(57)【要約】      （修正有）【課題】蓄電装置の残量を適切な範囲に保ちながら、エンジンを適正な運転状態で動作させること。【解決手段】ハイブリッド建設機械は、エンジンを、負荷トルクと回転数との関係が、負荷トルクの増加に従って回転数が減少するような所定の傾きを持ったガバナ特性で制御するコントローラを備える。コントローラ内の目標エンジン動力演算部２−５は、負荷動力演算部２−１および充放電要求演算部２−３からの出力値の増減に応じて、増減する第１の目標エンジン動力を演算し、目標回転数演算部２−６は、回転数−トルク特性線図上におけるガバナ特性変更部２−４で変更されたガバナ特性線と第１の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を電動・発電機の目標回転数指令値として算出する。【選択図】図３
2015145167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧作業部と、前記エンジンとの間でトルクの伝達を行う電動・発電機と、前記電動・発電機に電力を供給する蓄電装置と、前記エンジンを、負荷トルクと回転数との関係が、負荷トルクの増加に従って回転数が減少するような所定の傾きを持ったガバナ特性で制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記ガバナ特性の設定を変更するガバナ特性変更部と、
エンジン軸上の負荷動力を演算する負荷動力演算部と、
前記蓄電装置の残量を演算する蓄電残量演算部と、
前記蓄電残量演算部の出力に基づいて前記蓄電装置の電力を適切な範囲に保つために必要な充電／放電要求を演算する充放電要求演算部と、
前記エンジンの目標動力を演算する目標エンジン動力演算部と、
前記電動・発電機の目標回転数指令を演算する目標回転数演算部と、
前記目標回転数演算部により演算された目標回転数指令値に従って前記電動・発電機を制御する電動・発電機制御部と、を有し、
前記目標エンジン動力演算部は、前記負荷動力演算部および前記充放電要求演算部からの出力値の増減に応じて、増減する第１の目標エンジン動力を演算し、
前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第１の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴とするハイブリッド建設機械。
【請求項２】
請求項１において、
前記コントローラは、
前記エンジンの動作状態を管理するエンジン状態管理部と、
前記蓄電装置の動作状態を管理する蓄電装置管理部と、をさらに備え、
前記目標エンジン動力演算部は、前記エンジン状態管理部および前記蓄電装置管理部の出力に基づいて、前記第１の目標エンジン動力の変化率および上下限値に制限を設けた第２の目標エンジン動力を演算し、
前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第２の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴とするハイブリッド建設機械。
【請求項３】
請求項２において、
前記目標エンジン動力演算部は、前記第２の目標エンジン動力から少なくとも燃費または排ガスの特性を改善した第３の目標エンジン動力を演算し、
前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第３の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴とするハイブリッド建設機械。
【請求項４】
請求項１において、
前記目標エンジン動力演算部は、前記第１の目標エンジン動力から少なくとも燃費または排ガスの特性を改善した第４の目標エンジン動力を演算し、
前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第４の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴とするハイブリッド建設機械。
【請求項５】
請求項４において、
前記コントローラは、
前記エンジンの動作状態を管理するエンジン状態管理部と、
前記蓄電装置の動作状態を管理する蓄電装置管理部と、をさらに備え、
前記目標エンジン動力演算部は、前記エンジン状態管理部および前記蓄電装置管理部の出力に基づいて、前記第４の目標エンジン動力の変化率および上下限値に制限を設けた第５の目標エンジン動力を演算し、
前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第５の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴とするハイブリッド建設機械。
【請求項６】
請求項１において、
前記コントローラは、前記エンジン軸上の負荷動力が同一であっても、前記蓄電装置の残量が少ない場合には前記エンジンの回転数を前記目標回転数指令値より下げて前記蓄電装置の充電を行い、前記蓄電装置に充電が行われていくに連れて、前記エンジンの回転数を前記目標回転数指令値に戻すように制御することを特徴とするハイブリッド建設機械。
【請求項７】
請求項１において、
前記油圧ポンプとして可変容量型が用いられ、
前記コントローラは、前記油圧ポンプに要求されるポンプ流量を演算する要求ポンプ流量演算部と、前記要求ポンプ流量演算部で演算されたポンプ流量および前記電動・発電機の目標回転数指令値から前記油圧ポンプの目標傾転角を演算する目標傾転角演算部と、前記目標傾転角演算部で演算された目標傾転角と前記油圧ポンプの傾転角とが一致するように前記油圧ポンプを制御するポンプ制御部と、をさらに備えたことを特徴とする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、動力源として、エンジンと、エンジンに機械的に接続されてエンジンの動力アシストを行う電動・発電機を備えたハイブリッド建設機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギ化（低燃費化）やエンジンから排出され環境負荷の原因となる排気ガス（二酸化炭素や窒素酸化物、粒子状物質など）の量を低減することを目的として、エンジンに加えて電動・発電機を動力源として備えたハイブリッド建設機械が公知である。省エネルギ化、環境負荷の原因となる排気ガス量を低減するためには、エンジンを適切な運転条件のもとで動作させることが特に重要である。ハイブリッド建設機械においては、作業に必要な動力が油圧ポンプに適切に分配されるようエンジンと電動・発電機の２つの動力源を制御することで、エンジンを適切な運転状態で動作させることが出来るようになる。
【０００３】
エンジンと電動・発電機の動力分配を適切に行う方法に関しては、特許文献１や特許文献２に示されている技術が公知である。特許文献１では、油圧ポンプに要求されるパワーであるポンプ要求パワーと、アクセル信号に基づいて決まるエンジンの目標回転数に対応するエンジン最大パワーとの比較を行い、ポンプ要求パワーに対するエンジン最大パワーの過不足分を電動・発電機パワーとして算出する。さらに、ポンプ要求パワーの演算値と実際値のズレによって生じるエンジン回転数との偏差に従って、電動・発電機パワーを補正することで、エンジンおよび電動・発電機のパワー分配を実現する。
【０００４】
また、特許文献２では、アクチュエータが要求するパワーであるアクチュエータ要求パワーと、蓄電装置の充電量が一定範囲内に保たれる方向で設定される充電量に応じた充電パワー、および発電パワーと蓄電装置の充電量に応じて設定されるエンジンパワーとに基づいて、エンジンおよび電動・発電機のパワー分配を決定する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７２５４０６号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０１８７１８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の特許文献１における動力分配方法は、エンジンをアクセル信号に基づいて決まるエンジンの目標回転数に対応するエンジン最大パワーで駆動し、ポンプ要求パワーに対するエンジン動力の過不足分を、電動・発電機での力行・回生動力として負担する構成になっている。つまり、エンジンは常にアクセル信号に応じた最大パワーで動作し続けることになる。このため、エンジンは常に燃料を最大に噴射し続けることになってしまう。これは、省エネルギという観点からすると適切な運転状態とは言い難い。
【０００７】
また、特許文献１のハイブリッド建設機械では、発電・電動機へ電力の授受を行う蓄電装置の充電量を監視していない。このため、ポンプ要求パワーが少ない状態（軽作業）が続く場合、エンジン最大パワーの余剰分が電動・発電機にて回生動力として利用され、蓄電装置は過充電になってしまう。一方、ポンプ要求パワーが多い状態（重作業）が続く場合、エンジン最大パワーの不足分が電動・発電機にて回生動力として利用され、蓄電装置は過放電になってしまう。
【０００８】
特許文献２の技術では、蓄電装置の充電量を監視したパワー分配を行っている。しかしながら、この技術ではエンジンのパワーを蓄電装置の充電量に応じて変更しているため、エンジンを最大パワーで動かし続ける特許文献１の技術は、特許文献２の技術と直接組み合わせることは出来ない。
【０００９】
さらに、特許文献１、２はポンプ要求パワー、もしくは、アクチュエータ要求パワーの推定に基づいた動力分配を行う際に、電動・発電機を動力（トルク）で制御している。しかしながら、この構成では、要求パワーの真値を知ることが困難なときに、次のような問題点を生じ得る。
【００１０】
図１６（ａ）は、エンジンが最大動力６０ｋＷである回転数Ｎａで動作している時に、実際の要求動力（ポンプ、アクチュエータ）が５０ｋＷかかっているのに、要求動力を４０ｋＷと少なめに演算してしまった場合を想定している。特許文献１または２の演算に従えば、電動・発電機の動力はエンジン動力：６０ｋＷと要求動力（演算値）：４０ｋＷとの過不足を無くすように、２０ｋＷ分の回生を行うように計算される。すると、エンジンには要求動力（真値）：５０ｋＷと電動・発電機の回生動力：２０ｋＷの合計：７０ｋＷがかかることになる。
【００１１】
一般に、エンジンに比べて電動・発電機は出力応答が速いため、以上の演算値が指令されると、すぐにエンジンは１０ｋＷ分過負荷状態になってしまう。この結果、一定時間が経過後に、図１６（ｂ）のようにエンジン回転数がＮｂへと減少してしまい、これに応じてエンジンの最大動力も減少してしまう。このように、要求動力の誤った推定値に基づいて電動・発電機の動力を演算すると、意図しないエンジン回転数の落ち込みを生じ得る。さらに、上記の状態が続くと、エンジンの回転数はさらに落ち込み、最終的にはエンストしてしまう。
【００１２】
特許文献１では、以上の状態を回避するために、電動・発電機のパワーを目標回転数と実回転数の偏差に従って、補正パワーを演算して、電動・発電機の動力を修正しようとしているが、この間は図１６（ｂ）に示したようにエンジンを所望の動力（回転数Ｎａにおける最大エンジン動力）で動かすことが出来ていない。
【００１３】
また、特許文献１の第２発明によれば、ポンプ動力も補正されてしまうため、作業性が確保されないおそれがある。さらに、ハイブリッド建設機械では省エネルギ化のためにエンジンを小型化し、従来の建設機械に比べてエンジントルクが低くなっていることが多い。このため、上記の問題が発生した場合、回転数がＮｂまで下がる間にエンストしてしまう可能性もある。
【００１４】
本発明は、以上の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄電装置の残量を適切な範囲に保ちながら、エンジンを適正な運転状態で動作させることのできるハイブリッド建設機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明に係るハイブリッド建設機械は、エンジンと、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧作業部と、前記エンジンとの間でトルクの伝達を行う電動・発電機と、前記電動・発電機に電力を供給する蓄電装置と、前記エンジンを、負荷トルクと回転数との関係が、負荷トルクの増加に従って回転数が減少するような所定の傾きを持ったガバナ特性で制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記ガバナ特性の設定を変更するガバナ特性変更部と、エンジン軸上の負荷動力を演算する負荷動力演算部と、前記蓄電装置の残量を演算する蓄電残量演算部と、前記蓄電残量演算部の出力に基づいて前記蓄電装置の電力を適切な範囲に保つために必要な充電／放電要求を演算する充放電要求演算部と、前記エンジンの目標動力を演算する目標エンジン動力演算部と、前記電動・発電機の目標回転数指令を演算する目標回転数演算部と、前記目標回転数演算部により演算された目標回転数指令値に従って前記電動・発電機を制御する電動・発電機制御部と、を有し、前記目標エンジン動力演算部は、前記負荷動力演算部および前記充放電要求演算部からの出力値の増減に応じて、増減する第１の目標エンジン動力を演算し、前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第１の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴としている。
【００１６】
本発明は、負荷トルクの増加に従って回転数が減少するような所定の傾きを持ったガバナ特性（以下、簡略化のため「ドループ特性」と呼ぶ）で制御されるエンジンと、目標回転数指令に従って制御される電動・発電機を組み合せた構成とすることで、エンジンの動力を自在に制御できるという優れた効果を奏し得る。この効果について、図１４を用いて詳しく説明する。最初に、ドループ特性をもつエンジン単体での動作を図１４（ａ）に従って説明する。
【００１７】
ドループ特性は無負荷時に回転数Ｎ０、最大動力時に回転数Ｎ１で与えられるものとした。ドループ特性を持つエンジンのトルクはこの直線状で決定されるため、負荷トルクが高くなるほど回転数が低くなる特徴がある。例えば、エンジンに対する負荷が負荷動力Ａの時にはエンジン回転数はＮｅ１になり、エンジンに対する負荷が負荷動力Ｂの時にはエンジン回転数はＮｅ２になるように調速される。
【００１８】
次に、目標回転数指令に従って制御される電動・発電機を組み合せた場合の動作を図１４（ｂ）で説明する。電動・発電機への目標回転数をドループ特性線と目標エンジン動力に従う等動力線との交点Ｉの回転数Ｎ＊で与えると、電動・発電機と機械的に接続されたエンジンは電動・発電機と同じ回転数のＮ＊で動作することになる。すると、エンジンはドループ特性に従って、回転数Ｎ＊に対応するトルクＴ＊（動力Ｐ＊＝Ｔ＊ｘＮ＊）を出力する。この時、実際の負荷動力とエンジン動力との動力差は電動・発電機の回転数制御によって、自動的に解消されている。
【００１９】
また、電動・発電機はエンジンに対して出力応答が速いため、油圧ポンプの動力が急峻に変動した場合は、負荷変動によって僅かに生じる回転数偏差を電動・発電機が即座に解消するように動作する。つまり、「負荷変動後の動力差」を保証するように電動・発電機が動力を出すことになる。以上の動作によって、エンジン回転数はすぐさまＮ＊に保持されることで、エンジン動力をＰ＊に固定することができる。
【００２０】
さらに、油圧ポンプ動力やエンジン補機動力などの負荷動力を正確に知ることが出来ない場合であっても、電動・発電機には目標回転数Ｎ＊を指令していれば、エンジン動力をＰ＊に固定し続けられるため、先行技術に対してロバストな動力制御が実現できるといった利点もある。
【００２１】
以上より、本発明の構成において、電動・発電機の目標回転数Ｎ＊を制御することで、エンジンの実際の動力を目標エンジン動力Ｐ＊で動作させることが可能なことが分かる。また、エンジンを目標動力で保つことが可能ということは、エンジンを定常状態に近い適正な運転状態で動作させることになる。そのため、エンジンは定常状態において燃焼が安定するため、省エネルギ化と、環境負荷を有する排気ガスの抑制が実現される。
【００２２】
さらに、本発明ではエンジンの目標動力を負荷動力演算部と充放電要求演算部の出力値に応じて増減するように設定している。これによって、むやみに目標エンジン動力を低く設定し続けることを回避できるため、電動・発電機による力行頻度を抑制し、蓄電装置の電力消費を抑えられる。これにより、蓄電残量不足に陥ってアシスト不能になって、エンストするような事態を回避することが出来る。同様に、目標エンジン動力を高く設定し続けることを回避でき、電動・発電機による回生頻度を抑制し、蓄電装置への過充電を抑えられる。即ち、蓄電装置の残量を適切な範囲に保ちながら、エンジンを適正な運転状態で動作させることができる。
【００２３】
また、本発明は、上記構成において、前記コントローラは、前記エンジンの動作状態を管理するエンジン状態管理部と、前記蓄電装置の動作状態を管理する蓄電装置管理部と、をさらに備え、前記目標エンジン動力演算部は、前記エンジン状態管理部および前記蓄電装置管理部の出力に基づいて、前記第１の目標エンジン動力の変化率および上下限値に制限を設けた第２の目標エンジン動力を演算し、前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第２の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴としている。
【００２４】
本発明によれば、目標エンジン動力の演算にエンジンと蓄電装置の状態を考慮した制限を設けているため、エンジンや蓄電装置の保護を実現することも可能になる。例えば、エンジンに連続して重負荷がかかっている場合に、第１の目標エンジン動力に対して、小さな上限値を持った第２の目標エンジン動力を演算することで、エンジン動力を下げることが出来るようになる。これによって、エンジンの過負荷やオーバーヒートを回避することが可能である。
【００２５】
さらに、第１の目標動力の変化率および上下限値に制限を設けた第２の目標エンジン動力を演算して、エンジン動力がこの第２の目標エンジン動力に追従するように制御することで、エンジンを定常運転に準ずる動作状態で運転できることになる。この状態においても、エンジンは過渡運転時に対して燃焼状態が安定しているため、燃費の改善や、環境に負荷を与える排ガスの発生が抑制される。また、エンジンの動作点が安定するため振動などに起因する騒音も抑えることが可能である。
【００２６】
さらに、蓄電装置の状態管理に関しては、蓄電装置の温度や充放電電流の積算値を考慮して、蓄電装置を保護するように第２の目標エンジン動力を負荷動力に近いものに修正して、電動・発電機の力行・回生を共に抑制することで、蓄電装置の保護が可能になる。
【００２７】
また、本発明は、上記構成において、前記目標エンジン動力演算部は、前記第２の目標エンジン動力から少なくとも燃費または排ガスの特性を改善した第３の目標エンジン動力を演算し、前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第３の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴としている。
【００２８】
本発明によれば、エンジンの特性を考慮して燃費の改善や排ガスの抑制が可能な動作点になるように目標エンジン動力を補正するため、燃費の改善や排ガスの抑制が更に向上する。
【００２９】
また、本発明は、上記構成において、前記目標エンジン動力演算部は、前記第１の目標エンジン動力から少なくとも燃費または排ガスの特性を改善した第４の目標エンジン動力を演算し、前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第４の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴としている。
【００３０】
本発明によれば、エンジンの特性を考慮して燃費の改善や排ガスの抑制が可能な動作点になるように目標エンジン動力を補正するため、燃費の改善や排ガスの抑制が更に向上する。
【００３１】
また、本発明は、上記構成において、前記コントローラは、前記エンジンの動作状態を管理するエンジン状態管理部と、前記蓄電装置の動作状態を管理する蓄電装置管理部と、をさらに備え、前記目標エンジン動力演算部は、前記エンジン状態管理部および前記蓄電装置管理部の出力に基づいて、前記第４の目標エンジン動力の変化率および上下限値に制限を設けた第５の目標エンジン動力を演算し、前記目標回転数演算部は、回転数−トルク特性線図上における前記ガバナ特性変更部で変更されたガバナ特性線と前記第５の目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を前記電動・発電機の目標回転数指令値として算出することを特徴としている。
【００３２】
本発明によれば、目標エンジン動力の演算にエンジンと蓄電装置の状態を考慮した制限を設けているため、エンジンや蓄電装置の保護を実現することも可能になる。さらに、第４の目標動力の変化率および上下限値に制限を設けた第５の目標エンジン動力を演算して、エンジン動力がこの第５の目標エンジン動力に追従するように制御することで、エンジンを定常運転に準ずる動作状態で運転できることになる。この状態においても、エンジンは過渡運転時に対して燃焼状態が安定しているため、燃費の改善や、環境に負荷を与える排ガスの発生が抑制される。また、エンジンの動作点が安定するため振動などに起因する騒音も抑えることが可能である。
【００３３】
さらに、蓄電装置の状態管理に関しては、蓄電装置の温度や充放電電流の積算値を考慮して、蓄電装置を保護するように第５の目標エンジン動力を負荷動力に近いものに修正して、電動・発電機の力行・回生をともに抑制することで、蓄電装置の保護が可能になる。
【００３４】
また、本発明は、上記構成において、前記コントローラは、前記エンジン軸上の負荷動力が同一であっても、前記蓄電装置の残量が少ない場合には前記エンジンの回転数を前記目標回転数指令値より下げて前記蓄電装置の充電を行い、前記蓄電装置に充電が行われていくに連れて、前記エンジンの回転数を前記目標回転数指令値に戻すように制御することを特徴としている。
【００３５】
本発明では、エンジンをドループ特性で制御しているため、エンジン回転数を下げることにより、エンジンの負荷トルクが増加する。その負荷トルクの増加分で電動・発電機を回生制御することにより、電動・発電機からの回生電力を蓄電装置に充電することができる。このように、本発明によれば、エンジン回転数を制御するだけで、蓄電装置の充電を効果的に行うことができる。しかも、エンジン回転数を制御するだけなので、蓄電装置の充電中においてもエンジン動作は安定する。なお、本発明における「前記エンジン軸上の負荷動力が同一」とは、油圧作業部の操作中において負荷動力が同一な場合と、油圧作業部を操作していないとき（無操作中）に負荷動力が同一な場合の両方を含む。
【００３６】
また、本発明は、上記構成において、前記油圧ポンプとして可変容量型が用いられ、前記コントローラは、前記油圧ポンプに要求されるポンプ流量を演算する要求ポンプ流量演算部と、前記要求ポンプ流量演算部で演算されたポンプ流量および前記電動・発電機の目標回転数指令値から前記油圧ポンプの目標傾転角を演算する目標傾転角演算部と、前記目標傾転角演算部で演算された目標傾転角と前記油圧ポンプの傾転角とが一致するように前記油圧ポンプを制御するポンプ制御部と、をさらに備えたことを特徴としている。
【００３７】
本発明によれば、油圧ポンプで要求されるポンプ流量と電動・発電機への目標回転数指令値に応じて油圧ポンプの目標傾転角を演算するため、電動・発電機の制御で油圧ポンプの回転数が変更されても、油圧ポンプの吐出流量を要求通りに保つこと出来る。このため、エンジン回転数がドループ特性に従って変更されても、建設機械の操作性が損なわれることが無い。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、蓄電装置の残量を適切な範囲に保ちながら、エンジンを適正な運転状態で動作させることができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係るハイブリッドショベルの側面図である。
【図２】図１に示すハイブリッドショベルの油圧駆動装置を示す図である。
【図３】図２に示すコントローラの内部構成を示す図である。
【図４】図３に示す負荷動力演算部の第１例を示す図である。
【図５】図３に示す負荷動力演算部の第２例を示す図である。
【図６】モードスイッチ選択による可変レートリミッタの変化を表す図である。
【図７】力行可能量による可変レートリミッタの変化を表す図である。
【図８】回生可能量による可変レートリミッタの変化を表す図である。
【図９】図３に示す目標動力補正部の演算内容を説明する図である。
【図１０】図３に示す目標回転数演算部の演算内容を説明する図である。
【図１１】図２に示すコントローラによる処理のアクティビティ図である。
【図１２】図３に示す目標エンジン動力演算部による処理のアクティビティ図である。
【図１３】本発明の実施形態に係るハイブリッドショベルの各種動力、目標回転数、蓄電残量の時系列グラフである。
【図１４】ドループ特性をもつエンジンと回転数制御で駆動される電動・発電機による制御動作を表す図である。
【図１５】図２に示すコントローラの内部構成の変形例を示す図である。
【図１６】従来技術に係るエンジンの制御動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態であるハイブリッドショベルの全体構成を示す側面図である。図１に示すように、本発明の実施形態に係るハイブリッドショベル（ハイブリッド建設機械）は、走行体１６−１および旋回体１６−２を有する。走行体１６−１は、走行用油圧モータ１６−１０、１６−１１によりハイブリッドショベルを走行させる機能を備える。なお、図示しない走行用油圧モータ１６−１１は車体右側に搭載されている。
【００４１】
旋回体１６−２は、旋回機構１６−１３により走行体１６−１に対して回転し、旋回体１６−２の前部他方の片側（たとえば前方を向いて右側）には、掘削作業を行うブーム１６−３、アーム１６−４、およびバケット１６−５を備える。これらブーム１６−３、アーム１６−４、およびバケット１６−５でフロント作業機が構成される。ブーム１６−３、アーム１６−４、およびバケット１６−５は、それぞれ油圧シリンダ１６−９、油圧シリンダ１６−８、および油圧シリンダ１６−７により駆動される。また、旋回体１６−２はキャブ１６−６を備え、操作者は、キャブ１６−６に搭乗し、ハイブリッドショベルを操作する。
【００４２】
次に、本実施形態に係るハイブリットショベルの油圧駆動装置について説明する。図２は、本実施形態に係るハイブリッドショベルの油圧駆動装置の全体構成を示す図である。図２に示すように、本実施形態にて用いられる油圧駆動装置は、ハイブリッドショベルの油圧作業部であるフロント作業機（１６−３，４，５）、旋回体１６−２、および走行体１６−１の駆動に用いられるものであり、エンジン１−１と、エンジン回転数を検出する回転数センサ１−６と、エンジン１−１の燃料噴射量を調整するガバナ１−７と、エンジン１−１により駆動される可変容量型油圧ポンプ（以下、単に「油圧ポンプ」という）１−３と、エンジン駆動軸上に配置された電動・発電機１−２と、蓄電装置１−１９と、電動・発電機１−２を制御して必要に応じて蓄電装置１−１９と電力の授受を行う電動・発電機制御部２−７（図３参照）としてのインバータ１−９と、ガバナ１−７を制御し、燃料噴射量を調整してエンジン回転数を制御するとともに、インバータ１−９を介して電動・発電機１−２を制御するコントローラ１−８とを備えている。
【００４３】
油圧ポンプ１−３から吐出された圧油はバルブ装置１−４を介し、油圧アクチュエータ１−５（油圧シリンダ１６−７，８，９など）に供給される。この油圧アクチュエータ１−５によってハイブリッドショベルの各種の油圧作業部が駆動される。また、油圧ポンプ１−３には吐出された圧油の圧力を計測する吐出圧センサ１−１６、流量を計測する流量センサ１−１７、ポンプ傾転を計測する傾転角センサ１−２０などの各種センサを備えており、このセンサ値をもとにコントローラ１−８でポンプ負荷の演算を実施することが可能である。この構成は本発明の「負荷動力演算部」に利用することが出来る。
【００４４】
レギュレータ１−１４および電磁比例弁１−１５は、油圧ポンプ１−３の容量（押しのけ容積）を調整するためのものである。レギュレータ１−１４は、油圧ポンプ１−３の斜板の傾転角を操作することにより、油圧ポンプ１−３の吸収動力を制御する。電磁比例弁１−１５は、コントローラ１−８にて演算された駆動信号によってレギュレータ１−１４の作動量を制御する。
【００４５】
蓄電装置１−１９は、バッテリやキャパシタから成る蓄電器１−１０と、この蓄電器１−１０に付設された電流センサ１−１１、電圧センサ１−１２、温度センサ１−１３などから構成されており、これらセンサによって検出された電流、電圧、温度等の情報からコントローラ１−８にて、蓄電量の管理が行われる。以上の構成は、本発明における「蓄電残量演算部」および「蓄電装置管理部」で利用される。
【００４６】
次に、コントローラ１−８の詳細について説明する。図３は、コントローラ１−８の内部構成を示す図である。なお、エンジン１−１、油圧系、各種電装品なども、コントローラ１−８にて何らかの制御が実施されているが、本発明とは直接の関連が無いため、図３中にこれらの構成は図示していない。
【００４７】
図３に示すように、コントローラ１−８は、負荷動力演算部２−１、蓄電残量演算部２−２、ガバナ特性変更部２−４、車体状態管理部２−８、要求ポンプ流量演算部２−９の演算結果に従って、油圧ポンプ１−３の目標傾転角を演算してポンプ制御部２−１１に、電動・発電機１−２の目標回転数指令値を演算して電動・発電機制御部２−７にそれぞれ出力する役割を果たしている。
【００４８】
負荷動力演算部２−１の実現方法の例を図４に示す。図４では、エンジン１−１と電動・発電機１−２の動力との和から負荷動力の算出を行う構成となっている。この構成をとると、エンジン１−１の軸動力を計算に含めているため、補機類（例えばエアコンなど）の負荷を含めて負荷動力を求めることが出来る。また、エンジンの加減速による慣性体（主にフライホイール）からのエネルギ授受も考慮することが可能になる。これらは、油圧ポンプ１−３に設けられたセンサ群から負荷動力を算出する場合には、考慮することが難しい。
【００４９】
図４の演算では、エンジン回転数検出部３−１とエンジントルク検出部３−２との積からエンジン動力を算出する。エンジントルク検出部３−２はエンジン１−１にトルクメータをつけて直接的にトルクを計測しても良いし、燃料噴射量などから間接的に演算しても良い。同様に、電動発電機トルク検出部３−４もトルクメータを使っても良いが、電動・発電機１−２もしくはインバータ１−９の電流値から間接的に演算する方法をとっても良い。
【００５０】
動力変換３−５、３−６はトルクと回転数との積によって動力への変換を行うのが基本機能であるが、各種効率を考慮してエンジン軸上の負荷を算出できるような変換をも含んでいる。最後に、得られたエンジン動力と電動発電機動力とを加算部３−７で足し合わせることで負荷動力の推定が行われる。
【００５１】
また、負荷動力演算部２−１の別の実現方法の一例を図５に示す。この方法においては、図４の負荷動力演算方法に加えて、ポンプ圧力検出部４−１とポンプ流量検出部４−２とを使って油圧ポンプ１−３の出力を求めることで負荷動力の計算を行う。
【００５２】
ポンプ流量検出部４−２は、流量計を使って油圧ポンプ１−３の吐出流量を直接検出しても良いし、レバー操作量やポンプ指令圧などの制御指令値や油圧ポンプ１−３の傾転角を元にして間接的に吐出流量を計算する方法で実現しても良い。また、要求ポンプ流量演算部２−９の出力値をそのまま利用しても良い。
【００５３】
動力変換４−３で算出される油圧ポンプ１−３が吐出するポンプ動力に対して、ポンプ効率４−４で除算することで油圧ポンプ１−３の吸収動力が算出される。これによって、エンジン軸上の負荷動力を算出することが出来る。図５では、油圧ポンプ１−３のセンサを基にして求まる第１の負荷動力と、エンジン１−１と電動・発電機１−２の動力との和から求まる第２の負荷動力のうち、大きい方を最終的な出力とする方法をとっている。この方法を取ることによって、負荷を常に多めに見積もるため、動力不足によるエンストや操作感の悪化を回避することが出来る。
【００５４】
図３に戻り、蓄電残量演算部２−２は、蓄電器１−１０に付設された電流センサ１−１１、電圧センサ１−１２、温度センサ１−１３の値を利用して蓄電装置１−１９の蓄電残量を算出する。充放電要求演算部２−３は、蓄電器１−１０の電力を適切な範囲に保つために電動・発電機１−２に対する力行／回生要求を演算する。具体的には、蓄電残量演算部２−２で演算された蓄電残量を、充放電要求演算部２−３が内部で演算している目標蓄電残量に追従させるように力行／回生要求を算出する。これは、例えば、蓄電残量が目標蓄電残量よりも高ければ力行要求を、一方、蓄電残量が目標蓄電残量よりも低ければ回生要求を出すことで実現できる。
【００５５】
また、充放電要求演算部２−３は、エンジン１−１に機械的に接続された電動・発電機１−２以外にも電動・発電機を備えたハイブリッド建設機械においては、このエンジン１−１に接続されていない電動・発電機の力行／回生動作に応じて、エンジン１−１に機械的に接続された電動・発電機１−２に対する力行／回生要求を算出する機能も有している。
【００５６】
ガバナ特性変更部２−４は、エンジン１−１の制御に利用されるドループ特性を変更する機能を果たす。要求ポンプ流量演算部２−９は、オペレータの操作に応じて必要となる油圧ポンプ１−３の吐出流量を演算する。これは例えばレバーの操作量に基づいて計算することが可能である。
【００５７】
車体状態管理部２−８は、建設機械の車体全体の状態を監視、及び管理する手段である。図３では、車体状態管理部２−８の中でも代表的なものとしてエンジン１−１の動作状態を管理するエンジン状態管理部２−１２と、蓄電装置１−１９の動作状態を管理する蓄電装置管理部２−１３と、車体の動作モード規定するモード判定部２−１４を示している。モード判定部２−１４は、モードスイッチ１−１８を参照して、車体の動作モードを判断するものである。なお、図３には図示しないが、作動油温度や外気温など気温情報に基づいて制御を切り替える場合にも、車体状態管理部２−８が動作する。
【００５８】
エンジン状態管理部２−１２は、エンジン１−１の負荷率や冷却水温度などを監視して、エンジン１−１が過剰な負荷状況になっていないか、等の判断を実施する。蓄電装置管理部２−１３は、各時刻で演算された蓄電残量だけでなく、蓄電装置１−１９を適当な状態で利用できる範囲の力行可能量と回生可能量を算出する機能を持っている。例えば、蓄電器１−１０に対する充電／放電動作が非常に長い間続くことによって、蓄電器１−１０が高温になった場合には、それ以上の温度上昇を防止するために、電動・発電機１−２への電力の授受を制限することで、電流量を制限して、発熱量を下げるように制御を実施する。このように、蓄電装置管理部２−１３は、蓄電残量が十分にある場合でも機器の安全性を考慮して、蓄電器１−１０の使用範囲を管理するものである。
【００５９】
また、蓄電器１−１０がリチウムイオンバッテリの場合、蓄電器１−１０がフル充電されていても、極低温時には電圧が降下する特性があるため、蓄電装置管理部２−１３において力行可能量は低く算出される。このように力行可能量を蓄電残量以外の情報に基づいて算出することによって、エンジン１−１と電動・発電機１−２からなるパワーソースから供給し得る動力を適切に管理できるため、過度のポンプ吸収動力を制限して、エンストの防止に役立てることが出来る。さらに、蓄電器１−１０の寿命に影響を与える因子（例えば、温度、電流量）を基にして、力行／回生可能量を算出することによって、蓄電器１−１０の過度の劣化を防止することも可能になる。
【００６０】
目標エンジン動力演算部２−５は、エンジン１−１に出力させる目標動力を算出する機能を果たす。図３の目標エンジン動力演算部２−５は、負荷動力演算部２−１、充放電要求演算部２−３、車体状態管理部２−８の出力に応じて、目標エンジン動力を算出する。
【００６１】
目標エンジン動力演算部２−５における演算内容を順に説明する。まず、負荷動力演算部２−１で算出されたエンジン軸上の負荷、つまり、油圧ポンプ１−３の吸収動力、エンジン補機の駆動に必要な動力などの和、に充放電要求演算部２−３で算出された電動・発電機への力行／回生要求を合算することで、第１の目標エンジン動力を計算する。
【００６２】
第１の目標エンジン動力は「目標エンジン動力＝負荷動力−電動・発電機動力」という計算式に従って算出される。例えば、負荷動力演算部２−１にて負荷動力が５０ｋＷと算出され、蓄電残量が高いために、充放電要求演算部２−３で算出された電動・発電機１−２への力行要求が３０ｋＷであったのならば、第１の目標エンジン動力は２０ｋＷになる。また、負荷動力が同じでも、蓄電残量が低く、充放電要求演算部２−３で電動・発電機１−２への回生要求が３０ｋＷと算出されたならば、第１の目標エンジン動力は８０ｋＷになる。このように、第１の目標エンジン動力は、負荷動力と蓄電残量に応じて、エンジン動力の目標値を決定する。
【００６３】
次に、目標エンジン動力演算部２−５は、上述の第１の目標エンジン動力に対して、可変リミッタ２−５ａと可変レートリミッタ２−５ｂを使って制限を設けた第２の目標エンジン動力を計算する。上述の第１の目標エンジン動力は「エンジン動力＝負荷動力−電動・発電機動力」という演算であるため、負荷動力の急峻な変動がそのまま目標動力に反映されている。第２の目標エンジン動力は、レートリミッタを通した信号になるため、第１の目標エンジン動力に見られる急峻な変動は抑制され、平滑化された目標値が算出される。このため、エンジン１−１の動力がこの第２の目標エンジン動力に追従できれば、燃費の改善や、環境に負荷を与える排気ガスの発生が抑制される。さらに、エンジン１−１の動作点が安定するため振動などによる騒音も抑えることが可能である。特に、可変レートリミッタ２−５ｂは、排ガスの発生防止に寄与する。
【００６４】
上記の可変リミッタ２−５ａと可変レートリミッタ２−５ｂは車体状態管理部２−８の出力に応じて、上下限値、増加減率を変更するものである。以下に、それぞれの変更方法の一例を説明する。可変リミッタ２−５ａは第１の目標エンジン動力の上下限値に対する制約を与える。例えば、エンジン状態管理部２−１２にて、エンジン１−１が重負荷状態で連続運転が続いていると判断された時、可変リミッタ２−５ａの上限値を低くすることで、目標エンジン動力の最大値を制限してエンジン１−１の負荷率を下げる。エンジン１−１がバックアップモード（エンジンの出力が制限されるモード）になって最大出力が制限される場合においても同様の制限が実施される。
【００６５】
また、可変リミッタ２−５ａの下限値を高くとることで、エンジン１−１を意図的に高出力で運転することもできる。この機能は、寒冷地での運転開始時など、蓄電器１−１０や作動油を温めたい場合に有効である。
【００６６】
次に、モード判定部２−１４が可変レートリミッタ２−５ｂに与える影響を図６に従って説明する。図６は、モードスイッチ選択による可変レートリミッタの変化を表す図である。図６に示すように、モードスイッチ１−１８がパワーモードに設定されている場合は、燃費改善や排ガス抑制の効果が小さくなるが、エンジン１−１の動力を大きく変動させて油圧ポンプ１−３への供給動力を確保するため、増加率を基準値（６−ａ）よりも高めに取る（６−ｂ）。逆に、エコモードが設定されている場合には増加率を基準値よりも低めに取ることになる（６−ｃ）。なお、減少率（変化率が負）に関しては、ポンプ動力が低くなる時に関係する要件であり、操作性に影響を与えないので、パワーモード、エコモードの切り替えに依存せずに決めても問題ない。
【００６７】
次に、蓄電装置管理部２−１３が可変レートリミッタ２−５ｂに与える影響を説明する。まず、蓄電装置管理部２−１３で演算された力行可能量で可変レートリミッタ２−５ｂの増加率が変化する様子を図７に示す。図７に示すように、モード判定部２−１４などで決定された増加率の基準値を７−ａと定義する。この状態に対して、力行可能量が高くなると、電動・発電機１−２によるエンジンアシスト量を大きく取れるため、負荷動力が急峻に増加したとしても、エンジン１−１の動力をゆっくりと増加させることが可能になる。このため、可変レートリミッタ２−５ｂの増加率は７−ｂの方向へと遷移させる。
【００６８】
逆に、力行可能量が低くなると、電動・発電機１−２によるエンジンアシスト量が少なくなるため、エンジン１−１の動力をゆっくりと増加させているとエンストしてしまうため、基準である７−ａよりもエンジン１−１を積極的に利用するように、増加率が高い７−ｃまたは７−ｄの方向に遷移することになる。なお、力行可能量が０と算出された場合は、エンジンアシストが実施できないため、エンジン動力は第１の目標エンジン動力通りに出力しなくてはならないため、可変レートリミッタ２−５ｂの増加率は図７中の傾き１の増加率を選択することが基本になる。
【００６９】
次に、蓄電装置管理部２−１３で演算された力行可能量で可変レートリミッタ２−５ｂの減少率が変化する様子を図８に示す。モード判定部２−１４などで決定された減少率の基準値を８−ａと定義する。この状態に対して、回生可能量が高くなると、電動・発電機１−２で発電することでエンジン１−１に負荷をかけられるため、負荷動力が急峻に減ったとしてもエンジン１−１の動力をゆっくりと減少させることが可能になる。このため、可変レートリミッタ２−５ｂの減少率は８−ｂの方向へと遷移させる。逆に、回生可能量が低くなると、電動・発電機１−２による発電量が少なくなるため、エンジン１−１に負荷をかけることが出来ないため、基準である８−ａよりも、減少率が高い８−ｃの方向に遷移させる。
【００７０】
上記の説明では、第１の目標エンジン動力から第２の目標エンジン動力への変換において、可変レートリミッタ２−５ｂを使う構成の説明を行っているが、本発明の実現方法はこれに限られるものではない。例えば、時定数を変えることが出来るローパスフィルタや、サンプル数が変えられる移動平均フィルタを使う手法が代替手段として利用でき、上記の説明度同様の方法で第２の目標エンジン動力を生成することが出来る。
【００７１】
燃費を向上させる目的で目標動力補正部２−５ｃが使われた場合の動作を図９に従って説明する。なお、ここでは説明の簡略化のため、第２の目標エンジン動力が可変レートリミッタを使わずに演算される場合を考える。第１の目標エンジン動力が図９中の点線で与えられたとする。これに対して、車体状態管理部２−８で算出される第２の目標エンジン動力はその上下限値を持った形で、図９中のハッチング領域内で定義されることになる。
【００７２】
このハッチング領域の第２の目標エンジン動力の範囲において、燃費が最もよくなる「最適燃費トルク線」を定義されたとすると、目標動力補正部２−５ｃはエンジン１−１のドループ線と最適燃費トルク線との回転数−トルク特性線図における交点に相当する動力を第３の目標エンジン動力として算出する。
【００７３】
図９に示した例では、もともとの要求動力である第１のエンジン目標動力に対して、最終出力の第３のエンジン目標動力のほうが高くなっているためエンジンの出力が高くなる。しかしながら、第３のエンジン目標動力を選択したほうが燃費効率は高いことに加え、故意にエンジン１−１を高出力に維持しても、余剰動力を蓄電器１−１０へ充電に利用してエネルギを無駄にしないため、トータルの動作として燃費の改善が期待できる。なお、図９の「最適燃費トルク線」の替わりに、環境に負荷を与える排気ガスが最小となる「最適排ガストルク線」を用いれば、黒煙やＮＯｘなどの発生を抑制することも可能になる。
【００７４】
上記の説明では、目標エンジン動力演算部２−５の最終出力を第３の目標エンジン動力で与えているが、本発明の実施の形態はこれに限られるものではなく、第１の目標エンジン動力または第２の目標エンジン動力を目標エンジン動力演算部２−５の最終出力として利用しても良い。また、「可変リミッタ２−５ａ→可変レートリミッタ２−５ｂ→目標動力補正部２−５ｃ」の順番は図３に示したものに限られず、例えば、図３とは逆順に「目標動力補正部２−５ｃ→可変レートリミッタ２−５ｂ→可変リミッタ２−５ａ」という処理を採用しても良い。また、例えば、図１５に示すように、「目標動力補正部２−５ｃ→可変リミッタ２−５ａ→可変レートリミッタ２−５ｂ」という処理を採用し、目標動力補正部２−５ｃにて第１の目標エンジン動力に基づき第４の目標エンジン動力を演算し、可変リミッタ２−５ａ、可変レートリミッタ２−５ｂの順に演算を行って、最終的に第５の目標エンジン動力を出力することもできる。
【００７５】
目標回転数演算部２−６は、目標エンジン動力演算部２−５で算出された目標エンジン動力と、ガバナ特性変更部２−４で決定されるドループ特性を基に、電動・発電機１−２の回転数を制御する電動・発電機制御部２−７に対する目標回転数指令を演算する。具体的な演算方法を図１０に従って説明する。図１０に示すように、まず、ガバナ特性変更部２−４で、無負荷回転数Ｎ０から負荷が増加（エンジントルクが増加）するにつれて回転数がＮ１まで減少するドループ特性が決定される。なお、ガバナ特性変更部２−４は、例えば、エンコンダイヤルに対応させて無負荷回転数Ｎ０を変更させることができる。
【００７６】
次に、上記目標エンジン動力演算部２−５から出力された「目標エンジン動力」の等動力線を回転数−トルク特性線図上にプロットする。なお、上記の「目標エンジン動力」には前述のとおり、第１〜３の目標エンジン動力のどれを選択しても良い。目標回転数演算部２−６は、以上の２線の回転数−トルク特性線図における交点Ｉの回転数Ｎ＊を目標回転数として出力する。
【００７７】
ここで、以上の演算はマップを使った演算方法だけではなく、代数的に目標回転数を求めることも可能である。エンジントルクをｙ、エンジン回転数をｘ、として代数的に目標回転数を求める方法について以下説明する。ドループ特性は、無負荷Ｔ０に対応する回転数Ｎ０と最大負荷Ｔ１に対応する回転数Ｎ１の２点を通る直線として、以下に示す（式１）で与えられる。
【数１】
2015145167.tif 000003
【００７８】
式１のａとｂは（ｙ，ｘ）＝（Ｔ０，Ｎ０）、（ｙ，ｘ）＝（Ｔ１，Ｎ１）とした連立方程式の解として、以下に示す（式２）で与えられる。
【数２】
2015145167.tif 000004
【００７９】
次に目標エンジン動力をｃとすれば、図９の等動力線は、以下に示す（式３）で与えることができる。
【数３】
2015145167.tif 000005
【００８０】
Ｎ＊はドループ特性と等動力線の交点なので、（式１）と（式３）から導かれる２次方程式（式４）のｘについての解として求めることができる。
【数４】
2015145167.tif 000006
【００８１】
（式４）は解の公式に従って容易に解くことが可能であり、その解は以下に示す（式５）の通りである。
【数５】
2015145167.tif 000007
【００８２】
（式５）のうちＮ１＜ｘ＜Ｎ０を満たすものが目標回転数Ｎ＊となる。図１０よりＮ＊は明からに（式５）のｘのうち大きな方であるので、最終的に目標回転数Ｎ＊は以下に示す（式６）で与えられる。なお、（式６）のａ，ｂは（式２）に従うものである。
【数６】
2015145167.tif 000008
【００８３】
図３に戻り、目標傾点角演算部２−１０は、目標回転数演算部２−６で算出された目標回転数と、要求ポンプ流量演算部２−９で算出された要求ポンプ流量を基に、油圧ポンプ１−３の傾点角を制御するポンプ制御部２−１１に対する傾点角指令を演算する。要求ポンプ流量演算部２−９は、オペレータのレバー操作に従って、ハイブリッドショベルが各種作業を行うのに必要な油圧ポンプ１−３の吐出流量を要求ポンプ流量として算出する機能をもっている。
【００８４】
目標傾点角演算部２−１０では、要求ポンプ流量を目標回転数演算部２−６で算出された目標回転数で割ることで、要求ポンプ流量を確保できる油圧ポンプ１−３の押しのけ容積を求め、この押しのけ容積を実現できるように傾点角の指令値を算出する。なお、目標回転数の替わりに実際の回転数を利用して傾点各指令を算出しても良い。この場合、目標回転数演算部２−６からの信号を目標傾転角演算部２−１０に入力しなくても済むといった利点がある。
【００８５】
次に、図１１のアクティビティ図に従ってコントローラ１−８の演算手順を示す。演算が開始されると、まず各種車体状態の判断が行われる。これは、図３の左側に配置された機能ブロックの演算が該当する。つまり、負荷動力演算部２−１の演算内容が負荷演算１０−１に当たり、車体状態管理部２−８の演算内容が車体状態判断１０−４に、そして、蓄電残量演算部２−２と充放電要求演算部２−３の演算内容がそれぞれ蓄電残量演算１０−２、充放電要求演算１０−３に当たる。
【００８６】
以上の演算結果に基づいて、目標エンジン動力演算部２−５を利用して、エンジン１−１の目標動力を算出する。これが図１１中の目標エンジン動力演算１０−５である。また、目標エンジン動力の演算と並行してドループ特性把握１０−６にて、ガバナ特性変更部２−４によって決定されたドループ特性の把握を実施する。
【００８７】
続いて、上記の演算結果に基づいて、目標回転数演算１０−７にて電動・発電機１−２の目標回転数が演算される。この演算には、前述の目標回転数演算部２−６が利用されている。目標回転数が演算された後は、電動・発電機回転数制御１０−１１にて電動・発電機制御部２−７に回転数指示を送信する制御と、要求ポンプ流量演算１０−８、目標傾点角演算１０−９、油圧ポンプ傾点角制御１０−１０にてポンプ流量を確保する制御が並行して実行される。以上の演算がコントローラ１−８の演算周期ごと（例えば１０ミリ秒ごと）に実行される。
【００８８】
上記の目標エンジン動力演算１０−５の詳細を図１２のアクティビティ図に示す。まず、第１の目標エンジン動力演算１１−１ブロックにて、負荷動力演算１０−１と充放電要求演算１０−３の演算結果に従って、第１の目標エンジン動力を算出する。分岐１１−ａにて制限値を設けた第２の目標エンジン動力の演算をするかの判断を実施する。第２の目標エンジン動力の演算をしない場合は、合流１１−ｂへ遷移する。
【００８９】
第２の目標エンジン動力の演算をする場合は、図３の機能ブロックの配置に従って、可変リミッタ適用１１−２と可変レートリミッタ適用１１−３を行う。分岐１１−ｃにて動力補正を利用した第３の目標エンジン動力の演算をするかの判断を実施する。第３の目標エンジン動力の演算をしない場合は、合流１１−ｄへ遷移する。第３の目標エンジン動力の演算をする場合は、前述の目標動力補正部２−５ｃによって、目標動力補正適用１１−４を行う。以上の演算の結果が最終的な目標エンジン動力として計算され、図１１の目標エンジン動力演算１０−５の出力になる。
【００９０】
次に、本実施形態に係るハイブリッドショベルが「掘削動作」を連続して行っている時の制御動作を説明する。「掘削動作」はショベルが砂利や土砂をすくって、ダンプトラックに積込む動作であり、掘削開始時から積込みまでに大きな油圧負荷がかかる一方で、積込み放土後に油圧負荷が急速に減少するという特徴がある。
【００９１】
図１３は第１段にポンプ吸収動力とエンジン動力（目標エンジン動力）、第２段に電動・発電機１−２に送られる目標回転数指令値、第３段に目標回転数に追従するために出力された電動・発電機１−２の動力、第４段に蓄電残量の時系列の波形を示したものである。なお、第３段の電動・発電機動力は正値が力行、負値が回生を表している。
【００９２】
図１３の時系列データは、説明を簡単にするために次の条件（１）〜（３）を想定した。
（１）車体状態管理部２−８で判断される状況は常に一定条件、つまり、目標エンジン動力演算部２−５で利用される可変リミッタ２−５ａ、可変レートリミッタ２−５ｂの値は一定であるとする。
（２）前述の目標動力補正部２−５ｃは使わず、第２の目標エンジン動力を目標エンジン動力演算部２−５の最終出力とする。
（３）ガバナ特性は常に一定とする。
【００９３】
時刻ｔ１において掘削動作を開始する。掘削動作時は、ブーム１６−３を上げながら、アーム１６−４もしくはバケット１６−５をクラウドさせる複合動作を行っている。このため、各油圧シリンダ１６−７〜９に大量の圧油を供給するために、ポンプ吸収動力が急峻に立ち上がる。このとき、本実施形態では負荷動力演算部２−１で算出される負荷動力がポンプ吸収動力に応じて急峻に立ち上がる。これによって、第１の目標エンジン動力も急変化する。これの第１の目標エンジン動力を可変レートリミッタ２−５ｂへ通すことで増加率が制限された第２の目標エンジン動力が生成される。
【００９４】
第２の目標エンジン動力に対応して、目標回転数指令も徐々に減少していく。エンジン１−１のトルクはドループ特性に従うため、エンジン１−１の回転数変化が遅ければ、エンジン動力の増加も遅くなる。この時、ポンプ吸収動力に対して、エンジン１−１が供給できる動力が不足する。そして、第３段に示したように不足する動力によって生じる僅かな回転数偏差を解消するように電動・発電機１−２が高応答に動力アシストを実施する。
【００９５】
以上の動作はエンジン動力がポンプ吸収動力と一致する時刻ｔ２まで続くことになる。なお、車体状態管理部２−８の出力によっては可変レートリミッタ２−５ｂで制限される増加率が増減するため、図中のｔ２よりも早い、もしくは、遅い時刻にエンジン動力がポンプ吸収動力と一致する場合がある。
【００９６】
時刻ｔ２〜ｔ３は、バケット１６−５に積み込んだ土砂をダンプトラックの荷台に載せるために、ブーム１６−３を上げながらバケット１６−５の位置をダンプトラックの荷台位置に合せるように旋回体１６−２を回転させる「旋回ブーム上げ」動作にあたる。旋回ブーム上げ動作は大きな動力が必要であるが、ポンプ吸収動力の変化が十分に遅いため、この間は第１の目標エンジン動力が可変リミッタ２−５ａや可変レートリミッタ２−５ｂの制限を受けない。このため、目標エンジン動力演算部２−５の出力はポンプ吸収動力と一致する。この時はエンジン動力とポンプ吸収動力が釣り合うため、回転数偏差を生じないため電動・発電機１−２の動力は０となる。
【００９７】
時刻ｔ３〜ｔ４は、バケット１６−５に積み込んだ土砂をダンプトラックの荷台に載せる「放土」動作にあたる。放土動作は、バケット１６−５を操作する以外に大きな動力が必要ないため、旋回ブーム上げ動作時からポンプ吸収動力が急峻に減少する。このとき、本実施形態では負荷動力演算部２−１で算出される負荷動力がポンプ吸収動力に応じて急峻に減少するため、第１の目標エンジン動力も急変化する。しかし、第２の目標エンジン動力は可変レートリミッタ２−５ｂによって減少率を制限されるので、目標エンジン動力演算部２−５の出力は図１３のように徐々に減少する。これに応じて、電動・発電機１−２への目標回転数指令は徐々に増加する。
【００９８】
ポンプ吸収動力に対してエンジン動力が高いために生じる目標回転数からの噴き上がりを防ぐように、電動・発電機１−２の回転数制御にて、自動的に発電動作が実施される。また、電動・発電機１−２で発電動作を行っているため、蓄電残量が増加する。
【００９９】
時刻ｔ４〜ｔ５は、「戻し」と呼ばれる動作であり、放土を行って空になったバケット１６−５の爪先を掘削位置に戻すためにブーム１６−３、アーム１６−４、バケット１６−５、旋回体１６−２を複合的に操作する。この戻し動作では多くのアクチュエータが動作するため、再び、ポンプ吸収動力が急峻に立ち上がる。この時の制御動作は時刻ｔ１〜ｔ２の時と同様である。ただし、時刻ｔ３〜ｔ４間にエンジン動力を徐々に減少させているため、エンジン動力が高い状態から制御を開始できるので、電動・発電機１−２によるアシスト量が小さくなる。
【０１００】
時刻ｔ５で掘削動作の第１サイクルが終了し、再び時刻ｔ１と同様の大きなポンプ吸収動力が必要になる。時刻ｔ５〜ｔ６の制御動作も時刻ｔ１〜ｔ２の時と同様であるが、時刻ｔ３〜ｔ４のようにエンジン動力が高い状態から制御を開始できるので、電動・発電機１−２によるアシスト量を小さくなる。
【０１０１】
図１３に示した通り、第２サイクルの掘削動作以後は蓄電残量がある一定値を中心にして留まっていることが分かる。このことより、以降のサイクルでも電動・発電機１−２によるエンジンアシストを行って、エンジン１−１に急激な負荷をかけることなく、掘削動作を続けることが出来るといえる。
【０１０２】
以上説明したように、本実施形態に係るハイブリッドショベルによれば、ドループ特性で制御されるエンジン１−１と、目標回転数Ｎ＊に従って制御される電動・発電機１−２とを組み合せた構成を採用したことにより、エンジン１−１の動力を目標エンジン動力で動作させることができ、エンジンを適正な状態で運転することができる。このことは、エンジンの燃焼が安定することに繋がり、燃費の向上、排気ガスの抑制にも貢献する。さらに、本実施形態では、蓄電装置１−１９の充放電要求を考慮してエンジン目標動力が求められるから、蓄電装置１−１９の電力を適切な範囲に保つことができる。その結果、蓄電装置１−１９の蓄電残量不足によるエンストや過充電を防止できる。
【０１０３】
上述の実施形態は、本発明を実施するために好適なものであるが、その実施形式はこれらに限定されるものでなく、本発明の要旨を変更しない範囲内において種々変形することが可能である。例えば、本発明に係るハイブリッド建設機械を、ホイールローダなどの油圧ショベル以外の建設機械に対して適用しても良い。
【符号の説明】
【０１０４】
１−１  エンジン
１−２  電動・発電機
１−３  油圧ポンプ
１−８  コントローラ
１−１９  蓄電装置
２−１  負荷動力演算部
２−２  蓄電残量演算部
２−３  充放電要求演算部
２−４  ガバナ特性変更部
２−５  目標エンジン動力演算部
２−６  目標回転数演算部
２−７  電動・発電機制御部
２−９  要求ポンプ流量演算部
２−１０  目標傾転角演算部
２−１１  ポンプ制御部
２−１２  エンジン状態管理部
２−１３  蓄電装置管理部
１６−３  ブーム（油圧作業部）
１６−４  アーム（油圧作業部）
１６−５  バケット（油圧作業部）
Ｉ  交点
Ｎ＊  目標回転数指令値
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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