JP2011174312A - ハイブリッド建機の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ハイブリッド建機の全体の必要パワーが駆動源の出力パワーよりも大きくなったときでも、旋回用電動モータへのパワーを抑える。
【解決手段】 エンジン２の動力を油圧ポンプ６と発電機４とに分けて、発電機４が発電する電力で旋回用電動モータ１２を駆動し、油圧ポンプ６が供給する圧油で油圧機器１４を駆動する。油圧機器１４と旋回用電動モータ１２とが同時に操作されているときに、エンジン２が出力する出力パワーと、油圧機器１４及び旋回用電動モータ１２が必要とする必要パワーとを検出し、必要パワーが出力パワーを超えた場合には、旋回用電動モータ１２のトルクまたは加速度を制限して、油圧機器１４に優先的に出力パワーを配分する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電電動機によってエンジンの駆動力がアシストされるハイブリッド方式の建設機械であるハイブリッド建機の制御装置に関する。
従来、ハイブリッド建機の制御装置としては、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。特許文献１の技術では、ブーム用操作レバーの操作量と旋回用操作レバーの操作量とに基づいて、ブーム用油圧シリンダと旋回用発電電動機とが複合して作動しているとき、油圧ポンプの吐出圧が小さくなるに応じて旋回用発電電動機のトルクリミット値を小さくして、両アクチュエータのスピードをマッチングさせている。
国際公開番号ＷＯ２００７／０５２５３８号公報
特許文献１の技術によれば、油圧アクチュエータと電動アクチュエータとの速度をマッチングさせることはできるが、エンジンの出力パワーよりも両アクチュエータの必要パワーの合計が大きくなったとき、油圧アクチュエータと電動アクチュエータとに、ブーム用操作レバーの操作量及び旋回用操作レバーの操作量通りにパワーを配分すると、高負荷の油圧アクチュエータの速度が極端に低下し、作業効率が低下していた。
本願発明は、ハイブリッド建機の全体の必要パワーが、駆動源の出力パワーよりも大きくなったとき、作業効率の低下を抑えることができるハイブリッド建機の制御装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様のハイブリッド建機の制御装置は、駆動源の一部としてのエンジンの動力を、油圧ポンプと発電機とに分けて、前記発電機が発電する電力で旋回用電動モータを駆動し、前記油圧ポンプが供給する圧油で油圧アクチュエータを駆動するハイブリッド建機に用いられている。旋回用電動モータは、例えばハイブリッド建機の上部旋回体を旋回させるのに使用され、油圧アクチュエータは、例えば、上部旋回体に設けられているブームの駆動に使用される。前記油圧アクチュエータと前記旋回用電動モータとが同時に操作されているときに、ハイブリッド建機の制御装置は、前記駆動源が出力する出力パワーと、前記油圧アクチュエータ及び前記旋回用電動モータが必要とする必要パワーとを、検出し、前記必要パワーが前記出力パワーを超えた場合には、前記旋回用電動モータのトルクまたは加速度を制限して、前記油圧アクチュエータに優先的に出力パワーを配分する。優先的な配分としては、例えばブーム用操作レバーや旋回用操作レバーの操作量に基づく、油圧アクチュエータや旋回用電動モータへの出力パワーの配分よりも、油圧アクチュエータへの出力配分を多くするものや、旋回用操作レバーからの信号に１よりも小さい比率を乗算した値と、ブーム用操作レバーからの信号とに基づいてパワー配分するものや、旋回用操作レバーからの信号に上限を設けて、上限以上には旋回用電動モータにパワーを配分しないようにしたものや、旋回用電動モータの制御に使用する係数、例えばＰＩ定数やＰＩＤ定数を低くしたりするものがある。
このように構成したハイブリッド建機の制御装置では、油圧アクチュエータが高負荷状態であって、その必要パワーが大きい状態であっても、油圧アクチュエータの作動速度の低下を抑えることができる。よって、全体として作業効率の低下を抑制することができる。即ち、駆動源からの限られた出力パワーにおいて作業効率を向上させることができる。
前記エンジンの出力軸の回転数から、前記駆動源の一部としてのエンジンの出力パワーを算出するエンジン出力検出手段を備えることもできる。前記エンジンの出力軸の回転数は、例えば前記発電機の位置センサから算出することもできる。
更に、前記駆動源として蓄電手段も備え、この蓄電手段の充電電圧から前記出力パワーを算出する蓄電出力算出手段を設け、前記エンジン出力検出手段と前記蓄電出力検出手段とから、前記ハイブリッド建機の駆動源が出力する出力パワーを算出することもできる。
前記発電機が発電可能な電力を検出する発電電力検出手段を設け、この発電電力検出手段の出力に基づき、前記旋回用電動モータを制限する旋回用電動モータ駆動制限手段を設けることもできる。
更に、前記発電電力検出手段は、前記油圧ポンプの下流側に配置された流量センサと、前記油圧ポンプの下流側に配置された圧油の圧力センサとを、有し、前記油圧アクチュエータの必要パワーを算出するものとすることもできる。前記発電電力検出手段として、前記旋回用電動モータの出力軸に配置された２つの軸トルクセンサを有し、前記油圧アクチュエータの必要パワーを算出するものを使用することもできる。或いは、前記発電電力検出手段として、前記油圧アクチュエータ用の操作レバーの操作量に基づき、前記油圧アクチュエータの必要パワーを算出するものを使用することもできる。或いは、前記発電電力検出手段として、前記油圧ポンプの下流側に配置された圧油の圧力センサの出力と、前記アクチュエータ用の操作レバーの操作量とに基づき、前記油圧アクチュエータの必要パワーを算出するものを使用することもできる。または、前記発電電力検出手段として、各操作レバーの操作量から、前記旋回用電動モータ及び前記油圧アクチュエータの必要とする必要パワーを算出するものを使用することもできる。
また、前記旋回用電動モータによる旋回の範囲を検出し、検出された旋回の範囲が旋回所定範囲以下のときには、旋回用電動モータのトルクまたは加速度の上限を制限することもできる。或いは、前記旋回用電動モータによる旋回の範囲を検出し、検出された旋回の範囲が旋回所定範囲以下のときには、操作レバーからの信号に１より小さい比率を乗算することもできる。
以上のように、本発明によれば、ハイブリッド建機の全体の必要パワーが、駆動源の出力パワーよりも大きくなったときでも、旋回用電動モータへのパワーを抑えることによって、作業効率の低下を抑えることができる。
本発明の第１の実施形態のハイブリッド建機の制御装置のブロック図である。 本発明の第２の実施形態のハイブリッド建機の制御装置のブロック図である。
本発明の第１の実施形態のハイブリッド建機の制御装置では、図１に示すように、駆動源、例えばエンジン２が、発電機４と油圧ポンプ６とを駆動する。即ち、エンジン２が発電機４の入力軸を駆動し、発電機４の出力軸が油圧ポンプ６に結合され、油圧ポンプ６を駆動している。
発電機４で発生された交流電力は、整流器８で整流されて、直流化され、インバータ１０で再交流化して、旋回用電動モータ１２に供給され、旋回用電動モータ１２を駆動する。これによって、ハイブリッド建機の上部旋回体が旋回する。
油圧ポンプ６から吐出される圧油は、油圧機器１４、例えばブーム用油圧シリンダに供給されて、ブームを駆動する。
旋回用電動モータ１２は、旋回用操作レバー１６の操作に応じた駆動トルクを発生し、油圧ポンプ６は、油圧ＡＣＴ用操作レバー１８の操作に応じた駆動トルクを発生する。これら両操作レバー１６、１８が同時に操作された場合、油圧ポンプ６及び旋回用電動モータ１２において必要なパワーを、エンジン２のパワーだけでは賄うことができないことがある。本発明は、このような場合に対処するためのものである。
そのため、発電機４の入力側には、エンジン出力検出手段、例えば軸トルクセンサ２０が設けられ、発電機４の出力側には発電機出力検出手段、例えば軸トルクセンサ２２が設けられている。これらは、発電電力検出手段の一部である。軸トルクセンサ２０の出力、即ち発電機４の入力トルクから、軸トルクセンサ２２の出力、即ち油圧ポンプ６に供給されるトルクが、発電電力検出手段の残りの部分をなす減算器２４によって減算され、発電機４が発電可能な出力電力が算出される。
また、油圧ポンプ６と油圧機器１４との間には、即ち油圧ポンプ６の下流側には、油圧センサ２６と流量センサ２８とが、別の発電電力検出手段の一部として設けられている。これら油圧センサ２６と流量センサ２８との出力は、別の発電電力検出手段の一部をなす油圧出力演算器３０に供給され、油圧ＡＣＴ用操作レバー１８からの信号も油圧出力演算器３０に供給され、油圧出力演算器３０は、油圧機器１４に供給される出力を演算する。この出力が、別の発電電力検出手段の残りの部分をなす減算器３２において、軸トルクセンサ２０の出力から減算されて、発電機４が発電可能な出力電力が算出される。
なお、減算器２４、３２では、軸トルクセンサ２０の出力を使用したが、発電機４に設けた位置センサ３４の出力を位置−速度変換器３６によって速度（エンジン回転数）に変換し、このエンジン回転数をエンジン回転数／トルク余裕テーブル３８に供給して、このテーブル３８の出力を減算器２４、３２に、軸トルクセンサ２０の出力に代えて供給することもできる。エンジン回転数／トルク余裕テーブル３８は、現在のエンジンの軸出力が低く、現在の発電負荷をとっても、エンジン２への燃料供給で増力できる場合に、その特性を参照して、発電機で出力可能な電力を算出するためのものである。
減算器２４、３２の出力は、演算部４０に供給される。演算部４０には、蓄電手段、例えばＥＤＬＣ（電気二重層コンデンサ）４２の電力を表す信号も供給されている。ＥＤＬＣ４２は、エンジン２のパワーが旋回用電動モータ１２を駆動しても余剰しているときや、旋回用電動モータ１２が回生制動された場合に発生する電力をインバータ１０、チョッパ回路４４を介して蓄電し、また、蓄電している電力をチョッパ回路４４、インバータ１０を介して旋回用電動モータ１２に供給している。
演算部４０は、減算器２４及び減算器３２のいずれか予め選択されたものから出力される発電機４が発電可能な電力を充放電演算部４６に供給し、ＥＤＬＣ４２が出力可能な電力と発電機４が発電可能な電力をと加算した値を、ベクトル制御装置４８とに供給する。なお、演算器４０での減算器２４、３２の選択の方法は自由であり、場合によっては、トルクセンサ２０、２２、減算器２４のみを設けてもよいし、トルクセンサ２０、油圧センサ２６、流量センサ２８、減算器３２のみを設けてもよい。
これら充放電演算部４６とベクトル制御装置４８とには、旋回用操作レバー１６から操作信号（これは、旋回用電動モータ１２に出力させたい電力を表している）も供給されている。充放電演算部４６は、旋回用操作レバー１６からの操作信号と演算部４０からの発電機２が発電可能な電力とに基づいて、ＥＤＬＣ４２からの放電量を決定し、チョッパ回路４４にその放電量を指示する。例えばＥＤＬＣ４２が出力可能な電力が６Ｋｗで、減算器２４または３２から出力された発電機２が出力可能な電力が２Ｋｗであって、旋回用操作レバー１８からの操作信号が４Ｋｗの電力を必要としていることを表していると、充放電演算部４６は、発電機２の発電可能電力では不足する２ＫｗをＥＤＬＣ４２がインバータ１０に供給するようにチョッパ４４を制御する。また、ベクトル制御装置４８は、演算部４０からのＥＤＬＣ４２が出力可能な電力と発電機４が発電可能な電力をと加算した値が、旋回用操作レバー１６からの操作信号が表す電力以上であると、旋回用操作レバー１６からの操作信号が表す電力が旋回用電動モータ１２に供給されるようにインバータ１０を制御する。この制御のために、旋回用電動モータ１２に供給される電流を検出する電流センサ５０や、旋回用電動モータ１２の回転位置を検出する位置センサ５２が設けられ、これらが検出した信号はベクトル制御装置４８に供給されている。また、位置センサ５２の信号は、フィードバック制御するために旋回用操作レバー１６からの操作信号が供給され、出力がベクトル制御装置４８に供給されている加減算器５４に供給されている。
なお、演算部４０から出力された発電機２が出力可能な電力が、旋回用操作レバー１６からの操作信号が表す電力よりも大きいときには、充放電演算部４６は、ＥＤＬＣ４２を充電するようにチョッパ回路４４を制御する。
また、旋回用操作レバー１６からの操作信号が表す電力が、演算部４０からの出力が表す発電機２が発電可能な電力とＥＤＬＣ４２が出力可能な電力との加算値よりも大きい場合、即ち、油圧機器１４と旋回用電動モータ１２とに必要な電力を、発電機２とＥＤＬＣ４２とでは供給できない場合、充放電演算部４６は、ＥＤＬＣ４２の全ての電力がインバータ１０に供給されるようにチョッパ回路４４を制御するが、不足分の電力を旋回用電動モータ１２の電力を抑制するために、ベクトル制御装置４８が旋回用電動モータ１２の旋回トルクまたは速度を制限するようにインバータ１０に指示を与える。例えば、旋回用操作レバー１６からの操作信号が表す電力が９Ｋｗであり、発電機２が出力可能な電力が２Ｋｗで、ＥＤＬＣ４２が出力可能な電力が６Ｋｗであるとすると、１Ｋｗ不足するので、ベクトル制御装置４８は、不足である１Ｋｗ分だけ、旋回用電動モータ１２への電力を抑制するように、旋回トルクまたは速度を制限する。ハイブリッド建設機械の掘削作業において、旋回速度が低下することより、油圧機器（ブームシリンダ、アームシリンダ等）の速度が低下する方が作業効率が悪化する。また、操縦者に与える感覚も効率低下を実感するものとなる。上記構成によれば、油圧機器に優先的に出力パワーを配分することで駆動源からの限られた出力パワーにおいて作業効率を向上させることができる。
第２の実施形態を図２に示す。この実施形態では、油圧ポンプ６ａに可変油圧形のものを使用している。油圧ポンプ６ａが備える斜板の傾斜角がレギュレータ６０によって制御される。レギュレータ６０には油圧機器１４の負荷圧力が供給され、油圧ポンプ６ａの斜板を傾転させる駆動部をレギュレータ６０は備えている。駆動部には位置センサ６２が設けられ、位置センサ６２の位置信号を負荷信号として、減算器６４に供給している。減算器６２には、油圧アクチュエータ用の操作レバー１８からの操作信号（油圧アクチュエータによって必要とされるパワーを表す信号）または回転数／トルク余裕テーブル３８の出力信号も供給され、発電機２が出力可能な電力を表す信号が減算器６４から演算部６６に供給される。演算部６６にはＥＤＬＣ４２から出力可能な電力を表す信号が演算部６６に供給されている。以下、第１の実施形態と同様に動作する。
上記の２つの実施形態では、前記油圧アクチュエータと前記旋回用電動モータとが同時に操作されているときに、前記駆動源が出力する出力パワーと、前記油圧アクチュエータ及び前記旋回用電動モータが必要とする必要パワーとを検出し、前記必要パワーが前記出力パワーを超えた場合の前記旋回用電動モータのトルクまたは加速度として、油圧アクチュエータ用操作レバーや旋回用操作レバーの操作量に基づく油圧アクチュエータや旋回用電動モータへの出力パワーの配分よりも、油圧アクチュエータへの出力配分を多くしたが、これに代えて、旋回用操作レバーからの信号に１よりも小さい比率を乗算した値と、油圧アクチュエータ用操作レバーからの信号とに基づいてパワー配分するものや、旋回用操作レバーからの信号に上限を設けて、上限以上には旋回用電動モータにパワーを配分しないようにしたものや、旋回用電動モータの制御に使用する係数、例えばＰＩ定数やＰＩＤ定数を低くしたりするものを使用することもできる。また、前記旋回用電動モータによる旋回の範囲を旋回範囲検出手段で検出し、検出された旋回の範囲が予め定めた旋回所定範囲以下か判定手段で判定し、旋回所定範囲以下のときには、旋回用電動モータのトルクまたは加速度を予め定めた上限以上には増加させないように制限するものや、検出された旋回の範囲が旋回所定範囲以下のときには、操作レバーからの信号に１より小さい比率を乗算するものを使用することもできる。
上記の両実施形態では、ＥＤＬＣ４２を使用したが、これに代えて充放電可能な蓄電池を使用することもできる。また、場合によっては、ＥＤＬＣ４２を除去することもできる。
２ エンジン（駆動源）
４ 発電機
６ 油圧ポンプ
１２ 旋回用電動モータ
１４ 油圧機器（油圧アクチュエータ）

Claims (12)

  1. 駆動源の一部としてのエンジンの動力を油圧ポンプと発電機とに分けて、前記発電機が発電する電力で旋回用電動モータを駆動し、前記油圧ポンプが供給する圧油で油圧アクチュエータを駆動するハイブリッド建機に用いられるハイブリッド建機の制御装置において、
    前記油圧アクチュエータと前記旋回用電動モータとが同時に操作されているときに、前記駆動源が出力する出力パワーと、前記油圧アクチュエータ及び前記旋回用電動モータが必要とする必要パワーとを検出し、前記必要パワーが前記出力パワーを超えた場合には、前記旋回用電動モータのトルクまたは加速度を制限して、前記油圧アクチュエータに優先的に出力パワーを配分することを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  2. 請求項１記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記エンジンの出力軸の回転数から、前記駆動源の一部としてのエンジンの出力パワーを算出するエンジン出力検出手段を備えたことを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  3. 請求項２記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記駆動源として蓄電手段を備え、この蓄電手段の充電電圧から前記出力パワーを算出する蓄電出力算出手段を設け、前記エンジン出力検出手段と前記蓄電出力検出手段とから、前記ハイブリッド建機の駆動源が出力する出力パワーを算出することを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  4. 請求項２または３記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記エンジンの出力軸の回転数を前記発電機の位置センサから算出することを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  5. 請求項１記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記発電機が発電可能な電力を検出する発電電力検出手段を設け、この発電電力検出手段の出力に基づき、前記旋回用電動モータを制限する旋回用電動モータ駆動制限手段を設けたことを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  6. 請求項５記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記発電電力検出手段は、前記油圧ポンプの下流側に配置された流量センサと、前記油圧ポンプの下流側に配置された圧油の圧力センサとを、有し、前記油圧アクチュエータの必要パワーを算出することを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  7. 請求項５記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記発電電力検出手段は、前記旋回用電動モータの出力軸に配置された２つの軸トルクセンサを有し、前記油圧アクチュエータの必要パワーを算出することを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  8. 請求項５記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記発電電力検出手段は、前記油圧アクチュエータ用の操作レバーの操作量に基づき、前記油圧アクチュエータの必要パワーを算出することを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  9. 請求項５記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記発電電力検出手段は、前記油圧ポンプの下流側に配置された圧油の圧力センサの出力と、前記アクチュエータ用の操作レバーの操作量とに基づき、前記油圧アクチュエータの必要パワーを算出することを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  10. 請求項５記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記発電電力検出手段は、各操作レバーの操作量から、前記旋回用電動モータ及び前記油圧アクチュエータの必要とする必要パワーを算出することを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  11. 請求項１記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記旋回用電動モータによる旋回の範囲を検出し、検出された旋回の範囲が旋回所定範囲以下のときには、旋回用電動モータのトルクまたは加速度の上限を制限することを特徴とするハイブリッド建機の制御装置。
  12. 請求項１記載のハイブリッド建機の制御装置において、前記旋回用電動モータによる旋回の範囲を検出し、検出された旋回の範囲が旋回所定範囲以下のときには、操作レバーからの信号に１より小さい比率を乗算するハイブリッド建機の制御装置。
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