WO2016194934A1

WO2016194934A1 - ハイブリッド作業機の制御システム

Info

Publication number: WO2016194934A1
Application number: PCT/JP2016/066139
Authority: WO
Inventors: 祐弘江川; 治彦川崎
Original assignee: Ｋｙｂ株式会社
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2016-12-08
Also published as: JP2016223612A; JP6149068B2

Abstract

ハイブリッド作業機の制御システム（１００）は、ブームシリンダ（３０）に作動油を供給する第１，第２メインポンプ（２６，２７）と、ブームシリンダ（３０）のピストン側室（３０ａ）から排出される作動油によって回転する回生モータ（４６）、回生モータ（４６）に連結される電動モータ（４８）、及び、電動モータ（４８）によって発電された電力を貯めるバッテリ（２４）を有する回生ユニット（４５）と、回生モータ（４６）に連結されるアシストポンプ（４７）と、アシストポンプ（４７）の吐出側とブームシリンダ（３０）のロッド側室（３０ｂ）とを連通するアクチュエータアシスト通路（７１，７１ａ）と、を備える。

Description

ハイブリッド作業機の制御システム

　本発明は、ハイブリッド作業機の制御システムに関するものである。

　従来から、アクチュエータから導かれる作動油を利用して油圧モータを回転させてエネルギ回生を行うハイブリッド作業機が知られている。

　ＪＰ２０１３－６１０４４Ａには、ブームを上下に回動させるブームシリンダを備えるハイブリッド作業機が開示されている。このハイブリッド作業機では、ブームを下降させる際にブームシリンダから戻される作動油を利用して油圧モータを回転させ、油圧モータの回転トルクで発電機を駆動している。

　しかしながら、ＪＰ２０１３－６１０４４Ａに記載されるハイブリッド作業機では、蓄電池の充電量が所定値以上となると回生制御が停止され、作動油はエネルギを回収されることなく排出される。ブームシリンダから排出される作動油の最大流量に応じて、発電機の発電能力や蓄電池の充電容量が設計されれば、より多くの作動油のエネルギを効率よく回生することができる。しかし、ブームシリンダの大きさに合わせて、異なる仕様の回生ユニットが種々設計されるとハイブリッド作業機の製造コストが上昇するおそれがある。

　本発明は、ハイブリッド作業機において、製造コストの上昇を抑制しつつ、作動流体が有するエネルギの回生効率を向上させることを目的とする。

　本発明のある態様によれば、流体圧アクチュエータに作動流体を供給するメイン流体圧ポンプと、前記流体圧アクチュエータの負荷側圧力室から排出され回生弁を通じて導かれる作動流体によって回転する回生モータ、前記回生モータに連結される回転電機、及び、前記回転電機によって発電された電力を貯める蓄電池を有する回生ユニットと、前記回生モータに連結されるサブ流体圧ポンプと、前記サブ流体圧ポンプの吐出側と前記流体圧アクチュエータの反負荷側圧力室とを連通するアクチュエータアシスト通路と、を備えるハイブリッド作業機の制御システムが提供される。

図１は、本発明の実施形態に係るハイブリッド作業機の制御システムを示す回路図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

　以下、図１を参照して、本発明の実施形態に係るハイブリッド作業機の制御システム１００について説明する。以下の実施形態では、ハイブリッド作業機が油圧ショベルである場合について説明する。油圧ショベルでは、作動流体として作動油が用いられる。

　図１に示すように、油圧ショベルは、メイン流体圧ポンプとしての第１，第２メインポンプ２６，２７を備える。第１，第２メインポンプ２６，２７は、斜板の傾転角を調整可能な可変容量型ポンプである。第１，第２メインポンプ２６，２７は、エンジン２８によって駆動されて同軸回転する。

　第１メインポンプ２６から吐出される作動油は、上流側から順に、旋回モータ（図示省略）を制御する操作弁１と、アームシリンダ８０を制御するアーム１速用の操作弁２と、ブームシリンダ３０を制御するブーム２速用の操作弁３と、予備用アタッチメント（図示省略）を制御する操作弁４と、左走行用の第１走行用モータ（図示省略）を制御する操作弁５と、に供給される。これらの旋回モータ，アームシリンダ８０，ブームシリンダ３０，予備用アタッチメントに接続される油圧機器，及び第１走行用モータが、流体圧アクチュエータ（以下、単に「アクチュエータ」と称する。）に該当する。

　各操作弁１～５は、第１メインポンプ２６から各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。各操作弁１～５は、油圧ショベルのオペレータが操作レバーを手動操作することに伴って供給されるパイロット圧によって操作される。

　各操作弁１～５は、互いに並列な中立通路６とパラレル通路７とを通じて第１メインポンプ２６に接続されている。中立通路６における操作弁５の下流側には、第１メインポンプ２６を制御するために用いられるパイロット圧を生成するパイロット圧生成機構８が設けられる。パイロット圧生成機構８は、通過する作動油の流量が多ければ高いパイロット圧を生成し、通過する作動油の流量が少なければ低いパイロット圧を生成する。

　中立通路６は、操作弁１～５の全てが中立位置又は中立位置近傍にある場合には、第１メインポンプ２６から吐出された作動油の全部又は大部分をタンクに導く。この場合、パイロット圧生成機構８を通過する流量が多くなるため、高いパイロット圧が生成される。

　一方、操作弁１～５がフルストロークに切り換えられると、中立通路６が閉ざされて作動油の流通がなくなる。この場合、パイロット圧生成機構８を通過する流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。ただし、操作弁１～５の操作量によっては、第１メインポンプ２６から吐出された作動油の一部がアクチュエータに導かれ、残りが中立通路６からタンクに導かれることになる。そのため、パイロット圧生成機構８は、中立通路６の作動油の流量に応じたパイロット圧を生成する。つまり、パイロット圧生成機構８は、操作弁１～５の操作量に応じたパイロット圧を生成する。

　パイロット圧生成機構８にはパイロット通路９が接続される。パイロット通路９には、パイロット圧生成機構８にて生成されたパイロット圧が導かれる。パイロット通路９は、第１メインポンプ２６の吐出容量（斜板の傾転角）を制御するレギュレータ１０に接続される。

　レギュレータ１０は、パイロット通路９のパイロット圧と比例（比例定数は負の数）して第１メインポンプ２６の斜板の傾転角を制御する。これにより、レギュレータ１０は、第１メインポンプ２６の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１～５がフルストロークに切り換えられて中立通路６の流れがなくなり、パイロット通路９のパイロット圧がゼロになれば、第１メインポンプ２６の傾転角が最大になる。このとき、第１メインポンプ２６の１回転当たりの押し除け量が最大になる。

　パイロット通路９には、パイロット通路９の圧力を検出する第１圧力センサ１１が設けられる。第１圧力センサ１１によって検出された圧力は、後述するコントローラ５０に出力される。

　第２メインポンプ２７から吐出される作動油は、上流側から順に、右走行用の第２走行用モータ（図示省略）を制御する操作弁１２と、バケットシリンダ（図示省略）を制御する操作弁１３と、ブームシリンダ３０を制御するブーム１速用の操作弁１４と、アームシリンダ８０を制御するアーム２速用の操作弁１５と、に供給される。これらの第２走行用モータ，バケットシリンダ，ブームシリンダ３０，及びアームシリンダ８０が、流体圧アクチュエータ（以下、単に「アクチュエータ」と称する。）に該当する。

　各操作弁１２～１５は、第２メインポンプ２７から各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。各操作弁１２～１５は、油圧ショベルのオペレータが操作レバーを手動操作することに伴って供給されるパイロット圧によって操作される。

　各操作弁１２～１５は、中立通路１６を通じて第２メインポンプ２７に接続されている。また、操作弁１３及び操作弁１４は、中立通路１６と並列なパラレル通路１７を通じて第２メインポンプ２７に接続されている。中立通路１６における操作弁１５の下流側には、パイロット圧を生成するためのパイロット圧生成機構１８が設けられる。パイロット圧生成機構１８は、第１メインポンプ２６側のパイロット圧生成機構８と同じ機能を有するものである。

　パイロット圧生成機構１８にはパイロット通路１９が接続される。パイロット通路１９には、パイロット圧生成機構１８にて生成されたパイロット圧が導かれる。パイロット通路１９は、第２メインポンプ２７の吐出容量（斜板の傾転角）を制御するレギュレータ２０に接続される。

　レギュレータ２０は、パイロット通路１９のパイロット圧と比例（比例定数は負の数）して第２メインポンプ２７の斜板の傾転角を制御する。これにより、レギュレータ２０は、第２メインポンプ２７の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１２～１５がフルストロークに切り換えられて中立通路１６の流れがなくなり、パイロット通路１９のパイロット圧がゼロになれば、第２メインポンプ２７の傾転角が最大になる。このとき、第２メインポンプ２７の１回転当たりの押し除け量が最大になる。

　パイロット通路１９には、パイロット通路１９の圧力を検出する第２圧力センサ２１が設けられる。第２圧力センサ２１によって検出された圧力は、後述するコントローラ５０に出力される。

　中立通路６，１６における第１，第２メインポンプ２６，２７の下流には、予め設定された所定のメインリリーフ圧を超えたときに作動油をリリーフする第１メインリリーフ弁６２と、第１メインリリーフ弁６２と比較してリリーフ圧が低く設定される第２メインリリーフ弁６３と、中立通路６，１６を第２メインリリーフ弁６３に接続可能な切換弁６４と、が設けられる。所定のメインリリーフ圧は、各アクチュエータの最低作動圧を充分に確保できる程度に高く設定される。

　第１メインリリーフ弁６２は、常に中立通路６，１６と連通する。第２メインリリーフ弁６３は、切換弁６４が開状態に切り換えられた場合に中立通路６，１６と連通する。これにより、切換弁６４が開状態に切り換えられると、閉状態の場合と比較して、中立通路６，１６のリリーフ圧が低くなる。

　中立通路１６から分岐した分配通路６０には、直進走行を行うときに切り換えられる切換弁６１が設けられる。直進走行を行うために、第１走行用モータと第２走行用モータとが同じ方向に回転するように操作弁５及び操作弁１２が切り換えられると、パイロットポンプ２９からパイロット圧が供給されるパイロット通路６５の圧力が上昇する。それと同時に、操作弁１～４，１３～１５の少なくとも一つがアクチュエータを動作させるように切り換えられると、パイロットポンプ２９からパイロット圧が供給されるパイロット通路６６の圧力が上昇する。これにより、切換弁６１は、パイロット圧によって開状態に切り換えられ、切換弁６４は、パイロット圧によって閉状態に切り換えられる。

　切換弁６１が開状態に切り換えられると、第２メインポンプ２７から吐出された作動油が、操作弁５及び操作弁１２を介して第１走行用モータ及び第２走行用モータに同じ流量ずつ供給される。これにより、油圧ショベルでは、オペレータが直進走行させようとしたときに他のアクチュエータが作動しても、その影響を受けず、第１走行用モータと第２走行用モータとが同じ速度で回転する。よって、油圧ショベルは直進走行が可能である。

　エンジン２８には、エンジン２８の余力を利用して発電する発電機２２が設けられる。発電機２２で発電された電力は、バッテリチャージャー２３を介してバッテリ２４に充電される。バッテリチャージャー２３は、通常の家庭用の電源２５に接続した場合にも、バッテリ２４に電力を充電できる。

　次に、エネルギを有する作動油が収縮時に排出されるブームシリンダ３０について説明する。

　ブームシリンダ３０は、ピストン側室（負荷側圧力室）３０ａとロッド側室（反負荷側圧力室）３０ｂとを内部に画成するピストンと、ピストンとブームとを連結するピストンロッドと、を有する。ブームシリンダ３０は、ピストン側室３０ａへの作動油の供給によって伸長してブームを上昇させ、ピストン側室３０ａからの作動油の排出によって収縮してブームを下降させる。

　ブームシリンダ３０の動作を制御する操作弁１４は、３位置の切換弁である。操作弁１４は、第１給排通路３１を通じてブームシリンダ３０のピストン側室３０ａに接続され、第２給排通路３２を通じてブームシリンダ３０のロッド側室３０ｂに接続される。

　操作弁１４は、油圧ショベルのオペレータが操作レバー５７を手動操作することに伴ってパイロットポンプ２９からパイロット弁５８を通じてパイロット室１４ｂ，１４ｃに供給されるパイロット圧によって操作される。ブーム２速用の操作弁３は、オペレータによる操作レバー５７の操作量が所定量より大きい場合に、操作弁１４に連動して切り換わる。

　パイロット室１４ｂにパイロット圧が供給された場合には、操作弁１４は伸長位置１４ｄに切り換わる。操作弁１４が伸長位置１４ｄに切り換わると、第２メインポンプ２７から吐出された作動油が第１給排通路３１を通じてブームシリンダ３０のピストン側室３０ａに供給されると共に、ロッド側室３０ｂからの戻り作動油が第２給排通路３２を通じてタンクに排出される。よって、ブームシリンダ３０は伸長し、ブームは上昇する。

　一方、パイロット室１４ｃにパイロット圧が供給された場合には、操作弁１４は収縮位置１４ｅに切り換わる。操作弁１４が収縮位置１４ｅに切り換わると、第２メインポンプ２７から吐出された作動油が第２給排通路３２を通じてブームシリンダ３０のロッド側室３０ｂに供給されると共に、ピストン側室３０ａからの戻り作動油が第１給排通路３１を通じてタンクに排出される。よって、ブームシリンダ３０は収縮し、ブームは下降する。

　また、各パイロット室１４ｂ，１４ｃに共にパイロット圧が供給されない場合には、操作弁１４は中立位置１４ｆに切り換わる。操作弁１４が中立位置１４ｆに切り換わると、ブームシリンダ３０に対する作動油の給排が遮断され、ブームは停止した状態に維持される。

　操作弁１４を中立位置１４ｆに切り換えてブームの動きを止めた場合、バケット，アーム，及びブーム等の自重によって、ブームシリンダ３０には収縮する方向の力が作用する。このように、ブームシリンダ３０では、操作弁１４が中立位置１４ｆの場合にはピストン側室３０ａによって負荷が保持される。よって、ブームシリンダ３０のピストン側室３０ａは負荷側圧力室に該当する。

　ハイブリッド作業機の制御システム１００は、ブームシリンダ３０から排出される作動油のエネルギを回収してエネルギ回生を行う回生ユニット４５をさらに備える。以下では、その回生ユニット４５について説明する。

　回生ユニット４５は、ブームシリンダ３０のピストン側室３０ａから排出され回生弁としての回生制御弁５３を通じて導かれる作動油によって回転して作動油のエネルギを回収する回生モータ４６と、回生モータ４６に連結される発電機兼用の回転電機としての電動モータ４８と、電動モータ４８が発電した電力を直流に変換するインバータ４９と、電動モータ４８によって発電された電力を貯める蓄電池としてのバッテリ２４と、を有する。

　回生ユニット４５による回生制御は、コントローラ５０によって実行される。コントローラ５０は、回生制御を実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）と、ＣＰＵの処理動作に必要な制御プログラムや設定値等が記憶されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）と、各種センサによって検出された情報を一時的に記憶するＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）と、を備える。

　回生モータ４６は、傾転角が調整可能な可変容量型モータであり、電動モータ４８と同軸回転するように連結されている。回生モータ４６は、電動モータ４８を駆動可能である。電動モータ４８が発電機として機能した場合には、電動モータ４８で発電された電力はインバータ４９を介してバッテリ２４に充電される。回生モータ４６と電動モータ４８とは、直接連結されてもよいし、減速機を介して連結されてもよい。

　回生モータ４６の斜板の傾転角は、レギュレータ３６を介してコントローラ５０により制御される。また、電動モータ４８の回転数は、インバータ４９を通じてコントローラ５０により制御される。コントローラ５０は、各種センサの出力に基づいてバッテリ２４の充電量を監視し、バッテリ２４に充電可能な電力量が電動モータ４８によって効率よく発電されるように、回生モータ４６の斜板の傾転角及び電動モータ４８の回転数を制御する。

　回生モータ４６には、第１給排通路３１に接続される回生通路５２を通じて、ピストン側室３０ａから排出される作動油が導かれる。第１給排通路３１と回生通路５２との合流部には、ピストン側室３０ａから排出される作動油の排出先を切り換える回生制御弁５３が設けられる。

　回生制御弁５３は、パイロット圧油の圧力によってスプールの位置が制御されるスプール弁であり、スプールの一方に臨むパイロット室５３ａと、スプールの他方に付勢力を付与するスプリング５３ｂと、を有する。

　回生制御弁５３は、パイロット室５３ａにパイロット圧が供給されない状態では、スプリング５３ｂのばね力によって無回生位置５３ｃに維持される（図１に示す状態）。パイロット室５３ａにパイロット圧が供給されると、回生制御弁５３は、半回生位置５３ｄに切り換えられ、さらにパイロット圧が上昇すると全回生位置５３ｅに切り換えられる。

　無回生位置５３ｃでは、第１給排通路３１は全開状態になる一方、第１給排通路３１と回生通路５２との連通は遮断されるため、回生モータ４６に作動油が流入することはない。このため、ブームシリンダ３０を伸長させるときのように、第１給排通路３１を通じてピストン側室３０ａに作動油を供給する場合には、無回生位置５３ｃとされる。また、回生ユニット４５が故障したときやバッテリ２４が満充電となったときのように、回生モータ４６でのエネルギの回収が停止される場合などにも、無回生位置５３ｃとされる。

　半回生位置５３ｄでは、第１給排通路３１は絞りによって流路が絞られた状態になるとともに、第１給排通路３１と回生通路５２とは絞りを通じて連通した状態となる。このため、ピストン側室３０ａから排出される作動油の一部は、回生通路５２を通じて回生モータ４６に導かれ、残りの作動油は操作弁１４を通じてタンクへ排出される。オペレータによる操作レバー５７の操作量が小さく、ピストン側室３０ａから排出される作動油の流量が少ない場合やバッテリ２４の充電状態により回生モータ４６でのエネルギの回収が制限される場合などには、半回生位置５３ｄとされる。

　全回生位置５３ｅでは、第１給排通路３１は遮断され、回生通路５２はピストン側室３０ａと連通した状態となる。このため、ピストン側室３０ａから排出される作動油は、操作弁１４を通じてタンクへ排出されることなく、全量が回生モータ４６へと導かれる。バッテリ２４の充電量が少ないときなど、回生モータ４６において多くのエネルギを回収することが可能な場合には、全回生位置５３ｅとされる。

　なお、回生制御弁５３は、上記の３つのポジションを択一的に選択する構成に限定されず、パイロット室５３ａのパイロット圧に応じてポジションが連続的に変化し、回生モータ４６に導かれる作動油と操作弁１４を通じてタンクへ排出される作動油との比率を徐々に変更することが可能な構成であってもよい。

　回生通路５２には、ピストン側室３０ａから回生モータ４６に排出される作動油の流れを許容し、逆方向の流れを阻止するチェック弁５５が設けられる。

　また、回生通路５２には、一端がタンク内に配置される吸上通路５１が接続される。回生通路５２を通じて回生モータ４６へ供給される作動油の流量が少なくなった場合には、吸上通路５１を通じてタンク内の作動油が回生通路５２に吸い上げられ、回生モータ４６へ供給される。吸上通路５１には、タンクから回生通路５２への作動油の流れのみを許容するチェック弁５１ａが設けられる。

　ピストン側室３０ａと回生制御弁５３との間の第１給排通路３１は、再生弁としての再生流量制御弁３３が設けられる再生通路３１ａを介して第２給排通路３２に接続される。

　再生流量制御弁３３は、回生制御弁５３を切り換えるパイロット圧油と同じパイロット圧油によって切り換えられるスプール弁であり、スプールの一端に臨むパイロット室３３ａと、スプールの他端に付勢力を付与するスプリング３３ｂと、を有する。

　再生流量制御弁３３は、パイロット室３３ａにパイロット圧が供給されていないときには、ノーマル位置３３ｃに切り換わり、再生通路３１ａを遮断する。一方、パイロット室３３ａにパイロット圧が供給されると、再生流量制御弁３３は切換位置３３ｄに切り換わり、パイロット圧に応じて絞りの開度が変化する状態となる。この状態では、絞りによって再生通路３１ａを流れる作動油の流量が制御される。

　再生流量制御弁３３は、ブームを下降させる際、すなわち、ピストン側室３０ａが圧縮される際に、パイロット室３３ａにパイロット圧が供給されると、切換位置３３ｄとなる。切換位置３３ｄでは、ピストン側室３０ａからタンクに排出される作動油の一部が再生流量としてロッド側室３０ｂに導かれる。このように、圧縮され高圧となった作動油の一部がピストン側室３０ａからロッド側室３０ｂに導かれると、ロッド側室３０ｂに導かれた作動油の圧力は、ブームシリンダ３０を収縮させる方向に作用するため、ブームシリンダ３０の収縮速度を向上させることができる。

　再生流量制御弁３３のスプリング３３ｂのばね力は、回生制御弁５３のスプリング５３ｂのばね力より大きく設定されているため、再生流量制御弁３３が再生通路３１ａを連通させるタイミングは、回生制御弁５３が半回生位置５３ｄに切り換えられるタイミングよりも遅くなる。

　再生通路３１ａには、ピストン側室３０ａから第２給排通路３２への作動油の流れを許容し、逆方向の流れを阻止するチェック弁３４が設けられる。

　回生制御弁５３のパイロット室５３ａと再生流量制御弁３３のパイロット室３３ａとは、比例電磁弁５４を通じて、パイロットポンプ２９と接続される。比例電磁弁５４は、供給される励磁電流に応じて開度が変化するため、各パイロット室５３ａ，３３ａに供給されるパイロット圧は、コントローラ５０から比例電磁弁５４に供給される励磁電流に応じて変化する。つまり、回生制御弁５３と再生流量制御弁３３との状態は、コントローラ５０から比例電磁弁５４に供給される励磁電流の大きさを変更することによって制御することができる。コントローラ５０から比例電磁弁５４に供給される励磁電流の大きさは、操作弁１４の変位方向とその変位量に応じて決定される。具体的には、ブームシリンダ３０を収縮させる方向に操作弁１４が変位し、その変位量が大きいほど各パイロット室５３ａ，３３ａに供給されるパイロット圧が大きくなるように励磁電流の大きさは設定される。このように、回生制御弁５３と再生流量制御弁３３とは、共通の比例電磁弁５４によって開度が制御される。この構成に代えて、それぞれ別々の比例電磁弁を通じて導かれるパイロット圧によって開度が制御されてもよい。また、回生制御弁５３と再生流量制御弁３３とをそれぞれ電磁駆動弁とし、コントローラ５０によって直接開度が制御される構成としてもよい。

　操作弁１４の変位方向とその変位量は、操作弁１４に設けられる変位センサ１４ａによって検出される。変位センサ１４ａにて検出された変位量はコントローラ５０に出力される。操作弁１４の変位方向とその変位量を検出することは、ブームシリンダ３０の伸縮方向とその伸縮速度を検出することと等価である。したがって、変位センサ１４ａは、ブームシリンダ３０の動作状態を検出する動作状態検出器として機能する。変位センサ１４ａは、パイロット室１４ｂ，１４ｃの圧力を検出する圧力センサであってもよい。なお、変位センサ１４ａに代えて、ピストンロッドの移動方向とその移動量を検出するセンサを動作状態検出器としてブームシリンダ３０に設けてもよい。

　また、操作レバー５７に、オペレータによる操作レバー５７の操作方向とその操作量を検出する操作センサ５７ａが設けられてもよい。操作センサ５７ａにて検出された操作レバー５７の変位量はコントローラ５０に出力される。コントローラ５０は、操作センサ５７ａの検出値からオペレータがどのようにブームシリンダ３０を操作しようとしているのかを判定する。

　コントローラ５０は、変位センサ１４ａまたは操作センサ５７ａの検出結果に基づいて、オペレータがブームシリンダ３０を伸長させようとしているのか、又は収縮させようとしているのかを判定する。コントローラ５０は、ブームシリンダ３０が伸長動作状態にあると判定すると、比例電磁弁５４への励磁電流の供給を停止し、比例電磁弁５４を通じて各パイロット室５３ａ，３３ａ内のパイロット圧油をタンクへ排出する。このため、回生制御弁５３は、スプリング５３ｂのばね力によって無回生位置５３ｃとなって、ピストン側室３０ａと回生通路５２との連通を遮断し、再生流量制御弁３３は、スプリング３３ｂのばね力によってノーマル位置３３ｃとなり、第１給排通路３１と第２給排通路３２との連通を遮断する。

　一方、コントローラ５０は、ブームシリンダ３０が収縮動作状態にあると判定すると、比例電磁弁５４へ励磁電流を供給し、比例電磁弁５４を通じて各パイロット室５３ａ，３３ａへパイロット圧油を供給する。供給されるパイロット圧油の圧力に応じて、回生制御弁５３は、半回生位置５３ｄまたは全回生位置５３ｅとなって、ピストン側室３０ａと回生通路５２とを連通させる。これにより、ブームシリンダ３０のピストン側室３０ａから排出される作動油の一部又は全部が回生モータ４６に導かれ、ブーム回生が行われる。また、再生流量制御弁３３は、切換位置３３ｄとなり、絞りを通じて第１給排通路３１と第２給排通路３２とを連通させる。

　ハイブリッド作業機の制御システム１００は、回生モータ４６に連結されるサブ流体圧ポンプとしてのアシストポンプ４７をさらに備える。以下では、アシストポンプ４７について説明する。

　アシストポンプ４７は、傾転角が調整可能な可変容量型ポンプであり、回生モータ４６と同軸回転するように連結されている。アシストポンプ４７は、回生モータ４６と電動モータ４８との何れか一方または両方の駆動力によって回転可能であり、傾転角に応じた作動油を吐出する。

　アシストポンプ４７の吐出側には、アシストポンプ４７から吐出される作動油を各アクチュエータに導くアクチュエータアシスト通路７１が接続される。アクチュエータアシスト通路７１は、ブームシリンダ３０のロッド側室３０ｂに接続されるブームアシスト通路７１ａと、アームシリンダ８０のピストン側室８０ａに接続されるアームアシスト通路７１ｂと、に分岐して形成される。なお、アームシリンダ８０は、ブームシリンダ３０と同様の構成を有しており、ピストン側室８０ａとロッド側室８０ｂとを内部に画成するピストンと、ピストンとアームとを連結するピストンロッドと、を有する。

　ブームアシスト通路７１ａには、アクチュエータアシスト制御弁としてのブームアシスト制御弁７４が設けられ、アームアシスト通路７１ｂには、アクチュエータアシスト制御弁としてのアームアシスト制御弁７５が設けられる。ブームアシスト制御弁７４及びアームアシスト制御弁７５は、コントローラ５０からの出力信号によって開度が制御される電磁比例絞り弁である。また、ブームアシスト通路７１ａとアームアシスト通路７１ｂとのそれぞれには、アシストポンプ４７から各アクチュエータへの作動油の流れのみを許容するチェック弁７６，７７が設けられる。

　ブームアシスト制御弁７４及びアームアシスト制御弁７５は、コントローラ５０によってその開度が直接制御される形式の制御弁に限定されず、前述の回生制御弁５３や再生流量制御弁３３のようにパイロット圧によってその開度が制御される形式の制御弁であってもよい。この場合、供給されるパイロット圧を制御する電磁弁が別途設けられる。パイロット圧によって開度が制御される制御弁を用いた場合には、制御弁の弁体の作動速度が緩やかになるため、作動油の供給を開始する際のショックや作動油の供給量を変更する際のショックが低減される。

　アシストポンプ４７から各アクチュエータに供給される作動油の圧力及び流量は、コントローラ５０によって制御される。コントローラ５０は、レギュレータ３５を介してアシストポンプ４７の斜板の傾転角を制御することによって、アシストポンプ４７から吐出される作動油の圧力及び流量を制御する。また、コントローラ５０は、ブームアシスト制御弁７４及びアームアシスト制御弁７５の開度を制御することによって、各アクチュエータに供給される作動油の流量を制御する。

　アシストポンプ４７から吐出された作動油がブームアシスト制御弁７４を通じてロッド側室３０ｂに供給されると、ロッド側室３０ｂに供給された作動油の圧力は、ブームシリンダ３０を収縮させる方向に作用するため、ブームシリンダ３０を収縮させる際の作動速度を向上させることができる。

　同様に、アシストポンプ４７から吐出された作動油がアームアシスト制御弁７５を通じてピストン側室８０ａに供給されると、ピストン側室８０ａに供給された作動油の圧力は、アームシリンダ８０を伸長させる方向に作用するため、アームシリンダ８０を伸長させる際の作動速度を向上させることができる。

　アームアシスト通路７１ｂは、ピストン側室８０ａに代えて、ロッド側室８０ｂに接続されてもよい。この場合、アシストポンプ４７からロッド側室８０ｂに供給された作動油の圧力は、アームシリンダ８０を収縮させる方向に作用するため、アームシリンダ８０を収縮させる際の作動速度を向上させることができる。また、アクチュエータアシスト通路７１が接続されるアクチュエータは、ブームシリンダ３０及びアームシリンダ８０に限定されず、バケットシリンダや旋回モータなどハイブリッド作業機に備えられる何れのアクチュエータであってもよい。

　次に、ハイブリッド作業機の制御システム１００における回生制御について説明する。

　コントローラ５０は、変位センサ１４ａまたは操作センサ５７ａの検出結果に基づいて、ブームシリンダ３０が収縮動作中であると判定すると、比例電磁弁５４へ励磁電流を供給し、比例電磁弁５４を通じて各パイロット室５３ａ，３３ａへパイロット圧油を供給する。供給されるパイロット圧油の圧力に応じて、回生制御弁５３は、半回生位置５３ｄまたは全回生位置５３ｅとなって、ピストン側室３０ａと回生通路５２とを連通させる。これにより、ブームシリンダ３０が収縮する際に、ブームシリンダ３０のピストン側室３０ａから排出される作動油の一部又は全部が回生通路５２を通じて回生モータ４６に流入する。流入する作動油によって回生モータ４６は回転し、連結される電動モータ４８を回転させる。電動モータ４８で発電された電力は、インバータ４９を介してバッテリ２４に充電される。このようにして回生ユニット４５における回生制御は実行される。

　このとき、再生流量制御弁３３も供給されるパイロット圧油の圧力に応じて切換位置３３ｄとなり、絞りを通じて第１給排通路３１と第２給排通路３２とを連通させる。これにより、ブームシリンダ３０のピストン側室３０ａから排出される作動油の一部が再生流量としてロッド側室３０ｂに導かれる。ロッド側室３０ｂに導かれた作動油の圧力は、ブームシリンダ３０を収縮させる方向に作用するため、ブームシリンダ３０の収縮速度を向上させることができる。

　ブームシリンダ３０が収縮動作中であって回生制御が行われているときに、操作レバー５７がブームを下げる方向、すなわちブームシリンダ３０が収縮する方向に所定の操作量を超えて操作されると、コントローラ５０は、ブームシリンダ３０の収縮速度を上昇する指令が入力されたと判定し、ブームシリンダ３０の収縮速度を上昇させるためにアクチュエータの作動速度制御を実行する。

　ここで、アクチュエータの作動速度制御について説明する。

　コントローラ５０は、操作センサ５７ａの検出値に基づいて、操作レバー５７が所定の操作量以上に操作されていることを検知した場合には、レギュレータ３５を制御し、回生モータ４６によって回転されるアシストポンプ４７から作動油が吐出されるようにアシストポンプ４７の斜板の傾転角を徐々に大きくする。同時に、コントローラ５０は、ブームアシスト制御弁７４を徐々に開弁させることによって、アシストポンプ４７から吐出された作動油をブームアシスト通路７１ａを通じてロッド側室３０ｂに供給する。ロッド側室３０ｂに供給された作動油の圧力は、ブームシリンダ３０を収縮させる方向に作用するため、ブームシリンダ３０の収縮速度を向上させることができる。

　さらに、コントローラ５０は、操作センサ５７ａの検出値に基づいて、ロッド側室３０ｂに供給される作動油の圧力及び流量を調整し、ブームシリンダ３０の収縮速度を制御する。具体的には、操作レバー５７の操作量が大きいほど、要求される収縮速度が高いと判定し、ロッド側室３０ｂに供給される作動油の圧力が高くなるように、または、流量が多くなるように、アシストポンプ４７及びブームアシスト制御弁７４を制御する。ロッド側室３０ｂに供給される作動油の圧力や流量は、アシストポンプ４７の傾転角及びブームアシスト制御弁７４の開度を変更することによって変化する。このため、アシストポンプ４７の傾転角またはブームアシスト制御弁７４の開度を調整することによって、ブームシリンダ３０の収縮速度をオペレータが意図する速度に制御することができる。なお、作動油の圧力及び流量をアシストポンプ４７の傾転角によって調整することができれば、ブームアシスト制御弁７４はブームアシスト通路７１ａの開放と遮断とを切り換える切換弁としてもよい。

　上述の回生制御とアクチュエータの作動速度制御との二つの制御によって、回生モータ４６によって回収された作動油のエネルギは、電気エネルギに回生されるとともに、その一部はブームシリンダ３０の作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生される。このため、エネルギが回収されることなく排出される作動油の量が減少し、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができる。

　つまり、ブームシリンダ３０が比較的大きく、エネルギを有する作動油の排出量が多い作業機であっても、作動油のエネルギの一部はブームシリンダ３０の作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生されることになるので、バッテリ２４の容量が小さい場合であってもエネルギが回収されることなく排出される作動油の量を減少させることができる。

　このように、比較的大きいブームシリンダ３０を備える作業機のバッテリ２４の容量を小さくしても作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができるので、同じ容量のバッテリ２４を有する回生ユニット４５を、異なる大きさのブームシリンダ３０を備える作業機に対して適用することが可能となる。

　また、コントローラ５０は、回生制御中に、図示しないアームの操作レバーが所定の操作量よりも大きく操作されると、アームシリンダ８０の伸長速度を上昇させるためにアクチュエータの作動速度制御を実行する。制御の内容は、ブームシリンダ３０の収縮速度を上昇させる場合と同様であるため、その説明は省略する。

　また、図示しない増速スイッチを設け、このスイッチがオペレータによって操作されているときのみ、アクチュエータの作動速度制御を実行するようにしてもよい。高速作業に慣れていないオペレータにとっては、アクチュエータの作動速度が速くなるとかえって作業がしにくくなる場合がある。このため、増速スイッチが操作されない限り、アクチュエータの作動速度制御は実行されず、ブームアシスト制御弁７４及びアームアシスト制御弁７５は全閉に維持される。

　また、アクチュエータの作動速度制御は、上述の回生制御が行われているときに実行されることが好ましいが、例えばバッテリ２４が満充電となり回生制御が行われないときであっても、アシストポンプ４７を電動モータ４８によって回転させることにより実行することが可能である。また、ブームシリンダ３０以外のアクチュエータの作動速度制御を実行する場合は、ブームシリンダ３０が収縮動作中でなくとも、アシストポンプ４７を電動モータ４８によって回転させることによりアクチュエータの作動速度制御を実行することが可能である。

　以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

　ハイブリッド作業機の制御システム１００では、回生モータ４６によって回収された作動油のエネルギは、電気エネルギに回生されるとともに、その一部はアクチュエータの作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生される。このため、例えば、バッテリ２４の容量が小さくとも、電気エネルギに回生されない作動油のエネルギは、作動流体エネルギとして回生されることになるので、エネルギが回収されることなく排出される作動油の量を減少させることができる。このように、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができるため、エネルギを有する作動油の排出量が異なる作業機に対して、同じ容量のバッテリ２４を有する回生ユニット４５を適用することが可能となる。この結果、ハイブリッド作業機の制御システム１００の製造コストの上昇を抑制しつつ、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができる。

　以下、本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

　ハイブリッド作業機の制御システム１００は、ブームシリンダ３０に作動油を供給する第１，第２メインポンプ２６，２７と、ブームシリンダ３０のピストン側室３０ａから排出され回生制御弁５３を通じて導かれる作動油によって回転する回生モータ４６、回生モータ４６に連結される電動モータ４８、及び、電動モータ４８によって発電された電力を貯めるバッテリ２４を有する回生ユニット４５と、回生ユニット４５による回生制御を行うコントローラ５０と、回生モータ４６に連結されるアシストポンプ４７と、アシストポンプ４７の吐出側とブームシリンダ３０のロッド側室３０ｂとを連通するアクチュエータアシスト通路７１，７１ａと、を備える。

　この構成では、ブームシリンダ３０がピストン側室３０ａを圧縮する方向へ作動する際、ピストン側室３０ａから排出される作動油によって回生モータ４６が回転し、回生モータ４６によって電動モータ４８とアシストポンプ４７とが回転される。電動モータ４８によって発電された電力はバッテリ２４に充電される一方、アシストポンプ４７から吐出される作動油は、アクチュエータアシスト通路７１，７１ａを通じてブームシリンダ３０のロッド側室３０ｂへ供給され、ブームシリンダ３０の作動速度を向上させる。このように回生モータ４６によって回収された作動油のエネルギは、電気エネルギに回生されるとともに、その一部はブームシリンダ３０の作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生される。このため、例えば、バッテリ２４の容量が小さくとも、電気エネルギに回生されない作動油のエネルギは、作動流体エネルギとして回生されることになるので、エネルギが回収されることなく排出される作動油の量を減少させることができる。このように、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができるため、エネルギを有する作動油の排出量が異なる作業機に対して、同じ容量のバッテリ２４を有する回生ユニット４５を適用することが可能となる。この結果、ハイブリッド作業機の製造コストを低減することができる。

　また、回生ユニット４５による回生制御を行うコントローラ５０は、回生制御を行っている間にブームシリンダ３０の作動速度を上昇する指令を受けた場合には、アシストポンプ４７からの作動油の供給を開始させる。

　この構成では、回生制御を行っている間にアシストポンプ４７からの作動油の供給が開始される。このため、回生モータ４６によって回収された作動油のエネルギの一部は、ブームシリンダ３０の作動速度を向上させる作動流体エネルギとして回生される。この結果、作動油が有するエネルギの回生効率を向上させることができる。

　また、ピストン側室３０ａとロッド側室３０ｂとを連通する再生通路３１ａと、再生通路３１ａに設けられ、ピストン側室３０ａから排出される作動油の一部をロッド側室３０ｂへと導く再生流量制御弁３３と、をさらに備え、再生流量制御弁３３は、回生制御弁５３の開弁に連動して開弁し、アクチュエータアシスト通路７１，７１ａを通じてアシストポンプ４７から供給される作動油は、ピストン側室３０ａから再生流量制御弁３３を通じて導かれる作動油とともにロッド側室３０ｂに供給される。

　この構成では、ピストン側室３０ａとロッド側室３０ｂとを連通する再生通路３１ａに再生流量制御弁３３が設けられる。回生制御が行われるときに再生流量制御弁３３が開弁しピストン側室３０ａからロッド側室３０ｂに作動油が導かれるため、再生流量制御弁３３が設けられない場合と比較し、ブームシリンダ３０の収縮速度は速くなる。しかし、再生流量制御弁３３を通じてロッド側室３０ｂに導かれる作動油は、ピストン側室３０ａから排出される作動油の一部であり、流量に限界があるため、再生流量制御弁３３を用いてもオペレータが意図するブームの下降速度を実現できないおそれがある。そのため、この構成では、アクチュエータアシスト通路７１，７１ａを通じてアシストポンプ４７から供給される作動油が、再生流量制御弁３３を通じて導かれる作動油とともにロッド側室３０ｂに供給される。このように、ロッド側室３０ｂには、再生流量制御弁３３からだけではなく、アシストポンプ４７からも作動油が供給されるため、ブームシリンダ３０の収縮速度をオペレータが意図する速度まで向上させることができる。

　また、ブームアシスト通路７１ａに設けられ、アシストポンプ４７からロッド側室３０ｂに供給される作動油の流量を制御するブームアシスト制御弁７４をさらに備える。

　この構成では、アシストポンプ４７からロッド側室３０ｂに供給される作動油の流量は、ブームアシスト制御弁７４によって制御される。このため、ブームアシスト制御弁７４の開度を制御することによって、ブームシリンダ３０の収縮速度をオペレータが意図する速度に制御することができる。

　また、アシストポンプ４７の吐出側とアームシリンダ８０とを連通するアームアシスト通路７１ｂと、アームアシスト通路７１ｂに設けられ、アシストポンプ４７からアームシリンダ８０に供給される作動油の流量を制御するアームアシスト制御弁７５と、をさらに備える。

　この構成では、ブームシリンダ３０だけではなくアームシリンダ８０にもアシストポンプ４７の吐出側が連通される。このため、アームシリンダ８０のように、ブームシリンダ３０以外のアクチュエータの作動速度も向上させることができる。また、アームアシスト制御弁７５の開度を制御することによって、アームシリンダ８０の伸長速度をオペレータが意図する速度に制御することができる。

　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構成に限定する趣旨ではない。

　例えば、作業機としては、油圧ショベルに限定されず、流体圧シリンダによって駆動するブームを有する油圧クレーンや高所作業機等であってもよい。

　本願は２０１５年６月３日に日本国特許庁に出願された特願２０１５－１１３２５３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。

Claims

　ハイブリッド作業機の制御システムであって、
　流体圧アクチュエータに作動流体を供給するメイン流体圧ポンプと、
　前記流体圧アクチュエータの負荷側圧力室から排出され回生弁を通じて導かれる作動流体によって回転する回生モータ、前記回生モータに連結される回転電機、及び、前記回転電機によって発電された電力を貯める蓄電池を有する回生ユニットと、
　前記回生モータに連結されるサブ流体圧ポンプと、
　前記サブ流体圧ポンプの吐出側と前記流体圧アクチュエータの反負荷側圧力室とを連通するアクチュエータアシスト通路と、を備えるハイブリッド作業機の制御システム。
　請求項１に記載のハイブリッド作業機の制御システムであって、
　前記回生ユニットによる回生制御を行うコントローラをさらに備え、
　前記コントローラは、前記回生制御を行っている間に前記流体圧アクチュエータの作動速度を上昇する指令を受けた場合には、前記サブ流体圧ポンプからの作動流体の供給を開始させるハイブリッド作業機の制御システム。
　請求項１に記載のハイブリッド作業機の制御システムであって、
　前記負荷側圧力室と前記反負荷側圧力室とを連通する再生通路と、
　前記再生通路に設けられ、前記負荷側圧力室から排出される作動流体の一部を前記反負荷側圧力室へと導く再生弁と、をさらに備え、
　前記再生弁は、前記回生弁の開弁に連動して開弁し、
　前記アクチュエータアシスト通路を通じて前記サブ流体圧ポンプから供給される作動流体は、前記負荷側圧力室から前記再生弁を通じて導かれる作動流体とともに前記反負荷側圧力室に供給されるハイブリッド作業機の制御システム。
　請求項１に記載のハイブリッド作業機の制御システムであって、
　前記アクチュエータアシスト通路に設けられ、前記サブ流体圧ポンプから前記反負荷側圧力室に供給される作動流体の流量を制御するアクチュエータアシスト制御弁をさらに備えるハイブリッド作業機の制御システム。
　請求項１に記載のハイブリッド作業機の制御システムであって、
　前記流体圧アクチュエータとは異なる第２流体圧アクチュエータと、
　前記サブ流体圧ポンプの吐出側と前記第２流体圧アクチュエータとを連通する第２アクチュエータアシスト通路と、
　前記第２アクチュエータアシスト通路に設けられ、前記サブ流体圧ポンプから前記第２流体圧アクチュエータに供給される作動流体の流量を制御する第２アクチュエータアシスト制御弁と、をさらに備えるハイブリッド作業機の制御システム。