(57)【要約】【課題】  荷役作業中や建設作業中においても、二次電池の過充電・過放電を行うことなく、二次電池の電力を有効に利用することを可能にするハイブリッドシステムからなる荷役機械もしくは建設機械の制御装置を提供する。【解決手段】  作業用のモータ（４）と、電池（５）と、エンジン（１１）からの動力により発電する発電機（１２）と、直流母線（１４）に電池が接続され、発電機及び／又は電池から供給される電力からモータを駆動するための電力変換を行うインバータ（３）と、を備えたハイブリッドシステムの制御装置であって、作業用のモータ駆動時に発電機電圧を調整することで、発電機と二次電池の負荷分担を変える。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと二次電池を備えたハイブリッドシステムの制御装置であって、
前記ハイブリッドシステムは、
作業用のモータと、
二次電池と、
エンジンからの動力により発電する発電機と、
前記発電機の発電電圧を調整するＡＶＲと、
直流母線に前記二次電池が接続され、前記発電機及び／又は前記二次電池から供給される電力から前記モータを駆動するための電力変換を行うインバータと、
を備えており、
前記制御装置は、前記モータの駆動中、前記ＡＶＲの電圧設定値を加減することにより前記発電機と前記二次電池との負荷分担の調節を可能としたことを特徴とするハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項２】
前記ハイブリッドシステムは、前記二次電池のＳＯＣ（State of Charge）を算出する電池モニタをさらに備えており、
前記電池モニタにより算出される前記二次電池のＳＯＣの値に応じて、前記ＡＶＲの電圧設定値を設定する、請求項１に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項３】
前記ハイブリッドシステムは、前記二次電池の端子電圧を測定する電圧計をさらに備えており、
前記電圧計の測定値に応じて、前記ＡＶＲの電圧設定値を設定する、請求項１に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項４】
前記ＡＶＲの電圧設定値があらかじめ定めた設定値以下となった場合に、前記エンジンの回転数を定格回転からアイドル回転に切り替える請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項５】
前記ハイブリッドシステムが、荷役機械のハイブリッドシステムである、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項６】
前記荷役機械のハイブリッドシステムの作業用のモータは、前記荷役機械において荷物を上昇させるための巻き上げ用モータである、請求項５に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項７】
前記作業用のモータは、前記荷役機械を走行させるための走行用モータである、請求項５に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項８】
前記作業用のモータは、前記荷役機械において荷物を横行させるための横行用モータである、請求項５に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項９】
前記ハイブリッドシステムが、建設機械のハイブリッドシステムである、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項１０】
前記建設機械のハイブリッドシステムの作業用のモータは、前記建設機械において油圧ポンプを駆動するためのポンプ駆動モータである、請求項６に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項１１】
前記作業用のモータは、前記建設機械を走行させるための走行用モータである、請求項１０に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項１２】
前記作業用のモータの回生電力により前記二次電池を充電する、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項１３】
前記二次電池は、積層型ニッケル水素電池である、請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載のハイブリッドシステムの制御装置。
【請求項１４】
ハイブリッドシステムの制御方法であって、
前記ハイブリッドシステムは、
作業用のモータと、
二次電池と、
エンジンからの動力により発電する発電機と、
前記発電機の発電電圧を調整するＡＶＲと、
直流母線に前記二次電池が接続され、前記発電機及び／又は前記二次電池から供給される電力から前記モータを駆動するための電力変換を行うインバータと、
を備えており、
前記制御方法は、前記モータの駆動中、前記発電機と前記二次電池との負荷分担の調節を行うために前記ＡＶＲの電圧設定値を変更するステップ、を含むことを特徴とするハイブリッドシステムの制御方法。
【請求項１５】
請求項１４において、前記二次電池のＳＯＣ（State of Charge）を算出するステップをさらに備えており、
前記ＳＯＣ計算ステップで算出される前記二次電池のＳＯＣの値に応じて前記ＡＶＲの電圧設定値を設定するステップを備えた、請求項１４に記載のハイブリッドシステムの制御方法。
【請求項１６】
前記ＡＶＲの電圧設定値があらかじめ定めた設定値以下となったときに、前記エンジンの回転数を定格回転からアイドル回転に切り替えるステップを備えた、請求項１４または請求項１５に記載のハイブリッドシステムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷役機械や建設機械のエンジンハイブリッドシステムを制御する制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンテナの積み下ろしなどの荷役作業を行う荷役機械は、エンジンとこれにより駆動される発電機と荷役作業用のモータとを備えており、発電機から出力される電力でモータを駆動し、荷物の積み降ろし動作（荷役動作）を行う。荷役機械において、発電機からの電力は、さらに、照明装置や運転室の空調設備などの補機にも供給される。そのため、荷役機械では、荷役動作時以外でもエンジンを動作させて、補機に発電機からの電力を供給している。
【０００３】
また、ホイールローダ等の建設機械においては、建設作業はエンジンにより直接駆動される油圧ポンプで行う油圧式（油圧作業装置）とし、走行作業はエンジンにより駆動される発電機からの電力をモータに供給して行う電動式（電動走行装置）としたハイブリッドシステムが採用されている。
【０００４】
近年、電源として発電機のほか二次電池を備えた発電機／電池ハイブリッドシステムが開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
特許文献１に開示された荷役機械は、大きな電力を必要とする巻上げ時にはエンジンを定格運転して発電機から電力供給をし、無負荷状態が続いたときには、エンジンを定格運転からアイドル（アイドリング）に切り替えて、補機への電力供給を二次電池から行う方式を取り、二次電池の電圧が所定値以下に低下すると、エンジンをアイドルから定格運転に切り替えて、発電機から補機に電力を供給している。
【０００６】
特許文献２に開示された建設機械は、作業用モータの駆動に際して、発電機からの発電電力をベース電力とし、二次電池の電力を補助電力とした電力供給とすることで、二次電池の長寿命化、高効率化、小型化を可能としている。
【０００７】
二次電池を蓄電装置として用いるハイブリッドシステムにおいて、二次電池はインバータの直流母線に接続されて、発電機と協動して負荷（作業用モータ等）が必要とする電力を供給している。
【０００８】
ハイブリッドシステムにおいて、充放電制御装置を介して二次電池を直流母線に接続する例がある。これは、二次電池の出力電圧を負荷の運転に適合した電圧に変換して給電したり、二次電池に適合した電圧電流に変換して蓄電したりすることにより、二次電池の過放電、過充電を防止して、二次電池の過度な損耗を防止しつつ、電力の過不足を調整を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３６０６１０号公報
【特許文献２】特開２００５−０１２９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来、二次電池を蓄電装置とするハイブリッドシステムにおいて、二次電池をインバータの直流母線に直接接続した場合、二次電池の充放電が直流母線の電圧によって成り行きになるため、二次電池が過充電もしくは過放電となる可能性がある。二次電池は過充電もしくは過放電になれば、二次電池を損傷して電池寿命を著しく短くする。
【００１１】
また、充放電制御装置を介して二次電池をインバータの直流母線に接続すれば上記の過充電・過放電の問題はなくなるが、構成が複雑になるうえ、充放電制御装置は高価であり設備費用が嵩むという問題がある。
【００１２】
大きな電力を必要としない補機等のみを運転する場合は、エンジンをアイドル状態にして、二次電池から電力を供給する技術が提案されている。一方、大きな電力を必要とする荷役作業中や建設作業中には、発電機を定格運転して発電機からの電力で運転される。このとき、二次電池は使用されない。荷役作業中や建設作業中に発電機と二次電池の両方が使用されない理由の一つは、二次電池の過放電を防止するためである。
【００１３】
荷物の巻き下げ時や走行状態から減速時に作業用モータに生じる回生電力を二次電池に蓄電して、荷役作業や建設作業時の電力として使用すれば、エネルギーの有効利用を図ることができる。さらに、エンジン効率の高い定格運転時に二次電池を充電してこの電力を荷役作業等に使用すれば、燃費の節減を図ることができる。しかし、従来のハイブリッドシステムにおいては、荷役作業中や建設作業中に、二次電池が使用されないので、蓄電装置として二次電池が有効に利用されているとは言い難いという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記従来技術における問題を解決するものであって、その目的とするところは、荷役作業中や建設作業中においても、二次電池の過充電・過放電を行うことなく、二次電池の電力を有効に利用することを可能にするハイブリッドシステムからなる荷役機械もしくは建設機械の制御装置及び制御方法を提供することにある。併せて、燃料消費量の少ない荷役機械や建設機械のハイブリッドシステムの制御装置及び制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、エンジンと二次電池を備えたハイブリッドシステムの制御装置であって、  前記ハイブリッドシステムは、作業用のモータと、二次電池と、エンジンからの動力により発電する発電機と、前記発電機の発電電圧を調整するＡＶＲと、直流母線に前記二次電池が接続され、前記発電機及び／又は前記二次電池から供給される電力から前記モータを駆動するための電力変換を行うインバータと、を備えており、前記制御装置は、前記モータの駆動中に、前記ＡＶＲの電圧設定値を加減することにより前記発電機と前記二次電池との負荷分担の調節を可能としたことを特徴とする（請求項１）。本発明のハイブリッドシステムの制御装置は、図２に示すパワーフロー制御装置７である。
【００１６】
この構成によれば、エンジンはガソリンエンジンやガスエンジン等の内燃機関であってもよく、好ましくはディーゼルエンジンである。エンジンの出力軸と発電機の駆動軸はカップリングを介して接続されていて、エンジン発電機を構成する。
【００１７】
また、この構成によれば、二次電池は直流母線に、充放電制御装置等の装置であって二次電池の電圧を調節する装置を介さずに、直接に接続されてもよい。
ＡＶＲは発電機の励磁の強さを調節することにより発電機の発生電圧（発電機電圧）を制御することを可能にする制御装置である。したがって、「ＡＶＲの電圧設定値」のことを、「発電機電圧指令」と称されることもある。
【００１８】
発電機電圧が変われば、発電機と二次電池は直流母線を介して接続されているので、発電機と二次電池の負荷分担の割合が変わる。
【００１９】
本発明に係るハイブリッドシステムは、二次電池のＳＯＣ（State of Charge）を算出する電池モニタをさらに備えてもよい。このとき、電池モニタにより算出される二次電池のＳＯＣの値に応じて、ＡＶＲの電圧設定値を設定してもよい（請求項２）。
【００２０】
また、前記ハイブリッドシステムは、二次電池の端子電圧を測定する電圧計をさらに備えており、電圧計の測定値に応じて、ＡＶＲの電圧設定値を設定してもよい（請求項３）。
【００２１】
ＡＶＲの電圧設定値があらかじめ定めた設定値以下となった場合に、エンジンの回転数を定格回転からアイドル回転に切り替えてもよい（請求項４）。
【００２２】
この構成によれば、ＡＶＲの電圧設定値があらかじめ定めた設定値以下となると、エンジン調速機の設定を下げてエンジンをアイドル状態にして、不要な燃料の消費を抑えることが可能となる。また、発電機電圧が所定値を下回り小さくなると、発電機出力が不安定になるので、これを防止する上でもアイドル状態にする意味がある。
【００２３】
ＡＶＲの電圧設定値の値に関わらず、エンジン発電機の出力が小さくなったときに、エンジンの回転数を定格回転からアイドル回転に切り替えてもよい。このようなエンジン発電機の負荷としては、例えば３０％Ｌが考えられるが、２０％Ｌであってもよい。
【００２４】
さらには、二次電池の電圧があらかじめ定めた値以上になったときに、エンジン回転数を定格回転からアイドル回転に切り替えてもよい。この場合は、二次電池に蓄電された電力を積極的に使用することにより燃料消費量を抑えることが可能となる。
【００２５】
本発明に係るハイブリッドシステムが、荷役機械のハイブリッドシステムの制御装置であってもよい（請求項５）。
【００２６】
この場合、作業用のモータは、荷役機械において荷物を上昇させるための巻き上げ用モータであってもよく（請求項６）、さらには、荷役機械を走行させるための走行用モータであってもよく（請求項７）、荷物を横行させるための横行用モータであってもよい（請求項８）。
【００２７】
この構成によれば、荷役機械は港湾施設で使用されるクレーン、好ましくは自走式のトランスファークレーンであるとよい。
【００２８】
本発明に係るハイブリッドシステムが、建設機械のハイブリッドシステムであってもよい（請求項９）。この場合、作業用のモータは、建設機械において油圧ポンプを駆動するためのポンプ駆動モータであってもよく（請求項１０）、建設機械を走行させるための走行用モータであってもよい（請求項１１）。
【００２９】
この構成によれば、建設機械はホイールローダであってもよい。
【００３０】
荷役機械もしくは建設機械の作業用モータの回生電力により二次電池を充電してもよい（請求項１２）。
【００３１】
この構成によれば、インバータは好ましくは回生能力を有しており、荷役機械の巻き上げモータもしくは建設機械の走行用モータからの回生電力は直流母線を介して二次電池に有効に蓄電されるので、エネルギーの無駄を防ぐことが可能となる。特に、荷役機械の巻き上げ用モータや建設機械の走行用モータは大容量なので、巻き下げ時もしくは減速時には大きな回生電力を回収することできる。
【００３２】
上記二次電池は、いわゆる蓄電機能を備えた蓄電設備であってもよい。好ましくは、上記二次電池は、積層型ニッケル水素電池であるとよい（請求項１３）。
【００３３】
本発明はハイブリッドシステムの制御方法であって、ハイブリッドシステムは、作業用のモータと、二次電池と、エンジンからの動力により発電する発電機と、発電機の発電電圧を調整するＡＶＲと、直流母線に二次電池が接続され、発電機及び／又は二次電池から供給される電力からモータを駆動するための電力変換を行うインバータとを備えており、制御方法は、モータの駆動中、発電機と二次電池との負荷分担の調節を行うためにＡＶＲの電圧設定値を変更するステップ、を含むことを特徴とする（請求項１４）。
【００３４】
さらに本発明に係る制御方法は、二次電池のＳＯＣ（State of Charge）を算出するステップを備えており、ＳＯＣ計算ステップで算出される二次電池のＳＯＣの値に応じてＡＶＲの電圧設定値を設定するステップを備えていてもよい（請求項１５）。
【００３５】
またＡＶＲの電圧設定値があらかじめ定めた設定値以下となったときに、エンジンの回転数を定格回転からアイドル回転に切り替えるステップを備えていてもよい（請求項１６）。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、作業用モータを駆動するのに必要な電力は、エンジンと二次電池の両方から供給され、両者間で適切な負荷分担を行うことが可能となる。この結果、二次電池が過放電となることがなく、蓄電装置としての二次電池の損傷を未然に防ぐことができ、電池寿命の延命化に寄与できる。
【００３７】
さらには、ハイブリッドシステムを運転するのに必要な電力が小さくなったときは、エンジンをアイドル回転に切り替えることにより、エンジンをアイドル状態にして、余分な燃料の消費を防止して、エンジンの燃料消費量を低減に寄与できる。
【００３８】
二次電池に蓄えられた電力は、荷役機械の巻き下げ時や建設機械の減速時に回収した回生電力とエンジン定格運転時に蓄電した電力であり、いずれも経済的な方法で蓄電した電力であるところ、荷役作業や建設作業時に、エンジンと二次電池の両方から電力の供給を可能としたので、二次電池の安価な電力の有効活用を図ることが可能となり、この結果、ハイブリッドシステムの燃料消費を節減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の制御装置を含む荷役機械の外観図である。
【図２】図１の荷役機械ハイブリッドシステムの構成を示すブロック図である。
【図３】制御装置の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】二次電池と発電機の負荷分担特性を示す図（その１）である。
【図５】二次電池と発電機の負荷分担特性を示す図（その２）である。
【図６】二次電池と発電機の負荷分担特性を示す図（その３）である。
【図７】エンジン発電機の停止動作を示すフローチャートである。
【図８】エンジン発電機の起動動作を示すフローチャートである。
【図９】発電機制御とパワーフロー制御との関係を示すブロック図である。
【図１０】発電機電圧指令の修正量を定める調整特性図の一例である。
【図１１】発電機電圧指令の修正量を定める調整特性図の一例である。
【図１２】発電機電圧制御方法を示すタイミングチャート（発電機電圧指令が増加する場合）である。
【図１３】発電機電圧制御方法を示すタイミングチャート（発電機電圧指令が減少する場合）である。
【図１４】ハイブリッドシステムの制御装置の制御動作をフローチャートである。
【図１５】従来の実験結果を示すグラフである。
【図１６】本発明の実験結果を示すグラフである。
【図１７】建設機械ハイブリッドシステムの構成を示すブロック図である。
【図１８】各種電池のＳＯＣに対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００４１】
以下に示す本発明の実施形態は、エンジン発電機と、インバータの直流母線に接続された二次電池と、を備えたハイブリッドシステムの制御において、エンジン発電機と二次電池の負荷分担を適切に行うことにより、二次電池の過充電や過放電を防ぐことにより電池寿命の延命を図り、合わせて回生電力を有効に利用し、二次電池の充電量が多いときに、エンジンをアイドル状態にして、電池のみから補機やモータに電力を供給する。これにより、エンジンの燃費が良くなるという効果が得られる。
【００４２】
１．  荷役機械の構成
図１に、本発明の実施形態の制御装置を含むハイブリッドシステムを荷役機械に適用した場合について、その荷役機械の外観を概略的に示す。本実施形態の荷役機械１００は、港湾等の荷役作業に使用されるクレーン装置の一つであるゴムタイヤ式トランスファークレーン（ＲＴＧ：Rubber Tired Gantry crane）である。
【００４３】
荷役機械１００は、コンテナ１０１を吊り上げるスプレッダ１０３と、巻き上げ及び巻き下げによりスプレッダ１０３を上昇及び下降させるワイヤーロープ１０９と、スプレッダ１０３を横行させるためのトラバーサ１０５と、前後の方向に走行が可能なタイヤ１０７と、を有する。
【００４４】
荷役機械１００は、コンテナ１０１をスプレッダ１０３で吊り上げ、スプレッダ１０３に取り付けられたワイヤーロープ１０９を巻き上げてスプレッダ１０３を上昇させ、トラバーサ１０５を所望の位置まで横行させた後、ワイヤーロープ１０９を巻き下げてスプレッダ１０３を下降させることにより、コンテナ１０１の積み下ろしを行う。また、荷役機械１００は、タイヤ１０７による走行によって、任意の位置に移動することができる。
【００４５】
図２に、本発明にかかる荷役機械１００のシステム構成をブロック図で示す。荷役機械１００は、交流電力を出力するエンジン発電機１３と、エンジン発電機１３を制御するパワーフロー制御装置７と、エンジン発電機１３に接続されたインバータ３と、インバータ３から出力される電力により駆動するモータ４と、インバータ３に運転指令を出力する運転指令部８と、を有する。
【００４６】
エンジン発電機１３は、エンジン１１とエンジン１１に接続された発電機１２とにより構成される。本実施形態において、エンジン１１は、軽油を燃料とするディーゼルエンジンである。エンジン１１が定格回転しているとき発電機１２は動作して発電し、エンジン１１がアイドルのとき発電機１２は電力の発生を停止する。
【００４７】
パワーフロー制御装置７は、エンジン制御装置１を介してエンジン１１の負荷を調節して、エンジン１１の回転数を制御し、さらには、ＡＶＲ２を介して発電機１２の励磁を調節することにより発電機電圧を制御する。
【００４８】
インバータ３は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部３１と、直流電力を交流電力に変換するインバータ部３２と、を有する。インバータ３は、運転指令部８から出力される運転指令に従って、コンバータ部３１及びインバータ部３２を制御し、モータ４に電力を供給する。
【００４９】
モータ４は、図１に示すワイヤーロープ１０９の巻き上げを行うための巻き上げ用モータである。運転指令部８は、荷役機械１００の運転室などに設けられる。運転指令部８は、操作員から指示された運転指令をインバータ３に出力する。運転指令は、巻き上げ及び巻き下げ指令を含む。
【００５０】
荷役機械１００は、さらに、インバータ３のコンバータ部３１とインバータ部３２との間の直流母線１４に直結された二次電池５と、二次電池５の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を算出する電池モニタ６と、運転指令と二次電池５のＳＯＣに基づいて、エンジン発電機１３を制御するパワーフロー制御装置７と、を有する。
【００５１】
本実施形態において、二次電池５はニッケル水素単電池を直列に積層した積層型ニッケル水素電池である。具体的には、ニッケル水素電池は、対向して設けられた一対の板状の集電体の間に、セパレータによって仕切られた正極セルと負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極セルと他方の前記単位電池の負極セルとが対向するように積層されてなる電池モジュールである。
【００５２】
ニッケル水素電池の特性については後述するが、ニッケル水素電池は、ＳＯＣ(state of charge)の変動による電圧変動が小さいという特性を有しているため、直流母線１４に直結することができる。二次電池の出力電圧は、単位電池の積層数によって調整することができる。ニッケル水素電池の場合は、１．２Ｖ単位の小さな単位で二次電池の出力電圧を調整することができる。
【００５３】
パワーフロー制御装置７は、運転指令部８からインバータ３に出力される運転指令と電池モニタ６により算出される二次電池５のＳＯＣに基づいて、エンジン１１にエンジン回転数指令を出力するとともに発電機１２に発電機電圧指令を出力する。エンジン回転指令は、定格回転数を指示する定格回転指令と、定格回転数より低い回転数であるアイドルを指示するアイドル指令を含む。
【００５４】
また、荷役機械１００は、インバータ３のコンバータ部３１とインバータ部３２との間の直流母線１４に接続されたＤＣ／ＡＣコンバータ９と、ＤＣ／ＡＣコンバータ９に接続された補機１０とを備える。補機１０は、荷役動作時だけでなく、荷役動作時以外においても電力を必要とするものであって、例えば、荷役機械１００に設けられた照明装置や運転室の空調設備、油圧ユニット（油圧ポンプ等）などである。
【００５５】
２．  荷役機械の動作
荷役機械１００の動作について、巻き上げを指示する運転指令が入力されたときを例にして説明する。図３に、巻き上げを開始するときのパワーフロー制御装置７を中心とするハイブリッドシステムの制御装置における制御動作をフローチャートで示す。巻き上げが開始される前、パワーフロー制御装置７は通常、エンジン回転数指令としてアイドル指令を出力している。そしてエンジン１１は、アイドル指令に従って、アイドル状態になっている。このとき、発電機１２の発電電力はゼロである。発電機電圧指令は所定の値（ＳＶ０）が設定されている（Ｓ３００）。
【００５６】
操作員が巻き上げ指令を運転指令部８に入力すると、運転指令部８は巻き上げ指令を出力する。パワーフロー制御装置７は、運転指令部８からの巻き上げ指令を入力したかどうかを判断する（Ｓ３０１）。巻き上げ指令が入力されると、パワーフロー装置７は、エンジン回転数指令をアイドル指令から定格回転指令に切り替え、定格回転指令をエンジン制御装置１に出力する（Ｓ３０２）。次に、電池モニタ６は、二次電池の電圧、電流、温度の計測値を読み込み（Ｓ３０３）、これら計測値からＳＯＣの計算を行い（Ｓ３０４）、ＳＯＣの計算結果をパワーフロー装置７に出力する。パワーフロー制御装置７は、電池モニタ６が算出した二次電池５のＳＯＣを入力として、二次電池５のＳＯＣの値が所定値以上かどうかを判断する（Ｓ３０５）。
【００５７】
二次電池５のＳＯＣが所定値未満であれば（Ｓ３０５で＜α）、パワーフロー制御装置７は、発電機電圧の設定値を上げる（Ｓ３０６）。すなわち、
【００５８】
（数１）
ＳＶｎ＝ＳＶ０  ＋  ΔＳＶ
ここに、ＳＶ０は発電機電圧設定の基準値、ＳＶｎは新しい発電機電圧設定、ΔＳＶは発電機電圧設定の修正量である。
【００５９】
二次電池５のＳＯＣが所定値よりも大きければ（Ｓ３０５で＞α）、パワーフロー制御装置７は、発電機電圧の設定値を下げる（Ｓ３０８）。すなわち、
【００６０】
（数２）
ＳＶｎ＝ＳＶ０  −  ΔＳＶ
発電機電圧設定（ＳＶｎ）の別な定め方として、（数式１）の代わりに下記の（数式３）を用い、（数式２）の代わりに下記の（数式４）を用いて、適切な制御効果待ち時間毎に、（Ｓ３０３）〜（Ｓ３０９）を繰り返してもよい。すなわち、
【００６１】
（数３）
ＳＶｎ＝ＳＶｎ−１  ＋  ΔＳＶ１
【００６２】
（数４）
ＳＶｎ＝ＳＶｎ−１  −  ΔＳＶ１
ここに、ＳＶｎ−１は前回制御時の発電機電圧設定、ＳＶｎは今回制御時の発電機電圧設定、ΔＳＶ１は発電機電圧設定の修正量である。
【００６３】
ＡＶＲ２は、パワーフロー制御装置７からの発電機電圧指令に基づき発電機電圧を上げ下げ調節する。
【００６４】
巻き上げ指令がＯＦＦになると（Ｓ３０９）、パワーフロー制御装置７は、発電機電圧指令を元の所定値に戻す（Ｓ３１０）。これによりＡＶＲ２は発電機の発生電圧を所定の値に戻すよう発電機１２を制御する。
巻き上げ指令がＯＮになっていないときは、発電機電圧設定には所定の値が設定されている（Ｓ３００）（Ｓ３１０）。
【００６５】
ＳＯＣの所定値(α)として、二次電池５を蓄電装置として使用する場合は、蓄電状態を確保するため、ＳＯＣの所定値として６０％〜９０％の範囲で定めることが好ましい。より好ましくは７０％〜８０％の範囲で定めることができる。
発電機電圧指令の修正量（ΔＳＶ）は、固定値であるところ、ＳＯＣの値に応じて変化させてもよい。
【００６６】
本実施形態において、ＳＯＣの所定値は７５％であるが、好ましくは図１０に示すような７５％を中央値とする±５％のデッドバンド特性を持たせてもよい。デッドバンドを持たせれば、比較的滑らかな制御を実現することができる。デッドバンド幅はもっと小さくてもよい。
【００６７】
図１０において、ＳＯＣが８０％を上回れば、発電機電圧指令の基準値から固定の修正量ΔＳＶを引き去り、ＳＯＣが７０％を下回れば、発電機電圧指令の基準値に固定の修正量ΔＳＶを加えて、発電機電圧指令を求める。しかるに、修正量ΔＳＶは固定値でなくてもよい。例えば、図１１に示すようにＳＯＣの値に応じた連続量としてもよい。
【００６８】
（Ｓ３０３）〜（Ｓ３１０）のステップの処理が繰り返されているとき、ＡＶＲ２は、発電機電圧指令にしたがって発電機１２の電圧の制御を行い、エンジン制御装置１は、定格回転指令に従って、エンジン１１を定格回転させる。このとき、エンジン１１に結合された発電機１２は発電し、エンジン発電機１と二次電池５の両方からモータ４へ電力が供給され、巻き上げが行われる。すなわち、発電機１２にて発電された交流電力はインバータ３のコンバータ部３１にて直流電力に変換され、直流母線１４に直流電力を出力する。二次電池５も直流母線１４に接続されているので、直流母線１４には発電機１２からの電力と二次電池からの電力が供給可能となっている。
【００６９】
一方、インバータ３は、運転指令部８から出力される巻き上げ指令に従って動作し、二次電池５およびコンバータ部３１を介して発電機１２から供給される直流電力を交流電力に変換して、モータ４に供給する。このように、二次電池５および発電機１２からの電力で荷物の巻き上げを行う。
【００７０】
ここで二次電池５と発電機１２の負荷分担の状況を、図４に基づいて説明する。
【００７１】
図４は、二次電池５と発電機１２の電流−電圧特性を示す図であって、無負荷時の直流母線電圧が等しい場合の特性図である。二次電池５および発電機１２の電流電圧特性は共に垂下特性を有していて、その傾きは、一般に二次電池５の方が大きい。
【００７２】
図４において、直流母線電圧がＶｃのとき、二次電池５はＶｃ一定の水平線と二次電池の垂下特性との交点の電流Ａｂを分担し、発電機１２はＶｃ一定の水平線と発電機の垂下特性との交点の電流Ａｇを分担して、モータ４にはＡｂ＋Ａｇの電流が供給される。母線電圧Ｖｃが共通なので、二次電池５と発電機１２の負荷分担割合はそれぞれ、
Ａｂ／（Ａｂ＋Ａｇ）とＡｇ／（Ａｂ＋Ａｇ）となる。
【００７３】
図５は、発電機電圧を上げた場合の二次電池５と発電機１２の電流−電圧特性を示す図であって、発電機１２の無負荷電圧がＶｕで、二次電池５の無負荷電圧がＶｅで示されている。
【００７４】
図５において、直流母線電圧が図４と同じＶｃのとき、二次電池５の分担する電流に変化はないが、発電機１２の分担する電流は増加して、結局発電機１２の負荷分担が増加することとなる。
【００７５】
これとは逆に、発電機電圧を下げた場合の二次電池５と発電機１２の電流−電圧特性を図６に示す。図６において、直流母線電圧Ｖｃが同じとき、二次電池５の分担する電流に変化はないが、発電機１２の分担する電流は減少して、結局二次電池５の負荷分担が増加することとなる。
【００７６】
直流母線電圧Ｖｃはモータ４が必要とする電力によって定まり、共通の直流母線電圧のもと、二次電池５と発電機１２の電流−電圧特性にしたがって負荷分担が定まる。
【００７７】
図９に発電機１１の電圧制御系統をブロック図で示す。パワーフロー制御装置７から発電機電圧の増減指令２０がＡＶＲ２に送られる。ＡＶＲ２において、ＡＶＲ２内部に設けられた電圧設定値２１と増減指令２０とが加算器２２において合算されて、ＰＩＤ制御器２４に対する設定値となる。発電機１１の電圧は電圧計２５で検出されて、減算器２３にて設定値と比較される。減算器２３の出力である制御誤差は、ＰＩＤ制御器２４で制御演算が施され、発電機１１に制御演算結果を出力する。ＰＩＤ制御器２４の出力に応じて発電機１１の励磁が調節されて発電機の電圧が変わる。
【００７８】
図７に、エンジン１１が定格回転からアイドルになる場合の制御の流れをフローチャートで示す。図７において、発電機電圧指令がチェックされて（Ｓ７０１）、所定値以下であれば、次に電池電圧がチェックされ（Ｓ７０２）、所定値以上であればエンジン１１にアイドル指令を出力して（Ｓ７０３）、エンジン１１はアイドルとなる。
【００７９】
発電機電圧指令が所定値以下でないか、電池電圧が所定値以上でなければエンジン１１が定格回転を維持するようパワーフロー制御装置７はエンジン制御装置１を制御する。
このようにエンジン発電機１３の停止制御を行うことにより、エンジン１１の無駄な運転を省くことができる。
【００８０】
図８に、エンジン１１がアイドルから定格回転になる場合の制御の流れをフローチャートで示す。図８において、電池電圧がチェックされ（Ｓ８０１）、所定値以下であればエンジン１１に定格回転指令を出力する（Ｓ８０３）。そうでなければ、次にＳＯＣの値がチェックされて（Ｓ８０２）、所定値以下であれば、エンジン１１に定格回転指令を出力する（Ｓ８０３）。そうすると、エンジン１１は定格回転となりエンジン発電機１は発電する。
【００８１】
このようにエンジン発電機１３の運転制御を行うことにより、二次電池５のＳＯＣを適切な範囲に保つことができる。
電池電圧が所定値以下でなく、かつ、ＳＯＣの値が所定値以下でなければエンジン１１がアイドルを維持するようパワーフロー制御装置７はエンジン制御装置１を制御する。
【００８２】
図１２および図１３に、巻き上げ及び巻き下げ動作におけるタイミングチャートを示す。図１２および図１３において、（ａ）は運転指令部８が出力する巻き上げ指令のオン／オフを示し、（ｂ）はパワーフロー制御装置７が出力する発電機電圧指令を示し、（ｃ）はエンジン発電機１３の出力電力を示し、（ｄ）は二次電池５の出力電力を示し、（ｅ）は二次電池５のＳＯＣを示している。
【００８３】
図１２において、巻き上げ指令が入力されるまで（時刻ｔ０〜時刻ｔ１）、パワーフロー制御装置７は、エンジン回転数指令として、アイドル指令をエンジン制御装置１に出力している。エンジン制御装置１は、アイドル指令に従って、エンジン１１をアイドルにしているため、発電機１２は発電を停止している。この間、補機１０への電力供給は、二次電池５のみによって行われる。そのため、二次電池５のＳＯＣは減少していく。
【００８４】
時刻ｔ１で巻き上げ指令が入力される。このときの二次電池５のＳＯＣは６０％であり、図１０に示す所定の閾値（７５％）を超えていないため、パワーフロー制御装置７は発電機電圧設定をΔＳＶ（１０％）だけ増加させる。これにより、エンジン発電機１３の出力電圧は増加するので、発電機１１の負荷分担は増加して（図４から図５に負荷分担が変わる）、発電機電力は（ｃ）に示すように大きく増加する。荷物の巻き上げにより大きな電力を必要とするため、二次電池出力は、必要電力増加分の一部を負担して増加する。これにより、エンジン発電機１と二次電池５からの両方の電力によって巻き上げが行われる（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）。二次電池出力の増加分だけ、ＳＯＣは減少してゆく。
【００８５】
時刻ｔ２で巻き上げが終了すると、巻き上げ指令がオフになる。発電機電圧指令は元の値に戻り、この結果エンジン発電機１３の電力と二次電池の電力も元の値に戻る。
【００８６】
一方、巻き下げの指令が入力されると（時刻ｔ２）、荷役機械１００は巻き下げを開始する。巻き下げは、モータ４を駆動させず、コンテナ１０１の重量により行う。コンテナ１０１の降下に伴いモータ４が回転し、回生電力が発生する。この回生電力により、二次電池５が充電されるので、ＳＯＣの値は増加に転じる（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）。回生電力によって二次電池５に蓄えられた電力は、補機１０への給電と次の巻き上げ作業に利用される。
【００８７】
図１３において、巻き上げ指令が入力されるまで（時刻ｔ０〜時刻ｔ１）の状態は同じである。
【００８８】
時刻ｔ１で巻き上げ指令が入力されると、このときの二次電池５のＳＯＣは８０％であり、所定の閾値（７５％）を超えているため、パワーフロー制御装置７は発電機電圧設定をΔＳＶ（１０％）だけ減少させる。これにより、エンジン発電機１３の出力電圧は減少するので、発電機１１の負荷分担は減少するが（図４から図６に負荷分担が変わる）、荷物の巻き上げにより大きな電力を必要とするので、結果的にはエンジン発電機１３の出力は増加する。一方、二次電池出力は新たな負荷分担（図６）に従って分担する負荷が定まる。これにより、エンジン発電機１と二次電池５からの両方の電力によって巻き上げが行われる（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）。図１２と比較して二次電池５の負荷分担が増えている分だけ、ＳＯＣの減少の程度は図１２よりも大きい。
【００８９】
時刻ｔ２で巻き上げが終了すると、巻き上げ指令がオフになる。発電機電圧指令は元の値に戻り、この結果エンジン発電機１３の電力と二次電池の電力も元の値に戻る。
【００９０】
一方、巻き下げの指令が入力されると（時刻ｔ２）、荷役機械１００は巻き下げを開始する。巻き下げに伴いモータ４は回生電力を発生させる。この回生電力により、二次電池５が充電されるので、ＳＯＣの値は増加に転じる（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）。
【００９１】
本発明の他の実施形態として、電池電圧の値に応じて、発電機電圧指令を調整してもよい。他の実施形態に係るハイブリッドシステムの制御装置における制御動作を図１４にフローチャートで示す。電池電圧が所定値よりも小さければ（＜β）発電機電圧指令を増加させ（Ｓ１４０５），所定の値より大きければ（＞β）発電機電圧指令を減少させる（Ｓ１４０７）。巻き上げ指令がＯＮになっていないときは、発電機電圧設定には所定の値が設定されている（Ｓ１４１０）。
【００９２】
これらＳＯＣおよび電池電圧の所定の値（α、β）や発電機電圧設定の基準値および修正量（ＳＶ０、ΔＳＶ）は、あらかじめ定められた値であって、例えば制御を行う計算機のメモリに保持されていてもよい。
【００９３】
図１５及び図１６は、上記の制御に基づきシミュレーション試験を行った際の試験結果を示す図である。図１５は発電機電圧設定を一定にした場合の試験結果を示しており、図１６は本発明よる発電機電圧設定をＳＯＣに応じて調節した場合の試験結果を示している。試験において、定格負荷（４０．６ｔ）の巻上及び巻下と無負荷の巻上及び巻下を１時間にそれぞれ１０回行なった。図１５及び図１６に示すように、ＳＯＣを比較すると、図１５の発電機電圧設定が一定の場合は、ＳＯＣが大きく低下しているのに対して、図１６の本発明の場合は、ＳＯＣの変化が小さく、所定値の近傍を保持していることが判る。この結果、本発明の方法によれば、二次電池は過充電もしくは過放電となることがないことが確認することができた。
【００９４】
本発明の更なる他の実施形態に係るシステム構成を図１７に示す。図１７に示す実施形態は、建設機械のハイブリッドシステムであり、作業用モータ５４は好ましくは走行用のモータである。油圧ユニットにおける油圧ポンプ駆動用のモータであってもよい。建設機械として好ましくはホイールローダがあるが、他の建設機械であってもよい。
【００９５】
図１７に関しては、図２に準じているので、説明を省略する。また、制御動作のフローも図３に順ずるので省略する。
【００９６】
図１８は、各種電池等のＳＯＣ（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。曲線ａはニッケル水素電池の電圧変化、曲線ｂは鉛蓄電池の電圧変化、曲線Ｃはリチウムイオン電池の電圧変化、曲線ｄは電気二重層キャパシタの電圧変化を示す。
【００９７】
ＳＯＣの変動に対する電圧変化は、ニッケル水素電池で約０．１、鉛蓄電池で約１．５、リチウムイオン電池で約２、電気二重層キャパシタで約３になっている。つまり、同じ電圧変化とすれば、ニッケル水素電池は、鉛蓄電池の１／１５に、リチウムイオン電池の１／２０に、電気二重層キャパシタの１／３０に小さくできる。
【００９８】
図１８に示すように、曲線ａで示されるニッケル水素電池は、他の電池等に比較してＳＯＣの広い範囲Ｓで安定した電圧特性を有する。すなわち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が小さい。これに比べて、曲線ｂ、Ｃ、ｄで示される他の電池等では、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が大きい。例えば、ＳＯＣの中央値でみれば、ニッケル水素電池では、中央値の電圧をＶｌとし電圧変動が範囲ｄＶｌ内におさまるように使用する場合、ＳＯＣのほぼ全ての範囲において使用することができ、電池容量を有効に利用することができる。これに対し、鉛蓄電池を中央値の電圧をＶ２とし電圧変動が範囲ｄＶ２内におさまるように使用する場合には、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。同様に、リチウムイオン電池を中央値の電圧をＶ３とし電圧変動が範囲ｄＶ３内におさまるように使用する場合には、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。ここで、電圧変動範囲の大きさは電圧の中央値で正規化して、ｄＶｌ／Ｖｌ＝ｄＶ２／Ｖ２＝ｄＶ３／Ｖ３とする。
【００９９】
したがって、二次電池５を、図２のように直流母線１４に直結した場合、二次電池５の充放電が繰り返されることによりその充電状態(ＳＯＣ)が変動しても電池電圧の変動を非常に小さく抑えることができるので、電池容量を有効に利用することができる。
【０１００】
３．  まとめ
以上のように、本実施形態によれば、二次電池５のＳＯＣの値に応じて、エンジン発電機１３と二次電池５の負荷分担を調整することができるので、インバータ３の直流母線１４に接続された二次電池５はそのＳＯＣを適切な範囲に調整することが可能となり、二次電池５の過放電、過放電を防止でき。電池寿命の延命化を図ることが可能となる。また、回生電力を二次電池５に蓄電して有効に利用することができるので、間接的にエンジン発電機１３の燃費が向上する。
【０１０１】
ニッケル水素電池は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣ(state of charge)の変動による電圧変動が小さく電池容量を有効利用できるため、他の二次電池に比べて小容量の電池を用いることができ、大きな設置場所を必要としない。また、二次電池５として、ＳＯＣによる電池起電力の変化が小さいニッケル水素電池を使用することにより、二次電池５をインバータの直流母線に直接接続することが可能となるため、二次電池５と直流母線との間に従来技術で必要であった、二次電池５の充放電を制御する充放電制御装置が不要となる。本実施形態によれば、充放電制御装置を用いないため、充放電制御装置の設置スペースが不要となる。また、高価な充放電制御装置を用いないため、装置全体として安価になる。
【０１０２】
二次電池５を直流母線１４に直接接続すると、二次電池５への充放電が、二次電池５の起電力とインバータ３の直流母線１４の電圧との差によって決まるため、二次電池５が過充電又は過放電になる場合がある。しかし、本実施形態によれば、運転指令が入力されたとき、電池モニタ６により算出される二次電池５のＳＯＣに基づいて、エンジン発電機１３と二次電池５とが適切に負荷分担を行なうことができるので、二次電池５の過放電を防ぐことができる。
【０１０３】
本発明の方法によれば、エンジン発電機１と二次電池５による巻き上げ時の負荷分担はそれぞれの電圧によって適切に決まるので、回生によって二次電池５に蓄積された電力をエンジンアイドル時の補機１０への給電に十分に使用することができる。この結果、燃費の悪い低負荷でのエンジンの運転を防止することができ、全体として燃費の向上をはかることができる。
【０１０４】
４．変形例
なお、本実施形態においては、モータ４が巻き上げ用モータである場合について説明したが、モータ４は、トラバーサ１０５を横行させるための横行用モータ、又はタイヤ１０７を走行させるための走行用モータであってもよい。この場合であっても、本実施形態を適用できる。すなわち、走行が行われている間及び横行が行われている間、発電機電圧設定を適切に決めることにより、エンジン発電機１３と二次電池５の負荷分担を適切に行なう。これにより、二次電池５の過放電を防止することができる。さらに、走行終了時、又は横行終了時において、これら作業用モータ４からの回生電力は二次電池５に有効に蓄電することができ、燃費の節減を図ることができる。
【０１０５】
なお、二次電池５は、ニッケル水素電池以外の蓄電設備であってもよい。例えば、二次電池５は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタであってもよい。この場合、電池もしくはキャパシタなどの蓄電設備の間には、充放電制御装置を配して、電池等の電圧を適宜、昇降圧して、直流母線に接続してもよい。この場合であっても、本願発明の所定の効果を得ることができる。
【０１０６】
また、荷役機械１００は、ＲＴＧの他、ガントリークレーン、ジブクレーン等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の制御装置及び制御方法によれば二次電池の過充電および過放電を防止できるという効果を有し、荷役機械や建設機械に有用である。
【符号の説明】
【０１０８】
１、５１    エンジン制御装置
２、５２    ＡＶＲ
３、５３    インバータ
４、５４    モータ
５、５５    二次電池
６、５６    電池モニタ
７、５７    パワーフロー制御装置
８、５８    運転指令部
９、５９    ＤＣ／ＡＣコンバータ
１０、６０  補機
１１、６１  エンジン
１２、６２  発電機
１３、６３  エンジン発電機
１４、６４  直流母線
３１、８１  コンバータ部
３２、８２  インバータ部
１００  荷役機械
１０１  コンテナ
１０３  スプレッダ
１０５  トラバーサ
１０７  タイヤ
１０９  ワイヤーロープ
【図１】
2011135686.tif 000003
【図２】
2011135686.tif 000004
【図３】
2011135686.tif 000005
【図４】
2011135686.tif 000006
【図５】
2011135686.tif 000007
【図６】
2011135686.tif 000008
【図７】
2011135686.tif 000009
【図８】
2011135686.tif 000010
【図９】
2011135686.tif 000011
【図１０】
2011135686.tif 000012
【図１１】
2011135686.tif 000013
【図１２】
2011135686.tif 000014
【図１３】
2011135686.tif 000015
【図１４】
2011135686.tif 000016
【図１５】
2011135686.tif 000017
【図１６】
2011135686.tif 000018
【図１７】
2011135686.tif 000019
【図１８】
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