JP6531225B2 - ハイブリッド式作業機械 - Google Patents

ハイブリッド式作業機械 Download PDF

Info

Publication number
JP6531225B2
JP6531225B2 JP2018539487A JP2018539487A JP6531225B2 JP 6531225 B2 JP6531225 B2 JP 6531225B2 JP 2018539487 A JP2018539487 A JP 2018539487A JP 2018539487 A JP2018539487 A JP 2018539487A JP 6531225 B2 JP6531225 B2 JP 6531225B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
engine
generator
control
motor
charge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018539487A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2018051510A1 (ja
Inventor
吉田 肇
肇 吉田
野口 修平
修平 野口
基朗 石井
基朗 石井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Construction Machinery Tierra Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Tierra Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Tierra Co Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Tierra Co Ltd
Publication of JPWO2018051510A1 publication Critical patent/JPWO2018051510A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6531225B2 publication Critical patent/JP6531225B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60KARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48Parallel type
    • B60K6/485Motor-assist type
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W10/00Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
    • B60W10/04Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units
    • B60W10/06Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units including control of combustion engines
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W10/00Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
    • B60W10/04Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units
    • B60W10/08Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units including control of electric propulsion units, e.g. motors or generators
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W10/00Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
    • B60W10/24Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of energy storage means
    • B60W10/26Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of energy storage means for electrical energy, e.g. batteries or capacitors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W10/00Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
    • B60W10/30Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of auxiliary equipment, e.g. air-conditioning compressors or oil pumps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W20/00Control systems specially adapted for hybrid vehicles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W20/00Control systems specially adapted for hybrid vehicles
    • B60W20/10Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand
    • B60W20/13Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand in order to stay within battery power input or output limits; in order to prevent overcharging or battery depletion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W20/00Control systems specially adapted for hybrid vehicles
    • B60W20/10Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand
    • B60W20/15Control strategies specially adapted for achieving a particular effect
    • B60W20/17Control strategies specially adapted for achieving a particular effect for noise reduction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W50/08Interaction between the driver and the control system
    • B60W50/082Selecting or switching between different modes of propelling
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W50/08Interaction between the driver and the control system
    • B60W50/14Means for informing the driver, warning the driver or prompting a driver intervention
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/30Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets with a dipper-arm pivoted on a cantilever beam, i.e. boom
    • E02F3/32Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets with a dipper-arm pivoted on a cantilever beam, i.e. boom working downwardly and towards the machine, e.g. with backhoes
    • E02F3/325Backhoes of the miniature type
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20Drives; Control devices
    • E02F9/2058Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2062Control of propulsion units
    • E02F9/2075Control of propulsion units of the hybrid type
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20Drives; Control devices
    • E02F9/2058Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2091Control of energy storage means for electrical energy, e.g. battery or capacitors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W50/08Interaction between the driver and the control system
    • B60W50/14Means for informing the driver, warning the driver or prompting a driver intervention
    • B60W2050/146Display means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2300/00Indexing codes relating to the type of vehicle
    • B60W2300/17Construction vehicles, e.g. graders, excavators
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2510/00Input parameters relating to a particular sub-units
    • B60W2510/06Combustion engines, Gas turbines
    • B60W2510/0638Engine speed
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2510/00Input parameters relating to a particular sub-units
    • B60W2510/24Energy storage means
    • B60W2510/242Energy storage means for electrical energy
    • B60W2510/244Charge state
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2530/00Input parameters relating to vehicle conditions or values, not covered by groups B60W2510/00 or B60W2520/00
    • B60W2530/13Mileage
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2710/00Output or target parameters relating to a particular sub-units
    • B60W2710/06Combustion engines, Gas turbines
    • B60W2710/0644Engine speed
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2710/00Output or target parameters relating to a particular sub-units
    • B60W2710/06Combustion engines, Gas turbines
    • B60W2710/0666Engine torque
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62Hybrid vehicles
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/80Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
    • Y02T10/84Data processing systems or methods, management, administration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Operation Control Of Excavators (AREA)
  • Hybrid Electric Vehicles (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

本発明は、ハイブリッド式作業機械に係わり、特に小型の油圧ショベルのハイブリッド式作業機械に関する。
近年、油圧ショベル等の作業機械においては、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減等の観点から、エンジン(ディーゼルエンジン)と電動機を併用するハイブリッド式作業機械が開発され、一部実用化されている。このようなハイブリッド式建設機械として例えば特許文献1に記載のものがある。
特許文献1に記載のハイブリッド式建設機械では、エンジンによって駆動される油圧ポンプの補助動力源として発電・電動機を設け、バッテリの充電量が予め設定した充電率以下に低下した場合に、エンジン目標回転数を低下させてエンジンが定格回転数で動作するときの出力トルクを増加させかつ油圧ポンプの最大吸収トルクを低下させる減トルク制御を行うことにより、エンジンに強制的に余剰トルクを発生させ、発電・電動機を発電機として作動させてバッテリの急速充電を行っている。
特開2015−206193
上記のように特許文献1に記載のハイブリッド式作業機械では、エンジン目標回転数を低下させることで定格回転時のエンジン出力トルクを増加させかつ油圧ポンプの最大吸収トルクを低下させる減トルク制御を行うことで、作業機械の稼働中にバッテリの急速充電を行うことを可能としている。しかしながら、この制御では、油圧ポンプの減トルク制御により油圧ポンプの出力トルクが制限され、機体性能が制限されるため、作業機械の使い勝手或いは操作性が低下するおそれがある。また、作業機械の稼働中の充電であるため、エンジン出力トルク=油圧ポンプ消費トルク+発電機トルクとなり、発電機によるバッテリの充電量も制限される。このためバッテリへの充電が適切に行われない場合がある。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ハイブリッド方式を採用してエンジンを小型化することにより燃費の向上及び騒音の低減を図るとともに、バッテリの充電量が極めて不十分な場合に、安全で確実にバッテリを充電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、このエンジンによって駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータと、運転室内に設けられ、前記複数の油圧アクチュエータの動作を指令する複数の操作装置と、前記エンジンの目標回転数を指示するエンジン回転数指示装置と、前記エンジンの目標回転数に応じて前記エンジンの回転数を変化させかつ前記エンジンの負荷トルクが増加するにしたがって前記エンジンの出力トルクが増加するよう前記エンジンの燃料噴射量を制御するガバナ装置と、前記エンジンに連結された発電・電動機と、前記発電・電動機との間で電力を授受する蓄電装置と、前記蓄電装置からの電力を前記発電・電動機に供給することで前記発電・電動機を電動機として作動させて出力アシストを行い、前記エンジンにより前記発電・電動機を回転駆動することで前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置を充電する第1制御装置とを備えたハイブリッド式作業機械において、前記運転室内に設けられ、前記複数の操作装置による前記複数の油圧アクチュエータの動作を不能とするロック位置と前記複数の操作装置による前記複数の油圧アクチュエータの動作を可能とするロック解除位置とに選択的に操作されるゲートロックレバーと、強制充電スイッチと、前記蓄電装置の充電率が予め設定した限界充電率よりも低下したことをオペレータに知らせる作業機械モニタと、前記ゲートロックレバーが前記ロック位置に操作され、前記エンジン回転数指示装置によりローアイドル回転数が指示され、かつ前記強制充電スイッチが操作されたときに、前記エンジンの目標回転数を前記ローアイドル回転数から強制充電に適した回転数に増加させ、この状態で前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置の強制充電を行う第2制御装置とを備えるものとする。
このように本発明は第1制御装置を備えることにより、ハイブリッド方式を採用してエンジンを小型化することにより燃費の向上及び騒音の低減を図ることができる。
また、本発明は第2制御装置を備えることにより、バッテリの充電量が極めて不十分な場合に、安全で確実にバッテリを充電することができる。
本発明によれば、ハイブリッド方式を採用してエンジンを小型化することにより燃費の向上及び騒音の低減を図るとともに、バッテリの充電量が極めて不十分な場合に、安全で確実にバッテリを充電することができる。
本発明の一実施の形態に係るハイブリッド式作業機械である小型の油圧ショベルの外観を示す図である。 図1に示した油圧ショベルのハイブリッド駆動システムを示す図である。 ポンプレギュレータの構成の詳細を示す図である。 ポンプレギュレータのトルク制御部の機能を示すポンプトルク特性図である。 車体コントローラの充電制御機能を示すブロック図である。 出力アシスト制御/充電制御部(第1制御装置)の制御機能を示すフローチャートである。 強制充電制御部の制御機能を示すフローチャートである(フラグ設定制御)。 強制充電制御部の制御機能を示すフローチャートである(強制充電制御)。 エンジン回転数低下制御のときのエンジン回転数とエンジン出力トルクの変化を示す図である。 エンジンのトルク線図に等燃費曲線を重ね合わせて示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
〜構成〜
図1は、本発明の一実施の形態に係るハイブリッド式作業機械である小型の油圧ショベルの外観を示す図である。本明細書において、小型の油圧ショベルとはミニショベルを含む8トンクラス以下の油圧ショベルを言う。
油圧ショベルは、下部走行体101と、この下部走行体101上に旋回可能に搭載された上部旋回体102と、この上部旋回体102の先端部分にスイングポスト103を介して上下及び左右方向に回動可能に連結されたフロント作業機104とを備えている。下部走行体101はクローラ方式であり、トラックフレーム105の前方側に上下動可能な排土用のブレード106が設けられている。上部旋回体102は基礎下部構造をなす旋回台107と、旋回台107上に設けられたキャビン(運転室)108とを備えている。フロント作業機104はブーム111と、アーム112と、バケット113とを備え、ブーム111の基端はスイングポスト103にピン結合され、ブーム111の先端はアーム112の基端にピン結合され、アーム112の先端はバケット113にピン結合されている。
上部旋回体102は下部走行体101に対して図示しない旋回モータにより旋回駆動され、スイングポスト103及びフロント作業機104は旋回台107に対してスイングシリンダ24gにより左右に回動駆動され、ブーム111、アーム112、バケット113は、それぞれ、ブームシリンダ24c、アームシリンダ24d、バケットシリンダ24eを伸縮することにより上下に回動駆動される。下部走行体101は左右の走行モータ24a,24bにより回転駆動され、ブレード106はブレードシリンダ24hにより上下に駆動される。
図2は、図1に示した油圧ショベルのハイブリッド駆動システムを示す図である。図2において、ハイブリッド駆動システムは、エンジン系1と、油圧系2と、発電電動系3と、制御系4とを備えている。
エンジン系1は、ディーゼルエンジン11と、エンジンコントロールダイヤル12と、エンジンコントローラ13と、電子ガバナ14と、エンジン回転数検出装置15とを備えている。ディーゼルエンジン11は、発電電動系3を備えていない従来のものよりもダウンサイジングした(エンジン出力の小さい)エンジンである。
油圧系2は、油圧ポンプ21及びパイロットポンプ22と、コントロールバルブ23と、複数の油圧アクチュエータ24a〜24hと、複数の操作装置25a〜25hと、ポンプレギュレータ27とを備えている。また、油圧系2はゲートロックレバー26と、ゲートロック弁29とを備えている。ゲートロック弁29は電磁弁である。
発電電動系3は、発電・電動機31と、インバータ32と、バッテリ(蓄電装置)33と、バッテリコントローラ34とを備えている。
制御系4は、ゲートロック検出装置28と、強制充電スイッチ41と、減トルク制御電磁弁42と、作業機械モニタ43と、車体コントローラ46とを備えている。
エンジン系1において、エンジンコントロールダイヤル12は、オペレータの操作によりエンジン11の目標回転数を指示するものである。目標回転数とは、エンジン11に負荷が投入されていないときのエンジン回転数であると定義する。エンジンコントローラ13は、車体コントローラ46を介してエンジンコントロールダイヤル12が指示した目標回転数信号を入力し、所定の演算処理を行って目標燃料噴射量を求め、電子ガバナ14を制御することによりエンジンの各気筒に噴射される燃料噴射量を制御し、エンジン出力トルクとエンジン回転数を制御する。
エンジン11の出力軸は大径ギヤ6aと小径ギヤ6bからなる動力分配器6を介して油圧系2の油圧ポンプ21及びパイロットポンプ22と発電電動系3の発電・電動機31に連結されている。
油圧系2において、油圧ポンプ21及びパイロットポンプ22はエンジン11と、電動機として動作右するときの発電・電動機31とによって駆動される。油圧ポンプ21から吐出された圧油はコントロールバルブ23を介して複数の油圧アクチュエータ24a〜24hに供給され、それぞれの被駆動体を駆動する。油圧ポンプ21は可変容量型であり、押しのけ容積可変機構(例えば斜板)21aを備えている。押しのけ容積可変機構21aの傾転位置はポンプレギュレータ27により調整され、油圧ポンプの容量が制御される。
複数の油圧アクチュエータ24a〜24hは前述した左右の走行モータ24a,24b、ブームシリンダ24c、アームシリンダ24d、バケットシリンダ24e、ブレードシリンダ24h、スイングシリンダ24gや図示しない旋回モータを含んでいる。
コントロールバルブ23は複数の油圧アクチュエータ24a〜24hに対応する複数のメインスプールを内蔵し、これらメインスプールは操作装置25a〜25hから出力される油圧信号(操作パイロット圧)により切換操作される。
発電電動系3において、発電・電動機31はエンジン11に余剰トルクがあるときは、その余剰トルクによって駆動されて発電機として作動する。発電・電動機31が発生した電気エネルギーはインバータ32を介してバッテリ33に蓄電される。また、発電・電動機31は、バッテリ33の容量に対する蓄電量の比率(以下、充電率という)が発電・電動機31のアシスト駆動に必要な充電率(例えば30%)以上でありかつ油圧ポンプ21をアシスト駆動する必要があるときは、インバータ32を介してバッテリ33の電気エネルギーが供給され、電動機として作動する。バッテリコントローラ34はバッテリ33の蓄電量を監視し、その蓄電量に係わる充電率などの情報(蓄電情報)を車体コントローラに送る。
制御系4において、車体コントローラ46は、ゲートロック検出装置28、強制充電スイッチ41と、減トルク制御電磁弁42と、作業機械モニタ43とに電気的に接続されている。また、車体コントローラ46は、インバータ32、バッテリコントローラ34、エンジンコントロールダイヤル12及びエンジンコントローラ13とも電気的に接続されている。車体コントローラ46は、エンジンコントロールダイヤル12の指示信号(エンジン11の目標回転数)、エンジンコントローラ13からのエンジン回転数情報(エンジン回転数検出装置15によって検出したエンジン11の実回転数)、ゲートロック検出装置28からの検出信号(ゲートロックレバー26のON/OFF信号)、バッテリコントローラ34の蓄電情報(充電率)及び強制充電スイッチ41の操作信号を入力し、所定の演算処理を行い、エンジンコントローラ13、ゲートロック弁29、インバータ32、バッテリコントローラ34、減トルク制御電磁弁42、作業機械モニタ43に制御信号を出力する。
図3は、ポンプレギュレータ27の構成の詳細を示す図である。図3ではトルク制御部の構成のみ示し、操作装置25a〜25hの操作量に応じて油圧ポンプ21の押しのけ容積可変機構21aの傾転位置を制御する部分の構成は、図示を省略している。
図3において、ポンプレギュレータ27は、油圧ポンプ21の押しのけ容積可変機構21aに作動的に連結された制御スプール27aと、この制御スプール27aに対して油圧ポンプ21の容量増加方向に作用する長さの異なる2つのバネ27b,27cと、制御スプール27aに対して油圧ポンプ21の容量減少方向に作用する第1及び第2受圧部27d,27eとを有している。第1受圧部27dには油圧ポンプ21の吐出圧力がパイロットライン27fを介して導入される。
減トルク制御電磁弁42は、車体コントローラ46から制御信号が出力されていないときは図示のOFF位置にあり、ポンプレギュレータ27の第2受圧部27eをタンクに連通させる。車体コントローラ46から制御信号が出力されると、減トルク制御電磁弁42はON位置に切り換えられ、第2受圧部27eに制御圧力としてパイロットポンプ22の吐出圧力が導かれる。パイロットポンプ22の吐出圧力はパイロットリリーフ弁51により一定の値(例えば4Mpa)に保たれている。
図4は、ポンプレギュレータ27のトルク制御部の機能を示すポンプトルク特性図であり、横軸は油圧ポンプ21の吐出圧力を示し、縦軸は油圧ポンプ21の容量を示している。
また、図4において、符号TP1及びTP2で示される2つの直線(実線)からなる折れ曲がり線は、減トルク制御電磁弁42がOFF位置にあるときにバネ27b,27cにより設定される最大吸収トルク特性である。直線TP1,TP2に接する符号TPLcで示される曲線は油圧ポンプ21の最大吸収トルク(制限トルク)である。油圧ポンプ21の最大吸収トルクTPLcはエンジン11の定格トルクToptに発電・電動機31の最大トルクTMmaxを加算した定格システムトルクToptcよりも所定の余裕分だけ小さくなるように設定されている。油圧ポンプ21の吸収トルクは制限トルクTPLcを超えないように制御される。油圧ポンプ21の吐出圧力がメインリリーフ弁52の設定圧力に達すると、それ以上油圧ポンプ21の吐出圧力の上昇は阻止される。
減トルク制御電磁弁42がON位置に切り換わると、第2受圧部27eに制御圧力が導かれ、制御スプール27aには第2受圧部27eの油圧力がバネ27b,27cの付勢力に対向して作用する。これによりバネ27b,27cによる最大吸収トルクの設定は、第2受圧部27eの油圧力の分だけ減少するよう調整され、最大吸収トルク特性は、矢印で示すように、実線の直線TP1,TP2からなる折れ曲げ線から一点鎖線の直線TP3,TP4からなる折れ曲げ線へとシフトする(減トルク量ΔTPd1)。その結果、油圧ポンプ21の最大吸収トルク(ポンプ吐出圧力と最大容量の積)は直線TP1,TP2の最大吸収トルクTPLcから直線TP3,TP4に接する曲線のTPLdへと小さくなり(減トルク量ΔT)、エンジン11に余剰トルクが強制的に作り出される。本願明細書では、この制御を減トルク制御という。
〜ゲートロックレバー26〜
油圧ショベルのキャビン108内には運転席108aが設置され、運転席108aの前側左側部(キャビン108の入り口側)にゲートロックレバー26が設けられている。ゲートロックレバー26は運転席108aの入り口を開放する上げ位置(ロック位置)Dと運転席108aの制限する下げ位置(ロック解除位置)Eとに選択的に操作可能である。ゲートロックレバー26が上げ位置(ロック位置)Dにあるとき、ゲートロック検出装置28の出力信号はOFFであり、車体コントローラ46はゲートロック弁29の励磁を解除してゲートロック弁29を図示の位置に切り換える。このとき、パイロットポンプ22と操作装置25a〜25hのそれぞれに内蔵されているリモコン弁との連通を遮断し、操作装置25a〜25hによる操作パイロット圧の生成が不能となるため、コントロールバルブ23の操作が不能となり、アクチュエータ24a〜24hの動作が不能となる。ゲートロックレバー26が下げ位置(ロック解除位置)Eに下げ操作されると、ゲートロック検出装置28はON信号を出力し、車体コントローラ46はゲートロック弁29を励磁してゲートロック弁29を図示の位置から切り換える。このとき、パイロットポンプ22の圧力が操作装置25a〜25hのそれぞれに内蔵されているリモコン弁に導かれ、操作装置25a〜25hによる操作パイロット圧の生成が可能となるため、コントロールバルブ23の操作が可能となり、アクチュエータ24a〜24hの動作が可能となる。
〜車体コントローラ46の充電制御〜
次に、図5〜図9を用いて車体コントローラ46の充電制御を説明する。
図5は、車体コントローラ46の充電制御機能を示すブロック図である。車体コントローラは、出力アシスト制御/充電制御部46a(第1制御装置)と強制充電制御部46b(第2制御装置)とを有している。出力アシスト制御/充電制御部46aは応急充電制御の機能を含み、この応急充電制御ではある程度の作業を継続可能としながら応急的にバッテリの充電制御を行う。強制充電制御部46bはオペレータの意志で作業を中止或いは終了させ、バッテリの充電制御に専念させるものである。
図6は、出力アシスト制御/充電制御部46a(第1制御装置)の制御機能を示すフローチャートである。
まず、出力アシスト制御/充電制御部46aはバッテリコントローラ34の蓄電情報から取得したバッテリ33の充電率が予め設定した限界充電率(SOC)よりも小さいか否かを判定する(ステップS90)。限界充電率とは、発電・電動機31のアシスト駆動による作業の継続が困難となるような極めて低い充電率であり、例えば30%である。ステップ90でNO(バッテリ充電率≧30%)と判定された場合は、バッテリ充電率が作業継続可能な第1閾値より小さいか否かを判定する(ステップS100)。作業継続可能な第1閾値とは、バッテリの充電量が発電・電動機31のアシスト駆動による作業の継続は可能であるが、バッテリ充電制御により充電を行うことが好ましい充電率であり、ステップS90の判定で用いる限界充電率(例えば30%)よりも高い充電率(例えば50%)である。ステップS100でYES(バッテリ充電率<50%)と判定された場合は、エンジンコントローラ13のエンジン回転数情報から取得した現在のエンジン回転数(実回転数)が最大馬力回転数NRxより小さいか否かを判定する(ステップS110)。ここで、エンジンコントロールダイヤル12が指示する目標回転数が最大NTmaxであるとき、最大馬力回転数は定格回転数NRmaxである。
ステップS110でYES(エンジン回転数<最大馬力回転数NRx)と判定された場合は、発電・電動機31を電動機として作動させ(ステップS140A)、ステップS90に戻り、ステップS90以降の処理を繰り返し実行する。ステップS140Aで行われる出力アシスト制御によって、エンジン回転数は上昇し、最大馬力回転数NRxに戻され、最大馬力回転数NRxに維持される。また、ハイブリッド駆動システムの出力トルクは定格トルクのToptcまで増加し(図4参照)、システム出力馬力も増加する。発電・電動機31を電動機として作動させる制御方法としては、例えば最大馬力回転数からエンジン回転数(実回転数)を差し引いた回転数偏差ΔNdを求め、この回転数偏差ΔNdが大きくなるにしたがって駆動トルクが増加するよう発電・電動機31を制御してもよい。
ステップS110でNO(エンジン回転数≧最大馬力回転数NRx)と判定された場合は、エンジン11の負荷トルク(油圧ポンプ21の吸収トルク)がエンジン11の定格トルクToptよりも小さく、エンジン11に余裕がある場合であり、この場合はエンジン11の余剰トルクによって発電・電動機31を駆動して発電・電動機31を発電機として作動させ(ステップS120)、バッテリ充電制御を行う(ステップS130)。これによりエンジン11の出力トルクは定格トルクToptまで増加し、エンジン回転数は最大馬力回転数NRxまで低下し、エンジン出力馬力は最大馬力まで増加する。さらに、エンジン11の余剰トルクによって発電・電動機31が駆動され、発電・電動機31で発電した電力がインバータ32を介してバッテリ33に蓄電される。発電・電動機31を発電機として作動させる制御方法としては、例えばエンジン回転数(実回転数)から最大馬力回転数を差し引いた回転数偏差ΔNcを求め、この回転数偏差ΔNcが大きくなるにしたがって発電トルクが増加するよう発電・電動機31を制御すればよい。
ステップS130に続いて、バッテリ充電率が作業継続可能な第2閾値より大きいか否かを判定する(ステップS150)。作業継続可能な第2閾値とは、バッテリの充電が不要となる充電率であり、第1閾値よりも高い充電率(例えば70%)である。ステップS150でYES(バッテリ充電率>70%)と判定された場合は、処理を終了する。一方、ステップS150でNO(バッテリ充電率≦70%)と判定された場合は、ステップS100に戻り、ステップS100以降の処理を繰り返し実行する。
ステップS100でNO(バッテリ充電率≦50%)と判定された場合は、バッテリ33の充電が不要であるとみなせる場合であり、この場合は、ステップS110と同様にエンジン回転数が最大馬力回転数NRxより低いか否かを判定し(ステップS160)、ステップS160でYES(エンジン回転数<最大馬力回転数NRx)と判定された場合は、発電・電動機31を電動機として作動させ(ステップS140B)、ステップS100に戻り、ステップS100以降の処理を繰り返し実行する。これにより、エンジン回転数は最大馬力回転数NRxに維持されるとともに、システム出力トルクは定格トルクのToptcまで増加し(図4参照)、システム出力馬力も増加する。一方、ステップS160でNO(エンジン回転数≧最大馬力回転数NRx)と判定された場合は、処理を終了する。
ステップS90において、バッテリ33の充電率が予め設定された限界充電率(例えば30%)以下になると、ステップ200に移行する。ステップ200では、ゲートロック検出装置28の出力信号に基づいてゲートロックレバー26がロック位置Dに操作されたかどうかを判定する(ステップS200)。ゲートロックレバー26がロック位置Dに操作されたと判定されると、ステップS210に移行する。
ステップS210以下は応急充電制御の処理手順であり、エンジン回転数低下制御(ステップS210)とポンプ減トルク制御(ステップS220)を行った後、バッテリ33の充電制御(ステップS230,S240)を行う。
ステップS210のエンジン回転数低下制御では、エンジン11の最大目標回転数をNTmaxからNtcに低下させる制御を行う。図8は、エンジン回転数低下制御のときのエンジン回転数とエンジン出力トルクの変化を示す図である。車体コントローラ46はエンジン回転数低下制御用の目標回転数NTcを予め記憶しておき、エンジンコントロールダイヤル12が指示する目標回転数NTx(図示の例では最大回転数)に代えてその目標回転数NTcをエンジンコントローラ13に出力する。エンジンコントローラ13はその目標回転数NTcに基づいて燃料噴射量を算出し、電子ガバナ14を制御する。これによりエンジン11の最大馬力回転数における出力トルクは定格トルク点TE1のToptから点TE2のTopt1に増加する。
ステップS220のポンプ減トルク制御では、車体コントローラ46は減トルク制御電磁弁42に制御信号を出力して油圧ポンプ21の最大吸収トルクをTPLcからTPLdに減少させる制御を行う(図4)。
ステップS230,S240の充電制御では、以上のエンジン回転数低下制御とポンプ減トルク制御により強制的に作り出したエンジン11の余剰トルクを用いて発電・電動機31を発電機として作動させ、ある程度の作業の継続を可能としながらバッテリ33の応急充電を行う。
ステップS240に続き、バッテリ33の充電率が予め設定した作業継続可能な第3閾値より大きいか否かを判定する(ステップS250)。ここで作業継続可能な第3閾値とは、バッテリ33の充電量が極めて不十分な状態を脱したことを示す充電率であり、ステップS90の判定で用いる限界充電率(例えば30%)より高い充電率(例えば40%)である。ステップS250でNO(バッテリ充電率≦第3閾値(40%))と判定された場合は、バッテリ充電率が作業継続可能な第3閾値以上になるまでステップS210〜S240の処理を繰り返し実行する。
ステップS250でYES(バッテリ充電率>第3閾値(40%))と判定された場合ステップS100に移行し、上述した上述した出力アシスト制御(ステップS140A,S130B)或いは充電制御(ステップS120,S130)を行う。
一方、ステップS200において、ゲートロックレバー26がロック解除位置Eに操作され、ゲートロック検出装置28がON信号を出力すると、応急充電制御を解除する(ステップS205)。
このように出力アシスト制御/充電制御部46a(第1制御装置)は、バッテリ(蓄電装置)33からの電力を発電・電動機31に供給することで発電・電動機31を電動機として作動させて出力アシストを行い、エンジン11により発電・電動機31を回転駆動することで発電・電動機31を発電機として作動させてバッテリ33を充電する。また、出力アシスト制御/充電制御部46a(第1制御装置)は応急充電制御を行う機能を含み、応急充電制御では、バッテリ33の充電率が限界充電率よりも低下した場合に、エンジン11の目標回転数を低下させるエンジン回転数低下制御と油圧ポンプ21の最大吸収トルクを低下させる減トルク制御とを行い、このエンジン回転数低下制御と減トルク制御によってエンジン11に生じた余剰トルクを用いて発電・電動機31を発電機として作動させバッテリ33を充電する。また、ゲートロックレバー26がロック位置Dに操作されたとき、応急充電制御を解除する。
図7A及び図7Bは強制充電制御部46b(第2制御装置)の制御機能を示すフローチャートである。強制充電制御部46bは図7Aに示すフラグ設定制御と図7Bに示す強制充電制御の組み合わせで構成されている。
まず、強制充電制御部46bは、図7Aに示すように、バッテリコントローラ34の蓄電情報から取得したバッテリ33の充電率が予め設定した限界充電率(SOC)よりも小さいか否かを判定する(ステップS300)。限界充電率は図6に示す応急充電制御のステップS90の判定で用いた限界充電率と同じであり、発電・電動機31のアシスト駆動による作業の継続が困難となるような極めて低い充電率(例えば30%)を言う。ステップS300でYES(バッテリ充電率<30%)と判定された場合は、バッテリ33の充電率が著しく低下していることをオペレータに知らせるため、作業機械モニタ43に強制充電要ランプを点灯させる(ステップS310)。このとき合わせて作業機械モニタ43に強制充電の作手順を表示してもよい。或いは、作業機械モニタ43にスピーカを設け、強制充電要の警告音を発生させてもよいし、そのことを音声で知らせてもよい。また、ステップS310において点灯させた強制充電要ランプは、所定時間経過後に消灯させてもよい。ステップS300でNO(バッテリ充電率≧30%)と判定された場合は、ステップS300の判定を繰り返す。
次いで、強制充電制御部46bは、ゲートロック検出装置28の出力信号に基づいてゲートロックレバー26がロック位置Dに操作されたかどうか(ステップS320)と、エンジンコントロールダイヤル12が指示する目標回転数がローアイドル回転数であるかどうか(ステップS330)と、発電・電動機31の回転数は、発電・電動機31が発電機として動作可能な最低回転数である500min-1以上であるかどうか(ステップS340)を順次判定し、いずれもYESと判定されと強制充電制御可能フラグをONに設定し(ステップS350)、強制充電制御停止フラフをOFFに設定する(ステップS360)。ステップS320,S330,S340のいずれかでNOと判定されると、ステップS320,S330,S340の判定を繰り返す。また、前述したように図6のステップS200では、ゲートロックレバー26がロック位置Dに操作されると、応急充電制御を解除する(図6のステップS205)。
次いで、強制充電制御部46bは、再び、ゲートロック検出装置28の出力信号に基づいてゲートロックレバー26がロック位置Dに操作されたかどうか(ステップS370)と、エンジンコントロールダイヤル12が指示する目標回転数がローアイドル回転数であるかどうか(ステップS380)と、発電・電動機31の回転数は500min-1以上であるかどうか(ステップS390)を順次判定し、いずれかでNOと判定されると強制充電制御停止フラフをONに設定し(ステップS400)、強制充電制御可能フラグをOFFに設定する(ステップS410)。ステップS370,S380,S390のいずれもYESと判定されと、ステップS370,S380,S390の判定を繰り返す。
また、強制充電制御部46bは、図7Bに示すように、強制充電制御可能フラグがONであるかどうか(ステップS500)と、強制充電スイッチ41がONであるか(ステップS510)を順次判定し、いずれもYESと判定されとエンジン11の目標回転数をアイドル回転数から強制充電に適した回転数、例えば最も燃費の良い領域の低燃費回転数に変更し(ステップS515)、強制充電制御を開始する(ステップS520)。ステップS500,S510のいずれもNOと判定されと、ステップS500,S510の判定を繰り返す。
ステップS520の強制充電制御では、強制充電制御部46bは発電・電動機31を発電機として作動させてバッテリ33の強制充電を行う。このとき、エンジン11の目標回転数はローアイドル回転数から低燃費回転数に増加しており、強制充電制御部46bはその増加した低燃費回転数で強制充電制御を行う。
図9は、エンジン11のトルク線図に等燃費曲線を重ね合わせた図である。図中、N0がローアイドル回転数であり、N1が低燃費回転数である。また、Tmが発電・電動機31を駆動して行う強制充電時のエンジン11の負荷トルクである。Z1〜Z4が等燃費曲線を示しており、外側から内側に向かうにしたがって燃費が良くなり、等燃費曲線Z1の内側領域が最も燃費の良い領域である。なお、燃費とは燃料消費率の略称であり、エンジン11の時間あたりの燃料消費量(g/h)を発電・電動機31の発電量(kW)で除した値である。
本実施の形態の強制充電制御において、強制充電制御可能フラグのON後、強制充電スイッチ41が押される前はエンジン11の目標回転数はローアイドル回転数N0にある。その後、強制充電制御可能フラグがONで強制充電スイッチ41が押されると、エンジン11の回転数は低燃費回転数N1に上昇し、この状態で強制充電が開始される。このときエンジン11の負荷トルクはTmに増加する。
ここで、もし、エンジン11の目標回転数がローアイドル回転数N0のまま強制充電を行うと、エンジン等燃費曲線の燃費の悪いポイントX0で充電することになり、高燃費となってしまう。これに対し、エンジン11の目標回転数を低燃費回転数N1に上昇させることにより、エンジン等燃費曲線の最小燃費付近のポイントX1で強制充電を行うことになり、より低燃費で充電を行うことができる。なお、エンジン11の目標回転数を一旦ローアイドル回転数N0に低下させるのは安全かつスムーズに強制充電制御へ移行させるためである。
次いで、強制充電制御部46bは、バッテリ充電率が予め設定した適正充電率より大きいか否か(ステップS530)と、強制充電制御停止フラグがONであるか(ステップS540)を順次判定し、いずれもNOと判定されるとステップS530,S540の判定を繰り返し、強制充電制御を継続する。ステップS530,S514のいずれかがYESと判定されると、強制充電制御を停止させる(ステップS550)。ここで、ステップS530の判定で用いる適正充電率はバッテリ33の充電量が連続作業に支障のない充電率であり、例えば図6に示す応急充電制御のステップS150の判定で用いた作業継続可能な第2閾値と同じ70%である。
このように強制充電制御部46b(第2制御装置)は、ゲートロックレバー26がロック位置Dに操作され、エンジンコントロールダイヤル12(エンジン回転数指示装置)によりローアイドル回転数が指示され、かつ強制充電スイッチ41が操作されたときに、エンジン11の目標回転数をローアイドル回転数N0から強制充電に適した回転数(低燃費回転数N1)に増加させ、この状態で発電・電動機31を発電機として作動させてバッテリ33の強制充電を行う。
また、強制充電制御部46bは、バッテリ33の充電量が連続作業に支障のない予め設定した適正充電率まで増加したとき、発電・電動機31の発電機としての作動を停止させ、強制充電制御を終了し、エンジン11の目標回転数を低燃費回転数N1からローアイドル回転数N0に低下させる。
また、強制充電制御停止フラグがONであるとき、すなわちバッテリ33の強制充電を行っているときにゲートロックレバー26がロック解除位置Eに操作されたとき、或いはエンジンコントロールダイヤル12が操作されエンジン11の目標回転数が変更されたとき、発電・電動機31の発電機としての作動を停止させ、強制充電制御を終了し、エンジン11の目標回転数を低燃費回転数N1からローアイドル回転数N0に低下させる。
〜動作〜
本実施の形態に係るハイブリッド作業機械の動作を、バッテリ充電率が作業継続可能な第1閾値の50%以上である場合と、バッテリ充電率が第1閾値の50%を下回った場合と、バッテリ充電率が限界充電率の30%を下回った場合とに分けて説明する。
<バッテリ充電率が50%以上である場合>
バッテリ充電率が50%以上である場合、エンジン11の負荷が増大し、エンジン回転数が最大馬力回転数NRx以下に低下すると、発電・電動機31は電動機として作動し(ステップS140B)、エンジン回転数は最大馬力回転数NRxに維持されるよう制御される。これによりシステム出力トルクは定格トルクのToptcまで増加し(図4参照)、エンジン11を小型化しても油圧ショベルとしての通常作業を行うことができる。また、エンジン11の小型化するため、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を図ることができる。
<バッテリ充電率が50%を下回った場合>
バッテリ充電率が50%を下回った場合、エンジン11の負荷が増大し、エンジン回転数が最大馬力回転数NRx以下に低下すると、バッテリ充電率が50%以上である場合と同様、発電・電動機31は電動機として作動し(ステップS140A)、エンジン回転数は最大馬力回転数NRxに維持されるよう制御される。また、エンジン11の負荷が軽く、エンジン回転数が最大馬力回転数NRx以上である場合は、エンジン11の余剰トルクによって発電・電動機31を発電機として作動させ、バッテリ33を充電する。これにより油圧ショベルとしての通常作業を行いながら、バッテリ33を充電することができる。<バッテリ充電率が30%を下回った場合1(応急充電制御)>
バッテリ33の充電率が限界充電率(SOC)の30%を下回った場合、作業機械モニタ43に強制充電要ランプが点灯し、オペレータはそのことを知ることができる。この場合、オペレータは作業状況によって作業の継続を望む場合がある。その場合、オペレータが強制充電制御ではなく応急充電制御を選択し、ゲートロックレバーをロック解除位置Eのままとする。この応急充電制御では、エンジン回転数低下制御(ステップS210)とポンプ減トルク制御(ステップS220)によりエンジン11の余剰トルクが強制的に作り出され、この余剰トルクによって発電・電動機31を発電機として作動させ、バッテリ33を急速充電する。また、減トルク制御により油圧ポンプ21の最大吸収トルクは図4のTPLdと小さくなるが、エンジン回転数低下制御により確保した増トルク分、油圧ポンプ21の最大吸収トルクの低下量は抑制できる。このため急速充電中の油圧ショベルの作業量の低下を抑えることができる。
<バッテリ充電率が30%を下回った場合2(強制充電制御)>
バッテリ33の充電率が限界充電率(SOC)を下回った場合、オペレータは作業状況によって強制充電制御を選択する場合がある。その場合、オペレータはゲートロックレバーをロック位置Dに操作し、エンジンコントロールダイヤル12を操作して目標回転数をローアイドル回転数に設定し(ステップS330)、強制充電スイッチ41をON操作する。これにより応急充電制御が解除され(ステップS200)、強制充電制御が開始される(ステップS500〜S520)。また、このとき、一旦ローアイドル回転数N0に低下したエンジン11の目標回転数が低燃費回転数N1に上昇し(ステップS215)、この状態で強制充電制御が行われる。このため安全かつ確実に、低燃費で充電を行うことができる。
〜効果〜
以上のように本実施の形態によれば、出力アシストによってエンジン11の要求トルクを抑えることでエンジン11の小型化が可能となり、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を図ることができる。
また、バッテリ33の充電率が限界充電率以下に低下した場合に、エンジン回転数を低下させるエンジン回転数低下制御を行うことによりエンジン出力トルクがTopt1へと増加する。これにより減トルク制御のみを行って余剰トルクを発生させる場合と比較して減トルク制御による油圧ポンプ21の最大吸収トルクの低下量が抑えられ、油圧ポンプ21の出力低下(油圧ショベルの作業量の低下)を抑えつつバッテリ33の応急的な充電を行うことが可能となる。これによりバッテリ33の充電中にもある程度の作業を行うことを可能とし、機体の稼動効率の低下を抑えることができる。
更に、そのような応急充電制御では、油圧ポンプ21の減トルク制御により油圧ポンプ21の出力トルクが制限され、機体性能が制限されるため、作業機械の使い勝手或いは操作性が低下するおそれがある。また、作業機械の稼働中の充電であるため、エンジン出力トルク=油圧ポンプ消費トルク+発電機トルクとなり、発電.電動機31によるバッテリ33の充電量も制限される。このためバッテリ33への充電が適切に行われない場合がある。
本実施の形態では、そのような場合、作業機械モニタ43に強制充電要ランプが点灯することで、オペレータはバッテリ33の充電率が限界充電率(SOC)を下回ったことを知り、オペレータはゲートロックレバーをロック位置Dに操作し、エンジンコントロールダイヤル12を操作して目標回転数をローアイドル回転数に設定し、強制充電スイッチ41をON操作する。これにより強制充電制御が開始され(ステップS500〜S520)、バッテリ33を適正充電率(70%)まで確実に充電することができる。また、このとき、エンジン11の目標回転数が一旦ローアイドル回転数N0に低下し、その後強制充電に適した回転数である低燃費回転数に上昇するため、安全かつスムーズに強制充電制御に移行しかつ確実にバッテリ33を充電することができる。更に、強制充電制御が始まると一旦ローアイドル回転数N0に低下したエンジン11の目標回転数は低燃費回転数N1に上昇するため、低燃費で充電を行うことができる。
更に、本実施の形態では、ゲートロックレバー26がロック解除位置Eに戻すか、エンジンコントロールダイヤル12を操作してエンジン11の所望の目標回転数を設定することで強制充電制御は停止する。したがって、オペレータはいつでも強制充電制御を終了させ、作業を再開することができる。
〜変形例〜
本実施の形態では、車体コントローラの出力アシスト制御/充電制御部46aに応急充電制御の機能を含ませ、バッテリ33の充電率が限界充電率(SOC)の30%を下回った場合に応急充電制御か強制充電制御の一方を選択できるようにしたが、出力アシスト制御/充電制御部46aに応急充電制御の機能を持たせず、強制充電制御だけを行えるようにしてもよい。
また、上記の実施の形態では、強制充電制御の開始時にゲートロックレバー26がロック位置Dに操作されたときに応急充電制御を解除するようにしたが、エンジンコントロールダイヤル12によりローアイドル回転数が指示されたときに応急充電制御を解除してもよいし、ゲートロックレバー26がロック位置Dに操作されかつエンジンコントロールダイヤル12によりローアイドル回転数が指示されたときに応急充電制御を解除してもよい。
また、上記実施の形態では、強制充電制御開始時に、一旦ローアイドル回転数N0に低下したエンジン11の目標回転数を低燃費回転数N1に上昇させたが、それ以外の強制充電に適した目標回転数に上昇させてもよい。例えば、エンジン11の目標回転数を低燃費回転数N1よりもエンジンの出力トルクが大きい回転数、例えば定格回転数まで上昇させてもよく、これにより、より短時間でバッテリ33を充電することができる。
また、本実施の形態では、油圧ポンプ21及びパイロットポンプ22と発電・電動機31とを動力分配器6を介してエンジン11の出力軸に連結する構成としたが、本発明はこれに限られず、例えばエンジン11の出力軸に直列に連結する構成であってもよい。
1 エンジン系
2 油圧系
3 発電電動系
4 制御系
6 動力分配器
11 エンジン
12 エンジンコントロールダイヤル
13 エンジンコントローラ
14 電子ガバナ
15 エンジン回転数検出装置
21 油圧ポンプ
21a 押しのけ容積可変機構
22 パイロットポンプ
23 コントロールバルブ
24a〜24h 油圧アクチュエータ
25a〜25h 操作装置
26 ゲートロックレバー
27 ポンプレギュレータ
28 ゲートロック検出装置
29 ゲートロック弁
31 発電・電動機
32 インバータ
33 バッテリ(蓄電装置)
34 バッテリコントローラ
41 強制充電スイッチ
42 減トルク制御電磁弁
43 作業機械モニタ
46 車体コントローラ
46a 出力アシスト制御/充電制御部(第1制御装置)
46b 強制充電制御部(第2制御装置)
101 下部走行体
102 上部旋回体
103 スイングポスト
104 フロント作業機
105 トラックフレーム
106 排土用のブレード
107 旋回台
108 キャビン(運転室)
111 ブーム
112 アーム
113 バケット

Claims (5)

  1. エンジンと、
    このエンジンによって駆動される油圧ポンプと、
    この油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータと、
    運転室内に設けられ、前記複数の油圧アクチュエータの動作を指令する複数の操作装置と、
    前記エンジンの目標回転数を指示するエンジン回転数指示装置と、
    前記エンジンの目標回転数に応じて前記エンジンの回転数を変化させかつ前記エンジンの負荷トルクが増加するにしたがって前記エンジンの出力トルクが増加するよう前記エンジンの燃料噴射量を制御するガバナ装置と、
    前記エンジンに連結された発電・電動機と、
    前記発電・電動機との間で電力を授受する蓄電装置と、
    前記蓄電装置からの電力を前記発電・電動機に供給することで前記発電・電動機を電動機として作動させて出力アシストを行い、前記エンジンにより前記発電・電動機を回転駆動することで前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置を充電する第1制御装置とを備えたハイブリッド式作業機械において、
    前記運転室内に設けられ、前記複数の操作装置による前記複数の油圧アクチュエータの動作を不能とするロック位置と前記複数の操作装置による前記複数の油圧アクチュエータの動作を可能とするロック解除位置とに選択的に操作されるゲートロックレバーと、
    強制充電スイッチと、
    前記蓄電装置の充電率が予め設定した限界充電率よりも低下したことをオペレータに知らせる作業機械モニタと、
    前記ゲートロックレバーが前記ロック位置に操作され、前記エンジン回転数指示装置によりローアイドル回転数が指示され、かつ前記強制充電スイッチが操作されたときに、前記エンジンの目標回転数を前記ローアイドル回転数から強制充電に適した回転数に増加させ、この状態で前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置の強制充電を行う第2制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
  2. 請求項1記載のハイブリッド式作業機械において、
    前記第2制御装置は、前記強制充電に適した回転数として低燃費回転数を設定することを特徴とするハイブリッド式作業機械。
  3. 請求項2記載のハイブリッド式作業機械において、
    前記第2制御装置は、前記蓄電装置の充電量が連続作業に支障のない予め設定した適正充電率まで増加したとき前記発電・電動機の発電機としての作動を停止させ、前記蓄電装置の強制充電を終了し、前記エンジンの目標回転数を低燃費回転数から前記ローアイドル回転数に低下させることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
  4. 請求項2記載のハイブリッド式作業機械において、
    前記第2制御装置は、前記強制充電を行っているときに前記ゲートロックレバーが前記ロック解除位置に操作されたとき、或いは前記エンジン回転数指示装置が操作され前記エンジンの目標回転数が変更されたとき、前記発電・電動機の発電機としての作動を停止させ、前記蓄電装置の強制充電を終了し、前記エンジンの目標回転数を低燃費回転数から前記ローアイドル回転数に低下させることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
  5. 請求項1記載のハイブリッド式作業機械において、
    前記第1制御装置は、前記蓄電装置の充電率が前記限界充電率よりも低下した場合に、前記エンジンの目標回転数を低下させるエンジン回転数低下制御と前記油圧ポンプの最大吸収トルクを低下させる減トルク制御とを行い、このエンジン回転数低下制御と減トルク制御によって前記エンジンに生じた余剰トルクを用いて前記発電・電動機を発電機として作動させ前記蓄電装置を充電する応急充電制御を行い、
    前記第1制御装置は、前記ゲートロックレバーが前記ロック位置に操作されたとき、或いは前記エンジン回転数指示装置によりローアイドル回転数が指示されたとき、或いはその両方が行われたとき、前記応急充電制御を解除することを特徴とするハイブリッド式作業機械。
JP2018539487A 2016-09-16 2016-09-16 ハイブリッド式作業機械 Active JP6531225B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2016/077565 WO2018051510A1 (ja) 2016-09-16 2016-09-16 ハイブリッド式作業機械

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2018051510A1 JPWO2018051510A1 (ja) 2018-12-06
JP6531225B2 true JP6531225B2 (ja) 2019-06-12

Family

ID=61618708

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018539487A Active JP6531225B2 (ja) 2016-09-16 2016-09-16 ハイブリッド式作業機械

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10988914B2 (ja)
EP (1) EP3514029B1 (ja)
JP (1) JP6531225B2 (ja)
KR (1) KR102033369B1 (ja)
CN (1) CN109070872B (ja)
WO (1) WO2018051510A1 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6961548B2 (ja) * 2018-07-19 2021-11-05 日立建機株式会社 建設機械
JP7114429B2 (ja) * 2018-09-26 2022-08-08 日立建機株式会社 建設機械
JP6955524B2 (ja) * 2019-03-26 2021-10-27 株式会社日立建機ティエラ バッテリ式作業機械
US11897448B2 (en) * 2020-12-17 2024-02-13 Caterpillar Inc. Systems, methods, and apparatuses for machine control at worksite based on noise level
CN113089739B (zh) * 2021-03-17 2023-05-26 三一汽车起重机械有限公司 作业机械的控制方法、控制装置和电子设备

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3543937B2 (ja) * 1999-06-17 2004-07-21 株式会社アイチコーポレーション 電気駆動式作業車
JP4121016B2 (ja) * 2002-10-29 2008-07-16 株式会社小松製作所 エンジンの制御装置
JP4310632B2 (ja) 2003-11-07 2009-08-12 日立建機株式会社 建設機械の表示装置
JP2007071197A (ja) * 2005-08-11 2007-03-22 Yanmar Co Ltd ハイブリッド型油圧作業機
JP5227981B2 (ja) * 2010-01-22 2013-07-03 日立建機株式会社 ハイブリッド式作業機械
JP5174875B2 (ja) * 2010-09-17 2013-04-03 日立建機株式会社 ハイブリッドホイールローダ
JP5185349B2 (ja) * 2010-10-08 2013-04-17 日立建機株式会社 ハイブリッド式建設機械
WO2012098658A1 (ja) * 2011-01-20 2012-07-26 トヨタ自動車株式会社 ハイブリッド車両およびその制御方法
JP5389100B2 (ja) * 2011-04-19 2014-01-15 日立建機株式会社 建設機械の電動駆動装置
DE102011051439A1 (de) * 2011-06-29 2013-01-03 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Antriebssystem für ein Plug-in-Hybrid-Kraftfahrzeug
JP5558427B2 (ja) * 2011-07-22 2014-07-23 住友建機株式会社 ハイブリッド型ショベル
JP5247899B1 (ja) * 2012-02-15 2013-07-24 株式会社小松製作所 蓄電器の充放電制御装置、蓄電器の充放電制御方法、および蓄電器の充放電制御装置を備えたハイブリッド作業機械
JP5956466B2 (ja) * 2013-07-24 2016-07-27 株式会社小松製作所 ハイブリッド作業機械
JP6211985B2 (ja) 2014-04-18 2017-10-11 株式会社日立建機ティエラ ハイブリッド式作業機械
JP6341813B2 (ja) * 2014-09-05 2018-06-13 日立建機株式会社 ハイブリッド式建設機械
JP6232007B2 (ja) * 2015-03-02 2017-11-15 株式会社日立建機ティエラ ハイブリッド式作業機械
JP6258886B2 (ja) * 2015-03-02 2018-01-10 株式会社日立建機ティエラ ハイブリッド式作業機械
JP6226898B2 (ja) * 2015-03-02 2017-11-08 株式会社日立建機ティエラ ハイブリッド式作業機械
JP6539462B2 (ja) * 2015-03-10 2019-07-03 日立建機株式会社 ハイブリッド作業機械

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2018051510A1 (ja) 2018-12-06
KR20180104045A (ko) 2018-09-19
EP3514029B1 (en) 2021-09-01
EP3514029A1 (en) 2019-07-24
US10988914B2 (en) 2021-04-27
KR102033369B1 (ko) 2019-10-17
EP3514029A4 (en) 2020-05-13
WO2018051510A1 (ja) 2018-03-22
US20190024342A1 (en) 2019-01-24
CN109070872A (zh) 2018-12-21
CN109070872B (zh) 2021-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6531225B2 (ja) ハイブリッド式作業機械
JP5227981B2 (ja) ハイブリッド式作業機械
JP4862078B2 (ja) 建設機械および建設機械の制御方法
KR101848947B1 (ko) 하이브리드식 건설 기계
KR101714948B1 (ko) 건설 기계
JP6592187B2 (ja) ハイブリッド建設機械
JP5303061B1 (ja) エンジン制御装置及び建設機械
JP6211985B2 (ja) ハイブリッド式作業機械
JP6707065B2 (ja) 建設機械
KR101395407B1 (ko) 하이브리드식 건설기계
KR101942674B1 (ko) 하이브리드 건설 기계
JP2017206868A (ja) 建設機械
JP6401241B2 (ja) ショベル
JP2017187002A (ja) 作業機械
JP2009256988A (ja) 電動式作業機械
JP6258886B2 (ja) ハイブリッド式作業機械
KR102026117B1 (ko) 하이브리드식 작업 기계
CN106605028B (zh) 混合动力式工程机械
JP6341813B2 (ja) ハイブリッド式建設機械
JP5596583B2 (ja) 作業機械の駆動制御装置
JP2020029790A (ja) ハイブリッド建設機械

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180720

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190514

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190520

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6531225

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150