(57)【要約】【課題】  蓄電装置の充電量に応じてエンジンと蓄電装置のパワー配分を決め、蓄電装置の充電量を適正範囲に保つ。【解決手段】  油圧ポンプ３と発電機兼電動機４とを共通の動力源としてのエンジン１にパラレルに接続し、発電機兼電動機４の発電機作用によって蓄電装置としてのバッテリ７を充電するとともに、このバッテリ７の放電力により発電機兼電動機４を駆動して電動機作用を行なう作業機械の動力源装置において、コントローラ８により、アクチュエータ要求パワーと、バッテリ充電量が一定範囲内に保たれる方向でバッテリ充電量に応じて設定されるバッテリの充電パワー及び放電パワーと、設定されたエンジンパワーとに基づいてエンジン１と発電機兼電動機４のパワー配分を決定するようにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行なう動力機とが共通の動力源としてのエンジンにパラレルに接続され、上記動力機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の放電力により上記動力機が駆動されて電動機作用を行なうように構成された作業機械の動力源装置において、次の各手段を具備することを特徴とする作業機械の動力源装置。
(Ａ)  上記油圧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を求めるアクチュエータ要求パワー検出手段、
(Ｂ)  上記蓄電装置の充電量を求める充電量検出手段、
(Ｃ)  上記蓄電装置の充電量が一定範囲内に保たれる方向で、充電量の変化に応じて充電パワー及び放電パワーを設定する蓄電装置パワー設定手段、
(Ｄ)  上記蓄電装置の充電量に応じて上記エンジンのパワーを設定するエンジンパワー設定手段、
(Ｅ)  上記アクチュエータ要求パワーと、設定された蓄電装置の充電パワー及び放電パワーと、設定されたエンジンパワーとに基づいてエンジンと上記動力機のパワー配分を決定するパワー配分手段、
(Ｆ)  このパワー配分手段によって決定されたパワー配分に基づいて動力機のパワーを制御する動力機制御手段。
【請求項２】
アクチュエータ要求パワー検出手段は、油圧ポンプの吐出圧力、吐出量、回転数に基づいてアクチュエータ要求パワーを求めるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の作業機械の動力源装置。
【請求項３】
蓄電装置の温度を検出する温度検出手段を備え、蓄電装置パワー設定手段は、蓄電装置の温度が低下すると蓄電装置の充電パワー及び放電パワーが小さくなる方向で両パワーを設定するように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械の動力源装置。
【請求項４】
エンジンパワー設定手段は、エンジンパワーの上限値と下限値を定め、この上限値と下限値の間でエンジンパワーを設定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１項に記載の作業機械の動力源装置。
【請求項５】
パワー配分手段は、エンジンの動特性に応じてエンジンパワーが変化するようにエンジンパワー設定値を補正するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項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】
ハイブリッド式の作業機械(たとえばショベル)において、所謂パラレル方式の駆動形態をとるものが公知である(特許文献１参照)。
【０００３】
このパラレル方式では、油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行なう動力機とを共通の動力源としてのエンジンにパラレルに接続し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動するとともに、動力機の発電機作用によって蓄電装置に充電し、適時、この蓄電装置の放電力により動力機に電動機作用を行なわせてエンジンをアシストするように構成される。
【０００４】
なお、動力機としては、一台で発電機作用と電動機作用の双方を行なう兼用機(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。
【０００５】
このようなハイブリッド式の作業機械によると、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】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】
【０００６】
ところが、公知技術によると、次のような問題があった。
【０００７】
リチウムイオン蓄電器等のバッテリ(二次電池)やキャパシタ(電気二重層コンデンサ)等の蓄電装置の充放電特性は、その充電量に依存しており、充電量が低くなるほど最大充電力は大きく、最大放電力は小さくなる。
【０００８】
この場合、公知技術では、このような蓄電装置の充電量に関係なくエンジンと蓄電装置のパワー配分を決める構成をとっているため、負荷状況によっては蓄電装置パワーが小さ過ぎる、あるいは能力を超えて大き過ぎる状態となる。
【０００９】
この結果、蓄電装置の能力を有効に利用できないとともに、蓄電装置の劣化を招く。
【００１０】
そこで本発明は、蓄電装置の充電量に応じてエンジンと動力機のパワー配分を決め、蓄電装置の充電量を適正範囲に保つ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】
【００１１】
請求項１の発明は、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行なう動力機とが共通の動力源としてのエンジンにパラレルに接続され、上記動力機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の放電力により上記動力機が駆動されて電動機作用を行なうように構成された作業機械の動力源装置において、次の各手段を具備するものである。
【００１２】
(Ａ)  上記油圧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を求めるアクチュエータ要求パワー検出手段、
(Ｂ)  上記蓄電装置の充電量を求める充電量検出手段、
(Ｃ)  上記蓄電装置の充電量が一定範囲内に保たれる方向で、充電量の変化に応じて充電パワー及び放電パワーを設定する蓄電装置パワー設定手段、
(Ｄ)  上記蓄電装置の充電量に応じて上記エンジンのパワーを設定するエンジンパワー設定手段、
(Ｅ)  上記アクチュエータ要求パワーと、設定された蓄電装置の充電パワー及び放電パワーと、設定されたエンジンパワーとに基づいてエンジンと上記動力機のパワー配分を決定するパワー配分手段、
(Ｆ)  このパワー配分手段によって決定されたパワー配分に基づいて動力機のパワーを制御する動力機制御手段。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、アクチュエータ要求パワー検出手段は、油圧ポンプの吐出圧力、吐出量、回転数に基づいてアクチュエータ要求パワーを求め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、蓄電装置の温度を検出する温度検出手段を備え、蓄電装置パワー設定手段は、蓄電装置の温度が低下すると蓄電装置の充電パワー及び放電パワーが小さくなる方向で両パワーを設定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、エンジンパワー設定手段は、エンジンパワーの上限値と下限値を定め、この上限値と下限値の間でエンジンパワーを設定するように構成されたものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの構成において、パワー配分手段は、エンジンの動特性に応じてエンジンパワーが変化するようにエンジンパワー設定値を補正するように構成されたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、蓄電装置の充放電パワー及びエンジンパワーを蓄電装置の充電量に応じて設定(充電量が低下すると充電パワーを大きく、放電パワーを小さくするとともにエンジンパワーを大きく)し、この設定値と、アクチュエータ要求パワー(請求項２では油圧ポンプの吐出圧力、吐出量、回転数とによって求められる)とに基づいてエンジンと動力機のパワー配分を行なうため、蓄電装置の充電量を一定範囲、つまり蓄電装置の能力を有効利用でき、かつ、過充電、過放電を防止して蓄電装置の劣化を抑制し得る範囲に保つことができる。
【００１８】
ところで、蓄電装置の充放電特性は、その温度にも依存しており、蓄電装置の温度が低下するとその充放電性能は低下する。
【００１９】
この点、請求項３の発明によると、蓄電装置の温度が低下すると蓄電装置の充電パワー及び放電パワーが小さくなる方向で両パワーを設定するため、充放電パワーを蓄電装置温度に対応した適正値とすることができる。
【００２０】
一方、請求項４の発明によると、エンジンパワー設定手段においてエンジンパワーの下限値と上限値を定め、この下限値と上限値の間でエンジンパワーを設定するため、この設定範囲をエンジンを高効率で運転し得る範囲として定めておくことにより、エンジンの運転効率を高めることができる。
【００２１】
また、請求項５の発明によると、パワー配分手段において、エンジンの動特性に応じてエンジンパワーが変化するようにエンジンパワー設定値を補正する(たとえばエンジンパワーを段階的に上げる)ため、エンジンのパワー負担が急激に増加することによるエンジン回転数の低下やエンストを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
第１実施形態(図１〜図９参照)
第１実施形態においては、蓄電装置としてバッテリ(リチウムイオン蓄電器等の二次電池)を用いた場合を例示している。
【００２３】
図１に示すように、エンジン１にパワーデバイダ２を介して油圧ポンプ３と、１台で発電機作用と電動機作用を行な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。
【００２４】
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等)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。なお、図１では油圧ポンプ３が一台のみ接続された場合を示しているが、複数台が直列または並列に接続される場合もある。
【００２５】
一方、発電機兼電動機４には、動力機制御手段としてのインバータ６を介して蓄電装置としてのバッテリ７が接続されている。
【００２６】
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の発電機出力に応じてバッテリ７の充・放電を制御する。
【００２７】
コントローラ８には、次の情報が入力される。
【００２８】
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)。
【００２９】
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。
【００３０】
ｉｉｉ.  アクチュエータ要求パワーを求めるためのパラメータである、油圧ポンプ３の圧力(吐出圧)と吐出量、それに回転数(ここでは発電機兼電動機４の回転数)。
【００３１】
このコントローラ８の構成内容を図２に詳しく示す。
【００３２】
コントローラ８には、前記のようにバッテリ電流からバッテリ充電量を求めるバッテリ充電量検出手段９と、バッテリ温度を求めるバッテリ温度検出手段１０と、バッテリ充電量と温度とに応じてエンジン１のパワーを設定するエンジンパワー設定手段１１と、バッテリ充電量と温度とに応じてバッテリ７のパワー(充電要求パワー及び放電要求パワー)を設定するバッテリパワー設定手段１２と、ポンプ圧力、吐出量、回転数からアクチュエータが要求しているパワーを求めるアクチュエータ要求パワー検出手段１３と、エンジン１とバッテリ７のパワー配分を決定するパワー配分手段１４とが設けられている。
【００３３】
バッテリパワー設定手段１２においては、たとえば、図３,４に示すように予めバッテリ充電量(充電状態ＳＯＣ＝State of Charge)及び温度に対して充電要求パワー及び放電要求パワーをテーブル化しておき、検出されるバッテリ充電量及び温度に対応する数値を選択して設定する。
【００３４】
エンジンパワー設定手段１１では、たとえば、図５,６に示すように、予めバッテリ充電量に対するエンジンパワーの関係(充電量が低いほどエンジンパワーを高くする)をテーブル化しておき、検出されるバッテリ充電量に対応するエンジンパワーを選択・設定する。
【００３５】
ここで、エンジンパワーの設定値は、エンジン１を高効率で運転し得る範囲として、図５に示す下限値(バッテリパワー１)と図６に示す上限値(バッテリパワー２)との間の数値として定められる。
【００３６】
一方、パワー配分手段１４では、上記のように求められ、または設定されたアクチュエータ要求パワー、バッテリ充電要求パワー、バッテリ放電要求パワー、エンジンパワーに基づいて、エンジン１とバッテリ７のパワー配分を行なう。
【００３７】
この配分フローを図７,８に示す。
【００３８】
両図において、
ＰＷpws   : アクチュエータ要求パワー
ＰＷbc    : バッテリ充電要求パワー(≦０)
ＰＷbd    : バッテリ放電要求パワー(≧０)
ＰＷeg1   : エンジンパワー１(エンジンパワー下限値)  (≧０)
ＰＷeg2   : エンジンパワー２(エンジンパワー上限値)  (≧０)
ＰＷegmax : エンジン最大パワー(≧０)
ＰＷeg    : エンジンパワー
ＰＷb     : バッテリパワー
ただし、ＰＷegmaxはエンジンの性能によって決まる定数である。
【００３９】
また、図７,８において、バッテリ７の放電を＋、充電を−としている。
【００４０】
まず、図７のステップＳ１において、アクチュエータ要求パワーＰＷpwsとエンジンパワー下限値ＰＷeg1とが比較され、アクチュエータ要求パワーＰＷpwsがエンジンパワー下限値ＰＷeg1よりも小さい場合(ＹＥＳの場合)は、ステップＳ２でエンジンパワーＰＷeg＝エンジンパワー下限値ＰＷeg1、バッテリパワーＰＷb＝アクチュエータ要求パワーＰＷpws−エンジンパワーＰＷegとする。
【００４１】
ただし、ここでバッテリパワーＰＷb＜バッテリ充電要求パワーＰＷbcとなった場合(バッテリパワーが充電能力を超える設定となる場合)は、
バッテリパワーＰＷb＝バッテリ充電要求パワーＰＷbc、
エンジンパワーＰＷeg＝
アクチュエータ要求パワーＰＷpws−バッテリパワーＰＷb
とする(ステップＳ３,Ｓ４)。
【００４２】
なお、エンジンパワー＜０の場合はエンジンパワー＝０とする(ステップＳ５,Ｓ６)。
【００４３】
ステップＳ１でＮＯで、かつ、エンジンパワー１≦アクチュエータ要求パワーＰＷpws＜エンジンパワー２の場合、つまりアクチュエータ要求パワーがエンジンパワー１とエンジンパワー２の間にある場合(ステップＳ７でＹＥＳの場合)は、
エンジンパワーＰＷeg＝アクチュエータ要求パワーＰＷpws
バッテリパワーＰＷb＝０
とする。すなわち、アクチュエータ要求パワーをエンジン１ですべて受け持つ設定とする(ステップＳ８)。
【００４４】
図８のステップＳ９において、エンジンパワー２≦アクチュエータ要求パワー＜(エンジンパワー２＋バッテリ放電要求パワー)と判断された場合、すなわちアクチュエータ要求パワーが、エンジンパワー２と、(エンジンパワー２＋バッテリ放電要求パワー)の間にあると判断された場合、ステップＳ１０で、
エンジンパワーＰＷeg＝エンジンパワー２ＰＷeg2
バッテリパワーＰＷb＝
アクチュエータ要求パワーＰＷpws−エンジンパワーＰＷeg
とする。エンジン１はエンジンパワー２だけを受け持ち、残りはバッテリ７が受け持つ。
【００４５】
一方、ステップＳ１１で、(エンジンパワー２ＰＷeg2＋バッテリ放電要求パワーＰＷbd)≦アクチュエータ要求パワーＰＷpws＜(エンジン最大パワーＰＷegmax＋バッテリ放電要求パワーＰＷbd)と判断された場合、すなわちアクチュエータ要求パワーが(エンジンパワー２＋バッテリ放電要求パワー)と(エンジン最大パワー＋バッテリ放電要求パワー)の間にあると判断された場合、ステップＳ１２で、
バッテリパワーＰＷb＝バッテリ放電要求パワーＰＷbd
エンジンパワーＰＷeg＝アクチュエータ要求パワーＰＷpws−バッテリパワーＰＷb
とし、バッテリ７はバッテリ放電要求パワーだけ受け持ち、残りはエンジン１が受け持つ。
【００４６】
これに対し、
(エンジン最大パワーＰＷegmax＋バッテリ放電要求パワーＰＷbd)≦アクチュエータ要求パワーＰＷpwsの場合(ステップＳ１１でＮＯの場合)、つまりアクチュエータ要求パワーがエンジン１とバッテリ７の能力を超えるパワーとなる場合は、
バッテリパワーＰＷb＝バッテリ放電要求パワーＰＷbd
エンジンパワーＰＷeg＝エンジン最大パワーＰＷegmax
とする(ステップＳ１３)。
【００４７】
ところで、エンジンパワーＰＷegについては、その動特性から急激なパワー変動に対して応答遅れが発生する。そこで、パワー配分フローの中で、エンジンパワー設定値の変化量が予め定めた値を超える場合に、図９に示すように、ローパスフィルタ等を用いた補正処理により、エンジン出力の立ち上がりが動特性に応じたものとなる(たとえば段階的に上げる)ように補正エンジンパワーＰＷeg´を算出し設定する。
【００４８】
また、この補正エンジンパワーＰＷeg´に基づいて新たに補正バッテリパワーＰＷb´を、
ＰＷb´＝ＰＷpws−ＰＷeg´
で算出する。
【００４９】
ただし、補正バッテリパワーＰＷb´がバッテリ充電要求パワーＰＷbcより小さい場合は、
ＰＷb´＝ＰＷbc
とし、補正バッテリパワーＰＷb´がバッテリ放電要求パワーＰＷbdよりも大きい場合は、
ＰＷb´＝ＰＷbd
とする。このとき、ＰＷeg´＝ＰＷpws−ＰＷb´によりエンジンパワーを算出し直す。
【００５０】
さらに、上記パワー配分に基づき、発電機兼電動機４のパワーを以下の式で求める。
【００５１】
ＰＷmg＝ＰＷpws−ＰＷeg
ＰＷmg:発電機パワー
Ｔｑmg＝ＰＷpws／ωmg
Ｔｑmg:発電機兼電動機４のトルク(発電機トルク)
ωmg:発電機兼電動機４の角速度(発電機兼電動機４の回転数から
求める)
こうして求められた発電機トルクが、パワー配分手段１４から図１のインバータ６に発電機トルク指令値として送られ、これに基づいて発電機兼電動機４が上記指令値通りの出力トルクとなるように制御される。
【００５２】
以上の制御により、バッテリ７の充放電パワー及びエンジンパワーがバッテリ７の充電量に応じて設定され、この設定値と、アクチュエータ要求パワーとに基づいてエンジン１と動力機４のパワー配分が行なわれるため、バッテリ７の充電量が一定範囲、つまりバッテリ能力を有効利用でき、かつ、過充電、過放電を防止してバッテリ７の劣化を抑制し得る範囲に保たれる。
【００５３】
また、バッテリ７の温度に応じて充放電パワーが設定されるため、この充放電パワーをバッテリ温度に対応した適正値とすることができる。
【００５４】
さらに、エンジンパワー設定手段１１においてエンジンパワーの下限値(ＰＷeg1)と上限値(ＰＷeg2)を定め、この下限値と上限値の間で、バッテリ７の充電量に応じてエンジンパワーを設定するため、この設定範囲をエンジンを高効率で運転し得る範囲として定めておくことにより、エンジン１の運転効率を高めることができる。
【００５５】
また、パワー配分手段１４において、エンジンの動特性に応じてエンジンパワーが変化するようにエンジンパワー設定値を補正するため、エンジンのパワー負担が急激に増加することによるエンジン回転数の低下やエンストを防止することができる。
【００５６】
以上の点により、エンジン１の高効率運転を行いつつバッテリ７の充電量をコントロールして、ハイブリッドシステムの動力源の性能を有効に利用することができる。
【００５７】
第２実施形態(図１０,１１参照)
第２実施形態では、蓄電装置としてキャパシタ１５を用いている。
【００５８】
この装置の基本システム構成としては、
イ)  図１のバッテリ７がキャパシタ１５に置き換えられている点、
ロ)  その制御器としてコンバータ１６が設けられている点、
ハ)  インバータ６とコンバータ１６とを結ぶ直流回路に直流電圧を検出する電圧センサ１７が設けられている点
以外は第１実施形態の場合と同じである。
【００５９】
また、コントローラ１８の構成において、図１１に示すように直流電圧制御手段１９が付加されている点のみが第１実施形態(図１,２)のコントローラ８と異なり、図１１中のキャパシタ充電量検出手段２０、キャパシタ温度検出手段２１、キャパシタパワー設定手段２２は、それぞれ図２中のバッテリ充電量検出手段９、バッテリ温度検出手段１０、バッテリパワー設定手段１２に相当する。
【００６０】
さらに、作用も基本的には第１実施形態と同じで、キャパシタ１５の充電量及び温度に応じて、キャパシタパワー設定手段２２で図３,４と同様な充放電特性が設定されるとともに、エンジンパワー設定手段１１において図５,６と同様なエンジンパワーの設定が行なわれる。
【００６１】
パワー配分手段１４においても、図７,８と同様の配分フローによってエンジン１とキャパシタ１５のパワー配分が行なわれる。
【００６２】
直流電圧制御手段１９では、インバータ６とコンバータ１６とを結ぶ直流回路の電圧をフィードバックすることにより、直流電圧が一定となるようにコンバータ１６に電流指令を出力する。
【００６３】
この第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果(エンジン１を高効率で運転しながらキャパシタ１５の充電量を一定範囲に保つ)を得ることができる。
【００６４】
ところで、上記実施形態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。
【００６５】
また、上記実施形態では蓄電装置(バッテリまたはキャパシタ)の充電量と温度の双方を検出する構成をとったが、充電量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充電量のみを検出する場合とに切換えるようにしてもよい。
【００６６】
さらに、蓄電装置としてバッテリとキャパシタの両者を併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】図１のコントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】バッテリの充電量及び温度に対する放電電力の特性を示す図である。
【図４】バッテリの充電量及び温度に対する充電電力の特性を示す図である。
【図５】バッテリ充電量に対するエンジンパワー１(下限値)の特性を示す図である。
【図６】バッテリ充電量に対するエンジンパワー２(上限値)の特性を示す図である。
【図７】パワー配分手段におけるパワー配分フローを示す図である。
【図８】図７の続きのパワー配分フローを示す図である。
【図９】エンジンパワーに関する応答性補正のフローを示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態を示すシステム構成図である。
【図１１】図１０の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】
【００６８】
１  エンジン
３  油圧ポンプ
４  発電機兼電動機(動力機)
６  動力機制御手段としてのインバータ
７  蓄電装置としてのバッテリ
８  コントローラ
９  バッテリ充電量検出手段
１０  バッテリ温度検出手段
１１  エンジンパワー設定手段
１２  バッテリパワー設定手段
１３  アクチュエータ要求パワー検出手段
１４  パワー配分手段
１５  蓄電装置としてのキャパシタ
１８  コントローラ
２０  キャパシタ充電量検出手段
２１  キャパシタ温度検出手段
２２  キャパシタパワー設定手段
【図１】
2005237178.tif 000003
【図２】
2005237178.tif 000004
【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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