JP5279660B2 - ハイブリッド型作業機械、及び、その制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンにより発生される動力、及び蓄電された電気エネルギを利用して駆動系を駆動するハイブリッド型作業機械、及びその制御方法に関する。

ハイブリッド型作業機械において、エンジン回転数は、たとえばオペレータによって任意に設定される。しかし、エンジン回転数をオペレータが任意に設定した場合、作業機械の運転条件（負荷条件）によっては、蓄電装置の充電率(State Of Charge; SOC)が低下して動力不足に陥り、オペレータが要求した操作を満足できない状態が生じることがある。

ＳＯＣの値に応じて、リアルタイムにエンジンの回転数を制御する技術が知られている。

図８を参照して、エンジン回転数制御方法の従来例について説明する。本図の上段、中段、下段は、それぞれ負荷出力、ＳＯＣ、エンジン回転数の時間変化を示す。負荷出力は単位「ｋＷ」、ＳＯＣは単位「％」、エンジン回転数は単位「ｒｐｍ」で表示する。時間は単位「秒」で表した。

時刻ｔ_１から時刻ｔ_２において、負荷出力の増大が原因でＳＯＣが低下する。ＳＯＣは時刻ｔ_２に、そのしきい値に達する。

時刻ｔ_２から時刻ｔ_３の範囲を参照する。ＳＯＣがしきい値より小さいとき、エンジンの回転数を増加させ、電動発電機（アシストモータ）に発電動作を行わせて、発電された電気エネルギを蓄電装置に蓄えることによって、ＳＯＣの増加率を増大させる制御が行われる。このため、ＳＯＣがしきい値より小さい時刻ｔ_２から時刻ｔ_３においては、本図下段に示すようにエンジン回転数が上昇する。これによって、ＳＯＣの時間変化のグラフの傾き（ｄＳＯＣ／ｄｔ）が増加し、ＳＯＣの低下が抑制される。

時刻ｔ_３から時刻ｔ_４においては、負荷出力の低下により、電動発電機における発電量、及び蓄電装置に蓄えられる電気エネルギが増大し、ＳＯＣが上昇する。ＳＯＣの上昇に合わせてエンジン回転数は低下する。時刻ｔ_４において、ＳＯＣはしきい値まで回復し、エンジン回転数も通常時（時刻ｔ_２以前）のそれに戻る。

負荷出力が再び増大しだした後の時刻ｔ_５において、ＳＯＣが再度しきい値と等しくなり、エンジン回転数が増加をはじめる。時刻ｔ_５以降も、作業機械は大きな負荷出力で運転されるが、時刻ｔ_５から短時間後の時刻ｔ_６には、急速に負荷出力の小さい運転状態となる。時刻ｔ_５から時刻ｔ_６においてＳＯＣは低下を続け、時刻ｔ_６において、ＳＯＣが最小値をとる。ＳＯＣの低下に応じてエンジン回転数は上昇し、時刻ｔ_６では制御範囲内の最大値となる。

時刻ｔ_６から時刻ｔ_７においては、負荷出力が小さいことと、エンジン回転数が大きいことにより、ＳＯＣが高い増加率で回復する。ＳＯＣの回復につれて、エンジン回転数は低下する。時刻ｔ_７においてＳＯＣはしきい値まで回復し、エンジン回転数も通常時のそれに戻る。

従来例によるエンジン回転数制御方法においては、ＳＯＣに依存してリアルタイムにエンジン回転数を変化させるため、エンジン回転数の変動が激しい。このため、オペレータは違和感を覚えることになり、作業機械の操作性が悪くなる。

また、たとえば上記例において、時刻ｔ_５から時刻ｔ_６の短期間における負荷出力の増大に対しては、時刻ｔ_６以降の負荷出力が小さいことから、エンジン回転数を増加させなくても、通常時の回転数で、時刻ｔ_７より後の時刻において、ＳＯＣをしきい値より大きい値まで回復できたものと考えられる。このように、従来のエンジン回転数制御方法では、一連の作業においてＳＯＣの低下による動力不足は回避できても、長期的に見て、適切なエンジン回転数が実現されているとはいえず、効率的なエンジンの運用は困難である。

蓄電装置のＳＯＣまたは温度に応じて、エンジン回転数を可変とする作業機械の動力源装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。ＳＯＣが低い時、及び低温時には蓄電装置の最大放電出力が低下する。特許文献１記載の発明においては、そのような場合に、エンジン回転数を増加させ、不足動力分を供給する、または蓄電装置の充電を行ってＳＯＣを上昇させる。

特開２００５−２３３１６４号公報

本発明の目的は、エンジンを効率的に運用することのできるハイブリッド型作業機械、及び、その制御方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、
動力を発生するエンジンと、
前記エンジンで発生された動力が伝達可能であるように、前記エンジンに接続され、電動動作を行う電動機、及び発電動作を行う発電機として機能する電動発電機と、
前記電動発電機が電動機として機能するときには、前記電動発電機に電力を供給し、前記電動発電機が発電機として機能するときには、前記電動発電機から電力が供給されるキャパシタと、
少なくとも前記エンジンで発生した動力が供給されて駆動される油圧負荷と、
少なくとも前記キャパシタからの電力が供給されて駆動される電気負荷と、
前記エンジンの回転数を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、第１の期間における、前記油圧負荷と前記電気負荷とに供給されるパワーの時間変化またはエネルギに基づいて、前記第１の期間に続く第２の期間の前記エンジンの回転数の目標値を決定し、決定された目標値になるように回転数を制御するハイブリッド型作業機械が提供される。

本発明の他の観点によれば、
動力を発生するエンジンと、前記エンジンで発生された動力が伝達可能であるように、前記エンジンに接続され、電動動作を行う電動機、及び発電動作を行う発電機として機能する電動発電機と、前記電動発電機が電動機として機能するときには、前記電動発電機に電力を供給し、前記電動発電機が発電機として機能するときには、前記電動発電機から電力が供給されるキャパシタと、少なくとも前記エンジンで発生した動力が供給されて駆動される油圧負荷と、少なくとも前記キャパシタからの電力が供給されて駆動される電気負荷とを有するハイブリッド型作業機械の制御方法であって、
（ａ）第１の期間における、前記油圧負荷と前記電気負荷とに供給されるパワーの時間変化またはエネルギを把握する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で把握されたパワーの時間変化またはエネルギに基づいて、前記第１の期間に続く第２の期間の前記エンジンの回転数の目標値を決定する工程と、
（ｃ）前記第２の期間の前記エンジンの回転数が、前記工程（ｂ）で決定された目標値になるように、前記エンジンの回転数を制御する工程と
を有するハイブリッド型作業機械の制御方法が提供される。

本発明によれば、効率的なエンジン運用の可能なハイブリッド型作業機械、及び、その制御方法を提供することができる。

実施例によるハイブリッド型作業機械の側面図を示す。 ハイブリッド型作業機械のブロック図を示す。 蓄電回路１２０の内部構成図を示す。 実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法について説明するための図である。 実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法について説明するための図である。 実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法について説明するための図である。 制御装置３０に含まれるＣＰＵ３０Ａの機能ブロック図である。 エンジン回転数制御方法の従来例について説明するための図である。

図１に、実施例によるハイブリッド型作業機械の側面図を示す。下部走行体（基体）１に、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。旋回機構２は、電動機（モータ）を含み、上部旋回体３を時計回り、または反時計周りに旋回させる。上部旋回体３に、ブーム４が取り付けられている。ブーム４は、油圧駆動されるブームシリンダ７により、上部旋回体３に対して上下方向に揺動する。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられている。アーム５は、油圧駆動されるアームシリンダ８により、ブーム３に対して前後方向に揺動する。アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。バケット６は、油圧駆動されるバケットシリンダ９により、アーム５に対して上下方向に揺動する。上部旋回体３には、さらに運転者を収容するキャビン１０が搭載されている。

図２に、ハイブリッド型作業機械のブロック図を示す。図２において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気系統を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。

エンジン１１の駆動軸が変速機１３の入力軸に連結されている。エンジン１１には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。エンジン１１は、作業機械の運転中は、常時駆動されている。エンジン１１の回転数は、制御装置３０から発せられる指令値により制御される。

電動発電機１２の駆動軸が、変速機１３の他の入力軸に連結されている。電動発電機１２は、電動（アシスト）運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。電動発電機１２には、例えば磁石がロータ内部に埋め込まれた内部磁石埋込型(Internal Permanent Magnet; IPM)モータが用いられる。

変速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸とを有する。出力軸には、メインポンプ１４の駆動軸が連結されている。また、出力軸には、出力軸の角速度を検出する角速度検出器１３０が設置されている。角速度検出器１３０で検出された出力軸の角速度は、制御装置３０に入力される。

メインポンプ１４の負荷が大きい場合には、電動発電機１２がアシスト運転を行い、電動発電機１２の駆動力が変速機１３を介してメインポンプ１４に伝達される。これにより、エンジン１１に加わる負荷が軽減される。一方、メインポンプ１４の負荷が小さい場合には、エンジン１１の駆動力が変速機１３を介して電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電運転される。電動発電機１２のアシスト運転と発電運転との切り替えは、電動発電機１２に接続されたインバータ１８により行われる。インバータ１８は、制御装置３０により制御される。

制御装置３０は、中央処理装置(Central Processing Unit; CPU)３０Ａ及び内部メモリ３０Ｂを含む。ＣＰＵ３０Ａは、内部メモリ３０Ｂに格納されている駆動制御用プログラムを実行する。制御装置３０は、表示装置３５に、各種装置の劣化状態等を表示することにより、運転者の注意を喚起する。

メインポンプ１４は、高圧油圧ライン１６を介して、コントロールバルブ１７に油圧を供給する。コントロールバルブ１７は、運転者からの指令により、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びパケットシリンダ９に油圧を分配する。油圧モータ１Ａ及び１Ｂは、それぞれ図１に示した下部走行体を前後（紙面左右方向）に駆動するための駆動力を発生する。なお、高圧油圧ライン１６には、メインポンプ１４から吐出され、高圧油圧ライン１６を流れる油の流量を計測する流量計１３１が設置されている。流量計１３１で計測された油の流量は、制御装置３０に入力される。

電動発電機１２の電気系統の入出力端子が、インバータ１８を介して蓄電回路１２０のＤＣバスラインに接続されている。また、蓄電回路１２０のＤＣバスラインは、他のインバータ２０を介して旋回用電動機２１に接続されている。蓄電回路１２０のＤＣバスラインとインバータ２０との間には、電流計１３２が配置されている。電流計１３２で測定された電流値は、制御装置３０に入力される。

旋回用電動機２１は、インバータ２０からのパルス幅変調(Pulse Width Modulation; PWM)制御信号により交流駆動され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回用電動機２１には、例えばＩＰＭモータが用いられる。

旋回用電動機２１の力行動作中は、旋回用電動機２１の回転力が変速機２４を介して、図１に示した旋回機構２に伝達される。この際、変速機２４は、回転速度を遅くする。これにより、旋回用電動機２１で発生した回転力が増大して、旋回機構２に伝達される。また、回生運転時には、上部旋回体３の回転運動が、変速機２４を介して旋回用電動機２１に伝達されることにより、旋回用電動機２１が回生電力を発生する。この際、変速機２４は、力行運転の時とは逆に、回転速度を速める。これにより、旋回用電動機２１の回転数を上昇させることができる。

レゾルバ２２が、旋回用電動機２１の回転軸の回転方向の位置を検出する。検出結果は、制御装置３０に入力される。

メカニカルブレーキ２３が、旋回用電動機２１の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ２３は、制御装置３０からの指令を受け、電磁的スイッチにより制動状態と解除状態が切り替えられる。

パイロットポンプ１５が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン２５を介して操作装置２６に供給される。操作装置２６は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置２６は、パイロットライン２５から供給される１次側の油圧を、運転者の操作に応じて、２次側の油圧に変換する。２次側の油圧は、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７に伝達されると共に、他の油圧ライン２８を介して圧力センサ２９に伝達される。

圧力センサ２９で検出された圧力の検出結果が、制御装置３０に入力される。これにより、制御装置３０は、下部走行体１、旋回機構２、ブーム４、アーム５、及びバケット６の操作の状況を検知することができる。

図３に、蓄電回路１２０の内部構成図を示す。蓄電回路１２０は、コンバータ１００、ＤＣバスライン１１０、及びキャパシタ１９を含んで構成される。コンバータ１００は、ＤＣバスライン１１０の電圧が一定値になるように制御する。ＤＣバスライン１１０は、平滑用コンデンサ１０５を含む。

コンバータ１００の一対の電源接続端子１０３Ａ、１０３Ｂにキャパシタ１９が接続されており、一対の出力端子１０４Ａ、１０４ＢにＤＣバスライン１１０の平滑用コンデンサ１０５が接続されている。一方の電源接続端子１０３Ｂ、及び一方の出力端子１０４Ｂは接地されている。

ＤＣバスライン１１０は、インバータ１８、２０を介して、電動発電機１２及び旋回用電動機２１に接続されている。

電動発電機１２が発電運転されている期間は、電動発電機１２によって発電された電力が、インバータ１８を介してキャパシタ１９に供給され、キャパシタ１９が充電される。電動発電機１２がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、キャパシタ１９からインバータ１８を介して電動発電機１２に供給される。

旋回用電動機２１には、キャパシタ１９から電力が供給される。また、旋回用電動機２１で発生した回生電力は、キャパシタ１９に蓄電される。

平滑用コンデンサ１０５の両端に発生している電圧が、電圧計１１１により測定され、測定結果が制御装置３０に入力される。

昇圧用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)１０２Ａのコレクタと、降圧用のＩＧＢＴ１０２Ｂのエミッタとが相互に接続された直列回路が、出力端子１０４Ａと１０４Ｂとの間に接続されている。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのエミッタが接地され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのコレクタが、高圧側の出力端子１０４Ａに接続されている。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａと降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの相互接続点が、リアクトル１０１を介して、高圧側の電源接続端子１０３Ａに接続されている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに、それぞれダイオード１０２ａ、１０２ｂが、エミッタからコレクタに向かう向きが順方向になる向きで並列接続されている。

電源接続端子１０３Ａと１０３Ｂとの間に接続された電圧計１０６が、キャパシタ１９の端子間電圧を測定し、測定電圧に基づいて現在のキャパシタ１９のＳＯＣ（充電率）が算出される。リアクトル１０１に直列に挿入された電流計１０７が、キャパシタ１９の充放電電流を測定する。電圧及び電流の測定結果は、制御装置３０に入力される。

制御装置３０は、ＤＣバスライン１１０の電圧が一定値になるように、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート電圧を、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御する。

以下、昇圧動作（放電動作）について説明する。ＤＣバスライン１１０の電圧が低下した場合には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート電圧をＰＷＭ制御することにより、キャパシタ１９のエネルギの一部がリアクトル１０１に蓄えられ、ダイオード１０２ｂを介し、ＤＣバスライン１１０へと供給されることにより、ＤＣバスライン１１０の電圧が上昇する。

次に、降圧動作（充電動作）について説明する。ＤＣバスライン１１０の電圧が増加した場合には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート電圧をＰＷＭ制御することにより、ＤＣバスライン１１０のエネルギがキャパシタ１９に流れ込むことで、ＤＣバスライン１１０の電圧が低下する。

図４〜図６を参照して、実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法について説明する。

図４を参照する。図４の上段、中段、下段は、それぞれ作業機械の負荷出力（負荷要求出力）、蓄電回路１２０（キャパシタ１９）のＳＯＣ、エンジン１１の回転数の時間変化を示す。負荷出力は単位「ｋＷ」、ＳＯＣは単位「％」、エンジン回転数は単位「ｒｐｍ」で表示する。時間は単位「秒」で表した。

時刻Ｔ_１〜時刻Ｔ_２を作業開始からの第１期間、時刻Ｔ_２〜時刻Ｔ_３を第２期間、時刻Ｔ_３〜時刻Ｔ_４を第３期間、時刻Ｔ_４〜時刻Ｔ_５を第４期間とする。各期間の長さは等しくＴ_ｃｙｃであり、Ｔ_ｃｙｃはたとえば数十分である。本図には、第１期間と第２期間の負荷出力波形が等しく、かつ第３期間と第４期間の負荷出力波形が等しい場合を示した。なお、期間長はオペレータが、たとえば作業内容に応じて、任意に設定することが可能である。

図５を参照して、負荷出力（負荷要求出力）について説明する。図５の上段、中段、下段は、それぞれ油圧出力（油圧要求出力）Ｐ_Ｈｙｄ、電気出力（電気要求出力）Ｐ_Ｅｌｃ、負荷出力（負荷要求出力）の時間変化を示すグラフである。グラフの横軸は、時間を単位「秒」で示し、縦軸は、各出力を単位「ｋＷ」で示す。

油圧出力（油圧要求出力）Ｐ_Ｈｙｄは油圧負荷に供給される単位時間当たりのエネルギ（パワー）である。油圧負荷は、油圧により駆動される構成部であり、図２に示すブームシリンダ７、アームシリンダ８、パケットシリンダ９、及び油圧モータ１Ａ、１Ｂを含む。

電気出力（電気要求出力）Ｐ_Ｅｌｃは、電気負荷に供給される単位時間当たりのエネルギ（パワー）である。電気負荷は、電力で駆動される構成部であり、図２に示す旋回用電動機２１を含む。

負荷出力（負荷要求出力）は、作業機械の全負荷に供給される単位時間当たりのエネルギ（パワー）であり、油圧出力（油圧要求出力）Ｐ_Ｈｙｄと電気出力（電気要求出力）Ｐ_Ｅｌｃとの和で表される。

時刻ｔ_ｓ〜時刻ｔ_ｅにおける油圧出力の時間変化が図の上段に示すグラフで表され、電気出力の時間変化が図の中段に示すグラフで表されるとき、負荷出力の変化は、それらの和として、図の下段に示すグラフで表される。なお、本図に示す出力変化のグラフにおいて、出力が負となっている時刻においては、回生電力が発生している。

時刻ｔ_ｓ〜時刻ｔ_ｅにおける平均負荷出力Ｐ_Ａｖｅを次式（１）で定義する。

（数１）

ここで、

（数２）
Ｔ_ｃｙｃ＝ｔ_ｅ−ｔ_ｓ
である。平均負荷出力Ｐ_Ａｖｅは、時刻ｔ_ｓ〜時刻ｔ_ｅで定められる期間における負荷出力の平均を示す値である。本図下段のグラフにおいては、平均負荷出力Ｐ_Ａｖｅを二点鎖線で示した。

なお、時刻ｔ_ｓは期間の始まりの時刻、時刻ｔ_ｅは期間の終わりの時刻を示すため、たとえばｔ_ｓをＴ_１、ｔ_ｅをＴ_２としたとき、式（１）は、図４の第１期間における負荷出力の平均値を示す。

再び、図４を参照する。実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法においては、第ｎ期間（ｎは自然数）の負荷出力、及び第ｎ期間の終了時刻における蓄電回路１２０のＳＯＣをもとに、第（ｎ＋１）期間のエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}を算出し、それに基づいて第（ｎ＋１）期間のエンジン１１の回転数の目標値を決定する。エンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}の算出、及びエンジン１１の回転数の目標値の決定は制御装置３０により行われる。回転数の目標値が決定された後、制御装置３０は、エンジン１１の回転数が決定された目標値になるようにエンジン１１の回転数を制御する。

まず、第ｎ期間の負荷出力をもとに、第ｎ期間の平均負荷出力Ｐ_Ａｖｅを求める。第ｎ期間の平均負荷出力Ｐ_Ａｖｅは、式（１）のｔ_ｓをＴ_ｎ、ｔ_ｅをＴ_ｎ＋１に置き換えた次式（３）を用いて求めることができる。

（数３）

ここで、

（数４）
Ｔ_ｃｙｃ＝Ｔ_ｎ＋１−Ｔ_ｎ
であり、第ｎ期間の時間的な長さを意味する。

次に、第ｎ期間の終了時刻における蓄電回路１２０（キャパシタ１９）のＳＯＣをもとに、第（ｎ＋１）期間における必要充放電出力Ｐ_Ｂａｔを算出する。必要充放電出力Ｐ_Ｂａｔの算出に当たっては、まず第（ｎ＋１）期間における必要充放電量Ｅ_Ｂａｔを求める。

必要充放電量Ｅ_Ｂａｔは、ＳＯＣ目標値ＳＯＣ_Ｒｅｆと、第ｎ期間の終了時刻におけるＳＯＣの計測値ＳＯＣ_Ｍｅｓとの差から、以下の式（５）によって求めることができる。

（数５）
Ｅ_Ｂａｔ＝（ＳＯＣ_Ｒｅｆ−ＳＯＣ_Ｍｅｓ）×Ｅ_{ＢａｔＦｕｌｌ}
ここで、Ｅ_{ＢａｔＦｕｌｌ}は蓄電回路１２０（キャパシタ１９）の満充電時のエネルギであり、蓄電回路１２０（キャパシタ１９）に固有の値である。また、ＳＯＣ目標値ＳＯＣ_Ｒｅｆは、蓄電回路１２０（キャパシタ１９）のＳＯＣを、それに近づけようとする一定値である。図４の中段には、ＳＯＣ目標値ＳＯＣ_Ｒｅｆを点線で示した。なお、本図中段には、ＳＯＣ_Ｍｅｓの例として、第１期間の終了時刻Ｔ_２におけるＳＯＣをＳＯＣ_Ｔ２、第２期間の終了時刻Ｔ_３におけるＳＯＣをＳＯＣ_Ｔ３、第３期間の終了時刻Ｔ_４におけるＳＯＣをＳＯＣ_Ｔ４、第４期間の終了時刻Ｔ_５におけるＳＯＣをＳＯＣ_Ｔ５と記した。

第（ｎ＋１）期間における必要充放電出力Ｐ_Ｂａｔは、第（ｎ＋１）期間における必要充放電量Ｅ_Ｂａｔを用いて、

（数６）
Ｐ_Ｂａｔ＝Ｅ_Ｂａｔ／Ｔ_ｃｙｃ
により算出される。上式（６）におけるＴ_ｃｙｃは第（ｎ＋１）期間の時間的な長さを意味する。

第ｎ期間の平均負荷出力Ｐ_Ａｖｅと、第（ｎ＋１）期間における必要充放電出力Ｐ_Ｂａｔとから、第（ｎ＋１）期間のエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}を次式（７）で算出する。

（数７）
Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}＝Ｐ_Ａｖｅ＋Ｐ_Ｂａｔ
エンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}は、第（ｎ＋１）期間においてエンジン１１に期待されるエンジン出力Ｐ_Ｅｎｇの平均値（平均目標出力）である。式（７）から理解されるように、実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法においては、第（ｎ＋１）期間におけるエンジン１１のエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}を、第ｎ期間の平均負荷出力Ｐ_Ａｖｅと、第ｎ期間の終了時刻におけるＳＯＣを、第（ｎ＋１）期間に、目標値ＳＯＣ_Ｒｅｆに復帰させるために必要な充放電出力Ｐ_Ｂａｔとの和で表される値とする。

第ｎ期間の負荷出力と蓄電回路１２０（キャパシタ１９）のＳＯＣに基づき、第（ｎ＋１）期間におけるエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}を式（７）で表される値とすることで、第（ｎ＋１）期間において、第ｎ期間と同じ動作（負荷出力）であった場合に必要な動力を供給することが可能で、かつＳＯＣを第（ｎ＋１）期間の終了時に目標値に戻すことができる。

図６はエンジン１１の等燃費線図である。図の横軸は、エンジン１１の回転数を単位「ｒｐｍ」で示し、縦軸は、エンジン１１の発生するトルクを単位「Ｎ・ｍ」で示す。本図には、３つの等燃費線α〜γを示した。等燃費線α上の燃費は高く、等燃費線γ線上の燃費は低い。等燃費線β上の燃費は、その中間の値をとる。ここで燃費とは、単位仕事量当たりに要する燃料消費量をいい、単位「ｇ／ｋＷｈ」で表される。曲線Ｔ_Ｍａｘは、発生可能なトルクの最大値のエンジン回転数依存性を示す。

式（７）により、第（ｎ＋１）期間のエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}が算出されたら、第（ｎ＋１）期間におけるエンジン１１の回転数を決定する。エンジン出力Ｐ_Ｅｎｇ［Ｗ］は、エンジン回転数Ｎ［ｒｐｍ］とエンジンの発生するトルクＴ［Ｎ・ｍ］とを用いて、次式（８）で求められる。

（数８）
Ｐ_Ｅｎｇ＝２×π×Ｔ×Ｎ／６０
式（８）からわかるように、一定のエンジン出力Ｐ_Ｅｎｇを発生させる回転数ＮとトルクＴとは反比例の関係にある。一定のエンジン出力Ｐ_Ｅｎｇを発生させる回転数ＮとトルクＴとの関係を示す曲線を等馬力線という。図６の等燃費線図中には、等馬力線δ１〜δ３を一点鎖線で示した。等馬力線δ１は、大きいエンジン出力Ｅ_１を発生させる回転数ＮとトルクＴとの関係を表し、等馬力線δ３は、小さいエンジン出力Ｅ_３を発生させるそれを表す。等馬力線δ２は、その中間のエンジン出力Ｅ_２を発生させる回転数ＮとトルクＴとの関係を示す。なお、図中のＮ_Ｂｆｒは、第ｎ期間のエンジン１１の回転数を示す。

たとえば式（７）により、算出された第（ｎ＋１）期間のエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}がＥ_２であるとき、第（ｎ＋１）期間におけるエンジン１１の回転数Ｎ_Ａｆｔを、Ｔ_Ｍａｘを超えない範囲において、等馬力線δ２上で最も燃費が低く（良く）なる回転数とする。そのように決定されたエンジン１１の回転数の目標値を、本図においては、Ｎ_{ＡｆｔＢｅｓｔ}と表した。なお、エンジン１１の回転数の目標値は、Ｎ_{ＡｆｔＢｅｓｔ}に基づき、Ｎ_{ＡｆｔＢｅｓｔ}と異なる値に決定することも可能である。

三度、図４を参照する。時刻Ｔ_１〜時刻Ｔ_２の第１期間においては、エンジン１１は初期値ｙ［ｒｐｍ］の回転数で運転される。時刻Ｔ_２〜時刻Ｔ_３の第２期間のエンジン１１回転数の目標値を定めるに当たっては、まず、第１期間の負荷出力（油圧出力Ｐ_Ｈｙｄと電気出力Ｐ_Ｅｌｃとの和）、及び第１期間の終了時刻における蓄電回路１２０のＳＯＣをもとに、式（３）〜（７）を用いて、第２期間のエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}を算出する。

第１期間の平均負荷出力Ｐ_Ａｖｅは、式（３）においてｎ＝１とした下式（９）で求められる。

（数９）

ここで、油圧出力Ｐ_Ｈｙｄ［Ｗ］は、変速機１３の出力軸の回転数Ｎ_Ａ［ｒｐｍ］とメインポンプ１４の発生するトルクＴ_Ａ［Ｎ・ｍ］とを用いて、次式（１０）で求められる。

（数１０）
Ｐ_Ｈｙｄ＝２×π×Ｔ_Ａ×Ｎ_Ａ／６０
回転数Ｎ_Ａは、角速度検出器１３０で測定された出力軸の角速度から把握される。トルクＴ_Ａ［Ｎ・ｍ］は、回転数Ｎ_Ａ、圧力センサ２９で検出される２次側の油圧Ｐ_Ａ［Ｐａ］、及び流量計１３１で測定される油の流量Ｑ_Ａ［ｍ^３／ｍｉｎ］をもとに、次式（１１）で計算される。

（数１１）
Ｔ_Ａ＝Ｐ_Ａ×Ｑ_Ａ／（２×π×Ｎ_Ａ）
また、電気出力Ｐ_Ｅｌｃ［Ｗ］は、電流計１３２で検出される電流値Ｉ_Ａ［Ａ］及び電圧計１１１で検出される電圧値Ｖ_Ａ［Ｖ］を用いて、次式（１２）で計算される。

（数１２）
Ｐ_Ｅｌｃ＝Ｉ_Ａ×Ｖ_Ａ
第２期間における必要充放電出力Ｐ_Ｂａｔは、式（５）及び（６）から、下式（１３）で求められる。

（数１３）
Ｐ_Ｂａｔ＝（ＳＯＣ_Ｒｅｆ−ＳＯＣ_Ｔ２）×Ｅ_{ＢａｔＦｕｌｌ}／Ｔ_ｃｙｃ
式（９）と式（１３）で求められた値を加算して、第２期間のエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}を得る。なお、エンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}の算出に必要な諸量、たとえばＴ_ｃｙｃ、ＳＯＣ_Ｒｅｆ、Ｅ_{ＢａｔＦｕｌｌ}は、制御装置３０の内部メモリ３０Ｂに記憶されている。

次に、算出された第２期間のエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}をエンジン出力とする等馬力線上で、エンジン回転数がｙ［ｒｐｍ］のときの燃費以下の燃費を実現するエンジン回転数、望ましくは最低燃費を実現するエンジン回転数ｘを選択、決定する。

内部メモリ３０Ｂには、たとえばエンジン要求出力Ｐ_{ＥｎｇＲｅｑ}値の範囲ごとに、最低燃費を実現するエンジン１１の回転数が記憶されている。制御装置３０は、その記憶内容を参照して、第２期間のエンジン１１回転数の目標値を決定する。

エンジン１１回転数の目標値が決定されたら、制御装置３０は、エンジン回転数を指令する指令値を変更して、エンジン１１に送信する。エンジン１１は、制御装置３０から伝えられる指令に従い、第２期間中、決定された一定回転数で駆動する。

エンジン１１の回転数を変更する場合は、緩やかに行う。図４には、エンジン回転数の変更時間をＴ_Ｈとして示した。エンジン回転数の変化率（ｘ−ｙ）／Ｔ_Ｈは、たとえばオペレータが違和感を覚えない程度であることが望ましい。

なお、エンジン１１の回転数を変更する場合は、メインポンプ１４の吐出量もあわせて変更する。このように第２期間のエンジン１１の回転数を、第１期間の負荷出力及び第１期間終了時のＳＯＣに基づいて決定することにより、たとえば本図に示すような第１期間と第２期間の負荷出力波形が等しい場合には、時刻Ｔ_３における充電率ＳＯＣ_Ｔ３は充電率の目標値ＳＯＣ_Ｒｅｆと一致する。

第３期間のエンジン１１回転数の目標値は、第２期間の負荷出力、及び第２期間の終了時刻Ｔ_３における蓄電回路１２０（キャパシタ１９）のＳＯＣをもとに決定される。図４には、第３期間のエンジン１１回転数の目標値が、第２期間のエンジン１１回転数と等しい値ｘに決定された場合を示した。このような場合には、エンジン回転数を指令する指令値を変更する必要はない。

しかしながら時刻Ｔ_３以降は作業形態等が変化し、第１期間及び第２期間における負荷出力パタンとは異なるパタンとなって、第３期間の平均負荷出力Ｐ_Ａｖｅは、第１、第２期間のそれより大きくなっている。その結果、時刻Ｔ_４での計測ＳＯＣ_Ｍｅｓ（ＳＯＣ_Ｔ４）は、充電率の目標値ＳＯＣ_Ｒｅｆより小さな値となる。したがって第３期間における測定値を基に、同様に式（９）と式（１３）とで求められた値を加算し、たとえば第２、第３期間におけるエンジン要求出力Ｅ_２よりも大きい、第４期間におけるエンジン要求出力Ｅ_１を得る。第４期間のエンジン要求出力Ｅ_１は、図６において等馬力線δ１に沿った出力である。ここで図６において、Ｎ_{ＡｆｔＢｅｓｔ}のエンジン回転数を維持した状態でエンジン出力δ１に対応させるとＴ_Ｍａｘを超えるが、たとえＴ_Ｍａｘを超えないとした場合であっても、燃費が著しく悪くなってしまう。このため時刻Ｔ_４においてエンジン要求出力Ｅ_１を得ると、制御装置３０はエンジン１１の回転数を等馬力線δ１上で最も燃費がよい回転数（ｚ）へ変化させる。このように前期間における平均負荷に応じてエンジン出力を変更することにより、燃費効率を改善することができる。更に、エンジン要求出力の変更に合わせて最も燃費がよい回転数へエンジン回転数が変更されるので、エンジンの燃費を更に向上させることができる。

そして第４期間における平均負荷が第３期間と同一であれば、時刻Ｔ_５における充電率ＳＯＣ_Ｔ５は充電率の目標値ＳＯＣ_Ｒｅｆと一致する。

実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法によれば、エンジンを効率的に運用することができる。また、低燃費でエンジンを駆動することができる。

図７は、制御装置３０に含まれるＣＰＵ３０Ａの機能ブロック図である。本図を参照して、変形例によるハイブリッド型作業機械の制御方法について説明する。

ＣＰＵ３０Ａは、出力条件算出部、及び動力分配部を備える。出力条件算出部は、エンジン１１とバッテリ（キャパシタ１９）の出力条件を算出する。

これまで説明してきたように、油圧負荷要求出力と電気負荷要求出力とから前期間の平均負荷出力が算出され、これと、バッテリ（キャパシタ１９）電圧から導出される蓄電回路１２０（キャパシタ１９）のＳＯＣとに基づいてエンジン要求出力が算出される。そしてエンジン要求出力をもとにエンジン回転数の目標値が算出される。

たとえば第２期間のエンジン１１回転数の目標値がｘと決定され、エンジン１１が回転数ｘで運転される場合、そのエンジン回転数ｘがブロック３０Ａ−１に入力される。ブロック３０Ａ−１は、たとえば図示するような、エンジン回転数によって定まる適正なエンジン出力の上限値、及び下限値を示すマップまたは変換テーブルを参照し、回転数ｘにおけるエンジン出力上限値Ｐ_Ｈ、及びエンジン出力下限値Ｐ_Ｌを決定する。なお、マップまたは変換テーブルは、制御装置３０の内部メモリ３０Ｂに格納されている。

出力条件算出部の他のブロック３０Ａ−２には、バッテリ電圧から導出される蓄電回路１２０（キャパシタ１９）のＳＯＣが入力され、バッテリ現在出力上限値、バッテリ現在出力下限値、及びバッテリ出力目標値が決定される。

出力条件算出部のブロック３０Ａ−１、３０Ａ−２で決定されたエンジン出力上限値Ｐ_Ｈ、エンジン出力下限値Ｐ_Ｌ、バッテリ現在出力上限値、バッテリ現在出力下限値、及びバッテリ出力目標値は、動力分配部に入力される。

動力分配部は、これら入力された値、及び油圧負荷要求出力、電気負荷要求出力に基づいて、油圧負荷出力、電気負荷出力、及びアシストモータ出力指令を決定する。制御装置３０は、油圧負荷出力に基づいて油圧負荷に供給する油圧を制御し、電気負荷出力に基づいて電気負荷に供給する電力を制御し、アシストモータ出力指令に基づいてアシストモータ（電動発電機１２）によるエンジン１１のアシスト量及びアシストモータによる発電量を制御する。制御装置３０の制御によって、エンジン１１回転数がｘとされる第２期間においては、エンジン１１の出力Ｐ_Ｅｎｇは、エンジン出力下限値Ｐ_Ｌ以上、エンジン出力上限値Ｐ_Ｈ以下の範囲とされる。

変形例による制御方法においては、たとえば第２期間において、エンジン１１が回転数ｘで駆動されている場合に、エンジン１１の出力Ｐ_Ｅｎｇがエンジン出力上限値Ｐ_Ｈとなる時間が一定時間、たとえば５分を超えたときには、その時点で第２期間を終了し、図４〜図６を参照して説明した方法（実施例による制御方法）と同様の方法により、続く第３期間（たとえば初期設定期間長Ｔ_ｃｙｃ）におけるエンジン１１の回転数を決定する。このような制御により、更に、作業効率を向上させることができる。

たとえば制御装置３０は、第２期間において、エンジン１１の出力Ｐ_Ｅｎｇがエンジン出力上限値Ｐ_Ｈとなる時間を計測する。そして計測値と所定値、たとえば５分とを比較する。計測値が５分を超えたとき、第２期間を終了し、第３期間のエンジン１１回転数を決定する。

以上、実施例及び変形例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

たとえば実施例においては、第ｎ期間の終了時刻と第（ｎ＋１）期間の開始時刻が一致していたが、一致していなくてもよい。

また、実施例においては、第ｎ期間の負荷出力の平均値に基づき、出力（パワー）の次元での算出値に基づいて、第（ｎ＋１）期間のエンジン１１の回転数の目標値を決定したが、たとえば第ｎ期間において全負荷に供給されたエネルギに基づき、エネルギの次元での算出値に基づいて、第（ｎ＋１）期間のエンジン１１の回転数の目標値を決定してもよい。

更に、変形例においては、エンジン１１の出力Ｐ_Ｅｎｇがエンジン出力上限値Ｐ_Ｈとなる時間が一定時間を超えたときに新たなエンジン１１回転数を決定したが、エンジン１１の出力Ｐ_Ｅｎｇがエンジン出力下限値Ｐ_Ｌとなる時間が一定時間を超えたときに、エンジン１１回転数を新たに決定することもできる。

たとえば制御装置３０は、第２期間において、エンジン１１の出力Ｐ_Ｅｎｇがエンジン出力下限値Ｐ_Ｌとなる時間を計測する。そして計測値と所定値、たとえば６分とを比較する。計測値が６分を超えたとき、第２期間を終了し、第３期間のエンジン１１回転数を決定する。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

ハイブリッド型作業機械一般に利用することができる。

１ 下部走行体（基体）
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
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 変速機
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 キャパシタ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 変速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２７、２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ 制御装置
３５ 表示装置
１００ コンバータ（キャパシタ充放電回路）
１０１ リアクトル
１０２Ａ 昇圧用ＩＧＢＴ
１０２Ｂ 降圧用ＩＧＢＴ
１０２ａ、１０２ｂ ダイオード
１０３Ａ、１０３Ｂ 電源接続端子
１０４Ａ、１０４Ｂ 出力端子
１０５ 平滑用コンデンサ
１０６ 電圧計
１０７ 電流計
１１０ ＤＣバスライン
１１１ 電圧計
１２０ 蓄電回路
１３０ 角速度検出器
１３１ 流量計
１３２ 電流計

Claims (13)

1. 動力を発生するエンジンと、
   前記エンジンで発生された動力が伝達可能であるように、前記エンジンに接続され、電動動作を行う電動機、及び発電動作を行う発電機として機能する電動発電機と、
   前記電動発電機が電動機として機能するときには、前記電動発電機に電力を供給し、前記電動発電機が発電機として機能するときには、前記電動発電機から電力が供給されるキャパシタと、
   少なくとも前記エンジンで発生した動力が供給されて駆動される油圧負荷と、
   少なくとも前記キャパシタからの電力が供給されて駆動される電気負荷と、
   前記エンジンの回転数を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、第１の期間における、前記油圧負荷と前記電気負荷とに供給されるパワーの時間変化またはエネルギに基づいて、前記第１の期間に続く第２の期間の前記エンジンの回転数の目標値を決定し、決定された目標値になるように回転数を制御するハイブリッド型作業機械。
2. 前記制御装置は、前記第２の期間における前記エンジンの平均目標出力を導出し、前記エンジンを前記平均目標出力で駆動したときの燃費が最低となる回転数に基づいて、前記エンジンの回転数の目標値を決定する請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
3. 前記制御装置は、前記第１の期間における、前記油圧負荷と前記電気負荷とに供給されるパワーの時間平均値に基づいて、前記第２の期間の前記エンジンの回転数の目標値を決定する請求項１または２に記載のハイブリッド型作業機械。
4. 前記制御装置は、前記第１の期間において、前記エンジンの出力が上限値となる時間を計測し、計測結果と第１の値とを比較し、計測結果が前記第１の値を超えたとき、または、前記第１の期間において、前記エンジンの出力が下限値となる時間を計測し、計測結果と第２の値とを比較し、計測結果が前記第２の値を超えたときに、前記第１の期間を終了する請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド型作業機械。
5. 前記制御装置は、前記第１の期間の終了時点における前記キャパシタの充電率にも応じて、前記第２の期間の前記エンジンの回転数の目標値を決定する請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド型作業機械。
6. 動力を発生するエンジンと、前記エンジンで発生された動力が伝達可能であるように、前記エンジンに接続され、電動動作を行う電動機、及び発電動作を行う発電機として機能する電動発電機と、前記電動発電機が電動機として機能するときには、前記電動発電機に電力を供給し、前記電動発電機が発電機として機能するときには、前記電動発電機から電力が供給されるキャパシタと、少なくとも前記エンジンで発生した動力が供給されて駆動される油圧負荷と、少なくとも前記キャパシタからの電力が供給されて駆動される電気負荷とを有するハイブリッド型作業機械の制御方法であって、
   （ａ）第１の期間における、前記油圧負荷と前記電気負荷とに供給されるパワーの時間変化またはエネルギを把握する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）で把握されたパワーの時間変化またはエネルギに基づいて、前記第１の期間に続く第２の期間の前記エンジンの回転数の目標値を決定する工程と、
   （ｃ）前記第２の期間の前記エンジンの回転数が、前記工程（ｂ）で決定された目標値になるように、前記エンジンの回転数を制御する工程と
   を有するハイブリッド型作業機械の制御方法。
7. 前記工程（ｂ）が、
   （ｂ１）前記工程（ａ）で把握されたパワーの時間変化またはエネルギに基づいて、前記第２の期間における前記エンジンの平均目標出力を導出する工程と、
   （ｂ２）前記エンジンを前記平均目標出力で駆動したときの燃費が最低となる回転数に基づいて、前記エンジンの回転数の目標値を決定する工程と
   を含む請求項６に記載のハイブリッド型作業機械の制御方法。
8. 前記工程（ｂ）において、前記第１の期間における、前記油圧負荷と前記電気負荷とに供給されるパワーの時間平均値に基づいて、前記第２の期間の前記エンジンの回転数の目標値を決定する請求項６または７に記載のハイブリッド型作業機械の制御方法。
9. 前記工程（ａ）が、
   （ａ１）前記第１の期間において、前記エンジンの出力が上限値となる時間を計測する工程と、
   （ａ２）前記工程（ａ１）で計測された時間と第１の値とを比較し、計測された時間が前記第１の値を超えたとき、前記第１の期間を終了する工程と
   を含む請求項６〜８のいずれか１項に記載のハイブリッド型作業機械の制御方法。
10. 前記工程（ａ）が、
    （ａ３）前記第１の期間において、前記エンジンの出力が下限値となる時間を計測する工程と、
    （ａ４）前記工程（ａ３）で計測された時間と第２の値とを比較し、計測された時間が前記第２の値を超えたとき、前記第１の期間を終了する工程と
    を含む請求項６〜９のいずれか１項に記載のハイブリッド型作業機械の制御方法。
11. 前記工程（ｂ）において、前記第２の期間の前記エンジンの回転数の目標値を、前記第１の期間の終了時点における前記キャパシタの充電率にも応じて決定する請求項６〜１０のいずれか１項に記載のハイブリッド型作業機械の制御方法。
12. 前記制御装置は、前記第２の期間中、決定された目標値の一定回転数で前記エンジンを
    駆動する請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッド型作業機械。
13. 前記工程（ｃ）において、前記第２の期間中、前記エンジンを一定回転数で駆動する請求項６乃至１１のいずれか１項に記載のハイブリッド型作業機械の制御方法。