JP4725406B2

JP4725406B2 - ハイブリッド式作業機械の動力源装置

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Publication number: JP4725406B2
Application number: JP2006122120A
Authority: JP
Inventors: 昌之鹿児島; 昌之小見山
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: JP2007290607A

Description

本発明はエンジン動力と蓄電装置の電力を併用するハイブリッド式作業機械の動力源装置に関するものである。

ハイブリッド式の作業機械(たとえばショベル)において、所謂パラレル方式の駆動形態をとるものが公知である。

このパラレル方式では、油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とを共通の動力源によって駆動し、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動する一方で、発電電動機の発電機作用によって蓄電装置に充電し、適時、この蓄電装置の放電力により発電電動機に電動機作用を行わせてエンジンをアシストするように構成される。

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。

また、このハイブリッド式作業機械において、特許文献１,２に示されているように、油圧アクチュエータの負荷に応じて油圧ポンプが要求するパワーであるポンプ要求パワーを求め、このポンプ要求パワーに応じて、エンジンをアシストするための発電電動機のパワーを増減させる(エンジンと発電電動機のパワー配分を制御する)技術が公知である。
特開２００５−２３７１７８号公報特開２００５−２３３１６４号公報

この公知技術において、エンジンと発電電動機のパワー配分を決定する前提となるポンプ要求パワーは、油圧ポンプの吐出圧力や吐出量等をセンサで検出し、この検出値に基づいて算出される。

また、一旦、パワー配分が決定すると、ポンプ要求パワーが変わらない限り発電電動機パワーはその配分値に固定される。

ところが、ポンプ要求パワーを検出するためのセンサにオフセット等の計測誤差があった場合、演算値と実際値との間にずれが生じる。

ここで、検出値に基づくポンプ要求パワーの演算値が実際のポンプ要求パワーよりも小さい方にずれると、パワー不足となり、このときアシストする発電電動機のパワーは前記のように固定されているため、不足分はエンジンが負担することなる。その結果、エンジンが過負荷となり、エンストするおそれがある。

なお、このエンスト防止策として、エンジン回転数を検出し、エンジン回転数の低下に従って油圧ポンプを減馬力制御する所謂ＥＳＳ制御を行うことが考えられるが、このＥＳＳ制御では発電電動機パワーが有効利用されず、ハイブリッド本来の意味がなくなるため得策でない。

一方、検出値に基づくポンプ要求パワーの演算値が実際値よりも大きい方にずれている場合は、発電電動機がアシスト過剰状態となって発電電動機の回転速度が上昇し、これに連結されたエンジンも過回転状態となって、エンジンが破損するおそれがある。

また、エンジンや発電電動機そのものの個体差や経年変化等によって性能に差が生じた場合にも、ポンプ要求パワーのずれが発生し、上記同様の問題が生じていた。

そこで本発明は、発電電動機パワーを有効利用することを前提として、ポンプ要求パワーのずれによるエンジンの過負荷や過回転を防止することができるハイブリッド式作業機械の動力源装置を提供するものである。

請求項１の発明は、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とが共通の動力源としてのエンジンによって駆動され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の電力により発電電動機が駆動されてエンジンをアシストする電動機作用を行うように構成された作業機械の動力源装置において、
(Ｉ) アクセル信号に基づいて求められるエンジンの目標回転数に対応するエンジン最大パワーを求め、
(ＩＩ) 上記油圧ポンプに要求されるパワーであるポンプ要求パワーを求め、
(ＩＩＩ) このポンプ要求パワーに対する上記エンジン最大パワーの過不足分を求め、
(ＩＶ) このエンジン最大パワーの過不足を無くするために発電電動機が出すべき発電電動機パワーの配分を決定し、
(Ｖ) 上記ポンプ要求パワーの演算値と実際値のずれによって生じる上記エンジンの目標回転数と実際回転数との偏差を求め、
(ＶＩ) この偏差が解消される方向に上記発電電動機のパワー配分を補正する
ように構成されたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、次の手段を具備するものである。

(Ａ) エンジンの目標回転数に基づいてエンジンの最大パワーを設定するエンジン最大パワー設定手段。

(Ｂ) 発電電動機の回転数に基づいて発電電動機の最大パワーを設定する発電電動機最大パワー設定手段。

(Ｃ) 設定された上記エンジン最大パワー及び発電電動機最大パワーからポンプ最大パワーを設定するポンプ最大パワー設定手段。

(Ｄ) 油圧ポンプが要求するパワーであるポンプ要求パワーを求めるポンプ要求パワー演算手段。

(Ｅ) 上記ポンプ要求パワーと、設定された上記エンジン最大パワー及び発電電動機最大パワーとに基づいて、発電電動機がエンジンアシストのために出すべき発電電動機パワーの配分を決定するパワー配分手段。

(Ｆ) エンジンの目標回転数と実際回転数との偏差に基づいてポンプ要求パワーの不足分または過剰分である補正パワーを求め、この補正パワーを、ポンプ最大パワーと発電電動機最大パワーに振り分ける比率として予め定めた配分率に基づいて配分し、この配分結果に基づいて発電電動機及び油圧ポンプに対する補正されたパワー指令値を出力するパワー補正手段。

請求項３の発明は、請求項２の構成において、パワー補正手段における配分率は、エンジンの実際回転数に応じて、低回転数側でポンプ最大パワーの比率が大きくなり、高回転数側で発電電動機最大パワーの比率が大きくなるように設定されたものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、ポンプ要求パワー演算手段は、油圧ポンプの吐出圧力、吐出量、回転数に基づいてポンプ要求パワーを演算するように構成されたものである。

本発明によると、ポンプ要求パワーの演算値と実際値のずれが、エンジンの目標回転数と実際回転数の偏差として現れる点に着目し、この偏差に基づいて(偏差が解消される方向に)発電電動機パワーの配分を補正する構成としたから、ポンプ要求パワーを求めるためのセンサ計測誤差等によってポンプ要求パワーにずれが生じた場合に、発電電動機パワーを増減制御してエンジン負荷またはエンジン回転数を適正に保つことができる。すなわち、エンジンの過負荷によるエンストや過回転による破損を防止し、安定したエンジン運転状態を確保することができる。

また、請求項３の発明によると、補正パワーの配分率(発電電動機最大パワーとポンプ最大パワーへの振り分けの比率)を、エンジンの実際回転数に応じて、低回転数側でポンプ最大パワーの比率が大きくなり、高回転数側で発電電動機最大パワーの比率が大きくなるように設定したから、たとえばエンジン回転数が低ければ発電電動機の出力も低いことから発電電動機最大パワーの配分比率を小さくする代わりにポンプ減馬力量を大きくとり、逆の場合は発電電動機最大パワー(アシスト量)を大きくするという制御が行われる。これにより、より安定したエンジン運転状態を確保することができる。

図１に示すように、エンジン１にパワーデバイダ２を介して可変容量型の油圧ポンプ３と、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機４とがパラレルに接続され、これらがエンジン１によって駆動される。

油圧ポンプ３には、制御弁(アクチュエータごとに設けられるが、ここでは複数の制御弁の集合体として示す)を介して図示しない油圧アクチュエータ(たとえば油圧ショベルでいうとブーム、アーム、バケット各シリンダや走行用油圧モータ)が接続され、油圧ポンプ３から供給される圧油によってこれら油圧アクチュエータが駆動される。

一方、発電電動機４には、インバータ６を介して蓄電装置(たとえばリチウムイオン蓄電器)７が接続されている。

インバータ６は、発電電動機４の発電機作用と電動機作用の切換え、発電電力、電動機としての電流またはトルクを制御するとともに、発電電動機４の発電機出力の過不足に応じて蓄電装置７の充・放電を制御する。

油圧ポンプ３の傾転、及び発電電動機４のトルクはコントローラ８によって制御される。

このコントローラ８には、各検出手段による検出値、すなわち、エンジン１の目標回転数(アクセル信号に基づいて求められるエンジン最大パワー出力時の回転数)ωegrefと、実際回転数ωeg、油圧ポンプ３の吐出圧力(ポンプ圧)ｐと吐出量ｑの各情報が入力され、これらの情報に基づいてコントローラ８から発電電動機４に対するトルク指令、及び油圧ポンプ３に対する傾転指令が出力される。

このコントローラ８の構成と作用を図２のブロック図、図３,４のフローチャートを用いて説明する。

コントローラ８は、基本的手段として、油圧ポンプ３が要求するパワーであるポンプ要求パワーを演算するポンプ要求パワー演算手段９と、エンジン１の最大パワーを設定するエンジン最大パワー設定手段１０と、発電電動機４の最大パワーを設定する発電電動機最大パワー設定手段１１と、油圧ポンプ３の最大パワーを設定するポンプ最大パワー設定手段１２と、ポンプ要求パワーに対する発電電動機４のパワー配分を決めるパワー配分手段１３とを備えている。

また、パワー補正手段として、補正パワー算出手段１４と、補正パワー配分率算出手段１５と、発電電動機パワー指令補正手段１６と、ポンプ最大パワー指令補正手段１７とを備えている。

さらに、制御系として、発電電動機トルク指令手段１８とポンプ傾転制御(ＰＱ制御)手段１９とを備えている。

制御時には、まず、エンジン目標回転数ωegref及び実際回転数ωegの検出(図３のステップＳ１)、ポンプ圧ｐ、ポンプ吐出量ｑの検出(同ステップＳ２)が行われた後、ポンプ要求パワー演算手段９において、入力されたポンプ圧ｐ、ポンプ吐出量ｑ、エンジン実際回転数ωegを次式に代入してポンプ要求パワーＰＷｐを演算する(同ステップＳ３)。

ポンプ要求パワーＰＷｐ＝ポンプ圧ｐ×ポンプ吐出量ｑ×エンジン実際回転数ωeg
なお、油圧ポンプ３が複数台設けられる場合は、各ポンプのｐ×ｑの合算値にエンジン実際回転数ωegを乗じてポンプ要求パワーＰＷｐが算出される。

次に、エンジン最大パワー設定手段１０において、エンジン目標回転数ωegrefをパラメータとして予め作成されたエンジン最大パワーのマップから、検出されたエンジン目標回転数ωegrefに対応する値をエンジン最大パワーＰＷegmaxとして設定する(同ステップＳ４)。

また、発電電動機最大パワー設定手段１１では、エンジン実際回転数ωegを発電電動機回転数に見立て、これをパラメータとして予め作成された発電電動機最大パワーのマップから、検出されたエンジン実際回転数ωegに対応する値を発電電動機最大パワーＰＷmgmaxとして設定する(同ステップＳ５)。

そして、ポンプ最大パワー設定手段１２において、上記設定されたエンジン最大パワーＰＷegmaxと発電電動機最大パワーＰＷmgmaxの和として、次式によりポンプ最大パワーＰＷpmaxを算出し設定する(同ステップＳ６)。

ポンプ最大パワーＰＷpmax＝エンジン最大パワーＰＷegmax＋発電電動機最大パワーＰＷmgmax
さらに、パワー配分手段１３では、上記エンジン最大パワーＰＷegmaxと、発電電動機最大パワーＰＷmgmax、それにポンプ要求パワーＰＷｐに基づいて、ポンプ要求パワーＰＷｐのうち発電電動機４が分担すべき発電電動機パワー指令値ＰＷmgrefを算出する(同ステップＳ７)。

このパワー配分を具体的に説明すると、ポンプ要求パワーＰＷｐがエンジン最大パワーＰＷegmaxを超えた場合には、その超過分(エンジンパワーの不足分)を補う必要があるため、この超過分が発電電動機パワー指令値ＰＷmgrefとして出力される。すなわち、発電電動機４によるパワーアシスト作用が行われる。

ところが、前記のようにポンプ要求パワーＰＷｐは、センサ計測誤差等によって実際値からずれている可能性がある。そこで、このようなずれを含んだポンプ要求パワー値に基づくパワー配分指令値を補正しなければならない。

また、エンジン目標回転数ωegrefに基づいて設定したポンプ最大パワー値ＰＷpmaxもエンジン実際回転数ωegに応じて補正する必要がある。

この補正は、パワー補正手段(補正パワー算出手段１４、補正パワー配分率算出手段１５、発電電動機パワー指令補正手段１６、ポンプ最大パワー指令補正手段１７)により、図４のステップＳ８〜Ｓ１１で行われる。

すなわち、補正パワー算出手段１４では、ポンプ要求パワーＰＷｐにずれがあるとエンジン目標回転数ωegrefとエンジン実際回転数ωegの差として現れる点に着目し、エンジン目標回転数ωegrefとエンジン実際回転数ωegとの偏差に基づいて補正パワーＰＷrvseを次式によって算出する(ステップＳ８)。

補正パワーＰＷrvse＝補正ゲインKrvse×(エンジン目標回転数ωegref−エンジン実際回転数ωeg)
ここで、補正パワーＰＷrvse＞０の場合は、ポンプ要求パワーが実際値(ポンプ吸収パワー)より小さいものとして検出されている(エンジン負荷が大きい)ことを示し、エンストの可能性がある。これに対して補正パワーＰＷrvse＜０の場合は、ポンプ要求パワーが実際値より大きいものとして検出されている(エンジン負荷が小さい)ことを示し、エンジン過回転のおそれがある。

補正パワー配分率算出手段１５では、エンジン実際回転数ωegをパラメータとして予め作成された図５のマップから補正パワー配分率αを算出する(ステップＳ９)。

補正パワー配分率αは、補正パワーＰＷrvseを、発電電動機最大パワーＰＷmgmaxに加算する(アシスト力を増加させる)分と、ポンプ最大パワーＰＷpmaxから減じる(減馬力する)分とに振り分ける比率であり、図５に示すようにエンジン実際回転数ωegをパラメータとして、０≦補正パワー配分率α≦１の範囲で決定される。

ここでエンジン実際回転数ωegを補正パワー配分率αを決めるパラメータとしたのは、安定したエンジン運転状態を確保するという観点から、エンジン実際回転数ωegが低ければエンストの可能性が高く、かつ、発電電動機４の出力も低いことから、発電電動機最大パワーＰＷmgmaxの配分率αを小さくして、代わりにポンプ減馬力量を大きくとるのが望ましく、逆の場合は発電電動機最大パワー(アシスト量) ＰＷmgmaxを大きくするのが望ましいためである。

発電電動機パワー指令補正手段１６では、次式により発電電動機パワー指令補正値ＰＷ´mgrefを算出する(ステップＳ１０)。

発電電動機パワー指令補正値ＰＷ´mgref＝発電電動機パワー指令値ＰＷmgref
＋補正パワー配分率α×補正パワーＰＷrvse
また、ポンプ最大パワー指令補正手段１７では、次式によりポンプ最大パワー指令補正値ＰＷ´pmaxを算出する(ステップＳ１１)。

ポンプ最大パワー指令補正値ＰＷ´pmax＝ポンプ最大パワーＰＷpmax＋
(補正パワー配分率α−１)×補正パワーＰＷrvse
このようにして得られた両指令補正値ＰＷ´mgref, ＰＷ´pmaxをもとに、発電電動機トルク指令手段１８では、発電電動機パワー指令補正値ＰＷ´mgrefを発電電動機回転数ωmgで除することによって発電電動機トルク指令を算出し、インバータ６に向けて出力する(ステップＳ１２)。

なお、発電電動機トルク指令手段１８では、エンジン実際回転数ωegをギア比変換器２０により変換して得られた値を発電電動機回転数ωmgとして用いている。

また、ポンプ傾転制御手段１９では、ポンプ最大パワー指令補正値ＰＷ´pmaxとポンプ圧ｐ、エンジン実際回転数ωegからポンプ最大傾転を算出し、これを超えないように油圧ポンプ３の傾転制御を行う。

以上のように、エンジン１の目標回転数ωegrefと実際回転数ωegの偏差に基づき、この偏差が解消される方向に発電電動機パワーの配分を補正することにより、エンジン１の過負荷によるエンストや過回転による破損等を防止することができる。

ところで、上記実施形態では、図５に示すように補正パワーの配分率αをエンジン実際回転数ωegに応じて一定の度合いで直線的に変化させる構成をとったが、この変化の度合いを低回転数域と高回転数域で異ならせ、あるいはエンジン実際回転数ωegに応じて曲線的または折れ線状に変化させる構成をとってもよい。

本発明の実施形態にかかる動力源装置の全体構成図である。同装置のコントローラの構成を示すブロック図である。コントローラの作用を説明するためのフローチャートである。図３の続きのフローチャートである。コントローラにおける補正パワー分配率の特性図である。

１エンジン
２パワーデバイダ
３油圧ポンプ
４発電電動機
５制御弁
６発電電動機を制御するインバータ
７蓄電装置
８コントローラ
９コントローラのポンプ要求パワー演算手段
１０エンジン最大パワー設定手段
１１発電電動機最大パワー設定手段
１２ポンプ最大パワー設定手段
１３パワー配分手段
１４補正パワー算出手段
１５補正パワー配分率算出手段
１６発電電動機パワー指令補正手段
１７ポンプ最大パワー指令補正手段
１８発電電動機トルク指令手段
１９ポンプ傾転制御手段

Claims

油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機とが共通の動力源としてのエンジンによって駆動され、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電装置が充電されるとともに、この蓄電装置の電力により発電電動機が駆動されてエンジンをアシストする電動機作用を行うように構成された作業機械の動力源装置において、
(Ｉ) アクセル信号に基づいて求められるエンジンの目標回転数に対応するエンジン最大パワーを求め、
(ＩＩ) 上記油圧ポンプに要求されるパワーであるポンプ要求パワーを求め、
(ＩＩＩ) このポンプ要求パワーに対する上記エンジン最大パワーの過不足分を求め、
(ＩＶ) このエンジン最大パワーの過不足を無くするために発電電動機が出すべき発電電動機パワーの配分を決定し、
(Ｖ) 上記ポンプ要求パワーの演算値と実際値のずれによって生じる上記エンジンの目標回転数と実際回転数との偏差を求め、
(ＶＩ) この偏差が解消される方向に上記発電電動機のパワー配分を補正する
ように構成されたことを特徴とするハイブリッド式作業機械の動力源装置。
次の手段を具備することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド式作業機械の動力源装置。
(Ａ) エンジンの目標回転数に基づいてエンジンの最大パワーを設定するエンジン最大パワー設定手段。
(Ｂ) 発電電動機の回転数に基づいて発電電動機の最大パワーを設定する発電電動機最大パワー設定手段。
(Ｃ) 設定された上記エンジン最大パワー及び発電電動機最大パワーからポンプ最大パワーを設定するポンプ最大パワー設定手段。
(Ｄ) 油圧ポンプが要求するパワーであるポンプ要求パワーを求めるポンプ要求パワー演算手段。
(Ｅ) 上記ポンプ要求パワーと、設定された上記エンジン最大パワー及び発電電動機最大パワーとに基づいて、発電電動機がエンジンアシストのために出すべき発電電動機パワーの配分を決定するパワー配分手段。
(Ｆ) エンジンの目標回転数と実際回転数との偏差に基づいてポンプ要求パワーの不足分または過剰分である補正パワーを求め、この補正パワーを、ポンプ最大パワーと発電電動機最大パワーに振り分ける比率として予め定めた配分率に基づいて配分し、この配分結果に基づいて発電電動機及び油圧ポンプに対する補正されたパワー指令値を出力するパワー補正手段。
パワー補正手段における配分率は、エンジンの実際回転数に応じて、低回転数側でポンプ最大パワーの比率が大きくなり、高回転数側で発電電動機最大パワーの比率が大きくなるように設定されたことを特徴とする請求項２記載のハイブリッド式作業機械の動力源装置。
ポンプ要求パワー演算手段は、油圧ポンプの吐出圧力、吐出量、回転数に基づいてポンプ要求パワーを演算するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のハイブリッド式作業機械の動力源装置。