CN105517868B - 混合动力式工程机械 - Google Patents

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CN105517868B
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星野雅俊
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种混合动力式工程机械，将蓄电装置的余量维持在恰当范围内，同时使发动机在恰当的运转状态下动作。其具有通过如下的调节器特性来控制发动机的控制器，在上述调节器特性中，负荷转矩与转速之间的关系具有转速随着负荷转矩的增加而减少那样的规定斜度。控制器内的目标发动机动力运算部(2‑5)根据来自负荷动力运算部(2‑1)以及充放电要求运算部(2‑3)的输出值的增减来运算增减的第1目标发动机动力，目标转速运算部(2‑6)将转速‑转矩特性线图中的由调节器特性变更部(2‑4)变更的调节器特性线与依照第1目标发动机动力的等动力线之间的交点处的转速作为电动发电机的目标转速指令值而算出。

Description

混合动力式工程机械
技术领域
本发明涉及作为动力源而具有发动机和电动发电机的混合动力式工程机械，该电动发电机与发动机机械连接而进行发动机的动力辅助。
背景技术
以节能化(低燃料消费化)或减少从发动机排出且成为环境负担原因的废气(二氧化碳和氮氧化物、颗粒状物质等)的量为目的，已知一种在发动机的基础上作为动力源还具有电动发电机的混合动力式工程机械。为了节能化、减少成为环境负担原因的废气量，尤其重要的是使发动机在恰当的运转条件下动作。在混合动力式工程机械中，通过以使对作业必要的动力恰当地向液压泵分配的方式控制发动机和电动发电机这2个动力源，而能够使发动机在恰当的运转状态下动作。
关于恰当地进行发动机与电动发电机的动力分配的方法，已知专利文献1和专利文献2所示的技术。在专利文献1中，对作为液压泵所要求的动力的泵要求动力和与基于加速信号而决定的发动机的目标转速相对应的发动机最大动力进行比较，从而将发动机最大动力相对于泵要求动力的盈亏部分作为电动发电机动力而算出。而且，依照因泵要求动力的运算值与实际值之间的差距而产生的与发动机转速的偏差，来修正电动发电机动力，由此实现发动机以及电动发电机的动力分配。
此外，在专利文献2中，基于作为致动器所要求的动力的致动器要求动力、与在使蓄电装置的充电量维持在固定范围内的方向上设定的充电量相对应的充电动力、以及根据发电动力和蓄电装置的充电量而设定的发动机动力，来表示决定发动机以及电动发电机的动力分配的方法。
在先技术文献
专利文献1：日本专利第4725406号公报
专利文献2：美国专利申请公开第2007/0187180号说明书
发明内容
上述专利文献1中的动力分配方法构成为：由与基于加速信号而决定的发动机的目标转速对应的发动机最大动力来驱动发动机，且将发动机动力相对于泵要求动力的盈亏部分作为由电动发电机承担的动力运行/再生动力。即，发动机始终以与加速信号相对应的最大动力来持续动作。由此，将导致发动机始终最大地喷射燃料且持续进行。当从节能的观点考虑时，这难以被称为恰当的运转状态。
此外，在专利文献1的混合动力式工程机械中，没有监视向发电及电动机交接电力的蓄电装置的充电量。由此，在泵要求动力少的状态(轻作业)持续的情况下，发动机最大动力的剩余量由电动发电机作为再生动力来利用，从而导致蓄电装置成为过充电。另一方面，在泵要求动力多的状态(重作业)持续的情况下，发动机最大动力的不足量由电动发电机作为再生动力来利用，从而导致蓄电装置成为过放电。
在专利文献2的技术中，进行了监视蓄电装置的充电量的动力分配。然而，在该技术中，根据蓄电装置的充电量而变更发动机的动力，由此使发动机以最大动力持续动作的专利文献1的技术不能与专利文献2的技术直接组合。
而且，专利文献1、2在基于泵要求动力或者致动器要求动力的推定来进行动力分配时，由动力(转矩)控制电动发电机。然而，在该构成中，在难以得知要求动力的真值时，会产生如下问题点。
图16的(a)设想了如下情况：在发动机以作为最大动力60kW的转速Na动作时，实际的要求动力(泵、致动器)消耗了50kW，但将要求动力略少地运算为40kW。若依照专利文献1或2的运算，为了消除发动机动力：60kW与要求动力(运算值)：40kW之间的盈亏，电动发电机的动力以进行20kW量的再生的方式算出。如此，对发动机施加要求动力(真值)：50kW与电动发电机的再生动力：20kW的合计：70kW。
通常，由于与发动机相比电动发电机的输出应答迅速，所以当以上的运算值被指令时，发动机将立刻成为10kW量的过负荷状态。其结果是，在经过一定时间之后，发动机转速将如图16的(b)所示地向Nb减少，据此发动机的最大动力也将减少。像这样，当基于要求动力的错误的推定值来运算电动发电机的动力时，会产生非意图的发动机转速的下降。而且，当上述状态持续时，发动机的转速将进一步下降，最终导致熄火。
在专利文献1中，虽然为了避免以上的状态，依照目标转速与实际转速的偏差来运算修正动力，欲修正电动发电机的动力，但在这期间如图16的(b)所示，无法使发动机以所期望的动力(转速Na中的最大发动机动力)动作。
而且，根据专利文献1的第2发明，由于泵动力也会被修正，所以担心无法确保作业性。而且，在混合动力式工程机械中，为了节能化而使发动机小型化，在大多情况下发动机转矩比以往的工程机械低。由此，在发生上述问题的情况下，有可能在使转速降低至Nb期间导致发动机熄火。
本发明是鉴于以上问题点而做出的，其目的在于，提供一种混合动力式工程机械，其能够将蓄电装置的余量维持在恰当范围内，同时使发动机在恰当的运转状态下动作。
为了实现上述目的，本发明的混合动力式工程机械的特征在于，其具有：发动机；由所述发动机驱动的液压泵；由从所述液压泵排出的液压油驱动的液压作业部；在与所述发动机之间进行转矩的传递的电动发电机；向所述电动发电机供给电力的蓄电装置；和通过如下的调节器特性控制所述发动机的控制器，在所述调节器特性中，负荷转矩与转速之间的关系具有转速随着负荷转矩的增加而减少那样的规定斜度，所述控制器具有：变更所述调节器特性的设定的调节器特性变更部；运算发动机轴上的负荷动力的负荷动力运算部；运算所述蓄电装置的余量的蓄电余量运算部；基于所述蓄电余量运算部的输出来运算为了将所述蓄电装置的电力维持在恰当范围内所必要的充电/放电要求的充放电要求运算部；运算所述发动机的目标动力的目标发动机动力运算部；运算所述电动发电机的目标转速指令的目标转速运算部；依照由所述目标转速运算部运算出的目标转速指令值而控制所述电动发电机的电动发电机控制部，所述目标发动机动力运算部根据来自所述负荷动力运算部以及所述充放电要求运算部的输出值的增减来运算增减的第1目标发动机动力，所述目标转速运算部将转速-转矩特性线图中的由所述调节器特性变更部变更的调节器特性线与依照所述第1目标发动机动力的等动力线之间的交点处的转速作为所述电动发电机的目标转速指令值而算出。
本发明构成为，将由具有转速随着负荷转矩的增加而减少那样的规定斜度的调节器特性(以下，为了简化称为“下垂特性”)控制的发动机、和依照目标转速指令而控制的电动发电机组合，由此起到能够自如地控制发动机的动力的优异效果。使用图14来具体说明该效果。首先，依照图14的(a)说明以具有下垂特性的发动机单体的动作。
下垂特性中，无负荷时付与了转速N0，最大动力时付与了转速N1。由于具有下垂特性的发动机的转矩由该直线状决定，所以具有负荷转矩越高而转速越低的特征。例如，以在相对于发动机的负荷为负荷动力A时发动机转速成为Ne1，在相对于发动机的负荷为负荷动力B时发动机转速成为Ne2的方式调速。
接着，在图14的(b)中说明组合有依照目标转速指令来控制的电动发电机的情况下的动作。当以下垂特性线与依照目标发动机动力的等动力线之间的交点I处的转速N＊来付与对电动发电机的目标转速时，与电动发电机机械连接的发动机以与电动发电机相同的转速的N＊动作。于是，发动机依照下垂特性而输出与转速N＊对应的转矩T＊(动力P＊＝T＊×N＊)。此时，实际的负荷动力与发动机动力之间的动力差会通过电动发电机的转速控制而自动消除。
此外，由于电动发电机的输出应答相对于发动机迅速，所以在液压泵的动力急剧地变化的情况下，电动发电机以使因负荷变化而稍微产生的转速偏差立刻消除的方式动作。即，电动发电机以保证“负荷变化后的动力差”的方式输出动力。通过以上的动作，发动机转速迅速保持在N＊，由此能够使发动机动力固定在P＊。
而且，即使在不能正确地得知液压泵动力或发动机辅机动力等的负荷动力的情况下，只要对电动发电机指令目标转速N＊，就能够将发动机动力持续固定在P＊，因此相对于在先技术而具有能够实现稳健性(Robust)的动力控制的优点。
从以上可以明确，在本发明的构成中，通过控制电动发电机的目标转速N＊，能够使发动机的实际动力以目标发动机动力P＊来动作。此外，能够以目标动力来维持发动机的情况是指使发动机在接近于稳定状态的恰当运转状态下动作。由此，由于发动机在稳定状态下燃烧稳定，所以能够实现节能化和具有环境负担的废气的抑制。
而且，在本发明中以根据负荷动力运算部和充放电要求运算部的输出值而增减的方式设定发动机的目标动力。由此，能够避免轻率地将目标发动机动力持续设定得低的情况，因此，能够抑制基于电动发电机的动力运行频率，从而抑制蓄电装置的电力消耗。由此，能够避免陷入蓄电余量不足而不能辅助从而熄火那样的事态。同样地，能够避免将目标发动机动力持续设定得高，能够抑制基于电动发电机的再生频率，从而能够抑制对蓄电装置的过充电。即，能够将蓄电装置的余量维持在恰当范围内，同时使发动机在恰当的运转状态下动作。
发明的效果
根据本发明，能够将蓄电装置的余量维持在恰当范围，同时使发动机在恰当的运转状态下动作。另外，上述以外的课题、构成以及效果通过以下的实施方式的说明可以明确。
附图说明
图1是本发明的实施方式的混合动力式挖掘机的侧视图。
图2是表示图1所示的混合动力式挖掘机的液压驱动装置的图。
图3是表示图2所示的控制器的内部结构的图。
图4是表示图3所示的负荷动力运算部的第1例的图。
图5是表示图3所示的负荷动力运算部的第2例的图。
图6是表示基于模式开关选择产生的可变速率限制器的变化的图。
图7是表示基于可动力运行量产生的可变速率限制器的变化的图。
图8是表示基于可再生量产生的可变速率限制器的变化的图。
图9是说明图3所示的目标动力修正部的运算内容的图。
图10是说明图3所示的目标转速运算部的运算内容的图。
图11是基于图2所示的控制器的处理的活动图。
图12是基于图3所示的目标发动机动力运算部的处理的活动图。
图13是本发明的实施方式的混合动力式挖掘机的各种动力、目标转速、蓄电余量的时间序列图。
图14是表示基于由具有下垂特性的发动机和转速控制驱动的电动发电机的控制动作的图。
图15是表示图2所示的控制器的内部结构的变形例的图。
图16是表示以往技术的发动机的控制动作的图。
具体实施方式
基于附图说明本发明的实施方式。图1是表示作为本发明的一个实施方式的混合动力式挖掘机的整体构成的侧视图。如图1所示，本发明的实施方式的混合动力式挖掘机(混合动力式工程机械)具有行驶体16-1以及旋转体16-2。行驶体16-1具有通过分别搭载在车身左右侧的左行驶用液压马达16-10和未图示的右行驶用液压马达而使混合动力式挖掘机行驶的功能。
旋转体16-2通过旋转机构16-13相对于行驶体16-1旋转，且在旋转体16-2的前部一侧(例如朝向前方而在右侧)具有进行挖掘作业的动臂16-3、斗杆16-4以及铲斗16-5。由上述动臂16-3、斗杆16-4以及铲斗16-5构成前作业机。动臂16-3、斗杆16-4以及铲斗16-5分别由液压缸16-9、液压缸16-8以及液压缸16-7驱动。此外，旋转体16-2具有驾驶室16-6，操作者搭乘在驾驶室16-6中从而操作混合动力式挖掘机。
接下来，对本实施方式的混合动力式挖掘机的液压驱动装置进行说明。图2是表示本实施方式的混合动力式挖掘机的液压驱动装置的整体构成的图。如图2所示，本实施方式所使用的液压驱动装置是用于作为混合动力式挖掘机的液压作业部的前作业机(16-3、16-4、16-5)、旋转体16-2、以及行驶体16-1的驱动中的装置，且具有：发动机1-1；检测发动机转速的转速传感器1-6；调整发动机1-1的燃料喷射量的调节器1-7；由发动机1-1驱动的可变容量型液压泵(以下仅称为“液压泵”)1-3；配置在发动机驱动轴上的电动发电机1-2；蓄电装置1-19；作为电动发电机控制部2-7(参照图3)的逆变器1-9，电动发电机控制部2-7控制电动发电机1-2而根据需要在与蓄电装置1-19之间交接电力；和控制器1-8，其控制调节器1-7，且调整燃料喷射量而控制发动机转速，并且经由逆变器1-9而控制电动发电机1-2。
从液压泵1-3排出的液压油经由阀装置1-4供给至液压致动器1-5(液压缸16-7、16-8、16-9等)。由该液压致动器1-5而驱动混合动力式挖掘机的各种液压作业部。此外，在液压泵1-3上具有计测排出的液压油的压力的排出压传感器1-16、计测流量的流量传感器1-17、计测泵倾转的倾转角传感器1-20等的各种传感器，且能够以该传感器值为基础由控制器1-8实施泵负荷的运算。该构成能够利用于本发明的“负荷动力运算部”。
调整器1-14以及电磁比例阀1-15是用于调整液压泵1-3的容量(排油容积)的部件。调整器1-14通过操作液压泵1-3的斜盘的倾转角来控制液压泵1-3的吸收动力。电磁比例阀1-15通过由控制器1-8运算出的驱动信号来控制调整器1-14的动作量。
蓄电装置1-19通过由蓄电池或电容器构成的蓄电器1-10、和附设在该蓄电器1-10上的电流传感器1-11、电压传感器1-12、温度传感器1-13等构成，且从由上述传感器检测到的电流、电压、温度等信息，由控制器1-8进行蓄电量的管理。以上的构成利用于本发明的“蓄电余量运算部”以及“蓄电装置管理部”。
接下来，具体说明控制器1-8。图3是表示控制器1-8的内部结构的图。另外，虽然发动机1-1、液压系统、各种电装部件等也由控制器1-8实施某些控制，但由于与本发明无直接关联，所以图3中省略上述构成。
如图3所示，控制器1-8起到如下作用：依照负荷动力运算部2-1、蓄电余量运算部2-2、调节器特性变更部2-4、车身状态管理部2-8、要求泵流量运算部2-9的运算结果，来运算液压泵1-3的目标倾转角而向泵控制部2-11输出，并依照上述运算结果来运算电动发电机1-2的目标转速指令值而向电动发电机控制部2-7输出。
以图4表示负荷动力运算部2-1的实现方法例。在图4中构成为，从发动机1-1与电动发电机1-2的动力之间的和来计算负荷动力。当采用该构成时，由于在计算中包括发动机1-1的轴动力，所以能够包括辅机类(例如空调等)的负荷地求出负荷动力。此外，也可以考虑来自基于发动机的加减速的惯性体(主要为飞轮)的能量交接。这从设在液压泵1-3上的传感器组来计算负荷动力的情况下是难以考虑的。
在图4的运算中，从发动机转速检测部3-1与发动机转矩检测部3-2之间的积来计算发动机动力。发动机转矩检测部3-2可以在发动机1-1上连接转矩表而直接地计测转矩，也可以从燃料喷射量等间接地进行运算。同样地，虽然电动发电机转矩检测部3-4也可以使用转矩表，但也可以采取从电动发电机1-2或者逆变器1-9的电流值间接地进行运算的方法。
虽然动力变换3-5、3-6的基本功能为通过转矩与转速之间的积来进行对动力的变换，但考虑各种效率也包括能够计算发动机轴上的负荷那样的变换。最后，将得到的发动机动力与电动发电机动力由加算部3-7进行加算，由此进行负荷动力的推定。
此外，在图5中表示负荷动力运算部2-1的另一实现方法例。在该方法中，在图4的负荷动力运算方法的基础上，使用泵压力检测部4-1和泵流量检测部4-2而求出液压泵1-3的输出，由此进行负荷动力的计算。
泵流量检测部4-2可以使用流量仪而直接地检测液压泵1-3的排出流量，也可以通过以操作杆操作量和泵指令压等的控制指令值及液压泵1-3的倾转角为基础间接地计算排出流量的方法来实现。此外，也可以直接利用要求泵流量运算部2-9的输出值。
对由动力变换4-3计算的液压泵1-3所排出的泵动力除以泵效率4-4，由此运算出液压泵1-3的吸收动力。由此，能够运算出发动机轴上的负荷动力。在图5中，采取如下方式：将以液压泵1-3的传感器为基础而求出的第1负荷动力和从发动机1-1与电动发电机1-2的动力之和求出的第2负荷动力中较大一方作为最终输出。通过采取该方法，由于将负荷始终估算得多，所以能够避免因动力不足而造成的熄火或操作感的恶化。
回到图3，蓄电余量运算部2-2利用附设在蓄电器1-10上的电流传感器1-11、电压传感器1-12、温度传感器1-13的值而算出蓄电装置1-19的蓄电余量。充放电要求运算部2-3为了将蓄电器1-10的电力维持在恰当范围内而运算对于电动发电机1-2的动力运行/再生要求。具体来说，以使由蓄电余量运算部2-2运算出的蓄电余量追随于充放电要求运算部2-3在内部所运算的目标蓄电余量的方式计算动力运行/再生要求。这例如能够通过当蓄电余量比目标蓄电余量高时输出动力运行要求，另一方面当蓄电余量比目标蓄电余量低时输出再生要求的方式实现。
此外，充放电要求运算部2-3还具有如下的功能，即，对于在与发动机1-1机械连接的电动发电机1-2的基础上还具有电动发电机的混合动力式工程机械，根据未与该发动机1-1连接的电动发电机的动力运行/再生动作，计算对于与发动机1-1机械连接的电动发电机1-2的动力运行/再生要求。
调节器特性变更部2-4发挥对利用于发动机1-1控制的下垂特性进行变更的功能。要求泵流量运算部2-9根据操作员的操作来运算所需要的液压泵1-3的排出流量。这能够例如基于操作杆的操作量来进行计算。
车身状态管理部2-8是监视以及管理工程机械的车身整体的状态的机构。在图3中，在车身状态管理部2-8中也代表性地表示了管理发动机1-1的动作状态的发动机状态管理部2-12、管理蓄电装置1-19的动作状态的蓄电装置管理部2-13、和规定车身的动作模式的模式判断部2-14。模式判断部2-14参照模式开关1-18来判断车身的动作模式。另外，虽然在图3中未图示，但在基于动作油温度或外部气温等气温信息来切换控制的情况下，车身状态管理部2-8也会动作。
发动机状态管理部2-12监视发动机1-1的负荷率和冷却水温度等，实施发动机1-1是否成为过剩的负荷状况等的判断。蓄电装置管理部2-13具有如下功能：不仅计算在各时刻运算出的蓄电余量，而且计算能够在恰当状态下利用蓄电装置1-19的范围内的可动力运行量和可再生量。例如，在因相对于蓄电器1-10的充电/放电动作持续非常长的时间，蓄电器1-10成为高温的情况下，为了防止进一步的温度上升，通过限制向电动发电机1-2交接电力，能够以限制电流量而使发热量下降的方式实施控制。像这样，蓄电装置管理部2-13即使在蓄电余量充足的情况下，也考虑设备的安全性而管理蓄电器1-10的使用范围。
此外，在蓄电器1-10为锂离子电池的情况下，即使使蓄电器1-10充分充电，但由于具有在极低温时电压下降的特性，所以在蓄电装置管理部2-13中可动力运行量被计算得低。像这样基于蓄电余量以外的信息而算出可动力运行量，由此能够恰当地管理能够从由发动机1-1和电动发电机1-2构成的动力源供给的动力，因此，能够限制过度的泵吸收动力而有助于防止发动机熄火。而且，通过以对蓄电器1-10的寿命产生影响的因素(例如温度、电流量)为基础而算出能够动力运行/再生的量，能够防止蓄电器1-10的过度劣化。
目标发动机动力运算部2-5发挥计算使发动机1-1输出的目标动力的功能。图3的目标发动机动力运算部2-5根据负荷动力运算部2-1、充放电要求运算部2-3、车身状态管理部2-8的输出来计算目标发动机动力。
依次说明目标发动机动力运算部2-5中的运算内容。首先，在由负荷动力运算部2-1计算的发动机轴上的负荷、即液压泵1-3的吸收动力、发动机辅机的驱动所必要的动力等的和中，加算由充放电要求运算部2-3计算的对电动发电机的动力运行/再生要求，由此计算第1目标发动机动力。
第1目标发动机动力依照“目标发动机动力＝负荷动力－电动发电机动力”这一计算式来计算。例如，由负荷动力运算部2-1将负荷动力计算为50kW，蓄电余量高，因此，若由充放电要求运算部2-3计算的对电动发电机1-2的动力运行要求为30kW，则第1目标发动机动力成为20kW。此外，若即使负荷动力相同，但蓄电余量低，由充放电要求运算部2-3将对电动发电机1-2的再生要求计算为30kW的话，则第1目标发动机动力成为80kW。像这样，第1目标发动机动力根据负荷动力和蓄电余量来决定发动机动力的目标值。
接着，目标发动机动力运算部2-5相对于上述第1目标发动机动力来计算第2目标发动机动力，该第2目标发动机动力使用可变限制器2-5a和可变速率限制器2-5b而设有限制。上述第1目标发动机动力由“发动机动力＝负荷动力－电动发电机动力”这一计算式来运算，因此，负荷动力的急剧变化将直接反应至目标动力。由于第2目标发动机动力成为从速率限制器通过的信号，所以能够抑制第1目标发动机动力中明显的急剧变化，从而算出被平坦化的目标值。由此，若发动机1-1的动力能够追随于该第2目标发动机动力，则能够改善燃料消费及抑制对环境付与负荷的废气的产生。而且，由于发动机1-1的动作点稳定所以也能够抑制因振动等而产生的噪音。尤其是，可变速率限制器2-5b有助于防止废气的产生。
上述可变限制器2-5a与可变速率限制器2-5b根据车身状态管理部2-8的输出来变更上下限值、增加减率。以下，说明各变更方法的一例。可变限制器2-5a对第1目标发动机动力的上下限值付与限制。例如，当由发动机状态管理部2-12判断为发动机1-1以重负荷状态持续连续运转时，将可变限制器2-5a的上限值设定得低，由此限制目标发动机动力的最大值而使发动机1-1的负荷率下降。即使在发动机1-1成为后备模式(backup mode)(限制发动机的输出的模式)而限制最大输出的情况下也实施同样的限制。
此外，通过将可变限制器2-5a的下限值设定得高，能够有意地使发动机1-1以高输出运转。该功能在寒冷地区的运转开始时等希望使蓄电器1-10和动作油升温的情况是有效的。
接下来，依照图6说明模式判断部2-14对可变速率限制器2-5b付与的影响。图6是表示基于模式开关选择的可变速率限制器变化的图。如图6所示，在模式开关1-18设定为动力模式的情况下，虽然燃料消费改善或废气抑制的效果变小，但由于使发动机1-1的动力大幅变化而确保向液压泵1-3的供给动力，所以将增加率取得比基准值(6-a)高(6-b)。相反地，在设定为节能模式的情况下，将增加率取得比基准值低(6-c)。另外，关于减少率(变化率为负)，是与泵动力变低时有关的要件，且不会对操作性产生影响，因此即使不依存于动力模式、节能模式的切换地进行决定也绝不会存在问题。
接下来，说明蓄电装置管理部2-13对可变速率限制器2-5b付与的影响。首先，在图7中表示通过由蓄电装置管理部2-13运算出的可动力运行量而使可变速率限制器2-5b的增加率变化的情况。如图7所示，将由模式判断部2-14等决定的增加率的基准值定义为7-a。相对于该状态，当可动力运行量变高时，能够将基于电动发电机1-2的发动机辅助量取得大，因此，即使负荷动力急剧地增加，也能够使发动机1-1的动力平缓地增加。由此，能够使可变速率限制器2-5b的增加率向7-b的方向转移。
相反地，当可动力运行量变低时，基于电动发电机1-2的发动机辅助量变少，因此，由于当使发动机1-1的动力平缓地增加时会导致发动机熄火，以与作为基准的7-a相比更积极地利用发动机1-1的方式向增加率高的7-c或者7-d的方向转移。另外，在可动力运行量被计算为0的情况下，由于不能实施发动机辅助，所以发动机动力不得不按第1目标发动机动力输出，因此，在基本上，可变速率限制器2-5b的增加率选择图7中的斜度：1的增加率。
接下来，在图8中表示通过由蓄电装置管理部2-13运算出的可动力运行量而使可变速率限制器2-5b的减少率变化的状态。将由模式判断部2-14等决定的减少率的基准值定义为8-a。相对于该状态，当可再生量变高时，通过由电动发电机1-2发电而向发动机1-1施加负荷，因此，即使负荷动力急剧地减少也能够使发动机1-1的动力平缓地减少。由此，能够使可变速率限制器2-5b的减少率向8-b的方向转移。相反地，当可再生量变低时，由于基于电动发电机1-2的发电量变少，所以不能向发动机1-1施加负荷，因此，能够向与作为基准的8-a相比减少率高的8-c的方向转移。
在上述说明中，在从第1目标发动机动力向第2目标发动机动力的变换中，虽然说明了使用可变速率限制器2-5b的构成，但本发明的实现方法并不限定于此。例如，能够将使用能够改变时间常数的低通滤波器或能够改变采样数的移动平均过滤器的方法作为代替机构来利用，从而能够与通过上述说明同样的方法生成第2目标发动机动力。
依照图9来说明以使燃料消费提高的目的而使用目标动力修正部2-5c的情况下的动作。另外，在此，为了说明的简化，考虑不使用可变速率限制器来运算第2目标发动机动力的情况。第1目标发动机动力由图9中的虚线来付与。相对于此，由车身状态管理部2-8计算的第2目标发动机动力以具有上下限值的形式定义在图9中的阴影区域内。
在该阴影区域的第2目标发动机动力的范围中，当定义燃料消费成为最佳的“最佳燃料消费转矩线”时，目标动力修正部2-5c将相当于发动机1-1的下降线与最佳燃料消费转矩线在转速-转矩特性线图中的交点的动力，作为第3目标发动机动力而算出。
在图9所示的示例中，相对于原本要求动力即第1发动机目标动力，由于最终输出的第3发动机目标动力变高，所以发动机的输出变高。然而，在选择了第3发动机目标动力的情况下燃料消费效率高的基础上，即使故意使发动机1-1维持在高输出，也能够将剩余动力利用于向蓄电器1-10充电而不浪费燃料，因此，作为总体动作而能够期待燃料消费的改善。另外，若代替图9的“最佳燃料消费转矩线”使用对环境付与负荷的废气变为最小的“最佳废气转矩线”，也能够抑制黑烟和NOx等的产生。
在上述说明中，虽然由第3目标发动机动力付与目标发动机动力运算部2-5的最终输出，但本发明的实施方式并不限定于此，也可以将第1目标发动机动力或者第2目标发动机动力作为目标发动机动力运算部2-5的最终输出来利用。此外，“可变限制器2-5a→可变速率限制器2-5b→目标动力修正部2-5c”的顺序并不限定于图3所示的那样，例如，也可以与图3顺序相反地采用“目标动力修正部2-5c→可变速率限制器2-5b→可变限制器2-5a”这样的处理。此外，例如，如图15所示，采用“目标动力修正部2-5c→可变限制器2-5a→可变速率限制器2-5b”这样的处理，由目标动力修正部2-5c基于第1目标发动机动力来运算第4目标发动机动力，且以可变限制器2-5a、可变速率限制器2-5b的顺序来进行运算，从而能够最终输出第5目标发动机动力。
目标转速运算部2-6基于由目标发动机动力运算部2-5计算的目标发动机动力和由调节器特性变更部2-4决定的下垂特性，来运算控制电动发电机1-2的转速的对电动发电机控制部2-7的目标转速指令。依照图10来说明具体的运算方法。如图10所示，首先，由调节器特性变更部2-4决定从无负荷转速N0随着负荷增加(发动机转矩增加)而使转速减少至N1的下垂特性。另外，调节器特性变更部2-4例如能够使无负荷转速N0与发动机控制盘(engine control dial)对应地变更。
接着，将从上述目标发动机动力运算部2-5输出的“目标发动机动力”的等动力线在转速-转矩特性线图上进行描绘。另外，对于上述的“目标发动机动力”可以如上述那样地选择第1～3目标发动机动力的某一个。目标转速运算部2-6将以上的2条转速-转矩特性线图中的交点I处的转速N＊作为目标转速而输出。
在此，以上的运算不仅可以为使用图表的运算方法，也可以用代数方法求出目标转速。以下对以发动机转矩为y、发动机转速为x而用代数方法求出目标转速的方法进行说明。下垂特性作为从对应于无负荷T0的转速N0和对应于最大负荷T1的转速N1这2点通过的直线而有以下所示的(数式1)来付与。
[数式1]
y＝ax+b
数式1的a和b作为(y，x)＝(T0，N0)、(y，x)＝(T1，N1)的联立方程式的解，而由以下所示的(数式2)来付与。
[数式2]
接着，若以目标发动机动力为c，则图9的等动力线能够由以下所示的(数式3)来付与。
[数式3]
xy＝c
N＊是下垂特性与等动力线的交点，因此，能够作为从(数式1)与(数式3)导出的2次方程式(数式4)的关于x的解而求出。
[数式4]
ax2+bx-c＝0
(数式4)能够依照解的公式而容易地解出，其解为如以下所示的(数式5)。
[数式5]
(数式5)中满足N1＜x＜N0的值成为目标转速N＊。从图10可以明确，N＊是(数式5)的x中的较大一方，因此最终目标转速N＊由以下所示的(数式6)来付与。另外，(数式6)的a、b依照(数式2)。
[数式6]
回到图3，目标倾转角运算部2-10以由目标转速运算部2-6计算的目标转速和由要求泵流量运算部2-9计算的要求泵流量为基础，运算控制液压泵1-3的倾转角的对泵控制部2-11的倾转角指令。要求泵流量运算部2-9具有依照操作员的操作杆操作而将混合动力式挖掘机进行各种作业所必要的液压泵1-3的排出流量作为要求泵流量而算出的功能。
在目标倾转角运算部2-10中，通过使要求泵流量除以由目标转速运算部2-6计算的目标转速，而求出能够确保要求泵流量的液压泵1-3的排油容积，并以能够实现该排油容积的方式计算倾转角的指令值。另外，也可以代替目标转速来利用实际转速而算出倾转角指令。在该情况下，具有即使不向目标倾转角运算部2-10输入来自目标转速运算部2-6的信号也能够完成的优点。
接着，依照图11的活动图来表示控制器1-8的运算步骤。当运算开始时，首先进行各种车身状态的判断。这相当于配置在图3的左侧的功能框的运算。即，负荷动力运算部2-1的运算内容相当于负荷动力运算10-1，车身状态管理部2-8的运算内容相当于车身状态判断10-4，而且，蓄电余量运算部2-2和充放电要求运算部2-3的运算内容分别相当于蓄电余量运算10-2、充放电要求运算10-3。
基于以上的运算结果，利用目标发动机动力运算部2-5而算出发动机1-1的目标动力。这是图11中的目标发动机动力运算10-5。此外，与目标发动机动力的运算同时地通过掌握下垂特性10-6来实施由调节器特性变更部2-4决定的下垂特性的掌握。
接着，基于上述的运算结果，由目标转速运算10-7运算电动发电机1-2的目标转速。在该运算中利用上述的目标转速运算部2-6。在运算出目标转速之后，同时执行由电动发电机转速控制10-11向电动发电机控制部2-7发送转速指示的控制、和由要求泵流量运算10-8、目标倾转角运算10-9、液压泵倾转角控制10-10确保泵流量的控制。以上的运算在控制器1-8的每个运算周期(例如每10毫秒)执行。
在图12的活动图中具体表示上述的目标发动机动力运算10-5。首先，由第1目标发动机动力运算11-1框依照负荷动力运算10-1和充放电要求运算10-3的运算结果来计算第1目标发动机动力。由分支11-a实施是否进行设有限制值的第2目标发动机动力的运算的判断。在不进行第2目标发动机动力的运算的情况下，向合流11-b转移。
在运算第2目标发动机动力的情况下，依照图3的功能框的配置来进行可变限制器适用11-2和可变速率限制器适用11-3。由分支11-c实施是否进行利用了动力修正的第3目标发动机动力的运算的判断。在不进行第3目标发动机动力的运算的情况下，向合流11-d转移。在进行第3目标发动机动力的运算的情况下，由上述的目标动力修正部2-5c进行目标动力修正适用11-4。以上的运算结果计算为最终的目标发动机动力，从而成为图11的目标发动机动力运算10-5的输出。
接下来，说明使本实施方式的混合动力式挖掘机连续进行“挖掘动作”时的控制动作。“挖掘动作”是使挖掘机掘取砂石或土砂而装载至翻斗卡车的动作，其特征在于，从挖掘开始到装载为止施加大的液压负荷，另一方面在装载倾倒后液压负荷急剧地减少。
图13的第1层表示泵吸收动力和发动机动力(目标发动机动力)、第2层表示输送至电动发电机1-2的目标转速指令值、第3层表示为了追随于目标转速而输出的电动发电机1-2的动力、第4层表示蓄电余量的时间序列的波形。另外，第3层的电动发电机动力的正值表示动力运行，负值表示再生。
为了简单地说明图13的时间序列数据而设想了如下的条件(1)～(3)。
(1)由车身状态管理部2-8判断的状况始终为固定条件，即，由目标发动机动力运算部2-5利用的可变限制器2-5a、可变速率限制器2-5b的值是固定的。
(2)不使用上述的目标动力修正部2-5c，并将第2目标发动机动力作为目标发动机动力运算部2-5的最终输出。
(3)调节器特性始终是固定的。
在时刻t1开始挖掘动作。在挖掘动作时，进行边上举动臂16-3边使斗杆16-4或者铲斗16-5铲装的复合动作。由此，为了向各液压缸16-7～9供给大量的液压油，而使泵吸收动力急剧地上升。此时，在本实施方式中，由负荷动力运算部2-1计算的负荷动力根据泵吸收动力而急剧地上升。由此，第1目标发动机动力也会急剧变化。使该第1目标发动机动力向可变速率限制器2-5b通过，由此生成限制了增加率的第2目标发动机动力。
与第2目标发动机动力相对应，目标转速指令也开始平缓地减少。由于发动机1-1的转矩是依照下垂特性的，所以若发动机1-1的转速变化延迟，发动机动力的增加也将变慢。此时，相对于泵吸收动力，发动机1-1能够供给的动力将不足。而且，如第3层所示地以消除因不足的动力而产生的微小的转速偏差的方式电动发电机1-2以高应答实施动力辅助。
以上的动作持续至发动机动力与泵吸收动力一致的时刻t2。另外，通过车身状态管理部2-8的输出而使由可变速率限制器2-5b限制的增加率增减，因此具有在比图中的t2早或者晚的时刻使发动机动力与泵吸收动力一致的情况。
时刻t2～t3相当于为了使装入至铲斗16-5中的土砂装载至翻斗卡车的货箱上，以边上举动臂16-3边使铲斗16-5的位置与翻斗卡车的货箱位置配合的方式使旋转体16-2旋转的“旋转动臂上举”动作。虽然旋转动臂上举动作需要大的动力，但由于泵吸收动力的变化非常迟缓，所以在此期间第1目标发动机动力不受可变限制器2-5a或可变速率限制器2-5b的限制。由此，目标发动机动力运算部2-5的输出与泵吸收动力一致。此时，由于发动机动力与泵吸收动力平衡，所以不产生转速偏差，由此电动发电机1-2的动力为0。
时刻t3～t4相当于使装入至铲斗16-5的土砂装载至翻斗卡车的货箱的“倾倒”动作。倾倒动作除了操作铲斗16-5以外不需要大动力，因此，从旋转动臂上举动作时泵吸收动力会急剧地减少。此时，在本实施方式中由负荷动力运算部2-1计算的负荷动力会根据泵吸收动力而急剧地减少，因此第1目标发动机动力也会急剧变化。但是，由于第2目标发动机动力由可变速率限制器2-5b限制了减少率，所以目标发动机动力运算部2-5的输出如图13那样地平缓减少。据此，对电动发电机1-2的目标转速指令会平缓地增加。
以防止因发动机动力相对于泵吸收动力高而产生的从目标转速的爆增的方式，由电动发电机1-2的转速控制来自动地实施发电动作。此外，由电动发电机1-2进行发电动作，因此使蓄电余量增加。
时刻t4～t5是被称为“复原”的动作，为了将倾倒后变空的铲斗16-5的爪尖恢复到所期望的挖掘位置而复合操作动臂16-3、斗杆16-4、铲斗16-5以及旋转体16-2。由于在该复原动作中使多个致动器动作，所以泵吸收动力再次急剧地上升。此时的控制动作与时刻t1～t2时相同。但是，由于在时刻t3～t4期间使发动机动力平缓地减少，所以能够从发动机动力高的状态开始控制，因此基于电动发电机1-2的辅助量会变小。
在时刻t5完成挖掘动作的第1循环，再次需要与时刻t1同样大的泵吸收动力。虽然时刻t5～t6的控制动作也与时刻t1～t2时相同，但能够如时刻t3～t4那样地从发动机动力高的状态开始控制，因此基于电动发电机1-2的辅助量会变小。
如图13所示的那样，可以明确第2循环的挖掘动作之后蓄电余量以某个规定值为中心而固定。由此，可以说即使在以后的循环中，能够也进行基于电动发电机1-2的发动机辅助，并不会向发动机1-1施加急剧的负荷地使连续的挖掘动作持续进行。
如以上说明的那样，根据本实施方式的混合动力式挖掘机，通过采用将由下垂特性控制的发动机1-1和依照目标转速N＊而控制的电动发电机1-2组合的构成，能够使发动机1-1的动力以目标发动机动力动作，从而使发动机在恰当状态下运转。这种情况关系到发动机的燃烧稳定，也有助于燃料效率的提高、废气的抑制。而且，在本实施方式中，考虑蓄电装置1-19的充放电要求而求出发动机目标动力，因此能够将蓄电装置1-19的电力维持在恰当范围内。其结果是能够防止因蓄电装置1-19的蓄电余量不足而导致的发动机熄火或过充电。
若重复来说，在本实施方式中，在目标发动机动力的运算中设有考虑了发动机1-1和蓄电装置1-19的状态的限制，因此，能够实现发动机1-1和蓄电装置1-19的保护。例如，在向发动机1-1连续地施加重负荷的情况下，通过相对于第1目标发动机动力而运算具有小上限值的第2目标发动机动力，能够使发动机动力下降。由此，能够避免发动机1-1的过负荷和过热。
而且，通过运算在第1目标动力的变化率以及上下限值中设有限制的第2目标发动机动力而以追随于该第2目标发动机动力的方式控制发动机动力，能够使发动机1-1在以基于稳定运转的动作状态下运转。即使在该状态下，发动机1-1相对于过渡运转时而燃烧状态稳定，因此能够改善燃料消费和抑制对环境付与负荷的废气的产生。此外，由于发动机1-1的动作点稳定，所以也能够抑制因为振动等而产生的噪音。
而且，关于蓄电装置1-19的状态管理，考虑蓄电装置1-19的温度和/或充放电电流的累计值，为了保护蓄电装置1-19而将第2目标发动机动力修正为接近于负荷动力的值，从而同时抑制电动发电机1-2的动力运行/再生，由此能够保护蓄电装置1-19。
此外，根据本实施方式，考虑发动机1-1的特性而以能够使燃料消费的改善和废气的抑制成为动作点的方式修正目标发动机动力，因此能够进一步提高燃料消费的改善和废气的抑制。
而且，通过运算在第4目标动力的变化率以及上下限值中设有限制的第5目标发动机动力而以追随于该第5目标发动机动力的方式控制发动机动力，能够使发动机1-1在以基于稳定运转的动作状态下运转。即使在该状态下，发动机1-1相对于过渡运转时而燃烧状态稳定，因此能够改善燃料消费和抑制对环境付与负荷的废气的产生。此外，由于发动机1-1的动作点稳定，所以也能够抑制因为振动等而产生的噪音。
而且，关于蓄电装置1-19的状态管理，考虑蓄电装置1-19的温度和/或充放电电流的累计值，以保护蓄电装置1-19的方式将第5目标发动机动力修正为接近于负荷动力的值，从而同时抑制电动发电机1-2的动力运行/再生，由此能够保护蓄电装置1-19。
此外，在本实施方式中，由下垂特性控制发动机1-1，因此通过使发动机转速降低而增加发动机1-1的负荷转矩。由该负荷转矩的增加部分对电动发电机1-2进行再生控制，由此能够使来自电动发电机1-2的再生电力对蓄电装置1-19进行充电。像这样，根据本实施方式，仅控制发动机转速，就能够有效地进行蓄电装置1-19的充电。而且，由于仅控制发动机转速，所以即使在蓄电装置1-19的充电中也能够使发动机动作稳定。另外，本发明中的“所述发动机轴上的负荷动力相同”是指在本实施方式中包括如下两种情况，即，在动臂16-3、斗杆16-4、铲斗16-5的操作中使负荷动力相同的情况、和在未操作动臂16-3、斗杆16-4、铲斗16-5时(无操作中)使负荷动力相同的情况。
此外，根据本实施方式，根据由液压泵1-3要求的泵流量和向电动发电机1-2的目标转速指令值来运算液压泵1-3的目标倾转角，因此即使由电动发电机1-2的控制变更液压泵1-3的转速，也能够按要求维持液压泵1-3的排出流量。由此，即使发动机转速依照下垂特性而被变更，也不会存在损害混合动力式挖掘机的操作性的情况。
虽然上述的实施方式为了实施本发明而是合适的，但该实施方式并不限定于此，在不变更本发明的主旨的范围内可以进行各种变形。例如，相对于轮式装载机等的液压挖掘机以外的工程机械也可以适用本发明的混合动力式工程机械。
附图标记说明
1-1 发动机
1-2 电动发电机
1-3 液压泵
1-8 控制器
1-19 蓄电装置
2-1 负荷动力运算部
2-2 蓄电余量运算部
2-3 充放电要求运算部
2-4 调节器特性变更部
2-5 目标发动机动力运算部
2-6 目标转速运算部
2-7 电动发电机控制部
2-9 要求泵流量运算部
2-10 目标倾转角运算部
2-11 泵控制部
2-12 发动机状态管理部
2-13 蓄电装置管理部
16-3 动臂(液压作业部)
16-4 斗杆(液压作业部)
16-5 铲斗(液压作业部)
I 交点
N＊ 目标转速指令值

Claims (7)

1.一种混合动力式工程机械，其特征在于，具有：发动机(1-1)；由所述发动机(1-1)驱动的液压泵(1-3)；由从所述液压泵(1-3)排出的液压油驱动的液压作业部(16-3、16-4、16-5)；在与所述发动机(1-1)之间进行转矩的传递的电动发电机(1-2)；向所述电动发电机(1-2)供给电力的蓄电装置(1-19)；和通过如下的调节器特性来控制所述发动机(1-1)的控制器(1-8)，所述调节器特性为负荷转矩与转速之间的关系具有转速随着负荷转矩的增加而减少那样的规定斜度，
所述控制器(1-8)具有：
变更所述调节器特性的设定的调节器特性变更部(2-4)；
运算发动机轴上的负荷动力的负荷动力运算部(2-1)；
运算所述蓄电装置(1-19)的余量的蓄电余量运算部(2-2)；
基于所述蓄电余量运算部(2-2)的输出来运算为了将所述蓄电装置(1-19)的电力维持在恰当范围内所必要的充电及放电要求的充放电要求运算部(2-3)；
运算所述发动机(1-1)的目标动力的目标发动机动力运算部(2-5)；
运算所述电动发电机(1-2)的目标转速指令的目标转速运算部(2-6)；和
依照由所述目标转速运算部(2-6)运算出的目标转速指令值来控制所述电动发电机(1-2)的电动发电机控制部(2-7)，
所述目标发动机动力运算部(2-5)根据来自所述负荷动力运算部(2-1)以及所述充放电要求运算部(2-3)的输出值的增减来运算增减的第1目标发动机动力，
所述目标转速运算部(2-6)将转速-转矩特性线图中的由所述调节器特性变更部(2-4)变更的调节器特性线与依照所述第1目标发动机动力的等动力线之间的交点处的转速作为所述电动发电机(1-2)的目标转速指令值而算出。
2.根据权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
所述控制器(1-8)还具有：
管理所述发动机(1-1)的动作状态的发动机状态管理部(2-12)；和
管理所述蓄电装置(1-19)的动作状态的蓄电装置管理部(2-13)，
所述目标发动机动力运算部(2-5)基于所述发动机状态管理部(2-12)以及所述蓄电装置管理部(2-13)的输出来运算对所述第1目标发动机动力的变化率以及上下限值设有限制的第2目标发动机动力，
所述目标转速运算部(2-6)将转速-转矩特性线图中的由所述调节器特性变更部(2-4)变更的调节器特性线与依照所述第2目标发动机动力的等动力线之间的交点处的转速作为所述电动发电机(1-2)的目标转速指令值而算出。
3.根据权利要求2所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
所述目标发动机动力运算部(2-5)运算从所述第2目标发动机动力中至少改善了燃料消费或排气的特性的第3目标发动机动力，
所述目标转速运算部(2-6)将转速-转矩特性线图中的由所述调节器特性变更部(2-4)变更的调节器特性线与依照所述第3目标发动机动力的等动力线之间的交点处的转速作为所述电动发电机(1-2)的目标转速指令值而算出。
4.根据权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
所述目标发动机动力运算部(2-5)运算从所述第1目标发动机动力中至少改善了燃料消费或排气的特性的第4目标发动机动力，
所述目标转速运算部(2-6)将转速-转矩特性线图中的由所述调节器特性变更部(2-4)变更的调节器特性线与依照所述第4目标发动机动力的等动力线之间的交点处的转速作为所述电动发电机(1-2)的目标转速指令值而算出。
5.根据权利要求4所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
所述控制器(1-8)还具有：
管理所述发动机(1-1)的动作状态的发动机状态管理部(2-12)；和
管理所述蓄电装置(1-19)的动作状态的蓄电装置管理部(2-13)，
所述目标发动机动力运算部(2-5)基于所述发动机状态管理部(2-12)以及所述蓄电装置管理部(2-13)的输出来运算对所述第4目标发动机动力的变化率以及上下限值设有限制的第5目标发动机动力，
所述目标转速运算部(2-6)将转速-转矩特性线图中的由所述调节器特性变更部(2-4)变更的调节器特性线与依照所述第5目标发动机动力的等动力线之间的交点处的转速作为所述电动发电机(1-2)的目标转速指令值而算出。
6.根据权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
所述控制器(1-8)以如下方式进行控制：即使所述发动机轴上的负荷动力相同，但所述蓄电装置(1-19)的余量少的情况下将所述发动机(1-1)的转速降低得比所述目标转速指令值低来进行所述蓄电装置(1-19)的充电，且随着对所述蓄电装置(1-19)进行充电而使所述发动机的转速返回至所述目标转速指令值。
7.根据权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
作为所述液压泵(1-3)而使用可变容量型，
所述控制器(1-8)还具有：
运算对所述液压泵(1-3)要求的泵流量的要求泵流量运算部(2-9)；
从由所述要求泵流量运算部(2-9)运算出的泵流量以及所述电动发电机(1-2)的目标转速指令值来运算所述液压泵(1-3)的目标倾转角的目标倾转角运算部(2-10)；和
以使由所述目标倾转角运算部(2-10)运算出的目标倾转角和所述液压泵的倾转角一致的方式控制所述液压泵的泵控制部(2-11)。
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