WO2012035929A1

WO2012035929A1 - ハイブリッドホイールローダ

Info

Publication number: WO2012035929A1
Application number: PCT/JP2011/068789
Authority: WO
Inventors: 金子　悟; 伊君　高志; 秀一森木; 徳孝伊藤; 裕章柳本
Original assignee: 日立建機株式会社
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2012-03-22
Also published as: CN103080431B; CN103080431A; EP2617902A1; JP2012062726A; EP2617902B1; JP5174875B2; US8914177B2; EP2617902A4; US20130151055A1; KR101834027B1; KR20140005852A

Abstract

【課題】高効率でかつ、安定に動力を供給可能なハイブリッドホイールローダを提供する。【解決手段】車両の前方にフロント作業機（５）を備えると共に、エンジン（１）および蓄電装置を動力源とし、この動力源の出力を制御するハイブリッド制御装置（２０）を備えたハイブリッドホイールローダにおいて、蓄電装置としてのキャパシタ（１１）を備え、前記ハイブリッド制御装置は、車両の保有するエネルギーの増加に従って前記キャパシタの電圧を下げるように制御することを特徴としている。

Description

ハイブリッドホイールローダ

　本発明は、ハイブリッドホイールローダに関し、特に、蓄電装置としてのキャパシタの出力を制御するのに好適なものである。

　近年、環境問題、原油高騰などの点から、各工業製品に対して省エネ志向が強まっている。これまでディーゼルエンジンによる油圧駆動システムが中心であった建設車両、作業用車両等の分野においても、その傾向にあり、電動化による高効率化、省エネルギー化の事例が増加してきている。

　例えば、車両の駆動部分を電動化、すなわち駆動源を電気モータにした場合、排気ガスの低減のほか、エンジンの高効率駆動（ハイブリッド機種）、動力伝達効率の向上、回生電力の回収など多くの省エネルギー効果が期待できる。前述の建設車両、作業用車両等の分野では、フォークリフトの電動化が最も進んでおり、バッテリーの電力を用いてモータを駆動する「バッテリーフォークリフト」が他車両に先駆けていち早く実用化されている。最近ではこれに引き続いて、油圧ショベル、エンジン式フォークリフトなどにおいて、ディーゼルエンジンと電気モータを組み合わせた「ハイブリッド車両」が製品化され始めている。

　また、上記のように電動化による環境対応・省エネルギー化が進む建設機械、作業用車両の中で、ハイブリッド化した場合の効果に比較的大きな燃費低減効果が見込まれる車両にホイールローダがある。従来のホイールローダは、図８に示すように、主な可動部として、走行部（ホイール部分）とフロントの油圧作業部（リフト／バケット部分）を有しており、エンジン１の動力をトルクコンバータ（トルコン）２およびトランスミッション（Ｔ／Ｍ）３によりタイヤ１３に伝えて走行を行いながら、油圧ポンプ４によって駆動される車両フロント部の油圧作業装置５で土砂等を掘削・運搬する。

　この従来のホイールローダの走行駆動部分を電動化した場合、従来から用いられているトルコンの動力伝達効率が電気による動力伝達効率より劣るため、その分、エンジンからの動力伝達効率を向上させることが可能となる。さらにホイールローダでは、作業中に頻繁に発進・停止の走行動作を繰り返すため、走行部分を電動化した場合には走行用電動機から制動時の回生電力の回収が見込める。このように現状のホイールローダの駆動装置の一部に電動化を施してハイブリッド化した場合、一般に燃料消費量を数１０％程度低減可能であると言われている。

　このような作業用車両のハイブリッドシステムの制御方法については、例えば特許文献１に示されたものがある。この特許文献１には、ハイブリッド式作業車両の騒音レベルに応じて制御モードを選択する方式について開示されている。具体的には、エンジンのローアイドル状態での駆動方式について、まずエンジンをローアイドル状態に固定すると共に、ハンドスロットルで設定したポンプ出力となるように、必要に応じてエンジン駆動のみのポンプ出力で不足する分を電動モータにより補助する。つぎに電動モータを駆動中か否かをチェックし、駆動中の場合は作業機レバーの操作信号に応じて作業機を駆動する。

　このとき、電動モータが停止していれば、電動モータを一定回転数で駆動し、エンジンと電動モータにより作業機を駆動する。この後、バッテリーの充電量を演算し、この充電量に基づいてバッテリーが空か否かを判断する。そして、バッテリーが空のときは警告を出力すると共に、電動モータを停止してエンジンのローアイドルでのみ油圧ポンプを駆動する。また、作業機レバーの操作信号が入力されないときは電動モータを停止し、バッテリーが満充電のときはエンジンを停止する。またバッテリーが満充電ではないときは発電機により充電を行う。

　このように、特許文献１に記載の技術では、車両の騒音レベルに応じてエンジンをローアイドル状態もしくはアイドリングストップ状態として、低騒音な駆動方式が実現可能となる。

特開２０００－２２６１８３号公報

　上記した特許文献１に記載の従来技術は、エンジンをローアイドル状態にした後、バッテリーの充電量を演算し、この充電量に基づいてバッテリーが空か否かを判断する。そして、バッテリーが空のときは警告を出力すると共に、電動モータを停止してエンジンのローアイドルでのみ油圧ポンプを駆動する。このようにした場合、バッテリーが空の状態では、オペレータの動力要求に対して出力不足が生じ、作業機械を満足できる速度で駆動することが困難となる可能性がある。

　さらに、上記した特許文献１に記載の従来技術は、公報の中でラフテレンクレーンと油圧ショベルのハイブリッド機に対して記載してあるが、本従来技術がその他の建設機械にもそのまま適用できるとは限らない。例えば、上記ホイールローダは、その動作モードの中で、エンジンのローアイドル状態（待機状態）からフロントのバケット部分を上昇させながら車両をフル加速させるといった特有の動作モードがある。このような高負荷の動作モードの際に、特許文献１に記載のようにエンジンのローアイドルの状態のみでホイールローダを駆動した場合は、所要の動作性能が得られない可能性がある。

　そこで、本発明の目的は、ホイールローダ特有の車両の待機状態からフル加速するような高負荷の動作モードの場合にも、安定に動力を供給可能なハイブリッドホイールローダを提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明は、車両の前方にフロント作業機を備えると共に、エンジンおよび蓄電装置を動力源とし、この動力源の出力を制御するハイブリッド制御装置を備えたハイブリッドホイールローダにおいて、前記蓄電装置としてのキャパシタを備え、前記ハイブリッド制御装置は、車両の保有するエネルギーの増加に従って前記キャパシタの電圧を下げるように制御することを特徴としている。本発明によれば、車両の保有するエネルギーに応じてキャパシタの電圧を使用できるため、エンジンとキャパシタとを効率良く使用して車両を駆動することができる。

　ここで、本発明の「車両の保有するエネルギー」とは、例えば、車体走行速度による運動エネルギーである。また、本発明の「車両の保有するエネルギー」は、車体走行速度による運動エネルギーに加えて、フロント作業機のバケット高さによる位置エネルギー、エンジンおよびモータ・ジェネレータの回転数による回転エネルギーなどの合計として演算されたものであっても良い。また、本発明の「車両の保有するエネルギー」は、車体走行速度による運動エネルギーに対して、フロント作業機のバケット高さによる位置エネルギー、エンジンおよびモータ・ジェネレータの回転数による回転エネルギーのいずれか１つを加えたものであっても良い。

　即ち、上記構成において、前記車両の保有するエネルギーは、車体の走行速度による運動エネルギー、または、前記運動エネルギーに、前記フロント作業機のバケット高さによる位置エネルギーと、前記エンジンおよび前記モータ・ジェネレータの回転数による回転エネルギーの少なくとも一方を加算したエネルギーからなるものであることが好ましい。

　また、上記構成において、前記ハイブリッド制御装置は、通常の作業動作を行う通常動作モードと、前記車両を待機させる車両待機モードとで前記車両の保有するエネルギーに対する前記キャパシタの電圧の特性が異なるよう制御すると共に、前記通常動作モードにおいて、前記車両の保有するエネルギーが予め定めた低出力値（例えば、図７の車両の保有するエネルギーｍｉｎ（最小値）に相当）である場合に、前記キャパシタの電圧を、最高使用電圧値（例えば、図７のＶｃｍａｘに相当）より小さく、かつ最低使用電圧値（例えば、図７のＶｃｍｉｎに相当）より大きい第１の特定電圧値（例えば、図７のＶｃ１に相当）となるよう制御し、前記車両の保有するエネルギーが前記低出力値にある状態が所定時間継続された場合には、前記ハイブリッド制御装置は、前記キャパシタの電圧を前記第１の特定電圧値から前記最高使用電圧値に上げるよう制御し、その後、前記エンジンの回転数をアイドル状態の回転数に下げて前記車両待機モードに移行する構成とするのが好ましい。

　この構成によれば、車両の待機状態ではキャパシタの電圧を最高使用電圧値まで上げているため、車両の待機状態からフル加速するようなホイールローダ特有の高負荷の動作モードに対しても安定した動力をキャパシタから供給することができる。

　ところで、キャパシタの電圧が第１の特定電圧値から最高使用電圧値まで上げながら同時にエンジンの回転数をアイドル状態の回転数まで下げると、その途中で車両が急発進すると十分な出力が得られない場合がある。しかしながら、本発明によれば、キャパシタの電圧が最高使用電圧値まで上がってからエンジンの回転数をアイドル状態の回転数に下げるようにしているので、車両が急発進する場合においても十分な出力が得られる。

　また、上記構成において、前記ハイブリッド制御装置は、前記通常動作モードの場合に、前記キャパシタの電圧を前記車両の保有するエネルギーの増加に従って前記第１の特定電圧値から、前記最低使用電圧値より大きく、かつ前記第１の特定電圧値より小さい第２の特定電圧値（例えば、図７のＶｃ２に相当）まで下げるように制御し、前記車両待機モードの場合に、前記キャパシタの電圧を前記車両の保有するエネルギーの増加に従って前記最高使用電圧値から前記最低使用電圧値まで下げるよう制御する構成とするのが好ましい。

　この構成によれば、車両の待機状態からフル加速するようなホイールローダ特有の高負荷の動作モードに対しては、車両待機モードに対応したキャパシタの電圧制御を行うことにより、車両が加速するに従って積極的にキャパシタより電力を放電し、エンジンの出力アシストを行い、車両がフル加速する際にはキャパシタに蓄えられている電力を全て使用することができる。

　また、通常動作モードでは既にエンジンが作業時を想定した回転数で稼働しており、車両の要求する動力に対して十分な出力を出せる状態にあるため、本発明の如き通常動作モードに対応したキャパシタの電圧制御を行うことにより、モータ・ジェネレータからの不要な発電でのキャパシタ充電を避けることができる。しかも、加速後、車両速度が上昇してきてもエンジンからの出力が十分出せるため、キャパシタからの放電電力を据え置くことができる。

　本発明によれば、フロント部の油圧作業装置と電動モータで動力の一部、あるいは全てを賄う走行駆動装置を有するハイブリッドホイールローダにおいて、車両の待機状態からのフル加速するような高負荷の動作モードの場合にも、最適なキャパシタの容量で安定した動力を供給することができる。

作業用車両のハイブリッドシステムの構成例を示す図である。ハイブリッド制御装置と周辺制御装置との結線関係を示す図である。ホイールローダの作業パターンの一例を示す図である。ハイブリッド制御装置内の制御構成例を示す図である。運転モード検出処理を示すフローチャートである。出力配分制御手段の構成を示すブロック線図である。ハイブリッドホイールローダの動作に応じたキャパシタの充放電パターンを示す図である。作業用車両の一例であるホイールローダの従来の駆動システム構成を示す図である。

　以下、本発明の実施の形態例に係るハイブリッドホイールローダについて、図１～図７を参照しながら説明する。まず、本発明の実施の形態例に係るハイブリッドホイールローダのシステム構成例について、図１を用いて説明する。図１に示す構成例は、ホイールローダの可動部のうち走行部を電動化した構成であり、具体的には、エンジン１の出力軸にＭ／Ｇ（モータ／ジェネレータ）６、それを制御するインバータ７、ならびに、走行部のプロペラシャフト８に取り付けられた走行用電動機９、それを制御するインバータ１０が搭載されたシリーズ型のハイブリッドシステムである。また、キャパシタ１１はＤＣＤＣコンバータ１２を介してインバータ７、１０と電気的に接続されており、これらの電力変換器の間で直流電力の収受を行う。特に本実施例では、蓄電装置として電気２重層キャパシタ１１が用いられており、ＤＣＤＣコンバータ１２によってキャパシタ電圧の昇降圧制御を行い、インバータ７、１０との間で直流電力の受け渡しを行う。このように、本実施形態に係るハイブリッドホイールローダは、エンジン１とキャパシタ１１とが動力源となっている。

　また、図１に示すハイブリッドホイールローダは、図８の従来機と同様に、土砂などの掘削作業を行うフロント部の油圧作業装置５に油を供給する油圧ポンプ４を備えていて、目的に応じた作業を実施する。それに対して、車両の走行は、主にエンジン１の動力を元にモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）６で発電した電力を利用し、走行用電動機９でタイヤ１３を回転駆動することにより行われる。その際、キャパシタ１１では車両制動時の回生電力の吸収やエンジン１に対する出力アシストを行い、車両の消費エネルギー低減に寄与する。なお、本発明が対象とするハイブリッドシステムは図１の構成例に限られるものではなく、パラレル型など多様なハイブリッド構成に対しても本発明は適用可能である。

　また、上記ハイブリッドシステムの制御を行う部分として、車両にはハイブリッド制御装置２０が搭載される。このハイブリッド制御装置２０は、図１に示すハイブリッドシステム全体のエネルギーやパワーの制御を行うコントローラである。また、車両にはハイブリッド制御装置２０の他、それぞれ油圧のコントロールバルブ（Ｃ／Ｖ）やポンプを制御する油圧制御装置２１、エンジンの制御を行うエンジン制御装置２２、インバータ７、１０を制御するインバータ制御装置２３、ＤＣＤＣコンバータ１２を制御するコンバータ制御装置２４が搭載されており、これら周辺制御装置は、例えば図２に示すように、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信等を用いて結線され、相互に各機器の指令値、および状態量を送受信する。

　なお、実際に車両を成立させる上では、各周辺制御装置２１～２４の他にモニタや情報系のコントローラが必要となってくるが、それらは本発明と直接的な関係が無いため、図２においては、図１に示すハイブリッドシステムの各駆動部分を制御するために必要なコントローラのみを示している。

　ハイブリッド制御装置２０は、図２に示すように、油圧制御装置２１、エンジン制御装置２２、インバータ制御装置２３、コンバータ制御装置２４の各コントローラの上位に位置してシステム全体の制御を行っており、システム全体が最高の性能を発揮するように各制御装置２１～２４に具体的動作の指令を与える。なお、各制御装置は図２に示すような必ずしも他制御装置と別体という訳ではなく、ある一つの制御装置に２つ以上の制御機能を実装しても構わない。

　また、本実施の形態例に係るホイールローダにはいくつかの動作パターンがあり、ハイブリッド制御装置２０は、その動作に応じて車両を最適に稼働させる必要がある。たとえば、代表的な作業パターンとしては、図３に示すＶサイクル掘削作業がある。このＶサイクル掘削作業は実際のホイールローダの作業全体に対して、約７割以上を占める主動作パターンである。このＶサイクル掘削作業では、ホイールローダは、まず砂利山などの掘削対象物に対して前進し、砂利山に突っ込むような形でバケットに砂利等の運搬物を積み込む。その後、ホイールローダは後進して元の位置に戻り、ステアリングを操作しながら、かつフロントのバケット部分を上昇させながらダンプ等の運搬車両に向かって前進する。そして、運搬車両に運搬物を積み込んだ後は再び後進し、車両は元の位置に戻る。以上の説明のように、ホイールローダはＶ字を描きながらこの作業を繰り返し行う。

　このとき、図１に示すハイブリッドシステムでは、各前進／後進の動作中に発生する制動動作時において走行用電動機９から回生電力を発生するため、その回生電力をキャパシタ１１に蓄え、次の力行動作でその回生電力を再利用することが可能となる。また、このＶサイクル掘削作業は、車両の速度が最大でも１５ｋｍ／ｈ程度の低速走行であり、また頻繁に発進／停止を繰り返すため、従来から用いられているトルクコンバータでは動力の伝達効率がそれほど高くない。それに対して、図１のようなシリーズ型のハイブリッドシステムは電動機を用いて走行を行うため、上述の様に消費エネルギーを相当量削減することが可能である。

　以上、記載したように、ホイールローダをハイブリッド化した場合は、従来のトルコンからの走行部の伝達効率向上分や回生電力回収分などで大きな燃費改善効果を得ることが可能となる。ここで、一般のハイブリッド自動車は蓄電装置としては主に２次電池（バッテリー）を搭載していて、比較的大きな電気エネルギー量を有しており、エンジンとの間で動力配分を行っている。但し、２次電池は重量やコスト、寿命等の課題が未だ残っており、必ずしも全てのハイブリッド車に搭載可能な蓄電装置ではない。例えば、本発明で対象としているホイールローダにおいては、頻繁に発進停止を繰り返す動作が全体の作業内容に占める割合が大きく、このような機種では電気２重層キャパシタ等の大容量コンデンサの方が好適な場合もある。そこで、本実施例では、蓄電装置としてキャパシタ１１を搭載し、このキャパシタ１１の出力がハイブリッドホイールローダの実際の動作に適したものとなるように制御している。

　一方、ハイブリッドホイールローダにおいて最も電力のアシストを必要とする動作としては、車両の待機状態からの複合動作が考えられる。この具体的な動作としては、エンジンをローアイドル（待機）状態とした後から、フロントの油圧作業部（リフト／バケット）を最低位置から上昇させながら、車両をフル加速させ、車両を１０ｋｍ／ｈ以上まで走行を継続するといったものである。このような車両の加速動作における初期の状態では、エンジンがローアイドル状態にあるときからフロント部のバケット、およびリフトを上昇させながら車両をフル加速させるため、大きな動力を必要とし、エンジンは常に最大出力状態となっている。このように、エンジンのローアイドル状態からのフル加速動作は、上述の基本的なＶサイクル掘削作業に比べ、エンジンに対して大きな負担をかけることになる。

　また、一般にハイブリッドシステムでは、従来の搭載エンジンに比べてこれを小型に変更することがある。これは効率の良い小形のエンジンを用いることで燃費改善を実現する狙いがある。ただし、ただ単にエンジンを小型にしただけではエンジンの出力不足に陥り、結果的には車両の駆動性能が低下し、最悪エンジンがエンストしてしまうことが考えられる。

　そこで、実施の形態例に係るハイブリッドホイールローダでは、新たに搭載したモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）６および大容量のキャパシタ１１によりエンジン１の出力アシストを行い、従来機と同等以上の出力性能を実現している。なお、先で述べた通常の基本的作業動作であるＶサイクル掘削作業では、エンジン１が元々定格付近の回転数で稼働しており、エンジン１から大きい動力が出力できることや、作業範囲は土砂等の掘削対象とダンプ等の運搬車両との間を行き来する程度の限られた範囲内であることから、車両から要求される動力は前述の「ローアイドル状態からのフル加速動作」に比べて小さなものとなる。よって、ハイブリッドシステムにおける電気的な出力アシストはこの「ローアイドル状態からのフル加速動作」において最大の電気エネルギー量を使用するといえる。

　このような作業内容に対して、本実施例では、蓄電装置として大容量キャパシタ１１を想定しているため、車両の要求する動力をそのまま蓄えられている電力で賄おうとした場合、すぐにキャパシタ１１の使用電圧下限値に達してしまうことが考えられる。そこで、ハイブリッド制御装置２０では、このようなキャパシタ１１の過放電状態を回避しながら、かつ高効率にキャパシタ１１からの出力を制御する必要がある。

　ハイブリッドホイールローダに最適なキャパシタ制御方式を実現するためには、まず、車両の現在の動作モードをハイブリッド制御装置２０にて把握する必要がある。ハイブリッド制御装置２０にて現在、あるいはこれから行おうとする車両動作を認識できれば、現在のキャパシタ１１の充電状態、およびエンジン１の回転加速状態を考慮しながら、キャパシタ１１からの電力出力量を決定することができる。すなわち、各々の動作モードに応じてキャパシタ１１の充放電パターンを変更するよう制御を行えば良いと言える。

　この制御を実現するためにはまず、ハイブリッド制御装置２０は、図４に示す動作モード検出手段３０を有し、この動作モード検出手段３０により現在の車両の動作内容を把握する。この運転モード検出手段３０の処理の一例を図５のフローチャートに示す。本実施例では、キャパシタ１１の充放電制御に関わる動作モードを「車両待機モード」と「通常動作モード」の２種類に大別して、以下に各動作モードの検出方法を示す。

　まず、動作モード検出手段３０は、ステップＳ１００において、車両の各種指令値（アクセル、ブレーキ、前後進レバー、フロント作業部のレバー操作）および状態量（各油圧ポンプ圧力、エンジン回転数、車速など）を入力し、ステップＳ１０１にて動作モードを決定する。例えば、ステップＳ１０１では、ステップＳ１００で得られた各状態から車両が通常作業状態にあるのか、または、車両が作業しておらず車両待機状態にあるのかを判定する。

　具体的には、前述のＶサイクル掘削作業であれば、上記各種指令信号のうちいずれかは動作指令状態にあるか、もしくはエンジン、各油圧ポンプ、あるいは車速が車両の稼働状態であることを示しているので、動作モード検出手段３０は、現在の動作モードを「通常動作モード」に決定する。それに対して、車両待機状態では、まずエンジン回転数がローアイドル回転数まで下がっている。さらに、各種指令信号は待機状態ではいずれも入力されない。このときは、動作モード検出手段３０は、車両の待機状態であるとして、動作モードを「車両待機モード」に決定する。

　以上のように、各種信号の入力値の組み合わせで、キャパシタ充放電に係る現在の車両の動作モードを判定することが可能である。なお、本実施例では車両の動作モードを通常動作モードと車両待機モードに大別して検出するように記載したが、その他の動作モードに応じてキャパシタ１１の充放電パターンを変更する場合には、その検出処理ロジックを図５のフローチャート内に追加することで実現できる。

　さらにハイブリッド制御装置２０では、検出された動作モードに応じて出力配分制御手段３１でキャパシタ１１の充放電出力を決定する。具体的には、ハイブリッド制御装置２０は、車両の動作モードに応じて図７に示すような充放電パターンとなる様にキャパシタ１１の出力を制御する。ここで、図７は横軸を車両の保有するエネルギー、縦軸はキャパシタ１１の電圧（充電量に相当）であり、車両の動作に応じたキャパシタ１１の充放電パターンを示している。なお、横軸の車両の保有するエネルギーとして、本実施形態では車体の走行速度による運動エネルギーが用いられているが、油圧作業装置（フロント作業機）５のバケットの高さによる位置エネルギー、エンジン１およびモータ・ジェネレータ６の回転数による回転エネルギーの一方、または両方を車両の走行速度による運動エネルギーに加えたものを車両の保有するエネルギーとして用いても良い。たとえば本実施例では、走行部を電動モータで置き換えたシリーズ型ハイブリッドシステムを想定しており、このような場合には横軸は車両速度が最も適したパラメータとなる。

　本実施例でのキャパシタの充放電パターンは、図７に示すように、車両の保有するエネルギー（車両走行速度）に応じて充電量を減じる（放電量を増加させる）ように動作する。このようにすると、車両速度が高い状態から電気制動をかけた時に発生する回生エネルギーを吸収する空き容量をキャパシタ１１に確保できるようになる。その結果、回生エネルギーを有効に利用することが可能となり、ハイブリッドホイールローダの省エネルギー化を実現することができる。

　ここで、本実施例では図７に示すように、通常動作モードと、車両待機モードとでキャパシタ１１の充放電パターン（車両の保有するエネルギーに対するキャパシタの電圧特性）を違うものとしている。これは、車両の動作モードに応じて最適にキャパシタ１１を制御するように設定したものであり、例えば図７の実線で示す通常動作時放電パターンでは車速＝０、すなわち車両が停止した状態でもキャパシタ１１を満充電状態にすること無く車両を止める。つまり、車両停止時に、キャパシタ電圧は、最高使用電圧値Ｖｃｍａｘより低い第１の特定電圧値Ｖｃ１の状態となっている。これは、通常動作モードでは既にエンジンが作業時を想定した回転数で稼働しており、車両の要求する動力に対して十分な出力を出せる状態にあり、モータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）６からの不要な発電でのキャパシタ充電を避けるためであり、加速後、車両速度が上昇してきてもエンジンからの出力が十分出せるため、キャパシタからの放電電力も据え置くこととしている。

　そして、この通常動作時放電パターンでは、車両の保有するエネルギーが最大（Ｍａｘ）のときに、キャパシタ１１の電圧が、最低使用電圧値Ｖｃｍｉｎより大きい第２の特定電圧値Ｖｃ２（ただしＶｃ１＞Ｖｃ２）の状態となっている。つまり、車両の保有するエネルギーが最大であっても、キャパシタ１１の出力に若干の余力を残している。このように、通常動作モードでは、この通常動作時放電パターンに従ってキャパシタ１１の充放電を制御している。

　これに対して、図７の破線で示す待機加速時放電パターンにおいては、車両停止時（車両待機時であるため、エンジン１はローアイドル状態）にキャパシタ１１を満充電状態（キャパシタ電圧が最高使用電圧Ｖｃｍａｘとなる状態）としておく。これは車両が停止状態から加速する場合、特にフロント部の油圧作業装置５を稼働させながら加速する場合には特に大きな動力が必要とされるが、エンジンは上記のようにローアイドル状態であるために、要求動力相当の大きな出力をエンジンからは取り出せないためであり、その場合にはできるだけキャパシタ１１からの電力によりエンジン１の出力アシストを行うようにする。

　よって、待機加速時放電パターン（図７破線）では、車両停止状態（車両の保有するエネルギーが最小値の状態）で満充電状態とし、車両が加速するに従って積極的にキャパシタ１１より電力を放電してエンジン１の出力アシストを行い、車両が最大まで加速する際にはキャパシタ１１の電圧を最低使用電圧値Ｖｃｍｉｎまで下げてキャパシタ１１の蓄えている電力をすべて使用できるようにする。このように、待機加速時放電パターンは、車両待機モードに対応するキャパシタ１１の充放電の制御パターンであり、車両が「ローアイドル状態からのフル加速動作」することに備えたキャパシタ１１の充放電の制御パターンであると言える。

　このとき、キャパシタ１１の充放電量を制御するのが図４に示す出力配分制御手段３１である。この出力配分制御手段３１の処理を図６のブロック線図に示す。出力配分制御手段３１ではまず、油圧要求出力演算３５、および走行要求出力演算３６に図６のような各種信号を入力して、現在車両が作業に必要とする出力を演算する。ここで演算された油圧要求出力と走行要求出力の総和がほぼ車両全体の要求出力に相当する。さらに、演算された油圧要求出力、走行要求出力、エンジン回転数、キャパシタ電圧（現在の充電量を演算）、および動作モードをもとにして、出力配分部３７においてエンジン動力により発電されるＭ／Ｇ出力指令、およびキャパシタ１１からの充放電出力指令が演算される。基本的にはエンジン回転数の入力により現在のエンジン１の最大出力が把握できるため、車両の要求する総出力に対する不足分をキャパシタ１１より放電するように演算する。

　ここで、先で述べた動作モードの検出値を用いることで、予めキャパシタ１１に充電を行い、エンジン１のローアイドル状態からの加速時に必要なキャパシタ電力を蓄えたり、通常作業動作により発生する回生電力を蓄えたり、さらにはエンジン１の効率が低下する動作点においてキャパシタ１１の放電電力を増加させるなど、ハイブリッドホイールローダにおける燃費改善効果を発揮することができるようになる。

　また、出力配分制御手段３１は、通常動作モードにおいて、車両の保有するエネルギーが最小値（予め定めた低出力値）である場合に、キャパシタ１１の電圧を、最高使用電圧値Ｖｃｍａｘより小さく、かつ最低使用電圧値Ｖｃｍｉｎより大きい電圧値Ｖｃ１（第１の特定電圧値）となるよう制御する。そして、車両の保有するエネルギーが最小値にある状態が所定時間継続された場合には、出力配分制御手段３１は、キャパシタ１１の電圧を電圧値Ｖｃ１から最高使用電圧値Ｖｃｍａｘに上げるよう制御する。

　キャパシタ１１の電圧が最高使用電圧値Ｖｃｍａｘに到達した後に、即ち、キャパシタ１１が満充電状態になった後に、ハイブリッド制御装置２０は、エンジン１の回転数をアイドル状態の回転数に下げて車両待機モードに移行する。これにより、車両の待機状態からのフル加速するような高負荷の動作モードの場合にも、キャパシタ１１から安定した動力を供給することができる。

　また、上述の本実施例では、Ｖ字サイクル掘削作業に相当する「通常動作モード」と、車両の待機状態（特に、車両がローアイドル状態からフル加速する動作に備えた状態）に相当する車両待機モードに大別しているが、実際の動作では通常動作モードの中でも「高速運搬走行モード（本発明の低頻度動作モードに相当）」など、その他の動作モードも考えられる。そのような動作モードは、通常動作モードに比べて発生頻度は少なく、かつ車両待機モードにおいて車両がローアイドル状態からフル加速する状態に比べて動力を必要としないモードであると考えられる。このときは、例えば、キャパシタ１１にあまり電力の出し入れを行わないように制御すれば良い。

　以上、説明したように、本発明の実施の形態例に係るハイブリッドホイールローダによれば、動作モードに応じて、キャパシタ１１の充放電パターンを変更・制御することで、車両の待機状態からの加速時におけるエンジンの出力不足を回避することが可能となり、スムーズな車両の動作を実現することができる。また、本発明の実施の形態例に係るハイブリッドホイールローダによれば、各動作モードに応じて最適なパワーアシストを実現できるため、キャパシタ１１の搭載容量を最適に設定でき、結果的に車両の小型化、低コスト化が図れる。

　１…エンジン、２…トルクコンバータ、３…トランスミッション、４…油圧ポンプ、５…油圧作業装置（フロント作業機）、６…モータ・ジェネレータ、７…インバータ、８…プロペラシャフト、９…走行用電動機、１０…インバータ、１１…キャパシタ（蓄電装置）、１２…ＤＣＤＣコンバータ、１３…タイヤ、２０…ハイブリッド制御装置、２１～２４…周辺制御装置、３０…動作モード検出手段、３１…出力配分制御手段、３５…油圧要求出力演算、３６…走行要求出力演算、３７…出力配分部

Claims

　車両の前方にフロント作業機を備えると共に、エンジン、モータ・ジェネレータ、および蓄電装置を動力源とし、この動力源の出力を制御するハイブリッド制御装置を備えたハイブリッドホイールローダにおいて、
　前記蓄電装置としてのキャパシタを備え、
　前記ハイブリッド制御装置は、車両の保有するエネルギーの増加に従って前記キャパシタの電圧を下げるように制御する
　ことを特徴とするハイブリッドホイールローダ。
　請求項１の記載において、
　前記車両の保有するエネルギーは、車体の走行速度による運動エネルギー、または、前記運動エネルギーに、前記フロント作業機のバケット高さによる位置エネルギーと、前記エンジンおよび前記モータ・ジェネレータの回転数による回転エネルギーの少なくとも一方を加算したエネルギーからなるものであることを特徴とするハイブリッドホイールローダ。
　請求項１または２の記載において、
　前記ハイブリッド制御装置は、通常の作業動作を行う通常動作モードと、前記車両を待機させる車両待機モードとで前記車両の保有するエネルギーに対する前記キャパシタの電圧の特性が異なるよう制御すると共に、前記通常動作モードにおいて、前記車両の保有するエネルギーが予め定めた低出力値である場合に、前記キャパシタの電圧を、最高使用電圧値より小さく、かつ最低使用電圧値より大きい第１の特定電圧値となるよう制御し、
　前記車両の保有するエネルギーが前記低出力値にある状態が所定時間継続された場合には、前記ハイブリッド制御装置は、前記キャパシタの電圧を前記第１の特定電圧値から前記最高使用電圧値に上げるよう制御し、その後、前記エンジンの回転数をアイドル状態の回転数に下げて前記車両待機モードに移行する
　ことを特徴とするハイブリッドホイールローダ。
　請求項３の記載において、
　前記ハイブリッド制御装置は、前記通常動作モードの場合に、前記キャパシタの電圧を前記車両の保有するエネルギーの増加に従って前記第１の特定電圧値から、前記最低使用電圧値より大きく、かつ前記第１の特定電圧値より小さい第２の特定電圧値まで下げるように制御し、前記車両待機モードの場合に、前記キャパシタの電圧を前記車両の保有するエネルギーの増加に従って前記最高使用電圧値から前記最低使用電圧値まで下げるよう制御する
　ことを特徴とするハイブリッドホイールローダ。