WO2017199561A1 - 建設機械 - Google Patents

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到 納谷
井村 進也
真史 日田
誠司 石田
竹内 健
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a construction machine such as a hydraulic shovel and a wheel loader.
  • the power storage device needs to be operated within the defined range of use conditions. For this reason, the construction machine which mounts an electrical storage device needs new restrictions and operation.
  • the use conditions such as voltage, current, temperature, state of charge (SOC), etc. are determined for the purpose of securing stability and suppressing performance deterioration. There is. For this reason, it is necessary to operate a construction machine on which the power storage device is mounted so as not to deviate from the use condition of the power storage device.
  • the storage device does not reach irreversible performance deterioration apart from irreversible performance deterioration such as battery damage, for example, it is reversible that it can not temporarily exhibit expected performance.
  • Performance degradation temporary performance degradation
  • the storage device is charged (discharged) with a large current, the battery internal resistance may temporarily increase, and the battery voltage may fluctuate rapidly. It is known that the storage device is temporarily deteriorated in performance due to such a sudden change in battery voltage. At this time, it is not possible to correctly estimate and control the battery state, and as a result, there is a possibility that the performance of the electric device such as the inverter or the electric motor can not be sufficiently exhibited.
  • Patent Document 1 describes a technology related to an electric vehicle. This electric vehicle controls the current discharged from the power storage device to the inverter according to the current squared integrated value obtained by integrating the square values of the discharge current of the power storage device (lithium ion secondary battery).
  • Patent Document 2 describes a technique related to a working machine. The work machine controls the return oil from the hydraulic actuator based on the state of charge (SOC) of the power storage device, and controls the regenerative power of the generator driven by the pump power driven by the return oil.
  • SOC state of charge
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art described above, and provides a construction machine capable of achieving both suppression of temporary performance deterioration of the power storage device and improvement of the operation feeling at the time of usage restriction of the power storage device.
  • the purpose is to
  • the construction machine of the present invention supplies electric power to an electric motor, a hydraulic pump driven by the electric motor, a hydraulic actuator driven by pressure oil supplied from the hydraulic pump, and the electric motor, or It comprises: a power storage device for charging electric power generated by the electric motor; and a controller for controlling at least one of the electric motor, the hydraulic pump, and the power storage device.
  • the feature of the configuration adopted by the present invention is that, in the case where the controller changes the state quantity, which changes as the power storage device repeats discharge and charge, exceeds a predetermined threshold, the hydraulic pump A state recovery unit is provided to perform state recovery of the power storage device by limiting the power of
  • the present invention it is possible to simultaneously suppress the temporary performance deterioration of the power storage device and improve the operation feeling at the time of use restriction of the power storage device.
  • FIG. 2 is a block diagram schematically showing a hydraulic system and an electric system of a hydraulic shovel. It is a block diagram showing the state recovery part by a 1st embodiment.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between a current integrated value ratio and a hydraulic pressure output ratio.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing an example of a relationship between a current integration value ratio and a battery output ratio. It is a block diagram which shows the state recovery part by 2nd Embodiment.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between the temperature ratio and the hydraulic pressure output ratio. It is a characteristic diagram which shows an example of the relationship between a temperature ratio and a battery output ratio.
  • a hydraulic shovel 1 which is a representative example of a construction machine, is configured as a hybrid hydraulic shovel (hybrid construction machine).
  • the hydraulic shovel 1 can be pivoted on the lower traveling body 2 via the crawler bearing lower traveling body 2 capable of self-propelled movement, a swing bearing device 3 provided on the lower traveling body 2, and the swing bearing device 3.
  • a working device 5 provided movably on the front side of the upper revolving body 4.
  • the lower traveling body 2 and the upper revolving superstructure 4 constitute the vehicle body of the hydraulic shovel 1.
  • the hydraulic shovel 1 can use the work device 5 to excavate earth and sand, and the like.
  • the undercarriage 2 includes a track frame 2A, drive wheels 2B provided on the left and right sides of the track frame 2A, and drive wheels 2B on the left and right sides of the track frame 2A in front and rear directions.
  • An idler wheel 2C provided on the opposite side and a crawler belt 2D wound around the drive wheel 2B and the idler wheel 2C (both illustrated only on the left side) are configured.
  • the left and right driving wheels 2B are rotationally driven by left and right traveling hydraulic motors 2E and 2F (see FIG. 2) as hydraulic actuators, respectively, and drive the crawler belt 2D to cause the hydraulic shovel 1 to travel.
  • the working device 5 includes a boom 5A attached to the front side of the turning frame 6 so as to be able to move up and down, an arm 5B rotatably attached to the distal end of the boom 5A, and a pivot on the distal end of the arm 5B. It comprises a bucket 5C as a movably mounted work tool, a boom cylinder 5D for driving these, an arm cylinder 5E, and a bucket cylinder 5F as the work tool cylinder.
  • the boom cylinder 5D, the arm cylinder 5E, the bucket cylinder 5F, the traveling hydraulic motors 2E and 2F, and the later-described turning hydraulic motor 15A (see FIG. 2), which are hydraulic cylinders, serve as hydraulic actuators driven by pressure oil. It is.
  • the upper swing body 4 has a swing frame 6 as a base (frame) forming a support structure of the upper swing body 4, a cab 7 mounted on the swing frame 6, a counterweight 8, an engine 9, A hydraulic pump 10, an assist power generation motor 13, a power storage device 16, an inverter 19 and the like are included.
  • a cab 7 which defines a driver's cab.
  • the cab 7 is provided with a driver's seat on which the operator is seated, and around the driver's seat are provided an operating lever / pedal device for traveling, an operating lever device for operation (all not shown), etc. There is.
  • the control lever / pedal device and the control lever device output a pilot signal (pilot pressure) corresponding to the operation of the control lever and the control pedal by the operator to the control valve 12 described later.
  • a hybrid controller 22 and a main controller 24 which will be described later are disposed below the rear of the driver's seat.
  • a counterweight 8 is provided to balance the weight with the work device 5.
  • the engine 9 is disposed on the front side of the counterweight 8 and on the rear side of the swing frame 6.
  • the engine 9 is an internal combustion engine, and is mounted on the turning frame 6 in a horizontally placed state in which the axis of a crankshaft (not shown) extends in the left and right directions.
  • a hydraulic pump 10 and an assist power generation motor 13 are attached to one side (for example, the right side) in the left and right directions of the engine 9.
  • the engine 9 is constituted of, for example, an electronically controlled engine, and is controlled by the engine control unit ECU 9A.
  • the amount of fuel supplied into the cylinder (combustion chamber) of the engine 9, that is, the injection amount of the fuel injection device (electronic control injection valve) for injecting the fuel into the cylinder is variably controlled by the ECU 9A. Ru.
  • the ECU 9A is connected to a main controller 24 described later. The ECU 9A variably controls the fuel injection amount into the cylinder by the fuel injection device based on the control signal (command signal) from the main controller 24, and controls the rotational speed of the engine 9.
  • the hydraulic pump 10 is mounted on the output side of the engine 9.
  • the hydraulic pump 10 is driven by the engine 9 and the assist power generation motor 13 to drive left and right traveling hydraulic motors 2E and 2F mounted on the hydraulic shovel 1, cylinders 5D, 5E and 5F, a turning hydraulic motor 15A, etc.
  • the pressure oil for operation is supplied (discharged) toward various hydraulic actuators (hereinafter referred to as hydraulic actuators 2E to 15A).
  • the hydraulic pump 10 is, for example, a variable displacement hydraulic pump configured of a variable displacement swash plate hydraulic pump or the like.
  • the hydraulic pump 10 has a regulator (capacity variable unit, tilting actuator) 10A for adjusting the discharge flow rate (pump volume).
  • the regulator 10A is variably controlled by a main controller 24 described later.
  • a hydraulic oil tank 11 is provided in the vicinity of the hydraulic pump 10 (e.g., in the front and rear directions of the vehicle body and on the front side).
  • the hydraulic oil tank 11 stores hydraulic oil supplied to the hydraulic actuators 2E to 15A.
  • the control valve 12 is a control valve device composed of an assembly of a plurality of directional control valves, solenoid valves and the like.
  • the control valve 12 includes a travel control lever / pedal device disposed in the cab 7, a lever operation amount or pedal operation amount of the operation control lever device (hereinafter referred to as a lever operation amount of the operation device), and the main controller 24.
  • the direction of the pressure oil supplied from the hydraulic pump 10 to the various hydraulic actuators 2E to 15A is controlled in accordance with the command from the controller.
  • the hydraulic actuators 2E to 15A are driven by the pressure oil supplied from the hydraulic pump 10.
  • An assist power generation motor 13 as an electric motor is mounted on the output side of the engine 9 together with the hydraulic pump 10.
  • the assist power generation motor 13 is mechanically connected to the engine 9.
  • the assist power generation motor 13 generates electric power by being driven by the engine 9 or assists (assists) the driving of the engine 9 by being supplied with electric power from the power storage device 16. That is, the assist power generation motor 13 has a function as a generator that generates electric power by being driven by the engine 9 and a function as an electric motor that assists the drive of the engine 9 by the power supplied from the storage device 16. There is.
  • the building cover 14 is provided on the swing frame 6 at a front side of the counterweight 8.
  • the building cover 14 covers the engine 9, the hydraulic pump 10, the assist power generation motor 13 and the like.
  • the building cover 14 is provided with an air inlet 14A for drawing outside air as cooling air.
  • the pivoting device 15 is provided at the central portion of the pivoting frame 6.
  • the turning device 15 turns the upper swing body 4 with respect to the lower traveling body 2.
  • the turning device 15 has, for example, a turning hydraulic motor 15A as a hydraulic actuator, a reduction mechanism (not shown) for decelerating the rotation of the turning hydraulic motor 15A, and the rotation decelerated by the reduction mechanism. And an output shaft (not shown) as a pinion for outputting to the inner teeth of the inner ring of
  • the swing hydraulic motor 15 ⁇ / b> A swings and drives the upper swing body 4 with respect to the lower traveling body 2 based on pressure oil supplied from the hydraulic pump 10 via the control valve 12.
  • the power storage device 16 charges and discharges electric power.
  • the power storage device 16 is configured using, for example, a lithium ion secondary battery 16A, and is mounted on the swing frame 6.
  • the power storage device 16 charges generated power generated by the assist power generation motor 13 or discharges (supplys) the charged power to the assist power generation motor 13.
  • the storage device 16 is connected to the inverter 19 via a DC bus 17 which is a DC cable (DC cable).
  • the power storage device 16 includes a lithium ion secondary battery 16A in which battery modules are arranged in series and in parallel, and a control unit (battery controller) 16B for performing state determination and control of the lithium ion secondary battery 16A. It consists of The power storage device 16 includes a current sensor 16C that detects (measures) the charge and discharge current of the lithium ion secondary battery 16A, a voltage sensor 16D that detects the voltage of the lithium ion secondary battery 16A, and a temperature of the power storage device 16 itself. That is, a temperature sensor 16E for detecting the temperature of the lithium ion secondary battery 16A is provided.
  • Each sensor 16C, 16D, 16E is connected to the control unit 16B.
  • the control unit 16B performs necessary calculations based on the current, voltage, and temperature detected by each of the sensors 16C, 16D, and 16E, and performs state determination and control of the lithium ion secondary battery 16A. Further, control unit 16B is connected to a hybrid controller 22 described later via power storage device signal line 18.
  • a capacitor of an electric double layer can also be used as the power storage device 16.
  • a capacitor is used for power storage device 16
  • a chopper is provided between power storage device 16 and inverter 19, and the chopper holds the voltage of DC bus 17 connecting power storage device 16 and inverter 19 constant. can do.
  • the inverter 19 controls the operation of the assist power generation motor 13.
  • the inverter 19 is connected to the assist power generation motor 13 via a motor power line 20 which is a three-phase AC cable (high voltage cable).
  • a motor power line 20 which is a three-phase AC cable (high voltage cable).
  • a plurality of switching elements including a transistor, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), and the like are accommodated.
  • the on (closed) / off (open) of each switching element is controlled by the control unit 19A.
  • the control unit 19A is connected to the hybrid controller 22 via the motor signal line 21.
  • the control unit 19A performs switching control of the inverter 19 based on the command of the hybrid controller 22.
  • a signal line extending from the assist power generation motor 13 is also connected to the inverter 19.
  • the signal line outputs, for example, a detection signal (for example, an assist motor speed signal) from a sensor such as a rotation detection sensor (resolver) provided in the assist power generation motor 13 to the control unit 19A of the inverter 19.
  • inverter 19 converts power generated by assist power generation motor 13 into DC power, and charges DC power to power storage device 16 through DC bus 17.
  • inverter 19 converts DC power discharged from power storage device 16 through DC bus 17 into three-phase AC power, and three-phase AC through motor power line 20. Electric power is supplied to the assist power generation motor 13.
  • the hybrid controller 22 as a controller controls the assist power generation motor 13 and the power storage device 16. Like the control unit 16B of the power storage device 16, the control unit 19A of the inverter 19, the ECU 9A of the engine 9, and the main controller 24 described later, the hybrid controller 22 is configured to include a microcomputer. The hybrid controller 22 is electrically connected to the control units 16B and 19A and the main controller 24, and configures a CAN.
  • the hybrid controller 22 is an upper controller of the control units 16B and 19A, and controls the control units 16B and 19A in an integrated manner. Specifically, hybrid controller 22 controls the operation of assist power generation motor 13 by outputting a control signal to control unit 19A of inverter 19 to control charging or discharging by power storage device 16. Similarly to the hybrid controller 22, the main controller 24 is also configured to include a microcomputer. The main controller 24 is electrically connected to the ECU 9A, the hybrid controller 22, the regulator 10A of the hydraulic pump 10, and a solenoid valve (not shown) constituting the control valve 12.
  • the main controller 24 communicates with the ECU 9A and the hybrid controller 22.
  • the ECU 9A controls various control signals based on the lever operation amount of the operating device, the number of rotations of the engine 9, the storage ratio (SOC) of the power storage device 16, etc. It transmits to the hybrid controller 22.
  • the ECU 9A controls the number of rotations and the like of the engine 9 based on the control signal from the main controller 24.
  • the hybrid controller 22 controls the assist power generation motor 13, the inverter 19, and the power storage device 16 based on the states of the assist power generation motor 13 and the inverter 19 and the lever operation amount of the operation device.
  • the main controller 24 controls the discharge flow rate (power) of the hydraulic pump 10 by outputting a control signal to the regulator 10 A of the hydraulic pump 10.
  • the output (discharge) of power storage device 16 may be controlled according to the state of power storage device 16 (for example, the squared integrated value of discharge current). Conceivable.
  • the output of power storage device 16 when the output of power storage device 16 is limited in order to suppress a sudden change in voltage of power storage device 16, the output of the limited amount can not be covered by the increase of the output of engine 9 There is sex.
  • the prediction of the influence on the power of the hydraulic pump 10 or the control of the hydraulic pump 10 based on this prediction may fail (for example, be delayed).
  • the operability of the hydraulic actuators 2E to 15A may deteriorate, such as the operation of the hydraulic actuators 2E to 15A may suddenly fluctuate, and the operator may feel discomfort.
  • hybrid controller 22 changes the amount of state that power storage device 16 changes as discharge and charge are repeated.
  • the current integration value current integration value ratio determined from the current integration value
  • the hybrid controller 22 includes the state recovery unit 23 that recovers the state of the power storage device 16.
  • the state recovery unit 23 is configured to include a current integrated value calculation unit 23A, a threshold value output unit 23B, a hydraulic pressure output value calculation unit 23C, and a battery output value calculation unit 23D.
  • Current integrated value calculation unit 23A calculates (calculates) the current integrated value of power storage device 16. At the same time, the current integration value calculation unit 23A compares the calculated current integration value with the current integration value threshold (deterioration start value) output from the threshold value output unit 23B, and calculates a current integration value ratio that becomes the ratio. It is
  • the battery charge / discharge current of the storage device 16 that is, the current measurement value detected by the current sensor 16C of the storage device 16 is input to the current integrated value calculation unit 23A.
  • the current integration value calculation unit 23A calculates a current integration value that is an integration value of current values within a predetermined time (unit time) set in advance from the input current measurement value. Properly limit the power of the hydraulic pump 10 (that is, limit the power of the assist power generation motor 13) based on a comparison (ratio) of the current integrated value and a current integrated value threshold described later. In order to be able to do this, it is determined in advance by experiment, calculation, simulation, etc.
  • the current integration value threshold value output from the threshold value output unit 23B is also input to the current integration value calculation unit 23A.
  • the current integrated value threshold can be set as a threshold of the current integrated value at which a temporary increase in internal resistance does not occur. In other words, when the current integrated value threshold exceeds that value, the deterioration start value (deterioration in the voltage) caused by the temporary performance deterioration of the power storage device 16 (rapid variation of the voltage due to the temporary increase of the internal resistance) tends to occur It can be set as the start boundary value, the deterioration start determination value).
  • the current integration value calculation unit 23A calculates a current integration value ratio, which is the ratio, from the current current integration value and the current integration value threshold value.
  • the current integrated value ratio can be expressed by the following equation 1.
  • the current integrated value ratio calculated by the current integrated value calculator 23A is output to the hydraulic pressure output value calculator 23C and the battery output value calculator 23D.
  • the hydraulic pressure output value calculating unit 23C receives the current integrated value ratio calculated by the current integrated value calculating unit 23A and a hydraulic pressure output request value corresponding to the power to be output by the hydraulic pump 10.
  • the hydraulic pressure output request value can be obtained, for example, from the lever input of the operator (the lever operation amount of the operating device). That is, the hydraulic pressure output request value is a value corresponding to the hydraulic power necessary to realize the lever input of the operator.
  • the hydraulic pressure output request value corresponds to the power to be output by the hydraulic pump 10 in order to realize the driving of the hydraulic actuators 2E to 15A according to the lever input of the operator.
  • the hydraulic pressure output request value has a correlation with the operator's lever input, and, for example, as the operator's lever input increases, the hydraulic pressure output request value also increases.
  • the hydraulic pressure output value calculation unit 23C obtains a hydraulic pressure output ratio from the current integrated value ratio based on the relationship (characteristic line 31) shown in FIG. At the same time, the hydraulic pressure output value calculation unit 23C calculates the hydraulic pressure output command value by multiplying the obtained hydraulic pressure output ratio by the hydraulic pressure output request value.
  • FIG. 4 shows the relationship between the current integrated value ratio and the hydraulic pressure output ratio. As shown in FIG. 4, when the current integrated value ratio is L1% or less, the hydraulic pressure output ratio is 100%.
  • the hydraulic pressure output request value becomes the hydraulic pressure output command value as it is. That is, when the current integrated value ratio is L1% or less, the hydraulic pressure output request value is not limited. Therefore, the hydraulic pressure output request value is output as it is from the hybrid controller 22 to the regulator 10A of the hydraulic pump 10 via the main controller 24 as the hydraulic pressure output command value.
  • the power (discharge flow rate) of the hydraulic pump 10 is not limited. That is, the operator can drive the hydraulic actuators 2E to 15A without the power of the hydraulic pump 10 being limited.
  • the hydraulic pressure output ratio becomes smaller than 100%. Therefore, when the current integrated value ratio exceeds L1%, the hydraulic pressure output command value becomes smaller than the hydraulic pressure output request value. That is, when the current integrated value ratio exceeds L1%, the hydraulic pressure output demand value restricted by the hydraulic pressure output demand value is outputted from the hybrid controller 22 via the main controller 24 to the regulator 10A of the hydraulic pump 10 and the hydraulic pump The discharge flow rate of 10 is limited (decreased).
  • the power of the hydraulic pump 10 is limited, and the driving of the hydraulic actuators 2E to 15A is limited as compared to when the hydraulic pressure output ratio is 100%.
  • the surplus power generated due to the limitation of the power of the hydraulic pump 10 can be allocated to the reduction of the power of the assist power generation motor 13.
  • the charge / discharge current of power storage device 16 can be reduced, and state recovery of power storage device 16 can be performed.
  • the hydraulic pressure output ratio linearly decreases from 100% to V1% such that V1% is obtained when the current integrated value ratio is L2%.
  • the power of the hydraulic pump 10 is linearly limited between the current integration value ratio between L1% and L2%.
  • the hydraulic pressure output ratio V1% the hydraulic pressure value at which the operability of the hydraulic shovel 1 can be reduced (minimum hydraulic pressure value capable of ensuring operability) is taken as the operability allowable hydraulic pressure value, and the hydraulic pressure value becomes the upper limit of hydraulic pressure output.
  • (maximum oil pressure value) is set as the oil pressure output upper limit value, it can be expressed by the following equation (2).
  • the operability allowable hydraulic pressure value is obtained in advance as an oil pressure value that can tolerate a decrease in the operability of the hydraulic shovel 1 by experiment, calculation, simulation or the like.
  • the hydraulic pressure output ratio is fixed at V1%. That is, in the embodiment, the hydraulic power output ratio does not fall below V1% when the current integrated value ratio is between 0% and 100%. Therefore, the hydraulic power output ratio becomes V1% or more when the current integrated value ratio is 0% to L1%, L1% to L2% as well as L2% to 100%, and the hydraulic excavator 1 The operability of the
  • battery output value calculation unit 23D performs the output restriction of assist power generation motor 13 in order to protect power storage device 16. That is, the battery output value calculation unit 23D receives the current integrated value ratio calculated by the current integrated value calculation unit 23A and the battery output request value corresponding to the power to be output by the assist power generation motor 13.
  • the battery output requirement value can be obtained from, for example, the lever input of the operator (lever operation amount of the operating device), the power that can be input to and output from the power storage device 16, the rotational speed of the engine 9 (rotational speed), and the like.
  • the power that can be input to and output from the storage device 16 can be calculated according to the state of the storage device 16 at that time, for example, the voltage, internal resistance, temperature, etc. of the lithium ion secondary battery 16A.
  • the battery output value calculator 23D obtains the battery output ratio from the current integration value ratio based on the relationship (characteristic line 32) shown in FIG. At the same time, the battery output value calculation unit 23D calculates a battery output command value by multiplying the obtained battery output ratio by the battery output request value.
  • FIG. 5 shows the relationship between the current integrated value ratio and the battery output ratio. As shown in FIG. 5, when the current integrated value ratio is L2% or less, the battery output ratio is 100%.
  • the battery output request value directly becomes the battery output command value. That is, when the current integrated value ratio is L2% or less, the battery output request value is not limited, and the battery output request value is output from the hybrid controller 22 as it is to the control unit 19A of the inverter 19 as the battery output command value. Be done.
  • the power of the assist power generation motor 13 is not limited, and the assist power generation motor 13 can assist driving of the engine 9 or perform power generation.
  • the hybrid controller 22 outputs the required battery output value more restricted than the required battery output value to the inverter 19.
  • the power of the assist power generation motor 13 is limited, and the assist or power generation by the assist power generation motor 13 is limited.
  • the charge / discharge current of power storage device 16 can be reduced, and state recovery of power storage device 16 can be performed.
  • the current integration value ratio exceeds L2%
  • the battery output ratio linearly decreases from 100% so that the current integration value ratio becomes 0% at 100%.
  • the power of the assist power generation motor 13 is linearly limited between a current integration value ratio of L2% to 100%.
  • the hybrid controller 22 stops the discharge and charge of the power storage device 16.
  • the state recovery unit 23 exceeds the current integrated value of the power storage device 16, more specifically, the current integrated value ratio exceeds L1% which is a predetermined threshold (first threshold). If so, the power of the hydraulic pump 10 is limited. Thereby, the state recovery unit 23 recovers the state of the power storage device 16 (hydraulic pump power limiting element).
  • the state recovery unit 23 also limits the power of the assist power generation motor 13 when the current integrated value ratio does not decrease. That is, even if the state recovery unit 23 limits the power of the hydraulic pump 10, for example, when the current integrated value ratio further increases and exceeds L2% which is a predetermined threshold (second threshold) (L2% And the power of the assist power generation motor 13 is also limited. In this case, state recovery unit 23 performs state recovery of power storage device 16 by limiting the power of assist power generation motor 13 in addition to limiting the power of hydraulic pump 10 (electric motor power limiting element).
  • state recovery unit 23 stops the discharge and charge of power storage device 16 when the current integrated value ratio does not decrease even if the power of hydraulic pump 10 is limited and the power of assist power generation motor 13 is limited. . That is, even if the state recovery unit 23 limits the power of the hydraulic pump 10 and the power of the assist power generation motor 13, for example, the current integrated value ratio further increases from L2%, and the predetermined threshold (third threshold) If it is 100% or more (if it is not less than 100%), the discharge and charge of the power storage device 16 are stopped. Thereby, the state recovery unit 23 recovers the state of the power storage device 16 (electric motor stop element).
  • the state recovery unit 23 has a hydraulic pump power restriction element, an electric motor power restriction element, and an electric motor stop element. Therefore, both suppression of temporary performance deterioration of the power storage device 16 (rapid fluctuation of voltage due to temporary increase of internal resistance) and improvement of operation feeling at the time of use restriction of the power storage device 16 can be compatible. it can.
  • the integrated current value ratio L1, L2 and the hydraulic pressure output ratio V1 are provided by the hydraulic pump 10, the hydraulic cylinders 5D, 5E, 5F, the hydraulic motors 2E, 2F, 15A, the storage device 16, the assist power generation motor 13, the engine 9, etc.
  • Various values can be taken depending on the specifications of the device and differences in control specifications.
  • how to limit the output of the hydraulic pressure output value calculation unit 23C (the relationship between the current integrated value ratio and the hydraulic pressure output ratio in FIG. 4), and how to limit the output of the battery output value calculation unit 23D (with the current integrated value ratio in FIG.
  • various methods can be taken depending on the specification of the mounted device, the difference in control specification, etc.
  • the current integrated value ratio L1, L2, the hydraulic pressure output ratio V1 the relationship between the current integrated value ratio and the hydraulic pressure output ratio (characteristic line 31), the relationship between the current integrated value ratio and the battery output ratio (characteristic line 32) Is able to achieve both suppression of temporary performance deterioration of power storage device 16 and suppression of deterioration of operability of hydraulic actuators 2E to 15A (improvement of operation feeling at the time of use restriction of power storage device 16). It can be set according to the model of the hydraulic shovel 1 or the like.
  • the hybrid hydraulic shovel 1 according to the present embodiment has the above-described configuration, and the operation thereof will be described next.
  • the hydraulic pump 10 and the assist power generation motor 13 are driven by the engine 9.
  • the pressure oil discharged from the hydraulic pump 10 is driven by the left and right traveling hydraulic motors 2E and 2F, the swing hydraulic motor 15A, and the boom of the working device 5 according to the lever operation of the operating device provided in the cab 7. It discharges toward cylinder 5D, arm cylinder 5E, and bucket cylinder 5F.
  • the hydraulic shovel 1 can perform traveling operation by the lower traveling body 2, turning operation of the upper swing body 4, excavating work by the work device 5, and the like.
  • the assist power generation motor 13 when the output torque of the engine 9 is larger than the driving torque of the hydraulic pump 10 at the time of operation of the hydraulic shovel 1, the assist power generation motor 13 is driven as a generator by the surplus torque. Thereby, assist power generation motor 13 generates AC power, which is converted into DC power by inverter 19 and stored in power storage device 16. On the other hand, when the output torque of the engine 9 is smaller than the drive torque of the hydraulic pump 10, the assist power generation motor 13 is driven as a motor by the power from the power storage device 16 to assist the drive of the engine 9.
  • the state recovery unit 23 of the hybrid controller 22 operates the power of the hydraulic pump 10 when the state quantities (current integrated value, current integrated value ratio) of the power storage device 16 exceed a predetermined threshold.
  • the state quantity (current integration value ratio: 100%) where temporary performance deterioration of the power storage device 16 (rapid fluctuation of voltage due to temporary increase in internal resistance) tends to occur is calculated as the deterioration start value ( It is assumed that the deterioration start boundary value, the deterioration start judgment value).
  • the first threshold serving as the predetermined threshold that is, the power limit start value for starting the power limit of the hydraulic pump 10 is, for example, a value smaller than the deterioration start value (current integration value ratio: L1%) It can be set.
  • state recovery unit 23 reduces the load on power storage device 16 and can perform state recovery of power storage device 16. That is, by limiting the power of the hydraulic pump 10, the charge / discharge current of the power storage device 16 can be reduced. Therefore, it is possible to suppress an increase in the state amount (current integrated value, current integrated value ratio) of power storage device 16 and to suppress the state amount from approaching the deterioration start value (current integrated value ratio: 100%). it can. Thus, it is possible to suppress temporary performance deterioration of the power storage device 16 (a sudden change in voltage due to a temporary increase in internal resistance).
  • the limitation of the power of the hydraulic pump 10 can be set within a range (100% ⁇ hydraulic output ratio ⁇ V1%) where the decrease in the operability of the hydraulic actuators 2E to 15A can be tolerated. Therefore, by limiting the power of the hydraulic pump 10, the operability of the hydraulic actuators 2E to 15A is reduced when the state of the power storage device 16 is being recovered, which means that the hydraulic actuators 2E to 15A Abrupt movement can be suppressed. As a result, it is possible to simultaneously suppress the temporary performance deterioration of power storage device 16 and improve the operation feeling when the use of power storage device 16 is restricted.
  • the state quantities (current integrated value, current integrated value ratio) of the power storage device 16 have predetermined threshold values (current integrated value ratio: The state recovery unit 23 operates as an electric motor when it does not fall below L1%) and further exceeds a second threshold which is a predetermined threshold, that is, the electric motor power restriction start value (current integrated value ratio: L2%).
  • the power of the assist power generation motor 13 is limited. That is, in this case, the state recovery unit 23 performs state recovery of the power storage device 16 by limiting the power of the assist power generation motor 13 as an electric motor, in addition to limiting the power of the hydraulic pump 10. Therefore, the load on power storage device 16 can be further reduced by limiting the power of both hydraulic pump 10 and assist power generation motor 13. Thus, the amount of state of power storage device 16 can be reduced, and performance degradation of power storage device 16 can be suppressed.
  • the state recovery unit 23 limits the power of the hydraulic pump 10, and limits the power of the storage device 16 even if the power of the assist power generation motor 13 as the electric motor is limited.
  • the state recovery unit 23 stops the discharge and charge of the power storage device 16.
  • the state recovery unit 23 recovers the state of the power storage device 16. Therefore, the amount of state of power storage device 16 can be directly reduced, and performance degradation of power storage device 16 can be suppressed.
  • the amount of state of power storage device 16 is a current integration value (current integration value ratio) based on discharge and charge of power storage device 16. Therefore, a predetermined threshold (the first threshold: L1%, the second threshold: L2%, the third threshold: 100%) for limiting the power of the hydraulic pump 10 is the current integration value (current integration value ratio). It can be set as Here, the increase of the current integrated value (current integrated value ratio) has a correlation with the increase of the charge / discharge current of the power storage device 16. Therefore, the power of the hydraulic pump 10 can be limited at an appropriate timing based on the current integrated value.
  • FIGS. 6 to 8 show a second embodiment of the present invention.
  • the feature of the second embodiment is that the state quantity that changes as the power storage device repeats discharge and charge is the temperature of the power storage device itself.
  • the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the state recovery unit 41 is used in the second embodiment in place of the state recovery unit 23 of the first embodiment.
  • State recovery unit 41 has a predetermined threshold value (M1%) in which the amount of state that changes as electric storage device 16 repeats discharge and charge, specifically, the temperature of electric storage device 16 itself (the temperature ratio obtained therefrom) is preset. When it exceeds, the power of the hydraulic pump 10 is limited. Thus, state recovery unit 41 can perform state recovery of power storage device 16.
  • the lithium ion secondary battery 16A constituting the power storage device 16 needs to suppress performance deterioration such as a short circuit due to the performance deterioration due to the modification of the electrolytic solution or the separator electrically separating the positive electrode and the negative electrode. is there. For this reason, it is necessary to manage the lithium ion secondary battery 16A, for example, so that the temperature does not exceed 60.degree. Therefore, in the second embodiment, the temperature of the power storage device 16 itself, that is, the temperature of the lithium ion secondary battery 16A is detected by the temperature sensor 16E (see FIG. 2). Then, the state recovery unit 41 limits the power of the hydraulic pump 10 (and further limits the power of the assist power generation motor 13) based on the temperature detected by the temperature sensor 16E. Thus, state recovery unit 41 can perform state recovery of power storage device 16.
  • the state recovery unit 41 includes a temperature calculation unit 41A, a threshold value output unit 41B, a hydraulic pressure output value calculation unit 41C, and a battery output value calculation unit 41D.
  • Temperature calculation unit 41A compares the temperature of power storage device 16 itself (the temperature of lithium ion secondary battery 16A) with the temperature threshold (deterioration start value) output from threshold output unit 41B, and sets the temperature ratio to be that ratio. It is calculated.
  • the temperature detected by the temperature sensor 16E is input to the temperature calculation unit 41A.
  • the temperature threshold value output from the threshold value output unit 41B is also input to the temperature calculation unit 41A.
  • the temperature threshold can be set as a temperature threshold (eg, 60 ° C.) at which performance degradation of the lithium ion secondary battery 16A does not occur.
  • the temperature threshold value can be set as a deterioration start value (deterioration start boundary value, deterioration start determination value) at which the performance deterioration of the lithium ion secondary battery 16A tends to occur if the value is exceeded.
  • the temperature calculation unit 41A calculates the temperature ratio that is the ratio from the current temperature and the temperature threshold.
  • the temperature ratio can be expressed by the following equation 3.
  • the temperature ratio calculated by the temperature calculation unit 41A is output to the hydraulic pressure output value calculation unit 41C and the battery output value calculation unit 41D.
  • the temperature ratio calculated by the temperature calculation unit 41A and the hydraulic pressure output request value corresponding to the power to be output by the hydraulic pump 10 are input to the hydraulic pressure output value calculation unit 41C.
  • the hydraulic pressure output value calculation unit 41C obtains a hydraulic pressure output ratio from the temperature ratio based on the relationship (characteristic line 51) shown in FIG.
  • the hydraulic pressure output value calculation unit 41C calculates the hydraulic pressure output command value by multiplying the obtained hydraulic pressure output ratio by the hydraulic pressure output request value.
  • FIG. 7 shows the relationship between the temperature ratio and the hydraulic pressure output ratio. As shown in FIG. 7, when the temperature ratio is M1% or less, the hydraulic output ratio is 100%, and when the temperature ratio exceeds M1%, the hydraulic output ratio is smaller than 100%.
  • the hydraulic pressure output ratio V1% can be expressed by the above-mentioned equation (2).
  • battery output value calculation unit 41D performs output restriction of assist power generation motor 13 in order to protect power storage device 16. That is, the battery output value calculation unit 41D receives the temperature ratio calculated by the temperature calculation unit 41A and the battery output request value corresponding to the power to be output by the assist power generation motor 13. The battery output value calculator 41D obtains the battery output ratio from the temperature ratio based on the relationship (characteristic line 52) shown in FIG. At the same time, the battery output value calculation unit 41D calculates a battery output command value by multiplying the obtained battery output ratio by the battery output request value.
  • FIG. 8 shows the relationship between the temperature ratio and the battery output ratio. As shown in FIG. 8, when the temperature ratio is M2% or less, the battery output ratio is 100%, and when the temperature ratio exceeds M2%, the hydraulic output ratio is smaller than 100%. When the temperature ratio becomes 100% or more, the battery output ratio becomes 0%, and the hybrid controller 22 stops the discharge and charge of the power storage device 16.
  • state recovery unit 41 performs the hydraulic pump By limiting the power of 10, the state of power storage device 16 is recovered (hydraulic pump power limiting element).
  • state recovery unit 41 When the temperature ratio (temperature) of power storage device 16 does not decrease even if the power of hydraulic pump 10 is limited, state recovery unit 41 also limits the power of assist power generation motor 13. That is, even if the power of the hydraulic pump 10 is limited, the state recovery unit 41, for example, further increases the temperature ratio (temperature) and exceeds M2% (50 ° C.) which is a predetermined threshold (second threshold). If not (less than the second threshold), the power of the assist power generation motor 13 is also limited. In this case, the state recovery unit 41 performs state recovery of the power storage device 16 by limiting the power of the assist power generation motor 13 in addition to limiting the power of the hydraulic pump 10 (electric motor power restriction element).
  • state recovery unit 41 restricts the power of hydraulic pump 10 and discharges power storage device 16 if the temperature ratio (temperature) of power storage device 16 does not fall even if the power of assist power generation motor 13 is limited. And stop charging. That is, the state recovery unit 41, for example, further increases the temperature ratio (temperature) from M2% (50.degree. C.) and reaches 100% (60.degree. C.) which is a predetermined threshold (third threshold) (the If not lower than the threshold of 3), the discharge and charge of the power storage device 16 are stopped. Thus, the state recovery unit 41 performs state recovery of the power storage device 16 (electric motor stop element).
  • the state recovery unit 41 has a hydraulic pump power limiting element, an electric motor power limiting element, and an electric motor stopping element. Thereby, both suppression of performance deterioration of power storage device 16 and improvement of the operation feeling at the time of use restriction of power storage device 16 can be achieved.
  • limitation of power of the hydraulic pump 10, limitation of power of the assist power generation motor 13, and stop of release charging of the storage device 16 are performed based on the temperature (temperature ratio) of the storage device 16.
  • the basic operation is the same as that according to the first embodiment described above.
  • the state quantity of the power storage device 16 is the temperature (temperature ratio) of the power storage device 16 itself. Therefore, the predetermined threshold (the first threshold: M1%, the second threshold: M2%, the third threshold: 100%) for limiting the power of the hydraulic pump 10, the temperature of the storage device 16 itself (temperature ratio) Can be set as
  • the increase in the temperature of the power storage device 16 itself has a correlation with the progress of the performance deterioration of the power storage device 16. Therefore, the power of the hydraulic pump 10 can be limited at an appropriate timing based on the temperature of the power storage device 16 itself.
  • the hybrid controller 22 includes the state recovery unit 23
  • the control unit 16B of the power storage device 16 may be configured to include the state recovery unit.
  • the ECU 9A serving as the control unit of the engine 9 or the control unit 19A of the inverter 19 may be configured to include the state recovery unit.
  • the main controller 24 to which the hybrid controller 22 and the ECU 9A are connected may have a state recovery unit. The same applies to the second embodiment.
  • the current integrated value ratio that is the ratio of the current integrated value and the current integrated value threshold value (deterioration start value) is calculated, and the hydraulic pump 10 is calculated according to the value of the current integrated value ratio.
  • the description has been made by taking the case of the configuration in which the limitation of the power, the limitation of the power of the assist power generation motor 13, and the stop of the storage device 16 (stop of charge and discharge) are taken as an example.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the power of the hydraulic pump 10 is limited according to the current integrated value, the power of the assist power generation motor 13 is limited, and the storage device 16 is stopped. May be configured to
  • a temperature ratio that is a ratio between the temperature and the temperature threshold (deterioration start value) is calculated, and the power of the hydraulic pump 10 is limited according to the value of the temperature ratio.
  • the configuration is described in which the configuration is such that the limitation of the power and the stop of the power storage device 16 (stop of charge and discharge) are performed.
  • the present invention is not limited to this.
  • the power of the hydraulic pump 10 is limited according to the temperature, the power of the assist power generation motor 13 is limited, and the storage device 16 is stopped. It is also good.
  • the case where the hydraulic pressure output command value from the state recovery unit 23 is output to the regulator 10A of the hydraulic pump 10 has been described as an example. That is, in the first embodiment, the power of the hydraulic pump 10 is limited by outputting the hydraulic pressure output command value smaller than the hydraulic pressure output request value from the state recovery unit 23 to the regulator 10A of the hydraulic pump 10. And the case was described as an example.
  • the hydraulic pressure output command value from the state recovery unit 23 may be output to the control valve 12.
  • the control valve 12 is, for example, a control lever / pedal device for traveling operated by an operator, and a pilot signal (pilot pressure) from a control lever device for work, for pressure oil to the hydraulic actuators 2E to 15A. It is configured as a control valve device that switches between supply and discharge.
  • the control valve 12 limits the pilot signal (pilot pressure) based on the operator's operation, for example. As a result, the pressure oil supplied to the hydraulic actuators 2E to 15A can be limited.
  • the hydraulic pressure output command value is output from the state recovery unit 23 to the control valve 12, and the pressure of the hydraulic oil supplied to the hydraulic actuators 2E to 15A is limited by the control valve 12 (indirect ) May be limited.
  • the control valve 12 indirect
  • the drive source of the turning device 15 is configured by the turning hydraulic motor 15A
  • the present invention is not limited to this, and for example, the drive source of the turning device 15 may be configured by a combination of a hydraulic motor (turning hydraulic motor) and an electric motor (turning electric motor).
  • you may comprise the drive source of the turning apparatus 15 only by an electric motor (turning electric motor). The same applies to the second embodiment.
  • the hybrid hydraulic excavator 1 has been described as an example of the construction machine.
  • the present invention is not limited thereto.
  • various wheel loaders, hybrid dump trucks (cars), and other various types using an electric motor and an engine connected to a storage device as a power source of a hydraulic pump can be widely applied to hybrid-type construction machines.
  • the present invention is applicable to an electric construction machine in which the hydraulic pump is driven only by the electric motor without the engine.
  • each embodiment is an example, and partial replacement or combination of the configurations shown in different embodiments can be made.
  • Hydraulic excavator construction machine
  • 2E, 2F Traveling hydraulic motor (hydraulic actuator)
  • 5D Boom cylinder working hydraulic cylinder, hydraulic actuator
  • 5E Arm cylinder working hydraulic cylinder, hydraulic actuator
  • 5F bucket cylinder working hydraulic cylinder, hydraulic actuator
  • 9 engine 10 hydraulic pump 13 assist generator motor (electric motor) 15A swing hydraulic motor (hydraulic actuator) 16 power storage device 22 hybrid controller (controller) 23, 41 State Recovery Unit

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Abstract

メインコントローラ(24)およびハイブリッドコントローラ(22)は、エンジン(9)、アシスト発電モータ(13)、油圧ポンプ(10)、蓄電装置(16)を制御する。この場合、ハイブリッドコントローラ(22)は、蓄電装置(16)の状態回復を行う状態回復部(23)を備えている。状態回復部(23)は、蓄電装置(16)が放電と充電を繰り返すことによって変化する状態量、具体的には、蓄電装置(16)の電流積算値比率が所定の閾値(L1%)を超えた場合、油圧ポンプ(10)の動力を制限する。これにより、状態回復部(23)は、蓄電装置(16)の状態回復を行う。

Description

建設機械
 本発明は、油圧ショベル、ホイールローダ等の建設機械に関する。
 近年、資源の枯渇や環境問題への配慮から、油圧ショベル、ホイールローダ等の建設機械でも、省エネ化が進められている。即ち、建設機械は、エンジンの動力により油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプより吐出される圧油によって、油圧アクチュエータ(油圧装置、油圧機器)を駆動する。
 これに対し、近年、油圧ポンプを駆動する動力の一部を、蓄電装置をエネルギの供給源とする電動モータの動力に置き換えた、ハイブリッド式の建設機械が、市場に投入されている。また、油圧ポンプを駆動する動力の全てを、電動モータの動力で置き換えた、電動式の建設機械も、市場に投入されている。
 しかし、蓄電装置は、安定性の確保や性能劣化の抑制の観点から、定められた使用条件の範囲内での運用が必要になる。このため、蓄電装置を搭載する建設機械は、新たな制限や運用が必要となる。
 例えば、蓄電装置を構成するリチウムイオン二次電池は、安定性の確保や性能劣化の抑制を目的に、電圧、電流、温度、充電率(SOC:State Of Charge)等の使用条件が定められている。このため、蓄電装置を搭載する建設機械は、蓄電装置の使用条件を逸脱しないように運用する必要がある。
 ここで、蓄電装置は、例えば電池の損傷のような非可逆的な性能劣化とは別に、非可逆的な性能劣化にまでは至らないが、一時的に所期の性能を発揮できなくなる可逆的な性能劣化(一時的な性能劣化)が発生することが知られている。具体的には、蓄電装置は、大電流を充放電(充電・放電)した場合に、電池内部抵抗が一時的に増大することにより、電池電圧が急変動することがある。蓄電装置は、このような電池電圧の急変動が原因で、一時的な性能劣化が発生することが知られている。このとき、電池状態の推定、制御を正しくできなくなり、結果、インバータや電動モータ等の電動機器の性能を十分に発揮できなくなるおそれがある。
 これに対し、特許文献1には、電気自動車に関する技術が記載されている。この電気自動車は、蓄電装置(リチウムイオン二次電池)の放電電流の二乗値を積算した電流二乗積算値に応じて、蓄電装置からインバータへ放電される電流を制御する。一方、特許文献2には、作業機械に関する技術が記載されている。この作業機械は、蓄電装置の充電率(SOC)に基づいて、油圧アクチュエータからの戻り油を制御すると共に、戻り油により駆動されるポンプ動力で駆動される発電機の回生電力を制御する。
特開2006-149181号公報 特開2013-2540号公報
 ところで、特許文献1に記載されているように、蓄電装置の状態(電流二乗積算値)に応じて蓄電装置の出力(放電)を制御する構成の場合、次のような不都合を生じるおそれがある。即ち、蓄電装置の一時的な性能劣化(例えば、電圧の急変動)を抑制すべく、蓄電装置の出力を制限したときに、この制限した分の出力を、エンジンの出力の増加で賄うことができない可能性がある。また、蓄電装置の出力を制限したときに、例えば、油圧ポンプの動力に対する影響の予測、または、この予測に基づく油圧ポンプの制御が失敗する(例えば、遅れる)可能性もある。このような場合、油圧アクチュエータ動作が急変動する等、油圧アクチュエータの操作性が低下し、オペレータ(操縦者)に違和感を与えるおそれがある。
 本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、蓄電装置の一時的な性能劣化の抑制と蓄電装置使用制限時の操作フィーリングの改善とを両立することができる建設機械を提供することを目的としている。
 本発明の建設機械は、電動モータと、前記電動モータにより駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、前記電動モータに電力を供給し、または、前記電動モータによる発電電力を充電する蓄電装置と、前記電動モータ、前記油圧ポンプ、前記蓄電装置の少なくとも何れかを制御するコントローラとを備えてなる。
 上述した課題を解決するために、本発明が採用する構成の特徴は、前記コントローラは、前記蓄電装置が放電と充電を繰り返すことによって変化する状態量が所定の閾値を超えた場合、前記油圧ポンプの動力を制限することにより、前記蓄電装置の状態回復を行う状態回復部を備える構成としたことにある。
 本発明によれば、蓄電装置の一時的な性能劣化の抑制と蓄電装置使用制限時の操作フィーリングの改善とを両立することができる。
実施の形態によるハイブリッド式の油圧ショベルを示す正面図である。 油圧ショベルの油圧系統と電気系統を概略的に示すブロック図である。 第1の実施の形態による状態回復部を示すブロック図である。 電流積算値比率と油圧出力比率との関係の一例を示す特性線図である。 電流積算値比率と電池出力比率との関係の一例を示す特性線図である。 第2の実施の形態による状態回復部を示すブロック図である。 温度比率と油圧出力比率との関係の一例を示す特性線図である。 温度比率と電池出力比率との関係の一例を示す特性線図である。
 以下、本発明に係る建設機械の実施の形態を、ハイブリッド式の油圧ショベルに適用した場合を例に挙げ、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
 図1において、建設機械の代表例である油圧ショベル1は、ハイブリッド式の油圧ショベル(ハイブリッド式建設機械)として構成されている。油圧ショベル1は、自走可能なクローラ式の下部走行体2と、該下部走行体2上に設けられた旋回軸受装置3と、該旋回軸受装置3を介して下部走行体2上に旋回可能に搭載された上部旋回体4と、該上部旋回体4の前側に俯仰動可能に設けられた作業装置5とを含んで構成されている。このとき、下部走行体2と上部旋回体4は、油圧ショベル1の車体を構成している。そして、油圧ショベル1は、作業装置5を用いて土砂の掘削作業等を行うことができる。
 ここで、下部走行体2は、トラックフレーム2Aと、該トラックフレーム2Aの左,右両側に設けられた駆動輪2Bと、トラックフレーム2Aの左,右両側で駆動輪2Bと前,後方向の反対側に設けられた遊動輪2Cと、駆動輪2Bと遊動輪2Cに巻回された履帯2D(いずれも左側のみ図示)とにより構成されている。左,右の駆動輪2Bは、それぞれが油圧アクチュエータとしての左,右の走行油圧モータ2E,2F(図2参照)によって回転駆動され、履帯2Dを駆動させることにより油圧ショベル1を走行させる。
 作業装置5は、旋回フレーム6の前部側に俯仰動可能に取付けられたブーム5Aと、該ブーム5Aの先端側に回動可能に取付けられたアーム5Bと、該アーム5Bの先端側に回動可能に取付けられた作業具としてのバケット5Cと、これらを駆動するブームシリンダ5D、アームシリンダ5E、作業具シリンダとしてのバケットシリンダ5Fとにより構成されている。油圧シリンダからなるブームシリンダ5D、アームシリンダ5E、バケットシリンダ5F、さらに、走行油圧モータ2E,2F、後述の旋回油圧モータ15A(図2参照)は、それぞれ圧油によって駆動される油圧アクチュエータとなるものである。
 一方、上部旋回体4は、該上部旋回体4の支持構造体を形成するベース(フレーム)となる旋回フレーム6と、該旋回フレーム6上に搭載されたキャブ7、カウンタウエイト8、エンジン9、油圧ポンプ10、アシスト発電モータ13、蓄電装置16、インバータ19等とを含んで構成されている。
 旋回フレーム6の前部左側には、運転室を画成するキャブ7が設けられている。キャブ7内には、オペレータが着席する運転席が設けられ、運転席の周囲には、走行用の操作レバー・ペダル装置、作業用の操作レバー装置(いずれも図示せず)等が設けられている。操作レバー・ペダル装置、操作レバー装置は、オペレータによる操作レバー、操作ペダルの操作に応じたパイロット信号(パイロット圧)を、後述のコントロールバルブ12に出力するものである。
 さらに、キャブ7内には、運転席の後方の下側に位置して後述のハイブリッドコントローラ22およびメインコントローラ24が設けられている。一方、旋回フレーム6の後端側には、作業装置5との重量バランスをとるためのカウンタウエイト8が設けられている。
 エンジン9は、カウンタウエイト8の前側に位置して旋回フレーム6の後側に配設されている。エンジン9は、内燃機関であり、クランク軸(図示せず)の軸線が左,右方向に延在する横置き状態で、旋回フレーム6上に搭載されている。図2に示すように、エンジン9の左,右方向の一側(例えば右側)には、油圧ポンプ10とアシスト発電モータ13とが取付けられている。
 ここで、エンジン9は、例えば、電子制御式エンジンにより構成され、エンジン・コントロール・ユニットであるECU9Aによって制御される。具体的には、エンジン9のシリンダ(燃焼室)内への燃料の供給量、即ち、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射装置(電子制御噴射弁)の噴射量は、ECU9Aにより可変に制御される。この場合、ECU9Aは、後述のメインコントローラ24に接続されている。ECU9Aは、メインコントローラ24からの制御信号(指令信号)に基づいて、燃料噴射装置によるシリンダ内への燃料噴射量を可変に制御し、エンジン9の回転速度を制御する。
 油圧ポンプ10は、エンジン9の出力側に取付けられている。油圧ポンプ10は、エンジン9およびアシスト発電モータ13によって駆動されることにより、油圧ショベル1に搭載された左,右の走行油圧モータ2E,2F、各シリンダ5D,5E,5F、旋回油圧モータ15A等の各種の油圧アクチュエータ(以下、油圧アクチュエータ2E~15Aという)に向けて作動用の圧油を供給(吐出)するものである。
 油圧ポンプ10は、例えば可変容量型の斜板式油圧ポンプ等により構成された可変容量型油圧ポンプである。油圧ポンプ10は、吐出流量(ポンプ容量)を調整するレギュレータ(容量可変部、傾転アクチュエータ)10Aを有している。レギュレータ10Aは、後述のメインコントローラ24により可変に制御される。
 油圧ポンプ10の近傍(例えば車体の前,後方向で前側)には、作動油タンク11が設けられている。作動油タンク11は、油圧アクチュエータ2E~15Aに供給される作動油を貯溜している。
 コントロールバルブ12は、複数の方向制御弁、電磁弁等の集合体からなる制御弁装置である。コントロールバルブ12は、キャブ7内に配置された走行用の操作レバー・ペダル装置、作業用の操作レバー装置のレバー操作量またはペダル操作量(以下、操作装置のレバー操作量という)、メインコントローラ24からの指令等に応じて、油圧ポンプ10から各種の油圧アクチュエータ2E~15Aに供給される圧油の方向を制御する。これにより、油圧アクチュエータ2E~15Aは、油圧ポンプ10から供給される圧油によって駆動される。
 電動モータとしてのアシスト発電モータ13は、油圧ポンプ10と共にエンジン9の出力側に取付けられている。アシスト発電モータ13は、エンジン9に機械的に接続されている。
 アシスト発電モータ13は、エンジン9によって駆動されることにより電力を発電し、または、蓄電装置16から電力が供給されることによりエンジン9の駆動を補助(アシスト)するものである。即ち、アシスト発電モータ13は、エンジン9によって駆動されることにより発電する発電機としての機能と、蓄電装置16から供給される電力によりエンジン9の駆動を補助する電動機としての機能とを有している。
 建屋カバー14は、カウンタウエイト8の前側に位置して旋回フレーム6上に設けられている。建屋カバー14は、エンジン9、油圧ポンプ10、アシスト発電モータ13等を覆うものである。建屋カバー14には、外気を冷却風として吸込む吸気口14Aが設けられている。
 旋回装置15は、旋回フレーム6の中央部に設けられている。旋回装置15は、上部旋回体4を下部走行体2に対して旋回させるものである。旋回装置15は、例えば、油圧アクチュエータとしての旋回油圧モータ15Aと、該旋回油圧モータ15Aの回転を減速する減速機構(図示せず)と、該減速機構によって減速された回転を旋回軸受装置3(の内輪の内歯)に出力するピニオンとしての出力軸(図示せず)とを含んで構成されている。旋回油圧モータ15Aは、油圧ポンプ10からコントロールバルブ12を介して供給される圧油に基づいて、上部旋回体4を下部走行体2に対して旋回駆動する。
 蓄電装置16は、電力の充電と放電を行うものである。蓄電装置16は、例えばリチウムイオン二次電池16Aを用いて構成され、旋回フレーム6上に取付けられている。蓄電装置16は、アシスト発電モータ13が発電した発電電力を充電し、または、充電された電力をアシスト発電モータ13に放電(供給)するものである。このために、蓄電装置16は、直流ケーブル(DCケーブル)である直流母線17を介してインバータ19と接続されている。
 ここで、蓄電装置16は、バッテリモジュールを直列および並列配置してなるリチウムイオン二次電池16Aと、該リチウムイオン二次電池16Aの状態判定および制御を行う制御部(バッテリコントローラ)16Bとを含んで構成されている。蓄電装置16には、リチウムイオン二次電池16Aの充放電電流を検出(計測)する電流センサ16Cと、リチウムイオン二次電池16Aの電圧を検出する電圧センサ16Dと、蓄電装置16自体の温度、即ち、リチウムイオン二次電池16Aの温度を検出する温度センサ16Eとが設けられている。
 各センサ16C,16D,16Eは、制御部16Bと接続されている。制御部16Bは、各センサ16C,16D,16Eによりそれぞれ検出される電流、電圧、温度に基づいて必要な演算を行うと共に、リチウムイオン二次電池16Aの状態判定および制御を行う。さらに、制御部16Bは、蓄電装置信号線18を介して後述するハイブリッドコントローラ22に接続されている。
 なお、蓄電装置16は、リチウムイオン二次電池16A以外にも、例えば電気二重層のキャパシタを用いることもできる。蓄電装置16にキャパシタを用いる場合には、蓄電装置16とインバータ19との間にチョッパを設け、該チョッパによって蓄電装置16とインバータ19とを接続する直流母線17の電圧を一定に保持する構成とすることができる。
 インバータ19は、アシスト発電モータ13の動作を制御するものである。インバータ19は、三相交流ケーブル(強電ケーブル)であるモータ電力線20を介してアシスト発電モータ13と接続されている。インバータ19内には、トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等からなる複数のスイッチング素子が収容されている。各スイッチング素子のオン(閉)/オフ(開)は、制御部19Aによって制御される。制御部19Aは、モータ信号線21を介してハイブリッドコントローラ22と接続されている。
 制御部19Aは、ハイブリッドコントローラ22の指令に基づいてインバータ19のスイッチング制御を行う。なお、図示は省略するが、インバータ19には、アシスト発電モータ13から延びる信号線も接続されている。この信号線は、例えば、アシスト発電モータ13に設けられた回転検出センサ(レゾルバ)等のセンサからの検出信号(例えば、アシストモータ速度信号)をインバータ19の制御部19Aに出力するものである。
 アシスト発電モータ13の発電時には、インバータ19は、アシスト発電モータ13による発電電力を直流電力に変換し、直流母線17を通じて直流電力を蓄電装置16に充電する。一方、アシスト発電モータ13を電動機として駆動するときには、インバータ19は、直流母線17を介して蓄電装置16から放電された直流電力を三相交流電力に変換し、モータ電力線20を介して三相交流電力をアシスト発電モータ13に供給する。
 コントローラとしてのハイブリッドコントローラ22は、アシスト発電モータ13、蓄電装置16を制御するものである。ハイブリッドコントローラ22は、蓄電装置16の制御部16B、インバータ19の制御部19A、エンジン9のECU9A、後述のメインコントローラ24と同様に、マイクロコンピュータを含んで構成されている。ハイブリッドコントローラ22は、各制御部16B,19Aおよびメインコントローラ24と電気的に接続され、CANを構成している。
 ハイブリッドコントローラ22は、各制御部16B,19Aの上位のコントローラとなり、これら各制御部16B,19Aを統括的に制御する。具体的には、ハイブリッドコントローラ22は、インバータ19の制御部19Aに対して制御信号を出力することにより、アシスト発電モータ13の動作を制御することにより、蓄電装置16による充電または放電を制御する。一方、メインコントローラ24も、ハイブリッドコントローラ22と同様に、マイクロコンピュータを含んで構成されている。メインコントローラ24は、ECU9A、ハイブリッドコントローラ22、油圧ポンプ10のレギュレータ10A、および、コントロールバルブ12を構成する電磁弁(図示せず)にそれぞれ電気的に接続されている。
 メインコントローラ24は、ECU9A、ハイブリッドコントローラ22と通信し、例えば、操作装置のレバー操作量、エンジン9の回転数、蓄電装置16の蓄電率(SOC)等に基づいて、各種の制御信号をECU9A、ハイブリッドコントローラ22に送信する。これにより、ECU9Aは、メインコントローラ24からの制御信号に基づいて、エンジン9の回転数等を制御する。また、ハイブリッドコントローラ22は、アシスト発電モータ13およびインバータ19の状態と、操作装置のレバー操作量とに基づいて、アシスト発電モータ13、インバータ19、蓄電装置16を制御する。さらに、メインコントローラ24は、油圧ポンプ10のレギュレータ10Aに対して制御信号を出力することにより、油圧ポンプ10の吐出流量(動力)を制御する。
 ところで、蓄電装置16は、大電流を充放電した場合に、電池内部抵抗が一時的に増大することにより、電池電圧が急変動するといった一時的な性能劣化が発生するおそれがある。これに対し、蓄電装置16の一時的な性能劣化を抑制すべく、蓄電装置16の状態(例えば、放電電流の二乗積算値)に応じて、蓄電装置16の出力(放電)を制御することが考えられる。
 しかし、この場合は、蓄電装置16の電圧の急変動を抑制すべく、蓄電装置16の出力を制限したときに、この制限した分の出力を、エンジン9の出力の増加で賄うことができない可能性がある。また、蓄電装置16の出力を制限したときに、例えば、油圧ポンプ10の動力に対する影響の予測、または、この予測に基づく油圧ポンプ10の制御が失敗する(例えば、遅れる)可能性もある。このような場合、油圧アクチュエータ2E~15Aの動作が急変動する等、油圧アクチュエータ2E~15Aの操作性が低下し、オペレータに違和感を与えるおそれがある。
 これに対し、図3~図5に示すように、本実施の形態では、ハイブリッドコントローラ22は、蓄電装置16が放電と充電を繰り返すことによって変化する状態量、具体的には、蓄電装置16の放電と充電に基づく電流積算値(電流積算値から求められる電流積算値比率)が予め設定した所定の閾値(L1%)を超えた場合、油圧ポンプ10の動力を制限する(吐出流量を小さくする)。これにより、ハイブリッドコントローラ22は、蓄電装置16の状態回復を行う状態回復部23を備えている。
 ここで、状態回復部23は、電流積算値演算部23Aと、閾値出力部23Bと、油圧出力値演算部23Cと、電池出力値演算部23Dとを含んで構成されている。電流積算値演算部23Aは、蓄電装置16の電流積算値を算出(演算)する。これと共に、電流積算値演算部23Aは、算出された電流積算値と閾値出力部23Bから出力される電流積算値閾値(劣化開始値)とを比較し、その比率となる電流積算値比率を算出するものである。
 このために、電流積算値演算部23Aには、蓄電装置16の電池充放電電流、即ち、蓄電装置16の電流センサ16Cで検出された電流測定値が入力される。電流積算値演算部23Aでは、入力された電流測定値から、予め設定した所定時間(単位時間)内の電流値の積算値である電流積算値を算出する。所定時間は、電流積算値と後述の電流積算値閾値との比較(比率)に基づいて、適切な油圧ポンプ10の動力の制限(延いては、アシスト発電モータ13の動力の制限)を行うことができるように、予め実験、計算、シミュレーション等により求めておく。
 一方、電流積算値演算部23Aには、閾値出力部23Bから出力される電流積算値閾値も入力される。電流積算値閾値は、一時的な内部抵抗値の上昇が起きない電流積算値の閾値として設定することができる。換言すれば、電流積算値閾値は、その値を超えると蓄電装置16の一時的な性能劣化(内部抵抗が一時的に増大することによる電圧の急変動)が発生し易くなる劣化開始値(劣化開始境界値、劣化開始判定値)として設定することができる。
 電流積算値演算部23Aでは、現在の電流積算値と電流積算値閾値とから、その比率となる電流積算値比率を算出する。電流積算値比率は、下記の数1式で表すことができる。電流積算値演算部23Aで算出された電流積算値比率は、油圧出力値演算部23Cおよび電池出力値演算部23Dに出力される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 油圧出力値演算部23Cには、電流積算値演算部23Aで算出される電流積算値比率と、油圧ポンプ10で出力すべき動力に対応する油圧出力要求値とが入力される。ここで、油圧出力要求値は、例えば、オペレータのレバー入力(操作装置のレバー操作量)から求めることができる。即ち、油圧出力要求値は、オペレータのレバー入力を実現するために必要な油圧パワーに対応する値となるものである。換言すれば、油圧出力要求値は、オペレータのレバー入力に応じた油圧アクチュエータ2E~15Aの駆動を実現するために、油圧ポンプ10で出力すべき動力に対応する値となるものである。油圧出力要求値は、オペレータのレバー入力と相関関係を有しており、例えば、オペレータのレバー入力が大きくなる程、油圧出力要求値も大きくなる。
 油圧出力値演算部23Cは、図4に示す関係(特性線31)に基づいて、電流積算値比率から油圧出力比率を求める。これと共に、油圧出力値演算部23Cは、その求めた油圧出力比率と油圧出力要求値とを乗算することにより、油圧出力指令値を算出する。ここで、図4は、電流積算値比率と油圧出力比率との関係を示している。図4に示すように、電流積算値比率がL1%以下のときは、油圧出力比率は100%になる。
 このため、電流積算値比率がL1%以下のときは、油圧出力要求値がそのまま油圧出力指令値となる。即ち、電流積算値比率がL1%以下のときは、油圧出力要求値が制限されることはない。このため、油圧出力要求値は、そのまま油圧出力指令値としてハイブリッドコントローラ22からメインコントローラ24を介して油圧ポンプ10のレギュレータ10Aに出力される。この場合は、油圧ポンプ10の動力(吐出流量)は制限されない。即ち、オペレータは、油圧ポンプ10の動力が制限されることなく、油圧アクチュエータ2E~15Aを駆動させることができる。
 一方、電流積算値比率がL1%を超えると、油圧出力比率が100%よりも小さくなる。このため、電流積算値比率がL1%を超えると、油圧出力指令値が油圧出力要求値よりも小さくなる。即ち、電流積算値比率がL1%を超えると、油圧出力要求値よりも制限された油圧出力要求値は、ハイブリッドコントローラ22からメインコントローラ24を介して油圧ポンプ10のレギュレータ10Aに出力され、油圧ポンプ10の吐出流量が制限される(小さくなる)。
 これにより、油圧ポンプ10の動力が制限され、油圧出力比率が100%のときと比較して、油圧アクチュエータ2E~15Aの駆動が制限される。このとき、油圧ポンプ10の動力の制限により生じる余剰動力分を、アシスト発電モータ13の出力低減分に割り当てることができる。これにより、蓄電装置16の充放電の電流を低減でき、蓄電装置16の状態回復を行うことができる。
 ここで、油圧出力比率は、電流積算値比率がL1%を超えると、電流積算値比率がL2%のときにV1%となるように、100%からV1%に線形的に低下する。これにより、油圧ポンプ10の動力は、電流積算値比率がL1%からL2%の間で線形的に制限される。この場合、油圧出力比率V1%は、油圧ショベル1の操作性の低下を許容できる油圧値(操作性を確保できる最小の油圧値)を操作性許容油圧値とし、油圧出力の上限となる油圧値(最大油圧値)を油圧出力上限値とした場合に、次の数2式で表すことができる。なお、操作性許容油圧値は、油圧ショベル1の操作性の低下を許容できる油圧値として、予め実験、計算、シミュレーション等により求めておく。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 さらに、電流積算値比率がL2%以上のときは、油圧出力比率がV1%に固定される。即ち、実施の形態では、電流積算値比率が0%から100%の間で、油圧出力比率は、V1%を下回らない。このため、電流積算値比率が0%からL1%のとき、および、L1%からL2%のときは勿論、L2%から100%のときも、油圧出力比率がV1%以上になり、油圧ショベル1の操作性を確保できる。
 一方、電流積算値比率がL2%を超えた場合、電池出力値演算部23Dは、蓄電装置16の保護を図るべく、アシスト発電モータ13の出力制限を行う。即ち、電池出力値演算部23Dには、電流積算値演算部23Aで算出される電流積算値比率と、アシスト発電モータ13で出力すべき動力に対応する電池出力要求値とが入力される。ここで、電池出力要求値は、例えば、オペレータのレバー入力(操作装置のレバー操作量)、蓄電装置16の入出力可能な電力、エンジン9の回転数(回転速度)等から求めることができる。この場合、蓄電装置16の入出力可能な電力は、そのときの蓄電装置16の状態、例えば、リチウムイオン二次電池16Aの電圧、内部抵抗、温度等に応じて算出することができる。
 電池出力値演算部23Dは、図5に示す関係(特性線32)に基づいて、電流積算値比率から電池出力比率を求める。これと共に、電池出力値演算部23Dは、その求めた電池出力比率と電池出力要求値とを乗算することにより、電池出力指令値を算出する。ここで、図5は、電流積算値比率と電池出力比率との関係を示している。図5に示すように、電流積算値比率がL2%以下のときは、電池出力比率は100%になる。
 このため、電流積算値比率がL2%以下のときは、電池出力要求値がそのまま電池出力指令値となる。即ち、電流積算値比率がL2%以下のときは、電池出力要求値が制限されることなく、ハイブリッドコントローラ22からは、電池出力要求値がそのまま電池出力指令値としてインバータ19の制御部19Aに出力される。この場合は、アシスト発電モータ13の動力は制限されず、アシスト発電モータ13は、エンジン9の駆動のアシスト、または、発電を行うことができる。
 一方、電流積算値比率がL2%を超えると、電池出力比率が100%よりも小さくなる。このため、電流積算値比率がL2%を超えると、電池出力指令値が電池出力要求値よりも小さくなる。即ち、電流積算値比率がL2%を超えると、ハイブリッドコントローラ22からは、電池出力要求値よりも制限された電池出力要求値が、インバータ19に出力される。
 この場合は、アシスト発電モータ13の動力が制限され、アシスト発電モータ13によるアシストまたは発電が制限される。これにより、蓄電装置16の充放電の電流を低減することができ、蓄電装置16の状態回復を行うことができる。ここで、電池出力比率は、電流積算値比率がL2%を超えると、電流積算値比率が100%で0%となるように、100%から線形的に低下する。これにより、アシスト発電モータ13の動力は、電流積算値比率がL2%から100%の間で線形的に制限される。さらに、電流積算値比率が100%以上になると、電池出力比率が0%になり、ハイブリッドコントローラ22は、蓄電装置16の放電および充電を停止する。
 このように、実施の形態では、状態回復部23は、蓄電装置16の電流積算値、より具体的には、電流積算値比率が、所定の閾値(第1の閾値)となるL1%を超えた場合、油圧ポンプ10の動力を制限する。これにより、状態回復部23は、蓄電装置16の状態回復を行う(油圧ポンプ動力制限要素)。
 また、状態回復部23は、油圧ポンプ10の動力を制限しても、電流積算値比率が下がらない場合、アシスト発電モータ13の動力も制限する。即ち、状態回復部23は、油圧ポンプ10の動力を制限しても、例えば、電流積算値比率がさらに増大し、所定の閾値(第2の閾値)となるL2%を超えた場合(L2%を下回らない場合)、アシスト発電モータ13の動力も制限する。この場合、状態回復部23は、油圧ポンプ10の動力を制限することに加えて、アシスト発電モータ13の動力も制限することにより、蓄電装置16の状態回復を行う(電動モータ動力制限要素)。
 さらに、状態回復部23は、油圧ポンプ10の動力を制限し、かつ、アシスト発電モータ13の動力を制限しても、電流積算値比率が下がらない場合、蓄電装置16の放電および充電を停止する。即ち、状態回復部23は、油圧ポンプ10の動力およびアシスト発電モータ13の動力を制限しても、例えば、電流積算値比率がL2%からさらに増大し、所定の閾値(第3の閾値)となる100%以上の場合(100%を下回らない場合)、蓄電装置16の放電および充電を停止する。これにより、状態回復部23は、蓄電装置16の状態回復を行う(電動モータ停止要素)。
 このように、状態回復部23は、油圧ポンプ動力制限要素と、電動モータ動力制限要素と、電動モータ停止要素とを有している。これにより、蓄電装置16の一時的な性能劣化(内部抵抗が一時的に増大することによる電圧の急変動)の抑制と蓄電装置16の使用制限時の操作フィーリングの改善とを両立することができる。
 なお、電流積算値比率L1、L2、油圧出力比率V1は、油圧ポンプ10、油圧シリンダ5D,5E,5F、油圧モータ2E,2F,15A、蓄電装置16、アシスト発電モータ13、エンジン9等の搭載機器の仕様、制御仕様の違い等により様々な値を取り得る。また、油圧出力値演算部23Cの出力制限の仕方(図4の電流積算値比率と油圧出力比率との関係)、電池出力値演算部23Dの出力制限の仕方(図5の電流積算値比率と電池出力比率との関係)についても、搭載機器の仕様、制御仕様の違い等により様々な方法を取り得る。
 このように、電流積算値比率L1、L2、油圧出力比率V1、電流積算値比率と油圧出力比率との関係(特性線31)、電流積算値比率と電池出力比率との関係(特性線32)は、蓄電装置16の一時的な性能劣化の抑制と油圧アクチュエータ2E~15Aの操作性の低下の抑制(蓄電装置16の使用制限時の操作フィーリングの改善)とを両立することができるように、油圧ショベル1の機種等に応じて設定することができる。
 本実施の形態によるハイブリッド式の油圧ショベル1は上述の如き構成を有するもので、次に、その動作について説明する。
 キャブ7に搭乗したオペレータがエンジン9を起動させると、エンジン9によって油圧ポンプ10とアシスト発電モータ13が駆動される。これにより、油圧ポンプ10から吐出した圧油は、キャブ7内に設けられた操作装置のレバー操作に応じて、左,右の走行油圧モータ2E,2F、旋回油圧モータ15A、作業装置5のブームシリンダ5D,アームシリンダ5E,バケットシリンダ5Fに向けて吐出する。これにより、油圧ショベル1は、下部走行体2による走行動作、上部旋回体4の旋回動作、作業装置5による掘削作業等を行うことができる。
 ここで、油圧ショベル1の作動時にエンジン9の出力トルクが油圧ポンプ10の駆動トルクよりも大きいときには、余剰トルクによってアシスト発電モータ13が発電機として駆動される。これにより、アシスト発電モータ13は交流電力を発生し、この交流電力は、インバータ19により直流電力に変換され、蓄電装置16に蓄えられる。一方、エンジン9の出力トルクが油圧ポンプ10の駆動トルクよりも小さいときには、アシスト発電モータ13は、蓄電装置16からの電力によって電動機として駆動され、エンジン9の駆動をアシストする。
 さらに、アシスト発電モータ13に対する蓄電装置16の充放電が大電流の傾向になると、ハイブリッドコントローラ22の状態回復部23では、電流積算値演算部23Aで算出される電流積算値、延いては、電流積算値比率が大きくなる。この結果、状態回復部23の油圧出力値演算部23Cでは、図4の特性線31に基づいて油圧ポンプ10の動力の制限が行われる。また、状態回復部23の電池出力値演算部23Dでは、図5の特性線32に基づいてアシスト発電モータ13の動力の制限が行われる。
 かくして、実施の形態によれば、蓄電装置16の一時的な性能劣化の抑制と蓄電装置16の使用制限時の操作フィーリングの改善とを両立することができる。
 即ち、実施の形態によれば、ハイブリッドコントローラ22の状態回復部23は、蓄電装置16の状態量(電流積算値、電流積算値比率)が所定の閾値を超えた場合に、油圧ポンプ10の動力を制限する。ここで、蓄電装置16の一時的な性能劣化(内部抵抗が一時的に増大することによる電圧の急変動)が発生し易くなる状態量(電流積算値比率:100%)を、劣化開始値(劣化開始境界値、劣化開始判定値)とする。この場合、所定の閾値となる第1の閾値、即ち、油圧ポンプ10の動力の制限を開始する動力制限開始値は、例えば、劣化開始値よりも小さい値(電流積算値比率:L1%)として設定することができる。
 一方、状態回復部23は、油圧ポンプ10の動力を制限すると、蓄電装置16の負担が低下し、蓄電装置16の状態回復を行うことができる。即ち、油圧ポンプ10の動力を制限することにより、蓄電装置16の充放電の電流を低下させることができる。このため、蓄電装置16の状態量(電流積算値、電流積算値比率)の増大を抑えることができ、状態量が劣化開始値(電流積算値比率:100%)に近付くことを抑制することができる。これにより、蓄電装置16の一時的な性能劣化(内部抵抗が一時的に増大することによる電圧の急変動)を抑制できる。
 さらに、油圧ポンプ10の動力の制限は、油圧アクチュエータ2E~15Aの操作性の低下を許容できる範囲(100%≧油圧出力比率≧V1%)で設定することができる。このため、油圧ポンプ10の動力を制限することにより、蓄電装置16の状態回復を行っているときに、油圧アクチュエータ2E~15Aの操作性が低下すること、延いては、油圧アクチュエータ2E~15Aの動作が急変動することを抑制できる。この結果、蓄電装置16の一時的な性能劣化の抑制と蓄電装置16の使用制限時の操作フィーリングの改善とを両立することができる。
 実施の形態によれば、状態回復部23は、油圧ポンプ10の動力を制限しても、蓄電装置16の状態量(電流積算値、電流積算値比率)が所定の閾値(電流積算値比率:L1%)を下回らず、さらに、所定の閾値となる第2の閾値、即ち、電動モータ動力制限開始値(電流積算値比率:L2%)を超えた場合、状態回復部23は、電動モータとしてのアシスト発電モータ13の動力を制限する。即ち、この場合、状態回復部23は、油圧ポンプ10の動力を制限することに加えて、電動モータとしてのアシスト発電モータ13の動力を制限することにより、蓄電装置16の状態回復を行う。このため、油圧ポンプ10とアシスト発電モータ13との両方の動力を制限することにより、蓄電装置16の負担をさらに低下させることができる。これにより、蓄電装置16の状態量を低下させることができ、蓄電装置16の性能劣化を抑制することができる。
 実施の形態によれば、状態回復部23は、油圧ポンプ10の動力を制限し、かつ、電動モータとしてのアシスト発電モータ13の動力を制限しても、蓄電装置16の状態量(電流積算値、電流積算値比率)が所定の閾値(電流積算値比率:L1%)を下回らず、さらに、所定の閾値となる第3の閾値(電流積算値比率:100%=劣化開始値)に達した場合、状態回復部23は、蓄電装置16の放電および充電を停止する。これにより、状態回復部23は、蓄電装置16の状態回復を行う。このため、蓄電装置16の状態量を直接的に低下させることができ、蓄電装置16の性能劣化を抑制することができる。
 実施の形態によれば、蓄電装置16の状態量を、蓄電装置16の放電と充電に基づく電流積算値(電流積算値比率)としている。従って、油圧ポンプ10の動力の制限を行う所定の閾値(第1の閾値:L1%、第2の閾値:L2%、第3の閾値:100%)を、電流積算値(電流積算値比率)として設定することができる。ここで、電流積算値(電流積算値比率)の増大は、蓄電装置16の充放電の電流の増大と相関関係を有する。このため、電流積算値に基づいて、油圧ポンプ10の動力を適切なタイミングで制限することができる。
 次に、図6ないし図8は本発明の第2の実施の形態を示している。第2の実施の形態の特徴は、蓄電装置が放電と充電を繰り返すことによって変化する状態量を、蓄電装置自体の温度としたことにある。なお、第2の実施の形態では、上述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
 状態回復部41は、第1の実施の形態の状態回復部23に代えて、第2の実施の形態で用いるものである。状態回復部41は、蓄電装置16が放電と充電を繰り返すことによって変化する状態量、具体的には、蓄電装置16自体の温度(から求められる温度比率)が予め設定した所定の閾値(M1%)を超えた場合、油圧ポンプ10の動力を制限する。これにより、状態回復部41は、蓄電装置16の状態回復を行うことができる。
 即ち、蓄電装置16を構成するリチウムイオン二次電池16Aは、電解液の変性による性能低下や、正極と負極を電気的に分離しているセパレータの損傷による短絡等の性能劣化を抑制する必要がある。このため、リチウムイオン二次電池16Aは、例えば、温度が60℃以上にならないように管理する必要がある。そこで、第2の実施の形態では、蓄電装置16自体の温度、即ち、リチウムイオン二次電池16Aの温度を温度センサ16E(図2参照)により検出する。そして、状態回復部41は、温度センサ16Eで検出される温度(から求められる温度比率)に基づいて、油圧ポンプ10の動力を制限(さらには、アシスト発電モータ13の動力を制限)をする。これにより、状態回復部41は、蓄電装置16の状態回復を行うことができる。
 ここで、状態回復部41は、温度演算部41Aと、閾値出力部41Bと、油圧出力値演算部41Cと、電池出力値演算部41Dとを含んで構成されている。温度演算部41Aは、蓄電装置16自体の温度(リチウムイオン二次電池16Aの温度)と閾値出力部41Bから出力される温度閾値(劣化開始値)とを比較し、その比率となる温度比率を算出するものである。
 このために、温度演算部41Aには、温度センサ16Eで検出された温度が入力される。また、温度演算部41Aには、閾値出力部41Bから出力される温度閾値も入力される。温度閾値は、リチウムイオン二次電池16Aの性能劣化が発生しない温度の閾値(例えば、60℃)として設定することができる。換言すれば、温度閾値は、その値を超えるとリチウムイオン二次電池16Aの性能劣化が発生し易くなる劣化開始値(劣化開始境界値、劣化開始判定値)として設定することができる。
 温度演算部41Aでは、現在温度と温度閾値とから、その比率となる温度比率を算出する。温度比率は、下記の数3式で表すことができる。温度演算部41Aで算出された温度比率は、油圧出力値演算部41Cおよび電池出力値演算部41Dに出力される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 油圧出力値演算部41Cには、温度演算部41Aで算出される温度比率と、油圧ポンプ10で出力すべき動力に対応する油圧出力要求値とが入力される。油圧出力値演算部41Cは、図7に示す関係(特性線51)に基づいて、温度比率から油圧出力比率を求める。これと共に、油圧出力値演算部41Cは、その求めた油圧出力比率と油圧出力要求値とを乗算することにより、油圧出力指令値を算出する。ここで、図7は、温度比率と油圧出力比率との関係を示している。図7に示すように、温度比率がM1%以下のときは、油圧出力比率は100%となり、温度比率がM1%を超えると、油圧出力比率が100%よりも小さくなる。
 この場合、温度比率M1%は、例えば、40℃に対応する値(=40℃/60℃≒67%)とすることができる。また、油圧出力比率は、温度比率がM1%を超えると、温度比率がM2%のときにV1%となる。油圧出力比率V1%は、前述の数2式で表すことができる。また、温度比率がM2%は、例えば、50℃に対応する値(=50℃/60℃≒83%)とすることができる。
 一方、温度比率がM2%を超えた場合、電池出力値演算部41Dは、蓄電装置16の保護を図るべく、アシスト発電モータ13の出力制限を行う。即ち、電池出力値演算部41Dには、温度演算部41Aで算出される温度比率と、アシスト発電モータ13で出力すべき動力に対応する電池出力要求値とが入力される。電池出力値演算部41Dは、図8に示す関係(特性線52)に基づいて、温度比率から電池出力比率を求める。これと共に、電池出力値演算部41Dは、その求めた電池出力比率と電池出力要求値とを乗算することにより、電池出力指令値を算出する。
 ここで、図8は、温度比率と電池出力比率との関係を示している。図8に示すように、温度比率がM2%以下のときは、電池出力比率は100%になり、温度比率がM2%を超えると、油圧出力比率が100%よりも小さくなる。そして、温度比率が100%以上になると、電池出力比率が0%になり、ハイブリッドコントローラ22は、蓄電装置16の放電および充電を停止する。
 このように、実施の形態では、状態回復部41は、蓄電装置16の温度比率(温度)が、所定の閾値(第1の閾値)となるM1%(40℃)を超えた場合、油圧ポンプ10の動力を制限することにより、蓄電装置16の状態回復を行う(油圧ポンプ動力制限要素)。
 また、状態回復部41は、油圧ポンプ10の動力を制限しても、蓄電装置16の温度比率(温度)が下がらない場合、アシスト発電モータ13の動力も制限する。即ち、状態回復部41は、油圧ポンプ10の動力を制限しても、例えば、温度比率(温度)がさらに増大し、所定の閾値(第2の閾値)となるM2%(50℃)を超えた場合(第2の閾値を下回らない場合)、アシスト発電モータ13の動力も制限する。この場合、状態回復部41は、油圧ポンプ10の動力を制限することに加えて、アシスト発電モータ13の動力も制限することにより、蓄電装置16の状態回復を行う(電動モータ動力制限要素)。
 さらに、状態回復部41は、油圧ポンプ10の動力を制限し、かつ、アシスト発電モータ13の動力を制限しても、蓄電装置16の温度比率(温度)が下がらない場合、蓄電装置16の放電および充電を停止する。即ち、状態回復部41は、例えば、温度比率(温度)がM2%(50℃)からさらに増大し、所定の閾値(第3の閾値)となる100%(60℃)に達した場合(第3の閾値を下回らない場合)、蓄電装置16の放電および充電を停止する。これにより、状態回復部41は、蓄電装置16の状態回復を行う(電動モータ停止要素)。
 このように、状態回復部41は、油圧ポンプ動力制限要素と、電動モータ動力制限要素と、電動モータ停止要素とを有している。これにより、蓄電装置16の性能劣化の抑制と蓄電装置16の使用制限時の操作フィーリングの改善とを両立することができる。
 第2の実施の形態は、上述のように蓄電装置16の温度(温度比率)に基づいて油圧ポンプ10の動力の制限、アシスト発電モータ13の動力の制限、蓄電装置16の放充電の停止を行うもので、その基本的作用については、上述した第1の実施の形態によるものと格別差異はない。
 特に、第2の実施の形態によれば、蓄電装置16の状態量を、蓄電装置16自体の温度(温度比率)としている。従って、油圧ポンプ10の動力の制限を行う所定の閾値(第1の閾値:M1%、第2の閾値:M2%、第3の閾値:100%)を、蓄電装置16自体の温度(温度比率)として設定することができる。ここで、蓄電装置16自体の温度の増大は、蓄電装置16の性能劣化の進行と相関関係を有する。このため、蓄電装置16自体の温度に基づいて、油圧ポンプ10の動力を適切なタイミングで制限することができる。
 なお、上述した第1の実施の形態では、ハイブリッドコントローラ22が状態回復部23を備える構成とした場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば、蓄電装置16の制御部16Bが状態回復部を備える構成としてもよい。また、例えば、エンジン9の制御部となるECU9A、または、インバータ19の制御部19Aが状態回復部を備える構成としてもよい。さらに、ハイブリッドコントローラ22およびECU9Aが接続されるメインコントローラ24が状態回復部を備える構成としてもよい。このことは、第2の実施の形態についても同様である。
 上述した第1の実施の形態では、電流積算値と電流積算値閾値(劣化開始値)との比率となる電流積算値比率を算出し、該電流積算値比率の値に応じて油圧ポンプ10の動力の制限、アシスト発電モータ13の動力の制限、蓄電装置16の停止(充電と放電の停止)を行う構成とした場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば、電流積算値比率を算出することなく、電流積算値に応じて油圧ポンプ10の動力の制限、アシスト発電モータ13の動力の制限、蓄電装置16の停止を行う構成としてもよい。
 上述した第2の実施の形態では、温度と温度閾値(劣化開始値)との比率となる温度比率を算出し、該温度比率の値に応じて油圧ポンプ10の動力の制限、アシスト発電モータ13の動力の制限、蓄電装置16の停止(充電と放電の停止)を行う構成とした場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば、温度比率を算出することなく、温度に応じて油圧ポンプ10の動力の制限、アシスト発電モータ13の動力の制限、蓄電装置16の停止を行う構成としてもよい。
 上述した第1の実施の形態では、状態回復部23から油圧出力指令値を、油圧ポンプ10のレギュレータ10Aに出力する構成とした場合を例に挙げて説明した。即ち、第1の実施の形態では、油圧出力要求値よりも小さい油圧出力指令値が、状態回復部23から油圧ポンプ10のレギュレータ10Aに出力されることにより、油圧ポンプ10の動力を制限する構成とした場合を例に挙げて説明した。
 しかし、本発明はこれに限らず、例えば、状態回復部23から油圧出力指令値を、コントロールバルブ12に出力する構成としてもよい。ここで、コントロールバルブ12は、例えば、オペレータが操作する走行用の操作レバー・ペダル装置、作業用の操作レバー装置からのパイロット信号(パイロット圧)に応じて、油圧アクチュエータ2E~15Aに対する圧油の供給・排出を切換える制御弁装置として構成されている。この場合、油圧出力要求値よりも小さい油圧出力指令値が、状態回復部からコントロールバルブ12に出力されると、コントロールバルブ12は、例えば、オペレータの操作に基づくパイロット信号(パイロット圧)を制限することにより、油圧アクチュエータ2E~15Aに供給される圧油を制限することができる。即ち、状態回復部23から油圧出力指令値をコントロールバルブ12に出力し、該コントロールバルブ12で油圧アクチュエータ2E~15Aに供給される圧油を制限することにより、油圧ポンプ10の動力を(間接的に)制限する構成としてもよい。このことは、第2の実施の形態についても同様である。
 上述した第1の実施の形態では、旋回装置15の駆動源を旋回油圧モータ15Aにより構成した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば、旋回装置15の駆動源を油圧モータ(旋回油圧モータ)と電動モータ(旋回電動モータ)との組み合わせにより構成してもよい。また、旋回装置15の駆動源を電動モータ(旋回電動モータ)のみにより構成してもよい。このことは、第2の実施の形態についても同様である。
 上述した各実施の形態では、建設機械として、ハイブリッド式の油圧ショベル1を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば、ハイブリッド式のホイールローダ、ハイブリッド式のダンプトラック(運搬車両)等、蓄電装置に接続された電動モータとエンジンとを油圧ポンプの動力源とする各種のハイブリッド式の建設機械に広く適用することができる。さらには、エンジンを省いて、電動モータのみで油圧ポンプを駆動する電動式の建設機械についても、本発明は適用可能である。また、各実施の形態は例示であり、異なる実施の形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。
 1 油圧ショベル(建設機械)
 2E,2F 走行油圧モータ(油圧アクチュエータ)
 5D ブームシリンダ(作業用油圧シリンダ、油圧アクチュエータ)
 5E アームシリンダ(作業用油圧シリンダ、油圧アクチュエータ)
 5F バケットシリンダ(作業用油圧シリンダ、油圧アクチュエータ)
 9 エンジン
 10 油圧ポンプ
 13 アシスト発電モータ(電動モータ)
 15A 旋回油圧モータ(油圧アクチュエータ)
 16 蓄電装置
 22 ハイブリッドコントローラ(コントローラ)
 23,41 状態回復部

Claims (6)

  1.  電動モータと、
     前記電動モータにより駆動される油圧ポンプと、
     前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、
     前記電動モータに電力を供給し、または、前記電動モータによる発電電力を充電する蓄電装置と、
     前記電動モータ、前記油圧ポンプ、前記蓄電装置の少なくとも何れかを制御するコントローラとを備えてなる建設機械において、
     前記コントローラは、前記蓄電装置が放電と充電を繰り返すことによって変化する状態量が所定の閾値を超えた場合、前記油圧ポンプの動力を制限することにより、前記蓄電装置の状態回復を行う状態回復部を備える構成としたことを特徴とする建設機械。
  2.  前記状態回復部は、前記油圧ポンプの動力を制限しても、前記状態量が所定の閾値を下回らない場合、前記油圧ポンプの動力を制限することに加えて、前記電動モータの動力を制限することにより、前記蓄電装置の状態回復を行う構成としたことを特徴とする請求項1に記載の建設機械。
  3.  前記状態回復部は、前記油圧ポンプの動力を制限し、かつ、前記電動モータの動力を制限しても、前記状態量が所定の閾値を下回らない場合、前記蓄電装置の放電および充電を停止することにより、前記蓄電装置の状態回復を行う構成としたことを特徴とする請求項2に記載の建設機械。
  4.  前記状態量は、前記蓄電装置の放電と充電に基づく電流積算値であることを特徴とする請求項1に記載の建設機械。
  5.  前記状態量は、前記蓄電装置自体の温度であることを特徴とする請求項1に記載の建設機械。
  6.  前記電動モータに機械的に接続されたエンジンをさらに備え、
     前記油圧ポンプは、前記電動モータおよび前記エンジンによって駆動されることを特徴とする請求項1に記載の建設機械。
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