JP2016052165A - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄電装置の劣化度合いを正確に把握し、これを反映した的確な充電制御を行う。
【解決手段】ハイブリッド建設機械において、バッテリを構成する各セルの電圧をバッテリ電圧として検出し、このバッテリ電圧について予め設定された使用上限電圧と上記検出された電圧との差である差電圧を算出し、この差電圧についての算出値と記憶値を低位選択して新たに記憶し、使用可能な充電率の上限値として予め設定された使用上限充電率を、上記低位選択された差電圧に応じて、差電圧が小さくなるほど下げる方向に補正し、上記補正後の使用上限充電率に基づいてバッテリの充電を制御するように構成した。
【選択図】図６

Description

本発明はハイブリッドショベルのようにエンジン動力と蓄電装置の電力によって動く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８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蓄電装置に充電し、適時、この蓄電装置の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。
このハイブリッドショベルにおいては、蓄電装置保護の観点から、旋回動作等によって発生する回生エネルギーであって想定される最大値(最大回生エネルギー)を吸収しても蓄電装置の「使用上限電圧」を超えることがない充電率である「使用上限充電率」を予め設定し、蓄電装置の充電率がこの使用上限充電率以下に収まるように充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)。
なお、この明細書において「蓄電装置」とは、リチウムイオン電池等の二次電池(所謂「バッテリ」と、キャパシタ(電気二重層コンデンサ)の双方を含むが、説明の便宜上、本発明の実施形態を含めて、以下、「バッテリ」という。
また、上記「使用上限電圧」とは、これを超えるとバッテリ異常として機械が停止するバッテリ電圧、つまり、実用上のバッテリ電圧の上限値をいう。
ここで、バッテリは、経時劣化を含めて使用に伴い劣化して内部抵抗が増加し、バッテリ電圧が上昇するため、過電圧が発生するおそれがある。
一方、内部抵抗の増加等として現れるバッテリの劣化を直接検出することは技術的に困難である。
この点の対策として、特許文献１に記載された公知技術では、予め将来の劣化を見越して、使用上限充電率を、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、新品では使用上限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、長期使用品では使用上限充電率が過大となって過電圧が発生する可能性があった。
一方、特許文献２には、機械の累積稼働時間やバッテリ電圧が劣化の進行度合いの指標となるとの考えから、これらを検出し、予め設定した補正値マップに基づいて使用上限充電率を補正する技術が開示されている。
特開２０１０−４１８２８号公報 特開２０１３−１１９７６１号公報
しかし、累積稼働時間やバッテリ電圧は、あくまでも劣化の指標、つまりおおまかな見当を付ける目印であって、必ずしも劣化の度合いを直接的に表すものではない。
また、バッテリ劣化の進み具合は一定ではなく、使用環境(たとえば温度環境)や使用頻度等によっても異なる。
このため、特許文献２記載の公知技術によると、バッテリの劣化度合いを正確に把握できず、劣化度合いを反映した的確な充電制御ができないという課題があった。
そこで本発明は、蓄電装置の劣化度合いを正確に把握し、これを反映した的確な充電制御を行う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が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蓄電装置が充電され、この蓄電装置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、上記蓄電装置の充放電を制御する制御手段を備え、この制御手段は、
(ｉ) 上記蓄電装置の電圧を検出し、
(ｉｉ) 上記蓄電装置の電圧について使用可能な上限値として予め設定された使用上限電圧と、上記検出された電圧との差である差電圧を算出し、
(ｉｉｉ) 上記差電圧についての算出値と記憶値を低位選択して新たに記憶し、
(ｉｖ) 上記蓄電装置について使用可能な充電率の上限値として予め設定された使用上限充電率を、上記低位選択された差電圧に応じて、差電圧が小さくなるほど下げる方向に補正し、
(ｖ) 上記補正後の使用上限充電率に基づいて上記蓄電装置に対する充電を制御する
ように構成したものである。
ここで、蓄電装置の使用上限電圧と検出値の差は、蓄電装置の劣化の度合いを表し、この差電圧の算出値と記憶値の低位選択を行うことで、蓄電装置の劣化の進み具合を正確に把握することができる。
そして、この低位選択値(新たな記憶値)、つまり最新の劣化情報に基づいて使用上限充電率を補正することにより、劣化の進行度合いを正確に反映した的確な充電制御を行うことが可能となる。
すなわち、蓄電装置が過電圧(使用不能)となること、及びこれによって機械の異常停止に至るおそれがなくなる。
この場合、蓄電装置は、通常、セル群の集合体として構成される。
そして、各セルの劣化(とくに内部抵抗劣化)にはばらつきがあり、一部のセルに劣化による過電圧が発生すると電圧異常で機械が停止し、蓄電装置全体として使い物にならなくなる。
そこで、上記制御手段は、上記蓄電装置を構成するセルごとに検出される電圧のうちの最大値を選択して上記検出値とし、この検出値と、上記セルの電圧について使用可能な上限値として予め設定された使用上限電圧の差である差電圧を算出するように構成するのが望ましい(請求項２)。
このようにセル単位で電圧を監視し、セル電圧の最大値と記憶値の低位選択、差電圧の算出を行うことにより、セル間の劣化のばらつきを考慮したより的確な充電制御が可能となる。
本発明によると、蓄電装置の劣化度合いを正確に把握し、これを反映した的確な充電制御を行うことができる。
本発明の実施形態のシステム構成図である。 バッテリ新品時の充電率使用範囲、充電上限値、放電上限値を示す図である。 実施形態における差電圧と補正値の関係を示すマップである。 実施形態によるバッテリ劣化後の補正による充電率使用範囲、充電上限値、放電上限値を示す図である。 図３のマップを用いて使用上限充電率を補正した後の回生時の電圧の挙動を示す図である。 実施形態の通常処理の内容を説明するためのフローチャートである。 実施形態のキーオフ時のシャットオフ処理の内容を説明するための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ショベルの概略側面図である。
実施形態はハイブリッドショベルを適用対象としている。
図１は実施形態に係るハイブリッド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(図の簡素化のため一つのみを示す)が接続され、油圧ポンプ９からの圧油によって図示しない油圧アクチュエータが駆動される。
発電電動機８には、蓄電装置(バッテリ)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、機械稼動中、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。
また、旋回駆動源としての旋回電動機１４が設けられ、バッテリ電力によりこの旋回電動機１４が駆動されて図８中の上部旋回体２が旋回作動するとともに、旋回減速時に同電動機１４に発生する回生電力によってバッテリ１１が充電される。
この旋回電動機１４は、旋回電動機制御器１５を介してバッテリ１１に接続され、図示しない旋回操作レバーの操作に応じたコントローラ１３らのトルク指令に基づいて運転が制御される。
一方、バッテリ１１の電圧(セルごとの電圧)と充電率(ＳＯＣ)を検出するバッテリ監視装置１６が設けられ、検出された電圧Ｖｍと充電率がコントローラ１３に送られる。
そして、コントローラ１３において、バッテリ１１の劣化の進み度合いに応じて使用上限充電率が補正され、この補正された使用上限充電率に基づいた充電制御が行われる。
この点を詳述する。
図２は、新品(劣化前)のバッテリ１１について使用可能な充電率の範囲として予め設定された充電率使用範囲(使用下限充電率と使用上限充電率の間の範囲)を示し、この充電率使用範囲を超えないように充電上限値及び放電上限値が決定され、この両上限値に基づいて充放電制御が行われる。
そして、使用に伴ってバッテリ１１が劣化し、このバッテリ劣化による内部抵抗の増加がバッテリ電圧(セル電圧)の増加として現れる。
すると、使用可能なバッテリ電圧の上限値(使用上限電圧)Ｖｕと、検出されたバッテリ電圧Ｖｍの差(差電圧ΔＶ＝Ｖｕ−Ｖｍ)が劣化の進行に連れて小さくなり、これに伴い、充電によって過電圧が発生する可能性が高くなる。
そこで実施形態においては、コントローラ１３において次の処理を行う。
Ｉ. 差電圧ΔＶについての算出値と、記憶値(それまで算出値の低位選択による値)のうち低い方を低位選択して新たに記憶する。
ＩＩ. 予め設定された、図３に示す差電圧／補正値のマップから、低位選択された差電圧ΔＶに応じた補正値を求める。
ＩＩＩ. 図４に示すように、使用上限充電率を、差電圧ΔＶが小さくなるほど下げる方向に補正し、設定する。
ＩＶ. この補正後の使用上限充電率を超えないようにバッテリ１１の充電上限値を決定する。
この制御の結果を図５に示す。
図５は回生時のバッテリ電圧の挙動を示す。同図中、実線で示す「初期使用上限充電率の場合」とは、図２に対応する、補正を加えていない新品時の電圧挙動をいう。
そして、一点鎖線で示す「補正後の使用上限充電率の場合」とは、図４に対応する、バッテリ劣化に応じた補正を加えた後の電圧挙動を示す。
図示のように、バッテリ劣化が進んだ後でも、補正を加えることにより、回生時に電圧を使用上限電圧Ｖｕ以下に抑えて、過電圧に至ることを防止することが可能となる。
上記作用をフローチャートによってまとめて説明する。
図６は通常処理のルーチン、図７はキーオフ時のシャットオフ処理のルーチンをそれぞれ示す。
通常処理として、図６のステップＳ１でバッテリ電圧(セル電圧)の検出、ステップＳ２で検出されたセル電圧の最大値の選択、ステップＳ３で差電圧ΔＶの算出がそれぞれ行われる。
続くステップＳ４では差電圧ΔＶの算出値と記憶値が低位選択され、ステップＳ５で、低位選択された差電圧ΔＶに対応する使用上限充電率の補正値が算出された後、ステップＳ６で補正後の使用上限充電率の設定、ステップＳ７で補正後の使用上限充電率に基づく充電上限値の決定がそれぞれ行われて処理が終了する。
一方、シャットオフ処理として、図７に示すようにキーオフ時に、最後に低位選択された差電圧ΔＶを記憶する。
このように、差電圧ΔＶについての算出値と記憶値の低位選択を行い、この低位選択値、つまり最新の劣化情報に基づいて使用上限充電率を補正するため、劣化の進行度合いを正確に反映した的確な充電制御を行うことが可能となる。
すなわち、バッテリ１１が過電圧(使用不能)となること、及びこれによって機械の異常停止に至るおそれがなくなる。
この場合、バッテリ１１を構成するセル単位で電圧を監視し、セル電圧の最大値と記憶値の低位選択、差電圧ΔＶの算出を行うため、セル間の劣化のばらつきを考慮したより的確な充電制御が可能となる。
ところで、本発明はハイブリッドショベルに限らず、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
１０ 油圧アクチュエータ回路
１１ バッテリ(蓄電装置)
１２ 発電電動機制御器
１３ 制御手段としてのコントローラ
１６ バッテリ監視装置

Claims (2)

  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が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蓄電装置が充電され、この蓄電装置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、上記蓄電装置の充放電を制御する制御手段を備え、この制御手段は、
    (ｉ) 上記蓄電装置の電圧を検出し、
    (ｉｉ) 上記蓄電装置の電圧について使用可能な上限値として予め設定された使用上限電圧と、上記検出された電圧との差である差電圧を算出し、
    (ｉｉｉ) 上記差電圧についての算出値と記憶値を低位選択して新たに記憶し、
    (ｉｖ) 上記蓄電装置について使用可能な充電率の上限値として予め設定された使用上限充電率を、上記低位選択された差電圧に応じて、差電圧が小さくなるほど下げる方向に補正し、
    (ｖ) 上記補正後の使用上限充電率に基づいて上記蓄電装置に対する充電を制御する
    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、上記蓄電装置を構成するセルごとに検出される電圧のうちの最大値を選択して上記検出値とし、この検出値と、上記セルの電圧について使用可能な上限値として予め設定された使用上限電圧の差である差電圧を算出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。
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