WO2015053094A1

WO2015053094A1 - ハイブリッド建設機械の制御システム

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Publication number: WO2015053094A1
Application number: PCT/JP2014/075588
Authority: WO
Inventors: 治彦川崎; 祐弘江川
Original assignee: カヤバ工業株式会社
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2015-04-16
Also published as: DE112014004682T5; JP6155159B2; US20160215481A1; KR101782755B1; US10179987B2; JP2015075222A; CN105637233B; KR20160040685A; CN105637233A

Abstract

　ハイブリッド建設機械の制御システム（１００）は、作動油を供給する第一，第二メインポンプ（ＭＰ１，ＭＰ２）と、ピストン側室（２５）への作動流油供給によって伸長してブームを上昇させピストン側室（２５）からの作動油の排出によって収縮してブームを下降させるブームシリンダ（ＢＣ）と、パイロット圧油の圧力によって制御されピストン側室（２５）から排出される作動油の流量を調整する回生スプール弁（２６）と、ピストン側室（２５）から排出される作動油によって回転する回生用の回生モータ（Ｍ）と、回生モータ（Ｍ）に連結された回転電機（３５）と、回生制御スプール弁（２６）と回生モータ（Ｍ）との間の回生通路（２７ａ）の圧力をパイロット圧として切り換えられ回生通路（２７ａ）の圧力が設定圧力未満の場合にはピストン側室（２５）から排出される作動油の流量を絞るように回生制御スプール弁（２６）へのパイロット圧油の圧力を低下させるフェールセーフ用切換弁（６０）と、を備える。

Description

ハイブリッド建設機械の制御システム

　本発明は、アクチュエータから導かれる作動流体を利用してエネルギ回生を行う回生装置を備えるハイブリッド建設機械の制御システムに関するものである。

　従来のハイブリッド建設機械として、油圧シリンダから導かれる作動油を利用して油圧モータを回転させてエネルギ回生を行うものが知られている。

　ＪＰ２０１１－１７９５４１Ａには、ブームを上下に回動させるブームシリンダを備えるハイブリッド建設機械が開示されている。このハイブリッド建設機械では、ブームを下降させる際にブームシリンダから戻される作動油を利用して油圧モータを回転させ、油圧モータの回転トルクで発電機を駆動している。

　しかしながら、ＪＰ２０１１－１７９５４１Ａに記載のハイブリッド建設機械では、何らかの要因でブームシリンダから油圧モータに導かれる作動油の圧力が低下した場合には、ブームを下降させる際の回動速度が、オペレータが意図した速度よりも速くなるおそれがある。

　本発明は、負荷を下降させる際のフェールセーフ性能を向上させることを目的とする。

　本発明のある態様によれば、ハイブリッド建設機械の制御システムは、作動流体を供給する流体圧ポンプと、負荷側圧力室への作動流体の供給によって伸長して負荷を上昇させ、前記負荷側圧力室からの作動流体の排出によって収縮して前記負荷を下降させる流体圧シリンダと、パイロット流体の圧力によって制御され、前記負荷側圧力室から排出される作動流体の流量を調整する回生流量制御弁と、前記負荷側圧力室から排出される作動流体によって回転する回生用の回生モータと、前記回生モータに連結された回転電機と、前記回生流量制御弁と前記回生モータとの間の回生通路の圧力をパイロット圧として切り換えられ、前記回生通路の圧力が設定圧力未満の場合には、前記負荷側圧力室から排出される作動流体の流量を絞るように前記回生流量制御弁へのパイロット流体の圧力を低下させるフェールセーフ用切換弁と、を備える。

図１は、本発明の第一の実施の形態に係るハイブリッド建設機械の制御システムを示す回路図である。図２は、本発明の第二の実施の形態に係るハイブリッド建設機械の制御システムを示す回路図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係るハイブリッド建設機械の制御システムについて説明する。

　以下の各実施の形態では、ハイブリッド建設機械が油圧ショベルである場合について説明する。また、以下の各実施の形態では、負荷は、油圧ショベルのブームであり、流体圧シリンダは、ブームを昇降させるためのブームシリンダＢＣである。

　（第一の実施の形態）
　以下、図１を参照して、本発明の第一の実施の形態に係るハイブリッド建設機械の制御システム１００について説明する。

　図１に示すように、ハイブリッド建設機械の制御システム１００は、可変容量型の第一メインポンプＭＰ１と、可変容量型の第二メインポンプＭＰ２と、可変容量型のアシストポンプＡＰとを備える。

　第一メインポンプＭＰ１の吐出ポートは、第一切換弁Ｖ１を介して第一回路系統に接続される。第二メインポンプＭＰ２の吐出ポートは、第二切換弁Ｖ２を介して第二回路系統に接続される。アシストポンプＡＰの吐出ポートは、第一切換弁Ｖ１を介して第一メインポンプＭＰ１の吐出ポートに合流可能であると共に、第二切換弁Ｖ２を介して第二メインポンプＭＰ２の吐出ポートに合流可能である。第一メインポンプＭＰ１と、第二メインポンプＭＰ２と、アシストポンプＡＰとは、作動油（作動流体）を加圧供給する流体圧ポンプである。

　第一切換弁Ｖ１は、４ポート２ポジションのスプール式の切換弁である。第一切換弁Ｖ１は、スプールの一端に臨んでパイロット室が設けられ、スプールの他端がスプリングで支持される。第一切換弁Ｖ１は、パイロット室にパイロット圧が供給されていない状態では、スプリングの付勢力によってノーマル位置に保持される（図１に示す状態）。

　第一切換弁Ｖ１は、ノーマル位置に保持されている状態では、第一メインポンプＭＰ１の吐出油を第一回路系統に供給すると共に、アシストポンプＡＰの吐出油をチェック弁を介して第一メインポンプＭＰ１の吐出ポートに合流させる。

　第一切換弁Ｖ１は、パイロット室のパイロット圧によって切換位置（図１中右側位置）に切り換えられると、アシストポンプＡＰの吐出油の第一メインポンプＭＰ１の吐出ポートへの合流が遮断される。このとき、第一メインポンプＭＰ１の吐出油は、依然として第一回路系統に供給される。

　第二切換弁Ｖ２は、６ポート３ポジションのスプール式の切換弁である。第二切換弁Ｖ２には、スプールの両端に臨んでパイロット室がそれぞれ設けられる。スプールは、両端に各々設けられる一対のセンタリングスプリングによって中立状態に支持される。第二切換弁Ｖ２は、センタリングスプリングのばね力によって、通常はノーマル位置に保持される（図１に示す状態）。

　第二切換弁Ｖ２は、ノーマル位置に保持されている状態では、第二メインポンプＭＰ２の吐出油を第二回路系統に供給すると共に、アシストポンプＡＰの吐出油を第二メインポンプＭＰ２の吐出ポートに合流させる。

　第二切換弁Ｖ２は、一方のパイロット室のパイロット圧によって第一切換位置（図１中右側位置）に切り換えられると、アシストポンプＡＰの吐出油の第二メインポンプＭＰ２の吐出ポートへの合流が遮断される。このとき、第二メインポンプＭＰ２の吐出油は、依然として第二回路供給系統に供給される。

　第二切換弁Ｖ２は、他方のパイロット室のパイロット圧によって第二切換位置（図１中左側位置）に切り換えられると、アシストポンプＡＰの吐出油の第二メインポンプＭＰ２の吐出ポートへの合流と、第二メインポンプＭＰ２の吐出油の第二回路供給系統への供給とが、共に遮断される。

　このとき、第二メインポンプＭＰ２の吐出油は、アシストポンプＡＰを駆動する回生モータＭに供給される。なお、ノーマル位置及び第一切換位置においては、第二メインポンプＭＰ２の吐出油の油圧モータＭへの供給は遮断される。

　第一切換弁Ｖ１のパイロット室には、パイロット油圧源ＰＰから電磁弁１を介してパイロット圧が供給される。電磁弁１は、ソレノイドが非励磁のノーマル位置では、パイロット室をパイロット油圧源ＰＰから遮断する（図１に示す状態）。電磁弁１は、ソレノイドが励磁されることで、パイロット油圧源ＰＰの吐出油をパイロット室に供給する連通位置（図１中下側位置）に切り換わる。

　第二切換弁Ｖ２の一方のパイロット室は、電磁弁２ａを介してパイロット油圧源ＰＰに接続される。第二切換弁Ｖ２の他方のパイロット室は、電磁弁２ｂを介してパイロット油圧源ＰＰに接続される。電磁弁２ａと電磁弁２ｂとは、ソレノイドが非励磁のノーマル位置では、パイロット室をパイロット油圧源ＰＰから遮断する（図１に示す状態）。電磁弁２ａと電磁弁２ｂとは、ソレノイドが励磁されることで、パイロット油圧源ＰＰの吐出油をパイロット室に供給する連通位置に切り換えられる。

　電磁弁１と電磁弁２ａと電磁弁２ｂとの各々のソレノイドは、コントローラＣに接続される。

　コントローラＣは、中央演算装置（ＣＰＵ），読み出し専用メモリ（ＲＯＭ），ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ），及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏ　インタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラＣを、単一のマイクロコンピュータではなく複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

　コントローラＣは、ハイブリッド建設機械のオペレータからの入力信号に応じて、電磁弁１と電磁弁２ａと電磁弁２ｂとの各々のソレノイドを励磁し、あるいは非励磁にする。

　第一メインポンプＭＰ１と第二メインポンプＭＰ２とは、回転速度センサ（図示省略）を備えたエンジンＥによって回転駆動される。エンジンＥには、余剰トルクを用いて発電を行なう発電機３が付設される。

　第一メインポンプＭＰ１に接続される第一回路系統には、上流側から、旋回モータを制御する切換弁４，アームシリンダを制御する切換弁５，ブームシリンダＢＣを制御するブーム二速用の切換弁６，予備用アタッチメントを制御する切換弁７，及び左走行用のモータを制御する切換弁８が設けられる。切換弁４～８は、中立通路９とパラレル通路１０とを介して相互に接続され、第一切換弁Ｖ１を介して第一メインポンプＭＰ１に接続される。

　中立通路９における左走行モータ用の切換弁８の下流には、パイロット圧を生成するためのパイロット圧制御用の絞り１１が設けられる。絞り１１は、流量が多ければ上流側に高いパイロット圧を生成し、流量が少なければ上流側に低いパイロット圧を生成する。

　具体的には、中立通路９は、切換弁４～８が中立位置もしくは中立位置近傍にあるときには、第一メインポンプＭＰ１から第一回路系統に供給された作動油の全部又は一部を絞り１１を通じてタンクＴに導く。このとき、絞り１１を通過する作動油の流量が多くなるため、高いパイロット圧が生成される。

　一方、中立通路９は、切換弁４～８がフルストロークの状態に切り換えられると、流体の流通がなくなる。この場合、絞り１１を流れる作動油の流量がなくなるため、パイロット圧はゼロとなる。切換弁４～８の操作量によっては、作動油の一部がアクチュエータに導かれ、残りが中立通路９からタンクＴに導かれる。そのため、絞り１１は、中立通路９を流れる作動油の流量に応じたパイロット圧を生成する。このように、絞り１１は、上流側に位置する切換弁４～８の操作量に応じたパイロット圧を生成する。

　中立通路９における切換弁８と絞り１１との間には、パイロット通路１２が接続される。パイロット通路１２は、電磁切換弁１３を介して第一メインポンプＭＰ１の斜板の傾転角を制御するレギュレータ１４に接続される。

　電磁切換弁１３は、レギュレータ１４にパイロット圧を供給するバルブである。電磁切換弁１３は、そのポジジョンに応じて、パイロット通路１２とパイロット油圧源ＰＰとから選択したパイロット圧源をレギュレータ１４に接続する。電磁切換弁１３は、ノーマル位置では、パイロット通路１２の圧力をパイロット圧としてレギュレータ１４に供給する（図１に示す状態）。電磁切換弁１３は、励磁電流の供給を受けると切換位置（図１中下側位置）に切り換わり、パイロット油圧源ＰＰの圧力をパイロット圧としてレギュレータ１４に供給する。

　電磁切換弁１３のソレノイドは、コントローラＣに接続される。コントローラＣは、ハイブリッド建設機械のオペレータからの入力信号に応じて、電磁切換弁１３に励磁電流を供給して切換位置に切り換える。一方、コントローラＣは、オペレータによって信号が入力されない限り、ソレノイドを非励磁にして、電磁切換弁１３をノーマル位置に保持する。

　レギュレータ１４は、第一メインポンプＭＰ１の斜板の傾転角をパイロット圧に比例（比例定数は負の数）するように制御し、第一メインポンプＭＰ１の一回転あたりの作動油吐出量を設定する。

　電磁切換弁１３は、切換弁４～８のすべてがノーマル位置に維持される場合、すなわち旋回モータ，アームシリンダ，ブームシリンダＢＣ，予備用アタッチメント，及び左走行モータの非稼働時には、第一メインポンプＭＰ１の吐出量をその他の場合よりも少なくする役割をもつ。例えば、エネルギーロスを少なくしたい暖機運転時などが、この条件に相当する。

　第二メインポンプＭＰ２に接続される第二回路系統には、上流側から、右走行用モータを制御する切換弁１５，バケットシリンダを制御する切換弁１６，ブームシリンダＢＣを制御するブーム用切換弁１７，及びアームシリンダを制御するアーム二速用の切換弁１８が設けられる。切換弁１５～１８は、中立通路１９を介して相互に接続され、第二切換弁Ｖ２を介して第二メインポンプＭＰ２に接続される。また、切換弁１６とブーム用切換弁１７とは、パラレル通路２０を介して相互に接続される。

　中立通路１９におけるアーム二速用の切換弁１８の下流側には、パイロット圧を生成するためのパイロット圧制御用の絞り２１が設けられる。絞り２１は、上流側の圧力を、パイロット通路２２を介して第二メインポンプＭＰ２のレギュレータ２３にパイロット圧として供給する。絞り２１は、絞り１１と同様に機能するものであるため、ここでは詳細な説明は省略する。

　レギュレータ２３は、第二メインポンプＭＰ２の斜板の傾転角をパイロット圧に比例（比例定数は負の数）するように制御し、第二メインポンプＭＰ２の一回転あたりの作動油吐出量を設定する。

　ブームシリンダＢＣは、ピストン側室（負荷側圧力室）２５とロッド側室（反負荷側圧力室）３０とを内部に画成するピストンと、ピストンとブームとを連結するピストンロッドとを有する。ブームシリンダＢＣは、ピストン側室２５への作動油の供給によって伸長してブームを起立（上昇）させ、ピストン側室２５からの作動油の排出によって収縮してブームを倒伏（下降）させるものである。

　ブーム用切換弁１７は、６ポート３ポジションのスプール式の切換弁である。ブーム用切換弁１７は、入力ポートとして、中立通路１９に接続されるポートと、パラレル通路２０に接続されるポートと、タンクＴに接続されるポートとを有する。また、ブーム用切換弁１７は、出力ポートとして、一対のアクチュエータポートと、中立通路１９に接続されるポートとを有する。

　一対のアクチュエータポートの一方は、通路２４を介してブームシリンダＢＣのピストン側室２５に接続される。一対のアクチュエータポートの他方は、通路２９を介してブームシリンダＢＣのロッド側室３０に接続される。

　ブーム用切換弁１７の３つのポジションは、中立位置，下降位置，及び上昇位置からなる。これらの３つのポジションは、ハイブリッド建設機械のオペレータの操作によって選択される。

　ブーム用切換弁１７は、中立位置では、中立通路１９を介して供給される第二メインポンプＭＰ２の吐出油を、下流側の中立通路１９に供給すると共に、一対のアクチュエータポートを遮断状態とする（図１に示す状態）。この状態では、ブームシリンダＢＣにおけるピストン側室２５とロッド側室３０とのいずれもが密閉状態となる。よって、ブームは、現状の角度位置のまま保持される。

　ブーム用切換弁１７は、下降位置（図１中左側位置）では、パラレル通路２０を介して供給される第二メインポンプＭＰ２の吐出油をロッド側室３０に供給すると共に、ピストン側室２５の作動油をブリード通路１７ａを介してタンクＴに還流させる。これにより、ブームシリンダＢＣは、収縮してブームを倒伏（下降）させる。

　ブーム用切換弁１７は、上昇位置（図１中右側位置）では、パラレル通路２０を介して供給される第二メインポンプＭＰ２の吐出油をピストン側室２５に供給すると共に、ロッド側室３０の作動油をタンクＴに還流させる。これにより、ブームシリンダＢＣは、伸長してブームを起立（上昇）させる。

　ブーム用切換弁１７の一方のアクチュエータポートとピストン側室２５とを連通する通路２４には、回生流量制御弁としての回生制御スプール弁２６が設けられる。回生制御スプール弁２６は、パイロット圧油（パイロット流体）の圧力によって制御され、ピストン側室２５から排出される作動油の流量を調整する。回生制御スプール弁２６は、スプールの一方に臨むパイロット室２６ａと、スプールの他方を弾性支持するスプリング２６ｂとを有する。

　回生制御スプール弁２６は、ピストン側室２５の作動油を回生モータＭに排出しないノーマル位置２６ｃと、ピストン側室２５の作動油の流量を絞って回生モータＭに排出する絞り位置２６ｄと、ピストン側室２５の作動油をそのまま回生モータＭに排出する排出位置２６ｅとを有する。

　回生制御スプール弁２６は、パイロット室２６ａにパイロット圧が供給されない状態では、スプリング２６ｂのばね力でノーマル位置２６ｃを保つ（図１に示す状態）。回生制御スプール弁２６は、パイロット室２６ａにパイロット圧が供給されると、絞り位置２６ｄに切り換えられ、そこからさらにパイロット圧が上昇すると排出位置２６ｅに切り換えられる。

　回生制御スプール弁２６は、ノーマル位置２６ｃに維持された状態では、通路２４を連通させると共に、ブームシリンダＢＣのピストン側室２５と回生モータＭとを接続する回生通路２７を遮断する。

　回生制御スプール弁２６は、絞り位置２６ｄに切り換えられると、ブームシリンダＢＣのピストン側室２５から通路２４に排出される作動油を絞ると共に、回生通路２７に排出される作動油を絞る。

　回生制御スプール弁２６は、排出位置２６ｅに切り換えられると、通路２４を遮断すると共に、回生通路２７を全開にする。その結果、ピストン側室２５とブーム用切換弁１７の一方のアクチュエータポートとの接続が遮断され、ピストン側室２５と回生通路２７とが接続される。

　なお、回生制御スプール弁２６は、理解を容易にするために３つのポジションを図示して説明したが、これらのポジションを択一的に適用するだけでなく、パイロット室２６ａのパイロット圧に応じて、通路２４と回生通路２７とをともに部分的な連通状態に保持するとともに、パイロット圧に応じてそれらの開度を制御する機能を有する。

　回生通路２７には、ブームシリンダＢＣのピストン側室２５から回生モータＭに排出される作動油の流れを許容し、逆方向の流れを阻止するチェック弁２８が設けられる。

　ブームシリンダＢＣのピストン側室２５に連通する通路２４と、ブームシリンダＢＣのロッド側室３０に連通する通路２９とは、再生流量制御弁３２が設けられる再生通路３１を介して接続される。再生流量制御弁３２はスプール弁で構成される。再生流量制御弁３２は、スプールの一端に臨むパイロット室３２ａと、スプールの他端を弾性支持するスプリング３２ｂとを備える。

　再生流量制御弁３２は、回生制御スプール弁２６を切り換えるパイロット圧油によって切り換えられ、ブームの下降時にブームシリンダＢＣのピストン側室２５からタンクＴに導かれる作動油の一部を再生流量としてブームシリンダＢＣのロッド側室３０に導く。このように、ブームの下降時にピストン側室２５の作動油の一部をロッド側室３０に導いて再生させることで、ブームシリンダＢＣの下降速度が速くなってもロッド側室３０が負圧になることが抑制されるため、異音の発生を防止できる。

　再生流量制御弁３２は、パイロット室３２ａにパイロット圧が供給されていないノーマル位置では、再生通路３１を遮断する（図１に示す状態）。一方、再生流量制御弁３２は、パイロット室３２ａにパイロット圧が供給された切換位置（図１中右側位置）では、パイロット圧に応動する可変絞りとして再生通路３１の流量を制御する。

　再生流量制御弁３２のスプリング３２ｂのばね力は、回生制御スプール弁２６のスプリング２６ｂのばね力より大きく設定される。よって、同じパイロット圧に対して再生流量制御弁３２が再生通路３１を連通するタイミングは、回生制御スプール弁２６が絞り位置２６ｄに切り換えられるタイミングよりも遅くなるように設定される。

　再生通路３１には、ピストン側室２５から通路２９への作動油の流れを許容し、逆方向の流れを阻止するチェック弁３３が設けられる。

　回生制御スプール弁２６のパイロット室２６ａと再生流量制御弁３２のパイロット室３２ａとには、比例電磁弁３４とフェールセーフ用切換弁６０とを介して、パイロット油圧源ＰＰが接続される。

　比例電磁弁３４は、ソレノイド３４ａと、弁体を弾性支持するスプリング３４ｂとを備える。ソレノイド３４ａは、コントローラＣからの電流により励磁され、スプリング３４ｂに抗して弁体を駆動する。

　比例電磁弁３４は、ソレノイド３４ａの非励磁状態では、スプリング３４ｂのばね力でノーマル位置を保つ（図１に示す状態）。比例電磁弁３４は、コントローラＣからソレノイド３４ａへ励磁電流が供給されると、切換位置に切り換わり、励磁電流に応じた開度でパイロット室２６ａとパイロット室３２ａとをパイロット油圧源ＰＰに接続する。このように、パイロット室２６ａとパイロット室３２ａとのパイロット圧は、コントローラＣから比例電磁弁３４に供給される励磁電流に応じた圧力に制御される。

　フェールセーフ用切換弁６０は、回生制御スプール弁２６と回生モータＭとの間の回生通路２７ａの圧力をパイロット圧として切り換えられる。フェールセーフ用切換弁６０は、パイロット室６０ａと、弁体を弾性支持するスプリング６０ｂとを備える。パイロット室６０ａは、回生制御スプール弁２６とチェック弁２８との間の回生通路２７ａに接続される。

　チェック弁２８が設けられることによって、他の回生時（図１では、Ｖ２のスタンバイ回生時や、図示しない旋回回生時）に回生通路２７の圧力が回生通路２７ａへ伝わらないので、フェールセーフ用切換弁６０が勝手に切り換わってしまうことはない。例えば、チェック弁２８が設けられない場合には、スタンバイ回生からブーム回生になったときに、フェールセーフ用切換弁６０が後述する連通位置６０ｄに切り換わる。そのため、比例電磁弁３４が切り換わったときに、パイロット油圧源ＰＰからの圧力が急にパイロット室２６ａにかかるおそれがある。

　フェールセーフ用切換弁６０は、回生制御スプール弁２６に供給されるパイロット圧油の一部をタンクＴに還流して減圧するブリード絞り位置６０ｃと、回生通路２７ａの圧力が設定圧力以上である場合に回生制御スプール弁２６にパイロット圧油の全量を供給する連通位置６０ｄとを有する。

　フェールセーフ用切換弁６０は、連通位置６０ｄに切り換えられると、パイロット油圧源ＰＰから比例電磁弁３４を通じて供給されるパイロット圧油をそのままパイロット室２６ａ及びパイロット室３２ａに供給すると共に、タンクＴとの連通を遮断する。よって、パイロット油圧源ＰＰから供給されるパイロット圧油のすべてがパイロット室２６ａ及びパイロット室３２ａに供給される。

　フェールセーフ用切換弁６０は、ブリード絞り位置６０ｃに切り換えられると、パイロット油圧源ＰＰから比例電磁弁３４を通じて供給されるパイロット圧油を第一の絞り６０ｅを介してパイロット室２６ａ及びパイロット室３２ａに供給するとともに、供給するパイロット圧油の一部を第二の絞り６０ｆを介してタンクＴに排出する。このように、フェールセーフ用切換弁６０は、ブリード絞り位置６０ｃに切り換えられた状態では、ブリード回路を形成する。

　フェールセーフ用切換弁６０は、回生通路２７ａの圧力が設定圧力未満の場合には、ブリード絞り位置６０ｃに切り換えられ、回生制御スプール弁２６へのパイロット圧油の圧力を低下させる。これにより、ブームシリンダＢＣのピストン側室２５から排出される作動油の流量が絞られる。以下、ブームを下降させる際の動作を具体的に説明する。

　ハイブリッド建設機械のオペレータが、ブーム用切換弁１７を下降位置に切り換えると、第二メインポンプＭＰ２の吐出油がロッド側室３０に供給されると共に、ピストン側室２５の作動油が排出される。このとき、コントローラＣは、比例電磁弁３４を切換位置に切り換えて回生モータＭによる回生動作を開始する。

　コントローラＣからの電流によって比例電磁弁３４が切換位置に切り換えられると、パイロット油圧源ＰＰからのパイロット圧油が、フェールセーフ用切換弁６０を介してパイロット室２６ａとパイロット室３２ａとに供給される。このとき、フェールセーフ用切換弁６０は、ブリード絞り位置６０ｃに切り換えられているため、回生制御スプール弁２６のパイロット室２６ａには、パイロット圧が減圧されて供給される。

　パイロット室２６ａに供給されるパイロット圧が高くなってくると、回生制御スプール弁２６は、ノーマル位置２６ｃから絞り位置２６ｄに切り換えられる。これにより、ブームシリンダＢＣのピストン側室２５の作動油が回生通路２７に排出されて回生モータＭに導かれる。この作動油の流れによって回生通路２７ａの圧力が高まると、パイロット室６０ａに供給されるパイロット圧が高くなる。よって、フェールセーフ用切換弁６０は、ブリード絞り位置６０ｃから連通位置６０ｄに切り換えられる。

　フェールセーフ用切換弁６０が連通位置６０ｄに切り換えられると、回生制御スプール弁２６のパイロット室２６ａに供給されるパイロット圧が高まる。これにより、回生制御スプール弁２６は、絞り位置２６ｄから排出位置２６ｅに切り換えられる。よって、ブームの下降に伴う回生モータＭの回生量が増加する。

　ここで、フェールセーフ用切換弁６０が設けられていない場合には、何らかの要因により回生動作中に回生通路２７の圧力が低下すると、ブームが下降する際の速度が、オペレータが意図した速度と比較して速くなるおそれがある。

　これに対して、ハイブリッド建設機械の制御システム１００では、回生通路２７ａの圧力が設定圧力未満に低下すると、フェールセーフ用切換弁６０のパイロット室６０ａに供給されるパイロット圧も低下する。そのため、フェールセーフ用切換弁６０は、連通位置６０ｄからブリード絞り位置６０ｃに切り換えられることとなる。

　これにより、回生制御スプール弁２６のパイロット室２６ａには、パイロット圧が減圧されて供給される。そのため、パイロット室２６ａに供給されるパイロット圧が低くなり、回生制御スプール弁２６は、排出位置２６ｅから絞り位置２６ｄに切り換えられる。よって、ブームシリンダＢＣのピストン側室２５から排出されて回生モータＭに導かれる作動油の流量が絞られるため、ブームが下降する際の速度が速くなることを抑制できる。したがって、ブームを下降させる際のフェールセーフ性能を向上させることができる。

　なお、ハイブリッド建設機械のオペレータによるブーム用切換弁１７の操作量によっては、比例電磁弁３４の励磁電流の大きさで、ピストン側室２５から排出されて回生モータＭに導かれる作動油の流量を大幅に制限するだけでなく、回生制御スプール弁２６を絞り位置２６ｄからノーマル位置２６ｃに切り換えて、回生通路２７の作動油を遮断することも可能である。

　また、フェールセーフ用切換弁６０は、連通位置６０ｄからブリード絞り位置６０ｃに切り換えられると、再生流量制御弁３２のパイロット室３２ａに供給されるパイロット圧も低くなる。そのため、再生流量制御弁３２は、切換位置からノーマル位置に切り換えられる。よって、ピストン側室２５からロッド側室３０に再生される作動油の流量もまた大幅に制限されるか又は遮断される。したがって、ブームを下降させる際のフェールセーフ性能をさらに向上させることができる。

　回生モータＭは、電動モータ兼発電機である回転電機３５に結合し、アシストポンプＡＰと同軸上で一体回転する。回転電機３５は、回生モータＭに連結され、回生モータＭによって回転駆動されることで発電機能を発揮する。回転電機３５が発電した電力は、インバータ３６を介してバッテリー３７に充電される。バッテリー３７はコントローラＣに接続され、コントローラＣにはバッテリー３７の蓄電量を示す信号が入力される。

　バッテリー３７には、バッテリーチャージャー３８が付設される。バッテリーチャージャー３８は、発電機３が発電した電力を用いてバッテリー３７を充電する。バッテリーチャージャー３８に家庭用電源など別系統の電源３９を接続することも可能である。

　回生モータＭは、ピストン側室２５から排出される作動油によって回転して電力を回生する。回生モータＭは、容量可変型であり、斜板の傾転角を制御するためのレギュレータ４０を備える。レギュレータ４０は、コントローラＣからの信号に応じて、回生モータＭの斜板の傾転角を変化させる。

　アシストポンプＡＰもまた可変容量型であり、斜板の傾転角を制御するためのレギュレータ４１を備える。レギュレータ４１は、コントローラＣからの信号に応じて、アシストポンプＡＰの斜板の傾転角を変化させる。

　以上の構成により、回生モータＭが回転電機３５を回転駆動している場合には、アシストポンプＡＰの斜板の傾転角を最小にして、アシストポンプＡＰの駆動負荷が回生モータＭにほとんど作用しない状態に設定することができる。回転電機３５を電動モータとして機能させる場合には、回転電機３５の出力トルクと回生モータＭの駆動トルクとでアシストポンプＡＰを回転駆動し、アシストポンプＡＰをポンプとして機能させることができる。

　以上のように構成されたハイブリッド建設機械の制御システム１００では、電磁弁１，電磁弁２ａ，及び電磁弁２ｂを非励磁にし、第一切換弁Ｖ１と第二切換弁Ｖ２とをそれぞれノーマル位置に保った状態でエンジンＥを運転すると、第一メインポンプＭＰ１から第一回路系統に作動油が供給され、第二メインポンプＭＰ２から第二回路系統に作動油が供給される。

　同時に、アシストポンプＡＰから作動油を吐出させた場合には、アシストポンプＡＰからの吐出油は、第一メインポンプＭＰ１及び第二メインポンプＭＰ２の吐出油に合流して第一回路系統と第二回路系統とに供給される。

　アシストポンプＡＰを稼働させるには、回転電機３５をバッテリー３７の電力で電動モータとして運転し、その回転トルクでアシストポンプＡＰを回転させる必要がある。その場合、回生モータＭは、斜板の傾転角を最少にして回転抵抗を小さくし、電動モータとして機能する回転電機３５の出力損失を最小にすることが望ましい。回生モータＭの回転力でアシストポンプＡＰを回転駆動することも可能である。

　ハイブリッド建設機械の制御システム１００は、第一メインポンプＭＰ１のレギュレータ１４に供給される圧力を検出する圧力センサ４２と、第二メインポンプＭＰ２のレギュレータ２３に供給される圧力を検出する圧力センサ４３とを備える。圧力センサ４２と圧力センサ４３との圧力信号は、コントローラＣに入力される。

　コントローラＣは、圧力センサ４２と圧力センサ４３とから入力される圧力信号に応じてアシストポンプＡＰの斜板の傾転角を制御する。圧力センサ４２と圧力センサ４３との圧力信号とアシストポンプＡＰの斜板の傾転角との関係は、最も効率的なアシスト出力が得られるように予め設定される。

　一方、第一切換弁Ｖ１を切換位置に切り換えると、第一メインポンプＭＰ１の吐出油のみが第一回路系統に供給される。第二切換弁Ｖ２を第一切換位置に切り換えると、第二メインポンプＭＰ２の吐出油のみが第二回路系統に供給される。

　第二切換弁Ｖ２を第二切換位置に切り換えると、第二メインポンプＭＰ２の吐出油が回生モータＭに供給される。したがって、第二回路系統に接続したアクチュエータを稼働させていない場合に、コントローラＣが電磁弁２ｂを介して第二切換弁Ｖ２を第二切換位置に切り換えれば、回生モータＭを回転させて回転電機３５に発電を行なわせることができる。回転電機３５が発電した電力は、インバータ３６を介してバッテリー３７に充電される。

　回生モータＭが回転電機３５を回転駆動する際には、発電効率を向上させるためにアシストポンプＡＰの斜板の傾転角を最小に保つことが望ましい。

　コントローラＣは、バッテリー３７の蓄電量を検出し、その蓄電量に応じて回生モータＭの回転数を制御する機能を有する。

　以上の第一の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

　ハイブリッド建設機械の制御システム１００では、何らかの要因でブームシリンダＢＣのピストン側室２５と回生モータＭとの間の回生通路２７の圧力が設定圧力未満に低下すると、フェールセーフ用切換弁６０が切り換えられ、回生制御スプール弁２６へのパイロット圧油の圧力を低下させて、ピストン側室２５から排出される作動油の流量が絞られる。よって、ブームを下降させる際の回動速度が速くなることを抑制できる。したがって、ブームを下降させる際のフェールセーフ性能を向上させることができる。

　（第二の実施の形態）
　以下、図２を参照して、本発明の第二の実施の形態に係るハイブリッド建設機械の制御システム２００について説明する。以下に示す第二の実施の形態では、上述した第一の実施の形態と異なる点を中心に説明し、第一の実施の形態と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して説明を省略する。

　ハイブリッド建設機械の制御システム２００では、フェールセーフ用切換弁６０に代えてフェールセーフ用切換弁１６０が用いられる点で第一の実施の形態とは相違する。

　フェールセーフ用切換弁１６０は、比例電磁弁３４とパイロット室２６ａ，３２ａ間のパイロット通路から分岐した先に設けられる。フェールセーフ用切換弁１６０は、回生制御スプール弁２６と回生モータＭとの間の回生通路２７ａの圧力をパイロット圧として切り換えられる。フェールセーフ用切換弁１６０は、パイロット室１６０ａと、弁体を弾性支持するスプリング１６０ｂとを備える。また、比例電磁弁３４の下流かつフェールセーフ用切換弁１６０との接続部の上流には、パイロット油圧源ＰＰから供給されるパイロット圧油を絞る第一の絞り１６１が設けられる。

　フェールセーフ用切換弁１６０は、第一の絞り１６１の下流側のパイロット圧油をタンクＴにブリードするブリード絞り位置１６０ｃと、回生通路２７の圧力が設定圧力以上である場合に回生制御スプール弁２６のパイロット室２６ａにパイロット圧油の全量を供給するブリード遮断位置１６０ｄとを有する。

　フェールセーフ用切換弁１６０は、ブリード絞り位置１６０ｃに切り換えられると、パイロット油圧源ＰＰから比例電磁弁３４を通じて供給されるパイロット圧油を第一の絞り１６１を介してパイロット室２６ａ及びパイロット室３２ａに供給するパイロット圧油の一部を第二の絞り１６２を介してタンクＴに排出する。このように、フェールセーフ用切換弁１６０は、ブリード絞り位置１６０ｃに切り換えられた状態では、ブリード回路を形成する。

　なお、第二の絞り１６２をフェールセーフ用切換弁１６０の内部に設けるのに代えて、パイロット油圧源ＰＰからパイロット圧油が供給されるパイロット通路から分岐した先に、フェールセーフ用切換弁１６０とは別体に設けてもよい。

　フェールセーフ用切換弁１６０は、ブリード遮断位置１６０ｄに切り換えられると、パイロット油圧源ＰＰからタンクＴに排出される作動油の流れを遮断する。よって、比例電磁弁３４を通じて供給されるパイロット圧油のすべてが、パイロット室２６ａ及びパイロット室３２ａに供給される。ただし、このときパイロット油圧源ＰＰから供給されるパイロット圧油は、第一の絞り１６１によって通路が絞られているが、ブリード回路が遮断されているため、減圧されずに供給される。

　フェールセーフ用切換弁１６０は、フェールセーフ用切換弁６０と同様に、回生通路２７ａの圧力が設定圧力未満の場合には、ブリード絞り位置１６０ｃに切り換えられ、回生制御スプール弁２６へのパイロット圧油の圧力を低下させる。これにより、ブームシリンダＢＣのピストン側室２５から排出される作動油の流量が絞られる。

　以上の第二の実施の形態によれば、第一の実施の形態と同様の作用効果を奏すると共に、２ポート２ポジションのフェールセーフ用切換弁１６０を用いることができるため、コストを低減することができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　例えば、上記の実施の形態では、流体圧シリンダからの戻り作動油を利用して回生を行う例として、ブームシリンダＢＣからの戻り作動油を利用する場合について説明した。しかしながら、ブームシリンダＢＣに代えて、アーム駆動用のアームシリンダ又はバケット駆動用のバケットシリンダからの戻り作動油を利用して回生を行うようにしてもよい。アームシリンダ及びバケットシリンダは、切換弁５，１６が中立位置の場合にはロッド側室によって負荷を保持する状態が多いため、ロッド側室を負荷側圧力室としてもよい。

　本願は２０１３年１０月１１日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－２１３９６１に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　ハイブリッド建設機械の制御システムであって、
　作動流体を供給する流体圧ポンプと、
　負荷側圧力室への作動流体の供給によって伸長して負荷を上昇させ、前記負荷側圧力室からの作動流体の排出によって収縮して前記負荷を下降させる流体圧シリンダと、
　パイロット流体の圧力によって制御され、前記負荷側圧力室から排出される作動流体の流量を調整する回生流量制御弁と、
　前記負荷側圧力室から排出される作動流体によって回転する回生用の回生モータと、
　前記回生モータに連結された回転電機と、
　前記回生流量制御弁と前記回生モータとの間の回生通路の圧力をパイロット圧として切り換えられ、前記回生通路の圧力が設定圧力未満の場合には、前記負荷側圧力室から排出される作動流体の流量を絞るように前記回生流量制御弁へのパイロット流体の圧力を低下させるフェールセーフ用切換弁と、を備えるハイブリッド建設機械の制御システム。
　請求項１に記載のハイブリッド建設機械の制御システムであって、
　前記フェールセーフ用切換弁は、前記回生通路の圧力が前記設定圧力未満の場合には、前記回生流量制御弁に供給されるパイロット流体の一部をタンクに還流して減圧するブリード絞り位置に切り換えられるハイブリッド建設機械の制御システム。
　請求項２に記載のハイブリッド建設機械の制御システムであって、
　前記フェールセーフ用切換弁は、前記ブリード絞り位置と、前記回生通路の圧力が前記設定圧力以上である場合にブリード絞りを遮断して前記回生流量制御弁にパイロット流体を供給する連通位置と、を有するハイブリッド建設機械の制御システム。
　請求項２に記載のハイブリッド建設機械の制御システムであって、
　前記回生流量制御弁を切り換えるパイロット圧を絞る絞りを備え、
　前記フェールセーフ用切換弁は、前記絞りの下流から分岐してタンクに連通する通路に設けられるハイブリッド建設機械の制御システム。
　請求項２から４のいずれか一つに記載のハイブリッド建設機械の制御システムであって、
　前記回生流量制御弁を切り換えるパイロット流体によって切り換えられ、前記負荷の下降時に前記負荷側圧力室から前記タンクに導かれる作動流体の一部を再生流量として前記流体圧シリンダの反負荷側圧力室に導く再生流量制御弁をさらに備えるハイブリッド建設機械の制御システム。