JP5356543B2 - 作業用車両の駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、作業用車両の駆動制御装置に係り、特に、ハイブリッドシステムの作業用車両の制御に用いるに好適な作業用車両の駆動制御装置に関する。

近年、環境問題，原油高騰などの点から、各工業製品に対して省エネ志向が強まっている。これまでディーゼルエンジンによる油圧駆動システムが中心であった建設車両，作業用車両等の分野においてもその傾向にあり、電動化による高効率化，省エネルギ化の事例が増加してきている。

車両の駆動部分を電動化，すなわち動力源を電気モータ（電動機）にした場合、排気ガスの低減のほか，エンジンの高効率駆動（ハイブリッドの場合），伝達効率の向上，回生電力の回収などの省エネルギ効果が期待できる。前述の建設車両，作業用車両等の分野中では，フォークリフトがいち早く電動化を進めており，バッテリの電力を用いてモータを駆動する「バッテリフォークリフト」が他車両に先駆けて実用化されている。これに引き続いて、最近では油圧ショベル、エンジン式フォークリフトなどにおいて、ディーゼルエンジンと電気モータを組み合わせた「ハイブリッド車両」が製品化され始めている。

またその他、このように環境対応が進む建設機械、作業用車両の中で、ハイブリッド化した場合の効果に比較的大きな有効性が見込まれる車両にホイールローダがある。ホイールローダは、エンジンの動力をトルクコンバータ（トルコン）およびトランスミッション（Ｔ／Ｍ）によりタイヤに伝えて走行を行いながら、フロント部の油圧作業装置のバケット部分で土砂等を運搬する作業用車両であり、作業中に頻繁に発進・停止の走行動作を繰り返すため、走行駆動部分を電動化した場合に駆動用電動機から制動時の回生電力の回収が見込める。

このような作業用車両のハイブリッドシステムでは、作業用車両の駆動ユニットは、エンジンと車軸が機械的に連結されたユニットと、油圧ポンプ（あるいは発電機）と油圧モータ（あるいは電動機）によって構成されるユニットを備え、上記２つのユニットを用いて走行用車軸の駆動を行わせるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この駆動ユニットは、伝達効率特性の異なる２つのユニットを有しているため、車両の速度域に応じて選択的に２つのユニットを用いることで車両の走行効率を向上させることが可能となる。

特開平６−２１１０６１号公報

しかしながら、特許文献１記載のものでは、車両を走行する場合において、実際に発生する２つのユニット間の具体的切替方法に関する記載がなされていない。駆動方式の構成が異なる２つのユニット間で駆動軸の伝達動力やエンジン動力に変動を生じさせずにスムーズに切替えることは容易ではない。特に一方の走行駆動装置がトルコンを用いている場合、トルコンのトルク特性が入出力速度比によって一義的に決まるため、前述のホイールローダのように、車両フロント部にある油圧作業装置のために既にエンジンが定格域付近で稼動している状態においてトルコン駆動に切替た際には大きな駆動力の変動が発生することが考えられる。

本発明の目的は、ホイールローダのようなフロント部の油圧作業装置とトルコンによる走行駆動装置、および電動機による走行駆動装置を有する作業用車両用ハイブリッド走行駆動制御装置において、走行駆動装置の切替時にも動力の変動がなく、かつ高効率特性を有する作業用車両の駆動制御装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、該エンジンにより駆動される発電機と、前記エンジンにより駆動されるとともに作業装置の駆動源となる油圧ポンプと、前記エンジンの動力をトルクコンバータおよびトランスミッションで駆動輪に伝達して走行する第１の走行駆動装置と、前記発電機より出力された電力により電動機を駆動して走行する第２の走行駆動装置とを有する作業用車両に用いられ、前記第１の走行駆動装置と前記第２の走行駆動装置とを切替える駆動力切替手段を有する作業用車両の駆動制御装置であって、前記駆動力切替手段は、車両の走行速度に応じて、高速域を前記第１の走行駆動装置で、低速域を前記第２の走行駆動装置でそれぞれ駆動できるように切替えて車両を走行させる走行手段切替部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、ホイールローダのようなフロント部の油圧作業装置とトルコンによる走行駆動装置、および電動機による走行駆動装置を有する作業用車両用ハイブリッド走行駆動制御装置において、走行駆動装置の切替時にも動力の変動がなく、かつ高効率特性を有するものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記走行手段切替部は、前記第２の走行駆動装置から前記第１の走行駆動装置に切替える際に、前記エンジンの回転変動、前記作業用車両の走行駆動力の変動、ならびに前記作業装置の駆動力の変動を抑制するように、少なくとも前記発電機による前記エンジンの回転数制御、および前記電動機のトルク制御、および前記油圧ポンプの流量制御を行うようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記駆動力切替手段は、運転状態検出部を備え、該運転状態検出部は、少なくともアクセル開度、ブレーキ開度、作業装置用レバー操作量、前記油圧ポンプの圧力および流量、前記エンジンの回転数、前記電動機の回転数およびトルク、および車速の情報に基づいて、現在の走行駆動動作点、およびエンジン動作点、および作業装置の動力を検出するようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記発電機より出力される電力、および前記電動機から発生される走行回生電力を蓄え、必要に応じて蓄えた電力を放電する蓄電装置を備えるようにしたものである。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記駆動制御手段は、蓄電装置制御部を備え、該蓄電手段制御部は、少なくとも前記エンジンのトルクアシスト分の電力量、ならびに前記第２の走行駆動装置から前記第１の走行駆動装置に切替える際の変動抑制に必要な電力量、ならびに走行回生電力の充放電量を前記蓄電手段に確保するように前記蓄電装置の充放電を制御するようにしたものである。

（６）上記（１）において、好ましくは、前記駆動力切替手段は、切替ＯＮ／ＯＦＦスイッチを備え、該切替ＯＮ／ＯＦＦスイッチは、手動による操作により、前記第１の走行駆動装置と前記第２の走行駆動装置との切替を停止し、前記第１の走行駆動装置のみの走行動作、あるいは前記第２の走行駆動装置のみの走行動作を行うようにしたものである。

本発明によれば、ホイールローダのようなフロント部の油圧作業装置とトルコンによる走行駆動装置、および電動機による走行駆動装置を有する作業用車両用ハイブリッド走行駆動制御装置において、走行駆動装置の切替時にも動力の変動がなく、かつ高効率特性を有するものとなる。

本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置を適用した作業用車両のハイブリッド駆動システムの構成を示すシステム構成図である。 本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置により駆動制御される第１，第２の走行駆動装置の特性図である。 本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置の切替を実施する駆動力切替手段の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置の切替時のトルク変動発生のメカニズムの説明図である。 本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置に用いる変動補償部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置に用いる変動補償部の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態による作業車両の駆動制御装置を適用した作業用車両のハイブリッド駆動システムの構成を示すシステム構成図である。 本発明の第２の実施形態による作業車両の駆動制御装置を適用した作業用車両のハイブリッド駆動システムにおけるキャパシタのエネルギ（電力量）使用内訳の説明図である。 本発明の第３の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置の切替を実施する駆動力切替手段の構成を示すブロック図である。

以下、図１〜図７を用いて、本発明の第１の実施形態による作業用車両の駆動制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による作業車両の駆動制御装置を適用した作業用車両のハイブリッド駆動システムの構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置を適用した作業用車両のハイブリッド駆動システムの構成を示すシステム構成図である。

本実施形態では、作業用車両の例として、ホイールローダに適用した駆動システムの構成について説明する。

エンジン１の動力は、トルクコンバータ（トルコン）５およびトランスミッション（Ｔ／Ｍ）６により出力軸（プロペラシャフト）７を介してタイヤに伝えられ、車両が走行する。ここで、トルクコンバータ（トルコン）５およびトランスミッション（Ｔ／Ｍ）６が、第１の走行駆動装置１２を構成する。

また、走行駆動用の電動機８は、出力軸（プロペラシャフト）７の軸上に取り付けられている。電動機８としては、例えば、誘導電動機が用いられる。なお、電動機８として、同期電動機を用いることもできる。

さらに、エンジン１の出力軸には、モータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）２が連結されている。モータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）２は、通常は、ジェネレータとして動作する。モータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）２が出力する交流電力は、インバータ３により直流電力に変換され、蓄電手段４に蓄電される。

ここで、蓄電装置４は、２次電池などの容量の大きいものでも適用可能であるが、搭載スペース、かかるコスト、充放電の応答速度等を考慮して、大容量のキャパシタ（電気２重層キャパシタ）を想定している。電気２重層キャパシタは、通常のコンデンサに対して比較的容量も大きいため、ある程度の電気的仕事（例えば数１０ｋＷ、数秒程度の仕事）に蓄電された電力を利用することが可能である。但し、電気２重層キャパシタは、容量の大きな２次電池に比べれば容量が小さいため、インバータ３が出力する直流電力は、別のインバータ１３により交流電力に変換され、電動機８の駆動のために用いられる。すなわち、電動機８は、エンジン１によって駆動されるモータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）２の出力電力によって駆動される。ここで、インバータ１３と電動機８により、第２の走行駆動装置を構成する。

車両の走行は、トルコン５＋Ｔ／Ｍ６で駆動される第１の走行駆動装置１２と、電動機８で駆動される第２の走行駆動装置１３とで切替られる走行パラレル型のハイブリッド式走行駆動装置である。

また、ホイールローダは、土砂などの負荷物に対して掘削作業や運搬作業を行うフロントの油圧作業装置１０、ならびに油圧作業装置１０に油を供給するメインポンプ１１を備えていて、前記油圧作業装置１０内に構成される油圧シリンダ１４を動作させ、目的に応じた作業を実施する。メインポンプ１１は、エンジン１により駆動される。

なお、インバータ３は、蓄電手段４の蓄電力をにより交流電力に変換される。モータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）２は、この交流電力により駆動され、トルコン５及びＴ／Ｍ６を介して車両を走行させたり、メインポンプ１１を駆動することにも使用できる。

また、蓄電手段４の入出力部分には、後述するＤＣＤＣコンバータ（チョッパ）が設けられる。

次に、図２を用いて、本発明の第１の実施形態による作業用車両の駆動制御装置の構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

駆動制御装置２０は、図１に示した駆動システム全体の制御を行う部分である。駆動制御装置２０は、コントロールバルブ（Ｃ／Ｖ）制御装置２１と、メインポンプ制御装置２２と、エンジン制御装置２３と、Ｔ／Ｍ制御装置２４と、インバータ制御装置２５の各コントローラの上位に位置し、システム全体の制御を行っており、システム全体が最高のパフォーマンスを発揮するように各制御装置２１，…．２５に具体的動作の指令を与える。

コントロールバルブ（Ｃ／Ｖ）制御装置２１は、図１に示したコントロールバルブ（Ｃ／Ｖ）１０を制御する。メインポンプ制御装置２２は、図１に示したメインポンプ１１を制御する。エンジン制御装置２３は、図１に示したエンジン１を制御する。Ｔ／Ｍ制御装置２４は、図１に示したトランスミッション（Ｔ／Ｍ）６を制御する。インバータ制御装置２５は、図１に示したインバータ３，９や、ＤＣＤＣコンバータ（チョッパ）４２を制御する。なお、インバータ制御装置２５は、Ｍ／Ｇ２、および電動機８のコントローラが一体となっているが、別体でも良いものである。

なお、駆動制御装置２０と各制御装置２１，…，２５間は、一般的にＣＡＮを用いて通信を行われる。また、各制御装置は、必ずしも他制御装置と別体ではなく、ある一つの制御装置に２つ以上の制御機能を実装してもよいものである。

次に、図３を用いて、本発明の第１の実施形態による作業用車両の駆動制御装置により駆動制御される第１，第２の走行駆動装置１２，１３の特性について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置により駆動制御される第１，第２の走行駆動装置の特性図である。

本実施形態では、図２に示したような制御装置の構成により、作業用車両の駆動装置を制御して走行することになるが、実際トルコン５とＴ／Ｍ６で構成される第１の走行駆動装置１２の伝達効率は、その駆動装置の動作点により変化する特性を有している。なお、本実施例で述べる伝達効率とは、エンジンが発生する動力が車輪に伝わるまでの効率として定義している。一般に、トルコンは低速走行駆動域においてはさほど伝達効率は高くなく、より高速走行域になった場合に伝達効率が改善してくる傾向にある。特に高速走行域においてトルコンはロックアップして機械的に連結できるため、相当に高い伝達効率で駆動することが可能である。

これに対してＭ／Ｇ２およびインバータ３、電動機８およびインバータ９で構成される第２の走行駆動装置１３は電気的な動力伝達となるため、走行動作点によらず、あまり変動ない一様な伝達効率特性の分布となっている。

よって、上記２つの走行駆動装置は車両の走行動作点に応じて、伝達効率の高低が逆転する傾向にある。そこで、この伝達効率の高低が反転する特性を用いて、使用する走行駆動装置を選択的に決定すれば、全走行動作域に対して高効率に動力を伝達することが可能となる。

図３は、その走行駆動装置の伝達効率の高低関係に関する特性を模式的に示している。図３の横軸を車速を示し、縦軸は車両の走行駆動力を示している。

これによると、ある車速（図３中、点線で記載）を境に、高速側では、第１の走行駆動装置の伝達効率が、他方第２の走行駆動装置の伝達効率を上回る。反対に、低速側では、第２の走行駆動装置の伝達効率が、第１の走行駆動装置の伝達効率を上回る。この特性は個々の駆動装置によって細かい違いはあるものの、大多数はほぼ同様な特性になる。また、図３に破線で示す２つの走行駆動装置の伝達効率高低が反転する境界については、これも機種等によって変動する要因であり、一義的に決まるものではない。よって、上記のように車両走行動作点に応じて走行駆動装置を切替える際には、予め動作点に応じた各走行駆動装置の伝達効率特性を取得し、その特性を制御装置内に記憶させておくことが必要である。

例えば、動作点Ｘにて走行していた状態から、車速が増加し、動作点Ｚに移行する場合、途中、点線と交差する動作点Ｙにおいて、第２の走行駆動装置１３の動作点Ａから、第１の走行駆動装置１２の動作点Ｂに切替える必要がある。なお、動作点Ａ及び動作点Ｂは、車速及び走行駆動力は同じ動作点であるが、動作点Ａは第２の走行駆動装置１３による動作点であり、動作点Ｂは第１の走行駆動装置１２による動作点である。

ここで、図４を用いて、本発明の第１の実施形態による作業用車両の駆動制御装置による走行駆動装置の切替方法について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置の切替を実施する駆動力切替手段の構成を示すブロック図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。

走行駆動装置の切替を実施する駆動力切替手段２０Ａは、図１に示した駆動制御装置２０の内部に構成される。駆動力切替手段２０Ａは、主に運転状態検出部２０Ａ１と、走行手段切替部２０Ａ２と、変動補償部２０Ａ３とで構成される。

運転状態検出部２０Ａ１には、アクセル開度センサＳ１からアクセル開度の情報が入力し、ブレーキペダルセンサＳ２からブレーキの踏み込み量の情報が入力し、フロント部レバーセンサＳ３からはフロント部レバーの操作位置の情報が入力し、ポンプ圧／流量センサＳ４からポンプ圧力及びポンプ流量の情報が入力し、Ｔ／Ｍシフト位置センサＳ５からトランスミッション（Ｔ／Ｍ）６のシフト位置の情報が入力し、エンジン回転数センサＳ６からエンジン回転数の情報が入力し、走行モータ回転数センサＳ７から走行電動機９の回転数の情報が入力し、車速センサＳ８から車速の情報が入力する。また、運転状態検出部２０Ａ１には、駆動制御装置２０からは、モータトルクの推定値の情報が入力する。

運転状態検出部２０Ａ１は、これらの各入力情報に基づいて、現在の車両の走行動作点（車速，駆動力），エンジン動作点，フロント部動力を演算し、走行切替部２０Ａ２及び変動補償部２０Ａ３に、演算結果を出力する。

走行手段切替部２０Ａ２は、入力した走行動作点に応じて、動力伝達効率の高い走行駆動装置を選択する。このとき、理想的動作としては、第１の走行駆動装置（トルコン＋Ｔ／Ｍ）から第２の走行駆動装置（電動機）に切替える際にはＴ／Ｍシフト指令にてニュートラルを指令し、トルコン５からの出力をプロペラシャフト７に伝えないようにして、電動機８のみにて走行に必要な駆動力を出力させるようにする。また、反対に第２の走行駆動装置（電動機）から第１の走行駆動装置（トルコン＋Ｔ／Ｍ）に切替える際には、電動機８の出力を０（フリーラン）にすると共に、Ｔ／Ｍシフト指令にてあるシフトポジションを指令し、トルコン５からの出力をプロペラシャフト７に伝えるように操作する。このように、現在の車両の走行動作点に応じて、２つの走行駆動装置のうち、伝達効率の高い走行駆動装置を選択し、走行することで、広い走行動作範囲において高効率駆動が可能な走行駆動装置を提供することが可能となる。

また、走行手段切替部２０Ａ２は、入力した走行動作点，エンジン動作点，フロント部動力に応じたＴ／Ｍトルク指令をＴ／Ｍ制御装置２４に出力し、Ｍ／Ｇ発電指令やモータトルク指令をインバータ制御装置２５に出力し、エンジン指令をエンジン制御装置２３に出力する。

なお、駆動切替時の各部の動力変動を考慮しなければ、上記の処理によって、第１の走行駆動装置と第２の走行駆動装置との間の駆動切替は実施することができる。しかしながら、実際にはホイールローダの動作内容を考えると、第２の走行駆動装置、すなわち電動機で走行を行った場合でもフロント部の作業装置は油圧システムにより作業を実施していることがほとんどであるため、第１の走行駆動装置、すなわちトルコンに動力を伝えるように切替た際には、そのトルコンのトルク特性の影響で走行動力が大きく変動する可能性がある。

ここで、図５を用いて、本発明の第１の実施形態による作業用車両の駆動制御装置における走行駆動装置の切替時のトルク変動発生のメカニズムについて説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置の切替時のトルク変動発生のメカニズムの説明図である。

図５は、エンジン出力範囲とトルコンの入出力速度比に対するトルク特性の関係を示している。図５において、トルコン速度比線１〜５はそれぞれ、トルコンの入出力速度比に応じた出力トルクの変化を示している。なお、トルコン速度比線が線１から線５に変化するにつれて、速度比は小さくなる傾向である。

図５において、車両は第２の走行駆動装置（電動機）を用いて動作点Ａにて駆動されていて、この動作点Ａから第１の走行駆動装置（トルコン＋Ｔ／Ｍ）に駆動が切替られた場合に同等の走行駆動力が得られる動作点がトルコン速度比４上の動作点Ｂであったと仮定する。図中、一点鎖線は、等駆動力曲線を示している。例えば、第２の走行駆動装置の動作点Ａに対して、第１の走行駆動装置に切替え、かつ、第１の走行駆動装置がトルコン速度曲線４を利用する場合、トルコン速度曲線４と、動作点Ａを通る等駆動力曲線が交わる点が、動作点Ｂである。

第１の走行駆動装置における動作点Ａから、第２の走行駆動装置における動作点Ｂに切替える際、動作点Ａにおけるエンジン回転数はＮ１であり、動作点Ｂにおけるエンジン回転数をＮ２とすると、動作点Ａにてトルコンを動力伝達経路として接続させた場合には、切替時点でのトルコン速度比によって出力トルクが決まるため、動作点Ｃのように、動作点Ａと同じエンジン回転数でのトルクにトルコン出力トルクが落ち込むことになる。このような走行動力の減少が生じたときには、車両が減速し、所要の加速性能を得られない。

そこで、このような走行トルクの減少を補償するため、走行駆動装置の切替時、電動機８の出力を直ちに０にするのではなく、減少分のトルクを出力継続するように動作させる。電動機８から出力するトルクは、トルコンの出力トルクの増加に応じて次第に減少させるようにする。さらに、エンジンの回転数は動作点Ｂに向かって加速させる必要があり、エンジン１自体の発生軸トルクのみの加速では所要の加速度を得られない場合は、Ｍ／Ｇ２でエンジン軸の加速アシストを行うようにする。

このように、電動機８ならびにＭ／Ｇ２を用いて、走行駆動装置切替時の走行動力ならびにエンジン回転数を補償することで、第２の走行駆動装置から第１の走行駆動装置へのスムーズな切替が可能となる。

以上のような走行駆動装置の切替時の変動補償は、駆動力切替手段２０Ａの変動補償部２０Ａ３にて行う。図４の変動補償部２０Ａ３は、Ｔ／Ｍシフト位置センサＳ５からトランスミッション（Ｔ／Ｍ）６のシフト位置の情報と、エンジン回転数センサＳ６からエンジン回転数の情報と、車速センサＳ８から車速の情報と、運転状態検出部２０Ａ１が出力する現在の車両の走行動作点（車速，駆動力），エンジン動作点，フロント部動力に基づいて、走行駆動装置切替時の動力補償指令を出力する。

次に、図６及び図７を用いて、本発明の第１の実施形態による作業用車両の駆動制御装置に用いる変動補償部２０Ａ３の構成及び動作について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置に用いる変動補償部の構成を示すブロック図である。なお、図２及び図４と同一符号は、同一部分を示している。図７は、本発明の第１の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置に用いる変動補償部の動作を示すタイミングチャートである。

変動補償部２０Ａ３は、走行手段切替部２０Ａ２から切替信号が入力されると、Ｔ／Ｍシフト位置，エンジン回転数，車速をそれぞれ入力し、切替後のトルコン出力トルクを推定し、その値と運転状態検出部２０Ａ１にて演算された走行動作点のトルクとの差分を電動機８のトルク指令として出力する。

また、この際、運転状態検出部２０Ａ１にて演算された走行動作点、フロント部油圧作業装置１０の動力を入力し、切替後のエンジン動作点を決定し、そのエンジン回転数を目標値としてＭ／Ｇ２に回転数指令を与える。これは、Ｍ／Ｇ２をモータとして使用し、モータの回転数を素早く上昇することで、Ｍ／Ｇ２に連結されたエンジン１の回転数上昇をアシストする。

さらには、エンジンの動作点、およびフロント部油圧作業装置１０の動力に応じて、随時、メインポンプ１１の傾転指令を出力する。すなわち、動作点Ａから動作点Ｂへの切替時に、エンジン回転数が変化すると、ポンプ１１の流量が変化し、油圧が変化するため、作業装置１０の位置等が変化する。ポンプ１１として、例えば、斜板式のポンプを用いる場合、油圧変動を防止するため、斜板の傾斜角を変えて、油圧を一定に保持する。

以上の動力補償をエンジン動作点が目標動作点（図３の動作点Ｂ）まで到達し、切替動作が終了したと判断するまで繰り返す。

図７において、横軸は時間を示している。図７（Ａ）はエンジン１の回転数を示し、図７（Ｂ）はトルコン５及び変速機６の駆動力を示し、図７（Ｃ）はエンジン１の駆動力を示している。また、図７（Ｄ）はモータ８の駆動力を示し、図７（Ｅ）は車両全体に対する駆動力を示している。

図７の時刻ｔ１において、第１の走行駆動装置における動作点Ａから、第２の走行駆動装置における動作点Ｂに切替え指令が発せられると、図４の走行手段切替部２０Ａ２は、エンジン制御装置２３にエンジン指令を出力する。時刻ｔ１において、図７（Ａ）に示すように、エンジン回転数はＮ１であるが、次第に上昇し、時刻ｔ２において、回転数Ｎ２まで上昇する。

このとき、図７（Ｂ）に示すように、トルコン５及び変速機６の駆動力は、時刻ｔ１において、トルコン５の作用によりステップ的に立ち上がった後は、図７（Ａ）に示したエンジン回転数の上昇に応じて，増加する。

一方、図７（Ｃ）に示すように、図３にて説明した動作点Ａから動作点Ｃに変化したことにより、エンジン駆動力は一時的に減少する。

それに対して、図７（Ｄ）に示すように、モータ８の駆動力を発生することで、車両に対する駆動力をアシストしている。

図７（Ｅ）において、実線は本実施形態によって変動補償された場合の、車両全体の駆動力を示している。一方、破線は、変動補償されない場合の車両全体の駆動力を示している。図７（Ｂ）に示したように、エンジン回転数が低下すると、車両全体の駆動力が減少する。それに対して、図７（Ｄ）に示すように、時刻ｔ１において、図７（Ｂ）に示したトルコン５の駆動力のステップ的な上昇に対応して、モータ８の駆動力をステップ的に減少する。その後は、図７（Ａ）に示したエンジン回転数の上昇に応じて、図７（Ｂ）に示すようにトルコン５の駆動力が増加するにつれて、モータ８の駆動力を減少させる。これにより、図７（Ｅ）に実線で示すように、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の動作点の切替の際にも、車両全体の駆動力を一定に保つことが可能となる。

以上のように、電動機にてトルコン出力トルクを補償し、エンジン回転数の加速をＭ／Ｇにてアシストすることにより、走行駆動装置切替時の変動をなくし、スムーズな切替を実現することができる。
なお、以上の説明では、第２の走行駆動装置から第１の走行駆動装置への切替時の動力変動補償方法について述べている。逆に第１の走行駆動装置から第２の走行駆動装置へ切替える場合においては、電動機６の電気的応答が機械的動作応答に対して非常に速いため、この電動機８の出力トルクを変動なく発生させるように制御すればよいものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、走行駆動装置の切替時にも動力の変動がなく、かつ高効率特性を有するものとなる。

次に、図８及び図９を用いて、本発明の第２の実施形態による作業用車両の駆動制御装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による作業車両の駆動制御装置を適用した作業用車両のハイブリッド駆動システムの構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による作業車両の作業用車両の駆動制御装置の構成は、図２に示したものと同様である。さらに、本実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置の切替を実施する駆動力切替手段の構成は、図４に示したものと同様である。

図８は、本発明の第２の実施形態による作業車両の駆動制御装置を適用した作業用車両のハイブリッド駆動システムの構成を示すシステム構成図である。図９は、本発明の第２の実施形態による作業車両の駆動制御装置を適用した作業用車両のハイブリッド駆動システムにおけるキャパシタのエネルギ（電力量）使用内訳の説明図である。なお、図１及び図４と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、第１の実施形態で説明した走行駆動装置の切替時において、さらに、蓄電装置の瞬時的な電力利用により電動機８およびＭ／Ｇ２を制御するようにしている。本実施形態で対象としている駆動制御装置は、図１に示すように、走行部がトルコン＋Ｔ／Ｍで駆動される装置と電動機で駆動される装置で切替られる走行パラレル型のハイブリッド式走行駆動装置である。

本実施形態では、電動機８を駆動するための電力源は、エンジン１に連結されたＭ／Ｇ２の発電電力のほかに、蓄電装置４を用いている。蓄電装置４は、２次電池などの容量の大きいものでも適用可能であるが、搭載スペース、かかるコスト、充放電の応答速度等を考慮して、大容量のキャパシタ４１（電気２重層キャパシタ）を用いている。電気２重層キャパシタは、通常のコンデンサに対して比較的容量も大きいため、ある程度の電気的仕事（例えば数１０ｋＷ、数秒程度の仕事）に蓄電された電力を利用することが可能である。ここで、第１の実施形態で述べたように、走行駆動装置の切替時に電動機８やＭ／Ｇ２を駆動し、動力補償するためには、蓄電装置４に相当の電力が必要である。

また、通常、作業用車両をハイブリッド化した場合、エンジンは小型化される傾向にあり、掘削等の油圧作業をしながら走行動作を行う際にはエンジン１のみの動力では不足するため、エンジン１に連結されたＭ／Ｇ２を用いて、エンジンのトルクアシストを実施する。

このような場合においても、走行駆動装置切替時と同様に、蓄電装置４に相当の電力が必要となる。さらに、作業用車両において走行部を電動化した場合には、車両制動時の回生電力を蓄電装置に回収し、それをムダなく電動機駆動に使用することが必要である。この回生による充放電動作は、車両の発進・停止毎、常に繰り返し行われている可能性がある。それに対して、上述の走行駆動装置切替時の変動補償や、エンジントルクアシストモードはそれほど頻繁には起こらない動作である。

従って、蓄電装置の充放電の制御方式は、頻繁に充放電を繰り返す回生電力部分と、頻繁ではない切替時の変動補償や、エンジンアシストモードに用いる電力を分けて管理することで、電力の過不足がない適正なエネルギ（あるいはパワー）マネジメント制御を実行することができる。

このような蓄電装置４の制御のために、駆動制御装置２０の内部に蓄電装置制御手段２０Ｂを設けている。

図８は、蓄電装置制御手段２０Ｂの構成を示している。本例の蓄電装置４としては、大容量の電気２重層キャパシタ４１を用いている。ここで、キャパシタ４１は、ＤＣＤＣコンバータ（チョッパ）４２により電圧の昇降圧動作が行われ、電動機用のインバータ９、Ｍ／Ｇ用のインバータ３に対し、直流電力の充放電を行う。但し、Ｍ／Ｇ２の発電電力を直接電動機８で消費（駆動）する場合や、電動機８で回生した電力を直接Ｍ／Ｇ２で消費（駆動）する場合には、キャパシタ４１が充放電動作することはない。

さらに、ＤＣＤＣコンバータ（チョッパ）４２を充放電制御するチョッパ用制御装置２５Ａ、および図示していない電動機用インバータ９、Ｍ／Ｇ用インバータ３用の制御装置が、図２に示すインバータ制御装置２５に一括実装されているとする。

図８に示すように、蓄電装置制御手段２０Ｂは、エンジンアシストトルク指令、電動機駆動トルク指令、回生信号、Ｍ／Ｇ発電電力信号、走行手段切替部２０Ａ２からの切替信号を入力し、キャパシタ４１への充放電電力を演算し、チョッパ用制御装置２５Ａに対し、充放電量指令を出力する。チョッパ用制御装置２５Ａは、この充放電量指令に基づいて、ＤＣＤＣコンバータ（チョッパ）４２を駆動する。このとき、キャパシタ４１の電力を使用するモードは前述のように、エンジンアシスト、走行駆動装置切替補償、回生電力充放電の３モードである。上記３つのモードは発生するタイミング、頻度が不定期であるので、それぞれの電力量を常に独立して制御することが有効である。

図９は、キャパシタ４１のエネルギ（電力量）使用内訳を示している。キャパシタ４１の低電圧域の容量は使用できないとして、それぞれエンジントルクアシスト用電力量、走行駆動装置切替時動力補償電力量、走行時回生電力量を独立制御する。このうち、エンジントルクアシスト用電力量、走行駆動装置切替時動力補償電力量は、常にキャパシタ４１に充電されており、電力使用後は直ちに次回に備えてＭ／Ｇ２による発電、もしくは回生電力により充電を行う。それに対して走行時回生電力は、基本的に車両の発進・停止時に繰り返し発生する電力であり、この電力量部分はその都度充放電を行うものとする。

以上のように、作業用車両のハイブリッド駆動装置に関し、キャパシタ電力を使用する。作業用車両では、ハイブリッド化により新たに追加した電動機、Ｍ／Ｇを使用する動作モードはほぼ決まっていて、蓄電装置制御手段を用いることで、電力収支が破綻することなく、安定にハイブリッド動作を継続させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、走行駆動装置の切替時にも動力の変動がなく、かつ高効率特性を有するものとなる。

また、ハイブリッド駆動装置の切替時をはじめとする電動機の瞬時的な電力利用に対しても、電力収支が破綻することなく対応可能となる。

次に、図１０を用いて、本発明の第３の実施形態による作業用車両の駆動制御装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による作業車両の駆動制御装置を適用した作業用車両のハイブリッド駆動システムの構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による作業用車両の駆動制御装置の構成は、図２に示したものと同様である。

図１０は、本発明の第３の実施形態による作業車両の駆動制御装置による走行駆動装置の切替を実施する駆動力切替手段の構成を示すブロック図である。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、図４に示した構成に加えて、オペレータにより操作可能な、切替ＯＮ／ＯＦＦスイッチ４４を設けている。なお、図４にて説明した実施形態においては、走行駆動装置の切替は駆動力切替手段２０Ａによって、自動的に切替制御が行われている。

本実施形態では、切替ＯＮ／ＯＦＦスイッチ４４を操作することで、走行手段切替部２０Ｂ２は、手動で走行駆動装置の切替を停止し、第１の走行駆動装置１２のみの走行動作、あるいは第２の走行駆動装置１２のみの走行動作を継続することが可能である。このような機能を追加することで、走行状態や走行環境に応じて、最適な走行駆動装置をオペレータが選択することができる。

また、各走行駆動装置の異常状態は当然のことながら随時各制御装置で監視されているため、ある走行駆動装置に異常が生じた場合には、他方の（正常と判断される）走行駆動装置で走行を継続することが可能である。

また、蓄電装置４はある時間充電を行わなかった場合、その負荷状態により次第に放電してしまい、電力が必要な場面で電力不足となることも考えられる。そのような場合でも蓄電装置制御手段２０Ｂではキャパシタ電圧を随時検出しているため、この蓄電装置制御手段２０Ｂにおいて充電指令を出して、予め補充電することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、走行駆動装置の切替時にも動力の変動がなく、かつ高効率特性を有するものとなる。

また、手動で走行駆動装置の切替を停止することが可能となる。

１…エンジン
２…Ｍ／Ｇ
４…蓄電手段
３，９…インバータ
５…トルコン
６…トランスミッション
８…電動機
１０…油圧作業装置
１１…油圧ポンプ
１２…第１の走行駆動装置
１３…第２の走行駆動装置
１４…油圧シリンダ
２０…駆動制御装置
２０Ａ…駆動力切替手段
２０Ａ１…運転状態検出部
２０Ａ２…走行手段切替部
２０Ａ３…変動補償部
２０Ｂ…キャパシタ充電量制御手段
２１…コントロールバルブ（Ｃ／Ｖ）制御装置
２２…メインポンプ制御装置
２３…エンジン制御装置
２４…Ｔ／Ｍ制御装置
２５…インバータ制御装置
２５Ａ…チョッパ用制御装置
４１…キャパシタ
４２…ＤＣＤＣコンバータ
４４…切替ＯＮ／ＯＦＦスイッチ

Claims (6)

1. エンジンと、該エンジンにより駆動される発電機と、前記エンジンにより駆動されるとともにフロント部に備えた油圧作業装置の駆動源となる油圧ポンプと、前記エンジンの動力をトルクコンバータおよびトランスミッションで駆動輪に伝達して走行する第１の走行駆動装置と、前記発電機より出力された電力により電動機を駆動し、その動力を駆動輪に伝達して走行する第２の走行駆動装置とを有する作業用車両に用いられ、
   前記第１の走行駆動装置と前記第２の走行駆動装置とを切替える駆動力切替手段を有する作業用車両の駆動制御装置であって、
   前記駆動力切替手段は、車両の走行速度に応じて、高速域を前記第１の走行駆動装置で、低速域を前記第２の走行駆動装置でそれぞれ駆動できるように切替えて車両を走行させる走行手段切替部を備え、
   前記走行手段切替部は、前記第２の走行駆動装置から前記第１の走行駆動装置に切替える際に、前記エンジンの回転変動、前記作業用車両の走行駆動力の変動、ならびに前記作業装置の駆動力の変動を抑制するように、少なくとも前記発電機による前記エンジンの回転数制御、および前記電動機のトルク制御、および前記油圧ポンプの流量制御を行うことを特徴とする作業用車両の駆動制御装置。
2. 請求項１記載の作業用車両の駆動制御装置において、
   前記駆動力切替手段は、運転状態検出部を備え、
   該運転状態検出部は、少なくともアクセル開度、ブレーキ開度、作業装置用レバー操作量、前記油圧ポンプの圧力および流量、前記エンジンの回転数、前記電動機の回転数およびトルク、および車速の情報に基づいて、現在の走行駆動動作点、およびエンジン動作点、および作業装置の動力を検出することを特徴とする作業用車両の駆動制御装置。
3. 請求項１記載の作業用車両の駆動制御装置において、
   前記駆動力切替手段は、変動補償部を備え、
   該変動補償部は前記第２の走行駆動装置から前記第１の走行駆動装置に切替える際、切り替え時に発生する２つの走行駆動装置間のトルク変動分を推定し、該トルク変動分を前記電動機のトルク指令として与え、漸近的に前記トルク指令を減少させ、所定の時間後に零とすることを特徴とする作業用車両の駆動制御装置。
4. 請求項１記載の作業用車両の駆動制御装置において、
   前記発電機より出力される電力、および前記電動機から発生される走行回生電力を蓄え、必要に応じて蓄えた電力を放電する蓄電装置を備えることを特徴とする作業用車両の駆動制御装置。
5. 請求項５記載の作業用車両の駆動制御装置において、
   前記駆動制御手段は、蓄電装置制御部を備え、
   該蓄電装置制御部は、少なくとも前記エンジンのトルクアシスト分の電力量、ならびに前記第２の走行駆動装置から前記第１の走行駆動装置に切替える際の変動抑制に必要な電力量、ならびに走行回生電力の充放電量を前記蓄電手段に確保するように前記蓄電装置の充放電を制御することを特徴とする作業用車両の駆動制御装置。
6. 請求項１記載の作業用車両の駆動制御装置において、
   前記駆動力切替手段は、切替ＯＮ／ＯＦＦスイッチを備え、
   該切替ＯＮ／ＯＦＦスイッチは、手動による操作により、前記第１の走行駆動装置と前記第２の走行駆動装置との切替を停止し、前記第１の走行駆動装置のみの走行動作、あるいは前記第２の走行駆動装置のみの走行動作を行うことを特徴とする作業用車両の駆動制御装置。

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