JP2015063295A

JP2015063295A - 動力制御装置及びこれを備えたハイブリッド建設機械

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Publication number: JP2015063295A
Application number: JP2014167530A
Authority: JP
Inventors: 孝夫南條; Takao Nanjo; 耕治山下; Koji Yamashita
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2034-08-20
Also published as: KR20160045872A; JP6382023B2; EP3040249A1; CN105492282A; WO2015029854A1; KR101703484B1; US20160214597A1; CN105492282B; EP3040249A4; US9802600B2; EP3040249B1

Abstract

【課題】高負荷状態において蓄電装置の電力を用いてエンジンをアシストしつつ、高負荷状態が長期間にわたって継続する場合に蓄電装置の充電率が必要以上に低下するのを抑制する。【解決手段】制御器は、必要電力ＰＬがエンジン出力の上限値Ｐｇｕを超え、かつ、蓄電装置によるアシストが継続して行なわれている期間中におけるアシスト動力の積分量ＥＡ又は継続時間ＴＡが予め設定された第１閾値ＴＴｈ１を超える場合に、蓄電装置によるアシスト動力を前記通常制御におけるアシスト動力よりも小さく０よりも大きなアシスト動力に減らす第１制御を実行する。また、制御器は、必要電力ＰＬが上限値Ｐｇｕを超え、かつ、積分量ＥＡ又は継続時間ＴＡが第１閾値ＴＴｈ１よりも大きい値として予め設定された第２閾値ＴＴｈ２を超える場合に、アシスト動力を０に設定する第２制御を実行する。【選択図】図７

Description

本発明は、ハイブリッド建設機械の動力制御装置に関するものである。

従来から、例えば、特許文献１に開示されるように、エンジンと、蓄電装置と、エンジンの動力により発電する発電機と、エンジンの動力（発電機からの電力）及び蓄電装置からの電力により作動するアクチュエータと、アクチュエータと蓄電装置及び発電機との間の電力の配分を決定する電力制御装置とを備えたハイブリッド建設機械が知られている。

特許文献１に記載の電力制御装置は、予め設定されたエンジン出力の制御範囲の上限値と下限値との間（発電機上限電力と発電機下限電力との間）でエンジンの出力が推移するように、電力配分を決定する。

具体的に、エンジンに要求される要求動力（電力）が下限値（発電電力下限値）を下回る場合には発電機により発電された余剰電力が蓄電装置に充電される一方、前記要求動力が上限値（発電電力上限値）を超える場合には発電機により発電された電力に加えて蓄電装置からの電力がアクチュエータに供給される（アクチュエータの動力を補うようにエンジンをアシストする）。

特許第３８５９９８２号公報

ここで、ハイブリッド建設機械によって行なわれる作業には、比較的に短い期間中に行われるもの（例えば、作業アタッチメントを用いたダンプ作業）、及び、比較的に長い期間にわたり行なわれるもの（例えば、連続（登坂）走行や作業アタッチメントを用いた押付作業）がある。

長期間にわたって行われる作業時には、エンジンの要求動力がエンジン出力の上限値を超える状態（以下、高負荷状態という）が長期間にわたって継続される可能性が高い。

しかしながら、特許文献１に記載の電力制御装置では、高負荷状態が長期間継続すると、蓄電装置の電力によるアシストが長期間にわたり継続し、蓄電装置の充電率が低下してしまうという問題がある。

蓄電装置の充電率が低下すると、高負荷状態が解消された後の通常制御時において必要な電力が不足するおそれがある。

本発明の目的は、高負荷状態において蓄電装置の電力を用いてエンジンをアシストしつつ、高負荷状態が長期間にわたって継続する場合に蓄電装置の充電率が必要以上に低下するのを抑制することができる動力制御装置及びこれを備えたハイブリッド建設機械を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、エンジンと、蓄電装置と、前記エンジンの動力及び前記蓄電装置の電力の少なくとも一方を用いて作動する少なくとも１つのアクチュエータと、前記エンジンの動力により発電する発電機とを有するハイブリッド建設機械の動力制御装置であって、前記エンジンの駆動効率が予め設定された効率範囲内となるエンジン出力の制御範囲の上限値と下限値との間で前記エンジンの出力が推移するように、前記エンジンに要求される必要動力が前記上限値を超える場合に前記蓄電装置の電力を用いて前記エンジンをアシストするとともに、前記必要動力が前記下限値を下回る場合に前記発電機を駆動して前記蓄電装置を充電するように前記蓄電装置の充放電を制御する通常制御を実行する制御器を備え、前記制御器は、前記必要動力が前記上限値を超え、かつ、前記蓄電装置によるアシストが継続して行なわれている期間中における前記蓄電装置によるアシスト動力の積分量又は継続時間が予め設定された第１閾値を超える場合に、前記蓄電装置によるアシスト動力を前記通常制御におけるアシスト動力よりも小さく０よりも大きなアシスト動力に減らす第１制御を実行し、前記必要動力が前記上限値を超え、かつ、前記積分量又は前記継続時間が前記第１閾値よりも大きい値として予め設定された第２閾値を超える場合に、前記アシスト動力を０に設定する第２制御を実行する、ハイブリッド建設機械の動力制御装置を提供する。

本発明によれば、エンジンに要求される必要動力がエンジン出力の上限値を超える高負荷状態において、蓄電装置の電力を用いてエンジンをアシストすることができる。

さらに、本発明では、高負荷状態が継続している場合であって、アシスト動力の積分量又は継続時間が第１閾値を超える場合にアシスト動力を減らし（その分エンジンの動力を増やし）、アシスト動力の積分量又は継続時間が第２閾値を超える場合にアシスト動力を０に設定する（エンジンの動力のみで必要動力を確保する）。

これにより、高負荷状態の継続期間中において必要以上に蓄電装置の電力が消費されるのを抑制することができる。特に、蓄電装置の充電量が極めて低い状態（アシスト動力の積分量又は継続時間が第２閾値を超えた状態）においては、蓄電装置の電力消費を０に抑えることができるため、蓄電装置の充電状態を確実に保持することができる。

また、本発明では、高負荷状態の継続期間中における消費動力の大きさ又は継続時間の長さに応じて、蓄電装置の消費電力を段階的に小さくすることができる。そのため、高負荷状態の継続が比較的短い場合（アシスト動力の積分量又は継続時間が第１閾値を超え、その後即座に第１閾値を下回った場合）には、迅速に通常制御に復帰することができる。

前記動力制御装置において、前記蓄電装置の充電率を検出可能な充電率検出手段をさらに備え、前記制御器は、前記充電率検出手段により検出された前記蓄電装置の充電率が小さい程、前記第１閾値及び前記第２閾値が小さくなるように前記第１閾値及び前記第２閾値を変更することが好ましい。

この態様によれば、蓄電装置の充電率が小さい程、早い段階で蓄電装置の放電（エンジンのアシスト）を抑制することができるため、蓄電装置の充電率が必要以上に低下するのをより確実に抑制することができる。

前記動力制御装置において、前記エンジンにより駆動されて、前記少なくとも１つのアクチュエータに含まれる複数の油圧アクチュエータに対して作動油を供給する可変容量式の油圧ポンプをさらに備え、前記発電機は、前記蓄電装置の電力を用いて電動機として作動することにより前記油圧ポンプの動力を補うように前記エンジンをアシストする機能を有し、前記制御器は、前記複数の油圧アクチュエータのうち必要馬力が高いものとして予め設定された高馬力アクチュエータが作動する場合に、前記高馬力アクチュエータ以外の油圧アクチュエータのみが作動する場合よりも前記油圧ポンプの流量を大きく設定するとともに前記第１閾値及び前記第２閾値を低く設定することが好ましい。

この態様によれば、高負荷状態において蓄電装置の電力を用いて発電電動機が電動機として作動することにより油圧ポンプの動力を補うようにエンジンをアシストすることができる。

また、前記態様では、予め設定された高馬力アクチュエータの作動時に、油圧ポンプの流量を大きく設定することにより油圧ポンプの出力馬力を高くすることができるため、高馬力アクチュエータの必要馬力を確保することができる。

ここで、油圧ポンプの出力馬力を高くするために蓄電装置の電力の消費速度が増加することになるが、前記態様では、高馬力アクチュエータの作動時に第１閾値及び第２閾値を低く設定するため、蓄電装置の充電率が必要以上に低下するのを抑制することができる。

前記動力制御装置において、前記制御器は、前記通常制御から前記第１制御へ切り換わるまでの時間よりも前記第１制御から前記第２制御へ切り換わるまでの時間が短くなるように、前記蓄電装置の充放電を制御することが好ましい。

この態様によれば、通常制御から第１制御へ切り換わるまでの時間が第１制御から第２制御へ切り換わるまでの時間よりも長く設定されているため、アシスト動力の低下（エンジン動力の増加）によりオペレータに与える違和感を緩和することができる。

一方、通常制御から第１制御への切り換え段階よりも蓄電装置の充電率が低下している第１制御から第２制御への切り換え段階において、その切換時間を短くすることにより、蓄電装置の放電を迅速に停止させて蓄電装置の充電量が必要以上に低下するのをより確実に抑制することができる。

また、本発明は、エンジンと、蓄電装置と、前記エンジンの動力及び前記蓄電装置の電力の少なくとも一方を用いて作動する少なくとも１つのアクチュエータと、前記エンジンの動力により発電する発電機と、前記動力制御装置とを備えている、ハイブリッド建設機械を提供する。

本発明によれば、高負荷状態において蓄電装置の電力を用いてエンジンをアシストしつつ、高負荷状態が長期間にわたって継続する場合に蓄電装置の充電率が必要以上に低下するのを抑制することができる。

本発明の実施形態に係るハイブリッドショベルの全体構成を示す左側面図である。図１に示すハイブリッドショベルの駆動システムの概略図である。図２に示す駆動システムの電気的構成を示すブロック図である。エンジン出力とエンジン効率との関係を示すグラフである。エンジンに対する必要動力の動力負担を示すグラフである。エンジン出力と充電状態との関係を示すグラフである。必要動力の時間に対する推移を示すグラフである。通常制御、第１制御及び第２制御におけるエンジン出力の上限値の変化を示すグラフである。第１閾値及び第２閾値とＳＯＣとの関係を示すグラフである。図３の制御器により実行される処理を示すフローチャートである。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

図１を参照して、ハイブリッドショベル１は、クローラ２ａを有する自走式の下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に設けられた上部旋回体３と、上部旋回体３に対して変位可能に設けられた作業アタッチメント４と、下部走行体２を走行駆動するための走行モータ１４（図２参照）と、下部走行体２に対して上部旋回体３を旋回駆動するための旋回電動機１５（図２参照）と、ハイブリッドショベル１の駆動システム１６（図２参照）とを備えている。

作業アタッチメント４は、上部旋回体３上に起伏可能に取り付けられたブーム５と、ブーム５の先端部に対して回動可能に取り付けられたアーム６と、アーム６の先端部に対して回動可能に取り付けられたバケット７とを備えている。

また、作業アタッチメント４は、上部旋回体３に対してブーム５を起伏させるブームシリンダ８と、ブーム５に対してアーム６を回動させるアームシリンダ９と、アーム６に対してバケット７を回動させるバケットシリンダ１０とを備えている。

図２を参照して、駆動システム１６は、エンジン１７と、蓄電装置１８と、エンジン１７の出力軸に接続された発電電動機１９と、発電電動機１９と蓄電装置１８との間に設けられたエンジン側インバータ２０と、旋回電動機１５と蓄電装置１８との間に設けられた旋回側インバータ２１と、エンジン１７の出力軸に接続された第１油圧ポンプ２２Ａ及び第２油圧ポンプ２２Ｂと、各油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂから油圧アクチュエータへの圧油の給排を制御するコントロールバルブ２３と、コントロールバルブ２３を操作するためのパイロット圧を生じさせるリモコン弁２４と、各油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂの吐出圧をそれぞれ検出するポンプ圧センサ２５と、リモコン弁２４により生じたパイロット圧を検出する操作圧センサ２６と、旋回電動機１５に対する旋回指令を出力する旋回指令出力手段３７と、エンジン１７の回転数を制御するＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２７と、蓄電装置１８の蓄電状態（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ：以下ＳＯＣともいう）を検出するための蓄電状態検出手段２８と、エンジン１７の動力及び蓄電装置１８の充放電を制御する制御器３０（図３参照）とを備えている。

発電電動機１９は、エンジン１７の動力により発電機として作動する機能と蓄電装置１８の電力により電動機として作動する機能とを有する。

エンジン側インバータ２０は、蓄電装置１８から発電電動機１９及び旋回側インバータ２１の少なくとも一方に供給される電力、及び、発電電動機１９から蓄電装置１８及び旋回側インバータ２１の少なくとも一方に供給される電力を制御する。

旋回側インバータ２１は、蓄電装置１８及びエンジン側インバータ２０の少なくとも一方から旋回電動機１５に供給される電力、及び、旋回電動機１５から蓄電装置１８及びエンジン側インバータ２０の少なくとも一方に供給される電力を制御する。

つまり、エンジン側インバータ２０及び旋回側インバータ２１を制御することにより、蓄電装置１８の充放電、発電電動機１９及び旋回電動機１５の駆動が制御される。

ここで、旋回電動機１５は、蓄電装置１８の電力により電動機として作動して上部旋回体３を旋回させる機能と、旋回制動時に上部旋回体３の慣性エネルギーにより発電機として作動する機能とを有する。

各油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂは、エンジン１７の動力により作動して、それぞれ圧油を吐出する。また、各油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂは、それぞれレギュレータ２２ａ、２２ｂに対して制御指令（電気信号）が入力されることにより、圧油の吐出流量を調整可能な可変容量式のポンプである。

各油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂから吐出された圧油は、複数の油圧アクチュエータ（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、及び走行モータ１４）に対して供給される。各油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂの吐出圧は、各ポンプ圧センサ２５によって検出される。

また、各油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂからの圧油は、それぞれ合流した状態で油圧アクチュエータに供給される。一方、各油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂは、複数のアクチュエータを２つ以上のグループに分けたときの１つのグループにそれぞれ圧油を供給してもよい。なお、図２では、油圧アクチュエータとしてバケットシリンダ１０の図示を省略している。

コントロールバルブ２３は、複数の油圧アクチュエータに対する圧油の給排をそれぞれ制御する。具体的に、コントロールバルブ２３は、操作レバー２４ａの操作に応じてリモコン弁２４を介して供給されるパイロット圧に応じて切換操作され、これにより、各油圧アクチュエータに対する圧油の給排を制御する。コントロールバルブ２３に供給されるパイロット圧は、操作圧センサ２６によって検出される。

なお、図２は、説明を簡素化するために１つのコントロールバルブ２３及びリモコン弁２４を示しているが、コントロールバルブ２３及びリモコン弁２４は、複数のアクチュエータのそれぞれに１つずつ設けられている。

旋回指令出力手段３７は、操作レバー３７ａの操作量に応じた旋回電動機１５の旋回指令（電気信号）を出力する。旋回指令出力手段３７から出力された指令は、後述する制御器３０に入力され、制御器３０による各インバータ２０、２１の制御によって旋回電動機１５の駆動が制御される。

ＥＣＵ２７は、後述する制御器３０からの指令に応じてエンジン１７の出力を制御する。

蓄電状態検出手段２８は、蓄電装置１８のＳＯＣ（充電率）の算出に必要な情報を検出する。具体的に、蓄電状態検出手段２８は、蓄電装置１８の出力電流と端子間電圧と温度とを検出し、これらを後述する制御器３０に出力する。

図３を参照して、制御器３０は、蓄電装置１８のＳＯＣを算出する蓄電状態算出部３１と、制御に必要な情報を記憶する記憶部３２と、エンジン１７に要求される必要動力を算出する必要動力算出部３３と、各油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂに馬力指令を出力するポンプ馬力指令部３４と、必要動力を得るためのエンジン１７の出力と蓄電装置１８の出力との配分を設定する動力配分設定部３５と、蓄電装置１８の電力を用いたアシストが行なわれている状態を解析するアシスト状態解析部３６とを備えている。

蓄電状態算出部３１は、蓄電状態検出手段２８により検出された出力電流と端子間電圧と温度とを用いて蓄電装置１８のＳＯＣを算出する。蓄電装置１８の端子間電圧は、その温度に依存するため、蓄電状態算出部３１は、蓄電装置１８の温度を用いて端子間電圧を補正する。また、蓄電状態算出部３１は、蓄電装置１８の出力電流及び端子間電圧に基づいて蓄電装置１８の電力を算出し、この電力に基づいて充電量を算出する。そして、蓄電状態算出部３１は、算出された充電量の蓄電装置１８の最大充電量に対する比として、ＳＯＣを算出する。

また、蓄電状態算出部３１は、算出されたＳＯＣに基づいて、蓄電装置１８の充電電力の最大値Ｐ_ｂｃ（図１０のステップＳ１参照）を算出する。

記憶部３２は、エンジン１７の駆動効率が予め設定された効率範囲内となるエンジン出力の制御範囲の上限値Ｐ_ｅｈと下限値Ｐ_ｅｌとを予め記憶している。ここで、エンジン出力の上限値Ｐ_ｅｈ及び下限値Ｐ_ｅｌは、例えば図４に示すように、エンジン効率が最大となるエンジン出力（図４に示す曲線において効率が最大となるエンジン出力）を含む範囲を規定するように設定されている。

なお、エンジン出力の上限値Ｐ_ｅｈの電力換算値を符号Ｐ_ｇｕ（例えば、図５）で示し、エンジン出力の下限値Ｐ_ｅｌの電力換算値を符号Ｐ_ｇｌ（例えば、図５）で示す。これらの電力の上限値Ｐ_ｇｕ及び下限値Ｐ_ｇｌも記憶部３２に記憶されている。

必要動力算出部３３は、エンジン１７に要求される必要動力を算出する。以下、その詳細を説明する。

必要動力算出部３３は、油圧系統の動力として、油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂの吐出圧と吐出流量との積であるポンプ動力を算出する。ここで、吐出圧は、ポンプ圧センサ２５により検出された圧力である。また、吐出流量は、操作圧センサ２６により検出される操作レバー２４ａの操作量に基づいて算出される。具体的に、馬力制御の場合、予め設定された馬力特性とポンプ圧センサ２５により検出されたポンプ圧とに基づいて、吐出流量が算出され、ポジティブコントロール制御（いわゆる、ポジコン）の場合、操作レバー２４ａの操作量に見合った吐出流量が特定される。

また、必要動力算出部３３は、電気系統の動力として、旋回電動機１５の動力を算出する。ここで、旋回電動機１５の動力は、旋回電動機１５の回転速度と旋回電動機１５の出力トルクとを乗算した値に基づいて算出される。旋回電動機１５の回転速度は、例えば、速度センサにより検出することができ、旋回電動機１５の出力トルクは、例えば、蓄電装置１８から旋回電動機１５へ供給される電流値に基づいて特定することができる。なお、旋回電動機１５の動力は、予め設定された旋回電動機１５及び旋回側インバータ２１の損失を考慮して算出することもできる。

そして、必要動力算出部３３は、油圧系統の動力と電気系統の動力とを合算し、これを電力に換算した必要電力（必要動力）Ｐ_Ｌを算出する。

動力配分設定部３５は、蓄電状態算出部３１、記憶部３２及び必要動力算出部３３からの情報に基づいて、必要電力Ｐ_Ｌを得るためのエンジン１７の動力と蓄電装置１８の電力との配分を決定し、この配分に基づいて蓄電装置１８の充放電及びエンジン１７の出力を制御するための指令を各インバータ２０、２１及びＥＣＵ２７に出力する。

具体的に、動力配分設定部３５は、エンジン１７の出力動力（電力）が上限値Ｐ_ｇｕと下限値Ｐ_ｇｌとの間で推移するように蓄電装置１８の充放電を制御する通常制御を実行する。以下、図５を参照して通常制御を説明する。なお、図５の太線Ｐ_Ｅは、エンジン１７の動力の電力換算値である。

通常制御では、エンジン１７に対する必要電力Ｐ_Ｌがエンジン出力の上限値Ｐ_ｇｕを超える範囲Ｅ３において、ハッチングで示す動力を発電電動機１９の電動機としての駆動によって確保する（蓄電装置１８の電力によりエンジン１７をアシストする）。

一方、必要電力Ｐ_Ｌがエンジン出力の下限値Ｐ_ｇｌを下回る範囲Ｅ１において、ハッチングで示す動力を発電電動機１９の発電機としての駆動によって電力に変換して蓄電装置１８を充電する。

なお、必要電力Ｐ_Ｌが上限値Ｐ_ｇｕと下限値Ｐ_ｇｌとの間である範囲Ｅ２の場合には、蓄電装置１８の充放電を行なわずにエンジン１７の出力動力（電力）Ｐ_Ｅのみによって必要電力Ｐ_Ｌを確保する。

ここで、動力配分設定部３５は、エンジン出力の下限値Ｐ_ｇｌを蓄電装置１８のＳＯＣに応じて変更する。具体的に、動力配分設定部３５は、図６に示すように、ＳＯＣが小さくなるほど、下限値Ｐ_ｇｌを大きくする。これにより、ＳＯＣが小さくなった状態において、蓄電装置１８の充電頻度を上げることによりＳＯＣを早期に回復することができる。

また、動力配分設定部３５は、必要電力Ｐ_Ｌが上限値Ｐ_ｇｕを超え、かつ、蓄電装置１８のＳＯＣが小さくなった場合に前記通常制御に代えて第１制御を実行し、さらにＳＯＣが小さくなった場合に第１制御に変えて第２制御を実行する。

ここで、ＳＯＣが小さくなったか否かは、アシスト状態解析部３６によって解析される。具体的に、アシスト状態解析部３６は、図７に示すように、蓄電装置１８の電力を用いたエンジン１７のアシストが継続している状態（必要電力Ｐ_Ｌが上限値Ｐ_ｇｕを上回る時期Ｔ_ｓから下回る時期Ｔ_ｒまでの間の状態）における継続時間Ｔ_Ａ又はこの継続時間Ｔ_Ａ中における必要電力Ｐ_Ｌの積分量Ｅ_Ａを算出する。

動力配分設定部３５は、アシスト状態解析部３６により算出された継続時間Ｔ_Ａ又は積分量Ｅ_Ａが予め設定された第１閾値Ｔ_Ｔｈ１（図９参照）を超える場合に第１制御を実行し、継続時間Ｔ_Ａ又は積分量Ｅ_Ａが予め設定された第２閾値Ｔ_Ｔｈ２（図９参照）を超える場合に第２制御を実行する。第１閾値Ｔ_Ｔｈ１及び第２閾値Ｔ_Ｔｈ２は、継続時間Ｔ_Ａ又は積分量Ｅ_Ａについて設定されたものである。

以下、図８を参照して、第１制御及び第２制御の概要について説明する。

第１制御において、動力配分設定部３５は、エンジン出力の上限値Ｐ_ｇｕをこれよりも大きな上限値Ｐ_ｇｕ１に変更する。つまり、動力配分設定部３５は、必要電力Ｐ_Ｌのうち、蓄電装置１８により負担する電力を通常制御よりも低く設定するとともに、エンジン１７により負担する電力（動力）を通常制御よりも高く設定する。これにより、蓄電装置１８の電力消費を抑えながら必要電力Ｐ_Ｌを得ることができる。

なお、上限値Ｐ_ｇｕ１の設定により低減する蓄電装置１８の出力は、通常制御における出力よりも小さく０よりも大きい出力である。

一方、第２制御において、動力配分設定部３５は、エンジン出力の上限値Ｐ_ｇｕ１をこれよりも大きな上限値Ｐ_ｇｕ２に変更する。具体的に、動力配分設定部３５は、必要電力Ｐ_Ｌのうち、蓄電装置１８により負担する電力を０に設定するとともに、エンジン１７により負担する電力（動力）を第１制御よりも高く設定する。つまり、第２制御では、必要電力Ｐ_Ｌの全てがエンジン１７によって負担される。

ここで、動力配分設定部３５は、上限値Ｐ_ｇｕを上限値Ｐ_ｇｕ１に変更するための時間Ｔ１よりも上限値Ｐ_ｇｕ１を上限値Ｐ_ｇｕ２に変更するための時間Ｔ２が長くなるように、通常制御と第１制御と第２制御とを切り換える。

また、動力配分設定部３５は、図９に示すように、蓄電装置１８のＳＯＣが小さいほど第１閾値Ｔ_Ｔｈ１及び第２閾値Ｔ_Ｔｈ２が小さくなるように、第１閾値Ｔ_Ｔｈ１及び第２閾値Ｔ_Ｔｈ２を変更する。これにより、蓄電装置１８のＳＯＣが小さいほど、早い段階で第１制御及び第２制御を実行することができるため、蓄電装置１８の充電率が必要以上に低下するのをより確実に抑制することができる。

なお、本実施形態における複数の油圧アクチュエータ（各シリンダ８〜１０及び走行モータ１４）のうち走行モータ１４（高馬力アクチュエータ）については、他の油圧アクチュエータに比べて高い馬力が要求される。

そこで、図３に示すポンプ馬力指令部３４は、走行モータ１４に対する操作レバー２４ａが操作された場合に、走行モータ１４が作動しない場合と比較して各ポンプ２２Ａ、２２Ｂの出力馬力を増加させる（以下、増馬力制御という）。具体的に、ポンプ馬力指令部３４は、各ポンプ２２Ａ、２２Ｂの吐出流量を増加するための指令をレギュレータ２２ａ、２２ｂに出力する。

しかし、このように、油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂの馬力を増加させると、エンジン１７に対する必要電力Ｐ_Ｌも増加するため、蓄電装置１８の電力消費の速度が高くなる。

そこで、動力配分設定部３５は、増馬力制御が実行される場合に、第１閾値Ｔ_Ｔｈ１及び第２閾値Ｔ_Ｔｈ２を低く設定する。これにより、増馬力制御が実行された場合であっても、早期に蓄電装置１８の電力消費を抑えることができる。

なお、増馬力制御の対象となる油圧アクチュエータは、走行モータ１４に限定されない。例えば、作業アタッチメント４がバケット７に代えて破砕装置を有する場合、この破砕装置の一対の刃を開閉駆動するための油圧シリンダも増馬力制御の対象となる。

以下、図３及び図１０を参照して、制御器３０により実行される処理を説明する。

処理が開始されると、必要電力Ｐ_Ｌの全てが蓄電装置１８に充電可能であるか否か、つまり必要電力Ｐ_Ｌが充電電力の最大値（−Ｐ_ｂｃ）より小さいか否かが判定される（ステップＳ１）。

上部旋回体３の旋回制動のみが行われる場合のように、旋回電動機１５が発電機として作動するとともにエンジン１７に動力が要求されていない状況においては、ステップＳ１でＹＥＳと判定される。

この場合、必要電力Ｐ_Ｌの全てが蓄電装置１８に充電されるとともにエンジン１７の出力が０となるように、蓄電装置１８に対する制御指令Ｐ_ｂが最大充電電力（−Ｐ_ｂｃ）に設定されるとともに、エンジン１７に対する制御指令Ｐ_ｇが０に設定され（ステップＳ２）、これらの指令が各インバータ２０、２１及びＥＣＵ２７に出力される。

一方、ステップＳ１でＮＯと判定されると、必要電力Ｐ_Ｌがエンジン出力の下限値Ｐ_ｇｌよりも小さいか否かが判定される（ステップＳ３）。つまり、エンジン出力が下限値Ｐ_ｇｌに設定された状態で蓄電装置１８を充電可能な状態（図５の範囲Ｅ１参照）にあるか否かが判定される。

ステップＳ３でＹＥＳと判定されると、必要電力Ｐ_Ｌのうちエンジン出力の下限値Ｐ_ｇｌを除く余剰電力の全てが蓄電装置１８に充電可能であるか否かが判定される（ステップＳ４）。このステップＳ４でＹＥＳと判定されると、蓄電装置１８が最大充電電力（−Ｐ_ｂｃ）となり、かつ、エンジン出力が必要電力Ｐ_Ｌから最大充電電力Ｐ_ｂｃを差し引いた値［Ｐ_Ｌ−（Ｐ_ｂｃ）］となるように各制御指令Ｐ_ｂ、Ｐ_ｇが設定され、これらの指令が各インバータ２０、２１及びＥＣＵ２７に出力される（ステップＳ５）。

一方、ステップＳ４でＮＯと判定されると、エンジン出力が下限値Ｐ_ｇｌとなり、かつ、蓄電装置１８の充電電力が前記余剰電力（Ｐ_Ｌ−Ｐ_ｇｌ）となるよう各制御指令Ｐ_ｂ、Ｐ_ｇが設定され、これらの指令が各インバータ２０、２１及びＥＣＵ２７に出力される（ステップＳ６）。

また、前記ステップＳ３でＮＯと判定されると、必要電力Ｐ_Ｌがエンジン出力の下限値Ｐ_ｇｌ以上で、かつ、上限値Ｐ_ｇｕ未満であるか否か、つまり、図５の範囲Ｅ２内の状態であるか否かが判定される（ステップＳ７）。

このステップＳ７でＹＥＳと判定されると、エンジン出力が必要電力Ｐ_Ｌとなり、かつ、蓄電装置１８の充放電電力が０となるように、各制御信号Ｐ_ｂ、Ｐ_ｇが設定され、これらの指令が各インバータ２０、２１及びＥＣＵ２７に出力される（ステップＳ８）。

一方、ステップＳ７でＮＯと判定された場合、つまり、必要電力Ｐ_Ｌがエンジン出力の上限値Ｐ_ｇｕ以上であると判定されると、図７に示すアシストの継続時間Ｔ_Ａ又はアシスト動力（電力）の積分量Ｅ_Ａが第１閾値Ｔ_Ｔｈ１よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ９）。

ステップＳ９でＮＯと判定された場合、つまり、必要電力Ｐ_Ｌがエンジン出力の上限値Ｐ_ｇｕ以上であると判定され、かつ、アシストの継続時間Ｔ_Ａ又はアシスト動力（電力）の積分量Ｅ_Ａが第１閾値Ｔ_Ｔｈ１以下である場合には、次の処理が実行される。

必要電力Ｐ_Ｌからエンジン出力の上限値Ｐ_ｇｕを減じた電力を蓄電装置１８が負担するとともに、エンジン出力が上限値Ｐ_ｇｕとなるように各制御信号Ｐ_ｂ、Ｐ_ｇが設定され、これらの指令が各インバータ２０、２１及びＥＣＵ２７に出力される（ステップＳ１０）。

一方、ステップＳ９でＹＥＳと判定されると、アシストの継続時間Ｔ_Ａ又はアシスト動力（電力）の積分量Ｅ_Ａが第２閾値Ｔ_Ｔｈ２よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ１１）。

このステップＳ１１でＮＯと判定されると、つまり、アシストの継続時間Ｔ_Ａ又はアシスト動力（電力）の積分量Ｅ_Ａが第１閾値Ｔ_Ｔｈ１よりも大きく第２閾値Ｔ_Ｔｈ２以下であると判定されると、前記ステップＳ１０と比較して蓄電装置１８の放電電力を制限する第１制御が実行される（ステップＳ１２）。上述のように、ステップＳ１０は、アシストの継続時間Ｔ_Ａ又はアシスト動力（電力）の積分量Ｅ_Ａが第１閾値Ｔ_Ｔｈ１以下である場合の処理である。

第１制御では、ステップＳ１０で設定される蓄電装置１８の放電電力（Ｐ_Ｌ−Ｐ_ｇｕ）に対して係数αを乗じた値を蓄電装置１８の放電電力として設定する。ここで、係数αは、０よりも大きく１よりも小さい値である。また、第１制御では、ステップＳ１０で設定されるエンジン出力に対して、蓄電装置１８の放電電力から減じた分の電力を加算してエンジン１７の動力負担を増加させる。

そして、ステップＳ１２では、このような動力負担を実現するための各制御指令Ｐ_ｂ、Ｐ_ｇが設定され、これらの指令が各インバータ２０、２１及びＥＣＵ２７に出力される。

一方、ステップＳ１１でＹＥＳと判定されると、つまり、アシストの継続時間Ｔ_Ａ又はアシスト動力（電力）の積分量Ｅ_Ａが第２閾値Ｔ_Ｔｈ２よりも大きいと判定されると、前記第１制御よりもさらに蓄電装置１８の放電電力を制限する第２制御が実行される（ステップＳ１３）。

具体的に、第２制御では、蓄電装置１８の放電電力が０となり、かつ、エンジン１７の出力が必要電力Ｐ_Ｌとなるように、各制御指令Ｐｂ、Ｐｇが設定される。つまり、第２制御では、必要電力Ｐ_Ｌをエンジン１７のみによって負担する。そして、これらの制御指令は、各インバータ２０、２１及びＥＣＵ２７に出力される。

そして、上述したステップＳ２、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、及びＳ１３の実行後、当該処理は終了する。

以上説明したように、エンジン１７に要求される必要電力Ｐ_Ｌがエンジン出力の上限値Ｐ_ｇｕを超える高負荷状態において、蓄電装置１８の電力を用いてエンジン１７をアシストすることができる。

さらに、高負荷状態が継続している場合（例えば、連続［登坂］走行又は作業アタッチメントの連続押付作業が行われている場合）であって、アシスト動力の積分量Ｅ_Ａ又は継続時間Ｔ_Ａが第１閾値Ｔ_Ｔｈ１を超える場合にアシスト動力を減らす（その分エンジン１７の動力を増やす：ステップＳ１２）。また、アシスト動力の積分量Ｅ_Ａ又は継続時間Ｔ_Ａが第２閾値Ｔ_Ｔｈ２を超える場合にアシスト動力を０に設定する（エンジンの動力のみで必要動力を確保する：ステップＳ１３）。

これにより、高負荷状態の継続期間中において必要以上に蓄電装置１８の電力が消費されるのを抑制することができる。特に、蓄電装置１８の充電量が極めて低い状態（アシスト動力の積分量Ｅ_Ａ又は継続時間Ｔ_Ａが第２閾値Ｔ_Ｔｈ２を超えた状態）においては、蓄電装置１８の電力消費を０に抑えることができるため、蓄電装置１８の充電状態を確実に保持することができる。

また、高負荷状態の継続期間中における消費動力の大きさ又は継続時間の長さに応じて、蓄電装置１８の消費電力を段階的に小さくすることができる。そのため、高負荷状態の継続が比較的短い場合（アシスト動力の積分量Ｅ_Ａ又は継続時間Ｔ_Ａが第１閾値Ｔ_Ｔｈ１を超え、その後即座に第１閾値Ｔ_Ｔｈ１を下回った場合）には、迅速に通常制御に復帰することができる。

そして、前記実施形態によれば、次の効果を奏する。

前記実施形態によれば、図９に示すように、ＳＯＣに応じて各閾値Ｔ_Ｔｈ１、Ｔ_Ｔｈ２を変更することにより、蓄電装置１８のＳＯＣ（充電率）が小さい程、早い段階で蓄電装置１８の放電（エンジンのアシスト）を抑制することができる。そのため、蓄電装置１８の充電率が必要以上に低下するのをより確実に抑制することができる。

前記実施形態によれば、予め設定された高馬力アクチュエータ（走行モータ１４）の作動時に、油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂの流量を大きく設定することにより油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂの出力馬力を高くすることができるため、高馬力アクチュエータの必要馬力を確保することができる。

ここで、油圧ポンプ２２Ａ、２２Ｂの出力馬力を高くするために蓄電装置１８の電力の消費速度が増加することになるが、前記実施形態では、高馬力アクチュエータの作動時に第１閾値Ｔ_Ｔｈ１及び第２閾値Ｔ_Ｔｈ２を低く設定するため、蓄電装置１８の充電率が必要以上に低下するのを抑制することができる。

前記実施形態によれば、図８に示すように、通常制御から第１制御へ切り換わるまでの時間Ｔ１が第１制御から第２制御へ切り換わるまでの時間Ｔ２よりも長く設定されている。そのため、アシスト動力の低下（エンジン動力の増加）によりオペレータに与える違和感を緩和することができる。

一方、通常制御から第１制御への切り換え段階よりも蓄電装置１８の充電率が低下している第１制御から第２制御への切り換え段階において、その切換時間Ｔ２を短くすることにより、蓄電装置１８の放電を迅速に停止させて蓄電装置１８の充電量が必要以上に低下するのをより確実に抑制することができる。

なお、前記実施形態では、油圧系統を有するハイブリッドショベルについて説明したが、本発明は、第１油圧ポンプ２２Ａ、第２油圧ポンプ２２Ｂを省略するとともに、油圧式のシリンダ８〜１０及び走行モータ１４に代えて、電動式のシリンダ及び走行モータを有するハイブリッドショベルについても適用可能である。

この場合、電動式のシリンダ及び走行モータは、蓄電装置１８の電力及び発電電動機１９により発電された電力の少なくとも一方によって作動する。そのため、この態様においても、アクチュエータ（電動式のシリンダ、走行モータ、及び旋回電動機１５）を駆動するための動力は、エンジン及び蓄電装置によって分担される。つまり、蓄電装置の電力によってエンジンがアシストされる。

Ｅ_Ａアシスト動力の積分量
Ｐ_Ｌ必要電力（必要動力の一例）
Ｐ_ｅｈエンジン出力の制御範囲の上限値
Ｐ_ｅｌエンジン出力の制御範囲の下限値
Ｐ_ｇｕエンジン出力動力（電力）の上限値
Ｐ_ｇｌエンジン出力動力（電力）の下限値
１ハイブリッドショベル
８ブームシリンダ（油圧アクチュエータの一例）
９アームシリンダ（油圧アクチュエータの一例）
１０バケットシリンダ（油圧アクチュエータの一例）
１４走行モータ（油圧アクチュエータの一例）
１５旋回電動機（アクチュエータの一例）
１７エンジン
１８蓄電装置
１９発電電動機
２２Ａ、２２Ｂ油圧ポンプ
３０制御器

Claims

エンジンと、蓄電装置と、前記エンジンの動力及び前記蓄電装置の電力の少なくとも一方を用いて作動する少なくとも１つのアクチュエータと、前記エンジンの動力により発電する発電機とを有するハイブリッド建設機械の動力制御装置であって、
前記エンジンの駆動効率が予め設定された効率範囲内となるエンジン出力の制御範囲の上限値と下限値との間で前記エンジンの出力が推移するように、前記エンジンに要求される必要動力が前記上限値を超える場合に前記蓄電装置の電力を用いて前記エンジンをアシストするとともに、前記必要動力が前記下限値を下回る場合に前記発電機を駆動して前記蓄電装置を充電するように前記蓄電装置の充放電を制御する通常制御を実行する制御器を備え、
前記制御器は、前記必要動力が前記上限値を超え、かつ、前記蓄電装置によるアシストが継続して行なわれている期間中における前記蓄電装置によるアシスト動力の積分量又は継続時間が予め設定された第１閾値を超える場合に、前記蓄電装置によるアシスト動力を前記通常制御におけるアシスト動力よりも小さく０よりも大きなアシスト動力に減らす第１制御を実行し、前記必要動力が前記上限値を超え、かつ、前記積分量又は前記継続時間が前記第１閾値よりも大きい値として予め設定された第２閾値を超える場合に、前記アシスト動力を０に設定する第２制御を実行する、ハイブリッド建設機械の動力制御装置。
前記蓄電装置の充電率を検出可能な充電率検出手段をさらに備え、
前記制御器は、前記充電率検出手段により検出された前記蓄電装置の充電率が小さい程、前記第１閾値及び前記第２閾値が小さくなるように前記第１閾値及び前記第２閾値を変更する、請求項１に記載のハイブリッド建設機械の動力制御装置。
前記エンジンにより駆動されて、前記少なくとも１つのアクチュエータに含まれる複数の油圧アクチュエータに対して作動油を供給する可変容量式の油圧ポンプをさらに備え、
前記発電機は、前記蓄電装置の電力を用いて電動機として作動することにより前記油圧ポンプの動力を補うように前記エンジンをアシストする機能を有し、
前記制御器は、前記複数の油圧アクチュエータのうち必要馬力が高いものとして予め設定された高馬力アクチュエータが作動する場合に、前記高馬力アクチュエータ以外の油圧アクチュエータのみが作動する場合よりも前記油圧ポンプの流量を大きく設定するとともに前記第１閾値及び前記第２閾値を低く設定する、請求項１又は２に記載のハイブリッド建設機械の動力制御装置。
前記制御器は、前記通常制御から前記第１制御へ切り換わるまでの時間よりも前記第１制御から前記第２制御へ切り換わるまでの時間が短くなるように、前記蓄電装置の充放電を制御する、請求項１〜３の何れか１項に記載のハイブリッド建設機械の動力制御装置。
エンジンと、蓄電装置と、前記エンジンの動力及び前記蓄電装置の電力の少なくとも一方を用いて作動する少なくとも１つのアクチュエータと、前記エンジンの動力により発電する発電機と、請求項１〜４の何れか１項に記載の動力制御装置とを備えている、ハイブリッド建設機械。