JP6058548B2 - ハイブリッドショベル及びハイブリッドショベルの制御方法 - Google Patents

Description

本発明はハイブリッドショベルに係り、特に、電気負荷により発生する回生電力を蓄電器に充電するハイブリッドショベルに関する。

一般的に、ハイブリッドショベルにおいて、電力源としての蓄電器と電気負荷との間にＤＣバス（直流母線）が設けられ、このＤＣバスを介して電力が電気負荷に供給される。ＤＣバスの電圧を昇降圧コンバータにより制御することで、蓄電器からの電力の供給（放電）と、蓄電器への電力の供給（充電）が制御される。

ＤＣバスの電圧は電気負荷の運転状況により変動する。昇降圧コンバータの効率を考えると、ＤＣバスの電圧を一定の範囲に収めることが好ましい。そこで、一定の範囲内の電圧値が維持される一定電圧蓄電部と、電気負荷の力行回生運転による電圧の変動を許容する変動電圧蓄電部とを備えた蓄電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開公報ＷＯ２００９／０８２０１０号

一般的に、昇降圧コンバータは、昇圧率（蓄電器電圧／ＤＣバス電圧）が１に近いほど電圧変換効率が高いことが知られている。そこで、ＤＣバス電圧を、蓄電器電圧よりは高いが蓄電器電圧に近い値に制御することが望ましい。一方、蓄電器電圧は放電状態・充電状態によって変動するため、蓄電器電圧の変動幅を考慮してＤＣバス電圧を制御する必要がある。

蓄電器の製造コスト及び設置スペースを考慮すると、蓄電器を小容量とすることが望ましい。しかし、蓄電器を小容量にすると蓄電量が減少するので、放電時には短時間で蓄電器電圧が下限値にまで低下してしまい、充電時には短時間で蓄電器電圧が上限値に上昇してしまう。したがって、蓄電器の電圧変動が大きくなってしまう。

また、蓄電器を小容量にすると、蓄電容量の低下に反比例してその内部抵抗が増大する。この内部抵抗の増大により、蓄電器の内部抵抗損失が増大して充放電効率が低下してしまう。さらに、蓄電器の内部抵抗による電圧降下によって制御が不安定となるおそれがある。

本発明の総括的な目的は、上述の問題を解決した新規で有用なハイブリッドショベル及びその制御方法を提供することである。

本発明のより具体的な目的は、蓄電器を小容量としながら、昇降圧コンバータを安定して高効率の範囲で制御することのできるハイブリッドショベル及びその制御方法を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明の一実施態様によれば、下部走行体と、該下部走行体に備えられた上部旋回体と、該上部旋回体に一端が回動自在に取り付けられたブームと、を備えたハイブリッドショベルであって、前記上部旋回体に備えられたエンジンと、前記上部旋回体に備えられ、前記エンジンへのアシスト動作と前記エンジンを用いた発電動作とを行う電動発電機と、前記上部旋回体に備えられ、外部からの第１制御指令に応じて、前記電動発電機を制御する電動発電機制御部と、前記上部旋回体に備えられた第１の蓄電器と、前記上部旋回体に備えられ、前記電動発電機制御部に電気的に接続された第２の蓄電器と、前記上部旋回体に備えられ、外部からの第２制御指令に応じて、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間の充放電制御を行う充放電制御部と、前記上部旋回体に備えられ、前記第２の蓄電器に電気的に接続され、少なくとも機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを前記第２の蓄電器に蓄電するよう構成されたモータと、前記上部旋回体に備えられ、前記第１制御指令及び前記第２制御指令のうちの少なくとも一方を出力することにより、前記第２の蓄電器の電圧が所定の目標値になるように制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記モータの予測される回生動作に応じて前記第１の蓄電器の電圧が前記第２の蓄電器の電圧を超えると予測される場合、前記目標値を一時的に高めるハイブリッドショベルが提供される。

また、下部走行体と、該下部走行体に備えられた上部旋回体と、該上部旋回体に一端が回動自在に取り付けられたブームと、前記上部旋回体に備えられたエンジンと、前記上部旋回体に備えられ、前記エンジンへのアシスト動作と前記エンジンを用いた発電動作とを行う電動発電機と、前記上部旋回体に備えられ、外部からの第１制御指令に応じて、前記電動発電機を制御する電動発電機制御部と、前記上部旋回体に備えられた第１の蓄電器と、前記上部旋回体に備えられ、前記電動発電機制御部に電気的に接続された第２の蓄電器と、前記上部旋回体に備えられ、外部からの第２制御指令に応じて、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間の充放電制御を行う充放電制御部と、前記上部旋回体に備えられ、前記第２の蓄電器に電気的に接続され、少なくとも機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを前記第２の蓄電器に蓄電するよう構成されたモータと、前記上部旋回体に備えられ、前記第１制御指令及び前記第２制御指令のうちの少なくとも一方を出力することにより、前記第２の蓄電器の電圧が所定の目標値になるように制御する制御装置と、を有するハイブリッドショベルの制御方法であって、前記モータの予測される回生動作に応じて前記第１の蓄電器の電圧が前記第２の蓄電器の電圧を超えると予測される場合、前記目標値を一時的に高めるハイブリッドショベルの制御方法が提供される。

上述の発明によれば、蓄電器を小容量としながら、昇降圧コンバータを安定して高効率の範囲で制御することができる。

本発明が適用されるハイブリッドショベルの側面図である。 一実施形態によるハイブリッドショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の回路図である。 ＤＣバス電圧可変制御処理のフローチャートである。 ＤＣバス電圧可変制御処理中の各要素の変化を示すタイムチャートである。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明が適用されるハイブリッド建設機械の一例であるハイブリッドショベルを示す側面図である。

ハイブリッドショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４，アーム５及びバケット６は、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によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は、本発明の一実施形態によるハイブリッドショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプであるメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッドショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、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は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系１２０が接続される。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。すなわち、旋回用電動機２１は旋回用のモータである。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

本実施形態では、ブーム回生電力を得るためのブーム回生用モータ３００（発電機３００とも称する）がインバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０に接続されている。発電機３００は、ブームシリンダ７から吐出される作動油により駆動される油圧モータ３１０によって駆動される。発電機３００は、ブーム４が重力に従って下げられるときにブームシリンダ７から吐出される作動油の圧力を利用して、ブーム４の位置エネルギを電気エネルギに変換する。なお、図２において、説明の便宜上、油圧モータ３１０と発電機３００は離れた位置に示されているが、実際には、発電機３００の回転軸は油圧モータ３１０の回転軸に機械的に接続されている。

すなわち、油圧モータ３１０は、ブーム４が下げられるときにブームシリンダ７から吐出される作動油によって回転されるように構成されている。油圧モータ３１０は、ブーム４が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換する。油圧モータ３１０は、コントロールバルブ１７とブームシリンダ７の間の油圧配管７Ａに設けられており、上部旋回体３内の適当な場所に取り付けることができる。

発電機３００で発電された電力は、回生電力としてインバータ１８Ｃを経て蓄電系１２０に供給される。発電機３００とインバータ１８Ｃとで負荷駆動系が構成される。

なお、本実施形態では、ブーム４の角度を検出するためのブーム角度センサ７Ｂがブーム４の支持軸に取り付けられている。ブーム角度センサ７Ｂは、検出したブーム角度θＢをコントローラ３０に供給する。

図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータとＤＣバス１１０とを含む。第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０は、第１の蓄電器としてのキャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、発電機３００、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ、１８Ｃ、及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、発電機３００、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

図２に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。

昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、ブーム回生用の発電機３００が発電した電力は、インバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

旋回用電動機２１の回転速度（角速度ω）はレゾルバ２２により検出される。また、ブーム４の角度（ブーム角度θＢ）はブーム４の支持軸に設けられたロータリエンコーダ等のブーム角度センサ７Ｂにより検出される。コントローラ３０は、旋回用電動機２１の角速度ωに基づいて推定旋回回生電力（エネルギ）を演算で求め、また、ブーム角度θＢに基づいて推定ブーム回生電力（エネルギ）を演算で求める。そして、コントローラ３０は、演算で求めた推定旋回回生電力と推定ブーム回生電力とに基づいて、ＳＯＣの回生見込み目標値を演算により求める。コントローラ３０は、キャパシタ１９のＳＯＣを、求めた回生見込み目標値に近づけるようにハイブリッドショベルの各部を制御する。

図４は、蓄電系１２０の回路図である。図４において、キャパシタ１９は、内部抵抗の成分と静電容量の成分の等価回路として模式的に示されている。昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１０５を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８Ａ，１８Ｃ，２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。

リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４に接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。キャパシタ１９は、静電容量Ｖｃと内部抵抗Ｒｃとを含んでいる。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。

電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びインバータ１８Ａ，１８Ｃ及び２０が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９のキャパシタ電圧Ｖｃａｐを検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧（以下、ＤＣバス電圧：Ｖｄｃ）を検出する。平滑コンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。平滑コンデンサ１０７によって、ＤＣバス１１０の電圧は予め定められた電圧に維持されている。キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出器であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９に流れる電流値Ｉｃを検出する。

昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１０５を介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ１９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図４では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

上述のような構成のハイブリッドショベルにおいて、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣを常に高い状態に維持することで、蓄電器からの電力で電気負荷をエネルギ効率の良い状態で駆動することができる。

また、蓄電器を小型化して蓄電系にかかる費用を削減するために蓄電容量の小さな蓄電器を用いる場合、蓄電器の目標ＳＯＣを高く設定することで、なるべく多くの電力を蓄電器に保持することができる。例えば、蓄電器としてキャパシタを用いた場合には、小型のキャパシタを用いるとともに目標ＳＯＣを高く設定することで、従来の蓄電量を減少することなくキャパシタを小さくすることができる。

ここで、ハイブリッドショベルの駆動システムにおける駆動部の通常時に運転状況や蓄電器の充電量及び充電率を考慮すると、蓄電器のＳＯＣを９０％以下としておけば、通常の使用において問題無いことがわかった。したがって、蓄電器の目標ＳＯＣを９０％に設定することで、電気負荷を高電圧で効率的に駆動することができるとともに、蓄電器を小型化してコストダウンすることができる。

ただし、キャパシタ１９の容量を小さくした場合には、キャパシタ１９の内部抵抗Ｒｃが容量の減少に反比例して大きくなり、充放電時の電圧降下（Ｒｃ・Ｉｃ）が大きくなる。充放電時のキャパシタ電圧Ｖｃａｐは、そのときの充電率に対応するキャパシタ１９の静電容量が有する電圧Ｖｃに上記電圧降下（Ｒｃ・Ｉｃ）を加えた値となる（Ｖｃａｐ＝Ｖｃ＋Ｒｃ・Ｉｃ）。このため、キャパシタ１９の容量を小さくした場合には、充電電流あるいは放電電流がキャパシタに流れると、キャパシタ電圧Ｖｃａｐが大きく変動（上昇）し、ＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えてしまうおそれがある。

ＤＣバス電圧Ｖｄｃは、キャパシタ電圧Ｖｃａｐを昇降圧コンバータ１００により昇圧して発生させる。このため、制御上、ＤＣバス電圧Ｖｄｃは常にキャパシタ電圧Ｖｃａｐより高くなければならない。言い換えれば、キャパシタ電圧ＶｃａｐはＤＣバス電圧Ｖｄｃより低くなければならない。ところが、上述のように充放電電流がキャパシタ１９に流れてキャパシタ電圧Ｖｃａｐが大きく上昇し、ＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えてしまうと、昇降圧コンバータ１００が制御不能となり正常に動作しなくなってしまう。特に、旋回用電動機２１やブーム回生用の発電機３００などで回生電力が発生した場合、大きな充電電流がキャパシタ１９に流れて、キャパシタ電圧ＶｃａｐがＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えてしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では、大きな回生電力が発生する前にＤＣバス電圧の目標値Ｖｄｃｔを上昇させておくことで、回生電力による充電電流がキャパシタ１９に流れても、キャパシタ電圧ＶｃａｐがＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えないようにする。図２に示す構成図においては、回生発電手段として、旋回用電動機２１とブーム回生用モータ３００を記載したが、必ずしも両方のモータを配置する必要はない。すなわち、ＤＣバス電圧の目標値Ｖｄｃｔを、キャパシタ電圧やキャパシタ電流に応じて可変とすることで、キャパシタ電圧ＶｃａｐがＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えないようにする。

以下、本実施形態におけるＤＣバス電圧可変制御について、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は本実施形態によるＤＣバス電圧可変制御処理のフローチャートである。図６はＤＣバス電圧可変制御処理中の各要素の変化を示すタイムチャートである。

図５に示すＤＣバス電圧可変制御処理は、例えば、制御装置としてのコントローラ３０により行われる。制御装置は、コントローラ３０に限られず、コントローラ３０と同様のコンピュータ構成を有する専用の制御装置を、コントローラ３０を協働するように設けてもよい。本実施形態では、図２に示すように、コントローラ３０に、推定回生エネルギ演算部、蓄電目標値決定部、及び蓄電目標値制御部が設けられ、推定回生エネルギ演算部、蓄電目標値決定部、及び蓄電目標値制御部が協働して、コントローラ３０は以下の処理を実行する。

エンジン等の駆動系及び制御装置の立ち上げ動作が完了してハイブリッドショベルの運転が開始されると、ステップＳ１において、コントローラ３０は、上部旋回体３の旋回動作が行なわれているか否かを判定する。上部旋回体３は、旋回用電動機２１を駆動することで行なわれる。本実施形態では旋回用電動機２１は発電機としても機能し、上部旋回体３の旋回運動を減速させるときには、旋回用電動機２１が回生動作を行なって発電する。旋回用電動機２１の発電により得られた電力は、ＤＣバス１１０及び昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給され充電される。

ステップＳ１において上部旋回体３が旋回中であると判定されると（Ｓ１のＹＥＳ）、処理はステップＳ２に進む。ステップＳ２において、コントローラ３０の推定回生エネルギ演算部は、上部旋回体３の旋回中に旋回エネルギを電力として回収した場合に得られる旋回想定回生出力Ｑｔを演算により求める。すなわち、上部旋回体３が旋回駆動されているある時点において、旋回用電動機２１の旋回駆動が停止されて発電運転に切替えられた際に、旋回用電動機２１により得られるであろう回生電力が旋回想定回生出力Ｑｔとなる。このように、旋回想定回生出力Ｑｔは、コントローラ３０の推定回生エネルギ演算部が、旋回用電動機２１の速度に基づいて演算する。

ここで、回生出力は旋回用電動機２１からのみ発生するものとすると、旋回想定回生出力Ｑｔにアシストモータ出力指令Ｑａを加えた値が、キャパシタ１９に出力される電力として蓄電器想定出力Ｑｃとなる。すなわち、蓄電器想定出力Ｑｃは、図６（ｄ）に示すように、旋回想定回生出力Ｑｔとアシストモータの指令出力Ｑａとを合算した出力となる。

なお、図５に示す例では、回生出力が旋回用電動機２１から得られる回生電力のみであるとしているが、例えばブーム４が駆動されているときには、ブーム回生用モータ３００が回生動作（発電）することも想定される。ブーム回生用モータ３００が回生動作を行なって得られるであろう電力をブーム想定回生出力Ｑｂとする。ブーム回生が発生すると想定されるときは、コントローラ３０の推定回生エネルギ演算部は、旋回想定回生出力Ｑｔとブーム想定回生出力Ｑｂとを合算して蓄電器想定出力Ｑｃを演算により求めればよい。

ステップＳ２の処理が終了すると、続いて処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、コントローラ３０の蓄電目標値決定部は、キャパシタ電圧Ｖｃとキャパシタ１９の内部抵抗Ｒｃ（現在値）と、演算で求めた旋回想定回生出力Ｑｔとから、必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒを求める。必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒは、キャパシタ１９の電圧よりＤＣバス電圧Ｖｄｃが低くならずに通常の制御が行えるような電圧として算出される。

旋回想定回生出力Ｑｔが全てキャパシタ１９に供給されて充電されるものと考えると、キャパシタ１９には旋回想定回生出力Ｑｔに応じたキャパシタ電流Ｉｃが流れる。キャパシタ電流ＩｃはＩｃ＝Ｑｔ／（Ｖｃ−Ｒｃ・Ｉｃ）という関係から求められる。ここで、この式中のＲｃ・Ｉｃは、キャパシタ１９の内部抵抗Ｒｃによる電圧降下分に相当する。また、キャパシタ電流Ｉｃは充電電流であり、マイナスの値となる。したがって、充電時のキャパシタ電圧Ｖｃａｐは、旋回想定回生出力Ｑｔを充電電流であるキャパシタ電流Ｉｃで除算したものであるから（Ｖｃ−Ｒｃ・Ｉｃ）となり、これが必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒとなる（Ｖｄｃｒ＝Ｖｃ−Ｒｃ・Ｉｃ）。

ステップＳ３にて必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒが算出されたら、続いて、ステップＳ４において、コントローラ３０の蓄電目標値制御部は、必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒが現在のＤＣバス電圧Ｖｄｃより高いか否かを判定する。

必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒが現在のＤＣバス電圧Ｖｄｃより高くない場合、すなわち現在のＤＣバス電圧Ｖｄｃが必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒより高い場合（ステップＳ４のＮＯ）、旋回想定回生出力Ｑｔに応じた充電電流Ｉｃがキャパシタ１９に流れてキャパシタ電圧Ｖｃが上昇しても、ＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えることが無く、ＤＣバス電圧Ｖｄｃのほうがキャパシタ電圧Ｖｃより高い値に維持される。したがって、この場合は、昇降圧コンバータ１００はＤＣバス電圧Ｖｄｃを正常に制御することができるので、コントローラ３０の蓄電目標値制御部は、ＤＣバス電圧の目標値Ｖｄｃｔを変更することなく、処理を終了する。

一方、ステップＳ４において、必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒが現在のＤＣバス電圧Ｖｄｃより高いと判定された場合（ステップＳ４のＹＥＳ）、旋回想定回生出力Ｑｔに応じたキャパシタ電流Ｉｃがキャパシタ１９に流れてキャパシタ電圧Ｖｃが上昇すると、キャパシタ電圧ＶｃのほうがＤＣバス電圧Ｖｄｃより高くなるおそれがある。この場合は、昇降圧コンバータ１００はＤＣバス電圧Ｖｄｃを正常に制御することができなくなるので、ＤＣバス電圧Ｖｄｃを上昇させる必要がある。したがって、処理はステップＳ５に進み、コントローラ３０の蓄電目値制御部は、ＤＣバス電圧Ｖｄｃの目標値Ｖｄｃｔを、必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒに等しく設定する。

ステップＳ１において、上部旋回体３が旋回中では無いと判定されると（ステップＳ１のＮＯ）、処理はステップＳ６に進む。ステップＳ６では、電動発電機１２（アシストモータ）の指令出力Ｑａがキャパシタ１９への充電電力であるか否かが判定される。図６（ｃ）に示すように電動発電機１２（アシストモータ）の指令出力Ｑａがキャパシタ１９への充電電力である場合（ステップＳ６のＹＥＳ）、処理はステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、コントローラ３０の蓄電目標値決定部は、蓄電器想定出力Ｑｃを、アシストモータ指令出力Ｑａに等しいものとして求める。ステップＳ７で蓄電目標値制御部が蓄電器想定出力Ｑｃを算出すると、処理はステップＳ３に進み、上述のようにステップＳ３以降の処理が行われる。

一方、ステップＳ６において、電動発電機１２（アシストモータ）の指令出力Ｑａがキャパシタ１９への充電電力では無いと判定されると（ステップＳ６のＮＯ）、処理はステップＳ８に進む。

ステップＳ１において上部旋回体３が旋回中では無いと判定され、且つステップＳ６において電動発電機１２（アシストモータ）の指令出力Ｑａがキャパシタ１９への充電電力では無いと判定されたときは、キャパシタ１９への充電電力は発生していないと判定することができる。そこで、ステップＳ８では、コントローラ３０の蓄電目標値制御部は、ＤＣバス電圧Ｖｄｃを変更することなく、通常の目標値のままとする。すなわち、キャパシタ１９への充電が行なわれないので、キャパシタ１９に充電電流が流れることはなく、したがって、キャパシタ電圧ＶｃａｐがＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えることは無いと予測し、コントローラ３０の蓄電目標値制御部は、ＤＣバス電圧Ｖｄｃを上昇しなくても良いと判断する。

次に、上述のＤＣバス電圧可変制御処理を行なうときの、ＤＣバス電圧Ｖｄｃの変化について図６を参照しながら説明する。図６−（ａ）は旋回用電動機２１の速度を示すグラフである。旋回想定回生出力Ｑｔは、旋回用電動機２１の現時点での速度（旋回回転数）に回生制動トルク（設定値）を乗算して得られる値であり、図６−（ｂ）に示すように、旋回用電動機２１の速度に比例した値となる。なお、図６−（ｂ）では、出力はマイナス値になっているが、キャパシタ１９に充電される電力をマイナスとし、キャパシタから放電される電力をプラスとしているためである。図６−（ｅ）は、ＤＣバス電圧可変制御処理を行なったときのＤＣバス電圧Ｖｄｃの時間的変化を示すグラフである。なお、図６−（ｆ）は、本実施形態によるＤＣバス電圧可変制御処理を行なわないときのＤＣバス電圧Ｖｄｃの変化を参考として示すグラフである。

図６−（ａ）に示すように、旋回用電動機２１の速度（回転数）は、時刻ｔ＝０から上昇を始め、時刻ｔ１を過ぎて時刻ｔ２において最大となり、その後時刻ｔ３を過ぎて時刻ｔ４でゼロとなったものとする。この時刻ｔ＝０からｔ４までの間、旋回想定回生出力Ｑｔは、旋回用電動機２１の速度に比例して増減する。旋回想定回生出力Ｑｔは充電電力であり、マイナスの値で示されている。

図６に示す例では、図６−（ｃ）に示すように、アシストモータ指令として充電指令が出されており、図５に示すＤＣバス電圧可変制御処理では、ステップＳ１からステップＳ６を経てステップＳ７に進むこととなる。そして、ステップＳ７において、図６−（ｄ）に示すように、蓄電器想定出力Ｑｃが旋回想定回生出力Ｑｔとアシストモータ指令出力Ｑａとを合算した出力として算出される。

図６−（ｅ）には、充電電流Ｉｃが流れているときのキャパシタ電圧Ｖｃａｐの変化、すなわち必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒの変化が示されている。なお、図６−（ｅ）において、通常ＤＣバス電圧をＶｄｃ０として点線で示し、ＤＣバス電圧をＶｄｃとして一点鎖線で示している。時刻ｔ＝０以降、アシストモータの発電により充電が開始される一方、旋回モータの加速により電力が消費されるため、キャパシタの静電容量が持つ電圧Ｖｃは徐々に低下する。しかしながら、蓄電器想定出力Ｑｃが大きくなるのに伴いキャパシタ１９への充電電流Ｉｃも上昇し、その結果、時刻ｔ１において必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒが、通常ＤＣバス電圧Ｖｄｃ０に到達している。通常ＤＣバス電圧Ｖｄｃ０は、ＤＣバス電圧可変制御処理を行なわないときに設定されているＤＣバス電圧値である。時刻ｔ１までは、キャパシタ電圧ＶｃａｐはＤＣバス電圧Ｖｄｃより低いので、昇降圧コンバータ１００は正常に動作できる。したがって、時刻ｔ１までは、ＤＣバス電圧Ｖｄｃの目標値Ｖｄｃｔは通常の目標値に設定される。

時刻ｔ１以降は、キャパシタ電圧Ｖｃａｐは通常ＤＣバス電圧Ｖｄｃ０より高くなるので、ここで充電電流がキャパシタ１９に流れると昇降圧コンバータ１００は正常に動作できなくなる。そこで、図５のステップＳ５において、ＤＣバス電圧の目標値Ｖｄｃｔをキャパシタ電圧Ｖｃａｐに等しい必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒに設定変更する。これにより、昇降圧コンバータ１００の制御により、キャパシタ１９を放電制御してＤＣバス電圧Ｖｄｃは上昇する。したがって、充電電流Ｉｃがキャパシタ１９に流れてキャパシタ電圧Ｖｃａｐが上昇しても、ＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えないようになる。ＤＣバス電圧Ｖｄｃを上昇させる方法として昇降圧コンバータ１００の放電制御を示したが、インバータ１８Ａの制御による電動発電機１２の発電電力を用いるようにしてもよい。

時刻ｔ２において、旋回用電動機２１が減速を始めると、旋回用電動機２１が発電運転に切り替わり、回生電力が発生する。これにより、キャパシタ１９に大きな充電電流が流れ、キャパシタ電圧Ｖｃａｐが上昇するが、時刻ｔ１においてＤＣバス電圧の目標値Ｖｄｃｔが必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒに設定されているためＤＣバス電圧Ｖｄｃは高い値になっており、キャパシタ電圧ＶｃａｐがＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えて上昇することはなく、昇降圧コンバータ１００は正常に作動することができる。さらに、時刻ｔ２以降も、アシストモータの出力が変化することがあるため、必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒを求める演算は継続される。

ここで、本実施形態によるＤＣバス電圧可変制御処理を行なわないときには、図６−（ｆ）に示すように、時刻ｔ２を過ぎると旋回モータの回生電力によりキャパシタ電圧Ｖｃａｐは上昇するのに対して、ＤＣバス電圧Ｖｄｃは一定に維持される。なお、図６−（ｆ）において、通常ＤＣバス電圧をＶｄｃ０として点線で示し、ＤＣバス電圧をＶｄｃとして一点鎖線で示している。このため、時刻ｔ３において、旋回モータの回生電力によりキャパシタ電圧ＶｃａｐがＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えてしまうこととなる。このようになると、昇降圧コンバータ１００がＤＣバス電圧Ｖｄｃを制御することができなくなる。

しかし、本実施形態によるＤＣバス電圧可変制御処理を行なうことにより、上述のようにＤＣバス電圧Ｖｄｃを高い値にしておくことができ、キャパシタ電圧ＶｃａｐがＤＣバス電圧Ｖｄｃを越えて上昇することはなく、昇降圧コンバータ１００はＤＣバス電圧を正常に制御することができる。

時刻ｔ４において旋回用電動機２１の駆動が停止し、蓄電器想定出力Ｑｃがゼロになり、必要ＤＣバス電圧Ｖｄｃｒは通常ＤＣバス電圧Ｖｄｃ０より低くなる。したがって、時刻ｔ４以降は、通常の制御に戻り、ＤＣバス電圧Ｖｄｃは通常ＤＣバス電圧Ｖｄｃ０になるように制御される。

以上のように、本実施形態によれば、比較的大きな回生電力が発生すると予測される旋回駆動中やブーム駆動中において、ＤＣバス電圧の目標値を高い値に変更することで、実際のＤＣバス電圧を上昇させる。すなわち、キャパシタ電圧の現在値と、キャパシタの内部抵抗と、想定回生出力とから、安全に回生できるＤＣバス電圧とキャパシタ電圧の電圧差を求め、この電圧差に基づいてＤＣバス電圧を変化させる。

また、電動発電機（アシストモータ）が発電運転しているときには、キャパシタに充電する電力を算出し、キャパシタ電圧の現在値とキャパシタの内部抵抗と充電電力とから、安全に回生できるＤＣバス電圧とキャパシタ電圧の電圧差を求める。そして、この電圧差に基づいてＤＣバス電圧の目標値を決定し、実際のＤＣバス電圧を変化させる。

回生電力が発生しておらず、アシストモータが発電運転を行なっていないような条件では、キャパシタからの放電により電気負荷を駆動してもキャパシタ電圧がＤＣバス電圧を超えないような範囲でなるべくキャパシタ電圧とＤＣバス電圧との電圧差が小さくなるようにＤＣバス電圧の目標値を制御することにより、昇降圧コンバータの昇圧率を高めることができる。

本発明は具体的に開示された上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形例及び改良例がなされるであろう。

本出願は、２０１１年１０月２６日出願の優先権主張日本国特許出願第２０１１−２３５１８９号に基づくものであり、その全内容は本出願に援用される。

本発明は、電気負荷により発生する回生電力を蓄電器に充電するハイブリッドショベルに適用することができる。

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
７Ａ 油圧配管
７Ｂ ブーム角度センサ
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、１８Ａ、１８Ｃ、２０ 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 旋回変速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２６Ｄ ボタンスイッチ
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
１００ 昇降圧コンバータ
１０１ リアクトル
１０２Ａ 昇圧用ＩＧＢＴ
１０２Ｂ 降圧用ＩＧＢＴ
１０４ 電源接続端子
１０６ 出力端子
１０７ 平滑コンデンサ
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１１２ キャパシタ電圧検出部
１１３ キャパシタ電流検出部
１２０ 蓄電系
３００ ブーム回生用モータ（発電機）
３１０ ブーム回生用油圧モータ

Claims (13)

1. 下部走行体と、該下部走行体に備えられた上部旋回体と、該上部旋回体に一端が回動自在に取り付けられたブームと、を備えたハイブリッドショベルであって、
   前記上部旋回体に備えられたエンジンと、
   前記上部旋回体に備えられ、前記エンジンへのアシスト動作と前記エンジンを用いた発電動作とを行う電動発電機と、
   前記上部旋回体に備えられ、外部からの第１制御指令に応じて、前記電動発電機を制御する電動発電機制御部と、
   前記上部旋回体に備えられた第１の蓄電器と、
   前記上部旋回体に備えられ、前記電動発電機制御部に電気的に接続された第２の蓄電器と、
   前記上部旋回体に備えられ、外部からの第２制御指令に応じて、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間の充放電制御を行う充放電制御部と、
   前記上部旋回体に備えられ、前記第２の蓄電器に電気的に接続され、少なくとも機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを前記第２の蓄電器に蓄電するよう構成されたモータと、
   前記上部旋回体に備えられ、前記第１制御指令及び前記第２制御指令のうちの少なくとも一方を出力することにより、前記第２の蓄電器の電圧が所定の目標値になるように制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、前記モータの予測される回生動作に応じて前記第１の蓄電器の電圧が前記第２の蓄電器の電圧を超えると予測される場合、前記目標値を一時的に高める、
   ハイブリッドショベル。
2. 請求項１記載のハイブリッドショベルであって、
   前記制御装置は、通常時において、前記目標値を一定の値に設定し、前記モータの回生動作が予測され、且つ、当該回生動作に応じて前記第２の蓄電器の電圧が前記第１の蓄電器の電圧を超えると予測される場合、前記目標値を前記一定の値よりも高くする、
   ハイブリッドショベル。
3. 請求項２記載のハイブリッドショベルであって、
   前記制御装置は、前記モータが力行運転を行なう期間において、前記モータの予測される回生運転に応じて前記第２の蓄電器の電圧を前記第１の蓄電器の電圧より高く維持させるための前記第２の蓄電器の必要電圧値を演算し、該必要電圧値が前記第２の蓄電器の電圧より高い場合、前記目標値として該必要電圧値を用いる、
   ハイブリッドショベル。
4. 請求項３記載のハイブリッドショベルであって、
   前記制御装置は、前記モータが回生運転を行なう期間においても、前記必要電圧値の演算を継続し、該必要電圧値が前記第２の蓄電器の電圧より高い場合、前記目標値として該必要電圧値を用いる、
   ハイブリッドショベル。
5. 請求項１記載のハイブリッドショベルであって、
   前記制御装置は、前記モータが力行動作を行なう期間において、前記目標値を、該力行動作が行なわれる以前の前記目標値より高い値に設定する、
   ハイブリッドショベル。
6. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のハイブリッドショベルであって、
   前記制御装置は、前記第２制御指令を出力することにより、前記第１の蓄電器を放電させて、前記第２の蓄電器の電圧を上昇させる、
   ハイブリッドショベル。
7. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のハイブリッドショベルであって、
   前記制御装置は、前記第１制御指令を出力することにより、前記電動発電機を発電させて、前記第２の蓄電器の電圧を上昇させる、
   ハイブリッドショベル。
8. 請求項３又は４記載のハイブリッドショベルであって、
   前記ブームの角度を検出する角度検出部をさらに有し、
   前記モータは、ブーム回生用モータであり、
   前記制御装置は、該角度検出部が検出したブームの角度に基づいて、前記ブーム回生用モータの予測される回生動作による推定回生エネルギを演算すると共に、該推定回生エネルギに基づいて、前記必要電圧値を演算する、
   ハイブリッドショベル。
9. 請求項３又は４記載のハイブリッドショベルであって、
   前記上部旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出部をさらに有し、
   前記モータは、旋回用モータであり、
   前記制御装置は、該旋回速度検出部が検出した旋回速度に基づいて、前記旋回用モータの予測される回生動作による推定回生エネルギを演算すると共に、該推定回生エネルギに基づいて、前記必要電圧値を演算する、
   ハイブリッドショベル。
10. 下部走行体と、該下部走行体に備えられた上部旋回体と、該上部旋回体に一端が回動自在に取り付けられたブームと、前記上部旋回体に備えられたエンジンと、前記上部旋回体に備えられ、前記エンジンへのアシスト動作と前記エンジンを用いた発電動作とを行う電動発電機と、前記上部旋回体に備えられ、外部からの第１制御指令に応じて、前記電動発電機を制御する電動発電機制御部と、前記上部旋回体に備えられた第１の蓄電器と、前記上部旋回体に備えられ、前記電動発電機制御部に電気的に接続された第２の蓄電器と、前記上部旋回体に備えられ、外部からの第２制御指令に応じて、前記第１の蓄電器と前記第２の蓄電器との間の充放電制御を行う充放電制御部と、前記上部旋回体に備えられ、前記第２の蓄電器に電気的に接続され、少なくとも機械的エネルギから電気エネルギを発生させる回生動作が可能で、該回生動作により発生した電気エネルギを前記第２の蓄電器に蓄電するよう構成されたモータと、前記上部旋回体に備えられ、前記第１制御指令及び前記第２制御指令のうちの少なくとも一方を出力することにより、前記第２の蓄電器の電圧が所定の目標値になるように制御する制御装置と、を有するハイブリッドショベルの制御方法であって、
    前記モータの予測される回生動作に応じて前記第１の蓄電器の電圧が前記第２の蓄電器の電圧を超えると予測される場合、前記目標値を一時的に高める、
    ハイブリッドショベルの制御方法。
11. 請求項１０記載のハイブリッドショベルの制御方法であって、
    通常時において、前記目標値を一定の値に設定し、前記モータの回生動作が予測され、且つ、当該回生動作に応じて前記第２の蓄電器の電圧が前記第１の蓄電器の電圧を超えると予測される場合、前記目標値を前記一定の値よりも高くする、
    ハイブリッドショベルの制御方法。
12. 請求項１１記載のハイブリッドショベルの制御方法であって、
    前記モータが力行運転を行なう期間において、前記モータの予測される回生運転に応じて前記第２の蓄電器の電圧を前記第１の蓄電器の電圧より高く維持させるための前記第２の蓄電器の必要電圧値を演算し、該必要電圧値が前記第２の蓄電器の電圧より高い場合、前記目標値として該必要電圧値を用いる、
    ハイブリッドショベルの制御方法。
13. 請求項１２記載のハイブリッドショベルの制御方法であって、
    前記モータが回生運転を行なう期間においても、前記必要電圧値の演算を継続し、該必要電圧値が前記第２の蓄電器の電圧より高い場合、前記目標値として該必要電圧値を用いる、
    ハイブリッドショベルの制御方法。

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