JP5550064B2

JP5550064B2 - ハイブリッド型作業機械

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Publication number: JP5550064B2
Application number: JP2009156516A
Authority: JP
Inventors: 宏治川島
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: US8286741B2; KR20110002421A; CN101954871B; US20110000722A1; CN101954871A; EP3336264A1; JP2011012426A; JP5626819B2; JP2014129085A; EP2270285B1; CN103350649B; EP2270285A3; KR20130020698A; CN103350649A; EP2270285A2; KR101329688B1

Description

本発明は、エンジンを電動発電機でアシストするハイブリッド型作業機械に関する。

近年、建設作業機械等の動力発生機械に、地球環境に配慮した省燃費、低公害、低騒音等の性能が求められている。これらの要請を満たすために、油圧ポンプに代えて、または内燃機関等のエンジンの補助として電動機を利用した油圧ショベル等の作業機械が登場している。電動機を組み込んだ作業機械においては、電動機から発生する余剰の運動エネルギが電気エネルギに変換され、キャパシタ等に蓄積される。

エンジン負荷が大きくなり、回転数が低下したときに、目標回転数からの実回転数の偏差に応じて、電動発電機を電動機として作動させてトルクアシストを行うことにより、回転数を目標回転数に近づけることができる（特許文献１）。

特開２００５−２１０８７０号公報

エンジンが速度制御されている場合、高負荷または過負荷状態になると、トルクリミット制御が働き、適切な速度制御を行うことが困難になる。電動発電機にも速度制御を適用すると、エンジンの回転数が低下する度に、エンジンの出力に余裕があっても、電動発電機が力行運転されてしまう。電動発電機の力行運転時に消費した電力を、エンジンからバッテリ（キャパシタ）に回収するために、電動発電機の効率に起因する損失が発生する。

本発明の一観点によると、
燃料の燃焼によってトルクを発生するエンジンと、
発電動作とアシスト動作とを、選択的に行うことができる電動発電機と、
前記電動発電機によって発電された電力が供給される蓄電回路と、
前記蓄電回路の電力が供給される旋回用電動機と、
前記エンジンの負荷となるメインポンプと、
前記エンジンのトルク、前記電動発電機のトルク、及び前記メインポンプに印加されるトルクの相互授受を行うトルク伝達機と、
前記エンジンの回転速度を測定する速度センサと、
前記エンジン及び前記電動発電機を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記エンジンの速度制御の目標値となる速度指令値を記憶し、
前記メインポンプ、及び、旋回用電動機に要求される動力に基づいて、前記電動発電機に発生させるトルクを算出し、該電動発電機をトルク制御し、
前記速度センサで測定された回転速度と、前記速度指令値との差分に基づいて、前記電動発電機を速度制御し、
前記エンジンの発生すべきトルクが許容制限値を超えたときに、前記エンジンをトルクリミット制御させ、
前記エンジンのトルクリミット制御が開始されたことを契機として、前記電動発電機をトルク制御する制御状態から速度制御する制御状態へと切り替え、前記エンジンのトルクリミット制御が解除されたされたことを契機として、前記電動発電機の制御状態を、速度制御からトルク制御に切り替えるハイブリッド型作業機械が提供される。

トルク制御と速度制御とを切り替えることにより、運転状況に応じて、より適切な制御を行うことが可能になる。

実施例によるハイブリッド型作業機械の側面図である。実施例によるハイブリッド型作業機械のブロック図である。（３Ａ）は、実施例によるハイブリッド型作業機械の動力及び電力の流れを示すブロック図であり、（３Ｂ）は、制御装置の機能を示すブロック図である。電気負荷出力指令値と電気負荷出力要求値との関係を示すグラフである。油圧負荷出力指令値と油圧負荷出力要求値との関係を示すグラフである。（６Ａ）及び（６Ｂ）は、蓄電回路出力指令値と蓄電回路出力目標値との関係を示すグラフである。（７Ａ）及び（７Ｂ）は、電動発電機出力指令値と、蓄電回路出力指令値と、電気負荷出力指令値との関係を示すグラフである。エンジン、電動発電機の制御系の機能ブロック図である。エンジンの実回転速度及び発生トルクの時刻暦の一例を示すグラフである。エンジンの実回転速度及び発生トルクの時刻暦の他の一例を示すグラフである。（１１Ａ）及び（１１Ｂ）は、全体制御モジュールと、サーボ制御モジュールとの機能分担を説明するためのブロック図である。

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４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の駆動軸がトルク伝達機１３のひとつの回転軸に連結されている。エンジン１１には、燃料の燃焼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。

電動発電機１２の駆動軸が、トルク伝達機１３の他の回転軸に連結されている。電動発電機１２は、力行（アシスト）運転と、回生（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（ＩＰＭ）モータが用いられる。

トルク伝達機１３のもうひとつの回転軸に、メインポンプ１４の駆動軸が連結されている。メインポンプ１４が、エンジン１１の外部負荷となる。

エンジン１１に加わる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の駆動力がトルク伝達機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、エンジン１１に加わる負荷が小さい場合には、エンジン１１の駆動力がトルク伝達機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、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、及びバケットシリンダ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１に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。

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９０に接続されている。蓄電回路９０には、さらに、他のインバータ２０を介して旋回用電動機（負荷電動機）２１が接続されている。蓄電回路９０は、キャパシタと、キャパシタの充放電を制御するコンバータを含む。キャパシタには、例えば電気二重層キャパシタが用いられる。蓄電回路９０及びインバータ２０は、制御装置３０により制御される。

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、蓄電回路９０から電動発電機１２に供給され、電動発電機１２が機械的パワー（動力）を出力する。電動発電機１２が発電運転されている期間は、エンジン１１から必要な動力が供給され、電気的パワー（電力）を出力する。電動発電機１２によって発電された電力が、蓄電回路９０に供給される。インバータ１８が、制御装置３０からの指令を受けて、指令された動力または電力を出力するように電動発電機１２の運転制御を行う。

旋回用電動機２１は、インバータ２０からのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号により交流駆動され、動力を発生する力行動作、及び電力を発生する回生動作の双方の運転を行うことができる。インバータ２０は、制御装置３０からの指令を受け、指令された動力を発生するように旋回用電動機２１の運転制御を行う。旋回用電動機２１には、例えばＩＰＭモータが用いられる。ＩＰＭモータは、回生時に大きな誘導起電力を発生する。

旋回用電動機２１の力行動作中は、蓄電回路９０から電力が旋回用電動機２１に電力が供給される。旋回用電動機２１の動力（回転力）が減速機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、減速機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、回生動作時には、上部旋回体３の回転運動が、減速機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、減速機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。回生電力は、蓄電回路９０に供給される。

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。旋回用電動機２１の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。

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の制動状態と解除状態とは、制御装置３０からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。

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。特に、実施例によるハイブリッド型作業機械では、旋回用電動機２１が旋回機構２を駆動するため、旋回機構２を制御するためのレバーの操作量を高精度に検出することが望まれる。制御装置３０は、圧力センサ２９を介して、このレバーの操作量を高精度に検出することができる。

図３Ａに、実施例によるハイブリッド型作業機械のブロック図、及び動力と電力との流れを示す。エンジン１１からの出力Ｐｇｏが、メインポンプ１４及び電動発電機１２に供給される。電動発電機１２がアシスト運転されているときは、電動発電機１２からメインポンプ１４に、電動発電機の出力（動力）Ｐａｏが供給される。電動発電機１２が発電運転されているときは、電動発電機で発電された出力（電力）−Ｐａｏが蓄電回路９０に入力される。ここで、電動発電機１２がアシスト運転しているときの出力を正、発電運転しているときの出力を負と定義した。

蓄電回路９０からの出力される電力Ｐｂｏが、電動発電機１２及び旋回用電動機２１に供給される。旋回用電動機２１は、力行運転状態のとき、出力（動力）Ｐｅｏを出力する。回生運転状態のとき、出力（電力）−Ｐｅｏを出力し、蓄電回路９０に供給する。ここで、力行運転状態のときの出力を正とし、回生運転状態のときの出力を負と定義した。また、蓄電回路９０から出力される電力を正とし、蓄電回路９０に供給される電力を負と定義した。

図３Ｂに、制御装置３０の機能のブロック図を示す。油圧負荷出力要求値Ｐｈｒ、電気負荷出力要求値Ｐｅｒ、エンジン回転数Ｎａｃｔ、及び蓄電回路９０のキャパシタ電圧Ｖｍが、制御装置３０に入力される。

油圧負荷出力要求値Ｐｈｒは、図２に示した油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９等の油圧により駆動される油圧機構に必要とされる動力の合計である。例えば、油圧負荷出力要求値Ｐｈｒは、操作者が操作する操作レバーの操作量から算出される。

電気負荷出力要求値Ｐｅｒは、図２に示した旋回用電動機２１が必要とする電力に相当する。例えば、電気負荷出力要求値Ｐｅｒは、操作者が操作する操作レバーの操作量から算出される。

エンジン回転数Ｎａｃｔは、図２に示したエンジン１１の実際の回転数に相当する。エンジン１１は、作業機械の運転時には常時駆動されており、その回転数Ｎａｃｔが検出されている。キャパシタ電圧Ｖｍは、図２に示した蓄電回路９０のキャパシタの端子間電圧に相当する。

エンジン回転数Ｎａｃｔが、エンジン出力範囲決定ブロック３２に入力される。エンジン出力範囲決定ブロック３２には、エンジン回転数Ｎａｃｔから、エンジン出力上限値Ｐｇｏｍａｘ及びエンジン出力下限値Ｐｇｏｍｉｎを求めるためのマップまたは変換テーブルが記憶されている。エンジン出力範囲決定ブロック３２は、入力されたエンジン回転数Ｎａｃｔから、エンジン出力上限値Ｐｇｏｍａｘ及びエンジン出力下限値Ｐｇｏｍｉｎを算出し、動力分配ブロック３５に与える。

キャパシタ電圧Ｖｍが、ＳＯＣ算出ブロック３３Ａに入力される。ＳＯＣ算出ブロック３３Ａは、入力されたキャパシタ電圧Ｖｍからキャパシタの充電率（ＳＯＣ）を算出する。算出された充電率は、蓄電回路出力範囲決定ブロック３３Ｂ及び蓄電回路出力目標値決定ブロック３３Ｃに与えられる。

蓄電回路出力範囲決定ブロック３３Ｂに、充電率から、蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘ、及び蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎを算出するためのマップまたは変換テーブルが記憶されている。蓄電回路出力範囲決定ブロック３３Ｂは、充電率に基づいて、蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘ及び蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎを決定する。蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘは、蓄電回路９０から出力される電力の上限値に相当する。蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎは負であり、その絶対値は、蓄電回路９０に供給される電力の上限値に相当する。蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘと蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎとにより、蓄電回路９０の入出力電力の適正範囲が定義される。決定された蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘ及び蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎは、動力分配ブロック３５に入力される。

以下、蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘ及び蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎの算出方法の一例について説明する。蓄電回路９０のキャパシタに、充放電電流の適正範囲、及び充電率の適正範囲が定められている。蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘは、キャパシタの放電電流がその適正範囲の上限値を超えず、かつキャパシタの充電率がその適正範囲の下限値を下回らないように設定される。蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎは、キャパシタの充電電流がその適正範囲の上限値を超えず、かつキャパシタの充電率がその適正範囲の上限値を上回らないように設定される。

蓄電回路出力目標値決定ブロック３３Ｃに、充電率から蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔを算出するためのマップまたは変換テーブルが記憶されている。蓄電回路出力目標値決定ブロック３３Ｃは、充電率に基づいて、蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔを決定する。決定された蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔは、動力分配ブロック３５に入力される。

以下、蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔの算出方法の一例について説明する。蓄電回路９０のキャパシタに、充電率の目標値が定められている。蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔは、実際の充電率が、充電率の目標値に近づくように決定される。例えば、実際の充電率が、充電率の目標値よりも高い場合には、キャパシタを放電させることが好ましいため、蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔは正になる。逆に、実際の充電率が、充電率の目標値よりも低い場合には、キャパシタを充電することが好ましいため、蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔは負になる。蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔの絶対値は、充電率の目標値を基準としたときの実際の充電率の偏差に比例する。

動力分配ブロック３５は、電気負荷出力指令値Ｐｅｏ、油圧負荷出力指令値Ｐｈｏ、蓄電回路出力指令値Ｐｂｏ、及び電動発電機出力指令値Ｐａｏを決定する。図４〜図７を参照して、これらの指令値の決定方法について説明する。

図４は、電気負荷出力要求値Ｐｅｒと電気負荷出力指令値Ｐｅｏとの関係を示す。電気負荷出力要求値Ｐｅｒが、エンジン出力上限値Ｐｇｏｍａｘと蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘとの合計値Ｐｅｏｍａｘよりも大きい場合、電気負荷出力指令値Ｐｅｏを、この合計値Ｐｅｏｍａｘに等しくする。すなわち、
Ｐｅｏ＝Ｐｇｏｍａｘ＋Ｐｂｏｍａｘ
とする。これは、電気負荷出力指令値Ｐｅｏが、エンジン１１と蓄電回路９０とから取り出せる最大パワーを超えないことを意味する。

電気負荷出力要求値Ｐｅｒが、エンジン出力下限値Ｐｇｏｍｉｎから油圧負荷出力要求値Ｐｈｒと蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎの絶対値を減じた値Ｐｅｏｍｉｎよりも小さい場合には、電気負荷出力指令値Ｐｅｏを、この値Ｐｅｏｍｉｎに等しくする。すなわち、
Ｐｅｏ＝Ｐｇｏｍｉｎ−Ｐｈｒ＋Ｐｂｏｍｉｎ
とする。Ｐｂｏｍｉｎは負の値であるため、上述の式において、Ｐｂｏｍｉｎに付された演算子は「＋」（プラス）である。この式は、エンジン１１から取り出す動力が最も小さくなるようにエンジン１１を動作させた状態で、旋回用電動機２１の発電電力が、油圧負荷出力要求値Ｐｈｒと蓄電回路１０に供給し得る電力の上限値との合計値を超えないことを意味する。

電気負荷出力要求値Ｐｅｒが、ＰｅｏｍａｘとＰｅｏｍｉｎとの間である場合、電気負荷出力指令値Ｐｅｏを、電気負荷出力要求値Ｐｅｒに等しくする。すなわち、
Ｐｅｏ＝Ｐｅｒ
とする。この式は、電気負荷に対して、要求どおりの出力が確保されることを意味する。

図５は、油圧負荷出力要求値Ｐｈｒと油圧負荷出力指令値Ｐｈｏとの関係を示す。油圧負荷出力要求値Ｐｈｒが、エンジン出力上限値Ｐｇｏｍａｘと蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘとの合計値から、電気負荷出力指令値Ｐｅｏを減じた値Ｐｈｏｍａｘを超えた場合、油圧負荷出力指令値Ｐｈｏを、この値Ｐｈｏｍａｘに等しくする。すなわち、
Ｐｈｏ＝Ｐｇｏｍａｘ＋Ｐｂｏｍａｘ−Ｐｅｏ
とする。これは、油圧負荷出力指令値Ｐｈｏが、エンジン１１と蓄電回路９０とから取り出せる最大パワーから、既に決定された電気負荷出力指令値Ｐｅｏ分のパワーを引き出した残りのパワーを超えないことを意味する。

油圧負荷出力要求値Ｐｈｒが、Ｐｈｏｍａｘ以下である場合、油圧負荷出力指令値Ｐｈｏを、油圧負荷出力要求値Ｐｈｒと等しくする。すなわち、
Ｐｈｏ＝Ｐｈｒ
とする。これは、油圧負荷に対して、要求どおりの出力が確保されることを意味する。

図６Ａ及び図６Ｂは、蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔと蓄電回路出力指令値Ｐｂｏとの関係を示す。図４に示したグラフに基づいて決定された電気負荷出力指令値Ｐｅｏと、図５に示したグラフに基づいて決定された油圧負荷出力指令値Ｐｈｏとの合計値から、エンジン出力下限値Ｐｇｏｍｉｎを減じた値をＰｂｏｍａｘ１とする。電気負荷出力指令値Ｐｅｏと油圧負荷出力指令値Ｐｈｏとの合計値から、エンジン出力上限値Ｐｇｏｍａｘを減じた値をＰｂｏｍｉｎ１とする。

図６Ａは、Ｐｂｏｍａｘ１が、図３Ｂの蓄電回路出力範囲決定ブロック３３Ｂで決定された蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘよりも小さく、かつＰｂｏｍｉｎ１が、蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎよりも大きい場合を示す。蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔが、Ｐｂｏｍａｘ１を超えた場合、蓄電回路出力指令値Ｐｂｏを、Ｐｂｏｍａｘ１と等しくする。これは、蓄電回路９０から取り出すことができる電力が十分大きいため、エンジン１１をその出力下限値Ｐｇｏｍｉｎで動作させ、蓄電回路９０から余分な電力は取り出さないことを意味する。蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔが、Ｐｂｏｍｉｎ１を下回った場合、蓄電回路出力指令値Ｐｂｏを、Ｐｂｏｍａｘ１と等しくする。これは、蓄電回路９０の充電率が十分ではないため、エンジン１１をその出力上限値Ｐｇｏｍａｘで動作させ、蓄電回路９０に電力を供給することを意味する。

蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔが、Ｐｂｏｍａｘ１とＰｂｏｍｉｎ１との間の場合には、蓄電回路出力指令値Ｐｂｏを、蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔと等しくする。これにより、蓄電回路９０の充電率を、充電率の目標値に近づけることができる。

図６Ｂは、Ｐｂｏｍａｘ１が、図３Ｂの蓄電回路出力範囲決定ブロック３３Ｂで決定された蓄電回路出力上限値Ｐｂｏｍａｘよりも大きく、かつＰｂｏｍｉｎ１が、蓄電回路出力下限値Ｐｂｏｍｉｎよりも小さい場合を示す。この場合には、蓄電回路出力指令値Ｐｂｏが、図３Ｂに示した蓄電回路出力範囲決定ブロック３３Ｂで決定された適正範囲に収まるように、蓄電回路出力指令値Ｐｂｏの上下限値が制限される。

このように、蓄電回路出力指令値Ｐｂｏの上限は、ＰｂｏｍａｘとＰｂｏｍａｘ１との小さい方の値で制限され、下限は、ＰｂｏｍｉｎとＰｂｏｍｉｎ１との大きい方の値で制限される。

図７Ａ及び図７Ｂは、電動発電機出力指令値Ｐａｏの決定方法を示す線図である。図３Ａから、
Ｐｂｏ＝Ｐａｏ＋Ｐｅｏ
が成立することがわかる。蓄電回路出力指令値Ｐｂｏ及び電気負荷出力指令値Ｐｅｏが決定されたら、上述の式から電動発電機１２の出力Ｐａｏが算出される。

図７Ａに示すように、蓄電回路出力指令値Ｐｂｏが電気負荷出力指令値Ｐｅｏよりも大きい場合、余剰電力で電動発電機１２をアシスト動作させ、動力Ｐａｏを出力する。図７Ｂに示すように、蓄電回路出力指令値Ｐｂｏが電気負荷出力指令値Ｐｅｏよりも小さい場合、不足電力を供給するために電動発電機１２を発電動作させ、電力Ｐａｏを出力する。

図８に、エンジン１１及び電動発電機１２の制御系のブロック図を示す。トルク伝達機１３が、エンジン１１が発生するトルクＴｅと、電動発電機１２が発生するトルクＴａのＮ倍とを足し合わせる。ここで、Ｎは、トルク伝達機１３の減速比である。エンジン１１が発生するトルクＴｅと電動発電機１２が発生するトルクＴａとの合計のトルクで回転する回転軸の回転速度を、速度センサ４０が測定する。図８の１／Ｊｓのブロックは、慣性モーメントＪの慣性体に対してトルクを加え、発生した加速度が積分されて速度に変換される状態を連続系の物理モデルとして表現している。

電動発電機１２に取り付けられた速度センサ４１も、合計のトルクで回転する回転軸の回転速度を測定する。ただし、速度センサ４１は、減速比（Ｎ）倍された回転速度を測定している。

制御装置３０に、エンジン１１に対する速度指令値Ｒｉが記憶されている。エンジンコントローラ４５の速度制御ブロック４６が、速度指令値Ｒｉを基準としたときの、エンジン１１の回転速度の実測値Ｒｅの偏差に基づいて、必要トルクを算出する。必要トルクの算出には、例えばＰＩＤ制御が用いられる。噴射量算出ブロック４７が、必要トルクに基づいて、燃料噴射量Ｓｅを決定する。必要トルクが許容上限値（トルクリミット）を超えた場合には、燃料噴射量Ｓｅが許容上限値を超えないように制限される。燃料噴射量Ｓｅを制限する制御を、「トルクリミット制御」という。決定された燃料噴出量Ｓｅに基づいて、エンジン１１が制御される。

制御装置３０の動力分配ブロック３５が、図３Ｂに示したように、電動発電機１２の出力指令値Ｐａｏを算出する。速度センサ４１で測定された電動発電機１２の回転速度Ｒａと、出力指令値Ｐａｏとから、電動発電機１２のトルク指令値Ｔａｔ_０が算出される。通常の状態では、トルク指令値Ｔａｔ_０が、トルク制御ブロック５２に入力される。トルク制御ブロック５２は、電動発電機１２の発生するトルクがトルク指令値Ｔａｔ_０になるように、電動発電機１２を制御する。なお、図８では、図２に示したインバータ１８を省略している。

制御方法判定ブロック５１に、速度指令値Ｒｉ、エンジン１１の回転速度の実測値Ｒｅ、及び燃料噴射量Ｓｅが入力される。制御方法判定ブロック５１は、これらの情報に基づいて、電動発電機１２の制御方法を、トルク制御とするべきか、速度制御とするべきかを判定する。

速度制御ブロック５０が、速度指令値Ｒｉの減速比（Ｎ）倍を基準としたときの、電動発電機１２の回転速度の実測値Ｒａの偏差に基づいて、トルク指令値Ｔａｔ_１を算出する。トルク指令値Ｔａｔ_１は、例えば、以下の式により算出される。
Ｔａｔ_１＝Ｋ×（Ｒｉ×Ｎ−Ｒａ）＋Ｔ_０
ここで、Ｋは、比例定数であり、Ｔ_０は、トルクの初期値である。回転速度の実測値Ｒａが速度指令値Ｒｉの減速比（Ｎ）倍よりも小さい場合、偏差が大くなるに従って、トルク指令値Ｔａｔ_１が大きくなる。

切替ブロック５３が、制御方法判定ブロック５１からの指令により、トルク指令値Ｔａｔ_０及びＴａｔ_１のいずれか一方を、トルク制御ブロック５２に入力する。

制御方法判定ブロック５１は、制御方法をトルク制御とするべきであると判定した場合には、トルク指令値Ｔａｔ_０がトルク制御ブロック５２に与えられるように、切替ブロック５３を制御する。このとき、電動発電機１２はトルク制御される。制御方法を速度制御とするべきであると判定した場合には、トルク指令値Ｔａｔ_１がトルク制御ブロック５２に与えられるように、切替ブロック５３を制御する。このとき、電動発電機１２は速度制御される。このように、電動発電機１２の制御方法を切り替えることができる。

上述の式のトルクの初期値Ｔ_０として、例えば、制御方法がトルク制御から速度制御に切り替わった時点におけるトルク指令値Ｔａｔ_０を採用することができる。

図９に、エンジン１１の回転速度の実測値Ｒｅと、発生トルクＴｅとの時刻歴の一例を示す。時刻ｔ_１まで、エンジン１１がほとんど無負荷状態で運転されている。エンジン１１の実回転速度Ｒｅは、速度指令値Ｒｉに一致する。このとき、電動発電機１２はトルク制御されている。油圧負荷が大きくなって、時刻ｔ_１において、エンジン１１に負荷が発生すると、回転速度Ｒｅが低下する。同時に、エンジンコントローラ４５の速度制御ブロック４６の制御により、エンジン１１の発生するトルクＴｅが上昇する。負荷が大きい場合には、時刻ｔ_２において、トルクリミット制御が開始される。トルクリミット制御が開始された時刻ｔ_２以降は、油圧負荷の上昇にもかかわらずエンジン１１のトルクＴｅは、殆ど上昇しない。

時刻ｔ_３において、回転速度Ｒｅが、速度制御開始しきい値Ｒｅ_０まで低下する。制御方法判定ブロック５１が、回転速度Ｒｅが速度制御開始しきい値Ｒｅ_０まで低下したことを検出すると、制御方法を、トルク制御から速度制御に切り替える。電動発電機１２が速度制御されることにより、回転速度の実測値Ｒｅが速度指令値Ｒｉに向かって上昇を始める。

エンジン１１に要求されるトルクが小さくなると、速度制御ブロック４６で決定される必要トルクが低下し、トルクリミット制御が解除される。以下、トルクリミット制御が解除される過程について、より具体的に説明する。

エンジン１１の負荷トルクがトルクリミット制御開始のトルクを下回ると、速度制御されている電動発電機１２が発生したトルクは、エンジン１１の負荷トルクを補助するために使用されるのではなく、エンジン１１の回転数を速度指令値Ｒｉに復帰させるために使用されるようになる。このため、エンジン１１の回転速度の実測値Ｒｅが速度指令値Ｒｉに近づく。これにより、速度制御ブロック４６で決定される必要トルクが低下し、トルクリミット制御が解除される。

図９では、時刻ｔ_４において、エンジン１１の負荷トルクが低下し始めることにより、エンジン１１の発生するトルクＴｅが低下し始める。

時刻ｔ_５において、エンジン１１の発生するトルクＴｅが、速度制御解除しきい値Ｔｅ_０まで低下する。制御方法判定ブロック５１は、トルクＴｅが、速度制御解除しきい値Ｔｅ_０まで低下したことを検出すると、制御方法を速度制御からトルク制御に戻す。なお、制御方法判定ブロック５１は、燃料噴射料Ｓｅから、エンジン１１の発生するトルクＴｅを算出することができる。

速度制御解除しきい値Ｔｅ_０として、例えばエンジン１１の定格最大トルクよりもやや小さい値、例えば定格最大トルクよりも５０Ｎｍだけ小さい値を採用することができる。

動力分配ブロック３５は、エンジン１１の速度制御が正常に行われていることを前提にして、電動発電機１２の出力指令値Ｐａｏを算出する。この出力指令値Ｐａｏに基づいて決定されたトルク指令値Ｔａｔ_０も、エンジン１１の速度制御が正常に行われていることを前提としている。従って、トルクリミット制御が開始されている場合や、エンジン１１の回転速度の実測値Ｒｅが過渡的に速度指令値Ｒｉから大幅に低下した場合には、トルク指令値Ｔａｔ_０が、エンジン１１の回転速度を速度指令値Ｒｉに保つための適正な値であるとはいえない。

実施例のように、電動発電機１２の制御方法を速度制御に切り替えることにより、電動発電機１２の発生トルクＴａを大きくして、エンジンストールすることなく、エンジン１１の回転速度Ｒｅを速度指令値Ｒｉの近傍まで戻すことができる。

エンジン１１の速度制御が適切に行われている場合に、電動発電機１２を速度制御すると、エンジン１１の回転速度Ｒｅが低下する度に、電動発電機１２がアシスト運転されることになる。アシスト運転が行われて蓄電回路９０に蓄積されている電気エネルギ（キャパシタの充電率ＳＯＣ）が低下すると、図３Ｂに示した蓄電回路出力目標値決定ブロック３３Ｃが算出する蓄電回路出力目標値Ｐｂｏｔが負（充電の指令）になる。これにより、電動発電機１２が発電運転され、蓄電回路９０に電力が供給される。このように、必要のないアシスト運転が行われることにより、蓄電回路９０からの電力の取り出しと、蓄電回路９０への電力の供給が繰り返されることになり、効率が低下する。

これに対し、電動発電機１２をトルク制御すると、エンジン１１の発生するトルクに余裕があるときには、図３Ｂに示した制御装置３０の機能により、電動発電機１２が発電運転される。エンジン１１の速度制御が適切に行われている場合には、電動発電機１２をトルク制御することにより、蓄電回路９０からの電力の取り出しと、蓄電回路９０への電力の供給とが繰り返されることによる損失の発生を防止できる。

図１０に、エンジン１１の回転速度の実測値Ｒｅと、発生トルクＴｅとの時刻歴の他の一例を示す。図９では、制御方法をトルク制御から速度制御に切り替える契機を、回転速度の実測値Ｒｅの変化から検出した。図１０に示した例では、エンジン１１のトルクリミット制御が開始されたことを契機として、制御方法をトルク制御から速度制御に切り替える。このため、トルクリミット制御が開始された時刻ｔ_２において、速度制御が開始される。回転速度の実測値Ｒｅは、時刻ｔ_２において、上昇し始める。

時刻ｔ_４において、トルクリミット制御が解除されるたことを契機として、制御方法を、速度制御からトルク制御に戻す。

図１０に示した例でも、時刻ｔ_２以降、制御方法を速度制御に切り替えることにより、エンジンストールすることなく、エンジン１１の回転速度Ｒｅを速度指令値Ｒｉの近傍まで戻すことができる。

次に、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して、制御装置３０の具体的な構成例について説明する。制御装置３０は、主として動力及び電力の分配比率の算出を行う全体制御モジュール３０Ａと、電動発電機１２の制御を行うサーボ制御モジュール３０Ｂとで構成される。なお、図１１Ａ及び図１１Ｂでは、図２に示したインバータ１８を省略している。

図１１Ａに示した例では、速度指令値Ｒｉを基準としたときの、回転速度の実測値Ｒａの偏差の算出機能、速度制御ブロック５０、切替ブロック５３、及びトルク制御ブロック５２の機能が、サーボ制御モジュール３０Ｂで実現される。サーボ制御モジュール３０Ｂの演算周期が、全体制御モジュール３０Ａの演算周期よりも十分短い場合、この構成が有効である。サーボ制御モジュール３０Ｂの演算周期が短いため、電動発電機１２の回転速度の実測値Ｒａの変動に直ちに追随して、速度制御を行うことができる。

図１１Ｂに示した例では、速度指令値Ｒｉを基準としたときの、回転速度の実測値Ｒａの偏差の算出機能、速度制御ブロック５０、及び切替ブロック５３の機能が、全体制御モジュール３０Ａで実現される。この構成では、電動発電機１２をトルク制御する従来のサーボ制御モジュール３０Ｂをそのまま利用することができる。

以上実施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。例えば、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。

１下部走行体
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トルク伝達機
１４メインポンプ（外部負荷）
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
２１旋回用電動機
２２レゾルバ
２３メカニカルブレーキ
２４減速機
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
３０Ａ全体制御モジュール
３０Ｂサーボ制御モジュール
３２エンジン出力範囲決定ブロック
３３ＡＳＯＣ算出ブロック
３３Ｂ蓄電回路出力範囲決定ブロック
３３Ｃ蓄電回路出力目標値決定ブロック
３５動力分配ブロック
４０、４１速度センサ
４５エンジンコントローラ
４６速度制御ブロック
４７噴射量決定ブロック
５０速度制御ブロック
５１制御方法判定ブロック
５２トルク制御ブロック
５３切替ブロック
９０蓄電回路

Claims

燃料の燃焼によってトルクを発生するエンジンと、
発電動作とアシスト動作とを、選択的に行うことができる電動発電機と、
前記電動発電機によって発電された電力が供給される蓄電回路と、
前記蓄電回路の電力が供給される旋回用電動機と、
前記エンジンの負荷となるメインポンプと、
前記エンジンのトルク、前記電動発電機のトルク、及び前記メインポンプに印加されるトルクの相互授受を行うトルク伝達機と、
前記エンジンの回転速度を測定する速度センサと、
前記エンジン及び前記電動発電機を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記エンジンの速度制御の目標値となる速度指令値を記憶し、
前記メインポンプ、及び、旋回用電動機に要求される動力に基づいて、前記電動発電機に発生させるトルクを算出し、算出されたトルクを発生するように該電動発電機をトルク制御し、
前記速度センサで測定された回転速度と、前記速度指令値との差分に基づくトルクを発生させるように前記電動発電機を速度制御し、
前記エンジンの発生すべきトルクが許容制限値を超えたときに、前記エンジンをトルクリミット制御させ、
前記エンジンのトルクリミット制御が開始されたことを契機として、前記電動発電機をトルク制御する制御状態から速度制御する制御状態へと切り替え、前記エンジンのトルクリミット制御が解除されたされたことを契機として、前記電動発電機の制御状態を、速度制御からトルク制御に切り替えるハイブリッド型作業機械。
前記電動発電機は、速度制御する制御状態のとき、速度が前記速度指令値に復帰するように制御される請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。