WO2012114782A1 - ホイールローダ - Google Patents

Abstract

　車両の要求動力に対して出力可能な動力が不足する場合においても、作業効率の高いハイブリッドホイールローダを提供すること。　エンジン（１）に連結された発電電動機６と、発電電動機に連結された油圧ポンプ（４）と、油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧アクチュエータ（５１，５２，５３）と、車輪（６１）を駆動する走行用電動機（９）と、発電電動機及び走行用電動機のそれぞれにインバータ（７，１０）を介して接続された蓄電装置（１１）と、合計要求動力値がハイブリッド出力上限値よりも大きいとき、油圧要求動力値Ｐｆ及び走行要求動力値Ｐｒｕｎのいずれか一方をホイールローダの動作に応じて制限することで、合計要求動力値をハイブリッド出力上限値以下に設定する。

Description

ホイールローダ

　本発明は動力源としてエンジン及び蓄電装置を備えるホイールローダに関する。

　近年、環境問題、原油価格高騰などの点から、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、省エネルギー化の事例が増加してきている。例えば、前述の建設車両や作業用車両の駆動部分を電動化、すなわち駆動源を電動機（電気モータ）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（ハイブリッド機種の場合）、動力伝達効率の向上、回生電力の回収など多くの省エネルギー効果が期待できる。このような建設車両・作業用車両分野では、フォークリフトの電動化が最も進んでおり、バッテリーの電力を用いてモータを駆動する、いわゆる「バッテリーフォークリフト」が他車両に先駆けて実用化されており、小型フォークリフトを中心にかなり普及している。また最近では、これに引き続いて、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。

　ところで、上記のように電動化による環境対応・省エネルギー化が進む建設車両・作業用車両の中で、ハイブリッド化した場合に比較的大きな燃費低減効果が見込まれる車両としてホイールローダがある。従来のホイールローダは、例えば、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）を介してエンジンの動力を車輪に伝えて走行を行いながら、車両前方に取り付けられた作業装置のバケット部分で土砂等を掘削・運搬する作業用車両である。このようなホイールローダの走行駆動部分を電動化すると、トルコン及びトランスミッション部分における動力伝達効率を電気による動力伝達効率まで向上させることが可能となる。さらにホイールローダでは、作業中、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は、走行用の電動機から制動時の回生電力回収が見込める。

　ホイールローダのハイブリッドシステムの制御方法については、例えば特開２００８－２４７２６９号公報に記載されたものがある。この文献のホイールローダは、動力源としてエンジン及び蓄電器を有しており、車両の走行駆動部分に発電電動機、遊星ギヤ及び変速機を組み合わせたハイブリッド駆動システムを適用している。そして、アクセル開度及び蓄電器の充電量に基づいてエンジン回転数を制御し、アクセル開度、発電電動機の動作状態、及び蓄電器の蓄電状態に基づいて変速機の変速段の切り替えを制御するとともに、アクセル開度、車速、および変速機の変速段に基づいてエンジン及び電動発電機に発生させるトルクを決定している。

特開２００８－２４７２６９号公報

　上記文献の技術では、車両の制御方法の一つとして、全体の車両要求トルクがエンジンで発生可能なトルクを超える場合には、予め定められた走行系および荷役系（フロント作業装置）の優先度に従ってエンジントルクおよび荷役エンジントルクを設定し、その設定値から走行トルク指令を逆算して発電電動機トルク指令も修正する。

　しかしながら、上記技術では、全体の車両要求トルクがエンジンで発生可能なトルクを超えた場合に、蓄電器に充電されている電力を用いて駆動される発電電動機のトルク指令及び走行トルク指令を演算する。そのため、仮に蓄電器に相応の電力が充電されていない場合には、車両の作業効率が低下する可能性が考えられる。さらに、予め設定された優先度に従って各駆動部のトルクを設定するため、ホイールローダの多様な動作パターンの全てにおいてバランス良く作業が行われるとは限らず、特定の動作パターンにおいて作業効率が低下する可能性も否定できない。

　本発明の目的は、走行駆動部を電動化したハイブリッドホイールローダにおいて、車両の要求動力に対して、蓄電手段の放電等によりハイブリッドシステムの出力可能動力が不足する場合においても、作業効率の高い車両制御を行うことが可能なホイールローダを提供することにある。

　本発明は、上記目的を達成するために、エンジンと、前記エンジンの出力軸に連結された発電電動機と、前記発電電動機の回転軸に連結された油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、車輪と、前記車輪を駆動する走行用電動機と、前記発電電動機及び前記走行用電動機のそれぞれにインバータを介して接続された蓄電装置と、前記エンジンと前記蓄電装置の出力上限値を合計したハイブリッド出力上限値、前記油圧ポンプが要求する油圧要求動力値、及び前記走行用電動機が要求する走行要求動力値を算出する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記油圧要求動力値と前記走行要求動力値を合計した合計要求動力値が前記ハイブリッド出力上限値よりも大きいとき、前記油圧要求動力値及び前記走行要求動力値のいずれか一方をホイールローダの動作に応じて制限することで、前記合計要求動力値を前記ハイブリッド出力上限値以下に設定するものとする。

　本発明によれば、走行駆動部を電動化したハイブリッドホイールローダにおいて、車両の要求する要求動力に対して、蓄電装置の放電等によりハイブリッドシステムの出力上限が下回る場合においても、高い作業効率を保持することができる。

本発明の実施の形態に係るハイブリッドホイールローダのシステム構成図。 従来のホイールローダの代表的な構成例を示す図。 本発明の実施の形態に係るホイールローダに搭載された制御装置２００の構成図。 本発明の実施の形態に係るハイブリッド制御装置２０内の構成例を示す図。 本発明の実施の形態に係るハイブリッドシステムにおけるパワーフローを示す図。 ホイールローダの作業パターンの一例であるＶサイクル掘削作業を示す図。 本発明の実施の形態における動作判定部と動力制限設定部の入出力関係を示す図。 本発明の実施の形態に係るホイールローダにおける各基本動作と、当該各基本動作を検出する際に利用する入力情報と、当該各基本動作において制限する要求動力値との対応図。 本実施の形態における動作判定部４０と動力制限設定部４１の処理手順を示すフローチャート。 本実施の形態における動作判定部４０の詳細な処理手順を示すフローチャート。

　以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

　図１は本発明の実施の形態に係るハイブリッドホイールローダのシステム構成図である。この図に示すホイールローダは、エンジン１と、エンジン１の出力軸に連結された発電電動機（モータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ））６と、発電電動機６を制御するインバータ７と、発電電動機６の回転軸に連結された油圧ポンプ４と、バケット及びリフトアーム（図示せず）を有し車体前方に取り付けられた作業装置５０と、コントロールバルブ５５を介して油圧ポンプ４から供給される圧油によって駆動される油圧アクチュエータ（バケットシリンダ５１、リフトシリンダ５２及びステアリングシリンダ５３）と、４つの車輪６１を有する走行体６０と、走行体６０のプロペラシャフト８に取り付けられ４つの車輪６１を駆動する走行用電動機９と、走行用電動機９を制御するインバータ１０と、ＤＣＤＣコンバータ１２を介してインバータ７，１０と電気的に接続されインバータ７，１０との間で直流電力の受け渡しを行う蓄電装置１１と、油圧アクチュエータ５１，５２，５３を駆動するための操作信号を操作量に応じて出力する操作装置（操作レバー５６及びステアリングホイール（図示せず））と、制御装置２００を備えている。

　バケットシリンダ５１及びリフトシリンダ５２は、キャブ内に設置された操作レバー５６の操作量に応じて出力される操作信号（油圧信号）に基づいて駆動される。リフトシリンダ５２は、車体前方に回動可能に固定されたリフトアームに取り付けられており、操作レバー５６からの操作信号に基づいて伸縮してリフトアームを上下に回動させる。バケットシリンダ５１は、リフトアームの先端に回動可能に固定されたバケットに取り付けられており、操作レバー５６からの操作信号に基づいて伸縮してバケットを上下に回動させる。ステアリングシリンダ５３は、キャブ内に設置されたステアリングホイール（図示せず）の操舵量に応じて出力される操作信号（油圧信号）に基づいて駆動される。ステアリングシリンダ５３は、各車輪６１に連結されており、ステアリングホイールからの操作信号に基づいて伸縮して車輪６１の舵角を変更する。

　蓄電装置１１としては電気二重層キャパシタを利用することが好ましい。本実施の形態における蓄電装置１１は、ＤＣＤＣコンバータ１２によってキャパシタ電圧の昇降圧制御を行い、インバータ７，１０（すなわち、発電電動機６及び走行用電動機９）との間で直流電力の受け渡しを行っている。

　上記のように構成されるハイブリッドホイールローダでは、土砂などの掘削作業を行うための作業装置５０に油圧ポンプ４によって適宜油圧を供給することで目的に応じた作業を実施する。また、走行体６０の走行動作は、主にエンジン１の動力により発電電動機６で発電した電力を利用し、走行用電動機９を駆動することにより行う。その際、蓄電装置１１では、車両制動時に走行用電動機９が発生する回生電力を吸収したり、発電電動機６又は走行用電動機９に蓄電電力を供給することでエンジン１に対する出力アシストを行ったりすることで、車両の消費エネルギー低減に寄与する。なお、本発明が対象とするハイブリッドシステムは、図１の構成例に限られるものではなく、走行部パラレル型等の多様なシステム構成にも適用可能である。

　図２は従来のホイールローダの代表的な構成例を示す図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。この図に示した従来のホイールローダは、主な駆動部として走行体６０と作業装置５０（リフト／バケット部分）を備えており、トルクコンバータ（トルコン）２およびトランスミッション（Ｔ／Ｍ）３を介してエンジン１の動力を車輪６１に伝えて走行を行い、さらに油圧ポンプ４によって駆動される作業装置５０で土砂等を掘削・運搬する。トルコンの動力伝達効率は電気による動力伝達効率より劣るため、図２に示したホイールローダの走行駆動部分を電動化（パラレル式ハイブリッド構成も含む）すると、エンジン１からの動力伝達効率を向上させることが可能となる。さらに、作業中のホイールローダでは頻繁に発進・停止の走行動作が繰り返されるため、上記のように走行駆動部分を電動化した場合には走行用電動機９から制動時の回生電力の回収が見込めるようになる。このようにホイールローダの駆動装置の一部を電動化してハイブリッド化すると、一般に燃料消費量を数１０%程度低減することができる。

　図３は本発明の実施の形態に係るホイールローダに搭載された制御装置２００の構成図である。この図に示すように、本実施の形態に係るホイールローダ（車両）には、制御装置２００として、図１に示したハイブリッドシステム全体のエネルギーフローやパワーフロー等の制御を行うコントローラであるハイブリッド制御装置２０と、コントロールバルブ（Ｃ／Ｖ）５５や油圧ポンプ４を制御する油圧制御装置２１と、エンジン１の制御を行うエンジン制御装置２２と、インバータ７，１０を制御するインバータ制御装置２３と、ＤＣＤＣコンバータ１２を制御するコンバータ制御装置２４が搭載されている。

　各制御装置２０，２１，２２，２３，２４は、処理内容や処理結果が記憶される記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ等）（図示せず）と、当該記憶装置に記憶された処理を実行する処理装置（ＣＰＵ等）（図示せず）を備えている。また、各制御装置２０，２１，２２，２３，２４は、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介して互いに接続されており、相互に各機器の指令値及び状態量を送受信している。ハイブリッド制御装置２０は、図３に示すように、油圧制御装置２１、エンジン制御装置２２、インバータ制御装置２３及びコンバータ制御装置２４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作業性能を発揮するように他の各制御装置２１～２４に具体的動作の指令を与える。

　なお、図３に示した各制御装置２０～２４は、図１に示すハイブリッドシステムの各駆動部分を制御するために必要なコントローラのみを示している。実際車両を成立させる上では、その他にモニタや情報系のコントローラが必要となってくるが、それらは本発明と直接的な関係が無いため図示していない。また、各制御装置２０～２４は、図３に示すように他の制御装置と別体である必要はなく、ある１つの制御装置に２つ以上の制御機能を実装しても構わない。

　図４は本発明の実施の形態に係るハイブリッド制御装置２０内の構成例を示す図である。この図に示すハイブリッド制御装置２０は、ハイブリッドシステム全体の制御を行うシステム制御部３０と、エンジン１及び蓄電装置１１の出力を油圧ポンプ４及び走行用電動機９に分配する動力分配部３１と、油圧ポンプ４が要求する動力値（油圧要求動力値Ｐｆ）と走行用電動機９が要求する動力値（走行要求動力値Ｐｒｕｎ）を合計した車両全体における要求動力値（合計要求動力値）に応じて、エンジン１の回転数指令を決定するエンジン制御部３２と、発電要求値に応じて発電電動機６のトルク指令を決定するＭ／Ｇ制御部３３と、操作レバー５６の操作量等から演算された油圧ポンプ４の要求動力値Ｐｆから油圧ポンプ４の傾転角指令値を演算する油圧制御部３４と、アクセル／ブレーキペダルの踏み込み量及び現在の車速から演算された走行要求動力値Ｐｒｕｎから走行用電動機９のトルク指令を演算する走行制御部３５を備えている。

　ハイブリッド制御装置２０には、操作レバー５６から出力された操作信号と、キャブ内に設置されたアクセルペダル及びブレーキペダルの踏み込み量と、車両の進行方向として前進又は後退を選択するためのＦ／Ｒスイッチ（選択装置）６３から出力され当該スイッチ位置（前進又は後退）を示すスイッチ信号（Ｆ／Ｒ信号）と、速度センサ（車輪速度検出手段）６２によって検出された車輪６１の回転速度から演算される車両速度（車速）と、インバータ１０から出力される走行用電動機９の回転数と、エンジン１の回転数（エンジン回転数）と、蓄電装置１１の蓄電量（蓄電装置１１の端子電圧及び出力電流）が入力されている。なお、ホイールローダの車速は、速度センサ６２の検出値を入力することで、ハイブリッド制御装置２０で算出しても良い。

　上記のように本実施の形態に係るハイブリッドシステムは、車両を駆動するための動力源としてエンジン１及び蓄電装置１１を有している。このうち、エンジン１はその時々のエンジンの回転数に応じて出力可能な動力（エンジン出力上限値Ｐｅ）が決定され、蓄電装置１１はその時々の蓄電量（充電状態）から出力可能な動力（蓄電装置出力上限値Ｐｃ）が決定される。すなわち、ハイブリッドシステムはその時々の状態により、出力可能な動力が決まることになる。

　図５は本発明の実施の形態に係るハイブリッドシステムにおけるパワーフローを示す図である。動力配分部３１は、この図に示したように、下記式（１）及び（２）にしたがって、エンジン出力Ｐｅと蓄電装置出力Ｐｃを作業装置５０の出力Ｐｆと走行用電動機９の出力Ｐｒｕｎに分配する処理を行う。なお、下記式（１）及び（２）におけるＰｍｇ_ｉｎ、Ｐｍｇ_ｏｕｔは、それぞれ発電電動機６の入力パワー及び出力パワーを示している。

　　Pf　　＝　Pe　－　Pmg_in　…式（１）
　　Prun　＝　Pmg_out　＋　Pc　…式（２）
　ハイブリッド制御装置２０は、出力上限値Ｐｅ，Ｐｃの和（ハイブリッド出力可能上限値）に対して、作業装置５０の動力要求値（油圧要求動力値Ｐｆ）と走行用電動機９の動力要求値（走行動力要求値Ｐｒｕｎ）の和（合計要求動力値）が小さい場合には、システム制御部３０において最も燃費が高くなる出力の仕方を判断し、それに応じて動力配分部３１で作業装置５０および走行電動機９にそれぞれの動力要求値に沿った指令値を与え、車両の動作を行う。

　ところで、本発明で対象としているホイールローダにはいくつかの基本的動作パターンがあり、ハイブリッド制御装置２０はその各動作に応じて車両を最適に稼働させる必要がある。たとえば、最も代表的な作業パターンとしてはＶサイクル掘削作業がある。

　図６はホイールローダの作業パターンの一例であるＶサイクル掘削作業を示す図である。このＶサイクル掘削作業は実際のホイールローダの作業全体に対して、約７割以上を占める主動作パターンである。ホイールローダはこのとき、まず砂利山などの掘削対象物に対して前進し、砂利山の掘削対象物に突っ込むような形で砂利等の運搬物をバケット内に積み込む。その後、後進して元の位置に戻り、ステアリングホイールを操作しながら、かつリフトアーム及びバケットを上昇させながらダンプトラック等の運搬車両に向かって前進する。そして、バケットをダンプさせて運搬車両に運搬物を積み込んで（放土して）再び後進し、車両は元の位置に戻る。車両は以上の説明のようにＶ字軌跡を描きながらこの作業を繰り返し行う。このような動作を図１に示すハイブリッドホイールローダで行う際は、ハイブリッド制御装置２０により、ハイブリッドシステム全体で最も燃費および作業効率が高くなるように、エンジン１および蓄電装置１１からの出力を作業装置５０および走行用電動機９に配分する。以上が、図１に示すハイブリッドシステムでホイールローダの標準的な動作であるＶ字サイクル掘削作業を要求動力値通りに行う場合の制御動作である。

　しかしながら、本実施の形態のハイブリッドシステムにおいて、蓄電装置１１が過放電状態であった場合やエンジン１の回転数が所要の回転数より低かった場合には、ハイブリッド出力可能上限値（エンジン出力上限値Ｐｅと蓄電装置出力上限値Ｐｃの和）に対して、合計要求動力値（油圧要求動力値Ｐｆと走行動力要求値Ｐｒｕｎの和）が上回ることがある。特に、蓄電装置１１がキャパシタであって、かつ車両の動作内容が比較的重負荷モードであった場合には、蓄電装置１１から電力の出力が繰り返し行われるため、上記のような合計要求動力値に対して、ハイブリッドシステムの出力不足が発生すると考えられる。

　ここで、ホイールローダは、４つの車輪６１で走行しながら、車両のフロント部に取り付けられた作業装置５０で掘削作業を実施する建設車両であり、その動作（作業）内容は外部の状況により多岐に渡る。そのため、上記のようなハイブリッドシステムの出力不足が車両の作業性能に影響を及ぼす可能性がある。例えば、作業装置５０におけるリフトアームの上昇動作と車両の発進動作を同時に実施する複合動作（発進しながらのリフトアーム上げ動作）においては、ハイブリッド出力可能上限値が合計要求動力値を下回った場合でも、車両が目的の場所まで到達するまでに、必要な高さまでバケットを上昇させることが重要であり、可能な限り作業装置５０への出力を優先すること（すなわち、走行用電動機９への出力を制限する）が好ましい。

　このように、ハイブリッドホイールローダにおいては、蓄電装置１１が放電状態であったり、エンジン回転数が所定の回転数よりも低下したりすることで、ハイブリッド出力可能上限値を合計要求動力値が超えるような場合があるが、このような場合においても、その時々の動作内容に応じて、作業装置５０と下部走行体６０における各駆動部に対して最適な動力を配分することで作業性能を確保することが好ましい。そこで、本実施の形態に係るハイブリッドホイールローダは、このような動作を実現するために、ハイブリッド制御装置２０内に動作判定部４０と動力制限設定部４１を備えている。

　図７は本発明の実施の形態における動作判定部４０と動力制限設定部４１の入出力関係を示す図である。ここではまず動作判定部４０の構成について説明する。動作判定部４０には、車両の動作および作業に関する情報、すなわち、操作レバー５６の操作量と、アクセルペダル及びブレーキペダル踏み込み量と、Ｆ／Ｒスイッチ６３のスイッチ信号と、走行用電動機９の回転数と、車速が入力されている。動作判定部４０は、これらの入力情報に基づいてホイールローダの現在の動作内容を判定する。なお、動作判定部４０の動作は車両全体の作業性能に関することから、動作判定部４０は図４に示すようにハイブリッド制御装置２０内のシステム制御部３０に設けることが好ましい。

　図８は、本発明の実施の形態に係るホイールローダにおける各基本動作と、当該各基本動作を検出する際に利用する入力情報と、当該各基本動作において制限する要求動力値（走行要求動力値Ｐｒｕｎ／油圧要求動力値Ｐｆ）との対応図である。本実施の形態において挙げる基本動作の種類としては、
　（動作１）発進しながらのリフトアーム上げ動作（複合動作）：車両を停止状態から発進させながらリフトアームを上昇させる動作、
　（動作２）掘削動作：掘削のために車両を土山等の掘削対象に突っ込ませてバケット内に土砂を積み込んだり、土山等の斜面の一部をバケットで掘削しながら当該斜面を登坂してバケット内に土砂を積み込んだりする動作、
　（動作３）バケットすくい上げ及びバケットダンプ動作：掘削動作（動作２）の後にバケットをチルトさせつつリフトアームを上昇させてバケットをすくい上げる動作及び当該すくい上げたバケットをダンプして土砂を放出（放土）する動作、
の３種類が主にある。

　そして、さらに、上記（動作２）は、
　（動作２－１）平地掘削初期動作：バケットを土山等の掘削対象に突っ込ませてバケット内に土砂を積み込む動作、
　（動作２－２）かき上げ初期動作：土山等の斜面の一部をバケットで掘削しながら当該斜面を登坂してバケット内に土砂を積み込む動作、
の２種類に分けられる。なお、上記における「かき上げ」とは、ホイールローダが砂利・土山等の斜面を登坂しながら当該斜面をバケットで掘削していく動作を示すものとする。

　また、上記（動作３）は、
　（動作３－１）平地掘削後期動作：平地掘削初期動作（動作２－１）で掘削した土砂等をすくい上げ、バケットダンプして放出する動作、
　（動作３－２）かき上げ後期動作：かき上げ初期動作（動作２－２）でバケット内に積み込んだ土砂をすくい上げ、バケットダンプして放出する動作、
の２種類に分けられる。すなわち、細かく分類すると５種類の動作がある。

　なお、当然ながら上記の他にも動作内容は挙げられるが、それらは上記５種類の動作のいずれかに類似する。そのため、他の動作については上記５種類の動作のうち類似するものと同視することで対応するものとする。

　まず、基本の３種類の動作（動作１、動作２及び動作３）の判定方法を述べる。この３種類の動作は、基本的に、操作レバー５６の操作量Ｌ及びアクセルペダルの踏み込み量Ａの大小で判別が可能である。ここで、操作レバー５６の操作量Ｌにおいて大きい値から順に、第１操作量Ｌ１、第２操作量Ｌ２と閾値を設定し（Ｌ１＞Ｌ２）、第１操作量Ｌ１は最大操作量に近い値とする。また、アクセルペダルの踏み込み量Ａにおいて大きい値から順に、第１踏み込み量Ａ１、第２踏み込み量Ａ２と閾値を設定し（Ａ１＞Ａ２）、第１踏み込み量Ａ１は最大踏み込み量に近い値とする。さらに、ホイールローダの車速Ｂにおいて大きい値から順に、第１速度Ｖ１、第２速度Ｖ２と閾値を設定し（Ｖ１＞Ｖ２）、第２速度Ｖ２はゼロ（停止状態）に近い値とする。また、走行用電動機９の回転数Ｒにおいて大きい値から順に、第１回転数Ｒ１、第２回転数Ｒ２と閾値を設定し（Ｒ１＞Ｒ２）、第２回転数Ｒ２はゼロ（停止状態）に近い値とする。

　動作１では、車両を停止状態から発進させながらリフトアームを上昇させるため、操作レバー５６は最大操作量近く（又は最大操作量）まで操作され、アクセルペダルは最大踏み込み量近く（又は最大踏み込み量）まで踏み込まれる。そこで、動作判定部４０は、操作レバー５６の操作量が第１操作量Ｌ１以上に設定され、かつ、アクセルペダルの踏み込み量が第１踏み込み量Ａ１以上に設定された場合に、動作１が行われていると判定する。また、動作１が行われる際には、車速がゼロから加速される。そのため、さらに正確な動作判定を行う観点から、上記の操作レバー５６の操作量及びアクセルペダルの踏み込み量に加えて、車速の変化を検出して動作を判定しても良い。

　動作２は、バケットに土砂等を積み込み際の動作であるため、バケットをダンプした状態で保持しかつリフトアームを低い位置に保持し、大きな牽引力（走行動力）を発生させて土山に突っ込む。すなわち、動作２では、操作レバー５６の操作量は小さく、アクセルペダルの踏み込み量は動作１より小さい傾向があるものの比較的大きくなる。そこで、動作判定部４０は、操作レバー５６の操作量が第２操作量Ｌ２未満に設定され、さらに、アクセルペダルの踏み込み量が第１踏み込み量Ａ１未満かつ第２踏み込み量Ａ２以上に設定された場合に、動作２が行われていると判定する。また、動作２が行われる際には、車速は低速若しくは停止状態となっており、Ｆ／Ｒスイッチ６３は前進方向に設定される。そのため、さらに正確な動作判定を行う観点から、上記の操作レバー５６の操作量及びアクセルペダルの踏み込み量に加えて、車速の変化とＦ／Ｒスイッチ６３の状態を検出し、車速がＶ１以下でかつＦ／Ｒスイッチ６３が前進方向に設定されている場合に動作２が行われていると判定しても良い。

　動作３は、動作２で土砂等を積み込んだバケットをチルトさせながらリフトアームを上昇させ、所望の位置でバケットをダンプさせて土砂等を放出する動作である。すなわち、動作３では、操作レバー５６はリフトシリンダ５２を伸張する方向（リフトアームを上昇させる方向）に操作され、車両はほぼ停止した状態で保持される。そこで、動作判定部４０は、動作２が行われたと判定した後であって、操作レバー５６の操作量が第１操作量Ｌ１未満かつ第２操作量Ｌ２以上に設定され、さらに、アクセルペダルの踏み込み量が第２踏み込み量Ａ２未満に設定された場合に、動作３が行われていると判定する。なお、これに代えて、第２操作が行われたと判定した後に、操作レバー５６がリフトアームを上昇させる方向に操作された場合に動作３が行われていると判定しても良い。また、動作３が行われる際には、車速はゼロ付近であり、Ｆ／Ｒスイッチ６３は前進方向に設定される。そのため、さらに正確な動作判定を行う観点からは、上記の操作レバー５６の操作量及びアクセルペダルの踏み込み量に加えて、車速の変化とＦ／Ｒスイッチ６３の状態を検出し、車速がＶ２以下でかつＦ／Ｒスイッチ６３が前進方向に設定されている場合に動作３が行われていると判定しても良い。

　次に、動作２をさらに２つの動作（動作２－１、動作２－２）に区別する必要がある場合には次のように行う。かき上げ初期動作（動作２－２）は、平地掘削初期動作（動作２－１）と異なり、掘削作業を斜面で行う動作である。そのため、かき上げ初期動作中には、Ｆ／Ｒスイッチ６３において車体の進行方向が「前進」に選択されているにもかかわらず車体が一時的に斜面を後退して、Ｆ／Ｒスイッチ６３の設定方向と車体が進む方向とが異なる状態が発生する傾向がある。そこで、本実施の形態では、車速の符号とＦ／Ｒスイッチ６３のスイッチ信号の符号を検出することで、Ｆ／Ｒスイッチ６３の設定方向に反して車体が後退しているか否かを判定している。ここでは、車体が前進する場合には車速の符号は正であり、車体が後退する場合には車速の符号は負であるとし、さらに、Ｆ／Ｒスイッチ６３が前進方向に設定されている場合のスイッチ信号の符号は正であり、後進方向に設定されている場合のスイッチ信号の符号は負であるとする。そこで、動作判定部４０は、動作２が行われていると判定した場合において、さらに、Ｆ／Ｒスイッチ６３から出力されるスイッチ信号の符号と車速の符号の不一致が発生する場合には、かき上げ初期動作（動作２－２）が行われており、ホイールローダが斜面で動作していると判定する。一方、両者の符号の不一致が発生しない場合には、動作判定部４０は、平地掘削初期動作（動作２－１）が行われており、ホイールローダが平地で動作していると判定する。

　また、動作３をさらに２つの動作（動作３－１、動作３－２）に区別する必要がある場合には次のように行う。かき上げ後期動作（動作３－２）は、かき上げ初期動作同様に斜面で行う作業である。そのため、平地掘削後期動作（動作３－１）と区別する場合には、動作２と同様に、車速の符号とＦ／Ｒスイッチ６３の設定方向（スイッチ信号の符号）を検出すれば良い。さらに、かき上げ後期動作の特徴的な点としては、車両が後退しないようにブレーキペダルが踏み込まれてＯＮ状態となることがある。そこで、動作判定部４０は、動作３が行われていると判定した場合において、Ｆ／Ｒスイッチ６３の設定方向（前進）と車速の方向の不一致に加えて、さらに、ブレーキペダルの踏み込みが検出された場合には、かき上げ後期動作が行われていると判定しても良い。

　上記のように、動作判定部４０は、図８に示す各入力情報に基づいて、ハイブリッドホイールローダの動作内容を判定する。なお、上記では、車速を用いて動作を判定する場合があったが、車速に代えて、走行用電動機９の回転数を検出して図８に示した基準で各動作を判定しても良い。

　図７において、動力制限設定部４１は、合計要求動力値がハイブリッド出力上限値よりも大きいときには、合計要求動力値がハイブリッド出力上限値内に収まるように油圧要求動力値Ｐｆ及び走行要求動力値Ｐｒｕｎのいずれか一方を動作判定部４０の判定結果に応じて制限する部分である。動力制限設定部４１には、動作判定部４０で判定された動作内容と、動作判定部４０から出力される油圧要求動力値Ｐｆ及び走行要求動力値Ｐｒｕｎと、エンジン回転数から算出されたエンジン出力上限値Ｐｅと、蓄電装置１１の蓄電量から算出された蓄電装置出力上限値Ｐｃ（キャパシタ出力）が入力されている。なお、本実施の形態における動力制限設定部４１は、ハイブリッド制御装置２０における動力配分部３１内に設置されている。

　ここで、動作判定部４０による判定結果と動力制限設定部４１による動力の制限先との関係は図８の右端欄に示した通りである。すなわち、
（動作１）：走行要求動力値Ｐｒｕｎ、
（動作２）：油圧要求動力値Ｐｆ、
（動作３）：走行要求動力値Ｐｒｕｎ、
となっている。これは、作業効率を向上させる観点からは、動作１及び動作３では油圧要求動力値Ｐｆを優先することが好ましく、動作２では走行要求動力値Ｐｒｕｎを優先することが好ましいからである。

　例えば、動作１が行われている場合に合計要求動力値がハイブリッド出力上限値よりも大きいときには、動力制限設定部４１は、合計要求動力値とハイブリッド出力上限値の差（出力不足分）を演算し、当該不足分を走行要求動力値Ｐｒｕｎから減じて、合計要求動力値がハイブリッド出力上限値内に収まるように走行要求動力値Ｐｒｕｎを再設定する。

　次に動作判定部４０と動力制限設定部４１による処理内容を図を用いて説明する。図９は本実施の形態における動作判定部４０と動力制限設定部４１の処理手順を示すフローチャートである。この図に示すように、動作判定部４０は、まず、各種信号を入力する（Ｓ１００）。

　そして、動作判定部４０は、アクセルペダル／ブレーキペダルの踏み込み量、操作レバー５６の操作量に基づいて、油圧要求動力値Ｐｆと走行要求動力値Ｐｒｕｎを演算する（Ｓ１０１）。Ｓ１０２では、ハイブリッド制御装置２０は、エンジン回転数並びに蓄電装置１１の端子電圧及び出力電流を入力することにより、エンジン出力上限値Ｐｅと蓄電装置出力上限値Ｐｃを演算する。

　次に、動力制限設定部４１は、Ｓ１０３において、油圧要求動力値Ｐｆと走行要求動力値Ｐｒｕｎの総和である合計要求動力値と、エンジン出力上限値Ｐｅと蓄電装置出力上限値Ｐｃの総和であるハイブリッド出力上限値とを比較し、合計要求動力値がハイブリッド出力上限値を上回っている場合には、動力制限モードに移行してＳ１０４に進む。

　Ｓ１０４において、動作判定部４０は、Ｓ１００で入力した信号に基づいて現在の車両の動作内容が動作１、動作２及び動作３のいずれに該当するかを判定する。ここでの動作判定は、先に説明した図８の判定方法に基づいて実施され、具体的には図１０に示したフローチャートに基づいて実施される。

　図１０は本実施の形態における動作判定部４０の詳細な処理手順を示すフローチャートである。この図に示すように、動作判定部４０は、まず、現在のレバー操作量を設定値Ｌ１と比較し（Ｓ２００）、さらに、現在のアクセル踏み込み量を設定値Ａ１と比較する（Ｓ２０１）。その結果、レバー操作量が設定値Ｌ１以上かつアクセル踏み込み量が設定値Ａ１以上である場合には、Ｓ２０２にて動作（１）であると判定し、Ｓ１０５（図９）に移動する。

　これに対して、Ｓ２００又はＳ２０１において、レバー操作量とアクセル踏み込み量のいずれかが設定値Ｌ１あるいはＡ１未満であると判定された場合には、Ｓ２０３にてレバー操作量と設定値Ｌ２を比較する。ここでレバー操作量が設定値Ｌ２未満である場合にはＳ２０４にてアクセル踏み込み量と設定値Ａ２を比較する。その結果、アクセル踏み込み量が設定値Ａ２以上である場合には、Ｓ２０５にて動作（２）であると判定し、Ｓ１０５に移動する。

　また、上記動作（２）の判定処理に対して、Ｓ２０３でレバー操作量が設定値Ｌ２以上であった場合にはＳ２０６に移行し、アクセル踏み込み量と設定値Ａ２を比較する。その結果、アクセル踏み込み量が設定値Ａ２未満である場合には、Ｓ２０７にて動作（３）であると判定し、Ｓ１０５に移動する。

　ところで、Ｓ２０４でアクセル踏み込み量が設定値Ａ２未満であった場合（すなわち、レバー操作量＜Ｌ２かつアクセル踏み込み量＜Ａ２）、及びＳ２０６でアクセル踏み込み量が設定値Ａ２以上であった場合（すなわち、レバー操作量≧Ｌ２かつアクセル踏み込み量≧Ａ２）には、レバー操作量とアクセル踏み込み量が同様の比率で操作されているものとみなし、Ｓ２０８にてその他動作として判定する。この場合には、Ｓ１０５において特に油圧要求動力値と走行要求動力値との間に出力の優先度を設定することなく、Ｓ１０６において同様の比率で出力を制限すれば良い。

　なお、上記のＳ２０５及びＳ２０７の処理を実施した後には、Ｓ１０５に移動する前に、Ｆ／Ｒスイッチ６３のスイッチ信号の符号と現在の車速の符号（車速の検出値の符号）の一致性を確認する処理を実施しても良い（Ｓ２０９，Ｓ２１２）。まず、Ｓ２０９にてスイッチ信号の符号と現在の車速の符号が一致している場合には、Ｓ２１０にて動作（２－１）であると判定する。これに対して、当該２つの符号の不一致が発生した場合には、車両が坂道（斜面）を逆行しているものとし、Ｓ２１１にて動作（２－２）であると判定する。一方、Ｓ２１２にて当該２つの符号が一致している場合には、Ｓ２１３にて動作（３－１）であると判定する。これに対して、当該２つの符号の不一致が発生した場合には、車両が坂道を逆行しているものとして、Ｓ２１４にて動作（３－２）であると判定する。

　ここで、動作（２）及び動作（３）をさらに平地作業とかき上げ作業とに判別しているが、これは、特にかき上げ作業時には、車両進行方向がＦ／Ｒスイッチ６３において前進に選択されているにもかかわらず、動力配分の結果により走行用電動機９の出力が不足して車両が後退してしまう状態が発生する可能性があるからである。すなわち、このように車両の逆行（スイッチ信号と車速の符号の不一致）が発生していると判断された場合には、Ｓ２０５又はＳ２０７において実行される油圧要求動力値又は走行要求動力値の制限に加えて、車両を後退させないために必要な分（すなわち、車両を前進又は停止させるために必要な分）だけ走行要求動力値を増加しつつ、当該走行要求動力の増加分だけ油圧要求動力値を制限するように制御することが好ましい。すなわち、動作（２－２）及び（３－２）と判定された場合には、Ｓ２０５及びＳ２０７で決定した走行要求動力値に対して後退回避に必要な動力値が加算されるとともに、Ｓ２０５及びＳ２０７で決定した油圧要求動力値からは当該後退回避に必要な動力値に相当する動力値が減算されることになる。このように制御すると、かき上げ作業時における車両の逆行が抑制されるので、かき上げ作業時の作業効率を向上させることができる。

　図９に戻り、Ｓ１０５では、Ｓ１０４で判定された動作内容に基づいて動力制限先を決定する。この際の決定方法は、図８に示した組合せに基づいて行われる。Ｓ１０５において動力制限先が決定したら、Ｓ１０６において動力制限処理を実施する。ここにおける動力制限処理としては、例えば、合計要求動力値とハイブリッド出力上限値との差分を演算し、当該差分に相当する動力をＳ１０５で決定した動力制限先から減ずるものがある。動力制限処理が終了したらＳ１００に戻り、Ｓ１００以降の処理を繰り返す。一方、Ｓ１０３において、ハイブリッド出力上限値が合計要求動力値を上回っている場合には、通常モードとして処理を終了し、Ｓ１００以降の処理を繰り返す。

　以上の処理によれば、車両の出力不足時（例えば、作業装置５０の負荷が大きい場合や、蓄電装置１１の電圧が設定値以下に達して放電状態になっている場合（すなわち、蓄電量が少ない場合））においても、優先的に動力を配分する駆動部分がホイールローダの動作内容に応じて決定され、当該決定された駆動部分に駆動力を最適に配分できるので、車両の作業特性を最大限に引き出すことが可能となる。したがって、本実施の形態によれば、蓄電装置の放電等によりハイブリッドシステムの出力可能上限が合計要求動力値よりも下回る場合においても、高い作業効率を保持することができる。

　１…エンジン、２…トルクコンバータ、３…トランスミッション（T/M）、４…油圧ポンプ、６…モータジェネレータ（M/G）、７…インバータ、８…プロペラシャフト、９…走行用電動機、１０…インバータ、１１…蓄電装置、１２…DCDCコンバータ、２０…ハイブリッド制御装置、２１…エンジン制御装置、２２…コンバータ制御装置、２３…油圧制御装置、２４…インバータ制御装置、３０…システム制御部、３１…動力配分部、３２…エンジン制御部、３３…Ｍ／Ｇ制御部、３４…油圧制御部、３５…走行制御部、４０…動作判定部、４１…動力制限設定部、５０…作業装置、６０…走行体、６１…車輪、２００…制御装置、Ｐｆ…油圧要求動力値、Ｐｒｕｎ…走行要求動力値、Ｐｅ…エンジン出力上限値、Ｐｃ…蓄電装置出力上限値

Claims (9)

1. 　エンジンと、
   　前記エンジンの出力軸に連結された発電電動機と、
   　前記発電電動機の回転軸に連結された油圧ポンプと、
   　前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、
   　車輪と、
   　前記車輪を駆動する走行用電動機と、
   　前記発電電動機及び前記走行用電動機のそれぞれにインバータを介して接続された蓄電装置と、
   　前記エンジンと前記蓄電装置の出力上限値を合計したハイブリッド出力上限値、前記油圧ポンプが要求する油圧要求動力値、及び前記走行用電動機が要求する走行要求動力値を算出する制御装置とを備え、
   　前記制御装置は、前記油圧要求動力値と前記走行要求動力値を合計した合計要求動力値が前記ハイブリッド出力上限値よりも大きいとき、前記油圧要求動力値及び前記走行要求動力値のいずれか一方をホイールローダの動作に応じて制限することで、前記合計要求動力値を前記ハイブリッド出力上限値以下に設定することを特徴とするホイールローダ。
2. 　請求項１に記載のホイールローダにおいて、
   　前記油圧アクチュエータは、伸縮してバケットを上下に回動させるバケットシリンダと、伸縮してリフトアームを上下に回動させるリフトシリンダであり、
   　前記制御装置は、前記ホイールローダが発進しながらのリフトアーム上げ動作を行う場合に前記合計要求動力値が前記ハイブリッド出力上限値よりも大きいとき、前記走行要求動力値を制限することを特徴とするホイールローダ。
3. 　請求項１又は２に記載のホイールローダにおいて、
   　前記油圧アクチュエータは、伸縮してバケットを上下に回動させるバケットシリンダと、伸縮してリフトアームを上下に回動させるリフトシリンダであり、
   　前記制御装置は、前記ホイールローダが掘削動作を行う場合に前記合計要求動力値が前記ハイブリッド出力上限値よりも大きいとき、前記油圧要求動力値を制限することを特徴とするホイールローダ。
4. 　請求項１から３のいずれかに記載のホイールローダにおいて、
   　前記油圧アクチュエータは、伸縮してバケットを上下に回動させるバケットシリンダと、伸縮してリフトアームを上下に回動させるリフトシリンダであり、
   　前記制御装置は、前記ホイールローダが掘削動作を行った後にバケットすくい上げ及びバケットダンプ動作を行う場合において、前記合計要求動力値が前記ハイブリッド出力上限値よりも大きいとき、前記走行要求動力値を制限することを特徴とするホイールローダ。
5. 　請求項１から４のいずれかに記載のホイールローダにおいて、
   　前記アクチュエータを駆動するための操作信号を操作量に応じて出力する操作装置と、
   　前記エンジンの回転数を制御するアクセルペダルと、
   　前記車輪の制動装置を制御するブレーキペダルとをさらに備え、
   　前記制御装置は、前記エンジン回転数に基づいてエンジン出力上限値を算出し、前記蓄電装置の蓄電量に基づいて蓄電装置出力上限値を算出し、前記油圧ポンプが要求する油圧要求動力値を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記アクセルペダル及び前記ブレーキペダルの踏み込み量及び車速に基づいて前記走行用電動機が要求する走行要求動力値を算出することを特徴とするホイールローダ。
6. 　請求項１に記載のホイールローダにおいて、
   　前記アクチュエータを駆動するための操作信号を操作量に応じて出力する操作装置と、
   　前記エンジンの回転数を制御するアクセルペダルとをさらに備え、
   　前記操作装置の操作量において第１操作量を設定し、
   　前記アクセルペダルの踏み込み量において第１踏み込み量を設定したとき、
   　前記制御装置は、前記合計要求動力値が前記ハイブリッド出力上限値よりも大きい場合において、前記操作装置の操作量が前記第１操作量以上であり、前記アクセルペダルの踏み込み量が前記第１踏み込み量以上であるときには、前記走行要求動力値を制限することを特徴とするホイールローダ。
7. 　請求項６に記載のホイールローダにおいて、
   　前記操作装置の操作量において前記第１操作量よりも小さい第２操作量を設定し、
   　前記アクセルペダルの踏み込み量において前記第１踏み込み量よりも小さい第２踏み込み量を設定したとき、
   　前記制御装置は、前記合計要求動力値が前記ハイブリッド出力上限値よりも大きい場合において、前記操作装置の操作量が前記第２操作量未満であり、前記アクセルペダルの踏み込み量が前記第１踏み込み量未満かつ前記第２踏み込み量以上であるときには、前記油圧要求動力値を制限することを特徴とするホイールローダ。
8. 　請求項６に記載のホイールローダにおいて、
   　前記操作装置の操作量において前記第１操作量よりも小さい第２操作量を設定し、
   　前記アクセルペダルの踏み込み量において前記第１踏み込み量よりも小さい第２踏み込み量を設定したとき、
   　前記制御装置は、前記合計要求動力値が前記ハイブリッド出力上限値よりも大きい場合において、前記操作装置の操作量が前記第１操作量未満かつ前記第２操作量以上であり、前記アクセルペダルの踏み込み量が前記第２踏み込み量未満であるときには、前記走行要求動力値を制限することを特徴とするホイールローダ。
9. 　請求項７又は８に記載のホイールローダにおいて、
   　前記ホイールローダの車速を検出する手段と、
   　前記ホイールローダの進行方向として前進又は後退を選択するための選択装置とをさらに備え、
   　前記制御装置は、
   　前記ホイールローダの進行方向が前記選択装置において前進に選択されているにもかかわらず前記車速検出手段の検出値を介して前記ホイールローダが後退していると判断される場合には、
   　前記合計要求動力値が前記ハイブリッド出力上限値よりも大きい場合に実行される前記油圧要求動力値又は前記走行要求動力値の制限に加えて、前記ホイールローダを後退させないために必要な分だけ前記走行要求動力値を増加しつつ、当該走行要求動力値の増加分だけ前記油圧要求動力値を制限することを特徴とするホイールローダ。

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