JP2005207384A - ハイブリッドシステムにおける機関回転制御方法 - Google Patents

ハイブリッドシステムにおける機関回転制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】エンジンにかかる実際の作業負荷に対する平均出力時の機関回転数を基準とし、モータによるトルクアシスト、及びエンジンの駆動力を用いた発電機の発電電力の蓄電装置への蓄電を行い、機関回転数を一定に保持するように制御することで、エンジンの負荷平準化を図る。これにより、エンジンの小型化、及び燃費の向上や排気色改善などの機関性能の向上を図る。
【解決手段】システムコントローラ７により、エンジン２の指示回転数が一定状態での作業負荷に対する平均出力を算出し、回転センサによって検出されるエンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも下がった場合は、モータジェネレータ４０に対するトルク指令を増加させトルクアシストを行い、エンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも上がった場合は、前記トルク指令を減少させ、モータジェネレータ４０によって発電される電力をバッテリ１４に蓄電するように制御する。
【選択図】図７

Description

本発明は、ハイブリッドシステムに関し、特に、モータによるトルクアシストを行い、エンジンを駆動源とした発電機により発電された電力を、コンバータを介してバッテリに充電するハイブリッドシステムに関する。なお、本発明における「ハイブリッド」とは、エンジンから少なくとも機械的駆動力と電力を取り出すという意味である。
従来、電気自動車や作業機などに適用されるハイブリッドシステムとして、電動機（モータ）と発電機とを別々に備えた構成のものと、電動機及び発電機の機能を兼ね備えたモータジェネレータを備えた構成のものとが知られている。
これらのハイブリッドシステムにおいては、発電機による発電電力の蓄電装置（バッテリ）への蓄電と、このバッテリの給電電力を用いたモータやモータとして作動するモータジェネレータの駆動によるトルクアシストとが行われている。
そして、このような発電機や電動機の作動について、例えばモータジェネレータを備えたハイブリッドシステムの場合に、予め設定される目標トルクに対応する燃料噴射量を燃料噴射量の目標値として用い、この目標値と燃料噴射量の実測値との比較結果に基づいて、モータジェネレータを電動機として作動させてトルクアシストを行うか、発電機として作動させてバッテリの蓄電を行うかを制御することで、エンジンを最適な運転状態に近付くようにする技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２７９８５号公報
しかし、前記従来の技術においては、モータジェネレータの作動制御の目標値として予め設定される目標燃料噴射量を用い、この目標燃料噴射量と燃料噴射量の実測値との偏差に基づいてモータジェネレータを電動機として作動させてトルクアシストを行うか、発電機として作動させて発電を行うかを制御しており、この目標燃料噴射量は、再度設定されるまでは固定値であるため、モータジェネレータのトルクアシスト及び発電のエンジンにかかる負荷に対しての追従性にも限界があると考えられる。これでは、エンジンに実際にかかる負荷の変動が大きい場合に、モータジェネレータの電動機または発電機の切り換えが十分に対応できないおそれがある。
そこで、本発明においては、エンジンにかかる実際の作業負荷に対する平均出力時の機関回転数を基準とし、モータによるトルクアシスト、及びエンジンの駆動力を用いた発電機の発電電力の蓄電装置への蓄電を行い、機関回転数を一定に保持するように制御することで、エンジンの負荷平準化を図る。これにより、エンジンの小型化、及び燃費の向上や排気色改善などの機関性能の向上を図る。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、請求項１においては、エンジンと、モータと、発電機と、可変電圧可変周波数（以下、ＶＶＶＦ）インバータコンバータと、これらの制御手段と、蓄電装置とを備えるハイブリッドシステムにおいて、前記制御手段は、前記エンジンの指示回転数が一定状態での作業負荷に対する平均出力を算出し、前記エンジンの回転数を検出する機関回転数検出手段によって検出されるエンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも下がった場合は、前記ＶＶＶＦインバータコンバータから前記モータに対するトルク指令を増加させ、該モータによってトルクアシストを行い、前記エンジンの回転数を検出する機関回転数検出手段によって検出されるエンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも上がった場合は、前記ＶＶＶＦインバータコンバータから前記モータに対するトルク指令を減少させ、前記発電機によって発電される電力を前記蓄電装置に蓄電するように制御するものである。
請求項２においては、エンジンと、モータと、発電機と、ＶＶＶＦインバータコンバータと、これらの制御手段と、蓄電装置とを備えるハイブリッドシステムにおいて、前記制御手段は、前記エンジンの指示回転数が一定状態での作業負荷に対する平均出力を算出し、前記エンジンの回転数を検出する機関回転数検出手段によって検出されるエンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも下がった場合は、前記蓄電装置から前記モータへと電力を供給して該モータを駆動させてトルクアシストを行い、前記エンジンの回転数を検出する機関回転数検出手段によって検出されるエンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも上がった場合は、前記エンジンの駆動力を用いて前記発電機によって発電し、この発電された電力を前記蓄電装置に蓄電するように制御するものである。
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
請求項１においては、作業負荷に対する平均出力時の機関回転数を基準とする機関回転制御を行うことによって、エンジンの負荷平準化を図ることができる。これにより、燃費の向上が図れるとともに、エンジンの機関最大トルク以上のトルクを発揮することが可能となり、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。
また、この機関回転制御において、エンジンにかかる作業負荷が大きくなり、平均出力時の機関回転数（速度指令値）が低速域でとられた場合でも、エンジンの実回転数が速度指令値よりも下がった場合には、モータによるトルクアシストが行われるので、作業負荷の高さに応じたモータの制御を行うことが可能となり、作業内容に即したトルクアシストを行うことができる。これにより、低速域でのトルクの向上が図れ、燃費の向上や排気色改善などのエンジンの機関性能の向上を図ることができる。
請求項２においては、作業負荷に対する平均出力時の機関回転数を基準とする機関回転制御を行うことによって、エンジンの負荷平準化を図ることができる。これにより、燃費の向上が図れるとともに、エンジンの機関最大トルク以上のトルクを発揮することが可能となり、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。
また、この機関回転制御において、エンジンにかかる作業負荷が大きくなり、平均出力時の機関回転数（速度指令値）が低速域でとられた場合でも、エンジンの実回転数が速度指令値よりも下がった場合には、モータによるトルクアシストが行われるので、作業負荷の高さに応じたモータの制御を行うことが可能となり、作業内容に即したトルクアシストを行うことができる。これにより、低速域でのトルクの向上が図れ、燃費の向上や排気色改善などのエンジンの機関性能の向上を図ることができる。
さらに、モータ及び発電機の作動と蓄電装置の充放電とが連動することによって、モータのエネルギー収支を合わせることが可能となり、燃費の向上を図ることができる。
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１はハイブリッドシステムIの構成を示す図、図２はハイブリッドシステムIの動作モードの一覧を示す図、図３はハイブリッドシステムIのスタータ機能を示す説明図、図４はハイブリッドシステムIのアシスト機能を示す説明図、図５はハイブリッドシステムIの充電（発電）機能を示す説明図、図６は負荷パターンを示す図、図７は機関及びモータ出力と等馬力線の関係を示す図、図８はドループ特性線を示す図、図９はハイブリッドシステムIIの構成を示す図、図１０はハイブリッドシステムIIの動作モードの一覧を示す図、図１１はハイブリッドシステムIIのスタータ機能を示す説明図、図１２はハイブリッドシステムIIのアシスト機能を示す説明図、図１３はハイブリッドシステムIIの充電（発電）機能を示す説明図、図１４はハイブリッドシステムIIのモータ駆動機能を示す説明図である。
まず、本発明に係るハイブリッドシステムの一実施例としてのハイブリッドシステムIの構成について図１を用いて説明する。
ハイブリッドシステムIでは、エンジン２の出力軸部４の駆動を、エンジン２と電動機（モータ）として機能するモータジェネレータ４０との両方により可能としている。出力軸部４から取り出された駆動力は、クラッチ部４ａを介して出力部６に伝達され、動力伝達装置などを介して、作業機などの各種作業部、また、移動体などにおける走行車輪や船舶の水中推進用プロペラ等を駆動する。
モータジェネレータ４０は、エンジン２のクランク軸にその駆動軸が連結されたエンジン直結のホイールインモータであり、エンジン２の本体側と出力軸部４との間に介装されている。
モータジェネレータ４０は、発電機またはモータとして機能し、インバータ部４１のＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されている。このＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、昇降圧チョッパ４４を介して蓄電装置であるバッテリ１４に接続されている。そして、モータジェネレータ４０がモータとして機能する場合には、バッテリ１４の給電電力がインバータ部４１を介してモータジェネレータ４０に供給される。一方、モータジェネレータ４０が発電機として機能する場合には、エンジン２の駆動により該モータジェネレータ４０で発電された電力がインバータ部４１を介してバッテリ１４に蓄電される。
インバータ部４１は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４とから構成され、これらＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は、シーケンサ４３を介してシステムコントローラ７と接続されている。このシーケンサ４３を含むシステムコントローラ７が制御手段となる。システムコントローラ７は、制御対象の状態や、機関回転数や各種アクチュエータ等の外部からの信号に基づき、制御対象に与える操作やその順序などを制御する。そのため、システムコントローラ７とシーケンサ４３との間では各種制御信号の通信が行われており、システムコントローラ７と、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４との信号のやりとりは、シーケンサ４３を介して行われる。システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２へは、起動信号や後述する速度指令（モータ指令）などの信号が送信されており、システムコントローラ７と昇降圧チョッパ４４との間では、起動信号や充電開始・充電電流に関する信号が通信されている。
また、インバータ部４１には電圧センサ４５が接続されており、この電圧センサ４５によってインバータ部４１のインバータ直流電圧やバッテリ電圧など各部の電圧を検出する。
モータジェネレータ４０は、モータとしての機能（図２のＭ１・Ｍ２、図３及び図４参照）、及び発電機としての機能（図２のＭ３〜Ｍ５及び図５参照）を有しており、作業状況などに応じて各機能を発揮する。
つまり、ハイブリッドシステムIにおいては、モータジェネレータ４０をモータとして作動させる場合には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２をインバータとして作動させるとともに、バッテリ１４からの給電電力を、昇降圧チョッパ４４により昇圧してモータジェネレータ４０に供給し、モータジェネレータ４０を発電機として作動させる場合には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２をコンバータとして作動させるとともに、モータジェネレータ４０による発電電力を、昇降圧チョッパ４４により降圧してバッテリ１４に蓄電することを特徴としている。
すなわち、モータジェネレータ４０がモータとして機能する場合には、バッテリ１４からの給電電力がモータジェネレータ４０に供給され、これにより、該モータジェネレータ４０が作動する。バッテリ１４から給電される直流電力は昇降圧チョッパ４４を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。このとき、昇降圧チョッパ４４は昇圧チョッパとして機能し、バッテリ１４の給電電圧を所定の電圧に昇圧して、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力する。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はインバータとして機能して、入力された直流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換し、この変換された交流電力をモータジェネレータ４０に供給する。
また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７からの指令（速度指令・制御信号）に従い、モータとして作動するモータジェネレータ４０の回転数及びトルクを制御する。前述したように、モータジェネレータ４０の駆動軸はエンジン２のクランク軸と連結されており、モータジェネレータ４０がモータとして作動することにより、該モータジェネレータ４０の駆動力がエンジン２に伝達されて、後述するモータジェネレータ４０によるスタータ機能及びアシスト機能が発揮される。
一方、モータジェネレータ４０が発電機として機能する場合には、エンジン２の駆動力の一部または全部がモータジェネレータ４０の作動に用いられ、このエンジン２からの駆動力によりモータジェネレータ４０が作動して、発電が行われる。エンジン２の駆動によりモータジェネレータ４０で発電された電力は、三相交流電力としてＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能し、モータジェネレータ４０から入力された交流電力を整流・平滑化して直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって変換された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４に蓄電される。このとき、昇降圧チョッパ４４は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から出力される直流電力を所定の電圧に降圧してバッテリ１４に蓄電する。
なお、以上に述べたように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、モータジェネレータ４０がモータとして作動する場合には、バッテリ１４から給電される直流電力を交流電力に変換するインバータとして機能し、モータジェネレータ４０が発電機として作動する場合には、該モータジェネレータ４０により発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能する双方向電力変換装置となっている。
このように、インバータ部４１に昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４からモータジェネレータ４０へ供給される電圧を昇圧することができるため、バッテリ１４からの出力（電力）が同じであれば、電圧が高くなった分、小電流化を図ることが可能となる（電力＝電流×電圧）。これにより、昇降圧チョッパ４４とＶＶＶＦインバータコンバータ４２とを接続する配線、及びＶＶＶＦインバータコンバータ４２とモータジェネレータ４０とを接続する配線において、負荷をかけたとき流れる負荷電流の配線の抵抗によって失われる損失（銅損）を低減することができる。
また、昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４の小型化が図れる。つまり、モータとして駆動するモータジェネレータ４０に供給する電圧は、高いほどモータジェネレータ４０のモータ機能を発揮するためには有利であり、高い電圧で供給しようとすると、バッテリ１４を大きくする必要があるが、昇降圧チョッパ４４を使用することでバッテリ１４から供給する電圧が低くても昇圧することが可能となるので、バッテリ１４を大きくする必要がなくなるのである。これにより、本ハイブリッドシステムを搭載する機体における省スペース化、及び軽量化を図ることができる。
一方、エンジン２の駆動力（回転数）の調節は、操作部８に配設されるレギュレータレバー等の操作レバー９を操作することによって行われる。また、操作レバー９には、該操作レバー９のレバー位置を検出する位置センサ（図示略）が付設されており、この位置センサはシステムコントローラ７と接続されている。また、操作部８には、切り換え操作手段として、ＶＶＶＦ起動（回転数）指示スイッチ、ＣＶＣＦ（定電圧定周波数）起動スイッチ、昇降圧チョッパ起動スイッチ、蓄電開始スイッチ、蓄電電流指示スイッチ等の各種スイッチが配設されており、これらの各種スイッチはシステムコントローラ７と接続されている。
操作レバー９を操作すると、該操作レバー９のレバー位置が前記位置センサにより検出され、レバー位置に応じた信号がシステムコントローラ７に入力される。そして、システムコントローラ７は入力された信号に基づいてシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２を作動させる。
シフトアクチュエータ２１は、前記クラッチ部４ａに接続されており、このシフトアクチュエータ２１の作動によりクラッチ部４ａのクラッチを作動させるように制御している。このようにしてクラッチを作動させることにより、出力軸部４から出力部６への駆動力の断接が行われる。また、シフトアクチュエータ２１には、そのシフト位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたシフト位置がシステムコントローラ７に入力される。
スロットルアクチュエータ２２は、ラックピニオン式のＤＣモータ（スロットルモータ）により構成され、エンジン２のスロットルに接続されている。このスロットルアクチュエータ２２の作動により、スロットル位置（スロットル開度）が変化する。このスロットル位置の変化によりエンジン２における燃料噴射量を調節して、エンジン２の駆動力（回転数）を調節可能としている。すなわち、スロットルアクチュエータ２２は、エンジン２の回転数調節手段として機能する。そして、このスロットルアクチュエータ２２を構成する前記ＤＣモータは、システムコントローラ７に接続されており、該システムコントローラ７から送られる指令によって該ＤＣモータが制御される。また、スロットルアクチュエータ２２には、そのスロットル位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたスロットルアクチュエータ２２のスロットル位置がシステムコントローラ７に入力される。
このように、操作レバー９を操作して、そのレバー位置を調節することにより、エンジンの駆動力（回転数）の調節を行っている。ただし、後述するモータジェネレータ４０の各制御が行われているときには、操作レバー９を操作することによる燃料噴射量の調節は行われない。つまり、モータジェネレータ４０の制御は、操作レバー９のレバー位置から要求される燃料噴射量（指示回転数）が一定の状態で行われる。
以上のように構成されるハイブリッドシステムIにおいて、メインコントローラとしてのシステムコントローラ７は、次のように機能して本ハイブリッドシステムの制御を行う。
システムコントローラ７には、前述したように、操作部８における操作レバー９に付設される位置センサが接続され、また、シフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２と、これらシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２にそれぞれ付設されるポテンショメータとが接続されている。
また、システムコントローラ７は、エンジン２と接続されており、該エンジン２からシステムコントローラ７に機関回転数が入力される。機関回転数は、エンジン２に付設される回転数センサ（図示略）により検出される。また、この回転センサにより検出される機関回転数は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２へも入力される。
また、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されており、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対し、モータとしてのモータジェネレータ４０の起動信号、及び予め決定される速度指令を送る。そして、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、これらの信号に基づいて、モータとして作動する場合のモータジェネレータ４０を制御する。一方、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７へモータとして作動するモータジェネレータ４０の回転数、トルク、及び交流電圧値などの信号を送る。モータジェネレータ４０の回転数は、該モータジェネレータ４０をモータとして作動させるときの回転数であり、前記回転センサにより検出される。つまり、モータジェネレータ４０は、エンジン２のクランク軸と常時同期回転する構成としているため、回転数センサでモータジェネレータ４０の回転数を検出することにより、エンジン２の回転数を知ることができる。よって、回転数センサは、機関回転数検出手段として機能することとなる。また、モータジェネレータ４０の交流電圧は、該モータジェネレータ４０をモータとして作動させるときにＶＶＶＦインバータコンバータ４２から供給される交流電圧である。
また、システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４と接続されており、該システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４に対し、起動信号、充電開始指示、充電電流（リミッタ）指示などを送り、昇降圧チョッパ４４に接続されるバッテリ１４を制御する。一方、昇降圧チョッパ４４は、システムコントローラ７へバッテリ１４の電圧、充放電電流などに関する信号を送る。システムコントローラ７は、前記電圧センサ４５によって検出されるバッテリ１４の電圧や、充放電電流を検出することによりバッテリ１４の状態を知ることができる。
以上のように構成されるハイブリッドシステムIは、例えば、図２に示すような動作モードを備えており、各動作モードの動作状態におけるモータジェネレータ４０の機能として、スタータ機能（図３参照）、アシスト機能（図４参照）、及び充電（発電）機能（図５参照）を有している。以下、各動作モードについて説明する。
図３には、エンジン２起動（始動）時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。エンジン２は、バッテリ１４からモータジェネレータ４０に電力を供給して、該モータジェネレータ４０をモータとして機能させることにより始動する。エンジン２を始動する際には、オペレータによる始動キーの操作により図示せぬリレーがオンされ、システムコントローラ７にエンジン始動の指令が入力される。システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４にエンジン２の起動信号を送る。これにより、バッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ４０に供給される。このようにして、モータジェネレータ４０はモータとして作動する。このモータジェネレータ４０の駆動軸は、前述したようにエンジン２のクランク軸と連結されており常時同期回転するため、モータジェネレータ４０をモータとして駆動することにより、停止状態のエンジン２を始動させる。
このように、モータとして作動するモータジェネレータ４０にスタータ機能を兼ね備え、該モータジェネレータ４０をエンジン２の起動時におけるスタータとして利用することにより、別途セルモータ（スタータモータ）等を設ける必要がなくなるので、省スペース化を図ることが可能となり、本ハイブリッドシステムが適用される機体において動力機関の搭載スペースを小さくすることができる。また、製造コストを低減することもできる。さらに、セルモータと比較して、エンジン起動時の騒音の低減、及び迅速な起動が可能となる。
そして、エンジン２の起動終了後は、モータジェネレータ４０を発電機として作動させ、常時バッテリ１４への充電を行っており、「トルクアシスト要求」が発生した場合にのみ、モータジェネレータ４０をモータとして作動させてトルクアシストを行う。なお、ここでの「トルクアシスト要求」とは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によってモータジェネレータ４０によるトルクアシストが必要と判断された場合に、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０へ送られる信号であり、この速度制御でのトルク指令を増加させる信号が相当する。
図４には、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。なお、「トルクアシスト」とは、モータジェネレータ４０をモータとして作動させ、このモータジェネレータ４０によってエンジン２の駆動負荷の一部を賄うことを意味する。
トルクアシストを行う際、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対して予め決定される速度指令を出力し、昇降圧チョッパ４４に対して起動信号を出力する。これにより、バッテリ１４が放電状態となり、このバッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ４０に供給される。このようにして、モータジェネレータ４０が作動する。このトルクアシストを行う場合には、エンジン２に高い負荷がかかった場合や加速を行う場合等で、機関回転数が速度指令よりも低くなるような場合やトルク変動が生じた場合等において、モータジェネレータ４０をモータとして駆動させる。この時エンジン２も駆動しており、モータジェネレータ４０及びエンジン２の駆動力の和が出力軸部４の駆動力となる。
このように、モータとして機能するモータジェネレータ４０によって、トルクアシスト要求に従った適切なトルクアシストを行うことにより、エンジン２の出力が補われるので、エンジン２の小型化を図ることができる。また、このモータジェネレータ４０による適切なトルクアシストによって、作業機などの加速性及び駆動性の向上が図れるとともに、燃費の向上、騒音の低減、及び排気色の改善を図ることが可能となる。
図５には、モータジェネレータ４０により発電された電力により、バッテリ１４の蓄電を行うとき、即ち、モータジェネレータ４０を発電機として作動させてバッテリ１４を充電するときの電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。このとき、エンジン２により出力軸部４及びモータジェネレータ４０が駆動される。この状態においては、エンジン２にかかる負荷トルクが、該エンジン２の出力トルクよりも小さくなっており、このエンジン２の余剰トルク分をモータジェネレータ４０による発電に用いている。つまり、エンジン２のみによって作業負荷に対応しており、このエンジン２の駆動によってモータジェネレータ４０が発電機として作動して発電が行われ、このモータジェネレータ４０による発電によってバッテリ１４の蓄電が行われている状態である。
発電機としてのモータジェネレータ４０によってバッテリ１４の蓄電を行う場合には、システムコントローラ７はＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４に充電開始指示を出力する。モータジェネレータ４０による発電電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により整流・平滑化されて直流電力に変換された後、昇降圧チョッパ４４により降圧されて、バッテリ１４に蓄電される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能する。
また、ハイブリッドシステムIにおいては、このようにモータジェネレータ４０を発電機として作動させて行うバッテリ１４の蓄電には、該モータジェネレータ４０の回生発電による蓄電を含むことを特徴としている。
この回生発電が発生する場合としては、例えば、本ハイブリッドシステムを油圧ショベル等の油圧建設機械に適用した場合には、ブーム・アーム・バケット等を有するフロント作業機のブーム下げ時や、このフロント作業機が取付けられる旋回体の旋回動作の制動時などである。
このように、発電機として作動するモータジェネレータ４０によるバッテリ１４の蓄電に、該モータジェネレータ４０による回生発電による蓄電を含むことにより、前述したようなブーム下げ時や旋回体の旋回動作の制動時の慣性エネルギーを回生電力として有効に取り出すことができ、モータジェネレータ４０によるバッテリ１４の充電効率の向上を図ることができる。
また、同じくモータジェネレータ４０が発電機として作動している場合において、モータジェネレータ４０に電気負荷がかかってない状態、即ち無電負荷の作動状態がある。この動作モードでは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は停止状態となっており、発電機としてのモータジェネレータ４０は実質停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。つまり、この動作モードにおいては、エンジン２の出力と該エンジン２に対する負荷とが均衡状態となっており、エンジン２のみによって効率の良い動作が行われている。なお、このモータジェネレータ４０による発電によってバッテリ１４が満充電状態となったときも、インバータ部４１とバッテリ１４との電位差が小さくなることでバッテリ１４からの給電及びバッテリ１４への充電は停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。
以上の図３から図５を用いて説明したハイブリッドシステムIの有する機能は、図２に示す動作モードと次のように対応している。
図２に示すＭ１は、図３を用いて説明したモータとして機能するモータジェネレータ４０によるスタータ機能が発揮される動作モードである。Ｍ２は、図４を用いて説明した同じくモータとして機能するモータジェネレータ４０によるアシスト機能が発揮される動作モードである。Ｍ３からＭ５は、図５を用いて説明した発電機として機能するモータジェネレータ４０による充電（発電）機能が発揮される動作モードであり、Ｍ３は、モータジェネレータ４０が無電負荷の作動状態であり、エンジン２のみ単体で作動している動作モード、Ｍ４は、モータジェネレータ４０による発電を行いつつエンジン２には作業負荷がかかっている状態で、モータジェネレータ４０による回生発電が行われた場合は、この回生電力をバッテリ１４に蓄電する動作モード、そしてＭ５は、Ｍ４の動作モードにおいてアイドル状態となったときの動作モードである。このアイドル状態においては、作業負荷はかかっておらず、モータジェネレータ４０によるバッテリ１４の充電のみが行われる。
以上の説明のような、各モードにおいて好適に作動するハイブリッドシステムIを作業機などに適用することにより、前述した各作動時における効果に加え、一連の作動においてエンジン２にかかる負荷を一定にすることができ、負荷率の向上（後述する負荷平準化）を図ることができる。これにより、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。
また、低速域におけるエンジンの特性として、機関回転数が低いほどトルクが小さく不安定であること等があるが、モータジェネレータ４０によるトルクアシストによって、この低速域におけるトルクの向上を図ることができる。これにより、燃費の向上や排気色の改善などの機関性能の向上を図ることができ、また、作業機として低速かつ正確な動作が要求される軽負荷の作業時での操作性を向上及び騒音の低減を図ることができる。
また、このような構成のハイブリッドシステムIを小型の作業機などに適用する場合は、バッテリ１４に出入力される電圧を昇降圧する昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることもできる。つまり、小型の作業機などのように、モータとして作動するモータジェネレータ４０の出力が比較的小さくてもその作動に影響がないような場合、モータジェネレータ４０のモータ機能を発揮するためには高い電圧は必要なく、昇降圧チョッパ４４を使用せずとも本ハイブリッドシステムによる効果を得ることができる。
この場合、バッテリ１４はＶＶＶＦインバータコンバータ４２に直接接続され、バッテリ１４のバッテリ容量はモータとして作動するモータジェネレータ４０のモータ出力に対応したものとなる。
このように、本ハイブリッドシステムを昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることにより、小型の作業機などにおいても、本ハイブリッドシステムによる効率の良い運転が可能となり、ランニングコストの低減効果を得ることが可能となる。
続いて、エンジン２にかかる作業負荷に応じた機関回転制御方法について説明する。
この機関回転制御方法においては、エンジン２にかかる負荷に基づき、システムコントローラ７で算出される速度指令値（後述）と、エンジン２の実回転数とを比較し、この比較結果からモータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電の制御を行い、エンジン２の負荷平準化を図ろうとするものである。
すなわち、機関回転制御方法は、ハイブリッドシステムIにおいて、システムコントローラ７により、操作レバー９による指示回転数が一定状態での作業負荷に対する平均出力を算出し、前記回転センサによって検出されるエンジン２の実回転数が、前記平均出力時の機関回転数（速度指令値）よりも下がった場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を増加させ、該モータジェネレータ４０によってトルクアシストを行い、逆に、エンジン２の実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも上がった場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０に対するトルク指令を減少させ、モータジェネレータ４０によって発電される電力をバッテリ１４に蓄電するように制御することを特徴としている。
ここで、前記速度指令値の算出方法について説明する。速度指令値とは、システムコントローラ７にて算出され、モータ５を制御するＶＶＶＦインバータコンバータ４２に送信される速度指令としての機関回転数のことであり、速度指令とは、操作レバー９のレバー位置から要求される燃料噴射量が一定の状態、即ち操作レバー９による指示回転数が一定状態での、ある時間におけるエンジン２の負荷に対する平均出力時の機関回転数に対応する指令のことである。以下、この速度指令の決定方法の具体例について、図６を用いて説明する。
本ハイブリッドシステムにおける速度指令は、システムコントローラ７により、操作レバー９による指示回転数が一定状態で、作業１サイクル時間（単位時間Ｕ（例えば、１５秒））中にエンジン２にかかる作業負荷を実負荷パターンＰｒとし、この実負荷パターンＰｒに基づいて模擬負荷パターンＰｓを算出し、この模擬負荷パターンＰｓより、前記単位時間Ｕ内での作業負荷に対するエンジン２の平均出力Ａ（ｋＷ）を算出し、この平均出力Ａ出力時の機関回転数Ｎａを求め、この機関回転数Ｎａに基づいて決定される。
ところで、図６に示すように、実負荷パターンＰｒとは、操作レバー９による指示回転数が一定状態で、ある内容の作業（例えば、建設機械の場合の掘削積込み等）を行った際に、エンジン２にかかる作業負荷の実際の測定値を、単位時間Ｕごとに１サイクルとしてパターン化したものである。
この操作レバー９による指示回転数が一定状態においては、エンジン２にかかる負荷によって機関回転数は変化することとなる。つまり、エンジン２にかかる作業負荷が高いときは、エンジン２の出力が高くなるとともに機関回転数が低くなり、逆に、作業負荷が低いときは、エンジン２の出力が低くなるとともに機関回転数が高くなる。
また、模擬負荷パターンＰｓとは、実負荷パターンＰｒに基づいて算出されるものであり、この実負荷パターンＰｒを予め決められた近似方法によって近似したものである。以下、模擬負荷パターンＰｓの算出方法の一例について説明する。
まず、前述の実負荷パターンＰｒに基づいて、エンジン２に一定値以上高い作業負荷がかかったときの出力値の近似値としての高負荷時出力値Ｈ、前記一定値より低い作業負荷がかかったときの出力値の近似値としての低負荷時出力値Ｌ、及び作業停止時での出力値の近似値としての停止時出力値Ｓをそれぞれ決める。ここで、停止時出力値Ｓのときのエンジン２の回転数が、操作レバー９による指示回転数と略同じとなる。そして、実負荷パターンＰｒにおける各時間の出力値を、作業負荷がかかっている状態（作業時）は高負荷時出力値Ｈまたは低負荷時出力値Ｌのいずれかに対応させ、作業負荷がかかってない状態（作業停止時）は停止時出力値Ｓに対応させて実負荷パターンＰｒを近似し、模擬負荷パターンＰｓを求める。つまり、実負荷パターンＰｒを前記各状態における出力値（高負荷時出力値Ｈ、低負荷時出力値Ｌ、及び停止時出力値Ｓ）の連続となるように近似し、この実負荷パターンＰｒに対応する出力値の連続を模擬負荷パターンＰｓとする。
次に、前述のようにして算出される模擬負荷パターンＰｓから、作業負荷に対するエンジン２の平均出力Ａを算出する。平均出力Ａは、模擬負荷パターンＰｓにおける出力を積分して時間平均をとったものとなる。言い換えると、模擬負荷パターンＰｓにおいて、単位時間Ｕは、高負荷時出力値Ｈである時間の合計Ｔ１、低負荷時出力値Ｌである時間の合計Ｔ２、停止時出力値Ｓである時間の合計Ｔ３として各出力値に対応して三つの時間に分けられ（Ｕ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）、それぞれの出力値と時間との積の合計の、単位時間Ｕにおける平均値が平均出力Ａとなる。そして、この操作レバー９による指示回転数が一定状態での平均出力Ａ出力時における機関回転数Ｎａが速度指令値（以下、速度指令値Ｎａ）とされる。
ところで、図７において、横軸はエンジン２及びモータジェネレータ４０の回転数であり、左側縦軸はブレーキ・ミーン・プレッシャー（Ｂｒａｋｅ Ｍｅａｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ：正味平均有効圧力）をトルクに換算したものである。また、右側縦軸をエンジン２の馬力（出力）としている。
機関最大トルク曲線ＴＰｅは、排ガス規制などから許容される範囲での、エンジン２の回転数と最大のトルク（駆動力）との関係を示すものである。
等馬力線は、各馬力Ｅ１・Ｅ２・・・に対して、エンジンの回転数とトルクのグラフ上で機関回転数とトルクとの積から求められる馬力（出力）の等しくなる点の連続からなる曲線であり、エンジンの特性を示すものである。この馬力（出力）は、作業機などにおいて備えられる、エンジンによって駆動され各種アクチュエータへ圧油を供給する可変容量形油圧ポンプ等のポンプ負荷（作業負荷）から求められる。つまり、ある回転数でエンジンが駆動している場合の、一定馬力（出力）を出すために必要なトルクを示している。
ドループ特性線Ｄ１・Ｄ２は、図８（ｂ）に示すように、エンジン２があるアイドル回転数で負荷がかかった際の機関回転数と、燃費等を考慮して決定される前記スロットルアクチュエータ２２を構成するラックピニオン式のＤＣモータのラックギアのラック位置との関係をプロットしたものである。この図に示すように、エンジン２に負荷がかかった際に燃料噴射量は増えるが、機関回転数は減少する制御をドループ制御といい、このドループ制御の特性を示すドループ特性線は、操作レバー９を燃料噴射量が増加する方向に操作することによって、機関回転数が増加する方向に移動する（Ｄ１→Ｄ２）。
エンジン２には、該エンジン２にかかる負荷が変化した場合、エンジン２の回転数が変わるため、エンジン２が操作レバー９の操作による指示回転数になるように自動的に燃料噴射ポンプの燃料噴射量を調節して、機関回転数を一定に保つための調速装置としてのメカニカルガバナ（図示略）がエンジン２に備えられている。このメカニカルガバナは、エンジン２の回転と連動して回転するガバナウエイトとガバナスプリングとガバナレバーとを備え、エンジン２が回転するときにガバナウエイトに生じる遠心力とガバナスプリングの弾性力とのつり合いによって燃料の噴射量を調節する構造となっている。このメカニカルガバナにおいては、エンジン２の回転数が高くなるとガバナウエイトにはたらく遠心力は大きくなり、ガバナスプリングが圧縮されるとともにガバナレバーが噴射量を減らす方向に作動され、逆に、エンジン２の回転数が低くなるとガバナウエイトにはたらく遠心力は小さくなり、ガバナスプリングの弾性力によってガバナレバーが噴射量を増やす方向に作動される構成となっており、このような構成によってエンジン２の回転数は一定に保たれる。このため、メカニカルガバナを備えたエンジン２のドループ特性線は、図８（ｂ）に示すように略直線になるのである。
図８（ｂ）において、横軸は機関回転数であり、縦軸はコントロールラックのラック位置である。Ｒａは無負荷ラック位置であり、エンジン２に負荷がかかってない状態でのラック位置、即ちエンジン２が操作レバー９により要求される本来の燃料噴射量及び回転数での状態である。また、Ｒｂは制限ラック位置であり、エンジン２が高負荷状態でのラック位置、即ちエンジン２の回転数が低くなり、燃料の噴射量が最も多い状態である。つまり、操作レバー９による指示回転数が一定状態で、エンジン２にかかる負荷が大きくなると、エンジン２の状態は、ドループ特性線上での上方の状態に移動し、逆に負荷が小さくなると、ドループ特性線上での下方の状態に移動することとなる。
ドループ特性線Ｄ１上の任意の点Ｄｐ１におけるエンジン２の出力と同じ出力の点を、ドループ特性線Ｄ２上にとると、点Ｄｐ２の位置のようになる。つまり、エンジン２の出力が一定の状態で、操作レバー９を燃料噴射量増加方向に操作すると、ラック位置も噴射量増加方向に移動する。
図８（ａ）は、図８（ｂ）における縦軸が示すラック位置を、エンジン２の軸トルクに換算したものを示す図である。この図から、前記点Ｄｐ１から点Ｄｐ２への移動によって軸トルクは減少するということがわかる。すなわち、エンジン２の出力が一定の状態で、操作レバー９を燃料噴射量増加方向に操作すると、機関回転数は上がり、軸トルクは低くなるということである。
このようなドループ特性線Ｄ１、Ｄ２と前記等馬力線との関係を示した図７を用いて、機関回転制御について説明する。
本制御においては、まず、システムコントローラ７により、操作レバー９による指示回転数が一定状態での作業負荷に対するエンジン２の平均出力を算出する。ここでの平均出力は、前述の平均出力Ａと同様にして算出されるものであり、同一の符号を用いて説明する。エンジン２の平均出力Ａでの等馬力線は、図７において馬力Ｅａの等馬力線とする。また、操作レバー９は、エンジン２の出力が平均出力Ａとなる位置とし、操作レバー９がこの位置でのドループ特性線をＤ１とする。つまり、馬力Ｅａの等馬力線とドループ特性線Ｄ１との交点である点Ｃｅにおける機関回転数が、前述の速度指令としての速度指令値Ｎａとなる。本制御の目的としては、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電により、エンジン２の作動状態を、出力を平均出力Ａ、回転数を速度指令値Ｎａの状態に保つことで、エンジン２にかかる負荷の平準化を図ることである。
図７において、馬力Ｅａの等馬力線とドループ特性線Ｄ１との交点である点Ｃｅにおけるエンジン２の状態が、エンジン２の実回転数と速度指令値Ｎａとが一致している状態である。この状態では、モータジェネレータ４０によるトルクアシストも発電も行われない。つまり、この点Ｃｅにおけるエンジン２の状態を基準として、この状態から作業負荷が高くなり、機関回転数が下がるとモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行い、作業負荷が低くなり、機関回転数が上がるとモータジェネレータ４０によるバッテリ１４の蓄電を行うように制御する。
具体的には、エンジン２が点Ｃｅでの状態から、高い負荷がかかると、機関回転数が低くなり、エンジン２の状態はドループ特性線Ｄ１に沿って上方に移動する。この場合にエンジン２にかかる負荷に対する馬力をＥ３とすると、エンジン２の状態としては、ドループ特性線Ｄ１と馬力Ｅ３の等馬力線との交点である点Ｃｅ１に移動するので、機関回転数はＮ１まで下がり、トルクは機関回転数Ｎ１における機関最大トルクＴｅを上回ってしまう。つまり、点Ｃｅ１での状態は、その機関回転数Ｎ１においてエンジン２によって発揮できる機関最大トルクＴｅを上回る過負荷状態となってしまう。このような状態を回避するため、モータジェネレータ４０によりトルクアシストを行い、エンジン２の回転数を速度指令値Ｎａに保ったままトルクを向上させて不足分の出力を補う。この場合、エンジン２では速度指令値Ｎａで回転するための燃料の噴射は行われているため、負荷がかかって機関回転数が下がったとしても、モータジェネレータ４０によってトルクの不足分を補うことにより、速度指令値Ｎａを保つことができる。
モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うことにより、点Ｃｅにおいて馬力Ｅ３に相当する負荷がかかると、エンジン２は、点Ｃｅ１の状態を回避して点Ｃｅｍの状態に移動することになる。この点Ｃｅｍは、エンジン２が点Ｃｅの状態から機関回転数を速度指令値Ｎａに保ったまま、モータジェネレータ４０によってトルクが加えられ、エンジン２とモータジェネレータ４０の合計トルクで出力Ｅ３を行っている状態を示す。言い換えると、エンジン２単体では、点Ｃｅの状態から馬力Ｅ３に相当する負荷がかかると、点Ｃｅ１の状態に移動することとなるが、モータジェネレータ４０によってトルクアシストを行うことで、機関回転数としては、（Ｎａ−Ｎ１）分引き上げられ、馬力としては、（Ｅ３−Ｅａ）分が補われることとなる。さらに言うと、エンジン２は見かけ上、点Ｃｅの位置で作動している状態となるが、モータジェネレータ４０によるトルクアシストによって、機関回転数を速度指令値Ｎａに保った状態で、ドループ特性線Ｄ１から、操作レバー９による指示回転数を上げた状態であるドループ特性線Ｄ２における出力を得ることができる。要するに、操作レバー９による指示回転数が一定状態において、作業負荷がかかり、エンジン２の実回転数が速度指令値Ｎａよりも下がった場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０へ送信されるトルク指令を増加させ、該モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うのである。
エンジン２が点Ｃｅでの状態から、負荷が低くなると、機関回転数が高くなり、エンジン２の状態はドループ特性線Ｄ１に沿って下方に移動する。この場合、例えば、エンジン２の負荷に対する馬力をＥ１とすると、エンジン２の状態としては、ドループ特性線Ｄ１と馬力Ｅ１の等馬力線との交点である点Ｃｅ２に移動するので、機関回転数はＮ２まで上がることとなる。しかし、エンジン２は、出力を平均出力Ａ、回転数を速度指令値Ｎａに保つように制御されるので、この余剰出力によってモータジェネレータ４０による発電を行い、バッテリ１４を充電する。要するに、操作レバー９による指示回転数が一定状態において、作業負荷が低くなり、エンジン２の実回転数が速度指令値Ｎａよりも上がった場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０へ送信されるトルク指令を減少させ、モータジェネレータ４０によって発電される電力をバッテリ１４に蓄電するのである。
このように、作業負荷に対する平均出力時の機関回転数を基準とする機関回転制御を行うことによって、エンジン２の負荷平準化を図ることができる。これにより、燃費の向上が図れるとともに、エンジン２の機関最大トルク以上のトルクを発揮することが可能となり、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジン２の小型化を図ることができる。
また、この機関回転制御において、前述の平均出力Ａが大きくなり、速度指令値Ｎａが低速域でとられた場合でも、エンジン２の実回転数が速度指令値Ｎａよりも下がった場合には、モータジェネレータ４０によるトルクアシストが行われるので、作業負荷の高さに応じたモータジェネレータ４０の制御を行うことが可能となり、作業内容に即したトルクアシストを行うことができる。これにより、低速域でのトルクの向上が図れ、燃費の向上や排気色改善などのエンジン２の機関性能の向上を図ることができる。
以上のような機関回転制御において、電流の流れの面から説明する。
つまり、本制御においては、エンジン２の実回転数が、前記速度指令値Ｎａよりも下がった場合は、バッテリ１４からモータジェネレータ４０へと電力を供給して該モータジェネレータ４０を駆動させてトルクアシストを行い、逆に、エンジン２の実回転数が、速度指令値Ｎａよりも上がった場合は、エンジン２の駆動力を用いてモータジェネレータ４０によって発電し、この発電された電力をバッテリ１４に蓄電するように制御する。
具体的には、前記回転センサによって検出されるエンジン２の実回転数が、前記速度指令値Ｎａよりも下がった場合は、バッテリ１４から給電される直流電流が昇降圧チョッパ４４を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。このとき、昇降圧チョッパ４４は昇圧チョッパとして機能し、バッテリ１４の放電電圧を所定の電圧に昇圧して、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力する。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はインバータとして機能して、入力された直流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換し、この変換された交流電力をモータジェネレータ４０に供給する。そして、モータジェネレータ４０によるトルクアシストが行われる。
逆に、前記回転センサによって検出されるエンジン２の実回転数が、速度指令値Ｎａよりも上がった場合は、エンジン２の駆動力の一部または全部が発電機としてのモータジェネレータ４０の作動に用いられ、該モータジェネレータ４０により発電が行われる。モータジェネレータ４０で発電された電力は、三相交流電力としてＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能して、モータジェネレータ４０から入力された交流電力を整流・平滑化して直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって変換された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４に蓄電する。このとき、昇降圧チョッパ４４は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から入力される直流電力を所定の電圧に降圧してバッテリ１４に蓄電する。
このように、機関回転制御を行うことにより、エンジン２の負荷平準化が図れるとともに、モータジェネレータ４０の作動とバッテリ１４の充放電とが連動することによって、モータジェネレータ４０のエネルギー収支を合わせることが可能となり、燃費の向上を図ることができる。
また、以上説明したような、ハイブリッドシステムIにおける機関回転制御は、図９に示すようなハイブリッドシステムIIにおいても行うことができる。
ハイブリッドシステムIIの構成は、ハイブリッドシステムIの構成を変更したものとなっており、その機能は略同様のものとなっている。すなわち、ハイブリッドシステムIIにおけるモータ５は、前述したハイブリッドシステムIにおいてモータとして作動する場合のモータジェネレータ４０に相当し、ハイブリッドシステムIIにおけるオルタネータ１１は、ハイブリッドシステムIにおいて発電機として作動する場合のモータジェネレータ４０に相当する。また、ハイブリッドシステムIIは、後述するようにモータ駆動機能を有している。以下、ハイブリッドシステムIIの構成について図９を用いて説明する。なお、ハイブリッドシステムIと共通の装置などや同様の機能を有する装置などについては同符号を付して説明する。
ハイブリッドシステムIIでは、エンジン２の出力軸部４の駆動を、エンジン２とモータ（電動機）５との両方により可能としている。出力軸部４から取り出された駆動力は、クラッチ部１２を介して出力部６に伝達され、動力伝達装置などを介して、作業機などの各種作業部、また、移動体などにおける走行車輪や船舶の水中推進用プロペラ等を駆動する。
前記クラッチ部１２においては、モータ５の出力軸部５ａが、エンジン２のクランク軸に対して略垂直方向から、出力部６へ駆動力を伝達するように連結されている。つまり、クラッチ部１２は、エンジン２及びモータ５からの駆動力を出力部６に伝達するとともに、エンジン２の出力軸部４と、モータ５の出力軸部５ａと、出力部６とのそれぞれの連結・非連結（断接）の切り換えを行っている。このクラッチ部１２の切換操作は、後述のシフトアクチュエータ２１によって選択的に行われる。
また、エンジン２内には、発電機としてのオルタネータ１１が備えられており、該オルタネータ１１は、昇降圧チョッパ４４を介して蓄電装置であるバッテリ１４と接続されている。昇降圧チョッパ４４は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されており、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、前記モータ５と接続されている。オルタネータ１１は、エンジン２の駆動にともなって発電し、該オルタネータ１１で発電される電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に蓄電されるか、または、昇降圧チョッパ４４を介することなくＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力され、モータ５に供給される。なお、本実施例では、発電機としてオルタネータ１１を用いて説明しているが、エンジン２の出力軸部４側に設けられるフライホイール型の発電機としてもよく、この場合は、発電機により発電された交流電力は整流器によって整流・平滑化され直流に変換される。
前記ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は、シーケンサ４３を介してシステムコントローラ７と接続されている。このシーケンサ４３を含むシステムコントローラ７が制御手段となる。システムコントローラ７は、制御対象の状態や、機関回転数や各種アクチュエータ等の外部からの信号に基づき、制御対象に与える操作やその順序などを制御する。そのため、システムコントローラ７とシーケンサ４３との間では各種制御信号の通信が行われており、システムコントローラ７と、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４との信号のやりとりは、シーケンサ４３を介して行われる。システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２へは、起動信号や後述する速度指令（モータ指令）などの信号が送信されており、システムコントローラ７と昇降圧チョッパ４４との間では、起動信号や充電開始・充電電流に関する信号が通信されている。
また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４からなるインバータ部には電圧センサ４５が接続されており、この電圧センサ４５によってインバータ部のインバータ直流電圧やバッテリ電圧など各部の電圧を検出する。
このような構成により、ハイブリッドシステムIIにおいては、オルタネータ１１による発電電力を、昇降圧チョッパ４４により降圧してバッテリ１４に蓄電するか、またはインバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給し、該モータ５を作動させる場合には、インバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介して、オルタネータ１１による発電電力、及び昇降圧チョッパ４４により昇圧されるバッテリ１４からの給電電力をモータ５に供給することを特徴としている。
すなわち、モータ５を作動させる場合には、オルタネータ１１により発電された電力、及びバッテリ１４からの給電電力がモータ５に供給され、これにより、該モータ５が作動する。オルタネータ１１により発電された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介することなくＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。また、バッテリ１４から給電される直流電流は、昇降圧チョッパ４４を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。このとき、昇降圧チョッパ４４は昇圧チョッパとして機能し、オルタネータ１１の発電電力及びバッテリ１４の給電電圧を所定の電圧に昇圧して、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力する。これらの場合、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はインバータとして機能して、入力された直流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換し、この変換された交流電力をモータ５に供給する。
また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７からの指令（速度指令・制御信号）に従い、モータ５の回転数及びトルクを制御する。モータ５の出力軸部５ａは、前述のようにクラッチ部１２にてエンジン２の出力軸部４と連結されており、モータ５が作動することにより、該モータ５の駆動力が出力部６に伝達されて、後述するハイブリッドシステムIIにおけるスタータ機能、アシスト機能、及びモータ駆動機能が発揮される。
そして、モータ５が回生状態になった場合は、該モータ５からの回生電力をバッテリ１４に蓄電するようにしている。モータ５からの回生電力は、三相交流電力としてＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能して、モータ５から入力された交流電力を整流・平滑化して直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって変換された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４に蓄電される。このとき、昇降圧チョッパ４４は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から入力される直流電力を所定の電圧に降圧してバッテリ１４に蓄電する。この回生発電が発生する場合としては、例えば、本ハイブリッドシステムを油圧ショベル等の油圧建設機械に適用した場合には、ブーム・アーム・バケット等を有するフロント作業機のブーム下げ時や、このフロント作業機が取付けられる旋回体の旋回動作の制動時などである。
一方、オルタネータ１１を作動させる場合には、エンジン２の駆動力の一部または全部がオルタネータ１１の作動に用いられ、このエンジン２からの駆動力によりオルタネータ１１が作動して発電が行われる。エンジン２の駆動によりオルタネータ１１で発電された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４に蓄電される。このとき、昇降圧チョッパ４４は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から出力される直流電力を所定の電圧に降圧してバッテリ１４に蓄電する。また、このオルタネータ１１により発電された直流電力は、前述したように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給される。
なお、以上に述べたように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、モータ５を作動させる場合には、バッテリ１４から給電される直流電力を交流電力に変換するインバータとして機能し、モータ５が回生状態になった場合には、該モータ５により発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能する双方向電力変換装置となっている。
このように、昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４からモータ５へ供給される電圧を昇圧することができるため、バッテリ１４からの出力（電力）が同じであれば、電圧が高くなった分、小電流化を図ることが可能となる（電力＝電流×電圧）。これにより、昇降圧チョッパ４４とＶＶＶＦインバータコンバータ４２とを接続する配線、及びＶＶＶＦインバータコンバータ４２とモータ５とを接続する配線において、負荷をかけたとき流れる負荷電流の配線の抵抗によって失われる損失（銅損）を低減することができる。
また、昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４の小型化が図れる。つまり、モータ５に供給する電圧は、高いほどモータ５の機能を発揮するためには有利であり、高い電圧で供給しようとすると、バッテリ１４を大きくする必要があるが、昇降圧チョッパ４４を使用することでバッテリ１４から供給する電圧が低くても昇圧することが可能となるので、バッテリ１４を大きくする必要がなくなるのである。これにより、本ハイブリッドシステムを搭載する機体における省スペース化、及び軽量化を図ることができる。
一方、エンジン２の駆動力（回転数）の調整は、操作部８に配設されるモード切換スイッチ（図示略）や、レギュレータレバー等の操作レバー９等を操作することによって行われる。また、操作レバー９には、該操作レバー９のレバー位置を検出する位置センサ（図示略）が付設されており、この位置センサはシステムコントローラ７と接続されている。また、操作部８には、切り換え操作手段として、ＶＶＶＦ起動（回転数）指示スイッチ、ＣＶＣＦ（定電圧定周波数）起動スイッチ、昇降圧チョッパ起動スイッチ、蓄電開始スイッチ、蓄電電流指示スイッチ等の各種スイッチが配設されており、これらの各種スイッチはシステムコントローラ７と接続されている。
前記モード切換スイッチは、システムコントローラ７と接続されており、該モード切換スイッチを操作すると、モード切換スイッチの切換位置に対応したモード信号がシステムコントローラ７に入力され、該システムコントローラ７により本ハイブリッドシステムのモード（駆動形態）が切り換えられて、各モードに対応した制御が行われるようにしている。
具体的には、図１０に示すように、モード切換スイッチの操作によるモードの切り換えにより、出力部６をエンジン２により駆動しつつ、モータ５により駆動をアシストする「エンジン＋モータ」モードと、出力部６をエンジン２のみにより駆動し、オルタネータ１１の発電によるバッテリ１４の充電をともなう「エンジン＋発電機」モードと、クラッチ部１２において、エンジン２の出力軸部４と出力部６とを非連結状態（クラッチ切状態）にして出力部６をモータ５のみにより駆動する「モータ」モードと、の３種類のパターンにより行うことを可能としている。
操作レバー９を操作すると、該操作レバー９のレバー位置が前記位置センサにより検出され、レバー位置に応じた信号がシステムコントローラ７に入力される。そして、システムコントローラ７は入力された信号に基づいてシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２を作動させる。
シフトアクチュエータ２１は、前記クラッチ部１２に接続されており、このシフトアクチュエータ２１の作動によりクラッチ部１２のクラッチを作動させるように制御している。このようにしてクラッチを作動させることにより、エンジン２の出力軸部４から出力部６、モータ５の出力軸部５ａと出力部６、出力軸部４と出力軸部５ａ、それぞれの駆動力の断接を選択的に行うことを可能としている。また、シフトアクチュエータ２１には、そのシフト位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたシフト位置がシステムコントローラ７に入力される。つまり、このポテンショメータが、クラッチ部１２のクラッチの「入」「切」を検知する検知手段に相当する。
スロットルアクチュエータ２２は、ラックピニオン式のＤＣモータ（スロットルモータ）により構成され、エンジン２のスロットルに接続されている。このスロットルアクチュエータ２２の作動により、スロットル位置（スロットル開度）が変化する。このスロットル位置の変化によりエンジン２における燃料噴射量を調節して、エンジン２の駆動力（回転数）を調節可能としている。すなわち、スロットルアクチュエータ２２は、エンジン２の回転数調節手段として機能する。そして、このスロットルアクチュエータ２２を構成する前記ＤＣモータは、システムコントローラ７に接続されており、該システムコントローラ７から送られる指令によって該ＤＣモータが制御される。また、スロットルアクチュエータ２２には、そのスロットル位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたスロットルアクチュエータ２２のスロットル位置がシステムコントローラ７に入力される。
このように、操作レバー９を操作して、そのレバー位置を調節することにより、エンジンの駆動力（回転数）の調整を行っている。ただし、後述するモータ５の各制御が行われているときには、操作レバー９を操作することによる燃料噴射量の調節は行われない。つまり、モータ５の制御は、操作レバー９のレバー位置から要求される燃料噴射量（指示回転数）が一定の状態で行われる。
以上のように構成されるハイブリッドシステムIIにおいて、メインコントローラとしてのシステムコントローラ７は、次のように機能して本ハイブリッドシステムの制御を行う。
システムコントローラ７には、前述したように、操作部８における操作レバー９に付設される位置センサが接続され、また、シフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２と、これらシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２にそれぞれ付設される前述のポテンショメータとが接続されている。
また、システムコントローラ７は、エンジン２と接続されており、該エンジン２からシステムコントローラ７に機関回転数が入力される。機関回転数は、エンジン２に付設される回転数センサ（図示略）により検出される。また、この回転センサにより検出される機関回転数は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２へも入力される。
また、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されており、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対し、モータ５の起動信号、及び予め決定される速度指令を送る。そして、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、これらの信号に基づいてモータ５を制御する。一方、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７へモータ５の回転数、トルク、及び交流電圧値などの信号を送る。モータ５の交流電圧は、該モータ５を作動させるときにＶＶＶＦインバータコンバータ４２から供給される交流電圧である。
また、システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４と接続されており、該システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４に対し、起動信号、充電開始指示、充電電流（リミッタ）指示などを送り、昇降圧チョッパ４４に接続されるバッテリ１４を制御する。一方、昇降圧チョッパ４４は、システムコントローラ７へバッテリ１４の電圧、充放電電流などに関する信号を送る。システムコントローラ７は、前記電圧センサ４５によって検出されるバッテリ１４の電圧や、充放電電流を検出することによりバッテリ１４の状態を知ることができる。
以上のように構成されるハイブリッドシステムIIは、例えば、図１０に示すような動作モーとを備えており、各動作モードの動作状態におけるモータ５及びオルタネータ１１の機能として、スタータ機能（図１１参照）、アシスト機能（図１２参照）、充電（発電）機能（図１３参照）、及びモータ駆動機能（図１４参照）を有している。以下、各動作モードについて説明する。
図１１には、エンジン２起動（始動）時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。エンジン２は、バッテリ１４からモータ５に電力を供給して、該モータ５を機能させることにより始動する。エンジン２を始動する際には、オペレータによる始動キーの操作により図示せぬリレーがオンされ、システムコントローラ７にエンジン始動の指令が入力される。システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４にエンジン２の起動信号を送る。これにより、バッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータ５に供給される。このようにして、モータ５が作動する。このモータ５の駆動軸は、クラッチ部１２を介してエンジン２の出力軸部４と連結されており、該出力軸部４はエンジン２のクランク軸と常時同期回転するため、モータ５を駆動することにより、停止状態のエンジン２を始動させる。
このように、トルクアシストを行うモータ５を、エンジン２の起動時におけるスタータとして利用することにより、別途セルモータ（スタータモータ）等を設ける必要がなくなり、省スペース化を図ることが可能となるので、本ハイブリッドシステムが適用される機体において動力機関の搭載スペースを小さくすることができる。また、製造コストを低減することもできる。
そして、エンジン２の起動終了後は、エンジン２が作動している状態ではオルタネータ１１も作動状態となっており、常時バッテリ１４への充電を行っており、「トルクアシスト要求」が発生した場合にのみ、モータ５を作動させてトルクアシストを行う。なお、ここでの「トルクアシスト要求」とは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によってモータ５によるトルクアシストが必要と判断された場合に、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータ５へ送られる信号であり、この速度制御でのトルク指令を増加させる信号が相当する。
図１２には、モータ５によるトルクアシスト時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。なお、「トルクアシスト」とは、モータ５を作動させ、このモータ５によってエンジン２の駆動負荷の一部を賄うことを意味する。
また、モータ５によって行われるトルクアシストは、エンジン２の駆動力に対するもの（エンジンアシスト）に限定されるものではない。すなわちこの場合、モータ５の出力軸部５ａを、作業機などのクローラや走行車輪の車軸にクラッチ等を介して連結し、エンジン２自体はモータ５を作動させるための電力を発電する発電機としての機能を果たす構成となる。
モータ５によるトルクアシストは、前述したように、オルタネータ１１による発電電力及びバッテリ１４からの給電電力がモータ５に供給され、該モータ５が作動することによって行われる。このトルクアシストを行う場合には、エンジン２に高い負荷がかかった場合や加速を行う場合等で、機関回転数が速度指令よりも低くなるような場合やトルク変動が生じた場合等において、モータ５を駆動させる。この時エンジン２も駆動しており、モータ５及びエンジン２の駆動力の和が出力軸部４の駆動力となる。そして、モータ５によるトルクアシストは、通常、オルタネータ１１による発電電力によって行われており、後述する「最大トルク要求が発生した場合」にのみ、オルタネータ１１による発電電力に加え、バッテリ１４からの給電電力がモータ５へ供給される。
トルクアシストを行う際、オルタネータ１１による発電電力がモータ５に供給されるが、この場合、オルタネータ１１からの発電電力は、昇降圧チョッパ４４を介することなくＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。そして、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７から送信される速度指令に従い、モータ５へトルク指令を送信してモータ５を制御する。つまり、モータ５は、システムコントローラ７からの速度指令に基づき、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によってその作動が制御される。
具体的に、システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２への速度指令の内容としては、エンジン２にかかる負荷が高い場合、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータ５へのトルク指令を増加させるようなものとなり、逆に、エンジン２にかかる負荷が低い場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータ５へのトルク指令を減少させるようなものとなる。
このように、モータ５によって、トルクアシスト要求に従った適切なトルクアシストを行うことにより、エンジン２の出力が補われるので、エンジン２の小型化を図ることができる。また、このモータ５による適切なトルクアシストによって、作業機などの加速性及び駆動性の向上が図れるとともに、燃費の向上、騒音の低減、及び排気色の改善を図ることが可能となる。
また、前述の「最大トルク要求が発生した場合」とは、エンジン２に対する負荷トルクが該エンジン２の有する機関最大トルクを上回った場合、またはこの機関最大トルクに一定以上近付いた場合が相当する。そして、この最大トルク要求が発生した場合は、オルタネータ１１からモータへの電力供給に、バッテリ１４からの電力供給が加わる。この場合、システムコントローラ７が、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対して予め決定される速度指令を出力し、昇降圧チョッパ４４に対して起動信号を出力する。これにより、バッテリ１４から昇降圧チョッパ４４に電力が供給されるようになり、このバッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータ５に供給される。
すなわち、ハイブリッドシステムIIにおける「エンジン＋モータ」モードにおいて、モータ５によるトルクアシストが行われている場合、エンジン２にかかる負荷が比較的安定している状態では、モータ５に供給される電力はオルタネータ１１による発電電力のみであり、負荷が高くなって最大トルク要求が発生した場合のみ、バッテリ１４からの給電電力が加わる。
このように、モータ５によるトルクアシストが行われる場合、エンジン２にかかる負荷が比較的安定している通常状態では、オルタネータ１１による発電電力の供給のみでモータ５が作動し、このオルタネータ１１による発電電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に蓄電されることなく、オルタネータ１１からＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介して直接モータ５に供給されるので、オルタネータ１１によって発電される電力とモータ５に供給される電力との間のエネルギー効率、延いてはシステム効率の向上が図れる。そして、最大トルク要求が発生した場合のみ、モータ５への電力供給にバッテリ１４からの給電電力の供給が加わるので、適切なトルクアシストが行われることとなる。これにより、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジン２の小型化が図れる。さらに、モータ５による適切なトルクアシストが行われることによって、燃費の向上、騒音の低減、及び排気色の改善を図ることが可能となる。
図１３には、オルタネータ１１により発電された電力により、バッテリ１４の蓄電を行うときの電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。このとき、エンジン２により出力軸部４及びオルタネータ１１が駆動される。この状態においては、エンジン２にかかる負荷トルクが、該エンジン２の出力トルクよりも小さくなっており、このエンジン２の余剰トルク分をオルタネータ１１による発電に用いている。つまり、エンジン２のみによって作業負荷に対応しており、このエンジン２の駆動によってオルタネータ１１が作動して発電が行われ、このオルタネータ１１による発電によってバッテリ１４の蓄電が行われている状態である。
オルタネータ１１によってバッテリ１４の蓄電を行う場合には、システムコントローラ７はＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４に充電開始指示を出力する。オルタネータ１１によって発電された直流電力は、昇降圧チョッパ４４にて降圧されて、バッテリ１４に蓄電される。
また、ハイブリッドシステムIIにおいては、オルタネータ１１によって行われるバッテリ１４の蓄電時に、モータ５による回生発電が行われた場合には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２をコンバータとして作動させるとともに、モータ５からの回生電力を、オルタネータ１１による発電電力とともにバッテリ１４に蓄電することを特徴としている。
この場合、モータ５の出力軸部５ａは、クラッチ部１２において連結状態となっており、回生時における出力部６またはエンジン２の出力軸部４の駆動によってモータ５が駆動され、該モータ５が発電機として作用して回生発電を行う。そして、このモータ５の回生発電による発電電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により整流・平滑化されて直流電力に変換された後、昇降圧チョッパ４４により降圧されて、バッテリ１４に蓄電される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能する。
この回生発電が発生する場合としては、例えば、本ハイブリッドシステムを油圧ショベル等の油圧建設機械に適用した場合には、ブーム・アーム・バケット等を有するフロント作業機のブーム下げ時や、このフロント作業機が取付けられる旋回体の旋回動作の制動時などである。
このように、モータ５によるバッテリ１４の蓄電に、該モータ５の回生発電による蓄電を含むことにより、前述したようなブーム下げ時や旋回体の旋回動作の制動時の慣性エネルギーを回生電力として有効に取り出すことができ、オルタネータ１１によるバッテリ１４への充電を補うことができる。
また、同じくオルタネータ１１による発電によってバッテリ１４の蓄電が行われている場合において、オルタネータ１１に電気負荷がかかってない状態、即ち無電負荷の作動状態がある。この動作モードでは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は停止状態となっており、発電機としてのオルタネータ１１は実質停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。つまり、この動作モードにおいては、エンジン２の出力と該エンジン２に対する負荷とが均衡状態となっており、エンジン２のみによって効率の良い動作が行われている。なお、このオルタネータ１１による発電によってバッテリ１４が満充電状態となったときも、インバータ部とバッテリ１４との電位差が小さくなることでバッテリ１４からの給電及びバッテリ１４への充電は停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。
図１４には、モータ５の駆動力のみが出力部６に伝達されるときの電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。すなわち、クラッチ部１２においてエンジン２の出力軸部４と出力部６とは非連結状態（クラッチ切状態）となっており、エンジン２の駆動力は出力部６へ伝達されず、モータ５の駆動力のみによって作業負荷に対応するモータ単独駆動状態としての「モータ」モードである。
このモードにおいては、エンジン２が作動している場合、エンジン２の駆動力はオルタネータ１１の作動にのみ用いられ、このオルタネータ１１による発電電力がモータ５に供給され、該モータ５が作動する。そして、作業負荷が高くなったとき等は、オルタネータ１１からの発電電力に加え、バッテリ１４からの給電電力がモータ５へ供給される。
また、このモータ単独駆動状態において、エンジン２が停止している場合、モータ５に供給される電力は、バッテリ１４からの給電電力のみであり、このバッテリ１４からの給電電力によってモータ５が作動するモータ単独作動状態となる。この場合、バッテリ１４からの給電電力は、昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給される。
このように、出力部６への駆動力の供給がモータ５のみによって行われるモータ単独駆動状態を可能とすることにより、エンジン２の駆動力が全てオルタネータ１１の作動に用いられるので、オルタネータ１１による発電量を向上させるとともに、モータの特性としての低速域におけるトルクの安定性を有効に利用することができる。
また、このモータ単独駆動状態において、エンジン２の停止状態であるモータ単独作動状態では、モータ５のみが作動している状態で、作業機などの走行が可能となるので、エンジン２の作動による排気の防止や、騒音の低減及び燃費の向上を図ることができる。このモータ単独作動状態による騒音低減は、例えば、本ハイブリッドシステムを農作業機に適用した場合など、早朝時に、納屋などから実際に作業を行う圃場までの移動時にその効果を得ることができる。
以上の図１１から図１４を用いて説明したハイブリッドシステムIIの有する機能は、図１０に示す動作モードと次のように対応している。
図１０に示すｍ１は、図１１を用いて説明したモータ５によるスタータ機能が発揮される動作モードである。ｍ２及びｍ３は、図１２を用いて説明したモータ５によるアシスト機能が発揮される動作モードであり、ｍ２は、モータ５への電力の供給がオルタネータ１１及びバッテリ１４によって行われる動作モードで、ｍ３は、モータ５への電力の供給がオルタネータ１１のみによって行われる動作モードである。ｍ４からｍ６は、図１３を用いて説明したオルタネータ１１による充電（発電）機能が発揮される動作モードであり、ｍ４は、オルタネータ１１が無電負荷の作動状態であり、エンジン２のみ単体で作動している動作モード、ｍ５は、オルタネータ１１による発電を行いつつエンジン２には作業負荷がかかっている状態で、モータ５による回生発電が行われた場合は、この回生電力をバッテリ１４に蓄電する動作モード、そしてｍ６は、ｍ５の動作モードにおいてアイドル状態となったときの動作モードである。このアイドル状態においては、作業負荷はかかっておらず、モータ５は停止状態で、オルタネータ１１によるバッテリ１４の充電のみが行われる。ｍ７からｍ９は、図１４を用いて説明したモータ５の駆動力のみが出力部６に伝達されるモータ駆動機能が発揮される動作モードであり、ｍ７は、モータ５への電力供給がオルタネータ１１及びバッテリ１４によって行われる動作モードで、ｍ９は、モータ５への電力供給がオルタネータ１１のみによって行われる動作モード、ｍ８は、エンジン２が停止状態のモータ単独作動状態の動作モードである。
以上の説明のような、各モードにおいて好適に作動するハイブリッドシステムIIを作業機などに適用することにより、前述した各作動時における効果に加え、一連の作動においてエンジン２にかかる負荷を一定にすることができ、負荷率の向上（負荷平準化）を図ることができる。これにより、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。
また、低速域におけるエンジンの特性として、機関回転数が低いほどトルクが小さく不安定であること等があるが、モータ５によるトルクアシストによって、この低速域におけるトルクの向上を図ることができるので、燃費の向上や排気色の改善などの機関性能の向上を図ることができ、また、作業機として低速かつ正確な動作が要求される軽負荷の作業時での操作性を向上及び騒音の低減を図ることができる。
また、このような構成のハイブリッドシステムIIを小型の作業機などに適用する場合は、バッテリ１４に出入力される電圧を昇降圧する昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることもできる。つまり、小型の作業機などのように、モータ５の出力が比較的小さくてもその作動に影響がないような場合、モータ５の機能を発揮するためには高い電圧は必要なく、昇降圧チョッパ４４を使用せずとも本ハイブリッドシステムによる効果を得ることができる。
この場合、バッテリ１４はＶＶＶＦインバータコンバータ４２に直接接続され、バッテリ１４のバッテリ容量はモータ５のモータ出力に対応したものとなる。
このように、ハイブリッドシステムIIを昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることにより、小型の作業機などにおいても、本ハイブリッドシステムによる効率の良い運転が可能となり、ランニングコストの低減効果を得ることが可能となる。
以上説明したハイブリッドシステムIIにおいても、前述したハイブリッドシステムIにおける機関回転制御方法を同様にして行うことが可能であり、同様の効果を得ることができる。
本発明の活用例として、建設機械における油圧ショベル等の駆動や、農作業機における各種作業部の駆動、また、船舶の水中推進用プロペラ等の駆動、その他の移動体（例えば、自動車等）における走行部や旋回部の駆動に広く適用可能である。
ハイブリッドシステムIの構成を示す図。 ハイブリッドシステムIの動作モードの一覧を示す図。 ハイブリッドシステムIのスタータ機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIのアシスト機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIの充電（発電）機能を示す説明図。 負荷パターンを示す図。 機関及びモータ出力と等馬力線の関係を示す図。 ドループ特性線を示す図。 ハイブリッドシステムIIの構成を示す図。 ハイブリッドシステムIIの動作モードの一覧を示す図。 ハイブリッドシステムIIのスタータ機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIIのアシスト機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIIの充電（発電）機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIIのモータ駆動機能を示す説明図。
符号の説明
２ エンジン
５ モータ
７ システムコントローラ
９ 操作レバー
１１ オルタネータ
１２ クラッチ部
１４ バッテリ
２１ シフトアクチュエータ
２２ スロットルアクチュエータ
４０ モータジェネレータ
４２ ＶＶＶＦインバータコンバータ
４４ 昇降圧チョッパ

Claims (2)

  1. エンジンと、モータと、発電機と、可変電圧可変周波数（以下、ＶＶＶＦ）インバータコンバータと、これらの制御手段と、蓄電装置とを備えるハイブリッドシステムにおいて、
    前記制御手段は、
    前記エンジンの指示回転数が一定状態での作業負荷に対する平均出力を算出し、
    前記エンジンの回転数を検出する機関回転数検出手段によって検出されるエンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも下がった場合は、前記ＶＶＶＦインバータコンバータから前記モータに対するトルク指令を増加させ、該モータによってトルクアシストを行い、
    前記エンジンの回転数を検出する機関回転数検出手段によって検出されるエンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも上がった場合は、前記ＶＶＶＦインバータコンバータから前記モータに対するトルク指令を減少させ、前記発電機によって発電される電力を前記蓄電装置に蓄電するように制御することを特徴とするハイブリッドシステムにおける機関回転制御方法。
  2. エンジンと、モータと、発電機と、ＶＶＶＦインバータコンバータと、これらの制御手段と、蓄電装置とを備えるハイブリッドシステムにおいて、
    前記制御手段は、
    前記エンジンの指示回転数が一定状態での作業負荷に対する平均出力を算出し、
    前記エンジンの回転数を検出する機関回転数検出手段によって検出されるエンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも下がった場合は、前記蓄電装置から前記モータへと電力を供給して該モータを駆動させてトルクアシストを行い、
    前記エンジンの回転数を検出する機関回転数検出手段によって検出されるエンジンの実回転数が、前記平均出力時の機関回転数よりも上がった場合は、前記エンジンの駆動力を用いて前記発電機によって発電し、この発電された電力を前記蓄電装置に蓄電するように制御することを特徴とするハイブリッドシステムにおける機関回転制御方法。
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JP2010173599A (ja) * 2009-02-02 2010-08-12 Sumitomo Heavy Ind Ltd ハイブリッド式作業機械の制御方法、及びサーボ制御システムの制御方法
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EP1914101A3 (en) * 2006-10-20 2017-03-01 Kobelco Construction Machinery Co., Ltd. Hybrid working machine
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