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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2017-206865(P2017-206865A)
(43)【公開日】2017年11月24日
(54)【発明の名称】建設機械
(51)【国際特許分類】
   E02F 9/20 20060101AFI20171027BHJP
   H02J 7/00 20060101ALI20171027BHJP
   H01M 10/48 20060101ALI20171027BHJP
   H01M 10/44 20060101ALI20171027BHJP
   B60L 11/18 20060101ALI20171027BHJP
   B60L 11/14 20060101ALI20171027BHJP
【FI】
   E02F9/20 CZHV
   E02F9/20 Z
   H02J7/00 P
   H01M10/48 P
   H01M10/44 P
   B60L11/18 A
   B60L11/14
   H02J7/00 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2016-99524(P2016-99524)
(22)【出願日】2016年5月18日
(71)【出願人】
【識別番号】000005522
【氏名又は名称】日立建機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100079441
【弁理士】
【氏名又は名称】広瀬 和彦
(72)【発明者】
【氏名】納谷 到
【テーマコード(参考)】
2D003
5G503
5H030
5H125
【Fターム(参考)】
2D003AA01
2D003AB07
2D003BA05
2D003CA10
2D003DA04
2D003DB08
2D003DC04
2D003FA02
5G503AA07
5G503BA01
5G503BB02
5G503BB03
5G503CA08
5G503CB11
5G503FA06
5G503GB06
5H030AA01
5H030AA10
5H030AS06
5H030AS08
5H030BB10
5H030BB21
5H030FF22
5H030FF42
5H030FF43
5H030FF44
5H125AA12
5H125AC08
5H125AC12
5H125BC01
5H125EE22
(57)【要約】
【課題】 蓄電装置の運用停止を抑制しつつ、複数の制限条件に応じて蓄電装置の電流を制御する。
【解決手段】 HCU35は、互いに異なる時定数T1〜T4を有し、蓄電装置32の電流Iに基づいた一次遅れ演算を行う4個の一次遅れ演算器42〜45と、4個の一次遅れ演算器42〜45からの出力信号Y1(t)〜Y4(t)に基づいて蓄電装置32の電流Iを制限する電流制御演算器46とを備える。電流制御演算器46は、一次遅れ演算器42〜45からの出力信号Y1(t)〜Y4(t)を調整する4個の除算器46A〜46Dと、除算器46A〜46Dから出力される比率R1〜R4のうち最大比率Rmaxを選択する最大値選択器46Eと、最大比率Rmaxに基づいて蓄電装置32の電流制限値Ilimを算出する電流制限値算出部46Fと、を備える。
【選択図】 図4
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電動機と、
前記電動機に電気的に接続された蓄電装置と、
前記電動機により駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプからの圧油によって駆動する油圧装置と、
前記蓄電装置の出力を制御するコントローラとを有する建設機械において、
前記コントローラは、
互いに異なる時定数を有し、前記蓄電装置の電流に基づいた一次遅れ演算を行う複数の一次遅れ演算器と、
前記複数の一次遅れ演算器の演算結果に基づいて、前記蓄電装置の電流を制御する電流制御演算器と、を備えたことを特徴とする建設機械。
【請求項2】
前記電流制御演算器は、前記複数の一次遅れ演算器のうち時定数が小さい一次遅れ演算器の定常値が、時定数が大きい一次遅れ演算器の定常値に比べて小さくなるように、前記各一次遅れ演算器の演算結果を調整する複数の演算結果調整器と、
前記複数の演算結果調整器による調整結果のうち最大のものを選択する最大値選択器と、
前記最大値選択器からの出力結果に基づいて、前記蓄電装置の電流の制限値を算出する電流制限値算出部と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の建設機械。
【請求項3】
前記電動機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、前記電動機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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電動機、蓄電装置および油圧ポンプが搭載された建設機械に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、エンジンと油圧ポンプに機械的に結合された電動機と、リチウムイオンバッテリやキャパシタ等の蓄電装置とを備えたハイブリッド建設機械が知られている。このようなハイブリッド建設機械では、電動機は、エンジンの駆動力によって発電した電力を蓄電装置に充電する、または蓄電装置の電力を用いて力行することによってエンジンをアシストする、という役割を担う。
【0003】
また、リチウムイオンバッテリ等の蓄電装置は、一次的な性能低下や損傷を防止するために、電圧、電流、温度等を制御する必要がある。このため、蓄電装置には、その状態を監視する監視装置が設けられ、監視装置は、所定の使用範囲を逸脱しないように電圧等を制御している(例えば、特許文献1,2参照)。
【0004】
特許文献1には、電池内部の短時間の大電流による可逆的内部抵抗と、長時間の低電流による不可逆的内部抵抗とを演算し、これらの抵抗の比率によって充放電を停止させて、不可逆的内部抵抗の増加を防止する構成が開示されている。特許文献2には、部品発熱を抑制するために、電流の二乗値の一次遅れ式を用いて電流を制限し、定格温度以内の部品温度を押える構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第4923116号公報
【特許文献2】特開2012−96712号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、特許文献1に記載された制御方式では、可逆的内部抵抗と不可逆的内部抵抗との比率に基づいて、電池の充放電を停止させる。このため、例えば電池の電力への依存度が高く、定常的なモータ出力の使用を前提にした建設機械には、適用が難しいという問題がある。
【0007】
一方、特許文献2に記載された制御方式では、充電と放電で制限値の切り換えを行っているが、基本的に単一の部品に対して単一の制限値で制御するものである。即ち、単一の一次遅れ式の結果に基づいて電流を制限しているに過ぎず、電流値から演算で求められる、電池の可逆的内部抵抗、不可逆的内部抵抗、温度等の複数の指標(制限条件)で同一の対象(電池または電池電流)を制御することができないという問題点がある。
【0008】
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、本発明の目的は、蓄電装置の運用停止を抑制しつつ、複数の制限条件に応じて蓄電装置の電流を制御することができる建設機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明は、電動機と、前記電動機に電気的に接続された蓄電装置と、前記電動機により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの圧油によって駆動する油圧装置と、前記蓄電装置の出力を制御するコントローラとを有する建設機械において、前記コントローラは、互いに異なる時定数を有し、前記蓄電装置の電流に基づいた一次遅れ演算を行う複数の一次遅れ演算器と、前記複数の一次遅れ演算器の演算結果に基づいて、前記蓄電装置の電流を制御する電流制御演算器と、を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、複数の制限条件を持つ蓄電装置を、運用停止を抑制しつつ、適切(効率良く)に運用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明の実施の形態によるハイブリッド油圧ショベルを示す正面図である。
図2図1中のハイブリッド油圧ショベルに適用する油圧システムと電動システムを示すブロック図である。
図3図2中のバッテリユニットの構成を示すブロック図である。
図4図3中のハイブリッドコントローラ内に搭載された本発明の構成をブロック図にて具現化した図である。
図5】蓄電装置の電流がステップ状に変化したときに、第1ないし第4の一次遅れ演算器から出力される出力信号の時間変化を示す特性線図である。
図6図5に示す出力信号に基づいて、第1ないし第4の除算器から出力される比率の時間変化を示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施の形態による建設機械としてハイブリッド油圧ショベルを例に挙げて、添付図面に従って説明する。
【0013】
図1ないし図4は本発明の実施の形態を示している。ハイブリッド油圧ショベル1(以下、油圧ショベル1という)は、後述のエンジン21と発電電動機27(電動機)とを備えている。この油圧ショベル1は、自走可能なクローラ式の下部走行体2と、下部走行体2上に設けられた旋回装置3と、下部走行体2上に旋回装置3を介して旋回可能に搭載された上部旋回体4と、上部旋回体4の前側に設けられ掘削作業等を行う多関節構造の作業装置11とにより構成されている。このとき、下部走行体2と上部旋回体4とは、油圧ショベル1の車体を構成している。
【0014】
上部旋回体4は、旋回フレーム5上に設けられエンジン21等が収容された建屋カバー6と、オペレータが搭乗するキャブ7とを備えている。キャブ7内には、オペレータが着座する運転席(図示せず)が設けられると共に、運転席の周囲には、操作レバー、操作ペダル等からなる走行操作装置8と、操作レバー等からなる旋回操作装置9と、操作レバー等からなる作業操作装置10とが設けられている(図2参照)。
【0015】
ここで、操作装置8〜10には、これらの操作量を検出する操作量センサ8A〜10Aがそれぞれ設けられている。これらの操作量センサ8A〜10Aは、例えば下部走行体2の走行操作、上部旋回体4の旋回操作、作業装置11の俯仰動操作(掘削操作)等のような車体の操作状態を検出する。
【0016】
図1に示すように、作業装置11は、例えばブーム11A、アーム11B、バケット11Cと、これらを駆動するブームシリンダ11D、アームシリンダ11E、バケットシリンダ11Fとによって構成されている。ブーム11A、アーム11B、バケット11Cは、互いにピン結合されている。作業装置11は、旋回フレーム5に取付けられ、シリンダ11D〜11Fを伸長または縮小することによって、俯仰動する。
【0017】
ここで、油圧ショベル1は、発電電動機27等を制御する電動システムと、作業装置11等の動作を制御する油圧システムとを搭載している。以下、油圧ショベル1のシステム構成について図2および図3を参照して説明する。
【0018】
エンジン21は、旋回フレーム5に搭載されている。このエンジン21は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関によって構成されている。図2に示すように、エンジン21の出力側には、油圧ポンプ23と発電電動機27とが機械的に直列接続して取付けられ、これらの油圧ポンプ23と発電電動機27とは、エンジン21によって駆動される。ここで、エンジン21の作動はエンジンコントロールユニット22(以下、ECU22という)によって制御され、ECU22は、メインコントローラ36(以下、MC36という)からのエンジン出力指令に基づいて、エンジン21の出力トルク、回転速度(エンジン回転数)等を制御する。なお、エンジン21の最大出力は、例えば油圧ポンプ23の最大動力よりも小さくなっている。
【0019】
油圧ポンプ23は、エンジン21に機械的に接続されている。この油圧ポンプ23は、エンジン21単独のトルクによって駆動可能である。また、油圧ポンプ23は、エンジン21のトルクに発電電動機27のアシストトルクを加えた複合トルク(合計トルク)によっても駆動可能である。この油圧ポンプ23は、タンク(図示せず)内に貯溜された作動油を加圧し、走行油圧モータ25、旋回油圧モータ26、作業装置11のシリンダ11D〜11F等に圧油として吐出する。
【0020】
油圧ポンプ23は、コントロールバルブ24を介して油圧装置としての走行油圧モータ25、旋回油圧モータ26、シリンダ11D〜11Fに接続されている。これらの油圧モータ25,26、シリンダ11D〜11Fは、油圧ポンプ23からの圧油によって駆動する。コントロールバルブ24は、走行操作装置8、旋回操作装置9、作業操作装置10に対する操作に応じて、油圧ポンプ23から吐出された圧油を走行油圧モータ25、旋回油圧モータ26、シリンダ11D〜11Fに供給または排出する。
【0021】
発電電動機27(モータジェネレータ)は、エンジン21に機械的に接続されている。この発電電動機27は、例えば同期電動機等によって構成される。発電電動機27は、エンジン21を動力源に発電機として働き蓄電装置32への電力供給を行う発電と、蓄電装置32からの電力を動力源にモータとして働きエンジン21および油圧ポンプ23の駆動をアシストする力行との2通りの役割を果たす。従って、エンジン21のトルクには、状況に応じて発電電動機27のアシストトルクが追加され、これらのトルクによって油圧ポンプ23は駆動する。この油圧ポンプ23から吐出される圧油によって、車両の走行動作、旋回動作、作業装置11の俯仰動動作等が行われる。
【0022】
図2に示すように、発電電動機27は、インバータ28を介して一対の直流母線29A,29Bに接続されている。インバータ28は、例えばトランジスタ、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を用いて構成され、パワーコントロールユニット30(以下、PCU30という)によって各スイッチング素子のオン/オフが制御される。直流母線29A,29Bは、正極側と負極側とで対をなし、例えば数百V程度の直流電圧が印加されている。
【0023】
発電電動機27の発電時には、インバータ28は、発電電動機27からの交流電力を直流電力に変換して蓄電装置32に供給する。発電電動機27の力行時には、インバータ28は、直流母線29A,29Bの直流電力を交流電力に変換して発電電動機27に供給する。そして、PCU30は、HCU35からの発電電動機出力指令等に基づいて、インバータ28の各スイッチング素子のオン/オフを制御する。これにより、PCU30は、発電電動機27の発電時の発電電力や力行時の駆動電力を制御する。
【0024】
バッテリユニット31は、例えばリチウムイオン二次電池からなる蓄電装置32と、電流センサ33と、バッテリコントローラ34(以下、BC34という)とを備えている(図3参照)。蓄電装置32は、発電電動機27に電気的に接続されている。具体的には、蓄電装置32は、直流母線29A,29Bを介してインバータ28に接続されている。
【0025】
蓄電装置32は、発電電動機27の発電時には発電電動機27から供給される電力を充電し、発電電動機27の力行時(アシスト駆動時)には発電電動機27に向けて駆動電力を供給する。蓄電装置32は、BC34からの情報に基づいて、HCU35によって充電動作や放電動作が制御される。
【0026】
電流センサ33は、例えば蓄電装置32の正極側の端子に接続され、蓄電装置32の充電電流または放電電流を検出する。電流センサ33の出力側は、BC34に接続されている。電流センサ33は、検出した電流Iに応じた信号をBC34に出力する。
【0027】
BC34には、電流センサ33からの信号に基づいて、蓄電装置32の電流Iが入力される。また、BC34には、電圧センサおよび温度センサ(いずれも図示せず)が接続され、蓄電装置32の電圧Vおよび温度Tが入力される。BC34は、電流I、電圧V、温度Tに基づいて、蓄電装置32から放電可能な電力をバッテリ放電電力として算出する。同様に、BC34は、蓄電装置32に充電可能な電力をバッテリ充電電力として算出する。BC34は、バッテリ蓄電率(SOC)、バッテリ放電電力、バッテリ充電電力等をハイブリッドコントロールユニット35(以下、HCU35という)に向けて出力する。
【0028】
これに加えて、BC34は、電圧V、電流I、温度T、蓄電率(SOC:State Of Charge)、劣化度(SOH:State Of Health)等に基づいて、蓄電装置32の状態を監視し、推定する。BC34は、これらの複数の要素のいずれかの指標が適正な使用範囲を逸脱した場合または逸脱しそうな場合には、HCU35に信号を送信し、異常・警告を発報する。
【0029】
HCU35は、例えばマイクロコンピュータによって構成されると共に、CAN(Controller Area Network)等を用いてECU22、PCU30、BC34、MC36に電気的に接続されている。また、MC36には、操作装置8〜10のレバー操作量を検出する操作量センサ8A〜10Aが接続されている。MC36は、ECU22、HCU35と通信し、例えばレバー操作量、エンジン21の回転数、蓄電装置32の蓄電率(SOC)等に基づいて、各種の制御信号をECU22、PCU30、HCU35に送信する。これにより、ECU22は、MC36からの制御信号に基づいて、エンジン21の回転数等を制御する。また、HCU35は、その他のハイブリッド機器(モータ、インバータ)の状態と、MC36からの操作装置8〜10のレバー操作量の情報を基づいて、ハイブリッド機器である発電電動機27、インバータ28、蓄電装置32を制御する。
【0030】
これに加えて、HCU35は、コントローラを構成し、蓄電装置32の出力を制御する。具体的には、HCU35は、BC34からの信号に基づいて、蓄電装置32の電流Iが入力される。このとき、HCU35は、電流Iに基づいて、電流Iを制限するための電流制限値Ilim[%]を算出する。電流Iの制限が不要な場合には、電流制限値Ilimは100%になる。一方、電流Iの制限が必要な場合には、制限の度合いに応じて電流制限値Ilimは100%よりも低下した値(Ilim<100)になる。HCU35は、電流Iが電流制限値Ilimよりも小さくなるように、PCU30およびインバータ28を用いて、蓄電装置32の充電および放電を制御する。
【0031】
次に、HCU35に搭載した本発明の具体的な構成について説明する。図4に示すように、HCU35は、二乗演算器41と、第1ないし第4の一次遅れ演算器42〜45と、電流制御演算器46とを備える。
【0032】
二乗演算器41は、その入力側がBC34に接続され、電流センサ33によって検出された電流Iが入力される。この二乗演算器41は、電流Iを二乗した電流演算値I2を算出する。このとき、電流演算値I2は、充電および放電のいずれの電流Iが入力されたときであっても、正の値になる。二乗演算器41は、電流演算値I2を第1ないし第4の一次遅れ演算器42〜45に出力する。
【0033】
第1の一次遅れ演算器42は、電流演算値I2の一次遅れ応答を演算し、出力信号Y1(t)を出力する。第1の一次遅れ演算器42は、予め決められた時定数T1を有し、低域通過フィルタを構成している。第1の一次遅れ演算器42は、以下の数1の式に示す伝達関数H1(s)を有している。
【0034】
【数1】
【0035】
第2ないし第4の一次遅れ演算器43〜45も、第1の一次遅れ演算器42とほぼ同様に構成されている。このため、第2ないし第4の一次遅れ演算器43〜45は、電流演算値I2の一次遅れ応答を演算し、出力信号Y2(t)〜Y4(t)を出力する。第2ないし第4の一次遅れ演算器43〜45は、予め決められた時定数T2〜T4を有し、低域通過フィルタを構成している。第2ないし第4の一次遅れ演算器43〜45は、以下の数2〜数4の式に示す伝達関数H2(s)〜H4(s)をそれぞれ有している。
【0036】
【数2】
【0037】
【数3】
【0038】
【数4】
【0039】
ここで、時定数T1〜T4は、互いに異なる値に設定されている。具体的には、時定数T1〜T4は、以下の数5の式に示す関係を満たしている。即ち、時定数T1〜T4は、順次大きくなっている。このため、時定数T1よりも時定数T2が大きく、時定数T2よりも時定数T3が大きく、時定数T3よりも時定数T4が大きくなっている。
【0040】
【数5】
【0041】
このため、第1ないし第4の一次遅れ演算器42〜45の中で、第1の一次遅れ演算器42は、そのカットオフ周波数が最も高くなっている。このため、電流Iが短時間で急峻に変化したときでも、第1の一次遅れ演算器42の出力信号Y1(t)は変化する。これに対し、第1ないし第4の一次遅れ演算器42〜45の中で、第4の一次遅れ演算器45は、そのカットオフ周波数が最も低くなっている。このため、電流Iが短時間で急峻に変化したときには、第4の一次遅れ演算器45の出力信号Y4(t)は変化が小さく、長時間で緩やかに電流Iが変化したときに、出力信号Y4(t)は変化する。
【0042】
第2の一次遅れ演算器43のカットオフ周波数は、第1の一次遅れ演算器42のカットオフ周波数よりも低く、第4の一次遅れ演算器45のカットオフ周波数よりも高くなっている。このため、第2の一次遅れ演算器43の出力信号Y2(t)は、出力信号Y1(t)と出力信号Y4(t)の中間的な特性となる。従って、例えば電流Iがステップ状に増加したときには、出力信号Y2(t)は、出力信号Y1(t)よりも立上りが遅くなり、出力信号Y4(t)よりは立上りが早くなる。
【0043】
第3の一次遅れ演算器44のカットオフ周波数は、第2の一次遅れ演算器43のカットオフ周波数よりも低く、第4の一次遅れ演算器45のカットオフ周波数よりも高くなっている。このため、第3の一次遅れ演算器44の出力信号Y3(t)は、出力信号Y2(t)と出力信号Y4(t)の中間的な特性となる。従って、例えば電流Iがステップ状に増加したときには、出力信号Y3(t)は、出力信号Y2(t)よりも立上りが遅くなり、出力信号Y4(t)よりは立上りが早くなる。
【0044】
数1〜数4の式中で、係数K1〜K4は、通過域の利得(ゲイン)を示している。これらの係数K1〜K4は、仕様等に応じて適宜設定される。係数K1〜K4は、互いに同じ値でもよく、互いに異なる値でもよい。係数K1〜K4は、例えば同じ値として1に設定されている。
【0045】
電流制御演算器46は、第1ないし第4の一次遅れ演算器42〜45の演算結果に基づいて、蓄電装置32の充放電電流を制御する。具体的には、電流制御演算器46は、第1ないし第4の一次遅れ演算器42〜45からの出力信号Y1(t)〜Y4(t)に基づいて、充放電電流を制限するための電流制限値Ilim[%]を出力する。電流制御演算器46は、第1ないし第4の除算器46A〜46Dと、最大値選択器46Eと、電流制限値算出部46Fとを備えている。
【0046】
第1ないし第4の除算器46A〜46Dは、演算結果調整器を構成している。第1ないし第4の除算器46A〜46Dは、一次遅れ演算器42〜45のうち時定数が小さい一次遅れ演算器の定常値が、時定数が大きい一次遅れ演算器の定常値に比べて小さくなるように、各一次遅れ演算器42〜45の出力信号Y1(t)〜Y4(t)を調整する。
【0047】
第1の除算器46Aは、出力信号Y1(t)を予め決められた閾値C1で除算する。第1の除算器46Aは、閾値C1に対する出力信号Y1(t)の比率として、第1の比率R1(R1=Y1/C1)を算出する。
【0048】
第2の除算器46Bは、出力信号Y2(t)を予め決められた閾値C2で除算する。第2の除算器46Bは、閾値C2に対する出力信号Y2(t)の比率として、第2の比率R2(R2=Y2/C2)を算出する。
【0049】
第3の除算器46Cは、出力信号Y3(t)を予め決められた閾値C3で除算する。第3の除算器46Cは、閾値C3に対する出力信号Y3(t)の比率として、第3の比率R3(R3=Y3/C3)を算出する。
【0050】
第4の除算器46Dは、出力信号Y4(t)を予め決められた閾値C4で除算する。第4の除算器46Dは、閾値C4に対する出力信号Y4(t)の比率として、第4の比率R4(R4=Y4/C4)を算出する。
【0051】
第1ないし第4の除算器46A〜46Dは、比率R1〜R4を最大値選択器46Eに出力する。ここで、閾値C1〜C4は、以下の数6の式に示す関係を満たすように設定されている。このため、出力信号Y1(t)〜Y4(t)を算出した一次遅れ演算器42〜45の時定数T1〜T4が大きくなるに従って、出力信号Y1(t)〜Y4(t)に対応した係数K1〜K4と閾値C1〜C4との比率は小さくなっている。従って、K1/C1は最も小さくなり、K4/C4は最も大きくなっている。
【0052】
【数6】
【0053】
最大値選択器46Eは、第1ないし第4の比率R1〜R4のうち最も大きな最大比率Rmaxを選択する。このとき、除算器46A〜46Dは、係数K1〜K4と閾値C1〜C4との比率が一次遅れ演算器42〜45の時定数T1〜T4に応じて互いに異なる値に設定されている。このため、例えば短時間で急激に電流Iが増加したときには、出力信号Y1(t)が出力信号Y2(t)〜Y4(t)よりも早く大きくなる。これにより、電流Iが増加した直後は、第1の除算器46Aから出力される比率R1が、他の比率R2〜R4に比べて大きくなる傾向がある。
【0054】
これに対し、例えば長時間に亘って緩やかに電流Iが増加したときには、出力信号Y1(t)〜Y4(t)はいずれも緩やかに増加する。この場合、数6の式中でK4/C4が最も大きくなっているから、長時間の経過後は、第4の除算器46Dから出力される比率R4が、他の比率R1〜R3に比べて大きくなる傾向がある。
【0055】
このように、電流変化の割合や時間の経過状況等に応じて、第1ないし第4の比率R1〜R4の大小関係が異なる。このため、最大値選択器46Eは、第1ないし第4の比率R1〜R4のうち最大比率Rmaxを選択することによって、電流Iの制限が必要となる要素(成分)を抽出することができる。
【0056】
電流制限値算出部46Fは、最大比率Rmaxに基づいて充放電電流を制限するための電流制限値Ilim[%]を出力する。電流制限値Ilim[%]は、通常時に許容される充放電電流を基準値(100%)として、この基準値に対する低下割合(低下比率)を示している。電流制限値算出部46Fは、図4に示すテーブル47に基づいて、最大比率Rmaxから電流制限値Ilimを演算する。
【0057】
電流制限値算出部46Fは、最大比率Rmaxが所定の下限値以下(例えば、Rmax≦0.8)のときは、電流制限値Ilimを通常時と同じ値に設定する(Ilim=100%)。電流制限値算出部46Fは、最大比率Rmaxが所定の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい(例えば、0.8<Rmax<1)ときは、最大比率Rmaxと下限値との差異に応じて、電流制限値Ilimを通常時よりも低下させる(0%<Ilim<100%)。そして、電流制限値算出部46Fは、最大比率Rmaxが所定の上限値(例えば、Rmax=1)に到達したときに、電流制限値Ilimが充放電を停止させる値(Ilim=0%)となるように、電流制限値Ilimを、最大比率Rmaxが上限値に近付くに従って徐々に低下させる。このため、許可と禁止と2状態で充放電電流を制御する場合に比べて、充放電の停止を抑制することができる。なお、上述した下限値、上限値および電流制限値Ilimが減少する割合等は、例示したものに限らず、蓄電装置32の仕様等に応じて適宜設定される。
【0058】
HCU35は、電流制限値算出部46Fから出力された電流制限値Ilimを超えないように、蓄電装置32の充放電の電流Iを制御する。即ち、HCU35は、最大比率Rmaxが上限値を超えないように、電流Iを制御する。これにより、HCU35は、例えば電流制限値Ilimによって蓄電装置32からの電力供給が低下すること等を考慮した上で、エンジン21および発電電動機27を制御する。
【0059】
本実施の形態による油圧ショベル1は上述のような構成を有するもので、次に、HCU35による蓄電装置32の電流Iの制御内容について、図4ないし図6を参照しつつ説明する。なお、図5および図6は、開始時点tsから電流Iがステップ状に増加し、電流Iが0Aから通常時に使用可能な所定値(例えば150A)まで上昇した場合を示している。実際のバッテリユニット31では、開始時点tsから所定時間(例えば数十秒から数分程度)が経過すると、電流Iは、HCU35によって制限されて低下する。これに対し、図5および図6は、電流Iが制限されない仮想的な場合を示している。
【0060】
図5に示すように、開始時点tsで電流Iがステップ状に増加すると、一次遅れ演算器42〜45から出力される出力信号Y1(t)〜Y4(t)は、いずれも増加する。このとき、HCU35の一次遅れ演算器42〜45は、その時定数T1〜T4が互いに異なる。このため、電流Iが増加した直後の過渡状態では、出力信号Y1(t)〜Y4(t)の増加割合は、時定数T1〜T4に応じて互いに異なる。例えば、第1の一次遅れ演算器42の時定数T1は、他の時定数T2〜T4に比べて小さいから、過渡状態の出力信号Y1(t)は、他の出力信号Y2(t)〜Y4(t)に比べて早期に増加する。逆に、第4の一次遅れ演算器45の時定数T4は、他の時定数T1〜T3に比べて大きいから、出力信号Y4(t)の増加は、他の出力信号Y1(t)〜Y3(t)に比べて遅延する。
【0061】
この場合、4個の除算器46A〜46Dによって、出力信号Y1(t)の定常値は他の出力信号Y2(t)〜Y4(t)の定常値に比べて小さくなるが、過渡状態の出力信号Y1(t)は、他の出力信号Y2(t)〜Y4(t)よりも大きい。このため、図6に示すように、電流Iが増加した直後は、第1の除算器46Aから出力される比率R1が、他の比率R2〜R4に比べて大きくなる。この結果、電流制限値算出部46Fは、過渡状態の電流Iについては、最大値選択器46Eによって選択された比率R1に基づいて電流制限値Ilimを算出する。
【0062】
一方、図5に示すように、電流Iが所定値付近に収束した定常状態では、係数K1〜K4が互いに同じ値である場合には、一次遅れ演算器42〜45の出力信号Y1(t)〜Y4(t)は互いに同程度の値に収束する。このとき、除算器46A〜46Dは、時定数T1が小さい一次遅れ演算器42の定常値が、他の一次遅れ演算器43〜45の定常値に比べて小さくなるように、出力信号Y1(t)〜Y4(t)を調整した比率R1〜R4を出力する。このため、図6に示すように、電流Iの増加から十分に時間が経過した定常状態では、時定数T3が時定数T1,T2に比べて大きいから、一次遅れ演算器44による出力信号Y3(t)を調整した比率R3が、比率R1,R2に比べて大きくなる。同様に、さらに継続して電流Iを流すと、最終的には比率R4が比率R3を上回るようになる。この結果、電流制限値算出部46Fは、定常状態の電流Iについては、最大値選択器46Eによって選択された比率R3,R4に基づいて電流制限値Ilimを算出する。
【0063】
上述したように、短時間で急激に電流Iが変化した場合と、長時間で緩やかに電流Iが変化した場合とでは、異なる出力信号Y1(t)〜Y4(t)に基づいて、電流制限値Ilimを算出することができる。この結果、電流Iから演算で求められる、蓄電装置32の可逆的内部抵抗、不可逆的内部抵抗、温度等のような複数の指標(制限条件)で同一の対象(電池または電池電流)を制御することができる。
【0064】
かくして、本実施の形態によれば、HCU35は、互いに異なる時定数T1〜T4を有し、蓄電装置32の充放電電流に基づいた一次遅れ演算を行う4個の一次遅れ演算器42〜45と、4個の一次遅れ演算器42〜45の演算結果に基づいて蓄電装置32の電流Iを制御する電流制御演算器46とを備える構成とした。このため、一次遅れ演算器42〜45は互いに異なる応答性をもった出力信号Y1(t)〜Y4(t)を出力するから、電流制御演算器46は応答性の異なる複数の条件に基づいて、蓄電装置32の電流Iを制御することができる。従って、電流Iから演算で求められる、蓄電装置32の可逆的内部抵抗、不可逆的内部抵抗、温度等のような複数の指標(制限条件)で同一の対象(電池または電池電流)を制御することができる。この結果、蓄電装置32の運用停止を抑制しつつ、複数の制限条件に応じて蓄電装置32の電流Iを制御することできるから、蓄電装置32の性能低下を適切に防止しながら、蓄電装置32を使用することができる。
【0065】
また、電流制御演算器46は、4個の除算器46A〜46D(演算結果調整器)と、最大値選択器46Eと、電流制限値算出部46Fとを備える。このとき、4個の除算器46A〜46Dは、4個の一次遅れ演算器42〜45のうち時定数が小さい一次遅れ演算器の定常値が、時定数が大きい一次遅れ演算器の定常値に比べて小さくなるように、各一次遅れ演算器42〜45の出力信号Y1(t)〜Y4(t)を調整する。
【0066】
このため、定常状態では、一次遅れ演算器42〜45の出力信号Y1(t)〜Y4(t)が互いに近い値になるから、時定数T4が大きい一次遅れ演算器45の出力信号Y4(t)に基づく比率R4が、他の比率R1〜R3に比べて大きくなる。一方、過渡状態では、時定数T1が小さい一次遅れ演算器42の出力信号Y1(t)が、他の出力信号Y2(t)〜Y4(t)よりも大きくなるから、出力信号Y1(t)に基づく比率R1が、他の比率R2〜R4に比べて大きくなる。
【0067】
このとき、最大値選択器46Eは、4個の除算器46A〜46Dによって出力信号Y1(t)〜Y4(t)が調整された比率R1〜R4(調整結果)のうち最大比率Rmaxを選択する。これにより、最大値選択器46Eは、電流Iが急激に変化した場合と、電流Iが緩やかな変化した場合とで、異なる比率R1〜R4を選択することができ、電流Iの制限が必要となる要素(成分)を抽出することができる。
【0068】
さらに、電流制限値算出部46Fは、最大値選択器46Eからの最大比率Rmax(出力結果)に基づいて、蓄電装置32の電流制限値Ilimを算出する。これにより、電流変化の割合や時間の経過状況等に応じて、電流Iを制限することができる。
【0069】
この結果、電流制御演算器46は、短時間で急峻に電流Iが変化した場合には、例えば時定数T1の小さい一次遅れ演算器42の演算結果(出力信号Y1(t))の比率R1が上限値に近付いたときに、蓄電装置32の電流Iを制限することができる。一方、電流制御演算器46は、長時間で緩やかに電流Iが変化した場合には、例えば時定数T4の大きい一次遅れ演算器45の演算結果(出力信号Y4(t))の比率R4が上限値に近付いたときに、蓄電装置32の電流Iを制限することができる。
【0070】
なお、前記実施の形態では、電流制御演算器46は、4個の除算器46A〜46Dと、最大値選択器46Eと、電流制限値算出部46Fとを備える構成とした。本発明はこれに限らず、例えば時定数T1〜T4が大きくなるに従って、一次遅れ演算器42〜45の係数K1〜K4(ゲイン)が大きくなる場合には、除算器46A〜46Dを省く構成としてもよい。
【0071】
前記実施の形態では、演算結果調整器として除算器46A〜46Dを用いるものとした。本発明はこれに限らず、複数の一次遅れ演算器のうち時定数が小さい一次遅れ演算器の定常値が、時定数が大きい一次遅れ演算器の定常値に比べて小さくなるように、各一次遅れ演算器の演算結果を調整するものであればよく、例えば係数を乗算する乗算器でもよい。
【0072】
前記実施の形態では、HCU35は、4個の一次遅れ演算器42〜45を備える構成としたが、2個または3個の一次遅れ演算器を備える構成としてもよく、5個以上の一次遅れ演算器を備える構成としてもよい。
【0073】
前記実施の形態では、HCU35によって、蓄電装置32を制御するための電流制限値Ilimを算出する構成としたが、BC34によって電流制限値Ilimを算出してもよい。また、HCU35は、二乗演算器41と、第1ないし第4の一次遅れ演算器42〜45と、電流制御演算器46とを備えるものとしたが、これらのうち前段部分(例えば二乗演算器41)をBC34が備え、後段部分(例えば一次遅れ演算器42〜45および電流制御演算器46)をHCU35が備える構成としてもよい。さらに、HCU35とBC34とを統合して、単一のコントローラを構成してもよい。
【0074】
前記実施の形態では、エンジン21の最大出力を油圧ポンプ23の最大動力よりも小さくしたが、エンジン21の最大出力は、油圧ショベル1の仕様等に応じて適宜設定される。このため、エンジン21の最大出力は、油圧ポンプ23の最大動力と同程度でもよく、油圧ポンプ23の最大動力よりも大きくてもよい。
【0075】
前記実施の形態では、蓄電装置32にリチウムイオン二次電池を用いた場合を例に挙げて説明したが、必要な電力を供給可能な他の二次電池(例えばニッケルカドミウムバッテリ、ニッケル水素バッテリ)やキャパシタを用いてもよい。また、蓄電装置と直流母線との間にDC−DCコンバータ等の昇降圧装置を設けてもよい。
【0076】
前記実施の形態では、建設機械としてクローラ式のハイブリッド油圧ショベル1を例に挙げて説明した。本発明はこれに限らず、例えばホイール式のハイブリッド油圧ショベル、ハイブリッドホイールローダ、リフトトラック等のように、エンジンと油圧ポンプに連結された電動機と、蓄電装置とを備えた各種のハイブリッド建設機械に適用可能である。また、エンジンを省いて、電動機のみで油圧ポンプを駆動する電動式建設機械についても、本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【0077】
1 ハイブリッド式油圧ショベル(建設機械)
11 作業装置
11D ブームシリンダ(油圧装置)
11E アームシリンダ(油圧装置)
11F バケットシリンダ(油圧装置)
21 エンジン
23 油圧ポンプ
25 走行油圧モータ(油圧装置)
26 旋回油圧モータ(油圧装置)
27 発電電動機(電動機)
32 蓄電装置
33 電流センサ
34 バッテリコントローラ
35 ハイブリッドコントローラ(コントローラ)
42〜45 一次遅れ演算器
46 電流制御演算器
46A〜46D 除算器(演算結果調整器)
46E 最大値選択器
46F 電流制限値算出部
図1
図2
図3
図4
図5
図6