WO2016117232A1

WO2016117232A1 - ハイブリッド建設機械

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Publication number: WO2016117232A1
Application number: PCT/JP2015/084374
Authority: WO
Inventors: 真史日田; 誠司石田; 竹内　健; 井村　進也
Original assignee: 日立建機株式会社
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2016-07-28
Also published as: JP6243856B2; KR20170037657A; JP2016132968A; US10150465B2; US20170274891A1; KR101981406B1; EP3249115B1; CN106605028A; EP3249115A1; CN106605028B; EP3249115A4

Abstract

　発電電動機（２７）は、エンジン（２１）および油圧ポンプ（２３）に機械的に連結される。油圧ポンプ（２３）は、作業装置（１１）のシリンダ（１１Ｄ）～（１１Ｆ）、走行油圧モータ（２５）および旋回油圧モータ（２６）に圧油を供給する。旋回油圧モータ（２６）は、旋回電動モータ（３３）と協働して旋回装置（３）を駆動する。発電電動機（２７）および旋回電動モータ（３３）は、蓄電装置（３１）に電気的に接続される。ＨＣＵ（３６）は、モード選択装置（３８）によって選択されたモードに応じて蓄電装置（３１）の目標蓄電率（ＳＯＣ0）と油圧ポンプ（２３）のポンプ出力制限（ＰＯＬ0）を設定する。ＨＣＵ（３６）は、目標蓄電率（ＳＯＣ0）とポンプ出力制限（ＰＯＬ0）に応じて、エンジン（２１）、発電電動機（２７）、旋回電動モータ（３３）および蓄電装置（３１）を制御する。

Description

ハイブリッド建設機械

　本発明は、エンジンと発電電動機が搭載されたハイブリッド建設機械に関する。

　一般に、エンジンと油圧ポンプに機械的に結合された発電電動機と、リチウムイオンバッテリやキャパシタ等の蓄電装置を備えたハイブリッド建設機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなハイブリッド建設機械では、発電電動機は、エンジンの駆動力によって発電した電力を蓄電装置に充電する、または蓄電装置の電力を用いて力行することによってエンジンをアシストする、という役割を担う。また、多くのハイブリッド建設機械では、発電電動機とは別個に電動モータを備え、この電動モータによって油圧アクチュエータの動作を代行またはアシストさせている。例えば電動モータによって旋回動作を行うときには、電動モータへの電力供給によって上部旋回体の旋回動作やアシストを行うと共に、旋回停止時の制動エネルギを回生して蓄電装置の充電を行っている。

　ここで、特許文献１には、蓄電装置の蓄電量を適切に制御することによって、回生エネルギを高効率に回収する構成が開示されている。この場合、オペレータの操作情報に基づいて作業装置や上部旋回体の次なる動作を推定し、この推定した動作から算出された回生電力の推定値に基づいて目標蓄電量を設定している。

特開２０１２－８２６４４号公報

　一般に、蓄電装置は、低い蓄電率よりも高い蓄電率で充放電を繰り返した方が、蓄電装置の寿命が低下する。これに対し、特許文献１によると、目標蓄電率は、回生エネルギと蓄電装置の蓄電量との関係に基づいて設定されている。しかし、特許文献１による方法では、充放電の繰り返しによる蓄電装置の劣化を考慮していないため、蓄電装置の寿命が低下する可能性がある。

　一方、目標蓄電量を低く設定すれば、蓄電装置を長期間に亘って使用することができる。しかしながら、蓄電装置の目標蓄電量を常に低い値にすると、例えば重負荷作業を続けた場合に電動モータに供給するエネルギが不足し、作業装置等の動作に支障を来たす虞れがある。

　本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、蓄電装置の劣化を抑制しつつ所望の車体動作が可能なハイブリッド建設機械を提供することにある。

（１）．上記課題を解決するために、本発明は、車体に設けられたエンジンと、前記エンジンに機械的に接続された油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの圧油によって駆動する油圧アクチュエータと、前記エンジンと機械的に接続された発電電動機と、前記発電電動機に電気的に接続された蓄電装置と、前記発電電動機および前記蓄電装置の充放電電力を制御するコントローラとを備えたハイブリッド建設機械において、互いに異なる目標蓄電率が設定された複数のモードのうちいずれか１つのモードを選択するモード選択装置をさらに備え、前記コントローラは、前記蓄電装置の蓄電率が前記モード選択装置によって選択されたモードの目標蓄電率に収束するように、前記発電電動機および前記蓄電装置の充放電電力を制御することを特徴としている。

　これにより、オペレータは、モード選択装置によって油圧アクチュエータの負荷に応じてモードを切り換えることができる。例えば軽負荷のときには目標蓄電率を低下させることができるから、蓄電率が低い状態で蓄電装置は充放電を繰り返すことになり、蓄電装置の劣化を抑制して、蓄電装置の寿命を延ばすことができる。一方、蓄電装置の充電が追い付かないような連続的な重負荷作業を行うときには、目標蓄電率を上昇させることができる。これにより、より長時間に亘ってオペレータの要求に応じた車体の動作を行うことができる。

（２）．本発明では、前記コントローラは、前記油圧ポンプの最大動力を増加または減少させる最大動力設定部を備え、前記最大動力設定部は、前記モード選択装置によって選択されたモードの目標蓄電率が低くなるに従って、前記油圧ポンプの最大動力を小さな値に制限している。

　これにより、作業時における蓄電装置の放電エネルギ量が小さくなった分、充電が追い付くようになる。従って、蓄電率の低下を気にせず、蓄電装置の寿命を優先した低い目標蓄電率による車体動作を行うことができる。

（３）．本発明では、前記コントローラは、前記モード選択装置によってモードが変更されたときに、前記目標蓄電率の値をモード変更前の値からモード変更後の値に連続的に徐々に変化させている。これにより、モード変更のときに蓄電率を徐々に変化させることができるから、蓄電率の急峻な変化を防いで、予期せぬ車体動作を予防できる。

（４）．本発明では、前記車体の操作状態を検出する車体操作状態検出装置をさらに備え、前記最大動力設定部は、前記モード選択装置によってモードが変更され、かつ前記車体操作状態検出装置によって前記車体の非操作状態が検出されたときに、前記油圧ポンプの最大動力を変更している。これにより、車体の操作途中で油圧ポンプの最大動力が変更されることがないから、車体が安定した状態で油圧ポンプの最大動力を変更することができる。

（５）．本発明では、前記モード選択装置は、前記油圧ポンプの最大動力を制限せず、かつ前記目標蓄電率を前記蓄電装置の最大蓄電率付近とする最大蓄電率モードを選択可能としている。これにより、最大蓄電率モードを選択することによって、例えば登坂走行時等のように作業持続性を最優先とするときでも、可能な限り長時間に亘って車体動作を継続することができる。

（６）．本発明では、前記モード選択装置によって選択されたモードを表示する車載モニタをさらに備えている。これにより、オペレータは車載モニタを目視することによって、現在選択されているモードを容易に把握することができる。

（７）．本発明では、前記エンジンの最大出力は、前記油圧ポンプの最大動力よりも小さくしている。これにより、軽負荷時には、エンジンの駆動力によって油圧ポンプを駆動することができ、重負荷時には、エンジンに加えて発電電動機のアシスト力によって油圧ポンプを駆動することができる。

本発明の実施の形態によるハイブリッド油圧ショベルを示す正面図である。図１中のハイブリッド油圧ショベルに適用する油圧システムと電動システムを示すブロック図である。図２中のハイブリッドコントロールユニットを示すブロック図である。図３中のモード変更対応部を示すブロック図である。目標蓄電率およびポンプ出力制限の変更値テーブルを示す説明図である。ポンプ出力制限変更判定処理を示す流れ図である。図３中の出力指令演算部を示すブロック図である。図１のキャブ内を示す要部斜視図である。車載モニタに表示された表示画面の一例を示す説明図である。

　以下、本発明の実施の形態によるハイブリッド建設機械としてハイブリッド油圧ショベルを例に挙げて、添付図面に従って説明する。

　図１ないし図９は本発明の実施の形態を示している。図１において、ハイブリッド油圧ショベル１（以下、油圧ショベル１という）は、後述のエンジン２１と発電電動機２７とを備えている。この油圧ショベル１は、自走可能なクローラ式の下部走行体２と、下部走行体２上に設けられた旋回装置３と、下部走行体２上に旋回装置３を介して旋回可能に搭載された上部旋回体４と、上部旋回体４の前側に設けられ掘削作業等を行う作業装置１１とにより構成されている。このとき、下部走行体２と上部旋回体４とは、油圧ショベル１の車体を構成している。

　上部旋回体４は、旋回フレーム５上に設けられてエンジン２１等が収容された建屋カバー６と、オペレータが搭乗するキャブ７とを備えている。図８に示すように、キャブ７内には、オペレータが着座する運転席８が設けられると共に、運転席８の周囲には、操作レバー、操作ペダル等からなる走行用操作装置９と、操作レバー等からなる作業用操作装置１０とが設けられている。ここで、操作装置９，１０には、これらの操作量（レバー操作量ＯＡ）を検出する操作量センサ９Ａ，１０Ａがそれぞれ設けられている。これらの操作量センサ９Ａ，１０Ａは、例えば下部走行体２の走行操作、上部旋回体４の旋回操作、作業装置１１の俯仰動操作（掘削操作）等のような車体の操作状態を検出する車体操作状態検出装置を構成している。また、キャブ７内には、後述する車載モニタ３９が設けられている。

　図１に示すように、作業装置１１は、例えばブーム１１Ａ、アーム１１Ｂ、バケット１１Ｃと、これらを駆動するブームシリンダ１１Ｄ、アームシリンダ１１Ｅ、バケットシリンダ１１Ｆとによって構成されている。ブーム１１Ａ、アーム１１Ｂ、バケット１１Ｃは、互いにピン結合される。作業装置１１は、旋回フレーム５に取付けられ、シリンダ１１Ｄ～１１Ｆを伸長または縮小することによって、俯仰動する。

　ここで、油圧ショベル１は、発電電動機２７等を制御する電動システムと、作業装置１１等の動作を制御する油圧システムとを搭載している。以下、油圧ショベル１のシステム構成について図２ないし図９を参照して説明する。

　エンジン２１は、旋回フレーム５に搭載されている。このエンジン２１は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関によって構成される。エンジン２１の出力側には、後述の油圧ポンプ２３と発電電動機２７とが機械的に直列接続して取付けられ、これら油圧ポンプ２３と発電電動機２７とは、エンジン２１によって駆動される。ここで、エンジン２１の作動は、エンジンコントロールユニット２２（以下、ＥＣＵ２２という）によって制御される。ＥＣＵ２２は、ＨＣＵ３６からのエンジン回転数指令ωeに基づいて、エンジン２１の回転速度（エンジン回転数）を制御する。また、エンジン２１の最大出力は、例えば油圧ポンプ２３の最大動力よりも小さくなっている。

　油圧ポンプ２３は、エンジン２１によって駆動される。この油圧ポンプ２３は、タンク（図示せず）内に貯溜された作動油を加圧し、走行油圧モータ２５、旋回油圧モータ２６、作業装置１１のシリンダ１１Ｄ～１１Ｆ等に圧油として吐出する。油圧ポンプ２３には、負荷センサ２３Ａが設けられている。負荷センサ２３Ａは、ポンプ負荷ＰＬを検出して、後述のＨＣＵ３６に出力する。

　油圧ポンプ２３は、コントロールバルブ２４を介して油圧アクチュエータとしての走行油圧モータ２５、旋回油圧モータ２６、シリンダ１１Ｄ～１１Ｆに接続されている。コントロールバルブ２４は、走行用操作装置９、作業用操作装置１０に対する操作に応じて、油圧ポンプ２３から吐出した圧油を走行油圧モータ２５、旋回油圧モータ２６、シリンダ１１Ｄ～１１Ｆに選択的に供給または排出する。

　具体的には、走行油圧モータ２５には、走行用操作装置９の操作に応じて油圧ポンプ２３から圧油が供給される。これにより、走行油圧モータ２５は、下部走行体２を走行駆動させる。旋回油圧モータ２６には、作業用操作装置１０の操作に応じて油圧ポンプ２３から圧油が供給される。これにより、旋回油圧モータ２６は、上部旋回体４を旋回動作させる。シリンダ１１Ｄ～１１Ｆには、作業用操作装置１０の操作に応じて油圧ポンプ２３から圧油が供給される。これにより、シリンダ１１Ｄ～１１Ｆは、作業装置１１を俯仰動させる。

　発電電動機（モータジェネレータ）２７は、エンジン２１によって駆動される。この発電電動機２７は、例えば同期電動機等によって構成される。発電電動機２７は、エンジン２１を動力源に発電機として働き蓄電装置３１や旋回電動モータ３３への電力供給を行う発電（回生）と、蓄電装置３１や旋回電動モータ３３からの電力を動力源にモータとして働きエンジン２１および油圧ポンプ２３の駆動をアシストする力行との２通りの役割を果たす。従って、エンジン２１のトルクには、状況に応じて発電電動機２７のアシストトルクが追加され、これらのトルクによって油圧ポンプ２３は駆動する。この油圧ポンプ２３から吐出される圧油によって、作業装置１１の動作や車両の走行等が行われる。

　図２に示すように、発電電動機２７は、第１のインバータ２８を介して一対の直流母線２９Ａ，２９Ｂに接続されている。第１のインバータ２８は、例えばトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等からなる複数のスイッチング素子を用いて構成され、モータジェネレータコントロールユニット３０（以下、ＭＧＣＵ３０という）によって各スイッチング素子のオン／オフが制御される。直流母線２９Ａ，２９Ｂは、正極側と負極側とで対をなし、例えば数百Ｖ程度の直流電圧が印加されている。

　発電電動機２７の発電時には、第１のインバータ２８は、発電電動機２７からの交流電力を直流電力に変換して蓄電装置３１や旋回電動モータ３３に供給する。発電電動機２７の力行時には、第１のインバータ２８は、直流母線２９Ａ，２９Ｂの直流電力を交流電力に変換して発電電動機２７に供給する。そして、ＭＧＣＵ３０は、ＨＣＵ３６からの発電電動機力行発電電力指令Ｗmgに基づいて、第１のインバータ２８の各スイッチング素子のオン／オフを制御する。これにより、ＭＧＣＵ３０は、発電電動機２７の発電時の発電電力や力行時の駆動電力を制御する。

　蓄電装置３１は、第１のインバータ２８を介して発電電動機２７に電気的に接続されている。この蓄電装置３１は、例えばリチウムイオンバッテリによって構成され、直流母線２９Ａ，２９Ｂに接続されている。

　蓄電装置３１は、発電電動機２７の発電時には発電電動機２７から供給される電力を充電し、発電電動機２７の力行時（アシスト駆動時）には発電電動機２７に向けて駆動電力を供給する。また、蓄電装置３１は、旋回電動モータ３３の回生時には旋回電動モータ３３から供給される回生電力を充電し、旋回電動モータ３３の力行時には旋回電動モータ３３に向けて駆動電力を供給する。このように、蓄電装置３１は、発電電動機２７によって発電された電力を蓄電することに加え、油圧ショベル１の旋回制動時に旋回電動モータ３３が発生した回生電力を吸収し、直流母線２９Ａ，２９Ｂの電圧を一定に保つ。

　蓄電装置３１は、バッテリコントロールユニット３２（以下、ＢＣＵ３２という）によって充電動作や放電動作が制御される。ＢＣＵ３２は、蓄電装置３１のバッテリ蓄電率ＳＯＣを検出してＨＣＵ３６に向けて出力すると共に、ＨＣＵ３６から出力される目標蓄電率ＳＯＣ0となるように、蓄電装置３１の充放電を制御する。

　なお、本実施の形態では、蓄電装置３１には、例えば電圧３５０Ｖ、放電容量５Ａｈ程度、バッテリ蓄電率ＳＯＣ（蓄電率）の適正使用範囲は３０～７０％程度に設定されたリチウムイオンバッテリを用いるものとする。バッテリ蓄電率ＳＯＣの適正使用範囲等は、上述した値に限らず、蓄電装置３１の仕様等に応じて適宜設定される。

　旋回電動モータ３３は、発電電動機２７または蓄電装置３１からの電力によって駆動される。この旋回電動モータ３３は、例えば三相誘導電動機によって構成され、旋回油圧モータ２６と共に旋回フレーム５に設けられている。旋回電動モータ３３は、旋回油圧モータ２６と協働して旋回装置３を駆動する。

　図２に示すように、旋回電動モータ３３は、第２のインバータ３４を介して直流母線２９Ａ，２９Ｂに接続されている。旋回電動モータ３３は、蓄電装置３１や発電電動機２７からの電力を受けて回転駆動する力行と、旋回制動時の余分なトルクで発電して蓄電装置３１を蓄電する回生との２通りの役割を果たす。このため、力行時の旋回電動モータ３３には、発電電動機２７等からの電力が直流母線２９Ａ，２９Ｂを介して供給される。これにより、旋回電動モータ３３は、作業用操作装置１０の操作に応じて回転トルクを発生させて、旋回油圧モータ２６の駆動をアシストすると共に、旋回装置３を駆動して上部旋回体４を旋回動作させる。

　第２のインバータ３４は、第１のインバータ２８と同様に、複数のスイッチング素子を用いて構成される。第２のインバータ３４は、旋回電動モータコントロールユニット３５（以下、ＲＭＣＵ３５という）によって各スイッチング素子のオン／オフが制御される。旋回電動モータ３３の力行時には、第２のインバータ３４は、直流母線２９Ａ，２９Ｂの直流電力を交流電力に変換して旋回電動モータ３３に供給する。旋回電動モータ３３の回生時には、第２のインバータ３４は、旋回電動モータ３３からの交流電力を直流電力に変換して蓄電装置３１等に供給する。

　ＲＭＣＵ３５は、ＨＣＵ３６からの旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrmに基づいて、第２のインバータ３４の各スイッチング素子のオン／オフを制御する。これにより、ＲＭＣＵ３５は、旋回電動モータ３３の回生時の回生電力や力行時の駆動電力を制御する。

　ハイブリッドコントロールユニット（ＨＣＵ）３６は、コントローラを構成している。このＨＣＵ３６は、例えばマイクロコンピュータによって構成されると共に、ＣＡＮ３７（Controller Area Network）等を用いてＥＣＵ２２、ＭＧＣＵ３０、ＲＭＣＵ３５に電気的に接続されている。ＨＣＵ３６は、ＥＣＵ２２、ＭＧＣＵ３０、ＲＭＣＵ３５と通信しながら、エンジン２１、発電電動機２７、旋回電動モータ３３を制御する。

　また、ＨＣＵ３６には、操作装置９，１０のレバー操作量ＯＡを検出する操作量センサ９Ａ，１０Ａと、油圧ポンプ２３のポンプ負荷ＰＬを検出する負荷センサ２３Ａとが接続されている。これに加えて、ＨＣＵ３６には、モード選択装置３８、車載モニタ３９等に接続されている。これにより、ＨＣＵ３６には、モード情報ＭＯＤＥ、バッテリ蓄電率ＳＯＣ、レバー操作量ＯＡ、ポンプ負荷ＰＬ、エンジン情報ＥＩ、各種の車体情報ＶＩが入力される。なお、ポンプ負荷ＰＬは、負荷センサ２３Ａによって直接的に検出する必要はなく、例えば油圧ポンプ２３から吐出される作動油の圧力（吐出圧）から間接的に検出してもよい。

　モード選択装置３８は、例えばスイッチ、ダイヤル、レバー等によって構成され、後述するＥモード、Ｐ１モード、Ｐ２モードの３種類のモードのうちいずれか１つを選択する。モード選択装置３８は、キャブ７内に位置して、オペレータによって操作され、選択中のモードに対応したモード情報ＭＯＤＥをＨＣＵ３６に出力する。

　図８および図９に示すように、車載モニタ３９は、キャブ７内に配置され、例えば燃料の残量、エンジン冷却水の水温、稼動時間、車内温度等のように車体に関する各種の情報を表示する。これに加え、車載モニタ３９は、ＨＣＵ３６に接続されると共に、モード表示部３９Ａを備えている。このモード表示部３９Ａには、Ｅモード、Ｐ１モード、Ｐ２モードのうちモード選択装置３８によって選択されたモードが表示される。なお、車載モニタ３９は、モード選択装置３８に接続されることによって、モード情報ＭＯＤＥ（Ｅモード、Ｐ１モード、Ｐ２モード）を表示してもよい。

　ＨＣＵ３６は、モード選択装置３８によって選択されたモードに応じてエンジン２１、発電電動機２７、旋回電動モータ３３を制御する。そこで、次にＨＣＵ３６の具体的な構成について、図３ないし図７を参照しつつ説明する。

　図３に示すように、ＨＣＵ３６は、モード変更対応部４０と出力指令演算部４１とを有する。このＨＣＵ３６は、モード情報ＭＯＤＥ、バッテリ蓄電率ＳＯＣ、レバー操作量ＯＡ、ポンプ負荷ＰＬ、エンジン情報ＥＩ、各種の車体情報ＶＩに基づいて、エンジン回転数指令ωe、旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrm、発電電動機力行発電電力指令Ｗmgを出力する。

　モード変更対応部４０は、モード情報ＭＯＤＥ、バッテリ蓄電率ＳＯＣ、レバー操作量ＯＡに基づいて、目標蓄電率ＳＯＣ0とポンプ出力制限ＰＯＬ0を演算し、出力する。このとき、目標蓄電率ＳＯＣ0は、蓄電装置３１のバッテリ蓄電率ＳＯＣの目標値である。ポンプ出力制限ＰＯＬ0は、油圧ポンプ２３の最大出力の制限値である。

　出力指令演算部４１は、目標蓄電率ＳＯＣ0、ポンプ出力制限ＰＯＬ0、バッテリ蓄電率ＳＯＣ、レバー操作量ＯＡ、ポンプ負荷ＰＬ、エンジン情報ＥＩ、各種の車体情報ＶＩに基づいて、エンジン回転数指令ωe、旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrm、発電電動機力行発電電力指令Ｗmgを演算し、出力する。

　そこで、ＨＣＵ３６のモード変更対応部４０について、図４ないし図６を参照しつつ説明する。モード変更対応部４０は、モード情報ＭＯＤＥに応じて目標蓄電率ＳＯＣ0を決定すると共に、モード情報ＭＯＤＥ、バッテリ蓄電率ＳＯＣ、レバー操作量ＯＡに応じてポンプ出力制限ＰＯＬ0を決定する。このため、モード変更対応部４０は、モード選択装置３８によるモード情報ＭＯＤＥと、操作量センサ１０Ａによるレバー操作量ＯＡと、ＢＣＵ３２から送信されるバッテリ蓄電率ＳＯＣを入力とし、目標蓄電率ＳＯＣ0とポンプ出力制限ＰＯＬ0を出力値とする。モード変更対応部４０は、目標蓄電率変更部４０Ａと、ポンプ出力制限変更部４０Ｂと、１次遅れフィルタ４０Ｃと、ポンプ出力制限変更判定部４０Ｄと、遅延部４０Ｅとを備えている。

　目標蓄電率変更部４０Ａは、目標蓄電率変更値ＳＯＣnを出力する。具体的には、目標蓄電率変更部４０Ａは、図５に示す目標蓄電率およびポンプ出力制限の変更値テーブル４２に基づいて、入力されたモード情報ＭＯＤＥから選択されたモード（Ｅモード、Ｐ１モード、Ｐ２モード）に対応して予め設定された目標蓄電率変更値ＳＯＣnを選択し、出力する。

　ポンプ出力制限変更部４０Ｂは、ポンプ出力制限変更値ＰＯＬnを出力する。具体的には、ポンプ出力制限変更部４０Ｂは、図５に示す目標蓄電率およびポンプ出力制限の変更値テーブル４２に基づいて、入力されたモード情報ＭＯＤＥから選択されたモード（Ｅモード、Ｐ１モード、Ｐ２モード）に対応して予め設定されたポンプ出力制限変更値ＰＯＬnを選択し、出力する。

　ここでは、選択可能なモードは、Ｅモード、Ｐ１モード、Ｐ２モードの３種類としている。このうち、Ｅモードは、オペレータが作業量よりも燃費を優先する場合に選択するモードとする。図５に示すように、Ｅモードでは、燃費を優先するために、ポンプ出力制限変更値ＰＯＬnは、他のモード（Ｐ１モード、Ｐ２モード）に比べて小さい値に設定される。従って、蓄電装置３１は、それほど多くのエネルギを保持しておく必要はないため、目標蓄電率変更値ＳＯＣnは、寿命を優先してバッテリ蓄電率ＳＯＣの適正使用範囲（３０～７０％）のうち半分以下の低い値（例えば４０％）に設定される。

　また、Ｐ１モードは、オペレータが燃費よりも作業量を優先する場合に選択するモードとする。Ｐ１モードでは、作業量を優先するために、ポンプ出力制限変更値ＰＯＬnは、Ｅモードに比べて大きい値に設定される。従って、蓄電装置３１は、できるだけ多くのエネルギを保持しておく必要があるため、目標蓄電率変更値ＳＯＣnは、バッテリ蓄電率ＳＯＣの適正使用範囲のうち半分以上の高い値（例えば６０％）に設定される。

　さらに、Ｐ２モードは、例えば登坂走行等のように休み無く重作業を行うときに選択するものであり、蓄電装置３１の寿命よりも作業の持続力を最優先する場合に選択するモードとする。このＰ２モードは、目標蓄電率ＳＯＣ0を蓄電装置３１の適正使用範囲の最大値付近の値に設定する最大蓄電率モードに相当する。

　なお、各モードの目標蓄電率変更値ＳＯＣnおよびポンプ出力制限変更値ＰＯＬnは、図５に記載したものに限らず、油圧ショベル１の仕様等に応じて適宜設定される。

　図４に示すように、目標蓄電率変更部４０Ａによって決定された目標蓄電率変更値ＳＯＣnは、１次遅れフィルタ４０Ｃを介して、目標蓄電率ＳＯＣ0として出力される。このとき、１次遅れフィルタ４０Ｃは、数秒程度（例えば３～７秒程度）の時定数を有する。この時定数は、例えば旋回装置３、作業装置１１の１動作に必要な時間等に基づいて設定される。これにより、目標蓄電率ＳＯＣ0は、目標蓄電率前回値ＳＯＣpから目標蓄電率変更値ＳＯＣnに徐々に変更される。

　同時に、ポンプ出力制限変更判定部４０Ｄには、目標蓄電率変更部４０Ａから出力された目標蓄電率変更値ＳＯＣnと、目標蓄電率変更部４０Ａから出力されたポンプ出力制限変更値ＰＯＬnと、ＢＣＵ３２から出力されたバッテリ蓄電率ＳＯＣとが入力されると共に、遅延部４０Ｅに保持されたポンプ出力制限前回値ＰＯＬpが入力される。これに加えて、ポンプ出力制限変更判定部４０Ｄには、操作量センサ９Ａ，１０Ａからのレバー操作量ＯＡが入力される。ポンプ出力制限変更判定部４０Ｄは、これらの入力に基づいて、図６に示すポンプ出力制限変更判定処理を実行する。これにより、ポンプ出力制限変更判定部４０Ｄは、ポンプ出力制限ＰＯＬ0をポンプ出力制限変更値ＰＯＬnに変更するか、ポンプ出力制限前回値ＰＯＬpに保持するかを決定し、決定したポンプ出力制限ＰＯＬ0を出力する。

　ここで、ポンプ出力制限変更判定部４０Ｄでの処理を、図６を参照しつつ説明する。モードが変更されたときには、目標蓄電率ＳＯＣ0とポンプ出力制限ＰＯＬ0とは同時に変更される。但し、以下に示すように、車体が非操作状態であるか否かに応じて、ポンプ出力制限ＰＯＬ0は、ポンプ出力制限変更値ＰＯＬnとポンプ出力制限前回値ＰＯＬpとのいずれかの値に設定される。

　ステップ１では、レバー操作量ＯＡから車体が非操作状態にあるか判定する。ステップ１で「ＹＥＳ」と判定したときには、車体の走行、旋回、俯仰動についての操作がないから、ステップ２に移行する。ステップ２では、ポンプ出力制限ＰＯＬ0をポンプ出力制限変更値ＰＯＬnに変更し、ポンプ出力制限ＰＯＬ0を出力する。

　一方、ステップ１で「ＮＯ」と判定したときには、車体の走行、旋回、俯仰動のうちいずれかについての操作がされているから、ステップ３に移行する。ステップ３では、ポンプ出力制限ＰＯＬ0をポンプ出力制限前回値ＰＯＬpに保持し、ポンプ出力制限ＰＯＬ0を出力する。ステップ２，３が終了すると、リターンする。

　これにより、ポンプ出力制限変更判定部４０Ｄは、車体が非操作状態であるときには、ポンプ出力制限ＰＯＬ0をポンプ出力制限変更値ＰＯＬnに変更し、車体が操作状態であるときには、ポンプ出力制限ＰＯＬ0をポンプ出力制限前回値ＰＯＬpに保持する。

　モード変更対応部４０の目標蓄電率変更部４０Ａおよび１次遅れフィルタ４０Ｃは、選択されたモードに応じて目標蓄電率ＳＯＣ0を設定する目標蓄電率設定部を構成している。また、モード変更対応部４０のポンプ出力制限変更部４０Ｂおよびポンプ出力制限変更判定部４０Ｄは、油圧ポンプ２３の最大動力を増加または減少させる最大動力設定部を構成している。

　次に、ＨＣＵ３６の出力指令演算部４１について、図７を参照しつつ説明する。出力指令演算部４１は、モード変更対応部４０で決定された目標蓄電率ＳＯＣ0、ポンプ出力制限ＰＯＬ0に加えて、バッテリ蓄電率ＳＯＣ、レバー操作量ＯＡ、ポンプ負荷ＰＬ、エンジン情報ＥＩ、各種の車体情報ＶＩに基づき、エンジン２１のエンジン回転数指令ωe、発電電動機２７の発電電動機力行発電電力指令Ｗmg、旋回電動モータ３３の旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrmを演算し、出力する。出力指令演算部４１は、これらの指令ωe，Ｗmg，Ｗrmによって、バッテリ蓄電率ＳＯＣが目標蓄電率ＳＯＣ0に近付いて、その値近辺で充電または放電されるように、エンジン２１、発電電動機２７、旋回電動モータ３３を制御する。

　出力指令演算部４１の一例として、エンジン２１を回転数制御する場合の制御処理を、図７を参照しつつ説明する。以下では、蓄電装置３１の放電を正（＋）、充電を負（－）とし、電動モータの力行を正（＋）、発電、回生を負（－）とする。

　出力指令演算部４１は、目標充放電電力演算部４１Ａと、エンジン回転数指令演算部４１Ｂと、電動モータ電力演算部４１Ｃとを有する。目標充放電電力演算部４１Ａには、バッテリ蓄電率ＳＯＣと目標蓄電率ＳＯＣ0が入力される。このとき、目標充放電電力演算部４１Ａは、バッテリ蓄電率ＳＯＣと目標蓄電率ＳＯＣ0の蓄電率差ΔＳＯＣが大きいほど、蓄電率差ΔＳＯＣが小さくなるように目標充放電電力Ｗcdを決定する。具体的には、目標充放電電力演算部４１Ａは、例えば蓄電率差ΔＳＯＣ（ΔＳＯＣ＝ＳＯＣ－ＳＯＣ0）と目標充放電電力Ｗcdの値が正の相関となるように、目標充放電電力Ｗcdを決定し、出力する。

　次に、電動モータ電力演算部４１Ｃには、目標充放電電力Ｗcdとレバー操作量ＯＡが入力される。電動モータ電力演算部４１Ｃは、レバー操作量ＯＡによって旋回の力行、制動が判断され、旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrmを出力する。そして、電動モータ電力演算部４１Ｃは、目標充放電電力Ｗcdと旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrmの差をとって発電電動機力行発電電力指令Ｗmgを算出し、発電電動機力行発電電力指令Ｗmgを出力する。

　さらに、エンジン回転数指令演算部４１Ｂには、発電電動機力行発電電力指令Ｗmg、エンジン情報ＥＩ、ポンプ負荷ＰＬ、ポンプ出力制限ＰＯＬ0が入力される。ポンプ負荷ＰＬがポンプ出力制限ＰＯＬ0よりも小さいときには、エンジン回転数指令演算部４１Ｂは、ポンプ負荷ＰＬと発電電動機力行発電電力指令Ｗmgの和をとってエンジン目標出力とする。ポンプ負荷ＰＬがポンプ出力制限ＰＯＬ0よりも大きいときには、エンジン回転数指令演算部４１Ｂは、ポンプ出力制限ＰＯＬ0と発電電動機力行発電電力指令Ｗmgの和をとってエンジン目標出力とする。その上で、エンジン回転数指令演算部４１Ｂは、例えば現在のエンジン回転数等のようなエンジン情報ＥＩとエンジン目標出力とに基づいてエンジン回転数指令ωeを算出し、エンジン回転数指令ωeを出力する。

　なお、出力指令演算部４１は、目標蓄電率ＳＯＣ0、ポンプ出力制限ＰＯＬ0、バッテリ蓄電率ＳＯＣ、レバー操作量ＯＡ、ポンプ負荷ＰＬ、エンジン情報ＥＩに基づいて、発電電動機力行発電電力指令Ｗmg、旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrm、エンジン回転数指令ωeを算出する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、出力指令演算部４１は、目標蓄電率ＳＯＣ0、ポンプ出力制限ＰＯＬ0、バッテリ蓄電率ＳＯＣ、レバー操作量ＯＡ、ポンプ負荷ＰＬ、エンジン情報ＥＩに加えて、例えば車両速度、冷却水温度、燃料残量等のような各種の車体情報ＶＩに基づいて、発電電動機力行発電電力指令Ｗmg、旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrm、エンジン回転数指令ωeを算出してもよい。

　ＨＣＵ３６は、以上の演算処理によって、発電電動機力行発電電力指令Ｗmg、旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrm、エンジン回転数指令ωeを算出する。そして、ＨＣＵ３６は、発電電動機力行発電電力指令Ｗmgを第１のインバータ２８に出力し、旋回電動モータ力行回生電力指令Ｗrmを第２のインバータ３４に出力し、エンジン回転数指令ωeをＥＣＵ２２へ送信する。これにより、ＨＣＵ３６は、オペレータの意図する車体動作の実現と、モードによって設定された目標蓄電率ＳＯＣ0にバッテリ蓄電率ＳＯＣが収束するように、発電電動機２７、旋回電動モータ３３、エンジン２１の制御を行う。

　かくして、本実施の形態によれば、ＨＣＵ３６は、Ｅモード、Ｐ１モード、Ｐ２モードのうちオペレータがモード選択装置３８によって選択したモードに応じて、蓄電装置３１の目標蓄電率ＳＯＣ0を変更する。これにより、オペレータは蓄電装置３１の寿命と蓄電装置３１の保有エネルギに由来する作業量の優先度を能動的に選択することができる。

　例えば軽負荷のときには、Ｅモードを選択して目標蓄電率ＳＯＣ0を低下させることができる。このため、バッテリ蓄電率ＳＯＣが低い状態で蓄電装置３１は充放電を繰り返すことになり、蓄電装置３１の劣化を抑制して、蓄電装置３１の寿命を延ばすことができる。一方、重負荷のときには、Ｐ１モードやＰ２モードを選択して、目標蓄電率ＳＯＣ0を上昇させることができる。これにより、蓄電装置３１に大きなエネルギを蓄えておくことができるため、より長時間に亘って発電電動機２７への電力供給を行い、発電電動機２７を力行させてエンジン２１をアシストする、即ち、オペレータの要求に応じた車体の動作を行うことができる。

　また、ＨＣＵ３６は、目標蓄電率ＳＯＣ0が低いＥモードのポンプ出力制限ＰＯＬ0を、目標蓄電率ＳＯＣ0が高いＰ１モードやＰ２モードよりも小さく設定している。これにより、寿命を優先したＥモードでも、Ｐ１モードやＰ２モードに比べて油圧ポンプ２３の最大出力を小さい値に制限することができる。この結果、例えば発電電動機２７や旋回電動モータ３３の力行による蓄電装置３１の放電エネルギ量を小さくすることができるため、蓄電装置３１のエネルギ不足（電力不足）を予防することができる。

　また、ＨＣＵ３６のモード変更対応部４０は、目標蓄電率変更部４０Ａの出力側に１次遅れフィルタ４０Ｃを設けたから、目標蓄電率ＳＯＣ0を目標蓄電率前回値ＳＯＣpから目標蓄電率変更値ＳＯＣnに時間的に連続して徐々に変化させる。これにより、モード変更による急峻なバッテリ蓄電率ＳＯＣの変化を防ぐことができるから、予期せぬ車体動作を防止できる。

　これに加え、ＨＣＵ３６のモード変更対応部４０はモード選択装置３８によってモードが変更され、かつ車体が非操作状態となったときに、ポンプ出力制限ＰＯＬ0を変更する。このため、例えば下部走行体２の走行途中、上部旋回体４の旋回途中、作業装置１１の掘削動作途中等のように、車体の操作途中で油圧ポンプ２３の最大動力が変更されることがなく、車体の停止状態で油圧ポンプ２３の最大動力を変更することができる。この結果、モード変更したときでも、予期せぬ車体動作を防止することができる。

　また、モード選択装置３８は、目標蓄電率ＳＯＣ0を適切なバッテリ蓄電率ＳＯＣの使用範囲最大付近に設定するＰ２モードを選択可能とした。これにより、例えば登坂走行時等のように休みなく重負荷作業を行うときでも、オペレータがＰ２モードを選択することによって、作業持続力を最優先とすることができ、可能な限り長時間に亘って車体動作を継続させることができる。

　さらに、モード選択装置３８によって選択されたモードを表示する車載モニタ３９を備えたから、オペレータは車載モニタ３９を目視することによって、現在選択されているモードを容易に把握することができる。このため、オペレータの要求する作業と現在のモードとを容易に対比することができるから、両者が異なる場合には、速やかにモードを変更することができる。

　また、エンジン２１の最大出力は油圧ポンプ２３の最大動力よりも小さくしたから、小型で燃費低減が可能なエンジン２１を使用することができる。一方、エンジン２１の最大出力は油圧ポンプ２３の最大動力よりも小さくしたから、エンジン出力が最大ポンプ負荷に比べて十分に大きい場合に比べて、車体動作時の発電電動機２７の力行によるエンジンアシストの寄与する割合は大きく、蓄電装置３１が充放電を繰り返す頻度が高くなる傾向がある。これに対し、本実施の形態では、Ｅモードを選択することによって、目標蓄電率ＳＯＣ0を低い値に設定することができる。この結果、目標蓄電率ＳＯＣ0を高い値に設定した場合に比べて、蓄電装置３１の劣化を抑制することができる。

　なお、前記実施の形態では、モード選択装置３８は、異なる目標蓄電率ＳＯＣ0とポンプ出力制限ＰＯＬ0を設定した３種類のモード（Ｅモード，Ｐ１モード，Ｐ２モード）を選択可能とした。しかし、本発明はこれに限らず、モード選択装置は４種以上のモードを選択可能とし、これらのモードに応じて目標蓄電率やポンプ出力制限をさらに細かく制御してもよい。モード選択装置は、ＥモードとＰ１モードとの中間の目標蓄電率とポンプ出力制限を設定された第４のモードを選択可能としてもよい。また、モード選択装置は、Ｐ１モードとＰ２モードとのうちいずれか一方のモードを省いて、２種類のモードを選択可能としてもよい。

　前記実施の形態によるモード変更対応部４０は、１次遅れフィルタ４０Ｃによって目標蓄電率ＳＯＣ0を目標蓄電率前回値ＳＯＣpから目標蓄電率変更値ＳＯＣnに徐々に変化させるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、時間的に連続して目標蓄電率ＳＯＣ0を徐々に変化させるものであればよく、例えば目標蓄電率ＳＯＣ0を、所定の推移時間をもって目標蓄電率前回値ＳＯＣpから目標蓄電率変更値ＳＯＣnに比例変化させてもよい。

　前記実施の形態では、エンジン２１の最大出力を油圧ポンプ２３の最大動力よりも小さくしたが、エンジン２１の最大出力は、油圧ショベル１の仕様等に応じて適宜設定される。このため、エンジン２１の最大出力は、油圧ポンプ２３の最大動力と同程度でもよく、油圧ポンプ２３の最大動力よりも小さくてもよい。

　前記実施の形態では、蓄電装置３１にリチウムイオンバッテリを使用した例で説明したが、必要な電力を供給可能な二次電池（例えばニッケルカドミウムバッテリ、ニッケル水素バッテリ）やキャパシタを採用してもよい。また、蓄電装置と直流母線との間にＤＣ－ＤＣコンバータ等の昇圧－降圧装置を設けてもよい。

　前記実施の形態では、ポンプ出力制限ＰＯＬ0に応じてエンジン２１の回転数を制限するものとしたが、例えば可変容量型の油圧ポンプを使用する場合には、ポンプ出力制限ＰＯＬ0に応じて油圧ポンプの吐出容量を変化させる構成としてもよい。

　前記実施の形態では、旋回油圧モータ２６と旋回電動モータ３３とを備えるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば旋回油圧モータ２６と旋回電動モータ３３とのうちいずれか一方を省く構成としてもよい。

　前記実施の形態では、ハイブリッド建設機械としてクローラ式のハイブリッド油圧ショベル１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、エンジンと油圧ポンプに連結された発電電動機と、蓄電装置とを備えたハイブリッド建設機械であればよく、例えばホイール式のハイブリッド油圧ショベル、ハイブリッドホイールローダ、ダンプトラック等の各種の建設機械に適用可能である。

　１　ハイブリッド式油圧ショベル
　２　下部走行体（車体）
　４　上部旋回体（車体）
　９　走行用操作装置
　９Ａ，１０Ａ　操作量センサ（車体操作状態検出装置）
　１０　作業用操作装置
　１１　作業装置
　１１Ｄ　ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
　１１Ｅ　アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
　１１Ｆ　バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）
　２１　エンジン
　２３　油圧ポンプ
　２５　走行油圧モータ（油圧アクチュエータ）
　２６　旋回油圧モータ（油圧アクチュエータ）
　２７　発電電動機
　３１　蓄電装置
　３３　旋回電動モータ
　３６　ハイブリッドコントロールユニット（コントローラ）
　３８　モード選択装置
　３９　車載モニタ
　４０　モード変更対応部
　４０Ａ　目標蓄電率変更部
　４０Ｂ　ポンプ出力制限変更部
　４０Ｃ　１次遅れフィルタ
　４０Ｄ　ポンプ出力制限変更判定部
　４０Ｅ　遅延部
　４１　出力指令演算部

Claims

　車体に設けられたエンジンと、前記エンジンに機械的に接続された油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの圧油によって駆動する油圧アクチュエータと、前記エンジンと機械的に接続された発電電動機と、前記発電電動機に電気的に接続された蓄電装置と、前記発電電動機および前記蓄電装置の充放電電力を制御するコントローラとを備えたハイブリッド建設機械において、
　互いに異なる目標蓄電率が設定された複数のモードのうちいずれか１つのモードを選択するモード選択装置をさらに備え、
　前記コントローラは、前記蓄電装置の蓄電率が前記モード選択装置によって選択されたモードの目標蓄電率に収束するように、前記発電電動機および前記蓄電装置の充放電電力を制御することを特徴とするハイブリッド建設機械。
　前記コントローラは、前記油圧ポンプの最大動力を増加または減少させる最大動力設定部を備え、
　前記最大動力設定部は、前記モード選択装置によって選択されたモードの目標蓄電率が低くなるに従って、前記油圧ポンプの最大動力を小さな値に制限してなる請求項１に記載のハイブリッド建設機械。
　前記コントローラは、前記モード選択装置によってモードが変更されたときに、前記目標蓄電率の値をモード変更前の値からモード変更後の値に連続的に徐々に変化させてなる請求項１に記載のハイブリッド建設機械。
　前記車体の操作状態を検出する車体操作状態検出装置をさらに備え、
　前記最大動力設定部は、前記モード選択装置によってモードが変更され、かつ前記車体操作状態検出装置によって前記車体の非操作状態が検出されたときに、前記油圧ポンプの最大動力を変更してなる請求項２に記載のハイブリッド建設機械。
　前記モード選択装置は、前記油圧ポンプの最大動力を制限せず、かつ前記目標蓄電率を前記蓄電装置の最大蓄電率付近とする最大蓄電率モードを選択可能とする請求項２に記載のハイブリッド建設機械。
　前記モード選択装置によって選択されたモードを表示する車載モニタをさらに備えてなる請求項１に記載のハイブリッド建設機械。
　前記エンジンの最大出力は、前記油圧ポンプの最大動力よりも小さくしてなる請求項１に記載のハイブリッド建設機械。