(57)【要約】      （修正有）【課題】電力収支を維持しつつ、作業負荷の変動に対する制御応答性を高めることができるハイブリッド建設機械を提供する。【解決手段】エンジンと、エンジンＥＣＵ２１と、エンジンにより駆動される油圧ポンプと、力行時にエンジンの駆動をアシストし、回生時に発電する電動発電機３と、電動発電機３が発電した電力を充電又は放電するバッテリと、電動発電機３の出力を制御するインバータ３１ａと、制御指令を生成し、当該制御指令をインバータ３１ａを介して電動発電機３に発信する電動発電機制御指令装置５と、を備え、電動発電機制御指令装置５は、エンジンの目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との差分である負荷率偏差に基づいて前記制御指令を生成する制御指令生成部５１と、エンジンの目標エンジン回転数と実エンジン回転数との差分である回転数偏差に基づいて前記負荷率偏差を補正する制御指令補正部５２と、を備える。【選択図】図４
2020032752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部旋回体と、
前記上部旋回体を旋回自在に支持する下部走行体と、
前記上部旋回体の内部に収容されるエンジンと、
前記エンジンの出力を制御するエンジン制御指令装置と、
前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプからの作動油により作動される油圧アクチュエータと、
力行時に前記エンジンの駆動をアシストし、回生時に発電する電動発電機と、
前記電動発電機が発電した電力を充電又は放電するバッテリと、
前記電動発電機の出力を制御するインバータと、
制御指令を生成し、当該制御指令を前記インバータを介して前記電動発電機に発信する電動発電機制御指令装置と、を備え、
前記電動発電機制御指令装置は、前記エンジンの目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との差分である負荷率偏差に基づいて前記制御指令を生成する制御指令生成部と、
前記エンジンの目標エンジン回転数と実エンジン回転数との差分である回転数偏差に基づいて前記負荷率偏差を補正する制御指令補正部と、を備える、ハイブリッド建設機械。
【請求項２】
前記制御指令補正部は、前記回転数偏差に基づいて負荷率補正値を算出し、前記負荷率補正値を前記実エンジン負荷率に加算する、請求項１に記載のハイブリッド建設機械。
【請求項３】
前記エンジン制御指令装置は、エンジン負荷の増加に伴ってエンジン回転数を低下させるドループカーブに基づく制御指令を前記エンジンに発信し、
前記制御指令補正部は、前記ドループカーブと前記実エンジン負荷率により算出されたエンジン回転数を前記目標エンジン回転数として用い、前記回転数偏差を求める、請求項１又は２に記載のハイブリッド建設機械。
【請求項４】
前記電動発電機制御指令装置は、前記エンジン制御指令装置からのエンジン停止信号を受信すると、前記電動発電機に回生トルクを発生させるような制御指令を生成する、請求項１〜３の何れかに記載のハイブリッド建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、ハイブリッド建設機械において、エンジンの目標回転数と実際の回転数との偏差に基づき、電動・発電機のアシストトルク又は発電トルクを演算する技術が開示されている。
【０００３】
下記特許文献２には、ハイブリッド建設機械において、エンジンの実回転数に基づいて決定されるエンジンの最大トルクとエンジンの実トルクとの差分によって求められるトルク余裕度に基づいて判断される出力制限、エンジンの目標回転数と実回転数との差分に基づいてモータトルク指令値を算出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８００５１４号公報
【特許文献２】特許第５５９４７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、油圧負荷が急変した場合にエンジントルクが急激に増加することで、エンジンに過剰な負荷がかかり、エンジンの回転数が意図せずに低下するおそれがある。また、エンジンの出力と電動・発電機のアシスト出力の使用割合を制御できないことから過度のアシストをする恐れがあり、作業負荷の変動に対する制御応答性に問題がある。
【０００６】
特許文献２では、エンジンのトルクまたは出力の余裕度に応じて、電動発電機が過度のアシストを行わないようにすることができるが、エンジンの出力制限を基本としているため、エンジンの出力と電動・発電機のアシスト出力の使用割合を制御できず、エンジンの最大トルクとエンジンの実トルクとの差分によるフィードバック制御を行っていることから、電力収支については制御することができないという問題もある。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、電力収支を維持しつつ、作業負荷の変動に対する制御応答性を高めることができるハイブリッド建設機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のハイブリッド建設機械は、上部旋回体と、
前記上部旋回体を旋回自在に支持する下部走行体と、
前記上部旋回体の内部に収容されるエンジンと、
前記エンジンの出力を制御するエンジン制御指令装置と、
前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプからの作動油により作動される油圧アクチュエータと、
力行時に前記エンジンの駆動をアシストし、回生時に発電する電動発電機と、
前記電動発電機が発電した電力を充電又は放電するバッテリと、
前記電動発電機の出力を制御するインバータと、
制御指令を生成し、当該制御指令を前記インバータを介して前記電動発電機に発信する電動発電機制御指令装置と、を備え、
前記電動発電機制御指令装置は、前記エンジンの目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との差分である負荷率偏差に基づいて前記制御指令を生成する制御指令生成部と、
前記エンジンの目標エンジン回転数と実エンジン回転数との差分である回転数偏差に基づいて前記負荷率偏差を補正する制御指令補正部と、を備えるものである。
【０００９】
本発明において、前記制御指令補正部は、前記回転数偏差に基づいて負荷率補正値を算出し、前記負荷率補正値を前記実エンジン負荷率に加算するものでもよい。
【００１０】
本発明において、前記エンジン制御指令装置は、エンジン負荷の増加に伴ってエンジン回転数を低下させるドループカーブに基づく制御指令を前記エンジンに発信し、
前記制御指令補正部は、前記ドループカーブと前記実エンジン負荷率により算出されたエンジン回転数を前記目標エンジン回転数として用い、前記回転数偏差を求めるものでもよい。
【００１１】
本発明において、前記電動発電機制御指令装置は、前記エンジン制御指令装置からのエンジン停止信号を受信すると、前記電動発電機に回生トルクを発生させるような制御指令を生成するものでもよい。
【００１２】
本発明によれば、目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との差分である負荷率偏差に基づいて、電動発電機の出力を制御するための制御指令を生成しているので、エンジンの制御のみで、エンジンの出力と電動発電機のアシスト出力の使用割合を制御できることから、作業負荷の変動に対する制御応答性がよい。また、エンジンの制御により、電動発電機の回生を制御することができることから、電力収支を維持しつつ、作業負荷の変動に対する制御応答性を高めることができる。また、本発明では、電動発電機の出力を制御するための負荷率偏差が、実エンジン負荷率が目標エンジン負荷率の近傍になることで小さくなったとしても、目標エンジン回転数と実エンジン回転数との差分である回転数偏差に基づいて負荷率偏差を補正しているため、電動発電機の出力を適切に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係るバックホーを示す側面図である。
【図２】本実施形態に係るバックホーを示す平面図である。
【図３】バックホーに搭載される油圧回路及び電気回路を示す図である。
【図４】コントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。
【図５】エンジンの制御態様を示す性能曲線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
まず、図１を参照しながら、ハイブリッド建設機械の一例としてのバックホー１の概略構造について説明する。バックホー１は、下部走行体１１と、作業機１２と、上部旋回体１３とを備える。
【００１６】
下部走行体１１は、上部旋回体１３の内部に収容されるエンジン２からの動力を受けて駆動し、バックホー１を走行させる。下部走行体１１は、左右一対のクローラ１１ａ，１１ａ及び左右一対の走行モータ１１ｂ，１１ｂを備える。油圧モータである左右の走行モータ１１ｂ，１１ｂが左右のクローラ１１ａ，１１ａをそれぞれ駆動することでバックホー１の前後進を可能としている。また、下部走行体１１には、ブレード１１ｃ、及びブレード１１ｃを上下方向に回動させるためのブレードシリンダ１１ｄが設けられている。
【００１７】
作業機１２は、エンジン２からの動力を受けて駆動し、土砂等の掘削作業を行うものである。作業機１２は、ブーム１２ａ、アーム１２ｂ、及びバケット１２ｃを備え、これらを独立して駆動することによって掘削作業を可能としている。ブーム１２ａ、アーム１２ｂ、及びバケット１２ｃは、それぞれ作業部に相当し、バックホー１は、複数の作業部を有する。
【００１８】
ブーム１２ａは、一端部が上部旋回体１３の前部に支持されて、伸縮自在に可動するブームシリンダ１２ｄによって回動される。また、アーム１２ｂは、一端部がブーム１２ａの他端部に支持されて、伸縮自在に可動するアームシリンダ１２ｅによって回動される。そして、バケット１２ｃは、一端部がアーム１２ｂの他端部に支持されて、伸縮自在に可動するバケットシリンダ１２ｆによって回動される。
【００１９】
上部旋回体１３は、下部走行体１１に対して旋回ベアリング（図示しない）を介して旋回可能に構成されている。上部旋回体１３には、キャビン１３１、ボンネット１３２、カウンタウェイト１３３、旋回モータ１３４、エンジン２等が配置されている。旋回モータ１３４の駆動力で上部旋回体１３が旋回ベアリング（図示しない）を介して旋回する。また、上部旋回体１３には、エンジン２により駆動される電動発電機３及び油圧ポンプ４が配設される。油圧ポンプ４が、各油圧モータや各シリンダに作動油を供給する。
【００２０】
キャビン１３１には、運転席１３１ａが配置されている。運転席１３１ａの左右に一対の作業操作レバー（図示していない）、前方に一対の走行レバー１３１ｂ，１３１ｂが配置されている。オペレータは、運転席１３１ａに着座して作業操作レバー、走行レバー１３１ｂ，１３１ｂ等を操作することによって、エンジン２、各油圧モータ、各油圧シリンダ等の制御を行い、走行、旋回、作業等を行うことができる。
【００２１】
上部旋回体１３の後端部には、ボンネット１３２とカウンタウェイト１３３が上下に配設されている。カウンタウェイト１３３は、上部旋回体１３の後端部に立設され、エンジン２を覆う。ボンネット１３２は、カウンタウェイト１３３の上端部から上方へ延びてキャビン１３１の後壁下端部に達し、カウンタウェイト１３３とともにエンジン２を覆っている。上部旋回体１３の後端部は、平面視で円弧状に形成されており、ボンネット１３２とカウンタウェイト１３３は、上部旋回体１３の後端部に沿わせて湾曲して形成されている。本実施形態のバックホー１は、いわゆる後方小旋回型となっている。
【００２２】
次に、バックホー１に搭載される油圧回路及び電気回路の構成を説明する。エンジン２は、クランクシャフトが上部旋回体１３の左右方向に配置された、いわゆる横置きのエンジンであり、運転席１３１ａの下方に配置されている。また、エンジン２は、平面視で上部旋回体１３の後部中央に配置されている。
【００２３】
エンジン２は、エンジン制御指令装置として機能するエンジンＥＣＵ２１を備える。エンジンＥＣＵ２１は、エンジン回転数の制御やその他種々の制御を行うためのものである。エンジンＥＣＵ２１には、アクセルダイヤル６１が電気的に接続されており、アクセルダイヤル６１から入力された電気信号に基づいて制御信号を作成する。アクセルダイヤル６１は、エンジンＥＣＵ２１へエンジン２の目標エンジン回転数を指示する指示装置である。また、エンジンＥＣＵ２１は、エンジン２の実際の回転数（実エンジン回転数という）を検出できる。
【００２４】
オペレータは、アクセルダイヤル６１を操作することによってエンジン２のエンジン回転数を設定する。アクセルダイヤル６１で設定されたエンジン回転数（設定エンジン回転数という）がエンジン２の目標エンジン回転数としてエンジンＥＣＵ２１へ指示される。アクセルダイヤル６１は、エンジンＥＣＵ２１を介してエンジン２に電気的に接続されており、エンジンＥＣＵ２１は、アクセルダイヤル６１からの電気信号に基づいて制御信号を作成するとともに、作成した制御信号をエンジン２に出力する。すなわち、エンジンＥＣＵ２１は、エンジン２の出力を制御する装置であり、エンジンＥＣＵ２１は、オペレータによるアクセルダイヤル６１の操作に基づいてエンジン２のエンジン回転数の制御を行なうことができる。
【００２５】
また、エンジンＥＣＵ２１は、エンジン２の任意のエンジン回転数での最大出力に対する比率であるエンジン負荷率を算出することができる。通常、油圧ポンプ４はエンジン２で駆動されているため、作業内容によってエンジン負荷率は変動する。エンジン負荷率は、種々の方法によって算出され得るが、例えば、エンジン回転数と燃料噴射量との関係を用いて算出される。エンジン負荷率は、例えば、エンジンＥＣＵ２１の記憶部に予め記憶しているエンジン回転数と燃料噴射量との関係を用いて算出される。即ち、エンジンＥＣＵ２１は、実エンジン回転数及び前記エンジン回転数と燃料噴射量との関係から、当該実エンジン回転数における最大燃料噴射量及び無負荷燃料噴射量を得る。そして、エンジンＥＣＵ２１は、最大燃料噴射量及び無負荷燃料噴射量間の偏差に対する、実際の燃料噴射量及び無負荷燃料噴射量間の偏差の比率を、実際のエンジン負荷率（実エンジン負荷率に相当する）として算出することができる。また、目標エンジン負荷率は、目標エンジン回転数に対応して予め設定されている。目標エンジン負荷率は、例えば５０〜９５％である。
【００２６】
電動発電機３は、エンジン２のクランクシャフトの一端側に接続されている。電動発電機３は、モータジェネレータとも呼ばれ、回生時には発電機として作動し、かつエンジン２の駆動トルクをアシストする必要がある時には電動機として作動する。電動発電機３は、インバータ／コンバータ３１を介して電動発電機制御指令装置５により制御される。
【００２７】
電動発電機３は、インバータ／コンバータ３１を介してバッテリ３２に接続されている。バッテリ３２は、電動発電機３で生じた回生エネルギーを蓄電し、かつ電動発電機３へ駆動エネルギーを供給する。バッテリ３２は、図２に示すようにキャビン１３１の右側に配置されている。
【００２８】
インバータ／コンバータ３１は、電動発電機３及びバッテリ３２を制御する。インバータ／コンバータ３１は、電動発電機制御指令装置５からのアシスト指令に基づいて、バッテリ３２の電力を放電して電動発電機３を駆動させ、エンジン２の出力をアシストする。また、インバータ／コンバータ３１は、電動発電機制御指令装置５からの充電指令に基づいて、電動発電機３が発電した電力をバッテリ３２に充電する。
【００２９】
油圧ポンプ４は、電動発電機３に接続されている。油圧ポンプ４は、複数設けられてもよい。油圧ポンプ４には、コントロールバルブ４１が接続されている。コントロールバルブ４１は、油圧ポンプ４から各油圧アクチュエータ４２（走行モータ１１ｂ，１１ｂ、ブームシリンダ１２ｄ、アームシリンダ１２ｅ、バケットシリンダ１２ｆ等）へ供給される作動油の向き及び流量を切り換えるものである。
【００３０】
電動発電機制御指令装置５は、インバータ３１ａに対して、電動発電機３の出力を制御するための制御指令を出力する。本実施形態では、電動発電機制御指令装置５は、電動発電機３の出力トルクを指令値として出力する。
【００３１】
電動発電機制御指令装置５は、エンジン２の目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との差分である負荷率偏差に基づいて制御指令を生成する制御指令生成部５１と、エンジン２の目標エンジン回転数と実エンジン回転数との差分である回転数偏差に基づいて負荷率偏差を補正する制御指令補正部５２と、を備える。
【００３２】
制御指令補正部５２は、演算部５２ａで目標エンジン回転数から実エンジン回転数を減じて、回転数偏差を算出する。さらに、制御指令補正部５２は、エンジン負荷率補正値算出部５２ｂを含み、エンジン負荷率補正値算出部５２ｂで回転数偏差に対してゲインをかけて負荷率補正値を算出し、演算部５２ｃで負荷率補正値を実エンジン負荷率に加算することで、補正後実エンジン負荷率を算出する。目標エンジン回転数、実エンジン回転数、実エンジン負荷率は、エンジンＥＣＵ２１から電動発電機制御指令装置５へ入力される。
【００３３】
制御指令生成部５１は、演算部５１ａで目標エンジン負荷率から補正後実エンジン負荷率を減じて、負荷率偏差を算出する。すなわち、制御指令補正部５２は、回転数偏差に基づいて負荷率偏差を補正することができる。なお、目標エンジン負荷率は、エンジンＥＣＵ２１から電動発電機制御指令装置５へ入力されてもよく、エンジンＥＣＵ２１から入力された目標エンジン回転数に応じて電動発電機制御指令装置５によって設定されてもよい。
【００３４】
さらに、制御指令生成部５１は、電動発電機出力算出部５１ｂを含み、電動発電機出力算出部５１ｂは、負荷率偏差に対して比例ゲインをかけた値と、負荷率偏差に対して積分ゲインをかけた値を積分した値との和によって、電動発電機３の出力トルクを算出する。電動発電機出力算出部５１ｂは、算出した出力トルクを指令値として充放電制御部５３を介してインバータ３１ａに出力する。
【００３５】
目標エンジン負荷率が補正後実エンジン負荷率よりも大きいとき、すなわち、エンジン２の出力に余裕があるとき、電動発電機制御指令装置５は、電動発電機３が発電した電力をバッテリ３２に充電するようにインバータ３１ａを介して電動発電機３に制御指令を発信する。目標エンジン負荷率が補正後実エンジン負荷率よりも大きいとき、電動発電機出力算出部５１ｂで算出される出力トルクは正となるため、本実施形態では正の出力トルクが回生側の出力トルクである。
【００３６】
一方、目標エンジン負荷率が補正後実エンジン負荷率よりも小さいとき、すなわち、エンジン２の出力が不足しているとき、電動発電機制御指令装置５は、バッテリ３２の電力を放電して電動発電機３を駆動させるようにインバータ３１ａを介して電動発電機３に制御指令を発信する。目標エンジン負荷率が補正後実エンジン負荷率よりも小さいとき、電動発電機出力算出部５１ｂで算出される出力トルクは負となるため、本実施形態では負の出力トルクが力行側の出力トルクである。
【００３７】
本実施形態の制御指令補正部５２では、電動発電機３の出力を制御するための負荷率偏差が、実エンジン負荷率が目標エンジン負荷率の近傍になることで小さくなったとしても、目標エンジン回転数と実エンジン回転数との差分である回転数偏差に基づいて負荷率偏差を補正しているため、電動発電機３の出力を適切に制御することができる。
【００３８】
また、作業負荷が大きく、実エンジン負荷率が１００％となり、かつ実エンジン回転数が低下するような場合、仮に高い目標エンジン負荷率（例えば９５％）で制御しようとすると負荷率偏差が小さい（−５％）ため、電動発電機出力算出部５１ｂで算出される出力トルクが小さくなり、電動発電機３の十分な力行トルクが得られない可能性がある。本実施形態では、回転数偏差に基づいて実エンジン負荷率を仮想的に１００％以上にすることで、算出される出力トルクが大きくなり、十分な力行トルクを得ることができるようになる。
【００３９】
ところで、エンジン２の回転を制御する方法として、アイソクロナス制御及びドループ制御が知られている。アイソクロナス制御は、負荷の変動にかかわらずエンジン回転数を一定に維持するものであり、ドループ制御は、負荷の増加に伴ってエンジン回転数を減少させるものである。図５は、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷として表した性能曲線図である。
【００４０】
図５に示す例は、アイソクロナス制御とドループ制御を組み合わせた制御であり、この例では、エンジン負荷が所定値Ｌｘ以下の範囲では、エンジン回転数を一定値Ｎｘ（設定エンジン回転数）に保持するようにアイソクロナス制御が行われる。一方、エンジン負荷が所定値Ｌｘを上回ると、エンジン負荷の増加に伴ってエンジン回転数を一定割合で減少させるようにドループ制御が行われる。本実施形態では、エンジンＥＣＵ２１は、エンジン負荷の増加に伴ってエンジン回転数を低下させるドループカーブａに基づく制御指令をエンジン２に発信するように構成されている。
【００４１】
このようなドループ制御が行われるエンジン２において、制御指令補正部５２は、ドループカーブａと実エンジン負荷率（図５ではエンジン負荷Ｌａ）により算出されたエンジン回転数Ｎａを目標エンジン回転数として用い、回転数偏差を求めるようにしてもよい。ドループ制御によりエンジン負荷の増加に伴ってエンジン回転数が低下されると、電動発電機制御指令装置５は、ドループ制御により生じた回転数偏差に基づいて負荷率偏差を補正し、エンジン２の出力をアシストするように電動発電機３を制御しようとする。本実施形態のようにドループ制御による実エンジン回転数の低下に応じて目標エンジン回転数を設定することにより、ドループ制御により生じた回転数偏差に基づいて電動発電機３がアシストすることを防ぐことができるため、燃費の改善に繋がる。
【００４２】
また、電動発電機制御指令装置５は、エンジンＥＣＵ２１からエンジン停止状態を表す信号を受信すると、電動発電機３に回生トルクを発生させるような制御指令を生成するようにしてもよい。より具体的には、電動発電機制御指令装置５に含まれる充放電制御部５３が、回生側の出力トルクを指令値としてインバータ３１ａに出力する。これにより、回生量を増加させるとともに、エンジン２を素早く停止させることができる。
【００４３】
［他の実施形態］
制御指令補正部５２は、回転数偏差に対してゲインをかけてトルク増分を推定し、エンジントルクを再計算して補正後実エンジン負荷率を算出するようにしてもよい。補正後実エンジン負荷率［％］は、補正後実エンジン負荷率＝（実トルク＋トルク増分）／最大トルク×１００の計算で求められる。ただし、最大トルク［Ｎｍ］は、定格トルクカーブに実エンジン回転数を当てはめることで求められ、実トルク［Ｎｍ］は、実トルク＝最大トルク×実エンジン負荷率／１００の計算で求められる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１      バックホー
１１      下部走行体
１３      上部旋回体
２      エンジン
３      電動発電機
４      油圧ポンプ
５      電動発電機制御指令装置
２１      エンジンＥＣＵ
３１ａ    インバータ
３２      バッテリ
５１      制御指令生成部
５１ｂ    電動発電機出力算出部
５２      制御指令補正部
５２ｂ    エンジン負荷率補正値算出部
【図１】
2020032752.tif 000003
【図２】
2020032752.tif 000004
【図３】
2020032752.tif 000005
【図４】
2020032752.tif 000006
【図５】
2020032752.tif 000007