(57)【要約】  電動発電機制御部は、エンジンから伝達された駆動力で発電動作を行う電動発電機の動作を制御する。充放電制御部は、第１の蓄電器と第２の蓄電器との間を電気的に接続し、外部からの制御信号により、第１の蓄電器と第２の蓄電器との間の充放電動作を制御する。第２の蓄電器に電気的に接続されたモータは、回生動作が可能で、回生動作により発生した電気エネルギを第２の蓄電器に蓄電可能である。制御装置は、電動発電機制御部と充放電制御部のうち少なくとも一方に制御信号を供給し、第１の蓄電器及び第２の蓄電器の少なくとも一方の蓄電目標値を、モータが回生動作を行なう前に低減する。
2010143628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体と、
該下部走行体の上で旋回動作を行なう上部旋回体と、
該上部旋回体上に一端が回動自在に取り付けられたブームと、
該ブームの他端に一端が回動自在に取り付けられたアームと、
該アームの他端に回動自在に取り付けられた作業要素と
を備えたハイブリッド式ショベルであって、
前記上部旋回体に備えられ、駆動力を発生するエンジンと、
前記上部旋回体に備えられ、前記エンジンから伝達された駆動力で発電動作を行う電動発電機と、
前記上部旋回体に備えられ、外部からの制御信号により、前記電動発電機の動作を制御する電動発電機制御部と、
前記上部旋回体に備えられ、蓄電可能な第１の蓄電器と、
前記上部旋回体に備えられ、前記電動発電機制御部に電気的に接続された蓄電可能な第２の蓄電器と、
前記上部旋回体に備えられ、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間を電気的に接続し、外部からの制御信号により、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間の充放電動作を制御する充放電制御部と、
前記上部旋回体に備えられ、前記第２の蓄電器に電気的に接続され、少なくとも機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを前記第２の蓄電器に蓄電可能なモータと、
前記上部旋回体に備えられ、前記電動発電機制御部と前記充放電制御部とのうち少なくとも一方に制御信号を供給する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記第１の蓄電器及び前記第２の蓄電器の少なくとも一方の蓄電目標値を、前記モータが回生動作を行なう前に低減するハイブリッド式ショベル。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記制御装置は、前記モータが回生動作を行なう期間には、前記蓄電目標値を、該回生動作を行なう前に設定されていた値よりも高い値に設定するハイブリッド式ショベル。
【請求項３】
請求項１又は２記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記制御装置は、前記電動発電機が電動動作を行なう期間には、前記蓄電目標値を、該電動動作が行なわれる前の値よりも低い値に設定するハイブリッド式ショベル。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、  前記制御装置は、前記モータが力行動作を行う期間には、前記蓄電目標値を、該力行動作が行なわれる前の値より低い値に設定するハイブリッド式ショベル。
【請求項５】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記モータはブーム回生用モータであって、ブームの角度を検出する角度検出部を更に有し、
前記制御装置は、
該角度検出部が検出したブームの角度に基づいて推定回生エネルギを演算する推定回生エネルギ演算部と、
該推定回生エネルギ演算部で演算した推定回生エネルギに基づいて前記蓄電目標値を決定する蓄電目標値決定部と、
該蓄電目標値決定部にて決定した前記蓄電目標値が設定されるように、前記電動発電機制御部と前記充放電制御部のうち少なくとも一方を制御する蓄電目標値制御部と
を含むハイブリッド式ショベル。
【請求項６】
請求項５記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記推定回生エネルギ演算部は、前記ブームの位置エネルギに基づいて前記ブームの推定回生エネルギを演算により求めるハイブリッド式ショベル。
【請求項７】
請求項１、２及び４のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記モータは旋回用モータであって、前記上部旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出部を更に有し、
前記制御装置は、
該旋回速度検出部が検出した旋回速度に基づいて推定回生エネルギを演算する推定回生エネルギ演算部と、
該推定回生エネルギ演算部で演算した推定回生エネルギに基づいて前記蓄電目標値を決定する蓄電目標値決定部と、
該蓄電目標値決定部にて決定した前記蓄電目標値が設定されるように、前記電動発電機制御部と前記充放電制御部のうち少なくとも一方を制御する蓄電目標値制御部と
を含むハイブリッド式ショベル。
【請求項８】
請求項７記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記推定回生エネルギ演算部は、前記上部旋回体の運動エネルギに基づいて前記上部旋回体の推定回生エネルギを演算により求めるハイブリッド式ショベル。
【請求項９】
請求項７記載のハイブリッド式ショベルであって、
作業要素としてリフティングマグネットを更に有し、
前記推定回生エネルギ演算部は、該リフティングマグネットが吸着動作を行なっている間は、前記リフティングマグネットの推定回生エネルギを一定に位置するハイブリッド式ショベル。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記制御装置は、前記モータが回生運転を行なうと推定される前の前記第１の蓄電器の充電比を９５％以上となるように制御するハイブリッド式ショベル。
【請求項１１】
請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記制御装置は、前記モータが回生運転を行なうと推定される前の前記第２の蓄電器の電圧を前記第１の蓄電器の電圧より高い値に設定するハイブリッド式ショベル。
【請求項１２】
駆動力を発生するエンジンと、
該エンジンから伝達された駆動力で発電動作を行う電動発電機と、
外部からの制御信号により、前記電動発電機の動作を制御する電動発電機制御部と、
蓄電可能な第１の蓄電器と、
前記電動発電機制御部に電気的に接続された蓄電可能な第２の蓄電器と、
前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間を電気的に接続し、外部からの制御信号により、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間の充放電動作を制御する充放電制御部と、
前記第２の蓄電器に電気的に接続され、機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを前記第２の蓄電器に蓄電可能なモータと、
前記電動発電機制御部と前記充放電制御部とのうち少なくとも一方に制御信号を供給する制御装置と
を有するハイブリッド式ショベルの制御方法であって、
前記第１の蓄電器及び前記第２の蓄電器の少なくとも一方の蓄電目標値を、前記モータが回生動作を行なう前に低減するように制御するハイブリッド式ショベルの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はハイブリッド式ショベルに係り、特に、電気負荷により発生する回生電力を蓄電器に充電するハイブリッド式ショベルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ハイブリッド式ショベルは、ブーム、アーム、及びバケット等の作業要素を搭載した上部旋回体を備え、上部旋回体を旋回させながらブーム及びアームを駆動し、バケットを目的の作業位置まで移動する。【０００３】
上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源として電動モータを用い、電動モータで旋回機構を駆動して上部旋回体を加速し旋回させるハイブリッド式ショベルが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。上部旋回体を減速する際には、電動モータを発電機として機能させて発電し、得られた回生電力は蓄電器に蓄積される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１８００３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ハイブリッド式ショベルにおいて、大きな回生電力が発生して蓄電器に供給されると過電圧となり、上限値を超えて蓄電器が過充電となってしまうおそれがある。蓄電器が過充電となると過電圧状態となり、蓄電器の劣化が促進される。このため、蓄電器の寿命が短くなってしまう。【０００６】
そこで、本発明は、蓄電器の蓄電目標値、若しくは、ＤＣバスの蓄電目標値の少なくともいずれか一方を可変に制御することで、大きな回生電力が発生しても過充電を防止することができる技術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】
【０００７】
本発明によれば、下部走行体と、該下部走行体の上で旋回動作を行なう上部旋回体と、該上部旋回体上に一端が回動自在に取り付けられたブームと、該ブームの他端に一端が回動自在に取り付けられたアームと、該アームの他端に回動自在に取り付けられた作業要素とを備えたハイブリッド式ショベルであって、該上部旋回体に備えられ、駆動力を発生するエンジンと、該上部旋回体に備えられ、該エンジンから伝達された駆動力で発電動作を行う電動発電機と、該上部旋回体に備えられ、外部からの制御信号により、該電動発電機の動作を制御する電動発電機制御部と、該上部旋回体に備えられ、蓄電可能な第１の蓄電器と、該上部旋回体に備えられ、該電動発電機制御部に電気的に接続された蓄電可能な第２の蓄電器と、該上部旋回体に備えられ、該第１の蓄電器と該第２の蓄電器との間を電気的に接続し、外部からの制御信号により、該第１の蓄電器と該第２の蓄電器との間の充放電動作を制御する充放電制御部と、該上部旋回体に備えられ、該第２の蓄電器に電気的に接続され、少なくとも機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを該第２の蓄電器に蓄電可能なモータと、該上部旋回体に備えられ、該電動発電機制御部と該充放電制御部とのうち少なくとも一方に制御信号を供給する制御装置とを有し、該制御装置は、該第１の蓄電器及び該第２の蓄電器の少なくとも一方の蓄電目標値を、該モータが回生動作を行なう前に低減するハイブリッド式ショベルが提供される。【０００８】
また、駆動力を発生するエンジンと、該エンジンから伝達された駆動力で発電動作を行う電動発電機と、外部からの制御信号により、該電動発電機の動作を制御する電動発電機制御部と、蓄電可能な第１の蓄電器と、該電動発電機制御部に電気的に接続された蓄電可能な第２の蓄電器と、該第１の蓄電器と該第２の蓄電器との間を電気的に接続し、外部からの制御信号により、該第１の蓄電器と該第２の蓄電器との間の充放電動作を制御する充放電制御部と、該第２の蓄電器に電気的に接続され、機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを該第２の蓄電器に蓄電可能なモータと、該電動発電機制御部と該充放電制御部とのうち少なくとも一方に制御信号を供給する制御装置とを有するハイブリッド式ショベルの制御方法であって、該第１の蓄電器及び該第２の蓄電器の少なくとも一方の蓄電目標値を、該モータが回生動作を行なう前に低減するように制御するハイブリッド式ショベルの制御方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回生電力が生じると推定される場合には蓄電器の蓄電目標値を下げておくことで、蓄電器の過充電を抑制することができる。すなわち、ハイブリッド式ショベルの運転状況に応じて蓄電器の蓄電目標値を変更することで、蓄電器が過充電となることを抑制することができる。
【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】ＳＯＣの目標値を設定する処理のフローチャートである。
【図６】推定回生電力を算出する処理のフローチャートである。
【図７】推定ブーム回生電力を説明するための図である。
【図８】回生見込み目標値を算出する処理のフローチャートである。
【図９】掘削・積込み作業においてＳＯＣ目標値を設定する処理を説明するための図である。
【図１０】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１１】第２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１２】第２実施形態による蓄電系の等価回路図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ第２実施形態における第１の比較例、第１の実施例によるハイブリッド式ショベルの制御方法を示すタイミングチャートである。
【図１４】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ第２実施形態における第２の比較例、第２の実施例によるハイブリッド式ショベルの制御方法を示すタイミングチャートである。
【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。
【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】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の蓄電器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。
【００２３】
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。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。
【００２６】
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。
【００２７】
この昇降圧コンバータ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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４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。
【００３２】
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が並列接続される。
【００３３】
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、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ １９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、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蓄電器として用いてもよい。
【００３４】
電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ １９及びインバータ１０５が接続可能な端子であればよい。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。
【００３５】
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ている。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。
【００３６】
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、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。
【００３７】
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、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１０５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に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。
【００３８】
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。
【００３９】
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、蓄電器からの電力で電気負荷をエネルギ効率の良い状態で駆動することができる。
【００４０】
従来のハイブリッド式ショベルでは、電気負荷等から大きな回生電力が発生して蓄電器に供給されても蓄電器が過充電とならないように、蓄電器の目標ＳＯＣを例えば８０％と小さく設定していた。すなわち、不意の発電や回生により大きな電力が蓄電器に供給されても、それを吸収してもまだＳＯＣが１００％とはならないように、余裕をもって目標ＯＳＣを例えば７０％に設定していた。これにより、蓄電器のＳＯＣは常に７０％以下となるように制御され、蓄電器の出力電圧はＳＯＣが７０％以下に対応する低い電圧であった。
【００４１】
ここで、蓄電器の目標ＳＯＣを従来よりも高い値とすれば、蓄電器の出力電圧も高くなり、電気負荷を効率的に駆動することができる。すなわち、蓄電器の出力電圧を高くして従来よりも高い電圧で電気負荷を駆動することで、電気負荷を従来よりも効率的に駆動することができる。
【００４２】
また、蓄電器を小型化して蓄電系にかかる費用を削減するために蓄電容量の小さな蓄電器を用いる場合、蓄電器の目標ＳＯＣを高く設定することで、なるべく多くの電力を蓄電器に保持することができる。例えば、蓄電器としてキャパシタを用いた場合には、小型のキャパシタを用いるとともに目標ＳＯＣを高く設定することで、従来の蓄電量を減少することなくキャパシタを小さくすることができる。
【００４３】
ここで、ハイブリッド式ショベルの駆動システムにおける駆動部の通常時に運転状況や蓄電器の充電量及び充電率を考慮すると、蓄電器のＳＯＣを９０％以下としておけば、通常の使用において問題無いことがわかった。したがって、蓄電器の目標ＳＯＣを９０％に設定することで、電気負荷を高電圧で効率的に駆動することができるとともに、蓄電器を小型化してコストダウンすることができる。
【００４４】
ただし、蓄電器の目標ＳＯＣを９０％というように高い値に設定した場合、例えば、蓄電器のＳＯＣが高くなっている状態で大きな回生電力が発生すると、過充電となるおそれがある。そこで、以下に説明する第１実施形態では、蓄電器（キャパシタ）の充電率（ＳＯＣ）を可変制御している。すなわち、大きな回生電力が生じると予測される場合は、ＳＯＣを予め下げておくことで、回生電力を吸収してもＳＯＣがシステムの上限値を超えないように制御する。
【００４５】
次に、第１実施形態によるハイブリッド式ショベルにおけるキャパシタ １９の充電率（ＳＯＣ）を制御する方法について説明する。
【００４６】
第１実施形態では、上部旋回体３の減速時に旋回用電動機２１が発電機として機能し、回生電力（旋回回生電力）を生成して蓄電系１２０に供給するものとする。加えて、ブーム４を下げるときにブームシリンダ７からの戻りの作動油を用いて発電機３００を駆動して発電し、回生電力（ブーム回生電力）を蓄電系１２０に供給するものとする。
【００４７】
本実施形態では、蓄電器としてのキャパシタ １９のＳＯＣをなるべく高い領域で使用することで、蓄電量を常に大きくしてキャパシタ １９の放電電圧を高い状態に維持しておき、電力の不足を防止しながら、キャパシタ １９から高い電圧で放電してエネルギ効率を高めている。この際、大きな旋回回生電力やブーム回生電力が発生してキャパシタ １９に供給されると、ＳＯＣが高い状態でさらに大きな電力が充電されるため、キャパシタ １９が過充電状態となってしまう。
【００４８】
そこで、本実施形態では、旋回回生電力やブーム回生電力が生成されることを予め予測しておき、そのような時にはキャパシタ １９のＳＯＣを下げておくことで、キャパシタ １９が過充電状態となることを抑制する。すなわち、旋回回生電力及びブーム回生電力の推定値を演算により求め、推定旋回回生電力（推定旋回回生エネルギ）と推定ブーム回生電力（ブーム回生エネルギ）に基づいてＳＯＣの目標値を決定して変更する。通常はＳＯＣの目標値はシステムの制御条件に基づいて一定の値に設定されているが、本実施形態では、ＳＯＣの目標値は、これから生成されると予測される推定回生電力（推定回生エネルギ）に基づいて随時変更されることとなる。
【００４９】
図５はＳＯＣの目標値を設定する処理のフローチャートである。まず、ステップＳ１において、推定回生電力ＱＡを算出する。本実施形態では、推定回生電力ＱＡは、推定旋回回生電力（推定旋回回転エネルギ）ＱＳと推定ブーム回生電力（推定ブーム位置エネルギ）ＱＢとを合算したものとなる。
【００５０】
続いて、ステップＳ２において、推定回生電力ＱＡがゼロより大きいか否かが判定される。すなわち、推定回生電力ＱＡがあるか否かが判定される。推定回生電力ＱＡがゼロである（すなわち、旋回、ブーム以外の走行、バケット、アームを駆動させる場合には、回生電力が発生しないと推定される）場合は、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、蓄電目標値としてのＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇをシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌに設定し、今回の処理は終了される。システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌは、ハイブリッド式ショベルの制御により決まるＳＯＣの上限値であり、ＳＯＣの検出値がシステム制御上限値ＳＯＣｃｕ１を超えた場合には、キャパシタ１９がオーバーフローしている判断される。
【００５１】
一方、推定回生電力ＱＡがゼロより大きい（すなわち、回生電力が発生すると推定される）場合は、処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、算出した推定回生電力ＱＡに基づいて、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出する。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、推定回生電力ＱＡがキャパシタ １９に供給されても、キャパシタ １９のＳＯＣが上述のシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌより大きくならないようなＳＯＣの値であり、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌより小さな値である。
【００５２】
ステップＳ４にて回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが算出されると、続いて処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５では、蓄電目標値としてのＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇを回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇに設定し、今回の処理は終了される。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは推定回生電力ＱＡの値に応じてより変化する値であり、ＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇも推定回生電力ＱＡの値に応じて変化することとなる。
【００５３】
なお、上述のステップＳ３の処理及びステップＳ５の処理は、コントローラ３０の蓄電目標値制御部で行なわれる。
【００５４】
次に、上述のステップＳ１における推定回生電力ＱＡの算出処理について説明する。推定回生電力ＱＡの算出は、コントローラ３０の推定回生エネルギ演算部により行なわれる。
図６は推定回生電力ＱＡを算出する処理のフローチャートである。まず、ステップＳ１１において、推定ブーム回生電力ＱＢが算出される。推定ブーム回生電力ＱＢは、ブーム４の位置エネルギにより決まる。すなわち、推定ブーム回生電力ＱＢは、ブーム４が上げられた位置における位置エネルギが推定ブーム回生電力ＱＢとなる。
【００５５】
図７は推定ブーム回生電力ＱＢを説明するための図である。ハイブリッド式ショベルのブーム４が上げられると、ブーム４，アーム５，バケット６の重量を持ち上げた分の位置エネルギが蓄えられる。その後、ブーム４が下げられると、蓄えられた位置エネルギが放出され（ブームシリンダ７の戻り作動油）、ブーム回生用の油圧モータ３１０が駆動される。これに伴い、ブーム回生用の発電機３００が駆動されて発電が行なわれる。この発電により得られる電力がブーム回生電力となる。本実施形態では、ブーム回生電力が生成される前に、ブーム４が持ち上げられた位置（高さ）からブーム４が水平となる位置まで下げられたときに発生するブーム回生電力を、推定ブーム回生電力ＱＢとして算出する。
【００５６】
ブーム４の地面からの高さＨは、ブーム４の支持点からブーム４の先端までの距離ＲＢにｓｉｎθＢを掛け、それに地面からブーム４の支持点までの距離（高さ）ＲＳを加えて算出することができる（Ｈ＝ＲＢ×ｓｉｎθＢ＋ＲＳ）ここで、ブーム角度θＢは上述のブーム角度センサ７Ｂで検出した値である。ブーム４が上げられてからブーム４が下げられる位置は、ブーム４が水平となる位置とは限らないが、ブーム４が水平となる位置まで下げられるといる推定のもとで回生電力を求めておけば、ブーム４が持ち上げられた位置から得られる最大の回生電力に近い値となる。
【００５７】
以上のように、推定ブーム回生電力ＱＢは、ブーム４，アーム５，バケット６の重量にバケット６に入る土砂の最大重量を加えた重量ｍに、重力加速度ｇを掛け、さらにブーム４の先端の地面からの高さＨを掛けて算出することができる。
【００５８】
ＱＢ＝ｍ×ｇ×Ｈ
＝ｍ×ｇ×（ＲＢ×ｓｉｎθＢ＋ＲＳ）
以上のように、ステップＳ１１において推定ブーム回生電力ＱＢを算出したら、処理はステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、推定旋回回生電力ＱＳの算出が行なわれる。推定旋回回生電力ＱＳの算出は以下の式に基づいて算出することができる。
【００５９】
ＱＳ＝１／２×Ｍｉ×ω２
ここで、Ｍｉは上部旋回体３の慣性モーメントであり、ブーム４及びアーム５を伸ばした状態における最大値としておく。ωは上部旋回体３の旋回運動の角速度である。角速度ωはリゾルバ２２が検出した旋回用電動機２１の回転速度から求めることができる。
【００６０】
ステップＳ１２において推定旋回回生電力ＱＳを算出したら、処理はステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、推定ブーム回生電力ＱＢと推定旋回回生電力ＱＳとを加算して推定回生電力を演算により求める（ＱＡ＝ＱＢ＋ＱＳ）。
【００６１】
次に、図５におけるステップＳ４の処理について説明する。ステップＳ４の処理は、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出する処理である。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、コントローラ３０の蓄電目標値決定部により行なわれる。図８は回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出する処理のフローチャートである。まず、ステップＳ４１において、キャパシタ １９の充電率（ＳＯＣ）がシステム制御上限値ＳＯＣｃｔｌとなったときの、キャパシタ １９に蓄積されている電力である蓄電仕事量Ｑｍａｘを算出する。蓄電仕事量Ｑｍａｘは、システム制御上、キャパシタ １９に蓄積できる最大電力に相当する。キャパシタを用いた場合、蓄電仕事量Ｑｍａｘは、以下の式を用いて算出することができる。
【００６２】
Ｑｍａｘ＝１／２×Ｃ×Ｖ２
＝１／２×Ｃ×（３６０×√ＳＯＣｃｔｌ）２
ここで、Ｃはキャパシタ １９の静電容量である。
【００６３】
次に、ステップＳ４２において、蓄電仕事量Ｑｍａｘから推定回生電力ＱＡを減算することで、キャパシタ １９に蓄積しておくことのできる電力の目標値Ｑを算出する（Ｑ＝Ｑｍａｘ−ＱＡ）。
【００６４】
そして、ステップＳ４３において、電力の目標値Ｑから回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを求める。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは以下の式により算出することができる。
【００６５】
ＳＯＣｅｔｇ＝２×Ｑ／（Ｃ×３６０２）
以上のようにして回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出したら、図５に示すステップＳ５において、ＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇを回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇに設定する。
【００６６】
ここで、ハイブリッド式ショベルで行なう掘削・積込み作業におけるＳＯＣ目標値の設定について説明する。図９は掘削・積込み作業においてＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇを設定する処理を説明するための図である。図９における時刻０〜ｔ４までの作業時においては、推定回生電力ＱＡが見込めるため、蓄電目標値としてのＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇに、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが設定される。
【００６７】
掘削・積込み作業において、ブーム４の高さＨは図９（ａ）に示すように推移する。推定ブーム回生電力ＱＢは上述のようにブーム４の高さＨに比例するから（ＱＢ＝ｍ×ｇ×Ｈ）、推定ブーム回生電力ＱＢは図９（ｂ）に示すようにブーム４の高さＨと同じパターンとなる。ここで、ブーム４の高さＨがピークとなる時刻以降は、ブーム４が下げられるので、ブーム回生電力が発生することとなる。
【００６８】
一方、掘削・積込み作業において、上部旋回体３の旋回速度は、旋回用電動機２１の角速度ωに比例し、掘削・積込み作業において図９（ｃ）に示すように推移する。推定旋回回生電力ＱＳは、上述のように旋回用電動機２１の角速度ωの二乗に比例するから（ＱＳ＝１／２×Ｍｉ×ω２）、推定旋回回生電力ＱＳは図９（ｄ）に示すように推移する。ここで、旋回速度ωがピークとなる時刻以降は、旋回速度が減速動作になるので、旋回回生電力が発生することとなる。なお、旋回速度のマイナス方向（負の値）は逆回転を意味するものであるため、推定旋回回生電力は旋回速度の絶対値で算出する。
【００６９】
推定回生電力ＱＡは、推定ブーム回生電力ＱＢと推定旋回回生電力ＱＳとの和であり、図９（ｅ）に示すように、図９（ｂ）と図９（ｄ）を合成したパターンとなる。
【００７０】
そして、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、推定回生電力ＱＡがキャパシタ １９に供給されて充電された場合に、システム制御上で許容されるキャパシタ １９の最大充電率（システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌ）となるような値に設定される。したがって、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌから推定回生電力ＱＡを減算した値となり、推定回生電力ＱＡを反転してゼロをシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌに合わせたものとなり、図９（ｆ）に示すようなパターンとなる。
【００７１】
図９（ｆ）において、時刻ｔ＝０でのキャパシタ１９の蓄電電圧値が、定格電圧に対して１００％とした場合について説明する。時刻０〜ｔ１０においては、ブーム４が上昇されるとともに、旋回動作が実行されている。このため、演算された推定回生電力の増加に応じて、ＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇ（この場合、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇ）が下げられる。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが下げられるため、システム制御上限値ＳＯＣｃｕ１まで蓄電（充電）されていた電力は、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇの低下分だけ放電される。この際に放電される電力はブーム４の上昇や旋回の力行運転に使用することができる。
【００７２】
図９（ｆ）において、時刻ｔ１〜ｔ３においては、ブーム４が下がり旋回速度も低減するため、演算された推定回生電力も低下する。これに伴い、ＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇ（この場合、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇ）は上昇する。同時に、ブーム４が下げられるためブーム回生電力が発生するとともに、旋回電動機も制動運転（減速運転）されるため旋回回生電力も発生するが、これら回生電力は、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇの上昇分だけキャパシタ１９に充電することができる。
【００７３】
同様に、時刻ｔ３〜ｔ１１においては、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが低下し、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇの低下分だけ放電が行なわれる。また、時刻ｔ１１〜ｔ４においては、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが上昇し、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇの上昇分だけ充電が行なわれる。
【００７４】
ここで、キャパシタ１９の静電容量をＣ、蓄電電圧（端子間電圧）をＶとすると、キャパシタ１９に蓄電される蓄電エネルギＥは、Ｅ＝（１／２）ＣＶ２で表わされる。したがって、蓄電電圧Ｖを高くすれば同じエネルギを保持するためのキャパシタ１９の容量を小さくできる。例えば、従来は、ＳＯＣがシステム制御上限値を超えないようにするため、回生電力に十分に考慮してＳＯＣ目標値を決定していた。すなわち、大きな回生電力が発生してもそれを吸収できるように、従来のＳＯＣ目標値は、充電電圧（Ｖ）が定格電圧（Ｖｍａｘ）に対して例えば６７％（＝Ｖ／Ｖｍａｘ：充電比）となるように設定されていた。ここで、システム制御上限値において、充電電圧が定格電圧に対して１００％（＝Ｖ／Ｖｍａｘ：充電比）となるＳＯＣに設定される。
【００７５】
ところで、Ｅ＝（１／２）ＣＶ２で表わされるようにキャパシタ１９に蓄電される充電電圧値Ｖを√２倍にして高くすると、静電容量を１／２にしても同一の蓄電エネルギＥを得ることができる。言い換えれば、充電電圧値Ｖを√２倍に高くすれば、キャパシタの静電容量を１／２に低減することができる。
【００７６】
具体的には、従来は充電電圧が定格電圧に対して６７％となるＳＯＣを用いて制御を行なっていたのに対し、ＳＯＣを√２倍にした９５％とすることで、同じ蓄電エネルギを維持した状態で、キャパシタ１９の容量を１／２とすることができる。すなわち、充電率ＳＯＣを９５％とすることで、ＳＯＣを６７％とした場合と同じ蓄電エネルギを維持しながら、１／２の静電容量のキャパシタを用いることができる。ここで、充電比が９５％の場合には、ＳＯＣは電圧Ｖの二乗の比で表されるため、ＳＯＣは約９０％となる（ＳＯＣ＝（１／２）ＣＶ２／（１／２）ＣＶｍａｘ２）。
【００７７】
図９（ｆ）では、ＳＯＣを９０％（充電比９５％）として説明したが、回生電力の見込みが無い状態において、設定されるＳＯＣ（充電比）は高い方が静電容量を小さくできるので望ましい。
【００７８】
本実施形態では、回生電力の見込みが無い状態においてＳＯＣは約９０％（充電比が９５％）以上で制御することができる。すなわち、従来よりもキャパシタ容量を半分にすることできる。したがって、本実施形態をハイブリッド式ショベルに適用することで、キャパシタ１９の選択の自由度が大きくなる。また、ＳＯＣの目標値を可変制御するため、回生電力が発生する見込みがある場合には、予めＳＯＣの比率を低減しておくことができるため、過充電を防止することができる。
【００７９】
なお、図９（ｆ）からわかるように、本実施形態において求められる回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、回生電力が発生しないと推定されるきには（ＱＡ＝０）従来のＳＯＣ目標上限値よりも高いシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌに等しくなる。また、本実施形態において求められる回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、回生電力が発生すると推定されるときには（ＱＡ＞０）、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌから推定回生電力ＱＡがキャパシタ １９に充電された場合に上昇する充電率をシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌから減算した値となる。これにより、キャパシタ １９の充電率をシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌに近い値に維持しながら、回生電力がキャパシタ １９に供給されてもキャパシタ １９の充電率がシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌを超えることが無いように制御することができる。
【００８０】
上述の実施形態では、推定回生電力ＱＡを推定ブーム回生電力ＱＢと推定旋回回生電力ＱＳとを合算した値としたが、必ずしも推定ブーム回生電力ＱＢと推定旋回回生電力ＱＳとを合算する必要はない。例えば、ブーム回生機能を有していないショベルであれば、推定旋回回生電力ＱＳのみを推定回生電力ＱＡとして用いてもよい。あるいは、バケットの代わりにリフティングマグネットをアームの先端に取り付けたリフマグ式ショベルのように、旋回回生及びブーム回生以外の回生機能として、リフマグ回生機能を有する場合は、推定リフマグ回生電力ＱＬも合算した推定回生電力ＱＡを求めることとすればよい。リフティングマグネットからの回生電力は、リフティングマグネットをオフにしたときに流れる逆電流であり、ほぼ一定の電流値である。したがって、推定リフマグ回生電力ＱＬは、固定値として設定しておくことができる。また、時刻０からｔ１０においてキャパシタ１９の電圧値が蓄電目標値よりも小さい場合には、キャパシタ１９への充電が行なわれる。同様に、時刻ｔ３〜ｔ１１においても、キャパシタ１９の電圧値が蓄電目標値よりも小さい場合には、キャパシタ１９への充電が行なわれる。
【００８１】
さらに、回生見込みが無い場合において、蓄電目標値はシステム制御上限値と等しい値に設定している。しかしながら、回生の見込みが無い場合において、蓄電目標値は、システム上限値から数％余裕を持たせた値に設定してもよい。また、蓄電目標値は、予め定められた範囲で設定してもよい。
【００８２】
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。本実施形態は、図１０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によって駆動させ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。
【００８３】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００８４】
図１１は、第２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１１において、図２に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００８５】
図１１に示す構成のハイブリッド式ショベルにおいて、エンジン１１に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機１２が電気エネルギを機械的エネルギに変換してエンジン１１をアシストするアシスト運転を行う。電動発電機１２の機械的エネルギが変速機１３を介してメインポンプ１４に伝達されることにより、エンジン１１に加わる負荷が軽減される。一方、エンジン１１に加わる負荷が小さい場合には、エンジン１１の駆動力が変速機１３を介して電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電運転される。電動発電機１２のアシスト運転と発電運転との切り替え等の制御は、電動発電機１２に接続（電気的に接続）されたインバータ１８Ａを用いて行われる。インバータ１８Ａは、コントローラ３０からの制御信号により制御される。
【００８６】
コントローラ３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）及び内部メモリを含む。ＣＰＵは、内部メモリに格納されている駆動制御用プログラムを実行する。コントローラ３０は、表示装置（図示せず）に、各種装置の劣化状態等を表示することにより、運転者の注意を喚起する。
【００８７】
電動発電機１２の電気系統の入出力端子が、インバータ１８Ａを介してＤＣバス１１０に接続されている。ＤＣバス１１０は、コンバータ（バッテリ充放電回路）１００を介してキャパシタ１９に接続されている。キャパシタ１９は、たとえば直列接続された複数の電気二重層コンデンサを含む。ＤＣバス１１０の電圧は、コンバータ１００を用いて制御することができる。例えば、コンバータ１００に充電電流を流すことにより、ＤＣバス１１０の電気エネルギがキャパシタ１９に移動し、ＤＣバス１１０の電圧は降下する。逆に、コンバータ１００に放電電流を流すことにより、キャパシタ１９の電気エネルギがＤＣバス１１０に移動し、ＤＣバス１１０の電圧は上昇する。このようにコンバータ１００は、キャパシタ１９とＤＣバス１１０との間の充放電動作を制御する。
【００８８】
このように、キャパシタ１９は蓄電可能な第１の蓄電器に相当し、ＤＣバス１１０も蓄電可能な第２の蓄電器に相当する。そして、コンバータ１００はキャパシタ１９とＤＣバス１１０との間を電気的に接続し、外部からの信号によりキャパシタ１９とＤＣバスとの間の充放電動作を制御する充放電制御部に相当する。キャパシタ１９、コンバータ１００、ＤＣバス１１０を含む蓄電系１２０は上部旋回耐３に搭載されている。
【００８９】
また、ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ｃを介してブーム回生用モータ３００と接続されている。ブーム回生用油圧モータ３００は、ブーム回生用発電機３００と接続され、油圧モータ３１０の駆動力により発電を行うことができる。ブーム回生用発電機３００で生成された電気エネルギは、三相交流を直流に変換するインバータ１８Ｃを介してＤＣバス１１０に供給される。更に、ＤＣバス１１０は、他のインバータ２０を介して旋回用電動機２１に接続されている。インバータ２０を通して、ＤＣバス１１０と旋回用電動機２１との間で電気エネルギの授受が行われる。インバータ２０、１８Ｃ、コンバータ１００は、コントローラ３０からの制御信号により制御される。
【００９０】
図１２は、本実施形態における蓄電系１２０の等価回路図である。昇降圧コンバータ１００は、第１の蓄電器であるキャパシタ１９の充放電電流を制御する。第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０は、平滑用コンデンサ１０７を含む。コンバータ１００の一対の電源接続端子１０３Ａ、１０３Ｂにキャパシタ１９が接続されており、一対の出力端子１０６Ａ、１０６ＢにＤＣバス１１０の平滑用コンデンサ１０７が接続されている。一方の電源接続端子１０３Ｂ、及び一方の出力端子１０６Ｂは接地されている。
【００９１】
ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ、１８Ｃ、２０を介して、電動発電機１２、旋回用電動機２１及びブーム回生用油圧モータ３１０に接続されている。
【００９２】
電動発電機１２が発電運転されている期間は、電動発電機１２によって発電された電力を、インバータ１８Ａを介してキャパシタ１９またはＤＣバス１１０に供給することができる。電動発電機１２がアシスト運転されている期間は、必要な電力を、キャパシタ１９またはＤＣバス１１０からインバータ１８Ａを介して電動発電機１２に供給することができる。
【００９３】
旋回用電動機２１には、キャパシタ１９またはＤＣバス１１０から電気エネルギが供給される。また、旋回用電動機２１で発生した回生エネルギは、キャパシタ１９またはＤＣバス１１０に蓄電される。
【００９４】
平滑用コンデンサ１０７の両端に発生している電圧が、電圧計１１１により検出され、検出結果がコントローラ３０に入力される。電圧計１１１による検出値と、ＤＣバス１１０の目標値とに基づいて、コンバータ１００は、ＤＣバスの電圧が一定になるように制御する。
【００９５】
なお、コントローラ３０は、下部走行体１、旋回機構２、ブーム４、アーム５、及びバケット６のいずれも動作しておらず、キャパシタ１９、ＤＣバス１１０の充電及び放電のいずれも行われていない状態（非運転状態）を検出することができる。
【００９６】
昇圧用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１０２Ａのコレクタと、降圧用のＩＧＢＴ１０２Ｂのエミッタとが相互に接続された直列回路が、出力端子１０６Ａと１０６Ｂとの間に接続されている。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのエミッタが接地され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのコレクタが、高圧側の出力端子１０６Ａに接続されている。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａと降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの相互接続点が、リアクトル１０１を介して、高圧側の電源接続端子１０３Ａに接続されている。
【００９７】
昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに、それぞれダイオード１０２ａ、１０２ｂが、エミッタからコレクタに向かう向きが順方向になる向きで並列接続されている。
【００９８】
電源接続端子１０３Ａと１０３Ｂとの間に接続された電圧計１１２が、キャパシタ１９の端子間電圧を測定する。リアクトル１０１に直列に挿入された電流計１１３が、キャパシタ１９の充放電電流を検出する。電圧及び電流の検出結果は、コントローラ３０に入力される。
【００９９】
コントローラ３０は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート電極に制御用のパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧を印加する。
【０１００】
以下、昇圧動作（放電動作）について説明する。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート電極にＰＷＭ電圧を印加すると、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオフ時に、リアクトル１０１に、高圧側の電源接続端子１０３Ａから昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのコレクタに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この起電力が、ダイオード１０２ｂを介してＤＣバス１１０に印加される。これにより、ＤＣバス１１０は昇圧される。
【０１０１】
次に、降圧動作（充電動作）について説明する。降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート電極にＰＷＭ電圧を印加すると、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのオフ時に、リアクトル１０１に、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのエミッタから高圧側の電源接続端子１０３Ａに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この誘導起電力により、キャパシタ１９が充電される。このようにして、ＤＣバス１１０を、常時、一定電圧としておくことができる。
【０１０２】
次に、図１３（Ａ）及び（Ｂ）を参照しながら、第２実施形態における第１の比較例及び第１の実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法について説明する。これらの制御方法による制御は、コントローラ３０によって行われる。
【０１０３】
図１３（Ａ）は、第１の比較例による制御方法を示すタイミングチャートである。「ブームレバー」及び「ブーム４角度」のグラフを参照すると、ショベルの運転者が、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、操作装置２６のブームレバーを「上げ」状態に維持することにより、ブーム４は上部旋回体３に対して、徐々に上方向に持ち上げられる。例えば時刻ｔ２においてブーム４はそのストローク上限まで上昇する（力行動作）。時刻ｔ２において、運転者はブームレバーを中立位置に戻し、時刻ｔ３までその状態を維持する。ブーム４はその間、ストローク上限の位置で静止する。その後、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、運転者がブームレバーを「下げ」状態に維持することにより、ブーム４は徐々に下降し、例えば、時刻ｔ４においてもとの位置（時刻ｔ１における位置、下がりきった位置）に戻る（回生動作）。
【０１０４】
「ＤＣバス１１０目標電圧」、「メインポンプ１４設定」、「電動発電機１２出力状態」、及び「コンバータ１００電流状態」のチャートを参照すると、第１の比較例による制御方法においては、ブーム４の上昇をエンジン１１の駆動力のみで行い、電動発電機１２は、電動（アシスト）運転を行わない。このため、ＤＣバス１１０は一定電圧（高圧状態ＶＭ）に維持される。なお、以下の説明において、「ＤＣバス１１０目標電圧」とは、ＤＣバス１１０の電圧を近づける目標値を指す。
【０１０５】
このため、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、「ＤＣバス１１０目標電圧」、「メインポンプ１４設定」、「電動発電機１２出力状態」、及び「コンバータ１００電流状態」はすべて一定に維持される。すなわち、「ＤＣバス１１０目標電圧」は高圧状態ＶＭのままであり、「メインポンプ１４設定」は低出力状態ＰＮのままである。また、電動発電機１２は、アシスト動作も発電動作も行わず、コンバータ１００は充放電を行わない。なお、コンバータ１００が充放電しないため、キャパシタ１９の電圧は変化しない。
【０１０６】
ブーム４が静止している時刻ｔ２から時刻ｔ３においても、「ＤＣバス１１０目標電圧」、「メインポンプ１４設定」、「電動発電機１２出力状態」、及び「コンバータ１００電流状態」はすべて一定に保たれる。
【０１０７】
時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間、ブーム４が下降することにより、ブーム回生用油圧モータ３１０に駆動力（トルク）が発生する。駆動力はブーム回生用発電機３００に伝達され、発電機３００で発電が行われる（回生動作）。発生した電気エネルギは、インバータ１８Ｃ、ＤＣバス１１０、及びコンバータ１００を経由してキャパシタ１９に蓄電される。したがって、この期間、ＤＣバス１１０は高圧状態ＶＭのまま変化せず、コンバータ１００は充電動作を行う。時刻ｔ３から時刻ｔ４において、発電機３００で発電されたエネルギが、コンバータ１００の充電動作でキャパシタ１９に蓄えられることを、図１３（Ａ）では「ブーム回生用モータ１３１出力状態」のチャートから「コンバータ１００電流状態」の行へ向かう矢印で概念的に示している。なお、メインポンプ１４設定は低出力状態ＰＮのままであり、電動発電機１２は、アシスト動作も発電動作も行わない。このように、コンバータ１００は、ＤＣバス１１０を高圧状態ＶＭのまま一定に維持しようと、キャパシタ１９との間で充放電制御を実施する。したがって、充放電の際に電力消費（エネルギ損失）が生じてしまう。
【０１０８】
図１３（Ａ）の充電率ＳＯＣのチャートは、第１の比較例において、回生電力が発生する見込みが無い状態においてＳＯＣを９０％に制御する場合のＳＯＣの変化を示している。この場合、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間において、ブーム下げ動作に伴ってブーム回生電力が発生すると、キャパシタ１９に充電される電力が上昇し、ＳＯＣが上昇する。もともと、ＳＯＣは９０％と高い目標値に設定されているため、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間において、ＳＯＣはシステム制御上限値（ＳＯＣが１００％）を超えてしまい、キャパシタ１９は過充電となってしまう。
【０１０９】
図１３（Ｂ）は、第２実施形態における第１の実施例による制御方法を示すタイミングチャートである。「ブームレバー」及び「ブーム４角度」のチャートは、図１３（Ａ）に示す第１の比較例と同じである。
【０１１０】
第１の実施例による制御方法においては、エンジン１１の駆動力と、電動発電機１２のアシスト動力とを用いて、ブーム４を上昇させる。また、電動発電機１２をアシスト運転させるために、キャパシタ１９ではなく、ＤＣバス１１０に蓄えられている電気エネルギを使用する。
【０１１１】
このため、ブーム４上昇中の時刻ｔ１から時刻ｔ２において、「電動発電機１２出力状態」はアシストとなり、蓄電目標値としての「ＤＣバス１１０目標電圧」は低圧状態ＶＬに設定される。また、コンバータ１００は充放電を行わない。更に、電動発電機１２がアシスト運転をするため、メインポンプ１４は高出力を発生可能な状態（高出力状態）ＰＨに移行する。
【０１１２】
なお、「ＤＣバス１１０目標電圧」のチャートに、実際のＤＣバス１１０の電圧計１１１により検出した電圧値を点線で示した。時刻ｔ１から時刻ｔ２においては、電動発電機１２によってエンジン１１をアシストするので、ＤＣバス１１０の電圧は、高圧状態ＶＭから徐々に減少し、時刻ｔ２において低圧状態ＶＬとなる。図１３（Ｂ）において、ＤＣバス１１０の電圧減少分で電動発電機１２のアシスト動作が行われることを、「ＤＣバス１１０目標電圧」のチャートから「電動発電機１２出力状態」のチャートに向かう矢印で概念的に示している。
【０１１３】
ブーム４がストローク上限位置に保持されている時刻ｔ２から時刻ｔ３においては、電動発電機１２は、アシスト動作も発電動作も行わない。ここで、キャパシタ１９及びＤＣバス１１０に蓄電されている電気エネルギは変化しない。したがって、コンバータ１００は充放電動作を行わず、ＤＣバス１１０の目標電圧及び実際電圧は低圧状態ＶＬに保たれる。また、メインポンプ１４は低出力状態ＰＮとなる。このように、ＤＣバス１１０が低圧状態ＶＬに保たれ、キャパシタ１９との充放電制御がなされないので、電力損失を防止することができる。
【０１１４】
時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて、ブーム４が下降し、ブーム４の位置エネルギがブーム回生用油圧モータ３１０、及びブーム回生用モータ（発電機）３００を介して電気エネルギに変換される（回生動作）。変換された電気エネルギは、キャパシタ１９ではなく、ＤＣバス１１０に蓄電される。
【０１１５】
ここで、コンバータ１００はキャパシタとの間で充放電動作を行わない。一方、ＤＣバス１１０の目標電圧は高圧状態ＶＭとされる。このため、時刻ｔ３から時刻ｔ４におけるＤＣバス１１０の実際電圧は、低圧状態ＶＬから徐々に上昇する。しかし、時刻ｔ１から時刻ｔ２においてブーム４が上昇するため、ＤＣバス１１０から放電された電気エネルギは、ブーム４の下降により完全には回収されず、時刻ｔ４におけるＤＣバス１１０の実際電圧は、高圧状態ＶＭよりも低い電圧となる。ブーム回生用モータ３００で発電された電気エネルギがＤＣバス１１０に蓄えられ、ＤＣバス１１０の電圧が上昇することを、図１３（Ｂ）において矢印で概念的に示している。なお、メインポンプ１４は低出力状態ＰＮのままである。
【０１１６】
時刻ｔ４から時刻ｔ５においては、ＤＣバス１１０の電圧を高圧状態ＶＭまでの不足分を回復させる。このためＤＣバス１１０目標電圧は高圧状態ＶＭのままとされ、この目標電圧値ＶＭが実現されるまで、コンバータ１００が放電動作を行う。キャパシタ１９の電気エネルギが、コンバータ１００の放電動作によりＤＣバス１１０に蓄えられることを、図１３（Ｂ）では「コンバータ１００電流状態」のチャートから「ＤＣバス１１０目標電圧」のチャートへ向かう矢印で概念的に示している。
【０１１７】
図１３（Ｂ）の充電率ＳＯＣのチャートは、第１の実施例におけるＤＣバス１１０の電圧の変化に伴って変化するＳＯＣを示している。第１の実施例においては、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間において回生電力が発生したときには、ブーム回生電力をＤＣバス１１０に蓄積してＤＣバス１１０の電圧が上昇するように制御が行なわれる。このため、キャパシタ１９には回生電力が供給されず、キャパシタ１９のＳＯＣを高い状態のままに維持することができる。すなわち、回生電力をＤＣバス１１０に蓄積することで、回生電力をキャパシタ１９に充電しないように制御し、ＳＯＣが高くなっているキャパシタ１９にさらに回生電力が充電されて過充電となることを防止している。
【０１１８】
なお、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間においてのみ、ＤＣバス１１０の電圧を回復させるために、キャパシタ１９は僅かに放電してＤＣバスに１１０に電力を供給する。そして、時刻ｔ５以降に電動発電機１２を発電運転してキャパシタ１９の充電を行ない、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣが目標充電率（９０％）となるように制御を行なう。この場合、電圧比に換算すると約９５％となる。また、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間において、キャパシタ１９の充電率が目標充電率よりも小さい場合には、キャパシタ１９への充電が行なわれる。
【０１１９】
上述の第２実施形態における第１の実施例による制御方法は、時刻ｔ１から時刻ｔ２において、ＤＣバス１１０に蓄えられている電気エネルギを用いて電動発電機１２のアシスト運転を行い、アシスト駆動力をエンジン１１の駆動力に加えてブーム４を上昇させる。ブーム４を上昇させる際に、メインポンプ１４が放出するエネルギの一部が電動発電機１２から供給されるため、エンジン１１の負荷を減少させることができる。これによりブーム４上昇時のポンプ馬力設定（メインポンプ１４設定）を大きくすることができる。このためブーム４を上昇させるパワーを大きくすることができる。
【０１２０】
また、電動発電機１２をアシスト運転させる電気エネルギをキャパシタ１９ではなく、ＤＣバスから供給するため、コンバータ１００における電力消費を抑止する（エネルギ損失を少なくする）ことができる。
【０１２１】
更に、時刻ｔ３から時刻ｔ４において、ブーム４の下降に伴って発生するエネルギがキャパシタ１９ではなく、ＤＣバス１１０に蓄電される。したがってこの期間においてもコンバータ１００における電力消費が抑止される。
【０１２２】
また、時刻ｔ４から時刻ｔ５におけるコンバータ１００の放電動作により、キャパシタ１９の電気エネルギをＤＣバス１１０に移し、ＤＣバス１１０の電圧状態を一定（高圧状態ＶＭ）に保つことで、再度ブーム４を上昇させる必要がある場合など、事情に応じて、迅速にＤＣバス１１０のエネルギを使用することができる。なお、時刻ｔ５以降の、ＤＣバス１１０の一定保持電圧（高圧状態ＶＭ）は、たとえばキャパシタ１９の保持電圧よりも高い電圧にする。
【０１２３】
次に、図１４（Ａ）及び（Ｂ）を参照しながら、第２実施形態における第２の比較例及び第２の実施例によるハイブリッド式ショベルの制御方法について説明する。これらの制御方法による制御は、コントローラ３０によって行われる。
【０１２４】
図１４（Ａ）は、第２の比較例による制御方法を示すタイミングチャートである。「旋回レバー」、「上部旋回体３旋回角度」及び「旋回用電動機２１出力状態」のチャートを参照すると、作業機械の運転者が、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間、操作装置２６の旋回レバーを「正転」状態に維持することにより、上部旋回体３が初期値から目標値まで旋回する。上部旋回体３は、時刻ｔ１において、停止状態から初速度ゼロから正転方向に旋回を開始し、時刻ｔ４において目標位置に到達して、終速度ゼロとなって旋回を終了する。時刻ｔ１から時刻ｔ２においては、上部旋回体３の旋回角速度は、徐々に増加する。時刻ｔ２から時刻ｔ３においては、上部旋回体３は等角速度で旋回する。時刻ｔ３から時刻ｔ４においては、上部旋回体３の旋回角速度は、徐々に減少する。旋回用電動機２１は、時刻ｔ１から時刻ｔ２においては電気エネルギから回転力を発生して、上部旋回体３を旋回させる力行動作を行い、時刻ｔ３から時刻ｔ４においては、上部旋回体３の回転運動から電気エネルギを発生する回生動作を行う。時刻ｔ２から時刻ｔ３においては、力行、回生のいずれの動作も行わない。
【０１２５】
「コンバータ１００電流状態」のチャートを参照すると、第２の比較例による制御方法では、ＤＣバス１１０の電圧を維持するため、旋回用電動機２１の力行動作はキャパシタ１９に蓄えられている電気エネルギを用いて行う。また、旋回用電動機２１の発生する回生エネルギはキャパシタ１９に蓄電する。このため、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけての力行運転においては、コンバータ１００は放電動作を行い、キャパシタ１９に蓄えられている電気エネルギを放出する。また、時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間は、コンバータ１００は充電動作を行い、発生する回生エネルギをキャパシタ１９に蓄電する。
【０１２６】
「電動発電機１２出力状態」のチャートを参照すると、時刻ｔ３から時刻ｔ４にキャパシタ１９に蓄電される回生エネルギは、時刻ｔ１から時刻ｔ２にキャパシタ１９から放出されるエネルギよりも小さい。このため、キャパシタ１９の電圧レベルを一定にする目的で、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて電動発電機１２は、不足分を補うように発電動作を行う。電動発電機１２で発電された電気エネルギは、コンバータ１００の充電動作によりキャパシタ１９に蓄えられる。
【０１２７】
「ＤＣバス１１０目標電圧」のチャートを参照すると、上述のように、第２の比較例においては、キャパシタ１９のエネルギで力行運転を行い、発生する回生エネルギをキャパシタ１９に蓄電する。このため、ＤＣバス１１０の目標電圧は高圧状態ＶＭのまま変化しない。このように、コンバータ１００は、ＤＣバス１１０を高圧状態ＶＭのまま一定に維持するために、キャパシタ１９との間で充放電制御を実施する。したがって、充放電の際に電力消費（エネルギ損失）が生じてしまう。
【０１２８】
図１４（Ｂ）は、第２の実施例による制御方法を示すタイミングチャートである。「旋回レバー」、「上部旋回体３旋回角度」及び「旋回用電動機２１出力状態」のチャートの折れ線または曲線は、図１４（Ａ）に示す第２の比較例と同じである。
【０１２９】
第２実施形態における第２の実施例による制御方法においては、旋回用電動機２１の力行動作を、キャパシタ１９及びＤＣバス１１０に蓄えられている電気エネルギを用いて実施する。また、旋回用電動機２１が回生動作により発生するエネルギを、キャパシタ１９ではなく、ＤＣバス１１０に蓄電する。
【０１３０】
蓄電目標値としての「ＤＣバス１１０目標電圧」、「電動発電機１２出力状態」、及び「コンバータ１００電流状態」のチャートを参照すると、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけての力行運転には、ＤＣバス１１０の電気エネルギが利用されるため、ＤＣバス１１０の目標電圧は、高圧状態ＶＭから低圧状態ＶＬに移行する。また、コンバータ１００が放電動作を行うことで、キャパシタ１９の電気エネルギも力行運転に使用される。電動発電機１２は、アシスト動作も発電動作も行わない。ＤＣバス１１０の実際電圧は、時刻ｔ１における高圧状態ＶＭから徐々に減少し、時刻ｔ２において低圧状態ＶＬとなる。
【０１３１】
上部旋回体３が等角速度で旋回する時刻ｔ２から時刻ｔ３においては、旋回用電動機２１は、電気エネルギの供給を受けることもなく、回生エネルギを発生することもない。ＤＣバス１１０の目標電圧及び実際電圧は、低圧状態ＶＬのままとなる。コンバータ１００は充放電を行わず、電動発電機１２はアシスト動作も発電動作も行わない。このように、ＤＣバス１１０が低圧状態ＶＬに保たれ、キャパシタ１９との充放電制御がなされないので、電力損失を防止することができる。
【０１３２】
時刻ｔ３から時刻ｔ４において、旋回用電動機２１は、上部旋回体３の回転運動から回生エネルギを発生する（回生動作）。ＤＣバス１１０の目標電圧は、低圧状態ＶＬから高圧状態ＶＭに切り替えられ、回生エネルギは、ＤＣバス１１０に蓄えられる。コンバータ１００の充放電動作、及び電動発電機１２のアシストまたは発電動作は行われない。ＤＣバス１１０の実際電圧は、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで低圧状態ＶＬから徐々に上昇するが、高圧状態ＶＭには至らない。
【０１３３】
時刻ｔ４から時刻ｔ５においては、ＤＣバス１１０の電圧を高圧状態ＶＭまで回復させる。このためＤＣバス１１０目標電圧は高圧状態ＶＭのままとされ、この目標電圧値ＶＭが実現されるまで、コンバータ１００が放電動作を行う。
【０１３４】
図１４（Ｂ）における充電率（ＳＯＣ）のチャートを参照すると、第２実施例では、ＤＣバス１１０の電圧を可変制御するために、キャパシタ１９のＳＯＣを高い状態で維持することができる。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間では、低下したキャパシタ１９の電圧を回復させるべく、電動発電機１２の発電運転を行ない、キャパシタ１９に充電を行なう。
【０１３５】
第２の実施例による制御方法においては、力行運転のエネルギをＤＣバス１１０からも供給する。力行運転のエネルギのすべてをキャパシタ１９から供給する第２の比較例と比べ、コンバータ１００を流れる電流を小さくすることができる。したがって、電力消費を抑止することができる。
【０１３６】
また、時刻ｔ３から時刻ｔ４における旋回用電動機２１の回生動作により発生するエネルギがキャパシタ１９ではなく、ＤＣバス１１０に蓄電される。したがってこの期間においてもコンバータ１００における電力消費が抑止される。
【０１３７】
また、時刻ｔ４から時刻ｔ５におけるコンバータ１００の放電動作により、キャパシタ１９の電気エネルギをＤＣバス１１０に移し、ＤＣバス１１０の電圧状態を一定（高圧状態ＶＭ）に保つことで、再度旋回動作を行う必要がある場合など、状況に応じて、迅速にＤＣバス１１０のエネルギを使用することができる。なお、時刻ｔ５以降の、ＤＣバス１１０の一定保持電圧（高圧状態ＶＭ）は、たとえばキャパシタ１９の保持電圧よりも高圧にする。すなわち、時刻ｔ５以降において、低下したキャパシタ１９の電圧を回復させるように、電動発電機１２を発電運転し、キャパシタ１９の充電を行なう。
【０１３８】
第２の実施形態の第１、第２の実施例による制御方法においては、それぞれブーム４の下降、旋回用電動機２１の回生動作に伴って回収可能なエネルギを予測し、少なくとも回収可能なエネルギを放出して、ブーム４の上昇、旋回用電動機２１の力行動作を行う。ブームシリンダはストロークが決まっているため、ブーム４を上げた後、上げた分だけのブーム４下げ動作が入る。このため、このブーム４下げ動作によって発生するエネルギに対応するエネルギを放出することができる。同様に、旋回用電動機２１によって加速された上部旋回体３は、減速して停止する。このため、上部旋回体３の減速に伴って発生するエネルギに対応するエネルギを放出することができる。また、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間において、キャパシタ１９の充電率が目標充電率よりも小さい場合には、キャパシタ１９への充電が行なわれる。同様に、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間においても、キャパシタ１９の充電率が目標充電率よりも小さい場合には、キャパシタ１９への充電が行なわれる。
【０１３９】
以上、実施例に沿って本発明の第２実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１４０】
たとえば実施例においては、ブーム４の上下と、上部旋回体３の旋回とを異時に行ったが、これらを同時に行う場合には、たとえばブーム４からの回生エネルギはＤＣバス１１０に蓄え、上部旋回体３からの回生エネルギはキャパシタ１９に蓄える制御を行うことができる。両回生エネルギをともにキャパシタ１９に蓄える場合、コンバータ１００を流れる電流が大きくなりエネルギ損失が増大するが、ブーム４からの回生エネルギをＤＣバス１１０に蓄える制御を行うと、コンバータ１００におけるエネルギ損失を抑制することができる。
【０１４１】
また、実施例においてはハイブリッド式ショベルを用いたが、例えばクレーンであってもよい。この場合、クレーンの巻上げ、巻下しを、ブームの上げ下げと同様に考えることができる。クレーンがブームに対応し、クレーンの巻上げ用モータがブーム回生用モータに対応する。
【０１４２】
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１５に示す構成のハイブリッド知己ショベルでは、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。
【０１４３】
本発明は上述の具体的に開示された実施例に限られず、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例、改良例がなされるであろう。
【０１４４】
本出願は２００９年６月９日出願の優先権主張日本特許出願２００９−１３７９７０号に基づくものであり、その全内容はここに援用される。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明は、発電機でエンジンをアシストするハイブリッド式ショベルに適用可能である。
【符号の説明】
【０１４６】
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
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
１０５  インバータ
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
【図１】
2010143628.tif 000003
【図２】
2010143628.tif 000004
【図３】
2010143628.tif 000005
【図４】
2010143628.tif 000006
【図５】
2010143628.tif 000007
【図６】
2010143628.tif 000008
【図７】
2010143628.tif 000009
【図８】
2010143628.tif 000010
【図９】
2010143628.tif 000011
【図１０】
2010143628.tif 000012
【図１１】
2010143628.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2010143628.tif 000015
【図１４】
2010143628.tif 000016
【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年4月11日(2011.4.11)
【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】
下部走行体と、
該下部走行体の上で旋回動作を行なう上部旋回体と、
該上部旋回体上に一端が回動自在に取り付けられたブームと、
該ブームの他端に一端が回動自在に取り付けられたアームと、
該アームの他端に回動自在に取り付けられた作業要素と
を備えたハイブリッド式ショベルであって、
前記上部旋回体に備えられ、駆動力を発生するエンジンと、
前記上部旋回体に備えられ、前記エンジンの駆動力で回転するメインポンプと、
前記上部旋回体に備えられ、前記エンジンへのアシスト動作と、前記エンジンから伝達された駆動力で発電動作とを行う電動発電機と、
前記上部旋回体に備えられ、制御装置からの制御信号により、前記電動発電機のアシスト動作と発電動作との切替を制御する電動発電機制御部と、
前記上部旋回体に備えられ、蓄電可能な第１の蓄電器と、
前記上部旋回体に備えられ、前記電動発電機制御部に電気的に接続された蓄電可能な第２の蓄電器と、
前記上部旋回体に備えられ、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間を電気的に接続し、外部からの制御信号により、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間の充放電動作を制御する充放電制御部と、
前記上部旋回体に備えられ、前記第２の蓄電器に電気的に接続され、少なくとも機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを前記第２の蓄電器に蓄電可能なモータとを有し、
前記制御装置は、前記上部旋回体に備えられ、前記電動発電機制御部と前記充放電制御部とのうち少なくとも一方に制御信号を供給するとともに、
前記制御装置は、前記第１の蓄電器及び前記第２の蓄電器の少なくとも一方の蓄電目標値を、前記モータが回生動作を行なう前に低減するハイブリッド式ショベル。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記制御装置は、前記モータが回生動作を行なう期間には、前記蓄電目標値を、該回生動作を行なう前に設定されていた値よりも高い値に設定するハイブリッド式ショベル。
【請求項３】
請求項１又は２記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記制御装置は、前記電動発電機が電動動作を行なう期間には、前記蓄電目標値を、該電動動作が行なわれる前の値よりも低い値に設定するハイブリッド式ショベル。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、  前記制御装置は、前記モータが力行動作を行う期間には、前記蓄電目標値を、該力行動作が行なわれる前の値より低い値に設定するハイブリッド式ショベル。
【請求項５】
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記モータはブーム回生用モータであって、ブームの角度を検出する角度検出部を更に有し、
前記制御装置は、
該角度検出部が検出したブームの角度に基づいて推定回生エネルギを演算する推定回生エネルギ演算部と、
該推定回生エネルギ演算部で演算した推定回生エネルギに基づいて前記蓄電目標値を決定する蓄電目標値決定部と、
該蓄電目標値決定部にて決定した前記蓄電目標値が設定されるように、前記電動発電機制御部と前記充放電制御部のうち少なくとも一方を制御する蓄電目標値制御部と
を含むハイブリッド式ショベル。
【請求項６】
請求項５記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記推定回生エネルギ演算部は、前記ブームの位置エネルギに基づいて前記ブームの推定回生エネルギを演算により求めるハイブリッド式ショベル。
【請求項７】
請求項１、２及び４のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記モータは旋回用モータであって、前記上部旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出部を更に有し、
前記制御装置は、
該旋回速度検出部が検出した旋回速度に基づいて推定回生エネルギを演算する推定回生エネルギ演算部と、
該推定回生エネルギ演算部で演算した推定回生エネルギに基づいて前記蓄電目標値を決定する蓄電目標値決定部と、
該蓄電目標値決定部にて決定した前記蓄電目標値が設定されるように、前記電動発電機制御部と前記充放電制御部のうち少なくとも一方を制御する蓄電目標値制御部と
を含むハイブリッド式ショベル。
【請求項８】
請求項７記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記推定回生エネルギ演算部は、前記上部旋回体の運動エネルギに基づいて前記上部旋回体の推定回生エネルギを演算により求めるハイブリッド式ショベル。
【請求項９】
請求項７記載のハイブリッド式ショベルであって、
作業要素としてリフティングマグネットを更に有し、
前記推定回生エネルギ演算部は、該リフティングマグネットが吸着動作を行なっている間は、前記リフティングマグネットの推定回生エネルギを一定に位置するハイブリッド式ショベル。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記制御装置は、前記モータが回生運転を行なうと推定される前の前記第１の蓄電器の充電比を９５％以上となるように制御するハイブリッド式ショベル。
【請求項１１】
請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のハイブリッド式ショベルであって、
前記制御装置は、前記モータが回生運転を行なうと推定される前の前記第２の蓄電器の電圧を前記第１の蓄電器の電圧より高い値に設定するハイブリッド式ショベル。
【請求項１２】
駆動力を発生するエンジンと、
該エンジンの駆動力で回転するメインポンプと、
前記エンジンへのアシスト動作と、前記エンジンから伝達された駆動力で発電動作とを行う電動発電機と、
制御装置からの制御信号により、前記電動発電機のアシスト動作と発電動作との切替を制御する電動発電機制御部と、
蓄電可能な第１の蓄電器と、
前記電動発電機制御部に電気的に接続された蓄電可能な第２の蓄電器と、
前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間を電気的に接続し、外部からの制御信号により、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間の充放電動作を制御する充放電制御部と、
前記第２の蓄電器に電気的に接続され、機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを前記第２の蓄電器に蓄電可能なモータと
を有するハイブリッド式ショベルの制御方法であって、
前記制御装置は、前記電動発電機制御部と前記充放電制御部とのうち少なくとも一方に制御信号を供給するとともに、
前記制御装置は、前記第１の蓄電器及び前記第２の蓄電器の少なくとも一方の蓄電目標値を、前記モータが回生動作を行なう前に低減するように制御するハイブリッド式ショベルの制御方法。
【国際調査報告】
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