JP5766075B2 - 作業機械の駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料タンクに蓄えられた燃料と、蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して作業機械を駆動するハイブリッドタイプの作業機械の駆動制御装置に関する。

従来の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、エンジンの出力により駆動されて吐出する油圧ポンプとを備える。また、この従来の作業機械の駆動制御装置はさらに、エンジンの出力を伝達されて駆動される発電機と、この発電機により生成された電気エネルギを蓄える蓄電装置（バッテリ）と、発電機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動力源として旋回体を駆動する旋回モータ（電動モータ）とを備える。この種の従来の作業機械の駆動制御装置としては特許文献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、前述の発電機の替わりに、モータ・ジェネレータ（いわゆるアシストモータ）を備え、蓄電装置における蓄電残量に応じて、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、蓄電装置の急速な蓄電残量の減少が防止される。この種の従来の駆動制御装置としては、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

一般に、油圧ポンプの吐出油を走行モータ、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ等の油圧アクチュエータに供給する場合、それらの油圧アクチュエータに供給される圧油の流量が大きくなるほど、それらの油圧アクチュエータの動作速度は大きくなるが、圧力損失も大きくなる。言い換えれば、それらの油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制限するほど、油圧アクチュエータの速度を制限することになるが、圧力損失を小さくすることができる。

油圧ポンプは、エンジンの出力およびモータ・ジェネレータの出力の少なくとも一方を伝達されて駆動されるものであるから、油圧アクチュエータの駆動に伴う圧力損失を小さくすれば、エンジンの燃費当りの作業機械の作業量、および、モータ・ジェネレータ（アシストモータ）の消費電力当りの作業機械の作業量のうちの少なくとも一方を大きくすることができる。そこで、燃料タンクにおける燃料残量および蓄電装置における蓄電残量の両方の状態に応じて、すなわち、作業機械に保有された総エネルギ量に応じて、エンジンの単位時間当たりの出力および蓄電装置の単位時間当たりの出力の少なくとも一方を制限することによって、その総エネルギ量での作業機械の作業量を大きくすることが考えられる。

本発明は前述の事情を考慮してなされたものであり、その目的は、燃料タンクに蓄えられた燃料と蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して作業機械を駆動する際に、燃料残量および蓄電残量の両方の状態に応じて、それら燃料残量および蓄電残量の少なくとも一方の単位時間当たりの使用量を制限できるハイブリッドタイプの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に係るハイブリッドタイプの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〕 本発明に係るハイブリッドタイプの作業機械の駆動制御装置は、燃料タンクと、この燃料タンクに蓄えられた燃料を使用して動力を生成するエンジンと、このエンジンにより駆動される可変容量型油圧ポンプと、この可変容量型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、この蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを供給されて駆動され、前記エンジンによる前記可変容量型油圧ポンプの駆動をアシスト可能な電動モータとを備えるハイブリッドタイプの作業機械の駆動制御装置において、前記燃料タンクの燃料残量を検出する燃料残量検出器と、前記蓄電装置の蓄電残量を検出する蓄電残量検出器と、前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、前記燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および前記蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、前記エンジンの出力の上限を設定するとともに、その上限以下の範囲で前記エンジンの出力を制御する前記エンジン出力制御手段と、このエンジン出力制御手段により制御される前記エンジンの出力トルクを超えないように前記可変容量型油圧ポンプの入力トルクを制御する前記ポンプ制御手段と、前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、前記燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および前記蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、前記蓄電装置の出力の上限を設定する電気出力制御手段とが設けられたことを特徴とする。

〔２〕 本発明に係るハイブリッドタイプの作業機械の駆動制御装置は、燃料タンクと、この燃料タンクに蓄えられた燃料を使用して動力を生成するエンジンと、このエンジンにより駆動される可変容量型油圧ポンプと、この可変容量型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、この蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを供給されて前記所定部位とは別の所定部位を駆動する電動アクチュエータとを備えるハイブリッドタイプの作業機械の駆動制御装置において、前記燃料タンクの燃料残量を検出する燃料残量検出器と、前記蓄電装置の蓄電残量を検出する蓄電残量検出器と、前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、前記燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および前記蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、前記エンジンの出力の上限を設定するとともに、その上限以下の範囲で前記エンジンの出力を制御する前記エンジン出力制御手段と、このエンジン出力制御手段により制御される前記エンジンの出力トルクを超えないように前記可変容量型油圧ポンプの入力トルクを制御する前記ポンプ制御手段と、前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、前記燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および前記蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、前記蓄電装置の出力の上限を設定する電気出力制御手段とが設けられたことを特徴とする。なお、この「〔２〕」に記載の駆動制御装置において、油圧アクチュエータは、例えば作業機械に搭載された作業装置を駆動するための油圧シリンダ、走行体を駆動するための油圧モータであり、電動アクチュエータは、例えば作業機械の旋回体を駆動するための電動モータである。

「〔１〕」，「〔２〕」に記載の駆動制御装置において、エンジン出力制御手段は、前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、エンジンの出力の上限を設定するとともに、その上限以下の範囲で前記エンジンの出力を制御する。そして、ポンプ制御手段は、このエンジン出力制御手段により制御されるエンジンの出力トルクを超えないように可変容量型油圧ポンプの入力トルクを制御する。また、電気出力制御手段は、前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、蓄電装置の出力の上限を設定する。これらにより、燃料タンクに蓄えられた燃料と蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して作業機械を駆動する際に、燃料残量および蓄電残量の両方の状態に応じて、それら燃料残量および蓄電残量の少なくとも一方の単位時間当たりの使用量を制限できる。

本発明に係る駆動制御装置によれば、前述のように、燃料タンクに蓄えられた燃料と蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して作業機械を駆動する際に、燃料残量および蓄電残量の両方の状態に応じて、それら燃料残量および蓄電残量の少なくとも一方の単位時間当たりの使用量を制限できる。この結果、作業機械に保有された総エネルギ量での作業機械の作業量を大きくすることができる。

本発明の一実施形態に係る作業機械である油圧ショベルを示す図である。 本発明の一実施形態に係る駆動制御装置を示すブロック図である。 図２に示したメインコントローラで行われる処理の詳細を示す図である。

本発明の一実施形態について図１〜図３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、カウンタウェイト６を有し、走行体２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。

本実施形態に係る駆動制御装置２０は、前述の油圧ショベル１を駆動するものであって、燃料を蓄える燃料タンク２６と、この燃料タンク２６に蓄えられた燃料を使用して動力を生成するエンジン２７と、このエンジン２７により駆動される可変容量型油圧ポンプ２８と、この可変容量型油圧ポンプ２８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２１（油圧モータ）、ブームシリンダ２２（油圧シリンダ）、アームシリンダ２３（油圧シリンダ）、バケットシリンダ２４（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２８と走行モータ２１、ブームシリンダ２２、アームシリンダ２３、バケットシリンダ２４との間には、油圧制御回路２９が介在して設けられ、この油圧制御回路２９によって、走行モータ２１、ブームシリンダ２２、アームシリンダ２３、バケットシリンダ２４のそれぞれに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２０はさらに、蓄電装置としてのバッテリ３０と、アシストモータ３１とを備える。アシストモータ３１は、バッテリ３０に蓄えられた電気エネルギを供給されて駆動され、エンジン２７による可変容量型油圧ポンプ２８の駆動をアシスト可能な電動モータであるとともに、エンジン２７の出力を伝達されてバッテリ３０に蓄えさせるための電気エネルギを生成するジェネレータでもある。

駆動制御装置２０はさらに、前述の所定部位とは別の所定部位、すなわち旋回体３を駆動するための旋回モータ２５を備える。この旋回モータ２５は、バッテリ３０に蓄えられた電気エネルギを供給されて駆動される電動アクチュエータであるとともに、旋回体３の制動時にバッテリ３０に蓄えさせるための電気エネルギを生成するジェネレータでもある。

駆動制御装置２０はさらに、エンジン２７の電子制御を行うためのエンジンコントローラ４０と、可変容量型油圧ポンプ２８の押し退け容積の可変機構部２８ａを制御する電子制御可能なレギュレータ４１と、バッテリ３０からアシストモータ３１に供給される電力を制御するアシスト用インバータ４２と、バッテリ３０から旋回モータ２５に供給される電力を制御する旋回用インバータ４３と、アシストモータ３１により生成された電気エネルギ、および、旋回モータ２５により生成された電気エネルギをバッテリ３０に充電可能な形に変換するコンバータ４４と、これらエンジンコントローラ４０，レギュレータ４１，アシスト用インバータ４２，旋回用インバータ４３，コンバータ４４を制御するメインコントローラ５０とを備える。

駆動制御装置２０はさらに、燃料タンク２６の燃料残量を検出する燃料残量検出器６１と、バッテリ３０の蓄電残量を検出する蓄電残量検出器６２とを備える。メインコントローラ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エンジン出力制御手段５１を備える。このエンジン出力制御手段５１は、燃料残量検出器６１による燃料残量の検出結果および蓄電残量検出器６２による蓄電残量の検出結果の両方に基づいてエンジン２７の出力の上限を設定し、その出力の上限以下の範囲でエンジン２７を稼働させるようエンジンコントローラ４０に指令を出力するものである。

メインコントローラ５０はさらに、制御プログラムにより予め設定された電気出力制御手段５２を備える。この電気出力制御手段５２は、燃料残量検出器６１による燃料残量の検出結果および蓄電残量検出器６２による蓄電残量の検出結果の両方に基づいてバッテリ３０の出力の上限を設定し、その出力の上限以下の範囲でアシストモータ３１および旋回モータ２５が駆動されるようアシスト用インバータ４２および旋回用インバータ４３を制御するものである。

駆動制御装置２０はさらに、可変容量型油圧ポンプ２８の吐出圧を検出する吐出圧検出器６３、可変容量型油圧ポンプ２８の押し退け容積を検出する押し退け容積検出器６４とを備える。また、メインコントローラ５０はさらに、制御プログラムにより予め設定されたポンプ制御手段５３を備える。このポンプ制御手段５３は、吐出圧検出器６３による吐出圧の検出結果および押し退け容積検出器６４による押し退け容積の検出結果の両方に基づいて、可変容量型油圧ポンプ２８の入力トルクがエンジン２７の出力トルクを超えないよう可変容量型油圧ポンプ２８のレギュレータ４１を制御する、すなわち、可変容量型油圧ポンプ２８の押し退け容積を制御するものである。

メインコントローラ５０は、燃料残量が燃料タンク２６の貯蔵限度の２０％未満で、蓄電残量がバッテリ３０の貯蔵限度の５０％以上の場合に第１モードとなり、燃料残量が燃料タンク２６の貯蔵限度の２０％以上で、蓄電残量がバッテリ３０の貯蔵限度の５０％以上の場合に第２モードとなり、燃料残量が燃料タンク２６の貯蔵限度の２０％未満で、蓄電残量がバッテリ３０の貯蔵限度の５０％未満の場合に第３モードとなり、燃料残量が燃料タンク２６の貯蔵限度の２０％以上で、蓄電残量がバッテリ３０の貯蔵限度の５０％未満の場合に第４モードとなる。

第１モードにおいて、エンジン出力制御手段５１はエンジン２７の出力の上限を最高出力の８０％に設定し、電気出力制御手段５２はバッテリ３０の出力の上限を最高出力の９０％に設定する。第２モードにおいて、エンジン出力制御手段５１はエンジン２７の出力の上限を最高出力の１００％に設定し、電気出力制御手段５２はバッテリ３０の出力の上限を最高出力の１００％に設定する。第３モードにおいて、エンジン出力制御手段５１はエンジン２７の出力の上限を最高出力の８０％に設定し、電気出力制御手段５２はバッテリ３０の出力の上限を最高出力の８０％に設定する。第４モードにおいて、エンジン出力制御手段５１はエンジン２７の出力の上限を最高出力の１００％に設定し、電気出力制御手段５２はバッテリ３０の出力の上限を最高出力の８０％に設定する。なお、第１モードにおいて、バッテリ３０の出力の上限を最高出力の１００％に設定せずに９０％に設定する意図は、バッテリ３０が劣化した場合に蓄電残量の検出精度が低下するため、その検出精度の低下を考慮して蓄電残量に余裕を持たせるためである。

第１〜第４モードのそれぞれにおいて、ポンプ制御手段５３は、可変容量型油圧ポンプ２８の入力トルクがエンジン２７の出力トルクを超えないよう可変容量型油圧ポンプ２８のレギュレータ４１を制御する。これにより、第１モードにおいて作業装置用アクチュエータ、すなわちブームシリンダ２２、アームシリンダ２３、バケットシリンダ２４と、走行モータ２ａとの総出力の上限は最高出力の８０％に設定されることになり、第２モードにおいて総出力の上限は最高出力の１００％に設定されることになり、第３モードにおいて総出力の上限は最高出力の８０％に設定されることになり、第４モードにおいて総出力の上限は最高出力の８０％に設定されることになる。

本実施形態に係る駆動制御装置２０によれば次の効果を得られる。

本実施形態に係る駆動制御装置２０において、エンジン出力制御手段５１は、燃料残量検出器６１による燃料残量の検出結果および蓄電残量検出器６２による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、エンジン２７の出力の上限を設定するとともに、その上限以下の範囲で２７エンジンの出力を制御する。そして、ポンプ制御手段５３は、このエンジン出力制御手段５１により制御されるエンジン２７の出力トルクを超えないように可変容量型油圧ポンプ２８の入力トルクを制御する。また、電気出力制御手段５２は、燃料残量検出器６１による燃料残量の検出結果および蓄電残量検出器６２による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、バッテリ３０の出力の上限を設定する。これらにより、燃料タンク２６に蓄えられた燃料とバッテリ３０に蓄えられた電気エネルギを使用して油圧ショベル１を駆動する際に、燃料残量および蓄電残量の両方の状態に応じて、それら燃料残量および蓄電残量の少なくとも一方の単位時間当たりの使用量を制限できる。この結果、油圧ショベル１に保有された総エネルギ量での油圧ショベル１の作業量を大きくすることができる。

なお、前述の実施形態に係る駆動制御装置１は、蓄電装置としてバッテリ３０を備えるものであるが、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。

１ 油圧ショベル
２０ 駆動制御装置
２１ 走行モータ
２２ ブームシリンダ
２３ アームシリンダ
２４ バケットシリンダ
２５ 旋回モータ
２６ 燃料タンク
２７ エンジン
２８ 可変容量型油圧ポンプ
３０ バッテリ
３１ アシストモータ
３２ 旋回モータ
４０ エンジンコントローラ
４１ レギュレータ
４２ アシスト用インバータ
４３ 旋回用インバータ
４４ コンバータ
５０ メインコントローラ
５１ エンジン出力制御手段
５２ 電気出力制御手段
５３ ポンプ制御手段
６１ 燃料残量検出器
６２ 蓄電残量検出器
６３ 吐出圧検出器
６４ 押し退け容積検出器

Claims (2)

1. 燃料タンクと、この燃料タンクに蓄えられた燃料を使用して動力を生成するエンジンと、このエンジンにより駆動される可変容量型油圧ポンプと、この可変容量型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、この蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを供給されて駆動され、前記エンジンによる前記可変容量型油圧ポンプの駆動をアシスト可能な電動モータとを備えるハイブリッドタイプの作業機械の駆動制御装置において、
   前記燃料タンクの燃料残量を検出する燃料残量検出器と、
   前記蓄電装置の蓄電残量を検出する蓄電残量検出器と、
   前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、前記燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および前記蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、前記エンジンの出力の上限を設定するとともに、その上限以下の範囲で前記エンジンの出力を制御する前記エンジン出力制御手段と、 このエンジン出力制御手段により制御される前記エンジンの出力トルクを超えないように前記可変容量型油圧ポンプの入力トルクを制御する前記ポンプ制御手段と、
   前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、前記燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および前記蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、前記蓄電装置の出力の上限を設定する電気出力制御手段とが設けられた
   ことを特徴とするハイブリッドタイプの作業機械の駆動制御装置。
2. 燃料タンクと、この燃料タンクに蓄えられた燃料を使用して動力を生成するエンジンと、このエンジンにより駆動される可変容量型油圧ポンプと、この可変容量型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、この蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを供給されて前記所定部位とは別の所定部位を駆動する電動アクチュエータとを備えるハイブリッドタイプの作業機械の駆動制御装置において、
   前記燃料タンクの燃料残量を検出する燃料残量検出器と、
   前記蓄電装置の蓄電残量を検出する蓄電残量検出器と、
   前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、前記燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および前記蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、前記エンジンの出力の上限を設定するとともに、その上限以下の範囲で前記エンジンの出力を制御する前記エンジン出力制御手段と、
   このエンジン出力制御手段により制御される前記エンジンの出力トルクを超えないように前記可変容量型油圧ポンプの入力トルクを制御する前記ポンプ制御手段と、
   前記燃料タンクに蓄えられた燃料と前記蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して前記作業機械を駆動する際に、前記燃料残量検出器による燃料残量の検出結果および前記蓄電残量検出器による蓄電残量の検出結果の両方に基づいて、前記蓄電装置の出力の上限を設定する電気出力制御手段とが設けられた
   ことを特徴とするハイブリッドタイプの作業機械の駆動制御装置。