(57)【要約】【課題】蓄電装置の劣化状態に合わせて蓄電装置の設定電圧を調整することで蓄電装置の劣化を抑制するハイブリッド型建設機械制御方法とハイブリッド型建設機械を提供する。【解決手段】油圧アクチュエータを駆動する際に蓄電装置から電力供給される電動機を協調駆動させるハイブリッド型建設機械における蓄電装置の設定電圧を制御するハイブリッド型建設機械制御方法において、前記蓄電装置の実電圧を計測してハイブリッド型建設機械の初期状態における前記実電圧の電圧変動と、動作後の前記実電圧の電圧変動とから劣化率を算出し、ハイブリッド型建設機械の稼働電圧と動作後の前記実電圧の電圧変動とから調整係数を算出し、基準電圧と調整係数とから新たな設定電圧を算出する。【選択図】図１
2014042407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧アクチュエータを駆動する際に蓄電装置から電力供給される電動機を協調駆動させるハイブリッド型建設機械における蓄電装置の設定電圧を制御するハイブリッド型建設機械制御方法において、
前記蓄電装置の実電圧を計測して
ハイブリッド型建設機械の初期状態における前記実電圧の電圧変動と、動作後の前記実電圧の電圧変動とから劣化率を算出し、
ハイブリッド型建設機械の稼働電圧と動作後の前記実電圧の電圧変動とから調整係数を算出し、
基準電圧と調整係数とから新たな設定電圧を算出するハイブリッド型建設機械制御方法。
【請求項２】
設定電圧以下の電圧変動による最低実電圧が稼働電圧下限を下回る場合は、前記最低実電圧が稼働電圧下限を上回るように調整係数を算出することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド型建設機械制御方法。
【請求項３】
設定電圧以下の電圧変動による最高実電圧が定格電圧上限を上回る場合は、前記最高実電圧が定格電圧上限を下回るように調整係数を算出することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド型建設機械制御方法。
【請求項４】
油圧アクチュエータを駆動する際に蓄電装置から電力供給される電動機を協調駆動させ、蓄電装置の設定電圧を制御するハイブリッド型建設機械において、
前記蓄電装置の実電圧を計測して
ハイブリッド型建設機械の初期状態における前記実電圧の電圧変動と、動作後の前記実電圧の電圧変動とから劣化率を算出し、
ハイブリッド型建設機械の稼働電圧と動作後の前記実電圧の電圧変動とから調整係数を算出し、
基準電圧と調整係数とから新たな設定電圧を算出するハイブリッド型建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械或いは農業機械などの作業機械のうち、特に電動機とエンジンを動力とするハイブリッド型建設機械において使用されるキャパシタ或いはコンデンサ（以下蓄電池とする）のハイブリッド型建設機械制御方法とハイブリッド型建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
建設機械或いは農業機械等の作業機械における省エネルギ対策の一つとして、従来では熱として排出していたエネルギ、例えば油圧ショベルの旋回停止時の慣性エネルギ、或いはクレーン装置における巻き下げ時の位置エネルギ等を電気エネルギに変換蓄積し、起動時に再利用する方法が一般的となりつつある。このようなエネルギ回生を目的とした従来技術を特許文献１に示す。
【０００３】
特許文献１では、蓄電装置の電圧をある設定電圧に一定に保つ方法が記載されている。
【０００４】
また、非特許文献１は、電子部品及び電子機器業界全体での安全性向上を図るために制定されたＪＥＩＴＡ  ＲＣＲ−１００１Ａに基づいて社団法人電子情報技術産業会が作成したものであり、実施例の説明のために記載したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−３６１１１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】電子情報技術産業協会規格ＪＥＩＴＡ  ＲＣＲ−２３７０Ｃ「電気二重層コンデンサの使用上の注意事項ガイドライン（電気二重層コンデンサの安全アプリケーションガイド）」６．２．３  印加電圧
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１では蓄電装置の劣化に伴い増大するシステム駆動時の電圧変動でも蓄電装置の電圧がシステム稼働電圧以下とならないような電圧となるように設定電圧を設定する必要があり、劣化初期段階では、必要以上に設定電圧を高くすることとなり、蓄電装置の電圧負荷を増大させて劣化を促進させていた。
【０００８】
従って、本発明の目的は、以上の課題を解決するためになされたもので、蓄電装置の劣化状態に合わせて蓄電装置の設定電圧を調整することで蓄電装置の劣化を抑制するハイブリッド型建設機械制御方法とハイブリッド型建設機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するために、本発明に係るハイブリッド型建設機械制御方法は、油圧アクチュエータを駆動する際に蓄電装置から電力供給される電動機を協調駆動させるハイブリッド型建設機械における蓄電装置の設定電圧を制御するハイブリッド型建設機械制御方法において、前記蓄電装置の実電圧を計測してハイブリッド型建設機械の初期状態における前記実電圧の電圧変動と、動作後の前記実電圧の電圧変動とから劣化率を算出し、ハイブリッド型建設機械の稼働電圧と動作後の前記実電圧の電圧変動とから調整係数を算出し、基準電圧と調整係数とから新たな設定電圧を算出する。
【００１０】
さらに、設定電圧以下の電圧変動による最低実電圧が稼働電圧下限を下回る場合は、前記最低実電圧が稼働電圧下限を上回るように調整係数を算出してもよい。
【００１１】
また、設定電圧以下の電圧変動による最高実電圧が定格電圧上限を上回る場合は、前記最高実電圧が定格電圧上限を下回るように調整係数を算出してもよい。
【００１２】
一方、前記の課題を解決する本発明に係るハイブリッド型建設機械は、油圧アクチュエータを駆動する際に蓄電装置から電力供給される電動機を協調駆動させ、蓄電装置の設定電圧を制御するハイブリッド型建設機械において、前記蓄電装置の実電圧を計測してハイブリッド型建設機械の初期状態における前記実電圧の電圧変動と、動作後の前記実電圧の電圧変動とから劣化率を算出し、ハイブリッド型建設機械の稼働電圧と動作後の前記実電圧の電圧変動とから調整係数を算出し、基準電圧と調整係数とから新たな設定電圧を算出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るハイブリッド型建設機械制御方法とハイブリッド型建設機械を採用することで、本発明に係る蓄電装置の劣化に伴い増大するシステム駆動時の電圧変動でも蓄電装置の電圧がシステム稼働電圧以下とならないような電圧となるように設定電圧に設定することができ、劣化初期段階では、必要にして十分な設定電圧とすることができ、蓄電装置の電圧負荷を軽減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るハイブリッド型建設機械における実施例の油圧回路を含むシステム構成図である。
【図２】本発明に係るハイブリッド型建設機械における実施例の電気制御ユニットＥＣＵの構成図である。
【図３】本発明に係るハイブリッド型建設機械に電動機出力電圧と蓄電装置出力電圧と時間との関係についての電圧変動率についてのグラフである。
【図４】非特許文献１に記載の従来の電気二重層コンデンサの電圧印加条件による電気特性を示すグラフである。
【図５】本発明に係るハイブリッド型建設機械における実施例のハイブリッド型建設機械制御方法による演算指令プログラム３２の工程を示すフローチャートである。
【図６】本発明に係るハイブリッド型建設機械における実施例の電圧変動と電動機出力（Ｐｍ）の関係を示すグラフである。
【図７】本発明に係るハイブリッド型建設機械における実施例の調整係数（α）と電圧劣化率（Ｋ）の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１〜３，５〜７を用いて、本発明に係るハイブリッド型建設機械の構成と動作について説明する。先に構成について説明し、おって動作について説明する。
【００１６】
図１に示される本発明に係るハイブリッド型建設機械における実施例の油圧回路を含むシステム構成図を用いて構成について説明する。同図においては、建設機械の図示しない上部旋回体を駆動する油圧アクチュエータとしての油圧モータＨｍとそれに関係する油圧駆動回路を例示する同図において上部旋回体１０は、減速ユニット１１とギヤユニット１３を介して油圧モータＨｍおよび電動機Ｅｍに結合されている。前記電動機Ｅｍにはインバータ１２が結合されその相捲線へ所定の電流が流れるように構成される。
【００１７】
インバータ１２は、電動機Ｅｍの出力と蓄電装置の電圧を電気制御ユニットＥＣＵに送信する機能を備えている。
【００１８】
参照符号１４は、建設機械に搭載された蓄電装置であって、例えばキャパシタから構成され、その検出電圧Ｖａｃｔが電気制御ユニットＥＣＵに与えられている。電気制御ユニットＥＣＵには蓄電装置の検出電圧Ｖａｃｔの他に電動機Ｅｍの出力トルクであるＰｍも与えられている。また、電気制御ユニットＥＣＵはトルク指令Ｔｒ算出して、そのトルク指令Ｔｒをインバータ１２に供給している。
【００１９】
参照符号１６は、前記油圧モータＨｍと並列に連結される連通弁１８とからなる油圧モータユニットである。油圧モータＨｍの圧油の給廃用ポートＡ，Ｂは流路ＬＡ、ＬＢを介して切換弁２０と接続されている。
【００２０】
切換弁２０は、図示されない操縦桿からのパイロット操作圧信号が流路を介して接続されている。油圧モータＨｍに供給される圧油を発生するポンプ２２は可変容量型ポンプであり、エンジンＥＧにより駆動されるように構成される。ポンプ２２は一方が切換弁２０と連結され、他方はタンクＴと連結される。
【００２１】
電気制御ユニットＥＣＵについて、本発明に係るハイブリッド型建設機械における実施例の電気制御ユニットＥＣＵの構成図である図２を用いて説明する。同図において、参照符号２４はアナログ／デジタル変換部（以下Ａ／Ｄ変換部と称する）であって、電動機Ｅｍの出力トルクＰｍ、蓄電装置１４の出力Ｖａｃｔが入力されている。電気制御ユニットＥＣＵは、さらにインバータ１２から受信した電動機Ｅｍの出力と蓄電装置１４の電圧から蓄電装置１４の劣化状態を推測する演算装置の機能を有し、演算結果による劣化状態の推定値から蓄電装置１４の設定電圧を調整する制御装置の機能を有する。
【００２２】
参照符号２６はデータメモリであって、その所定メモリ区画には検出された前記信号Ｐｍ，Ｖａｃｔがデジタル値として記録され、一定の周期で最新の値に更新される。データメモリ２６にはまた、電気制御ユニットＥＣＵ内部で演算された蓄電装置１４の定格電圧であるＶｂ，設定電圧Ｖｓｅｔ、蓄電装置電圧の最高値であるＶｈ、蓄電装置電圧の最低値であるＶｌ、初期状態における電圧劣化率Ｋと、初期劣化状態における電圧変動Ｖｏ、調整係数α等のメモリ区画が設けられている。
【００２３】
参照符号２８は中央演算処理装置（以下ＣＰＵと称する）、参照符号３２はＣＰＵ２８に対する演算指令用プログラムを記憶しているプログラムメモリである。参照符号３０はデジタル／アナログ変換部（以下Ｄ／Ａ変換部と称する）であって、データメモリ２６内の設定電圧Ｖｓｅｔ、調整係数αをＤ／Ａ変換部でアナログ信号に変換する。
【００２４】
図３は、本発明に係るハイブリッド型建設機械における電動機駆動時の電動機出力電圧と蓄電装置出力電圧と時間との関係についての電圧変動率についてのグラフである。図３において、横軸は時間（ｓｅｃ）、縦軸には左側が電動機出力トルクＰｍおよび右側に蓄電装置電圧Ｖａｃｔが設けられているが、表示単位はそれぞれ電動機最大出力トルクに対する比率（％）、蓄電装置の定格出力電圧に対する比率（実電圧変動率）（％）となっている。
【００２５】
波形Ｖａｃｔは、蓄電装置１４の出力電圧Ｖａｃｔの推移を示す。波形Ｐｍは、電動機Ｅｍの出力トルクＰｍの推移を示す。波形Ｐｍは旋回加速動作を行うため電動機出力のマイナス方向に推移し、その後、旋回減速動作を行うため電動機出力のプラス方向に推移している。波形Ｖａｃｔは、電動機駆動時当初が設定電圧Ｖｓｅｔを維持し、その後、旋回加速動作の為の電動機駆動により２秒程度で電圧が最低値Ｖｌまで下がり、その後、旋回減速動作の回生作用によりＶｈまで上昇することが示されている。
【００２６】
続いて、本発明に係るハイブリッド型建設機械の動作について図１〜３，５〜７を用いて説明する。
【００２７】
初めに本発明に係るハイブリッド型建設機械において上部旋回体１０の旋回を加速している場合について説明する。
【００２８】
切換弁２０は、上部旋回体１０の旋回方向に応じて油圧ポンプ２２と油圧モータＨｍを繋ぐ油路を切り替える。油圧ポンプ２２は、同軸上で連結されるエンジンＥＧにより駆動され、作動油タンクＴから吸い上げた作動油を切換弁２０を介して油圧モータＨｍに供給する。油圧モータＨｍは油圧ポンプ２２から供給された高圧の作動油によって回転力を出力しギヤユニット１３を介して上部旋回体１０を駆動する。電動機Ｅｍは蓄電装置１４の電力をインバータ１２を介して受取り、電気制御ユニットＥＣＵからの指令に基づいた出力で駆動され、油圧モータＨｍと協調して上部旋回体１０を駆動する。連通弁１８は作動時に油圧モータＨｍをループ回路としてトルクを出力しないように回転自由な状態にするが、加速時は作動しない。
【００２９】
続いて上部旋回体１０の旋回を減速している場合について説明する。
【００３０】
この時、切換弁２０は中立位置となり、油圧ポンプ２２から吐出される作動油は油圧モータＨｍへ供給されずに作動油タンクＴに戻される。連通弁１８は作動し、油圧モータＨｍを回転可能とする。その結果、油圧モータＨｍは制動トルクを出力せず、電動機Ｅｍのみで制動を行う。電動機Ｅｍは、上部旋回体１０の回転慣性力により回転させられるが、電気制御ユニットＥＣＵの指令に応じた制動トルクを出力し、回転制動を行うと共に、回転慣性力を電力に変換し、インバータ１２を介して蓄電装置１４を充電する。
【００３１】
すなわち、蓄電装置１４は、旋回加速時には電動機Ｅｍの出力により電圧が低下し、旋回減速時には電動機Ｅｍによる充電により電圧が上昇する電圧変動を生じる。蓄電装置１４の電圧は、電気制御ユニットＥＣＵによる油圧モータＨｍと電動機Ｅｍの出力調整により、旋回加速時前の電圧が一定値である設定電圧に保たれる。
【００３２】
続いて、図５，６，７を用いて電気制御ユニットＥＣＵの演算指令プログラム３２に従う動作について説明する。
【００３３】
電気制御ユニットＥＣＵは、演算指令プログラム３２に従ってインバータ１２から電動機Ｅｍの出力トルクＰｍと蓄電装置１４の実電圧変動Ｖａｃｔを受信する（図５のａ２工程）。
【００３４】
電気制御ユニットＥＣＵは、演算指令プログラム３２に従って、電動機Ｅｍの出力トルクＰｍから劣化初期状態における電圧変動Ｖｏを演算する（図５のａ４工程、図６）。ここで、蓄電装置１４の出力電圧Ｖａｃｔは劣化状態での電圧変動であるため、Ｖａｃｔ＞Ｖｏとなる。
【００３５】
また、図６において、電圧変動（Ｖ０、Ｖａｃｔ）と電動機出力（Ｐｍ）の関係を示しているが、蓄電装置の経年使用で性能が劣化し、ｆ´のように関数が徐々に変化してゆくことが分かっている。関数の定義については、蓄電装置の劣化試験等によるデータから近時曲線を定義してもよいし、あるいは使用年数に対する電動機出力（Ｐｍ）と電圧変動の三次元的なマトリクス表を使ってもよい。
【００３６】
電気制御ユニットＥＣＵは、演算指令プログラム３２に従って、蓄電装置１４の出力電圧Ｖａｃｔを劣化初期状態における電圧変動Ｖｏで除算することで劣化係数Ｋを算出する（図５のａ６工程）。この劣化係数が蓄電装置の劣化状態を表す。Ｋは１以上の数値でＫの値が大きいほど劣化が大きいこととなる。
【００３７】
電気制御ユニットＥＣＵは、演算指令プログラム３２に従って、劣化係数Ｋから設定電圧の調整係数となるαを算出する（図５のａ８工程、図７）。図７は設定電圧Ｖｓｅｔ＝定格電圧Ｖｂのケースにおける調整係数（α）と電圧劣化率（Ｋ）の関係を表す。関数ｇについては、ハイブリッド型建設機械の運転試験のデータなどから近時曲線を定義してもよいし、あるいは調整係数（α）と電圧劣化率（Ｋ）の二次元的なマトリクス表を使ってもよい。
【００３８】
電気制御ユニットＥＣＵは、演算指令プログラム３２に従って、演算指令プログラム３２内であらかじめ設定しておいた蓄電装置１４の定格電圧Ｖｂに調整係数αを乗算して設定電圧Ｖｓｅｔを算出する（図５のａ１０工程）。蓄電装置１４の定格電圧Ｖｂは蓄電装置の初期状態劣化状態での設定電圧であり、Ｖａｃｔ＝ＶｏのときＫ＝α＝１となり、Ｖｂ＝Ｖｓｅｔとなる（図７）。
【００３９】
この演算は主に電動機Ｅｍが安定して一定のトルクを出力するポイントで行うことで演算結果のバラツキを抑えることができる。
【００４０】
例えば、上部旋回体１０の減速時は油圧モータが回転自由の状態となるため、油圧モータの影響を考慮する必要がなく、電動機だけである一定の制動トルクで減速を行うため、演算ポイントに適している。
【００４１】
図４は非特許文献１に記載されている電気二重層コンデンサの電圧印加条件による電気的特性を示した例である。
【００４２】
図４によれば、定格電圧（本発明での設定電圧（Ｖｓｅｔ））５．５ボルトに対して印加電圧（本発明での設定電圧（Ｖｓｅｔ）に相当）５ボルトと４ボルトで比較してみると、５ボルトでは−４０％まで約３，０００時間なのに対して４ボルトでは約６，０００時間であり、印加電圧４ボルトの方が−４０％までの寿命が約２倍長いことが分かる。
【００４３】
本発明は、このような特性を有する蓄電装置に対して従来に無い制御方法を提案したもので、本発明に係る蓄電装置の設定電圧を劣化状態に合わせて低く抑える制御方法を採用することで、従来と比較して劣化を低減させることで蓄電装置の寿命を大幅に延長させることができる。
【００４４】
なお、本発明に係るハイブリッド型建設機械制御方法を特に建設機械に適用する実施例を示したが、建設機械のみならずハイブリットタイプの農業機械等の作業機械などの蓄電池を利用するハイブリットタイプの作業機械に広く適用することができることは言うまでもないことである。
【符号の説明】
【００４５】
ＥＣＵ  電気制御ユニット
Ｅｍ  電動機
Ｈｍ  油圧モータ
ＥＧ  エンジン
Ｔ    作動油タンク
１０  上部旋回体
１１  減速ユニット
１２  インバータ
１３  ギヤユニット
１４  蓄電装置
１６  油圧モータユニット
１８  連通弁
２０  切替弁
２２  油圧ポンプ
２４  アナログ／デジタル変換部
２６  データメモリ
２８  中央演算処理装置（ＣＰＵ）
３０  デジタル／アナログ変換部
【図１】
2014042407.tif 000003
【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６】
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【図７】
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