JP5154578B2 - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents

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Description

本発明は建設機械に係り、特に2つの動力源を併用して効率的に作業を行うハイブリッド式建設機械に関する。
内燃機関の動力と電動機の動力を併用して効率的に動作するハイブリッド式の作業機械が開発され用いられるようになっている。ハイブリッド式の作業機械として、いわゆるパラレル方式の駆動形態をとるものが知られている。
パラレル方式の駆動形態では、油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行なう動力機とが、共通の動力源としての内燃機関(エンジン)にパラレルに接続される。油圧ポンプによって油圧アクチュエータが駆動されるとともに、動力機の発電機作用によって蓄電装置に充電が行われる。この蓄電装置からの電力により動力機を電動機として動作させてエンジンをアシストする。なお、動力機としては、一台で発電機作用と電動機作用の双方を行なう兼用機(発電機兼電動機)を用いる場合と、別々の発電機と電動機を併用する場合とがある。
このようなハイブリッド式の作業機械によると、エンジンの負荷を軽減し、エンジンを高効率範囲で運転することによって省エネルギーを実現することができる。しかし、従来のハイブリッド式の作業機械は、以下のような問題を有している。
リチウムイオン蓄電器等のバッテリ(二次電池)やキャパシタ(電気二重層コンデンサ)等の蓄電装置の充放電特性は、その充電量に依存しており、充電量が低くなるほど最大充電電力は大きく、最大放電電力は小さくなる。そこで、このような蓄電装置の充電量に関係なくエンジンと蓄電装置のパワー配分を決めているため、負荷状況によっては蓄電装置の充電量が少な過ぎる、あるいは多すぎる状態となる。この結果、蓄電装置の能力を有効に利用できないとともに、蓄電装置の劣化を招くことがある。
このような問題を解決するために、蓄電装置の充電量に応じてエンジンと動力機のパワー配分を決め、蓄電装置の充電量を適正範囲に保つことができる作業機械の動力源装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)この動力源装置では、油圧ポンプと発電機兼電動機とを共通の動力源としてのエンジンにパラレルに接続し、発電機兼電動機の発電機作用によって蓄電装置としてのバッテリを充電する。また、バッテリの放電力により発電機兼電動機を駆動して電動機作用を行なう。そして、アクチュエータ要求パワーと、バッテリ充電量が一定範囲内に保たれるようにバッテリ充電量に応じて設定されるバッテリの充電パワー及び放電パワーと、設定されたエンジンパワーとに基づいて、エンジンと発電機兼電動機のパワー配分を決定する。
特開2005−237178号公報
上述の特許文献1に開示された技術では、建設機械の構成部品が要求する電気負荷が考慮されていないため、電気負荷で発生させることのできる回生電力を有効に発生させることができない。また、駆動機構の一部を電動化してバッテリからの電力により駆動した場合、電動機の出力が考慮されていないため、バッテリの充電率(SOC:State of Charge)を適正な範囲に維持することができなくなるおそれがある。さらに、エンジンの出力制限が設けられていないため、エンジンの負荷を適正に制御することができず、エンジンが過負荷になりエンストを起こして連続運転ができなくなるおそれがある。
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、動力源であるエンジンとバッテリとを適正な出力範囲で使用することのできるハイブリッド式建設機械を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明によれば、エンジンの出力を油圧に変換し油圧駆動部に供給する油圧発生機と該エンジンに接続され、電動機及び発電機の両方として機能する電動発電機と、該電動発電機に電力を供給して電動機として機能させる蓄電器と、該蓄電器からの電力により駆動され、且つ回生電力を発生して該蓄電器に供給する電気駆動部と、該電動発電機の動作を制御する制御部とを有するハイブリッド式建設機械であって、該制御部は、該エンジンと該蓄電器との出力条件を算出する出力条件算出部と、該出力条件算出部で算出された出力条件に基づいて、該電気駆動部と該油圧駆動部の出力値を決定し、その後、前記電気駆動部と前記油圧駆動部の出力値に基づいて前記蓄電器の出力値を決定し、そして前記蓄電器の出力値と前記電気駆動部の出力値を比較することにより、前記電動発電機の出力値を決定する動力分配部とを備えることを特徴とするハイブリッド式建設機械が提供される。

本発明によるハイブリッド式建設機械において、該動力分配部は、該蓄電器の充電率に基づいて決定される蓄電器出力設定値と、該エンジンの回転数に基づいて決定されるエンジン出力設定値と、該油圧発生機が要求する動力を示す油圧負荷要求値と、該電気駆動部が要求する電力を示す電気負荷要求値と、に基づいて該電動発電機の動作及び出力を制御するための出力指令を生成して出力することとしてもよい。また、該動力分配部は、該電気駆動部を力行運転する電力及び前記電気駆動部の回生運転により発生する回生電力を、該エンジン及び該蓄電器の出力限界値に基づいて決定することとしてもよい。さらに、該動力分配部は、該油圧駆動部に供給する出力を、該エンジン及び該蓄電器の出力限界値に基づいて決定することとしてもよい。また、該蓄電器の出力指令は、該エンジン、該電気駆動部、及び該蓄電器のそれぞれの出力に基づいて算出されたバッテリ要求限界値とバッテリ目標出力とを比較して決定されることとしてもよい。また、該電動発電機の出力は、該蓄電器の出力指令と該電気駆動部に供給する電力又は該電気駆動部から出力される電力とを比較して決定されることとしてもよい。
本発明によれば、出力条件に基づいて電動発電機の動作及び出力を制御することができるため、動力源であるエンジンと蓄電器とを適正な出力範囲で使用することができる。
ハイブリッド式パワーショベルの側面図である。 図1に示すパワーショベルの駆動系の構成を表すブロック図である。 図1に示すパワーショベルの動力系をモデル化して示す図である。 電力(動力)の移動の方向性を出力極性としてとらえた極性を示す図である。 本発明の一実施形態による制御を行うためのコントローラに含まれる制御部の機能ブロック図である。 図5に示す駆動制御部において行われる処理のフローチャートである。 図6に示すステップS4における処理のフローチャートである。 電気負荷出力上限値Pelcmaxの算出モデルを示す図である。 電気負荷出力下限値Pelcmineの算出モデルを示す図である。 図6に示すステップS5の処理のフローチャートである。 油圧負荷出力上限値Phydmaxの算出モデルを示す図である。 図6に示すステップS6の処理のフローチャートである。 バッテリ制御出力上限値Pbatmax2の算出モデルを示す図である。 バッテリ出力Pbatoutの値をバッテリ充電率(SOC)とバッテリ出力との関係を示すグラフ中に示す図である。 バッテリ制御出力下限値Pbatmin2の算出モデルを示す図である。 バッテリ出力Pbatoutの値をバッテリ充電率(SOC)とバッテリ出力との関係を示すグラフ中に示す図である。 バッテリ出力Pbatoutの値をバッテリ充電率(SOC)とバッテリ出力との関係を示すグラフ中に示す図である。 図6に示すステップS7の処理のフローチャートである。 アシストモータ出力指令Pasmrefの算出モデルを示す図である。
符号の説明
1 下部走行体
1A、1B 走行機構
2 旋回機構
3 上部旋回体
4 ブーム
5 アーム
6 バケット
7 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 キャビン
11 エンジン
12 電動発電機
13 減速機
14 メインポンプ
15 パイロットポンプ
16 高圧油圧ライン
17 コントロールバルブ
18 インバータ
19 バッテリ
20 インバータ
21 旋回用電動機
23 メカニカルブレーキ
24 旋回減速機
25 パイロットライン
26 操作装置
26A、26B レバー
26C ペダル
27 油圧ライン
28 油圧ライン
29 圧力センサ
30 コントローラ
31 速度指令変換部
32 駆動制御装置
40 旋回駆動制御装置
50 エンジン
52 アシストモータ
54 油圧負荷
56 電気負荷
58 バッテリ
60 制御部
60−1〜60−7 ブロック
60−8 ブロック(動力分配部)
60−9 出力条件算出部
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、本発明が適用されるハイブリッド式建設機械の一例としてハイブリッド式パワーショベルについて説明する。
図1はハイブリッド式パワーショベルの側面図である。パワーショベルの下部走行体1には、旋回機構2を介して上部旋回体3が搭載されている。上部旋回体3からブーム4が延在し、ブーム4の先端にアーム5が接続される。さらに、アーム5の先端にバケット6が接続される。ブーム4、アーム5及びバケット6は、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体3には、キャビン10及び動力源(図示せず)が搭載される。
図2は、図1に示すパワーショベルの駆動系の構成を表すブロック図である。図2において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は一点鎖線でそれぞれ示されている。
機械式駆動部としてのエンジン11と、アシスト駆動部としての電動発電機12は、ともに増力機としての減速機13の入力軸に接続されている。減速機13の出力軸には、メインポンプ14及びパイロットポンプ15が接続されている。メインポンプ14には、高圧油圧ライン16を介してコントロールバルブ17が接続されている。
コントロールバルブ17は、油圧系の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ17には、下部走行体1用の油圧モータ1A(右用)及び1B(左用)、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9が高圧油圧ラインを介して接続される。
電動発電機12には、インバータ18を介して蓄電器としてのバッテリ19が接続されている。バッテリ19には、インバータ20を介して旋回用電動機21が接続されている。旋回用電動機21はパワーショベルにおける電気負荷である。旋回用電動機21の回転軸21Aには、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、及び旋回減速機24が接続される。パイロットポンプ15には、パイロットライン25を介して操作装置26が接続される。操作装置26には、油圧ライン27及び28を介して、コントロールバルブ17及びレバー操作検出部としての圧力センサ29がそれぞれ接続される。圧力センサ29には、電気系の駆動制御を行うコントローラ30が接続されている。
以上の構成を有するパワーショベルは、エンジン11、電動発電機12、及び旋回用電動機21を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図1に示す上部旋回体3に搭載される。以下、各部について説明する。
エンジン11は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機13の一方の入力軸に接続される。エンジン11は、建設機械の運転中は常時運転される。
電動発電機12は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機12として、インバータ20によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機12は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnet)モータで構成することができる。電動発電機12の回転軸は減速機13の他方の入力軸に接続される。
減速機13は、2つの入力軸と1つの出力軸を有する。2つの入力軸には、エンジン11の駆動軸と電動発電機12の駆動軸がそれぞれ接続される。また、出力軸にはメインポンプ14の駆動軸が接続される。エンジン11の負荷が大きい場合には、電動発電機12が力行運転を行い、電動発電機12の駆動力が減速機13の出力軸を経てメインポンプ14に伝達される。これによりエンジン11の駆動がアシストされる。一方、エンジン11の負荷が小さい場合は、エンジン11の駆動力が減速機13を経て電動発電機12に伝達されることにより、電動発電機12が回生運転による発電を行う。電動発電機12の力行運転と回生運転の切り替えは、コントローラ30により、エンジン11の負荷等に応じて行われる。
メインポンプ14は、コントロールバルブ17に供給するための油圧を発生する油圧ポンプである。メインポンプ14で発生した油圧は、コントロールバルブ17を介して油圧負荷である油圧モータ1A、1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9の各々を駆動するために供給される。パイロットポンプ15は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。
コントロールバルブ17は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体1用の油圧モータ1A、1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。
インバータ18は、上述の如く電動発電機12とバッテリ19との間に設けられ、コントローラ30からの指令に基づき、電動発電機12の運転制御を行う。これにより、インバータ18が電動発電機12の力行を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ19から電動発電機12に供給する。また、電動発電機12の回生を運転制御している際には、電動発電機12により発電された電力をバッテリ19に充電する。
蓄電器であるバッテリ19は、インバータ18とインバータ20との間に配設されている。これにより、電動発電機12と旋回用電動機21の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が回生運転を行っている際には、回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギーとして蓄積するための電源である。
インバータ20は、上述の如く旋回用電動機21とバッテリ19との間に設けられ、コントローラ30からの指令に基づき、旋回用電動機21に対して運転制御を行う。これにより、旋回用電動機21が力行運転している際には、必要な電力がバッテリ19から旋回用電動機21に供給される。また、旋回用電動機21が回生運転をしている際には、旋回用電動機21により発電された電力がバッテリ19に充電される。
旋回用電動機21は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体3の旋回機構2を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機21の回転駆動力の回転力が減速機24にて増幅され、上部旋回体3は加減速制御されながら回転運動を行う。また、上部旋回体3の慣性回転により、減速機24にて回転数が増大されて旋回用電動機21に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機21として、PWM(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ20によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機21は、例えば、磁石埋込型のIPMモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機21にて発電される電力を増大させることができる。
なお、バッテリ19の充放電制御は、バッテリ19の充電状態、電動発電機12の運転状態(力行運転又は回生運転)、旋回用電動機21の運転状態(力行運転又は回生運転)に基づき、コントローラ30によって行われる。
レゾルバ22は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転位置及び回転角度を検出するセンサである。レゾルバ22は、旋回用電動機21と機械的に連結することで旋回用電動機21の回転前の回転軸21Aの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸21Aの回転角度及び回転方向を検出する。旋回用電動機21の回転軸21Aの回転角度を検出することにより、旋回機構2の回転角度及び回転方向が導出される。
メカニカルブレーキ23は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機21の回転軸21Aを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ23は、電磁式スイッチにより制動/解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ30によって行われる。
旋回減速機24は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転速度を減速して旋回機構2に機械的に伝達する減速機である。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機21の回転力を増力させ、より大きな回転力として旋回体へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、旋回体で発生した回転数を増加させ、より多くの回転動作を旋回用電動機21に発生させることができる。
旋回機構2は、旋回用電動機21のメカニカルブレーキ23が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体3が左方向又は右方向に旋回される。
操作装置26は、パワーショベルの運転者が、旋回用電動機21、下部走行体1、ブーム4、アーム5、及びバケット6を操作するための入力装置であり、レバー26A及び26Bとペダル26Cを含む。レバー26Aは、旋回用電動機21及びアーム5を操作するためのレバーであり、上部旋回体3の運転席近傍に設けられる。レバー26Bは、ブーム4及びバケット6を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル26Cは、下部走行体1を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。
操作装置26は、パイロットライン25を通じて供給される油圧(1次側の油圧)を運転者の操作量に応じた油圧(2次側の油圧)に変換して出力する。操作装置26から出力される2次側の油圧は、油圧ライン27を通じてコントロールバルブ17に供給されるとともに、圧力センサ29によって検出される。
レバー26A及び26Bとペダル26Cの各々が操作されると、油圧ライン27を通じてコントロールバルブ17が駆動され、これにより、油圧モータ1A、1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9内の油圧が制御されることによって、下部走行体1、ブーム4、アーム5、及びバケット6が駆動される。
なお、油圧ライン27は、油圧モータ1A及び1Bを操作するために1本ずつ(すなわち合計2本)、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9をそれぞれ操作するために2本ずつ(すなわち合計6本)設けられるため、実際には全部で8本あるが、説明の便宜上、1本にまとめて表す。
レバー操作検出部としての圧力センサ29では、レバー26Aの操作による、油圧ライン28内の油圧の変化が圧力センサ29で検出される。圧力センサ29は、油圧ライン28内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ30に入力される。これにより、レバー26Aの操作量を的確に把握することができる。また、本実施の形態では、レバー操作検出部として圧力センサを用いたが、レバー26Aの操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。
コントローラ30は、パワーショベルの駆動制御を行う制御装置であり、速度指令変換部31、駆動制御装置32、及び旋回駆動制御装置40を含む。コントローラ30は、CPU(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成される。速度指令変換部31、駆動制御装置32、及び旋回駆動制御装置40は、コントローラ30のCPUが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される。
速度指令変換部31は、圧力センサ29から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー26Aの操作量は、旋回用電動機21を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。この速度指令は、駆動制御装置32及び旋回駆動制御装置40に入力される。
次に、本発明の一実施形態によるハイブリッド式建設機械の駆動制御について、上述のパワーショベルの駆動制御を例にとって説明する。
図3は上述のパワーショベルの動力系をモデル化して示す図である。図3のモデル図において、エンジン50は上述のエンジン11に相当し、アシストモータ52は電動機及び発電機の両方の機能を有する電動発電機12に相当する。油圧負荷54は油圧により駆動される構成部品に相当し、上述のブームシリンダ7、アームシリンダ8、パケットシリンダ9、油圧モータ1A,1Bを含む。ただし、油圧を発生させるための負荷として考えた場合、油圧負荷54は、油圧を発生させる油圧ポンプとしてのメインポンプ14に相当する。電気負荷56は電動モータや電動アクチュエータ等のように電力で駆動される構成部品に相当し、上述の旋回用電動機21を含む。バッテリ58は蓄電器であり、上述のバッテリ19に相当する。本実施形態ではバッテリ58としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いることとする。
油圧負荷54には、油圧を発生する油圧ポンプ(上述のメインポンプ14)で発生した油圧が供給される。エンジン50はこの油圧ポンプに動力を供給して駆動する。すなわち、エンジン50が発生した動力は油圧ポンプにより油圧に変換されて油圧負荷54に供給される。
一方、油圧ポンプにはアシストモータ52も接続されており、アシストモータ52で発生した動力を油圧ポンプに供給して駆動することができる。すなわち、アシストモータ52に供給された電力はアシストモータ52により動力に変換され、その動力が油圧モータにより油圧に変換されて油圧負荷54に供給される。この際、アシストモータは電動機として動作する。
電気負荷56にはバッテリ58から電力が供給され駆動される。電気負荷56が駆動されている場合を力行運転と称する。電気負荷56は、例えば電動機兼発電機にように回生電力を発生することができるもので、発生した回生電力はバッテリ58に供給されて蓄積されるか、あるいはアシストモータ52に供給されてアシストモータ52を駆動する電力となる。
バッテリ58は、上述のように電気負荷56からの回生電力により充電される。また、アシストモータ52がエンジン50からの動力を受けて発電機として機能した場合、アシストモータ52が発生した電力をバッテリ58に供給して充電することもできる。アシストモータ52が発生した電力は、電気負荷56に直接供給して電気負荷56を駆動することもできる。
以上のような構成において、電力に関連する部分を見ると、電力(動力)の移動に方向性があることがわかる。この方向性を出力極性としてとらえると、図4に示すうような極性となる。
アシストモータ52に関して見ると、エンジン50をアシストして油圧を発生させて動力を油圧負荷54に供給する場合は、電力を動力として出力することとなる。このときのアシストモータ52の出力極性を(+)とする。一方、エンジン50の駆動力でアシストモータ52を駆動して発電する場合は、アシストモータ52に動力が入力されることとなる。したがって、このときのアシストモータ52の出力極性は(−)となる。
バッテリ58に関して見ると、放電して電気負荷56又はアシストモータ52を駆動する場合は、出力極性を(+)とする。一方、電気負荷56から回生電力、あるいはアシストモータ52の発電による電力が供給されて充電される場合がある。このときのバッテリ58の出力極性は(−)となる。
電気負荷56に関して見ると、電力が供給されて駆動されている場合、すなわち力行運転している場合の出力極性を(+)とすると、回生電力を発生しているときの出力極性は(−)となる。
以上のように、ハイブリッド式パワーショベルにおいては、電力に関連する構成部品である、アシストモータ52及び電気負荷56の運転状態及びバッテリ58の充電状態を考慮してそれらの出力極性を適宜調整することで、運転条件を決定する必要がある。特に、バッテリ58が常時適度に充電されるような状態になるように、アシストモータ52の出力極性を調整しながら、油圧負荷54への出力と電気負荷56への出力の配分を制御することが重要である。
ここで、制御に関する入力は以下の4つの変数となる。
1)エンジン実回転数Nact
エンジン実回転数Nactは、エンジン50の実際の回転数を示す変数である。エンジン50はパワーショベルの運転時には常に駆動されており、エンジン実回転数Nactが検出されている。
2)油圧負荷要求出力Phydreq
油圧負荷要求出力Phydreqは、油圧負荷54が必要とする動力を示す変数であり、例えばパワーショベルを運転者が操作する際の操作レバーの操作量に相当する。
3)電気負荷要求出力Pelcreq
電気負荷要求出力Pelcreqは、電気負荷56が必要とする電力を示す変数であり、例えばパワーショベルを運転者が操作する際の操作レバーの操作量に相当する。
4)バッテリ電圧Vact
バッテリ電圧Vactは、バッテリ58の出力電圧を示す変数である。本実施形態ではバッテリとしてキャパシタ蓄電器を用いている。キャパシタの充電量は、キャパシタの端子間電圧の二乗に比例するから、出力電圧を検出することでバッテリ58の充電状態(すなわち、充電率SOC)を知ることができる。
以上の4つの変数に基づいて、以下の出力を制御して最適な運転条件を達成する。
1)油圧負荷実出力Phydout
油圧負荷要求出力Phydreqに対して、実際に油圧負荷54に供給する動力である。油圧負荷要求出力Phydreqに対して常に要求された動力を供給すると、同時に駆動されている電気負荷56の要求を満たせなくなったり、バッテリ58の充電率SOCを適当な範囲内に維持できなくなってしまう。このため、実際に油圧負荷54に供給する動力をある程度制限しなくてはならない場合がある。
2)電気負荷実出力Pelcout
電気負荷要求出力Pelcreqに対して、実際に電気負荷54に供給する電力である。電気負荷要求出力Pelcreqに対して常に要求された電力を供給すると、同時に駆動されている油圧負荷54の要求を満たせなくなったり、バッテリ58の充電率SOCを適当な範囲内に維持できなくなってしまう。このため、実際に電気負荷56に供給する電力をある程度制限しなくてはならない場合がある。
3)アシストモータ出力指令Pasmref
アシストモータ52の出力を指示する値である。アシストモータ出力指令Pasmrefにより、アシストモータ52が電動機として機能してエンジン50をアシストして油圧負荷54に動力を供給するか、あるいは、アシストモータ52が発電機として機能して電気負荷56に電力を供給するかバッテリ58を充電するか、が指示される。
そこで、本実施形態では、コントローラ30に含まれる駆動制御装置32が、エンジン実回転数Nact、油圧負要求出力Phydreq、電気負荷要求出力Pelcreq、及びバッテリ電圧Vactに基づいて、油圧負荷実出力Phydout、電気負荷実出力Pelcout、及びアシストモータ出力指令Pasmrefを制御する。以下、説明の便宜上、駆動制御装置32を制御部60と称する。
図5は上述の制御を行うためのコントローラ30に含まれる制御部60の機能ブロック図である。制御部60の制御機能の概要について図5を参照しながら説明する。
制御部60は出力条件算出部60−9と動力分配部60−8とを備えている。出力条件算出部60−9は、ブロック60−1〜60−7で構成され、エンジン50とバッテリ58の出力条件である上下限値を算出する。
まず、制御部60の出力条件算出部60−9に入力されたエンジン実回転数Nactはブロック60−1に入力される。ブロック60−1は、入力されたエンジン実回転数Nactにおける出力の上限値Pengmaxと下限値Pengminとを決定し、動力分配部であるブロック60−8に入力する。ブロック60−1は図5に示すように、エンジン50の回転数と出力との関係において、上限値と下限値とを示すマップあるいは変換テーブルを有しており、このマップあるいは変換テーブルを参照しながら入力されたエンジン実回転数Nactにおける出力の上限値Pengmaxと下限値Pengminとを決定する。マップあるいは変換テーブルは予め作成されてコントローラ30のメモリに格納されている。なお、マップあるいは変換テーブルを用いることなく、上限値と下限値を表す式にエンジン実回転数Nactを代入して上限値Pengmaxと下限値Pengminとを求めてもよい。
制御部60に入力された油圧負荷要求出力Phydreq及び電気負荷要求出力Pelcreqは、動力分配部であるブロック60−8に入力される。
制御部60の出力条件算出部60−9に入力されたバッテリ電圧Vactは、ブロック60−2に入力される。ブロック60−2では、入力されたバッテリ電圧Vactから、バッテリ58の現在の充電率SOCactを求める。求めた現在の充電率SOCactは、ブロック60−3、60−4及び60−7に出力される。本実施形態では、バッテリ58としてキャパシタを用いるので、計測したバッテリ電圧(キャパシタの端子間電圧)から演算により容易に充電率SOCを求めることができる。
ブロック60−3は、入力された現在の充電率SOCactと所定の最大充放電電流(一定の電流)とから、現在放電できる放電電力の最大値(バッテリ出力上限値Pbatmax11)及び現在充電できる充電電力の最大値(バッテリ出力下限値Pbatmin11)を求める。ブロック60−3には、図5に示すように、充電率SOCに対してその充電率において一定の電流のもとで充放電可能な最大充電電力[kW]及び最大放電電力[kW]を表すマップ又は変換テーブルが格納されている。
すなわち、ブロック60−3に示すマップは、ある充電率SOCにおいて、コンバータやキャパシタの能力で制限される充放電最大電流を流すときに決まる電力(充放電最大電流×キャパシタ電圧)を表している。充電率SOCは充放電電圧(キャパシタ電圧)の二乗に比例するため、ブロック60−3内に示す最大充電電力及び最大放電電力は放物線を描くこととなる。
このように、ブロック60−3は、このマップ又は変換テーブルを参照して現在の充電率SOCactにおいて一定の電流のもとで許容される最大充電電力(バッテリ出力上限値Pbatmax11)及び最大放電電力(バッテリ出力下限値Pbatmin11)を求める。求めた最大放電電力(バッテリ出力上限値Pbatmax11)はブロック60−5に出力され、求めた最大充電電力(バッテリ出力下限値Pbatmin11)はブロック60−6に出力される。
ブロック60−4は、入力された現在の充電率SOCactと所定のSOC下限値及びSOC上限値とから、現在放電できる放電電力の最大値(バッテリ出力上限値Pbatmax12)及び現在充電できる充電電力の最大値(バッテリ出力下限値Pbatmin12)を求める。ブロック60−4には図5に示すように、充電率SOCに対して、SOC下限値以下にならず、SOC上限値以上とならないための最大放電電力[kW]及び最大充電電力[kW]を表すマップ又は変換テーブルが格納されている。
すなわち、ブロック60−4に示すマップは、ある充電率SOCにおける適切な充放電電力を表している。ブロック60−4に示すマップのうち、下限値は充電率がゼロとならないように余裕を持たせるために設定された充電率SOCである。充電率SOCがゼロ又はゼロに近い値になるまで減らしてしまうと、放電要求があった場合にすぐに放電できなくなってしまうため、ある程度充電された状態に維持しておくことが望ましい。そのため、充電率SOCに下限値(例えば30%)を設けて下限値以下の充電率SOCのときには放電できないように制御する。したがって、最大放電電力(放電可能な最大電力)は充電率SOCの下限値においてゼロ(すなわち放電させない)であり、充電率SCOが大きくなるにつれて放電可能な電力に余裕が生じるので、最大放電電力を大きくしている。ブロック60−4に示すマップでは、充電率SOCの上限値から最大放電電力が直線的に増加しているが、直線的な増加に限ることなく、放物線を描いて増加させてもよく、任意のパターンで増加するように設定してもよい。
一方、充電率SOCが100%のときに、例えば電気負荷から回生電力が発生した場合、回生電力を蓄電器で直ちに吸収することができなくなるので、充電率SOCが100%とならないように上限値(例えば90%)を設けて上限値以上の充電率SOCのときには充電できないように制御する。したがって、最大充電電力(充電可能な最大電力)は充電率SOCの上限値においてゼロ(すなわち充電させない)であり、充電率SCOが小さくなるにつれて充電可能な電力に余裕が生じるので、最大充電電力を大きくする。ブロック60−4に示すマップでは、最大充電電力が充電率SOCの上限値から直線的に増加しているが、直線的な増加に限ることなく、放物線を描いて増加させてもよく、任意のパターンで増加するように設定してもよい。
このように、ブロック60−4は、このマップ又は変換テーブルを参照して現在の充電率SOCactにおいて許容される最大放電電力(バッテリ出力上限値Pbatmax12)及び最大充電電力(バッテリ出力下限値Pbatmin12)を求める。求めた最大放電電力(バッテリ出力上限値Pbatmax12)はブロック60−5に出力され、求めた最大充電電力(バッテリ出力下限値Pbatmin12)はブロック60−6に出力される。
ブロック60−5は、ブロック60−3から供給されたバッテリ出力上限値Pbatmax11と、ブロック60−4から供給されたバッテリ出力上限値Pbatmax12のうち、小さいほうをバッテリ出力上限値Pbatmax1として、動力分配部であるブロック60−8に出力する。ここで、ブロック60−5は最小値選択器の機能をはたす。
一方、ブロック60−6は、ブロック60−3から供給されたバッテリ出力下限値Pbatmin11と、ブロック60−4から供給されたバッテリ出力下限値Pbatmin12のうち、大きいほうをバッテリ出力下限値Pbatmin1として、動力分配部であるブロック60−8に出力する。ここで、バッテリ出力値がマイナスの場合が充電を表すため、バッテリ出力下限値の大きいほうということは、マイナスの値が小さいほう、すなわち、ゼロに近いほうの値を意味する。これにより、バッテリ19の出力能力を超えた過度な充放電から確実に保護することができる。ここで、ブロック60−6は最大値選択器の機能をはたす。
このようにして、現在のバッテリ58の充電状態に応じた充放電可能な最大電力を求める。
ブロック60−7は、入力された現在の充電率SOCactと所定のSOC目標値から、充電率SOCを目標値に近づけるためのバッテリ出力目標値Pbattgtを求める。ブロック60−7には、図5に示すように充電率に対して、その充電率においてSOC目標値に近づくバッテリ出力目標値Pbattgtを表すマップ又は変換テーブルが格納されている。ブロック60−7は、このマップあるいは変換テーブルを参照することで、充電率SOCを最適な目標値にするために、どのくらい充電をすべきかを示す充電電力又はどのくらい放電をするべきかを示す放電電力を求めることができる。
ブロック60−7が参照するマップにおける縦軸の出力は充電も放電もしていないときをゼロとし、充電側がマイナスであり、放電側がプラスである。図5に示す例では、現在の充電率SOCactが目標値より小さい状態であり、バッテリ58を充電すべきであり、充電電力の目標値、すなわちバッテリ出力目標値Pbattgtが示されている。バッテリ出力目標値Pbattgtがプラスの値の場合は目標放電電力を表し、マイナスの値の場合は目標充電電力を表す。ブロック60−7で求められたバッテリ出力目標値Pbattgtは、動力分配部であるブロック60−8に出力される。
以上のように、動力分配部であるブロック60−8には、エンジン出力限界値としてのエンジン出力上限値Pengmax、エンジン出力下限値Pengmin、バッテリ出力上限値Pbatmax1、バッテリ出力限界値としてのバッテリ出力下限値Pbatmin1、及びバッテリ出力目標値Pbattgtが入力される。ブロック60−8は、これら入力された値に基づいて、油圧負荷実出力Phydout、電気負荷実出力Pelcout、及びアシストモータ出力指令Pasmrefを決定し、コントローラ30の各部に出力する。
そこで、コントローラ30は、油圧負荷実出力Phydoutに基づいて油圧負荷54に供給する油圧を制御し、電気負荷実出力Pelcoutに基づいて電気負荷56に供給する電力を制御し、アシストモータ出力指令Pasmrefに基づいてアシストモータ52によるエンジン50のアシスト量又はアシストモータ52による発電量を制御する。
ここで、制御部60において、油圧負荷実出力Phydout、電気負荷実出力Pelcout、及びアシストモータ出力指令Pasmrefを決定する処理について説明する。図6は制御部60において行われる処理のフローチャートである。
ステップS1において、マップ又は変換テーブルを用いてエンジン50の現在の回転数を示すエンジン実回転数Nactから、現在のエンジン50のエンジン出力上限値Pengmax及びエンジン出力上限値Pengminが決定される。この処理はブロック60−1により行われる。この際、エンジン出力上限値Pengmax及びエンジン出力上限値Pengminを、マップ又は変換テーブルにおいて、エンジン50の燃費効率の良い範囲に設定しておけば、エンジン50の省エネ効果を得ることができる。
次に、ステップS2において、現在のバッテリ電圧Vactから、バッテリ出力上限値Pbatmax1及びバッテリ出力下限値Pbatmin1が決定される。この処理は、ブロック60−2〜60−6により行われる。
まず、ブロック60−2は、現在のバッテリ電圧Vactから演算により現在の充電率SOCactを求める。次に、ブロック60−3は、マップあるいは変換テーブルを用いて現在の充電率SOCactから、充電電流及び放電電流を最大値として一定とした際のバッテリ出力上限値Pbatmax11及びバッテリ出力下限値Pbatmin11を決定する。同時に、ブロック60−4は、マップあるいは変換テーブルを用いて現在の充電率SOCactから、SOC下限値以下にならず、SOC上限値以上とならないバッテリ出力上限値Pbatmax12及びバッテリ出力下限値Pbatmin12を決定する。続いて、ブロック60−5は、バッテリ出力上限値Pbatmax11とバッテリ出力上限値Pbatmax12のうち、値の小さいほうをバッテリ出力上限値Pbatmax1として決定する。ここで、バッテリ出力上限値Pbatmax1は最大放電電力を示し、バッテリ出力下限値Pbatmin1は最大充電電力を示す。また、ブロック60−6は、バッテリ出力下限値Pbatmin11とバッテリ出力下限値Pbatmin12のうち、大きいほうをバッテリ出力下限値Pbatmin1として決定する。
以上のように、ステップS2で、バッテリ出力上限値Pbatmax1及びバッテリ出力下限値Pbatmin1が決定されたら、続いて、ステップS3において、現在の充電率SOCactからバッテリ出力目標値Pbattgtが決定される。この処理はブロック60−7により行われる。
次に、ステップS4において、電気負荷実出力Pelcoutが、エンジン50及びバッテリ58の要求出力の限界値に基づいて決定される。ステップS4における処理は動力分配部であるブロック60−8で行われる。この処理については後述する。続いて、ステップS5において、油圧負荷実出力Phydoutが、エンジン50及びバッテリ58の要求出力の限界値に基づいて決定される。ステップS5における処理は動力分配部であるブロック60−8で行われる。この処理については後述する。
次に、ステップS6において、バッテリ出力Pbatoutが、エンジン50、電気負荷56、及び、バッテリ58の算出された出力に基づいて決定される。バッテリ出力Pbatoutは、バッテリ58への充放電電力である。ステップS6における処理は動力分配部であるブロック60−8で行われる。この処理については後述する。
続いて、ステップS7において、アシストモータ出力指令Pasmrefが、電気負荷実出力Pelcoutとバッテリ出力Pbatoutとの比較に基づいて決定される。ステップS6における処理は動力分配部であるブロック60−8で行われる。この処理については後述する。
ステップS7の処理が終了したら、制御部60での処理は終了する。以上の制御部60での処理により、油圧負荷実出力Phydout、電気負荷実出力Pelcout、及びアシストモータ出力指令Pasmrefが決定される。
ここで、上述のステップS4における処理について詳細に説明する。図7はステップS4における処理のフローチャートである。
まず、ステップS4−1において、電気負荷56に供給可能な最大電力である電気負荷出力上限値Pelcmaxを算出する。つまり、電気負荷出力上限値Pelcmaxは、電気負荷56の力行運転時に供給できる最大電力であり、力行運転時の電力がプラスの値として設定される。ここで、油圧負荷54は電気負荷56に対する駆動力源としては機能しないため、油圧負荷出力要求Phydreqは考慮されず0となるので、電気負荷出力上限値Pelcmaxは、エンジン出力上限値Pengmaxとバッテリ出力上限値Pbatmax1との和である。すなわち、電気負荷56に供給可能な最大の電力は、エンジン50の最大出力で得られるアシストモータ52による発電量とバッテリの最大放電電力との和である。図8は上述の電気負荷出力上限値Pelcmaxの算出モデルを示す図である。
次に、ステップS4−2において、電気負荷要求出力Pelcreqと電気負荷出力上限値Pelcmaxを比較し、電気負荷要求出力Pelcreqが電気負荷出力上限値Pelcmax以下であるか否かを判定する。
ステップS4−2において電気負荷要求出力Pelcreqが電気負荷出力上限値Pelcmaxより大きいと判定された場合(ステップS4−2のNo)、処理はステップS4−3に進む。ステップS4−3では、電気負荷実出力Pelcoutの値を電気負荷出力上限値Pelcmaxの値に等しくし、その後処理を終了する。すなわち、電気負荷56が要求する電力が、アシストモータ52とバッテリ58とで供給できる電力の最大値より大きい場合は、アシストモータ52とバッテリ58とで供給できる最大電力しか電気負荷56に供給しないこととし、電気負荷に供給する電力に上限を設けている。
一方、ステップS4−2において電気負荷要求出力Pelcreqが電気負荷出力上限値Pelcmax以下であると判定された場合(ステップS4−2のYes)、処理はステップS4−4に進む。ステップS4−4では、電気負荷56の回生運転時の最大電力が算出される。ここで、電気負荷56は、回生運転時の電力をマイナスの値としているため、回生運転時の最大電力は電気負荷出力下限値Pelcminとして算出される。電気負荷出力下限値Pelcminは、エンジン出力下限値Pengminから油圧負荷出力要求Phydreqを減算し、且つバッテリ出力下限値Pbatmin1を加算して求められる。図9は上述の電気負荷出力下限値Pelcminの算出モデルを示す図である。
次に、ステップS4−5において、電気負荷要求出力Pelcreqと電負荷出力下限値Pelcminとを比較し、電気負荷要求出力Pelcreqが電負荷出力下限値Pelcmin以上であるか否かを判定する。
ステップS4−5において、電気負荷要求出力Pelcreqが電負荷出力下限値Pelcminより小さいと判定された場合(ステップS4−5のNo)、処理はステップS4−6に進む。ステップS4−6では、電気負荷実出力Pelcoutの値を電気負荷出力下限値Pelcminの値に等しくし、その後、処理を終了する。すなわち、電気負荷56が回生する電力が、アシストモータ52で消費できる最大電力とバッテリ58に蓄積できる最大電力の和より大きい場合は、電気負荷56が回生する電力が、アシストモータ52で消費できる最大電力とバッテリ58に蓄積できる最大電力の和より大きくならないように上限を設けている。
一方、ステップS4−5において、電気負荷要求出力Pelcreqが電負荷出力下限値Pelcmin以上であると判定された場合(ステップS4−5のYes)、処理はステップS4−7に進む。ステップS4−7では、電気負荷実出力Pelcoutの値を電気負荷要求Pelcreqの値に等しくし、その後処理を終了する。すなわち、電気負荷56が回生する電力が、アシストモータ52で消費できる最大電力とバッテリ58に蓄積できる最大電力の和以下の場合は、電気負荷56が回生する電力をそのまま出力するように設定している。このように、電気負荷実出力Pelcoutの値の算出に、エンジン出力上下限値Pengmax,Pengmin及びバッテリ出力上下限値Pbatmax,Pbatminを考慮することで、電気負荷56を安定して制御することができる。
次に、上述のステップS5の処理について詳細に説明する。図10はステップS5の処理のフローチャートである。
まず、ステップS5−1において、油圧負荷54に供給可能な最大動力である油圧負荷出力上限値Phydmaxを算出する。油圧負荷出力上限値Phydmaxは、エンジン出力上限値Pengmaxにバッテリ出力上限値Pbatmaxを加算し、且つ電気負荷実出力Pelcoutを減算して算出される。なお、図11は油圧負荷出力上限値Phydmaxの算出モデルを示す図である。ここで、電気負荷実出力Pelcoutには極性があり、電気負荷出力上下限値Pelecmax,Pelecminと同様に、プラスとマイナスの値をとる。電気負荷実出力Pelcoutがプラスの値のときは電気負荷56の力行運転時に電力を供給することを意味し、油圧負荷54に供給可能な動力は電気負荷56に供給する電力を減算したものとなる。一方、電気負荷実出力Pelcoutがマイナスの値のときは電気負荷56の回生運転時に回生電力を供給することを意味し、油圧負荷54に供給可能な動力は電気負荷56からの回生電力を加算したものとなる。電気負荷実出力Pelcoutのマイナスの値が減算されるため、自動的にマイナスとマイナスでプラスとなり、回生電力は加算されることとなる。
次に、ステップS5−2において、油圧負荷要求出力Phydreqと油圧負荷出力上限値Phydmaxとを比較し、油圧負荷要求出力Phydreqが油圧負荷出力上限値Phydmax以下であるか否かが判定される。
ステップS5−2において、油圧負荷要求出力Phydreqが油圧負荷出力上限値Phydmax以下ではない、すなわち、油圧負荷要求出力Phydreqが油圧負荷出力上限値Phydmaxより大きいと判定された場合(ステップS5−2のNo)、処理はステップS5−3に進む。ステップS5−3では、油圧負荷実出力Phydoutの値を油圧負荷出力上限値Phydmaxに等しくし、その後処理を終了する。すなわち、油圧負荷54が要求する動力が、エンジン50から出力できる最大動力とアシストモータ52から出力できる最大動力の和より大きい場合は、油圧負荷54に供給する動力を、エンジン50から出力できる最大動力とアシストモータ52から出力できる最大動力の和までとして上限を設けている。
一方、ステップS5−2において、油圧負荷要求出力Phydreqが油圧負荷出力上限値Phydmax以下であると判定された場合(ステップS5−2のYes)、処理はステップS5−4に進む。ステップS5−4では、油圧負荷出力Phydoutの値を油圧負荷要求出力Phydreqの値に等しくし、その後処理を終了する。すなわち、油圧負荷54が要求する動力が、エンジン50から出力できる最大動力とアシストモータ52から出力できる最大動力の和以下である場合は、油圧負荷54が要求する動力をそのまま供給するように設定している。このように、油圧負荷実出力Phydoutの値の算出に、エンジン出力上限値Pengmax、及びバッテリ出力上限値Pbatmax1を考慮することで、油圧負荷54を安定して制御することができる。
次に、上述のステップS6の処理について詳細に説明する。図12はステップS6の処理のフローチャートである。ここで、バッテリ出力上限値Pbatmax2は最大放電電力を示し、バッテリ出力下限値Pbatmin2は最大充電電力を示す。
まず、ステップS6−1において、上述のように決定された電気負荷56への出力と油圧負荷54への出力の状態において、バッテリ58が放電可能な電力であるバッテリ制御出力上限値Pbatmax2を算出する。バッテリ制御出力上限値Pbatmax2は、電気負荷実出力Pelcoutと油圧負荷出力Phydoutとの和からエンジン出力下限値Pengminを減算して算出される。図13はバッテリ制御出力上限値Pbatmax2の算出モデルを示す図である。バッテリ制御出力上限値Pbatmax2は、電気負荷56で消費できる電力と、アシストモータ52で油圧系をアシストして消費することのできる電力との和となる。
次に、ステップS6−2において、ステップS2で決定したバッテリ出力上限値Pbatmax1とバッテリ制御出力上限値Pbatmax2とを比較し、バッテリ制御出力上限値Pbatmax2がバッテリ出力上限値Pbatmax1以上であるか否かを判定する。
ステップS6−2において、バッテリ制御出力上限値Pbatmax2がバッテリ出力上限値Pbatmax1以上であると判定された場合(ステップS6−2のYes)、処理はステップS6−3に進む。ステップS6−3では、バッテリ出力上限値Pbatmaxの値をバッテリ出力上限値Pbatmax1の値に等しくする。その後、処理はステップS6−5に進む。
一方、ステップS6−2において、バッテリ制御出力上限値Pbatmax2がバッテリ出力上限値Pbatmax1以上ではない、すなわちバッテリ制御出力上限値Pbatmax2がバッテリ出力上限値Pbatmax1より小さいと判定された場合(ステップS6−2のNo)、処理はステップS6−4に進む。ステップS6−4では、バッテリ出力上限値Pbatmaxの値をバッテリ制御出力上限値Pbatmax2の値に等しくする。その後、処理はステップS6−5に進む。
ステップS6−5では、バッテリ目標出力Pbattgtとバッテリ出力上限値Pbatmaxとを比較し、バッテリ目標出力Pbattgtがバッテリ出力上限値Pbatmax以下であるか否かを判定する。
ステップS6−5においてバッテリ目標出力Pbattgtがバッテリ出力上限値Pbatmax以下ではない、すなわちバッテリ目標出力Pbattgtがバッテリ出力上限値Pbatmaxより大きいと判定された場合(ステップS6−5のNo)、処理はステップS6−6に進む。ステップS6−6では、バッテリ出力Pbatoutの値をバッテリ出力上限値Pbatmaxの値に等しくし、その後処理を終了する。
このように、電気負荷実出力Pelcoutと油圧負荷実出力Phydoutとをもとに、バッテリ出力上下限値Pbatmax2,Pbatmin2を求める。これにより、実際の負荷要求に応じたバッテリ58の出力(充放電電力)の最大値を求めることができるので、実際の作業状況に対応してバッテリ58の充放電を行なうことができる。
また、電気負荷実出力Pelcoutと油圧負荷実出力Phydoutとをもとに求められたバッテリ出力上下限値と、現在のバッテリ58の充電状態に応じた充放電可能な最大電力とを対比して、バッテリ要求限界値を求める。これにより、バッテリ58に過大な負荷がかかることを防止することができる。
そして、バッテリ58のバッテリ出力Pbatoutがバッテリ要求限界値の範囲内に入るように、バッテリ要求限界値とバッテリ目標出力とを対比し、バッテリ目標出力がバッテリ要求限界値の範囲外の場合には、バッテリ目標出力の補正を行なう。これにより、より確実にバッテリ58に過大な負荷がかかることを防止することができる。
図14はステップS6−6の処理により決定されるバッテリ出力Pbatoutの値を、バッテリ充電率(SOC)とバッテリ出力との関係を示すグラフ中に示す図である。図14のグラフには、図5に示すブロック60−5で決定されるバッテリ出力上限値Pbatmax1が示されている。バッテリ出力上限値Pbatmax1は、バッテリ出力上限値Pbatmax11とバッテリ出力上限値Pbatmax12の値の小さいほうの値であり、図中、2点鎖線が引かれている部分に相当する。また、図14のグラフには、図5に示すブロック60−6で決定されるPbatmin1も示されている。バッテリ出力下限値Pbatmin1は、バッテリ出力下限値Pbatmin11とバッテリ出力下限値Pbatmin12の値の大きいほうの値(ゼロに近いほう)であり、図中、2点鎖線が引かれている部分に相当する。
実際のバッテリ出力Pbatoutは、放電を示すプラス側では、2点鎖線で示されるPbatmax1より下側の領域に入るように決定される。一方、 実際のバッテリ出力Pbatoutは、充電を示すマイナス側では、2点鎖線で示されるPbatmin1より上側の領域に入るように決定される。
また、図14に示すグラフには、ブロック60−7で参照されるバッテリ出力目標値Pbattgtも示されている。本実施形態では、バッテリ58の放電可能な最大値として設定するバッテリ出力上限値Pbatmax1と、バッテリ58の充電可能な最大値として設定するバッテリ下限値Pbatmin1とに加えて、バッテリ58の現在の充電率SOCactも考慮して、バッテリ58の実際の放電電力又は充電電力をバッテリ出力Pbatoutとして決定する。
ステップS6−6の処理では、図14に示すように、バッテリ58の現在の充電率SOCactにおけるバッテリ目標出力Pbattgtが、バッテリ出力制御上限値Pbatmaxを超えているので、目標放電電力が放電電力の上限値を超えている。この場合、バッテリ目標出力Pbattgtをバッテリ出力Pbatoutとして設定すべきではない。したがって、実際のバッテリ出力Pbatoutはバッテリ出力制御上限値Pbatmaxに設定される。ここで、上述のステップS6−2及びステップS6−4において、バッテリ制御出力上限値Pbatmax2がバッテリ出力上限値Pbatmax1より小さため、バッテリ出力上限値Pbatmaxの値はバッテリ制御出力上限値Pbatmax2の値に等しく設定されている。したがって、図14に示す例の場合、最終的にバッテリ出力上限値Pbatmaxの値、すなわちバッテリ制御出力上限値Pbatmax2の値が実際のバッテリ出力Pbatoutとして設定される。すなわち、バッテリ要求限界値は、エンジン50、電気負荷56、及び、バッテリ58のそれぞれの出力に基づいて算出される。そして、バッテリ目標出力Pbattgtは算出されたバッテリ要求限界値と比較され、図14に示す場合ではバッテリ供給限界値へ置き換えられる。その際、バッテリ58の出力能力を超えないように、SOCと対応したバッテリ58の限界値との比較を行うことで、バッテリ58の能力を超えた目標値が算出されることを防ぐことができる。
一方、ステップS6−5においてバッテリ目標出力Pbattgtがバッテリ出力上限値Pbatmax以下であると判定された場合(ステップS6−5のYes)、処理はステップS6−7に進む。ステップS6−7では、上述のように決定された電気負荷56への出力と油圧負荷54への出力の状態において、バッテリ58が充電可能な電力であるバッテリ制御出力下限値Pbatmin2を算出する。バッテリ制御出力下限値Pbatmin2は、電気負荷実出力Pelcoutと油圧負荷出力Phydoutとの和からエンジン出力上限値Pengmaxを減算して算出される。図15はバッテリ制御出力下限値Pbatmin2の算出モデルを示す図である。バッテリ制御出力下限値Pbatmin2は、電気負荷56の回生電力とアシストモータ52で発電する電力の和となる。
続いて、ステップS6−8において、バッテリ出力下限値Pbatmin1とバッテリ制御出力下限値Pbatmin2とを比較し、バッテリ制御出力下限値Pbatmin2がバッテリ出力下限値Pbatmin1以下であるか否かを判定する。
ステップS6−8においてバッテリ制御出力下限値Pbatmin2がバッテリ出力下限値Pbatmin1以下であると判定された場合(ステップS6−8のYes)、処理はステップS6−9に進む。ステップS6−9では、バッテリ出力下限値Pbatminの値をバッテリ出力下限値Pbatmin1の値に等しくする。その後、処理はステップS6−11に進む。
一方、ステップS6−8においてバッテリ制御出力下限値Pbatmin2がバッテリ出力下限値Pbatmin1以下ではない、すなわちバッテリ制御出力下限値Pbatmin2がバッテリ出力下限値Pbatmin1より大きいと判定された場合(ステップS6−8のNo)、処理はステップS6−10に進む。ステップS6−10では、バッテリ出力下限値Pbatminの値をバッテリ制御出力下限値Pbatamin2の値に等しくする。その後、処理はステップS6−11に進む。
次に、ステップS6−11では、バッテリ目標出力Pbattgtとバッテリ出力下限値Pbatminとを比較し、バッテリ目標出力Pbattgtがバッテリ出力下限値Pbatmin以上であるか否かを判定する。
ステップS6−11においてバッテリ目標出力Pbattgtがバッテリ出力下限値Pbatmin以上であると判定された場合(ステップS6−11のYes)、処理はステップS6−12に進む。ステップS6−12では、バッテリ出力Pbatoutの値をバッテリ目標出力Pbattgtの値に等しくし、その後処理を終了する。図16はステップS6−12の処理により決定されるバッテリ出力Pbatoutの値をバッテリ充電率(SOC)とバッテリ出力との関係を示すグラフ中に示す図である。
図16に示す例の場合、まず、バッテリ出力上限値Pbatmax1がバッテリ制御出力上限値Pbatmax2以下であるため、ステップS6−2及びステップS6−3の処理により、バッテリ制御出力上限値Pbatmax1の値がバッテリ出力上限値Pbatmaxとして設定される。また、バッテリ制御出力下限値Pbatmin2がバッテリ出力下限値Pbatmin1以下であるので、ステップS6−8及びステップS6−9の処理により、バッテリ出力下限値Pbatmin1の値がバッテリ出力下限値Pbatminとして設定される。ここで、バッテリ58の現在の充電率SOCactにおけるバッテリ目標出力Pbattgtは、バッテリ出力下限Pbatmin以上であり且つバッテリ出力上限値Pbatmax以下であるので、バッテリ目標出力Pbattgtを実際のバッテリ出力Pbatoutとして設定可能である。したがって、ステップS6−12の処理により、バッテリ目標出力Pbattgtの値がバッテリ出力Pbatoutとして設定される。
一方、ステップS6−11においてバッテリ目標出力Pbattgtがバッテリ出力下限値Pbatmin以上ではない、すなわちバッテリ目標出力Pbattgtがバッテリ出力下限値Pbatminより小さいと判定された場合(ステップS6−11のNo)、処理はステップS6−13に進む。ステップS6−13では、バッテリ出力Pbatoutの値をバッテリ出力下限値Pbatminの値に等しくし、その後処理を終了する。図17はステップS6−12の処理により決定されるバッテリ出力Pbatoutの値をバッテリ充電率(SOC)とバッテリ出力との関係を示すグラフ中に示す図である。
図17に示す例の場合、バッテリ制御出力下限値Pbatmin2がバッテリ出力下限値Pbatmin1以下であるので、ステップS6−8及びステップS6−9の処理により、バッテリ出力下限値Pbatmin1の値がバッテリ出力下限値Pbatminとして設定される。ここで、バッテリ58の現在の充電率SOCactにおけるバッテリ目標出力Pbattgtは、バッテリ出力下限Pbatmin未満であるので、目標充電電力がバッテリの最大充電電力を超えており、バッテリ目標出力Pbattgtを実際のバッテリ出力Pbatoutとして設定すべきではない。したがって、ステップS6−13の処理により、バッテリ出力下限値Pbatminの値、すなわちバッテリ出力下限値Pbatmin1の値がバッテリ出力Pbatoutとして設定される。
このように、電気負荷実出力Pelcoutと油圧負荷実出力Phydoutとをもとに、バッテリ出力上下限値Pbatmax2,Pbatmin2を求める。これにより、実際の負荷要求に応じたバッテリ58の出力(充放電電力)の最大値を求めることができるので、実際の作業状況に対応してバッテリ58の充放電を行なうことができる。
また、電気負荷実出力Pelcoutと油圧負荷実出力Phydoutとをもとに求められたバッテリ出力上下限値と、現在のバッテリ58の充電状態に応じた充放電可能な最大電力とを対比して、バッテリ要求限界値を求める。これにより、バッテリ58に過大な負荷がかかることを防止することができる。
そして、バッテリ58のバッテリ出力Pbatoutがバッテリ要求限界値の範囲内に入るように、バッテリ要求限界値とバッテリ目標出力とを対比し、バッテリ目標出力がバッテリ要求限界値の範囲外の場合には、バッテリ目標出力の補正を行なう。これにより、より確実にバッテリ58に過大な負荷がかかることを防止することができる。
次に、上述のステップS7の処理について詳細に説明する。図18はステップS7の処理のフローチャートである。
処理が開始されると、ステップS7−1において、アシストモータ52の運転を指示するアシストモータ出力指令Pasmrefを算出し、その後処理を終了する。アシストモータ出力指令Pasmrefは、バッテリ出力Pbatoutから電気負荷実出力Pelcoutを減算して算出される。このように、バッテリ出力と電気負荷実出力とを対比してアシストモータ出力指令を求めることで、ハイブリッド式建設機械の運転状態やバッテリ58の充電状態に応じた、アシストモータ52の電動発電機運転の制御を行なうことができる。その結果、バイブリッド式建設機械を安定して連続運転することができる。
図19はアシストモータ出力指令Pasmrefの算出モデルを示す図である。アシストモータ52の出力はバッテリ58から放電する電力から電気負荷56で消費される電力を引いて得られる電力に相当する。
ここで、電気負荷56の出力は極性を有しており、電気負荷56が実際に電力を消費する場合は極性はプラスである。この場合、バッテリ58が放電する電力から電気負荷56で消費される電力である電気負荷出力を減算した値がプラスであれば、電力がアシストモータ52に供給され、アシストモータ52は電動機として機能する。一方、バッテリ58が放電する電力から電気負荷56で消費される電力である電気負荷出力を減算した値がマイナスであれば、エンジン50からの動力がアシストモータ52に供給され、アシストモータ52は発電機として機能する。これにより、アシストモータ52はマイナスになった分の電力を発電し、その電力が電気負荷56に供給される。
また、電気負荷56が回生電力を発生する場合は、電気負荷56の出力極性はマイナスである。この場合、マイナスの値を引くこととなるから、バッテリ58が放電する電力に電気負荷56で回生する電力が加算されることとなる。したがって、バッテリ58が放電する電力と電気負荷56で回生する電力との和がアシストモータ52に供給され、アシストモータ52は電動機として機能して、エンジン50をアシストすることとなる。すなわち、電気駆動部の出力設定値である電気負荷実出力Pelcoutと、蓄電器出力設定値であるバッテリ出力Pbatoutとの電気的な比較に基づいて、アシストモータ52の制御が行われる。
以上説明したように、本実施形態が適用されるハイブリッド式建設機械の一例であるハイブリッド式パワーショベルは、油圧発生機、電動発電機、蓄電器、電気駆動部、及び制御部を有する。油圧発生機は油圧モータであるメインポンプ14に相当し、エンジン50の出力を油圧に変換し油圧駆動部に供給する。電動発電機12はアシストモータ52に相当し、エンジン50に接続され、電動機及び発電機の両方として機能する。蓄電器はバッテリ19(又は58)に相当し、電動発電機12に電力を供給して電動機として機能させる。電気駆動部は、蓄電器及び電動発電機からの電力により駆動され、且つ回生電力を発生して蓄電器及び電動発電機の少なくとも一方に供給する。制御部60は、電動発電機12の動作を制御する。以上のような構成のハイブリッド式建設機械において、制御部60は、電動発電機12の動作及び出力を制御するための動力分配部60−8を有する。動力分配部60−8は、機蓄電器の充電率(SOC)に基づいて決定される蓄電器出力設定値(バッテリ出力上限値Pbatmax1及びバッテリ出力下限値Pbatmin1)と、エンジンの回転数に基づいて決定されるエンジン出力設定値(エンジン出力上限値Pengmax及びエンジン出力下限値Pengmin)と、油圧発生機が要求する動力を示す油圧負荷要求値(油圧負荷要求出力Phydreq)と、電気駆動部が要求する電力を示す電気負荷要求値(電気負荷要求出力Pelcreq)と、に基づいて電動発電機12の動作及び出力を制御するための出力指令(アシストモータ出力指令Pasmref)を生成して出力する。
動力分配部60−8は、電気駆動部に供給する電力を決定し、電気負荷実出力値(電気負荷実出力Pelcout)として出力する。また、動力分配部60−8は、油圧駆動部に供給する出力を決定し、油圧負荷実出力値(油圧負荷実出力Phydout)として出力する。さらに、動力分配部は60−8は、蓄電器の蓄電率(SOC)に基づいて出力指令(アシストモータ出力指令Pasmref)を決定する。
本実施形態によれば、蓄電器出力設定値、電気負荷要求値、エンジン出力設定値、及び油圧負荷要求値を考慮して、電動発電機の動作及び出力を制御することができるため、動力源であるエンジンと蓄電器とを適正な出力範囲で使用することができる。また、本実施形態によれば、電気負荷からの回生電力を効率よく利用することができ、また、蓄電器の充電率(SOC)を効率的に目標値近辺に維持することがきる。なお、本願発明ではハイブリッド式建設機械の一例としてハイブリッド式ショベルを例に説明したが、トラックやホイルローダなどの建設機械にも適用することができる。
本発明は具体的に開示された実施例に限られず、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例及び改良例がなされるであろう。
本出願は2007年12月28日出願の優先権主張日本特許出願2007−340836号に基づくものであり、その全内容はここに援用される。

Claims (6)

  1. エンジンの出力を油圧に変換し油圧駆動部に供給する油圧発生機と
    前記エンジンに接続され、電動機及び発電機の両方として機能する電動発電機と、
    該電動発電機に電力を供給して電動機として機能させる蓄電器と、
    該蓄電器からの電力により駆動され、且つ回生電力を発生して前記蓄電器に供給する電気駆動部と、
    前記電動発電機の動作を制御する制御部と
    を有するハイブリッド式建設機械であって、
    前記制御部は、前記エンジンと前記蓄電器との出力条件を算出する出力条件算出部と、該出力条件算出部で算出された出力条件に基づいて、前記電気駆動部と前記油圧駆動部の出力値を決定し、その後、前記電気駆動部と前記油圧駆動部の出力値に基づいて前記蓄電器の出力値を決定し、そして前記蓄電器の出力値と前記電気駆動部の出力値を比較することにより、前記電動発電機の出力値を決定する動力分配部とを備えることを特徴とするハイブリッド式建設機械
  2. 請求項1記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記動力分配部は、前記蓄電器の充電率に基づいて決定される蓄電器出力設定値と、前記エンジンの回転数に基づいて決定されるエンジン出力設定値と、前記油圧発生機が要求する動力を示す油圧負荷要求値と、前記電気駆動部が要求する電力を示す電気負荷要求値と、に基づいて前記電動発電機の動作及び出力を制御するための出力指令を生成して出力することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
  3. 請求項1又は2記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記動力分配部は、前記電気駆動部を力行運転する電力及び前記電気駆動部の回生運転により発生する回生電力を、前記エンジン及び前記蓄電器の出力限界値に基づいて決定することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
  4. 請求項1乃至3のうちいずれか一項記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記動力分配部は、前記油圧駆動部に供給する出力を、前記エンジン及び前記蓄電器の出力限界値に基づいて決定することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
  5. 請求項1乃至4のうちいずれか一項記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記蓄電器の出力指令は、前記エンジン、前記電気駆動部、及び前記蓄電器のそれぞれの出力に基づいて算出されたバッテリ要求限界値とバッテリ目標出力とを比較して決定されることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
  6. 請求項5記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記電動発電機の出力は、前記蓄電器の出力指令と前記電気駆動部に供給する電力又は前記電気駆動部から出力される電力とを比較して決定されることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
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Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5492493B2 (ja) * 2009-08-18 2014-05-14 株式会社豊田中央研究所 充電電力制限値演算装置
KR101395407B1 (ko) * 2010-01-29 2014-05-14 스미토모 겐키 가부시키가이샤 하이브리드식 건설기계
JP5329574B2 (ja) * 2011-01-25 2013-10-30 住友重機械工業株式会社 ハイブリッド型建設機械
WO2012102351A1 (ja) * 2011-01-28 2012-08-02 住友重機械工業株式会社 ショベル
CN102650303A (zh) * 2011-02-24 2012-08-29 中联重科股份有限公司 混凝土泵送设备的动力驱动装置和混凝土泵送设备
JP5562272B2 (ja) * 2011-03-01 2014-07-30 日立建機株式会社 ハイブリッド式建設機械
JP5562893B2 (ja) * 2011-03-31 2014-07-30 住友建機株式会社 ショベル
US9067501B2 (en) * 2011-04-01 2015-06-30 Caterpillar Inc. System and method for adjusting balance of operation of hydraulic and electric actuators
CA2968400A1 (en) 2011-04-29 2012-11-01 Harnischfeger Technologies, Inc. Controlling a digging operation of an industrial machine
CN102418354B (zh) * 2011-10-28 2013-09-18 华侨大学 基于泵/马达的混联式液压挖掘机驱动系统
JP5867039B2 (ja) * 2011-12-09 2016-02-24 コベルコ建機株式会社 ハイブリッド建設機械
JP5270775B1 (ja) * 2012-03-09 2013-08-21 トヨタ自動車株式会社 電動車両および電動車両の制御方法
US9010467B2 (en) * 2012-04-23 2015-04-21 Federal Signal Corporation Shared power street sweeper
CN102912821B (zh) * 2012-04-27 2014-12-17 华侨大学 一种液压挖掘节能系统
JP5578194B2 (ja) * 2012-05-11 2014-08-27 ダイキン工業株式会社 ハイブリット式作業機械
CA2872608C (en) * 2012-06-08 2017-05-02 Volvo Construction Equipment Ab Apparatus for controlling a cascaded hybrid construction machine system and a method therefor
JP6019956B2 (ja) * 2012-09-06 2016-11-02 コベルコ建機株式会社 ハイブリッド建設機械の動力制御装置
JP6014463B2 (ja) * 2012-11-07 2016-10-25 日立建機株式会社 作業車両
JP6232795B2 (ja) * 2013-07-18 2017-11-22 コベルコ建機株式会社 ハイブリッド建設機械
JP6318496B2 (ja) * 2013-08-07 2018-05-09 コベルコ建機株式会社 ハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置
CN103481796A (zh) * 2013-09-09 2014-01-01 上海电控研究所 新型电动驱动系统
US9935473B2 (en) * 2013-09-19 2018-04-03 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation Storage battery system
US10014698B2 (en) 2013-09-19 2018-07-03 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation Storage battery system
JP6384482B2 (ja) * 2013-09-19 2018-09-05 東芝三菱電機産業システム株式会社 蓄電池システム
EP3128086B1 (en) * 2014-03-31 2020-12-30 Sumitomo (S.H.I.) Construction Machinery Co., Ltd. Shovel
US10458095B2 (en) * 2015-01-07 2019-10-29 Volvo Construction Equipment Ab Control method for controlling an excavator and excavator comprising a control unit implementing such a control method
JP6468428B2 (ja) * 2015-03-12 2019-02-13 コベルコ建機株式会社 ハイブリッド建設機械
JP6469844B2 (ja) * 2015-03-27 2019-02-13 住友重機械工業株式会社 ショベルおよびショベルの駆動方法
PE20230969A1 (es) 2015-05-28 2023-06-16 Joy Global Longview Operations Llc Maquina de mineria y sistema de almacenamiento de energia para la misma
KR102462668B1 (ko) * 2015-06-10 2022-11-03 현대두산인프라코어(주) 건설기계의 제어장치 및 제어방법
CN105421521B (zh) * 2015-11-11 2018-07-03 潍柴动力股份有限公司 挖掘机防熄火控制方法及系统
US9630614B1 (en) * 2016-01-28 2017-04-25 Miq Llc Modular power plants for machines
GB2606643B (en) * 2020-02-20 2023-06-07 Terex Gb Ltd Material processing apparatus with hybrid power system
GB2592237B (en) * 2020-02-20 2022-07-20 Terex Gb Ltd Material processing apparatus with hybrid power system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002322682A (ja) * 2001-04-27 2002-11-08 Kobelco Contstruction Machinery Ltd ショベル
JP2007247230A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Kobelco Contstruction Machinery Ltd ハイブリッド建設機械

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005237178A (ja) 2004-02-23 2005-09-02 Kobelco Contstruction Machinery Ltd 作業機械の動力源装置
JP2006336306A (ja) * 2005-06-02 2006-12-14 Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd 作業機械
JP2006336432A (ja) * 2005-06-06 2006-12-14 Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd 作業機械
JP2007001493A (ja) * 2005-06-27 2007-01-11 Nissan Motor Co Ltd ハイブリッド車両の制御装置
CN101900043B (zh) * 2005-10-28 2012-01-04 株式会社小松制作所 发动机、液压泵以及发电电动机的控制装置
JP5066905B2 (ja) * 2006-12-04 2012-11-07 トヨタ自動車株式会社 車両用駆動装置の制御装置
JP2008137619A (ja) * 2006-12-05 2008-06-19 Toyota Motor Corp 車両用駆動装置の制御装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002322682A (ja) * 2001-04-27 2002-11-08 Kobelco Contstruction Machinery Ltd ショベル
JP2007247230A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Kobelco Contstruction Machinery Ltd ハイブリッド建設機械

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