WO2014208568A1

WO2014208568A1 - ハイブリッド式作業機械

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Publication number: WO2014208568A1
Application number: PCT/JP2014/066741
Authority: WO
Inventors: 星野　雅俊; 新士石原; 山岡　士朗
Original assignee: 日立建機株式会社
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2014-12-31
Also published as: US10151332B2; KR20150104170A; EP3015607A1; CN105008625A; US20160097405A1; EP3015607B1; KR101767798B1; EP3015607A4; CN105008625B; JPWO2014208568A1; JP6360054B2

Abstract

　ＥＣダイヤル（３１）で入力される目標回転数に基づいてエンジン（７）の回転数を制御するエンジンコントローラ（１４）と、エンジン（７）の動力を利用して発電するアシスト電動機（１０）と、エンジンおよび／またはアシスト電動機の動力を利用して作動する油圧ポンプ（６）と、アシスト発電機に対し発電要求を出力する時にエンジンに要求される動力（Ｐｅ）を推定し、そのエンジン要求動力が発電しきい値（Ｅ_th1）以下のときにのみアシスト電動機の発電を許可する車体コントローラ（１１）とを備える。発電しきい値（Ｅ_th1）は、エンジン（７）の動力とエネルギ損失の特性に基づいて決定されている。

Description

ハイブリッド式作業機械

　本発明は、エンジンと電動機を油圧ポンプの駆動源とするハイブリッド式作業機械に関する。

　ハイブリッド式作業機械の一例であるハイブリッド式油圧ショベルには、掘削作業等の負荷の大きい作業時には、エンジンと、蓄電池の放電により駆動してエンジンをアシストする電動機（アシスト電動機）の両方で油圧ポンプを駆動する一方で、上部旋回体の減速時やブーム下げ時には、その機械的エネルギを利用して発電電動機を発電させ、その電気的エネルギを蓄電池に充電するものがある。

　ハイブリッド式油圧ショベルによる作業中は、上記のように蓄電池の放電と充電が繰り返されるが、上記のように機械的エネルギを回収して得たエネルギだけでは、作業中にアシスト電動機が放電したエネルギの全てを賄うことは難しい。そのため、蓄電池の蓄電残量（ＳＯＣ：State of Charge）は作業時間の経過ともに減少していき、負荷の大きな作業ができなくなる可能性が高くなる。

　このため、蓄電池の蓄電残量を維持するために、作業をしていないときや比較的負荷の小さい作業をしているときは、エンジンの動力に余裕ができるので、アシスト電動機等の発電機で発電し、その電気エネルギで蓄電池を充電するのが一般的である。機械的エネルギの回収による充電は作業の特定の動作を利用するものなので、充電のタイミングを選ぶことはできないが、エンジンを使ったアシスト電動機の発電による充電は、エンジン動力に余裕があるときであればいつでも可能である。

　この点を鑑みて、特開２０１１－２２００６８号公報では、作業中には、可能な限りアシスト電動機の発電による急速充電をして蓄電池の蓄電残量の低下を防ぐことで操作性を維持し、一方、作業をしない待機時には、充電量を抑えて蓄電池へのダメージを軽減することで、蓄電池の寿命の短縮を防ぐ方法を提案している。

特開２０１１－２２００６８号公報

　ところで、作業機械にハイブリッド方式を採用する本来的な目的は燃費の向上にあるが、燃費と充電タイミングの関係については、特開２０１１－２２００６８号公報では特に言及されていない。

　蓄電池の充電に着目した場合、アシスト電動機の発電による充電を実施するタイミングは、作業パターンによっては限定される場合があるものの一意に決まるものではなく、前述のようにエンジンの動力に余裕のある期間の中から任意に選択する余地がある。したがって、燃費との関係から見れば、発電による充電は、エンジンの動力に余裕のある期間の中から燃料消費の少ない期間を選択して実施することが重要となる。

　本発明の目的は、蓄電池の充電をするときの追加的な燃料消費が少なく、燃費の良い充電が可能なハイブリッド式作業機械を提供することにある。

　本発明は、上記目的を達成するために、エンジンと、前記エンジンの動力（エンジン動力）を利用して発電する電動発電機と、前記エンジンおよび／または前記電動発電機の動力を利用して作動する油圧ポンプと、前記電動発電機に対し発電要求を出力する時に前記エンジンに要求される動力（エンジン要求動力）を推定し、当該エンジン要求動力が予め設定したしきい値以下のときにのみ前記電動発電機の発電を許可する制御装置とを備える。これにより、エネルギ損失の相対的に少ない低動力域のみで電動発電機による発電が行われ、エネルギ損失の相対的に多い高動力域では電動発電機の発電を禁止できるので、蓄電装置に充電するときのエンジンの燃料消費量を減少でき、ハイブリッド式油圧ショベルの燃費を向上できる。

　本発明によれば燃費の良い充電が可能となる。

本発明の実施の形態に係るハイブリッド式油圧ショベルの外観図。図１に示したハイブリッド式油圧ショベルにおけるアクチュエータ駆動制御システムの概略構成図。エンジンへの入力エネルギから駆動対象を回転駆動するために取り出せるエネルギと、当該駆動対象の回転駆動には利用できないエネルギとの関係の一例を表すグラフ。アシスト電動機による発電時において図２のアクチュエータ駆動制御システム内で入出力される動力を示す図。車体コントローラが実行する蓄電管理制御のうち、アシスト電動機によるバッテリの充電アルゴリズムを示す第１のフローチャート。車体コントローラによるアシスト電動機の要求発電動力Ｐａ*の演算プロセスを示す図。車体コントローラが実行する蓄電管理制御のうち、アシスト電動機によるバッテリの充電アルゴリズムを示す第２のフローチャート。車体コントローラが実行する蓄電管理制御のうち、アシスト電動機によるバッテリの充電アルゴリズムを示す第３のフローチャート。図８のステップＳ１５で発電しきい値Ｅ_thの演算に利用されるマップの一例を示す図。

　以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。　
　図１は本発明の実施の形態に係るハイブリッド式油圧ショベルの外観図である。この図に示す油圧ショベルは、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃを有する多関節型のフロント作業装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅを有する車体１Ｂを備えている。

　ブーム１ａは、上部旋回体１ｄに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（ブームシリンダ）３ａにより駆動される。アーム１ｂは、ブーム１ａに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（アームシリンダ）３ｂにより駆動される。バケット１ｃは、アーム１ｂに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（バケットシリンダ）３ｃにより駆動される。上部旋回体１ｄは電動機（旋回モータ）１６（図２参照）により旋回駆動され、下部走行体１ｅは左右の油圧モータ（走行モータ）３ｅ，３ｆにより駆動される。油圧シリンダ３ａ、油圧シリンダ３ｂ、油圧シリンダ３ｃ及び油圧モータ３ｅ，３ｆは、可変容量形油圧ポンプ６（図２参照）によってタンク８（図２参照）から汲み上げられる圧油によって駆動される。

　図２は図１に示したハイブリッド式油圧ショベルにおけるアクチュエータ駆動制御システムの概略構成図である。なお、先の図に示した部分と同じ部分には同じ符号を付して説明は適宜省略することがある（後の図についても同様に扱うものとする）。

　この図に示すアクチュエータ駆動制御システムは、エンジン７と、エンジン７との間でトルクの伝達を行うアシスト電動機（電動発電機）１０と、エンジン７及びアシスト電動機１０の少なくとも一方によって駆動される可変容量形油圧ポンプ６（以下、単に「油圧ポンプ６」と称することがある）と、油圧ポンプ６から吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータ（例えば、図１に示した油圧シリンダ３ａ，３ｂ，３ｃ、油圧モータ３ｅ，３ｆ）と、油圧ポンプ６の容量を調節して吸収トルクを制御するためレギュレータ（ポンプ制御部）６ａと、アシスト電動機１０及び旋回電動機１６等に供給される電力が蓄えられるバッテリ（蓄電装置）１５と、アシスト電動機１０の制御とともに、アシスト電動機１０とバッテリ１５間での電力の授受を制御するためのインバータ（電力変換装置）１２と、旋回電動機１６の制御とともに、旋回電動機１６とバッテリ１５間での電力の授受を制御するためのインバータ（電力変換装置）１３と、油圧アクチュエータ及び旋回電動機１６を駆動するための操作信号を操作量に基づいて出力する操作レバー（操作装置）４ａ，４ｂと、エンジン７の燃料噴射量を調整するガバナ７ａと、エンジン７の実回転数を検出する回転数センサ（実回転数検出手段）１９と、エンジン７の回転数制御を出力によって行うエンジンコントローラ１４と、アシスト電動機１０及び旋回電動機１６のトルク制御および油圧ポンプ６の容量制御等を出力によって行う車体コントローラ１１と、バッテリ１５の充放電制御を出力によって行うバッテリコントローラ２０とを備えている。

　ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄの動作は操作レバー４ａ，４ｂの油圧操作信号（制御パイロット圧力）により指示され、下部走行体１ｅの動作は図示しない走行用の操作ペダル装置の油圧操作信号（制御パイロット圧力）により指示される。

　操作レバー装置４ａ，４ｂは、パイロットポンプ（図示せず）の吐出油により生成された１次圧を操作レバー装置４ａ，４ｂに備えられる減圧弁（リモコン弁）（図示せず）の操作開度に応じて２次圧に減圧して制御パイロット圧力（油圧操作信号）を生成する。シャトル弁ブロック９は、２つの操作レバー４ａ，４ｂが生成する油圧操作信号（制御パイロット圧力）のうち最も圧力の高いものを操作レバー４ａ，４ｂごとに選択して出力する。なお、旋回操作を指示する油圧操作信号は、圧力センサ１８で検出するため、シャトル弁ブロック９から出力する油圧操作信号からは除外するものとする。

　シャトル弁ブロック９から出力された制御パイロット圧力は、方向切換弁５の受圧部に送られ、方向切換弁５が図示の中立位置から切り換えられる。方向切換弁５は、例えば、油圧ポンプ６からの吐出油が流れるセンタバイパスラインに配置されるオープンセンタタイプのスプール弁であり、上記の制御パイロット圧力により切り換え操作されることにより、油圧ポンプ６が吐出する圧油の流れ（方向と流量）を制御し、油圧アクチュエータ３ａ～３ｃの駆動を制御する。油圧ポンプ６は、エンジン７および／またはアシスト電動機１０の動力を利用して回転駆動される。

　油圧ポンプ６は可変容量型のポンプであり、ポジティブ制御方式のレギュレータ６ａを有している。レギュレータ６ａには、シャトル弁ブロック９から出力された油圧操作信号が導かれている。ポジティブ制御方式のレギュレータ６ａは、公知の如く、操作レバー４ａ、４ｂ及び操作ペダルの操作部材である操作レバー及びペダルの操作量（要求流量）が増加し、油圧操作信号が上昇するにしたがって油圧ポンプ６の斜板傾転角（容量）を増加させ、油圧ポンプ６の吐出流量を増加させる。

　また、レギュレータ６ｂは、公知の如く、油圧ポンプ６の吐出圧力が高くなるにしたがって油圧ポンプ６の傾転角（容量）を減らして、油圧ポンプ６の吸収トルクを予め設定した最大トルクを越えないように制御するトルク制限制御機能を備えている。

　アシスト電動機（電動発電機）１０は、油圧ポンプ６およびエンジン７に機械的に接続されている。アシスト電動機１０は、エンジン７の動力を電気エネルギ（電力）に変換してインバータ１２に出力する発電機としての機能と、インバータ１２から供給される電気エネルギ（電力）により駆動され、油圧ポンプ６をアシスト駆動する電動機としての機能を有している。

　インバータ１２は、アシスト電動機１０が発電機として機能するときは、アシスト電動機１０で生成した交流電力を直流電力に変換して出力し、アシスト電動機１０が電動機として機能するときは、バッテリ１５からの直流電力を交流電力に変換してアシスト電動機１０に供給する。

　インバータ１３は、アシスト電動機１０が生成しインバータ１２が出力した直流電力を交流に電力に変換して旋回電動機１６に供給する。旋回電動機１６は上部旋回体１ｄを駆動する。また、インバータ１３は、旋回制動時に旋回電動機１６が発電機として機能して回生した交流電力を直流電力に変換して出力する。

　バッテリ１５は、インバータ１２，１３に電力を供給したり、アシスト電動機１０が発生した電気エネルギや旋回電動機１６からの電気エネルギを蓄えたりする。バッテリコントローラ２０は、センサを介してバッテリ１５の電圧や電流を検出し、バッテリ１５に蓄えられている電気エネルギの量、いわゆる蓄電残量（ＳＯＣ）を推定し、当該推定値を車体コントローラ１１に出力する機能を有する。

　エンジンコントローラ（エンジン制御装置）１４は、車体コントローラ１１からの目標回転速度と、回転数センサ１９が検出するエンジン７の実回転速度の偏差を演算し、この回転速度偏差に基づいて目標燃料噴射量を演算し、対応する制御信号をエンジン７に備えられる電子ガバナ７ａに出力する。電子ガバナ７ａはその制御信号により作動して目標燃料噴射量相当の燃料を噴射しエンジン７に供給する。これによりエンジン７の回転数は目標回転速度に維持されるように制御される。

　車体コントローラ１１からエンジンコントローラ１４に出力される目標回転数は、オペレータからエンジン７の目標回転数が選択的に入力される入力装置（目標回転数入力装置）であるエンジンコントロールダイヤル（ＥＣダイヤル）３１からの出力に基づいて決定されている。ただし、車体コントローラ１１からエンジンコントローラ１４に出力される目標回転数は、車体コントローラ１１が、油圧ショベルの状態（例えば、エンジン７の冷却水温度やエンジン７の負荷等）を考慮してＥＣダイヤル３１で選択された目標回転数から適宜変更する場合がある。いずれにしても、車体コントローラ１１が、ＥＣダイヤル３１をはじめとするオペレータによる指示と油圧ショベルの状態にもとづいて目標回転数を設定し、エンジンコントローラ１４がその回転数になるように電子ガバナ７ａに目標となる燃料噴射量の指令信号を送る。

　車体コントローラ１１は、制御演算回路を有しており、この制御演算回路においてアシスト電動機１０、旋回電動機１６に係る下記（１）～（３）の制御を行う。

　（１）旋回電動機１６の駆動制御
　圧力センサ１８は、操作レバー４ｂが生成する油圧操作信号のうち左右方向の旋回操作（すなわち、旋回電動機１６の操作）を指示する油圧操作信号が通過するパイロット油路に設置されており、その油圧操作信号を検出する。車体コントローラ１１は、圧力センサ１８の検出信号（電気信号）を入力し、検出した油圧操作信号に応じて旋回電動機１６の駆動制御を行う。具体的には、左方向の旋回操作を指示する油圧操作信号を検出したときは、その油圧操作信号に基づいてインバータ１３を制御して旋回電動機１６を駆動する力行制御を行い、油圧操作信号に対応した速度で上部旋回体１ｄが左旋回するように旋回電動機１６を作動させる。一方、右方向の旋回操作を指示する油圧操作信号を検出したときは、その油圧操作信号に基づいてインバータ１３を制御して旋回電動機１６を駆動する力行制御を行い、油圧操作信号に対応した速度で上部旋回体１ｄが右旋回するように旋回電動機１６を作動させる。

　なお、操作レバー４ｂによる旋回電動機１６の上記の駆動制御に際して、車体コントローラ１１は、旋回要求速度、バッテリ１５の蓄電残量（ＳＯＣ）および油圧ポンプ６の負荷等を参照しながら、圧力センサ１８の検出した油圧操作信号に基づいてインバータ１２を制御してアシスト電動機１０を発電機として動作させる発電制御を行うことがある。例えば、旋回要求速度が相対的に大きい場合には、旋回電動機１６の駆動制御とともにアシスト電動機１０の発電制御を実行し、旋回要求速度が相対的に小さい場合には旋回電動機１６の駆動制御のみを実行して発電制御は実行しない。

　（２）回収電力の蓄電制御
　また、車体コントローラ１１は、上部旋回体１ｄの制動時（旋回制動時）にインバータ１３を制御して旋回電動機１６を発電機として動作させる発電制御を行い、旋回電動機１６から電気エネルギを回収するとともに、回収した電気エネルギをバッテリ１５に蓄える制御を行う。

　（３）アシスト電動機１０の制御（バッテリ１５の蓄電管理制御）
　また、車体コントローラ１１は、油圧ポンプ６の油圧負荷（ポンプ吸収トルク）が軽くかつ、バッテリコントローラ２０によって検出されるバッテリ１５の蓄電残量が少ないときは、インバータ１２を制御してアシスト電動機１０を発電機として動作させる発電制御を行い、余剰の電力を発生させるとともに、発生した余剰電力をバッテリ１５に蓄える制御を行う。逆に、油圧ポンプ６の油圧負荷（ポンプ吸収トルク）が重くかつ、バッテリコントローラ２０によって検出される、バッテリ１５の蓄電残量が所定量以上あるときは、インバータ１２を制御してアシスト電動機１０にバッテリ１５の電力を供給してアシスト電動機１０を電動機として動作させる力行制御を行い、油圧ポンプ６をアシスト駆動する。

　ところで、エンジン７の入力を時間当たりの燃料の熱エネルギとしたとき、当該入力から駆動対象（油圧ポンプ６およびアシスト電動機１０）を回転駆動するために取り出せるエネルギ（エンジン動力Ｘ）と、当該駆動対象の回転駆動には利用できないエネルギ（エネルギ損失Ｙ）との関係は、一般的に図３の実線となる。ここでは、図３の実線におけるエンジン動力の増加に対するエネルギ損失の増加割合（Ｘ／Ｙ）の大きさに基づいて、図３のグラフを２つの領域に区分し、当該２つの領域の境界値となるエンジン動力の値を「発電しきい値Ｅ_th1」と称する。本実施の形態では、図３の実線に対する近似直線を２つ設定し（低エンジン動力側の領域（低動力域）における近似式をＹ＝α１Ｘ＋β１とし、高エンジン動力側の領域（高動力域）における近似式をＹ＝α２Ｘ＋β２とする（α1，α2，β１，β２は定数であり、α１＜α２かつβ１＞β２））、当該２つの近似直線の交点を発電しきい値Ｅ_th1として予め設定している。

　図３において、発電しきい値Ｅ_th1によって区分される２つの領域のうち発電しきい値Ｅ_th1よりも低動力側の領域（低動力域）では、傾きが相対的に小さい近似直線（Ｙ＝α１Ｘ＋β１）が設定されていることからも分かるように、エネルギ損失の増加割合が相対的に小さくなっている（α１＜α２）。一方、発電しきい値Ｅ_th1よりも高動力側の領域（高動力域）では、傾きが相対的に大きい近似直線（Ｙ＝α２Ｘ＋β２）が設定されていることからも分かるように、エネルギ損失の増加割合が大きくなっている（α１＜α２）。すなわち、発電しきい値Ｅ_th1は、Ｅ_th1未満の範囲でエンジン動力を所定の値だけ増加したときのエネルギ損失増加割合が、Ｅ_th1を超える範囲でエンジン動力を当該所定の値だけ増加したときのエネルギ損失増加割合よりも小さくなるように選択されている。また、高動力域では、エンジン動力とエネルギ損失との関係はほぼ線形で、エンジン動力とエネルギ損失との和が入力であるので、入力に対するエンジン動力の割合である効率はほぼ一定になる。一方、低動力域では、動力が小さいほど効率が低下することになる。なお、ここでは、２つの近似直線の交点を発電しきい値Ｅ_th1としたが、発電しきい値Ｅ_th1は他の値としても良い。例えば、図３において、実線が低動力域の近似直線（Ｙ＝α１Ｘ＋β１）から乖離し始めるエンジン動力値（ｅ１）から、実線が高動力域の近似直線（Ｙ＝α２Ｘ＋β２）に一致するエンジン動力値（ｅ２）までの範囲に含まれる値から、任意に選択した値を発電しきい値Ｅ_th1としても良い。また、アシスト電動機１０の発電許可範囲が狭くなるが、発電しきい値Ｅ_th1をエンジン動力値（ｅ１）以下の低動力域に設定することも可能である。

　図３に示す特性は、油圧ショベルをはじめとする作業機械に使われるディーゼルエンジンにおいて一般的であり、通常、定格付近の動力の大きな領域（高動力の領域）において、ＥＧＲ（排気再循環）、空燃費およびターボチャージャに関するハードウェアおよびソフトウェアを調整することで、所望の燃費や動力を実現して、上記のようにエネルギ損失はほぼ線形になっている。しかし、それと同時に低動力の領域においても高動力の領域と同様の特性を実現するのは難しく、特に、動力が０のアイドル運転でもエンジンは燃料を消費するため、エネルギ損失は０にはならない。結果として多くのエンジンでは、図３に示したように、所定の動力値を境界にして動力と損失の関係が区分的に変化することになる。

　ところで、アシスト電動機１０を発電機として動作させる発電制御を行ってバッテリ１５を充電するとき、エンジン７は、油圧ポンプ６に加えてアシスト電動機１０を駆動する。図３によれば、この場合にも、エンジン７の動力によって損失が異なることになる。例えば、油圧ポンプ６の油圧負荷（吸収動力）が低動力域に存在するＸ１（図示せず）のときに、さらに発電のためΔＸ（図示せず）が追加されたとき、エネルギ損失は、発電の前後で、図３の低動力域の近似直線：Ｙ＝α１Ｘ＋β１から、α１ΔＸ増加することが分かる。一方、油圧ポンプ６の油圧負荷（吸収動力）が高動力域に存在するＸ２（図示せず）のとき、さらに発電のためΔＸが追加されたとき、エネルギ損失は、図３の高動力域の近似直線：Ｙ＝α２Ｘ＋β２から、α２ΔＸ増加することが分かる。α１＜α２より、同じΔＸの発電をするときに増加するエネルギ損失は、油圧ポンプ６の油圧負荷が低動力域に存在するＸ１のときの方が、高動力域に存在するＸ２のときよりも（α２－α１）ΔＸだけ少なくなる。

　エネルギ損失の増加は、そのままエンジンへの入力の増加に繋がる。入力は燃料（の発熱量）に対応するので、発電量に対して損失の増加が少ないほど、発電の燃費への影響が少ないことになる。したがって、図３の特性を持つエンジン７では、バッテリ１５を充電するときは、エンジンの動力が発電しきい値Ｅ_th1以下のときに発電した方が、それ以上の動力の大きなときに発電するより、燃費がよくなるはずである。

　また、上記（２）の回収電力の蓄電制御では、充電ができるのは旋回制動時であるので、充電のタイミングは旋回の動作によって決まるが、上記（３）の蓄電管理制御では、油圧ポンプ６の油圧負荷（吸収動力）が、エンジンの最大動力より小さいときならいつでも充電が可能である。したがって、上記（３）の蓄電管理制御で、図３のエンジン７の特性を考慮して、エンジンの動力が比較的小さいときに選択的に充電し、エンジンの動力が比較的大きいときは充電を抑制することによって、作業機械の燃費の向上が可能になる。

　図４は、アシスト電動機１０による発電時において図２のアクチュエータ駆動制御システム内で入出力される動力を示す図である。この図に示すように、図２のシステムは、アシスト電動機１０による発電時において、エンジン７が出力する動力（エンジン動力：Ｐｅ）は、油圧ポンプ６を回転させる動力（ポンプ吸収動力：Ｐｐ）と、発電時にアシスト電動機１０を回転させる動力（発電動力：Ｐａ）として利用される。すなわち、「Ｐｅ＝Ｐｐ＋Ｐａ」が成立する。

　上記のことを利用して、燃費を考慮した、バッテリ１５の充電方法を説明する。図５は、車体コントローラ１１が実行する上記（３）の蓄電管理制御のうち、アシスト電動機１０によるバッテリ１５の充電アルゴリズムを示す第１のフローチャートであり、当該フローチャートは周期的に繰り返して実行される。

　まず、車体コントローラ１１は、ステップＳ１０において、油圧ポンプ６およびアシスト電動機１０からエンジン７に要求されるエンジン動力Ｐｅを推定する。車体コントローラ１１によるエンジン動力Ｐｅの推定方法としては例えば次の（Ａ）～（Ｃ）の３つがある。

　（Ａ）エンジンコントローラ１４の出力を利用する方法
　前述のように、エンジンコントローラ１４では、エンジン７の目標燃料噴射量が演算される。一般的に、エンジンの燃料噴射量は、エンジンのトルクにほぼ対応することが知られており、燃料噴射量とトルクの関係を示すマップが利用されている。そこで当該マップを参照し、エンジンコントローラ１４で演算された目標燃料噴射量からエンジン７のトルクを推定する。このように推定されたトルクと、回転数センサ１９から入力される回転数をエンジンコントローラ１４から車体コントローラ１１に出力し、車体コントローラ１１でトルクと回転数の積を演算することによりエンジン動力Ｐｅの推定値が算出できる。

　（Ｂ）油圧ポンプ６の吸収動力Ｐｐとアシスト電動機１０の要求発電動力Ｐａ*の和から推定する方法
　この方法を説明するにあたって、まず油圧ポンプ６の吸収動力Ｐｐの推定方法について説明するが、その推定に際して、車体コントローラ１１は、まず、油圧ポンプ６の流量を推定する。油圧ポンプ６の流量の推定値を算出するには、操作レバー４ａ、４ｂによる制御パイロット圧力を圧力センサ１７，１８で検出し、これらを車体コントローラ１１に出力する。前述のように制御パイロット圧力は、シャトル弁ブロック９を通して、レギュレータ６ａに導かれ、油圧ポンプ６の斜板傾転角（容量）を増減させる。そこで、車体コントローラ１１において、制御パイロット圧力の検出値に対し、これら油圧回路の動作に対応する演算を行い、レギュレータ６ａに供給される油圧操作信号を演算することで、油圧ポンプ６の流量が推定できる。そして、この流量推定値と、圧力センサ２１から車体コントローラ１１に出力される油圧ポンプ６の吐出圧との積を、油圧ポンプ６の効率で除することで、油圧ポンプ６の吸収動力Ｐｐが算出できる。

　次に、アシスト電動機１０の要求発電動力Ｐａ*の演算について図６を用いて説明する。図６は、車体コントローラ１１によるアシスト電動機１０の要求発電動力Ｐａ*の演算プロセスを示す図である。

　この図に示すように、まず、車体コントローラ１１は、バッテリコントローラ２０から入力したバッテリ１５の蓄電残量（いわゆるＳＯＣ）に基づいて目標充電量を決定する。本実施の形態に係るバッテリ１５では、主としてＳＯＣが３０～７０％の範囲で充放電するのが望ましいため、図６の例では、ＳＯＣが３０％以下の範囲で目標充電量を最大値に設定し、ＳＯＣが３０～７０％の間ではＳＯＣの増加とともに目標充電量を徐々に減少させ、ＳＯＣが７０％以上の範囲で目標充電量をゼロとしている。そして、旋回電動機１６による回生電力による充電を考慮して、上記の目標充電量と回生電力による充電量との差をアシスト電動機１０による充電量とする。要求発電動力Ｐａ*は、エンジン７がアシスト電動機１０に供給すべき動力であるので、目標充電量と回生電力による充電量の差を、アシスト電動機１０、インバータ１２及びバッテリ１５の充電時の効率の積で除することで演算できる。

　そして最終的に、上記のように演算した油圧ポンプ６の吸収動力Ｐｐとアシスト電動機１０の要求発電動力Ｐａ*の和を演算することで、エンジン動力Ｐｅの推定値が算出できる。

　（Ｃ）操作レバー４ａ、４ｂの制御パイロット圧力から推定する方法
　この方法では、操作レバー４ａ，４ｂの操作が行われていないと判定された場合には、油圧ショベルによる作業が行われていないと推定して、エンジン動力Ｐｅを０とみなす。一方、操作レバー４ａ，４ｂの操作が行われていると判定された場合には、何らかの作業中なのでエンジン動力Ｐｅを最大値とみなす。その際、操作レバー４ａ，４ｂの操作の有無は、圧力センサ１７，１８によって検出される制御パイロット圧の大小で判断することができる。当該制御パイロット圧が設定値（例えば、０．５ＭＰａ）以下の場合には、操作レバー４ａ，４ｂによる操作は行われていないと判定し、当該設定値を超えている場合には、操作レバー４ａ，４ｂによる操作が行われていると判定する。

　上記のように（Ａ）～（Ｃ）のいずれかの方法でＳ１０でエンジン動力Ｐｅを推定したら、ステップＳ２０に進み、Ｓ１０で算出したエンジン動力Ｐｅが、発電しきい値Ｅ_th1より大きいか否かを判定する。ステップＳ２０において、エンジン動力Ｐｅが発電しきい値Ｅ_th1より大きいと判定された場合には、車体コントローラ１１はアシスト電動機１０による発電を禁止する（ステップＳ３０）。すなわち、アシスト電動機１０に対する発電要求があっても、これを無視して発電を行わないように制御する。

　一方、Ｓ２０において、エンジン動力Ｐｅが発電しきい値Ｅ_th1以下と判定された場合には、車体コントローラ１１はアシスト電動機１０による発電を許可する（ステップＳ４０）。すなわち、アシスト電動機１０に対する発電要求があった場合には、車体コントローラ１１は、アシスト電動機１０の発電動力Ｐａとして、当該発電要求通りの動力（すなわち、要求発電動力Ｐａ*）を供給する発電指令を、インバータ１２に対して出力する。そして、ステップＳ３０、４０が終了したら、最初に戻りＳ１０以降の処理を繰り返す。

　上記のように、本実施の形態では、アシスト電動機１０に対する発電要求があったときに当該発電要求と油圧ポンプ６の作動を実現するためにエンジン７に要求される動力Ｐｅを推定し、当該エンジン動力Ｐｅが発電しきい値Ｅ_th1以下のときにのみアシスト電動機１０の発電を許可している。このように発電制御を行えば、エネルギ損失の相対的に少ない低動力域（図３参照）のみでアシスト電動機１０による発電が行われ、エネルギ損失の相対的に多い高動力域（図３参照）ではアシスト電動機１０の発電を禁止できるので、バッテリ１５を充電するときのエンジン７の燃料消費量を減少でき、ハイブリッド式油圧ショベルの燃費を向上することができる。

　なお、ステップＳ１０に係るエンジン動力Ｐｅの推定に際して、上記（Ｃ）の方法を選択した場合は、操作レバー４ａ，４ｂが操作されている場合にはエンジン動力Ｐｅは発電しきい値Ｅ_th1より常に大きくなってしまうため、アシスト電動機１０による充電は、操作レバー４ａ，４ｂが操作されていないとき（すなわち、作業が行われていないとき）のみに実行されることになる。

　次に本発明に係る第２の実施の形態について説明する。図７は、車体コントローラ１１が実行する蓄電管理制御のうち、アシスト電動機１０によるバッテリ１５の充電アルゴリズムを示す第２のフローチャートであり、当該フローチャートは周期的に繰り返して実行される。

　まず、車体コントローラ１１は、ステップＳ１１において、油圧ポンプ６の吸収動力Ｐｐを推定する処理を行う。ポンプ吸収動力Ｐｐは、上記エンジン動力Ｐｅの推定方法の（Ｂ）で説明した処理によって算出できる。すなわち、圧力センサ１７，１８で検出される操作レバー４ａ、４ｂによる制御パイロット圧力と、圧力センサ２１で検出される油圧ポンプ６の吐出圧に基づいて、油圧ポンプ６の吸収動力Ｐｐの推定値を算出する。

　次に、車体コントローラ１１は、ステップＳ１２において、アシスト電動機１０の要求発電動力Ｐａ*を演算する処理を行う。要求発電動力Ｐａ*についても、上記エンジン動力Ｐｅの推定方法の（Ｂ）で説明した処理によって算出できる。すなわち、バッテリ１５のＳＯＣと、回生電力による充電量に基づいて、要求発電動力Ｐａ*を算出する。

　Ｓ１３では、車体コントローラ１１は、Ｓ１２で算出した要求発電動力Ｐａ*がゼロより大きいか否かを判定する。要求発電動力Ｐａ*がゼロの場合は、充電は不要なので、アシスト電動機１０による発電を行わない（Ｓ１４）。一方、Ｓ１３において、要求発電動力Ｐａ*がゼロより大きい場合には、ステップＳ２０ａに進む。

　ステップＳ２０ａでは、Ｓ１１で算出したポンプ吸収動力Ｐｐの推定値と、Ｓ１２で算出した要求発電動力Ｐａ*の和を算出し、その和であるエンジン動力ＰｅがＥ_th1より大きいか否かを判定する。

　Ｓ２０ａにおいて、エンジン動力Ｐｅが発電しきい値Ｅ_th1以下と判定された場合には、車体コントローラ１１は、アシスト電動機１０の発電動力Ｐａとして、発電要求通りの動力（すなわち、要求発電動力Ｐａ*）を供給する発電指令を、インバータ１２に対して出力する（ステップＳ４０ａ）。

　一方、Ｓ２０ａにおいて、エンジン動力Ｐｅが発電しきい値Ｅ_th1より大きいと判定された場合には、Ｓ１１で算出したポンプ吸収動力Ｐｐが発電しきい値Ｅ_th1以上であるか否かを判定する（Ｓ２１）。

　Ｓ２１において、ポンプ吸収動力Ｐｐが発電しきい値Ｅ_th1未満であると判定された場合には、車体コントローラ１１は、アシスト電動機１０の発電動力Ｐａとして、発電しきい値Ｅ_th1からポンプ吸収動力Ｐｐを減じた動力（すなわち、Ｅ_th1－Ｐｐ）を供給する発電指令を、インバータ１２に対して出力する（ステップＳ２２）。すなわち、この場合には、ポンプ吸収動力Ｐｐと要求発電動力Ｐａ*の和が発電しきい値Ｅ_th1を超えてしまうが、発電しきい値Ｅ_th1未満のポンプ吸収動力Ｐｐは優先的に出力し、発電しきい値Ｅ_th1から当該ポンプ吸収動力Ｐｐを減じた動力にまで発電動力Ｐａを制限することで、実際のエンジン動力を発電しきい値Ｅ_th1にまで制限する制御が実行される。

　一方、Ｓ２１において、ポンプ吸収動力Ｐｐが発電しきい値Ｅ_th1以上であると判定された場合には、車体コントローラ１１は、アシスト電動機１０の発電動力Ｐａをゼロにする発電指令をインバータ１２に対して出力し、アシスト電動機１０による発電を禁止する（ステップＳ３０ａ）。すなわち、この場合には、ポンプ吸収動力Ｐｐだけで発電しきい値Ｅ_th1以上に達するので、ポンプ吸収動力Ｐｐのみをエンジン７から出力して、発電要求があっても発電動力Ｐａは一切出力しない制御が実行される。この場合には、実際のエンジン動力は発電しきい値Ｅ_th1を超えてしまうが、当該超過分のエンジン動力は油圧ポンプ６の駆動に必要な値に抑制される。

　ステップＳ１４、Ｓ４０ａ、Ｓ２２およびＳ３０ａの処理が終了したら、最初に戻りＳ１１以降の処理を繰り返す。

　このように本実施の形態によっても、エネルギ損失の相対的に少ない低動力域のみでアシスト電動機１０による発電が行われ、エネルギ損失の相対的に多い高動力域ではアシスト電動機１０の発電を禁止できるので、バッテリ１５を充電するときのエンジン７の燃料消費量を減少でき、ハイブリッド式油圧ショベルの燃費を向上することができる。特に本実施の形態では、ポンプ吸収動力Ｐｐと要求発電動力Ｐａ*の和が発電しきい値Ｅ_th1を超える場合であっても、ポンプ吸収動力Ｐｐが発電しきい値Ｅ_th1以下であれば、両者の差分だけ発電が行われるので、第１の実施の形態の場合と比較して充電の機会を増加でき、蓄電残量がさらに低下することが防止できる。

　なお、本実施の形態では、ステップＳ２２において、発電しきい値Ｅ_th1からポンプ吸収動力Ｐｐを減じた動力（Ｅ_th1－Ｐｐ）を供給する発電指令を、インバータ１２に対して出力したが、これだけに限らず、発電しきい値Ｅ_th1からポンプ吸収動力Ｐｐを減じた動力“以下”の動力を供給する発電指令であれば良い。

　次に本発明に係る第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、発電しきい値Ｅ_thがバッテリ１５のＳＯＣに応じて変化する点に特徴がある。図８は、車体コントローラ１１が実行する蓄電管理制御のうち、アシスト電動機１０によるバッテリ１５の充電アルゴリズムを示す第３のフローチャートであり、当該フローチャートは周期的に繰り返して実行される。

　ステップＳ１１からステップＳ１４までは図７と同じなので説明は省略する。ステップＳ１３において要求発電動力Ｐａ*がゼロより大きい場合には、ステップＳ１５に進み、車体コントローラ１１は、後続の処理で利用する発電しきい値Ｅ_thをＳＯＣに基づいて演算する処理を行う。

　図９は図８のステップＳ１５で発電しきい値Ｅ_thの演算に利用されるマップの一例を示す図である。この図に示すマップに基づいて、車体コントローラ１１は、バッテリ１５のＳＯＣから発電しきい値Ｅ_thを決定する。

　この図の例では、ＳＯＣが理想的な３０％～７０％の領域では、先の各実施の形態と同様にエネルギ損失の少ないＥ_th1に発電しきい値を設定している。

　また、ＳＯＣが７０％以上の領域では、アシスト電動機１０による発電が不要なので、発電しきい値Ｅ_thをゼロに設定している。これにより、アシスト電動機１０による発電は常に行われないことになる。なお、要求発電動力Ｐａ*の算出に図６のマップを利用した場合には、ＳＯＣが７０％以上のときには要求発電動力Ｐａ*はゼロになるので、制御間の不整合は生じないようになっている。

　さらに、ＳＯＣが３０％未満の領域では、エネルギ損失が増加しても発電が必要になるので、蓄電残量の減少に応じて発電しきい値Ｅ_thが増加するように設定している（図９の例では、ＳＯＣの減少に応じて発電しきい値はＥ_thMax（最大値）まで増加する。）。これによりアシスト電動機１０による充電の機会が増加し、蓄電残量がさらに低下することが防止できる。

　Ｓ１５で発電しきい値Ｅ_thを演算したら、ステップＳ２０ｂに進む。ステップＳ２０ｂでは、Ｓ１１で算出したポンプ吸収動力Ｐｐの推定値と、Ｓ１２で算出した要求発電動力Ｐａ*の和（エンジン動力Ｐｅ）が、Ｓ１５で算出した発電しきい値Ｅ_thより大きいか否かを判定する。

　Ｓ２０ｂにおいて、エンジン動力Ｐｅが発電しきい値Ｅ_th以下と判定された場合には、車体コントローラ１１は、アシスト電動機１０の発電動力Ｐａとして、発電要求通りの動力（すなわち、要求発電動力Ｐａ*）を供給する発電指令を、インバータ１２に対して出力する（ステップＳ４０ａ）。

　一方、Ｓ２０ｂにおいて、エンジン動力Ｐｅが発電しきい値Ｅ_thより大きいと判定された場合には、Ｓ１１で算出したポンプ吸収動力Ｐｐが発電しきい値Ｅ_th以上であるか否かを判定する（Ｓ２１ｂ）。

　Ｓ２１ｂにおいて、ポンプ吸収動力Ｐｐが発電しきい値Ｅ_th未満であると判定された場合には、車体コントローラ１１は、アシスト電動機１０の発電動力Ｐａとして、発電しきい値Ｅ_thからポンプ吸収動力Ｐｐを減じた動力（すなわち、Ｅ_th－Ｐｐ）を供給する発電指令を、インバータ１２に対して出力する（ステップＳ２２ｂ）。すなわち、この場合には、ポンプ吸収動力Ｐｐと要求発電動力Ｐａ*の和が発電しきい値Ｅ_thを超えてしまうが、発電しきい値Ｅ_th未満のポンプ吸収動力Ｐｐは優先的に出力し、発電しきい値Ｅ_thから当該ポンプ吸収動力Ｐｐを減じた動力にまで発電動力Ｐａを制限することで、実際のエンジン動力を発電しきい値Ｅ_thに制限する制御が実行される。

　一方、Ｓ２１ｂにおいて、ポンプ吸収動力Ｐｐが発電しきい値Ｅ_th以上であると判定された場合には、車体コントローラ１１は、アシスト電動機１０の発電動力Ｐａをゼロにする発電指令をインバータ１２に対して出力し、アシスト電動機１０による発電を禁止する（ステップＳ３０ａ）。

　このように本実施の形態によれば、エネルギ損失の相対的に少ない低動力域で主にアシスト電動機１０による発電が行われ、エネルギ損失の相対的に多い高動力域ではアシスト電動機１０の発電を極力禁止できるので、バッテリ１５を充電するときのエンジン７の燃料消費量を減少でき、ハイブリッド式油圧ショベルの燃費を向上することができる。特に本実施の形態では、ＳＯＣが３０％未満に達した場合には、発電しきい値Ｅ_thがＥ_th1よりも大きい値に設定されて、エネルギ損失よりもバッテリ１５の充電が優先されるので、先の各実施の形態と比較して充電の機会を増加でき、バッテリ１５の蓄電残量の減少を防止することができる。

　なお、上記の各実施の形態では、作業機械としてハイブリッド式油圧ショベルの場合について説明したが、エンジンに機械的に接続された油圧ポンプ及びアシスト電動機（電動発電機）を備える作業機械であれば、油圧ショベル以外にも本発明は適用可能である。

　また、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

　また、上記のコントローラ１１，１４，２０に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記のコントローラ１１，１４，２０に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御装置の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

　また、上記の各実施の形態の説明では、制御線や情報線は、当該各実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。

　３ａ…ブームシリンダ、３ｂ…アームシリンダ、３ｃ…バケットシリンダ、３ｅ、３ｆ…走行モータ、４ａ，４ｂ…操作レバー、５…方向切換弁、６…油圧ポンプ、６ｂ…レギュレータ、７…エンジン、７ａ…電子ガバナ、８…タンク、９…シャトル弁ブロック、１０…アシスト電動機、１１…車体コントローラ、１２，１３…インバータ、１４…エンジンコントローラ、１５…バッテリ、１６…旋回電動機、１７，１８…圧力センサ、１９…回転数センサ、２０…バッテリコントローラ、３１…エンジンコントロールダイヤル、Ｅ_th，Ｅ_th1，Ｅ_thMax…発電しきい値、Ｐａ…発電動力、Ｐａ*…要求発電動力、Ｐｅ…エンジン動力、Ｐｐ…ポンプ吸収動力

Claims

　エンジンと、
　前記エンジンの動力を利用して発電する電動発電機と、
　前記エンジンおよび／または前記電動発電機の動力を利用して作動する油圧ポンプと、
　前記電動発電機に対し発電要求を出力する時に前記エンジンに要求される動力であるエンジン要求動力を推定し、当該エンジン要求動力が予め設定したしきい値以下のときにのみ前記電動発電機の発電を許可する制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
　請求項１に記載のハイブリッド式作業機械において、
　前記しきい値は、前記しきい値未満の範囲で前記エンジンの動力を所定の値だけ増加したときのエネルギ損失増加割合が、前記しきい値を超える範囲で前記エンジンの動力を前記所定の値だけ増加したときのエネルギ損失増加割合よりも小さくなるように選択されていることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
　請求項２に記載のハイブリッド式作業機械において、
　前記制御装置は、
　　前記発電要求時に前記油圧ポンプと前記電動発電機が前記エンジンに要求する動力である油圧ポンプ要求動力と電動発電機要求動力をそれぞれ算出し、当該油圧ポンプ要求動力と当該電動発電機要求動力の和に基づいて前記エンジン要求動力を算出しており、
　　当該エンジン要求動力が前記しきい値以下のとき、前記電動発電機に前記電動発電機要求動力を供給することを特徴とするハイブリッド式作業機械。
　請求項２に記載のハイブリッド式作業機械において、
　前記制御装置は、
　　前記発電要求時に前記油圧ポンプと前記電動発電機が前記エンジンに要求する動力である油圧ポンプ要求動力と電動発電機要求動力をそれぞれ算出し、当該油圧ポンプ要求動力と当該電動発電機要求動力の和に基づいて前記エンジン要求動力を算出しており、
　　前記エンジン要求動力が前記しきい値より大きく、かつ、前記油圧ポンプ要求動力が前記しきい値未満のとき、前記しきい値から前記油圧ポンプ要求動力を減じた値以下の動力を前記電動発電機に供給することを特徴とするハイブリッド式作業機械。
　請求項２に記載のハイブリッド式作業機械において、
　前記制御装置は、
　　前記発電要求時に前記油圧ポンプと前記電動発電機が前記エンジンに要求する動力である油圧ポンプ要求動力と電動発電機要求動力をそれぞれ算出し、当該油圧ポンプ要求動力と当該電動発電機要求動力の和に基づいて前記エンジン要求動力を算出しており、
　　前記エンジン要求動力が前記しきい値より大きく、かつ、前記油圧ポンプ要求動力が前記しきい値以上のとき、前記電動発電機による発電を禁止すること特徴とするハイブリッド式作業機械。
　請求項１に記載のハイブリッド式作業機械において、
　前記電動発電機により発電された電力を蓄える蓄電装置をさらに備え、
　前記電動発電機による発電量は、前記蓄電装置の蓄電残量に基づいて決定されており、
　前記しきい値は、前記蓄電装置の蓄電残量の減少に応じて増加するように設定されていることを特徴とするハイブリッド式作業機械。