JP2010116760A - ハイブリッド型作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的な異常が発生した場合に、異常が発生した箇所に更に電力が供給されることによる更なる異常の発生を防止できるハイブリッド型作業機械を提供する。
【解決手段】
ハイブリッド型作業機械１は、アシストモータ２２、旋回用モータ２４、アシストモータ２２及び旋回用モータ２４を駆動するインバータ２１、２３、バッテリ２６、バッテリの充放電を行う昇降圧コンバータ２５、インバータ２１、２３及び昇降圧コンバータ２５に接続されるＤＣバス２０、インバータ２１、２３及び昇降圧コンバータ２５における入力側及び出力側の電圧値及び電流値の少なくとも一方を検出し、入力側の検出値に異常がある場合には、当該装置の出力側から入力側への電流の伝達を禁止し、出力側の検出値に異常がある場合には、当該装置の入力側から出力側への電流の伝達を禁止するように当該装置を制御する制御手段とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハイブリッド型作業機械に関するものである。

例えばショベルやクレーンといった作業機械において、バッテリ及び交流電動機を備え、交流電動機の力行動作によりエンジンの駆動を補助するいわゆるハイブリッド型作業機械が知られている。また、ハイブリッド型作業機械では、旋回機構等の作業要素の駆動や油圧ポンプの駆動を行うための交流電動機を更に備えているものもある。例えば、特許文献１には、旋回駆動源として電動機を用いる旋回式作業機械が記載されている。
特開２００５−２９９１０２号公報

ハイブリッド型作業機械では、バッテリに蓄えられた電力により複数の交流電動機を駆動するだけではなく、交流電動機において回生発電を行い、発電された電力をバッテリに蓄電する。交流電動機は、インバータにより駆動され、このインバータの入力側は、共通のＤＣバスに接続されている。また、バッテリは昇降圧コンバータにより供給された電力を蓄電し、この昇降圧コンバータの入力側は、ＤＣバスに接続されている。このようなハイブリッド型作業機械において、例えば交流電動機に異常が発生した場合に、この交流電動機を駆動するインバータから更に電力を供給することは、この交流電動機に更なる異常を発生させる可能性が高まる。また、バッテリに異常が発生した場合に、このバッテリに更に電力を供給することも、同様に更なる異常発生の可能性を高める。さらに、ＤＣバスにおける電圧値の異常がある場合には、インバータや昇降圧コンバータに異常が発生している可能性があり、このときに交流電動機からの回生電力やバッテリからの電力をＤＣバスに供給することは、更なる異常を招く。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、電気的な異常が発生した場合に、異常が発生した箇所に更に電力が供給されることによる更なる異常の発生を防止できるハイブリッド型作業機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のハイブリッド型作業機械は、エンジンと、エンジンと連結された第１の交流電動機と、作業要素を駆動するための第２の交流電動機と、第１の交流電動機を駆動する装置であり、出力側に第１の交流電動機が接続された第１のインバータと、第２の交流電動機を駆動する装置であり、出力側に第２の交流電動機が接続された第２のインバータと、バッテリと、バッテリの充電及び放電を行うための装置であり、出力側に前記バッテリが接続された昇降圧コンバータと、第１のインバータの入力側、第２のインバータの入力側及び昇降圧コンバータの入力側に接続されるＤＣバスと、第１のインバータ、第２のインバータ及び昇降圧コンバータのうちの少なくとも１つの装置における入力側の電圧値及び電流値の少なくとも一方と、出力側の電圧値及び電流値の少なくとも一方とを検出する入出力電圧電流検出手段と、入出力電圧電流検出手段により検出された入力側または出力側の検出値の異常を検知した場合には、検出値の異常が検知された装置の制御を通常モードから軽異常モードに変更する制御手段とを備え、通常モードは、装置に異常が検知されない場合における制御状態であり、軽異常モードは、入力側の検出値の異常を検知した場合には、検出値の異常が検知された装置の出力側から入力側への電流の伝達を禁止又は低減し、出力側の検出値の異常を検知した場合には、検出値の異常が検知された装置の入力側から出力側への電流の伝達を禁止又は低減する制御状態であることを特徴とする。

インバータや昇降圧コンバータの入力側における電圧値または電流値に異常がある場合には、制御手段は、電圧または電流の検出値の異常が検知された装置の出力側から入力側への電流の伝達を禁止又は低減するように当該装置を制御するので、ＤＣバスへの電力供給が抑制され、異常発生箇所に更なる異常が発生することを防止できる。また、インバータや昇降圧コンバータの出力側の電圧値または電流値に異常がある場合には、制御手段は、電圧または電流の検出値の異常が検知された装置の入力側から出力側への電流の伝達を禁止又は低減するように当該装置を制御するので、交流電動機やバッテリへの電力供給が抑制され、これらの装置に更なる異常が発生することを防止できる。

また、本発明のハイブリッド型作業機械では、検出値に関して、第１の閾値及び第１の閾値より大きい第２の閾値が予め設定されており、制御手段は、装置を軽異常モードで制御している場合において、第１の閾値よりも小さい検出値を検知した場合には装置の制御を通常モードに変更し、第２の閾値よりも大きい検出値を検知した場合には装置の制御を装置の稼動を停止させる重異常モードに変更することが好ましい。この場合には、程度の大きい異常が発生すると、制御手段は、装置を停止させるので、装置を稼動させ続けることによる故障を防止することができる。

本発明によれば、電気的な異常が発生した場合に、異常が発生した箇所に更に電力が供給されることによる更なる異常の発生を防止できるハイブリッド型作業機械を提供することが可能となる。

本発明のハイブリッド型作業機械の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図面の説明において、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係るハイブリッド型作業機械の一実施形態の概略構成図である。図１において、構成要素間の実線は機械的動力系による接続を表し、二重線は油圧ラインによる接続を表し、破線は電気系による接続を表している。ハイブリッド型作業機械１は、例えばショベルやクレーンといった作業機械であり、エンジン１０の他にバッテリ２６により駆動される交流電動機（モータ）を備えている。また、ハイブリッド型作業機械１は、例えばブーム、アーム、パケットといった作業要素を備えており、これらの作業要素は、油圧シリンダにより駆動される。エンジン１０の駆動力はスプリッタ１１を介してアシストモータ２２及びメインポンプ６０に伝達される。スプリッタ１１は、入力された回転出力を複数の回転出力に分配する装置である。

アシストモータ２２は、インバータ２１から供給される交流電力により駆動される交流電動機であり、エンジン１０の駆動を補助する。また、アシストモータ２２は、エンジンに駆動されると発電機として機能する。アシストモータ２２で発電された電力は、蓄電系１２０に蓄電される。蓄電系１２０は、直流配線を構成するＤＣバス２０、昇降圧コンバータ２５及びバッテリ２６を備えている（図６参照）。蓄電系１２０の詳細については後述する。アシストモータ２２は、スプリッタ１１を介してエンジン１０に接続されると共に、インバータ２１を介して蓄電系１２０に接続されている。本発明における第１の交流電動機の一形態が、アシストモータ２２である。

インバータ２１は、蓄電系１２０からの直流電力を交流電力に変換してアシストモータ２２を駆動する。また、インバータ２１は、アシストモータ２２で発電された電力を蓄電系１２０に伝達する。インバータ２１の入力側は、蓄電系１２０に接続されており、インバータ２１の出力側は、アシストモータ２２に接続されている。本発明における第１のインバータの一形態が、インバータ２１である。

蓄電系１２０には、インバータ２１、インバータ２３ａ、２３ｂのそれぞれを介して、アシストモータ２２、旋回用モータ２４ａ、２４ｂが接続されている。

インバータ２３ａ、２３ｂは、蓄電系１２０からの直流電力を交流電力に変換して旋回用モータ２４ａ、２４ｂを駆動する。また、インバータ２３ａ、２３ｂは、旋回用モータ２４ａ、２４ｂからの回生電力を蓄電系１２０に伝達する。この回生電力は、蓄電系１２０のバッテリ２６に蓄電される。インバータ２３ａ、２３ｂの入力側は蓄電系１２０に接続されており、インバータ２３ａ、２３ｂの出力側はそれぞれ、旋回用モータ２４ａ、２４ｂに接続されている。本発明における第２のインバータの一形態が、インバータ２３ａ、２３ｂである。

旋回用モータ２４ａ、２４ｂは、例えば作業機械における旋回体等の旋回動作をする作業要素を駆動するための交流電動機であり、インバータ２３ａ、２３ｂからの交流電力により駆動される。また、旋回用モータ２４ａ、２４ｂは、回生発電を行う機能を有しており、旋回用モータ２４ａ、２４ｂが発電した回生電力は、インバータ２３ａ、２３ｂにより蓄電系１２０に伝達される。本発明における第２の交流電動機の一形態が、旋回用モータ２４ａ、２４ｂである。

メインポンプ６０は、コントロールバルブ６１に油圧を供給するためのポンプであり、スプリッタ１１の出力軸に接続されると共に、油圧ラインを介してコントロールバルブ６１に接続されている。

コントロールバルブ６１は、油圧系の作業要素の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ６１には、ハイブリッド型作業機械１の走行のための油圧モータ６３ａ、６３ｂが油圧ラインを介して接続されている。また、例えばブーム、アーム、パケット等の作業要素を駆動するためのシリンダ６２ａ、６２ｂ、６２ｃが油圧ラインを介して接続されている。

なお、シリンダ６２ａ、６２ｂ、６２ｃには、回生用モータ（図示せず）が接続されており、この回生用モータがそれぞれインバータ（図示せず）を介して蓄電系１２０に接続されるような構成としてもよい。このような構成では、回生用モータで発生した回生電力をバッテリ２６に蓄電することができる。

続いて、図２を用いて、インバータ制御部２７について説明する。インバータ制御部２７は、本発明における制御手段の一形態である。なお、図１におけるインバータ２３ａとインバータ２３ｂとは同様のものであるので、図２においてインバータ２３として示す。また、図１における旋回用モータ２４ａと旋回用モータ２４ｂとは同様のものであるので、図２において旋回用モータ２４として示す。

インバータ制御部２７は、旋回用モータ２４の駆動指令を生成し、インバータ２３に出力する。インバータ２３は、インバータ制御部２７からの駆動指令に基づいて旋回用モータ２４をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する。インバータ制御部２７は、インバータ２３を制御することにより、蓄電系１２０から旋回用モータ２４への電力の供給、及び旋回用モータ２４からの回生電力の蓄電系１２０への伝達を制御する。

インバータ２３の入力側には、インバータ入力電圧電流検出部２８ａが設けられている。インバータ入力電圧電流検出部２８ａは、インバータ２３の入力側の電圧値Ｖ_ＤＣ及び電流値Ｉ_ＤＣを検出する。この電圧値Ｖ_ＤＣ及び電流値Ｉ_ＤＣはそれぞれ、蓄電系１２０における直流電圧値及び直流電流値に等しい。

インバータ２３の出力側には、インバータ出力電圧電流検出部２８ｂが設けられている。インバータ出力電圧電流検出部２８ｂは、インバータ２３の出力側の電圧値Ｖ_Ｍ及び電流値Ｉ_Ｍを検出する。この電圧値Ｖ_Ｍ及び電流値Ｉ_Ｍはそれぞれ、旋回用モータ２４に供給される交流電圧値及び交流電流値である。インバータ入力電圧電流検出部２８ａ及びインバータ出力電圧電流検出部２８ｂは、本発明における入出力電圧電流検出手段の一形態である。

図３は、インバータ制御部２７の構成図である。インバータ制御部２７は、減算器３１、ＰＩ制御部３２、トルク制限部３３、減算器３４、ＰＩ制御部３５、異常判定部３６、電流変換部３７、旋回動作検出部３８及びＰＷＭ信号生成部４０を備える。

減算器３１は、旋回用モータ２４に駆動される作業要素の旋回速度の速度指令値から、旋回動作検出部３８により検出される旋回速度値を減算して偏差を出力する。旋回速度の速度指令値は、ハイブリッド型作業機械１が備えている操作部（図示せず）の操作量に応じた指令値であり、例えばハイブリッド型作業機械１が備える主制御部（図示せず）から出力される。

レゾルバ３９は、旋回用モータ２４の回転位置の変化を検出する。旋回動作検出部３８は、旋回用モータ２４の回転位置の変化に基づいて旋回速度値を算出し、減算器３１に出力する。

ＰＩ制御部３２は、減算器３１から出力された偏差に基づいて、旋回用モータ２４の回転速度を速度指令値に近づけて偏差が小さくなるようにＰＩ制御を行い、その制御のためのトルク電流指令値を生成する。ＰＩ制御部３２は、トルク電流指令値をトルク制限部３３に出力する。

異常判定部３６は、インバータ入力電圧電流検出部２８ａにより検出されるインバータ２３の入力側電圧値Ｖ_ＤＣ及びインバータ出力電圧電流検出部２８ｂにより検出されるインバータ２３の出力側電圧値Ｖ_Ｍに基づいて異常の有無を判定し、トルク電流指令値に対するリミット指令値の設定の要否を判定する。また、異常判定部３６は、インバータ入力電圧電流検出部２８ａにより検出されるインバータ２３の入力側電流値Ｉ_ＤＣ及びインバータ出力電圧電流検出部２８ｂにより検出されるインバータ２３の出力側電流値Ｉ_Ｍに基づいて異常の有無を判定することができる。出力側電圧値Ｖ_Ｍまたは出力側電流値Ｉ_Ｍが上昇して過大な値となっている場合には、例えば旋回用モータ２４に何らかの異常が発生している可能性が高い。また、入力側電圧値Ｖ_ＤＣまたは入力側電流値Ｉ_ＤＣが上昇して過大な値となっている場合には、蓄電系１２０に接続されているいずれかの装置に異常が発生している可能性が高い。

インバータ制御部２７は、インバータ２３を、例えば通常モード、軽異常モード及び重異常モードのいずれかの制御モードで制御する。通常モードは、インバータ２３から異常が検知されない場合における制御状態である。軽異常モードは、比較的程度の軽い異常がインバータ２３から検知された場合における制御状態である。重異常モードは、程度の重い異常がインバータ２３から検知された場合における制御状態である。異常判定部３６には、上記制御モードの選択のために、第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ ^＊及び第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ２ ^＊並びに第１の出力側電流閾値Ｉ_Ｍ ^＊及び第２の出力側電流閾値Ｉ_Ｍ２ ^＊並びに第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊及び第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ２ ^＊並びに第１の入力側電流閾値Ｉ_ＤＣ ^＊及び第２の入力側電流閾値Ｉ_ＤＣ２ ^＊が、予め設定されている。

異常判定部３６は、出力側電圧値Ｖ_Ｍが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ ^＊より大きい場合（Ｖ_Ｍ＞Ｖ_Ｍ ^＊）、または出力側電流値Ｉ_Ｍが第１の出力側電流閾値Ｉ_Ｍ ^＊より大きい場合（Ｉ_Ｍ＞Ｉ_Ｍ ^＊）には、制御状態を軽異常モードに移行し、正のトルクが低減またはゼロとなるようなリミット指令値Ｘ^＊をトルク制限部３３に出力する。ここで、正のトルクとは、蓄電系１２０からの電力により旋回用モータ２４を駆動する方向の電流をインバータ２３に生じさせるものである。また、異常判定部３６は、出力側電圧値Ｖ_Ｍが第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ２ ^＊より大きい場合（Ｖ_Ｍ＞Ｖ_Ｍ２ ^＊）、または出力側電流値Ｉ_Ｍが第２の出力側電流閾値Ｉ_Ｍ２ ^＊より大きい場合（Ｉ_Ｍ＞Ｉ_Ｍ２ ^＊）には、制御状態を重異常モードに移行し、インバータ２３の稼動を停止させる。

また、異常判定部３６は、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊より大きい場合（Ｖ_ＤＣ＞Ｖ_ＤＣ ^＊）、または入力側電流値Ｖ_ＤＣが第１の入力側電流閾値Ｉ_ＤＣ ^＊より大きい場合（Ｉ_ＤＣ＞Ｉ_ＤＣ ^＊）には、制御状態を軽異常モードに移行し、負のトルクが低減またはゼロとなるようなリミット指令値Ｙ^＊をトルク制限部３３に出力する。負のトルクとは、旋回用モータ２４からの回生電力を蓄電系１２０に伝達する方向への電流をインバータ２３に生じさせるものである。また、異常判定部３６は、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ２ ^＊より大きい場合（Ｖ_ＤＣ＞Ｖ_ＤＣ２ ^＊）、または入力側電流値Ｖ_ＤＣが第２の入力側電流閾値Ｉ_ＤＣ ^＊より大きい場合（Ｉ_ＤＣ＞Ｉ_ＤＣ２ ^＊）には、制御状態を重異常モードに移行し、インバータ２３の稼動を停止させる。

トルク制限部３３は、ＰＩ制御部３２から出力されたトルク電流指令値によって旋回用モータ２４に生じるトルクが、旋回用モータ２４の許容トルク値以下になるように、トルク電流指令値を所定の制限値の範囲に制限する。この制限値は、例えば旋回用モータ２４の特性に基づいて予め設定され、正のトルクの制限値Ｘ及び負のトルクの制限値Ｙを含む。また、トルク制限部３３は、異常判定部３６からのリミット指令値Ｘ^＊、Ｙ^＊を取得した場合には、制限値Ｘ、Ｙをそれぞれ、これらのリミット指令値Ｘ^＊、Ｙ^＊に変更する。

ここで図４のフローチャートを用いて、トルク制限部３３及び異常判定部３６における正負のトルクの制限値の設定処理を説明する。図４（ａ）は、インバータ２３の出力側電圧値Ｖ_Ｍに基づく正のトルクの制限値の設定処理を示すフローチャートである。異常判定部３６は、インバータ出力電圧電流検出部２８ｂにより検出されるインバータ２３の出力側電圧値Ｖ_Ｍを常時取得しており、出力側電圧値Ｖ_Ｍが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ ^＊より大きいか否かを判定する（Ｓ１０）。出力側電圧値Ｖ_Ｍが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ ^＊より大きい場合には、異常判定部３６は、軽異常モードに移行し、リミット指令値Ｘ^＊をトルク制限部３３に出力し、トルク制限部３３は、正のトルクの制限値Ｘをリミット指令値Ｘ^＊に変更する（Ｓ１１）。さらに、異常判定部３６は、出力側電圧値Ｖ_Ｍが第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ２ ^＊より大きいか否かを判定する（Ｓ１２）。出力側電圧値Ｖ_Ｍが第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ２ ^＊より大きい場合には、重異常モードに移行し、インバータ２３を停止させる（Ｓ１５）。出力側電圧値Ｖ_Ｍが第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ２ ^＊より大きくない場合には、異常判定部３６は、出力側電圧値Ｖ_Ｍを引き続き取得し、出力側電圧値Ｖ_Ｍが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ ^＊以下に戻ったか否かを判定する（Ｓ１３）。出力側電圧値Ｖ_Ｍが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｍ ^＊以下である場合には、異常判定部３６は、通常モードに移行し、異常な状態が解除された旨をトルク制限部３３に出力し、トルク制限部３３は、正のトルクの制限値をリミット指令値Ｘ^＊から元の値Ｘに戻す（Ｓ１４）。なお、以上のフローチャートの説明は、インバータ２３の出力側電圧値Ｖ_Ｍに基づく正のトルクの制限値の設定処理を説明するものであるが、正のトルクの制限値の設定処理は、インバータ２３の出力側電流値Ｉ_Ｍと出力側電流閾値Ｉ_Ｍ ^＊との比較に基づいて同様に行われる。

図４（ｂ）は、インバータ２３の入力側電圧値Ｖ_ＤＣに基づく負のトルクの制限値の設定処理を示すフローチャートである。異常判定部３６は、インバータ入力電圧電流検出部２８ａにより検出されるインバータ２３の入力側電圧値Ｖ_ＤＣを常時取得しており、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊より大きいか否かを判定する（Ｓ２０）。入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊より大きい場合には、異常判定部３６は、軽異常モードに移行し、リミット指令値Ｙ^＊をトルク制限部３３に出力し、トルク制限部３３は、負のトルクの制限値Ｙをリミット指令値Ｙ^＊に変更する（Ｓ２１）。さらに、異常判定部３６は、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ２ ^＊より大きいか否かを判定する（Ｓ２２）。入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊より大きい場合には、異常判定部３６は、重異常モードに移行し、インバータ２３を停止させる（Ｓ２５）。入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊より大きくない場合には、異常判定部３６は、入力側電圧値Ｖ_ＤＣを引き続き取得し、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊以下であるか否かを判定する（Ｓ２３）。入力側電圧値Ｖ_ＤＣが入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊以下である場合には、異常判定部３６は、通常モードに移行し、異常な状態が解除された旨をトルク制限部３３に出力し、トルク制限部３３は、負のトルクの制限値をリミット指令値Ｙ^＊から元の値Ｙに戻す（Ｓ２４）。なお、以上のフローチャートの説明は、インバータ２３の入力側電圧値Ｖ_ＤＣに基づく正のトルクの制限値の設定処理を説明するものであるが、正のトルクの制限値の設定処理は、インバータ２３の入力側電流値Ｉ_ＤＣと入力側電流閾値Ｉ_ＤＣ ^＊との比較に基づいても同様に行われる。

図３に戻り、減算器３４は、トルク制限部３３から出力されたトルク電流指令値から、電流変換部３７からの出力値を減算して偏差を出力する。

電流変換部３７は、旋回用モータ２４のモータ電流値を検出し、検出したモータ電流値をトルク電流指令値に相当する値に変換して、減算器３４に出力する。

ＰＩ制御部３５は、減算器３４から出力された偏差を取得し、この偏差が小さくなるようなＰＩ制御を行い、インバータ２３を駆動するための駆動指令を生成する。ＰＩ制御部３５は、駆動指令をＰＷＭ信号生成部４０に出力する。

ＰＷＭ信号生成部４０は、ＰＩ制御部３５からの駆動指令に基づいて、インバータ２３のトランジスタをスイッチング制御するためのＰＷＭ信号を生成し、インバータ２３に出力する。

図５は、アシストモータ２２を駆動するインバータ２１を制御するためのインバータ制御部２７ａを示す構成図である。図５におけるインバータ制御部２７ａは、本発明における制御手段の一形態である。インバータ制御部２７ａは、アシストモータ２２の駆動指令を生成し、インバータ２１に出力する。インバータ２１は、インバータ制御部２７ａからの駆動指令に基づいてアシストモータ２２をＰＷＭ制御する。インバータ制御部２７ａは、インバータ２１を制御することにより、蓄電系１２０からアシストモータ２２への電力の供給、及びアシストモータ２２からの回生電力の蓄電系１２０への伝達を制御する。図５におけるインバータ制御部２７ａは、図３において説明したインバータ制御部２７と同様の構成及び機能を有する。また、図５におけるインバータ入力電圧電流検出部２８ｃ及びインバータ出力電圧電流検出部２８ｄはそれぞれ、図２に示したインバータ入力電圧電流検出部２８ａ及びインバータ出力電圧電流検出部２８ｂと同様であり、本発明における入出力電圧電流検出手段の一形態である。

続いて、図６を用いて、蓄電系１２０について説明する。蓄電系１２０は、ＤＣバス２０、昇降圧コンバータ２５、バッテリ２６及びコンバータ制御部２９を有している。

ＤＣバス２０は、直流電力を授受するためのバスである。このＤＣバス２０を介して、インバータ２１、インバータ２３ａ、２３ｂ及び昇降圧コンバータ２５は、相互に接続されている。

昇降圧コンバータ２５は、ＤＣバス２０からの直流電圧を調整して、バッテリ２６に電力を伝達する。また、昇降圧コンバータ２５は、バッテリ２６から放電された電力をＤＣバス２０に伝達する。

バッテリ２６は、昇降圧コンバータ２５により伝達された電力を蓄電する。また、バッテリ２６は、蓄電していた電力を昇降圧コンバータ２５を介してＤＣバス２０に放電する。

コンバータ制御部２９は、本発明における制御手段の一形態である。コンバータ制御部２９は、昇降圧コンバータ２５に含まれるトランジスタのスイッチング制御信号を生成し、昇降圧コンバータ２５に出力する。コンバータ制御部２９が昇降圧コンバータ２５を制御することにより、ＤＣバス２０からバッテリ２６への充電、及びバッテリ２６からＤＣバス２０への放電が制御される。

昇降圧コンバータ２５の入力側には、コンバータ入力電圧電流検出部３０ａが設けられている。コンバータ入力電圧電流検出部３０ａは、昇降圧コンバータ２５の入力側の電圧値Ｖ_ＤＣ及び電流値Ｉ_ＤＣを検出する。この電圧値Ｖ_ＤＣ及び電流値Ｉ_ＤＣはそれぞれ、ＤＣバス２０における直流電圧値及び直流電流値に等しい。

昇降圧コンバータ２５の出力側には、コンバータ出力電圧電流検出部３０ｂが設けられている。コンバータ出力電圧電流検出部３０ｂは、昇降圧コンバータ２５の出力側の電圧値Ｖ_Ｂ及び電流値Ｉ_Ｂを検出する。コンバータ入力電圧電流検出部３０ａ及びコンバータ出力電圧電流検出部３０ｂは、本発明における入出力電圧電流検出手段の一形態である。

図７は、コンバータ制御部２９の構成図である。コンバータ制御部２９は、減算器４１、ＰＩ制御部４２、トルク制限部４３、異常判定部４４、及びＰＷＭ信号生成部４５を備える。

減算器４１は、ＤＣバス電圧指令値から、ＤＣバス２０の電圧値を減算して偏差を出力する。ＤＣバス電圧指令値は、例えばハイブリッド型作業機械１が備える主制御部（図示せず）から出力される。

ＰＩ制御部４２は、減算器３１から出力された偏差に基づいて、ＤＣバス２０の電圧値をＤＣバス電圧指令値に近づけて偏差が小さくなるようにＰＩ制御を行い、その制御のためのトルク電流指令値を生成する。ＰＩ制御部３２は、トルク電流指令値をトルク制限部４３に出力する。

異常判定部４４は、コンバータ入力電圧電流検出部３０ａにより検出される昇降圧コンバータ２５の入力側電圧値Ｖ_ＤＣ及びコンバータ出力電圧電流検出部３０ｂにより検出される昇降圧コンバータ２５の出力側電圧値Ｖ_Ｂに基づいて異常の有無を判定し、トルク電流指令値に対するリミット指令値の設定の要否を判定する。また、異常判定部４４は、コンバータ入力電圧電流検出部３０ａにより検出される昇降圧コンバータ２５の入力側電流値Ｉ_ＤＣ及びコンバータ出力電圧電流検出部３０ｂにより検出される昇降圧コンバータ２５の出力側電流値Ｉ_Ｂに基づいて異常の有無を判定することができる。出力側電圧値Ｖ_Ｂまたは出力側電流値Ｉ_Ｂが上昇して過大な値となっている場合には、例えばバッテリ２６に何らかの異常が発生している可能性が高い。また、入力側電圧値Ｖ_ＤＣまたは入力側電流値Ｉ_ＤＣが上昇して過大な値となっている場合には、ＤＣバス２０に接続されているいずれかの装置に異常が発生している可能性が高い。

コンバータ制御部２９は、昇降圧コンバータ２５を、インバータ制御部２７によるインバータ２３の制御と同様に、通常モード、軽異常モード及び重異常モードのいずれかの制御モードで制御する。通常モードは、昇降圧コンバータ２５から異常が検知されない場合における制御状態である。軽異常モードは、比較的程度の軽い異常が昇降圧コンバータ２５から検知された場合における制御状態である。重異常モードは、程度の重い異常が昇降圧コンバータ２５から検知された場合における制御状態である。異常判定部４４には、上記制御モードの選択のために、第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ ^＊及び第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ２ ^＊並びに第１の出力側電流閾値Ｉ_Ｂ ^＊及び第２の出力側電流閾値Ｉ_Ｂ２ ^＊並びに第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊及び第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ２ ^＊並びに第１の入力側電流閾値Ｉ_ＤＣ ^＊及び第２の入力側電流閾値Ｉ_ＤＣ２ ^＊が、予め設定されている。

異常判定部４４は、出力側電圧値Ｖ_Ｂが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ ^＊より大きい場合（Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ｂ ^＊）、または出力側電流値Ｉ_Ｂが第１の出力側電流閾値Ｉ_Ｂ ^＊より大きい場合（Ｉ_Ｂ＞Ｉ_Ｂ ^＊）には、制御状態を軽異常モードに移行し、正のトルクが低減またはゼロとなるようなリミット指令値Ｖ^＊をトルク制限部４３に出力する。ここで、正のトルクとは、ＤＣバス２０からの電力をバッテリ２６に充電させる方向の電流を昇降圧コンバータ２５に生じさせるものである。また、異常判定部４４は、出力側電圧値Ｖ_Ｂが第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ２ ^＊より大きい場合（Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ｂ２ ^＊）、または出力側電流値Ｉ_Ｂが第２の出力側電流閾値Ｉ_Ｂ２ ^＊より大きい場合（Ｉ_Ｂ＞Ｉ_Ｂ２ ^＊）には、制御状態を重異常モードに移行し、昇降圧コンバータ２５の稼動を停止させる。

また、異常判定部４４は、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊より大きい場合（Ｖ_ＤＣ＞Ｖ_ＤＣ ^＊）、または入力側電流値Ｉ_ＤＣが第１の入力側電圧閾値Ｉ_ＤＣ ^＊より大きい場合（Ｉ_ＤＣ＞Ｉ_ＤＣ ^＊）には、制御状態を軽異常モードに移行し、負のトルクが低減またはゼロとなるようなリミット指令値Ｗ^＊をトルク制限部４３に出力する。負のトルクとは、バッテリ２６からＤＣバス２０に対して放電する方向への電流を昇降圧コンバータ２５に生じさせるものである。また、異常判定部４４は、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ２ ^＊より大きい場合（Ｖ_ＤＣ＞Ｖ_ＤＣ２ ^＊）、または入力側電流値Ｉ_ＤＣが第２の入力側電圧閾値Ｉ_ＤＣ２ ^＊より大きい場合（Ｉ_ＤＣ＞Ｉ_ＤＣ２ ^＊）には、制御状態を軽異常モードに移行し、昇降圧コンバータ２５の稼動を停止させる。

トルク制限部４３は、ＰＩ制御部４２から出力されたトルク電流指令値によってバッテリ２６に対して行われる充放電電流が、許容範囲内になるように、トルク電流指令値を所定の制限値の範囲に制限する。この制限値は、例えばバッテリ２６の特性に基づいて予め設定され、正のトルクの制限値Ｖ及び負のトルクの制限値Ｗを含む。また、トルク制限部４３は、異常判定部４４からのリミット指令値Ｖ^＊、Ｗ^＊を取得した場合には、制限値Ｖ、Ｗをそれぞれ、これらのリミット指令値Ｖ^＊、Ｗ^＊に変更する。

ここで図８のフローチャートを用いて、トルク制限部４３及び異常判定部４４における正負のトルクの制限値の設定処理を説明する。図８（ａ）は、昇降圧コンバータ２５の出力側電圧値Ｖ_Ｂに基づく正のトルクの制限値の設定処理を示すフローチャートである。異常判定部４４は、コンバータ出力電圧電流検出部３０ｂにより検出される昇降圧コンバータ２５の出力側電圧値Ｖ_Ｂを常時取得しており、出力側電圧値Ｖ_Ｂが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ ^＊より大きいか否かを判定する（Ｓ３０）。出力側電圧値Ｖ_Ｂが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ ^＊より大きい場合には、異常判定部４４は、軽異常モードに移行し、リミット指令値Ｖ^＊をトルク制限部４３に出力し、トルク制限部４３は、正のトルクの制限値Ｖをリミット指令値Ｖ^＊に変更する（Ｓ３１）。さらに、異常判定部４４は、出力側電圧値Ｖ_Ｂが第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ２ ^＊より大きいか否かを判定する（Ｓ３２）。出力側電圧値Ｖ_Ｂが第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ２ ^＊より大きい場合には、異常判定部４４は、重異常モードに移行し、昇降圧コンバータ２５を停止させる（Ｓ３５）。出力側電圧値Ｖ_Ｂが第２の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ２ ^＊より大きくない場合には、異常判定部４４は、出力側電圧値Ｖ_Ｂを引き続き取得し、出力側電圧値Ｖ_Ｂが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ ^＊以下であるか否かを判定する（Ｓ３３）。出力側電圧値Ｖ_Ｂが第１の出力側電圧閾値Ｖ_Ｂ ^＊以下である場合には、異常判定部４４は、通常モードに移行し、異常な状態が解除された旨をトルク制限部４３に出力し、トルク制限部４３は、正のトルクの制限値をリミット指令値Ｖ^＊から元の値Ｖに戻す（Ｓ３４）。なお、以上のフローチャートの説明は、昇降圧コンバータ２５の出力側電圧値Ｖ_Ｂに基づく正のトルクの制限値の設定処理を説明するものであるが、正のトルクの制限値の設定処理は、昇降圧コンバータ２５の出力側電流値Ｉ_Ｂと出力側電流閾値Ｉ_Ｂ ^＊との比較に基づいても同様に行われる。

図８（ｂ）は、昇降圧コンバータ２５の入力側電圧値Ｖ_ＤＣに基づく負のトルクの制限値の設定処理を示すフローチャートである。異常判定部４４は、コンバータ入力電圧電流検出部３０ａにより検出される昇降圧コンバータ２５の入力側電圧値Ｖ_ＤＣを常時取得しており、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊より大きいか否かを判定する（Ｓ４０）。入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊より大きい場合には、異常判定部４４は、軽異常モードに移行し、リミット指令値Ｗ^＊をトルク制限部４３に出力し、トルク制限部４３は、負のトルクの制限値Ｗをリミット指令値Ｗ^＊に変更する（Ｓ４１）。さらに、異常判定部４４は、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ２ ^＊より大きいか否かを判定する（Ｓ４２）。入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ２ ^＊より大きい場合には、異常判定部４４は、重異常モードに移行し、昇降圧コンバータ２５を停止させる（Ｓ４５）。入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第２の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ２ ^＊より大きくない場合には、異常判定部４４は、入力側電圧値Ｖ_ＤＣを引き続き取得し、入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊以下であるか否かを判定する（Ｓ４３）。入力側電圧値Ｖ_ＤＣが第１の入力側電圧閾値Ｖ_ＤＣ ^＊以下である場合には、異常判定部４４は、通常モードに移行し、異常な状態が解除された旨をトルク制限部４３に出力し、トルク制限部４３は、負のトルクの制限値をリミット指令値Ｗ^＊から元の値Ｗに戻す（Ｓ４４）。なお、以上のフローチャートの説明は、昇降圧コンバータ２５の入力側電圧値Ｖ_ＤＣに基づく正のトルクの制限値の設定処理を説明するものであるが、正のトルクの制限値の設定処理は、昇降圧コンバータ２５の入力側電流値Ｉ_ＤＣと入力側電流閾値Ｉ_ＤＣ ^＊との比較に基づいても同様に行われる。

図７に戻り、ＰＷＭ信号生成部４５は、トルク制限部４３からのＤＣバス電圧指令に基づいて、昇降圧コンバータ２５のトランジスタをスイッチング制御するためのＰＷＭ信号を生成し、昇降圧コンバータ２５に出力する。

次に本実施形態のハイブリッド型作業機械１による効果について説明する。ハイブリッド型作業機械１が有するインバータ２１、２３ａ、２３ｂや昇降圧コンバータ２５の入力側における電圧値または電流値の異常は、ＤＣバス２０における電圧値または電流値の異常を意味しており、ＤＣバス２０の電圧値または電流値に異常がある場合には、ＤＣバス２０に接続されているインバータ２１、２３や昇降圧コンバータ２５に故障等の異常が発生している可能性が高い。この場合には、インバータ制御部２７またはコンバータ制御部２９は、電圧または電流の検出値の異常が検知されたインバータ２１、２３や昇降圧コンバータ２５の出力側から入力側への電流の伝達を禁止または低減するように制御するので、ＤＣバス２０への電力供給が抑制され、異常発生箇所に更なる異常が発生することを防止できる。また、インバータ２１、２３や昇降圧コンバータ２５の出力側の電圧値または電流値に異常がある場合には、これらの装置に接続されているアシストモータ２２、旋回用モータ２４、及びバッテリ２６等に故障等の異常が発生している可能性が高い。この場合には、インバータ制御部２７またはコンバータ制御部２９は、電圧または電流の検出値の異常が検知されたインバータ２１、２３や昇降圧コンバータ２５の入力側から出力側への電流の伝達を禁止または低減するように制御するので、アシストモータ２２、旋回用モータ２４、及びバッテリ２６等への電力供給が抑制され、これらの装置に更なる異常が発生することを防止できる。

例えば、ＤＣバス２０の電圧が所定より大きい場合には、アシストモータ２２、旋回用モータ２４といった交流電動機からＤＣバス２０への電流の流入を制限し、ＤＣバス２０から交流電動機やバッテリ２６への電流を制限しないので、ＤＣバス２０の電圧を低下させることができる。

ハイブリッド型作業機械の一実施形態の概略構成図である。 インバータの制御を説明するための概略構成図である。 インバータ制御部の構成図である。 インバータにおけるトルクの制限値の設定処理を示すフローチャートである。 インバータの制御を説明するための概略構成図である。 昇降圧コンバータの制御を説明するための概略構成図である。 昇降圧コンバータ制御部の構成図である。 昇降圧コンバータにおけるトルクの制限値の設定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…ハイブリッド型作業機械、１０…エンジン、１１…スプリッタ、２０…ＤＣバス、２１…インバータ、２２…アシストモータ、２３…インバータ、２４…旋回用モータ、２５…昇降圧コンバータ、２６…バッテリ、２７…インバータ制御部、２８ａ…インバータ入力電圧電流検出部、２８ｂ…インバータ出力電圧電流検出部、２９…コンバータ制御部、３０ａ…コンバータ入力電圧電流検出部、３０ｂ…コンバータ出力電圧電流検出部、３１…減算器、３２…ＰＩ制御部、３３…トルク制限部、３４…減算器、３５…ＰＩ制御部、３６…異常判定部、３７…電流変換部、３８…旋回動作検出部、３９…レゾルバ、４０…ＰＷＭ信号生成部、４１…減算器、４２…ＰＩ制御部、４３…トルク制限部、４４…異常判定部、４５…ＰＷＭ信号生成部、６０…メインポンプ、６１…コントロールバルブ、６２ａ…シリンダ、６３ａ…油圧モータ、蓄電系１２０。

Claims (2)

1. エンジンと、
   前記エンジンと連結された第１の交流電動機と、
   作業要素を駆動するための第２の交流電動機と、
   前記第１の交流電動機を駆動する装置であり、出力側に前記第１の交流電動機が接続された第１のインバータと、
   前記第２の交流電動機を駆動する装置であり、出力側に前記第２の交流電動機が接続された第２のインバータと、
   バッテリと、
   前記バッテリの充電及び放電を行うための装置であり、出力側に前記バッテリが接続された昇降圧コンバータと、
   前記第１のインバータの入力側、前記第２のインバータの入力側及び前記昇降圧コンバータの入力側に接続されるＤＣバスと、
   前記第１のインバータ、前記第２のインバータ及び前記昇降圧コンバータのうちの少なくとも１つの装置における入力側の電圧値及び電流値の少なくとも一方と、出力側の電圧値及び電流値の少なくとも一方とを検出する入出力電圧電流検出手段と、
   前記入出力電圧電流検出手段により検出された入力側または出力側の検出値の異常を検知した場合には、該検出値の異常が検知された装置の制御を通常モードから軽異常モードに変更する制御手段とを備え、
   前記通常モードは、前記装置に異常が検知されない場合における制御状態であり、
   前記軽異常モードは、入力側の検出値の異常を検知した場合には、検出値の異常が検知された装置の出力側から入力側への電流の伝達を禁止又は低減し、出力側の検出値の異常を検知した場合には、検出値の異常が検知された装置の入力側から出力側への電流の伝達を禁止又は低減する制御状態である
   ことを特徴とするハイブリッド型作業機械。
2. 前記検出値に関して、第１の閾値及び該第１の閾値より大きい第２の閾値が予め設定されており、
   前記制御手段は、前記装置を軽異常モードで制御している場合において、前記第１の閾値よりも小さい検出値を検知した場合には前記装置の制御を通常モードに変更し、前記第２の閾値よりも大きい検出値を検知した場合には前記装置の制御を該装置の稼動を停止させる重異常モードに変更すること
   を特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。

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