WO2015011810A1 - ハイブリッド作業機械 - Google Patents

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WO2015011810A1
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motor
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generator motor
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和生 竹原
宏昭 武
智貴 今井
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株式会社小松製作所
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    • Y10S903/904Component specially adapted for hev

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid work machine that can improve fuel efficiency by stopping a transformer in an idling state without giving a sense of incongruity to an operator's operation.
  • a hybrid work machine in which a generator motor is driven by an engine, and the work machine is operated by driving the motor with electric power generated by the generator motor.
  • a hydraulic pump and a generator motor are driven by an engine, a battery is charged by a power generation action of the generator motor, and a working motor is mounted by driving a turning motor by battery power.
  • the thing which turns an upper turning body is described.
  • the work implement is driven by hydraulic oil supplied from a hydraulic pump, and the lower traveling body is driven by a hydraulic motor driven by the hydraulic pump.
  • Patent Document 2 relates to an inverter system for a hybrid vehicle.
  • the boosting operation of the step-up / step-down chopper circuit is stopped, and the loss of the semiconductor element of the step-up / step-down chopper circuit is reduced to improve the efficiency of the entire inverter. Things are listed.
  • a hybrid work machine that supplies power from a capacitor via a transformer has an auto-decel function that shifts to an idling state where the engine speed is low when the work machine operation or traveling operation is stopped for a certain period of time.
  • the transformer is in the activated state even in the idling state. In this idling state, almost no current is input to or output from the capacitor.
  • the transformer is supplied with power from the capacitor.
  • the capacitor voltage gradually decreases due to the loss. This decrease in the capacitor voltage causes the need to supply power to the capacitor, and in order to cause the generator motor coupled to the engine to generate power, control is performed to increase the engine speed by removing the idling state. .
  • the transformer is in the activated state, so that the engine speed increases and the fuel efficiency decreases.
  • the transformer stops even when a state in which the turning operation and the work implement operation are continuously performed is maintained. For example, when the turning motor servo command is in an on state or when the hydraulic lock switch is in an off state, in this case, the operator continuously performs a turning operation or a work implement operation. In spite of the operator's intention to operate, if the transformer is stopped, it takes time to start up the transformer, contrary to the operator's intention to start up immediately. As a result, a sense of incongruity that does not conform to the operator's intention occurs.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a hybrid work machine that can improve fuel efficiency by stopping a transformer in an idling state without giving an uncomfortable feeling to an operator's operation. To do.
  • a hybrid work machine stores an engine, a generator motor connected to an output shaft of the engine, and electric power generated by the generator motor. Or a battery that supplies power to the generator motor; a motor that is driven by at least one of the power generated by the generator motor and the power stored in the battery; the generator motor and the motor; When satisfying a plurality of conditions including a transformer provided between the capacitor and a condition that the engine is in a low idle state and a motor drive command for driving the motor is not output, And a control unit for stopping the device.
  • the hybrid work machine stores an engine, a generator motor connected to the output shaft of the engine, and electric power generated by the generator motor, or supplies electric power to the generator motor.
  • a power storage device a motor driven by at least one of the power generated by the power generator motor and the power stored in the power storage device, the power generator motor, and a transformer provided between the motor and the power storage device.
  • a controller that stops the transformer when a plurality of conditions including a condition in which the engine is in an idle state and a condition in which the hydraulic lock switch is in a locked state are satisfied.
  • the hybrid work machine stores an engine, a generator motor connected to the output shaft of the engine, and electric power generated by the generator motor, or supplies electric power to the generator motor.
  • a power storage device a motor driven by at least one of the power generated by the power generator motor and the power stored in the power storage device, the power generator motor, and a transformer provided between the motor and the power storage device.
  • the transformer is stopped when a plurality of conditions including a condition in which the engine is in an idle state, a condition in which a motor drive command for driving the motor is not output, and a condition in which the hydraulic lock switch is in a locked state are satisfied.
  • a control unit for controlling the operation.
  • the motor is a turning motor for turning a turning body
  • the control unit further includes a plurality of conditions including a condition that the zero clamp is turned off. When the above condition is satisfied, the transformer is stopped.
  • the hybrid work machine according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the control section permits the start-up of the transformer based on a rotation speed of a generator motor.
  • the hybrid work machine according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the control unit permits the activation of the transformer when at least one of the plurality of conditions is not satisfied.
  • the control unit cuts off the power supply to the transformer while the contactor for connecting and disconnecting the capacitor and the transformer is connected. Then, the transformer is stopped.
  • the transformer when a plurality of conditions including a condition that the engine is in an idle state and a condition in which a motor drive command for driving the motor is not output are satisfied, the transformer is stopped, and the transformer is stopped.
  • the transformer can be started only by denying at least one of the above-mentioned conditions. Therefore, the transformer is stopped in the idling state without giving a sense of incongruity to the operation of the operator. This can improve fuel efficiency.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a hybrid excavator as an example of a hybrid work machine.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a device configuration of the hybrid excavator shown in FIG.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the transformer.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of transformer stop / start control by the hybrid controller.
  • FIG. 5 is a state transition diagram of transformer stop / start control by the hybrid controller.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a detailed configuration of a transformer-time transformer stop flag determination unit.
  • FIG. 7 is a flowchart showing detailed processing of the transformer activation permission flag determination unit.
  • FIG. 8 is a diagram showing the auto-decel state determination process shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an auto-decel state determination process of the pump controller illustrated in FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing a determination process of the auto-decel enabled state of the hybrid system shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a hybrid excavator 1 which is an example of a hybrid work machine.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a device configuration of the hybrid excavator 1 shown in FIG.
  • the concept of a simple work machine that is not a hybrid includes construction machines such as a hydraulic excavator, a bulldozer, a dump truck, and a wheel loader, and these construction machines have a driving force from an engine and other power supply elements.
  • a hybrid work machine having a configuration unique to a hybrid having an electric motor that is driven by exchanging electric power between them is referred to as a hybrid work machine.
  • the hybrid excavator 1 includes a vehicle main body 2 and a work implement 3.
  • the vehicle main body 2 includes a lower traveling body 4 and an upper swing body 5.
  • the lower traveling body 4 has a pair of traveling devices 4a.
  • Each traveling device 4a has a crawler belt 4b.
  • Each traveling device 4a drives the crawler belt 4b by the rotational driving of the right traveling hydraulic motor 34 and the left traveling hydraulic motor 35 shown in FIG.
  • the upper turning body 5 is provided on the upper part of the lower traveling body 4 so as to be turnable.
  • the upper turning body 5 includes a turning motor 23 for turning itself.
  • the turning motor 23 is connected to a drive shaft of a swing machinery 24 (reduction gear).
  • the rotational force of the swing motor 23 is transmitted through the swing machinery 24, and the transmitted rotational force is transmitted to the upper swing body 5 through a swing pinion, a swing circle, and the like (not shown), thereby turning the upper swing body 5.
  • the turning motor in this embodiment is electrically driven.
  • the turning motor may be driven by a combination of an electric motor and a hydraulic motor. Further, the electric actuator driven by the electric motor is not limited to the upper swing body, and may drive a hydraulic pump or the like that drives the work implement.
  • the upper slewing body 5 is provided with a cab 6.
  • the upper swing body 5 includes a fuel tank 7, a hydraulic oil tank 8, an engine room 9, and a counterweight 10.
  • the fuel tank 7 stores fuel for driving an engine 17 as an internal combustion engine.
  • the hydraulic oil tank 8 includes a hydraulic cylinder such as a boom hydraulic cylinder 14, an arm hydraulic cylinder 15 and a bucket hydraulic cylinder 16, and a hydraulic motor (hydraulic actuator) such as a right traveling hydraulic motor 34 and a left traveling hydraulic motor 35.
  • the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 18 is stored in the hydraulic equipment.
  • the engine room 9 houses various devices such as an engine 17, a hydraulic pump 18, a generator motor 19, and a capacitor 25 as a capacitor.
  • the counterweight 10 is disposed behind the engine chamber 9.
  • the work implement 3 is attached to the front center position of the upper swing body 5 and includes a boom 11, an arm 12, a bucket 13, a boom hydraulic cylinder 14, an arm hydraulic cylinder 15, and a bucket hydraulic cylinder 16.
  • the base end portion of the boom 11 is connected to the upper swing body 5 so as to be swingable. Further, the distal end portion on the side opposite to the proximal end portion of the boom 11 is rotatably connected to the proximal end portion of the arm 12.
  • a bucket 13 is rotatably connected to a distal end portion on the opposite side of the base end portion of the arm 12. The bucket 13 is connected to the bucket hydraulic cylinder 16 via a link.
  • the boom hydraulic cylinder 14, the arm hydraulic cylinder 15, and the bucket hydraulic cylinder 16 are hydraulic cylinders (hydraulic actuators) that extend and contract with hydraulic fluid discharged from the hydraulic pump 18.
  • the boom hydraulic cylinder 14 swings the boom 11.
  • the arm hydraulic cylinder 15 swings the arm 12.
  • the bucket hydraulic cylinder 16 swings the bucket 13.
  • the hybrid excavator 1 includes an engine 17, a hydraulic pump 18, and a generator motor 19 as drive sources.
  • a diesel engine is used as the engine 17, and a variable displacement hydraulic pump is used as the hydraulic pump 18.
  • the hydraulic pump 18 is, for example, a swash plate type hydraulic pump that changes the pump capacity by changing the tilt angle of the swash plate 18a, but is not limited thereto.
  • the engine 17 includes a rotation sensor 41 for detecting the rotation speed (the number of rotations per unit time) of the engine 17.
  • a signal indicating the rotation speed (engine speed) of the engine 17 detected by the rotation sensor 41 is acquired by the engine controller C12 and input from the engine controller C12 to the hybrid controller C2 via the in-vehicle network.
  • the rotation sensor 41 detects the engine speed of the engine 17.
  • the hydraulic pump 18 and the generator motor 19 are mechanically coupled to the drive shaft 20 of the engine 17, and the hydraulic pump 18 and the generator motor 19 are driven when the engine 17 is driven.
  • the hydraulic drive system includes an operation valve 33, a boom hydraulic cylinder 14, an arm hydraulic cylinder 15, a bucket hydraulic cylinder 16, a right traveling hydraulic motor 34, a left traveling hydraulic motor 35, and the like. These hydraulic devices are driven as a hydraulic oil supply source to the hydraulic drive system.
  • the operation lever 32 includes a right operation lever 32R and a left operation lever 32L on the left and right sides of the driver's seat.
  • the boom 11 can be raised and lowered and the bucket 13 can be excavated and dumped in response to the front, rear, left and right operations of the right operation lever 32R.
  • the operation valve 33 is a flow direction control valve, moves a spool (not shown) according to the operation direction of the operation lever 32, regulates the flow direction of hydraulic oil to each hydraulic actuator, and controls the operation amount of the operation lever 32.
  • the hydraulic oil corresponding to the hydraulic pressure cylinder 14 for the boom, the hydraulic cylinder 15 for the arm, the hydraulic cylinder for bucket 16, the right traveling hydraulic motor 34 or the left traveling hydraulic motor 35 by operating the left and right traveling levers (not shown), etc.
  • the hydraulic actuator is supplied.
  • the output of the engine 17 may be transmitted to the generator motor 19 via a PTO (Power Take Off) shaft.
  • PTO Power Take Off
  • the pump pressure of the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 18 is detected by the pressure sensor 61 and input to another controller C1.
  • the other controller C1 includes controllers such as a pump controller C11 and an engine controller C12 other than the hybrid controller C2.
  • the electric drive system includes a first inverter 21 connected to the generator motor 19 via a power cable, a second inverter 22 connected to the first inverter 21 via a wiring harness, a first inverter 21 and a second inverter.
  • a transformer 26 provided between the inverter 22 via a wiring harness, a capacitor 25 connected to the transformer 26 via a contactor 27 (electromagnetic contactor), and a power cable connected to the second inverter 22 via a power cable.
  • a turning motor 23 to be connected.
  • the contactor 27 normally closes the electric circuit of the capacitor 25 and the transformer 26 and is in an energized state.
  • the hybrid controller C2 determines that it is necessary to open the electric circuit due to leakage detection or the like. When the determination is made, the hybrid controller C2 provides an instruction signal for switching the contactor 27 from the energizable state to the disconnected state. Output. Then, the contactor 27 receiving the instruction signal from the hybrid controller C2 opens the electric circuit.
  • the turning motor 23 is mechanically coupled to the swing machinery 24 as described above. At least one of the power generated by the generator motor 19 and the power stored in the capacitor 25 serves as a power source for the swing motor 23, and the upper swing body 5 is swung via the swing machinery 24. That is, the turning motor 23 turns and accelerates the upper turning body 5 by performing a power running operation with electric power supplied from at least one of the generator motor 19 and the capacitor 25.
  • the revolving motor 23 performs a regenerative operation when the upper revolving structure 5 decelerates and decelerates, and supplies (charges) electric power (regenerative energy) generated by the regenerative operation to the capacitor 25 or the engine 17 via the generator motor 19. Return axis output to.
  • the turning motor 23 is provided with a rotation sensor 55 that detects the rotation speed of the turning motor 23 (the turning motor rotation speed).
  • the rotation sensor 55 can measure the rotation speed of the turning motor 23 during a power running operation (turning acceleration) or a regenerative operation (turning deceleration).
  • a signal indicating the rotation speed measured by the rotation sensor 55 is input to the hybrid controller C2.
  • a resolver can be used as the rotation sensor 55.
  • the generator motor 19 supplies (charges) the generated power to the capacitor 25 and supplies power to the turning motor 23 according to the situation.
  • an SR (switched reluctance) motor is used as the generator motor 19.
  • the SR motor is effective in terms of cost because it does not use a magnet containing an expensive rare metal.
  • the generator motor 19 has a rotor shaft mechanically coupled to the drive shaft 20 of the engine 17.
  • the generator motor 19 generates electric power by rotating the rotor shaft of the generator motor 19 by driving the engine 17.
  • a rotation sensor 54 is attached to the rotor shaft of the generator motor 19.
  • the rotation sensor 54 measures the rotation speed (generator motor rotation speed) of the generator motor 19, and a signal indicating the generator motor rotation speed measured by the rotation sensor 54 is input to the hybrid controller C2.
  • a resolver can be used as the rotation sensor 54.
  • the transformer 26 is provided between the generator motor 19 and the turning motor 23 and the capacitor 25.
  • the transformer 26 arbitrarily boosts the voltage of electric power (charge stored in the capacitor 25) supplied to the generator motor 19 or the swing motor 23 via the first inverter 21 and the second inverter 22.
  • the boosted voltage is applied to the turning motor 23 when the turning motor 23 performs a power running operation (turning acceleration), and is applied to the generator motor 19 when assisting the output of the engine 17.
  • the transformer 26 also has a role of dropping (decreasing) the voltage to 1 ⁇ 2 when charging the capacitor 25 with the electric power generated by the generator motor 19 or the swing motor 23.
  • a transformer temperature sensor 50 that detects the temperature of the transformer 26 is attached to the transformer 26.
  • a signal indicating the transformer temperature measured by the transformer temperature sensor 50 is input to the hybrid controller C2. Further, in the wiring harness between the transformer 26 and the first inverter 21 and the second inverter 22, the magnitude of the voltage boosted by the transformer 26 or the magnitude of the voltage of the electric power generated by the regeneration of the swing motor 23. A voltage detection sensor 53 for measuring the above is attached. A signal indicating the voltage measured by the voltage detection sensor 53 is input to the hybrid controller C2.
  • the transformer 26 has a function of boosting or stepping down the input DC power and outputting it as DC power. If it has such a function, the kind of the transformer 26 will not be specifically limited. In the present embodiment, for example, a transformer called a transformer-coupled transformer in which a transformer and two inverters are combined is used for the transformer 26. In addition, the transformer 26 may use a DC-DC converter. Next, a transformer coupled transformer will be briefly described.
  • FIG. 3 is a diagram showing a transformer-coupled transformer as a transformer.
  • the first inverter 21 and the second inverter 22 are connected via a positive line 60 and a negative line 61.
  • the transformer 26 is connected between the positive electrode line 60 and the negative electrode line 61.
  • the transformer 26 has an AC (Alternating Current) link between a low voltage side inverter 62 as a primary side inverter as two inverters and a high voltage side inverter 63 as a secondary side inverter by a transformer 64.
  • the transformer 26 is a transformer coupling type transformer.
  • the winding ratio between the low voltage side coil 65 and the high voltage side coil 66 of the transformer 64 is set to 1: 1. Further, the winding ratio may be arbitrarily changed.
  • the low-voltage side inverter 62 and the high-voltage side inverter 63 are electrically connected in series so that the positive electrode of the low-voltage side inverter 62 and the negative electrode of the high-voltage side inverter 63 have a positive polarity. That is, the transformer 26 is connected in parallel so as to have the same polarity as the first inverter 21.
  • the low voltage side inverter 62 is connected in parallel to four IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistors) 71, 72, 73, 74 bridged to the low voltage side coil 65 of the transformer 64, and IGBTs 71, 72, 73, 74, respectively. And diodes 75, 76, 77, and 78 connected in opposite directions.
  • the bridge connection here refers to a configuration in which one end of the low voltage side coil 65 is connected to the emitter of the IGBT 71 and the collector of the IGBT 72 and the other end is connected to the emitter of the IGBT 73 and the collector of the IGBT 74.
  • the IGBTs 71, 72, 73 and 74 are turned on when a switching signal is applied to their gates, and current flows from the collector to the emitter.
  • the positive terminal 25 a of the capacitor 25 is electrically connected to the collector of the IGBT 71 through the positive line 91.
  • the emitter of the IGBT 71 is electrically connected to the collector of the IGBT 72.
  • the emitter of the IGBT 72 is electrically connected to the negative terminal 25 b of the capacitor 25 through the negative line 92.
  • the negative electrode line 92 is connected to the negative electrode line 61.
  • the positive terminal 25 a of the capacitor 25 is electrically connected to the collector of the IGBT 73 through the positive line 91.
  • the emitter of the IGBT 73 is electrically connected to the collector of the IGBT 74.
  • the emitter of the IGBT 74 is electrically connected to the capacitor 25 negative terminal 25 b through the negative line 92.
  • the emitter of the IGBT 71 (the anode of the diode 75) and the collector of the IGBT 72 (the cathode of the diode 76) are connected to one terminal of the low voltage side coil 65 of the transformer 64, and the emitter of the IGBT 73 (the anode of the diode 77) and the IGBT 74.
  • the collector (the cathode of the diode 78) is connected to the other terminal of the low voltage side coil 65 of the transformer 64.
  • the high-voltage side inverter 63 is connected in parallel to the four IGBTs 81, 82, 83, and 84 that are bridge-connected to the high-voltage side coil 66 of the transformer 64, and the IGBTs 81, 82, 83, and 84 are connected in reverse polarity. Diodes 85, 86, 87 and 88.
  • the bridge connection here refers to a configuration in which one end of the high voltage side coil 66 is connected to the emitter of the IGBT 81 and the collector of the IGBT 82 and the other end is connected to the emitter of the IGBT 83 and the collector of the IGBT 84.
  • the IGBTs 81, 82, 83, and 84 are turned on when a switching signal is applied to their gates, and current flows from the collector to the emitter.
  • the collectors of the IGBTs 81 and 83 are electrically connected to the positive electrode line 60 of the first inverter 21 via the positive electrode line 93.
  • the emitter of the IGBT 81 is electrically connected to the collector of the IGBT 82.
  • the emitter of the IGBT 83 is electrically connected to the collector of the IGBT 84.
  • the emitters of the IGBTs 82 and 84 are electrically connected to the positive line 91, that is, the collectors of the IGBTs 71 and 73 of the low voltage side inverter 62.
  • the emitter of IGBT 81 (the anode of diode 85) and the collector of IGBT 82 (the cathode of diode 86) are electrically connected to one terminal of high voltage side coil 66 of transformer 64, and the emitter of IGBT 83 (the collector of diode 87). ) And the collector of the IGBT 84 (the cathode of the diode 88) are electrically connected to the other terminal of the high voltage side coil 66 of the transformer 64.
  • a capacitor 67 is electrically connected between the positive electrode line 93 to which the collectors of the IGBTs 81 and 83 are connected and the positive electrode line 91 to which the emitters of the IGBTs 82 and 84 are connected.
  • the capacitor 67 is for absorbing ripple current.
  • the ripple current absorbing capacitor 67 may be connected to the collector side of the IGBT 71 and the emitter side of the IGBT 72.
  • the transformer 64 has a leakage inductance of a constant value L.
  • the leakage inductance can be obtained by adjusting the gap between the low voltage side coil 65 and the high voltage side coil 66 of the transformer 64. In FIG. 3, it is divided so that L / 2 is on the low voltage side coil 65 side and L / 2 is on the high voltage side coil 66 side.
  • the transformer temperature sensor 50 described above includes the low voltage side coil 65 and the high voltage side coil 66 included in the transformer 64, the IGBTs 71, 72, 73, 74 of the low voltage side inverter 62, and the IGBTs 81, 82, 83, 84 of the high voltage side inverter 63, respectively. Is attached.
  • the generator motor 19 and the turning motor 23 are current-controlled by the first inverter 21 and the second inverter 22, respectively, under the control of the hybrid controller C2.
  • an ammeter 52 is provided in the second inverter 22.
  • the current value flowing through the second inverter 22 may be calculated based on the rotational speed of the swing motor 23 and the command torque value and the estimated conversion efficiency of the inverter without using an ammeter.
  • a signal indicating the current detected by the ammeter 52 is input to the hybrid controller C2.
  • the amount of electric power (charge amount or electric capacity) stored in the capacitor 25 can be managed using the magnitude of the voltage as an index.
  • a voltage sensor 28 is provided at a predetermined output terminal of the capacitor 25.
  • a signal indicating the capacitor voltage detected by the voltage sensor 28 is input to the hybrid controller C2.
  • the hybrid controller C2 monitors the charge amount of the capacitor 25 (the amount of electric power (charge amount or electric capacity)) and supplies (charges) the electric power generated by the generator motor 19 to the capacitor 25, or to the turning motor 23. Execute energy management, such as whether to supply (power supply for power running).
  • the capacitor 25 is, for example, an electric double layer capacitor.
  • a capacitor that functions as another secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery may be used.
  • the turning motor 23 for example, a permanent magnet type synchronous motor is used, but is not limited thereto.
  • a capacitor temperature sensor 51 that detects the temperature of the capacitor 25 as a capacitor is attached to the capacitor 25.
  • a signal indicating the capacitor temperature measured by the capacitor temperature sensor 51 is input to the hybrid controller C2.
  • the hydraulic drive system and the electric drive system are driven in accordance with the operation of the operation lever 32 such as a work machine lever or a turning lever provided in the cab 6 provided in the vehicle body 2.
  • the lifting / lowering operation of the boom 11 and the excavating / dumping operation of the bucket 13 are performed according to the front / rear / left / right operation of the right operation lever 32R, and the left / right turning operation is performed according to the front / rear / left / right operation of the left operation lever 32L.
  • the arm 12 is excavated and dumped. In addition to this, it has left and right traveling levers (not shown).
  • the operation direction and operation amount of the swing lever are determined by a potentiometer or a pilot pressure sensor.
  • the detected operation amount is transmitted as an electric signal to the other controller C1 and further to the hybrid controller C2.
  • the hybrid controller C ⁇ b> 2 rotates the turning motor 23 (power running action or regenerative action) and the electric energy of the capacitor 25.
  • control energy management
  • generator motor 19 power generation or engine output assist, power running action to turning motor 23.
  • the monitor device 30 includes a liquid crystal panel, operation buttons, and the like.
  • the monitor device 30 may be a touch panel in which a display function of the liquid crystal panel and various information input functions of operation buttons are integrated.
  • the monitor device 30 has a function of notifying an operator or a service person of information indicating the operation state of the hybrid excavator 1 (the state of the engine water temperature, the presence / absence of a failure of the hydraulic device, the state of the remaining amount of fuel, etc.).
  • Is an information input / output device having a function of performing desired setting or instruction (engine output level setting, traveling speed speed level setting, etc.
  • the monitor device 30 includes an auto-decel switch SW1 that sets an auto-decel function.
  • the auto-decel function is intended to improve fuel efficiency by shifting the engine speed to an idling state when the work machine is stopped for a certain period of time.
  • the throttle dial 56 is a switch for setting the amount of fuel supplied to the engine 17, and the set value of the throttle dial 56 is converted into an electrical signal and output to another controller C1.
  • the turning lock switch 57 is a switch for locking the upper turning body 5 with a lock pin or the like.
  • a PPC lock lever (not shown) that shuts off the supply of pilot hydraulic pressure for driving the work machine 3 is provided.
  • the PPC lock lever is provided with a hydraulic lock switch 58. When the PPC lock lever is operated to the locked state, the hydraulic lock switch 58 is interlocked to transmit a signal indicating that the operation from the work implement lever is in the locked state to the hybrid controller C2 and the pump controller C11.
  • the key switch 31 has a key cylinder as a main component.
  • the key switch 31 inserts the key into the key cylinder and rotates the key to start a starter (engine starting motor) attached to the engine 17 to drive the engine (engine start). Further, the key switch 31 issues a command to stop the engine (engine stop) by rotating the key in the direction opposite to the engine start while the engine is being driven.
  • the so-called key switch 31 is command output means for outputting commands to various electric devices of the engine 17 and the hybrid excavator 1.
  • the key When the key is rotated in order to stop the engine 17 (specifically, it is operated to an OFF position described later), fuel is supplied to the engine 17 and electricity is supplied (energized) from a battery (not shown) to various electric devices. It is shut off and the engine stops.
  • the key switch 31 is not shown when the position when the key is rotated is off (OFF), and the power supply from the battery (not shown) to various electric devices is cut off.
  • the key switch 31 is not shown.
  • the starter By energizing various electric devices from the battery, and further rotating the key from that position to start (ST) the key position, the starter (not shown) can be started to start the engine. After the engine 17 is started, the key rotation position is in the on (ON) position while the engine 17 is being driven.
  • a push button type key switch may be used instead of the key switch 31 having the key cylinder as a main component as described above. That is, when the engine 17 is stopped, pressing the button once turns it on (ON), and further pushing the button starts it (ST), and pressing the button while the engine 17 is running turns it off (OFF). ) May function.
  • the engine 17 can be started from the off (OFF) to the start (ST) on condition that the engine 17 is stopped and the button is continuously pressed for a predetermined time. There may be.
  • the other controller C1 includes an instruction signal output from the monitor device 30, an instruction signal output according to the key position of the key switch 31, and an instruction signal output according to the operation of the operation lever 32 (the above operation amount and
  • the engine 17 and the hydraulic pump 18 are controlled based on a signal indicating the operation direction.
  • the engine 17 is mainly controlled by an engine controller C12 in another controller C1.
  • the hydraulic pump 18 is controlled mainly by a pump controller C11 in another controller C1.
  • the engine 17 is an engine that can be electronically controlled by the common rail fuel injection device 40.
  • the engine 17 can obtain the target engine output by appropriately controlling the fuel injection amount by the other controller C1, and the engine speed and output can be made according to the load state of the hybrid excavator 1. Torque can be set and driven.
  • the hybrid controller C2 controls the first inverter 21, the second inverter 22, and the transformer 26 as described above under the cooperative control with the other controller C1, and the generator motor 19, the swing motor 23, and the capacitor 25 are controlled. Controls the transfer of power. Further, the hybrid excavator 1 has a transformer stop function, and the hybrid controller C2 performs control to stop the transformer 26 and allow the start of the transformer 26 at the time of decelerating.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of transformer stop / start control by the hybrid controller C2.
  • FIG. 5 is a state transition diagram of transformer stop / start control by the hybrid controller C2.
  • the hybrid controller C2 includes a decel time transformer stop flag determination unit 100, a transformer activation permission flag determination unit 110, a transformer target control state determination unit 120, and a transformer control unit 130.
  • the hybrid controller C2 receives an auto-decel state D1, a turning motor servo command D2, a zero clamp flag D3, a hydraulic lock switch state D4, and a generator motor rotation speed D10.
  • the control state of the transformer 26 by the transformer control unit 130 is, as necessary, to the decel time transformer stop flag determination unit 100, the transformer activation permission flag determination unit 110, and the transformer target control state determination unit 120. Provide feedback.
  • the transformer 26 is in the transformer start state ST1 or the transformer stop state ST2, the auto decel state D1 is auto decel (TRUE), and the turning motor servo command D2 is OFF.
  • the transformer stop flag F1 for stopping the transformer 26 is set to TRUE and the transformer target control state determination unit 120 is set to TRUE. Output.
  • the zero clamp means that the current position of the upper swing body 5 is maintained by a position control command so that the swing motor 23 does not swing, and power is supplied to the swing motor 23 so that it is in the same state as the swing lock. It is to be.
  • the turning motor servo command D2 When the turning motor servo command D2 is OFF, it is determined that the operator does not intend to operate from the fact that the lever operation for driving the turning motor 23 is not performed, and the turning command to the turning motor 23 is not output.
  • the servo command is not output from the second inverter 22 to the turning motor 23.
  • the transformer activation permission flag determination unit 110 sets the transformer activation permission flag F2 to TRUE based on the generator motor rotation speed D10 and the control state of the transformer 26, and outputs it to the transformer target control state determination unit 120.
  • the transformer target control state determination unit 120 determines a new control state of the transformer 26 based on the control state of the decel time transformer stop flag F1, the transformer activation permission flag F2, and the transformer 26. Then, the transformer control unit 130 outputs the control state determined by the transformer target control state determination unit 120 as a control command for the transformer 26.
  • the transformer target control state determination unit 120 changes the control state of the transformer 26 based on the state transition diagram shown in FIG.
  • the preparation state ST0 is a state in which the contactor 27 is disconnected in an energized state immediately after key-on or immediately after key-off.
  • the transformer activation state ST1 is a state in which the transformer 26 is activated and current is input to and output from the capacitor 25.
  • the transformer stop state ST2 the transformer 26 is stopped while the contactor 27 is in the connected state, so that the transformer loss in the transformer 26 and the switching loss of the semiconductor element are not caused.
  • the transformer target control state determination unit 120 transitions to the transformer stop state ST2 when the current control state is the transformer start state ST1 and the decel time transformer stop flag F1 is TRUE. Then, the transformer 26 is stopped (S1). Further, when the current control state is the transformer stop state ST2, when the decelerating transformer stop flag F1 is FALSE and the transformer start permission flag F2 is TRUE, the process proceeds to the transformer start state ST1. Then, the transformer 26 is activated (S2). When the current control state is the transformer stop state ST2 and the hybrid system state D21 is the measurement of the capacitor capacity estimation, the state shifts to the transformer start state ST1 to start the transformer 26 (S3). ).
  • the transformer target control state determination unit 120 shifts to the preparation state ST0 and sets the transformer 26 to the preparation state. (S4).
  • the preparation state ST0 is entered as in S4. Transition to bring the transformer 26 into a ready state.
  • the current control state is the preparation state ST0 and the transformer activation permission flag F2 is TRUE, the state is shifted to the transformer activation state ST1, and the transformer 26 is activated.
  • FIG. 6 is a diagram showing a detailed configuration of the transformer-time transformer stop flag determination unit 100.
  • these five are AND conditions.
  • these conditions are states in which the turning motor 23 is not driven. If one of these conditions is, for example, when the turning motor servo command D2 is turned ON, in this state, it is assumed that there is an intention to drive the turning motor 23, and the decel time transformer stop flag F1 is output as FALSE.
  • the number of conditions is not limited to these five AND conditions.
  • the decel time transformer stop flag F1 needs to be FALSE. In this case, the rise time after the transformer 26 is energized is considered. Then, it is preferable to set the hydraulic lock switch state D4 as a condition for setting the decelerating time transformer stop flag F1 to TRUE. That is, when the hydraulic lock switch 58 is used, the time required to operate the hydraulic lock switch 58 can compensate for the rise time after the transformer 26 is energized, and the operator does not feel uncomfortable in operation.
  • the power supply from the capacitor 25 to the turning motor 23 can be cut off without the contactor 27 being cut off when the transformer is stopped.
  • the transformer it is necessary to make a state in which the power supply from the capacitor 25 is not performed.
  • the frequency of the transformer stop is increased, the number of times the contactor 27 is cut off and the life of the contactor 27 is shortened.
  • the power supply can be cut off without switching off the contactor 27 since the energization can be cut off by the switching element. Thereby, it is not necessary to reduce the life of the contactor 27.
  • FIG. 7 is a flowchart showing detailed processing of the transformer activation permission flag determination unit 110. As shown in FIG. 7, the transformer activation permission flag determination unit 110 first determines whether or not the control state of the transformer 26 is the preparation state ST0 (step S101).
  • Step S102 When the control state of the transformer 26 is the preparation state ST0 (step S101, Yes), it is determined whether or not the generator motor rotation speed D10 is less than a second stop rotation speed N2 (for example, 800 rpm) ( Step S102). When the generator motor rotational speed D10 is less than the second stop rotational speed N2 (for example, 800 rpm) (step S102, Yes), the transformer activation permission flag F2 is output as FALSE. On the other hand, when the generator motor rotation speed D10 is not less than the second stop rotation speed N2 (for example, 800 rpm) (step S102, No), the transformer activation permission flag F2 is output as TRUE.
  • a second stop rotation speed N2 for example, 800 rpm
  • Step S103 When the control state of the transformer 26 is not the preparation state ST0 (step S101, No), it is determined whether or not the generator motor rotational speed D10 is less than the first stop rotational speed N1 (for example, 300 rpm). (Step S103). When the generator motor rotation speed D10 is less than the first stop rotation speed N1 (for example, 300 rpm) (step S103, Yes), the transformer activation permission flag F2 is output as FALSE. On the other hand, when the generator motor rotation speed D10 is not less than the first stop rotation speed N1 (for example, 300 rpm) (step S103, No), the transformer activation permission flag F2 is output as TRUE.
  • the generator motor rotation speed D10 is less than the first stop rotation speed N1 (for example, 300 rpm) (step S103, Yes)
  • the transformer activation permission flag F2 is output as TRUE.
  • the threshold value of the generator motor rotation speed D10 that outputs the transformer activation permission flag F2 as TRUE is changed according to the state of charge of the transformer 26. Specifically, when the control state of the transformer 26 is the preparation state ST0, the threshold value of the generator motor rotation number D10 is set to a high second stop rotation number N2 (for example, 800 rpm), assuming that the charging state is a good state. For example, when the generator motor speed D10 is 600 rpm, the transformer activation permission flag F2 is not output as TRUE.
  • a high second stop rotation number N2 for example, 800 rpm
  • the threshold value of the generator motor rotation speed D10 is set to a low high first stop rotation because the charging state is not good.
  • the transformer activation permission flag F2 is output as TRUE.
  • the auto-decel state D1 used for the determination of the decelerating transformer stop flag F1 shown in FIG. 6 includes the auto-decel state D101 of the pump controller C11 and the auto-decel enable state of the hybrid system (hybrid controller C2). D102 is used.
  • the auto-decel state D101 is TRUE and the auto-decel enable state D102 is TRUE
  • the auto-decel state D1 is output as TRUE. In other cases, the auto-decel state D1 is output as FALSE.
  • the pump controller C ⁇ b> 11 includes an auto decel counter update unit 201 and an auto decel state determination unit 202.
  • the auto decel counter updating unit 201 includes an engine state flag sent from the engine controller C12, a forced auto decel prohibition command sent from the hybrid controller C2, an all lever neutral flag, an auto decel switch sent from the monitor device 30, and a throttle auto decel flag. Entered.
  • the all lever neutral flag is based on the lever value signal obtained from the turning lever value, boom lever value, arm lever value, bucket lever value, traveling right lever value, traveling left lever value, and signal obtained from the service switch. If all lever values are neutral, set the flag to TRUE.
  • the throttle auto-decel flag sets the flag to TRUE when the throttle dial value is less than or equal to the on threshold, and sets the flag to FALSE when the throttle dial value is greater than or equal to the off threshold. This flag becomes TRUE when, for example, the throttle dial value is 25% or less of the maximum value.
  • the state where the forced auto-decel prohibition command is TRUE is, for example, a capacitor capacity measurement state.
  • the auto-decel counter updating unit 201 stops the auto-decel switch or the throttle auto-decel all lever neutral flag is TRUE, the all lever neutral flag is TRUE, and the forced auto decel prohibition command is FALSE, or the engine state flag is stopped. When it is in the middle, the auto-decel counter is incremented. On the other hand, if this condition is not satisfied, the current auto-decel counter is cleared. Then, the auto decel counter updating unit 201 outputs the updated auto decel counter to the auto decel state determining unit 202.
  • the auto-decel state determination unit 202 receives an engine state flag and an auto-decel counter. Then, the auto-decel state determination unit 202 outputs the auto-decel state D101 of the pump controller C11 as TRUE to the hybrid controller C2 when the value of the auto-decel counter is equal to or longer than the auto-decel enable time or the engine state flag is stopped.
  • the hybrid controller C2 includes an auto-decel enable counter flag 301 and an auto-decel enable state determination unit 302.
  • the auto-decel enable state determination unit 302 includes a capacitor charge removal switch, an engine temperature ready flag, an engine start counter, a low idle enable capacitor temperature flag, a generator motor ready state, a turning lock switch, a generator motor torque, a capacitor voltage, An auto-decel enable counter flag 301 is input.
  • the capacitor charge removal switch is sent from the monitor device 30.
  • the engine temperature ready flag becomes TRUE when the engine water temperature is equal to or higher than T12 and becomes FALSE when the engine water temperature is equal to or lower than t11.
  • the counter after engine start counts the time during continuous stop after engine start based on the engine state flag.
  • the low idle enable capacitor temperature flag is set to TRUE when the capacitor temperature is equal to or higher than T2 and is set to FALSE when the capacitor temperature is equal to or lower than T1.
  • the auto-decel enable counter flag 301 counts the auto-decel enable counter CT1 when the transformer is stopped and the auto-decel enable counter CT2 when the transformer is not stopped based on the control state of the transformer 26.
  • the auto-decel enable state is TRUE and the control state of the transformer 26 is the transformer stop state ST2
  • the auto-decel enable counter CT1 is counted up when the transformer is stopped, and the transformer is not stopped.
  • the auto-decel enable counter CT2 is cleared.
  • the auto-decel enable state is TRUE and the control state of the transformer 26 is not the transformer stop state ST2
  • the auto-decel enable counter CT1 when the transformer is stopped is cleared and the auto-decel enable counter CT2 when the transformer is not stopped. Is counted up.
  • the auto-decel enable state is not TRUE
  • the auto-decel enable counter CT1 when the transformer is stopped and the auto-decel enable counter CT2 when the transformer is not stopped are cleared.
  • the auto-decel enable state determination unit 302 indicates that the low idle enable capacitor temperature flag is TRUE, the capacitor charge removal switch is FALSE, and the capacitor voltage exceeds the auto-decel enable capacitor voltage.
  • the auto-decel enable state determination unit 302 is not FALSE, the low idle enable capacitor temperature flag is FALSE, the capacitor charge removal switch is TRUE, or the capacitor voltage is less than the auto-decel enable capacitor voltage, Or, when the turning lock switch is ON, the engine temperature ready flag is FALSE, the counter after engine start is less than the auto-decel enable start time, or the auto-decel enable counter flag is TRUE, the auto-decel enable state D102 is set to FALSE. In other cases, the auto-decel enable state D102 is set to TRUE and output.
  • the transformer stop flag F1 is set to TRUE.
  • the transformer 26 is stopped. For this reason, when returning from the transformer stopped state, only the above-described at least one condition is denied, and the decel time transformer stop flag F1 becomes FALSE.
  • the transformer 26 since the transformer 26 is activated by the operator's intention, the operator's operation is involved. And since the time until operation of an operator generate
  • the transformer start permission flag F2 is set to TRUE based on the generator / motor rotation speed. However, immediately after the return, the generator / motor rotation speed decreases due to charging. In this case, the transformer activation permission flag F2 can be set to TRUE even if the generator / motor rotation speed is low.

Abstract

 デセル時変圧器停止フラグ判定部100は、少なくとも、オートデセル状態D1がTRUE、かつ、旋回モータサーボ指令D2がOFF、かつ、ゼロクランプフラグD3がOFF、かつ、油圧ロックスイッチ状態D4がロックの場合、デセル時変圧器停止フラグF1をTRUEにし、オートデセル状態D1がFALSE、または、旋回モータサーボ指令D2がON、または、ゼロクランプフラグD3がON、または、油圧ロックスイッチ状態D4がロック解除の場合、デセル時変圧器停止フラグF1をFALSEにし、変圧器目標制御状態決定部120は、デセル時変圧器停止フラグF1がTRUEの場合に、変圧器を停止状態にさせる決定を行い、変圧器制御部130は、この決定した変圧器停止指令を変圧器26に出力する。

Description

ハイブリッド作業機械
 この発明は、オペレータの操作に違和感を与えずにアイドリング状態時に変圧器を停止させて燃費向上を図ることができるハイブリッド作業機械に関する。
 エンジンによって発電機モータを駆動し、その発電機モータが発電した電力でモータを駆動して作業機等を動作させるハイブリッド作業機械がある。例えば、特許文献1には、油圧ポンプと発電機モータとをエンジンによって駆動し、発電機モータの発電作用によってバッテリの充電を行うとともに、バッテリ電力により旋回モータを駆動して作業機が搭載された上部旋回体を旋回させるものが記載されている。なお、作業機は、油圧ポンプから供給される作動油によって駆動され、下部走行体は、油圧ポンプによって駆動される油圧モータによって駆動される。そして、この特許文献1には、作業機のシリンダ推力が設定値以上となったことを条件として上部旋回体を停止保持させるパーキングブレーキを解除するとともに、旋回モータを速度フィードバック制御または位置フィードバック制御して上部旋回体を停止保持するようにしている。
 また、特許文献2には、ハイブリッド車用インバータシステムに関し、アイドリング状態時に、昇降圧チョッパ回路の昇圧動作を停止し、昇降圧チョッパ回路の半導体素子の損失を小さくしてインバータ全体の効率を向上させるものが記載されている。
特開2005-299102号公報 特開2002-171606号公報
 ところで、キャパシタから変圧器を介して電力供給するハイブリッド作業機械では、作業機動作あるいは走行動作が一定期間停止した場合、エンジン回転数が低いアイドリング状態に移行するオートデセル機能を有する。そして、このハイブリッド作業機械では、アイドリング状態でも変圧器が起動状態となっている。このアイドリング状態では、キャパシタに対する電流の入出力がほとんど行われないが、変圧器が起動状態であると、変圧器はキャパシタから電力が供給されているため、変圧器のトランス損失や半導体素子のスイッチング損失によってキャパシタ電圧が徐々に低下する。このキャパシタ電圧の低下は、キャパシタへの電力補給を行わせる必要を生じさせ、エンジンに結合される発電機モータに発電を行わせるべく、アイドリング状態を脱してエンジン回転数を増大させる制御が行われる。この結果、オートデセル機能によってアイドリング状態に移行しても、変圧器が起動状態であるために、エンジン回転数が増大し、燃費効率を低下させてしまうという問題があった。
 ここで、ハイブリッド作業機械におけるオートデセル状態のときに、変圧器を停止させることが考えられるが、オートデセル状態であることのみを条件として変圧器を停止させると、旋回動作や作業機動作にかかわるレバー操作の一定期間の停止以外に、旋回動作や作業機動作を継続して行う状態が維持されている場合であっても変圧器が停止してしまう。例えば、旋回モータサーボ指令がオン状態である場合や、油圧ロックスイッチがオフ状態である場合であり、この場合は、オペレータが旋回動作や作業機動作を継続して行う場合である。このようなオペレータに動作の意思がある状態にもかかわらず、変圧器を停止してしまうと、直ちに立ち上がるものと思っているオペレータの意思に反して、変圧器の立ち上がりに要する起動時間がかかってしまい、オペレータの意思に沿わない違和感が生じてしまう。
 この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、オペレータの操作に違和感を与えずにアイドリング状態時に変圧器を停止させて燃費向上を図ることができるハイブリッド作業機械を提供することを目的とする。
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるハイブリッド作業機械は、エンジンと、前記エンジンの出力軸に連結された発電機モータと、前記発電機モータが発電した電力を蓄電し、あるいは前記発電機モータに電力を供給する蓄電器と、前記発電機モータが発電した電力と前記蓄電器が蓄えている電力との少なくとも一方で駆動されるモータと、前記発電機モータ及び前記モータと前記蓄電器との間に設けられた変圧器と、前記エンジンが低アイドル状態である条件と前記モータを駆動するモータ駆動指令が出力されていない条件とからなる複数の条件を満足する場合、前記変圧器を停止させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
 また、この発明にかかるハイブリッド作業機械は、エンジンと、前記エンジンの出力軸に連結された発電機モータと、前記発電機モータが発電した電力を蓄電し、あるいは前記発電機モータに電力を供給する蓄電器と、前記発電機モータが発電した電力と前記蓄電器が蓄えている電力との少なくとも一方で駆動されるモータと、前記発電機モータ及び前記モータと前記蓄電器との間に設けられた変圧器と、前記エンジンがアイドル状態である条件と油圧ロックスイッチがロック状態である条件とからなる複数の条件を満足する場合、前記変圧器を停止させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
 また、この発明にかかるハイブリッド作業機械は、エンジンと、前記エンジンの出力軸に連結された発電機モータと、前記発電機モータが発電した電力を蓄電し、あるいは前記発電機モータに電力を供給する蓄電器と、前記発電機モータが発電した電力と前記蓄電器が蓄えている電力との少なくとも一方で駆動されるモータと、前記発電機モータ及び前記モータと前記蓄電器との間に設けられた変圧器と、前記エンジンがアイドル状態である条件と前記モータを駆動するモータ駆動指令が出力されていない条件と油圧ロックスイッチがロック状態である条件とからなる複数の条件を満足する場合、前記変圧器を停止させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
 また、この発明にかかるハイブリッド作業機械は、上記の発明において、前記モータは、旋回体を旋回させる旋回モータであり、前記制御部は、さらに、ゼロクランプがオフとなっている条件を加えた複数の条件を満足する場合、前記変圧器を停止させることを特徴とする。
 また、この発明にかかるハイブリッド作業機械は、上記の発明において、前記制御部は、発電機モータの回転数をもとに、前記変圧器の起動を許可することを特徴とする。
 また、この発明にかかるハイブリッド作業機械は、上記の発明において、前記制御部は、前記複数の条件の少なくとも1つの条件を満足しない場合に、前記変圧器の起動を許可することを特徴とする。
 また、この発明にかかるハイブリッド作業機械は、上記の発明において、前記制御部は、前記蓄電器と前記変圧器との間の接続と遮断とを行うコンタクタを接続したまま前記変圧器への通電を遮断して前記変圧器を停止させることを特徴とする。
 この発明によれば、エンジンがアイドル状態である条件とモータを駆動するモータ駆動指令が出力されていない条件とからなる複数の条件を満足する場合、変圧器を停止させるようにし、変圧器の停止から変圧器の起動に復帰する場合に、上述した少なくとも1つの条件が否定されるのみで、変圧器の起動が可能となるので、オペレータの操作に違和感を与えずにアイドリング状態時に変圧器を停止させて燃費向上を図ることができる。
図1は、ハイブリッド作業機械としての一例であるハイブリッド油圧ショベルを示す斜視図である。 図2は、図1に示したハイブリッド油圧ショベルの装置構成を示すブロック図である。 図3は、変圧器の詳細構成を示す回路図である。 図4は、ハイブリッドコントローラによる変圧器停止/起動制御の構成を示すブロック図である。 図5は、ハイブリッドコントローラによる変圧器停止/起動制御の状態遷移図である。 図6は、デセル時変圧器停止フラグ判定部の詳細構成を示す図である。 図7は、変圧器起動許可フラグ判定部の詳細処理を示すフローチャートである。 図8は、図6に示したオートデセル状態の判断処理を示す図である。 図9は、図8に示したポンプコントローラのオートデセル状態の判断処理を示す図である。 図10は、図8に示したハイブリッドシステムのオートデセルイネーブル状態の判断処理を示す図である。
 以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
 図1は、ハイブリッド作業機械としての一例であるハイブリッド油圧ショベル1を示す斜視図である。図2は、図1に示すハイブリッド油圧ショベル1の装置構成を示すブロック図である。なお、ハイブリッドではない、単なる作業機械の概念には、油圧ショベル、ブルドーザ、ダンプトラック、ホイールローダ等の建設機械を含み、これら建設機械にエンジンからの駆動力と、それ以外の電力供給要素との間で電力のやり取りを行って駆動する電動モータを有するハイブリッド特有の構成を備えたものをハイブリッド作業機械とする。
(ハイブリッド油圧ショベル)
 ハイブリッド油圧ショベル1は、車両本体2と作業機3とを備えている。車両本体2は、下部走行体4と上部旋回体5とを有する。下部走行体4は、一対の走行装置4aを有する。各走行装置4aは、履帯4bを有する。各走行装置4aは、図2に示す右走行用油圧モータ34と左走行用油圧モータ35の回転駆動によって履帯4bを駆動させハイブリッド油圧ショベル1を走行させるものである。
 上部旋回体5は、下部走行体4の上部に旋回可能に設けられる。上部旋回体5は、自身を旋回させるため、旋回モータ23を備えている。旋回モータ23は、スイングマシナリ24(減速機)の駆動軸に連結されている。旋回モータ23の回転力は、スイングマシナリ24を介して伝達され、伝達された回転力が、図示しない旋回ピニオン及びスイングサークル等を介して上部旋回体5に伝わり上部旋回体5を旋回させる。本実施形態における旋回モータは電気駆動である。なお、旋回モータは、電動モータと油圧モータとの組合せで駆動されてもよい。また、電動モータで駆動される電動アクチュエータは、上部旋回体に限らず、作業機を駆動する油圧ポンプ等を駆動してもよい。
 上部旋回体5には、運転室6が設けられる。また、上部旋回体5は、燃料タンク7と作動油タンク8とエンジン室9とカウンタウェイト10とを有する。燃料タンク7は、内燃機関としてのエンジン17を駆動するための燃料を蓄えている。作動油タンク8は、ブーム用油圧シリンダ14、アーム用油圧シリンダ15及びバケット用油圧シリンダ16等の油圧シリンダ並びに右走行用油圧モータ34及び左走行用油圧モータ35等の油圧モータ(油圧アクチュエータ)といった油圧機器に対して、油圧ポンプ18から吐出される作動油を蓄えている。エンジン室9には、エンジン17、油圧ポンプ18、発電機モータ19及び蓄電器としてのキャパシタ25等の各種機器が収納されている。カウンタウェイト10は、エンジン室9の後方に配置される。
 作業機3は、上部旋回体5の前部中央位置に取り付けられ、ブーム11、アーム12、バケット13、ブーム用油圧シリンダ14、アーム用油圧シリンダ15及びバケット用油圧シリンダ16を有する。ブーム11の基端部は、上部旋回体5に揺動可能に連結される。また、ブーム11の基端部の反対側となる先端部は、アーム12の基端部に回転可能に連結される。アーム12の基端部の反対側となる先端部には、バケット13が回転可能に連結される。また、バケット13は、バケット用油圧シリンダ16とリンクを介して連結している。ブーム用油圧シリンダ14、アーム用油圧シリンダ15及びバケット用油圧シリンダ16は、油圧ポンプ18から吐出された作動油によって伸縮動作する油圧シリンダ(油圧アクチュエータ)である。ブーム用油圧シリンダ14は、ブーム11を揺動させる。アーム用油圧シリンダ15は、アーム12を揺動動作させる。バケット用油圧シリンダ16は、バケット13を揺動させる。
 図2において、ハイブリッド油圧ショベル1は、駆動源としてのエンジン17、油圧ポンプ18及び発電機モータ19を有する。エンジン17としてディーゼルエンジンが用いられ、油圧ポンプ18として可変容量型油圧ポンプが用いられる。油圧ポンプ18は、例えば、斜板18aの傾転角を変化させることによってポンプ容量を変化させる斜板式油圧ポンプであるが、これに限定されるものではない。エンジン17には、エンジン17の回転速度(単位時間あたりの回転数)を検出するための回転センサ41が備えてある。回転センサ41が検出したエンジン17の回転速度(エンジン回転数)を示す信号は、エンジンコントローラC12が取得し、エンジンコントローラC12より車内ネットワークでハイブリッドコントローラC2に入力される。回転センサ41は、エンジン17のエンジン回転数を検出する。
 エンジン17の駆動軸20には、油圧ポンプ18及び発電機モータ19が機械的に結合されており、エンジン17が駆動することで、油圧ポンプ18及び発電機モータ19が駆動する。油圧駆動系としては、操作弁33、ブーム用油圧シリンダ14、アーム用油圧シリンダ15、バケット用油圧シリンダ16、右走行用油圧モータ34及び左走行用油圧モータ35等を有し、油圧ポンプ18が油圧駆動系への作動油供給源となってこれらの油圧機器を駆動する。操作レバー32は、運転席の左右にそれぞれ右操作レバー32R及び左操作レバー32Lが備えられる。右操作レバー32Rの前後左右の操作に対応してブーム11の昇降及びバケット13の掘削・ダンプの操作を行うことができる。左操作レバー32Lの前後左右の操作に対応してアーム12の掘削・ダンプ及び上部旋回体5の左右旋回の操作を行うことができる。なお、操作弁33は、流量方向制御弁であり、操作レバー32の操作方向に応じて図示しないスプールを移動させ、各油圧アクチュエータへの作動油の流れ方向を規制し、操作レバー32の操作量に応じた作動油を、ブーム用油圧シリンダ14、アーム用油圧シリンダ15、バケット用油圧シリンダ16、また、図示しない左右の走行レバーの操作により右走行用油圧モータ34又は左走行用油圧モータ35等の油圧アクチュエータに供給するものである。また、エンジン17の出力は、PTO(Power Take Off:パワーテイクオフ)軸を介して発電機モータ19へ伝達されるものであってもよい。なお、油圧ポンプ18から吐出される作動油のポンプ圧は、圧力センサ61によって検出され、他のコントローラC1に入力される。なお、他のコントローラC1は、ハイブリッドコントローラC2以外のポンプコントローラC11,エンジンコントローラC12などのコントローラを含む。
 電気駆動系は、発電機モータ19にパワーケーブルを介して接続される第1インバータ21と、第1インバータ21にワイヤリングハーネスを介して接続される第2インバータ22と、第1インバータ21と第2インバータ22との間に、ワイヤリングハーネスを介して設けられる変圧器26と、変圧器26にコンタクタ27(電磁接触器)を介して接続されるキャパシタ25と、第2インバータ22にパワーケーブルを介して接続される旋回モータ23等とを含む。なお、コンタクタ27は、通常はキャパシタ25と変圧器26との電気回路を閉じて通電可能状態としている。一方、ハイブリッドコントローラC2は、漏電検出等により電気回路を開く必要があると判断するようになっており、その判断がされた際、コンタクタ27に通電可能状態を遮断状態へ切り替えるための指示信号を出力する。そして、ハイブリッドコントローラC2から指示信号を受けたコンタクタ27は電気回路を開く。
 旋回モータ23は、上述のように機械的にスイングマシナリ24に連結している。発電機モータ19が発電する電力及びキャパシタ25に蓄えられた電力の少なくとも一方が旋回モータ23の電力源となり、スイングマシナリ24を介して上部旋回体5を旋回させる。すなわち、旋回モータ23は、発電機モータ19及びキャパシタ25の少なくとも一方から供給される電力で力行動作することで上部旋回体5を旋回加速する。また、旋回モータ23は、上部旋回体5が旋回減速する際に回生動作し、その回生動作により発電された電力(回生エネルギー)をキャパシタ25に供給(充電)または発電機モータ19を介しエンジン17へ軸出力を戻す。なお、旋回モータ23には、旋回モータ23の回転速度(旋回モータ回転速度)を検出する回転センサ55が備えてある。回転センサ55は、力行動作(旋回加速)又は回生動作(旋回減速)の際における旋回モータ23の回転速度を計測することができる。回転センサ55により計測された回転速度を示す信号は、ハイブリッドコントローラC2に入力される。回転センサ55は、例えば、レゾルバを用いることができる。
 発電機モータ19は、発電した電力をキャパシタ25に供給(充電)するとともに、状況に応じて旋回モータ23に電力を供給する。発電機モータ19としては、例えば、SR(スイッチドリラクタンス)モータが用いられる。なお、SRモータではなく、永久磁石を用いた同期モータを用いてもキャパシタ25又は旋回モータ23へ電気エネルギーを供給する役割を果たすことができる。発電機モータ19にSRモータを用いた場合、SRモータは高価な希少金属を含む磁石を用いないため、コストの面で有効である。発電機モータ19は、ロータ軸がエンジン17の駆動軸20に機械的に結合されている。このような構造により、発電機モータ19は、エンジン17の駆動によって発電機モータ19のロータ軸が回転し、発電することになる。また、発電機モータ19のロータ軸には回転センサ54が取り付けられている。回転センサ54は、発電機モータ19の回転速度(発電機モータ回転数)を計測し、回転センサ54により計測された発電機モータ回転数を示す信号は、ハイブリッドコントローラC2に入力される。回転センサ54は、例えば、レゾルバを用いることができる。
 変圧器26は、発電機モータ19及び旋回モータ23とキャパシタ25との間に設けられる。変圧器26は、第1インバータ21と第2インバータ22とを介して発電機モータ19又は旋回モータ23に供給される電力(キャパシタ25に蓄えられた電荷)の電圧を任意に昇圧する。昇圧された電圧は、旋回モータ23を力行動作(旋回加速)させる際には旋回モータ23に印加され、エンジン17の出力をアシストする際には発電機モータ19へ印加される。なお、変圧器26は、発電機モータ19又は旋回モータ23で発電された電力をキャパシタ25に充電する際には、電圧を1/2に降下(降圧)させる役割も有する。変圧器26には、変圧器26の温度を検出する変圧器温度センサ50が取り付けられている。変圧器温度センサ50により計測された変圧器温度を示す信号は、ハイブリッドコントローラC2に入力される。さらに、変圧器26と第1インバータ21及び第2インバータ22との間のワイヤリングハーネスに、変圧器26により昇圧された電圧の大きさあるいは旋回モータ23の回生により生成された電力の電圧の大きさを計測するための電圧検出センサ53が取り付けられている。電圧検出センサ53により計測された電圧を示す信号は、ハイブリッドコントローラC2に入力される。
 本実施形態において、変圧器26は、入力された直流電力を昇圧又は降圧させ、直流電力として出力する機能を有している。このような機能を有していれば、変圧器26の種類は特に限定されるものではない。本実施形態においては、例えば、変圧器26に、トランスと2個のインバータとを組み合わせたトランス結合型変圧器と呼ばれる変圧器を用いている。この他、変圧器26は、DC-DCコンバータを用いてもよい。次に、トランス結合型変圧器について簡単に説明する。
 図3は、変圧器としてのトランス結合型変圧器を示す図である。図3に示すように、第1インバータ21と第2インバータ22とが正極ライン60と負極ライン61とを介して接続される。変圧器26は、正極ライン60と負極ライン61との間に接続されている。変圧器26は、2個のインバータとしての1次側インバータである低圧側インバータ62と2次側インバータである高圧側インバータ63とを、トランス64でAC(Alternating Current)リンクさせている。このように、変圧器26は、トランス結合型変圧器である。次の説明では、トランス64の低圧側コイル65と高圧側コイル66との巻線比は1対1としておく。また、巻線比は任意に変更されてよい。
 低圧側インバータ62と高圧側インバータ63とは、低圧側インバータ62の正極と高圧側インバータ63の負極とが加極性となるように電気的に直列接続されている。すなわち、変圧器26は、第1インバータ21と同極性になるように並列に接続されている。
 低圧側インバータ62は、トランス64の低圧側コイル65にブリッジ接続された4個のIGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor)71,72,73,74と、IGBT71,72,73,74それぞれに並列に、かつ極性が逆向きに接続されたダイオード75,76,77,78とを含んでいる。ここでいうブリッジ接続とは、低圧側コイル65の一端がIGBT71のエミッタとIGBT72のコレクタと接続され、他端がIGBT73のエミッタとIGBT74のコレクタとに接続される構成をいう。IGBT71,72,73,74は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
 キャパシタ25の正極端子25aは、正極ライン91を介してIGBT71のコレクタに電気的に接続されている。IGBT71のエミッタはIGBT72のコレクタと電気的に接続されている。IGBT72のエミッタは、負極ライン92を介してキャパシタ25の負極端子25bに電気的に接続されている。負極ライン92は負極ライン61に接続されている。
 同様に、キャパシタ25の正極端子25aは、正極ライン91を介してIGBT73のコレクタと電気的に接続されている。IGBT73のエミッタはIGBT74のコレクタと電気的に接続されている。IGBT74のエミッタは、負極ライン92を介してキャパシタ25負極端子25bと電気的に接続されている。
 IGBT71のエミッタ(ダイオード75のアノード)及びIGBT72のコレクタ(ダイオード76のカソード)は、トランス64の低圧側コイル65の一方の端子に接続されているとともに、IGBT73のエミッタ(ダイオード77のアノード)及びIGBT74のコレクタ(ダイオード78のカソード)は、トランス64の低圧側コイル65の他方の端子に接続されている。
 高圧側インバータ63は、トランス64の高圧側コイル66にブリッジ接続された4個のIGBT81,82,83,84と、IGBT81,82,83,84それぞれに並列に、かつ極性が逆向きに接続されたダイオード85,86,87,88とを含む。ここでいうブリッジ接続とは、高圧側コイル66の一端がIGBT81のエミッタとIGBT82のコレクタとに接続され、他端がIGBT83のエミッタとIGBT84のコレクタとに接続される構成をいう。IGBT81,82,83,84は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
 IGBT81,83のコレクタは、正極ライン93を介して第1インバータ21の正極ライン60と電気的に接続されている。IGBT81のエミッタはIGBT82のコレクタと電気的に接続されている。IGBT83のエミッタはIGBT84のコレクタと電気的に接続されている。IGBT82,84のエミッタは、正極ライン91、つまり低圧側インバータ62のIGBT71,73のコレクタに電気的に接続されている。
 IGBT81のエミッタ(ダイオード85のアノード)及びIGBT82のコレクタ(ダイオード86のカソード)は、トランス64の高圧側コイル66の一方の端子に電気的に接続されているとともに、IGBT83のエミッタ(ダイオード87のコレクタ)及びIGBT84のコレクタ(ダイオード88のカソード)は、トランス64の高圧側コイル66の他方の端子に電気的に接続されている。
 IGBT81,83のコレクタが接続される正極ライン93とIGBT82,84のエミッタが接続される正極ライン91との間にはコンデンサ67が電気的に接続されている。コンデンサ67はリップル電流吸収用である。リップル電流吸収用のコンデンサ67は、IGBT71のコレクタ側とIGBT72のエミッタ側に接続されてもよい。
 トランス64は一定値Lの漏れインダクタンスを有している。漏れインダクタンスは、トランス64の低圧側コイル65と高圧側コイル66の間隙を調整して得ることができる。図3では低圧側コイル65側にL/2、高圧側コイル66側にL/2となるように分割している。
 上述した変圧器温度センサ50は、トランス64が有する低圧側コイル65及び高圧側コイル66並びに低圧側インバータ62のIGBT71,72,73,74及び高圧側インバータ63のIGBT81,82,83,84のそれぞれに取り付けられている。
 発電機モータ19及び旋回モータ23は、ハイブリッドコントローラC2による制御のもと、それぞれ第1インバータ21及び第2インバータ22によって電流制御される。第2インバータ22に入力する直流電流の大きさを計測するため、第2インバータ22には電流計52が設けられる。電流計を用いなくとも旋回モータ23の回転数と指令トルク値および推定されるインバータでの変換効率をもとにして第2インバータ22に流れる電流値を算出してもよい。電流計52が検出した電流を示す信号は、ハイブリッドコントローラC2に入力される。キャパシタ25に蓄えられた電力の量(電荷量又は電気容量)は、電圧の大きさを指標として管理することができる。キャパシタ25に蓄えられた電力の電圧の大きさを検出するために、キャパシタ25の所定の出力端子に電圧センサ28が設けられている。電圧センサ28が検出したキャパシタ電圧を示す信号は、ハイブリッドコントローラC2に入力される。ハイブリッドコントローラC2は、キャパシタ25の充電量(電力の量(電荷量又は電気容量))を監視して、発電機モータ19が発電する電力をキャパシタ25へ供給(充電)するか、旋回モータ23へ供給(力行作用のための電力供給)するかといったエネルギーマネージメントを実行する。
 本実施形態において、キャパシタ25は、例えば、電気二重層キャパシタが用いられる。キャパシタ25の代わりに、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等、他の二次電池として機能する蓄電器を用いてもよい。さらに、旋回モータ23としては、例えば、永久磁石式同期モータが用いられるが、これに限定されるものではない。キャパシタ25には、蓄電器としてのキャパシタ25の温度を検出するキャパシタ温度センサ51が取り付けられている。キャパシタ温度センサ51により計測されたキャパシタ温度を示す信号は、ハイブリッドコントローラC2に入力される。
 油圧駆動系及び電気駆動系は、車両本体2に設けられた運転室6の内部に設けられる作業機レバー、旋回レバー等の操作レバー32の操作に応じて駆動する。上述したように、右操作レバー32Rの前後左右の操作に応じてブーム11の昇降動作およびバケット13の掘削・ダンプ動作を行い、左操作レバー32Lの前後左右の操作に応じて左右の旋回動作とアーム12の掘削・ダンプ動作を行う。これ以外に図示しない左右の走行レバーを有する。ハイブリッド油圧ショベル1のオペレータが、上部旋回体5を旋回させるための操作手段として機能する左操作レバー32L(旋回レバー)を操作した場合、旋回レバーの操作方向及び操作量は、ポテンショメータ又はパイロット圧力センサ等によって検出され、検出された操作量は電気信号として他のコントローラC1、さらにはハイブリッドコントローラC2に送信される。
 他の操作レバー32が操作された場合も同様に電気信号が他のコントローラC1及びハイブリッドコントローラC2に送信される。この旋回レバーの操作方向及び操作量あるいは他の操作レバー32の操作方向や操作量に応じて、ハイブリッドコントローラC2は、旋回モータ23の回転動作(力行作用あるいは回生作用)やキャパシタ25の電気エネルギーのマネージメント(充電あるいは放電のための制御)、発電機モータ19の電気エネルギーのマネージメント(発電あるいはエンジン出力のアシスト、旋回モータ23への力行作用)といった電力の授受をコントロール(エネルギーマネージメント)するために第2インバータ22、変圧器26及び第1インバータ21の制御を実行する。
 運転室6内には、操作レバー32のほかに、モニタ装置30及びキースイッチ31が設けられる。モニタ装置30は、液晶パネルや操作ボタン等で構成される。また、モニタ装置30は、液晶パネルの表示機能と操作ボタンの各種情報入力機能とを統合させたタッチパネルであってもよい。モニタ装置30は、ハイブリッド油圧ショベル1の動作状態(エンジン水温の状態、油圧機器等の故障有無状態又は燃料残量等の状態等)を示す情報をオペレータ又はサービスマンへ知らせる機能を有するとともに、オペレータが所望する設定又は指示(エンジンの出力レベル設定や走行速度の速度レベル設定等又は後述するキャパシタ電荷抜き指示)をハイブリッド油圧ショベル1に対して行う機能を有する、情報入出力装置である。例えば、モニタ装置30は、オートデセル機能を設定するオートデセルスイッチSW1を有する。なお、オートデセル機能とは、作業機を一定時間停止した場合にエンジン回転数をアイドリング状態に移行して燃費向上を図るものである。
 スロットルダイヤル56は、エンジン17への燃料供給量を設定するためのスイッチであり、スロットルダイヤル56の設定値は、電気信号に変換されて他のコントローラC1に出力される。
 旋回ロックスイッチ57は、上部旋回体5をロックピンなどによってロックさせるスイッチである。また、作業機3の駆動を行うパイロット油圧の供給に対して遮断を行う図示しないPPCロックレバーが備えられている。このPPCロックレバーには油圧ロックスイッチ58が備えられる。PPCロックレバーがロック状態に操作された時、油圧ロックスイッチ58が連動し、作業機レバーからの操作がロック状態である信号をハイブリッドコントローラC2およびポンプコントローラC11へ送信する。
 キースイッチ31は、キーシリンダを主な構成部品としたものである。キースイッチ31は、キーをキーシリンダに挿入し、キーを回転動作させることでエンジン17に付設されたスタータ(エンジン始動用モータ)を始動させてエンジンを駆動(エンジン始動)させる。また、キースイッチ31は、エンジン駆動中にエンジン始動とは逆の方向にキーを回転動作させることでエンジンを停止(エンジン停止)させるといった指令を出すものである。いわゆる、キースイッチ31は、エンジン17及びハイブリッド油圧ショベル1の各種電気機器への指令を出力する指令出力手段である。
 エンジン17を停止させるために、キーを回転動作(具体的には後述のオフの位置に操作)すると、エンジン17への燃料供給及び図示しないバッテリから各種電気機器への電気の供給(通電)が遮断され、エンジンは停止する。キースイッチ31は、キーを回転動作させたときの位置がオフ(OFF)のとき、図示しないバッテリから各種電気機器への通電を遮断し、キーの位置がオン(ON)のときに、図示しないバッテリから各種電気機器への通電を行い、さらにその位置からキーを回転動作させてキー位置がスタート(ST)のときに、図示しないスタータを始動させエンジンを始動させることができるものである。エンジン17が始動した後、エンジン17が駆動している間は、キー回転位置はオン(ON)の位置にある。
 なお、上記のようなキーシリンダを主な構成部品とするキースイッチ31ではなく、他の指令出力手段、例えば、押しボタン式のキースイッチであってもよい。すなわち、エンジン17が停止している状態でボタンを一回押すとオン(ON)となり、さらにボタンを押すとスタート(ST)となり、エンジン17が駆動している間にボタンを押すとオフ(OFF)となるように機能するものでもよい。また、エンジン17が停止している状態で、所定の時間、ボタンを押し続けたことを条件として、オフ(OFF)からスタート(ST)へと移行し、エンジン17を始動させることができるものであってもよい。
 他のコントローラC1は、モニタ装置30から出力される指示信号、キースイッチ31のキー位置に応じて出力される指示信号及び操作レバー32の操作に応じて出力される指示信号(上記の操作量や操作方向を示す信号)をもとに、エンジン17及び油圧ポンプ18を制御する。エンジン17は、主として他のコントローラC1内のエンジンコントローラC12によって制御される。また、油圧ポンプ18は、主として他のコントローラC1内のポンプコントローラC11によって制御される。エンジン17は、コモンレール式の燃料噴射装置40による電子制御が可能なエンジンである。エンジン17は、他のコントローラC1によって燃料噴射量を適切にコントロールすることで、目標とするエンジン出力を得ることが可能であり、ハイブリッド油圧ショベル1の負荷状態に応じて、エンジン回転数及び出力可能なトルクが設定され、駆動することが可能である。
 ハイブリッドコントローラC2は、他のコントローラC1との協調制御のもと、上記のように第1インバータ21、第2インバータ22及び変圧器26を制御して、発電機モータ19、旋回モータ23及びキャパシタ25の電力の授受を制御する。また、ハイブリッド油圧ショベル1は、変圧器停止機能を有し、ハイブリッドコントローラC2は、デセル時に変圧器26を停止させるとともに、変圧器26の起動を許可する制御を行う。
(変圧器停止/起動制御)
 ここで、図4及び図5を参照して、ハイブリッドコントローラC2によるデセル時の変圧器26の停止制御及び変圧器26の起動制御の概要について説明する。図4は、ハイブリッドコントローラC2による変圧器停止/起動制御の構成を示すブロック図である。また、図5は、ハイブリッドコントローラC2による変圧器停止/起動制御の状態遷移図である。
 図4に示すように、ハイブリッドコントローラC2は、デセル時変圧器停止フラグ判定部100、変圧器起動許可フラグ判定部110、変圧器目標制御状態決定部120、及び変圧器制御部130を有する。なお、ハイブリッドコントローラC2には、オートデセル状態D1、旋回モータサーボ指令D2、ゼロクランプフラグD3、油圧ロックスイッチ状態D4、及び発電機モータ回転数D10が入力される。また、変圧器制御部130による変圧器26の制御状態は、必要に応じて、デセル時変圧器停止フラグ判定部100、変圧器起動許可フラグ判定部110、及び変圧器目標制御状態決定部120にフィードバックされる。
 デセル時変圧器停止フラグ判定部100は、変圧器26が変圧器起動状態ST1または変圧器停止状態ST2であり、かつ、オートデセル状態D1がオートデセル(TRUE)、かつ、旋回モータサーボ指令D2がOFF、かつ、ゼロクランプフラグD3がOFF、かつ、油圧ロックスイッチ状態D4がロック状態である場合に、変圧器26を停止させるデセル時変圧器停止フラグF1をTRUEにして変圧器目標制御状態決定部120に出力する。なお、ゼロクランプとは、旋回モータ23が旋回しないように位置制御指令により上部旋回体5の現状位置を維持することであり、旋回モータ23への電力供給を行って旋回ロックと同様の状態にすることである。また、旋回モータサーボ指令D2がOFFとは、オペレータの操作意思がないことを、旋回モータ23を駆動するレバー操作が行われないことより判断して、旋回モータ23への旋回指令を出力せず、第2インバータ22から旋回モータ23にサーボ指令が出力されないことである。
 変圧器起動許可フラグ判定部110は、発電機モータ回転数D10及び変圧器26の制御状態をもとに、変圧器起動許可フラグF2をTRUEにして変圧器目標制御状態決定部120に出力する。
 変圧器目標制御状態決定部120は、デセル時変圧器停止フラグF1、変圧器起動許可フラグF2、及び変圧器26の制御状態をもとに、新たな変圧器26の制御状態を決定する。そして、変圧器制御部130は、変圧器目標制御状態決定部120によって決定された制御状態を変圧器26に対する制御指令として出力する。
 ここで、変圧器目標制御状態決定部120は、図5に示した状態遷移図をもとに変圧器26の制御状態を遷移させる。準備状態ST0は、キーオン直後やキーオフ直後の通電状態でコンタクタ27は切断された状態である。変圧器起動状態ST1は、変圧器26を起動してキャパシタ25との間で電流の入出力を行っている状態である。変圧器停止状態ST2は、コンタクタ27を接続状態としたまま変圧器26を停止させ、変圧器26内のトランス損失や半導体素子のスイッチング損失を生じさせないようにしている。
 例えば、変圧器目標制御状態決定部120は、現在の制御状態が変圧器起動状態ST1である場合であって、デセル時変圧器停止フラグF1がTRUEである場合、変圧器停止状態ST2に移行して変圧器26を停止させる(S1)。また、現在の制御状態が変圧器停止状態ST2である場合であって、デセル時変圧器停止フラグF1がFALSEであり、変圧器起動許可フラグF2がTRUEの場合、変圧器起動状態ST1に移行して変圧器26を起動させる(S2)。また、現在の制御状態が変圧器停止状態ST2である場合であって、ハイブリッドシステム状態D21がキャパシタ容量推定の計測である場合、変圧器起動状態ST1に移行して変圧器26を起動させる(S3)。
 また、変圧器目標制御状態決定部120は、現在の制御状態が変圧器停止状態ST2である場合であって、キーオフ状態となった場合、準備状態ST0に移行して変圧器26を準備状態にさせる(S4)。
 なお、図5に示すように、準備状態ST0と変圧器起動状態ST1との間も適宜遷移する。例えば、現在の制御状態が変圧器起動状態ST1である場合であって、変圧器起動許可フラグF2がFALSEである場合で、キーオフ状態となった場合などに、S4と同様に、準備状態ST0に移行して変圧器26を準備状態にさせる。また、現在の制御状態が準備状態ST0である場合であって、変圧器起動許可フラグF2がTRUEである場合などに、変圧器起動状態ST1に移行して、変圧器26を起動させる。
(デセル時変圧器停止フラグ判定部の詳細)
 図6は、デセル時変圧器停止フラグ判定部100の詳細構成を示す図である。図6に示すように、デセル時変圧器停止フラグ判定部100は、
 1)変圧器26の制御状態が変圧器起動状態ST1または変圧器停止状態ST2
 2)オートデセル状態D1=TRUE
 3)旋回モータサーボ指令D2=OFF
 4)ゼロクランプフラグD3=OFF
 5)油圧ロックスイッチ状態D4=ロック
の5つのAND条件を満たす場合に、デセル時変圧器停止フラグF1=TRUEとして出力し、5つのAND条件を満たさない場合に、デセル時変圧器停止フラグF1=FALSEとして出力する。
 これら5つをAND条件としたのは、すべて変圧器26を用いなくてもよい状態だからである。換言すれば、これらの条件は、旋回モータ23を駆動させない状態である。そして、これらの1つの条件が、たとえば、旋回モータサーボ指令D2がONとなると、この状態では、旋回モータ23を駆動させる意思があるものとして、デセル時変圧器停止フラグF1をFALSEとして出力する。
 なお、この5つのAND条件に限らず、条件数を減らしてもよい。たとえば、
 1)変圧器26の制御状態が変圧器起動状態ST1または変圧器停止状態ST2
 2)オートデセル状態D1=TRUE
 3)旋回モータサーボ指令D2=OFF
とする3つのAND条件でもよいし、
 1)変圧器26の制御状態が変圧器起動状態ST1または変圧器停止状態ST2
 2)オートデセル状態D1=TRUE
 3)油圧ロックスイッチ状態D4=ロック
とする3つのAND条件でもよいし、
 1)変圧器26の制御状態が変圧器起動状態ST1または変圧器停止状態ST2
 2)オートデセル状態D1=TRUE
 3)旋回モータサーボ指令D2=OFF
 4)油圧ロックスイッチ状態D4=ロック
とする4つのAND条件でもよい。
 また、変圧器停止状態ST2から変圧器起動状態ST1に移行する場合、デセル時変圧器停止フラグF1はFALSEであることが必要であるが、この場合、変圧器26の通電後の立ち上がり時間を考慮すると、油圧ロックスイッチ状態D4を、デセル時変圧器停止フラグF1をTRUEにする条件とすることが好ましい。すなわち、油圧ロックスイッチ58を用いると、この油圧ロックスイッチ58の操作にかかる時間が変圧器26の通電後の立ち上がり時間を埋め合わせることができ、オペレータに操作上の違和感を与えないからである。
 このようにして、変圧器停止時にコンタクタ27を遮断状態としなくてもキャパシタ25から旋回モータ23への電力供給を遮断できる。この変圧器停止を行う場合、キャパシタ25からの電力供給を行わない状態にする必要があるが、変圧器停止の頻度が高くなるとコンタクタ27の遮断の回数が多くなりコンタクタ27の寿命が短くなる。本実施の形態で示した変圧器停止では、スイッチング素子により通電の遮断状態とすることができるため、コンタクタ27を遮断しなくともキャパシタ25からの電力供給を遮断することができる。これにより、コンタクタ27の寿命を低下させずに済む。
(変圧器起動許可フラグ判定部の詳細)
 図7は、変圧器起動許可フラグ判定部110の詳細処理を示すフローチャートである。図7に示すように、変圧器起動許可フラグ判定部110は、まず、変圧器26の制御状態が準備状態ST0であるか否かを判断する(ステップS101)。
 変圧器26の制御状態が準備状態ST0である場合(ステップS101,Yes)には、発電機モータ回転数D10が第2停止回転数N2(例えば、800rpm)未満であるか否かを判断する(ステップS102)。そして、発電機モータ回転数D10が第2停止回転数N2(例えば、800rpm)未満である場合(ステップS102,Yes)には、変圧器起動許可フラグF2をFALSEとして出力する。一方、発電機モータ回転数D10が第2停止回転数N2(例えば、800rpm)未満でない場合(ステップS102,No)には、変圧器起動許可フラグF2をTRUEとして出力する。
 また、変圧器26の制御状態が準備状態ST0でない場合(ステップS101,No)には、発電機モータ回転数D10が第1停止回転数N1(例えば、300rpm)未満であるか否かを判断する(ステップS103)。発電機モータ回転数D10が第1停止回転数N1(例えば、300rpm)未満である(ステップS103,Yes)には、変圧器起動許可フラグF2をFALSEとして出力する。一方、発電機モータ回転数D10が第1停止回転数N1(例えば、300rpm)未満でない(ステップS103,No)には、変圧器起動許可フラグF2をTRUEとして出力する。
 すなわち、変圧器26の充電状態によって変圧器起動許可フラグF2をTRUEとして出力する発電機モータ回転数D10の閾値を変えている。具体的には、変圧器26の制御状態が準備状態ST0である場合、充電状態が良好状態であるとして、発電機モータ回転数D10の閾値を、高い第2停止回転数N2(例えば、800rpm)に設定して、例えば発電機モータ回転数D10が600rpmの場合、変圧器起動許可フラグF2をTRUEとして出力しないようにしている。一方、変圧器26の制御状態が準備状態ST0でない場合、例えば、変圧器停止状態ST2である場合、充電状態が良好ではないとして、発電機モータ回転数D10の閾値を、低い高い第1停止回転数N1(例えば、300rpm)に設定して、例えば発電機モータ回転数D10が600rpmの場合、変圧器起動許可フラグF2をTRUEとして出力するようにしている。
(オートデセル状態D1の判断処理)
 図6に示したデセル時変圧器停止フラグF1の判定に用いられるオートデセル状態D1は、図8に示すように、ポンプコントローラC11のオートデセル状態D101、及びハイブリッドシステム(ハイブリッドコントローラC2)のオートデセルイネーブル状態D102が用いられる。図8において、オートデセル状態D101がTRUE、かつ、オートデセルイネーブル状態D102がTRUEの場合に、オートデセル状態D1はTRUEとして出力され、それ以外の場合、オートデセル状態D1はFALSEとして出力される。
(ポンプコントローラC11のオートデセル状態D101の判断処理)
 図9に示すように、ポンプコントローラC11は、オートデセルカウンタ更新部201とオートデセル状態判定部202とを有する。オートデセルカウンタ更新部201には、エンジンコントローラC12から送られるエンジン状態フラグ、ハイブリッドコントローラC2から送られる強制オートデセル禁止指令、全レバーニュートラルフラグ、モニタ装置30から送られるオートデセルスイッチ、スロットルオートデセルフラグが入力される。全レバーニュートラルフラグは、旋回レバー値、ブームレバー値、アームレバー値、バケットレバー値、走行右レバー値、走行左レバー値から得られるレバー値信号と、サービススイッチから得られる信号とをもとに全レバー値がニュートラルになっている場合、フラグをTRUEにする。スロットルオートデセルフラグは、ヒステリシス処理によって、スロットルダイヤル値が、オン閾値以下となった場合にフラグをTRUEにし、オフ閾値以上となった場合にフラグをFALSEに設定する。このフラグがTRUEになるのは、例えば、スロットルダイヤル値が最大値の25%以下である。なお、強制オートデセル禁止指令がTRUEの状態とは、例えば、キャパシタ容量計測状態である。
 オートデセルカウンタ更新部201は、オートデセルスイッチがONまたはスロットルオートデセル全レバーニュートラルフラグがTRUE、かつ、全レバーニュートラルフラグがTRUE、かつ、強制オートデセル禁止指令がFALSEの場合、あるいはエンジン状態フラグが停止中である場合に、オートデセルカウンタのカウントアップを行う。一方、この条件を満足しない場合は、現在のオートデセルカウンタをクリアする。そして、オートデセルカウンタ更新部201は、この更新したオートデセルカウンタをオートデセル状態判定部202に出力する。
 オートデセル状態判定部202は、エンジン状態フラグとオートデセルカウンタとが入力される。そして、オートデセル状態判定部202は、オートデセルカウンタの値がオートデセルイネーブル時間以上、またはエンジン状態フラグが停止中である場合に、ポンプコントローラC11のオートデセル状態D101をTRUEとしてハイブリッドコントローラC2に出力する。
(ハイブリッドシステムのオートデセルイネーブル状態D102の判断処理)
 図10に示すように、ハイブリッドコントローラC2は、オートデセルイネーブルカウンタフラグ301とオートデセルイネーブル状態判定部302とを有する。オートデセルイネーブル状態判定部302には、キャパシタ電荷抜きスイッチ、エンジン温度レディフラグ、エンジン始動後カウンタ、ローアイドルイネーブルキャパシタ温度フラグ、発電機モータレディ状態、旋回ロックスイッチ、発電機モータトルク、キャパシタ電圧、オートデセルイネーブルカウンタフラグ301が入力される。
 キャパシタ電荷抜きスイッチは、モニタ装置30から送られる。エンジン温度レディフラグは、エンジン水温をもとに、ヒステリシス処理によって、エンジン水温がT12以上の場合にTRUEとなり、エンジン水温がt11以下の場合にFALSEとなる。エンジン始動後カウンタは、エンジン状態フラグをもとにエンジン始動後の連続停止中時間をカウントする。ローアイドルイネーブルキャパシタ温度フラグは、キャパシタ温度をもとに、ヒステリシス処理によって、キャパシタ温度がT2以上の場合にTRUEとなり、キャパシタ温度がT1以下の場合にFALSEとなる。
 オートデセルイネーブルカウンタフラグ301は、変圧器26の制御状態をもとに、変圧器停止時オートデセルイネーブルカウンタCT1及び変圧器非停止時オートデセルイネーブルカウンタCT2をカウントする。このカウントは、まずオートデセルイネーブル状態がTRUEであって、変圧器26の制御状態が変圧器停止状態ST2である場合、変圧器停止時オートデセルイネーブルカウンタCT1はカウントアップされ、変圧器非停止時オートデセルイネーブルカウンタCT2はクリアされる。また、オートデセルイネーブル状態がTRUEであって、変圧器26の制御状態が変圧器停止状態ST2でない場合、変圧器停止時オートデセルイネーブルカウンタCT1はクリアされ、変圧器非停止時オートデセルイネーブルカウンタCT2はカウントアップされる。一方、オートデセルイネーブル状態がTRUEでない場合、変圧器停止時オートデセルイネーブルカウンタCT1及び変圧器非停止時オートデセルイネーブルカウンタCT2はクリアされる。
 そして、このようにしてカウントされた変圧器停止時オートデセルイネーブルカウンタCT1が第1カウント閾値CTth1を超え、あるいは変圧器非停止時オートデセルイネーブルカウンタCT2が第2カウント閾値CTth2を超える場合、オートデセルイネーブルカウンタフラグをTRUEにし、それ以外の場合には、オートデセルイネーブルカウンタフラグをFALSEにする。
 オートデセルイネーブル状態判定部302は、オートデセルイネーブル状態がFALSEの場合、ローアイドルイネーブルキャパシタ温度フラグがTRUE、かつ、キャパシタ電荷抜きスイッチがFALSE、かつ、キャパシタ電圧がオートデセルイネーブルキャパシタ電圧を超え、かつ、発電機モータレディ状態がTRUE、かつ、旋回ロックスイッチがOFF、かつ、発電機モータトルクが0[Nm]になった後、発電機モータトルク待ち時間(GenTrqZeroWaitTime=1000msec)以上経過、かつ、エンジン温度レディフラグがTRUE、かつ、エンジン始動後カウンタがオートデセルイネーブルスタート時間以上であることを条件として、オートデセルイネーブル状態D102をTRUEにし、これらの条件を1つでも満足しない場合、オートデセルイネーブル状態D102をFALSEにして出力する。
 また、オートデセルイネーブル状態判定部302は、オートデセルイネーブル状態がFALSEでない場合、ローアイドルイネーブルキャパシタ温度フラグがFALSE、または、キャパシタ電荷抜きスイッチがTRUE、または、キャパシタ電圧がオートデセルイネーブルキャパシタ電圧未満、または、旋回ロックスイッチがON、または、エンジン温度レディフラグがFALSE、または、エンジン始動後カウンタがオートデセルイネーブルスタート時間未満、または、オートデセルイネーブルカウンタフラグがTRUEの場合、オートデセルイネーブル状態D102をFALSEにして出力し、それ以外の場合、オートデセルイネーブル状態D102をTRUEにして出力する。
 上述した実施の形態では、エンジンが低アイドル回転状態のオートデセル状態D1がTRUEである条件と、上部旋回体5あるいは作業機を動作させないというオペレータの意志に対応する状態、例えば、旋回レバー操作に対応する旋回モータサーボ指令D2がOFF、ゼロクランプフラグD3がOFF、油圧ロックスイッチ状態D4がロック、という加重条件とを含む複数のAND条件を満足した場合に、デセル時変圧器停止フラグF1をTRUEにして変圧器26を停止させるようにしている。このため、変圧器停止状態から復帰する場合に、上述した少なくとも1つの条件が否定されるのみで、デセル時変圧器停止フラグF1はFALSEとなる。ここで、オペレータの意思により変圧器26の起動を行うため、オペレータの操作が介在する。そして、オペレータの操作を行う迄の時間が発生することにより、旋回モータ23が駆動可能になるまでの変圧器起動時間を稼ぐことができる。これにより、旋回モータ23の始動開始に支障がなくなり、オペレータは違和感を感じることがない。
 なお、変圧器停止を行う場合、コンタクタ27を切断する方法もあるが、変圧器再始動時にコンタクタ27前後の電圧を一致させなければ接続時に電位差による火花を誘発し、コンタクタ27が溶着してしまうことがある。これにより、コンタクタ27の接続に当たってはコンタクタ27前後の電位差を小さくする必要がある。しかし、電位差の回復を行うためには変圧器26の起動が必要となり、起動に時間がかかってしまう。これに対し、本実施の形態のように、コンタクタ27の切断を行わずに変圧器停止を行うと、起動時間を短縮することができる。また、コンタクタ27の長寿命化が図られ、長期間使用が可能となる。
 また、変圧器を起動させる場合には、発電機モータ回転数をもとに変圧器起動許可フラグF2をTRUEにするが、復帰直後の場合は充電中となって発電機モータ回転数が低下する可能性があるため、この場合、発電機モータ回転数が低くても、変圧器起動許可フラグF2をTRUEにできるようにしている。
 なお、上述した実施の形態では、デセル時変圧器停止フラグF1がFALSEで、変圧器起動許可フラグF2をTRUEの場合に、変圧器停止状態から変圧器起動状態に復帰できるようにしているが、この場合に比して若干燃費効率が悪化するものの、デセル時変圧器停止フラグF1がFALSEのときに変圧器起動状態に復帰できるようにしてもよい。
   1 ハイブリッド油圧ショベル
   2 車両本体
   3 作業機
   4 下部走行体
   4a 走行装置
   4b 履帯
   5 上部旋回体
   6 運転室
   7 燃料タンク
   8 作動油タンク
   9 エンジン室
  10 カウンタウェイト
  11 ブーム
  12 アーム
  13 バケット
  14 ブーム用油圧シリンダ
  15 アーム用油圧シリンダ
  16 バケット用油圧シリンダ
  17 エンジン
  18a 斜板
  18 油圧ポンプ
  19 発電機モータ
  20 駆動軸
  21 第1インバータ
  22 第2インバータ
  23 旋回モータ
  24 スイングマシナリ
  25 キャパシタ
  26 変圧器
  27 コンタクタ
  28 電圧センサ
  30 モニタ装置
  31 キースイッチ
  32 操作レバー
  32R 右操作レバー
  32L 左操作レバー
  33 操作弁
  34 右走行用油圧モータ
  35 左走行用油圧モータ
  40 燃料噴射装置
  41 回転センサ
  50 変圧器温度センサ
  51 キャパシタ温度センサ
  52 電流計
  53 電圧検出センサ
  54,54 回転センサ
  56 スロットルダイヤル
  61 圧力センサ
  57 旋回ロックスイッチ
  58 油圧ロックスイッチ
 100 デセル時変圧器停止フラグ判定部
 110 変圧器起動許可フラグ判定部
 120 変圧器目標制御状態決定部
 130 変圧器制御部
 201 オートデセルカウンタ更新部
 202 オートデセル状態判定部
 301 オートデセルイネーブルカウンタフラグ
 302 オートデセルイネーブル状態判定部
  C1 他のコントローラ
  C11 ポンプコントローラ
  C12 エンジンコントローラ
  C2 ハイブリッドコントローラ
  D1 オートデセル状態
  D10 発電機モータ回転数
  D2 旋回モータサーボ指令
  D3 ゼロクランプフラグ
  D4 油圧ロックスイッチ状態
  D20 ハイブリッド制御状態
  D101 オートデセル状態
  D102 オートデセルイネーブル状態
  F1 デセル時変圧器停止フラグ
  F2 変圧器起動許可フラグ
  ST0 準備状態
  ST1 変圧器起動状態
  ST2 変圧器起動状態
  SW1 オートデセルスイッチ

Claims (7)

  1.  エンジンと、
     前記エンジンの出力軸に連結された発電機モータと、
     前記発電機モータが発電した電力を蓄電し、あるいは前記発電機モータに電力を供給する蓄電器と、
     前記発電機モータが発電した電力と前記蓄電器が蓄えている電力との少なくとも一方で駆動されるモータと、
     前記発電機モータ及び前記モータと前記蓄電器との間に設けられた変圧器と、
     前記エンジンがアイドル状態である条件と前記モータを駆動するモータ駆動指令が出力されていない条件とからなる複数の条件を満足する場合、前記変圧器を停止させる制御部と、
     を備えたことを特徴とするハイブリッド作業機械。
  2.  エンジンと、
     前記エンジンの出力軸に連結された発電機モータと、
     前記発電機モータが発電した電力を蓄電し、あるいは前記発電機モータに電力を供給する蓄電器と、
     前記発電機モータが発電した電力と前記蓄電器が蓄えている電力との少なくとも一方で駆動されるモータと、
     前記発電機モータ及び前記モータと前記蓄電器との間に設けられた変圧器と、
     前記エンジンがアイドル状態である条件と油圧ロックスイッチがロック状態である条件とからなる複数の条件を満足する場合、前記変圧器を停止させる制御部と、
     を備えたことを特徴とするハイブリッド作業機械。
  3.  エンジンと、
     前記エンジンの出力軸に連結された発電機モータと、
     前記発電機モータが発電した電力を蓄電し、あるいは前記発電機モータに電力を供給する蓄電器と、
     前記発電機モータが発電した電力と前記蓄電器が蓄えている電力との少なくとも一方で駆動されるモータと、
     前記発電機モータ及び前記モータと前記蓄電器との間に設けられた変圧器と、
     前記エンジンがアイドル状態である条件と前記モータを駆動するモータ駆動指令が出力されていない条件と油圧ロックスイッチがロック状態である条件とからなる複数の条件を満足する場合、前記変圧器を停止させる制御部と、
     を備えたことを特徴とするハイブリッド作業機械。
  4.  前記モータは、旋回体を旋回させる旋回モータであり、
     前記制御部は、さらに、ゼロクランプがオフとなっている条件を加えた複数の条件を満足する場合、前記変圧器を停止させることを特徴とする請求項1~3のいずれか一つに記載のハイブリッド作業機械。
  5.  前記制御部は、発電機モータの回転数をもとに、前記変圧器の起動を許可することを特徴とする請求項1~4のいずれか一つに記載のハイブリッド作業機械。
  6.  前記制御部は、前記複数の条件の少なくとも1つの条件を満足しない場合に、前記変圧器の起動を許可することを特徴とする請求項5に記載のハイブリッド作業機械。
  7.  前記制御部は、前記蓄電器と前記変圧器との間の接続と遮断とを行うコンタクタを接続したまま前記変圧器への通電を遮断して前記変圧器を停止させることを特徴とする請求項1~6のいずれか一つに記載のハイブリッド作業機械。
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