CN105936267B - 混合动力式工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供混合动力式工程机械，既能防止操作人员的操作性显著降低，又能抑制可逆的电阻升高的发生。混合动力式工程机械具备发动机(11)、电动发电机(14)、液压泵装置(17)、蓄电装置(16)、电力转换装置(15)、温度调整装置(16D、16E)、控制装置(22)。混合动力控制器(22)根据蓄电装置(16)的充放电历史记录而执行第1控制、第2控制、第3控制中至少1种，第1控制以使蓄电装置(16)温度升高的方式控制暖机用电池温度调整设备(16D)，第2控制以使从变流器(15)输出的电力减少的方式控制变流器(15)，第3控制以使液压泵(17)的排出流量减少的方式控制泵容量调节装置(21)。

Description

混合动力式工程机械
技术领域
本发明涉及混合动力式工程机械。
背景技术
近年来，在汽车中，从节能的观点出发，混合动力式、电动式的汽车得到普及，在工程机械中混合动力化也得到推进。一般来说，为了能够应对从轻负荷作业至重负荷作业的所有作业，由液压系统驱动的液压挖掘机等的工程机械具备：液压泵，其能够进行最大负荷的作业；液压作业装置，其由从上述液压泵排出的压力油驱动；以及发动机，其对液压泵进行驱动。
然而，工程机械的利用液压作业装置频繁地进行砂土的挖掘、装载的重挖掘作业等重负荷作业是整个作业中的一部分，在用于使地面平整的水平拖拉等的轻负荷作业时，发动机的能力存在富余。这是难以降低液压挖掘机的燃料消耗量(以下，有时省略为耗油量)的主要原因之一。鉴于这一点，为了降低耗油量，已知利用蓄电装置和电动机的输出而对发动机输出的一部分进行辅助的混合动力式工程机械。在搭载于这种混合动力式工程机械的蓄电装置中，例如使用锂离子电池、电容器(双电层电容器、锂离子电容器等)、镍氢电池等。
已知蓄电装置一般具有如下特性：内部电阻(以下，有时省略为电阻)因电流的充放电、伴随于保存的经年劣化而升高。这种电阻的升高通常为不可逆的电阻升高(以下，有时省略为不可逆电阻升高)。另一方面，据报告可知，只有在相对于蓄电装置的容量而持续实施大电流的充放电的情况下，才发生与通常的电阻升高不同的、可逆的电阻升高(以下，有时省略为可逆电阻升高)。因此，公开有对可逆电阻升高进行检测并抑制劣化发展的控制方式(参照专利文献1及2)。
专利文献1中公开有如下控制方法：以蓄电装置的放电电阻与充电电阻之比为基础而对可逆电阻升高进行检测，在放电电阻与充电电阻之比为设定值以下的情况下，使蓄电装置的充放电停止。
另外，专利文献2中公开有如下控制方法：以电流推定值与电流测定值之间的电流推定误差、及电极间电解液的浓度差为基础而对可逆电阻升高进行检测，在可逆电阻升高的程度超过设定值的情况下，限制电流量、电力量以及电压，其中，电流推定值是基于电极内的电化学反应的简易模型式而推定的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本发明第4923116号公报
专利文献2：日本发明第5036662号公报
发明内容
然而，在专利文献1及专利文献2所公开的现有技术的控制方法中，当检测出可逆电阻升高时，进行蓄电装置的停止、或者输出限制。因此，在如混合动力式工程机械这样应用于操作人员所操作的车辆的情况下，由于无论操作人员的操作状况如何都进行蓄电装置的停止、输出限制，因此担忧操作性会显著下降。
本发明的目的在于提供一种混合动力式工程机械，其既能防止操作人员的操作性显著降低，又能抑制可逆的电阻升高的发生。
为了达成上述目的，本发明具备：发动机；电动发电机，其在动力运行时对上述发动机的动力进行辅助，并在再生时进行发电；液压泵装置，其由上述发动机的动力驱动，并将压力油排出；蓄电装置；电力转换装置，其在上述动力运行时将来自上述蓄电装置的直流电力转换为交流电力并供给至上述电动发电机，在上述再生时将利用上述电动发电机进行发电所得的交流电力转换为直流电力并供给至上述蓄电装置；温度调整装置，其对上述蓄电装置的温度进行调整；以及控制装置，其根据上述蓄电装置的充放电历史记录而执行第1控制、第2控制、第3控制中的至少1种控制，其中，第1控制是以使上述蓄电装置的温度升高的方式对上述温度调整装置进行控制，第2控制是以使从上述电力转换装置输出的电力减少的方式对上述电力转换装置进行控制，第3控制是以使上述液压泵装置的排出流量减少的方式对上述液压泵装置进行控制。
发明效果
根据本发明的混合动力式工程机械，能防止操作人员的操作性显著降低，并能抑制可逆的电阻升高的发生。通过以下的实施方式的说明得以明确前述以外的课题、结构及效果。
附图说明
图1是表示作为本发明所涉及的混合动力式工程机械的第1实施方式而举出的混合动力挖掘机的结构的图。
图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的旋转体内的结构的功能框图。
图3是表示本发明的第1实施方式所涉及的电池控制器的结构的功能框图。
图4是表示本发明的第1实施方式所涉及的混合动力控制器的结构的功能框图。
图5是对由本发明的第1实施方式所涉及的铲斗缸所要求的输出特性进行说明的液压操作信号-要求输出特性线图。
图6是对本发明的第1实施方式所涉及的发动机的输出特性进行说明的转速-输出上限值特性线图。
图7是表示在本发明的第1实施方式所涉及的充放电实施时间比例的运算中使用的蓄电装置16的充放电实施时间Ti、参照时间Tall的图。
图8A是表示本发明的第1实施方式所涉及的目标温度相对于充放电实施时间比例的关系的图。
图8B是表示本发明的第1实施方式所涉及的电池输出降低率相对于充放电实施时间比例的关系的图。
图8C是表示本发明的第1实施方式所涉及的停止指令值相对于充放电实施时间比例的关系的图。
图8D是表示本发明的第1实施方式所涉及的泵动力降低率相对于充放电实施时间比例的关系的图。
图9A是与本发明的第1实施方式所涉及的暖机用电池温度调整设备有关的电池温度调整设备控制部的控制流程图。
图9B是与本发明的第1实施方式所涉及的冷却用电池温度调整设备有关的电池温度调整设备控制部的控制流程图。
图10是表示本发明的第1实施方式所涉及的输出指令部的控制处理的流程的流程图。
图11是表示本发明的第1实施方式所涉及的由液压泵所要求的动力、发动机的输出的上限值、以及由变流器要求的电力的随时间的推移的图。
图12是表示本发明的第2实施方式所涉及的混合动力控制器的结构的功能框图。
图13是表示本发明的第2实施方式所涉及的蓄电装置的电流累计值的图。
图14是表示本发明的第3实施方式所涉及的混合动力控制器的结构的功能框图。
附图标记说明
1…混合动力挖掘机(混合动力式工程机械)
2…行驶体(液压作业装置)
2A…行驶用液压马达
3…旋转体(液压作业装置)
3A1…旋转用液压马达
4…前作业机(液压作业装置)
4A…动臂
4a…动臂缸
4B…斗杆
4b…斗杆缸
4C…铲斗
4c…铲斗缸
5A…行驶杆
5B…操作杆
5C…模式设定开关(模式设定部)
5D…转速设定刻度盘
11…发动机
12…发动机控制器(ECU)
14…电动发电机
15…变流器
16、26…蓄电装置
16A…锂离子电池
16B…电流传感器
16C…电池控制器(BCU)
16C1…温度测定部
16C2…电压测定部
16C3…电流测定部
16C4…SOC推定部
16C5…允许充放电电力运算部
16D…暖机用电池温度调整设备
16E…冷却用电池温度调整设备
17…液压泵
21…泵容量调节装置
22…混合动力控制器(HCU)
22A…液压泵要求动力推定部
22B…发动机输出上限运算部
22C…充放电历史记录运算部
22D…可逆电阻上升应对控制部
22E…电池温度调整设备控制部
22F…输出指令部
具体实施方式
以下，利用附图对本发明的第1～第3实施方式所涉及的混合动力式工程机械的结构及动作进行说明。此外，在各图中，相同附图标记表示相同部分。
(第1实施方式)
首先，利用图1对混合动力式工程机械的结构进行说明。图1是本发明的第1实施方式所涉及的混合动力式工程机械的结构图。
本发明所涉及的混合动力式工程机械的一个实施方式例如应用于图1所示的混合动力式液压挖掘机(以下，为了方便而称为混合动力挖掘机)1。该混合动力挖掘机1具备：行驶体2，其由行驶用液压马达2A(参照图2)驱动；旋转体3，其设置为在上述行驶体2上借助旋转框架3a而能够旋转；旋转装置3A，其介于上述行驶体2与旋转体3之间，并搭载有使旋转体3相对于行驶体2旋转的旋转用液压马达3A1(参照图2)；以及前作业机4，其安装于旋转体3的前部的单侧(朝向前方的右侧)，并在上下方向上转动而进行挖掘等的作业。上述的行驶体2、旋转体3以及前作业机4作为液压作业装置而发挥作用。
前作业机4由多关节构造构成，该多关节构造具有：动臂4A，其基端能够转动地安装在旋转框架3a上而在上下方向上转动；斗杆4B，其能够转动地安装在上述动臂4A的前端；以及铲斗4C，其能够转动地安装在上述斗杆4B的前端。另外，前作业机4具有：动臂缸4a，其使旋转体3与动臂4A连接，并通过伸缩而使动臂4A转动；斗杆缸4b，其将动臂4A与斗杆4B连接，并通过伸缩而使斗杆4B转动；以及铲斗缸4c，其将斗杆4B与铲斗4C连接，并通过伸缩而使铲斗4C转动。
旋转体3具备：驾驶室5，其配置于车身的前部的另一侧(朝向前方的左侧)；配重6，其配置于车身的后部，并保持车身的重量的平衡；以及原动机室7，其配置于上述驾驶室5与配重6之间，并供后述的发动机11(参照图2)收纳。
图2是表示包括驾驶室5在内的旋转体3的内部结构的详细图。
如图2所示，驾驶室5具有：行驶杆5A及操作杆5B，它们使行驶用液压马达2A、旋转用液压马达3A1、动臂缸4a、斗杆缸4b以及铲斗缸4c等各液压执行机构2A、3A1、4a～4c能够进行期望的动作，驾驶室5内的操作人员握持并操作该行驶杆5A及操作杆5B；模式设定部(模式设定开关)5C，其对车身的动作模式进行设定，并变更对车身所要求的负荷；以及转速设定刻度盘5D，其在由上述模式设定部5C设定的动作模式下对发动机11的目标转速进行设定。模式设定部5C由模式设定开关构成，该模式设定开关例如对进行轻挖掘作业、平整作业等的轻负荷或者中负荷的作业时的模式即经济模式、以及与该经济模式相比进行高负荷的作业时的模式即动力模式等的动作模式进行选择。
旋转体3具备：前述的发动机11；转速传感器11A，其安装于上述发动机11，且对发动机11的转速进行检测；燃料箱(未图示)，其贮存发动机11的燃料；调速器(governor)(未图示)，其对发动机11的燃料喷射量进行调整；涡轮增压式的增压器(未图示)，其设置于发动机11；以及发动机控制器(ECU:Engine Control Unit)12，其控制发动机11的动作。
另外，旋转体3具备：空调等的辅机负荷13，其与发动机11连接，并利用发动机11的驱动力进行动作；电动发电机(M/G)14，其配置于发动机11的驱动轴上，并通过与发动机11之间传递转矩而进行发动机11的动力的辅助及发电；变流器15，其与上述电动发电机14连接，并对电动发电机14的动作进行控制；蓄电装置16，其经由变流器15而与电动发电机14之间进行电力的授受；可变容量型液压泵(以下，为了方便而称为液压泵)17，其相对于发动机11及电动发电机14串联连接，利用发动机11及电动发电机14的驱动力进行动作，从而将压力油排出；以及先导泵(未图示)，其利用发动机11的驱动力进行动作，由此生成先导压力油。
电动发电机14在动力运行时对发动机11的动力进行辅助，对与发动机11连接的辅机负荷13及液压泵17进行驱动，并在再生时进行发电。变流器15(电力转换装置)在动力运行时将来自蓄电装置16的直流电力转换为交流电力并将该交流电力供给至电动发电机14，在再生时将利用电动发电机14进行发电所得的交流电力转换为直流电力并将该直流电力供给至蓄电装置14。
蓄电装置16例如具有：锂离子电池16A，其由多个电池单元层叠而形成；电流传感器16B，其连接(设置)于上述锂离子电池16A与变流器15之间，并对锂离子电池16A的电流进行测定；电池控制器(BCU)16C，其与锂离子电池16A及电流传感器16B连接，并对锂离子电池16A的电压、温度、电流等进行测定及管理；暖机用电池温度调整设备16D，其进行锂离子电池16A的暖机；以及冷却用电池温度调整设备16E，其进行冷却。
此处，暖机用电池温度调整设备16D、冷却用电池温度调整设备16E构成对蓄电装置16的温度进行调整的温度调整装置。
暖机用电池温度调整设备16D例如能够举出加热器、用于使发动机冷却水从发动机冷却水路分流的控制阀等。另外，冷却用电池温度调整设备16E例如能够举出风扇、水冷泵等。
而且，若将蓄积于锂离子电池16A的电力(能量)向变流器15供给，则利用变流器15而将该电力从直流转换为交流并将该交流电力向电动发电机14供给。由此，使得蓄电装置16进行放电。另一方面，利用变流器15而将由电动发电机14发电所得的电力(能量)从交流转换为直流，并将该直流电力向蓄电装置16供给。由此，对蓄电装置16进行充电。
作为可变容量机构，液压泵17例如具有斜盘(未图示)，通过调整该斜盘的倾转角而对排出的压力油的流量进行控制。并且，虽未图示，但在液压泵17中设置有对排出的压力油的压力进行测定的排出压传感器、对排出的压力油的流量进行测定的排出流量传感器、以及对液压泵17的斜盘的倾转角进行测定的倾转角传感器等。此外，虽然对液压泵17是可变容量型斜盘式液压泵的情况进行了说明，但是并不局限于该情况，只要具有对排出的压力油的流量进行控制的功能，也可以是斜轴泵等。
另外，旋转体3具备：控制阀20，其对向液压执行机构2A、3A1、4a～4c供给的压力油的流动(流量及方向)进行控制；泵容量调节装置21，其对液压泵17的容量进行调节；以及作为控制装置的混合动力控制器(HCU)22，其与行驶杆5A、操作杆5B、模式设定开关5C、转速设定刻度盘5D、液压泵17、发动机控制器12、变流器15、电池控制器16C以及泵容量调节装置21连接，并对包括液压泵17及变流器15的动作在内的车身整体的动作进行控制。
此处，液压泵17、泵容量调节装置21构成液压泵装置。
控制阀20在液压泵17与液压执行机构2A、3A1、4a～4c之间构成液压回路，虽未图示，但是在内部具有滑阀，该滑阀在形成外壳的壳体内进行往复移动，由此对从液压泵17排出的压力油的流量及方向进行调整。
泵容量调节装置21基于从混合动力控制器22输出的控制指令而调节液压泵17的容量(排量)。具体而言，虽未进行图示，但泵容量调节装置21具有：调节器(regulator)，其能够倾转地支承液压泵17的斜盘；以及电磁比例阀，其根据来自混合动力控制器22的控制指令而将控制压施加于调节器。当调节器从电磁比例阀受到控制压时，利用该控制压对液压泵17的斜盘的倾转角进行变更，由此对液压泵17的容量(排量)进行调节。由此，将液压泵17的排出压设为可变，通过控制液压泵17的转矩(输入转矩)而能够调节液压泵17的负荷(泵输出)。
混合动力控制器22输入通过排出压传感器测定的排出压、通过排出流量传感器测定的排出流量、以及利用倾转角传感器测定的倾转角，并根据这些输入信息对液压泵17的负荷进行运算。行驶杆5A及操作杆5B根据该各装置所具备的减压阀(遥控阀)的操作开度而使由从先导泵排出的压力油生成的1次压减压为2次压，由此生成控制先导压力，并将其作为液压操作信号而向混合动力控制器20发送。混合动力控制器22根据接收到的液压操作信号而将对液压泵17的动力进行控制的控制指令向泵容量调节装置21的电磁比例阀发送。
另外，虽未进行图示，但生成的控制先导压力向控制阀20的受压室传送。由此，对控制阀20的滑阀的位置进行切换，将从液压泵17在控制阀20中流通的压力油向液压执行机构2A、3A1、4a～4c供给，从而液压执行机构2A、3A1、4a～4c利用从液压泵17经由控制阀20而供给的压力油进行驱动。
图3是表示电池控制器16C的结构的功能框图。
电池控制器16C具有：温度测定部16C1，其对锂离子电池16A的温度进行测定；电压测定部16C2，其对锂离子电池16A的电压进行测定；电流测定部16C3，其对电流传感器16B的测定值进行AD转换及输入；以及SOC推定部16C4，其基于利用温度测定部16C1测定的温度、利用电压测定部16C2测定的电压、以及利用电流测定部16C3输入的电流而对蓄电装置16的充电率(以下称为SOC)进行推定(计算)。
另外，电池控制器16C具有允许充放电电力运算部16C5，该允许充放电电力运算部16C5基于利用温度测定部16C1测定的温度、利用电压测定部16C2测定的电压、利用电流测定部16C3输入的电流、以及利用SOC推定部16C4推定的SOC，而对锂离子电池16A的能够进行充放电的最大电力即允许充放电电力进行运算。并且，将包括利用温度测定部16C1测定的温度、利用电压测定部16C2测定的电压、利用电流测定部16C3输入的电流、以及利用SOC推定部16C4推定的SOC在内的蓄电池特性、以及利用允许充放电电力运算部16C5运算所得的允许充放电电力的信息输入至混合动力控制器22。
接下来，对基于SOC推定部16C4的蓄电装置16的SOC的推定进行详细说明。
例如，若将混合动力挖掘机1启动时的继电器断开状态下的锂离子电池16A的电压即开电路电压设为SOC(0)、将混合动力挖掘机1的运转中的锂离子电池16A的充放电电流的累计值设为IS、将锂离子电池16A的满充电容量设为Cmax，则下述数学式(1)成立。其中，累计值IS是以时间对充放电电流(充电电流为正，放电电流为负)进行积分所得的值。满充电容量Cmax例如预先存储于电池控制器16C的内置存储器中。
[数学式1]
虽未进行图示，但SOC推定部16C4在内部保有表示蓄电装置16的SOC与开电路电压之间的关系的SOC-开电路电压的表A。SOC推定部16C4将混合动力挖掘机1的启动时的开电路电压应用于该表A中，由此将所获的SOC作为SOC(0)而进行运算。而且，SOC推定部16C4将运算所得的SOC(0)、混合动力挖掘机1的运转中的锂离子电池16A的充放电电流的累计值IS、锂离子电池16A的满充电容量Cmax代入上述数学式(1)，由此求出当前的蓄电装置16的SOC(进行运算)。
接下来，对基于允许充放电电力运算部16C5的允许充放电电力的运算进行详细说明。
例如，若将允许充电电流设为Ic、将锂离子电池16A的电压的上限值设为Vmax、将开电路电压设为Vo、将内部电阻设为r、将允许充电电力设为Ec，则下述数学式(2)、(3)成立。
[数学式2]
[数学式3]
Ec＝Ic·(Vo+Ic·r) (3)
允许充放电电力运算部16C5在内部保有(存储)锂离子电池16A的电压的上限值Vmax以及后述的下限值Vmin。另外，允许充放电电力运算部16C5在内部保有表示蓄电装置16的SOC与开电路电压Vo的关系的表B。并且，允许充放电电力运算部16C5在内部保有表示蓄电装置16的SOC、锂离子电池16A的温度以及内部电阻r的关系的表C。此外，锂离子电池16A的电压的上限值Vmax、下限值Vmin、开电路电压Vo以及内部电阻r是将锂离子电池16A中的多个电池单元连接时的总和的值。此处，表B与前述的表A相同。在本实施方式中，为了便于说明而使用了表A及表B这2个表，但也可以仅共用一方。
允许充放电电力运算部16C5将利用SOC推定部16C4推定的SOC应用于表B中从而对开电路电压Vo进行运算。另外，允许充放电电力运算部16C5将利用SOC推定部16C4推定的SOC、以及利用温度测定部16C1测定的温度应用于表C中从而对内部电阻r进行运算。
而且，允许充放电电力运算部16C5通过将锂离子电池16A的电压的上限值Vmax、运算所得的开电路电压Vo、以及内部电阻r代入上述数学式(2)而对允许充电电流Ic进行运算。并且，允许充放电电力运算部16C5通过将运算所得的允许充电电流Ic、开电路电压Vo、以及内部电阻r代入数学式(3)而对允许充电电力Ec进行运算。
另一方面，若将允许放电电流设为Id、将允许放电电力设为Ed，则下述数学式(4)、(5)成立。
[数学式4]
[数学式5]
Ed＝Id·(Vo+Id·r) (5)
允许充放电电力运算部16C5通过将锂离子电池16A的电压的下限值Vmin、与上述允许充电电流Ic的运算同样地进行运算所得的开电路电压Vo、以及内部电阻r代入上述数学式(4)而对允许放电电流Id进行运算。并且，允许充放电电力运算部16C5通过将运算所得的允许放电电流Id、开电路电压Vo、以及内部电阻r代入数学式(5)而对允许放电电力Ed进行运算。此外，基于允许充放电电力运算部16C5的运算是为了防止锂离子电池16A的内部短路等的热影响而以将锂离子电池16A的电压控制在正常的范围内为目的而进行的，但并不局限于这种目的。例如，可以另外以防止过充电、过放电的目的设置蓄电装置16C的SOC的限制(以SOC＝阈值Th1为充电限制，以SOC＝阈值Th2(＜Th1)为放电限制)、以防止过充电、过温度的目的而设置锂离子电池16A的温度的限制。
图4是表示混合动力控制器22的结构的功能框图。
混合动力控制器22包括：液压泵要求动力推定部22A，其与行驶杆5A、操作杆5B以及模式设定开关5C连接，并对由液压泵17要求的动力(以下，为了方便而称为液压泵要求动力)进行推定；以及发动机输出上限运算部22B，其与发动机控制器12连接，并对发动机11的输出的上限值(以下，为了方便而称为发动机输出上限值)进行运算。
另外，混合动力控制器22包括：充放电历史记录运算部22C，其基于从电池控制器16C接收的电流值或者电力值而对在过去的恒定期间内实施充放电的时间比例(充放电实施时间比例)进行运算；以及可逆电阻升高应对控制部22D，其基于充放电实施时间比例而进行抑制可逆电阻升高的控制。此外，过去的恒定期间意味着自现在的时刻起直至回溯了恒定期间的过去的时刻为止的期间。充放电历史记录是在过去的恒定期间内测定的所述蓄电装置的充放电电流的数据，其包括充放电电流的电流值或者电力值。
另外，混合动力控制器22包括电池温度调整设备控制部22E，该电池温度调整设备控制部22E基于从电池控制器16C接收的电池温度、以及从可逆电阻升高应对控制部22D接收的目标温度，而对暖机用电池温度调整设备16D以及冷却用电池温度调整设备16E的控制指令值进行运算。
并且，混合动力控制器22包括输出指令部22F。此处，输出指令部22F与液压泵要求动力推定部22A、发动机输出上限运算部22B、可逆电阻升高应对控制部22D、电池控制器16C、泵容量调节装置21、发动机控制器12以及变流器15连接，并对向泵容量调节装置21、发动机控制器12以及变流器15输出的控制指令的值进行运算。
以下，对混合动力控制器22的各结构进行详细说明。
液压泵要求动力推定部22A输入行驶杆5A和操作杆5B的液压操作信号、以及模式设定开关5C的动作模式，基于这些输入信息而对由行驶用液压马达2A、旋转用液压马达3A1、动臂缸4a、斗杆缸4b以及铲斗缸4c要求的输出、即液压执行机构2A、3A1、4a～4c的各动作所需的输出进行推定。
图5是对液压执行机构2A、3A1、4a～4c中的由铲斗缸4c要求的输出特性的图。
如图5所示，将由铲斗缸4c要求的输出设定为随着操作杆5B的液压操作信号的值的增加而增大。另外，以下述方式对由铲斗缸4c要求的输出进行设定：根据操作人员利用模式设定开关5C设定的动作模式而对其大小进行变更。
例如，在操作人员将车身的动作模式设定为经济模式的情况下，由于重视耗油量而将铲斗缸4c所要求的输出设定得低，当操作杆5B的液压操作信号的值为SB时，由铲斗缸4c所要求的输出变为PD1。在操作人员将车身的动作模式设定为动力模式的情况下，由于重视作业速度而将由铲斗缸4c要求的输出设定得高，当操作杆5B的液压操作信号的值为SB时，由铲斗缸4c要求的输出变为比PD1大的PD2(PD2＞PD1)。因此，液压泵要求动力推定部22A根据利用模式设定开关5C设定的动作模式下的操作杆5B的液压操作信号的值而对由铲斗缸4c要求的输出进行推定。
另外，关于由其它液压执行机构即行驶用液压马达2A、旋转用液压马达3A1、动臂缸4a以及斗杆缸4b要求的输出，液压泵要求动力推定部22A也以与上述的铲斗缸4c同样的方式根据利用模式设定开关5C设定的动作模式下的行驶杆5A及操作杆5B的液压操作信号的值而进行推定。而且，液压泵要求动力推定部22A将由行驶用液压马达2A、旋转用液压马达3A1、动臂缸4a、斗杆缸4b以及铲斗缸4c所要求的输出的合计值作为液压泵要求动力而向输出指令部22F输出。
图6是表示发动机11的转速与输出的上限值的关系的图。
混合动力控制器22的存储装置对根据发动机11的特性而设定的输出特性表D进行储存。例如，如图6所示，该输出特性表D示出如下关系：当发动机11的转速低时，发动机输出上限值随着发动机11的转速的升高而增大，若发动机11的转速升高，则发动机输出上限值随着发动机11的转速的升高而减小。因而，发动机输出上限值由发动机11的转速确定，因此能够根据发动机11的转速而进行推定。
在本发明的第1实施方式中，发动机输出上限运算部22B经由发动机控制器12而接收由转速传感器11A检测的发动机11的转速，并根据发动机11的转速和输出特性表D而对发动机输出上限值进行运算。而且，发动机输出上限运算部22B将运算所得的发动机输出上限值向输出指令部22F输出。此外，操作人员利用转速设定刻度盘5D调整目标转速从而能够对发动机11的转速进行变更。
充放电历史记录运算部22C基于从电池控制器16C接收到的电流值或电力值而对在过去的恒定期间内实施充放电的时间比例(充放电实施时间比例)进行运算。此后虽然以电流值为例对充放电实施时间比例的运算进行说明，但是，作为充放电实施时间比例的运算指标，可以采用电力、电流及电力的绝对值或者平方值。图7是表示蓄电装置16的充放电实施时间Ti(i＝1、2、3、…、n)与参照时间Tall的图，参照该图对充放电实施时间比例的运算进行详细说明。此处，图中的Ld及Lc分别为放电及充电电流的充放电实施阈值，也可以为了排除空载中的电池控制器16C的消耗电流(暗电流)等的、不会发生可逆电阻升高的微小电流的影响而进行设置。将蓄电装置16的电流值为充放电实施放电阈值Ld以下、或者充放电实施充电阈值Lc以上的时间设为充放电实施时间Ti(i＝1、2、3、…、n)。利用该充放电实施时间Ti(i＝1、2、3、…、n)以及参照时间Tall并通过下述数学式(6)而对充放电实施时间比例Rt进行运算。此处，参照时间Tall是过去的恒定时间，例如是自现在的时刻起直至过去的10个小时为止的期间。
[数学式6]
此处，可逆电阻升高因电解液内的锂离子的不均匀而产生。因此，最近的充放电对可逆电阻升高的影响大。因此，可以如下述数学式(7)那样通过利用充放电实施时间系数αi(i＝1、2、3、…、n)对充放电实施时间Ti(i＝1、2、3、…、n)乘以系数而进行加权。例如，属于充放电实施时间Ti的时刻越接近现在的时刻，将充放电实施时间系数αi设为越大。即，在图7的例子中，设为α1<α2<…<α4。
[数学式7]
可逆电阻升高应对控制部22D基于由充放电历史记录运算部22C运算所得的充放电实施时间比例Rt而对目标温度、电池输出降低率、停止指令值以及泵动力降低率进行运算，将目标温度向电池温度调整设备控制部22E输出，并分别将电池输出降低率、停止指令值、泵动力降低率向输出指令部22F输出。
图8A～图8D分别表示目标温度、电池输出降低率、停止指令值以及泵动力降低率相对于充放电实施时间比例Rt的关系。
图8A中的目标温度可以认为，锂离子15的温度越低，电解液内的锂离子的扩散速度越慢，因此容易引起锂离子的不均匀而容易发生可逆电阻升高。另一方面，通常的劣化(不可逆电阻升高)因负极侧的覆膜(SEI：Solid Electrolyte Interface(固体电解质界面膜))形成等而产生，因此存在越是高温则影响越大的倾向。因而，如图8A所示，在认为容易发生可逆电阻升高的充放电实施时间比例高的情况下，将目标温度设定得高。另一方面，在认为难以产生可逆电阻升高的充放电实施时间比例低的情况下，为了抑制通常的劣化(不可逆电阻升高)而将目标温度设定得低。
此处，混合动力控制器22作为如下控制装置而发挥作用：在充放电实施时间比例Rt为阈值Rt_temp以上的情况下，对蓄电装置16的目标温度设定根据充放电实施时间比例Rt的增加而增加的值，以及以使得蓄电装置16的温度达到目标温度的方式控制温度调整装置(16D、16E)。此外，在Rt≦Rt_temp时，目标温度为恒定值。
图8B中的电池输出降低率在认为容易发生可逆电阻升高的充放电实施时间比例高的情况下，优先考虑抑制劣化而将电池输出降低率设定得高。另一方面，在认为难以产生可逆电阻升高的充放电实施时间比例低的情况下，优先考虑车身动作而将电池输出降低率设定得低。
此处，混合动力控制器22作为如下控制装置而发挥作用：在充放电实施时间比例Rt为阈值Rt_bat以上的情况下，对蓄电装置16的输出的降低率设定根据充放电实施时间比例Rt的增加而增加的值，基于蓄电装置16的输出的降低率而对从变流器15(电力转换装置)输出的电力的指令值进行设定，以及以使得从变流器15输出的电力达到该指令值的方式对变流器15进行控制。此外，在Rt≦Rt_bat时，蓄电装置16的输出的降低率为0。
图8C中的停止指令值在认为容易发生可逆电阻升高的充放电实施时间比例高的情况下，为了使充放电实施时间比例降低而设定为有停止指令的值(例如“1”)。另一方面，在认为难以发生可逆电阻升高的充放电实施时间比例低的情况下，设定为无停止指令的值(例如“0”)。
此处，混合动力控制器22作为如下控制装置而发挥作用：在充放电实施时间比例为阈值Rt_pause以上的情况下，使变流器15停止(停止指令值＝1)。此外，在Rt≦Rt_pause时，停止指令值为0。
图8D中的泵动力降低率在认为容易产生可逆电阻升高的充放电实施时间比例高的情况下，优先考虑抑制劣化而将泵动力降低率设定得高。另一方面，在认为难以发生可逆电阻升高的充放电实施时间比例低的情况下，优先考虑车身动作而将泵动力降低率设定得低。
此处，混合动力控制器22作为如下控制装置而发挥作用：在充放电实施时间比例为阈值Rt_pump以上的情况下，对液压泵17(液压泵装置)的动力的降低率设定根据充放电实施时间比例Rt的增加而增加的值，基于液压泵17的动力的降低率来设定液压泵17的动力的指令值，并且以使得液压泵17的动力达到指令值的方式对泵容量调节装置21(液压泵装置)进行控制。
此处，与电池输出降低率另行地设定泵动力降低率的原因在于，在混合动力式工程机械的情况下，若利用变流器15对蓄电装置16的电力施加限制则会对高响应也施加限制，因此，操作人员的操作性有可能根据液压作业装置4、发动机11的状态而急剧降低。
关于图8A～图8D，作为一例，可以设定为Rt_temp＝Rt_bat＝Rt_pump＜Rt_pause，但也可以将Rt_temp、Rt_bat、Rt_pump设为不同的值。其中，Rt_temp、Rt_bat、Rt_pump比Rt_pause小。由此，作为抑制可逆电阻升高的最终的方法，对停止指令值设定1，使得变流器输出电力变为0。
电池温度调整设备控制部22E基于利用可逆电阻升高应对控制部22D运算所得的目标温度而对暖机用温度调整设备控制指令值以及冷却用温度调整设备控制指令值进行运算，并将它们分别向暖机用电池温度调整设备16D以及冷却用电池温度调整设备16E输出。
图9A是与暖机用电池温度调整设备16D有关的电池温度调整设备控制部22E的控制流程图。在S101中，电池温度调整设备控制部22E以目标温度为基础而对暖机运转结束温度进行运算。此处，可以如目标温度-5℃那样将暖机运转结束温度设定为相对于目标温度低恒定值，或者也可以另外参照暖机运转结束温度相对于目标温度的表。在S102中判定为从电池控制器16C发送的电池温度为暖机运转结束温度以下的情况下，电池温度调整设备控制部22E在S103中将暖机用温度调整设备控制指令值设为1(ON)。另外，在S102中判定为从电池控制器16C发送的电池温度比暖机运转结束温度大的情况下，电池温度调整设备控制部22E在S104中将暖机用温度调整设备控制指令值设为0(OFF)。
此处，混合动力控制器22作为如下控制装置而发挥作用：在蓄电装置16的温度为暖机运转结束温度以下的情况下，根据蓄电装置16的充放电历史记录并以使蓄电装置16的温度升高的方式对暖机用电池温度调整设备16D(温度调整装置)进行控制。
图9B是与冷却用电池温度调整设备16E有关的电池温度调整设备控制部22E的控制流程图。在S111中，电池温度调整设备控制部22E以目标温度为基础而对冷却运转结束温度进行运算。此处，可以如目标温度+5℃那样将冷却运转结束温度设定为相对于目标温度高恒定值，或者可以另外参照冷却运转结束温度相对于目标温度的表。在S112中判定为从电池控制器16C发送的电池温度为冷却运转结束温度以上的情况下，电池温度调整设备控制部22E在S113中将冷却用温度调整设备控制指令值设为1(ON)。另外，在S112中判定为从电池控制器16C发送的电池温度比冷却运转结束温度小的情况下，在S114中将冷却用温度调整设备控制指令值设为0(OFF)。
此处，混合动力控制器22作为如下控制装置而发挥作用：在蓄电装置16的温度为比暖机运转结束温度大的冷却运转结束温度以上的情况下，以使蓄电装置16的温度降低的方式对温度调整装置(16D、16E)进行控制。
输出指令部22F基于液压泵要求动力、发动机输出上限值、允许充放电电力、电池输出降低率、停止指令、泵动力降低率而将作为控制指令的液压泵动力指令、发动机输出指令以及变流器电力指令分别向泵容量调节装置21、发动机控制器12以及变流器15输出，并对该各装置进行控制。
接下来，参照图10的流程图对输出指令部22F的控制处理进行详细说明。此外，关于以下的控制处理的运算，为了使说明容易理解，将电动发电机14、变流器15、锂离子电池16A、液压泵17以及行驶用液压马达2A等的液压负荷的效率设为100％，从而设为不会产生损失的理想的状态。
首先，输出指令部22F对利用液压泵要求动力推定部22A推定的液压泵要求动力乘以利用可逆电阻升高应对控制部22D运算所得的泵动力降低率，由此对液压泵要求动力补正值进行运算(S201)。接下来，输出指令部22F从补正后液压泵要求动力中减去利用发动机输出上限运算部22B运算所得的发动机输出上限值，由此对由变流器15要求的电力(以下，为了方便而称为变流器要求电力)进行运算(S202)。此处，补正后液压泵要求动力是从液压泵要求动力中减去液压泵要求动力补正值(S201)所得的值。
图11表示这些液压泵要求动力、发动机输出上限值以及变流器要求电力的关系。
如图11所示，若液压泵要求动力比发动机输出上限值大，则变流器要求电力比0大而成为放电电力(电动发电机14：动力运行)，若液压泵要求动力比发动机输出上限值小，则变流器要求电力比0小而成为充电电力(电动发电机14：再生)。
返回到图10，在S203中，输出指令部22F基于通过可逆电阻升高应对控制部22D运算所得的停止指令值而对停止的有无进行判定。
在S203中判定为有停止指令(停止指令值＝1)的情况下(S203中为是)，输出指令部22F将变流器电力指令值设为0(S204)，以规定的时间(例如60分钟)保持该状态(S205)。
在S203中判定为无停止指令(停止指令值＝0)的情况下(S203；否)，输出指令部22F对从电池控制器16C发送的允许充放电电力乘以利用可逆电阻升高应对控制部22D运算所得的电池输出降低率，由此对允许充放电电力补正值进行运算(S206)。而且，输出指令部22F将变流器电力指令值设为变流器要求电力和补正后允许充放电电力中较小的一方的值(S207)。此处，补正后允许充放电电力是从允许充放电电力中减去允许充放电电力补正值(S206)所得的值。
最后，输出指令部22F设定发动机输出上限值作为发动机输出指令值，设定发动机输出指令值与变流器电力指令值(在S204或S207中进行运算)的和(S208)作为液压泵动力指令值。
此处，在本发明的第1实施方式中，以S201中的液压泵要求动力的补正以及S206中的允许充放电电力的补正均执行的方式进行了记载，但是，若对液压泵要求动力进行补正，则变流器电力作为联动的结果而被限制，若对允许充放电进行补正，则液压泵要求动力作为联动的结果而被限制，因此，可以设为S201中的液压泵要求动力的补正和S206中的允许充放电电力的补正中的任一方。
输出指令部22F将与液压泵动力指令值(S208)相应的液压泵动力指令、与发动机输出指令值(S208)相应的发动机输出指令、与变流器电力指令值(S204或S207)相应的变流器指令分别向泵容量调节装置21、发动机控制器12以及变流器15发送，并使控制处理结束。
这样，混合动力控制器22作为执行第1控制、第2控制、第3控制中的至少1种控制的控制装置而发挥作用，其中，第1控制是根据蓄电装置16的充放电历史记录并以使蓄电装置16的温度升高的方式对暖机用电池温度调整设备16D(温度调整装置)进行控制，第2控制是以使从变流器15(电力转换装置)输出的电力减少的方式对变流器15进行控制，第3控制是以使液压泵17(液压泵装置)的排出流量减少的方式对泵容量调节装置21(液压泵装置)进行控制。
如以上说明，根据本发明的第1实施方式所涉及的混合动力挖掘机1，混合动力控制器22的电池温度调整设备控制部22E以及输出指令部22F，基于利用充放电历史记录运算部22C运算所得的充放电实施时间比例并根据利用可逆电阻升高应对控制部运算所得的目标温度、电池输出降低率、停止指令值、泵动力降低率而对液压泵17以及变流器15的动作进行控制。因此，既能防止操作人员的操作性显著降低，又能抑制锂离子电池16A的可逆的电阻升高的发生。
(第2实施方式)
图12是表示本发明的第2实施方式所涉及的混合动力控制器22的结构的功能框图。
本发明的第2实施方式与前述的第1实施方式的不同之处在于，第1实施方式所涉及的混合动力控制器22内部的充放电历史记录运算部22C构成为将以蓄电装置16的电流或电力为基础进行运算所得的充放电实施时间比例Rt输出，与此相对，例如，如图13所示，第2实施方式所涉及的充放电历史记录运算部22C构成为取代充放电实施时间比例Rt而将过去的恒定时间内的蓄电装置16的电流累计值输出。
由于可逆电阻升高因电解液内的锂离子的不均匀而产生，因此，负荷越大，越容易发生可逆电阻升高。在第2实施方式中，通过将充放电历史记录运算部22C的输出设为电流累计值而能够追加考虑负荷大小的影响。
另外，此处虽然以电流值为例对电流累计值的运算进行了说明，但是，作为累计值的运算指标，也可以采用电力、电流以及电力的绝对值或者平方值。
第2实施方式的其它结构与上述的第1实施方式的结构相同，将重复的说明省略。
如以上说明，根据本实施方式，既能防止操作人员的操作性显著降低，又能抑制锂离子电池16A的可逆的电阻升高的产生。
(第3实施方式)
图14是表示本发明的第3实施方式所涉及的混合动力控制器22的结构的功能框图。
本发明的第3实施方式与前述的第1实施方式的不同之处在于，第1实施方式所涉及的混合动力控制器22内部的充放电历史记录运算部22C构成为将以蓄电装置16的电流或电力为基础进行运算所得的充放电实施时间比例Rt输出，与此相对，第3实施方式所涉及的充放电历史记录运算部22C构成为取代充放电实施时间比例Rt而例如将蓄电装置16的电流一次滞后值输出。
利用混合动力控制器22的控制周期ΔT和一次滞后运算中的时间常数τ、并通过下述的数学式(8)而对电流一次滞后值Ifol进行运算。
[数学式8]
在第2实施方式中，通过将充放电历史记录运算部22C的输出设为电流累计值而能够追加考虑负荷大小的影响，但是，另一方面，由于为了对过去的恒定时间内的累计值随时进行更新并进行运算，必须将参照的时间内的各控制时间内的电流值储存于存储器等，因此，因存储器容量的增大而使得成本增加。在这一点上，在第3实施方式中，由于仅对电流一次滞后值的上一次值进行储存即可，因此能够以较少的存储器容量进行安装。
另外，此处虽然以电流的平方值为例对电流一次滞后值的运算进行了说明，但是，作为一次滞后值的运算指标，可以采用电力、电流以及电力的绝对值或者平方值。
第3实施方式的其它结构与上述的第1实施方式的结构相同，将重复的说明省略。
此处，混合动力控制器22作为如下控制装置而发挥作用：基于充放电电流的电流值或者电力值而对反馈控制的输出值进行计算，并根据反馈控制的输出值而执行第1～第3控制中的至少1种控制。
如以上说明，根据本实施方式，既能防止操作人员的操作性显著降低，又能抑制锂离子电池16A的可逆的电阻升高的发生。
此外，为了容易理解本发明而对上述的本实施方式进行了详细的说明，但未必限定于具备说明的所有结构的方式。另外，能够将某实施方式的结构的一部分置换为其它实施方式的结构，另外，还能够对某实施方式的结构追加其它实施方式的结构。
在本发明的第1～第3实施方式中，混合动力控制器22(控制装置)根据充放电实施时间比例Rt而对蓄电装置16的目标温度、电池输出降低率、停止指令值、泵动力降低率进行了变更，但是也可以对这些参数中的至少1个进行变更。
另外，本发明的第1～第3实施方式对蓄电装置16为锂离子电池16A的结构进行了说明，但是并不局限于该情况，与蓄电装置的高负荷的可逆电阻升高的特性相应地，基于电流及电力的充放电历史记录而预先对目标温度、电池输出降低率、停止指令值以及泵动力降低率的形式进行适当的设定，由此还能够同样地应用于镍氢电池、在高负荷时发生可逆电阻升高的蓄电元件等的上述以外的蓄电元件。
另外，虽然对本实施方式所涉及的混合动力式工程机械由混合动力挖掘机1构成的情况进行了说明，但是并不局限于该情况，例如可以是混合动力式轮式装载机(wheelloader)以及混合动力式卸货车(dump)等的混合动力式工程机械(包括插电式混合动力式工程机械)、或者并未搭载发动机11而仅利用蓄电装置16的输出进行驱动的电池式工程机械。

Claims (9)

1.一种混合动力式工程机械，其特征在于，具备：
发动机；
电动发电机，其在动力运行时对所述发动机的动力进行辅助，并在再生时进行发电；
液压泵装置，其由所述发动机的动力驱动，并将压力油排出；
蓄电装置；
电力转换装置，其在所述动力运行时将来自所述蓄电装置的直流电力转换为交流电力并供给至所述电动发电机，在所述再生时将利用所述电动发电机进行发电所得的交流电力转换为直流电力并供给至所述蓄电装置；
温度调整装置，其对所述蓄电装置的温度进行调整；以及
控制装置，其根据所述蓄电装置的充放电历史记录而执行第1控制、第2控制、第3控制中的至少1种控制，其中，所述第1控制是以使所述蓄电装置的温度升高的方式对所述温度调整装置进行控制，所述第2控制是以使从所述电力转换装置输出的电力减少的方式对所述电力转换装置进行控制，所述第3控制是以使所述液压泵装置的排出流量减少的方式对所述液压泵装置进行控制，
所述充放电历史记录是在过去的恒定期间内测定的所述蓄电装置的充放电电流的数据，
所述数据包括所述充放电电流的电流值，
所述控制装置对充放电实施时间比例进行计算，所述充放电实施时间比例表示所述充放电电流的电流值为第1阈值Ld以上的期间与所述充放电电流的电流值为比第1阈值小的第2阈值Lc以下的期间的总和、相对于所述过去的恒定期间的比，
根据所述充放电实施时间比例而执行所述第1控制～第3控制中的至少1种控制。
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，
在所述充放电电流的电流值为所述第1阈值Ld以上的期间以及所述充放电电流的电流值为所述第2阈值Lc以下的期间内，属于各期间的时刻越接近现在的时刻，所述控制装置赋予越大的权重。
3.根据权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
在所述充放电实施时间比例为第3阈值Rt_temp以上的情况下，所述控制装置对所述蓄电装置的目标温度设定根据所述充放电实施时间比例的增加而增加的值，以及以使得所述蓄电装置的温度达到所述目标温度的方式对所述温度调整装置进行控制，由此执行所述第1控制。
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，
在所述充放电实施时间比例为第4阈值Rt_bat以上的情况下，所述控制装置对所述蓄电装置的输出的降低率设定根据所述充放电实施时间比例的增加而增加的值，基于所述蓄电装置的输出的降低率而对从所述电力转换装置输出的电力的指令值进行设定，以及以使得从所述电力转换装置输出的电力达到所述指令值的方式对所述电力转换装置进行控制，由此执行所述第2控制。
5.根据权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
在所述充放电实施时间比例为第5阈值Rt_pause以上的情况下，所述控制装置使所述电力转换装置停止，由此执行所述第2控制。
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，
在所述充放电实施时间比例为第6阈值Rt_pump以上的情况下，所述控制装置对所述液压泵装置的动力的降低率设定根据所述充放电实施时间比例的增加而增加的值，基于所述液压泵装置的动力的降低率而对所述液压泵装置的动力的指令值进行设定，并且，以使得所述液压泵装置的动力达到所述指令值的方式对所述液压泵装置进行控制，由此执行所述第3控制。
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，
在所述蓄电装置的温度为第1温度以下的情况下，所述控制装置执行所述第1控制。
8.根据权利要求7所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
在所述蓄电装置的温度为比所述第1温度大的第2温度以上的情况下，所述控制装置执行第4控制，该第4控制是以使所述蓄电装置的温度降低的方式对所述温度调整装置进行控制。
9.根据权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
所述控制装置执行所述第1控制～第3控制中的所述第1控制。
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