JP6318496B2 - ハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、旋回電動機の旋回速度を制御する、ハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置に関する。

従来より、ハイブリッド建設機械がある（特許文献１参照）。ハイブリッド建設機械には、下部走行体に対して上部旋回体を駆動（旋回）及び制動（減速）させるための旋回電動機を備えるものがある。特許文献１（［要約］の［解決手段］参照）には、「蓄電器（１６）の充電量を検出し、この充電量が設定値以上であるときに、旋回エネルギーを回生する余裕のない非常状態であるとして旋回電動機（１８）の最高速度を制限する」と記載されている（同文献中の符号に括弧を付した）。また、同文献（段落［００４７］参照）には「通常状態では、・・・旋回電動機（１８）に最高速度の制限は一切加えない。」と記載されている。

特開２０１２−１５８９５２号公報

特許文献１に記載の技術では、「正常状態」及び「非常状態」の２つの蓄電装置の状態に応じて、旋回電動機の旋回速度の最高速度（制限速度）が設定される。そのため、「正常状態」と「非常状態」との間で蓄電装置の状態が変化した時に、旋回電動機の旋回速度が急変するおそれがある。その結果、上部旋回体の旋回速度が急変するおそれがある。

また、特許文献１に記載の技術では、蓄電装置の状態のみに基づいて、旋回電動機の制限速度が設定される。そのため、旋回電動機の旋回速度が制限されすぎるおそれがある。その結果、上部旋回体の旋回性能が確保できないおそれがある。

そこで本発明は、旋回電動機の制限速度が急変することによる旋回電動機の旋回速度の急変を抑制でき、かつ、旋回電動機の制限速度を制限しすぎることを抑制できる、ハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置を提供することを目的とする。

本発明のハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置は、エンジンと、前記エンジンに機械的に接続される発電電動機と、上部旋回体を駆動及び制動させる旋回電動機と、前記発電電動機との間および前記旋回電動機との間で電力の授受を行う蓄電装置と、前記発電電動機の力行電力の上限値である上限力行電力を算出する上限力行電力算出手段と、前記蓄電装置の充電電力の上限値である上限充電電力を算出する上限充電電力算出手段と、前記旋回電動機の旋回速度の制限速度を算出する制限速度算出手段と、前記制限速度算出手段で算出された前記制限速度以内で前記旋回電動機の旋回速度を制御する旋回速度制御手段と、を備える。前記制限速度算出手段は、前記上限力行電力算出手段で算出された前記上限力行電力と、前記上限充電電力算出手段で算出された前記上限充電電力と、の和に基づいて、前記制限速度を算出する。

上記構成により、旋回電動機の制限速度が急変することによる旋回電動機の旋回速度の急変を抑制でき、かつ、旋回電動機の制限速度を制限しすぎることを抑制できる。

旋回電動機速度制御装置のブロック図である。 （ａ）：図１に示す上限充電電力算出手段４３の動作を示す図である。（ｂ）：図１に示す制限速度算出手段４５の動作を示す図である。（ｃ）：制限速度算出手段４５の動作の変形例を示す図である。 図１に示す旋回速度制御手段４９等の動作を示す図である。

図１〜図３を参照して、図１に示す旋回電動機速度制御装置１について説明する。

旋回電動機速度制御装置１（ハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置）は、旋回電動機２１（後述）の速度を制御する装置である。旋回電動機速度制御装置１は、ハイブリッド建設機械（図示なし）に設けられる。ハイブリッド建設機械は、下部走行体（図示なし）と、下部走行体に対して旋回可能に搭載される上部旋回体Ｕと、を備える。旋回電動機速度制御装置１は、上部旋回体に搭載される。旋回電動機速度制御装置１は、エンジン周辺機器類１１〜１７と、旋回電動機周辺機器類２１，２３と、蓄電装置周辺機器類３１，３３と、車体側コントローラ４０と、を備える。

エンジン周辺機器類１１〜１７には、エンジン１１と、回転数検出手段１２と、発電電動機１３と、油圧ポンプ１５と、発電コンバータ１７と、がある。

エンジン１１は、ハイブリッド建設機械の駆動源の一部である。エンジン１１は、出力軸１１ａ（駆動軸）を備える。

回転数検出手段１２は、エンジン１１の回転数（単位時間当たりの回転数、回転速度）を検出する。回転数検出手段１２は、エンジン１１の回転数を直接的または間接的に検出する。例えば、回転数検出手段１２は、エンジン１１の回転数を制御するための信号を検出する。また例えば、回転数検出手段１２は、エンジン１１の出力軸１１ａの回転を直接検出してもよい（図示なし）。

発電電動機１３は、エンジン１１に機械的に接続される。発電電動機１３は、出力軸１１ａに例えば直接接続される。また例えば、発電電動機１３は、ギア（図示なし）を介して出力軸１１ａに接続されてもよい。発電電動機１３は、エンジン１１により駆動されることで発電（電力回生、発電機として動作）する「発電動作」が可能である。発電電動機１３は、電力を消費して力行（駆動、電動機として動作）することで、エンジン１１の動力をアシストする「力行動作」が可能である。力行動作により発電電動機１３が消費する電力を「力行電力」とする。

油圧ポンプ１５は、ハイブリッド建設機械が備える油圧アクチュエータ（図示なし）に油（作動油）を供給する。油圧ポンプ１５は、エンジン１１の出力軸１１ａに接続される。油圧ポンプ１５は、エンジン１１及び発電電動機１３により駆動される。

発電コンバータ１７は、発電電動機１３と蓄電装置３１（後述）との間で電力の授受を行うための電力変換装置である。発電コンバータ１７は、コンバータ回路とインバータ回路とを備える。

旋回電動機周辺機器類２１，２３には、旋回電動機２１と、旋回インバータ２３と、がある。

旋回電動機２１は、下部走行体（図示なし）に対して上部旋回体Ｕを駆動（旋回）及び制動（減速）させる。旋回電動機２１は、電力を消費して力行（駆動、電動機として動作）することで、下部走行体（図示なし）に対して上部旋回体Ｕを旋回させる「旋回駆動動作」が可能である。旋回駆動動作を行う旋回電動機２１には、蓄電装置３１（後述）及び発電電動機１３のうち少なくともいずれかから電力が供給される。旋回電動機２１は、下部走行体（図示なし）に対して旋回している上部旋回体Ｕを減速させて発電（電力回生、発電機として動作）する「旋回回生動作」が可能である。旋回回生動作により旋回電動機２１が発生させた電力を「回生電力」とする。回生電力は、発電電動機１３の力行動作による電力消費、及び、蓄電装置３１への充電、のうち少なくともいずれかに使われる（吸収される）。旋回電動機２１の駆動速度（下部走行体に対する上部旋回体Ｕの回転速度）を「旋回速度」とする。

旋回インバータ２３は、旋回電動機２１と蓄電装置３１（後述）との間で電力の授受を行うための電力変換装置である。旋回インバータ２３は、インバータ回路とコンバータ回路とを備える。

蓄電装置周辺機器類３１，３３には、蓄電装置３１と、蓄電装置側コントローラ３３（蓄電装置コントローラ）と、がある。

蓄電装置３１は、電力を蓄える装置である。蓄電装置３１は、例えば蓄電池（バッテリ）を備え、また例えばキャパシタを備えてもよく、また例えばこれらを組み合わせたものを備えてもよい。蓄電装置３１は、発電電動機１３との間および旋回電動機２１との間で電力の授受を行う。

蓄電装置側コントローラ３３（蓄電装置コントローラ）は、蓄電装置３１の温度Ｔ（バッテリ温度）を検出（取得）する（蓄電装置温度検出手段）。蓄電装置側コントローラ３３は、蓄電装置３１の充電率ＳＯＣ（ＳＯＣ：State Of Charge）を算出（取得）する（充電率算出手段）。なお、蓄電装置側コントローラ３３は、温度Ｔ及び充電率ＳＯＣのうち一方の情報のみを取得してもよい。

車体側コントローラ４０は、発電電動機１３、旋回電動機２１、及び、蓄電装置３１等の動作を制御する。車体側コントローラ４０は、発電電動機１３のトルク指令を発電コンバータ１７に出力し、旋回電動機２１のトルク指令を旋回インバータ２３に出力する。車体側コントローラ４０は、上限力行電力算出手段４１と、上限充電電力算出手段４３と、制限速度算出手段４５と、目標旋回速度算出手段４７と、旋回速度制御手段４９と、を備える（各手段の詳細は後述）。

この車体側コントローラ４０等の動作の概略は次の通りである。上述したように、旋回電動機２１が旋回回生動作を行うと回生電力が発生する。この回生電力は、発電電動機１３および蓄電装置３１（のうち少なくともいずれか）により吸収される。ここで、旋回電動機２１の旋回速度が大きすぎると、この回生電力が、発電電動機１３及び蓄電装置３１で吸収可能な電力を超えてしまう。そこで、車体側コントローラ４０（制限速度算出手段４５）は、蓄電装置３１の状態および発電電動機１３の状態に応じて、旋回電動機２１の制限速度を算出する。そして、車体側コントローラ４０（旋回速度制御手段４９）は、算出された制限速度に応じて、旋回電動機２１の旋回速度を制御する。

上限力行電力算出手段４１は、発電電動機１３の力行電力の上限値（「上限力行電力Ｐ１ｍａｘ」）を算出する。上限力行電力Ｐ１ｍａｘは、発電電動機１３の力行動作により消費可能な電力の最大値（アシスト可能電力、力行可能電力）である。上限力行電力算出手段４１には、エンジン１１の回転数に応じた上限力行電力Ｐ１ｍａｘの設定値である「上限力行電力設定値」が予め設定される。すなわち、上限力行電力算出手段４１には、エンジン１１の回転数と、各回転数に応じた上限力行電力Ｐ１ｍａｘの値と、の関係が予め設定されている。そして、上限力行電力算出手段４１は、回転数検出手段１２により検出されたエンジン１１の回転数と、上限力行電力設定値と、に応じて、上限力行電力Ｐ１ｍａｘを算出する。

上限充電電力算出手段４３は、蓄電装置３１の充電電力の上限値（「上限充電電力Ｐ３ｍａｘ」）を算出する。上限充電電力Ｐ３ｍａｘは、蓄電装置３１に充電可能な電力の最大値（充電可能電力、上限充電電力）である。上限充電電力算出手段４３は、蓄電装置側コントローラ３３に取得された情報に応じて、上限充電電力Ｐ３ｍａｘを算出する。図２（ａ）に示すように、上限充電電力算出手段４３は、蓄電装置３１の温度Ｔ及び充電率ＳＯＣのうち少なくとも一方に応じて、上限充電電力Ｐ３ｍａｘを算出する。好ましくは、上限充電電力算出手段４３は、蓄電装置３１の温度Ｔ及び充電率ＳＯＣに応じて、上限充電電力Ｐ３ｍａｘを算出する。

制限速度算出手段４５は、図１に示す発電電動機１３及び蓄電装置３１で吸収可能な電力に基づいて、旋回電動機２１の旋回速度の制限速度（「制限速度Ｒｍａｘ」、旋回速度の上限値）を算出する。さらに詳しくは、制限速度算出手段４５は、旋回電動機２１の回生電力が、発電電動機１３及び蓄電装置３１で吸収可能な電力を超えないように、制限速度Ｒｍａｘを算出する。図２（ｂ）に示すように、制限速度算出手段４５は、上限力行電力算出手段４１で算出された上限力行電力Ｐ１ｍａｘと、上限充電電力算出手段４３で算出された上限充電電力Ｐ３ｍａｘと、の和（「和Ｓ」）に基づいて、制限速度Ｒｍａｘを算出する。この算出の具体例は、次の［算出ａ］又は［算出ｂ］等である。［算出ａ］制限速度算出手段４５には、上記和Ｓと、制限速度Ｒｍａｘと、の関係が予め設定される。そして、制限速度算出手段４５は、上記和Ｓに応じて、制限速度Ｒｍａｘを算出する。［算出ｂ］制限速度算出手段４５には、予め係数Ｃが設定される。図２（ｃ）に示すように、制限速度算出手段４５は、上記和Ｓに係数Ｃを掛けたものを、制限速度Ｒｍａｘとする。

目標旋回速度算出手段４７は、ハイブリッド建設機械（図示なし）の操作者による操作（例えばレバー操作など）に応じて、図１に示す旋回電動機２１の旋回速度の目標値（「目標旋回速度Ｒ１」）を算出する。

旋回速度制御手段４９は、制限速度算出手段４５で算出された制限速度Ｒｍａｘ以内で、旋回電動機２１の旋回速度を制御する。旋回速度制御手段４９の動作の詳細は次の通りである。図３に示すように、目標旋回速度算出手段４７で算出された目標旋回速度Ｒ１と、制限速度算出手段４５で算出された制限速度Ｒｍａｘと、のうち小さい方が選択される（低位選択される）。次に、低位選択された速度（Ｒ１またはＲｍａｘ）が、補正後の（新たな）目標旋回速度Ｒ２とされる。次に、旋回速度制御手段４９は、旋回電動機２１の実際の旋回速度が目標旋回速度Ｒ２になるように、速度フィードバック制御を行う。旋回速度制御手段４９は、旋回電動機２１のトルク指令を旋回インバータ２３（図１参照）に出力する。

（効果１）
次に、図１に示す旋回電動機速度制御装置１（ハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置）による効果を説明する。旋回電動機速度制御装置１は、エンジン１１と、エンジン１１に機械的に接続される発電電動機１３と、上部旋回体Ｕを駆動及び制動させる旋回電動機２１と、発電電動機１３との間および旋回電動機２１との間で電力の授受を行う蓄電装置３１と、発電電動機１３の力行電力の上限値である上限力行電力Ｐ１ｍａｘを算出する上限力行電力算出手段４１と、蓄電装置３１の充電電力の上限値である上限充電電力Ｐ３ｍａｘを算出する上限充電電力算出手段４３と、旋回電動機２１の旋回速度の制限速度Ｒｍａｘを算出する制限速度算出手段４５と、制限速度算出手段４５で算出された制限速度Ｒｍａｘ以内で旋回電動機２１の旋回速度を制御する旋回速度制御手段４９と、を備える。
［構成１］制限速度算出手段４５は、上限力行電力算出手段４１で算出された上限力行電力Ｐ１ｍａｘと、上限充電電力算出手段４３で算出された上限充電電力Ｐ３ｍａｘと、の和Ｓに基づいて、制限速度Ｒｍａｘを算出する。

（効果１−１）
上記［構成１］では、発電電動機１３の力行電力の上限値（上限力行電力Ｐ１ｍａｘ）、および、蓄電装置３１の充電電力の上限値（上限充電電力Ｐ３ｍａｘ）が用いられる。これらの上限値は、発電電動機１３及び蓄電装置３１の状態に応じて、連続的に（例えばリニアに、または多数、多段階に）設定され得る。その結果、これらの上限値の和Ｓに基づいて算出される旋回電動機２１の制限速度Ｒｍａｘも、発電電動機１３及び蓄電装置３１の状態に応じて連続的に（又は多数等）設定され得る。よって、制限速度Ｒｍａｘの急変を抑制できる。したがって、制限速度Ｒｍａｘが急変することによる旋回電動機２１の旋回速度の急変を抑制できる。その結果、下部走行体（図示なし）に対する上部旋回体Ｕの旋回速度の急変を抑制でき、安全性を確保できる。

（効果１−２）
また、上記［構成１］では、上限充電電力算出手段４３のみではなく、上限力行電力Ｐ１ｍａｘにも基づいて、制限速度Ｒｍａｘが算出される。さらに詳しくは、蓄電装置３１に吸収（充電）される電力のみではなく、発電電動機１３で消費される電力にも基づいて、制限速度Ｒｍａｘが算出される。よって、蓄電装置３１の充電電力の上限値（上限充電電力Ｐ３ｍａｘ）のみに基づいて制限速度Ｒｍａｘが算出される場合に比べ、制限速度Ｒｍａｘを制限しすぎることを抑制できる。その結果、上部旋回体Ｕの旋回性能を確保できる。

（効果２）
旋回電動機速度制御装置１は、エンジン１１の回転数を検出する回転数検出手段１２を備える。上限力行電力算出手段４１には、エンジン１１の回転数に応じた上限力行電力Ｐ１ｍａｘである上限力行電力設定値が予め設定される。上限力行電力算出手段４１は、回転数検出手段１２により検出されたエンジン１１の回転数と上限力行電力設定値とに応じて、上限力行電力Ｐ１ｍａｘを算出する。

上記構成では、上限力行電力算出手段４１は、エンジン１１の回転数に応じて、上限力行電力Ｐ１ｍａｘを算出する。ここで、発電電動機１３の性能は、エンジン１１の回転数によって変わる（回転数が大きいほど、上限力行電力Ｐ１ｍａｘが大きい）。よって、上限力行電力算出手段４１は、上限力行電力Ｐ１ｍａｘを適切に設定できる。よって、上限力行電力算出手段４１で算出される上限力行電力Ｐ１ｍａｘが小さくなりすぎることを抑制できる。その結果、制限速度算出手段４５で算出される制限速度Ｒｍａｘが小さくなりすぎることを抑制できる。

（効果３）
旋回電動機速度制御装置１は、蓄電装置３１の温度Ｔの情報または充電率ＳＯＣの情報を取得する蓄電装置側コントローラ３３を備える。上限充電電力算出手段４３は、蓄電装置側コントローラ３３に取得された情報に応じて上限充電電力Ｐ３ｍａｘを算出する。

上記構成では、上限充電電力算出手段４３は、蓄電装置３１の温度Ｔまたは充電率ＳＯＣに応じて、上限充電電力Ｐ３ｍａｘを算出する。ここで、蓄電装置３１の充電の性能（上限充電電力Ｐ３ｍａｘ）は、蓄電装置３１の温度Ｔや充電率ＳＯＣによって変わる。よって、上限充電電力算出手段４３は、上限充電電力Ｐ３ｍａｘを適切に設定できる。よって、上限充電電力算出手段４３に算出される上限充電電力Ｐ３ｍａｘが小さくなりすぎることを抑制できる。その結果、制限速度算出手段４５で算出される制限速度Ｒｍａｘが小さくなりすぎることを抑制できる。

１ 旋回電動機速度制御装置（ハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置）
１１ エンジン
１２ 回転数検出手段
１３ 発電電動機
２１ 旋回電動機
３１ 蓄電装置
３３ 蓄電装置側コントローラ（蓄電装置コントローラ）
４１ 上限力行電力算出手段
４３ 上限充電電力算出手段
４５ 制限速度算出手段
４９ 旋回速度制御手段
Ｐ１ｍａｘ 上限力行電力
Ｐ３ｍａｘ 上限充電電力
Ｒｍａｘ 制限速度
Ｕ 上部旋回体

Claims (2)

1. エンジンと、
   前記エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記エンジンに機械的に接続される発電電動機と、
   上部旋回体を駆動及び制動させる旋回電動機と、
   前記発電電動機との間および前記旋回電動機との間で電力の授受を行う蓄電装置と、
   前記発電電動機の力行電力の上限値である上限力行電力を算出する上限力行電力算出手段と、
   前記蓄電装置の充電電力の上限値である上限充電電力を算出する上限充電電力算出手段と、
   前記旋回電動機の旋回速度の制限速度を算出する制限速度算出手段と、
   前記旋回電動機の旋回速度が、前記制限速度算出手段で算出された前記制限速度以内になるように、前記旋回電動機の旋回速度を制御する旋回速度制御手段と、
   を備え、
   前記上限力行電力算出手段には、前記エンジンの回転数に応じた前記上限力行電力の設定値である上限力行電力設定値が予め設定され、
   前記上限力行電力算出手段は、前記回転数検出手段により検出された前記エンジンの回転数と前記上限力行電力設定値とに応じて、前記エンジンの回転数が大きいほど前記上限力行電力が大きくなるように、前記上限力行電力を算出し、
   前記制限速度算出手段は、前記上限力行電力算出手段で算出された前記上限力行電力と、前記上限充電電力算出手段で算出された前記上限充電電力と、の和に基づいて、前記制限速度を算出し、
   前記制限速度算出手段は、前記旋回電動機が前記上部旋回体を制動させた場合に、前記旋回電動機の回生電力が、前記発電電動機及び前記蓄電装置で吸収可能な電力を超えないように、前記制限速度を算出する、
   ハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置。
2. 前記蓄電装置の温度の情報または充電率の情報を取得する蓄電装置コントローラを備え、
   前記上限充電電力算出手段は、前記蓄電装置コントローラに取得された前記情報に応じて前記上限充電電力を算出する、
   請求項１に記載のハイブリッド建設機械の旋回電動機速度制御装置。