ショベル及びその制御方法
【課題】別個に加熱装置を用いることなく効率的に且つ迅速にバッテリを暖めることができるハイブリッド式建設機械の暖機方法を提供することを課題とする。
【解決手段】バッテリ１９の温度が予め設定された温度より低いときにエンジン１１を作動させて暖機運転を行なう。同時に、アシストモータ１２を作動させてバッテリ１９を充放電させることにより、バッテリ１９の内部発熱を利用してバッテリ１９の温度を上昇させる。
【解決手段】バッテリ１９の温度が予め設定された温度より低いときにエンジン１１を作動させて暖機運転を行なう。同時に、アシストモータ１２を作動させてバッテリ１９を充放電させることにより、バッテリ１９の内部発熱を利用してバッテリ１９の温度を上昇させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建設機械の暖機方法に係り、特に蓄電器からの電力により電動発電機を駆動してエンジンをアシストするハイブリッド式建設機械の暖機方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建設機械は油圧駆動のものが多い。油圧駆動式建設機械の一例として、例えば油圧ショベルがある。油圧ショベルでは、一般的に、ショベルの駆動、上部旋回体の旋回、及び下部走行体の走行を、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ）を用いて行っている。油圧アクチュエータに供給する油圧は、エンジンを駆動源とする油圧ポンプにより発生することが多い。この場合、油圧アクチュエータの出力はエンジンの出力によって決まる。
【０００３】
油圧ショベルの作業は、エンジンの能力に対して常に１００％の能力を必要とする作業ばかりではなく、例えば、９０％、８０％の能力を出せば済むような作業が多い。そこで、油圧ショベルの動作モードを作業負荷によって変えることにより、異なる作業負荷の各々において最適なエンジン出力制御を行ない、エンジンを効率的に駆動して燃費を向上することが行なわれている。
【０００４】
例えば、エンジンの最大出力に相当する負荷作業を行う「高負荷モード」と、通常の負荷作業を行う「通常負荷モード」と、軽負荷作業を行う「低負荷モード」というように異なる作業モードを設定可能にする。そして、各作業モードにおいて、油圧アクチュエータを駆動するために油圧ポンプが必要とする駆動トルクがエンジンの出力トルクに等しくなるように等馬力制御を行い、エンジンの出力を有効に活用して燃費の向上を図る。
【０００５】
一般的に、油圧ショベルには、「高負荷モード」における出力に等しい最大出力を有するエンジンが搭載される。しかし、「高負荷モード」での運転は「通常負荷モード」での運転よりはるかに少ない。このため、油圧ショベルを「通常負荷モード」で運転しているときには、エンジンの出力には余裕がある。言い換えれば、「通常負荷モード」での運転に対して余分な出力を有する大きなエンジンが搭載されていることとなる。
【０００６】
近年、上述の油圧ショベルを含む油圧駆動式建設機械においてエンジンを小型化して燃料消費量を低減させるという要望がある。単純にエンジンを小型化すれば、「高負荷モード」での運転時に十分な油圧出力を得ることができない。そこで、エンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、発電機により充電されるバッテリと、バッテリの電力により駆動する電動機とを備えたいわゆるハイブリッド式建設機械が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１０３１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ハイブリッド式建設機械が行う作業は主に屋外で行う作業であり、ハイブリッド式建設機械は様々な環境下で運転される。例えば、寒冷地においてハイブリッド式建設機械を運転する際には、始動時にエンジンが冷えているのでエンジンがある程度暖まるまで暖機運転が行われる。
【０００９】
ハイブリッド式建設機械では、作業用の動力（すなわち油圧ポンプを駆動する動力）をエンジンから得るだけでなく、アシストモータ（電動機）からも得ている。アシストモータは蓄電器（バッテリ）からの電力で駆動される。ここで、エンジンの暖機運転が必要であるような低温環境においては、蓄電器の内部抵抗が大きくなり、低温状態では放電電流が低下して蓄電器から十分な電力を得ることができないおそれがある。
【００１０】
また、低温環境において蓄電器を充電する際、蓄電器の内部抵抗が大きいために、十分な充電電流を蓄電器に供給しようとすると充電電圧を非常に高くしなければならないという事態が生じる。例えば蓄電器としてキャパシタを用いた場合、充電電流を小さくして損失を少なくするために、通常の温度において一般的に充電電圧が２００Ｖ以上の高電圧になるように制御している。ところが、低温環境において内部抵抗が非常に大きくなった蓄電器に十分な充電電流を供給しようとすると、内部抵抗が大きいために充電電圧が最大値を超えて過大となり、制御不能となるおそれがある。
【００１１】
以上のような問題が生じるおそれがあるため、ハイブリッド式建設機械を低温環境において運転するために暖機運転する際には、エンジンの暖機運転を行うだけでなく蓄電器も暖めて内部抵抗を下げておくことが好ましい。すなわち、エンジンの暖機運転が必要であるような低温環境においてハイブリッド式建設機械を運転するには、蓄電器の暖機運転も行って蓄電器を予め暖めておくことが好ましいが、蓄電器を温めるために特別な加熱装置を設けると、余分なコストがかかり、実用的ではない。
【００１２】
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、別個に加熱装置を用いることなく効率的に且つ迅速に蓄電器を暖めることができるハイブリッド式建設機械の暖機方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するために、本発明によれば、ハイブリッド式建設機械の暖機方法であって、蓄電器の温度が予め設定された温度より低いときにエンジンを作動させて暖機運転を行なうと共に、電動発電機を作動させて前記蓄電器を充放電させることにより、前記蓄電器を発熱させることを特徴とするハイブリッド式建設機械の暖機方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、蓄電器の温度が低いときに蓄電器を強制的に充放電させることで、内部発熱により蓄電器を暖めることができる。このため、別個に加熱装置を用いることなく効率的に且つ迅速に蓄電器を暖めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。
【図２】図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を表すブロック図である。
【図３】蓄電系の構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの動力系をモデル化して示す図である。
【図５】バッテリ暖機処理のフローチャートである。
【図６】バッテリ暖機処理が行なわれている際のバッテリの充電率とバッテリに流れる電流の変化とを示すグラフである。
【図７】バッテリ暖機処理を１０分間行なった際のバッテリの充電率の変化及び温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による暖機方法は、ハイブリッド式建設機械に設けられたバッテリ等の蓄電器を暖めるために行なわれる。ハイブリッド式建設機械としては、バッテリからの電力により駆動するアシストモータでエンジンをアシストしながら油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプで発生した油圧で作業を行なう油圧式建設機械であればどのような建設機械であってもよい。そのようなハイブリッド式建設機械として、例えば、パワーショベル、リフティングマグネット、クレーン、ホイルローダなどが挙げられる。
【００１７】
まず、本発明が適用されるハイブリッド式建設機械の一例としてハイブリッド式油圧ショベルについて説明する。
【００１８】
図１はハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。ハイブリッド式油圧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からブーム４が延在し、ブーム４の先端にアーム５が接続される。さらに、アーム５の先端にバケット６が接続される。ブーム４、アーム５及びバケット６は、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。また、上部旋回体３には、キャビン１０及び動力源（図示せず）が搭載される。
【００１９】
図２は、図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を表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、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は一点鎖線でそれぞれ示されている。
【００２０】
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、ともに増力機としての減速機１３の入力軸に接続されている。減速機１３の出力軸には、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。ここで、減速機を用いず、エンジン１１と電動発電機１２とを直接接続するようにしてもよい。
【００２１】
コントロールバルブ１７は、油圧系の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ１７には、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が高圧油圧ラインを介して接続される。
【００２２】
電動発電機１２には、インバータ１８を介して蓄電器を含む蓄電系１２０が接続されている。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１はハイブリッド式油圧ショベルにおける電気負荷である。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、及び旋回減速機２４が接続される。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。操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及びレバー操作検出部としての圧力センサ２９が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。
【００２３】
以上の構成を有するハイブリッド式油圧ショベルは、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド式建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。
【００２４】
エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。エンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。
【００２５】
電動発電機１２は、力行運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ１８によって駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。なお、本実施形態では力行運転及び発電運転の双方が可能な電動発電機１２を用いているが、力行運転を行なう電動機と発電運転を行なう発電機とを減速機を介してエンジン１１に接続することとしてもよい。
【００２６】
減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸がそれぞれ接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。電動発電機１２の力行運転と発電運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。
【００２７】
メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生する油圧ポンプである。メインポンプ１４で発生した油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧負荷である油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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の各々を駆動するために供給される。パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。
【００２８】
コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。
【００２９】
インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２と蓄電系１２０との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８が電動発電機１２の力行を運転制御している際には、必要な電力を蓄電系１２０から電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２の発電運転を制御している際には、電動発電機１２により発電された電力を蓄電系１２０に供給する。
【００３０】
蓄電器を含む蓄電系１２０は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が発電運転又は回生運転を行っている際には、発電運転又は回生運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積するための電源である。
【００３１】
図３は蓄電系１２０のブロック図である。蓄電系１２０は、変動電圧蓄電部としてバッテリ１９を有している。本実施形態ではバッテリ１９としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いることとするが、キャパシタに限定されず、繰り返し充放電可能な電池であればどのような電池であってもよい。バッテリ１９は、昇降圧用コンバータ５８を介して一定電圧蓄電部である直流母線１１０に接続されている。インバータ１８，２０は直流母線１１に接続される。
【００３２】
インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、旋回用電動機２１が力行運転している際には、必要な電力が蓄電系１２０から旋回用電動機２１に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力が蓄電系１２０に供給されてバッテリ１９が充電される。ここで、図２では電動機を旋回用電動機２１として使用しているが、旋回用以外にも使用することが可能であり、さらに、蓄電系１２０に複数の電動機を接続して制御することも可能である。
【００３３】
旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３は加減速制御されながら回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、減速機２４にて回転数が増大されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。
【００３４】
操作装置２６は、ハイブリッド式油圧ショベルの運転者が、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための入力装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。
【００３５】
操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。
【００３６】
レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。
【００３７】
なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂを操作するために２本ずつ（すなわち合計４本）、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をそれぞれ操作するために２本ずつ（すなわち合計６本）設けられるため、実際には全部で８本あるが、説明の便宜上、１本にまとめて表す。
【００３８】
レバー操作検出部としての圧力センサ２９では、レバー２６Ａの旋回操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化が圧力センサ２９で検出される。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力される。これにより、レバー２６Ａの旋回操作量を的確に把握することができる。また、本実施の形態では、レバー操作検出部として圧力センサを用いたが、レバー２６Ａの旋回操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。
【００３９】
コントローラ３０は、ハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御を行う制御装置であり、エンジン制御部３２，及び駆動制御装置４０を含む。エンジン制御部３２はエンジン運転時の目標回転数の設定や、回転数を維持するための燃料噴射量の制御を行なう。
【００４０】
駆動制御装置４０は圧力センサ２９，インバータ１８，２０及びレゾルバ２８等からの信号に基づいて旋回用電動機２１、電動発電機１２及びメインポンプ１４の出力制御を行なう。
【００４１】
次に、上述のハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御について説明する。
【００４２】
図４は上述のハイブリッド式油圧ショベルの動力系をモデル化して示す図である。図４のモデル図において、油圧負荷５４は油圧により駆動される構成部品に相当し、上述のブームシリンダ７、アームシリンダ８、パケットシリンダ９、油圧モータ１Ａ，１Ｂを含む。油圧負荷５４には、油圧ポンプであるメインポンプ１４で発生した油圧が供給される。エンジン１１は油圧ポンプであるメインポンプ１４に動力を供給して駆動する。すなわち、エンジン１１が発生した動力はメインポンプ１４により油圧に変換されて油圧負荷５４に供給される。
【００４３】
電気負荷５６は電動モータや電動アクチュエータ等のように電力で駆動される構成部品に相当し、上述の旋回用電動機２１を含む。電気負荷５６にはバッテリ１９からコンバータ５８を介して電力が供給され駆動される。電気負荷５６が駆動されている場合を力行運転と称する。電気負荷５６は、例えば電動機兼発電機のように回生電力を発生することができるもので、発生した回生電力は蓄電系１２０の直流母線１１０に供給され、コンバータ５８を介してバッテリ１９に蓄積されるか、あるいはインバータ１２０を介してアシストモータ１２に供給されてアシストモータ１２を駆動する電力となる。
【００４４】
蓄電系１２０のバッテリ１９は、上述のように電気負荷５６からの回生電力により充電される。また、アシストモータ１２がエンジン１１からの動力を受けて発電機として機能した場合、アシストモータ１２が発生した電力を蓄電系１２０のバッテリ１９に供給して充電することもできる。本実施形態ではバッテリ１９としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いることとする。
【００４５】
以上のような構成のハイブリッド式油圧ショベルを、寒冷地において例えば−３０℃の低温環境で運転する際には、通常の運転を行なう前に暖機運転を行なう必要がある。エンジン１１の暖機運転は、エンジン１１を無負荷状態で所定の時間運転することが一般的である。暖機運転時には、早く暖まるようにエンジン１１の回転数を通常より高く設定する。すなわち、エンジン１１を始動してから暖機運転をしている間は、暖機後の通常の回転数より高い回転数でエンジン１１を運転し、エンジン１１の温度が通常運転の温度に迅速に上昇するように制御する。
【００４６】
エンジン１１の暖機運転が終了したら、エンジン１１によりメインポンプ１４を駆動して油圧駆動系の暖機運転が行なわれる。油圧駆動系の暖機運転が終了したら、通常の作業モードに移行することができる。しかし、バッテリ１９が冷えた状態であると、バッテリ１９の内部抵抗が大きくなっており、コンバータ５８は直流母線１１０の電圧を一定に保つように制御を行なうため、充放電電流が小さくなってしまう。このような状態で通常の作業を行なうと、アシストモータ１２によるアシストが不十分となったり、電気負荷５６への電力供給が不十分となり、操作者が意図したような作業が行なえなくなるおそれがある。また、バッテリ１９を充電する際に、バッテリ１９の内部抵抗が高いために充電電圧が過度に大きくなり、制御不能となるおそれもある。
【００４７】
そこで、エンジン１１の暖機運転及び油圧駆動系の暖機運転を行なうと同時に、バッテリ１９の暖機も行なうことが好ましい。本実施形態では、バッテリ１９の内部発熱を利用することでバッテリ１９の暖機を行なう。すなわち、バッテリ１９の温度が低いときに、バッテリ１９を強制的に充放電させることにより内部発熱させ、温度を上昇させて内部抵抗の低減を図る。
【００４８】
図５は本実施形態によるバッテリ暖機処理のフローチャートである。図５に示すバッテリ暖機処理は、ハイブリッド式油圧ショベルの運転を開始する際に実行される。
【００４９】
まず、ステップＳ１において、バッテリ１９を構成するキャパシタの温度が暖機設定値Ｔｗ以上であるか、暖機設定値Ｔｗより低いかが判定される。
【００５０】
暖機設定値Ｔｗは、キャパシタの内部抵抗に基づいて予め設定される温度であり、実用上差し支えのないような充放電電流とすることができるような温度である。バッテリ１９を構成するキャパシタは、暖機後の通常の運転において充放電を繰り返すと温度上昇するものであるから、バッテリ１９の暖機運転が終了した時点において、バッテリ１９（キャパシタ）は完全に暖まっている必要はなく、実用上差し支えのない程度（運転操作に支障をきたさない程度）まで暖まっていればよい。
【００５１】
なお、上述のように、バッテリ１９を構成するキャパシタは、暖機後の通常の運転において充放電を繰り返すと温度上昇するため、通常の運転時には温度上昇を抑制するために冷却する必要がある。バッテリ１９の冷却システムが設けられている場合は、バッテリ１９の暖機時には冷却システムが作動しないように停止しておくことが好ましい。
【００５２】
ステップＳ１で用いるバッテリ１９の温度としては実測値を用いる。バッテリ１９を構成するキャパシタは、通常、多数のキャパシタが３次元マトリックス状に整列して配置されたキャパシタユニットである。したがって、キャパシタユニットは温度分布を有しているため、キャパシタユニットの中の例えば４個のキャパシタにサーミスタ等の温度センサを取り付けて温度を検出し、４箇所の温度の平均をとってキャパシタユニットの温度とする。キャパシタユニットの内部（中央部分）に位置するキャパシタの温度は、キャパシタユニットの外側部分に位置するキャパシタの温度より高くなるので、これらの平均の温度がとれるように、温度センサを取り付けるキャパシタを適宜選定すればよい。あるいは、キャパシタユニットの所定の位置における温度と、キャパシタユニットの平均温度との関係を予め調べておき、所定の位置における温度を検出して平均温度に換算してもよい。所定の位置として、例えばキャパシタユニットの外面の中央部分や、キャパシタユニットの電極端子などを選定してもよい。
【００５３】
ステップＳ１において、バッテリ１９の温度が暖機設定値Ｔｗより低いと判定されたら、処理はステップＳ２に進む。ステップＳ２では、バッテリ１９の現在の目標充電率（目標ＳＯＣ）が高ＳＯＣに設定されているか、低ＳＯＣに設定されているかが判定される。
【００５４】
高ＳＯＣとは、通常の運転においてバッテリ１９が十分放電可能であり充電も可能であるように設定される目標充電率である。一方、低ＳＯＣとは、通常の運転において設定される目標充電率（高ＳＯＣ）よりも低い充電率である。
【００５５】
ステップＳ２において、現在の目標充電率が高ＳＯＣに設定されていると判定されると、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、現在の目標充電率を低ＳＯＣに設定する。すなわち、ステップＳ３において、現在の目標充電率を高ＳＯＣから低ＳＯＣに切り換える。
【００５６】
一方、ステップＳ２において、現在の目標充電率が低ＳＯＣに設定されていると判定されると、処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、現在の目標充電率を高ＳＯＣに設定する。すなわち、ステップＳ４において、現在の目標充電率を低ＳＯＣから高ＳＯＣに切り換える。
【００５７】
ステップＳ３又はステップＳ４の処理が終了すると、処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５において、予め設定された時間（例えば１０秒間）だけ待機し、その後処理はステップＳ１に戻る。
【００５８】
ここで、ステップＳ１〜Ｓ５の処理について更に詳しく説明する。ステップＳ１においてバッテリ１９の温度が暖機設定値Ｔｗより低いと判定されたときは、バッテリ１９の温度が低く（低温での始動時）、暖機が必要であることを意味する。そして、ステップＳ２においてバッテリ１９の現在の目標充電率（目標ＳＯＣ）が高ＳＯＣに設定されていると判定されたときは、ステップＳ３において目標充電率が高ＳＯＣから低ＳＯＣに変更される。バッテリ１９の現在の充電率は現在の目標充電率（すなわち高ＳＯＣ）に近い値になっているはずであるから、目標充電率が低ＳＯＣに変更されると、現在の充電率は目標充電率（低ＳＯＣ）より高くなり、バッテリ１９が放電するように制御が行なわれる。
【００５９】
バッテリ１９を放電させるには、アシストモータ１２を駆動するか、電気負荷５６を駆動すればよい。本実施形態ではバッテリ１９からの放電電流でアシストモータ１２を駆動することとする。このように、ステップＳ１からステップＳ２を経てステップＳ３に進んだ場合、バッテリ１９から放電してアシストモータ１２が駆動され、ステップＳ５においてその状態が予め設定された時間（例えば、１０秒間）維持される。すなわち、バッテリ１９からの放電が１０秒間行なわれる。
【００６０】
その後、処理はステップＳ１に戻り、そしてステップＳ２に進むと、今度は、バッテリ１９の現在の目標充電率（目標ＳＯＣ）は低ＳＯＣに設定されていると判定される。したがって、処理はステップＳ４に進み、現在の目標充電率が低ＳＯＣから高ＳＯＣに変更される。バッテリ１９の現在の充電率は現在の目標充電率（すなわち低ＳＯＣ）に近い値になっているはずであるから、目標充電率が高ＳＯＣに変更されると、現在の充電率は目標充電率（高ＳＯＣ）より低くなり、バッテリ１９を充電するように制御が行なわれる。
【００６１】
バッテリ１９を充電するには、アシストモータ１２をエンジン１１の駆動により発電させるか、電気負荷５６が回生運転を行なえばよい。本実施形態ではアシストモータ１２を発電機として機能させて発電することでバッテリ１９に充電電流を供給することとする。このように、ステップＳ１からステップＳ２を経てステップＳ４に進んだ場合、アシストモータ１２が発電してバッテリ１９が充電され、ステップＳ５においてその状態が予め設定された時間（例えば、１０秒間）維持される。すなわち、バッテリ１９への充電が１０秒間行なわれる。
【００６２】
以上の処理を繰り返すことで、バッテリ１９の放電と充電が１０秒間ずつ繰り返される。図６はバッテリ暖機処理が行なわれている際のバッテリ１９の充電率とバッテリ１９に流れる電流の変化とを示すグラフである。図６において、目標充電率（実線で示す目標ＳＯＣ）が１０秒ごとに高ＳＯＣと低ＳＯＣに交互に切り換えられ、それに伴いバッテリ１９の現在の充電率（点線で示す実ＳＯＣ）が増減することがわかる。そして、バッテリ１９に流れる電流が１０秒ごとに充電電流と放電電流となることがわかる。
【００６３】
図７は上述のステップＳ１〜Ｓ５の処理を１０分間繰り返した際の充電率の変化及びバッテリ１９の温度変化を示すグラフである。実線で示す目標充電率（目標ＳＯＣ）と点線で示す現在の充電率（実ＳＯＣ）とが図６に示すように繰り返し変化すると、バッテリ１９の温度は徐々に上昇していくことがわかる。バッテリ１９が充放電を繰り返すことで充放電電流がキャパシタ１９に流れて内部発熱し、これによりバッテリ１９の温度が上昇するのである。
【００６４】
バッテリ１９の暖機が行なわれるときは、エンジン１１も冷えているので暖機運転される。エンジン１１の暖機運転時間は通常１０分程度であり、この間にバッテリ１９の温度も十分上昇して暖機が終了し、通常に近い運転を行なうことができるようになる。
【００６５】
なお、低温環境でないときは、始動時にバッテリ暖機制御が開始されると、ステップＳ１においてバッテリの温度が暖機設定値Ｔｗ以上であると判定され、処理はステップＳ４に進む。このとき、目標充電率は通常の設定である高ＳＯＣに設定されているので、ステップＳ４では通常の設定である高ＳＯＣの設定が維持される。すなわち、低温環境での始動ではなく、直ちに通常の運転を開始することができる場合は、目標充電率を低ＳＯＣに変更してバッテリ１９を暖機する処理は行なわれず、最初から通常の高ＳＯＣに設定されて運転が行なわれる。
【００６６】
以上のように、本実施形態による暖機方法では、バッテリ１９の温度が予め設定された温度より低いときにエンジン１１を作動させて暖機運転を行なうと共に、アシストモータ１２を作動させてバッテリ１９を充放電させることにより、バッテリ１９を発熱させて暖機する。したがって、バッテリ１９の温度が低いときにバッテリ１９を強制的に充放電させることで、内部発熱によりバッテリ１９を暖めることができる。このため、ヒータ等の加熱装置を用いることなく効率的に且つ迅速にバッテリ１９を暖めて内部抵抗を低減し、通常の運転ができるような温度にすることができる。
【００６７】
バッテリ１９の暖機時に放電させる際は、放電でアシストモータ１２を運転して動力をエンジン１１に戻すため、放電エネルギを無駄に消費することはない。また、バッテリ１９の内部発熱を利用してバッテリ１９を内部から暖めるので、内部抵抗を効率的に上昇させることができるという効果もある。
【００６８】
本実施形態によるバッテリ暖機処理では、目標充電率を変化さることでバッテリの充放電を繰り返し行なわせるだけであり、暖機専用の運転制御を行なうわけではないので、バッテリ暖機処理中に通常の運転操作が行なわれた場合でも、その運転操作に基づいた運転を直ちに行なうことができる。
【００６９】
また、バッテリ暖機処理とエンジン暖機処理とを同時行なう場合、暖機処理においてエンジンの回転数を高く設定するので、バッテリの入出力も大きくすることができる。また、暖機処理中にエンジンの回転数を高くするので出力を大きくでき、暖機処理中に通常の運転を行なった場合でも、操作の違和感を抑制することができる。
【００７０】
なお、上述の実施形態ではパラレル方式のハイブリッド式建設機械を例にとって説明したが、本発明による暖機方法はいわゆるシリーズ方式のハイブリッド式建設機械に適用することもできる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 走行機構
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
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 減速機
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 インバータ
１９ バッテリ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
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
３２ エンジン制御部
４０ 駆動制御装置
５４ 油圧負荷
５６ 電気負荷
５８ コンバータ
１１０ 直流母線
１２０ 蓄電系
【技術分野】
【０００１】
本発明は建設機械の暖機方法に係り、特に蓄電器からの電力により電動発電機を駆動してエンジンをアシストするハイブリッド式建設機械の暖機方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建設機械は油圧駆動のものが多い。油圧駆動式建設機械の一例として、例えば油圧ショベルがある。油圧ショベルでは、一般的に、ショベルの駆動、上部旋回体の旋回、及び下部走行体の走行を、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ）を用いて行っている。油圧アクチュエータに供給する油圧は、エンジンを駆動源とする油圧ポンプにより発生することが多い。この場合、油圧アクチュエータの出力はエンジンの出力によって決まる。
【０００３】
油圧ショベルの作業は、エンジンの能力に対して常に１００％の能力を必要とする作業ばかりではなく、例えば、９０％、８０％の能力を出せば済むような作業が多い。そこで、油圧ショベルの動作モードを作業負荷によって変えることにより、異なる作業負荷の各々において最適なエンジン出力制御を行ない、エンジンを効率的に駆動して燃費を向上することが行なわれている。
【０００４】
例えば、エンジンの最大出力に相当する負荷作業を行う「高負荷モード」と、通常の負荷作業を行う「通常負荷モード」と、軽負荷作業を行う「低負荷モード」というように異なる作業モードを設定可能にする。そして、各作業モードにおいて、油圧アクチュエータを駆動するために油圧ポンプが必要とする駆動トルクがエンジンの出力トルクに等しくなるように等馬力制御を行い、エンジンの出力を有効に活用して燃費の向上を図る。
【０００５】
一般的に、油圧ショベルには、「高負荷モード」における出力に等しい最大出力を有するエンジンが搭載される。しかし、「高負荷モード」での運転は「通常負荷モード」での運転よりはるかに少ない。このため、油圧ショベルを「通常負荷モード」で運転しているときには、エンジンの出力には余裕がある。言い換えれば、「通常負荷モード」での運転に対して余分な出力を有する大きなエンジンが搭載されていることとなる。
【０００６】
近年、上述の油圧ショベルを含む油圧駆動式建設機械においてエンジンを小型化して燃料消費量を低減させるという要望がある。単純にエンジンを小型化すれば、「高負荷モード」での運転時に十分な油圧出力を得ることができない。そこで、エンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、発電機により充電されるバッテリと、バッテリの電力により駆動する電動機とを備えたいわゆるハイブリッド式建設機械が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１０３１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ハイブリッド式建設機械が行う作業は主に屋外で行う作業であり、ハイブリッド式建設機械は様々な環境下で運転される。例えば、寒冷地においてハイブリッド式建設機械を運転する際には、始動時にエンジンが冷えているのでエンジンがある程度暖まるまで暖機運転が行われる。
【０００９】
ハイブリッド式建設機械では、作業用の動力（すなわち油圧ポンプを駆動する動力）をエンジンから得るだけでなく、アシストモータ（電動機）からも得ている。アシストモータは蓄電器（バッテリ）からの電力で駆動される。ここで、エンジンの暖機運転が必要であるような低温環境においては、蓄電器の内部抵抗が大きくなり、低温状態では放電電流が低下して蓄電器から十分な電力を得ることができないおそれがある。
【００１０】
また、低温環境において蓄電器を充電する際、蓄電器の内部抵抗が大きいために、十分な充電電流を蓄電器に供給しようとすると充電電圧を非常に高くしなければならないという事態が生じる。例えば蓄電器としてキャパシタを用いた場合、充電電流を小さくして損失を少なくするために、通常の温度において一般的に充電電圧が２００Ｖ以上の高電圧になるように制御している。ところが、低温環境において内部抵抗が非常に大きくなった蓄電器に十分な充電電流を供給しようとすると、内部抵抗が大きいために充電電圧が最大値を超えて過大となり、制御不能となるおそれがある。
【００１１】
以上のような問題が生じるおそれがあるため、ハイブリッド式建設機械を低温環境において運転するために暖機運転する際には、エンジンの暖機運転を行うだけでなく蓄電器も暖めて内部抵抗を下げておくことが好ましい。すなわち、エンジンの暖機運転が必要であるような低温環境においてハイブリッド式建設機械を運転するには、蓄電器の暖機運転も行って蓄電器を予め暖めておくことが好ましいが、蓄電器を温めるために特別な加熱装置を設けると、余分なコストがかかり、実用的ではない。
【００１２】
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、別個に加熱装置を用いることなく効率的に且つ迅速に蓄電器を暖めることができるハイブリッド式建設機械の暖機方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するために、本発明によれば、ハイブリッド式建設機械の暖機方法であって、蓄電器の温度が予め設定された温度より低いときにエンジンを作動させて暖機運転を行なうと共に、電動発電機を作動させて前記蓄電器を充放電させることにより、前記蓄電器を発熱させることを特徴とするハイブリッド式建設機械の暖機方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、蓄電器の温度が低いときに蓄電器を強制的に充放電させることで、内部発熱により蓄電器を暖めることができる。このため、別個に加熱装置を用いることなく効率的に且つ迅速に蓄電器を暖めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。
【図２】図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を表すブロック図である。
【図３】蓄電系の構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの動力系をモデル化して示す図である。
【図５】バッテリ暖機処理のフローチャートである。
【図６】バッテリ暖機処理が行なわれている際のバッテリの充電率とバッテリに流れる電流の変化とを示すグラフである。
【図７】バッテリ暖機処理を１０分間行なった際のバッテリの充電率の変化及び温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による暖機方法は、ハイブリッド式建設機械に設けられたバッテリ等の蓄電器を暖めるために行なわれる。ハイブリッド式建設機械としては、バッテリからの電力により駆動するアシストモータでエンジンをアシストしながら油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプで発生した油圧で作業を行なう油圧式建設機械であればどのような建設機械であってもよい。そのようなハイブリッド式建設機械として、例えば、パワーショベル、リフティングマグネット、クレーン、ホイルローダなどが挙げられる。
【００１７】
まず、本発明が適用されるハイブリッド式建設機械の一例としてハイブリッド式油圧ショベルについて説明する。
【００１８】
図１はハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。ハイブリッド式油圧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からブーム４が延在し、ブーム４の先端にアーム５が接続される。さらに、アーム５の先端にバケット６が接続される。ブーム４、アーム５及びバケット６は、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。また、上部旋回体３には、キャビン１０及び動力源（図示せず）が搭載される。
【００１９】
図２は、図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を表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、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は一点鎖線でそれぞれ示されている。
【００２０】
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、ともに増力機としての減速機１３の入力軸に接続されている。減速機１３の出力軸には、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。ここで、減速機を用いず、エンジン１１と電動発電機１２とを直接接続するようにしてもよい。
【００２１】
コントロールバルブ１７は、油圧系の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ１７には、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が高圧油圧ラインを介して接続される。
【００２２】
電動発電機１２には、インバータ１８を介して蓄電器を含む蓄電系１２０が接続されている。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１はハイブリッド式油圧ショベルにおける電気負荷である。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、及び旋回減速機２４が接続される。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。操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及びレバー操作検出部としての圧力センサ２９が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。
【００２３】
以上の構成を有するハイブリッド式油圧ショベルは、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド式建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。
【００２４】
エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。エンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。
【００２５】
電動発電機１２は、力行運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ１８によって駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。なお、本実施形態では力行運転及び発電運転の双方が可能な電動発電機１２を用いているが、力行運転を行なう電動機と発電運転を行なう発電機とを減速機を介してエンジン１１に接続することとしてもよい。
【００２６】
減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸がそれぞれ接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。電動発電機１２の力行運転と発電運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。
【００２７】
メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生する油圧ポンプである。メインポンプ１４で発生した油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧負荷である油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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の各々を駆動するために供給される。パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。
【００２８】
コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。
【００２９】
インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２と蓄電系１２０との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８が電動発電機１２の力行を運転制御している際には、必要な電力を蓄電系１２０から電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２の発電運転を制御している際には、電動発電機１２により発電された電力を蓄電系１２０に供給する。
【００３０】
蓄電器を含む蓄電系１２０は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が発電運転又は回生運転を行っている際には、発電運転又は回生運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積するための電源である。
【００３１】
図３は蓄電系１２０のブロック図である。蓄電系１２０は、変動電圧蓄電部としてバッテリ１９を有している。本実施形態ではバッテリ１９としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いることとするが、キャパシタに限定されず、繰り返し充放電可能な電池であればどのような電池であってもよい。バッテリ１９は、昇降圧用コンバータ５８を介して一定電圧蓄電部である直流母線１１０に接続されている。インバータ１８，２０は直流母線１１に接続される。
【００３２】
インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、旋回用電動機２１が力行運転している際には、必要な電力が蓄電系１２０から旋回用電動機２１に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力が蓄電系１２０に供給されてバッテリ１９が充電される。ここで、図２では電動機を旋回用電動機２１として使用しているが、旋回用以外にも使用することが可能であり、さらに、蓄電系１２０に複数の電動機を接続して制御することも可能である。
【００３３】
旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３は加減速制御されながら回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、減速機２４にて回転数が増大されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。
【００３４】
操作装置２６は、ハイブリッド式油圧ショベルの運転者が、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための入力装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。
【００３５】
操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。
【００３６】
レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。
【００３７】
なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂを操作するために２本ずつ（すなわち合計４本）、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をそれぞれ操作するために２本ずつ（すなわち合計６本）設けられるため、実際には全部で８本あるが、説明の便宜上、１本にまとめて表す。
【００３８】
レバー操作検出部としての圧力センサ２９では、レバー２６Ａの旋回操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化が圧力センサ２９で検出される。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力される。これにより、レバー２６Ａの旋回操作量を的確に把握することができる。また、本実施の形態では、レバー操作検出部として圧力センサを用いたが、レバー２６Ａの旋回操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。
【００３９】
コントローラ３０は、ハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御を行う制御装置であり、エンジン制御部３２，及び駆動制御装置４０を含む。エンジン制御部３２はエンジン運転時の目標回転数の設定や、回転数を維持するための燃料噴射量の制御を行なう。
【００４０】
駆動制御装置４０は圧力センサ２９，インバータ１８，２０及びレゾルバ２８等からの信号に基づいて旋回用電動機２１、電動発電機１２及びメインポンプ１４の出力制御を行なう。
【００４１】
次に、上述のハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御について説明する。
【００４２】
図４は上述のハイブリッド式油圧ショベルの動力系をモデル化して示す図である。図４のモデル図において、油圧負荷５４は油圧により駆動される構成部品に相当し、上述のブームシリンダ７、アームシリンダ８、パケットシリンダ９、油圧モータ１Ａ，１Ｂを含む。油圧負荷５４には、油圧ポンプであるメインポンプ１４で発生した油圧が供給される。エンジン１１は油圧ポンプであるメインポンプ１４に動力を供給して駆動する。すなわち、エンジン１１が発生した動力はメインポンプ１４により油圧に変換されて油圧負荷５４に供給される。
【００４３】
電気負荷５６は電動モータや電動アクチュエータ等のように電力で駆動される構成部品に相当し、上述の旋回用電動機２１を含む。電気負荷５６にはバッテリ１９からコンバータ５８を介して電力が供給され駆動される。電気負荷５６が駆動されている場合を力行運転と称する。電気負荷５６は、例えば電動機兼発電機のように回生電力を発生することができるもので、発生した回生電力は蓄電系１２０の直流母線１１０に供給され、コンバータ５８を介してバッテリ１９に蓄積されるか、あるいはインバータ１２０を介してアシストモータ１２に供給されてアシストモータ１２を駆動する電力となる。
【００４４】
蓄電系１２０のバッテリ１９は、上述のように電気負荷５６からの回生電力により充電される。また、アシストモータ１２がエンジン１１からの動力を受けて発電機として機能した場合、アシストモータ１２が発生した電力を蓄電系１２０のバッテリ１９に供給して充電することもできる。本実施形態ではバッテリ１９としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いることとする。
【００４５】
以上のような構成のハイブリッド式油圧ショベルを、寒冷地において例えば−３０℃の低温環境で運転する際には、通常の運転を行なう前に暖機運転を行なう必要がある。エンジン１１の暖機運転は、エンジン１１を無負荷状態で所定の時間運転することが一般的である。暖機運転時には、早く暖まるようにエンジン１１の回転数を通常より高く設定する。すなわち、エンジン１１を始動してから暖機運転をしている間は、暖機後の通常の回転数より高い回転数でエンジン１１を運転し、エンジン１１の温度が通常運転の温度に迅速に上昇するように制御する。
【００４６】
エンジン１１の暖機運転が終了したら、エンジン１１によりメインポンプ１４を駆動して油圧駆動系の暖機運転が行なわれる。油圧駆動系の暖機運転が終了したら、通常の作業モードに移行することができる。しかし、バッテリ１９が冷えた状態であると、バッテリ１９の内部抵抗が大きくなっており、コンバータ５８は直流母線１１０の電圧を一定に保つように制御を行なうため、充放電電流が小さくなってしまう。このような状態で通常の作業を行なうと、アシストモータ１２によるアシストが不十分となったり、電気負荷５６への電力供給が不十分となり、操作者が意図したような作業が行なえなくなるおそれがある。また、バッテリ１９を充電する際に、バッテリ１９の内部抵抗が高いために充電電圧が過度に大きくなり、制御不能となるおそれもある。
【００４７】
そこで、エンジン１１の暖機運転及び油圧駆動系の暖機運転を行なうと同時に、バッテリ１９の暖機も行なうことが好ましい。本実施形態では、バッテリ１９の内部発熱を利用することでバッテリ１９の暖機を行なう。すなわち、バッテリ１９の温度が低いときに、バッテリ１９を強制的に充放電させることにより内部発熱させ、温度を上昇させて内部抵抗の低減を図る。
【００４８】
図５は本実施形態によるバッテリ暖機処理のフローチャートである。図５に示すバッテリ暖機処理は、ハイブリッド式油圧ショベルの運転を開始する際に実行される。
【００４９】
まず、ステップＳ１において、バッテリ１９を構成するキャパシタの温度が暖機設定値Ｔｗ以上であるか、暖機設定値Ｔｗより低いかが判定される。
【００５０】
暖機設定値Ｔｗは、キャパシタの内部抵抗に基づいて予め設定される温度であり、実用上差し支えのないような充放電電流とすることができるような温度である。バッテリ１９を構成するキャパシタは、暖機後の通常の運転において充放電を繰り返すと温度上昇するものであるから、バッテリ１９の暖機運転が終了した時点において、バッテリ１９（キャパシタ）は完全に暖まっている必要はなく、実用上差し支えのない程度（運転操作に支障をきたさない程度）まで暖まっていればよい。
【００５１】
なお、上述のように、バッテリ１９を構成するキャパシタは、暖機後の通常の運転において充放電を繰り返すと温度上昇するため、通常の運転時には温度上昇を抑制するために冷却する必要がある。バッテリ１９の冷却システムが設けられている場合は、バッテリ１９の暖機時には冷却システムが作動しないように停止しておくことが好ましい。
【００５２】
ステップＳ１で用いるバッテリ１９の温度としては実測値を用いる。バッテリ１９を構成するキャパシタは、通常、多数のキャパシタが３次元マトリックス状に整列して配置されたキャパシタユニットである。したがって、キャパシタユニットは温度分布を有しているため、キャパシタユニットの中の例えば４個のキャパシタにサーミスタ等の温度センサを取り付けて温度を検出し、４箇所の温度の平均をとってキャパシタユニットの温度とする。キャパシタユニットの内部（中央部分）に位置するキャパシタの温度は、キャパシタユニットの外側部分に位置するキャパシタの温度より高くなるので、これらの平均の温度がとれるように、温度センサを取り付けるキャパシタを適宜選定すればよい。あるいは、キャパシタユニットの所定の位置における温度と、キャパシタユニットの平均温度との関係を予め調べておき、所定の位置における温度を検出して平均温度に換算してもよい。所定の位置として、例えばキャパシタユニットの外面の中央部分や、キャパシタユニットの電極端子などを選定してもよい。
【００５３】
ステップＳ１において、バッテリ１９の温度が暖機設定値Ｔｗより低いと判定されたら、処理はステップＳ２に進む。ステップＳ２では、バッテリ１９の現在の目標充電率（目標ＳＯＣ）が高ＳＯＣに設定されているか、低ＳＯＣに設定されているかが判定される。
【００５４】
高ＳＯＣとは、通常の運転においてバッテリ１９が十分放電可能であり充電も可能であるように設定される目標充電率である。一方、低ＳＯＣとは、通常の運転において設定される目標充電率（高ＳＯＣ）よりも低い充電率である。
【００５５】
ステップＳ２において、現在の目標充電率が高ＳＯＣに設定されていると判定されると、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、現在の目標充電率を低ＳＯＣに設定する。すなわち、ステップＳ３において、現在の目標充電率を高ＳＯＣから低ＳＯＣに切り換える。
【００５６】
一方、ステップＳ２において、現在の目標充電率が低ＳＯＣに設定されていると判定されると、処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、現在の目標充電率を高ＳＯＣに設定する。すなわち、ステップＳ４において、現在の目標充電率を低ＳＯＣから高ＳＯＣに切り換える。
【００５７】
ステップＳ３又はステップＳ４の処理が終了すると、処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５において、予め設定された時間（例えば１０秒間）だけ待機し、その後処理はステップＳ１に戻る。
【００５８】
ここで、ステップＳ１〜Ｓ５の処理について更に詳しく説明する。ステップＳ１においてバッテリ１９の温度が暖機設定値Ｔｗより低いと判定されたときは、バッテリ１９の温度が低く（低温での始動時）、暖機が必要であることを意味する。そして、ステップＳ２においてバッテリ１９の現在の目標充電率（目標ＳＯＣ）が高ＳＯＣに設定されていると判定されたときは、ステップＳ３において目標充電率が高ＳＯＣから低ＳＯＣに変更される。バッテリ１９の現在の充電率は現在の目標充電率（すなわち高ＳＯＣ）に近い値になっているはずであるから、目標充電率が低ＳＯＣに変更されると、現在の充電率は目標充電率（低ＳＯＣ）より高くなり、バッテリ１９が放電するように制御が行なわれる。
【００５９】
バッテリ１９を放電させるには、アシストモータ１２を駆動するか、電気負荷５６を駆動すればよい。本実施形態ではバッテリ１９からの放電電流でアシストモータ１２を駆動することとする。このように、ステップＳ１からステップＳ２を経てステップＳ３に進んだ場合、バッテリ１９から放電してアシストモータ１２が駆動され、ステップＳ５においてその状態が予め設定された時間（例えば、１０秒間）維持される。すなわち、バッテリ１９からの放電が１０秒間行なわれる。
【００６０】
その後、処理はステップＳ１に戻り、そしてステップＳ２に進むと、今度は、バッテリ１９の現在の目標充電率（目標ＳＯＣ）は低ＳＯＣに設定されていると判定される。したがって、処理はステップＳ４に進み、現在の目標充電率が低ＳＯＣから高ＳＯＣに変更される。バッテリ１９の現在の充電率は現在の目標充電率（すなわち低ＳＯＣ）に近い値になっているはずであるから、目標充電率が高ＳＯＣに変更されると、現在の充電率は目標充電率（高ＳＯＣ）より低くなり、バッテリ１９を充電するように制御が行なわれる。
【００６１】
バッテリ１９を充電するには、アシストモータ１２をエンジン１１の駆動により発電させるか、電気負荷５６が回生運転を行なえばよい。本実施形態ではアシストモータ１２を発電機として機能させて発電することでバッテリ１９に充電電流を供給することとする。このように、ステップＳ１からステップＳ２を経てステップＳ４に進んだ場合、アシストモータ１２が発電してバッテリ１９が充電され、ステップＳ５においてその状態が予め設定された時間（例えば、１０秒間）維持される。すなわち、バッテリ１９への充電が１０秒間行なわれる。
【００６２】
以上の処理を繰り返すことで、バッテリ１９の放電と充電が１０秒間ずつ繰り返される。図６はバッテリ暖機処理が行なわれている際のバッテリ１９の充電率とバッテリ１９に流れる電流の変化とを示すグラフである。図６において、目標充電率（実線で示す目標ＳＯＣ）が１０秒ごとに高ＳＯＣと低ＳＯＣに交互に切り換えられ、それに伴いバッテリ１９の現在の充電率（点線で示す実ＳＯＣ）が増減することがわかる。そして、バッテリ１９に流れる電流が１０秒ごとに充電電流と放電電流となることがわかる。
【００６３】
図７は上述のステップＳ１〜Ｓ５の処理を１０分間繰り返した際の充電率の変化及びバッテリ１９の温度変化を示すグラフである。実線で示す目標充電率（目標ＳＯＣ）と点線で示す現在の充電率（実ＳＯＣ）とが図６に示すように繰り返し変化すると、バッテリ１９の温度は徐々に上昇していくことがわかる。バッテリ１９が充放電を繰り返すことで充放電電流がキャパシタ１９に流れて内部発熱し、これによりバッテリ１９の温度が上昇するのである。
【００６４】
バッテリ１９の暖機が行なわれるときは、エンジン１１も冷えているので暖機運転される。エンジン１１の暖機運転時間は通常１０分程度であり、この間にバッテリ１９の温度も十分上昇して暖機が終了し、通常に近い運転を行なうことができるようになる。
【００６５】
なお、低温環境でないときは、始動時にバッテリ暖機制御が開始されると、ステップＳ１においてバッテリの温度が暖機設定値Ｔｗ以上であると判定され、処理はステップＳ４に進む。このとき、目標充電率は通常の設定である高ＳＯＣに設定されているので、ステップＳ４では通常の設定である高ＳＯＣの設定が維持される。すなわち、低温環境での始動ではなく、直ちに通常の運転を開始することができる場合は、目標充電率を低ＳＯＣに変更してバッテリ１９を暖機する処理は行なわれず、最初から通常の高ＳＯＣに設定されて運転が行なわれる。
【００６６】
以上のように、本実施形態による暖機方法では、バッテリ１９の温度が予め設定された温度より低いときにエンジン１１を作動させて暖機運転を行なうと共に、アシストモータ１２を作動させてバッテリ１９を充放電させることにより、バッテリ１９を発熱させて暖機する。したがって、バッテリ１９の温度が低いときにバッテリ１９を強制的に充放電させることで、内部発熱によりバッテリ１９を暖めることができる。このため、ヒータ等の加熱装置を用いることなく効率的に且つ迅速にバッテリ１９を暖めて内部抵抗を低減し、通常の運転ができるような温度にすることができる。
【００６７】
バッテリ１９の暖機時に放電させる際は、放電でアシストモータ１２を運転して動力をエンジン１１に戻すため、放電エネルギを無駄に消費することはない。また、バッテリ１９の内部発熱を利用してバッテリ１９を内部から暖めるので、内部抵抗を効率的に上昇させることができるという効果もある。
【００６８】
本実施形態によるバッテリ暖機処理では、目標充電率を変化さることでバッテリの充放電を繰り返し行なわせるだけであり、暖機専用の運転制御を行なうわけではないので、バッテリ暖機処理中に通常の運転操作が行なわれた場合でも、その運転操作に基づいた運転を直ちに行なうことができる。
【００６９】
また、バッテリ暖機処理とエンジン暖機処理とを同時行なう場合、暖機処理においてエンジンの回転数を高く設定するので、バッテリの入出力も大きくすることができる。また、暖機処理中にエンジンの回転数を高くするので出力を大きくでき、暖機処理中に通常の運転を行なった場合でも、操作の違和感を抑制することができる。
【００７０】
なお、上述の実施形態ではパラレル方式のハイブリッド式建設機械を例にとって説明したが、本発明による暖機方法はいわゆるシリーズ方式のハイブリッド式建設機械に適用することもできる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 走行機構
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
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 減速機
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 インバータ
１９ バッテリ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
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
３２ エンジン制御部
４０ 駆動制御装置
５４ 油圧負荷
５６ 電気負荷
５８ コンバータ
１１０ 直流母線
１２０ 蓄電系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド式建設機械の暖機方法であって、
蓄電器の温度が予め設定された温度より低いときにエンジンを作動させて暖機運転を行なうと共に、電動発電機を作動させて前記蓄電器を充放電させることにより、前記蓄電器を発熱させることを特徴とするハイブリッド式建設機械の暖機方法。
【請求項１】
ハイブリッド式建設機械の暖機方法であって、
蓄電器の温度が予め設定された温度より低いときにエンジンを作動させて暖機運転を行なうと共に、電動発電機を作動させて前記蓄電器を充放電させることにより、前記蓄電器を発熱させることを特徴とするハイブリッド式建設機械の暖機方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−５２８６６（Ｐ２０１３−５２８６６Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２３４６６８（Ｐ２０１２−２３４６６８）
【出願日】平成２４年１０月２４日（２０１２．１０．２４）
【分割の表示】特願２００８−３０６７３２（Ｐ２００８−３０６７３２）の分割
【原出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月２４日（２０１２．１０．２４）
【分割の表示】特願２００８−３０６７３２（Ｐ２００８−３０６７３２）の分割
【原出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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