JP6640650B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、電動機、蓄電装置および油圧ポンプが搭載された建設機械に関する。

一般に、エンジンと油圧ポンプに機械的に結合された電動機と、リチウムイオンバッテリやキャパシタ等の蓄電装置とを備えたハイブリッド建設機械が知られている。このようなハイブリッド建設機械では、電動機は、エンジンの駆動力によって発電した電力を蓄電装置に充電する、または蓄電装置の電力を用いて力行することによってエンジンをアシストする、という役割を担う。

また、リチウムイオンバッテリ等の蓄電装置は、一次的な性能低下や損傷を防止するために、電圧、電流、温度等を制御する必要がある。このため、蓄電装置には、その状態を監視する監視装置が設けられ、監視装置は、所定の使用範囲を逸脱しないように電圧等を制御している（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１には、電池内部の短時間の大電流による可逆的内部抵抗と、長時間の低電流による不可逆的内部抵抗とを演算し、これらの抵抗の比率によって充放電を停止させて、不可逆的内部抵抗の増加を防止する構成が開示されている。特許文献２には、部品発熱を抑制するために、電流の二乗値の一次遅れ式を用いて電流を制限し、定格温度以内の部品温度を押える構成が開示されている。

特許第４９２３１１６号公報 特開２０１２−９６７１２号公報

ところで、特許文献１に記載された制御方式では、可逆的内部抵抗と不可逆的内部抵抗との比率に基づいて、電池の充放電を停止させる。このため、例えば電池の電力への依存度が高く、定常的なモータ出力の使用を前提にした建設機械には、適用が難しいという問題がある。

一方、特許文献２に記載された制御方式では、充電と放電で制限値の切り換えを行っているが、基本的に単一の部品に対して単一の制限値で制御するものである。即ち、単一の一次遅れ式の結果に基づいて電流を制限しているに過ぎず、電流値から演算で求められる、電池の可逆的内部抵抗、不可逆的内部抵抗、温度等の複数の指標（制限条件）で同一の対象（電池または電池電流）を制御することができないという問題点がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、蓄電装置の運用停止を抑制しつつ、複数の制限条件に応じて蓄電装置の電流を制御することができる建設機械を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、電動機と、前記電動機に電気的に接続された蓄電装置と、前記電動機により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの圧油によって駆動する油圧装置と、前記蓄電装置の出力を制御するコントローラとを有する建設機械において、前記コントローラは、互いに異なる時定数を有し、前記蓄電装置の電流に基づいた一次遅れ演算を行う複数の一次遅れ演算器と、前記複数の一次遅れ演算器の演算結果に基づいて、前記蓄電装置の電流を制御する電流制御演算器と、を備え、前記電流制御演算器は、前記複数の一次遅れ演算器のうち時定数が小さい一次遅れ演算器の定常値が、時定数が大きい一次遅れ演算器の定常値に比べて小さくなるように、前記各一次遅れ演算器の演算結果を調整する複数の演算結果調整器と、前記複数の演算結果調整器による調整結果のうち最大のものを選択する最大値選択器と、前記最大値選択器からの出力結果に基づいて、前記蓄電装置の電流の制限値を算出する電流制限値算出部と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、複数の制限条件を持つ蓄電装置を、運用停止を抑制しつつ、適切(効率良く)に運用することができる。

本発明の実施の形態によるハイブリッド油圧ショベルを示す正面図である。 図１中のハイブリッド油圧ショベルに適用する油圧システムと電動システムを示すブロック図である。 図２中のバッテリユニットの構成を示すブロック図である。 図３中のハイブリッドコントローラ内に搭載された本発明の構成をブロック図にて具現化した図である。 蓄電装置の電流がステップ状に変化したときに、第１ないし第４の一次遅れ演算器から出力される出力信号の時間変化を示す特性線図である。 図５に示す出力信号に基づいて、第１ないし第４の除算器から出力される比率の時間変化を示す特性線図である。

以下、本発明の実施の形態による建設機械としてハイブリッド油圧ショベルを例に挙げて、添付図面に従って説明する。

図１ないし図４は本発明の実施の形態を示している。ハイブリッド油圧ショベル１（以下、油圧ショベル１という）は、後述のエンジン２１と発電電動機２７（電動機）とを備えている。この油圧ショベル１は、自走可能なクローラ式の下部走行体２と、下部走行体２上に設けられた旋回装置３と、下部走行体２上に旋回装置３を介して旋回可能に搭載された上部旋回体４と、上部旋回体４の前側に設けられ掘削作業等を行う多関節構造の作業装置１１とにより構成されている。このとき、下部走行体２と上部旋回体４とは、油圧ショベル１の車体を構成している。

上部旋回体４は、旋回フレーム５上に設けられエンジン２１等が収容された建屋カバー６と、オペレータが搭乗するキャブ７とを備えている。キャブ７内には、オペレータが着座する運転席（図示せず）が設けられると共に、運転席の周囲には、操作レバー、操作ペダル等からなる走行操作装置８と、操作レバー等からなる旋回操作装置９と、操作レバー等からなる作業操作装置１０とが設けられている（図２参照）。

ここで、操作装置８〜１０には、これらの操作量を検出する操作量センサ８Ａ〜１０Ａがそれぞれ設けられている。これらの操作量センサ８Ａ〜１０Ａは、例えば下部走行体２の走行操作、上部旋回体４の旋回操作、作業装置１１の俯仰動操作（掘削操作）等のような車体の操作状態を検出する。

図１に示すように、作業装置１１は、例えばブーム１１Ａ、アーム１１Ｂ、バケット１１Ｃと、これらを駆動するブームシリンダ１１Ｄ、アームシリンダ１１Ｅ、バケットシリンダ１１Ｆとによって構成されている。ブーム１１Ａ、アーム１１Ｂ、バケット１１Ｃは、互いにピン結合されている。作業装置１１は、旋回フレーム５に取付けられ、シリンダ１１Ｄ〜１１Ｆを伸長または縮小することによって、俯仰動する。

ここで、油圧ショベル１は、発電電動機２７等を制御する電動システムと、作業装置１１等の動作を制御する油圧システムとを搭載している。以下、油圧ショベル１のシステム構成について図２および図３を参照して説明する。

エンジン２１は、旋回フレーム５に搭載されている。このエンジン２１は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関によって構成されている。図２に示すように、エンジン２１の出力側には、油圧ポンプ２３と発電電動機２７とが機械的に直列接続して取付けられ、これらの油圧ポンプ２３と発電電動機２７とは、エンジン２１によって駆動される。ここで、エンジン２１の作動はエンジンコントロールユニット２２（以下、ＥＣＵ２２という）によって制御され、ＥＣＵ２２は、メインコントローラ３６（以下、ＭＣ３６という）からのエンジン出力指令に基づいて、エンジン２１の出力トルク、回転速度（エンジン回転数）等を制御する。なお、エンジン２１の最大出力は、例えば油圧ポンプ２３の最大動力よりも小さくなっている。

油圧ポンプ２３は、エンジン２１に機械的に接続されている。この油圧ポンプ２３は、エンジン２１単独のトルクによって駆動可能である。また、油圧ポンプ２３は、エンジン２１のトルクに発電電動機２７のアシストトルクを加えた複合トルク（合計トルク）によっても駆動可能である。この油圧ポンプ２３は、タンク（図示せず）内に貯溜された作動油を加圧し、走行油圧モータ２５、旋回油圧モータ２６、作業装置１１のシリンダ１１Ｄ〜１１Ｆ等に圧油として吐出する。

油圧ポンプ２３は、コントロールバルブ２４を介して油圧装置としての走行油圧モータ２５、旋回油圧モータ２６、シリンダ１１Ｄ〜１１Ｆに接続されている。これらの油圧モータ２５，２６、シリンダ１１Ｄ〜１１Ｆは、油圧ポンプ２３からの圧油によって駆動する。コントロールバルブ２４は、走行操作装置８、旋回操作装置９、作業操作装置１０に対する操作に応じて、油圧ポンプ２３から吐出された圧油を走行油圧モータ２５、旋回油圧モータ２６、シリンダ１１Ｄ〜１１Ｆに供給または排出する。

発電電動機２７（モータジェネレータ）は、エンジン２１に機械的に接続されている。この発電電動機２７は、例えば同期電動機等によって構成される。発電電動機２７は、エンジン２１を動力源に発電機として働き蓄電装置３２への電力供給を行う発電と、蓄電装置３２からの電力を動力源にモータとして働きエンジン２１および油圧ポンプ２３の駆動をアシストする力行との２通りの役割を果たす。従って、エンジン２１のトルクには、状況に応じて発電電動機２７のアシストトルクが追加され、これらのトルクによって油圧ポンプ２３は駆動する。この油圧ポンプ２３から吐出される圧油によって、車両の走行動作、旋回動作、作業装置１１の俯仰動動作等が行われる。

図２に示すように、発電電動機２７は、インバータ２８を介して一対の直流母線２９Ａ，２９Ｂに接続されている。インバータ２８は、例えばトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等からなる複数のスイッチング素子を用いて構成され、パワーコントロールユニット３０（以下、ＰＣＵ３０という）によって各スイッチング素子のオン／オフが制御される。直流母線２９Ａ，２９Ｂは、正極側と負極側とで対をなし、例えば数百Ｖ程度の直流電圧が印加されている。

発電電動機２７の発電時には、インバータ２８は、発電電動機２７からの交流電力を直流電力に変換して蓄電装置３２に供給する。発電電動機２７の力行時には、インバータ２８は、直流母線２９Ａ，２９Ｂの直流電力を交流電力に変換して発電電動機２７に供給する。そして、ＰＣＵ３０は、ＨＣＵ３５からの発電電動機出力指令等に基づいて、インバータ２８の各スイッチング素子のオン／オフを制御する。これにより、ＰＣＵ３０は、発電電動機２７の発電時の発電電力や力行時の駆動電力を制御する。

バッテリユニット３１は、例えばリチウムイオン二次電池からなる蓄電装置３２と、電流センサ３３と、バッテリコントローラ３４（以下、ＢＣ３４という）とを備えている（図３参照）。蓄電装置３２は、発電電動機２７に電気的に接続されている。具体的には、蓄電装置３２は、直流母線２９Ａ，２９Ｂを介してインバータ２８に接続されている。

蓄電装置３２は、発電電動機２７の発電時には発電電動機２７から供給される電力を充電し、発電電動機２７の力行時（アシスト駆動時）には発電電動機２７に向けて駆動電力を供給する。蓄電装置３２は、ＢＣ３４からの情報に基づいて、ＨＣＵ３５によって充電動作や放電動作が制御される。

電流センサ３３は、例えば蓄電装置３２の正極側の端子に接続され、蓄電装置３２の充電電流または放電電流を検出する。電流センサ３３の出力側は、ＢＣ３４に接続されている。電流センサ３３は、検出した電流Ｉに応じた信号をＢＣ３４に出力する。

ＢＣ３４には、電流センサ３３からの信号に基づいて、蓄電装置３２の電流Ｉが入力される。また、ＢＣ３４には、電圧センサおよび温度センサ（いずれも図示せず）が接続され、蓄電装置３２の電圧Ｖおよび温度Ｔが入力される。ＢＣ３４は、電流Ｉ、電圧Ｖ、温度Ｔに基づいて、蓄電装置３２から放電可能な電力をバッテリ放電電力として算出する。同様に、ＢＣ３４は、蓄電装置３２に充電可能な電力をバッテリ充電電力として算出する。ＢＣ３４は、バッテリ蓄電率（ＳＯＣ）、バッテリ放電電力、バッテリ充電電力等をハイブリッドコントロールユニット３５（以下、ＨＣＵ３５という）に向けて出力する。

これに加えて、ＢＣ３４は、電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔ、蓄電率（ＳＯＣ：State Of Charge）、劣化度（ＳＯＨ：State Of Health）等に基づいて、蓄電装置３２の状態を監視し、推定する。ＢＣ３４は、これらの複数の要素のいずれかの指標が適正な使用範囲を逸脱した場合または逸脱しそうな場合には、ＨＣＵ３５に信号を送信し、異常・警告を発報する。

ＨＣＵ３５は、例えばマイクロコンピュータによって構成されると共に、ＣＡＮ（Controller Area Network）等を用いてＥＣＵ２２、ＰＣＵ３０、ＢＣ３４、ＭＣ３６に電気的に接続されている。また、ＭＣ３６には、操作装置８〜１０のレバー操作量を検出する操作量センサ８Ａ〜１０Ａが接続されている。ＭＣ３６は、ＥＣＵ２２、ＨＣＵ３５と通信し、例えばレバー操作量、エンジン２１の回転数、蓄電装置３２の蓄電率（ＳＯＣ）等に基づいて、各種の制御信号をＥＣＵ２２、ＰＣＵ３０、ＨＣＵ３５に送信する。これにより、ＥＣＵ２２は、ＭＣ３６からの制御信号に基づいて、エンジン２１の回転数等を制御する。また、ＨＣＵ３５は、その他のハイブリッド機器（モータ、インバータ）の状態と、ＭＣ３６からの操作装置８〜１０のレバー操作量の情報を基づいて、ハイブリッド機器である発電電動機２７、インバータ２８、蓄電装置３２を制御する。

これに加えて、ＨＣＵ３５は、コントローラを構成し、蓄電装置３２の出力を制御する。具体的には、ＨＣＵ３５は、ＢＣ３４からの信号に基づいて、蓄電装置３２の電流Ｉが入力される。このとき、ＨＣＵ３５は、電流Ｉに基づいて、電流Ｉを制限するための電流制限値Ｉlim［％］を算出する。電流Ｉの制限が不要な場合には、電流制限値Ｉlimは１００％になる。一方、電流Ｉの制限が必要な場合には、制限の度合いに応じて電流制限値Ｉlimは１００％よりも低下した値（Ｉlim＜１００）になる。ＨＣＵ３５は、電流Ｉが電流制限値Ｉlimよりも小さくなるように、ＰＣＵ３０およびインバータ２８を用いて、蓄電装置３２の充電および放電を制御する。

次に、ＨＣＵ３５に搭載した本発明の具体的な構成について説明する。図４に示すように、ＨＣＵ３５は、二乗演算器４１と、第１ないし第４の一次遅れ演算器４２〜４５と、電流制御演算器４６とを備える。

二乗演算器４１は、その入力側がＢＣ３４に接続され、電流センサ３３によって検出された電流Ｉが入力される。この二乗演算器４１は、電流Ｉを二乗した電流演算値Ｉ²を算出する。このとき、電流演算値Ｉ²は、充電および放電のいずれの電流Ｉが入力されたときであっても、正の値になる。二乗演算器４１は、電流演算値Ｉ²を第１ないし第４の一次遅れ演算器４２〜４５に出力する。

第１の一次遅れ演算器４２は、電流演算値Ｉ²の一次遅れ応答を演算し、出力信号Ｙ1(ｔ)を出力する。第１の一次遅れ演算器４２は、予め決められた時定数Ｔ1を有し、低域通過フィルタを構成している。第１の一次遅れ演算器４２は、以下の数１の式に示す伝達関数Ｈ1(s)を有している。

第２ないし第４の一次遅れ演算器４３〜４５も、第１の一次遅れ演算器４２とほぼ同様に構成されている。このため、第２ないし第４の一次遅れ演算器４３〜４５は、電流演算値Ｉ²の一次遅れ応答を演算し、出力信号Ｙ2(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)を出力する。第２ないし第４の一次遅れ演算器４３〜４５は、予め決められた時定数Ｔ2〜Ｔ4を有し、低域通過フィルタを構成している。第２ないし第４の一次遅れ演算器４３〜４５は、以下の数２〜数４の式に示す伝達関数Ｈ2(s)〜Ｈ4(s)をそれぞれ有している。

ここで、時定数Ｔ1〜Ｔ4は、互いに異なる値に設定されている。具体的には、時定数Ｔ1〜Ｔ4は、以下の数５の式に示す関係を満たしている。即ち、時定数Ｔ1〜Ｔ4は、順次大きくなっている。このため、時定数Ｔ1よりも時定数Ｔ2が大きく、時定数Ｔ2よりも時定数Ｔ3が大きく、時定数Ｔ3よりも時定数Ｔ4が大きくなっている。

このため、第１ないし第４の一次遅れ演算器４２〜４５の中で、第１の一次遅れ演算器４２は、そのカットオフ周波数が最も高くなっている。このため、電流Ｉが短時間で急峻に変化したときでも、第１の一次遅れ演算器４２の出力信号Ｙ1(ｔ)は変化する。これに対し、第１ないし第４の一次遅れ演算器４２〜４５の中で、第４の一次遅れ演算器４５は、そのカットオフ周波数が最も低くなっている。このため、電流Ｉが短時間で急峻に変化したときには、第４の一次遅れ演算器４５の出力信号Ｙ4(ｔ)は変化が小さく、長時間で緩やかに電流Ｉが変化したときに、出力信号Ｙ4(ｔ)は変化する。

第２の一次遅れ演算器４３のカットオフ周波数は、第１の一次遅れ演算器４２のカットオフ周波数よりも低く、第４の一次遅れ演算器４５のカットオフ周波数よりも高くなっている。このため、第２の一次遅れ演算器４３の出力信号Ｙ2(ｔ)は、出力信号Ｙ1(ｔ)と出力信号Ｙ4(ｔ)の中間的な特性となる。従って、例えば電流Ｉがステップ状に増加したときには、出力信号Ｙ2(ｔ)は、出力信号Ｙ1(ｔ)よりも立上りが遅くなり、出力信号Ｙ4(ｔ)よりは立上りが早くなる。

第３の一次遅れ演算器４４のカットオフ周波数は、第２の一次遅れ演算器４３のカットオフ周波数よりも低く、第４の一次遅れ演算器４５のカットオフ周波数よりも高くなっている。このため、第３の一次遅れ演算器４４の出力信号Ｙ3(ｔ)は、出力信号Ｙ2(ｔ)と出力信号Ｙ4(ｔ)の中間的な特性となる。従って、例えば電流Ｉがステップ状に増加したときには、出力信号Ｙ3(ｔ)は、出力信号Ｙ2(ｔ)よりも立上りが遅くなり、出力信号Ｙ4(ｔ)よりは立上りが早くなる。

数１〜数４の式中で、係数Ｋ1〜Ｋ4は、通過域の利得（ゲイン）を示している。これらの係数Ｋ1〜Ｋ4は、仕様等に応じて適宜設定される。係数Ｋ1〜Ｋ4は、互いに同じ値でもよく、互いに異なる値でもよい。係数Ｋ1〜Ｋ4は、例えば同じ値として１に設定されている。

電流制御演算器４６は、第１ないし第４の一次遅れ演算器４２〜４５の演算結果に基づいて、蓄電装置３２の充放電電流を制御する。具体的には、電流制御演算器４６は、第１ないし第４の一次遅れ演算器４２〜４５からの出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)に基づいて、充放電電流を制限するための電流制限値Ｉlim［％］を出力する。電流制御演算器４６は、第１ないし第４の除算器４６Ａ〜４６Ｄと、最大値選択器４６Ｅと、電流制限値算出部４６Ｆとを備えている。

第１ないし第４の除算器４６Ａ〜４６Ｄは、演算結果調整器を構成している。第１ないし第４の除算器４６Ａ〜４６Ｄは、一次遅れ演算器４２〜４５のうち時定数が小さい一次遅れ演算器の定常値が、時定数が大きい一次遅れ演算器の定常値に比べて小さくなるように、各一次遅れ演算器４２〜４５の出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)を調整する。

第１の除算器４６Ａは、出力信号Ｙ1(ｔ)を予め決められた閾値Ｃ1で除算する。第１の除算器４６Ａは、閾値Ｃ1に対する出力信号Ｙ1(ｔ)の比率として、第１の比率Ｒ1（Ｒ1＝Ｙ1／Ｃ1）を算出する。

第２の除算器４６Ｂは、出力信号Ｙ2(ｔ)を予め決められた閾値Ｃ2で除算する。第２の除算器４６Ｂは、閾値Ｃ2に対する出力信号Ｙ2(ｔ)の比率として、第２の比率Ｒ2（Ｒ2＝Ｙ2／Ｃ2）を算出する。

第３の除算器４６Ｃは、出力信号Ｙ3(ｔ)を予め決められた閾値Ｃ3で除算する。第３の除算器４６Ｃは、閾値Ｃ3に対する出力信号Ｙ3(ｔ)の比率として、第３の比率Ｒ3（Ｒ3＝Ｙ3／Ｃ3）を算出する。

第４の除算器４６Ｄは、出力信号Ｙ4(ｔ)を予め決められた閾値Ｃ4で除算する。第４の除算器４６Ｄは、閾値Ｃ4に対する出力信号Ｙ4(ｔ)の比率として、第４の比率Ｒ4（Ｒ4＝Ｙ4／Ｃ4）を算出する。

第１ないし第４の除算器４６Ａ〜４６Ｄは、比率Ｒ1〜Ｒ4を最大値選択器４６Ｅに出力する。ここで、閾値Ｃ1〜Ｃ4は、以下の数６の式に示す関係を満たすように設定されている。このため、出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)を算出した一次遅れ演算器４２〜４５の時定数Ｔ1〜Ｔ4が大きくなるに従って、出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)に対応した係数Ｋ1〜Ｋ4と閾値Ｃ1〜Ｃ4との比率は小さくなっている。従って、Ｋ1／Ｃ1は最も小さくなり、Ｋ4／Ｃ4は最も大きくなっている。

最大値選択器４６Ｅは、第１ないし第４の比率Ｒ1〜Ｒ4のうち最も大きな最大比率Ｒmaxを選択する。このとき、除算器４６Ａ〜４６Ｄは、係数Ｋ1〜Ｋ4と閾値Ｃ1〜Ｃ4との比率が一次遅れ演算器４２〜４５の時定数Ｔ1〜Ｔ4に応じて互いに異なる値に設定されている。このため、例えば短時間で急激に電流Ｉが増加したときには、出力信号Ｙ1(ｔ)が出力信号Ｙ2(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)よりも早く大きくなる。これにより、電流Ｉが増加した直後は、第１の除算器４６Ａから出力される比率Ｒ1が、他の比率Ｒ2〜Ｒ4に比べて大きくなる傾向がある。

これに対し、例えば長時間に亘って緩やかに電流Ｉが増加したときには、出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)はいずれも緩やかに増加する。この場合、数６の式中でＫ4／Ｃ4が最も大きくなっているから、長時間の経過後は、第４の除算器４６Ｄから出力される比率Ｒ4が、他の比率Ｒ1〜Ｒ3に比べて大きくなる傾向がある。

このように、電流変化の割合や時間の経過状況等に応じて、第１ないし第４の比率Ｒ1〜Ｒ4の大小関係が異なる。このため、最大値選択器４６Ｅは、第１ないし第４の比率Ｒ1〜Ｒ4のうち最大比率Ｒmaxを選択することによって、電流Ｉの制限が必要となる要素（成分）を抽出することができる。

電流制限値算出部４６Ｆは、最大比率Ｒmaxに基づいて充放電電流を制限するための電流制限値Ｉlim［％］を出力する。電流制限値Ｉlim［％］は、通常時に許容される充放電電流を基準値（１００％）として、この基準値に対する低下割合（低下比率）を示している。電流制限値算出部４６Ｆは、図４に示すテーブル４７に基づいて、最大比率Ｒmaxから電流制限値Ｉlimを演算する。

電流制限値算出部４６Ｆは、最大比率Ｒmaxが所定の下限値以下（例えば、Ｒmax≦０．８）のときは、電流制限値Ｉlimを通常時と同じ値に設定する（Ｉlim＝１００％）。電流制限値算出部４６Ｆは、最大比率Ｒmaxが所定の下限値よりも大きく、上限値よりも小さい（例えば、０．８＜Ｒmax＜１）ときは、最大比率Ｒmaxと下限値との差異に応じて、電流制限値Ｉlimを通常時よりも低下させる（０％＜Ｉlim＜１００％）。そして、電流制限値算出部４６Ｆは、最大比率Ｒmaxが所定の上限値（例えば、Ｒmax＝１）に到達したときに、電流制限値Ｉlimが充放電を停止させる値（Ｉlim＝０％）となるように、電流制限値Ｉlimを、最大比率Ｒmaxが上限値に近付くに従って徐々に低下させる。このため、許可と禁止と２状態で充放電電流を制御する場合に比べて、充放電の停止を抑制することができる。なお、上述した下限値、上限値および電流制限値Ｉlimが減少する割合等は、例示したものに限らず、蓄電装置３２の仕様等に応じて適宜設定される。

ＨＣＵ３５は、電流制限値算出部４６Ｆから出力された電流制限値Ｉlimを超えないように、蓄電装置３２の充放電の電流Ｉを制御する。即ち、ＨＣＵ３５は、最大比率Ｒmaxが上限値を超えないように、電流Ｉを制御する。これにより、ＨＣＵ３５は、例えば電流制限値Ｉlimによって蓄電装置３２からの電力供給が低下すること等を考慮した上で、エンジン２１および発電電動機２７を制御する。

本実施の形態による油圧ショベル１は上述のような構成を有するもので、次に、ＨＣＵ３５による蓄電装置３２の電流Ｉの制御内容について、図４ないし図６を参照しつつ説明する。なお、図５および図６は、開始時点ｔsから電流Ｉがステップ状に増加し、電流Ｉが０Ａから通常時に使用可能な所定値（例えば１５０Ａ）まで上昇した場合を示している。実際のバッテリユニット３１では、開始時点ｔsから所定時間（例えば数十秒から数分程度）が経過すると、電流Ｉは、ＨＣＵ３５によって制限されて低下する。これに対し、図５および図６は、電流Ｉが制限されない仮想的な場合を示している。

図５に示すように、開始時点ｔsで電流Ｉがステップ状に増加すると、一次遅れ演算器４２〜４５から出力される出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)は、いずれも増加する。このとき、ＨＣＵ３５の一次遅れ演算器４２〜４５は、その時定数Ｔ1〜Ｔ4が互いに異なる。このため、電流Ｉが増加した直後の過渡状態では、出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)の増加割合は、時定数Ｔ1〜Ｔ4に応じて互いに異なる。例えば、第１の一次遅れ演算器４２の時定数Ｔ1は、他の時定数Ｔ2〜Ｔ4に比べて小さいから、過渡状態の出力信号Ｙ1(ｔ)は、他の出力信号Ｙ2(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)に比べて早期に増加する。逆に、第４の一次遅れ演算器４５の時定数Ｔ4は、他の時定数Ｔ1〜Ｔ3に比べて大きいから、出力信号Ｙ4(ｔ)の増加は、他の出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ3(ｔ)に比べて遅延する。

この場合、４個の除算器４６Ａ〜４６Ｄによって、出力信号Ｙ1(ｔ)の定常値は他の出力信号Ｙ2(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)の定常値に比べて小さくなるが、過渡状態の出力信号Ｙ1(ｔ)は、他の出力信号Ｙ2(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)よりも大きい。このため、図６に示すように、電流Ｉが増加した直後は、第１の除算器４６Ａから出力される比率Ｒ1が、他の比率Ｒ2〜Ｒ4に比べて大きくなる。この結果、電流制限値算出部４６Ｆは、過渡状態の電流Ｉについては、最大値選択器４６Ｅによって選択された比率Ｒ1に基づいて電流制限値Ｉlimを算出する。

一方、図５に示すように、電流Ｉが所定値付近に収束した定常状態では、係数Ｋ1〜Ｋ4が互いに同じ値である場合には、一次遅れ演算器４２〜４５の出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)は互いに同程度の値に収束する。このとき、除算器４６Ａ〜４６Ｄは、時定数Ｔ1が小さい一次遅れ演算器４２の定常値が、他の一次遅れ演算器４３〜４５の定常値に比べて小さくなるように、出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)を調整した比率Ｒ1〜Ｒ4を出力する。このため、図６に示すように、電流Ｉの増加から十分に時間が経過した定常状態では、時定数Ｔ3が時定数Ｔ1，Ｔ2に比べて大きいから、一次遅れ演算器４４による出力信号Ｙ3(ｔ)を調整した比率Ｒ3が、比率Ｒ1，Ｒ2に比べて大きくなる。同様に、さらに継続して電流Ｉを流すと、最終的には比率Ｒ4が比率Ｒ3を上回るようになる。この結果、電流制限値算出部４６Ｆは、定常状態の電流Ｉについては、最大値選択器４６Ｅによって選択された比率Ｒ3，Ｒ4に基づいて電流制限値Ｉlimを算出する。

上述したように、短時間で急激に電流Ｉが変化した場合と、長時間で緩やかに電流Ｉが変化した場合とでは、異なる出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)に基づいて、電流制限値Ｉlimを算出することができる。この結果、電流Ｉから演算で求められる、蓄電装置３２の可逆的内部抵抗、不可逆的内部抵抗、温度等のような複数の指標（制限条件）で同一の対象（電池または電池電流）を制御することができる。

かくして、本実施の形態によれば、ＨＣＵ３５は、互いに異なる時定数Ｔ1〜Ｔ4を有し、蓄電装置３２の充放電電流に基づいた一次遅れ演算を行う４個の一次遅れ演算器４２〜４５と、４個の一次遅れ演算器４２〜４５の演算結果に基づいて蓄電装置３２の電流Ｉを制御する電流制御演算器４６とを備える構成とした。このため、一次遅れ演算器４２〜４５は互いに異なる応答性をもった出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)を出力するから、電流制御演算器４６は応答性の異なる複数の条件に基づいて、蓄電装置３２の電流Ｉを制御することができる。従って、電流Ｉから演算で求められる、蓄電装置３２の可逆的内部抵抗、不可逆的内部抵抗、温度等のような複数の指標（制限条件）で同一の対象（電池または電池電流）を制御することができる。この結果、蓄電装置３２の運用停止を抑制しつつ、複数の制限条件に応じて蓄電装置３２の電流Ｉを制御することできるから、蓄電装置３２の性能低下を適切に防止しながら、蓄電装置３２を使用することができる。

また、電流制御演算器４６は、４個の除算器４６Ａ〜４６Ｄ（演算結果調整器）と、最大値選択器４６Ｅと、電流制限値算出部４６Ｆとを備える。このとき、４個の除算器４６Ａ〜４６Ｄは、４個の一次遅れ演算器４２〜４５のうち時定数が小さい一次遅れ演算器の定常値が、時定数が大きい一次遅れ演算器の定常値に比べて小さくなるように、各一次遅れ演算器４２〜４５の出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)を調整する。

このため、定常状態では、一次遅れ演算器４２〜４５の出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)が互いに近い値になるから、時定数Ｔ4が大きい一次遅れ演算器４５の出力信号Ｙ4(ｔ)に基づく比率Ｒ4が、他の比率Ｒ1〜Ｒ3に比べて大きくなる。一方、過渡状態では、時定数Ｔ1が小さい一次遅れ演算器４２の出力信号Ｙ1(ｔ)が、他の出力信号Ｙ2(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)よりも大きくなるから、出力信号Ｙ1(ｔ)に基づく比率Ｒ1が、他の比率Ｒ2〜Ｒ4に比べて大きくなる。

このとき、最大値選択器４６Ｅは、４個の除算器４６Ａ〜４６Ｄによって出力信号Ｙ1(ｔ)〜Ｙ4(ｔ)が調整された比率Ｒ1〜Ｒ4（調整結果）のうち最大比率Ｒmaxを選択する。これにより、最大値選択器４６Ｅは、電流Ｉが急激に変化した場合と、電流Ｉが緩やかな変化した場合とで、異なる比率Ｒ1〜Ｒ4を選択することができ、電流Ｉの制限が必要となる要素（成分）を抽出することができる。

さらに、電流制限値算出部４６Ｆは、最大値選択器４６Ｅからの最大比率Ｒmax（出力結果）に基づいて、蓄電装置３２の電流制限値Ｉlimを算出する。これにより、電流変化の割合や時間の経過状況等に応じて、電流Ｉを制限することができる。

この結果、電流制御演算器４６は、短時間で急峻に電流Ｉが変化した場合には、例えば時定数Ｔ1の小さい一次遅れ演算器４２の演算結果（出力信号Ｙ1(ｔ)）の比率Ｒ1が上限値に近付いたときに、蓄電装置３２の電流Ｉを制限することができる。一方、電流制御演算器４６は、長時間で緩やかに電流Ｉが変化した場合には、例えば時定数Ｔ4の大きい一次遅れ演算器４５の演算結果（出力信号Ｙ4(ｔ)）の比率Ｒ4が上限値に近付いたときに、蓄電装置３２の電流Ｉを制限することができる。

なお、前記実施の形態では、電流制御演算器４６は、４個の除算器４６Ａ〜４６Ｄと、最大値選択器４６Ｅと、電流制限値算出部４６Ｆとを備える構成とした。本発明はこれに限らず、例えば時定数Ｔ1〜Ｔ4が大きくなるに従って、一次遅れ演算器４２〜４５の係数Ｋ1〜Ｋ4（ゲイン）が大きくなる場合には、除算器４６Ａ〜４６Ｄを省く構成としてもよい。

前記実施の形態では、演算結果調整器として除算器４６Ａ〜４６Ｄを用いるものとした。本発明はこれに限らず、複数の一次遅れ演算器のうち時定数が小さい一次遅れ演算器の定常値が、時定数が大きい一次遅れ演算器の定常値に比べて小さくなるように、各一次遅れ演算器の演算結果を調整するものであればよく、例えば係数を乗算する乗算器でもよい。

前記実施の形態では、ＨＣＵ３５は、４個の一次遅れ演算器４２〜４５を備える構成としたが、２個または３個の一次遅れ演算器を備える構成としてもよく、５個以上の一次遅れ演算器を備える構成としてもよい。

前記実施の形態では、ＨＣＵ３５によって、蓄電装置３２を制御するための電流制限値Ｉlimを算出する構成としたが、ＢＣ３４によって電流制限値Ｉlimを算出してもよい。また、ＨＣＵ３５は、二乗演算器４１と、第１ないし第４の一次遅れ演算器４２〜４５と、電流制御演算器４６とを備えるものとしたが、これらのうち前段部分（例えば二乗演算器４１）をＢＣ３４が備え、後段部分（例えば一次遅れ演算器４２〜４５および電流制御演算器４６）をＨＣＵ３５が備える構成としてもよい。さらに、ＨＣＵ３５とＢＣ３４とを統合して、単一のコントローラを構成してもよい。

前記実施の形態では、エンジン２１の最大出力を油圧ポンプ２３の最大動力よりも小さくしたが、エンジン２１の最大出力は、油圧ショベル１の仕様等に応じて適宜設定される。このため、エンジン２１の最大出力は、油圧ポンプ２３の最大動力と同程度でもよく、油圧ポンプ２３の最大動力よりも大きくてもよい。

前記実施の形態では、蓄電装置３２にリチウムイオン二次電池を用いた場合を例に挙げて説明したが、必要な電力を供給可能な他の二次電池（例えばニッケルカドミウムバッテリ、ニッケル水素バッテリ）やキャパシタを用いてもよい。また、蓄電装置と直流母線との間にＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇降圧装置を設けてもよい。

前記実施の形態では、建設機械としてクローラ式のハイブリッド油圧ショベル１を例に挙げて説明した。本発明はこれに限らず、例えばホイール式のハイブリッド油圧ショベル、ハイブリッドホイールローダ、リフトトラック等のように、エンジンと油圧ポンプに連結された電動機と、蓄電装置とを備えた各種のハイブリッド建設機械に適用可能である。また、エンジンを省いて、電動機のみで油圧ポンプを駆動する電動式建設機械についても、本発明は適用可能である。

１ ハイブリッド式油圧ショベル（建設機械）
１１ 作業装置
１１Ｄ ブームシリンダ（油圧装置）
１１Ｅ アームシリンダ（油圧装置）
１１Ｆ バケットシリンダ（油圧装置）
２１ エンジン
２３ 油圧ポンプ
２５ 走行油圧モータ（油圧装置）
２６ 旋回油圧モータ（油圧装置）
２７ 発電電動機（電動機）
３２ 蓄電装置
３３ 電流センサ
３４ バッテリコントローラ
３５ ハイブリッドコントローラ（コントローラ）
４２〜４５ 一次遅れ演算器
４６ 電流制御演算器
４６Ａ〜４６Ｄ 除算器（演算結果調整器）
４６Ｅ 最大値選択器
４６Ｆ 電流制限値算出部

Claims (2)

1. 電動機と、
   前記電動機に電気的に接続された蓄電装置と、
   前記電動機により駆動される油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプからの圧油によって駆動する油圧装置と、
   前記蓄電装置の出力を制御するコントローラとを有する建設機械において、
   前記コントローラは、
   互いに異なる時定数を有し、前記蓄電装置の電流に基づいた一次遅れ演算を行う複数の一次遅れ演算器と、
   前記複数の一次遅れ演算器の演算結果に基づいて、前記蓄電装置の電流を制御する電流制御演算器と、を備え、
   前記電流制御演算器は、前記複数の一次遅れ演算器のうち時定数が小さい一次遅れ演算器の定常値が、時定数が大きい一次遅れ演算器の定常値に比べて小さくなるように、前記各一次遅れ演算器の演算結果を調整する複数の演算結果調整器と、
   前記複数の演算結果調整器による調整結果のうち最大のものを選択する最大値選択器と、
   前記最大値選択器からの出力結果に基づいて、前記蓄電装置の電流の制限値を算出する電流制限値算出部と、を備えたことを特徴とする建設機械。
2. 前記電動機に機械的に接続されたエンジンをさらに備え、
   前記油圧ポンプは、前記電動機および前記エンジンによって駆動されることを特徴とする請求項１に記載の建設機械。

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