ハイブリッド式作業機械の制御方法、及びサーボ制御システムの制御方法
【課題】 ハイブリッド式作業機械等において、急峻な負荷変動があった場合でも、エンジンの回転数の変動を抑制することのできる制御方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 ハイブリッド式作業機械において、エンジン１１により駆動される発電機１２により蓄電器１９に充電を行ない、蓄電器１９からの電力で電気負荷を駆動する。電気負荷要求に基づきエンジン１１の出力を決定し、決定された出力に基づいてエンジン１１の制御を行なう。
【解決手段】 ハイブリッド式作業機械において、エンジン１１により駆動される発電機１２により蓄電器１９に充電を行ない、蓄電器１９からの電力で電気負荷を駆動する。電気負荷要求に基づきエンジン１１の出力を決定し、決定された出力に基づいてエンジン１１の制御を行なう。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は作業機械に係り、特に蓄電器からの電力により電動機を駆動して油圧ポンプを駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法及びサーボ制御システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
作業機械は油圧駆動のものが多い。油圧駆動式作業機械の一例として、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作業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作業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】
ハイブリッド式作業機械では、作業用の動力（すなわち油圧ポンプを駆動する動力）を主にエンジンから得ている。通常、エンジンは常に一定の回転数を維持するように速度制御される。すなわち、エンジンは、負荷状態に関係なく、計測されたエンジンの回転速度が目標速度（一定の速度）となるように、エンジンへの燃料噴射量が制御される。
【０００９】
一方、アシストモータ（電動機）はエンジンの出力が足りないときにエンジンをアシストするようにトルク制御される。すなわち、負荷状態及びバッテリの充電率（ＳＯＣ）に応じて、アシストモータのアシスト量及び発電量が決定される。そして、計測されたアシストモータの速度に基づいて、目標のアシスト量又は発電量となるように、アシストモータのトルク指令値が決定される。なお、アシストモータはエンジンに機械的に結合しているので、アシストモータの回転数はエンジンの回転数により決まる。
【００１０】
上述のような構成のハイブリッド式作業機械において、急峻な負荷変動（油圧負荷要求の急激な変化）があった場合、一時的にエンジンの回転数が変動することがある。すなわち、エンジンの定回転数制御が負荷変動に追従できずに、エンジンの回転数が一時的に変動してしまう。
【００１１】
例えば、油圧負荷が急激に増大すると、一時的にエンジンの回転数が目標回転数（一定回転数）より低くなる。このような場合、油圧ポンプの出力が低下し、油圧アクチュエータに供給する油量が減少するので、操作者が意図したようなスピードや力で作業ができなくなる。これにより、操作者には操作感が悪くなったという印象を与えてしまう。
【００１２】
また、エンジンの回転数が一時的に低下した状態から早く定回転状態に復帰するように燃料噴射量を急激に増大するような制御が行なわれるため、エンジンの燃焼条件が悪化し、エンジンから黒煙が発生したり、燃費が悪化するおそれもある。
【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、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法であって、電気負荷要求に基づき前記エンジンの出力を決定し、前記決定された出力に基づいてエンジンの制御を行なうことを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法が提供される。
【００１４】
上述のハイブリッド式作業機械の制御方法において、エンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することが好ましい。また、前記電気負荷要求の増大に従って前記エンジンの出力を増加させ、前記電気負荷要求の減少に従って前記エンジンの出力を低下させることが好ましい。さらに、前記電気負荷要求の変化に従った前記エンジンの回転数の変化前に、前記エンジンの出力を変化させることとしてもよい。
【００１５】
また、上述のハイブリッド式作業機械の制御方法において、前記電気負荷要求は電動負荷の力行運転の要求であり、前記発電機を運転することで前記電気負荷要求に応じた電力を発電することが好ましい。あるいは、前記電気負荷要求は電動負荷の回生運転の要求であり、電動機を運転することで前記電気負荷要求に応じた回生電力を消費することとしてもよい。
【００１６】
また、本発明によれば、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法であって、前記エンジンの出力変化にともなう前記エンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することを特徴をするハイブリッド式作業機械の制御方法が提供される。
【００１７】
さらに、本発明によれば、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するサーボ制御システムの制御方法であって、前記エンジンの出力変化にともなう前記エンジンの回転数の変化を、前記発電機の速度制御により一定に維持することを特徴とするサーボ制御システムの制御方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、エンジンへの負荷が急激に変動した場合でも、エンジンの出力を先に変化させてから電動機又は発電機により速度制御を行なうので、エンジン回転数の大きな変動が無く、エンジンの燃焼条件を良好な状態に維持することができ、操作性の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの制御系の一例を示すブロック図である。
【図６】キャパシタの充電率（ＳＯＣ）が低く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機を動作（加速）させた場合の、エンジンと電動発電機の駆動制御のフローチャートである。
【図７】図６に示す駆動制御における電気負荷の時間的変化と電動発電機の発電量の時間的変化を示すグラフである。
【図８】図６に示す駆動制御におけるエンジンの回転数の時間的変化と出力（エンジントルク）の時間的変化とを示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態による制御方法を行なうように構成されたハイブリッド式油圧ショベルの制御系を示すブロック図である。
【図１０】キャパシタの充電率（ＳＯＣ）が低く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機を動作（加速）させた場合の、本発明の一実施形態によるエンジンと電動発電機の駆動制御のフローチャートである。
【図１１】図１０に示す駆動制御における電気負荷の時間的変化と電動発電機の発電量の時間的変化を示すグラフである。
【図１２】図１０に示す駆動制御におけるエンジンの回転数の時間的変化とエンジン出力（エンジントルク）の時間的変化を示すグラフである。
【図１３】キャパシタの充電率（ＳＯＣ）が高く、キャパシタに充電できない状態で、旋回用電動機を回生運転（減速）させた場合の、エンジンと電動発電機の駆動制御のフローチャートである。
【図１４】図１３に示す駆動制御における電気負荷の回生電力の時間的変化と電動発電機のアシスト量の時間的変化を示すグラフである。
【図１５】図１３に示す駆動制御におけるエンジンの回転数の時間的変化と出力（エンジントルク）の時間的変化とを示すグラフである。
【図１６】図９に示す制御系において、キャパシタの充電率（ＳＯＣ）が高く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機を回生運転（減速）させた場合の、本発明の一実施形態によるエンジンと電動発電機の駆動制御のフローチャートである。
【図１７】図１６に示す駆動制御における電気負荷の回生電力の時間的変化と電動発電機のアシスト量の時間的変化を示すグラフである。
【図１８】図１６に示す駆動制御におけるエンジンの回転数の時間的変化とエンジン出力（エンジントルク）の時間的変化を示すグラフである。
【図１９】本発明が適用可能なシリーズ方式のハイブリッド式作業機械であるシリーズ方式のハイブリッド式油圧ショベルの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明が適用されるハイブリッド式作業機械としては、バッテリからの電力により駆動する電動発電機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作業機械であればどのような作業機械であってもよい。そのようなハイブリッド式作業機械として、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。
【００２１】
まず、本発明が適用されるハイブリッド式作業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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。すなわち、電動発電機１２は発電機兼電動機である。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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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ＤＣバス１１０に接続されている。インバータ１８，２０はＤＣバス１１に接続される。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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る。コントローラ３０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う。また、コントローラ３０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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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ＤＣバス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。
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、電動発電機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、電動発電機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。
【００４７】
まず、電動発電機のトルク制御を行なってエンジンをアシストする制御系に関して、図５を参照しながら説明する。図５は上述のハイブリッド式油圧ショベルの制御系の一例を示すブロック図である。図５において、図２及び図３に示す構成部品と同じ部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００４８】
図５に示す制御系には、エンジン１１の回転速度を検出する速度センサ６０と、電動発電機１２の電流を検出する電流センサ６２と、キャパシタ１９の端子間電圧を検出する電圧センサ６４とが設けられている。また、油圧ポンプであるメインポンプ１４には、吐出圧力を検出する圧力センサ６６、吐出流量を検出する流量センサ６８、及び斜板の位置を検出する斜板位置センサ７０が設けられている。また、ハイブリッド式油圧ショベルの運転室には操作レバー群７２が設けられており、操作者が操作レバー群７２を操作すると各レバーの操作量を表す信号が出力される。
【００４９】
速度センサ６０の速度検出値は制御部であるコントローラ３０の速度制御部３０ａに供給される。速度制御部３０ａは供給された速度検出値に基づいてエンジン１１の回転速度が一定の目標回転数に維持されるように制御する。
【００５０】
電流センサ６２の電流検出値はコントローラ３０のトルク制御部３０ｂに供給される。トルク制御部３０ｂは後述のアシスト／発電量決定部３０ｃからの情報に基づいて、電動発電機１２の駆動を制御する指令をインバータ１８に出力する。
【００５１】
電圧センサ６４の電圧検出値はコントローラ３０の充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄに供給される。充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄは、電圧センサ６４から供給された電圧検出値に基づいて、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）を算出し、算出した充電率をアシスト／発電量決定部３０ｃに供給する。
【００５２】
メインポンプ１４に設けられた圧力センサ６６、流量センサ６８、及び斜板位置センサ７０の検出値は、コントローラ３０の油圧負荷要求出力算出部３０ｅに供給される。油圧負荷要求出力算出部３０ｅは、圧力センサ６６、流量センサ６８、及び斜板位置センサ７０の検出値と、操作レバー群７２からの操作量を表す信号とに基づいて、油圧負荷要求出力を算出し、算出した油圧負荷要求出力をアシスト／発電量決定部３０ｃに供給する。
【００５３】
操作レバー群７２からの操作量を表す信号は、コントローラ３０の速度制御部３０ｆにも供給される。速度制御部３０ｆは、操作量を表す信号のうち特に電気負荷に関する操作量を表す信号に基づいて、電気負荷を駆動するための指令を生成する。具体的には、電気負荷として旋回用電動機２１を駆動するための指令を生成し、生成した指令をインバータ２０に出力する。また、速度制御部３０ｆは、電気負荷を駆動するための指令を電気負荷要求出力算出部３０ｇに供給する。
【００５４】
電気負荷要求出力算出部３０ｇは、電気負荷を駆動するための指令と、操作レバー群７２からの操作量を表す信号のうち特に電気負荷に関する操作量とに基づいて、電気負荷要求出力を算出し、算出した電気負荷要求出力をアシスト／発電量決定部３０ｃに供給する。
【００５５】
アシスト／発電量決定部３０ｃは、充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄからの充電率と、油圧負荷要求出力算出部３０ｅからの油圧負荷要求出力と、電気負荷要求出力算出部３０ｇからの電気負荷要求出力とに基づいて、電動発電機１２のアシスト量又は発電量を決定し、決定したアシスト量又は発電量をトルク制御部３０ｂに供給する。
【００５６】
上述のように、トルク制御部３０ｂは、電流センサ６２からの電流検出値とアシスト／発電量決定部３０ｃからのアシスト量又は発電量とに基づいて、電動発電機１２の駆動を制御する指令をインバータ１８に供給する。したがって、電動発電機１２の駆動（アシスト又は発電）は、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）と、油圧負荷要求出力と、電気負荷要求出力とに基づいて制御される。
【００５７】
次に、図５に示す制御系によるエンジン１１と電動発電機１２の駆動制御の例について説明する。
【００５８】
図６はキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が低く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機２１を動作（加速）させた場合の、エンジン１１と電動発電機１２の駆動制御のフローチャートである。
【００５９】
まず、ステップＳ１において、上部旋回部３の旋回を加速させるために電気負荷要求出力が増加したことが検出される。すなわち、アシスト／発電量決定部３０ｃは、電気負荷要求出力算出部３０ｇから供給される電気負荷要求出力が増加したことを検出し、且つ充電率（ＳＣＯ）算出部から供給される充電率が目標充電率より低いことを検出する。充電率が目標充電率より低い場合は、電動発電機１２を発電運転して蓄電系１２０を充電するように制御を行い、蓄電系１２０から旋回用電動機２１へ電力の供給を行う。
【００６０】
そこで、ステップＳ２において、トルク制御部３０ｂは、電動発電機１２を発電運転する指令をインバータ１８に出力する。このとき、電気負荷（旋回用電動機２１）へ供給する電力は増大しており、それによって、蓄電系１２０に充電する電力が必要となるので、電動発電機１２は大きな電力を発電しなければならない。
【００６１】
ステップＳ３において、インバータ１８の制御により電動発電機１２が発電運転を開始すると、電動発電機１２の発電運転によるエンジン１１への負荷が急激に増大する。エンジン１１は一定の回転数を維持するように制御されているが、電動発電機１２による負荷が急激に増大するのでこれに追従できず、エンジン１１の回転数は一時的に目標回転数から大きく低下する。
【００６２】
エンジン１１の回転数が低下すると、ステップＳ４においてエンジンの定回転数制御が行なわれ、エンジンの出力を増大して回転数が一定の目標回転数まで上がるように制御が行なわれる。このステップＳ１からステップＳ４の制御は、コントローラ３０の制御周期毎に繰り返し実効される。
【００６３】
図７は、以上の制御における電気負荷の時間的変化と電動発電機１２の発電量の時間的変化を示すグラフである。また、図８は、以上の制御におけるエンジンの回転数の時間的変化と出力（エンジントルク）の時間的変化とを示すグラフである。
【００６４】
ステップＳ１において旋回用電動機２１を加速するために、図７の上側の線で示すように最初に電気負荷が急激に増大してから一定の値に落ち着く。このとき、電動発電機１２は電気負荷の増大に答えるべくステップＳ２において発電運転を行なうため、図７の下側の線で示すように電気負荷の変化にほぼ対応して発電量が変化する。すなわち、電動発電機１２が発電して、キャパシタ１９に電力を供給し、上部旋回部３を旋回させながらキャパシタ１９を充電する。
【００６５】
ステップＳ２において電動発電機１２の発電量が急激に増大するとエンジン１１への負荷が急激に増大し、ステップＳ３においてエンジン１１の回転数が急激に低下する。図８の上側の線がエンジン１１の回転数の時間的変化を示しており、電動発電機１２による発電量の増大に対応して回転数が急激に低下することがわかる。
【００６６】
エンジン１１の回転数が低下すると定回転制御機能が働き、ステップＳ４において燃料噴射量が増加され、図８の下側の線で示すようにエンジン出力が増大する。このステップＳ１からステップＳ４の制御を繰り返すことで、やがて、図８の上側の線で示すようにエンジン１１の回転数は減少から増加に転じ、目標回転数まで増加する。回転数が目標回転数まで達するとそれを維持するように燃料噴射量が制御されるが、目標回転数より僅かに高くなってから減少し、増減を繰り返しながら目標回転数に収束する。
【００６７】
エンジン１１の回転数が最も低下したときの値と最も高くなったときの値との差分ΔＲ１（図８参照）は、比較的大きな値となる。すなわち、電動発電機１２の発電量は電気的制御で急激に増大するためエンジン１１への負荷も急激に増大するのに対し、エンジン１１の出力を増大するために燃料噴射量を増加してから実際にエンジン１１の出力が増大するまでに有る程度時間が必要である。このため、エンジン１１の回転数が低下し始めた時点から、エンジン１１の出力が増大し始めて回転数を増大させるようになるまでにある程度の時間的遅れがあり、この時間的遅れの間に回転数は大きく低下してしまう。これにより回転数の低下（差分ΔＲ１）は比較的大きな値となってしまう。
【００６８】
このとき、エンジン１１の回転数が大きく低下した状態から燃料噴射量を急激に増加して出力を急激に増大させようと制御するため、エンジン１１での燃焼効率が悪化し、エンジン１１から黒煙が発生したり、燃料消費率が悪化するおそれがある。
【００６９】
そこで、本発明の一実施形態では、このような問題を解消するために、電動発電機１２による発電を行なうより前に、まずエンジン１１のトルクを上昇させることで、エンジン１１の回転数の大きな低下を抑制し、上述の問題を解消する。
【００７０】
ここで、本発明の一実施形態による制御方法を行なうための制御系について、図９を参照しながら説明する。図９は本発明の一実施形態による制御方法を行なうように構成されたハイブリッド式油圧ショベルの制御系を示すブロック図である。図９において、図２、図３及び図５に示す構成部品と同じ部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。
【００７１】
図９に示す制御系には、エンジン１１の回転速度を検出する速度センサ６０と、キャパシタ１９の端子間電圧を検出する電圧センサ６４とが設けられる。また、油圧ポンプであるメインポンプ１４には、吐出圧力を検出する圧力センサ６６、吐出流量を検出する流量センサ６８、及び斜板の位置を検出する斜板位置センサ７０が設けられる。また、ハイブリッド式油圧ショベルの運転室には操作レバー群７２が設けられており、操作者が操作レバー群７２を操作すると各操作レバーの操作量を表す信号が出力される。
【００７２】
速度センサ６０の速度検出値は制御部であるコントローラ３０の速度制御部３０ａに供給される。速度制御部３０ａは供給された速度検出値に基づいてエンジン１１の回転数が一定の目標回転数に維持されるように制御する。
【００７３】
電圧センサ６４の電圧検出値はコントローラ３０の充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄに供給される。充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄは、電圧センサ６４から供給された電圧検出値に基づいて、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）を算出し、算出した充電率をトルク指令決定部３０ｈに供給する。
【００７４】
メインポンプ１４に設けられた圧力センサ６６、流量センサ６８、及び斜板位置センサ７０の検出値は、コントローラ３０の油圧負荷要求出力算出部３０ｅに供給される。油圧負荷要求出力算出部３０ｅは、圧力センサ６６、流量センサ６８、及び斜板位置センサ７０の検出値と、操作レバー群７２からの操作量を表す信号とに基づいて、油圧負荷要求出力を算出し、算出した油圧負荷要求出力をトルク指令決定部３０ｈに供給する。
【００７５】
操作レバー群７２からの操作量を表す信号は、コントローラ３０の速度制御部３０ｆにも供給される。速度制御部３０ｆは、操作量を表す信号のうち特に電気負荷に関する操作量を表す信号に基づいて、電気負荷を駆動するための指令を生成する。具体的には、電気負荷として旋回用電動機２１を駆動するための指令を生成し、生成した指令をインバータ２０に出力する。また、速度制御部３０ｆは、電気負荷を駆動するための指令を電気負荷要求出力算出部３０ｇに供給する。
【００７６】
電気負荷要求出力算出部３０ｇは、電気負荷を駆動するための指令と、操作レバー群２７からの操作量を表す信号のうち特に電気負荷に関する操作量とに基づいて、電気負荷要求出力を算出し、算出した電気負荷要求出力をトルク指令決定部３０ｈに供給する。
【００７７】
トルク指令決定部３０ｈは、充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄからの充電率と、油圧負荷要求出力算出部３０ｅからの油圧負荷要求出力と、電気負荷要求出力算出部３０ｇからの電気負荷要求出力とに基づいて、エンジン１１のトルク制御を行なうための指令を決定し、決定したトルク制御指令をトルク制御部３０ｉに出力する。そして、トルク制御部３０ｉはトルク制御指令から燃料噴射量制御を行なうための指令を生成し、エンジン１１に出力する。
【００７８】
上述のように、速度制御部３０ａは、エンジン１１の速度検出値のみに基づいて電動発電機１２の出力を制御する。一方、トルク制御部３０ｉは、トルク指令決定部３０ｈで決定したトルク制御指令に基づいてエンジン１１のトルク制御を行なう。本実施形態では、充電率と油圧負荷要求出力と電気負荷要求出力とから決定されるものは、エンジン１１のトルク制御に用いられる燃料噴射量であり、電動発電機１２の駆動を制御するためのアシスト量又は発電量では無い。
【００７９】
ここで、上述の実施形態による制御系によるエンジン１１と電動発電機１２の駆動制御の例について説明する
図１０は、図６に示す駆動制御処理と同様に、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が低く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機２１を動作（加速）させた場合の、エンジン１１と電動発電機１２の駆動制御のフローチャートである。
【００８０】
まず、ステップＳ１１において、上部旋回部３を加速させるために電気負荷要求出力が増加したことが検出される。すなわち、トルク指令決定部３０ｈは、電気負荷要求出力算出部３０ｇから供給される電気負荷要求出力が増加したことを検出し、且つ充電率（ＳＣＯ）算出部３０ｄから供給される充電率が目標充電率より低いことを検出する。充電率が目標充電率より低い場合は、キャパシタ１９からの電力の供給は行なわず、電動発電機１２を発電運転してキャパシタ１９を充電するように制御する。
【００８１】
そこで、ステップＳ１２において、トルク制御部３０ｉは、エンジン１１の回転数を増大させるための指令をエンジン１１に供給する。具体的には、トルク制御部３０ｉは、燃料噴射量を増加してエンジンの出力（トルク）を増大させるための指令をエンジン１１に出力する。このとき、電動発電機１２には発電の指令は出されていない。
【００８２】
したがって、燃料噴射量が増えてエンジン１１の出力が増大し、ステップＳ１３においてエンジン１１の回転数が上昇する。このように、本実施形態では、電動発電機１２での発電を開始する前にエンジン１１の出力の増大を開始するため、電動発電機１２で発電を行なう前にエンジン１１の回転数が増大する。
【００８３】
エンジン１１の回転数が上昇するとエンジンに直結されている電動発電機１２の回転数も上昇する。電動発電機１２は一定の回転速度に維持されるように定回転速度制御が行なわれているので、速度センサ６０からの速度検出値が増大すると、ステップＳ１４において、速度制御部３０ａは、発電指令をインバータ１８に出力し、インバータ１８は電動発電機１２を発電運転させる。これにより、電気負荷である旋回用電動機２１に電力が供給されて上部旋回部３が旋回し、且つキャパシタ１９の充電が行なわれる。このステップＳ１１からＳ１４の制御は、コントローラ３０の制御周期毎に繰り返し実効される。
【００８４】
電動発電機１２が発電運転を行なうと、エンジン１１に負荷がかかり、エンジン１１の回転数は低下し、目標回転数で一定に維持される。
【００８５】
図１１は、以上の制御における電気負荷の時間的変化と電動発電機１２の発電量の時間的変化を示すグラフである。また、図１２は、以上の制御におけるエンジン１１の回転数の時間的変化とエンジン出力（エンジントルク）の時間的変化を示すグラフである。
【００８６】
ステップＳ１１において旋回用電動機２１を加速させようとすると、図１１の上側の線で示すように最初に電気負荷が急激に増大してから一定の値に落ち着く。このとき、電動発電機１２で電気負荷の増大に答えるべく発電を行なうために、まずステップＳ１２において、負荷要求に基づきエンジン１１の出力（トルク）を決定し算出し、エンジン１１の出力を増大させる。したがって、図１２の下側の線で示すようにエンジン１１の出力が増大し、これに伴い図１２の上側の線で示すようにエンジン１１の回転数も上昇する。
【００８７】
エンジン１１の回転数が上昇すると、ステップＳ１４において電動発電機１２の発電運転が開始される。このステップＳ１１からステップＳ１４の制御を繰り返すことで、図１１の下側の線で示すように電動発電機１２の発電量は次第に増加する。その後、ステップＳ１１からステップＳ１４の制御を繰り返すと、目標回転数から離れたエンジン１１の回転数は、電動発電機１２の速度制御により次第に目標回転数に近づく。図１２の上側の線においては、回転数が目標回転数まで達するとそれを維持するように電動発電機１２が制御されるが、目標回転数より僅かに低くなってから増大し、増減を繰り返しながら目標回転数に収束する。
【００８８】
エンジン１１の回転数が最も低下したときの値と最も高くなったときの値との差分ΔＲ２（図１２参照）は、比較的小さな値となる。すなわち、電動発電機１２は電動機であるので応答性がよく、電動発電機１２でエンジン回転数を制御したほうが回転数の変動を小さく抑えられる。図８に示すΔＲ１と図１２に示すΔＲ２とでは、ΔＲ２のほうがはるかに小さいことがわかる。このように、エンジン１１の出力を負荷要求から算出することで、エンジン１１の回転数が低下する前に燃料噴射することができる。
【００８９】
以上のように、エンジン１１の回転数の変動幅（ΔＲ２）が小さいということは、燃料噴射量の増加率が小さいことであり、燃料噴射量の急激な増加が抑制されているということである。したがって、上述の例のように電気負荷要求出力が急激に増大した場合でも、エンジン１１での燃焼効率の悪化を抑制することができ、エンジン１１から黒煙が発生したり、燃料消費率が悪化することを防止することができる。
【００９０】
さらに、電動発電機１２により回転数制御を行うことで、エンジン１１より応答性良く回転数を一定に維持することができる。これにより、回転数の変動を抑制でき、オペレータに安定した操作感を与えることができる。
【００９１】
ここでは、効果が顕著に現れる事例として、充電率が低い状態、すなわち、電動発電機１２がエンジン１１をアシストすることができない状態を例にとって説明したが、通常の動作時においても、エンジン１１の出力を負荷要求から算出し、エンジン１１の回転数が低下する前に燃料噴射させること、さらには、電動発電機１２によって回転数制御させることで、エンジン１１の回転数の変動幅を抑えることができる。
【００９２】
次に、上述の実施形態による制御系によるエンジン１１と電動発電機１２の駆動制御の他の例について説明する。キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が目標充電率より高く、キャパシタ１９に充電を行えない状態で、旋回用電動機２１を減速する場合の駆動制御について説明する。
【００９３】
まず、比較の対象として、図５に示す制御系による駆動制御について説明する。図１３は、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が高く、キャパシタ１９に充電できない状態で、旋回用電動機２１を回生運転（減速）させた場合の、エンジン１１と電動発電機１２の駆動制御のフローチャートである。
【００９４】
まず、ステップＳ２１において、上部旋回部３の旋回を減速させるために電気負荷要求出力の回生（電動発電機１２での発電要求）が増加したことが検出される。すなわち、アシスト／発電量決定部３０ｃは、電気負荷要求出力算出部３０ｇから供給される電気負荷要求出力の回生（電動発電機１２での発電要求）が増加したことを検出し、且つ充電率（ＳＣＯ）算出部から供給される充電率が目標充電率より高いことを検出する。充電率が目標充電率より高い場合は、キャパシタ１９への充電は行なわい。
【００９５】
そこで、ステップＳ２２において、トルク制御部３０ｂは、旋回用電動機２１からの回生電力を油圧負荷の駆動で消費させるために、電動発電機１２をアシスト運転（力行運転）する指令をインバータ１８に出力する。
【００９６】
このとき、電気負荷（旋回用電動機２１）からの回生電力は急激に増大するが、キャパシタ１９の充電に回生電力を用いることができないため、電動発電機１２は大きな電力を消費しなければならない。
【００９７】
ステップＳ２３において、インバータ１８の制御により電動発電機１２がアシスト運転を開始すると、電動発電機１２のアシスト量が急激に増大するため、エンジン１１への負荷が急激に減少する。エンジン１１は一定の回転数を維持するように制御されているが、電動発電機１２による負荷が急激に減少するのでこれに追従できず、エンジン１１の回転数は一時的に目標回転数から大きく上昇する。
【００９８】
エンジン１１の回転数が上昇すると、ステップＳ２４においてエンジンの定回転数制御が行なわれ、エンジン１１の出力を減少して回転数が一定の目標回転数まで下がるように制御が行なわれる。このステップＳ２１からステップＳ２４の制御は、コントローラの制御周期毎に繰り返し行われる。
【００９９】
図１４は、以上の制御における電気負荷の回生電力の時間的変化と電動発電機１２のアシスト量の時間的変化を示すグラフである。また、図１５は、以上の制御におけるエンジンの回転数の時間的変化と出力（エンジントルク）の時間的変化とを示すグラフである。
【０１００】
ステップＳ２１において旋回用電動機２１が減速するために回生電力が発生し、図１４の下側の線で示すように最初に電気負荷（回生電力）が急激に増大してから減少し再びゼロとなる。このとき、電動発電機１２は回生電力を消費すべくステップＳ２２においてアシスト運転を行なうため、図１４の上側の線で示すように回生電力の変化にほぼ対応してアシスト量が変化する。すなわち、電動発電機１２が回生電力により力行運転して、エンジン１１をアシストする。
【０１０１】
ステップＳ２２において電動発電機１２のアシスト量が急激に増大するとエンジン１１への負荷が急激に減少し、ステップＳ２３においてエンジン１１の回転数が急激に上昇する。図１５の上側の線がエンジン１１の回転数の時間的変化を示しており、電動発電機１２によるアシスト量の増大に対応して回転数が急激に上昇することがわかる。
【０１０２】
エンジン１１の回転数が上昇すると定回転制御機能が働き、ステップＳ２４において燃料噴射量が減少され、図１５の下側の線で示すようにエンジン出力が低下する。このステップＳ２１からステップ２４の制御を繰り返すことで、やがて、図１５の上側の線で示すようにエンジン１１の回転数は増大から減少に転じ、目標回転数まで減少する。回転数が目標回転数まで達するとそれを維持するように燃料噴射量が制御されるが、目標回転数より僅かに低くなってから増大し、増減を繰り返しながら目標回転数に収束する。
【０１０３】
エンジン１１の回転数が最も高くなったときの値と最も低くなったときの値との差分ΔＲ３（図１５参照）は、比較的大きな値となる。すなわち、電動発電機１２のアシスト量は電気的制御で急激に増大するためエンジン１１への負荷も急激に低下するのに対し、エンジン１１の出力を減少するために燃料噴射量を減少してから実際にエンジン１１の出力が減少するまでにある程度時間が必要である。このため、エンジン１１の回転数が上昇し始めた時点から、エンジン１１の出力が減少し始めて回転数を低下させるようになるまでにある程度の時間的遅れがあり、この時間的遅れの間に回転数は大きく上昇してしまう。これにより回転数の上昇（差分ΔＲ３）は比較的大きな値となってしまう。
【０１０４】
そこで、本発明の一実施形態では、このような問題を解消するために、電動発電機１２のアシスト運転を行なうより前に、まずエンジン１１のトルクを低下させることで、エンジン１１の回転数の大きな上昇を抑制し、上述の問題を解消する。
【０１０５】
図１６は、図９に示す制御系において、図１３に示す駆動制御処理と同様に、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が高く、キャパシタ１９への電力を供給できない状態で、旋回用電動機２１を回生運転（減速）させた場合の、エンジン１１と電動発電機１２の駆動制御のフローチャートである。
【０１０６】
まず、ステップＳ３１において、上部旋回部３を減速させるために電気負荷要求出力（回生）が増加したことが検出される。すなわち、トルク指令決定部３０ｈは、電気負荷要求出力算出部３０ｇから供給される電気負荷要求出力（回生）が増加したことを検出し、且つ充電率（ＳＣＯ）算出部３０ｄから供給される充電率が目標充電率より高いことを検出する。充電率が目標充電率より高い場合は、キャパシタ１９への充電は行なわず、電動発電機１２をアシスト運転して回生電力を消費するように制御する。
【０１０７】
そこで、ステップＳ３２において、トルク制御部３０ｉは、エンジン１１のトルクを低下させるための指令をエンジン１１に供給する。具体的には、トルク制御部３０ｉは、燃料噴射量を減少してエンジンの出力を低下させるための指令をエンジン１１に出力する。このとき、電動発電機１２にはアシスト運転の指令は出されていない。
【０１０８】
したがって、燃料噴射量が減少してエンジン１１の出力が低下し、ステップＳ３３においてエンジン１１の回転数が低下する。このように、本実施形態では、電動発電機１２でのアシスト運転を開始する前にエンジン１１の出力の低下を開始するため、電動発電機１２でアシスト運転を行なう前にエンジン１１の回転数が低下する。
【０１０９】
エンジン１１の回転数が低下するとエンジンに直結されている電動発電機１２の回転数も低下する。電動発電機１２は一定の回転速度に維持されるように定回転速度制御が行なわれているので、速度センサ６０からの速度検出値が増大すると、ステップＳ３４において、速度制御部３０ａは、アシスト運転指令をインバータ１８に出力し、インバータ１８は電動発電機１２をアシスト運転させる。これにより、電気負荷である旋回用電動機２１からの回生電力が電動発電機１２に供給されて電動発電機１２がアシスト運転（力行運転）し、回生電力が消費される。このステップＳ３１からステップＳ３４の制御は、コントローラ３０の制御周期毎に繰り返し実行される。
【０１１０】
電動発電機１２がアシスト運転を行なうと、エンジン１１の負荷が減少し、エンジン１１の回転数は上昇し、目標回転数で一定に維持される。
【０１１１】
図１７は、以上の制御における回生電力の時間的変化と電動発電機１２の発電量の時間的変化を示すグラフである。また、図１８は、以上の制御におけるエンジン１１の回転数の時間的変化とエンジン出力（エンジントルク）の時間的変化を示すグラフである。
【０１１２】
ステップＳ３１において旋回用電動機２１を減速させると、図１７の下側の線で示すように最初に電気負荷（回生）が急激に増大してから減少しゼロに戻る。このとき、電動発電機１２で電気負荷（回生）の増大を吸収するためにアシスト運転を行なうために、まずステップＳ３２においてエンジン１１の出力を減少させる。したがって、図１８の下側の線で示すようにエンジン１１の出力が低下し、これに伴い図１８の上側の線で示すようにエンジン１１の回転数も低下する。
【０１１３】
エンジン１１の回転数が低下すると、ステップＳ３４において電動発電機１２のアシスト運転が開始される。このステップＳ３１からステップＳ３４の制御を繰り返すことで、図１７の下側の線で示すように電動発電機のアシスト量は次第に増加する。その後、このステップＳ３１からステップＳ３４の制御を繰り返すと、目標回転数から離れたエンジン１１の回転数は、電動発電機１２の速度制御により次第に目標回転数に近づく。図１７の上側の線においては、回転数が目標回転数まで達するとそれを維持するように電動発電機１２が制御されるが、目標回転数より僅かに高くなってから増大し、増減を繰り返しながら目標回転数に収束する。
【０１１４】
エンジン１１の回転数が最も低下したときの値と最も高くなったときの値との差分ΔＲ４（図１８参照）は、比較的小さな値となる。すなわち、電動発電機１２は電動機であるので応答性がよく、電動発電機１２がアシスト運転を開始したら直ちにエンジン１１に対する負荷が減少する。このため、上低下していたエンジン１１の回転数は直ちに上昇に転じ、目標回転数からの低下は小さく抑えられる。図１５に示すΔＲ３と図１８に示すΔＲ４とでは、ΔＲ４のほうがはるかに小さいことがわかる。
【０１１５】
以上のように、エンジン１１の回転数の変動幅（ΔＲ４）が小さいということは、燃料噴射量が過大となることが抑制されているということである。
【０１１６】
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作業機械を例にとって説明したが、本発明はいわゆるシリーズ方式のハイブリッド式作業機械に適用することもできる。
【０１１７】
図１９は本発明が適用可能なシリーズ方式のハイブリッド式作業機械であるシリーズ方式のハイブリッド式油圧ショベルの構成を示すブロック図である。図１９において、機械的動力系は二重線、油圧ラインは太い実線、電気駆動系は細い実線、電気制御系は点線でそれぞれ示されている。
【０１１８】
機械式駆動部２１１のエンジン２１２は、発電部２１３の発電機２１４を駆動する。発電機２１４により生成された電力は、発電部２１３のインバータ２１５を介して蓄電部２１６に供給される。蓄電部２１６に供給された電力は、コンバータ２１７により蓄電器であるバッテリ（図示せず）に供給される。これにより、バッテリが充電される。
【０１１９】
バッテリから電力供給を受けて駆動される電気負荷系２２０には、旋回用電動機２２１とポンプ駆動用電動機２２２と設けられている。旋回用電動機２２１は、旋回機構を駆動して上部旋回体を旋回させるためのモータである。旋回用電動機２２１には、バッテリからインバータ２２３を介して電力が供給される。
【０１２０】
ポンプ駆動用電動機２２２にも、インバータ２２４を介してバッテリから電力が供給される。ポンプ駆動用電動機２２２は、油圧負荷系２２５の油圧ポンプ２２６を駆動するためのモータである。
【０１２１】
油圧ポンプ２２６で発生した油圧は、コントロールバルブ２２７を介して、バケットシリンダ２０９、アームシリンダ２０８、ブームシリンダ２０７、走行（右）油圧モータ２２８、及び走行（左）油圧モータ２２９のそれぞれに供給される。バケットシリンダ２０９は、バケットを駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ２０８は、アームを駆動するための油圧シリンダである。ブームシリンダ２０７は、ブーム４駆動するための油圧シリンダである。走行（右）油圧モータ２２８は、下部走行体の右側のクローラを駆動するための油圧モータであり、走行（左）油圧モータ２２９は、下部走行体の左側のクローラを駆動するための油圧モータである。
【０１２２】
なお、バッテリとして電気二重層キャパシタのような蓄電器を用いているが、これに限られず他の充放電可能な蓄電器を用いてもよい。蓄電器は、端子間電圧から蓄電率ＳＯＣを容易に求めることができるという利点を有する。なお、バッテリの端子間電圧を検出するための電圧検出器（図示せず）がバッテリの端子に接続されている。
【０１２３】
コントローラ２４０は、インバータ２１５，２２３，２２４及びコンバータ（図示せず）を制御して、発電機２１４からバッテリへの供給電力（バッテリの充電量）及びバッテリから電気負荷系２２０への供給電力（バッテリの放電量）を制御する。また、コントローラ２４０は、電圧検出器２３０からの検出電圧に基づいてバッテリの蓄電率ＳＯＣを求め、求めた蓄電率ＳＯＣに基づいてバッテリの出力（充放電量）を制御する。
【０１２４】
なお、上述の実施形態はハイブリッド式作業機械を例にとって説明したが、本発明は、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するサーボ制御システムの制御方法にも適用することができる。すなわち、上述の制御方法をサーボ制御システムに適用することで、エンジンの出力変化にともなうエンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することができる。
【符号の説明】
【０１２５】
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
３０ａ 速度制御部
３０ｂ トルク制御部
３０ｃ アシスト／発電量決定部
３０ｄ 充電率（ＳＯＣ）算出部
３０ｅ 油圧負荷要求出力算出部
３０ｇ 電気負荷要求出力算出部
３０ｈ トルク指令決定部
３０ｉ トルク制御部
５４ 油圧負荷
５６ 電気負荷
５８ コンバータ
６０ 速度センサ
６２ 電流センサ
６４ 電圧センサ
６６ 圧力センサ
６８ 流量センサ
７０ 斜板位置センサ
７２ 操作レバー群
１１０ ＤＣバス
１２０ 蓄電系
２１１ 機械式駆動部
２１２ エンジン
２１３ 発電部
２１４ 発電機
２１５，２２３，２２４ インバータ
２１６ 蓄電部
２１９ ＤＣバス
２２０ 電気負荷系
２２１ 旋回用電動機
２２２ ポンプ駆動用電動機
２２５ 油圧負荷系
２２６ 油圧ポンプ
２２７ コントロールバルブ
２２８ 走行（右）油圧モータ
２２９ 走行（左）油圧モータ
２４０ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は作業機械に係り、特に蓄電器からの電力により電動機を駆動して油圧ポンプを駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法及びサーボ制御システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
作業機械は油圧駆動のものが多い。油圧駆動式作業機械の一例として、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作業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作業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】
ハイブリッド式作業機械では、作業用の動力（すなわち油圧ポンプを駆動する動力）を主にエンジンから得ている。通常、エンジンは常に一定の回転数を維持するように速度制御される。すなわち、エンジンは、負荷状態に関係なく、計測されたエンジンの回転速度が目標速度（一定の速度）となるように、エンジンへの燃料噴射量が制御される。
【０００９】
一方、アシストモータ（電動機）はエンジンの出力が足りないときにエンジンをアシストするようにトルク制御される。すなわち、負荷状態及びバッテリの充電率（ＳＯＣ）に応じて、アシストモータのアシスト量及び発電量が決定される。そして、計測されたアシストモータの速度に基づいて、目標のアシスト量又は発電量となるように、アシストモータのトルク指令値が決定される。なお、アシストモータはエンジンに機械的に結合しているので、アシストモータの回転数はエンジンの回転数により決まる。
【００１０】
上述のような構成のハイブリッド式作業機械において、急峻な負荷変動（油圧負荷要求の急激な変化）があった場合、一時的にエンジンの回転数が変動することがある。すなわち、エンジンの定回転数制御が負荷変動に追従できずに、エンジンの回転数が一時的に変動してしまう。
【００１１】
例えば、油圧負荷が急激に増大すると、一時的にエンジンの回転数が目標回転数（一定回転数）より低くなる。このような場合、油圧ポンプの出力が低下し、油圧アクチュエータに供給する油量が減少するので、操作者が意図したようなスピードや力で作業ができなくなる。これにより、操作者には操作感が悪くなったという印象を与えてしまう。
【００１２】
また、エンジンの回転数が一時的に低下した状態から早く定回転状態に復帰するように燃料噴射量を急激に増大するような制御が行なわれるため、エンジンの燃焼条件が悪化し、エンジンから黒煙が発生したり、燃費が悪化するおそれもある。
【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、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法であって、電気負荷要求に基づき前記エンジンの出力を決定し、前記決定された出力に基づいてエンジンの制御を行なうことを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法が提供される。
【００１４】
上述のハイブリッド式作業機械の制御方法において、エンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することが好ましい。また、前記電気負荷要求の増大に従って前記エンジンの出力を増加させ、前記電気負荷要求の減少に従って前記エンジンの出力を低下させることが好ましい。さらに、前記電気負荷要求の変化に従った前記エンジンの回転数の変化前に、前記エンジンの出力を変化させることとしてもよい。
【００１５】
また、上述のハイブリッド式作業機械の制御方法において、前記電気負荷要求は電動負荷の力行運転の要求であり、前記発電機を運転することで前記電気負荷要求に応じた電力を発電することが好ましい。あるいは、前記電気負荷要求は電動負荷の回生運転の要求であり、電動機を運転することで前記電気負荷要求に応じた回生電力を消費することとしてもよい。
【００１６】
また、本発明によれば、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法であって、前記エンジンの出力変化にともなう前記エンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することを特徴をするハイブリッド式作業機械の制御方法が提供される。
【００１７】
さらに、本発明によれば、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するサーボ制御システムの制御方法であって、前記エンジンの出力変化にともなう前記エンジンの回転数の変化を、前記発電機の速度制御により一定に維持することを特徴とするサーボ制御システムの制御方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、エンジンへの負荷が急激に変動した場合でも、エンジンの出力を先に変化させてから電動機又は発電機により速度制御を行なうので、エンジン回転数の大きな変動が無く、エンジンの燃焼条件を良好な状態に維持することができ、操作性の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの制御系の一例を示すブロック図である。
【図６】キャパシタの充電率（ＳＯＣ）が低く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機を動作（加速）させた場合の、エンジンと電動発電機の駆動制御のフローチャートである。
【図７】図６に示す駆動制御における電気負荷の時間的変化と電動発電機の発電量の時間的変化を示すグラフである。
【図８】図６に示す駆動制御におけるエンジンの回転数の時間的変化と出力（エンジントルク）の時間的変化とを示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態による制御方法を行なうように構成されたハイブリッド式油圧ショベルの制御系を示すブロック図である。
【図１０】キャパシタの充電率（ＳＯＣ）が低く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機を動作（加速）させた場合の、本発明の一実施形態によるエンジンと電動発電機の駆動制御のフローチャートである。
【図１１】図１０に示す駆動制御における電気負荷の時間的変化と電動発電機の発電量の時間的変化を示すグラフである。
【図１２】図１０に示す駆動制御におけるエンジンの回転数の時間的変化とエンジン出力（エンジントルク）の時間的変化を示すグラフである。
【図１３】キャパシタの充電率（ＳＯＣ）が高く、キャパシタに充電できない状態で、旋回用電動機を回生運転（減速）させた場合の、エンジンと電動発電機の駆動制御のフローチャートである。
【図１４】図１３に示す駆動制御における電気負荷の回生電力の時間的変化と電動発電機のアシスト量の時間的変化を示すグラフである。
【図１５】図１３に示す駆動制御におけるエンジンの回転数の時間的変化と出力（エンジントルク）の時間的変化とを示すグラフである。
【図１６】図９に示す制御系において、キャパシタの充電率（ＳＯＣ）が高く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機を回生運転（減速）させた場合の、本発明の一実施形態によるエンジンと電動発電機の駆動制御のフローチャートである。
【図１７】図１６に示す駆動制御における電気負荷の回生電力の時間的変化と電動発電機のアシスト量の時間的変化を示すグラフである。
【図１８】図１６に示す駆動制御におけるエンジンの回転数の時間的変化とエンジン出力（エンジントルク）の時間的変化を示すグラフである。
【図１９】本発明が適用可能なシリーズ方式のハイブリッド式作業機械であるシリーズ方式のハイブリッド式油圧ショベルの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明が適用されるハイブリッド式作業機械としては、バッテリからの電力により駆動する電動発電機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作業機械であればどのような作業機械であってもよい。そのようなハイブリッド式作業機械として、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。
【００２１】
まず、本発明が適用されるハイブリッド式作業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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。すなわち、電動発電機１２は発電機兼電動機である。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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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ＤＣバス１１０に接続されている。インバータ１８，２０はＤＣバス１１に接続される。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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る。コントローラ３０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う。また、コントローラ３０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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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ＤＣバス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。
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、電動発電機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、電動発電機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。
【００４７】
まず、電動発電機のトルク制御を行なってエンジンをアシストする制御系に関して、図５を参照しながら説明する。図５は上述のハイブリッド式油圧ショベルの制御系の一例を示すブロック図である。図５において、図２及び図３に示す構成部品と同じ部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００４８】
図５に示す制御系には、エンジン１１の回転速度を検出する速度センサ６０と、電動発電機１２の電流を検出する電流センサ６２と、キャパシタ１９の端子間電圧を検出する電圧センサ６４とが設けられている。また、油圧ポンプであるメインポンプ１４には、吐出圧力を検出する圧力センサ６６、吐出流量を検出する流量センサ６８、及び斜板の位置を検出する斜板位置センサ７０が設けられている。また、ハイブリッド式油圧ショベルの運転室には操作レバー群７２が設けられており、操作者が操作レバー群７２を操作すると各レバーの操作量を表す信号が出力される。
【００４９】
速度センサ６０の速度検出値は制御部であるコントローラ３０の速度制御部３０ａに供給される。速度制御部３０ａは供給された速度検出値に基づいてエンジン１１の回転速度が一定の目標回転数に維持されるように制御する。
【００５０】
電流センサ６２の電流検出値はコントローラ３０のトルク制御部３０ｂに供給される。トルク制御部３０ｂは後述のアシスト／発電量決定部３０ｃからの情報に基づいて、電動発電機１２の駆動を制御する指令をインバータ１８に出力する。
【００５１】
電圧センサ６４の電圧検出値はコントローラ３０の充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄに供給される。充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄは、電圧センサ６４から供給された電圧検出値に基づいて、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）を算出し、算出した充電率をアシスト／発電量決定部３０ｃに供給する。
【００５２】
メインポンプ１４に設けられた圧力センサ６６、流量センサ６８、及び斜板位置センサ７０の検出値は、コントローラ３０の油圧負荷要求出力算出部３０ｅに供給される。油圧負荷要求出力算出部３０ｅは、圧力センサ６６、流量センサ６８、及び斜板位置センサ７０の検出値と、操作レバー群７２からの操作量を表す信号とに基づいて、油圧負荷要求出力を算出し、算出した油圧負荷要求出力をアシスト／発電量決定部３０ｃに供給する。
【００５３】
操作レバー群７２からの操作量を表す信号は、コントローラ３０の速度制御部３０ｆにも供給される。速度制御部３０ｆは、操作量を表す信号のうち特に電気負荷に関する操作量を表す信号に基づいて、電気負荷を駆動するための指令を生成する。具体的には、電気負荷として旋回用電動機２１を駆動するための指令を生成し、生成した指令をインバータ２０に出力する。また、速度制御部３０ｆは、電気負荷を駆動するための指令を電気負荷要求出力算出部３０ｇに供給する。
【００５４】
電気負荷要求出力算出部３０ｇは、電気負荷を駆動するための指令と、操作レバー群７２からの操作量を表す信号のうち特に電気負荷に関する操作量とに基づいて、電気負荷要求出力を算出し、算出した電気負荷要求出力をアシスト／発電量決定部３０ｃに供給する。
【００５５】
アシスト／発電量決定部３０ｃは、充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄからの充電率と、油圧負荷要求出力算出部３０ｅからの油圧負荷要求出力と、電気負荷要求出力算出部３０ｇからの電気負荷要求出力とに基づいて、電動発電機１２のアシスト量又は発電量を決定し、決定したアシスト量又は発電量をトルク制御部３０ｂに供給する。
【００５６】
上述のように、トルク制御部３０ｂは、電流センサ６２からの電流検出値とアシスト／発電量決定部３０ｃからのアシスト量又は発電量とに基づいて、電動発電機１２の駆動を制御する指令をインバータ１８に供給する。したがって、電動発電機１２の駆動（アシスト又は発電）は、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）と、油圧負荷要求出力と、電気負荷要求出力とに基づいて制御される。
【００５７】
次に、図５に示す制御系によるエンジン１１と電動発電機１２の駆動制御の例について説明する。
【００５８】
図６はキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が低く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機２１を動作（加速）させた場合の、エンジン１１と電動発電機１２の駆動制御のフローチャートである。
【００５９】
まず、ステップＳ１において、上部旋回部３の旋回を加速させるために電気負荷要求出力が増加したことが検出される。すなわち、アシスト／発電量決定部３０ｃは、電気負荷要求出力算出部３０ｇから供給される電気負荷要求出力が増加したことを検出し、且つ充電率（ＳＣＯ）算出部から供給される充電率が目標充電率より低いことを検出する。充電率が目標充電率より低い場合は、電動発電機１２を発電運転して蓄電系１２０を充電するように制御を行い、蓄電系１２０から旋回用電動機２１へ電力の供給を行う。
【００６０】
そこで、ステップＳ２において、トルク制御部３０ｂは、電動発電機１２を発電運転する指令をインバータ１８に出力する。このとき、電気負荷（旋回用電動機２１）へ供給する電力は増大しており、それによって、蓄電系１２０に充電する電力が必要となるので、電動発電機１２は大きな電力を発電しなければならない。
【００６１】
ステップＳ３において、インバータ１８の制御により電動発電機１２が発電運転を開始すると、電動発電機１２の発電運転によるエンジン１１への負荷が急激に増大する。エンジン１１は一定の回転数を維持するように制御されているが、電動発電機１２による負荷が急激に増大するのでこれに追従できず、エンジン１１の回転数は一時的に目標回転数から大きく低下する。
【００６２】
エンジン１１の回転数が低下すると、ステップＳ４においてエンジンの定回転数制御が行なわれ、エンジンの出力を増大して回転数が一定の目標回転数まで上がるように制御が行なわれる。このステップＳ１からステップＳ４の制御は、コントローラ３０の制御周期毎に繰り返し実効される。
【００６３】
図７は、以上の制御における電気負荷の時間的変化と電動発電機１２の発電量の時間的変化を示すグラフである。また、図８は、以上の制御におけるエンジンの回転数の時間的変化と出力（エンジントルク）の時間的変化とを示すグラフである。
【００６４】
ステップＳ１において旋回用電動機２１を加速するために、図７の上側の線で示すように最初に電気負荷が急激に増大してから一定の値に落ち着く。このとき、電動発電機１２は電気負荷の増大に答えるべくステップＳ２において発電運転を行なうため、図７の下側の線で示すように電気負荷の変化にほぼ対応して発電量が変化する。すなわち、電動発電機１２が発電して、キャパシタ１９に電力を供給し、上部旋回部３を旋回させながらキャパシタ１９を充電する。
【００６５】
ステップＳ２において電動発電機１２の発電量が急激に増大するとエンジン１１への負荷が急激に増大し、ステップＳ３においてエンジン１１の回転数が急激に低下する。図８の上側の線がエンジン１１の回転数の時間的変化を示しており、電動発電機１２による発電量の増大に対応して回転数が急激に低下することがわかる。
【００６６】
エンジン１１の回転数が低下すると定回転制御機能が働き、ステップＳ４において燃料噴射量が増加され、図８の下側の線で示すようにエンジン出力が増大する。このステップＳ１からステップＳ４の制御を繰り返すことで、やがて、図８の上側の線で示すようにエンジン１１の回転数は減少から増加に転じ、目標回転数まで増加する。回転数が目標回転数まで達するとそれを維持するように燃料噴射量が制御されるが、目標回転数より僅かに高くなってから減少し、増減を繰り返しながら目標回転数に収束する。
【００６７】
エンジン１１の回転数が最も低下したときの値と最も高くなったときの値との差分ΔＲ１（図８参照）は、比較的大きな値となる。すなわち、電動発電機１２の発電量は電気的制御で急激に増大するためエンジン１１への負荷も急激に増大するのに対し、エンジン１１の出力を増大するために燃料噴射量を増加してから実際にエンジン１１の出力が増大するまでに有る程度時間が必要である。このため、エンジン１１の回転数が低下し始めた時点から、エンジン１１の出力が増大し始めて回転数を増大させるようになるまでにある程度の時間的遅れがあり、この時間的遅れの間に回転数は大きく低下してしまう。これにより回転数の低下（差分ΔＲ１）は比較的大きな値となってしまう。
【００６８】
このとき、エンジン１１の回転数が大きく低下した状態から燃料噴射量を急激に増加して出力を急激に増大させようと制御するため、エンジン１１での燃焼効率が悪化し、エンジン１１から黒煙が発生したり、燃料消費率が悪化するおそれがある。
【００６９】
そこで、本発明の一実施形態では、このような問題を解消するために、電動発電機１２による発電を行なうより前に、まずエンジン１１のトルクを上昇させることで、エンジン１１の回転数の大きな低下を抑制し、上述の問題を解消する。
【００７０】
ここで、本発明の一実施形態による制御方法を行なうための制御系について、図９を参照しながら説明する。図９は本発明の一実施形態による制御方法を行なうように構成されたハイブリッド式油圧ショベルの制御系を示すブロック図である。図９において、図２、図３及び図５に示す構成部品と同じ部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。
【００７１】
図９に示す制御系には、エンジン１１の回転速度を検出する速度センサ６０と、キャパシタ１９の端子間電圧を検出する電圧センサ６４とが設けられる。また、油圧ポンプであるメインポンプ１４には、吐出圧力を検出する圧力センサ６６、吐出流量を検出する流量センサ６８、及び斜板の位置を検出する斜板位置センサ７０が設けられる。また、ハイブリッド式油圧ショベルの運転室には操作レバー群７２が設けられており、操作者が操作レバー群７２を操作すると各操作レバーの操作量を表す信号が出力される。
【００７２】
速度センサ６０の速度検出値は制御部であるコントローラ３０の速度制御部３０ａに供給される。速度制御部３０ａは供給された速度検出値に基づいてエンジン１１の回転数が一定の目標回転数に維持されるように制御する。
【００７３】
電圧センサ６４の電圧検出値はコントローラ３０の充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄに供給される。充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄは、電圧センサ６４から供給された電圧検出値に基づいて、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）を算出し、算出した充電率をトルク指令決定部３０ｈに供給する。
【００７４】
メインポンプ１４に設けられた圧力センサ６６、流量センサ６８、及び斜板位置センサ７０の検出値は、コントローラ３０の油圧負荷要求出力算出部３０ｅに供給される。油圧負荷要求出力算出部３０ｅは、圧力センサ６６、流量センサ６８、及び斜板位置センサ７０の検出値と、操作レバー群７２からの操作量を表す信号とに基づいて、油圧負荷要求出力を算出し、算出した油圧負荷要求出力をトルク指令決定部３０ｈに供給する。
【００７５】
操作レバー群７２からの操作量を表す信号は、コントローラ３０の速度制御部３０ｆにも供給される。速度制御部３０ｆは、操作量を表す信号のうち特に電気負荷に関する操作量を表す信号に基づいて、電気負荷を駆動するための指令を生成する。具体的には、電気負荷として旋回用電動機２１を駆動するための指令を生成し、生成した指令をインバータ２０に出力する。また、速度制御部３０ｆは、電気負荷を駆動するための指令を電気負荷要求出力算出部３０ｇに供給する。
【００７６】
電気負荷要求出力算出部３０ｇは、電気負荷を駆動するための指令と、操作レバー群２７からの操作量を表す信号のうち特に電気負荷に関する操作量とに基づいて、電気負荷要求出力を算出し、算出した電気負荷要求出力をトルク指令決定部３０ｈに供給する。
【００７７】
トルク指令決定部３０ｈは、充電率（ＳＯＣ）算出部３０ｄからの充電率と、油圧負荷要求出力算出部３０ｅからの油圧負荷要求出力と、電気負荷要求出力算出部３０ｇからの電気負荷要求出力とに基づいて、エンジン１１のトルク制御を行なうための指令を決定し、決定したトルク制御指令をトルク制御部３０ｉに出力する。そして、トルク制御部３０ｉはトルク制御指令から燃料噴射量制御を行なうための指令を生成し、エンジン１１に出力する。
【００７８】
上述のように、速度制御部３０ａは、エンジン１１の速度検出値のみに基づいて電動発電機１２の出力を制御する。一方、トルク制御部３０ｉは、トルク指令決定部３０ｈで決定したトルク制御指令に基づいてエンジン１１のトルク制御を行なう。本実施形態では、充電率と油圧負荷要求出力と電気負荷要求出力とから決定されるものは、エンジン１１のトルク制御に用いられる燃料噴射量であり、電動発電機１２の駆動を制御するためのアシスト量又は発電量では無い。
【００７９】
ここで、上述の実施形態による制御系によるエンジン１１と電動発電機１２の駆動制御の例について説明する
図１０は、図６に示す駆動制御処理と同様に、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が低く、キャパシタからの電力を供給できない状態で、旋回用電動機２１を動作（加速）させた場合の、エンジン１１と電動発電機１２の駆動制御のフローチャートである。
【００８０】
まず、ステップＳ１１において、上部旋回部３を加速させるために電気負荷要求出力が増加したことが検出される。すなわち、トルク指令決定部３０ｈは、電気負荷要求出力算出部３０ｇから供給される電気負荷要求出力が増加したことを検出し、且つ充電率（ＳＣＯ）算出部３０ｄから供給される充電率が目標充電率より低いことを検出する。充電率が目標充電率より低い場合は、キャパシタ１９からの電力の供給は行なわず、電動発電機１２を発電運転してキャパシタ１９を充電するように制御する。
【００８１】
そこで、ステップＳ１２において、トルク制御部３０ｉは、エンジン１１の回転数を増大させるための指令をエンジン１１に供給する。具体的には、トルク制御部３０ｉは、燃料噴射量を増加してエンジンの出力（トルク）を増大させるための指令をエンジン１１に出力する。このとき、電動発電機１２には発電の指令は出されていない。
【００８２】
したがって、燃料噴射量が増えてエンジン１１の出力が増大し、ステップＳ１３においてエンジン１１の回転数が上昇する。このように、本実施形態では、電動発電機１２での発電を開始する前にエンジン１１の出力の増大を開始するため、電動発電機１２で発電を行なう前にエンジン１１の回転数が増大する。
【００８３】
エンジン１１の回転数が上昇するとエンジンに直結されている電動発電機１２の回転数も上昇する。電動発電機１２は一定の回転速度に維持されるように定回転速度制御が行なわれているので、速度センサ６０からの速度検出値が増大すると、ステップＳ１４において、速度制御部３０ａは、発電指令をインバータ１８に出力し、インバータ１８は電動発電機１２を発電運転させる。これにより、電気負荷である旋回用電動機２１に電力が供給されて上部旋回部３が旋回し、且つキャパシタ１９の充電が行なわれる。このステップＳ１１からＳ１４の制御は、コントローラ３０の制御周期毎に繰り返し実効される。
【００８４】
電動発電機１２が発電運転を行なうと、エンジン１１に負荷がかかり、エンジン１１の回転数は低下し、目標回転数で一定に維持される。
【００８５】
図１１は、以上の制御における電気負荷の時間的変化と電動発電機１２の発電量の時間的変化を示すグラフである。また、図１２は、以上の制御におけるエンジン１１の回転数の時間的変化とエンジン出力（エンジントルク）の時間的変化を示すグラフである。
【００８６】
ステップＳ１１において旋回用電動機２１を加速させようとすると、図１１の上側の線で示すように最初に電気負荷が急激に増大してから一定の値に落ち着く。このとき、電動発電機１２で電気負荷の増大に答えるべく発電を行なうために、まずステップＳ１２において、負荷要求に基づきエンジン１１の出力（トルク）を決定し算出し、エンジン１１の出力を増大させる。したがって、図１２の下側の線で示すようにエンジン１１の出力が増大し、これに伴い図１２の上側の線で示すようにエンジン１１の回転数も上昇する。
【００８７】
エンジン１１の回転数が上昇すると、ステップＳ１４において電動発電機１２の発電運転が開始される。このステップＳ１１からステップＳ１４の制御を繰り返すことで、図１１の下側の線で示すように電動発電機１２の発電量は次第に増加する。その後、ステップＳ１１からステップＳ１４の制御を繰り返すと、目標回転数から離れたエンジン１１の回転数は、電動発電機１２の速度制御により次第に目標回転数に近づく。図１２の上側の線においては、回転数が目標回転数まで達するとそれを維持するように電動発電機１２が制御されるが、目標回転数より僅かに低くなってから増大し、増減を繰り返しながら目標回転数に収束する。
【００８８】
エンジン１１の回転数が最も低下したときの値と最も高くなったときの値との差分ΔＲ２（図１２参照）は、比較的小さな値となる。すなわち、電動発電機１２は電動機であるので応答性がよく、電動発電機１２でエンジン回転数を制御したほうが回転数の変動を小さく抑えられる。図８に示すΔＲ１と図１２に示すΔＲ２とでは、ΔＲ２のほうがはるかに小さいことがわかる。このように、エンジン１１の出力を負荷要求から算出することで、エンジン１１の回転数が低下する前に燃料噴射することができる。
【００８９】
以上のように、エンジン１１の回転数の変動幅（ΔＲ２）が小さいということは、燃料噴射量の増加率が小さいことであり、燃料噴射量の急激な増加が抑制されているということである。したがって、上述の例のように電気負荷要求出力が急激に増大した場合でも、エンジン１１での燃焼効率の悪化を抑制することができ、エンジン１１から黒煙が発生したり、燃料消費率が悪化することを防止することができる。
【００９０】
さらに、電動発電機１２により回転数制御を行うことで、エンジン１１より応答性良く回転数を一定に維持することができる。これにより、回転数の変動を抑制でき、オペレータに安定した操作感を与えることができる。
【００９１】
ここでは、効果が顕著に現れる事例として、充電率が低い状態、すなわち、電動発電機１２がエンジン１１をアシストすることができない状態を例にとって説明したが、通常の動作時においても、エンジン１１の出力を負荷要求から算出し、エンジン１１の回転数が低下する前に燃料噴射させること、さらには、電動発電機１２によって回転数制御させることで、エンジン１１の回転数の変動幅を抑えることができる。
【００９２】
次に、上述の実施形態による制御系によるエンジン１１と電動発電機１２の駆動制御の他の例について説明する。キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が目標充電率より高く、キャパシタ１９に充電を行えない状態で、旋回用電動機２１を減速する場合の駆動制御について説明する。
【００９３】
まず、比較の対象として、図５に示す制御系による駆動制御について説明する。図１３は、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が高く、キャパシタ１９に充電できない状態で、旋回用電動機２１を回生運転（減速）させた場合の、エンジン１１と電動発電機１２の駆動制御のフローチャートである。
【００９４】
まず、ステップＳ２１において、上部旋回部３の旋回を減速させるために電気負荷要求出力の回生（電動発電機１２での発電要求）が増加したことが検出される。すなわち、アシスト／発電量決定部３０ｃは、電気負荷要求出力算出部３０ｇから供給される電気負荷要求出力の回生（電動発電機１２での発電要求）が増加したことを検出し、且つ充電率（ＳＣＯ）算出部から供給される充電率が目標充電率より高いことを検出する。充電率が目標充電率より高い場合は、キャパシタ１９への充電は行なわい。
【００９５】
そこで、ステップＳ２２において、トルク制御部３０ｂは、旋回用電動機２１からの回生電力を油圧負荷の駆動で消費させるために、電動発電機１２をアシスト運転（力行運転）する指令をインバータ１８に出力する。
【００９６】
このとき、電気負荷（旋回用電動機２１）からの回生電力は急激に増大するが、キャパシタ１９の充電に回生電力を用いることができないため、電動発電機１２は大きな電力を消費しなければならない。
【００９７】
ステップＳ２３において、インバータ１８の制御により電動発電機１２がアシスト運転を開始すると、電動発電機１２のアシスト量が急激に増大するため、エンジン１１への負荷が急激に減少する。エンジン１１は一定の回転数を維持するように制御されているが、電動発電機１２による負荷が急激に減少するのでこれに追従できず、エンジン１１の回転数は一時的に目標回転数から大きく上昇する。
【００９８】
エンジン１１の回転数が上昇すると、ステップＳ２４においてエンジンの定回転数制御が行なわれ、エンジン１１の出力を減少して回転数が一定の目標回転数まで下がるように制御が行なわれる。このステップＳ２１からステップＳ２４の制御は、コントローラの制御周期毎に繰り返し行われる。
【００９９】
図１４は、以上の制御における電気負荷の回生電力の時間的変化と電動発電機１２のアシスト量の時間的変化を示すグラフである。また、図１５は、以上の制御におけるエンジンの回転数の時間的変化と出力（エンジントルク）の時間的変化とを示すグラフである。
【０１００】
ステップＳ２１において旋回用電動機２１が減速するために回生電力が発生し、図１４の下側の線で示すように最初に電気負荷（回生電力）が急激に増大してから減少し再びゼロとなる。このとき、電動発電機１２は回生電力を消費すべくステップＳ２２においてアシスト運転を行なうため、図１４の上側の線で示すように回生電力の変化にほぼ対応してアシスト量が変化する。すなわち、電動発電機１２が回生電力により力行運転して、エンジン１１をアシストする。
【０１０１】
ステップＳ２２において電動発電機１２のアシスト量が急激に増大するとエンジン１１への負荷が急激に減少し、ステップＳ２３においてエンジン１１の回転数が急激に上昇する。図１５の上側の線がエンジン１１の回転数の時間的変化を示しており、電動発電機１２によるアシスト量の増大に対応して回転数が急激に上昇することがわかる。
【０１０２】
エンジン１１の回転数が上昇すると定回転制御機能が働き、ステップＳ２４において燃料噴射量が減少され、図１５の下側の線で示すようにエンジン出力が低下する。このステップＳ２１からステップ２４の制御を繰り返すことで、やがて、図１５の上側の線で示すようにエンジン１１の回転数は増大から減少に転じ、目標回転数まで減少する。回転数が目標回転数まで達するとそれを維持するように燃料噴射量が制御されるが、目標回転数より僅かに低くなってから増大し、増減を繰り返しながら目標回転数に収束する。
【０１０３】
エンジン１１の回転数が最も高くなったときの値と最も低くなったときの値との差分ΔＲ３（図１５参照）は、比較的大きな値となる。すなわち、電動発電機１２のアシスト量は電気的制御で急激に増大するためエンジン１１への負荷も急激に低下するのに対し、エンジン１１の出力を減少するために燃料噴射量を減少してから実際にエンジン１１の出力が減少するまでにある程度時間が必要である。このため、エンジン１１の回転数が上昇し始めた時点から、エンジン１１の出力が減少し始めて回転数を低下させるようになるまでにある程度の時間的遅れがあり、この時間的遅れの間に回転数は大きく上昇してしまう。これにより回転数の上昇（差分ΔＲ３）は比較的大きな値となってしまう。
【０１０４】
そこで、本発明の一実施形態では、このような問題を解消するために、電動発電機１２のアシスト運転を行なうより前に、まずエンジン１１のトルクを低下させることで、エンジン１１の回転数の大きな上昇を抑制し、上述の問題を解消する。
【０１０５】
図１６は、図９に示す制御系において、図１３に示す駆動制御処理と同様に、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）が高く、キャパシタ１９への電力を供給できない状態で、旋回用電動機２１を回生運転（減速）させた場合の、エンジン１１と電動発電機１２の駆動制御のフローチャートである。
【０１０６】
まず、ステップＳ３１において、上部旋回部３を減速させるために電気負荷要求出力（回生）が増加したことが検出される。すなわち、トルク指令決定部３０ｈは、電気負荷要求出力算出部３０ｇから供給される電気負荷要求出力（回生）が増加したことを検出し、且つ充電率（ＳＣＯ）算出部３０ｄから供給される充電率が目標充電率より高いことを検出する。充電率が目標充電率より高い場合は、キャパシタ１９への充電は行なわず、電動発電機１２をアシスト運転して回生電力を消費するように制御する。
【０１０７】
そこで、ステップＳ３２において、トルク制御部３０ｉは、エンジン１１のトルクを低下させるための指令をエンジン１１に供給する。具体的には、トルク制御部３０ｉは、燃料噴射量を減少してエンジンの出力を低下させるための指令をエンジン１１に出力する。このとき、電動発電機１２にはアシスト運転の指令は出されていない。
【０１０８】
したがって、燃料噴射量が減少してエンジン１１の出力が低下し、ステップＳ３３においてエンジン１１の回転数が低下する。このように、本実施形態では、電動発電機１２でのアシスト運転を開始する前にエンジン１１の出力の低下を開始するため、電動発電機１２でアシスト運転を行なう前にエンジン１１の回転数が低下する。
【０１０９】
エンジン１１の回転数が低下するとエンジンに直結されている電動発電機１２の回転数も低下する。電動発電機１２は一定の回転速度に維持されるように定回転速度制御が行なわれているので、速度センサ６０からの速度検出値が増大すると、ステップＳ３４において、速度制御部３０ａは、アシスト運転指令をインバータ１８に出力し、インバータ１８は電動発電機１２をアシスト運転させる。これにより、電気負荷である旋回用電動機２１からの回生電力が電動発電機１２に供給されて電動発電機１２がアシスト運転（力行運転）し、回生電力が消費される。このステップＳ３１からステップＳ３４の制御は、コントローラ３０の制御周期毎に繰り返し実行される。
【０１１０】
電動発電機１２がアシスト運転を行なうと、エンジン１１の負荷が減少し、エンジン１１の回転数は上昇し、目標回転数で一定に維持される。
【０１１１】
図１７は、以上の制御における回生電力の時間的変化と電動発電機１２の発電量の時間的変化を示すグラフである。また、図１８は、以上の制御におけるエンジン１１の回転数の時間的変化とエンジン出力（エンジントルク）の時間的変化を示すグラフである。
【０１１２】
ステップＳ３１において旋回用電動機２１を減速させると、図１７の下側の線で示すように最初に電気負荷（回生）が急激に増大してから減少しゼロに戻る。このとき、電動発電機１２で電気負荷（回生）の増大を吸収するためにアシスト運転を行なうために、まずステップＳ３２においてエンジン１１の出力を減少させる。したがって、図１８の下側の線で示すようにエンジン１１の出力が低下し、これに伴い図１８の上側の線で示すようにエンジン１１の回転数も低下する。
【０１１３】
エンジン１１の回転数が低下すると、ステップＳ３４において電動発電機１２のアシスト運転が開始される。このステップＳ３１からステップＳ３４の制御を繰り返すことで、図１７の下側の線で示すように電動発電機のアシスト量は次第に増加する。その後、このステップＳ３１からステップＳ３４の制御を繰り返すと、目標回転数から離れたエンジン１１の回転数は、電動発電機１２の速度制御により次第に目標回転数に近づく。図１７の上側の線においては、回転数が目標回転数まで達するとそれを維持するように電動発電機１２が制御されるが、目標回転数より僅かに高くなってから増大し、増減を繰り返しながら目標回転数に収束する。
【０１１４】
エンジン１１の回転数が最も低下したときの値と最も高くなったときの値との差分ΔＲ４（図１８参照）は、比較的小さな値となる。すなわち、電動発電機１２は電動機であるので応答性がよく、電動発電機１２がアシスト運転を開始したら直ちにエンジン１１に対する負荷が減少する。このため、上低下していたエンジン１１の回転数は直ちに上昇に転じ、目標回転数からの低下は小さく抑えられる。図１５に示すΔＲ３と図１８に示すΔＲ４とでは、ΔＲ４のほうがはるかに小さいことがわかる。
【０１１５】
以上のように、エンジン１１の回転数の変動幅（ΔＲ４）が小さいということは、燃料噴射量が過大となることが抑制されているということである。
【０１１６】
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作業機械を例にとって説明したが、本発明はいわゆるシリーズ方式のハイブリッド式作業機械に適用することもできる。
【０１１７】
図１９は本発明が適用可能なシリーズ方式のハイブリッド式作業機械であるシリーズ方式のハイブリッド式油圧ショベルの構成を示すブロック図である。図１９において、機械的動力系は二重線、油圧ラインは太い実線、電気駆動系は細い実線、電気制御系は点線でそれぞれ示されている。
【０１１８】
機械式駆動部２１１のエンジン２１２は、発電部２１３の発電機２１４を駆動する。発電機２１４により生成された電力は、発電部２１３のインバータ２１５を介して蓄電部２１６に供給される。蓄電部２１６に供給された電力は、コンバータ２１７により蓄電器であるバッテリ（図示せず）に供給される。これにより、バッテリが充電される。
【０１１９】
バッテリから電力供給を受けて駆動される電気負荷系２２０には、旋回用電動機２２１とポンプ駆動用電動機２２２と設けられている。旋回用電動機２２１は、旋回機構を駆動して上部旋回体を旋回させるためのモータである。旋回用電動機２２１には、バッテリからインバータ２２３を介して電力が供給される。
【０１２０】
ポンプ駆動用電動機２２２にも、インバータ２２４を介してバッテリから電力が供給される。ポンプ駆動用電動機２２２は、油圧負荷系２２５の油圧ポンプ２２６を駆動するためのモータである。
【０１２１】
油圧ポンプ２２６で発生した油圧は、コントロールバルブ２２７を介して、バケットシリンダ２０９、アームシリンダ２０８、ブームシリンダ２０７、走行（右）油圧モータ２２８、及び走行（左）油圧モータ２２９のそれぞれに供給される。バケットシリンダ２０９は、バケットを駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ２０８は、アームを駆動するための油圧シリンダである。ブームシリンダ２０７は、ブーム４駆動するための油圧シリンダである。走行（右）油圧モータ２２８は、下部走行体の右側のクローラを駆動するための油圧モータであり、走行（左）油圧モータ２２９は、下部走行体の左側のクローラを駆動するための油圧モータである。
【０１２２】
なお、バッテリとして電気二重層キャパシタのような蓄電器を用いているが、これに限られず他の充放電可能な蓄電器を用いてもよい。蓄電器は、端子間電圧から蓄電率ＳＯＣを容易に求めることができるという利点を有する。なお、バッテリの端子間電圧を検出するための電圧検出器（図示せず）がバッテリの端子に接続されている。
【０１２３】
コントローラ２４０は、インバータ２１５，２２３，２２４及びコンバータ（図示せず）を制御して、発電機２１４からバッテリへの供給電力（バッテリの充電量）及びバッテリから電気負荷系２２０への供給電力（バッテリの放電量）を制御する。また、コントローラ２４０は、電圧検出器２３０からの検出電圧に基づいてバッテリの蓄電率ＳＯＣを求め、求めた蓄電率ＳＯＣに基づいてバッテリの出力（充放電量）を制御する。
【０１２４】
なお、上述の実施形態はハイブリッド式作業機械を例にとって説明したが、本発明は、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するサーボ制御システムの制御方法にも適用することができる。すなわち、上述の制御方法をサーボ制御システムに適用することで、エンジンの出力変化にともなうエンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することができる。
【符号の説明】
【０１２５】
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
３０ａ 速度制御部
３０ｂ トルク制御部
３０ｃ アシスト／発電量決定部
３０ｄ 充電率（ＳＯＣ）算出部
３０ｅ 油圧負荷要求出力算出部
３０ｇ 電気負荷要求出力算出部
３０ｈ トルク指令決定部
３０ｉ トルク制御部
５４ 油圧負荷
５６ 電気負荷
５８ コンバータ
６０ 速度センサ
６２ 電流センサ
６４ 電圧センサ
６６ 圧力センサ
６８ 流量センサ
７０ 斜板位置センサ
７２ 操作レバー群
１１０ ＤＣバス
１２０ 蓄電系
２１１ 機械式駆動部
２１２ エンジン
２１３ 発電部
２１４ 発電機
２１５，２２３，２２４ インバータ
２１６ 蓄電部
２１９ ＤＣバス
２２０ 電気負荷系
２２１ 旋回用電動機
２２２ ポンプ駆動用電動機
２２５ 油圧負荷系
２２６ 油圧ポンプ
２２７ コントロールバルブ
２２８ 走行（右）油圧モータ
２２９ 走行（左）油圧モータ
２４０ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
電気負荷要求に基づき前記エンジンの出力を決定し、
前記決定された出力に基づいてエンジンの制御を行なう
ことを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
エンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記電気負荷要求の増大に従って前記エンジンの出力を増加させ、前記電気負荷要求の減少に従って前記エンジンの出力を低下させることを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記電気負荷要求の変化に従った前記エンジンの回転数の変化前に、前記エンジンの出力を変化させることを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項５】
請求項１記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記電気負荷要求は電動負荷の力行運転の要求であり、前記発電機を運転することで前記電気負荷要求に応じた電力を発電することを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項６】
請求項１記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記電気負荷要求は電動負荷の回生運転の要求であり、電動機を運転することで前記電気負荷要求に応じた回生電力を消費することを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項７】
エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記エンジンの出力変化にともなう前記エンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することを特徴をするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項８】
エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するサーボ制御システムの制御方法であって、
前記エンジンの出力変化にともなう前記エンジンの回転数の変化を、前記発電機の速度制御により一定に維持することを特徴とするサーボ制御システムの制御方法。
【請求項１】
エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
電気負荷要求に基づき前記エンジンの出力を決定し、
前記決定された出力に基づいてエンジンの制御を行なう
ことを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
エンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記電気負荷要求の増大に従って前記エンジンの出力を増加させ、前記電気負荷要求の減少に従って前記エンジンの出力を低下させることを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記電気負荷要求の変化に従った前記エンジンの回転数の変化前に、前記エンジンの出力を変化させることを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項５】
請求項１記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記電気負荷要求は電動負荷の力行運転の要求であり、前記発電機を運転することで前記電気負荷要求に応じた電力を発電することを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項６】
請求項１記載のハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記電気負荷要求は電動負荷の回生運転の要求であり、電動機を運転することで前記電気負荷要求に応じた回生電力を消費することを特徴とするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項７】
エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械の制御方法であって、
前記エンジンの出力変化にともなう前記エンジンの回転数の変化を、発電機の速度制御により一定に維持することを特徴をするハイブリッド式作業機械の制御方法。
【請求項８】
エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するサーボ制御システムの制御方法であって、
前記エンジンの出力変化にともなう前記エンジンの回転数の変化を、前記発電機の速度制御により一定に維持することを特徴とするサーボ制御システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−１７３５９９（Ｐ２０１０−１７３５９９Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１４３３（Ｐ２００９−２１４３３）
【出願日】平成２１年２月２日（２００９．２．２）
【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２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２日（２００９．２．２）
【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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