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JP5055948B2 - ハイブリッド作業機械 - Google Patents

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Description

本発明はエンジン動力と電力を併用するハイブリッド作業機械に関するものである。
本発明の好適例であるショベルを例にとって背景技術を説明する。
ショベルは、図３に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２を旋回自在に搭載し、この上部旋回体２に作業アタッチメント３を装着して構成される。
この作業アタッチメント３は、起伏自在なブーム４と、このブーム４の先端に取付けられたアーム５と、このアーム５の先端に取付けられたバケット６と、これらを駆動する油圧アクチュエータであるブーム、アーム、バケット各シリンダ７,８,９とによって構成される。
また、上部旋回体２を旋回させる旋回用アクチュエータとして、油圧ショベルの場合は油圧モータ、ハイブリッドショベルの場合は電動アクチュエータである旋回電動機がそれぞれ用いられる。
このハイブリッドショベルにおいて、所謂パラレル方式の駆動形態をとるものが公知である(特許文献１参照)。
このパラレル方式においては、油圧ポンプと、発電機作用及び電動機作用を行う発電電動機とを共通の動力源としてのエンジンにパラレルに接続し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動する一方、発電電動機の発電機作用または蓄電装置によって旋回電動機を駆動する。
また、蓄電装置は発電電動機の発電機作用によって充電され、適時、この蓄電装置の放電力により発電電動機が電動機作用を行ってエンジンをアシストする。
たとえばエンジンスピード・センシング（ＥＳＳ）制御を行う機械では、エンジンの回転速度の低下に応じて、ポンプの減馬力制御に加えてアシスト力を制御するアシスト制御を行う。
また、このＥＳＳ制御とは無関係に、高負荷時、すなわちエンジンのみでは負荷を賄い切れなくなったときにその不足分をアシスト作動で補う場合もある。
特開２００１−１２２７４号公報
このように発電電動機でエンジンアシスト作動を行わせるハイブリッドショベルにおいては、エンジンの回転速度や負荷等のアシスト条件が整えば無条件でアシスト制御を行うため、アシスト作動を必要としない（無駄となる）場合、すなわち、過負荷等によってエンジンが停止（エンスト）した場合や、エンストすることが明らかな場合（燃料切れを含む）にもアシスト作動が継続されてしまう。
この場合には蓄電力の浪費や過放電となり、省エネルギーの観点で好ましくないだけでなく、蓄電装置の寿命低下を生じる。
そこで本発明は、発電電動機によるエンジンアシストが不要な状況ではアシスト作動を自動的に停止させることができるハイブリッド作業機械を提供するものである。
請求項１の発明は、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とが共通の動力源としてのエンジンによって駆動され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の電力により発電電動機が駆動されてエンジンをアシストする電動機作用を行うように構成されたハイブリッド作業機械において、上記発電電動機によるエンジンアシスト作動を制御する制御手段と、エンストまたはエンストに直結する運転状態を検出する運転状態検出手段とを具備し、上記運転状態検出手段は、エンストまたはエンストに直結する運転状態が検出されたときに上記制御手段にエンジンアシスト停止信号を送り、上記制御手段は、上記エンジンアシスト停止信号に基づいて上記エンジンアシスト作動を停止させるように構成されたものである。
請求項２の発明は、請求項１の構成において、上記運転状態検出手段は、上記エンジンの実際回転速度を検出するエンジン回転速度検出手段と、アシスト作動／停止判断手段とを備え、上記アシスト作動／停止判断手段は、上記エンジン回転速度検出手段によって検出されたエンジンの実際回転速度と目標回転速度の偏差を求め、この偏差がエンストまたはエンストに直結する値として予め設定された値以上となったときに上記制御手段にエンジンアシスト作動停止信号を送るように構成されたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、上記運転状態検出手段は、燃料の残量を検出する燃料検出手段を備え、上記アシスト作動／停止判断手段は、上記燃料検出手段によって検出された燃料残量がエンストまたはエンストに直結する燃料残量として予め設定された値以下となったときに上記制御手段にエンジンアシスト作動停止信号を送るように構成されたものである。
本発明によると、エンストまたはこれに直結する運転状態が検出されたとき（請求項２ではエンジンの目標回転速度と実際回転速度の偏差が設定値以上となったとき、請求項３では燃料残量が設定値以下となって燃料切れによるエンストが明らかとなったとき）に、制御手段によって発電電動機によるエンジンアシスト作動を自動停止させるため、蓄電力の浪費や過放電を防止でき、蓄電装置の寿命や省エネルギーの観点で好ましいものとなる。
本発明の実施形態を図１,２によって説明する。
実施形態にかかるハイブリッドショベルのブロック構成を図１に示す。
同図に示すようにエンジン１０に動力分配装置（パワーデバイダ）１１を介して可変容量型の油圧ポンプ１２と、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機１３とがパラレルに接続され、これらがエンジン１０によって駆動される。
油圧ポンプ１２には油圧回路１４が接続され、図３のブームシリンダ７ほかの油圧アクチュエータ（一括して符号１５を付している）が油圧ポンプ１２からの圧油によって駆動される。なお、図１では油圧ポンプ１２が一台のみ接続された場合を示しているが、複数台が並列に接続される場合もある。
発電電動機１３からの電力は、発電電動機制御器１６及び電動機制御器１７を介して旋回電動機１８に送られ、この旋回電動機１８の回転力が減速機１９を介して図３の上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が旋回する。
一方、発電電動機１３には、旋回電動機１８の第２の動力源となる蓄電装置としてのバッテリ(たとえばリチウムイオン蓄電器)２０が発電電動機制御器１６を介して接続されている。
このバッテリ２０は発電電動機１３の発電機作用によって充電され、適時、このバッテリ２０の放電力により発電電動機１３が電動機作用を行ってエンジンをアシストする。
たとえば、ＥＳＳ制御が行われるハイブリッドショベルの場合、エンジン１０の回転速度の低下に応じてポンプ減馬力制御に加えてこのエンジンアシスト作動が行われる。
発電電動機制御器１６は、発電電動機１３の発電機作用と電動機作用の切換え、発電電力、電動機としての電流またはトルクを制御するとともに、発電電動機１３の発電機出力の過不足に応じてバッテリ２０の充放電を制御する。
また、電動機制御器１７は、旋回電動機１８の電流またはトルクを制御する。
バッテリ２０及び発電電動機１３によるエンジンアシスト作動を制御する制御手段としての発電電動機制御手段２４が設けられている。
また、エンストまたはエンストに直結する運転状態を検出する運転状態検出手段として、エンジン回転速度設定手段２１と、エンジン回転速度検出手段２２と、アシスト作動／停止判断手段２３と、エンジン回転速度センサ２６と、エンジン燃料の残量を検出する燃料検出手段である燃料センサ２７とが設けられている。
エンジン回転速度設定手段２１は、スロットル２５の操作量に基づいてエンジン目標回転速度を設定し、これをアシスト作動／停止判断手段２３に送る。
エンジン回転速度検出手段２２は、エンジン回転速度センサ２６からの信号に基づいてエンジン１０の実際回転速度を検出（計算）し、これをアシスト作動／停止判断手段２３に送る。
アシスト作動／停止判断手段２３は、入力されたエンジン目標回転速度と実際回転速度の偏差を求め、この偏差が、エンストまたはこれに直結する値として予め設定された値以上となったか否かに基づいてアシスト作動／停止を判断し、その判断結果としての信号を発電電動機制御手段２４に送る。
発電電動機制御手段２４は、アシスト作動の信号が入力されると、エンジンアシストのための発電電動機トルク指令を発電電動機制御器１６に出力し、アシスト作動停止の信号が入力されると、トルク指令０を発電電動機制御器１６に出力する。
また、アシスト作動／停止判断手段２３には、燃料センサ２７からの信号が入力され、燃料残量が、エンストに直結する量として予め設定された値以下となったときに同手段２３においてアシスト作動停止の判断が下される。
この点の作用を図２によってさらに説明する。
ステップＳ１でエンジン実際回転速度ω２の読み込み、燃料残量Ｆｖの読み込みが行われ、ステップＳ２でエンジン目標回転速度ω１とエンジン実際回転速度ω２の偏差Δωが演算される。
ステップＳ３で、この偏差Δωと設定値Δωsとが比較され、ＮＯ（Δω＜Δωs）のときは、ステップＳ４でさらに燃料残量の検出値Ｆｖと設定値Ｆｖsの比較が行われる。
ここでＦｖ＞Ｆｖsのとき（ＮＯのとき＝燃料残量が十分であるとき）は、エンストまたはこれに直結する状況でないとしてステップＳ５でアシスト作動の継続が判断され、アシスト作動信号が図１の発電電動機制御手段２４に継続して送られる。
これに対し、ステップＳ３でＹＥＳ（Δω≧Δωs）のとき、及びステップＳ４でＹＥＳ（Ｆｖ≦Ｆｖs）のときは、エンストまたはこれに直結する状況にあるとしてステップＳ６でアシスト作動停止が判断され、アシスト作動停止信号が図１の発電電動機制御手段２４にトルク指令０として送られる。
この制御により、エンストまたはこれに直結する状況下では発電電動機１３によるエンジンアシスト作動が自動停止するため、バッテリ蓄電力の浪費や過放電が防止され、バッテリ寿命及び省エネルギーの観点で好ましいものとなる。
なお、エンストに直結する運転状態のバリエーションとして、ポンプ圧力の設定値以上の上昇やエンジンのオーバーヒート（エンジン温度）を検出するようにしてもよい。
本発明の実施形態を示すブロック構成図である。 実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。 本発明の好適例であるショベルの概略側面図である。
１０ エンジン
１２ 油圧ポンプ
１３ 発電電動機
１６ 発電電動機制御器
１８ 旋回電動機
２０ バッテリ（蓄電装置）
２１ 運転状態検出手段を構成するエンジン回転速度設定手段
２２ 同、エンジン回転速度検出手段
２３ 同、アシスト作動／停止判断手段
２４ 制御手段としての発電電動機制御手段
２５ スロットル
２６ 運転状態検出手段を構成するエンジン回転速度センサ
２７ 同、燃料センサ

Claims (3)

  1. 油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とが共通の動力源としてのエンジンによって駆動され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の電力により発電電動機が駆動されてエンジンをアシストする電動機作用を行うように構成されたハイブリッド作業機械において、上記発電電動機によるエンジンアシスト作動を制御する制御手段と、エンストまたはエンストに直結する運転状態を検出する運転状態検出手段とを具備し、上記運転状態検出手段は、エンストまたはエンストに直結する運転状態が検出されたときに上記制御手段にエンジンアシスト停止信号を送り、上記制御手段は、上記エンジンアシスト停止信号に基づいて上記エンジンアシスト作動を停止させるように構成されたことを特徴とするハイブリッド作業機械。
  2. 上記運転状態検出手段は、上記エンジンの実際回転速度を検出するエンジン回転速度検出手段と、アシスト作動／停止判断手段とを備え、上記アシスト作動／停止判断手段は、上記エンジン回転速度検出手段によって検出されたエンジンの実際回転速度と目標回転速度の偏差を求め、この偏差がエンストまたはエンストに直結する値として予め設定された値以上となったときに上記制御手段にエンジンアシスト作動停止信号を送るように構成されたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド作業機械。
  3. 上記運転状態検出手段は、燃料の残量を検出する燃料検出手段を備え、上記アシスト作動／停止判断手段は、上記燃料検出手段によって検出された燃料残量がエンストまたはエンストに直結する燃料残量として予め設定された値以下となったときに上記制御手段にエンジンアシスト作動停止信号を送るように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド作業機械。
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