JP2011047210A

JP2011047210A - ハイブリッド型掘削機械

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Publication number: JP2011047210A
Application number: JP2009197092A
Authority: JP
Inventors: Koji Kawashima; 宏治川島
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: JP5178666B2

Abstract

【課題】エネルギ損失を少なくする。
【解決手段】エンジンに接続され、エンジンの回転動力によって発電動作を行う発電機と、発電機から電力が供給される蓄電回路と、エンジンで発生した動力が供給されて力行駆動されるブームと、ブームのもつ力学的エネルギを電気エネルギに変換し、回生電力を蓄電回路に供給するブーム回生用モータと、蓄電回路から電力が供給されて駆動される力行動作、及び電力を発生する回生動作を行い、回生動作により発生した電力を蓄電回路に供給する旋回用電動機と、蓄電回路の動作を制御する制御装置とを有し、蓄電回路は、発電機、旋回用電動機、及びブーム回生用モータが電気的に接続されるＤＣバスラインと、ＤＣバスラインに電気的に接続され、それぞれ旋回用電動機、ブーム回生用モータから供給される電力を蓄電する第１、第２キャパシタとを備えるハイブリッド型掘削機械を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンにより発生される動力、及び蓄電された電気エネルギを利用して駆動系を駆動するハイブリッド型掘削機械に関する。

油圧ショベル等の建設機械においては、上部旋回体の旋回減速時に生じる回生電力、及びブーム下げ時に発生する回生電力が１つのバッテリに蓄えられる（たとえば特許文献１参照）。上部旋回体の減速とブーム下げとを同時に行うと、両者からの回生電力が一時に発生してバッテリの充電に際して大電流が流れ、エネルギ損失が大きくなる。バッテリの充放電回路（コンバータ）の許容電流値を超える場合もある。

特開２００７−２１７９９２号公報

本発明の目的は、エネルギ損失の少ないハイブリッド型掘削機械を提供することである。

本発明の一観点によれば、動力を発生するエンジンと、前記エンジンで発生された動力が伝達可能であるように、前記エンジンに接続され、前記エンジンの回転動力によって発電動作を行う発電機と、前記発電機から電力が供給される蓄電回路と、上部旋回体に取り付けられ、少なくとも前記エンジンで発生した動力が供給されることで駆動され、前記上部旋回体に対して上下方向に揺動するブームと、前記ブームを前記上部旋回体に対して下降させる回生動作時に、前記ブームのもつ力学的エネルギを電気エネルギに変換し、回生電力を前記蓄電回路に供給するブーム回生用モータと、前記上部旋回体を旋回させる旋回用電動機であって、少なくとも前記蓄電回路から電力が供給されて行う力行動作、及び電力を発生する回生動作を行い、該回生動作により発生した電力を前記蓄電回路に供給する旋回用電動機と、前記蓄電回路の動作を制御する制御装置とを有し、前記蓄電回路は、前記発電機、前記旋回用電動機、及び前記ブーム回生用モータが電気的に接続されるＤＣバスラインと、前記ＤＣバスラインに電気的に接続され、前記旋回用電動機から供給される電力を蓄電する第１のキャパシタと、前記ＤＣバスラインに電気的に接続され、前記ブーム回生用モータから供給される電力を蓄電する第２のキャパシタと、前記第１のキャパシタの充放電電流を制御する第１のキャパシタ充放電回路と、前記第２のキャパシタの充放電電流を制御する第２のキャパシタ充放電回路とを備えるハイブリッド型掘削機械が提供される。

本発明によれば、エネルギ損失の少ないハイブリッド型掘削機械を提供することができる。

第１及び第２の実施例によるハイブリッド型掘削機械（パワーショベル）の側面図を示す。第１及び第２の実施例によるハイブリッド型掘削機械のブロック図を示す。第１の実施例によるハイブリッド型掘削機械における蓄電回路１２０の構成を示す。コンバータ１００ａ、１００ｂの等価回路図を示す。第２の実施例によるハイブリッド型掘削機械における蓄電回路１２０の構成を示す。コンバータ１３０の等価回路図を示す。

図１に、第１及び第２の実施例によるハイブリッド型掘削機械（パワーショベル）の側面図を示す。下部走行体（基体）１に、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。旋回機構２は、電動機（モータ）を含み、上部旋回体３を時計回り、または反時計回りに旋回させる。上部旋回体３に、ブーム４が取り付けられている。ブーム４は、油圧駆動されるブームシリンダ７により、上部旋回体３に対して上下方向に揺動する。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられている。アーム５は、油圧駆動されるアームシリンダ８により、ブーム４に対して前後方向に揺動する。アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。バケット６は、油圧駆動されるバケットシリンダ９により、アーム５に対して上下方向に揺動する。上部旋回体３には、さらに運転者を収容するキャビン１０が搭載されている。

図２に、第１及び第２の実施例によるハイブリッド型掘削機械のブロック図を示す。図２において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気系統を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。

エンジン１１の駆動軸が変速機１３の入力軸に連結されている。エンジン１１には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。エンジン１１は、掘削機械の運転中は、常時駆動されている。

電動発電機１２の駆動軸が、変速機１３の他の入力軸に連結されている。電動発電機１２は、電動（アシスト）運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。電動発電機１２には、例えば磁石がロータ内部に埋め込まれた内部磁石埋込型(Interior Permanent Magnet; IPM)モータが用いられる。変速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸とを有する。出力軸には、メインポンプ１４の駆動軸が連結されている。

エンジン１１に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機１２がアシスト運転を行い、電動発電機１２の駆動力が変速機１３を介してメインポンプ１４に伝達される。これにより、エンジン１１に加わる負荷が軽減される。一方、エンジン１１に加わる負荷が小さい場合には、エンジン１１の駆動力が変速機１３を介して電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電運転される。電動発電機１２のアシスト運転と発電運転との切り替えは、電動発電機１２に接続されたインバータ１８により行われる。インバータ１８は、制御装置３０により制御される。

制御装置３０は、中央処理装置(Central Processing Unit; CPU)３０Ａ及び内部メモリ３０Ｂを含む。ＣＰＵ３０Ａは、内部メモリ３０Ｂに格納されている駆動制御用プログラムを実行する。制御装置３０は、表示装置３５に、各種装置の劣化状態等を表示することにより、運転者の注意を喚起する。

メインポンプ１４は、高圧油圧ライン１６を介して、コントロールバルブ１７に油圧を供給する。コントロールバルブ１７は、運転者からの指令により、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びパケットシリンダ９に油圧を分配する。油圧モータ１Ａ及び１Ｂは、それぞれ図１に示した旋回機構２を時計回り、及び反時計回りに旋回させる回転力を発生する。

電動発電機１２の電気系統の入出力端子が、インバータ１８を介して蓄電回路１２０のＤＣバスラインに接続されている。また、蓄電回路１２０のＤＣバスラインは、他のインバータ１３２を介して、ブーム回生用モータ１３１に接続されている。更に、旋回用電動機２１が、インバータ２０を介して、蓄電回路１２０のＤＣバスラインに接続されている。インバータ１８、２０、１３２は、三相交流と直流とを相互に変換することが可能である。インバータ１８、２０、１３２は、制御装置３０からの制御信号により制御される。

電動発電機１２が発電運転されている期間は、電動発電機１２はエンジン１１の回転動力によって発電動作を行う発電機として機能し、電動発電機１２によって発電された電力が、インバータ１８を介して蓄電回路１２０に供給され、蓄電回路１２０が充電される。電動発電機１２がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、蓄電回路１２０からインバータ１８を介して電動発電機１２に供給される。

ブーム回生用モータ１３１は、ブーム回生用ポンプ１３０と接続され、ブーム下げ時（回生動作時）に、ブームのもつ力学的エネルギから発生するブーム回生用ポンプ１３０の駆動力により発電を行うことができる。ブーム回生用モータ１３１で発生された電力は、インバータ１３２を介して蓄電回路１２０に蓄えられる。

蓄電回路１２０と旋回用電動機２１との間では、インバータ２０を通して、電気エネルギの授受が行われる。たとえば、上部旋回体３の旋回駆動に必要な電力が、蓄電回路１２０から旋回用電動機２１に供給され、上部旋回体３の旋回減速時に旋回用電動機２１で発生される電力が蓄電回路１２０に蓄えられる。

旋回用電動機２１は、インバータ２０からのパルス幅変調(Pulse Width Modulation; PWM)制御信号により交流駆動され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回用電動機２１には、例えばＩＰＭモータが用いられる。ＩＰＭモータは、回生時に大きな誘導起電力を発生する。

旋回用電動機２１の力行動作中は、旋回用電動機２１の回転力が変速機２４を介して、図１に示した旋回機構２に伝達される。この際、変速機２４は、回転速度を遅くする。これにより、旋回用電動機２１で発生した回転力が増大して、旋回機構２に伝達される。また、回生運転時には、上部旋回体３の回転運動が、変速機２４を介して旋回用電動機２１に伝達されることにより、旋回用電動機２１が回生電力を発生する。この際、変速機２４は、力行運転の時とは逆に、回転速度を速める。これにより、旋回用電動機２１の回転数を増速させることができる。

レゾルバ２２が、旋回用電動機２１の回転軸の回転方向の位置を検出する。検出結果は、制御装置３０に入力される。旋回用電動機２１の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。

メカニカルブレーキ２３が、旋回用電動機２１の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ２３の制動状態と解除状態とは、制御装置３０からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。

パイロットポンプ１５が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン２５を介して操作装置２６に供給される。操作装置２６は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置２６は、パイロットライン２５から供給される１次側の油圧を、運転者の操作に応じて、２次側の油圧に変換する。２次側の油圧は、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７に伝達されると共に、他の油圧ライン２８を介して圧力センサ２９に伝達される。

圧力センサ２９で検出された圧力の検出結果が、制御装置３０に入力される。これにより、制御装置３０は、下部走行体１、旋回機構２、ブーム４、アーム５、及びバケット６の操作の状況を検知することができる。特に、実施例によるハイブリッド型掘削機械では、油圧モータ１Ａ、１Ｂのみならず、旋回用電動機２１も旋回機構２を駆動する。このため、旋回機構２を制御するためのレバーの操作量を高精度に検出することが望まれる。制御装置３０は、圧力センサ２９を介して、このレバーの操作量を高精度に検出することができる。

図３に、第１の実施例によるハイブリッド型掘削機械における蓄電回路１２０の構成を示す。蓄電回路１２０は、ＤＣバスライン１１０、コンバータ１００ａ、１００ｂ、及びキャパシタ１９ａ、１９ｂを含んで構成される。キャパシタ１９ａ、１９ｂは、それぞれコンバータ１００ａ、１００ｂを介してＤＣバス１１０の同電位に連続する部分に接続されている。コンバータ１００ａ、１００ｂは、制御装置３０からの制御信号により、それぞれキャパシタ１９ａ、１９ｂの充放電電流を制御する。ＤＣバスライン１１０は、平滑用コンデンサ１０５を含む。平滑用コンデンサ１０５の両端に発生している電圧が、電圧計１１１により測定され、測定結果が制御装置３０に入力される。

ＤＣバスライン１１０は、インバータ１８、２０、１３２を介して、それぞれ電動発電機１２、旋回用電動機２１、ブーム回生用モータ１３１に接続されている。

電動発電機１２が発電運転されている期間は、電動発電機１２によって発電された電力が、インバータ１８及びコンバータ１００ａを介してキャパシタ１９ａに供給され、キャパシタ１９ａが充電される。電動発電機１２がアシスト運転されている期間は、電力がキャパシタ１９ａからコンバータ１００ａ及びインバータ１８を介して電動発電機１２に供給される。

旋回用電動機２１には、キャパシタ１９ａから、コンバータ１００ａ及びインバータ２０を介して電力が供給される。また、旋回用電動機２１で発生した回生電力は、インバータ２０及びコンバータ１００ａを介してキャパシタ１９ａに蓄電される。

ブーム回生用モータ１３１で発生した回生電力は、インバータ１３２及びコンバータ１００ｂを介してキャパシタ１９ｂに蓄電される。

旋回用電動機２１で発生した回生電力をキャパシタ１９ａに蓄電し、ブーム回生用モータ１３１で発生した回生電力をキャパシタ１９ｂに蓄電することで、両者からの回生電力が一時に発生した場合であっても、コンバータ１００ａ、１００ｂを流れる電流を許容電流値以内とすることができる。また、コンバータ１００ａ、１００ｂを流れる電流値を小さくすることができるため、エネルギ損失を少なくすることができる。

図４は、コンバータ１００ａ、１００ｂの等価回路図を示す。

コンバータ１００ａ、１００ｂの一対の電源接続端子１０３Ａ、１０３Ｂにキャパシタ１９ａ、１９ｂが接続されており、一対の出力端子１０４Ａ、１０４ＢにＤＣバスライン１１０の平滑用コンデンサ１０５が接続されている。一方の電源接続端子１０３Ｂ、及び一方の出力端子１０４Ｂは接地されている。

昇圧用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)１０２Ａのコレクタと、降圧用のＩＧＢＴ１０２Ｂのエミッタとが相互に接続された直列回路が、出力端子１０４Ａと１０４Ｂとの間に接続されている。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのエミッタが接地され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのコレクタが、高圧側の出力端子１０４Ａに接続されている。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａと降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの相互接続点が、リアクトル１０１を介して、高圧側の電源接続端子１０３Ａに接続されている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに、それぞれダイオード１０２ａ、１０２ｂが、エミッタからコレクタに向かう向きが順方向になる向きで並列接続されている。

電源接続端子１０３Ａと１０３Ｂとの間に接続された電圧計１０６が、キャパシタ１９ａ、１９ｂの端子間電圧を測定する。リアクトル１０１に直列に挿入された電流計１０７が、キャパシタ１９ａ、１９ｂの充放電電流を測定する。電圧及び電流の測定結果は、制御装置３０に入力される。

制御装置３０が、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート電極に、制御用のパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧を印加する。

以下、昇圧動作（放電動作）について説明する。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート電極にＰＷＭ電圧を印加する。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオフ時に、リアクトル１０１に、高圧側の電源接続端子１０３Ａから昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのコレクタに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この起電力が、ダイオード１０２ｂを介してＤＣバスライン１１０に印加される。これにより、ＤＣバスライン１１０が昇圧される。

次に、降圧動作（充電動作）について説明する。降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート電極に、ＰＷＭ電圧を印加する。降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのオフ時に、リアクトル１０１に、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのエミッタから高圧側の電源接続端子１０３Ａに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この誘導起電力により、キャパシタ１９ａ、１９ｂが充電される。

第１の実施例においては、コンバータ１００ａとコンバータ１００ｂに対して、別個に独立した制御が行われる。たとえばコンバータ１００ａに対しては、電圧制御が行われる。具体的には、ＤＣバス１１０の電圧が一定に保たれるように、ＤＣバス１１０とキャパシタ１９ａとの間で電気エネルギの授受を行わせる。コンバータ１００ａを電圧制御することによって、電動発電機１２によって発電された電力、及び旋回用電動機２１で発生した回生電力が、キャパシタ１９ａに蓄電される。また、電動発電機１２のアシスト運転に使用される電力、及び旋回用電動機２１に供給される電力をキャパシタ１９ａから放電することができる。

コンバータ１００ｂに対しては、たとえば回生電流値に応じた電流制御が行われる。電流制御によって、たとえばブーム回生用モータ１３１で発生した回生電力がキャパシタ１９ｂに蓄えられるように、所望の電流をキャパシタ１９ｂに流出入させることができる。

キャパシタ１９ｂの電気エネルギは、たとえばキャパシタ１９ｂの端子間電圧が所定値を超え、かつ旋回用電動機２１が力行動作を行う期間に、コンバータ１００ｂの動作によって放電されるように制御される。また、ブーム上げ要求時（力行動作時）に放電されるよう制御される。前者の放電制御により、旋回用電動機２１の力行動作に用いられるエネルギの少なくとも一部が、キャパシタ１９ｂの電気エネルギでまかなわれる。後者の放電制御により、ブームを上昇させる動作に必要なエネルギの一部が、電動発電機１２のアシスト運転を介して、キャパシタ１９ｂの電気エネルギでまかなわれる。ブームの上昇をキャパシタ１９ｂのエネルギを用いて行った場合、キャパシタ１９ｂのエネルギ出入収支を安定させることができる。

第１の実施例においては、キャパシタ１９ａには、電動発電機１２によって発電された電力、及び旋回用電動機２１で発生した回生電力が蓄えられるのに対し、キャパシタ１９ｂには、ブーム回生用モータ１３１で発生した回生電力が蓄電されるのみである。このため、キャパシタ１９ｂの静電容量は、キャパシタ１９ａのそれより小さくてよい。

図５に、第２の実施例によるハイブリッド型掘削機械における蓄電回路１２０の構成を示す。第２の実施例における蓄電回路１２０は、２つのＤＣバスライン１１０ａ、１１０ｂ、及び両者間に配置されたコンバータ１３０を備える点において第１の実施例におけるそれと相違する。

ＤＣバスライン１１０ａには、コンバータ１００ａを介してキャパシタ１９ａが接続されている。また、インバータ１８、２０を介して、電動発電機１２、旋回用電動機２１が接続されている。ＤＣバスライン１１０ａは平滑用コンデンサ１０５ａを含み、その両端に発生している電圧が、電圧計１１１ａにより測定され、測定結果が制御装置３０に入力される。

ＤＣバスライン１１０ｂには、コンバータ１００ｂを介してキャパシタ１９ｂが接続されている。また、インバータ１３２を介して、ブーム回生用モータ１３１が接続されている。ＤＣバスライン１１０ｂは平滑用コンデンサ１０５ｂを含み、その両端に発生している電圧が、電圧計１１１ｂにより測定され、測定結果が制御装置３０に入力される。

コンバータ１００ａ、１００ｂは、図４に等価回路図を示したコンバータである。制御装置３０からの制御信号により、それぞれキャパシタ１９ａ、１９ｂの充放電電流を制御する。

図６は、コンバータ１３０の等価回路図を示す。コンバータ１３０は、たとえば図４に示すコンバータ１００ａ、１００ｂにおいて、端子１０４Ａと、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、ダイオード１０２ｂとの間に、リレースイッチ１０８を備える構成を有する。端子１０３Ａ、１０３Ｂは、ＤＣバスライン１１０ｂ（平滑用コンデンサ１０５ｂの端子間）に接続され、端子１０４Ａ、１０４Ｂは、ＤＣバスライン１１０ａ（平滑用コンデンサ１０５ａの端子間）に接続される。

コンバータ１３０は、リレースイッチ１０８をオフとすることで、両ＤＣバスライン１１０ａ、１１０ｂ間を電気的に切断することができる。また、リレースイッチ１０８をオンとし、昇圧動作、降圧動作等その他の動作を行わないことで、ＤＣバスライン１１０ｂの電圧が、ＤＣバスライン１１０ａの電圧よりも高いとき、ＤＣバスライン１１０ｂからＤＣバスライン１１０ａに電流を流す（電力を供給する）ことができる。

更に、ＤＣバスライン１１０ｂの電圧が、ＤＣバスライン１１０ａの電圧よりも低いとき、ＤＣバスライン１１０ａの昇圧動作を、リレースイッチ１０８をオンした状態で行うことにより、ＤＣバスライン１１０ｂからＤＣバスライン１１０ａに電流を流す（電力を供給する）ことができる。

また、ＤＣバスライン１１０ｂの電圧が、ＤＣバスライン１１０ａの電圧よりも低いとき、リレースイッチ１０８をオンし、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート電極にＰＷＭ電圧を印加してＤＣバスライン１１０ａを降圧することで、ＤＣバスライン１１０ａからＤＣバスライン１１０ｂに電流を流す（電力を供給する）ことができる。

第２の実施例によるハイブリッド型掘削機械の通常運用時においては、リレースイッチ１０８をオフし、ＤＣバスライン１１０ａ、１１０ｂ間を電気的に切断する。

旋回用電動機２１には、コンバータ１００ａ及びインバータ２０を介してキャパシタ１９ａから電力が供給される。また、旋回用電動機２１で発生した回生電力は、インバータ２０及びコンバータ１００ａを介してキャパシタ１９ａに蓄電される。

コンバータ１００ａ、１００ｂに対しては、たとえばともに電圧制御が行われる。ＤＣバス１１０ａ、１１０ｂの電圧がそれぞれ一定に保たれるように、ＤＣバス１１０ａ、１１０ｂとキャパシタ１９ａ、１９ｂとの間で電気エネルギの授受を行わせる。

旋回用電動機２１で発生した回生電力がキャパシタ１９ａに蓄電され、ブーム回生用モータ１３１で発生した回生電力がキャパシタ１９ｂに蓄電されるため、両者の回生電力が一時に発生した場合であっても、コンバータ１００ａ、１００ｂを流れる電流を許容電流値以内とすることができる。また、コンバータ１００ａ、１００ｂを流れる電流値を小さくすることができるため、エネルギ損失を少なくすることができる。

なお、第２の実施例においても、キャパシタ１９ａには、電動発電機１２によって発電された電力、及び旋回用電動機２１で発生した回生電力が蓄えられるのに対し、キャパシタ１９ｂには、ブーム回生用モータ１３１で発生した回生電力が蓄電されるのみである。このため、キャパシタ１９ｂの静電容量は、キャパシタ１９ａのそれより小さくてよい。

たとえばキャパシタ１９ｂの端子間電圧が所定値を超え、かつ旋回用電動機２１が力行動作を行う期間、及びブーム上げ要求時（力行動作時）に、キャパシタ１９ｂの電気エネルギが、コンバータ１００ｂの動作によって放電されるように、コンバータ１００ｂを制御するとともに、コンバータ１３０を制御して、リレースイッチ１０８をオンし、ＤＣバスライン１１０ａを昇圧する。こうすることで、キャパシタ１９ｂの電気エネルギは、ＤＣバスライン１１０ｂからＤＣバスライン１１０ａに移動される。旋回用電動機２１が力行動作を行う期間であれば、それに用いられるエネルギの少なくとも一部が、キャパシタ１９ｂの電気エネルギでまかなわれる。ブーム上げ時（力行動作時）であれば、ブームを上昇させる動作に必要なエネルギの一部が、電動発電機１２のアシスト運転を介して、キャパシタ１９ｂの電気エネルギでまかなわれる。ブームの上昇をキャパシタ１９ｂのエネルギを用いて行った場合、キャパシタ１９ｂのエネルギ出入収支を安定させることができる。

一方、ＤＣバスライン１１０ａからＤＣバスライン１１０ｂへの電気エネルギの移動は、たとえば実施例によるハイブリッド型掘削機械の立ち上げ時に行われる。掘削機械の立ち上げの際には、キャパシタ１９ａ、１９ｂを充電する。キャパシタ１９ｂの充電に当たっては、ＤＣバスライン１１０ａの電圧をＤＣバスライン１１０ｂのそれより高くし、リレースイッチ１０８をオンするとともに、ＤＣバスライン１１０ａを降圧させるようにコンバータ１３０を制御する。それととともに、またはその後、コンバータ１００ｂの動作によってキャパシタ１９ｂが充電されるように、コンバータ１００ｂを制御する。

その理由として、充電されていない状態のキャパシタ１９ｂに、ブーム回生用モータ１３１で発生した回生電力を蓄電すると、コンバータ１００ｂを流れる電流が極めて大きくなることがある。掘削機械の立ち上げ時に、キャパシタ１９ｂの充電を行うことで、回生電力蓄電の際にコンバータ１００ｂを流れる電流を小さくすることができる。

以上、第１及び第２の実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

たとえば、第１及び第２の実施例においては、キャパシタ１９ｂの電気エネルギは、たとえばキャパシタ１９ｂの端子間電圧が所定値を超え、かつ旋回用電動機２１が力行動作を行う期間、及びブーム上げ要求時（力行動作時）に放電されるよう制御された。キャパシタ１９ｂの端子間電圧が所定値を超えるという条件を満たした場合には、キャパシタ１９ｂからの放電を行ってもよい。この場合、たとえばキャパシタ１９ｂから放電されたエネルギが、キャパシタ１９ａに蓄えられるように、コンバータ１００ａ、１００ｂ、１３０を制御する。

また、第１の実施例においては、コンバータ１００ａに対して電圧制御を行ったが、コンバータ１００ｂに対して電圧制御を行い、コンバータ１００ａに対しては、たとえば旋回用電動機２１と電動発電機１２で発生した電力がキャパシタ１９ａに充放電されるように、所望の電流をキャパシタ１９ａに流出入させてもよい。コンバータ１００ａ、１００ｂのうちの少なくとも一方に対して、回生電流値に応じた電流制御を行うことができる。

更に、第２の実施例においては、電動発電機１２をインバータ１８を介してＤＣバスライン１１０ａに接続したが、ＤＣバスライン１１０ｂに接続することもできる。この場合は、キャパシタ１９ｂの静電容量を、キャパシタ１９ａのそれより大きくすることが好ましい。

なお、実施例では、エンジン１１に電動発電機１２とメインポンプ１４とが連結したパラレル方式のハイブリッド型掘削機械を示したが、エンジン１１に発電機としての電動発電機１２のみを接続し、エンジン１１の回転動力をすべて電気エネルギに変換するシリーズ方式のハイブリッド型掘削機械へ適用することも可能である。この場合、電動発電機１２は、発電機としてのみ機能し、メインポンプ１４を駆動させるメインポンプ用電動機が、更に備えられる。そして電動発電機１２の発電動作で得られた電力をもとに、メインポンプ１４は駆動する。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

ハイブリッド型掘削機械一般に利用することができる。

１下部走行体
１Ａ、１Ｂ油圧モータ
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変速機
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、１９ａ、１９ｂキャパシタ
２０インバータ
２１旋回用電動機
２２レゾルバ
２３メカニカルブレーキ
２４変速機
２５パイロットライン
２６操作装置
２７、２８油圧ライン
２９圧力センサ
３０制御装置
３０ＡＣＰＵ
３０Ｂ内部メモリ
３５表示装置
１００、１００ａ、１００ｂコンバータ（キャパシタ充放電回路）
１０１リアクトル
１０２Ａ昇圧用ＩＧＢＴ
１０２Ｂ降圧用ＩＧＢＴ
１０２ａ、１０２ｂダイオード
１０３Ａ、１０３Ｂ電源接続端子
１０４Ａ、１０４Ｂ出力端子
１０５、１０５ａ、１０５ｂ平滑用コンデンサ
１０６電圧計
１０７電流計
１０８リレースイッチ
１１０、１１０ａ、１１０ｂＤＣバスライン
１１１、１１１ａ、１１１ｂ電圧計
１２０蓄電回路
１３０コンバータ（中間電気回路）
１３１ブーム回生用モータ

Claims

動力を発生するエンジンと、
前記エンジンで発生された動力が伝達可能であるように、前記エンジンに接続され、前記エンジンの回転動力によって発電動作を行う発電機と、
前記発電機から電力が供給される蓄電回路と、
上部旋回体に取り付けられ、少なくとも前記エンジンで発生した動力が供給されることで駆動され、前記上部旋回体に対して上下方向に揺動するブームと、
前記ブームを前記上部旋回体に対して下降させる回生動作時に、前記ブームのもつ力学的エネルギを電気エネルギに変換し、回生電力を前記蓄電回路に供給するブーム回生用モータと、
前記上部旋回体を旋回させる旋回用電動機であって、少なくとも前記蓄電回路から電力が供給されて行う力行動作、及び電力を発生する回生動作を行い、該回生動作により発生した電力を前記蓄電回路に供給する旋回用電動機と、
前記蓄電回路の動作を制御する制御装置と
を有し、
前記蓄電回路は、
前記発電機、前記旋回用電動機、及び前記ブーム回生用モータが電気的に接続されるＤＣバスラインと、
前記ＤＣバスラインに電気的に接続され、前記旋回用電動機から供給される電力を蓄電する第１のキャパシタと、
前記ＤＣバスラインに電気的に接続され、前記ブーム回生用モータから供給される電力を蓄電する第２のキャパシタと、
前記第１のキャパシタの充放電電流を制御する第１のキャパシタ充放電回路と、
前記第２のキャパシタの充放電電流を制御する第２のキャパシタ充放電回路と
を備えるハイブリッド型掘削機械。
前記ＤＣバスラインは同電位に連続する第１の部分と第２の部分とを備え、
前記第１のキャパシタは、前記ＤＣバスラインの前記第１の部分に電気的に接続され、
前記第２のキャパシタは、前記ＤＣバスラインの前記第２の部分に電気的に接続され、
前記制御装置は、前記第１、第２のキャパシタ充放電回路の少なくとも一方に対し、前記旋回用電動機で発電された電力、または前記ブーム回生用モータで発電された電力が、前記第１または第２のキャパシタに蓄えられるように、電流を前記第１または第２のキャパシタに流入させる制御を行う請求項１に記載のハイブリッド型掘削機械。
前記制御装置は、前記第１、第２のキャパシタ充放電回路の一方に対し、前記旋回用電動機で発電された電力、または前記ブーム回生用モータで発電された電力が、前記第１または第２のキャパシタに蓄えられるように、電流を前記第１または第２のキャパシタに流入させる制御を行い、他方に対し、前記ＤＣバスラインの電圧が一定となるような制御を行う請求項２に記載のハイブリッド型掘削機械。
前記第１のキャパシタは、前記ＤＣバスラインの第３の部分に電気的に接続され、
前記第２のキャパシタは、前記ＤＣバスラインの第４の部分に電気的に接続され、
前記ＤＣバスラインの前記第３の部分と前記第４の部分との間に、（ｉ）前記第３の部分と前記第４の部分との電気的切断、（ｉｉ）前記第３の部分から前記第４の部分への電力移動、（ｉｉｉ）前記第４の部分から前記第３の部分への電力移動、を選択的に可能にする中間電気回路が配置された請求項１に記載のハイブリッド型掘削機械。
前記制御装置は、前記第１、第２のキャパシタ充放電回路を、それぞれ前記ＤＣバスラインの前記第３、第４の部分の電圧が一定となるように制御する請求項４に記載のハイブリッド型掘削機械。
前記制御装置は、前記第２のキャパシタの電力が、前記第２のキャパシタの端子間電圧が所定値を超え、かつ前記旋回用電動機が力行動作を行う期間、または前記ブームを前記上部旋回体に対して上昇させる力行動作時に放出されるように、前記蓄電回路の動作を制御する請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッド型掘削機械。