WO2011099401A1

WO2011099401A1 - ハイブリッド建設機械の制御システム

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Publication number: WO2011099401A1
Application number: PCT/JP2011/052062
Authority: WO
Inventors: 治彦川崎; 祐弘江川
Original assignee: カヤバ工業株式会社
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2011-08-18
Also published as: KR20120063510A; JP2011163291A; DE112011100517T5; US20120245806A1; CN102695866A; US8606452B2; KR101507646B1; JP5511425B2

Abstract

コントローラは、バッテリーの蓄電量がしきい値を下回ったかどうかを判定し、蓄電量が前記しきい値を下回った場合は、アシスト修正係数に基づいてアシスト制御機構を制御してサブポンプのアシスト出力を減少させ、エンジン回転速度修正係数に基づいてエンジンコントローラを制御してエンジンの回転速度を増大させてメインポンプの吐出量を増大させ、サブポンプのアシスト出力が減少した分、エンジンの回転速度を上げてメインポンプの出力を上昇させる。

Description

ハイブリッド建設機械の制御システム

　この発明は、バッテリーの電力で回転する電動モータを備え、電動モータの動力を利用するハイブリッド建設機械の制御システムに関する。

　ＪＰ２００９－２８７３４４Ａは、バッテリーの電力で回転する電動モータを備えたハイブリッド建設機械の制御システムを開示している。

　この従来の装置は、バッテリーの電力で回転する電動モータの動力でサブポンプを回転し、サブポンプの吐出油をメインポンプに合流させて、アシスト力を発揮させる。

　バッテリーの蓄電量が低下した場合は、サブポンプのアシスト力を減少させるとともに、エンジンの回転速度を上げてバッテリーの充電を優先させる。

　上記従来の装置では、バッテリーの蓄電量が低下した場合に、サブポンプのアシスト力を減少させるとともに、エンジンの回転速度を上げて充電を優先させるようにしている。しかし、サブポンプのアシスト出力が減少した分の出力をまかなう構成になっていない。

　サブポンプのアシスト力を減少させた場合に、そのアシスト力の減少分をまかなえないと、継続している作業においてその作業性が変化し、オペレータに違和感を与える。

　この発明の目的は、サブポンプの出力を減少させたとしても作業性が安定し、しかも、過放電を防止できるハイブリッド建設機械の制御システムを提供することである。

　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であって、可変容量のメインポンプと、前記メインポンプを駆動するエンジンと、前記エンジンの回転を制御するエンジン回転速度制御部と、発電機と、前記発電機で発電された電力を蓄電するバッテリーと、前記メインポンプの吐出側に接続されるとともに前記メインポンプをアシストする可変容量のサブポンプと、前記サブポンプが指令されたアシスト出力を出力するように制御するアシスト制御機構と、前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を下回った場合に前記アシスト制御機構を制御して前記サブポンプのアシスト出力を減少させるためのアシスト修正係数の係数テーブルと、前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を下回った場合に前記エンジンの回転速度を上げるためのエンジン回転速度修正係数の係数テーブルと、前記バッテリーの蓄電量に対する前記しきい値とを記憶する記憶部と、前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を下回ったかどうかを判定し、前記バッテリーの蓄電量がしきい値を下回った場合に前記アシスト修正係数に基づいて前記アシスト制御機構を制御して前記サブポンプのアシスト出力を減少させ、前記エンジン回転速度修正係数に基づいて前記エンジン回転速度制御部を制御して前記エンジンの回転速度を増大させて前記メインポンプの吐出量を増大させ、前記サブポンプのアシスト出力が減少した分、前記エンジンの回転速度を上げて前記メインポンプの出力を上昇させる制御部と、を備えるハイブリッド建設機械の制御システムが提供される。

　上記態様によれば、サブポンプのアシスト出力が減少した分、エンジンの回転速度を上げてメインポンプの出力を上昇させる構成にしたので、サブポンプの出力を相対的に小さくしたとしてもその作業性を損なうようなことはない。

　また、バッテリーの蓄電量に応じて修正係数をあらかじめテーブル化して記憶させているので、サブポンプのアシスト出力やエンジン回転速度の制御が簡単になるとともに、調整やメンテナンスが簡単になる。

　本発明の実施形態及び本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の油圧回路図である。図２は、本発明の実施形態の修正テーブルを示す説明図である。図３は、本発明の実施形態の制御フローチャートである。

　図１はパワーショベルの油圧回路図である。パワーショベルは、回転速度センサーを備えたエンジンＥで駆動する可変容量の第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２を備える。第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２は同軸回転する。ジェネレータ１はエンジンＥに設けられ、エンジンＥの余力を利用して発電する。エンジンＥはエンジンコントローラＥＣの出力信号によって回転速度が制御される。

　第１メインポンプＭＰ１は第１回路系統Ｓ１に接続する。第１回路系統Ｓ１には、上流側から順に、旋回モータＲＭを制御する操作弁２、アームシリンダを制御する操作弁３、ブームシリンダＢＣを制御するブーム２速用の操作弁４、予備用アタッチメントを制御する操作弁５および左走行用である第１走行用モータを制御する操作弁６が接続する。

　各操作弁２～６のそれぞれは、中立流路７およびパラレル通路８を介して第１メインポンプＭＰ１に接続する。

　中立流路７の第１走行モータ用操作弁６の下流側にはパイロット圧を生成するための絞り９を設けている。絞り９は、絞り９を流れる流量が多ければ、上流側に高いパイロット圧を生成し、流量が少なければ低いパイロット圧を生成する。

　中立流路７は、操作弁２～６のすべてが中立位置又は中立位置近傍にある場合は、第１メインポンプＭＰ１から吐出された油の全部または一部を、絞り９を介してタンクＴに導く。この場合は絞り９を通過する流量も多くなるので高いパイロット圧が生成される。

　操作弁２～６がフルストロークの状態で切り換えられると、中立流路７が閉ざされて流体の流通がなくなる。したがって、この場合には、絞り９を流れる流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つ。

　ただし、操作弁２～６の操作量によっては、ポンプ吐出量の一部がアクチュエータに導かれ、一部が中立流路７からタンクに導かれるので、絞り９は、中立流路７に流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。言い換えると、絞り９は、操作弁２～６の操作量に応じたパイロット圧を生成する。

　中立流路７の最下流の操作弁６と絞り９との間には、電磁切換制御弁１０を設けている。電磁切換制御弁１０のソレノイドはコントローラＣに接続する。

　電磁切換制御弁１０は、そのソレノイドが非励磁の場合は、スプリングのばね力の作用で図示の全開位置を保ち、ソレノイドが励磁した場合は、スプリングのばね力に抗して絞り位置に切り換わる。電磁切換制御弁１０が絞り位置に切り換わった場合の絞り開度は、絞り９の開度よりも小さくなる。

　中立流路７の操作弁６と電磁切換制御弁１０との間にはパイロット流路１１が接続する。パイロット流路１１は、第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御するレギュレータ１２に接続する。

　レギュレータ１２は、パイロット流路１１のパイロット圧と逆比例して第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御して、１回転当たりの押し除け量を制御する。したがって、操作弁２～６をフルストロークして中立流路７の流れがなくなって、パイロット圧がゼロになれば、第１メインポンプＭＰ１の傾転角が最大になり、１回転当たりの押し除け量が最大になる。

　パイロット流路１１には、減圧弁Ｒ１とパイロット流路切換電磁弁ＰＬ１とを並列に設けている。つまり、パイロット流路切換電磁弁ＰＬ１は、減圧弁Ｒ１を迂回するバイパス流路に設けている。パイロット流路切換電磁弁ＰＬ１は、ソレノイドが非励磁の場合は開位置を保ち、中立流路７からパイロット流路１１に至る過程で、減圧弁Ｒ１を迂回させる。パイロット流路切換電磁弁ＰＬ１は、ソレノイドが励磁した場合は閉位置を保ち、減圧弁Ｒ１を介してのみ中立流路７とパイロット流路１１とを連通させる。

　操作弁２～６のすべてが中立位置にあって、電磁切換制御弁１０が全開位置にある場合に、減圧弁Ｒ１を迂回して中立流路７とパイロット流路１１とが連通すると、絞り９の上流側の圧力がパイロット圧として直接レギュレータ１２に作用する。操作弁２～６のすべてが中立位置にある場合に、絞り９の上流側の圧力がレギュレータ１２に直接作用すると、第１メインポンプＭＰ１は、最小傾転角を維持してスタンバイ流量を確保する。

　パイロット流路切換電磁弁ＰＬ１が閉位置に切り換わって、中立流路７とパイロット流路１１とが減圧弁Ｒ１を介して連通すれば、レギュレータ１２に導かれるパイロット圧は、減圧弁Ｒ１で減圧された圧力になる。言い換えると、レギュレータ１２に作用するパイロット圧は、パイロット流路切換電磁弁ＰＬ１が開位置にある場合よりも、減圧弁Ｒ１で減圧された分だけ低くなる。

　したがって、操作弁２～６すべてが中立位置にあってパイロット流路切換電磁弁ＰＬ１が開位置にある場合よりも、第１メインポンプＭＰ１の傾転角が大きくなり、その１回転当たりの押し除け量が相対的に多くなる。

　パイロット流路１１には第１圧力センサー１３が接続する。第１圧力センサー１３で検出した圧力信号はコントローラＣに伝達される。パイロット流路１１のパイロット圧は、操作弁２～６の操作量に応じて変化するので、第１圧力センサー１３が検出する圧力信号は、第１回路系統Ｓ１の要求流量に応じて変化する。

　コントローラＣは、第１圧力センサー１３が検出する圧力信号に応じて、操作弁２～６がすべて中立位置にあるかどうかを検出する。つまり、コントローラＣは、操作弁２～６がすべて中立位置にある場合の絞り９の上流に発生する圧力を設定圧としてあらかじめ記憶している。したがって、第１圧力センサー１３の圧力信号が設定圧に達した場合は、コントローラＣは、操作弁のすべてが中立位置にあり、それらに接続されたアクチュエータが非作業の状態にあると判断できる。

　すなわち、設定圧を検出する第１圧力センサー１３によって操作弁２～６の操作状況が検出される。

　ただし、操作弁２～６の操作状況を検出する方法は、圧力センサーに限定されない。たとえば、各操作弁２～６に中立位置を検出するセンサーを設け、センサーをコントローラＣに接続すれば、中立位置を検出するセンサーによって操作弁２～６の操作状況を検出できる。

　第２メインポンプＭＰ２は第２回路系統Ｓ２に接続する。第２回路系統Ｓ２には、上流側から順に、右走行用である第２走行用モータを制御する操作弁１４、バケットシリンダを制御する操作弁１５、ブームシリンダＢＣを制御する操作弁１６およびアームシリンダを制御するアーム２速用の操作弁１７が接続する。操作弁１６にはその操作方向および操作量を検出するセンサーを設けるとともに、操作信号をコントローラＣに伝達する。

　各操作弁１４～１７は、中立流路１８を介して第２メインポンプＭＰ２に接続する。操作弁１５および操作弁１６はパラレル通路１９を介して第２メインポンプＭＰ２に接続する。

　中立流路１８の操作弁１７の下流側には絞り２０を設けている。絞り２０は、第１回路系統Ｓ１の絞り９と全く同様に機能する。

　中立流路１８の最下流の操作弁１７と絞り２０との間には、電磁切換制御弁２１を設けている。電磁切換制御弁２１も第１回路系統Ｓ１側の電磁切換制御弁１０と同じ構成である。

　中立流路１８の操作弁１７と電磁切換制御弁２１との間にはパイロット流路２２が接続する。パイロット流路２２は、第２メインポンプＭＰ２の傾転角を制御するレギュレータ２３に接続する。

　パイロット流路２２には、減圧弁Ｒ２とパイロット流路切換電磁弁ＰＬ２とを並列に設けている。つまり、パイロット流路切換電磁弁ＰＬ２は、減圧弁Ｒ２を迂回するバイパス流路に設けている。

　レギュレータ２３、減圧弁Ｒ２およびパイロット流路切換電磁弁ＰＬ２も、第１回路系統Ｓ１側のレギュレータ１２、減圧弁Ｒ１およびパイロット流路切換電磁弁ＰＬ１と同じ構成であり、それらの作動も同じである。したがって、第２回路系統Ｓ２に対する電磁切換制御弁２１、レギュレータ２３、減圧弁Ｒ２およびパイロット流路切換電磁弁ＰＬ２の作動の説明は、第１回路系統Ｓ１側の電磁切換制御弁１０、レギュレータ１２、減圧弁Ｒ１およびパイロット流路切換電磁弁ＰＬ１の説明を援用する。

　第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２のそれぞれには、流路５５、５６を介して電磁弁５８、５９が接続する。流路５５、５６は、第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２の上流側において第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２に接続する。

　電磁弁５８、５９は、ソレノイドが非励磁状態にある場合は図示の閉位置を保つ。ソレノイドを励磁した場合は開位置を保つ。それらソレノイドはコントローラＣに接続する。

　電磁弁５８、５９は合流通路５７およびチェック弁６０を介して油圧モータＭに接続する。油圧モータＭは、発電機兼用の電動モータＭＧと連係して回転する。発電機兼用の電動モータＭＧの回転で発電された電力はインバータＩを介してバッテリー２６にチャージされる。

　油圧モータＭと発電機兼用の電動モータＭＧとは、それらを直結してもよいし、減速機を介して連係してもよい。

　上記実施形態において、第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２のいずれかの操作弁、例えば第１回路系統Ｓ１のいずれかの操作弁を切り換えて、操作弁に接続したアクチュエータを作動させると、操作弁の操作量に応じて中立流路７に流れる流量が変化する。中立流路７に流れる流量に応じて、パイロット圧発生用の絞り９の上流側に発生するパイロット圧が変化する。パイロット圧に応じてレギュレータ１２は第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御する。すなわち、パイロット圧が小さくなればなるほど、傾転角を大きくして第１メインポンプＭＰ１の１回転当たりの押し除け量を多くする。反対にパイロット圧が大きくなればなるほど、傾転角を小さくして第１メインポンプＭＰ１の１回転当たりの押し除け量を少なくする。

　上記作用は、第２メインポンプＭＰ２と第２回路系統Ｓ２との関係においても同じである。

　次に、油圧モータＭを回転してバッテリー２６にチャージするために、オペレータが手動操作によって、コントローラＣにスタンバイ回生指令信号を入力した場合について説明する。

　オペレータからスタンバイ回生指令信号が入力されていない状態では、コントローラＣは、電磁切換制御弁１０、２１、パイロット流路切換電磁弁ＰＬ１、ＰＬ２および電磁弁５８、５９のすべてを図示のノーマル位置に保持する。したがって、この状態では、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の傾転角は、パイロット圧発生用の絞り９、２０の上流側の圧力で制御される。

　したがって、上記状態で、例えば制御弁２～６、１４～１７のすべてが中立位置に保たれれば、パイロット流路１１、２２に導かれるパイロット圧が最大になる。パイロット圧が最大になれば、レギュレータ１２、２３が第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の傾転角を小さくして１回転当たりの押し除け量を最小にするので、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２はスタンバイ流量を確保する。

　オペレータの手動操作により、スタンバイ回生指令信号がコントローラＣに入力すると、コントローラＣは、第１、２圧力センサー１３、２４で検出された圧力信号が設定圧に達しているか否かを判定する。圧力信号が設定圧に達していなければ、第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２のいずれかの操作弁に接続したアクチュエータが作業中であると判定して、電磁切換制御弁１０、２１、パイロット流路切換電磁弁ＰＬ１、ＰＬ２および電磁弁５８、５９をノーマル位置に保持する。

　第１、２圧力センサー１３、２４で検出された圧力信号が設定圧に達していれば、コントローラＣは、第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２のいずれの操作弁に接続したアクチュエータも非作業状態にあると判定し、コントローラＣは、電磁切換制御弁１０、２１および電磁弁５８、５９のソレノイドを励磁する。したがって、電磁切換制御弁１０、２１は絞り位置に切り換わるとともに、電磁弁５８、５９は開位置に切り換わる。

　電磁切換制御弁１０、２１および電磁弁５８、５９が切り換えられると、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の吐出量は、電磁弁５８、５９を経由して油圧モータＭに供給されるので、油圧モータＭの駆動力で発電機兼用の電動モータＭＧを回転して発電する。発電機兼用の電動モータＭＧで発電された電力は、インバータＩを介してバッテリー２６にチャージされる。

　発電機兼用の電動モータＭＧを回転して発電する場合は、コントローラＣは、バッテリー２６の蓄電量を検出し、蓄電量に基づいた修正係数をテーブル化して記憶するとともに、係数テーブルの修正係数に応じて、エンジンＥの回転速度、スタンバイ回生動力を制御する。

　すなわち、コントローラＣには、図２に示すようにスタンバイ回生修正係数をテーブル化してあらかじめ記憶させている。スタンバイ回生修正係数は、バッテリー２６の蓄電量が第１しきい値ＳＯ１を超えている場合に１、第１しきい値ＳＯ１を下回った場合に１よりも大きくなり、バッテリー２６の蓄電量が第２しきい値ＳＯ２を下回った場合に修正係数が最大になるように設定されている。コントローラＣは、制御指令値に上記修正係数を乗じてエンジン回転速度、スタンバイ回生動力を制御する。

　したがって、バッテリー２６の蓄電量が第１しきい値ＳＯ１を超えていれば、スタンバイ回生修正係数ＫＳが１となり、エンジンＥの回転速度、スタンバイ回生動力は現状のままを維持する。しかし、バッテリー２６の蓄電量が第１しきい値ＳＯ１を下回っていると、スタンバイ回生修正係数ＫＳが１よりも大きくなるので、係数の増加分だけエンジンＥの回転速度、スタンバイ回生動力が上がることになる。蓄電量が第２しきい値ＳＯ２を下回れば、スタンバイ修正係数が最大になるので、それにともなってエンジンＥの回転速度、スタンバイ回生動力がさらに上昇する。

　エンジンＥの回転速度が上昇すれば、それにともなって第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の回転速度も上昇し、その吐出量が増大される。第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の吐出量が多くなれば、油圧モータＭの回転速度も上昇するので、それにともなって発電機兼用の電動モータＭＧの回転速度も上昇し、発電量が増大される。

　つまり、バッテリー２６の蓄電量が十分足りていれば、発電機兼用の電動モータＭＧは現状の発電量を保つ。そして、蓄電量がしきい値よりも少なくなれば、発電機兼用の電動モータＭＧの発電量が増大する。

　上記説明では、第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２の操作弁２～６、１４～１７の全てが中立位置に保たれていることを前提にしたが、第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２のいずれか一方の操作弁２～６あるいは１４～１７が中立位置にある場合にも油圧モータＭを回転させることができる。この場合には、コントローラＣが、いずれか一方の圧力センサー１３あるいは２４の圧力信号に基づいていずれか一方の電磁弁５８あるいは５９を開位置に切り換え、いずれか他方の電磁弁５９あるいは５８を閉位置に保つ。したがって、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２のいずれか一方のポンプの吐出油が油圧モータＭに供給され、油圧モータＭの回転力で発電機兼用の電動モータＭＧを回転できる。

　エンジンＥに設けたジェネレータ１はバッテリーチャージャー２５に接続する。ジェネレータ１が発電した電力は、バッテリーチャージャー２５を介してバッテリー２６に充電される。

　バッテリーチャージャー２５は、通常の家庭用の電源２７に接続した場合にも、バッテリー２６に電力を充電できる。つまり、バッテリーチャージャー２５は、別の独立系電源にも接続可能である。

　次に、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の出力をアシストする可変容量のサブポンプＳＰについて説明する。

　可変容量のサブポンプＳＰは、発電機兼用の電動モータＭＧの駆動力で回転する。発電機兼用の電動モータＭＧの駆動力によって、可変容量の油圧モータＭも同軸回転する。

　後で詳しく説明するが、サブポンプＳＰは、油圧モータＭの駆動力でも回転できるし、発電機兼用の電動モータＭＧおよび油圧モータＭの合成駆動力でも回転できる。

　発電機兼用の電動モータＭＧには、バッテリー２６に接続したインバータＩを接続する。、インバータＩはコントローラＣに接続する。コントローラＣは発電機兼用の電動モータＭＧの回転速度等を制御できる。

　サブポンプＳＰおよび油圧モータＭの傾転角は傾角制御器３７、３８で制御される。傾角制御器３７、３８は、コントローラＣの出力信号で制御される。

　サブポンプＳＰには吐出通路３９が接続する。吐出通路３９は、第１メインポンプＭＰ１の吐出側に合流する第１アシスト流路４０と、第２メインポンプＭＰ２の吐出側に合流する第２アシスト流路４１とに分岐する。第１、２アシスト流路４０、４１のそれぞれには、コントローラＣの出力信号で開度が制御される第１、２比例電磁絞り弁４２、４３を設けている。

　チェック弁４４、４５は、第１、２アシスト流路４０、４１に設けられ、サブポンプＳＰから第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２への流通のみを許容する。

　したがって、サブポンプＳＰの吐出油は、第１、２比例電磁絞り弁４２、４３の開度に応じて第１、２アシスト流路４０、４１に振り分けられて、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の吐出油と合流し、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２をアシストする。

　ただし、サブポンプＳＰのアシスト流量は第１の圧力センサー１３、第２の圧力センサー２４の圧力に対応して、流量が設定され、その上で、コントローラＣが、サブポンプＳＰの傾転角、油圧モータＭの傾転角、発電機兼用の電動モータＭＧの回転速度などをどのように制御したら最も効率的かを判断してそれぞれの制御を実施する。

　コントローラＣは、図２に示すように、バッテリー２６の蓄電量に応じて、アシスト流量、動力を制御するためのアシスト修正係数をテーブル化し記憶している。アシスト修正係数は、バッテリー２６の蓄電量が第１しきい値ＳＯ１を超えている場合に１、第１しきい値ＳＯ１を下回った場合に１未満となり、バッテリー２６の蓄電量が第２しきい値ＳＯ２以下になった場合にゼロになる。

　したがって、バッテリー２６の蓄電量が第１しきい値ＳＯ１を超えていれば、サブポンプＳＰの吐出量があらかじめ設定したアシスト流量、動力になるように、コントローラＣが、サブポンプＳＰの傾転角、油圧モータＭの傾転角、発電機兼用の電動モータＭＧの回転速度などを制御する。

　バッテリー２６の蓄電量が第１しきい値ＳＯ１を下回れば、サブポンプＳＰの吐出量があらかじめ設定したアシスト流量、動力になるように修正指令し、コントローラＣが、サブポンプＳＰの傾転角、油圧モータＭの傾転角、発電機兼用の電動モータＭＧの回転速度などを制御する。

　バッテリー２６の蓄電量が第２しきい値ＳＯ２を下回れば、サブポンプＳＰの吐出量がゼロになるように、コントローラＣが、サブポンプＳＰの傾転角、油圧モータＭの傾転角、発電機兼用の電動モータＭＧの回転速度などを制御する。

　第２しきい値を下回った場合にサブポンプＳＰのアシスト出力をゼロにしたのは、サブポンプＳＰを駆動するために、バッテリー２６が過放電にならないようにするためである。

　上記のようにバッテリー２６の蓄電量が少なくなった場合にサブポンプＳＰのアシスト流量、動力を減少させるのは、発電機兼用の電動モータＭＧの出力を軽減して、バッテリー２６の電力消費量を少なくし、バッテリー２６に対する充電を優先させるためである。

　上記のようにサブポンプＳＰのアシスト流量、動力を制御するためには、サブポンプＳＰの傾転角、油圧モータＭの傾転角、発電機兼用の電動モータＭＧのいずれを制御してもよいし、それらを複合的に制御してもよい。したがって、サブポンプＳＰの傾転角を制御する傾角制御器３７、油圧モータＭの傾転角を制御する傾角制御器３８、および発電機兼用の電動モータＭＧの回転速度を制御するインバータＩのそれぞれが、この発明のアシスト制御機構を構成する。

　上記のようにサブポンプＳＰのアシスト流量、動力を減少させた場合は、エンジンコントローラＥＣを介してエンジンＥの回転速度を上げ、アシスト流量の減少分に相当する流量を、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の吐出量の増加でまかなえるようにしている。

　そのために、コントローラＣは、図２に示すように、バッテリー２６の蓄電量に応じて、エンジンＥの回転速度を制御するためのエンジン回転速度修正係数をテーブル化して記憶している。エンジン回転速度修正係数は、バッテリー２６の蓄電量が第１しきい値ＳＯ１を超えている場合に１、第１しきい値ＳＯ１を下回った場合に１よりも大きくなり、バッテリー２６の蓄電量が第２しきい値ＳＯ２以下になった場合に最大になる。

　アシスト修正係数Ｋａとエンジン回転速度修正係数Ｋｅとは、バッテリー２６の蓄電量を変数として互いに相関させるとともに、サブポンプＳＰのアシスト流量が減少した分、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の吐出量が増加して、アクチュエータに対する供給油量が変化しないように設定されている。

　したがって、サブポンプＳＰのアシスト流量が減少したとしても、継続している作業においてその作業性が変化せず、オペレータに違和感を与えることもなくなる。

　したがって、この実施形態では、コントローラＣは、常にバッテリー２６の蓄電量を検出し、蓄電量に応じた制御を実行する。

　すなわち、図３に示すように、コントローラＣは、バッテリー２６の蓄電量を検出する（ステップＳ１）とともに、検出された蓄電量に応じて、アシスト修正係数Ｋａ、エンジン回転速度修正係数Ｋｅおよびスタンバイ回生修正係数Ｋｓを特定する（ステップＳ２）。

　各係数を特定したら、アクチュエータが作業状態にあるかあるいは非作業状態にあるかを検出し（ステップＳ３）、作業状態にあればサブポンプＳＰの吐出量を圧力センサー１３、２４の圧力に対応したアシスト流量になるようにアシスト制御機構を制御する（ステップＳ４）。コントローラＣは、サブポンプＳＰに対する通常の指令値に、バッテリー２６の蓄電量に基づいた係数を乗じ（ステップＳ５）、係数を乗じた値で、サブポンプＳＰの出力およびエンジンＥの回転速度の制御を実行する（ステップＳ６）。

　ステップＳ３において、非作業状態にある場合は、ステップＳ７に移行して、スタンバイ回生エネルギーの回収制御を実行する。この場合、コントローラＣは、バッテリー２６の蓄電量に基づいた係数を指令値に乗じて（ステップＳ７）、エンジン回転速度、スタンバイ回生動力制御を実行する（ステップＳ８）。

　油圧モータＭには接続用通路４６が接続する。接続用通路４６は、導入通路４７およびチェック弁４８、４９を介して、旋回モータＲＭに接続した通路２８、２９に接続する。導入通路４７にはコントローラＣで開閉制御される電磁切換弁５０を設ける。電磁切換弁５０とチェック弁４８、４９との間には、旋回モータＲＭの旋回時の圧力あるいはブレーキ時の圧力を検出する圧力センサー５１を設ける。圧力センサー５１の圧力信号はコントローラＣに入力する。

　導入通路４７であって、旋回モータＲＭから接続用通路４６への流れに対して、電磁切換弁５０よりも下流側となる位置には、安全弁５２を設けている。安全弁５２は、例えば電磁切換弁５０など、通路４６系統に故障が生じた場合に、通路２８、２９の圧力を維持して旋回モータＲＭがいわゆる逸走するのを防止する。

　ブームシリンダＢＣと比例電磁弁３６との間には、接続用通路４６に連通する導入通路５３を設けている。導入通路５３にはコントローラＣで制御される電磁開閉弁５４を設けている。

　第１回路系統Ｓ１に接続した旋回モータ用の操作弁２のアクチュエータポートには、旋回モータＲＭに連通する通路２８、２９を接続する。両通路２８、２９のそれぞれにはブレーキ弁３０、３１が接続する。旋回モータ用の操作弁２を中立位置に保っている場合は、アクチュエータポートが閉じられて旋回モータＲＭは停止状態を維持する。

　上記の状態から旋回モータ用の操作弁２をいずれか一方の方向に切り換えると、一方の通路２８が第１メインポンプＭＰ１に接続され、他方の通路２９がタンクに連通する。したがって、通路２８から圧油が供給されて旋回モータＲＭが回転し、旋回モータＲＭからの戻り油が通路２９を介してタンクに戻される。

　旋回モータ用の操作弁２を上記とは反対方向に切り換えると、今度は、通路２９にポンプ吐出油が供給され、通路２８がタンクに連通し、旋回モータＲＭは逆転する。

　上記のように旋回モータＲＭを駆動している場合は、ブレーキ弁３０あるいは３１がリリーフ弁の機能を発揮する。通路２８、２９が設定圧以上になった場合は、ブレーキ弁３０、３１が開弁して、通路２８、２９の圧力を設定圧に保つ。旋回モータＲＭを回転している状態で、旋回モータ用の操作弁２を中立位置に戻せば、操作弁２のアクチュエータポートが閉じられる。操作弁２のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータＲＭは慣性エネルギーで回転し続けるが、旋回モータＲＭが慣性エネルギーで回転することによって、当該旋回モータＲＭがポンプ作用をする。この場合は、通路２８、２９、旋回モータＲＭ、ブレーキ弁３０あるいは３１で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁３０あるいは３１によって、慣性エネルギーが熱エネルギーに変換される。

　通路２８あるいは２９の圧力は、旋回動作あるいはブレーキ動作に必要な圧力に保たれていなければ、旋回モータＲＭを旋回させたり、あるいはブレーキをかけたりできなくなる。

　そこで、通路２８あるいは２９の圧力を、旋回圧あるいはブレーキ圧に保つために、コントローラＣは油圧モータＭの傾転角を制御しながら、旋回モータＲＭの負荷を制御する。つまり、コントローラＣは、圧力センサー５１で検出される圧力が旋回モータＲＭの旋回圧あるいはブレーキ圧とほぼ等しくなるように、油圧モータＭの傾転角を制御する。

　油圧モータＭが回転力を得れば、その回転力は、同軸回転する発電機兼用の電動モータＭＧに作用する。油圧モータＭの回転力は、発電機兼用の電動モータＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータＭの回転力の分だけ、発電機兼用の電動モータＭＧの消費電力を少なくできる。

　油圧モータＭの回転力でサブポンプＳＰの回転力をアシストすることもできる。この場合は、油圧モータＭとサブポンプＳＰとが相まって圧力変換機能を発揮する。

　つまり、接続用通路４６に流入する圧力はポンプ吐出圧よりも低いことが多い。この低い圧力を利用して、サブポンプＳＰに高い吐出圧を維持させるために、油圧モータＭおよびサブポンプＳＰによって増圧機能を発揮させる。

　すなわち、油圧モータＭの出力は、１回転当たりの押しのけ容積Ｑ１とその時の圧力Ｐ１の積で決まる。サブポンプＳＰの出力は１回転当たりの押しのけ容積Ｑ２と吐出圧Ｐ２の積で決まる。この実施形態では、油圧モータＭとサブポンプＳＰとが同軸回転するので、Ｑ１×Ｐ１＝Ｑ２×Ｐ２が成立しなければならない。そこで、例えば、油圧モータＭの押しのけ容積Ｑ１をサブポンプＳＰの押しのけ容積Ｑ２の３倍すなわちＱ１＝３Ｑ２にしたとすれば、上記等式が３Ｑ２×Ｐ１＝Ｑ２×Ｐ２となる。この式の両辺をＱ２で割れば、３Ｐ１＝Ｐ２が成り立つ。

　したがって、サブポンプＳＰの傾転角を変えて、押しのけ容積Ｑ２を制御すれば、油圧モータＭの出力で、サブポンプＳＰに所定の吐出圧を維持できる。言い換えると、旋回モータＲＭからの油圧を増圧してサブポンプＳＰから吐出できる。

　ただし、油圧モータＭの傾転角は、上記したように通路２８、２９の圧力を旋回圧あるいはブレーキ圧に保つように制御される。したがって、旋回モータＲＭからの圧油を利用する場合には、油圧モータＭの傾転角は必然的に決められる。このように油圧モータＭの傾転角が決められた中で、上記した圧力変換機能を発揮させるためには、サブポンプＳＰの傾転角を制御する。

　通路４６系統の圧力が何らかの原因で、旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなった場合は、圧力センサー５１からの圧力信号に基づいてコントローラＣは、電磁切換弁５０を閉じて、旋回モータＲＭに影響を及ぼさないようにする。

　接続用通路４６に圧油の漏れが生じた場合は、安全弁５２が機能して通路２８、２９の圧力が必要以上に低くならないようにして、旋回モータＲＭの逸走を防止する。

　ブームシリンダＢＣに関しては、操作弁１６を中立位置から一方の方向に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧油は、通路３２を経由してブームシリンダＢＣのピストン側室３３に供給される。ロッド側室３４からの戻り油は通路３５を経由してタンクに戻され、ブームシリンダＢＣは伸長する。

　操作弁１６を上記とは反対方向に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧油は、通路３５を経由してブームシリンダＢＣのロッド側室３４に供給される。ピストン側室３３からの戻り油は通路３２を経由してタンクに戻され、ブームシリンダＢＣは収縮する。ブーム２速用の操作弁３は、操作弁１６と連動して切り換る。

　ブームシリンダＢＣのピストン側室３３と操作弁１６とを結ぶ通路３２には、コントローラＣで開度が制御される比例電磁弁３６を設けている。比例電磁弁３６はノーマル状態で全開位置を保つ。

　ブームシリンダＢＣを作動させるために、操作弁１６を切り換えると、操作弁１６に設けたセンサーによって、操作弁１６の操作方向とその操作量が検出されるとともに、操作信号がコントローラＣに入力される。

　センサーの操作信号に応じて、コントローラＣは、オペレータがブームシリンダＢＣを上昇させようとしているのか、あるいは下降させようとしているのかを判定する。ブームシリンダＢＣを上昇させるための信号がコントローラＣに入力すれば、コントローラＣは比例電磁弁３６をノーマル状態に保つ。言い換えると、比例電磁弁３６を全開位置に保つ。この場合、コントローラＣは、電磁開閉弁５４を図示の閉位置に保つとともに、発電機兼用の電動モータＭＧの回転速度やサブポンプＳＰの傾転角を制御する。

　ブームシリンダＢＣを下降させる信号がセンサーからコントローラＣに入力すると、コントローラＣは、操作弁１６の操作量に応じて、オペレータが求めているブームシリンダＢＣの下降速度を演算するとともに、比例電磁弁３６を閉じて、電磁開閉弁５４を開位置に切り換える。

　比例電磁弁３６を閉じて電磁開閉弁５４を開位置に切り換えれば、ブームシリンダＢＣの戻り油の全量が油圧モータＭに供給される。しかし、油圧モータＭで消費する流量が、オペレータが求めた下降速度を維持するために必要な流量よりも少なければ、ブームシリンダＢＣはオペレータが求めた下降速度を維持できない。この場合には、コントローラＣは、操作弁１６の操作量、油圧モータＭの傾転角や発電機兼用の電動モータＭＧの回転速度などをもとにして、油圧モータＭが消費する流量以上の流量をタンクに戻すように比例電磁弁３６の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダＢＣの下降速度を維持する。

　旋回モータＲＭを旋回させながら、ブームシリンダＢＣを下降させる場合は、旋回モータＲＭからの圧油と、ブームシリンダＢＣからの戻り油とが、接続用通路４６で合流して油圧モータＭに供給される。

　導入通路４７の圧力が上昇すれば、それにともなって導入通路４７側の圧力も上昇するが、その圧力が旋回モータＲＭの旋回圧あるいはブレーキ圧よりも高くなったとしても、チェック弁４８、４９があるので、旋回モータＲＭには影響を及ぼさない。

　接続用通路４６側の圧力が旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなれば、コントローラＣは、圧力センサー５１からの圧力信号に基づいて電磁切換弁５０を閉じる。

　したがって、旋回モータＲＭの旋回動作とブームシリンダＢＣの下降動作とを上記のように同時に行う場合には、旋回圧あるいはブレーキ圧にかかわりなく、ブームシリンダＢＣの必要下降速度を基準にして油圧モータＭの傾転角を決めればよい。

　いずれにしても、油圧モータＭの出力で、サブポンプＳＰの出力をアシストできるとともに、サブポンプＳＰから吐出された流量を、第１、２比例電磁絞り弁４２、４３で按分して、第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２に供給できる。

　油圧モータＭを駆動源として発電機兼用の電動モータＭＧを発電機として使用する場合は、サブポンプＳＰの傾転角をゼロにしてほぼ無負荷状態にし、油圧モータＭには、発電機兼用の電動モータＭＧを回転させるために必要な出力を維持しておけば、油圧モータＭの出力を利用して、発電機Ｇを機能させられる。

　エンジンＥの出力を利用してジェネレータ１で発電したり、油圧モータＭを利用して発電機兼用の電動モータＭＧに発電させたりできる。

　チェック弁４４、４５を設けるとともに、電磁切換弁５０および電磁開閉弁５４あるいは電磁弁５８、５９を設けたので、例えば、サブポンプＳＰおよび油圧モータＭ系統が故障した場合に、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２系統と、サブポンプＳＰおよび油圧モータＭ系統とを油圧的には切り離せる。特に、電磁切換弁５０、電磁開閉弁５４及び電磁弁５８、５９は、それらがノーマル状態にある場合は、図面に示すようにスプリングのバネ力で閉位置を保つとともに、比例電磁弁３６も全開位置であるノーマル位置を保つので、電気系統が故障したとしても、上記のように第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２系統と、サブポンプＳＰおよび油圧モータＭ系統とを油圧的に切り離せる。

　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に限定する趣旨ではない。

　本願は２０１０年２月１２日に日本国特許庁に出願された特願２０１０－２９３４４号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。

　この発明は、ハイブリッドパワーショベル等の建設機械に利用できる。

Claims

　ハイブリッド建設機械の制御システムであって、
　可変容量のメインポンプと、
　前記メインポンプを駆動するエンジンと、
　前記エンジンの回転を制御するエンジン回転速度制御部と、
　発電機と、
　前記発電機で発電された電力を蓄電するバッテリーと、
　前記メインポンプの吐出側に接続されるとともに前記メインポンプをアシストする可変容量のサブポンプと、
　前記サブポンプが指令されたアシスト出力を出力するように制御するアシスト制御機構と、
　前記バッテリーの蓄電量がしきい値を下回った場合に前記アシスト制御機構を制御して前記サブポンプのアシスト出力を減少させるためのアシスト修正係数の係数テーブルと、前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を下回った場合に前記エンジンの回転速度を上げるためのエンジン回転速度修正係数の係数テーブルと、前記バッテリーの蓄電量に対する前記しきい値とを記憶する記憶部と、
　前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を下回ったかどうかを判定し、前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を下回った場合に前記アシスト修正係数に基づいて前記アシスト制御機構を制御して前記サブポンプのアシスト出力を減少させ、前記エンジン回転速度修正係数に基づいて前記エンジン回転速度制御部を制御して前記エンジンの回転速度を増大させて前記メインポンプの吐出量を増大させ、前記サブポンプのアシスト出力が減少した分、前記エンジンの回転速度を上げて前記メインポンプの出力を上昇させる制御部と、
を備える制御システム。
　請求項１に記載の制御システムであって、
　前記アシスト修正係数は、前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を超えている場合は１になるように、前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を下回った場合は１未満になるように設定される、
制御システム。
　請求項１に記載の制御システムであって、
　前記記憶部は、前記バッテリーの蓄電量に対する第１しきい値と前記第１しきい値よりも小さな第２しきい値とを記憶し、
　前記制御部は、前記バッテリーの蓄電量が前記第１しきい値を下回った場合は前記アシスト修正係数に基づいて前記サブポンプのアシスト出力を減少させ、前記バッテリーの蓄電量が前記第２しきい値まで減少した場合は前記アシスト修正係数に基づいて前記サブポンプのアシスト出力をゼロにする、
制御システム。
　請求項１に記載の制御システムであって、
　前記メインポンプに接続され、複数の操作弁を備えた回路系統と、
　前記メインポンプに接続され、前記発電機を回す油圧モータと、
　前記回路系統のすべての操作弁が中立位置に保たれている場合に前記メインポンプの吐出油が流れる中立流路と、
をさらに備え、
　前記回路系統のすべての操作弁が中立位置に保たれている場合は、前記中立流路に発生するパイロット圧の作用で前記メインポンプの吐出量はスタンバイ流量に保たれ、前記油圧モータは前記スタンバイ流量の作用によってスタンバイ回生動力を発生させ、
　前記記憶部は、前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を下回った場合に前記スタンバイ回生動力を多くするスタンバイ回生修正係数のテーブルを記憶し、
　前記制御部は、前記バッテリーの蓄電量が前記しきい値を下回り、かつ、前記回路系統のすべての操作弁が中立位置にある場合は、前記スタンバイ回生修正係数に基づいて前記エンジン回転速度制御部を制御して前記エンジンの回転速度を増大させて前記スタンバイ回生動力を増大させる、
制御システム。