特許 6227911 ハイブリッド作業機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6227911

(24)【登録日】2017年10月20日

(45)【発行日】2017年11月8日

(54)【発明の名称】ハイブリッド作業機械

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/20 20060101AFI20171030BHJP

【ＦＩ】

   E02F9/20 Z

   E02F9/20 C

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-138950(P2013-138950)

(22)【出願日】2013年7月2日

(65)【公開番号】特開2015-10454(P2015-10454A)

(43)【公開日】2015年1月19日

【審査請求日】2016年1月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005522

【氏名又は名称】日立建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100077816

【弁理士】

【氏名又は名称】春日 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100156524

【弁理士】

【氏名又は名称】猪野木 雄一

(72)【発明者】

【氏名】山岡 士朗

(72)【発明者】

【氏名】石原 新士

(72)【発明者】

【氏名】星野 雅俊

(72)【発明者】

【氏名】佐竹 英敏

(72)【発明者】

【氏名】枝村 学

【審査官】 西田 光宏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０５０００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０２８９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５０９６８１３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００１−０１６７０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３３１６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７４４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７４４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０９８６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１７３１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０３４８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４５０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４０４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０７９０６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１０３２７２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ０２Ｆ ９／２０

Ｂ６０Ｌ １１／１４

Ｂ６０Ｌ １５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンと、
前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧作業部と、
前記エンジンの出力の補助を行うモータと、
前記モータに電力を供給する蓄電装置と、
前記油圧作業部を操作する操作装置と、を有するハイブリッド作業機械であって、
前記操作装置からの操作量信号に基づいて前記油圧ポンプの負荷を算出し、前記油圧ポンプの負荷の変化率が所定値よりも大きくなったと判定された場合に、前記変化率が所定値よりも大きくなってから、前記ハイブリッド作業機械にかかる負荷がほぼ一定状態となる時間よりも短い所定時間の間、モータ出力がエンジン出力以上になるように前記モータの出力トルクを制御する制御装置を備えることを特徴とするハイブリッド作業機械。

【請求項2】

請求項１記載のハイブリッド作業機械において、
前記制御装置は、
前記油圧ポンプの負荷の変化率が所定値よりも大きくなったことを判定するトルク判定器と、
該トルク判定器により、前記油圧ポンプの負荷の変化率が所定値よりも大きくなったと判定されると、前記油圧ポンプの負荷に基づいて、前記モータの出力が徐々に増加した後、徐々に減少するように前記モータのトルク指令値を出力するモータトルク制御器と、
該モータトルク制御器が出力する前記トルク指令値に基づいて、前記モータに供給する電力を制御するモータコントローラとを備えることを特徴とするハイブリッド作業機械。

【請求項3】

請求項２記載のハイブリッド作業機械において、
前記モータトルク制御器は、前記モータの出力を減少させる際に、負の出力まで減少させ、前記モータを回生動作し、発せられた電力を前記蓄電装置に充電することを特徴とするハイブリッド作業機械。

【請求項4】

請求項２または３に記載のハイブリッド作業機械において、
前記制御装置は、前記モータの出力が減少される際、前記エンジンの出力を増加させるエンジンコントローラを備え、
該エンジンコントローラは、前記エンジンの出力はその上限値以下で動作させることを特徴とするハイブリッド作業機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ハイブリッド作業機械に係り、特に、油圧ショベルやホイールローダ等の油圧建設機械に適用して好適なハイブリッド作業機械に関するものである。

【背景技術】

【0002】

油圧システムによって駆動される従来の作業機械では、軽負荷から重負荷までの全ての作業に対応できるように、最大負荷時の作業を見込んで選定したエンジンを備えている。

【0003】

しかし、作業機械の作業全体において、オペレータが操作レバーを瞬時に大きく動作して過渡的に大きな出力を出そうとすると、油圧ポンプが吸収するトルクにエンジントルクが追いつかず、ラグダウンやエンジンストールを招くという課題がある。このような過渡的なエンジン出力不足を、電動・発電機によってアシストするシステムとしてハイブリッド作業機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

特許文献１のエンジン，電動・発電機，油圧ポンプの制御装置では、エンジンの目標回転数を与えるエンジン目標回転数設定手段を備え、このエンジン目標回転数設定手段によって定められる目標回転数と実際の電動・発電機の回転数、蓄電器の残量をもとに電動・発電機によるエンジントルクアシストが必要か否かを判断する判定手段を備え、この判断手段によって電動・発電機によるエンジントルクアシストを実施すると判断した場合と、実施しないと判断した場合によって異なる油圧ポンプの最大トルク線を選択することを特徴としている。エンジントルクアシストが実施される場合に選択される油圧ポンプの最大トルク線はエンジン低回転領域において大きな値をとるように設定されている。

【0005】

以上のような構成をとることにより、掘削作業などを開始してポンプ負荷が増加する場合には、まず出力を確保するためにエンジン目標回転数設定手段によって目標回転数を増加させる。この目標回転数に応じてエンジントルクアシストが必要と判断されれば、エンジン低回転領域において大きな値をとる最大トルク線を利用して油圧ポンプの制御を実施する。このため、エンジンが低回転から上昇する時の初期の段階より大きな吸収トルクが確保されるので、作業装置の操作性を高い水準に維持することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−２１８１１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、特許文献１記載のものでは、以下のような問題があった。すなわち、掘削作業などの急峻なポンプ負荷の増加がある作業時には、まずエンジン回転数を増加させてからモータアシスト量を決定するため、エンジンに加わる瞬時の負荷が大きい場合には、エンジン回転数が落ち込むラグダウンが避けられず、一時的な出力不足やオペレータに不快感を与えることがある。これを避けようとしてエンジンとモータの好適な制御を実施しようとすると、制御演算や適合マップが膨大かつ複雑となり、開発にかかる工数が増大することが懸念される。

【0008】

本発明の目的は、作業機械にかかる負荷の急峻な増加時に発生するエンジンのラグダウンを抑えて、オペレータに不快感を与えないハイブリッド作業機械を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧作業部と、前記エンジンの出力の補助を行うモータと、前記モータに電力を供給する蓄電装置と、前記油圧作業部を操作する操作装置と、を有するハイブリッド作業機械であって、前記操作装置からの操作量信号に基づいて前記油圧ポンプの負荷を算出し、前記油圧ポンプの負荷の変化率が所定値よりも大きくなったと判定された場合に、前記変化率が所定値よりも大きくなってから、前記ハイブリッド作業機械にかかる負荷がほぼ一定状態となる時間よりも短い所定時間の間、モータ出力がエンジン出力以上になるように前記モータの出力トルクを制御する制御装置を備えるようにしたものである。
かかる構成により、作業機械にかかる負荷の急峻な増加時に発生するエンジンのラグダウンを抑えて、オペレータに不快感を与えないものとなる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、作業機械にかかる負荷の急峻な増加時に発生するエンジンのラグダウンを抑えて、オペレータに不快感を与えることがないようにし得るものとなる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の各実施形態を適用する作業機械の構成図である。

【図2】本発明の第１の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の構成図である。

【図3】本発明の第１の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置のモータおよびエンジンの出力制御ゲインの比較説明図である。

【図4】本発明の第１の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

【図5】本発明の第１の実施形態によるハイブリッド作業機械に用いるエンジンのトルク線図である。

【図6】本発明の第２の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

【図7】本発明の第３の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

【図8】本発明の第４の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

最初に、図１を用いて、本発明の各実施形態を適用する作業機械の全体構成について説明する。
図１は、本発明の各実施形態を適用する作業機械の構成図である。

【0013】

ここでは、作業機械の一の例として、油圧ショベル３０１の構成を示している。

【0014】

建設機械としてのクローラ式の油圧ショベル３０１は、自走可能な下部走行体３０２と、該下部走行体３０２上に旋回可能に搭載され、該下部走行体３０２と共に車体を構成する上部旋回体３０３と、該上部旋回体３０３の前側に俯仰動可能に設けられ、土砂の掘削作業等を行なう作業装置３０４とにより大略構成されている。上部旋回体３０３の旋回フレーム３０５は、支持構造体からなる車体フレームとして構成されている。エンジン及びモータにより油圧ポンプが駆動され、下部走行体３０２、上部旋回体３０３、および作業装置３０４を駆動する。

【0015】

以下、図２〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態によるハイブリッド作業機械の構成及び動作について説明する。
図２を用いて、本実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の構成図である。

【0016】

エンジンＥＮＧ、モータＭＯＴおよび油圧ポンプＨｙＰが機械的に接続されている。油圧ポンプＨｙＰは、エンジンＥＮＧやモータＭＯＴによって駆動される。油圧ポンプＨｙＰから創出される作動油は、本作業機械の操作者による操作に基づき、油圧シリンダ（図示していない）や油圧モータ（図示していない）等に供給され、油圧シリンダや油圧モータで作業機械の油圧作業部ＨｙＡ（例えば、油圧ショベルにおけるアーム，ブーム，バケット等）を駆動する。油圧作業部ＨｙＡ（アームやブーム）にかかる負荷は、油圧ポンプの負荷として伝達され、それに応じた出力を、モータＭＯＴやエンジンＥＮＧによって好適に制御する。

【0017】

なお、エンジンＥＮＧ、モータＭＯＴおよび油圧ポンプＨｙＰは、同じ回転速度で運転する形態が望ましいが、途中に減速機や変速機を介して、異なる回転速度による駆動をする形態であっても本発明の範疇を出るものではない。

【0018】

モータＭＯＴは、例えば、３相同期モータであり、電力変換器ＩＮＶに接続されている。蓄電装置ＢＡに貯蔵された直流電力は、電力変換器ＩＮＶによって３相交流に変換され、モータＭＯＴに供給され、モータＭＯＴが駆動される。また、モータＭＯＴは、発電機としても作動する。この場合、エンジンＥＮＧからの出力や動力回生等で得られた出力を電力に変換し、蓄電装置ＢＡに貯蔵する。蓄電装置ＢＡは電力を貯蔵できるものであればよく、その形態や構成を問うものではない。例えば、蓄電装置ＢＡとして、電荷二重層キャパシタなどが用いられる。

【0019】

ハイブリッドコントローラ１００は、トルク判別器１０１と、モータトルク制御器１０２と、モータコントローラ１０３と、速度制御器１０４と、エンジントルク制御器１０５と、エンジンコントローラ１０６とを備えている。

【0020】

エンジンＥＮＧは、エンジンコントローラ１０６からの指令によって駆動される。速度制御器１０４は、エンジン目標回転速度Ｎｅ* と、検出されたエンジン回転速度Ｎｅとの差分に基づいて、エンジン目標回転速度指令Ｎｒを算出し、エンジントルク制御器１０５に出力する。エンジントルク制御器１０５は、入力したエンジン目標回転速度指令Ｎｒに基づいて、エンジン目標トルク指令τｅ*を算出し、エンジンコントローラ１０６に出力する。エンジンコントローラ１０６は、入力したエンジン目標トルク指令τｅ*に基づいて、エンジンＥＮＧに搭載されている機器を制御して、エンジンＥＮＧに対する燃料供給量を変えるなどして、エンジン出力を制御する。このように、エンジンコントローラ１０６は、油圧ポンプの負荷が変化すると、エンジンの回転速度がエンジン目標回転速度となるように、アイソクロナス制御を実行する。

【0021】

モータＭＯＴに供給される電流は、モータコントローラ１０３からの指令によって電力変換器ＩＮＶが制御され、これにより、モータＭＯＴの出力トルクが制御される。トルク判別器１０１には、操作装置ＯｐＰ（油圧作業部ＨｙＡ（油圧ショベルにおけるアーム，ブーム，バケット）を操作する操作レバー）からの操作量を示す信号が入力する。トルク判別器１０１は、この操作量信号に基づいて、油圧ポンプＨｙＰの負荷を算出し、その負荷が急峻に増加したか否かを判定する。ポンプ負荷が急峻に増加したと判定すると、モータトルク制御器１０２にトルク増加信号を出力する。モータトルク制御器１０２は、このトルク増加信号に基づいて、モータ目標トルク指令τｍ*を出力する。モータコントローラ１０３は、モータ目標トルク指令τｍ*に基づいて、電力変換装置ＩＮＶを制御して、モータＭＯＴの駆動電流を変える。すなわち、モータを駆動する電力を変えることで、モータの出力トルクを制御する。

【0022】

このように、モータＭＯＴやエンジンＥＮＧを制御して、油圧ポンプＨｙＰの負荷に対する出力を制御する。

【0023】

本実施形態では、操作装置ＯｐＰからの信号により、ポンプ負荷が急峻に増加したと判定すると、モータＭＯＴを駆動して、ポンプ負荷の増加分のトルクを出力するようにしている。モータ目標トルク指令τｍ*は、図４を用いて後述するように、最初増加することで、操作装置が操作された当初は、モータの出力トルクを増加させる。その後、モータ目標トルク指令τｍ*を減少するが、それに伴うトルク減少分は、エンジンコントローラ１０６によってエンジンの出力を増加するように制御することで、ポンプ負荷の増加に伴い必要とされるトルクを過不足なく得るようにしている。

【0024】

このように、ポンプ負荷が急峻に増加した場合には、まず、モータを優先的に制御して、素早く出力トルクを確保し、その後、エンジンからトルクを得るようにしており、作業機械にかかる負荷の急峻な増加時に発生するエンジンのラグダウンを抑えて、オペレータに不快感を与えないようにできる。この詳細については、図３以降を用いて詳述する。

【0025】

次に、図３を用いて、本実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置のモータＭＯＴおよびエンジンＥＮＧの出力制御ゲインについて説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置のモータおよびエンジンの出力制御ゲインの比較説明図である。

【0026】

図３（ａ），（ｂ）において、横軸は、作業機械のモータＭＯＴおよびエンジンＥＮＧの回転速度変動値であり、現在の回転速度Ｎと目標回転速度Ｎｔの差分ΔＮによって表現される。縦軸は、出力であり、実線Ｍ１は回転速度変動に対するモータＭＯＴの出力特性、破線Ｅ１は同じく回転変動に対するエンジンＥＮＧの出力特性を示している。

【0027】

図３（ａ）は、回転速度変動に対して、モータＭＯＴおよびエンジンＥＮＧの出力特性の一例として、リニアなゲインである場合を示している。モータＭＯＴの最大出力はＰｍ、エンジンの最大出力はＰｅである。

【0028】

本実施形態の特徴は、図２の制御装置（ハイブリッドコントローラ１００）の動作によって、この実線Ｍ１の出力Ｐｍ点まで傾きの絶対値｜Ｐｍ／ΔＮ_２｜が、破線Ｅ１の出力Ｐｅ点までの方向きの絶対値｜Ｐｅ／ΔＮ_１｜を上回ることであり、これにより、油圧ポンプＨｙＰの急激な負荷変動に対して、エンジンの出力変動を一定値以内に収めて、排気悪化、ラグダウン、ストールといった問題を回避することが出来るものである。なお、図３（ａ）ではＰｍ＞Ｐｅとなっているが、上記の｜Ｐｅ／ΔＮ_１｜＜｜Ｐｍ／ΔＮ_２｜（ΔＮ_１＜ΔＮ＜ΔＮ_２）の関係が成り立っていれば、ＰｍとＰｅの大小は逆もしくは同じであってもかまわない。

【0029】

図３（ｂ）は、図３（ａ）の特性とほぼ同様の出力制御ゲインを示しているが、油圧ポンプＨｙＰからの負荷によって起こる回転速度変動ΔＮ_３まで、破線Ｅ２で示すように、エンジンは出力ゲインをゼロ（もしくはほぼそれに近い値）に留め、それ以上の回転速度変動が起こった場合には、｜Ｐｅ／（ΔＮ_３−ΔＮ_１）｜＜｜Ｐｍ／ΔＮ_２｜（ΔＮ_１＜ΔＮ＜ΔＮ_３）の範囲で、モータＭＯＴおよびエンジンＥＮＧの出力ゲインを制御することにある。

【0030】

これにより、図３（ａ）よりもさらに確実に、油圧ポンプ負荷から来る出力変動をエンジン側に与えることがなくなり、その結果、排気悪化、ラグダウン、ストールといった問題を好適に回避することが出来るものである。なお、図３（ａ）（ｂ）の特性は共に図２の制御装置によって実現される。

【0031】

次に、図４及び図５を用いて、本実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置の動作について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。図５は、本発明の第１の実施形態によるハイブリッド作業機械に用いるエンジンのトルク線図である。

【0032】

図４は、油圧ポンプ負荷変動時のモータおよびエンジンのトルクチャートの一例を示している。図４の横軸は時間を示している。図４（ａ）の縦軸は、油圧ポンプのトルクを示している。図４（ｂ）の縦軸は、エンジン及びモータからなるパワートレインの回転数を示している。図４（ｃ）の縦軸は、モータトルクを示している。図４（ｄ）の縦軸は、エンジントルクを示している。

【0033】

例えば、時間ｔ０よりも以前では、図２に示した操作装置ＯｐＰが操作されておらず、エンジンＥＮＧはアイドリング状態とする。このときのエンジントルクはＴｅ１とする。そして、時刻ｔ０において、操作装置ＯｐＰが操作されたものとする。この操作装置ＯｐＰの操作に応じて、図４（ａ）に示すように、油圧ポンプＨｙＰの出力が、時刻ｔ０→ｔ２の間に、０付近→Ｔｐまで変化するものとする。

【0034】

まず、作業機械のアームやブームにかかる負荷は油圧ポンプの負荷として伝達され、それに応じた出力をモータＭＯＴとエンジンＥＮＧからの出力を合算して作業を実施するが、この時のモータＭＯＴとエンジンＥＮＧの出力は、図２の制御装置を用いることにより、図４（ａ）〜（ｄ）のような挙動に制御される。

【0035】

すなわち、油圧ポンプ負荷の上昇に伴い、本実施形態の制御装置は、図４（ｂ）に示すように、なるべくパワートレインの回転速度（回転数）を維持しながら、エンジンとモータのトルクを上げるように作用する（図４（ｃ），（ｄ））。この時、時刻ｔ０→ｔ１の間は、図３（ｂ）のエンジン出力制御ゲインの特性により、モータＭＯＴのみで負荷に対して出力する。この時、図４（ａ），（ｂ）のように、パワートレインの回転数はなるべくＮｐ一定としながら、エンジントルクはアイドル時のトルクＴｅ１のまま、モータトルクをＴｍ１まで増加させる。

【0036】

その後、時刻ｔ１→ｔ２の間は、図４（ｃ），（ｄ）のように、モータトルクを徐々に下げながらエンジントルクをＴｅ２まで増加させ、パワートレインの回転数をほぼ一定としつつ、油圧ポンプに必要トルクとなるように制御する。

【0037】

その後時刻ｔ２以降は、作業機械にかかる負荷がほぼ一定状態となるが、この場合は、モータトルクをほぼゼロ付近に制御し、エンジンＥＮＧの出力によって、油圧ポンプトルクを制御する。

【0038】

ここで、図５のエンジンのトルク線図に示すように、時刻ｔ０以前でトルクＴｅ１であったものが、操作装置の操作により、トルクＴｅ２まで増加する場合、図２のトルク判別器１０１は、このトルク変化が所定の変化率以上かどうか、すなわち、急峻なトルク変化であるかどうかを判定する。そのため、例えば、（（Ｔｅ２−Ｔｅ１）／Δｔ）として、トルクの変化率を算出し、このトルク変化率が予め設定した値よりも大きければ、急峻なトルク増加と判定する。また、トルク変化率でなく、トルクの絶対値の差（Ｔｅ２−Ｔｅ１）により急峻なトルク増加か否かを判定しても良い。このように、急峻なトルク増加と判定されると、図２のモータトルク制御器１０２は、図４（ｃ）に示すように、時刻ｔ０において０であったモータトルクが、時刻ｔ１にＴｍ１となるように、モータ目標トルク指令τｍ*を設定することで、モータコントローラ１０３は、図４（ｃ）に示すモータトルクがえられるように、電力変換器ＩＮＶを制御する。

【0039】

そして、時刻ｔ１以降は、モータトルク制御器１０２は、図４（ｃ）に示すように、モータトルクが徐々に減少するように、モータ目標トルク指令τｍ*を変える。このモータトルク指令の減少により、モータトルクが減少するが、それに伴い、パワートレインの回転数が減少しようとすると、エンジンコントローラ１０６は、エンジンの回転速度がエンジン目標回転速度となるように、アイソクロナス制御を実行し、このとき、エンジントルクは、図４（ｄ）に示すように、増加する。

【0040】

すなわち、本実施形態では、油圧ポンプからの負荷が変動した瞬間からの所定時間は、出力応答性のよいモータによってパワートレイン全体の出力を制御し、その後は、蓄電装置の蓄電量や容量等を考慮して、モータによる長時間運転が困難になるので、エンジン出力に徐々に切り替えることで、急激な負荷上昇に対して、エンジンのラグダウンやストールが起こらないようにすることができる。

【0041】

なお、図４（ｄ）の例では、時刻ｔ０〜ｔ１の間、エンジントルクはＴｅ１に維持されているが、これに限定されるものでなく、例えば、破線で示すように、時刻ｔ０から徐々にエンジントルクを増加させるようにしてもよい。

【0042】

以上説明したように、本実施形態によれば、油圧ポンプ負荷の急峻な変動時には、トルク応答性の良いモータ側をまず駆動するように制御することができる。すなわち、瞬時の変動はモータが抑えると構成となるため、エンジンのラグダウンやストールを抑えつつ、オペレータに不快感を与えないようにすることができる。また、エンジンとモータの複雑な制御や適合の必要がないため、システムの開発工数を大幅に削減することも可能となる。

【0043】

次に、図６を用いて、本発明の第２の実施形態によるハイブリッド作業機械の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の構成は、図２に示したものと同様である。
図６は、本発明の第２の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

【0044】

本実施形態では、蓄電装置ＢＡへの充電を考慮したものであり、図６は、その場合の油圧ポンプ負荷変動時のモータおよびエンジントルクチャートの一例を示している。図６の横軸は時間を示している。図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の縦軸は、それぞれ、図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の縦軸と同様である。

【0045】

図４の例と同様に、油圧ポンプＨｙＰの出力が時刻ｔ０→ｔ３の間に０付近→Ｔｐまで変化したものとする。そして、図６（ａ），（ｂ）のようになるべくパワートレインの回転速度（回転数）を維持しながら、エンジンとモータのトルクを上げるように作用する。

【0046】

この時、時刻ｔ０→ｔ１の間は、図３（ｂ）のエンジン出力制御ゲインの特性により、モータＭＯＴのみで負荷に対して出力する。この時、図６（ｂ）〜（ｄ）のように、パワートレインの回転数はなるべくＮｐ一定としながら、エンジントルクはほぼゼロのまま、モータトルク制御器１０２は、モータトルクをＴｍ１まで増加させる。

【0047】

その後、時刻ｔ１→ｔ２の間は、図６（ｃ），（ｄ）のように、モータトルク制御器１０２は、モータトルクをＴｍ２まで徐々に下げながら、エンジンコントローラ１０６によりエンジントルクをＴｅ２まで増加することで、パワートレインの回転数をほぼ一定としつつ、油圧ポンプに必要トルクとなるように制御する。この時、蓄電装置ＢＡはモータＭＯＴを駆動したことにより蓄電量が減少していることから、蓄電（充電）が必要であると判断し、モータＭＯＴを発電機として作用させ、時刻ｔ３までの間、エンジン運転によって充電を行う。すなわち、パワートレイン系で見れば、モータＭＯＴが負荷として作用しており、モータＭＯＴおよび油圧ポンプＨｙＰの負荷に対して、エンジンＥＮＧが最大Ｔｅ２まで出力し、好適に作業機械を制御する。

【0048】

その後、時刻ｔ３以降は、作業機械にかかる負荷がほぼ一定状態となるが、この場合は、モータトルクをほぼゼロ付近に制御し、エンジンＥＮＧの出力によって、油圧ポンプトルクを制御する。

【0049】

本実施形態によれば、油圧ポンプからの負荷が変動した瞬間からの所定時間は、出力応答性のよいモータによってパワートレイン全体の出力を制御し、その後は、蓄電装置ＢＡの蓄電量や容量等を考慮して、エンジン出力に徐々に切り替えながら充電制御も実施するものであり、急激な負荷上昇に対して、エンジンのラグダウンやストールが起こらず、かつ燃費の良いものとすることができる。

【0050】

次に、図７を用いて、本発明の第３の実施形態によるハイブリッド作業機械の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の構成は、図２に示したものと同様である。
図７は、本発明の第３の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

【0051】

本実施形態では、蓄電装置ＢＡへの充電を考慮したものであり、図７は、その場合の油圧ポンプ負荷変動時のモータおよびエンジントルクチャートの一例を示している。図７の横軸は時間を示している。図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の縦軸は、それぞれ、図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の縦軸と同様である。

【0052】

図６に示した実施形態と同様に、油圧ポンプＨｙＰの出力が時刻ｔ０→ｔ２の間に０付近→Ｔｐまで変化したものとする。そして、図７（ａ），（ｂ）のようになるべくパワートレインの回転速度（回転数）を維持しながら、エンジンとモータのトルクを上げるように作用する。

【0053】

図６の実施形態との違いは、図７（ｄ）に示すように、エンジンＥＮＧに出力制御ゲインの上限ラインが破線のように規定されていることである。すなわち油圧ポンプＨｙＰからの負荷変動や、蓄電装置ＢＡからの充電要求に対し、図３の制御ゲイン特性の範囲において、さらにエンジンの出力制御ゲインを越えない範囲で制御する必要がある。この出力制御ゲインの上限設定は、エンジン熱保護や排気制御を優先する場合に必要になるため、これに応じた作業機械の制御を実施する必要がある。以下、具体的に説明する。

【0054】

図７（ａ）に示すような必要な油圧ポンプトルクに対して、図６に示した実施形態と同様に、時刻ｔ０からｔ１までは出力応答性の良いモータＨｙＰによって出力制御し、エンジンＥＮＧは殆ど出力しない状態とする。

【0055】

その後、時刻ｔ１→ｔ３までは、図７（ｄ）に示すように、エンジンの出力制御ゲインの上限の破線を超えない範囲で、実線で示すようにエンジンを出力し、図７（ｃ）に示すモータ出力との連携により、パワートレイン系の回転数（回転速度）をなるべく維持しながら、油圧ポンプトルクを好適に制御する。

【0056】

ここで、時刻ｔ２以降は、油圧ポンプＨｙＰは図７（ａ）に示すように負荷変動がほとんどない状態となることから、時刻ｔ３→ｔ４まではモータＭＯＴを発電機として、蓄電装置ＢＡへの充電制御を行う。この時、エンジンＥＮＧの出力制御ゲインが破線を越えない範囲で、蓄電装置ＢＡと油圧ポンプＨｙＰに対して出力することとなる。

【0057】

本実施形態によれば、油圧ポンプからの負荷が変動した瞬間からの所定時間は、出力応答性のよいモータによってパワートレイン全体の出力を制御し、その後は、蓄電装置ＢＡの蓄電量や容量、さらにエンジンの出力制御ゲイン等を考慮して、エンジン出力に徐々に切り替えながらパワートレインを制御するものであり、急激な負荷上昇に対して、エンジンのラグダウンやストールが起こらず、かつエンジンの排気悪化や熱損傷等を防ぐことができる。

【0058】

次に、図８を用いて、本発明の第４の実施形態によるハイブリッド作業機械の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の構成は、図２に示したものと同様である。
図８は、本発明の第４の実施形態によるハイブリッド作業機械のパワートレイン系の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

【0059】

本実施形態では、油圧ポンプ負荷が低下した場合のものであり、図８は、その場合の油圧ポンプ負荷変動時のモータおよびエンジントルクチャートの一例を示している。図８の横軸は時間を示している。図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の縦軸は、それぞれ、図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の縦軸と同様である。

【0060】

油圧ポンプＨｙＰが時刻ｔ０→ｔ１までほとんど負荷変動がなくトルクＴｐ０、回転数Ｎｐ０付近で動作している状態から、時刻ｔ１→ｔ３までトルクがＴｐ３まで低下する動作を実施する。

【0061】

図８（ａ）のように、負荷がほぼ一定の状態であれば、モータトルク（出力）はほぼゼロで、エンジントルク（出力）Ｔｅ２で運転している状態となるが、ここから、時刻ｔ１→ｔ２まで図８（ａ），（ｂ）のようになるべくパワートレインの回転速度（回転数）は維持しながら、油圧ポンプの負荷の低下に応じて、図８（ｃ）に示すように、出力応答性の良いモータＭＯＴを負荷として動作し、エンジンの回転数やトルクが急激に変動しないように制御する。その後時刻ｔ２→ｔ３までは、図８（ｄ）に示すように、エンジントルクを下げつつ、モータによる負荷（発電）量を下げて、油圧ポンプトルクをＴｐ３まで低下する。

【0062】

すなわち、本実施形態によれば、油圧ポンプからの負荷が低下する場合においても、負荷変動の瞬間からの所定時間は、出力応答性のよいモータによってパワートレイン全体の出力を制御し、その後は、蓄電装置ＢＡの蓄電量や容量等を考慮して、エンジン出力に徐々に切り替えながら充電制御も実施するものであり、急激な負荷上昇に対して、エンジンのラグダウンやストールが起こらず、かつ燃費の良い作業機械を提供できるものである。

【0063】

なお、図４，図６〜図８の油圧ポンプトルク、パワートレイン回転数、モータトルク、エンジントルクの挙動はそれぞれ作用の効果を示す一例であって、負荷変動開始時点では、制御ゲインの面からエンジンより応答性の良いモータの出力によってポンプ負荷に仕事をし、その後エンジン出力と協調して仕事をする、という本発明の制御概念を実現するものであれば、それらはすべて本発明の意図するものであり、本発明の範疇として問題なく、かかる構成を取ることによって、本発明はポンプ負荷の急峻な増加時に発生するエンジンのラグダウンやストールを抑えつつ、オペレータに不快感を与えないハイブリッド作業機械を提供することができるものとなる。

【符号の説明】

【0064】

１００…ハイブリッドコントローラ
１０１…トルク判別器
１０２…モータトルク制御器
１０３…モータコントローラ
１０４…速度制御器
１０５…エンジントルク制御器
１０６…エンジンコントローラ
ＢＡ…蓄電装置
ＥＮＧ…エンジン
ＨｙＰ…油圧ポンプ
ＩＮＶ…電力変換器
ＭＯＴ…モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】