ハイブリッド式建設機械
【課題】旋回体の駆動に電動モータを用いたハイブリッド式建設機械において、何らかの理由で電動モータのトルクが発生できない事態が発生した場合でも、満足な作業を行うことができるハイブリッド式建設機械を提供する。
【解決手段】旋回体の駆動用として、油圧モータ２７と電動モータ２５の両方を備え、油圧モータと電動モータの複合旋回モードと、油圧モータ単独旋回モードとの切替えを行うコントローラ８０を設ける。このとき、両モードにおいて十分な操作性と性能が実現されるようにする。通常は、油圧電動複合旋回モードで省エネルギ運転を行う。蓄電量が所定の範囲を外れた際、あるいはインバータ故障その他の電気系の異常が生じた際には、油圧単独旋回モードに切替え、油圧モータ単独によって正常な制動トルクで駆動できるようにする。
【解決手段】旋回体の駆動用として、油圧モータ２７と電動モータ２５の両方を備え、油圧モータと電動モータの複合旋回モードと、油圧モータ単独旋回モードとの切替えを行うコントローラ８０を設ける。このとき、両モードにおいて十分な操作性と性能が実現されるようにする。通常は、油圧電動複合旋回モードで省エネルギ運転を行う。蓄電量が所定の範囲を外れた際、あるいはインバータ故障その他の電気系の異常が生じた際には、油圧単独旋回モードに切替え、油圧モータ単独によって正常な制動トルクで駆動できるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はハイブリッド式建設機械に係わり、特に、油圧ショベル等の旋回体を有するハイブリッド式建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば油圧ショベルのような建設機械においては、動力源として、ガソリン、軽油等の燃料を用い、エンジンによって油圧ポンプを駆動して油圧を発生することにより油圧モータ、油圧シリンダといった油圧アクチュエータを駆動する。油圧アクチュエータは、小型軽量で大出力が可能であり、建設機械のアクチュエータとして広く用いられている。
【０００３】
一方で、近年、電動モータ及び蓄電デバイス（バッテリや電気二重層キャパシタ等）を用いることにより、油圧アクチュエータのみを用いた従来の建設機械よりエネルギ効率を高め、省エネルギ化を図った建設機械が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
電動モータ（電動アクチュエータ）は油圧アクチュエータに比べてエネルギ効率が良い、制動時の運動エネルギを電気エネルギとして回生できる（油圧アクチュエータの場合は熱にして放出）といった、エネルギ的に優れた特徴がある。
【０００５】
例えば、特許文献１に示される従来技術では、旋回体の駆動アクチュエータとして電動モータを搭載した油圧ショベルの実施の形態が示されている。油圧ショベルの上部旋回体を下部走行体に対して旋回駆動するアクチュエータ（従来は油圧モータを使用）は、使用頻度が高く、作業において起動停止、加速減速を頻繁に繰り返す。
【０００６】
このとき、減速時（制動時）における旋回体の運動エネルギは、油圧アクチュエータの場合は油圧回路上で熱として捨てられるが、電動モータの場合は電気エネルギとしての回生が見込めることから、省エネルギ化が図れる。
【０００７】
また、油圧モータと電動モータを両方搭載し、合計トルクにより旋回体を駆動する建設機械が提案開示されている（特許文献２及び特許文献３）。
【０００８】
特許文献２では、旋回体駆動用油圧モータに電動モータが直結され、操作レバーの操作量によってコントローラが電動モータに出力トルクを指令する油圧建設機械のエネルギ回生装置が開示されている。減速（制動）時においては、電動モータが旋回体の運動エネルギを回生し、電気エネルギとしてバッテリに蓄電する。
【０００９】
特許文献３では、旋回駆動用油圧モータのイン側とアウト側の差圧を用いて、電動モータへのトルク指令値を算出し、油圧モータと電動モータとの出力トルク配分を行うハイブリッド型建設機械が開示されている。
【００１０】
特許文献２及び３の従来技術は、いずれも、旋回駆動用アクチュエータとして、電動モータと油圧モータを併用することによって、従来の油圧アクチュエータ駆動の建設機械に慣れたオペレータにも違和感なく操作できると共に、簡単かつ実用化が容易な構成で省エネルギ化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第3647319号公報
【特許文献２】特許第4024120号公報
【特許文献３】特開2008-63888号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１記載のハイブリッド式油圧ショベルでは、減速時（制動時）における旋回体の運動エネルギは、電動モータによって電気エネルギとして回生されるため、省エネルギの観点から効果的である。
【００１３】
しかし、電動モータは油圧モータとは異なる特性を持っているため、建設機械の旋回体の駆動に電動モータを用いると、以下のような問題を生じる。
【００１４】
（１）電動モータの速度フィードバック制御不良等によるハンチング（特に低速域、停止状態）。
【００１５】
（２）油圧モータとの特性の違いによる操作上の違和感。
【００１６】
（３）モータが回転しない状態でトルクを連続出力する作業（例えば、押し当て作業）におけるモータやインバータの過熱。
【００１７】
（４）油圧モータ相当の出力を保証する電動モータを使用すると外形が大きくなりすぎる、あるいはコストが著しく高くなる。
【００１８】
特許文献２及び３記載のハイブリッド式油圧ショベルでは、油圧モータと電動モータを両方搭載し、合計トルクにより旋回体を駆動することにより上記の問題を解決し、従来の油圧アクチュエータ駆動の建設機械に慣れたオペレータにも違和感なく操作できると共に、簡単かつ実用化が容易な構成で省エネルギ化を図っている。
【００１９】
しかし、上述した特許文献１〜３記載の先行技術いずれにおいても、旋回駆動に要する全体トルクのうち、電動モータが一定のトルクを受け持っているために、インバータ、モータ等の電気系の故障、異常や、蓄電デバイスのエネルギ不足や過充電状態等、何らかの理由で電動モータのトルクが発生できない場合、旋回体を駆動するための全体トルクが不足し、正常時と同じように起動・停止することができなくなるという課題がある。
【００２０】
例えば旋回体の速度が高く運動エネルギが大きい状態において突然異常が起きた場合は、電動モータがフリーラン状態となり、特許文献１の先行技術では停止できなくなるし、特許文献２および３の先行技術では、停止距離、停止時間が正常状態より伸びることになるため、安全上深刻な問題となる。
【００２１】
また、機械起動直後においては、機械停止中、保管中の自然放電等によって蓄電デバイスのエネルギ量が低下している可能性がある。この場合、旋回用電動モータが出力不能なため、即座に旋回動作を開始することはできない。まず、蓄電デバイスの蓄電量が所定値になるまで充電を行う必要があるため、オペレータは、作業を開始したくても、充電完了まで待機する必要がある。
【００２２】
本発明の目的は、旋回体の駆動に電動モータを用いたハイブリッド式建設機械において、何らかの理由で電動モータのトルクが発生できない事態が発生した場合でも、満足な作業を行うことができるハイブリッド式建設機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明のハイブリッド式建設機械は、旋回体の駆動用として、油圧モータと電動モータの両方を備え、制御装置により、油圧モータと電動モータの両方を駆動して旋回体を駆動する油圧電動複合旋回モードと、油圧モータのみを駆動して旋回体を駆動する油圧単独旋回モードとの切替えを行う構成とする。油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードの切替では、両モードにおいて十分な操作性と性能が実現されるようにする。通常は、油圧電動複合旋回モードで省エネルギ運転を行う。蓄電量が所定の範囲を外れた際、あるいはインバータ故障その他の電気系の異常が生じた際には、油圧単独旋回モードに切替え、電動モータがフリーラン状態になっても、油圧モータ単独によって正常な制動トルクで駆動できるようにする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、旋回体の駆動用として、油圧モータと電動モータの両方を備え、油圧モータと電動モータの両方のトルクで旋回駆動するモード（油圧電動複合旋回モード）と、油圧モータ単独で旋回駆動するモード（油圧単独旋回モード）との切換え可能な構成とすることにより、油圧電動複合旋回モードにおいては、例えば、押し付け掘削等の油圧アクチュエータ特有の作業動作、油圧アクチュエータ特有の操作感を実現すると共に、制動（減速）時には、電動モータによって旋回体の運動エネルギを回生することにより、省エネルギ化を実現することができる。また、回生した電気エネルギを蓄電するための蓄電デバイスのエネルギ残量が不足の場合、過充電の場合や、電動システムに故障、異常、警告が生じた場合においては、油圧単独旋回モードに切替えることにより、油圧モータ単独によって正常な旋回トルクで駆動でき、作業を継続することができる。更に、始動時において、蓄電デバイスのエネルギ残量が不足していても、直ちに作業を開始することが可能となる。
【００２５】
このように本発明によれば、何らかの理由で電動モータのトルクが発生できない事態が発生した場合でも、満足な作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における旋回油圧システムの構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における油圧ポンプのトルク制御特性を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第１の実施の形態における旋回用スプールのメータイン開口面積特性及びブリードオフ開口面積特性を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の第１の実施の形態における旋回用スプールのメータアウト開口面積特性を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における油圧電動複合旋回モードでの旋回駆動時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータイン圧力（Ｍ／Ｉ圧）、旋回電動モータのアシストトルク、上部旋回体の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータアウト開口面積特性を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における油圧電動複合旋回モードでの旋回制動停止時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）、旋回電動モータのアシストトルク、上部旋回体の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁のリリーフ圧特性を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの異常処理シーケンス（油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードへの切替え）をフローチャートで示す図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの異常処理シーケンス（油圧電動複合旋回モードへの復帰）をフローチャートで示す図である。
【図１４】通常の油圧ショベルの起動シーケンスをフローチャートで示す図である。
【図１５】キャパシタと旋回電動モータを有する従来のハイブリッド式油圧ショベルの起動シーケンスをフローチャートで示す図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの起動シーケンスをフローチャートで示す図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図１９】本発明の第４の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図２０】本発明の第５の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、建設機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた建設機械全般（作業機械を含む）に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。例えば、本発明は旋回体を備えたクレーン車等、その他の建設機械にも適用可能である。
【００２８】
本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図を図１に示す。
【００２９】
図１において、ハイブリッド式油圧ショベルは下部走行体１０、上部走行体２０及びショベル機構３０を備えている。
【００３０】
下部走行体１０は、一対のクローラ１１ａ，１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ，１２ｂ（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１ａ，１１ｂを独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３、１４及びその減速機構等で構成されている。
【００３１】
上部旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジン２２により駆動されるアシスト発電モータ２３と、旋回用電動モータ２５及び旋回用油圧モータ２７と、アシスト発電モータ２３及び旋回用電動モータ２５に接続される電気二重層キャパシタ２４と、旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の回転を減速する減速機構２６等から構成され、旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の駆動力が減速機構２６を介して伝達され、その駆動力により下部走行体１０に対して上部旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させる。
【００３２】
また、上部旋回体２０にはショベル機構（フロント装置）３０が搭載されている。ショベル機構３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。
【００３３】
さらに、上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述した走行用油圧モータ１３，１４、旋回用油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アークシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧システム４０が搭載されている。油圧システム４０は、油圧を発生する油圧源となる油圧ポンプ４１（図２）及び各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブ４２（図２）を含み、油圧ポンプ４１はエンジン２２によって駆動される。
【００３４】
油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を図２に示す。図２に示すように、エンジン２２の駆動力は油圧ポンプ４１に伝達される。コントロールバルブ４２は、旋回用の操作レバー装置７２（図３参照）からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、旋回用油圧モータ２７に供給される圧油の流量と方向を制御する。またコントロールバルブ４２は、旋回以外の操作レバー装置７３（図３参照）からの操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６及び走行用油圧モータ１３，１４に供給される圧油の流量と方向を制御する。
【００３５】
電動システムは、上述したアシスト発電モータ２３、キャパシタ２４及び旋回用電動モータ２５と、パワーコントロールユニット５５及びメインコンタクタ５６等から構成されている。パワーコントロールユニット５５はチョッパ５１、インバータ５２，５３、平滑コンデンサ５４等を有し、メインコンタクタ５６はメインリレー５７、突入電流防止回路５８等を有している。
【００３６】
キャパシタ２４からの直流電力はチョッパ５１によって所定の母線電圧に昇圧され、旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５２、アシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５３に入力される。平滑コンデンサ５４は、母線電圧を安定化させるために設けられている。旋回電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の回転軸は結合されており、減速機構２６を介して上部旋回体２０を駆動する。アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、キャパシタ２４は充放電されることになる。
【００３７】
コントローラ８０は、旋回操作指令信号や、圧力信号及び回転速度信号等（後述）を用いて、コントロールバルブ４２、パワーコントロールユニット５５に対する制御指令を生成し、油圧単独旋回モード、油圧電動複合旋回モードの切り替え、各モードの旋回制御、電動システムの異常監視、エネルギマネジメント等の制御を行う。
【００３８】
油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図を図３に示す。図３に示す電動・油圧機器のシステム構成は基本的に図２と同じであるが、本発明による旋回制御を行うのに必要なデバイスや制御手段、制御信号等を詳細に示している。
【００３９】
油圧ショベルは、エンジン２２を始動するためのイグニッションキー７０と、作業中止時にパイロット圧遮断弁７６をＯＮにして油圧システムの作動を不能とするゲートロックレバー装置７１とを備えている。また、油圧ショベルは、上述したコントローラ８０と、コントローラ８０の入出力に係わる油圧・電気変換装置７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂ、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ及び油圧単独旋回モード固定スイッチ７７を備え、これらは旋回制御システムを構成する。油圧・電気変換装置７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂＲはそれぞれ例えば圧力センサであり、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄは例えば電磁比例減圧弁である。
【００４０】
コントローラ８０は、異常監視・異常処理制御ブロック８１、エネルギマネジメント制御ブロック８２、油圧電動複合旋回制御ブロック８３、油圧単独旋回制御ブロック８４、制御切替ブロック８５等からなる。
【００４１】
全体システムに異常がなく、旋回電動モータ２５が駆動可能な状態では、コントローラ８０は油圧電動複合旋回モードを選択する。このとき制御切替ブロック８５は油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択しており、油圧電動複合旋回制御ブロック８３によって旋回アクチュエータ動作が制御される。旋回操作レバー装置７２の入力によって発生される油圧パイロット信号は油圧・電気変換装置７４ａによって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。旋回油圧モータ２５の作動圧は油圧・電気変換装置７４ｂＬ，７４ｂＲによって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。パワーコントロールユニット５５内の電動モータ駆動用のインバータから出力される旋回モータ速度信号も油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。油圧電動複合旋回制御ブロック８３は、旋回操作レバー装置７２からの油圧パイロット信号と、旋回油圧モータ２５の作動圧信号及び旋回モータ速度信号に基づいて所定の演算を行って旋回電動モータ２５の指令トルクを計算し、パワーコントロールユニット５５にトルク指令ＥＡを出力する。同時に、電動モータ２５が出力するトルク分、油圧ポンプ４１の出力トルク及び油圧モータ２７の出力トルクを減少させる減トルク指令ＥＢ，ＥＣを電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂに出力する。
【００４２】
一方、旋回操作レバー装置７２の入力によって発生される油圧パイロット信号はコントロールバルブ４２にも入力され、旋回モータ用のスプール６１（図４参照）を中立位置から切り換えて油圧ポンプ４１の吐出油を旋回用油圧モータ２７に供給し、油圧モータ２７も同時に駆動する。
【００４３】
電動モータ２５が加速時に消費するエネルギと減速時に回生するエネルギの差によって、キャパシタ２４の蓄電量が増減することになる。これを制御するのがエネルギマネジメント制御ブロック８２であり、アシスト発電モータ２３に発電またはアシスト指令ＥＤを出すことにより、キャパシタ２４の蓄電量を所定の範囲に保つ制御を行う。
【００４４】
パワーコントロールユニット５５、電動モータ２５、キャパシタ２４、パワーコントロールユニット５５等の電動システムに故障、異常、警告状態が発生した場合や、キャパシタ２４の蓄電量が所定の範囲外になった場合は、異常監視・異常処理制御ブロック８１及びエネルギマネジメント制御ブロック８２が制御切替ブロック８５を切り替えて油圧単独旋回制御ブロック８４を選択し、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードへの切替えを行う。基本的に旋回の油圧システムは、電動モータ２５と協調して動作するようマッチングされているので、油圧単独旋回制御ブロック８４は、旋回駆動特性補正指令ＥＥと旋回パイロット圧補正指令ＥＦをそれぞれ電気・油圧変換装置７５ｃ，７５ｄに出力し、油圧モータ２７の駆動トルクを増加させる補正と油圧モータ２７の制動トルクを増加させる補正を行うことにより、電動モータ２５のトルクが無くても旋回操作性が損なわれないような制御を行う。
【００４５】
油圧単独旋回モード固定スイッチ７７は、電動システムの故障時や、特定のアタッチメント装着時など、何らかの理由で、油圧単独旋回モードに固定したい場合に使用するものであり、固定スイッチ７７がＯＮ位置に操作されると、切替え制御ブロック８５は油圧単独旋回制御ブロック８４を選択するよう固定される。
【００４６】
旋回油圧システムの詳細を図４に示す。図３と同じ要素には同じ符号を付している。図３のコントロールバルブ４２はアクチュエータごとにスプールと呼ばれる弁部品を備え、操作レバー装置７２，７３からの指令（油圧パイロット信号）に応じて対応するスプールが変位することで開口面積が変化し、各油路を通過する圧油の流量が変化する。図４に示す旋回油圧システムは、旋回用スプールのみを含むものである。
【００４７】
旋回油圧システムは、旋回用油圧モータ２７の最大出力トルクが第１トルクとなる第１モードと、旋回用油圧モータ２７の最大出力トルクが第１トルクより大きな第２トルクとなる第２モードとに変更可能である。以下にその詳細を説明する。
【００４８】
図４において、旋回油圧システムは、前述した油圧ポンプ４１及び旋回用油圧モータ２７と、旋回用スプール６１と、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂと、旋回補助弁としてのセンタバイパスカット弁６３とを備えている。
【００４９】
油圧ポンプ４１は可変容量ポンプであり、トルク制御部６４ａを備えたレギュレータ６４を備え、レギュレータ６４を動作させることで油圧ポンプ４１の傾転角が変わって油圧ポンプ４１の容量が変わり、油圧ポンプ４１の吐出流量と出力トルクが変わる。図３の油圧電動複合旋回制御ブロック８３から電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されると、電気・油圧変換装置７５ａは対応する制御圧力をレギュレータ６１のトルク制御部６４ａに出力し、トルク制御部６４ａは、電動モータ２５が出力するトルク分、油圧ポンプ４１の最大出力トルクが減少するようトルク制御部６４ａの設定を変更する。
【００５０】
油圧ポンプ４１のトルク制御特性を図５に示す。横軸は油圧ポンプ４１の吐出圧力、縦軸は油圧ポンプ４１の容量を示している。
【００５１】
油圧電動複合旋回モードが選択され、電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されているときは、電気・油圧変換装置７５ａは制御圧力を発生しており、このとき制御部６４ａの設定は、実線ＰＴSより最大出力トルクが減少した実線ＰＴの特性にある（第１モード）。油圧単独旋回モードが選択され、電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されていないときは、トルク制御部６４ａは実線ＰＴSの特性に変化し（第２モード）、油圧ポンプ４１の最大出力トルクは、斜線で示す面積分、増加する。
【００５２】
図４に戻り、旋回用スプール６１はＡ，Ｂ，Ｃの３位置を持ち、操作レバー装置７２からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）を受けて中立位置ＢからＡ位置又はＣ位置に連続的に切り替わる。
【００５３】
操作レバー装置７２はパイロット油圧源２９からの圧力をレバー操作量に応じて減圧する減圧弁を内蔵し、レバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を旋回用スプール６１の左右いずれかの圧力室に与える。
【００５４】
旋回用スプール６１が中立位置Ｂにあるときは、油圧ポンプ４１から吐出される圧油はブリードオフ絞りを通り、更にセンタバイパスカット弁６３を通ってタンクへ戻る。旋回用スプール６１がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を受けてＡ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＡ位置のメータイン絞りを通って旋回用油圧モータ２７の右側に送られ、旋回用油圧モータ２７からの戻り油はＡ位置のメータアウト絞りを通ってタンクに戻り、旋回用油圧モータ２７は一方向に回転する。逆に、旋回用スプール６１がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を受けてＣ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＣ位置のメータイン絞りを通って旋回用油圧モータ２７の左側に送られ、旋回用油圧モータ２７からの戻り油はＣ位置のメータアウト絞りを通ってタンクに戻り、旋回用油圧モータ２７はＡ位置の場合とは逆方向に回転する。
【００５５】
旋回用スプール６１がＢ位置とＡ位置の中間に位置しているときは、油圧ポンプ４１からの圧油はブリードオフ絞りとメータイン絞りに分配される。このとき、メータイン絞りの入側にはブリードオフ絞りの開口面積とセンタバイパスカット弁６３の開口面積に応じた圧力が立ち、その圧力で旋回用油圧モータ２７に圧油が供給され、その圧力（ブリードオフ絞りの開口面積）に応じた作動トルクが与えられる。また、旋回用油圧モータ２７からの排出油はそのときのメータアウト絞りの開口面積に応じた抵抗を受けて背圧が立ち、メータアウト絞りの開口面積に応じた制動トルクが発生する。Ｂ位置とC位置の中間においても同様である。
【００５６】
操作レバー装置７２の操作レバーを中立位置に戻し、旋回用スプール６１を中立位置Ｂに戻したとき、上部旋回体２０は慣性体であるため、旋回用油圧モータ２７はその慣性で回転を続けようとする。このとき、旋回用油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）が旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂの設定圧力を超えようとするときは、オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂが作動して圧油の一部をタンクに逃がすることで背圧の上昇を制限し、オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂの設定圧力に応じた制動トルクを発生する。
【００５７】
図６Ａは、本発明の一実施の形態における旋回用スプール６１のメータイン開口面積特性及びブリードオフ開口面積特性を示す図であり、図６Ｂは同メータアウト開口面積特性を示す図である。
【００５８】
図６Ａにおいて、実線ＭＩがメータイン開口面積特性であり、実線ＭＢがブリードオフ開口面積特性であり、いずれも本実施の形態のものである。二点鎖線ＭＢ0は、電動モータを用いない、従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるブリードオフ開口面積特性である。本実施の形態のブリードオフ開口面積特性ＭＢは、制御域開始点及び終点は従来のものと同一であるが、中間領域では従来のものに比べて開き勝手（大きな開口面積となるよう）に設計されている。
【００５９】
図６Ｂにおいて、実線ＭＯが本実施の形態のメータアウト開口面積特性であり、二点鎖線ＭＯ0が電動モータを用いない、従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるメータアウト開口面積特性である。本実施の形態のメータアウト開口面積特性ＭＯは、制御域開始点及び終点は従来のものと同一であるが、中間領域では従来のものに比べて開き勝手（大きな開口面積となるよう）に設計されている。
【００６０】
図７は、油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性を示す図である。
【００６１】
油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、旋回駆動特性補正指令ＥＥは出力されていないため、センタバイパスカット弁６３は図示の開位置にあり、旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は、図６Ａのブリードオフ開口面積特性ＭＢのみによって決まる点線ＭＢCの特性となる（第１モード）。
【００６２】
油圧単独旋回モードが選択されたときは、前述したように電気・油圧変換装置７５ｃに旋回駆動特性補正指令ＥＥが出力され、電気・油圧変換装置７５ｃは対応する制御圧力をセンタバイパスカット弁６３の受圧部に出力し、センタバイパスカット弁６３は図示右側の絞り位置に切り換えられる。このセンタバイパスカット弁６３の切り換えにより、旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対する旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は点線ＭＢCの特性よりも合成開口面積が小さい実線ＭＢSの特性に変更される（第２モード）。この実線ＭＢSの合成開口面積特性は従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるブリードオフ開口面積特性と同等である。
【００６３】
図８は、油圧電動複合旋回モードでの旋回駆動時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータイン圧力（Ｍ／Ｉ圧）、旋回電動モータ２５のアシストトルク、上部旋回体２０の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。パイロット圧０、旋回停止状態から時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ４でパイロット圧最大までランプ状に油圧パイロット信号を増加させた場合の例である。
【００６４】
油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、図７の点線ＭＢCで示したように旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は図６Ａのブリードオフ開口面積特性ＭＢのみによって決まる特性となるため、従来に比べてブリードオフ絞りの開口面積が大きい分、本実施の形態の方がメータイン圧力（Ｍ／Ｉ）は低くなる。メータイン圧力は旋回油圧モータ２７の作動トルク（加速トルク）に相当するので、メータイン圧力が低くなった分だけ加速トルクを電動モータ２５により付与する必要がある。図７では力行側のアシストトルクを正としている。本実施の形態では、電動モータ２５のアシストトルクと旋回用スプール６１によって発生するメータイン圧力に由来する加速トルクの合計値が、従来型の油圧ショベルで発生する加速トルクと概等しくなるように制御する。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベルと同等の加速フィーリングを有することが可能となる。
【００６５】
一方、油圧単独旋回モードが選択されたときは、旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は、図７の点線ＭＢCよりも合成開口面積が小さいから実線ＭＢSの特性に変更されるため、旋回用スプール６１によって発生するメータイン圧力は、図８に示す従来の油圧ショベルで得られる実線のメータイン圧力まで上昇し、旋回用スプール６１によって発生するメータイン圧力に由来する加速トルクが、従来型の油圧ショベルで発生する加速トルクと概等しくなるように制御される。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベルと同等の加速フィーリングを有することが可能となる。
【００６６】
また、油圧モータ２７単独で旋回可能であるということは、旋回油圧モータ２７の最大出力トルクの方が、旋回電動モータ２５の最大出力トルクよりも大きいということである。このことは、油圧電動複合旋回モードにおいて、万一、電動モータ２５が意図しない動きをしたとしても油圧回路が正常ならば、それほど危険な動きにならないことを意味し、本発明は安全性においても有利である。
【００６７】
図９は、油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータアウト開口面積特性を示す図である。
【００６８】
油圧電動複合旋回モードが選択されているきは、旋回パイロット圧補正指令ＥＦは出力されていないため、旋回用スプール６１のメータアウト開口面積特性は図６Ｂのメータアウト開口面積特性ＭＯと同様の変化を示す点線ＭＯCの特性となる（第１モード）。
【００６９】
油圧単独旋回モードが選択されたときは、前述したように図３の電気・油圧変換装置７５ｄ（図４の電気・油圧変換装置７５ｄＬ，７５ｄＲ）旋回パイロット圧補正指令ＥＦが出力され、電気・油圧変換装置７５ｄは操作レバー装置７２で生成された油圧パイロット信号（操作パイロット圧）を減圧補正する。この油圧パイロット信号の補正により、旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対するメータアウト開口面積特性は、図１０の点線ＭＯCの特性に対し中間領域における開口面積が減少した実線ＭＯSの特性に変更される（第２モード）。この実線ＭＯSの開口面積特性は従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるメータアウト開口面積特性と同等である。
【００７０】
図１０は、油圧電動複合旋回モードでの旋回制動停止時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）、旋回電動モータ２５のアシストトルク、上部旋回体２０の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。パイロット圧最大、最高旋回速度から時間Ｔ＝Ｔ５〜Ｔ９でパイロット圧０までランプ状に油圧パイロット信号を低減させた場合の例である。
【００７１】
油圧単独旋回モードが選択されているときは、図９の点線ＭＯCで示したように旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対するメータアウト開口面積特性は図６Ｂのメータアウト開口面積特性ＭＯと同様の変化する特性となるため、図６Ｂに示したように従来に比べてメータアウト絞りの開口面積が大きい分、本実施の形態の方がメータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）は低くなる。メータアウト圧力はブレーキトルク（制動トルク）に相当するので、メータアウト圧力が低くなった分だけブレーキトルクを電動モータ２５により付与する必要がある。図１０では回生側のアシストトルクを負としている。本実施の形態では、電動モータ２５のアシストトルクと旋回用スプール６１によって発生するメータアウト圧力に由来するブレーキトルクの合計値が従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概等しくなるように制御する。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
【００７２】
一方、油圧単独旋回モードが選択されたときは、旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対するメータアウト開口面積特性は、図１０の点線ＭＯCの特性に対し中間領域における開口面積が減少した実線ＭＯSの特性に変更されるため、旋回用スプール６１によって発生するメータアウト圧力は、図１０に示す従来の油圧ショベルで得られる実線のメータアウト圧力まで上昇し、旋回用スプール６１によって発生するメータアウト圧力に由来するブレーキトルクが、従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概等しくなるように制御され、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
【００７３】
図１１は、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ圧特性を示す図である。
【００７４】
油圧電動複合旋回モードが選択され、図３の電気・油圧変換装置７５ｂ（図４の電・油圧変換装置７５ｂＬ，７５ｂＲ）に減トルク指令ＥＣが出力されているときは、電気・油圧変換装置７５ｂは制御圧力を生成し、その制御圧力が可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂの設定圧力減少側に作用し、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ特性はリリーフ圧がＰmax1である実線ＳＲの特性となる（第１モード）。油圧単独旋回モードが選択され、電気・油圧変換装置７５ｂ（図４の電気・油圧変換装置７５ｂＬ，７５ｂＲ）に減トルク指令ＥＣが出力されていないときは、電気・油圧変換装置７５ｂは制御圧力を生成しないため、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ特性は、リリーフ圧がＰmax1からＰmax2に上昇した実線ＳＲSの特性となり（第２モード）、制動トルクは、リリーフ圧が高くなった分、増加する。
【００７５】
これにより油圧電動複合旋回モードが選択されたときは、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ圧はＰmax2より低いＰmax1に設定されるため、、操作レバー装置７２の操作レバーを中立位置に戻したときに、旋回用油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）は可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂの低めの設定圧力であるＰmax1まで上昇し、電動モータ２５のアシストトルクと可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂによって発生する背圧に由来するブレーキトルクの合計値が従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概等しくなるように制御され、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
【００７６】
また、油圧単独旋回モードが選択されたときは、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ圧はＰmax1より高いＰmax2に設定されるため、操作レバー装置７２の操作レバーを中立位置に戻した場合に、旋回用油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）は可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂの高めの設定圧力であるＰmax2まで上昇し、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂによって発生する背圧に由来するブレーキトルクが、従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概等しくなるように制御され、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
【００７７】
図１２にコントローラ８０の異常監視・異常処理制御ブロック８１による油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回制御モードへの切り替えシーケンスを示す。
【００７８】
異常監視・異常処理制御ブロック８１は、パワーコントロールユニット５５、電動モータ２５、キャパシタ２４、パワーコントロールユニット５５等の電動システムに故障、異常、警告状態が発生した場合に、そのことを知らせる信号（以下エラー信号という）が通知されたかどうかを判定し（ステップＳ１００）、エラー信号が通知されると、それが緊急対応を要するエラー信号であるかどうかを更に判定する（ステップＳ１１０）。モード切り替え時には、油圧システムのバルブの切り替え動作等により軽いショックが生じる可能性があるので、エラー信号の内容が深刻ではなく、直ちに切替える緊急性がない場合は、モード切換可能なタイミングかどうかを判定し（ステップＳ１２０）、旋回体２０の動作及び旋回用の操作レバー装置７２の入力が行われてないタイミング、あるいは、旋回体２０以外の装置である走行、フロントの動作及びそれらの操作レバー装置７３の入力も含めて、操作がまったく行われていないアイドリング時等に切替えを行う（ステップＳ１３０）。インバータの過電流異常等、システムを損傷させる恐れや重大な故障や災害に繋がる恐れがある異常については、操作中であっても、直ちに電動システムを停止させ、油圧単独旋回モードに切替える（ステップＳ１１０→Ｓ１３０）。
【００７９】
図１３にコントローラ８０の異常監視・異常処理制御ブロック８１による油圧単独旋回制御モードから油圧電動複合旋回モードへの復帰シーケンスを示す。
【００８０】
異常監視・異常処理制御ブロック８１は、図１２のフローチャートで示す処理によって油圧単独旋回制御モードへ切り替えた場合、まず、油圧単独旋回制御中に所定のエラー信号解消処理を行う（ステップＳ１５０）。次いで、エラー信号が解消したかどうかを判定し（ステップＳ１６０）、エラー信号解消処理によって、あるいは自然にエラー信号が解消された場合は、更にモード切換可能なタイミングかどうかを判定し（ステップＳ１７０）、旋回動作及び操作が行われてないタイミング、あるいは、フロントも含め操作がまったく行われていないアイドリング時等に油圧電動複合旋回モードへの切り替え（復帰動作）を行う（ステップＳ１８０）。
【００８１】
本発明による油圧ショベルが特に有効なのは機械の起動時である。通常の（油圧旋回モータをもつ）油圧ショベルの起動シーケンスを図１４に示す。イグニッションキーをオンからスタート位置にし、エンジン、油圧ポンプを起動させ、ゲートロックレバーを解除すれば直ちに旋回を含む全油圧アクチュエータが動作可能な状態になる。
【００８２】
旋回駆動に電動モータと油圧モータを用い、蓄電デバイスにキャパシタを用いた従来のハイブリッド式油圧ショベルの起動シーケンスを図１５に示す。図中、点線内がコントローラの処理である。従来のハイブリッド式油圧ショベルの場合、エンジン、油圧ポンプを起動しても、キャパシタに十分な蓄電量が無い場合、直ちに旋回動作を行うことはできない。キャパシタは容量が小さく、数日間、機械を動作させないと自然放電によって旋回駆動を行うのに必要な蓄電量を確保できなくなる可能性がある。そのため、機械起動時に、まず初期充電が必要となり（ステップＳ２００〜Ｓ２４０）、充電が完了するまでオペレータは待機する必要が生じる。
【００８３】
本発明のハイブリッド式油圧ショベルの起動シーケンスを図１６に示す。図中、点線内がコントローラ８０のエネルギーマネジメント制御部８２の処理である。本発明のハイブリッド式油圧ショベルにおいては、電気的にどのような状態であっても、エネルギーマネジメント制御部８２は初期設定として油圧単独旋回制御ブロック８４を選択することで油圧単独旋回モードに設定する（ステップＳ３００）。これによりオペレータがゲートロックレバー装置７１をロック位置からロック解除位置に操作してパイロット圧遮断弁７６をＯＦＦにすることで、油圧ショベルは直ちに動作可能な状態となる。オペレータが油圧ショベルを操作し、作業を行っている間に、エネルギーマネジメント制御部８２はバックグラウンドで充電や放電制御等を行い（ステップＳ３１０〜Ｓ３５０）、旋回電動モータが駆動可能な状態になった後に、モード切換可能なタイミングであることを確認して（ステップＳ３６０）油圧電動複合旋回モードに切替える（ステップＳ３７０）。
【００８４】
エネルギーマネジメント制御部８２による充電・放電制御は次のように行う。まず、パワーコントロールユニット５５を起動し（ステップＳ３１０）、インバータ５２，５３及び平滑コンデンサ５４の初期充電処理とメインコンタクタ５６の接続処理を行う（ステップＳ３２０）。次いで、キャパシタ２４が規定電圧にあるかどうかを判定し（ステップＳ３３０）、キャパシタ３４が規定電圧以下であればキャパシタ充電制御を行い、規定電圧以上であればキャパシタ放電制御を行う（ステップＳ３４０）。キャパシタ２４が規定電圧になれば油圧電動複合旋回モードの準備完了状態とする（ステップＳ３５０）。
【００８５】
以上のように本実施の形態によれば、旋回体２０の駆動用として、油圧モータ２７と電動モータ２５の両方を備え、油圧モータ２７と電動モータ２５の両方のトルクで旋回駆動するモード（油圧電動複合旋回モード）と、油圧モータ２７単独で旋回駆動するモード（油圧単独旋回モード）との切換え可能な構成とすることにより、油圧電動複合旋回モードにおいては、例えば、押し付け掘削等の油圧アクチュエータ特有の作業動作、油圧アクチュエータ特有の操作感を実現すると共に、制動（減速）時には、電動モータ２５によって旋回体２０の運動エネルギを回生することにより、省エネルギ化を実現することができる。また、回生した電気エネルギを蓄電するためキャパシタ２４のエネルギ残量が不足の場合、過充電の場合や、電動システムに故障、異常、警告が生じた場合においては、油圧単独旋回モードに切替えることにより、油圧モータ２７単独によって正常な旋回トルクで駆動でき、油圧ショベルとしての作業を継続することができる。更に、始動時において、キャパシタ２４のエネルギ残量が不足していても直ちに作業を開始することが可能となる。
【００８６】
図１７に本発明の第２の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を示す。図２に示した第１の実施の形態では、エンジン２２の駆動軸に連結されたアシスト発電モータ２３を用いていたが、本実施の形態では、その構成に代え、油圧ポンプ４１の吐出油によって駆動される油圧モータ１０１と、この油圧モータ１０１の駆動軸に連結された電動モータ１００を用いたものである。また、蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ２４以外に、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等、あらゆる蓄電デバイスが使用可能であり、図１７に示す実施の形態では、リチウムイオン電池等のバッテリ１０３を用いた構成としている。
【００８７】
図１８に本発明の第３の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を示す。 本実施の形態では、キャパシタ２４の初期充電を行うために、オルタネータ１１０及び電装用バッテリ１１１を含む電装系バッテリラインからＤＣ／ＤＣコンバータ１１２を用いて昇圧する構成としたものである。ただし、この場合、キャパシタ２４に余剰エネルギが生じたときに電装系バッテリラインに自由にエネルギを逃がすことができないため、エネルギマネジメント制御部８２は、旋回動作の加減速のみでキャパシタ蓄電量をある程度一定化するよう制御する必要がある。
【００８８】
図１９及び図２０に本発明の第４及び第５の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を示す。
【００８９】
これまでの実施の形態では、原動機としてエンジン２２を用いた油圧ショベルを示したが、他の原動機、例えば、電動モータを用いた油圧ショベルに本発明を適用しても問題はない。図１９に示す実施の形態では、商用交流電源１２１からの交流電力で駆動される電動モータ１２０を用いた油圧ショベル、図２０に示す実施の形態では、大容量バッテリ１３０で駆動される電動モータ１２０を用いた油圧ショベルのシステム構成図を示す。図１９に示す実施の形態では、図１８の実施の形態と同様、キャパシタ２４の初期充電を行うために、商用交流電源１２１からＤＣ／ＤＣコンバータ１２２を用いて昇圧する。
【００９０】
原動機として電動モータ１２０を使用した油圧ショベルに対して本発明を適用するときに注意すべきことは、電力ラインやパワーコントロールユニットを旋回用電動モータと原動機用電動モータとで共用すると、これらの故障が起きた場合に、油圧単独旋回モードでの動作すらできなくなる可能性があることである。
【００９１】
図１９に示す実施の形態では、メイン電動モータ１２０を三相交流誘導モータとし、商用電源１２１の三相交流によって直接駆動し、キャパシタ２４に蓄電されたエネルギを用いる旋回用電動モータ２５とは、別個のパワー供給ラインとしている。図２０に示す実施の形態では、パワーコントロールユニット１３２，１３３をメインと旋回とで別とし、旋回電動モータ２５や旋回用パワーコントロールユニット１３３に短絡故障等の異常が生じた場合は、旋回電動部遮断リレー１３４によって切り離すことにより、油圧単独旋回モードでの動作が可能な構成としている。
【００９２】
以上において、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施の形態を説明したが、本発明の骨子は、旋回体の駆動に対して、油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードの切り替えを行えるようにすることであり、油圧ショベル以外の旋回体を有する建設機械全般に本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１０…下部走行体
１１…クローラ
１２…クローラフレーム
１３…右走行用油圧モータ
１４…左走行用油圧モータ
２０…上部旋回体
２１…旋回フレーム
２２…エンジン
２３…アシスト発電モータ
２４…キャパシタ
２５…旋回電動モータ
２６…減速機構
２７…旋回油圧モータ
３０…ショベル機構（フロント装置）
３１…ブーム
３２…ブームシリンダ
３３…アーム
３４…アームシリンダ
３５…バケット
３６…バケットシリンダ
４０…油圧システム
４１…油圧ポンプ
４２…コントロールバルブ
４３…油圧配管
５１…チョッパ
５２…旋回電動モータ用インバータ
５３…アシスト発電モータ用インバータ
５４…平滑コンデンサ
５５…パワーコントロールユニット
５６…メインコンタクタ
５７…メインリレー
５８…突入電流防止回路
６１…旋回用スプール
６２ａ，６２ｂ…可変オーバーロードリリーフ弁
６３…センタバイパスカット弁
７０…イグニッションキー
７１…ゲートロックレバー
７２…旋回用の操作レバー装置
７３…操作レバー装置（旋回以外）
７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂＲ…油圧・電気変換装置
７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ…電気・油圧変換装置
７６…パイロット圧信号遮断弁
７７…油圧単独旋回モード固定スイッチ
８０…コントローラ（制御装置）
８１…異常監視・異常処理制御ブロック
８２…エネルギマネジメント制御ブロック
８３…油圧電動複合旋回制御ブロック
８４…油圧単独制御ブロック
８５…制御切替ブロック
１００…電動モータ
１０１…油圧モータ
１０３…バッテリ
１１０…オルタネータ
１１１…電装系用バッテリ
１１２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２０…メイン電動モータ
１２１…商用電源
１２２…ＡＣ／ＤＣコンバータ
１３０…大容量バッテリ
１３１…パワーコントロールユニット
１３２…メイン電動モータ用パワーコントロールユニット
１３３…旋回電動モータ用パワーコントロールユニット
１３４…旋回電動部遮断リレー
【技術分野】
【０００１】
本発明はハイブリッド式建設機械に係わり、特に、油圧ショベル等の旋回体を有するハイブリッド式建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば油圧ショベルのような建設機械においては、動力源として、ガソリン、軽油等の燃料を用い、エンジンによって油圧ポンプを駆動して油圧を発生することにより油圧モータ、油圧シリンダといった油圧アクチュエータを駆動する。油圧アクチュエータは、小型軽量で大出力が可能であり、建設機械のアクチュエータとして広く用いられている。
【０００３】
一方で、近年、電動モータ及び蓄電デバイス（バッテリや電気二重層キャパシタ等）を用いることにより、油圧アクチュエータのみを用いた従来の建設機械よりエネルギ効率を高め、省エネルギ化を図った建設機械が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
電動モータ（電動アクチュエータ）は油圧アクチュエータに比べてエネルギ効率が良い、制動時の運動エネルギを電気エネルギとして回生できる（油圧アクチュエータの場合は熱にして放出）といった、エネルギ的に優れた特徴がある。
【０００５】
例えば、特許文献１に示される従来技術では、旋回体の駆動アクチュエータとして電動モータを搭載した油圧ショベルの実施の形態が示されている。油圧ショベルの上部旋回体を下部走行体に対して旋回駆動するアクチュエータ（従来は油圧モータを使用）は、使用頻度が高く、作業において起動停止、加速減速を頻繁に繰り返す。
【０００６】
このとき、減速時（制動時）における旋回体の運動エネルギは、油圧アクチュエータの場合は油圧回路上で熱として捨てられるが、電動モータの場合は電気エネルギとしての回生が見込めることから、省エネルギ化が図れる。
【０００７】
また、油圧モータと電動モータを両方搭載し、合計トルクにより旋回体を駆動する建設機械が提案開示されている（特許文献２及び特許文献３）。
【０００８】
特許文献２では、旋回体駆動用油圧モータに電動モータが直結され、操作レバーの操作量によってコントローラが電動モータに出力トルクを指令する油圧建設機械のエネルギ回生装置が開示されている。減速（制動）時においては、電動モータが旋回体の運動エネルギを回生し、電気エネルギとしてバッテリに蓄電する。
【０００９】
特許文献３では、旋回駆動用油圧モータのイン側とアウト側の差圧を用いて、電動モータへのトルク指令値を算出し、油圧モータと電動モータとの出力トルク配分を行うハイブリッド型建設機械が開示されている。
【００１０】
特許文献２及び３の従来技術は、いずれも、旋回駆動用アクチュエータとして、電動モータと油圧モータを併用することによって、従来の油圧アクチュエータ駆動の建設機械に慣れたオペレータにも違和感なく操作できると共に、簡単かつ実用化が容易な構成で省エネルギ化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第3647319号公報
【特許文献２】特許第4024120号公報
【特許文献３】特開2008-63888号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１記載のハイブリッド式油圧ショベルでは、減速時（制動時）における旋回体の運動エネルギは、電動モータによって電気エネルギとして回生されるため、省エネルギの観点から効果的である。
【００１３】
しかし、電動モータは油圧モータとは異なる特性を持っているため、建設機械の旋回体の駆動に電動モータを用いると、以下のような問題を生じる。
【００１４】
（１）電動モータの速度フィードバック制御不良等によるハンチング（特に低速域、停止状態）。
【００１５】
（２）油圧モータとの特性の違いによる操作上の違和感。
【００１６】
（３）モータが回転しない状態でトルクを連続出力する作業（例えば、押し当て作業）におけるモータやインバータの過熱。
【００１７】
（４）油圧モータ相当の出力を保証する電動モータを使用すると外形が大きくなりすぎる、あるいはコストが著しく高くなる。
【００１８】
特許文献２及び３記載のハイブリッド式油圧ショベルでは、油圧モータと電動モータを両方搭載し、合計トルクにより旋回体を駆動することにより上記の問題を解決し、従来の油圧アクチュエータ駆動の建設機械に慣れたオペレータにも違和感なく操作できると共に、簡単かつ実用化が容易な構成で省エネルギ化を図っている。
【００１９】
しかし、上述した特許文献１〜３記載の先行技術いずれにおいても、旋回駆動に要する全体トルクのうち、電動モータが一定のトルクを受け持っているために、インバータ、モータ等の電気系の故障、異常や、蓄電デバイスのエネルギ不足や過充電状態等、何らかの理由で電動モータのトルクが発生できない場合、旋回体を駆動するための全体トルクが不足し、正常時と同じように起動・停止することができなくなるという課題がある。
【００２０】
例えば旋回体の速度が高く運動エネルギが大きい状態において突然異常が起きた場合は、電動モータがフリーラン状態となり、特許文献１の先行技術では停止できなくなるし、特許文献２および３の先行技術では、停止距離、停止時間が正常状態より伸びることになるため、安全上深刻な問題となる。
【００２１】
また、機械起動直後においては、機械停止中、保管中の自然放電等によって蓄電デバイスのエネルギ量が低下している可能性がある。この場合、旋回用電動モータが出力不能なため、即座に旋回動作を開始することはできない。まず、蓄電デバイスの蓄電量が所定値になるまで充電を行う必要があるため、オペレータは、作業を開始したくても、充電完了まで待機する必要がある。
【００２２】
本発明の目的は、旋回体の駆動に電動モータを用いたハイブリッド式建設機械において、何らかの理由で電動モータのトルクが発生できない事態が発生した場合でも、満足な作業を行うことができるハイブリッド式建設機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明のハイブリッド式建設機械は、旋回体の駆動用として、油圧モータと電動モータの両方を備え、制御装置により、油圧モータと電動モータの両方を駆動して旋回体を駆動する油圧電動複合旋回モードと、油圧モータのみを駆動して旋回体を駆動する油圧単独旋回モードとの切替えを行う構成とする。油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードの切替では、両モードにおいて十分な操作性と性能が実現されるようにする。通常は、油圧電動複合旋回モードで省エネルギ運転を行う。蓄電量が所定の範囲を外れた際、あるいはインバータ故障その他の電気系の異常が生じた際には、油圧単独旋回モードに切替え、電動モータがフリーラン状態になっても、油圧モータ単独によって正常な制動トルクで駆動できるようにする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、旋回体の駆動用として、油圧モータと電動モータの両方を備え、油圧モータと電動モータの両方のトルクで旋回駆動するモード（油圧電動複合旋回モード）と、油圧モータ単独で旋回駆動するモード（油圧単独旋回モード）との切換え可能な構成とすることにより、油圧電動複合旋回モードにおいては、例えば、押し付け掘削等の油圧アクチュエータ特有の作業動作、油圧アクチュエータ特有の操作感を実現すると共に、制動（減速）時には、電動モータによって旋回体の運動エネルギを回生することにより、省エネルギ化を実現することができる。また、回生した電気エネルギを蓄電するための蓄電デバイスのエネルギ残量が不足の場合、過充電の場合や、電動システムに故障、異常、警告が生じた場合においては、油圧単独旋回モードに切替えることにより、油圧モータ単独によって正常な旋回トルクで駆動でき、作業を継続することができる。更に、始動時において、蓄電デバイスのエネルギ残量が不足していても、直ちに作業を開始することが可能となる。
【００２５】
このように本発明によれば、何らかの理由で電動モータのトルクが発生できない事態が発生した場合でも、満足な作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における旋回油圧システムの構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における油圧ポンプのトルク制御特性を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第１の実施の形態における旋回用スプールのメータイン開口面積特性及びブリードオフ開口面積特性を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の第１の実施の形態における旋回用スプールのメータアウト開口面積特性を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における油圧電動複合旋回モードでの旋回駆動時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータイン圧力（Ｍ／Ｉ圧）、旋回電動モータのアシストトルク、上部旋回体の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータアウト開口面積特性を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における油圧電動複合旋回モードでの旋回制動停止時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）、旋回電動モータのアシストトルク、上部旋回体の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁のリリーフ圧特性を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの異常処理シーケンス（油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードへの切替え）をフローチャートで示す図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの異常処理シーケンス（油圧電動複合旋回モードへの復帰）をフローチャートで示す図である。
【図１４】通常の油圧ショベルの起動シーケンスをフローチャートで示す図である。
【図１５】キャパシタと旋回電動モータを有する従来のハイブリッド式油圧ショベルの起動シーケンスをフローチャートで示す図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの起動シーケンスをフローチャートで示す図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図１９】本発明の第４の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図２０】本発明の第５の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、建設機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた建設機械全般（作業機械を含む）に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。例えば、本発明は旋回体を備えたクレーン車等、その他の建設機械にも適用可能である。
【００２８】
本発明の第１の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図を図１に示す。
【００２９】
図１において、ハイブリッド式油圧ショベルは下部走行体１０、上部走行体２０及びショベル機構３０を備えている。
【００３０】
下部走行体１０は、一対のクローラ１１ａ，１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ，１２ｂ（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１ａ，１１ｂを独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３、１４及びその減速機構等で構成されている。
【００３１】
上部旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジン２２により駆動されるアシスト発電モータ２３と、旋回用電動モータ２５及び旋回用油圧モータ２７と、アシスト発電モータ２３及び旋回用電動モータ２５に接続される電気二重層キャパシタ２４と、旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の回転を減速する減速機構２６等から構成され、旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の駆動力が減速機構２６を介して伝達され、その駆動力により下部走行体１０に対して上部旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させる。
【００３２】
また、上部旋回体２０にはショベル機構（フロント装置）３０が搭載されている。ショベル機構３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。
【００３３】
さらに、上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述した走行用油圧モータ１３，１４、旋回用油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アークシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧システム４０が搭載されている。油圧システム４０は、油圧を発生する油圧源となる油圧ポンプ４１（図２）及び各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブ４２（図２）を含み、油圧ポンプ４１はエンジン２２によって駆動される。
【００３４】
油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を図２に示す。図２に示すように、エンジン２２の駆動力は油圧ポンプ４１に伝達される。コントロールバルブ４２は、旋回用の操作レバー装置７２（図３参照）からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、旋回用油圧モータ２７に供給される圧油の流量と方向を制御する。またコントロールバルブ４２は、旋回以外の操作レバー装置７３（図３参照）からの操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６及び走行用油圧モータ１３，１４に供給される圧油の流量と方向を制御する。
【００３５】
電動システムは、上述したアシスト発電モータ２３、キャパシタ２４及び旋回用電動モータ２５と、パワーコントロールユニット５５及びメインコンタクタ５６等から構成されている。パワーコントロールユニット５５はチョッパ５１、インバータ５２，５３、平滑コンデンサ５４等を有し、メインコンタクタ５６はメインリレー５７、突入電流防止回路５８等を有している。
【００３６】
キャパシタ２４からの直流電力はチョッパ５１によって所定の母線電圧に昇圧され、旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５２、アシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５３に入力される。平滑コンデンサ５４は、母線電圧を安定化させるために設けられている。旋回電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の回転軸は結合されており、減速機構２６を介して上部旋回体２０を駆動する。アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、キャパシタ２４は充放電されることになる。
【００３７】
コントローラ８０は、旋回操作指令信号や、圧力信号及び回転速度信号等（後述）を用いて、コントロールバルブ４２、パワーコントロールユニット５５に対する制御指令を生成し、油圧単独旋回モード、油圧電動複合旋回モードの切り替え、各モードの旋回制御、電動システムの異常監視、エネルギマネジメント等の制御を行う。
【００３８】
油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図を図３に示す。図３に示す電動・油圧機器のシステム構成は基本的に図２と同じであるが、本発明による旋回制御を行うのに必要なデバイスや制御手段、制御信号等を詳細に示している。
【００３９】
油圧ショベルは、エンジン２２を始動するためのイグニッションキー７０と、作業中止時にパイロット圧遮断弁７６をＯＮにして油圧システムの作動を不能とするゲートロックレバー装置７１とを備えている。また、油圧ショベルは、上述したコントローラ８０と、コントローラ８０の入出力に係わる油圧・電気変換装置７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂ、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ及び油圧単独旋回モード固定スイッチ７７を備え、これらは旋回制御システムを構成する。油圧・電気変換装置７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂＲはそれぞれ例えば圧力センサであり、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄは例えば電磁比例減圧弁である。
【００４０】
コントローラ８０は、異常監視・異常処理制御ブロック８１、エネルギマネジメント制御ブロック８２、油圧電動複合旋回制御ブロック８３、油圧単独旋回制御ブロック８４、制御切替ブロック８５等からなる。
【００４１】
全体システムに異常がなく、旋回電動モータ２５が駆動可能な状態では、コントローラ８０は油圧電動複合旋回モードを選択する。このとき制御切替ブロック８５は油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択しており、油圧電動複合旋回制御ブロック８３によって旋回アクチュエータ動作が制御される。旋回操作レバー装置７２の入力によって発生される油圧パイロット信号は油圧・電気変換装置７４ａによって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。旋回油圧モータ２５の作動圧は油圧・電気変換装置７４ｂＬ，７４ｂＲによって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。パワーコントロールユニット５５内の電動モータ駆動用のインバータから出力される旋回モータ速度信号も油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。油圧電動複合旋回制御ブロック８３は、旋回操作レバー装置７２からの油圧パイロット信号と、旋回油圧モータ２５の作動圧信号及び旋回モータ速度信号に基づいて所定の演算を行って旋回電動モータ２５の指令トルクを計算し、パワーコントロールユニット５５にトルク指令ＥＡを出力する。同時に、電動モータ２５が出力するトルク分、油圧ポンプ４１の出力トルク及び油圧モータ２７の出力トルクを減少させる減トルク指令ＥＢ，ＥＣを電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂに出力する。
【００４２】
一方、旋回操作レバー装置７２の入力によって発生される油圧パイロット信号はコントロールバルブ４２にも入力され、旋回モータ用のスプール６１（図４参照）を中立位置から切り換えて油圧ポンプ４１の吐出油を旋回用油圧モータ２７に供給し、油圧モータ２７も同時に駆動する。
【００４３】
電動モータ２５が加速時に消費するエネルギと減速時に回生するエネルギの差によって、キャパシタ２４の蓄電量が増減することになる。これを制御するのがエネルギマネジメント制御ブロック８２であり、アシスト発電モータ２３に発電またはアシスト指令ＥＤを出すことにより、キャパシタ２４の蓄電量を所定の範囲に保つ制御を行う。
【００４４】
パワーコントロールユニット５５、電動モータ２５、キャパシタ２４、パワーコントロールユニット５５等の電動システムに故障、異常、警告状態が発生した場合や、キャパシタ２４の蓄電量が所定の範囲外になった場合は、異常監視・異常処理制御ブロック８１及びエネルギマネジメント制御ブロック８２が制御切替ブロック８５を切り替えて油圧単独旋回制御ブロック８４を選択し、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードへの切替えを行う。基本的に旋回の油圧システムは、電動モータ２５と協調して動作するようマッチングされているので、油圧単独旋回制御ブロック８４は、旋回駆動特性補正指令ＥＥと旋回パイロット圧補正指令ＥＦをそれぞれ電気・油圧変換装置７５ｃ，７５ｄに出力し、油圧モータ２７の駆動トルクを増加させる補正と油圧モータ２７の制動トルクを増加させる補正を行うことにより、電動モータ２５のトルクが無くても旋回操作性が損なわれないような制御を行う。
【００４５】
油圧単独旋回モード固定スイッチ７７は、電動システムの故障時や、特定のアタッチメント装着時など、何らかの理由で、油圧単独旋回モードに固定したい場合に使用するものであり、固定スイッチ７７がＯＮ位置に操作されると、切替え制御ブロック８５は油圧単独旋回制御ブロック８４を選択するよう固定される。
【００４６】
旋回油圧システムの詳細を図４に示す。図３と同じ要素には同じ符号を付している。図３のコントロールバルブ４２はアクチュエータごとにスプールと呼ばれる弁部品を備え、操作レバー装置７２，７３からの指令（油圧パイロット信号）に応じて対応するスプールが変位することで開口面積が変化し、各油路を通過する圧油の流量が変化する。図４に示す旋回油圧システムは、旋回用スプールのみを含むものである。
【００４７】
旋回油圧システムは、旋回用油圧モータ２７の最大出力トルクが第１トルクとなる第１モードと、旋回用油圧モータ２７の最大出力トルクが第１トルクより大きな第２トルクとなる第２モードとに変更可能である。以下にその詳細を説明する。
【００４８】
図４において、旋回油圧システムは、前述した油圧ポンプ４１及び旋回用油圧モータ２７と、旋回用スプール６１と、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂと、旋回補助弁としてのセンタバイパスカット弁６３とを備えている。
【００４９】
油圧ポンプ４１は可変容量ポンプであり、トルク制御部６４ａを備えたレギュレータ６４を備え、レギュレータ６４を動作させることで油圧ポンプ４１の傾転角が変わって油圧ポンプ４１の容量が変わり、油圧ポンプ４１の吐出流量と出力トルクが変わる。図３の油圧電動複合旋回制御ブロック８３から電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されると、電気・油圧変換装置７５ａは対応する制御圧力をレギュレータ６１のトルク制御部６４ａに出力し、トルク制御部６４ａは、電動モータ２５が出力するトルク分、油圧ポンプ４１の最大出力トルクが減少するようトルク制御部６４ａの設定を変更する。
【００５０】
油圧ポンプ４１のトルク制御特性を図５に示す。横軸は油圧ポンプ４１の吐出圧力、縦軸は油圧ポンプ４１の容量を示している。
【００５１】
油圧電動複合旋回モードが選択され、電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されているときは、電気・油圧変換装置７５ａは制御圧力を発生しており、このとき制御部６４ａの設定は、実線ＰＴSより最大出力トルクが減少した実線ＰＴの特性にある（第１モード）。油圧単独旋回モードが選択され、電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されていないときは、トルク制御部６４ａは実線ＰＴSの特性に変化し（第２モード）、油圧ポンプ４１の最大出力トルクは、斜線で示す面積分、増加する。
【００５２】
図４に戻り、旋回用スプール６１はＡ，Ｂ，Ｃの３位置を持ち、操作レバー装置７２からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）を受けて中立位置ＢからＡ位置又はＣ位置に連続的に切り替わる。
【００５３】
操作レバー装置７２はパイロット油圧源２９からの圧力をレバー操作量に応じて減圧する減圧弁を内蔵し、レバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を旋回用スプール６１の左右いずれかの圧力室に与える。
【００５４】
旋回用スプール６１が中立位置Ｂにあるときは、油圧ポンプ４１から吐出される圧油はブリードオフ絞りを通り、更にセンタバイパスカット弁６３を通ってタンクへ戻る。旋回用スプール６１がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を受けてＡ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＡ位置のメータイン絞りを通って旋回用油圧モータ２７の右側に送られ、旋回用油圧モータ２７からの戻り油はＡ位置のメータアウト絞りを通ってタンクに戻り、旋回用油圧モータ２７は一方向に回転する。逆に、旋回用スプール６１がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を受けてＣ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＣ位置のメータイン絞りを通って旋回用油圧モータ２７の左側に送られ、旋回用油圧モータ２７からの戻り油はＣ位置のメータアウト絞りを通ってタンクに戻り、旋回用油圧モータ２７はＡ位置の場合とは逆方向に回転する。
【００５５】
旋回用スプール６１がＢ位置とＡ位置の中間に位置しているときは、油圧ポンプ４１からの圧油はブリードオフ絞りとメータイン絞りに分配される。このとき、メータイン絞りの入側にはブリードオフ絞りの開口面積とセンタバイパスカット弁６３の開口面積に応じた圧力が立ち、その圧力で旋回用油圧モータ２７に圧油が供給され、その圧力（ブリードオフ絞りの開口面積）に応じた作動トルクが与えられる。また、旋回用油圧モータ２７からの排出油はそのときのメータアウト絞りの開口面積に応じた抵抗を受けて背圧が立ち、メータアウト絞りの開口面積に応じた制動トルクが発生する。Ｂ位置とC位置の中間においても同様である。
【００５６】
操作レバー装置７２の操作レバーを中立位置に戻し、旋回用スプール６１を中立位置Ｂに戻したとき、上部旋回体２０は慣性体であるため、旋回用油圧モータ２７はその慣性で回転を続けようとする。このとき、旋回用油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）が旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂの設定圧力を超えようとするときは、オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂが作動して圧油の一部をタンクに逃がすることで背圧の上昇を制限し、オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂの設定圧力に応じた制動トルクを発生する。
【００５７】
図６Ａは、本発明の一実施の形態における旋回用スプール６１のメータイン開口面積特性及びブリードオフ開口面積特性を示す図であり、図６Ｂは同メータアウト開口面積特性を示す図である。
【００５８】
図６Ａにおいて、実線ＭＩがメータイン開口面積特性であり、実線ＭＢがブリードオフ開口面積特性であり、いずれも本実施の形態のものである。二点鎖線ＭＢ0は、電動モータを用いない、従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるブリードオフ開口面積特性である。本実施の形態のブリードオフ開口面積特性ＭＢは、制御域開始点及び終点は従来のものと同一であるが、中間領域では従来のものに比べて開き勝手（大きな開口面積となるよう）に設計されている。
【００５９】
図６Ｂにおいて、実線ＭＯが本実施の形態のメータアウト開口面積特性であり、二点鎖線ＭＯ0が電動モータを用いない、従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるメータアウト開口面積特性である。本実施の形態のメータアウト開口面積特性ＭＯは、制御域開始点及び終点は従来のものと同一であるが、中間領域では従来のものに比べて開き勝手（大きな開口面積となるよう）に設計されている。
【００６０】
図７は、油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性を示す図である。
【００６１】
油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、旋回駆動特性補正指令ＥＥは出力されていないため、センタバイパスカット弁６３は図示の開位置にあり、旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は、図６Ａのブリードオフ開口面積特性ＭＢのみによって決まる点線ＭＢCの特性となる（第１モード）。
【００６２】
油圧単独旋回モードが選択されたときは、前述したように電気・油圧変換装置７５ｃに旋回駆動特性補正指令ＥＥが出力され、電気・油圧変換装置７５ｃは対応する制御圧力をセンタバイパスカット弁６３の受圧部に出力し、センタバイパスカット弁６３は図示右側の絞り位置に切り換えられる。このセンタバイパスカット弁６３の切り換えにより、旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対する旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は点線ＭＢCの特性よりも合成開口面積が小さい実線ＭＢSの特性に変更される（第２モード）。この実線ＭＢSの合成開口面積特性は従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるブリードオフ開口面積特性と同等である。
【００６３】
図８は、油圧電動複合旋回モードでの旋回駆動時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータイン圧力（Ｍ／Ｉ圧）、旋回電動モータ２５のアシストトルク、上部旋回体２０の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。パイロット圧０、旋回停止状態から時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ４でパイロット圧最大までランプ状に油圧パイロット信号を増加させた場合の例である。
【００６４】
油圧電動複合旋回モードが選択されているときは、図７の点線ＭＢCで示したように旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は図６Ａのブリードオフ開口面積特性ＭＢのみによって決まる特性となるため、従来に比べてブリードオフ絞りの開口面積が大きい分、本実施の形態の方がメータイン圧力（Ｍ／Ｉ）は低くなる。メータイン圧力は旋回油圧モータ２７の作動トルク（加速トルク）に相当するので、メータイン圧力が低くなった分だけ加速トルクを電動モータ２５により付与する必要がある。図７では力行側のアシストトルクを正としている。本実施の形態では、電動モータ２５のアシストトルクと旋回用スプール６１によって発生するメータイン圧力に由来する加速トルクの合計値が、従来型の油圧ショベルで発生する加速トルクと概等しくなるように制御する。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベルと同等の加速フィーリングを有することが可能となる。
【００６５】
一方、油圧単独旋回モードが選択されたときは、旋回用スプール６１のメータイン絞りとセンタバイパスカット弁６３との合成開口面積特性は、図７の点線ＭＢCよりも合成開口面積が小さいから実線ＭＢSの特性に変更されるため、旋回用スプール６１によって発生するメータイン圧力は、図８に示す従来の油圧ショベルで得られる実線のメータイン圧力まで上昇し、旋回用スプール６１によって発生するメータイン圧力に由来する加速トルクが、従来型の油圧ショベルで発生する加速トルクと概等しくなるように制御される。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベルと同等の加速フィーリングを有することが可能となる。
【００６６】
また、油圧モータ２７単独で旋回可能であるということは、旋回油圧モータ２７の最大出力トルクの方が、旋回電動モータ２５の最大出力トルクよりも大きいということである。このことは、油圧電動複合旋回モードにおいて、万一、電動モータ２５が意図しない動きをしたとしても油圧回路が正常ならば、それほど危険な動きにならないことを意味し、本発明は安全性においても有利である。
【００６７】
図９は、油圧パイロット信号（操作パイロット圧）に対する旋回用スプール６１のメータアウト開口面積特性を示す図である。
【００６８】
油圧電動複合旋回モードが選択されているきは、旋回パイロット圧補正指令ＥＦは出力されていないため、旋回用スプール６１のメータアウト開口面積特性は図６Ｂのメータアウト開口面積特性ＭＯと同様の変化を示す点線ＭＯCの特性となる（第１モード）。
【００６９】
油圧単独旋回モードが選択されたときは、前述したように図３の電気・油圧変換装置７５ｄ（図４の電気・油圧変換装置７５ｄＬ，７５ｄＲ）旋回パイロット圧補正指令ＥＦが出力され、電気・油圧変換装置７５ｄは操作レバー装置７２で生成された油圧パイロット信号（操作パイロット圧）を減圧補正する。この油圧パイロット信号の補正により、旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対するメータアウト開口面積特性は、図１０の点線ＭＯCの特性に対し中間領域における開口面積が減少した実線ＭＯSの特性に変更される（第２モード）。この実線ＭＯSの開口面積特性は従来の油圧ショベルにおいて良好な操作性を確保できるメータアウト開口面積特性と同等である。
【００７０】
図１０は、油圧電動複合旋回モードでの旋回制動停止時における油圧パイロット信号（パイロット圧）、メータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）、旋回電動モータ２５のアシストトルク、上部旋回体２０の回転速度（旋回速度）の時系列波形を示す図である。パイロット圧最大、最高旋回速度から時間Ｔ＝Ｔ５〜Ｔ９でパイロット圧０までランプ状に油圧パイロット信号を低減させた場合の例である。
【００７１】
油圧単独旋回モードが選択されているときは、図９の点線ＭＯCで示したように旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対するメータアウト開口面積特性は図６Ｂのメータアウト開口面積特性ＭＯと同様の変化する特性となるため、図６Ｂに示したように従来に比べてメータアウト絞りの開口面積が大きい分、本実施の形態の方がメータアウト圧力（Ｍ／Ｏ圧）は低くなる。メータアウト圧力はブレーキトルク（制動トルク）に相当するので、メータアウト圧力が低くなった分だけブレーキトルクを電動モータ２５により付与する必要がある。図１０では回生側のアシストトルクを負としている。本実施の形態では、電動モータ２５のアシストトルクと旋回用スプール６１によって発生するメータアウト圧力に由来するブレーキトルクの合計値が従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概等しくなるように制御する。これにより上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
【００７２】
一方、油圧単独旋回モードが選択されたときは、旋回用スプール６１の油圧パイロット信号に対するメータアウト開口面積特性は、図１０の点線ＭＯCの特性に対し中間領域における開口面積が減少した実線ＭＯSの特性に変更されるため、旋回用スプール６１によって発生するメータアウト圧力は、図１０に示す従来の油圧ショベルで得られる実線のメータアウト圧力まで上昇し、旋回用スプール６１によって発生するメータアウト圧力に由来するブレーキトルクが、従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概等しくなるように制御され、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
【００７３】
図１１は、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ圧特性を示す図である。
【００７４】
油圧電動複合旋回モードが選択され、図３の電気・油圧変換装置７５ｂ（図４の電・油圧変換装置７５ｂＬ，７５ｂＲ）に減トルク指令ＥＣが出力されているときは、電気・油圧変換装置７５ｂは制御圧力を生成し、その制御圧力が可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂの設定圧力減少側に作用し、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ特性はリリーフ圧がＰmax1である実線ＳＲの特性となる（第１モード）。油圧単独旋回モードが選択され、電気・油圧変換装置７５ｂ（図４の電気・油圧変換装置７５ｂＬ，７５ｂＲ）に減トルク指令ＥＣが出力されていないときは、電気・油圧変換装置７５ｂは制御圧力を生成しないため、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ特性は、リリーフ圧がＰmax1からＰmax2に上昇した実線ＳＲSの特性となり（第２モード）、制動トルクは、リリーフ圧が高くなった分、増加する。
【００７５】
これにより油圧電動複合旋回モードが選択されたときは、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ圧はＰmax2より低いＰmax1に設定されるため、、操作レバー装置７２の操作レバーを中立位置に戻したときに、旋回用油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）は可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂの低めの設定圧力であるＰmax1まで上昇し、電動モータ２５のアシストトルクと可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂによって発生する背圧に由来するブレーキトルクの合計値が従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概等しくなるように制御され、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
【００７６】
また、油圧単独旋回モードが選択されたときは、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂのリリーフ圧はＰmax1より高いＰmax2に設定されるため、操作レバー装置７２の操作レバーを中立位置に戻した場合に、旋回用油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）は可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ，６２ｂの高めの設定圧力であるＰmax2まで上昇し、可変オーバーロードリリーフ弁６２ａ又は６２ｂによって発生する背圧に由来するブレーキトルクが、従来型の油圧ショベルで発生するブレーキトルクと概等しくなるように制御され、上部旋回体２０の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
【００７７】
図１２にコントローラ８０の異常監視・異常処理制御ブロック８１による油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回制御モードへの切り替えシーケンスを示す。
【００７８】
異常監視・異常処理制御ブロック８１は、パワーコントロールユニット５５、電動モータ２５、キャパシタ２４、パワーコントロールユニット５５等の電動システムに故障、異常、警告状態が発生した場合に、そのことを知らせる信号（以下エラー信号という）が通知されたかどうかを判定し（ステップＳ１００）、エラー信号が通知されると、それが緊急対応を要するエラー信号であるかどうかを更に判定する（ステップＳ１１０）。モード切り替え時には、油圧システムのバルブの切り替え動作等により軽いショックが生じる可能性があるので、エラー信号の内容が深刻ではなく、直ちに切替える緊急性がない場合は、モード切換可能なタイミングかどうかを判定し（ステップＳ１２０）、旋回体２０の動作及び旋回用の操作レバー装置７２の入力が行われてないタイミング、あるいは、旋回体２０以外の装置である走行、フロントの動作及びそれらの操作レバー装置７３の入力も含めて、操作がまったく行われていないアイドリング時等に切替えを行う（ステップＳ１３０）。インバータの過電流異常等、システムを損傷させる恐れや重大な故障や災害に繋がる恐れがある異常については、操作中であっても、直ちに電動システムを停止させ、油圧単独旋回モードに切替える（ステップＳ１１０→Ｓ１３０）。
【００７９】
図１３にコントローラ８０の異常監視・異常処理制御ブロック８１による油圧単独旋回制御モードから油圧電動複合旋回モードへの復帰シーケンスを示す。
【００８０】
異常監視・異常処理制御ブロック８１は、図１２のフローチャートで示す処理によって油圧単独旋回制御モードへ切り替えた場合、まず、油圧単独旋回制御中に所定のエラー信号解消処理を行う（ステップＳ１５０）。次いで、エラー信号が解消したかどうかを判定し（ステップＳ１６０）、エラー信号解消処理によって、あるいは自然にエラー信号が解消された場合は、更にモード切換可能なタイミングかどうかを判定し（ステップＳ１７０）、旋回動作及び操作が行われてないタイミング、あるいは、フロントも含め操作がまったく行われていないアイドリング時等に油圧電動複合旋回モードへの切り替え（復帰動作）を行う（ステップＳ１８０）。
【００８１】
本発明による油圧ショベルが特に有効なのは機械の起動時である。通常の（油圧旋回モータをもつ）油圧ショベルの起動シーケンスを図１４に示す。イグニッションキーをオンからスタート位置にし、エンジン、油圧ポンプを起動させ、ゲートロックレバーを解除すれば直ちに旋回を含む全油圧アクチュエータが動作可能な状態になる。
【００８２】
旋回駆動に電動モータと油圧モータを用い、蓄電デバイスにキャパシタを用いた従来のハイブリッド式油圧ショベルの起動シーケンスを図１５に示す。図中、点線内がコントローラの処理である。従来のハイブリッド式油圧ショベルの場合、エンジン、油圧ポンプを起動しても、キャパシタに十分な蓄電量が無い場合、直ちに旋回動作を行うことはできない。キャパシタは容量が小さく、数日間、機械を動作させないと自然放電によって旋回駆動を行うのに必要な蓄電量を確保できなくなる可能性がある。そのため、機械起動時に、まず初期充電が必要となり（ステップＳ２００〜Ｓ２４０）、充電が完了するまでオペレータは待機する必要が生じる。
【００８３】
本発明のハイブリッド式油圧ショベルの起動シーケンスを図１６に示す。図中、点線内がコントローラ８０のエネルギーマネジメント制御部８２の処理である。本発明のハイブリッド式油圧ショベルにおいては、電気的にどのような状態であっても、エネルギーマネジメント制御部８２は初期設定として油圧単独旋回制御ブロック８４を選択することで油圧単独旋回モードに設定する（ステップＳ３００）。これによりオペレータがゲートロックレバー装置７１をロック位置からロック解除位置に操作してパイロット圧遮断弁７６をＯＦＦにすることで、油圧ショベルは直ちに動作可能な状態となる。オペレータが油圧ショベルを操作し、作業を行っている間に、エネルギーマネジメント制御部８２はバックグラウンドで充電や放電制御等を行い（ステップＳ３１０〜Ｓ３５０）、旋回電動モータが駆動可能な状態になった後に、モード切換可能なタイミングであることを確認して（ステップＳ３６０）油圧電動複合旋回モードに切替える（ステップＳ３７０）。
【００８４】
エネルギーマネジメント制御部８２による充電・放電制御は次のように行う。まず、パワーコントロールユニット５５を起動し（ステップＳ３１０）、インバータ５２，５３及び平滑コンデンサ５４の初期充電処理とメインコンタクタ５６の接続処理を行う（ステップＳ３２０）。次いで、キャパシタ２４が規定電圧にあるかどうかを判定し（ステップＳ３３０）、キャパシタ３４が規定電圧以下であればキャパシタ充電制御を行い、規定電圧以上であればキャパシタ放電制御を行う（ステップＳ３４０）。キャパシタ２４が規定電圧になれば油圧電動複合旋回モードの準備完了状態とする（ステップＳ３５０）。
【００８５】
以上のように本実施の形態によれば、旋回体２０の駆動用として、油圧モータ２７と電動モータ２５の両方を備え、油圧モータ２７と電動モータ２５の両方のトルクで旋回駆動するモード（油圧電動複合旋回モード）と、油圧モータ２７単独で旋回駆動するモード（油圧単独旋回モード）との切換え可能な構成とすることにより、油圧電動複合旋回モードにおいては、例えば、押し付け掘削等の油圧アクチュエータ特有の作業動作、油圧アクチュエータ特有の操作感を実現すると共に、制動（減速）時には、電動モータ２５によって旋回体２０の運動エネルギを回生することにより、省エネルギ化を実現することができる。また、回生した電気エネルギを蓄電するためキャパシタ２４のエネルギ残量が不足の場合、過充電の場合や、電動システムに故障、異常、警告が生じた場合においては、油圧単独旋回モードに切替えることにより、油圧モータ２７単独によって正常な旋回トルクで駆動でき、油圧ショベルとしての作業を継続することができる。更に、始動時において、キャパシタ２４のエネルギ残量が不足していても直ちに作業を開始することが可能となる。
【００８６】
図１７に本発明の第２の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を示す。図２に示した第１の実施の形態では、エンジン２２の駆動軸に連結されたアシスト発電モータ２３を用いていたが、本実施の形態では、その構成に代え、油圧ポンプ４１の吐出油によって駆動される油圧モータ１０１と、この油圧モータ１０１の駆動軸に連結された電動モータ１００を用いたものである。また、蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ２４以外に、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等、あらゆる蓄電デバイスが使用可能であり、図１７に示す実施の形態では、リチウムイオン電池等のバッテリ１０３を用いた構成としている。
【００８７】
図１８に本発明の第３の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を示す。 本実施の形態では、キャパシタ２４の初期充電を行うために、オルタネータ１１０及び電装用バッテリ１１１を含む電装系バッテリラインからＤＣ／ＤＣコンバータ１１２を用いて昇圧する構成としたものである。ただし、この場合、キャパシタ２４に余剰エネルギが生じたときに電装系バッテリラインに自由にエネルギを逃がすことができないため、エネルギマネジメント制御部８２は、旋回動作の加減速のみでキャパシタ蓄電量をある程度一定化するよう制御する必要がある。
【００８８】
図１９及び図２０に本発明の第４及び第５の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を示す。
【００８９】
これまでの実施の形態では、原動機としてエンジン２２を用いた油圧ショベルを示したが、他の原動機、例えば、電動モータを用いた油圧ショベルに本発明を適用しても問題はない。図１９に示す実施の形態では、商用交流電源１２１からの交流電力で駆動される電動モータ１２０を用いた油圧ショベル、図２０に示す実施の形態では、大容量バッテリ１３０で駆動される電動モータ１２０を用いた油圧ショベルのシステム構成図を示す。図１９に示す実施の形態では、図１８の実施の形態と同様、キャパシタ２４の初期充電を行うために、商用交流電源１２１からＤＣ／ＤＣコンバータ１２２を用いて昇圧する。
【００９０】
原動機として電動モータ１２０を使用した油圧ショベルに対して本発明を適用するときに注意すべきことは、電力ラインやパワーコントロールユニットを旋回用電動モータと原動機用電動モータとで共用すると、これらの故障が起きた場合に、油圧単独旋回モードでの動作すらできなくなる可能性があることである。
【００９１】
図１９に示す実施の形態では、メイン電動モータ１２０を三相交流誘導モータとし、商用電源１２１の三相交流によって直接駆動し、キャパシタ２４に蓄電されたエネルギを用いる旋回用電動モータ２５とは、別個のパワー供給ラインとしている。図２０に示す実施の形態では、パワーコントロールユニット１３２，１３３をメインと旋回とで別とし、旋回電動モータ２５や旋回用パワーコントロールユニット１３３に短絡故障等の異常が生じた場合は、旋回電動部遮断リレー１３４によって切り離すことにより、油圧単独旋回モードでの動作が可能な構成としている。
【００９２】
以上において、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施の形態を説明したが、本発明の骨子は、旋回体の駆動に対して、油圧電動複合旋回モードと油圧単独旋回モードの切り替えを行えるようにすることであり、油圧ショベル以外の旋回体を有する建設機械全般に本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１０…下部走行体
１１…クローラ
１２…クローラフレーム
１３…右走行用油圧モータ
１４…左走行用油圧モータ
２０…上部旋回体
２１…旋回フレーム
２２…エンジン
２３…アシスト発電モータ
２４…キャパシタ
２５…旋回電動モータ
２６…減速機構
２７…旋回油圧モータ
３０…ショベル機構（フロント装置）
３１…ブーム
３２…ブームシリンダ
３３…アーム
３４…アームシリンダ
３５…バケット
３６…バケットシリンダ
４０…油圧システム
４１…油圧ポンプ
４２…コントロールバルブ
４３…油圧配管
５１…チョッパ
５２…旋回電動モータ用インバータ
５３…アシスト発電モータ用インバータ
５４…平滑コンデンサ
５５…パワーコントロールユニット
５６…メインコンタクタ
５７…メインリレー
５８…突入電流防止回路
６１…旋回用スプール
６２ａ，６２ｂ…可変オーバーロードリリーフ弁
６３…センタバイパスカット弁
７０…イグニッションキー
７１…ゲートロックレバー
７２…旋回用の操作レバー装置
７３…操作レバー装置（旋回以外）
７４ａ，７４ｂＬ，７４ｂＲ…油圧・電気変換装置
７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ…電気・油圧変換装置
７６…パイロット圧信号遮断弁
７７…油圧単独旋回モード固定スイッチ
８０…コントローラ（制御装置）
８１…異常監視・異常処理制御ブロック
８２…エネルギマネジメント制御ブロック
８３…油圧電動複合旋回制御ブロック
８４…油圧単独制御ブロック
８５…制御切替ブロック
１００…電動モータ
１０１…油圧モータ
１０３…バッテリ
１１０…オルタネータ
１１１…電装系用バッテリ
１１２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２０…メイン電動モータ
１２１…商用電源
１２２…ＡＣ／ＤＣコンバータ
１３０…大容量バッテリ
１３１…パワーコントロールユニット
１３２…メイン電動モータ用パワーコントロールユニット
１３３…旋回電動モータ用パワーコントロールユニット
１３４…旋回電動部遮断リレー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機と、
前記原動機により駆動される油圧ポンプと、
旋回体と、
前記旋回体駆動用の電動モータと、
前記油圧ポンプにより駆動される前記旋回体駆動用の油圧モータと、
前記電動モータに接続された蓄電デバイスと、
前記旋回体の駆動を指令する旋回用の操作レバー装置と、
前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記電動モータと前記油圧モータの両方を駆動して、前記電動モータと前記油圧モータのトルクの合計で前記旋回体の駆動を行う油圧電動複合旋回モードと、前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記油圧モータのみを駆動して、前記油圧モータのみのトルクで前記旋回体の駆動を行う油圧単独旋回モードとの切替えを行う制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、通常運転状態では、前記油圧電動複合旋回モードで前記旋回体を駆動し、前記電動モータ、前記蓄電デバイスを含む前記電動モータを駆動するための電動システムに何らかの故障、異常、警告状態が生じたときに、前記油圧電動複合旋回モードから前記油圧単独旋回モードに自動的に切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項３】
請求項２記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、故障、異常、警告が解消されたとき、前記油圧単独旋回モードから前記油圧電動複合旋回モードに自動的に切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項４】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、前記蓄電デバイスの蓄電量が所定範囲内にあるときは、前記油圧電動複合旋回モードで前記旋回体を駆動し、前記蓄電デバイスの蓄電量が所定範囲外になったときに、前記油圧電動複合旋回モードから前記油圧単独旋回モードに自動的に切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、前記油圧電動複合旋回モードと前記油圧単独旋回モードとの切替えを、前記旋回体の動作が行われていない状態に限定して行うことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、前記油圧電動複合旋回モードと前記油圧単独旋回モードとの切替えを、前記旋回体の動作及び前記旋回用の操作レバー装置の操作が行われていない状態に限定して行うことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、
前記制御装置は、前記複合旋回モードと前記単独旋回モードとの切替えを、前記旋回体の動作及び前記旋回用の操作レバー装置の入力、前記旋回体以外の装置の動作及び前記旋回体以外の装置用の操作装置の入力のいずれも行われていない状態に限定して行うことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項８】
請求項１から４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記旋回油圧モータは単独で前記旋回体を駆動することが可能な最大トルクを出力可能であり、前記旋回電動モータの最大トルクが前記旋回油圧モータの最大トルクより低いことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項９】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、機械起動直後に前記蓄電デバイスの蓄電量が、前記油圧電動複合旋回モードで動作するのに必要な所定の蓄電量より低い場合において、充電手段から前記蓄電デバイスへの充電を行うと共に、この充電処理中に前記旋回用の操作レバー装置が操作された場合は、前記油圧単独旋回モードでの旋回動作を行い、前記蓄電デバイスが所定の蓄電量に達した後、前記油圧電動複合旋回モードに切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１０】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、機械起動直後に前記蓄電デバイスの蓄電量が、前記油圧電動複合旋回モードで動作するのに必要な所定の蓄電量より高い場合において、前記蓄電デバイスからの放電を行うと共に、この放電処理中に前記旋回用の操作レバー装置が操作された場合は、前記油圧単独旋回モードでの旋回動作を行い、前記蓄電デバイスが所定の蓄電量に達した後、前記油圧電動複合旋回モードに切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記原動機が電動モータであり、その電源が商用交流電源であることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１２】
請求項１から１０のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記原動機が電動モータであり、その電源が前記蓄電デバイスであることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１３】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、
前記蓄電デバイスと前記電動モータ間の電力の授受を制御する電力制御部と、
前記油圧ポンプから前記油圧モータに供給される圧油の流れ及び前記油圧モータからタンクに戻される圧油の流れを制御する旋回用スプールを含む旋回油圧システムを更に備え、
前記旋回油圧システムは、前記油圧モータの最大出力トルクが第１トルクとなる第１モードと、前記油圧モータの最大出力トルクが前記第１トルクより大きな第２トルクとなる第２モードとに変更可能であり、
前記制御装置は、前記旋回油圧システムを前記第１モードに切替えかつ前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記電力制御部にトルク指令を出力して前記電動モータを駆動する油圧電動複合旋回制御部と、前記旋回油圧システムを前記第２モードに切替えかつ前記電力制御部へのトルク指令の出力を停止する油圧単独旋回制御部とを有し、前記油圧電動複合旋回制御部と前記油圧単独旋回制御部の一方を選択することで前記油圧電動複合旋回モードと前記油圧単独旋回モードとの切替えを行うことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１４】
請求項１３項記載のハイブリッド式建設機械において、
前記制御装置は、
通常運転状態では前記油圧電動複合旋回制御部を選択し、前記電動モータ、前記蓄電デバイス、前記電力制御部を含む電動システムに何らかの故障、異常、警告状態が生じたときに前記油圧単独旋回制御部を選択する異常監視制御部を更に有することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１５】
請求項１３記載のハイブリッド式建設機械において、
前記制御装置は、
前記蓄電デバイスの蓄電量が所定範囲内にあるときは前記油圧電動複合旋回制御部を選択し、前記蓄電デバイスの蓄電量が所定範囲外になったときに前記油圧単独旋回制御部を選択するエネルギマネジメント制御部を更に有することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１】
原動機と、
前記原動機により駆動される油圧ポンプと、
旋回体と、
前記旋回体駆動用の電動モータと、
前記油圧ポンプにより駆動される前記旋回体駆動用の油圧モータと、
前記電動モータに接続された蓄電デバイスと、
前記旋回体の駆動を指令する旋回用の操作レバー装置と、
前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記電動モータと前記油圧モータの両方を駆動して、前記電動モータと前記油圧モータのトルクの合計で前記旋回体の駆動を行う油圧電動複合旋回モードと、前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記油圧モータのみを駆動して、前記油圧モータのみのトルクで前記旋回体の駆動を行う油圧単独旋回モードとの切替えを行う制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、通常運転状態では、前記油圧電動複合旋回モードで前記旋回体を駆動し、前記電動モータ、前記蓄電デバイスを含む前記電動モータを駆動するための電動システムに何らかの故障、異常、警告状態が生じたときに、前記油圧電動複合旋回モードから前記油圧単独旋回モードに自動的に切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項３】
請求項２記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、故障、異常、警告が解消されたとき、前記油圧単独旋回モードから前記油圧電動複合旋回モードに自動的に切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項４】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、前記蓄電デバイスの蓄電量が所定範囲内にあるときは、前記油圧電動複合旋回モードで前記旋回体を駆動し、前記蓄電デバイスの蓄電量が所定範囲外になったときに、前記油圧電動複合旋回モードから前記油圧単独旋回モードに自動的に切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、前記油圧電動複合旋回モードと前記油圧単独旋回モードとの切替えを、前記旋回体の動作が行われていない状態に限定して行うことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、前記油圧電動複合旋回モードと前記油圧単独旋回モードとの切替えを、前記旋回体の動作及び前記旋回用の操作レバー装置の操作が行われていない状態に限定して行うことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、
前記制御装置は、前記複合旋回モードと前記単独旋回モードとの切替えを、前記旋回体の動作及び前記旋回用の操作レバー装置の入力、前記旋回体以外の装置の動作及び前記旋回体以外の装置用の操作装置の入力のいずれも行われていない状態に限定して行うことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項８】
請求項１から４のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記旋回油圧モータは単独で前記旋回体を駆動することが可能な最大トルクを出力可能であり、前記旋回電動モータの最大トルクが前記旋回油圧モータの最大トルクより低いことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項９】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、機械起動直後に前記蓄電デバイスの蓄電量が、前記油圧電動複合旋回モードで動作するのに必要な所定の蓄電量より低い場合において、充電手段から前記蓄電デバイスへの充電を行うと共に、この充電処理中に前記旋回用の操作レバー装置が操作された場合は、前記油圧単独旋回モードでの旋回動作を行い、前記蓄電デバイスが所定の蓄電量に達した後、前記油圧電動複合旋回モードに切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１０】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、前記制御装置は、機械起動直後に前記蓄電デバイスの蓄電量が、前記油圧電動複合旋回モードで動作するのに必要な所定の蓄電量より高い場合において、前記蓄電デバイスからの放電を行うと共に、この放電処理中に前記旋回用の操作レバー装置が操作された場合は、前記油圧単独旋回モードでの旋回動作を行い、前記蓄電デバイスが所定の蓄電量に達した後、前記油圧電動複合旋回モードに切替えることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記原動機が電動モータであり、その電源が商用交流電源であることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１２】
請求項１から１０のいずれか１項記載のハイブリッド式建設機械において、前記原動機が電動モータであり、その電源が前記蓄電デバイスであることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１３】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、
前記蓄電デバイスと前記電動モータ間の電力の授受を制御する電力制御部と、
前記油圧ポンプから前記油圧モータに供給される圧油の流れ及び前記油圧モータからタンクに戻される圧油の流れを制御する旋回用スプールを含む旋回油圧システムを更に備え、
前記旋回油圧システムは、前記油圧モータの最大出力トルクが第１トルクとなる第１モードと、前記油圧モータの最大出力トルクが前記第１トルクより大きな第２トルクとなる第２モードとに変更可能であり、
前記制御装置は、前記旋回油圧システムを前記第１モードに切替えかつ前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記電力制御部にトルク指令を出力して前記電動モータを駆動する油圧電動複合旋回制御部と、前記旋回油圧システムを前記第２モードに切替えかつ前記電力制御部へのトルク指令の出力を停止する油圧単独旋回制御部とを有し、前記油圧電動複合旋回制御部と前記油圧単独旋回制御部の一方を選択することで前記油圧電動複合旋回モードと前記油圧単独旋回モードとの切替えを行うことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１４】
請求項１３項記載のハイブリッド式建設機械において、
前記制御装置は、
通常運転状態では前記油圧電動複合旋回制御部を選択し、前記電動モータ、前記蓄電デバイス、前記電力制御部を含む電動システムに何らかの故障、異常、警告状態が生じたときに前記油圧単独旋回制御部を選択する異常監視制御部を更に有することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項１５】
請求項１３記載のハイブリッド式建設機械において、
前記制御装置は、
前記蓄電デバイスの蓄電量が所定範囲内にあるときは前記油圧電動複合旋回制御部を選択し、前記蓄電デバイスの蓄電量が所定範囲外になったときに前記油圧単独旋回制御部を選択するエネルギマネジメント制御部を更に有することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１１−２４１６５３（Ｐ２０１１−２４１６５３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７０２５（Ｐ２０１０−１１７０２５）
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
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