JP2010248870A

JP2010248870A - ハイブリッド型作業機械

Info

Publication number: JP2010248870A
Application number: JP2009102322A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yanagisawa; 誠柳澤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-04-20
Also published as: US20100268407A1; US8364333B2; KR20100115706A; CN101864785A; EP2243676B1; EP2243676A1; JP5220679B2

Abstract

【課題】本発明は、ハイブリッド型作業機械において、複数の電気負荷が要求する電力の合計が供給可能な電力より大きくなった際に、限られた電力を複数の電気負荷に適切に分配することを課題とする。
【解決手段】コントローラ３０の優先度設定部３２は、複数の電気負荷のそれぞれに対して優先度を設定する。供給電力算出部３４は、電動発電機１２及び蓄電部１９から電気負荷に供給可能な電力を算出して供給可能電力を求める。合計電力算出部３６は、電気負荷が要求している電力の合計を算出して合計電力を求める。電力分配部３６は、供給可能電力と合計電力とを比較し、供給可能電力が前記合計電力より大きいときには、優先度に基づいて各電気負荷に供給する電力の分配比率を決定し各電気負荷への供給電力を制限する。
【選択図】図７

Description

本発明はハイブリッド型作業機械に係り、特に複数の電気負荷を有するハイブリッド型作業機械に関する。

ハイブリッド型作業機械は、一般的にエンジン（内燃機関）の出力で油圧ポンプを駆動し、発生した油圧により作業を行なう。そして、電動発電機を電動モータとして運転してエンジンをアシストすることでエンジンを効率的に運転する。電動発電機は主にバッテリからの電力により駆動される。バッテリは充放電式であり、エンジンをアシストするときは放電して電動発電機に電力を供給する。一方、電動発電機がエンジンをアシストしないときには、電動発電機はエンジンの動力で駆動されて発電機として機能する。発電機として運転された電動発電機からの電力はバッテリは充電される。これにより、バッテリを常にある程度充電された状態に維持してエンジンをアシストできるようにしている。

このようにハイブリッド型作業機械では、エンジンを電動発電機でアシストすることができるため、エンジンの最大出力を小さくして小型のエンジンとすることができる。また、エンジンの最大出力より大きな出力が油圧ポンプに要求された場合には、電動発電機でアシストしてその要求に応えることができる。

電動発電機でエンジンをアシストして油圧ポンプの要求に応える場合、電動発電機がエンジンをアシストするために出すべきパワーを決定する必要がある。そこで、油圧ポンプ要求パワーを求め、ポンプ要求パワーに応じて電動発電機がエンジンをアシストするために出すべき電動発電機の出力パワーの配分を決定するとともに、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パワー配分を補正することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平２００７−２９０６０７号公報

ハイブリッド型作業機械は、電気負荷として電動発電機だけではなく他の電気負荷を有していることが多い。例えば、ハイブリッド型油圧ショベルの場合、他の電気負荷として、旋回用電動機、走行用電動機、リフティングマグネットなどがある。

これらの電気負荷は、主としてバッテリから電力が供給されて駆動される。しかし、バッテリからの電力供給量はバッテリの放電能力や充電量により制限があり、複数の電気負荷が同時に大きな電力を要求した場合には、全ての電気負荷に対して要求通りの電力を供給できないおそれがある。

そこで、複数の電気負荷が要求する電力の合計が供給可能な電力より大きくなった際に、限られた電力を複数の電気負荷にどのように供給するかを決めておかなければならない。

上述の問題を解決するために、本発明によれば、油圧ポンプを駆動するエンジンと、該エンジンをアシストする電動発電機と、複数の電気負荷と、該電動発電機及び該電気負荷に電力を供給する蓄電部と、前記エンジン、前記電動発電機、前記電気負荷、及び前記蓄電部を制御する制御部とを有し、該制御部は、前記複数の電気負荷のそれぞれに対して優先度を設定する優先度設定部と、前記電動発電機及び前記蓄電部から前記電気負荷に供給可能な電力を算出して供給可能電力を求める供給電力算出部と、前記電気負荷が要求している電力の合計を算出して合計電力を求める合計電力算出部と、前記供給可能電力と前記合計電力とを比較し、前記供給可能電力が前記合計電力より大きいときには、前記優先度に基づいて各電気負荷に供給する電力の分配比率を決定し各電気負荷への供給電力を制限する電力分配部とを有することを特徴とするハイブリッド型作業機械が提供される。

上述のハイブリッド型作業機械において、前記電力分配部は、前記優先度が最も高い電気負荷に対して供給電力が制限されないように分配比率を決定することが好ましい。また、前記電力分配部は、前記優先度が最も高い電気負荷からの要求電力が供給可能電力より大きいときは、供給可能電力の全てが前記優先度が最も高い電気負荷に供給されるように分配比率を決定することが好ましい。また、前記電力分配部は、前記優先度が同じ電気負荷が複数存在するときには、前記優先度が同じ複数の電気負荷からの電力要求の割合に応じて、前記優先度が同じ複数の電気負荷の各々に供給する電力の分配比率を決定することとしてもよい。さらに、前記優先度設定部は、前記複数の電気負荷にリフティングマグネットが含まれる場合は、該リフティングマグネットに最も高い優先度を設定することとしてもよい。

上述の発明によれば、複数の電気負荷からの要求電力の合計が電気負荷に対して供給可能な電力より大きい場合に、供給可能な電力を各電気負荷の特性や運転条件を考慮しながら各電気負荷に適切に分配することができる。

本発明の一実施形態によるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド型ショベルの側面図である。図１に示すハイブリッド型ショベルの駆動系及び制御系の構成を表すブロック図である。蓄電部の構成を示すブロック図である。電気負荷出力制限機能が行なう電力分配処理のフローチャートである。図４におけるステップＳ１〜Ｓ３を説明するための図である。図４におけるステップＳ８を説明するための図である。コントローラでの電力分配制限機能を、機能ブロックで表したブロック図である。本発明が適用可能なシリーズ方式のハイブリッド式作業機械であるシリーズ全電動方式のハイブリッド式油圧ショベルの構成を示すブロック図である。

次に、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明が適用されるハイブリッド型作業機械としては、バッテリからの電力により駆動する電動発電機でエンジンをアシストしながら油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプで発生した油圧で作業を行なう油圧式作業機械であればどのような作業機械であってもよい。そのようなハイブリッド型作業機械として、例えば、パワーショベル、リフティングマグネット、クレーン、ホイルローダなどが挙げられる。

図１は本発明の一実施形態によるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド型ショベルの側面図である。ハイブリッド型ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３からブーム４が延在し、ブーム４の先端にアーム５が接続される。さらに、アーム５の先端にバケット６が接続される。ブーム４、アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３には、キャビン１０及び動力源（図示せず）が搭載される。

図２は、図１に示すハイブリッド型ショベルの駆動系及び制御系の構成を表すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太い実線、電気駆動系は細い実線、電気制御系は点線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１及びアシスト駆動部としての電動発電機（Ｍ／Ｇ）１２は、ともに増力機及び減速機として機能するスプリッタ１３の入力軸に接続されている。スプリッタ１３の出力軸には、油圧ポンプ１４が接続されている。油圧ポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。

コントロールバルブ１７は、油圧系の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ１７には、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。

電動発電機１２は、インバータ１８を介してバッテリを含む蓄電部１９に接続されている。また、蓄電部１９には、インバータ２０を介して旋回用電動機（旋回モータ）２１が接続されている。旋回用電動機２１はハイブリッド型ショベルにおける電気負荷である。さらに、蓄電部１９には、インバータ２２を介して走行用電動機（走行モータ）２３が接続されている。走行用電動機２３もハイブリッド型ショベルにおける電気負荷である。

また、蓄電部１９には、ドライバ２４を介してリフティングマグネット２５が接続されている。リフティングマグネット２５はオプションとしてハイブリッド型ショベルに取り付けられるツールであり、バケット６の代りにアーム５の先端に取り付けられる。リフティングマグネット２５を取り付けた場合は、ハイブリッド型ショベルはショベルではなく鉄鋼材等の運搬機として機能する。

ここで、蓄電部１９に関して説明する。図３は蓄電部１９の構成を示すブロック図である。蓄電部１９は、一定電圧蓄電部としてのＤＣバス１１０、蓄電制御部としての昇降圧コンバータ１００、及び変動電圧蓄電部としてのバッテリ１２０により構成される。

昇降圧コンバータ１００は、ＤＣバス１１０とバッテリ１２０の間に接続されており、ＤＣバス１１０の電圧が一定の範囲内に収まるように昇圧又は降圧を切り替える制御を行う。例えば、電動発電機１２が電動（アシスト）運転を行う場合には、インバータ１８を介して電動発電機１２に電力を供給する必要があるため、昇降圧コンバータ１００はＤＣバス１１０電圧を昇圧する。一方、電動発電機１２が発電運転を行う場合には、発電された電力をインバータ１８を介してバッテリ１２０に供給して充電するため、昇降圧コンバータ１００はＤＣバス１１０の電圧を降圧する。これは、旋回用電動機２１及び走行用電動機２３の力行運転と回生運転においても同様である。

電動発電機１２はエンジン１１の負荷状態に応じて運転状態が切り替えられ、旋回用電動機２１は上部旋回体３の旋回動作に応じて運転状態が切り替えられ、走行用電動機２３は走行動作に応じて運転状態が切り替えられるため、電動発電機１２、旋回用電動機２１及び走行用電動機２３には、いずれかが電動（アシスト）運転又は力行運転を行い、いずれかが発電運転又は回生運転を行う状況が生じうる。このため、昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、旋回用電動機２１及び走行用電動機２３の運転状態に応じて、ＤＣバス１１０の電圧を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。

ＤＣバス１１０は、インバータ１８，２０，２２と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、バッテリ１２０と、電動発電機１２、旋回用電動機２１及び走行用電動機２３との間で大きな電力（大きな電流）の授受が可能に構成されている。また、本実施形態では、リフティングマグネット２５を駆動するドライバ２４もＤＣバス１１０に接続されており、ＤＣバス１１０からドライバ２４を介してリフティングマグネット２５に電力を供給することができる。

バッテリ１２０は充放電可能な蓄電器又は電池であればよいが、本実施形態ではバッテリ１２０としてキャパシタ（電気二重層コンデンサ）が用いられる。バッテリ１２０とコンバータ１００の間には、バッテリ１２０の電圧を検出する電圧センサ１１２が設けられる。電圧センサ１１２が検出したバッテリ１２０の電圧はコントローラ３０に供給される。

図２に戻って説明を続ける。ハイブリッド型ショベルのキャビン１０には操作装置２６が設けられている。操作装置２６は、運転者が作業を行なうために操作する操作レバー群２６ａと、運転状態等の各種情報を表示したり操作指令や入力情報を入力したりすることのできる操作パネル２６ｂを有している。操作レバー群２６ａを操作することで生成される動作指令は、油圧を制御するコントロールバルブ１７に供給される。コントロールバルブ１７は動作指令に基づいて油圧弁を制御し、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９などを駆動させる。

操作レバー群２６を操作することで生成された動作指令及び操作パネル２６ｂから入力された入力情報は、ハイブリッド型ショベルの運転を制御する制御部であるコントローラ３０にも供給される。コントローラ３０はプロセッサやメモリを有するマイクロコンピュータにより構成される。コントローラ３０の構成及び機能については後述する。

ここで、制御部としてのコントローラ３０には各駆動部の状態を示す情報が供給される。まず、エンジン１１の回転速度は、エンジンの出力軸に設けられた速度センサ４０により検出され、検出された速度値はコントローラ３０に供給される。また、油圧ポンプ１４から吐出された作動油の圧力及び流量は、高圧油圧ライン１６に設けられた圧力・流量センサ４１により検出され、検出された圧力値及び流量値はコントローラ３０に供給される。

旋回用電動機２１の回転速度は、旋回用電動機２１に設けられた速度センサ４２により検出され、検出された速度値はコントローラ３０に供給される。走行用電動機２３の回転速度は、走行用電動機２３に設けられた速度センサ４３により検出され、検出された速度値はコントローラ３０に供給される。また、リフティングマグネット２５に供給される電圧及び電流は、ドライバ２４とリフティングマグネット２５の間に設けられた電圧センサ４４及び電流センサ４５により検出され、検出された電圧値及び電流値はコントローラ３０に供給される。

以上の構成を有するハイブリッド型ショベルにおいて、各部の駆動制御はコントローラ３０により行なわれる。上述のようにハイブリッド型ショベルは、蓄電部１９からの電力により駆動される旋回用電動機２１、走行用電動機２３，リフティングマグネット２５というように、複数の電気負荷を有している。

これらの電気負荷は運転者の操作により各々別個に駆動することができる。例えば、操作レバー群２６ａを操作し、リフティングマグネット２５により材料を吸着して持ち上げながら走行し、且つ上部旋回体３を旋回させるような操作を行なうこともできる。この場合、リフティングマグネット２５、走行用電動機２３、及び旋回用電動機２１の全てが作動しようとして電力を要求する。リフティングマグネット２５、走行用電動機２３、及び旋回用電動機２１が要求する電力の合計が、電動発電機１２及び蓄電部１９から供給可能な電力以下であれば、リフティングマグネット２５、走行用電動機２３、及び旋回用電動機２１の全てに対して要求する電力を供給して駆動することができる。しかし、リフティングマグネット２５、走行用電動機２３、及び旋回用電動機２１が要求する電力の合計が、電動発電機１２及び蓄電部１９から供給可能な電力より大きくなることもあり得る。そのような場合には、電動発電機１２及び蓄電部１９から供給可能な電力をリフティングマグネット２５、走行用電動機２３、及び旋回用電動機２１に適切に配分する必要が生じる。

そこで、本実施形態では、コントローラ３０が、複数の電気負荷であるリフティングマグネット２５、走行用電動機２３、及び旋回用電動機２１に対して電動発電機１２及び蓄電部１９から供給可能な電力が適切に配分されるように、各電気負荷に実際に供給する電力を制御する。以下、各電気負荷に実際に供給する電力を制御するコントローラ３０の機能について説明する。なお、図２のコントローラ３０内には、コントローラ３０の制御機能が示されている。

まず、コントローラ３０が行なう電気負荷系の制御機能について説明する。図２のコントローラ３０内の機能を参照すると、コントローラ３０は、電動発電機１２の出力を制御する出力制御機能５０を有している。出力制御機能５０は、インバータ１８を制御することにより電動発電機１２の駆動を制御し、電動発電機１２を電動機として機能させてエンジン１１をアシストさせたり、発電機として機能させて発電させたりする。

また、コントローラ３０は、旋回用電動機２１の駆動を制御する速度制御機能５１を有している。速度制御機能５１は、速度センサ４２からの速度検出値に基づいてインバータ２０を制御することで旋回用電動機２１の回転速度を制御する。さらに、コントローラ３０は、走行用電動機２３の駆動を制御する速度制御機能５２を有する。速度制御機能５２は、速度センサ４３からの速度検出値に基づいてインバータ２２を制御することで走行用電動機２３の回転速度を制御する。さらに、コントローラ３０は、リフティングマグネット２５の作動を制御する電圧制御機能５３を有する。電圧制御機能５３は電圧センサ４４からの電圧検出値及び電流センサ４５からの電流検出値に基づいてドライバ２４を制御することでリフティングマグネット２５に印加する電圧を制御する。

以上のように、コントローラ３０は、電気負荷の各々の駆動を制御する機能を有している。

また、コントローラ３０は電気負荷要求出力算出機能５４を有している。電気負荷要求出力算出機能５４は、旋回用電動機２１の速度制御機能５１から得られる要求電力と、走行電動機２３の速度制御機能５２から得られる要求電力と、リフティングマグネット２５の電圧制御機能５３から得られる要求電力とを合算し、合算して得られた合計要求電力値Ｐｅｌｃｒｅｑを出力条件算出及び動力分配機能６０に通知する。

一方、コントローラ３０は油圧負荷要求出力算出機能５５を有している。油圧負荷要求出力算出機能５５は、圧力・流量センサ４１から供給される圧力値及び流量値に基づいて油圧負荷が要求している動力を算出する。油圧負荷要求出力算出機能５０が算出した油圧負荷要求出力は、出力条件算出及び動力分配機能６０に通知される。

出力条件算出及び動力分配機能６０は、エンジン１１の速度センサ４０から通知される速度検出値に基づいてエンジン１１の最大出力（出力可能な値）を決定する。また、動力分配機能６０は、蓄電部１９の電圧センサ１１２から通知される電圧検出値に基づいて、バッテリの最大放電電力及び最大充電電力を決定する。出力条件算出及び動力分配機能６０は、決定したエンジン最大出力、バッテリ最大放電電力、バッテリ最大充電電力と、油圧負荷要求出力、電気負荷要求出力とに基づいて、電動発電機１２の出力指令と油圧負荷出力制限値、電気負荷出力制限値を決定する。これにより、電動発電機１２から供給可能な電力が決定される。油圧負荷出力制限機能５６は、油圧ポンプ１４の出力を算出して油圧負荷出力制限値となるように、油圧ポンプ１４の馬力比例弁電流を制御する。電動発電機１２の出力制御機能５０は、出力条件算出及び動力分配機能６０が算出した電動発電機１２の出力指令に基づいて、インバータ１８を制御する。

そして、出力条件算出及び動力分配機能６０は、算出した電気負荷出力制限値Ｐｅｌｃｏｕｔを、電気負荷出力制限機能５７に通知する。電気負荷出力制限機能５７は、通知された合計要求出力値Ｐｅｌｃｒｅｑ未満の場合、各電気負荷（すなわち、旋回用電動機２１、走行用電動機２３、及びリフティングマグネット２５）に対して供給する電力を制限するための出力制限値を生成し、旋回用電動機２１の速度制御機能５１、走行用電動機２３の速度制御機能５２及びリフティングマグネット２５の電圧制御機能５３に通知する。旋回用電動機２１の速度制御機能５１、走行用電動機２３の速度制御機能５２及びリフティングマグネット２５の電圧制御機能５３は、通知された出力制限値を満足するように、旋回電動機２１のインバータ２０、走行用電動機２３のインバータ２２、及びリフティングマグネット２５のドライバ２４を制御する。

なお、電気負荷出力制限値Ｐｅｌｃｌｍｔが合計要求出力値Ｐｅｌｃｌｍｔ以上の場合は、各伝記負荷の出力制限を行なう必要は無い。したがって、走行用電動機２３の速度制御機能５２及びリフティングマグネット２５の電圧制御機能５３は、旋回用電動機２１、走行用電動機２３及びリフティングマグネット２５が要求した通りの電力を供給するように、旋回電動機２１のインバータ２０、走行用電動機２３のインバータ２２、及びリフティングマグネット２５のドライバ２４をそれぞれ制御する。

ここで、上述の電気負荷出力制限機能５７が行なう制限指令の生成について説明する。制限電力値Ｐｅｌｃｌｍｔが出力条件算出及び動力分配機能６０から通知されると、電気負荷出力制限機能５７は、まず制限電力値Ｐｅｌｃｌｍｔを各電気負荷に分配する。この分配は、各電気負荷に設定されている優先度に基づいて行なわれる。各電気負荷の優先度は、予め決定されてコントローラ３０に情報として保存さている。優先度は操作装置２６の操作パネル２６ｂを介して運転者等が入力したり変更したりすることもできる。

本実施形態では、リフティングマグネット２５に対して「優先度１」が設定され、旋回用電動機２１及び走行用電動機２３に対して同じ優先度２が設定されているものとする。優先度の数字が小さいほうが優先的に電力を供給すべきことを表す。本実施形態では、「優先度１」が設定されている電気負荷には、供給する電力を制限せず、要求通りの電力を供給するものとする。「優先度２」が設定された電気負荷には、供給可能な電力から「優先度１」が設定された電気負荷へ供給する電力を引いた分の電力が供給される。同じ優先度が設定された電気負荷が複数ある場合は、それらの電気負荷の要求電力に比例して供給できる電力を配分する。

図４は電気負荷出力制限機能５７が行なう電力分配処理のフローチャートである。制限電力値Ｐｅｌｃｌｍｔが出力条件算出及び動力分配機能６０から供給されると、電気負荷出力制限機能５７は、まずステップＳ１において、最高優先度の電気負荷を選択する。本実施形態の場合、リフティングマグネット２５に最高優先度である「優先度１」が設定されており、ステップＳ１においてリフティングマグネット２５が選択される。リフティングマグネット２５は電磁石により構成され、電力（電流）が供給されることで磁力を発生し、鉄鋼材等を吸着して保持する。したがって、リフティングマグネット２５に供給する電力（電流）が制限されると磁力が弱まり、作業性が低下する。このため、リフティングマグネット２５に供給する電力は制限しないこととし、リフティングマグネット２５に「優先度１」が設定されている。

ステップＳ１において、「優先度１」が設定されているリフティングマグネット２５が選択されると、続いてステップＳ２において、選択された電気負荷が複数あるか否かについて判定される。すなわち、最高優先度の負荷が複数か否かが判定される。ステップＳ２において選択された電気負荷が複数ではない、すなわち単数であると判定されると、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、供給可能な電力を選択された電気負荷に分配する。本実施形態では、「優先度１」が設定されている電気負荷はリフティングマグネット２５のみであり、選択された電気負荷は単数であるので、ステップＳ３においてリフティングマグネット２５のみに対して供給可能な電力が分配される。通常、リフティングマグネット２５に供給すべき電力は、電動発電機１２及び蓄電部１９が供給可能な電力（すなわち、出力制限値Ｐｅｌｃｌｍｔ）より小さいので、リフティングマグネット２５が要求する電力がそのままリフティングマグネット２５に実際に供給される電力となる。

図５は上述のステップＳ１〜Ｓ３を説明するための図である。図５において、走行用電動機２３の要求電力と、旋回用電動機２１の要求電力と、リフティングマグネット２５の要求電力とが棒グラフで示されている。その隣には走行用電動機２３の要求電力Ｐｔｒｖｒｅｑと、旋回用電動機２１の要求電力Ｐｓｗｇｒｅｑと、リフティングマグネット２５の要求電力Ｐｌｍｇｒｅｑとを合計した電力、すなわち電気負荷要求出力算出機能５４で算出した合計要求電力Ｐｅｌｃｒｅｑが棒グラフで示されている。電力分配処理が行なわれるということは、出力条件算出及び動力分配機能６０から供給される制限電力値Ｐｅｌｃｌｍｔが合計要求電力Ｐｅｌｃｒｅｑ以下であることを意味する。図５において、合計要求電力Ｐｅｌｃｒｅｑを示す棒グラフに、制限電力値Ｐｅｌｃｌｍｔが点線で示されている。

ここで、ステップＳ１で選択された「優先度１」のリフティングマグネット２５の要求電力Ｐｌｍｇｒｅｑは制限電力値Ｐｅｌｃｌｍｔ以下であり、一点鎖線で示すリフティングマグネット２５の要求電力Ｐｌｍｇｒｅｑがそのままリフティングマグネット２５に実際に供給する電力Ｐｌｍｇｌｍｔとなる。このように、「優先度１」の電気負荷には制限無しで電力が供給される。

一方、ステップＳ２において、選択された電気負荷が複数であると判定されると、処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、供給可能な電力を選択された複数の電気負荷に分配する。供給可能な電力の分配方法は、上述のように、同じ優先度が設定された電気負荷が複数ある場合は、それらの電気負荷の要求電力に比例して供給できる電力を配分する方法である。なお、最高優先度である「優先度１」を設定する電気負荷には、要求通りの電力を常に供給することが好ましく、「優先度１」を設定する電気負荷は一つ（単数）としておくことが好ましい。そのため、通常はステップＳ４には進まずに、ステップＳ３からステップＳ５に進むこととなる。

ステップＳ５では、「優先度１」の次に高い優先度の電気負荷、すなわち「優先度２」に設定された電気負荷を選択する。本実施形態では、走行用電動機２３と旋回用電動機２１とが、同じ「優先度２」に設定されており、走行用電動機２３と旋回用電動機２１とが選択される。続いて、ステップＳ６において、選択された電気負荷が複数あるか否かについて判定される。

ステップＳ６において選択された電気負荷が単数であると判定されると、処理はステップＳ７に進む。ステップＳ７では、供給可能な電力ＰｅｌｃｌｍｔからステップＳ３で「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力が、選択された電気負荷に供給される。供給可能な電力ＰｅｌｃｌｍｔからステップＳ３で「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力は、図５における合計要求電力Ｐｅｌｃｒｅｑの棒グラフで二点鎖線で示す部分に相当する。ステップＳ６で選択された電気負荷の要求電力が、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力以下であれば、ステップＳ６で選択された電気負荷には要求した電力の通りの電力が供給される。一方、ステップＳ６で選択された電気負荷の要求電力が、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力より大きい場合は、ステップＳ６で選択された電気負荷に供給する電力は制限され、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力だけがステップＳ６で選択された電気負荷に供給される。

一方、ステップＳ６において選択された電気負荷が複数であると判定されると、処理はステップＳ８に進む。ステップＳ８では、供給可能な電力ＰｅｌｃｌｍｔからステップＳ３で「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力が選択された複数の電気負荷に供給される。ステップＳ６で選択された複数の電気負荷の要求電力の合計が、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力以下であれば、ステップＳ６で選択された複数の電気負荷には要求した電力に等しい電力が供給される。一方、ステップＳ６で選択された複数の電気負荷の要求電力の合計が、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力より大きい場合は、ステップＳ６で選択された複数の電気負荷に供給する電力は制限され、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力が選択された複数の電気負荷に分配される。この分配方法は、上述のように、電気負荷の要求出力の大きさに比例して分配するという方法である。

本実施形態では、「優先度１」の次の「優先度２」が設定された電気負荷として、走行用電動機２３と旋回用電動機２１があるので、ステップＳ５では走行用電動機２３と旋回用電動機２１の二つの電気負荷が選択される。そして、ステップＳ６において、選択された電気負荷が複数であると判定され、処理はステップＳ８に進む。ステップＳ８では、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力が走行用電動機２３と旋回用電動機２１とに分配される。

図６は上述のステップＳ８を説明するための図である。図６において、走行用電動機２３の要求電力と、旋回用電動機２１の要求電力と、リフティングマグネット２５の要求電力とが棒グラフで示されている。その隣には走行用電動機２３の要求電力Ｐｔｒｖｒｅｑと、旋回用電動機２１の要求電力Ｐｓｗｇｒｅｑと、リフティングマグネット２５の要求電力Ｐｌｍｇｒｅｑとを合計した電力、すなわち電気負荷要求出力算出機能５４で算出した合計要求電力Ｐｅｌｃｒｅｑが棒グラフで示されている。ステップＳ８において電力分配処理が行なわれるということは、出力条件算出及び動力分配機能６０から供給される制限電力値Ｐｅｌｃｌｍｔが合計要求電力Ｐｅｌｃｒｅｑ以下であることを意味する。図６において、合計要求電力Ｐｅｌｃｒｅｑを示す棒グラフに、制限電力値Ｐｅｌｃｌｍｔが点線で示されている。また、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力が二点鎖線で示されている。

ステップＳ８の分配処理では、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力（二点鎖線で示され部分）が、走行用電動機２３と旋回用電動機２１の要求電力の大きさに比例して分配される。図６において、走行用電動機２３に分配された電力Ｐｔｒｖｌｍｔは細かい点線で示され、旋回用電動機２１分配された電力Ｐｓｗｇｌｍｔは一点鎖線で示されている。供給可能な電力に余裕が無いため、走行用電動機２３に実際に供給する電力Ｐｔｒｖｌｍｔは要求電力Ｐｔｒｖｒｅｑより小さく制限され、旋回用電動機２１に実際に供給する電力Ｐｓｗｇｌｍｔも要求電力Ｐｓｗｇｒｅｑより小さく制限されていることがわかる。

すなわち、供給可能な電力Ｐｅｌｃｌｍｔから「優先度１」の電気負荷に供給する電力を引いた残りの電力は、走行用電動機２３の要求電力Ｐｔｒｖｒｅｑと旋回用電動機２１の要求電力Ｐｓｗｇｒｅｑとの比（Ｘ：Ｙ）に分けられ、走行用電動機２３の要求電力Ｐｔｒｖｒｅｑの比率Ｘに相当する電力Ｐｔｒｖｌｍｔが走行用電動機２３に分配され、旋回用電動機２１の要求電力Ｐｓｗｇｒｅｑの比率Ｙに相当する電力Ｐｓｗｇｌｍｔが旋回用電動機２３に分配される。

ステップＳ８の処理が終了すると、以後、選択すべき電気負荷が無くなるまで、ステップＳ５〜ステップＳ８の処理が繰り返し行なわれる。

図７は上述のコントローラ３０での電力分配制限機能を、機能ブロックで表したブロック図である。図７において、コントローラ３０の全ての機能のうち、電力分配制限機能を実施する部分のみが機能ブロックで示されている。

コントローラ３０の優先度設定部３２は、表示パネル２６ｂを介して入力された情報に基づいて、各電気負荷に対して優先度を設定する。優先度は予め決定されてコントローラ３０内に優先度情報として格納されていてもよい。優先度設定部３２は、図２の操作パネル２６ｂから電気負荷出力制限機能５７に向かう点線矢印に相当する。

コントローラ３０の供給電力算出部３４は、電動発電機１２の出力状態と蓄電部１９の出力状態に基づいて、機電動発電機１２及び蓄電部１９から電気負荷に供給可能な電力を算出して供給可能電力値を算出する。電動発電機１２の出力状態は、油圧負荷要求出力とエンジンの出力とに基づいて求めることができる。電動発電機１２の出力状態は、図２のコントローラ３０において、出力条件算出及び動力分配機能６０が、エンジン１１の速度センサ４０からの速度検出値と油圧負荷要求出力算出機能５５からの油圧負荷要求とに基づいて求めることができる。蓄電部の出力状態は、出力条件算出及び動力分配機能６０が、蓄電部１９の電圧センサ１１２からの電圧検出値に基づいて求めることができる。このように、供給電力算出部３４は、図２のコントローラ３０における出力条件算出及び動力分配機能６０の一部に相当する。

コントローラ３０の合計電力算出部３６は、各電気負荷の要求電力を合計する部分であり、図２のコントローラ３０における電気負荷要求出力算機能５４に相当する。すなわち、合計電力算出部３６は、旋回用電動機２１の速度制御機能５１と、走行用電動機２３の速度制御機能５２と、リフティングマグネット２５の電圧制御機能５３とから供給される要求電力を合算した合計電力値として合計要求電力値Ｐｅｌｃｒｅｑを求める。

コントローラ３０の電力分配部３８は、供給電力算出部３４から供給される供給可能電力値と合計電力算出部３６から供給される合計電力値とを比較し、合計電力値が供給可能電力値より大きいか否かを判定する。この判定は、図２におけるコントローラ３０の出力条件算出及び動力分配機能６０の一部に相当する。そして、合計電力値が供給可能電力値より大きい場合には、電力分配部３８は、優先度設定部３２から供給される優先度に基づいて各電気負荷に供給する電力の分配比率を決定し、各電気負荷への供給電力を制限するための制限指令を出力する。この機能は、図２におけるコントローラ３０の電気負荷出力制限機能５７に相当する。

以上のように、本実施形態によれば、複数の電気負荷が要求する電力の合計が供給可能な電力より大きくなった際に、各電気負荷の特性や運転条件を考慮して優先度を設定しておくことにより、供給可能な限られた電力を各電気負荷に適切に分配することができる。

なお、上述の実施形態では、リフティングマグネット２５に対して「優先度１」を設定したが、リフティングマグネットを必ず最高優先度とする必要はない。優先度は、運転条件や操作者の意向により適宜設定することができる。ただし、操作者が容易に優先度を変更できないようにしておくことが好ましい。

なお、上述の実施形態ではパラレル方式のハイブリッド式作業機械を例にとって説明したが、本発明はいわゆるシリーズ全電動方式のハイブリッド式作業機械に適用することもできる。

図８は本発明が適用可能なシリーズ方式のハイブリッド式作業機械であるシリーズ全電動方式のハイブリッド式油圧ショベルの構成を示すブロック図である。図８において、機械的動力系は二重線、油圧ラインは太い実線、電気駆動系は細い実線、電気制御系は点線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部２１１のエンジン２１２は、発電部２１３の発電機２１４を駆動する。発電機２１４により生成された電力は、発電部２１３のインバータ２１５を介して蓄電部２１６に供給される。蓄電部２１６に供給された電力は、コンバータ２１７により蓄電器としてのバッテリ（図示せず）に供給される。これにより、バッテリが充電される。

バッテリから電力供給を受けて駆動される電気負荷系２２０には、旋回用電動機２２１とポンプ駆動用電動機２２２と設けられている。旋回用電動機２２１は、旋回機構を駆動して上部旋回体を旋回させるためのモータである。旋回用電動機２２１には、バッテリからインバータ２２３を介して電力が供給される。

ポンプ駆動用電動機２２２にも、インバータ２２４を介してバッテリから電力が供給される。ポンプ駆動用電動機２２２は、油圧負荷系２２５の油圧ポンプ２２６を駆動するためのモータである。

油圧ポンプ２２６で発生した油圧は、コントロールバルブ２２７を介して、バケットシリンダ２０９、アームシリンダ２０８、ブームシリンダ２０７、走行（右）油圧モータ２２８、及び走行（左）油圧モータ２２９のそれぞれに供給される。バケットシリンダ２０９は、バケットを駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ２０８は、アームを駆動するための油圧シリンダである。ブームシリンダ２０７は、ブーム４駆動するための油圧シリンダである。

走行（右）モータ２２８は、下部走行体の右側のクローラを駆動するための発電可能な電動モータであり、走行（左）モータ２２９は、下部走行体の左側のクローラを駆動するための発電可能な電動モータである。走行モータ２２８，２２９の駆動インバータ２３０により制御される。また、リフティングマグネット２３２は、ドライバ２３４により制御される。

なお、バッテリとして電気二重層キャパシタのような蓄電器を用いているが、これに限られず他の充放電可能な蓄電器を用いてもよい。蓄電器は、端子間電圧から蓄電率ＳＯＣを容易に求めることができるという利点を有する。なお、バッテリの端子間電圧を検出するための電圧検出器（図示せず）がバッテリの端子に接続されている。

コントローラ２４０は、インバータ２１５，２２３，２２４及びコンバータ（図示せず）を制御して、発電機２１４からバッテリへの供給電力（バッテリの充電量）及びバッテリから電気負荷系２２０への供給電力（バッテリの放電量）を制御する。また、コントローラ２４０は、電圧検出器２３０からの検出電圧に基づいてバッテリの蓄電率ＳＯＣを求め、求めた蓄電率ＳＯＣに基づいてバッテリの出力（充放電量）を制御する。

上述の構成のシリーズ全電動方式のハイブリッド式油圧ショベルにおいて、発電機２１４とインバータ２１５の間に電流センサを設け、ＤＣバス２１９の電圧を検出する電圧センサを設ける。そして、上述のパラレル方式のハイブリッド式油圧ショベルと同様に、コントローラ２４０においてＤＣバス２１９の電圧制御を切替えることで、発電機２１４を制御して電流をＤＣバス２１９に供給し、電気負荷を駆動することができる。なお、シリーズ全電動方式のハイブリッド式油圧ショベルにおいては、油圧ポンプ２２６はポンプ駆動用電動機２２２により駆動されるので、油圧負荷の駆動も発電機２１４の発電による電流によることとなる。

１下部走行体
１Ａ、１Ｂ走行機構
２旋回機構
３上部旋回体
４ブーム
５アーム
６バケット
７ブームシリンダ
８アームシリンダ
９バケットシリンダ
１０キャビン
１１エンジン
１２電動発電機
１３減速機
１４油圧ポンプ
１６高圧油圧ライン
１７コントロールバルブ
１８，２０，２２インバータ
１９蓄電部
２１旋回用電動機
２３走行用電動機
２４ドライバ
２５リフティングマグネット
２６操作装置
２６ａ操作レバー群
２６ｂ操作パネル
３０コントローラ
３２優先度設定部
３４供給電力算出部
３６合計電力算出部
３８電力分配部
４０，４２，４３速度センサ
４１圧力・流量センサ
４４電圧センサ
４５電流センサ
５０出力制御機能
５１，５２速度制御機能
５３電圧制御機能
５４電気負荷要求出力算出機能
５５油圧負荷要求出力算出機能
５６油圧負荷出力制限機能
５７電気負荷出力制限機能
６０出力条件算出及び動力分配機能
１００昇降圧コンバータ
１１０ＤＣバス
１２０バッテリ
１１２電圧センサ
２１１機械式駆動部
２１２エンジン
２１３発電部
２１４発電機
２１５，２２３，２２４インバータ
２１６蓄電部
２１９ＤＣバス
２２０電気負荷系
２２１旋回用電動機
２２２ポンプ駆動用電動機
２２５油圧負荷系
２２６油圧ポンプ
２２７コントロールバルブ
２２８，２２９走行モータ
２３０インバータ
２３２リフティングマグネット
２３４ドライバ
２４０コントローラ

Claims

油圧ポンプを駆動するエンジンと、
該エンジンをアシストする電動発電機と、
複数の電気負荷と、
該電動発電機及び該電気負荷に電力を供給する蓄電部と、
前記エンジン、前記電動発電機、前記電気負荷、及び前記蓄電部を制御する制御部と
を有し、
該制御部は、
前記複数の電気負荷のそれぞれに対して優先度を設定する優先度設定部と、
前記電動発電機及び前記蓄電部から前記電気負荷に供給可能な電力を算出して供給可能電力を求める供給電力算出部と、
前記電気負荷が要求している電力の合計を算出して合計電力を求める合計電力算出部と、
前記供給可能電力と前記合計電力とを比較し、前記供給可能電力が前記合計電力より大きいときには、前記優先度に基づいて各電気負荷に供給する電力の分配比率を決定し各電気負荷への供給電力を制限する電力分配部と
を有することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
請求項１記載のハイブリッド型作業機械であって、
前記電力分配部は、前記優先度が最も高い電気負荷に対して供給電力が制限されないように分配比率を決定することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
請求項１又は２記載のハイブリッド型作業機械であって、
前記電力分配部は、前記優先度が最も高い電気負荷からの要求電力が供給可能電力より大きいときは、供給可能電力の全てが前記優先度が最も高い電気負荷に供給されるように分配比率を決定することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のハイブリッド型作業機械であって、
前記電力分配部は、前記優先度が同じ電気負荷が複数存在するときには、前記優先度が同じ複数の電気負荷からの電力要求の割合に応じて、前記優先度が同じ複数の電気負荷の各々に供給する電力の分配比率を決定することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のハイブリッド型作業機械であって、
前記優先度設定部は、前記複数の電気負荷にリフティングマグネットが含まれる場合は、該リフティングマグネットに最も高い優先度を設定することを特徴とするハイブリッド型作業機械。