JP2010133236A - ハイブリッド型建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電器又は昇降圧コンバータに異常が発生した場合に、インバータの駆動を停止させるハイブリッド型建設機械を提供すること。
【解決手段】内燃機関又は電動発電機の駆動力で発生される油圧によって駆動される作業要素と、電動駆動される電動作業要素とを含むハイブリッド型建設機械において、前記電動発電機及び前記電動作業要素との間で電力の授受を行う蓄電系と、前記蓄電系の異常を検出する異常検出部と、前記電動発電機、及び前記電動作業要素の制御を行う主制御部とを含み、前記主制御部は、前記異常検出部によって前記蓄電系の異常が検出された場合に、前記電動作業要素の駆動を停止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子を有し、負荷への電力供給の制御と、負荷より得られる回生電力の蓄電器への供給の制御とを行う昇降圧コンバータを用いたハイブリッド型建設機械に関する。

従来より、駆動機構の一部を電動化したハイブリッド型建設機械が提案されている。このような建設機械は、ブーム、アーム、及びバケット等の作業要素を油圧駆動するための油圧ポンプを備え、この油圧ポンプを駆動するためのエンジンに減速機を介して電動発電機を接続し、電動発電機でエンジンの駆動をアシストするとともに、発電によって得る電力を蓄電器に充電している。

また、上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源として油圧モータに加えて電動機を備え、旋回機構の加速時に電動機で油圧モータの駆動をアシストし、旋回機構の減速時に電動機で回生運転を行い、発電される電力をバッテリに充電している（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１０３１１２号公報

ところで、従来のハイブリッド型建設機械では、蓄電手段に異常が発生した場合に、蓄電手段への充電ができなくなってしまう。この場合、蓄電手段と接続する回路電圧が上昇し、回路に接続しているインバータが損傷するおそれが生じてしまう。

そこで、本発明は、蓄電系に異常が発生した場合に、インバータの駆動を停止させるハイブリッド型建設機械を提供することを目的とする。

本発明の一局面のハイブリッド型建設機械は、内燃機関又は電動発電機の駆動力で発生される油圧によって駆動される作業要素と、電動駆動される電動作業要素とを含むハイブリッド型建設機械において、前記電動発電機及び前記電動作業要素との間で電力の授受を行う蓄電系と、前記蓄電系の異常を検出する異常検出部と、前記電動発電機、及び前記電動作業要素の制御を行う主制御部とを含み、前記主制御部は、前記異常検出部によって前記蓄電系の異常が検出された場合に、前記電動作業要素の駆動を停止する。

また、前記主制御部は、前記異常検出部によって前記蓄電系の異常が検出された場合に、さらに、前記電動発電機の駆動制御系の駆動を停止させてもよい。

前記主制御部は、前記油圧を発生させる油圧ポンプの出力を制御するように構成されており、前記異常検出部によって前記蓄電系の異常が検出された場合に、さらに、前記油圧ポンプの出力を制限してもよい。

前記蓄電系は、前記電動発電機と前記電動作業要素との間を接続するＤＣバス、及び、前記ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設される昇降圧コンバータを含んでもよい。

本発明によれば、蓄電系に異常が発生した場合に、インバータの駆動を停止させるハイブリッド型建設機械を提供できるという特有の効果が得られる。

実施の形態１のハイブリッド型建設機械を示す側面図である。 実施の形態１のハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。 実施の形態１のハイブリッド型建設機械に用いる昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。 実施の形態１のハイブリッド型建設機械において、インバータ２０の異常が検出された場合に駆動制御部１２０によってＤＣバス１１０の電圧値が一定に保持される際のＤＣバス電圧値とバッテリ電圧値の時間推移を示す図である。 実施の形態２のハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。 実施の形態３のハイブリッド型建設機械の構成を示すブロック図である。

以下、本発明のハイブリッド型建設機械を適用した実施の形態について説明する。

「実施の形態１」
図１は、実施の形態１のハイブリッド型建設機械を示す側面図である。

このハイブリッド型建設機械は、建設機械型のハイブリッド型建設機械であり、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。また、上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に加えて、キャビン１０及び動力源が搭載される。

「全体構成」
図２は、実施の形態１のハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。この図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を実線でそれぞれ示す。

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。また、この減速機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。

コントロールバルブ１７は、実施の形態１の建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、この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。

また、電動発電機１２には、インバータ１８及び充放電制御部としての昇降圧コンバータ１００を介して蓄電器としてのバッテリ１９が接続される。このインバータ１８と昇降圧コンバータ１００との間は、ＤＣバス１１０によって接続されている。

また、ＤＣバス１１０には、インバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。ＤＣバス１１０は、バッテリ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行うために配設されている。

ＤＣバス１１０には、ＤＣバス１１０の電圧値（以下、ＤＣバス電圧値と称す）を検出するためのＤＣバス電圧検出部１１１が配設されている。検出されるＤＣバス電圧値は、コントローラ３０に入力される。

また、バッテリ１９には、バッテリ電圧値を検出するためのバッテリ電圧検出部１１２と、バッテリ電流値を検出するためのバッテリ電流検出部１１３が配設されている。これらによって検出されるバッテリ電圧値とバッテリ電流値は、コントローラ３０に入力される。

なお、バッテリ１９、ＤＣバス１１０、及び昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１との間で電力の授受を行う蓄電系である。

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。また、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。旋回用電動機２１、インバータ２０、レゾルバ２２、及び旋回用減速機２４とで負荷駆動系を構成する。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含み、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃ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及び圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、実施の形態１の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

このような実施の形態１の建設機械は、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型建設機械である。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。

「各部の構成」
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。このエンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、電動（アシスト）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２０によって交流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。

減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が電動（アシスト）運転を行い、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電運転による発電を行う。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。

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ポンプである。この油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ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。この油圧操作系の構成については後述する。

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。

インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２と昇降圧コンバータ１００との間に設けられ、コントローラ３０からの制御指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う電動発電機１２の駆動制御部である。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、必要な電力をバッテリ１９と昇降圧コンバータ１００からＤＣバス１１０を介して電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２の回生を運転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ＤＣバス１１０及び昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９に充電する。電動発電機１２とインバータ１８とで電動発電系を構成している。

バッテリ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してインバータ１８及びインバータ２０に接続されている。これにより、電動発電機１２の電動（アシスト）運転と旋回用電動機２１の力行運転との少なくともどちらか一方が行われている際には、電動（アシスト）運転又は力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、電動発電機１２の発電運転と旋回用電動機２１の回生運転の少なくともどちらか一方が行われている際には、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。そして、バッテリ１９には、蓄電系の異常検出部としての図示しない温度センサが配設されている。バッテリ１９に過電流が流れ続けると温度センサの温度検出値が上昇する。これにより、温度センサの温度検出値を検出することで、バッテリ１９が過負荷状態であるかを把握することができ、蓄電系の異常を検出することができる。同様に、昇降圧コンバータ１００にも、異常検出部としての図示しない温度センサが設けられている。これにより、昇降圧コンバータ１００の温度センサでは、スイッチング素子やリアクトルの温度を検出し、バッテリ１９の温度センサではバッテリ１９の発熱を計測する。

このバッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、昇降圧コンバータ１００によって行われる。この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、バッテリ電圧検出部１１２によって検出されるバッテリ電圧値、及びバッテリ電流検出部１１３によって検出されるバッテリ電流値に基づき、コントローラ３０によって行われる。

インバータ２０は、旋回用電動機２１と昇降圧コンバータ１００との間に設けられ、コントローラ３０からの制御指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う旋回用電動機２１の駆動制御部である。これにより、インバータが旋回用電動機２１の力行を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から昇降圧コンバータ１００を介して旋回用電動機２１に供給する。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を昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９へ充電する。図２には、旋回電動機（１台）及びインバータ（１台）を含む実施の形態を示すが、その他マグネット機構や旋回機構部以外の駆動部として備えることで、複数の電動機及び複数のインバータをＤＣバス１１０に接続するようにしてもよい。

昇降圧コンバータ１００は、一側がＤＣバス１１０を介して電動発電機１２及び旋回用電動機２１に接続されるとともに、他側がバッテリ１９に接続されており、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧又は降圧を切り替える制御を行う。電動発電機１２が電動（アシスト）運転を行う場合には、インバータ１８を介して電動発電機１２に電力を供給する必要があるため、ＤＣバス電圧値を昇圧する必要がある。一方、電動発電機１２が発電運転を行う場合には、発電された電力をインバータ１８を介してバッテリ１９に充電する必要があるため、ＤＣバス電圧値を降圧する必要がある。これは、旋回用電動機２１の力行運転と回生運転においても同様であり、その上、電動発電機１２はエンジン１１の負荷状態に応じて運転状態が切り替えられ、旋回用電動機２１は上部旋回体３の旋回動作に応じて運転状態が切り替えられるため、電動発電機１２と旋回用電動機２１には、いずれか一方が電動（アシスト）運転又は力行運転を行い、他方が発電運転又は回生運転を行う状況が生じうる。

このため、昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２と旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。

ＤＣバス１１０は、２つのインバータ１８及び２０と昇降圧コンバータとの間に配設されており、バッテリ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受が可能に構成されている。

ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス電圧値を検出するための電圧検出部である。検出されるＤＣバス電圧値はコントローラ３０に入力され、このＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収めるための昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。

バッテリ電圧検出部１１２は、バッテリ１９の電圧値を検出するための電圧検出部であり、バッテリの充電状態を検出するために用いられる。検出されるバッテリ電圧値は、コントローラ３０に入力され、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。そして、ＤＣバス電圧検出部１１１とバッテリ電圧検出部１１２で構成されるそれぞれの電圧値を比較し、異常の発生と異常発生箇所の特定を行う異常検出部としても機能する。

バッテリ電流検出部１１３は、バッテリ１９の電流値を検出するための電流検出部である。バッテリ電流値は、バッテリ１９から昇降圧コンバータ１００に流れる電流を正の値として検出される。検出されるバッテリ電流値は、コントローラ３０に入力され、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。そして、バッテリ電流検出部１１３は、検出される電流値の急激な低下を検出することで、蓄電系の異常検出部としても機能する。

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作業要素としての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が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、減速機２４にて回転数が増加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。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構２の回転角度及び回転方向が導出される。また、図２にはレゾルバ２２を取り付けた形態を示すが、電動機の回転センサを有しないインバータ制御方式を用いてもよい。

メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。

旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構２に機械的に伝達する減速機である。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転力を増力させ、より大きな回転力として旋回体へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、旋回体で発生した回転数を増加させ、より多くの回転動作を旋回用電動機２１に発生させることができる。

旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

操作装置２６は、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を操作するための操作装置であり、ハイブリッド型建設機械の運転者によって操作される。

この操作装置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。

操作装置２６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。

なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び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の駆動に必要な油圧をコントロールバルブに供給する。

旋回用操作検出部としての圧力センサ２９では、操作装置２６に対して旋回機構２を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。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。これにより、操作装置２６に入力される旋回機構２を旋回させるための操作量を的確に把握することができる。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。また、実施の形態１では、レバー操作検出部としての圧力センサを用いる形態について説明するが、操作装置２６に入力される旋回機構２を旋回させるための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。

「コントローラ３０」
コントローラ３０は、実施の形態１のハイブリッド型建設機械の駆動制御を行う主制御部としての制御装置であり、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から入力される信号（操作装置２６に入力される旋回機構２を旋回させるための操作量を表す信号）を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。

また、コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるバッテリ１９の充放電制御を行う。駆動制御部１２０は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりバッテリ１９の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、バッテリ電圧検出部１１２によって検出されるバッテリ電圧値、及びバッテリ電流検出部１１３によって検出されるバッテリ電流値に基づいて行われる。

また、駆動制御部１２０には、蓄電系に含まれる昇降圧コンバータ１００とバッテリ１９の温度等を表す電気信号が入力される。具体的には、例えば、リアクトル１０１の温度、ＩＧＢＴ１０２Ａ、１０２Ｂの温度、バッテリ１９の温度、及び、バッテリ１９のＳＯＣ（State OF Charge：充電率）を表す電気信号が入力される。

コントローラ３０は、異常検出部で検出されるこれらの温度等や、ＤＣバス電圧値及びバッテリ電流値、バッテリ電圧値等と、それぞれの異常検出部に対応して予め設定された閾値とを比較することで、昇降圧コンバータ１００又はバッテリ１９の異常を検出する。

なお、昇降圧コンバータ１００又はバッテリ１９の異常とは、例えば、断線や故障により、リアクトル１０１の温度、ＩＧＢＴ１０２Ａ、１０２Ｂの温度、バッテリ１９の温度、バッテリ１９のＳＯＣがそれぞれの閾値を超えて、過熱状態、過電圧状態、又は過電流状態が生じていることをいう。

図３は、実施の形態１のハイブリッド型建設機械に用いる蓄電系の詳細図である。この昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、バッテリ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１０５を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１０５との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。インバータ１０５は、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、２０に相当する。

リアクトル１０１は、一端が昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続されるとともに、他端が電源接続端子１０４に接続されており、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス９に供給するために設けられている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、駆動制御部１２０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

バッテリ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図３には、蓄電器としてバッテリ１９を示すが、バッテリ１９の代わりに、コンデンサ、充放電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。

電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、バッテリ１９及びインバータ１０５が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

バッテリ電圧検出部１１２は、バッテリ１９の電圧値(vbat_det)を検出し、ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧（以下、ＤＣバス電圧：vdc_det）を検出する。

平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化できる蓄電素子であればよい。

バッテリ電流検出部１１３は、バッテリ１９に通流する電流の値を検出可能な検出手段であればよく、電流検出用の抵抗器を含む。このリアクトル電流検出部１０８は、バッテリ１９に通流する電流値(ibat_det)を検出する。

「昇降圧動作」
このような昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧を印加し、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力をＤＣバス１１０に供給する。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

また、ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧を印加し、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１０５を介して供給される回生電力をＤＣバス１１０からバッテリ１９に供給する。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がバッテリ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

なお、実際には、コントローラ１２０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図３では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

ここで、蓄電系に異常が発生した場合、すなわち、昇降圧コンバータ１００に異常が発生して正常に動作しない場合、又は、バッテリ１９に異常が発生した場合には、インバータ１８又は２０に過大な電力が供給され、インバータ１８又は２０が損傷を受ける場合がある。

このため、実施の形態１のハイブリッド型建設機械では、蓄電系に異常が発生した場合には、駆動制御部１２０がインバータ１８及び２０の駆動を停止させる。このときの動作特性を図４を用いて説明する。

図４は、実施の形態１のハイブリッド型建設機械において、蓄電系の異常が発生した場合のＤＣバス電圧値及びバッテリ電圧値の推移を示す特性図であり、（ａ）は負荷が回生運転を行っていた場合、（ｂ）は負荷が力行運転から回生運転に運転状態が切り替わった場合の電圧値の推移を示す。

これらの図において、縦軸は電圧値を示し、Ｖ１はＤＣバス電圧値の目標値、Ｖ２はＤＣバス電圧値の上限値、ＶＤＣはＤＣバス電圧値、ＶＢＡＴはバッテリ電圧値を表す。ＤＣバス電圧値の上限値Ｖ２は、ＤＣバス電圧値が過電圧であるか否かを判定するための電圧値である。

また、図４（ａ）、（ｂ）の各々の特性において、実線は実施の形態１のハイブリッド型建設機械による特性を示し、破線は従来のハイブリッド型建設機械による特性を示す。

なお、図４（ａ）、（ｂ）には、蓄電系のうちの昇降圧コンバータ１００に異常が発生した場合の特性を示す。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ＝０では、バッテリ電圧値ＶＢＡＴよりもＤＣバス電圧値ＶＤＣの方が高い状態となっている。

ｔ＝０の昇降圧コンバータ１００に異常が発生した時点で、旋回用電動機２１が回生運転を、電動発電機１２が発電運転を行っていると、バッテリ１９への充電運転ができないため、ＤＣバス電圧値Ｖｄｃが上昇する。その後、回生運転が継続されると、継続してＤＣバス電圧値Ｖｄｃも上昇し続け上限値Ｖ２に到達してしまい、過電圧状態となってしまう。この場合に、電動発電機１２の電動運転、又は旋回用電動機２１の力行運転が行われると、インバータ１８又は２０に多大な電力が供給され、損傷を受けてしまう。

なお、これは、旋回用電動機２１が回生運転を行っているときに昇降圧コンバータ１００に異常が発生した場合でも同様である。

これに対して、実施の形態１のハイブリッド型建設機械では、時刻ｔ＝０において、例えば、昇降圧コンバータ１００に配置した温度センサの温度検出値が、リアクトルの過電圧により予め定められた閾値以上になった場合、コントローラ３０は異常が生じたと判定を行う。この場合、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１００に対して充放電制御を停止するように制御指令を送る。

その結果、ＤＣバス１１０の内部抵抗によって電力が徐々に消費され、ＤＣバス電圧値Ｖｄｃは次第に低下する。時刻ｔ＝ｔ１においてバッテリ電圧値ＶＢＡＴと同一値となる。

このように、蓄電系に異常が発生すると、旋回用電動機２１の駆動を停止することで、旋回用電動機２１での回生電力の発生を禁止することができる。これにより、異常発生後のＤＣバス電圧値Ｖｄｃの上昇を防止することができる。その結果、蓄電系に異常が発生してもインバータ１８及び２０の損傷を防ぐことができる。

さらに、コントローラ３０は蓄電系の異常判定すると、インバータ１８に対して電動発電機１２の駆動制御を停止するように制御指令を送るようにしてもよい。この場合、電動発電機１２の発電運転を防止することができるので、発電電力によるＤＣバス電圧値Ｖｄｃの上昇を防ぐことができる。この場合、確実にＤＣバスが過電圧になることを防ぐことができ、インバータ１８、２０の損傷を防ぐことができる。

このように実施の形態１のハイブリッド型建設機械では、蓄電系に異常が発生しても、ＤＣバス電圧値ＶＤＣは低下するので、インバータ１８及び２０の損傷を防ぐことができる。

また、図４（ｂ）に破線で示すように、従来のハイブリッド型建設機械では、昇降圧コンバータ１００に異常が発生しても、インバータ１８及び２０の駆動制御は停止されない。

時刻ｔ＝０の昇降圧コンバータ１００に異常が発生すると、バッテリ１９からの放電制御により、ＤＣバス電圧値を一定値に維持できなくなる。このとき、コントローラ３０からインバータ２０に対して旋回用電動機２１の力行運転を行う制御指令が出されていると、ＤＣバス１１０の電圧が旋回用電動機２１に供給される。このため、ＤＣバス電圧はＶ１を保てなくなりＤＣバス１１０の内部抵抗の消費による電圧低下と比較して急激に低下してしまう。

ｔ＝ｔ２でＤＣバス電圧値ＶＤＣとバッテリ電圧値ＶＢＡＴが同一値となると、その後も電動発電機１２の電動運転が引き続き行われることにより、ＤＣバス電圧値ＶＤＣ及びバッテリ電圧値ＶＢＡＴは同一値のまま、ともに低下する。

時刻ｔ＝ｔ３で旋回用電動機２１が回生運転に切り替えられると、ＤＣバス電圧値ＶＤＣは上昇し始め、時刻ｔ＝ｔ４で上限値Ｖ２に到達してしまい過電圧状態となってしまう。この場合に、旋回用電動機２１の回生運転が行われると、インバータ１８及び２０に対しても過電圧状態となり、インバータ１８及び２０が損傷を受けてしまう。

なお、これは、時刻ｔ＝ｔ３以降に、電動発電機１２が発電運転を行う場合でも同様である。

これに対して、実施の形態１のハイブリッド型建設機械では、時刻ｔ＝０において、例えば、昇降圧コンバータ１００に配置した温度センサの温度検出値が、リアクトルの過電圧により予め定められた閾値以上になった場合、コントローラ３０は異常が生じたと判定を行う。

この場合、図４（ａ）の処理と同様に、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１００に対して充放電制御を停止するように制御指令を送る。そして、コントローラ３０は、インバータ２０に対しても旋回用電動機２１の駆動制御を停止するように制御指令を送る。

その結果、ＤＣバス１１０の内部抵抗によって電力が徐々に消費され、ＤＣバス電圧値Ｖｄｃは次第に低下する。

このように、蓄電系に異常が発生すると、旋回用電動機２１の駆動を停止することで、旋回用電動機２１での回生電力の発生を禁止することができる。これにより、異常発生後のＤＣバス電圧値Ｖｄｃｎｏ上昇を防止することができる。その結果、蓄電系に異常が発生してもインバータ１８及び２０の損傷を防ぐことができる。

さらに、コントローラ３０は蓄電系の異常判定すると、インバータ１８に対して電動発電機１２の駆動制御を停止するように制御指令を送るようにしてもよい。この場合、電動発電機１２の発電運転を防止することができるので、発電電力によるＤＣバス電圧値Ｖｄｃの上昇を防ぐことができる。この場合、確実にＤＣバス１１０が過電圧になることを防ぐことができ、インバータ１８、２０の損傷を防ぐことができる。

このように実施の形態１のハイブリッド型建設機械では、蓄電系に異常が発生しても、ＤＣバス電圧値ＶＤＣは低下するので、インバータ１８及び２０の損傷を防ぐことができる。

なお、以上では、蓄電系のうちの昇降圧コンバータ１００に異常が発生した場合について説明したが、バッテリ１９に異常が発生した場合も、駆動制御部１２０によってインバータ１８及び２０の駆動制御は停止される。

例えば、バッテリ１９に備えた温度センサにより、バッテリ１９が過熱状態であると判定された場合には、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１００の充放電制御を停止する。そして、旋回用電動機２１の運転を停止することで、旋回用電動機２１の回生運転を禁止することができる。これにより、回生電力によるＤＣバスが過電圧状態となることを防止することができ、インバータ１８、２０の損傷を防ぐことができる。電動発電機１２の発電運転に対しても同様である。

このため、バッテリ１９に異常が発生した場合においても、上述の場合と同様に、インバータ１８及び２０の損傷を防ぐことができる。

以上では、バッテリ１９又は昇降圧コンバータ１００に異常が発生した場合に、インバータ２０の駆動制御を停止する形態について説明したが、コントローラ３０がメインポンプ１４の吐出量を制限（低下）させるようにしてもよい。これにより、バッテリ１９又は昇降圧コンバータ１００に異常が発生することによって電動発電機１２の出力が低下した場合においても、エンジン１１がメインポンプ１４を駆動する際の負荷を低減することができる。このため、バッテリ１９や昇降圧コンバータ１００に異常が発生した際に、メインポンプ１４の負荷が大きい場合でも、エンジン１１がストールすることを抑制することができる。

［実施の形態２］
図５は、実施の形態２のハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。実施の形態２のハイブリッド型建設機械は、ＤＣバス１１０に駆動制御系としてのインバータ１８Ｂを介して電動作業要素としてのブーム回生用発電機３００が接続されている点が実施の形態１のハイブリッド型建設機械と異なる。インバータ１８Ｂとブーム回生用発電機３００とで負荷駆動系を構成する。

実施の形態２のハイブリッド型建設機械では、ブームシリンダ７に油圧モータ３１０が接続されており、ブーム回生用発電機３００の回転軸は、油圧モータ３１０によって駆動される。なお、図５では、説明の便宜上、油圧モータ３１０とブーム回生用発電機３００は離れているが、実際には、ブーム回生用発電機３００の回転軸は、油圧モータ３１０の回転軸に機械的に接続されている。

ブーム回生用発電機３００は、上述のように、油圧モータ３１０によって駆動され、ブーム４が重力に従って下げられるときに、位置エネルギを電気エネルギに変換する電動作業要素である。

油圧モータ３１０は、ブーム４が下げられるときにブームシリンダ７から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム４が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ３１０は、コントロールバルブ１７とブームシリンダ７の間の油圧管７Ａに設けられているため、上部旋回体３内の適当な場所に取り付けることができる。

ブーム回生用発電機３００で発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ１８Ｂを経てＤＣバス１１０に供給される。

このため、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１には、いずれかにＤＣバス１１０を介して電力供給が行われる状況が生じうる。また、電動発電機１２、ブーム回生用発電機３００、及び旋回用電動機２１には、いずれかからＤＣバス１１０に電力供給が行う状況が生じうる。

実施の形態２では、昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、ブーム回生用発電機３００、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。

ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０と昇降圧コンバータとの間に配設されており、バッテリ１９、電動発電機１２、ブーム回生用発電機３００、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行う。

このような実施の形態２のハイブリッド型建設機械において、蓄電系の昇降圧コンバータ１００又はバッテリ１９に異常が発生した場合には、駆動制御部１２０によってインバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０の駆動制御が停止される。これにより、電動発電系に異常が発生した場合、インバータ１８ＢからＤＣバス１１０への回生エネルギーの供給を防止することができる。

以上、実施の形態２によれば、ブーム４の位置エネルギを電気エネルギに変換するブーム回生用発電機３００を含むハイブリッド型建設機械においても、実施の形態１，２のハイブリッド型建設機械と同様に、蓄電系の昇降圧コンバータ１００又はバッテリ１９に異常が発生した場合には、駆動制御部１２０によってインバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０の駆動制御が停止される。これにより、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０の損傷を防ぐことができる。

なお、以上では、ブーム回生用発電機３００が油圧モータ３１０を介してブーム４の位置エネルギを電気エネルギに変換する形態について説明したが、ブーム回生用発電機３００は、ブーム４のブーム軸に接続されており、ブーム４が下げられるときに油圧で駆動される際に発電を行うように構成してもよい。ブーム４の上昇と下降の判別は、例えば、ブーム４の操作を行うための操作レバー２６Ａの２次側に圧力センサを設け、この圧力センサの出力に基づいて駆動制御部１２０が行うようにすればよい。

［実施の形態３］
図６は、実施の形態３のハイブリッド型建設機械の構成を示すブロック図である。実施の形態３のハイブリッド型建設機械は、メインポンプ１４の駆動がポンプ用電動機４００によって行われ、電動発電機１２はエンジン１１によって駆動されることによる電力の回収（発電運転）を行うように構成されている点が実施の形態１のハイブリッド型建設機械と異なる。その他の構成は実施の形態１のハイブリッド型建設機械と同一であるため、同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。また、電動発電機１２は、本実施の形態ではエンジン１１によって駆動させることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。

ポンプ用電動機４００は、メインポンプ１４を駆動するための力行運転だけを行うように構成されており、インバータ４１０を介してＤＣバス１１０に接続されている。

このポンプ用電動機４００は、駆動制御部１２０によって駆動されるように構成されている。レバー２６Ａ〜２６Ｃのいずれかが操作されると、ポンプ用電動機４００には、ＤＣバス１１０からインバータ４１０を介して電力が供給され、これによって力行運転が行われ、ポンプ１４が駆動されて圧油が吐出される。

このため、電動発電機１２、ポンプ用電動機４００、及び旋回用電動機２１には、いずれかにＤＣバス１１０を介して電力供給が行われる状況が生じうる。また、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１には、いずれかからＤＣバス１１０に電力供給が行う状況が生じうる。

実施の形態３では、昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、ポンプ用電動機４００、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。

ＤＣバス１１０は、インバータ１８、４１０、及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、バッテリ１９、ポンプ用電動機４００、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行う。

このような実施の形態３のハイブリッド型建設機械において、実施の形態１のハイブリッド型建設機械と同様に、蓄電系の昇降圧コンバータ１００又はバッテリ１９に異常が発生した場合には、駆動制御部１２０によってインバータ１８、２０、及び４１０の駆動制御が停止される。これにより、インバータインバータ１８、２０、及び４１０の損傷を防ぐことができる。

以上、実施の形態１乃至３では、種々の構成のハイブリッド型建設機械について説明したが、本発明のハイブリッド型建設機械は、実施の形態１乃至４に示した構成を任意に組み合わせることができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態のハイブリッド型建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

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
７Ａ 油圧管
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、１８Ａ、１８Ｂ、２０、４００、４１０ インバータ
１９ バッテリ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
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
２６Ｄ ボタンスイッチ
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
１００ 昇降圧コンバータ
１０１ リアクトル
１０２Ａ 昇圧用ＩＧＢＴ
１０２Ｂ 降圧用ＩＧＢＴ
１０４ 電源接続端子
１０５ モータ
１０６ 出力端子
１０７ コンデンサ
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１１２ バッテリ電圧検出部
１１３ バッテリ電流検出部
３００ 発電機
３１０ 油圧モータ
４００ ポンプ用電動機

Claims (4)

1. 内燃機関又は電動発電機の駆動力で発生される油圧によって駆動される作業要素と、電動駆動される電動作業要素とを含むハイブリッド型建設機械において、
   前記電動発電機及び前記電動作業要素との間で電力の授受を行う蓄電系と、
   前記蓄電系の異常を検出する異常検出部と、
   前記電動発電機、及び前記電動作業要素の制御を行う主制御部と
   を含み、
   前記主制御部は、前記異常検出部によって前記蓄電系の異常が検出された場合に、前記電動作業要素の駆動を停止する、ハイブリッド型建設機械。
2. 前記主制御部は、前記異常検出部によって前記蓄電系の異常が検出された場合に、さらに、前記電動発電機の駆動制御系の駆動を停止させる、請求項１に記載のハイブリッド型建設機械。
3. 前記主制御部は、前記油圧を発生させる油圧ポンプの出力を制御するように構成されており、前記異常検出部によって前記蓄電系の異常が検出された場合に、さらに、前記油圧ポンプの出力を制限する、請求項１又は２に記載のハイブリッド型建設機械。
4. 前記蓄電系は、前記電動発電機と前記電動作業要素との間を接続するＤＣバス、及び、前記ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設される昇降圧コンバータを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のハイブリッド型建設機械。

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