JP2018508396A - ハイブリッドドライブトレイン - Google Patents

Abstract

本発明は、作業機器（６〜８）を駆動するためおよび作業機械を動かすための内燃機関（１）、電気機械（２）および液圧機器（３、４、５、９）を備えた、特に作業機械のためのパラレルハイブリッドドライブトレインに関する。効率を高めるために、内燃機関の回転数が低下させられる、すなわち負荷点が移動させられる。高められた出力要求は運転者入力を経て認識され、目標回転数を供給する。電気的な機械は目標回転数への内燃機関の加速を補助する。

Description

本発明は、内燃機関と電気機械を備えた車両、特に移動式作業機械のハイブリッドドライブトレインに関する。

このようなハイブリッドドライブトレインはＡＴＺ ７−８／２００２、第６６４〜６７４頁によって知られている。その際、電気機械は内燃機関と液圧ポンプに連結されている。

建設土木機械は通常はその作業位相において、いかなるときでも高ダイナミック負荷ピーク時に最大システム出力を供することができるようにするために、内燃機関の高い一定定格回転数で運転される。さらに、大抵の場合モータ制御装置でＰグレードが生じる。このＰグレードは、内燃機関の最大負荷に達しないや否や、作業回転数をさらに上昇させる。負荷が内燃機関の最大負荷よりも高く、それによって内燃機関が抑圧されるかまたはエンストしそうになると、一般的には限界負荷制御が介入する。この限界負荷制御は、建設土木機械の果たすべき作業を犠牲にして、定格回転数を一定に保持できる程度に内燃機関の負荷を低減する。

すなわち、作業位相全体にわたって、高い定格回転数が生じる。しかし、この高い定格回転数は実際は負荷ピークの際にのみ必要である。残りの範囲では、ちょうど必要な出力を供するために、内燃機関のより低い定格回転数で十分である。定格回転数の低下は内燃機関の燃料消費、ひいては二酸化炭素エミッションの低減（温室効果の縮小、より小さな環境負荷）に大きな影響を及ぼす。

定格回転数を常にちょうど必要な回転数に保ち、非常にダイナミックに要求され得る負荷位相の場合にのみ必要な程度だけ上昇すると、持続的に高い定格回転数の場合のように、同じ程度の要求出力が供され得るほどダイナミックに定格回転数を高めることは内燃機関単独ではしばしば達成されない。

すなわち、この場合に内燃機関がより高い新たな定格回転数への加速を試みる間、内燃機関の実際に生じる負荷は加速を妨害し、回転数を上昇させる代わりに低下させることになる。なぜなら、内燃機関が必要なトルクを十分に迅速に発生することができないからである。

課題は、低い回転数から高い回転数への内燃機関の加速相の間、ドライブトレイン全体のトルクを高める方法を開発することである。この方法によって、ダイナミックな負荷ピークの際の損害をこうむることなく、建設土木機械における定格回転数を作業相の間ダイナミックに制御することができる。そのために、非常にダイナミックな負荷要求の場合にもシステムは低い定格回転数から高い定格回転数へ高ダイナミックに加速できなければならない。それによって、建設土木機械において定格回転数を広い範囲にわたって、できるだけ低くかつ燃料消費に関して効率的な回転数に保つことができる。

本発明の根底をなす課題は、車両のハイブリッドドライブトレインを改良することである。

課題は請求項１記載の方法によってあるいは請求項３記載の装置によって解決される。

これは特に、ドライブトレインが液圧式作業機械を備えていることによって達成される。

本発明では、次の効果が得られる。
− 内燃機関の平均負荷率の拡大による燃料節約、低い回転数でのより大きなトルク
− ドライブのダイナミック特性の改善。

図示した実施形は、統合されたスタータおよびジェネレータとしての電気機械を使用する、内燃機関のトルク補助は、高いトルクが短時間（＜１秒）供されるように行われる。

構成要素の配置
内燃機関と液圧式ドライブユニットからなる、移動式作業機械の慣用のドライブトレインは、空間的にフライホイールの代わりに平行に配置された電気機械だけ拡張される。電気機械は電気的エネルギー蓄積器からパワーエレクトロニクスを経て給電され、四象限すべてにおいて運転可能である。

ディーゼル−電気−ハイブリッドは所定の配置で回転数制御されて運転される。すなわち、運転者の希望は目標回転数として解釈される。この運転方式は特に移動式作業機械の分野において実証されている。その際、ディーゼル−電気−ハイブリッドは、負荷が変化する場合にも、ディーゼル−電気−ハイブリッドによって発生したトルクを適切に適合させることにより、できるだけ機器操作人に所望される回転数に調節する。負荷は作業液圧装置、ドライブ負荷および他の被駆動部によって生じる。

内燃機関（ＶＫＭ）の始動は慣用のドライブに対して、別個のスタータモータを介してではなく、電気機械を介して直接的に行われる。公知のドライブトレインとは異なり、内燃機関は、約２００ミリ秒の範囲内または２００ミリ秒以下の非常に短い時間内に騒動させることが可能である。これにより、内燃機関は自動的な始動／停止運転で運転可能である。

始動／停止運転により、内燃機関は実際に必要とされるときにのみ運転される。内燃機関が所定の時間の間低いアイドリング回転をしていると、内燃機関はシステムの希望に基づいて停止させられる。

機器操作人が操作要素を操作するや否や、内燃機関が直ちに再始動するので、操作人はほとんど遅れを感じない。操作要素は例えばアクセルペダル、操作装置、作業用液圧装置またはジョイスティックである。

この機能は、不必要なアイドリング回転時間を回避することにより燃料を節約することになる。

ドライブ全体のトルクを高めるために、電気機械は適切な運転点において動力で運転される。

機器操作人が希望する回転数を維持するために必須である必要なトルクは、制御アルゴリズムによって演算され、パワーエレクトロニクスによって変換される。その際、システムは、例えばエネルギー蓄積器のチャージ状態、個々の構成要素の温度等のような、システム内の重要なすべての状態を考慮する。

定格回転数は全負荷時の内燃機関の所望される回転数である。

作業回転数はＰグレードを考慮した実際に調節された回転数である。作業相は建設土木機械によって作業させられる相、すなわち内燃機関が負荷される相である。建設土木機械によって作業をしない相では、定格回転数はほとんど低いアイドリング回転にセットされる。

ダイナミックな回転数低下のこの機能は、低下した回転数での内燃機関の使用を可能にする。操作人によって要求される出力は同じ出ある。回転数が低下させられ、その代わりに内燃機関のトルクが上昇する。
出力＝トルク×回転数

短時間発生するピーク出力を動力運転の電気機械の補助によってカバーすることができるので、必要な／希望されるピーク出力に合わせて内燃機関をもはや設計する必要はない。この場合、高い定格回転数で（例えば２０００回／分）要求されるピーク出力はできるだけ内燃機関によって提供しなければならない。これに、加速相の間に発生する付加的な出力ピークだけが加わる。

この正確な出力は一般的に内燃機関によって迅速かつ十分に提供することができない。なぜなら、回転数が低すぎ、そして内燃機関だけによってトルクを迅速かつ十分に調達することができないからである。

出力ピークをカバーする際のブーストのほかに、電気機械の動力運転を、ドライブトレインのダイナミクスの上昇のために利用することができる。

特に、内燃機関の噴射量が屋根形曲線の下方で過給圧力に依存するチャージ制限によって制限されるときに、この制限が十分な過給圧によってもはや必要でなくなるまで、ダイナミクスを上昇させるために電気機械のモータ出力が維持される。

電気的エネルギー蓄積器のチャージは、運転中の電気機械のジェネレータトルクの発生によって行われる。その際、発生したトルクはエネルギー蓄積器のチャージ状態、内燃機関の負荷率およびいろいろなシステム条件に依存する。トルクはコントローラの操作量と
してまたは制御して提供可能である。

回収とは一般的に、機械的な制動エネルギーを電気エネルギーに回生することであると理解される。

慣用の移動式作業機械の場合、制動エネルギーのほとんど全部が高回転数での内燃機関の引きずり運転によっておよび液圧負荷の適切な切換えによって得られる。

ハイブリッドドライブのこの構成の場合、制動エネルギーは電気機械への制動トルクの切換えによって得られる。これにより、一方では高いエンジン回転数が回避され、他方では制動エネルギーが電気機械とパワーエレクトロニクスを経て電気的なエネルギー蓄積器に供給される。

本発明に係る構成要素である内燃機関（ディーゼルエンジン）、整流器を備えた電気機械、電気的エネルギー蓄積器および液圧式走行駆動装置と作業駆動装置からなる移動式作業機械のハイブリッドドライブトレインの場合、ＣＯ_２エミッションと燃料消費を低減するために特に負荷点移動の機能が使用される。

この機能により、内燃機関の動作点をその都度最適な燃料消費の範囲内に移動させるために、内燃機関の特性曲線内のその都度の動作点（回転数の関数としてのトルク）が一定の出力の曲線（出力双曲線）に沿って移動させられる。

負荷点移動の際、ハイブリッド制御装置は、特にパラメータである内燃機関の実際のトルク、電気機械の実際のトルク、エネルギー蓄積器のチャージ状態および内燃機関と電気機械の実際の回転数に依存して、ハイブリッド制御装置にインストールされた運転方策によって、最適な目標回転数を求め、そして目標値として後続配置の回転数コントローラに伝送する。

この場合、最適な目標回転数はＨＭＩ（ヒューマンマシンインターフェース）からの情報に基づいて求められる。その際、例えばエネルギー蓄積器のチャージ状態は重要ではない。

内燃機関の回転数コントローラは依然としてエンジン制御装置内にある。回転数設定値、すなわち目標回転数はハイブリッド制御装置で求められる。

内燃機関は回転数を制御される。電気機械はトルクを制御される。目標トルクは回転数差（図５の位置

参照）から演算される。

ハイブリッドドライブと共に負荷点移動機能を使用する場合、移動式作業機械の慣用のドライブトレインと比べて、次の利点が生じる。

− 慣用のドライブの場合、走行駆動装置または作業駆動装置の非常にダイナミックな負荷変動に基づいて、内燃機関の運転の際に、負荷変動に適切に対応できるようにするために、高い出力リザーブが保たれている。特に過給式内燃機関の場合、過給圧上昇の時間を低減するために、この出力リザーブは必要である。ハイブリッドドライブトレインの場合、内燃機関のこの出力リザーブを大幅に低減することができる。ダイナミックな負荷変動の際、内燃機関が単独で要求出力を調達することができる動作点に位置するまで、電気機械のモータ出力が調達される。特に電気機械のトルクを急速に調節できることにより、この方策が促進される。

− 慣用の駆動装置の場合、低い回転数、ひいては高いトルクの方への負荷点移動は最大で、内燃機関が最大トルクを調達する内燃機関の回転数まで可能である。これは、最大トルクの回転数より低い回転数の場合、負荷変動が迅速に内燃機関のエンストをもたらすことになり得るかまたはもたらすことに基づいている。ハイブリッドドライブトレインの場合ここでも、内燃機関が単独で出力を調達することができる動作点に内燃機関を移動させるために、電気機械のモータ出力が利用される。

図に基づく説明から本発明の他の有利な実施形を読み取ることができる。図に基づく説明では、図示に示した本発明の実施の形態が説明されている。

個々の構成要素の配置と共同作用を概略的に示す。 特別な消費部に作用する負荷点移動の機能を特性曲線で示す（貝形グラフ）。 機能「負荷点移動」を特性曲線で示す。 例えば電気的な電気機械とエネルギー蓄積器を備えた建設土木機械のマイルドハイブリッドシステムのシステム位相幾何を示す。 ダイナミックに回転数を低下する内燃機関の目標回転数と電気機械の目標トルクを求めるための原理を示す概略図である。

特に自己点火式燃焼機関（ディーゼルエンジン）である内燃機関１は、電気機械２に直接連結されている。この電気機械は内燃機関１のフライホイールの代わりにクランク軸に連結されている。その際、この電気機械２のステータはクランクケースに連結され、ロータはクランク軸に連結されている。ロータはさらに、歯車ポンプ３に、そしてさらにアキシャルピストンポンプ４に連結されている。歯車ポンプ３の出力部は比例弁５を介して（例えば）作動シリンダ６、持上げシリンダ７および操舵シリンダ８に接続されている。歯車ポンプ３とアキシャルピストンポンプ４は液圧式作業機械である。

電気機械２は四象限整流器１２を介して電気的なエネルギー蓄積器１３に接続されている。さらに、ハイブリッド制御装置２１が設けられている。このハイブリッド制御装置によって、構成要素、特にドライブトレインと蓄積器トレインのすべての単一制御装置を組み合わせることができる。

図２は、内燃機関の典型的な特性曲線（回転数の関数としてのトルク）を示す。この特性曲線には、内燃機関によって得られる最大トルクＭｄ_ｍａｘが屋根形曲線として記入されている。この屋根形曲線の下方において、一定の（燃料）消費率の線が貝形曲線として示してある。この場合、ｂｅ_ｍｉｎ線から出発して、他の線が段階的に増大する消費を表している。最後に、内燃機関の一定出力Ｐ_{ｋｏｎｓｔ}の曲線（出力双曲線）が記入されている。基本的には、点Ｐ１において一定出力Ｐ_{ｋｏｎｓｔ}で運転される内燃機関は、点Ｐ２において同じ一定出力Ｐ_{ｋｏｎｓｔ}で運転される。この場合しかし、点Ｐ２はｂｅ_ｍｉｎ領域内にある。この調節により、同じ出力の場合に内燃機関の消費低減が達成される。

しかし、慣用のこのようなドライブトレインの場合には、このような調節の際に、図３に示すように、これが常に、達成可能な最大トルクの屋根形曲線に対する近接を伴うという問題がある。図３に示すように、調節の際に出力点Ｐ２で屋根形曲線に近接すると、内燃機関は小さな負荷変動の際に既に出力リザーブをもはや有しておらず、内燃機関は点４で示すようにエンストする。電気機械で補助されないダイナミックな回転数低下が生じる。本発明に係る構成により、電気機械によって調達することができる出力が付加的に供される。すなわち、換言すると、負荷変動時に内燃機関のエンストを恐れることなく、消費を低減するためにＭｄ_ｍａｘ曲線の方まで出力調節を迷わずに行うことができる。なぜなら、この場合のために、電気機械の付加的な出力が供されるからである。

Ｐ１−Ｐ２は、負荷（出力）が変動のないままであるときのダイナミックな回転数低下に相当する。

ジョイスティック（２０）のダイナミックな振れ（ＨＭＩ信号）によって、消費部のための負荷がダイナミックに高められる。

Ｐ２−Ｐ３は、ダイナミックな回転数低下と電気機械（２）の補助を行う経過に相当する。

Ｐ２−Ｐ４は、ダイナミックな回転数低下を行うがしかし電気機械（２）の補助をしない経過に相当する。

Ｐ１−Ｐ２は、ダイナミックな回転数低下を行わない負荷の急激な変化の際の経過に相当する。

図４は図５と組み合わさって、作動相の間ダイナミックな負荷ピークにかかわらず、建設土木機械の内燃機関の定格回転数をどのようにして高ダイナミックに速くすることができるかを示している。そのために、内燃機関はマイルドハイブリッドシステムに拡張される。この拡張はエネルギー蓄積器１３と電気機械２からなっている。この電気機械はクランク軸とＰＴＯ（動力取り出し部）に直接接続可能である。その際、電気機械２は付属のエネルギー蓄積器１３と共に、電気的におよび液圧的に形成可能である。

電気機械２はエネルギーの放出または受け入れの際に内燃機関１と比較して高ダイナミックに作動する。内燃機関１はその作動相の間できるだけ低い回転数で作動する。内燃機関１のより高い回転数を必要とする負荷要求の際、内燃機関１は加速過程の間、例えば電気機械２のモータ運転中に、電気機械２のより高い目標回転数まで平行に高ダイナミックに補助される。そのために必要な電気機械２のエネルギーはエネルギー蓄積器１３から来る。小さな負荷要求の相では、電気機械２によってエネルギー蓄積器１３が再びチャージされる。これは例えば電気機械２のジェネレータ運転によって行われる。その際、加速相において内燃機関１を電気機械２によってきわめて迅速に補助することができるようにするために、負荷要求をできるだけ早く認識しなければならない。これは、例えば機械の運転者によって操作されるジョイスティック２０のようなＨＭＩインターフェース２０の信号の評価によって迅速に行われる。

検出された負荷要求によって、内燃機関１の必要な回転数−定格回転数−が求められる。この回転数は内燃機関２２の制御装置を介して生じる。内燃機関１が新しい定格回転数への加速を既に自発的に試みている間は、内燃機関は電気機械２によって高ダイナミックなトルク上昇によって補助される。電気機械２の目標トルクは定格回転数と実際回転数の差から求められる。

内燃機関１の定格回転数の決定はＨＭＩインターフェース２０の評価によって行われ、建設土木機械の内燃機関１のダイナミックな回転数低下の有効利用が電気機械２によって行われる。マイルドハイブリッドドライブの電気機械２は、所望なより高い定格回転数への加速相の間、内燃機関１を高ダイナミックに補助する。電気機械２はクランク軸またはＰＴＯに直接接続されている。

電気機械２のエネルギー蓄積器１３は電気的におよび液圧的に形成可能である。そのために、バッテリおよび／またはコンデンサおよび／または液体蓄圧器が使用される。

方法と装置は原理的には、ダイナミックな負荷要求の際の出力リザーブの保持に基づいて、作動相の間高い回転数で一時的に運転される建設土木機械のすべてに適している。特殊な用途は例えば産業ショベルで行われる。

ＨＭＩ信号はキャンバス（ＣＡＮ−ＢＵＳ）を経てハイブリッド制御装置によって受信される。伝送速度は約１０ｍ_ｓｅｃまたはそれ以下の範囲にある。

ＨＭＩ信号は例えば左側から右側へのジョイスティック２０の振れを示し、そしてＣＡＮを経て、−１００％から＋１００％までの値範囲を有する信号として伝送される。

内燃機関の負荷を高めることになるすべてのＨＭＩ信号がハイブリッド制御装置によって読み取られる。

すべてのＨＭＩ信号はハイブリッド制御装置２１によって評価され、それから内燃機関１のための目標回転数が演算される。評価は特性曲線と各ＨＭＩ信号のための重みづけ係数を介して行われる。

ＨＭＩ信号の急速な変化の際、図５の目標回転数

の急速な変化が生じる。

それによって、先ず内燃機関１の目標回転数と実際回転数の間の図５の大きな差

が生じる。なぜなら、内燃機関１が
ａ）類似の小さな固有ダイナミクスに基づいて目標回転数に迅速に十分に追従できないからであり、
ｂ）ＨＭＩ信号の急速な変化は内燃機関１の急速な負荷上昇を意味し、この負荷上昇は目標回転数への実際回転数の急速な適合を妨害する。

回転数差は、電気機械２の目標トルクを演算するために使用される−図５の

。

目標回転数実際回転数が急速に非常に大きくなると、電気機械２の目標トルクも急速に大きくなる。実際回転数が目標回転数よりも大きい場合には、電気機械２からトルクが代償として要求されない。

１ 内燃機関
２ 電気機械
３ 歯車ポンプ
４ アキシャルピストンポンプ
５ 比例弁
６ 作動シリンダ
７ 持上げシリンダ
８ 操舵シリンダ
９ アキシャルピストンモータ
１０ 伝動装置段
１１ 駆動輪
１２ 四象限整流器
１３ エネルギー蓄積器
２０ ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）−インターフェース、ジョイスティック
２１ ハイブリッド制御装置（ＥＣＵ）
２２ 内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）

Claims (10)

1. 特に電気機械によって、特に建設土木機械の内燃機関の回転数をダイナミックに低下させるための方法であって、
   前記内燃機関の定格回転数を求めるステップと、
   前記電気機械によって、特に建設土木機械の内燃機関のダイナミックな回転数低下を有効利用するステップとを含む方法。その際、前記電気機械が、低い回転数から高い回転数への前記内燃機関の加速相を補助するために必要となる。
2. 前記定格回転数を求めることが特にＨＭＩインターフェース２０の評価によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 特に請求項１または２に記載の方法を適用するための車両のハイブリッドドライブトレインにおいて、内燃機関（１）と電気機械（２）を備えた移動式作業機械が使用されおよび／またはドライブトレインがさらに液圧式作業機械を備えていることを特徴とする、ハイブリッドドライブトレイン。
4. 前記作業機械がアキシャルピストンポンプ（４）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッドドライブトレイン。前記作業機械は前記内燃機関１または前記電気機械（２）の出力を要求する前記アキシャルピストンポンプ（４）を有する。
5. 液圧モータ、特にアキシャルピストンモータ（９）が前記作業機械に接続されていることを特徴とする請求項３または４に記載のハイブリッドドライブトレイン。
6. 少なくとも１個の液圧式制御要素、特に作動シリンダ（６）、持上げシリンダ（７）および／または操舵シリンダ（８）が、特に１個または複数の比例弁（５）を介して制御されて前記作業機械に接続されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載のハイブリッドドライブトレイン。
7. 前記ドライブトレインが回転数で制御されて運転されることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載のハイブリッドドライブトレイン。
8. 前記ハイブリッドドライブトレインが、前記内燃機関（１）で負荷点移動を調節できるような形で制御可能であることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項または複数項に記載のハイブリッドドライブトレイン。
9. 負荷点移動が前記内燃機関（１）の最大トルクの達成範囲内で行われることと、前記電気機械（２）がモータで運転されることを特徴とする請求項３〜８のいずれか一項または複数項に記載のハイブリッドドライブトレイン。
10. 前記電気機械（２）がマイルドハイブリッドドライブであることを特徴とする請求項３〜９のいずれか一項または複数項に記載のハイブリッドドライブトレイン。

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