JP5355493B2 - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

Description

この発明は、化学反応をともなうタイプのバッテリーを備えたハイブリッド建設機械に関する。

ハイブリッド建設機械のほとんどは、リチウムイオンバッテリー等の化学反応をともなうタイプのバッテリーを備えている。この化学反応をともなうタイプのバッテリーの特性は、その使用温度範囲が限定されていることである。例えば、ある低温Ｔ１以下あるいは高温Ｔ４以上ではバッテリーを使用できず、その温度近傍ではバッテリーの使用可能動力に制限があり、適正温度Ｔ２〜Ｔ３の範囲内のみで正常に使用できるという限界がある。

そのために従来は、化学反応をともなうタイプのバッテリーを建設機械に搭載したときには冷暖房機器を備え、この冷暖房機器で当該バッテリーの温度を上記適正温度Ｔ２〜Ｔ３に保つようにしていた。

特許第３８５９９８２号公報

上記のように従来は冷暖房機器を搭載しなければならないので、そのコストが大幅に上昇するという問題があった。
また、低温地帯で、特に温度が低い朝の初期始動時には、バッテリーを暖房機器で長時間暖めてからでなければ使用できないので、作業性が悪いだけでなく、暖房によるエネルギーロスも大きくなるという問題があった。
一方、高温時でも冷房機器でバッテリーを冷やさなければならないので、高温時と同様に作業性が悪くなるとともに、冷房によるエネルギーロスも大きくなるという問題があった。

この発明の目的は、化学反応をともなうバッテリーを用いながら、低温あるいは高温時でも通常作業を可能にしたハイブリッド建設機械を提供することである。

第１の発明は、メインポンプと、このメインポンプを駆動するエンジンと、合流通路を介してメインポンプの吐出側に接続したアシストポンプと、上記エンジンに対する電動・発電機の出力配分比を制御する出力制御機構と、アクチュエータからの戻り油で回転する油圧モータと、この油圧モータに対する油圧回生量を制御する入力制御機構と、上記アシストポンプおよび油圧モータに連係した電動・発電機と、この電動・発電機に接続した化学反応をともなうバッテリーと、上記エンジン、出力制御機構、入力制御機構およびバッテリーのそれぞれに接続したコントローラとを備えている。

そして、上記コントローラが、バッテリーの温度を検出する機能と、このバッテリーの温度が低温域のしきい値以下もしくは高温域のしきい値を超えているかを判定する機能と、バッテリーの温度が上記低温域のしきい値以下もしくは高温域のしきい値を超えていると判定したとき、上記出力制御機構を制御して電動・発電機の出力配分比を小さくするとともに、電動・発電機の出力配分比を小さくした分、エンジンの出力配分比を大きくする機能と、バッテリーの温度が上記低温域のしきい値以下もしくは高温域のしきい値を超えているとき、入力制御機構を制御して上記油圧モータに対する油圧回生量を小さくする機能とを備えた点に特徴を有する。
なお、この発明は、化学反応をともなうバッテリーであれば、どのようなものに対しても適用でき、バッテリーの種類を特に限定するものではない。

第２の発明は、上記入力制御機構が、アクチュエータと油圧モータとを接続する通路に設けた流量制御用電磁弁である点に特徴を有する。

第３の発明は、上記油圧モータを可変容量型にするとともに、上記入力制御機構は油圧モータの傾転角を制御する傾角制御器からなる点に特徴を有する。

第４の発明は、上記入力制御機構は、上記流量制御用電磁弁および傾角制御器からなる点に特徴を有する。

第５の発明は、上記出力制御機構が、電動・発電機の回転数を制御する構成である点に特徴を有する。

第６の発明は、上記アシストポンプを可変容量型にするとともに、上記出力制御機構はアシストポンプの傾転角を制御する傾角制御器からなる点に特徴を有する。
第７の発明は、上記コントローラが、バッテリーの温度が上記低温域のしきい値以下もしくは高温域しきい値以上にあるとき、バッテリーチャージャーを制御して、バッテリーチャージ量を制限もしくはゼロにする機能を備えた点に特徴を有する。

この発明によれば、バッテリーの温度が適正範囲を超えた低温あるいは高温であっても、作業性に影響を及ぼすことがない。したがって、従来のように冷暖房機器を搭載しなくてもよく、その分、コストが大幅に減少する。しかも、冷暖房によるエネルギーロスもなくなるので、省エネに役立つことになる。
また、ある程度の時間、エンジンを回転していれば、エンジンが温まるので、その熱でバッテリーを温めることができる。したがって、低温時において、暖房機器がなくてもバッテリーの有効活用を図ることができる。

回路図である。 電動機の出力特性を示したグラフである。 エンジンの出力特性を示したグラフである。 バルブを用いた油圧回生量制限特性を示したグラフである。 油圧モータの押し除け容積による油圧回生量制限特性を示したグラフである。 フローチャート図である。

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モータを制御する左走行モータ用の操作弁５を接続している。

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、左走行モータ用の操作弁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。

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モータを制御する右走行モータ用の操作弁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。

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。

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は上記コントローラＣに電気的に接続し、コントローラＣによって、エンジンＥの出力動力や回転数係数を制御できるようにしている。
そして、上記エンジン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、化学反応をともなうリチウムイオンバッテリー２４に充電される。このようにしたバッテリーチャージャー２３は、コントローラＣに接続し、コントローラＣがジェネレータ２２とリチウムイオンバッテリー２４との電気的な接続をオンオフできるようにしている。

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、リチウムイオンバッテリー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。

上記第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。

反対に、ブーム１速用の操作弁１４を図面左方向に切り換えると、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アシストポンプＡＰについて説明する。
上記可変容量型のアシストポンプＡＰは、発電機兼用の電動・発電機ＭＧの駆動力で回転するが、この電動・発電機ＭＧの駆動力によって、可変容量型の油圧モータＡＭも同軸回転する構成にしている。そして、上記電動・発電機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、このコントローラＣで電動・発電機ＭＧの回転数等を制御できるようにしている。
また、上記のようにしたアシストポンプＡＰおよび油圧モータ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。

上記アシストポンプＡＰ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、油圧モータ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で開閉制御される回生流量制御用電磁弁４６を設けるとともに、この回生流量制御用電磁弁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、上記回生流量制御用電磁弁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、例えば回生流量制御用電磁弁４６など、接続用通路４２，４３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。
さらに、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で制御される回生流量制御用電磁弁５０を設けている。

以下には、この実施形態の作用を説明する。
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、アシストポンプＡＰおよび油圧モータ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・発電機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・発電機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・発電機ＭＧを回転し続けた場合には、アシストポンプＡＰおよび油圧モータＡＭも回転し続けるので、当該アシストポンプＡＰおよび油圧モータ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・発電機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ことである。

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。

また、上記のように第１メインポンプＭＰ１あるいは第２メインポンプＭＰ２の吐出量を増大するときには、コントローラＣは、電動・発電機ＭＧを常に回転した状態に保つ。つまり、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出量が最小のときに電動・発電機ＭＧを停止した場合には、コントローラＣは、パイロット圧が低くなったことを検知して、電動・発電機ＭＧを再起動させる。

そして、コントローラＣは、第１，２圧力センサー１１，２１の圧力信号に応じて、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度を制御し、アシストポンプＡＰの吐出量を按分して、第１，２回路系統に供給する。
上記のようにこの実施形態によれば、２つの第１，２圧力センサー１１，２１の圧力信号だけで、コントローラＣが、アシストポンプＡＰの傾転角および第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度を制御できるので、圧力センサーの数を少なくできる。

一方、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、回生流量制御用電磁弁４６を切り換える。このように回生流量制御用電磁弁４６が切り換えられれば、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を経由して油圧モータ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、油圧モータ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は油圧モータ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、油圧モータＡＭの傾転角を制御する。

上記のようにして油圧モータＡＭが回転力を得れば、その回転力は、同軸回転する電動・発電機ＭＧに作用するが、この油圧モータＡＭの回転力は、電動・発電機ＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータＡＭの回転力の分だけ、電動・発電機ＭＧの消費電力を少なくすることができる。
また、上記油圧モータＡＭの回転力でアシストポンプＡＰの回転力をアシストすることもできる。

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、アシストポンプＡＰ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、回生流量制御用電磁弁５０を図示の閉位置に保つとともに、電動・発電機ＭＧの回転数やアシストポンプＡＰ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、回生流量制御用電磁弁５０を開位置に切り換える。

上記のように比例電磁弁３４を閉じて回生流量制御用電磁弁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油圧モータＡＭに供給される。しかし、油圧モータ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、油圧モータＡＭの傾転角や電動・発電機ＭＧの回転数などをもとにして、油圧モータ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、油圧モータＡＭに流体が供給されると、油圧モータＡＭが回転するとともに、その回転力は、同軸回転する電動・発電機ＭＧに作用するが、この油圧モータＡＭの回転力は、電動・発電機ＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータ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・発電機ＭＧに対して電力を供給せず、上記油圧モータＡＭの回転力だけで、アシストポンプＡＰを回転させることもできるが、このときには、油圧モータＡＭおよびアシストポンプＡＰが、上記したのと同様にして圧力変換機能を発揮する。

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

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、アシストポンプＡＰ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。

上記のようにした実施形態において、エンジンＥと電動・発電機ＭＧとの合計出力を１とし、例えば、リチウムイオンバッテリー２４が正常温度範囲にあるときのエンジンＥの出力配分比を０．８、電動・発電機ＭＧの出力配分比を０．２としている。ただし、上記正常温度範囲の出力配分比は、目的に応じて自由に設定することができる。

そして、コントローラＣは、リチウムイオンバッテリー２４の温度を監視し、その温度が、あらかじめ設定した低温域のしきい値以下になったとき、あるいは高温域のしきい値を上回ったとき、以下に説明するように、上記正常温度範囲における出力配分比を調整するようにしている。

上記コントローラＣは、リチウムイオンバッテリー２４の適正温度範囲におけるエンジンＥと電動・発電機ＭＧとの出力配分比をあらかじめ記憶している。例えば、バッテリー温度Ｔｂが、適正温度範囲Ｔ２〜Ｔ３（Ｔ２を上回りＴ３以下）の範囲内にあるときには、図２，３に示すように、エンジンＥの出力配分比を０．８、電動・発電機ＭＧの出力配分比を０．２というようにあらかじめ記憶している。

そして、コントローラＣは、上記温度Ｔｂが上記低温域におけるしきい値温度Ｔ２以下になったときには、その温度変化に応じてエンジンＥの出力配分比を大きくし、その分、電動・発電機ＭＧの出力配分比を小さくする。また、最低温度に関するしきい値温度Ｔ１以下になったときには、電動・発電機ＭＧの出力をゼロにするとともに、電動・発電機ＭＧの分担分をすべてエンジンＥの出力でまかなうようにしている。
つまり、コントローラＣは、電動・発電機ＭＧの出力を上記出力配分に応じて小さくする一方、電動・発電機ＭＧの出力配分を小さくした分、エンジンＥの回転数を大きくして、それらの合計出力が１になるように制御する。

なお、上記のように電動・発電機ＭＧの出力配分を制御するためには、例えば、アシストポンプＡＰの傾角制御器３５を制御して、アシストポンプＡＰの傾転角を制御するようにしてもよい。アシストポンプＡＰの傾転角を小さくすれば、その分、電動・発電機ＭＧの負荷を小さくできるので、実質的に電動・発電機ＭＧの出力配分を小さくできる。

一方、化学反応がともなうリチウムイオンバッテリー２４の場合には、充電するときにも温度の影響を受ける。
そこで、この実施形態では、コントローラＣが上記のようにリチウムイオンバッテリー２４の温度を監視しつつ、一定のしきい値を基準にして油圧回生量を制限するようにしている。

図４は、油圧モータＡＭに流入する回生流量を制御するときの係数特性を示したもので、例えば、コントローラＣは、リチウムイオンバッテリー２４の温度が適正温度範囲Ｔ２〜Ｔ３にあるときには上記係数を１に保ち、この係数１を乗じた出力で回生流量制御用電磁弁４６あるいは５０の開度を制御する。
これに対して、コントローラＣは、リチウムイオンバッテリー２４の温度が低温域のしきい値Ｔ２以下になったときには、上記係数１よりも小さい修正係数を乗じた出力で回生流量制御用電磁弁４６あるいは５０の開度を制御する。したがって、上記適正温度範囲Ｔ２〜Ｔ３にあるときよりも、回生流量制御用電磁弁４６の開度が相対的に小さくなり、油圧回生量が制限されることになる。

さらに、コントローラＣは、リチウムイオンバッテリー２４の温度が高温域のしきい値Ｔ３を超えたときには、上記係数１よりも小さい修正係数を乗じた出力で回生流量制御用電磁弁４６あるいは５０の開度を制御する。したがって、上記適正温度範囲Ｔ２〜Ｔ３にあるときよりも、回生流量制御用電磁弁４６の開度が相対的に小さくなり、油圧回生量が制限されることになる。

また、リチウムイオンバッテリー２４の温度が低温域の最低温度Ｔ１以下になったとき、あるいは高温域の最高温度Ｔ４を超えたときには、コントローラＣは、上記修正係数をゼロにし、上記回生流量制御用電磁弁４６および５０を閉じた状態に保つ。このように回生流量制御用電磁弁４６および５０が閉じた状態を保てば、油圧モータＡＭには回生流量が供給されないので、油圧モータＡＭは回転せず、電動・発電機ＭＧの発電能力もゼロになる。

一方、油圧回生量を制限するためには、上記のように回生流量制御用電磁弁４６，５０を制御するのとは別に、油圧モータＡＭの押し除け容積を制御することによっても達成できるが、このときの押し除け容積の係数特性を示したのが図５である。
図５に示すように、コントローラＣは、リチウムイオンバッテリー２４の温度が適正温度範囲Ｔ２〜Ｔ３にあるときには上記係数を１に保ち、この係数１を乗じた出力で、傾角制御器３６を制御して、油圧モータＡＭの押し除け容積を制御する。

また、コントローラＣは、リチウムイオンバッテリー２４の温度が低温域のしきい値Ｔ２以下になったときには、上記係数１よりも小さい修正係数を乗じた出力で傾角制御器３６を制御して、油圧モータＡＭの押し除け容積を制御する。したがって、上記適正温度範囲Ｔ２〜Ｔ３にあるときよりも、油圧モータＡＭの傾転角が相対的に小さくなり、油圧回生量が制限されることになる。

さらに、コントローラＣは、リチウムイオンバッテリー２４の温度が高温域のしきい値Ｔ３を超えたときには、上記係数１よりも小さい修正係数を乗じた出力で傾角制御器３６を制御して、油圧モータＡＭの押し除け容積を制御する。したがって、上記適正温度範囲Ｔ２〜Ｔ３にあるときよりも、油圧モータＡＭの傾転角が相対的に小さくなり、油圧回生量が制限されることになる。

また、リチウムイオンバッテリー２４の温度が低温域の最低温度Ｔ１以下になったとき、あるいは高温域の最高温度Ｔ４以上になったときには、コントローラＣは、上記修正係数をゼロにし、傾角制御器３６の出力をゼロにするとともに油圧モータＡＭの押し除け容積もゼロにする。このように油圧モータＡＭの押し除け容積がゼロになれば、油圧モータＡＭは回転しないので電動・発電機ＭＧの発電もゼロになる。

上記のようにしたコントローラＣの制御をフローチャートで示したのが図６である。
図６に示すように、コントローラＣは、リチウムイオンバッテリー２４の温度Ｔｂを読み込み、温度Ｔｂが最低温度に関するしきい値温度Ｔ１以下になっているか否かを判定する。もし、温度Ｔｂがしきい値温度Ｔ１以下になっていれば、エンジンＥのみを用いた制御を実行する。

上記リチウムイオンバッテリー２４の温度Ｔｂが上記温度Ｔ１よりも高ければ、その温度Ｔｂが、Ｔ１＜Ｔｂ≦Ｔ２の範囲にあるかどうかを判定し、その範囲内にあれば、その温度範囲に応じてエンジンＥの出力配分比を大きくして、電動・発電機ＭＧの出力配分比を小さくする制御を実行する。

上記リチウムイオンバッテリー２４の温度Ｔｂが上記しきい値Ｔ２よりも高く、上記Ｔ１＜Ｔｂ≦Ｔ２の範囲に入らないときには、上記温度Ｔｂが、Ｔ２＜Ｔｂ≦Ｔ３の範囲にあるかどうかを判定し、その範囲内にあればエンジンＥおよび電動・発電機ＭＧの出力をあらかじめ設定した配分比で制御する。

さらに、上記リチウムイオンバッテリー２４の温度Ｔｂが上記しきい値Ｔ３よりも高く、上記Ｔ２＜Ｔｂ≦Ｔ３の範囲に入らないときには、温度ＴｂがＴ３＜Ｔｂ＜Ｔ４の範囲内に入るかどうかを判定する。そして、温度ＴｂがＴ３＜Ｔｂ＜Ｔ４の範囲内にあれば、その温度範囲に応じてエンジンＥの出力配分比を大きくして、電動・発電機ＭＧの出力配分比を小さくする制御を実行する。
また、温度ＴｂがＴ３＜Ｔｂ＜Ｔ４の範囲内にはなく、Ｔ４≦ＴｂであればエンジンＥのみを用いた制御を実行する。

一方、上記エンジンＥに連結したジェネレータ２２には、バッテリーチャージャー２３を接続しているが、このバッテリーチャージャー２３に対してコントローラＣは、バッテリー温度Ｔｂが、温度Ｔ１をさらに下回ったとき、あるいは温度Ｔ４をさらに上回ったとき、バッテリーチャージをゼロにする制御を実行する。

また、コントローラＣは、バッテリー温度Ｔｂが、Ｔ１＜Ｔｂ≦Ｔ２およびＴ３＜Ｔｂ＜Ｔ４の範囲にあるときには、バッテリーチャージャー２３がバッテリーチャージ量を制限する制御を実行する。
さらに、コントローラＣは、バッテリー温度Ｔｂが、Ｔ２＜Ｔｂ≦Ｔ３の範囲にあるときには、バッテリーチャージャー２３のバッテリーチャージ量を制限しない制御を実行する。

パワーショベルに最適である。

ＭＰ１ 第１メインポンプ
ＭＰ２ 第２メインポンプ
ＲＭ 旋回モータ
ＢＣ ブームシリンダ
Ｃ コントローラ
Ｅ エンジン
２４ リチウムイオンバッテリー
ＡＰ アシストポンプ
３５，３６ 傾角制御器
ＡＭ 油圧モータ
ＭＧ 電動・発電機
３８，３９ 第１，２合流通路
４２ 接続用通路
４６，５０ 回生流量制御用電磁弁

Claims (7)

1. メインポンプと、このメインポンプを駆動するエンジンと、合流通路を介してメインポンプの吐出側に接続したアシストポンプと、上記エンジンに対する電動・発電機の出力配分比を制御する出力制御機構と、アクチュエータからの戻り油で回転する油圧モータと、この油圧モータに対する油圧回生量を制御する入力制御機構と、上記アシストポンプおよび油圧モータに連係した電動・発電機と、この電動・発電機に接続した化学反応をともなうバッテリーと、上記エンジン、出力制御機構、入力制御機構およびバッテリーのそれぞれに接続したコントローラとを備え、コントローラは、バッテリーの温度を検出する機能と、このバッテリーの温度が低温域のしきい値以下もしくは高温域のしきい値を超えているかを判定する機能と、バッテリーの温度が上記低温域のしきい値以下もしくは高温域のしきい値を超えていると判定したとき、上記出力制御機構を制御して電動・発電機の出力配分比を小さくするとともに、電動・発電機の出力配分比を小さくした分、エンジンの出力配分比を大きくする機能と、バッテリーの温度が上記低温域のしきい値以下もしくは高温域のしきい値を超えているとき、入力制御機構を制御して上記油圧モータに対する油圧回生量を小さくする機能とを備えたハイブリッド建設機械。
2. 上記入力制御機構は、アクチュエータと油圧モータとを接続する通路に設けた流量制御用電磁弁である請求項１記載のハイブリッド建設機械。
3. 上記油圧モータを可変容量型にするとともに、上記入力制御機構は油圧モータの傾転角を制御する傾角制御器からなる請求項１記載のハイブリッド建設機械。
4. 上記入力制御機構は、上記流量制御用電磁弁および傾角制御器からなる請求項１記載のハイブリッド建設機械。
5. 上記出力制御機構は、電動・発電機の回転数を制御する構成にした請求項１記載のハイブリッド建設機械。
6. 上記アシストポンプを可変容量型にするとともに、上記出力制御機構はアシストポンプの傾転角を制御する傾角制御器からなる請求項１記載のハイブリッド建設機械。
7. 上記コントローラは、バッテリーの温度が上記低温域のしきい値以下もしくは高温域しきい値以上にあるとき、バッテリーチャージャーを制御して、バッテリーチャージ量を制限もしくはゼロに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。

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