(57)【要約】【課題】回生エネルギを高効率で回収し、バッテリあるいはキャパシタの電圧を最適に制御する。  【解決手段】充放電可能なキャパシタと、充放電可能なバッテリおよび前記キャパシタと力行及び回生可能な負荷とを接続する給電回路を備え、前記キャパシタに蓄積されたエネルギをインバータを介して負荷に給電し、負荷の回生エネルギを前記インバータを介してキャパシタに充電する電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、前記負荷が電動モータであり、かつ、前記キャパシタはＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷に接続され、該ＤＣ／ＤＣコンバータは該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタが充放電するエネルギを制御する制御手段を備え、前記制御手段は、モータの回転数及びトルク、又は、インバータに供給されるＤＣ電流、又は、操作レバー情報、及び予め保持しておいた繰り返し作業における力行／回生の変化点を含む動作パターン情報に基づき、モータの力行／回生の変化点を含む動作パターンを推定する力行／回生動作推定手段１９を備え、この力行／回生動作推定手段が推定した変化点および動作パターンに基づいてキャパシタの目標電圧を、力行の場合は徐々に低く、回生の場合は徐々に低くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御するキャパシタ目標電圧演算手段１８を備えることを特徴とする電源システムを備えた。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能なキャパシタと、充放電可能なバッテリおよび前記キャパシタと力行及び回生可能な負荷とを接続する給電回路を備え、前記キャパシタに蓄積されたエネルギをインバータを介して負荷に給電し、負荷の回生エネルギを前記インバータを介してキャパシタに充電する電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記負荷が電動モータであり、かつ、前記キャパシタはＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷に接続され、該ＤＣ／ＤＣコンバータは該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタが充放電するエネルギを制御する制御手段を備え、前記制御手段は、モータの回転数及びトルク、又は、インバータに供給されるＤＣ電流、又は、操作レバー情報、及び予め保持しておいた繰り返し作業における力行／回生の変化点を含む動作パターン情報に基づき、モータの力行／回生の変化点を含む動作パターンを推定する力行／回生動作推定手段を備え、この力行／回生動作推定手段が推定した変化点および動作パターンに基づいてキャパシタの目標電圧を、力行の場合は徐々に低く、回生の場合は徐々に高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御するキャパシタ目標電圧演算手段を備えることを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項２】
請求項１記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記力行／回生動作推定手段が推定した動作パターンに基づいてキャパシタの目標電圧を、力行と回生の変化点よりも前記制御手段の応答遅れ分だけ前に、力行と回生の間のエネルギロスに相当する電圧分をステップ状に変化させる命令を発行することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項３】
請求項１ないし２記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記制御手段は、力行／回生エネルギを推定する推定手段を備え、この推定手段が推定したエネルギおよびキャパシタ電圧にしたがって前記キャパシタに入出力すべきエネルギを推定するキャパシタ入出力エネルギ推定手段を備え、該キャパシタ入出力エネルギ推定手段が推定した入出力エネルギにしたがってキャパシタの目標電圧を演算し、この目標電圧に応じてＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項４】
請求項３記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記制御手段は、前記力行／回生エネルギ推定手段が推定したエネルギ量およびバッテリ電圧にしたがって前記バッテリに入出力可能なエネルギを推定するバッテリ入出力エネルギ推定手段を備え、力行／回生エネルギおよび該バッテリ入出力エネルギ推定手段が推定した入出力エネルギにしたがってキャパシタの目標電圧を演算しこの目標電圧に応じてＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項５】
請求項１記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記制御手段は、前記力行／回生エネルギ推定手段が推定した電力およびキャパシタ電圧にしたがって前記キャパシタに入出力すべき電力を推定するキャパシタ入出力エネルギ推定手段を備え、該キャパシタ入出力エネルギ推定手段が推定した入出力エネルギにしたがってキャパシタの目標電圧を演算し、それに伴いＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項６】
請求項１記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記建設機械又は産業機械は、前記負荷と接続されるバッテリを備え、前記制御手段は、前記力行／回生エネルギ推定手段が推定した電力およびバッテリ電圧にしたがって前記バッテリに入出力すべき電力を推定するバッテリ入出力エネルギ推定手段を備え、該バッテリ入出力エネルギ推定手段が推定した入出力エネルギにしたがってキャパシタの目標電圧を演算し、それに伴いＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項７】
請求項１記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、前記建設機械又は産業機械は、前記負荷と接続されるバッテリを備え、
前記制御手段は、現在の作業状態が回生動作であるとき、前記キャパシタ電圧を昇圧するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源システムを備えた建設機械及び産業車両に係り、例えば、油圧ショベルやフォークリフト等に好適な電源システムを備えた建設機械及び産業車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の駆動系にモータが用いられるハイブリッド自動車、電気自動車、あるいはバッテリフォークリフトなどでは、走行用のモータを駆動するためにバッテリを備え、該バッテリからインバータを介してモータに交流電力を供給している。【０００３】
バッテリフォークリフト等の産業車両では、電源として鉛蓄電池を使用しているが、このような産業車両の走行時あるいは作業時における消費エネルギを考慮すると、バッテリの容量は大きくしておく必要がある。【０００４】
なお、大容量のバッテリを搭載していても、搭載するバッテリとして鉛蓄電池を用いた場合には、鉛蓄電池は急速充電に適していないため回生制動する際の回生エネルギの殆どがロスとなり回収できないことがある。【０００５】
そこで、近年では、バッテリとキャパシタを組合せて電源システムを構成し、負荷からのエネルギをキャパシタに蓄積し、さらに、蓄積したエネルギを瞬間的に負荷に供給できるようにすることで効率向上を図っている。【０００６】
例えば、特許文献１には、バッテリとキャパシタを組合せた電源システムにおいて、充放電用キャパシタとバッテリとの間に電流電圧変換器を配置し、負荷であるモータが駆動制御されている際には前記キャパシタを放電経路に接続し、前記モータが回生制動されている際には前記キャパシタを充電経路に接続することにより、バッテリ等の電源の容量を少なくして、所望の必要最大エネルギを負荷に供給することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３２０３０２号公報
【特許文献２】特開２００６−３２１６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記従来技術である特許文献１によれば、回生エネルギを回収することが可能であり、また、バッテリあるいはキャパシタの容量を減らすことはできる。しかしながら、回生エネルギの回収、あるいはバッテリやキャパシタの容量の低減を実現するための方法の詳細について開示するものではない。【０００９】
また特許文献２では、力行と回生を繰り返す場合にあらかじめ設定した条件のときのみ回生動作とすることで、回生エネルギの制御負担を軽減するものであるが、適用対象がクレーンにおけるフリーフォール時の回生といった単純な制御の場合には適用できても、油圧ショベルの旋回のように加速と制動が一連の動作の過程に存在し、力行と回生が切替わる場合には、電源システムの応答性が問題となり、適用は困難となる。【００１０】
本発明はこれらの点に鑑みてなされたもので、回生エネルギを高効率で回収し、バッテリあるいはキャパシタの容量を低減することのできる制御技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。【００１２】
充放電可能なキャパシタと、充放電可能なバッテリおよび前記キャパシタと力行及び回生可能な負荷とを接続する給電回路を備え、前記キャパシタに蓄積されたエネルギをインバータを介して負荷に給電し、負荷の回生エネルギを前記インバータを介してキャパシタに充電する電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記負荷が電動モータであり、かつ、前記キャパシタはＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷に接続され、該ＤＣ／ＤＣコンバータは該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタが充放電するエネルギを制御する制御手段を備え、前記制御手段は、モータの回転数及びトルク、又は、インバータに供給されるＤＣ電流、又は、操作レバー情報、及び予め保持しておいた繰り返し作業における力行／回生の変化点を含む動作パターン情報に基づき、モータの力行／回生の変化点を含む動作パターンを推定する力行／回生動作推定手段を備え、この力行／回生動作推定手段が推定した変化点および動作パターンに基づいてキャパシタの目標電圧を、力行の場合は徐々に低く、回生の場合は徐々に低くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御するキャパシタ目標電圧演算手段を備えることを特徴とする電源システムを備えた。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以上の構成を備えるため、回生エネルギを高効率で回収し、バッテリの容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る電源システムを搭載したハイブリッド式油圧ショベルを説明する図である。
【図２】ハイブリッド式油圧ショベルの駆動部の構成および搭載した第１の実施形態にかかる電源システムの構成を示す図である
【図３】図２に示すコントローラの各機能を示すブロック図である。
【図４】旋回モータの旋回動作におけるキャパシタの目標電圧の変化例を示す図である。
【図５】コントローラの処理（キャパシタの電圧指令値を算出する処理）を説明する図である。
【図６】第２の実施形態に係る電源システムを搭載したフォークリフトを説明する図である。
【図７】図６に示すフォークリフトの構成及び搭載した電源システムの詳細を説明する図である。
【図８】フォークの上昇および下降時における各種の出力の変化を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、最良の実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施形態１）
図１は、第１の実施形態に係る電源システムを搭載したハイブリッド式油圧ショベルを説明する図である。
【００１７】
図１において，油圧ショベルは，走行体４０１，旋回体４０２を有し、走行体４０１は走行用油圧モータ３３により駆動される。また、旋回体４０２の前部左側には運転席４０３が設けられ、前部右側にはブーム４０５，アーム４０６，バケット４０７を有する多関節構造の作業装置４００が設けられている。
【００１８】
ブーム４０５、アーム４０６，バケット４０７は，それぞれ油圧アクチュエータであるブームシリンダ３２ａ、アームシリンダ３２ｂ，バケットシリンダ３２ｃにより駆動される。
【００１９】
図２は、図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動部の構成および搭載した第１の実施形態にかかる電源システム１の構成を示す図である。
【００２０】
走行用油圧モータ３３および作業装置駆動用油圧アクチュエータ（アームシリンダ３２ｂ，バケットシリンダ３２ｃ）は、エンジン１０により駆動される油圧ポンプ３１から吐出される作動油にて駆動される。さらにエンジン１０にはモータジェネレータ８が接続され、モータジェネレータ８はエンジン１０により駆動され、また油圧ポンプ３１により駆動されて回生動作を行う。
【００２１】
走行用油圧モータ３３、アームシリンダ３２ｂおよびバケットシリンダ３２ｃはコントロールバルブ３４を介して各々油圧ポンプ３１と連通し、作動油が授受される。旋回体４０２は旋回用の交流モータ３６ａにより走行体４０１上で旋回可能である。旋回用モータ３６はインバータ３７ａを介して、またブーム駆動用モータ３６ｂはインバータ３７ｂを介して、バッテリ１２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１５に接続される。またＤＣ／ＤＣコンバータ１５はキャパシタ１３と接続し、モータ３６ａ，３６ｂとの間で力行／回生エネルギの授受を行う。
【００２２】
インバータ３７ａおよび３７ｂはコントローラ１１に接続され、コントローラ１１により制御される。なお、コントローラ１１は、図示しない操作レバーの操作量、車速や旋回速度などの車体情報の基となるモータトルクあるいは回転数、インバータの電流値、作業装置で掘削した土砂などの積載物の荷重などの情報を基に、電源システム１、エンジン１０により駆動されるモータジェネレータ８と接続されたインバータ９、及びエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５を制御する。
【００２３】
油圧ショベルなどの建設機械やフォークリフトなどの産業車両では、作業パターンがほぼ決まっているため、作業パターンをもとに必要な力行エネルギや発生する回生エネルギを推定しやすい。
【００２４】
すなわち、現在の動作状態と予め得られた動作パターン情報を用いることにより次の力行／回生の変化点（力行から回生あるいは回生から力行への動作の変化時点）を推定し、推定した変化時点に対応してキャパシタに入出力可能なエネルギを演算し、演算したエネルギに合わせてキャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊を決定することができる。
【００２５】
本実施形態では、負荷であるモータ３６ａとキャパシタ１３の間にＤＣ／ＤＣコンバータ１４を設け、キャパシタ側の電圧を昇降圧を可能としている。ここでは、バッテリ１２の電圧が４８Ｖであるのに対して、キャパシタ１３側の電圧はたとえば４８Ｖ〜９０Ｖの電圧範囲で動作する。
【００２６】
この電源システム１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して、キャパシタ１３の充電量が不足しているときにバッテリ１２から充電し、キャパシタ１３の充電量が充電可能な上限値に近くなったとき、あるいは達したときに、バッテリ１２を充電する。
【００２７】
ところで、鉛蓄電池は充電時における損失が大きいため、回生エネルギを効率よくバッテリに回収することができない．また、鉛蓄電池への充放電を大電流で繰り返すと、劣化を進めてしまい寿命が短くなる傾向にある。このため、旋回動作時において、モータによる力行と回生を繰返しおこなう場合、可能な限りキャパシタ１３による充放電を利用することが望ましい。これにより充放電によるエネルギ効率を向上させることができる。
【００２８】
図３は、図２に示すコントローラ１１の各機能を示すブロック図である。一般に、建設機械では繰り返し動作が多いため、力行と回生の変化点、例えば旋回動作なら加速から減速への変化点は、旋回角度や旋回速度からあらかじめわかる場合が多い。
【００２９】
本実施例における動作推定手段１９は、操作レバーの操作量、旋回速度、旋回モータのトルク、各アクチュエータに設けたストロークセンサの情報などをもとに繰り返し作業における力行／回生の変化点を含む動作パターン情報をあらかじめ得て保持しておく。
【００３０】
そして、この保持しておいた動作パターン情報と、現在の動作情報をもとに次の力行／回生の変化点、及び該変化点を含む動作パターンを推定する。
【００３１】
例えば旋回用の交流モータ３６aが力行回転しているときは旋回加速中であり、このとき（現在）の旋回速度やモータトルク、旋回モータ用インバータの電流値と、前述のあらかじめ保持しておいた前記動作パターン情報から、いつ停止するための制動回生動作に変化するのかを（変化点を）推定することができる。
【００３２】
なお、変化の方向（力行から回生、または回生から力行）は、レバー操作から推定することができる。例えば、レバーの操作でブーム４０５あるいはアーム４０６が上げ動作（力行動作）の場合、次の動作は下げ動作である回生動作であると推定できる。
【００３３】
力行／回生エネルギ演算手段１６は、現在における旋回の加減速に必要な旋回用モータ３６ａのトルク、回転数の情報、予め保持しておいた動作パターンおよび動作推定手段１９が推定した変化点の情報をもとに、力行／回生動作変化点までの時間的猶予（猶予時間）および猶予時間までに要求される力行／回生エネルギを演算する。
【００３４】
キャパシタ入出力エネルギ演算手段１７は、負荷の力行／回生エネルギを全てキャパシタ１３から出力可能か、あるいはキャパシタが回生エネルギ全てを受け入れ可能か計算する。
【００３５】
バッテリ入出力エネルギ演算手段２０は、キャパシタ入出力エネルギ演算手段１７の前記計算結果をもとに、負荷が力行動作をする場合、バッテリ１２から放電する必要があるか、負荷が回生する場合にはバッテリ１２にも充電すべきかを計算する。
【００３６】
キャパシタ目標電圧演算手段１８は、力行／回生エネルギ演算手段１６で算出した力行／回生エネルギ演算に応じて、キャパシタ１３の最終目標電圧Ｖｃ＊を決める。例えば、回生時におけるキャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊は、回生エネルギを可能な限りキャパシタ１３で受け入れられるような値に設定する。このとき、動作パターン情報に従ってＤＣ／ＤＣコンバータの電流を制御することにより、徐々にキャパシタ１３の電圧を昇圧することができる。
【００３７】
以上説明したように、第１の実施形態においては、旋回時における旋回モータの動作パターン情報などをもとにキャパシタに充放電可能なエネルギ量Ｅを算出しキャパシタ電圧指令値Ｖｃ＊を算出することができる。
【００３８】
回生時には、キャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊を例えば旋回速度に基づく動作パターン情報に従って昇圧するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御することで、急激な目標電圧変化を回避しつつバッテリ１２が充電される状況を少なくし、バッテリへの充電による効率の低下を防ぐことができる。
【００３９】
また、キャパシタ１３の充放電電圧範囲を広くすることで、キャパシタ１３を小型化することが可能となる。
【００４０】
図４は、旋回モータの旋回動作におけるキャパシタの目標電圧の変化パターン例を示す図である。
【００４１】
キャパシタの目標電圧は、旋回開始時のＶｃｉから加速時の力行によるエネルギ消費にしたがって徐々に低下する。ＶｃｉがＶｃ１になった時点で力行から回生に変化し、回生時（減速時）のエネルギ回生により、Ｖｃｉは徐々に上昇して最終的にはＶｃｆとなって停止する。
【００４２】
ここで力行から回生へと変化するとき、キャパシタの目標電圧ＶｃｉがＶｃ１からＶｃ２へとステップ状に上昇するのは、摩擦などの機械的ロスおよびインバータの効率などに起因する電気的ロスにより力行で得た運動エネルギや位置エネルギをすべて回生過程で回収できないためである。同様に旋回動作の終了時点における目標電圧Ｖｃｆは開始時点Ｖｃｉに対してロス分を補うために高く設定される。
【００４３】
ここでコントローラの応答性が問題になるのは、力行から回生に変化するときの目標電圧の急な上昇であり、この変化点が予めわかっているとコントローラの応答性を見込んだ制御が可能となる。
【００４４】
図５は、コントローラ１１の処理（キャパシタの電圧指令値を算出する処理）を説明する図である。
【００４５】
図５のステップ４０において、レバーの操作量、旋回速度を入力する。
【００４６】
ステップ４１において、旋回用モータ３６ｂのトルク指令値Ｔｒｑ＊および回転速度ωｍを入力する。
【００４７】
ステップ４２において、これらの情報を用いて負荷の出力Ｐｍを計算する。例えば、旋回中における旋回モータの出力Ｐｍは、モータのトルク指令値Ｔｒｑ＊と回転速度ωｍを乗算して式（１）により算出する。
【００４８】
Ｐｍ  ＝  Ｔｒｑ＊・ωｍ                      （１）
ここで、Ｐｍ＞０であるか否かにより、モータが駆動力を出力している（モータ力行時である）か、制動して回生をしている（回生時である）かを判断することができる。
【００４９】
なお、ここでは、モータのトルク指令値と回転速度を用いて判断したが、インバータ４に流れるＤＣ電流Ｉｄｃの正負から、電源装置へ放電しているのか又は電源装置から給電されているのかを判断することも可能である。また、負荷の出力Ｐｍは、ステップ４０において入力した操作レバーの操作量をもとに算出することも可能である。
【００５０】
ステップ４３において、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリ電圧Ｖｂを入力する。
【００５１】
ステップ４４において、キャパシタ電圧Ｖｃ、キャパシタ電流Ｉｃを入力する。ここで、キャパシタ１３の目標電圧Ｖｃは、モータの力行時と回生時で異なり、バッテリ電圧Ｖｂやキャパシタ１３電圧Ｖｃに応じて決める。例えば、モータの力行時は、可能な限りキャパシタ１３に蓄積されたエネルギを消費させ、バッテリから放電しないようにする。
【００５２】
よって、キャパシタ電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂよりも高いときは、キャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊を低下させ、キャパシタ１３から力行エネルギを取り出すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御する。また、モータの回生時は、可能な限りキャパシタ１３に回生エネルギを回収し、バッテリには充電しないようにする。
【００５３】
よって、キャパシタ電圧Ｖｃが所定値よりも低いときは、キャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊を上昇させて、キャパシタ１３に回生エネルギを回収するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御する。
【００５４】
そこで、ステップ４５において、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリ電圧Ｖｂ、キャパシタ電圧Ｖｃ、キャパシタ電流Ｉｃ、力行／回生エネルギＰｍ、位置エネルギをもとに、キャパシタに入出力可能なエネルギ量を推定する。
【００５５】
本実施形態において，キャパシタに入出力可能なエネルギ量は，現在のキャパシタ電圧Ｖｃに対して充放電可能なエネルギ量を逐次計算することにより実現できる。
【００５６】
力行時であれば，キャパシタ電圧Ｖｃが高いほど，放電可能なエネルギ量は多くなり，低くなるにつれて放電可能なエネルギ量は少なくなる。回生時であれば、キャパシタ電圧Ｖｃが低いほど，充電可能なエネルギ量は多くなり、キャパシタ電圧Ｖｃが高くなるにつれて、充電可能なエネルギ量は少なくなる。
【００５７】
すなわち，現在のキャパシタ電圧Ｖｃに対して，充放電可能なエネルギ量はあらかじめ決まっている。このため、キャパシタ電圧から入出力可能なエネルギを推定するには、予め得られた動作パターン情報にしたがったキャパシタ電圧と充放電可能なエネルギ量の関連をテーブルなどで保持しておけばよい。 
次に、旋回動作における回生エネルギ量を算出し、算出したエネルギ量に基づき，ステップ４６にてキャパシタ１３の電圧指令値Ｖｃ＊を演算する。
【００５８】
すなわち，現在の旋回加速度あるいは旋回角度によって力行／回生動作変化点までの裕度（時間的余裕）がわかり、コントローラの応答遅れに見合った制御指令を力行と回生動作が変化する変化点以前に予め発行しておけばＤＣ／ＤＣコンバータの応答性が向上する。
【００５９】
ここで，空のバケットに積載物を積み込むための旋回動作を考える。旋回体のの慣性モーメントを I 、角速度 をωとすると，運動エネルギにより生じる回生エネルギは次式で表される。
【００６０】
Ｅｖ＝ＫｖＩω2                  （２）
ここで、Ｋｖはあらかじめ設定した定数を示す。
【００６１】
運動エネルギーＥｖを回生する場合、摩擦に起因する機械的なロスなどにより、すべてのエネルギが回生可能ではないため、たとえば７０％程度が回生されると見積もる。この場合はＫｖ＝０．７となる。油圧ショベルやフォークリフトなどでは作業パターンが決まっているため、Ｋｖはほぼ一定とみなすことができる。よって，キャパシタ電圧指令値Ｖｃ＊は次式で算出できる。
【００６２】
なお、Ｅｍａｘはキャパシタの定格で決まる蓄電可能なエネルギの最大値、Ｃはキャパシタの容量である。
【００６３】
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式（３）に示すように，現在の走行速度が大きいほど，又はリフトの高さおよび荷重が大きいほど，すなわち，運動エネルギや位置エネルギが大きいほど，キャパシタ電圧指令値Ｖｃ＊を下げておくように制御する。 
ステップ４７において，以上より算出したキャパシタ電圧指令値Ｖｃ*に応じて，ＤＣ／ＤＣコンバータの電流指令値を算出する。
【００６４】
上述したキャパシタ電圧指令値Ｖｃ＊とキャパシタ１３に入出力可能なエネルギとの関係により，バッテリの充放電電流は下記のように決まる。
【００６５】
例えば、加速走行時にモータ３ａが力行する場合（Ｐｍ＞０）、キャパシタ１３から出力可能なエネルギと走行に必要なエネルギＥを比較し、全てキャパシタ１３から出力可能であれば、バッテリ１２から放電することなく負荷から要求されるエネルギを出力することが可能である。よって、キャパシタの容量をＣ［Ｆ］とすると、Ｃ／２・（Ｖｃ＾２−Ｖｃ＊＾２）＝Ｅが成り立つような、キャパシタ電圧指令値Ｖｃ＊を算出すればよい。よって、放電時には、キャパシタ電圧指令値Ｖｃ＊になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御することで、キャパシタ１３から全エネルギを供給する。このとき、バッテリ１２からはエネルギを供給しない、すなわち、バッテリ電流Ｉｂ＝０となるように制御する。キャパシタ電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂ以下となった場合には、バッテリ１２から負荷へエネルギを供給するように制御する。
【００６６】
また、旋回時にモータ３６ａが回生エネルギを出力する場合（Ｐｍ≦０）、キャパシタ１３へ回収可能なエネルギと減速時において回生されるはずのエネルギとキャパシタ１３に蓄電可能なエネルギ量とを比較し、全てキャパシタに回収可能であれば、バッテリ１２に充電することなく全回生エネルギを回収する。
【００６７】
よって、ＤＣ／ＤＣコンバータは、回生時（充電時）においては、キャパシタ電圧指令値Ｖｃ＊になるように昇圧制御をおこない、キャパシタにエネルギを充電する。ただし、キャパシタ１３のＶｃが満充電に近くなった場合には、バッテリ１２へ充電するように制御する。
【００６８】
なお、力行時における消費エネルギが少なく、キャパシタ１３の電圧Ｖｃが下がらない場合には、バッテリ１２に微少充電をおこない、キャパシタ１３のエネルギを消費してもよい。
【００６９】
このように、本実施形態によれば、回生時にバッテリ１２に大電流で充電することなく、殆どの回生エネルギをキャパシタ１３に回収することが可能となり、キャパシタの利用効率が向上する。なお、バッテリ１２を微少な電流値Ｉｂで充電する場合には、効率よくバッテリ１２を充電することができる。また、キャパシタ１３に充電されているエネルギが少なくなった場合、すなわちキャパシタ１３の電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂと同等以下になった場合には、バッテリから充電するように制御する。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態によれば、油圧ショベルが旋回に際して加速と停止を繰り返したり、ブームの上昇と下降を繰り返すような状況において、可能な限りキャパシタ１３を用いてエネルギの入出力をおこなう。これにより、従来のバッテリ（鉛蓄電池）に充放電を行う場合において回生時に発生する損失を低減することが可能となる。またバッテリの容量を少なくできるため小型化を図ることが可能であり、電源システムの利用効率を向上することができる。
【００７１】
（実施形態２）  
次に第２の実施形態について説明する． 
図６は、第２の実施形態に係る電源システムを搭載したフォークリフトを説明する図である。
【００７２】
図７は、図１に示す電源システム１の詳細及びフォークリフトにおける制御系を説明する図である。図７において、電源システム１は、バッテリ１２およびキャパシタ１３を備えている。バッテリ１２は、鉛蓄電池あるいはリチウムイオン電池であり、ここでは電圧が４８Ｖの鉛蓄電池を想定している。キャパシタ１３は、電気二重層コンデンサなどで構成することができ、容量は数十Ｆである。
【００７３】
インバータ４には、通常１５０Ａ程度の電流が流れ、負荷が大きい場合には３００Ａ〜４００Ａが流れることもある。バッテリ１２として鉛蓄電池を用いる場合、フォークリフトの作業量および１日の作業時間にもよるが、４００Ａｈ程度の容量が必要である。
【００７４】
フォークリフト２は、マスト７、フォーク８、アクセル、ブレーキ等のペダル９、走行用の交流モータ３ａを備える。交流モータ３ａの駆動力は、駆動輪１０に伝達され、駆動輪１０を駆動する。なお、交流モータ３ａの出力は、コントローラ１１からの指令により制御されるインバータ４により制御される。交流モータ３ａは、駆動輪に直接接続する構成でも、ギアを介して接続する構成でもよい。
【００７５】
交流モータ３ａは、モータ・ジェネレータであり、力行動作する場合にはモータとして駆動力を発生し、駆動輪１０によって駆動される場合には発電機として動作してエネルギを回生する。
【００７６】
インバータ４ａは、交流モータ３ａで発生する動力を任意に制御するために設けられている。すなわち、インバータ４ａは、力行時には電源システム１に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して交流モータ３ａに供給する。インバータ４ａは、回生時には、交流モータ３ａが出力する交流電力を直流電力に変換し、電源システム１に供給する。
【００７７】
コントローラ１１は、ドライバが操作するアクセル９あるいはブレーキの操作量、あるいは各部品の状態に基づいて交流モータ３ａへのトルク指令などを計算し、車両を制御する。
【００７８】
フォークリフト２では、レバー６を用いてフォーク８のリフト動作およびティルト動作を操作する。リフト動作をおこなうために、交流モータ３ｂを備える。さらにフォークリフト２は、フォーク８を上下に昇降するために、モータの回転運動を上下方向の直線運動に変換するアクチュエータを備えている。フォーク８は２本１組の爪で構成されるため、交流モータ３ｂの出力は、アクチュエータに伝達され、図示しないカプラを介して２本の爪に分配され、コントローラ１１からの指令を受けたインバータ４ｂにより制御される。
【００７９】
フォークの上昇時には、インバータ４ｂにより交流モータ３ｂを駆動し、フォークの降下時には積み荷の位置エネルギにより交流モータ3ｂを発電機として駆動し、回生したエネルギを電源システム１に供給する。ここではリフト用の交流モータ３ｂを1個備えた構成の例を示したが、リフト用の左右の爪を、それぞれ交流モータ３ｂおよび交流モータ３ｃにより駆する構成、すなわち独立した直動型アクチュエータで昇降する構成としてもよい。この場合、２個の交流モータは対応して設けたそれぞれのインバータにより制御される。
【００８０】
なお、本実施形態においても図７に示すコントローラとして図２に示すコントローラを用いる。
【００８１】
この例においても、動作推定手段１９は、モータの回転数やトルク、アクセル９、ブレーキあるいはレバー６などの操作量、更にはフォーク８に搭載している荷重の情報をもとに、現在力行動作であれば次は回生、逆に現在回生動作であれば次は力行と、次の動作への変化点を推定する。
【００８２】
例えばアクセルを踏んでいる場合は走行中であり、次の動作は停車するための回生動作であると推定できる。また、レバー６の操作でフォーク８が上昇中の場合、次の動作はフォーク８が下降する動作であるため回生動作であると推定できる。このように走行時には、加減速を検出したり、荷役動作中には、リフトの上げ下げ動作を検出することにより、力行と回生の動作変化時点の推定が可能である。なお、このとき（現在の）走行あるいは荷役モータトルク、あるいはインバータの電流値と、あらかじめ取得して保持しておいた動作パターン情報から、いつ停止するための制動回生動作に変化するのかを（変化点を）推定することもできる。
【００８３】
本実施形態においては、フォークリフト２の動作や各コンポーネントの状態に応じて、キャパシタ１３の電圧Ｖｃが所望の値になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の電流を制御する。
【００８４】
図８は、フォークの上昇および下降時における各種の出力の変化を表す図であり、図８（ａ）は負荷出力、図８（ｂ）はバッテリ電流およびキャパシタ電流、図８（ｃ）はバッテリ電圧およびキャパシタ電圧、図８（ｄ）はバッテリおよびキャパシタの出力の変化を表している。
【００８５】
図８に示すように、フォークが上昇し始める区間（Ａ）においては、キャパシタからエネルギを出力させるため、バッテリに電流Ｉｂが流れないように制御し、キャパシタ電圧Ｖｃを降下させる。キャパシタ電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂまで下がった後の区間（Ｂ）では、バッテリ１２からもエネルギを供給する。
【００８６】
次に、フォーク下降時には、エネルギが回生されるが、この回生区間（Ｃ）では、バッテリ電流Ｉｂ＝０となるように、キャパシタ電圧Ｖｃを昇圧するように制御している。これにより、キャパシタ１３の電圧が上昇し、全ての回生エネルギをキャパシタで回収していることがわかる。
【００８７】
以上説明したように、フォークリフトが走行と停止を繰り返すような動作パターンにおいて、可能な限りキャパシタ１３を用いてエネルギの入出力をおこなう。これにより、従来の鉛蓄電池における回生時の損失を減らすことが可能となり、電源システムの利用効率が向上する。
【００８８】
以上の説明では、バッテリフォークが走行する際における走行用モータ３ａによる例を示したが、リフト用モータ３ｂ，３ｃの場合も同様である。リフト用モータ３ｂ，３ｃの場合には、フォークに荷物を載せた状態でフォークを上昇あるいは下降する場合と、荷物を載せた状態でフォークを上昇して、荷物を降ろしてから下降する場合など、状況が様々である。
【００８９】
このような場合においても、図３に示す動作推定手段１９において得られる操作レバーの情報を用いることにより、負荷（荷物）がある場合とない場合を推測することができる。例えばリフト動作と共にティルト動作が入った場合は、荷物を搭載しており、再度ティルト動作があった場合には荷物を降ろしたという状況などが推測できる。また、荷重センサを設けて、荷物の重量を計測することによって、リフト降下時にどれぐらいの回生エネルギが得られるのかを推定することができる。回生エネルギを事前に推定することによって、キャパシタ１３に全回生エネルギを回収できるか否かを判断することができる。また、走行用モータ３ａの場合と同様に、リフト用のモータの場合にも、フォークの上昇時および下降時に発生するエネルギの入出力を可能な限りキャパシタでおこなうことにより、電源システムの利用効率を向上することができる。
【００９０】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、フォークリフトが走行と停止を繰り返したり、リフトの上昇と下降を繰り返すような場面において、可能な限りキャパシタ１３を用いてエネルギの入出力をおこなう。これにより、従来のバッテリ（鉛蓄電池）を利用した回生時の損失を減らすことが可能となり、効率が向上する。
【００９１】
なお、以上は油圧ショベルの旋回動作や掘削、フォークリフトの走行動作やリフト動作について説明してきたが、他の建設機械においても同様に適用することができる。例えば、ホイールローダにおける前進と後退、土砂の積載、積み降ろし動作などに適用できる。このように、建設機械では自動車と異なり凡その動作が定まっているため、適切にエネルギ収支を管理することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１  電源システム
２  フォークリフト
３  交流モータ
４  インバータ
５  プラグ
６  操作レバー
７  マスト
８  フォーク
１２  バッテリ
１３  キャパシタ
１４  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６  力行／回生エネルギ推定手段
１７  キャパシタ入出力負荷エネルギ推定手段
１８  キャパシタ目標電圧演算手段
１９  動作推定手段
２０  バッテリ入出力エネルギ演算手段
【図１】
2010114036.tif 000004
【図２】
2010114036.tif 000005
【図３】
2010114036.tif 000006
【図４】
2010114036.tif 000007
【図５】
2010114036.tif 000008
【図６】
2010114036.tif 000009
【図７】
2010114036.tif 000010
【図８】
2010114036.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月26日(2011.1.26)
【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】
充放電可能なキャパシタと、充放電可能なバッテリおよび前記キャパシタと力行及び回生可能な負荷とを接続する給電回路を備え、前記キャパシタに蓄積されたエネルギをインバータを介して負荷に給電し、負荷の回生エネルギを前記インバータを介してキャパシタに充電する電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記負荷が電動モータであり、かつ、前記キャパシタはＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷に接続され、該ＤＣ／ＤＣコンバータは該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタが充放電するエネルギを制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、モータの回転数とトルク、又は、インバータに供給されるＤＣ電流、又は、操作レバー情報、及び予め保持しておいた繰り返し作業における力行／回生の変化点を含む動作パターン情報に基づき、モータの力行／回生の変化点を含む動作パターンを推定する力行／回生動作推定手段を備え、この力行／回生動作推定手段が推定した変化点および動作パターンに基づいてキャパシタの目標電圧を、力行の場合は順次低くなるように、回生の場合は順次高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御するキャパシタ目標電圧演算手段を備えることを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項２】
充放電可能なキャパシタと、充放電可能なバッテリおよび前記キャパシタと力行及び回生可能な負荷とを接続する給電回路を備え、前記キャパシタに蓄積されたエネルギをインバータを介して負荷に給電し、負荷の回生エネルギを前記インバータを介してキャパシタに充電する電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記負荷が電動モータであり、かつ、前記キャパシタはＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷に接続され、該ＤＣ／ＤＣコンバータは該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタが充放電するエネルギを制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、モータの回転数とトルク、又は、インバータに供給されるＤＣ電流、又は、操作レバー情報、及び予め保持しておいた繰り返し作業における力行／回生の変化点を含む動作パターン情報に基づき、モータの力行／回生の変化点を含む動作パターンを推定する力行／回生動作推定手段と、
前記力行／回生動作推定手段が推定した動作パターンをもとに力行／回生エネルギを推定する力行／回生エネルギ推定手段と、
該力行／回生エネルギ推定手段が推定したエネルギ、およびキャパシタ電圧にしたがって前記キャパシタに入出力すべきエネルギを演算するキャパシタ入出力エネルギ演算手段と、
該キャパシタ入出力エネルギ演算手段が演算した入出力エネルギにしたがってキャパシタの目標電圧を力行の場合は順次低くなるように、回生の場合は順次高くなるように制御するキャパシタ目標電圧演算手段を備え、
前記目標電圧に応じてＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項３】
請求項１または２記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記制御手段は、前記力行／回生動作推定手段が推定した動作パターンに基づいてキャパシタの目標電圧を、力行と回生の変化点よりも前記制御手段の応答遅れ分だけ前に、力行と回生の間のエネルギロスに相当する電圧分をステップ状に変化させる命令を発行することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項４】
請求項１または２記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記制御手段は、前記バッテリに入出力可能なエネルギを推定するバッテリ入出力エネルギ推定手段を備え、力行／回生エネルギ推定手段が推定した回生エネルギと前記キャパシタ入出力推定手段が推定した前記キャパシタへ回収可能なエネルギとを比較し、該キャパシタ入出力推定手段が推定した前記キャパシタが満充電に近くなった場合には、回生エネルギを前記バッテリへ充電するように前記キャパシタの目標電圧を演算し、この目標電圧に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
請求項１または２記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、
前記建設機械又は産業車両は、前記負荷と接続される前記充放電可能なバッテリを備え、前記制御手段は、力行／回生エネルギ推定手段が推定したエネルギおよびバッテリ電圧にしたがって前記バッテリに入出力すべきエネルギを演算するバッテリ入出力エネルギ演算手段を備え、前記力行／回生エネルギ推定手段が推定したエネルギ及び前記バッテリ入出力エネルギ演算手段が演算した入出力エネルギにしたがってキャパシタの目標電圧を演算し、この目標電圧に応じてＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【請求項７】
請求項１または２記載の電源システムを備えた建設機械又は産業車両において、前記建設機械又は産業車両は、前記負荷と接続される前記バッテリを備え、
前記制御手段は、現在の作業状態が回生動作であるとき、前記キャパシタ電圧を昇圧するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御することを特徴とする電源システムを備えた建設機械又は産業車両。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
バータを介して前記キャパシタが充放電するエネルギを制御する制御手段を備え、前記制御手段は、モータの回転数とトルク、又は、インバータに供給されるＤＣ電流、又は、操作レバー情報、及び予め保持しておいた繰り返し作業における力行／回生の変化点を含む動作パターン情報に基づき、モータの力行／回生の変化点を含む動作パターンを推定する力行／回生動作推定手段を備え、この力行／回生動作推定手段が推定した変化点および動作パターンに基づいてキャパシタの目標電圧を、力行の場合は順次低くなるように、回生の場合は順次高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御するキャパシタ目標電圧演算手段を備えることを特徴とする電源システムを備えた。
発明の効果
［００１３］
本発明は、以上の構成を備えるため、回生エネルギを高効率で回収し、バッテリの容量を低減することができる。
図面の簡単な説明
［００１４］
［図１］第１の実施形態に係る電源システムを搭載したハイブリッド式油圧ショベルを説明する図である。
［図２］ハイブリッド式油圧ショベルの駆動部の構成および搭載した第１の実施形態にかかる電源システムの構成を示す図である
［図３］図２に示すコントローラの各機能を示すブロック図である。
［図４］旋回モータの旋回動作におけるキャパシタの目標電圧の変化例を示す図である。
［図５］コントローラの処理（キャパシタの電圧指令値を算出する処理）を説明する図である。
［図６］第２の実施形態に係る電源システムを搭載したフォークリフトを説明する図である。
［図７］図６に示すフォークリフトの構成及び搭載した電源システムの詳細を説明する図である。
［図８］フォークの上昇および下降時における各種の出力の変化を表す図である
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
１５はキャパシタ１３と接続し、モータ３６ａ，３６ｂとの間で力行／回生エネルギの授受を行う。
［００２２］
インバータ３７ａおよび３７ｂはコントローラ１１に接続され、コントローラ１１により制御される。なお、コントローラ１１は、図示しない操作レバーの操作量、車速や旋回速度などの車体情報の基となるモータトルクあるいは回転数、インバータの電流値、作業装置で掘削した土砂などの積載物の荷重などの情報を基に、電源システム１、エンジン１０により駆動されるモータジェネレータ８と接続されたインバータ９、及びエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５を制御する。
［００２３］
油圧ショベルなどの建設機械やフォークリフトなどの産業車両では、作業パターンがほぼ決まっているため、作業パターンをもとに必要な力行エネルギや発生する回生エネルギを推定しやすい。
［００２４］
すなわち、現在の動作状態と予め得られた動作パターン情報を用いることにより次の力行／回生の変化点（力行から回生あるいは回生から力行への動作の変化時点）を推定し、推定した変化時点に対応してキャパシタに入出力可能なエネルギを演算し、演算したエネルギに合わせてキャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊を決定することができる。
［００２５］
本実施形態では、負荷であるモータ３６ａとキャパシタ１３の間にＤＣ／ＤＣコンバータ１４を設け、キャパシタ側の電圧を昇降圧を可能としている。ここでは、バッテリ１２の電圧が４８Ｖであるのに対して、キャパシタ１３側の電圧はたとえば４８Ｖ〜９０Ｖの電圧範囲で動作する。
［００２６］
この電源システム１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して、キャパシタ１３の充電量が不足しているときにバッテリ１２からキャパシタ１３に充電し、キャパシタ１３の充電量が充電可能な上限値に近くなったとき、あるいは達したときに、バッテリ１２を充電する。
［００２７］
ところで、鉛蓄電池は充電時における損失が大きいため、回生エネルギを効率よくバッテリに回収することができない．また、鉛蓄電池への充放電を大電流で繰り返すと、劣化を進めてしまい寿命が短くなる傾向にある。このた
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
め、旋回動作時において、モータによる力行と回生を繰返しおこなう場合、可能な限りキャパシタ１３による充放電を利用することが望ましい。これにより充放電によるエネルギ効率を向上させることができる。
［００２８］
図３は、図２に示すコントローラ１１の各機能を示すブロック図である。一般に、建設機械では繰り返し動作が多いため、力行と回生の変化点、例えば旋回動作なら加速から減速への変化点は、旋回角度や旋回速度からあらかじめわかる場合が多い。
［００２９］
本実施例における力行／回生動作推定手段１９は、操作レバーの操作量、旋回速度、旋回モータのトルク、各アクチュエータに設けたストロークセンサの情報などをもとに繰り返し作業における力行／回生の変化点を含む動作パターン情報をあらかじめ得て保持しておく。
［００３０］
そして、この保持しておいた動作パターン情報と、現在の動作情報をもとに次の力行／回生の変化点、及び該変化点を含む動作パターンを推定する。
［００３１］
例えば旋回用の交流モータ３６ａが力行回転しているときは旋回加速中であり、このとき（現在）の旋回速度やモータトルク、旋回モータ用インバータの電流値と、前述のあらかじめ保持しておいた前記動作パターン情報から、いつ停止するための制動回生動作に変化するのかを（変化点を）推定することができる。
［００３２］
なお、変化の方向（力行から回生、または回生から力行）は、レバー操作から推定することができる。例えば、レバーの操作でブーム４０５あるいはアーム４０６が上げ動作（力行動作）の場合、次の動作は下げ動作である回生動作であると推定できる。
［００３３］
力行／回生エネルギ演算手段１６は、現在における旋回の加減速に必要な旋回用モータ３６ａのトルク、回転数の情報、予め保持しておいた動作パターンおよび動作推定手段１９が推定した変化点の情報をもとに、力行／回生動作変化点までの猶予時間および猶予時間までに要求される力行／回生エネルギを演算する。
［００３４］
キャパシタ入出力エネルギ演算手段１７は、負荷の力行／回生エネルギを
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
全てキャパシタ１３から出力可能か、あるいはキャパシタが回生エネルギ全てを受け入れ可能か計算する。
［００３５］
バッテリ入出力エネルギ演算手段２０は、キャパシタ入出力エネルギ演算手段１７の前記計算結果をもとに、負荷が力行動作をする場合、バッテリ１２から放電する必要があるか、負荷が回生する場合にはバッテリ１２にも充電すべきかを計算する。
［００３６］
キャパシタ目標電圧演算手段１８は、力行／回生エネルギ演算手段１６で算出した力行／回生エネルギ演算に応じて、キャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊を決める。例えば、回生時におけるキャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊は、後述するように回生エネルギを可能な限りキャパシタ１３で受け入れられるような値に設定する。このとき、動作パターン情報に従ってＤＣ／ＤＣコンバータの電流を制御することにより、キャパシタ１３の目標電圧を適切に制御することができる。
［００３７］
以上説明したように、第１の実施形態においては、旋回時における旋回モータの動作パターン情報などをもとにキャパシタに充放電可能なエネルギ量Ｅを算出し目標電圧Ｖｃ＊を算出することができる。
［００３８］
回生時には、キャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊を例えば旋回速度に基づく動作パターン情報に従って昇圧するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御することで、急激な目標電圧変化を回避しつつバッテリ１２が充電される状況を少なくし、バッテリへの充電による効率の低下を防ぐことができる。
［００３９］
また、キャパシタ１３の充放電電圧範囲を広くすることで、キャパシタ１３を小型化することが可能となる。
［００４０］
図４は、旋回モータの旋回動作におけるキャパシタの目標電圧の変化パターン例を示す図である。
［００４１］
キャパシタの目標電圧は、旋回開始時のＶｃｉから加速時の力行によるエネルギ消費にしたがって徐々に低下する。ＶｃｉがＶｃ１になった時点で力行から回生に変化し、回生時（減速時）のエネルギ回生により、Ｖｃｉは徐々に上昇して最終的にはＶｃｆとなって停止する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
［００５１］
ステップ４４において、キャパシタ電圧Ｖｃ、キャパシタ電流Ｉｃを入力する。ここで、キャパシタ１３の目標電圧Ｖｃは、モータの力行時と回生時で異なり、バッテリ電圧Ｖｂやキャパシタ１３電圧Ｖｃに応じて決める。例えば、モータの力行時は、可能な限りキャパシタ１３に蓄積されたエネルギを消費させ、バッテリから放電しないようにする。
［００５２］
すなわち、キャパシタ電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂよりも高いときは、キャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊を低下させ、キャパシタ１３から力行エネルギを取り出すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御する。また、モータの回生時は、可能な限りキャパシタ１３に回生エネルギを回収し、バッテリには充電しないようにする。
［００５３］
キャパシタ電圧Ｖｃが所定値よりも低いときは、キャパシタ１３の目標電圧Ｖｃ＊を上昇させて、キャパシタ１３に回生エネルギを回収するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御する。
［００５４］
ステップ４５において、入力したバッテリ電流Ｉｂ、バッテリ電圧Ｖｂ、キャパシタ電圧Ｖｃ、キャパシタ電流Ｉｃ、力行／回生エネルギＰｍ、位置エネルギをもとに、キャパシタに入出力可能なエネルギ量を推定する。
［００５５］
本実施形態において，キャパシタに入出力可能なエネルギ量は，現在のキャパシタ電圧Ｖｃに対して充放電可能なエネルギ量を逐次計算することにより実現できる。
［００５６］
力行時であれば，キャパシタ電圧Ｖｃが高いほど，放電可能なエネルギ量は多くなり，低くなるにつれて放電可能なエネルギ量は少なくなる。回生時であれば、キャパシタ電圧Ｖｃが低いほど，充電可能なエネルギ量は多くなり、キャパシタ電圧Ｖｃが高くなるにつれて、充電可能なエネルギ量は少なくなる。
［００５７］
すなわち，現在のキャパシタ電圧Ｖｃに対して，充放電可能なエネルギ量はあらかじめ決まっている。このため、キャパシタ電圧から入出力可能なエネルギを演算するには、予め得られた動作パターン情報にしたがったキャパシタ電圧と充放電可能なエネルギ量の関連をテーブルなどで保持しておけば
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
よい。
次に、旋回動作における回生エネルギ量を算出し、算出したエネルギ量に基づき，ステップ４６にてキャパシタ１３の電圧指令値Ｖｃ＊を演算する。
［００５８］
すなわち，現在の旋回加速度あるいは旋回角度によって力行／回生動作変化点までの猶予時間がわかり、コントローラの応答遅れに見合った制御指令を力行と回生動作が変化する変化点以前に予め発行しておけばＤＣ／ＤＣコンバータの応答性が向上する。
［００５９］
ここで，空のバケットに積載物を積み込むための旋回動作を考える。旋回体の慣性モーメントをＩ、角速度をωとすると，運動エネルギにより生じる回生エネルギは次式で表される。
［００６０］
Ｅｖ＝ＫｖＩω２                    （２）
ここで、Ｋｖはあらかじめ設定した定数を示す。
［００６１］
運動エネルギーＥｖを回生する場合、摩擦に起因する機械的なロスなどにより、すべてのエネルギが回生可能ではないため、たとえば７０％程度が回生されると見積もる。この場合はＫｖ＝０．７となる。油圧ショベルやフォークリフトなどでは作業パターンが決まっているため、Ｋｖはほぼ一定とみなすことができる。よって，目標電圧Ｖｃ＊は次式で算出できる。
［００６２］
なお、Ｅｍａｘはキャパシタの定格で決まる蓄電可能なエネルギの最大値、Ｃはキャパシタの容量である。
［００６３］
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式（３）に示すように，現在の走行速度が大きいほど，又はリフトの高さおよび荷重が大きいほど，すなわち，運動エネルギや位置エネルギが大きいほど，目標電圧Ｖｃ＊を下げておくように制御する。
ステップ４７において，以上より算出した目標電圧Ｖｃ＊に応じて，ＤＣ／ＤＣコンバータの電流指令値を算出する。
［００６４］
上述した目標電圧Ｖｃ＊とキャパシタ１３に入出力可能なエ
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
ネルギとの関係により、バッテリの充放電電流は下記のように決まる。
［００６５］
例えば、加速走行時にモータ３ａが力行する場合（Ｐｍ＞０）、キャパシタ１３から出力可能なエネルギと走行に必要なエネルギＥを比較し、全てキャパシタ１３から出力可能であれば、バッテリ１２から放電することなく負荷から要求されるエネルギを出力することが可能である。よって、放電時にはキャパシタの容量をＣ［Ｆ］とすると、Ｃ／２・（Ｖｃ＾２−Ｖｃ＊＾２）＝Ｅが成り立つような、目標電圧Ｖｃ＊を算出すればよい。よって、放電時には、目標電圧Ｖｃ＊になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御することで、キャパシタ１３から全エネルギを供給する。このとき、バッテリ１２からはエネルギを供給しない、すなわち、バッテリ電流Ｉｂ＝０となるように制御する。キャパシタ電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂ以下となった場合には、バッテリ１２から負荷へエネルギを供給するように制御する。
［００６６］
また、旋回時にモータ３６ａが回生エネルギを出力する場合（Ｐｍ≦０）、キャパシタ１３へ回収可能なエネルギと減速時において回生されるはずのエネルギとキャパシタ１３に蓄電可能なエネルギ量とを比較し、全てキャパシタに回収可能であれば、バッテリ１２に充電することなく全回生エネルギを回収する。
［００６７］
よって、ＤＣ／ＤＣコンバータは、回生時（充電時）においては、キャパシタ電圧が目標電圧Ｖｃ＊になるように昇圧制御をおこない、キャパシタにエネルギを充電する。ただし、キャパシタ１３のＶｃが満充電に近くなった場合には、回生エネルギをバッテリ１２へ充電するように制御する。
［００６８］
なお、力行時における消費エネルギが少なく、キャパシタ１３の電圧Ｖｃが下がらない場合には、バッテリ１２に微少充電をおこない、キャパシタ１３のエネルギを消費してもよい。
［００６９］
このように、本実施形態によれば、回生時にバッテリ１２に大電流で充電することなく、殆どの回生エネルギをキャパシタ１３に回収することが可能となり、キャパシタの利用効率が向上する。なお、バッテリ１２を微少な電
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
流値Ｉｂで充電する場合には、効率よくバッテリ１２を充電することができる。また、キャパシタ１３に充電されているエネルギが少なくなった場合、すなわちキャパシタ１３の電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂと同等以下になった場合には、バッテリ１２からキャパシタ１３へ充電するように制御する。
［００７０］
以上説明したように、本実施形態によれば、油圧ショベルが旋回に際して加速と停止を繰り返したり、ブームの上昇と下降を繰り返すような状況において、可能な限りキャパシタ１３を用いてエネルギの入出力をおこなう。これにより、従来のバッテリ（鉛蓄電池）に充放電を行う場合において回生時に発生する損失を低減することが可能となる。またバッテリの容量を少なくできるため小型化を図ることが可能であり、電源システムの利用効率を向上することができる。
［００７１］
（実施形態２）
次に第２の実施形態について説明する．
図６は、第２の実施形態に係る電源システムを搭載したフォークリフトを説明する図である。
［００７２］
図７は、図１に示す電源システム１の詳細及びフォークリフトにおける制御系を説明する図である。図７において、電源システム１は、バッテリ１２およびキャパシタ１３を備えている。バッテリ１２は、鉛蓄電池あるいはリチウムイオン電池であり、ここでは電圧が４８Ｖの鉛蓄電池を想定している。キャパシタ１３は、電気二重層コンデンサなどで構成することができ、容量は数十Ｆである。
［００７３］
インバータ４には、通常１５０Ａ程度の電流が流れ、負荷が大きい場合には３００Ａ〜４００Ａが流れることもある。バッテリ１２として鉛蓄電池を用いる場合、フォークリフトの作業量および１日の作業時間にもよるが、４００Ａｈ程度の容量が必要である。
［００７４］
フォークリフト２は、マスト７、フォーク８、アクセル、ブレーキ等のペダル９、走行用の交流モータ３ａを備える。交流モータ３ａの駆動力は、駆動輪１０に伝達され、駆動輪１０を駆動する。なお、交流モータ３ａの出力
【手続補正１０】
【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】
、２個の交流モータは対応して設けたそれぞれのインバータにより制御される。
［００８０］
なお、本実施形態においても図７に示すコントローラとして図２に示すコントローラを用いる。
［００８１］
この例においても、動作推定手段１９は、モータの回転数やトルク、アクセル９、ブレーキあるいはレバー６などの操作量、更にはフォーク８に搭載している荷重の情報をもとに、現在力行動作であれば次は回生、逆に現在回生動作であれば次は力行と、次の動作への変化点を推定する。
［００８２］
例えばアクセルを踏んでいる場合は走行中であり、次の動作は停車するための回生動作であると推定できる。また、レバー６の操作でフォーク８が上昇中の場合、次の動作はフォーク８が下降する動作であるため回生動作であると推定できる。このように走行時には、加減速を検出したり、荷役動作中には、リフトの上げ下げ動作を検出することにより、力行と回生の動作変化時点の推定が可能である。なお、このとき（現在の）走行あるいは荷役モータトルク、あるいはインバータの電流値と、あらかじめ取得して保持しておいた動作パターン情報から、いつ停止するための制動回生動作に変化するのかを（変化点を）推定することもできる。
［００８３］
本実施形態においては、フォークリフト２の動作や各コンポーネントの状態に応じて、キャパシタ１３の電圧Ｖｃが所望の値になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の電流を制御する。
［００８４］
図８は、フォークの上昇および下降時における各種の出力の変化を表す図であり、図８（ａ）は負荷出力、図８（ｂ）はバッテリ電流およびキャパシタ電流、図８（ｃ）はバッテリ電圧およびキャパシタ電圧、図８（ｄ）はバッテリおよびキャパシタの出力の変化を表している。
［００８５］
図８に示すように、フォークが上昇し始める区間（Ａ）においては、キャパシタ１３からエネルギを出力させるため、バッテリ１２に電流Ｉｂが流れないように目標電圧Ｖｃ＊を制御し、キャパシタ電圧Ｖｃを降下させる。キャパシタ電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂまで下がった後の区間（Ｂ）では、バッテリ１２からもエネルギ
【国際調査報告】
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