JP2005207386A - ハイブリッドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドシステムにおいて、エンジンに負荷がかかった瞬間や負荷が解除された瞬間に生じる負荷変動によるエンジンの脈動（機関回転変動）を、モータによるトルクアシスト及び発電機による発電によって抑制するとともに、蓄電装置の充放電収支の不均衡にともなう蓄電装置の充電量不足の防止を図ることを目的とする。
【解決手段】エンジン２にかかる負荷に対応する回転数を目標回転数とし、エンジン２の実回転数の前記目標回転数からの変動が一定値以上となると、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト、またはモータジェネレータ４０の発電による蓄電装置１４の充電を行い、エンジン２の負荷変動による機関回転変動率を一定範囲内に保持する。そして、前記蓄電装置１４に電気二重層キャパシタを用いた。
【選択図】図６

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る発電電力の蓄電装置への蓄電と、該蓄電装置から給電される電力を用いてモータを駆動させトルクアシストを行う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電動機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

ところで、前述のようなハイブリッドシステム等に備えられるエンジンには、作業などを行った際にかかる作業負荷以外に、短い時間の微細な負荷がかかるが、このような短い時間の負荷がエンジンにかかった場合、負荷がかかった瞬間と負荷が解除された瞬間に、負荷の慣性力によって機関回転数に負荷変動が生じる。この負荷変動に起因し、エンジンには短い時間での微細な脈動（機関回転変動）が生じる。
そして、このような機関回転変動を、前述のようなハイブリッドシステムにおいて、モータによるトルクアシスト及び発電機による発電電力のバッテリへの蓄電を行うことで負荷平準化を図ることによって抑制しようとすると、バッテリでは瞬時の充電に十分対応しきれない場合がある。すなわち、バッテリの特性として、短い時間における瞬時のトルクアシストを行う際のモータへの給電は比較的瞬時に行え対応することができるが、短い時間になされる発電機からの発電電力の瞬時の充電に対しては十分な応答性を有しておらず、次第にバッテリの充放電の収支が合わなくなっていくことがある。つまり、こうしたエンジンの脈動を抑制するための、バッテリからモータへの瞬時の電力供給、及び発電機などからバッテリへの電力の瞬時の蓄電は、バッテリの有する充放電効率では対応することが難しく、バッテリからモータへの給電量に対して発電機などからバッテリへの充電量が不足するという不具合がある。

また、近年、空気と燃料が混合された予混合気をエンジンに導き、これを圧縮によって自己着火させる燃焼方式を採用する予混合圧縮自着火（ＨＣＣ）エンジンが、ガソリンエンジンよりもクリーンで、ディーゼルエンジン並みの燃焼効率を有するということで注目されているが、このＨＣＣエンジンは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンと比較して脈動が大きく不安定であるという問題がある。

そこで、本発明においては、ハイブリッドシステムにおいて、エンジンに負荷がかかった瞬間や負荷が解除された瞬間に生じる負荷変動によるエンジンの脈動（機関回転変動）を、モータによるトルクアシスト及び発電機による発電によって抑制するとともに、蓄電装置の充放電収支の不均衡にともなう蓄電装置の充電量不足の防止を図ることを目的とする。

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、前記発電機からの発電電力による前記蓄電装置の充電と、該蓄電装置からの給電電力を用いた前記モータの駆動によるトルクアシストとを行うハイブリッドシステムにおいて、前記エンジンにかかる負荷に対応する回転数を目標回転数とし、前記エンジンの実回転数の前記目標回転数からの変動が一定値以上となると、前記モータによるトルクアシスト、または前記発電機の発電電力による前記蓄電装置の充電を行い、前記エンジンの負荷変動による機関回転変動率を一定範囲内に保持するものである。

請求項２においては、前記蓄電装置に電気二重層キャパシタを用いたものである。

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、エンジンの短い時間における微細な負荷変動による機関回転変動に対しても、モータによるトルクアシスト及び発電機による発電を行うことによって、エンジンの脈動を抑制することができる。これにより、エンジン効率の向上が図れるとともに、燃費の向上及び排気ガスの低減を図ることができる。

請求項２においては、エンジンに対する短い時間での負荷変動による機関回転変動の抑制にともなう蓄電装置の充放電収支の不均衡を低減し、蓄電装置の充電を良好に行うことが可能となり、蓄電装置の充電量不足を防止することができる。
また、蓄電装置として電気二重層キャパシタを用いることにより、次のような効果を得ることができる。すなわち、電気二重層キャパシタは、繰り返しの充放電に強く、蓄電装置の長寿命化が図れる。また、電気二重層キャパシタは、原料も無害に近い電解液と炭素でできているため低公害である。加えて、電気二重層キャパシタは、広範囲の耐久温度特性を有しているため、低温では性能が低下するバッテリと比較して、使用温度範囲において安定した作動が可能になるという効果を得ることもできる。
さらに、電気二重層キャパシタをバッテリと併用することにより、バッテリよりも比較的蓄電できるエネルギー密度が低いという特性を有する電気二重層キャパシタの蓄電容量を、バッテリによって補うことができる。これにより、前述の短い時間での負荷変動による機関回転変動に対応することができるとともに、十分な蓄電容量を確保することが可能となる。
また、本発明を、ガソリンエンジンよりもクリーンで、ディーゼルエンジン並みの燃料効率を有するが、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等と比較して脈動が大きく不安定な予混合圧縮自着火（ＨＣＣ）エンジンを備えたハイブリッドシステムにおいて適用することで、その効果がより発揮されることが期待できる。

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の充電（発電）機能を示す説明図、図６はエンジンの負荷変動による機関回転変動の軽減を示す説明図、図７はハイブリッドシステムの構成を示す図、図８はハイブリッドシステムの動作モードの一覧を示す図、図９はハイブリッドシステムのスタータ機能を示す説明図、図１０はハイブリッドシステムのアシスト機能を示す説明図、図１１はハイブリッドシステムの充電（発電）機能を示す説明図、図１２はハイブリッドシステム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、蓄電装置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を介して蓄電装置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蓄電装置１４の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、蓄電装置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により降圧して蓄電装置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、蓄電装置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。蓄電装置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、蓄電装置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を介して蓄電装置１４に入力され、これにより蓄電装置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蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置１４を大きくする必要があるが、昇降圧チョッパ４４を使用することで蓄電装置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、蓄電装置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に接続される蓄電装置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へ蓄電装置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蓄電装置１４の電圧や、充放電電流を検出することにより蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置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、常時蓄電装置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、蓄電装置１４が放電状態となり、この蓄電装置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、蓄電装置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蓄電装置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蓄電装置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によって蓄電装置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、蓄電装置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蓄電装置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による蓄電装置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による蓄電装置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蓄電装置１４が満充電状態となったときも、インバータ部４１と蓄電装置１４との電位差が小さくなることで蓄電装置１４からの給電及び蓄電装置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、この回生電力を蓄電装置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による蓄電装置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を小型の作業機などに適用する場合は、蓄電装置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、蓄電装置１４はＶＶＶＦインバータコンバータ４２に直接接続され、蓄電装置１４の蓄電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、エンジン２の負荷変動による機関回転変動、及びこれの軽減について説明する。
本発明に係るハイブリッドシステムにおいては、上述の作業負荷に対して比較的短い時間の負荷がエンジン２にかかった際に、負荷がかかった瞬間と負荷が解除された瞬間に発生するエンジン２の回転数の変動（機関回転変動）に対して、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うことによって、機関回転変動を軽減し、エンジン２の負荷平準化を図ることとしている。この場合、蓄電装置１４として、電気二重層キャパシタを利用することが望ましい。以下、機関回転変動の軽減、及び蓄電装置１４として電気二重層キャパシタを用いることついて図６を用いて説明する。

図６（ａ）上図は、エンジン２に負荷がかかってない状態から、エンジン２に大きさｗ１の負荷Ｗが一定時間かかった場合を示している。この場合、機関回転数は、同下図に示すように変動する。すなわち、負荷がかかってない状態のエンジン２の回転数ｎ０から、負荷Ｗがかかった瞬間、この負荷Ｗの大きさｗ１に対応するエンジン２の回転数ｎ１よりも急激に機関回転数が低下し、その後、前記回転数ｎ１に落ち着く。そして、負荷Ｗが解除された瞬間、負荷がかかってない状態の回転数ｎ０よりも急激に機関回転数が上昇する。このように、エンジン２に負荷がかかる際、負荷がかかった瞬間と負荷が解除された瞬間に、負荷の慣性力による負荷変動によって短い時間で微細なエンジンの脈動（機関回転変動）が生じる。

この機関回転変動が発生する場合において、エンジン２に負荷がかかった瞬間の機関回転数の急激な低下を、前述のようにモータジェネレータ４０によるトルクアシストを行うことによって抑制する。また、エンジン２にかかっている負荷が解除された瞬間の機関回転数の急激な上昇時（回生時）には、モータジェネレータ４０による発電を行う。つまり、作業負荷以外の短い時間での微細な負荷がかかることによるエンジン２の機関回転変動時にも、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うことで、機関回転変動を抑制する。

具体的には、エンジン２にかかる負荷に対応する機関回転数を目標回転数とし、前記回転センサによって検出されるエンジン２の実回転数の、前記目標回転数からの変動値が一定値以上となると、モータジェネレータ４０によるトルクアシストまたは発電を行い、エンジン２の負荷変動による機関回転変動率を一定範囲内に保持する。つまり、エンジン２に負荷がかかった瞬間に、機関回転数が低下して、目標回転数とのずれ（変動）が一定値以上となった場合、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い、逆に、エンジン２にかかった負荷が解除された瞬間に、機関回転数が上昇して、目標回転数とのずれ（変動）が一定値以上となった場合、モータジェネレータ４０を発電機として作動させて発電を行い、この発電電力によって蓄電装置１４の充電を行う。なお、前記目標回転数は、操作レバー９のレバー位置による指示回転数に対応したものとなり、システムコントローラ７またはＶＶＶＦインバータコンバータ４２に予め設定される。そして、機関回転数の目標回転数からの変動は、システムコントローラ７またはＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて検知される。また、前記機関回転変動率とは、エンジン２の実回転数の目標回転数からの変動値の、目標回転数に対する割合のことをいう。

これを、例えば前述した図６（ａ）に対応させた場合、エンジン２にかかる負荷Ｗの大きさｗ１に対応する回転数ｎ１が、負荷Ｗに対応する目標回転数となり、負荷がかかってない状態の回転数ｎ０が、エンジン２の無負荷状態での目標回転数となる。そして、エンジン２に負荷Ｗがかかった瞬間に機関回転数が低下し、機関回転数の負荷Ｗに対応する目標回転数ｎ１からの変動値、即ち目標回転数ｎ１と機関回転数との差が、予めシステムコントローラ７またはＶＶＶＦインバータコンバータ４２にて設定される規定値δｎよりも大きくなった場合、モータジェネレータ４０をモータとして作動させて瞬時のトルクアシストを行い、この場合のエンジン２の負荷変動を低減する。逆に、エンジン２にかかった負荷Ｗが解除された瞬間に機関回転数が上昇し、機関回転数のエンジン２の無負荷状態に対応する目標回転数ｎ０からの変動値、即ち目標回転数ｎ０と機関回転数との差が前記規定値δｎよりも大きくなった場合、モータジェネレータ４０を発電機として作動させて瞬時の発電を行い、この場合のエンジン２の負荷変動を低減する。なお、前記規定値δｎは、エンジンの特性などによって、機関回転数が目標回転数から低下する側に変動する場合と上昇する側に変動する場合とで異なる値を設定することも可能である。

このように、エンジン２の短い時間における微細な負荷変動による機関回転変動に対しても、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うことによって、エンジン２の脈動を抑制することができる。これにより、エンジン効率の向上が図れるとともに、燃費の向上及び排気ガスの低減を図ることができる。

また、図６（ｂ）上図は、前述の機関回転変動時に行われるモータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うことによる、機関回転数に影響する変動量を示している。すなわち、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場合には、エンジン２に対するアシスト量を示し、モータジェネレータ４０を発電機として作動させて発電を行う場合には、この発電に用いられるエンジン２の回転数の消費量を示すこととなる。
このようにモータジェネレータ４０を作動させて短い時間における負荷平準化を行うことで、機関回転数は同下図に示すように変化する。すなわち、負荷変動時の機関回転変動が、モータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電によって抑制され、機関回転数の目標回転数からの変動値が、前記規定値δｎよりも小さく抑えられている。
このように、短い時間における瞬時のモータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電を行うためには、蓄電装置による給電及び充電も短い時間にその機能が発揮されるように行われる必要がある。つまり、蓄電装置としても、短い時間における瞬時のモータジェネレータ４０によるトルクアシスト及び発電に対する応答性と充放電効率が要求されるのである。そこで、バッテリと比較して充放電効率がよく、瞬時の充放電に対応可能な電気二重層キャパシタを用いる。

バッテリでは、化学変化を利用して蓄電するが、この電気二重層キャパシタでは、化学変化をともなわず、静電作用により電気を電子のまま蓄える。そのため、充放電効率が高く、瞬時の充放電に対応することが可能である。つまり、蓄電装置としてバッテリを用いた場合、モータジェネレータ４０によるトルクアシストを行う際の給電は比較的応答性が高いが、モータジェネレータ４０による発電電力を蓄電する際は時間的な遅れが生じる。言い換えると、短い時間での負荷変動による機関回転変動に対応しようとした場合、蓄電装置としてバッテリを用いると、給電した電気と同量の電気を蓄電しようとすると放電時間よりも充電時間の方が長くなり、バッテリとしての電力量の収支が合わなくなっていく。しかし、蓄電装置として電気二重層キャパシタを用いることにより、このような不具合を解消することができる。すなわち、エンジン２に対する短い時間での負荷変動による機関回転変動の抑制にともなう蓄電装置の充放電収支の不均衡を低減し、蓄電装置の充電を良好に行うことが可能となり、蓄電装置の充電量不足を防止することができる。

さらに、本ハイブリッドシステムにおける蓄電装置として、電気二重層キャパシタを用いることにより、次のような効果を得ることができる。
電気二重層キャパシタは、繰り返しの充放電に強く、蓄電装置の長寿命化が図れる。また、電気二重層キャパシタは、原料も無害に近い電解液と炭素でできているため低公害である。加えて、電気二重層キャパシタは、広範囲の耐久温度特性を有しているため、低温では性能が低下するバッテリと比較して、使用温度範囲において安定した作動が可能になるという効果を得ることもできる。

また、前記電気二重層キャパシタは、バッテリと併用することも可能である。この場合は、蓄電装置として電気二重層キャパシタとバッテリを並列に接続する。
このように、ハイブリッドシステムにおける蓄電装置として、電気二重層キャパシタとバッテリを併用することにより、バッテリよりも比較的蓄電できるエネルギー密度が低いという特性を有する電気二重層キャパシタの蓄電容量を、バッテリによって補うことができる。これにより、前述の短い時間での負荷変動による機関回転変動に対応することができるとともに、十分な蓄電容量を確保することが可能となる。

また、このようなエンジンの脈動を抑制する技術を、ガソリンエンジンよりもクリーンで、ディーゼルエンジン並みの燃料効率を有するが、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等と比較して脈動が大きく不安定な予混合圧縮自着火（ＨＣＣ）エンジンを備えたハイブリッドシステムにおいて適用することで、その効果がより発揮されることが期待できる。

また、以上説明したような、ハイブリッドシステムにおけるエンジン２の負荷変動による機関回転変動の軽減は、図７に示すようなハイブリッドシステムにおいても行うことができる。
ハイブリッドシステムの構成は、ハイブリッドシステム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におけるモータ５は、前述したハイブリッドシステム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におけるオルタネータ１１は、ハイブリッドシステム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の構成について図７を用いて説明する。なお、ハイブリッドシステム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蓄電装置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を介して蓄電装置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蓄電装置１４の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により降圧して蓄電装置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により昇圧される蓄電装置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、及び蓄電装置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、蓄電装置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の発電電力及び蓄電装置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からの回生電力を蓄電装置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を介して蓄電装置１４に入力され、これにより蓄電装置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蓄電装置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を介して蓄電装置１４に入力され、これにより蓄電装置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蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置１４を大きくする必要があるが、昇降圧チョッパ４４を使用することで蓄電装置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、蓄電装置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８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の発電による蓄電装置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に接続される蓄電装置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へ蓄電装置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蓄電装置１４の電圧や、充放電電流を検出することにより蓄電装置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は、例えば、図８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９参照）、アシスト機能（図１０参照）、充電（発電）機能（図１１参照）、及びモータ駆動機能（図１２参照）を有している。以下、各動作モードについて説明する。

図９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、蓄電装置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、蓄電装置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、常時蓄電装置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１０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蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置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、蓄電装置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、この蓄電装置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、蓄電装置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を介して蓄電装置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への電力供給に蓄電装置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１１には、オルタネータ１１により発電された電力により、蓄電装置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蓄電装置１４の蓄電が行われている状態である。
オルタネータ１１によって蓄電装置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、蓄電装置１４に蓄電される。

また、ハイブリッドシステムにおいては、オルタネータ１１によって行われる蓄電装置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蓄電装置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、蓄電装置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による蓄電装置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による蓄電装置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蓄電装置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蓄電装置１４が満充電状態となったときも、インバータ部と蓄電装置１４との電位差が小さくなることで蓄電装置１４からの給電及び蓄電装置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１２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、蓄電装置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、蓄電装置１４からの給電電力のみであり、この蓄電装置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、蓄電装置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９から図１２を用いて説明したハイブリッドシステムの有する機能は、図８に示す動作モードと次のように対応している。
図８に示すｍ１は、図９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１０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及び蓄電装置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１１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、この回生電力を蓄電装置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による蓄電装置１４の充電のみが行われる。ｍ７からｍ９は、図１２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及び蓄電装置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を小型の作業機などに適用する場合は、蓄電装置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、蓄電装置１４はＶＶＶＦインバータコンバータ４２に直接接続され、蓄電装置１４の蓄電容量はモータ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においても、前述したハイブリッドシステムにおけるエンジン２の負荷変動による機関回転変動の軽減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。すなわちこの場合、エンジン２の実回転数の、前記目標回転数からの変動値が一定値以上となると、モータ５によるトルクアシストまたはオルタネータ１１の発電電力による蓄電装置の充電を行い、エンジン２の負荷変動による機関回転変動率を一定範囲内に保持するのである。

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の構成を示す図。 ハイブリッドシステムの動作モードの一覧を示す図。 ハイブリッドシステムのスタータ機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムのアシスト機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムの充電（発電）機能を示す説明図。 エンジンの負荷変動による機関回転変動の軽減を示す説明図。 ハイブリッドシステムの構成を示す図。 ハイブリッドシステムの動作モードの一覧を示す図。 ハイブリッドシステムのスタータ機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムのアシスト機能を示す説明図。 ハイブリッドシステムの充電（発電）機能を示す説明図。 ハイブリッドシステム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 蓄電装置
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、前記発電機からの発電電力による前記蓄電装置の充電と、該蓄電装置からの給電電力を用いた前記モータの駆動によるトルクアシストとを行うハイブリッドシステムにおいて、
   前記エンジンにかかる負荷に対応する回転数を目標回転数とし、前記エンジンの実回転数の前記目標回転数からの変動が一定値以上となると、前記モータによるトルクアシスト、または前記発電機の発電電力による前記蓄電装置の充電を行い、前記エンジンの負荷変動による機関回転変動率を一定範囲内に保持することを特徴とするハイブリッドシステム。
2. 前記蓄電装置に電気二重層キャパシタを用いたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドシステム。

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