JP2014159716A - 作業機械の駆動制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】作業機械の蓄電装置に対して外部充電が行われた場合は行われなかった場合と比べて、蓄電装置の出力を大きく設定できるようにすること。
【解決手段】エンジン31でのポンプ32の駆動をアシストするアシストモータ42(モータ・ジェネレータ)と、旋回体3を駆動する旋回モータ47(モータ・ジェネレータ)と、バッテリ41の出力の制御を行う手段52と、外部充電が行われたか否かを検知する手段51を備え、手段52は、外部充電が行われたことが検知された場合にアシストモータ42や旋回モータ47の駆動時にバッテリ41(蓄電装置)の出力を制限せず、アシストモータ42および旋回モータ47の要求に基づき制御する第1のモードでの制御を行い、外部充電が行われていないことが検知された場合にアシストモータ42や旋回モータ47の駆動時に充電残量を所定充電残量に維持する第2のモードでの制御を行う。
【選択図】図2

Description

本発明は、蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを用いて作業機械を駆動する作業機械の駆動制御装置に関する。
従来、作業機械の駆動制御装置には、例えば油圧ショベルに搭載されたものがあり、走行体のクローラを駆動するための走行モータ(油圧モータ)と、ブームを駆動するためのブームシリンダ(油圧シリンダ)と、アームを駆動するためのアームシリンダ(油圧シリンダ)と、バケットを駆動するためのバケットシリンダ(油圧シリンダ)と、エンジン(内燃機関)と、これら走行モータ、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダに供給される圧油を、エンジンにより駆動されて吐出する油圧ポンプとを備える。
この作業機械の駆動制御装置はさらに、内燃機関から成るエンジンにより駆動されるジェネレータと、このジェネレータにより生成された電気エネルギを蓄える蓄電装置と、ジェネレータにより生成された電気エネルギ、または蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを供給されて所定部位を駆動する電動アクチュエータ、例えば旋回体を駆動する電動モータとを備える。この種の従来の技術としては例えば特許文献1に開示されたものがある。
また、前述とは別の駆動制御装置は、前述のジェネレータの替わりに、モータ・ジェネレータを備え、蓄電装置における充電残量に応じて、そのモータ・ジェネレータの力行動作、すなわちエンジンによる油圧ポンプの駆動をアシストする動作に対し所定の制限が加えられるようにされている。これによって、蓄電装置における充電残量の急速な減少が防止される。この種の従来の駆動制御装置としては、例えば特許文献2に開示されたものがある。
特開2001−11897号公報 特開2005−83242号公報
ところで、作業機械の駆動制御装置において、蓄電装置を、作業機械に備えられたジェネレータまたはモータ・ジェネレータによる充電以外に、作業機械の外部に設けられた外部電源による充電(以下適宜「外部充電」という)が可能に構成することが考えられる。
特許文献1,2に開示された技術のように外部充電を行うことを考慮していない構成である場合、蓄電装置に対して充電を行うための電気エネルギは、エンジンの出力が変換されてなる電気エネルギと、回生により生成された電気エネルギとに限られる。つまり、作業機械に搭載された燃料を消費して生成できる電気エネルギの範囲内でしか、蓄電装置に対する充電が行われないので、その範囲を超える出力アップは望めない。
本発明は前述の事情を考慮してなされたものであり、蓄電装置に対して外部充電が行われた場合は行われなかった場合と比べて、蓄電装置の出力を大きく設定することができる作業機械の駆動制御装置を提供することにある。
前述の目的を達成するために本発明は作業機械の駆動制御装置は次のように構成されている。
〔1〕 本発明の作業機械の駆動制御装置は、エンジンと、前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプの吐出油を供給されて作業機械の所定部位を駆動する油圧アクチュエータと、蓄電装置と、前記蓄電装置からの電気エネルギの供給によって力行することで、前記エンジンによる前記油圧ポンプの駆動をアシストするとともに、前記エンジンにより駆動されることによって前記蓄電装置に充電される電気エネルギを生成する電動モータと、前記蓄電装置からの電気エネルギの供給によって力行することで、前記所定部位とは別の所定部位を駆動するとともに、前記蓄電装置に充電される電気エネルギを回生により生成する電動アクチュエータと、前記蓄電装置から前記電動モータおよび前記電動アクチュエータに供給される電気エネルギの出力と、前記電動モータおよび前記電動アクチュエータにより生成される電気エネルギの前記蓄電装置に対する充電とを、前記蓄電装置の充電残量が所定充電残量に維持されるように制御する電気出力制御手段とを備える作業機械の駆動制御装置において、前記蓄電装置は、作業機械の外部に設けられた外部電源により充電可能なものであり、前記外部電源によって前記蓄電装置に対し充電が行われた否かを検知する外部充電検知手段が設けられ、この外部充電検知手段は、前記蓄電装置における充電残量が所定充電残量よりも大きく予め設定された規定充電残量以上であることを、前記外部電源によって前記蓄電装置に対し充電が行われたこととして検知し、前記蓄電装置における蓄電残量が前記規定充電残量よりも小さな充電残量であることを、前記外部電源によって前記蓄電装置に対し充電が行われていないこととして検知するものであり、前記電気出力制御手段は、前記外部電源により前記蓄電装置に対して充電が行われたことが前記外部充電検知手段により検知された場合に、前記蓄電装置から出力される電気エネルギを制限せずに前記電動モータおよび前記電動アクチュエータの要求に基づき制御する第1のモードでの制御を行い、前記外部電源により前記蓄電装置に対して充電が行われていないことが前記外部充電検知手段により検知された場合に、前記蓄電装置から出力される電気エネルギを制限して前記蓄電装置における充電残量を前記所定充電残量に維持する第2のモードでの制御を行うことを特徴とする。
この「〔1〕」に記載された本発明の作業機械の駆動制御装置において、電気出力制御手段は、外部電源によって蓄電装置に対し充電が行われたこと(外部充電が行われたこと)が外部充電検知手段により検知された場合に、蓄電装置から出力される電気エネルギを制限せずに電動モータおよび電動アクチュエータの要求に基づいて制御する第1のモードでの制御を行い、外部充電が行われていないことが外部充電検知手段により検知された場合に、蓄電装置から出力される電気エネルギを制限して充電残量を所定充電残量に維持する第2のモードでの制御を行う。外部充電が行われたことが検知される場合とは、充電残量が規定充電残量以上となるまで充電された場合であり、その規定充電残量は所定充電残量よりも予め大きく設定されたものであるから、第1のモードにおける蓄電装置の出力の上限は、第2のモードにおける蓄電装置の出力の上限に比べて大きく設定されることになる。これらにより、本発明の作業機械の駆動制御装置は、作業機械の蓄電装置に対して外部充電が行われた場合は行われなかった場合と比べて、蓄電装置の出力を大きく設定することができる。
〔2〕 本発明の作業機械の駆動制御装置は、「〔1〕」に記載された本発明の作業機械の駆動制御装置において、前記電気出力制御手段は、前記第1のモードで前記蓄電装置の出力の制御を開始した後、前記蓄電装置における充電残量が前記所定充電残量まで減少したときに、前記第1のモードから前記第2のモードに移行することを特徴とするものであってもよい。
この「〔2〕」に記載された本発明の作業機械の駆動制御装置は、蓄電装置に対し外部充電が行われた場合であっても作業機械での作業中に蓄電装置での充電残量が所定充電残量まで減少した後は、蓄電装置における充電残量を所定充電残量に維持することができる。
本発明の作業機械の駆動制御装置は、前述のように、作業機械の蓄電装置に対して外部充電が行われた場合は行われなかった場合と比べて、蓄電装置の出力を大きく設定することができる。
本発明の作業機械の駆動制御装置の一実施形態が搭載される油圧ショベル(作業機械)の側面図である。 本発明の作業機械の駆動制御装置の一実施形態を示すブロック図である。 外部充電を行った場合の蓄電装置の充電残量の推移の一例を示す図である。 外部充電を行わなかった場合の蓄電装置の充電残量の推移の一例を示す図である。
本発明の一実施形態に係る作業機械の駆動制御装置について図1〜図4を用いて説明する。
図1に示す油圧ショベル1は、履帯を駆動して走行する走行体2と、運転室4、機械室5およびカウンタウェイト6を有し、走行体2の上部に旋回可能に結合した旋回体3と、この旋回体3の前部に装備されたフロント作業装置7とを備える。フロント作業装置7は、旋回体3の前部に回動可能に結合したブーム8と、このブーム8の先端部に回動可能に結合したアーム9と、このアーム9の先端部に回動可能に結合したバケット10とを備える。
本実施形態は駆動制御装置30である。この駆動制御装置30は、前述の油圧ショベル1を駆動するものであって、内燃機関から成るエンジン31と、このエンジン31により駆動される可変容量型油圧ポンプ32と、この可変容量型油圧ポンプ32の吐出油を供給されて油圧ショベル1の所定部位を駆動する油圧アクチュエータ、すなわち走行体2、ブーム8、アーム9、バケット10のそれぞれを駆動するための走行モータ33(油圧モータ)、ブームシリンダ34(油圧シリンダ)、アームシリンダ35(油圧シリンダ)、バケットシリンダ36(油圧シリンダ)のそれぞれとを備える。可変容量型油圧ポンプ32と、走行モータ33、ブームシリンダ34、アームシリンダ35およびバケットシリンダ36との間には、油圧制御回路37が介在して設けられ、この油圧制御回路37によって、走行モータ33、ブームシリンダ34、アームシリンダ35、バケットシリンダ36のそれぞれに対して可変容量型油圧ポンプ32から供給される圧油の流れが制御されるようになっている。
駆動制御装置30はさらに、蓄電装置としてのバッテリ41と、このバッテリ41からの電気エネルギの供給によって力行することで、エンジン31による可変容量型油圧ポンプ32の駆動をアシストするアシストモータ32とを備える。アシストモータ32はモータ・ジェネレータから成り、エンジン31により駆動されることによってバッテリ41に充電される電気エネルギを生成する。
駆動制御装置30はさらに、走行体2、ブーム8、アーム9、バケット10とは別の所定部位すなわち旋回体3を、バッテリ41からの電気エネルギの供給によって力行することで駆動する旋回モータ47を備える。この旋回モータ47はモータ・ジェネレータから成り、旋回モータ47の制動時に回生によりバッテリ41に充電される電気エネルギを生成する。
駆動制御装置30はさらに、バッテリ41の出力をアシストモータ32の駆動電力に変換するアシスト用インバータ43と、バッテリ41の出力を旋回モータ47の駆動電力に変換する旋回用インバータ48と、アシストモータ42により生成された電気エネルギ、および、旋回モータ47により生成された電気エネルギを、バッテリ41に充電可能に変換するコンバータ44とを備える。
駆動制御装置30はさらに、アシスト用インバータ43、旋回用インバータ48およびコンバータ44を制御するコントローラ50を備える。
バッテリ41には、油圧ショベル1の外部に設けられた外部電源と接続可能な充電器60が接続されている。つまり、バッテリ41は、外部電源による充電、すなわち外部充電が可能に構成されたものである。なお、バッテリ41はフル充電が頻繁に行われると寿命が短くなりやすいため、充電器60による充電は、フル充電時の充電残量100%よりも小さく予め設定された充電残量(例えば90%)に達した場合に、充電を終了するよう設定されている。
駆動制御装置30はさらに、バッテリ41での充電残量を検出して、その充電残量に相応する充電残量検出信号(電気信号)をコントローラ50に出力する充電残量検出器41aを備える。
コントローラ50はCPU、ROM、RAMを備えるマイクロコンピュータであり、制御プログラムにより予め設定された外部充電検知手段51と、電気出力制御処理手段51とを備える。
外部充電検知手段51は、エンジンキーによるエンジン31の始動操作時に、バッテリ41に対し外部充電が行われたか否かを検知するものである。より詳細には、外部充電検知手段は、バッテリ41におけるにおける充電残量が所定充電残量よりも大きく予め設定された規定充電残量以上であることを、言い換えると、規定充電残量以上の充電残量が充電残量検出器41aにより検出されたことを、バッテリ41に対し外部充電が行われたこととして検知し、バッテリ41における蓄電残量が規定充電残量よりも小さな充電残量であることを、言い換えると、規定充電残量よりも小さな充電残量が充電残量検出器41aにより検出されたことを、バッテリ41に対し外部充電が行われていないこととして検知するものである。「所定充電残量」とは、例えばバッテリ41がフル充電された場合の充電残量を100%とした場合の30%である。「規定充電残量」とは、例えばバッテリ41がフル充電された場合の充電残量を100%とした場合の50%である。
電気出力制御手段52は、アシスト用インバータ42からアシストモータ32に供給される電力と、旋回用インバータ48から旋回モータ47に供給される電力とを、充電残量検出器41aにより検出される充電残量に基づき制御することによって、バッテリ41からアシストモータ42および旋回モータ47に供給される電気エネルギの出力を制御するものであるとともに、アシストモータ42および旋回モータ47により生成される電気エネルギのバッテリ41に対する充電を、充電残量検出器41aにより検出される充電残量に基づきコンバータ44を制御することによって行うものである。
より詳細には、バッテリ41に対し外部充電が行われたことが外部充電検知手段51により検知された場合に、バッテリ41から出力される電気エネルギを制限せずに、アシストモータ42および旋回モータ47の要求に基づいて制御する第1のモードでの制御を、電気出力制御手段52は行う。一方、バッテリ41に対し外部充電が行われたことが外部充電検知手段51により検知されない場合に、バッテリ41から出力される電気エネルギを制限して、バッテリ41における充電残量を所定充電残量(30%)に維持する第2のモードでの制御を、電気出力制御手段52は行う。
また、電気出力制御手段52は、第1のモードでバッテリ41の出力の制御を開始した後、バッテリ41における充電残量が所定充電残量(30%)以下まで減少したときに、言い換えると、充電残量検出器41aにより検出された充電残量が所定充電残量(30%)以下まで減少したときに、第1のモードから第2のモードに移行する。
第2モード中、電気出力制御手段52は、バッテリ41における充電残量が所定充電残量以下の状態において、アシストモータ32がエンジン31により駆動されて電気エネルギを生成した場合にその電気エネルギでバッテリ41の充電を行い、旋回モータ47が制動時に回生により電気エネルギを生成した場合にその電気エネルギでバッテリ41の充電を行う。
駆動制御装置30はさらに、第1のモードと第2のモードとを手動により選択的に電気出力制御手段52に指定するモード指令装置61を備える。なお、モード指令装置61により電気出力制御手段52に第1のモードが指令された場合であっても、充電残量検出器41aにより所定充電残量(30%)以下が検出された状態においては、電気出力制御手段52は、第1のモードをキャンセルし、強制的(自動的)に第2のモードに設定される。
このように構成された本実施形態の駆動制御装置30によれば、バッテリ41の充電残量は例えば図3,図4に示すように推移する。
図3に示すように、油圧ショベル1が使用されない期間内(非作業中)、例えば1日〜2日程度の間に、バッテリ41に対して外部充電が行われ、例えば時点T1で充電残量が90%に達すると、充電器60は充電を終了する。その外部充電の後、時点T2で油圧ショベル1に作業を開始させるにあたって、エンジンキーによりエンジン31の始動操作が行われたときに、充電残量検出器41aは規定充電残量(50%)以上の充電残量である90%を検出し、この90%に相応する充電残量検出信号をコントローラ50に出力する。その充電残量検出信号がコントローラ50に入力されると、コントローラ50の外部充電検知手段51は、その充電残量検出信号により示された充電残量が90%であって規定充電残量以上であることを、バッテリ41に対し外部充電が行われたこととして検知する。
これに伴い、コントローラ50の電気出力制御手段52は、バッテリ41から出力される電気エネルギの制御を、第1のモードで行う。つまり、電気出力制御手段52は、バッテリ41から出力される電気エネルギを制限せずに、アシストモータ42および旋回モータ47の要求に基づき制御する。
第1モード中はバッテリ41から出力される電気エネルギが制限されないので、バッテリ41の充電残量は、油圧ショベル1での作業中においてアシストモータ32および旋回モータ47の少なくとも一方で消費され、減少し続ける。この結果、充電残量が時点T3で所定充電残量(30%)に達する。このとき、充電残量検出器41aは充電残量が30%になったことを検出して、その30%に相応する充電残量検出信号をコントローラ50に出力する。その充電残量検出信号がコントローラ50に入力されると、コントローラ50の電気出力制御手段52は、所定充電残量(30%)まで減少したことに基づき、第1のモードから第2モードに移行する。つまり、電気出力制御手段52は、バッテリ41から出力される電気エネルギを制限して、バッテリ41の充電残残量が所定充電残量(30%)に維持されるように、バッテリ41からアシストモータ42および旋回モータ47に供給される電気エネルギの出力と、アシストモータ42および旋回モータ47により生成される電気エネルギのバッテリ41に対する充電とを制御する。これにより、バッテリ41の充電残量は、例えば図3に示すように所定充電残量30%前後の所定範囲内で増減する状態となる。
図4に示すように、油圧ショベル1が使用されない期間内(非作業中)にバッテリ41に対して外部充電が行われなかったために、バッテリ41における充電残量は、前回の作業終了時点のまま、例えば所定充電残量(30%)のままである場合、時点T4で油圧ショベル1に作業を開始させるにあたって、エンジンキーによりエンジン31の始動操作が行われたときに、充電残量検出器41aは規定充電残量(50%)よりも小さい充電残量(30%)を検出し、この30%に相応する充電残量検出信号をコントローラ50に出力する。その充電残量検出信号がコントローラ50に入力されると、コントローラ50の外部充電検知手段51は、その充電残量検出信号により示された充電残量が30%であって所定充電残量以下であることを、バッテリ41に対し外部充電が行われなかったこととして検知する。
コントローラ50の電気出力制御手段52は、バッテリ41に対し外部充電が行われていないことが外部充電検知手段51により検知されたことに基づき、第2のモードでの制御を開始する。つまり、電気出力制御手段52は、前述のように、バッテリ41から出力される電気エネルギを制限して、バッテリ41の充電残残量が所定充電残量(30%)に維持されるように、バッテリ41からアシストモータ42および旋回モータ47に供給される電気エネルギの出力と、アシストモータ42および旋回モータ47により生成される電気エネルギのバッテリ41に対する充電とを制御する。これにより、バッテリ41の充電残量は、図4に示すように所定充電残量30%前後の所定範囲内で増減する状態となる。
本実施形態によれば次の効果を得られる。
本実施形態において、電気出力制御手段52は、バッテリ41に対し外部充電が行われたことが外部充電検知手段51により検知された場合に、バッテリ41から出力される電気エネルギを制限せずに、アシストモータ42および旋回モータ47の要求に基づいて制御する第1のモードでの制御を行い、外部充電が行われていないことが外部充電検知手段51により検知された場合に、バッテリ41から出力される電気エネルギを制限して、充電残量を所定充電残量(30%)に維持する第2のモードでの制御を行う。外部充電が行われたことが検知される場合とは、充電残量が規定充電残量(50%)以上となるまで充電された場合であり、その規定充電残量(50%)は所定充電残量(30%)よりも予め大きく設定されたものであるから、第1のモードにおけるバッテリ41の出力の上限は、第2のモードにおけるバッテリ41の出力の上限に比べて大きく設定されることになる。これらにより、本実施形態は、油圧ショベル1のバッテリ41に対して外部充電が行われた場合は行われなかった場合と比べて、バッテリ41の出力を大きく設定することができる。
本実施形態において、電気出力制御手段52は、第1のモードでバッテリ41の出力の制御を開始した後、充電残量検出器41aにより検出された充電残量が所定充電残量(30%)まで減少したときに、第1のモードから第2のモードに移行する。これにより、バッテリ41に対し外部充電が行われた場合であっても油圧ショベル1での作業中にバッテリ41での充電残量が所定充電残量(30%)まで減少した後は、バッテリ41における充電残量を所定充電残量に維持することができる。
なお、前述の実施形態において、アシストモータ32および旋回モータ47は何れもモータ・ジェネレータであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、アシストモータ32および旋回モータ47の何れか一方のみモータ・ジェネレータであってもよい。
前述の実施形態において、蓄電装置はバッテリ41であるが、本発明における蓄電装置はバッテリに限定されるものではなく、キャパシタであってもよい。
前述の実施形態において、蓄電装置はバッテリ41のみから構成されるものであるが、バッテリ41とキャパシタとから構成されるものであってもよい。この場合に、第1のモードにおける蓄電装置の出力はバッテリ41の出力のみで設定され、第2のモードにおける蓄電装置の出力はキャパシタの出力のみで設定されてもよい。
前述の実施形態は油圧ショベル1に適用された例であるが、本発明は油圧ショベル1以外の作業機械に適用されてもよい。
1 油圧ショベル(作業機械)
2 走行体(所定部位)
3 旋回体(別の所定部位)
8 ブーム(所定部位)
9 アーム(所定部位)
10 バケット(所定部位)
30 駆動制御装置
31 エンジン
32 可変容量型油圧ポンプ
33 走行モータ(油圧アクチュエータ)
34 ブームシリンダ(油圧アクチュエータ)
35 アームシリンダ(油圧アクチュエータ)
36 バケットシリンダ(油圧アクチュエータ)
41 バッテリ(蓄電装置)
42 アシストモータ(電動モータ)
43 アシスト用インバータ
44 コンバータ
45 旋回モータ(電動アクチュエータ)
46 旋回用インバータ
50 コントローラ
51 外部充電検知手段
52 電気出力制御手段
41a 充電残量検出器

Claims (2)

  1. エンジンと、
    前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
    前記油圧ポンプの吐出油を供給されて作業機械の所定部位を駆動する油圧アクチュエータと、
    蓄電装置と、
    前記蓄電装置からの電気エネルギの供給によって力行することで、前記エンジンによる前記油圧ポンプの駆動をアシストするとともに、前記エンジンにより駆動されることによって前記蓄電装置に充電される電気エネルギを生成する電動モータと、
    前記蓄電装置からの電気エネルギの供給によって力行することで、前記所定部位とは別の所定部位を駆動するとともに、前記蓄電装置に充電される電気エネルギを回生により生成する電動アクチュエータと、
    前記蓄電装置から前記電動モータおよび前記電動アクチュエータに供給される電気エネルギの出力と、前記電動モータおよび前記電動アクチュエータにより生成される電気エネルギの前記蓄電装置に対する充電とを、前記蓄電装置の充電残量が所定充電残量に維持されるように制御する電気出力制御手段とを備える作業機械の駆動制御装置において、
    前記蓄電装置は、作業機械の外部に設けられた外部電源により充電可能なものであり、
    前記外部電源によって前記蓄電装置に対し充電が行われた否かを検知する外部充電検知手段が設けられ、この外部充電検知手段は、前記蓄電装置における充電残量が所定充電残量よりも大きく予め設定された規定充電残量以上であることを、前記外部電源によって前記蓄電装置に対し充電が行われたこととして検知し、前記蓄電装置における蓄電残量が前記規定充電残量よりも小さな充電残量であることを、前記外部電源によって前記蓄電装置に対し充電が行われていないこととして検知するものであり、
    前記電気出力制御手段は、
    前記外部電源により前記蓄電装置に対して充電が行われたことが前記外部充電検知手段により検知された場合に、前記蓄電装置から出力される電気エネルギを制限せずに、前記電動モータおよび前記電動アクチュエータの要求に基づき制御する第1のモードでの制御を行い、
    前記外部電源により前記蓄電装置に対して充電が行われていないことが前記外部充電検知手段により検知された場合に、前記蓄電装置から出力される電気エネルギを制限して、前記蓄電装置における充電残量を前記所定充電残量に維持する第2のモードでの制御を行う
    ことを特徴とする作業機械の駆動制御装置。
  2. 請求項1に記載の作業機械の駆動制御装置において、
    前記電気出力制御手段は、前記第1のモードで前記蓄電装置の出力の制御を開始した後、前記蓄電装置における充電残量が前記所定充電残量まで減少したときに、前記第1のモードから前記第2のモードに移行する
    ことを特徴とする作業機械の駆動制御装置。
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