JP2015529293A - 予測可能な作業サイクルを遂行する機械類のためのエネルギー管理システム - Google Patents

Abstract

産業機械及び当該産業機械を運転する方法。１つの産業機械は、（１）産業機械によって遂行されていて複数の作業サイクルセグメントを含んでいる反復的作業サイクル内の再生式の作業サイクルセグメントの発現を検知するように、及び（２）産業機械に含まれている少なくとも１つのパワー源の作動を再生式の作業サイクルセグメントに亘って（即ち再生式の作業サイクルセグメントに先立って及び／又はその間中）修正するように、構成されている少なくとも１つのコントローラ、を含んでいる。【選択図】図５

Description

[0001]（関連出願）
本願は、２０１２年９月２１日出願の米国仮特許出願第６１／７０３，８７９号に対する優先権を主張し、その内容全体を参考文献としてここに援用する。

[0002]本発明の実施形態は、採鉱環境で使用されるショベル又は掘削機の様な、予想可能な作業サイクルを遂行する機械類、装置類、又はシステム類の作動中に採取される再生エネルギーを管理するためのシステム及び方法に関する。

[0003]電気ロープショベル又はパワーショベルの様な採鉱ショベルは、例えば鉱山の堆積層から資源を取り出すのに使用される。操作者が掘削作業中にショベルを制御してディッパーに資源を積載させる。操作者はディッパーに収容された資源を、運搬トラックの中、可動式クラッシャーの中、地面の或る区域上、コンベヤの上、などの様な、投棄場所に堆積させる。資源積み降し後、掘削サイクルは継続し、操作者はディッパーを揺動して堆積層へ戻し追加の掘削を遂行させる。

[0004]作動中、ショベルの作業サイクルは反復的である。例えば、ショベルの作業サイクルは、典型的に、掘削セグメント、揺動セグメント、投棄セグメント、及び戻りセグメントを含んでいる。これらのセグメントは、軽微な変動（例えば掘削条件に起因）で繰り返される。従ってショベルの作業サイクルセグメントは予測可能であり、よって半自律制御、機械監視、及び操作者遂行能力監視を提供するように作業サイクル分解アルゴリズムが開発され重機コントローラの中へ組み込まれるようになってきた。アルゴリズムは、作業サイクルセグメントを、ショベル又はより厳密にはディッパーの運動、位置、速度、トルク、など、に基づいて確定することができる。

米国仮特許出願第６１／７０３，８７９号

[0005]以上より、発明の実施形態は、作業サイクルセグメントの予測可能性を使用して、効率的に作業サイクルの再生部分中にエネルギーを採取するようにして機械エネルギー使用を改善する（即ち燃料消費を最小限にする）。具体的には、本発明の１つの実施形態は少なくとも１つのコントローラを含んでいる産業機械を提供している。コントローラは、（１）産業機械によって遂行される複数の作業サイクルセグメントを含んでいる反復的作業サイクル内の再生式の作業サイクルセグメントの発現を検知するように、及び（２）産業機械に含まれている少なくとも１つのパワー源の作動を再生式の作業サイクルセグメントに亘って修正するように、構成されている。

[0006]本発明の別の実施形態は、産業機械を運転する方法を提供している。方法は、コントローラによって、産業機械によって遂行される反復的作業サイクルであって複数の作業サイクルセグメントを含む反復的作業サイクル内の再生式の作業サイクルセグメントの発現を検知する段階を含んでいる。方法は、更に、コントローラによって、産業機械の作動を再生式の作業サイクルセグメントに亘って修正する段階を含んでいる。

[0007]本発明の更に別の実施形態は、エネルギー管理システムを提供している。エネルギー管理システムは、双方向パワーバスと、双方向パワーバスからの電気パワーを受け取り調整された電気エネルギーを生成するパワー変換ユニットと、を含んでいる。システムは、更に、パワー変換ユニットからの調整された電気エネルギーを受け取って少なくとも１つの工具を複数の作業サイクルセグメントを有する反復的作業サイクル内で操作するアクチュエータを含んでいる。システムは、更に、エンジンと、エンジンへ連結されていてエンジンによって駆動されているモーター−発電機と、を含んでいる。モーター／発電機は、電気エネルギーを生成し、電気パワーを双方向パワーバスへ供給する。加えて、システムは、（１）複数の作業サイクルセグメントのうちの１つであってその間に再生パワーが生成されるセグメントの発現を検知するように、及び（２）エンジンと双方向パワーバスのうちの少なくとも一方の作動を当該再生サイクルセグメントに亘って再生パワーに基づいて修正するように、構成されているコントローラを含んでいる。

[0008]本発明の他の態様は、詳細な説明及び付随の図面を考察することによって自明となるであろう。

[0009]ショベル及び運搬トラックを描いている。 [0010]図１のショベルに含まれるエネルギー管理システムを模式的に描いている。 [0011]図１のショベルによって遂行される作業サイクル中のパワー消費及びパワー生成を描いている。 [0012]図２のエネルギー管理システムに含まれるコントローラを模式的に描いている。 [0013]図４のコントローラによって遂行される、エネルギーを管理する方法を示す流れ図である。

[0014]本発明の幾つかの実施形態を詳細に解説する前に、理解しておくべきこととして、本発明はその適用が次に続く説明又は添付図面に示されている構造の詳細及び構成要素の配列又は数量に限定されない。本発明は、他の実施形態の余地があり、様々なやり方で実践又は実施され得る。

[0015]更に、理解しておくべきこととして、ここに使用されている語法及び用語法は、説明が目的であって、限定されたものと考えられてはならない。「含んでいる」、「備えている」、又は「有している」、及びそれらの変化形のここでの使用は、その後に掲げられている品目及びその等価物はもとより追加の品目を網羅するものとする。「取り付けられている」、「接続されている」、及び「連結されている」は、広義に使用されており、直接と間接の両方の取り付け、接続、及び連結を網羅する。また、「接続されている」及び「連結されている」は、物理的又は機械的な接続又は連結に限定されず、直接又は間接を問わず電気的な接続又は連結を含み得る。更に、電子的な通信及び通知は、直接接続、無線接続、など、を含む何れの既知の手段を使用して遂行されていてもよい。

[0016]更に、本発明を実施するのに複数のハードウェアベース及びソフトウェアベースのデバイス並びに複数の異なった構造の構成要素が使用されていてもよいことに留意されたい。加えて、理解しておくべきこととして、本発明の実施形態はハードウェア、ソフトウェア、及び電子的構成要素又はモジュールを含んでおり、それらは論考を目的に構成要素の大半が単独でハードウェアに実装されているかのごとく描かれ説明されていることもある。しかしながら、当業者は、この詳細な説明の閲読に基づけば、少なくとも１つの実施形態では、本発明の電子ベースの態様はマイクロプロセッサ及び／又は特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣｓ」）の様な１つ又はそれ以上の処理ユニットによって実行可能なソフトウェア（例えば非一時的コンピュータ可読媒体に記憶されている）に実施されてもよいことに気付かれるはずである。而して、本発明を実施するのに複数のハードウェアベース及びソフトウェアベースのデバイス並びに複数の異なった構造の構成要素が利用されてもよいことに留意されたい。また、後続の段落に説明されている様に、図面に描かれている特定の機械的構成は、本発明の実施形態を例示することを意図したものであり、他の代わりの機械的構成も実施可能である。例えば、明細書に記載されている「コントローラ」は、１つ又はそれ以上の処理ユニット、１つ又はそれ以上のコンピュータ可読媒体モジュール、１つ又はそれ以上の入力／出力インターフェース、及び構成要素同士を接続する各種接続（例えばシステムバス）の様な、標準的処理構成要素を含むものとすることができる。

[0017]図１は、例示としての電気ロープショベル１００を描写している。ロープショベル１００は、ロープショベル１００を前方及び後方へ推進するため及びロープショベル１００を方向転換させるための軌道１０５を含んでいる（即ち、左右の軌道の互いに対する速度及び／又は方向を変えることによって方向転換させる）。軌道１０５は、操作台１１５を含む基部１１０を支持している。基部１１０は揺動軸１２５周りに揺動又は旋回して例えば掘削場所と投棄場所の間で動くことができる。幾つかの実施形態では、軌道１０５の動きは揺動運動に必須というわけではない。ショベル１００は、更に、枢動式ディッパーハンドル１３５及びディッパー１４０を支持するブーム１３０を含んでいる。ディッパー１４０は、ディッパー１４０内の内容物を投棄するためのドア１４５を含むものとすることができる。作動中、ロープショベル１００は、ドア１４５を開くことによって、ディッパー１４０に収容されている資源を運搬トラック１７５の荷台１７６の様な投棄場所へ投棄する。幾つかの実施形態では、ディッパー１４０は、ドア１４５を含んでいるのではなしに、資源を掘削したり資源を投棄したりするのに開閉するクラムシェルバケット設計を有している。ショベル１００は運搬トラック１７５と共に使用されるものとして描かれているが、ショベル１００は、更に、資源をディッパー１４０から他の投棄場所へ、例えば可動式採鉱クラッシャーの中、コンベヤの上、及び／又は地面の或る区域上などへ、投棄することができるものと理解されたい。

[0018]同様に図１に描かれている様に、ショベル１００は、更に、基部１１０とブーム１３０の間に連結されている、ブーム１３０を支持するためのピンと張られた吊りケーブル１５０と、巻き上げケーブル１５５であってディッパー１４０を上昇下降させる当該ケーブル１５５を巻き上げるための基部１１０内ウィンチ（図示せず）へ取り付けられている巻き上げケーブル１５５と、を含んでいる。ショベル１００は、更に、ディッパー１４０を伸展格納させる(即ちディッパー１４０のクラウド（crowd）運動を遂行する)ためのクラウドピニオン及びラックをディッパーハンドル１３５の底部に含んでいる。加えて、幾つかの実施形態では、ショベル１００は、ドア１４５を開閉するためのディッパー外しケーブル１６０を含んでいる。幾つかの実施形態では、ケーブル１５０の１つ又はそれ以上に加えて又はそれに代えて、ショベル１００は、ブーム１３０を基部１１０へ接続している１つ又はそれ以上の引張部材を含んでいる。

[0019]ショベル１００は、１つ又はそれ以上の「工具」を駆動又は操作するための１つ又はそれ以上の「アクチュエータ」を含んでいる。「アクチュエータ」は、電気モーター又は油圧モーターを含むものとすることができる。「工具」は、ケーブル１５０又はハンドル１３５を操作するためのウィンチ、ドア１４５を操作するための機構（例えばケーブル１６０）、クラムシェル設計のディッパー１４０を操作するための機構、基部１１０を揺動するための機構、及び軌道１０５を操作するための機構の様な、ショベル１００に含まれる各種構成要素を含むものとすることができる。

[0020]例えば、図２は、ショベル１００に含まれるエネルギー管理システム１９０を描いている。システム１９０は、ポンプ駆動伝動装置２００及びエンジン２０２（例えばディーゼル内燃機関）を含んでいる。エンジン２０２は、燃料供給部（図示せず）に収容されている燃料（例えば、ディーゼル燃料、ガソリン、石油ガス、天然ガス、プロパン、バイオ燃料、水素ガス、など）を使用してパワー供給される。ポンプ駆動伝動装置２００は、ショベル１００に含まれる１つ又はそれ以上の油圧モーターを駆動する。油圧モーターは、ショベル１００に含まれるコンプレッサ、暖房、換気、及び空調（「ＨＶＡＣ」）システム、送風機、など、を駆動することができる。ポンプ駆動伝動装置２００は、エンジン２０２へ機械的に連結されていて、エンジン２０２によって駆動される。示されていないが、エンジン２０２は、更に、ショベル１００に含まれるヒーター、内部及び外部の照明、ステレオ、コントローラ、電子機器、ポンプ、送風機、など、へのパワー供給に使用される電気エネルギーを生成するべくエンジンによって駆動される交流発電機へ機械的に連結されていてもよい。

[0021]エンジン２０２は、更に、モーター−発電機２０４へ機械的に連結されている。モーター−発電機２０４はエンジン２０２によって駆動されて電気エネルギーを生成する。モーター−発電機２０４は生成された電気エネルギーを双方向パワーバス２０６へ出力する。更に、パワー変換ユニット（「ＰＣＵｓ」）２０８がバス２０６へ連結されている。それらＰＣＵ２０８は、バス２０６上の利用可能電気エネルギーをアクチュエータ（例えば電気モーター）が使用できる調整された電気エネルギーへ変換する。例えば、それらＰＣＵ２０８は、バス２０６上の利用できる電気エネルギーを第１電圧から第２電圧へ変換することができる。

[0022]図２に描かれている様に、ＰＣＵ２０８は調整された電気エネルギーを１つ又はそれ以上の電気モーター又は電気機械２１０へ提供することができる。機械２１０は、ケーブル１５５及び１６０を操作するためのウィンチの様な、ショベル１００に含まれる工具２１１を操作及び駆動するのに使用されるアクチュエータである。バス２０６上に残留する未使用エネルギーは、随意的に、１つ又はそれ以上のウルトラキャパシタ又はバッテリの様な１つ又はそれ以上のエネルギー貯蔵装置２１３へ貯蔵できる。図２に描かれている様に、制動チョッパ２１４が更にバス２０６へ連結されている。制動チョッパ２１４は、バス２０６上に残留する未使用エネルギー（即ち、機械２１０によって消費されずにエネルギー貯蔵装置２１３へ貯蔵されたエネルギー）を消費し又は散逸させる。

[0023]以上に発明の概要の欄に記述されている様に、操作者はショベル１００を操作して、複数の作業サイクルセグメントを含んでいる反復的作業サイクルを遂行させる。作業サイクルセグメントは、掘削セグメント（「ＤＩＧ」）、揺動セグメント（「Ｓ」）、投棄セグメント（「ＤＵＭＰ」）、及び戻りセグメント（「Ｒ」）を含んでいる。掘削セグメントでは、操作者は、ディッパー１４０を資源の堆積層に係合させながらディッパー１４０を上昇させて資源をディッパー１４０の中へ積載する。次に、揺動セグメントでは、操作者は積載状態のディッパー１４０を揺動させることで、ディッパー１４０を堆積層から係合解除してディッパー１４０を運搬トラック１７５の様な投棄場所へ向けて動かす。投棄セグメントでは、ディッパー１４０が投棄場所（例えば運搬トラック１７５の荷台１７６）の上方に位置付けられた状態で、操作者は（例えばハンドル１３５を使用して）ディッパー１４０のドア１４５を開くか又はクラムシェルバケットのディッパー１４０を開き、資源をディッパー１４０から投棄場所へ投棄する。戻りセグメントでは、操作者はディッパー１４０を堆積層下盤へ下降させて別のサイクルを始める。操作者は作業サイクルのこれらのセグメントを軽微な変動（例えば掘削条件に基づく）で繰り返す。

[0024]図３は、一例としての、ショベル１００のパワー消費を描いている。図３に描かれている様に、エンジン２０２は所定馬力の所定最大パワー（線２１６を参照）を提供することができる。但し、時間経過につれたショベル１００によって消費される実際の平均馬力は変動する（線２１７を参照）。また、特定の作業サイクルセグメントに亘ってショベル１００によって消費される平均馬力（線２１８を参照）はセグメント間で変動する。例えば、図３に描かれている様に、掘削セグメント中は他のセグメントより平均してより多くのパワーが消費されている。更に、揺動セグメント中は、操作者が揺動セグメント中にディッパー１４０を加速するとき（「ＳＡＣＣ」）（例えはディッパー揺動開始時）には、操作者が揺動セグメント中にディッパー１４０を減速するとき（「ＳＤＥＣ」）（例えばディッパー揺動停止時）より多くのパワーが消費される。同様に、操作者が戻りセグメント中にディッパー１４０を加速するとき（「ＲＡＣＣ」）には、操作者が戻りセグメント中にディッパー１４０を減速するとき（「ＲＤＥＣ」）より多くのパワーが消費される。

[0025]更に図３に描かれている様に、作業サイクルの一部分は再生式の作業サイクルセグメントを表している。再生式の作業サイクルセグメントは、工具２１１の制動又は低速化に因って電気エネルギーが生成される作業サイクルセグメント(又はその一部分)である。再生式の作業サイクルセグメントは、消費される機械パワーが負である（即ち、再生から生み出される電気エネルギーが消費エネルギーを超えている）ときの作業サイクルセグメントと定義することができる。図３に描かれている様に、揺動セグメント及び戻りセグメント（例えば、揺動セグメントの減速部分と戻りセグメントの減速及び押し込み運動復帰部分）は再生式の作業サイクルセグメントである。例えば、機械２１０は、「発動モード」及び「生成モード」で作動するができる。「発動モード」では、機械２１０は、モーターとしての役割を果たし、工具２１１の１つ又はそれ以上を操作及び駆動するのにエネルギーを消費する。「生成モード」では、機械２１０は電気エネルギーを生成する。具体的には、再生式の作業サイクルセグメント中は、機械２１０の１つ又はそれ以上は、工具の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換することによって工具２１１を低速化又は制動するように使用される。具体的には、工具２１１制動時、機械２１０は、機械２１０に工具２１１を低速化又は停止させる「生成モード」に入っている。「生成モード」にある間は、機械２１０は電気エネルギーを発生させる発電機としての役割を果たす。生成された電気エネルギーは、機械２１０から、バス２０６ヘ接続されているＰＣＵ２０８へ供給され、最終的にバス２０６へ供給される。従って、１つ又はそれ以上の機械２１０が作業サイクルセグメント中に電気エネルギーを発生させている間、バス２０６へ連結されている他の電気運動アクチュエータ及び付帯負荷（例えば工具２１１を制動していない他の機械２１０）は生成されたエネルギーを消費することができる。生成されたエネルギーはエネルギー貯蔵装置２１３に貯蔵することもできる。また一方で、作動中に再生エネルギーを消費することは、採取されたエネルギーを貯蔵する必要性を低減又は排除し、つまりは、ウルトラキャパシタ、バッテリ、動的制動抵抗器、及び関連構成要素の様な、エネルギー貯蔵装置の必要性を低減又は排除することができる。これらの装置を削減又は排除することは、結果として機械費用削減化と信頼度改善をもたらす。再生エネルギーを使用することは、更に、エンジン２０２へのエネルギー需要を減らし、ひいてはショベル１００作動時のエネルギー（例えば燃料）費用を軽減することになる。

[0026]また、反復的作業サイクルに含まれる作業サイクルセグメントの予測可能性を考えれば、ショベル１００によって生成及び消費されるエネルギーを効率的に管理することができる。例えば、図２に描かれている様に、コントローラ３００が、ショベル１００のためのエネルギー管理を遂行するように構成されているエネルギー管理システム１９０に含まれていてもよい。図４に模式的に描かれている様に、コントローラ３００は、処理ユニット３５０（例えば、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、など）、１つ又はそれ以上のコンピュータ可読メモリモジュール３５５、及び入力／出力インターフェース３６５、を含んでいる。幾つかの実施形態では、コントローラ３００は、複数の処理ユニット、メモリモジュール、及び／又は入力／出力インターフェースを含んでいるものと理解されたい。更に、幾つかの実施形態では、コントローラ３００は、図４に描かれているもの以外に追加の構成要素を含んでいる。

[0027]処理ユニット３５０は、コンピュータ可読モジュール３５５に記憶されている命令及びデータを読み出し、実行する。処理ユニット３５０は、更に、命令を実行する段階の一部として、データをコンピュータ可読モジュール３５５へ記憶する。コンピュータ可読モジュール３５５は、非一時的コンピュータ可読媒体を含んでおり、揮発性メモリ、不揮発性メモリ（例えばフラッシュメモリ）、又はそれらの組合せを含んでいる。入力／出力インターフェース３６５は、コントローラ３００の外部のデバイス及びシステムから情報を受信し、コントローラ３００の外部のデバイス及びシステムへ情報を出力する。例えば、入力／出力インターフェース３６５は、１つ又はそれ以上の有線又は無線の接続を使用してエンジン２０２、発電機２０４、及び／又はＰＣＵ２０８の１つ又はそれ以上、と通信する。幾つかの実施形態では、入力／出力インターフェース３６５は、更に、コントローラ３００の外部のデバイス及びシステムから受信されたデータをコンピュータ可読モジュール３５５へ記憶し、及び／又はモジュール３５５からデータを読み出して外部のデバイス及びシステムへ出力する。

[0028]図４に描かれている様に、入力／出力インターフェース３６５は、更に、操作者インターフェース３７０と通信する。操作者インターフェース３７０は、ジョイスティック、レバー、足踏みペダル、及び他のアクチュエータの様な、１つ又はそれ以上の操作者制御型入力デバイスを含んでいる。操作者は、操作者インターフェース３７０を使用してショベル１００のための運動コマンドを発令することができる。運動コマンドは、クラウド制御、揺動制御、巻き上げ制御、推進制御、及びドア制御を含んでいてもよい。運動コマンドは、コントローラ３００によって使用されて、１つ又はそれ以上の工具２１１を操作者が命令した通りに操作するようにデジタル運動コマンドをＰＣＵ２０８へ出力させる。運動コマンドは、例えば、巻き上げ、巻き下げ、クラウド伸展、クラウド格納、時計回り揺動、反時計回り揺動、ディッパードア解放、左軌道前進、左軌道後進、右軌道前進、及び右軌道後進を含んでいる。幾つかの実施形態では、操作者インターフェース３７０は、コントローラ３００とは別体のコントローラと通信するものと理解されたい。これらの実施形態では、コントローラ３００は、当該別体のコントローラと通信して（例えば、ＰＣＵ２０８への送信に向けた及び／又は以下により詳細に説明されている内部使用に向けた）運動コマンドを受信する。

[0029]図４に描かれている様に、コントローラ３００は、更に、ディッパー１４０及び／又はショベル１００の他の構成要素の場所及び／又は状態を監視する位置センサ３８０と通信している。例えば、幾つかの実施形態では、コントローラ３００は、１つ又はそれ以上のクラウドセンサ、揺動センサ、巻き上げセンサ、及びショベルセンサへ連結されている。クラウドセンサは、ディッパー１４０の伸展又は格納のレベルを検知する。揺動センサは、ハンドル１３５の揺動角度を検知する。巻き上げセンサは、巻き上げケーブル１５５の位置に基づくディッパー１４０の高さを検知する。ショベルセンサは、ディッパードア（又はクラムシェルバケット）の位置を検知する。ショベルセンサは、更に、ディッパー１４０内の負荷についての情報を検知する負荷センサ、速度センサ、加速度センサ、及び傾きセンサを含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、センサ３８０の１つ又はそれ以上は、ディッパー１４０を動かすのに使用されるモーター（例えば、クラウドモーター、揺動モーター、及び／又は巻き上げモーター）の絶対位置又は相対的な動きを指し示すレゾルバを含んでいる。他の実施形態では、センサ３８０の１つ又はそれ以上は、絶対値エンコーダ、線形偏位トランスデューサー、又は他の感知技術を含んでいる。この場合も同様に、幾つかの実施形態では、センサ３８０はコントローラ３００とは別体のコントローラと通信するものと理解されたい。これらの実施形態では、コントローラ３００は別体のコントローラと通信してセンサ３８０からデータを受信する。

[0030]コンピュータ可読メモリモジュール３５５に記憶されている命令は、処理ユニット３５０によって実行されたときに特定の機能性を遂行する。例えば、コントローラ３００は、命令を実行して様々なエネルギー管理の方法を遂行する。具体的には、以下により詳細に説明されている様に、コントローラ３００は命令を実行して、ショベル１００によって遂行される再生式の作業サイクルセグメントを検知し、ショベル１００（例えば、エンジン２０２、発電機２０４、及び／又はバス２０６）を管理して識別されたセグメント中は効率的にエネルギーが提供及び消費されるようにする。本願での使用に際し、コントローラ３００は、再生式の作業サイクルセグメントを、現在の作業サイクルセグメントが再生式の作業サイクルセグメントであると識別することによって又は未来（例えば後続）の作業サイクルセグメントが再生式の作業サイクルセグメントであると予測することによって「検知する」。

[0031]例えば、図５は、ショベル１００によって使用されるエネルギー及び作り出されるエネルギーを管理するためにコントローラ３００によって（処理ユニット３５０で命令を実行することによって）遂行される方法を示す流れ図である。図５に示されている様に、（ブロック３９０で）操作者がショベル１００に係る反復的作業サイクルを遂行する際、（ブロック４００で）コントローラ３００は再生式の作業サイクルセグメントの発現を検知するように構成されている。以上に指摘されている様に、ショベル１００は、所定のシーケンスで遂行される複数の作業サイクルセグメントを含んでいる反復的作業サイクルを遂行する。作業サイクルセグメントの１つ又はそれ以上は、再生エネルギーを生成することができ、従って再生式の作業サイクルセグメントと考えることができる。再生式の作業サイクルセグメントを検知するために、コントローラ３００は、ショベル１００によって遂行中の現在の作業サイクルセグメントを検知するように構成されている。幾つかの実施形態では、コントローラ３００は、ユーザインターフェース２７０を通じて受信される運動コマンド、センサ３８０から受信される情報、及び（随意的に）ＰＣＵ２０８から受信される情報を使用して、現在の作業サイクルセグメント（例えば、掘削、揺動、投棄、又は戻り）を確定する。以上に指摘されている様に、作業サイクルを確定し追跡するためのアルゴリズムが存在しており、コントローラ３００によって使用されるようになっている。代わりに又は加えて、別体のコントローラが現在の作業サイクルセグメントを確定又は追跡するように構成されていて、現在の作業サイクルセグメントの識別子をコントローラ３００へ提供するようになっていてもよい。

[0032]現在の作業サイクルセグメントを確定した後、コントローラ３００は、現在の作業サイクルセグメントが再生式の作業サイクルセグメントであるかどうかを（例えば、ルックアップテーブル又はモジュール３５５に記憶されている他のデータを使用して）識別する。代わりに又は加えて、コントローラ３００は、（１）後続の作業サイクルセグメント（例えば次の作業サイクルセグメント）を現在の作業サイクルセグメント及び反復的作業サイクルに含まれる作業サイクルセグメントのシーケンスに基づいて確定し、（２）後続の作業サイクルセグメントが再生式の作業サイクルセグメントであるかどうかを識別する。コントローラ３００が現在及び／又は後続の作業サイクルセグメントが再生式の作業サイクルセグメントであると確定したら、コントローラ３００は、（ブロック４０２で）エネルギー効率が増加するようにショベル１００の作動を修正する。

[0033]例えば、幾つかの実施形態では、コントローラ３００は、再生エネルギーを使用してエンジン２０２の速度を公称作動速度より上へ増加させることによってショベル１００を修正する。具体的には、発電機２０４がバス２０６上を供給される再生エネルギーを使用して、エンジン２０２の機械的構成要素及びエンジン２０２へ機械的に連結されているポンプ駆動伝動装置２００の様な他の構成要素を駆動又は支援することができる。エネルギーは回転速度の変化の二乗の関数であるので、エンジン速度増加は結果としてエネルギー貯蔵又はエネルギー利用可能性の増加をもたらす。エンジン２０２及び／又はフライホイール付きの様なポンプ駆動伝動装置２００に対する慣性の増強も回転慣性としての更に増加されたエネルギー貯蔵を可能にする。追加のパワートレイン慣性は、作業サイクルの動的部分中のエンジン制御のゆらぎを補償するのにも使用することができる。そうして、貯蔵された回転エネルギーは非再生式の作業サイクルセグメント中に消費されることになり、機械効率が改善される。加えて、エンジン速度増加によってもたらされるエネルギー貯蔵容量増加は、ウルトラキャパシタ又はバッテリの様なエネルギー貯蔵装置の必要性を低減又は排除するので、機械のコスト及び重量が軽減され、信頼度が改善される。

[0034]加えて又は代わりに、コントローラ３００は、ショベル１００の作動を、再生式の作業サイクルセグメントを見越してエンジン２０２の通常の作動速度より低いエンジン速度指令をコマンドすることによって修正するようにしてもよい。エンジン２０２が閉ループ速度制御スキームを使用している場合、より低いエンジン速度指令はエンジン２０２に燃料吸込（例えばエンジンコントローラによって制御）をより低い速度指令が実現されるまで減少させてゆくように仕向ける。再生式の作業サイクルセグメントの開始に先立ってより低いエンジン速度をコマンドする段階は、エンジン２０２及び他の機械的に連結されている負荷を再生エネルギーで駆動又は駆動支援するときの回転駆動ライン速度のより大きい変化を可能にする。従って、公称作動速度を下げる段階は、エネルギーの貯蔵又は利用可能性の増加を可能にし、貯蔵された回転エネルギーを非再生式の作業サイクルセグメント中に消費させて機械効率を改善することができる。更に、低エンジン速度指令からもたらされるエネルギー貯蔵容量増加は、ウルトラキャパシタ又はバッテリの様なエネルギー貯蔵装置の必要性を低減又は排除するので、機械のコスト及び重量が軽減され、信頼度が改善される。

[0035]加えて又は代わりに、コントローラ３００は、ショベル１００の作動を、再生式の作業サイクルセグメントを見越してバス電圧を小さくすることによって修正するようになっていてもよい。コントローラ３００によってコマンドされたバス電圧縮小は、バス電圧の許容され得る変化がより大きくなるおかげで全体としてのエネルギー貯蔵容量を改善する。貯蔵エネルギー増加は、バス電圧のより大きな変化が再生式の作業サイクルセグメント中に許容されるという理由からも実現される。貯蔵されたエネルギーは、非再生式の作業サイクルセグメントで消費されることになるので、機械のエネルギー効率が改善される。エネルギー貯蔵は、更に、ウルトラキャパシタ又はバッテリの様な追加の貯蔵装置をバス２０６へ連結することによって増強することもできる。また一方で、バス電圧を小さくすることからもたらされるエネルギー貯蔵容量増加は、ウルトラキャパシタ又はバッテリの様なエネルギー貯蔵装置の必要性を低減又は排除するので、機械のコスト及び重量が軽減され、信頼度が改善される。

[0036]而して、本発明の実施形態は、他にもあるが中でも特に、採鉱環境及び建設環境について使用される機器の様な産業機器のためのエネルギー管理システム及び方法を提供している。とはいえ、ここに説明されているエネルギー管理システム及び方法は、予測可能な作業サイクル又はデューティサイクルを有する何れのデバイス又はシステムと共に使用されてもよいものと理解されたい。従って、本書に記載されているショベル１００の明細は、本発明の範囲を限定しているわけではなく、記載されているエネルギー管理システム及び方法は、他の型式のショベル、他の採鉱機械類、他の産業機械類、及び他の非産業機械類と共に使用することもできる。例えば、製造組立機械類、輸送システム（例えば鉄道及び／又は電車システム）、及び反復的で予測可能な作動サイクル又はシーケンスを有する他のシステムが、ここに説明されているエネルギー管理システム及び方法を使用することもできる。

[0037]更に、コントローラ３００は、再生式の作業サイクルセグメントに亘るショベル１００の作動を、再生式の作業サイクルセグメントの何れかの部分の開始に先立って及び／又はその間中、修正するように構成されていてもよいものと理解されたい。具体的には、本願での使用に際し、再生式の作業サイクルセグメントに「亘る」作動を修正するとは、当該セグメントの何れかの部分の開始に先立つ及び／又はその間中の作動を修正することを含んでいる。例えば、幾つかの実施形態では、コントローラ３００は、現在の又は後続の再生式の作業サイクルセグメントの発現を検知した大凡直後にショベル１００の作動を修正するように構成されている。コントローラ３００は、更に、再生式の作業サイクルセグメントの開始に先立って修正を遂行するように構成されていてもよく、幾つかの実施形態ではコントローラ３００は再生式の作業サイクルセグメントの持続時間に亘って修正を維持する。再生式の作業サイクルセグメントの間中に又はその後に、コントローラ３００は当該修正を元に戻す（例えば、エンジン２０２を通常又は非修正の作動速度へ戻すように及び／又はパワーバス２０６を通常又は非修正の作動電圧に戻すように―例えば修正前に使用されていた作動速度及び／又は作動電圧に戻すように）構成されていてもよい。例えば、コントローラ３００は再生式の作業サイクルセグメントの終了を（例えば、後続の非再生式の作業サイクルセグメントの開始を検知することによって）検知し、再生式の作業サイクルセグメントの終了前、終了時、又は終了後に、ショベル１００を非修正作動条件へ戻すように構成されていてもよい。

[0038]更に、上記エネルギー管理方法は様々な構成に組み合わされてもよいものと理解されたい。例えば、幾つかの実施形態では、コントローラ３００は、再生式の作業サイクルセグメントに先立って及び／又はその間中、バス２０６の電圧を修正するがエンジン２０２の作動を修正しないように又はその逆を行うように構成されている。更に、幾つかの実施形態では、コントローラ３００は、再生式の作業サイクルセグメントの異なった部分の間中、異なった修正を遂行するように（例えば、再生式の作業サイクルセグメントの開始に先立って又は再生式の作業サイクルセグメントの第１の部分の間中、バス２０６を修正するように、及び再生式の作業サイクルセグメントの第２の部分の間中、エンジン２０２を修正するように）構成されている。所望の修正又は組合せは、制御される機械類、装置、又はシステム、及び／又は関連付けられる作動環境に依存していよう。加えて、発電機によって供給されるパワーは、ショベル１００のここに説明されているもの以外の他の構成要素（例えば交流発電機又はコンプレッサなど）へ方向付けられている場合もあるものと理解されたい。

[0039]本発明の様々な特徴及び利点は付随の特許請求の範囲に述べられている。

１００ 電気ロープショベル
１０５ 軌道
１１０ 基部
１１５ 操作台
１２５ 揺動軸
１３０ ブーム
１３５ ディッパーハンドル
１４０ ディッパー
１４５ ディッパーのドア
１５０ 吊りケーブル
１５５ 巻き上げケーブル
１６０ ディッパー外しケーブル
１７５ 運搬トラック
１７６ 運搬トラックの荷台
１９０ エネルギー管理システム
２００ ポンプ駆動伝動装置
２０２ エンジン
２０４ モーター−発電機
２０８ パワー変換ユニット（ＰＣＵ）
２１０ 電気モーター又は電気機械
２１１ 工具
２１３ エネルギー貯蔵装置
２１４ 制動チョッパ
３００ コントローラ
３５０ 処理ユニット
３５５ コンピュータ可読メモリモジュール
３６５ 入力／出力インターフェース
３７０ 操作者インターフェース
３８０ 位置センサ

Claims (32)

1. 産業機械において、
   （１）前記産業機械によって遂行されていて複数の作業サイクルセグメントを含んでいる反復的作業サイクル内の再生式の作業サイクルセグメントの発現を検知するように、及び（２）前記産業機械に含まれている少なくとも１つのパワー源の作動を前記再生式の作業サイクルセグメントに亘って修正するように、構成されている少なくとも１つのコントローラ、を備えている産業機械。
2. 前記パワー源はエンジンを含んでいる、請求項１に記載の産業機械。
3. 前記少なくとも１つのコントローラは、前記少なくとも１つのパワー源の作動を、前記エンジンの速度を増加させることによって修正するように構成されている、請求項２に記載の産業機械。
4. 前記少なくとも１つのコントローラは、前記少なくとも１つのパワー源の作動を、前記エンジンの前記速度を減少させることによって修正するように構成されている、請求項２に記載の産業機械。
5. 前記少なくとも１つのコントローラは、前記少なくとも１つのパワー源の作動を、前記再生式の作業サイクルセグメントの開始に先立って修正するように構成されている、請求項１に記載の産業機械。
6. 前記少なくとも１つのコントローラは、再生式の作業サイクルセグメントの前記発現を、現在の作業サイクルセグメントを検知し、前記現在の作業サイクルセグメントが再生式の作業サイクルセグメントであるかどうかを識別することによって、検知するように構成されている、請求項１に記載の産業機械。
7. 前記少なくとも１つのコントローラは、再生式の作業サイクルセグメントの前記発現を、現在の作業サイクルセグメントを検知し、後続の作業サイクルセグメントを前記現在の作業サイクルセグメント及び前記反復的作業サイクルに基づいて予測し、前記後続の作業サイクルセグメントが再生式の作業サイクルセグメントであるかどうかを識別することによって、検知するように構成されている、請求項１に記載の産業機械。
8. 前記コントローラは、更に、双方向パワーバスを前記再生式の作業サイクルセグメントに亘って修正するように構成されている、請求項１に記載の産業機械。
9. 前記コントローラは、前記双方向パワーバスを、当該双方向パワーバスの電圧を小さくすることによって修正するように構成されている、請求項８に記載の産業機械。
10. 前記反復的作業サイクルを遂行するように操作者によって制御されるディッパーを更に備えている、請求項１に記載の産業機械。
11. 前記ディッパーの位置を検知するように構成されている少なくとも１つのセンサを更に備えている、請求項１０に記載の産業機械。
12. 前記少なくとも１つのセンサは、クラウドセンサ、揺動センサ、及び巻き上げセンサのうちの少なくとも１つを含んでいる、請求項１１に記載の産業機械。
13. 前記コントローラは、再生式の作業サイクルセグメントの前記発現を、前記少なくとも１つのセンサからの情報に基づいて検知するように構成されている、請求項１０に記載の産業機械。
14. 操作者からの少なくとも１つの運動コマンドを受信するように構成されている操作者インターフェースを更に備えている、請求項１０に記載の産業機械。
15. 前記少なくとも１つの運動コマンドは、操作者からの、クラウド制御、揺動制御、巻き上げ制御、及びドア制御のうちの少なくとも１つを含んでいる、請求項１４に記載の産業機械。
16. 前記コントローラは、再生式の作業サイクルセグメントの前記発現を、前記少なくとも１つの運動コマンドに基づいて検知するように構成されている、請求項１４に記載の産業機械。
17. 前記複数の作業サイクルセグメントは、掘削セグメント、揺動セグメント、投棄セグメント、及び戻りセグメントを含んでいる、請求項１１に記載の産業機械。
18. 産業機械を運転する方法において、
    コントローラによって、前記産業機械によって遂行される反復的作業サイクルであって複数の作業サイクルセグメントを含む反復的作業サイクル内の再生式の作業サイクルセグメントの発現を検知する段階と、
    前記コントローラによって、前記産業機械の作動を前記再生式の作業サイクルセグメントに亘って修正する段階と、を備えている方法。
19. 再生式の作業サイクルセグメントの発現を検知する段階は、現在の作業サイクルセグメントを検知する段階と、前記現在の作業サイクルセグメントが再生式の作業サイクルセグメントであるかどうかを識別する段階と、を含んでいる、請求項１８に記載の方法。
20. 再生式の作業サイクルセグメントの発現を検知する段階は、現在の作業サイクルセグメントを検知する段階と、後続の作業サイクルセグメントを前記現在の作業サイクルセグメント及び前記反復的作業サイクルに基づいて予測する段階と、前記後続の作業サイクルセグメントが再生式の作業サイクルセグメントであるかどうかを識別する段階と、を含んでいる、請求項１８に記載の方法。
21. 前記産業機械の作動を修正する段階は、当該産業機械の作動を、前記再生式の作業サイクルセグメントの開始に先立って修正する段階を含んでいる、請求項１８に記載の方法。
22. 前記産業機械の作動を修正する段階は、当該産業機械に含まれている少なくとも１つのエンジンの作動を修正する段階を含んでいる、請求項１８に記載の方法。
23. 前記少なくとも１つのエンジンの作動を修正する段階は、当該少なくとも１つのエンジンの速度を増加させる段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
24. 前記少なくとも１つのエンジンの作動を修正する段階は、当該少なくとも１つのエンジンの速度を減少させる段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
25. 前記産業機械の作動を修正する段階は、当該産業機械に含まれている少なくとも１つの双方向パワーバスの作動を修正する段階を含んでいる、請求項１８に記載の方法。
26. 前記少なくとも１つの双方向パワーバスの作動を修正する段階は、当該少なくとも１つの双方向パワーバスの電圧を下げる段階を含んでいる、請求項２５に記載の方法。
27. 前記再生式の作業サイクルセグメントの終了後に前記ショベルを非修正作動へ戻す段階を更に備えている、請求項１８に記載の方法。
28. エネルギー管理システムにおいて、
    双方向パワーバスと、
    前記双方向パワーバスからの電気パワーを受け取り、調整された電気エネルギーを生成するパワー変換ユニットと、
    前記パワー変換ユニットからの調整された電気エネルギーを受け取って少なくとも１つの工具を複数の作業サイクルセグメントを有する反復的作業サイクル内で操作するアクチュエータと、
    エンジンと、
    前記エンジンへ連結されていて当該エンジンによって駆動されているモーター−発電機であって、前記モーター／発電機は、電気エネルギーを生成し、前記電気パワーを前記双方向パワーバスへ供給する、モーター−発電機と、
    （１）前記複数の作業サイクルセグメントのうちの１つであってその間は再生パワーが生成されるセグメントの発現を検知するように、及び（２）前記エンジンと前記双方向パワーバスのうちの少なくとも一方の作動を前記複数の作業サイクルセグメントの前記１つに亘って前記再生パワーに基づいて修正するように、構成されているコントローラと、を備えているエネルギー管理システム。
29. 前記コントローラは、前記エンジンと前記双方向パワーバスのうちの少なくとも一方の作動を、前記エンジンの速度を増加させることによって修正するように構成されている、請求項２８に記載のエネルギー管理システム。
30. 前記コントローラは、前記エンジンと前記双方向パワーバスのうちの少なくとも一方の作動を、前記エンジンの速度を減少させることによって修正するように構成されている、請求項２８に記載のエネルギー管理システム。
31. 前記コントローラは、前記エンジンと前記双方向パワーバスのうちの少なくとも一方の作動を、前記少なくとも１つの双方向パワーバスの電圧を下げることによって修正するように構成されている、請求項２８に記載のエネルギー管理システム。
32. 前記モーター−発電機は、前記複数の作業サイクルセグメントのうちの前記１つの間中、前記エンジンを駆動する、請求項２８に記載のエネルギー管理システム。