JP5317517B2 - ハイブリッド建設機械の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばパワーショベル等の建設機械の駆動源を制御する制御装置に関する。

従来、建設機械には、相対的に小容量の電動モータを用いるとともに、アクチュエータを作動させるときに、当該電動モータを定格容量以上で使用するのが通常である。このように、わざわざ小容量の電動モータを使用して、それを定格容量以上で使用するのは、次の理由からである。すなわち、電動モータが小容量になれば、その分、コストメリットが大きくなるとともに、建設機械のアクチュエータ、例えば、バケットシリンダ、アームシリンダ、ブームシリンダあるいは旋回モータ等は、その連続作動時間が数秒と非常に短いので、電動モータを定格容量以上で駆動しても焼損等の問題がほとんど発生しないということに基因している。
特開２００２−２７５９４５号公報

上記のように建設機械に相対的に小容量の電動モータを搭載して作業機系のアクチュエータを作動させる分には問題がないが、走行モータを作動させようとしたときには、次のような問題が発生する。例えば、建設機械を移動させる距離が長くなればなるほど、走行モータを連続運転させなければならないが、このような状況で電動モータを定格容量以上で長時間使用していると、電動モータが焼損してしまう。また、焼損を免れたとしても、長時間の連続運転によって消費電力が大きくなるので、移動先でバッテリーが不足して、アクチュエータを作動させることができなくなる。
この発明の目的は、走行モードと走行停止作業モードとで、電動モータの出力を変化させて、走行中の電動モータの焼損やバッテリー不足などを防止できるハイブリッド建設機械の制御装置を提供することである。

この発明は、可変容量型の第１，２メインポンプと、上記第１，２メインポンプに接続するとともにアクチュエータを制御するための複数の操作弁を設けた第１，２回路系統と、第１回路系統に設けるとともに一方の走行モータを制御する第１走行モータ用操作弁と、第２回路系統に設けるとともに他方の走行モータを制御する第２走行モータ用操作弁とを備えたハイブリッド建設機械の制御装置を前提にする。

上記の装置を前提にしつつ、第１の発明は、上記第１，２回路系統のそれぞれに設けるとともにいずれかの操作弁を切り換え操作したときに発生するパイロット圧を上記レギュレータに導くパイロット流路と、これらパイロット流路に設けるとともにパイロット流路のパイロット圧を検出する第１，２圧力センサーと、上記第１，２走行モータ用操作弁のそれぞれに設けるとともにそれら第１，２走行モータ用操作弁の切り換え操作に応じて走行モードかあるいは走行停止作業モードかを検出するモードセンサーと、
可変容量型のサブポンプと、このサブポンプの傾転角を制御する傾角制御器と、上記サブポンプの駆動源である電動モータと、上記サブポンプに接続するとともに第１，２メインポンプの吐出側に連通する第１，２合流通路と、上記第１,２合流通路のそれぞれに設けた第１，２比例電磁絞り弁と、走行時にアシスト制御を必要とするか否かの信号を入力するアシスト制御用入力手段と、上記サブポンプの傾転角および電動モータの回転数を制御するコントローラとを備えている。

そして、上記コントローラは、第１，２走行モータ用操作弁に設けたモードセンサーからの信号で走行モードにあるか走行停止作業モードにあるかを判定する機能と、走行モード時に上記アシスト制御用入力手段からアシストを必要とする信号が入力したとき、電動モータの回転数あるいはサブポンプの傾転角のいずれか一方もしくは双方を、走行停止作業モードよりも相対的に低い低出力設定値に基づいて制御する機能と、上記第１，２圧力センサーからのパイロット信号に応じて、第１，２回路系統の要求流量を演算する機能と、上記第１，２比例電磁絞り弁を制御してサブポンプの吐出量を第１，２回路系統に按分する機能とを備えている。

第２の発明は、そのコントローラが、上記モードセンサーからの入力信号で走行停止作業モードにあると判定したとき、電動モータの回転数あるいはサブポンプの傾転角のいずれか一方もしくは双方を、走行モード時よりも相対的に高い高出力設定値に基づいて制御する機能を備えている。
第３の発明は、コントローラが、走行モード時に上記アシスト制御用入力手段からアシスト不要の信号が入力したとき、電動モータの回転数あるいはサブポンプの傾転角のいずれか一方もしくは双方をゼロ設定にする機能とを備えている。

第４の発明は、ハイパワー設定入力手段を設け、コントローラは、走行モード中にハイパワー設定入力手段からの信号が入力したときその入力信号に応じて、電動モータの回転数あるいはサブポンプの傾転角のいずれか一方もしくは双方を、上記高出力設定値に基づいて制御する機能を備えている。
第５の発明は、上記第１，２回路系統のそれぞれに、いずれかの操作弁を切り換え操作したときに発生するパイロット圧を上記レギュレータに導くパイロット流路を設け、これらパイロット流路にはパイロット圧を検出する圧力センサーを設けている。
一方、上記第１,２合流通路のそれぞれに第１，２比例電磁絞り弁を設け、上記コントローラは、上記圧力センサーからのパイロット信号に応じて、第１，２回路系統の要求流量を演算する機能と、上記第１，２比例電磁絞り弁を制御してサブポンプの吐出量を第１，２回路系統に按分する機能とを備えている。

第１の発明によれば、走行モードでは、電動モータを低出力で作動させられるので、長時間走行でも電動モータが焼損したり、あるいはバッテリー不足が生じたりしない。また、第１，２回路系統の要求流量に応じて、適切な流量を按分することができる。
第２の発明によれば、走行停止作業モード時には従来と同様に最大定格容量の近傍で電動モータを作動させられるので、走行停止作業モードでパワー不足になることはない。
第３の発明によれば、走行モード時にアシスト不要の信号が入力したとき、アシスト力をゼロに設定できるので、無駄なエネルギーを消費しなくてすむ。
第４の発明によれば、ハイパワー設定入力手段からの信号入力によって、走行モードにおいても高出力設定ができるので、例えば、走行中にぬかるみにはまったりしたときにも、そこから容易に脱出することができる。

図１に示した実施形態は、パワーショベルの制御装置で、可変容量型の第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２を備えるとともに、第１メインポンプＭＰ１には第１回路系統を接続し、第２メインポンプＭＰ２には第２回路系統を接続している。
上記第１回路系統には、その上流側から順に、旋回モータＲＭを制御する旋回モータ用の操作弁１、図示していないアームシリンダを制御するアーム１速用の操作弁２、ブームシリンダＢＣを制御するブーム２速用の操作弁３、図示していない予備用アタッチメントを制御する予備用の操作弁４および図示していない左走行用である第１走行用モータを制御する第１走行モータ用操作弁５を接続している。

そして、上記第１走行モータ用操作弁５には、図示していない操作レバーが中立位置にあるかあるいは切り換え操作位置にあるかを検出するモードセンサー５ａを設けている。このモードセンサー５ａは、上記操作レバーが中立位置にあるとき、走行停止作業モード信号を出力し、操作レバーが切り換え操作位置にあるときには走行モード信号を出力するものである。

さらに、上記各操作弁１〜５のそれぞれは、中立流路６およびパラレル通路７を介して第１メインポンプＭＰ１に接続している。
上記中立流路６であって、第１走行モータ用操作弁５の下流側にはパイロット圧生成機構８を設けている。このパイロット圧生成機構８はそこを流れる流量が多ければ高いパイロット圧を生成し、その流量が少なければ低いパイロット圧を生成するものである。
また、上記中立流路６は、上記操作弁１〜５のすべてが中立位置もしくは中立位置近傍にあるとき、第１メインポンプＭＰ１から吐出された流体の全部または一部をタンクＴに導くが、このときにはパイロット圧生成機構８を通過する流量も多くなるので、上記したように高いパイロット圧が生成される。

一方、上記操作弁１〜５がフルストロークの状態で切り換えられると、中立流路６が閉ざされて流体の流通がなくなる。したがって、この場合には、パイロット圧生成機構８を流れる流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。
ただし、操作弁１〜５の操作量によっては、ポンプ吐出量の一部がアクチュエータに導かれ、一部が中立流路６からタンクＴに導かれることになるので、パイロット圧生成機構８は、中立流路６に流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。言い換えると、パイロット圧生成機構８は、操作弁１〜５の操作量に応じたパイロット圧を生成することになる。

そして、上記パイロット圧生成機構８にはパイロット流路９を接続するとともに、このパイロット流路９を、第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御するレギュレータ１０に接続している。このレギュレータ１０は、パイロット圧と逆比例して第１メインポンプＭＰ１の吐出量を制御する。したがって、操作弁１〜５をフルストロークして中立流路６の流れがゼロになったとき、言い換えるとパイロット圧生成機構８が発生するパイロット圧がゼロになったときに第１メインポンプＭＰ１の吐出量が最大に保たれる。

上記のようにしたパイロット流路９には第１圧力センサー１１を接続するとともに、この第１圧力センサー１１で検出した圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。そして、パイロット流路９のパイロット圧は、操作弁の操作量に応じて変化するので、第１圧力センサー１１が検出する圧力信号は、第１回路系統の要求流量に比例することになる。

一方、上記第２回路系統には、その上流側から順に、図示していない右走行用である第２走行用モータを制御する第２走行モータ用操作弁１２、図示していないバケットシリンダを制御するバケット用の操作弁１３、ブームシリンダＢＣを制御するブーム１速用の操作弁１４および図示していないアームシリンダを制御するアーム２速用の操作弁１５を接続している。なお、上記ブーム１速用の操作弁１４には、その操作方向および操作量を検出するセンサー１４ａを設けている。

そして、上記第２走行モータ用操作弁１２には、図示していない操作レバーが中立位置にあるかあるいは切り換え操作位置にあるかを検出するモードセンサー１２ａを設けている。このモードセンサー１２ａは、上記操作レバーが中立位置にあるとき、走行停止作業モード信号を出力し、操作レバーが切り換え操作位置にあるときには走行モード信号を出力するものである。

上記各操作弁１２〜１５は、中立流路１６を介して第２メインポンプＭＰ２に接続するとともに、バケット用の操作弁１３およびブーム１速用の操作弁１４はパラレル通路１７を介して第２メインポンプＭＰ２に接続している。
上記中立流路１６であって、アーム２速用の操作弁１５の下流側にはパイロット圧生成機構１８を設けているが、このパイロット圧生成機構１８は、先に説明したパイロット圧生成機構８と全く同様に機能するものである。

そして、上記パイロット圧生成機構１８にはパイロット流路１９を接続するとともに、このパイロット流路１９を、第２メインポンプＭＰ２の傾転角を制御するレギュレータ２０に接続している。このレギュレータ２０は、パイロット圧と逆比例して第２メインポンプＭＰ２の吐出量を制御する。したがって、操作弁１２〜１５をフルストロークして中立流路１６の流れがゼロになったとき、言い換えるとパイロット圧生成機構１８が発生するパイロット圧がゼロになったとき、第２メインポンプＭＰ２の吐出量が最大に保たれる。
上記のようにしたパイロット流路１９には第２圧力センサー２１を接続するとともに、この第２圧力センサー２１で検出した圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。そして、パイロット流路１９のパイロット圧は、操作弁の操作量に応じて変化するので、第２圧力センサー２１が検出する圧力信号は、第２回路系統の要求流量に比例することになる。

上記のようにした第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２は、一つのエンジンＥの駆動力で同軸回転するものである。このエンジンＥにはジェネレータ２２を設け、エンジンＥの余剰出力でジェネレータ２２を回して発電できるようにしている。そして、ジェネレータ２２が発電した電力は、バッテリーチャージャー２３を介してバッテリー２４に充電される。
なお、上記バッテリーチャージャー２３は、通常の家庭用の電源２５に接続した場合にも、バッテリー２４に電力を充電できるようにしている。つまり、このバッテリーチャージャー２３は、当該装置とは別の独立系電源にも接続可能にしたものである。

また、第１回路系統に接続した旋回モータ用の操作弁１のアクチュエータポートには、旋回モータＲＭに連通する通路２６，２７を接続するとともに、両通路２６，２７のそれぞれにはブレーキ弁２８，２９を接続している。そして、旋回モータ用の操作弁１を図示の中立位置に保っているときには、上記アクチュエータポートが閉じられて旋回モータＲＭは停止状態を維持する。
上記の状態から旋回モータ用の操作弁１を例えば図面右側位置に切り換えると、一方の通路２６が第１メインポンプＭＰ１に接続され、他方の通路２７がタンクＴに連通する。したがって、通路２６から圧力流体が供給されて旋回モータＲＭが回転するとともに、旋回モータＲＭからの戻り流体が通路２７を介してタンクＴに戻される。
旋回モータ用の操作弁１を上記とは逆に左側位置に切り換えると、今度は、通路２７にポンプ吐出流体が供給され、通路２６がタンクＴに連通し、旋回モータＲＭは逆転することになる。

上記のように旋回モータＲＭを駆動しているときには、上記ブレーキ弁２８あるいは２９がリリーフ弁の機能を発揮し、通路２６，２７が設定圧以上になったとき、ブレーキ弁２８，２９が開弁して高圧側の流体を低圧側に導く。また、旋回モータＲＭを回転している状態で、旋回モータ用の操作弁１を中立位置に戻せば、当該操作弁１のアクチュエータポートが閉じられる。このように操作弁１のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータＲＭはその慣性エネルギーで回転し続けるが、旋回モータＲＭが慣性エネルギーで回転することによって、当該旋回モータＲＭがポンプ作用をする。この時には、通路２６，２７、旋回モータＲＭ、ブレーキ弁２８あるいは２９で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁２８あるいは２９によって、上記慣性エネルギーが熱エネルギーに変換されることになる。

一方、ブーム１速用の操作弁１４を中立位置から図面右側位置に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧力流体は、通路３０を経由してブームシリンダＢＣのピストン側室３１に供給されるとともに、そのロッド側室３２からの戻り流体は通路３３を経由してタンクＴに戻され、ブームシリンダＢＣは伸長することになる。
反対に、ブーム１速用の操作弁１４を図面左側位置に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧力流体は、通路３３を経由してブームシリンダＢＣのロッド側室３２に供給されるとともに、そのピストン側室３１からの戻り流体は通路３０を経由してタンクＴに戻され、ブームシリンダＢＣは収縮することになる。なお、ブーム２速用の操作弁３は、上記ブーム１速用の操作弁１４と連動して切り換るものである。
上記のようにしたブームシリンダＢＣのピストン側室３１とブーム１速用の操作弁１４とを結ぶ通路３０には、コントローラＣで開度が制御される比例電磁弁３４を設けている。なお、この比例電磁弁３４はそのノーマル状態で全開位置を保つようにしている。

次に、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の出力をアシストする可変容量型のサブポンプＳＰについて説明する。
上記可変容量型のサブポンプＳＰは、発電機兼用の電動モータＭＧの駆動力で回転するが、この電動モータＭＧの駆動力によって、可変容量型のアシストモータＡＭも同軸回転する構成にしている。そして、上記電動モータＭＧにはインバータＩを接続するとともに、このインバータＩをコントローラＣに接続して、このコントローラＣで電動モータＭＧの回転数等を制御できるようにしている。
また、上記のようにしたサブポンプＳＰおよびアシストモータＡＭの傾転角は傾角制御器３５，３６で制御されるが、この傾角制御器３５，３６は、コントローラＣの出力信号で制御されるものである。

上記サブポンプＳＰには吐出通路３７を接続しているが、この吐出通路３７は、第１メインポンプＭＰ１の吐出側に合流する第１合流通路３８と、第２メインポンプＭＰ２の吐出側に合流する第２合流通路３９とに分岐するとともに、これら第１，２合流通路３８，３９のそれぞれには、コントローラＣの出力信号で開度が制御される第１，２比例電磁絞り弁４０，４１を設けている。

一方、アシストモータＡＭには接続用通路４２を接続しているが、この接続用通路４２は、合流通路４３およびチェック弁４４，４５を介して、旋回モータＲＭに接続した通路２６，２７に接続している。しかも、上記合流通路４３にはコントローラＣで開閉制御される電磁切換弁４６を設けるとともに、この電磁切換弁４６とチェック弁４４，４５との間に、旋回モータＲＭの旋回時の圧力あるいはブレーキ時の圧力を検出する圧力センサー４７を設け、この圧力センサー４７の圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。

また、合流通路４３であって、旋回モータＲＭから接続用通路４２への流れに対して、上記電磁切換弁４６よりも下流側となる位置には、安全弁４８を設けているが、この安全弁４８は、例えば電磁切換弁４６など、接続用通路４２、合流通路４３の系統に故障が生じたとき、通路２６，２７の圧力を維持して旋回モータＲＭがいわゆる逸走するのを防止するものである。
そして、上記ブームシリンダＢＣと上記比例電磁弁３４との間には、接続用通路４２に連通する通路４９を設けるとともに、この通路４９にはコントローラＣで制御される電磁開閉弁５０を設けている。

さらに、上記コントローラＣには、アシスト設定入力手段ＡＩとハイパワー設定入力手段ＨＩとを接続している。上記アシスト設定入力手段ＡＩは、第１，２走行モータ用操作弁５，１２を操作したときに、オペレータがオンオフを決めるもので、アシストを必要とすると判断したときオペレータがオンの操作をするものである。また、ハイパワー設定入力手段ＨＩは、同じくオペレータがオンオフを決めるもので、例えば当該建設機械をぬかるみから脱出させるためにハイパワーを必要とすると判断したとき、オペレータがオンの操作をするものである。

また、第１回路系統の操作弁１〜５を中立位置に保っていれば、第１メインポンプＭＰ１から吐出する流体の全量が中立流路６およびパイロット圧生成機構８を経由してタンクＴに導かれる。このように第１メインポンプＭＰ１の吐出全量がパイロット圧生成機構８を流れるときには、そこで生成されるパイロット圧が高くなるとともに、パイロット流路９にも相対的に高いパイロット圧が導かれる。そして、パイロット流路９に導かれた高いパイロット圧の作用で、レギュレータ１０が動作し、第１メインポンプＭＰ１の吐出量を最小に保つ。このときの高いパイロット圧の圧力信号は、第１圧力センサー１１からコントローラＣに入力される。

また、第２回路系統の操作弁１２〜１５を中立位置に保っているときも、第１回路系統の場合と同様にパイロット圧生成機構１８が相対的に高いパイロット圧を生成するとともに、その高い圧力がレギュレータ２０に作用して、第２メインポンプＭＰ２の吐出量を最小に保つ。そして、このときの高いパイロット圧の圧力信号は、第２圧力センサー２１からコントローラＣに入力される。

上記第１，２圧力センサー１１，２１からコントローラＣに相対的に高い圧力信号が入力すると、コントローラＣは、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２が最小吐出量を維持しているものと判定して傾角制御器３５，３６を制御し、サブポンプＳＰおよびアシストモータＡＭの傾転角をゼロもしくは最小にする。
なお、コントローラＣが、上記のように第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出量が最小である旨の信号を受信したとき、コントローラＣが電動モータＭＧの回転を停止してもよいし、その回転を継続させてもよい。

電動モータＭＧの回転を止める場合には、消費電力を節約できるという効果があり、電動モータＭＧを回転し続けた場合には、サブポンプＳＰおよびアシストモータＡＭも回転し続けるので、当該サブポンプＳＰおよびアシストモータＡＭの起動時のショックを少なくできるという効果がある。いずれにしても、電動モータＭＧを止めるかあるいは回転し続けるかは、当該建機の用途や使用状況に応じて決めればよい。

上記の状況で第１回路系統あるいは第２回路系統のいずれかの操作弁を切り換えれば、その操作量に応じて中立流路６あるいは１６を流れる流量が少なくなり、それにともなってパイロット圧生成機構８あるいは１８で生成されるパイロット圧が低くなる。このようにパイロット圧が低くなれば、それにともなって第１メインポンプＭＰ１あるいは第２メインポンプＭＰ２は、その傾転角を大きくして吐出量を増大させる。
したがって、パイロット流路９あるいは１９のパイロット圧に応じて、第１，２回路系統の要求流量が決まることになる。例えば、パイロット圧が高ければ高いほど、当該回路系統の要求流量が少なく、パイロット圧が低ければ低いほど、当該回路系統の要求流量が多くなる。

次に、コントローラＣの機能を、図２のフローチャート図に基づいて説明する。
コントローラＣは、上記のように第１,２圧力センサー１１,２１からの信号を読み込む（ステップＳ１）とともに、このパイロット圧信号に応じて第１,２回路系統の要求流量の按分比を演算する（ステップＳ２）。
そして、第１，２走行モータ用操作弁５，１２を切り換え操作しているかどうかを検出するモードセンサー５ａ，１２ａからの信号をもとに、コントローラＣは、走行モードにあるかどうかを判定する（ステップＳ３）。なお、走行モードにあるか否かは、第１，２走行モータ用操作弁５，１２を操作しているか否かで判定するが、上記モードセンサー５ａ，１２ａは、第１，２走行モータ用操作弁５，１２の操作レバーの操作位置に応じて、当該モードを検出する。

そして、走行モードにないとき、言い換えると通常の走行停止作業モードにあるときには、コントローラＣは、走行モード時よりも相対的に高い高出力設定になるように制御する。すなわち、当該電動モータＭＧを、高出力設定の範囲内で、しかも定格容量を超えたところで回転させられるように、当該電動モータＭＧのパワー制御値およびトルク制御値を設定する（ステップＳ４，Ｓ５）。ただし、このときの上記パワー制御値およびトルク制御値のそれぞれは、あらかじめ設定されているものである。さらに、コントローラＣは、ステップＳ２で演算した按分比に基づいて、第１,２回路系統に対する分流値を設定する（ステップＳ６）。

そして、コントローラＣは、高出力設定のパワー制御値およびトルク制御値を保ちながら、最も合理的な、電動モータＭＧの回転数およびサブポンプＳＰの傾転角を演算するとともに、その演算された回転数および傾転角で電動モータＭＧの回転数およびサブポンプＳＰの傾転角を制御する（ステップＳ７）。このとき、コントローラＣは、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度を制御して、第１，２回路系統に対してサブポンプＳＰの吐出量を按分して供給できるようにする。

上記のように走行停止作業モードのときは、高出力設定のパワー制御値とトルク制御値をもとにして電動モータＭＧを、定格容量を超えたところで回転させるが、サブポンプＳＰの負荷が大きくなったときには、コントローラＣは、例えば、サブポンプＳＰの傾転角を小さくして、上記高出力設定の範囲内で、パワー制御値とトルク制御値を維持する制御をする。反対に、サブポンプＳＰの負荷が小さくなれば、コントローラＣは、例えば、サブポンプＳＰの傾転角を大きくするか、電動モータＭＧの回転数を上げるか、あるいはそれら傾転角と回転数との両方を同時に制御するかして、上記高出力設定の範囲内でパワー制御値とトルク制御値を維持する制御をする。

一方、第１，２走行モータ用操作弁５，１２の両方あるいはそれらのいずれか一方を操作したときには、それをモードセンサー５ａ，１２ａが検出して、コントローラＣに走行モードに入ったことを知らせる。このときには、コントローラＣは、ステップＳ３からステップＳ８に移行してアシスト制御を必要とするか否かを、オペレータがアシスト設定入力手段ＡＩをオンにしたかどうかで判定する。
オペレータがアシスト設定入力手段ＡＩをオンにしなければ、コントローラＣは、アシストを必要としていないものと判定し、ステップＳ９に移行してアシストゼロの設定をする。アシストゼロの設定をした時には、コントローラＣは、ステップＳ７において、例えば、サブポンプＳＰの傾転角をゼロにするか、あるいは電動モータＭＧの回転数をゼロにする。したがって、無駄なエネルギーを消費しなくてすむ。

また、オペレータがアシスト設定入力手段ＡＩをオンにしたときには、コントローラＣは、ステップＳ１０に移行して、大きなパワーを必要としているか否かを、オペレータがハイパワー設定入力手段ＨＩをオンにしたかどうかで判定する。
通常走行で大きなパワーを必要ないとオペレータが判断し、ハイパワー設定入力手段ＨＩをオンにしなければ、コントローラＣは、ステップＳ１１およびＳ１２に移行して、走行パワー制御値およびトルク制御値を連続走行に適した低出力設定にする。つまり、走行パワー制御値およびトルク制御値は、走行停止作業モードのときよりも小さくし、電動モータＭＧを連続回転しても、当該電動モータＭＧが焼損などしないようにするとともに、その制御値のもとでステップＳ７に移行して、電動モータＭＧの回転数やサブポンプＳＰの傾転角を制御する。

なお、このとき、第１，２圧力センサー１１，２１からの圧力信号によって、コントローラＣは、第１走行モータ用操作弁５あるいは第２走行モータ用操作弁１２の分流値を基にして、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度を制御することは当然である。

さらに、上記ステップＳ１０において、当該建設機械が、例えば、ぬかるみなどにはまって、一時的に大きなパワーを必要するとオペレータが判断し、ハイパワー設定入力手段ＨＩをオンにしたときには、コントローラＣは、ステップＳ１３およびＳ１４に移行して、走行パワー制御値およびトルク制御値を高出力設定にする。つまり、走行パワー制御値およびトルク制御値は、走行停止作業モードのときと同じようにし、電動モータＭＧを、高出力設定の範囲内で、定格容量を超えて回転させられる値にしている。
ステップ１４以降は、上記したと同様に、コントローラＣがステップ６およびステップ７を実行することになる。

上記のようにしたこの実施形態によれば、走行停止作業モードにおいては、電動モータＭＧを、高出力設定の範囲内で定格容量を超えたところで利用できるので、相対的に小さな容量の電動モータを利用することができ、その分、コストダウンを図ることができる。
しかも、走行モードにおいては、低出力設定にできるので、長時間連続運転したとしても当該電動モータが焼損したりしないし、走行過程での消費電力を少なくすることができる。
しかし、走行中であっても、当該建設機械を、例えばぬかるみから脱出させなければならないときに、オペレータの判断で高出力設定に切り替えることができる。したがって、高出力を必要とするときに、パワー不足になったりしない。

また、次には、走行系以外の作業機系のアクチュエータを作動させる場合について説明する。
上記第１回路系統に接続した旋回モータＲＭを駆動するために、旋回モータ用の操作弁１を左右いずれか、例えば図面右側位置に切り換えると、一方の通路２６が第１メインポンプＭＰ１に連通し、他方の通路２７がタンクＴに連通して、旋回モータＲＭを回転させるが、このときの旋回圧はブレーキ弁２８の設定圧に保たれる。また、上記操作弁１を図面左方向に切り換えれば、上記他方の通路２７が第１メインポンプＭＰ１に連通し、上記一方の通路２６がタンクＴに連通して、旋回モータＲＭを回転させるが、このときの旋回圧もブレーキ弁２９の設定圧に保たれる。

また、旋回モータＲＭが旋回している最中に旋回モータ用の操作弁１を中立位置に切り換えると、前記したように通路２６，２７間で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁２８あるいは２９が当該閉回路のブレーキ圧を維持して、慣性エネルギーを熱エネルギーに変換する。
そして、圧力センサー４７は上記旋回圧あるいはブレーキ圧を検出するとともに、その圧力信号をコントローラＣに入力する。コントローラＣは、旋回モータＲＭの旋回あるいはブレーキ動作に影響を及ぼさない範囲内であって、ブレーキ弁２８，２９の設定圧よりも低い圧力を検出したとき、電磁切換弁４６を閉位置から開位置に切り換える。このように電磁切換弁４６が開位置に切り換れば、旋回モータＲＭに導かれた圧力流体は、合流通路４３に流れるとともに安全弁４８および接続用通路４２を経由してアシストモータＡＭに供給される。

このときコントローラＣは、圧力センサー４７からの圧力信号に応じて、アシストモータＡＭの傾転角を制御するが、それは次のとおりである。
すなわち、通路２６あるいは２７の圧力は、旋回動作あるいはブレーキ動作に必要な圧力に保たれていなければ、旋回モータＲＭを旋回させたり、あるいはブレーキをかけたりできなくなる。
そこで、上記通路２６あるいは２７の圧力を、上記旋回圧あるいはブレーキ圧に保つために、コントローラＣはアシストモータＡＭの傾転角を制御しながら、この旋回モータＲＭの負荷を制御するようにしている。つまり、コントローラＣは、圧力センサー４７で検出される圧力が上記旋回モータＲＭの旋回圧あるいはブレーキ圧とほぼ等しくなるように、アシストモータＡＭの傾転角を制御する。

上記のようにしてアシストモータＡＭが回転力を得れば、その回転力は、同軸回転する電動モータＭＧに作用するが、このアシストモータＡＭの回転力は、電動モータＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、アシストモータＡＭの回転力の分だけ、電動モータＭＧの消費電力を少なくすることができる。
また、上記アシストモータＡＭの回転力でサブポンプＳＰの回転力をアシストすることもできるが、このときには、アシストモータＡＭとサブポンプＳＰとが相まって圧力変換機能を発揮する。

つまり、接続用通路４２に流入する流体圧はポンプ吐出圧よりも必ず低い。この低い圧力を利用して、サブポンプＳＰに高い吐出圧を維持させるために、アシストモータＡＭおよびサブポンプＳＰによって増圧機能を発揮させるようにしている。
すなわち、上記アシストモータＡＭの出力は、１回転当たりの押しのけ容積Ｑ_１とそのときの圧力Ｐ_１の積で決まる。また、サブポンプＳＰの出力は１回転当たりの押しのけ容積Ｑ_２と吐出圧Ｐ_２の積で決まる。そして、この実施形態では、アシストモータＡＭとサブポンプＳＰとが同軸回転するので、Ｑ_１×Ｐ_１＝Ｑ_２×Ｐ_２が成立しなければならない。そこで、例えば、アシストモータＡＭの上記押しのけ容積Ｑ_１を上記サブポンプＳＰの押しのけ容積Ｑ_２の３倍すなわちＱ_１＝３Ｑ_２にしたとすれば、上記等式が３Ｑ_２×Ｐ_１＝Ｑ_２×Ｐ_２となる。この式から両辺をＱ_２で割れば、３Ｐ_１＝Ｐ_２が成り立つ。

したがって、サブポンプＳＰの傾転角を変えて、上記押しのけ容積Ｑ_２を制御すれば、アシストモータＡＭの出力で、サブポンプＳＰに所定の吐出圧を維持させることができる。言い換えると、旋回モータＲＭからの流体圧を増圧してサブポンプＳＰから吐出させることができる。
ただし、アシストモータＡＭの傾転角は、上記したように通路２６，２７の圧力を旋回圧あるいはブレーキ圧に保つように制御される。したがって、旋回モータＲＭからの流体を利用する場合には、アシストモータＡＭの傾転角は必然的に決められることになる。このようにアシストモータＡＭの傾転角が決められた中で、上記した圧力変換機能を発揮させるためには、サブポンプＳＰの傾転角を制御することになる。

なお、上記接続用通路４２、合流通路４３の系統の圧力が何らかの原因で、旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなったときには、圧力センサー４７からの圧力信号に基づいてコントローラＣは、電磁切換弁４６を閉じて、旋回モータＲＭに影響を及ぼさないようにする。
また、接続用通路４２に流体の漏れが生じたときには、安全弁４８が機能して通路２６，２７の圧力が必要以上に低くならないようにして、旋回モータＲＭの逸走を防止する。

次に、ブーム１速用の操作弁１４およびそれに連動して第１回路系統のブーム２速用の操作弁３を切り換えて、ブームシリンダＢＣを制御する場合について説明する。
ブームシリンダＢＣを作動させるために、ブーム１速用の操作弁１４およびそれに連動する操作弁３を切り換えると、センサー１４ａによって、上記操作弁１４の操作方向とその操作量が検出されるとともに、その操作信号がコントローラＣに入力される。

上記センサー１４ａの操作信号に応じて、コントローラＣは、オペレータがブームシリンダＢＣを上昇させようとしているのか、あるいは下降させようとしているのかを判定する。ブームシリンダＢＣを上昇させるための信号がコントローラＣに入力すれば、コントローラＣは比例電磁弁３４をノーマル状態に保つ。言い換えると、比例電磁弁３４を全開位置に保つ。このときには、サブポンプＳＰから所定の吐出量が確保されるように、コントローラＣは、電磁開閉弁５０を図示の閉位置に保つとともに、電動モータＭＧの回転数やサブポンプＳＰの傾転角を制御する。

一方、ブームシリンダＢＣを下降させる信号が上記センサー１４ａからコントローラＣに入力すると、コントローラＣは、操作弁１４の操作量に応じて、オペレータが求めているブームシリンダＢＣの下降速度を演算するとともに、比例電磁弁３４を閉じて、電磁開閉弁５０を開位置に切り換える。
上記のように比例電磁弁３４を閉じて電磁開閉弁５０を開位置に切り換えれば、ブームシリンダＢＣの戻り流体の全量がアシストモータＡＭに供給される。しかし、アシストモータＡＭで消費する流量が、オペレータが求めた下降速度を維持するために必要な流量よりも少なければ、ブームシリンダＢＣはオペレータが求めた下降速度を維持できない。このようなときには、コントローラＣは、上記操作弁１４の操作量、アシストモータＡＭの傾転角や電動モータＭＧの回転数などをもとにして、アシストモータＡＭが消費する流量以上の流量をタンクＴに戻すように比例電磁弁３４の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダＢＣの下降速度を維持する。

一方、アシストモータＡＭに流体が供給されると、アシストモータＡＭが回転するとともに、その回転力は、同軸回転する電動モータＭＧに作用するが、このアシストモータＡＭの回転力は、電動モータＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、アシストモータＡＭの回転力の分だけ、消費電力を少なくすることができる。
一方、電動モータＭＧに対して電力を供給せず、上記アシストモータＡＭの回転力だけで、サブポンプＳＰを回転させることもできるが、このときには、アシストモータＡＭおよびサブポンプＳＰが、上記したのと同様にして圧力変換機能を発揮する。

次に、旋回モータＲＭの旋回作動とブームシリンダＢＣの下降作動とを同時に行う場合について説明する。
上記のように旋回モータＲＭを旋回させながら、ブームシリンダＢＣを下降させるときには、旋回モータＲＭからの流体と、ブームシリンダＢＣからの戻り流体とが、接続用通路４２で合流してアシストモータＡＭに供給される。

このとき、接続用通路４２の圧力が上昇すれば、それにともなって合流通路４３側の圧力も上昇するが、その圧力が旋回モータＲＭの旋回圧あるいはブレーキ圧よりも高くなったとしても、チェック弁４４，４５があるので、旋回モータＲＭには影響を及ぼさない。
また、前記したように接続用通路４２側の圧力が旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなれば、コントローラＣは、圧力センサー４７からの圧力信号に基づいて電磁切換弁４６を閉じる。

したがって、旋回モータＲＭの旋回動作とブームシリンダＢＣの下降動作とを上記のように同時に行うときには、上記旋回圧あるいはブレーキ圧にかかわりなく、ブームシリンダＢＣの必要下降速度を基準にしてアシストモータＡＭの傾転角を決めればよい。
いずれにしても、アシストモータＡＭの出力で、サブポンプＳＰの出力をアシストできるとともに、サブポンプＳＰから吐出された流量を、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１で按分して、第１，２回路系統に供給することができる。

一方、アシストモータＡＭを駆動源として電動モータＭＧを発電機として使用するときには、サブポンプＳＰの傾転角をゼロにしてほぼ無負荷状態にし、アシストモータＡＭには、電動モータＭＧを回転させるために必要な出力を維持しておけば、アシストモータＡＭの出力を利用して、電動モータＭＧに発電機能を発揮させることができる。

また、この実施形態では、エンジンＥの出力を利用してジェネレータ２２で発電したり、アシストモータＡＭを利用して電動モータＭＧに発電させたりすることができる。そして、このように発電した電力をバッテリー２４に蓄電するが、この実施形態では家庭用の電源２５を利用してバッテリー２４に蓄電できるようにしているので、電動モータＭＧの電力を多岐にわたって調達することができる。

一方、この実施形態では、旋回モータＲＭやブームシリンダＢＣからの流体を利用してアシストモータＡＭを回転させるとともに、このアシストモータＡＭの出力でサブポンプＳＰや電動モータＭＧをアシストできるので、回生動力を利用するまでの間のエネルギーロスを最小限に抑えることができる。例えば、アクチュエータからの流体を利用して発電機を回し、さらにその発電機で蓄電した電力を利用して電動モータを駆動し、この電動モータの駆動力でアクチュエータを作動させるような場合に比べて、流体圧の回生動力を直接的に利用できる。

なお、図中符号５１，５２は、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の下流側に設けたチェック弁で、サブポンプＳＰから第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２側への流通のみを許容するものである。
上記のようにチェック弁５１，５２を設けるとともに、電磁切換弁４６および電磁開閉弁５０あるいは比例電磁弁３４を設けたので、例えば、サブポンプＳＰおよびアシストモータＡＭ系統が故障した場合に、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２系統と、サブポンプＳＰおよびアシストモータＡＭ系統とを切り離すことができる。特に、電磁切換弁４６，比例電磁弁３４および電磁開閉弁５０は、それらがノーマル状態にあるとき、図面に示すようにスプリングのバネ力で閉位置であるノーマル位置を保つとともに、上記比例電磁弁３４も全開位置であるノーマル位置を保つので、電気系統が故障したとしても、上記のように第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２系統と、サブポンプＳＰおよびアシストモータＡＭ系統とを切り離すことができる。

また、上記旋回モータＲＭあるいはブームシリンダＢＣ以外の作業機系アクチュエータを作動させるときには、それに対応した操作弁を操作すればよいが、これらの操作弁を操作したときにも、パイロット流路９，１９のパイロット圧に応じて、第１，２回路系統の要求流量を把握することができるので、コントローラＣは、前記したように第１，２比例電磁絞り弁４０，４１を制御して、サブポンプＳＰの吐出量を按分して第１，２回路系統に供給することになる。

しかも、旋回モータＲＭ、ブームシリンダＢＣを含めた作業機系を作動させているときには、前記したように高出力設定のもとで、電動モータＭＧは、定格容量を超えた範囲で回転するが、コントローラＣは、旋回モータＲＭあるいはブームシリンダＢＣを作動させたときにそれを検出して、アシストモータＡＭによるアシスト力の分だけ電動モータＭＧの負担を軽くする制御も可能になる。また、電動モータＭＧの負担を軽くするのではなく、アシストモータＡＭのアシスト力の分だけ、パワーアップさせてサブポンプＳＰの出力を上げることもできる。

この発明の実施形態を示す回路図である。 コントローラの制御体系を示すフローチャート図である。

符号の説明

ＭＰ１ 第１メインポンプ
ＭＰ２ 第２メインポンプ
１ 旋回モータ用の操作弁
２ アーム１速用の操作弁
ＢＣ ブームシリンダ
３ ブーム２速用の操作弁
４ 予備用の操作弁
５ 第１走行モータ用の操作弁
９ パイロット流路
１０ レギュレータ
１１ 第１圧力センサー
Ｃ コントローラ
１２ 第２走行モータ用の操作弁
１３ バケット用の操作弁
１４ ブーム１速用の操作弁
１５ アーム２速用の操作弁
１９ パイロット流路
２０ レギュレータ
２１ 第２圧力センサー
ＳＰ サブポンプ
３５，３６ 傾角制御器
ＭＧ 発電機兼用の電動モータ
３８，３９ 第１，２合流通路
４０，４１ 第１，２比例電磁絞り弁
ＡＩ アシスト設定入力手段
ＨＩ ハイパワー設定入力手段

Claims (4)

1. 可変容量型の第１，２メインポンプと、上記第１，２メインポンプに接続するとともにアクチュエータを制御するための複数の操作弁を設けた第１，２回路系統と、第１回路系統に設けるとともに一方の走行モータを制御する第１走行モータ用操作弁と、第２回路系統に設けるとともに他方の走行モータを制御する第２走行モータ用操作弁とを備えたハイブリッド建設機械の制御装置において、
   上記第１，２回路系統のそれぞれに設けるとともにいずれかの操作弁を切り換え操作したときに発生するパイロット圧を上記レギュレータに導くパイロット流路と、
   これらパイロット流路に設けるとともにパイロット流路のパイロット圧を検出する第１，２圧力センサーと、
   上記第１，２走行モータ用操作弁のそれぞれに設けるとともにそれら第１，２走行モータ用操作弁の切り換え操作に応じて走行モードかあるいは走行停止作業モードかを検出するモードセンサーと、
   可変容量型のサブポンプと、
   このサブポンプの傾転角を制御する傾角制御器と、
   上記サブポンプの駆動源である電動モータと、
   上記サブポンプに接続するとともに第１，２メインポンプの吐出側に連通する第１，２合流通路と、
   上記第１,２合流通路のそれぞれに設けた第１，２比例電磁絞り弁と、
   走行時にアシスト制御を必要とするか否かの信号を入力するアシスト制御用入力手段と、
   上記サブポンプの傾転角および電動モータの回転数を制御するコントローラと
   を備え、
   上記コントローラは、第１，２走行モータ用操作弁に設けたモードセンサーからの信号で走行モードにあるか走行停止作業モードにあるかを判定する機能と、
   走行モード時に上記アシスト制御用入力手段からアシストを必要とする信号が入力したとき、電動モータの回転数あるいはサブポンプの傾転角のいずれか一方もしくは双方を、走行停止作業モードよりも相対的に低い低出力設定値に基づいて制御する機能と、
   上記第１，２圧力センサーからのパイロット信号に応じて、第１，２回路系統の要求流量を演算する機能と、
   上記第１，２比例電磁絞り弁を制御してサブポンプの吐出量を第１，２回路系統に按分する機能と
   を備えたハイブリッド建設機械の制御装置。
2. コントローラは、上記モードセンサーからの入力信号で走行停止作業モードにあると判定したとき、電動モータの回転数あるいはサブポンプの傾転角のいずれか一方もしくは双方を、走行モード時よりも相対的に高い高出力設定値に基づいて制御する機能を備えた請求項１記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
3. コントローラは、走行モード時に上記アシスト制御用入力手段からアシスト不要の信号が入力したとき、電動モータの回転数あるいはサブポンプの傾転角のいずれか一方もしくは双方をゼロ設定にする機能とを備えた請求項１又は２記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
4. ハイパワー設定入力手段を設け、コントローラは、走行モード中にハイパワー設定入力手段からの信号が入力したときその入力信号に応じて、電動モータの回転数あるいはサブポンプの傾転角のいずれか一方もしくは双方を、上記高出力設定値に基づいて制御する機能を備えた請求項１又は２のいずれかに記載のハイブリッド建設機械の制御装置。

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