JP2004266917A - ハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バッテリ31のセル311〜31nの端子間電圧のうち最大の端子間電圧(最大セル電圧値)を最大セル電圧値検出部38bにより検出するとともに、それらの最小の端子間電圧(最小セル電圧値)を最小セル電圧値検出部38cにより検出する。バッテリ最大充電電力決定部39は、最大セル電圧値を利用してバッテリ31の最大充電電力を決定し、バッテリ最大放電電力決定部40は、最小セル電圧値を利用してバッテリ31の最大放電電力を決定する。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド建設機械に搭載されている発電機及び蓄電器から電動アクチュエータへ供給する電力を制御するハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルなどの建設機械車両は、自走用のエンジンが搭載されており、このエンジンを動力源として油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプから吐出される作動油を旋回アクチュエータ、ブームシリンダ、アームシリンダなどの各油圧アクチュエータに供給し、これによって各部位の駆動が行われていた。しかし、エンジンを動力源とする建設機械は、負荷変動が大きくエンジンへの負担が大きいため燃費が悪く、また、騒音や排気ガスが発生するという問題があった。そこで、このような問題を解決するため、発電機と蓄電器(バッテリなど)との組み合わせにより駆動される電動機を装備するハイブリッド建設機械が開発されている。かかるハイブリッド駆動型建設機械として、シリーズ方式のもの(例えば、特許文献1参照)と、パラレル方式のもの(例えば、特許文献2、特許文献3参照)とがある。
【0003】
いずれの方式のハイブリッド駆動型建設機械においても、一般的に、バッテリの端子間電圧を計測し、この計測結果を基にバッテリの充電状態SOC(State of Charge)を算出する。そして、この充電状態SOCが一定値以下になれば発電機を作動させ、一方、充電状態SOCが一定値以上になれば発電機を停止または発電機の出力を低下させていた。このような制御によって、バッテリの充電状態SOCが一定の範囲内に維持されていた。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−283107号公報
【特許文献2】
特開平10−42587号公報
【特許文献3】
特開2000−226183号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、通常、ハイブリッドシステムに用いられるバッテリなどの蓄電器は、高電圧を得るために、複数のセルを直列接続した構成となっている。このような複数のセルを直列接続して構成されるバッテリなどの蓄電器において、セル間の内部抵抗などの特性にばらつきがあるため、充放電が繰り返されると、夫々のセルの端子間電圧にばらつきが生じる。この結果、バッテリなどの蓄電器全体の電圧が許容範囲内であっても、セルの中には許容範囲外の電圧になるものもある。これは、バッテリなどの蓄電器の損傷や劣化の原因になる。
【0006】
そこで、本発明は、蓄電器を構成するセルの許容範囲外の電圧になることによる蓄電器の損傷や劣化を防止することができるハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載のハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置は、エンジンと、前記エンジンに駆動される発電機と、複数のセルで構成される蓄電器と、前記発電機及び前記蓄電器により供給される電力により駆動される電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータにより駆動される作業部材とを備えたハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置であって、前記複数のセルの電圧値のうち最大の電圧値である最大セル電圧値を検出する最大セル電圧値検出手段と、前記複数のセルの電圧値のうち最小の電圧値である最小セル電圧値を検出する最小セル電圧値検出手段と、前記最大セル電圧値検出手段により検出され前記最大セル電圧値に基づいて前記蓄電器の最大充電電力を決定する最大充電電力決定手段と、前記最小セル電圧値検出手段により検出された前記最小セル電圧値に基づいて前記蓄電器の最大放電電力を決定する最大放電電力決定手段と、を備えたことを特徴とする。
【0008】
請求項1によると、複数のセル間の特性のばらつきのためにセルの端子間電圧にばらつきが生じても、全てのセルの端子間電圧が許容範囲内になり、蓄電器の充放電能力を超えることによる蓄電器の劣化や損傷を防ぐことができる。
【0009】
請求項2に記載のハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置は、請求項1において、前記最大充電電力決定手段は、前記蓄電器の充電状態或いは温度を検出する検出手段と、前記蓄電器の充電状態或いは温度に関連付けて当該充電状態或いは温度に応じて定められた充電電力を記憶する充電電力記憶手段と、前記セル電圧最大値に関連付けて当該セル電圧最大値に応じて定められた前記蓄電器の充電電力を低減させる充電電力低減量を記憶する充電電力低減量記憶手段と、前記充電電力記憶手段から前記検出手段により検出された前記充電状態或いは温度に関連付けられた前記充電電力を抽出する充電電力抽出手段と、前記充電電力低減量記憶手段から前記最大セル電圧値検出手段により検出された前記最大セル電圧値に関連付けられた前記充電電力低減量を抽出する充電電力低減量抽出手段と、前記充電電力抽出手段により抽出された前記充電電力から前記充電電力低減量抽出手段により抽出された前記充電電力低減量を減算することにより前記蓄電器の前記最大充電電力を算出する最大充電電力算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【0010】
請求項2によると、蓄電器の最大充電電力を求める1形態を提供することができる。
【0011】
請求項3に記載のハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置は、請求項1において、前記最大放電電力検定手段は、前記蓄電器の充電状態或いは温度を検出する検出手段と、前記蓄電器の充電状態或いは温度に関連付けて当該充電状態或いは温度に応じて定められた放電電力を記憶する放電電力記憶手段と、前記セル電圧最小値に関連付けて当該セル電圧最小値に応じて定められた前記蓄電器の放電電力を低減させる放電電力低減量を記憶する放電電力低減量記憶手段と、前記放電電力記憶手段から前記検出手段により検出された前記充電状態或いは温度に関連付けられた前記放電電力を抽出する放電電力抽出手段と、前記放電電力低減量記憶手段から前記最小セル電圧値検出手段により検出された前記最小セル電圧値に関連付けられた前記放電電力低減量を抽出する放電電力低減量抽出手段と、前記放電電力抽出手段により抽出された前記放電電力から前記放電電力低減量抽出手段により抽出された前記放電電力低減量を減算することにより前記蓄電器の前記最大放電電力を算出する最大放電電力算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【0012】
請求項3によると、蓄電器の最大放電電力を求める1形態を提供することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るハイブリッドショベルの電力制御装置について図面を参照しつつ説明する。尚、ハイブリッド駆動型建設機械としてシリーズ方式のハイブリッドショベルを例に挙げて説明するが、各種ハイブリッド駆動型建設機械に適用することができる。
【0014】
まず、本発明の実施の形態に係る電力制御装置が適用されるハイブリッドショベルについて、図1を参照しつつ説明する。但し、図1はハイブリッドショベルの概略構成を示す模式図である。
【0015】
図1において、ハイブリッドショベル1は、下部走行体2と、下部走行体2の上面中心部に旋回可能に設けられた上部旋回体3と、上部旋回体3の前部に設けられた堀削アタッチメント4とから構成されている。
【0016】
下部走行体2は、両端部に平行配置された一対のクローラフレーム6と、各クローラフレーム6の周囲に回転可能に設けられ、地面に対して面上に接地するクローラ7と、クローラ7を回転駆動する走行用減速機8及び走行用電動機9とを有している。このように構成された下部走行体2は、各クローラ7が走行用減速機8を介して走行用電動機9により個別に正方向および逆方向に回転駆動することによって、ハイブリッドショベル1全体を前進、後退、回転、旋回させる。
【0017】
下部走行体2の上面中心部には、旋回軸5が下部走行体2に対して直交して設けられている。旋回軸5の上部には、上部旋回体3の一部を構成する旋回フレーム10が回転自在に設けられている。旋回フレーム10の上面には、オペレータの操縦室となるキャビン11と、保護カバー12で覆われた機械収納部13とが設けられているとともに、掘削アタッチメント4のブーム16及びブームシリンダ17の一端部が上下に回動自在に設けられている。
【0018】
機械収納部13には、旋回用電動機14及び旋回用減速機15が設けられているとともに、ブーム用電動機18aとブームポンプ18bとを一体化して備えたブーム用一体型アクチュエータA1が設けられている。旋回用電動機14は、旋回用減速機15を介して旋回フレーム10を旋回軸5を旋回中心として旋回駆動する。ブーム用一体型アクチュエータA1は、ブームシリンダ17に図示しない油圧配管を介して接続されており、ブーム16の先端側を上下に回動させる。
【0019】
ブーム16の先端部には、アーム19が回動自在に設けられている。アーム19の先端部には、バケット22が回動自在に設けられている。また、ブーム16とアーム19とは、アームシリンダ20を介して連結されており、アーム19とバケット22とは、バケットシリンダ23を介して連結されている。これらのシリンダ20、23には、アーム用一体型アクチュエータA2とバケット用一体型アクチュエータA3とが夫々設けられており、アーム用一体型アクチュエータA2は、アーム用電動機21aとアームポンプ21bとを一体化して構成されており、バケット用一体型アクチュエータA3は、バケット用電動機24aとバケットポンプ24bとを一体化して構成されている。各アクチュエータA2、A3は、シリンダ20、23のシリンダロッドを油圧により進退移動させることによって、アーム19とバケット22を夫々上下に回動させる。
【0020】
機械収納部13内には、エンジン32、エンジン32の回転速度(エンジン出力)に応じた交流電力を発電する発電機33が収納されている他、バッテリ(蓄電器の一例)31などが収納されている。
【0021】
次に、上記構成を有するハイブリッドショベル1の電力制御の機構について図2を参照しつつ説明する。但し、図2は、ハイブリッドショベル1の電力制御機構を説明するためのブロック図である。
【0022】
図2に示すブロック図は、エンジン32と、発電機33と、発電機33により発電される余剰電力を蓄えるとともに、適宜電動アクチュエータへ電力を供給する直列接続されたn個のセル311、312、…、31nで構成されるバッテリ31と、電力制御機構30とから構成されている。また、バッテリ31から電動アクチュエータへの電力供給、発電機33から電動アクチュエータ又はバッテリ31への電力供給は、直流電圧線34を介して行われる。尚、電動アクチュエータは、ブーム用一体型アクチュエータA1、アーム用一体型アクチュエータA2、バケット用一体型アクチュエータA3などである。
【0023】
図2に示す電力制御機構30は、バッテリ温度センサ35と、バッテリ電流センサ36と、バッテリ電圧センサ37:371、372、…、37nと、バッテリ検出部38と、バッテリ最大充電電力決定部39と、バッテリ最大放電電力決定部40と、発電機出力電力決定部41と、負荷電圧センサ42と、負荷電流センサ43と、負荷電力検出部44と、発電機/バッテリ電力配分決定部45と、バッテリ電力制御部46、発電機電力制御部47とから構成されている。
【0024】
バッテリ温度センサ35は、バッテリ31の温度を検出し、検出結果であるバッテリ温度TEMPbをバッテリ検出部38、バッテリ最大充電電力決定部39、及びバッテリ最大放電電力決定部40へ出力する。
バッテリ電流センサ36は、バッテリ31の出力電流を検出し、検出結果である出力電流Ibをバッテリ検出部38へ出力する。
バッテリ電圧センサ371、372、…、37nは、夫々、バッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧を検出し、検出結果である端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnをバッテリ検出部38へ出力する。
【0025】
バッテリ検出部38は、バッテリ充電状態検出部38aと、最大セル電圧値検出部38bと、最小セル電圧値検出部38cとから構成されている。
【0026】
バッテリ充電状態検出部38aは、バッテリ電流センサ36から入力されるバッテリ31の出力電流Ibとバッテリ電圧センサ371、372、…、37nから入力されるバッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnとを利用してバッテリ31の電力を算出し、この算出された電力を基にバッテリの充電量Jを算出する。そして、バッテリ充電状態検出部38aは、下記式を演算することによりバッテリ31の最大充電量Jmaxに対する充電量Jの比率、即ち充電状態SOC(%)を算出する。
但し、バッテリ電圧センサ371、372、…、37nにより検出されるバッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnは温度に依存するため、バッテリ温度センサ35により検出されたバッテリ31のバッテリ温度TEMPbによりバッテリ31の端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnを適宜補正することにより、バッテリ31の充電状態SOCを算出する。
尚、バッテリ31の充電量Jを電力から積算して算出する代わりに、バッテリ31の端子間電圧(端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnの和)、又はバッテリ31の出力電流Ibを積算して算出することもできる。
【0027】
最大セル電圧値検出部38bは、バッテリ電圧センサ371、372、…、37nから入力されるバッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnに基づいて、端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnのうち最大の端子間電圧(最大セル電圧値)Vbcmaxを検出する。例えば、Vbc1>Vbc2>…>Vbcnの場合には、最大セル電圧値Vbcmaxは、セル31aの端子間電圧Vbc1になり、Vbc1<Vbc2<…<Vbcnの場合には、最大セル電圧値Vbcmaxは、セル31nの端子間電圧Vbcnになる。
【0028】
最小セル電圧値検出部38cは、バッテリ電圧センサ371、372、…、37nから入力されるバッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnに基づいて、端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnのうち最小の端子間電圧(最小セル電圧値)Vbcminを検出する。例えば、Vbc1>Vbc2>…>Vbcnの場合には、最小セル電圧値Vbcminは、セル31nの端子間電圧Vbcnになり、Vbc1<Vbc2<…<Vbcnの場合には、最小セル電圧値Vbcminは、セル311の端子間電圧Vbc1になる。
【0029】
バッテリ検出部38は、バッテリ充電状態検出部38aによって検出された充電状態SOCをバッテリ最大充電電力決定部39、バッテリ最大放電電力決定部40及び発電機出力電力決定部41へ出力する。また、バッテリ検出部38は、最大セル電圧値検出部38bによって検出された最大セル電圧値Vbcmaxをバッテリ最大充電電力決定部39へ出力する。さらに、バッテリ検出部38は、最小セル電圧値検出部38cによって検出された最小セル電圧値Vbcminをバッテリ最大放電電力決定部40へ出力する。
【0030】
バッテリ最大充電電力決定部39は、バッテリ温度センサ35から入力されたバッテリ31のバッテリ温度TEMPbと、バッテリ検出部38から入力されたバッテリ31の充電状態SOC及び最大セル電圧値Vbcmaxなどとを利用して、バッテリ31の充電電力の最大値(最大充電電力)Pbc *を決定し、決定結果であるバッテリ最大充電電力Pbc *を発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力するものである。
このバッテリ最大充電電力決定部39は、図3(a)に示すように、充電電力記憶部39aと、充電電力低減量記憶部39bと、充電電力抽出部39cと、充電電力低減量抽出部39dと、最大充電電力算出部39eとから構成されている。
【0031】
充電電力記憶部39aは、図4に示すような予め設定されたバッテリ31の充電状態SOC及び温度TEMPbに対するバッテリ31の充電電力Pbcの値を格納している。但し、図4は、バッテリ31の充電状態SOCに対するバッテリ31の充電電力の特性を示す図であり、図4にはバッテリの温度TEMPbが40度(図中a)、30度(図中b)、20度(図中c)、10度(図中d)、0度(図中e)、−10度(図中f)の特性が示されている。尚、上記充電電力の値は、バッテリ31の充電能力を超えないように設定されている。
充電電力低減量記憶部39bは、図5に示すような予め設定された最大セル電圧値Vbcmaxに対する充電電力低減量ΔPbcの値を格納している。但し、図5は、最大セル電圧値Vbcmaxに対する充電電力低減量ΔPbcの特性を示す図であり、最大セル電圧値Vbcmaxが高くなる程充電電力低減量ΔPbcが大きくなるように設定されている。また、充電電力Pbcから充電電力低減量ΔPbcを減算することによって得られる最大充電電力Pbc *でバッテリ31を充電しても最大セル電圧値Vbcmaxのセルにおいて許容範囲内の充電になるように充電電力低減量ΔPbcが設定されている。
【0032】
充電電力抽出部39cは、バッテリ温度センサ35から入力されるバッテリ31の温度TEMPb及びバッテリ検出部38から入力される充電状態SOCに対応する充電電力Pbcを充電電力記憶部39aから抽出する。
充電電力低減量抽出部39dは、バッテリ検出部38から入力される最大セル電圧値Vbcmaxに対する充電電力低減量ΔPbcを充電電力低減量記憶部39bから抽出する。
最大充電電力算出部39eは、充電電力抽出部39cによって抽出された充電電力Pbcから充電電力低減量抽出部39dによって抽出された充電電力低減量ΔPbcを減算することによって最大充電電力Pbc *を算出する(Pbc *=Pbc−ΔPbc)。この算出された最大充電電力Pbc *が発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力される。
【0033】
ここで、充電電力Pbc(バッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧の総和に対応している。)から充電電力低減量ΔPbc(バッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧の最大値に対応している。)を減算することによって最大充電電力Pbc *を算出しているため、最大充電電力Pbc *でバッテリ31を充電しても、セル311、312、…、31nの全てに対して許容範囲内の充電になる。
【0034】
バッテリ最大放電電力決定部40は、バッテリ温度センサ35から入力されたバッテリ31のバッテリ温度TEMPbと、バッテリ検出部38から入力されたバッテリ31の充電状態SOC及び最小セル電圧値Vbcminなどとを利用して、バッテリ31の放電電力の最大値(最大放電電力)Pbd *を決定し、決定結果であるバッテリ最大放電電力Pbd *を発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力するものである。
このバッテリ最大放電電力決定部40は、図3(b)に示すように、放電電力記憶部40aと、放電電力低減量記憶部40bと、放電電力抽出部40cと、放電電力低減量抽出部40dと、最大放電電力算出部40eとから構成されている。
【0035】
放電電力記憶部40aは、図6に示すような予め設定されたバッテリ31の充電状態SOC及び温度TEMPbに対するバッテリ31の放電電力Pbdの値を格納している。但し、図6は、バッテリ31の充電状態SOCに対するバッテリ31の放電電力の特性を示す図であり、図6にはバッテリの温度TEMPbが−10度(図中a)、0度(図中b)、10度(図中c)、20度(図中d)、30度(図中e)、40度(図中f)の特性が示されている。尚、上記放電電力の値は、バッテリ31の放電能力を超えないように設定されている。
放電電力低減量記憶部40bは、図7に示すような予め設定された最小セル電圧値Vbcminに対する放電電力低減量ΔPbdの値を格納している。但し、図7は、最小セル電圧値Vbcminに対する放電電力低減量ΔPbdの特性を示す図であり、最小セル電圧値Vbcminが高くなる程放電電力低減量ΔPbdが小さくなるように設定されている。また、放電電力Pbdから放電電力低減量ΔPbdを減算することによって得られる最大放電電力Pbd *でバッテリ31を放電しても最小セル電圧値Vbcminのセルにおいて許容範囲内の放電になるように放電電力低減量ΔPbdが設定されている。
【0036】
放電電力抽出部40cは、バッテリ温度センサ35から入力されるバッテリ31の温度TEMPb及びバッテリ検出部38から入力される充電状態SOCに対応する放電電力Pbdを放電電力記憶部40aから抽出する。
充電電力低減量抽出部40dは、バッテリ検出部38から入力される最小セル電圧値Vbcminに対する放電電力低減量ΔPbdを放電電力低減量記憶部40bから抽出する。
最大放電電力算出部40eは、放電電力抽出部40cによって抽出された放電電力Pbdから放電電力低減量抽出部40dによって抽出された放電電力低減量ΔPbdを減算することによって最大放電電力Pbd *を算出する(Pbd *=Pbd−ΔPbd)。この算出された最大放電電力Pbd *が発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力される。
【0037】
ここで、放電電力Pbd(バッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧の総和に対応している。)から放電電力低減量ΔPbd(バッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧の最小値に対応している。)を減算することによって最大放電電力Pbd *を算出しているため、最大放電電力Pbd *でバッテリ31を放電しても、セル311、312、…、31nの全てに対して許容範囲内の放電になる。
【0038】
発電機出力電力決定部41は、バッテリ検出部38から入力されたバッテリ31の充電状態SOCを利用して、発電機33の出力電力の上限値(発電機上限電力)Pgu及び下限値(発電機下限電力)Pglを決定し、決定結果である発電機上限電力Pguと発電機下限電力Pglとを発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力するものである。
この発電機出力電力決定部41は、図3(c)に示すように、発電機上限電力記憶部41a、発電機下限電力記憶部41b、発電機上限電力抽出部41c及び発電機下限電力抽出部41dとから構成されている。
【0039】
発電機上限電力記憶部41aは、図8に示すような予め設定されたバッテリ31の充電状態SOCに対する発電機33の出力電力の上限値(発電機上限電力)Pguを格納している。但し、図8は、バッテリ31の充電状態SOCに対する発電機上限電力Pguの特性を示す図である。尚、発電機上限電力Pguはエンジン32及び発電機33の効率が良好となるような値に設定されている。
発電機下限電力記憶部41bは、図9に示すような予め定められたバッテリ31の充電状態SOCに対する発電機33の出力電力の下限値(発電機下限電力)Pglの特性を示す図である。尚、発電機下限電力Pglはエンジン32及び発電機33の効率が良好となるような値に設定されている。
【0040】
発電機上限電力抽出部41cは、バッテリ検出部38から入力される充電状態SOCに対応する発電機上限電力Pguを発電機上限電力記憶部41aから抽出する。この抽出された発電機上限電力Pguが発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力される。
発電機下限電力抽出部41dは、バッテリ検出部38から入力される充電状態SOCに対応する発電機下限電力Pglを発電機下限電力記憶部41bから抽出する。この抽出された発電機下限電力Pglが発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力される。
【0041】
負荷電圧センサ42は、電動アクチュエータの入力部の電圧を検出し、検出結果である負荷電圧VLを負荷電力検出部44へ出力する。
負荷電流センサ43は、電動アクチュエータの入力部の電流を検出し、検出結果である負荷電流ILを負荷電力検出部45へ出力する。
負荷電力検出部44は、負荷電圧センサ42から入力される負荷電圧VL、及び負荷電流センサ43から入力される負荷電流ILを利用し、下記式を演算することにより電動アクチュエータの負荷要求電力PLを検出し、検出結果である負荷要求電力PLを発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力する。
【0042】
発電機/バッテリ電力配分決定部45は、負荷電力検出部44から入力される電動アクチュエータの負荷要求電力PL、バッテリ最大充電電力決定部39から入力される最大充電電力Pbc *と、バッテリ最大放電電力決定部40から入力される最大放電電力Pbd *と、発電機出力電力決定部41から入力される発電機上限電力Pgu及び発電機下限電力Pglとを基に、バッテリ充放電電力Pb *及び発電機出力電力Pg *を決定する(図11参照)。そして、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、決定結果であるバッテリ充放電電力Pb *をバッテリ電力制御部46へ出力し、発電機出力電力Pg *を発電機電力制御部47へ出力する。
【0043】
バッテリ電力制御部46は、発電機/バッテリ電力配分決定部45から入力されるバッテリ充放電電力Pb *を基にバッテリ31の充放電を制御する。
発電機電力制御部47は、発電機33の発電を発電機/バッテリ電力配分決定部45から入力される発電機出力電力Pg *を基に制御する。
【0044】
さらに、上記構成を有する電力制御機構30における電力制御方法について図10、図11および図12を参照しつつ説明する。但し、図10は電力制御方法の手順を示すフローチャートである。図11は図10のフローチャートに示す発電機とバッテリの電力配分決定処理の手順を示すフローチャートである。図12は発電機とバッテリの電力配分を説明するための説明図である。
【0045】
図10におけるステップS101において、バッテリ検出部38のバッテリ充電状態検出部38aは、バッテリ電流センサ36から入力されるバッテリ31の出力電流Ibとバッテリ電圧センサ371、372、…、37nから入力される端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnとを利用し、バッテリ温度センサ35から入力されるバッテリ31のバッテリ温度TEMPbで端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnを補正しながら、バッテリ31の充電状態SOCを算出する。
また、最大セル電圧値検出部38bは、バッテリ電圧センサ371、372、…、37nから入力されるバッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnに基づいて、端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnのうち最大の端子間電圧(最大セル電圧値)Vbcmaxを検出する。
さらに、最小セル電圧値検出部38cは、バッテリ電圧センサ371、372、…、37nから入力されるバッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnに基づいて、端子間電圧Vbc1、Vbc2、…、Vbcnのうち最小の端子間電圧(最小セル電圧値)Vbcminを検出する。
そして、バッテリ検出部38は、バッテリ充電状態検出部38aによって検出された充電状態SOCをバッテリ最大充電電力決定部39、バッテリ最大放電電力決定部40及び発電機出力電力決定部41へ出力する。また、バッテリ検出部38は、最大セル電圧値検出部38bによって検出された最大セル電圧値Vbcmaxをバッテリ最大充電電力決定部39へ出力する。さらに、バッテリ検出部38は、最小セル電圧値検出部38cによって検出された最小セル電圧値Vbcminをバッテリ最大放電電力決定部40へ出力する。
【0046】
続いて、ステップS102において、バッテリ最大充電電力決定部39の充電電力抽出部39cは、バッテリ温度センサ35から入力されるバッテリ31の温度TEMPb及びバッテリ検出部38から入力される充電状態SOCに対応する充電電力Pbcを充電電力記憶部39aから抽出するとともに、充電電力低減量抽出部39dは、バッテリ検出部38から入力される最大セル電圧値Vbcmaxに対する充電電力低減量ΔPbcを充電電力低減量記憶部39bから抽出する。そして、最大充電電力算出部39eは、充電電力抽出部39cによって抽出された充電電力Pbcから充電電力低減量抽出部39dによって抽出された充電電力低減量ΔPbcを減算することによって最大充電電力Pbc *を算出し(Pbc *=Pbc−ΔPbc)、バッテリ最大充電電力決定部39は、算出結果である最大充電電力Pbc *を発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力する。
【0047】
さらに続いて、ステップS103において、バッテリ最大放電電力決定部40の放電電力抽出部40cは、バッテリ温度センサ35から入力されるバッテリ31の温度TEMPb及びバッテリ検出部38から入力される充電状態SOCに対応する放電電力Pbdを放電電力記憶部40aから抽出するとともに、充電電力低減量抽出部40dは、バッテリ検出部38から入力される最小セル電圧値Vbcminに対する放電電力低減量ΔPbdを放電電力低減量記憶部40bから抽出する。
そして、最大放電電力算出部40eは、放電電力抽出部40cによって抽出された放電電力Pbdから放電電力低減量抽出部40dによって抽出された放電電力低減量ΔPbdを減算することによって最大放電電力Pbd *を算出し(Pbd *=Pbd−ΔPbd)、バッテリ最大放電電力決定部40は、算出結果である最大放電電力Pbd *を発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力する。
【0048】
続いて、ステップS104において、発電機出力電力決定部41の発電機上限電力抽出部41cは、バッテリ検出部38から入力される充電状態SOCに対応する発電機上限電力Pguを発電機上限電力記憶部41aから抽出するとともに、発電機下限電力抽出部41dは、バッテリ検出部38から入力される充電状態SOCに対応する発電機下限電力Pglを発電機下限電力記憶部41bから抽出する。そして、発電機出力電力設定部41は、抽出した発電機上限電力Pguと発電機下限電力Pglとを発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力する。
【0049】
さらに続いて、ステップS105において、負荷電力検出部44は、負荷電圧センサ42から入力される負荷電圧VLと、負荷電流センサ43から入力される負荷電流ILとを基に、負荷要求電力PLを検出し、検出結果である負荷要求電力PLを発電機/バッテリ電力配分決定部45へ出力する。
【0050】
続いて、ステップS106において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、負荷電力検出部44から入力される電動アクチュエータの負荷要求電力PLと、バッテリ最大充電電力決定部39から入力される最大充電電力Pbc *と、バッテリ最大放電電力決定部40から入力される最大放電電力Pbd *と、発電機出力電力決定部41から入力される発電機上限電力Pgu及び発電機下限電力Pglとを基に、バッテリ充放電電力Pb *及び発電機出力電力Pg *を決定する。そして、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、バッテリ充放電電力Pb *をバッテリ電力制御部46へ出力し、発電機出力電力Pg *を発電機電力制御部47へ出力する。
即ち、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、発電機とバッテリの電力配分決定処理を行う(図11参照)。
【0051】
さらに続いて、ステップS107において、バッテリ電力制御部46は、発電機/バッテリ電力配分決定部45から入力されるバッテリ充放電電力Pb *を基にバッテリ31の充放電を制御する。また、発電機電力制御部47は、発電機/バッテリ電力配分決定部45から入力される発電機出力電力Pg *を基に発電機33の発電を制御する。
【0052】
次に、電力制御機構30による発電機とバッテリの電力配分決定処理(図10のステップS106)について図11及び図12を参照しつつ説明する。
【0053】
図11におけるステップS201において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、電動アクチュエータの負荷要求電力PLの値が、バッテリ31の最大充電電力Pbc *の負の値より小さいか否かを判定する。そして、負荷要求電力PLが最大充電電力Pbc *の負の値より小さいと判定された場合(S201:YES)、ステップS202の処理へ移行する。一方、負荷要求電力PLが最大充電電力Pbc *の負の値より小さくないと判定された場合(S201:NO)、ステップS203の処理へ移行する。
【0054】
ステップS202において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、バッテリ31のバッテリ充放電電力Pb *を“−Pbc *”とし、発電機33の発電機出力電力Pg *を“0”と決定し(図12中区間A1)、動力配分決定処理を終了する。即ち、バッテリ31は最大充電電力Pbc *で充電されることになる。
【0055】
ステップS203において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、負荷要求電力PLの値が、バッテリ31の最大充電電力Pbc *の負の値以上で、且つ、発電機下限電力Pglより小さい範囲内にあるか否かを判定する。そして、負荷要求電力PLがその範囲内にあると判定された場合(S203:YES)、ステップS204の処理に移行する。一方、負荷要求電力PLがその範囲内にないと判定された場合(S203:NO)、ステップS207の処理に移行する。
【0056】
ステップS204において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、バッテリ31の最大充電電力Pbc *の負の値が、アクチュエータの負荷要求電力PLの値から発電機下限電力Pglの値を減算して得られる減算値(PL−Pgl)より大きいか否かを判定する。そして、バッテリ31の最大充電電力Pbc *の負の値が前記減算値(PL−Pgl)より大きいと判定された場合(S204:YES)、ステップS205の処理に移行する。一方、最大充電電力Pbc *の負の値が前記減算値(PL−Pgl)より大きくないと判定された場合(S204:NO)、ステップS206の処理に移行する。
【0057】
ステップS205において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、バッテリ31のバッテリ充放電電力Pb *を“−Pbc *”とし、発電機33の発電機出力電力Pg *を“PL−(−Pbc *)”と決定し(図12中区間A2)、動力配分決定処理を終了する。即ち、バッテリ31は最大充電電力Pbc *で充電され、バッテリ31を最大充電電力Pbc *で充電するための電力の不足分が発電機33によって補われることになる。尚、発電機33による発電機出力電力Pg *は発電機33の発電機下限電力Pglを下回っているが、発電機33による発電機出力電力Pg *を発電機下限電力Pglとすると、バッテリ31の最大充電電力Pbc *を超えた電力によりバッテリ31が充電されることになるので、これを回避するために、発電機下限電力Pgl以下で発電機33を稼動させている。
【0058】
ステップS206において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、バッテリ31のバッテリ充放電電力Pb *を“PL−Pgl”とし、発電機33の発電機出力電力Pg *を“Pgl”と決定し(図12中区間A3)、動力配分決定処理を終了する。即ち、発電機33の発電機電力Pgを発電機33の発電機下限電力Pglに制御し、発電機33によって発電された電力の余剰分をバッテリ31に充電させている。
【0059】
ステップS207において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、負荷要求電力PLの値が、発電機下限電力Pglの値以上で、且つ、発電機上限電力Pguより小さい範囲内にあるか否かを判定する。そして、アクチュエータの負荷要求電力PLがその範囲内にあると判定された場合(S207:YES)、ステップS208の処理に移行する。一方、負荷要求電力PLがその範囲内にないと判定された場合(S207:NO)、ステップS209の処理に移行する。
【0060】
ステップS208において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、バッテリ31のバッテリ充放電電力Pb *を“0”とし、発電機33の発電機電力Pg *を“PL”と決定し(図12中区間A4)、動力配分決定処理を終了する。即ち、発電機33の発電機出力電力Pgが発電機下限電力Pgl以上発電機上限電力Pgu未満の範囲内であり、バッテリ31は充放電していない。
【0061】
ステップS209において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、負荷要求電力PLの値が、発電機上限電力Pguの値以上で、且つ、発電機上限電力Pguの値にバッテリ31の最大放電電力Pbd *の値を加算して得られる加算値(Pgu+Pbd *)より小さい範囲内にあるか否かを判定する。負荷要求電力PLがその範囲内にあると判定された場合(S209:YES)、ステップS210の処理に移行する。一方、負荷要求電力PLがその範囲内にないと判定された場合(S209:NO)、ステップS211の処理に移行する。
【0062】
ステップS210において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、バッテリ31のバッテリ充放電電力Pb *を“PL−Pgu”と決定し、発電機33の発電機出力電力Pg *を“Pgu”と決定し(図12中区間A5)、動力配分決定処理を終了する。即ち、発電機33によって発電される電力(発電機出力電力Pg *)が発電機上限電力Pguに制限されるとともに、発電機33の発電電力の不足分“PL−Pgu”がバッテリ31の放電電力により補われる。尚、バッテリ31の放電電力は、最大放電電力Pbd *以下である。
【0063】
ステップS211において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、負荷要求電力PLの値が、発電機上限電力Pguの値にバッテリ31の最大放電電力Pbd *の値を加算した加算値(Pgu+Pbd *)以上で、且つ、発電機最大電力Pgmaxの値にバッテリ31の最大放電電力Pbdの値を加算して得られる加算値(Pgmax+Pbd *)より小さい範囲内にあるか否かを判定する。そして、負荷要求電力PLがその範囲内にあると判定された場合(S211:YES)、ステップS212の処理に移行する。一方、負荷要求電力PLがその範囲内にないと判定された場合(S211:NO)、ステップS213の処理に移行する。尚、発電機最大電力Pgmaxは、エンジン32と発電機33の性能によって決まる発電機33の出力電力の最大値である。
【0064】
ステップS212において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、バッテリ31のバッテリ充放電電力Pb *を“Pbd *”と決定し、発電機33の発電機出力電力Pg *を“PL−Pbd *”と決定し(図12中区間A6)、動力配分決定処理を終了する。即ち、バッテリ33は最大放電電力Pbd *で放電するように制御され、発電機33は“PL−Pbd *”の電力を発電するように制御される。尚、発電機33とバッテリ31とによりアクチュエータの負荷要求電力PLをアクチュエータへ供給できるように、発電機33は発電機上限電力Pguを超える電力を発電するように稼動している。
【0065】
ステップS213において、発電機/バッテリ電力配分決定部45は、バッテリ31のバッテリ充放電電力Pb *を“Pbd *”と決定し、発電機33の発電機出力電力Pg *を“Pgmax”と決定し(図12中区間A7)、動力配分決定処理を終了する。即ち、バッテリ31は最大放電電力Pbd *で放電するように制御され、発電機33は発電機最大電力Pgmaxの電力を発電するように制御される。尚、電動アクチュエータの負荷要求電力PLの全てがアクチュエータに供給されないことになる。
【0066】
以上説明したハイブリッドショベル1の電力制御機構30によれば、バッテリ31のセル311、312、…、31nの端子間電圧にばらつきが生じても、バッテリ31の端子間電圧(セルの端子間電圧の総和)に対応した充電電力をセル311、312、…、31nの端子間電圧の最大値(最大セル電圧値)Vbcmaxに対応した充電電力低減量で減算することによって最大充電電力Pbc *を算出しているため、バッテリ31を構成するセル311、312、…、31nの充電が許容範囲内で行われることになる。また、バッテリ31の端子間電圧(セルの端子間電圧の総和)に対応した放電電力をセル311、312、…、31nの端子間電圧の最小値(最小セル電圧値)Vbcmaxに対応した放電電力低減量で減算することによって最大放電電力Pbd *を算出しているため、バッテリ31を構成するセル311、312、…、31nの放電が許容範囲内で行われることになる。
この結果、充放電によるバッテリ31の損傷や劣化を防止することができる。
【0067】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、最大充電電力Pbc *及び最大放電電力Pbd *を上記実施の形態で示した手順で算出する必要はなく、最大セル電圧値と最大充電電力Pbc *とを関連付けて記憶し、その記憶内容を利用して最大充電電力Pbc *を決定してもよく、また、最小セル電圧値と最大放電電力Pbd *とを関連付けて記憶し、その記憶内容を利用して最大放電電力Pbd *を決定してもよい。
【0068】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、複数のセル間の特性のばらつきのためにセルの端子間電圧にばらつきが生じても、全てのセルの端子間電圧が許容範囲内になり、蓄電器の充放電能力を超えることによる蓄電器の劣化や損傷を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の電力制御機構が適用されるハイブリッドショベルの概略構成を示す模式図である。
【図2】図1に示したハイブリッドショベルの電力制御機構を説明するためのブロック図である。
【図3】図1に示したハイブリッドショベルの電力制御機構を説明するためのブロック図である。
【図4】図1に示したハイブリッドショベルに搭載されるバッテリの充電状態SOCに対する当該バッテリの充電電力の特性を示す図である。
【図5】図1に示したハイブリッドショベルに搭載されるバッテリの最大セル電圧値に対する充電電力低減量の特性を示す図である。
【図6】図1に示したハイブリッドショベルに搭載されるバッテリの充電状態SOCに対する当該バッテリの放電電力の特性を示す図である。
【図7】図1に示したハイブリッドショベルに搭載されるバッテリの最小セル電圧値に対する充電電力低減量の特性を示す図である。
【図8】図1に示したハイブリッドショベルに搭載されるバッテリの充電状態SOCに対する発電機の発電機上限電力の特性を示す図である。
【図9】図1に示したハイブリッドショベルに搭載されるバッテリの充電状態SOCに対する発電機の発電機下限電力の特性を示す図である。
【図10】図2に示した電力制御機構による電力制御方法の手順を示すフローチャートである。
【図11】図10のフローチャートに示す発電機とバッテリの電力配分決定処理の手順を示すフローチャートである。
【図12】図11のフローチャートに示す動力配分決定処理の補足説明図である。
【符号の説明】
1 ハイブリッドショベル
30 電力制御機構
31、311〜31n バッテリ
32 エンジン
33 発電機
35 バッテリ温度センサ
36 バッテリ電流センサ
37、371〜37n バッテリ電圧センサ
38 バッテリ検出部
38a バッテリ充電状態検出部
38b 最大セル電圧値検出部
38c 最小セル電圧値検出部
39 バッテリ最大充電電力決定部
39a 充電電力記憶部
39b 充電電力低減量記憶部
39c 充電電力抽出部
39d 充電電力低減量記憶部
39e 最大充電電力算出部
40 バッテリ最大放電電力決定部
40a 放電電力記憶部
40b 放電電力低減量記憶部
40c 放電電力抽出部
40d 放電電力低減量記憶部
40e 最大放電電力算出部
41 発電機出力電力決定部
42 負荷電圧センサ
43 負荷電流センサ
44 負荷電力検出部
45 発電機/バッテリ電力配分決定部
46 バッテリ電力制御部
47 発電機電力制御部
Claims (3)
- エンジンと、前記エンジンに駆動される発電機と、複数のセルで構成される蓄電器と、前記発電機及び前記蓄電器により供給される電力により駆動される電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータにより駆動される作業部材とを備えたハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置であって、
前記複数のセルの電圧値のうち最大の電圧値である最大セル電圧値を検出する最大セル電圧値検出手段と、
前記複数のセルの電圧値のうち最小の電圧値である最小セル電圧値を検出する最小セル電圧値検出手段と、
前記最大セル電圧値検出手段により検出され前記最大セル電圧値に基づいて前記蓄電器の最大充電電力を決定する最大充電電力決定手段と、
前記最小セル電圧値検出手段により検出された前記最小セル電圧値に基づいて前記蓄電器の最大放電電力を決定する最大放電電力決定手段と、を備えたことを特徴とするハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置。 - 前記最大充電電力決定手段は、
前記蓄電器の充電状態或いは温度を検出する検出手段と、
前記蓄電器の充電状態或いは温度に関連付けて当該充電状態或いは温度に応じて定められた充電電力を記憶する充電電力記憶手段と、
前記セル電圧最大値に関連付けて当該セル電圧最大値に応じて定められた前記蓄電器の充電電力を低減させる充電電力低減量を記憶する充電電力低減量記憶手段と、
前記充電電力記憶手段から前記検出手段により検出された前記充電状態或いは温度に関連付けられた前記充電電力を抽出する充電電力抽出手段と、
前記充電電力低減量記憶手段から前記最大セル電圧値検出手段により検出された前記最大セル電圧値に関連付けられた前記充電電力低減量を抽出する充電電力低減量抽出手段と、
前記充電電力抽出手段により抽出された前記充電電力から前記充電電力低減量抽出手段により抽出された前記充電電力低減量を減算することにより前記蓄電器の前記最大充電電力を算出する最大充電電力算出手段と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置。 - 前記最大放電電力検定手段は、
前記蓄電器の充電状態或いは温度を検出する検出手段と、
前記蓄電器の充電状態或いは温度に関連付けて当該充電状態或いは温度に応じて定められた放電電力を記憶する放電電力記憶手段と、
前記セル電圧最小値に関連付けて当該セル電圧最小値に応じて定められた前記蓄電器の放電電力を低減させる放電電力低減量を記憶する放電電力低減量記憶手段と、
前記放電電力記憶手段から前記検出手段により検出された前記充電状態或いは温度に関連付けられた前記放電電力を抽出する放電電力抽出手段と、
前記放電電力低減量記憶手段から前記最小セル電圧値検出手段により検出された前記最小セル電圧値に関連付けられた前記放電電力低減量を抽出する放電電力低減量抽出手段と、
前記放電電力抽出手段により抽出された前記放電電力から前記放電電力低減量抽出手段により抽出された前記放電電力低減量を減算することにより前記蓄電器の前記最大放電電力を算出する最大放電電力算出手段と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド駆動型建設機械の電力制御装置。
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