JP5803874B2

JP5803874B2 - ハイブリッド式作業機械

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Publication number: JP5803874B2
Application number: JP2012231791A
Authority: JP
Inventors: 河田　健一; 健一河田; 坂本　隆幸; 隆幸坂本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: JP2014084722A; CN103775220A; CN103775220B

Description

本発明は、建設機械、土木機械等のハイブリッド式作業機械に関する。

従来、ハイブリッド式作業機械としては、特開２００５−１６３６０５号公報（特許文献１）に記載されているものがある。このハイブリッド式作業機械は、エンジンと、このエンジンにより駆動される油圧ポンプと、このエンジンに連結されて力行および回生が可能なアシストおよび回生用の電動・発電機と、この電動・発電機に接続された蓄電装置とを備えている。そして、この蓄電装置に蓄えられた電力を、油圧ポンプの負荷の状態に合わせて適切なタイミングで電動・発電機等に供給して、エンジンによる油圧ポンプの駆動を電動・発電機で適切にアシストするようにしている。

特開２００５−１６３６０５号公報

ところで、上記従来のハイブリッド式作業機械では、負荷によりエンジンの回転速度が変動するいわゆるドループ特性でエンジンの回転速度を制御しており、負荷が小さくなるとエンジンの回転速度が上昇する一方、負荷が大きくなるとエンジンの回転速度が低下するようにしている。このため、上記ハイブリッド式作業機械の作業者がエンジンの回転速度の増減変化に基づいて負荷の増減変化を感知できるようにして、作業効率の向上を図っている。

しかしながら、上記従来のハイブリッド式作業機械において、回生エネルギを蓄電装置から電動・発電機に供給して、エンジンの駆動をアシストすると、図７に示すように、燃料噴射量を低減できるが、エンジンの回転速度が上昇するという問題があった。

また、上記従来のハイブリッド式作業機械は、蓄電装置を有しているため、回生エネルギを一時的に蓄電することにより平準化し、アシスト動作の急な変化を防止することで、エンジンの負荷の急変を防止し、十分な燃料低減効果を発揮することができる反面、高価である、車体が大きくなる等の問題があった。

そこで、本発明の課題は、蓄電器を持たないハイブリッド式作業機械において、回生エネルギを平準化することなしに、即座にアシスト動作に利用しても、エンジンの回転速度を略一定にできると共に、短時間のアシスト動作でもエンジンの燃料消費量を十分に低減できるハイブリッド式作業機械を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のハイブリッド式作業機械は、
エンジンと、
上記エンジンの回転速度を検出する回転速度検出器と、
上記エンジンを制御するエンジン制御部と、
上記エンジンの駆動をアシストするアシストモータと、
回生装置からの回生エネルギを、一時的にエネルギを貯めるいかなる手段も介さず上記アシストモータを駆動することでアシスト動作に利用すると共に、上記エンジン制御部に上記回生エネルギの量を入力するエネルギ回生制御装置と
を備え、
上記エンジン制御部は、
上記エンジンの目標回転速度を設定する回転速度設定部と、
上記回転速度設定部から出力された上記エンジンの目標回転速度と上記回転速度検出器によって検出された現在の上記エンジンの回転速度との偏差を算出する、第１加え合わせ点と、
上記第１加え合わせ点から出力された上記偏差と上記エネルギ回生制御装置によって入力された上記回生エネルギの量とに基づいて操作量を算出する、第２加え合わせ点と
を有し、
上記第２加え合わせ点から出力された上記操作量に基づいて、上記エンジンを制御することを特徴としている。

上記構成のハイブリッド式作業機械によれば、上記回生装置からの回生エネルギを、一時的にエネルギを貯めるいかなる手段も介さず上記アシストモータを駆動することでアシスト動作に利用して、アシスト力を増減する。また、上記エンジン制御部は、上記回転速度検出器によって検出された現在の上記エンジンの回転速度と上記エンジンの目標回転速度との偏差に基づいて、操作量を決定する。そして、この操作量は、上記エネルギ回生制御装置によって、上記回生装置からの回生エネルギの量の増大に応じて小さくなるように修正が加えられる。このように、上記回生装置からの回生エネルギの量の大小に応じて、アシストモータを駆動して、アシスト力を増減すると同時に、上記操作量に対してフィードフォワード制御で修正を加える。したがって、蓄電器を持たないハイブリッド式作業機械において、回生エネルギを平準化することなしに、即座にアシスト動作に利用しても、その回生エネルギの量に応じて、上記エネルギ回生制御装置が加え合わせ点、または、回転速度設定部に上記回生エネルギの量を入力して、上記操作量をフィードフォワード制御で修正するので、エンジンの回転速度を略一定にできると共に、アシスト動作が短時間であっても、制御に遅れがなくて、エンジンの燃料消費量を十分に低減できる。

一実施形態のハイブリッド式作業機械では、
上記操作量は、上記エンジンへの燃料噴射量である。

上記実施形態によれば、上記操作量である上記エンジンへの燃料噴射量は、上記エネルギ回生制御装置によって、上記回生装置からの回生エネルギの量に応じて修正が加えられる。したがって、アシスト動作をしても、エンジンの回転速度を略一定にでき、かつ、短時間のアシスト動作でも、エンジンの燃料消費量を低減できる。

一実施形態のハイブリッド式作業機械では、
上記操作量は、上記エンジンへのトルク指令である。

上記実施形態によれば、上記操作量である上記エンジンへのトルク指令は、上記エネルギ回生制御装置によって、上記回生装置から回収した回生エネルギの量に応じて修正が加えられる。したがって、アシスト動作をしても、エンジンの回転速度を略一定にでき、かつ、短時間のアシスト動作でも、エンジンの燃料消費量を低減できる。

一実施形態のハイブリッド式作業機械では、
エンジンと、
上記エンジンの回転速度を検出する回転速度検出器と、
上記エンジンを制御するエンジン制御部と、
上記エンジンの駆動をアシストするアシストモータと、
回生装置からの回生エネルギを、一時的にエネルギを貯めるいかなる手段も介さず上記アシストモータを駆動することでアシスト動作に利用すると共に、上記エンジン制御部に上記回生エネルギの量を入力するエネルギ回生制御装置と
を備え、
上記エンジン制御部は、
上記エンジンの目標回転速度を設定する回転速度設定部と、
上記回転速度設定部から出力された上記エンジンの目標回転速度と上記エネルギ回生制御装置によって入力された上記回生エネルギの量とに基づいて偏差を算出する、第１加え合わせ点と、
上記第１加え合わせ点から出力された上記偏差と上記回転速度検出器によって検出された現在の上記エンジンの回転速度とに基づいて操作量を算出する、第２加え合わせ点と
を有し、
上記第２加え合わせ点から出力された上記操作量に基づいて、上記エンジンを制御する。

上記実施形態によれば、上記操作量である上記エンジンへの回転速度指令は、上記エネルギ回生制御装置によって、上記回生装置から回収した回生エネルギの量に応じて修正が加えられる。したがって、アシスト動作をしても、エンジンの回転速度を略一定にでき、かつ、短時間のアシスト動作でも、エンジンの燃料消費量を低減できる。

一実施形態のハイブリッド式作業機械では、
エンジンと、
上記エンジンの回転速度を検出する回転速度検出器と、
上記エンジンを制御するエンジン制御部と、
上記エンジンの駆動をアシストするアシストモータと、
回生装置からの回生エネルギを、一時的にエネルギを貯めるいかなる手段も介さず上記アシストモータを駆動することでアシスト動作に利用すると共に、作業機コントローラの回転速度指令に対して修正を加える機能を有し、上記エンジン制御部に対し、修正後の回転速度指令を入力するエネルギ回生制御装置と
を備え、
上記エンジン制御部は、
上記エネルギ回生制御装置によって入力された修正後の回転速度指令に基づいて上記エンジンの目標回転速度を設定する回転速度設定部と、
上記回転速度設定部から出力された上記エンジンの目標回転速度と上記回転速度検出器によって検出された現在の上記エンジンの回転速度とに基づいて操作量を算出する、加え合わせ点と
を有し、
上記加え合わせ点から出力された上記操作量に基づいて、上記エンジンを制御する。

上記実施形態によれば、上記作業機コントローラから上記エンジン制御部へ出力される回転速度指令は、上記エネルギ回生制御装置によって、上記回生装置から回収した回生エネルギの量に応じて修正が加えられる。したがって、アシスト動作をしても、エンジンの回転速度を略一定にでき、かつ、短時間のアシスト動作でも、エンジンの燃料消費量を低減できる。

また、上記実施形態によれば、従来形態のエンジン制御部を変更することなく実現が可能である。

本発明のハイブリッド式作業機械によれば、蓄電器を持たないハイブリッド式作業機械において、回生エネルギを平準化することなしに、即座にアシスト動作に利用しても、エンジンの回転速度を略一定にできると共に、短時間のアシスト動作でもエンジンの燃料消費量を十分に低減できる。

本発明の一実施形態のハイブリッド式作業機械の制御ブロック図である。上記ハイブリッド式作業機械のエンジンの回転速度に対する燃料噴射量の特性を示す図である。（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、上記ハイブリッド式作業機械のアシストモータによるアシストトルクの量とエンジンの回転速度と燃料噴射量との関係を説明する説明図である。上記ハイブリッド式作業機械の他の実施形態の制御ブロック図である。上記ハイブリッド式作業機械の他の実施形態の制御ブロック図である。上記ハイブリッド式作業機械の他の実施形態の制御ブロック図である。従来のハイブリッド式作業機械のエンジンの回転速度に対する燃料噴射量の特性を示す図である。

以下、本発明のハイブリッド式作業機械を図示の実施形態により詳細に説明する。

図１の制御ブロック図に示すように、本実施形態のハイブリッド式作業機械は、エンジン１１と、このエンジン１１の回転速度を検出する回転速度検出器の一例としてのパルス発生器１３と、上記エンジン１１を制御するエンジン制御部１２と、上記エンジン１１の駆動をアシストするアシストモータ２１と、このアシストモータ２１を制御するアシストコントローラ２２と、回生装置４１と、この回生装置４１からの回生エネルギを制御するエネルギ回生制御装置３１とを備えている。

上記回生装置４１は、図示しない油圧モータと、この油圧モータで駆動される図示しない発電機とを備え、作動油の圧力エネルギを電気エネルギに変換して、回生エネルギをエネルギ回生制御装置３１に出力する。

上記エネルギ回生制御装置３１は、上記回生装置４１からの回生エネルギを、上記アシストコントローラ２２を介してアシストモータ２１に供給して、エンジン１１の駆動をアシストする。

上記アシストコントローラ２２は、通信によって、上記エネルギ回生制御装置３１から上記回生エネルギ量を表す信号を受け、この回生エネルギ量の大小に応じてアシストモータ２１に供給する電力の大小を制御して、アシストモータ２１によるアシスト力を制御する。

一方、上記エンジン制御部１２は、目標エンジン回転速度設定部１５と、ＰＩＤ（比例積分微分）制御部１６と、コンバータ１７と、加え合わせ点１０１，１０２とを有する。

上記目標エンジン回転速度設定部１５は、目標エンジン回転速度が設定されると、目標エンジン回転速度を表す信号を上記加え合わせ点１０１に出力する。

上記加え合わせ点１０１には、パルス発生器１３から現在のエンジン１１の回転速度を表す信号も入力される。上記加え合わせ点１０１は、目標エンジン回転速度を表す信号から現在のエンジン１１の回転速度を表す信号を減算して、それらの偏差を表す偏差信号をＰＩＤ制御部１６に出力する。

上記ＰＩＤ制御部１６は、上記偏差信号に対して、ＰＩＤ（比例積分微分）制御演算を行って、エンジン１１の回転速度が目標エンジン回転速度となるための操作量を算出する。この操作量は、上記偏差の大小に応じて増減するエンジン１１への燃料噴射量を表す信号である。そして、上記ＰＩＤ制御部１６は、このエンジン１１への燃料噴射量を表す燃料噴射量信号を上記加え合わせ点１０２に出力する。

一方、上記エネルギ回生制御装置３１は、上記回生エネルギ量を表す信号を上記アシストコントローラ２２に出力すると共に、上記コンバータ１７に出力する。このコンバータ１７は、上記回生エネルギ量を、この回生エネルギ量に対応するエンジン１１への燃料噴射量補正量に変換して、この燃料補正量信号を上記加え合わせ点１０２に出力する。

上記加え合わせ点１０２は、上記ＰＩＤ制御部１６からの操作量である上記燃料噴射量信号から、コンバータ１７からの燃料補正量信号を減算して、上記燃料噴射量信号を修正した修正燃料噴射量信号をエンジン１１に出力する。

このように、上記エネルギ回生制御装置３１は、上記回生装置４１からの上記回生エネルギを、一時的にエネルギを貯めるいかなる手段も介さずアシストモータ２１を駆動することでアシスト動作に利用して、エンジン１１の駆動をアシストすると同時に、上記コンバータ１７で変換した燃料補正量信号によって上記ＰＩＤ制御１６からの燃料噴射量信号を修正している。つまり、上記回生エネルギをエンジン１１の駆動に対するアシスト動作に利用しつつ、その回生エネルギ量に応じて、上記エネルギ回生制御装置３１が上記燃料噴射量信号にフィードフォワード制御で修正を加える。

上記エンジン１１の出力とアシストモータ２１の出力とは、加え合わせ点５１で加え合わされて負荷６１に伝達される。

図２は、エンジン１１の回転速度に対するエンジン１１の燃料噴射量特性を示している。図２に示すように、上記アシスト動作がなされるとき、上記燃料噴射量特性を図２の想像線で示す燃料噴射量特性へシフトさせて、エンジン１１の回転速度を略一定に保ちつつ、エンジン１１への燃料噴射量を低減できる。

また、図３は、アシストモータ２１によるアシストトルクの量とエンジン１１の回転速度と上記燃料噴射量との関係を示している。図３（Ａ）に示すような短時間のアシスト動作でも、図３（Ｂ）に示すように、エンジン１１の回転速度を略一定に保ちつつ、かつ、図３（Ｃ）に示すように、上記フィードフォワード制御により、制御に遅れがなくて、エンジン１１への燃料噴射量を十分に低減できる。

また、蓄電器を有していなくても、回生エネルギを平準化することなしに、即座にアシスト動作に利用して、エンジン１１の駆動をアシストできる。このため、ハイブリッド式作業機械全体を小型化することができて、製造コストも低減できる。

図４は、他の実施形態のハイブリッド式作業機械の制御ブロック図である。この図４において、図１に示した構成部と同一構成部は、図１における構成部と同一参照番号を付して説明を省略し、異なる構成について以下に説明する。

図４に示すように、上記実施形態のハイブリッド式作業機械は、加え合わせ点１０２とエンジン１１との間に燃料噴射量演算部１８を備えている。

上記実施形態のハイブリッド式作業機械では、上記ＰＩＤ制御部１６の上記操作量は、エンジン１１に対するトルク指令を表すトルク指令信号である。また、上記コンバータ１７は、上記回生エネルギ量に対応するエンジン１１のトルク補正量に変換して、このトルク補正量信号を上記加え合わせ点１０２に出力する。

上記加え合わせ点１０２は、上記ＰＩＤ制御部１６からのトルク指令信号から、コンバータ１７からのトルク補正量信号を減算して、上記トルク指令信号を修正した修正トルク指令信号を上記燃料噴射量演算部１８に出力する。

上記燃料噴射量演算部１８は、上記修正トルク指令信号に対して、エンジン１１への燃料噴射量演算を行って、エンジン１１のトルクが修正トルクとなるための燃料噴射量を算出して、この燃料噴射量を表す燃料噴射量信号をエンジン１１に出力する。

なお、上記コンバータ１７が上記トルク補正量信号を上記加え合わせ点１０２に出力する代わりに、上記アシストコントローラ２２が上記回生エネルギ量に対応するエンジン１１のトルクを表すトルク補正量信号を加え合わせ点１０２に出力してもよい。このようにすると、コンバータ１７を設けなくても、上記加え合わせ点１０２で上記トルク指令を修正して、アシスト動作をしても、エンジン１１の回転速度を略一定にでき、かつ、短時間のアシスト動作でも、エンジン１１の燃料消費量を低減できる。

図５は、他の実施形態のハイブリッド式作業機械の制御ブロック図である。この図５において、図１に示した構成部と同一構成部は、図１における構成部と同一参照番号を付して説明を省略し、異なる構成について以下に説明する。

図５に示すように、上記実施形態のハイブリッド式作業機械は、Ｐ制御部１６’とエンジン１１との間に燃料噴射量演算部１８を備えている。また、加え合わせ点１０２を目標エンジン回転速度設定部１５と加え合わせ点１０１との間に設けている。

上記実施形態のハイブリッド式作業機械では、上記コンバータ１７は、上記回生エネルギ量に対応するエンジン１１の回転速度補正量に変換して、このエンジン回転速度補正値信号を上記加え合わせ点１０２に出力する。

上記加え合わせ点１０２は、上記目標エンジン回転速度設定部１５からの目標エンジン回転速度を表す信号から、コンバータ１７からの上記エンジン回転速度補正値信号を減算して、上記目標エンジン回転速度を表す信号を修正した修正目標エンジン回転速度信号を上記加え合わせ点１０１に出力する。

上記Ｐ制御部１６’は、加え合わせ点１０１の演算結果に対して、Ｐ（比例）制御演算を行って、エンジン１１の回転速度が目標エンジン回転速度となるための操作量を算出する。この操作量は、上記偏差の大小に応じて増減するエンジン１１の目標トルクを表す目標トルク指令信号である。そして、上記Ｐ制御部１６’は、このエンジン１１の目標トルクを表す目標トルク指令信号を上記燃料噴射量演算部１８に出力する。

上記燃料噴射量演算部１８は、上記目標トルク指令信号に対して、エンジン１１への燃料噴射量演算を行って、エンジン１１のトルクが目標トルクとなるための燃料噴射量を算出して、この燃料噴射量を表す信号をエンジン１１に出力する。

なお、上記実施形態では、上記Ｐ制御部１６’は、Ｐ（比例）制御演算を行っていたが、この発明では、他の任意の関数演算を行ってもよい。

図６は、他の実施形態のハイブリッド式作業機械の制御ブロック図である。この図６において、図１に示した構成部と同一構成部は、図１における構成部と同一参照番号を付して説明を省略し、異なる構成について以下に説明する。

図６に示すように、上記実施形態のハイブリッド式作業機械では、エネルギ回生制御装置３１が作業機コントローラ７１の回転速度指令値に対し修正を加える機能を有している。エネルギ回生制御装置３１は、上記修正後の回転速度指令値を目標エンジン回転速度設定部１５に出力する。

上記実施形態のハイブリッド式作業機械では、上記エネルギ回生制御装置３１は、上記回生エネルギ量に対応する作業機コントローラ７１の回転速度指令値の修正量を作業機コントローラ７１の回転速度指令値に加え、この修正後の回転速度指令を目標エンジン回転速度設定部１５に出力する。

加え合わせ点１０１は、上記目標エンジン回転速度設定部１５からの目標エンジン回転速度から実際のエンジン回転速度を減算してＰ制御部１６’に出力する。

この実施形態では、図６の破線で示すエンジン制御部１２において、従来構成から変更することなく、上記燃料噴射量演算部１８は、上記目標トルク指令信号に対して、エンジン１１への燃料噴射量演算を行って、エンジン１１のトルクが目標トルクとなるための燃料噴射量を算出して、この燃料噴射量を表す信号をエンジン１１に出力する。

１１エンジン
１２エンジン制御部
１３パルス発生器
２１アシストモータ
３１エネルギ回生制御装置
４１回生装置

Claims

エンジン（１１）と、
上記エンジン（１１）の回転速度を検出する回転速度検出器（１３）と、
上記エンジン（１１）を制御するエンジン制御部（１２）と、
上記エンジン（１１）の駆動をアシストするアシストモータ（２１）と、
回生装置（４１）からの回生エネルギを、一時的にエネルギを貯めるいかなる手段も介さず上記アシストモータ（２１）を駆動することでアシスト動作に利用すると共に、上記エンジン制御部（１２）に上記回生エネルギの量を入力するエネルギ回生制御装置（３１）と
を備え、
上記エンジン制御部（１２）は、
上記エンジン（１１）の目標回転速度を設定する回転速度設定部（１５）と、
上記回転速度設定部（１５）から出力された上記エンジン（１１）の目標回転速度と上記回転速度検出器（１３）によって検出された現在の上記エンジン（１１）の回転速度との偏差を算出する、第１加え合わせ点（１０１）と、
上記第１加え合わせ点（１０１）から出力された上記偏差と上記エネルギ回生制御装置（３１）によって入力された上記回生エネルギの量とに基づいて操作量を算出する、第２加え合わせ点（１０２）と
を有し、
上記第２加え合わせ点（１０２）から出力された上記操作量に基づいて、上記エンジン（１１）を制御することを特徴とするハイブリッド式作業機械。
請求項１に記載のハイブリッド式作業機械において、
上記操作量は、上記エンジン（１１）への燃料噴射量であることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
請求項１に記載のハイブリッド式作業機械において、
上記操作量は、上記エンジン（１１）へのトルク指令であることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
エンジン（１１）と、
上記エンジン（１１）の回転速度を検出する回転速度検出器（１３）と、
上記エンジン（１１）を制御するエンジン制御部（１２）と、
上記エンジン（１１）の駆動をアシストするアシストモータ（２１）と、
回生装置（４１）からの回生エネルギを、一時的にエネルギを貯めるいかなる手段も介さず上記アシストモータ（２１）を駆動することでアシスト動作に利用すると共に、上記エンジン制御部（１２）に上記回生エネルギの量を入力するエネルギ回生制御装置（３１）と
を備え、
上記エンジン制御部（１２）は、
上記エンジン（１１）の目標回転速度を設定する回転速度設定部（１５）と、
上記回転速度設定部（１５）から出力された上記エンジン（１１）の目標回転速度と上記エネルギ回生制御装置（３１）によって入力された上記回生エネルギの量とに基づいて偏差を算出する、第１加え合わせ点（１０２）と、
上記第１加え合わせ点（１０２）から出力された上記偏差と上記回転速度検出器（１３）によって検出された現在の上記エンジン（１１）の回転速度とに基づいて操作量を算出する、第２加え合わせ点（１０１）と
を有し、
上記第２加え合わせ点（１０１）から出力された上記操作量に基づいて、上記エンジン（１１）を制御することを特徴とするハイブリッド式作業機械。
エンジン（１１）と、
上記エンジン（１１）の回転速度を検出する回転速度検出器（１３）と、
上記エンジン（１１）を制御するエンジン制御部（１２）と、
上記エンジン（１１）の駆動をアシストするアシストモータ（２１）と、
回生装置（４１）からの回生エネルギを、一時的にエネルギを貯めるいかなる手段も介さず上記アシストモータ（２１）を駆動することでアシスト動作に利用すると共に、作業機コントローラ（７１）の回転速度指令に対して修正を加える機能を有し、上記エンジン制御部（１２）に対し、修正後の回転速度指令を入力するエネルギ回生制御装置（３１）と
を備え、
上記エンジン制御部（１２）は、
上記エネルギ回生制御装置（３１）によって入力された修正後の回転速度指令に基づいて上記エンジン（１１）の目標回転速度を設定する回転速度設定部（１５）と、
上記回転速度設定部（１５）から出力された上記エンジン（１１）の目標回転速度と上記回転速度検出器（１３）によって検出された現在の上記エンジン（１１）の回転速度とに基づいて操作量を算出する、加え合わせ点（１０１）と
を有し、
上記加え合わせ点（１０１）から出力された上記操作量に基づいて、上記エンジン（１１）を制御することを特徴とするハイブリッド式作業機械。