JP2002325378A - ハイブリッド建設機械の動力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハイブリッド建設機械に搭載されている蓄電
装置の性能の劣化を抑制する。 【解決手段】 回生状態時には、電力制御部７８は、キ
ャパシタ６４の端子間電圧が予め設定された上限値Ｖｕ
ｐ１を超えないようにキャパシタ６４への充電電力を制
限しつつ、発電機６５による回生電力を優先的にキャパ
シタ６４に充電するとともに、回生電力の余剰分をバッ
テリ６３に充電する。一方、力行状態時には、電力制御
部７８は、キャパシタ６４の端子間電圧が予め設定され
た下限値Ｖｕｎ１、Ｖｕｎ２、Ｖｕｎ３未満にならない
ようにキャパシタ６４の放電電力を制限しつつ、発電機
６５への電力供給を優先的にキャパシタ６４に行わせ、
不足分をバッテリ６３に補わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数種の蓄電装置
を備えたハイブリッド建設機械の動力制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】建設機械の燃費の向上、排ガスの抑制、
騒音の抑制を目的としたハイブリッド建設機械の開発が
行われており、係るハイブリッド建設機械には、通常、
蓄電装置が搭載されている。しかしながら、蓄電装置に
は入出力密度に特化したものとエネルギー密度に特化し
たものがあり、油圧ショベルなどのハイブリッド建設機
械の要求動力に対応するためには、出力または容量のい
ずれか一方においてオーバースペックとなるという問題
点があった。

【０００３】このような問題点を解決するものとして、
特開２０００−２９５７１７号公報に開示されているよ
うなハイブリッド建設機械がある。このハイブリッド建
設機械はエネルギー密度（単位重量あたりの蓄積エネル
ギー）の高い蓄電装置とパワー密度（単位重量あたりの
出力）の高い蓄電装置との２種類の蓄電装置をハイブリ
ッド建設機械に搭載し、要求動力の大きさによって、例
えば電動機へ電力を供給する蓄電装置を切り替えるもの
である。但し、エネルギー密度の高い蓄電装置の例とし
ては、鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池などの二次電池が
あり、パワー密度の高い蓄電装置の例としては、電気二
重層キャパシタなどがある。なお、二次電池は、容量が
大きいものの、充放電時に化学変化を伴うため充放電の
回数が増加すると性能が劣化するという欠点がある。一
方、電気二重層キャパシタは、一般に充放電による性能
の劣化が小さいとされており、要求動力が頻繁に変化す
る建設機械などには適しているものの、容量が小さいた
め容量の大きい二次電池との併用が必要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ハイブリッ
ド建設機械では要求動力は頻繁に変化し、力行状態と回
生状態とが頻繁に繰り返し行われるものであるため、上
記公報のように要求動力の大きさにより蓄電装置の切り
替えを行う制御方法では、二次電池などのエネルギー密
度の高い蓄電装置の充放電が頻繁に繰り返され、充放電
による蓄電装置の劣化を抑制することができなかった。

【０００５】本発明は、蓄電装置の劣化を抑制すること
ができるハイブリッド建設機械の動力制御装置を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のハイブリ
ッド建設機械の動力制御装置は、エンジンと、該エンジ
ンによって駆動される発電機と、該発電機により供給さ
れる電力によって駆動される電動機と、前記発電機によ
り発電される電力および前記電動機により発電される電
力を蓄電するとともに前記電動機に電力を供給する第１
蓄電装置と、該第１蓄電装置より単位重量あたりの入出
力密度が高く、前記発電機により発電される電力および
前記電動機により発電される電力を蓄電するとともに前
記電動機に電力を供給する第２蓄電装置と、前記エンジ
ンおよび前記電動機の少なくとも一方により駆動される
作業アクチュエータとを備えたハイブリッド建設機械の
動力制御装置において、前記作業アクチュエータの要求
動力を検出する作業負荷検出手段と、前記作業負荷検出
手段による検出結果を基に前記電動機が力行状態と回生
状態とのいずれであるかを判別し、力行状態である場合
には前記第１蓄電装置より優先して第２蓄電装置に前記
電動機へ電力を供給させ、回生状態である場合には前記
第１蓄電装置より優先して前記第２蓄電装置へ前記電動
機の回生電力を供給させる制御手段とを備えたことを特
徴とする。

【０００７】請求項１によると、力行状態時には第１蓄
電装置より優先して第２蓄電装置に電動機へ電力を供給
させ、第２第蓄電装置による電力供給の不足分が第１蓄
電装置または発電機により補われるとともに、回生状態
時には第１蓄電装置より優先して第２蓄電装置に電動機
の回生電力を充電し、回生電力の余剰分が第１蓄電装置
に充電されるため、第１蓄電装置の充放電回数を減少さ
せることができる。この結果、二次電池などの第１蓄電
装置の充放電による性能の劣化を抑制でき、第１蓄電装
置の高寿命化を図ることができる。

【０００８】請求項２記載の動力制御装置は、前記第２
蓄電装置の端子間電圧に第１下限値と、該第１下限値よ
り大きい上限値とを設定する制限電圧設定手段をさらに
備え、前記制御手段は、力行状態である場合には前記第
２蓄電装置の端子間電圧が前記第１下限値未満とならな
いように前記第２蓄電装置から前記電動機へ供給される
電力を制限し、回生状態である場合には前記第２蓄電装
置の端子間電圧が前記上限値を超えないように前記電動
機から第２蓄電装置へ供給される電力を制限することを
特徴とする。請求項２によると、第２蓄電装置の端子間
電圧が上限値を超えないように第２蓄電装置の充電を制
限しているため、上限値を第２蓄電装置の耐電圧以下に
設定すれば、第２蓄電装置の端子間電圧が耐電圧を超え
ることによる電気二重層キャパシタなどの第２蓄電装置
の性能の劣化を防止することができる。また、第２蓄電
装置の端子間電圧が第１下限値未満にならないように第
２蓄電装置の放電を制限しているため、第２蓄電装置の
内部抵抗による電力損失（Ｉ²×Ｒ）の増加を防止する
ことができる。

【０００９】請求項３記載の動力制御装置は、前記制限
電圧設定手段は、前記電動機により発電される回生エネ
ルギーの全てを前記第２蓄電装置に蓄電することができ
るように前記第１下限値および前記上限値を設定するこ
とを特徴とする。請求項３によると、回生状態時に電動
機により発電される回生電力の全てを第２蓄電装置に充
電させることが可能となり、回生電力の一部を第１蓄電
装置に充電する必要がなくなるため、第１蓄電装置が充
電されることによる第１蓄電装置の性能の劣化を防止す
ることができる。

【００１０】但し、上限値をＶｍａｘ、下限値をＶｍｉ
ｎとし、第２蓄電装置の容量をＣとしたとき、第２蓄電
装置の使用可能エネルギーＥは以下の式のように表され
る。

【数１】 上記式から分かるように、使用可能エネルギーＥは、上
限値Ｖｍａｘと下限値Ｖｍｉｎで決まる。そして、上限
値Ｖｍａｘは第２蓄電装置の耐電圧で決まり、下限値Ｖ
ｍｉｎが小さい場合には第２蓄電装置の内部抵抗による
損失が大きくなるので、下限値Ｖｍｉｎが上限値Ｖｍａ
ｘの（１／２）以上になるように容量Ｃの値を決定する
のが好ましい。尚、実測データによれば、作業アクチュ
エータの回生エネルギーの最大値は、走行を除けばブー
ム下げと旋回のときが最も大きく、６トン級の油圧ショ
ベルで約２０（ｋＪ）であり、例えば、この回生エネル
ギーの全てを第２蓄電装置に蓄電できるように上限値Ｖ
ｍａｘ、下限値Ｖｍｉｎ、容量Ｃを決定する。

【００１１】請求項４記載の動力制御装置は、前記エン
ジンの稼動状態を検出する稼動状態検出手段をさらに備
え、前記制限電圧設定手段は前記第１下限値より大きく
前記上限値より小さい第２下限値をさらに設定し、前記
制御手段は、前記稼動状態検出手段により前記エンジン
が停止していると検出された場合には前記第２蓄電装置
の端子間電圧が前記第２下限値未満とならないように前
記第２蓄電装置から前記電動機へ供給される電力を制限
することを特徴とする。また、請求項５記載の動力制御
装置は、前記制限電圧設定手段は、前記電動機により発
電される回生エネルギーの全てを前記第２蓄電装置に蓄
電することができるように前記第２下限値および前記上
限値を設定するとともに、前記エンジン起動後当該エン
ジンの回転数が規定回数に達するまでの間に前記電動機
への電力に不足が生じないように前記第１下限値および
前記第２下限値を設定していることを特徴とする。請求
項４および請求項５によると、作業アクチュエータの負
荷が急激に増大した場合であっても、エンジンの回転数
が規定回数になるまでの間に電動機への供給電力に不足
が生じるような事態を回避することが可能となる。

【００１２】尚、第１下限値および第２下限値は、例え
ば、エンジンが起動してから当該エンジンの回転数が規
定回数に達するまでの間におけるエンジンの最大出力値
からの不足分を積算することにより求められるエネルギ
ーから決定できる。

【００１３】請求項６記載の動力制御装置は、前記エン
ジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段をさらに備
え、前記制限電圧設定手段は、前記第１下限値より大き
く前記上限値より小さい第３下限値をさらに設定し、前
記制御手段は、前記エンジン負荷検出手段によりエンジ
ン負荷の増加率が所定値以上であると検出された場合に
は前記第２蓄電装置の端子間電圧を前記第３下限値未満
とならないように前記第２蓄電装置から前記電動機へ供
給される電力を制限することを特徴とし、請求項７記載
の動力制御装置は、前記制御手段が、前記エンジン負荷
検出手段によりエンジン負荷の増加率が所定値以上でな
いと検出された場合には前記第２蓄電装置の端子間電圧
を前記第１下限値未満とならないように前記第２蓄電装
置から前記電動機へ供給される電力を制限することを特
徴とする。また、請求項８記載の動力制御装置は、前記
制限電圧設定手段は、前記電動機により発電される回生
エネルギーの全てを前記第２蓄電装置に蓄電することが
できるように前記第３下限値および前記上限値を設定す
るとともに、前記エンジンの出力低下後当該エンジンの
出力が回復するまでの間に前記電動機への電力に不足が
生じないように前記第１下限値および前記第３下限値を
設定することを特徴とする。請求項６請求項７および請
求項８によると、負荷変動によるエンジンの出力が低下
した場合であっても、エンジンの出力が回復するまでの
間に電動機への供給電力に不足が生じるような事態を回
避することが可能となる。

【００１４】尚、第１下限値および第３下限値は、例え
ば、エンジン出力が低下してから当該エンジンの出力が
回復するまでの間におけるエンジンの出力の低下分を積
算することにより求められるエネルギーから決定でき
る。ここで、実測データによれば、１６００（ｒｐｍ）
で運転中のエンジンに、０から定格トルクまでのステッ
プ状の負荷を与えた場合に、エンジンの回転数は１３０
０（ｒｐｍ）まで低下し、定常回転に復帰するまでに
０．５秒から１秒要した。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照しつつ説明する。尚、以下におい
ては、ハイブリッド建設機械としてシリーズ方式のハイ
ブリッドショベルを例に挙げて説明するが、パラレル方
式のハイブリッドショベルなど各種ハイブリッド建設機
械に適用することができる。

【００１６】まず、本実施の形態に係る動力制御装置が
適用されるハイブリッドショベルについて、図１を参照
しつつ説明する。但し、図１はハイブリッドショベルの
概略構成を示す模式図である。

【００１７】図１において、ハイブリッドショベル１
は、下部走行体２と、下部走行体２の上面中心部に旋回
可能に設けられた上部旋回体３と、上部旋回体３の前部
に設けられた堀削アタッチメント４とから構成されてい
る。

【００１８】下部走行体２は、両端部に平行配置された
一対のクローラフレーム２１と、各クローラフレーム２
１の周囲に回転可能に設けられ、地面に対して面上に接
地するクローラ２２と、クローラ２２を回転駆動する走
行用減速機２３および走行用電動機２４とを有してい
る。このように構成された下部走行体２は、各クローラ
２２を走行用減速機２３を介して走行用電動機２４によ
り個別に正方向および逆方向に回転駆動することによっ
て、ハイブリッドショベル１全体を前進、後退、回転、
旋回させる。

【００１９】下部走行体２の上面中心部には、旋回軸５
が下部走行体２に対して直交して設けられている。旋回
軸５の上部には、上部旋回体３の一部を構成する旋回フ
レーム３１が回転自在に設けられている。旋回フレーム
３１の上面には、オペレータの操縦室となるキャビン３
２と、保護カバー３３で覆われた機械収納部３４とが設
けられているとともに、掘削アタッチメント４のブーム
４１およびブームシリンダ４２の一端部が上下に回動自
在に設けられている。

【００２０】機械収納部３４には、旋回用電動機３５お
よび旋回用減速機３６が設けられているとともに、ブー
ム用電動機３７とブームポンプ３８とを一体化して備え
たブーム用一体型アクチュエータＡ１、アーム用電動機
４７ａとアームポンプ４７ｂとを一体化して備えたアー
ム用一体型アクチュエータＡ２、バケット用電動機４８
ａとバケットポンプ４８ｂとを一体化して備えたバケッ
ト用一体型アクチュエータＡ３が設けられている。旋回
用電動機３５は、旋回用減速機３６を介して旋回フレー
ム３１を旋回軸５を旋回中心として旋回駆動する。ブー
ム用一体型アクチュエータＡ１は、ブームシリンダ４２
に図示しない油圧配管を介して接続されており、ブーム
４１の先端側を上下に回動させる。アーム用一体型アク
チュエータＡ２は、アームシリンダ４５に図示しない油
圧配管を介して接続されており、アーム４３を上下に回
動させる。バケット用一体型アクチュエータＡ３は、バ
ケットシリンダ４６に図示しない油圧配管を介して接続
されており、バケット４４を上下に回動させる。

【００２１】ブーム４１の先端部には、アーム４３が回
動自在に設けられている。アーム４３の先端部には、バ
ケット４４が回動自在に設けられている。また、ブーム
４１とアーム４３とは、アームシリンダ４５を介して連
結されており、アーム４３とバケット４４とは、バケッ
トシリンダ４６を介して連結されている。

【００２２】機械収納部３４内には、エンジン６１、エ
ンジン６１の回転速度（エンジン出力）に応じた交流電
力を発電する発電機６２が収納されている他、バッテリ
６３、キャパシタ６４などが収納されている。

【００２３】次に、上記構成を有するハイブリッドショ
ベル１の動力制御の機構について図２を参照しつつ説明
する。但し、図２は、ハイブリッドショベル１の動力制
御機構を説明するためのブロック図である。

【００２４】図２に示すブロック図は、エンジン６１
と、発電機６２と、発電機６２により発電される余剰電
力および電動機６５の回生電力を蓄えるとともに、適宜
電動機６５へ電力を供給するバッテリ６３、キャパシタ
６４と、電動機６５と一体化された一体型アクチュエー
タ６６と、動力制御機構７とから構成されている。電動
機６５は、ブーム用電動機３７、アーム用電動機４７
ａ、バケット用電動機４８ａなどであり、一体型アクチ
ュエータ６５は、ブーム用一体型アクチュエータＡ１、
アーム用一体型アクチュエータＡ２、バケット用一体型
アクチュエータＡ３などであり、図２においては一のみ
図示している。

【００２５】バッテリ６３は、鉛蓄電池やニッケル水素
蓄電池などの二次電池であり、エネルギー密度（単位重
量あたりの蓄積エネルギー）が高いものである。一方、
キャパシタ６４は、電気二重層キャパシタなどであり、
パワー密度（単位重量あたりの出力）が高いものであ
る。即ち、キャパシタ６４がバッテリ６３より単位重量
あたりの入出力密度が高い蓄電装置ということになる。

【００２６】図２に示すエンジン制御機構７は、制限電
圧設定部７１と、エンジン稼動状態検出部７２と、エン
ジン負荷検出部７３と、電圧センサ７４と、電流センサ
７５と、制限電力算出部７６と、作業負荷検出部７７
と、電力制御部７８とから構成されている。

【００２７】制限電圧設定部７１は、キャパシタ６４の
端子間電圧の下限値（第１下限値）Ｖｕｎ１、下限値
（第２下限値）Ｖｕｎ２、下限値（第３下限値）Ｖｕｎ
３、上限値Ｖｕｐ１を設定する。但し、下限値Ｖｕｎ１
は、力行状態で、エンジン６１が稼動中で、且つ、エン
ジン６１の負荷の増大が所定値以上の場合におけるキャ
パシタ６４の端子間電圧の下限値である。また、下限値
Ｖｕｎ２は、力行状態で、エンジン６１が稼動中で、且
つ、エンジン６１の負荷の増大が所定値以上でない場合
におけるキャパシタ６４の端子間電圧の下限値である。
さらに、下限値Ｖｕｎ３は、力行状態で、且つ、エンジ
ン６１が停止中の場合におけるキャパシタ６４の端子間
電圧の下限値である。さらに、上限値Ｖｕｐ１は、回生
状態の場合におけるキャパシタ６４の端子間電圧の上限
値である。

【００２８】ここで、制限電圧設定部７１は、以下の条
件の全てを満足するように、下限値Ｖｕｎ１、Ｖｕｎ
２、Ｖｕｎ３、および上限値Ｖｕｐ１を設定する。

【００２９】第１の条件として、キャパシタ６４の端子
間電圧が耐電圧を超えるとキャパシタ６４の劣化が生じ
るため、キャパシタ６４の耐電圧を考慮し、上限値Ｖｕ
ｐ１を設定する。

【００３０】第２の条件として、回生エネルギーの全て
をキャパシタ６４に充電できないような値に上限値Ｖｕ
ｐ１と下限値Ｖｕｎ１との値を設定した場合、上限値Ｖ
ｕｐ１と下限値Ｖｕｎ２との値を設定した場合、上限値
Ｖｕｐ１と下限値Ｖｕｎ３との値を設定した場合にはバ
ッテリ６３に回生エネルギーの余剰分を充電することに
なり、バッテリ６３の性能の劣化を招く恐れがあるた
め、回生エネルギーの全てがキャパシタ６４に充電可能
になるように、各値を設定する。即ち、最大の回生エネ
ルギーをＥｍａｘ、上限値Ｖｕｐ１と下限値Ｖｕｎ１と
の間で蓄電できるエネルギーをＥ１、上限値Ｖｕｐ１と
下限値Ｖｕｎ２との間で蓄電できるエネルギーをＥ２、
上限値Ｖｕｐ１と下限値Ｖｕｎ３との間で蓄電できるエ
ネルギーをＥ３とした場合、Ｅｍａｘ≦Ｅ１、Ｅｍａｘ
≦Ｅ２、Ｅｍａｘ≦Ｅ３の関係を満たすように、各値を
設定する。

【００３１】第３の条件として、エンジン停止中にアク
チュエータの負荷が急激に増加した場合にはバッテリ６
３とキャパシタ６４の出力だけでは電動機６５へ十分な
電力供給が行えない場合も考えられるため、アクチュエ
ータの負荷が急激に増加した場合にも確実に電動機６５
への電力供給が行えるように下限値Ｖｕｐ１および下限
値Ｖｕｐ２とを設定する。

【００３２】第４の条件として、エンジン６１の負荷が
増大してエンジン出力が低下した場合に電動機６５へ十
分な電力を供給できなくなるような事態が考えられるた
め、エンジン出力が低下した場合にも確実に電動機６５
への電力供給が行えるように、下限値Ｖｕｐ１および下
限値Ｖｕｐ３とを設定する。尚、キャパシタ６４の内部
抵抗による損失を考慮して、下限値Ｖｕｎ１、Ｖｕｎ
２、Ｖｕｎ３が上限値Ｖｕｐ１の（１／２）以上になる
ように、キャパシタ６４の容量を定めるのが好ましい。

【００３３】エンジン稼動状態検出部７２は、エンジン
６１が運転中であるか、停止中であるかを検出し、検出
結果を電力制御部７８へ出力する。

【００３４】エンジン負荷検出部７３は、エンジン６１
の負荷を検出し、検出結果を電力制御部７８へ出力す
る。尚、例えば、エンジン６１の回転速度を検出し、当
該回転速度が一定時間に予め設定された所定値以上低下
したときに負荷が増大したものと判断する。

【００３５】電圧センサ７４は、キャパシタ６４の端子
間電圧を検出し、検出結果を制限電力算出部７６へ出力
する。また、電流センサ７５は、キャパシタ６４の入出
力電流を検出し、検出結果を制限電力算出部７６へ出力
する。

【００３６】制限電力算出部７６は、電圧センサ７４に
より検出された電圧Ｖｃと、電流センサ７５により検出
された電流Ｉｃと、制限電圧設定部７１により設定され
た端子間電圧の下限値Ｖｕｎ１とを基に下記式（１）を
演算することによりキャパシタ６４の端子間電圧がＶｕ
ｎ１となる電力Ｐ１を算出し、算出結果を電力制御部７
８へ出力する。また、電圧Ｖｃと電流Ｉｃと制限電圧設
定部７１により設定された端子間電圧の下限値Ｖｕｎ２
とを基に下記式（２）を演算して、キャパシタ６４の端
子間電圧がＶｕｎ２となる電力Ｐ２を算出し、算出結果
を電力制御部７８へ出力する。さらに、電圧Ｖｃと電流
Ｉｃと制限電圧設定部７１により設定された端子間電圧
の下限値Ｖｕｎ３とを基に下記式（３）を演算して、キ
ャパシタ６４の端子間電圧がＶｕｎ３となる電力Ｐ３を
算出し、算出結果を電力制御部７８へ出力する。さら
に、電圧Ｖｃと電流Ｉｃと制限電圧設定部７１により設
定された端子間電圧の上限値Ｖｕｐ１とを基に下記式
（４）を演算して、キャパシタ６４の端子間電圧がＶｕ
ｐ１となる電力Ｐ４を算出し、算出結果を電力制御部７
８へ出力する。但し、Ｒはキャパシタ６４の内部抵抗で
ある。

【数２】

【００３７】作業負荷検出部７７は、各電動機６５の入
力部の電圧と電流との積を演算した後、演算結果の総和
を求めることにより作業負荷の総和（要求電力の総和）
Ｐ０を算出し、算出結果を電力制御部７８へ出力する。

【００３８】電力制御部７８は、キャパシタ６４の充放
電電力を決定し、決定した充放電電力によりキャパシタ
６４の充放電電力を制限するようにキャパシタ６４の充
放電電力を制御する。

【００３９】詳しくは、電力制御部７８は、作業負荷検
出部７７により算出された結果を基に、力行状態（Ｐ０
＞０）であるか回生状態（Ｐ０＜０）であるかを判定す
る。また、力行状態の場合にはエンジン稼動状態検出部
７２の検出結果を基にエンジン６１が稼動中かを判定
し、エンジン６１が稼動中の場合にはさらにエンジン負
荷検出部７３の検出結果を基にエンジン負荷の増大が所
定値以上であるか否かを判定する。

【００４０】そして、電力制御部７８は、力行状態で、
エンジン６１が稼動中で、かつエンジン負荷の増大が所
定値以上でない場合には、作業負荷Ｐ０の絶対値が電力
Ｐ１の絶対値より大きいか（｜Ｐ０｜＞｜Ｐ１｜）を判
定し、作業負荷Ｐ０の絶対値の方が大きいときはキャパ
シタ６４の放電電力をＰ１に制限し、大きくないときは
キャパシタ６４の放電電力をＰ０とする。また、電力制
御部７８は、力行状態で、エンジン６１が稼動中で、か
つエンジン負荷の増大が所定値以上である場合には、作
業負荷Ｐ０の絶対値が電力Ｐ３の絶対値より大きいか
（｜Ｐ０｜＞｜Ｐ３｜）を判定し、作業負荷Ｐ０の絶対
値の方が大きいときはキャパシタ６４の放電電力をＰ３
に制限し、大きくないときはキャパシタ６４の放電電力
をＰ０とする。

【００４１】さらに、電力制御部７８は、力行状態で、
エンジン６１が停止中の場合には、作業負荷Ｐ０の絶対
値が電力Ｐ２の絶対値より大きいか（｜Ｐ０｜＞｜Ｐ２
｜）を判定し、作業負荷Ｐ０の絶対値の方が大きいとき
はキャパシタ６４の放電電力をＰ２に制限し、大きくな
いときはキャパシタ６４の放電電力をＰ０とする。さら
に、電力制御部７８は、回生状態である場合には、作業
負荷Ｐ０の絶対値が電力Ｐ４の絶対値より大きいか（｜
Ｐ０｜＞｜Ｐ４｜）を判定し、作業負荷Ｐ０の絶対値の
方が大きいときはキャパシタ６４の充電電力をＰ４に制
限し、大きくないときはキャパシタ６４の充電電力をＰ
０とする。

【００４２】さらに、上記構成を有する動力制御機構７
における動力制御方法について図３を参照しつつ説明す
る。但し、図３は動力制御方法の手順を示すフローチャ
ートである。

【００４３】ステップＳ１０１において、制限電圧設定
部７１は、下限値Ｖｕｎ１、Ｖｕｎ２、Ｖｕｎ３と、上
限値Ｖ４とを、上述した条件を満足するように決定す
る。

【００４４】ステップＳ１０２において、電圧センサ７
４はキャパシタ６４の端子間電圧を検出して検出結果で
ある電圧Ｖｃを制限電力算出部７６へ出力する。また、
電流センサ７５はキャパシタ６４の入出力電流を検出
し、検出結果である電流Ｉｃを制限電力算出部７６へ出
力する。

【００４５】ステップＳ１０３また、制限電力算出部７
６は、電圧センサ７４により検出された電圧Ｖｃと、電
流センサ７５により検出された電流Ｉｃと、制限電圧設
定部７１により設定されたキャパシタ６４の端子間電圧
の下限値Ｖｕｎ１とを基に上記式（１）を演算すること
によりキャパシタ６４の端子間電圧がＶｕｎ１となる電
力Ｐ１を算出し、算出結果を電力制御部７８へ出力す
る。

【００４６】また、制限電力算出部７６は、電圧センサ
７４により検出された電圧Ｖｃと、電流センサ７５によ
り検出された電流Ｉｃと、制限電圧設定部７１により設
定されたキャパシタ６４の端子間電圧の下限値Ｖｕｎ２
とを基に上記式（２）を演算して、キャパシタ６４の端
子間電圧がＶｕｎ２となる電力Ｐ２を算出し、算出結果
を電力制御部７８へ出力する。

【００４７】さらに、制限電力算出部７６は、電圧セン
サ７４により検出された電圧Ｖｃと、電流センサ７５に
より検出された電流Ｉｃと、制限電圧設定部７１により
設定されたキャパシタ６４の端子間電圧の下限値Ｖｕｎ
３とを基に上記式（３）を演算して、キャパシタ６４の
端子間電圧がＶｕｎ３となる電力Ｐ３を算出し、算出結
果を電力制御部７８へ出力する。

【００４８】さらに、制限電力算出部７６は、電圧セン
サ７４により検出された電圧Ｖｃと、電流センサ７５に
より検出された電流Ｉｃと、制限電圧設定部７１により
設定されたキャパシタ６４の端子間電圧の上限値Ｖｕｐ
１とを基に上記式（４）を演算して、キャパシタ６４の
端子間電圧がＶｕｐ１となる電力Ｐ４を算出し、算出結
果を電力制御部７８へ出力する。

【００４９】ステップＳ１０４において、作業負荷検出
部７７は、電動機６４の入力部の電圧と電流との積を演
算した後、演算結果の総和を求めることにより作業負荷
の総和Ｐ０を算出し、算出結果を電力制御部７８へ出力
する。

【００５０】ステップＳ１０５において、電力制御部７
８は、作業負荷検出部７７により算出された結果を基
に、力行状態（Ｐ０＞０）であるか否かを判定する。力
行状態（Ｐ０＞０）であると判定された場合には（ステ
ップＳ１０５：ＹＥＳ）、ステップＳ１０６の処理に移
行する。一方、力行状態でない、即ち回生状態であると
判定された場合には（ステップＳ１０５：ＮＯ）、ステ
ップＳ１１４の処理へ移行する。

【００５１】ステップＳ１０６において、エンジン稼動
状態検出部７２はエンジン６１の稼動状態を検出し検出
結果を電力制御部７８へ出力し、電力制御部７８はエン
ジン稼動状態検出部７２の検出結果を基に、エンジン６
１が稼動中であるか否かを判定する。エンジン６１が稼
動中であると判定された場合には（ステップＳ１０６：
ＹＥＳ）、ステップＳ１０７の処理に移行する。一方、
エンジン６１が稼動中でない、即ちエンジン６１が停止
中と判定された場合には（ステップＳ１０６：ＮＯ）、
ステップＳ１１２の処理に移行する。

【００５２】ステップＳ１０７において、エンジン負荷
状態検出部７３はエンジンの負荷を検出し検出結果を電
力制御部７１へ出力し、電力制御部７８は、エンジン負
荷が所定時間に所定以上増大したか否かを判定する。負
荷の増大が所定以上であると判定された場合には（ステ
ップＳ１０７：ＹＥＳ）、ステップＳ１１０の処理に移
行する。一方、負荷の増大が所定以上でないと判定され
た場合には（ステップＳ１０７：ＮＯ）、ステップＳ１
０８の処理へ移行する。

【００５３】ステップ１０８において、エンジン制御部
７８は、ステップＳ１０４で算出された作業負荷Ｐ０の
絶対値が、ステップＳ１０３で算出された電力Ｐ１の絶
対値より大きいか否か（｜Ｐ０｜＞｜Ｐ１｜）を判定す
る。作業負荷Ｐ０の絶対値の方が大きい場合には（ステ
ップＳ１０８：ＹＥＳ）、ステップＳ１０９の処理へ移
行し、大きくない場合には（ステップＳ１０８：ＮＯ）
ステップＳ１１６の処理へ移行する。

【００５４】ステップＳ１０９において、エンジン制御
部７８は、キャパシタ６４の放電電力を、ステップＳ１
０３で算出された電力Ｐ１に制限する。なお、不足分は
発電機６２又はバッテリ６３により補われる。

【００５５】ステップ１１０において、エンジン制御部
７８は、ステップＳ１０７で算出された作業負荷Ｐ０の
絶対値が、ステップＳ１０３で算出された電力Ｐ３の絶
対値より大きいか否か（｜Ｐ０｜＞｜Ｐ３｜）を判定す
る。作業負荷Ｐ０の絶対値の方が大きい場合には（ステ
ップＳ１１０：ＹＥＳ）、ステップＳ１１１の処理へ移
行し、大きくない場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）
ステップＳ１１６の処理へ移行する。

【００５６】ステップＳ１１１において、エンジン制御
部７８は、キャパシタ６４の放電電力を、ステップＳ１
０３で算出された電力Ｐ３に制限する。なお、不足分は
発電機６２又はバッテリ６３により補われる。

【００５７】ステップ１１２において、エンジン制御部
７８は、ステップＳ１０４で算出された作業負荷Ｐ０の
絶対値が、ステップＳ１０３で算出された電力Ｐ２の絶
対値より大きいか否か（｜Ｐ０｜＞｜Ｐ２｜）を判定す
る。作業負荷Ｐ０の絶対値の方が大きい場合には（ステ
ップＳ１１２：ＹＥＳ）、ステップＳ１１３の処理へ移
行し、大きくない場合には（ステップＳ１１２：ＮＯ）
ステップＳ１１６の処理へ移行する。

【００５８】ステップＳ１１３において、エンジン制御
部７８は、キャパシタ６４の放電電力を、ステップＳ１
０３で算出された電力Ｐ２に制限する。なお、不足分は
発電機６２又はバッテリ６３により補われる。

【００５９】ステップ１１４において、エンジン制御部
７８は、ステップＳ１０４で算出された作業負荷Ｐ０の
絶対値が、ステップＳ１０３で算出された電力Ｐ４の絶
対値より大きいか否か（｜Ｐ０｜＞｜Ｐ４｜）を判定す
る。作業負荷Ｐ０の絶対値の方が大きい場合には（ステ
ップＳ１１４：ＹＥＳ）、ステップＳ１１５の処理へ移
行し、大きくない場合には（ステップＳ１１４：ＮＯ）
ステップＳ１１６の処理へ移行する。

【００６０】ステップＳ１１５において、エンジン制御
部７８は、キャパシタ６４の充電電力を、ステップＳ１
０３で算出された電力Ｐ４に制限する。なお、過剰分は
バッテリ６３に充電される。

【００６１】ステップＳ１１６において、エンジン制御
部７８は、力行状態の場合にはキャパシタ６４の放電電
力を、ステップＳ１０４で算出された作業負荷Ｐ０に制
御し、電動機６５への電力供給が全てキャパシタ６４の
放電により行われる。また、エンジン制御部７８は、回
生状態の場合にはキャパシタ６４の充電電力を、ステッ
プＳ１０４で算出された作業負荷Ｐ０に制御し、電動機
６５による回生電力の全てがキャパシタ６４に充電され
ることになる。

【００６２】以上説明した本実施の形態に係るハイブリ
ッドショベル１の動力制御機構７においては、力行状態
時にはバッテリ６３より優先してキャパシタ６４に電動
機へ電力を供給させ、蓄電装置６４による電力供給の不
足分がバッテリ６３または発電機６２により補われると
ともに、回生状態時にはバッテリ６３より優先してキャ
パシタ６４に電動機６５の回生電力を充電し、回生電力
の余剰分がバッテリ６３に充電されるため、バッテリ６
３の充放電回数を減少させることができる。この結果、
バッテリ６３の充放電による性能の劣化を抑制でき、バ
ッテリ６３の高寿命化を図ることができる。

【００６３】また、キャパシタ６４の端子間電圧が上限
値Ｖｕｐ１を超えないようにキャパシタ６４の充電を制
限し，且つ、上限値Ｖｕｐ１をキャパシタ６４の耐電圧
以下に設定しているため、キャパシタ６４の端子間電圧
が耐電圧を超えることによるキャパシタ６４の性能の劣
化を防止することができる。また、キャパシタ６４の端
子間電圧が下限値Ｖｕｎ１、Ｖｕｎ２、Ｖｕｎ１未満に
ならないようにキャパシタ６４の放電を制限しているた
め、キャパシタ６４の内部抵抗による電力損失の増加を
防止することができる。

【００６４】さらに、キャパシタ６４の端子間電圧の上
限値Ｖｕｐ１と下限値Ｖｕｎ１との設定、上限値Ｖｕｐ
１と下限値Ｖｕｎ２との設定、上限値Ｖｕｐ１と下限値
Ｖｕｎ３との設定を、回生エネルギーの全てをキャパシ
タ６４に充電できるように設定しているため、回生状態
時に電動機６５により発電される回生電力の全てをキャ
パシタ６４に充電させることが可能となり、回生電力の
一部をバッテリ６３に充電する必要がなくなるため、バ
ッテリ６３が充電されることによるバッテリ６３の性能
の劣化を防止することができる。

【００６５】さらに、作業負荷が急激に増加した場合
に、エンジン６１起動後エンジン６２の回転数が規定回
数に達するまでの間に電動機６５への供給電力に不足が
生じないように下限値Ｖｕｎ１および下限値Ｖｕｎ２と
を設定しているため、作業負荷が急激に層化した場合に
も、エンジン６１の回転数が規定回数になるまでの間に
電動機６５への供給電力に不足が生じるような事態を回
避することができる。

【００６６】さらに、エンジン出力が低下した場合に、
エンジン６１の出力低下後エンジン６１の出力が回復す
るまでの間に電動機６５への供給電力に不足が生じない
ように下限値Ｖｕｎ１および下限値Ｖｕｎ３とを設定し
ているため、負荷増大によるエンジンの出力が低下した
場合にも、エンジンの出力が回復するまでの間に電動機
６５への供給電力に不足が生じるような事態を回避する
ことが可能となる。

【００６７】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるもの
ではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々
な設計変更が可能なものである。例えば、実施の形態に
おいてはバッテリ６３およびキャパシタ６４が夫々一つ
の場合であるが、ハイブリッドショベル１に２以上のバ
ッテリや２以上のキャパシタを搭載するようにしてもよ
い。また、過電流から動力制御機構７を保護する保護回
路を付加するように構成してもよい。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１による
と、力行状態時には第１蓄電装置より優先して第２蓄電
装置に電動機へ電力を供給させ、第２第蓄電装置による
電力供給の不足分が第１蓄電装置または発電機により補
われるとともに、回生状態時には第１蓄電装置より優先
して第２蓄電装置に電動機の回生電力を充電し、回生電
力の余剰分が第１蓄電装置に充電されるため、第１蓄電
装置の充放電回数を減少させることができる。この結
果、二次電池などの第１蓄電装置の充放電による性能の
劣化を抑制でき、第１蓄電装置の高寿命化を図ることが
できる。

【００６９】請求項２によると、第２蓄電装置の端子間
電圧が上限値を超えないように第２蓄電装置の充電を制
限しているため、上限値を第２蓄電装置の耐電圧以下に
設定すれば、第２蓄電装置の端子間電圧が耐電圧を超え
ることによる電気二重層キャパシタなどの第２蓄電装置
の性能の劣化を防止することができる。また、第２蓄電
装置の端子間電圧が第１下限値未満にならないように第
２蓄電装置の放電を制限しているため、第２蓄電装置の
内部抵抗による電力損失の増加を防止することができ
る。

【００７０】請求項３によると、回生状態時に電動機に
より発電される回生電力の全てを第２蓄電装置に充電さ
せることが可能となり、回生電力の一部を第１蓄電装置
に充電する必要がなくなるため、第１蓄電装置が充電さ
れることによる第１蓄電装置の性能の劣化を防止するこ
とができる。

【００７１】請求項４および請求項５によると、作業ア
クチュエータの負荷が急激に増大した場合であっても、
エンジンの回転数が規定回数になるまでの間に電動機へ
の供給電力に不足が生じるような事態を回避することが
可能となる。

【００７２】請求項６、請求項７および請求項８による
と、負荷変動によるエンジンの出力が低下した場合であ
っても、エンジンの出力が回復するまでの間に電動機へ
の供給電力に不足が生じるような事態を回避することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るエンジン制御装置が
適用されるハイブリッドショベルの概略構成を示す模式
図である。

【図２】図１に概略を示したハイブリッドショベルの動
力制御機構を説明するためのブロック図である。

【図３】図２に示した動力制御機構における動力制御方
法の手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ ハイブリッドショベル ２ 下部走行体 ３ 上部旋回体 ４ 掘削アタッチメント ５ 旋回軸 ６１ エンジン ６２ 発電機 ６３ バッテリ ６４ キャパシタ ６５ 電動機 ６６ 一体型アクチュエータ ７ 動力制御機構 ７１ 制限電圧設定部 ７２ エンジン稼動状態検出部 ７３ エンジン負荷検出部 ７４ 電圧センサ ７５ 電流センサ ７６ 制限電力算出部 ７７ 作業負荷検出部 ７８ 電力制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小見山 昌之 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所西神３号館２Ｆ神戸総 合技術研究所内ＨＹＣＯプロジェクト室 (72)発明者 今西 悦二郎 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 鹿児島 昌之 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 南條 孝夫 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 Ｆターム(参考） 5G003 AA07 BA04 CA01 CA11 DA15 GC05 5G060 AA04 AA05 BA08 DB07 5H115 PC06 PG10 PI14 PI16 PI29 PO04 PO06 PO17 PU01 SE06 TI05 TI06 TO04 TO12 TO13 TO14

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンと、該エンジンによって駆動さ
   れる発電機と、該発電機により供給される電力によって
   駆動される電動機と、前記発電機により発電される電力
   および前記電動機により発電される電力を蓄電するとと
   もに前記電動機に電力を供給する第１蓄電装置と、該第
   １蓄電装置より単位重量あたりの入出力密度が高く、前
   記発電機により発電される電力および前記電動機により
   発電される電力を蓄電するとともに前記電動機に電力を
   供給する第２蓄電装置と、前記エンジンおよび前記電動
   機の少なくとも一方により駆動される作業アクチュエー
   タとを備えたハイブリッド建設機械の動力制御装置にお
   いて、 前記作業アクチュエータの要求動力を検出する作業負荷
   検出手段と、 前記作業負荷検出手段による検出結果を基に前記電動機
   が力行状態と回生状態とのいずれであるかを判別し、力
   行状態である場合には前記第１蓄電装置より優先して第
   ２蓄電装置に前記電動機へ電力を供給させ、回生状態で
   ある場合には前記第１蓄電装置より優先して前記第２蓄
   電装置へ前記電動機の回生電力を供給させる制御手段と
   を備えたことを特徴とするハイブリッド建設機械の動力
   制御装置。
2. 【請求項２】 前記第２蓄電装置の端子間電圧に第１下
   限値と、該第１下限値より大きい上限値とを設定する制
   限電圧設定手段をさらに備え、 前記制御手段は、力行状態である場合には前記第２蓄電
   装置の端子間電圧が前記第１下限値未満とならないよう
   に前記第２蓄電装置から前記電動機へ供給される電力を
   制限し、回生状態である場合には前記第２蓄電装置の端
   子間電圧が前記上限値を超えないように前記電動機から
   第２蓄電装置へ供給される電力を制限することを特徴と
   する請求項１記載のハイブリッド建設機械の動力制御装
   置。
3. 【請求項３】 前記制限電圧設定手段は、前記電動機に
   より発電される回生エネルギーの全てを前記第２蓄電装
   置に蓄電することができるように前記第１下限値および
   前記上限値を設定することを特徴とする請求項２記載の
   ハイブリッド建設機械の動力制御装置。
4. 【請求項４】 前記エンジンの稼動状態を検出する稼動
   状態検出手段をさらに備え、 前記制限電圧設定手段は前記第１下限値より大きく前記
   上限値より小さい第２下限値をさらに設定し、 前記制御手段は、前記稼動状態検出手段により前記エン
   ジンが停止していると検出された場合には前記第２蓄電
   装置の端子間電圧が前記第２下限値未満とならないよう
   に前記第２蓄電装置から前記電動機へ供給される電力を
   制限することを特徴とする請求項２記載のハイブリッド
   建設機械の動力制御装置。
5. 【請求項５】 前記制限電圧設定手段は、前記電動機に
   より発電される回生エネルギーの全てを前記第２蓄電装
   置に蓄電することができるように前記第２下限値および
   前記上限値を設定するとともに、前記エンジン起動後当
   該エンジンの回転数が規定回数に達するまでの間に前記
   電動機への電力に不足が生じないように前記第１下限値
   および前記第２下限値を設定していることを特徴とする
   請求項４記載のハイブリッド建設機械の動力制御装置。
6. 【請求項６】 前記エンジンの負荷を検出するエンジン
   負荷検出手段をさらに備え、 前記制限電圧設定手段は、前記第１下限値より大きく前
   記上限値より小さい第３下限値をさらに設定し、 前記制御手段は、前記エンジン負荷検出手段によりエン
   ジン負荷の増加率が所定値以上であると検出された場合
   には前記第２蓄電装置の端子間電圧を前記第３下限値未
   満とならないように前記第２蓄電装置から前記電動機へ
   供給される電力を制限することを特徴とする請求項２か
   ら５のいずれか１項に記載のハイブリッド建設機械の動
   力制御装置。
7. 【請求項７】 前記制御手段は、前記エンジン負荷検出
   手段によりエンジン負荷の増加率が所定値以上でないと
   検出された場合には前記第２蓄電装置の端子間電圧を前
   記第１下限値未満とならないように前記第２蓄電装置か
   ら前記電動機へ供給される電力を制限することを特徴と
   する請求項６記載のハイブリッド建設機械の動力制御装
   置。
8. 【請求項８】 前記制限電圧設定手段は、前記電動機に
   より発電される回生エネルギーの全てを前記第２蓄電装
   置に蓄電することができるように前記第３下限値および
   前記上限値を設定するとともに、前記エンジンの出力低
   下後当該エンジンの出力が回復するまでの間に前記電動
   機への電力に不足が生じないように前記第１下限値およ
   び前記第３下限値を設定することを特徴とする請求項６
   又は７記載のハイブリッド建設機械の動力制御装置。