JP2015198483A - Bi-directional dc/dc converter for industrial vehicle - Google Patents

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健一 君島
Kenichi Kimijima
健一 君島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bi-directional DC/DC converter for an industrial vehicle which inhibits temperature rise of a current sensor CT.SOLUTION: In a bi-directional DC/DC converter 110 for an industrial vehicle, an upper arm and a lower arm are incorporated into a power module IPM. A current sensor CT is electrically provided between an inductor L1 and the power module IPM. The power module IPM and the inductor L1 are mounted on a bottom surface of a housing 200. A plate 220 is mounted with the current sensor CT adhering to a first surface of the plate 220. The plate 220 is detachably attached to the housing 200 with a second surface of the plate 220 adhering to a side wall of the housing 200.

Description

本発明は、産業車両に搭載される双方向DC/DCコンバータに関する。   The present invention relates to a bidirectional DC / DC converter mounted on an industrial vehicle.

近年のパワーショベルやクレーンをはじめとする建設機械において、上部旋回体の動力源として、油圧モータと交流電動機のハイブリッド型が利用される。ハイブリッド型の旋回動力源は、上部旋回体の加速時において、交流電動機によって油圧モータをアシストし、減速時においては交流電動機によって回生運転を行い、発電エネルギによってバッテリなどの蓄電器を充電する。   In recent construction machines such as power shovels and cranes, a hybrid type of a hydraulic motor and an AC motor is used as a power source for the upper swing body. The hybrid-type turning power source assists the hydraulic motor with an AC motor during acceleration of the upper turning body, performs a regenerative operation with the AC motor during deceleration, and charges a storage battery such as a battery with generated energy.

交流電動機とバッテリ間でエネルギを相互に授受するために、双方向DC/DCコンバータ(昇降圧コンバータともいう)を用いた電源装置が設けられる。図1は、電源装置100rの基本構成を示す回路図である。電源装置100rは、蓄電器102、DCバス104、双方向DC/DCコンバータ110、コントローラ120を備える。   In order to mutually transfer energy between the AC motor and the battery, a power supply device using a bidirectional DC / DC converter (also referred to as a step-up / down converter) is provided. FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of the power supply apparatus 100r. The power supply device 100r includes a capacitor 102, a DC bus 104, a bidirectional DC / DC converter 110, and a controller 120.

双方向DC/DCコンバータ42の1次側には蓄電器102が接続され、その2次側にはDCバス104が接続される。DCバス104には、インバータ18が接続される。インバータ18は、DCバス104の電圧(DCリンク電圧)VDCを交流電圧に変換し、電動機12を駆動する。 The battery 102 is connected to the primary side of the bidirectional DC / DC converter 42, and the DC bus 104 is connected to the secondary side thereof. An inverter 18 is connected to the DC bus 104. Inverter 18 converts the voltage of the DC bus 104 (DC link voltage) V DC to an AC voltage to drive the motor 12.

双方向DC/DCコンバータ110は、インダクタ(リアクトル)L1、平滑キャパシタC1、上アーム(トランジスタ)M1、下アームM2、電流センサCTを含む。双方向DC/DCコンバータ110のトポロジーは公知であるため説明を省略する。トランジスタM1、M2は、ひとつのパワーモジュール(IPM:Intelligent Power Module)に内蔵される。   The bidirectional DC / DC converter 110 includes an inductor (reactor) L1, a smoothing capacitor C1, an upper arm (transistor) M1, a lower arm M2, and a current sensor CT. Since the topology of the bidirectional DC / DC converter 110 is known, the description thereof is omitted. The transistors M1 and M2 are built in one power module (IPM: Intelligent Power Module).

電流容量を増大するために、複数のパワーモジュールIPM1,IPM2が並列に設けられ、パワーモジュールIPM1,IPM2ごとにインダクタ(リアクトル)L1_1,L1_2が設けられる。電流センサCT1,CT2は、インダクタL1_1,L1_2ごとに設けられ、それぞれが対応するインダクタL1に流れる電流を検出する。   In order to increase the current capacity, a plurality of power modules IPM1 and IPM2 are provided in parallel, and inductors (reactors) L1_1 and L1_2 are provided for each of the power modules IPM1 and IPM2. Current sensors CT1 and CT2 are provided for each of the inductors L1_1 and L1_2, and each detects a current flowing through the corresponding inductor L1.

コントローラ120は、上流のコントローラから、DCバス104の電圧(DCリンク電圧)VDCの目標値を指示する電圧指令Vrを受ける。また電流センサCT1,CT2から、インダクタL1_1,L1_2それぞれに流れる電流を示す電流検出値を受ける。コントローラ120は、DCリンク電圧VDCが電圧指令Vrと一致するように、トランジスタM1、M2のスイッチングのデューティ比を制御し、インダクタL1_1,L1_2に流れる電流の合計であるコンバータ電流を調節する。 The controller 120 receives a voltage command Vr indicating a target value of the voltage (DC link voltage) VDC of the DC bus 104 from an upstream controller. Current detection values indicating currents flowing through the inductors L1_1 and L1_2 are received from the current sensors CT1 and CT2. The controller 120 controls the switching duty ratio of the transistors M1 and M2 so that the DC link voltage V DC matches the voltage command Vr, and adjusts the converter current that is the sum of the currents flowing through the inductors L1_1 and L1_2.

図2は、本発明者が検討した双方向DC/DCコンバータ110rのレイアウトを示す断面図である。双方向DC/DCコンバータ110の部品は、筐体200に内蔵される。図2には、筐体200の底面のみが示される。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a layout of the bidirectional DC / DC converter 110r examined by the present inventors. The components of the bidirectional DC / DC converter 110 are built in the housing 200. FIG. 2 shows only the bottom surface of the housing 200.

パワーモジュールIPMおよびインダクタL1は、筐体200の底面にマウントされる。インダクタL1の発熱が周囲に悪影響を及ぼすのを抑制するために、インダクタL1_1,L1_2は、カバー201で覆われている。インダクタL1とパワーモジュールIPMは、ブスバー206を介して接続される。   The power module IPM and the inductor L1 are mounted on the bottom surface of the housing 200. Inductors L1_1 and L1_2 are covered with a cover 201 in order to prevent the heat generated by the inductor L1 from adversely affecting the surroundings. The inductor L1 and the power module IPM are connected via the bus bar 206.

電流センサCTは、対応するインダクタL1の直上であって、カバー201上にマウントされる。電流センサCTとインダクタL1の間は、鉛直方向に伸びるブスバー204により接続される。電流センサCTは、ブスバー202を介して図示しない蓄電器102と接続される。   The current sensor CT is mounted on the cover 201 just above the corresponding inductor L1. The current sensor CT and the inductor L1 are connected by a bus bar 204 extending in the vertical direction. The current sensor CT is connected to the battery 102 (not shown) via the bus bar 202.

特開2012−253954号公報JP 2012-253594 A 特開2011−135725号公報JP 2011-135725 A

本発明者は、図2のレイアウトについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
双方向DC/DCコンバータ110rでは、インダクタL1に大電流が流れると、その発熱量が大きくなる。図2のレイアウトでは、電流センサCTがインダクタL1の直上に設けられるため、インダクタL1の熱の影響が電流センサCTに及ぶ。電流センサCTが高熱にさらされると、検出精度が悪化し、双方向DC/DCコンバータ110の性能が低下するという問題がある。特にショベルでは、周囲温度70度で正常動作することが要求されるが、図2のレイアウトでは、周囲温度70度の環境下で、電流センサCTがインダクタL1により熱せられると、電流センサCTの動作保証温度を超える可能性もある。なお、かかる問題を当業者の一般的な認識ととらえてはならない。
As a result of studying the layout of FIG. 2, the present inventor has recognized the following problems.
In the bidirectional DC / DC converter 110r, when a large current flows through the inductor L1, the amount of generated heat increases. In the layout of FIG. 2, since the current sensor CT is provided immediately above the inductor L1, the influence of the heat of the inductor L1 reaches the current sensor CT. When the current sensor CT is exposed to high heat, there is a problem that the detection accuracy is deteriorated and the performance of the bidirectional DC / DC converter 110 is deteriorated. In particular, an excavator is required to operate normally at an ambient temperature of 70 degrees. In the layout of FIG. 2, when the current sensor CT is heated by the inductor L1 in an environment at an ambient temperature of 70 degrees, the operation of the current sensor CT is performed. The guaranteed temperature may be exceeded. Such a problem should not be regarded as a general recognition of those skilled in the art.

本発明のある態様はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、電流センサCTの温度上昇を抑制可能な産業車両用の双方向DC/DCコンバータの提供にある。   An aspect of the present invention has been made in view of such problems, and one of exemplary purposes of the aspect is to provide a bidirectional DC / DC converter for an industrial vehicle capable of suppressing a temperature increase of the current sensor CT. On offer.

本発明のある態様は、産業車両用の双方向DC/DCコンバータに関する。双方向DC/DCコンバータは、上アームと下アームが内蔵されたパワーモジュールと、インダクタと、インダクタに流れる電流を検出する電流センサと、その底面にパワーモジュールおよびインダクタがマウントされる筐体と、その第1面に電流センサが密着した態様で搭載されるとともに、その第2面が筐体の側壁に密着された態様にて筐体に着脱可能に取り付けられるプレートと、を備える。   An aspect of the present invention relates to a bidirectional DC / DC converter for an industrial vehicle. The bidirectional DC / DC converter includes a power module in which an upper arm and a lower arm are built-in, an inductor, a current sensor that detects a current flowing through the inductor, a casing on which the power module and the inductor are mounted, And a plate that is mounted in a manner in which the current sensor is in close contact with the first surface, and is detachably attached to the housing in a manner in which the second surface is in close contact with the side wall of the housing.

この態様によると、電流センサを、プレートを介して筐体の側壁に密着させることで、電流センサの熱を筐体に逃がすことができ、電流センサの温度上昇を抑制できる。   According to this aspect, the current sensor can be brought into close contact with the side wall of the casing through the plate, whereby the heat of the current sensor can be released to the casing, and the temperature increase of the current sensor can be suppressed.

電流センサは、電気的にインダクタとパワーモジュールの間に設けられてもよい。
これにより、レイアウトに際して、電流センサをインダクタから遠ざけることができる。
The current sensor may be electrically provided between the inductor and the power module.
Thereby, the current sensor can be kept away from the inductor during layout.

電流センサは、パワーモジュールの直上に配置され、電流センサとパワーモジュールは、鉛直方向に伸びるブスバーを介して電気的に接続されてもよい。
これにより、レイアウトに際して、電流センサを平面方向および高い方向において、インダクタから遠ざけることができる。
The current sensor may be disposed immediately above the power module, and the current sensor and the power module may be electrically connected via a bus bar extending in the vertical direction.
Thereby, at the time of layout, the current sensor can be moved away from the inductor in the planar direction and in the high direction.

プレートは、対向する2面を有し、断面が実質的にコの字形状を有しており、第1の面に電流センサがマウントされ、第2の面が筐体と密着されてもよい。   The plate may have two opposing surfaces, and the cross section may have a substantially U-shape. The current sensor may be mounted on the first surface, and the second surface may be in close contact with the housing. .

プレートと電流センサの間、プレートと筐体の間にはそれぞれ、サーマルグリスが塗布されてもよい。サーマルグリスにより接触面の熱抵抗を低下させることができる。   Thermal grease may be applied between the plate and the current sensor and between the plate and the housing. The thermal resistance of the contact surface can be reduced by the thermal grease.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.

本発明によれば、電流センサCTの温度上昇を抑制できる。   According to the present invention, the temperature rise of the current sensor CT can be suppressed.

電源装置の基本構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the basic composition of a power supply device. 本発明者が検討した双方向DC/DCコンバータのレイアウトを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the layout of the bidirectional | two-way DC / DC converter which this inventor examined. 実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the shovel which is an example of the construction machine which concerns on embodiment. 実施の形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。It is a block diagram, such as an electric system and a hydraulic system, of the excavator according to the embodiment. 実施の形態に係る電源装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power supply device concerning an embodiment. 図5の双方向DC/DCコンバータのレイアウトを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the layout of the bidirectional | two-way DC / DC converter of FIG.

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。   The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

図3は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル1の外観を示す斜視図である。ショベル1は、主として走行機構2と、走行機構2の上部に旋回機構3を介して回動自在に搭載された上部旋回体(以下、単に旋回体ともいう)4とを備えている。   FIG. 3 is a perspective view showing an appearance of an excavator 1 that is an example of the construction machine according to the embodiment. The excavator 1 mainly includes a traveling mechanism 2 and an upper revolving body (hereinafter also simply referred to as a revolving body) 4 that is rotatably mounted on the upper portion of the traveling mechanism 2 via a revolving mechanism 3.

旋回体4には、ブーム5と、ブーム5の先端にリンク接続されたアーム6と、アーム6の先端にリンク接続されたバケット10とが取り付けられている。バケット10は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム5、アーム6、及びバケット10は、それぞれブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9によって油圧駆動される。また、旋回体4には、バケット10の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室4aや、油圧を発生するためのエンジン11といった動力源が設けられている。エンジン11は、例えばディーゼルエンジンで構成される。   The revolving body 4 is attached with a boom 5, an arm 6 linked to the tip of the boom 5, and a bucket 10 linked to the tip of the arm 6. The bucket 10 is a facility for capturing suspended loads such as earth and sand and steel materials. The boom 5, the arm 6, and the bucket 10 are hydraulically driven by a boom cylinder 7, an arm cylinder 8, and a bucket cylinder 9, respectively. Further, the revolving body 4 is provided with a power source such as a driver's cab 4a for accommodating an operator who operates the position of the bucket 10, excitation operation and release operation, and an engine 11 for generating hydraulic pressure. The engine 11 is composed of, for example, a diesel engine.

図4は、本実施の形態に係るショベル1の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図4では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。   FIG. 4 is a block diagram of an electric system and a hydraulic system of the excavator 1 according to the present embodiment. In FIG. 4, a system for mechanically transmitting power is indicated by a double line, a hydraulic system is indicated by a thick solid line, a control system is indicated by a broken line, and an electric system is indicated by a thin solid line.

ショベル1は電動発電機12および減速機13を備えており、エンジン11及び電動発電機12の回転軸は、共に減速機13の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン11の負荷が大きいときには、電動発電機12が自身の駆動力によりエンジン11の駆動力を補助(アシスト)し、電動発電機12の駆動力が減速機13の出力軸を経てメインポンプ14に伝達される。一方、エンジン11の負荷が小さいときには、エンジン11の駆動力が減速機13を経て電動発電機12に伝達されることにより、電動発電機12が発電を行う。電動発電機12は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnetic)モータによって構成される。電動発電機12の駆動と発電との切りかえは、ショベル1における電気系統の駆動制御を行うコントローラ30により、エンジン11の負荷等に応じて行われる。   The excavator 1 includes a motor generator 12 and a speed reducer 13, and the rotation shafts of the engine 11 and the motor generator 12 are connected to each other by being connected to the input shaft of the speed reducer 13. When the load of the engine 11 is large, the motor generator 12 assists (assists) the driving force of the engine 11 with its own driving force, and the driving force of the motor generator 12 passes through the output shaft of the speed reducer 13 to the main pump 14. Communicated. On the other hand, when the load on the engine 11 is small, the driving force of the engine 11 is transmitted to the motor generator 12 via the speed reducer 13, so that the motor generator 12 generates power. The motor generator 12 is configured by, for example, an IPM (Interior Permanent Magnetic) motor in which a magnet is embedded in the rotor. Switching between driving of the motor generator 12 and power generation is performed by the controller 30 that controls driving of the electric system in the excavator 1 according to the load of the engine 11 and the like.

減速機13の出力軸にはメインポンプ14及びパイロットポンプ15が接続されており、メインポンプ14には高圧油圧ライン16を介してコントロールバルブ17が接続されている。コントロールバルブ17は、ショベル1における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ17には、図3に示した走行機構2を駆動するための油圧モータ2A及び2Bの他、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ17は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。   A main pump 14 and a pilot pump 15 are connected to the output shaft of the speed reducer 13, and a control valve 17 is connected to the main pump 14 via a high pressure hydraulic line 16. The control valve 17 is a device that controls the hydraulic system in the excavator 1. In addition to hydraulic motors 2A and 2B for driving the traveling mechanism 2 shown in FIG. 3, a boom cylinder 7, an arm cylinder 8 and a bucket cylinder 9 are connected to the control valve 17 via a high pressure hydraulic line. The control valve 17 controls the hydraulic pressure supplied to them according to the operation input of the driver.

パイロットポンプ15には、パイロットライン25を介して操作装置26(操作手段)が接続されている。操作装置26は、旋回用電動機21、走行機構2、ブーム5、アーム6、及びバケット10を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置26には、油圧ライン27を介してコントロールバルブ17が接続され、また、油圧ライン28を介して圧力センサ29が接続される。操作装置26は、パイロットライン25を通じて供給される油圧(1次側の油圧)を操作者の操作量に応じた油圧(2次側の油圧)に変換して出力する。操作装置26から出力される2次側の油圧は、油圧ライン27を通じてコントロールバルブ17に供給されるとともに、圧力センサ29によって検出される。   An operation device 26 (operation means) is connected to the pilot pump 15 via a pilot line 25. The operating device 26 is an operating device for operating the turning electric motor 21, the traveling mechanism 2, the boom 5, the arm 6, and the bucket 10, and is operated by an operator. A control valve 17 is connected to the operating device 26 via a hydraulic line 27, and a pressure sensor 29 is connected via a hydraulic line 28. The operating device 26 converts the hydraulic pressure (primary hydraulic pressure) supplied through the pilot line 25 into a hydraulic pressure (secondary hydraulic pressure) corresponding to the operation amount of the operator and outputs the hydraulic pressure. The secondary hydraulic pressure output from the operating device 26 is supplied to the control valve 17 through the hydraulic line 27 and detected by the pressure sensor 29.

圧力センサ29は、操作装置26に対して旋回機構3を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン28内の油圧の変化として検出する。圧力センサ29は、油圧ライン28内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ30に入力され、旋回用電動機21の駆動制御に用いられる。   When an operation for turning the turning mechanism 3 is input to the operating device 26, the pressure sensor 29 detects this operation amount as a change in the oil pressure in the hydraulic line 28. The pressure sensor 29 outputs an electrical signal indicating the hydraulic pressure in the hydraulic line 28. This electric signal is input to the controller 30 and used for driving control of the turning electric motor 21.

コントローラ30は、CPU(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをCPUが実行することにより実現される。コントローラ30は、各種センサ及び操作装置26等からの操作入力を受けて、インバータ18A、18B、18C及び蓄電手段101等の駆動制御を行う。   The controller 30 is configured by an arithmetic processing unit including a CPU (Central Processing Unit) and an internal memory, and is realized by the CPU executing a drive control program stored in the internal memory. The controller 30 receives operation inputs from various sensors and the operation device 26, and performs drive control of the inverters 18A, 18B, 18C, the power storage means 101, and the like.

油圧モータ310は、ブーム5が下げられるときにブームシリンダ7から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム5が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ310は、コントロールバルブ17とブームシリンダ7の間の油圧管7Aに設けられている。ブーム回生用発電機300で発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ18Bを経て蓄電手段101に供給される。   The hydraulic motor 310 is configured to be rotated by oil discharged from the boom cylinder 7 when the boom 5 is lowered, and is provided to convert energy when the boom 5 is lowered according to gravity into rotational force. It has been. The hydraulic motor 310 is provided in the hydraulic pipe 7 </ b> A between the control valve 17 and the boom cylinder 7. The electric power generated by the boom regenerative generator 300 is supplied as regenerative energy to the power storage means 101 via the inverter 18B.

旋回用電動機21は、図3の旋回機構3に設けられ、上部旋回体4を回動させる。旋回用電動機21は交流電動機であり、旋回体4を旋回させる旋回機構3の動力源である。旋回用電動機21の回転軸21Aには、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、及び旋回減速機24が接続される。旋回用インバータ18Cは、蓄電手段101からの電力を受け、旋回用電動機21を駆動する。また旋回用電動機21の回生運転時には、旋回用電動機21からの電力を蓄電手段101に回収する。   The turning electric motor 21 is provided in the turning mechanism 3 of FIG. 3 and rotates the upper turning body 4. The turning electric motor 21 is an AC electric motor and is a power source of the turning mechanism 3 for turning the turning body 4. A resolver 22, a mechanical brake 23, and a turning speed reducer 24 are connected to the rotating shaft 21 </ b> A of the turning electric motor 21. The turning inverter 18 </ b> C receives electric power from the power storage means 101 and drives the turning electric motor 21. Further, during the regenerative operation of the turning electric motor 21, the electric power from the turning electric motor 21 is collected in the power storage means 101.

旋回用電動機21が力行運転を行う際には、旋回用電動機21の回転駆動力の回転力が旋回減速機24にて増幅され、旋回体4が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体4の慣性回転により、旋回減速機24にて回転数が増加されて旋回用電動機21に伝達され、回生電力を発生させる。   When the turning electric motor 21 performs a power running operation, the rotational force of the rotational driving force of the turning electric motor 21 is amplified by the turning speed reducer 24, and the turning body 4 is subjected to acceleration / deceleration control to perform rotational motion. Further, due to the inertial rotation of the swing body 4, the rotation speed is increased by the swing speed reducer 24 and transmitted to the swing electric motor 21 to generate regenerative power.

レゾルバ22は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機21と機械的に連結することで回転軸21Aの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ22が回転軸21Aの回転角度を検出することにより、旋回機構3の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ23は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ30からの指令によって、旋回用電動機21の回転軸21Aを機械的に停止させる。旋回減速機24は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転速度を減速して旋回機構3に機械的に伝達する減速機である。   The resolver 22 is a sensor that detects the rotation position and rotation angle of the rotation shaft 21A of the turning electric motor 21, and mechanically connects to the turning electric motor 21 to detect the rotation angle and rotation direction of the rotation shaft 21A. When the resolver 22 detects the rotation angle of the rotation shaft 21A, the rotation angle and the rotation direction of the turning mechanism 3 are derived. The mechanical brake 23 is a braking device that generates a mechanical braking force, and mechanically stops the rotating shaft 21 </ b> A of the turning electric motor 21 according to a command from the controller 30. The turning speed reducer 24 is a speed reducer that reduces the rotational speed of the rotating shaft 21 </ b> A of the turning electric motor 21 and mechanically transmits it to the turning mechanism 3.

続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ30、電源装置100、インバータ18A〜18Cを備える。   Next, the electric system will be described in detail. The electric system mainly includes a controller 30, a power supply device 100, and inverters 18A to 18C.

(アシスト)
アシスト用のインバータ18Aの2次側(出力)端には、電動発電機12が接続される。インバータ18Aは、コントローラ30の一部であるアシスト用インバータコントローラ30Aからの指令にもとづき、電動発電機12の運転制御を行う。
(assist)
The motor generator 12 is connected to the secondary side (output) end of the assist inverter 18A. The inverter 18A controls the operation of the motor generator 12 based on a command from the assist inverter controller 30A that is a part of the controller 30.

(ブーム回生)
インバータ18Bの2次側(出力)端には、ブーム回生用発電機300が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機300は、ブーム5が重力の作用により下げられるときに、位置エネルギを電気エネルギに変換する電動作業要素である。インバータ18Bは、コントローラ30のブーム回生用のインバータコントローラ30Bによって制御され、ブーム回生用発電機300が発生する電気エネルギを直流電力に変換し、電源装置100に回収する。
(Boom regeneration)
A boom regeneration generator 300 is connected to the secondary side (output) end of the inverter 18B. As described above, the boom regeneration generator 300 is an electric working element that converts potential energy into electrical energy when the boom 5 is lowered by the action of gravity. The inverter 18 </ b> B is controlled by the boom regeneration inverter controller 30 </ b> B of the controller 30, converts the electric energy generated by the boom regeneration generator 300 into DC power, and recovers it to the power supply device 100.

(旋回)
旋回用電動機21、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、旋回減速機24、旋回用インバータ18Cおよびコントローラ30の一部である旋回用のインバータコントローラ30Cは、電動旋回装置500を構成する。
旋回用電動機21は、PWM(Pulse Width Modulation)制御指令により旋回用インバータ18Cによって交流駆動される。旋回用電動機21としては、例えば、磁石埋込型のIPMモータが好適である。
(Turning)
The turning electric motor 21, the resolver 22, the mechanical brake 23, the turning speed reducer 24, the turning inverter 18 </ b> C and the turning inverter controller 30 </ b> C that is a part of the controller 30 constitute an electric turning device 500.
The turning electric motor 21 is AC driven by the turning inverter 18C in accordance with a PWM (Pulse Width Modulation) control command. As the turning electric motor 21, for example, a magnet-embedded IPM motor is suitable.

旋回用インバータコントローラ30Cは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ22により検出される旋回用電動機21の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ18Cを制御する。   The turning inverter controller 30C receives a rotation speed command corresponding to the operation input, and controls the turning inverter 18C so that the turning speed of the turning electric motor 21 detected by the resolver 22 matches the rotation speed command.

(電源)
蓄電手段101とコントローラ30の一部であるコンバータコントローラ30Dは、電源装置100を構成する。蓄電手段101は、例えば蓄電池であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ(双方向DC/DCコンバータ)と、正極及び負極の直流配線からなるDCバスとを備えている(図示せず)。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な2次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。DCバスには、インバータ18A〜インバータ18Cそれぞれの1次側(直流入力)が接続されている。コントローラ30Dは、DCバスに生ずるDCリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向DC/DCコンバータを制御する。電源装置100は、電動発電機12等が力行運転する際には、双方向DC/DCコンバータを昇圧動作させ、電動発電機12等が回生運転する際には、双方向DC/DCコンバータを降圧動作させ、電動発電機12が発生した電力を蓄電器に回収する。
(Power supply)
The power storage device 101 and the converter controller 30 </ b> D that is a part of the controller 30 constitute the power supply device 100. The power storage means 101 includes, for example, a battery as a storage battery, a step-up / down converter (bidirectional DC / DC converter) that controls charging / discharging of the battery, and a DC bus including positive and negative DC wirings (not shown). ) As the electric storage device, a rechargeable secondary battery such as a lithium ion battery, a capacitor, or any other form of power source capable of transferring power may be used. The primary side (DC input) of each of the inverters 18A to 18C is connected to the DC bus. The controller 30D controls the bidirectional DC / DC converter so that the DC link voltage generated on the DC bus becomes a predetermined voltage level. The power supply apparatus 100 boosts the bidirectional DC / DC converter when the motor generator 12 or the like performs a power running operation, and steps down the bidirectional DC / DC converter when the motor generator 12 or the like performs a regenerative operation. The electric power generated by the motor generator 12 is collected in the battery.

すなわち、インバータ18Aが電動発電機12を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからDCバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機12を回生運転させる際には、電動発電機12により発電された電力をDCバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、DCバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラ30Dによって行われる。これにより、DCバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。   That is, when the inverter 18A causes the motor generator 12 to perform a power running operation, necessary power is supplied from the battery and the step-up / down converter to the motor generator via the DC bus. When the motor generator 12 is regeneratively operated, the battery is charged with the electric power generated by the motor generator 12 via the DC bus and the step-up / down converter. The switching control between the step-up / step-down converter and the step-down operation is performed by the converter controller 30D based on the DC bus voltage value, the battery voltage value, and the battery current value. As a result, the DC bus can be maintained in a state of being stored at a predetermined constant voltage value.

以上がショベル1の全体構成である。続いて、電源装置100について詳細に説明する。   The above is the overall configuration of the excavator 1. Next, the power supply device 100 will be described in detail.

図5は、実施の形態に係る電源装置100の回路図である。
電源装置100は、蓄電器102、DCバス104、双方向DC/DCコンバータ110、コンバータコントローラ(以下、単にコントローラともいう)120を備える。
蓄電器102は、電池や大容量キャパシタである。DCバス104には、インバータ18A〜18Cが接続されうるが、理解の容易化と説明の簡潔化のため、図5には、インバータ18Aのみを示している。
FIG. 5 is a circuit diagram of the power supply device 100 according to the embodiment.
The power supply apparatus 100 includes a battery 102, a DC bus 104, a bidirectional DC / DC converter 110, and a converter controller (hereinafter simply referred to as a controller) 120.
The battery 102 is a battery or a large capacity capacitor. Although the inverters 18A to 18C can be connected to the DC bus 104, only the inverter 18A is shown in FIG. 5 for easy understanding and simplification of description.

双方向DC/DCコンバータ110の1次側には蓄電器102が接続され、2次側にはDCバス104が接続される。双方向DC/DCコンバータ110は、1次側と2次側で双方向にエネルギを授受可能に構成される。電動発電機12が力行運転するときには、双方向DC/DCコンバータ110は昇圧動作となり、蓄電器102から、インダクタL1およびトランジスタM1を介して充電電流を供給し、平滑キャパシタC1を充電する。電動発電機12が回生運転するときには、双方向DC/DCコンバータ110は降圧動作となり、電動発電機12が生成する回生電流を、トランジスタM1およびインダクタL1を介して、蓄電器102に回収する。   The battery 102 is connected to the primary side of the bidirectional DC / DC converter 110, and the DC bus 104 is connected to the secondary side. The bidirectional DC / DC converter 110 is configured to be able to exchange energy bidirectionally between the primary side and the secondary side. When the motor generator 12 performs a power running operation, the bidirectional DC / DC converter 110 performs a step-up operation, and a charging current is supplied from the capacitor 102 via the inductor L1 and the transistor M1 to charge the smoothing capacitor C1. When the motor generator 12 performs a regenerative operation, the bidirectional DC / DC converter 110 performs a step-down operation, and the regenerative current generated by the motor generator 12 is recovered in the battery 102 via the transistor M1 and the inductor L1.

コントローラ120は、DCバス104に生ずるDCリンク電圧VDCが所定の目標電圧Vrに近づくように、双方向DC/DCコンバータ110を制御する。具体的には、DCリンク電圧VDCが電圧指令Vrと一致するように、トランジスタM1、M2のスイッチングのデューティ比を制御し、インダクタL1_1,L1_2に流れる電流の合計であるコンバータ電流を調節する。 The controller 120 controls the bidirectional DC / DC converter 110 so that the DC link voltage V DC generated in the DC bus 104 approaches a predetermined target voltage Vr. Specifically, the switching duty ratio of the transistors M1 and M2 is controlled so that the DC link voltage V DC matches the voltage command Vr, and the converter current that is the sum of the currents flowing through the inductors L1_1 and L1_2 is adjusted.

たとえばコントローラ120は、以下の構成を含んでもよい。
電圧コントローラ: DCリンク電圧VDCが電圧指令Vrと一致するように調節される電流指令を生成する。
電流コントローラ: 複数の電流センサCTの出力が示すコンバータ電流Icが、電流指令と一致するように調節されるデューティ指令を生成する。
パルス幅変調器: デューティ指令に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成する。
ゲートドライバ: パルス信号に応じてパワーモジュールのトランジスタM1,M2を駆動する。
For example, the controller 120 may include the following configuration.
Voltage controller: Generates a current command that is adjusted so that the DC link voltage V DC matches the voltage command Vr.
Current controller: Generates a duty command in which the converter current Ic indicated by the outputs of the plurality of current sensors CT is adjusted to match the current command.
Pulse width modulator: Generates a pulse signal having a duty ratio corresponding to a duty command.
Gate driver: Drives the transistors M1 and M2 of the power module according to the pulse signal.

本実施の形態では、電流センサCTの位置が、図2のそれと異なっていることに留意されたい。具体的には、本実施の形態では、電流センサCTは、インダクタL1とパワーモジュールIPMの間に設けられる。   It should be noted that in the present embodiment, the position of the current sensor CT is different from that of FIG. Specifically, in the present embodiment, the current sensor CT is provided between the inductor L1 and the power module IPM.

図6は、図5の双方向DC/DCコンバータ110のレイアウトを示す断面図である。図6には、ひとつのパワーモジュールに対応する部分のみを示している。
双方向DC/DCコンバータ110は、筐体200、パワーモジュールIPM、インダクタL1、電流センサCT、絶縁サポート222、サーマルグリス224、ブスバー210、212を備える。
6 is a cross-sectional view showing a layout of the bidirectional DC / DC converter 110 of FIG. FIG. 6 shows only a portion corresponding to one power module.
The bidirectional DC / DC converter 110 includes a housing 200, a power module IPM, an inductor L1, a current sensor CT, an insulation support 222, thermal grease 224, and bus bars 210 and 212.

筐体200は、双方向DC/DCコンバータ110の構成部品を収容する。筐体200には、双方向DC/DCコンバータ110に加えて、インバータ18やコントローラ120の構成部品が収容されてもよい。   The housing 200 accommodates the components of the bidirectional DC / DC converter 110. In addition to the bidirectional DC / DC converter 110, the casing 200 may house the components of the inverter 18 and the controller 120.

筐体200の底面SBTMには、パワーモジュールIPMおよびインダクタL1がマウントされる。筐体200には、図示しない冷却機構、たとえば水冷機構が設けられ、その温度上昇が抑制されている。これにより、パワーモジュールIPMおよびインダクタL1を、筐体200を介して冷却することができる。 A power module IPM and an inductor L1 are mounted on the bottom surface SBTM of the housing 200. The casing 200 is provided with a cooling mechanism (not shown), for example, a water cooling mechanism, and its temperature rise is suppressed. Thereby, the power module IPM and the inductor L1 can be cooled via the housing 200.

プレート220は、熱伝導率の高い金属、たとえば銅やアルミニウムで構成される。たとえばプレート220は、断面が実質的にコの字形状を有し、したがって対向する2面S1、S2を有する。プレート220は、単一の金属プレートを折り曲げて作製しても良いし、複数の金属プレートを溶接し、あるいはねじ止めすることで作製してもよい。なおプレート220をブロック状の部材としてもよい。   The plate 220 is made of a metal having high thermal conductivity, such as copper or aluminum. For example, the plate 220 has a substantially U-shaped cross section, and thus has two opposing surfaces S1 and S2. The plate 220 may be produced by bending a single metal plate, or may be produced by welding or screwing a plurality of metal plates. The plate 220 may be a block-shaped member.

プレート220の第1面S1には、電流センサCT1が密着した態様で、言い換えれば熱的に強く結合された態様にて搭載される。またプレート220は、その第2面S2が筐体200の側壁SSIDEと熱的に強く結合するように、密着した状態で、筐体200に取り付けられる。電流センサCTとプレート220の間には、サーマルグリス226を塗布することが好ましく、同様にプレート220と筐体200の側壁SSIDEの間にも、サーマルグリス224を塗布することが望ましい。 On the first surface S1 of the plate 220, the current sensor CT1 is mounted in a closely contacted state, in other words, in a state where it is thermally and strongly coupled. The plate 220 is attached to the housing 200 in close contact so that the second surface S2 is thermally strongly coupled to the side wall S SIDE of the housing 200. Thermal grease 226 is preferably applied between the current sensor CT and the plate 220, and similarly, it is desirable to apply thermal grease 224 between the plate 220 and the side wall S SIDE of the housing 200.

絶縁サポート222は、その底部が筐体200の底面SBTMに固定される。絶縁サポート222は、プレート220を支持固定する。プレート220と絶縁サポート222とは、着脱可能にねじ止めされる。 The bottom of the insulating support 222 is fixed to the bottom surface SBTM of the housing 200. The insulating support 222 supports and fixes the plate 220. The plate 220 and the insulating support 222 are detachably screwed.

パワーモジュールIPM、インダクタL1、電流センサCTの間は、ブスバー210、212によって電気的に接続される。   The power module IPM, the inductor L1, and the current sensor CT are electrically connected by bus bars 210 and 212.

以上が双方向DC/DCコンバータ110の構成である。
この双方向DC/DCコンバータ110では、図5に示すように等価回路上において、電流センサCTを、パワーモジュールIPMのゲート側に配置することとした。これにより、レイアウトに際して電流センサCTの位置を、インダクタL1から物理的にも遠ざけることが可能となり、具体的には図6に示したように、筐体200の底面SBTMへの投影面上で、発熱体であるインダクタL1と離間する位置に配置している。これにより、インダクタL1の熱の影響が電流センサCTに及ぶのを抑制することができ、電流センサCTの温度上昇を抑制できる。
The above is the configuration of the bidirectional DC / DC converter 110.
In this bidirectional DC / DC converter 110, the current sensor CT is arranged on the gate side of the power module IPM on the equivalent circuit as shown in FIG. As a result, the position of the current sensor CT can be physically moved away from the inductor L1 during layout. Specifically, as shown in FIG. 6, on the projection surface onto the bottom surface SBTM of the housing 200. The heater L1 is disposed at a position away from the inductor L1, which is a heating element. Thereby, it can suppress that the influence of the heat | fever of the inductor L1 reaches current sensor CT, and can suppress the temperature rise of current sensor CT.

また、電流センサCTを、プレート220を介して筐体200の側壁SSIDEに密着させることで、電流センサCTの熱を筐体200に逃がすことができ、電流センサCTの温度上昇を抑制できる。 Further, by bringing the current sensor CT into close contact with the sidewall S SIDE of the housing 200 via the plate 220, the heat of the current sensor CT can be released to the housing 200, and the temperature rise of the current sensor CT can be suppressed.

ここでプレート220を介さずに、電流センサCTを筐体200の側壁SSIDEに直接マウントすることも考えられる。しかしながら、ショベル1などの産業車両では、メンテナンス性が要求される。具体的には各部品に対して、容易にアクセスし、交換することが求められる。電流センサCTを側壁SSIDEに直接マウントすることは、メンテナンス性の観点から好ましくない。 Here, it is conceivable that the current sensor CT is directly mounted on the side wall S SIDE of the housing 200 without using the plate 220. However, in an industrial vehicle such as the excavator 1, maintenance is required. Specifically, each component is required to be easily accessed and replaced. Mounting the current sensor CT directly on the side wall S SIDE is not preferable from the viewpoint of maintainability.

これに対して、図6のように電流センサCTをプレート220にマウントした上で、プレート220を筐体200に取り付けることにより、電流センサCTを点検し、あるいは交換する際には、プレート220ごと着脱することができるため、メンテナンス性の観点から有利である。   In contrast, when the current sensor CT is mounted on the plate 220 as shown in FIG. 6 and the plate 220 is attached to the housing 200, the current sensor CT is inspected or replaced. Since it can be attached and detached, it is advantageous from the viewpoint of maintainability.

またサーマルグリス224、サーマルグリス226を塗布することで、接触面における熱抵抗を下げることができる。   Further, by applying the thermal grease 224 and the thermal grease 226, the thermal resistance at the contact surface can be lowered.

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。   In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It is understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, and various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. It is a place. Hereinafter, such modifications will be described.

実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル1を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。   In the embodiment, the excavator 1 is shown as an example of the hybrid-type construction machine according to the present invention. However, as another example of the hybrid-type construction machine of the present invention, a lifting magnet vehicle, a crane, or the like having a turning mechanism is given. It is done.

1…ショベル、2…走行機構、2A…油圧モータ、3…旋回機構、4…旋回体、4a…運転室、5…ブーム、6…アーム、7…ブームシリンダ、7A…油圧管、8…アームシリンダ、9…バケットシリンダ、10…バケット、11…エンジン、12…電動発電機、13…減速機、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、18,18A,18B…インバータ、18C…旋回用インバータ、21…旋回用電動機、21A…回転軸、22…レゾルバ、23…メカニカルブレーキ、24…旋回減速機、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…コントローラ、30A,30B,30C…インバータコントローラ、30D…コンバータコントローラ、100…電源装置、101…蓄電手段、102…蓄電器、104…DCバス、110…双方向DC/DCコンバータ、C1…平滑キャパシタ、L1…インダクタ、120…コントローラ、200…筐体、210,212…ブスバー、220…プレート、222…絶縁サポート、224,226…サーマルグリス、CT…電流センサ、IPM…パワーモジュール、300…ブーム回生用発電機、310…油圧モータ、500…電動旋回装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Excavator, 2 ... Traveling mechanism, 2A ... Hydraulic motor, 3 ... Turning mechanism, 4 ... Turning body, 4a ... Driver's cab, 5 ... Boom, 6 ... Arm, 7 ... Boom cylinder, 7A ... Hydraulic pipe, 8 ... Arm Cylinder, 9 ... Bucket cylinder, 10 ... Bucket, 11 ... Engine, 12 ... Motor generator, 13 ... Reduction gear, 14 ... Main pump, 15 ... Pilot pump, 16 ... High pressure hydraulic line, 17 ... Control valve, 18, 18A , 18B ... inverter, 18C ... turning inverter, 21 ... turning electric motor, 21A ... rotating shaft, 22 ... resolver, 23 ... mechanical brake, 24 ... turning speed reducer, 25 ... pilot line, 26 ... operating device, 27, 28 ... Hydraulic line, 29 ... Pressure sensor, 30 ... Controller, 30A, 30B, 30C ... Inverter controller, 30D ... Converter 100, power supply device, 101 ... power storage means, 102 ... capacitor, 104 ... DC bus, 110 ... bi-directional DC / DC converter, C1 ... smoothing capacitor, L1 ... inductor, 120 ... controller, 200 ... casing, 210, DESCRIPTION OF SYMBOLS 212 ... Bus bar, 220 ... Plate, 222 ... Insulation support, 224, 226 ... Thermal grease, CT ... Current sensor, IPM ... Power module, 300 ... Boom regeneration generator, 310 ... Hydraulic motor, 500 ... Electric turning device

Claims (5)

産業車両用双方向DC/DCコンバータであって、
上アームと下アームが内蔵されたパワーモジュールと、
インダクタと、
前記インダクタに流れる電流を検出する電流センサと、
その底面に、前記パワーモジュールおよび前記インダクタがマウントされる筐体と、
その第1面に前記電流センサが密着した態様で搭載されるとともに、その第2面が前記筐体の側壁に密着された態様にて、前記筐体に着脱可能に取り付けられるプレートと、
を備えることを特徴とする産業車両用双方向DC/DCコンバータ。
A bidirectional DC / DC converter for industrial vehicles,
A power module with built-in upper and lower arms;
An inductor;
A current sensor for detecting a current flowing through the inductor;
A casing on which the power module and the inductor are mounted on the bottom surface;
A plate that is mounted in a manner in which the current sensor is in close contact with the first surface, and that is detachably attached to the housing in a manner in which the second surface is in close contact with the side wall of the housing;
A bidirectional DC / DC converter for industrial vehicles, comprising:
前記電流センサは、電気的に前記インダクタと前記パワーモジュールの間に設けられることを特徴とする請求項1に記載の産業車両用双方向DC/DCコンバータ。   The bidirectional DC / DC converter for industrial vehicles according to claim 1, wherein the current sensor is electrically provided between the inductor and the power module. 前記電流センサは、前記パワーモジュールの直上に配置され、前記電流センサと前記パワーモジュールは、鉛直方向に伸びるブスバーを介して電気的に接続されることを特徴とする請求項2に記載の産業車両用双方向DC/DCコンバータ。   The industrial vehicle according to claim 2, wherein the current sensor is disposed immediately above the power module, and the current sensor and the power module are electrically connected via a bus bar extending in a vertical direction. Bidirectional DC / DC converter. 前記プレートは、対向する2面を有し、断面が実質的にコの字形状を有しており、
第1の面に前記電流センサがマウントされ、第2の面が前記筐体と密着されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の産業車両用双方向DC/DCコンバータ。
The plate has two opposing surfaces, and has a substantially U-shaped cross section.
The bidirectional DC / DC converter for industrial vehicles according to any one of claims 1 to 3, wherein the current sensor is mounted on a first surface, and the second surface is in close contact with the housing.
前記プレートと前記電流センサの間、前記プレートと前記筐体の間にはそれぞれ、サーマルグリスが塗布されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の産業車両用双方向DC/DCコンバータ。   5. The industrial vehicle bidirectional DC / according to claim 1, wherein thermal grease is applied between the plate and the current sensor, and between the plate and the housing. DC converter.
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