JP6419063B2 - ハイブリッド式作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、動力源としてエンジンの他に電動モータを備える油圧ショベルやホイールローダ等のハイブリッド式作業機械に関する。

エンジンの排気ガスの低減や省エネルギー化を目的としてエンジンに加えて発電モータを動力源とするハイブリッド式作業機械が知られている（特許文献１等参照）。この種のハイブリッド式作業機械では、エンジンと発電モータを同軸上に設け、発電モータとエンジンとで油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプから吐出される圧油で油圧アクチュエータを駆動する。ポンプ吸収動力に対してエンジン動力が大きい場合には、余剰のエンジン動力で発電モータが駆動されて蓄電装置が充電される。ポンプ吸収動力に対してエンジン動力が小さい場合には、蓄電装置からの給電で発電モータを駆動してエンジン動力をアシストする。このようにして車体に要求される出力が発電モータで補われるため、エンジンの小型化により燃費が改善される。急操作時等のように油圧ポンプに要求される動力の急増時に、エンジン動力の不足分を発電モータの動力で補うものもある（特許文献２等参照）。

特許第３９４１９５１号公報 特許第４６３３８１３号公報

ハイブリッド式作業機械では、油圧アクチュエータの負荷が高い作業が連続すると蓄電残量の低下により発電モータで動力を出力することができなくなり、ラグダウンやエンストが発生する恐れがある。それに対し、特許文献１では、ポンプ吸収動力の最大値を蓄電残量に応じて制限することが開示されている。これはラグダウンやエンストの抑制に効果的である。

しかし、特許文献２のように負荷急増時にエンジン出力の不足分を補うために発電モータで動力を出力する場合、蓄電残量が足りない場合には発電モータで補える動力に限りがあるため、エンスト等を起こさないように動き出し時等にポンプ吸収動力が低く設定されてしまう。ポンプ吸収動力が制限された状態では、その後の作業において機体本来の性能が発揮できない。

本発明の目的は、電動モータへの給電が制限される状況でもポンプ吸収動力が過度に制限されることを抑制することができるハイブリッド式作業機械を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、前記エンジンとトルク伝達可能に接続された電動モータと、前記電動モータに給電する蓄電装置と、前記蓄電装置の状態を監視して蓄電装置情報を取得する監視装置と、前記エンジン及び前記電動モータの動力で駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプの吐出流量を調整するポンプレギュレータとを備えたハイブリッド式作業機械において、前記油圧ポンプの吸収動力であるポンプ吸収動力について前記蓄電装置情報に応じた許容増加率を演算する増加率演算装置と、前記許容増加率に基づいて前記ポンプ吸収動力の制限値である制限ポンプ動力を演算する制限動力演算装置と、前記制限ポンプ動力に応じて前記ポンプレギュレータに対して指令信号を出力し前記油圧ポンプの吐出流量を制御するポンプ制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電動モータへの給電が制限される状況でもポンプ吸収動力が過度に制限されることを抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式作業機械の一例であるハイブリッド式油圧ショベルの一部透視側面図である。 本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式作業機械に備えられた駆動システムの模式図である。 本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式作業機械に備えられたコントローラのポンプ流量制御に係る制御ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式作業機械に備えられた増加率演算装置の一例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式作業機械に備えられた増加率演算装置の他の例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式作業機械に備えられた増加率演算装置の更に他の例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式作業機械に備えられた増加率演算装置の更に他の例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式作業機械に備えられたコントローラによるポンプ流量指令値の演算手順を表したフローチャートである。 本発明の第１実施形態におけるポンプ吸収動力、ポンプ吐出圧及びポンプ吐出流量の経時的変化の一例を示す図である。 図９の例を横軸に吐出圧、縦軸に流量をとって表したＰＱ線図である。 本発明の第１実施形態の効果の説明図である。 本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式作業機械に備えられたコントローラのポンプ流量制御に係る制御ブロック図である。 本発明の第２実施形態におけるポンプ吸収動力、ポンプ吐出圧及びポンプ吐出流量の経時的変化の一例を示す図である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
１．ハイブリッド式作業機械
図１は本発明の第１実施形態に係るハイブリッド式作業機械の一例であるハイブリッド式油圧ショベルの一部透視側面図である。但し、ハイブリッド式油圧ショベルは一適用例であり、ハイブリッド式のホイールローダ等、他のハイブリッド式作業機械にも本発明は適用可能である。図１に示したハイブリッド式油圧ショベルは、走行体１０、走行体１０上に旋回可能に設けた旋回体２０、及び旋回体２０に設けたショベル機構（フロント作業機）３０を備えている。

走行体１０は、左右一対のクローラ１１ａ，１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ，１２ｂ、左右のクローラ１１ａ，１１ｂをそれぞれ駆動する走行用油圧モータ１３，１４、並びに走行用油圧モータ１３，１４の減速機等を備えている。クローラ１１ａ，１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ，１２ｂについてはそれぞれ左側のもののみ図１に図示する。

旋回体２０は運転室やエンジン室等を含み、旋回フレーム２１を介してクローラフレーム１２ａ，１２ｂの上部に搭載されている。運転室には油圧アクチュエータ（後述）の動作を指示する操作装置７０（図２参照）等が備わっている。旋回フレーム２１は旋回輪を介してクローラフレーム１２ａ，１２ｂの上部に鉛直軸を中心に旋回可能に設けてある。特に図示していないが、旋回輪はクローラフレーム１２ａ，１２ｂに接続した内輪と旋回フレーム２１に接続した外輪を備えていて、内輪に対して外輪が回転する構成である。旋回フレーム２１上には旋回用発電モータ２５及び旋回用油圧モータ２７が設けられている。旋回用発電モータ２５は旋回用油圧モータ２７と共に旋回輪の外輪に支持されていて、減速機２６を介して内輪の内歯車に出力軸を噛合させている。旋回用油圧モータ２７は旋回用発電モータ２５と同軸に設けられている。また、旋回用発電モータ２５には蓄電装置２４が接続されていて、蓄電装置２４からの給電により旋回用発電モータ２５が駆動される。この構成より旋回用油圧モータ２７及び旋回用発電モータ２５の駆動力が減速機２６を介して旋回輪に伝達され、走行体１０に対して旋回フレーム２１と共に旋回体２０が旋回する。

ショベル機構３０は、ブーム３１、アーム３３、バケット３５を備えた多関節構造のフロント作業機である。ブーム３１は旋回体２０の旋回フレーム２１に上下方向に回動動可能に連結されている。アーム３３はブーム３１の先端部に前後方向に回動可能に連結されている。バケット３５はアーム３３の先端部に回動可能に連結されている。そして、ブーム３１、アーム３３及びバケット３５は、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４及びバケットシリンダ３６でそれぞれ駆動される。ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４及びバケットシリンダ３６は油圧シリンダである。

２．駆動システム
上記旋回フレーム２１上には、各種アクチュエータを駆動するための駆動システムが搭載されている。この駆動システムには、油圧システム４０、電動システム及びコントローラ８０（図２参照）が含まれる。油圧システム４０は、走行用油圧モータ１３，１４、旋回用油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動する装置である。以下、走行用油圧モータ１３，１４、旋回用油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６等を総称して油圧アクチュエータと適宜記載する。電動システムは、旋回用発電モータ２５の他、後述するアシスト発電モータ２３等の電動アクチュエータを駆動する装置である。油圧システム４０及び電動システムを制御するのがコントローラ８０である。駆動システムの模式図を図２に示す。

・油圧システム
図２に示したように、油圧システム４０は、油圧ポンプ４１、ポンプレギュレータ４３及びコントロールバルブ４２を含む。油圧ポンプ４１は油圧を発生する可変容量型の油圧ポンプであり、エンジン２２が出力する動力によって駆動されて、油圧アクチュエータを駆動する圧油を吐出する。エンジン２２には回転数センサが設けられており、回転数センサでエンジン回転数Ｎが検出される。油圧ポンプ４１の吐出管路には吐出圧センサ４４が設けられており、吐出圧センサ４４で油圧ポンプ４１の吐出圧Ｐが検出される。コントロールバルブ４２は各油圧アクチュエータを駆動制御するバルブユニットであり、運転室内にある操作装置７０からの操作信号（本実施形態では油圧パイロット信号）で対応するスプールを動作させて、油圧ポンプ４１から各油圧アクチュエータにそれぞれ供給される圧油の流量と方向を制御する。操作装置７０からの操作信号はまた、電気信号に変換されてコントローラ８０にも入力される。ポンプレギュレータ４３は、コントローラ８０からの信号に基づいて油圧ポンプ４１の押し退け容積（吐出流量）を調整する。

・電動システム
電動システムは、上述した蓄電装置２４の他、インバータ５０、アシスト発電モータ２３及び蓄電装置２４を含んでいる。アシスト発電モータ２３は、エンジン２２とトルク伝達可能に接続された電動モータであり、蓄電装置２４からの給電により駆動されてエンジン２２と共に油圧ポンプ４１を駆動する。本実施形態ではアシスト発電モータ２３に発電機としても機能する発電モータを用いた場合を例示するが、発電機能のない単なる電動モータを用いても良い。インバータ５０はアシスト発電モータ２３の他、旋回用発電モータ２５（図１参照）と電気的に接続しており、またコンタクタ（不図示）を介して蓄電装置２４に接続している。アシスト発電モータ２３及び旋回用発電モータ２５の駆動状態（力行するか回生するか）は、コントローラ８０からの指令に従ってインバータ５０によって制御される。蓄電装置２４は、インバータ５０からの信号に基づき、アシスト発電モータ２３及び旋回用発電モータ２５の駆動状態によって充放電される。蓄電装置２４には、当該蓄電装置２４の充電残量（ＳＯＣ）、充放電電力量、充放電電流量、実効電力、温度等を監視して、これら蓄電装置情報を取得する監視装置２８が設けられている。

・コントローラ
コントローラ８０には、吐出圧センサ４４で検出された油圧ポンプ４１の吐出圧Ｐ、回転数センサで検出されたエンジン回転数Ｎ、操作装置７０からの操作信号、及び監視装置２８からの蓄電装置情報が入力される。コントローラ８０は、これら種入力信号を基に、エンジン２２の燃料噴射装置、ポンプレギュレータ４３、インバータ５０等に対する制御指令を生成し、アシスト発電モータ２３及び旋回用発電モータ２５の力行及び回生の切り換え並びに出力制御、油圧ポンプ４１の吐出流量制御、エンジン２２の出力制御等を実行する。

図３はコントローラ８０のポンプ流量制御に係る制御ブロック図である。この図に示したコントローラ８０は、増加率演算装置８１、制限動力演算装置８２、要求動力演算装置８３、出力可能動力演算装置８４、最小値選択装置８５、ポンプ制御装置８６及び記憶装置８７等を備えている。

増加率演算装置８１は、駆動システムが出力する動力のうち油圧ポンプ４１で消費される動力（以下、ポンプ吸収動力と記載する）の許容増加率ｒを演算する機能部である。この許容増加率ｒは、蓄電装置２４の状態によって定まる値であり、エンジン２２の出力動力ＷＥ（以下、エンジン動力ＷＥと記載する）の増加率よりは高い増加率でポンプ吸収動力が増加するように、操作装置７０の操作信号に応じたポンプ吸収動力の要求値ＷＰｒｅｑ（以下、要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑと記載する）に関わらず蓄電装置情報に応じて設定される。増加率演算装置８１には蓄電装置情報（蓄電残量、充放電電流量、実効電力、蓄電装置温度等の少なくとも１つ）と許容増加率ｒとの関係が予め格納されており、増加率演算装置８１では、この関係に基づき、監視装置２８から入力された蓄電装置情報に応じた許容増加率ｒが演算される。

ここで、図４は増加率演算装置８１の一例を示すブロック図である。この図に例示した増加率演算装置８１ａは、蓄電装置情報として蓄電残量を監視装置２８から入力する。許容増加率ｒの演算の基礎として蓄電残量を入力する場合、増加率演算装置８１ａには蓄電残量が少ないほど許容増加率ｒが小さくなる関係が格納され、入力された蓄電残量が小さいほど許容増加率ｒは小さく演算される。本実施形態では、蓄電残量が設定の規定値ａ１以下の領域において、蓄電残量が規定値ａ１から減少するのに正比例して許容増加率ｒも減少するようにしてある。

図５は増加率演算装置８１の他の例を示すブロック図である。この図に例示した増加率演算装置８１ｂは、蓄電装置情報として蓄電装置２４の充放電電力を監視装置２８から入力する。許容増加率ｒの演算の基礎として充放電電力を入力する場合、増加率演算装置８１ｂには実効電力が大きいほど許容増加率ｒが小さくなる関係が格納される。実効電力は、蓄電装置２４の設定時間の充放電電力の二乗平均平方根で求められる。例えば設定時間を１００秒間とすると、１００秒前から現在までの蓄電装置２４の充放電電力の二乗平均を求め、その平方根を採ることで実効電力を基得ることができる。実効電力の演算は、監視装置２８で実行されない場合は増加率演算装置８１ｂで実行するようにしても良い。増加率演算装置８１ｂには実効電力が大きいほど許容増加率ｒが小さくなる関係が格納され、求めた実効電力が大きいほど許容増加率ｒは小さく演算される。本実施形態では、実効電力が設定の規定値ａ２以上の領域において、実効電力が規定値ａ２から増加するのに正比例して許容増加率ｒが減少するようにしてある。

図６は増加率演算装置８１の更に他の例を示すブロック図である。この図に例示した増加率演算装置８１ｃは、蓄電装置情報として蓄電装置２４の蓄電残量を監視装置２８から入力する。図６の増加率演算装置８１ｃに格納された蓄電残量と許容増加率ｒの関係は、蓄電残量が少ないほど許容増加率ｒが小さくなる点で図４の例と同様であるが、蓄電残量によって許容増加率ｒの増減率に差がある点で相違する。図６の例では、蓄電残量が規定値ａ３からａ４（＜ａ３）にかけて減少する際には許容増加率ｒが一定割合α１で減少していき、規定値ａ４を下回って減少する際には許容増加率ｒがより大きな一定割合α２（＞α１）で減少する。蓄電残量によって許容増加率ｒに差を付ける場合、蓄電残量と許容増加率ｒの関係線を蓄電残量が小さいほど許容増加率ｒの減少率が大きくなるような曲線に設定することも考えられる。

図７は増加率演算装置８１の更に他の例を示すブロック図である。この図に例示した増加率演算装置８１ｄは、蓄電装置情報として蓄電装置２４の充放電電力を監視装置２８から入力する。図７の増加率演算装置８１ｄに格納された実効電力と許容増加率ｒの関係は、実効電力が大きいほど許容増加率ｒが小さくなる点で図５の例と同様であるが、実効電力によって許容増加率ｒの増減率に差がある点で相違する。図７の例では、実効電力が規定値ａ５からａ６（＞ａ５）にかけて増加する際には許容増加率ｒが一定割合α３で減少していき、規定値ａ６を超えて増加する際には許容増加率ｒがより大きな一定割合α４（＞α３）で減少する。実効電力によって許容増加率ｒに差を付ける場合、実効電力と許容増加率ｒの関係線を実効電力が大きいほど許容増加率ｒの減少率が大きくなるような曲線に設定することも考えられる。

図３に戻り、制限動力演算装置８２は、蓄電装置情報に応じた許容増加率ｒに基づいてポンプ吸収動力の制限値ＷＰｌｉｍ（以下、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍと記載する）を演算する。本実施形態では制限動力演算装置８２に加算器を用いている。制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍは、制限動力演算装置８２において、前回（１つ前のサイクルで）最小値選択装置５８で演算された目標ポンプ動力ＷＰ（後述）に、今回（現在のサイクルで）増加率演算装置８１で演算された許容増加率ｒを加算することによって演算される。制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍは、コントローラ８０のサイクル処理の進捗に伴って許容増加率ｒで経時的に変化していく。

要求動力演算装置８３は、前述した要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑを演算する機能部である。要求動力演算装置８３には操作装置７０の操作量と要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑとの関係が予め格納されており、要求動力演算装置８３では、この関係に基づき、操作装置７０から入力された操作信号に応じた要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑが演算される。

出力可能動力演算装置８４は、出力可能動力Ｗｆｕｌｌ（以下、出力可能動力Ｗｆｕｌｌ）を演算する機能部である。出力可能動力Ｗｆｕｌｌとは、その時点で（現在のサイクルにおいて）エンジン２２及びアシスト発電モータ２３によって駆動システムがエンストやラグダウン等することなく出力することができる最大動力である。この出力可能動力Ｗｆｕｌｌは、エンジン回転数Ｎによってエンジン２２のトルクカーブが変わることからエンジン回転数Ｎに応じて値が変化するが、その演算に蓄電装置情報は考慮されない。出力可能動力演算装置８４にはエンジン回転数Ｎと出力可能動力Ｗｆｕｌｌとの関係が予め格納されており、出力可能動力演算装置８４では、この関係に基づき、エンジン回転数Ｎに応じた出力可能動力Ｗｆｕｌｌが演算される。

最小値選択装置８５は、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍ、要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑ及び出力可能動力Ｗｆｕｌｌを入力し、３つの入力値から選択した最小値を現在のサイクルにおけるポンプ吸収動力の目標値ＷＰ（以下、目標ポンプ動力ＷＰと記載する）として出力する。この目標ポンプ動力ＷＰは、前述したように次回（１つ後のサイクル）の制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍの演算のために制限動力演算装置８２にも出力される。

ポンプ制御装置８６は、目標ポンプ動力ＷＰに基づいてポンプレギュレータ４３を制御する機能部である。このポンプ制御装置８６には乗算器８８と除算器８９が含まれている。ポンプ制御装置８６においては、最小値選択装置８５から入力された目標ポンプ動力ＷＰに対し、記憶装置８７から読み出された油圧ポンプ４１のポンプ効率ｅを乗算器８８で掛け、更に除算器８９において吐出圧センサ４４から入力された油圧ポンプ４１の現在のサイクルの吐出圧Ｐで割ることで、ポンプ流量指令値Ｑが算出される。コントローラ８０は、このポンプ流量指令値Ｑをポンプレギュレータ４３に出力する。これにより、油圧ポンプ４１の吸収動力が目標ポンプ動力ＷＰになるように、油圧ポンプ４１の吐出流量（容積）が制御される。

３．ポンプ流量指令値Ｑの演算手順
図８はコントローラ８０によるポンプ流量指令値Ｑの演算手順を表したフローチャートである。図８に示したように、コントローラ８０は、例えばエンジン回転数Ｎによりエンジン２２が回転駆動中であることを認識すると、図８のステップＳ１−Ｓ８の手順を設定時間Δｔ（例えば０．１ｓ）のサイクルで実行し、状況に応じたポンプ流量指令値Ｑを繰り返し演算しポンプレギュレータ４３に出力する。

・ステップＳ１
図８の手順を開始すると、コントローラ８０は、監視装置２８から蓄電装置情報を入力し、蓄電装置情報に応じたポンプ吸収動力の許容増加率ｒを増加率演算装置８１で演算する。演算された許容増加率ｒは１つ前の処理サイクルで演算したポンプ４１の目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ−Δｔ）に制限動力演算装置８２で加算され、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍとして最小値選択装置８５に出力される。

・ステップＳ２−Ｓ４
続くステップＳ２に手順を移すと、コントローラ８０は、ステップＳ１で算出した制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍが、エンジン回転数Ｎを基に出力可能動力演算装置８４で演算した出力可能動力Ｗｆｕｌｌより小さいかどうかを最小値選択装置８５で判断する。コントローラ８０は、蓄電装置情報に応じた制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍが出力可能動力Ｗｆｕｌｌよりも小さく、最小値選択装置８５においてステップＳ２の判定が満たされた場合にはステップＳ３に手順を移す。反対に、コントローラ８０は、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍが出力可能動力Ｗｆｕｌｌ以上で、最小値選択装置８５において判定が満たされない場合にはステップＳ４に手順を移す。ステップＳ３に進んだ場合、コントローラ８０は、小さい方の値である制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍを中間変数ＷＰａに設定する。一方、ステップＳ４に進んだ場合、コントローラ８０は、小さい方の値である出力可能動力Ｗｆｕｌｌを中間変数ＷＰａに設定する。

・ステップＳ５−Ｓ７
続くステップＳ５では、コントローラ８０は、ステップＳ３又はＳ４で計算した中間変数ＷＰａが、操作信号を基に要求動力演算装置８３で演算した要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑより小さいかどうかを最小値選択装置８５で判断する。コントローラ８０は、中間変数ＷＰａが要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑよりも小さく、最小値選択装置８５において判定が満たされる場合にはステップＳ６に手順を移す。反対に、コントローラ８０は、中間変数ＷＰａが要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑ以上で、最小値選択装置８５において判定が満たされない場合にはステップＳ７に手順を移す。ステップＳ６に進んだ場合、コントローラ８０は、小さい方の値である中間変数ＷＰａを現在のサイクルの目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ）に設定する。一方、ステップＳ７に進んだ場合、コントローラ８０は、小さい方の値である要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑを目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ）に設定する。ステップＳ２−Ｓ７の処理により、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍ、要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑ及び出力可能動力Ｗｆｕｌｌの最小値が目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ）に設定される。

・ステップＳ８
ステップＳ６又はＳ７の手順を終えたら、コントローラ８０はステップＳ８に手順を移し、ステップＳ２−Ｓ７で演算した目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ）、ポンプ効率ｅ及び現在のポンプ吐出圧Ｐ（ｔ）を用いてポンプ制御装置８６で現在のサイクルにおけるポンプ流量指令値Ｑ（ｔ）を算出し、ポンプレギュレータ４３に出力する。

以上の手順を設定時間Δｔで繰り返し実行することで、サイクル毎に随時更新されるポンプ流量指令値Ｑがポンプレギュレータ４３に出力され、ポンプ吸収動力が目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ）に近づくように油圧ポンプ４１の吐出流量が制御される。

４．目標ポンプ動力の挙動
図９は本実施形態におけるポンプ吸収動力、ポンプ吐出圧及びポンプ吐出流量の経時的変化の一例を示す図である。図９において時刻ｔ０は操作装置７０による操作開始時刻である。また、蓄電装置２４の蓄電残量が少ない等の理由により最小値選択装置８５で目標ポンプ動力ＷＰとして制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍが選択されるものとする。

操作装置７０の操作量が例えば最大操作量であるとすると、油圧ポンプ４１に対する要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑは点線に示したように急激に立ち上がる。それに対し、本実施形態においては、蓄電装置情報に応じて要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑに比べて緩やかな増加率で目標ポンプ動力ＷＰが立ち上がり、その後目標ポンプ動力ＷＰが要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑに到達する。同図では増加率の異なる目標ポンプ動力ＷＰ１，ＷＰ２を例示している。目標ポンプ動力ＷＰ１は時刻ｔ２（＞ｔ０）で、相対して増加率が低い目標ポンプ動力ＷＰ２は時刻ｔ３（＞ｔ２）でそれぞれ要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑに追い付く。両者の増加率の違いは蓄電装置２４の状態に起因しており、目標ポンプ動力ＷＰ１の演算時に相対して例えば蓄電残量が少ない場合、同図のように目標ポンプ動力ＷＰ２は目標ポンプ動力ＷＰ１よりも緩やかな増加率で設定される。目標ポンプ動力ＷＰが小さい場合、油圧ポンプ４１の吐出圧Ｐ（油圧負荷）が同じでもポンプ流量指令値Ｑは小さく設定される。Ｑ１，Ｑ２はそれぞれ目標ポンプ動力ＷＰ１，ＷＰ２に基づいて演算されたポンプ流量指令値である。同図の場合、ポンプ流量指令値Ｑ２はポンプ流量指令値Ｑ１に対して時刻ｔ０からｔ３にかけて小さく演算される。

図１０は図９の例を横軸に吐出圧、縦軸に流量をとって表したＰＱ線図である。図中の点線は等馬力線を、実線はポンプ流量指令値Ｑの変化を表している。図中の点Ａ１，Ｂ１は図９の時刻ｔ１、点Ａ２，Ｂ２は時刻ｔ２、点Ａ３，Ｂ３は時刻ｔ３におけるポンプ吐出圧Ｐ及びポンプ流量指令値Ｑを表す点である。この図では右上に行くほど出力（馬力）が大きくなる。時刻ｔ３に至るまでの間、同時刻（ｔ１，ｔ２）ではポンプ流量指令値Ｑ２による出力がポンプ流量指令値Ｑ１による出力に対して抑えられることが分かる。また、時刻ｔ３で目標ポンプ動力ＷＰ２がＷＰ１に追い付いて以降、ポンプ流量指令Ｑ１，Ｑ２による出力は同一となる。

５．効果
図１１は本実施形態の効果の説明図である。エンジン動力ＷＥはエンストやラグダウン防止の観点からエンジン回転数Ｎに応じて制限される。そのため、例えば急操作による動き出し時には、要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑが急激に立ち上がってエンジン２２の定格最大出力ＷＥｍａｘに到達しても、エンジン動力ＷＥについては所定の増加率でしか増加させることができない。それに対し、本実施形態のようなハイブリッド式作業機械の場合、動き出し時の要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑに対するエンジン動力ＷＥの不足分をアシスト発電モータ２３の動力で補うことができる。このとき、例えば蓄電残量が十分にある場合のように蓄電装置２４の状態によってアシスト発電モータ２３に対する給電が制約されない場合、図１１（ａ）に示すようにエンジン動力ＷＥの不足分相当をアシスト発電モータ２３の動力（図１１（ａ）におけるハッチング部分）で補い、要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑ相当の動力を油圧ポンプ４１に対して与えることができる。

しかし、蓄電装置２４の状態によっては要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑに対するエンジン動力ＷＥの不足分をアシスト発電モータ２３の動力で補いきれない場合もある。この場合、目標ポンプ動力ＷＰを要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑに追従させて立ち上げると、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍの最大値ＷＰｍａｘ（以下、最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘと記載する）は、図１１（ｂ）のように必然的にエンジン２２の定格最大出力ＷＥｍａｘよりも低く設定される。最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘを抑えなければ、蓄電残量が尽きてアシスト発電モータ２３による動力付加がなくなった際にエンストやラグダウンをし得るからである。ここでは目標ポンプ動力ＷＰが制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍに等しくなる例を説明しているので、目標ポンプ動力ＷＰの最大値は最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘに等しい。従って、定格最大出力ＷＥｍａｘよりも最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘが低く設定されると、本来であればその後エンジン回転数Ｎが上昇した時に出せる動力が出力できなくなってしまう。例えば操作開始直後の時刻ｔ１における目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ１）を要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑに追従させることはできるが、時刻ｔ２で目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ２）は最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘに達してしまう。その結果、本来であればその後エンジン単独で定格最大出力ＷＥｍａｘが出せる筈の時刻ｔ３になっても、目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ３）は最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘのままであり、定格最大出力ＷＥｍａｘを出力することができない。

それに対し、本実施形態においては、アシスト発電モータ２３に対する給電が制限される場合には、図１１（ｃ）に示したように、給電の制約下でもその後定格最大出力ＷＥｍａｘまで到達し得るように要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑよりも緩やかに目標ポンプ動力ＷＰが立ち上がる。従って、目標ポンプ動力ＷＰの最大値が過度に抑えられることがなく、制約の範囲で動き出し時のエンジン動力ＷＥをアシスト発電モータ２３の動力でアシストすることができる。図１１（ｃ）の例の場合、操作開始直後の時刻ｔ１における目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ１）は図１１（ｂ）の例に比べて低くなるが、エンジン動力ＷＥよりも高い増加率で目標ポンプ動力ＷＰを上げていくことができ、時刻ｔ３には目標ポンプ動力ＷＰ（ｔ３）は定格最大出力ＷＥｍａｘに到達し得る。

以上のように、本実施形態によれば、アシスト発電モータ２３への給電が制限される状況でも、ポンプ吸収動力が過度に制限されることを抑制することができ、作業効率の低下を抑制することができる。

また、図４に示したように蓄電残量に基づいて許容増加率ｒを決定する場合、蓄電残量の減少を抑制することができるメリットがある。加えて図６のように蓄電残量によって許容増加率ｒの減少率に差を付ける場合、例えば同図の規定値ａ３−ａ４の領域は電力消費抑制の必要性はあるものの出力低下抑制が優先される領域、規定値ａ４以下の領域は出力低下抑制よりも電力消費抑制が優先される領域といったように、蓄電残量に応じて目標ポンプ動力ＷＰの設定を場面に応じて柔軟にすることができる。

また、短時間の急激な充放電は蓄電装置２４の劣化を進行させ得るが、図５に示したように実効電力を許容増加率ｒの演算の基礎とし、実効電力が大きく放電が急激な場合に許容増加率ｒを抑えることで、蓄電装置２４の保護及び長寿命化にも寄与し得る。加えて図７のように実効電力によって許容増加率ｒの減少率に差を付ける場合、例えば同図の規定値ａ５−ａ６の領域は放電抑制の必要性はあるものの出力低下抑制が優先される領域、規定値ａ６以上の領域は出力低下抑制よりも放電抑制が抑制される領域といったように、実効電力に応じて目標ポンプ動力ＷＰの設定を場面に応じて柔軟にすることができる。なお、蓄電装置２４の使用強度を加味して目標ポンプ動力ＷＰを決定する観点では、実効電力の代わりに実効電流や蓄電装置２４の温度に応じて増加率演算装置８１で許容増加率ｒを演算する構成としても良い。実効電流は、監視装置２８から入力される充放電電流を基に、設定時間の充放電電流の二乗平均平方根で求めることができる。蓄電装置２４の温度は監視装置２８の温度センサで計測された蓄電装置２４の温度情報を用いることができる。また、監視装置２８で実効電力や実効電流の測定又は演算ができる場合には、実効電力や実効電流は監視装置２８から増加率演算装置８１に入力されるようにしても良い。

（第２実施形態）
図１２は本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式作業機械に備えられたコントローラのポンプ流量制御に係る制御ブロック図である。この図は第１実施形態の図３に対応している。図１２に示したコントローラ８０Ａが図３のコントローラ８０と相違する点は、前述した最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘ（制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍの最大値）を演算する最大制限動力演算装置９０を更に備えている点である。それ以外の要素は図３のコントローラ８０と同様であり、図１２において第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。

最大制限動力演算装置９０には蓄電装置情報と最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘとの関係が予め格納されている。最大制限動力演算装置９０は、この関係に基づき、監視装置２８から入力された蓄電装置情報に応じた最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘを演算し、最小値選択装置８５に出力する。最小値選択装置８５では、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍ、要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑ、出力可能動力Ｗｆｕｌｌ及び最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘから最小値が選択されて、これが目標ポンプ動力ＷＰとしてポンプ制御装置８６に出力される。本実施形態のその他の構成及び動作については第１実施形態と同様である。

図１３は本実施形態におけるポンプ吸収動力、ポンプ吐出圧及びポンプ吐出流量の経時的変化の一例を示す図である。本実施形態においては蓄電残量が規定値よりも少ない場合は、蓄電残量に応じて最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘが抑えられる。アシスト発電モータ２３に対する給電が制限されるような場合、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍが最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘ以下の領域では制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍが目標ポンプ動力ＷＰとして出力され、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍが最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘを超える領域では最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘが目標ポンプ動力ＷＰとして出力される。

従って、蓄電残量が少ない場合又は実効電力が大きい場合等には、本実施形態においても第１実施形態と同様に要求ポンプ動力ＷＰｒｅｑに対して緩やかな増加率で目標ポンプ動力ＷＰが設定され、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。但し、同じ条件下でも、制限ポンプ動力ＷＰｌｉｍが最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘを超える範囲では、図１３に示したように本実施形態では第１実施形態よりも目標ポンプ動力ＷＰが低く設定され、ポンプ流量指令値Ｑも小さくなる。この場合、蓄電残量の減少に伴って最大制限ポンプ動力ＷＰｍａｘが低くなるので、第１実施形態に比べて蓄電装置２４の連続放電量が抑制できるメリットがある。

１３，１４…走行用油圧モータ（油圧アクチュエータ）、２２…エンジン、２３…アシスト発電モータ（電動モータ）、２４…蓄電装置、２７…旋回用油圧モータ（油圧アクチュエータ）、２８…監視装置、３２…ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）、３４…アームシリンダ（油圧アクチュエータ）、３６…バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）、４１…油圧ポンプ、４３…ポンプレギュレータ、７０…操作装置、８１，８１ａ−８１ｄ…増加率演算装置、８２…制限動力演算装置、８３…要求動力演算装置、８５…最小値選択装置、８６…ポンプ制御装置、９０…最大制限動力演算装置、Ｑ…ポンプ流量指令値（指令信号）、ｒ…許容増加率、ＷＥ…エンジン動力（エンジン出力動力）、ＷＰ…目標ポンプ動力、ＷＰｌｉｍ…制限ポンプ動力、ＷＰｍａｘ…最大制限ポンプ動力、ＷＰｒｅｑ…要求ポンプ動力

Claims (8)

1. エンジンと、
   前記エンジンとトルク伝達可能に接続された電動モータと、
   前記電動モータに給電する蓄電装置と、
   前記蓄電装置の状態を監視して蓄電装置情報を取得する監視装置と、
   前記エンジン及び前記電動モータの動力で駆動される油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプの吐出流量を調整するポンプレギュレータとを備えたハイブリッド式作業機械において、
   前記油圧ポンプの吸収動力であるポンプ吸収動力について前記蓄電装置情報に応じた許容増加率を演算する増加率演算装置と、
   前記許容増加率に基づいて前記ポンプ吸収動力の制限値である制限ポンプ動力を演算する制限動力演算装置と、
   前記制限ポンプ動力に応じて前記ポンプレギュレータに対して指令信号を出力し前記油圧ポンプの吐出流量を制御するポンプ制御装置と
   を備えたことを特徴とするハイブリッド式作業機械。
2. 前記油圧ポンプから吐出された圧油で駆動される油圧アクチュエータと、
   前記油圧アクチュエータの動作を指示する操作装置と、
   前記操作装置の操作信号に応じた前記ポンプ吸収動力の要求値である要求ポンプ動力を演算する要求動力演算装置とを更に備え、
   前記許容増加率は、前記ポンプ吸収動力の目標値である目標ポンプ動力がエンジン出力動力よりも高い増加率で増加するように、前記要求ポンプ動力に関わらず前記蓄電装置情報に応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド式作業機械。
3. 前記要求ポンプ動力及び前記制限ポンプ動力から最小値を選択し前記目標ポンプ動力として前記ポンプ制御装置に出力する最小値選択装置を備えていることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド式作業機械。
4. 前記増加率演算装置は、前記蓄電装置情報として蓄電残量を前記監視装置から入力し、前記蓄電残量が少ないほど前記許容増加率を小さくすることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド式作業機械。
5. 前記蓄電残量によって前記許容増加率の減少率に差が付けてあることを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド式作業機械。
6. 前記増加率演算装置は、前記蓄電装置情報として前記蓄電装置の充放電情報を前記監視装置から入力し、前記充放電情報を基に求めた実効電力若しくは実効電流、又は前記監視装置から入力した実効電力若しくは実効電流が大きいほど前記許容増加率を小さくすることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド式作業機械。
7. 前記充放電情報を基に求めた実効電力若しくは実効電流、又は前記監視装置から入力した実効電力若しくは実効電流によって前記許容増加率の減少率に差が付けてあることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド式作業機械。
8. 前記蓄電装置情報に応じた前記制限ポンプ動力の最大値である最大制限ポンプ動力を演算する最大制限動力演算装置を更に備え、
   前記最小値選択装置は、前記要求ポンプ動力、前記制限ポンプ動力及び前記最大制限ポンプ動力から最小値を選択し前記目標ポンプ動力として前記ポンプ制御装置に出力する
   ことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド式作業機械。

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