JP2015080308A - 動力制御装置及びこれを備えた建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】要暖機機器の劣化を抑制しつつ要暖機機器を暖機することができる動力制御装置及びこれを備えた建設機械を提供すること。
【解決手段】動力制御装置５は、使用環境温度にあるインバータ１７が連続駆動する条件下において、使用電流とインバータ１７に許容される発熱量とによって定義されるキャリア周波数の上限値以下となるように、キャリア周波数を設定してインバータ１７に出力する通常制御を実行するコントローラ１８を備えている。コントローラ１８は、温度センサ１９ａにより検出された蓄電装置１９の温度が使用環境温度以下の温度として予め設定された目標温度よりも低い場合に、キャリア周波数を通常制御よりも高く設定する暖機制御を実行する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機の動力を制御する動力制御装置及びこれを備えた建設機械に関するものである。

従来から、電動機と、電動機に対して制御指令を出力するインバータと、インバータを制御するコントローラとを有する動力制御装置が知られている。

ここで、前記動力制御装置には、寒冷地等の低温環境下で使用される場合に暖機が要求される要暖機機器が設けられることがある。

例えば、特許文献１に記載の建設機械は、前記要暖機機器としてバッテリを備えている。

この建設機械では、バッテリの充放電を繰り返すことによるバッテリの内部発熱よってバッテリの温度を上昇させる。

特開２０１０−１２７２７１号公報

しかしながら、充放電を繰り返すことは、充電回数の増加に伴うバッテリの劣化を招く。

特に、内部抵抗の低いバッテリ、例えば、リチウムイオン電池では、充放電時に大電流が流れることにより電極におけるリチウムの析出が起こり易く、バッテリの劣化が進み易い。

本発明の目的は、要暖機機器の劣化を抑制しつつ要暖機機器を暖機することができる動力制御装置及びこれを備えた建設機械を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、電動機と、前記電動機に対してＰＷＭ制御に基づく指令を出力するインバータと、前記インバータとの間で熱交換可能な冷媒を有するとともに前記インバータを冷却する冷却機構と、前記冷媒と熱交換可能となるように前記冷却機構に接続された要暖機機器と、前記要暖機機器の温度を検出する機器温度検出器と、予め設定された使用環境温度にある前記インバータが連続駆動する条件下において、予め設定された使用電流と前記インバータに許容される発熱量とによって定義されるキャリア周波数の上限値以下となるように、前記ＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を設定して前記インバータに出力する通常制御を実行するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記機器温度検出器により検出された前記要暖機機器の温度が前記使用環境温度以下の温度として予め設定された目標温度よりも低い場合に、前記キャリア周波数を前記通常制御よりも高く設定する暖機制御を実行する、動力制御装置を提供する。

本発明によれば、使用環境温度の条件下で実行される通常制御において、予め設定された上限値以下のキャリア周波数をインバータに出力することにより、インバータに異常（例えば、熱暴走）を生じさせることなくインバータを駆動することができる。

一方、寒冷地等における動力制御装置の始動時のように要暖機機器の温度が使用環境温度よりも低い条件下においては、インバータに異常を生じさせることなく前記上限値を超えたキャリア周波数を設定することができる。

この点に着目して、本発明では、低温条件下において、前記上限値よりも高いキャリア周波数を設定する暖機制御を実行することにより異常の発生を防止しながらインバータを積極的に発熱させる。これにより、低温条件下においてインバータと熱交換を行う冷媒を加熱し、この冷媒と熱交換を行う要暖機機器を迅速に暖機することが可能となる。

したがって、本発明によれば、インバータから冷媒を通じた熱伝導を利用して要暖機機器の劣化を抑制しつつ要暖機機器を暖機することができる。

前記動力制御装置において、前記コントローラは、前記暖機制御において、前記機器温度検出器により検出された前記要暖機機器の温度と前記目標温度との温度差に基づいて前記キャリア周波数を設定することが好ましい。

前記態様によれば、要暖機機器の実際の温度を目標温度に近づけるように、例えば、比例制御等によってキャリア周波数を設定することができる。

前記動力制御装置において、前記動力制御装置は、前記インバータの温度を検出するインバータ温度検出器をさらに備え、前記コントローラは、前記暖機制御において、前記インバータ温度検出器により検出された前記インバータの温度が予め設定された許容温度を超えた場合に前記キャリア周波数を制限することが好ましい。

前記態様によれば、インバータの実際の温度に基づいてキャリア周波数を制限することができるので、インバータの異常の発生をより確実に防止しながら要暖機機器の暖機を行うことができる。

前記動力制御装置において、前記冷却機構は、環状の冷媒通路と、前記冷媒通路内で前記冷媒を循環させる冷却ポンプと、前記冷媒を冷却するラジエータとを備え、前記要暖機機器は、前記冷媒の流れ方向において前記インバータよりも下流側で、かつ、前記ラジエータよりも上流側となる前記冷媒通路の位置に設けられていることが好ましい。

前記態様によれば、インバータから奪った冷媒の熱を要暖機機器の暖機のためにより確実に利用することができる。

前記動力制御装置において、前記電動機は、前記要暖機機器よりも前記流れ方向の上流側となる前記冷媒通路の位置で前記冷媒と熱交換可能となるように設けられていることが好ましい。

上述のようにインバータに対するキャリア周波数を高く設定すると、電動機に対する指令信号の高調波成分が増加し、電動機の鉄損が増加する。

前記態様によれば、この電動機の鉄損の増加に伴い増加する電動機の発熱量も要暖機機器の暖機のために利用することができるので、より迅速かつ効率的に要暖機機器の暖機を行うことができる。

また、本発明は、エンジンと、前記エンジンの動力により作動して作動油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの作動油が供給されることにより駆動する油圧アクチュエータと、前記動力制御装置とを備え、前記電動機は、電力が供給されることにより駆動する機能と、動力が供給されることにより発電する機能とを有し、前記電動機に対して電力を供給するとともに前記電動機により発電された電力を充電する蓄電装置が前記要暖機機器として設けられている、ハイブリッド建設機械を提供する。

本発明によれば、要暖機機器の劣化を抑制しつつ要暖機機器を暖機することができる。

本発明の第１実施形態に係るハイブリッドショベルの全体構成を示す左側面図である。 図１に示すハイブリッドショベルの動力制御装置を示す回路図である。 図２のコントローラにより設定されるキャリア周波数の上限値を説明するためのグラフである。 図２のコントローラにより実行される通常制御及び暖機制御を説明するためのタイミングチャートである。 図２のコントローラにより実行される可能動作判別処理を示すフローチャートである。 図２のコントローラにより実行される暖機処理を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る動力制御装置を示す回路図である。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

＜第１実施形態＞
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド建設機械の一例であるハイブリッドショベル１の全体構成について説明する。

ハイブリッドショベル１は、クローラ２ａを有する下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に設けられた上部旋回体３と、上部旋回体３に対して変位可能に取り付けられたアタッチメント４と、動力制御装置５（図２参照）とを備えている。

アタッチメント４は、上部旋回体３に対して起伏可能に取り付けられたブーム６と、ブーム６の先端部に対して回動可能に取り付けられたアーム７と、アーム７の先端部に対して回動可能に取り付けられたバケット８とを備えている。

また、アタッチメント４は、上部旋回体３に対してブーム６を上下動させるブームシリンダ９と、ブーム６に対してアーム７を回動させるアームシリンダ１０と、アーム７に対してバケット８を回動させるバケットシリンダ１１とを備えている。なお、以下の説明では、各シリンダ９〜１１を油圧アクチュエータと総称する。

図２を参照して、動力制御装置５は、エンジン１２と、エンジン１２の出力軸に接続された発電電動機１４及び油圧ポンプ１５と、油圧ポンプ１５から油圧アクチュエータ９〜１１への作動油の給排を制御する制御弁１６と、発電電動機１４に指令を出力するインバータ１７と、インバータ１７を制御するコントローラ１８と、蓄電装置（要暖機機器）１９と、冷却機構２０とを備えている。

なお、図２では、制御信号の径路が破線で示され、電力及び油圧の径路が実線の矢印で示されている。

油圧ポンプ１５は、エンジン１２からの動力により作動して作動油を吐出する。

発電電動機１４は、エンジン１２からの動力により発電機として駆動する機能と、蓄電装置１９からの電力により電動機として駆動する機能とを有する。発電電動機１４の温度は、温度センサ１４ａによって検出される。

インバータ１７は、図２において、インバータとコンバータとを組み合わせたものとして示されている。つまり、図２に示すインバータ１７は、直流電流を交流電流に変換するインバータの機能と、交流電流を直流電流に変換するコンバータの機能とを有する。

また、インバータ１７は、発電電動機１４に対してＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御に基づく指令を出力するスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を有する。インバータ１７の温度は、温度検出センサ（インバータ温度検出器）１７ａによって検出される。

蓄電装置１９は、発電電動機１４により発電された電力をインバータ１７を介して充電するとともに、充電された電力をインバータ１７を介して発電電動機１４に供給する。蓄電装置１９の温度は、温度センサ（機器温度検出器）１９ａによって検出される。また、蓄電装置１９は、後述するコントローラ１８に対して充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：以下ＳＯＣという）を算出するために必要な情報（出力電流及び端子間電圧）を出力する。

冷却機器２０は、冷却水（冷媒）を通すための環状の冷媒通路２１と、図２の矢印の方向に沿って冷媒通路２１内で冷却水を循環させる冷却ポンプ２２と、冷却水を冷却するラジエータ２３とを備えている。

冷媒通路２１には、冷却水の流れ方向（図２の矢印方向）における上流側から順に、発電電動機１４、インバータ１７、蓄電装置１９、及びラジエータ２３が設けられている。これら発電電動機１４、インバータ１７、蓄電装置１９、及びラジエータ２３は、冷却水と熱交換可能となるように冷媒通路２１に接続されている。

ラジエータ２３は、冷媒通路２１に接続された機器（発電電動機１４、インバータ１７、蓄電装置１９）が正常の温度で駆動している状態において、冷却水が約６０℃となるように冷却水を冷却する。

コントローラ１８は、ＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を設定してインバータ１７に出力する。

具体的に、コントローラ１８は、温度センサ１９ａにより検出された蓄電装置１９の温度が予め設定された目標温度（例えば、５℃）以上である場合に後述の通常制御を実行する一方、温度センサ１９ａにより検出された蓄電装置１９の温度が目標温度よりも低い場合に蓄電装置１９を暖機するために後述の暖機制御を実行する。なお、目標温度は、後述する使用環境温度以下の温度として設定される。

通常制御において、コントローラ１８は、図３に示すキャリア周波数と電流比（Ｉ／Ｉｎｏｒｍ）とによって定義される発熱特性Ｐ１に基づいてキャリア周波数を設定する。ここで、電流比は、インバータ１７の使用電流として許容される最大の電流値に対する実際の使用電流値の割合である。

また、発熱特性Ｐ１は、予め設定された使用環境温度（例えば、２０℃）にあるインバータ１７が連続駆動する条件下において、電流比とキャリア周波数との関係により決まる発熱量であって、インバータ１７に許容可能な発熱量を示すものである。

そのため、実際に使用される電流（電流比）と発熱特性Ｐ１との交点におけるキャリア周波数を、キャリア周波数の上限値として特定することができる。

コントローラ１８は、通常制御において、このように特定されるキャリア周波数の上限値以下のキャリア周波数（図２の範囲Ｅ１内のキャリア周波数）を設定し、これをインバータ１７に出力する。

一方、暖機制御において、コントローラ１８は、キャリア周波数の上限値よりも高いキャリア周波数（図２の範囲Ｅ２内のキャリア周波数）を設定し、これをインバータ１７に出力する。

図４は、コントローラ１８により通常制御と暖機制御とを切り換えることによる作用を説明するためのタイミングチャートである。

図４の上段に示す通常制御では、例えば、Ｉ／Ｉｎｏｒｍが８０％の場合においてキャリア周波数が５ｋＨｚ（周期Ｃ１：２００μｓ）に設定されている。一方、図４の下段に示す暖機制御では、例えば、キャリア周波数が１０ｋＨｚ（周期Ｃ２：１００μｓ）に設定されている。

このように、キャリア周波数を増加させることにより、ｄｕｔｙ比（周期に対するインバータ１７のスイッチング素子がＯＮとされている時間の割合）を一定に保つためにスイッチング素子のスイッチング回数が増加する。したがって、インバータ１７のスイッチングロスが増加し、インバータ１７の発熱量を増加させることができる。

そして、このインバータ１７の熱により冷却機構２０の冷却水が温められ、この冷却水と熱交換を行う蓄電装置１９が暖機される。

以下、コントローラ１８により実行される処理について説明する。

コントローラ１８は、まず、図５に示す処理により、蓄電装置１９のＳＯＣに基づいて発電電動機１４が可能な動作を判定する。ここで、蓄電装置１９のＳＯＣは、蓄電装置１９から入力された情報（出力電流及び端子間電圧）に基づいてコントローラ１８により算出される。なお、コントローラ１８は、温度センサ１９ａにより検出された蓄電装置１９の温度を用いてＳＯＣを補正してもよい。

コントローラ１８の処理が開始されると、まず、ＳＯＣが予め設定された下限値（例えば、３０％）よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ１）。

ここで、ＳＯＣが下限値より小さいと判定されると、発電電動機１４が回生動作のみ可能な状態であると判断され（ステップＳ２）、ＳＯＣが下限値以上であると判定されるとＳＯＣが予め設定された上限値（例えば、７０％）より小さいか否かが判定される（ステップＳ３）。

ここで、ＳＯＣが上限値よりも小さいと判定されると、発電電動機１４が回生及び力行動作可能な状態であると判断され（ステップＳ４）、ＳＯＣが上限値以上であると判定されると、発電電動機１４が力行動作のみ可能な状態であると判断される（ステップＳ５）。

ステップＳ２、Ｓ４、Ｓ５で可能であると判断された動作のうち、エンジン１２及び／又は油圧アクチュエータ９〜１１の負荷の大きさ等に基づいて必要となる動作が適宜実行される。

そして、コントローラ１８は、発電電動機１４の回生動作及び力行動作の何れの場合においても蓄電装置１９の温度が目標温度以上である場合に上述した通常制御を実行する一方、蓄電装置１９の温度が目標温度よりも低い場合には、図６に示す暖機制御を実行する。

図６を参照して、暖機制御が開始されると、まず、コントローラ１８に記憶された目標温度が読み出されるとともに（ステップＴ１）、温度センサ１９ａにより蓄電装置１９の温度が検出される（ステップＴ２）。

次いで、蓄電装置１９の目標温度と検出温度との差分（偏差）が求められ（ステップＴ３）、この差分に基づくＰＩ制御によってキャリア周波数の目標値が設定される（ステップＴ４）。

このように設定されたキャリア周波数の目標値が予め設定された制限値より大きい場合には、キャリア周波数の目標値を前記制限値に補正する（ステップＴ５）。なお、前記制限値は、ステップＴ４におけるＰＩ制御によって得られたキャリア周波数の目標値が過剰に高い値になるのを防止するために設定されている。

次いで、温度センサ１４ａ、１７ａにより発電電動機１４及びインバータ１７の温度を検出するとともに（ステップＴ６）、これらの温度に基づいてキャリア周波数の指令値を設定する（ステップＴ７）。

具体的に、ステップＴ７では、発電電動機１４及びインバータ１７の温度がそれぞれ予め設定された許容温度を超える場合に、ステップＴ４及びＴ５で得られたキャリア周波数の目標値を制限する。

ここで、発電電動機１４の許容温度は、インバータ１７のキャリア周波数を高くすることに伴う発電電動機１４の鉄損による発電電動機１４の発熱量の増加を踏まえ、発電電動機１４の絶縁破壊及び減磁が生じるのを防止するための温度（発電電動機１４に異常が生じる限界温度に対して余裕を持たせた温度）として設定されている。

また、インバータ１７の許容温度は、インバータ１７に異常を生じさせないための温度（インバータ１７に異常が生じる限界温度［例えば、ジャンクション温度］に対して余裕を持たせた温度）として設定されている。

そして、ステップＴ７では、図４の範囲Ｅ２内のキャリア周波数が設定される。

以上説明したように、使用環境温度の条件下で実行される通常制御において、予め設定された上限値以下のキャリア周波数をインバータ１７に出力することにより、インバータ１７に異常（例えば、熱暴走）を生じさせることなくインバータ１７を駆動することができる。

一方、寒冷地等における動力制御装置５の始動時のように蓄電装置１９の温度が使用環境温度よりも低い（目標温度よりも低い）条件下においては、インバータ１７に異常を生じさせることなく前記上限値を超えたキャリア周波数を設定することができる。そのため、暖機制御において前記上限値よりも高いキャリア周波数を設定することにより異常の発生を防止しながらインバータ１７を積極的に発熱させることができる。

これにより、低温条件下においてインバータ１７と熱交換を行う冷却水を加熱し、この冷却水と熱交換を行う蓄電装置１９を迅速に暖機することが可能となる。

したがって、インバータ１７から冷却水を通じた熱伝導を利用して蓄電装置１９の劣化を抑制しつつ蓄電装置１９を暖機することができる。

また、第１実施形態によれば、次の効果を奏する。

ステップＴ４において、蓄電装置１９の実際の温度を目標温度に近づけるように、キャリア周波数を設定することができる。

ステップＴ６及びＴ７において、インバータ１７の実際の温度に基づいてキャリア周波数を制限することができるので、インバータ１７の異常の発生をより確実に防止しながら蓄電装置１９の暖機を行うことができる。

蓄電装置１９が冷却水の流れ方向でインバータ１７よりも下流側で、かつ、ラジエータ２３よりも上流側となる冷媒通路２１の位置に設けられているため、インバータ１７から奪った冷却水の熱を蓄電装置１９の暖機のためにより確実に利用することができる。

上述のようにインバータ１７に対するキャリア周波数を高く設定すると、発電電動機１４に対する指令信号の高調波成分が増加し、発電電動機１４の鉄損が増加する。

第１実施形態によれば、この発電電動機１４の鉄損の増加に伴い増加する発電電動機１４の発熱量も蓄電装置１９の暖機のために利用することができるので、より迅速かつ効率的に蓄電装置１９の暖機を行うことができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、要暖機機器の一例として蓄電装置１９を例示したが、これに限定されない。

例えば、以下に説明する第２実施形態のようにエンジン１２を要暖機機器として暖機することもできる。

以下、図７を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。

具体的に、第２実施形態におけるエンジン１２は、インバータ１７の下流側で、かつ、蓄電装置１９の上流側となる位置で冷媒通路２１に接続されている。

第２実施形態によれば、インバータ１７により生じた熱によって冷却水を温め、この冷却水の熱によってエンジン１２を暖機することができる。

なお、第２実施形態では、蓄電装置１９及びエンジン１２を暖機しているが、エンジン１２のみを暖機してもよい。

＜他の実施形態＞
冷媒通路２１における要暖機機器の上流側の位置となる位置にコントローラ１８を接続するとともに、上述したようにインバータ１７のキャリア周波数を高くすることに伴い、コントローラ１８のクロック周波数を高くすることもできる。

このようにすれば、クロック周波数の増加に伴いコントローラ１８で発生する熱を要暖機機器の暖機に用いることができる。

前記各実施形態では、電動機の一例として発電電動機１４について説明したが、電動機として下部走行体２に対して上部旋回体３を旋回駆動する旋回電動機を採用することもできる。

Ｐ１ 発熱特性（キャリア周波数の上限値を規定する特性）
１ ハイブリッドショベル（ハイブリッド建設機械の一例）
５ 動力制御装置
９ ブームシリンダ（油圧アクチュエータの一例）
１０ アームシリンダ（油圧アクチュエータの一例）
１１ バケットシリンダ（油圧アクチュエータの一例）
１２ エンジン（要暖機機器の一例）
１４ 発電電動機（電動機の一例）
１５ 油圧ポンプ
１７ インバータ
１８ コントローラ
１９ 蓄電装置（要暖機機器の一例）
１９ａ 温度センサ（機器温度検出器の一例）
２０ 冷却機構
２１ 冷媒通路
２２ 冷却ポンプ
２３ ラジエータ

Claims (6)

1. 電動機と、
   前記電動機に対してＰＷＭ制御に基づく指令を出力するインバータと、
   前記インバータとの間で熱交換可能な冷媒を有するとともに前記インバータを冷却する冷却機構と、
   前記冷媒と熱交換可能となるように前記冷却機構に接続された要暖機機器と、
   前記要暖機機器の温度を検出する機器温度検出器と、
   予め設定された使用環境温度にある前記インバータが連続駆動する条件下において、予め設定された使用電流と前記インバータに許容される発熱量とによって定義されるキャリア周波数の上限値以下となるように、前記ＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を設定して前記インバータに出力する通常制御を実行するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記機器温度検出器により検出された前記要暖機機器の温度が前記使用環境温度以下の温度として予め設定された目標温度よりも低い場合に、前記キャリア周波数を前記通常制御よりも高く設定する暖機制御を実行する、動力制御装置。
2. 前記コントローラは、前記暖機制御において、前記機器温度検出器により検出された前記要暖機機器の温度と前記目標温度との温度差に基づいて前記キャリア周波数を設定する、請求項１に記載の動力制御装置。
3. 前記動力制御装置は、前記インバータの温度を検出するインバータ温度検出器をさらに備え、
   前記コントローラは、前記暖機制御において、前記インバータ温度検出器により検出された前記インバータの温度が予め設定された許容温度を超えた場合に前記キャリア周波数を制限する、請求項１又は２に記載の動力制御装置。
4. 前記冷却機構は、環状の冷媒通路と、前記冷媒通路内で前記冷媒を循環させる冷却ポンプと、前記冷媒を冷却するラジエータとを備え、
   前記要暖機機器は、前記冷媒の流れ方向において前記インバータよりも下流側で、かつ、前記ラジエータよりも上流側となる前記冷媒通路の位置に設けられている、請求項１〜３の何れか１項に記載の動力制御装置。
5. 前記電動機は、前記要暖機機器よりも前記流れ方向の上流側となる前記冷媒通路の位置で前記冷媒と熱交換可能となるように設けられている、請求項４に記載の動力制御装置。
6. エンジンと、
   前記エンジンの動力により作動して作動油を吐出する油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプからの作動油が供給されることにより駆動する油圧アクチュエータと、
   請求項１〜５の何れか１項に記載の動力制御装置とを備え、
   前記電動機は、電力が供給されることにより駆動する機能と、動力が供給されることにより発電する機能とを有し、
   前記電動機に対して電力を供給するとともに前記電動機により発電された電力を充電する蓄電装置が前記要暖機機器として設けられている、建設機械。

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