JP2010133237A - Hybrid construction machine - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention includes a hybrid type having a step-up / step-down converter having a step-up switching element and a step-down switching element and performing control of power supply to a load and control of supply of regenerative power obtained from the load to a capacitor Concerning construction machinery.
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。 Conventionally, a hybrid construction machine in which a part of a drive mechanism is electrically driven has been proposed. Such a construction machine includes a hydraulic pump for hydraulically driving work elements such as a boom, an arm, and a bucket, and a motor generator is connected to an engine for driving the hydraulic pump via a speed reducer. The motor generator assists the drive of the engine, and the power obtained by the power generation is charged in the capacitor.
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)。 In addition to a hydraulic motor as a power source for the turning mechanism for turning the upper turning body, an electric motor is provided in addition to assisting the drive of the hydraulic motor with the electric motor when the turning mechanism is accelerated, and regenerative operation with the electric motor when the turning mechanism is decelerated. The electric power generated is charged in the battery (see, for example, Patent Document 1).
ところで、従来のハイブリッド型建設機械では、アシスト用の電動発電機又は電動発電機の駆動制御系に異常が発生した場合に、エンジンへの電動運転ができなくなるため、旋回用電動機で発生した回生電力を蓄電手段で回収できなくなるおそれが生じてしまう。 By the way, in the conventional hybrid type construction machine, when an abnormality occurs in the assist motor generator or the drive control system of the motor generator, the electric operation to the engine becomes impossible. May not be collected by the power storage means.
逆に、旋回用電動機又は旋回用電動機の駆動制御系に異常が発生した場合に、電動発電機で発電された電力を蓄電手段で回収できなくなるおそれが生じてしまう。 Conversely, when an abnormality occurs in the turning electric motor or the drive control system of the turning electric motor, the electric power generated by the motor generator may not be collected by the power storage means.
この場合、蓄電手段の電圧が過電圧となり損傷してしまうことが考えられる。 In this case, it is conceivable that the voltage of the power storage means is overvoltage and damaged.
そこで、本発明は、電動発電機又は前記電動発電機の駆動制御系の異常が発生した場合に、電動作業要素の駆動制御系の駆動を停止させることにより、信頼性の向上を図ったハイブリッド型建設機械を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is a hybrid type that improves reliability by stopping the drive of the drive control system of the electric work element when an abnormality occurs in the motor generator or the drive control system of the motor generator. The purpose is to provide construction machinery.
本発明の一局面のハイブリッド型建設機械は、内燃機関と接続され、電動発電運転する電動発電系と、前記電動発電系と接続される蓄電系と、前記蓄電系に接続され、前記蓄電系へ回生電力を供給する負荷駆動系と、前記電動発電系に備えられる異常検出部と、前記異常検出部の検出値に基づいて異常判定を行うコントローラとを含み、前記コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記負荷駆動系の駆動を停止させる。 A hybrid construction machine according to one aspect of the present invention is connected to an internal combustion engine, and performs a motor power generation operation, a power generation system connected to the motor power generation system, a power storage system connected to the power storage system, and the power storage system. A load drive system that supplies regenerative power, an abnormality detection unit provided in the motor power generation system, and a controller that performs abnormality determination based on a detection value of the abnormality detection unit, wherein the controller has an abnormality If determined, the drive of the load drive system is stopped.
また、前記コントローラは、異常判断の前後で前記蓄電系の充放電制御を継続してもよい。 Further, the controller may continue the charge / discharge control of the power storage system before and after the abnormality determination.
また、前記負荷駆動系は旋回用電動機を含み、前駆コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記旋回用電動機の駆動を停止させてもよい。 Further, the load drive system may include a turning electric motor, and when the precursor controller determines that an abnormality has occurred, the driving of the turning electric motor may be stopped.
また、前記コントローラは、さらに、油圧を発生する油圧ポンプの駆動制御を行うように構成されており、前記異常検出部によって前記電動発電機又は前記電動発電機の駆動制御系の異常が検出された場合に、前記油圧ポンプの吐出量を制限してもよい。 The controller is further configured to perform drive control of a hydraulic pump that generates hydraulic pressure, and an abnormality of the motor generator or the drive control system of the motor generator is detected by the abnormality detection unit. In this case, the discharge amount of the hydraulic pump may be limited.
また、前記負荷駆動系はブーム回生用発電機を含み、前記コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記ブーム回生用発電機の駆動を停止させてもよい。 The load drive system may include a boom regeneration generator, and when the controller determines that an abnormality has occurred, the drive of the boom regeneration generator may be stopped.
本発明によれば、電動発電機又は前記電動発電機の駆動制御系の異常が発生した場合に、電動作業要素の駆動制御系の駆動を停止させることにより、電動作業要素の駆動制御系の損傷を防ぐことができ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。 According to the present invention, when an abnormality occurs in the motor generator or the drive control system of the motor generator, the drive control system of the electric work element is stopped by stopping the drive of the drive control system of the electric work element. It is possible to provide a unique effect that a hybrid construction machine that can prevent the above problem can be provided.
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。 Embodiments to which the hybrid type construction machine of the present invention is applied will be described below.
「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。
“Embodiment 1”
FIG. 1 is a side view showing the hybrid construction machine of the first embodiment.
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。
This hybrid construction machine is a construction machine type hybrid construction machine, and an
「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。
"overall structure"
FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the hybrid construction machine according to the first embodiment. In FIG. 2, the mechanical power system is indicated by a double line, the high-pressure hydraulic line is indicated by a solid line, the pilot line is indicated by a broken line, and the electric drive / control system is indicated by a solid line.
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。
An
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。
The
また、電動発電機12には、インバータ18及び蓄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。
The
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。
Further, a turning
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。
The
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と昇降圧コンバータ100は、電動発電機12及び旋回用電動機21の間で電力の授受を行う蓄電系を構成する。
Further, the
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とで負荷制御系を構成する。
A
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。
The
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。
The construction machine according to the first embodiment is a hybrid construction machine that uses the
「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。
"Configuration of each part"
The
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18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。そして、電動発電機12には、電動発電系の第2の異常検出部としての温度センサ12Aが配設されている。電動発電機12に負荷がかかると温度センサ12Aの温度検出値が上昇する。これにより、温度センサ12Aの温度検出値が高すぎると、電動発電機12が過負荷状態であることを把握することができる。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
インバータ18は、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を電動運転している際には、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を発電運転している際には、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19とで電動発電系を構成している。そして、インバータ18には、電動発電系の異常検出部としての図示しない温度センサ、電流検出器及び電圧検出器が配設されている。温度センサではインバータ18のスイッチング素子の温度を検出し、電流検出器によって電動発電機12の電流を検出することができる。例えば、インバータ18のIGBTが過負荷状態になると、温度センサで検出される温度値は予め定められた閾値を超えることで、異常が発生したことを検出することができる。
The
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。
The
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。
The charge / discharge control of the
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。
The inverter 20 is provided between the turning
なお、このインバータ20は、電動作業要素としての旋回用電動機21の駆動制御部である。
In addition, this inverter 20 is a drive control part of the
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。
The buck-
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。
For this reason, the step-up / step-down
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。
The
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。
The DC bus
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。
The battery
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。
The battery
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。
The turning
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The turning mechanism 2 can turn in a state where the
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。
The operating
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。
The operating
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。
When the
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。
The
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。
When the operation for turning the turning mechanism 2 is input to the operating
「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。
"
The
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。
The
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。コントローラ30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。
In addition, the
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。
Switching control between the step-up / step-down operation of the step-up / step-down
また、コントローラ30は、異常検出部で検出される電動発電機12、インバータ18に配設された異常検出部からの検出値と、それぞれの異常検出部に対応して予め定められた閾値とを比較することで異常判定を行う機能を担う。このため、コントローラ30には、電動発電機12の温度、電動発電機12に通流する電流値、電動発電機12に印加される電圧値、インバータ18に含まれるスイッチング素子の温度、インバータ18に供給される電圧値、及びインバータ18に供給される電流値を表す信号が入力されるように構成されている。
Further, the
なお、電動発電機12の異常とは、例えば、電動発電機12に断線が生じている場合や、温度が異常に上昇している状態をいう。
The abnormality of the
また、インバータ18の異常とは、例えば、断線や故障により、スイッチング素子の温度、電圧値、又は電流値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。
Further, the abnormality of the
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。
FIG. 3 is a detailed view of a power storage system used in the hybrid construction machine of the first embodiment. The step-up / down
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。
The step-up IGBT 102 </ b> A and the step-down IGBT 102 </ b> B are semiconductor elements that are configured by bipolar transistors in which a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is incorporated in a gate portion and can perform high-power high-speed switching. The step-up
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The smoothing
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。
The battery
「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。
"Buck-boost operation"
In such a step-up / down
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。
When the
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。
In practice, a drive unit that generates a PWM signal for driving the boosting
ここで、電動発電機12又はインバータ18に異常が発生した場合には、インバータ20に過大な電力が供給され、インバータ20が損傷を受ける場合がある。
Here, when an abnormality occurs in the
このため、実施の形態1のハイブリッド型建設機械では、電動発電機12又はインバータ18に異常が発生した場合には、駆動制御部120がインバータ20の駆動を停止させる。このときの動作特性を図4及び図5を用いて説明する。
For this reason, in the hybrid type construction machine of the first embodiment, when an abnormality occurs in the
図4は、従来のハイブリッド型建設機械において、電動発電機12又はインバータ18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)は負荷が力行運転を行っていた場合の電圧値の推移を示す。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the transition of the DC bus voltage value and the battery voltage value when an abnormality occurs in the
図5は、実施の形態1のハイブリッド型建設機械において、電動発電機12又はインバータ18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る。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the transition of the DC bus voltage value and the battery voltage value when an abnormality occurs in the
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、V4はバッテリ使用範囲の下限値、VDCはDCバス電圧値、VBATはバッテリ電圧値を表す。 In these figures, the vertical axis indicates the voltage value, V1 is the target value of the DC bus voltage value, V2 is the upper limit value of the DC bus voltage value, V4 is the lower limit value of the battery usage range, VDC is the DC bus voltage value, V BAT represents a battery voltage value.
ここで、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。 Here, the upper limit value V2 of the DC bus voltage value is a voltage value for determining whether or not the DC bus voltage value is an overvoltage.
また、バッテリ使用範囲とは、ハイブリッド型建設機械において、バッテリ19を使用する際のバッテリ電圧値の範囲であり、図4(b)には、下限値V4のみを示す。
The battery usage range is a range of battery voltage values when using the
なお、図4(a)、(b)には、インバータ18に異常が発生した場合の特性を示し、時刻t=0以前では、図4(a)では旋回用電動機21の回生運転が行われており、図4(b)では力行運転が行われていることとする。
4A and 4B show characteristics when an abnormality occurs in the
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。 As shown in FIG. 4A, at time t = 0, the DC bus voltage value V DC is higher than the battery voltage value V BAT .
従来のハイブリッド型建設機械では、時刻t=0でインバータ18に異常が発生しても、電動作業要素である旋回用電動機21の駆動制御は停止されないので、旋回用電動機21によって回生される電力はDCバス110へ供給される。これにより、コントローラ30は、DCバス電圧値VDCを一定に保持するために昇降圧コンバータ100に降圧動作を行わせるため、バッテリ電圧値VBATは上昇する。
In the conventional hybrid type construction machine, even if an abnormality occurs in the
時刻t=t2で、バッテリ電圧値VbatはDCバス電圧値Vdcに到達する。その後、旋回用電動機21からの回生が継続すると、バッテリ電圧値VbatとDCバス電圧値Vdcとはともに上昇してしまう。
At time t = t2, the battery voltage value Vbat reaches the DC bus voltage value Vdc. Thereafter, when regeneration from the turning
さらに、時刻t=t3では、DCバス電圧値の上限値にまで到達してしまう。この場合に、インバータ20に対しても過電圧状態となり、損傷を受けてしまう。 Furthermore, at time t = t3, the upper limit value of the DC bus voltage value is reached. In this case, the inverter 20 is overvoltaged and damaged.
また、図4(b)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。 Further, as shown in FIG. 4B, at time t = 0, the DC bus voltage value V DC is higher than the battery voltage value V BAT .
このように、従来のハイブリッド型建設機械では、時刻t=0でインバータ18に異常が発生しても、電動作業要素である旋回用電動機21の駆動制御は停止されないので、旋回用電動機21によってDCバス110の電力が消費される。これにより、駆動制御部120は、DCバス電圧値VDCを一定に保持するために昇降圧コンバータ100に昇圧動作を行わせるため、バッテリ電圧値VBATは低下する。
As described above, in the conventional hybrid type construction machine, even if an abnormality occurs in the
旋回用電動機21の電動運転が引き続き行われることにより、時刻t=t4では、バッテリ電圧値VBATはバッテリ使用範囲の下限値V4を下回ってしまう。バッテリ電圧値VBATが下限値V4を下回ると、バッテリ19の出力が減少するので正常な動作ができなくなる。
By continuing the electric operation of the turning
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、インバータ18に異常が発生しても、以下のようにして、インバータ20の損傷を防ぐことができる。
On the other hand, in the hybrid construction machine of the first embodiment, even if an abnormality occurs in the
図5には、実施の形態1を用いた場合における、インバータ18、20に異常が発生した後のバッテリ電圧値とDCバス電圧値の時間推移を示す。
FIG. 5 shows time transitions of the battery voltage value and the DC bus voltage value after the occurrence of abnormality in the
ハイブリッド型建設機械が作業を継続し、電動発電機12に負荷がかかり過ぎて、電動発電機12に配置した温度センサ12Aによる検出値が予め定めら温度に達すると、コントローラ30は電動発電機12が過負荷状態にあると判定する(時刻t=0)。この場合、コントローラ30は、電動発電系に異常が発生したと判定する。そして、異常処理を行うべく、インバータ18へ電動発電機12の駆動を停止するように制御指令を送る。さらに、コントローラ30は旋回用電動機21の駆動制御を停止するように制御指令をインバータ20に送る。これにより、旋回用電動機21での回生電力の発生を禁止でき、さらに、力行運転による電力消費を禁止する。一方、コントローラ30は、昇降圧コンバータ100に対して、電動発電系の異常発生の前後で、継続してDCバス電圧VdcをV1に一定に維持するように制御指令を送る。
When the hybrid construction machine continues to work, the
これにより、t=0後において、図5に示すようにDCバス電圧値VDCとバッテリ電圧値VBATは一定値に保持される。このため、インバータ20が損傷を受けることは生じない。 Thereby, after t = 0, as shown in FIG. 5, the DC bus voltage value V DC and the battery voltage value V BAT are held at constant values. For this reason, the inverter 20 is not damaged.
なお、これは、インバータ18の代わりに、電動発電機12に異常が発生した場合においても、同様に、インバータ20の駆動制御は駆動制御部120によって停止され、DCバス電圧値VDCとバッテリ電圧値VBATは一定値に保持される。このため、インバータ20が損傷を受けることは生じない。
It should be noted that, in the case where an abnormality occurs in the
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、電動発電機12、又はその駆動制御系であるインバータ18に異常が発生すると、インバータ20の駆動制御は駆動制御部120によって停止される。このため、インバータ20の損傷を防ぐことができる。
As described above, in the hybrid construction machine of the first embodiment, when an abnormality occurs in the
なお、インバータ18及び20の駆動制御が停止された後は、DCバス電圧値VDCとバッテリ電圧値VBATは一定値に保持される。このため、インバータ18Aの復旧後は、速やかに通常通りの運転を行うことができる。
Note that after the drive control of the
また、電動発電機12又はインバータ18に異常が発生した場合に、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、電動発電機12又はインバータ18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、電動発電機12又はインバータ18に異常が発生した際に、吐出量を制限することで、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。
Further, when an abnormality occurs in the
[実施の形態2]
図6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。
[Embodiment 2]
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of the hybrid type construction machine of the second embodiment. The hybrid type construction machine of the second embodiment is that the boom
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6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。
In the hybrid type construction machine of the second embodiment, the hydraulic motor 310 is connected to the boom cylinder 7, and the rotating shaft of the
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。
As described above, the
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。
The hydraulic motor 310 is configured to be rotated by oil discharged from the boom cylinder 7 when the boom 4 is lowered, and is provided to convert energy when the boom 4 is lowered according to gravity into rotational force. It has been. Since the hydraulic motor 310 is provided in the hydraulic pipe 7 </ b> A between the
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。
The electric power generated by the boom
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。
For this reason, the
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。
In the second embodiment, the step-up / step-down
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。
The
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、時刻t=0でインバータ18Aに異常が発生すると、駆動制御部120は、インバータ18B、及び20の駆動制御を停止し、ブーム回生用発電機300、及び旋回用電動機21の駆動制御を停止する。
In such a hybrid construction machine of the second embodiment, when an abnormality occurs in the inverter 18A at time t = 0, the
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への回生エネルギの供給を防止することができる。
Thereby, when an abnormality occurs in the motor power generation system, supply of regenerative energy from the inverter 18B to the
これにより、DCバス電圧値VDCとバッテリ電圧値VBATは一定値に保持される。このため、インバータ18B、及び20が損傷を受けることは生じない。 Thereby, the DC bus voltage value V DC and the battery voltage value V BAT are held at a constant value. For this reason, the inverters 18B and 20 are not damaged.
なお、これは、インバータ18Aの代わりに、電動発電機12に異常が発生した場合においても、同様に、DCバス電圧値VDCとバッテリ電圧値VBATは一定値に保持される。このため、インバータ18B、及び20が損傷を受けることは生じない。
It should be noted that, in the case where an abnormality occurs in the
このように実施の形態2のハイブリッド型建設機械では、電動発電機12、又はその駆動制御系であるインバータ18に異常が発生すると、インバータ18B、及び20の駆動制御は駆動制御部120によって停止される。このため、インバータ18B、及び20の損傷を防ぐことができる。
Thus, in the hybrid type construction machine of the second embodiment, when an abnormality occurs in the
なお、インバータ18B、及び20の駆動制御が停止された後は、DCバス電圧値VDCとバッテリ電圧値VBATは一定値に保持される。このため、インバータ18Aの復旧後は、速やかに通常通りの運転を行うことができる。 Note that after the drive control of the inverters 18B and 20 is stopped, the DC bus voltage value V DC and the battery voltage value V BAT are held at constant values. For this reason, after the inverter 18A is restored, the normal operation can be performed promptly.
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。
In the above description, the boom
[実施の形態3]
図7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。
[Embodiment 3]
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of the hybrid type construction machine of the third embodiment. The hybrid construction machine of the third embodiment is configured such that the
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、駆動制御系としてのインバータ410を介してDCバス110に接続されている。
The
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。
The
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。
For this reason, the
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。
In the third embodiment, the step-up / step-down
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。
The
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、時刻t=0でインバータ18に異常が発生すると、駆動制御部120は、インバータ20及び410の駆動制御を停止し、旋回用電動機21及びポンプ用電動機400の駆動制御を停止する。
In such a hybrid construction machine of the third embodiment, when an abnormality occurs in the
これにより、DCバス電圧値VDCとバッテリ電圧値VBATは一定値に保持される。このため、インバータ20及び410が損傷を受けることは生じない。
Thereby, the DC bus voltage value V DC and the battery voltage value V BAT are held at a constant value. For this reason, the
なお、これは、インバータ18の代わりに、電動発電機12に異常が発生した場合においても、同様に、DCバス電圧値VDCとバッテリ電圧値VBATは一定値に保持される。このため、インバータ20及び410が損傷を受けることは生じない。
It should be noted that, in the case where an abnormality occurs in the
このように実施の形態3のハイブリッド型建設機械では、電動発電機12、又はその駆動制御系であるインバータ18に異常が発生すると、インバータ20及び410の駆動制御は駆動制御部120によって停止される。このため、インバータ20及び410の損傷を防ぐことができる。
As described above, in the hybrid type construction machine of the third embodiment, when an abnormality occurs in the
なお、インバータ20及び410の駆動制御が停止された後は、DCバス電圧値VDCとバッテリ電圧値VBATは一定値に保持される。このため、インバータ18の復旧後は、速やかに通常通りの運転を行うことができる。
Note that after the drive control of the
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。 As described above, in the first to third embodiments, the hybrid type construction machine having various configurations has been described. However, the hybrid type construction machine of the present invention can arbitrarily combine the configurations shown in the first to fourth embodiments.
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。 The hybrid construction machine according to the exemplary embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiment and departs from the scope of the claims. Various modifications and changes are possible.
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、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
103 バッテリ
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
102B IGBT for step-down
DESCRIPTION OF SYMBOLS 103
Claims (5)
前記電動発電系と接続される蓄電系と、
前記蓄電系に接続され、前記蓄電系へ回生電力を供給する負荷駆動系と、
前記電動発電系に備えられる異常検出部と、
前記異常検出部の検出値に基づいて異常判定を行うコントローラと
を含み、前記コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記負荷駆動系の駆動を停止させる、ハイブリッド型建設機械。 A motor generator system connected to an internal combustion engine and performing a motor generator operation;
A power storage system connected to the motor power generation system;
A load driving system connected to the power storage system and supplying regenerative power to the power storage system;
An abnormality detector provided in the motor power generation system;
A hybrid construction machine that includes: a controller that performs abnormality determination based on a detection value of the abnormality detection unit, and the controller stops driving the load drive system when determining that an abnormality has occurred.
前駆コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記旋回用電動機の駆動を停止させる、請求項1又は2に記載のハイブリッド型建設機械。 The load drive system includes a turning electric motor,
The hybrid construction machine according to claim 1, wherein when the precursor controller determines that an abnormality has occurred, the precursor controller stops driving the electric motor for turning.
前記コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記ブーム回生用発電機の駆動を停止させる、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のハイブリッド型建設機械。 The load drive system includes a boom regeneration generator,
The hybrid construction machine according to any one of claims 1 to 4, wherein when the controller determines that an abnormality has occurred, the controller stops driving the boom regeneration generator.
Priority Applications (1)
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