(57)【要約】【課題】モータジェネレータを備えたハイブリッドシステムにおいて、高い静音性及び応答性を有するモータジェネレータのスタータ機能を利用することにより、エンジンのオートデセル制御における低燃費状態をエンジンの停止状態とすることを可能にすることで、さらなる燃費の向上及び騒音の低減を図り、また、排気ガスの低減を図ることによって排気ガスの環境に及ぼす影響を低減する。【解決手段】エンジン２にかかる負荷が、予め設定された規定値を下回る状態が、予め設定された遅延時間以上継続すると、エンジン２を低燃費状態にするというオートデセル機能を有するハイブリッドシステムにおいて、前記オートデセル機能におけるエンジン２の低燃費状態をエンジン２の停止状態とし、エンジン２を復帰させる際には、モータジェネレータ４０をモータとして作動させてエンジン２の起動を行う。【選択図】図１
2005207383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、モータジェネレータと、これらを制御する制御手段とを備え、該制御手段により、前記エンジンにかかる負荷が、予め設定された規定値を下回る状態が、予め設定された遅延時間以上継続すると、前記エンジンを低燃費状態にするというオートデセル機能を有するハイブリッドシステムであって、
前記オートデセル機能におけるエンジンの低燃費状態をエンジンの停止状態とし、エンジンを復帰させる際には、前記モータジェネレータをモータとして作動させて前記エンジンの起動を行うことを特徴とするハイブリッドシステムにおける機関制御方法。
【請求項２】
エンジンと、モータジェネレータと、これらを制御する制御手段とを備え、該制御手段からの速度指令に従い、前記モータジェネレータをモータとして作動させるか、または発電機として作動させるかを制御するハイブリッドシステムであって、
前記エンジンの実回転数が前記速度指令を上回った状態が、予め設定された遅延時間以上継続すると、前記エンジンを停止させ、このエンジンの停止状態から少なくとも一つの操作レバーが操作されると、前記モータジェネレータをモータとして作動させてエンジンの起動を行うように制御することを特徴とするハイブリッドシステムにおける機関制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッドシステムに関し、特に、発電機としても電動機としても機能するモータジェネレータを備えたハイブリッドシステムに関する。なお、本発明における「ハイブリッド」とは、エンジンから少なくとも機械的駆動力と電力を取り出すという意味である。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車や作業機などに適用されるハイブリッドシステムとして、電動機（モータ）と発電機とを別々に備えた構成のものと、電動機及び発電機の機能を兼ね備えたモータジェネレータを備えた構成のものとが知られている。
そして、前記モータジェネレータを備えたハイブリッドシステムにおいては、油圧ショベル等の建設機械に適用し、エンジンの負荷トルクと燃料噴射量との関係に基づいて、モータジェネレータを電動機として作動させてトルクアシストを行うか、発電機として作動させて蓄電装置（バッテリ）の蓄電を行うかを制御し、エンジンを最適な運転状態に近付くようにする技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、従来から、前述のような油圧式建設機械などにおいては、作業や走行を行っていない負荷低下時や、複数の操作レバーのすべてが中立状態となった時点から定められた遅延時間を経過したときに、エンジンの回転数を設定回転数より小さい低速回転数（アイドル回転数）にして低燃費状態での運転を行うような、いわゆるオートデセル制御が行われており、燃料消費の節減や騒音の低減を図っている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７９８５号公報
【特許文献２】特開平８−２１２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来の建設作業機などで行われるオートデセル制御では、作業や走行を行っていない負荷低下時などでの低燃費状態（アイドリング状態）での運転においても、エンジンは低速回転数運転を行っており、通常運転時と比較するとその燃料消費は抑えられているが、この状態においてもエンジンは運転状態にあることから、燃料の消費は行われており、排気ガスや騒音も発生している。つまり、更なる燃料消費の節減や騒音の低減を図るためには、作業や走行を行っていない状態ではエンジンを停止状態にすることが望ましい。しかし、従来の作業機などにおいては、作業や走行を行っていない状態が発生する度にエンジンを停止状態にするように制御すると、円滑な作業や走行の妨げとなるおそれがあった。すなわち、一旦、エンジンが低燃費状態となってから、再び作業や走行を開始する際に、エンジンの回転数を元の設定回転数に直ちに復帰させるためには、エンジンをある程度の回転数に保持させておく必要があった。
また、エンジンの排気ガスによる大気汚染などの環境問題が深刻となっている今日、作業や走行を行っていない状態でのアイドリングを停止させることは社会的な要請でもある。
【０００６】
そこで、本発明においては、モータジェネレータを備えたハイブリッドシステムにおいて、高い静音性及び応答性を有するモータジェネレータのスタータ機能を利用することにより、エンジンのオートデセル制御における低燃費状態をエンジンの停止状態とすることを可能にすることで、さらなる燃費の向上及び騒音の低減を図り、また、排気ガスの低減を図ることによって排気ガスの環境に及ぼす影響を低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
即ち、請求項１においては、エンジンと、モータジェネレータと、これらを制御する制御手段とを備え、該制御手段により、前記エンジンにかかる負荷が、予め設定された規定値を下回る状態が、予め設定された遅延時間以上継続すると、前記エンジンを低燃費状態にするというオートデセル機能を有するハイブリッドシステムであって、前記オートデセル機能におけるエンジンの低燃費状態をエンジンの停止状態とし、エンジンを復帰させる際には、前記モータジェネレータをモータとして作動させて前記エンジンの起動を行うものである。
【０００９】
請求項２においては、エンジンと、モータジェネレータと、これらを制御する制御手段とを備え、該制御手段からの速度指令に従い、前記モータジェネレータをモータとして作動させるか、または発電機として作動させるかを制御するハイブリッドシステムであって、前記エンジンの実回転数が前記速度指令を上回った状態が、予め設定された遅延時間以上継続すると、前記エンジンを停止させ、このエンジンの停止状態から少なくとも一つの操作レバーが操作されると、前記モータジェネレータをモータとして作動させてエンジンの起動を行うように制御するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１１】
請求項１においては、従来のオートデセル機能における低燃費状態であるアイドリング状態と比較して、このアイドリング状態となっていた分、エンジンが作動している時間が少なくなるので、燃費の向上及び騒音の低減が図れ、排気ガスの環境に及ぼす影響を低減することができる。また、モータジェネレータの有する静音性のため、エンジンを停止状態から復帰させる際の起動時の騒音の低減を図ることができる。さらに、モータジェネレータの有する高い応答性により、作業時や走行時におけるオートデセル機能による違和感を生じることなくスムーズな作業や走行が可能となる。
【００１２】
請求項２においては、作業や走行を行っていない負荷低下状態が一定時間続く場合に、エンジンが作動している時間が少なくなるので、燃費の向上及び騒音の低減が図れ、排気ガスの環境に及ぼす影響を低減することができる。また、モータジェネレータの有する静音性のため、エンジンを停止状態から復帰させる際の起動時の騒音の低減を図ることができる。さらに、モータジェネレータの有する高い応答性により、作業時や走行時におけるオートデセル機能による違和感を生じることなくスムーズな作業や走行が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１はハイブリッドシステムの構成を示す図、図２はハイブリッドシステムの動作モードの一覧を示す図、図３はハイブリッドシステムのスタータ機能を示す説明図、図４はハイブリッドシステムのアシスト機能を示す説明図、図５はハイブリッドシステムの充電（発電）機能を示す説明図、図６はＶＶＶＦインバータコンバータ用制御ブロック図、図７は昇降圧チョッパ用制御ブロック図、図８は負荷パターンを示す図、図９は模擬負荷パターンの実施方法を示す図、図１０は機関及びモータ出力と等馬力線の関係を示す図、図１１はドループ特性線を示す図、図１２は機関及びモータ出力と等馬力線の関係を示す図、図１３はエンジンの負荷変動による機関回転変動の軽減を示す説明図、図１４はバッテリ液の比重とバッテリ回路電圧の関係を示す図、図１５はバッテリ液の比重とバッテリの放電深度（ＤＯＤ）の関係を示す図である。
【００１４】
まず、ハイブリッドシステムの構成について図１を用いて説明する。
本ハイブリッドシステムでは、エンジン２の出力軸部４の駆動を、エンジン２と電動機（モータ）として機能するモータジェネレータ４０との両方により可能としている。出力軸部４から取り出された駆動力は、クラッチ部４ａを介して出力部６に伝達され、動力伝達装置などを介して、作業機などの各種作業部、また、移動体などにおける走行車輪や船舶の水中推進用プロペラ等を駆動する。
【００１５】
モータジェネレータ４０は、エンジン２のクランク軸にその駆動軸が連結されたエンジン直結のホイールインモータであり、エンジン２の本体側と出力軸部４との間に介装されている。
モータジェネレータ４０は、発電機またはモータとして機能し、インバータ部４１の可変電圧可変周波数（以下、ＶＶＶＦ）インバータコンバータ４２と接続されている。このＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、昇降圧チョッパ４４を介して蓄電装置であるバッテリ１４に接続されている。そして、モータジェネレータ４０がモータとして機能する場合には、バッテリ１４の給電電力がインバータ部４１を介してモータジェネレータ４０に供給される。一方、モータジェネレータ４０が発電機として機能する場合には、エンジン２の駆動により該モータジェネレータ４０で発電された電力がインバータ部４１を介してバッテリ１４に蓄電される。
【００１６】
インバータ部４１は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４とから構成され、これらＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は、シーケンサ４３を介してシステムコントローラ７と接続されている。このシーケンサ４３を含むシステムコントローラ７が制御手段となる。システムコントローラ７は、制御対象の状態や、機関回転数や各種アクチュエータ等の外部からの信号に基づき、制御対象に与える操作やその順序などを制御する。そのため、システムコントローラ７とシーケンサ４３との間では各種制御信号の通信が行われており、システムコントローラ７と、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４との信号のやりとりは、シーケンサ４３を介して行われる。システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２へは、起動信号や後述する速度指令（モータ指令）などの信号が送信されており、システムコントローラ７と昇降圧チョッパ４４との間では、起動信号や充電開始・充電電流に関する信号が通信されている。
また、インバータ部４１には電圧センサ４５が接続されており、この電圧センサ４５によってインバータ部４１のインバータ直流電圧やバッテリ電圧など各部の電圧を検出する。
【００１７】
モータジェネレータ４０は、モータとしての機能（図２のＭ１・Ｍ２、図３及び図４参照）、及び発電機としての機能（図２のＭ３〜Ｍ５及び図５参照）を有しており、作業状況などに応じて各機能を発揮する。
つまり、本ハイブリッドシステムにおいては、モータジェネレータ４０をモータとして作動させる場合には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２をインバータとして作動させるとともに、バッテリ１４からの給電電力を、昇降圧チョッパ４４により昇圧してモータジェネレータ４０に供給し、モータジェネレータ４０を発電機として作動させる場合には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２をコンバータとして作動させるとともに、モータジェネレータ４０による発電電力を、昇降圧チョッパ４４により降圧してバッテリ１４に蓄電することを特徴としている。
【００１８】
すなわち、モータジェネレータ４０がモータとして機能する場合には、バッテリ１４からの給電電力がモータジェネレータ４０に供給され、これにより、該モータジェネレータ４０が作動する。バッテリ１４から給電される直流電力は昇降圧チョッパ４４を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。このとき、昇降圧チョッパ４４は昇圧チョッパとして機能し、バッテリ１４の給電電圧を所定の電圧に昇圧して、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力する。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はインバータとして機能して、入力された直流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換し、この変換された交流電力をモータジェネレータ４０に供給する。
【００１９】
また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７からの指令（速度指令・制御信号）に従い、モータとして作動するモータジェネレータ４０の回転数及びトルクを制御する。前述したように、モータジェネレータ４０の駆動軸はエンジン２のクランク軸と連結されており、モータジェネレータ４０がモータとして作動することにより、該モータジェネレータ４０の駆動力がエンジン２に伝達されて、後述するモータジェネレータ４０によるスタータ機能及びアシスト機能が発揮される。
【００２０】
一方、モータジェネレータ４０が発電機として機能する場合には、エンジン２の駆動力の一部または全部がモータジェネレータ４０の作動に用いられ、このエンジン２からの駆動力によりモータジェネレータ４０が作動して、発電が行われる。エンジン２の駆動によりモータジェネレータ４０で発電された電力は、三相交流電力としてＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能し、モータジェネレータ４０から入力された交流電力を整流・平滑化して直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって変換された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４に蓄電される。このとき、昇降圧チョッパ４４は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から出力される直流電力を所定の電圧に降圧してバッテリ１４に蓄電する。
【００２１】
なお、以上に述べたように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、モータジェネレータ４０がモータとして作動する場合には、バッテリ１４から給電される直流電力を交流電力に変換するインバータとして機能し、モータジェネレータ４０が発電機として作動する場合には、該モータジェネレータ４０により発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能する双方向電力変換装置となっている。
【００２２】
このように、インバータ部４１に昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４からモータジェネレータ４０へ供給される電圧を昇圧することができるため、バッテリ１４からの出力（電力）が同じであれば、電圧が高くなった分、小電流化を図ることが可能となる（電力＝電流×電圧）。これにより、昇降圧チョッパ４４とＶＶＶＦインバータコンバータ４２とを接続する配線、及びＶＶＶＦインバータコンバータ４２とモータジェネレータ４０とを接続する配線において、負荷をかけたとき流れる負荷電流の配線の抵抗によって失われる損失（銅損）を低減することができる。
【００２３】
また、昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４の小型化が図れる。つまり、モータとして駆動するモータジェネレータ４０に供給する電圧は、高いほどモータジェネレータ４０のモータ機能を発揮するためには有利であり、高い電圧で供給しようとすると、バッテリ１４を大きくする必要があるが、昇降圧チョッパ４４を使用することでバッテリ１４から供給する電圧が低くても昇圧することが可能となるので、バッテリ１４を大きくする必要がなくなるのである。これにより、本ハイブリッドシステムを搭載する機体における省スペース化、及び軽量化を図ることができる。
【００２４】
一方、エンジン２の駆動力（回転数）の調節は、操作部８に配設されるレギュレータレバー等の操作レバー９を操作することによって行われる。また、操作レバー９には、該操作レバー９のレバー位置を検出する位置センサ（図示略）が付設されており、この位置センサはシステムコントローラ７と接続されている。また、操作部８には、切り換え操作手段として、ＶＶＶＦ起動（回転数）指示スイッチ、ＣＶＣＦ（定電圧定周波数）起動スイッチ、昇降圧チョッパ起動スイッチ、蓄電開始スイッチ、蓄電電流指示スイッチ等の各種スイッチが配設されており、これらの各種スイッチはシステムコントローラ７と接続されている。
【００２５】
操作レバー９を操作すると、該操作レバー９のレバー位置が前記位置センサにより検出され、レバー位置に応じた信号がシステムコントローラ７に入力される。そして、システムコントローラ７は入力された信号に基づいてシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２を作動させる。
【００２６】
シフトアクチュエータ２１は、前記クラッチ部４ａに接続されており、このシフトアクチュエータ２１の作動によりクラッチ部４ａのクラッチを作動させるように制御している。このようにしてクラッチを作動させることにより、出力軸部４から出力部６への駆動力の断接が行われる。また、シフトアクチュエータ２１には、そのシフト位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたシフト位置がシステムコントローラ７に入力される。
【００２７】
スロットルアクチュエータ２２は、ラックピニオン式のＤＣモータ（スロットルモータ）により構成され、エンジン２のスロットルに接続されている。このスロットルアクチュエータ２２の作動により、スロットル位置（スロットル開度）が変化する。このスロットル位置の変化によりエンジン２における燃料噴射量を調節して、エンジン２の駆動力（回転数）を調節可能としている。すなわち、スロットルアクチュエータ２２は、エンジン２の回転数調節手段として機能する。そして、このスロットルアクチュエータ２２を構成する前記ＤＣモータは、システムコントローラ７に接続されており、該システムコントローラ７から送られる指令によって該ＤＣモータが制御される。また、スロットルアクチュエータ２２には、そのスロットル位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたスロットルアクチュエータ２２のスロットル位置がシステムコントローラ７に入力される。
このように、操作レバー９を操作して、そのレバー位置を調節することにより、エンジンの駆動力（回転数）の調節を行っている。ただし、後述するモータジェネレータ４０の各制御が行われているときには、操作レバー９を操作することによる燃料噴射量の調節は行われない。つまり、モータジェネレータ４０の制御は、操作レバー９のレバー位置から要求される燃料噴射量（指示回転数）が一定の状態で行われる。
【００２８】
以上のように構成されるハイブリッドシステムにおいて、メインコントローラとしてのシステムコントローラ７は、次のように機能して本ハイブリッドシステムの制御を行う。
システムコントローラ７には、前述したように、操作部８における操作レバー９に付設される位置センサが接続され、また、シフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２と、これらシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２にそれぞれ付設されるポテンショメータとが接続されている。
【００２９】
また、システムコントローラ７は、エンジン２と接続されており、該エンジン２からシステムコントローラ７に機関回転数が入力される。機関回転数は、エンジン２に付設される回転数センサ（図示略）により検出される。また、この回転センサにより検出される機関回転数は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２へも入力される。
【００３０】
また、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されており、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対し、モータとしてのモータジェネレータ４０の起動信号、及び予め決定される速度指令を送る。そして、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、これらの信号に基づいて、モータとして作動する場合のモータジェネレータ４０を制御する。一方、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７へモータとして作動するモータジェネレータ４０の回転数、トルク、及び交流電圧値などの信号を送る。モータジェネレータ４０の回転数は、該モータジェネレータ４０をモータとして作動させるときの回転数であり、前記回転センサにより検出される。つまり、モータジェネレータ４０は、エンジン２のクランク軸と常時同期回転する構成としているため、回転数センサでモータジェネレータ４０の回転数を検出することにより、エンジン２の回転数を知ることができる。よって、回転数センサは、機関回転数検出手段として機能することとなる。また、モータジェネレータ４０の交流電圧は、該モータジェネレータ４０をモータとして作動させるときにＶＶＶＦインバータコンバータ４２から供給される交流電圧である。
【００３１】
また、システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４と接続されており、該システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４に対し、起動信号、充電開始指示、充電電流（リミッタ）指示などを送り、昇降圧チョッパ４４に接続されるバッテリ１４を制御する。一方、昇降圧チョッパ４４は、システムコントローラ７へバッテリ１４の電圧、充放電電流などに関する信号を送る。システムコントローラ７は、前記電圧センサ４５によって検出されるバッテリ１４の電圧や、充放電電流を検出することによりバッテリ１４の状態を知ることができる。
【００３２】
以上のように構成されるハイブリッドシステムは、例えば、図２に示すような動作モードを備えており、各動作モードの動作状態におけるモータジェネレータ４０の機能として、スタータ機能（図３参照）、アシスト機能（図４参照）、及び充電（発電）機能（図５参照）を有している。以下、各動作モードについて説明する。
【００３３】
図３には、エンジン２起動（始動）時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。エンジン２は、バッテリ１４からモータジェネレータ４０に電力を供給して、該モータジェネレータ４０をモータとして機能させることにより始動する。エンジン２を始動する際には、オペレータによる始動キーの操作により図示せぬリレーがオンされ、システムコントローラ７にエンジン始動の指令が入力される。システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４にエンジン２の起動信号を送る。これにより、バッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ４０に供給される。このようにして、モータジェネレータ４０はモータとして作動する。このモータジェネレータ４０の駆動軸は、前述したようにエンジン２のクランク軸と連結されており常時同期回転するため、モータジェネレータ４０をモータとして駆動することにより、停止状態のエンジン２を始動させる。
【００３４】
このように、モータとして作動するモータジェネレータ４０にスタータ機能を兼ね備え、該モータジェネレータ４０をエンジン２の起動時におけるスタータとして利用することにより、別途セルモータ（スタータモータ）等を設ける必要がなくなるので、省スペース化を図ることが可能となり、本ハイブリッドシステムが適用される機体において動力機関の搭載スペースを小さくすることができる。また、製造コストを低減することもできる。さらに、セルモータと比較して、エンジン起動時の騒音の低減、及び迅速な起動が可能となる。
【００３５】
そして、エンジン２の起動終了後は、モータジェネレータ４０を発電機として作動させ、常時バッテリ１４への充電を行っており、後述する「トルクアシスト要求」が発生した場合にのみ、モータジェネレータ４０をモータとして作動させてトルクアシストを行う。
【００３６】
図４には、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。なお、「トルクアシスト」とは、モータジェネレータ４０をモータとして作動させ、このモータジェネレータ４０によってエンジン２の駆動負荷の一部を賄うことを意味する。
【００３７】
トルクアシストを行う際、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対して予め決定される速度指令を出力し、昇降圧チョッパ４４に対して起動信号を出力する。これにより、バッテリ１４が放電状態となり、このバッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ４０に供給される。このようにして、モータジェネレータ４０が作動する。このトルクアシストを行う場合には、エンジン２に高い負荷がかかった場合や加速を行う場合等で、機関回転数が速度指令よりも低くなるような場合やトルク変動が生じた場合等において、モータジェネレータ４０をモータとして駆動させる。この時エンジン２も駆動しており、モータジェネレータ４０及びエンジン２の駆動力の和が出力軸部４の駆動力となる。
【００３８】
このように、モータとして機能するモータジェネレータ４０によって、トルクアシスト要求に従った適切なトルクアシストを行うことにより、エンジン２の出力が補われるので、エンジン２の小型化を図ることができる。また、このモータジェネレータ４０による適切なトルクアシストによって、作業機などの加速性及び駆動性の向上が図れるとともに、燃費の向上、騒音の低減、及び排気色の改善を図ることが可能となる。
【００３９】
図５には、モータジェネレータ４０により発電された電力により、バッテリ１４の蓄電を行うとき、即ち、モータジェネレータ４０を発電機として作動させてバッテリ１４を充電するときの電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。このとき、エンジン２により出力軸部４及びモータジェネレータ４０が駆動される。この状態においては、エンジン２にかかる負荷トルクが、該エンジン２の出力トルクよりも小さくなっており、このエンジン２の余剰トルク分をモータジェネレータ４０による発電に用いている。つまり、エンジン２のみによって作業負荷に対応しており、このエンジン２の駆動によってモータジェネレータ４０が発電機として作動して発電が行われ、このモータジェネレータ４０による発電によってバッテリ１４の蓄電が行われている状態である。
【００４０】
発電機としてのモータジェネレータ４０によってバッテリ１４の蓄電を行う場合には、システムコントローラ７はＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４に充電開始指示を出力する。モータジェネレータ４０による発電電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により整流・平滑化されて直流電力に変換された後、昇降圧チョッパ４４により降圧されて、バッテリ１４に蓄電される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能する。
【００４１】
また、本ハイブリッドシステムにおいては、このようにモータジェネレータ４０を発電機として作動させて行うバッテリ１４の蓄電には、該モータジェネレータ４０の回生発電による蓄電を含むことを特徴としている。
この回生発電が発生する場合としては、例えば、本ハイブリッドシステムを油圧ショベル等の油圧建設機械に適用した場合には、ブーム・アーム・バケット等を有するフロント作業機のブーム下げ時や、このフロント作業機が取付けられる旋回体の旋回動作の制動時などである。
【００４２】
このように、発電機として作動するモータジェネレータ４０によるバッテリ１４の蓄電に、該モータジェネレータ４０による回生発電による蓄電を含むことにより、前述したようなブーム下げ時や旋回体の旋回動作の制動時の慣性エネルギーを回生電力として有効に取り出すことができ、モータジェネレータ４０によるバッテリ１４の充電効率の向上を図ることができる。
【００４３】
また、同じくモータジェネレータ４０が発電機として作動している場合において、モータジェネレータ４０に電気負荷がかかってない状態、即ち無電負荷の作動状態がある。この動作モードでは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は停止状態となっており、発電機としてのモータジェネレータ４０は実質停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。つまり、この動作モードにおいては、エンジン２の出力と該エンジン２に対する負荷とが均衡状態となっており、エンジン２のみによって効率の良い動作が行われている。なお、このモータジェネレータ４０による発電によってバッテリ１４が満充電状態となったときも、インバータ部４１とバッテリ１４との電位差が小さくなることでバッテリ１４からの給電及びバッテリ１４への充電は停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。
【００４４】
以上の図３から図５を用いて説明した本ハイブリッドシステムの有する機能は、図２に示す動作モードと次のように対応している。
図２に示すＭ１は、図３を用いて説明したモータとして機能するモータジェネレータ４０によるスタータ機能が発揮される動作モードである。Ｍ２は、図４を用いて説明した同じくモータとして機能するモータジェネレータ４０によるアシスト機能が発揮される動作モードである。Ｍ３からＭ５は、図５を用いて説明した発電機として機能するモータジェネレータ４０による充電（発電）機能が発揮される動作モードであり、Ｍ３は、モータジェネレータ４０が無電負荷の作動状態であり、エンジン２のみ単体で作動している動作モード、Ｍ４は、モータジェネレータ４０による発電を行いつつエンジン２には作業負荷がかかっている状態で、モータジェネレータ４０による回生発電が行われた場合は、この回生電力をバッテリ１４に蓄電する動作モード、そしてＭ５は、Ｍ４の動作モードにおいてアイドル状態となったときの動作モードである。このアイドル状態においては、作業負荷はかかっておらず、モータジェネレータ４０によるバッテリ１４の充電のみが行われる。
【００４５】
以上の説明のような、各モードにおいて好適に作動するハイブリッドシステムを作業機などに適用することにより、前述した各作動時における効果に加え、一連の作動においてエンジン２にかかる負荷を一定にすることができ、負荷率の向上（後述する負荷平準化）を図ることができる。これにより、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。
また、低速域におけるエンジンの特性として、機関回転数が低いほどトルクが小さく不安定であること等があるが、モータジェネレータ４０によるトルクアシストによって、この低速域におけるトルクの向上を図ることができる。これにより、燃費の向上や排気色の改善などの機関性能の向上を図ることができ、また、作業機として低速かつ正確な動作が要求される軽負荷の作業時での操作性を向上及び騒音の低減を図ることができる。
【００４６】
また、このような構成のハイブリッドシステムを小型の作業機などに適用する場合は、バッテリ１４に出入力される電圧を昇降圧する昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることもできる。つまり、小型の作業機などのように、モータとして作動するモータジェネレータ４０の出力が比較的小さくてもその作動に影響がないような場合、モータジェネレータ４０のモータ機能を発揮するためには高い電圧は必要なく、昇降圧チョッパ４４を使用せずとも本ハイブリッドシステムによる効果を得ることができる。
この場合、バッテリ１４はＶＶＶＦインバータコンバータ４２に直接接続され、バッテリ１４のバッテリ容量はモータとして作動するモータジェネレータ４０のモータ出力に対応したものとなる。
【００４７】
このように、本ハイブリッドシステムを昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることにより、小型の作業機などにおいても、本ハイブリッドシステムによる効率の良い運転が可能となり、ランニングコストの低減効果を得ることが可能となる。
【００４８】
続いて、モータ及び発電機として作動するモータジェネレータ４０の制御方法について図６及び図７を用いて説明する。
本ハイブリッドシステムにおけるモータジェネレータ４０の制御は、システムコントローラ７からの速度指令に基づき、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって行われるものであり、図６に示すような、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対して出力するトルク指令（電流指令）を制御する基本的な制御としての速度制御、及び前記トルク指令の自動補正を行う電圧制御が連動して行われる。また、このモータジェネレータ４０の制御においては、昇降圧チョッパ４４によるバッテリ１４への充電・放電電流に対する制御が連動して行われる。つまり、図７に示すような、昇降圧チョッパ４４が電圧指令に基づき充電電流指令を制御する直流電圧制御、及び前記充電電流指令の自動補正を行う充電電流制御が、前記速度制御及び電圧制御と連動して行われる。
【００４９】
前記速度制御では、モータジェネレータ４０をモータとして作動させる場合と発電機として作動させる場合との判断・制御を行っており、この判断・制御を行う際の基準として、エンジン２の負荷に基づいて決定される速度指令を用い、エンジン２の実回転数と速度指令としての機関回転数とを比較することによって行っている。
つまり、この速度制御は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて、エンジン２の回転数を検出する前記回転センサよって検出されるエンジン２の実回転数と、エンジン２の負荷に基づいて算出され、システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される速度指令としての機関回転数とを比較し、エンジン２の実回転数が、速度指令よりも小さい（閾値を越えて設定回転数よりも低い）場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を増加させ、該モータジェネレータ４０をモータとして作動さる。逆に、エンジン２の実回転数が、速度指令よりも大きい場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を減少させ、該モータジェネレータ４０を発電機として作動させるように制御することを特徴としている。なお、前述の「トルクアシスト要求」とは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によってモータジェネレータ４０によるトルクアシストが必要と判断された場合に、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０へ送られる信号であり、この速度制御でのトルク指令を増加させる信号が相当する。そして、エンジン２の実回転数が速度指令よりも小さい場合が、「トルクアシスト要求」が発生した場合に相当する。
【００５０】
言い換えると、この速度制御では、速度指令＞実回転数のときは、トルクアシスト要求が発生してモータジェネレータ４０へのトルク指令を増加し、モータジェネレータ４０に対して正のトルクを加え、該モータジェネレータ４０をモータとして作動させ、一方、速度指令＜実回転数のときは、モータジェネレータ４０へのトルク指令を減少し、モータジェネレータ４０に対して負のトルクを加え、該モータジェネレータ４０を発電機として作動させるように制御する。
【００５１】
前記速度指令は、図１に示すように、システムコントローラ７からシーケンサ４３を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２へと入力される。そして、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、この速度指令に基づき、後述する制御方法によってモータジェネレータ４０に対するトルク指令を出力する。なお、速度指令の決定方法については、後に詳細に説明する。
【００５２】
以下、速度制御について図６に示す制御ブロック図に従って説明する。
速度制御においては、まず、速度指令（速度指令値Ｎｖとする）と、エンジン２の実回転数Ｎｒとが演算部３０にて比較され、比較結果として偏差Ｎｖ−Ｎｒが求められる。そして、この偏差Ｎｖ−ＮｒがＰＩ制御部３１に入力される。ＰＩ制御部３１は、偏差Ｎｖ−Ｎｒに基づいて、ＰＩ（比例積分）制御演算を行うＰＩ制御器３１ａと、このＰＩ制御器３１ａからの出力信号を一定範囲内に制限するリミッタ３１ｂとを備えている。このＰＩ制御部３１により、演算部３０にて求められた偏差Ｎｖ−Ｎｒが、ＰＩ制御器３１ａによって演算されて出力され、この出力がリミッタ３１ｂを通り上下限値を制限されて、ＰＩ制御値Ｎｐｉとして生成される。
【００５３】
一方、エンジン２の実回転数Ｎｒは、前記演算部３０での速度指令値Ｎｖに対する比較対象となるとともに、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２のＲＯＭ等に格納されているトルクマップ３２によって制限を受ける。トルクマップ３２とは、エンジンの馬力などを考慮し、予め測定した結果に基づいて作成された、機関回転数と出力トルクとの関係を、スロットル開度に応じたエンジントルク特性としてマップで表すものであり、このトルクマップ３２によって実回転数Ｎｒは、エンジン２の回転数に応じた限度値の範囲内に制限され、回転数Ｎｔｍとして出力される。
【００５４】
そして、前記ＰＩ制御値Ｎｐｉと回転数Ｎｔｍとが比較部３６において比較されて、値の小さい方が選択され、トルクリミッタ３３によって、入力される値が予め設定された出力トルクの範囲内に属するか否かが判定され、属する場合にはその入力値が採用され、属しない場合には入力値に代えて上限値（上回る場合）、または下限値（下回る場合）が採用される。そして、このＰＩ制御値Ｎｐｉと回転数Ｎｔｍとの比較において選択された小さい値の方が、負（−）の値である場合、即ちエンジン２の実回転数が速度指令より大きい場合は、前述の速度指令と実回転数の大小関係とモータジェネレータ４０の作動との対応から、モータジェネレータ４０は必ず発電機として作動することとなる。
このようにして、トルクリミッタ３３を通って出力された出力値Ｎｓが、モータジェネレータ４０に対するトルク指令出力となり、この出力値Ｎｓが正（＋）の値であるときは、モータジェネレータ４０はモータとして作動し、負（−）の値であるときは、モータジェネレータ４０は発電機として作動する。この出力値Ｎｓは、後述する電圧制御による補正がなされた後、最終的なモータジェネレータ４０へのトルク指令出力となる。
【００５５】
このように、エンジン２の実回転数と、モータジェネレータ４０への速度指令とを比較することにより、モータジェネレータ４０をモータとして作動させるかまたは発電機として作動させるかを制御するので、インバータ部４１の各装置に対して別々の制御を行う必要がなく、システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される速度指令のみを制御することにより、モータジェネレータ４０の作動の切り換え制御を容易に行うことが可能となる。また、本制御は、エンジン２にかかる負荷に応じて算出される速度指令に従うので、モータジェネレータ４０による適切なトルクアシスト及び発電が可能となり、エンジンの負荷平準化が図れるので、エンジンの小型化や燃費の向上を図ることができる。
【００５６】
このような速度制御において、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４との間の直流電圧を一定範囲内にするため、速度制御によって出力されるトルク指令の自動補正が行われる。すなわち、本制御方法においては、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２のインバータ直流電圧を用いて電圧制御を行い、前記トルク指令の補正を行うことを特徴としている。
【００５７】
次に、この電圧制御について、同じく図６に示す制御ブロック図に従って説明する。
電圧制御においては、まず、インバータ部４１の各部の耐電圧などを考慮して決められる設定電圧Ｖａに対応して設定され、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２のＲＯＭ等に記憶される設定値Ｘａ（例えば、設定電圧Ｖａ＝３２０Ｖに対して設定値Ｘａ＝３２００）と、実際に電圧センサ４５によって検出されるＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４間のインバータ直流電圧Ｖｄｃに対応する値Ｘｄｃ（例えば、インバータ直流電圧Ｖｄｃを１０倍した値）とが演算部３４にて比較され、比較結果として偏差Ｘａ−Ｘｄｃが求められる。そして、この偏差Ｘａ−ＸｄｃがＰＩ制御部３５に入力される。ＰＩ制御部３５は、偏差Ｘａ−Ｘｄｃに基づいて、ＰＩ（比例積分）制御演算を行うＰＩ制御器３５ａと、このＰＩ制御器３５ａからの出力信号を一定範囲内に制限するリミッタ３５ｂとを備えている。このＰＩ制御部３５により、演算部３４にて求められた偏差Ｘａ−Ｘｄｃが、ＰＩ制御器３５ａによって演算され出力され、この出力がリミッタ３５ｂを通り上下限値を制限されて、ＰＩ制御値Ｘｐｉとして生成される。
【００５８】
一方、このように生成されたＰＩ制御値Ｘｐｉの比較対象として、インバータ部４１の各部の耐電圧などに基づいた電圧Ｖｍに対応する電圧設定値Ｘｍ（例えば、電圧Ｖｍ＝６００Ｖに対して電圧設定値Ｘｍ＝６０００）が予め設定されている。そして、この電圧設定値Ｘｍと前記ＰＩ制御値Ｘｐｉとを比較部３７にて比較し、値の小さい方が選択され、正負が反転されて補正値Ｘｃとして出力される。つまり、電圧設定値Ｘｍは、実質的に、ＰＩ制御部３５から出力されるＰＩ制御値Ｘｐｉの上限値を制限するリミッタとしての役割を果たすように設定される。
【００５９】
速度制御により出力されるトルク指令の補正を行うこの電圧制御では、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２のインバータ直流電圧Ｖｄｃが設定電圧Ｖａよりも高ければ、モータジェネレータ４０へのトルク指令を増加させ、モータジェネレータ４０による発電を抑制し、逆に、インバータ直流電圧Ｖｄｃが設定電圧Ｖａよりも低ければ、モータジェネレータ４０へのトルク指令を減少させ、モータジェネレータ４０による発電を促すように制御される。
【００６０】
このようにして電圧制御において生成される補正値Ｘｃと、前述の速度制御において生成される出力値Ｎｓとが比較部３８にて比較されて、値の大きい方が選択され、この値が最終的なモータジェネレータ４０へのトルク指令出力となる。そして、モータジェネレータ４０に対して必要なトルクを発生させるために、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて出力電流の大きさや周波数、位相などを制御するベクトル制御が行われる。このように、電圧制御によって補正されながら出力されるトルク指令により、モータジェネレータ４０の作動が制御される。
【００６１】
この電圧制御によるトルク指令の補正の態様を、モータジェネレータ４０の作動状況に応じて説明する。
まず、モータジェネレータ４０が発電機として作動している場合について説明する。
この場合、前述の速度制御により、速度指令とエンジン２の実回転数とは、速度指令＜実回転数の条件を満たす。この条件成立後の発電時においては、バッテリ１４を充電する電流がＶＶＶＦインバータコンバータ４２からバッテリ１４側へと流れ、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２のインバータ直流電圧Ｖｄｃは、前記設定電圧Ｖａよりも高くなる。すなわち、インバータ直流電圧Ｖｄｃ＞設定電圧Ｖａとなる。この条件の場合、前記電圧制御による補正により、モータジェネレータ４０へのトルク指令を増加しようとする。これを図６に示したブロック図に対応させると、モータジェネレータ４０が発電機として作動している場合、速度制御による出力値Ｎｓは、負（−）の値となり、電圧制御による補正値Ｘｃは、正（＋）の値となる。つまり、トルク指令出力としては、補正値Ｘｃが選択され、トルク指令が増加されることとなるので、モータジェネレータ４０へは正のトルクが加えられる。この結果、モータジェネレータ４０による発電出力が抑制され、インバータ直流電圧Ｖｄｃも減少して行く。
【００６２】
このように、減少して行くインバータ直流電圧Ｖｄｃは、設定電圧Ｖａに落ち着いて行くこととなる。すなわち、Ｖｄｃ＝Ｖａの関係を保とうとするのである。つまり、インバータ直流電圧Ｖｄｃが設定電圧Ｖａよりも高い場合は、前述のように減少され、インバータ直流電圧Ｖｄｃが設定電圧Ｖａより低くなると、電圧制御による補正値Ｘｃが負（−）の値となり、トルク指令が減少され、モータジェネレータ４０による発電が促される。この発電により、電圧制御による補正値Ｘｃが小さくなって行っても、トルク指令出力としては速度制御による出力値Ｎｓが選択されることとなり、発電は継続される。そしてまた、モータジェネレータ４０による発電によってインバータ直流電圧Ｖｄｃが設定電圧Ｖａよりも高くなると、電圧制御によってモータジェネレータ４０による発電出力が抑制される。
このように電圧制御を行うことによって、インバータ直流電圧Ｖｄｃが、設定電圧Ｖａへと収束されるように、トルク指令の自動補正が行われるのである。
【００６３】
次に、モータジェネレータ４０がモータとして作動している場合について説明する。
この場合、前述の速度制御により、速度指令とエンジン２の実回転数とは、速度指令＞実回転数の条件を満たす。この条件成立後のトルクアシスト時においては、バッテリ１４から給電される電流がバッテリ１４からＶＶＶＦインバータコンバータ４２側へと流れ、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２のインバータ直流電圧Ｖｄｃは、前記設定電圧Ｖａよりも低くなる。すなわち、インバータ直流電圧Ｖｄｃ＜設定電圧Ｖａとなる。この条件の場合、前記電圧制御による補正により、モータジェネレータ４０へのトルク指令を減少しようとする。これを図６に示したブロック図に対応させると、モータジェネレータ４０がモータとして作動している場合、速度制御による出力値Ｎｓは、正（＋）の値となり、電圧制御による補正値Ｘｃは、モータジェネレータ４０による発電は行われていないため、常に負（−）の値となる。つまり、トルク指令出力としては、出力値Ｎｓが選択され、トルク指令が減少されることとなるので、モータジェネレータ４０へは負のトルクが加えられる。この結果、モータジェネレータ４０によるモータ出力が抑制されていき、インバータ直流電圧Ｖｄｃも減少して行く。そして、インバータ直流電圧Ｖｄｃは、後述する直流電圧制御によって、昇降圧チョッパ４４における設定電圧Ｖｂに落ち着いて行く。
【００６４】
このように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２のインバータ直流電圧Ｖｄｃを用いて電圧制御を行い、速度制御により出力されるトルク指令の自動補正を行うことによって、モータジェネレータ４０をモータとして作動させるかまたは発電機として作動させるかの切り換えを制御するとともに、該モータジェネレータ４０に対するトルク指令の増減の制御を自動的に行うことができるので、モータジェネレータ４０のモータまたは発電機としての作動状況に応じて適切な制御を行うことが可能となる。また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２のインバータ直流電圧が許容範囲を超えることを防止することができる。
【００６５】
以上説明した、速度制御及び電圧制御に連動して、昇降圧チョッパ４４によるバッテリ１４への充電・放電電流に対する制御が行われている。つまり、昇降圧チョッパ４４が電圧指令に基づき充電電流指令を制御する直流電圧制御、及び前記充電電流指令の自動補正を行う充電電流制御が、前記速度制御及び電圧制御と連動して行われる。
【００６６】
前記直流電圧制御においては、昇降圧チョッパ４４が充電電流指令によってバッテリ１４への充電電流の制御を行っており、この制御を行う際の基準として、昇降圧チョッパ４４に対する電圧指令による電圧指令値としての設定電圧Ｖｂと、インバータ直流電圧Ｖｄｃとを比較することによって行われる。なお、ここでの設定電圧Ｖｂは、前述の電圧制御における設定電圧Ｖａよりも若干低く設定される。
つまり、この直流電圧制御は、インバータ直流電圧Ｖｄｃが、昇降圧チョッパ４４に対する電圧指令値である設定電圧Ｖｂよりも低い場合は、昇降圧チョッパ４４は、充電電流指令値を減少して、バッテリ１４への充電量を減少し、またはバッテリ１４を放電させ、逆に、インバータ直流電圧Ｖｄｃが、昇降圧チョッパ４４に対する電圧指令値である設定電圧Ｖｂよりも高い場合は、昇降圧チョッパ４４は、充電電流指令値を増加し、バッテリ１４への充電量を増加することを特徴としている。
【００６７】
言い換えると、この直流電圧制御では、インバータ直流電圧Ｖｄｃ＞設定電圧Ｖｂのときは、バッテリ１４を充電させ、インバータ直流電圧Ｖｄｃ＜設定電圧Ｖｂのときは、バッテリ１４を放電させるように制御する。
【００６８】
以下、直流電圧制御について図７に示す制御ブロック図に従って説明する。
直流電圧制御においては、まず、昇降圧チョッパ４４に対する電圧指令による設定電圧Ｖｂに基づいて予め設定され、昇降圧チョッパ４４のＲＯＭ等に記憶される設定値Ｙｂ（例えば、設定電圧Ｖｂ＝３００に対して設定値１５００）と、インバータ直流電圧Ｖｄｃに対応する値Ｘｄｃ（前述の電圧制御と同様の値）とが演算部５１にて比較され、比較結果として偏差Ｙｂ−Ｘｄｃが求められる。この比較の前段階において、設定値Ｙｂとインバータ直流電圧Ｖｄｃに対応する値Ｘｄｃとの均衡を図るため、設定値Ｙｂ及び値Ｘｄｃは、各乗算部５０及び５２において、予め設定された定数Ｃ１及びＣ２がそれぞれ乗算される。
【００６９】
そして、前記偏差Ｙｂ−ＸｄｃがＰＩ制御部５３に入力される。ＰＩ制御部５３は、偏差Ｙｂ−Ｘｄｃに基づいて、ＰＩ（比例積分）制御演算を行うＰＩ制御器５３ａと、このＰＩ制御器５３ａからの出力信号を一定範囲内に制限するリミッタ５３ｂとを備えている。このＰＩ制御部５３により、演算部５１にて求められた偏差Ｙｂ−Ｘｄｃが、ＰＩ制御器５３ａによって演算されて出力され、この出力がリミッタ５３ｂを通り上下限値を制限されて、ＰＩ制御値Ｙｐｉ（以下、充電電流指令値Ｙｐｉ）として生成される。この充電電流指令値Ｙｐｉは、バッテリ１４の充電時においては、インバータ直流電圧Ｖｄｃが設定電圧Ｖｂよりも高くなるため、負（−）の値となる。
【００７０】
このようにして出力された充電電流指令値Ｙｐｉは、演算部５４にて、後述する補正値が加えられ、充電電流リミッタ５５によって入力される値が予め設定された充電電流値の範囲内に属するか否かが判定され、属する場合にはその入力値が採用され、属しない場合には入力値に代えて上限値（上回る場合）、または下限値（下回る場合）が採用される。そして、正負が反転されて、出力値Ｙｓとして出力される。この出力値Ｙｓが昇降圧チョッパ４４における充電電流指令の指令値となり、出力値Ｙｓが正（＋）の値であるときは、インバータ直流電圧Ｖｄｃが設定電圧Ｖｂよりも高いということで、昇降圧チョッパ４４は充電電流指令値を増加してバッテリ１４の充電量を増加し、負（−）の値であるときは、インバータ直流電圧Ｖｄｃが設定電圧Ｖｂよりも低いということで、昇降圧チョッパ４４は充電電流指令値を減少してバッテリ１４への充電量を減少（放電）するように制御する。
【００７１】
ここで、前述した、速度制御に対する電圧制御による補正において、モータジェネレータ４０がモータとして作動している場合について、「インバータ直流電圧Ｖｄｃは、後述する直流電圧制御によって、昇降圧チョッパ４４における設定電圧Ｖｂに落ち着いて行く」との記載があるが、これはつまり、モータジェネレータ４０がモータとして作動しているときは、バッテリ１４は放電時であり、インバータ直流電圧Ｖｄｃは設定電圧Ｖｂよりも低くなっている。そのため、昇降圧チョッパ４４は充電電流指令値を減少してバッテリ１４から放電し、これによってインバータ直流電圧Ｖｄｃは設定電圧Ｖｂまで上昇していく。このときモータジェネレータ４０は発電していないため、バッテリ１４の充電は行われず、インバータ直流電圧Ｖｄｃは設定電圧Ｖｂより高くなることはない。このようにしてインバータ直流電圧Ｖｄｃは設定電圧Ｖｂに落ち着くのである。
【００７２】
このように、昇降圧チョッパ４４に対する電圧指令による設定電圧Ｖｂとインバータ直流電圧Ｖｄｃとを比較することにより、バッテリ１４への充電量を増加させるか減少させるかを制御するので、インバータ直流電圧Ｖｄｃに応じて、バッテリ１４の充電量を制御することが可能となり、モータジェネレータ４０が発電機として作動するときの、バッテリ１４の適切な充電・放電を行うことができる。また、このバッテリ１４の充電量の制御は、モータジェネレータ４０の作動制御と連動して行われるので、前述の速度指令のみを制御することによる容易な制御が可能となる。
【００７３】
このような直流電圧制御において、バッテリ１４への充電量を一定範囲内にし、バッテリ１４の過充電・過放電を防止するため、前述の直流電圧制御によって出力される充電電流指令の自動補正が行われる。すなわち、本制御方法においては、バッテリ１４の実際のバッテリ電圧を用いて充電電流制御を行い、前記充電電流指令の補正を行うことを特徴としている。
【００７４】
次に、この充電電流制御について同じく図７に示す制御ブロック図に従って説明する。
充電電流制御においては、まず、バッテリ１４のバッテリ電圧Ｖｂａｔと、バッテリ１４の容量などを考慮して予め設定されるバッテリ電圧の設定電圧Ｖｃとが、演算部５７にて比較され、比較結果として偏差Ｖｂａｔ−Ｖｃが求められる。この比較の前段階において、バッテリ電圧Ｖｂａｔと設定電圧Ｖｃとの均衡を図るため、バッテリ電圧Ｖｂａｔは、乗算部５６において、予め設定された定数Ｃ３が乗算される。
【００７５】
そして、前記偏差Ｖｂａｔ−ＶｃがＰ制御部５８に入力される。Ｐ制御部５８は、偏差Ｖｂａｔ−Ｖｃに基づいて、Ｐ（比例）制御演算を行うＰ制御器５８ａと、このＰ制御器５８ａからの出力信号を一定範囲内に制限するリミッタ５８ｂとを備えている。このＰ制御部５８により、演算部５７にて求められた偏差Ｖｂａｔ−Ｖｃが、Ｐ制御器５８ａによって演算され出力され、この出力がリミッタ５８ｂを通り上下限値を制限されて、Ｐ制御値Ｖｐとして生成される。このＰ制御値Ｖｐ（以下、補正値Ｖｐ）が、前述の充電電流指令値Ｙｐｉに対する補正値となる。
【００７６】
直流電圧制御により出力される充電電流指令の補正を行うこの充電電流制御では、バッテリ電圧Ｖｂａｔが設定電圧Ｖｃより低ければ、充電方向の電流を増加させ、放電電流を抑制して過放電を防止する。また、バッテリ電圧Ｖｂａｔが設定電圧Ｖｃより高ければ、放電方向の電流を増加させ、充電電流を抑制して過充電を防止する。
【００７７】
このようにして出力される補正値Ｖｐは、演算部５４にて直流電圧制御による出力である充電電流指令値Ｙｐｉに加算され、この演算結果としての加算値Ｙｐｉ＋Ｖｐが、充電電流リミッタ５５を通り上下限値を制限されて、正負が反転され、この値が最終的な昇降圧チョッパ４４による充電電流指令の出力となる。
【００７８】
このような充電電流制御による充電電流指令の補正の態様を、モータジェネレータ４０の作動状況に応じて説明する。
まず、モータジェネレータ４０が発電機として作動している場合について、図７に示したブロック図に対応させて説明する。
この場合、バッテリ１４の充電が行われているので、インバータ直流電圧Ｖｄｃ＞設定電圧Ｖｂとなり、直流電圧制御による出力である充電電流指令値Ｙｐｉは負（−）の値となる。この場合において、バッテリ電圧Ｖｂａｔが設定電圧Ｖｃよりも高くなると、充電電流制御から出力される補正値Ｖｐは、正（＋）の値となる。この正（＋）の値である補正値Ｖｐが、負（−）の値である充電電流指令値Ｙｐｉに演算部５４にて加算されるので、最終的な出力値Ｙｓは小さくなり、充電電流指令値は減少し、充電電流が抑制されてバッテリ１４の過充電が防止される。
なお、この場合、インバータ直流電圧Ｖｄｃが高くなったとしても、前述の電圧制御によって、インバータ直流電圧Ｖｄｃが設定電圧Ｖａよりも高くなると、モータジェネレータ４０へのトルク指令が増加されて、モータジェネレータ４０による発電が抑えられるので、インバータ直流電圧Ｖｄｃが高くなり過ぎるのを防止できる。
【００７９】
次に、モータジェネレータ４０がモータとして作動している場合について説明する。
この場合、バッテリ１４からの給電が行われているので、インバータ直流電圧Ｖｄｃ＜設定電圧Ｖｂとなり、直流電圧制御による出力である充電電流指令値Ｙｐｉは正（＋）の値となる。この場合において、バッテリ電圧Ｖｂａｔが設定電圧Ｖｃよりも低くなると、充電電流制御から出力される補正値Ｖｐは、負（−）の値となる。この負（−）の値である補正値Ｖｐが、正（＋）の値である充電電流指令値Ｙｐｉに演算部５４にて加算されるので、最終的な出力値Ｙｓは大きくなり、充電電流指令値は増加し、給電電流が抑制されてバッテリ１４の過放電が防止される。
【００８０】
このように、バッテリ電圧Ｖｂａｔを用いて充電電流制御を行い、直流電流制御により出力される充電電流指令の自動補正を行うことによって、バッテリ１４への充電量を増加させるか減少させるかを制御するとともに、バッテリ１４の過充電・過放電を自動的に防止することができる。
【００８１】
以上のインバータ部４１にて行われる各制御、すなわち、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって行われる速度制御と電圧制御、及びこれらに連動して昇降圧チョッパ４４によって行われる直流電圧制御と充電電流制御は、モータジェネレータ４０の作動を制御するとともに、インバータ部４１各部の電圧及びバッテリ１４の充電状況を制御するものであり、これら連動して行われる一連の制御は、インバータ部４１外部からの信号としては、システムコントローラ７から入力される速度指令のみによって行われる。
【００８２】
次に、前述の速度指令の決定方法について説明する。
速度指令は、前記システムコントローラ７において算出され決定されるものであり、該システムコントローラ７からシーケンサ４３を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２に送信され、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２において、前記回転センサによって検出されるエンジン２の実回転数の比較対象となるものである。つまり、前述のように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２において速度指令とエンジン２の実回転数とを比較し、この比較結果によってモータジェネレータ４０をモータとして作動させるかまたは発電機として作動させるかを制御する。
【００８３】
速度指令とは、操作レバー９のレバー位置から要求される燃料噴射量が一定の状態、即ち操作レバー９による指示回転数が一定状態での、ある時間におけるエンジン２の負荷に対する平均出力時の機関回転数に対応する指令のことである。以下、この速度指令の決定方法の具体例について、図８を用いて説明する。
【００８４】
本ハイブリッドシステムにおける速度指令は、システムコントローラ７により、操作レバー９による指示回転数が一定状態で、作業１サイクル時間（単位時間Ｕ（例えば、１５秒））中にエンジン２にかかる作業負荷を実負荷パターンＰｒとし、この実負荷パターンＰｒに基づいて模擬負荷パターンＰｓを算出し、この模擬負荷パターンＰｓより、前記単位時間Ｕ内での作業負荷に対するエンジン２の平均出力Ａ（ｋＷ）を算出し、この平均出力Ａ出力時の機関回転数Ｎａを求め、この機関回転数Ｎａに基づいて決定される。
【００８５】
図８に示すように、実負荷パターンＰｒとは、操作レバー９による指示回転数が一定状態で、ある内容の作業（例えば、建設機械の場合の掘削積込み等）を行った際に、エンジン２にかかる作業負荷の実際の測定値を、単位時間Ｕごとに１サイクルとしてパターン化したものである。
この操作レバー９による指示回転数が一定状態においては、エンジン２にかかる負荷によって機関回転数は変化することとなる。つまり、エンジン２にかかる作業負荷が高いときは、エンジン２の出力が高くなるとともに機関回転数が低くなり、逆に、作業負荷が低いときは、エンジン２の出力が低くなるとともに機関回転数が高くなる。
【００８６】
また、模擬負荷パターンＰｓとは、実負荷パターンＰｒに基づいて算出されるものであり、この実負荷パターンＰｒを予め決められた近似方法によって近似したものである。以下、模擬負荷パターンＰｓの算出方法の一例について説明する。
【００８７】
まず、前述の実負荷パターンＰｒに基づいて、エンジン２に一定値以上高い作業負荷がかかったときの出力値の近似値としての高負荷時出力値Ｈ、前記一定値より低い作業負荷がかかったときの出力値の近似値としての低負荷時出力値Ｌ、及び作業停止時での出力値の近似値としての停止時出力値Ｓをそれぞれ決める。ここで、停止時出力値Ｓのときのエンジン２の回転数が、操作レバー９による指示回転数と略同じとなる。そして、実負荷パターンＰｒにおける各時間の出力値を、作業負荷がかかっている状態（作業時）は高負荷時出力値Ｈまたは低負荷時出力値Ｌのいずれかに対応させ、作業負荷がかかってない状態（作業停止時）は停止時出力値Ｓに対応させて実負荷パターンＰｒを近似し、模擬負荷パターンＰｓを求める。つまり、実負荷パターンＰｒを前記各状態における出力値（高負荷時出力値Ｈ、低負荷時出力値Ｌ、及び停止時出力値Ｓ）の連続となるように近似し、この実負荷パターンＰｒに対応する出力値の連続を模擬負荷パターンＰｓとする。
【００８８】
次に、前述のようにして算出される模擬負荷パターンＰｓから、作業負荷に対するエンジン２の平均出力Ａを算出する。平均出力Ａは、模擬負荷パターンＰｓにおける出力を積分して時間平均をとったものとなる。言い換えると、模擬負荷パターンＰｓにおいて、単位時間Ｕは、高負荷時出力値Ｈである時間の合計Ｔ１、低負荷時出力値Ｌである時間の合計Ｔ２、停止時出力値Ｓである時間の合計Ｔ３として各出力値に対応して三つの時間に分けられ（Ｕ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）、それぞれの出力値と時間との積の合計の、単位時間Ｕにおける平均値が平均出力Ａとなる。そして、この操作レバー９による指示回転数が一定状態での平均出力Ａ出力時における機関回転数Ｎａが速度指令値とされる。つまり、速度指令とは、模擬負荷パターンＰｓにおける平均出力時の機関回転数に基づく指令であり、速度指令値が前述のＶＶＶＦインバータコンバータ４２で行われる速度制御におけるエンジン２の実回転数Ｎｒの比較対象となる（図６参照）。
【００８９】
このようにして速度指令が決定され、エンジン２の駆動力を調節する操作レバー９のレバー位置は、エンジン２の作業負荷に対する出力が平均出力Ａの時に機関回転数Ｎａとなる位置に決定される。この平均出力Ａと模擬負荷パターンＰｓとの関係に対応するモータジェネレータ４０の作動について、図９を用いて説明する。
模擬負荷パターンＰｓにおいて、エンジン２の出力が高負荷時出力値Ｈの場合、つまり、エンジン２に対する作業負荷が、エンジン２の平均出力Ａ出力時の作業負荷よりも高く、エンジン２の回転数が低くなる場合、この平均出力Ａを超える分の出力を、モータジェネレータ４０をモータとして作動させトルクアシストを行うことによって補う。逆に、エンジン２の出力が低負荷時出力値Ｌ及び停止時出力値Ｓの場合、つまり、エンジン２に対する作業負荷が、エンジン２の平均出力Ａ出力時の作業負荷よりも低く、エンジン２の回転数が高くなる場合、実際の出力値から平均出力Ａまでの余剰出力分により、モータジェネレータ４０を発電機として作動させ発電（充電）を行う。
【００９０】
このようなモータジェネレータ４０の作動を機関回転数に対応させて説明すると、速度指令として決定された機関回転数Ｎａ（以下、速度指令値Ｎａ）を基準として、作業負荷が高くエンジン２の実回転数が速度指令値Ｎａよりも低いときは、モータジェネレータ４０をモータとして作動させトルクアシストを行うことによって補う。逆に、作業負荷が低くエンジン２の実回転数が速度指令値Ｎａよりも高いときは、モータジェネレータ４０を発電機として作動させ発電（充電）を行う。このように、速度指令として決定された速度指令値Ｎａを基準として、エンジン２の回転数に応じてモータジェネレータ４０の作動を制御する構成としている。
【００９１】
そして、図９に示すグラフにおいて、平均出力Ａを基準として、この平均出力Ａよりもエンジン２の出力が高い状態、即ち高負荷時出力値Ｈ側を正（＋）の値とし、平均出力Ａよりもエンジン２の出力が低い状態、即ち低負荷時出力値Ｌ側を負（−）の値とすると、単位時間Ｕにおける出力値の積分値はゼロとなる。つまり、エンジン２の出力を一定の平均出力Ａにすることによって、モータジェネレータ４０のモータとして作動した分の出力は、該モータジェネレータ４０が発電機として作動した際にバッテリ１４に蓄電される電力によって補われることとなり、モータジェネレータ４０のエネルギー収支がゼロになる。
【００９２】
以上のように、エンジン２に実際にかかる実負荷パターンＰｒから模擬負荷パターンＰｓを算出し、この模擬負荷パターンＰｓに基づく平均出力Ａ出力時の機関回転数を速度指令値Ｎａとする方法によって速度指令を決定することにより、実際にエンジン２にかかる作業負荷に応じた機関回転数の目標値である速度指令を自動的に算出することができる。これにより、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電が、作業状態などに応じた適切なものとなる。
また、速度指令として決定される速度指令値Ｎａを基準として、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うことによって、エンジン２は、平準化された一定の出力（平均出力Ａ）を行うこととなり、エンジン２の負荷率の向上、即ち、負荷平準化を図ることができる。このエンジン２の負荷平準化を図ることにより、従来、要求されていた最大負荷時の出力（高負荷時出力値Ｈ）を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。
【００９３】
また、前述の速度指令は、ある単位時間Ｕにおける実負荷パターンＰｒに基づいて決定されるが、この単位時間Ｕが経過するごとに各単位時間Ｕのエンジン２の平均出力Ａを算出し、それまでの単位時間Ｕごとの平均出力Ａをさらに平均していくように制御することもできる。すなわち、この場合の負荷分担制御方法においては、単位時間Ｕ内でのエンジン２の平均出力Ａを順次繰り返して計測し、その都度移動平均をとっていき、作業時の最終的な平均出力を算出することで、速度指令値を収束させていくのである。
【００９４】
具体的には、ある単位時間Ｕ１における実負荷パターンＰｒ１から、模擬負荷パターンＰｓ１を算出する。この模擬負荷パターンＰｓ１から平均出力Ａ１を算出する。そして、この平均出力Ａ１出力時の機関回転数を単位時間Ｕ１経過時の速度指令値Ｎａ１とする。次に、単位時間Ｕ１経過後の次の単位時間Ｕ２においても同様にして、平均出力Ａ２を算出する。そして、単位時間Ｕ２経過時において、前記平均出力Ａ１と平均出力Ａ２の平均値を算出する。この各平均出力Ａ１及びＡ２の平均値が、単位時間Ｕ２経過時の平均出力となる。そして、この平均出力時の機関回転数を単位時間Ｕ２経過時の速度指令値とする。以下、エンジン２作動中は、同様にして単位時間経過ごとにそれまでの各平均出力を順次算出し、この平均出力時の機関回転数を各単位時間経過時における速度指令値としていき、速度指令値を収束させていく。
【００９５】
このように、単位時間ごとのエンジン２の平均出力を順次計測し、各単位時間経過時にそれまでの各平均出力の平均値を算出することによって速度指令値を収束させていくことにより、速度指令を作業負荷に応じて経時的に変化させることができる。これにより、速度指令の作業負荷に対する追従性を向上することができ、モータジェネレータ４０によるアシスト及び発電をより適切なものとすることが可能となる。
【００９６】
続いて、エンジン２にかかる作業負荷に応じた機関回転制御方法について説明する。
この機関回転制御方法においては、エンジン２にかかる負荷に基づき、システムコントローラ７で算出される速度指令値と、エンジン２の実回転数とを比較し、この比較結果からモータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電の制御を行い、エンジン２の負荷平準化を図ろうとするものである。
すなわち、機関回転制御方法は、本ハイブリッドシステムにおいて、システムコントローラ７により、操作レバー９による指示回転数が一定状態での作業負荷に対する平均出力を算出し、前記回転センサによって検出されるエンジン２の実回転数が、前記平均出力時の機関回転数（速度指令値）よりも下がった場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を増加させ、該モータジェネレータ４０によってトルクアシストを行い、逆に、エンジン２の実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも上がった場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を減少させ、モータジェネレータ４０によって発電される電力をバッテリ１４に蓄電するように制御することを特徴としている。
【００９７】
図１０において、横軸はエンジン２及びモータジェネレータ４０の回転数であり、左側縦軸はブレーキ・ミーン・プレッシャー（Ｂｒａｋｅ  Ｍｅａｎ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ：正味平均有効圧力）をトルクに換算したものである。また、右側縦軸をエンジン２の馬力（出力）としている。
機関最大トルク曲線ＴＰｅは、排ガス規制などから許容される範囲での、エンジン２の回転数と最大のトルク（駆動力）との関係を示すものである。
等馬力線は、各馬力Ｅ１・Ｅ２・・・に対して、エンジンの回転数とトルクのグラフ上で機関回転数とトルクとの積から求められる馬力（出力）の等しくなる点の連続からなる曲線であり、エンジンの特性を示すものである。この馬力（出力）は、作業機などにおいて備えられる、エンジンによって駆動され各種アクチュエータへ圧油を供給する可変容量形油圧ポンプ等のポンプ負荷（作業負荷）から求められる。つまり、ある回転数でエンジンが駆動している場合の、一定馬力（出力）を出すために必要なトルクを示している。
【００９８】
ドループ特性線Ｄ１・Ｄ２は、図１１（ｂ）に示すように、エンジン２があるアイドル回転数で負荷がかかった際の機関回転数と、燃費等を考慮して決定される前記スロットルアクチュエータ２２を構成するラックピニオン式のＤＣモータのラックギアのラック位置との関係をプロットしたものである。この図に示すように、エンジン２に負荷がかかった際に燃料噴射量は増えるが、機関回転数は減少する制御をドループ制御といい、このドループ制御の特性を示すドループ特性線は、操作レバー９を燃料噴射量が増加する方向に操作することによって、機関回転数が増加する方向に移動する（Ｄ１→Ｄ２）。
【００９９】
エンジン２には、該エンジン２にかかる負荷が変化した場合、エンジン２の回転数が変わるため、エンジン２が操作レバー９の操作による指示回転数になるように自動的に燃料噴射ポンプの燃料噴射量を調節して、機関回転数を一定に保つための調速装置としてのメカニカルガバナ（図示略）がエンジン２に備えられている。このメカニカルガバナは、エンジン２の回転と連動して回転するガバナウエイトとガバナスプリングとガバナレバーとを備え、エンジン２が回転するときにガバナウエイトに生じる遠心力とガバナスプリングの弾性力とのつり合いによって燃料の噴射量を調節する構造となっている。このメカニカルガバナにおいては、エンジン２の回転数が高くなるとガバナウエイトにはたらく遠心力は大きくなり、ガバナスプリングが圧縮されるとともにガバナレバーが噴射量を減らす方向に作動され、逆に、エンジン２の回転数が低くなるとガバナウエイトにはたらく遠心力は小さくなり、ガバナスプリングの弾性力によってガバナレバーが噴射量を増やす方向に作動される構成となっており、このような構成によってエンジン２の回転数は一定に保たれる。このため、メカニカルガバナを備えたエンジン２のドループ特性線は、図１１（ｂ）に示すように略直線になるのである。
【０１００】
図１１（ｂ）において、横軸は機関回転数であり、縦軸はコントロールラックのラック位置である。Ｒａは無負荷ラック位置であり、エンジン２に負荷がかかってない状態でのラック位置、即ちエンジン２が操作レバー９により要求される本来の燃料噴射量及び回転数での状態である。また、Ｒｂは制限ラック位置であり、エンジン２が高負荷状態でのラック位置、即ちエンジン２の回転数が低くなり、燃料の噴射量が最も多い状態である。つまり、操作レバー９による指示回転数が一定状態で、エンジン２にかかる負荷が大きくなると、エンジン２の状態は、ドループ特性線上での上方の状態に移動し、逆に負荷が小さくなると、ドループ特性線上での下方の状態に移動することとなる。
ドループ特性線Ｄ１上の任意の点Ｄｐ１におけるエンジン２の出力と同じ出力の点を、ドループ特性線Ｄ２上にとると、点Ｄｐ２の位置のようになる。つまり、エンジン２の出力が一定の状態で、操作レバー９を燃料噴射量増加方向に操作すると、ラック位置も噴射量増加方向に移動する。
【０１０１】
図１１（ａ）は、図１１（ｂ）における縦軸が示すラック位置を、エンジン２の軸トルクに換算したものを示す図である。この図から、前記点Ｄｐ１から点Ｄｐ２への移動によって軸トルクは減少するということがわかる。すなわち、エンジン２の出力が一定の状態で、操作レバー９を燃料噴射量増加方向に操作すると、機関回転数は上がり、軸トルクは低くなるということである。
【０１０２】
このようなドループ特性線Ｄ１、Ｄ２と前記等馬力線との関係を示した図１０を用いて、機関回転制御について説明する。
本制御においては、まず、システムコントローラ７により、操作レバー９による指示回転数が一定状態での作業負荷に対するエンジン２の平均出力を算出する。ここでの平均出力は、前述の平均出力Ａと同様にして算出されるものであり、同一の符号を用いて説明する。エンジン２の平均出力Ａでの等馬力線は、図１０において馬力Ｅａの等馬力線とする。また、操作レバー９は、エンジン２の出力が平均出力Ａとなる位置とし、操作レバー９がこの位置でのドループ特性線をＤ１とする。つまり、馬力Ｅａの等馬力線とドループ特性線Ｄ１との交点である点Ｃｅにおける機関回転数が、前述の速度指令としての速度指令値Ｎａとなる。本制御の目的としては、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電により、エンジン２の作動状態を、出力を平均出力Ａ、回転数を速度指令値Ｎａの状態に保つことで、エンジン２にかかる負荷の平準化を図ることである。
【０１０３】
図１０において、馬力Ｅａの等馬力線とドループ特性線Ｄ１との交点である点Ｃｅにおけるエンジン２の状態が、エンジン２の実回転数と速度指令値Ｎａとが一致している状態である。この状態では、モータジェネレータ４０によるトルクアシストも発電も行われない。つまり、この点Ｃｅにおけるエンジン２の状態を基準として、この状態から作業負荷が高くなり、機関回転数が下がるとモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行い、作業負荷が低くなり、機関回転数が上がるとモータジェネレータ４０によるバッテリ１４の蓄電を行うように制御する。
【０１０４】
具体的には、エンジン２が点Ｃｅでの状態から、高い負荷がかかると、機関回転数が低くなり、エンジン２の状態はドループ特性線Ｄ１に沿って上方に移動する。この場合にエンジン２にかかる負荷に対する馬力をＥ３とすると、エンジン２の状態としては、ドループ特性線Ｄ１と馬力Ｅ３の等馬力線との交点である点Ｃｅ１に移動するので、機関回転数はＮ１まで下がり、トルクは機関回転数Ｎ１における機関最大トルクＴｅを上回ってしまう。つまり、点Ｃｅ１での状態は、その機関回転数Ｎ１においてエンジン２によって発揮できる機関最大トルクＴｅを上回る過負荷状態となってしまう。このような状態を回避するため、モータジェネレータ４０によりトルクアシストを行い、エンジン２の回転数を速度指令値Ｎａに保ったままトルクを向上させて不足分の出力を補う。この場合、エンジン２では速度指令値Ｎａで回転するための燃料の噴射は行われているため、負荷がかかって機関回転数が下がったとしても、モータジェネレータ４０によってトルクの不足分を補うことにより、速度指令値Ｎａを保つことができる。
【０１０５】
モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うことにより、点Ｃｅにおいて馬力Ｅ３に相当する負荷がかかると、エンジン２は、点Ｃｅ１の状態を回避して点Ｃｅｍの状態に移動することになる。この点Ｃｅｍは、エンジン２が点Ｃｅの状態から機関回転数を速度指令値Ｎａに保ったまま、モータジェネレータ４０によってトルクが加えられ、エンジン２とモータジェネレータ４０の合計トルクで出力Ｅ３を行っている状態を示す。言い換えると、エンジン２単体では、点Ｃｅの状態から馬力Ｅ３に相当する負荷がかかると、点Ｃｅ１の状態に移動することとなるが、モータジェネレータ４０によってトルクアシストを行うことで、機関回転数としては、（Ｎａ−Ｎ１）分引き上げられ、馬力としては、（Ｅ３−Ｅａ）分が補われることとなる。さらに言うと、エンジン２は見かけ上、点Ｃｅの位置で作動している状態となるが、モータジェネレータ４０によるトルクアシストによって、機関回転数を速度指令値Ｎａに保った状態で、ドループ特性線Ｄ１から、操作レバー９による指示回転数を上げた状態であるドループ特性線Ｄ２における出力を得ることができる。要するに、操作レバー９による指示回転数が一定状態において、作業負荷がかかり、エンジン２の実回転数が速度指令値Ｎａよりも下がった場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０へ送信されるトルク指令を増加させ、該モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うのである。
【０１０６】
エンジン２が点Ｃｅでの状態から、負荷が低くなると、機関回転数が高くなり、エンジン２の状態はドループ特性線Ｄ１に沿って下方に移動する。この場合、例えば、エンジン２の負荷に対する馬力をＥ１とすると、エンジン２の状態としては、ドループ特性線Ｄ１と馬力Ｅ１の等馬力線との交点である点Ｃｅ２に移動するので、機関回転数はＮ２まで上がることとなる。しかし、エンジン２は、出力を平均出力Ａ、回転数を速度指令値Ｎａに保つように制御されるので、この余剰出力によってモータジェネレータ４０による発電を行い、バッテリ１４を充電する。要するに、操作レバー９による指示回転数が一定状態において、作業負荷が低くなり、エンジン２の実回転数が速度指令値Ｎａよりも上がった場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０へ送信されるトルク指令を減少させ、モータジェネレータ４０によって発電される電力をバッテリ１４に蓄電するのである。
【０１０７】
このように、作業負荷に対する平均出力時の機関回転数を基準とする機関回転制御を行うことによって、エンジン２の負荷平準化を図ることができる。これにより、燃費の向上が図れるとともに、エンジン２の機関最大トルク以上のトルクを発揮することが可能となり、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジン２の小型化を図ることができる。
【０１０８】
また、この機関回転制御において、前述の平均出力Ａが大きくなり、速度指令値Ｎａが低速域でとられた場合でも、エンジン２の実回転数が速度指令値Ｎａよりも下がった場合には、モータジェネレータ４０によるトルクアシストが行われるので、作業負荷の高さに応じたモータジェネレータ４０の制御を行うことが可能となり、作業内容に即したトルクアシストを行うことができる。これにより、低速域でのトルクの向上が図れ、燃費の向上や排気色改善などのエンジン２の機関性能の向上を図ることができる。
【０１０９】
以上のような機関回転制御において、電流の流れの面から説明する。
つまり、本制御においては、エンジン２の実回転数が、前記速度指令値Ｎａよりも下がった場合は、バッテリ１４からモータジェネレータ４０へと電力を供給して該モータジェネレータ４０を駆動させてトルクアシストを行い、逆に、エンジン２の実回転数が、速度指令値Ｎａよりも上がった場合は、エンジン２の駆動力を用いてモータジェネレータ４０によって発電し、この発電された電力をバッテリ１４に蓄電するように制御する。
【０１１０】
具体的には、前記回転センサによって検出されるエンジン２の実回転数が、前記速度指令値Ｎａよりも下がった場合は、バッテリ１４から給電される直流電流が昇降圧チョッパ４４を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。このとき、昇降圧チョッパ４４は昇圧チョッパとして機能し、バッテリ１４の放電電圧を所定の電圧に昇圧して、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力する。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はインバータとして機能して、入力された直流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換し、この変換された交流電力をモータジェネレータ４０に供給する。そして、モータジェネレータ４０によるトルクアシストが行われる。
【０１１１】
逆に、前記回転センサによって検出されるエンジン２の実回転数が、速度指令値Ｎａよりも上がった場合は、エンジン２の駆動力の一部または全部が発電機としてのモータジェネレータ４０の作動に用いられ、該モータジェネレータ４０により発電が行われる。モータジェネレータ４０で発電された電力は、三相交流電力としてＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能して、モータジェネレータ４０から入力された交流電力を整流・平滑化して直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって変換された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４に蓄電する。このとき、昇降圧チョッパ４４は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から入力される直流電力を所定の電圧に降圧してバッテリ１４に蓄電する。
【０１１２】
このように、機関回転制御を行うことにより、エンジン２の負荷平準化が図れるとともに、モータジェネレータ４０の作動とバッテリ１４の充放電とが連動することによって、モータジェネレータ４０のエネルギー収支を合わせることが可能となり、燃費の向上を図ることができる。
【０１１３】
続いて、エンジン２の低速域における機関回転制御について説明する。
一般的に、エンジンの低速域における特性として、機関回転数が低いほど出力が低下し、トルクが小さく不安定であるということがある。そのため、エンジン２の始動時や、高い作業負荷がかかって機関回転数が下がった場合などのエンジン２の低速域においては、エンジン２に対する負荷が過負荷となり易く、排ガスやスモークが発生し易い。また、例えば、トラクタ等の作業機における、機体を低速で移動しながらの作業時、船舶等における、低速航行を行いながらのトローリング時、及び、油圧ショベル等の油圧建設機械における、ブーム・アーム・バケット等を有するフロント作業機のブーム上げ時などのように、エンジンが低速域で高トルクを要する場面もある。このような点に鑑み、本制御では、エンジン２の低速域においてモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行う機関回転制御によって、エンジン２の低速域でのトルクの向上を図っている。以下、エンジン２の低速域における機関回転制御について図１２を用いて説明する。
【０１１４】
図１２は、図１１に示した機関最大トルク曲線ＴＰｅに加え、モータとしてのモータジェネレータ４０の回転数と最大のトルク（駆動力）との関係を示すモータ最大トルク曲線ＴＰｍを示したものである。なお、機関最大トルク曲線ＴＰｅが、本制御におけるトルクマップに相当する。この図からもわかるように、エンジン２の回転数が機関回転数Ｒ２より低い場合を低速域とすると、エンジン２の低速域における機関最大トルクは、機関回転数が低くなるほどトルクが低下している。一方、モータとしてのモータジェネレータ４０のモータ最大トルクは、低速域で安定しており、ある回転数より高くなると、回転数が高いほどトルクが低下する特性を有している。本制御においては、これらエンジン２及びモータジェネレータ４０の低速域において相反するトルク特性を利用し、エンジン２の低速域での機関性能の向上を図っている。
【０１１５】
すなわち、本制御では、前記回転センサによって検出される機関回転数が、予め設定された低速域となった場合、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータとして作動するモータジェネレータ４０に対するトルク指令を増加させ、該モータジェネレータ４０によりトルクアシストを行うように制御する。
具体的には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にエンジン２の低速域としての回転数を予め設定し記憶させる。本実施例では、エンジン２の低速域を機関回転数Ｒ１からＲ２まで（例えば、略１０００から２０００ｒｐｍ）とする。エンジン２の回転数は、前述のように機関回転数検出手段としての回転センサにより検出され、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。そして、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて入力された機関回転数が低速域にあると判断された場合、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を増加させ、該モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うように制御する。
【０１１６】
このようにして、機関回転数Ｒ１からＲ２までの低速域において、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うことにより、エンジン２とモータとして作動するモータジェネレータ４０との合計トルクが最大トルクとなる。この低速域における最大トルクは、図１２において、機関回転数Ｒ１からＲ２までの範囲での、機関最大トルク曲線ＴＰｅとモータ最大トルク曲線ＴＰｍとの和をあらわす機関＋モータ最大トルク曲線ＴＰｅｍのようになる。
【０１１７】
このように、エンジン２の低速域における機関回転制御を行うことにより、低速域における出力低下を防止することができ、低速域でのトルクの向上を図ることができる。これにより、燃費の向上や排気色の改善などの機関性能の向上を図ることができ、また、作業機として低速かつ高トルクが要求される作業時での操作性の向上及び騒音の低減を図ることができる。さらに、エンジン２の始動立ち上がり時の黒煙排出の抑制が図れるという効果も得ることができる。
【０１１８】
次に、このエンジン２の低速域における機関回転制御方法において、エンジン２にかかる負荷トルクに基づいて行う場合について説明する。
この場合、エンジン２の低速域での機関回転制御を、トルクマップとしての機関最大トルク曲線ＴＰｅに基づいて行い、エンジン２にかかる負荷トルクが、機関最大トルク曲線ＴＰｅの値を上回った場合、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行う。すなわち、前記回転センサによって検出される機関回転数が、前記低速域にある場合、予め記憶された機関回転数と機関最大トルクとの関係を示す機関最大トルク曲線ＴＰｅに基づき、エンジン２にかかる負荷トルクが、機関最大トルクを上回った場合、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を増加させ、該モータジェネレータ４０によりトルクアシストを行うように制御する。
【０１１９】
具体的には、システムコントローラ７に、機関回転数とエンジン２の機関最大トルクとの関係を示す機関最大トルク曲線ＴＰｅをトルクマップとして予め記憶させる。なお、システムコントローラ７には、機関回転数に応じた上限値に対応する負荷トルクを、最低限記憶させておけばよい。ここで、エンジン２にかかる負荷トルクは、前述の馬力（出力）をトルクに換算することによって求められる。そして、システムコントローラ７において、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて入力された機関回転数が低速域にあると判断された場合、さらに、エンジン２にかかる負荷トルクがその機関回転数での機関最大トルクを上回っているか否かが判断される。この判断の結果、エンジン２にかかる負荷トルクがその機関回転数での機関最大トルクを上回っていると判断された場合、システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２への速度指令を増加させ、前述のように速度指令が増加することによってＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令が増加され、該モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うように制御する。
【０１２０】
図１２を用いて説明すると、機関回転数がＲ１からＲ２までの低速域で、エンジン２に高い負荷がかかると、前記ドループ特性線Ｄ１上を移動するエンジン２の状態を示す点Ｃｅが、該ドループ特性線Ｄ１に沿って上方に移動する。そして、エンジン２にかかる負荷がある一定以上になり、点Ｃｅが機関最大トルク曲線ＴＰｅより上方に移動した場合（図中Ｃｅ３参照）、モータジェネレータ４０によるトルクアシストが行われる。
【０１２１】
このように、エンジン２の低速域で、エンジン２にかかる負荷トルクが機関最大トルクを上回った場合にモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うことによって、作業時などにおいて、実際にエンジン２の機関最大トルク以上の負荷トルクがかかる場合にのみモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うことができるので、エンジン２にかかる作業負荷に対応したトルクアシストが可能となる。これにより、低速域におけるエンジン２の出力低下を補うことができるので、エンジン２の過負荷状態を防止でき、エンジン２の低速域でのトルクの向上が図れるとともに、燃費の向上や排気色の改善などの機関性能の向上を図ることができる。
【０１２２】
さらに、エンジン２の低速域における機関回転制御を、エンジン２にかかる負荷トルクに基づいて行う場合、次のように制御することもできる。
この場合は、エンジン２にかかる負荷トルクが、機関最大トルク曲線ＴＰｅの値にある一定以上近付いた場合、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行う。すなわち、前記回転センサによって検出される機関回転数が、前記低速域となった場合、予め記憶された機関回転数と機関最大トルクとの関係を示す機関最大トルク曲線ＴＰｅに基づき、機関最大トルクとエンジン２にかかる負荷トルクとの差が、予め設定された値よりも小さくなった場合、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を増加させ、該モータジェネレータ４０によりトルクアシストを行うように制御する。
【０１２３】
具体的には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて入力された機関回転数が低速域にあると判断された場合、その機関回転数での機関最大トルクとエンジン２にかかる負荷トルクとの差が、システムコントローラ７に予め設定され記憶されたトルク差ｄよりも小さいか否かが判断される。この判断の結果、その機関回転数での機関最大トルクとエンジン２にかかる負荷トルクとの差がトルク差ｄよりも小さいと判断された場合、システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２への速度指令を増加させ、前述のように速度指令が増加することによってＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令が増加され、該モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うように制御する。
【０１２４】
図１２を用いて説明すると、前述のエンジン２にかかる負荷トルクに基づいて行う機関制御方法における機関最大トルク曲線ＴＰｅをトルク差ｄだけ下方に平行移動した曲線を、この場合の模擬機関最大トルク曲線ＴＰｅ´とし、エンジン２にかかる負荷トルクが本来の機関最大トルクに達する前にモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うように制御している。つまり、機関回転数がＲ１からＲ２までの低速域で、エンジン２に高い負荷がかかると、前記ドループ特性線Ｄ１上を移動するエンジン２の状態を示す点Ｃｅが、該ドループ特性線Ｄ１に沿って上方に移動する。そして、エンジン２にかかる負荷がある一定以上になり、点Ｃｅが模擬機関最大トルク曲線ＴＰｅ´より上方に移動した場合（図中Ｃｅ４参照）、モータジェネレータ４０によるトルクアシストが行われる。
【０１２５】
なお、前述のトルクマップとしての機関最大トルク曲線ＴＰｅは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に予め記憶させていてもよく、この場合、エンジン２にかかる負荷トルクと機関最大トルクとの比較は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって行われ、この比較結果によって、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を増加させるか否かが判断される構成となる。
【０１２６】
このように、エンジン２にかかる負荷トルクが、機関最大トルクにある一定以上近付いた場合、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うことによって、エンジン２にかかる負荷トルクが機関最大トルクに対して余裕のある状態からモータジェネレータ４０によるトルクアシストが行われるので、エンジン２の低速域でのトルクの向上が図れるとともに、エンジン２の機関最大トルク付近でのスモーク低減を図ることができる。これにより、燃費の向上や排気色の改善などの機関性能の向上を図ることができる。
【０１２７】
ところで、本ハイブリッドシステムにおいては、上述の作業負荷に対して比較的短い時間の負荷がエンジン２にかかった際に、負荷がかかった瞬間と負荷が解除された瞬間に発生するエンジン２の回転数の変動（機関回転変動）に対しても、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うことによって、機関回転変動を軽減し、エンジン２の負荷平準化を図ることも可能としている。この場合、蓄電装置として、バッテリ１４の代わりに電気二重層キャパシタを利用することが望ましい。以下、機関回転変動の軽減、及び蓄電装置として電気二重層キャパシタを用いることついて図１３を用いて説明する。
【０１２８】
図１３（ａ）上図は、エンジン２に負荷がかかってない状態から、エンジン２に大きさｗ１の負荷Ｗが一定時間かかった場合を示している。この場合、機関回転数は、同下図に示すように変動する。すなわち、負荷がかかってない状態のエンジン２の回転数ｎ０から、負荷Ｗがかかった瞬間、この負荷Ｗの大きさｗ１に対応するエンジン２の回転数ｎ１よりも急激に機関回転数が低下し、その後、前記回転数ｎ１に落ち着く。そして、負荷Ｗが解除された瞬間、負荷がかかってない状態の回転数ｎ０よりも急激に機関回転数が上昇する。このように、エンジン２に負荷がかかる際、負荷がかかった瞬間と負荷が解除された瞬間に、負荷の慣性力による負荷変動によって短い時間で微細なエンジンの脈動（機関回転変動）が生じる。
【０１２９】
この機関回転変動が発生する場合において、エンジン２に負荷がかかった瞬間の機関回転数の急激な低下を、前述のようにモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うことによって抑制する。また、エンジン２にかかっている負荷が解除された瞬間の機関回転数の急激な上昇時（回生時）には、モータジェネレータ４０による発電を行う。つまり、作業負荷以外の短い時間での微細な負荷がかかることによるエンジン２の機関回転変動時にも、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うことで、機関回転変動を抑制する。
【０１３０】
具体的には、エンジン２にかかる負荷に対応する機関回転数を目標回転数とし、前記回転センサによって検出されるエンジン２の実回転数の、前記目標回転数からの変動値が一定値以上となると、モータジェネレータ４０によるトルクアシストまたは発電を行い、エンジン２の負荷変動による機関回転変動率を一定範囲内に保持する。つまり、エンジン２に負荷がかかった瞬間に、機関回転数が低下して、目標回転数とのずれ（変動）が一定値以上となった場合、モータジェネレータ４０をモータとして作動させてトルクアシストを行い、逆に、エンジン２にかかった負荷が解除された瞬間に、機関回転数が上昇して、目標回転数とのずれ（変動）が一定値以上となった場合、モータジェネレータ４０を発電機として作動させて発電を行い、この発電電力によってバッテリ１４の充電を行う。なお、前記目標回転数は、操作レバー９のレバー位置による指示回転数に対応したものとなり、システムコントローラ７またはＶＶＶＦインバータコンバータ４２に予め設定される。そして、機関回転数の目標回転数からの変動は、システムコントローラ７またはＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて検知される。また、前記機関回転変動率とは、エンジン２の実回転数の目標回転数からの変動値の、目標回転数に対する割合のことをいう。
【０１３１】
これを、例えば前述した図１３（ａ）に対応させた場合、エンジン２にかかる負荷Ｗの大きさｗ１に対応する回転数ｎ１が、負荷Ｗに対応する目標回転数となり、負荷がかかってない状態の回転数ｎ０が、エンジン２の無負荷状態での目標回転数となる。そして、エンジン２に負荷Ｗがかかった瞬間に機関回転数が低下し、機関回転数の負荷Ｗに対応する目標回転数ｎ１からの変動値、即ち目標回転数ｎ１と機関回転数との差が、予め設定される規定値δｎよりも大きくなった場合、モータジェネレータ４０をモータとして作動させて瞬時のトルクアシストを行い、この場合のエンジン２の負荷変動を低減する。逆に、エンジン２にかかった負荷Ｗが解除された瞬間に機関回転数が上昇し、機関回転数のエンジン２の無負荷状態に対応する目標回転数ｎ０からの変動値、即ち目標回転数ｎ０と機関回転数との差が前記規定値δｎよりも大きくなった場合、モータジェネレータ４０を発電機として作動させて瞬時の発電を行い、この場合のエンジン２の負荷変動を低減する。なお、前記規定値δｎは、エンジンの特性などによって、機関回転数が目標回転数から低下する側に変動する場合と上昇する側に変動する場合とで異なる値を設定することも可能である。
【０１３２】
このように、エンジン２の短い時間における微細な負荷変動による機関回転変動に対しても、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うことによって、エンジン２の脈動を抑制することができる。これにより、エンジン効率の向上が図れるとともに、燃費の向上及び排気ガスの低減を図ることができる。
【０１３３】
また、図１３（ｂ）上図は、前述の機関回転変動時に行われるモータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うことによる、機関回転数に影響する変動量を示している。すなわち、モータジェネレータ４０をモータとして作動させてトルクアシストを行う場合には、エンジン２に対するアシスト量を示し、モータジェネレータ４０を発電機として作動させて発電を行う場合には、この発電に用いられるエンジン２の回転数の消費量を示すこととなる。
このようにモータジェネレータ４０を作動させて短い時間における負荷平準化を行うことで、機関回転数は同下図に示すように変化する。すなわち、負荷変動時の機関回転変動が、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電によって抑制され、機関回転数の目標回転数からの変動値が、前記規定値δｎよりも小さく抑えられている。
このように、短い時間における瞬時のモータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うためには、蓄電装置による給電及び充電も短い時間にその機能が発揮されるように行われる必要がある。つまり、蓄電装置としても、短い時間における瞬時のモータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電に対する応答性と充放電効率が要求されるのである。そこで、バッテリと比較して充放電効率がよく、瞬時の充放電に対応可能な電気二重層キャパシタを用いる。
【０１３４】
バッテリでは、化学変化を利用して蓄電するが、この電気二重層キャパシタでは、化学変化をともなわず、静電作用により電気を電子のまま蓄える。そのため、充放電効率が高く、瞬時の充放電に対応することが可能である。つまり、蓄電装置としてバッテリを用いた場合、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行う際の給電は比較的応答性が高いが、モータジェネレータ４０による発電電力を蓄電する際は時間的な遅れが生じる。言い換えると、短い時間での負荷変動による機関回転変動に対応しようとした場合、蓄電装置としてバッテリを用いると、給電した電気と同量の電気を蓄電しようとすると放電時間よりも充電時間の方が長くなり、バッテリとしての電力量の収支が合わなくなっていく。しかし、蓄電装置として電気二重層キャパシタを用いることにより、このような不具合を解消することができる。すなわち、エンジン２に対する短い時間での負荷変動による機関回転変動の抑制にともなう蓄電装置の充放電収支の不均衡を低減し、蓄電装置の充電を良好に行うことが可能となり、蓄電装置の充電量不足を防止することができる。
【０１３５】
さらに、本ハイブリッドシステムにおける蓄電装置として、電気二重層キャパシタを用いることにより、次のような効果を得ることができる。
電気二重層キャパシタは、繰り返しの充放電に強く、蓄電装置の長寿命化が図れる。また、電気二重層キャパシタは、原料も無害に近い電解液と炭素でできているため低公害である。加えて、電気二重層キャパシタは、広範囲の耐久温度特性を有しているため、低温では性能が低下するバッテリと比較して、使用温度範囲において安定した作動が可能になるという効果を得ることもできる。
【０１３６】
また、前記電気二重層キャパシタは、バッテリと併用することも可能である。この場合は、蓄電装置として電気二重層キャパシタとバッテリを並列に接続する。
このように、ハイブリッドシステムにおける蓄電装置として、電気二重層キャパシタとバッテリを併用することにより、バッテリよりも比較的蓄電できるエネルギー密度が低いという特性を有する電気二重層キャパシタの蓄電容量を、バッテリによって補うことができる。これにより、前述の短い時間での負荷変動による機関回転変動に対応することができるとともに、十分な蓄電容量を確保することが可能となる。
【０１３７】
また、このようなエンジンの脈動を抑制する技術を、ガソリンエンジンよりもクリーンで、ディーゼルエンジン並みの燃料効率を有するが、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等と比較して脈動が大きく不安定な予混合圧縮自着火（ＨＣＣＩ）エンジンを備えたハイブリッドシステムにおいて適用することで、その効果がより発揮されることが期待できる。
【０１３８】
続いて、本ハイブリッドシステムにおける機関制御方法としてのオートデセル機能について説明する。
オートデセル機能とは、作業機などにおいて、作業や走行を行っていない負荷低下状態が一定時間以上継続すると、エンジン２の回転数を省燃費用のデセル回転数にして低燃費状態（アイドリング状態）とし、作業や走行の開始時には、直ちに機関回転数を元の設定回転数に復帰させるという機能である。このようなオートデセル機能において、本ハイブリッドシステムでは、エンジン２の回転数を前記デセル回転数にする代わりに、エンジン２を停止状態にすることを特徴としている。以下、具体的に説明する。
【０１３９】
本ハイブリッドシステムにおいては、前述のように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて、エンジン２の実回転数と、システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される速度指令とを比較し、この比較結果に基づいてモータジェネレータ４０の制御を行っている。そして、低負荷状態が続き、ここで行われるエンジン２の実回転数と速度指令値との比較により、エンジン２の実回転数が速度指令値を上回った状態が、予め設定された遅延時間以上継続すると、エンジン２を停止させるように制御する。つまり、前述したモータジェネレータ４０によるスタータ機能は、エンジン２の迅速な起動が可能であるため、エンジン２を停止状態がから再び起動する際の応答性が高いので、エンジン２の低負荷状態が一定時間以上続くと、エンジン２を停止させることとしても作業及び走行に支障がないのである。
【０１４０】
このように、オートデセル機能におけるエンジン２の低燃費状態を、エンジン２の停止状態とすることで、従来のオートデセル機能における低燃費状態であるアイドリング状態と比較して、このアイドリング状態となっていた分、エンジンが作動している時間が少なくなるので、燃費の向上及び騒音の低減が図れ、排気ガスの環境に及ぼす影響を低減することができる。また、モータジェネレータ４０の有する静音性のため、エンジン２を停止状態から復帰させる際の起動時の騒音の低減を図ることができる。
【０１４１】
次に、前記オートデセル機能におけるエンジン２の停止状態から、再びエンジン２を起動させる場合について説明する。
本ハイブリッドシステムにおけるオートデセル機能においては、一旦停止状態となったエンジン２は、少なくとも一つの操作レバー９が操作されると、モータジェネレータ４０をモータとして作動させてエンジン２の起動が行われる。
【０１４２】
少なくとも一つの操作レバー９とは、操作部８に配設される、例えば、エンジン２の駆動力の調節を行うレギュレータレバー、スロットルレバーやシフトレバー等のレバーのうち、少なくとも一つのことであり、これらのうち一つが操作されることにより、モータジェネレータ４０によるエンジン２の起動が行われる。
つまり、オートデセル機能によるエンジン２の停止状態から、操作レバー９を操作することにより、そのレバー位置に対応した信号がシステムコントローラ７に入力される。このレバー操作に係る信号を受けたシステムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４にエンジン２の起動信号を送る。これにより、放電状態となったバッテリ１４からの給電電力は、昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ４０に供給される。このようにして、モータジェネレータ４０がスタータとして作動し、停止状態のエンジン２が再び起動される。
【０１４３】
このように、オートデセル機能によるエンジン２の停止状態から、前述したようにモータジェネレータ４０をスタータとして機能させることにより、エンジン２起動時の騒音の低減、及び迅速な起動が図れるため、オートデセル機能におけるエンジン２の低燃費状態をエンジン２の停止状態とすることによる燃費の向上や騒音及び排気ガスの低減が図れるとともに、モータジェネレータ４０の有する高い応答性により、作業時や走行時におけるオートデセル機能による違和感を生じることなくスムーズな作業や走行が可能となる。
【０１４４】
また、本ハイブリッドシステムにおいては、バッテリ１４の充電状態に基づき、エンジン２及びモータジェネレータ４０の制御を行うこともできる。以下、このバッテリ１４の充電状態に基づくエンジン２及びモータジェネレータ４０の制御方法について説明する。
本制御方法は、バッテリ１４の充電量が規定値を下回ると、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わず、通常、操作レバー９を操作することによって調節するエンジン２の回転数を、システムコントローラ７によって自動的に制御することで、機関出力（機関回転数）を一定に制御しようとするものである。すなわち、本制御方法は、バッテリ１４の充電状態が、予め設定された規定値を下回った場合、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わず、スロットルアクチュエータ２２を構成する前記ＤＣモータを制御することによってエンジン２の回転数を調節して機関出力を一定に保持するように制御することを特徴としている。
【０１４５】
まず、バッテリ１４の充電状態（以下、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ））を演算する方法について説明する。
前述したように、エンジン２の駆動によりモータジェネレータ４０にて発電された交流電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて整流・平滑化され直流電力に変換された後、昇降圧チョッパ４４により所定の電圧に変圧されて、バッテリ１４に蓄電される。また、バッテリ１４からの給電電力によりモータジェネレータ４０への電力供給を行い、該モータジェネレータ４０を駆動可能としている。
【０１４６】
バッテリ１４のＳＯＣは、バッテリ１４の起電力とバッテリ１４のバッテリ液（電解液）の比重との関係から、システムコントローラ７にて演算される。
具体的に説明すると、充放電中のバッテリ電圧（バッテリ１４の端子電圧）Ｖｂａｔは、次式（１）により表される。
Ｖｂａｔ＝ＥO±ＩCD・ＲO  ・・・（１）
この式を用いてバッテリ１４のＳＯＣを算出する。式（１）において、ＥOはバッテリ１４の起電力（バッテリ開路電圧）、ＩCDはバッテリ１４の充放電電流、ＲOはバッテリ１４の内部抵抗である。バッテリ１４の充放電電流ＩCDは、電流の向きによって充電電流または放電電流となり、式（１）においては、正（＋）の場合には、充電電流であり、負（−）の場合には放電電流である。
【０１４７】
電圧センサ４５によって検出されるバッテリ電圧Ｖｂａｔ、及び充放電電流ＩCDは、昇降圧チョッパ４４からシーケンサ４３を介してシステムコントローラ７に送信される。システムコントローラ７は、入力されたバッテリ電圧Ｖｂａｔ及び充放電電流ＩCDに基づいてバッテリ１４の内部抵抗ＲOを演算する。この算出された内部抵抗ＲOに基づき、式（１）からバッテリ開路電圧ＥOを演算する。そして、予めシステムコントローラ７には、図１４に示すような、バッテリ開路電圧ＥOとバッテリ１４のバッテリ液（電解液）の比重との関係と、図１５に示すような、バッテリ液の比重とバッテリ１４の放電深度（以下、ＤＯＤ（Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ））との関係が記憶されている。なお、システムコントローラ７には、バッテリ液とＤＯＤとの関係に代えて、バッテリ液とＳＯＣとの関係を予め記憶させておいてもよい。このＤＯＤとＳＯＣとは、ともにバッテリの充電状態を表す量であり、両者の間には、ＤＯＤ＋ＳＯＣ＝１００％という関係がある。
【０１４８】
バッテリ開路電圧ＥOが分かると、システムコントローラ７は、バッテリ開路電圧ＥOとバッテリ液の比重との関係により、あるバッテリ温度（周囲温度）に対するバッテリの比重が算出される。そして、算出されたバッテリ液の比重から、バッテリ液の比重とＤＯＤとの関係によりバッテリ１４のＤＯＤが演算され、このＤＯＤに対するバッテリ１４のＳＯＣが演算される。なお、このバッテリ１４のＳＯＣの演算方法は一例であり、システムコントローラ７によって一定以上の正確性を有するバッテリ１４のＳＯＣが随時演算できる方法であれば前記演算方法に限定されるものではない。
【０１４９】
そして、システムコントローラ７にて、演算されたバッテリ１４のＳＯＣと、該システムコントローラ７に予め記憶されている規定値ＳＯＣminとが比較され、バッテリ１４のＳＯＣが規定値ＳＯＣminを下回っているか否かが判断される。ここで、バッテリ１４のＳＯＣが規定値ＳＯＣminを下回っている判断された場合、前述したエンジン２に一定以上高い作業負荷がかかった際のモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わないようにし、その代わりに、エンジン２自体の出力を増加させることで、作業負荷に対するエンジン２の負荷平準化を行うように制御する。つまり、バッテリ１４の充電量が低下し、モータジェネレータ４０による十分なトルクアシストが行われない状態となった場合は、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わないようにすることでバッテリ１４の放電を停止し、モータジェネレータ４０によるトルクアシストの代わりに、エンジン２の燃料噴射量を調節するスロットルアクチュエータ２２を制御することにより、機関出力（機関回転数）を一定に保持する。
【０１５０】
具体的にスロットルアクチュエータ２２を制御することによるエンジン２の負荷平準化は次のようにして行われる。
スロットルアクチュエータ２２は、前述したようにラックピニオン式のＤＣモータで構成されており、このスロットルアクチュエータ２２のラックギアは、前述したメカニカルガバナのガバナレバーと接続されている。そして、このＤＣモータをシステムコントローラ７によって自動制御することにより、エンジン２の燃料噴射量を調節するとともに、機関回転数を調節する。
【０１５１】
すなわち、システムコントローラ７にて、前述のように演算されるバッテリ１４のＳＯＣが、規定値ＳＯＣminを下回った状態で、エンジン２に高い作業負荷がかかり、エンジン２の実回転数が前記速度指令値よりも小さくなった場合は、システムコントローラ７からスロットルアクチュエータ２２のＤＣモータへ燃料噴射量を増やす方向にガバナレバーを作動させるように指令を送り、機関出力が一定となるように機関回転数を速度指令値に保持する。そして、モータジェネレータ４０による発電によってバッテリ１４のＳＯＣが規定値ＳＯＣminを下回った状態から、規定値ＳＯＣminを上回った場合は、通常のモータジェネレータ４０によるトルクアシストの制御に移行する。
【０１５２】
このように、バッテリ１４の充電量が不足した状態ではモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わず、エンジン２のスロットルアクチュエータ２２を制御することによって機関出力を一定に保つようにすることで、エンジン２が長時間高負荷状態となってモータジェネレータ４０によるトルクアシストが連続して行われた場合などのように、バッテリ１４の充電量が不足した状態でも、作業負荷に対するエンジン２の特性（作業速度など）が変化することなく、作業中にバッテリ１４の充電量不足にともなうモータジェネレータ４０のトルクアシストのトルク不足による違和感（機関回転数の急激な低下など）を解消することができる。また、バッテリ１４の過放電を防止することができるので、バッテリ１４の過放電によるバッテリ性能の低下を防止して長寿命化を図ることができる。
【０１５３】
また、このようなシステムコントローラ７によるスロットルアクチュエータ２２の自動制御を、バッテリ１４による給電が終了した時から一定時間行うように制御することもできる。すなわち、この場合、モータジェネレータ４０のトルクアシストにともなうバッテリ１４からの給電が終了した時から、予め設定された時間が経過するまでは、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わず、スロットルアクチュエータ２２を制御することによってエンジン２の回転数を調節して機関出力を一定に保持するように制御する。
【０１５４】
具体的には、エンジン２に高い作業負荷がかかってエンジン２の実回転数が速度指令値よりも低くなると、モータジェネレータ４０によるトルクアシストが行われるが、その後、作業負荷が解除されてエンジン２の実回転数が速度指令値よりも高くなった時、即ちバッテリ１４による給電が終了した時から、予め定められた時間が経過するまでは、モータジェネレータ４０によるトルクアシストは行わず、前述のようにシステムコントローラ７によってスロットルアクチュエータ２２の自動制御を行うことで、機関出力を一定に保ち、エンジン２の負荷平準化を図るのである。
【０１５５】
そして、例えば、バッテリ１４による給電が終了した時から一定時間スロットルアクチュエータ２２の自動制御を行う場合を、本ハイブリッドシステムにおける「節電モード」とし、操作部８にこの「節電モード」のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ等を設け、本ハイブリッドシステムが適用される作業機などのオペレータによって任意に選択可能な構成とすることもできる。
【０１５６】
このように制御することで、バッテリ１４による給電が終了した時から一定時間は少なくともバッテリ１４の放電が行われることはないので、バッテリ１４の過放電を予め防止することが可能となる。また、このような制御が行われる場合を「節電モード」とし、切換え可能とすることによって、作業状態に即してバッテリ１４の過放電を防止できるとともに、エンジン２の負荷平準化を図ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明の活用例として、建設機械における油圧ショベル等の駆動や、農作業機における各種作業部の駆動、また、船舶の水中推進用プロペラ等の駆動、その他の移動体（例えば、自動車等）における走行部や旋回部の駆動に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】ハイブリッドシステムの構成を示す図。
【図２】ハイブリッドシステムの動作モードの一覧を示す図。
【図３】ハイブリッドシステムのスタータ機能を示す説明図。
【図４】ハイブリッドシステムのアシスト機能を示す説明図。
【図５】ハイブリッドシステムの充電（発電）機能を示す説明図。
【図６】ＶＶＶＦインバータコンバータ用制御ブロック図。
【図７】昇降圧チョッパ用制御ブロック図。
【図８】負荷パターンを示す図。
【図９】模擬負荷パターンの実施方法を示す図。
【図１０】機関及びモータ出力と等馬力線の関係を示す図。
【図１１】ドループ特性線を示す図。
【図１２】機関及びモータ出力と等馬力線の関係を示す図。
【図１３】エンジンの負荷変動による機関回転変動の軽減を示す説明図。
【図１４】バッテリ液の比重とバッテリ回路電圧の関係を示す図。
【図１５】バッテリ液の比重とバッテリの放電深度（ＤＯＤ）の関係を示す図。
【符号の説明】
【０１５９】
２    エンジン
７    システムコントローラ
９    操作レバー
１４    バッテリ
２１    シフトアクチュエータ
２２    スロットルアクチュエータ
４０    モータジェネレータ
４２    ＶＶＶＦインバータコンバータ
４４    昇降圧チョッパ
【図１】
2005207383.tif 000003
【図２】
2005207383.tif 000004
【図３】
2005207383.tif 000005
【図４】
2005207383.tif 000006
【図５】
2005207383.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005207383.tif 000009
【図８】
2005207383.tif 000010
【図９】
2005207383.tif 000011
【図１０】
2005207383.tif 000012
【図１１】
2005207383.tif 000013
【図１２】
2005207383.tif 000014
【図１３】
2005207383.tif 000015
【図１４】
2005207383.tif 000016
【図１５】
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