JP6982645B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械に係り、更に詳しくは、発電機を搭載した作業機械に関する。

油圧ショベルやクレーン、ホイールローダ等の作業機械では、一般的に、コントローラ、ファン、ポンプ、ライト等の多様な電動補機に対して、エンジンに接続された発電機を用いて発電することで電力を供給している。しかし、エンジンの動力を発電機の電力へ変換する際に、エネルギ損失が発生してしまう。そのため、エネルギ変換の際の損失を低減することが求められている。

エンジンの動力を発電機の電力へ変換する際のエネルギ損失を抑制する方策として、例えば、特許文献１に記載の技術が提案されている。特許文献１に記載の電動車両では、力行モード及び回生モードの両動作が可能な電動機の動作領域（トルク及び回転数）を、昇圧装置によって電動機側の電圧を蓄電装置側の電圧以上に昇圧させた方が損失の小さい昇圧領域と電動機側の電圧を昇圧させない方が損失の小さい非昇圧領域とに区分し、かつ、電動機の力行動作領域および回生動作領域に対してそれぞれ昇圧領域と非昇圧領域の区分を設定している。さらに、当該電動車両では、力行モード又は回生モードの電動機の動作点が昇圧領域に含まれているとき、当該動作点においてシステムに最適な目標電圧（システムの損失が小さい電圧目標値）を設定し、電動機側の電圧が当該目標電圧に一致するように昇圧装置を制御している。

特開２０１０−１１４９８７号公報

特許文献１に記載の電動車両においては、昇圧装置によって電動機側の電圧を蓄電装置側の電圧以上に昇圧可能なので、力行モード及び回生モードの電動機の動作領域に応じて電動機側の目標電圧を変更してエネルギ損失を抑制することができる。しかし、特許文献１に記載の技術とは異なり、昇圧装置を備えていない作業機械では、発電機の発電電圧を昇圧装置によって蓄電装置や電動補機側の電圧に調整することができないので、目標電圧が一定の条件下で発電機の発電を制御する。特許文献１に記載の電動車両において、目標電圧が一定の条件下で所望の発電電力を得ようとする場合、エンジンに接続され発電動作が可能な電動機は１基のみなので、電動機の動作点（電圧及び電流）は一意に決定されてしまう。したがって、電動機をエネルギ損失が小さくなる動作点にて駆動させるように調整することはできない。

本発明は、上記の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、目標電圧が一定の条件下において発電機のエネルギ損失を抑制することができる作業機械を提供することである。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、蓄電及び放電が可能な蓄電装置と、前記蓄電装置と電気的に接続され、電力の供給により駆動する補機装置と、エンジンに機械的に接続され、前記エンジンによって駆動されることで発電動作を行う第１発電機及び第２発電機と、前記第１発電機と前記第２発電機との要求合計電流に基づいて前記第１発電機及び前記第２発電機を制御するコントローラとを備えた作業機械において、前記第１発電機及び前記第２発電機は、前記蓄電装置及び前記補機装置と電気的に接続され、発電した電力を前記蓄電装置及び前記補機装置に対して供給可能であり、前記コントローラは、前記第１発電機及び前記第２発電機を同時に発電させる制御を実行するとき、前記第１発電機と前記第２発電機間の発電電流の割合を、前記第１発電機の効率が前記第２発電機の効率よりも高くなる前記要求合計電流が低電流の領域では、前記第１発電機に対する前記第２発電機の発電電流の割合が小さくなるように設定し、前記第２発電機の効率が前記第１発電機の効率よりも高くなる前記要求合計電流が高電流の領域では、前記第１発電機に対する前記第２発電機の発電電流の割合が大きくなるように設定し、設定された発電電流の割合に基づいて前記第１発電機及び前記第２発電機の発電電力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、複数の発電機間の発電電力を各発電機の効率特性に基づいて配分し、複数の発電機の全体を相対的に高効率の動作点にて発電動作させることで、目標電圧が一定の条件下において発電機のエネルギ損失を抑制することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の作業機械の第１の実施の形態を適用した油圧ショベルを示す側面図である。 本発明の作業機械の第１の実施の形態における油圧システム及び電動システムの構成を示すブロック図である。 図２に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラの機能ブロック図である。 図３に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける要求合計電流演算部の制御ブロック図である。 図３に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける最大許容電流演算部の制御ブロック図である。 図３に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける電流配分演算部の演算で用いるテーブルの一例を示す図である。 図２に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成する各発電機の発電電流に対する効率の一例を示す特性図である。 図３に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける電流配分演算部の各発電機の目標電流の演算方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の作業機械の第２の実施の形態における油圧システム及び電動システムの構成を示すブロック図である。 図９に示す本発明の作業機械の第２の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける発電機の力行動作の制御手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の作業機械の実施の形態について図面を用いて説明する。本実施の形態においては、作業機械の一例として油圧ショベルを例に挙げて説明する。

［第１の実施の形態］
まず、本発明の作業機械の第１の実施の形態としての油圧ショベルの構成について図１を用いて説明する。図１は本発明の作業機械の第１の実施の形態を適用した油圧ショベルを示す側面図である。ここでは、運転席に着座したオペレータから見た方向を用いて説明する。

図１において、作業機械としての油圧ショベル１は、自走可能な下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に搭載された上部旋回体３と、上部旋回体３の前部に俯仰動可能に設けられた作業フロント４とで大略構成されている。

下部走行体２は、左右にクローラ式の走行装置６（一方のみを図示）を備えている。左右の走行装置６はそれぞれ油圧アクチュエータとしての走行油圧モータ６ａ、６ｂにより駆動する。

上部旋回体３は、油圧アクチュエータとしての旋回油圧モータ（図示せず）によって下部走行体２に対して旋回する。上部旋回体３は、下部走行体２上に旋回可能に搭載された支持構造体としての旋回フレーム８と、旋回フレーム８上の左前側に設置されたキャブ９と、旋回フレーム８の後端部に設けられたカウンタウェイト１０と、キャブ９とカウンタウェイト１０の間に設けられた機械室１１とを含んで構成されている。キャブ９には、下部走行体２や作業フロント４等を操作するための操作装置（図示せず）やオペレータが着座する運転席などが配置されている。カウンタウェイト１０は、作業フロント４と重量バランスをとるためのものである。機械室１１は、後述のエンジン２１や油圧ポンプ２２、第１発電機３１及び第２発電機３２、補機ユニット３４（後述の図２参照）などの各種機器を収容している。

作業フロント４は、掘削作業等を行うための多関節型の作動装置であり、ブーム１３、アーム１４、作業具としてのバケット１５を備えている。ブーム１３の基端側は、上部旋回体３の前部に回動可能に連結されている。ブーム１３の先端部には、アーム１４の基端部が回動可能に連結されている。アーム１４の先端部には、バケット１５の基端部が回動可能に連結されている。ブーム１３、アーム１４、バケット１５はそれぞれ、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ１６、アームシリンダ１７、バケットシリンダ１８によって駆動される。

次に、本発明の作業機械の第１の実施の形態における油圧システム及び電動システムの構成について図２を用いて説明する。図２は本発明の作業機械の第１の実施の形態における油圧システム及び電動システムの構成を示すブロック図である。

図２において、油圧ショベル１は、下部走行体２や作業フロント４（共に図１参照）などを油圧によって駆動させる油圧システム２０と、電力の供給によって各種機器を駆動する電動システム３０とを備えている。

油圧システム２０は、原動機としてのエンジン２１によって駆動される油圧ポンプ２２と、油圧ポンプ２２から吐出された圧油により駆動する油圧アクチュエータ群２３と、油圧ポンプ２２から油圧アクチュエータ群２３に供給される圧油の流れ（方向及び流量）を制御する制御弁ユニット２４とを含んで構成されている。油圧ポンプ２２は、例えば、可変容量型のポンプである。油圧アクチュエータ群２３は、左右の走行油圧モータ６ａ、６ｂ、ブームシリンダ１６、アームシリンダ１７、バケットシリンダ１８（共に図１を参照）、旋回油圧モータ（図示せず）等の複数の油圧アクチュエータで構成されている。制御弁ユニット２４は、油圧アクチュエータ群２３の各油圧アクチュエータ６ａ、６ｂ、１６、１７、１８に対応する制御弁の集合体である。

電動システム３０は、原動機としてのエンジン２１に機械的に接続された第１発電機３１及び第２発電機３２と、充電及び放電が可能な蓄電装置３３と、電力の供給によって駆動される補機ユニット３４とを備えている。第１発電機３１及び第２発電機３２は、電力ライン３５を介して蓄電装置３３及び補機ユニット３４と電気的に接続されている。第１発電機３１及び第２発電機３２はそれぞれ、エンジン２１によって駆動されることで発電動作を行うものであり、発電した電力を蓄電装置３３及び補機ユニット３４に供給可能である。第１発電機３１及び第２発電機３２は、例えば、交流電力を直流電力に変換するインバータを内蔵している。第１発電機３１及び第２発電機３２は、エンジン２１のクランク軸に直結される構成やプーリ及びベルトを介してエンジン２１に接続される構成、ギアを介してエンジン２１に接続される構成などが可能である。蓄電装置３３は、例えば、バッテリやキャパシタ等により構成されている。補機ユニット３４は、電力ライン３５を介して第１発電機３１、第２発電機３２、蓄電装置３３に電気的に接続されており、第１発電機３１及び第２発電機３２から供給される電力または蓄電装置３３から供給される電力によって駆動される。補機ユニット３４は、例えば、電力の供給によって駆動する電動機３７と、電動機３７に機械的に接続され電動機３７によって駆動される被駆動装置として補機３８とで構成されている。補機３８として、例えば、冷却ファンや冷却ポンプ、エアコンコンプレッサなどが挙げられる。

第１発電機３１、第２発電機３２、畜電装置３３は、コントローラ４０によって制御されている。コントローラ４０は、電力ライン３５を介して第１発電機３１及び第２発電機３２と畜電装置３３とに電気的に接続されており、第１発電機３１及び第２発電機３２から供給される電力又は蓄電装置３３から供給される電力によって稼働する。コントローラ４０は、オペレータの操作に応じて油圧システム２０も制御する。

本実施の形態においては、コントローラ４０が第１発電機３１及び第２発電機３２の発電電力の割合を制御することで、第１発電機３１及び第２発電機３２が発電動作を行う際のエネルギ損失の抑制を図るものである。第１発電機３１及び第２発電機３２に対するコントローラ４０の制御の詳細は後述する。

第１発電機３１及び第２発電機３２にはそれぞれ、第１発電機３１の実回転数を検出する第１回転数センサ５１及び第２発電機３２の実回転数を検出する第２回転数センサ５２が設けられている。第１回転数センサ５１および第２回転数センサ５２はそれぞれ、第１発電機３１の実回転数の検出信号及び第２発電機３２の実回転数の検出信号をコントローラ４０へ出力する。

また、第１発電機３１及び第２発電機３２にはそれぞれ、第１発電機３１の温度を検出する第１温度センサ５３及び第２発電機３２の温度を検出する第２温度センサ５４が設けられている。第１温度センサ５３および第２温度センサ５４はそれぞれ、第１発電機３１の温度の検出信号及び第２発電機３２の温度の検出信号をコントローラ４０へ出力する。

蓄電装置３３には、蓄電装置３３の実電圧を検出する電圧センサ５５が設けられている。電圧センサ５５は、蓄電装置３３の実電圧の検出信号をコントローラ４０へ出力する。

次に、本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラのハード構成及び機能構成について図３を用いて説明する。図３は図２に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラの機能ブロック図である。

図３において、コントローラ４０は、目標電圧Ｖｔが一定の条件下において、第１発電機３１及び第２発電機３２の発電電力を制御するものである。コントローラ４０は、ハード構成として、例えば、ＲＡＭやＲＯＭ等からなる記憶装置４１と、ＣＰＵやＭＰＵ等からなる演算処理装置４２とを備えている。記憶装置４１には、第１発電機３１及び第２発電機３２の発電電力の制御に必要なプログラムや各種情報が予め記憶されている。演算処理装置４２は、記憶装置４１からプログラムや各種情報を適宜読み込み、当該プログラムに従って処理を実行することで以下の機能を含む各種機能を実現する。

コントローラ４０は、演算処理装置４２により実行される機能として、要求合計電流演算部４４、最大許容電流演算部４５、電流配分演算部４６、およびトルク演算部４７を備えている。

要求合計電流演算部４４は、記憶装置４１に予め記憶されている目標電圧Ｖｔおよび電圧センサ５５からの検出電圧Ｖｓに基づき、補機ユニット３４の電動機３７やコントローラ４０などの電力により稼働する電動システム３０の各機器に必要な電流を合計した要求合計電流ＩＲｔを演算するものである。要求合計電流演算部４４は、演算結果の要求合計電流ＩＲｔを電流配分演算部４６へ出力する。要求合計電流演算部４４の演算方法の具体例は後述する。

最大許容電流演算部４５は、第１温度センサ５３からの検出温度Ｔ１に基づき、第１発電機３１の許容される最大電流である最大許容電流Ｉａ１ｍａｘを演算すると共に、第２温度センサ５４からの検出温度Ｔ２に基づき、第２発電機３２の許容される最大電流である最大許容電流Ｉａ２ｍａｘを演算するものである。最大許容電流演算部４５は、演算結果の第１発電機３１の最大許容電流Ｉａ１ｍａｘ及び第２発電機３２の最大許容電流Ｉａ２ｍａｘを電流配分演算部４６へ出力する。最大許容電流演算部４５の演算方法の具体例は後述する。

電流配分演算部４６は、要求合計電流演算部４４の演算結果である要求合計電流ＩＲｔに基づき、最大許容電流演算部４５の演算結果である第１発電機３１の最大許容電流Ｉａ１ｍａｘおよび第２発電機３２の最大許容電流Ｉａ２ｍａｘの範囲内の制限において、第１発電機３１の目標電流Ｉ１及び第２発電機３２の目標電流Ｉ２を演算するものである。すなわち、電流配分演算部４６は、目標電圧Ｖｔが一定の条件下において、第１発電機３１と第２発電機３２の間の発電電流の割合を決定している。電流配分演算部４６は、演算結果の第１発電機３１の目標電流Ｉ１及び第２発電機３２の目標電流Ｉ２をトルク演算部４７へ出力する。電流配分演算部４６の演算方法の具体例は後述する。

トルク演算部４７は、電流配分演算部４６の演算結果である第１発電機３１の目標電流Ｉ１と電圧センサ５５の検出電圧Ｖｓと第１回転数センサ５１の第１発電機３１の検出回転数Ｎ１とに基づき、第１発電機３１のトルク指令値τ１を演算すると共に、電流配分演算部４６の演算結果である第２発電機３２の目標電流Ｉ２と電圧センサ５５からの検出電圧Ｖｓと第２回転数センサ５２からの第２発電機３２の検出回転数Ｎ２とに基づき、第２発電機３２のトルク指令値τ２を演算するものである。トルク演算部４７は、演算結果の第１発電機３１のトルク指令値τ１及び第２発電機３２のトルク指令値τ２をそれぞれ第１発電機３１及び第２発電機３２へ出力する。

次に、本発明の作業機械の第１の実施の形態のコントローラにおける要求合計電流演算部の演算方法の一例について図４を用いて説明する。図４は図３に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける要求合計電流演算部の制御ブロック図である。

図４において、コントローラ４０の要求合計電流演算部４４は、先ず、差分器４４１を用いて、記憶装置４１（図３参照）に予め記憶されている目標電圧Ｖｔと電圧センサ５５からの蓄電装置３３の検出電圧Ｖｓとの差分（電圧差）を演算する。目標電圧Ｖｔは、例えば、蓄電装置３３の過充放電の回避や蓄電装置３３の特性に応じて設定されている。蓄電装置３３の検出電圧Ｖｓは、電動システム３０の電圧に近似した値である。

次に、要求合計電流演算部４４は、第１テーブル４４２を参照することで、差分器４４１の演算結果の電圧差Ｖｔ−Ｖｓから、電動システム３０のシステム全体に必要な電力を合計した要求合計発電電力Ｐｔを演算する。第１テーブル４４２では、予め設定されている目標電圧Ｖｔと電動システム３０の電圧に近似した蓄電装置３３の検出電圧Ｖｓとの差分（横軸）に対して目標電力（縦軸）が割り当てられている。例えば、電圧差Ｖｔ−Ｖｓが０から所定の領域までの間は、当該電圧差の増加に伴い目標電力が比例して増加するように設定されている。一方、電圧差Ｖｔ−Ｖｓが所定以上の領域では、目標電力が一定になるように設定されている。第１テーブル４４２を参照して差分器４４１の演算結果の電圧差Ｖｔ−Ｖｓに対応した目標電力を求めることで、第１発電機３１及び第２発電機３２が要求される発電電力の合計である要求合計発電電力Ｐｔを演算することができる。

次いで、要求合計電流演算部４４は、除算器４４３を用いて、要求合計発電電力Ｐｔを電圧センサ５５からの検出電圧Ｖｓで除算することで、要求合計電流ＩＲｔを演算する。要求合計電流ＩＲｔは、第１発電機３１及び第２発電機３２が要求される発電電流の合計である。

次に、本発明の作業機械の第１の実施の形態のコントローラにおける最大許容電流演算部の演算方法の一例について図５を用いて説明する。図５は図３に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける最大許容電流演算部の制御ブロック図である。

図５において、コントローラ４０の最大許容電流演算部４５は、先ず、第２テーブル４５１を参照することで、第１温度センサ５３からの第１発電機３１の検出温度Ｔ１に基づき第１発電機３１の最大許容電力Ｐａ１ｍａｘを演算する。加えて、第３テーブル４５２を参照することで、第２温度センサ５４からの第２発電機３２の検出温度Ｔ２に基づき第２発電機３２の最大許容電力Ｐａ２ｍａｘを演算する。第２テーブル４５１は、第１発電機３１の温度に対する第１発電機３１の最大許容出力が割り当てられている。第３テーブル４５２は、第２発電機３２の温度に対する第２発電機３２の最大許容出力が割り当てられている。

第２テーブル４５１では、例えば、第１発電機３１の温度が第１所定値Ｔ１ａ以下の低温領域において、第１発電機３１の最大許容出力が最大値に設定されている。一方、第１発電機３１の温度が第１所定値Ｔ１ａから第２所定値Ｔ１ｂまでの高温領域においては、第１発電機３１の温度が高くなるにつれて第１発電機３１の最大許容出力が低下するように設定されている。第３テーブル４５２でも、例えば第２テーブル４５１と同様に、第２発電機３２の温度が第１所定値Ｔ２ａ以下の低温領域において、第２発電機３２の最大許容出力が最大値に設定されている。一方、第２発電機３２の温度が第１所定値Ｔ２ａから第２所定値Ｔ２ｂまでの高温領域においては、第２発電機３２の温度が高くなるにつれて第２発電機３２の最大許容出力が低下するように設定されている。

第２テーブル４５１及び第３テーブル４５２の設定は、第１発電機３１及び第２発電機３２の温度上昇による発電機の不具合を未然に防止するための出力制限である。すなわち、第１発電機３１及び第２発電機３２の出力は、第１発電機３１及び第２発電機３２が低温の状態では最大値まで許容される一方、高温の状態では温度上昇に応じて制限されている。

次に、最大許容電流演算部４５は、第１除算器４５３を用いて第１発電機３１の最大許容電力Ｐａ１ｍａｘを電圧センサ５５からの蓄電装置３３の検出電圧Ｖｓで除算することで、第１発電機３１の最大許容電流Ｉａ１ｍａｘを演算する。加えて、第２除算器４５４を用いて第２発電機３２の最大許容電力Ｐａ２ｍａｘを蓄電装置３３の検出電圧Ｖｓで除算することで、第２発電機３２の最大許容電流Ｉａ２ｍａｘを演算する。

次に、本発明の作業機械の第１の実施の形態のコントローラにおける電流配分演算部の演算方法の一例について図６〜図８を用いて説明する。図６は図３に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける電流配分演算部の演算で用いるテーブルの一例を示す図である。図７は図２に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成する各発電機の発電電流に対する効率の一例を示す特性図である。図８は図３に示す本発明の作業機械の第１の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける電流配分演算部の各発電機の目標電流の演算方法の一例を示すフローチャートである。

コントローラ４０の電流配分演算部４６は、図６に示す第４テーブルを参照することで、要求合計電流演算部４４の演算結果である要求合計電流ＩＲｔに基づき第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１及び第２発電機３２の要求電流Ｉｄ２を演算する。すなわち、電流配分演算部４６は、目標電圧が一定の条件下において所望の要求合計発電電力Ｐｔを得るための第１発電機３１と第２発電機３２の間の発電電流（要求電流Ｉｄ１、Ｉｄ２）の適切な割合を決定している。図６に示す第４テーブルでは、要求合計電流ＩＲｔに対する第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１及び第２発電機３２の要求電流Ｉｄ２が割り当てられている。図６に示す第４テーブルは、第１発電機３１及び第２発電機３２の効率特性を示す図７の特性図に基づいて設定されたものである。

図７に示す特性図は、横軸が第１発電機３１及び第２発電機３２の発電電流を示しており、縦軸が第１発電機３１の効率η１及び第２発電機３２の効率η２を示している。第１発電機３１及び第２発電機３２はそれぞれ、発電電圧が所定値の条件下において、発電電流Ｉの大きさに応じて発電機効率η１、η２が変化する。図７に示す特性図では、第２発電機３２の発電電流の最大値Ｉ２ｍａｘが第１発電機３１の発電電流の最大値Ｉ１ｍａｘよりも大きくなっている。すなわち、第２発電機３２は、第１発電機３１よりも出力の最大値が大きな発電機である。発電電流Ｉが低電流の領域において、第１発電機３１の効率η１が第２発電機３２の効率η２よりも高くなっている。一方、発電電流が高電流の領域において、第２発電機３２の効率η２が第１発電機３１の効率η１よりも高くなっている。

そこで、図７に示す第１発電機３１及び第２発電機３２の効率特性から、第１発電機３１の効率η１が第２発電機３２の効率η２よりも高い低電流の領域では、第１発電機３１の発電電流が第２発電機３２の発電電流よりも大きくなるように（第１発電機３１に対する第２発電機３２の発電電流の割合が小さくなるように）設定することで、第１発電機３１及び第２発電機３２の全体の発電機効率を高めることができる。一方、第２発電機３２の効率η２が第１発電機３１の効率η１よりも高くなる高電流の領域では、第２発電機３２の発電電流が第１発電機３１の発電電流よりも大きくなるように（第１発電機３１に対する第２発電機３２の発電電流の割合が大きくなるように）設定することで、第１発電機３１及び第２発電機３２の全体の発電機効率を高めることができる。

具体的には、第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１は、例えば図６に示すように、要求合計電流ＩＲｔが０を含む低電流の第１領域では、要求合計電流ＩＲｔの増加につれて或る傾き（第１の傾き）で増加するように設定されている。要求合計電流ＩＲｔが第１領域よりも大きな第２領域では、要求電流Ｉｄ１は、要求合計電流ＩＲｔの増加につれて第１の傾きよりも小さな傾きの第２の傾きで増加するように設定されている。要求合計電流ＩＲｔが第２領域よりも大きく最大値ＩＲｔｍａｘを含む第３領域では、要求電流Ｉｄ１は、第１発電機３１の発電電流の最大値Ｉ１ｍａｘで一定となるように設定されている。

一方、第２発電機３２の要求電流Ｉｄ２は、要求合計電流ＩＲｔが０を含む前述の第１領域では、要求合計電流ＩＲｔの増加につれて第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１の第１の傾きよりも小さな傾きの第３の傾きで増加するように設定されている。要求合計電流ＩＲｔが第１領域よりも大きな前述の第２領域及び第３領域では、要求電流Ｉｄ２は、要求合計電流ＩＲｔの増加につれて、第３の傾きよりも大きく且つ第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１の第２の傾きよりも大きな傾きの第４の傾きで増加するように設定されている。第２発電機３２の要求電流Ｉｄ２は、第２発電機３２の効率η２が第１発電機３１の効率η１よりも高くなる領域（図７参照）において、第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１よりも大きくなるように設定されている。

このように、要求合計電流ＩＲｔに対する第１発電機３１と第２発電機３２の発電電流の配分（割合）を第１発電機３１及び第２発電機３２の効率特性に基づき設定することで、第１発電機３１及び第２発電機３２の全体を相対的に高効率な動作点にて駆動させることが可能となる。

ただし、第１発電機３１及び第２発電機３２を制御するための最終的な目標電流は、第１発電機３１及び第２発電機３２の最大許容電流の範囲内に制限する必要がある。そこで、図８に示す演算手順によって第１発電機３１及び第２発電機３２の目標電流を設定する。目標電流は、第１発電機３１及び第２発電機３２を実際に制御するための制御値である。

電流配分演算部４６は、先ず、図６に示す第４テーブルを参照することで得られた演算結果の第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１が最大許容電流演算部４５の演算結果の第１発電機３１の最大許容電流Ｉａ１ｍａｘよりも小さいか否かを判定する（図８に示すステップＳ１０）。第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１が最大許容電流Ｉａ１ｍａｘよりも小さい場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ２０に進む。それ以外の場合（ＮＯの場合）、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ１０においてＹＥＳの場合（Ｉａ１ｍａｘ＞Ｉｄ１の場合）、電流配分演算部４６は、図６に示す第４テーブルを参照することで得られた演算結果の第２発電機３２の要求電流Ｉｄ２が最大許容電流演算部４５の演算結果の第２発電機３２の最大許容電流Ｉａ２ｍａｘよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２０）。第２発電機３２の要求電流Ｉｄ２が最大許容電流Ｉａ２ｍａｘよりも小さい場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ３０に進む。それ以外の場合（ＮＯの場合）、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ２０においてＹＥＳの場合（Ｉａ２ｍａｘ＞Ｉｄ２の場合）、電流配分演算部４６は、第１発電機３１の目標電流Ｉ１を第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１に設定すると共に、第２発電機３２の目標電流Ｉ２を第２発電機３２の要求電流Ｉｄ２に設定する（ステップＳ３０）。一方、ステップＳ２０においてＮＯの場合（Ｉｄ２≦Ｉａ２ｍａｘの場合）、電流配分演算部４６は、Ｉａ１ｍａｘ＞Ｉｄ１＋（Ｉｄ２−Ｉａ２ｍａｘ）が成立するか否かを判定する（ステップＳ４０）。Ｉａ１ｍａｘ＞Ｉｄ１＋（Ｉｄ２−Ｉａ２ｍａｘ）の場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ５０に進む。それ以外の場合（ＮＯの場合）、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ４０においてＹＥＳの場合（Ｉａ１ｍａｘ＞Ｉｄ１＋（Ｉｄ２−Ｉａ２ｍａｘ）の場合）、電流配分演算部４６は、第１発電機３１の目標電流Ｉ１をＩｄ１＋（Ｉｄ２−Ｉａ２ｍａｘ）に設定すると共に、第２発電機３２の目標電流Ｉ２を第２発電機３２の最大許容電流Ｉａ２ｍａｘに設定する（ステップＳ５０）。一方、ステップＳ４０においてＮＯの場合（Ｉａ１ｍａｘ≦Ｉｄ１＋（Ｉｄ２−Ｉａ２ｍａｘ）の場合）、電流配分演算部４６は、第１発電機３１の目標電流Ｉ１を第１発電機３１の最大許容電流Ｉａ１ｍａｘに設定すると共に、第２発電機３２の目標電流Ｉ２を第２発電機３２の最大許容電流Ｉａ２ｍａｘに設定する（ステップＳ８０）。

また、ステップＳ１０においてＮＯの場合（Ｉａ１ｍａｘ≦Ｉｄ１の場合）、電流配分演算部４６は、Ｉａ２ｍａｘ＞Ｉｄ２＋（Ｉｄ１−Ｉａ１ｍａｘ）が成立するか否かを判定する（ステップＳ６０）。Ｉａ２ｍａｘ＞Ｉｄ２＋（Ｉｄ１−Ｉａ１ｍａｘ）の場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ７０に進む。それ以外の場合（ＮＯの場合）、前述したステップＳ８０に進む。

ステップＳ６０においてＹＥＳの場合（Ｉａ２ｍａｘ＞Ｉｄ２＋（Ｉｄ１−Ｉａ１ｍａｘ）の場合）、電流配分演算部４６は、第１発電機３１の目標電流Ｉ１を第１発電機３１の最大許容電流Ｉａ１ｍａｘに設定すると共に、第２発電機３２の目標電流Ｉ２をＩｄ２＋（Ｉｄ１−Ｉａ１ｍａｘ）に設定する（ステップＳ７０）。

このように、電流配分演算部４６は、第１発電機３１及び第２発電機３２の温度に応じた最大許容電流Ｉａ１ｍａｘ、Ｉａ２ｍａｘの制限の範囲内において、第１発電機３１の目標電流Ｉ１及び第２発電機３２の目標電流Ｉ２を設定する。これにより、第１発電機３１及び第２発電機３２の温度上昇による不具合の発生を未然に防ぎつつ、第１発電機３１及び第２発電機３２の全体の発電機効率が相対的に高効率となるように、目標電圧が一定の条件下において第１発電機３１と第２発電機３２の発電電流の配分を決定することができる。

最後に、トルク演算部４７は、図３に示すように、電流配分演算部４６からの第１発電機３１の目標電流Ｉ１と電圧センサ５５からの蓄電装置３３の検出電圧Ｖｓとを積算し、当該積算の結果を、第１回転数センサ５１からの第１発電機３１の検出回転数Ｎ１及び図７に示す特性図における第１発電機３１の目標電流Ｉ１に対する効率η１によって除算することで、第１発電機３１のトルク指令値τ１を演算する。第２発電機３２のトルク指令値τ２は、第１発電機３１のトルク指令値τ１の演算と同様に、電流配分演算部４６からの第２発電機３２の目標電流Ｉ２と電圧センサ５５からの蓄電装置３３の検出電圧Ｖｓとを積算し、当該積算の結果を、第２回転数センサ５２からの第２発電機３２の検出回転数Ｎ２及び図７に示す特性図における第２発電機３２の目標電流Ｉ２に対する効率η２によって除算することで演算する。

トルク演算部４７は、演算結果の第１発電機３１のトルク指令値τ１を第１発電機３１へ出力すると共に、演算結果の第２発電機３２のトルク指令値τ２を第２発電機３２へ出力する。これにより、第１発電機３１は内蔵のインバータによってトルク指令値τ１となるように駆動されると共に、第２発電機３２は内蔵のインバータによってトルク指令値τ２となるように駆動される。

上述したように、本発明の第１の実施の形態に係る油圧ショベル１（作業機械）は、蓄電及び放電が可能な蓄電装置３３と、蓄電装置３３と電気的に接続され電力の供給により駆動する補機ユニット（補機装置）３４と、エンジン２１に機械的に接続されエンジン２１によって駆動されることで発電動作を行う第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）と、第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）を制御するコントローラ４０とを備えている。第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）は、蓄電装置３３及び補機ユニット（補機装置）３４と電気的に接続され、発電した電力を蓄電装置３３及び補機ユニット（補機装置）３４に対して供給可能である。コントローラ４０は、第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）の各々の効率特性に基づいて第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）間の発電電流の割合を決定し、この決定した発電電流の割合に基づいて第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）の発電電力を制御する。

この構成よれば、第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）間の発電電力を各発電機３１、３２の効率特性に基づいて配分することで、第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）の全体を相対的に高効率の動作点にて発電動作させることができる。したがって、目標電圧が一定の条件下において発電機３１、３２のエネルギ損失を抑制することができる。

また、本実施の形態においては、油圧ショベル１（作業機械）が第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）の温度をそれぞれ検出する第１温度センサ５３及び第２温度センサ５４（複数の温度センサ）を備えている。さらに、コントローラ４０は、第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）の発電電流の割合を決定する際に、第１温度センサ５３及び第２温度センサ５４（複数の温度センサ）が検出した温度に基づいて、第１発電機３１及び第２発電機３２（複数の発電機）の各々の発電電流の上限を制限するように構成されている。

この構成によれば、各発電機３１、３２の温度に応じて各発電機３１、３２の発電電力（出力）を制限しているので、高温による発電機３１、３２の不具合を防止することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の作業機械の第２の実施の形態を図９及び図１０を用いて説明する。図９は本発明の作業機械の第２の実施の形態における油圧システム及び電動システムの構成を示すブロック図である。図１０は図９に示す本発明の作業機械の第２の実施の形態の一部を構成するコントローラにおける発電機の力行動作の制御手順の一例を示すフローチャートである。なお、図９及び図１０において、図１〜図８に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の第２の実施の形態が第１の実施の形態に対して相違する点は、第２発電機３２Ａが発電動作及び力行動作の両動作が可能な発電電動機によって構成されていること、及び、第２発電機３２Ａの構成の変更に応じてコントローラ４０Ａの第１発電機３１及び第２発電機３２Ａの制御方法を変更したことである。

具体的には、図９において、第２発電機３２Ａは、エンジン２１によって駆動されることで発電動作を行うことが可能であると共に、蓄電装置３３からの電力の供給によってエンジン２１の回転駆動を補助する力行動作を行うことが可能な構成である。すなわち、第２発電機３２Ａは、蓄電装置３３との間で電力の授受を行うことが可能である。一方、第１発電機３１は、第１の実施の形態と同様に、エンジン２１によって駆動されることで発電動作を行うことのみが可能であり、蓄電装置３３からの電力の供給による力行動作が不能な構成である。

コントローラ４０Ａは、蓄電装置３３の充放電を制御すると共に、第２発電機３２Ａの動作を発電動作又は力行動作へ切り換える制御が可能となっている。コントローラ４０Ａは、例えば以下のように、第１発電機３１及び第２発電機３２Ａを制御する。

コントローラ４０Ａは、図１０に示すように、油圧ショベル１が第２発電機３２Ａの力行条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。力行条件としては、例えば、図９に示す油圧ポンプ２２の負荷がエンジン２１の動力よりも大きい場合やエンジン２１の回転数を上昇させる場合（アイドル回転数から設定回転数に増加させる場合）などが挙げられる。ステップＳ１１０においてＹＥＳの場合、コントローラ４０Ａは、第１発電機３１に対して発電動作を停止させる発電停止指令を出力する（ステップＳ１２０）。発電停止指令の出力は、発電動作を実行させる発電指令の停止としてもよい。次に、コントローラ４０Ａは、第２発電機３２Ａに対して力行動作を実行させる力行指令を出力する（ステップＳ１３０）。これにより、第１発電機３１が発電動作を行う一方、第２発電機３２Ａが力行動作を行う非効率な運転状態を回避している。

一方、ステップＳ１１０においてＮＯの場合、第１発電機３１及び第２発電機３２Ａの両発電機に対して発電制御を行う（ステップＳ１４０）。コントローラ４０Ａの第１発電機３１及び第２発電機３２Ａに対する発電制御は、前述した第１の実施の形態に係るコントローラ４０の第１発電機３１及び第２発電機３２に対する発電制御と同様なものであり、その説明は省略する。

上述した本発明の作業機械の第２の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様に、第１発電機３１及び第２発電機３２Ａ（複数の発電機）間の発電電力を各発電機３１、３２Ａの効率特性に基づいて配分することで、第１発電機３１及び第２発電機３２Ａ（複数の発電機）の全体を相対的に高効率の動作点にて発電動作させることができる。したがって、目標電圧が一定の条件下において発電機３１、３２Ａのエネルギ損失を抑制することができる。

また、本実施の形態においては、第１発電機３１及び第２発電機３２Ａ（複数の発電機）のうちの第２発電機３２Ａ（少なくとも１つ）が、蓄電装置３３からの電力の供給によってエンジン２１の回転駆動を補助する力行動作を行うことが可能な発電電動機で構成されている。さらに、コントローラ４０Ａは、発電電動機である第２発電機３２Ａの動作を発電動作または力行動作に切り換えることが可能に構成されている。

この構成によれば、システムに必要な電力を第１発電機３１と第２発電機３２Ａ（複数の発電機）によって配分しているので、システムに必要な電力を１つの発電機で発電する場合よりも、各発電機３１、３２の発電トルクが小さくなる。各発電機３１、３２の発電トルクが小さくなる分、第２発電機３２Ａにおける発電動作と力行動作間の切換時の入力トルクの偏差（発電動作時の入力トルクと発電動作時の入力トルクとは逆方向の力行動作時の入力トルクとの差分）が小さくなる。したがって、第２発電機３２Ａの発電動作と力行動作の切換時における入力トルクの偏差に起因したエンジン２１の応答遅れを抑制することができる。

また、本実施の形態においては、第１発電機３１と第２発電機３２Ａ（複数の発電機）のうちの第１発電機３１（少なくとも１つ）は力行動作が不能で発電動作のみが可能である。また、コントローラ４０Ａは、第２発電機３２Ａ（発電電動機）に対して力行動作をさせる制御を行う場合、発電動作のみが可能な第１発電機３１に対して発電動作を停止させる制御を行うように構成されている。

この構成によれば、発電動作のみが可能な第１発電機３１で発電しながら第２発電機３２Ａの力行動作により電力を消費するというエネルギ効率の悪い運転を回避することができる。

［その他の実施の形態］
なお、本発明は本実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

例えば、上述した第１及び第２の実施の形態においては、本発明を油圧ショベル１に適用した例を示したが、本発明は油圧クレーンやホイールローダ等の各種の作業機械に広く適用することができる。

また、上述した実施の形態においては、油圧ショベル１が第１発電機３１及び第２発電機３２、３２Ａの２つの発電機を備えた構成の例を示した。しかし、油圧ショベルは３つ以上の発電機を備えた構成も可能である。この構成では、コントローラは、３つ以上の複数の発電機間の発電電流の割合を電圧一定の条件下の各発電機の効率特性に基づいて決定し、この決定した発電電流の割合に基づいて複数の発電機の発電電力を制御する。この構成により、３つ以上の複数の発電機の全体を相対的に高効率の動作点にて発電動作させることができる。したがって、目標電圧が一定の条件下において複数の発電機のエネルギ損失を抑制することができる。

また、上述した実施の形態においては、第２発電機３２、３２Ａが第１発電機３１よりも出力の最大値が大きい構成の例を示した。しかし、第１発電機及び第２発電機は出力の最大値が同じである構成も可能である。また、第１発電機が第２発電機よりも出力の最大値が大きくなるような構成も可能である。

また、上述した実施の形態においては、第１発電機３１及び第２発電機３２、３２Ａの発電電流の割合を決定する際に、第１温度センサ５３及び第２温度センサ５４が検出した第１発電機３１及び第２発電機３２、３２Ａの温度に基づいて第１発電機３１及び第２発電機３２、３２Ａの発電電流の上限を制限するように構成されたコントローラ４０、４０Ａの例を示した。しかし、油圧ショベル１が第１発電機３１及び第２発電機３２、３２Ａを冷却する冷却機構を備え、当該冷却機構によって第１発電機３１及び第２発電機３２、３２Ａの温度上昇を所定値以下までに抑制することが可能である場合には、コントローラは、図３に示す最大許容電流演算部４５の演算を省略すると共に、電流配分演算部４６における図８に示すフローチャートの制御手順を省略する構成が可能である。この構成では、コントローラの電流配分演算部は、図６に示す第４テーブルから求めた第１発電機３１の要求電流Ｉｄ１及び第２発電機３２の要求電流Ｉｄ２をそれぞれ第１発電機３１の目標電流Ｉ１及び第２発電機３２の目標電流Ｉ２として設定する。

また、上述した第２の実施の形態においては、第１発電機３１を発電動作のみが可能で力行動作が不能な構成とする一方、第２発電機３２Ａを発電動作と力行動作の両動作が可能な構成とした例を示した。しかし、第１発電機及び第２発電機を共に発電動作と力行動作の両動作が可能な構成とすることもできる。この構成では、図１０に示すフローチャートのステップＳ１１０において油圧ショベル１が力行条件を満たしている場合、コントローラが第１発電機及び第２発電機の両発電機に対して力行動作を行うように制御することが可能である。コントローラの第１発電機及び第２発電機に対する力行制御では、例えば上述の発電制御の場合と同様に、第１発電機と第２発電機間のモータ出力の割合を、第１発電機及び第２発電機の力行動作時の効率特性に基づいて第１発電機と第２発電機の全体の効率が相対的に高効率の動作点にて力行動作させるように決定することが可能である。この構成より、第１発電機と第２発電機の力行動作時の全体のエネルギ損失を抑制することができる。

１…油圧ショベル（作業機械）、 ２１…エンジン、 ３１…第１発電機（発電機）、 ３２…第２発電機（発電機）、 ３２Ａ…第２発電機（発電電動機）、 ３３…蓄電装置、 ３４…補機ユニット（補機装置）、 ３７…電動機、 ３８…補機、 ４０、４０Ａ…コントローラ、 ５３…第１温度センサ（温度センサ）、 ５４…第２温度センサ（温度センサ）

Claims (4)

1. 蓄電及び放電が可能な蓄電装置と、
   前記蓄電装置と電気的に接続され、電力の供給により駆動する補機装置と、
   エンジンに機械的に接続され、前記エンジンによって駆動されることで発電動作を行う第１発電機及び第２発電機と、
   前記第１発電機と前記第２発電機との要求合計電流に基づいて前記第１発電機及び前記第２発電機を制御するコントローラとを備えた作業機械において、
   前記第１発電機及び前記第２発電機は、前記蓄電装置及び前記補機装置と電気的に接続され、発電した電力を前記蓄電装置及び前記補機装置に対して供給可能であり、
   前記コントローラは、前記第１発電機及び前記第２発電機を同時に発電させる制御を実行するとき、前記第１発電機と前記第２発電機間の発電電流の割合を、前記第１発電機の効率が前記第２発電機の効率よりも高くなる前記要求合計電流が低電流の領域では、前記第１発電機に対する前記第２発電機の発電電流の割合が小さくなるように設定し、前記第２発電機の効率が前記第１発電機の効率よりも高くなる前記要求合計電流が高電流の領域では、前記第１発電機に対する前記第２発電機の発電電流の割合が大きくなるように設定し、設定された発電電流の割合に基づいて前記第１発電機及び前記第２発電機の発電電力を制御する
   ことを特徴とする作業機械。
2. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記第１発電機及び前記第２発電機の温度をそれぞれ検出する複数の温度センサを更に備え、
   前記コントローラは、前記第１発電機及び前記第２発電機の発電電流の割合を設定する際に、前記複数の温度センサが検出した温度に基づいて、前記第１発電機及び前記第２発電機の発電電流の上限を制限する
   ことを特徴とする作業機械。
3. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記第１発電機及び前記第２発電機のうちの少なくとも１つは、前記蓄電装置からの電力の供給によって前記エンジンの回転駆動を補助する力行動作を行うことが可能な発電電動機で構成され、
   前記コントローラは、前記発電電動機の動作を発電動作または力行動作に切り換えることが可能である
   ことを特徴とする作業機械。
4. 請求項３に記載の作業機械において、
   前記第１発電機及び前記第２発電機のうちの少なくとも１つは、力行動作が不能で発電動作のみが可能であり、
   前記コントローラは、前記発電電動機に対して力行動作をさせる制御を行う場合、発電動作のみが可能な発電機に対して発電動作を停止させる制御を行う
   ことを特徴とする作業機械。

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