JP2013119761A - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの劣化度合いに応じた正確な目標充電率を求める。
【解決手段】エンジンによって駆動される発電電動機とバッテリとを備え、発電電動機によってバッテリが充電される一方、バッテリ電力により発電電動機を駆動してエンジンをアシストするハイブリッド建設機械において、バッテリの充電側及び放電側の双方について予め目標充電率を設定し、機械の累積稼働時間との関係において予め設定された補正値を用いて目標充電率に補正を加え、この補正された目標充電率と実充電率の偏差を求め、この偏差が小さくなるように充放電の上限値を決定するように構成した。
【選択図】図６

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建設機械に関するものである。

ハイブリッド式ショベルを例にとって背景技術を説明する。

ショベルは、図１０に示すように下部走行体１上に上部旋回体２が地面に対して鉛直となる軸Ｘのまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に、ブーム３、アーム４、バケット５を備えた作業アタッチメント６が装着されて構成される。

また、ハイブリッド式ショベルにおいては、動力源としての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。

このハイブリッド式ショベルにおいては、バッテリ保護の観点から、バッテリの使用に適した範囲として予め目標充電率の範囲を設定し、充電率がこの目標充電率の範囲におさまるようにその充放電の上限値を決定し、制御するようにしている(特許文献１参照)。

特開２０１０−４１８２８号公報

バッテリは、経時劣化を含めて使用に伴い容量が減少する方向に劣化することが知られている。

この劣化(容量減少)が進むと、実際の使用に適した充電率範囲が狭まるため、劣化を考慮しない目標充電率を基準に決定した充放電の上限値に基づいて充放電制御すると過電圧、過放電が発生する。

この点の対策として、特許文献１に記載された公知技術を含む従来技術では、予め将来の劣化を見越して、目標充電率を、一定の劣化相当分の余裕を見た値として設定している。

ところが、劣化は使用によって進み、たとえば新品時と長期使用時とでは劣化の度合いが異なるにもかかわらず、従来技術では劣化度合いに関係なく一定の余裕を与え、かつ、更新もしないため、新品では目標充電率が過小となって本来のバッテリ性能を発揮できず、長期使用品では目標充電率が過大となって過充電、過放電が発生するという問題があった。

そこで本発明は、バッテリの劣化度合いに応じた正確な目標充電率を求めることができるハイブリッド建設機械を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、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、このバッテリの電力による上記発電電動機の電動機作用によってエンジンがアシストされるように構成されたハイブリッド建設機械において、上記バッテリの充放電を制御する制御手段を備え、この制御手段は、
(ｉ) 上記バッテリについて予め設定された目標充電率に上記バッテリの劣化に応じた補正を加え、
(ｉｉ) この補正された目標充電率と、算出される実際の充電率である実充電率の偏差を求め、
(ｉｉｉ) 上記偏差が小さくなるように上記バッテリの充電及び放電の少なくとも一方の上限値を決定する
ように構成したものである。

この構成によれば、目標充電率にバッテリの劣化に応じた補正を加えるため、目標充電率を、変化するバッテリの劣化度合いを反映した正確な値として求めることができる。

これにより、新品時には本来のバッテリ性能を発揮させ、長期使用品では過充電または過放電を防止することができる。

この場合、上記制御手段は、上記バッテリの充電時及び放電時の双方について予め目標充電率を設定し、上記バッテリの劣化に応じた補正値を、上記充電時目標充電率については値を下げる方向に、上記放電時目標充電率については値を上げる方向にそれぞれ加えて補正するように構成するのが望ましい(請求項２)。

この構成によれば、充電時及び放電時の双方について、劣化を反映した適正な目標充電率を求めることができる。このため、バッテリ性能を充電側及び放電側双方で活用できるとともに、過充電及び過放電の双方を確実に防止することができる。

本発明において、制御手段は、機械の累積稼動時間を計測するとともに、この累積稼動時間との関係において予め設定された補正値を用いて目標充電率を補正するように構成するのが望ましい(請求項３)。

バッテリの劣化は、機械の累積稼動時間、つまりバッテリの繰り返し充放電量にほぼ比例するため、累積稼動時間と劣化度合いの関係において予め設定した補正値を用いることにより目標充電率をより正確に補正することができる。

また、本発明において、制御手段は、バッテリ端子電圧を計測し、バッテリ端子電圧との関係において予め設定された補正値を用いて目標充電率を補正するように構成してもよい(請求項４)。

バッテリの劣化に応じてバッテリ内部抵抗が上昇し、バッテリ端子電圧が上がるため、このバッテリ端子電圧とバッテリ劣化度合いの関係において予め設定した補正値を用いることによっても目標充電率を正確に補正することができる。

本発明によると、バッテリの劣化度合いに応じた正確な目標充電率を求めることができる。

本発明の第１実施形態のシステム構成図である。 第１実施形態の制御内容を示す制御ブロック図である。 (ａ)はバッテリ新品時の、(ｂ)は長期使用時のそれぞれバッテリ使用範囲を示す図である。 機械の累積稼動時間と補正値の関係を示す図である。 補正された目標充電率と実充電率の偏差と充放電上限値の関係を示す図である。 第１実施形態の制御内容を示すフローチャートである。 バッテリの劣化度合いとバッテリ端子電圧の関係を示す図である。 バッテリ端子電圧と補正値の関係を示す図である。 第２実施形態の制御内容を示すフローチャートである。 本発明の適用対象であるハイブリッド式ショベルの概略側面図である。

本発明の実施形態を図１〜図９によって説明する。

実施形態はハイブリッド式ショベルを適用対象としている。

第１実施形態(図１〜図６参照)
図１は同ショベルのシステム構成を示す。

図示のように動力源としてのエンジン７に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機８と油圧ポンプ９が接続され、これらがエンジン７によって駆動される。

油圧ポンプ９には油圧アクチュエータごとの油圧アクチュエータ回路１０(一つのみを示す)が接続され、油圧ポンプ９からの圧油によって各アクチュエータが駆動される。

発電電動機８には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の充電式のバッテリ(蓄電器)１１が発電電動機制御器１２を介して接続され、基本的作用として、制御手段としてのコントローラ１３により、バッテリ１１の充放電作用及び発電電動機８の発電機作用と電動機作用の切換え等が制御される。

すなわち、稼動中、バッテリ１１の充電量が低下すれば発電電動機８が発電機作用を行い、発生した電力がバッテリ１１に送られて充電される一方、適時、このバッテリ１１の蓄電力により発電電動機８が電動機作用を行ってエンジン７をアシストする。

なお、電動旋回式のショベルでは旋回駆動源としての旋回電動機が設けられ、バッテリ電力よりこの旋回電動機が駆動されて図９中の上部旋回体２が旋回作動するとともに、同電動機の回生電力によってバッテリ１１が充電される。

この実施形態において、コントローラ１３は、バッテリ１１の劣化度合いに応じて充電側及び放電側双方の目標充電率を補正し、この補正された目標充電率に基づいて充放電の上限値を決定してバッテリ１１の充放電を制御する。

この点を詳述する。

図３(ａ)は新品時のバッテリ使用範囲(充電時目標充電率と放電時両目標充電率の間の範囲)、同(ｂ)は使用によってバッテリ１１がある度合いで劣化した状況でのバッテリ使用範囲をそれぞれ示す。

図示のようにバッテリ使用範囲は、新品時で最大となり、充放電の繰り返し(機械の累積稼動時間)による劣化に応じて狭くなる。つまり、バッテリ１１の劣化は機械の累積稼動時間に応じて進行する。

そこで、第１実施形態においては、コントローラ１３に、機械の累積稼動時間と補正値の関係を示す補正値算出テーブル(図２，４参照)が設定・記憶され、図２に示すように、計測した累積稼動時間からこの補正値算出テーブルを用いて補正値を求める。

そして、この補正値を用いて目標充電率を補正、すなわち、充電時目標充電率については値を下げる方向に、放電時目標充電率については値を上げる方向にそれぞれ補正する。

次に、この補正された目標充電率と実充電率(実際の充電率)の偏差を求め、予め設定・記憶された上限値算出テーブル(図２，５参照)を用いて、偏差が小さく(理想的には０に)なるように充放電の上限値を決定する構成がとられている。

なお、実充電率は、バッテリ１１の充電電流及び放電電流を積分して充電電気量及び放電電気量を求め、バッテリの初期容量(バッテリ使用開始時点の充電率)から上記電気量を加算、減算することによってバッテリの残存容量(現在充電率)を求める、所謂「電流積算方式」によって算出される。

あるいは、予めバッテリ端子電圧と充電率の関係をテーブル化しておき、発電電動機８を停止させた状態で検出したバッテリ端子電圧から現在の充電率を割り出す、所謂「電圧基準方式」によって算出することもできる。

上記目標充電率の補正作用を図６のフローチャートによりまとめて説明する。

スタートとともにステップＳ１で累積稼動時間の計測・記憶が行われるとともに、ステップＳ２で、補正値算出テーブルを用いて、計測された累積稼動時間から補正値が算出される。

ステップＳ３では、充電側については「充電時目標充電率−補正値」によって、放電側については「放電時目標充電率＋補正値」によってそれぞれ補正された目標充電率を求める。

続くステップＳ４において、充電側及び放電側の双方について、「補正された目標充電率−実充電率」で偏差を求めるとともに、図２，５の上限値算出テーブルを用いて偏差からそれぞれの上限値(充電側上限値、放電側上限値)を決定する。

そして、この上限値をもとにバッテリ１１の充放電、すなわち発電電動機８からバッテリ１１への充電、バッテリ１１から発電電動機８への放電が制御される。

このように、目標充電率にバッテリ１１の劣化に応じた補正を加えるため、目標充電率を、変化するバッテリ１１の劣化度合いを反映した正確な値として求めることができる。

これにより、新品時には本来のバッテリ性能を発揮させ、長期使用品では過充電または過放電を防止することができる。

この場合、バッテリ１１の充電時及び放電時の双方の充電率について予め目標充電率を設定し、バッテリ１１の劣化に応じた補正値を、充電時目標充電率については値を下げる方向に、放電時目標充電率については値を上げる方向にそれぞれ加えて補正する構成としたから、充電側及び放電側の双方について、劣化を反映した正確な目標充電率を求めることができる。このため、バッテリ性能を充電側及び放電側双方で活用できるとともに、過充電及び過放電の双方を確実に防止することができる。

また、機械の累積稼動時間に応じた補正値を用いて目標充電率を補正するため、劣化の進み具合に対応した目標充電率により正確に補正することができる。

第２実施形態(図７〜図９参照)
第１実施形態との相違点のみを説明する。

図７に示すように、バッテリ１１が劣化するとその劣化度合いに応じてバッテリ内部抵抗が上昇してバッテリ端子電圧が上がる。

第２実施形態はこの点に着目し、バッテリ端子電圧を計測するとともに、バッテリ端子電圧とバッテリ劣化度合いの関係において予め設定・記憶したマップ(図８参照)をもとに、計測されたバッテリ端子電圧から補正値を求め、この補正値を用いて目標充電率を補正する構成がとられている。

図９のフローチャートによって詳しい内容を説明する。

制御開始とともに、ステップＳ１１で、そのときの充電率が、補正処理を行う基準の充電率として予め設定された値に達したか否かが判別される。

ここでＹＥＳとなると、ステップＳ１２で、発電電動機８を停止させ(コントローラ１３から発電電動機８への充放電指令を０にし)、バッテリ１１の充放電を停止させることによってバッテリ端子電圧を安定させる。

この状態で停止時間の計測を開始(ステップＳ１３)し、停止時間が予め設定された値(発電電動機８の分極の影響を受けなくなって端子電圧が開放電圧相当となる時間)に達したとき(ステップＳ１４でＹＥＳのとき)に、バッテリ端子電圧を計測し記憶する(ステップＳ１５)。

続くステップＳ１６では、計測したバッテリ端子電圧から、図８のマップを用いて補正値を算出し、以下、ステップＳ１７，Ｓ１８において、第１実施形態と同様に、充電側及び放電側の双方について目標充電率の補正及び偏差の算出、偏差に応じた上限値の決定を行う。

この第２実施形態によっても、基本的に第１実施形態と同じ作用効果を得ることができる。

なお、旋回電動機等のバッテリ負荷となる作業用電動機を備えた機械の場合は、この作業用電動機によってバッテリ充放電が行われてバッテリ端子電圧が安定しないおそれがあるため、同電動機が停止していることを条件として上記補正処理を行うのが望ましい。

ところで、上記実施形態では、バッテリ１１の充電側及び放電側の双方について目標充電率の補正、偏差に応じた上限値の決定を行うようにしたが、必要に応じて充電側と放電側のいずれか一方のみについて上記処理を行うようにしてもよい。

また、本発明はハイブリッド式ショベルに限らず、ハイブリッド式の他の建設機械にも上記同様に適用することができる。

７ エンジン
８ 発電電動機
９ 油圧ポンプ
１１ バッテリ
１２ 発電電動機制御器
１３ 制御手段としてのコントローラ

Claims (4)

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、このバッテリの電力による上記発電電動機の電動機作用によってエンジンがアシストされるように構成されたハイブリッド建設機械において、上記バッテリの充放電を制御する制御手段を備え、この制御手段は、
   (ｉ) 上記バッテリについて予め設定された目標充電率に上記バッテリの劣化に応じた補正を加え、
   (ｉｉ) この補正された目標充電率と、算出される実際の充電率である実充電率の偏差を求め、
   (ｉｉｉ) 上記偏差が小さくなるように上記バッテリの充電及び放電の少なくとも一方の上限値を決定する
   ように構成したことを特徴とするハイブリッド建設機械。
2. 上記制御手段は、上記バッテリの充電時及び放電時の双方について予め目標充電率を設定し、上記バッテリの劣化に応じた補正値を、上記充電時目標充電率については値を下げる方向に、上記放電時目標充電率については値を上げる方向にそれぞれ加えて補正するように構成した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。
3. 上記制御手段は、機械の累積稼動時間を計測するとともに、この累積稼動時間との関係において予め設定された補正値を用いて上記目標充電率を補正するように構成したことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド建設機械。
4. 上記制御手段は、上記バッテリ端子電圧を計測し、バッテリ端子電圧との関係において予め設定された補正値を用いて上記目標充電率を補正するように構成したことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド建設機械。

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