JP5401992B2 - ハイブリッド作業機械の動力源装置 - Google Patents

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Description

本発明はエンジン動力と電力を併用するハイブリッド式作業機械の動力源装置に関するものである。
ハイブリッド式の作業機械（たとえばショベル）においては、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用とを行う動力機（通常は発電機兼電動機）とがエンジンに接続され、動力機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の放電力により動力機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用により油圧ポンプの駆動をアシストする（特許文献１参照）。
全油圧式のショベル（以下、通常ショベルという）では、エンジンが過負荷とならないように、油圧ポンプの最大入力はエンジンの最大出力以下に設定される。すなわち、
ポンプ最大入力＜エンジン最大出力
である。
これに対し、上記のようにエンジン動力に動力機のアシスト動力がプラスされるハイブリッド機械では、エンジンの最大出力は上記アシスト分を考慮して通常ショベルのそれよりも低い値（通常は平均動力。以下、この場合で説明する）に設定される。すなわち、
ポンプ最大入力＞エンジン最大出力
である。
なお、ポンプ入力は負荷圧×ポンプ流量で決まり、ハイブリッド式作業機械ではエンジン出力と動力機アシスト出力とで分担される。
一方、ポンプ流量の制御に関して、通常ショベルでは、図６に示すように油圧アクチュエータを操作する操作手段の操作量（以下、レバー操作量という場合がある）に応じてポンプ流量を制御する方式（流量制御）と、図７に示すように負荷圧（ポンプ圧）に応じて流量を制御する方式（馬力制御。特許文献２参照）とが併用され、両制御によって算出される流量のうち低位側を選択し、この選択された流量をポンプのレギュレータに指令する構成がとられている。図８はこのレギュレータ指令とポンプ流量の関係を示す。
上記流量制御では、レバー中立でスタンバイ流量（動き始めのシステム応答性を考慮して決定される）、レバーフル操作で最大流量となる。
これに対し、上記馬力制御では、制御開始圧（図７中のＡの圧力区間）で最大流量、リリーフ圧で最小流量となる。
従って、上記圧力区間Ａではレバー操作量に応じた流量制御によるポンプ流量が指令され、この区間Ａを超える負荷圧範囲では馬力制御によるポンプ流量が指令される。
ここで、一般には、流量制御のスタンバイ流量＜馬力制御の最小流量に設定される。従って、システムの最小流量はスタンバイ流量となり、これ以下には下がらないように設定される。
特開２００１−１２２７４号公報 特開昭５９−２３０９０号公報
以上を前提として、ハイブリッド式作業機械では次のような問題が生じていた。
ハイブリッド式作業機械では、上記のようにエンジン最大出力を低め（平均動力）に設定し、不足分を、蓄電装置で駆動される動力機の電動機作用によってカバーする構成であって、
ポンプ最大入力＞エンジン最大出力
に設定される。
このため、高負荷（平均動力以上の負荷）の状態が続くと、蓄電装置の充電量が減少し、限界を超えると動力機によるアシスト作用が失われる。
こうなると、過負荷にならないようにポンプ入力を下げる制御を行う必要があるが、流量制御・馬力制御のみのままでは、ポンプ最小流量をスタンバイ流量以下には下げられないため、過負荷を回避するまでにはポンプ入力を減少させることができなかった。
このため、蓄電装置の過放電（頻繁な充放電による蓄電装置の劣化）やエンジン過負荷によるエンストに陥るという問題があった。
そこで本発明は、充電量が設定値（アシスト能力を喪失する限界値）以下に低下したときに、制御内容を変更して蓄電装置の過放電やエンストを防止することができるハイブリッド作業機械の動力源装置を提供するものである。
請求項１の発明は、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う動力機とがエンジンに接続され、上記動力機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の放電力により上記動力機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用により油圧ポンプの駆動をアシストするように構成され、かつ、上記油圧アクチュエータを操作する操作手段の操作量または油圧ポンプの負荷圧に応じてポンプ流量を指令するポンプ流量指令手段と、このポンプ流量指令手段からの流量指令に基づいて上記油圧ポンプの流量を制御するレギュレータとを備え、上記油圧ポンプの最大入力の設定値がエンジン最大出力よりも大きな値に設定されるハイブリッド作業機械の動力源装置において、次の要件(Ａ)(Ｂ)(Ｃ)のすべてを満足するものである。
(Ａ) 上記ポンプ流量指令手段は、上記操作量に応じてポンプ流量を制御する流量制御と、上記負荷圧に応じてポンプ流量を制御する馬力制御によるポンプ流量のうちから低位選択されたポンプ流量を指令するとともに、上記流量制御における最小流量として、上記馬力制御による最小流量よりも少ないスタンバイ流量を指令するように構成されていること。
(Ｂ) 上記蓄電装置の充電量を検出する充電量検出手段と、検出された充電量に応じて上記ポンプ流量指令手段からの指令流量を補正する補正手段とが設けられていること。
(Ｃ) 上記補正手段は、検出される充電量が設定値以下となる非常時に、ポンプ最小流量を上記スタンバイ流量よりも少ない流量に設定することによって、上記ポンプ最大入力の設定値をエンジン最大出力以下に変更するように構成されていること。
本発明によると、操作量に応じた流量制御と馬力制御とによるポンプ流量の低位選択で流量制御を行い、かつ、ポンプ最大入力＞エンジン最大出力となるハイブリッド式作業機械において、その前提となる蓄電装置の充電量低下によって動力機の電動機作用によるアシスト能力が喪失した（または喪失のおそれのある）非常時に、ポンプ最小流量を、通常時の最小流量であるスタンバイ流量よりもさらに少ない流量に設定することによってポンプ最大入力の設定値をエンジン最大出力よりも小さくする。このため、上記両制御の低位選択でポンプ流量を決める既存の機械に対し、基本的な制御方式は変えずに制御内容を変えるだけで容易に適用することができる。
本発明の実施形態にかかる動力装置の全体構成を示すブロック図である。 同装置のコントローラの構成内容を示すブロック図である。 同装置の作用を説明するためのフローチャートである。 同装置におけるレギュレータ指令とポンプ流量との関係を示すグラフである。 同装置における負荷圧（ポンプ圧）ポンプ流量の関係を示すグラフである。 通常ショベルの流量制御における操作量とポンプ流量の関係を示すグラフである。 通常ショベルの馬力制御における負荷圧とポンプ流量の関係を示すグラフである。 通常ショベルの流量／馬力両制御の低位選択によるレギュレータ指令とポンプ流量の関係を示すグラフである。
本発明の実施形態を図１〜図５によって説明する。
実施形態では、蓄電装置としてバッテリ（リチウムイオン蓄電器等の二次電池）を用いた場合を例示している。
図１にシステム全体のブロック構成を示す。
同図において、エンジン１に、発電機作用と電動機作用とを行う動力機（通常は発電機兼電動機。発電機と電動機が別体となったものを用いてもよい）２と油圧ポンプ３とが接続されている。
なお、ハイブリッド作業機械において、油圧ポンプ３に対する動力の供給方式として所謂パラレル方式とシリーズ方式とがあるが、本発明は両方式のいずれにも適用することができる。
油圧ポンプ３は、コントローラ４で制御されるレギュレータ５により傾転が変化して吐出流量が変化する可変容量ポンプとして構成され、この油圧ポンプ３からの圧油が制御弁６を介して複数の油圧アクチュエータ（たとえばショベルでいうとブーム、アーム、バケット各シリンダや走行用油圧モータ等）に供給される。
なお、制御弁６は、アクチュエータごとに設けられるが、図では複数の制御弁の集合体として示している。
また、レギュレータ５は、コントローラ４からの電気信号によって直接作動するものを用いてもよいし、コントローラ４からの信号で電磁弁を作動させ、この電磁弁からの油圧によってレギュレータ作動するものを用いてもよい。
７は操作手段としてのリモコン弁で、このリモコン弁７の操作量（以下、レバー操作量という場合がある）に応じたパイロット圧によって制御弁６が作動し、油圧アクチュエータに対する圧油の給排（油圧アクチュエータの動作方向と速度）が制御される。
動力機２は、動力機制御手段としてのインバータ８を介してバッテリ９に接続されている。
インバータ８は、動力機２の発電機作用と電動機作用の切換え、発電機、電動機としての電流またはトルクを制御するとともに、発電機出力に応じてバッテリ９の充・放電を制御する。
コントローラ４には次の情報が入力される。
ｉ．バッテリ９の充電量。この充電量は、図示しない電流センサで検出されるバッテリ電流を積算し、さらにバッテリ電圧やバッテリ温度特性を加味して求められる。
ｉｉ．リモコン弁７の操作量（レバー操作量）。リモコン弁７のパイロット圧をパイロット圧センサ１０で検出することによって求められる。
ｉｉｉ．ポンプ圧センサ１１で検出される負荷圧（ポンプ圧）。
このコントローラ４の構成内容を図２に示す。
コントローラ４には、流量制御のためにレバー操作量からポンプ流量を算出する第１ポンプ流量演算手段１２と、馬力制御のために負荷圧からポンプ流量を算出する第２ポンプ流量演算手段１３と、この両演算手段１２，１３で求められた流量のうち低位を選択してポンプ流量を指令するポンプ流量指令手段１４と、前記のようにバッテリ電流の積算値にバッテリ電圧等を加味してバッテリ充電量を求める充電量検出手段１５と、充電量検出手段１５からのバッテリ充電量とポンプ流量指令手段１４からの指令流量が入力される補正手段１６とが設けられている。
補正手段１６は、バッテリ充電量が、動力機２の電動機作用によるアシスト力を行い得る下限値としての設定値以上か以下かに応じてポンプ最大入力の設定値を決める。
これを図３のフローチャートを併用して説明する。
スタートとともにバッテリ充電量が検出され、この充電量が設定値以下か否か（アシスト不能か否か）が判断される（ステップＳ１）。
ここでＮＯの場合、つまり充電量が設定値を超えている場合は、通常時制御として、アシスト能力（充電量）に応じた最大ポンプ入力の設定値の算出（ステップＳ３）、及び馬力制御によるポンプ負荷圧に応じたポンプ流量の算出（ステップＳ４）がそれぞれ行われ、図１のレギュレータ５に向けてこのポンプ流量（傾転）が指令される（ステップＳ５）。
これに対し、ステップＳ２でＹＥＳ（充電量が設定値以下）の場合は、動力機２のアシスト作用が喪失したときの非常時制御として、最大ポンプ入力の設定値をエンジン最大出力以下に変更し、ステップＳ５でこの非常時の最大ポンプ入力の設定値に基づいてレギュレータ５に対する流量指令を出力する。
図４はこのレギュレータ５に対する流量指令（レギュレータ指令）とポンプ流量の関係を示し、通常時制御ではスタンバイ流量がシステムの最小流量となるのに対し、非常時制御ではスタンバイ流量よりも少ない流量をシステムの最小流量に設定する。
これにより、非常時のポンプ最大入力の設定値をエンジン最大出力以下に設定することができる。
図５は通常時制御と非常時制御におけるポンプ圧とポンプ流量の関係を示し、従来機と同じ通常時制御では、ポンプ最大入力の設定値は、二点鎖線で示すように常にエンジン最大出力以上（スタンバイ流量で限界）となる。
これに対し、非常時制御では、最小流量をスタンバイ流量以下まで下げるため、（ポンプ最小流量×最大負荷圧）によって決まるポンプ最大入力の設定値をエンジン最大出力以下に落とすことができる。
このため、バッテリの充電量低下によって動力機の電動機作用によるアシスト能力が喪失した（または喪失のおそれのある）非常時に、これを受けてポンプ最大入力＜エンジン最大出力となるようにポンプ最大入力の設定値を変更する構成としたから、蓄電装置の過放電やエンジン過負荷によるエンストを確実に防止することができる。
ところで、この装置によると、上記のようにポンプ最小流量をスタンバイ流量以下まで下げることができる点を生かして次のような制御を実現することが可能となる。
（イ）リリーフ状態が一定時間続いたときに、油圧ポンプ最大入力を最小に設定して省エネを図る。
（ロ）作業待機時等にエンジン回転速度を落とす所謂デセル状態が一定時間続いたときに、ポンプ最小流量をスタンバイ流量以下に落として省エネを図る。
（ハ）冬季等の低温始動時にポンプ最小流量をスタンバイ流量以下にしてエンジン負荷を減らし、始動を容易にする。
１ エンジン
２ 動力機
３ 油圧ポンプ
４ ポンプ流量指令手段、充電量検出手段、補正手段を備えたコントローラ
５ レギュレータ
７ 操作手段としてのリモコン弁
８ 動力機を制御するインバータ
９ バッテリ（蓄電装置）
１０ 操作量を検出するパイロット圧センサ
１１ 負荷圧を検出するポンプ圧センサ
１２ ポンプ流量演算手段
１３ ポンプ流量演算手段
１４ ポンプ流量指令手段
１５ 充電量検出手段
１６ 補正手段

Claims (1)

  1. 油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う動力機とがエンジンに接続され、上記動力機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の放電力により上記動力機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用により油圧ポンプの駆動をアシストするように構成され、かつ、上記油圧アクチュエータを操作する操作手段の操作量または油圧ポンプの負荷圧に応じてポンプ流量を指令するポンプ流量指令手段と、このポンプ流量指令手段からの流量指令に基づいて上記油圧ポンプの流量を制御するレギュレータとを備え、上記油圧ポンプの最大入力の設定値がエンジン最大出力よりも大きな値に設定されるハイブリッド作業機械の動力源装置において、次の要件(Ａ)(Ｂ)(Ｃ)のすべてを満足することを特徴とするハイブリッド作業機械の動力源装置。
    (Ａ) 上記ポンプ流量指令手段は、上記操作量に応じてポンプ流量を制御する流量制御と、上記負荷圧に応じてポンプ流量を制御する馬力制御によるポンプ流量のうちから低位選択されたポンプ流量を指令するとともに、上記流量制御における最小流量として、上記馬力制御による最小流量よりも少ないスタンバイ流量を指令するように構成されていること。
    (Ｂ) 上記蓄電装置の充電量を検出する充電量検出手段と、検出された充電量に応じて上記ポンプ流量指令手段からの指令流量を補正する補正手段とが設けられていること。
    (Ｃ) 上記補正手段は、検出される充電量が設定値以下となる非常時に、ポンプ最小流量を上記スタンバイ流量よりも少ない流量に設定することによって、上記ポンプ最大入力の設定値をエンジン最大出力以下に変更するように構成されていること。
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