JP2011220068A - ハイブリッド作業機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】作業時と待機時とに応じた適切なバッテリ充電制御を行う。
【解決手段】バッテリ７の充電状態であるバッテリＳＯＣを検出するバッテリ監視手段９と、バッテリＳＯＣに応じてバッテリ７の充電パワーを制御するコントローラ８と、油圧アクチュエータを作動させる作業時と油圧アクチュエータを作動させない待機時とを判別するための情報としての作業状態を検出する作業状態検出手段１０とを備え、コントローラ８により、待機時には作業時よりも充電パワーに制限を加えるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明はエンジン動力とバッテリ電力を併用するハイブリッド作業機械に関するものである。
ハイブリッドショベルのようなハイブリッド式の作業機械では、特許文献１に示されているように、エンジンに、油圧ポンプと発電電動機とを接続し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動するとともに、発電電動機の発電機作用によってバッテリに充電し、適時、このバッテリ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。
そして、バッテリの充電に関して、バッテリの充電状態(充電量)であるバッテリＳＯＣ(State Of Charge)を検出し、検出されるバッテリＳＯＣに応じて、ＳＯＣの目標値に向けて充電パワーを制御する構成がとられる。
この場合、バッテリの充電能力はバッテリ温度にも依存するため、バッテリＳＯＣ／充電パワーの特性はこのバッテリ温度によっても変化する
特開２００５−２３７１７８号公報
従来、このようなバッテリ充電制御を行うハイブリッド作業機械においては、放電によってバッテリＳＯＣが激しく低下する作業時を基準として、ＳＯＣを早く目標値に回復・安定させたいとの観点から、そのときのバッテリ温度とＳＯＣで決まるバッテリ能力をフルに使って急速充電する構成がとられている。
ところが、この結果、放電しない待機時に、急速充電が連続して行われることでバッテリの負担が大きくなり、バッテリにダメージを与えて寿命を低下させるという弊害が生じていた。
そこで本発明は、作業時と待機時とに応じた適切なバッテリ充電制御を行うことができるハイブリッド作業機械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の油圧源となる油圧ポンプと発電電動機とが動力源としてのエンジンに接続され、上記発電電動機の発電機作用によってバッテリが充電されるとともに、このバッテリの電力により上記発電電動機が電動機として駆動されてエンジンをアシストするように構成されたハイブリッド作業機械において、上記バッテリの充電状態であるバッテリＳＯＣを検出するバッテリ監視手段と、このバッテリ監視手段によって検出されるバッテリＳＯＣに応じて上記バッテリの充電パワーを制御する制御手段と、上記油圧アクチュエータを作動させる作業時と油圧アクチュエータを作動させない待機時とを判別するための情報としての作業状態を検出する作業状態検出手段とを備え、上記制御手段は、待機時には作業時よりも上記充電パワーに制限を加え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、上記制御手段は、作業時には、バッテリＳＯＣと充電パワーとの関係として予め設定さたれ作業時充電マップに基づいて、待機時には作業時よりも充電パワーに制限を加えるように上記作業時充電マップと異なるバッテリＳＯＣ／充電パワーの特性をもって予め設定された待機時充電マップに基づいて、それぞれバッテリ充電パワーを決定するように構成されたものである。
請求項３の発明は、請求項２の構成において、上記待機時充電マップは、作業時充電マップとの対比において、充電パワーの上限値が低く設定されたものである。
請求項４の発明は、請求項２または３の構成において、上記監視手段はバッテリ温度を検出し、上記制御手段は、作業時充電マップとしてバッテリ温度に応じた複数通りのマップ、待機時充電マップとしてバッテリ温度と無関係な一種類のマップをそれぞれ予め設定・記憶し、待機時に、そのときのバッテリ温度に応じた作業時充電マップに基づく充電パワーと、上記待機時充電マップに基づく充電パワーのうち低位の値を充電パワーとして決定するように構成されたものである。
請求項５の発明は、請求項２〜４のいずれかの構成において、上記制御手段は、作業時充電マップと待機時充電マップの切換時に、充電パワーの変化量を、マップによって決まる値よりも低く設定するレートリミッタ処理を加えるように構成されたものである。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかの構成において、上記作業状態検出手段は、上記油圧アクチュエータを操作する操作手段の操作の有無を作業状態として検出するように構成されたものである。
本発明によると、ハイブリッド作業機械において、作業状態検出手段によって作業時と待機時の別(請求項６では操作手段の操作の有無)を検出し、待機時には作業時よりも充電パワーに制限を加えるため、放電を繰り返す作業時にはバッテリ能力をフルに使った急速充電によってバッテリＳＯＣを速やかに回復させることができる一方、放電しない待機時には連続急速充電によってバッテリがダメージを受けることを回避することができる。
すなわち、作業時と待機時とに応じた適切なバッテリ充電を行い、バッテリＳＯＣを最適に保ちながらバッテリ寿命を向上させることができる。
ここで、請求項２〜５の発明によると、予め設定されたバッテリＳＯＣ／充電パワーのマップに基づいて、そのときのバッテリＳＯＣに応じた充電パワー制御が行われ、請求項３の発明では作業時には充電パワーの上限値を待機時のそれよりも低く設定することによって、充電パワーが制限される。
ところで、低温下ではバッテリ能力が低下するため、本来は、バッテリ保護の観点で、作業時及び待機時両充電マップとしてそれぞれバッテリ温度に応じた複数通りのものを用意するのが望ましいが、こうすると制御が複雑化する問題がある。
そこで請求項４の発明においては、待機時充電マップについてはバッテリ温度と無関係に一種類のものだけを設定し、待機時に、そのときのバッテリ温度に応じた作業時充電マップに基づく充電パワーと、待機時充電マップに基づく充電パワーの低位選択値を充電パワーとして設定するようにした。
これにより、制御を簡略化しながら、低温下での待機時充電パワーを落としてバッテリを保護することができる。
一方、請求項５の発明によると、作業時と待機時の充電パワーの切換時に、レートリミット処理によって充電パワーの変化量を低く抑えるため、充電パワーの変化を滑らかにすることによってバッテリを保護することができる。
本発明の実施形態を示すシステム構成図である。 図１のコントローラにおける充電制御部に設定・記憶された作業時充電マップを示す図である。 同、待機時充電マップを示す図である。 実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。
図１は実施形態のシステム構成を示す。
図示のようにエンジン１にパワーデバイダ２を介して油圧ポンプ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ているが、ここでは複数の制御弁の集合体として示す)５を介して図示しない油圧アクチュエータ(たとえば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等)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。なお、図１では油圧ポンプ３が一台のみ接続された場合を示しているが、複数台が直列または並列に接続される場合もある。
一方、発電電動機４には、インバータ６を介してニッケル水素電池やリチウムイオン電池等のバッテリ７が接続されている。
このバッテリ７のＳＯＣと温度はバッテリ監視手段９によって検出され、この検出されたバッテリＳＯＣと温度が制御手段としてのコントローラ８に送られる。
また、油圧アクチュエータを作動させる作業時と油圧アクチュエータを作動させない待機時とを判別するための情報となる作業状態を検出する作業状態検出手段１０が設けられている。
この作業状態検出手段１０は、実施形態では、制御弁５を操作する操作手段(たとえばリモコン弁)の操作の有無を検出し、検出された操作信号(レバー操作されることからレバー信号という)がコントローラ８に送られる。
さらに、油圧ポンプ３のポンプ圧力、吐出量、回転数がそれぞれ図示しない検出手段によって検出され、これらによって油圧アクチュエータが要求しているパワー(アクチュエータ要求パワー)が求められる。
コントローラ８は、バッテリ７の充電を制御するバッテリ充電制御部１１と、このバッテリ充電制御部１１と連係して発電電動機４とエンジン１のパワー配分を決めるパワー配分制御部１２とを具備する。
バッテリ充電制御部１１には、予め、バッテリＳＯＣ／充電パワーのマップが設定・記憶され、このマップから、そのときのバッテリＳＯＣに応じた充電パワーを読み出し、充電要求パワーとしてパワー配分制御部１２に送る。
パワー配分制御部１２は、バッテリ充電制御部１１から送られた充電要求パワーをもとに、アクチュエータ要求パワーに対するエンジンパワーの分担を決め、これに基づいて発電電動機４に対するトルク指令を出力する。
ここで、機械の作業時(レバー操作時)には放電によってバッテリＳＯＣが激しく低下するため、バッテリＳＯＣを早く回復させるべく急速充電したい要求がある。
また、バッテリ能力はバッテリ７の温度によっても変化する。
一方、放電しない機械の停止時(レバー中立時)には、作業時の急速充電を連続して行うと、バッテリ７の負担が大きくなり、バッテリ７にダメージを与えて寿命を低下させるという弊害が生じる。
そこで、作業時には、そのときのバッテリ温度とＳＯＣとで決まるバッテリ能力をフルに使って急速充電を行い、待機時には充電パワーを抑えてバッテリ７を保護する構成がとられている。
この点を詳述する。
図２は作業時のバッテリＳＯＣ／充電パワーのマップ(作業時充電マップ)、図３は待機時のバッテリＳＯＣ／充電パワーのマップ(待機時充電マップ)をそれぞれ示す。なお、両マップを比較し易くするために、待機時充電マップを図２中にも太い破線で書き込んでいる。
作業時充電マップは、複数通りのバッテリ温度、たとえば０℃、５℃、１０℃、１５℃、２０℃、それに−５℃の６通りのバッテリ温度について設定され、作業時にそのときのバッテリ温度のマップが読み出される。
なお、バッテリ温度が設定温度の中間値(たとえば３℃や１８℃)のときは、最も近い温度のマップを読み出して用いるようにしてもよいし、最も近い温度のマップをもとに補完演算により該当温度のバッテリ充電パワーを求めるようにしてもよい。
待機時充電マップについても、本来は、作業時充電マップと同様にバッテリ温度に応じた複数通りのものを設定するのが望ましいが、こうすると制御の複雑化を招く。
そこで、待機時については、図示のようにバッテリ温度と無関係に一種類のみを設定する一方、低温下で過大な充電パワーを加えることのないように、同時に読み出したバッテリ温度に応じた作業時充電マップに基づく充電パワーと、待機時充電マップとの低位選択を行うように構成されている。
両図、とくに図２から明らかなように、待機時には作業時よりも充電パワーが低くなるように設定されている。
具体的には、作業時には、バッテリ温度がマイナス域の場合以外では、充電パワーの上限値が待機時よりも高く設定され、しかも、すべてのバッテリＳＯＣ範囲で充電パワーが待機時よりも高く設定されている。
また、作業時にはバッテリＳＯＣ７０％で充電パワーが０となる(バッテリＳＯＣの目標値が７０％に設定されている)のに対し、待機時にはバッテリＳＯＣ６５％で充電パワーが０となる(バッテリＳＯＣの目標値が６５％に設定されている)。
これらの点を踏まえて、このハイブリッド作業機械の作用を図４のフローチャートを用いて説明する。
制御開始後、ステップＳ１で待機時充電マップを読み出し、そのときのバッテリＳＯＣに応じた待機時充電パワーＰＷｂ１を設定する。
また、ステップＳ２で作業時充電マップを読み出し、そのときのバッテリ温度とバッテリＳＯＣに応じた作業時充電パワーＰＷｂ２を設定する。
ステップＳ３では、後に行うレートリミット処理のためのバッテリ充電要求パワーの旧値を１制御周期前の値(ＰＷｂｒｑ０)にセットする。
そして、ステップＳ４でレバー操作有りか否か(作業時か待機時か)を判別し、ＹＥＳ(作業時)の場合はステップＳ５で作業時充電パワーＰＷｂ２をバッテリ充電要求パワーＰＷｂｒｑにセットする。
これに対し、ステップＳ４でＮＯ(待機時)の場合は、ステップＳ６で待機時充電パワーＰＷｂ１と、作業時充電パワーＰＷｂ２との低位選択値をバッテリ充電要求パワーＰＷｂｒｑにセットする。
つまり、図２に示すようにバッテリ温度がマイナス域の場合は作業時充電パワーＰＷｂ２の方が低くなるため、このときには作業時充電パワーＰＷｂ２がバッテリ充電要求パワーＰＷｂｒｑにセットされる。
ステップＳ５及びＳ６の後はともにステップＳ７に移り、ステップＳ７〜Ｓ１０において、作業時充電マップと待機時充電マップの切換時に、充電パワーの変化量を、マップによって決まる値よりも低く設定するためのレートリミット処理が行われる。
すなわち、まずステップＳ７において、ステップＳ５またはＳ６でセットされた充電要求パワーＰＷｂｒｑ(セット値)と、１制御周期前の旧値ＰＷｂｒｑ０に一定値ΔＰＷｂｒｑを足したもの(パワー増加時の比較値)とが比較される。
ここでＹＥＳ、つまり、ＰＷｂｒｑ＞ＰＷｂｒｑ０＋ΔＰＷｂｒｑの場合は、ステップＳ８で、低位側である比較値(ＰＷｂｒｑ０＋ΔＰＷｂｒｑ)が充電要求パワー(決定値)とされる。
一方、ステップＳ７でＮＯ、つまり、ＰＷｂｒｑ≦ＰＷｂｒｑ０＋ΔＰＷｂｒｑの場合は、ステップＳ９において、セット値ＰＷｂｒｑと、旧値ＰＷｂｒｑ０から一定値ΔＰＷｂｒｑを引いたもの(パワー減少時の比較値)とが比較される。
ここでＹＥＳ、つまり、ＰＷｂｒｑ≧ＰＷｂｒｑ０−ΔＰＷｂｒｑの場合は、ステップＳ１０で高位側である比較値(ＰＷｂｒｑ０−ΔＰＷｂｒｑ)が充電要求パワー(決定値)とされる。
一方、ステップＳ９でＮＯの場合、つまり、ＰＷｂｒｑ<ＰＷｂｒｑ０＋ΔＰＷｂｒｑでもなく、ＰＷｂｒｑ<ＰＷｂｒｑ０−ΔＰＷｂｒｑでもない場合は、セット値がそのまま充電要求パワー(決定値)となる。
そして、ステップＳ８，Ｓ１０，Ｓ９からステップＳ１１に移行し、決定値である充電要求パワーＰＷｂｒｑを超えないようにエンジン１とバッテリ７のパワー配分を定め、このパワー配分に従って発電電動機４に対するトルク指令が出された後、ステップＳ１に戻る。
このように、待機時には作業時よりも充電パワーに制限を加えるため、放電を繰り返す作業時にはバッテリ能力をフルに使った急速充電によってバッテリＳＯＣを速やかに回復させることができる一方、放電しない待機時には連続急速充電によってバッテリがダメージを受けることを回避することができる。
すなわち、作業時と待機時とに応じた適切なバッテリ充電を行い、バッテリＳＯＣを最適に保ちながらバッテリ寿命を向上させることができる。
この場合、待機時に、図４のステップＳ６の処理として、そのときのバッテリ温度に応じた作業時充電マップに基づく充電パワーＰＷｂ１と、待機時充電マップに基づく充電パワーＰＷｂ２の低位選択値を充電要求パワーＰＷｂｒｑとして設定する構成としたから、待機時充電マップをバッテリ温度に無関係な一種類のみとして制御を簡略化しながら、低温下での待機時充電パワーを落としてバッテリ７を保護することができる。
また、作業時と待機時の充電パワーの切換時に、図４のステップＳ７〜Ｓ１１で行うレートリミット処理によって充電パワーの変化量を低く抑えるため、充電パワーの変化を滑らかにすることによってバッテリ７を保護することができる。
他の実施形態
(１) 上記実施形態では、レバー信号によって作業時か待機時かを判別する構成をとったが、他の作業状態(たとえば油圧アクチュエータの作動／非作動)によって判別する構成をとってもよい。
(２) 待機時充電マップとして、バッテリ温度に応じた複数通りのマップを設定し、待機時に、上記実施形態のような低位選択でなく、このマップに基づいて充電パワーを制御する構成をとってもよい。
(３) 上記実施形態では、図１に示すようにエンジン１に油圧ポンプ３と発電電動機４をパワーデバイダ２を介してパラレルに接続した所謂パラレル方式のハイブリッド作業機械を例にとったが、本発明は、エンジン１に油圧ポンプ３と発電電動機４を直列に接続する所謂シリーズ方式のハイブリッド作業機械にも上記同様に適用することができる。
１ エンジン
３ 油圧ポンプ
４ 発電電動機
７ バッテリ
８ 制御手段としてのコントローラ
９ バッテリ監視手段
１０ 作業状態検出手段
１１ コントローラのバッテリ充電制御部
１２ パワー配分制御部

Claims (6)

  1. 油圧アクチュエータの油圧源となる油圧ポンプと発電電動機とが動力源としてのエンジンに接続され、上記発電電動機の発電機作用によってバッテリが充電されるとともに、このバッテリの電力により上記発電電動機が電動機として駆動されてエンジンをアシストするように構成されたハイブリッド作業機械において、上記バッテリの充電状態であるバッテリＳＯＣを検出するバッテリ監視手段と、このバッテリ監視手段によって検出されるバッテリＳＯＣに応じて上記バッテリの充電パワーを制御する制御手段と、上記油圧アクチュエータを作動させる作業時と油圧アクチュエータを作動させない待機時とを判別するための情報としての作業状態を検出する作業状態検出手段とを備え、上記制御手段は、待機時には作業時よりも上記充電パワーに制限を加えるように構成されたことを特徴とするハイブリッド作業機械。
  2. 上記制御手段は、作業時には、バッテリＳＯＣと充電パワーとの関係として予め設定さたれ作業時充電マップに基づいて、待機時には作業時よりも充電パワーに制限を加えるように上記作業時充電マップと異なるバッテリＳＯＣ／充電パワーの特性をもって予め設定された待機時充電マップに基づいて、それぞれバッテリ充電パワーを決定するように構成されたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド作業機械。
  3. 上記待機時充電マップは、作業時充電マップとの対比において、充電パワーの上限値が低く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作業機械。
  4. 上記監視手段はバッテリ温度を検出し、上記制御手段は、作業時充電マップとしてバッテリ温度に応じた複数通りのマップ、待機時充電マップとしてバッテリ温度と無関係な一種類のマップをそれぞれ予め設定・記憶し、待機時に、そのときのバッテリ温度に応じた作業時充電マップに基づく充電パワーと、上記待機時充電マップに基づく充電パワーのうち低位の値を充電パワーとして決定するように構成されたことを特徴とする請求項２または３記載のハイブリッド作業機械。
  5. 上記制御手段は、作業時充電マップと待機時充電マップの切換時に、充電パワーの変化量を、マップによって決まる値よりも低く設定するレートリミッタ処理を加えるように構成されたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド作業機械。
  6. 上記作業状態検出手段は、上記油圧アクチュエータを操作する操作手段の操作の有無を作業状態として検出するように構成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッド作業機械。
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