JP4199148B2 - ハイブリッドシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから少なくとも機械的駆動力と電力を取り出すハイブリッドシステムに関し、特に、このハイブリッドシステムにおける蓄電部に関する。

近年、自動車などにおいては、エンジンを駆動源とする発電機と、この発電機による発電電力を蓄電する蓄電装置としてのバッテリ（二次電池）と、このバッテリから供給される電力が用いられて駆動するモータ（電動機）とを備え、発電機によるバッテリの蓄電と、モータによるエンジンのトルクアシストとを行うことで、省エネルギー化を図りつつ、エンジンを有効に使用することによって効率的な運転を可能とする、いわゆるハイブリッドシステムが採用されており、このような技術が今後の主流となりつつある。

そして、建設機械や農業機械においても同様に、ハイブリッドシステムを採用することにより、それぞれにおいて特有な効果を得ようとする技術も公知となっている。例えば、特許文献１に開示されている技術は、ハイブリッドシステムを建設機械に採用したものである。該文献に示されているハイブリッドシステムは、エンジンの駆動をアシストするモータとしての機能と、エンジンを駆動源として発電する発電機としての機能とを兼ね備えた、いわゆるモータジェネレータを備えている。そして、作業負荷が小さい場合には、エンジン出力の余裕分でモータジェネレータを発電機として機能させ、この発電電力をバッテリに蓄え、逆に、作業負荷が大きい場合には、バッテリに蓄えた電力によってモータジェネレータを駆動してモータとして機能させることによってエンジンをアシストし、省エネルギー化とエンジンにかかる負荷の平準化を可能としている。また、作業時などに各部で発生する慣性エネルギーや位置エネルギーを電気エネルギーに変換して回生することで、エンジンの平均必要馬力を低くし、採用するエンジンの小型化を図っている。

特開２００２−２７５９４５号公報

ところで、前述したような建設機械などの作業機においては、作業の内容によっては、エンジンにかかる負荷が急に大きくなってエンジンが急激に重負荷状態となったり、また、エンジンにかかる負荷が急に解除されてエンジンが急激に低負荷状態となったり等のような、急激な作業負荷の変動（負荷変動）が生じることがある。こうした急激な負荷変動に対しても、前述したようなハイブリッドシステムにおいては、作業負荷が小さいときには発電機を作動させて発電を行い、また、作業負荷が大きいときにはモータを作動させてエンジンのアシストが行われる。つまり、急激な低負荷に対する発電機の回生によるバッテリの瞬時の充電、及び急激な高負荷に対するモータ駆動のため電力を供給する際のバッテリの瞬時の放電が行われる。しかし、このような急激な負荷変動に対するバッテリの瞬時の充放電に関しては、次のような不具合が生じる。

すなわち、例えば、急激にエンジンに対して高い負荷がかかった場合、この負荷に応じてモータを駆動させるため、バッテリからモータへは大電流を瞬時に供給する必要があり、バッテリでは瞬時の放電を行う必要がある。しかし、バッテリはこのような瞬時の大電流の放電を行う際、その出力の限界に達するとバッテリ電圧の降下（電圧ドロップ）を引き起こす。そして、このような現象は、容量が小さいバッテリにおいて特に生じやすく、システム上の誤作動、延いてはシステムの停止を引き起こす原因となる。

そこで、このような電圧ドロップの対策として、バッテリの容量を大きくする方法があり、これにより、電圧ドロップは低減され得る。しかし、同種のバッテリの場合、その容量と重量とはほぼ比例関係にあるため、バッテリの容量を大きくすることは重量の増加を招くこととなる。また、このことは、バッテリの設置スペースの増加やコストの増加という問題にもつながる。

また、エンジンには、作業などを行った際にかかる作業負荷以外に、短い時間の微細な負荷がかかるが、このような負荷がかかった場合、負荷がかかった瞬間と負荷が解除された瞬間に、負荷の慣性力によって機関回転数に負荷変動が生じる。そして、この負荷変動に起因し、エンジンには短い時間での微細な脈動（機関回転変動）が生じる。このような機関回転変動に対して前述したような負荷の平準化を行おうとすると、バッテリでは瞬時の充電に十分対応しきれない場合がある。すなわち、バッテリの特性として、瞬時のモータへの給電によるバッテリの放電は、比較的瞬時に行え対応することができるが、瞬時に行われる発電機からの発電電力の充電に対しては十分な応答性を有しておらず、給電した電気と同量の電気を蓄電しようとすると、放電時間よりも充電時間の方が長くなり、次第にバッテリとしての充放電にともなう電力量の収支が合わなくなっていくことがある。つまり、バッテリの有する充放電効率では、前記機関回転変動対しての、バッテリからモータへの瞬時の電力供給、及び発電機などからバッテリへの瞬時の蓄電に対応することが難しく、バッテリからモータへの給電量に対して発電機などからバッテリへの充電量が不足するという不具合が生じる。

以上のような作業機のハイブリッドシステムにおける問題を解決するため、本発明においては、バッテリと比較して出力密度が高い電気二重層キャパシタを蓄電装置として用いることにより、モータによるトルクアシスト性能及び発電機による電力回生性能を向上させることで、急激な負荷変動によって生じるシステムの誤作動の防止、及び作業負荷の平準化を促進し、蓄電装置に対して応答性が要求される機関回転変動の抑制することができるハイブリッドシステムを提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

エンジン（２）と、該エンジン（２）をアシストするモータと、これらを制御する制御手段と、前記エンジン（２）を駆動源とする発電機とを有するハイブリッドシステムにおいて、前記制御手段であるシステムコントローラ（１）に電力を供給するバッテリ（１０）を備える制御系蓄電部と、前記モータへの電力の供給、及び前記発電機からの発電電力の蓄電を行うキャパシタ蓄電装置（２１）を備える駆動系蓄電部である蓄電システム部（２０）とを有し、該蓄電システム部（２０）は、ＶＶＶＦインバータコンバータ（１２）を介して前記モータおよび発電機と接続されると共に、昇降圧チョッパ（２２）と、複数のキャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）が直列接続されて成る前記キャパシタ蓄電装置（２１）と、該キャパシタ蓄電装置（２１）への充電電流の定電流制御を行う定電流制御回路（１００）と、該キャパシタ蓄電装置（２１）のキャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）の電圧を均等化する均等制御回路（２００）とを有し、該キャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）は、前記キャパシタ蓄電装置（２１）として、前記昇降圧チョッパ（２２）に並列接続されることで、該昇降圧チョッパ（２２）の端子間電圧が充電電圧（ＶＭＡＸ）として設定され、各キャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）の端子間電圧の合計が、該充電電圧（ＶＭＡＸ）に相当し、前記均等制御回路（２００）は、前記キャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）のそれぞれに同一の構成の分流回路（２００ａ・２００ｂ）を並列接続して構成され、該分流回路（２００ａ・２００ｂ）により、前記ＶＶＶＦインバータコンバータ（１２）からの電流を前記分流回路（２００ａ・２００ｂ）のそれぞれの端子（１２０ａ・１２０ｂ）において、同一電流値（Ｉｔ）の電流を分流することにより、各キャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）の端子間電圧を略均一とするものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
駆動系蓄電部における蓄電装置の重量や設置スペース等の増加をともなうことなく、エンジンの起動時や作業中などの急激な負荷変動に対する蓄電装置の瞬時の放電によって生じる急激な電圧の低下（電圧ドロップ）を防止することができる。この結果、この電圧ドロップに起因して生じる駆動系蓄電部における誤作動を防止することができる。これにともない、エンジンの始動特性の向上及びエンジンをアシストするモータの瞬時駆動力の向上を図ることができる。

また、駆動系蓄電部の蓄電装置としてキャパシタ蓄電装置を用いることにより、蓄電装置の充放電効率を向上することができ、モータによるトルクアシスト性能及び発電機の電力回生機能が向上するので、急激な負荷変動に対するモータによるトルクアシスト及び発電機による蓄電装置の充電の追従性が向上し、作業負荷の平準化を促進することができる。これにより、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。また、蓄電装置に対して応答性が要求される機関回転変動を抑制することができるので、蓄電装置の充放電収支の不均衡を低減して蓄電装置の充電量不足を防止することができ、エンジン効率の向上を図ることができる。

また、従来、蓄電装置としてバッテリを用いていた場合と比較して、次のような効果を得ることができる。
すなわち、バッテリでは、化学変化を利用して蓄電するが、この電気二重層キャパシタでは、化学変化をともなわず、静電作用により電気を電子のまま蓄える。そのため、充放電効率が高く、瞬時の充放電に対応することが可能である。これにより、機関回転変動を抑制することができるので、蓄電装置の充放電収支の不均衡を低減して蓄電装置の充電量不足を防止することができ、エンジン効率の向上を図ることができる。
また、電気二重層キャパシタは、繰り返しの充放電に強く、劣化も少ないため、急激な充放電を繰り返すハイブリッド作業機の蓄電システムの蓄電装置として好適であり、蓄電装置の長寿命化が図れる。さらに、電気二重層キャパシタは、原料も無害に近い電解液と炭素でできているため低公害である。加えて、電気二重層キャパシタは、広範囲の耐久温度特性を有しているため、低温では性能が低下するバッテリと比較して、使用温度範囲において安定した作動が可能になるという効果も得ることができる。

また、定電流制御回路により、バッテリと比較して内部抵抗が低い電気二重層キャパシタへの過大な電流の流れ込みを防ぐことができるので、過充電によるキャパシタ蓄電装置の破壊・故障を防止することができる。
そして、均等制御回路により、キャパシタ蓄電装置において、過充電が防止されるとともに、最終的には、各電気二重層キャパシタが均等に満充電されるので、充放電を繰り返した場合においても、キャパシタ蓄電装置全体として、高い出力密度を維持することができ、即応性が高いといったキャパシタ特有のメリットを十分に生かすことができる。

定電流制御回路１００は、キャパシタに通電される電流値を常に規定値に制御するための制御回路であり、キャパシタ蓄電装置２１に通電される電流値を常に規定値に設定することで、過大な電流がキャパシタ蓄電装置２１に流れ込み、キャパシタが破壊されることを防止することが出来る。
また、均等制御回路（２００）により、キャパシタ蓄電装置２１において直列接続される各キャパシタモジュールの端子間電圧を均等にすることができる。
そして、このように、直列接続される各キャパシタモジュールの端子間電圧を均等にすることで、特定のキャパシタモジュールの端子間電圧を高くし、充電効率を低下させてしまうといった不具合を防ぐことができる。また、これにより、充放電を繰り返しても、特定のキャパシタモジュールの端子間電圧が耐電圧を超えてしまうといった不具合の発生を防ぐことが出来る。

次に、発明の実施の形態を説明する。図１は本発明に係るハイブリッドシステムの構成の一例を示す図、図２は蓄電システム部の構成を示す図、図３は定電流制御回路の構成を示す図、図４は定電流制御回路による定電流制御の制御フローを示す図、図５は均等制御回路の構成を示す図である。

まず、ハイブリッドシステムの構成について図１を用いて説明する。なお、本実施例においては、モータ及び発電機の機能を兼ね備えたモータジェネレータを有するハイブリッドシステムを用いて説明するが、これに限定されず、モータと発電機とを別々に備えた構成のハイブリッドシステム等においても本発明の効果を得ることができる。つまり、本発明は、エンジンにかかる負荷に応じて、エンジンをアシストするモータへのバッテリからの電力の供給、及び発電機によるバッテリの蓄電を行うことを可能とするハイブリッドシステムにおいて適用可能である。本ハイブリッドシステムは、農業機械や建設機械などの各種作業機に好適なものであり、エンジン２の出力軸部４の駆動を、エンジン２とモータとして機能するモータジェネレータ１１との両方により可能としている。出力軸部４から取り出された駆動力は、クラッチ部４ａを介して出力部６に伝達され、動力伝達装置などを介して作業機の走行部や各種作業部などを駆動する。

モータジェネレータ１１は、エンジン２のクランク軸にその駆動軸が連結されたエンジン直結のホイールインモータであり、エンジン２の本体側と出力軸部４との間に介装されている。モータジェネレータ１１は、発電機またはモータとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２と接続されている。このＶＶＶＦインバータコンバータ１２は、駆動系蓄電部としての蓄電システム部２０を構成する昇降圧チョッパ２２を介してキャパシタ蓄電装置２１に接続されている。なお、蓄電システム部２０については、後に詳細に説明する。また、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２及び昇降圧チョッパ２２は、シーケンサ１３を介してシステムコントローラ１と接続されている。このシーケンサ１３を含むシステムコントローラ１が本ハイブリッドシステムにおける制御手段となる。

システムコントローラ１は、制御対象の状態や、機関回転数や各種アクチュエータ等の外部からの信号に基づき、制御対象に与える操作やその順序などを制御する。そのため、システムコントローラ１とシーケンサ１３との間では各種制御信号の通信が行われており、システムコントローラ１と、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２及び昇降圧チョッパ２２との信号のやりとりは、シーケンサ１３を介して行われる。システムコントローラ１からＶＶＶＦインバータコンバータ１２へは、起動信号や速度指令（モータ指令）などの信号が送信されており、システムコントローラ１と昇降圧チョッパ２２との間では、起動信号や充電開始・充電電流に関する信号が通信されている。また、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２及び昇降圧チョッパ２２からなるインバータ部には電圧センサ１５が接続されており、この電圧センサ１５によってインバータ部のインバータ直流電圧やバッテリ電圧など各部の電圧を検出する。

モータジェネレータ１１は、モータとしての機能、及び発電機としての機能を有しており、作業状況などに応じて各機能を発揮する。つまり、本ハイブリッドシステムにおいては、モータジェネレータ１１をモータとして作動させる場合には、キャパシタ蓄電装置２１からモータジェネレータ１１に電力が供給され、これにより、モータジェネレータ１１が作動する。キャパシタ蓄電装置２１から供給される電力は直流電力であり、昇降圧チョッパ２２を介してＶＶＶＦインバータコンバータ１２に入力される。このとき、昇降圧チョッパ２２は昇圧チョッパとして機能し、キャパシタ蓄電装置２１の給電電圧を所定の電圧に昇圧してＶＶＶＦインバータコンバータ１２に出力する。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２はインバータとして機能して、入力された直流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換し、この変換された交流電力をモータジェネレータ１１に供給する。また、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２は、システムコントローラ１からの指令（速度指令・制御信号）に従い、モータとして作動するモータジェネレータ１１の回転数及びトルクを制御する。このように、モータジェネレータ１１がモータとして作動することにより、その駆動力が、エンジン２のクランク軸と連結しているモータジェネレータ１１の駆動軸からエンジン２に伝達される。これにより、モータとして作動するモータジェネレータ１１の、エンジン２起動（始動）時においてスタータとして利用されるスタータ機能や、エンジン２の駆動負荷の一部を賄うトルクアシスト機能が発揮される。

モータジェネレータ１１をモータとして作動させトルクアシストを行う際、システムコントローラ１は、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２に対して予め決定される速度指令を出力し、昇降圧チョッパ２２に対して起動信号を出力する。これにより、キャパシタ蓄電装置２１が放電状態となり、このキャパシタ蓄電装置２１からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ２２によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ１２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ１１に供給される。このようにして、モータジェネレータ１１が作動する。このトルクアシストを行う場合には、エンジン２に高い負荷がかかった場合や加速を行う場合等で、機関回転数が速度指令よりも低くなるような場合やトルク変動が生じた場合等において、モータジェネレータ１１をモータとして駆動させる。このときエンジン２も駆動しており、モータジェネレータ１１及びエンジン２の駆動力の和が出力軸部４の駆動力となる。

一方、モータジェネレータ１１を発電機として作動させる場合には、エンジン２の駆動力によりモータジェネレータ１１が作動して発電が行われる。モータジェネレータ１１で発電された電力は、三相交流電力としてＶＶＶＦインバータコンバータ１２に入力される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２はコンバータとして機能し、モータジェネレータ１１から入力された交流電力を整流・平滑化して直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータコンバータ１２によって変換された直流電力は、昇降圧チョッパ２２を介してキャパシタ蓄電装置２１に入力され、これによりキャパシタ蓄電装置２１に蓄電される。このとき、昇降圧チョッパ２２は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２から出力される直流電力を所定の電圧に降圧してキャパシタ蓄電装置２１に蓄電する。このように、モータジェネレータ１１が発電機として作動することにより、モータジェネレータ１１の充電（発電）機能が発揮される。

そして、エンジン２の駆動力（回転数）の調節は、操作部８に配設されるレギュレータレバー等の操作レバー９を操作することによって行われる。また、操作レバー９には、該操作レバー９のレバー位置を検出する位置センサ（図示略）が付設されており、この位置センサはシステムコントローラ１と接続されている。また、操作部８には、切り換え操作手段として、ＶＶＶＦ起動（回転数）指示スイッチ、ＣＶＣＦ（定電圧定周波数）起動スイッチ、昇降圧チョッパ起動スイッチ、蓄電開始スイッチ、蓄電電流指示スイッチ等の各種スイッチが配設されており、これらの各種スイッチはシステムコントローラ１と接続されている。

操作レバー９を操作すると、該操作レバー９のレバー位置が前記位置センサにより検出され、レバー位置に応じた信号がシステムコントローラ１に入力される。そして、システムコントローラ１は入力された信号に基づいてシフトアクチュエータ３及びスロットルアクチュエータ５を作動させる。

シフトアクチュエータ３は、前記クラッチ部４ａに接続されており、このシフトアクチュエータ３の作動によりクラッチ部４ａのクラッチを作動させるように制御している。このようにしてクラッチを作動させることにより、出力軸部４から出力部６への駆動力の断接が行われる。また、シフトアクチュエータ３には、そのシフト位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ１と接続されており、このポテンショメータにより検出されたシフト位置がシステムコントローラ１に入力される。

スロットルアクチュエータ５は、ラックピニオン式のＤＣモータ（スロットルモータ）により構成され、エンジン２のスロットルに接続されている。このスロットルアクチュエータ５の作動により、スロットル位置（スロットル開度）が変化する。このスロットル位置の変化によりエンジン２における燃料噴射量を調節して、エンジン２の駆動力（回転数）を調節可能としている。そして、このスロットルアクチュエータ５を構成する前記ＤＣモータは、システムコントローラ１に接続されており、該システムコントローラ１から送られる指令によって該ＤＣモータが制御される。また、スロットルアクチュエータ５には、そのスロットル位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ１と接続されており、このポテンショメータにより検出されたスロットルアクチュエータ５のスロットル位置がシステムコントローラ１に入力される。このように、操作レバー９を操作して、そのレバー位置を調節することにより、エンジンの駆動力（回転数）の調節を行っている。

このような構成のハイブリッドシステムにおいて、メインコントローラとしてのシステムコントローラ１は、次のように機能して本ハイブリッドシステムの制御を行う。システムコントローラ１には、前述したように、操作部８における操作レバー９に付設される位置センサが接続され、また、シフトアクチュエータ３及びスロットルアクチュエータ５と、これらシフトアクチュエータ３及びスロットルアクチュエータ５にそれぞれ付設されるポテンショメータとが接続されている。

また、システムコントローラ１は、エンジン２と接続されており、該エンジン２からシステムコントローラ１に機関回転数が入力される。機関回転数は、エンジン２に付設される回転数センサ（図示略）により検出される。また、この回転センサにより検出される機関回転数は、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２へも入力される。

また、システムコントローラ１は、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２と接続されており、システムコントローラ１は、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２に対し、モータとしてのモータジェネレータ１１の起動信号、及び予め決定される速度指令を送る。そして、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２は、これらの信号に基づいて、モータとして作動する場合のモータジェネレータ１１を制御する。一方、ＶＶＶＦインバータコンバータ１２は、システムコントローラ１へモータとして作動するモータジェネレータ１１の回転数、トルク、及び交流電圧値などの信号を送る。モータジェネレータ１１の回転数は、該モータジェネレータ１１をモータとして作動させるときの回転数であり、前記回転センサにより検出される。つまり、モータジェネレータ１１は、エンジン２のクランク軸と常時同期回転する構成としているため、回転数センサでモータジェネレータ１１の回転数を検出することにより、エンジン２の回転数を知ることができる。また、モータジェネレータ１１の交流電圧は、該モータジェネレータ１１をモータとして作動させるときにＶＶＶＦインバータコンバータ１２から供給される交流電圧である。

また、システムコントローラ１は昇降圧チョッパ２２と接続されており、該システムコントローラ１は昇降圧チョッパ２２に対し、起動信号、充電開始指示、充電電流（リミッタ）指示などを送り、昇降圧チョッパ２２に接続されるキャパシタ蓄電装置２１を制御する。一方、昇降圧チョッパ２２は、システムコントローラ１へキャパシタ蓄電装置２１の電圧、充放電電流などに関する信号を送る。システムコントローラ１は、前記電圧センサ１５によって検出されるキャパシタ蓄電装置２１の電圧や、充放電電流を検出することによりキャパシタ蓄電装置２１の状態を知ることができる。

また、このような構成のハイブリッドシステムを小型の作業機などに適用する場合は、キャパシタ蓄電装置２１から出力される電圧及び入力される電圧を昇降圧する昇降圧チョッパ２２を使用しない構成とすることもできる。つまり、小型の作業機などのように、モータとして作動するモータジェネレータ１１の出力が比較的小さくてもその作動に影響がないような場合、モータジェネレータ１１のモータ機能を発揮するためには高い電圧は必要ないので、昇降圧チョッパ２２を使用しない構成とすることができる。この場合、キャパシタ蓄電装置２１はＶＶＶＦインバータコンバータ１２に直接接続され、キャパシタ蓄電装置２１の蓄電容量はモータとして作動するモータジェネレータ１１のモータ出力に対応したものとなる。

以上のような構成のハイブリッドシステムにおいては、前記システムコントローラ１に接続され、該システムコントローラ１に電力を供給する蓄電装置としてのバッテリ１０からなる制御系蓄電部と、前述したように、モータとして作動するモータジェネレータ１１への電力の供給、及び発電機として作動するモータジェネレータ１１からの発電電力の蓄電を行うキャパシタ蓄電装置２１を備える駆動系蓄電部としての蓄電システム部２０とをそれぞれ独立に有している。

このように、制御系蓄電部と駆動系蓄電部とを独立に有し、該駆動系蓄電部としての蓄電システム部２０に、バッテリと比較して出力密度の高いキャパシタ蓄電装置２１を備えることにより、駆動系蓄電部における蓄電装置の重量や設置スペース等の増加をともなうことなく、エンジン２の起動時や作業中などの急激な負荷変動に対する蓄電装置の瞬時の充放電によって生じる急激な電圧の低下（電圧ドロップ）を防止することができる。この結果、電圧ドロップに起因して生じる、例えば昇降圧チョッパ２２の作動停止などの蓄電システム部２０における誤作動を防止することができる。これにともない、エンジン２の始動特性の向上及びモータジェネレータ１１のモータとしての瞬時駆動力の向上を図ることができる。

また、駆動系蓄電部の蓄電装置としてキャパシタ蓄電装置２１を用いることにより、蓄電装置の充放電効率を向上することができ、モータジェネレータ１１におけるモータとしてのトルクアシスト性能及び発電機としての電力回生機能が向上するので、急激な負荷変動に対するモータジェネレータ１１によるトルクアシスト及び蓄電装置の充電の追従性が向上し、作業負荷の平準化を促進することができる。これにより、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。また、蓄電装置に対して応答性が要求される機関回転変動を抑制することができるので、蓄電装置の充放電収支の不均衡を低減して蓄電装置の充電量不足を防止することができ、エンジン効率の向上を図ることができる。

そして、仮に急激な負荷の増大によって駆動系蓄電部に誤作動が生じたとしても、駆動系蓄電部とは独立して設けられている制御系蓄電部は、急激な負荷変動による影響を受けることがないので、正常なシステム制御を維持することができる。

次に、駆動系蓄電部としての蓄電システム部２０について図２を用いて説明する。蓄電システム部２０は、蓄電装置としてのキャパシタ蓄電装置２１と、前記ＶＶＶＦインバータコンバータ１２への直流電圧供給及びキャパシタ蓄電装置２１に対する充放電制御を行う前記昇降圧チョッパ２２と、キャパシタ蓄電装置２１の充放電電流の検出を行う電流センサ２５と、キャパシタ蓄電装置２１への充電電流の定電流制御を行う定電流制御回路１００と、均等制御回路２００とを備えている。なお、前述したように、ハイブリッドシステムにおいて昇降圧チョッパ２２を用いない構成とする場合、この蓄電システム部２０においては、昇降圧チョッパ２２によるキャパシタ蓄電装置２１の制御機能と同様の機能を有する制御手段を別途設けるか、または、システムコントローラ１に、昇降圧チョッパ２２によるキャパシタ蓄電装置２１の制御機能を備える構成とする。

キャパシタ蓄電装置２１は、所定に接続される複数（本実施例では直列接続される２個）の電気二重層キャパシタ（以下、「キャパシタモジュール」という。）２１ａ・２１ｂを有している。すなわち、前記均等制御回路２００は、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂ毎の電圧を均等化するためのものである。そのため、キャパシタ蓄電装置２１が複数のキャパシタモジュールを有する場合に用いられるものであり、キャパシタ蓄電装置２１が単数のキャパシタモジュールによって構成される場合は、蓄電システム部２０を均等制御回路２００を用いない構成とすることもできる。

昇降圧チョッパ２２は前述したように、モータジェネレータ１１がモータとして作動する場合には、キャパシタ蓄電装置２１からモータジェネレータ１１へ供給される電力を昇圧し、モータジェネレータ１１が発電機として作動する場合には、モータジェネレータ１１による発電電力を降圧してキャパシタ蓄電装置２１へと蓄電するものであり、この昇降圧チョッパ２２には、システムコントローラ１から充電リミッタ、電圧リミッタ、充電開始指令、及び充電停止指令などの信号が入力される。電流センサ２５は、昇降圧チョッパ２２とキャパシタ蓄電装置２１との間の電流を検出するものであり、この電流センサ２５によって検出された電流値は、昇降圧チョッパ２２に入力される。

続いて、定電流制御回路１００及び均等制御回路２００について詳細に説明する。

＜定電流制御回路１００＞
定電流制御回路１００について説明する。定電流制御回路１００は、キャパシタに通電される電流値を常に規定値に制御するための制御回路である。そして、このように、キャパシタ蓄電装置２１に通電される電流値を常に規定値に設定することで、過大な電流がキャパシタ蓄電装置２１に流れ込み、キャパシタが破壊されることを防止しようとするものである。

図３に、定電流制御回路１００の構成について示す。定電流制御回路１００は、複数のキャパシタモジュール２１ａ・２１ｂによって構成されるキャパシタ蓄電装置２１に並列に接続されており、これにより、負荷側に配される昇降圧チョッパ２２の入出力端子に対し、キャパシタ蓄電装置２１と、定電流制御回路１００とが並列接続されている。図３において、昇降圧チョッパ２２からは、電流値ＩＭＡＸの電流が出力され、端子１１０ａにて分流されて、電流値Ｉｏの電流がキャパシタ蓄電装置２１へ供給され、電流値ＩＤＳの電流が定電流制御回路１００に供給される（ＩＭＡＸ≒Ｉｏ＋ＩＤＳ）。また、１０１は電流制御素子としてのＭＯＳＦＥＴであり、端子１１０ａにおいて分流される電流の電流値ＩＤＳが、ＭＯＳＦＥＴ１０１の制御入力電圧としてのゲートソース電圧ＶＧＳの値に応じて変更設定されるようになっている。なお、端子１１０ａは、昇降圧チョッパ２２のプラス端子と、キャパシタ蓄電装置２１のプラス端子との間に配される端子である。また、前記システムコントローラ１（図１参照）より、制御電圧ＳＶが入力されるようになっている。また、１０２は第一反転増幅器であり、該第一反転増幅器１０２には、制御電圧ＳＶの分圧Ｖａと、端子１１０ｂにおける電圧Ｖｂが入力される。なお、端子１１０ｂは、昇降圧チョッパ２２のマイナス端子と、キャパシタ蓄電装置２１のマイナス端子との間に配される端子である。また、１０３はキャパシタ蓄電装置２１に直列接続される定電圧素子としてのシャント抵抗であり、該シャント抵抗１０３と、キャパシタ蓄電装置２１に流れる電流の電流値Ｉｏによって、電圧Ｖｂが決定されることになる。ここで、シャント抵抗１０３（抵抗値ｒ）を用いているのは、電流値Ｉｏのバラツキを少なくするためである。また、１０４は第二反転増幅器であり、該第二反転増幅器１０４には、第一反転増幅器１０２の出力電圧ＶＯＰと、グランド電圧が入力される。そして、以上の第一反転増幅器１０２、第二反転増幅器１０４により、該シャント抵抗１０３の電圧電圧Ｖｂと制御電圧ＳＶ（の分圧Ｖａ）の電圧比較回路を構成することとし、第二反転増幅器１０４の出力を、前記ＭＯＳＦＥＴ１０１の制御入力電圧となるゲートソース電圧ＶＧＳとすることとしている。

以上の定電流制御回路１００により、図４の制御フローに示されるごとくの定電流制御が行われる。このフローでは、システムコントローラ１から定電流制御回路１００に入力する制御電圧ＳＶを設定する（低下させる、又は、上昇させる）ことにより、電圧Ｖｂを設定し、この電圧Ｖｂと、シャント抵抗１０３によって決定される電流値Ｉｏが規定値に設定されることを示している。まず、電流値Ｉｏが規定値よりも増加した場合において、該電流値Ｉｏが規定値に補正されるフローについて説明する。電流値Ｉｏが規定値よりも増加し、電圧Ｖｂが設定された制御電圧ＳＶの分圧Ｖａよりも大きくなると（ステップ４０１）、第一反転増幅器１０２における出力電圧ＶＯＰが低下し（ステップ４０２）、第二反転増幅器１０４の出力であるゲートソース電圧ＶＧＳが上昇される（ステップ４０３）。そして、このゲートソース電圧ＶＧＳの上昇により、ＭＯＳＦＥＴ１０１を通過する電流の電流値ＩＤＳが増加され（ステップ４０４）、この電流値ＩＤＳの増加によって、キャパシタ蓄電装置２１に流れる電流の電流値Ｉｏが減少する（ステップ４０５）。そして、電流値Ｉｏが減少すると、シャント抵抗１０３の抵抗値によって定まる電圧Ｖｂの値が低下し（ステップ４０６）、制御電圧ＳＶによって決定される分圧Ｖａと電圧Ｖｂが略同一に設定される（ステップ４０７）。以上のようにして、電流値Ｉｏが規定値よりも増加した場合においては、電圧Ｖｂは分圧Ｖａと略同一になるまで低下され、結果として、電流値Ｉｏが規定値に補正されることになる。つまり、電流値Ｉｏが規定値に設定されることになる。

同様に、電流値Ｉｏが規定値よりも減少した場合について説明すると、この場合、電圧Ｖｂは設定された制御電圧ＳＶの分圧Ｖａよりも小さくなることになる（ステップ４１１）。これにより、第一反転増幅器１０２における出力電圧ＶＯＰが上昇し（ステップ４１２）、第二反転増幅器１０４の出力であるゲートソース電圧ＶＧＳが低下される（ステップ４１３）。そして、このゲートソース電圧ＶＧＳの低下により、ＭＯＳＦＥＴ１０１を通過する電流の電流値ＩＤＳが減少され（ステップ４１４）、この電流値ＩＤＳの減少によって、キャパシタ蓄電装置２１に流れる電流の電流値Ｉｏが増加する（ステップ４１５）。そして、電流値Ｉｏが増加すると、シャント抵抗１０３の抵抗値によって定まる電圧Ｖｂの値が上昇し（ステップ４１６）、制御電圧ＳＶによって決定される分圧Ｖａと電圧Ｖｂが略同一に設定される（ステップ４０７）。以上のようにして、電流値Ｉｏが規定値よりも減少した場合においては、電圧Ｖｂは分圧Ｖａと略同一になるまで上昇され、結果として、電流値Ｉｏが規定値に補正されることになる。つまり、電流値Ｉｏが規定値に設定されることになる。

また、以上のフローからもわかるように、電流値Ｉｏは、制御電圧ＳＶの設定（分圧Ｖａ）電圧によって決定されるものであり、この電圧Ｖｂを検知して制御電圧ＳＶを変更することにより電流値Ｉｏを制御することができる。つまり、図３の定電流制御回路１００によれば、制御電圧ＳＶの設定によってキャパシタ蓄電装置２１に流れる電流値Ｉｏを規定値として設定することが可能となり、また、該規定値に電流値Ｉｏを制御する（定電流に制御する）ことが可能となるものである。

以上のように、定電流制御回路１００は、キャパシタ蓄電装置２１の充電経路１１０Ａとグランド端子の間に直列接続される電流制御素子（ＭＯＳＦＥＴ１０１）と、キャパシタ蓄電装置２１と直列接続される電流安定素子（シャント抵抗１０３）と、該シャント抵抗１０３の電圧と制御電圧ＳＶ（の分圧Ｖａ）の電圧比較回路と、を具備し、電圧比較回路の出力を前記ＭＯＳＦＥＴ１０１の制御入力電圧（ゲートソース電圧ＶＧＳ）として印加する構成とし、これにより、制御電圧ＳＶの設定によってキャパシタ蓄電装置２１に流れる電流値Ｉｏを規定値として設定することが可能となり、また、該規定値に電流値Ｉｏを制御する（定電流に制御する）ことが可能となるものである。そして、キャパシタ蓄電装置２１に通電される電流値が常に規定値となるよう制御されることによれば、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに過大な電流が流れ込み、キャパシタ蓄電装置２１が破壊することを防止できる。また、昇降圧チョッパ２２より過充電となった場合においても、端子１１０ａにおいて、電流値ＩＤＳの電流を定電流制御回路１００に逃がすことができ、キャパシタ蓄電装置２１の故障を防止できる。

＜均等制御回路２００＞
次に、均等制御回路２００について説明する。均等制御回路は、キャパシタ蓄電装置２１において直列接続される各キャパシタモジュールの端子間電圧を均等にするための制御回路である。そして、このように、直列接続される各キャパシタモジュールの端子間電圧を均等にすることで、特定のキャパシタモジュールの端子間電圧を高くし、充電効率を低下させてしまうといった不具合を防ごうとするものである。また、これにより、充放電を繰り返しても、特定のキャパシタモジュールの端子間電圧が耐電圧を超えてしまうといった不具合の発生を防ごうとするものである。

図５に、均等制御回路２００の構成について示す。均等制御回路２００は、キャパシタ蓄電装置２１において互いに直列接続されるキャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対し、それぞれ、分流回路２００ａ・２００ｂを設けることで構成されるものである。この分流回路２００ａ・２００ｂは、電流値Ｉｔの電流をそれぞれ端子１２０ａ・１２０ｂにおいて分流することにより、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに入力される電流の電流値Ｉｏｕｔの大小を制御しようとするものである。図５に示すごとく、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂは、キャパシタ蓄電装置２１として昇降圧チョッパ２２に並列接続されるものであり、昇降圧チョッパ２２の端子間電圧が充電電圧ＶＭＡＸとして設定され、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの端子間電圧の合計が、充電電圧ＶＭＡＸに相当するものとなっている。なお、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの端子間電圧が均一になるものが望ましい状態である。

図５において、１３１ａ・１３１ｂは、抵抗値の等しい抵抗であり、これにより、端子１２０ａ・１２０ｂへ向かって、等しい電流値Ｉｉｎの電流がそれぞれ供給されるようになっている。端子１２０ａ・１２０ｂにおいて分流される電流のうち、電流値Ｉｏｕｔの電流がキャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに供給され、電流値Ｉｔの電流が分流回路２００ａ・２００ｂに分流されるものとしている。ここで、１３２ａ・１３２ｂは、電流制御素子としてのＭＯＳＦＥＴであり、該ＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂにより電流値Ｉｏｕｔの大きさが決定されるようになっている。このＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂは、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対して並列に接続される。また、ＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂへの制御入力電圧としてのゲートソース電圧ＶＧＳは、電圧比較回路となる誤差増幅器１３３ａ・１３３ｂの出力電圧であり、該ゲートソース電圧ＶＧＳは基準電圧ＶＲＥＦと、検出抵抗１３４ａ・１３５ａ・１３４ｂ・１３５ｂの分圧ＶＲとの比較によって決定される。また、１３６ａ・１３６ｂは、定電圧素子としてのツェナダイオードであり、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対して並列に接続される。このツェナダイオード１３６ａ・１３６ｂによって、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの自己放電が回避されるとともに、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの過充電（過電圧）が回避されるようになっている。つまり、該ツェナダイオード１３６ａ・１３６ｂは、設定電圧よりも高くなると導通する性質を有するため、自己放電防止と、過電圧防止の機能を果たすこととなっている。

以上の構成の分流回路２００ａ・２００ｂは同一の構成とするものである。
このうち、まず、分流回路２００ａの動作について説明すると、キャパシタモジュール２１ａの充電が進行し、キャパシタ電圧が増加すると、分圧ＶＲが増加することになる。そして、これにより、誤差増幅器１３３ａの出力、即ち、ゲートソース電圧ＶＧＳが大きくなり、ＭＯＳＦＥＴ１３２ａを流れる電流の電流値Ｉｔが増加する。そして、電流値Ｉｔが増加すると、端子１２０ａにおいて、キャパシタモジュール２１ａ側に分流される電流の電流値Ｉｏｕｔが減少されることになる。このようにキャパシタ電圧によって、電流値Ｉｏｕｔの増減が制御されるものであり、キャパシタ電圧が低い場合、つまり、充電量が少ない場合には、電流値Ｉｏｕｔが増加されてすばやく充電され、満充電に近づくにつれキャパシタ電圧が高くなると、電流値Ｉｏｕｔが減少されて、過充電が行われないようになる。そして、キャパシタモジュール２１ａが最終的に満充電となった場合には、キャパシタモジュール２１ａへの電流供給が終了されることになる。このようにして、キャパシタ電圧が常に一定に保持されることとなる。また、以上は、キャパシタモジュール２１ｂにおける分流回路２００ｂの動作についても同様である。つまり、キャパシタ蓄電装置２１が２個以上のキャパシタモジュールを有する場合、各キャパシタモジュールにおいて同様の分流回路が設けられるものである。

さらに、以上の充電において、特に急速充電がされるような場合には、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの電圧に差が生じることになり、例えば、キャパシタモジュール２１ａが先に満充電の状態となる場合がある。この場合では、分流回路２００ａの制御によって、キャパシタモジュール２１ａへの電流供給が行われることがないため、キャパシタモジュール２１ａにて過充電がされることがない。他方、この分流回路２００ａによる制御の間、キャパシタモジュール２１ｂへの充電が行われることになり、キャパシタモジュール２１ｂが満充電の状態に到達されることになる。なお、図５に示すように、ダイオード２２０を設けることにより、キャパシタモジュール２１ｂが先に満充電となった場合において、該キャパシタモジュール２１ｂ側に流れる電流を、キャパシタモジュール２１ａに供給させる構成してもよい。

以上のように、キャパシタ蓄電装置２１内で互いに直列接続されるキャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対し、充電電流を均等に分流して供給する構成とするとともに、前記各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対し、前記均等に分流された電流の一部を分流させる分流回路２００ａ・２００ｂが設けられ、前記各分流回路２００ａ・２００ｂは、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに並列接続される電流制御素子（ＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂ）と、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの電圧（分圧ＶＲ）と、基準電圧ＶＲＥＦとを比較する電圧比較回路（誤差増幅器１３３ａ・１３３ｂ）と、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに並列接続される定電圧素子（ツェナダイオード１３６ａ・１３６ｂ）と、を具備し、電圧比較回路（誤差増幅器１３３ａ・１３３ｂ）の出力を前記ＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂの制御入力電圧（ゲートソース電圧ＶＧＳ）として印加する構成とし、これにより、充電経路１２０Ａ・１２０Ｂの電流（電流値Ｉｔ）を放電経路１２０Ｃに分流させることで、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂのキャパシタ電圧を一定に保ちつつ、過充電を防止することとするものである。そして、過充電が防止される、つまりは、キャパシタ電圧が、耐電圧よりも低く維持されることにより、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの加熱・破損・故障を防止することができるようになる（過充電保護）。また、最終的には、両キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂが均等に満充電されるので、充放電を繰り返した場合においても、キャパシタ蓄電装置２１全体として高い出力密度（規定の出力密度）を維持することができ、即応性が高いといったキャパシタ特有のメリットを十分に生かすことができる。

以上のように、電気二重層キャパシタで構成されるキャパシタ蓄電装置２１を有する蓄電システム部２０を駆動系蓄電部とすることにより、従来、蓄電装置としてバッテリを用いていた場合と比較して、次のような効果を得ることができる。すなわち、バッテリでは、化学変化を利用して蓄電するが、この電気二重層キャパシタでは、化学変化をともなわず、静電作用により電気を電子のまま蓄える。そのため、充放電効率が高く、瞬時の充放電に対応することが可能である。つまり、駆動系蓄電部の蓄電装置としてバッテリを用いた場合、モータジェネレータ１１によるトルクアシストを行う際の給電は比較的応答性が高いが、モータジェネレータ１１による発電電力を蓄電する際は時間的な遅れが生じる。言い換えると、短い時間での負荷変動による機関回転変動に対応しようとした場合、蓄電装置としてバッテリを用いると、給電した電気と同量の電気を蓄電しようとすると放電時間よりも充電時間の方が長くなり、バッテリとしての電力量の収支が合わなくなっていく。しかし、蓄電装置として電気二重層キャパシタを用いることにより、このような不具合を解消することができる。すなわち、エンジン２に対する短い時間での負荷変動による機関回転変動にともなう蓄電装置の充放電収支の不均衡を低減し、蓄電装置の充電を良好に行うことが可能となり、蓄電装置の充電量不足を防止することができる。

また、電気二重層キャパシタは、繰り返しの充放電に強く、劣化も少ないため、急激な充放電を繰り返すハイブリッド作業機の蓄電システムの蓄電装置として好適であり、蓄電装置の長寿命化が図れる。さらに、電気二重層キャパシタは、原料も無害に近い電解液と炭素でできているため低公害であり、加えて、電気二重層キャパシタは、広範囲の耐久温度特性を有しているため、低温では性能が低下するバッテリと比較して、使用温度範囲において安定した作動が可能になるという付随的効果も得ることができる。

本発明に係るハイブリッドシステムの構成の一例を示す図。 蓄電システム部の構成を示す図。 定電流制御回路の構成を示す図。 定電流制御回路による定電流制御の制御フローを示す図。 均等制御回路の構成を示す図。

符号の説明

１ システムコントローラ
２ エンジン
１０ バッテリ
１１ モータジェネレータ
２０ 蓄電システム部
２１ キャパシタ蓄電装置
２１ａ キャパシタモジュール
２１ｂ キャパシタモジュール
１００ 定電流制御回路
２００ 均等制御回路

Claims (1)

1. エンジン（２）と、該エンジン（２）をアシストするモータと、これらを制御する制御手段と、前記エンジン（２）を駆動源とする発電機とを有するハイブリッドシステムにおいて、前記制御手段であるシステムコントローラ（１）に電力を供給するバッテリ（１０）を備える制御系蓄電部と、前記モータへの電力の供給、及び前記発電機からの発電電力の蓄電を行うキャパシタ蓄電装置（２１）を備える駆動系蓄電部である蓄電システム部（２０）とを有し、該蓄電システム部（２０）は、ＶＶＶＦインバータコンバータ（１２）を介して前記モータおよび発電機と接続されると共に、昇降圧チョッパ（２２）と、複数のキャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）が直列接続されて成る前記キャパシタ蓄電装置（２１）と、該キャパシタ蓄電装置（２１）への充電電流の定電流制御を行う定電流制御回路（１００）と、該キャパシタ蓄電装置（２１）のキャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）の電圧を均等化する均等制御回路（２００）とを有し、該キャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）は、前記キャパシタ蓄電装置（２１）として、前記昇降圧チョッパ（２２）に並列接続されることで、該昇降圧チョッパ（２２）の端子間電圧が充電電圧（ＶＭＡＸ）として設定され、各キャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）の端子間電圧の合計が、該充電電圧（ＶＭＡＸ）に相当し、前記均等制御回路（２００）は、前記キャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）のそれぞれに同一の構成の分流回路（２００ａ・２００ｂ）を並列接続して構成され、該分流回路（２００ａ・２００ｂ）により、前記ＶＶＶＦインバータコンバータ（１２）からの電流を前記分流回路（２００ａ・２００ｂ）のそれぞれの端子（１２０ａ・１２０ｂ）において、同一電流値（Ｉｔ）の電流を分流することにより、各キャパシタモジュール（２１ａ・２１ｂ）の端子間電圧を略均一とすることを特徴とするハイブリッドシステム。

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