(57)【要約】  ショベルは、電動負荷と、電動負荷に電力を供給するための蓄電部(１９)を有する蓄電装置と、蓄電部（１９）の充電率がシステム制御上限値とシステム制御下限値との間となるように、蓄電部（１９）に充電する量を制御する制御装置（３０）とを有する。制御装置（３０）は、蓄電率の検出値の変化傾向に基づいて、蓄電部（１９）に充電する量を制御する。
2012102351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動負荷と、
該電動負荷に電力を供給するための蓄電部を有する蓄電装置と、
該蓄電部の充電率がシステム制御上限値とシステム制御下限値との間となるように、前記蓄電部に充電する量を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、蓄電率の検出値の変化傾向に基づいて、前記蓄電部に充電する量を制御することを特徴とするショベル。
【請求項２】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値が前回の検出値より大きくなる場合、及び／又は、上限値に維持される場合が所定回数連続して続いたときに、前記充電する量が過大であると判断し、前記充電する量の制限値を低下させることを特徴とするショベル。
【請求項３】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値として前記蓄電部の充電率の変化における極大値を検出し、該極大値の変化傾向に基づいて、前記充電する量の制限値を低下させることを特徴とするショベル。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記検出値が前回の検出値より小さくなる場合が所定回数連続して続いたときに、前記充電する量が不足していると判断し、前記充電する量の制限値を上昇させることを特徴とするショベル。
【請求項５】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値として前記蓄電部の充電率の変化における極小値を検出し、該極小値の変化傾向に基づいて、前記充電する量の制限値を上昇させることを特徴とするショベル。
【請求項６】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記充電率の極小値が前記システム制御下限値以下となったら、前記充電する量の制限値を上昇させることを特徴とするショベル。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記充電する量の制限値として、充電率の変化に対応した複数の制限値が設定されることを特徴とするショベル。
【請求項８】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、充電電力の指令値に対して制限を加える制限部を備えることを特徴とするショベル。
【請求項９】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値の変化傾向に基づいて充電電力の指令値を変更することを特徴とするショベル。
【請求項１０】
請求項９記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記蓄電部の充電率から前記充電電力の指令値を生成するマップを複数備え、前記検出値の変化傾向に基づいて、前記充電電力の指令値を生成するために用いるマップを切り替えることを特徴とするショベル。
【請求項１１】
請求項１０記載のショベルであって、
前記複数のマップはそれぞれ前記検出値に応じて前記充電電力の指令値の大きさが異なることを特徴とするショベル。
【請求項１２】
請求項９記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値の変化傾向に基づいて、前記充電電力の指令値に対するゲインを変更することを特徴とするショベル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動作業要素に電力を供給するための蓄電装置を有するショベルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モータや電動アクチュエータで駆動される電動作業要素を有するショベルには、当該電動作業要素に電力を供給するための蓄電装置が設けられる。エンジンをアシストする電動発電機（アシストモータ）を有するハイブリッド式ショベルには、電動発電機を駆動して得られた電力を蓄電するための蓄電器又は蓄電池等を含む蓄電装置が設けられる。アシストモータは蓄電装置からの電力で駆動されてエンジンをアシストする。また、アシストモータはエンジンの動力で駆動されて発電を行なう。発電した電力は蓄電装置の蓄電器又は蓄電池に蓄電される。【０００３】
蓄電装置の蓄電器や蓄電池は、要求された電力を供給できるようにその充電率（ＳＯＣ）が常に一定値以上になるように制御される。したがって、充電率（ＳＯＣ）が大きく低下したときには急速に充電率（ＳＯＣ）を上げようとして大きな充電電流が供給されることがある。蓄電器又は蓄電池は内部抵抗を有するので、充電電流が流れると発熱し、内部抵抗損失となる。内部抵抗損失は電流の二乗に比例して大きくなるので、充電電流が大きくなると内部抵抗損失は急激に増大する。したがって、蓄電器や蓄電池を、内部抵抗を少なくして効率的に使用するためには、充電電流をなるべく小さくすることが好ましい。【０００４】
ここで、外部の交流電源から電力平準化装置を介して電気駆動式建設機械のバッテリに電力を供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。電力平準化装置は、交流電源からの電力のピーク電力を上限値に抑えて平準化してから、平準化された電力をバッテリに供給する。具体的には、充電電流に対して上限値を設けることで、充電電流が上限値を超えないようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１４６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蓄電器又は蓄電池に供給する充電電流に対して一つの上限値を設け、その上限値を高く設定した場合であって、充電電流が上限値より僅かに低い値に制御されていると、内部抵抗損失が大きくなり、非効率的となる。一方、上限値を低く設定した場合、小さな充電電流しか流せないので充電速度が小さくなり、充電率（ＳＯＣ）を高い状態に維持することができなくなるおそれがある。【０００７】
そこで、蓄電装置の充電率（ＳＯＣ）を考慮しながら充電電流又は充電電力を制御して蓄電装置の蓄電部（蓄電器又は蓄電池）を効率的に使用することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、電動負荷と、該電動負荷に電力を供給するための蓄電部を有する蓄電装置と、該蓄電部の充電率がシステム制御上限値とシステム制御下限値との間となるように、前記蓄電部に充電する量を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、蓄電率の検出値の変化傾向に基づいて、前記蓄電部に充電する量を制御することを特徴とするショベルが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
上述の発明によれば、蓄電装置の充電率（ＳＯＣ）の変化傾向に基づいて蓄電装置に蓄電する量を制限するので、充電損失を低減して効率的に蓄電を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ハイブリッド式ショベルの側面図である。
【図２】第１実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。
【図３】蓄電系の構成を示すブロック図である。
【図４】蓄電系の回路図である。
【図５】ショベルの作業時におけるキャパシタの充電率の変化を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による充電量制御を示す制御ブロック図である。
【図７】充電量制御処理のフローチャートである。
【図８】充電電力制限制御の一例における充電率の変化と、それに対応する充電電力制限を示す図である。
【図９】充電電力制限制御の他の例における充電率の変化と、それに対応する充電電力制限を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による充電量制御を示す制御ブロック図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による充電電力制限制御の一例における充電率の変化と、それに対応する充電電力制限を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施形態による充電量制御を示す制御ブロック図である。
【図１３】本発明の第３実施形態による充電電力制限制御の一例における充電率の変化と、それに対応する充電電力制限を示す図である。
【図１４】シリーズ型のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。
【図１５】全ての駆動部が油圧によって作動する構成のハイブリッド式ショベルの駆動系を示すブロック図である。
【図１６】電気式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明が適用されるハイブリッド式ショベルを示す側面図である。
【００１２】
ハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４，アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。
【００１３】
なお、本発明が適用可能なショベルは、ハイブリッド式ショベルに限られず、蓄電装置を有するショベルであれば、例えば外部電源から充電電力が供給される電気駆動式ショベルにも本発明を適用することができる。
【００１４】
図２は、本発明の第１実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。
【００１５】
機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。
【００１６】
コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。
【００１７】
電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続される。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。
【００１８】
操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。
【００１９】
本実施形態では、ブーム回生電力を得るためのブーム回生用モータ３００（発電機３００とも称する）がインバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０に接続されている。発電機３００は、ブームシリンダ７から吐出される作動油により駆動される油圧モータ３１０によって駆動される。発電機３００は、ブーム４が重力に従って下げられるときにブームシリンダ７から吐出される作動油の圧力を利用して、ブーム４の位置エネルギを電気エネルギに変換する。なお、図２において、説明の便宜上、油圧モータ３１０と発電機３００は離れた位置に示されているが、実際には、発電機３００の回転軸は油圧モータ３１０の回転軸に機械的に接続されている。
【００２０】
すなわち、油圧モータ３１０は、ブーム４が下げられるときにブームシリンダ７から吐出される作動油によって回転されるように構成されており、ブーム４が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ３１０は、コントロールバルブ１７とブームシリンダ７の間の油圧配管７Ａに設けられており、上部旋回体３内の適当な場所に取り付けることができる。
【００２１】
発電機３００で発電された電力は、回生電力としてインバータ１８Ｃを経て蓄電系１２０に供給される。発電機３００とインバータ１８Ｃとで負荷駆動系が構成される。
【００２２】
なお、本実施形態では、ブーム４の角度を検出するためのブーム角度センサ７Ｂがブーム４の支持軸に取り付けられている。ブーム角度センサ７Ｂは、検出したブーム角度θＢをコントローラ３０に供給する。
【００２３】
図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータとＤＣバス１１０とを含む。第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０は、第１の蓄電部としてのキャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。
【００２４】
昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、発電機３００、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。第２の蓄電部としてのＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ、１８Ｃ、及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、発電機３００、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。
【００２５】
図２に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。
【００２６】
コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を駆動するために操作装置２６を操作したときの操作量を表す信号に相当する。
【００２７】
コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、後述のようにキャパシタに充電する量（充電電流又は充電電力）の制御も行なう。
【００２８】
昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。
【００２９】
以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、ブーム回生用の発電機３００が発電した電力は、インバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。
【００３０】
旋回用電動機２１の回転速度（角速度ω）はレゾルバ２２により検出される。また、ブーム４の角度（ブーム角度θＢ）はブーム４の支持軸に設けられたロータリエンコーダ等のブーム角度センサ７Ｂにより検出される。コントローラ３０は、旋回用電動機２１の角速度ωに基づいて推定旋回回生電力（エネルギ）を演算で求め、また、ブーム角度θＢに基づいて推定ブーム回生電力（エネルギ）を演算で求める。そして、コントローラ３０は、演算で求めた推定旋回回生電力と推定ブーム回生電力とに基づいて、ＳＯＣの回生見込み目標値を演算により求める。コントローラ３０は、キャパシタ１９のＳＯＣを、求めた回生見込み目標値に近づけるようにハイブリッド式ショベルの各部を制御する。
【００３１】
図４は、蓄電系１２０の回路図である。昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１０５を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８Ａ，１８Ｃ，２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。
【００３２】
リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａと降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間の中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４の一つに接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。
【００３３】
昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂがそれぞれ並列接続される。
【００３４】
キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電部であればよい。なお、図４には、第１の蓄電部としてキャパシタ１９（蓄電器）を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池（蓄電池）、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を第１の蓄電部として用いてもよい。
【００３５】
電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びＤＣバス１１０が接続される端子である。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。
【００３６】
キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値（vbat_det）を検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧（以下、ＤＣバス電圧：vdc_det）を検出する。平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。この平滑用のコンデンサ１０７によって、ＤＣバス１１０の電圧は予め定められた電圧に維持される。キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９に流れる電流値（ibat_det）を検出する。
【００３７】
昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加される。したがって、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。
【００３８】
ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加される。したがって、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ１９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に供給され、ＤＣバス１１０が降圧される。
【００３９】
なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図４では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。
【００４０】
上述のような構成のハイブリッド式ショベルにおいて、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣを常に高い状態に維持することで、キャパシタ１９の電圧が常に高い状態に維持される。キャパシタ１９の電圧が高い状態で充電すれば、キャパシタ１９への充電電流を小さくすることができる。したがって、充電電流が流れることによるキャパシタ１９の内部抵抗損失を低減するという観点からは、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣを常に高い状態に維持することが好ましい。
【００４１】
ただし、ショベルの運転中は、キャパシタ１９は充電・放電を繰り返しており、キャパシタ１９の充電率は常に変化している。すなわち、電気負荷を駆動するために放電すれば充電率は低下していき、電動発電機１２の発電電力や発電機３００（ブーム回生用モータ）の回生電力で充電されれば充電率は上昇していく。したがって、キャパシタ１９の充電率を高く維持するために、キャパシタ１９の充電率のシステム制御上の上限値及び下限値（システム制御上限値及びシステム制御下限値と称する）を決めておく必要がある。
【００４２】
図５はショベルの作業時におけるキャパシタ１９の充電率ＳＯＣの変化を示すグラフである。図５に示す例では、充電率ＳＯＣのシステム制御上限値は９０％に設定され、システム制御下限値は４０％に設定されているが、システム制御上限値及びシステム制御下限値は、ショベルの駆動システムやキャパシタ１９の状態に応じて適切な値に設定することが好ましい。ここで、充電率ＳＯＣは、キャパシタ１９が定格電圧の時の充電率を１００％としている。
【００４３】
ショベルの運転が開始されてエンジン１１が駆動されると、電動発電機１２での発電が可能となる。ショベルの運転中は、通常、キャパシタ１９の電力により電動負荷が駆動されてキャパシタ１９のＳＯＣが下がると、すぐにキャパシタ１９の充電が行なわれ、キャパシタ１９のＳＯＣは上昇する。すなわち、ショベルが作業を始めると、ショベルの電動負荷を駆動するために、キャパシタ１９は放電し、充電率ＳＯＣは低下していく。そして、電動負荷の駆動が無くなるとキャパシタ１９は充電され、充電率ＳＯＣは上昇に転じる。充電率ＳＯＣが低下から上昇に転じる点を極小値と称する。キャパシタ１９への充電が始まってから充電率ＳＯＣが上昇していくと、ある時点で再び電動負荷を駆動するためにキャパシタ１９からの放電が必要となる。このときは、充電率ＳＯＣが上昇から低下に転じる。充電率ＳＯＣが上昇から低下に転じる点を極大値と称する。
【００４４】
通常、ショベルの作業は掘削動作のように同じような動作の繰り返しが多く、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣの変化は図５に示すように同じような波形の繰り返しとなることが多い。ここで、図５に示す例では、キャパシタ１９へ供給する充電電流に一定の制限があり、充電電流の上限値が設定されている。すなわち、キャパシタ１９への充電電流は一定の上限値以下となるように制御されている。
【００４５】
キャパシタ１９充電電流の大きさは、充電率ＳＯＣの上昇速度に比例する。充電電流が大きければ充電率ＳＯＣの上昇速度は大きくなり、図５において充電率ＳＯＣの極小値から極大値までの変化が早くなって、キャパシタ１９を迅速に充電できる。しかし、キャパシタ１９へ供給する充電電流が大き過ぎると、キャパシタ１９の内部抵抗による発熱等の問題が発生するため、充電電流には一定の制限があり、充電電流の上限値が設定されている。すなわち、キャパシタ１９への充電電流（又は充電電力）は一定の上限値以下となるように制御されている。
【００４６】
図５に示す例では、繰り返し動作の毎回の充電電流（充電量）が、充電率ＳＯＣを維持するのに十分な大きさの電流であり、充電率ＳＯＣの平均値（極小値と極大値の中間値）は徐々に上昇している。そして充電率ＳＯＣの値がシステム制御上限値を超えないように制御が働き、充電率ＳＯＣの極大値はシステム制御上限値にはりついた状態となる。したがって、図５に示す例では、充電率ＳＯＣの平均値が常に高い状態に維持されている。
【００４７】
キャパシタ１９への充電電流が大きいほど、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣをより迅速に上昇させることができ、充電率ＳＯＣを高い状態に維持しやすくなる。ところが、充電時のキャパシタ１９の内部抵抗によるエネルギ損失は、充電電流の二乗に比例して大きくなるため、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣの上昇率をむやみに高くすると、キャパシタ１９でのエネルギ効率が低下してしまう。
【００４８】
そこで、本発明の実施形態では、充電電流又は充電電力を制限しながら、充電率ＳＯＣをなるべく高い状態に維持するように充電電流又は充電電力を制御して、キャパシタ１９を効率的に用いている。具体的には、本実施形態では、充電率ＳＯＣの推移（変化）に基づいて、キャパシタ１９に充電する量（充電電流、充電電力）を制御することで、充電率ＳＯＣが高い状態で推移するように制御する。より具体的には、充電率（ＳＯＣ）の極小値と極大値の推移（あるいは、変化傾向）に基づいて充電電力制限又は充電電流制限を段階的に切り替えて、充電率ＳＯＣを高い状態に維持するような制御を行なう。
【００４９】
図６は本発明の第１実施形態による充電量制御を示す制御ブロック図である。充電量制御では、演算ブロック４０において、逐次入力されるキャパシタ１９の充電率ＳＯＣの現在値から、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣの極小値と極大値が演算により求められる。演算により求められた極小値はＳＯＣ低下判断ブロック４２に出力され、極大値はＳＯＣ維持判断ブロック４４に出力される。
【００５０】
ＳＯＣ低下判断ブロック４２では、入力される極小値の推移（変化）から充電率ＳＯＣが低下しているか否かが判断される。充電率ＳＯＣが低下していると判断されると、電力制限アップフラグが生成される。より具体的には、ＳＯＣ低下判断ブロック４２では、時間の経過と共に逐次求められる極小値を前回求められた極小値と比較することで、連続してＮ回、今回の極小値が前回の極小値より低下したか（小さくなったか）否かが判断される。ここでＮは任意の整数（極小値の連続低下数）であり、例えばＮ＝３とすれば、３回連続で今回の極小値が前回より低くなったか否かが判断される。電力制限アップフラグは、充電率ＳＯＣが低下し続ける傾向にあるということを示すフラグである。
【００５１】
また、ＳＯＣ低下判断ブロック４２では、入力される極小値がシステム制御下限値以下となったか否かが判断される。極小値がシステム制御下限値以下となったと判断されると、電力制限最大アップフラグが生成される。電力制限最大アップフラグは、充電率ＳＯＣが低下し過ぎているため急速に充電を行なう必要があるということを示すフラグである。
【００５２】
一方、ＳＯＣ維持判断ブロック４４では、入力される極大値の推移（変化）から充電率ＳＯＣが維持されているか否かが判断される。充電率ＳＯＣが維持されていると判断されると、電力制限ダウンフラグが生成される。より具体的には、ＳＯＣ維持判断ブロック４４では、時間の経過と共に逐次求められる極大値を前回求められた極大値と比較することで、連続してＮ回、今回の極大値が前回の極大値以上であるか（維持されているか）否かが判断される。ここでＮは任意の整数（極大値の連続上昇数）であり、例えばＮ＝３とすれば、３回連続で極大値が維持されているか否かが判断される。電力制限ダウンフラグは、充電率ＳＯＣが維持される傾向にあるということを示すフラグである。また、ＳＯＣ維持判断ブロック４４は、時間の経過と共に逐次求められる極大値をシステム制御上限値と比較することで、連続してＮ回、極大値がシステム制御上限値以上であるか（維持されているか）否かを判断する。ここでＮは任意の整数（極大値の連続上昇数）であり、例えばＮ＝３とすれば、３回連続で極大値がシステム制御上限値に維持されているか否かが判断される。３回連続で極大値がシステム制御上限値に維持されている場合にも、電力制限ダウンフラグが生成される。
【００５３】
次に、充電電力制限切替え判断ブロック４６は、充電電力制限の段階を切り替える切替え信号を生成して切替えブロック４８に供給する。例えば、上述の電力制限アップフラグが生成されたときには、充電電力制限切替え判断ブロック４６は、充電電力制限の段階を一段階上げるための切替え信号を切替えブロック４８に供給する。また、上述の電力制限最大アップフラグが生成されたときには、充電電力制限切替え判断ブロック４６は、充電電力制限の段階を最高の段階に上げるための切替え信号を切替えブロック４８に供給する。一方、上述の電力制限ダウンフラグが生成されたときには、充電電力制限切替え判断ブロック４６は、充電電力制限の段階を一段階下げるための切替え信号を切替えブロック４８に供給する。
【００５４】
充電電力制限の段階とは、キャパシタ１９に充電する電力量を段階的に定めたもので、例えば、Ａ段階は−１０ｋＷ以下、Ｂ段階は−２０ｋＷ以下、Ｃ段階は−３０ｋＷ以下、Ｄ段階は−４０ｋＷ以下である。切替えブロック４８は、切替え信号に基づいていずれかの段階を選択的し、選択された段階の充電電力制限値（−１０ｋＷ、−２０ｋＷ、−３０ｋＷ、又は−４０ｋＷ）が制限器５０に出力される。
【００５５】
制限器５０には、コントローラ３０から充電電力指令値１が供給される。制限器５０は、切替えブロック４８から供給され充電電力制限値に基づいて充電電力指令値１に制限を加えて充電電力指令値２を生成し、上位システムに出力する。したがって、制限器５０から出力される充電電力指令値２は、充電率の変化傾向に基づいて制限が加えられた指令値となる。本実施形態では、充電電力指令値２は、上述のように充電率ＳＯＣの変化傾向に基づいて段階的に−１０ｋＷ以下、−２０ｋＷ以下、−３０ｋＷ以下、又は−４０ｋＷ以下に制限された値となる。この充電電力指令値２が、実際にキャパシタ１９に供給する充電電力の指令値となる。
【００５６】
なお、充電電力制限切替え判断ブロック４６は、切替え信号を切替えブロック４８に出力するとともに、リセット判断信号を、ＳＯＣ低下判断ブロック４２及びＳＯＣ維持判断ンブロック４４に出力する。ＳＯＣ低下判断ブロック４２及びＳＯＣ維持判断ブロック４４は、リセット判断信号を受けると、極小値又は極大値のＮ回連続の比較を初回から始める。
【００５７】
また、極小値又は極大値のＮ回連続の比較は、充電率ＳＯＣが上昇傾向にあるのか、下降傾向にあるのかを判断するために行なっているものであり、必ずしも極小値がＮ回連続で低下しているか、あるいは極大値がＮ回連続で維持されているかにより判断する必要はない。すなわち、例えば、ある時間内の蓄電率ＳＯＣの変化傾向を判断することができるのであれば、Ｎ回連続でなくてもよく、例えば一回おきの極小値あるいは極大値に基づいて判断を行なってもよい。あるいは、極小値と極大値の移動平均に基づいて判断を行なってもよい。
【００５８】
また、変化傾向を判断するために検出する充電率ＳＯＣの検出値は、極小値及び極大値に限ることなく、例えば、極小値又は極大値から所定の時間後の検出値であってもよい。また、変化率が予め定めた値以上であるかどうかで判断してもよい。具体的には、現在の充電率ＳＯＣの検出値と所定時間後の充電率ＳＯＣの検出値との差が、予め定めた値以上であるかをもとに、変化傾向を判断することができる。
【００５９】
本実施形態では、キャパシタ１９に充電する量として充電電力を制限するように制御しているが、充電電力の代わりにキャパシタ１９に充電する量として充電電流を制限するように制御してもよい。
【００６０】
図７は充電量制御処理のフローチャートである。まず、充電量制御処理が開始されると、ステップＳ１において、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣの現在値ＳＯＣ０が演算により求められる。次に、ステップＳ２において、充電率ＳＯＣの現在値ＳＯＣ０が充電率ＳＯＣのシステム制御下限値（図５参照）より低いか否かが判断される。
【００６１】
充電率ＳＯＣの現在値ＳＯＣ０がシステム制御下限値より低い場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、充電電力制限の段階を最高の段階（Ｄ段階）に切替える。すなわち、現在の充電率が低過ぎるため、キャパシタ１９を急速に充電するために、充電電力制限を最大値として、大きな充電電力を供給する。
【００６２】
一方、充電率ＳＯＣの現在値ＳＯＣ0がシステム制御下限値以上の場合（ステップＳ２のＮＯ）、処理はステップＳ３に進む。
【００６３】
以上の処理は、図６に示す充電量制御の前に行なわれる。
【００６４】
次に、ステップＳ３において、充電率ＳＯＣの極小値がＮ回算出される。初回の算出値がＳＯＣ−１となり、Ｎ回目の算出値がＳＯＣ−Nとなる。Ｎ回目の算出値ＳＯＣ−Nが算出されたら、ステップＳ４において、充電率ＳＯＣの極小値がＮ回連続して低下したか否かが判定される。
【００６５】
充電率ＳＯＣの極小値がＮ回連続して低下した場合（ステップＳ４のＹＥＳ）、充電電力制限の段階を一段階上に切替えて、充電電力制限値を上昇させる。例えば、充電率ＳＯＣの極小値がＮ回連続して低下したときの段階がＢ段階であった場合はＣ段階に切替えられ、充電電力制限値はＢ段階の−２０ｋＷからＣ段階の−３０ｋＷに引き上げられる。ここで、充電電力制限値がマイナスの値となっているのは、放電電力をプラスとし充電電力をマイナスとして充電電力と放電電力を区別しているためである。したがって、キャパシタ１９を最大−２０ｋＷで充電していたときには、充電電力制限値の切替えにより最大−３０ｋＷで充電可能となり、キャパシタ１９を迅速に充電して充電率ＳＯＣの低下傾向を抑制することができる。
【００６６】
一方、充電率ＳＯＣの極小値がＮ回連続して低下しなかった場合（ステップＳ４のＮＯ）、処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５では、充電率ＳＯＣの極大値がＮ回算出される。初回の算出値がＳＯＣ+１となり、Ｎ回目の算出値がＳＯＣ+Nとなる。Ｎ回目の算出値ＳＯＣ+Nが算出されたら、ステップＳ６において、充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して充電率ＳＯＣのシステム制御上限値（図５参照）以上であるか否か、又は充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して上昇しているか否かが判定される。
【００６７】
充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して充電率ＳＯＣのシステム制御上限値以上である場合、又は充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して上昇している場合（ステップＳ６のＹＥＳ）、充電電力制限の段階を一段階下に切替えて、充電電力制限値を低下させる。例えば、充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して上昇したときの段階がＣ段階であった場合はＢ段階に切替えられ、充電電力制限値はＣ段階の−３０ｋＷからＣ段階の−２０ｋＷに引き下げられる。ここで、充電電力制限値がマイナスの値となっているのは、放電電力をプラスとし充電電力をマイナスとして充電電力と放電電力を区別しているためである。したがって、キャパシタ１９を最大−３０ｋＷで充電していたときには、充電電力制限値の切替えにより最大−２０ｋＷに制限され、キャパシタ１９に充電する量を低減して充電率ＳＯＣが低下するように制御する。
【００６８】
一方、充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して充電率ＳＯＣのシステム制御上限値以上では無い場合、又は充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して上昇していない場合（ステップＳ６のＮＯ）、充電電力制限の段階はそのままに維持され、充電電力制限値は変更されない。充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して充電率ＳＯＣのシステム制御上限値以上では無い場合、すなわち、充電率ＳＯＣの極大値がシステム制御上限値以上となることがＮ回連続しない場合、又は充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して上昇していない場合は、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣは過度に高くなっておらず、そのときの充電電力制限を下げる必要は無いと判断し、充電電力制限は低減しない。
【００６９】
次に、以上のような充電電力制限処理について具体的に説明する。
【００７０】
図８は充電電力制限制御の一例における充電率ＳＯＣの変化と、それに対応する充電電力制限を示す図である。図８に示す例では、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣが、システム制御上限値（例えば９０％）の状態から徐々に減少し、これに伴い、充電率ＳＯＣの極大値及び極小値も時間とともに徐々に低下している。図８−（ａ）に示す例では、判断回数ＮはＮ＝３に設定されている。したがって、充電率ＳＯＣの極小値が連続してＮ＝３回、前回の極小値より低下した時点で、充電電力制限の段階が一段階引き上げられて、Ａ段階からＢ段階に切替えられている。これにより、充電電力制限値は−１０ｋＷから−２０ｋＷに上昇されている（マイナスは充電を意味する）。ところが、その後、負荷が増大すると、電動発電機１２によるエンジンアシスト運転の出力や、旋回用電動機２１への出力が増大してしまう。このため、充電率ＳＯＣはその後も低下し続け、今度は極小値がシステム制御下限値を下回ってしまっている。そこで、図８−（ｂ）に示すように、極小値がシステム制御下限値を下回った時点で、充電電力制限の段階が最高段階まで上げられて、Ｂ段階からＤ段階に切替えられている。これにより、充電電力制限値は−２０ｋＷから−４０ｋＷに上昇され、より急速にキャパシタ１９に充電電力を供給できるようになっている。
【００７１】
なお、図８では充電率ＳＯＣの極小値が連続してＮ＝３回、前回の極小値より低下している例を示しているが、充電率ＳＯＣの極大値が連続してＮ＝３回、前回の極大値より上昇する場合には、充電電力制限の段階を一段階引き上げることとなる。
【００７２】
図９は充電電力制限制御の他の例における充電率ＳＯＣの変化と、それに対応する充電電力制限を示す図である。図９に示す例では、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣが、システム制御上限値（例えば９０％）の状態から徐々に減少し、これに伴い、充電率ＳＯＣの極大値及び極小値も時間とともに徐々に低下している。図９−（ａ）に示す例では、判断回数ＮはＮ＝３に設定されている。したがって、充電率ＳＯＣの極小値が連続してＮ＝３回、前回の極小値より低下した時点で、充電電力制限の段階が一段階引き上げられて、Ａ段階からＢ段階に切替えられている。これにより、充電電力制限値は−１０ｋＷから−２０ｋＷに上昇されている（マイナスは充電を意味する）。
【００７３】
ここで、図８に示す例とは異なり、充電電力制限値が−１０ｋＷから−２０ｋＷに上昇されたため、充電率ＳＯＣはその後上昇に転じ、今度は極大値が連続してＮ＝３回、システム制御上限値となってしまっている（充電率ＳＯＣはシステム制御上限値以上にならないように制御されているため、極大値もシステム制御上限値以上にはならない）。そこで、図９−（ｂ）に示すように、極大値が連続してＮ＝３回上昇した時点で、充電電力制限の段階が一段階引き下げられて、Ｂ段階からＡ段階に切替えられている。これにより、充電電力制限値は−２０ｋＷから−１０ｋＷに低減され、充電電力が低減されるように制御されている。本実施形態では、充電率ＳＯＣを基に充電率の電力制限を行なう例を示したが、本実施形態に限定されることなく、例えば、充電率として蓄電装置の電圧値を用いる場合も含まれる。このように、極大値が連続して予め定められた回数上昇した場合に充電電力制限を低下させることで、充電率ＳＯＣをシステム上限値以内に抑制することができる。
【００７４】
また、充電率ＳＯＣが、連続してシステム上限値を維持する場合にも、更に、充電電力制限を低下させるようにしてもよい。
【００７５】
次に、本発明の第２実施形態による充電量制御について説明する。図１０は本発明の第２実施形態による充電量制御を示す制御ブロック図である。図１０において、図６に示す機能ブロックと同等の機能ブロックには同じ符号を示し、その説明は省略する。
【００７６】
本実施形態では、図６に示す切替えブロック４８がマップ切替えブロック６０に置き換えられ、マップ切替えブロック６０から充電電力指令値１が出力される。充電電力指令値１は上位プロセスに供給される。上位プロセスにおいて決定された充電電力指令値が充電電力指令値１を超える場合は、制限器７０により制限され、制限器７０から充電電力指令値２として出力される。
【００７７】
マップ切替えブロック６０には、充電電力指令値１を生成するための複数のマップ６２−１〜６２−４が設けられている。マップ６２−１は、上述のＡ段階に相当する充電電力制限値と充電率ＳＯＣとの関係を示している。マップ６２−１に充電率ＳＯＣの現在値が入力されると、Ａ段階で設定された充電電力（例えば、最大で−１０ｋＷ）に制限された充電電力指令値１が出力される。マップ６２−１は、充電率ＳＯＣがどのような値であっても、キャパシタ１９に流れる充電電流が所定の電流値（Ａ段階の電流値）を超えないように充電電力を設定したときのマップである。したがって、マップ６２−１から出力される充電電力指令値１を用いると、充電率ＳＯＣがどのような値であっても所定の電流値（Ａ段階の電流値）を超えないようにキャパシタ１９を充電することができる。ここで、マップ６２−１において充電率ＳＯＣが低くなると充電電力制限値が低下しているのは、充電電流Ｉを一定にした場合、充電電力Ｗは充電率ＳＯＣの平方根に比例する値となるためである（Ｗ＝Ｉ×Ｖ０×√ＳＯＣ：Ｖ０はキャパシタの満充電電圧）。
【００７８】
同様に、マップ６２−２，６２−３，６２−４は、それぞれ上述のＢ段階，Ｃ段階，Ｄ段階に相当する充電電力制限値と充電率ＳＯＣとの関係を示している。マップ６２−２，６２−３，６２−４に充電率ＳＯＣの現在値が入力されると、Ｂ段階，Ｃ段階，Ｄ段階で設定された充電電力（例えば−２０ｋＷ，−３０ｋＷ，−４０ｋＷ）に制限された充電電力指令値１がそれぞれ出力される。マップ６２−２，６２−３，６２−４は、充電率ＳＯＣがどのような値であっても、キャパシタ１９に流れる充電電流が所定の電流値（Ｂ段階，Ｃ段階，Ｄ段階の電流値）を超えないように充電電力を設定したときのマップである。したがって、マップ６２−２，６２−３，６２−４から出力される充電電力指令値１を用いると、それぞれ充電率ＳＯＣがどのような値であっても所定の電流値（Ｂ段階，Ｃ段階，Ｄ段階の電流値）を超えないようにキャパシタ１９を充電することができる。
【００７９】
図１１は本実施形態による充電電力制限制御の一例における充電率ＳＯＣの変化と、それに対応する充電電力制限を示す図である。図１１に示す例では、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣが、システム制御上限値（例えば９０％）の状態から徐々に減少し、これに伴い、充電率ＳＯＣの極大値及び極小値も時間とともに徐々に低下している。図１１−（ａ）に示す例では、判断回数ＮはＮ＝３に設定されている。したがって、充電率ＳＯＣの極小値が連続してＮ＝３回、前回の極小値より低下した時点で、充電電力制限の段階が一段階引き上げられて、Ａ段階からＢ段階に切替えられている。これにより、図１１−（ｂ）に示すように、充電電力制限値はマップ６２−１における制限値（Ａ段階：最大で−１０ｋＷ）からマップ６２−２における制限値（Ｂ段階：最大で−２０ｋＷ）に上昇されている（マイナスは充電を意味する）。ところが、その後、負荷が増大すると、電動発電機１２によるエンジンアシスト運転の出力や、旋回用電動機２１への出力が増大してしまう。このため、充電率ＳＯＣはその後も低下し続け、今度は極小値がシステム制御下限値を下回ってしまっている。そこで、極小値がシステム制御下限値を下回った時点で、充電電力制限の段階が最高段階まで上げられて、Ｂ段階からＤ段階に切替えられている。これにより、充電電力制限値はマップ６２−２における制限値（Ｂ段階：最大で−２０ｋＷ）からマップ６２−４における制限値（Ｄ段階：最大で−４０ｋＷ（最大充電電力））に上昇されて、より急速にキャパシタ１９に充電電力を供給できるようになっている。
【００８０】
次に、本発明の第３実施形態による充電量制御について説明する。図１２は本発明の第３実施形態による充電量制御を示す制御ブロック図である。図１２において、図６に示す機能ブロックと同等の機能ブロックには同じ符号を示し、その説明は省略する。
【００８１】
本実施形態では、図６に示す切替えブロック４８がゲイン演算ブロック８０及び比例制御ブロック８２に置き換えられ、比例制御ブロック８２から充電電力指令値１が出力される。また、比例制御ブロック６２には、充電率ＳＯＣの現在値とＳＯＣ目標値との差分が入力される。比例制御ブロック８２から出力される充電電力指令値１は上位プロセスに供給される。上位プロセスにおいて決定された充電電力指令値が充電電力指令値１を超える場合は、制限器７０により制限され、制限器７０から充電電力指令値２として出力される。
【００８２】
ゲイン演算部ブロック８０は、充電電力制限切替え判断ブロック４６からの切替え信号に基づいて、各段階における比例ゲインを算出する。比例制御ブロック８２は、充電率ＳＯＣの現在値とＳＯＣ目標値との差分とゲイン演算部ブロック８０で求めた比例ゲインとに基づいて、充電電力指令値１を算出する。充電電力指令値１は上位プロセスに供給される。上位プロセスにおいて決定された充電電力指令値が充電電力指令値１を超える場合は、制限器７０により制限され、制限器７０から充電電力指令値２として出力される。
【００８３】
図１３は本実施形態による充電電力制限制御の一例における充電率ＳＯＣの変化と、それに対応する充電電力制限を示す図である。図１３に示す例では、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣが、システム制御上限値（例えば９０％）の状態から徐々に減少し、これに伴い、充電率ＳＯＣの極大値及び極小値も時間とともに徐々に低下している。図１３−（ａ）に示す例では、判断回数ＮはＮ＝３に設定されている。したがって、充電率ＳＯＣの極小値が連続してＮ＝３回、前回の極小値より低下した時点で、充電電力制限を演算するために用いる比例ゲインが一段階引き上げられて、Ａ段階からＢ段階に切替えられている。これにより、図１３−（ｂ）に示すように、充電電力制限値はＡ段階における制限値（−１０ｋＷ＋比例ゲイン）からＢ段階における制限値（−２０ｋＷ＋比例ゲイン）に上昇されている（マイナスは充電を意味する）。ところが、その後、負荷が増大すると、電動発電機１２によるエンジンアシスト運転の出力や、旋回用電動機２１への出力が増大してしまう。このため、充電率ＳＯＣはその後も低下し続け、今度は極小値がシステム制御下限値を下回ってしまっている。そこで、極小値がシステム制御下限値を下回った時点で、充電電力制限の段階が最高段階まで上げられて、Ｂ段階からＤ段階に切替えられている。これにより、充電電力制限値はＢ段階における制限値（−２０ｋＷ＋比例ゲイン）からＤ段階における制限値（最大充電電力：−４０ｋＷ＋比例ゲイン）に上昇されて、より急速にキャパシタ１９に充電電力を供給できるようになっている。
【００８４】
上述の実施形態では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプであるメインポンプ１４に接続してメインポンプを駆動する、いわゆるパラレル型のハイブリッド式ショベルに本発明を適用した例について説明した。上述の実施形態は、図１４に示すようにエンジン１１で電動発電機１２を駆動し、電動発電機１２が生成した電力を蓄電系１２０に蓄積してから蓄積した電力のみによりメインポンプ１４を駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド式ショベルにも適用することもできる。この場合、電動発電機１２は、本実施形態ではエンジン１１によって駆動されることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。
【００８５】
また、図１５に示すように全ての駆動部が油圧によって作動する構成のハイブリッド式ショベルにも本発明を適用することができる。図１１に示す構成のハイブリッド式ショベルでは、エンジン１１の余剰出力により電動発電機１２で発電された発電電力、及び、ブーム回生モータ３００によって発電された発電電力が、蓄電系１２０に蓄電される。蓄電系１２０に蓄電された蓄電電力は、エンジン１１の出力をアシストするために用いられる。
【００８６】
さらに、エンジンが搭載されずに電動機のみで油圧ポンプを駆動する電気式ショベルにも本発明を適用することができる。図１６は電気式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。電動機として機能する電動発電機１２０はメインポンプ１４に接続され、メインポンプ１４は電動発電機１２のみにより駆動される。蓄電系１２０には、コンバータ４１０を介して外部電源４００が接続され、蓄電系１２０の蓄電部（キャパシタ１９）には、外部電源４００から電力が供給されて充電される。
【００８７】
本発明は具体的に開示された上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形例及び改良例がなされるであろう。
【００８８】
本出願は、２０１１年１月２８日出願の優先権主張日本国特許出願第２０１１−０１６５４５号に基づくものであり、その全内容は本出願に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、電動作業要素に電力を供給するための蓄電装置を有するショベルに適用可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１  下部走行体
１Ａ、１Ｂ  油圧モータ
２  旋回機構
３  上部旋回体
４  ブーム
５  アーム
６  バケット
７  ブームシリンダ
７Ａ  油圧配管
７Ｂ  ブーム角度センサ
８  アームシリンダ
９  バケットシリンダ
１０  キャビン
１１  エンジン
１２  電動発電機
１３  変速機
１４  メインポンプ
１５  パイロットポンプ
１６  高圧油圧ライン
１７  コントロールバルブ
１８、１８Ａ、１８Ｂ、２０  インバータ
１９  キャパシタ 
２１  旋回用電動機
２２  レゾルバ
２３  メカニカルブレーキ
２４  旋回変速機
２５  パイロットライン
２６  操作装置
２６Ａ、２６Ｂ  レバー
２６Ｃ  ペダル
２６Ｄ  ボタンスイッチ
２７  油圧ライン
２８  油圧ライン
２９  圧力センサ
３０  コントローラ
３５  表示装置
４０  演算ブロック
４２  ＳＯＣ低下判断ブロック
４４  ＳＯＣ維持判断ブロック
４６  充電電力制限切替えブロック
４８  切替えブロック
５０  制限器
６０  マップ切替えブロック
７０  制限器
８０  ゲイン演算ブロック
８２  比例制御ブロック
１００  昇降圧コンバータ
１０１  リアクトル
１０２Ａ  昇圧用ＩＧＢＴ
１０２Ｂ  降圧用ＩＧＢＴ
１０４  電源接続端子
１０６  出力端子
１０７  コンデンサ
１１０  ＤＣバス
１１１  ＤＣバス電圧検出部
１１２  キャパシタ電圧検出部
１１３  キャパシタ電流検出部
１２０  蓄電系
３００  ブーム回生用モータ（発電機）
３１０  ブーム回生用油圧モータ
４００  外部電源
４１０  コンバータ
【図１】
2012102351.tif 000003
【図２】
2012102351.tif 000004
【図３】
2012102351.tif 000005
【図４】
2012102351.tif 000006
【図５】
2012102351.tif 000007
【図６】
2012102351.tif 000008
【図７】
2012102351.tif 000009
【図８】
2012102351.tif 000010
【図９】
2012102351.tif 000011
【図１０】
2012102351.tif 000012
【図１１】
2012102351.tif 000013
【図１２】
2012102351.tif 000014
【図１３】
2012102351.tif 000015
【図１４】
2012102351.tif 000016
【図１５】
2012102351.tif 000017
【図１６】
2012102351.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月22日(2012.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動負荷と、
該電動負荷に電力を供給するための蓄電部を有する蓄電装置と、
該蓄電部の充電率がシステム制御上限値とシステム制御下限値との間となるように、前記蓄電部に充電する量を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、所定の経過時間における前記充電率の複数の検出値の変化傾向に基づいて、前記蓄電部に充電する量を制御することを特徴とするショベル。
【請求項２】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値が前回の検出値より大きくなる場合、及び／又は、上限値に維持される場合が所定回数連続して続いたときに、前記充電する量が過大であると判断し、前記充電する量の制限値を低下させることを特徴とするショベル。
【請求項３】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値として前記蓄電部の充電率の変化における極大値を検出し、該極大値の変化傾向に基づいて、前記充電する量の制限値を低下させることを特徴とするショベル。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記検出値が前回の検出値より小さくなる場合が所定回数連続して続いたときに、前記充電する量が不足していると判断し、前記充電する量の制限値を上昇させることを特徴とするショベル。
【請求項５】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値として前記蓄電部の充電率の変化における極小値を検出し、該極小値の変化傾向に基づいて、前記充電する量の制限値を上昇させることを特徴とするショベル。
【請求項６】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記充電率の極小値が前記システム制御下限値以下となったら、前記充電する量の制限値を上昇させることを特徴とするショベル。
【請求項７】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記充電する量の制限値として、充電率の変化に対応した複数の制限値が設定されることを特徴とするショベル。
【請求項８】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、充電電力の指令値に対して制限を加える制限部を備えることを特徴とするショベル。
【請求項９】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値の変化傾向に基づいて充電電力の指令値を変更することを特徴とするショベル。
【請求項１０】
請求項９記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記蓄電部の充電率から前記充電電力の指令値を生成するマップを複数備え、前記検出値の変化傾向に基づいて、前記充電電力の指令値を生成するために用いるマップを切り替えることを特徴とするショベル。
【請求項１１】
請求項１０記載のショベルであって、
前記複数のマップはそれぞれ前記検出値に応じて前記充電電力の指令値の大きさが異なることを特徴とするショベル。
【請求項１２】
請求項９記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値の変化傾向に基づいて、前記充電電力の指令値に対するゲインを変更することを特徴とするショベル。
【請求項１３】
電動負荷に電力を供給するための蓄電部を有する蓄電装置を有するショベルの制御方法であって、
前記蓄電部の充電率がシステム制御上限値とシステム制御下限値との間となるように、前記蓄電部に充電する量を制御し、
所定の経過時間における前記蓄電率の複数の検出値の変化傾向を求め、
求めた変化傾向に基づいて、前記蓄電部に充電する量を制御することを特徴とするショベルの制御方法。
【請求項１４】
請求項１３記載のショベルの制御方法であって、
前記検出値が前回の検出値より大きくなる場合、及び／又は、上限値に維持される場合が所定回数連続して続いたときに、前記充電する量が過大であると判断し、前記充電する量の制限値を低下させることを特徴とするショベルの制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2012102351.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月10日(2014.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動負荷と、
該電動負荷に電力を供給するための蓄電部を有する蓄電装置と、
該蓄電部の充電率がシステム制御上限値とシステム制御下限値との間となるように、前記蓄電部に充電する量を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、所定の経過時間における前記充電率の複数の検出値の変化傾向に基づいて、前記蓄電部に充電する量を制御することを特徴とするショベル。
【請求項２】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値が前回の検出値より大きくなる場合、及び／又は、上限値に維持される場合が所定回数連続して続いたときに、前記充電する量が過大であると判断し、前記充電する量の制限値を低下させることを特徴とするショベル。
【請求項３】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値として前記蓄電部の充電率の変化における極大値を検出し、該極大値の変化傾向に基づいて、前記充電する量の制限値を低下させることを特徴とするショベル。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値が前回の検出値より小さくなる場合が所定回数連続して続いたときに、前記充電する量が不足していると判断し、前記充電する量の制限値を上昇させることを特徴とするショベル。
【請求項５】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値として前記蓄電部の充電率の変化における極小値を検出し、該極小値の変化傾向に基づいて、前記充電する量の制限値を上昇させることを特徴とするショベル。
【請求項６】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記充電率の極小値が前記システム制御下限値以下となったら、前記充電する量の制限値を上昇させることを特徴とするショベル。
【請求項７】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
前記充電する量の制限値として、充電率の変化に対応した複数の制限値が設定されることを特徴とするショベル。
【請求項８】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、充電電力の指令値に対して制限を加える制限部を備えることを特徴とするショベル。
【請求項９】
請求項１記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値の変化傾向に基づいて充電電力の指令値を変更することを特徴とするショベル。
【請求項１０】
請求項９記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記蓄電部の充電率から前記充電電力の指令値を生成するマップを複数備え、前記検出値の変化傾向に基づいて、前記充電電力の指令値を生成するために用いるマップを切り替えることを特徴とするショベル。
【請求項１１】
請求項１０記載のショベルであって、
前記複数のマップはそれぞれ前記検出値に応じて前記充電電力の指令値の大きさが異なることを特徴とするショベル。
【請求項１２】
請求項９記載のショベルであって、
前記制御装置は、前記検出値の変化傾向に基づいて、前記充電電力の指令値に対するゲインを変更することを特徴とするショベル。
【請求項１３】
電動負荷に電力を供給するための蓄電部を有する蓄電装置を有するショベルの制御方法であって、
前記蓄電部の充電率がシステム制御上限値とシステム制御下限値との間となるように、前記蓄電部に充電する量を制御し、
所定の経過時間における前記充電率の複数の検出値の変化傾向を求め、
求めた変化傾向に基づいて、前記蓄電部に充電する量を制御することを特徴とするショベルの制御方法。
【請求項１４】
請求項１３記載のショベルの制御方法であって、
前記検出値が前回の検出値より大きくなる場合、及び／又は、上限値に維持される場合が所定回数連続して続いたときに、前記充電する量が過大であると判断し、前記充電する量の制限値を低下させることを特徴とするショベルの制御方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明によれば、電動負荷と、該電動負荷に電力を供給するための蓄電部を有する蓄電装置と、該蓄電部の充電率がシステム制御上限値とシステム制御下限値との間となるように、前記蓄電部に充電する量を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、所定の経過時間における前記充電率の複数の検出値の変化傾向に基づいて、前記蓄電部に充電する量を制御することを特徴とするショベル等が提供される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
図２は、本発明の第１実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細い実線でそれぞれ示されている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータ１００とＤＣバス１１０とを含む。第２の蓄電部としてのＤＣバス１１０は、第１の蓄電部としてのキャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
図４は、蓄電系１２０の回路図である。昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１８Ａ，１８Ｃ，２０を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８Ａ，１８Ｃ，２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
キャパシタ１９の充電電流の大きさは、充電率ＳＯＣの上昇速度に比例する。充電電流が大きければ充電率ＳＯＣの上昇速度は大きくなり、図５において充電率ＳＯＣの極小値から極大値までの変化が早くなって、キャパシタ１９を迅速に充電できる。しかし、キャパシタ１９へ供給する充電電流が大き過ぎると、キャパシタ１９の内部抵抗による発熱等の問題が発生するため、充電電流には一定の制限があり、充電電流の上限値が設定されている。すなわち、キャパシタ１９への充電電流（又は充電電力）は一定の上限値以下となるように制御されている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
充電電力制限の段階とは、キャパシタ１９に充電する電力量を段階的に定めたもので、例えば、Ａ段階は−１０ｋＷ以下、Ｂ段階は−２０ｋＷ以下、Ｃ段階は−３０ｋＷ以下、Ｄ段階は−４０ｋＷ以下である。切替えブロック４８は、切替え信号に基づいていずれかの段階を選択し、選択された段階の充電電力制限値（−１０ｋＷ、−２０ｋＷ、−３０ｋＷ、又は−４０ｋＷ）が制限器５０に出力される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
なお、充電電力制限切替え判断ブロック４６は、切替え信号を切替えブロック４８に出力するとともに、リセット判断信号を、ＳＯＣ低下判断ブロック４２及びＳＯＣ維持判断ブロック４４に出力する。ＳＯＣ低下判断ブロック４２及びＳＯＣ維持判断ブロック４４は、リセット判断信号を受けると、極小値又は極大値のＮ回連続の比較を初回から始める。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
また、極小値又は極大値のＮ回連続の比較は、充電率ＳＯＣが上昇傾向にあるのか、下降傾向にあるのかを判断するために行なっているものであり、必ずしも極小値がＮ回連続で低下しているか、あるいは極大値がＮ回連続で維持されているかにより判断する必要はない。すなわち、例えば、ある時間内の充電率ＳＯＣの変化傾向を判断することができるのであれば、Ｎ回連続でなくてもよく、例えば一回おきの極小値あるいは極大値に基づいて判断を行なってもよい。あるいは、極小値と極大値の移動平均に基づいて判断を行なってもよい。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して充電率ＳＯＣのシステム制御上限値以上である場合、又は充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して上昇している場合（ステップＳ６のＹＥＳ）、充電電力制限の段階を一段階下に切替えて、充電電力制限値を低下させる。例えば、充電率ＳＯＣの極大値がＮ回連続して上昇したときの段階がＣ段階であった場合はＢ段階に切替えられ、充電電力制限値はＣ段階の−３０ｋＷからＢ段階の−２０ｋＷに引き下げられる。ここで、充電電力制限値がマイナスの値となっているのは、放電電力をプラスとし充電電力をマイナスとして充電電力と放電電力を区別しているためである。したがって、キャパシタ１９を最大−３０ｋＷで充電していたときには、充電電力制限値の切替えにより最大−２０ｋＷに制限され、キャパシタ１９に充電する量を低減して充電率ＳＯＣが低下するように制御する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
本実施形態では、図６に示す切替えブロック４８がゲイン演算ブロック８０及び比例制御ブロック８２に置き換えられ、比例制御ブロック８２から充電電力指令値１が出力される。また、比例制御ブロック８２には、充電率ＳＯＣの現在値とＳＯＣ目標値との差分が入力される。比例制御ブロック８２から出力される充電電力指令値１は上位プロセスに供給される。上位プロセスにおいて決定された充電電力指令値が充電電力指令値１を超える場合は、制限器７０により制限され、制限器７０から充電電力指令値２として出力される。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
ゲイン演算ブロック８０は、充電電力制限切替え判断ブロック４６からの切替え信号に基づいて、各段階における比例ゲインを算出する。比例制御ブロック８２は、充電率ＳＯＣの現在値とＳＯＣ目標値との差分とゲイン演算ブロック８０で求めた比例ゲインとに基づいて、充電電力指令値１を算出する。充電電力指令値１は上位プロセスに供給される。上位プロセスにおいて決定された充電電力指令値が充電電力指令値１を超える場合は、制限器７０により制限され、制限器７０から充電電力指令値２として出力される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
また、図１５に示すように全ての駆動部が油圧によって作動する構成のハイブリッド式ショベルにも本発明を適用することができる。図１１に示す構成のハイブリッド式ショベルでは、エンジン１１の余剰出力により電動発電機１２で発電された発電電力、及び、ブーム回生用モータ３００によって発電された発電電力が、蓄電系１２０に蓄電される。蓄電系１２０に蓄電された蓄電電力は、エンジン１１の出力をアシストするために用いられる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
さらに、エンジンが搭載されずに電動機のみで油圧ポンプを駆動する電気式ショベルにも本発明を適用することができる。図１６は電気式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。電動機として機能する電動発電機１２はメインポンプ１４に接続され、メインポンプ１４は電動発電機１２のみにより駆動される。蓄電系１２０には、コンバータ４１０を介して外部電源４００が接続され、蓄電系１２０の蓄電部（キャパシタ１９）には、外部電源４００から電力が供給されて充電される。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９０】
１  下部走行体
１Ａ、１Ｂ  油圧モータ
２  旋回機構
３  上部旋回体
４  ブーム
５  アーム
６  バケット
７  ブームシリンダ
７Ａ  油圧配管
７Ｂ  ブーム角度センサ
８  アームシリンダ
９  バケットシリンダ
１０  キャビン
１１  エンジン
１２  電動発電機
１３  変速機
１４  メインポンプ
１５  パイロットポンプ
１６  高圧油圧ライン
１７  コントロールバルブ
１８Ａ、１８Ｃ、２０  インバータ
１９  キャパシタ 
２１  旋回用電動機
２２  レゾルバ
２３  メカニカルブレーキ
２４  旋回変速機
２５  パイロットライン
２６  操作装置
２６Ａ、２６Ｂ  レバー
２６Ｃ  ペダル
２７  油圧ライン
２８  油圧ライン
２９  圧力センサ
３０  コントローラ
３５  表示装置
４０  演算ブロック
４２  ＳＯＣ低下判断ブロック
４４  ＳＯＣ維持判断ブロック
４６  充電電力制限切替えブロック
４８  切替えブロック
５０  制限器
６０  マップ切替えブロック
７０  制限器
８０  ゲイン演算ブロック
８２  比例制御ブロック
１００  昇降圧コンバータ
１０１  リアクトル
１０２Ａ  昇圧用ＩＧＢＴ
１０２Ｂ  降圧用ＩＧＢＴ
１０４  電源接続端子
１０６  出力端子
１０７  コンデンサ
１１０  ＤＣバス
１１１  ＤＣバス電圧検出部
１１２  キャパシタ電圧検出部
１１３  キャパシタ電流検出部
１２０  蓄電系
３００  ブーム回生用モータ（発電機）
３１０  ブーム回生用油圧モータ
４００  外部電源
４１０  コンバータ
【国際調査報告】
2012102351.tif 000020
2012102351.tif 000021
2012102351.tif 000022
2012102351.tif 000023