JP2012157136A - ハイブリッド型建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄電器を初期充電する際に過大な充電電流が流れないような充電制御を行なうハイブリッド型建設機械を提供することを課題とする。
【解決手段】 ハイブリッド型建設機械は、エンジン１１の駆動力で発電する発電機１２を有する。発電機１２はインバータ１８Ａにより制御される。発電機１２が発電した電力は蓄電器１９に蓄積される。コンバータ１００は、発電機１２と蓄電器１９との間に設けられたＤＣバス１１０の電圧を制御する。蓄電器１９を初期充電する際に、発電機１２のインバータ制御を停止し、且つＤＣバス１１０の電圧指令値を発電機１２の誘起電圧より小さな値に設定する。
【選択図】 図５

Description

本発明はエンジンをアシストする電動発電機を駆動して得られた電力を蓄電装置に供給するハイブリッド型建設機械に関する。

エンジンをアシストする電動発電機（アシストモータ）を有するハイブリッド型建設機械には、電動発電機を駆動して得られた電力を蓄電するための蓄電器又は蓄電池等を含む蓄電装置が設けられる（例えば、特許文献１参照。）。アシストモータは蓄電装置からの電力で駆動されてエンジンをアシストする。また、アシストモータはエンジンの動力で駆動されて発電を行ない、発電した電力は蓄電装置の蓄電器又は蓄電池に蓄電される。

特開２００９−２６１０９６号公報

上述のような蓄電装置を有するハイブリッド型建設機械において、蓄電装置を最初に組み立てるとき、あるいは故障等により蓄電器又は蓄電池を交換するときには、蓄電器又は蓄電池は充電されていない場合が多い。特にキャパシタ等の蓄電器を用いている場合、新たに組み込む蓄電器は全く充電されておらず、蓄電器の出力端子電圧は０Ｖである。したがって、蓄電装置を最初に組み立てたとき、あるいは蓄電器を交換したときには、蓄電器を初期充電する必要がある。

本発明によれば、エンジンの駆動力で発電する発電機と、該発電機を制御するインバータと、前記発電機が発電した電力を蓄積する蓄電器と、前記発電機と前記蓄電器との間に設けられるＤＣバスと、該ＤＣバスの電圧を制御するコンバータとを有するハイブリッド型建設機械であって、前記蓄電器を初期充電する際に、前記発電機のインバータ制御を停止し、且つ前記ＤＣバスの電圧指令値を前記発電機の誘起電圧より小さな値に設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械が提供される。

上述のハイブリッド型建設機械において、前記蓄電器の電圧の上昇に対応して前記ＤＣバスの前記電圧指令値を高くすることが好ましい。前記蓄電器の電圧が予め設定された閾値以上になると、前記ＤＣバスの前記電圧指令値を前記誘起電圧より高い値に設定することとしてもよい。前記エンジンの回転数が所定の値に到達したら、前記ＤＣバスの前記電圧指令値を前記誘起電圧より低い値に設定することとしてもよい。前記蓄電器の電圧が予め設定された閾値以上になると、前記発電機のインバータ制御を開始することとしてもよい。前記蓄電器を流れる電流が所定値以上となると、前記ＤＣバスの前記電圧指令値を高くすることとしてもよい。

上述の発明によれば、蓄電器の電圧が極めて低い状態において充電を開始する際に、過大な充電電流が流れないように充電電流を抑制することができる。

本発明が適用され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油圧ショベルの側面図である。 図１に示すハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の回路図である。 キャパシタを初期充電する際の、エンジン回転数、ＤＣバス電圧、キャパシタ電圧、充電電流の推移を示すグラフである。 キャパシタ電圧が閾値を超えたら迅速にキャパシタを充電する場合の、エンジン回転数、ＤＣバス電圧、キャパシタ電圧、電動発電機の発電電力の推移を示すグラフである。 図６に示す充電方法でキャパシタの充電を行なう処理のフローチャートである。 ＤＣバス電圧指令値を変更して充電電流を低減する際の、エンジン回転数、ＤＣバス電圧、キャパシタ電圧、充電電流の推移を示すグラフである。 旋回機構を旋回油圧モータで駆動する構成のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 シリーズ方式のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明が適用されるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド式ショベルの側面図である。本発明が適用されるハイブリッド型作業機械としては、ハイブリッド式ショベルに限られず、蓄電装置から電気負荷に電力を供給するものであれば、他のハイブリッド型作業機械にも適用することができる。

図１に示すハイブリッド式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には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。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。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は、図１に示すハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示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、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実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と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ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。油圧ポンプ１４は可変容量式油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。以下、可変容量式油圧ポンプ１４を単に油圧ポンプ１４と称することもある。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、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は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。また、旋回機構２を駆動するための旋回用油圧モータ２Ａもコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器を含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータを駆動制御することによる蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。コントローラ３０は、蓄電器（キャパシタ）の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）に基づいて、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これにより蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバスに設けられたＤＣバス電圧検出部によって検出されるＤＣバス電圧値、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値、及び蓄電器電流検出部によって検出される蓄電器電流値に基づいて行われる。

さらに、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）のＳＯＣが算出される。

図２に示すハイブリッド式ショベルは旋回機構を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。

図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータとＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ 電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ 電圧値とキャパシタ 電流値は、コントローラ３０に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値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１８Ａ，２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

図２に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ １９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ 電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ 電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

図４は、蓄電系１２０の回路図である。昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１０５を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８Ａ，２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。

リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４に接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子（スイッチング素子）である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。

電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びインバータ１０５が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値Ｖｃａｐを検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧値Ｖｄｃを検出する。平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。

キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子（Ｐ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子に流れる電流値Ｉ１を検出する。一方、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタの負極端子（Ｎ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタ１９の負極端子に流れる電流値Ｉ２を検出する。

昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１０５を介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ １９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図４では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

蓄電器の初期充電は、例えばアシストモータを発電運転して得られた電力を蓄電装置に供給することで行なわれる。蓄電装置において、蓄電器はコンバータを介してＤＣバスに接続されており、アシストモータからＤＣバスに電力を供給してＤＣバス電圧を高くすることで、コンバータを介してＤＣバスから蓄電器へと電力が供給される。

上述のように蓄電器が充電されていない状態（出力端子電圧は０Ｖ）から初期充電を行なう場合、蓄電器が充電されていない状態では蓄電器の内部抵抗は極めて小さくほぼゼロであるため、ＤＣバスに供給される電力が小さくても（ＤＣバス電圧が低くても）大きな充電電流が蓄電器に流れる。

一般的に、アシストモータを発電運転することで得られた電力をＤＣバスに供給することで、蓄電器の初期充電を行なっている。すなわち、アシストモータが所定の電力を発電するように発電指令を出し、アシストモータで得られた電力をＤＣバスに供給してＤＣバス電圧を上昇させることで、ＤＣバスから蓄電器に充電電流を流すようになっている。初期充電時におけるアシストモータの発電指令は通常の蓄電装置の制御下における制御であり、ＤＣバス電圧も通常の制御における目標電圧となるように制御される。

ここで、アシストモータが発電する電力は、エンジンの回転数の変動や発電指令値の誤差等により大きく変動することがある。アシストモータが発電する電力が、発電指令値より大きくなった場合、ＤＣバスに供給される電力が大きくなるので、蓄電器に流れる充電電流も電力に比例して大きくなる。蓄電器がある程度充電されて蓄電器の内部抵抗が大きくなっている場合には、ＤＣバスに供給される電力が大きくなっても、充電電流は大きく増大することはなく、充電電流は許容値以下に抑制される。ところが、上述のように初期充電において蓄電器の内部抵抗が極めて小さい場合、ＤＣバスに供給される電力が大きくなると、充電電流は大きく増大し、充電電流が許容値を超えてしまうおそれがある。

具体的に説明すると、蓄電器がある程度充電されており、蓄電器の端子電圧が例えば１０Ｖであった場合に、１００Ｗの電力がＤＣバスに供給されると、１００Ｗ÷１０Ｖ＝１０Ａの充電電流が蓄電器に流れる。このとき、仮にＤＣバスに供給される電力が２００Ｗに増大したとすると、２００Ｗ÷１０Ｖ＝２０Ａの充電電流が蓄電器に流れる。このときの充電電流の増大量は１０Ａであり、蓄電器の充電電流の許容値を１５０Ａとすれば、許容範囲内である。一方、初期充電時に蓄電器の端子電圧が例えば１Ｖしかなかった場合、１００Ｗの電力がＤＣバスに供給されると、１００Ｗ÷１Ｖ＝１００Ａの充電電流が蓄電器に流れる。このとき、仮にＤＣバスに供給される電力が２００Ｗに増大したとすると、２００Ｗ÷１Ｖ＝２００Ａの充電電流が蓄電器に流れる。このときの充電電流の増大量は１００Ａであり、充電電流は許容値１５０Ａをはるかに超えてしまう。

蓄電器の充電電流が許容値を超えてしまうと、保護機能が働いて蓄電装置の作動が停止してしまうおそれがあり、また、過電流により蓄電器や蓄電装置が損傷してしまうおそれがある。

蓄電装置を初期充電する際に適切に充電制御を実現することが望まれている。

本実施形態では、上述のような構成のハイブリッド式ショベルにおいて、キャパシタ１９を初期充電する際に、通常のＤＣバス電圧による充電ではなく、通常より低いＤＣバス電圧で充電を開始することで、充電しはじめのときにキャパシタ１９に過電流が流れることを抑制する。以下、そのような充電方法について説明する。

まず、本実施形態では、キャパシタ１９を初期充電する際に、電動発電機１２の発電制御を行なわず（発電指令を出さない）、その代わりに電動発電機１２を空回りさせて得られる誘起電圧をＤＣバス１１０に導くことで、キャパシタ１９に充電電流を流して充電する。このとき、ＤＣバス１１０の電圧指令値を通常の電圧指令値とはせず、誘起電圧より低い値に設定することで、ＤＣバス１１０に供給された誘起電圧とＤＣバス１１０の電圧指令値との差に相当する電力がキャパシタ１９に供給され、キャパシタ１９が充電される。ここで、初期充電とは、キャパシタ１９に初めて充電することに限られず、キャパシタ１９の電圧が極めて低く、キャパシタ１９が空かあるいは空に近い状態からの充電を意味する。

図５は本実施形態においてキャパシタ１９を初期充電する際の、エンジン回転数、ＤＣバス１１０の電圧、キャパシタ１９の電圧、キャパシタ１９に流れる充電電流の推移を示すグラフである。

キャパシタ１９を初期充電する際には、電動発電機１２のインバータ制御を停止し、且つコンバータ１００によるＤＣバス１１０の電圧制御を停止した状態で、エンジン１１を所定の回転数で駆動する。図５（ａ）に示すように、エンジン１１が始動するとエンジン１１の回転数は上昇し、所定の回転数で一定となる。エンジン１１の回転に伴い、エンジン１１に機械的に接続されている電動発電機１２が回転し、電動発電機１２はその回転数に応じた誘起電圧を発生する。ＤＣバス１１０には電動発電機１２が発生する誘起電圧が供給されるので、ＤＣバス１１０の電圧（ＤＣバス電圧と称する）は、図５（ｂ）の実線で示すように、エンジン１１の回転数と同様の上昇し、電動発電機１２回転数が一定となると、その回転数に応じた一定の誘起電圧に等しくなる。

初期充電を行なうときには、ＤＣバス１１０の電圧指令値は通常制御における電圧指令値に設定されず、電動発電機１２が一定の回転数となったときに発生する誘起電圧より低い値に設定される。これにより、図５（ｂ）の一点鎖線で示すように、エンジン１１が始動してエンジン回転数が上昇するにつれて、ＤＣバス電圧はＤＣバス電圧指令値より高くなり、その後一定の値となる。なお、図５（ｂ）において、電動発電機１２の誘起電圧が実線で示され、ＤＣバス電圧が一点鎖線で示されている。コンバータ１１０の電圧制御（コンバータ電圧制御）が開始されるまではＤＣバス電圧は誘起電圧に等しいので、実際は重なってしまうが、図示の便宜上、コンバータ電圧制御が開始されるまでの間はＤＣバス電圧は誘起電圧の下側に沿った一点鎖線で示されている。

ＤＣバス電圧がＤＣバス電圧指令値より高くなり一定の値となったら、コンバータ１００の電圧制御を開始する。すると、ＤＣバス電圧をＤＣバス電圧指令値に等しくするために、コンバータ１００はＤＣバス１１０からキャパシタ１９に電流を流す。この電流が図５（ｄ）に示すようにキャパシタ１９の充電電流となり、キャパシタ１９が充電される。キャパシタ１９に充電電流が流れることで、キャパシタ電圧は図５（ｃ）に示すように上昇する。

以上のように、キャパシタ１９の充電電流は、電動発電機１２の誘起電圧とＤＣバス電圧指令値との電圧差に応じた電流値となるため、電動発電機１２の誘起電圧とＤＣバス電圧指令値との電圧差があまり大きくならないようにＤＣバス電圧指令値を設定することで、キャパシタ１９の充電電流を抑制することができる。電動発電機１２の誘起電圧とＤＣバス電圧指令値との差は、例えば１０Ｖという小さな電圧差とする。したがって、ＤＣバス電圧指令値を電動発電機１２の誘起電圧より低い適切な値に設定することで、キャパシタ１９への充電電流が過電流とならないように抑制することができる。なお、電動発電機１２の誘起電圧はその回転数に比例するため、ＤＣバス電圧指令値も電動発電機１２の回転数に比例した値として予めテーブル情報として設定しておけばよい。テーブル情報を参照することで、現在の電動発電機１２の回転数のときに設定すべきＤＣバス電圧指令値を求めることができる。

上述のキャパシタ充電方法では、充電電流は低く抑えられており、キャパシタ１９を使用可能な充電率ＳＯＣまで充電するのに時間がかかってしまう。そこで、キャパシタ１９の充電がある程度進んでキャパシタ電圧が高くなったら、通常のＤＣバス電圧制御に戻して電動発電機１２を発電させ、迅速にキャパシタ１９を充電することもできる。

図６はキャパシタ電圧が閾値を超えたら、電動発電機１２を発電させて迅速にキャパシタ１９を充電する場合の、エンジン回転数、ＤＣバス電圧、キャパシタ電圧、電動発電機１２の発電電力の推移を示すグラフである。エンジン１１を始動してから、誘起電圧とＤＣバス電圧指令値との差に相当する充電電流でキャパシタ１９を充電するところまでは、上述の充電方法と同じである。ここで、本充電方法では、キャパシタ１９の充電を開始してからキャパシタ電圧を監視しており、キャパシタ電圧が電圧閾値を超えたら、通常制御による充電に切り替える。通常制御による充電とは、ＤＣバス電圧指令値を低い電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）から通常運用時の高いＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ２）に変更し、且つ電動発電機１２を発電運転して電力をＤＣバス１１０に供給することで、キャパシタ１９を充電することである。

具体的には、図６（ｃ）の実線で示すようにキャパシタ電圧が電圧閾値を超えたら、図６（ｂ）に示すようにＤＣバス電圧指令値を低い電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）から、通常運用時の高い電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ２）に切り替える。これと同時に、停止していた電動発電機１２のインバータ制御を開始する。これにより、図６（ｄ）に示すように、電動発電機１２は、実際のＤＣバス電圧が通常運用時の高い電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ２）に近づくように、発電運転を行なって大きな電力をＤＣバス１１０に供給する。これにより、キャパシタ１９への充電電流は大きくなり、図６（ｃ）の一点鎖線で示すようにキャパシタ１９の充電率ＳＯＣを迅速に増大することができる。

図７は、図６に示す充電方法でキャパシタ１９の充電を行なう処理のフローチャートである。

まず、ステップＳ１においてエンジン１１を起動してエンジン１１の運転を開始する。次に、ステップＳ２において、エンジン回転数が回転数閾値より小さいか否かが判定される。エンジン回転数が回転数閾値以下であると、エンジン回転数が上昇中と判断し、再ステップＳ２に戻ってステップ２の判定を繰り返し行なうことで、エンジン回転数が安定するまで待つ。なお、ステップＳ２における処理に関する部分は、図６（ａ）には示されていない。

ステップＳ２において、エンジン回転数が回転数閾値より大きいと判定されると、処理はステップＳ３に進み、キャパシタ電圧が電圧閾値より小さいか否かが判定される。キャパシタ電圧が電圧閾値より小さいと判定されると、キャパシタの充電率ＳＯＣがゼロ（キャパシタが充電されていない）かそれに近い状態であると判断し、処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、上述のテーブル情報を参照して、現在の電動発電機１２の回転数で発生する誘起電圧より所定の電圧だけ低い電圧をＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）として設定する。

続いて、処理はステップＳ６に進み、コンバータ１００によるＤＣバス電圧制御を開始する。ＤＣバス電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆ１は、現在ＤＣバス１１０に供給されている誘起電圧より所定の電圧だけ低い電圧値に設定してあるので、誘起電圧とＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）との差分に相当する充電電流がキャパシタに流れる。電動発電機１２が発生する誘起電圧はエンジン１１の回転数に依存しており、エンジン１１は一定回転数となるように制御されているので、誘起電圧の変動は小さい。また、誘起電圧とＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）との差分を小さな電圧に設定することで、キャパシタ１９の電圧がゼロかあるいはゼロに近い値であっても、大きな充電電流となることはなく、最大許容充電電流より小さな安定した充電電流をキャパシタ１９に流すことができる。

一方、ステップＳ３においてキャパシタ電圧が電圧閾値以上であると判定されると、キャパシタの充電率ＳＯＣはある程度高い状態であり、通常の充電制御により充電電流を流しても差し支えないと判断し、処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５では、通常の充電制御において用いられるＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ２）をＤＣバス電圧指令値として設定する。ＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ２）はＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）より高い電圧値である。言い換えれば、キャパシタ１９の電圧が低いときに設定されるＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）は、通常の充電制御において用いられるＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ２）より低い電圧値である（Ｖｄｃｒｅｆ１＜Ｖｄｃｒｅｆ２）。

次に、処理はステップＳ６に進み、コンバータ１００によるＤＣバス電圧制御を開始する。続いて、ステップＳ７において、キャパシタ電圧が上述の電圧閾値以上となったか否かが判定される。キャパシタ電圧が上述の電圧閾値以上であれば、キャパシタ１９がある程度充電されたため通常の充電制御に戻してよいと判断し、処理はステップＳ８に進む。ステップＳ８では、これまで設定されていたＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）の代わりに、通常の充電制御において用いられるＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ２）をＤＣバス電圧指令値として設定する。なお、ステップＳ５においてＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ２）が設定されている場合は、ステップＳ８ではＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ２）がそのまま維持される。そして、ステップＳ９において、インバータによる電動発電機１２の発電制御（インバータ制御）を開始し、電動発電機１２を発電運転して得られた電力をＤＣバス１００に供給する。したがって、電動発電機１２が発電した電力がキャパシタ１９に充電され、キャパシタ１９を迅速に充電することができるようになる。

ここで、図５に示す充電方法において、キャパシタへの充電電流が過電流となるおそれが有る場合は、ＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）を充電電流に基づいて調節することとしてもよい。具体的には、図８（ｄ）に示すように、誘起電圧によるキャパシタ１９の充電が開始されてから、充電電流が上昇して電流閾値を超えた場合、充電電流が最大許容充電電流を超えるおそれがあると判断し、図８（ｂ）に示すようにＤＣバス電圧指令値をＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）からＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ３）に変更する。これにより、ＤＣバス１００に供給される誘起電圧とＤＣ電圧指令値との差が小さくなり、充電電流が低減される。ＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ３）とＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）との差は、例えば誘起電圧と最初に設定したＤＣバス電圧指令値（Ｖｄｃｒｅｆ１）との差が１０Ｖであるとしたら、それより小さい値として例えば５Ｖとなるように予め設定しておけばよい。

なお、上述の実施形態では旋回機構２が電動式であったが、旋回機構２が電動ではなく油圧駆動の場合がある。図９は図２に示すハイブリッド式ショベルの旋回機構を油圧駆動式とした場合の駆動系の構成を示すブロック図である。図９に示すハイブリッド型油圧ショベルでは、旋回用電動機２１の代わりに、旋回油圧モータ２Ａがコントロールバルブ１７に接続され、旋回機構２は旋回油圧モータ２Ａにより駆動される。このような、ハイブリッド式ショベルであっても、上述のようにして、キャパシタ１９の初期充電時の充電電流を抑制して過充電電流が流れないようにすることができる。

また、上述の実施形態では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプであるメインポンプ１４に接続してメインポンプを駆動する、いわゆるパラレル型のハイブリッド式ショベルに本発明を適用した例について説明した。本発明は、図１０に示すようにエンジン１１で電動発電機１２を駆動し、電動発電機１２が生成した電力を蓄電系１２０に蓄積してから蓄積した電力のみによりポンプ用電動機４００を駆動してメインポンプ１４を駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド式ショベルにも適用することもできる。この場合、電動発電機１２は、本実施形態ではエンジン１１によって駆動させることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。

なお、図１０に示すハイブリッド式ショベルでは、ブームシリンダ７からの戻り油圧を利用して油圧回生が行なわれている。すなわち、ブームシリンダ７からの戻り油圧用の油圧配管７Ａにブーム回生油圧モータ３１０が設けられ、ブーム回生油圧モータにより発電機３００を駆動して回生電力を発生する。発電機３００により発生した電力はインバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０に供給される。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
２Ａ 旋回油圧モータ
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
７Ａ 油圧配管
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 変速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８Ａ，１８Ｃ，２０ インバータ
１９ キャパシタ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回変速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２６Ｄ ボタンスイッチ
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
１００ 昇降圧コンバータ
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１１２ キャパシタ電圧検出部
１１３ キャパシタ電流検出部
１２０ 蓄電系
３００ 発電機
３１０ 油圧モータ
４００ ポンプ用電動機

Claims (6)

1. エンジンの駆動力で発電する発電機と、
   該発電機を制御するインバータと、
   前記発電機が発電した電力を蓄積する蓄電器と、
   前記発電機と前記蓄電器との間に設けられるＤＣバスと、
   該ＤＣバスの電圧を制御するコンバータと
   を有するハイブリッド型建設機械であって、
   前記蓄電器を初期充電する際に、前記発電機のインバータ制御を停止し、且つ前記ＤＣバスの電圧指令値を前記発電機の誘起電圧より小さな値に設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械。
2. 請求項１記載のハイブリッド型建設機械であって、
   前記蓄電器の電圧の上昇に対応して前記ＤＣバスの前記電圧指令値を高くすることを特徴とするハイブリッド型建設機械。
3. 請求項２記載のハイブリッド型建設機械であって、
   前記蓄電器の電圧が予め設定された閾値以上になると、前記ＤＣバスの前記電圧指令値を前記誘起電圧より高い値に設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械。
4. 請求項３記載のハイブリッド型建設機械であって、
   前記エンジンの回転数が所定の値に到達したら、前記ＤＣバスの前記電圧指令値を前記誘起電圧より低い値に設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械。
5. 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建設機械であって、
   前記蓄電器の電圧が予め設定された閾値以上になると、前記発電機のインバータ制御を開始することを特徴とすることを特徴とするハイブリッド型建設機械。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のハイブリッド型建設機械であって、
   前記蓄電器を流れる電流が所定値以上となると、前記ＤＣバスの前記電圧指令値を高くすることを特徴とするハイブリッド型建設機械。

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