(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧アクチュエータの油圧源となる油圧ポンプと発電電動機とが動力源としてのエンジンに接続され、上記発電電動機の発電機作用によってバッテリが充電され、このバッテリの電力による上記発電電動機の電動機作用によってエンジンがアシストされるように構成されたハイブリッド建設機械において、上記バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、上記バッテリの充電電流及び放電電流を検出する電流検出手段と、上記バッテリの現在の残存充電量である現在充電率を算出する制御手段と、上記バッテリに対する充放電作用を伴って駆動される作業用電動機と、この作業用電動機の駆動／停止を操作する操作手段と、この操作手段の操作の有無を検出する操作検出手段とを具備し、上記制御手段は、
(Ａ)  上記現在充電率を算出する算出モードとして、上記電流検出手段によって検出される上記バッテリの充電電流及び放電電流を積算するとともに、上記バッテリの初期充電率に対して上記積算値を加算または減算することによって上記現在充電率を算出する電流積算モードと、上記電圧検出手段によって検出される上記バッテリの端子電圧と充電率の関係に基づいて上記現在充電率を求める電圧基準モードとを備え、
(Ｂ)  上記発電電動機の運転中は、上記電流積算モードによって上記現在充電率を算出する一方、予め設定された切換タイミングが到来し、かつ、上記作業用電動機の駆動操作が無いと判別されたときに上記発電電動機を停止させるとともに上記電圧基準モードによって上記現在充電率を算出し、
(Ｃ)  上記電圧基準モードでの現在充電率の算出後に、上記算出モードを上記電圧基準モードから上記電流積算モードに復帰させるとともに、上記発電電動機の停止を解除する
ように構成したことを特徴とするハイブリッド建設機械。
【請求項２】
上記制御手段は、機械の累積稼動時間を計測し、この累積稼動時間が設定値に達したときに上記切換タイミングとして算出モードを上記電流積算モードから上記電圧基準モードに切換えるように構成したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械。
【請求項３】
上記制御手段は、上記発電電動機を予め設定した時間継続して停止させた状態で上記電圧基準モードによる現在充電率の算出を行うように構成したことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド建設機械。
【請求項４】
上記制御手段は、上記切換タイミングが到来し、かつ、上記作業用電動機の駆動操作が無いと判別されたときに上記発電電動機を強制的に停止させるとともに上記電圧基準モードによって上記現在充電率を算出することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項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】
本発明はエンジン動力とバッテリ電力を併用するハイブリッド建設機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド式ショベルを例にとって背景技術を説明する。
【０００３】
ショベルは、図５に示すように下部走行体１上に上部旋回体２が地面に対して鉛直となる軸Ｘのまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に、ブーム３、アーム４、バケット５を備えた作業アタッチメント６が装着されて構成される。
【０００４】
また、ハイブリッド式ショベルにおいては、動力源としてのエンジンに油圧ポンプと発電電動機とを接続し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動するとともに、発電電動機の発電機作用によってバッテリに充電し、適時、このバッテリ電力により発電電動機に電動機作用を行わせてエンジンをアシストするように構成される。
【０００５】
また、上部旋回体２の旋回駆動源として旋回電動機(作業用電動機)を設け、バッテリによってこの旋回電動機を駆動する一方、旋回減速時の回生電力をバッテリに充電する構成がとられている。
【０００６】
このハイブリッド式ショベルにおいては、バッテリの現在の残存充電量である現在充電率(通常「ＳＯＣ」をもとにバッテリ充放電電流の上限値を決定し、これに基づいて種々の制御を行うため、常時、現在充電率を監視し把握しておく必要がある。
【０００７】
この現在充電率の算出方法として、特許文献１に示されているように、バッテリからの充電電流及び放電電流を積分して充電電気量及び放電電気量を求め、バッテリの初期容量(バッテリ使用開始時点の充電率)から上記電気量を加算、減算することによってバッテリの残存容量(現在充電率)を求める、所謂「電流積算」による算出方法が公知である。
【０００８】
一方、特許文献２に示されているように、予めバッテリ端子電圧と充電率の関係をマップとして記憶しておき、検出されるバッテリ端子電圧から現在充電率を割り出す、所謂「電圧基準」による算出方法も公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公昭５９−８７８９号公報
【特許文献２】特開２００１−２８１３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記電流積算方式は、充放電によるバッテリ電圧の変動に関係なくバッテリに出入りした電流を積算するため、稼動中の算出方法として適する半面、センサの公差やバッテリの劣化等による算出誤差が累積して正確な現在充電率を求め難いという難点がある。
【００１１】
一方、電圧基準方式は、バッテリ電圧のみを検出すればよいため、センサ公差等の影響を受け難い半面、機械の稼動中はバッテリ充放電によってバッテリ電圧が大きく変動することから算出精度が悪くなり、稼動中の算出方式としては不向きとなる。
【００１２】
このように、両算出方式には一長一短があり、いずれを採用してもバッテリの正確な現在充電率を求めることができず、バッテリ性能を十分に発揮させることができないとともに、ショベルの適正な制御ができなくなるという課題があった。
【００１３】
そこで本発明は、両算出方式を組み合わせ、双方の長所のみを生かしてバッテリの現在充電率を正確に算出することができるハイブリッド建設機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決する手段として、本発明においては、油圧アクチュエータの油圧源となる油圧ポンプと発電電動機とが動力源としてのエンジンに接続され、上記発電電動機の発電機作用によってバッテリが充電され、このバッテリの電力による上記発電電動機の電動機作用によってエンジンがアシストされるように構成されたハイブリッド建設機械において、上記バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、上記バッテリの充電電流及び放電電流を検出する電流検出手段と、上記バッテリの現在の残存充電量である現在充電率を算出する制御手段と、上記バッテリに対する充放電作用を伴って駆動される作業用電動機と、この作業用電動機の駆動／停止を操作する操作手段と、この操作手段の操作の有無を検出する操作検出手段とを具備し、上記制御手段は、
(Ａ)  上記現在充電率を算出する算出モードとして、上記電流検出手段によって検出される上記バッテリの充電電流及び放電電流を積算するとともに、上記バッテリの初期充電率に対して上記積算値を加算または減算することによって上記現在充電率を算出する電流積算モードと、上記電圧検出手段によって検出される上記バッテリの端子電圧と充電率の関係に基づいて上記現在充電率を求める電圧基準モードとを備え、
(Ｂ)  上記発電電動機の運転中は、上記電流積算モードによって上記現在充電率を算出する一方、予め設定された切換タイミングが到来し、かつ、上記作業用電動機の駆動操作が無いと判別されたときに上記発電電動機を停止させるとともに上記電圧基準モードによって上記現在充電率を算出し、
(Ｃ)  上記電圧基準モードでの現在充電率の算出後に、上記算出モードを上記電圧基準モードから上記電流積算モードに復帰させるとともに、上記発電電動機の停止を解除する
ように構成したものである。
【００１５】
この構成によれば、通常運転中は、電圧変動の影響を受けない電流積算モードによって現在充電率が算出され、予め設定したタイミングで発電電動機が自動停止してバッテリの充放電を止め、電圧を安定化させた状態で、センサ誤差や劣化による算出誤差の少ない電圧基準モードに切換えられる。
【００１６】
このため、充放電上限値を決める元になるバッテリの現在充電率を正確に算出し、バッテリ性能を最大限に生かした適正な制御が可能となる。
【００１７】
また、電圧基準モードでの現在充電率の算出後、算出モードを元の電流積算モードに戻し、かつ、発電電動機の停止を解除するため、直ちに通常運転に自動復帰させることができる。
【００１８】
旋回電動機のような作業用電動機を備えた建設機械の場合、作業用電動機の運転によって充放電電流が発生するため、発電電動機を停止させるだけではバッテリ電圧は安定しない。
【００１９】
そこで、上記のように作業用電動機が操作されていない状況でのみ電圧基準モードに切換えることにより、電圧を安定させて、現在充電率をより高精度に算出することができる。
【００２０】
本発明において、上記制御手段は、機械の累積稼動時間を計測し、この累積稼動時間が設定値に達したときに上記切換タイミングとして算出モードを上記電流積算モードから上記電圧基準モードに切換えるように構成するのが望ましい(請求項２)。
【００２１】
現在充電率は、機械が実際に稼動した時間の積み重ね(累積稼動時間)に応じて変化するため、たとえば単純に運転停止期間を含めた時間経過を基準にした場合と比較して、適正なタイミングで算出モードを切換えることができる。すなわち、タイミングが遅れて算出誤差が過大となったり、タイミングが早すぎて誤差が集積していないのにモード切換えによって発電電動機が無駄に停止したりする不都合がない。
【００２２】
また本発明においては、上記制御手段は、上記発電電動機を予め設定した時間継続して停止させた状態で上記電圧基準モードによる現在充電率の算出を行うように構成するのが望ましい(請求項３)。
【００２３】
電圧基準モードでの現在充電率の算出は瞬間的に行うことができるが、バッテリの充放電を０にしてもバッテリの分極の影響でバッテリ電圧はすぐには開放電圧相当とはならないため、算出精度が悪くなる。
【００２４】
そこで、上記のように発電電動機を一定時間継続して停止させることにより、バッテリ電圧を開放電圧相当にして算出精度を上げることができる。
【００２５】
さらに、本発明においては、上記制御手段は、上記切換タイミングが到来し、かつ、上記作業用電動機の駆動操作が無いと判別されたときに上記発電電動機を強制的に停止させるとともに上記電圧基準モードによって上記現在充電率を算出するのが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によると、電流積算及び電圧基準の両算出方式を組み合わせ、双方の長所のみを生かしてバッテリの現在充電率を正確に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態のシステム構成図である。
【図２】実施形態の車体側コントローラの作用を説明するためのフローチャートである。
【図３】実施形態のバッテリコントローラの作用を説明するためのフローチャートである。
【図４】電圧基準モードによる現在充電率の算出に用いるマップを示す図である。
【図５】本発明の適用対象であるハイブリッド式ショベルの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施形態を図１〜図４によって説明する。
【００２９】
実施形態はハイブリッド式ショベルを適用対象としている。
【００３０】
図１は同ショベルのシステム構成を示す。
【００３１】
図示のように動力源としてのエンジン７に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機８と油圧ポンプ９が接続され、これらがエンジン７によって駆動される。
【００３２】
油圧ポンプ９には油圧アクチュエータごとの油圧アクチュエータ回路１０(一つのみを示す)が接続され、油圧ポンプ９からの圧油によって各アクチュエータが駆動される。
【００３３】
また、旋回駆動源としての旋回電動機１１が設けられ、この旋回電動機１１によって図５中の上部旋回体２が旋回駆動される。
【００３４】
発電電動機８には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の充電式のバッテリ(蓄電器)１２が発電電動機制御器１３を介して接続され、基本的作用として、制御手段を構成するバッテリコントローラ１４及び車体側コントローラ１５により、バッテリ１２の現在充電率に基づいた充放電作用及び、発電電動機８の発電機作用と電動機作用の切換え等が制御される。
【００３５】
すなわち、稼動中、バッテリ１２の充電量が低下すれば発電電動機８が発電機作用を行い、発生した電力がバッテリ１２に送られて充電される一方、適時、このバッテリ１２の蓄電力により発電電動機８が電動機作用を行ってエンジン７をアシストする。
【００３６】
また、現在充電率をもとにバッテリ充放電電流の上限値が決定され、これに基づいて種々のショベル動作が制御される。
【００３７】
一方、旋回電動機１１は旋回電動機制御器(コンバータ)１６を介してバッテリ１２に接続され、操作手段としての旋回操作レバー１７の操作に応じた車体側コントローラ１５からのトルク指令に基づいて運転が制御される。
【００３８】
一方、検出手段として、旋回操作レバー１７の操作の有無、操作量を検出する旋回操作検出手段(たとえばポテンショメータ)１８と、バッテリ１２の端子間電圧を検出する電圧検出手段としての電圧センサ(電圧計)１９と、バッテリ１２に対する充放電電流を検出する電流検出手段としての電流センサ(電流計)２０が設けられ、これらからの検出信号が、バッテリコントローラ１４または車体側コントローラ１５に入力される。
【００３９】
バッテリ、車体側両コントローラ１４，１５は、上記基本的作用に加えて、バッテリ１２の充放電電流及びバッテリ電圧(端子電圧)に基づいて、制御の基礎となるバッテリ１２の現在充電率を算出する。
【００４０】
すなわち、バッテリコントローラ１４は、現在充電率を算出する算出モードとして電流積算モードと電圧基準モードを備えている。
【００４１】
電流積算モードでは、電流センサ２０によって検出されるバッテリ１２の充電電流及び放電電流を積算するとともに、バッテリ１２の初期充電率から上記積算値を加算または減算することによって上記現在充電率を算出する。
【００４２】
電圧基準モードでは、予め設定されたバッテリ電圧と充電率の関係(図４に示すマップ)に基づいて、電圧センサ２０によって検出されたバッテリ電圧から現在充電率を求める。
【００４３】
両コントローラ１４，１５は、通常運転中は電流積算モードによって現在充電率を算出し、機械の累積稼動時間が設定値に達したときに発電電動機８を強制的に停止させて電圧基準モードに切換える。
【００４４】
この点の作用を図２，３のフローチャートによって詳述する。
【００４５】
車体側コントローラ１５での制御(図２参照)
車体側コントローラ１５は、一定の累積稼動時間ごとに、旋回操作無しの条件下で発電電動機８を強制的に停止させて、現在充電率の算出モードを、稼動中の電流積算モードから電圧基準モードに切換え、かつ実行させる態勢を整えるための制御を行う。
【００４６】
すなわち、制御開始とともにステップＳ１で機械(発電電動機８)の累積稼動時間の計測と記憶が行われ、ステップＳ２でこの累積稼動時間が設定値ａ(累積誤差の大小等に応じて適宜設定される)に達したか否かが判別される。
【００４７】
ここで、ＹＥＳの場合のみステップＳ３に進んで旋回操作無しか否かが判別され、ＹＥＳ(旋回操作無し)となるとステップＳ４で発電電動機８を強制的に停止させる。具体的には、図１中の車体側コントローラ１５から発電電動機制御器７に停止指令(発電電動機指令トルク＝０)が出される。
【００４８】
これにより、発電電動機８が停止し、かつ、旋回電動機１１の運転による充放電作用も停止しているため、バッテリ１２の充放電電流が０となる。
【００４９】
ステップＳ５，６ではこの発電電動機８の停止時間の計測及び、計測時間の設定値ｂとの比較を行い、停止時間＞設定値ｂとなると、ステップＳ７で累積稼動時間及び停止時間をリセットしてステップＳ１に戻る。
【００５０】
上記設定値ｂは、バッテリ分極の影響がなくなるのに必要な時間として設定され、この設定値ｂだけ発電電動機８を継続して停止させることにより、バッテリ電圧を開放電圧相当、すなわち電圧基準モードでの現在充電率の算出に適した状態とする。
【００５１】
なお、ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ６でＮＯの場合もそれぞれステップＳ１に戻る。
【００５２】
バッテリコントローラ１４での制御(図３参照)
バッテリコントローラ１４は、車体側コントローラ１５と連係して次のような算出モード切換制御を行う。
【００５３】
なお、初期モード(制御開始時点の算出モード)は電圧積算モードに設定されている。
【００５４】
制御開始とともにステップＳ１１で電流積算モードか否かが判別され、ＹＥＳ(電流積算モード)の場合は、まだ累積稼動時間が設定値ａに達しておらず発電電動機８が停止していないとして、ステップＳ１２で電流積算モードによって現在充電率が算出される。
【００５５】
続くステップＳ１３では充放電電流が予め設定された値以下か否かが判別され、車体側コントローラ１５による発電電動機８の停止制御の結果としてＹＥＳ(充放電電流≦設定値)となると、ステップＳ１４に進む。
【００５６】
このステップＳ１４及び次のステップＳ１５で時間計測の開始、計測時間と設定値ｃの比較がそれぞれ行われ、ステップＳ１５でＹＥＳ(計測時間＞設定値ｃ)となると現在充電率の算出モードが電流積算モードから電圧基準モードに切換えられるとともに、計測時間がリセットされる。
【００５７】
なお、設定値ｃは、図２中の発電電動機８の停止時間の設定値ｂとほぼ同じに設定される。
【００５８】
こうして、ステップＳ１３〜Ｓ１６によって現在充電率の算出モードが電流積算モードから電圧基準モードに切換えられてステップＳ１１に戻り、ここでＮＯ(電流積算モードでない＝電圧基準モード)となってステップＳ１７で電圧基準モードでの現在充電率の算出が行われる。
【００５９】
この間も充放電電流は監視され、この充放電電流が設定値(発電電動機８または旋回電動機１１の運転を示す値)充放電電流が設定値を超えると、ステップＳ１８でＹＥＳとなって算出モードが電流積算モードに自動復帰してステップＳ１１に戻る。
【００６０】
このように、通常運転中は、電圧変動の影響を受けない電流積算モードによって現在充電率が算出され、予め設定したタイミング(累積稼動時間の設定値到達)で発電電動機８が自動停止してバッテリ１２の充放電を止め、電圧を安定化させた状態で、センサ誤差や劣化による算出誤差の少ない電圧基準モードに切換えられる。
【００６１】
このため、充放電上限値を決める元になるバッテリ１２の現在充電率を正確に算出し、バッテリ性能を最大限に生かした適正な制御が可能となる。
【００６２】
また、電圧基準モードでの現在充電率の算出後、算出モードを元の電流積算モードに戻し、かつ、発電電動機８の停止を解除するため、直ちに通常運転に自動復帰させることができる。
【００６３】
この場合、機械が実際に稼動した時間の積み重ねである累積稼動時間に基づいて電圧基準モードに切換えるため、たとえば単純に運転停止期間を含めた時間経過を基準にした場合と比較して、適正なタイミングで算出モードを切換えることができる。すなわち、タイミングが遅れて算出誤差が過大となったり、タイミングが早すぎて誤差が集積していないのにモード切換えによって発電電動機が無駄に停止したりする不都合がない。
【００６４】
さらに、発電電動機８を一定時間継続して停止させることにより、バッテリ電圧を開放電圧相当にした上で電圧基準モードによる現在充電率の算出を行うため、バッテリ分極の影響を排して算出精度を上げることができる。
【００６５】
また、旋回操作が無いこと、つまり旋回電動機１１の運転による充放電が無いことを条件として電圧基準モードに切換えるため、バッテリ電圧を安定させて現在充電率をより高精度に算出することができる。
【００６６】
ところで、上記実施形態では車体側コントローラ１５による発電電動機８の制御と、バッテリコントローラ１４による算出モードの切換え制御を別々の制御フロー(図２，３)として説明したが、両制御を一連の制御フローで実行することも可能である。
【００６７】
また、本発明はハイブリッド式ショベルに限らず、ハイブリッド式の他の建設機械にも上記同様に適用することができる。
【００６８】
さらに、上記実施形態では作業用電動機として旋回電動機のみを用いる場合を例示したが、本発明は他の作業用電動機をも備えた機械にも適用することができる。
【００６９】
この場合、バッテリの充放電に関係するすべての作業用電動機の操作が無いことを条件として電圧基準モードへの切換えを行うように構成するのが望ましい。
【符号の説明】
【００７０】
７  エンジン
８  発電電動機
９  油圧ポンプ
１１  旋回電動機
１２  バッテリ
１３  発電電動機制御器
１４  制御手段を構成するバッテリコントローラ
１５  同、車体側コントローラ
１６  旋回電動機制御器
１７  旋回操作レバー(操作手段)
１８  ポテンショメータ(操作検出手段)
１９  電圧センサ(電圧検出手段)
２０  電流センサ(電流検出手段)
【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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