WO2012050133A1 - 建設機械 - Google Patents

Abstract

　本発明は、エンジンを搭載すると共に外部電源を使用できる建設機械を実現する。建設機械は、外部電源を用いて充電する蓄電装置（１４）を搭載し、エンジン（１）出力が不足する状況では蓄電装置によるアシストを行うと共に、作業時間に基づき蓄電装置の充電量を計画的に使用し、負荷状態に基づき放電量を制御することにより蓄電装置を効率よく使用する。特に、エンジン（１）と、エンジンに接続される補機負荷（１６）と、エンジンにより駆動されるアシスト電動機（２）と、アシスト電動機の出力電流である交流電流を直流電流に変換する電力変換器（９，１０，１３）と、電力変換器の直流側に接続される蓄電装置（１４）とを備え、蓄電装置は充電装置（１５）を介して外部電源より充電を行う。

Description

建設機械

　本発明はエンジン及び蓄電装置を搭載する油圧ショベルなどの建設機械に関する。

　従来、油圧ショベルなどの建設機械は、エンジンにより駆動される油圧ポンプを有し、油圧ポンプによってバケットシリンダ，アームシリンダ，ブームシリンダおよび走行用油圧モータといった油圧作業装置部分を駆動していた。

　そして、建設機械は作業時における重負荷時にも対応できるように、エンジン出力を大きく変動させる必要があり、低出力エンジンと比較して燃費の悪い高出力エンジンを備えることが必要とされていた。

　しかしながら、高出力エンジンは、燃費効率が悪いとともに、排ガスや騒音等の環境上の問題点が挙げられている。

　そこで近年、これらの問題の解決方法として、平均出力を賄う燃費のよい低出力エンジンを搭載し、低出力エンジンで賄えない不足分出力分を、蓄電装置の電力により電動機でアシストする技術を搭載したハイブリッド建設機械が提案されている。

　さらに、電動機を効率よく使用するための方法の考案も行われており、この種の従来技術として、例えば特許文献１に示されるようなものがある。これは、エンジンに電動機や発電機を連結し、軽負荷の作業時に余った電力をバッテリに充電しておく一方、重負荷の作業時にバッテリから電力を取り出して重負荷の作業に利用するというハイブリッド建設機械において、作業負荷が設定値以下（軽負荷）でかつ蓄電装置の充電量が設定値以上（大充電量）の条件が整うと、エンジンを自動的に停止させて、蓄電装置の蓄電力のみで電動機を駆動する無エンジン作業に移行させるような技術が開示されている。また、無エンジン作業中に、作業負荷が設定値以上、または充電量が設定値以下になるとエンジンを自動的に再始動させることも挙げられている。つまり、エンジンを高効率域である軽負荷状態で安定稼動させ、作業負荷に対するエンジン出力の不足分を電動機で補って省エネルギー運転を行いつつ、蓄電装置の充電量を一定範囲に保つことを可能とするものである。

　また、特許文献２では、蓄電装置の充電量が不十分であればエンジンにより回転駆動される発電機で生成された電力を蓄電装置に充電し、一方充電量が十分である場合にはエンジンの出力を最低のアイドリング状態にしたり、エンジンを停止することによって蓄電装置の過剰な充電を防止することを特徴としている。

特開２００７－１２０１０９号公報 特開２００１－１１９０１号公報

　ところで、上記技術は、作業負荷に対するエンジン出力の不足分を蓄電装置で補うことで、エンジンを高効率域である軽負荷時で安定稼動させた省エネルギー運転を行いつつ、蓄電装置の充電量を一定範囲に保つような制御を行うものである。

　そして、蓄電装置の充電量を一定範囲に保つために、軽負荷の作業時に余った電力の充電を行うという、回生電力充電機能等を備えている。

　しかしながら、本発明で蓄電装置として使用する鉛蓄電池は、充電時において電力損失が大きいことが知られており、蓄電装置は放電を優先的に行うことが望ましい。

　そこで、本発明では、作業開始時に予め充電しておいた蓄電装置を、作業時間内に使い切るような制御を行い、放電を優先的に行うことを可能にした蓄電装置制御手段の実現を目的とする。

　また、蓄電装置を予め充電しておく際に、エネルギーコストの低い商用電源等を用いる技術の開示も目的とする。

　そこで、本発明の目的は以下の通りとする。

　第１の目的は、エンジンをアシストするために搭載した蓄電装置において、充電装置を介して、エネルギーコストの低い商用電源等の外部電源から充電を行うことが可能な、プラグイン建設機械を実現することである。

　第２の目的は、外部電源を用いて充電する蓄電装置を搭載する場合、エンジン出力が不足する状況では蓄電装置によるアシストが可能であり、作業中に充電量が不足しアシストが不可能になる不具合や作業時間内に使い切ることができず燃料消費を十分に削減できない不具合を防止できる、つまり作業時間内に蓄電装置の電力を使い切るよう、作業時間に基づき蓄電装置の目標充電量を設定することが可能な建設機械を実現することである。

　第３の目的は、蓄電装置を効率よく使用することができる建設機械を実現することである。

　上記目的を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記目的を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、エンジンと、エンジンと同軸上に機械的に接続されるアシスト電動機と、アシスト電動機および蓄電装置に接続され、アシスト電動機の電圧および蓄電装置の電圧を制御する電力変換器と、を備える建設機械において、蓄電装置に接続される充電装置を有し、蓄電装置は充電装置を介して外部電源より充電を行うことが可能なことを特徴とする。

　また、エンジンと、エンジンと同軸上に機械的に接続されるアシスト電動機と、アシスト電動機および蓄電装置に接続され、アシスト電動機の電圧および蓄電装置の電圧を制御する電力変換器と、を備える建設機械において、建設機械の想定作業時間に基づき蓄電装置の充電量目標値を決定し、充電量目標値に基づき充放電量を制御する。

　本発明によれば、エンジンを搭載すると共に外部電源を使用できる建設機械を実現することができる。また、エンジン出力が不足する状況では蓄電装置によるアシストが可能であり、作業中終了時に充電量を使い切るように、蓄電装置を効率よく充放電するような建設機械を実現することができる。

本発明の建設機械の外観図である。 第１の実施例の駆動システムの全体構成を示す図である。 第１の実施例の充放電制御部の構成を示す図である。 蓄電装置の放電量が旋回電動機械出力より大きい場合のパワーフローを示す図である。 蓄電装置の放電量が旋回電動機械出力より小さい場合のパワーフローを示す図である。 第１の実施例の駆動システムの動作例を示す図である。 第２の実施例の駆動システムの全体構成を示す図である。 第２の実施例の充放電制御部の構成を示す図である。 総出力と充放電量ＰＢに対するシステムの状態を示す図である。

　本発明の第１の実施例を、図１～図６及び図９を用いて、説明する。尚、以下の説明では、説明をわかりやすくするため機器効率を考慮していないが、機器効率を考慮して制御することにより、さらに精度の高い制御が可能である。

　図１は、本実施形態を適用した油圧ショベル（建設機械の代表例）の構成を示す図である。図１において、油圧ショベル１８は、走行体２０１、及び旋回体２０２を有する。

　走行体２０１は、走行用油圧モータ８により建設機械を走行させる機能を備える。

　旋回体２０２は、旋回機構１２により走行体２０１に対して回転し、旋回体２０２の前部他方の片側（たとえば前方を向いて右側）には、掘削作業を行うブーム２０３，アーム２０４、及びバケット２０５を備える。

　ブーム２０３，アーム２０４、及びバケット２０５は、それぞれブームシリンダ７，アームシリンダ６、及びバケットシリンダ５により駆動される。また、旋回体２０２はキャブ２０６を備え、キャブ２０６には、操作者が搭乗し、建設機械を操作する。

　図２に、図１に示した建設機械を駆動する建設機械駆動システムの全体構成を示す。

　駆動システムは、エンジン１，アシスト電動機２，油圧ポンプ３，コントロールバルブ４，バケットシリンダ５，アームシリンダ６，ブームシリンダ７，走行用油圧モータ８，電力変換器９と１０と１３，旋回電動機１１，旋回機構１２，蓄電装置１４，充電装置１５，補機負荷１６、及び制御装置１７より構成される。

　エンジン１は、操作者が設定する目標回転数に基づき回転数制御される。エンジン１は、アシスト電動機２と機械的に結合される。

　また、ファンやエアコン用コンプレッサ等の補機負荷１６は、エンジン１と機械的に結合しており、エンジン１を介してアシスト電動機２と接続されている。

　油圧ポンプ３は、エンジン１に機械的に結合されるアシスト電動機２に接続されている。そして、油圧ポンプ３は、エンジン１およびアシスト電動機２の動力によって駆動され、コントロールバルブ４に作動油を供給し、コントロールバルブ４は操作者が操作する操作レバーに基づき、バケットシリンダ５，アームシリンダ６，ブームシリンダ７、及び走行用油圧モータ８に供給される作動油を制御する。

　アシスト電動機２は、力行時にはエンジン１をアシストし、エンジン１およびアシスト電動機２の動力によって油圧ポンプ３及び補機負荷１６を駆動する。そして、アシスト電動機２は、回生時はエンジン１により発電を行う。ここで、油圧作業装置は、バケットシリンダ５，アームシリンダ６，ブームシリンダ７及び走行用油圧モータ８からなり、旋回体２０２及び走行体２０１に設置されている。

　第１の電力変換器９は、アシスト電動機２に接続されており、直流電圧を交流電圧に、交流電圧を直流電圧に変換するものである。つまり、アシスト電動機２で生じた交流電圧を第１の電力変換器９を介して直流電圧に変換する。

　また、第１の電力変換器９の直流側には、第２の電力変換器１０が接続されている。

　第２の電力変換器１０も、第１の電力変換器９と同様に、直流電圧を交流電圧に、交流電圧を直流電圧に変換するものである。

　さらに、第２の電力変換器１０の交流側には、旋回電動機１１が接続されており、操作者が操作する操作レバー情報，第１の電力変換器９および第２の電力変換器１０を介して、旋回電動機１１の回転数とトルクを制御することができる。なお、旋回機構１２は旋回電動機１１に接続されており、旋回電動機１１を介して駆動する。

　また、第１の電力変換器９と第２の電力変換器１０は、直流バス９１Ａを介して接続されており、第３の電力変換器１３は直流バス９１Ｂを介して直流バス９１Ａに接続されている。

　さらに、直流バス９１Ａ，９１Ｂの電圧は第３の電力変換器１３によって変換され、電圧変換された直流電流が出力される側には、蓄電装置１４が接続されている。蓄電装置１４としては、鉛蓄電池が使用可能である。

　また、蓄電装置１４は、充電装置１５と接続されている。

　なお、充電装置１５は、外部電源ＥＰＳと接続可能でありされており、外部電源ＥＰＳから得られた電流を交流から直流に変換するとともに蓄電装置１４に充電が可能な電圧に変換することができるので、蓄電装置１４は外部電源ＥＰＳからの充電が可能となる。

　このような構成をとることよって、作業を行わない休止時間に、エネルギーコストの低い商用外部電源により蓄電装置１４の充電を行うことができる。例えば、昼間に作業を行い、夜間は作業を行わない場合は、夜間に外部電源ＥＰＳに接続して充電を行い、充電した電力を昼間の作業で利用することが考えられる。これにより、作業に必要なパワーがエンジン出力を短時間超える場合には、蓄電装置１４からパワー供給することができ、エンジン１は平均的な作業出力に対応したエンジン出力に対応できればよく、小容量のエンジンが利用可能になる。小容量のエンジンは、低価格であり、一般的には効率が高いため、コストを下げることができることも期待される。

　また、制御装置１７は、エンジン１，第１の電力変換器９，第２の電力変換器１０，第３の電力変換器１３，蓄電装置１４および充電装置１５と、通信手段を介して接続されている。

　そして、制御装置１７は、機械負荷演算部１０１，作業時間演算部１０２、及び充放電制御部１０３により構成されている。

　制御装置１７では、前述の通信手段を介して、エンジン１からエンジン出力ＰＥ，第１の電力変換器９からアシスト電動機機械出力ＰＡ，第２の電力変換器１０から旋回電動機機械出力ＰＳ，蓄電装置１４の充電量Ｑ、及び充電装置１５の充電情報ＣＩが入力され、第３の電力変換器１３に、演算した充放電指令ＰＢ＊を出力する。第３の電力変換器１３は、直流バス９１Ｂと蓄電装置１４の間の電力を相互に変換することにより、制御装置１７が出力する充放電指令ＰＢ＊と一致するように、蓄電装置１４の充放電量ＰＢを制御する。よって、蓄電装置１４の放充電を制御することが可能となる。なお、充放電指令ＰＢ＊が正の値である場合は蓄電装置１４は放電であり、一方、負の値である場合は充電するような指令値である。

　以下、制御装置１７を構成する、機械負荷演算部１０１，作業時間演算部１０２、及び充放電制御部１０３の各部における充放電指令ＰＢ＊の演算方法を説明する。

　機械負荷演算部１０１では、エンジン出力ＰＥとアシスト電動機機械出力ＰＡとが入力され、式（１）を用いて、油圧ポンプ３と補機負荷１６で使用している負荷に相当する機械負荷ＰＭを演算する。

　　ＰＭ＝ＰＥ＋ＰＡ　　　　　…（１）

　また、作業時間演算部１０２では、充電装置１５からの充電情報ＣＩと、建設機械が起動されている時間を積算することにより、建設機械の作業時間Ｔを演算する。なお、外部電源ＥＰＳから蓄電装置１４への充電が行われ、蓄電装置１４が満充電状態になると、作業時間Ｔをリセットする。

　さらに、充放電制御部１０３では、旋回電動機機械出力ＰＳ，機械負荷ＰＭ，作業時間Ｔ，及び蓄電装置１４の充電量Ｑとが入力され、第３の電力変換器１３へ充放電指令ＰＢ＊を出力する。

　ここで、充放電制御部１０３における充放電指令ＰＢ＊の演算方法の詳細を、図３を用いて説明する。

　充放電制御部１０３は、充電量目標値演算部３０１，減算器３０２，３１０，第１の充放電目標値演算部３０３，最小値演算器３０４，３１２，第２の充放電目標値演算部３０５，第３の充放電目標値演算部３０６，加算器３０７，３０８，３０９、及び最大値演算器３１１により構成される。

　充電量目標値演算部３０１では、建設機械の作業時間Ｔとあらかじめ設定された想定作業時間Ｔｓに基づいて充電量目標値Ｑ＊を演算する。充電量目標値Ｑ＊は、作業時間Ｔが０の時は蓄電装置１４の最大充電量Ｑmax，作業時間Ｔが作業終了の時には最小充電量Ｑminとなるように設定されており、作業時間Ｔに対して単調減少する特性である。

　本発明では、充電量Ｑを、この充電量目標値Ｑ＊の特性に一致するように制御することにより、蓄電装置１４に充電された電力を計画的に使用することができ、作業中に充電量が不足しアシストが不可能になる不具合や作業重量時に使い切ることができず燃料消費を十分に削減できない不具合を防止できる。ゆえに、蓄電装置を効率的に使用するだけでなく、小型化も可能にするという効果も奏する。

　尚、本実施例では想定作業時間Ｔｓを平均的な作業時間と考えられる８時間としたが、一般的な作業時間を考えると６～１０時間の範囲に設定することが適当である。また、この想定作業時間Ｔｓは、作業者が設定することができる作業時間設定手段３２１を設け、任意の時間が設定可能な構成とすることもできる。作業開始前に想定作業時間Ｔｓを設定した場合には、作業時間に応じて、想定作業時間Ｔｓ経過後に充電量目標値Ｑ＊が最小充電量Ｑminになるように充電量目標値演算部３０１の特性の変更を行う。さらに、作業の途中で想定作業時間Ｔｓに変更があった場合にも、経過時間と残り作業時間に応じて、設定作業時間Ｔｓで充電量目標値Ｑ＊が最小充電量Ｑminになるように充電量目標値演算部３０１の特性の変更を行う。作業者が作業時間を設定したが、作業残り時間を設定することも可能である。また、作業時間設定手段に替えて、時計機能と作業者が作業終了時刻を設定できる作業終了時刻設定手段を設けても、時刻と作業終了時刻から作業時間を演算することにより、同様の機能を実現可能である。この場合も、作業終了時刻を途中で変更可能な構成とすることができる。さらに、昼休み等の作業の中断時間帯も共に入力することで、作業時間算出精度を向上させる機能を持たせることもできる。

　蓄電装置１４の充電量Ｑが、充電量目標値Ｑ＊の特性に一致するように制御するために、まず、加算器３０２において、蓄電装置１４の充電量Ｑから充電量目標値Ｑ＊を減算し、充電量余裕値ΔＱを演算する。

　次に、第１の充放電目標値演算部３０３では、加算器３０２において算出した充電量余裕値ΔＱを入力し、第１の充放電目標値ＰＢ１を演算する。第１の充放電目標値ＰＢ１は、充電量余裕値ΔＱに応じた放電量であり、充電量余裕値ΔＱが０より小さい場合は０、充電量余裕値ΔＱが０以上の場合は、充電量Ｑが充電量目標値Ｑ＊に一致するように放電させるような目標値である。

　さらに、最小値演算部３０４では、算出された第１の充放電目標値ＰＢ１と旋回電動機機械出力ＰＳが入力され、これらの内小さい方の値を第２の充放電目標値ＰＢ２として出力する。すなわち、最小値演算部３０４は、旋回電動機機械出力ＰＳを上限値として制限した値を出力する。

　一方、第２の充放電目標値演算部３０５は、充電量余裕値ΔＱに基づいて第３の充放電目標値ＰＢ３を演算する。第３の充放電目標値ＰＢ３は、充電量余裕値ΔＱが、あらかじめ定められた第１の充電量余裕設定値Ｑａより小さい場合は０、充電量余裕値ΔＱが第１の充電量余裕設定値Ｑａ以上の場合は、充電量Ｑが充電量目標値Ｑ＊より大きい値であるＱ＊＋Ｑａに一致するように放電することができる放電目標値である。

　また、第３の充放電目標値演算部３０６は、充電量余裕値ΔＱに基づいて第４の充放電目標値ＰＢ４を演算する。第４の充放電目標値ＰＢ４は、充電量余裕値ΔＱがあらかじめ定められた第２の充電量余裕設定値－Ｑｃより大きい場合は０、充電量余裕値ΔＱが第２の充電量余裕設定値－Ｑｃ以下の場合は、充電量Ｑが充電量目標値Ｑ＊より小さい値であるＱ＊－Ｑｃに一致するように充電することができる充電目標値である。

　以上のように、第３の充放電目標値ＰＢ３と第４の充放電目標値ＰＢ４を演算した後、これらの目標値の加算値が、加算器３０７において算出される。

　このように算出された加算値は、さらに加算器３０８に入力され、第２の充放電目標値ＰＢ２との加算値が算出され、第５の充放電目標値ＰＢ５として算出される。

　一方、加算器３０９では、機械負荷ＰＭおよび旋回電動機機械出力ＰＳが入力され、加算値が算出され、駆動システム全体で必要なパワーである総出力Ｐloadが出力される。

　また、減算器３１０では、加算器３０９で算出された総出力Ｐloadからエンジンの最大出力ＰＥmaxを減算した、エンジン出力不足量ΔＰが演算される。すなわち、エンジン出力不足量ΔＰが正の値の場合は、エンジンの最大出力ＰＥmaxが総出力Ｐloadに対して不足する状態であり、負の値の場合は余裕があることを示している。

　このように演算されたエンジン出力不足量ΔＰおよび第５の充放電目標値ＰＢ５は、最大値演算器３１１に入力され、いずれか大きい方の値が出力される。すなわち、エンジン出力不足量ΔＰを下限値として制限された値が出力される。

　同様に、最小値演算器３１２では、最大値演算器３１１から出力された値および総出力Ｐloadが入力され、いずれか小さい方の値を放充電量ＰＢとして出力する。すなわち、総出力Ｐloadを上限値として制限された値が出力され、この値を充放電指令ＰＢ＊として出力する。

　つまり、第５の充放電目標値ＰＢ５は、最大値演算器３１１および最小値演算器３１２を介して、エンジン出力不足量ΔＰを下限値とし、総出力Ｐloadを上限値とした充放電指令ＰＢ＊を出力し、第３の電力変換器１３に入力される。

　第３の電力変換器１３は、蓄電装置１４と接続されているため、入力された充放電指令に基づいて第３の電力変換器を介して蓄電装置１４の充放電を行うことができる。

　ここで、第５の充放電目標値ＰＢ５に対して充放電指令ＰＢ＊を制限する理由を、図９を用いて、説明する。

　図９は、総出力Ｐloadと充放電量ＰＢに対するシステムの状態を示したものである。領
域Ａは充放電量ＰＢが過剰で、エンジン出力ＰＥを０にしてもパワーが過剰となる領域である。領域Ｂは、充放電量ＰＢが不足し、エンジン出力ＰＥをエンジンの最大出力ＰＥmaxにしても総出力Ｐloadをまかなえない領域である。領域Ｃは、充放電量ＰＢが不足しエンジン出力ＰＥを０にしてもパワーが過剰となる領域である。領域Ｄは充放電量ＰＢが過剰で、エンジン出力ＰＥをエンジンの最大出力ＰＥmaxにしても総出力Ｐloadと充電量をまかなえない領域である。よって、充放電量ＰＢを領域Ａ～Ｄに入らないようにする必要が有るため、充放電指令ＰＢ＊を前述のように制限している。

　次に、以上のような充放電指令を受けた際に、駆動システムにおいて、各部への供給電力量の流れ（パワーフロー）について説明する。

　式（１）からも明らかなように、エンジン出力ＰＥは、アシスト電動機機械出力ＰＡ及び機械負荷ＰＭとバランスしている。ここで、操作者が操作レバーを操作することにより機械負荷ＰＭが増加した場合には、一時的にエンジン１の回転速度が低下するが、式（１）を満たすように、エンジン１の回転数制御により機械負荷ＰＭの増加量とエンジン出力ＰＥの増加量がバランスするまで、エンジン出力ＰＥが増加する。よって、過渡的な短時間を除けば、エンジン出力ＰＥは式（２）を満たす。すなわち、操作者が操作レバーを操作することにより機械負荷ＰＭが増減した場合でも、それに応じたエンジン出力ＰＥが出力される。アシスト電動機機械出力ＰＡが増減した場合も同様である。

　　ＰＥ＝ＰＭ－ＰＡ　　　　　…（２）

　また、第１の電力変換器９は、第１の電力変換器９と第２の電力変換器１０の間の直流バス９１Ａの電圧制御を行うので、アシスト電動機機械出力ＰＡが旋回電動機機械出力ＰＳおよび充放電量ＰＢとバランスするような制御を行う。

　例えば、旋回電動機機械出力ＰＳが増加した場合、一時的に直流バス９１Ａの電圧が減少すると、第１の電力変換器９の電圧制御により、アシスト電動機機械出力ＰＡが減少する。すなわち、力行中であればアシスト量が低減し直流バスから機械系へのパワーが減少し、回生中であれば発電量が増加し機械系からのパワーが増加する。よって、過渡的な短時間を除けば、アシスト電動機機械出力ＰＡは式（３）となる。すなわち、旋回動作により旋回電動機機械出力ＰＳが増減した場合でも、それに応じてアシスト電動機機械出力ＰＡが調整される。さらに、前述したようにＰＡの増減に応じて式（２）でエンジン出力ＰＥがきまるため、旋回動作に応じてエンジン出力ＰＥが出力されることになる。蓄電装置１４から第３の電力変換器１３を介して充放電が行われてＰＢが増減した場合も同様であり、放電した場合は放電量に相当する分エンジン出力ＰＥが減少し、充電した場合は充電量に相当する分エンジン出力ＰＥが増加する。

　　ＰＡ＝ＰＢ－ＰＳ　　　　　…（３）

　次に図６に示す動作の具体例を用いて、充放電制御部１０３の動作を説明する。

　図６は、上から充電量目標値Ｑ＊と充電量Ｑ，機械負荷ＰＭ，旋回電動機機械出力ＰＳ、及び充放電量ＰＢのそれぞれの時間との関係を示したタイムチャートである。

　ここで、充電量Ｑ及び作業時間Ｔの初期値は、それぞれ最大充電量Ｑmax及び０とし、操作者が操作レバーを操作することにより、図に示すように機械負荷ＰＭ及び旋回電動機機械出力ＰＳが出力される。

　まず、時刻ｔ０、すなわち作業時間Ｔ＝０では、充電量目標値演算部３０１にて算出される充電量目標値Ｑ＊は最大充電量Ｑmaxと一致するため、充電量目標値Ｑ＊と充電量Ｑの差である充電量余裕値ΔＱは０である。

　よって、図３で説明したように、第１の充放電目標値ＰＢ１，第３の充放電目標値ＰＢ３，及び第４の充放電目標値ＰＢ４は０である。

　また、旋回電動機機械出力ＰＳが０であるため、第２の充放電目標値ＰＢ２は０であり、第５の充放電目標値ＰＢ５も０である。

　しかし、機械負荷ＰＭがエンジンの最大出力ＰＥmaxを超えており、すなわち総出力Ｐloadがエンジンの最大出力ＰＥmaxを超えることになるため、充放電指令ＰＢ＊の下限値であるエンジン出力不足量ΔＰは正の値になる。このため、充放電指令ＰＢ＊はエンジン出力不足量ΔＰになる。これにより、蓄電装置１４が放電を行い、機械負荷ＰＭに対しエンジンの最大出力ＰＥmaxが不足している分を補うことができる。

　また、時間経過と共に充電量目標値Ｑ＊が減少するが、充電量目標値Ｑ＊に対して放電による蓄電装置１４の充電量Ｑの減少の方が急激であるため、充電量余裕値ΔＱは負の値となり、第５の充放電目標値ＰＢ５は０もしくは負の値になる。このため、充放電指令ＰＢ＊はエンジン出力不足量ΔＰとなる。

　次に、時刻ｔ１においては、機械負荷ＰＭが減少し、旋回電動機１１が停止状態から加速を始め、これにより旋回電動機機械出力ＰＳが徐々に増加を始めるとする。このとき、充電量ＱはＱ＊－Ｑｃより小さいため、充電量余裕値ΔＱは－Ｑｃよりも小さくなり、第４の充放電目標値ＰＢ４及び第５の充放電目標値ＰＢ５は充電量余裕値ΔＱがＱ＊－Ｑｃになるように負の値（充電）となる。一方、エンジン出力不足量ΔＰは、機械負荷ＰＭが減少し総出力Ｐloadがエンジンの最大出力ＰＥmaxより小さくなるため負の値となり、充放電指令ＰＢ＊は第５の充放電目標値ＰＢ５をそのまま出力する。これにより、少なくなりすぎた充電量ＱがＱ＊－Ｑｃに一致するよう、蓄電装置１４は充電される。このように、充電量ＱがＱ＊－Ｑｃより小さく、充電量目標値Ｑ＊に対して大きく不足している場合は、蓄電装置１４が充電され、充電量目標値Ｑ＊の近傍であるＱ＊－Ｑｃに一致するように充電量Ｑが制御される。

　時刻ｔ２において、旋回電動機１１が減速に切り替わり、旋回電動機機械出力ＰＳが負の値（回生）に切り替わり、その後速度が減少を始める。このとき、第２の充放電目標値ＰＢ２は旋回電動機機械出力ＰＳで制限され、負の値（充電）である旋回電動機機械出力ＰＳとなり、充放電指令ＰＢ＊も旋回電動機機械出力ＰＳになる。また、充電量ＱがＱ＊－Ｑｃを超えて第４の充放電目標値ＰＢ４が０になっても第２の充放電目標値ＰＢ２により充電が継続する。これにより、旋回電動機１１が回生した電力を蓄電装置１４に充電することができる。

　時刻ｔ３において、機械負荷ＰＭがエンジンの最大出力ＰＥmaxを超えない範囲で増加し、旋回電動機１１が停止して旋回電動機機械出力ＰＳが０になる。充電量ＱはＱ＊－ＱｃとＱ＊の間にあり、充電量余裕値ΔＱが－Ｑｃと０の間にあるため、第１の充放電目標値ＰＢ１、第３の充放電目標値ＰＢ３、及び第４の充放電目標値ＰＢ４は０である。また、旋回電動機機械出力ＰＳが０であるため、第２の充放電目標値ＰＢ２は０である。よって、第５の充放電目標値ＰＢ５は０である。さらに、機械負荷ＰＭ及び総出力Ｐloadがエンジンの最大出力ＰＥmaxを超えていないため、充放電指令ＰＢ＊は制限されることなく０となり、充電量Ｑは一定となる。

　時刻ｔ４において、時刻ｔ１と同様に機械負荷ＰＭが減少し、旋回電動機機械出力ＰＳが増加する。さらに、充電量Ｑが充電量目標値Ｑ＊以上になると、充電量余裕値ΔＱが０以上となり、第１の充放電目標値ＰＢ１が正の値（放電）となり、旋回電動機機械出力ＰＳを上限として、充放電指令ＰＢ＊が正の値（放電）となり、充電量Ｑが充電量目標値Ｑ＊に一致するように蓄電装置１４から放電される。

　時刻ｔ５において、時刻ｔ２と同様、旋回電動機機械出力ＰＳが負の値（回生）に切り替わると、時刻ｔ２と同様、充放電指令ＰＢ＊は負の値（充電）となり、旋回電動機１１が回生した電力を蓄電装置１４に充電する動作を行う。

　時刻ｔ６において、時刻ｔ３と同様、機械負荷ＰＭがエンジンの最大出力ＰＥmaxを超えない範囲で増加し、旋回電動機機械出力ＰＳが０になる。このとき、旋回電動機機械出力ＰＳが０のため第２の充放電目標値ＰＢ２は０であるが、充電量ＱはＱ＊＋Ｑａ以上であるため、充電量余裕値ΔＱがＱａ以上となり、ＰＢ３が正の値（放電）となる。これにより、充放電指令ＰＢ＊が正の値（放電）となり、充電量ＱがＱ＊＋Ｑａに一致するよう蓄電装置１４から放電される。

　時刻ｔ７において、時刻ｔ１と同様に機械負荷ＰＭが減少し、旋回電動機機械出力ＰＳが増加する。充電量ＱがＱ＊＋Ｑａ以上であるため、充電量余裕値ΔＱがＱａ以上となり、第３の充放電目標値ＰＢ３が正の値（放電）となると共に、第１の充放電目標値ＰＢ１も正の値（放電）であるため、旋回電動機機械出力ＰＳで制限された第２の充放電目標値ＰＢ２も正の値（放電）である。これにより、充放電指令ＰＢ＊は旋回電動機機械出力ＰＳより大きい正の値（放電）となり、旋回電動機１１で使われる電力以上に蓄電装置１４から放電される。旋回電動機機械出力ＰＳを超える放電電力により、第１の電力変換器９を経てアシスト電動機２がエンジン１をアシストする。

　放電に伴い充電量ＱがＱ＋Ｑａより小さくなると第３の充放電目標値ＰＢ３が０になり、充放電指令ＰＢ＊は旋回電動機機械出力ＰＳに一致し、旋回電動機１１で使われる電力分が蓄電装置１４から放電される。その後、旋回電動機機械出力ＰＳの増加により、旋回電動機機械出力ＰＳが第１の充放電目標値ＰＢ１を超えると、充放電指令ＰＢ＊として第１の充放電目標値ＰＢ１が出力され、充電量Ｑが充電量目標値Ｑ＊に一致するように蓄電装置１４から放電される。

　時刻ｔ８において、時刻ｔ５と同様、旋回電動機機械出力ＰＳが負の値（回生）に切り替わると、時刻ｔ５と同様、充放電指令ＰＢ＊は負の値（充電）となり、旋回電動機１１が回生した電力を蓄電装置１４に充電する動作を行う。

　充電に伴い充電量ＱがＱ＊＋Ｑａ以上になると第３の充放電目標値ＰＢ３が正の値になり、充放電指令ＰＢ＊は旋回電動機機械出力ＰＳより大きくなる。これにより、旋回電動機１１で回生される電力の一部が蓄電装置１４に充電されなくなり、充電されない電力が第１の電力変換器９を経てアシスト電動機２に供給されエンジン１をアシストする。

　時刻ｔ９以降は、時刻ｔ６以降の動作と同様であるため説明を省略する。

　以上説明した動作をまとめると以下の様になる。

　総出力Ｐloadがエンジンの最大出力ＰＥmaxを超える場合には、時刻ｔ０～ｔ１の動作で説明したように、不足するパワーを蓄電装置１４の放電により賄う。

　一方、旋回電動機機械出力ＰＳが負の値であり、旋回電動機１１から電力が回生する場合は、時刻ｔ２～ｔ３の動作で説明したように、基本的に回生電力を蓄電装置１４に充電する。

　また、充電量Ｑに対する動作は以下の様になる。充電量ＱがＱ＊－Ｑｃ以下の場合には、充電量目標値Ｑ＊に対し充電量が大きく不足している状態であり、総出力Ｐloadがエンジンの最大出力ＰＥmaxを超える作業に必要な電力を確保するために充電動作を行う必要が有る。よって、時刻ｔ１～ｔ２の動作で説明したように、充電量ＱがＱ＊－Ｑｃに一致するように制御を行う。充電量ＱがＱ＊－Ｑｃ～Ｑ＊の範囲にある場合、前述したエンジン出力不足量が正の場合や、回生電力が生じる場合を除いて、時刻ｔ３～ｔ４の動作で説明したように、充放電は行わず、時間経過と共に充電量目標値Ｑ＊が減少するのを待つ。充電量ＱがＱ＊～Ｑ＊＋Ｑａの範囲にある場合、蓄電装置１４の放電によりエンジン１の燃料使用量の削減効果が大きいときには放電を行うことが望ましい。

　ここで、蓄電装置１４の放電によりエンジン１の出力を減少させる効果について、図４及び図５を用いて説明する。

　図４は、旋回電動機機械出力ＰＳに対して充放電指令ＰＢ＊が大きい時を示し、この時、アシスト電動機２は力行動作を行うとともに、蓄電装置１４の放電電力による不足分エネルギーのアシストを行っている。

　一方、図５は、旋回電動機機械出力ＰＳに対して充放電指令ＰＢ＊が小さい時を示し、この時、アシスト電動機２は回生動作を行う。

　図４に示すように、油圧ポンプ３を駆動する際には、以下のようなパワーフローが存在する。ひとつは、蓄電装置１４からの放電電力を、第３の電力変換器１３，第１の電力変換器９、及びアシスト電動機２を経て油圧ポンプ３を駆動するものである。もう一つは、エンジン１がアシスト電動機２を介して直接油圧ポンプ３を駆動するものである。ここで機器効率を考慮すると、蓄電装置１４の放電電力によって油圧ポンプ３を駆動した場合は介在する機器の数が多く、電力或いは動力の変換ロスが増えるため、その分エンジンの出力を増やさなければならなくなり、エンジンの燃料使用量の削減効果は小さくなる。

　一方、図５に示すパワーフローの場合、蓄電装置１４が、第３の電力変換器１３及び第２の電力変換器１０を経て旋回電動機１１に電力を供給する場合と、エンジン１が、アシスト電動機２，第１の電力変換器９，第２の電力変換器１０を経て旋回電動機１１に電力を供給するものがある。ここで機器効率を考慮すると、蓄電装置１４の放電電力によって旋回電動機１１に電力を供給した場合は、介在する機器の数が少なく、電力或いは動力の変換ロスも少ないため、その分エンジンの出力を増やさなくてもすみ、エンジンの燃料使用量の削減効果が大きい。

　よって、図５に示すパワーフローになるよう、すなわち旋回電動機機械出力ＰＳに対して充放電指令ＰＢ＊が小さくなるように蓄電装置１４を放電させる方が、エンジン燃料使用量の削減効果が大きい。よって、時刻ｔ７～ｔ８の動作等で説明したように、旋回電動機機械出力ＰＳ以下になるよう充放電指令ＰＢ＊を操作することにより、放電量に対するエンジン１の燃料使用量の削減効果が大きくすることが可能である。

　充電量ＱがＱ＊＋Ｑａ以上の場合、充電量目標値Ｑ＊に対し充電量が過剰な状態であり、作業終了時に蓄電装置１４の充電量が残り、エンジン１の燃料消費を十分に削減することができない。このため、図４に示すパワーフロー、すなわち旋回電動機機械出力ＰＳに対して充放電指令ＰＢ＊が大きい場合であっても、蓄電装置１４を放電させて燃料使用量の削減を図る必要が有る。よって、時刻ｔ６～ｔ７の動作で説明したように、充電量ＱがＱ＊＋Ｑａに一致するように制御を行う。

　以上説明した実施例では、充電量目標値演算部３０１に設定される想定作業時間Ｔｓは８時間であるが、操作ボタン等の操作者が操作できる設定変更手段を設け、想定作業時間の設定値Ｔｓを変更することも可能である。設定変更手段は、操作者が操作できるようにキャブ２０６内に設けられていることが望ましく、操作者によって入力された想定作業時間は、通信手段を介して制御装置１７、好ましくは放充電制御部１０３の充電目標値演算部３０１に入力される。よって、想定作業時間が変更になった場合でも、変更後の想定作業時間で蓄電装置を計画的に使用することが可能となり、作業時間が短い場合において充電量を有効利用できない不具合や、作業時間が長い場合にアシストに必要な充電量が確保されていない不具合を防止することができる。

　また、外部電源により蓄電装置を充電することができない環境においては、操作者が充電の有無を指定することのできるボタン操作等の設定変更手段３４１を設け、充電量目標値Ｑ＊を一定にすることにより、蓄電装置の充電量を減少させることなく運転を行うことも可能である。充電の有無を指定する設定変更手段３４１は、操作者が操作できるようにキャブ２０６内に設けられていることが望ましく、操作者によって入力された充電の有無の情報は、通信手段を介して制御装置１７に入力される。この場合でも、エンジン出力が不足する場合のアシストのために放電を行うことや、旋回電動機１１の回生電力を蓄電装置に充電し再利用することが可能であり、燃料消費量の削減が可能である。さらに、操作者が指定する設定手段がなくても、休止時間があらかじめ設定された時間より長く、かつ外部電源からの充電が行われなかった場合には、外部電源により蓄電装置を行うことができない環境と判断することも可能である。このとき、同様に充電量目標値Ｑ＊を一定に切り替えることにより、蓄電装置の充電量を減少させることなく運転を行うことも可能である。

　また、実施例では直流バスから蓄電装置に電力が供給される電動機器として、旋回電動機のみで説明を行ってきたが、他の電気的負荷に適用してもよい。この場合は、旋回電動機機械出力ＰＳに電気的負荷の電力を加算することにより、同様の制御を行うことができる。

　図７及び図８を用いて本発明の第２の実施例を説明する。尚、以下の説明では、第１の実施例と同様に、説明をわかりやすくするため機器効率を考慮していない。また、第１の実施例と同様の構成については、同一の符号を付け、説明を省略する。

　図７に建設機械の駆動システムの全体構成を示す。

　本実施例における駆動システムは、図１に示す駆動システムに対し、第４の電力変換器
７０１が追加され、制御装置１７に替えて制御装置７１７を備える。

　第４の電力変換器７０１，第１の電力変換器９、及び第２の電力変換器１０は、直流側回路である直流バス９１Ａ，９１Ｂを介して接続されており、外部電源ＥＰＳからの電力の電圧を変換するものである。ここで、外部電源ＥＰＳから供給される電力は、第４の電力変換器７０１を介して、常時給電指令ＰＣ＊に基づき、直流バス９１Ａ，９１Ｂを介して各部に電力を供給する。なお供給電力は、エンジン１の最大出力ＰＥmaxより小さい容量である。

　制御装置７１７は、図１の制御装置１７に対し、充放電制御部１０３に替えて充放電制御部７０３を備える。充放電制御部７０３は、旋回電動機機械出力ＰＳ，機械負荷ＰＭ，作業時間Ｔ、及び蓄電装置１４から充電量Ｑを入力し、第３の電力変換器１３に充放電指令ＰＢ＊を、及び第４の電力変換器７０１に常時給電指令ＰＣ＊を出力する。

　ここで、図８を用いて充放電制御部７０３の詳細を説明する。充放電制御部７０３は、図３に示す充放電制御部１０３に対して、加減算器８０１，最小値演算器８０２，減算器８０３が追加されている。加減算器８０１では、機械負荷ＰＭと旋回電動機機械出力ＰＳとの加算値から第４の充放電目標値ＰＢ４を減算した値を算出する。最小値演算器８０２は加減算器８０１で算出出力された値と、第４の電力変換器７０１の最大常時給電量ＰＣmaxの内、小さい方を常時給電指令ＰＣ＊として出力する。

　これにより、システムが要求する出力が最大常時給電量ＰＣmaxより小さい場合は、システムが要求する出力分を外部電源から供給し、また、大きい場合は常時給電指令ＰＣ＊を外部電源から供給することが可能となるため、第４の電力変換器７０１の能力範囲で電力を極力供給するため、エンジン１の燃料消費量を最大限低減できる。

　また、減算器８０３は、旋回電動機機械出力ＰＳから常時給電指令ＰＣ＊を減算し、充放電制御部１０３の旋回電動機機械出力ＰＳに替えて使用する補正後旋回電動機機械出力ＰＳ′を出力する。これは、第４の電力変換器７０１の供給電力は、直流バスの負荷で考えた場合、旋回電動機機械出力ＰＳが供給電力分減少したのと等価であるため、減算器８０３により、第４の電力変換器７０１の供給電力を考慮することが必要であるからである。

　第２の実施例の建設機械の駆動システムは、旋回電動機１１が力行している場合は供給電力分だけ旋回電動機１１の消費電力が減少したのと等価であり、回生している場合は供給電力分だけ旋回電動機１１の回生電力が増加したのと等価であるため、第１の実施例と同様の蓄電装置１４の充放電制御が行われ、同様の効果が得られる。

　さらに、システムが要求する出力の範囲で外部電力が供給されることによりエンジンの燃料消費量を削減できる効果も得られる。また、エンジンを搭載しているため、第４の電力変換器７０１として小容量な電力変換器を使用できると共に、外部給電していない場合にも動作可能である。

１　エンジン
２　アシスト電動機
３　油圧ポンプ
４　コントロールバルブ
５　バケットシリンダ
６　アームシリンダ
７　ブームシリンダ
８　走行用油圧モータ
９　第１の電力変換器
１０　第２の電力変換器
１１　旋回電動機
１２　旋回機構
１３　第３の電力変換器
１４　蓄電装置
１５　充電装置
１７，７１７　制御装置
１８　油圧ショベル
１９　油圧作業装置
９１Ａ，９１Ｂ　直流バス（直流側回路）
１０１　機械負荷演算部
１０２　作業時間演算部
１０３　充放電制御部
２０１　走行体
２０２　旋回体
２０３　ブーム
２０４　アーム
２０５　バケット
２０６　キャブ
３０１　充電量目標値演算部
３０３　第１の充放電目標値演算部
３０５　第２の充放電目標値演算部
３０６　第３の充放電目標値演算部
３２１　作業時間設定手段
３４１　設定変更手段（モードの設定手段）
７０１　第４の電力変換器
ＣＩ　充電情報
ＥＰＳ　外部電源
ＰＡ　アシスト電動機機械出力
ＰＢ　充放電量
ＰＢ＊　充放電指令
ＰＢ１～ＰＢ５　第１～５の充放電目標値
ＰＣmax　最大常時給電量
ＰＣ＊　常時給電指令
ＰＥ　エンジン出力
ＰＥmax　エンジンの最大出力
Ｐload　総出力
ＰＭ　機械負荷
ＰＳ　旋回電動機機械出力
ＰＳ′　補正後旋回電動機機械出力
Ｑ　充電量
Ｑ＊　充電量目標値
ΔＱ　充電量余裕値
Ｔ　作業時間
Ｔｓ　想定作業時間（設定値）

Claims (10)

1. 　エンジン（１）と、前記エンジン（１）と同軸上に機械的に接続されるアシスト電動機（２）と、前記アシスト電動機（２）および蓄電装置（１４）に接続され、前記アシスト電動機（２）の電圧および前記蓄電装置（１４）の電圧を制御する電力変換器（９，１３）とを備える建設機械において、
   　前記蓄電装置（１４）に接続される充電装置（１５）を有し、前記蓄電装置（１４）は前記充電装置（１５）を介して外部電源（ＥＰＳ）より充電が可能なことを特徴とする建設機械。
2. 　請求項１に記載の建設機械において、前記建設機械の想定作業時間（Ｔｓ）に基づき前記蓄電装置（１４）の充電量目標値（Ｑ＊）を決定し、前記充電量目標値（Ｑ＊）に基づき充放電量を制御する充放電制御手段（１０３）を備えることを特徴とする建設機械。
3. 　　請求項１または請求項２に記載の建設機械において、前記外部電源（ＥＰＳ）から供給される電力を、前記電力変換器（９）の直流側回路（９１Ａ，７９１Ｂ）に供給する外部給電手段（７０１，７１７）を備えることを特徴とする建設機械。
4. 　請求項２に記載の建設機械において、前記充放電制御手段（１０３）は、前記建設機械の作業時間（Ｔ）と予め設定された想定作業時間（Ｔｓ）とに基づいて前記蓄電装置（１４）の充電量目標値（Ｑ＊）を演算する充電量目標値演算部（３０１）と、前記蓄電装置（１４）の充電量（Ｑ）が前記充電量目標値（Ｑ＊）と所定の値（Ｑａ）に基づいて決定される充電量（Ｑ＊＋Ｑａ）よりも大きい場合は、前記蓄電装置（１４）の放電を行い、前記蓄電装置（１４）の充電量（Ｑ）が前記充電量目標値（Ｑ＊）と所定の値（Ｑｃ）に基づいて決定される充電量（Ｑ＊－Ｑｃ）よりも小さい場合は、前記蓄電装置（１４）の充電を行う充放電目標値演算部（３０５，３０６）と、を備えることを特徴とする建設機械。
5. 　請求項２に記載の建設機械において、前記充放電制御手段（１０３）は、前記建設機械の作業時間（Ｔ）と予め設定された想定作業時間（Ｔｓ）とに基づいて前記蓄電装置（１４）の充電量目標値（Ｑ＊）を演算する充電量目標値演算部（３０１）と、前記充電量目標値（Ｑ＊）に基づいて前記蓄電装置（１４）の充放電を行う充放電目標値演算部（３０３，３０４，３０５，３０６）とを備え、
   　前記充放電目標値演算部（３０３，３０４，３０５，３０６）は、前記蓄電装置（１４）の充電量（Ｑ）が前記充電量目標値（Ｑ＊）と所定の値（Ｑａ）に基づいて決定される充電量（Ｑ＊＋Ｑａ）よりも大きい場合は、前記蓄電装置（１４）の放電を行い、前記蓄電装置（１４）の充電量（Ｑ）が前記充電量目標値（Ｑ＊）より大きい場合は、前記建設機械の電動駆動装置の消費電力（ＰＳ）より小さい電力にて前記蓄電装置（１４）の放電を行い、前記蓄電装置（１４）の充電量（Ｑ）が、前記充電量目標値（Ｑ＊）と所定の値（Ｑｃ）に基づいて決定される充電量（Ｑ＊－Ｑｃ）よりも小さい場合は、前記蓄電装置（１４）の充電を行うことを特徴とする建設機械。
6. 　請求項２、請求項４、請求項５のいずれか記載の建設機械において、想定作業時間（Ｔｓ）を設定できる設定手段（３２１）を備えることを特徴とする建設機械。
7. 　請求項２に記載の建設機械において、前記想定作業時間（Ｔｓ）は６乃至１０時間であることを特徴とする建設機械。
8. 　請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の建設機械において、前記外部電源（ＥＰＳ）からの充電の有無を指定するモードの設定手段（３４１）を備え、前記モードに基づき前記蓄電装置（１４）の充放電制御方法を切り替えることを特徴とする建設機械。
9. 　請求項２、請求項４、請求項５のいずれかに記載の建設機械において、前記外部電源（ＥＰＳ）からの充電の有無を指定するモードの設定手段（３４１）を備え、前記モードに基づき前記充電量目標値（Ｑ＊）を切り替えることを特徴とする建設機械。
10. 　請求項８または請求項９に記載の建設機械において、前記建設機械の動作が停止した時間から予め設定した時間が経過し、前記外部電源（ＥＰＳ）から前記蓄電装置（１４）が充電されていない状態で起動した場合は、前記外部電源（ＥＰＳ）からの充電無しのモードに切り替わることを特徴とする建設機械。

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