JP2010229731A - ハイブリッド建設機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ハイブリッド建設機械を小型化すると共に、その旋回電気モータをエンジンの起動後直ちに駆動する。
【解決手段】 エンジン２に接続された発電機５が交流電力を発生する。発電機５にコンバータ５が接続され、旋回電気モータ１８への電力を制御するインバータ３２がコンバータ５に接続されている。コンバータ３０及びインバータ３２が、発電機５の電源ライン３４ｒ、３４ｓ、３４ｔと、旋回電気モータ１８との間に配置されたＩＧＢＴからなり、これらＩＧＢＴによって発電機５の交流電力を旋回電気モータ１８に投入可能な交流電力に直接に変換する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体圧力と電力とによって駆動するハイブリッド建設機械の制御装置に関する。

ハイブリッド建設機械には、エンジンによって油圧ポンプを駆動し、その油圧ポンプによって建設機器が備えるブーム等を駆動すると共に、エンジンによって発電機を駆動し、この発電機が発生した交流電力によってブーム等が設けられている建設機械の旋回体を旋回させるものがある。このようなハイブリッド建設機械の一例が特許文献1に開示されている。

特許文献１の技術では、発電機が発生した交流電力を、コンバータによって整流し平滑用のキャパシタによって平滑して直流電力とし、この直流電力をインバータによって交流電力に変換して、旋回体を旋回させるための旋回電気モータに供給している。

特開２００８−８８６６０号公報

特許文献１に開示した技術では、発電機が発生した交流電力を一旦直流電力に変換する必要があり、そのため大容量の平滑用のコンデンサが必要であり、大型になる。また大容量平滑コンデンサは一般に電解コンデンサであり、電解液を用いるため容量値の経時変化が大きく、特に建設機械がさらされる温度や振動下で耐寿命性に大きな問題がある。一方、エンジンを起動してから、旋回電気モータを回転させることを可能にするには、コンバータによって整流された直流電力によって、平滑用のコンデンサを初期充電するための回路が必要であり寸法やコストが増大するほか，エンジン起動後直ちに建設機械を旋回させることができなかった。

本発明は、小型、低コストで信頼性が高く、かつエンジンの起動後でも直ちに電気モータを駆動することが可能なハイブリッド建設機械の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のハイブリッド建設機械の制御装置は、発電機を有している。この発電機は、エンジンに接続され、交流電力を発生する。交流電力は、複数の相からなる多相電力であることが望ましい。なお、エンジンは、後述するように油圧ポンプも駆動する。前記発電機に第１電力変換器が接続されている。第１電力変換器は、例えばコンバータである。第１電力変換器に第２電力変換器が接続され、この第２電力変換器は旋回電気モータの電力を制御する。第２電力変換器は、例えばインバータである。第１及び第２の電力変換器が、前記発電機の各電源ラインと、前記旋回電気モータとの間に配置された複数のスイッチ素子群からなり、これらスイッチング素子群によって前記発電機の交流電力を前記旋回電気モータに投入可能な交流電力に直接に変換し、前記旋回電気モータを回転制御する。第１の電力変換器に供給される発電機の交流電力は、多相電力、例えば三相電力であり、第２の電力変換器から前記旋回電気モータに投入される交流電力も多相電力、例えば三相電力である。これらスイッチング素子は、第１及び第２の電力変換器用の制御手段によって制御される。

このように構成すると、発電機の交流電力を第１及び第２の電力変換器によって直接に旋回電気モータに投入可能な交流電力に変換しているので、平滑用のコンデンサを用いる必要が無く、小型化することができる。しかも、平滑用のコンデンサを使用していないので、平滑用のコンデンサが充電されるのを待つ必要が無く、エンジンを起動すると、直ちに旋回電気モータを駆動して、建設機械本体を旋回させることができる。

前記エンジンは、油圧ポンプも駆動するものにすることができる。この場合、前記発電機は、電気モータとしても駆動可能に構成され、この電気モータは前記エンジンが前記油圧ポンプを駆動するときの動力を補助する。前記旋回電気モータから回生された交流電力を、第１及び第２の電力変換器の前記スイッチング素子群で、前記発電機を駆動する交流電力に直接に変換し、前記発電機を駆動する。スイッチング素子群は、双方向に電力を伝送可能なものとすることができる。

このように構成すると、旋回電気モータからの回生電力によって発電機を駆動することができる。旋回電気モータから回生された交流電力を、発電機を駆動する交流電力に直接に変換できるので、効率を向上させることができる。

さらに、前記旋回電気モータから回生された交流電力が、前記発電機で必要とする交流電力よりも多いとき、その余剰交流電力を、第１及び第２の電力変換器の間に設けた蓄電器に蓄電することができる。

従来のもののように発電機からの交流電力を整流して平滑するために蓄電器を設けた場合、蓄電器において充放電による損失が発生するが、上記のように構成した場合、余剰電力が発生した場合にのみ蓄電器は充電されるので、損失の発生が少なく、ハイブリッド建設気化器の効率が向上するし、また蓄電器の寿命が延びる。

さらに、前記旋回電気モータから回生される交流電力が、前記発電機において必要とされる交流電力よりも不足するとき、その不足電力を前記蓄電器から補うようにすることもできる。このように構成すると、旋回電気モータからの回生電力が発電機を駆動するために必要な電力よりも不足していても、発電機を所定の状態で駆動することができる。

さらに、前記発電機が、前記エンジンで前記油圧ポンプを駆動するときの動力を補助するアシストモードのとき、前記旋回電気モータが交流電力を回生した場合には、この回生された交流電力を優先して、前記発電機に供給することができる。

このように構成すると、アシストモードのとき、油圧ポンプが一定の動力で駆動されるので、油圧ポンプの吐出量が変動せず、油圧ポンプで駆動されるアークアクチュエータ等への影響を防止できる。また、蓄電器の充放電は行われないので、蓄電器の充放電損失を減少させることができ、効率を向上させることができる。

以上のように、本発明によれば、旋回電気モータを駆動するために平滑用のコンデンサが不要であり、ハイブリッド建設機械を小型化することができる上に、ハイブリッド建設機械が有する旋回電気モータをエンジンの起動後直ちに駆動させることができる。

本発明の１実施形態のハイブリッド建設機械のブロック図である。 図１のハイブリッド建設機械で使用するインダイレクトマトリクスコンバータの回路図である。

本発明の一態様のハイブリッド建設機械は、図１に示すように、エンジン２を有している。このエンジン２は、油圧ポンプ４及び発電機５を駆動する。この油圧ポンプ４は、ハイブリッド建設機械の複数のアクチュエータ、例えばアームシリンダ６、ブームシリンダ８、バケットシリンダ１０、走行油圧モータ（Ｌ）１２、走行油圧モータ（Ｒ）１４の駆動源として機能する。

アームシリンダ６が駆動するアーム、ブームシリンダ８が駆動するブーム、バケットシリンダ１０が駆動するバケットは、上部旋回体に取り付けられ、この上部旋回体が旋回可能に設けられている走行体の左右のクローラを走行油圧モータ（Ｌ）１２、走行油圧モータ（Ｒ）１４が駆動する。

上部旋回体を旋回させるために、上部旋回体に旋回機構１６を介して電気モータ、例えば三相電動機１８が結合されている。三相電動機１８を回転させるための電力を得るために、エンジン２に上述した発電機５が結合されている。発電機５は、例えば三相交流電力を発生する三相交流発電機で、また、三相電動機としても動作可能であり、三相電動機として動作する場合には、エンジン２と共に油圧ポンプ４を駆動する。

発電機５が発生した電力は、インダイレクトマトリクスコンバータ２２に供給され、インダイレクトマトリクスコンバータ２２によって周波数及び電圧が変換されて、三相電動機１８に供給される。インダイレクトマトリクスコンバータ２２は、制御部２４によって制御される。この制御に使用するために、発電機２０の出力電圧が電圧検出部２６によって検出され、またインダイレクトマトリクスコンバータ２２の出力電流が電流検出部２８によって検出され、それら検出結果が、制御部２４に供給される。

インダイレクトマトリクスコンバータ２２は、図２に示すように、第１の電力変換器、例えばコンバータ３０と、第２の電力変換器、例えばインバータ３２とを有している。

コンバータ３０は、三相交流電源入力端子３４ｒ、３４ｓ、３４ｔを有し、さらに２つの中間直流出力端子３６ｐ、３６ｎを有している。電源入力端子３４ｒと中間直流出力端子３６ｐとの間に、スイッチング素子、例えば双方向スイッチング回路３８が接続されている。双方向スイッチング回路３８は、コレクタが電源入力端子３４ｒに接続されたＩＧＢＴ４０と、同じくコレクタが中間直流出力端子３６ｐに接続されたＩＧＢＴ４２とのエミッタを接続し、これらＩＧＢＴ４０、４２のコレクタ・エミッタ間に逆並列にダイオード４４、４６を接続したものである。ＩＧＢＴ４０が導通しているとき、電源入力端子３４ｒからの電流がＩＧＢＴ４０、ダイオード４６を経て中間直流出力端子３６ｐに流れる。また、ＩＧＢＴ４２が導通しているとき、中間直流出力端子３６ｐからの電流がＩＧＢＴ４２、ダイオード４４を介して電源入力端子３４ｒに流れる。

スイッチング回路４８、５０が電源入力端子３４ｓ、３４ｔと中間直流出力端子３６ｐとの間に、それぞれ接続されている。双方向スイッチング回路４８、５０も、スイッチング回路３８と同様に２つのＩＧＢＴ５２、５４、５６、５８と逆並列ダイオード６０、６２、６４、６６とから構成されている。

同様に、電源入力端子３４ｒ、３４ｓ、３４ｔと、中間直流出力端子３６ｎとの間に、双方向スイッチング回路６８、７０、７２が接続されている。これら双方向スイッチング回路６８、７０、７２も、それぞれ２つのＩＧＢＴ７４、７６、７８、８０、８２、８４と２つのダイオード８６、８８、９０、９２、９４、９６とによって構成されている。

このようにコンバータ３０は、１２個のＩＧＢＴと、１２個のダイオードとによって構成されている。これにより、中間直流出力端子３６ｐ、３６ｎとの間には、中間直流電圧が生成される。

インバータ３２は、中間直流出力端子３６ｐに中間直流電源ライン９８ｐを介して接続された中間直流入力端子１００ｐと、中間直流出力端子３６ｎに中間直流電源ライン９８ｎを介して接続された中間直流入力端子１００ｎとを有し、さらに三相電動機１８の各相に接続された交流出力端子１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗを有している。

中間直流入力端子１００ｐと交流出力端子１０２ｕとの間に半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１０４が接続されている。この接続状態では、そのコレクタが中間直流入力端子１００ｐ側に、エミッタが交流出力端子１０２ｕに位置している。ＩＧＢＴ１０４のコレクタ・エミッタ間に逆並列にダイオード１０８が接続されている。同様に、中間直流入力端子１００ｐと交流出力端子１０２ｖ、１０２ｗとの間に、それぞれＩＧＢＴ１０８、１１０が接続されている。これらＩＧＢＴ１０８、１１０には逆並列にダイオード１１２、１１４が接続されている。

同様に、交流出力端子１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗと中間直流入力端子１００ｎとの間にもＩＧＢＴ１１６、１１８、１２０が接続されている。ＩＧＢＴ１１６、１１８、１２０は、それらのコレクタが交流出力端子１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗ側に位置し、それらのエミッタが中間直流入力端子１００ｎ側に位置している。これらＩＧＢＴ１１６、１１８、１２０のコレクタ・エミッタ間に逆並列にダイオード１２２、１２４、１２６が接続されている。このようにインバータ３２は、６個のＩＧＢＴによって構成されている。

中間直流電源ライン９８ｐ、９８ｎ間には、充放電回路１２８が設けられている。この充放電回路１２８は、ＩＧＢＴ１３０を有し、このＩＧＢＴ１３０のコレクタが中間直流電源ライン９８ｐに接続されている。このＩＧＢＴ１３０のエミッタは、抵抗器１３２及び蓄電器、例えばＥＤＬＣ（電気二重層コンデンサ）やＬｉｃ（リチウムイオンキャパシタ）などの充放電キャパシタ１３４の直列回路を介して中間直流電源ライン９８ｎに接続されている。また、抵抗器１３２及び充放電キャパシタ１３４の直列回路と並列に、ＩＧＢＴ１３６が接続されている。ＩＧＢＴ１３６では、コレクタが抵抗器１３２側に位置し、エミッタが中間直流電源ライン９８ｎ側に位置している。ＩＧＢＴ１３０、１３６のコレクタ・エミッタ間には、逆並列にダイオード１３８、１４０が接続されている。

これらコンバータ３０及びインバータ３２の各ＩＧＢＴは、図１に示す制御部２４によって制御され、三相発電機１８に所望の周波数及び所望の電圧を持つ交流電力を供給する。特に、三相交流電力を、コンバータ３０及びインバータ３２によって直接に所望の交流電力に変換しているので、即ち、コンバータと平滑用キャパシタとで交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をインバータで所望の交流電力に変換する手法を採用していないので、中間直流電源ライン９８ｐ、９８ｎ間に平滑用の大容量のキャパシタを設ける必要がない。従って、インダイレクトマトリクスコンバータ２２を小型化することができ、これを使用したハイブリッド建設機械も小型することができる。しかも、エンジン２を起動させた後、平滑用キャパシタに充分に充電される時間を待つ必要がないので、速やかに三相電動機１８を起動することができる。

このように、ハイブリッド建機の操縦者から指令（図示しない。）に基づき、制御部は、上部旋回体を旋回させるため、三相電動機１８に所望の周波数及び所望の電圧を持つ交流電力を供給するようにインダイレクトマトリクスコンバータ２２を制御する。このとき、制御部は、発電機５からの電力を優先して旋回電動機に供給する。すなわち、制御部は、操縦者の指令、モータの磁極位置センサ（図示しない。）、電圧検出部２６および／または電流検出部２８の検出結果に基づき、旋回のための三相電動機１８で必要電力が不足すると判断したときは、キャパシタ１３４から放電させて、キャパシタ１３４の電力を三相電動機１８に供給される電力に加える。また、制御部は、操縦者の指令、モータの磁極位置センサ、電圧検出部２６および／または電流検出部２８の検出結果に基づき、三相電動機１８に供給する電力に余剰が発生すると判断したときは、この余剰電力をキャパシタ１３４に充電する。

また、コンバータ３２では、各ＩＧＢＴ１０４乃至１１０、１１６乃至１２０に逆並列にダイオード１０６、１１２、１１４、１２２乃至１２６が設けられ、コンバータ３０はそれぞれ双方向スイッチ回路３８、４８、５０、６８乃至７２によって構成されているので、これらを制御部２２で制御することによって三相電動機１８の回生制御を行い、電源入力端子３４ｒ、３４ｓ、３４ｔに交流電力を発生することができる。

エンジン２で油圧ポンプ４を駆動するときの動力を補助するアシストモードに設定することが可能であり、このアシストモードのとき、インダイレクトマトリクスコンバータ２２からの回生による交流電力を発電機５に供給し、発電機５を三相電動機として動作させる。これによって、エンジン２が油圧ポンプ４を駆動するのを補助することができる。この回生される電力が発電機５を電動機として駆動する際にエンジン２を補助するために必要とする電力よりも多い場合には、充放電回路１２８のＩＧＢＴ１３０を導通させ、その多い電力で充放電用のキャパシタ１３４を充電する。なおＩＧＢＴ１３６は、充放電用のキャパシタ１３４が過充電となることを防止するために充放電用のキャパシタ１３４を放電させる際に導通させられる。

充放電用のキャパシタ１３４を充電しておくと、三相電動機１８の回生に基づいて発生させた回生電力が、発電機５を電動機として駆動するために負担すべき電力よりも少ない場合、キャパシタ１３４からダイオード１３８を介して放電して、三相電動機１８の回生に基づく回生電力を補うことができる。このように充放電用のキャパシタ１３４は、余剰電力が発生したときのみ充電され、回生電力が不足するときのみ放電されるので、頻繁に充放電されることが無く、充放電に伴う損失の発生が少ない。

なお、制御部は、ハイブリッド建機の操縦者の指令、キャパシタ１３４の電力検出器（図示しない。）、電圧検出部２６および／または電流検出部２８の検出結果に基づき、三相電動機１８からの回生電力が不足していること、または回生電力に余剰電力が発生していることを判断する。

上記の実施形態では、発電機５が電動機として作動可能としたが、別途、油圧ポンプ４を補助駆動するための電動機を設け、この電動機をインダイレクトマトリクスコンバータ２２からの回生電力で駆動するように構成することもできる。さらに、アームシリンダ６、ブームシリンダ８、バケットシリンダ１０、走行油圧モータ（Ｌ）１２、走行油圧モータ（Ｒ）１４毎に電動機と油圧ポンプを設け、各電動機への電力配分を調節するようにしても良い。

２ エンジン
４ 油圧ポンプ
５ 発電機
１８ 電動機
２２ インダイレクトマトリクスコンバータ
３０ コンバータ
３２ インバータ
４０ ４２ ５２ ５４ ５６ ５８ ７４乃至８４ １０４ １０８ １１０ １１６乃至１２０ ＩＧＢＴ（スイッチング手段）

Claims (7)

1. エンジンに接続され、交流電力を発生する発電機と、
   この発電機に接続された第１電力変換器と、
   第１電力変換器に接続され、旋回電気モータの電力を制御する第２電力変換器とを、
   備えたハイブリッド式建設機械の制御装置において、
   第１及び第２の電力変換器が、前記発電機の各電源ラインと、前記旋回電気モータとの間に配置された複数のスイッチ素子群からなり、これらスイッチング素子群によって前記発電機の交流電力を前記旋回電気モータに投入可能な交流電力に直接に変換し、前記旋回電気モータを回転制御する
   ハイブリッド式建設機械の制御装置。
2. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械の制御装置において、
   前記エンジンは、油圧ポンプも駆動し、前記発電機は、電気モータとしても駆動可能に構成され、前記エンジンが前記油圧ポンプを駆動するときの動力を補助し、
   前記旋回電気モータから回生された交流電力を、第１及び第２の電力変換器の前記スイッチング素子群で、前記発電機を駆動する交流電力に直接に変換し、前記発電機を駆動する
   ハイブリッド式建設機械の制御装置。
3. 請求項２記載のハイブリッド式建設機械の制御装置において、前記旋回電気モータから回生された交流電力が、前記発電機で必要とする交流電力よりも多いとき、その余剰交流電力を、第１及び第２の電力変換器の間に設けた蓄電器に蓄電する
   ハイブリッド式建設機械の制御装置。
4. 請求項３記載のハイブリッド式建設機械の制御装置において、
   前記旋回電気モータから回生される交流電力が、前記発電機において必要とされる交流電力よりも不足するとき、その不足電力を前記蓄電器から補う
   ハイブリッド式建設機械の制御装置。
5. 請求項３記載のハイブリッド式建設機械の制御装置において、
   前記発電機が、前記エンジンで前記油圧ポンプを駆動するときの動力を補助するアシストモードのとき、前記旋回電気モータが交流電力を回生した場合には、この回生された交流電力を優先して、前記発電機に供給する
   ハイブリッド式建設機械の制御装置。
6. 請求項２乃至５いずれか記載のハイブリッド式建設機械の制御装置において、
   前記蓄電器がキャパシタである
   ハイブリッド式建設機械。
7. 請求項２乃至７いずれか記載のハイブリッド式建設機械の制御装置において，
   前記油圧ポンプが前記エンジンに駆動される方式に替わって発電機の交流出力に接続された交流入力のインバータによって駆動される電動油圧ポンプであることを特徴とする
   ハイブリッド式建設機械の制御装置。
   

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