(57)【要約】【課題】  蓄電装置としてのバッテリの充電量及び温度に応じて動力源のパワーを適正に制御する【解決手段】  エンジン１で油圧ポンプ３と発電機兼電動機４をパラレルに駆動し、発電機兼電動機４の発電機出力でバッテリ７に充電するとともに、バッテリ蓄電力により発電機兼電動機４を駆動してエンジン１をアシストする作業機械の動力源装置において、コントローラ８に、バッテリ７の充電量及び温度とエンジン出力及びエンジン回転数の関係について予め記憶させておき、検出されるバッテリ充電量及びバッテリ温度、それにアクチュエータ要求パワーに応じてエンジン回転数及び発電機出力を制御するようにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、この発電機の出力によって充電される蓄電装置と、動力制御手段とを具備し、この動力制御手段は、上記蓄電装置の最大出力を決定する蓄電装置状態としての蓄電装置の充電量及び温度の少なくとも一方を検出し、その検出値が低くなるに従ってエンジンパワーを増加させる制御を行なうように構成されたことを特徴とする作業機械の動力源装置。
【請求項２】
請求項１記載の作業機械の動力源装置において、動力制御手段は、蓄電装置状態とエンジン出力の関係、及び蓄電装置状態とエンジン回転数の関係についてのデータを予め記憶しておき、検出された蓄電装置状態とこの記憶されたデータとに基づいてエンジン出力及びエンジン回転数を制御するように構成されたことを特徴とする作業機械の動力源装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の作業機械の動力源装置において、動力制御手段は、負荷が要求する負荷要求パワーを求めるとともに、エンジンパワーとこの負荷要求パワーとに基づいて発電機出力を求め、この発電機出力を指令するように構成されたことを特徴とする作業機械の動力源装置。
【請求項４】
油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う動力機とが上記エンジンにパラレルに接続されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の作業機械の動力源装置。
【請求項５】
請求項４記載の作業機械の動力源装置において、油圧ポンプとして、操作装置の操作量に応じて容量が変化する可変容量ポンプが用いられるとともに、この油圧ポンプの容量を制御するポンプ制御手段が設けられ、動力制御手段は、上記ポンプ制御手段に対し、エンジン回転数の変化にかかわらず上記操作装置の操作量とポンプ吐出量の関係が一定となるポンプ容量を指令するように構成されたことを特徴とする作業機械。
【請求項６】
エンジンによって発電機を駆動し、この発電機の出力によって蓄電装置に充電するとともに、発電機出力とこの蓄電装置の蓄電力とによって負荷としての電動機を駆動するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の作業機械の動力源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジン動力と電力を併用するハイブリッド式作業機械の動力源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド式のショベル等の作業機械は、エンジン動力と電力の使い方によってパラレル方式とシリーズ方式とに分かれる。
【０００３】
パラレル方式では、エンジンによって油圧ポンプと動力機(一台で発電機作用と電動機作用をなす発電機兼電動機を用いる場合と、別々の発電機と電動機を併用する場合とがある)とをパラレルに駆動し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動する。
【０００４】
一方、動力機の発電機作用によって蓄電装置に充電し、この蓄電装置の蓄電力により、適宜、動力機を駆動して電動機作用を行なわせ、エンジンをアシストする。
【０００５】
なお、蓄電装置として、バッテリ(二次電池)もしくはキャパシタ(電気二重層コンデンサ)、またはその双方が用いられる。以下、バッテリを用いた場合で説明する。
【０００６】
これに対しシリーズ方式では、エンジンで発電機を駆動し、この発電機の発電電力でバッテリに充電するとともに、発電機とバッテリによって負荷としての電動機を駆動する。
【０００７】
このいずれの方式によってもエンジンの負荷を軽減し、エンジンを高効率範囲で運転することによって省エネルギーを実現することができる(特許文献１,２参照)。
【特許文献１】特開平１０−４２５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このようなハイブリッド式作業機械に使用されるリチウムイオン蓄電器等のバッテリ(キャパシタの場合も同じ)の充放電特性は充電量と温度とに依存する。
【０００９】
すなわち、充電量が低くなるほど、またバッテリ温度が低くなるほどバッテリの最大出力電力が低下する。この特性により、大負荷が長時間続いた場合や、温度が低い場合にバッテリ最大出力が低下するため、このままだとエンジン出力を合わせた動力源の総パワーが不足し、作業効率が低下するという問題があった。
【００１０】
この点の対策として、あらかじめ上記バッテリ特性を見込んでエンジン及び発電機を大型化し、あるいはエンジン回転数を高めに設定しておく等、エンジン、発電機の最大パワーを高くとることが考えられる。しかし、こうすると小型のエンジン、発電機を高効率で運転するというハイブリッドシステム本来の目的が達成できない。
【００１１】
そこで本発明は、蓄電装置状態(充電量と温度の少なくとも一方)に応じて動力源のパワーを適正に制御することができる作業機械の動力源装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、エンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、この発電機の出力によって充電される蓄電装置と、動力制御手段とを具備し、この動力制御手段は、上記蓄電装置の最大出力を決定する蓄電装置状態としての蓄電装置の充電量及び温度の少なくとも一方を検出し、その検出値が低くなるに従ってエンジンパワーを増加させる制御を行なうように構成されたものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、動力制御手段は、蓄電装置状態とエンジン出力の関係、及び蓄電装置状態とエンジン回転数の関係についてのデータを予め記憶しておき、検出された蓄電装置状態とこの記憶されたデータとに基づいてエンジン出力及びエンジン回転数を制御するように構成されたものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、動力制御手段は、負荷が要求する負荷要求パワーを求めるとともに、エンジンパワーとこの負荷要求パワーとに基づいて発電機出力を求め、この発電機出力を指令するように構成されたものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う動力機とが上記エンジンにパラレルに接続されたものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項４の構成において、油圧ポンプとして、操作装置の操作量に応じて容量が変化する可変容量ポンプが用いられるとともに、この油圧ポンプの容量を制御するポンプ制御手段が設けられ、動力制御手段は、上記ポンプ制御手段に対し、エンジン回転数の変化にかかわらず上記操作装置の操作量とポンプ吐出量の関係が一定となるポンプ容量を指令するように構成されたものである。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、エンジンによって発電機を駆動し、この発電機の出力によって蓄電装置に充電するとともに、発電機出力とこの蓄電装置の蓄電力とによって負荷としての電動機を駆動するように構成されたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、蓄電装置状態である蓄電装置の充電量及び温度の少なくとも一方の低下によってその最大出力が低下した場合に、エンジンパワーを増加させる制御を行なうため、蓄電装置パワーの低下分をエンジンパワーで補って、作業に必要なパワーを確保することができる。このため、蓄電装置の充電量または温度の低下によって作業効率が低下する事態を回避することができる。
【００１９】
また、エンジンパワーの増加によって蓄電装置の充電量も増加するため、充電量の低下が原因となる場合に蓄電装置の充電量を早期に回復させることができる。
【００２０】
ここで、請求項２の構成によると、蓄電装置状態とエンジン出力の関係、及び蓄電装置状態とエンジン回転数の関係をデータとして記憶しておき、この記憶されたデータに基づいてエンジンパワーを制御するため、必要なエンジンパワーを正確に得ることができる。
【００２１】
また、請求項３の構成によると、負荷が要求するパワーとエンジンパワーとに基づいて発電機出力を求めるため、蓄電装置状態の変化にかかわらず、負荷要求パワーを確保しながら一定の作業効率を維持することができる。
【００２２】
ところで、パラレル方式をとり、かつ、操作装置の操作量に応じて可変容量ポンプの容量(傾転＝ポンプ吐出量)を変化させる構成をとる機械において、上記制御によってエンジン回転数が変化すると、操作量とポンプ吐出量(アクチュエータ動作速度)の対応関係が崩れるため、操作性が悪化するという問題が生じる。
【００２３】
この点、請求項５の構成によると、エンジン回転数の変化にかかわらず操作量とポンプ吐出量の関係が一定となるようにポンプ容量を制御するため、良好な操作性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
第１実施形態(図１〜図４参照)
第１実施形態はパラレル方式をとっている。また、蓄電装置としてバッテリを用いた場合を例示している。
【００２５】
図１に示すように、エンジン１にパワーデバイダ２を介して可変容量型の油圧ポンプ３と、１台で発電機作用と電動機作用を行う動力機としての発電機兼電動機４とがパラレルに接続され、これらがエンジン１によって駆動される。
【００２６】
油圧ポンプ３には、制御弁(アクチュエータごとに設けられているが、ここでは複数の制御弁の集合体として示す)５を介して図示しない油圧アクチュエータ(たとえばショベルでいうとブーム、アーム、バケット各シリンダや走行用油圧モータ)が接続され、油圧ポンプ３から供給される圧油によってこれら油圧アクチュエータが駆動される。
【００２７】
一方、発電機兼電動機４には、インバータ６を介して蓄電装置としてのバッテリ(たとえばリチウムイオン蓄電器)７が接続されている。
【００２８】
インバータ６は、発電機兼電動機４の発電機作用と電動機作用の切換え、発電電力、電動機としての電流またはトルクを制御するとともに、発電機兼電動機４の発電機出力の過不足に応じてバッテリ７の充・放電を制御する。
【００２９】
動力制御手段としてのコントローラ８には、次の情報が入力される。
【００３０】
ｉ.  図示しない電流センサによって検出されるバッテリ７の電流(これを積算することによってバッテリ充電量が求められる)。
【００３１】
ｉｉ.  図示しないバッテリ温度センサによって検出されるバッテリ７の温度。
【００３２】
ｉｉｉ.  発電機兼電動機４の回転数(角速度)。
【００３３】
コントローラ８は、これらの情報に基づき、ガバナ(メカニカルガバナまたは電子ガバナ)９にエンジン回転数指令、インバータ６に発電機兼電動機４の発電機トルク指令をそれぞれ出力する。
【００３４】
また、コントローラ８には、制御弁５を操作する操作装置１０からの信号(操作信号)が入力され、この操作装置１０の操作量に応じて制御弁５の切換量が制御されるとともに、レギュレータ１１を介して油圧ポンプ３の容量(傾転＝ポンプ吐出量)が制御される。
【００３５】
このコントローラ８の構成内容を図２に詳しく示す。
【００３６】
コントローラ８には、バッテリ状態演算手段１２と、エンジン出力設定手段１３と、エンジン回転数設定手段１４と、発電機出力制御手段１５と、アクチュエータ要求パワー演算手段１６と、ポンプ制御手段１７とが設けられている。
【００３７】
バッテリ状態演算手段１２は、バッテリ充電量とバッテリ温度というバッテリ７の最大出力電力を決定するバッテリ状態を求め、これをエンジン出力設定手段１３とエンジン回転数設定手段１４とに送る。
【００３８】
エンジン出力設定手段１３では、予め、図３に示すようにバッテリ充電量及び温度に対するエンジン出力の関係(充電量及び温度が低いほどエンジン出力を高くする)をテーブル化して記憶しておき、これに基づいてエンジン出力を演算する。
【００３９】
一方、アクチュエータ要求パワー演算手段１６は、図示しないセンサによって検出された油圧ポンプ３の回転数(発電機兼電動機４の回転数)と圧力、吐出量に基づいて油圧アクチュエータが要求している総パワーを演算し、求められた値を発電機出力制御手段１５に送る。
【００４０】
発電機出力制御手段１５は、エンジン出力設定手段１３によって求められたエンジン出力ＰＷegと、アクチュエータ要求パワー演算手段１６で求められたアクチュエータ要求パワーＰＷacとに基づいて、発電機出力トルクＴｑmgを以下の式により算出する。
【００４１】
ＰＷmg＝ＰＷac−ＰＷeg
Ｔｑmg＝ＰＷmg／ωmg
ここで、ＰＷmg:発電機機出力      ＰＷac:アクチュエータ要求パワー
ＰＷeg:エンジン出力      ωmg:電動機角速度
算出された発電機出力トルクＴｑmgの指令はインバータ６に送られ、発電機兼電動機４の発電機出力トルクがこの値Ｔｑmgに制御される。
【００４２】
一方、エンジン回転数演算手段１４では、予め、図４に示すようにバッテリ充電量及び温度に対するエンジン回転数の関係(充電量及び温度が低いほどエンジン回転数を高くする)をテーブル化して記憶しておき、これに基づいてエンジン回転数を演算する。
【００４３】
ここで求められたエンジン回転数は、ガバナ９にエンジン回転数指令として送られ、エンジン回転数がこの指令値に制御される。
【００４４】
こうして、バッテリ７の充電量及び温度が低下した場合に、エンジン出力(発電機出力)とエンジン回転数を増加させる制御が行なわれ、この制御により、バッテリ７のパワー低下がエンジンパワーで補われる。
【００４５】
従って、トータルとしての動力源パワーは必要な値に保たれるため、作業効率が低下するおそれがない。
【００４６】
また、エンジンパワーの増加によってバッテリ７の充電量も増加するため、充電量の低下が原因となる場合にバッテリ７の充電量を早期に回復させることができる。
【００４７】
しかも、アクチュエータ要求パワーとエンジンパワーとに基づいて発電機出力を求めるため、バッテリ状態の変化にかかわらず、アクチュエータ要求パワーを確保して一定の作業効率を維持することができる。
【００４８】
一方、ポンプ制御手段１７においては、操作装置１０の操作量と、エンジン回転数設定手段１４から出力されるエンジン回転数とに基づいて、操作量とポンプ吐出量の関係がエンジン回転数の増加にかかわらず一定となるようにポンプ容量(傾転)の指令をレギュレータ１１に送る。
【００４９】
これにより、エンジン回転数の変化にかかわらず操作量とポンプ吐出量の関係が一定となるため、良好な操作性を確保することができる。
【００５０】
第２実施形態(図５,６参照)
第２実施形態はシリーズ方式をとっている。また、第１実施形態同様、蓄電装置としてバッテリを用いている。
【００５１】
第１実施形態との相違点のみを説明する。
【００５２】
シリーズ方式では、図５に示すようにエンジン２１によって発電機２２を駆動し、その発電機出力がコンバータ２３を介してバッテリ２４に送られることによってバッテリ２４が充電される。
【００５３】
また、発電機出力及びバッテリ２４の出力はインバータ２５を介して負荷としての電動機２６に送られ、これにより電動機２６が回転して油圧ポンプ２７が駆動される。
【００５４】
この油圧ポンプ２７からの圧油は、パラレル方式の場合と同様に、制御弁２８を介して油圧アクチュエータに送られる。
【００５５】
動力制御手段としてのコントローラ２９は、バッテリ２４の電流及び温度と、発電機電圧と、コンバータ２３とインバータ２５を結ぶ直流回路に設けられた電圧センサ３０ａ及び電流センサ３０ｂによって検出される直流電圧及び直流電流とが入力され、これらに基づいてガバナ３１を介してエンジン回転数を制御するとともに、コンバータ２３を介して発電機出力電流を制御する。
【００５６】
このコントローラ２９は、図６に示すように、バッテリ充電量とバッテリ温度を演算するバッテリ状態演算手段３２と、ここで求められたバッテリ充電量及びバッテリ温度に基づいて予め記憶されたテーブルからエンジン出力を求めるエンジン出力設定手段３３と、バッテリ充電量及び温度に基づいて予め記憶されたテーブルからエンジン回転数を求めてガバナ３１に回転数指令を送るエンジン回転数設定手段３４と、入力される直流電圧と電流からアクチュエータ要求パワーを演算するアクチュエータ要求パワー演算手段３５と、発電機出力制御手段３６とを具備する。
【００５７】
発電機出力制御手段３５は、エンジン出力設定手段３３で求められたエンジン出力(エンジンパワー)ＰＷegと、発電機電圧から求められる発電機パワーＰＷmgと、アクチュエータ要求パワーＰＷacとに基づいて発電機出力電流(トルク)Ｉmgを次のように算出する。
【００５８】
ＰＷmg:発電機パワー      Ｉmg:発電機出力電流
ＰＷeg:エンジンパワー    Ｖmg:発電機電圧
ＰＷbt:バッテリパワー    ＰＷac:アクチュエータ要求パワー
において、
ＰＷeg＝ＰＷac−ＰＷbt
ＰＷmg＝ＰＷeg
Ｉmg＝ＰＷmg／Ｖmg
こうして発電機出力電流Ｉmgが求められ、この算出値が発電機電流指令(トルク指令)としてコンバータ２３に送られる。
【００５９】
このシリーズ方式においても、第１実施形態のパラレル方式と同様に、バッテリ２４の充電量または温度が低下した場合に、エンジン出力とエンジン回転数を増加させる制御が行なわれ、この制御により、バッテリ７のパワー低下分がエンジンパワー(発電機パワー)で補われる。
【００６０】
ところで、パラレル方式において、上記第１実施形態(図１〜図４)では発電機と電動機が一体に構成された発電機兼電動機４を用いたが、発電機と電動機を別体として設けてもよい。
【００６１】
また、バッテリ状態として、上記実施形態ではバッテリ充電量と温度の双方を検出する構成をとったが、必要に応じていずれか一方のみを検出する構成をとってもよい。あるいは、双方を検出する場合と、バッテリ充電量のみを検出する場合と、バッテリ温度のみを検出する場合の三通りのうちで切換えるようにしてもよい。
【００６２】
さらに、上記実施形態では蓄電装置としてバッテリを用いたが、このバッテリに代えてキャパシタを用い、あるいは両者を併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる動力源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同装置におけるコントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】同装置のコントローラにおけるエンジン出力設定手段にデータとして記憶されたバッテリ充電量及び温度とエンジン出力との関係を示す図である。
【図４】同装置のコントローラにおけるエンジン回転数設定手段にデータとして記憶されたバッテリ充電量及び温度とエンジン回転数の関係を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる動力源装置の構成を示すブロック図である。
【図６】同装置におけるコントローラの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  エンジン
３  油圧ポンプ
４  発電機兼電動機
６  発電機兼電動機を制御するインバータ
７  バッテリ
８  コントローラ(動力制御手段)
９  エンジン回転数を制御するガバナ
１０  操作装置
１１  油圧ポンプの容量を制御するレギュレータ
１２  コントローラのバッテリ状態演算手段
１３  同、エンジン出力設定手段
１４  エンジン回転数設定手段
１５  発電機出力制御手段
１６  アクチュエータ要求パワー演算手段
１７  ポンプ制御手段
２１  エンジン
２２  発電機
２３  コンバータ
２４  バッテリ
２５  インバータ
２６  負荷としての電動機
２７  電動機で駆動される油圧ポンプ
２９  コントローラ(動力制御手段)
３０  アクチュエータ要求パワーを求めるための直流電圧センサ
３１  ガバナ
【図１】
2005233164.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005233164.tif 000006
【図５】
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【図６】
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