JP2007290607A - ハイブリッド式作業機械の動力源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発電電動機パワーを有効利用することを前提として、ポンプ要求パワーのずれによるエンジンの過負荷や過回転を防止する。
【解決手段】油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプ3と、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機4とが共通の動力源としてのエンジン1によって駆動され、発電電動機4の発電機作用によって蓄電装置7が充電されるとともに、この蓄電装置7の電力により発電電動機4が駆動されてエンジン1をアシストする電動機作用を行うように構成される。この構成を前提として、ポンプ要求パワーを求め、このポンプ要求パワーに応じて、発電電動機4がエンジンアシストのために出すべき発電電動機パワーの配分を決定するとともに、エンジン1の目標回転数と実際回転数の偏差を求め、この偏差が解消される方向に上記パワー配分を補正するように構成した。
【選択図】図1

Description

本発明はエンジン動力と蓄電装置の電力を併用するハイブリッド式作業機械の動力源装置に関するものである。
ハイブリッド式の作業機械(たとえばショベル)において、所謂パラレル方式の駆動形態をとるものが公知である。
このパラレル方式では、油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とを共通の動力源によって駆動し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動する一方で、発電電動機の発電機作用によって蓄電装置に充電し、適時、この蓄電装置の放電力により発電電動機に電動機作用を行わせてエンジンをアシストするように構成される。
このようなハイブリッド式の作業機械によると、エンジンの負荷を軽減し、エンジンを高効率範囲で運転することによって省エネルギーを実現することができる。
また、このハイブリッド式作業機械において、特許文献1,2に示されているように、油圧アクチュエータの負荷に応じて油圧ポンプが要求するパワーであるポンプ要求パワーを求め、このポンプ要求パワーに応じて、エンジンをアシストするための発電電動機のパワーを増減させる(エンジンと発電電動機のパワー配分を制御する)技術が公知である。
特開2005−237178号公報 特開2005−233164号公報
この公知技術において、エンジンと発電電動機のパワー配分を決定する前提となるポンプ要求パワーは、油圧ポンプの吐出圧力や吐出量等をセンサで検出し、この検出値に基づいて算出される。
また、一旦、パワー配分が決定すると、ポンプ要求パワーが変わらない限り発電電動機パワーはその配分値に固定される。
ところが、ポンプ要求パワーを検出するためのセンサにオフセット等の計測誤差があった場合、演算値と実際値との間にずれが生じる。
ここで、検出値に基づくポンプ要求パワーの演算値が実際のポンプ要求パワーよりも小さい方にずれると、パワー不足となり、このときアシストする発電電動機のパワーは前記のように固定されているため、不足分はエンジンが負担することなる。その結果、エンジンが過負荷となり、エンストするおそれがある。
なお、このエンスト防止策として、エンジン回転数を検出し、エンジン回転数の低下に従って油圧ポンプを減馬力制御する所謂ESS制御を行うことが考えられるが、このESS制御では発電電動機パワーが有効利用されず、ハイブリッド本来の意味がなくなるため得策でない。
一方、検出値に基づくポンプ要求パワーの演算値が実際値よりも大きい方にずれている場合は、発電電動機がアシスト過剰状態となって発電電動機の回転速度が上昇し、これに連結されたエンジンも過回転状態となって、エンジンが破損するおそれがある。
また、エンジンや発電電動機そのものの個体差や経年変化等によって性能に差が生じた場合にも、ポンプ要求パワーのずれが発生し、上記同様の問題が生じていた。
そこで本発明は、発電電動機パワーを有効利用することを前提として、ポンプ要求パワーのずれによるエンジンの過負荷や過回転を防止することができるハイブリッド式作業機械の動力源装置を提供するものである。
請求項1の発明は、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とが共通の動力源としてのエンジンによって駆動され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の電力により発電電動機が駆動されてエンジンをアシストする電動機作用を行うように構成された作業機械の動力源装置において、上記油圧ポンプに要求されるパワーであるポンプ要求パワーを求め、このポンプ要求パワーに応じて、発電電動機がエンジンアシストのために出すべき発電機パワーの配分を決定するとともに、上記エンジンの目標回転数と実際回転数の偏差を求め、この偏差が解消される方向に上記パワー配分を補正するように構成されたものである。
請求項2の発明は、請求項1の構成において、次の手段を具備するものである。
(A) エンジンの目標回転数に基づいてエンジンの最大パワーを設定するエンジン最大パワー設定手段。
(B) 発電電動機の回転数に基づいて発電電動機の最大パワーを設定する発電電動機最大パワー設定手段。
(C) 設定された上記エンジン最大パワー及び発電電動機最大パワーからポンプ最大パワーを設定するポンプ最大パワー設定手段。
(D) 油圧ポンプが要求するパワーであるポンプ要求パワーを求めるポンプ要求パワー演算手段。
(E) 上記ポンプ要求パワーと、設定された上記エンジン最大パワー及び発電電動機最大パワーとに基づいて、発電電動機がエンジンアシストのために出すべき発電電動機パワーの配分を決定するパワー配分手段。
(F) エンジンの目標回転数と実際回転数との偏差に基づいてポンプ要求パワーの不足分または過剰分である補正パワーを求め、この補正パワーを、ポンプ最大パワーと発電電動機最大パワーに振り分ける比率として予め定めた配分率に基づいて配分し、この配分結果に基づいて発電電動機及び油圧ポンプに対する補正されたパワー指令値を出力するパワー補正手段。
請求項3の発明は、請求項2の構成において、パワー補正手段における配分率は、エンジンの実際回転数に応じて、低回転数側でポンプ最大パワーの比率が大きくなり、高回転数側で発電電動機最大パワーの比率が大きくなるように設定されたものである。
請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれかの構成において、ポンプ要求パワー演算手段は、油圧ポンプの吐出圧力、吐出量、回転数に基づいてポンプ要求パワーを演算するように構成されたものである。
本発明によると、ポンプ要求パワーの演算値と実際値のずれが、エンジンの目標回転数と実際回転数の偏差として現れる点に着目し、この偏差に基づいて(偏差が解消される方向に)発電電動機パワーの配分を補正する構成としたから、ポンプ要求パワーを求めるためのセンサ計測誤差等によってポンプ要求パワーにずれが生じた場合に、発電電動機パワーを増減制御してエンジン負荷またはエンジン回転数を適正に保つことができる。すなわち、エンジンの過負荷によるエンストや過回転による破損を防止し、安定したエンジン運転状態を確保することができる。
また、請求項3の発明によると、補正パワーの配分率(発電電動機最大パワーとポンプ最大パワーへの振り分けの比率)を、エンジンの実際回転数に応じて、低回転数側でポンプ最大パワーの比率が大きくなり、高回転数側で発電電動機最大パワーの比率が大きくなるように設定したから、たとえばエンジン回転数が低ければ発電電動機の出力も低いことから発電電動機最大パワーの配分比率を小さくする代わりにポンプ減馬力量を大きくとり、逆の場合は発電電動機最大パワー(アシスト量)を大きくするという制御が行われる。これにより、より安定したエンジン運転状態を確保することができる。
図1に示すように、エンジン1にパワーデバイダ2を介して可変容量型の油圧ポンプ3と、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機4とがパラレルに接続され、これらがエンジン1によって駆動される。
油圧ポンプ3には、制御弁(アクチュエータごとに設けられるが、ここでは複数の制御弁の集合体として示す)を介して図示しない油圧アクチュエータ(たとえば油圧ショベルでいうとブーム、アーム、バケット各シリンダや走行用油圧モータ)が接続され、油圧ポンプ3から供給される圧油によってこれら油圧アクチュエータが駆動される。
一方、発電電動機4には、インバータ6を介して蓄電装置(たとえばリチウムイオン蓄電器)7が接続されている。
インバータ6は、発電電動機4の発電機作用と電動機作用の切換え、発電電力、電動機としての電流またはトルクを制御するとともに、発電電動機4の発電機出力の過不足に応じて蓄電装置7の充・放電を制御する。
油圧ポンプ3の傾転、及び発電電動機4のトルクはコントローラ8によって制御される。
このコントローラ8には、各検出手段による検出値、すなわち、エンジン1の目標回転数(アクセル信号に基づいて求められるエンジン最大パワー出力時の回転数)ωegrefと、実際回転数ωeg、油圧ポンプ3の吐出圧力(ポンプ圧)pと吐出量qの各情報が入力され、これらの情報に基づいてコントローラ8から発電電動機4に対するトルク指令、及び油圧ポンプ3に対する傾転指令が出力される。
このコントローラ8の構成と作用を図2のブロック図、図3,4のフローチャートを用いて説明する。
コントローラ8は、基本的手段として、油圧ポンプ3が要求するパワーであるポンプ要求パワーを演算するポンプ要求パワー演算手段9と、エンジン1の最大パワーを設定するエンジン最大パワー設定手段10と、発電電動機4の最大パワーを設定する発電電動機最大パワー設定手段11と、油圧ポンプ3の最大パワーを設定するポンプ最大パワー設定手段12と、ポンプ要求パワーに対する発電電動機4のパワー配分を決めるパワー配分手段13とを備えている。
また、パワー補正手段として、補正パワー算出手段14と、補正パワー配分率算出手段15と、発電電動機パワー指令補正手段16と、ポンプ最大パワー指令補正手段17とを備えている。
さらに、制御系として、発電電動機トルク指令手段18とポンプ傾転制御(PQ制御)手段19とを備えている。
制御時には、まず、エンジン目標回転数ωegref及び実際回転数ωegの検出(図3のステップS1)、ポンプ圧p、ポンプ吐出量qの検出(同ステップS2)が行われた後、ポンプ要求パワー演算手段9において、入力されたポンプ圧p、ポンプ吐出量q、エンジン実際回転数ωegを次式に代入してポンプ要求パワーPWpを演算する(同ステップS3)。
ポンプ要求パワーPWp=ポンプ圧p×ポンプ吐出量q×エンジン実際回転数ωeg
なお、油圧ポンプ3が複数台設けられる場合は、各ポンプのp×qの合算値にエンジン実際回転数ωegを乗じてポンプ要求パワーPWpが算出される。
次に、エンジン最大パワー設定手段10において、エンジン目標回転数ωegrefをパラメータとして予め作成されたエンジン最大パワーのマップから、検出されたエンジン目標回転数ωegrefに対応する値をエンジン最大パワーPWegmaxとして設定する(同ステップS4)。
また、発電電動機最大パワー設定手段11では、エンジン実際回転数ωegを発電電動機回転数に見立て、これをパラメータとして予め作成された発電電動機最大パワーのマップから、検出されたエンジン実際回転数ωegに対応する値を発電電動機最大パワーPWmgmaxとして設定する(同ステップS5)。
そして、ポンプ最大パワー設定手段12において、上記設定されたエンジン最大パワーPWegmaxと発電電動機最大パワーPWmgmaxの和として、次式によりポンプ最大パワーPWpmaxを算出し設定する(同ステップS6)。
ポンプ最大パワーPWpmax=エンジン最大パワーPWegmax+発電電動機最大パワーPWmgmax
さらに、パワー配分手段13では、上記エンジン最大パワーPWegmaxと、発電電動機最大パワーPWmgmax、それにポンプ要求パワーPWpに基づいて、ポンプ要求パワーPWpのうち発電電動機4が分担すべき発電電動機パワー指令値PWmgrefを算出する(同ステップS7)。
このパワー配分を具体的に説明すると、ポンプ要求パワーPWpがエンジン最大パワーPWegmaxを超えた場合には、その超過分(エンジンパワーの不足分)を補う必要があるため、この超過分が発電電動機パワー指令値PWmgrefとして出力される。すなわち、発電電動機4によるパワーアシスト作用が行われる。
ところが、前記のようにポンプ要求パワーPWpは、センサ計測誤差等によって実際値からずれている可能性がある。そこで、このようなずれを含んだポンプ要求パワー値に基づくパワー配分指令値を補正しなければならない。
また、エンジン目標回転数ωegrefに基づいて設定したポンプ最大パワー値PWpmaxもエンジン実際回転数ωegに応じて補正する必要がある。
この補正は、パワー補正手段(補正パワー算出手段14、補正パワー配分率算出手段15、発電電動機パワー指令補正手段16、ポンプ最大パワー指令補正手段17)により、図4のステップS8〜S11で行われる。
すなわち、補正パワー算出手段14では、ポンプ要求パワーPWpにずれがあるとエンジン目標回転数ωegrefとエンジン実際回転数ωegの差として現れる点に着目し、エンジン目標回転数ωegrefとエンジン実際回転数ωegとの偏差に基づいて補正パワーPWrvseを次式によって算出する(ステップS8)。
補正パワーPWrvse=補正ゲインKrvse×(エンジン目標回転数ωegref−エンジン実際回転数ωeg)
ここで、補正パワーPWrvse>0の場合は、ポンプ要求パワーが実際値(ポンプ吸収パワー)より小さいものとして検出されている(エンジン負荷が大きい)ことを示し、エンストの可能性がある。これに対して補正パワーPWrvse<0の場合は、ポンプ要求パワーが実際値より大きいものとして検出されている(エンジン負荷が小さい)ことを示し、エンジン過回転のおそれがある。
補正パワー配分率算出手段15では、エンジン実際回転数ωegをパラメータとして予め作成された図5のマップから補正パワー配分率αを算出する(ステップS9)。
補正パワー配分率αは、補正パワーPWrvseを、発電電動機最大パワーPWmgmaxに加算する(アシスト力を増加させる)分と、ポンプ最大パワーPWpmaxから減じる(減馬力する)分とに振り分ける比率であり、図5に示すようにエンジン実際回転数ωegをパラメータとして、0≦補正パワー配分率α≦1の範囲で決定される。
ここでエンジン実際回転数ωegを補正パワー配分率αを決めるパラメータとしたのは、安定したエンジン運転状態を確保するという観点から、エンジン実際回転数ωegが低ければエンストの可能性が高く、かつ、発電電動機4の出力も低いことから、発電電動機最大パワーPWmgmaxの配分率αを小さくして、代わりにポンプ減馬力量を大きくとるのが望ましく、逆の場合は発電電動機最大パワー(アシスト量) PWmgmaxを大きくするのが望ましいためである。
発電電動機パワー指令補正手段16では、次式により発電電動機パワー指令補正値PW´mgrefを算出する(ステップS10)。
発電電動機パワー指令補正値PW´mgref=発電電動機パワー指令値PWmgref
+補正パワー配分率α×補正パワーPWrvse
また、ポンプ最大パワー指令補正手段17では、次式によりポンプ最大パワー指令補正値PW´pmaxを算出する(ステップS11)。
ポンプ最大パワー指令補正値PW´pmax=ポンプ最大パワーPWpmax+
(補正パワー配分率α−1)×補正パワーPWrvse
このようにして得られた両指令補正値PW´mgref, PW´pmaxをもとに、発電電動機トルク指令手段18では、発電電動機パワー指令補正値PW´mgrefを発電電動機回転数ωmgで除することによって発電電動機トルク指令を算出し、インバータ6に向けて出力する(ステップS12)。
なお、発電電動機トルク指令手段18では、エンジン実際回転数ωegをギア比変換器20により変換して得られた値を発電電動機回転数ωmgとして用いている。
また、ポンプ傾転制御手段19では、ポンプ最大パワー指令補正値PW´pmaxとポンプ圧p、エンジン実際回転数ωegからポンプ最大傾転を算出し、これを超えないように油圧ポンプ3の傾転制御を行う。
以上のように、エンジン1の目標回転数ωegrefと実際回転数ωegの偏差に基づき、この偏差が解消される方向に発電電動機パワーの配分を補正することにより、エンジン1の過負荷によるエンストや過回転による破損等を防止することができる。
ところで、上記実施形態では、図5に示すように補正パワーの配分率αをエンジン実際回転数ωegに応じて一定の度合いで直線的に変化させる構成をとったが、この変化の度合いを低回転数域と高回転数域で異ならせ、あるいはエンジン実際回転数ωegに応じて曲線的または折れ線状に変化させる構成をとってもよい。
本発明の実施形態にかかる動力源装置の全体構成図である。 同装置のコントローラの構成を示すブロック図である。 コントローラの作用を説明するためのフローチャートである。 図3の続きのフローチャートである。 コントローラにおける補正パワー分配率の特性図である。
符号の説明
1 エンジン
2 パワーデバイダ
3 油圧ポンプ
4 発電電動機
5 制御弁
6 発電電動機を制御するインバータ
7 蓄電装置
8 コントローラ
9 コントローラのポンプ要求パワー演算手段
10 エンジン最大パワー設定手段
11 発電電動機最大パワー設定手段
12 ポンプ最大パワー設定手段
13 パワー配分手段
14 補正パワー算出手段
15 補正パワー配分率算出手段
16 発電電動機パワー指令補正手段
17 ポンプ最大パワー指令補正手段
18 発電電動機トルク指令手段
19 ポンプ傾転制御手段

Claims (4)

  1. 油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とが共通の動力源としてのエンジンによって駆動され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の電力により発電電動機が駆動されてエンジンをアシストする電動機作用を行うように構成された作業機械の動力源装置において、上記油圧ポンプに要求されるパワーであるポンプ要求パワーを求め、このポンプ要求パワーに応じて、発電電動機がエンジンアシストのために出すべき発電機パワーの配分を決定するとともに、上記エンジンの目標回転数と実際回転数の偏差を求め、この偏差が解消される方向に上記パワー配分を補正するように構成されたことを特徴とするハイブリッド式作業機械の動力源装置。
  2. 次の手段を具備することを特徴とする請求項1記載のハイブリッド式作業機械の動力源装置。
    (A) エンジンの目標回転数に基づいてエンジンの最大パワーを設定するエンジン最大パワー設定手段。
    (B) 発電電動機の回転数に基づいて発電電動機の最大パワーを設定する発電電動機最大パワー設定手段。
    (C) 設定された上記エンジン最大パワー及び発電電動機最大パワーからポンプ最大パワーを設定するポンプ最大パワー設定手段。
    (D) 油圧ポンプが要求するパワーであるポンプ要求パワーを求めるポンプ要求パワー演算手段。
    (E) 上記ポンプ要求パワーと、設定された上記エンジン最大パワー及び発電電動機最大パワーとに基づいて、発電電動機がエンジンアシストのために出すべき発電電動機パワーの配分を決定するパワー配分手段。
    (F) エンジンの目標回転数と実際回転数との偏差に基づいてポンプ要求パワーの不足分または過剰分である補正パワーを求め、この補正パワーを、ポンプ最大パワーと発電電動機最大パワーに振り分ける比率として予め定めた配分率に基づいて配分し、この配分結果に基づいて発電電動機及び油圧ポンプに対する補正されたパワー指令値を出力するパワー補正手段。
  3. パワー補正手段における配分率は、エンジンの実際回転数に応じて、低回転数側でポンプ最大パワーの比率が大きくなり、高回転数側で発電電動機最大パワーの比率が大きくなるように設定されたことを特徴とする請求項2記載のハイブリッド式作業機械の動力源装置。
  4. ポンプ要求パワー演算手段は、油圧ポンプの吐出圧力、吐出量、回転数に基づいてポンプ要求パワーを演算するように構成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のハイブリッド式作業機械の動力源装置。
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