JPWO2008117748A1 - ハイブリッド建設機械の発電制御方法およびハイブリッド建設機械 - Google Patents

Abstract

キャパシタの容量を必要最小限に抑えつつ、キャパシタの電圧を適正な範囲で保つことができ、システムが動作不能となるのを確実に防止することができるハイブリッド建設機械の発電制御方法およびハイブリッド建設機械を提供する。この目的のため、本体の一部を他の部分に対して旋回させる旋回モータの消費電力に対応する旋回パワーを逐次算出し、この算出した旋回パワーの値をより小さい値に変換し、この変換した値を用いることによって発電電動機の発電指令を逐次生成し、この生成した発電指令を、発電電動機を駆動するインバータへ出力する。

Description

本発明は、互いに連結されたエンジンおよび発電電動機を駆動源として備えるとともに、本体の一部を他の部分に対して旋回させる旋回モータを備えたハイブリッド建設機械の発電制御方法およびハイブリッド建設機械に関する。

従来より、互いに連結されたエンジンおよび発電電動機を駆動源として備えたハイブリッド車両においては、動作時の発電電動機の発電制御に関してさまざまな試みがなされている。

例えば、車両の一部を他の部分に対して旋回させる旋回モータを備えた油圧ショベル等のハイブリッド建設機械における技術として、蓄電デバイスであるキャパシタの小型化および長寿命化を図るために、作業機の各種エネルギに基づいてキャパシタの目標蓄電量を変化させ、発電制御を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

旋回モータを備えたハイブリッド建設機械では、旋回モータの消費電力を予測することが難しい。これは、作業内容が多岐にわたることに加え、オペレータのレバー操作にばらつきがあるためである。上述した従来技術では、そのようなハイブリッド建設機械の特性をふまえ、旋回モータの消費電力とはほとんど無関係に発電制御が行われている。

特開２００２−３５９９３５号公報

しかしながら、旋回モータの消費電力を十分考慮せずに発電制御を行うと、旋回モータの回生時にキャパシタの電圧が急上昇して適正な範囲を逸脱してしまう恐れがあった。キャパシタの電圧が適正な範囲から逸脱すると、システムが動作不能になるとともにキャパシタの寿命が短くなってしまう。そこで、キャパシタの容量を大きくしてキャパシタの電圧の急上昇を抑制することが考えられるが、この場合には、キャパシタが大型化してしまい、キャパシタを搭載するスペース、キャパシタの重量、コスト面などに問題が生じていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、キャパシタの容量を必要最小限に抑えつつ、キャパシタの電圧を適正な範囲で保つことができ、システムが動作不能になるのを確実に防止することができるハイブリッド建設機械の発電制御方法およびハイブリッド建設機械を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法は、互いに連結されたエンジンおよび発電電動機と、前記発電電動機に接続され、前記発電電動機を駆動するインバータと、前記インバータに並列接続され、前記発電電動機が発電した電力を蓄電する一方、前記発電電動機に電力を供給するキャパシタと、前記発電電動機および前記キャパシタから電力が供給され、本体の一部を他の部分に対して旋回させる旋回モータと、を備えたハイブリッド建設機械の発電制御方法であって、前記旋回モータの消費電力に対応する旋回パワーを逐次算出する旋回パワー算出ステップと、前記旋回パワー算出ステップで算出した前記旋回モータの力行時の旋回パワーの値をより小さい値に変換する旋回パワー変換ステップと、前記旋回パワー変換ステップで変換した値を用いることによって前記発電電動機の発電指令を逐次生成する発電指令生成ステップと、前記発電指令生成ステップで生成した発電指令を前記インバータへ出力する出力ステップと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法は、上記発明において、前記旋回パワー変換ステップは、前記旋回モータの回生時に前記キャパシタの電圧が変化しても該電圧が所定の範囲に含まれるように前記旋回パワーの値を変換することを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法は、上記発明において、前記旋回パワー変換ステップは、前記旋回パワーの値に１よりも小さい係数を乗じる演算を行うことを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法は、上記発明において、前記旋回パワー変換ステップは、前記旋回パワーの値に乗じる係数を、当該ハイブリッド建設機械の内部または外部で計測される所定の計測値に応じて変更することを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法は、上記発明において、前記旋回モータの回転数に応じて前記キャパシタの目標電圧を設定する目標電圧設定ステップと、前記目標電圧設定ステップで設定した目標電圧と前記キャパシタの電圧との差を計算する電圧差計算ステップと、前記電圧差計算ステップで計算した電圧差を、前記旋回パワーと同じ次元を有する物理量に変換する電圧差変換ステップと、をさらに有し、前記発電指令生成ステップは、前記電圧差変換ステップで変換した値と前記旋回パワー変換ステップで変換した値との和を計算し、この計算した和を用いることによって前記発電指令を生成することを特徴とする。

本発明に係るハイブリッド建設機械は、互いに連結されたエンジンおよび発電電動機を駆動源として備えるとともに、本体の一部を他の部分に対して旋回させる旋回モータを備えたハイブリッド建設機械であって、前記発電電動機に接続され、前記発電電動機を駆動するインバータと、前記インバータに並列接続され、前記発電電動機が発電した電力を蓄電する一方、前記発電電動機に電力を供給するキャパシタと、前記旋回モータの消費電力に対応する旋回パワーを逐次算出し、この算出した旋回パワーの値をより小さい値に変換し、この変換した値を用いることによって前記発電電動機の発電指令を逐次生成し、この生成した発電指令を前記インバータへ出力する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド建設機械は、上記発明において、前記制御手段は、前記旋回モータの回転数に応じて前記キャパシタの目標電圧を設定し、この設定した目標電圧と前記キャパシタの電圧との電圧差を計算し、この計算した電圧差を、前記旋回パワーと同じ次元を有する物理量に変換し、前記電圧差を変換した値と前記旋回パワーを変換した値との和を計算し、この計算した和を用いることによって前記発電指令を生成することを特徴とする。

本発明によれば、旋回モータの消費電力に対応する旋回パワーを逐次算出し、この算出した旋回パワーをより小さい値に変換し、この変換した値を用いることによって発電電動機の発電指令を逐次生成し、この生成した発電指令を発電電動機用のインバータへ出力するため、発電電動機は、旋回モータから回生時に戻ってくる分のエネルギーを考慮に入れた発電を行うことができる。したがって、キャパシタの容量を必要以上に大きくすることなく、キャパシタがその性能を発揮することができる動作電圧範囲内での制御を実現することができるようになり、その動作電圧範囲を逸脱してしまう等の理由によってシステムが動作不能となるのを確実に防止することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るハイブリッド建設機械の要部の構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係るハイブリッド建設機械の外部構成を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法の処理の概要を示すフローチャートである。 図４は、本発明の実施の形態１に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法の処理の概要を模式的に示す図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法のより詳細な処理の概要を示す処理フロー図である。 図６は、旋回インバータ電力の時間変化例を示す図である。 図７は、旋回モータ回転数の時間変化例を示す図である。 図８は、旋回モータ回転数の絶対値とキャパシタ目標電圧との関係を与える図である。 図９は、キャパシタ電圧の時間変化例を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法の処理の概要を示す処理フロー図である。 図１１は、旋回パワー出力に乗じる係数を旋回モータ回転数に応じて変化させる場合の係数と旋回モータ回転数との関係を示す図である。 図１２は、旋回パワー出力に乗じる係数を旋回インバータ電力に応じて変化させる場合の係数と旋回インバータ電力との関係を示す図である。 図１３は、旋回パワー出力に乗じる係数を外気温に応じて変化させる場合の係数と外気温との関係を示す図である。

符号の説明

１ 油圧ショベル
２ エンジン
３ 発電電動機
４ 油圧ポンプ
５ インバータ
６ キャパシタ
７ 旋回モータ
８ 旋回インバータ
９ スイングマシナリ
１０ コントローラ
１０ａ メモリ
１１ 操作入力部
２１ ブーム用操作弁
２２ アーム用操作弁
２３ バケット用操作弁
２４ 左走行用操作弁
２５ 右走行用操作弁
３１ ブーム用油圧シリンダ
３２ アーム用油圧シリンダ
３３ バケット用油圧シリンダ
３４ 左走行用油圧モータ
３５ 右走行用油圧モータ
１０１ 走行体
１０２ 旋回体
１０３ ブーム
１０４ アーム
１０５ バケット

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以後、「実施の形態」と称する）を説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るハイブリッド建設機械の要部の構成を示す図である。本実施の形態１に係るハイブリッド建設機械は、互いに連結されたエンジンおよび発電電動機を駆動源として有するとともに、電動旋回機能を有するものである。本実施の形態１では、ハイブリッド建設機械として、掘削機能を有する油圧ショベルの場合を説明するが、これはあくまでも一例に過ぎない。

図２は、ハイブリッド建設機械である油圧ショベルの外部構成を示す図である。同図に示す油圧ショベル１は、左右一対の履帯を有する走行体１０１と、走行体１０１の上方に位置し、走行体１０１に対して所定の方向を指向する旋回軸の周りに旋回可能な旋回体１０２とを備える。また、油圧ショベル１は、ブーム１０３、アーム１０４、バケット１０５からなる掘削用の作業機を有する。このうち、ブーム１０３は、走行体１０１に対して上下方向へ回動可能に接続される。

次に、図１を参照して油圧ショベル１の内部構成を説明する。油圧ショベル１は、駆動源であるエンジン２と、各々の駆動軸がエンジン２の出力軸に連結された発電電動機３および油圧ポンプ４と、発電電動機３に接続され、発電電動機３を駆動するインバータ５と、インバータ５に並列接続され、発電電動機３で発電した電力を蓄電する一方、発電電動機３に電力を供給するキャパシタ６と、を備える。

また、油圧ショベル１は、旋回体１０２を旋回させる駆動源である旋回モータ７と、キャパシタ６に並列接続されるとともにインバータ５に並列接続され、旋回モータ７を駆動する旋回インバータ８と、旋回モータ７の駆動軸に連結され、旋回体１０２を旋回させるスイングマシナリ９と、を備える。

さらに、油圧ショベル１は、エンジン２、油圧ポンプ４、インバータ５、旋回インバータ８を電子的に制御するコントローラ１０と、オペレータが所望の操作を入力するために操作レバー等によって構成される操作入力部１１と、を備える。

油圧ポンプ４は、ブーム用操作弁２１、アーム用操作弁２２、バケット用操作弁２３、左走行用操作弁２４、右走行用操作弁２５の各種操作弁に配管を介してそれぞれ接続される。油圧ポンプ４は、可変容量型であり、斜板の傾転角が変化することによって容量が変化する。

油圧ポンプ４から吐出された圧油は、ブーム用操作弁２１、アーム用操作弁２２、バケット用操作弁２３、左走行用操作弁２４、右走行用操作弁２５を介して、アクチュエータであるブーム用油圧シリンダ３１、アーム用油圧シリンダ３２、バケット用油圧シリンダ３３、左走行用油圧モータ３４、右走行用油圧モータ３５にそれぞれ供給される。これにより、ブーム１０３、アーム１０４、バケット１０５、左履帯、右履帯が作動する。

コントローラ１０は、各々所定の計測手段によって計測されたエンジン２の回転数、油圧ポンプ４の吐出圧、キャパシタ６の電圧、旋回インバータ８に入力する直流電流（出力時は逆符号）、旋回モータ７の回転数、オペレータによる操作入力部１１の操作量等の入力を受け、これらの各種計測値の入力に基づいて、油圧ショベル１の駆動制御を行う。各種計測値は、ほぼリアルタイムに計測されている。コントローラ１０は、油圧ショベル１の各種動作を制御するためのプログラムや上述した各種計測値等を記憶するメモリ１０ａを有する。

図３は、本実施の形態１に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法の処理の概要を示すフローチャートである。

まず、コントローラ１０は、旋回モータ７が消費する旋回パワーを算出する（ステップＳ１）。コントローラ１０は、旋回モータ７の旋回パワーが正の場合（力行時）のみ（ステップＳ２，Ｙｅｓ）、後述する処理を行う。旋回モータ７の旋回パワーが負の場合（回生時）（ステップＳ２，Ｎｏ）には、ステップＳ１に戻る。

コントローラ１０が算出した旋回パワーが正の場合、コントローラ１０は旋回パワーの値をメモリ１０ａから読み出し、この読み出した旋回パワーの値をより小さい値に変換する（ステップＳ３）。続いて、コントローラ１０は、変換後の旋回パワーを用いて発電電動機３に対する発電指令を生成し（ステップＳ４）、この生成した発電指令をインバータ５へ出力する（ステップＳ５）。この後、コントローラ１０は、ステップＳ１に戻る。

図４は、以上説明したハイブリッド建設機械の発電制御方法の処理の概要を模式的に示す図である。曲線Ｃ１は、ステップＳ５でコントローラ１０が出力する発電指令に基づいて発電電動機３が発生する発電量Ｇの時間変化を示している。また、曲線Ｃ２は、従来の発電制御方法によって制御される発電電動機３の発電量Ｇの時間変化を示している。すなわち、曲線Ｃ２は、ステップＳ３の処理を行わなかった場合にコントローラ１０が出力する発電指令に基づいて発電電動機３が発生する発電量Ｇの時間変化を示している。

曲線Ｃ３は、旋回モータ７の旋回パワーＰsの時間変化を示している。曲線Ｃ３において、Ｐs＞０が旋回モータ７の力行時に対応し、Ｐs＜０が旋回モータ７の回生時に対応している。旋回パワーＰsの大きさは、オペレータによる操作入力部１１の操作レバーの操作量に応じて決まり、操作入力部１１の操作レバーが元の位置に戻る際、旋回モータ７は回生動作を行う。一般に、旋回モータ７の力行時に消費される電力は、旋回モータ７の回生時に発生する電力よりも大きい。

曲線Ｃ４は、発電電動機３の発電量Ｇが曲線Ｃ１にしたがって時間変化するとともに、旋回モータ７の旋回パワーＰsが曲線Ｃ３にしたがって時間変化する場合のキャパシタ６のキャパシタ電圧Ｖの時間変化を示している。また、曲線Ｃ５は、発電電動機３の発電量Ｇが曲線Ｃ２にしたがって時間変化するとともに、旋回モータ７の旋回パワーＰsが曲線Ｃ３にしたがって時間変化する場合のキャパシタ電圧Ｖの時間変化を示している。図４では、キャパシタ６がその性能を発揮しうる動作電圧範囲を（Ｖ1，Ｖ2）としている。

本実施の形態１において、旋回モータ７の力行時に消費される旋回パワーＰsを供給するには、発電電動機３が発電する電力だけでは足らず、キャパシタ６からの電力も必要である。このため、キャパシタ電圧Ｖは、旋回モータ７の力行時に減少する。一方、旋回モータ７の回生時には、キャパシタ６に旋回モータ７から電力が戻ってくるため、キャパシタ６の電荷量は増加し、キャパシタ電圧Ｖは上昇する。

コントローラ１０は、発電量Ｇの低減分を時間で積分して得られるエネルギー（曲線Ｃ１と曲線Ｃ２によって囲まれる領域Ｄ１の面積）と旋回モータ７の回生時に発生する電力を時間で積分して得られるエネルギー（曲線Ｃ３とｔ軸とによって囲まれる領域Ｄ２の面積）とが略等しくなるような制御を行うのが好ましい。発電量Ｇの低減分に相当するエネルギーはキャパシタ６が旋回モータ７の力行時に供給するエネルギーと等しいので、上述した制御を行えば、キャパシタ６が旋回モータ７の力行時に供給するエネルギーと旋回モータ７の回生時にキャパシタ６に戻ってくるエネルギーとが略等しくなる。したがって、旋回モータ７が旋回パワーＰsを発生する前後のキャパシタ電圧Ｖは略等しくなる（図４のＶ0）。

ここで、比較のために従来の発電制御方法を説明する。従来の発電制御方法の場合、旋回モータ７の力行時にキャパシタ６が電力を供給する必要はない。したがって、キャパシタ電圧Ｖは、旋回モータ７の力行時に一定である。また、旋回モータ７の回生時には旋回モータ７からキャパシタ６に電力が戻ってくるため、キャパシタ電圧Ｖは旋回モータ７が旋回パワーＰsを発生する前の値Ｖ0よりも上昇する。図４に示す曲線Ｃ５では、キャパシタ電圧Ｖの最大値Ｖmaxがキャパシタ６の動作電圧範囲の上限値Ｖ2を超えている。

このように、従来の発電制御方法では、キャパシタ電圧Ｖがキャパシタ６の動作電圧範囲を逸脱し、システムが動作不能状態に陥ってしまうことがあった。これに対して、本実施の形態１によれば、旋回モータ７に電力を供給する際、発電電動機３の発電量を低減し、その低減した分をキャパシタ６から供給することによって補っているため、キャパシタ電圧Ｖを常に動作可能範囲に保つことができる。したがって、安定したシステムの動作を実現することができる。

図５は、図３および図４を用いて説明したハイブリッド建設機械の発電制御方法のより詳細な処理の概要を示す処理フロー図である。コントローラ１０は、旋回モータ７が消費する旋回パワーとして、旋回インバータ８の電力（旋回インバータ電力Ｐ）を逐次算出し、メモリ１０ａに格納している（ステップＳ１１）。旋回インバータ電力Ｐは、キャパシタ６の電圧の計測値と旋回インバータ８に入力する直流電流の計測値との乗算を求めることによって算出される。図６は、オペレータがある特定の操作（以後、「操作Ａ」と呼ぶ）を行ったときの旋回インバータ電力Ｐの時間変化例を示す図である。図６に示す曲線Ｌ１は、力行（Ｐ＞０）と回生（Ｐ＜０）を繰り返しながら変動しており、力行時の最大値はＰmaxである。

この後、コントローラ１０は、旋回インバータ電力Ｐが正の場合、すなわち力行時のみ（ステップＳ１２，Ｙｅｓ）、後述する処理を行う。旋回インバータ電力Ｐが負の場合、すなわち回生時（ステップＳ１２，Ｎｏ）には、ステップＳ１１に戻る。

旋回インバータ電力Ｐが正の場合、コントローラ１０は、旋回インバータ電力Ｐに所定の係数Ｋ２を乗じる演算を行う（ステップＳ１３）。係数Ｋ２は１より小さい定数であり、その具体的な値は、旋回モータ７の回生時に旋回モータ７の発電によってキャパシタ６に戻ってくる電力分（図６のＰ＜０の部分に相当）を考慮に入れて設定される。ただし、旋回モータ７が回生時に力行時よりも大きな電力をキャパシタ６に戻すことは物理的にほぼありえないので、係数Ｋ２は０以上の値であることが必要である。なお、ステップＳ１３における演算は、旋回インバータ電力Ｐよりも小さい値となるような演算であればよく、例えば、旋回インバータ電力Ｐから所定の定数を減算してもよい。

コントローラ１０は、旋回モータ７の回転数（旋回モータ回転数ω）もリアルタイムで受け取っている（ステップＳ１４）。図７は、旋回モータ回転数ωの時間変化例を示す図である。図７に示す曲線Ｌ２は、図６に示す旋回インバータ電力Ｐに対応するものであり、オペレータが操作Ａを行ったときの図６と同じ時間帯の時間変化を示している。このような曲線Ｌ２において、旋回モータ７は、最大回転数ωmaxとして旋回方向に応じた回転を行っている。旋回モータ７の回転は、オペレータが操作入力部１１で行うレバー操作に応じて変化する。すなわち、図７に示す時間変化は、オペレータがあるレバー操作を行った時のものである。

続いて、コントローラ１０は、旋回モータ回転数ωの絶対値を取り（ステップＳ１５）、この値に応じたキャパシタ６の目標電圧Ｖcap0を設定する（ステップＳ１６）。

図８は、旋回モータ回転数（の絶対値）ωとキャパシタ目標電圧Ｖcap0との関係を与える図である。一般に、キャパシタ６には、その性能を発揮しうる動作電圧範囲が存在する。このため、キャパシタ目標電圧Ｖcap0は、旋回モータ回転数ωの値によらずに動作電圧範囲に含まれるように設定されることが好ましい。また、旋回モータ回転数ωの絶対値が大きければ、旋回モータ７の回生時に戻ってくるエネルギーが大きいと考えられるので、旋回モータ回転数ωの絶対値が大きいほどキャパシタ目標電圧Ｖcap0を低く設定し、エネルギーを蓄える余地を残しておけばさらに好ましい。

図８に示す直線Ｌ３は、旋回モータ回転数ωとキャパシタ目標電圧Ｖcap0との関係が、前述した二つの性質を満たすように設定されたものである。図８では、キャパシタ６の動作電圧範囲を（Ｖcap1，Ｖcap2）としている。また、図８では、コントローラ１０が他の制御を行う場合も考慮して、キャパシタ目標電圧Ｖcap0が取る値の範囲を、動作電圧範囲（Ｖcap1，Ｖcap2）よりも狭く設定することも可能である。

なお、旋回モータ回転数ωとキャパシタ目標電圧Ｖcap0との関係は、前述した二つの性質を少なくとも満たしていれば、必ずしも線形である必要はない。また、キャパシタ目標電圧Ｖcap0を、旋回モータ回転数ωによらずに一定とすることも可能である。

ステップＳ１６に続いて、コントローラ１０は、設定したキャパシタ目標電圧Ｖcap0と、リアルタイムで受け取っているキャパシタ６の電圧Ｖcapとの差Ｖcap0−Ｖcapを計算し（ステップＳ１７）、この差に係数Ｋ１を乗じる（ステップＳ１８）。ここでの係数Ｋ１は予め定められた定数であり、ステップＳ１７で求めた電圧差Ｖcap0−Ｖcapを電力値（旋回インバータ電力Ｐの次元）に変換する係数であり、上述した係数Ｋ２とは異なって物理的な次元（ここでは電流の次元）を有している。なお、Ｋ１の物理的な次元は、キャパシタ容量の次元でもよいし、電流とキャパシタの積の次元でもよい。

コントローラ１０は、ステップＳ１３で求めたＰ×Ｋ２と、ステップＳ１８で求めた（Ｖcap0−Ｖcap）×Ｋ１との和をとり（ステップＳ１９）、この和を用いることによってインバータ５へ出力する発電指令を生成する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０において、コントローラ１０は、ステップＳ１９の出力が正の場合のみ発電指令を生成するとともに、生成した発電指令が発電電動機３の発電能力を超えている場合には、発電電動機３の発電能力を発電指令として出力する。また、ステップＳ２０において、所定の周波数のフィルターを介在させてもよい。

ところで、ステップＳ１９で求めた和の値は、おおむねＰ×Ｋ２が支配的であり、油圧ショベル１が異常な動作を行っている場合に（Ｖcap0−Ｖcap）×Ｋ１の寄与が増加するように設定されている。具体的には、Ｖcap0−Ｖcapの値は、油圧ショベル１が通常の動作を行っている場合よりも、異常な動作を行っている場合の方が大きくなる傾向にある。ここでいう異常な動作としては、例えばバケット１０５が突然何かに衝突して停止してしまうような場合が想定される。バケット１０５が外的要因によって突然停止した場合には、旋回モータ回転数ωが突然ゼロになるため、キャパシタ目標電圧Ｖcap0は急に大きくなる（図８を参照）。その結果、キャパシタ電圧Ｖcapとの差Ｖcap0−Ｖcapが大きくなり、ステップＳ１９で求めた和において（Ｖcap0−Ｖcap）×Ｋ１の寄与する割合が増加する。

この後、コントローラ１０は、生成した発電指令をインバータ５へ出力する。インバータ５は、入力された発電指令にしたがって発電電動機３を駆動する。これにより、発電電動機３は発電を行う（ステップＳ２１）。

発電電動機３による発電に応じて、キャパシタ電圧Ｖcapは時間変化する。上述したように、コントローラ１０は、キャパシタ電圧Ｖcapの計測値をほぼリアルタイムに受け取っている（ステップＳ２２）。したがって、発電電動機３の発電によるキャパシタ電圧Ｖcapの変化は、ほぼリアルタイムでコントローラ１０に伝達されることとなる。

図９は、キャパシタ電圧Ｖcapの時間変化例を示す図である。図９に示す曲線Ｌ４は、図６に示す旋回インバータ電力Ｐや図７に示す旋回モータ回転数ωに対応するものであり、オペレータが操作Ａを行ったときの図６および図７と同じ時間帯の時間変化を示している。曲線Ｌ４は、常にキャパシタ６の動作電圧範囲（Ｖcap1，Ｖcap2）を逸脱することなく、その動作電圧範囲内で変動している。このことからも明らかなように、本実施の形態１に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法によれば、キャパシタ６の電圧を適正な範囲で保つことができる。

なお、上記ステップＳ１７で説明したように、コントローラ１０は、キャパシタ電圧Ｖcapの計測値を、キャパシタ目標電圧Ｖcap0との電力差を演算する際に逐次使用する。

以上説明した本発明の実施の形態１によれば、旋回モータの消費電力に対応する旋回パワー（旋回インバータ電力）を逐次算出し、この算出した旋回パワーをより小さい値に変換し、この変換した値を用いることによって発電電動機の発電指令を逐次生成し、この生成した発電指令を発電電動機用のインバータへ出力するため、発電電動機は、旋回モータから回生時に戻ってくる分のエネルギーを考慮に入れた発電を行うことができる。したがって、キャパシタの容量を必要以上に大きくすることなく、キャパシタの動作電圧範囲内での制御を実現することができるようになり、キャパシタが動作電圧範囲を逸脱してしまう等の理由によってシステムが動作しなくなるのを確実に防止することが可能となる。

また、本実施の形態１によれば、旋回モータの消費電力に対応する旋回パワーを逐次算出し、この算出した旋回パワーをより小さい値に変換し、この変換した値を用いることによって発電電動機の発電指令を逐次生成し、この生成した発電指令を発電電動機用のインバータへ出力するため、発電電動機は、旋回モータから回生時に戻ってくる分のエネルギーを考慮に入れた発電を行うことができる。したがって、キャパシタの容量を必要以上に大きくすることなく、キャパシタがその性能を発揮することができる動作電圧範囲内での制御を実現することができるようになり、その動作電圧範囲を逸脱してしまう等の理由によってシステムが動作不能となるのを確実に防止することが可能となる。

なお、本実施の形態１においては、旋回パワーとして旋回インバータ電力を用いたが、その代わりに旋回モータのトルクと回転数を用いてもよいし、操作入力部の操作量（レバーストローク）を用いてもよい。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２に係るハイブリッド建設機械の発電制御方法の処理の概要を示す処理フロー図である。本実施の形態２においては、コントローラ１０が旋回インバータ電力Ｐに所定の係数Ｋ２を乗じる演算を行う（ステップＳ１３’）際、旋回モータ７の回転数ωに応じて係数Ｋ２の値を変化させる。

図１１は、旋回モータ７の回転数ωと係数Ｋ２の関係を示す図である。図１１に示す直線Ｌ５は、旋回モータ７の回転数ωが大きくなるにつれて係数Ｋ２が小さくなっている。このように係数Ｋ２を設定するのは、旋回モータ回転数ωが大きいほど発電電動機３による発電量が小さくて済むためである。

以上説明した点を除くハイブリッド建設機械の構成および当該ハイブリッド建設機械の発電制御方法の処理は、上述した実施の形態１と同じである。

（その他の実施の形態）
ここまで、本発明を実施するための最良の形態を説明してきたが、本発明は、上述した二つの実施の形態によってのみ限定されるわけではない。図１２は、旋回インバータ出力（旋回パワー）に乗じる係数Ｋ２の別な設定例を示す図である。同図に示す直線Ｌ６は、係数Ｋ２を旋回インバータ電力Ｐ（＞０）に応じて変化させる場合を示している。この場合には、旋回インバータ電力Ｐが大きいほど発電電動機３の発電量を大きくする必要があるため、旋回インバータ電力Ｐが増加するとともに係数Ｋ２の値が増加するようにしている。

図１３は、旋回インバータ出力（旋回パワー）に乗じる係数Ｋ２のさらに別な設定例を示す図である。同図に示す直線Ｌ７は、係数Ｋ２を外気温Ｔ（図１３では摂氏温度を想定）に応じて変化させる場合を示している。建設機械は、摂氏０度以下の低温から高温まで幅広い温度帯域（Ｔmin〜Ｔmax）での使用が想定される。一般に、外気温Ｔが高いと発電電動機３の効率も上昇するため、外気温Ｔが高いほど係数Ｋ２を小さくすることができる。なお、外気温Ｔを用いる代わりに、キャパシタの内部温度を用いてもよい。

ところで、以上の説明においては、係数Ｋ２と各種条件との関係が線形に変化する場合のみを取り上げたが、この変化を適当な関数によって設定してもよい。

また、キャパシタ目標電圧Ｖcap0とキャパシタ電圧Ｖcapとの電圧差に乗じる係数Ｋ１の値を可変としてもよい。例えば、図５のステップＳ１９で求めた和において、（Ｖcap0−Ｖcap）×Ｋ１の寄与が所定の基準値よりも大きい時間が所定時間継続した場合には、コントローラ１０が係数Ｋ１の値を変化させるような制御を行うようにしてもよい。また、係数Ｋ１を乗じる代わりに、電圧差Ｖcap0−Ｖcapを適当な関数によって変換して出力するようにしてもよい。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。

以上のように、本発明は、蓄電デバイスとしてキャパシタを備えるとともに旋回モータを備えたハイブリッド建設機械の発電を制御するのに有用である。

Claims (7)

1. 互いに連結されたエンジンおよび発電電動機と、前記発電電動機に接続され、前記発電電動機を駆動するインバータと、前記インバータに並列接続され、前記発電電動機が発電した電力を蓄電する一方、前記発電電動機に電力を供給するキャパシタと、前記発電電動機および前記キャパシタから電力が供給され、本体の一部を他の部分に対して旋回させる旋回モータと、を備えたハイブリッド建設機械の発電制御方法であって、
   前記旋回モータの消費電力に対応する旋回パワーを逐次算出する旋回パワー算出ステップと、
   前記旋回パワー算出ステップで算出した前記旋回モータの力行時の旋回パワーの値をより小さい値に変換する旋回パワー変換ステップと、
   前記旋回パワー変換ステップで変換した値を用いることによって前記発電電動機の発電指令を逐次生成する発電指令生成ステップと、
   前記発電指令生成ステップで生成した発電指令を前記インバータへ出力する出力ステップと、
   を有することを特徴とするハイブリッド建設機械の発電制御方法。
2. 前記旋回パワー変換ステップは、
   前記旋回モータの回生時に前記キャパシタの電圧が変化しても該電圧が所定の範囲に含まれるように前記旋回パワーの値を変換する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の発電制御方法。
3. 前記旋回パワー変換ステップは、
   前記旋回パワーの値に１よりも小さい係数を乗じる演算を行うことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド建設機械の発電制御方法。
4. 前記旋回パワー変換ステップは、
   前記旋回パワーの値に乗じる係数を、当該ハイブリッド建設機械の内部または外部で計測される所定の計測値に応じて変更することを特徴とする請求項３記載のハイブリッド建設機械の発電制御方法。
5. 前記旋回モータの回転数に応じて前記キャパシタの目標電圧を設定する目標電圧設定ステップと、
   前記目標電圧設定ステップで設定した目標電圧と前記キャパシタの電圧との差を計算する電圧差計算ステップと、
   前記電圧差計算ステップで計算した電圧差を、前記旋回パワーと同じ次元を有する物理量に変換する電圧差変換ステップと、
   をさらに有し、
   前記発電指令生成ステップは、
   前記電圧差変換ステップで変換した値と前記旋回パワー変換ステップで変換した値との和を計算し、この計算した和を用いることによって前記発電指令を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のハイブリッド建設機械の発電制御方法。
6. 互いに連結されたエンジンおよび発電電動機を駆動源として備えるとともに、本体の一部を他の部分に対して旋回させる旋回モータを備えたハイブリッド建設機械であって、
   前記発電電動機に接続され、前記発電電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータに並列接続され、前記発電電動機が発電した電力を蓄電する一方、前記発電電動機に電力を供給するキャパシタと、
   前記旋回モータの消費電力に対応する旋回パワーを逐次算出し、この算出した旋回パワーの値をより小さい値に変換し、この変換した値を用いることによって前記発電電動機の発電指令を逐次生成し、この生成した発電指令を前記インバータへ出力する制御手段と、
   を備えたことを特徴とするハイブリッド建設機械。
7. 前記制御手段は、
   前記旋回モータの回転数に応じて前記キャパシタの目標電圧を設定し、
   この設定した目標電圧と前記キャパシタの電圧との電圧差を計算し、
   この計算した電圧差を、前記旋回パワーと同じ次元を有する物理量に変換し、
   前記電圧差を変換した値と前記旋回パワーを変換した値との和を計算し、この計算した和を用いることによって前記発電指令を生成することを特徴とする請求項６記載のハイブリッド建設機械。

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