(57)【要約】【課題】モータと発電機とを備えたハイブリッドシステムにおいて、昇降圧チョッパを使用することにより、バッテリの小型化、及び小電流化による銅損の低減を図るとともに、通常は発電機からの発電電力をモータに供給し、必要に応じてバッテリからの電力供給を加えることで電気エネルギー効率の向上を図る。【解決手段】オルタネータ１１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に蓄電し、またはインバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給し、モータ５を作動させる場合には、インバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介して、オルタネータ１１による発電電力、及び昇降圧チョッパ４４により昇圧されるバッテリ１４からの給電電力をモータ５に供給する。【選択図】図１
2005210869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、モータと、可変電圧可変周波数（以下、ＶＶＶＦ）インバータコンバータと、これらと接続して制御する制御手段と、発電機と、蓄電装置とを備えるハイブリッドシステムにおいて、
前記発電機による発電電力を、前記蓄電装置に蓄電し、またはインバータとして作動する前記ＶＶＶＦインバータコンバータを介して前記モータに供給し、
前記モータを作動させる場合には、インバータとして作動する前記ＶＶＶＦインバータコンバータを介して、前記発電機による発電電力及び前記蓄電装置からの給電電力を前記モータに供給することを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項２】
エンジンと、モータと、ＶＶＶＦインバータコンバータと、昇降圧チョッパと、これらと接続して制御する制御手段と、発電機と、蓄電装置とを備えるハイブリッドシステムにおいて、
前記発電機による発電電力を、前記昇降圧チョッパにより降圧して前記蓄電装置に蓄電し、またはインバータとして作動する前記ＶＶＶＦインバータコンバータを介して前記モータに供給し、
前記モータを作動させる場合には、インバータとして作動する前記ＶＶＶＦインバータコンバータを介して、前記発電機による発電電力、及び前記昇降圧チョッパにより昇圧される前記蓄電装置からの給電電力を前記モータに供給することを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項３】
前記エンジン起動時には、
前記モータを作動させてエンジンの起動を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッドシステム。
【請求項４】
前記エンジン起動終了後は、前記発電機を作動させて前記蓄電装置の蓄電を行い、
トルクアシスト要求が発生した場合には、前記モータを作動させてトルクアシストを行うことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれかに記載のハイブリッドシステム。
【請求項５】
前記モータによるトルクアシスト時には、
該モータを、インバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータにより、予め決定される速度指令に基づいて制御することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッドシステム。
【請求項６】
前記発電機によって行われる前記蓄電装置の蓄電時に、前記モータによる回生発電が行われた場合には、
前記ＶＶＶＦインバータコンバータをコンバータとして作動させるとともに、前記モータからの回生電力を、前記発電機による発電電力とともに前記蓄電装置に蓄電することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッドシステム。
【請求項７】
前記モータによるトルクアシスト時には、前記発電機による発電電力を前記モータに供給し、
最大トルク要求が発生した場合には、前記蓄電装置からの給電電力を前記昇降圧チョッパにより昇圧して前記モータに供給することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッドシステム。
【請求項８】
前記エンジンのクラッチの「入」「切」を検知する検知手段を設けて前記制御手段と接続し、該クラッチを切状態にすることにより、前記モータによる単独駆動を可能とすることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれかに記載のハイブリッドシステム。
【請求項９】
前記モータによる単独駆動時において、前記エンジンを停止させることによる該モータの単独作動を可能とすることを特徴とする請求項８に記載のハイブリッドシステム。
【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、エンジンによる駆動、エンジン及びモータによる駆動、並びにモータによる駆動が行われる駆動形態を有する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、エンジンとモータから機械的駆動力を得るという意味である。
【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、このようなハイブリッドシステムにおいては、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】
【特許文献１】特開２００３−２７９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする問題は、ハイブリッドシステムとしての機能を向上させるため、モータ出力の向上やバッテリ容量・電圧の増大を図ることが望ましいが、単純にこうした効果を得ようとすれば、モータやバッテリを大きくする必要が生じる点である。このようにモータやバッテリを大きくすれば、ハイブリッドシステムが適用される機体重量の増加の原因となり、また、機体の外形寸法などから確保できる設置スペースには限界がある。しかし、モータを駆動するには、バッテリから供給される電圧は高い方が有利である。
【０００５】
すなわち、前記従来のハイブリッドシステムの構成においては、バッテリからモータとして作動するモータジェネレータへの電力の供給、及び発電機として作動するモータジェネレータによるバッテリの蓄電は、それぞれインバータを介して行われており、各場合において電圧の昇圧や降圧などは施されておらず、バッテリによる所望の電圧などを得ようとするとバッテリを大きくする必要が生じる。
また、発電機として作動するモータジェネレータによって発電された電力は、一旦バッテリに蓄電され、モータジェネレータがモータとして作動する場合にバッテリからモータジェネレータへと供給される構成となっているが、これはバッテリの充放電効率の点から好ましいとは言えない。
【０００６】
そこで、本発明においては、モータと発電機とを備えたハイブリッドシステムにおいて、昇降圧チョッパを使用することにより、バッテリの小型化、及び小電流化による銅損の低減を図るとともに、通常は発電機からの発電電力をモータに供給し、必要に応じてバッテリからの電力供給を行うことで電気エネルギー効率の向上を図る。
また、モータによる適切なトルクアシストを行うことにより、エンジン負荷の平準化を図ることによるエンジンの小型化、及びエンジンの低速域でのトルクの向上・安定化を図る。
さらに、エンジンを停止させた状態でのモータ単独駆動を可能にすることにより、作業状況等に応じて騒音の低減及び燃費の向上を図る。
【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、モータと、可変電圧可変周波数（以下、ＶＶＶＦ）インバータコンバータと、これらと接続して制御する制御手段と、発電機と、蓄電装置とを備えるハイブリッドシステムにおいて、前記発電機による発電電力を、前記蓄電装置に蓄電し、またはインバータとして作動する前記ＶＶＶＦインバータコンバータを介して前記モータに供給し、前記モータを作動させる場合には、インバータとして作動する前記ＶＶＶＦインバータコンバータを介して、前記発電機による発電電力及び前記蓄電装置からの給電電力を前記モータに供給するものである。
【０００９】
請求項２においては、エンジンと、モータと、ＶＶＶＦインバータコンバータと、昇降圧チョッパと、これらと接続して制御する制御手段と、発電機と、蓄電装置とを備えるハイブリッドシステムにおいて、前記発電機による発電電力を、前記昇降圧チョッパにより降圧して前記蓄電装置に蓄電し、またはインバータとして作動する前記ＶＶＶＦインバータコンバータを介して前記モータに供給し、前記モータを作動させる場合には、インバータとして作動する前記ＶＶＶＦインバータコンバータを介して、前記発電機による発電電力、及び前記昇降圧チョッパにより昇圧される前記蓄電装置からの給電電力を前記モータに供給するものである。
【００１０】
請求項３においては、前記エンジン起動時には、前記モータを作動させてエンジンの起動を行うものである。
【００１１】
請求項４においては、前記エンジン起動終了後は、前記発電機を作動させて前記蓄電装置の蓄電を行い、トルクアシスト要求が発生した場合には、前記モータを作動させてトルクアシストを行うものである。
【００１２】
請求項５においては、前記モータによるトルクアシスト時には、該モータを、インバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータにより、予め決定される速度指令に基づいて制御するものである。
【００１３】
請求項６においては、前記発電機によって行われる前記蓄電装置の蓄電時に、前記モータによる回生発電が行われた場合には、前記ＶＶＶＦインバータコンバータをコンバータとして作動させるとともに、前記モータからの回生電力を、前記発電機による発電電力とともに前記蓄電装置に蓄電するものである。
【００１４】
請求項７においては、前記モータによるトルクアシスト時には、前記発電機による発電電力を前記モータに供給し、最大トルク要求が発生した場合には、前記蓄電装置からの給電電力を前記昇降圧チョッパにより昇圧して前記モータに供給するものである。
【００１５】
請求項８においては、前記エンジンのクラッチの「入」「切」を検知する検知手段を設けて前記制御手段と接続し、該クラッチを切状態にすることにより、前記モータによる単独駆動を可能とするものである。
【００１６】
請求項９においては、前記モータによる単独駆動時において、前記エンジンを停止させることによる該モータの単独作動を可能とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１８】
請求項１においては、発電機の発電電力と蓄電装置の電力によりモータに適切なトルクアシストを行うことができ、エンジンの小型化を図ることが可能となる。これにより、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。
【００１９】
請求項２においては、昇降圧チョッパを使用することにより、蓄電装置からモータへ供給される電圧を昇圧することができるため、蓄電装置からの出力（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これにより、昇降圧チョッパとＶＶＶＦインバータコンバータとを接続する配線、及びＶＶＶＦインバータコンバータとモータ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。
また、昇降圧チョッパを使用することにより、蓄電装置の小型化が図れる。つまり、モータに供給する電圧は、高いほどモータの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、蓄電装置を大きくする必要があるが、昇降圧チョッパを使用することで蓄電装置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、蓄電装置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。
【００２０】
請求項３においては、トルクアシストを行うモータを、エンジン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り、省スペース化を図ることが可能となるので、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。
【００２１】
請求項４においては、エンジン起動後には発電機による発電が常に行われ、トルクアシスト要求が発生した場合のみ、モータによるトルクアシストが行われるので、モータによる蓄電装置の蓄電とともに適切なトルクアシストを行うことが可能となり、一連の作動においてエンジンにかかる負荷を一定にすることができ、負荷率の向上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、モータによるトルクアシストによって、エンジン低速域におけるトルクの向上を図ることができるので、低速域におけるエンジントルクの安定に伴う燃費の向上や排気色の改善などの機関性能の向上、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の向上及び騒音の低減を図ることができる。
【００２２】
請求項５においては、モータによって適切なトルクアシストを行うことができ、これによりエンジンの出力が補われるので、エンジンの小型化を図ることができる。また、このモータ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。
【００２３】
請求項６においては、作業機などにおける作業部（ショベルのブーム等）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、発電機による蓄電装置への充電を補うことができる。
【００２４】
請求項７においては、モータによるトルクアシストが行われる場合、エンジンにかかる負荷が比較的安定している通常状態では、発電機による発電電力の供給のみでモータが作動し、この発電機による発電電力は、昇降圧チョッパを介して蓄電装置に蓄電されることなく、発電機からＶＶＶＦインバータコンバータを介して直接モータに供給されるので、発電機によって発電される電力とモータに供給される電力との間のエネルギー効率、延いてはシステム効率の向上が図れる。そして、最大トルク要求が発生した場合のみ、モータ５の電力供給に蓄電装置からの給電電力の供給が加わるので、適切なトルクアシストが行われることとなる。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が図れる。さらに、モータによる適切なトルクアシストが行われることによって、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。
【００２５】
請求項８においては、エンジンの駆動力が全て発電機の作動に用いられるので、該発電機による発電量を向上させるとともに、モータの特性としての低速域におけるトルクの安定性を有効に利用することができる。
【００２６】
請求項９においては、モータのみが作動している状態で、作業機などの走行が可能となるので、エンジンの作動による排気ガスの排出を停止させることや、騒音の低減及び燃費の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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はハイブリッドシステムのモータ駆動機能を示す説明図、図７は負荷パターンを示す図、図８は機関及びモータ出力と等馬力線の関係を示す図、図９はドループ特性線を示す図、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１２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１３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。
【００２８】
まず、本発明の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とモータ（電動機）５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１２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。
【００２９】
前記クラッチ部１２においては、モータ５の出力軸部５ａが、エンジン２のクランク軸に対して略垂直方向から、出力部６へ駆動力を伝達するように連結されている。つまり、クラッチ部１２は、エンジン２及びモータ５からの駆動力を出力部６に伝達するとともに、エンジン２の出力軸部４と、モータ５の出力軸部５ａと、出力部６とのそれぞれの連結・非連結（断接）の切り換えを行っている。このクラッチ部１２の切換操作は、後述のシフトアクチュエータ２１によって選択的に行われる。
【００３０】
また、エンジン２内には、発電機としてのオルタネータ１１が備えられており、該オルタネータ１１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と接続されている。昇降圧チョッパ４４は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されており、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、前記モータ５と接続されている。オルタネータ１１は、エンジン２の駆動にともなって発電し、該オルタネータ１１で発電される電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に蓄電されるか、または、昇降圧チョッパ４４を介することなくＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力され、モータ５に供給される。なお、本実施例では、発電機としてオルタネータ１１を用いて説明しているが、エンジン２の出力軸部４側に設けられるフライホイール型の発電機としてもよく、この場合は、発電機により発電された交流電力は整流器によって整流・平滑化され直流に変換される。
【００３１】
前記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、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４からなるインバータ部には電圧センサ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。
【００３２】
このような構成により、本ハイブリッドシステムにおいては、オルタネータ１１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に蓄電するか、またはインバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給し、該モータ５を作動させる場合には、インバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介して、オルタネータ１１による発電電力、及び昇降圧チョッパ４４により昇圧されるバッテリ１４からの給電電力をモータ５に供給することを特徴としている。
【００３３】
すなわち、モータ５を作動させる場合には、オルタネータ１１により発電された電力、及びバッテリ１４からの給電電力がモータ５に供給され、これにより、該モータ５が作動する。オルタネータ１１により発電された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介することなくＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。また、バッテリ１４から給電される直流電流は、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、オルタネータ１１の発電電力及びバッテリ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。これらの場合、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５に供給する。
【００３４】
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５の回転数及びトルクを制御する。モータ５の出力軸部５ａは、前述のようにクラッチ部１２にてエンジン２の出力軸部４と連結されており、モータ５が作動することにより、該モータ５の駆動力が出力部６に伝達されて、後述する本ハイブリッドシステムにおけるスタータ機能、アシスト機能、及びモータ駆動機能が発揮される。
【００３５】
そして、モータ５が回生状態になった場合は、該モータ５からの回生電力をバッテリ１４に蓄電するようにしている。モータ５からの回生電力は、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５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。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。
【００３６】
一方、オルタネータ１１を作動させる場合には、エンジン２の駆動力の一部または全部がオルタネータ１１の作動に用いられ、このエンジン２からの駆動力によりオルタネータ１１が作動して発電が行われる。エンジン２の駆動によりオルタネータ１１で発電された直流電力は、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。また、このオルタネータ１１により発電された直流電力は、前述したように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給される。
【００３７】
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５を作動させる場合には、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５が回生状態になった場合には、該モータ５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。
【００３８】
このように、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５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５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。
【００３９】
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５に供給する電圧は、高いほどモータ５の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。
【００４０】
一方、エンジン２の駆動力（回転数）の調整は、操作部８に配設されるモード切換スイッチ（図示略）や、レギュレータレバー等の操作レバー９等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。
【００４１】
前記モード切換スイッチは、システムコントローラ７と接続されており、該モード切換スイッチを操作すると、モード切換スイッチの切換位置に対応したモード信号がシステムコントローラ７に入力され、該システムコントローラ７により本ハイブリッドシステムのモード（駆動形態）が切り換えられて、各モードに対応した制御が行われるようにしている。
具体的には、図２に示すように、モード切換スイッチの操作によるモードの切り換えにより、出力部６をエンジン２により駆動しつつ、モータ５により駆動をアシストする「エンジン＋モータ」モードと、出力部６をエンジン２のみにより駆動し、オルタネータ１１の発電によるバッテリ１４の充電をともなう「エンジン＋発電機」モードと、クラッチ部１２において、エンジン２の出力軸部４と出力部６とを非連結状態（クラッチ切状態）にして出力部６をモータ５のみにより駆動する「モータ」モードと、の３種類のパターンにより行うことを可能としている。
【００４２】
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。
【００４３】
シフトアクチュエータ２１は、前記クラッチ部１２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１２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、エンジン２の出力軸部４から出力部６、モータ５の出力軸部５ａと出力部６、出力軸部４と出力軸部５ａ、それぞれの駆動力の断接を選択的に行うことを可能としている。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。つまり、このポテンショメータが、クラッチ部１２のクラッチの「入」「切」を検知する検知手段に相当する。
【００４４】
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）の調整を行っている。ただし、後述するモータ５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５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。
【００４５】
以上のように構成される本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前述のポテンショメータとが接続されている。
【００４６】
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。
【００４７】
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５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５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５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５の交流電圧は、該モータ５を作動させるときに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。
【００４８】
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。
【００４９】
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とを備えており、各動作モードの動作状態におけるモータ５及びオルタネータ１１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）、充電（発電）機能（図５参照）、及びモータ駆動機能（図６参照）を有している。以下、各動作モードについて説明する。
【００５０】
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５に電力を供給して、該モータ５を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５に供給される。このようにして、モータ５が作動する。このモータ５の駆動軸は、クラッチ部１２を介してエンジン２の出力軸部４と連結されており、該出力軸部４はエンジン２のクランク軸と常時同期回転するため、モータ５を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。
【００５１】
このように、トルクアシストを行うモータ５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り、省スペース化を図ることが可能となるので、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。
【００５２】
そして、エンジン２の起動終了後は、エンジン２が作動している状態ではオルタネータ１１も作動状態となっており、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５を作動させてトルクアシストを行う。
【００５３】
図４には、モータ５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５を作動させ、このモータ５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。
【００５４】
また、モータ５によって行われるトルクアシストは、エンジン２の駆動力に対するもの（エンジンアシスト）に限定されるものではない。すなわちこの場合、モータ５の出力軸部５ａを、作業機などのクローラや走行車輪の車軸にクラッチ等を介して連結し、エンジン２自体はモータ５を作動させるための電力を発電する発電機としての機能を果たす構成となる。
【００５５】
モータ５によるトルクアシストは、前述したように、オルタネータ１１による発電電力及びバッテリ１４からの給電電力がモータ５に供給され、該モータ５が作動することによって行われる。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５を駆動させる。この時エンジン２も駆動しており、モータ５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。そして、モータ５によるトルクアシストは、通常、オルタネータ１１による発電電力によって行われており、後述する「最大トルク要求が発生した場合」にのみ、オルタネータ１１による発電電力に加え、バッテリ１４からの給電電力がモータ５へ供給される。
【００５６】
トルクアシストを行う際、オルタネータ１１による発電電力がモータ５に供給されるが、この場合、オルタネータ１１からの発電電力は、昇降圧チョッパ４４を介することなくＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。そして、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７から送信される速度指令に従い、モータ５へトルク指令を送信してモータ５を制御する。つまり、モータ５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によってその作動が制御される。
【００５７】
具体的に、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への速度指令の内容としては、エンジン２にかかる負荷が高い場合、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータ５へのトルク指令を増加させるようなものとなり、逆に、エンジン２にかかる負荷が低い場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータ５へのトルク指令を減少させるようなものとなる。
【００５８】
このように、モータ５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５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。
【００５９】
また、前述の「最大トルク要求が発生した場合」とは、エンジン２に対する負荷トルクが該エンジン２の有する機関最大トルクを上回った場合、またはこの機関最大トルクに一定以上近付いた場合が相当する。そして、この最大トルク要求が発生した場合は、オルタネータ１１からモータへの電力供給に、バッテリ１４からの電力供給が加わる。この場合、システムコントローラ７が、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から昇降圧チョッパ４４に電力が供給されるようになり、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５に供給される。
すなわち、本ハイブリッドシステムにおける「エンジン＋モータ」モードにおいて、モータ５によるトルクアシストが行われている場合、エンジン２にかかる負荷が比較的安定している状態では、モータ５に供給される電力はオルタネータ１１による発電電力のみであり、負荷が高くなって最大トルク要求が発生した場合のみ、バッテリ１４からの給電電力が加わる。
【００６０】
このように、モータ５によるトルクアシストが行われる場合、エンジン２にかかる負荷が比較的安定している通常状態では、オルタネータ１１による発電電力の供給のみでモータ５が作動し、このオルタネータ１１による発電電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に蓄電されることなく、オルタネータ１１からＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介して直接モータ５に供給されるので、オルタネータ１１によって発電される電力とモータ５に供給される電力との間のエネルギー効率、延いてはシステム効率の向上が図れる。そして、最大トルク要求が発生した場合のみ、モータ５への電力供給にバッテリ１４からの給電電力の供給が加わるので、適切なトルクアシストが行われることとなる。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２の小型化が図れる。さらに、モータ５による適切なトルクアシストが行われることによって、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。
【００６１】
図５には、オルタネータ１１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及びオルタネータ１１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の余剰トルク分をオルタネータ１１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の駆動によってオルタネータ１１が作動して発電が行われ、このオルタネータ１１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。
オルタネータ１１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。オルタネータ１１によって発電された直流電力は、昇降圧チョッパ４４にて降圧されて、バッテリ１４に蓄電される。
【００６２】
また、本ハイブリッドシステムにおいては、オルタネータ１１によって行われるバッテリ１４の蓄電時に、モータ５による回生発電が行われた場合には、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５からの回生電力を、オルタネータ１１による発電電力とともにバッテリ１４に蓄電することを特徴としている。
この場合、モータ５の出力軸部５ａは、クラッチ部１２において連結状態となっており、回生時における出力部６またはエンジン２の出力軸部４の駆動によってモータ５が駆動され、該モータ５が発電機として作用して回生発電を行う。そして、このモータ５の回生発電による発電電力は、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。
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。
【００６３】
このように、モータ５によるバッテリ１４の蓄電に、該モータ５の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、オルタネータ１１によるバッテリ１４への充電を補うことができる。
【００６４】
また、同じくオルタネータ１１による発電によってバッテリ１４の蓄電が行われている場合において、オルタネータ１１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、発電機としてのオルタネータ１１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、このオルタネータ１１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。
【００６５】
図６には、モータ５の駆動力のみが出力部６に伝達され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。すなわち、クラッチ部１２においてエンジン２の出力軸部４と出力部６とは非連結状態（クラッチ切状態）となっており、エンジン２の駆動力は出力部６へ伝達されず、モータ５の駆動力のみによって作業負荷に対応するモータ単独駆動状態としての「モータ」モードである。
【００６６】
このモードにおいては、エンジン２が作動している場合、エンジン２の駆動力はオルタネータ１１の作動にのみ用いられ、このオルタネータ１１による発電電力がモータ５に供給され、該モータ５が作動する。そして、作業負荷が高くなったとき等は、オルタネータ１１からの発電電力に加え、バッテリ１４からの給電電力がモータ５へ供給される。
【００６７】
また、このモータ単独駆動状態において、エンジン２が停止している場合、モータ５に供給される電力は、バッテリ１４からの給電電力のみであり、このバッテリ１４からの給電電力によってモータ５が作動するモータ単独作動状態となる。この場合、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、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給される。
【００６８】
このように、出力部６への駆動力の供給がモータ５のみによって行われるモータ単独駆動状態を可能とすることにより、エンジン２の駆動力が全てオルタネータ１１の作動に用いられるので、オルタネータ１１による発電量を向上させるとともに、モータの特性としての低速域におけるトルクの安定性を有効に利用することができる。
また、このモータ単独駆動状態において、エンジン２の停止状態であるモータ単独作動状態では、モータ５のみが作動している状態で、作業機などの走行が可能となるので、エンジン２の作動による排気の防止や、騒音の低減及び燃費の向上を図ることができる。このモータ単独作動状態による騒音低減は、例えば、本ハイブリッドシステムを農作業機に適用した場合など、早朝時に、納屋などから実際に作業を行う圃場までの移動時にその効果を得ることができる。
【００６９】
以上の図３から図６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５によるスタータ機能が発揮される動作モードである。Ｍ２及びＭ３は、図４を用いて説明したモータ５によるアシスト機能が発揮される動作モードであり、Ｍ２は、モータ５への電力の供給がオルタネータ１１及びバッテリ１４によって行われる動作モードで、Ｍ３は、モータ５への電力の供給がオルタネータ１１のみによって行われる動作モードである。Ｍ４からＭ６は、図５を用いて説明したオルタネータ１１による充電（発電）機能が発揮される動作モードであり、Ｍ４は、オルタネータ１１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、Ｍ５は、オルタネータ１１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５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Ｍ６は、Ｍ５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５は停止状態で、オルタネータ１１によるバッテリ１４の充電のみが行われる。Ｍ７からＭ９は、図６を用いて説明したモータ５の駆動力のみが出力部６に伝達されるモータ駆動機能が発揮される動作モードであり、Ｍ７は、モータ５への電力供給がオルタネータ１１及びバッテリ１４によって行われる動作モードで、Ｍ９は、モータ５への電力供給がオルタネータ１１のみによって行われる動作モード、Ｍ８は、エンジン２が停止状態のモータ単独作動状態の動作モードである。
【００７０】
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（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５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ので、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。
【００７１】
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５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５の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５のモータ出力に対応したものとなる。
【００７２】
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。
【００７３】
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５によるトルクアシスト及びオルタネータ１１の発電電力によるバッテリ１４の蓄電の制御を行い、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５に対するトルク指令を増加させ、該モータ５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５に対するトルク指令を減少させ、オルタネータ１１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。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５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５へ送られる信号であり、この機関回転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。
【００７４】
ここで、前記速度指令値の算出方法について説明する。速度指令値とは、システムコントローラ７にて算出され、モータ５を制御するＶＶＶＦインバータコンバータ４２に送信される速度指令としての機関回転数のことであり、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７を用いて説明する。
【００７５】
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。
【００７６】
図７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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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（以下、速度指令値Ｎａ）とされる。
【００８０】
ところで、図８において、横軸はエンジン２及びモータ５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。
【００８１】
ドループ特性線Ｄ１・Ｄ２は、図９（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）。
【００８２】
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９（ｂ）に示すように略直線になるのである。
【００８３】
図９（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。
【００８４】
図９（ａ）は、図９（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。
【００８５】
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８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、前述したように、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。エンジン２の平均出力Ａでの等馬力線は、図８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機関回転数である速度指令値Ｎａとなる。本制御の目的としては、モータ５によるトルクアシスト及びオルタネータ１１による発電により、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。
【００８６】
図８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５によるトルクアシスト（オルタネータ１１からモータ５への電力供給）及びオルタネータ１１の発電電力によるバッテリ１４の蓄電は行われない。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、オルタネータ１１からの発電電力をモータ５に供給して該モータ５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オルタネータ１１の発電電力によってバッテリ１４の蓄電を行うように制御する。
【００８７】
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５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５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。
【００８８】
モータ５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５によってトルクが加えられ、エンジン２とモータ５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５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５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５へ送信されるトルク指令を増加させ、該モータ５によるトルクアシストを行うのである。
【００８９】
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オルタネータ１１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５へ送信されるトルク指令を減少させ、オルタネータ１１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。
【００９０】
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。
【００９１】
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５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５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。
【００９２】
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、オルタネータ１１からモータ５へと電力を供給して該モータ５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の駆動力を用いてオルタネータ１１によって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。
【００９３】
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、オルタネータ１１によって発電される直流電流が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５に供給する。そして、モータ５によるトルクアシストが行われる。
【００９４】
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オルタネータ１１の作動に用いられ、該オルタネータ１１より発電された直流電力は、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、オルタネータ１１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。
【００９５】
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、バッテリ１４の充放電にともなうモータ５の作動によって、モータ５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。
【００９６】
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５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１０を用いて説明する。
【００９７】
図１０は、図８に示した機関最大トルク曲線ＴＰｅに加え、モータ５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５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５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。
【００９８】
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５に対するトルク指令を増加させ、該モータ５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５に対するトルク指令を増加させ、該モータ５によるトルクアシストを行うように制御する。
【００９９】
このように、機関回転数Ｒ１からＲ２までの低速域において、モータ５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５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１０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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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５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５に対するトルク指令を増加させ、該モータ５によりトルクアシストを行うように制御する。
【０１０２】
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５に対するトルク指令が増加され、該モータ５によるトルクアシストを行うように制御する。
【０１０３】
図１０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５によるトルクアシストが行われる。
【０１０４】
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５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５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。
【０１０５】
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５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５に対するトルク指令を増加させ、該モータ５によりトルクアシストを行うように制御する。
【０１０６】
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５に対するトルク指令が増加され、該モータ５によるトルクアシストを行うように制御する。
【０１０７】
図１０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５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５によるトルクアシストが行われる。
【０１０８】
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５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。
【０１０９】
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５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５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。
【０１１０】
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５によるトルクアシスト及びオルタネータ１１による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１１を用いて説明する。
【０１１１】
図１１（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。
【０１１２】
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５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、オルタネータ１１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５によるトルクアシスト及びオルタネータ１１による発電を行うことで、機関回転変動を抑制する。
【０１１３】
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５によるトルクアシストまたはオルタネータ１１による発電を行い、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５を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、オルタネータ１１を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。
【０１１４】
これを、例えば前述した図１１（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５を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、オルタネータ１１を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。
【０１１５】
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５によるトルクアシスト及びオルタネータ１１による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。
【０１１６】
また、図１１（ｂ）上図は、前述の機関回転変動時に行われるモータ５によるトルクアシスト及びオルタネータ１１による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５を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、オルタネータ１１を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５及びオルタネータ１１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５によるトルクアシスト及びオルタネータ１１による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５によるトルクアシスト及びオルタネータ１１による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５によるトルクアシスト及びオルタネータ１１による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。
【０１１７】
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５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、オルタネータ１１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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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５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５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５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５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。
【０１２２】
まず、バッテリ１４の充電状態（以下、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ））とする。）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の駆動によりオルタネータ１１にて発電された直流電力は、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に蓄電されるか、または、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５へ供給される。そして、モータ５は、通常、オルタネータ１１からの発電電力のみで駆動しており、前述した最大トルク要求が発生した場合のみ、バッテリ１４からの給電が加えられる。このため、バッテリ１４の充電量が不足すると、最大トルク要求が発生した場合に適切なモータ５への電力供給を行うことができずに、作業負荷に対するモータ５による適切なトルクアシストが行われなくなる。つまり、このような事態を予め防止することが、本制御を行う目的である。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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１２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１３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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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５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５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５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５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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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、オルタネータ１１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５によるトルクアシストの制御に移行する。
【０１２９】
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５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５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５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。
【０１３０】
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からの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５のトルクアシストにともなうバッテリ１４の放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５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。
【０１３１】
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５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５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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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】
【０１３４】
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】
【０１３５】
【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】ハイブリッドシステムのモータ駆動機能を示す説明図。
【図７】負荷パターンを示す図。
【図８】機関及びモータ出力と等馬力線の関係を示す図。
【図９】ドループ特性線を示す図。
【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】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１２】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１３】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】
【０１３６】
２    エンジン
５    モータ
７    システムコントローラ
９    操作レバー
１１    オルタネータ
１２    クラッチ部
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
４２    ＶＶＶＦインバータコンバータ
４４    昇降圧チョッパ
【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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