JP2005207385A - ハイブリッドシステムにおける制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリからの給電電力を利用して駆動するモータによってトルクアシストが行われるハイブリッドシステムにおいて、バッテリの充電量が一定以上減少すると、モータによるトルクアシストを行わず、エンジン自体の出力を増加させるように制御することで、エンジンの負荷平準化を図るとともに、バッテリの過放電を防止してバッテリ性能の低下を抑制し長寿命化を図る。
【解決手段】バッテリ１４の充電状態が、予め設定された規定値以下の場合、またはモータジェネレータ４０のトルクアシストにともなうバッテリ１４からの給電が終了した時から、予め設定された時間が経過するまではモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わず、スロットルアクチュエータ２２を制御することによってエンジン２の回転数を調節して機関出力を一定に保持するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッドシステムに関し、特に、エンジンを駆動源とした発電機により発電された電力を、コンバータを介してバッテリに充電するハイブリッドシステムに関する。なお、本発明における「ハイブリッド」とは、エンジンから少なくとも機械的駆動力と電力を取り出すという意味である。
従来、電気自動車や作業機などに適用されるハイブリッドシステムとして、電動機（モータ）と発電機とを別々に備えた構成のものと、電動機及び発電機の機能を兼ね備えたモータジェネレータを備えた構成のものとが知られている。
これらのハイブリッドシステムにおいては、発電機による発電電力の蓄電装置（バッテリ）への蓄電と、このバッテリの給電電力を用いたモータやモータとして作動するモータジェネレータの駆動によるトルクアシストとが行われている。
そして、このような発電機や電動機の作動について、例えばモータジェネレータを備えたハイブリッドシステムの場合に、予め設定される目標トルクに対応する燃料噴射量を燃料噴射量の目標値として用い、この目標値と燃料噴射量の実測値との比較結果に基づいて、モータジェネレータを電動機として作動させてトルクアシストを行うか、発電機として作動させてバッテリの蓄電を行うかを制御することで、エンジンを最適な運転状態に近付くようにする技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２７９８５号公報
本発明が解決しようとする問題は、前述のような、バッテリからの給電電力を利用して駆動するモータやモータとして作動するモータジェネレータによってトルクアシストが行われるハイブリッドシステムにおいて、バッテリの充電量が減少することによってモータへの電力供給が十分になされず、モータによる安定したトルクアシストが行われない場合がある点である。また、モータによるトルクアシストが連続して行われることにより、バッテリの過放電状態が発生する場合がある点である。
しかし、前記従来のハイブリッドシステムなどにおいては、バッテリからの給電電力を利用して駆動するモータによるトルクアシストは、エンジンの負荷トルクの変化にともなう燃料噴射量の変化に基づいて行われるように制御されるものであり、例えば、仮にエンジンの負荷トルクが高い状態が続いたりすると、モータのトルクアシスト状態が連続することとなり、当然その分のバッテリの電力消費量も増加する。つまり、作業状態などによっては、発電機の発電電力によるバッテリへの充電量よりも、バッテリからの給電量の方が多くなることがある。このような場合、バッテリの充電量が少なくなり、トルクアシストを行うモータへの電力供給が十分になされず、作業中などに出力不足が生じたり、急激にエンジンの回転数が低下したりするおそれがある。このような状況が発生することとなると、モータによるトルクアシストによって機関出力を一定に保ち、エンジンの負荷平準化を図ることで、エンジンの小型化や燃費の向上を図ろうとするハイブリッドシステムとしての目的が損なわれてしまう。
また、上述のようにバッテリの充電量が不足した状態でモータが作動し続けると、バッテリからの給電も継続されることとなり、バッテリの過放電状態が発生する場合がある。このバッテリの過放電は、バッテリ性能の低下や劣化につながりバッテリ寿命を縮める原因となる。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、バッテリからの給電電力を利用して駆動するモータによってトルクアシストが行われるハイブリッドシステムにおいて、バッテリの充電量が一定以上減少すると、モータによるトルクアシストを行わず、エンジン自体の出力を増加させるように制御することで、エンジンの負荷平準化を図るとともに、バッテリの過放電を防止してバッテリ性能の低下を抑制し長寿命化を図ることである。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、請求項１においては、エンジンと、モータと、これらを制御する制御手段と、発電機と、蓄電装置とを備え、前記エンジンの回転数をアクチュエータを介して調整する操作レバーによるエンジンの指示回転数が一定状態で、前記発電機によって発電された電力による前記蓄電装置の充電と、該蓄電装置から給電される電力によって駆動する前記モータによるトルクアシストとを制御することによって機関出力を一定に保持しようとするハイブリッドシステムであって、前記制御手段は、前記蓄電装置の充電状態が、予め設定された規定値を下回った場合、前記モータによるトルクアシストを行わず、前記アクチュエータを制御することによってエンジンの回転数を調節して機関出力を一定に保持するように制御するものである。
請求項２においては、エンジンと、モータと、これらを制御する制御手段と、発電機と、蓄電装置とを備え、前記エンジンの回転数をアクチュエータを介して調整する操作レバーによるエンジンの指示回転数が一定状態で、前記発電機によって発電された電力による前記蓄電装置の充電と、該蓄電装置から給電される電力によって駆動する前記モータによるトルクアシストとを制御することによって機関出力を一定に保持しようとするハイブリッドシステムであって、前記制御手段は、前記モータのトルクアシストにともなう前記蓄電装置からの給電が終了した時から、予め設定された時間が経過するまでは、前記モータによるトルクアシストを行わず、前記アクチュエータを制御することによってエンジンの回転数を調節して機関出力を一定に保持するように制御するものである。
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
請求項１においては、エンジンが長時間高負荷状態となってモータによるトルクアシストが連続して行われた場合などのように、蓄電装置の充電量が不足した状態でも、作業負荷に対するエンジンの特性（作業速度など）が変化することなく、作業中に蓄電装置の充電量不足にともなうモータのトルクアシストのトルク不足による違和感（機関回転数の急激な低下など）を解消することができる。また、蓄電装置の過放電を防止することができるので、蓄電装置の過放電によるバッテリ性能の低下を防止して長寿命化を図ることができる。
請求項２においては、蓄電装置による給電が終了した時から一定時間は少なくとも蓄電装置の放電が行われることはないので、蓄電装置の過放電を予め防止することが可能となる。また、このような制御を行う場合をモードとして設定して切換え可能とすることで、作業状態に即して蓄電装置の過放電を防止できるとともに、エンジンの負荷平準化を図ることが可能となる。
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１はハイブリッドシステムIの構成を示す図、図２はハイブリッドシステムIの動作モードの一覧を示す図、図３はハイブリッドシステムIのスタータ機能を示す説明図、図４はハイブリッドシステムIのアシスト機能を示す説明図、図５はハイブリッドシステムIの充電（発電）機能を示す説明図、図６はバッテリ液の比重とバッテリ回路電圧の関係を示す図、図７はバッテリ液の比重とバッテリの放電深度（ＤＯＤ）の関係を示す図、図８はハイブリッドシステムIIの構成を示す図、図９はハイブリッドシステムIIの動作モードの一覧を示す図、図１０はハイブリッドシステムIIのスタータ機能を示す説明図、図１１はハイブリッドシステムIIのアシスト機能を示す説明図、図１２はハイブリッドシステムIIの充電（発電）機能を示す説明図、図１３はハイブリッドシステムIIのモータ駆動機能を示す説明図である。
まず、本発明に係るハイブリッドシステムの一実施例としてのハイブリッドシステムIの構成について図１を用いて説明する。
ハイブリッドシステムIでは、エンジン２の出力軸部４の駆動を、エンジン２と電動機（モータ）として機能するモータジェネレータ４０との両方により可能としている。出力軸部４から取り出された駆動力は、クラッチ部４ａを介して出力部６に伝達され、動力伝達装置などを介して、作業機などの各種作業部、また、移動体などにおける走行車輪や船舶の水中推進用プロペラ等を駆動する。
モータジェネレータ４０は、エンジン２のクランク軸にその駆動軸が連結されたエンジン直結のホイールインモータであり、エンジン２の本体側と出力軸部４との間に介装されている。
モータジェネレータ４０は、発電機またはモータとして機能し、インバータ部４１の可変電圧可変周波数（以下、ＶＶＶＦ）インバータコンバータ４２と接続されている。このＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、昇降圧チョッパ４４を介して蓄電装置であるバッテリ１４に接続されている。そして、モータジェネレータ４０がモータとして機能する場合には、バッテリ１４の給電電力がインバータ部４１を介してモータジェネレータ４０に供給される。一方、モータジェネレータ４０が発電機として機能する場合には、エンジン２の駆動により該モータジェネレータ４０で発電された電力がインバータ部４１を介してバッテリ１４に蓄電される。
インバータ部４１は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４とから構成され、これらＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は、シーケンサ４３を介してシステムコントローラ７と接続されている。このシーケンサ４３を含むシステムコントローラ７が制御手段となる。システムコントローラ７は、制御対象の状態や、機関回転数や各種アクチュエータ等の外部からの信号に基づき、制御対象に与える操作やその順序などを制御する。そのため、システムコントローラ７とシーケンサ４３との間では各種制御信号の通信が行われており、システムコントローラ７と、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４との信号のやりとりは、シーケンサ４３を介して行われる。システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２へは、起動信号や速度指令（モータ指令）などの信号が送信されており、システムコントローラ７と昇降圧チョッパ４４との間では、起動信号や充電開始・充電電流に関する信号が通信されている。
また、インバータ部４１には電圧センサ４５が接続されており、この電圧センサ４５によってインバータ部４１のインバータ直流電圧やバッテリ電圧など各部の電圧を検出する。
モータジェネレータ４０は、モータとしての機能（図２のＭ１・Ｍ２、図３及び図４参照）、及び発電機としての機能（図２のＭ３〜Ｍ５及び図５参照）を有しており、作業状況などに応じて各機能を発揮する。
つまり、ハイブリッドシステムIにおいては、モータジェネレータ４０をモータとして作動させる場合には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２をインバータとして作動させるとともに、バッテリ１４からの給電電力を、昇降圧チョッパ４４により昇圧してモータジェネレータ４０に供給し、モータジェネレータ４０を発電機として作動させる場合には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２をコンバータとして作動させるとともに、モータジェネレータ４０による発電電力を、昇降圧チョッパ４４により降圧してバッテリ１４に蓄電することを特徴としている。
すなわち、モータジェネレータ４０がモータとして機能する場合には、バッテリ１４からの給電電力がモータジェネレータ４０に供給され、これにより、該モータジェネレータ４０が作動する。バッテリ１４から給電される直流電力は昇降圧チョッパ４４を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。このとき、昇降圧チョッパ４４は昇圧チョッパとして機能し、バッテリ１４の給電電圧を所定の電圧に昇圧して、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力する。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はインバータとして機能して、入力された直流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換し、この変換された交流電力をモータジェネレータ４０に供給する。
また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７からの指令（速度指令・制御信号）に従い、モータとして作動するモータジェネレータ４０の回転数及びトルクを制御する。前述したように、モータジェネレータ４０の駆動軸はエンジン２のクランク軸と連結されており、モータジェネレータ４０がモータとして作動することにより、該モータジェネレータ４０の駆動力がエンジン２に伝達されて、後述するモータジェネレータ４０によるスタータ機能及びアシスト機能が発揮される。
一方、モータジェネレータ４０が発電機として機能する場合には、エンジン２の駆動力の一部または全部がモータジェネレータ４０の作動に用いられ、このエンジン２からの駆動力によりモータジェネレータ４０が作動して、発電が行われる。エンジン２の駆動によりモータジェネレータ４０で発電された電力は、三相交流電力としてＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能し、モータジェネレータ４０から入力された交流電力を整流・平滑化して直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって変換された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４に蓄電される。このとき、昇降圧チョッパ４４は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から出力される直流電力を所定の電圧に降圧してバッテリ１４に蓄電する。
なお、以上に述べたように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、モータジェネレータ４０がモータとして作動する場合には、バッテリ１４から給電される直流電力を交流電力に変換するインバータとして機能し、モータジェネレータ４０が発電機として作動する場合には、該モータジェネレータ４０により発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能する双方向電力変換装置となっている。
このように、インバータ部４１に昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４からモータジェネレータ４０へ供給される電圧を昇圧することができるため、バッテリ１４からの出力（電力）が同じであれば、電圧が高くなった分、小電流化を図ることが可能となる（電力＝電流×電圧）。これにより、昇降圧チョッパ４４とＶＶＶＦインバータコンバータ４２とを接続する配線、及びＶＶＶＦインバータコンバータ４２とモータジェネレータ４０とを接続する配線において、負荷をかけたとき流れる負荷電流の配線の抵抗によって失われる損失（銅損）を低減することができる。
また、昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４の小型化が図れる。つまり、モータとして駆動するモータジェネレータ４０に供給する電圧は、高いほどモータジェネレータ４０のモータ機能を発揮するためには有利であり、高い電圧で供給しようとすると、バッテリ１４を大きくする必要があるが、昇降圧チョッパ４４を使用することでバッテリ１４から供給する電圧が低くても昇圧することが可能となるので、バッテリ１４を大きくする必要がなくなるのである。これにより、本ハイブリッドシステムを搭載する機体における省スペース化、及び軽量化を図ることができる。
一方、エンジン２の駆動力（回転数）の調節は、操作部８に配設されるレギュレータレバー等の操作レバー９を操作することによって行われる。また、操作レバー９には、該操作レバー９のレバー位置を検出する位置センサ（図示略）が付設されており、この位置センサはシステムコントローラ７と接続されている。また、操作部８には、切り換え操作手段として、ＶＶＶＦ起動（回転数）指示スイッチ、ＣＶＣＦ（定電圧定周波数）起動スイッチ、昇降圧チョッパ起動スイッチ、蓄電開始スイッチ、蓄電電流指示スイッチ等の各種スイッチが配設されており、これらの各種スイッチはシステムコントローラ７と接続されている。
操作レバー９を操作すると、該操作レバー９のレバー位置が前記位置センサにより検出され、レバー位置に応じた信号がシステムコントローラ７に入力される。そして、システムコントローラ７は入力された信号に基づいてシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２を作動させる。
シフトアクチュエータ２１は、前記クラッチ部４ａに接続されており、このシフトアクチュエータ２１の作動によりクラッチ部４ａのクラッチを作動させるように制御している。このようにしてクラッチを作動させることにより、出力軸部４から出力部６への駆動力の断接が行われる。また、シフトアクチュエータ２１には、そのシフト位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたシフト位置がシステムコントローラ７に入力される。
スロットルアクチュエータ２２は、ラックピニオン式のＤＣモータ（スロットルモータ）により構成され、エンジン２のスロットルに接続されている。このスロットルアクチュエータ２２の作動により、スロットル位置（スロットル開度）が変化する。このスロットル位置の変化によりエンジン２における燃料噴射量を調節して、エンジン２の駆動力（回転数）を調節可能としている。すなわち、スロットルアクチュエータ２２は、エンジン２の回転数調節手段として機能する。そして、このスロットルアクチュエータ２２を構成する前記ＤＣモータは、システムコントローラ７に接続されており、該システムコントローラ７から送られる指令によって該ＤＣモータが制御される。また、スロットルアクチュエータ２２には、そのスロットル位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたスロットルアクチュエータ２２のスロットル位置がシステムコントローラ７に入力される。
このように、操作レバー９を操作して、そのレバー位置を調節することにより、エンジンの駆動力（回転数）の調節を行っている。ただし、後述するモータジェネレータ４０の各制御が行われているときには、操作レバー９を操作することによる燃料噴射量の調節は行われない。つまり、モータジェネレータ４０の制御は、操作レバー９のレバー位置から要求される燃料噴射量（指示回転数）が一定の状態で行われる。
以上のように構成されるハイブリッドシステムIにおいて、メインコントローラとしてのシステムコントローラ７は、次のように機能して本ハイブリッドシステムの制御を行う。
システムコントローラ７には、前述したように、操作部８における操作レバー９に付設される位置センサが接続され、また、シフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２と、これらシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２にそれぞれ付設されるポテンショメータとが接続されている。
また、システムコントローラ７は、エンジン２と接続されており、該エンジン２からシステムコントローラ７に機関回転数が入力される。機関回転数は、エンジン２に付設される回転数センサ（図示略）により検出される。また、この回転センサにより検出される機関回転数は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２へも入力される。
また、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されており、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対し、モータとしてのモータジェネレータ４０の起動信号、及び予め決定される速度指令を送る。そして、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、これらの信号に基づいて、モータとして作動する場合のモータジェネレータ４０を制御する。一方、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７へモータとして作動するモータジェネレータ４０の回転数、トルク、及び交流電圧値などの信号を送る。モータジェネレータ４０の回転数は、該モータジェネレータ４０をモータとして作動させるときの回転数であり、前記回転センサにより検出される。つまり、モータジェネレータ４０は、エンジン２のクランク軸と常時同期回転する構成としているため、回転数センサでモータジェネレータ４０の回転数を検出することにより、エンジン２の回転数を知ることができる。よって、回転数センサは、機関回転数検出手段として機能することとなる。また、モータジェネレータ４０の交流電圧は、該モータジェネレータ４０をモータとして作動させるときにＶＶＶＦインバータコンバータ４２から供給される交流電圧である。
また、システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４と接続されており、該システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４に対し、起動信号、充電開始指示、充電電流（リミッタ）指示などを送り、昇降圧チョッパ４４に接続されるバッテリ１４を制御する。一方、昇降圧チョッパ４４は、システムコントローラ７へバッテリ１４の電圧、充放電電流などに関する信号を送る。システムコントローラ７は、前記電圧センサ４５によって検出されるバッテリ１４の電圧や、充放電電流を検出することによりバッテリ１４の状態を知ることができる。
以上のように構成されるハイブリッドシステムIは、例えば、図２に示すような動作モードを備えており、各動作モードの動作状態におけるモータジェネレータ４０の機能として、スタータ機能（図３参照）、アシスト機能（図４参照）、及び充電（発電）機能（図５参照）を有している。以下、各動作モードについて説明する。
図３には、エンジン２起動（始動）時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。エンジン２は、バッテリ１４からモータジェネレータ４０に電力を供給して、該モータジェネレータ４０をモータとして機能させることにより始動する。エンジン２を始動する際には、オペレータによる始動キーの操作により図示せぬリレーがオンされ、システムコントローラ７にエンジン始動の指令が入力される。システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４にエンジン２の起動信号を送る。これにより、バッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ４０に供給される。このようにして、モータジェネレータ４０はモータとして作動する。このモータジェネレータ４０の駆動軸は、前述したようにエンジン２のクランク軸と連結されており常時同期回転するため、モータジェネレータ４０をモータとして駆動することにより、停止状態のエンジン２を始動させる。
このように、モータとして作動するモータジェネレータ４０にスタータ機能を兼ね備え、該モータジェネレータ４０をエンジン２の起動時におけるスタータとして利用することにより、別途セルモータ（スタータモータ）等を設ける必要がなくなるので、省スペース化を図ることが可能となり、本ハイブリッドシステムが適用される機体において動力機関の搭載スペースを小さくすることができる。また、製造コストを低減することもできる。さらに、セルモータと比較して、エンジン起動時の騒音の低減、及び迅速な起動が可能となる。
そして、エンジン２の起動終了後は、モータジェネレータ４０を発電機として作動させ、常時バッテリ１４への充電を行っており、「トルクアシスト要求」が発生した場合にのみ、モータジェネレータ４０をモータとして作動させてトルクアシストを行う。なお、ここでの「トルクアシスト要求」とは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によってモータジェネレータ４０によるトルクアシストが必要と判断された場合に、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータジェネレータ４０へ送られる信号であり、この速度制御でのトルク指令を増加させる信号が相当する。
図４には、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。なお、「トルクアシスト」とは、モータジェネレータ４０をモータとして作動させ、このモータジェネレータ４０によってエンジン２の駆動負荷の一部を賄うことを意味する。
トルクアシストを行う際、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対して予め決定される速度指令を出力し、昇降圧チョッパ４４に対して起動信号を出力する。これにより、バッテリ１４が放電状態となり、このバッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータジェネレータ４０に供給される。このようにして、モータジェネレータ４０が作動する。このトルクアシストを行う場合には、エンジン２に高い負荷がかかった場合や加速を行う場合等で、機関回転数が速度指令よりも低くなるような場合やトルク変動が生じた場合等において、モータジェネレータ４０をモータとして駆動させる。この時エンジン２も駆動しており、モータジェネレータ４０及びエンジン２の駆動力の和が出力軸部４の駆動力となる。
このように、モータとして機能するモータジェネレータ４０によって、トルクアシスト要求に従った適切なトルクアシストを行うことにより、エンジン２の出力が補われるので、エンジン２の小型化を図ることができる。また、このモータジェネレータ４０による適切なトルクアシストによって、作業機などの加速性及び駆動性の向上が図れるとともに、燃費の向上、騒音の低減、及び排気色の改善を図ることが可能となる。
図５には、モータジェネレータ４０により発電された電力により、バッテリ１４の蓄電を行うとき、即ち、モータジェネレータ４０を発電機として作動させてバッテリ１４を充電するときの電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。このとき、エンジン２により出力軸部４及びモータジェネレータ４０が駆動される。この状態においては、エンジン２にかかる負荷トルクが、該エンジン２の出力トルクよりも小さくなっており、このエンジン２の余剰トルク分をモータジェネレータ４０による発電に用いている。つまり、エンジン２のみによって作業負荷に対応しており、このエンジン２の駆動によってモータジェネレータ４０が発電機として作動して発電が行われ、このモータジェネレータ４０による発電によってバッテリ１４の蓄電が行われている状態である。
発電機としてのモータジェネレータ４０によってバッテリ１４の蓄電を行う場合には、システムコントローラ７はＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４に充電開始指示を出力する。モータジェネレータ４０による発電電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により整流・平滑化されて直流電力に変換された後、昇降圧チョッパ４４により降圧されて、バッテリ１４に蓄電される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能する。
また、ハイブリッドシステムIにおいては、このようにモータジェネレータ４０を発電機として作動させて行うバッテリ１４の蓄電には、該モータジェネレータ４０の回生発電による蓄電を含むことを特徴としている。
この回生発電が発生する場合としては、例えば、本ハイブリッドシステムを油圧ショベル等の油圧建設機械に適用した場合には、ブーム・アーム・バケット等を有するフロント作業機のブーム下げ時や、このフロント作業機が取付けられる旋回体の旋回動作の制動時などである。
このように、発電機として作動するモータジェネレータ４０によるバッテリ１４の蓄電に、該モータジェネレータ４０による回生発電による蓄電を含むことにより、前述したようなブーム下げ時や旋回体の旋回動作の制動時の慣性エネルギーを回生電力として有効に取り出すことができ、モータジェネレータ４０によるバッテリ１４の充電効率の向上を図ることができる。
また、同じくモータジェネレータ４０が発電機として作動している場合において、モータジェネレータ４０に電気負荷がかかってない状態、即ち無電負荷の作動状態がある。この動作モードでは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は停止状態となっており、発電機としてのモータジェネレータ４０は実質停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。つまり、この動作モードにおいては、エンジン２の出力と該エンジン２に対する負荷とが均衡状態となっており、エンジン２のみによって効率の良い動作が行われている。なお、このモータジェネレータ４０による発電によってバッテリ１４が満充電状態となったときも、インバータ部４１とバッテリ１４との電位差が小さくなることでバッテリ１４からの給電及びバッテリ１４への充電は停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。
以上の図３から図５を用いて説明したハイブリッドシステムIの有する機能は、図２に示す動作モードと次のように対応している。
図２に示すＭ１は、図３を用いて説明したモータとして機能するモータジェネレータ４０によるスタータ機能が発揮される動作モードである。Ｍ２は、図４を用いて説明した同じくモータとして機能するモータジェネレータ４０によるアシスト機能が発揮される動作モードである。Ｍ３からＭ５は、図５を用いて説明した発電機として機能するモータジェネレータ４０による充電（発電）機能が発揮される動作モードであり、Ｍ３は、モータジェネレータ４０が無電負荷の作動状態であり、エンジン２のみ単体で作動している動作モード、Ｍ４は、モータジェネレータ４０による発電を行いつつエンジン２には作業負荷がかかっている状態で、モータジェネレータ４０による回生発電が行われた場合は、この回生電力をバッテリ１４に蓄電する動作モード、そしてＭ５は、Ｍ４の動作モードにおいてアイドル状態となったときの動作モードである。このアイドル状態においては、作業負荷はかかっておらず、モータジェネレータ４０によるバッテリ１４の充電のみが行われる。
以上の説明のような、各モードにおいて好適に作動するハイブリッドシステムIを作業機などに適用することにより、前述した各作動時における効果に加え、一連の作動においてエンジン２にかかる負荷を一定にすることができ、負荷率の向上（後述する負荷平準化）を図ることができる。これにより、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。
また、低速域におけるエンジンの特性として、機関回転数が低いほどトルクが小さく不安定であること等があるが、モータジェネレータ４０によるトルクアシストによって、この低速域におけるトルクの向上を図ることができる。これにより、燃費の向上や排気色の改善などの機関性能の向上を図ることができ、また、作業機として低速かつ正確な動作が要求される軽負荷の作業時での操作性を向上及び騒音の低減を図ることができる。
また、このような構成のハイブリッドシステムIを小型の作業機などに適用する場合は、バッテリ１４に出入力される電圧を昇降圧する昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることもできる。つまり、小型の作業機などのように、モータとして作動するモータジェネレータ４０の出力が比較的小さくてもその作動に影響がないような場合、モータジェネレータ４０のモータ機能を発揮するためには高い電圧は必要なく、昇降圧チョッパ４４を使用せずとも本ハイブリッドシステムによる効果を得ることができる。
この場合、バッテリ１４はＶＶＶＦインバータコンバータ４２に直接接続され、バッテリ１４のバッテリ容量はモータとして作動するモータジェネレータ４０のモータ出力に対応したものとなる。
このように、本ハイブリッドシステムを昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることにより、小型の作業機などにおいても、本ハイブリッドシステムによる効率の良い運転が可能となり、ランニングコストの低減効果を得ることが可能となる。
次に、本ハイブリッドシステムにおける、バッテリ１４の充電状態に基づくエンジン２及びモータジェネレータ４０の制御方法について説明する。
本制御方法は、バッテリ１４の充電量が規定値を下回ると、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わず、通常、操作レバー９を操作することによって調節するエンジン２の回転数を、システムコントローラ７によって自動的に制御することで、機関出力（機関回転数）を一定に制御しようとするものである。すなわち、本制御方法は、バッテリ１４の充電状態が、予め設定された規定値を下回った場合、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わず、スロットルアクチュエータ２２を構成する前記ＤＣモータを制御することによってエンジン２の回転数を調節して機関出力を一定に保持するように制御することを特徴としている。
まず、バッテリ１４の充電状態（以下、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ））を演算する方法について説明する。
前述したように、エンジン２の駆動によりモータジェネレータ４０にて発電された交流電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて整流・平滑化され直流電力に変換された後、昇降圧チョッパ４４により所定の電圧に変圧されて、バッテリ１４に蓄電される。また、バッテリ１４からの給電電力によりモータジェネレータ４０への電力供給を行い、該モータジェネレータ４０を駆動可能としている。
バッテリ１４のＳＯＣは、バッテリ１４の起電力とバッテリ１４のバッテリ液（電解液）の比重との関係から、システムコントローラ７にて演算される。
具体的に説明すると、充放電中のバッテリ電圧（バッテリ１４の端子電圧）Ｖｂａｔは、次式（１）により表される。
Ｖｂａｔ＝ＥO±ＩCD・ＲO ・・・（１）
この式を用いてバッテリ１４のＳＯＣを算出する。式（１）において、ＥOはバッテリ１４の起電力（バッテリ開路電圧）、ＩCDはバッテリ１４の充放電電流、ＲOはバッテリ１４の内部抵抗である。バッテリ１４の充放電電流ＩCDは、電流の向きによって充電電流または放電電流となり、式（１）においては、正（＋）の場合には、充電電流であり、負（−）の場合には放電電流である。
電圧センサ４５によって検出されるバッテリ電圧Ｖｂａｔ、及び充放電電流ＩCDは、昇降圧チョッパ４４からシーケンサ４３を介してシステムコントローラ７に送信される。システムコントローラ７は、入力されたバッテリ電圧Ｖｂａｔ及び充放電電流ＩCDに基づいてバッテリ１４の内部抵抗ＲOを演算する。この算出された内部抵抗ＲOに基づき、式（１）からバッテリ開路電圧ＥOを演算する。そして、予めシステムコントローラ７には、図６に示すような、バッテリ開路電圧ＥOとバッテリ１４のバッテリ液（電解液）の比重との関係と、図７に示すような、バッテリ液の比重とバッテリ１４の放電深度（以下、ＤＯＤ（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ））との関係が記憶されている。なお、システムコントローラ７には、バッテリ液とＤＯＤとの関係に代えて、バッテリ液とＳＯＣとの関係を予め記憶させておいてもよい。このＤＯＤとＳＯＣとは、ともにバッテリの充電状態を表す量であり、両者の間には、ＤＯＤ＋ＳＯＣ＝１００％という関係がある。
バッテリ開路電圧ＥOが分かると、システムコントローラ７は、バッテリ開路電圧ＥOとバッテリ液の比重との関係により、あるバッテリ温度（周囲温度）に対するバッテリの比重が算出される。そして、算出されたバッテリ液の比重から、バッテリ液の比重とＤＯＤとの関係によりバッテリ１４のＤＯＤが演算され、このＤＯＤに対するバッテリ１４のＳＯＣが演算される。なお、このバッテリ１４のＳＯＣの演算方法は一例であり、システムコントローラ７によって一定以上の正確性を有するバッテリ１４のＳＯＣが随時演算できる方法であれば前記演算方法に限定されるものではない。
そして、システムコントローラ７にて、演算されたバッテリ１４のＳＯＣと、該システムコントローラ７に予め記憶されている規定値ＳＯＣminとが比較され、バッテリ１４のＳＯＣが規定値ＳＯＣminを下回っているか否かが判断される。ここで、バッテリ１４のＳＯＣが規定値ＳＯＣminを下回っている判断された場合、前述したエンジン２に一定以上高い作業負荷がかかった際のモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わないようにし、その代わりに、エンジン２自体の出力を増加させることで、作業負荷に対するエンジン２の負荷平準化を行うように制御する。つまり、バッテリ１４の充電量が低下し、モータジェネレータ４０による十分なトルクアシストが行われない状態となった場合は、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わないようにすることでバッテリ１４の放電を停止し、モータジェネレータ４０によるトルクアシストの代わりに、エンジン２の燃料噴射量を調節するスロットルアクチュエータ２２を制御することにより、機関出力（機関回転数）を一定に保持する。
具体的にスロットルアクチュエータ２２を制御することによるエンジン２の負荷平準化は次のようにして行われる。
スロットルアクチュエータ２２は、前述したようにラックピニオン式のＤＣモータで構成されており、このスロットルアクチュエータ２２のラックギアは、前述したメカニカルガバナのガバナレバーと接続されている。そして、このＤＣモータをシステムコントローラ７によって自動制御することにより、エンジン２の燃料噴射量を調節するとともに、機関回転数を調節する。
すなわち、システムコントローラ７にて、前述のように演算されるバッテリ１４のＳＯＣが、規定値ＳＯＣminを下回った状態で、エンジン２に高い作業負荷がかかり、エンジン２の実回転数が速度指令よりも低くなった場合は、システムコントローラ７からスロットルアクチュエータ２２のＤＣモータへ燃料噴射量を増やす方向にガバナレバーを作動させるように指令を送り、機関出力が一定となるように機関回転数を速度指令による指令値に保持する。そして、モータジェネレータ４０による発電によってバッテリ１４のＳＯＣが規定値ＳＯＣminを下回った状態から、規定値ＳＯＣminを上回った場合は、通常のモータジェネレータ４０によるトルクアシストの制御に移行する。
このように、バッテリ１４の充電量が不足した状態ではモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わず、エンジン２のスロットルアクチュエータ２２を制御することによって機関出力を一定に保つようにすることで、エンジン２が長時間高負荷状態となってモータジェネレータ４０によるトルクアシストが連続して行われた場合などのように、バッテリ１４の充電量が不足した状態でも、作業負荷に対するエンジン２の特性（作業速度など）が変化することなく、作業中にバッテリ１４の充電量不足にともなうモータジェネレータ４０のトルクアシストのトルク不足による違和感（機関回転数の急激な低下など）を解消することができる。また、バッテリ１４の過放電を防止することができるので、バッテリ１４の過放電によるバッテリ性能の低下を防止して長寿命化を図ることができる。
また、このようなシステムコントローラ７によるスロットルアクチュエータ２２の自動制御を、バッテリ１４による給電が終了した時から一定時間行うように制御することもできる。すなわち、この場合、モータジェネレータ４０のトルクアシストにともなうバッテリ１４からの給電が終了した時から、予め設定された時間が経過するまでは、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行わず、スロットルアクチュエータ２２を制御することによってエンジン２の回転数を調節して機関出力を一定に保持するように制御する。
具体的には、エンジン２に高い作業負荷がかかってエンジン２の実回転数が速度指令よりも低くなると、モータジェネレータ４０によるトルクアシストが行われるが、その後、作業負荷が解除されてエンジン２の実回転数が速度指令よりも高くなった時、即ちバッテリ１４による給電が終了した時から、予め定められた時間が経過するまでは、モータジェネレータ４０によるトルクアシストは行わず、前述のようにシステムコントローラ７によってスロットルアクチュエータ２２の自動制御を行うことで、機関出力を一定に保ち、エンジン２の負荷平準化を図るのである。
そして、例えば、バッテリ１４による給電が終了した時から一定時間スロットルアクチュエータ２２の自動制御を行う場合を、本ハイブリッドシステムにおける「節電モード」とし、操作部８にこの「節電モード」のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ等を設け、本ハイブリッドシステムが適用される作業機などのオペレータによって任意に選択可能な構成とすることもできる。
このように制御することで、バッテリ１４による給電が終了した時から一定時間は少なくともバッテリ１４の放電が行われることはないので、バッテリ１４の過放電を予め防止することが可能となる。また、このような制御が行われる場合を「節電モード」とし、切換え可能とすることによって、作業状態に即してバッテリ１４の過放電を防止できるとともに、エンジン２の負荷平準化を図ることが可能となる。
また、以上説明したような、ハイブリッドシステムIにおけるバッテリ１４の充電状態に基づく制御は、図８に示すようなハイブリッドシステムIIにおいても行うことができる。
ハイブリッドシステムIIの構成は、ハイブリッドシステムIの構成を変更したものとなっており、その機能は略同様のものとなっている。すなわち、ハイブリッドシステムIIにおけるモータ５は、前述したハイブリッドシステムIにおいてモータとして作動する場合のモータジェネレータ４０に相当し、ハイブリッドシステムIIにおけるオルタネータ１１は、ハイブリッドシステムIにおいて発電機として作動する場合のモータジェネレータ４０に相当する。また、ハイブリッドシステムIIは、後述するようにモータ駆動機能を有している。以下、ハイブリッドシステムIIの構成について図８を用いて説明する。なお、ハイブリッドシステムIと共通の装置などや同様の機能を有する装置などについては同符号を付して説明する。
ハイブリッドシステムIIでは、エンジン２の出力軸部４の駆動を、エンジン２とモータ（電動機）５との両方により可能としている。出力軸部４から取り出された駆動力は、クラッチ部１２を介して出力部６に伝達され、動力伝達装置などを介して、作業機などの各種作業部、また、移動体などにおける走行車輪や船舶の水中推進用プロペラ等を駆動する。
前記クラッチ部１２においては、モータ５の出力軸部５ａが、エンジン２のクランク軸に対して略垂直方向から、出力部６へ駆動力を伝達するように連結されている。つまり、クラッチ部１２は、エンジン２及びモータ５からの駆動力を出力部６に伝達するとともに、エンジン２の出力軸部４と、モータ５の出力軸部５ａと、出力部６とのそれぞれの連結・非連結（断接）の切り換えを行っている。このクラッチ部１２の切換操作は、後述のシフトアクチュエータ２１によって選択的に行われる。
また、エンジン２内には、発電機としてのオルタネータ１１が備えられており、該オルタネータ１１は、昇降圧チョッパ４４を介して蓄電装置であるバッテリ１４と接続されている。昇降圧チョッパ４４は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されており、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、前記モータ５と接続されている。オルタネータ１１は、エンジン２の駆動にともなって発電し、該オルタネータ１１で発電される電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に蓄電されるか、または、昇降圧チョッパ４４を介することなくＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力され、モータ５に供給される。なお、本実施例では、発電機としてオルタネータ１１を用いて説明しているが、エンジン２の出力軸部４側に設けられるフライホイール型の発電機としてもよく、この場合は、発電機により発電された交流電力は整流器によって整流・平滑化され直流に変換される。
前記ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は、シーケンサ４３を介してシステムコントローラ７と接続されている。このシーケンサ４３を含むシステムコントローラ７が制御手段となる。システムコントローラ７は、制御対象の状態や、機関回転数や各種アクチュエータ等の外部からの信号に基づき、制御対象に与える操作やその順序などを制御する。そのため、システムコントローラ７とシーケンサ４３との間では各種制御信号の通信が行われており、システムコントローラ７と、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４との信号のやりとりは、シーケンサ４３を介して行われる。システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２へは、起動信号や速度指令（モータ指令）などの信号が送信されており、システムコントローラ７と昇降圧チョッパ４４との間では、起動信号や充電開始・充電電流に関する信号が通信されている。
また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４からなるインバータ部には電圧センサ４５が接続されており、この電圧センサ４５によってインバータ部のインバータ直流電圧やバッテリ電圧など各部の電圧を検出する。
このような構成により、ハイブリッドシステムIIにおいては、オルタネータ１１による発電電力を、昇降圧チョッパ４４により降圧してバッテリ１４に蓄電するか、またはインバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給し、該モータ５を作動させる場合には、インバータとして作動するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介して、オルタネータ１１による発電電力、及び昇降圧チョッパ４４により昇圧されるバッテリ１４からの給電電力をモータ５に供給することを特徴としている。
すなわち、モータ５を作動させる場合には、オルタネータ１１により発電された電力、及びバッテリ１４からの給電電力がモータ５に供給され、これにより、該モータ５が作動する。オルタネータ１１により発電された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介することなくＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。また、バッテリ１４から給電される直流電流は、昇降圧チョッパ４４を介してＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。このとき、昇降圧チョッパ４４は昇圧チョッパとして機能し、オルタネータ１１の発電電力及びバッテリ１４の給電電圧を所定の電圧に昇圧して、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力する。これらの場合、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はインバータとして機能して、入力された直流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力に変換し、この変換された交流電力をモータ５に供給する。
また、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７からの指令（速度指令・制御信号）に従い、モータ５の回転数及びトルクを制御する。モータ５の出力軸部５ａは、前述のようにクラッチ部１２にてエンジン２の出力軸部４と連結されており、モータ５が作動することにより、該モータ５の駆動力が出力部６に伝達されて、後述するハイブリッドシステムIIにおけるスタータ機能、アシスト機能、及びモータ駆動機能が発揮される。
そして、モータ５が回生状態になった場合は、該モータ５からの回生電力をバッテリ１４に蓄電するようにしている。モータ５からの回生電力は、三相交流電力としてＶＶＶＦインバータコンバータ４２に出力される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能して、モータ５から入力された交流電力を整流・平滑化して直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって変換された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４に蓄電される。このとき、昇降圧チョッパ４４は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から入力される直流電力を所定の電圧に降圧してバッテリ１４に蓄電する。この回生発電が発生する場合としては、例えば、本ハイブリッドシステムを油圧ショベル等の油圧建設機械に適用した場合には、ブーム・アーム・バケット等を有するフロント作業機のブーム下げ時や、このフロント作業機が取付けられる旋回体の旋回動作の制動時などである。
一方、オルタネータ１１を作動させる場合には、エンジン２の駆動力の一部または全部がオルタネータ１１の作動に用いられ、このエンジン２からの駆動力によりオルタネータ１１が作動して発電が行われる。エンジン２の駆動によりオルタネータ１１で発電された直流電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に入力され、これによりバッテリ１４に蓄電される。このとき、昇降圧チョッパ４４は降圧チョッパとして機能し、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２から出力される直流電力を所定の電圧に降圧してバッテリ１４に蓄電する。また、このオルタネータ１１により発電された直流電力は、前述したように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給される。
なお、以上に述べたように、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、モータ５を作動させる場合には、バッテリ１４から給電される直流電力を交流電力に変換するインバータとして機能し、モータ５が回生状態になった場合には、該モータ５により発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能する双方向電力変換装置となっている。
このように、昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４からモータ５へ供給される電圧を昇圧することができるため、バッテリ１４からの出力（電力）が同じであれば、電圧が高くなった分、小電流化を図ることが可能となる（電力＝電流×電圧）。これにより、昇降圧チョッパ４４とＶＶＶＦインバータコンバータ４２とを接続する配線、及びＶＶＶＦインバータコンバータ４２とモータ５とを接続する配線において、負荷をかけたとき流れる負荷電流の配線の抵抗によって失われる損失（銅損）を低減することができる。
また、昇降圧チョッパ４４を使用することにより、バッテリ１４の小型化が図れる。つまり、モータ５に供給する電圧は、高いほどモータ５の機能を発揮するためには有利であり、高い電圧で供給しようとすると、バッテリ１４を大きくする必要があるが、昇降圧チョッパ４４を使用することでバッテリ１４から供給する電圧が低くても昇圧することが可能となるので、バッテリ１４を大きくする必要がなくなるのである。これにより、本ハイブリッドシステムを搭載する機体における省スペース化、及び軽量化を図ることができる。
一方、エンジン２の駆動力（回転数）の調整は、操作部８に配設されるモード切換スイッチ（図示略）や、レギュレータレバー等の操作レバー９等を操作することによって行われる。また、操作レバー９には、該操作レバー９のレバー位置を検出する位置センサ（図示略）が付設されており、この位置センサはシステムコントローラ７と接続されている。また、操作部８には、切り換え操作手段として、ＶＶＶＦ起動（回転数）指示スイッチ、ＣＶＣＦ（定電圧定周波数）起動スイッチ、昇降圧チョッパ起動スイッチ、蓄電開始スイッチ、蓄電電流指示スイッチ等の各種スイッチが配設されており、これらの各種スイッチはシステムコントローラ７と接続されている。
前記モード切換スイッチは、システムコントローラ７と接続されており、該モード切換スイッチを操作すると、モード切換スイッチの切換位置に対応したモード信号がシステムコントローラ７に入力され、該システムコントローラ７により本ハイブリッドシステムのモード（駆動形態）が切り換えられて、各モードに対応した制御が行われるようにしている。
具体的には、図９に示すように、モード切換スイッチの操作によるモードの切り換えにより、出力部６をエンジン２により駆動しつつ、モータ５により駆動をアシストする「エンジン＋モータ」モードと、出力部６をエンジン２のみにより駆動し、オルタネータ１１の発電によるバッテリ１４の充電をともなう「エンジン＋発電機」モードと、クラッチ部１２において、エンジン２の出力軸部４と出力部６とを非連結状態（クラッチ切状態）にして出力部６をモータ５のみにより駆動する「モータ」モードと、の３種類のパターンにより行うことを可能としている。
操作レバー９を操作すると、該操作レバー９のレバー位置が前記位置センサにより検出され、レバー位置に応じた信号がシステムコントローラ７に入力される。そして、システムコントローラ７は入力された信号に基づいてシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２を作動させる。
シフトアクチュエータ２１は、前記クラッチ部１２に接続されており、このシフトアクチュエータ２１の作動によりクラッチ部１２のクラッチを作動させるように制御している。このようにしてクラッチを作動させることにより、エンジン２の出力軸部４から出力部６、モータ５の出力軸部５ａと出力部６、出力軸部４と出力軸部５ａ、それぞれの駆動力の断接を選択的に行うことを可能としている。また、シフトアクチュエータ２１には、そのシフト位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたシフト位置がシステムコントローラ７に入力される。つまり、このポテンショメータが、クラッチ部１２のクラッチの「入」「切」を検知する検知手段に相当する。
スロットルアクチュエータ２２は、ラックピニオン式のＤＣモータ（スロットルモータ）により構成され、エンジン２のスロットルに接続されている。このスロットルアクチュエータ２２の作動により、スロットル位置（スロットル開度）が変化する。このスロットル位置の変化によりエンジン２における燃料噴射量を調節して、エンジン２の駆動力（回転数）を調節可能としている。すなわち、スロットルアクチュエータ２２は、エンジン２の回転数調節手段として機能する。そして、このスロットルアクチュエータ２２を構成する前記ＤＣモータは、システムコントローラ７に接続されており、該システムコントローラ７から送られる指令によって該ＤＣモータが制御される。また、スロットルアクチュエータ２２には、そのスロットル位置を検出するポテンショメータ（図示略）が付設されている。ポテンショメータは、システムコントローラ７と接続されており、このポテンショメータにより検出されたスロットルアクチュエータ２２のスロットル位置がシステムコントローラ７に入力される。
このように、操作レバー９を操作して、そのレバー位置を調節することにより、エンジンの駆動力（回転数）の調整を行っている。ただし、後述するモータ５の各制御が行われているときには、操作レバー９を操作することによる燃料噴射量の調節は行われない。つまり、モータ５の制御は、操作レバー９のレバー位置から要求される燃料噴射量（指示回転数）が一定の状態で行われる。
以上のように構成されるハイブリッドシステムIIにおいて、メインコントローラとしてのシステムコントローラ７は、次のように機能して本ハイブリッドシステムの制御を行う。
システムコントローラ７には、前述したように、操作部８における操作レバー９に付設される位置センサが接続され、また、シフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２と、これらシフトアクチュエータ２１及びスロットルアクチュエータ２２にそれぞれ付設される前述のポテンショメータとが接続されている。
また、システムコントローラ７は、エンジン２と接続されており、該エンジン２からシステムコントローラ７に機関回転数が入力される。機関回転数は、エンジン２に付設される回転数センサ（図示略）により検出される。また、この回転センサにより検出される機関回転数は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２へも入力される。
また、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２と接続されており、システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対し、モータ５の起動信号、及び予め決定される速度指令を送る。そして、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、これらの信号に基づいてモータ５を制御する。一方、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７へモータ５の回転数、トルク、及び交流電圧値などの信号を送る。モータ５の交流電圧は、該モータ５を作動させるときにＶＶＶＦインバータコンバータ４２から供給される交流電圧である。
また、システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４と接続されており、該システムコントローラ７は昇降圧チョッパ４４に対し、起動信号、充電開始指示、充電電流（リミッタ）指示などを送り、昇降圧チョッパ４４に接続されるバッテリ１４を制御する。一方、昇降圧チョッパ４４は、システムコントローラ７へバッテリ１４の電圧、充放電電流などに関する信号を送る。システムコントローラ７は、前記電圧センサ４５によって検出されるバッテリ１４の電圧や、充放電電流を検出することによりバッテリ１４の状態を知ることができる。
以上のように構成されるハイブリッドシステムIIは、例えば、図９に示すような動作モーとを備えており、各動作モードの動作状態におけるモータ５及びオルタネータ１１の機能として、スタータ機能（図１０参照）、アシスト機能（図１１参照）、充電（発電）機能（図１２参照）、及びモータ駆動機能（図１３参照）を有している。以下、各動作モードについて説明する。
図１０には、エンジン２起動（始動）時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。エンジン２は、バッテリ１４からモータ５に電力を供給して、該モータ５を機能させることにより始動する。エンジン２を始動する際には、オペレータによる始動キーの操作により図示せぬリレーがオンされ、システムコントローラ７にエンジン始動の指令が入力される。システムコントローラ７は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４にエンジン２の起動信号を送る。これにより、バッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータ５に供給される。このようにして、モータ５が作動する。このモータ５の駆動軸は、クラッチ部１２を介してエンジン２の出力軸部４と連結されており、該出力軸部４はエンジン２のクランク軸と常時同期回転するため、モータ５を駆動することにより、停止状態のエンジン２を始動させる。
このように、トルクアシストを行うモータ５を、エンジン２の起動時におけるスタータとして利用することにより、別途セルモータ（スタータモータ）等を設ける必要がなくなり、省スペース化を図ることが可能となるので、本ハイブリッドシステムが適用される機体において動力機関の搭載スペースを小さくすることができる。また、製造コストを低減することもできる。
そして、エンジン２の起動終了後は、エンジン２が作動している状態ではオルタネータ１１も作動状態となっており、常時バッテリ１４への充電を行っており、「トルクアシスト要求」が発生した場合にのみ、モータ５を作動させてトルクアシストを行う。なお、ここでの「トルクアシスト要求」とは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によってモータ５によるトルクアシストが必要と判断された場合に、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータ５へ送られる信号であり、この速度制御でのトルク指令を増加させる信号が相当する。
図１１には、モータ５によるトルクアシスト時における電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。なお、「トルクアシスト」とは、モータ５を作動させ、このモータ５によってエンジン２の駆動負荷の一部を賄うことを意味する。
また、モータ５によって行われるトルクアシストは、エンジン２の駆動力に対するもの（エンジンアシスト）に限定されるものではない。すなわちこの場合、モータ５の出力軸部５ａを、作業機などのクローラや走行車輪の車軸にクラッチ等を介して連結し、エンジン２自体はモータ５を作動させるための電力を発電する発電機としての機能を果たす構成となる。
モータ５によるトルクアシストは、前述したように、オルタネータ１１による発電電力及びバッテリ１４からの給電電力がモータ５に供給され、該モータ５が作動することによって行われる。このトルクアシストを行う場合には、エンジン２に高い負荷がかかった場合や加速を行う場合等で、機関回転数が速度指令よりも低くなるような場合やトルク変動が生じた場合等において、モータ５を駆動させる。この時エンジン２も駆動しており、モータ５及びエンジン２の駆動力の和が出力軸部４の駆動力となる。そして、モータ５によるトルクアシストは、通常、オルタネータ１１による発電電力によって行われており、後述する「最大トルク要求が発生した場合」にのみ、オルタネータ１１による発電電力に加え、バッテリ１４からの給電電力がモータ５へ供給される。
トルクアシストを行う際、オルタネータ１１による発電電力がモータ５に供給されるが、この場合、オルタネータ１１からの発電電力は、昇降圧チョッパ４４を介することなくＶＶＶＦインバータコンバータ４２に入力される。そして、該ＶＶＶＦインバータコンバータ４２は、システムコントローラ７から送信される速度指令に従い、モータ５へトルク指令を送信してモータ５を制御する。つまり、モータ５は、システムコントローラ７からの速度指令に基づき、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２によってその作動が制御される。
具体的に、システムコントローラ７からＶＶＶＦインバータコンバータ４２への速度指令の内容としては、エンジン２にかかる負荷が高い場合、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータ５へのトルク指令を増加させるようなものとなり、逆に、エンジン２にかかる負荷が低い場合は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２からモータ５へのトルク指令を減少させるようなものとなる。
このように、モータ５によって、トルクアシスト要求に従った適切なトルクアシストを行うことにより、エンジン２の出力が補われるので、エンジン２の小型化を図ることができる。また、このモータ５による適切なトルクアシストによって、作業機などの加速性及び駆動性の向上が図れるとともに、燃費の向上、騒音の低減、及び排気色の改善を図ることが可能となる。
また、前述の「最大トルク要求が発生した場合」とは、エンジン２に対する負荷トルクが該エンジン２の有する機関最大トルクを上回った場合、またはこの機関最大トルクに一定以上近付いた場合が相当する。そして、この最大トルク要求が発生した場合は、オルタネータ１１からモータへの電力供給に、バッテリ１４からの電力供給が加わる。この場合、システムコントローラ７が、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２に対して予め決定される速度指令を出力し、昇降圧チョッパ４４に対して起動信号を出力する。これにより、バッテリ１４から昇降圧チョッパ４４に電力が供給されるようになり、このバッテリ１４からの給電電力は、昇圧チョッパとして機能する昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２によって所要の電圧及び周波数に変換されて、交流電力としてモータ５に供給される。
すなわち、ハイブリッドシステムIIにおける「エンジン＋モータ」モードにおいて、モータ５によるトルクアシストが行われている場合、エンジン２にかかる負荷が比較的安定している状態では、モータ５に供給される電力はオルタネータ１１による発電電力のみであり、負荷が高くなって最大トルク要求が発生した場合のみ、バッテリ１４からの給電電力が加わる。
このように、モータ５によるトルクアシストが行われる場合、エンジン２にかかる負荷が比較的安定している通常状態では、オルタネータ１１による発電電力の供給のみでモータ５が作動し、このオルタネータ１１による発電電力は、昇降圧チョッパ４４を介してバッテリ１４に蓄電されることなく、オルタネータ１１からＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介して直接モータ５に供給されるので、オルタネータ１１によって発電される電力とモータ５に供給される電力との間のエネルギー効率、延いてはシステム効率の向上が図れる。そして、最大トルク要求が発生した場合のみ、モータ５への電力供給にバッテリ１４からの給電電力の供給が加わるので、適切なトルクアシストが行われることとなる。これにより、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジン２の小型化が図れる。さらに、モータ５による適切なトルクアシストが行われることによって、燃費の向上、騒音の低減、及び排気色の改善を図ることが可能となる。
図１２には、オルタネータ１１により発電された電力により、バッテリ１４の蓄電を行うときの電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。このとき、エンジン２により出力軸部４及びオルタネータ１１が駆動される。この状態においては、エンジン２にかかる負荷トルクが、該エンジン２の出力トルクよりも小さくなっており、このエンジン２の余剰トルク分をオルタネータ１１による発電に用いている。つまり、エンジン２のみによって作業負荷に対応しており、このエンジン２の駆動によってオルタネータ１１が作動して発電が行われ、このオルタネータ１１による発電によってバッテリ１４の蓄電が行われている状態である。
オルタネータ１１によってバッテリ１４の蓄電を行う場合には、システムコントローラ７はＶＶＶＦインバータコンバータ４２と昇降圧チョッパ４４に充電開始指示を出力する。オルタネータ１１によって発電された直流電力は、昇降圧チョッパ４４にて降圧されて、バッテリ１４に蓄電される。
また、ハイブリッドシステムIIにおいては、オルタネータ１１によって行われるバッテリ１４の蓄電時に、モータ５による回生発電が行われた場合には、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２をコンバータとして作動させるとともに、モータ５からの回生電力を、オルタネータ１１による発電電力とともにバッテリ１４に蓄電することを特徴としている。
この場合、モータ５の出力軸部５ａは、クラッチ部１２において連結状態となっており、回生時における出力部６またはエンジン２の出力軸部４の駆動によってモータ５が駆動され、該モータ５が発電機として作用して回生発電を行う。そして、このモータ５の回生発電による発電電力は、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２により整流・平滑化されて直流電力に変換された後、昇降圧チョッパ４４により降圧されて、バッテリ１４に蓄電される。この際、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２はコンバータとして機能する。
この回生発電が発生する場合としては、例えば、本ハイブリッドシステムを油圧ショベル等の油圧建設機械に適用した場合には、ブーム・アーム・バケット等を有するフロント作業機のブーム下げ時や、このフロント作業機が取付けられる旋回体の旋回動作の制動時などである。
このように、モータ５によるバッテリ１４の蓄電に、該モータ５の回生発電による蓄電を含むことにより、前述したようなブーム下げ時や旋回体の旋回動作の制動時の慣性エネルギーを回生電力として有効に取り出すことができ、オルタネータ１１によるバッテリ１４への充電を補うことができる。
また、同じくオルタネータ１１による発電によってバッテリ１４の蓄電が行われている場合において、オルタネータ１１に電気負荷がかかってない状態、即ち無電負荷の作動状態がある。この動作モードでは、ＶＶＶＦインバータコンバータ４２及び昇降圧チョッパ４４は停止状態となっており、発電機としてのオルタネータ１１は実質停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。つまり、この動作モードにおいては、エンジン２の出力と該エンジン２に対する負荷とが均衡状態となっており、エンジン２のみによって効率の良い動作が行われている。なお、このオルタネータ１１による発電によってバッテリ１４が満充電状態となったときも、インバータ部とバッテリ１４との電位差が小さくなることでバッテリ１４からの給電及びバッテリ１４への充電は停止状態となり、エンジン２のみが単体で作動している状態となる。
図１３には、モータ５の駆動力のみが出力部６に伝達されるときの電気回路の作動及び駆動力の伝達状態を示している。すなわち、クラッチ部１２においてエンジン２の出力軸部４と出力部６とは非連結状態（クラッチ切状態）となっており、エンジン２の駆動力は出力部６へ伝達されず、モータ５の駆動力のみによって作業負荷に対応するモータ単独駆動状態としての「モータ」モードである。
このモードにおいては、エンジン２が作動している場合、エンジン２の駆動力はオルタネータ１１の作動にのみ用いられ、このオルタネータ１１による発電電力がモータ５に供給され、該モータ５が作動する。そして、作業負荷が高くなったとき等は、オルタネータ１１からの発電電力に加え、バッテリ１４からの給電電力がモータ５へ供給される。
また、このモータ単独駆動状態において、エンジン２が停止している場合、モータ５に供給される電力は、バッテリ１４からの給電電力のみであり、このバッテリ１４からの給電電力によってモータ５が作動するモータ単独作動状態となる。この場合、バッテリ１４からの給電電力は、昇降圧チョッパ４４によって昇圧され、インバータとして機能するＶＶＶＦインバータコンバータ４２を介してモータ５に供給される。
このように、出力部６への駆動力の供給がモータ５のみによって行われるモータ単独駆動状態を可能とすることにより、エンジン２の駆動力が全てオルタネータ１１の作動に用いられるので、オルタネータ１１による発電量を向上させるとともに、モータの特性としての低速域におけるトルクの安定性を有効に利用することができる。
また、このモータ単独駆動状態において、エンジン２の停止状態であるモータ単独作動状態では、モータ５のみが作動している状態で、作業機などの走行が可能となるので、エンジン２の作動による排気の防止や、騒音の低減及び燃費の向上を図ることができる。このモータ単独作動状態による騒音低減は、例えば、本ハイブリッドシステムを農作業機に適用した場合など、早朝時に、納屋などから実際に作業を行う圃場までの移動時にその効果を得ることができる。
以上の図１０から図１３を用いて説明したハイブリッドシステムIIの有する機能は、図９に示す動作モードと次のように対応している。
図９に示すｍ１は、図１０を用いて説明したモータ５によるスタータ機能が発揮される動作モードである。ｍ２及びｍ３は、図１１を用いて説明したモータ５によるアシスト機能が発揮される動作モードであり、ｍ２は、モータ５への電力の供給がオルタネータ１１及びバッテリ１４によって行われる動作モードで、ｍ３は、モータ５への電力の供給がオルタネータ１１のみによって行われる動作モードである。ｍ４からｍ６は、図１２を用いて説明したオルタネータ１１による充電（発電）機能が発揮される動作モードであり、ｍ４は、オルタネータ１１が無電負荷の作動状態であり、エンジン２のみ単体で作動している動作モード、ｍ５は、オルタネータ１１による発電を行いつつエンジン２には作業負荷がかかっている状態で、モータ５による回生発電が行われた場合は、この回生電力をバッテリ１４に蓄電する動作モード、そしてｍ６は、ｍ５の動作モードにおいてアイドル状態となったときの動作モードである。このアイドル状態においては、作業負荷はかかっておらず、モータ５は停止状態で、オルタネータ１１によるバッテリ１４の充電のみが行われる。ｍ７からｍ９は、図１３を用いて説明したモータ５の駆動力のみが出力部６に伝達されるモータ駆動機能が発揮される動作モードであり、ｍ７は、モータ５への電力供給がオルタネータ１１及びバッテリ１４によって行われる動作モードで、ｍ９は、モータ５への電力供給がオルタネータ１１のみによって行われる動作モード、ｍ８は、エンジン２が停止状態のモータ単独作動状態の動作モードである。
以上の説明のような、各モードにおいて好適に作動するハイブリッドシステムIIを作業機などに適用することにより、前述した各作動時における効果に加え、一連の作動においてエンジン２にかかる負荷を一定にすることができ、負荷率の向上（負荷平準化）を図ることができる。これにより、最大負荷時の出力を見込んで搭載されるエンジンの小型化を図ることができる。
また、低速域におけるエンジンの特性として、機関回転数が低いほどトルクが小さく不安定であること等があるが、モータ５によるトルクアシストによって、この低速域におけるトルクの向上を図ることができるので、燃費の向上や排気色の改善などの機関性能の向上を図ることができ、また、作業機として低速かつ正確な動作が要求される軽負荷の作業時での操作性を向上及び騒音の低減を図ることができる。
また、このような構成のハイブリッドシステムIIを小型の作業機などに適用する場合は、バッテリ１４に出入力される電圧を昇降圧する昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることもできる。つまり、小型の作業機などのように、モータ５の出力が比較的小さくてもその作動に影響がないような場合、モータ５の機能を発揮するためには高い電圧は必要なく、昇降圧チョッパ４４を使用せずとも本ハイブリッドシステムによる効果を得ることができる。
この場合、バッテリ１４はＶＶＶＦインバータコンバータ４２に直接接続され、バッテリ１４のバッテリ容量はモータ５のモータ出力に対応したものとなる。
このように、ハイブリッドシステムIIを昇降圧チョッパ４４を使用しない構成とすることにより、小型の作業機などにおいても、本ハイブリッドシステムによる効率の良い運転が可能となり、ランニングコストの低減効果を得ることが可能となる。
以上説明したハイブリッドシステムIIにおいても、前述したハイブリッドシステムIにおけるバッテリ１４の充電状態に基づくエンジン２及びモータジェネレータ４０の制御方法、即ちハイブリッドシステムIIにおけるバッテリ１４の充電状態に基づくエンジン２及びモータ５の制御方法を同様にして行うことが可能であり、同様の効果を得ることができる。
本発明の活用例として、建設機械における油圧ショベル等の駆動や、農作業機における各種作業部の駆動、また、船舶の水中推進用プロペラ等の駆動、その他の移動体（例えば、自動車等）における走行部や旋回部の駆動に広く適用可能である。
ハイブリッドシステムIの構成を示す図。 ハイブリッドシステムIの動作モードの一覧を示す図。 ハイブリッドシステムIのスタータ機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIのアシスト機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIの充電（発電）機能を示す説明図。 バッテリ液の比重とバッテリ回路電圧の関係を示す図。 バッテリ液の比重とバッテリの放電深度（ＤＯＤ）の関係を示す図。 ハイブリッドシステムIIの構成を示す図。 ハイブリッドシステムIIの動作モードの一覧を示す図。 ハイブリッドシステムIIのスタータ機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIIのアシスト機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIIの充電（発電）機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムIIのモータ駆動機能を示す説明図。
符号の説明
２ エンジン
５ モータ
７ システムコントローラ
９ 操作レバー
１１ オルタネータ
１２ クラッチ部
１４ バッテリ
２１ シフトアクチュエータ
２２ スロットルアクチュエータ
４０ モータジェネレータ
４２ ＶＶＶＦインバータコンバータ
４４ 昇降圧チョッパ

Claims (2)

  1. エンジンと、モータと、これらを制御する制御手段と、発電機と、蓄電装置とを備え、前記エンジンの回転数をアクチュエータを介して調整する操作レバーによるエンジンの指示回転数が一定状態で、前記発電機によって発電された電力による前記蓄電装置の充電と、該蓄電装置から給電される電力によって駆動する前記モータによるトルクアシストとを制御することによって機関出力を一定に保持しようとするハイブリッドシステムであって、
    前記制御手段は、前記蓄電装置の充電状態が、予め設定された規定値を下回った場合、前記モータによるトルクアシストを行わず、前記アクチュエータを制御することによってエンジンの回転数を調節して機関出力を一定に保持するように制御することを特徴とするハイブリッドシステムにおける制御方法。
  2. エンジンと、モータと、これらを制御する制御手段と、発電機と、蓄電装置とを備え、前記エンジンの回転数をアクチュエータを介して調整する操作レバーによるエンジンの指示回転数が一定状態で、前記発電機によって発電された電力による前記蓄電装置の充電と、該蓄電装置から給電される電力によって駆動する前記モータによるトルクアシストとを制御することによって機関出力を一定に保持しようとするハイブリッドシステムであって、
    前記制御手段は、前記モータのトルクアシストにともなう前記蓄電装置からの給電が終了した時から、予め設定された時間が経過するまでは、前記モータによるトルクアシストを行わず、前記アクチュエータを制御することによってエンジンの回転数を調節して機関出力を一定に保持するように制御することを特徴とするハイブリッドシステムにおける制御方法。
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