WO2001000934A1

WO2001000934A1 - Machine de chantier hybride et son dispositif de commande

Info

Publication number: WO2001000934A1
Application number: PCT/JP2000/004073
Authority: WO
Inventors: Masayuki Kagoshima
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co., Ltd.
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2001-01-04
Also published as: KR100466766B1; DE60037740T2; DE60037740D1; US7279801B2; EP1782991B1; EP1782991A1; KR20020016840A; DE60040625D1; EP1219751B1; ATE383473T1; US20050001606A1; EP1219751A1; EP1219751A4

Description

明細書ハイプリッド建設機械およびその制御装置技術分野

本発明は、エンジンとバッテリとを組み合わせて各種の作業を行うハイブリツドショベル等のハイブリッド建設機械およびその制御装置に関するものである。背景技術

ショベル等の建設機械は、一般に、エンジンにより油圧ポンプを駆動し、その油圧によってァクチユエ一タを駆動するように構成されている力この構成では、作業時における大きな負荷変動に対応するようにェンジン出力を大幅に変動させながら作業を行う必要があるため、燃費効率が悪いと共に、騒音や排気ガス等の環境上の点でも問題がある。そこで、近年においては、エンジンに電動機や発電機を連結し、ェンジン出力の一部や全部を電力に変換し、軽負荷の作業時に余った電力をバッテリに充電しておく一方、重負荷の作業時にバッテリから電力を取り出して重負荷の作業に利用するというハイプリッド建設機械およびその制御装置が開発や提案されている（実開平 5— 4 8 5 0 1号公報ゃ特開平 1 0— 4 2 5 8 7号公報等）。そして、この構成であれば、例えば第 1 2図に示すように、作業負荷（作業エネルギー）の変動分をバッテリの充放電で平滑化することができるため、作業負荷（作業エネルギー ) が大幅に変動した場合であっても、エンジン出力の変動を最小限に抑制することができ、結果として良好な燃費効率、低騒音化および排気ガスの低減化を実現することが可能になっている。しかしながら、上記従来の構成では、エンジンや発電機、バッテリ等が故障することによって、発電機ゃバッテリから電力を得ることができなくなると、電動機を作動させることができないため、以後の動作を行うことができない。従って、例えばショベルがブームを上昇したときに故障した場合には、ブームが上方で停止した状態となり、この状態が修理を完了するまで放置されることになるため、安全上の問題が発生するまた、建設機械は、例えばショベルの作業にあっては堀削や水平引き均し、土羽打ち、ばらまき等の作業が存在するように、作業負荷が大幅に異なる各種の作業を行う必要がある。従って、作業の種類とエンジン出力とバッテリの充電状態との関係を考慮しないと、エネルギーの無駄やバッテリの劣化、作業効率の低下等の問題が発生する。

そこで、本発明は、故障等により発電機ゃバッテリから電力を得ることができくなつたときに、電動機を緊急に作動させて安全性を確保することができるハイプリッド建設機械を提供することを第 1の目的とするまた、本発明は、負荷の異なる各種の作業を行う場合に、バッテリの過剰な充電および放電による劣化を防止することができるハイブリッド建設機械の制御装置を提供することを第 2の目的とする。

さらに、本発明は、バッテリの過剰な放電による劣化を防止しつつ作業効率の低下を最小限に抑制することができるハイブリッド建設機械の制御装置を提供することを第 3の目的とする。発明の開示

本発明は、エンジンで駆動される発電機の電力と、該発電機の電力を充電可能な主バッテリの電力と、捕助バッテリの電力とで電動機を作動可能にされたハイプリッド建設機械であって、通常運転時には前記発電機および主バッテリの少なくとも一方の通常電力により前記電動機を作動させる一方、前記通常電力で電動機を作動できない緊急運転時には前記補助バッテリの補助電力で前記電動機を作動させるように切り換え可能な切換スィツチを有している。

上記の構成によれば、通常運転時に発電機や主バッテリ等の故障により電動機に対して通常電力を供給することができなくなったときに、切換スィツチにより捕助バッテリに切り換えることによって、捕助バッテリからの補助電力で電動機を作動させて緊急運転することができるため、建設機械を安全な場所に移動したり、安全な姿勢に復帰して安全性を確保した後に、故障箇所の修理を行うことができる。

さらに、本発明のハイブリッド建設機械は、前記緊急運転時に、前記補助電力で作動する電動機を選択可能なァクチユエータ選択スィッチを有している。これにより、ァクチユエータ選択スィッチで選択された電動機のみが補助電力で作動するため、多くの電動機を同時に作動させる必要のある主バッテリよりも小さな容量の補助バッテリを採用することができる。従って、補助バッテリを小型化することができるため、補助バッテリを搭載することによる建設機械の大型化を必要最小限に抑制することができる。さらに、誤操作による意図しない動作を防止することによって、より安全性を向上させることができる。

さらに、本発明のハイプリッド建設機械は、ハイプリッドショベルである。これにより、ハイブリッドショベルが例えばブームやアームを上昇させる等の各種の姿勢をとるため、このような姿勢で停止したときに好適に適用することができる。

また、本発明は、エンジンで駆動される発電機の電力によりバッテリを充電可能であると共に、少なくともバッテリから放電される電力により電動機を作動させることにより作業可能なハイブリッド建設機械の制御装置であって、作業内容に応じて前記発電機から出力される電力を変更する発電機出力制御部を有している。

上記の構成によれば、作業内容に応じて発電機から出力される電力を変更すると、大きな作業負荷のときには大きな電力が発電機から出力され、小さな作業負荷のときには小さなで電力が発電機から出力可能となる。また、作業負荷は、電動機の消費電力に対して比例関係にあるため、大きな作業負荷のときには大きな電力がバッテリから放電され、小さな作業負荷のときには小さなで電力がバッテリから放電される。従って、所定の作業内容で作業が行われると、負荷に応じてバッテリ力放電される電力が増減することになるが、負荷に応じて発電機から出力される電力も増減され、結果的にバッテリへの充電量も増減されるため、バッテリが過剰に放電や充電されて劣化することはなレ、。

さらに、本発明の制御装置は、オペレータにより操作される操作レバ —と、前記操作レバーからの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記発電機出力制御部に出力する作業判別部とを有している。これにより、操作レバ一の操作信号を基にして作業内容を判別して認識することができるため、オペレータが作業内容を指定する手間を省力することができる。

さらに、本発明の制御装置は、オペレータにより作業内容を指定可能な作業内容切換えスィツチと、前記作業内容切替えスィツチで指定された作業内容を検出して前記発電機出力制御部に出力する切換えスィツチ検出部とを有している。これにより、作業内容切替えスィッチに指定された作業内容を高い信頼性で認識することができるため、誤認識によるバッテリの過剰な充電および放電を確実に防止することができる。また、本発明は、エンジンで駆動される発電機の電力によりバッテリを充電可能であると共に、これら発電機およびバッテリの少なくとも一方の電力により電動機を作動させることにより作業可能なハイプリッド建設機械の制御装置であって、発電機の電力が所定値以下のときに、前記バッテリの過放電を生じさせない前記電動機の消費電力となるように作業内容に応じて作業速度を制限する作業速度制限部を有している。上記の構成によれば、エンジンが停止状態であったり、アイドリング状態である場合のように、エンジンで駆動される発電機の電力が所定値以下であると、エンジンが十分に回転して発電機から十分な電力が得られるまでに所定の遅れ時間が発生する。そして、この遅れ時間の期間においては、バッテリが放電した電力を主に用いて各作業内容の作業が行われることになる。従って、大きな作業負荷で作業を行う場合、通常の作業速度で作業と行うと、バッテリが過剰に放電して劣化する原因になるが、本発明の構成においては、作業速度制限部が作業内容に応じて作業速度を制限することによりバッテリの過放電を防止するため、バッテリが過放電により劣化することはない。

さらに、過放電を生じさせない電動機の消費電力となるように、作業内容に応じて作業速度を制限しているため、各作業内容の作業速度を過放電を生じさせない範囲の最大値に設定することができる。従って、小さな作業負荷の作業内容の場合には、通常の作業速度と殆ど同一の作業速度で作業を行うことができるため、従来のように全ての作業内容に対して一律に作業速度を制限する場合よりも、高い作業効率を得ることができ、結果として作業速度を制限することによる作業効率の低下を最小限に抑制することができる。

さらに、本発明の制御装置は、オペレータにより操作される操作レバ一と、前記操作レバーからの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記作業速度制限部に出力する作業判別部とを有している。これにより、操作レバ一の操作信号を基にして作業内容を判別して認識することができるため、オペレータが作業内容を指定する手間を省力することができる。

さらに、本発明の制御装置は、オペレータにより前記作業内容を指定可能な作業内容切換えスィツチと、前記作業内容切替えスィツチで指定された作業内容を検出して前記作業速度制限部に出力する切換えスィッチ検出部とを有している。これにより、作業内容切替えスィッチに指定された作業内容を高い信頼性で認識することができるため、誤認識による主バッテリの過剰な放電を確実に防止することができる。

さらに、本発明の制御装置を備えたハイブリッド建設機械は、ハイブリツドショベルである。これにより、大きな変動幅の作業負荷を有した各種の作業内容を実施するハイプリッドショベルに対して好適に適用することができる。図面の簡単な説明

第 1図は、ハイブリッドショベルの制御装置のブロック図である。第 2図は、ァクチユエータ選択ルーチンのフローチヤ一トである。第 3図は、ハイブリッドショベルの全体概略側面図である。

第 4図は、ハイブリッドショベルの制御装置のブロック図である。第 5図は、出力変更ル一チンのフローチャートである。

第 6図は、各作業の負荷特性を示す説明図である。

第 7図は、作業モードと発電機出力との関係を示す説明図である。第 8図は、ハイブリッドショベルの駆動制御系のブロック図である。第 9図は、ハイブリッドショベルの制御装置のプロック図である。第 1 0図は、操作信号補正ルーチンのフローチャートである。第 1 1図は、ハイブリッドショベルの駆動制御系のブロック図である第 1 2図は、ハイブリツド方式で作業した場合におけるバッテリの充放電の状態を示す説明図である。発明を実施するための最良の形態

〔実施形態 1〕

本発明の第 1の実施の形態を第 1図ないし第 3図に基づいて以下に説明する。尚、以降の説明においては、シリーズ型ハイブリッド方式を採用したハイブリッドショベルについて説明するが、パラレル型ハイブリッド方式を採用したハイブリッドショベルに適用することもできる。第 1の実施の形態に係るハイプリッド建設機械であるハイプリッドショベルは、第 3図に示すように、下部走行体 1と、下部走行体 1の上面中心部に旋回可能に設けられた上部旋回体 2と、上部旋回体 2の前部に設けられた堀削アタッチメント 3とを有している。下部走行体 1は、両端部に平行配置された一対のクローラフレーム 4と、各クローラフレ一ム 4の周囲に回転可能に設けられ、地面に対して面状に接地するクローラ 5と、クロ一ラ 5を回転駆動する減速機 3 5 · 3 6および電動機 6 · 7とを有している。そして、このように構成された下部走行体 1は、各クローラ 5を減速機 3 5 · 3 6を介して電動機 6 · 7により個別に正方向および逆方向に回転駆動することによって、ショベル全体を地面に対して前進や後退、回転、旋回させる。

上記の下部走行体 1の上面中心部には、旋回軸 8 aが下部走行体 1に対して直交して設けられている。旋回軸 8 aの上部には、上部旋回体 2 の一部を構成する旋回フレーム 8が回動自在に設けられている。旋回フレーム 8の上面には、オペレータの操縦室となるキャビン 9と、保護力バー 4 0で覆われた機械収容部 4 1とが設けられていると共に、上述の堀削アタッチメント 3のブーム 1 7およびブ一ムシリンダ 1 8の一端部が上下方向に回動自在に設けられている。

機械収容部 4 1内には、旋回用電動機 1 3および減速機 1 4が設けられていると共に、ブーム用電動機 1 5とブームポンプ 1 6とを一体化して備えたブーム用一体型ァクチユエ一タ A 1が設けられている。旋回用電動機 1 3は、減速機 1 4を介して旋回フレーム 8を旋回軸 8 aを旋回中心として旋回駆動する。また、ブーム用一体型ァクチユエータ A 1は、上述のブ一ムシリンダ 1 8に図示しない油圧配管を介して接続されており、ブームシリンダ 1 8のシリンダロッドを油圧により進退移動させることによって、ブーム 1 7の先端側（他端側）を上下動させる。上記のブーム 1 7の先端部には、アーム 1 9が回動自在に設けられている。アーム 1 9の先端部には、バケツト 2 1が回動自在に設けられている。また、ブーム 1 7とアーム 1 9とは、アームシリンダ 2 0を介して連結されており、アーム 1 9とバケツト 2 1とは、バケツトシリンダ 2 2を介して連結されている。これらのシリンダ 2 0 · 2 2には、了一ム用一体型ァクチユエ一タ A 2とバケツト用一体型ァクチユエータ A 3 とがそれぞれ設けられており、各ァクチユエータ A 2 · Α 3は、電動機 2 3 - 2 5とポンプ 2 4 · 2 6とを一体化して構成されている。そして、各ァクチユエ一タ Α 2 ' 3は、シリンダ 2 0 · 2 2のシリンダロッドを油圧により進退移動させることによって、アーム 1 9およびバケツト 2 1をそれぞれ上下方向に回動させる。

また、上述の機械収容部 4 1内には、旋回用電動機 1 3やブーム用一体型ァクチユエータ A 1の他に、エンジン 1 0や、エンジン 1 0の回転速度（エンジン出力）に応じた交流電力を生成する発電機 1 1、通常運転時に使用される主バッテリ 1 2、主バッテリ 1 2が使用不能になった緊急運転時に使用される補助バッテリ 4 2等が設けられている。尚、上記の両バッテリ 1 2 · 4 2には、鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池のような電力を繰り返して充放電可能な二次電池が使用される。

上記の発電機 1 1は、第 1図に示すように、制御装置のモータコントローラ 3 7に接続されている。モータコントローラ 3 7は、上述の各種の電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 2 3 · 2 5に接続されていると共に、主バッテリ 1 2および補助バッテリ 42に切換スィツチ 4 3を介して接続されている。切換スィッチ 4 3は、二方向に連動して切換可能なスイツチ部 4 3 a〜43 cを 3系統備えており、 2系統のスィツチ部 4 3 a · 4 3 bは、主バッテリ 1 2に対する充電およびその停止の切換えに使用され、残りの 1系統のスィッチ部 4 3 cは、主バッテリ 1 2からの放電と捕助バッテリ 4 2からの放電との切換えに使用される。そして、切換スィッチ 4 3は、通常運転時において全スィツチ部 4 3 a〜4 3 cが主バッテリ 1 2とモータコントローラ 3 7とを接続状態にするように設定されており、緊急運転時にスィツチ部 4 3 a - 4 3 bが主バッテリ 1 2 から切り離され、スィツチ部 4 3 cが捕助バッテリ 4 2とモータコントローラ 3 7とを接続状態にするように切り換えられる。尚、切換スイツチ 4 3の切換え操作は、オペレータにより手動で行われても良いし、電力低下等の異常を検知したときに自動で行われても良い。

上記のモータコントロ一ラ 3 7は、発電機 1 1からの交流電力を直流電力に変換したり、バッテリ 1 2 · 4 2からの直流電力を交流電力に変換する電力変換機能（インバータ機能）や、操作レバー 4 5からの操作信号に基づいて例えば主バッテリ 1 2から電力変換して得た交流電力を各電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 2 3 · 25に出力する電動機作動機能、発電機 1 1で生成された電力を主バッテリ 1 2に充電する通常充電機能、各電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 2 3 · 2 5で生じた回生電力を主バッテリ 1 2に充電する回生充電機能等の諸制御機能を備えると共に、主バッテリ 1 2の充電量や発電機 1 1の発電量等を検出する機能を含んでおり、これら諸制御機能を主バッテリ 1 2の充電量や発電機 1 1の発電量等に基づいて任意に実行する。

また、モータコントローラ 3 7は、ノくッテリ切換検出部 5 2とァクチユエータ切換部 5 3とを有している。バッテリ切換え検出部 5 2には、切換スィツチ 4 3が接続されており、切換スィツチ 4 3における各スィツチ部 4 3 a〜4 3 cの切換え状態を検出して切換え検出信号としてァクチユエータ切換部 5 3に出力する。また、ァクチユエータ切換部 53 には、上記のバッテリ切換検出部 5 2の他、操作レバー 4 5およびァクチユエータ選択スィツチ 54が接続されている。これらの操作レバ一 4 5およびァクチユエ一タ選択スィツチ 54は、第 3図のキャビン 9内に設けられており、操作レバー 4 5は、オペレータによる操作量に応じた操作信号を出力する。また、ァクチユエータ選択スィッチ 54は、補助バッテリ 42の電力により作動可能にする電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 2 3 - 2 5をオペレータが指定する際に使用される。

上記のようにして各部 4 5 · 5 2 · 54から各信号が入力されるァクチユエ一タ切換部 5 3は、第 2図のァクチユエ一タ選択ルーチンを実行しながらバッテリ切換検出部 5 2からの切換え検出信号を監視しており、この信号を基にして主バッテリ 1 2への接続状態であると認識したときに、全ての電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 2 3 · 2 5を作動可能にする一方、補助バッテリ 4 2への接続状態であると認識したときに、ァクチユエータ選択スィッチ 54で選択された特定の電動機 6 · 7 · 1 3 ■ 1 5 - 2 3 - 2 5のみを作動可能にする。

上記の構成において、ハイブリッドショベルの動作について説明する第 3図のキヤビン 9内のオペレータが運転キーを回動させる等の始動操作を行うことによって、モ一タコントロ一ラ 3 7に電源が投入されると共にエンジン 1 0が運転されると、モータコントロ一ラ 37は、先ず、主バッテリ 1 2の充電量を確認し、充電量が不十分であれば、ェンジン 1 ◦により回転駆動される発電機 1 1で生成された交流電力を直流電力に変換して主バッテリ 1 2を充電する。尚、主バッテリ 1 2の充電量が極めて不十分である場合には、エンジン 1 0の出力（回転速度）を増大させて発電機 1 1の発電量を増大させることによって、主バッテリ 1 2に対する充電を早急に行う。一方、主バッテリ 1 2の充電量が十分であれば、エンジン 1 0の出力（回転速度）を最低のアイドリング状態にしたり、エンジン 1 0を停止することによって、主バッテリ 1 2の過剰な充電を防止しながら、操作レバ一 45から操作信号が入力されるまで待機する。

次に、オペレータが所定の作業を行うように操作レバー 45を操作すると、操作レバー 45から操作量に応じた操作信号が出力される。操作信号は、モータコントローラ 37のァクチユエータ切換部 53に入力される。この際、ァクチユエ一タ切換部 53においては、第 2図のァクチユエ一タ選択ルーチンを実行しながらバッテリ切換検出部 52からの切換え検出信号を基にして切換スィッチ 43の接続状態（選択状態）を監視している（S 1) 。そして、主バッテリ 1 2への接続状態であると認識した場合には（S l， YES) 、操作レバ一 45からの操作信号に応じた操作量でもって各電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 23 · 25を作動させるように主バッテリ 1 2や発電機 1 1からの通常電力を利用して作業を行う（S 2) 。

次に、作業を行っているときに、エンジン 1 0や発電機 1 1、主バッテリ 1 2等が故障することによって、電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 ■ 23 • 25に対して通常電力を供給することができなくなると、作業の途中で第 3図のブーム 1 7やアーム 1 9等が停止する。そして、例えばブーム 1 7が上方に回動した姿勢で停止した場合には、故障箇所の修理中に突然にブーム 1 7が自重で降下するおそれがあるため、作業員にとって極めて危険である。また、傾斜地で停止した場合には、ショベルのバランスが悪レ、と共に、傾斜した状態で修理用の工具を取り扱う必要があるため、作業員に大きな負担がかかる。

そこで、作業の途中で停止した場合には、オペレータが切換スィッチ 43の接続状態を主バッテリ 1 2から捕助バッテリ 42に切り換えることによって、補助バッテリ 42の補助電力がモータコントローラ 37を介して各電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 23 · 25に供給可能にされる。切換スィツチ 43の接続状態が切り換えられると、この接続状態を検出したバッテリ切換検出部 52が補助バッテリ 42への接続状態であることを示す切換え検出信号をァクチユエータ切換部 53に出力する。そして、ァクチユエータ切換部 53が切換え検出信号を基にして補助バッテリ 42への接続状態であると認識すると（S l， NO) 、ァクチユエ一タ選択スィツチ 54からの選択信号を取り込み、この選択信号を基にしてブーム 1 7の作動が選択されているか否かを判定する（S 3) 。例えばブーム 1 7が上方に回動した姿勢で停止した場合において、ォペレ一タがァクチユエータ選択スィッチ 54における "ブーム選択" を指定すると、ブーム 1 7が選択されていると判定し（S 3, YES) 、ブーム用電動機 15のみを補助バッテリ 42からの電力で作動可能にする（S 4) 。これにより、オペレータが操作レバ一 45を操作することによつて、ブーム 1 7を安全な位置まで降下させることができると共に、誤操作した場合でも、オペレータの意図しない動作でショベルで作動することはない。また、ブーム 1 7が選択されていなければ（S 3， NO) 、アーム 1 9が選択されているか否かを判定し（S 5) 、選択されていれば（S 5 ， YES) 、アーム用電動機 23のみを作動可能にする（S 6) 。一方、選択されていなければ（S 5， NO) 、バケツト 21が選択されているか否かを判定する（S 7) 。そして、バケツ卜 2 1が選択されていれば（S 7， YES) 、パケット用電動機 25のみを作動可能にする一方

(S 8) 、選択されていなければ（S 7， NO) 、旋回動作が選択されているか否かを判定する（S 9) 。旋回動作が選択されていれば（S 9 ， YES) 、旋回用電動機 1 3のみを作動可能にする一方（S 1 0) 、選択されていなければ（S 9， NO) 、走行動作が選択されているか否かを判定し（S 1 1) 、走行動作が選択されていれば（S 1 1， YE S ) 、左走行用電動機 6および右走行用電動機 7のみを作動可能にする（ S 1 2) 。

そして、このようにして選択した特定の電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 ·

23 - 25のみを作動可能にしてショベルを安全な姿勢や安全な場所に移動した後、故障箇所の検出や修理を行う。この後、修理が完了すれば、切換スィツチ 43を主バッテリ 1 2への接続状態に切り換えることによって、全電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 23 · 25を通常電力で作動可能にして通常の動作で作業を行う。

以上のように、ハイブリッドショベルは、エンジン 10で駆動される発電機 1 1の電力と、発電機 1 1の電力を充電可能な主バッテリ 1 2の電力と、捕助バッテリ 42の電力とで電動機 1 5等を作動可能にされたものであって、通常運転時には発電機 1 1および主バッテリ 1 2の少なくとも一方の通常電力により電動機 1 5等を作動させる一方、通常電力で電動機 1 5等を作動できない緊急運転時には補助バッテリ 42の補助電力で電動機 1 5等を作動させるように切り換える切換スィツチ 43を有した構成にされている。

上記の構成によれば、通常運転時に発電機 1 1や主バッテリ 1 2等の故障により電動機 1 5等に対して通常電力を供給することができなくなつたときに、切換スィツチ 4 3により補助バッテリ 4 2に切り換えることによって、補助バッテリ 4 2からの補助電力で電動機 1 5等を作動させて緊急運転することができるため、建設機械を安全な場所に移動したり、安全な姿勢に復帰して安全性を確保した後に、故障箇所の修理を行うことができる。

また、ハイブリッドショベルは、緊急運転時に、補助電力で作動する電動機 1 5等を選択可能なァクチユエ一タ選択スィツチ 5 4を有した構成にされている。これにより、ァクチユエ一タ選択スィッチ 5 4で選択された電動機 1 5等のみが補助電力で作動するため、多くの電動機 1 5 等を同時に作動させる必要のある主バッテリ 1 2よりも小さな容量の補助バッテリ 4 2を採用することができる。これにより、補助バッテリ 4 2を小型化することができるため、補助バッテリ 4 2を搭載することによるショベルの大型化を必要最小限に抑制することができる。さらに、誤操作による意図しない動作を防止することによって、より安全性を向上させることができる。

また、本実施形態の構成および後述する第 2、第 3の実施形態の構成は、ブーム 1 7やアーム 1 9を上昇させる等の各種の姿勢をとるハイブリッドショベルに対して好適に適用することができるが、これに限定されるものではなく、ブルドーザゃクレーン等の全てのハイブリッド建設機械に適用することができる。

〔実施形態 2〕

本発明の第 2の実施の形態を第 3図ないし第 8図に基づいて以下に説明する。尚、第 1の実施の形態と同一の部材には同一の符号を付記してその説明を省略する。

本実施の形態に係るハイプリッド建設機械であるハイブリッドショベルは、第 4図に示すように、モータコント口一ラ 3 7を備えている。モ一タコントローラ 3 7には、第 3図のキャビン 9内に設けられた操作レバー 4 5が接続されている。操作レバー 4 5は、上記のモ一タコントロ —ラ 3 7と共に作業判別部 4 6に接続されており、作業判別部 4 6は、操作レバー 4 5からの操作信号に基づいて作業モードを判別する。作業判別部 4 6は、制御装置の一部を構成する発電機出力制御部 5 1 に接続されており、発電機出力制御部 5 1は、第 5図の出力変更ルーチンを実行することによって、作業モードに対応した発電機 1 1の発電出力となるようにエンジン 1 0の回転速度をガバナ制御等により制御する。尚、発電機出力制御部 5 1は、エンジン 1 0を制御する代わりに、界磁電流制御等により発電機 1 1を制御するようになっていても良い。そして、作業判別部 4 6で作業モードに応じた電力を出力する発電機 1 1 は、モ一タコントローラ 3 7に接続されている。その他の構成は、第 1 の実施形態と同一である。

上記の構成において、ハイブリッドショベルの動作について説明する第 3図のキヤビン 9内のオペレータが運転キーを回動させる等の始動操作を行うことによって、モータコントロ一ラ 3 7に電源が投入されると共にエンジン 1 0が運転されると、モータコントローラ 3 7は、先ず、主バッテリ 1 2の充電量を確認し、充電量が不十分であれば、ェンジン 1 0により回転駆動される発電機 1 1で生成された交流電力を直流電力に変換して主バッテリ 1 2を充電する。尚、主バッテリ 1 2の充電量が極めて不十分である場合には、エンジン 1 0の出力（回転速度）を増大させて発電機 1 1の発電量を増大させることによって、主バッテリ 1 2に対する充電を早急に行う。一方、主バッテリ 1 2の充電量が十分であれば、エンジン 1 0の出力（回転速度）を最低のアイドリング状態にしたり、エンジン 1 0を停止することによって、主バッテリ 1 2の過剰な充電を防止しながら、操作レバ一 4 5から操作信号が入力されるまで待機する。

次に、オペレータが所定の作業を行うように操作レバー 4 5を操作すると、操作レバー 4 5から操作量に応じた操作信号が出力される。操作信号は、モータコントローラ 3 7および作業判別部 4 6にそれぞれ入力される。そして、モータコントローラ 3 7においては、操作信号に応じた操作量でもって各電動機 6 - 7 - 1 3 - 1 5 - 2 3 - 2 5を作動させるように主バッテリ 1 2から放電した電力を利用して作業を開始する。また、作業判別部 4 6においては、操作信号の特徴を抽出し、作業を判別する。作業判別方法としては、例えば特開平 9一 2 1 7 7 0 2号公報に示されるものを用いる。

上記のようにして作業判別部 4 6で認識された作業モードは、発電機出力制御部 5 1に信号出力される。この際、発電機出力制御部 5 1は、第 5図に示すように、出力変更ルーチンを実行しており、作業判別部 4 6から作業モード信号（作業内容）を取り込むことによって、信号中に含まれる作業モード（作業内容）を認識する（S 2 1 ) 。作業モードを認識すると、第 7図に示すように、記憶部に格納された作業モードと発電機 1 1の出力との関係から、認識した作業モードに対応した発電機 1 1の出力データを選択する。例えば "ばらまき" の作業モードであると認識した場合には、この作業モードに対応して設定された 4 k Wの出力データを選択し、 "押しつけ堀削" の作業モードであると認識した場合には、この作業モードに対応して設定された 2 0 k Wの出力デ一タを選択する（S 2 2 ) 。この後、選択した出力データに対応したエンジン 1 0の回転速度を求め、この回転速度となるようにエンジン 1 0を制御する（S 2 3 ) 。これにより、例えば "ばらまき" の作業モードで作業が行われる場合には、発電機 1 1で発電される電力（4 k W) が小さなものになるが、第 6 図に示すように、 "ばらまき" の作業モードが小さな作業負荷であって主バッテリ 1 2の放電量が僅かなものであるため、過剰な充電を回避しながら効率良く充電することができる。また、例えば "押しつけ堀削" の作業モードで作業が行われる場合には、発電機 1 1で発電される電力 ( 2 0 k W) が大きなものになるが、 "押しつけ堀削" の作業モードが大きな作業負荷であって主バッテリ 1 2の放電量が大きなものであるため、過剰な放電を回避しながら効率良く充電することができる。

この後、作業モード信号や操作信号等の状態を監視することによって、作業が終了したか否かを判定し（S 2 4 ) 、作業が終了していなければ（S 2 4， N O ) 、上述の作業モードに対応して選択した発電機 1 1 の出力を維持するように、エンジン 1 0を制御する。そして、作業が終了すれば（S 2 4 , Y E S ) 、次の作業モードに対応した制御を行うように S 2 1から再実行する。

以上のように、ハイブリッドショベルは、第 4図に示すように、ェンジン 1 0で駆動される発電機 1 1の電力により主バッテリ 1 2を充電可能であると共に、少なくとも主バッテリ 1 2から放電される電力により電動機 6等を作動させることにより作業可能な制御装置を備えており、この制御装置は、作業モード（作業内容）の作業負荷に応じて発電機 1 1から出力される電力を変更する発電機出力制御部 5 1を有した構成にされている。

上記の構成によれば、作業モードの作業負荷に応じて発電機 1 1から出力される電力を変更すると、大きな作業負荷のときには大きな電力が発電機 1 1から出力され、小さな作業負荷のときには小さな電力が発電機 1 1から出力される。また、作業負荷は、電動機 6等の消費電力に対して比例関係にあるため、大きな作業負荷のときには大きな電力が主バッテリ 1 2から放電され、小さな作業負荷のときには小さな電力が主バッテリ 1 2から放電される。従って、所定の作業モードで作業が行われると、作業負荷に応じて主バッテリ 1 2から放電される電力が増減することになるが、作業負荷に応じて発電機 1 1から出力される電力も増減され、結果的に主バッテリ 1 2への充電量も増減されるため、主バッテリ 1 2が過剰に放電や充電されて劣化することはない。

また、上記の制御装置は、オペレータにより操作される操作レバ一 4 5と、操作レバ一 4 5からの操作信号に基づいて作業モード（作業内容 ) を判別して発電機出力制御部 5 1に出力する作業判別部 4 6とを有した構成にされている。そして、この構成によれば、操作レバー 4 5の操作信号を基にして作業モードを判別して認識することができるため、ォペレータが作業モ一ドを指定する手間を省力することができる。

尚、本実施形態の制御装置においては、作業判別部 4 6により操作レバー 4 5の操作信号に基づいて作業モードを認識するようになっている力これに限定されるものではない。即ち、第 8図に示すように、制御装置は、オペレータにより作業モ一ドを指定可能な作業モード切換えスイッチ 4 9と、作業モ一ド切換えスィツチ 4 9で指定された作業モード (作業内容）を検出して発電機出力制御部 5 1に出力する切換えスィッチ検出部 5 0とを有した構成にされていても良い。そして、この構成によれば、作業モード切換えスィッチ 4 9に指定された作業モードを高い信頼性で認識することができるため、誤認識による主バッテリ 1 2の過剰な充電および放電を確実に防止することができる。

〔実施形態 3〕本発明の第 3の実施の形態を第 3図、第 6図、第 9図ないし第 1 1図に基づいて以下に説明する。尚、第 1の実施の形態と同一の部材には同一の符号を付記してその説明を省略する。

本実施の形態に係るハイブリッド建設機械であるハイプリッドショベルは、第 9図に示すように、モータコントローラ 3 7を備えている。モ一タコントローラ 3 7には、制御装置の一部を構成する操作信号系 4 4 が接続されている。操作信号系 4 4は、第 3図のキャビン 9内に設けられた操作レバ一 4 5と、操作レバー 4 5からの操作信号に基づいて作業モード（作業内容）を判別する作業判別部 4 6と、作業速度制限部 4 7 とを有している。

作業速度制限部 4 7は、操作レバー 4 5および作業判別部 4 6に接続されていると共に、電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 2 3 · 2 5の消費電力を検出する電力検出器 4 8等に接続されている。そして、作業速度制限部 4 7は、第 1 0図の操作信号補正ルーチンを実行しており、各部 4 6 • 4 5 · 4 8から入力された操作信号や作業モード信号、消費電力信号等に基づき、主バッテリ 1 2の過放電を防止するように所定条件下で作業モードに応じて操作信号を制限しながらモータコントローラ 3 7に出力する。また、作業速度制限部 4 7は、発電機 1 1の発電量検出信号をモータコントローラ 3 7から入力する。その他の構成は、第 1の実施形態と同一である。

上記の構成において、ハイブリッドショベルの動作について説明する第 3図のキヤビン 9内のオペレータが運転キーを回動させる等の始動操作を行うことによって、モ一タコントローラ 3 7に電源が投入されると共にエンジン 1 0が運転されると、モータコントローラ 3 7は、先ず、主バッテリ 1 2の充電量を確認し、充電量が不十分であれば、ェンジン 1 0により回転駆動される発電機 1 1で生成された交流電力を直流電力に変換して主バッテリ 1 2を充電する。尚、主バッテリ 1 2の充電量が極めて不十分である場合には、エンジン 1 0の出力（回転速度）を増大させて発電機 1 1の発電量を増大させることによって、主バッテリ 1 2に対する充電を早急に行う。一方、主バッテリ 1 2の充電量が十分であれば、エンジン 1 0の出力（回転速度）を最低のアイドリング状態にしたり、エンジン 1 0を停止することによって、主バッテリ 1 2の過剰な充電を防止しながら、操作信号系 4 4から操作信号が入力されるまで待機する。

次に、オペレータが所定の作業を行うように操作レバー 4 5を操作すると、操作レバー 4 5から操作量に応じた操作信号が出力される。操作信号は、作業判別部 4 6および作業速度制限部 4 7にそれぞれ入力される。そして、作業判別部 4 6においては、操作信号の特徴を抽出し、作業を判別する。作業判別方法としては、例えば特開平 9一 2 1 7 7 0 2 号公報に示されるものを用いる。

上記のようにして作業判別部 4 6で認識された作業モードは、作業速度制限部 4 7に出力される。この際、作業速度制限部 4 7は、第 1 0図に示すように、操作信号補正ルーチンを実行しており、操作レバー 4 5 から操作信号が入力されたときに、この操作信号をそのままモータコントローラ 3 7に出力する。そして、待機状態にあるモータコントローラ 3 7に対して操作信号の操作量でもって操作信号に対応する電動機 6 · 7 · 1 3 . 1 5 . 2 3 · 2 5を作動させることによって、例えばショべルの走行や堀削、土羽打ち等の各作業を行わせる（S 3 1 ) 。

この後、エンジン 1 0が停止状態やアイドリング状態にあるか否かを例えば発電機 1 1の発電量等に基づいて判定する（S 3 2 ) 。エンジン 1 0が十分な回転速度で発電機 1 1を駆動している場合には（S 3 2， NO) 、発電機 1 1からの大きな電力と主バッテリ 1 2からの電力とを用いることによって、全ての作業モードの作業を速度を制限することなく行うことができるため、 S 31を再実行して操作信号をそのままモ一タコントロ一ラ 37に出力して作業を継続する。一方、エンジン 10が停止状態やアイドリング状態にある場合には（S 32, YES) , ェンジン 1 0が所定の回転速度に到達するまでの期間、主バッテリ 1 2から放電される電力が主に使用されるため、主バッテリ 1 2の過剰な放電による劣化を防止するように S 33以降の動作が実行される。

即ち、電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 23 · 25の消費電力を電力検出器 48を介して取得し（S 33) 、消費電力の合計値を算出する（S 3

4) 。そして、主バッテリ 1 2の過剰な放電を防止するように予め設定された設定値と、上記の合計値とを比較し、合計値が設定値以上であるか否かを判定する（S 35) 。合計値が設定値以上でない場合には（S 35， NO) 、現状の操作信号で各電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 · 23 · 25を作動させて作業を継続した場合でも、主バッテリ 1 2の過剰な放電による損傷はないと判断できるため、 S 31から再実行して操作レバ一 45の操作信号に対応した作業速度で作業を継続する。

一方、消費電力の合計値が設定値以上である場合には（S 35， ΥΕ

5) 、上述の作業判別部 46から入力されている作業モード（作業内容 ) を取り込み（S 36) 、この作業モードに対応した制限値を選択する。尚、作業モードに対応した制限値とは、第 6図に示すように、作業モード（作業内容）によって負荷変動や負荷レベルが大きく異なるため、主バッテリ 1 2を劣化させない基準放電量を基にして各作業モードに応じて個々に設定される値のことである。例えば走行や堀削等の大きな負荷変動や負荷レベルの作業モードの場合には、電動機 6 · 7 · 1 3 · 1 5 - 23 - 25の回転速度（作業速度）を通常運転時よりも大きく低下させるように制限値が設定される一方、吊り作業等の小さな負荷変動や負荷レベルの作業モードの場合には、電動機 6 · 7 ■ 1 3 · 1 5 · 2 3

- 2 5の回転速度（作業速度）を通常運転時よりも僅かに低下させるように制限値が設定される（S 3 7 ) 。

上記のようにして作業モ一ドに対応した制限値が選択されると、第 9 図に示すように、操作レバー 4 5からの操作信号を取り込み（S 3 8 ) 、制限値を上限とした操作量となるように補正した後、操作信号をモータコントロ一ラ 3 7に出力する（S 3 9 ) 。これにより、オペレータが操作レバ一 4 5を最大速度となるように操作していても、制限値の作業速度（消費電力）で作業が行われるため、主バッテリ 1 2が過剰な放電による劣化を生じることはない。また、基準放電量に基づいて各作業モ ―ドの制限値が設定されているため、負荷の小さな作業モードの場合には、通常の作業速度と殆ど同じ作業速度で作業を行うことができる。従つて、作業全体としての効率の低下を最小限に抑制することができる。この後、エンジン 1 0の回転速度や発電機 1 1の発電量等に基づいて操作信号の制限を継続するか否かを判定する（S 4 0 ) 。エンジン 1 0 が十分な回転速度で回転し、発電機 1 1の発電量と主バッテリ 1 2の放電量とで作業速度を制限しなくても主バッテリ 1 2を過放電させることなく作業を行える場合には、操作信号の制限を終了すると判断する（S 4 0， N O ) 。そして、 S 3 1を再実行し、操作信号をそのままモータコントローラ 3 7に出力して通常の作業速度で作業を行う。一方、ェンジン 1 0の回転速度や主バッテリ 1 2の発電量が不十分である場合には、操作信号の制限を継続すると判断し（S 4 0， Y E S ) 、主バッテリ 1 2の過剰な放電による劣化を防止するため、 S 3 8から再実行する。そして、操作量を制限しながらモータコントロ一ラ 3 7に出力することによって、抑制された作業速度で作業を継続する。

以上のように、ハイブリッドショベルは、エンジン 1 0で駆動される発電機 1 1の電力により主バッテリ 1 2を充電可能であると共に、これら発電機 1 1および主バッテリ 1 2の少なくとも一方の電力により電動機 6等を作動させることにより作業可能な制御装置を備えており、この制御装置は、発電機 1 1の電力が主バッテリ 1 2の過放電を生じさせる可能性のある所定値以下のときに、主バッテリ 1 2の過放電を生じさせない電動機 6等の消費電力となるように、作業モード（作業内容）に応じて作業速度を制限する作業速度制限部 4 7を有する構成である。上記の構成によれば、エンジン 1 0が停止状態であったり、アイドリング状態である場合のように、エンジン 1 0で駆動される発電機 1 1の電力が所定値以下の場合には、エンジン 1 0が十分に回転して発電機 1 1から十分な電力が得られるまでに所定の遅れ時間が発生する。そして、この遅れ時間の期間においては、主バッテリ 1 2が放電した電力を主に用いて作業が行われることになる。従って、大きな作業負荷の作業を行う場合、通常の作業速度で作業と行うと、主バッテリ 1 2が過剰に放電して劣化する原因になるが、上記の構成においては、作業速度制限部 4 7が作業に応じて作業速度を制限することにより主バッテリ 1 2の過放電を防止するため、主バッテリ 1 2が過放電により劣化することはなレ、。

さらに、過放電を生じさせない電動機 6等の消費電力となるように、作業に応じて作業速度を制限しているため、各作業の作業速度を過放電を生じさせない範囲の最大値に設定することができる。従って、小さな作業負荷の作業の場合には、通常の作業速度と殆ど同一の作業速度で作業を行うことができるため、従来のように全ての作業に対して一律に作業速度を制限する場合よりも、高い作業効率を得ることができ、結果として作業速度を制限することによる作業効率の低下を最小限に抑制することができる。

また、上記の制御装置は、オペレータにより操作される操作レバー 4 5と、操作レバー 4 5からの操作信号に基づいて、作業モード（作業内容）を判別する作業判別部 4 6とを有した構成にされている。そして、この構成によれば、操作レバ一 4 5の操作信号を基にして作業モードを判別して認識することができるため、オペレータが作業モ一ドを指定する手間を省力することができる。

尚、本実施形態の制御装置においては、作業判別部 4 6により操作レバ一4 5の操作信号に基づいて作業モードを認識するようになっているが、これに限定されるものではない。即ち、制御装置は、第 1 1図に示すように、オペレータにより作業モ一ドを指定可能な作業モード切換えスィツチ 4 9と、このスィツチ 4 9で指定された作業モードを検出することによって、作業モード（作業内容）を認識して電動機速度補正部 4 7に出力する切換えスィツチ検出部 5 0とを有した構成にされていても良い。そして、この場合には、作業モードを高い信頼性で認識することができるため、誤認識による主バッテリ 1 2の過剰な放電を確実に防止することができる。

また、本実施形態の制御装置においては、第 1 0図のフローの中で、 S 3 3、 S 3 4および S 3 5を省略することも可能である。即ち、発電機 1 1の発電量が所定値以下となった場合は、常に、 S 3 6〜S 4 0の作業内容に応じて速度制限を行う機能を働かすようにすることも可能である。このように構成しても、発電機 1 1の発電量が所定値以下になつた場合に、作業内容に応じた速度制限により消費電力が抑制されるので、速度制限の度合いを適宜設定することによりバッテリの過放電を防止することが可能である。また、このような構成により、電力検出器 4 8 が不要になることによって、制御系を簡略化することができる。産業上の利用可能性

本発明は、故障等により発電機ゃバッテリから電力を得ることができくなったときに、電動機を緊急に作動させて安全性を確保することが必要なハイブリッド建設機械に用いるのに適している。また、負荷の異なる各種の作業を行う場合に、バッテリの過剰な充電および放電による劣化を防止したり、バッテリの過剰な放電による劣化を防止しつつ作業効率の低下を最小限に抑制することが必要なハイブリッド建設機械の制御装置に用いるのに適している。

Claims

請求の範囲

1. エンジン（1 0) で駆動される発電機（1 1) の電力と、該発電機 (1 1) の電力を充電可能な主バッテリ（1 2) の電力と、補助バッテリ（42) の電力とで電動機（6、 7、 1 3、 1 5、 23、 25) を作動可能にされたハイプリッド建設機械であって、

通常運転時には前記発電機（1 1) および主バッテリ（1 2) の少なくとも一方の通常電力により前記電動機（6、 7、 1 3、 1 5、 23、

25) を作動させる一方、前記通常電力で電動機（6、 7、 1 3、 1 5 、 23、 25) を作動できない緊急運転時には前記補助バッテリ（42 ) の補助電力で前記電動機（6、 7、 1 3、 1 5、 23、 25) を作動させるように切り換え可能な切換スィッチ（43) を有している。

2. 請求項 1記載のハイプリッド建設機械であって、

前記緊急運転時に、前記補助電力で作動する電動機（6、 7、 1 3、 1 5、 23、 25) を選択可能なァクチユエ一タ選択スィッチ（54) を有している。

3. 請求項 1または 2に記載のハイブリッド建設機械は、ハイブリッドショベルである。

4. エンジン（1 0) で駆動される発電機（1 1) の電力により主バッテリ（1 2) を充電可能であると共に、少なくとも主バッテリ（1 2) から放電される電力により電動機（6、 7、 1 3、 1 5、 23、 25) を作動させることにより作業可能なハイプリッド建設機械の制御装置であって、

作業内容に応じて前記発電機（1 1) から出力される電力を変更する発電機出力制御部（51) を有している。

5. 請求項 4記載のハイプリッド建設機械の制御装置であって、オペレータにより操作される操作レバ— （_{4 5}) と、

前記操作レバー（45) からの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記発電機出力制御部（51) に出力する作業判別部（46) とを有している。

6. 請求項 4記載のハイブリッド建設機械の制御装置であつて、

オペレータにより作業内容を指定可能な作業モード切換えスィツチ（

49) と、

前記作業モード切換えスィッチ（49) で指定された作業内容を検出して前記発電機出力制御部（51) に出力する切換えスィッチ検出部（

50) とを有している。

7. エンジン（1 0) で駆動される発電機 (1 1) の電力により主バッテリ（1 2) を充電可能であると共に、これら発電機 (1 1) および主バッテリ（1 2) の少なくとも一方の電力により電動機（6、 7、 1 3 、 1 5、 23、 25) を作動させることにより作業可能なハイブリッド建設機械の制御装置であって、

発電機 (1 1) の電力が所定値以下のときに、作業内容に応じて作業速度を制限する作業速度制限部（47) を有している。

8. 請求項 7記載のハイブリッド建設機械の制御装置であつて、

オペレータにより操作される操作レバ— （45) と、

前記操作レバー（45) からの操作信号に基づいて、前記作業内容を判別して前記作業速度制限部（47) に出力する作業判別部（46) とを有している。

9. 請求項 7記載のハイプリッド建設機械の制御装置であって、

オペレータにより前記作業內容を指定可能な作業モード切換えスィッチ（49) と、

前記作業内容切替えスィツチで指定された作業内容を検出して前記作業速度制限部（4 7 ) に出力する切換えスィッチ検出部（5 0 ) とを有している。

1 0 . 請求項 4ないし 9の何れか 1項に記載のハイブリッド建設機械の制御装置であって、前記ハイブリッド建設機械がハイプリッドショベルである。