(57)【要約】【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２と、エンジン２により駆動される油圧ポンプ４と、油圧ポンプ４からの作動油により作動される油圧アクチュエータ４２と、力行時にエンジン２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３２と、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偏差に基づいて電動発電機３の力行と回生を制御するインバータ３１ａと、を備え、前記目標エンジン負荷率は、エンジン２の出力トルクと電動発電機３の出力トルクから算出される外部負荷トルクに基づいて設定される。【選択図】図４
2020029237.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偏差に基づいて前記電動発電機の力行と回生を制御するインバータと、を備え、
前記目標エンジン負荷率は、前記エンジンの出力トルクと前記電動発電機の出力トルクから算出される外部負荷トルクに基づいて設定される、ハイブリッド建設機械。
【請求項２】
前記外部負荷トルクが第１規定値よりも大きいとき、前記目標エンジン負荷率は、第１設定値から前記第１設定値よりも低い第２設定値に設定される、請求項１に記載のハイブリッド建設機械。
【請求項３】
前記外部負荷トルクが第２規定値よりも小さいとき、前記目標エンジン負荷率は、第３設定値から前記第３設定値よりも高い第４設定値に設定される、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】
前記目標エンジン負荷率は、目標エンジン回転数に応じて設定される、請求項１〜３の何れかに記載のハイブリッド建設機械。
【請求項５】
前記目標エンジン負荷率は、前記バッテリの蓄電量に対応する値に応じて設定される、請求項１〜４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偏差に基づいて前記電動発電機の力行と回生を制御するインバータと、を備え、
前記目標エンジン負荷率は、前記エンジンの出力トルクと前記電動発電機の出力トルクから算出される外部負荷トルクに基づいて設定されるものである。
【０００９】
本発明において、前記外部負荷トルクが第１規定値よりも大きいとき、前記目標エンジン負荷率は、第１設定値から前記第１設定値よりも低い第２設定値に設定されるものでもよい。
【００１０】
本発明において、前記外部負荷トルクが第２規定値よりも小さいとき、前記目標エンジン負荷率は、第３設定値から前記第３設定値よりも高い第４設定値に設定されるものでもよい。
【００１１】
本発明において、前記目標エンジン負荷率は、目標エンジン回転数に応じて設定されるものでもよい。
【００１２】
本発明において、前記目標エンジン負荷率は、前記バッテリの蓄電量に対応する値に応じて設定されるものでもよい。
【００１３】
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偏差に基づいて、電動発電機の力行と回生を制御するため、エンジンの制御のみで、エンジンの出力と電動発電機の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、本発明によれば、外部負荷トルクに基づいて設定される目標エンジン負荷率と実エンジン負荷率との偏差に基づいて、電動発電機の力行と回生が制御されるため、エンジンの負荷状態に適した電動発電機の力行と回生を効率的に行うことができる。したがって、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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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】ハイブリッド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】目標エンジン負荷率を算出するための２次元マップである。
【図６Ａ】エンジン及び電動発電機の制御の一例を示すグラフである。
【図６Ｂ】エンジン及び電動発電機の制御の一例を示すグラフである。
【図７】目標エンジン負荷率の下限値を設定するためのテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
エンジン２は、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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を介してハイブリッドコントローラ５により制御される。
【００２８】
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。
【００２９】
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、ハイブリッドコントローラ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、ハイブリッドコントローラ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。
【００３０】
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。
【００３１】
ハイブリッドコントローラ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、ハイブリッドコントローラ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。電動発電機３の出力トルクは、力行の出力トルク又は回生の出力トルクであり、回生の出力トルクを正、力行の出力トルクを負と定義する。
【００３２】
ハイブリッドコントローラ５は、エンジン２の出力トルクを算出するエンジン出力トルク算出部５１を備えている。エンジン出力トルク算出部５１は、エンジンＥＣＵ２１から入力される実エンジン回転数、エンジン２の定格トルクカーブ、及び実エンジン負荷率に基づいて、エンジン２の出力トルクを算出する。エンジン２の出力トルクは、エンジン２の出力トルク［Ｎｍ］＝実エンジン回転数での定格トルク［Ｎｍ］（定格トルクカーブから求められる実エンジン回転数での定格トルク）×実エンジン負荷率［％］／１００の計算で算出される。
【００３３】
ハイブリッドコントローラ５は、外部負荷トルクを算出する外部負荷トルク算出部５２を備えている。外部負荷トルクは、エンジン２の出力トルクと電動発電機３の出力トルクから算出される。エンジン２の出力トルクは、エンジン出力トルク算出部５１から入力され、電動発電機３の出力トルクは、後述する出力制御部５４から入力される。外部負荷トルクは、外部負荷トルク［Ｎｍ］＝エンジン２の出力トルク［Ｎｍ］−電動発電機３の出力トルク［Ｎｍ］の計算で算出される。なお、前述のように電動発電機３の出力トルクは、回生側を正、力行側を負と定義しているため、回生時の外部負荷トルクはエンジン２の出力よりも小さく、力行時の外部負荷トルクはエンジン２の出力よりも大きくなる。
【００３４】
ハイブリッドコントローラ５は、目標エンジン負荷率を算出する目標エンジン負荷率算出部５３を備えている。目標エンジン負荷率は、外部負荷トルクと目標エンジン回転数から算出される。外部負荷トルクは、外部負荷トルク算出部５２から入力され、目標エンジン回転数は、エンジンＥＣＵ２１から入力される。目標エンジン負荷率は、例えば、外部負荷トルク及び目標エンジン回転数を入力とした２次元マップにより算出される。２次元マップは、ハイブリッドコントローラ５に格納されている。
【００３５】
ハイブリッドコントローラ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偏差に基づいて制御指令を生成する出力制御部５４を備えている。より具体的には、出力制御部５４は、目標エンジン負荷率から実エンジン負荷率を減じて負荷率偏差を算出し、算出した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。目標エンジン負荷率は、目標エンジン負荷率算出部５３から入力され、実エンジン負荷率は、エンジンＥＣＵ２１から入力される。出力制御部５４は、算出した電動発電機３の出力トルクを指令値としてインバータ３１ａに出力する。
【００３６】
目標エンジン負荷率が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、ハイブリッドコントローラ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実エンジン負荷率よりも大きいとき、出力制御部５４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の出力トルクである。
【００３７】
一方、目標エンジン負荷率が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、ハイブリッドコントローラ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実エンジン負荷率よりも小さいとき、出力制御部５４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の出力トルクである。
【００３８】
ここで、目標エンジン負荷率の設定方法について説明する。前述のように、目標エンジン負荷率は、外部負荷トルク及び目標エンジン回転数を入力とした２次元マップにより算出される。この２次元マップの一例を図５に示す。図５のように、外部負荷トルクが大きい場合（１５０Ｎｍ及び２００Ｎｍ）には目標エンジン負荷率を低く、外部負荷トルクが小さい場合（０Ｎｍ及び５０Ｎｍ）には目標エンジン負荷率を高く設定されている。
【００３９】
また、目標エンジン負荷率は、目標エンジン回転数に応じて設定されており、目標エンジン回転数が低い場合には目標エンジン負荷率を低く、目標エンジン回転数が高い場合には目標エンジン負荷率を高く設定されている。エンジン回転数によって燃費のよいエンジン負荷率があるため、エンジン回転数に応じたエンジン負荷率の適切な設定により、燃費の改善効果が得られる。低回転時であっても作業負荷と充放電収支のバランスが可能であり、連続作業を可能とする。
【００４０】
図６Ａ及び図６Ｂは、エンジン２及び電動発電機３の制御の一例を示すグラフである。
【００４１】
図６Ａに示すように、外部負荷トルクが第１規定値Ｔ１よりも大きいとき、目標エンジン負荷率は、第１設定値Ｌ１から第１設定値Ｌ１よりも低い第２設定値Ｌ２に設定される。外部負荷が高いときに目標エンジン負荷率を低く設定することにより、外部負荷に対する応答を相対的に応答速度の遅い電動発電機３ではなく、負荷に余裕のあるエンジン２の回転ガバニング（回転数の調整）を主体とすることから、作業負荷に対する制御応答性を高めることができる。また、目標エンジン負荷率を低く設定することで、実エンジン負荷率がそれほど高くない状態から電動発電機３によるアシストが可能となる。
【００４２】
一方、図６Ｂに示すように、外部負荷トルクが第２規定値Ｔ２よりも小さいとき、目標エンジン負荷率は、第３設定値Ｌ３から第３設定値Ｌ３よりも高い第４設定値Ｌ４に設定される。外部負荷が低いときに目標エンジン負荷率を高く設定することにより、エンジン２の出力を最大限充電の促進に活かすことができるため、バッテリ３２の電力収支を維持することができる。
【００４３】
また、目標エンジン負荷率は、バッテリ３２の蓄電量に対応する値に応じて設定されてもよい。例えば、目標エンジン負荷率の下限値が、図７に示すようなバッテリ３２の電圧を入力としたテーブルにより設定される。バッテリ３２の電圧が高い場合（４００Ｖ以上）、目標エンジン負荷率の下限値を０％としており、これは目標エンジン負荷率の下限値が制限されていない状態である。そのため、バッテリ３２の電圧が高い場合には、図５に示す２次元マップにより算出された目標エンジン負荷率が用いられる。
【００４４】
一方、バッテリ３２の電圧が４００Ｖから低くなるにつれて目標エンジン負荷率の下限値を０％から上げていき、バッテリ３２の電圧が３５０Ｖまで下がると目標エンジン負荷率の下限値を８０％とし、バッテリ３２の電圧が低い場合（３５０Ｖ以下）、目標エンジン負荷率の下限値を８０％に制限している。そのため、バッテリ３２の電圧が低い場合、図５に示す２次元マップにより算出された目標エンジン負荷率が８０％よりも低くても、目標エンジン負荷率を８０％に設定する。これにより、バッテリ３２の蓄電量が低下した場合には、目標エンジン負荷率の下限値を上げて、充電を促進させることができる。
【００４５】
［他の実施形態］
前述の実施形態では、バッテリ３２の蓄電量に対応する値として、バッテリ３２の電圧を用いているが、バッテリ３２のＳＯＣ（Ｓｔａｔｕｓ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を用いてもよい。
【００４６】
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】
【００４７】
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      ハイブリッドコントローラ
２１      エンジンＥＣＵ
３１ａ    インバータ
３２      バッテリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
2020029237.tif 000008
【図６Ｂ】
2020029237.tif 000009
【図７】
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