JP2013096109A - 駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】回生抵抗の発熱量を抑制することで回生抵抗及びキャパシタの搭載スペースの嵩張りを抑制する。
【解決手段】回生電力消費部３０は、回生電力消費部３０は、インダクタＬ及びキャパシタＣの直列回路と、直列回路に並列接続された回生抵抗Ｒとを備え、バッテリＢＴで吸収することができない余剰な回生電力を消費する。スイッチ制御部４０は、電圧検出部２０で検出された電圧Ｖが規定値ＴＨ１を超えた場合、スイッチＳ１をオンにし、回生電力消費部３０をインバータ１０に接続させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、建設機械に用いられる電動機を駆動する駆動回路に関するものであり、特にハイブリッド式又は電気式の駆動システムを搭載した建設機械の駆動回路に関するものである。

近年、省エネや環境への配慮の観点から、自動車分野だけでなく、例えば産業機械、建設機械といった分野でも、従来のエンジンと電動機とを合わせたハイブリッド式を動力源とする、或いは電動機のみを動力源とする技術、つまり、動力源を電動化する技術が採用されている。このように電動化された動力源においては、電動機の減速時に生じる回生電力を利用し、エネルギーの有効利用が行われている。例えば自動車や建設機械等の移動機械ではバッテリが搭載されており、回生電力はこのバッテリに一旦蓄積されて利用される。

ところで、電動機により発生した回生電力は本来バッテリで吸収されるが、例えばバッテリが満充電状態にある場合や、劣化により内部抵抗が上昇しているような場合、バッテリは回生電力を吸収できなくなる。この場合、回生電力は、行き場を失うことになり、動力系統に接続された他の回路素子を破損させる可能性がある。

そこで、電動機を駆動させる従来の駆動回路では、回生抵抗と呼ばれる大電力用の抵抗を保護装置として設置し、この回生抵抗により行き場を失った回生電力を熱として消費させ、駆動回路の保護が図られている。

回生抵抗を備える駆動回路の回路構成は至って単純であり、回生抵抗を主回路に接続するスイッチを設け、異常を検知するとこのスイッチをオンにし、回生抵抗を主回路に接続させる構成が採用される。

回生抵抗は発熱することでエネルギーを消費する回路素子である。そのため、回生抵抗を搭載する場合には、放熱を考慮に入れる必要があり、機器構成は単純であるにも関わらず、搭載スペースが嵩張るという問題がある。

この問題に対して、例えば特許文献１では、バッテリと並列接続されたキャパシタで回生電力を一旦蓄積した後、キャパシタで蓄積された回生電力を回生抵抗に送り、抵抗の発熱量を抑制する技術が開示されている。

特開昭６１−１８３７８号公報

しかしながら、特許文献１では、キャパシタがバッテリと並列接続されているため、キャパシタは常にバッテリと同電位まで充電された状態となる。そうすると、バッテリに繋がっている部分の電位がバッテリの電位以下には下がらなくなってしまう。この電位を低下させるにはキャパシタの容量を増大させればよいが、そうすると、キャパシタの大型化を招来する。

また、バッテリで吸収できないような回生電力が発生する事態は稀であり、このような稀にしか発生しない事態に備えて搭載スペースが嵩張る回生抵抗やキャパシタを設置し、他の部材の搭載スペースを圧迫することは好ましくない。

特に、建設機械の場合、アタッチメントを動かすための油圧機器等が旋回体に搭載されるため、旋回体に搭載される回生抵抗やキャパシタが大型化すると、それに応じて旋回体が大型化し、旋回体の旋回半径の増大を招く。旋回半径が増大すると、旋回体が作業員に衝突する可能性が高まる。そのため、作業現場において作業員は作業スペースの制約を受けるという問題も生じる。

本発明の目的は、回生抵抗の発熱量を抑制することで回生抵抗及びキャパシタの搭載スペースの嵩張りを抑制することができる駆動回路を提供することである。

（１）本発明による駆動回路は、建設機械の電動機を駆動する駆動回路であって、充放電可能なバッテリと、前記バッテリからの直流電力に基づいて前記電動機を駆動するインバータと、前記インバータの正極及び負極間の電圧を検知する電圧検知部と、前記インバータに並列接続され、前記バッテリで吸収することができない余剰な回生電力を消費する回生電力消費部と、前記回生電力消費部を前記インバータに接続又は切断させるスイッチと、前記スイッチを制御するスイッチ制御部とを備え、前記回生電力消費部は、インダクタ及びキャパシタの直列回路と、前記直列回路に並列接続された回生抵抗とを備え、前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部で検出された電圧が余剰な回生電力が発生していることが想定される所定の第１規定値を超えた場合、前記スイッチに前記回生電力消費部と前記インバータとを接続させる。

この構成によれば、バッテリが満充電状態にあり回生電力をこれ以上吸収できない状態となって、インバータの正極及び負極間の電圧が第１規定値を超えた場合、回生電力消費部とインバータとが接続される。これにより、余剰な回生電力が回生電力消費部に流れ、インバータの正極及び負極間の電圧が低下してゆき、駆動回路を構成する回路素子の破損を防止することができる。

そして、回生電力消費部側に流れた回生電力は、一旦、キャパシタ及びインダクタからなる直列回路側で吸収された後、ゆっくりと回生抵抗側へと流れ、回生抵抗にて熱エネルギーとなって消費される。したがって、大きな回生電力が突発的に発生したとしても、発生時点において回生電力が回生抵抗で消費されないため、回生抵抗の発熱量を抑制することができる。その結果、放熱を考慮することによる回生抵抗の搭載スペースの嵩張りを抑制することができる。

また、キャパシタにはインダクタが直列接続されているため、特許文献１のようにキャパシタを大容量化しなくても、キャパシタに繋がった部分の電位を下げることができる。

また、キャパシタは、余剰な回生電力が発生したときにバッテリに接続され、それ以外はバッテリに接続されていないため、常にバッテリがキャパシタに並列接続されている構成に比べて、確実に回生電力を吸収することができる。

また、回生電力消費部に流れた回生電力は、キャパシタで蓄積されるが、キャパシタにはインダクタが直列接続されており、回生電力はインダクタでも蓄積されるため、回生時に突入電流が発生したとしても、この突入電流がキャパシタに流れ込まず、キャパシタの破損を防止することができる。

（２）前記キャパシタ及び前記インダクタの合成インピーダンスは、前記回生抵抗のインピーダンスよりも低いことが好ましい。

この構成によれば、回生抵抗側ではなくキャパシタ及びインダクタからなる直列回路側に回生電力を確実に流すことができ、回生抵抗での発熱量の増大を確実に抑制することができる。

（３）前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部で検出された電圧が回路素子を破損させない所定の第２規定値を下回った場合、前記スイッチに前記回生電力消費部と前記インバータとを切断させることが好ましい。

この構成によれば、回生電力消費部とインバータとを接続させた状態で、インバータの正極及び負極間の電圧が第２規定値を下回った場合、回生電力消費部とインバータとが切断される。ここで、第２規定値は、駆動回路を構成する各回路素子を破損させない所定の電圧値が採用されている。そのため、スイッチにより回生電力消費部とインバータとが切り離されると、以後、インバータの正極及び負極間の電圧が回路素子を破損させない電圧で安定し、回路素子の破損を防止することができる。

また、回生電力消費部はインバータから切り離されるため、バッテリに高電圧を印加させることなく、インダクタ及びキャパシタで一旦蓄えられたエネルギーをゆっくりと回生抵抗にて消費させ、回生抵抗の発熱量を抑制することができる。

本発明によれば、回生抵抗の発熱量を抑制することができ、回生抵抗及びキャパシタの搭載スペースが嵩張ることを防止することができる。

本発明の一実施の形態による駆動回路の回路図を示している。 図１に示す駆動回路の動作を説明する図である。 図１に示す駆動回路の動作を説明する図である。

図１は、本発明の一実施の形態による駆動回路の回路図を示している。この駆動回路は、建設機械に用いられる電動機６０を駆動する駆動回路である。建設機械としては、フォークリフト、パワーショベル等のアームや旋回体を備える機械が採用される。以下の説明では、電動機６０は、旋回体を旋回させるためのモータにより構成されているものとする。

図１に示す駆動回路は、バッテリＢＴ、インバータ１０、電圧検出部２０、回生電力消費部３０、スイッチ制御部４０、及びスイッチＳ１を備えている。

バッテリＢＴは、リチウムイオン蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、又は鉛蓄電池等の充放電可能な二次電池により構成されている。そして、バッテリＢＴは、インバータ１０に電力を供給し、電動機６０を駆動させる。また、バッテリＢＴは、図略の充電器が接続されて充電される、或いは、建設機械の動力源であるエンジンに接続された電動機またはエンジンのエネルギーによって駆動されたアクチュエータの回生エネルギーによって充電される。

インバータ１０は、バッテリＢＴと並列接続され、電動機６０を駆動させる。ここで、インバータ１０は、例えば、６個のトランジスタ及び６個のダイオードから構成された三相出力インバータから構成され、旋回制御部５０から出力される駆動信号に従って、バッテリＢＴから出力される直流電圧を、電動機６０を駆動するための３相交流電圧に変換し、電動機６０に出力する。

電圧検出部２０は、インバータ１０と並列接続され、インバータ１０の正極Ｐ１及び負極Ｎ１間の電圧を検出する。

回生電力消費部３０は、インバータ１０と並列接続され、バッテリＢＴで吸収することができない余剰な回生電力を消費する。ここで、回生電力消費部３０は、インダクタＬ及びキャパシタＣの直列回路と、直列回路に並列接続された回生抵抗Ｒとを備えている。

具体的には、インダクタＬは一端がスイッチＳ１を介して正極Ｐ１に接続され、他端がキャパシタＣを介して負極Ｎ１に接続されている。

スイッチＳ１は、例えば半導体スイッチ又は機械式スイッチにより構成され、正極Ｐ１と、インダクタＬの一端とを繋ぐ線路Ｌ１上に設けられている。そして、スイッチＳ１は、スイッチ制御部４０の制御の下、回生電力消費部３０をインバータ１０に接続又は切断させる。

スイッチ制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを備えるマイクロコンピュータ、又は専用のハードウェア回路により構成され、電圧検出部２０で検出された電圧Ｖが規定値ＴＨ１を超えた場合、スイッチＳ１をオンにし、回生電力消費部３０をインバータ１０に接続させる。ここで、規定値ＴＨ１としては、例えば、バッテリＢＴの満充電電圧を超え、バッテリＢＴにより吸収しきれない余剰な回生電力が発生していると想定される電圧が採用されている。したがって、バッテリＢＴが満充電状態にあり、回生電力を吸収することができない場合、つまり、余剰な回生電力が発生した場合、インバータ１０が回生電力消費部３０に接続され、余剰な回生電力が回生電力消費部３０で消費される。

旋回制御部５０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを備えるマイクロコンピュータ、或いは専用のハードウェア回路により構成され、駆動信号をインバータ１０に出力することで電動機６０を駆動させ、旋回体を旋回させる。

ここで、旋回制御部５０は、例えば操作部７０を構成する旋回レバーが作業者によって倒されると、駆動信号をインバータ１０に出力する。駆動信号としては、例えば、ＰＷＭ信号が採用され、インバータ１０を構成する６個のトランジスタの制御端子（具体的には、ベース又はゲート）に入力される。

次に、図１に示す駆動回路の動作について説明する。今、バッテリＢＴが満充電状態に近く、これ以上、エネルギーを吸収できない状態にあるとする。この状態において、旋回制御部５０が駆動信号の出力を停止して電動機６０が減速すると、電動機６０の慣性によって回生電力が発生し、この回生電力がインバータ１０を介してバッテリＢＴ側に戻ってくる。なお、建設機械に用いられる電動機６０では、数十ｋＷの回生電力が発生する。

しかしながら、バッテリＢＴは満充電状態にあり、これ以上エネルギーを吸収することができないため、電圧Ｖが上昇する。そして、規定値ＴＨ１を超える電圧Ｖが電圧検出部２０で検出されると、図２に示すようにスイッチ制御部４０は、スイッチＳ１をオンにし、回生電力消費部３０をインバータ１０に接続させる。

これにより、余剰な回生電力が回生電力消費部３０側に供給されることになる。ここで、インダクタＬとキャパシタＣとの直列回路の合成インピーダンスは、回生抵抗Ｒのインピーダンスより低い。そのため、回生電力は、直列回路側に優先的に流れる。その結果、回生電力による回生抵抗Ｒの発熱が抑制され、回生抵抗Ｒの放熱を考慮して、回生抵抗Ｒの搭載スペースを大きく確保する必要がなくなる。したがって、回生抵抗Ｒによる搭載スペースの嵩張りを解消することができる。

この場合、キャパシタＣはインダクタＬを介して回生電力を蓄積するため、回生時にインバータ１０側で急激な突入電流が発生したとしても、キャパシタＣには突入電流が入り込まない。したがって、キャパシタＣの破壊を防止することができる。

このようにして、余剰な回生電力が回生電力消費部３０に流れると、電圧Ｖは低下していく。そして、電圧Ｖが規定値ＴＨ２を下回ることがスイッチ制御部４０により検出されると、図３に示すように、スイッチ制御部４０は、スイッチＳ１をオフにし、回生電力消費部３０をインバータ１０から切り離す。これにより、電圧Ｖは安定する。ここで、規定値ＴＨ２としては、例えば規定値ＴＨ１より低い電圧であって、駆動回路を構成する回路素子を破損させない電圧が採用されている。そのため、駆動回路を構成する回路素子に高い電圧が印加されて回路素子が破損することを阻止することができる。

スイッチＳ１がオフされると、図３に示すように、キャパシタＣに蓄積されたエネルギーが回生抵抗Ｒに流れ始め、このエネルギーは回生抵抗Ｒによって消費される。ここでのエネルギーの消費スピードは、回生抵抗Ｒの抵抗値によって決まり、抵抗値が大きいと、その分電流が絞られるため、発熱量を抑制することができる。但し、回生抵抗Ｒの抵抗値を大きくすると、その分、回生抵抗Ｒのサイズが増大し、却って、回生抵抗Ｒの搭載スペースが嵩張ってしまう。したがって、回生抵抗Ｒの抵抗値としては、回生抵抗Ｒのサイズが搭載スペースの許容範囲を満たし、かつ、キャパシタＣ及びインダクタＬの直列回路の合成インピーダンスより大きな値であるという制約の下、決定することが好ましい。

また、回生抵抗Ｒの抵抗値、キャパシタＣのキャパシタンス、及びインダクタＬはそれぞれ、以下の条件を考慮して決定すればよい。

（ｉ）キャパシタＣについて
回生エネルギーをＥ、動力系の電圧をＶｓｙｓとおくと、回生エネルギーＥはＥ≦（１／２）・Ｃ・Ｖｓｙｓ^２を満たす。

（ｉｉ）回生抵抗Ｒについて
また、回生エネルギーの消費時間をｔ１、時刻ｔに流れる電流をｉ（ｔ）とおくと、Ｅ＝∫_０ ^ｔ１Ｒ・ｉ（ｔ）^２・ｄｔを満たす。

（ｉｉｉ）インダクタンスＬについて
突入電流の希望する時定数をτ、キャパシタＣとインダクタＬとの合成内部抵抗をＲ_ＬＣとおくと、τ＝Ｌ／Ｒ_ＬＣを満たす。

よって、（ｉ）〜（ｉｉｉ）の条件を満たすように、キャパシタＣのキャパシタンスと回生抵抗Ｒの抵抗値とインダクタＬのインダクタンスを定めればよい。

なお、インダクタＬとキャパシタＣとに対して直列に電流制御用の小さな抵抗ｒを加えてもよい。この場合、ｒ＜＜Ｒを満たすことが好ましい。

これにより、回生抵抗Ｒの発熱量が抑制され、放熱を考慮して回生抵抗Ｒの搭載スペースの嵩張りを解消することができる。また、キャパシタＣにはインダクタＬが接続されているため、余剰な回生電力をキャパシタＣのみで吸収する構成を採用した場合のように、キャパシタＣの電位がバッテリＢＴと同電位にならず、キャパシタＣのサイズを小さくすることができる。したがって、キャパシタＣの搭載スペースの嵩張りも解消することができる。

回生抵抗ＲやキャパシタＣが大型化すると、それを収納する旋回体も大きくせざるを得なくなる。そうすると、旋回体がクローラーの後端よりも後方に大きく突出してしまい、旋回半径が増大し、建設機械の近傍で作業を行う作業員に旋回体が衝突する可能性が高まるため危険となり、加えて、作業員の作業スペースも制限されることになる。一方、本駆動回路では、回生抵抗Ｒ及びキャパシタＣを小型化することができるため、旋回体が小型化され、建設機械において有用な駆動回路を提供することができる。

なお、上記実施の形態では、駆動回路は旋回体の電動機６０を駆動するものとしたが、これに限定されず、アーム等の建設機械の部材を駆動する電動機に適用してもよい。また、建設機械のクローラーを移動させるための電動機６０に適用してもよい。

１０ インバータ
２０ 電圧検出部
３０ 回生電力消費部
４０ スイッチ制御部
５０ 旋回制御部
６０ 電動機
７０ 操作部
ＢＴ バッテリ
Ｃ キャパシタ
Ｌ インダクタ
Ｒ 回生抵抗
Ｓ１ スイッチ

Claims (3)

1. 建設機械の電動機を駆動する駆動回路であって、
   充放電可能なバッテリと、
   前記バッテリからの直流電力に基づいて前記電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータの正極及び負極間の電圧を検知する電圧検知部と、
   前記インバータに並列接続され、前記バッテリで吸収することができない余剰な回生電力を消費する回生電力消費部と、
   前記回生電力消費部を前記インバータに接続又は切断させるスイッチと、
   前記スイッチを制御するスイッチ制御部とを備え、
   前記回生電力消費部は、インダクタ及びキャパシタの直列回路と、前記直列回路に並列接続された回生抵抗とを備え、
   前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部で検出された電圧が余剰な回生電力が発生していることが想定される所定の第１規定値を超えた場合、前記スイッチに前記回生電力消費部と前記インバータとを接続させる駆動回路。
2. 前記キャパシタ及び前記インダクタの合成インピーダンスは、前記回生抵抗のインピーダンスよりも低い請求項１記載の駆動回路。
3. 前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部で検出された電圧が回路素子を破損させない所定の第２規定値を下回った場合、前記スイッチに前記回生電力消費部と前記インバータとを切断させる請求項１又は２記載の駆動回路。

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