の設定信号に基づいて該電動機兼発電機の電動機としての機能と発電機としての機能とを切り換える閾値を設定する閾値設定手段と、該油圧ポンプの出力を振動成分と非振動成分とに分離する分離手段と、該分離手段で分離された該油圧ポンプの非振動成分の出力と、該閾値設定手段で設定される閾値との差を算出する差算出手段と、バッテリの充電量を検出する充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の電動機出力を設定する電動機出力設定手段と、該電動機出力設定手段で設定された出力と該差算出手段で算出された差とのうち、小さい値を選択する最小値選択手段と、該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の発電出力を設定する発電機出力設定手段と、該発電機出力設定手段で設定された出力と該差算出手段で算出された差とのうち、大きい値を選択する最大値選択手段と、該差算出手段で算出された差に応じて、該最小値選択手段で設定される値と、該最大値選択手段で設定される値とを選択する選択手段と、該選択手段で選択された値と該分離手段で分離された該油圧ポンプの振動成分とを加算する加算手段と、該加算手段の結果に応じて、該電動機兼発電機を電動機として機能させるか、又は発電機として機能させるかの信号を設定する信号設定手段とを有していることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項１１記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１０記載の構成に加えて、該差算出手段により算出される値が負の場合には、選択手段により、最大値選択手段の値が選択されるとともに、該差算出手段により算出される値が正の場合には、選択手段により、最小値選択手段の値が選択されることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項１２記載の本発明のハイブリッド式建設機械は、上記請求項１０又は１１記載の構成に加えて、該信号設定手段が、該加算手段で算出された値が負の場合には、該電動機兼発電機を発電機として機能させる信号を設定し、該加算手段で算出された値が正の場合には、電動機として機能させる信号を設定することを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７により、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械について説明する。
図１に示すように、エンジン１には動力伝達機構２を介して油圧ポンプ４及びモータ・ジェネレータ（電動機兼発電機）３が接続されている。このモータ・ジェネレータ３は、電動機（モータ）としての機能と発電機（ジェネレータ）としての機能を有しており、モータとして機能する場合には、エンジン１の駆動力とモータ３の駆動力とが動力伝達機構２で合成され、これらの２つの駆動源（エンジン１及びモータ３）からの駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるようになっている。また、モータ・ジェネレータ３がジェネレータとして機能する場合には、エンジン１の駆動力が動力伝達機構２で２つに分割され、エンジン１の駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるとともに、ジェネレータ３が駆動されて発電が行われるようになっている。
【００２０】
エンジン１には、エンジン回転数を設定するエンジン回転数設定器（回転数設定手段）１８が付設されるとともに、油圧ポンプ４には、ポンプ流量や出力等を制御する斜板制御装置４ａが設けられている。
また、斜板制御装置４ａには油圧ポンプ４の斜板（図示せず）の傾斜角を検出する斜板角検出器１６と、ポンプ出力調整器（ポンプ出力調整手段）１７とが取り付けられている。
【００２１】
一方、バッテリ１４には、充電量を検出する充電量検出器（充電量検出手段）１９が設けられている。また、バッテリ１４とモータ・ジェネレータ３とは双方向コンバータ（切替制御手段）１２を介して接続されている。そしてこの双方向コンバータ１２により、モータ・ジェネレータ３の機能が切替制御されるようになっている。
【００２２】
油圧ポンプ４の下流側には圧力検出器（圧力検出手段）１５が設けられており、油圧ポンプ４で加圧された作動油の圧力が検出されるようになっている。
そして、この油圧ポンプ４で加圧された作動油は、コントロールバルブ５を介して各アクチュエータ７〜１１に供給されるようになっている。また、このコントロールバルブ５は、リモコンレバー６ａ〜６ｅから構成されるリモコン弁６によりその動作が制御されるようになっている。
【００２３】
また、双方向コンバータ１２とポンプ出力調整器１７との作動を制御するコントローラ１３が設けられている。このコントローラ１３には、圧力検出器１５，斜板角検出器１６，エンジン回転設定器１８及び充電量検出器１９からの情報が入力されるようになっており、コントローラ１３では、これらの情報に基づき所定の演算を行い、双方向コンバータ１２とポンプ出力調整器１７へ信号を出力するようになっている。
【００２４】
次に、図２にコントローラ１３のブロック線図（制御ブロック図）を示す。
２０は圧力検出器１５の出力と斜板角検出器１６の出力を乗じて油圧ポンプ４の出力を演算する乗算器（ポンプ出力演算手段）、２１は乗算器２０で求めたポンプ出力の振動成分を抽出するバンドパスフィルタ等のフィルタ（分離手段）、２２は乗算器２０で算出されるポンプ出力からフィルタ２１の出力を引いてポンプ出力の非振動成分（入力される油圧ポンプ４の出力を平均化した成分）を求める減算器である。なお、以下ではフィルタ２１によって出力されるポンプ出力の成分（振動成分）を交流成分といい、減算器２２によって出力されるポンプ出力の成分（非振動成分）を直流成分という。
【００２５】
２３はエンジン回転設定器１８の信号に基づいてモータ・ジェネレータ３をモータとして機能をさせるかジェネレータとして機能させるかを切り替えるための閾値を設定する電動／発電切替閾値設定器（閾値設定手段）である。この電動／発電切替え閾値は、図４の破線に示されるような、エンジン回転設定値に対する関数として設定されている。
【００２６】
２４はエンジン回転設定器１８の出力に基づいて油圧ポンプ４の最大出力値を設定する最大出力設定器（ポンプ最大出力設定手段）、２５は減算器２２で求めたポンプ出力の非振動成分から電動／発電切替閾値設定器２３で設定される電動／発電切替閾値を引いて差を求める減算器（比較手段又は差算出手段）、２６は減算器２５で求めた出力に基づいてＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する切替信号設定器である。
【００２７】
２７はバッテリ１４に設けられた充電量検出器１９の信号に基づいてポンプ出力削減量を設定する出力削減量設定器（出力低減量設定手段）、２８は零出力設定器、２９は切替信号設定器２６の信号に基づいて出力削減量設定器２７の出力と零出力設定器２８の出力を切り替える信号切替器、３０は最大出力設定器２４の出力から信号切替器２９の出力を引く減算器（最大出力抑制手段）である。
【００２８】
３１は充電量検出器１９の出力に基づいてモータ・ジェネレータ３の電動機出力（モータ出力）を設定する電動機出力設定器（電動機出力設定手段）、３２は充電量検出器１９の出力に基づいてモータ・ジェネレータ３の発電機出力（ジェネレータ出力）を設定する発電機出力設定器（発電機出力設定手段）である。３３は減算器２５の出力と電動出力設定器３１の出力の小さいほうの出力を選択する最小値選択器（最小値選択手段）、３４は減算器２５の出力と発電出力設定器３２の出力の大きいほうの出力を選択する最大値選択器（最大値選択手段）である。
【００２９】
選択器３５は切替信号設定器２６の信号に基づいて最小値選択器３３の出力と最大値選択器３４の出力を切り替える信号切替器、３６は信号選択器３５の出力にフィルタ２１の出力を加算する加算器、３７は加算器（加算手段）３６の出力に基づいて、モータ・ジェネレータ３をモータとして機能をさせるかジェネレータとして機能させるかを切り替えるための設定をする電動／発電切替信号設定器（信号設定手段）である。双方向コンバータ１２には、加算器３６の出力と電動／発電切替信号設定器３７の出力が入力されモータ・ジェネレータ３が制御される。
【００３０】
本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械は上述のように構成されているのでその作用を説明すると以下のようになる。
図１において、リモコン弁６ａ〜６ｅを操作するとコントロールバルブ５が切り替わり、油圧ポンプ４の作動油がアクチュエータ７〜１１に供給されて建設機械が駆動される。この時コントローラ１３において、以下の制御演算が行われ油圧ポンプ４の出力およびモータ・ジェネレータ３の出力が調整される。
【００３１】
まず、図２に示すコントローラ１３の制御ブロック図において、乗算器２０で圧力検出器１５の出力と斜板角検出器１６の出力とが掛け合わされ、油圧ポンプ４の出力が演算される。この油圧ポンプ出力は、フィルタ２１により図３（ｂ）に示すように振動成分が分離され、また減算器２２を用いて油圧ポンプ出力から振動成分を減算することで、図３（ａ）の破線で示すように非振動成分が算出される。
【００３２】
一方で、電動／発電切替閾値設定器２３には、切替閾値が図４の破線で示すようにエンジン回転設定値に対する関数として設定されており、エンジン回転設定器１８の信号に基づいて電動／発電切替閾値が求められる。
そして、上記の閾値と油圧ポンプ４の出力値が比較される。この閾値と油圧ポンプ４の出力の大小を比較するには、その差の符号で判断すればよいので、減算器２５で差の算出を行い、切替信号設定器２６に入力する。切替信号設定器２６は、入力が負の場合は０（ＯＦＦ）、入力が正の場合は１（ＯＮ）を出力する特性を有しており、油圧ポンプ４の出力が電動／発電切替閾値よりも小さい場合は、切替信号設定器２６からは０が出力される。
【００３３】
▲１▼油圧ポンプの出力＜電動／発電切替閾値の場合
このように油圧ポンプ４の出力（ここでは、油圧ポンプ４の出力を平均化した値である、非振動成分）が閾値よりも小さい場合にはエンジン出力に余力があると考えられるので、基本的にはモータ・ジェネレータはジェネレータとして機能するように制御される。ただし、フィルタ２１で処理された振動成分については、この段階では考慮されていないので、後述するように最後に振動成分を加味してからモータ・ジェネレータの作動状態が制御される。
【００３４】
また、この場合は上述のように、切替信号設定器２６では０（ＯＦＦ）の信号が出力されるので、信号切替器２９では零出力設定器２８が選択される。これにより、最大出力設定器２４の出力は減算器３０で削減されることなくポンプ出力調整器１７に出力され、油圧ポンプ４が制御される。つまり、この場合には、油圧ポンプ４の出力が閾値よりも小さいため比較的余裕のある軽負荷作業時であると判定できるので、油圧ポンプ４の出力を低減することなく、そのまま出力するのである。なお、最大出力設定器２４には図４の実線で示すようなマップが設けられ、このマップからエンジン回転数設定値に応じて設定される。
【００３５】
また、減算器２５で出力された値はエンジン出力の余力と考えることができるので、この余力分がジェネレータ３の発電負荷として設定される。ただし、エンジン余力が大きすぎるとジェネレータ３の負荷も大きくなりすぎるので、最大値選択器３４でこの値が制限される。
すなわち、バッテリ１４の充電量に応じて発電機出力設定器３２で発電機出力の制限値が出力され、最大値選択器３４において、減算器２５で求められた油圧ポンプ４の出力と電動／発電切替閾値との差が比較され、大きい方の出力（絶対値の小さい方の出力）が選択される。減算器２５では、油圧ポンプ４の出力から電動／発電切替閾値を減算するため、その差は負となる。一方、発電機出力設定器３２は図７に示すように発電機出力は充電量の関数で、負の値で表される。したがって、大きいほうの出力を選択すると実質的には発電機出力を発電機出力設定器３２の出力で制限することになる。
【００３６】
信号切替器３５は、切替信号設定器２６の出力が０であるので最大値選択器３４の出力を選択し、最後に加算器３６で油圧ポンプ４の出力の振動成分が加算される。そして、電動／発電切替信号設定器３７で加算器３６の出力に基づいて電動／発電の切替信号が設定され、加算器３６で出力された値が０以上であれば、電動／発電切替信号設定器３７で１（ＯＮ）の信号が設定されモータ・ジェネレータ３がモータとして駆動され、加算器３６で出力された値が負であれば、電動／発電切替信号設定器３７で０（ＯＦＦ）の信号が設定されモータ・ジェネレータがジェネレータとして駆動されるのである。
【００３７】
▲２▼油圧ポンプの出力≧電動／発電切替閾値の場合
この場合は大きなエンジン駆動力が必要なときであり、減算器２５で出力される値（油圧ポンプ出力−閾値）は、不足しているエンジン駆動力と考えることができる。そこで、基本的には、モータ・ジェネレータ３をモータとして駆動するとともに減算器２５で出力される値がモータ駆動力として設定される。ただし、このとき設定されるモータの出力が、バッテリ１４の充電量から規定される出力最大値を超えることがないように、最小値選択器３３でモータ３の出力が制限される。
【００３８】
また、このように油圧ポンプ４の出力（フィルタ処理された非振動成分）が閾値以上の場合には、エンジン出力のみでは油圧ポンプ４出力が不足するような重負荷作業時と考えることができるので、エンジン１の過負荷を回避する目的でポンプ４の最大出力が抑制される。つまり、この場合には切替信号設定機２６の出力は１となり、信号切替器２９により出力削減量設定器２７が選択されると同時に、減算器３０で最大出力設定器２４の出力から出力削減量設定器２７で設定された出力が減算される。出力削減量設定器２７は、図５に示すようにバッテリ１４の充電量が所定値以上の場合は削減量が０で、充電量が所定値よりも低くなると出力削減量が増える特性を有している。また、充電量がある値以下となると出力削減量が最大値に設定される。したがって、バッテリ１４の充電量が上記の所定値よりも低くなると減算器３０で油圧ポンプ４の最大出力から最大削減量が減算され、エンジン１が過負荷にならないようにポンプ出力調整器１７を介して油圧ポンプ４の出力が低減される。
【００３９】
一方、バッテリ１４の充電量に応じて電動出力設定器３１で電動機出力の制限値が出力され、その制限値と、減算器２５で求められた油圧ポンプ４の出力と電動／発電切替閾値の差とが比較され、最小値選択器３３で小さい方の出力が選択される。また、電動機出力設定器３１においては図６に示すように、電動機出力がバッテリ充電量に対する関数であり、充電量が所定値よりも高い場合は正の値で電動機出力が設定され、所定値よりも低くなると負の値に変わり発電機出力を設定する特性を有している。そして、このように最小値選択器３３で、小さい方の出力を選択することにより、実質的にはバッテリ１４の充電量に応じて電動機出力を制限していることになる。
【００４０】
また、信号切替器３５は切替信号設定器２６の出力が１であるので最小値選択器３３の出力を選択し、加算器３６で油圧ポンプ４の振動成分が加算される。そして加算器３６により最小値選択器３３で設定された値と油圧ポンプ４の出力の振動成分とが加算され、この結果に基づき電動／発電切替信号設定器３７で電動／発電の切替信号が設定される。そして双方向コンバータ１２に加算器３６の出力と電動／発電切替信号設定器３７の出力が入力されモータ・ジェネレータ３が制御される。
【００４１】
したがって、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式の建設機械では、油圧ポンプの出力＜電動／発電切替閾値の場合には、基本的には、エンジン１は油圧ポンプ４を駆動するとともにモータ・ジェネレータ３を発電機として駆動し、双方向コンバータ１２を介してバッテリ１４を充電することができる。この時、発電機によるエンジン１への負荷は小さく、効率的に充電を行うことができる。
【００４２】
また、モータ・ジェネレータ３の発電出力は、エンジン１の出力が電動／発電切替閾値に近づくように調整されることになるので、エンジン負荷を安定させることができ、さらに、エンジン負荷は、モータ・ジェネレータ３が油圧ポンプ４の出力の振動成分を吸収するので、結果的に負荷変動が滑らかになり、より安定した運転を行うことが可能となる。
【００４３】
つまり、油圧ポンプ４の出力の変動に応じて、モータ・ジェネレータ３をモータとして機能させたりジェネレータとして機能させたりすることにより、ポンプ出力の変動が吸収されて、振動や騒音を低減させることができるのである。
また、油圧ポンプの出力≧電動／発電切替閾値の場合には、双方向コンバータ１２を介してバッテリ１４の電力がモータ・ジェネレータ３に供給され、モータ・ジェネレータ３が電動機として機能し、油圧ポンプ４はエンジン１とモータ・ジェネレータ３とにより駆動される。この時、モータ・ジェネレータ３がエンジン１への負荷を低減させる補助動力として働くため、出力の小さいエンジンでも動作の安定性を高めることができる。
【００４４】
また、モータ・ジェネレータ３の発電機出力は、エンジン１の出力が電動／発電切替閾値に近づくように調整されることになるので、エンジン負荷を安定させることができ、さらにそのエンジン負荷は、モータ・ジェネレータ３が油圧ポンプ４の出力の振動成分を吸収するので、結果的に負荷変動が滑らかになり、より安定した運転を行うことが可能となる。
【００４５】
なお、図１０に示すように、電動／発電切替閾値をエンジン特性において最小燃費カーブに設定してもよい。このように設定した場合には、エンジンの燃料消費量をさらに改善することもできる。
【００４６】
次に、図８〜９により、本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械について説明する。
図８に示すように、エンジン１には動力伝達装置２を介してモータ・ジェネレータ（電動機兼発電機）３と油圧ポンプ４が接続されている。このモータ・ジェネレータ３は、電動機（モータ）としての機能と発電機（ジェネレータ）としての機能を併せ持ち、モータとして機能する場合には、エンジン１の駆動力とモータ３の駆動力とが動力伝達機構２で合成され、これらの２つの駆動源（エンジン１及びモータ３）からの駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるようになっている。また、モータ・ジェネレータ３がジェネレータとして機能する場合は、エンジン１の駆動力が動力伝達機構２で２つに分割され、エンジン１の駆動力により油圧ポンプ４が駆動されるとともに、ジェネレータ３が駆動されて発電が行われるようになっている。
【００４７】
エンジン１には、エンジン回転数を設定するエンジン回転数設定機（回転数設定手段）１８が付設されているとともに、油圧ポンプ４には、ポンプ流量や出力等を制御する斜板制御装置４ａが設けられている。
また、斜板制御装置４ａには斜板位置調整器（ポンプ出力調整手段）４３が取り付けられ、油圧ポンプ４の斜板（図示せず）の傾斜角を制御することでポンプの出力を調整するようになっている。
【００４８】
一方、バッテリ１４には、バッテリ１４の充電量を検出する充電量検出器（充電量検出手段）１９が設けられている。またバッテリ１４とモータ・ジェネレータ３とは、双方向コンバータ（切替制御手段）１２を介して接続されている。そしてこの双方向コンバータ１２によってモータ・ジェネレータ３の機能が切換制御されるようになっている。
【００４９】
油圧ポンプ４の下流側には、圧力検出器（圧力検出手段）１５が設けられており、油圧ポンプ４で加圧された作動油の圧力が検出されるようになっている。
そして、この油圧ポンプ４で加圧された作動油は、コントロールバルブ５を介して各アクチュエータ７〜１１に供給されるようになっている。ここで、コントローラ４１にバルブ駆動器４２が制御されることで、コントロールバルブ５は駆動するようになっているが、この構造は本発明に直接関係しないため説明を省略する。
【００５０】
また、双方向コンバータ１２と斜板位置調整器４３との作動を制御するコントローラ４１が設けられている。このコントローラ４１は、圧力検出器１５，回転数設定器１８，充電量検出器１９及び操作器４０ａ〜４０ｅからの情報が入力されるようになっており、コントローラ４１では、これらの情報に基づき所定の演算を行い、双方向コンバータ１２と斜板位置調整器４３とバルブ駆動器４２へ信号を出力するようになっている。
【００５１】
次に、図９にコントローラ４１のブロック線図（制御ブロック図）を示す。
４４は圧力検出器１５の出力の振動成分を抽出するバンドパスフィルタ等のフィルタ（分離手段）、４５は圧力検出器１５の出力からフィルタ４４の出力を引いて圧力の非振動成分（入力される油圧ポンプ４の出力を平均化した成分）を求める減算器である。４６ａ〜４６ｅは操作器４０ａ〜４０ｅの信号に基づいてポンプ斜板要求値を設定する斜板要求値設定器（出力要求値設定手段）、４７は斜板要求値設定器４６ａ〜４６ｅの出力の総和を求める加算器である。
４８はエンジン回転設定器１８の出力に基づいて油圧ポンプ４の最大出力値を設定する最大出力設定器（ポンプ最大出力設定手段）、４９はエンジン回転設定器１８の信号に基づいてモータ・ジェネレータ３をモータとして機能させるかジェネレータとして機能させるかを切り替えるための閾値を設定する電動／発電切替閾値設定器（閾値設定手段）である。
【００５２】
５０はバッテリ１４の充電量検出器１９の信号に基づいてポンプ出力削減量を設定する出力削減量設定器（出力低減量設定手段）、５１は充電量検出器１９の出力に基づいて電動機としての出力量（モータ出力）を設定する電動機出力設定器（電動機出力設定手段）、５２は充電量検出器１９の出力に基づいて発電機としての出力量（ジェネレータ出力）を設定する発電機出力設定器（発電機出力設定手段）である。
【００５３】
５３は加算器４７で求められたポンプ斜板要求値の総和が１００％を超えた場合に１００％に制限する斜板要求値制限器、５４は減算器４５で求められた圧力の非振動成分と斜板要求値制限器５３の出力を掛け合わせて要求動力を求める乗算器（要求出力演算手段）である。５５は減算器（最大出力抑制手段）、５６は零出力設定器、５７は信号切替器である。信号切替器５７で出力削減量設定器５０と零出力設定器５６のどちらかが選択され、減算器５５で最大出力設定器４８の出力から減算する。
【００５４】
５８は除算器（第２の比較手段）では、乗算器５４で求めた要求動力を減算器５５の出力で割って最大動力／要求動力の比を算出する。５９は動力比制限器（制限手段）で、除算器５８の出力が１以上の場合は１に制限する。６０は乗算器で、動力比制限器５９の出力と斜板要求値制限器５３の出力を乗じてポンプ斜板要求値を補正する。６１は乗算器（ポンプ出力演算手段）で、乗算器６０で求められたポンプ斜板要求値に圧力検出器１５の出力を乗じて必要動力を算出する。６２は乗算器６１で求めたポンプの必要動力の振動成分を抽出するフィルタ（分離手段）、６３は乗算器６１で求めたポンプ必要動力からフィルタ６２で算出された振動成分を引いてポンプ必要動力の非振動成分を求める減算器である。
【００５５】
６４はゲイン設定器、６５は減算器で、減算器６５は圧力の振動成分にゲインを乗じた信号をフィードバックすることで、ポンプ斜板制御を安定化させる。
６６は減算器（比較手段）で、電動／発電切替閾値設定器４９の出力から減算器６３で求められた必要動力の非振動成分を引いて差を算出する。６７は減算器６６で求められた動力差に基づいてＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する切替信号設定器である。６８は電動出力設定器５１の出力と減算器６６で求められた動力差の小さいほうの値を選択する最小値選択器（最小値選択手段）で、６９は発電出力設定器５２の出力と減算器６６で求められた動力差の大きいほうの値を選択する最大値選択器（最大値選択手段）である。
【００５６】
７０は切替信号設定器６７の信号に基づいて最小値選択器６８の出力と最大値選択器６９の出力を切り替える信号切替器、７１は信号切替器６９の出力にフィルタ６２で算出される必要動力の振動成分を加算する加算器である。７２は加算器７１の出力に基づいてモータ・ジェネレータ３の機能の切替信号を出力する電動／発電切替信号設定器である。
【００５７】
本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械は上記のように構成されているのでその作用を説明すると以下のようになる。
図８において、操作器４０ａ〜４０ｅを操作すると、その信号はコントローラ４１に入力されバルブ駆動器４２を介してコントロールバルブ５が切り替えられ、油圧ポンプ４の作動油がアクチュエータ７〜１１に供給され建設機械が駆動される。この時、コントローラ４１にて以下の制御演算が行われ油圧ポンプ４の出力およびモータ・ジェネレータ３の出力が調整される。
【００５８】
まず、図９に示すコントローラ制御ブロック図において、圧力検出器１５の出力はフィルタ４４に入力され振動部分が抽出され、減算器４５によって元の出力との差から非振動成分も求められる。
一方、操作器４０ａ〜４０ｅの信号に基づいて斜板要求値設定器４６ａ〜４６ｅでポンプ斜板要求値が決定され加算器４７で総和が求められ、斜板要求知値制限器５３で１００％を越えないように制限される。
【００５９】
減算器４５で求めた圧力の非振動成分は、乗算器５４で斜板要求値制限器５３の出力と掛け合わされ要求動力が算出される。最大出力設定器４８で設定された油圧ポンプ４の最大出力値は、減算器５５で信号切替器５７の出力が引かれ補正され、除算器５８で最大動力／要求動力との比が求められる。要求動力＜最大動力の場合は、除算器５８の出力は１より大きくなるが、動力比制限器５９で１に制限される。また、要求動力≧最大動力の場合は、除算器５８の出力が１以下になるので、動力比制限器５９で制限されず、そのままの値が出力される。そして乗算器６０で斜板要求値制限器５３の出力と動力比制限器５９の出力が掛け合わされ、要求動力＜最大動力の場合は斜板要求値が補正される。
【００６０】
乗算器６０で補正された斜板要求値はフィルタ４４から出力される圧力の振動成分にゲイン設定器６４でゲインが乗じられ減算器６５で圧力フィードバックされ、ポンプ斜板指令として斜板位置調整器４３に出力され油圧ポンプ４の斜板制御が行われる。以上の作用により、油圧ポンプ４の出力は、所定の出力に制限される。
【００６１】
さて、乗算器６０で補正された斜板要求値と圧力検出器１５の出力は乗算器６１で掛け合わされ、最終的な必要動力が算出される。フィルタ６２で必要動力の振動成分が抽出され、減算器６３で乗算器６１で求めた必要動力からフィルタ６２で求めた必要動力の振動成分を引いて、必要動力の非振動成分が求められる。また、電動／発電切換閾値設定器４９で設定される閾値は図４の二点鎖線で示すようにエンジン回転設定値の関数であり、エンジン回転設定器１８の信号に基づいてその閾値は設定される。減算器６６で、減算器６３で求めた必要動力の非振動成分から電動／発電切替閾値設定器４９で設定される電動／発電切替閾値を引いて差が求められ、切替信号設定器６７に入力される。切替信号設定器６７は入力が負の場合は０（ＯＦＦ）、入力が正の場合は１（ＯＮ）を出力する特性を有しているので、必要動力の非振動成分が電動／発電切替閾値よりも小さい場合は、切替信号設定器６７は０を出力する。
【００６２】
▲１▼油圧ポンプの出力＜電動／発電切替閾値の場合
このように、油圧ポンプ４の出力（ここでは油圧ポンプ４の出力を平均化した値である非振動成分）が閾値よりも小さい場合には基本的には、モータ・ジェネレータは、ジェネレータとして機能するように制御される。ただし、フィルタ６２で処理された振動成分については、この段階では考慮されていないので、後述するように最後に振動成分を加味してからモータ・ジェネレータ３の作動状態が制御される。また、この場合は、上述のように切替振動設定機６７では０（ＯＦＦ）の信号が出力されるので、切替信号機５７で零出力設定器５６が参照される。これにより最大出力設定器４８の出力は減算器５５で削減されることなく除算器（第２の比較手段）５８へ出力される。つまり、この場合には、油圧ポンプ４の出力が閾値よりも小さいため、比較的余裕のある軽負荷作業であると判定できるので、油圧ポンプ４の出力削減量を設定することなくそのまま出力するのである。なお、最大出力設定器４８には図４の実線で示すようなマップが設けられ、このマップからエンジン回転数設定値に応じて設定される。
【００６３】
また、減算器６６で出力された値はエンジン出力の余力と考えることができ、この余力分がジェネレータ３の発電負荷として設定される。ただし、エンジン余力が大きすぎるとジェネレータ３の負荷も大きくなりすぎるので、最大値選択器６９でこの値が制限される。
すなわち、バッテリ１４の充電量に応じて発電機出力設定器５２で発電機出力の制限値が出力され、最大値選択器６９において、減算器６６で求められた油圧ポンプ４の出力と電動／発電切替閾値との差が比較され、大きい方の出力（絶対値の小さい方の出力）が選択される。減算器５５では、油圧ポンプ４の出力から電動／発電切替閾値を減算するため、その値は負となる。一方、発電機出力設定器５２は図７に示すように発電機出力は充電量の関数で、負の値で表される。したがって大きいほうの出力を選択すると、実質的には発電機出力を発電機出力設定器５２の出力で制限することになる。
【００６４】
信号切替器７０、は切替信号設定器６７の出力が０であるので最大値選択器６９の出力を選択し、最後に加算器７１で油圧ポンプ４の出力の振動成分が加算される。そして電動／発電切替信号設定器７２で加算器７１の出力に基づいて電動／発電の切替信号を設定され、加算機７１で出力された信号が０以上であれば、電動／発電切替信号設定器７２で１（ＯＮ）の信号が設定され、モータ・ジェネレータ３はモータとして駆動され、加算器７１の出力が負であれば、電動／発電切替信号設定器７２で０（ＯＦＦ）の信号が設定され、モータ・ジェネレータ３はジェネレータとして駆動されるのである。
【００６５】
▲２▼油圧ポンプの出力≧電動／発電切替閾値の場合
この場合は大きなエンジン駆動力が必要なときであり、減算器６６で出力される値（油圧ポンプ出力−閾値）は、不足しているエンジン駆動力と考えることができる。そこで、基本的には、モータ・ジェネレータ３をモータとして駆動するとともに減算器６６で出力される値がモータ駆動力として設定される。ただし、このとき設定されるモータ３の出力が、バッテリ１４の充電量から規定される出力最大値を超えることがないように、最小値選択器６８でモータ３の出力が制限される。
【００６６】
また、このように油圧ポンプ４の出力（フィルタ処理された非振動成分）が閾値以上の場合には、エンジン出力のみでは油圧ポンプ４出力が不足するような重負荷作業時と考えることができるので、エンジン１の過負荷を回避する目的で油圧ポンプ４の最大出力が制限される。つまり、切替信号設定器６７の出力は１となり、信号切替器７０により最小値選択器６８が選択されると同時に、減算器５５で最大出力設定器４８の出力から出力削減量設定器５０で設定された出力が減算される。出力削減量設定器５０は、図５に示すようにバッテリ１４の充電量が所定値以上の場合は削減量が０で、充電量が所定値よりも低くなると出力削減量が増える特性を有している。また、充電量がある値以下となると出力削減量が最大値に設定される。したがって、バッテリ１４の充電量が、上記の所定値よりも低くなると減算器５５で油圧ポンプ４の最大出力から最大削減量が減算され、エンジン１が過負荷にならないようにポンプ出力調整器１７を介して油圧ポンプ４の出力が低減される。
【００６７】
一方、バッテリ１４の充電量に応じて電動出力設定器５１で電動出力の制限値が出力され、最小値選択器６８で、減算器６６で求められた油圧ポンプ４の出力と電動／発電切替閾値との差と、該電動出力設定器５１で出力された値とが比較され、小さいほうの出力が選択される。また、該電動機出力設定器５１は、図６に示すように電動機出力はバッテリ充電量に対する関数であり、充電量が所定の値よりも高い場合は正の値で電動機出力が設定され、所定の値よりも低くなると負の値に変わり発電機出力を設定する特性を有している。このように最小値選択器６８で、小さい方の出力を選択することにより、実質的にはバッテリ１４の充電量に応じて電動機出力を制限していることになる。
【００６８】
また、切替信号設定器６７の出力が１であるので信号切替器７０は最小値選択器６８の出力を選択し、加算器７１で油圧ポンプ４の出力の振動成分が加算される。そして加算器７１の出力に基づいて電動／発電切替信号設定器７２で電動／発電の切替信号を設定され、双方向コンバータ１２に加算器７１の出力と電動／発電切替信号設定器７２の出力が入力されモータ・ジェネレータ３が制御される。
【００６９】
したがって、本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械では、油圧ポンプの出力＜電動／発電切替閾値の場合には、基本的には、エンジン１は油圧ポンプ４を駆動するとともにモータ・ジェネレータ３を発電機として駆動し、双方向コンバータ１２を介してバッテリ１４を充電することができる。この時、発電機によるエンジンへ１の負荷は小さく、効率的に充電を行うことができる。
【００７０】
また、モータ・ジェネレータ３の発電出力は、エンジン１の出力が電動／発電切替閾値に近づくように調整されることになるので、エンジン負荷を安定させることができ、さらに、そのエンジン負荷は、モータ・ジェネレータ３が油圧ポンプ４の出力の振動成分を吸収するので、結果的に負荷変動が滑らかになり、より安定した運転を行うことが可能となる。つまり、油圧ポンプ４の出力の変動に応じてモータ・ジェネレータ３をモータとして機能させたり、ジェネレータとして機能させたりすることにより、ポンプ出力の変動が吸収されて、振動や騒音を低減させることができるのである。
【００７１】
また、油圧ポンプ４の出力≧電動／発電切替閾値の場合には、双方向コンバータ１２を介してバッテリ１４の電力がモータ・ジェネレータ３に供給されて電動機として機能し、油圧ポンプ４はエンジン１とモータ・ジェネレータ３の併用で駆動する。この時、モータ・ジェネレータ３がエンジン１への負荷を低減させる補助動力として働くため、従来のエンジン単独駆動のものに比較して小型のシステムでの対応が期待でき、システムをコンパクトにすることができる。
【００７２】
また、モータ・ジェネレータ３の発電機出力は、エンジン１の出力が電動／発電切替閾値に近づくように調整されるので、エンジン負荷を安定させることができ、さらにそのエンジン負荷は、モータ・ジェネレータ３が油圧ポンプ４の出力の振動成分を吸収するので、結果的に負荷変動が滑らかになり、より安定した運転を行うことが可能となる。
【００７３】
さらに、本実施例では、操作器の信号に基づいてコントローラを介して油圧ポンプ４およびモータ・ジェネレータ３を同時に制御するので、第１実施形態の油圧ポンプ４の斜板角を検出して油圧ポンプ４およびモータ・ジェネレータ３を制御する構成に比較してシステムの応答性を改善でき、燃料消費量をさらに改善できる。
【００７４】
なお、電動／発電切替閾値を図１０に示すように、エンジン特性において最小燃料消費ライン（最小燃費カーブ）に設定してもよい。このように設定した場合には、エンジン１の燃料消費量をさらに改善することもできる。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明のハイブリッド式機建設機械によれば、エンジンの回転数に基づき電動機兼発電機の機能を切り換える閾値を設定し、この閾値と油圧ポンプの出力との比較結果に応じて該電動機兼発電機を電動機として機能させるか発電機として機能させるかを切替制御するので、エンジンの負荷に応じた最適な状態で該電動機兼発電機の作動状態を制御することができるという利点がある。
【００７６】
また、請求項２記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの出力が閾値以上であると判定されると、該電動機兼発電機が電動機として機能するとともに、該油圧ポンプの出力が閾値より小さいと判定されると該電動機兼発電機が発電機として機能する。
これにより、該油圧ポンプの出力が高く、したがってエンジンの負荷が大きいときには、該電動機兼発電機を電動機として作動させて該油圧ポンプをアシスト駆動することで、出力の小さいエンジンでも安定したポンプ出力を得ることができる。したがって、燃料消費量を向上できるとともに、騒音を低減することができる。
【００７７】
また、該油圧ポンプの出力が閾値より小さくエンジンの負荷が低いときには、該電動機兼発電機を発電機として作動させて充電を行うことで、効率の高い経済的な運転を行うことができる。また、エンジンの出力を絞ったり回転数を抑制したりする必要がないのでエンストの防止やエンジン回転変動の抑制を図ることができる。
【００７８】
また、請求項３記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、閾値と油圧ポンプの出力との比較結果に応じて該油圧ポンプの出力を調整するので、常にポンプ出力を最適な値に保持することができる。
また、請求項４記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、エンジン回転数に基づいて油圧ポンプの最大出力を設定するとともに、バッテリの充電量に基づいて該油圧ポンプの出力低減量を設定し、該油圧ポンプの出力が閾値以上であるとポンプ最大出力から出力低減量を差し引いて該油圧ポンプの出力を抑制するので、エンジンへの過負荷を防止することができる。
【００７９】
また、請求項５記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの出力が閾値より小さければ、油圧ポンプの出力の抑制がキャンセルされるので、油圧ポンプの本来の能力を発揮させることができる。
また、請求項６記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの出力が閾値以上である場合には、油圧ポンプの出力と閾値設定手段で設定される閾値との差と、充電量に基づいて設定される電動機出力とのうち、小さいほうの値が該電動機兼発電機の電動機出力としてあらためて設定されるので、電動機の出力を的確に制限することができる。
【００８０】
また、請求項７記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの出力が閾値より小さい場合には、油圧ポンプの出力と閾値設定手段で設定される閾値との差と、充電量に基づいて設定される電動機兼発電機の発電出力のうち大きいほうの値が、該電動機兼発電機の発電出力としてあらためて設定されるので、発電機の出力を的確に制限することができる。
【００８１】
また、請求項８記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプの要求出力と、エンジン回転数に基づいて設定される油圧ポンプの最大出力とを比較して、要求出力が最大出力を超えている場合は、油圧ポンプの要求出力が制限され、エンジンへの過負荷が防止されるので、油圧ポンプを確実に保護することができる。
【００８２】
また、請求項９記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、作業者の操作状況に応じて設定される油圧ポンプの出力要求値と、圧力検出手段で検出された油圧ポンプの吐出圧とを乗算して油圧ポンプの要求出力を算出するので、簡単且つ正確に要求出力を算出することができる。
また、請求項１０記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、電動機兼発電機の発電出力と電動機出力との算出には油圧ポンプの出力の非振動成分が用いられるため、変動の少ない安定した発電出力と電動機出力とが算出され、電動／発電の切り換えの判断には油圧ポンプ出力の非振動成分と振動成分との和が用いられるため、出力の振動に応じて正確に電動機兼発電機を制御することができる。
【００８３】
また、請求項１１記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、油圧ポンプ出力に応じて適切なフィルタが選択されるため、油圧ポンプ出力と充電量とに応じて発電機出力と電動機出力が適切に制限される。
また、請求項１２記載の本発明のハイブリッド式建設機械によれば、電動／発電の切り換えの判断には、油圧ポンプの出力と閾値設定手段で設定される閾値との差に油圧ポンプの振動成分を加えたものが用いられ、その値の符号によって電動機兼発電機の電動／発電の機能が切り換えられるため、油圧ポンプ出力の交流部分の振動が吸収され、結果的にエンジン負荷変動が滑らかになり、より安定した運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械の油圧システム構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械のコントローラ制御ブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、ポンプ出力の振動成分と非振動成分を模式的に表したグラフである。（ａ）にポンプ出力を均した成分としての直流成分を示し、（ｂ）にポンプ出力から直流成分を引いた、交流成分を示している。
【図４】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、電動／発電切替閾値設定器に設定された関数グラフである。
【図５】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、出力削減量設定器に設定されたの関数グラフである。
【図６】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、電動出力設定器に設定されたの関数グラフである。
【図７】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式建設機械における、発電出力設定器に設定されたの関数グラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械の油圧システム構成図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式建設機械のコントローラ制御ブロック図である。
【図１０】第１実施形態及び第２実施形態の変形例に対して説明する図であって、エンジン燃料消費量の出力とエンジン回転数との関数関係を示すグラフである。
【図１１】従来の油圧電動を用いた作業機の油圧システム構成図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 動力伝達機構
３ モータ・ジェネレータ（電動機兼発電機）
４ 油圧ポンプ
４ａ 斜板制御装置
５ コントロールバルブ
６ リモコン弁
６ａ〜６ｅ リモコンレバー
７〜１１ アクチュエータ
１２ 双方向コンバータ（切替制御手段）
１３ コントローラ
１４ バッテリ
１５ 圧力検出器（圧力検出手段）
１６ 斜板角検出器
１７ ポンプ出力調整器（ポンプ出力調整手段）
１８ エンジン回転数設定器（回転数設定手段）
１９ 充電量検出器（充電量検出手段）
２０ 乗算器（ポンプ出力演算手段）
２１ フィルタ（分離手段）
２２ 減算器
２３ 電動／発電切替閾値設定器（閾値設定手段）
２４ 最大出力設定器（ポンプ最大出力設定手段）
２５ 減算器（比較手段又は差算出手段）
２６ 切替信号設定器
２７ 出力削減量設定器（出力低減量設定手段）
２８ 零出力設定器
２９ 信号切替器
３０ 減算器（最大出力抑制手段）
３１ 電動機出力設定器（電動機出力設定手段）
３２ 発電機出力設定器（発電機出力設定手段）
３３ 最小値選択器（最小値選択手段）
３４ 最大値選択器（最大値選択手段）
３５ 信号切替器（選択手段）
３６ 加算器（加算手段）
３７ 電動／発電切替信号設定器（信号設定手段）
４０ａ〜４０ｅ 操作器
４１ コントローラ
４２ バルブ駆動器
４３ 斜板位置調整器（ポンプ出力調整手段）
４４ フィルタ（分離手段）
４５ 減算器
４６ａ〜４６ｅ 斜板要求値設定器（出力要求値設定手段）
４７ 加算器
４８ 最大出力設定器（ポンプ最大出力設定手段）
４９ 電動／発電切替閾値設定器（閾値設定手段）
５０ 出力削減量設定器（出力低減量設定手段）
５１ 電動機出力設定器（電動機出力設定手段）
５２ 発電機出力設定器（発電機出力設定手段）
５３ 斜板要求値制限器
５４ 乗算器（要求出力演算手段）
５５ 減算器（最大出力抑制手段）
５６ 零出力設定器
５７ 信号切替器
５８ 除算器（第２の比較手段）
５９ 動力比制限器（制限手段）
６０ 乗算器
６１ 乗算器（ポンプ出力演算手段）
６２ フィルタ（分離手段）
６３ 減算器
６４ ゲイン設定器
６５ 減算器
６６ 減算器（比較手段又は差算出手段）
６７ 切替信号設定器
６８ 最小値選択器（最小値選択手段）
６９ 最大値選択器（最大値選択手段）
７０ 信号切替器（選択手段）
７１ 加算器（加算手段）
７２ 電動／発電切替信号設定器（信号設定手段）
１００ コントローラ
１０１ 回転数検出計（エンジン回転数センサ）
Claims (12)
- エンジンと電動機兼発電機とを併用して油圧ポンプを駆動しうるハイブリッド式建設機械において、
該油圧ポンプの出力を演算するポンプ出力演算手段と、
該エンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、
該電動機兼発電機の電動機としての機能と発電機としての機能とを切り替える閾値を、該回転数設定手段で設定される該エンジンの回転数に対する関数として設定する閾値設定手段と、
該閾値設定手段で設定される閾値と該ポンプ出力演算手段で演算された該油圧ポンプの出力とを比較する比較手段と、
該比較手段の比較結果に応じて該電動機兼発電機の機能を切換制御する切替制御手段とを有している
ことを特徴とする、ハイブリッド式建設機械。 - 該切替制御手段は、該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値以上であると判定されると該電動機兼発電機を電動機として機能させるとともに、該油圧ポンプの出力が該閾値より小さいと判定されると該電動機兼発電機を発電機として機能させる
ことを特徴とする、請求項１記載のハイブリッド式建設機械。 - 該比較手段の比較結果に応じて該油圧ポンプの出力を調整可能なポンプ出力調整手段を有している
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のハイブリッド式建設機械。 - 該回転数設定手段の設定信号に基づいて該油圧ポンプの最大出力を設定するポンプ最大出力設定手段と、
バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、
該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該油圧ポンプの出力低減量を設定する出力低減量設定手段と、
該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値以上であると判定されると、該ポンプ最大出力設定手段で設定される最大出力から出力低減量設定手段で設定される出力低減量を差し引いて該油圧ポンプの出力を抑制する最大出力抑制手段とを有している
ことを特徴とする、請求項３記載のハイブリッド式建設機械。 - 該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値よりも小さいと判定されると、該最大出力抑制手段による該油圧ポンプの出力の抑制がキャンセルされる
ことを特徴とする、請求項４記載のハイブリッド式建設機械。 - 該比較手段が該ポンプ出力演算手段で演算された該油圧ポンプの出力と該閾値設定手段で設定される閾値との差を演算するように構成されるとともに、
バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、
該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の電動機出力を設定する電動機出力設定手段と、
該電動機出力設定手段で設定された出力と、該比較手段による演算結果とのうち、小さい値を選択する最小値選択手段とを有し、
該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値以上であると判定されると、該最小値選択手段で選択された値が、該電動機兼発電機の電動機出力としてあらためて設定される
ことを特徴とした、請求項１又は２記載のハイブリッド式建設機械。 - 該比較手段が該ポンプ出力演算手段で演算された該油圧ポンプの出力と該閾値設定手段で設定される閾値との差を演算するよう構成されるとともに、
バッテリの充電量を検出する充電量検出手段と、
該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の発電出力を設定する発電機出力設定手段と、
該発電機出力設定手段で設定された出力と、該比較手段による演算結果とのうち、大きい値を選択する最大値選択手段とを有し、
該比較手段により該油圧ポンプの出力が該閾値より小さいと判定されると、該最大値選択手段で選択された値が、該電動機兼発電機の発電機出力としてあらためて設定される
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のハイブリッド式建設機械。 - 該油圧ポンプの要求出力を演算する要求出力演算手段と、
該回転数設定手段の設定信号に基づいて該油圧ポンプの最大出力を設定するポンプ最大出力設定手段と、
該要求出力演算手段で演算された要求出力と該ポンプ最大出力設定手段で設定された最大出力とを比較する第２の比較手段と、
該第２の比較手段により、要求出力が最大出力を超えていると判定された場合は、該油圧ポンプの要求出力を制限する制限手段とを有している
ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のハイブリッド式建設機械。 - 作業者の操作状況に応じて該油圧ポンプの出力要求値を設定する出力要求値設定手段と、
該油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力検出手段とを有し、
要求出力演算手段は、該出力要求値設定手段で設定された要求値と該圧力検出手段で検出された圧力との積を該油圧ポンプの要求出力として算出する
ことを特徴とする、請求項８記載のハイブリッド式建設機械。 - エンジンと電動機兼発電機とを併用して油圧ポンプを駆動しうるハイブリッド式建設機械において、
該油圧ポンプの出力を演算するポンプ出力演算手段と、
該油圧ポンプの回転数を設定する回転数設定手段と、
該回転数設定手段の設定信号に基づいて該電動機兼発電機の電動機としての機能と発電機としての機能とを切り換える閾値を設定する閾値設定手段と、
該油圧ポンプの出力を振動成分と非振動成分とに分離する分離手段と、
該分離手段で分離された該油圧ポンプの非振動成分の出力と、該閾値設定手段で設定される閾値との差を算出する差算出手段と、
バッテリの充電量を検出する充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の電動機出力を設定する電動機出力設定手段と、
該電動機出力設定手段で設定された出力と、該差算出手段で算出された差とのうち、小さい値を選択する最小値選択手段と、
該充電量検出手段からの検出情報に基づいて該電動機兼発電機の発電出力を設定する発電機出力設定手段と、
該発電機出力設定手段で設定された出力と、該差算出手段で算出された差とのうち、大きい値を選択する最大値選択手段と、
該差算出手段で算出された差に応じて、該最小値選択手段で設定される値と、該最大値選択手段で設定される値とを選択する選択手段と、
該選択手段で選択された値と、該分離手段で分離された該油圧ポンプの振動成分とを加算する加算手段と、
該加算手段の結果に応じて、該電動機兼発電機を電動機として機能させるか、又は発電機として機能させるかの信号を設定する信号設定手段と
を有していることを特徴とする、ハイブリッド式建設機械。 - 該差算出手段により算出される値が負の場合には、選択手段により、最大値選択手段の値が選択されるとともに、
該差算出手段により算出される値が正の場合には、選択手段により、最小値選択手段の値が選択される
ことを特徴とする、請求項１０記載のハイブリッド式建設機械。 - 該信号設定手段は、該加算手段で算出された値が負の場合には、該電動機兼発電機を発電機として機能させる信号を設定し、該加算手段で算出された値が正の場合には、電動機として機能させる信号を設定する
ことを特徴とする、請求項１０又は１１記載のハイブリッド式建設機械。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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