JP2012186996A - ハイブリット電源装置及びハイブリット電源装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン発電機11と蓄電器15とを備えた電源装置であって、エンジン発電機11と蓄電器15とが並列に接続された、外部に電力を供給する直流母線Laと、直流母線Laとエンジン発電機11との間に設けられた昇圧コンバータ13と、昇圧コンバータ13を制御し、エンジン発電機11から直流母線Laに供給する電力を調整する制御部15と、を備えている。エンジン発電機11と蓄電器15の両方から外部に電力を供給することができるから、エンジン発電機11を小型化することが可能となる。制御部15により昇圧コンバータ13を制御すれば、エンジン発電機11から直流母線Laに供給する電力を調整できるから、電源装置から外部に供給する電力の変動に対してエンジン発電機11の負荷の変動を抑えることができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、かかるガントリークレーン等の設備に使用されるハイブリット電源装置に関する。
この特許文献3の技術では、エンジン発電機はバッテリの充電にのみ使用されるので、電動機の要求電力にかかわらず、最適な条件でエンジン発電機を運転させることができるから、燃費向上できるという利点がある。
第2発明のハイブリット電源装置は、第1発明において、前記制御部は、外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から前記直流母線に供給するように前記昇圧コンバータを制御し、かつ、前記直流母線電圧が所定の設定電圧に維持されるように前記昇降圧コンバータを制御することを特徴とする。
第3発明のハイブリット電源装置は、第1または第2発明において、前記制御部は、前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定することを特徴とする。
第4発明のハイブリット電源装置は、第1、第2または第3発明において、前記直流母線には、前記エンジン発電機および前記蓄電器と並列に、電解コンデンサが接続されていることを特徴とする。
第5発明のハイブリット電源装置の制御方法は、エンジン発電機と蓄電器とを備えた電源装置の制御方法であって、前記電源装置は、エンジン発電機と前記蓄電器とが並列に接続された、外部に電力を供給する直流母線と、該直流母線と前記エンジン発電機との間に設けられ、該エンジン発電機から該直流母線に供給する電流量を制御する昇圧コンバータと、前記直流母線と前記蓄電器との間に設けられ、該蓄電器から該直流母線に供給する電流量を制御する昇降圧コンバータと、該昇降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータの作動を制御する制御部と、を備えており、該制御部によって、前記直流母線電圧が前記エンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように、前記昇降圧コンバータを制御することを特徴とする。
第6発明のハイブリット電源装置の制御方法は、第5発明において、前記外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から前記直流母線に供給するように前記昇圧コンバータを制御し、かつ、前記直流母線電圧が所定の設定電圧に維持されるように前記昇降圧コンバータを制御することを特徴とする。
第7発明のハイブリット電源装置の制御方法は、第5または第6発明において、前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定することを特徴とする。
第2発明によれば、エンジン発電機の出力電圧が比較的安定しているので、エンジン発電機からの供給電流を制限することにより、実用的に足りる程度の精度でエンジン発電機からの供給電力(エンジン発電機の負荷)を制御できる。一方、蓄電器からの供給電流を直流母線電圧を維持するように制御することにより、外部への供給電力とエンジン発電機から供給される電力の差分を蓄電器から供給することができる。よって、エンジン発電機の供給電力および蓄電器の供給電力を制御する場合に比べて制御が容易になる。
第3発明によれば、エンジン発電機が負担する電力を蓄電器の充電量も考慮して決定しているので、蓄電器の充電量を適切に保つことができ、過放電の状態となることを防ぐことができる。
第4発明によれば、電解コンデンサに蓄えられている電力がバッファとして機能するので、電源装置から外部に供給する電力が急激に変動したときにおけるエンジン発電機の負荷変動を自動的に緩和することができ、設定した負荷変動率内に抑えることができる。
第5発明によれば、エンジン発電機と蓄電器が直流母線に並列に接続されており、両方から外部に電力を供給することができるから、エンジン発電機と蓄電器をともに小型化することが可能となる。しかも、制御部により昇圧コンバータを制御しているので、エンジン発電機から直流母線に供給する電力を調整できる。よって、電源装置から外部に供給する電力の変動に係わらず、エンジン発電機の負荷を調整することができる。そして、直流母線電圧がエンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように制御することにより、エンジン発電機から直流母線に供給される電流が無制御状態となることを防いでいる。このため、昇圧コンバータを制御することによりエンジン発電機の負荷変動を、常に、能動的に制御することができ、エンジン発電機の負荷変動を設定した負荷変動率内に抑えることができる。
第6発明によれば、エンジン発電機の出力電圧が比較的安定しているので、エンジン発電機からの供給電流を制限することにより、実用的に足りる程度の精度でエンジン発電機からの供給電力(エンジン発電機の負荷)を制御できる。一方、蓄電器からの供給電流を直流母線電圧を維持するように制御することにより、外部への供給電力とエンジン発電機から供給される電力の差分を蓄電器から供給することができる。よって、エンジン発電機の供給電力および蓄電器の供給電力を制御する場合に比べて制御が容易になる。
第7発明によれば、エンジン発電機が負担する電力を蓄電器の充電量も考慮して決定しているので、蓄電器の充電量を適切に保つことができ、過放電の状態となることを防ぐことができる。
本発明のハイブリット電源装置は、ラバータヤードガントリークレーンやタイヤマウント式ジブクレーン等の機械において、ウインチや横走行装置等の作業用アクチュエータに電力を供給するための装置であって、エンジン発電機と蓄電器を有し、エンジン発電機の運転を適切に制御でき、しかも装置が大型化することを防ぐことができることに特徴を有している。
なお、以下では、作業用アクチュエータAが、モータ等の電動機M、インバータIを有する例を説明するが、インバータIは、電動機Mと後述する直流母線Laとの間に設けられていればよく、ハイブリット電源装置10に内蔵されていてもよい。
なお、インバータIや後述する各コンバータ13,16は、通常、直流母線Laと並列に接続された電解コンデンサを内蔵しているので、かかる電解コンデンサに上記電解コンデンサ18の機能を行わせるのであれば、特別な電解コンデンサ18は設けなくてもよい。
なお、エンジン発電機11は、ターボチャージャー等の過給機構を備えたディーゼル発電機等を採用することができるが、交流電力を発生させるエンジン発電機であれば、とくに限定はない。
さらになお、エンジン発電機よって発生した交流電力を直流電力に変換して出力する機器はダイオードコンバータに限られない。
この昇圧コンバータ13は、ダイオードコンバータ12によって変換された直流電力の電圧(以下、エンジン側電圧という)を昇圧して出力する機能を有するものであり、制御部17からの指令に基づいて作動するようになっている。具体的には、制御部17からの指令に基づいて、昇圧コンバータ13はダイオードコンバータ12から直流母線Laに供給する電流量を制御しており、この電流量を制御することによって、直流母線Laに対して供給する直流電力量、直流電力を供給する時間およびタイミングを調整しているのである。
また、昇降圧コンバータ16は、降圧制御することにより、直流母線Laの電圧が上昇しないように蓄電器15に、直流母線Laから直流電流を供給する機能も有している。
また、昇降圧コンバータ16は、降圧制御して、直流母線Laの電圧よりも降圧された蓄電器側電圧よりも少し高い電圧を蓄電器15側に出力し、蓄電器15に直流電力を供給する機能も有している。よって、蓄電器15の充電率が減少した場合や直流母線Laの電圧が所定の設定電圧よりも高くなりすぎた場合には、直流母線Laから蓄電器15に降圧した直流電力を供給して、蓄電器15を充電させることも可能である。
上述したように、制御部17は、昇圧コンバータ13および昇降圧コンバータ16の作動を制御して、エンジン発電機11および蓄電器15が負担する電力を調整する機能を有するものである。この制御部17には、直流母線Laの電圧情報や作業用アクチュエータAのインバータIに対して流れる電流情報、蓄電器15の充電量情報等が入力されており、これらの情報に基づいてエンジン発電機11および蓄電器15が負担する電力を調整している。
すると、作業用アクチュエータAが要求する電力が昇圧コンバータ13を介してエンジン発電機11から供給できる電力より大きくても、不足する電力を蓄電器15に負担させることが可能となるし、逆に、作業用アクチュエータAが要求する電力が昇降圧コンバータ16を介して蓄電器15から供給できる電力よりも大きくても、不足する電力をエンジン発電機11に負担させることが可能となる。
つまり、作業用アクチュエータAが要求する最大電力よりも小さい電力しか供給できない発電機11や蓄電器15でも、作業用アクチュエータAを作動させることができるから、エンジン発電機11と蓄電器15をともに小型化することが可能となり、ハイブリット電源装置10全体としても小型化することができる。
すると、エンジン発電機11および蓄電器15のいずれか一方の負荷が大きくなりすぎることも防ぐことができる。
しかも、作業用アクチュエータAが要求する電力、言い換えれば、本実施形態のハイブリット電源装置10から作業用アクチュエータAに供給する電力が急激に変動した場合でも、一時的に蓄電器15側の負担が多くなるように制御すれば、エンジン発電機11の負荷が急激に変動することを抑えることができ、黒煙の発生やエンジン発電機の緊急停止などが発生することを防ぐことができる。
そして、制御部17は蓄電器15の充電量も考慮してエンジン発電機11が負担する電力を決定しているので、蓄電器15の充電量を適切に保ち、過放電を防ぐことができる。
昇圧コンバータ13は出力電圧を入力電圧よりも低くすることができないので、直流母線Laの電圧がエンジン側電圧よりも低くなると、昇圧コンバータ13によって直流母線Laに供給する電流を制御することができなくなり、ダイオードコンバータ12から直流母線Laに無制限に電流が供給されることになる。言い換えれば、昇圧コンバータ13によってエンジン発電機11の負荷を制御できなくなり、無制限に流れる電流を供給するためにエンジン発電機11が作動することになる。すると、エンジン発電機11には過剰な負荷が加わることとなり、黒煙の発生を生じたり、最悪の場合にはエンジン発電機11停止する場合もある。
しかし、本実施形態のハイブリット電源装置10では、制御部17によって直流母線Laの電圧がダイオードコンバータ12から昇圧コンバータ13に供給される直流電力の電圧よりも常に高くなるように昇降圧コンバータ16を制御しているので、上記のごとき問題が発生することを防ぐことができる。そして、昇圧コンバータ13を制御することにより、常に、エンジン発電機11の負荷変動を能動的に制御することができるから、エンジン発電機11の負荷変動を設定した負荷変動率内に抑えることができる。
以下では、(1)作業用アクチュエータAの電動機Mが待機状態の場合、(2)作業用アクチュエータAの電動機Mが力行状態の場合、(3)作業用アクチュエータAの電動機Mが回生運転を行っている場合、について説明する。
作業用アクチュエータAの電動機Mが待機状態、つまり、インバータIが電動機Mを作動させていない状態では、エンジン発電機11および蓄電器15から直流母線Laに対する電力供給は停止される。
この状態でも、電解コンデンサ18は、作業用アクチュエータAのインバータIに電力を供給しており、インバータI内の電解コンデンサ(図示せず)に付属する放電抵抗器に流れる電流により電解コンデンサ18の電圧は徐々に低下する。すると、電解コンデンサ18の電圧が低下すると、直流母線Laの電圧も低下する。
作業用アクチュエータAの電動機Mが力行状態において、作業用アクチュエータAに供給する電流量が増加すると、エンジン発電機11や蓄電器15からの供給電力(供給電流)では、作業用アクチュエータAが必要とする電流量を満たすことができなくなるので、電解コンデンサ18からの放電により、不足する電流量を補う。
なお、蓄電器15の充電量が少ない場合には、蓄電器15の負担を抑えるように、また、蓄電器15に充電を行うことができるようにエンジン発電機11の負荷が決定される。
すると、作業用アクチュエータAに供給する電流量の急激な増加に伴ってエンジン発電機11に要求される電流量を急激に増加させた場合であって、その電流量が、非過給状態における最大出力時に得られる最大電流量以下の状態からこの最大電流量以上に変化するときには、タイムラグ期間にエンジン発電機11の負荷が非過給状態における最大出力を超えてしまう可能性がある。この場合には、エンジン発電機11は過負荷状態となり、黒煙の発生や、最悪の場合には、エンジン発電機11が停止が生じる可能性がある。
そこで、本実施形態のハイブリット電源装置10は、作業用アクチュエータAに供給する電流量が急激に増加した場合には、以下のようにエンジン発電機11の負担電力、つまり、エンジン発電機11から直流母線Laに供給する電流量の変化状態を決定している。
図2に示すように、非過給状態やエンジン発電機11が停止している状態から、供給電流量RPが急激に増加すると、エンジン発電機11から直流母線Laに供給する電流量(以下、エンジン電流量EPという)は、電流量HPのラインに沿って増加するように制御される。
しかも、非過給状態の最大出力時に得られる電流量Cまでは、エンジン発電機11の負荷を急速に増加させるので、供給電流量RPの変動に対するエンジン発電機11の追従性をある程度高くすることができ、蓄電器15の充電量を適切に保つことができ、過放電の状態となることを防ぐことができる。
作業用アクチュエータAの電動機Mが回生運転されると、電動機Mは発電機として動作しインバータIを介して直流母線Laに電力を供給する。すると、インバータIを介して直流母線Laに供給された電力により電解コンデンサ18には充電電流が流れるため、直流母線Laの電圧が上昇する。
直流母線Laの電圧が上昇すると、電解コンデンサ18を放電させ電圧を設定値まで下げるように制御部17によって昇降圧コンバータ16が制御される。具体的には、直流母線Laから蓄電器15に電力を供給し蓄電器15を充電するように、昇降圧コンバータ16の降圧側トランジスタのゲート開時間を制御する。
すると、インバータIより回生された電力は蓄電器15に蓄えられるとともに直流母線Laの電圧の上昇を抑えられ、直流母線Laの電圧を設定値に保つことができる。
直流母線Laの電圧が上昇すると、電解コンデンサ18や、コンバータおよびインバータ内の半導体素子および電解コンデンサを破損させる可能性がある。そこで、直流母線Laに、ダイナミックブレーキユニット19(以下、DBU19で示す)を設けている。このDBU19は、直流母線Laの電圧が危険電圧となる前に、抵抗器に電流を流すように動作して直流母線電圧Laを下げるように動作するものである。
よって、電動機Mの回生運転により発生する電力を、蓄電器15への充電だけでは吸収しきれないような場合には、DBUを設けることによって、各機器の損傷を防ぐことができるから、電動機Mを安心して回生運転することができる。
11 エンジン発電機
13 昇圧コンバータ
15 蓄電器
16 昇降圧コンバータ
17 制御部
18 電解コンデンサ
A 作業用アクチュエータ
I インバータ
M 電動機
第2発明のハイブリット電源装置は、第1発明において、前記制御部は、前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定することを特徴とする。
第3発明のハイブリット電源装置は、第1または第2発明において、前記直流母線には、前記エンジン発電機および前記蓄電器と並列に、電解コンデンサが接続されていることを特徴とする。
第4発明のハイブリット電源装置の制御方法は、エンジン発電機と蓄電器とを備えた電源装置の制御方法であって、前記電源装置は、エンジン発電機と前記蓄電器とが並列に接続された、外部に電力を供給する直流母線と、該直流母線と前記エンジン発電機との間に設けられ、該エンジン発電機から該直流母線に供給する電流量を制御する昇圧コンバータと、前記直流母線と前記蓄電器との間に設けられ、該蓄電器から該直流母線に供給する電流量を制御する昇降圧コンバータと、該昇降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータの作動を制御する制御部と、を備えており、該制御部によって、前記外部に対して流れる電流量を検出し、前記外部に対して流れる電流量の変化に基づいて前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定し、前記外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から前記直流母線に供給するように前記昇圧コンバータを制御すると共に、前記直流母線電圧が前記エンジン発電機の出力電圧よりも高い設定電圧に維持されるように前記昇降圧コンバータを制御することを特徴とする。
第5発明のハイブリット電源装置の制御方法は、第4発明において、前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定することを特徴とする。
更に、「制御部は、外部に対して流れる電流量を検出し、外部に対して流れる電流量の変化に基づいてエンジン発電機から直流母線に供給する電流量を決定し、外部に供給する供給電流量の一部をエンジン発電機から直流母線に供給するように昇圧コンバータを制御すると共に、直流母線電圧がエンジン発電機の出力電圧よりも高い設定電圧に維持されるように昇降圧コンバータを制御する」ので、電力バランスを容易に制御できる。エンジン発電機は出力電圧が比較的安定しているため、制御部は供給電流量に基づいてエンジン発電機から直流母線に供給する電流量を、昇圧コンバータを制御して調整するだけで、エンジン発電機が直流母線に供給する電力を制御できる。つまり、制御部は電流量だけで、エンジン発電機から直流母線に供給する電力を、実用的に足りる程度の精度で制御できる。一方、エンジン発電機は外部で使用される電力の一部しか負担しないので、外部で使用される電力とエンジン発電機から供給される電力との差の分だけ、蓄電器から外部に電力を供給することが必要となる。ここで、直流母線の電圧が一定であれば、供給電流量とエンジン発電機から直流母線に供給する電流量との差の分だけ蓄電器から電流を供給すれば、ハイブリッド電源装置から供給する電力と外部で使用される電力とを一致させることができる。言い換えれば、制御部が昇降圧コンバータを制御して、直流母線の電圧が一定となるように蓄電器から直流母線に電流を供給すれば、ハイブリッド電源装置から供給する電力と外部で使用される電力とを一致させることができるのである。このように、エンジン発電機と蓄電器との合計電力や外部で使用される電力を考慮する必要がなく、供給電流量に基づいてエンジン発電機から直流母線に供給される電流量を調整し、直流母線の電圧を設定電圧に保つように蓄電器から直流母線に供給する電流量を調整するだけで、電力バランスを調整できるから、制御を容易にすることができるのである。
第2発明によれば、エンジン発電機が負担する電力を蓄電器の充電量も考慮して決定しているので、蓄電器の充電量を適切に保つことができ、過放電の状態となることを防ぐことができる。
第3発明によれば、電解コンデンサに蓄えられている電力がバッファとして機能するので、電源装置から外部に供給する電力が急激に変動したときにおけるエンジン発電機の負荷変動を自動的に緩和することができ、設定した負荷変動率内に抑えることができる。
第4発明によれば、エンジン発電機と蓄電器が直流母線に並列に接続されており、両方から外部に電力を供給することができるから、エンジン発電機と蓄電器をともに小型化することが可能となる。しかも、制御部により昇圧コンバータを制御しているので、エンジン発電機から直流母線に供給する電力を調整できる。よって、電源装置から外部に供給する電力の変動に係わらず、エンジン発電機の負荷を調整することができる。そして、直流母線電圧がエンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように制御することにより、エンジン発電機から直流母線に供給される電流が無制御状態となることを防いでいる。このため、昇圧コンバータを制御することによりエンジン発電機の負荷変動を、常に、能動的に制御することができ、エンジン発電機の負荷変動を設定した負荷変動率内に抑えることができる。
更に、「制御部によって、外部に対して流れる電流量を検出し、外部に対して流れる電流量の変化に基づいてエンジン発電機から直流母線に供給する電流量を決定し、外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から直流母線に供給するように昇圧コンバータを制御すると共に、直流母線電圧がエンジン発電機の出力電圧よりも高い設定電圧に維持されるように昇降圧コンバータを制御する」ので、電力バランスを容易に制御できる。エンジン発電機は出力電圧が比較的安定しているため、制御部は供給電流量に基づいてエンジン発電機から直流母線に供給する電流量を、昇圧コンバータを制御して調整するだけで、エンジン発電機が直流母線に供給する電力を制御できる。つまり、制御部は電流量だけで、エンジン発電機から直流母線に供給する電力を、実用的に足りる程度の精度で制御できる。一方、エンジン発電機は外部で使用される電力の一部しか負担しないので、外部で使用される電力とエンジン発電機から供給される電力との差の分だけ、蓄電器から外部に電力を供給することが必要となる。ここで、直流母線の電圧が一定であれば、供給電流量とエンジン発電機から直流母線に供給する電流量との差の分だけ蓄電器から電流を供給すれば、ハイブリッド電源装置から供給する電力と外部で使用される電力とを一致させることができる。言い換えれば、制御部が昇降圧コンバータを制御して、直流母線の電圧が一定となるように蓄電器から直流母線に電流を供給すれば、ハイブリッド電源装置から供給する電力と外部で使用される電力とを一致させることができるのである。このように、エンジン発電機と蓄電器との合計電力や外部で使用される電力を考慮する必要がなく、供給電流量に基づいてエンジン発電機から直流母線に供給される電流量を調整し、直流母線の電圧を設定電圧に保つように蓄電器から直流母線に供給する電流量を調整するだけで、電力バランスを調整できるから、制御を容易にすることができるのである。
第5発明によれば、エンジン発電機が負担する電力を蓄電器の充電量も考慮して決定しているので、蓄電器の充電量を適切に保つことができ、過放電の状態となることを防ぐことができる。
Claims (7)
- エンジン発電機と蓄電器とを備えた電源装置であって、
前記エンジン発電機と前記蓄電器とが並列に接続された、外部に電力を供給する直流母線と、
該直流母線と前記エンジン発電機との間に設けられ、該エンジン発電機から該直流母線に供給する電流量を制御する昇圧コンバータと、
前記直流母線と前記蓄電器との間に設けられ、該蓄電器から該直流母線に供給する電流量を制御する昇降圧コンバータと、
該昇降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータの作動を制御する制御部と、を備えており、
該制御部は、前記直流母線電圧が前記エンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように、前記昇降圧コンバータを制御するものである
ことを特徴とするハイブリット電源装置。 - 前記制御部は、外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から前記直流母線に供給するように前記昇圧コンバータを制御し、かつ、前記直流母線電圧が所定の設定電圧に維持されるように前記昇降圧コンバータを制御する
ことを特徴とする請求項1記載のハイブリット電源装置。 - 前記制御部は、前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定する
ことを特徴とする請求項1または2記載のハイブリット電源装置。 - 前記直流母線には、前記エンジン発電機および前記蓄電器と並列に、電解コンデンサが接続されている
ことを特徴とする請求項1、2または3記載のハイブリット電源装置。 - エンジン発電機と蓄電器とを備えた電源装置の制御方法であって、
前記電源装置は、
エンジン発電機と前記蓄電器とが並列に接続された、外部に電力を供給する直流母線と、
該直流母線と前記エンジン発電機との間に設けられ、該エンジン発電機から該直流母線に供給する電流量を制御する昇圧コンバータと、
前記直流母線と前記蓄電器との間に設けられ、該蓄電器から該直流母線に供給する電流量を制御する昇降圧コンバータと、
該昇降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータの作動を制御する制御部と、を備えており、
該制御部によって、前記直流母線電圧が前記エンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように、前記昇降圧コンバータを制御する
ことを特徴とするハイブリット電源装置の制御方法。 - 前記外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から前記直流母線に供給するように前記昇圧コンバータを制御し、かつ、前記直流母線電圧が所定の設定電圧に維持されるように前記昇降圧コンバータを制御する
ことを特徴とする請求項5記載のハイブリット電源装置の制御方法。 - 前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定する
ことを特徴とする請求項5または6記載のハイブリット電源装置の制御方法。
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