JP2014198970A - ショベル - Google Patents

Abstract

【課題】大きな回生電力が発生しても蓄電器の過充電を防止するショベルを提供すること。【解決手段】本発明の実施例に係るショベルは、アタッチメントの姿勢を検出するアーム角度センサ７Ａ、ブーム角度センサ７Ｂと、旋回用電動機２１の回転速度を検出するレゾルバ２２と、コントローラ３０とを有する。コントローラ３０は、アタッチメントの姿勢と旋回用電動機２１の回転速度とに基づいて推定旋回回生エネルギを演算する推定回生エネルギ演算部３０２と、推定回生エネルギ演算部３０２が演算した推定回生エネルギに基づいて、旋回用電動機２１が回生動作を行なう前にキャパシタ１９のＳＯＣの目標値を決定する蓄電目標値決定部３０４と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、回生電力を蓄電器に充電するショベルに関する。

一般的に、ハイブリッド式ショベルは、ブーム、アーム、及びバケット等の作業要素を搭載した上部旋回体を備え、上部旋回体を旋回させながらブーム及びアームを駆動し、バケットを目的の作業位置まで移動する。

上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源として電動モータを用い、電動モータで旋回機構を駆動して上部旋回体を加速し旋回させるハイブリッド式ショベルが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。上部旋回体を減速する際には、電動モータを発電機として機能させて発電し、得られた回生電力は蓄電器に蓄積される。

特開２００７−２１８００３号公報

ハイブリッド式ショベルにおいて、大きな回生電力が発生して蓄電器に供給されると過電圧となり、上限値を超えて蓄電器が過充電となってしまうおそれがある。蓄電器が過充電となると過電圧状態となり、蓄電器の劣化が促進される。このため、蓄電器の寿命が短くなってしまう。

そこで、本発明は、大きな回生電力が発生しても蓄電器の過充電を防止するショベルを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係るショベルは、アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出部と、旋回用電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、前記アタッチメントの姿勢と前記旋回用電動機の回転速度とに基づいて推定旋回回生エネルギを算出し、該推定旋回回生エネルギに基づいて蓄電器の蓄電目標値を決定する制御装置と、を有する。

本発明によれば、大きな回生電力が発生しても蓄電器の過充電を防止するショベルを提供することができる。

ハイブリッド式ショベルの側面図である。 図１のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の回路図である。 ＳＯＣの目標値を設定する処理のフローチャートである。 回生見込み目標値を算出する処理のフローチャートである。 掘削・積込み作業においてＳＯＣ目標値を設定する処理を説明するための図である。 シリーズ型のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図（その１）である。 シリーズ型のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図（その２）である。

図１は、本発明が適用されるハイブリッド式ショベルを示す側面図である。

ハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの１例である掘削アタッチメントを構成し、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は、本発明の実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、電動発電機制御部としてのインバータ１８を介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系１２０が接続される。また、蓄電系１２０には、電動発電機制御部としてのインバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

なお、本実施形態では、アタッチメントの姿勢を検出するための姿勢検出部がショベルに取り付けられている。具体的には、ブーム４の角度を検出するためのブーム角度センサ７Ｂがブーム４の支持軸に取り付けられ、アーム５の角度を検出するためのアーム角度センサ７Ａがアーム５の支持軸に取り付けられている。また、バケット６の角度を検出するためのバケット角度センサ（図示せず。）がバケット６の支持軸に取り付けられていてもよい。姿勢検出部としてのアーム角度センサ７Ａ、ブーム角度センサ７Ｂはそれぞれ、検出したアーム角度θ_Ａ、ブーム角度θ_Ｂをコントローラ３０に供給する。

図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータ１００と、ＤＣバス１１０とを含む。第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０は、第１の蓄電器としてのキャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

図２に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

旋回用電動機２１の回転速度（角速度ω）は回転速度検出部としてのレゾルバ２２により検出される。また、アーム５の角度（アーム角度θ_Ａ）はアーム５の支持軸に設けられたロータリエンコーダ等のアーム角度センサ７Ａにより検出され、ブーム４の角度（ブーム角度θ_Ｂ）はブーム４の支持軸に設けられたロータリエンコーダ等のブーム角度センサ７Ｂにより検出される。コントローラ３０は、旋回用電動機２１の角速度ω、アーム角度θ_Ａ、及びブーム角度θ_Ｂに基づいて推定旋回回生電力（エネルギ）を演算で求める。なお、バケット角度センサが存在する場合、コントローラ３０は、バケット角度を追加的に考慮してもよい。そして、コントローラ３０は、演算で求めた推定旋回回生電力に基づいて、ＳＯＣの回生見込み目標値を演算により求める。コントローラ３０は、キャパシタ１９のＳＯＣを、求めた回生見込み目標値に近づけるようにハイブリッド式ショベルの各部を制御する。なお、推定旋回回生電力（エネルギ）及び回生見込み目標値の演算の詳細については後述する。

図４は、蓄電系１２０の回路図である。昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１８、２０を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８、２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。

リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４に接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源が蓄電器として用いられてもよい。

電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びインバータ１８、２０が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値(vbat_det)を検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧（以下、ＤＣバス電圧：vdc_det）を検出する。平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。この平滑用のコンデンサ１０７によって、ＤＣバス１１０の電圧は予め定められた電圧に維持されている。キャパシタ 電流検出部１１３は、キャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９に流れる電流値(ibat_det)を検出する。

昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ１９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図４では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

上述のような構成のハイブリッド式ショベルにおいて、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）を常に高い状態に維持することで、蓄電器からの電力で電気負荷をエネルギ効率の良い状態で駆動することができる。

従来のハイブリッド式ショベルでは、電気負荷等から大きな回生電力が発生して蓄電器に供給されても蓄電器が過充電とならないように、蓄電器の目標ＳＯＣを小さく設定していた。すなわち、不意の発電や回生により大きな電力が蓄電器に供給されても、それを吸収してもまだＳＯＣが１００％とはならないように、余裕をもって目標ＳＯＣを例えば７０％に設定していた。これにより、蓄電器のＳＯＣは常に７０％以下となるように制御され、蓄電器の出力電圧はＳＯＣが７０％以下に対応する低い電圧であった。

ここで、蓄電器の目標ＳＯＣを従来よりも高い値とすれば、蓄電器の出力電圧も高くなり、電気負荷を効率的に駆動することができる。すなわち、蓄電器の出力電圧を高くして従来よりも高い電圧で電気負荷を駆動することで、電気負荷を従来よりも効率的に駆動することができる。

また、蓄電器を小型化して蓄電系にかかる費用を削減するために蓄電容量の小さな蓄電器を用いる場合、蓄電器の目標ＳＯＣを高く設定することで、なるべく多くの電力を蓄電器に保持することができる。例えば、蓄電器としてキャパシタを用いた場合には、小型のキャパシタを用いるとともに目標ＳＯＣを高く設定することで、従来の蓄電量を減少することなくキャパシタを小さくすることができる。

ここで、ハイブリッド式ショベルの駆動システムにおける駆動部の通常時の運転状況や蓄電器の充電量及び充電率（ＳＯＣ）を考慮すると、蓄電器のＳＯＣを９０％以下としておけば、通常の使用において問題無いことがわかった。したがって、蓄電器の目標ＳＯＣを９０％に設定することで、電気負荷を高電圧で効率的に駆動することができるとともに、蓄電器を小型化してコストダウンすることができる。

ただし、蓄電器の目標ＳＯＣを９０％というように高い値に設定した場合、例えば、蓄電器のＳＯＣが高くなっている状態で大きな回生電力が発生すると、過充電となるおそれがある。そこで、以下に説明する実施形態では、蓄電器（キャパシタ）の充電率（ＳＯＣ）を可変制御している。すなわち、大きな回生電力が生じると予測される場合は、ＳＯＣを予め下げておくことで、回生電力を吸収してもＳＯＣがシステムの上限値を超えないように制御する。

次に、図１のハイブリッド式ショベルにおけるキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）を制御する方法について説明する。

本実施形態では、上部旋回体３の減速時に旋回用電動機２１が発電機として機能し、回生電力（旋回回生電力）を生成して蓄電系１２０に供給する。

また、本実施形態では、蓄電器としてのキャパシタ１９のＳＯＣをなるべく高い領域で使用することで、蓄電量を常に大きくしてキャパシタ１９の放電電圧を高い状態に維持しておき、電力の不足を防止しながら、キャパシタ１９から高い電圧で放電してエネルギ効率を高めている。この際、大きな旋回回生電力が発生してキャパシタ１９に供給されると、ＳＯＣが高い状態でさらに大きな電力が充電されるため、キャパシタ１９が過電状態となってしまう。

そこで、本実施形態では、旋回回生電力が生成されることを予め予測しておき、そのような時にはキャパシタ１９のＳＯＣを下げておくことで、キャパシタ１９が過充電状態となることを抑制する。すなわち、旋回回生電力の推定値を演算により求め、推定旋回回生電力（推定旋回回生エネルギ）に基づいてＳＯＣの目標値を決定して変更する。通常はＳＯＣの目標値はシステムの制御条件に基づいて一定の値に設定されているが、本実施形態では、ＳＯＣの目標値は、これから生成されると予測される推定旋回回生電力（推定旋回回生エネルギ）に基づいて随時変更されることとなる。

図５はＳＯＣの目標値を設定する処理のフローチャートである。まず、ステップＳ１において、推定旋回回生電力ＱＡを算出する。

続いて、ステップＳ２において、推定旋回回生電力ＱＡがゼロより大きいか否かが判定される。すなわち、推定旋回回生電力ＱＡがあるか否かが判定される。推定旋回回生電力ＱＡがゼロである場合、すなわち、旋回が行われず、回生電力が発生しないと推定される場合は、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、蓄電目標値としてのＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇをシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌに設定し、今回の処理を終了させる。システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌは、ハイブリッド式ショベルの制御により決まるＳＯＣの上限値であり、ＳＯＣの検出値がシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌを超えた場合には、キャパシタ１９がオーバーフローしていると判断される。

一方、推定旋回回生電力ＱＡがゼロより大きい場合、すなわち、回生電力が発生すると推定される場合は、処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、算出した推定旋回回生電力ＱＡに基づいて、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出する。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、推定旋回回生電力ＱＡがキャパシタ１９に供給されても、キャパシタ１９のＳＯＣが上述のシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌより大きくならないようなＳＯＣの値であり、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌより小さな値である。

ステップＳ４にて回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが算出されると、続いて処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５では、蓄電目標値としてのＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇを回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇに設定し、今回の処理を終了させる。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは推定旋回回生電力ＱＡの値に応じて変化する値であり、ＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇも推定旋回回生電力ＱＡの値に応じて変化することとなる。

なお、上述のステップＳ３の処理及びステップＳ５の処理は、コントローラ３０の蓄電目標値制御部３０１で行なわれる。

次に、上述のステップＳ１における推定旋回回生電力ＱＡの算出処理について説明する。推定旋回回生電力ＱＡの算出は、コントローラ３０の推定回生エネルギ演算部３０２により行なわれる。推定旋回回生電力ＱＡの算出は回転運動をする物体の運動エネルギを表す以下の式に基づいて行われる。

ＱＡ＝１／２×Ｊ×ω^２
ここで、Ｊは上部旋回体３の慣性モーメントであり、ωは上部旋回体３の旋回運動の角速度である。角速度ωはリゾルバ２２が検出した旋回用電動機２１の回転速度から求めることができる。

慣性モーメントＪは、ブーム４及びアーム５を含むアタッチメントの姿勢に応じて変化する値であり、コントローラ３０の慣性モーメント算出部３０３によって算出される。

具体的には、慣性モーメント算出部３０３は、姿勢検出部としてのアーム角度センサ７Ａ、ブーム角度センサ７Ｂが出力するアーム角度θ_Ａ、ブーム角度θ_Ｂに基づいて上部旋回体３の慣性モーメントＪを算出する。また、姿勢検出部としてのバケット角度センサを備える場合、慣性モーメント算出部３０３は、アーム角度θ_Ａ、ブーム角度θ_Ｂと、バケット角度センサが出力するバケット角度とに基づいて上部旋回体３の慣性モーメントＪを算出してもよい。

次に、図５におけるステップＳ４の処理について説明する。ステップＳ４の処理は、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出する処理である。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、コントローラ３０の蓄電目標値決定部３０４により行なわれる。図６は回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出する処理のフローチャートである。まず、ステップＳ１１において、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）がシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌとなったときの、キャパシタ１９に蓄積されている電力である蓄電仕事量Ｑｍａｘを算出する。蓄電仕事量Ｑｍａｘは、システム制御上、キャパシタ１９に蓄積できる最大電力に相当する。キャパシタを用いた場合、蓄電仕事量Ｑｍａｘは、以下の式を用いて算出することができる。

Ｑｍａｘ＝１／２×Ｃ×Ｖ^２＝１／２×Ｃ×（３６０×√ＳＯＣｃｕｌ）^２
ここで、Ｃはキャパシタ１９の静電容量である。

次に、ステップＳ１２において、蓄電仕事量Ｑｍａｘから推定旋回回生電力ＱＡを減算することで、キャパシタ１９に蓄積しておくことのできる電力の目標値Ｑを算出する（Ｑ＝Ｑｍａｘ−ＱＡ）。

そして、ステップＳ１３において、電力の目標値Ｑから回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを求める。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは以下の式により算出することができる。

ＳＯＣｅｔｇ＝２×Ｑ／（Ｃ×３６０^２）
以上のようにして回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出したら、図５に示すステップＳ５において、ＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇを回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇに設定する。

ここで、ハイブリッド式ショベルで行なう掘削・積込み作業におけるＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇの設定について説明する。図７は掘削・積込み作業においてＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇを設定する処理を説明するための図であり、図７の実線で示す推移は、旋回速度Ｗ、推定旋回回生電力ＱＡ、及びＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇの推移を表す。なお、図７における時刻ｔ０〜ｔ４までの作業時においては、推定旋回回生電力ＱＡが見込めるため、蓄電目標値としてのＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇに、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが設定される。また、図７の点線で示す推移は、仮に上部旋回体３の慣性モーメントＪが掘削・積込み作業中に変化しない場合、すなわち、アタッチメントの姿勢（旋回半径）が変化しない場合における推移を比較対象として表す。

掘削・積込み作業において、上部旋回体３の旋回速度Ｗは、旋回用電動機２１の角速度ωに比例し、掘削・積込み作業においてＦ７Ａに示すように推移する。

また、推定旋回回生電力ＱＡは、上述のように旋回用電動機２１の角速度ωを二乗した値に慣性モーメントＪを乗じて算出されるため（ＱＡ＝１／２×Ｊ×ω^２）、Ｆ７Ｂに示すように推移する。ここで、旋回速度Ｗがピークとなる時刻以降は、旋回速度が減速動作になるので、旋回回生電力が発生することとなる。なお、旋回速度Ｗのマイナス方向（負の値）は逆回転を意味するものであるため、推定旋回回生電力ＱＡは旋回速度Ｗの絶対値で算出する。

ここで、一般的な掘削・積込み作業においては、持ち上げ旋回の場合、ブーム４が上がり且つアーム５が閉じて掘削アタッチメントの旋回半径が小さくなるので、慣性モーメントＪも小さくなる。そのため、本実施形態における推定旋回回生電力ＱＡ（実線）は、旋回速度Ｗ（角速度ω）が同じであれば、アタッチメントの姿勢が変化しないことを前提とする場合（点線）と比較して小さくなる。一方、持ち下げ旋回の場合には、ブーム４が下がり且つアーム５が開いて掘削アタッチメントの旋回半径が大きくなるので、慣性モーメントＪも大きくなる。そのため、本実施形態における推定旋回回生電力ＱＡ（実線）は、旋回速度Ｗ（角速度ω）が同じであれば、アタッチメントの姿勢が変化しないことを前提とする場合（点線）と比較して大きくなる。

そして、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、推定旋回回生電力ＱＡがキャパシタ１９に供給されて充電された場合に、システム制御上で許容されるキャパシタ１９の最大充電率（システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌ）となるような値に設定される。したがって、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌから推定旋回回生電力ＱＡを減算した値、すなわち、推定旋回回生電力ＱＡを反転してゼロをシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌに合わせたものとなり、Ｆ７Ｃに示すようなパターンとなる。

このように、コントローラ３０は、リアルタイムに算出される慣性モーメントＪに基づいて推定旋回回生電力ＱＡ及び回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出する。そのため、コントローラ３０は、持ち上げ旋回時の慣性モーメントＪが比較的小さい状態、持ち下げ旋回時の慣性モーメントＪが比較的大きい状態等を適切に推定旋回回生電力ＱＡ及び回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇの算出結果に反映させることができる。その結果、コントローラ３０は、点線で示す推移との比較から分かるように、慣性モーメントＪを一定値としながら推定旋回回生電力ＱＡを算出する場合に比べ、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）をより適切に制御することができる。

ここで、Ｆ７Ｃにおいて、時刻ｔ＝ｔ０でのキャパシタ１９の蓄電電圧値が、定格電圧に対して１００％とした場合について説明する。時刻ｔ０〜ｔ１０においては旋回動作が実行されている。このため、演算された推定旋回回生電力ＱＡの増加に応じて、ＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇ（この場合、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇ）が下げられる。回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが下げられるため、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌまで蓄電（充電）されていた電力は、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇの低下分だけ放電される。この際に放電される電力はブーム４の上昇や旋回の力行運転に使用することができる。

また、時刻ｔ１０〜ｔ２においては旋回速度Ｗが低減するため、演算された推定旋回回生電力ＱＡも低下する。これに伴い、ＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇ（この場合、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇ）は上昇する。同時に、旋回用電動機２１が制動運転（減速運転）されるため旋回回生電力が発生するが、その旋回回生電力は、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇの上昇分だけキャパシタ１９に充電され得る。

同様に、時刻ｔ３〜ｔ１１においては、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが低下し、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇの低下分だけ放電が行なわれる。また、時刻ｔ１１〜ｔ４においては、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇが上昇し、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇの上昇分だけ充電が行なわれる。

なお、点線で示されるように、アタッチメントの姿勢（旋回半径）が変化しないことを前提とする場合の回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、時刻ｔ３〜ｔ４の時間において、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌから僅かしか小さくならない。このような条件において、仮にアタッチメントが伸ばされた状態（旋回半径が大きい状態）になっていると、アタッチメントの姿勢（旋回半径）が前提と異なり、実際の旋回回生電力が推定を上回るため、大きな旋回回生電力がキャパシタ１９へ充電されることとなる。この場合、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）は、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇよりも高くなってしまうばかりでなく、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌをも超えてしまうおそれがある。しかしながら、本実施形態では、コントローラ３０は、実線で示されるように、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを十分に小さくすることができる。そのため、大きな旋回回生電力がキャパシタ１９へ充電された場合であっても、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）がシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌを超えてしまうのを防止することができる。

ここで、キャパシタ１９の静電容量をＣ、蓄電電圧（端子間電圧）をＶとすると、キャパシタ１９に蓄電される蓄電エネルギＥは、Ｅ＝（１／２）ＣＶ^２で表わされる。したがって、蓄電電圧Ｖを高くすれば同じエネルギを保持するためのキャパシタ１９の容量を小さくできる。例えば、従来は、ＳＯＣがシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌを超えないようにするため、回生電力を十分に考慮してＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇを決定していた。すなわち、大きな回生電力が発生してもそれを吸収できるように、従来のＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇは、充電電圧（Ｖ）が定格電圧（Ｖｍａｘ）に対して例えば６７％（＝Ｖ／Ｖｍａｘ：充電電圧比）となるように設定されていた。なお、ＳＯＣ目標値ＳＯＣｔｇがシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌに設定されると、キャパシタ１９は、充電電圧が定格電圧に対して１００％（＝Ｖ／Ｖｍａｘ：充電電圧比）となるように蓄電される。

ところで、Ｅ＝（１／２）ＣＶ^２で表わされるようにキャパシタ１９に蓄電される充電電圧値Ｖを√２倍にして高くすると、静電容量を１／２にしても同一の蓄電エネルギＥを得ることができる。言い換えれば、充電電圧値Ｖを√２倍に高くすれば、キャパシタの静電容量を１／２に低減することができる。

具体的には、従来は充電電圧比が６７％となるＳＯＣを用いて制御を行なっていたのに対し、充電電圧を√２倍にしたときの充電電圧比である９５％とすることで、同じ蓄電エネルギを維持した状態で、キャパシタ１９の容量を１／２とすることができる。すなわち、充電電圧比を９５％とすることで、充電電圧比を６７％とした場合と同じ蓄電エネルギを維持しながら、１／２の静電容量のキャパシタを用いることができる。ここで、充電電圧比が９５％の場合には、ＳＯＣは電圧Ｖの二乗の比で表されるため、ＳＯＣは約９０％となる（ＳＯＣ＝（１／２）ＣＶ^２／（１／２）ＣＶｍａｘ^２）。

本実施形態では、回生電力の見込みが無い状態においてＳＯＣが約９０％（充電電圧比９５％）以上となるように制御することができる。すなわち、従来に比べキャパシタ容量を半分にすることできる。回生電力が見込まれる場合に旋回用電動機２１の運動エネルギ（慣性モーメントＪ）を考慮しながら回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇをリアルタイムに算出することで、回生電力の見込みが無い状態においてＳＯＣを高いレベルで制御したとしても、その後の回生運転の際に過充電が発生するのを防止できるためである。具体的には、旋回用電動機２１の運動エネルギ（慣性モーメントＪ）の変化に応じてＳＯＣの目標値を可変制御するため、回生電力が発生する見込みがある場合には、予めＳＯＣの比率を低減しておくことができるためである。したがって、本実施形態をハイブリッド式ショベルに適用することで、キャパシタ１９の選択の自由度が大きくなる。

なお、Ｆ７Ｃからわかるように、本実施形態において求められる回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、回生電力が発生しないと推定されるきには（ＱＡ＝０）、従来のＳＯＣの目標上限値よりも高いシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌに等しくなる。また、本実施形態において求められる回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇは、回生電力が発生すると推定されるときには（ＱＡ＞０）、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌから推定旋回回生電力ＱＡがキャパシタ１９に充電された場合に上昇する充電率（ＳＯＣ）をシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌから減算した値となる。これにより、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）をシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌに近い値に維持しながら、回生電力がキャパシタ１９に供給されてもキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）がシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌを超えることが無いように制御することができる。

また、上述の実施形態では、回生見込み目標値ＳＯＣｅｔｇを算出するために、推定旋回回生電力ＱＡを求めたが、バケット６の代わりにリフティングマグネットをアームの先端に取り付けたリフマグ式ショベルのように、旋回回生以外の回生機能として、リフマグ回生機能を有する場合、或いは、ブーム回生機能を有する場合には、推定旋回回生電力ＱＡに推定リフマグ回生電力、推定ブーム回生電力を合算した推定回生電力を求めることとすればよい。なお、リフティングマグネットからの回生電力は、リフティングマグネットをオフにしたときに流れる逆電流であり、ほぼ一定の電流値である。したがって、推定リフマグ回生電力は、固定値として設定しておくことができる。また、時刻ｔ０からｔ１０においてキャパシタ１９の電圧値が蓄電目標値よりも小さい場合には、キャパシタ１９への充電が行なわれる。同様に、時刻ｔ３〜ｔ１１においても、キャパシタ１９の電圧値が蓄電目標値よりも小さい場合には、キャパシタ１９への充電が行なわれる。

さらに、回生見込みが無い場合において、蓄電目標値はシステム制御上限値ＳＯＣｃｕｌと等しい値に設定している。しかしながら、回生の見込みが無い場合において、蓄電目標値は、システム制御上限値ＳＯＣｃｕｌから数％余裕を持たせた値に設定してもよい。また、蓄電目標値は、予め定められた範囲で設定してもよい。

また、上述の実施形態では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプであるメインポンプ１４に接続してメインポンプを駆動する、いわゆるパラレル型のハイブリッド式ショベルに本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明は、図８に示すようにエンジン１１に直接接続される電動発電機１２をエンジン１１で駆動し、或いは、図９に示すように変速機１３を介してエンジン１１に接続される電動発電機１２をエンジン１１で駆動し、電動発電機１２が生成した電力を蓄電系１２０に蓄積してから蓄積した電力のみによりインバータ及びポンプ用電動機４００を介してメインポンプ１４を駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド式ショベルにも適用することもできる。この場合、電動発電機１２は、エンジン１１によって駆動させることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。

また、本発明は上述の具体的に開示された実施例に限られず、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例、改良例がなされ得る。

１・・・下部走行体 １Ａ、１Ｂ・・・油圧モータ ２・・・旋回機構 ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ７Ａ・・・アーム角度センサ ７Ｂ・・・ブーム角度センサ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０・・・キャビン １１・・・エンジン １２・・・電動発電機 １３・・・変速機 １４・・・メインポンプ １５・・・パイロットポンプ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ １８、２０・・・インバータ １９・・・キャパシタ ２１・・・旋回用電動機 ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２４・・・旋回変速機 ２５・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー ２６Ｃ・・・ペダル ２７・・・油圧ライン ２８・・・油圧ライン ２９・・・圧力センサ ３０・・・コントローラ １００・・・昇降圧コンバータ １０１・・・リアクトル １０２Ａ・・・昇圧用ＩＧＢＴ １０２Ｂ・・・降圧用ＩＧＢＴ １０４・・・電源接続端子 １０６・・・出力端子 １０７・・・コンデンサ １１０・・・ＤＣバス １１１・・・ＤＣバス電圧検出部 １１２・・・キャパシタ電圧検出部 １１３・・・キャパシタ電流検出部 １２０・・・蓄電系 ３０１・・・蓄電目標値制御部 ３０２・・・推定回生エネルギ演算部 ３０３・・・慣性モーメント算出部 ３０４・・・蓄電目標値決定部 ４００・・・ポンプ用電動機

Claims (5)

1. アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出部と、
   旋回用電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、
   前記アタッチメントの姿勢と前記旋回用電動機の回転速度とに基づいて推定旋回回生エネルギを算出し、該推定旋回回生エネルギに基づいて蓄電器の蓄電目標値を決定する制御装置と、を有する、
   ショベル。
2. 前記制御装置は、前記旋回用電動機が回生運転を行なう期間には、前記蓄電目標値を、該回生運転を行なう前に設定されていた値よりも高い値に設定する、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記制御装置は、前記旋回用電動機が力行運転を行う期間には、前記蓄電目標値を、該力行運転が行なわれる前の値より低い値に設定する、
   請求項１又は２に記載のショベル。
4. 前記制御装置は、前記蓄電目標値が実現されるように、前記旋回用電動機の動作を制御する電動発電機制御部と前記蓄電器の充放電動作を制御する充放電制御部とのうち少なくとも一方を制御する蓄電目標値制御部を含む、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載のショベル。
5. 前記制御装置は、前記上部旋回体の運動エネルギに基づいて前記上部旋回体の推定旋回回生エネルギを演算により求める、
   請求項１乃至４の何れか一項に記載のショベル。

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