JP5545733B2 - ハイブリッド型建設機械における制御システム - Google Patents
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Description
ところで、蓄電装置は一回の充放電のロスは小さいが、充放電が繰り返しなされるような運転状態になると大きなロスが発生するという問題がある。また、蓄電装置が電気二重層コンデンサ(EDLC)のように、抵抗損が主となる種類の電池において、蓄電装置が単独の駆動源となって作業する場合のように、蓄電装置の分担率が高くなり、しかも、充放電量に大きな変動があるような運転状態になると、大きなロスが発生するという問題がある。このため、前記従来のもののように、蓄電装置が単独で駆動源となり、その状態が比較的長く継続されるものでは、蓄電装置のロスが大きくなるという問題があり、ここに本発明の解決すべき課題がある。
また、ハイブリッド型建設機械の制御システム全体の効率を考えたとき、蓄電装置と発電機とのトータルとしての効率を考慮した場合、発電機は出力変動に伴い発電機効率を低下することが知られており、発電機の出力変化を低減することが発電機効率の向上となるが、発電機効率を高めながら蓄電装置のロスを低減するシステムについて検討したものは見当たらず、ここにも本発明の解決すべき課題がある。
請求項2の発明は、請求項1において、発電機出力設定手段は、オペレータが発電機出力を任意に切替えるための発電機出力切替え手段により構成されるものとし、発電機出力切替え手段は、発電機出力切替え手段の操作値に応じて発電機出力を設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械における制御システムである。
請求項3の発明は、請求項1において、作業部が消費する動力を測定する負荷測定手段を設けるとともに、発電機出力設定手段は、負荷測定手段により測定される予め設定される基準時間毎の作業部の消費動力の平均値に応じて発電機出力を設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械における制御システムである。
請求項4の発明は、請求項3において、基準時間設定手段を設け、基準時間を充電量検出手段の検出値に基づいて設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械における制御システムである。
請求項2の発明とすることにより、発電機の出力をオペレータが任意に、しかも、容易な操作で切替えることができる。
請求項3の発明とすることにより、蓄電装置の分担率が一層低下し、蓄電装置のロスおよび発電機のロスをトータルで改善することができる。
請求項4の発明とすることにより、蓄電装置が満充電範囲になりにくいうえ、発電機のロスの低減を図れる。
まず、第一の実施の形態について図1〜図5に基づいて説明する。図1において、1は本発明のハイブリッド型建設機械の一例であるハイブリッド型油圧ショベルであって、該ハイブリッド型油圧ショベル1は、クローラ式の下部走行体2、該下部走行体2に旋回自在に支持される上部旋回体3、該上部旋回体3に装着されるフロント作業機4等から構成され、さらに、フロント作業機4は、ブーム5、アーム6、バケット7等を用いて構成されている。また、ハイブリッド型油圧ショベル1は、前記ブーム5、アーム6、バケット7をそれぞれ揺動せしめるブームシリンダ8、アームシリンダ9、バケットシリンダ10、下部走行体2を走行せしめる左右の走行モータ11L、11R等の各種油圧アクチュエータを備えるとともに、上部旋回体3には、動力源としてのエンジン12や、該エンジン12により駆動される(エンジン12に連結される)発電機13、後述する蓄電装置34等が搭載されている。
ここで、本実施の形態では、前記メインポンプ28およびサブポンプ33は、容量可変手段28a、33aを備えた可変容量型ポンプが用いられているとともに、該容量可変手段28a、33aは、制御装置27から出力される制御指令に基づいてメインポンプ28、サブポンプ33の容量をそれぞれ制御するように構成されている。また、パイロットポンプ31には定容量型ポンプが用いられている。
尚、前記メインポンプ28、旋回機構30、パイロットポンプ31、冷却ファン32、サブポンプ33は、メインポンプ用、旋回用、パイロットポンプ用、冷却ファン用、サブポンプ用の各電動機21〜25とともに本発明の作業部を構成する。
そして制御装置27は、前記エンジン・発電機制御部36や電動機・ポンプ制御部37において、蓄電装置34の充電量を検出する充電量センサ(本発明の充電量検出手段に相当する)38、母線15の電圧を計測する電圧センサ39、発電機13の発電電流を検出する発電機電流センサ40、蓄電装置34の蓄放電電流を検出する蓄電装置電流センサ41、走行用、旋回用、ブーム用、アーム用、バケット用、他の油圧アクチュエータ用の各操作具(図示しないが、操作レバーや操作ペダル、操作スイッチ等)の操作を検出する操作検出手段(例えば、操作具の操作量を電気的に検出するポテンショメータや、操作具操作に基づいて出力されるパイロット圧の圧力を検出する圧力センサ等)42、後述するように発電機13の出力を設定する作業ダイヤル43等からの信号を入力し、これら入力信号と前記メモリ35に収納されたデータとに基づいて、前記エンジンコントローラ26、発電機制御器14、電動機制御器16〜20、メインポンプ28、サブポンプ33の容量可変手段28a、33a等に制御指令を出力するように構成されている。
まず、ハイブリッド型油圧ショベル1が運転開始すると、エンジン・発電機制御部36は、ステップ1において、メモリ35に収納されているデータを読み込む。
前記蓄電装置34の充電量SOCに基づく基準値としては、蓄電限界付近である満充電範囲SOCfullが設定され、蓄電装置34の充電量SOCが満充電範囲SOCfull以下となることにより、エンジン12および発電機13を駆動するように設定されている。このように、充電量SOCの基準値を満充電範囲SOCfullとするため、本実施の形態では、基準値として満充電範囲SOCfullにおける下限値である第一充電基準値SOC1と、満充電範囲SOCfullにおける上限値(限界値)である第二充電基準値SOC2とを設定する。尚、満充電範囲SOCfullの設定はサービスマンやオペレータが任意に設定できる基準値設定手段を設けてもよく、このようにすることで、充電量SOCに基づく駆動/停止基準値を使用状況に応じて適宜調整することができる。
また、負荷消費動力Pfに基づく基準値としては、アイドリング時の消費動力(アイドリング時の消費動力)を負荷基準値Psとして設定する。尚、負荷消費動力Pfに基づく基準値としては、サービスマンやオペレータが任意に設定できる基準値設定手段を設ける構成としてもよく、このようにすることで、負荷消費動力Pfに基づく駆動/停止基準値を使用状況に応じて適宜調整することができる。
Pf=Pm=(Ig×V)+(Ib×V) ・・・(1)
前記式(1)において、Igは発電機電流センサ40により検出される発電機13の発電電流、Vは電圧センサ39により検出される母線15の電圧、Ibは蓄電装置電流センサ41により検出される蓄電装置34の蓄放電電流である。前記蓄電装置34の蓄放電電流は、蓄電装置34の放電時にはプラス符号とし、蓄電装置34の蓄電時にはマイナス符号とする。これによって、蓄電装置34の放電時には、発電機13の発電電力と蓄電装置34の放電電力との合計電力が電動機21〜25への供給電力Pmとして演算され、また、蓄電装置34の蓄電時には、発電機13の発電電力から蓄電装置34の蓄電電力を減じた電力が電動機21〜25への供給電力Pmとして演算される。尚、前起電圧センサ39、発電機電流センサ40、蓄電装置電流センサ41は本発明の負荷測定手段を構成する。
この場合に、本実施の形態の駆動/停止判定部45は、図5のフローチャートに示すように、エンジン12および発電機13が駆動か停止かを判断し、駆動中である場合に、蓄電装置34の充電量SOCが第二充電基準値SOC2よりも小さいか否か、即ち、満充電範囲SOCfullの上限値(第二充電基準値SOC2)に達しているか否かを判断する。そして、充電量SOCが第二充電基準値SOC2より小さくない(満充電範囲SOCfullに達している)場合では、エンジン12および発電機13を停止すると判定し、充電量SOCが第二充電基準値SOC2より小さい(満充電範囲SOCfullに達していない)場合では、続いて負荷消費動力Pfが負荷基準値Ps以下であるか否か、即ち、アイドリング状態よりも小さい負荷であるか否かを判断し、負荷消費動力Pfが負荷基準値Ps以下の(アイドリング状態より小さい)負荷である場合に、エンジン12および発電機13を停止すると判定するように設定されている。また、負荷消費動力Pfと負荷基準値Psとの比較において、負荷消費動力Pfが負荷基準値Psより大きい(アイドリング状態より大きい)負荷である場合では、エンジン12および発電機13の駆動を継続すると判定するように設定されている。
このように、エンジン12および発電機13は、ステップS8による判定に基づいてステップS9において駆動/停止が切替えられるが、これによって、蓄電装置34の蓄電量が満充電範囲SOCfullよりも少ない状態では、エンジン12および発電機13を駆動状態とするエンジン優先制御がなされて、蓄電装置34が単独で駆動することが少なくなって、蓄電装置34のロスを低減することができるように構成されている。そのうえ、作業部による作業中にエンジン12および発電機13が駆動停止した状態では、蓄電装置34の蓄電量が満充電範囲SOCfullに保持されるため、作業部による負荷の大きな過渡変動があったような場合であっても、蓄電装置34からの放電により円滑、かつ、迅速に作業を継続することができるように構成されている。
また、負荷消費動力Pfが負荷基準値Psより小さいアイドリング状態では、充電量が第一充電基準値SOC1を下回らないことを条件に、エンジン12および発電機13を停止する制御がなされて、エンストを防止できるように構成されている。尚、前記構成は必ずしも設ける必要はなく、その場合では、制御システムに負荷演算部46、および、負荷演算部46に入力される各種センサ39、40、41を設ける必要はない。
また、電動機・ポンプ制御部37は、サブポンプ33の吐出流量制御を行なう場合にも、前記メインポンプ28の場合と同様に、サブポンプ用電動機25およびサブポンプ33のトータルでの効率が最大になるよう、サブポンプ用電動機25の回転数とサブポンプ33の容量とを制御するように構成されている。
これによって、メインポンプ用電動機21およびメインポンプ28、サブポンプ用電動機25およびサブポンプ33は、それぞれトータルでの効率が最大になる状態で運転されるように構成されている。
さらに、エンジン12および発電機13が駆動する場合において、発電機13は、オペレータが作業に合わせて設定した作業ダイヤル43のダイヤル値に応じた一定の出力値で、しかも、発電機効率のよい状態で運転されることになるので、作業部の負荷変動により発電機13の出力が変動することがなく、発電機13が発電機出力指令値Pgcに確実に保持されて、発電機13のロスを低減することができ、もって、蓄電装置34と発電機13とのロスをトータルで改善することができる。
まず、図6に第二の実施の形態の制御システムの全体構成を示すが、該図6において、50は第二の実施の形態の制御装置27に設けられるエンジン・発電機制御部であり、51は第二の実施の形態の制御装置27に設けられるメモリである。前記メモリ51には、第一の実施の形態と同様に、エンジン12、発電機13の特性、パイロット設定圧、蓄電装置34の特性等の種々のデータや、後述する制御に用いられるデータであって、例えば、運転開始時の発電機13の出力値等のデータが保存されている。また、図6において、エンジン12、エンジンコントローラ26、発電機13、発電制御器14、母線15、電動機制御器16〜20、メインポンプ用、旋回用、パイロットポンプ用、冷却ファン用、サブポンプ用の各電動機21〜25、メインポンプ28、メインポンプ28の容量可変手段28a、旋回減速機29、旋回機構30、パイロットポンプ31、冷却ファン32、サブポンプ33、サブポンプの容量可変手段33a、蓄電装置34、充電量センサ38、電圧センサ39、発電機電流センサ40、蓄電装置電流センサ41、操作検出手段42については、前記第一の実施の形態と共通するもの(同一のもの)であるため、説明は省略する。さらに、制御装置27に設けられる電動機・ポンプ制御部37についても、前記第一の実施の形態と同様の制御を行なうため、説明は省略する。尚、第二の実施の形態には、前記第一の実施の形態の作業ダイヤル43のようにオペレータが任意に操作する発電機出力切替え手段は設けられていない。
尚、前記基準時間設定部52、発電機出力指令値設定部53の制御構成については後述するが、駆動/停止基準値設定部44、駆動/停止判定部45、負荷演算部46、エンジン回転数指令値設定部48、駆動/停止切替え部49は前記第一の実施の形態と同様の制御を行なうように構成されている。
ハイブリッド型油圧ショベル1が運転開始すると、エンジン・発電機制御部53は、ステップS12において、メモリ51に保存されているデータを読み込むが、前記データのなかには、運転開始時において発電機制御器14に出力する初期発電機出力指令値Pg0を含むデータを読み込む。
尚、運転初期状態、あるいは、蓄電装置34の充電量SOCが満充電範囲SOCfull内にあって、基準時間tsが0に設定される場合では、メモリ51に予め設定されている初期発電機出力指令値Pg0を発電機出力指令値Pgcとして設定する。
これによって、前記エンジン・発電機制御部50は、アイドリング状態ではなく、かつ、蓄電装置34の充電量SOCが満充電範囲SOCfullでなければ、エンジン12および発電機13を駆動するように駆動/停止の切替え制御を行うとともに、エンジン12および発電機13を駆動する場合に、発電機13が平均負荷消費動力Pvcに応じた一定の出力値(発電機出力指令値Pgc)を、発電機効率の高い状態で基準時間tsのあいだ出力する制御を行うように構成されている。
さらに、エンジン12および発電機13が駆動する場合において、発電機13は、発電機効率よく基準時間tsのあいだ一定出力となるので、発電機13出力の変動を低減することができるうえ、発電機効率の高い状態で運転することができて、発電機13のロスが低減され、蓄電装置34のロス、発電機13のロスをトータルで改善できる。
12 エンジン
13 発電機
14 発電器制御器
16〜20 電動機制御器
21 メインポンプ用電動機
22 旋回用電動機
23 パイロットポンプ用電動機
24 冷却ファン用電動機
25 サブポンプ用電動機
26 エンジンコントローラ
27 制御装置
34 蓄電装置
36、50 エンジン・発電機制御部
38 充電量センサ
39 電圧センサ
40 発電機電流センサ
41 蓄電装置電流センサ
43 作業ダイヤル
44 駆動/停止基準値設定部
45 駆動/停止判定部
46 負荷演算部
47、53 発電機出力指令値設定部
48 エンジン回転数知れ位置設定部
49 駆動/停止切替え部
52 基準時間設定部
Claims (4)
- エンジンと、該エンジンの動力を受けて作動する作業部と、エンジンと作業部との動力伝達経路に接続される発電機と、発電機と作業部との動力伝達経路に接続され、エンジンの動力と作業部の要求動力との差に基づいて蓄放電する蓄電装置とを設けてなるハイブリッド型建設機械において、エンジンを駆動制御するエンジン制御手段と、発電機を駆動制御する発電機制御手段と、作業部を駆動制御する作業部制御手段と、これらエンジン制御手段、発電機制御手段、作業部制御手段に制御指令を出力する制御装置と、蓄電装置の充電量を検出する充電量検出手段とを設けるにあたり、前記制御装置は、充電量検出手段の検出値に基づいてエンジンおよび発電機の駆動/停止を判定する駆動/停止判定部と、該駆動/停止判定部の判定に基づいてエンジンおよび発電機の駆動/停止を切替える駆動/停止切替え手段と、発電機出力を任意の出力値に設定する発電機出力設定手段と、発電機が前記任意の出力値において発電機効率を高める回転数となるためのエンジン回転数を設定するエンジン回転数設定手段とを備えると共に、該制御装置は、ハイブリッド型建設機械の運転中は常に前記駆動/停止判定部によるエンジンおよび発電機の駆動/停止の判定をして、エンジンおよび発電機の駆動中に蓄電装置の充電量が満充電範囲の場合にはエンジンおよび発電機を停止する一方、エンジンおよび発電機の停止中に蓄電装置の充電量が満充電範囲でない場合にはエンジンおよび発電機を駆動するものとし、エンジンおよび発電機の駆動時では、発電機出力設定手段により設定された制御指令を発電機に出力すると共に、エンジン回転数設定手段により設定された制御指令をエンジンに出力することを特徴とするハイブリッド型建設機械における制御システム。
- 請求項1において、発電機出力設定手段は、オペレータが発電機出力を任意に切替えるための発電機出力切替え手段により構成されるものとし、発電機出力切替え手段は、発電機出力切替え手段の操作値に応じて発電機出力を設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械における制御システム。
- 請求項1において、作業部が消費する動力を測定する負荷測定手段を設けるとともに、発電機出力設定手段は、負荷測定手段により測定される予め設定される基準時間毎の作業部の消費動力の平均値に応じて発電機出力を設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械における制御システム。
- 請求項3において、基準時間設定手段を設け、基準時間を充電量検出手段の検出値に基づいて設定することを特徴とするハイブリッド型建設機械における制御システム。
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