JP2020090188A - 回生制動システム、及び、それを用いた電気駆動作業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を防止しつつ運転の継続性を向上することができる回生制動システム、及び、それを用いた電気駆動作業車両を提供すること。【解決手段】主機発電機１２が整流回路１４を介して接続される主機直流ライン１６の電力を変換して補機発電機３１が整流回路３２を介して接続される補機直流ライン３４に給電する電力回生装置２１を、入力部２２１ａ〜２２Ｎａが直列接続された複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎで構成する。電力回生装置２１に入力される電圧が電圧上限値Ｖｍを超えないように主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御し、複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの一部を停止させる場合に、停止させる電力変換モジュールの入力部の正極端子（＋）と負極端子（−）の間をバイパス装置によって短絡するとともに、電圧上限値Ｖｍを低減する。【選択図】 図２

Description

本発明は、回生制動システム、及び、それを用いた電気駆動作業車両に関する。

近年、化石燃料の枯渇や地球環境問題の悪化を背景として、ハイブリッド自動車や電気自動車のように電気エネルギーを利用した電動車両への関心が高まっており、また、実用化されている。例えば、鉱山現場においては様々な電気駆動の作業車両が使用されており、搬送用途の作業車両としては、電気駆動ダンプトラックなどが用いられている。電気駆動ダンプトラックとしては、エンジンに接続された主機発電機の発電電力をインバータによって変換して走行モータを駆動する電気駆動システムを用いる場合などがある。このような電気駆動システムを搭載したダンプトラックでは、リタード（制動）時に走行モータが生み出す回生電力を補機に供給する、所謂、回生制動システムを搭載することによって、省エネルギー化や燃料消費量低減を実現できると考えられる。

ところで、回生制動システムでは、走行モータが接続される主機系と補機系とで電圧に差があるため、走行モータ用インバータが接続される直流ラインの電圧を変換して、補機が接続される直流ラインに出力する電力回生装置が必要となる。また、一般に主機系と補機系は電気的に絶縁されている必要があるため、電力回生装置ではトランスを用いてその入出力間を絶縁する。一方、ダンプトラックのように車体重量が大きい電気駆動作業車両では主機系の直流ラインの電圧は一般的に高くなるため、電力回生装置は高電圧入力に対応する必要がある。

このような高電圧入力に対応する技術として、例えば、特許文献１には、複数台の単相インバータの出力端をそれぞれ直列接続したＵ，Ｖ，Ｗ相構成により、三相高圧出力を得る直接高圧インバータ装置であって、前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相の出力端に、それぞれ１台の予備単相インバータの出力端を直列接続し、前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相を構成する各単相インバータの出力端および前記予備単相インバータの出力端を個別に短絡できる開閉器を設け、通常運転時は、前記予備単相インバータの出力端を前記開閉器によって短絡状態にして前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各単相インバータを運転し、前記Ｕ，Ｖ，Ｗ相の少なくとも１つの相で１台の単相インバータが故障発生した時は、当該故障発生した単相インバータの出力端を前記開閉器で短絡状態にし、故障発生した相と同一相の前記予備単相インバータの前記開閉器を開放および該予備単相インバータの運転で装置運転を再開する直接高圧インバータ装置が開示されている。

特開２００９−３３９４３号公報

上記従来技術においては、電力変換装置である単相インバータをモジュールとして捉え、複数のモジュールを直列接続することで１つの電力変換装置を構成することにより、電力変換装置を構成する各モジュールに印加される電圧が分散（分圧）されるため、モジュール１台あたりに印加される電圧は低くなる。したがって、低耐圧のモジュールを用いて高電圧に対応することが可能となる。

ところで、上記従来技術においては、故障や保守作業を行う必要が生じた場合に、各モジュールの出力にバイパス手段として接続された開閉器によって出力端子間をバイパス（短絡）状態にすることにより、一部のモジュールを停止させて残りのモジュールにより運転を継続可能としている。また、予備のモジュールを設けており、一部のモジュールを停止させる場合に予備のモジュールを用いることで、出力電圧を低下させずに運転を継続させている。

しかしながら、上記従来技術においては、予備モジュールを設ける必要があるため、その分だけ電力変換装置全体が大型化してしまうという課題がある。また、各モジュールのバイパス手段（開閉器）を短絡して一部のモジュールを停止させ、残りのモジュールで運転を継続することも考えられるが、この場合には残りのモジュールに印加される電圧が増加してしまう。このため、各モジュールが電圧の増加に耐えられるよう、予め各モジュールの部品を高耐圧化したり、各モジュール内での絶縁距離を確保したりする必要が生じてしまう。したがって、この場合においても、モジュールが大型化してしまう、すなわち、電力変換装置全体が大型化してしまうという課題がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、装置の大型化を防止しつつ運転の継続性を向上することができる回生制動システム、及び、それを用いた電気駆動作業車両を提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、エンジンに接続される第一の発電機および第二の発電機と、前記第一の発電機に接続され、前記第一の発電機の出力を整流して直流電力として第一の直流ラインに出力する第一の整流回路と、前記第一の直流ラインと走行モータとの間に接続されるインバータと、前記第一の直流ラインに接続され、前記第一の直流ラインの電力を消費可能な電力消費装置と、前記第二の発電機に接続され、前記第二の発電機の出力を整流して直流電力として第二の直流ラインに出力する第二の整流回路と、前記第二の直流ラインに接続される補機装置と、前記第一の直流ラインの電力を変換して前記第二の直流ラインに供給する電力回生装置と、前記第一の発電機、前記電力消費装置、および、前記電力回生装置を制御する制御装置とを備えた回生制動システムにおいて、前記電力回生装置は、前記第一の直流ラインからの電力を入力する入力部が直列接続された複数の電力変換モジュールと、前記複数の電力変換モジュールの入力部にそれぞれ接続され、前記入力部の正極端子と負極端子の間を個別に短絡可能な第一のバイパス装置群とを備え、前記制御装置は、前記第一の直流ラインから前記電力回生装置に入力される電圧が前記複数の電力変換モジュールの耐電圧特性の合計に基づく可変上限値を超えないように前記第一の発電機、前記電力消費装置、及び、前記電力回生装置を制御し、前記複数の電力変換モジュールの一部を停止させる場合に、停止させる電力変換モジュールの入力部の正極端子と負極端子の間を前記第一のバイパス装置群によって短絡するとともに、前記可変上限値を前記複数の電力変換モジュールのうち停止させる前記一部の電力変換モジュールの耐電圧特性に応じて低減するものとする。

本発明によれば、装置の大型化を防止しつつ運転の継続性を向上することができる回生制動システム、及び、それを用いた電気駆動作業車両を提供することができる。

第１の実施の形態に係る電気駆動ダンプトラックの外観を模式的に示す側面図である。 第１の実施の形態に係る電気駆動ダンプトラックの回生制動システムを含む電気駆動システムを概略的に示す図である。 電力変換モジュールの構成の一例を模式的に示す図である。 バイパス装置の動作の一例を示す図である。 第１の実施の形態に係る制御装置の処理機能を概略的に示す機能ブロック図である。 第１の実施の形態に係る回生制動システムの処理内容を示すフローチャートである。 第１の実施の形態に係る回生制動システムの処理における電圧上限値や入力電圧と、リレー、故障であることが検出された電力変換モジュールのバイパス装置、及び、電力回生装置のオン・オフ状態との時間変化を示す図である。 第１の実施の形態の変形例に係るバイパス装置の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る制御装置の処理機能を概略的に示す機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る回生制動システムの処理内容を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る回生制動システムの処理における過電圧保護閾値や入力電圧と、リレー、故障であることが検出された電力変換モジュールのバイパス装置、及び、電力回生装置のオン・オフ状態との時間変化を示す図である。 電力変換モジュールが動作している場合のスイッチング素子の素子電圧の時間変化を示す図である。 電力変換モジュールが停止している場合のスイッチング素子の素子電圧の時間変化を示す図である。 その他の実施の形態に係る回生制動システムの処理における電圧上限値や入力電圧と、リレー、故障であることが検出された電力変換モジュールのバイパス装置、及び、電力回生装置のオン・オフ状態との時間変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、電気駆動作業車両の一例として電気駆動ダンプトラックを示して説明するが、例えば、電気駆動ホイールローダのような他の電気駆動作業車両であっても本発明の適用が可能である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１〜図７参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る電気駆動ダンプトラックの外観を模式的に示す側面図である。また、図２は、電気駆動ダンプトラックの回生制動システムを含む電気駆動システムを概略的に示す図である。図１及び図２においては、従動輪、駆動輪、及び、走行モータ等は、左右一対の構成のうちの一方のみを図示して符号を付し、他方については図中に括弧書きで符号のみを示して図示を省略する。

図１及び図２において、電気駆動ダンプトラック１００は、前後方向に延在して支持構造体を形成する車体フレーム１と、車体フレーム１の上部に前後方向に延在するように配置され、その後端下部をピン結合部５ａを介して車体フレーム１に傾動可能に設けられた荷台（ベッセル）５と、車体フレーム１の下方前側左右に設けられた一対の従動輪（前輪）２Ｌ，２Ｒと、車体の下方後側左右に設けられた一対の駆動輪（後輪）３Ｌ，３Ｒと、車体フレーム１の上方前側に設けられた運転室４と、車体フレーム１の下方に設けられた燃料タンク９と、車体フレーム１上に配置され、燃料タンク９から供給される燃料により駆動するエンジン１１と、エンジン１１に接続されて駆動される主機発電機１２（第一の発電機）及び主機発電機１２から出力される電力を用いて車輪（駆動輪３Ｌ，３Ｒ）を駆動する走行モータ１０Ｌ，１０Ｒ等を有する電気駆動システムとから概略構成されている。走行モータ１０Ｌ，１０Ｒは、減速機３ａＬ，３ａＲとともに駆動輪３Ｌ，３Ｒの回転軸部に収められている。車体フレーム１と荷台５とはホイストシリンダ６により接続されており、ホイストシリンダ６の伸縮によって荷台５がピン結合部５ａを中心に回動される。

車体フレーム１には、オペレータが歩行可能なデッキが取り付けられており、オペレータはデッキを介して運転室４への移動が可能である。運転室４の内部には、図示しないアクセルペダル、ブレーキペダル、ホイストペダル、ハンドルなどが設置されている。オペレータは運転室４内のアクセルペダルやブレーキペダルの踏み込み量により電気駆動ダンプトラック１００の加速力や制動力を制御し、ハンドルを左右に回転させることによって油圧駆動による操舵操作を行い、ホイストペダルを踏み込むことにより油圧駆動による荷台５のダンプ操作を行う。

運転室４の後方には、各種電力機器が収納されたコントロールキャビネット８と、余剰エネルギーを熱として放散するための複数のｈ７とが搭載されている。なお、図１には図示しないが、車体フレーム１における左右の前輪２Ｌ，２Ｒの間に位置する部分には、エンジン１１や主機発電機１２の他に、補機類用の電力源である補機発電機３１や油圧機器用の油圧源であるメインポンプ（図示せず）などが搭載されている。

図２において、電気駆動ダンプトラック１００の回生制動システムは、エンジン１１に接続される主機発電機１２（第一の発電機）および補機発電機３１（第二の発電機）と、主機発電機１２に接続され、主機発電機１２の出力を整流して直流電力として主機直流ライン１６（第一の直流ライン）に出力する整流回路１４（第一の整流回路）と、主機直流ライン１６と走行モータ１０Ｌ，１０Ｒとの間に接続される走行モータ用のインバータ１３Ｌ，１３Ｒと、主機直流ライン１６の電力を消費可能な電力消費装置１５と、補機発電機３１に接続され、補機発電機３１の出力を整流して直流電力として補機直流ライン３４（第二の直流ライン）に出力する整流回路３２（第二の整流回路）と、補機直流ライン３４に接続される補機装置３３と、主機直流ライン１６の電力を変換して補機直流ライン３４に供給する電力回生装置２１と、主機発電機１２、電力消費装置１５、および、電力回生装置２１を制御する制御装置４１とを備えている。

なお、図２においては、図面の簡単のために制御装置４１から電力回生装置２１に出力される制御信号を１本の信号線に集約して示しているが、後述するように、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎ、各バイパス装置２３１〜２３Ｎ，２４１〜２４Ｎへの制御信号、リレー２５への制御信号など、複数の信号を含んでいる。同様に、電力回生装置２１から制御装置４１に出力される検出信号なども１本の信号線に集約して示したが、後述するように、電力回生装置２１の各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎが検出した電圧や電流、温度などの物理量や、その他の状態量など、複数の情報を含んでいる。

インバータ１３Ｌ，１３Ｒは、スイッチング素子として、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いて構成される。

整流回路１４は、主機発電機１２の出力を整流して直流電力として主機直流ライン１６に出力するものであり、例えば、ダイオードを用いて構成される。なお、整流回路１４の代わりにスイッチング素子を用いたコンバータを用いてもよい。

電力消費装置１５は、制御装置４１からの指令信号に基づいて、主機直流ライン１６の電力を消費するものであり、主機直流ライン１６の正負の２極間に直列に接続されてチョッパを構成するスイッチング素子１５２及びダイオード１５３と、スイッチング素子１５２に並列に接続される抵抗１５１とを有している。抵抗１５１は、グリッドボックス７に搭載されている。スイッチング素子１５２としては、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。

なお、インバータ１３Ｌ，１３Ｒに用いるスイッチング素子、及び、電力消費装置１５に用いるスイッチング素子１５２としてＩＧＢＴを用いる場合を例示して説明したが、これに限られず、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）などの他種のスイッチング素子を用いる構成としてもよい。

主機直流ライン１６の正負の２極間には、主機直流ライン１６の電圧を検出する電圧検出器１７が接続されている。電圧検出器１７で検出された電圧値（検出値）は制御装置４１に出力される。

補機装置３３は、例えば、エアコン用のインバータ及びコンプレッサモータシステムや、機器冷却用のインバータ及びブロアモータシステムなどである。なお、図２においては、これらを１個の等価インピーダンスとみなして補機装置３３として図示している。なお、図２においては図示を省略したが、補機直流ライン３４には、補機装置３３の他にバッテリやコンデンサ、電圧検出器などが接続されている。

電力回生装置２１は、主機系（主機直流ライン１６）と補機系（補機直流ライン３４）との間に接続されており、主機直流ライン１６の電力（ここでは電圧）を変換して、補機直流ライン３４に給電する。すなわち、電力回生装置２１は、主機直流ライン１６で用いる電圧を補機直流ライン３４で用いる電圧に変換して出力している。補機装置３３は、補機発電機３１から整流回路３２を介して供給される電力と、電力回生装置２１はから供給される電力とにより駆動される。

電力回生装置２１は、入力部２２１ａ〜２２Ｎａ及び出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂが、それぞれ、主機直流ライン１６の正負の２極の間および補機直流ライン３４の正負の２極の間に直列に接続される複数（例えばＮ台：Ｎは２以上の正の整数）の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを備えている。電力変換モジュール２２１〜２２Ｎは、ＤＣ−ＤＣ変換回路であり、入出力間をトランスで絶縁しつつ、入力される直流電圧を変換して直流電圧を出力する。なお、図示しないが、電力回生装置２１は、ブレーカやリレーなどの制御部品、ヒューズなどの保護部品、電圧検出器や電流検出器、ノイズフィルタなどを備えている。

図３は、電力変換モジュールの構成の一例を模式的に示す図である。図３では、複数ある電力変換モジュール２２１〜２２Ｎのうち電力変換モジュール２２１の構成を代表して説明し、同様の構成を有する他の電力変換モジュール２２２〜２２Ｎについては図示及び説明を省略する。

図３において、電力変換モジュール２２１は、入力部２２１ａの正極端子（＋）と負極端子（−）の間に接続されるインバータ２６１と、出力部２２１ｂの正極端子（＋）と負極端子（−）の間に接続される整流回路２８１と、インバータ２６１と整流回路２８１との間に接続されるトランス２７１とから概略構成されている。なお、図示しないが、電力変換モジュール２２１は、ヒューズなどの保護部品やノイズフィルタ、電圧検出器や電流検出器、温度検出器、入力部２２１ａの入力端子間及び出力端子間に接続された平滑コンデンサなどを備えている。

インバータ２６１は、電力変換モジュール２２１の入力部２２１ａに入力される直流電圧を交流電圧に変換し、トランス２７１の一次巻線に印加するものである。インバータ２６１は、例えば、４個のスイッチング素子からなるフルブリッジインバータ回路である。インバータ２６１の出力端子は、トランス２７１の一次巻線に接続される。トランス２７１の二次巻線は、整流回路２８１の入力端子に接続される。なお、インバータ２６１としてＭＯＳＦＥＴを用いる場合を例示して説明したが、これに限られず、ＩＧＢＴなど他種のスイッチング素子を用いる構成としてもよい。また、インバータ２６１としては、同様の機能を果たすものであれば、他の回路方式を用いてもよい。

トランス２７１は、インバータ２６１と整流回路２８１の間を絶縁しつつ、インバータ２６１から出力される交流電圧を変圧して整流回路２８１に出力するものである。トランス２７１は、例えば、入力側の１個の一次巻線と出力側の２個の二次巻線とを備えるセンタータップ型である。トランス２７１により、なお、トランス２７１としては、同様の機能を果たすものであれば、他の回路方式を用いてもよい。例えば、整流回路２８１の構成によっては、トランス２７１として１個の二次巻線を備える構成を利用することができる。

整流回路２８１は、トランス２７１で変圧されて出力される交流電圧を直流電圧に整流して電力変換モジュール２２１の出力部２２１ｂに出力するものである。整流回路２８１は、例えば、２個のダイオードとチョークコイルで構成されている。

電力変換モジュール２２１は、上記の構成により、電力変換モジュール２２１の入出力間（入力部２２１ａと出力部２２１ｂの間）を絶縁しつつ、また、電力変換モジュール２２１は、制御装置４１からの指令信号に基づいてインバータ２６１の動作を制御することにより出力電圧を制御（可変）することができる。

主機直流ライン１６の電圧、すなわち、電力回生装置２１の入力電圧をＶｉと定義する。電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力部２２１ａ〜２２Ｎａを直列に接続することによって、入力電圧Ｖｉが各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎに分散される。電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力電圧Ｖｉがバランスする場合を考えると、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力電圧はそれぞれＶｉ／Ｎとなる。すなわち、電力回生装置２１に高電圧（例えば、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの各々の入力電圧の上限を超える電圧）が入力される場合であっても、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎには入力電圧の上限がＶｉ／Ｎよりも大きい低耐圧の部品を用いることができる。なお、図２に示すように、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂを直列に接続すると、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの出力電圧の和が電力回生装置２１の出力電圧となる。

図２に示すように、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力部２２１ａ〜２２Ｎａには、バイパス装置２３１〜２３Ｎ（第一のバイパス装置群）がそれぞれ接続されている。バイパス装置２３１〜２３Ｎは、制御装置４１からの制御信号に基づいて、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力端子間（すなわち、正負の２極間）をそれぞれ短絡することができる、すなわち、短絡（オン）と開放（オフ）を切り換えるものである。同様に、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂには、バイパス装置２４１〜２４Ｎ（第二のバイパス装置群）がそれぞれ接続されている。バイパス装置２３１〜２３Ｎ，２４１〜２４Ｎとしては、例えば、スイッチング素子やリレーなどが考えられる。

図４は、バイパス装置の動作の一例を示す図である。

図４においては、電力変換モジュール２２１のバイパス装置２３１，２４１をオン動作させて、入力部２２１ａ及び出力部２２１ｂの正極端子と負極端子の間を短絡させた様子を例示している。この場合、電力変換モジュール２２１への入力電圧および出力電圧が０（ゼロ）となる。これにより、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎのうち任意のものを直列接続から個別に電気的に外すことができる。また、電力変換モジュール２２２からの電流は、電力変換モジュール２２１をバイパス（迂回）して主機直流ライン１６及び補機直流ライン３４にそれぞれ供給される。

また、電力回生装置２１の入力側には、制御部品としてのリレー２５が設けられている。リレー２５は、電力回生装置２１を構成する直列接続された電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力部２２１ａ〜２２Ｎａに対してさらに直列接続されており、開放動作によって電力回生装置２１に供給される電力を遮断することが可能である。すなわち、リレー２５は、制御装置４１からの制御信号に基づいて、主機直流ライン１６から電力回生装置２１への電力の供給（導通）と遮断を切り換えるものである。

制御装置４１は、ダンプトラックの状態やオペレータの操作入力に基づいてエンジン１１や走行モータ用のインバータ１３Ｌ，１３Ｒ、電力消費装置１５におけるチョッパ（スイッチング素子１５２、ダイオード１５３）、補機装置３３を制御することによって、システム内のエネルギーの流れを制御する。

図５は、制御装置の処理機能を概略的に示す機能ブロック図である。

図５において、制御装置４１は、システム制御部４１１、発電機制御部４１２、電力消費装置制御部４１３、電圧上限値設定部４１４、及び、電力回生制御部４２１を備えている。また、電力回生制御部４２１は、故障検出部４２２、モジュール制御部４２３、バイパス制御部４２４、リレー制御部４２５、及び、タイミング制御部４２６を備えている。

システム制御部４１１は、制御装置４１の全体を制御するものであり、ダンプトラックの状態やオペレータの操作に基づいて、発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３で用いる電圧設定値を設定して出力する。また、システム制御部４１１は、電気駆動ダンプトラック１００の状態やオペレータの操作、及び、故障検出部４２２からの電力回生装置２１に関する故障検出信号（後述）に基づいて、電力回生制御部４２１のモジュール制御部４２３及びタイミング制御部４２６に制御信号を出力する。モジュール制御部４２３に出力する制御信号は、電力回生装置２１の出力設定値である。また、タイミング制御部４２６に出力する制御信号は、電力回生装置２１の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの稼動（オン）と停止（オフ）、及び、リレー２５の導通（オン）と遮断（オフ）をそれぞれ切り換えるタイミングを制御するオン・オフタイミング信号である。

電力回生制御部４２１の故障検出部４２２は、電力回生装置２１からの検出信号に基づいて、システム制御部４１１、電圧上限値設定部４１４、モジュール制御部４２３、バイパス制御部４２４、及び、リレー制御部４２５に故障検出信号を出力する。電力回生装置２１から故障検出部４２２に入力される検出信号には、電力回生装置２１の各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎで検出された電圧や電流、温度などの物理量や、その他の状態量など、複数の情報が含まれる。故障検出部４２２は、これらの情報に基づいて、過電流発生などの故障の有無や、故障が発生した電力変換モジュールの特定などを行う。故障検出部４２２が出力する故障検出信号には、複数の中から故障したモジュールを識別するための情報が含まれる。故障検出部４２２の具体的な動作について以下詳細に説明する。既に説明したように、各電力変換モジュール２２１〜２２Nは、電圧検出器、電流検出器、温度検出器を備える。ここでは、各電力変換モジュールの入力電圧を測定するための電圧検出器が搭載されている。電力回生装置２１は、各電力変換モジュールの入力電圧の検出値（アナログ信号）を、検出信号として故障検出部４２２へ出力する。故障検出部４２２は、電力変換モジュール２２１の入力電圧が所定の閾値より大きければ、電力変換モジュール２２１にて過電圧故障が発生したと判定する。また、各電力変換モジュールの電圧検出器は、入力電圧を所定の閾値と比較し、過電圧故障の有無を判定する機能を備えている。この場合、電力回生装置２１は、各電力変換モジュールにおける過電圧故障の有無に対応する状態信号（デジタル信号）を、入力電圧の検出信号に重畳して故障検出部４２２へ出力する。この場合、故障検出部４２２は、検出信号からデジタル信号である状態信号を分離抽出することにより各電力変換モジュールにおける過電圧故障の有無を直接判定することもできる。

電力回生制御部４２１のタイミング制御部４２６は、システム制御部４１１が出力するオン・オフタイミング信号に基づいて、モジュール制御部４２３、バイパス制御部４２４、リレー制御部４２５に個別のオン・オフタイミング信号を出力する。これによって、各モジュール、各バイパス装置、及び、リレー２５のオン・オフのタイミングを制御することができる。

電力回生制御部４２１のモジュール制御部４２３は、システム制御部４１１が出力する出力設定値に基づいて、電力回生装置２１の出力電力が出力設定値と一致するように、電力回生装置２１の各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎに制御信号を出力する。タイミング制御部４２６がオン・オフタイミング信号としてオフを出力している期間では、全てのモジュールを停止させるように制御信号を出力する。モジュール制御部４２３は、故障検出部４２２が出力する故障検出信号によって故障したモジュールを特定し、段数低減運転では、健全なモジュールのみを動作させるように制御信号を出力する。

電力回生制御部４２１のバイパス制御部４２４は、タイミング制御部４２６から出力されたオン・オフタイミング信号に基づいて、電力回生装置２１の各バイパス装置２３１〜２３Ｎ，２４１〜２４Ｎのオン・オフを制御する。バイパス制御部４２４は、故障検出部４２２からの故障検出信号によって故障した電力変換モジュールを特定し、故障したモジュールのバイパス装置をオン・オフタイミング信号により指定されたタイミングでオンにするように制御信号を出力する。

電力回生制御部４２１のリレー制御部４２５は、タイミング制御部４２６が出力するオン・オフタイミング信号に基づいて、リレー２５のオン・オフを制御する。

電圧上限値設定部４１４は、故障検出部４２２からの故障検出信号に基づいて、可変上限値である電圧上限値（以降、電圧上限値Ｖｍと定義する）を設定し、発電機制御部４１２と電力消費装置制御部４１３に出力する。電圧上限値Ｖｍは、主機直流ライン１６の電圧（すなわち、電力回生装置２１の入力電圧Ｖｉ）の上限値である。

発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３は、電圧検出器１７で検出された主機直流ライン１６の電圧（すなわち、電力回生装置２１の入力電圧Ｖｉ）の検出値（電圧検出値）、システム制御部４１１から出力される電圧設定値、及び、電圧上限値設定部４１４から出力される電圧上限値Ｖｍに基づいて、主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御する制御信号をそれぞれに出力し、主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御することによって電力回生装置２１の入力電圧Ｖｉを制御する。より具体的には、発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３は、入力電圧Ｖｉが電圧設定値と一致するように、かつ、入力電力Ｖｉが電圧上限値Ｖｍを超えないように、主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御する。

以上のように構成した本実施の形態の回生制動システムでは、故障検出部４２２で故障であることが検出された電力変換モジュール（例えば、電力変換モジュール２２１）の運転を停止し、健全な電力変換モジュール（例えば、電力変換モジュール２２２〜２２Ｎ）のみを動作させる段数低減運転を行う。また、段数低減運転では、複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの一部（例えば、電力変換モジュール２２１）を停止させる場合に、停止させる電力変換モジュール２２１の入力部２２１ａの正極端子と負極端子の間をバイパス装置２３１によって短絡するとともに、可変上限値である電圧上限値Ｖｍを低減する。

以下、回生制動システムの段数低減運転を含む処理内容について詳細に説明する。

図６は、回生制動システムの処理内容を示すフローチャートである。また、図７は、回生制動システムの処理における電圧上限値や入力電圧と、リレー、故障であることが検出された電力変換モジュールのバイパス装置、及び、電力回生装置のオン・オフ状態との時間変化を示す図である。

図６において、制御装置４１は、段数低減運転を行っていない通常運転中、まず、電力回生制御部４２１の故障検出部４２２によって故障した電力変換モジュールの検出を行い（ステップＳ１００）、システム制御部４１１は、故障検出部４２２からの故障検出信号に基づいて、故障した電力変換モジュールがあるかどうかを判定する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、故障した電力変換モジュールが無い場合には、通常運転を継続しつつ判定結果がＹＥＳになるまでステップＳ１００，Ｓ１１０の処理を繰り返す。なお、通常運転とは、電力回生装置２１のＮ台全ての電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを動作させる運転状態のことである。

このとき、図７に示すように、システム制御部４１１は、通常運転では、リレー制御部４２５を制御することによってリレー２５を導通（オン）に制御し、モジュール制御部４２３を制御することによって電力回生装置２１（ここでは、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎ）を動作（オン）に制御する。なお、故障が検出された電力変換モジュールが無いため、バイパス制御部４２４によって短絡（オン）に制御するバイパス装置は無い。また、システム制御部４１１は、発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３を制御することによって、入力電圧Ｖｉが電圧設定値と一致するように、かつ、入力電力Ｖｉが電圧上限値Ｖｍを超えないように主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御する（期間（１）参照）。

また、ステップＳ１１０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、故障検出部４２２からの故障検出信号に故障が検出された電力変換モジュールの情報が含まれている場合（以降、電力変換モジュール２２１の故障が検出された場合を例示して説明する）には、システム制御部４１１は、リレー制御部４２５を制御することによってリレー２５を遮断（オフ）するように制御するとともに（ステップＳ１２０）、モジュール制御部４２３を制御することによって電力回生装置２１の全ての電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを停止（オフ）に制御し（ステップＳ１３０）、さらに、電圧上限値設定部４１４は、電圧上限値Ｖｍを低減して新たな電圧上限値Ｖｍ２を設定して発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３に出力する（ステップＳ１４０）。このステップＳ１２０〜Ｓ１４０の処理は、図７の故障検出のタイミングに対応する。なお、低減した電圧上限値Ｖｍ２の決定には種々の方法が考えられるが、少なくともＶｍ＞Ｖｍ２が成り立つように決定するものであり、例えば、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの一部（電力変換モジュール２２１）を停止する場合に、停止しない健全な電力変換モジュール２２２〜２２Ｎの１つ分に相当する電圧上限値が変わらないように電圧上限値Ｖｍ２を決定することが考えられる。より具体的には、Ｎ個の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの１個（例えば、電力変換モジュール２２１）を停止させる場合に、Ｖｍ／Ｎ＝Ｖｍ２／（Ｎ−１）を満たすように電圧上限値Ｖｍ２を低減して設定する。

続いて、システム制御部４１１は、バイパス制御部４２４を制御することによって故障が検出された電力変換モジュール２２１のバイパス装置２３１，２４１を短絡（オン）に制御する（ステップＳ１５０）。このステップＳ１５０の処理は、図７の故障検出〜運転再開のタイミングに対応する。

続いて、システム制御部４１１は、リレー制御部４２５を制御することによってリレー２５を導通（オン）に制御し（ステップＳ１６０）、モジュール制御部４２３を制御することによって健全な電力変換モジュール２２２〜２２Ｎを動作（オン）に制御し（ステップＳ１７０）、段数低減運転への移行を完了する。このステップＳ１６０，Ｓ１７０の処理は、図７の運転再開のタイミングに対応する。

段数低減運転においては、図７に示すように、入力電圧Ｖｉが電圧設定値と一致するように、かつ、入力電力Ｖｉが低減した電圧上限値Ｖｍ２を超えないように主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御する（期間（２）参照）。

以上のように構成した本実施の形態における作用効果を説明する。

従来技術には、電力変換装置である単相インバータをモジュールとして捉え、複数のモジュールを直列接続することで１つの電力変換装置を構成するものがある。このような従来技術においては、故障や保守作業を行う必要が生じた場合に、各モジュールの出力にバイパス手段として接続された開閉器によって出力端子間をバイパス（短絡）状態にすることにより、一部のモジュールを停止させて残りのモジュールにより運転を継続可能としている。また、予備のモジュールを設けており、一部のモジュールを停止させる場合に予備のモジュールを用いることで、出力電圧を低下させずに運転を継続させている。

しかしながら、上記従来技術においては、予備モジュールを設ける必要があるため、その分だけ電力回生装置全体が大型化してしまうという課題がある。また、各モジュールのバイパス手段（開閉器）を短絡して一部のモジュールを停止させ、残りのモジュールで運転を継続することも考えられるが、この場合には残りのモジュールに印加される電圧が増加してしまう。このため、各モジュールが電圧の増加に耐えられるよう、予め各モジュールの部品を高耐圧化したり、各モジュール内での絶縁距離を確保したりする必要が生じてしまう。したがって、この場合においても、モジュールが大型化してしまう、すなわち、電力回生装置全体が大型化してしまうという課題がある。

これに対して本実施の形態においては、エンジン１１に接続される主機発電機１２（第一の発電機）および補機発電機３１（第二の発電機）と、主機発電機１２に接続され、主機発電機１２の出力を整流して直流電力として主機直流ライン１６（第一の直流ライン）に出力する整流回路１４（第一の整流回路）と、主機直流ライン１６と走行モータ１０Ｌ，１０Ｒとの間に接続される走行モータ用のインバータ１３Ｌ，１３Ｒと、主機直流ライン１６の電力を消費可能な電力消費装置１５と、補機発電機３１に接続され、補機発電機３１の出力を整流して直流電力として補機直流ライン３４（第二の直流ライン）に出力する整流回路３２（第二の整流回路）と、補機直流ライン３４に接続される補機装置３３と、主機直流ライン１６の電力を変換して補機直流ライン３４に供給する電力回生装置２１と、主機発電機１２、電力消費装置１５、および、電力回生装置２１を制御する制御装置４１とを備えた回生制動システムにおいて、電力回生装置は、主機直流ライン１６からの電力を入力する入力部２２１ａ〜２２Ｎａが直列接続された複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎと、複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力部２２１ａ〜２２Ｎａにそれぞれ接続され、入力部２２１ａ〜２２Ｎａの正極端子（＋）と負極端子（−）の間を短絡可能なバイパス装置２３１〜２３Ｎとを備え、制御装置４１は、主機直流ライン１６から電力回生装置２１に入力される電圧が電圧上限値Ｖｍを超えないように主機発電機１２、電力消費装置１５、及び、電力回生装置２１を制御し、複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの一部を停止させる場合に、停止させる電力変換モジュールの入力部の正極端子（＋）と負極端子（−）の間をバイパス装置によって短絡するとともに、電圧上限値Ｖｍを低減するように構成したので、装置の大型化を防止しつつ運転の継続性を向上することができる。

例えば、入力電圧Ｖｉが同じである場合を想定すると、段数低減運転時には通常運転時と比べて、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力電圧が高くなる。すなわち、段数低減運転を想定して各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを高耐圧化する必要があり、これは電力回生装置２１の大型化につながる。

これに対して、本実施の形態においては、段数低減運転において入力電圧Ｖｉの上限値である電圧上限値ＶｍをＶｍ２に低減し、これに従って主機発電機１２や電力消費装置１５を制御する。すなわち、段数低減運転時では通常運転時と比べて、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力電圧の最大値が上昇しないように、或いは、上昇量が小さくなるように制御する。したがって、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを高耐圧化する必要はないため、小型・軽量の各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎひいては電力回生装置２１によって段数低減運転が可能となる。

特に、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを構成するスイッチング素子は、その耐圧が低いほどオン抵抗が小さく、かつ、高速動作が可能であるため、電力損失をさらに低減することができる。また、高速動作が可能であれば、トランス２７１の動作周波数を高めることが可能となり、トランス２７１を小型・軽量化できる。トランス２７１は、寸法・重量の点で電力回生装置２１に占める割合が大きいため、トランス２７１の小型・軽量化は電力回生装置２１全体の小型・軽量化につながる。すなわち、本実施の形態のように、複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを直列に接続する構成によって、小型・軽量かつ省エネルギーであって、運転の継続性の高い電力回生装置を実現することができる。

以上、本実施の形態においては、複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを直列に接続して構成した電力回生装置２１を用いた回生制動システムによって、電気駆動作業車両の省エネルギー化を実現することができるとともに、故障などの理由によって一部の電力変換モジュールを停止させる場合に、残りの電力変換モジュールによって運転を継続させるので、装置の大型化を防止しつつ運転の継続性を向上することができる。

なお、本実施の形態においては、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂの正極の端子と負極の端子の間をそれぞれ短絡と開放とで切り換えることができるスイッチ様のバイパス装置２４１〜２４Ｎを用いる場合を例示して説明したが、バイパス装置２４１〜２４Ｎに代えて、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂの正極（＋）の端子とカソード端子を、負極（−）をアノード端子とそれぞれ接続したダイオードをバイパス装置として用いてもよい。また、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂにバイパス装置２４１〜２４Ｎを接続しない構成としてもよい。このような構成では、例えば、図３に例示する電力変換モジュール２２１のインバータ２６１のスイッチング素子が故障し、かつ、整流回路２８１には異常が無い場合には、整流回路２８１のダイオードが導通してバイパス装置としての機能を果たす。

＜第１の実施の形態の変形例＞
第１の実施の形態の変形例を図８を参照しつつ説明する。本変形例では、第１の実施の形態との相違点についてのみ説明するものとし、図面における第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

本変形例は、補機直流ライン３４の電圧が主機直流ライン１６の電圧に比べて十分に低くなることに鑑み、第１の実施の形態の電力回生装置２１における電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂを並列接続するものである。

図８は、本変形例に係るバイパス装置の一例を示す図である。

図８において、電力回生装置２１Ａは、入力部２２１ａ〜２２Ｎａが主機直流ライン１６の正負の２極の間に直列に接続され、出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂが補機直流ライン３４の正負の２極の間に並列に接続される複数（例えばＮ台：Ｎは２以上の正の整数）の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを備えている。

図８においては、電力変換モジュール２２１のバイパス装置２３１をオン動作させて、入力部２２１ａの正極端子（＋）と負極端子（−）の間を短絡させた様子を例示している。この場合、電力変換モジュール２２１への入力電圧が０（ゼロ）となる。これにより、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎのうち任意のものを直列接続から個別に電気的に外すことができる。また、電力変換モジュール２２２からの電流は、電力変換モジュール２２１をバイパス（迂回）して主機直流ライン１６にそれぞれ供給される。

本変形例のように各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂを並列に接続する場合、出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂのバイパス装置は不要となる。また、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎで出力電圧は共通であり、通常運転時と段数低減運転時で出力電圧は変わらない。そのため、段数低減運転時に出力電圧を高くする制御も不要である。なお、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの出力電流の和が電力回生装置２１の出力電流となる。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本変形例においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、出力部のバイパス装置などの構成部材を削減することができる。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態を図９〜図１３を参照しつつ説明する。本実施の形態では、第１の実施の形態との相違点についてのみ説明するものとし、図面における第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態は、第１の実施の形態における電圧上限値Ｖｍに代えて可変上限値として過電圧保護閾値Ｖｐを用い、電力回生装置２１の入力電圧Ｖｉが過電圧保護閾値Ｖｐよりも高い場合に電力回生装置２１を停止することによって、電力回生装置２１に入力される電圧が可変上限値（過電圧保護閾値Ｖｐ）を超えないように制御するものである。

図９は、本実施の形態に係る制御装置の処理機能を概略的に示す機能ブロック図である。

図９において、制御装置４１Ａは、システム制御部４１１Ａ、発電機制御部４１２、電力消費装置制御部４１３、及び、電力回生制御部４２１を備えている。また、電力回生制御部４２１は、故障検出部４２２、モジュール制御部４２３、バイパス制御部４２４、リレー制御部４２５、及び、タイミング制御部４２６を備えている。

システム制御部４１１Ａは、制御装置４１Ａの全体を制御するものであり、ダンプトラックの状態やオペレータの操作に基づいて、発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３で用いる電圧設定値を設定して出力する。また、システム制御部４１１は、電気駆動ダンプトラック１００の状態やオペレータの操作、及び、故障検出部４２２からの電力回生装置２１に関する故障検出信号（後述）に基づいて、電力回生制御部４２１のモジュール制御部４２３及びタイミング制御部４２６に制御信号を出力する。モジュール制御部４２３に出力する制御信号は、電力回生装置２１の出力設定値である。また、タイミング制御部４２６に出力する制御信号は、電力回生装置２１の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの稼動（オン）と停止（オフ）、及び、リレー２５の導通（オン）と遮断（オフ）をそれぞれ切り換えるタイミングを制御するオン・オフタイミング信号である。

また、システム制御部４１１Ａは、電圧検出器１７で検出された主機直流ライン１６の電圧（すなわち、電力回生装置２１の入力電圧Ｖｉ）の検出値（電圧検出値）、及び、故障検出部４２２からの故障検出信号に基づいて、可変上限値である過電圧過保閾値（以降、電圧上限値Ｖｐと定義する）を設定する。過電圧保護閾値Ｖｐは、主機直流ライン１６の電圧に対して電力回生装置２１の入力部を保護する制御を行うかどうかを判定するための閾値である。システム制御部４１１Ａは、電力回生装置２１の入力電圧Ｖｉが過電圧保護閾値Ｖｐよりも高い場合に、モジュール制御部４２３を制御することによって電力回生装置２１（より具体的には、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎのインバータ２６１〜２６Ｎ）を停止することで電力回生装置２１に入力される電圧が可変上限値（過電圧保護閾値Ｖｐ）を超えないように制御する。

発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３は、電圧検出器１７で検出された主機直流ライン１６の電圧（すなわち、電力回生装置２１の入力電圧Ｖｉ）の検出値（電圧検出値）と、システム制御部４１１Ａから出力される電圧設定値とに基づいて、主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御する制御信号をそれぞれに出力し、主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御することによって電力回生装置２１の入力電圧Ｖｉを制御する。より具体的には、発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３は、入力電圧Ｖｉが電圧設定値と一致するように主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御する。

以上のように構成した本実施の形態の回生制動システムでは、故障検出部４２２で故障であることが検出された電力変換モジュール（例えば、電力変換モジュール２２１）の運転を停止し、健全な電力変換モジュール（例えば、電力変換モジュール２２２〜２２Ｎ）のみを動作させる段数低減運転を行う。また、段数低減運転では、複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの一部（例えば、電力変換モジュール２２１）を停止させる場合に、停止させる電力変換モジュール２２１の入力部２２１ａの正極端子と負極端子の間をバイパス装置２３１によって短絡するとともに、可変上限値である過電圧保護閾値Ｖｐを低減する。

以下、回生制動システムの段数低減運転を含む処理内容について詳細に説明する。

図１０は、回生制動システムの処理内容を示すフローチャートである。また、図１１は、回生制動システムの処理における過電圧保護閾値や入力電圧と、リレー、故障であることが検出された電力変換モジュールのバイパス装置、及び、電力回生装置のオン・オフ状態との時間変化を示す図である。

図１０において、制御装置４１Ａは、段数低減運転を行っていない通常運転中、まず、電圧検出器１７で検出された入力電圧Ｖｉを取得し（ステップＳ２００）、入力電圧Ｖｉが過電圧保護閾値Ｖｐよりも高いかどうかを判定する（ステップＳ２１０）。ステップＳ２１０での判定結果がＮＯの場合には、電力回生装置２１の全ての電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを動作させ（ステップＳ２１２）、ステップＳ２１０での判定結果がＹＥＳの場合には、電力回生装置２１の全ての電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを停止させる（ステップＳ２１１）。

このとき、図１１に示すように、システム制御部４１１Ａは、通常運転では、リレー制御部４２５を制御することによってリレー２５を導通（オン）に制御し、モジュール制御部４２３を制御することによって電力回生装置２１（ここでは、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎ）を動作（オン）に制御する。また、システム制御部４１１Ａは、発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３を制御することによって、入力電圧Ｖｉが電圧設定値と一致するように主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御する。また、入力電力Ｖｉが過電圧保護閾値Ｖｐを超えた場合には、モジュール制御部４２３を制御することによって電力回生装置２１を停止（オフ）に制御する（同様の制御を行う段数低減運転の期間（３）参照）。

続いて、制御装置４１Ａは、電力回生制御部４２１の故障検出部４２２によって故障した電力変換モジュールの検出を行い（ステップＳ２２０）、システム制御部４１１Ａは、故障検出部４２２からの故障検出信号に基づいて、故障した電力変換モジュールがあるかどうかを判定する（ステップＳ２３０）。ステップＳ２３０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、故障した電力変換モジュールが無い場合には、判定結果がＹＥＳになるまで、通常運転を継続しつつステップＳ２００〜Ｓ２３０の処理を繰り返す。なお、通常運転とは、電力回生装置２１のＮ台全ての電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを動作させる運転状態のことである。

このとき、図１１に示すように、システム制御部４１１Ａは、通常運転では、リレー制御部４２５を制御することによってリレー２５を導通（オン）に制御し、モジュール制御部４２３を制御することによって電力回生装置２１（ここでは、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎ）を動作（オン）に制御する。なお、故障が検出された電力変換モジュールが無いため、バイパス制御部４２４によって短絡（オン）に制御するバイパス装置は無い。また、システム制御部４１１Ａは、発電機制御部４１２及び電力消費装置制御部４１３を制御することによって、入力電圧Ｖｉが電圧設定値と一致するように主機発電機１２及び電力消費装置１５を制御する。

また、ステップＳ２３０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、故障検出部４２２からの故障検出信号に故障が検出された電力変換モジュールの情報が含まれている場合（以降、電力変換モジュール２２１の故障が検出された場合を例示して説明する）には、システム制御部４１１Ａは、リレー制御部４２５を制御することによってリレー２５を遮断（オフ）するように制御するとともに（ステップＳ２４０）、モジュール制御部４２３を制御することによって電力回生装置２１の全ての電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを停止（オフ）に制御し（ステップＳ２５０）、さらに、過電圧保護閾値Ｖｐを低減して新たな過電圧保護閾値Ｖｐ２を設定する（ステップＳ２６０）。このステップＳ２４０〜Ｓ２６０の処理は、図１１の故障検出のタイミングに対応する。なお、低減したか電圧保護閾値Ｖｐ２の決定には種々の方法が考えられるが、少なくともＶｐ＞Ｖｐ２が成り立つように決定するものであり、例えば、電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの一部（電力変換モジュール２２１）を停止する場合に、停止しない健全な電力変換モジュール２２２〜２２Ｎの１つ分に相当する電圧保護閾値が変わらないように電圧保護閾値Ｖｐ２を決定することが考えられる。より具体的には、Ｎ個の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの１個（例えば、電力変換モジュール２２１）を停止させる場合に、Ｖｐ／Ｎ＝Ｖｐ２／（Ｎ−１）を満たすように電圧上限値Ｖｐ２を低減して設定する。

続いて、システム制御部４１１Ａは、バイパス制御部４２４を制御することによって故障が検出された電力変換モジュール２２１のバイパス装置２３１，２４１を短絡（オン）に制御し（ステップＳ２７０）、システム制御部４１１Ａは、リレー制御部４２５を制御することによってリレー２５を導通（オン）に制御する（ステップＳ２８０）。このステップＳ２７０，２８０の処理は、図１１の故障検出〜運転再開の間のタイミングに対応する。

続いて、システム制御部４１１Ａは、電圧検出器１７で検出された入力電圧Ｖｉを取得し（ステップＳ２９０）、入力電圧Ｖｉが過電圧保護閾値Ｖｐよりも高いかどうかを判定する（ステップＳ３００）。ステップＳ３００での判定結果がＮＯの場合には、判定結果がＹＥＳになるまで、ステップＳ２９０，Ｓ３００の処理を繰り返す。

また、ステップＳ３００での判定結果がＮＯの場合には、システム制御部４１１Ａは、モジュール制御部４２３を制御することによって健全な電力変換モジュール２２２〜２２Ｎを動作（オン）に制御し（ステップＳ３０１）、段数低減運転への移行を完了する。このステップＳ３０１の処理は、図１１の運転再開のタイミングに対応する。

段数低減運転においては、図１１に示すように、入力電圧Ｖｉが電圧設定値と一致するように制御する。また、入力電力Ｖｉが過電圧保護閾値Ｖｐを超えた場合には、モジュール制御部４２３を制御することによって電力回生装置２１を停止（オフ）に制御する（期間（３）参照）。

ここで、電力変換モジュールのインバータを構成するスイッチング素子の耐圧と素子電圧との関係について説明する。

図１２は、電力変換モジュールが動作している場合のスイッチング素子の素子電圧の時間変化を示す図である。また、図１３は、電力変換モジュールが停止している場合のスイッチング素子の素子電圧の時間変化を示す図である。なお、ここでは、電力変換モジュール２２１のインバータ２６１のスイッチング素子について例示して説明する。

図１２に示すように、電力変換モジュール２２１が電力変換器としての動作を行っている場合、インバータ２６１のスイッチング素子はオンとオフを周期的に繰り返し、したがって、スイッチング素子の素子電圧は周期的に変化する。例えば、スイッチング素子がオンの状態では、素子電圧はほぼ０（ゼロ）であり、スイッチング素子がオフの状態では、素子電圧と電力変換モジュール２２１の入力電圧がほぼ等しくなる。なお、図１２では、電力回生装置２１が通常運転しており、各電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力電圧がＶｉ／Ｎであることを想定している。また、スイッチング素子がターンオフする場合にはサージ電圧が発生し、素子電圧は過渡的にＶｉ／Ｎより高くなる。破線で示したスイッチング素子の耐圧は、このサージ電圧も考慮した上で設定される。

一方、図１３に示すように、電力変換モジュール２２１が停止している場合、スイッチング素子は常にオフであるため、素子電圧は一定であり、スイッチングに伴うサージ電圧は発生しない。スイッチング素子が２個のスイッチング素子を直列に接続した構成である場合、電力変換モジュール２２１の入力電圧が２個のスイッチング素子で分圧される。図１３では、２個のスイッチング素子の素子電圧がバランスしていると仮定し、電圧値をＶｉ／（２Ｎ）とした。図１３から分かるように、電力変換モジュール２２１が停止していれば、素子電圧の耐圧に対する余裕が大きくなる。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、段数低減運転時では通常運転時に比べて電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの入力電圧が高くなる。そこで、本実施の形態においては、段数低減運転において過電圧保護閾値Ｖｐを低減し、より低い入力電圧Ｖｉにおいて電力変換モジュール２２１〜２２Ｎを停止させるように制御する。これにより、モジュールを高耐圧化することなく、小型・軽量のモジュールひいては電力回生装置２１によって段数低減運転が可能となる。さらに、第１の実施の形態においては、段数低減運転時に電圧上限値Ｖｍを低減するため、走行モータ１０Ｌ，１０Ｒの駆動可能範囲が制限されていたが、本実施の形態においては、入力電圧Ｖｉの上限値を低減しないので、走行モータ１０Ｌ，１０Ｒの駆動可能範囲を制限することなく段数低減運転を行うことができる。

なお、本実施の形態においては、通常運転時と段数低減運転時の両方において、入力電圧Ｖｉが過電圧保護閾値Ｖｐ，Ｖｐ２より大きい場合に電力回生装置２１を停止するよう制御する場合を例示して説明したが、例えば、段数低減運転時のみにおいて、入力電圧Ｖｉが過電圧保護閾値Ｖｐ，Ｖｐ２より大きい場合に電力回生装置２１を停止するよう制御するように構成してもよい。これは、通常運転時の過電圧保護閾値Ｖｐを、取り得る入力電圧Ｖｉの範囲より高くすることで実現することができる。また、段数低減運転時に動作させる電力変換モジュールの台数によって過電圧保護閾値を可変させるように構成してもよい。

＜その他の実施の形態＞
本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。例えば、第１の実施の形態において示した電圧上限値Ｖｍ，Ｖｍ２による主機直流ライン１６の電圧Ｖｉの制御と、第２の実施の形態において示した過電圧保護閾値Ｖｐ，Ｖｐ２による電力回生装置２１の停止制御とを同時に行うことができる。

図１４は、電圧上限値及び過電圧保護閾値を用いた制御を行う場合の回生制動システムの処理における電圧上限値や入力電圧と、リレー、故障であることが検出された電力変換モジュールのバイパス装置、及び、電力回生装置のオン・オフ状態との時間変化を示す図である。

図１４に示すように、通常運転時の電圧上限値Ｖｍは過電圧保護閾値Ｖｐより高く設定され、かつ、段数低減運転時の電圧上限値Ｖｍ２は過電圧保護閾値Ｖｐ２より高く設定される。図１４における、段数低減運転時の期間（４）では、入力電圧Ｖｉが電圧上限値Ｖｍ２を超えないように制御されており、かつ、入力電圧Ｖｉが過電圧保護閾値Ｖｐ２より高いため電力回生装置２１を停止させる制御を行っている。

以上のような構成においては、電力変換モジュールの耐圧に基づいて入力電圧Ｖｉの上限を設定できるようになり、より信頼性の高い回生制動システムを実現することができる。

次に上記の各実施の形態の特徴について説明する。

（１）上記の実施の形態では、エンジン１１に接続される第一の発電機（例えば、主機発電機１２）および第二の発電機（例えば、補機発電機３１）と、前記第一の発電機に接続され、前記第一の発電機の出力を整流して直流電力として第一の直流ライン（例えば、主機直流ライン１６）に出力する第一の整流回路（例えば、整流回路１４）と、前記第一の直流ラインと走行モータ１０Ｌ，１０Ｒとの間に接続される走行モータ用のインバータ１３Ｌ，１３Ｒと、前記第一の直流ラインに接続され、前記第一の直流ラインの電力を消費可能な電力消費装置１５と、前記第二の発電機に接続され、前記第二の発電機の出力を整流して直流電力として第二の直流ライン（例えば、補機直流ライン３４）に出力する第二の整流回路（例えば、整流回路３２）と、前記第二の直流ラインに接続される補機装置３３と、前記第一の直流ラインの電力を変換して前記第二の直流ラインに供給する電力回生装置２１と、前記第一の発電機、前記電力消費装置、および、前記電力回生装置を制御する制御装置４１，４１Ａとを備えた回生制動システムにおいて、前記電力回生装置は、前記第一の直流ラインからの電力を入力する入力部２２１ａ〜２２Ｎａが直列接続された複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎと、前記複数の電力変換モジュールの入力部にそれぞれ接続され、前記入力部の正極端子（＋）と負極端子（−）の間を個別に短絡可能な第一のバイパス装置群（例えば、バイパス装置２３１〜２３Ｎ）とを備え、前記制御装置は、前記第一の直流ラインから前記電力回生装置に入力される電圧Ｖｉが前記複数の電力変換モジュールの耐電圧特性の合計に基づく可変上限値（例えば、電圧上限値Ｖｍ、過電圧保護閾値Ｖｐ）を超えないように前記第一の発電機、前記電力消費装置、及び、前記電力回生装置を制御し、前記複数の電力変換モジュールの一部を停止させる場合に、停止させる電力変換モジュールの入力部の正極端子と負極端子の間を前記第一のバイパス装置群によって短絡するとともに、前記可変上限値を前記複数の電力変換モジュールのうち停止させる前記一部の電力変換モジュールの耐電圧特性に応じて低減するものとした。

これにより、装置の大型化を防止しつつ運転の継続性を向上することができる。

（２）また、上記の実施の形態では、（１）の回生制動システムにおいて、前記可変上限値は、前記第一の直流ライン（例えば、主機直流ライン１６）の電圧Ｖｉに係る電圧上限値Ｖｍを含み、前記制御装置４１は、前記第一の直流ラインの電圧が前記電圧上限値を超えないように前記第一の発電機（例えば、主機発電機１２）および前記電力消費装置１５を制御することにより、前記電力回生装置２１に入力される電圧が可変上限値を超えないように制御するものとした。

（３）また、上記の実施の形態では、（１）又は（２）の回生制動システムにおいて、前記可変上限値は、前記電力回生装置２１に入力される電圧Ｖｉに係る過電圧保護閾値Ｖｐを含み、前記複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎは、前記入力部２２１ａ〜２２Ｎａから入力される電力の変換に供される少なくとも一つのスイッチング素子をそれぞれ備え、前記制御装置４１Ａは、前記第一の直流ライン（例えば、主機直流ライン１６）の電圧Ｖｉが前記過電圧保護閾値に達したときに前記複数の電力変換モジュールの全てのスイッチング素子の動作を停止することにより、前記電力回生装置に入力される電圧が可変上限値を超えないように制御するものとした。

（４）また、上記の実施の形態では、（２）の回生制動システムにおいて、前記可変上限値は、前記電力回生装置２１に入力される電圧に係る、前記電圧上限値Ｖｍよりも低く設定された過電圧保護閾値Ｖｐを含み、前記複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎは、前記入力部２２１ａ〜２２Ｎａから入力される電力の変換に供される少なくとも一つのスイッチング素子をそれぞれ備え、前記制御装置４１，４１Ａは、前記第一の直流ライン（主機直流ライン１６）の電圧Ｖｉが前記過電圧保護閾値に達したときに前記複数の電力変換モジュールの全てのスイッチング素子の動作を停止することにより、前記電力回生装置に入力される電圧が可変上限値（例えば、電圧上限値Ｖｐ、過電圧保護閾値Ｖｐ）を超えないように制御するものとした。

（５）また、上記の実施の形態では、（１）の回生制動システムにおいて、前記複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの前記第二の直流ライン（例えば、補機直流ライン３４）に電力を出力する出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂは直列接続されており、前記電力回生装置２１は、前記複数の電力変換モジュールの出力部にそれぞれ接続され、前記出力部の正極端子（＋）と負極端子（−）の間を短絡可能な第二のバイパス装置群（例えば、バイパス装置２４１〜２４Ｎ）を備えたものとした。

（６）また、上記の実施の形態では、（１）の回生制動システムにおいて、前記複数の電力変換モジュール２２１〜２２Ｎの前記第二の直流ライン（例えば、補機直流ライン３４）に電力を出力する出力部２２１ｂ〜２２Ｎｂが並列接続されたものとした。

（７）また、上記の実施の形態では、（１）の回生制動システムにおいて、前記制御装置４１，４１Ａは、前記複数の電力変換モジュールの一部を停止させる場合の停止対象ではない電力変換モジュールの台数が多いほど、前記可変上限値（例えば、電圧上限値Ｖｍ、過電圧保護閾値Ｖｐ）を高くするものとした。

（８）また、上記の実施の形態では、（１）の回生制動システムにおいて、第一の直流ライン（主機直流ライン１６）から前記電力回生装置２１に入力される電力を遮断可能なリレー２５を備え、前記制御装置４１，４１Ａは、前記複数の電力変換モジュールの一部を停止させる場合に、前記リレーによって前記電力回生装置に入力される電力を遮断し、かつ、前記複数の電力変換モジュールを全て停止させ、かつ、前記可変上限値（例えば、電圧上限値Ｖｍ、過電圧保護閾値Ｖｐ）を低減した後に、停止させる前記電力変換モジュールの入力部の正極端子（＋）と負極端子（−）の間を前記第一のバイパス装置群（例えば、バイパス装置２３１〜２３Ｎ）によって短絡し、停止させる前記電力変換モジュールの入力部の正極端子と負極端子の間を短絡した後に、前記リレーによって前記電力回生装置に入力される電力を導通し、前記電力回生装置に入力される電力を導通した後に、停止対象ではない電力変換モジュールの運転を再開するものとした。

（９）また、上記の実施の形態では、電気駆動作業車両において、エンジン１１と、（１）の回生制動システムと、前記回生制動システムの前記第一の発電機（例えば、主機発電機１２）から前記第一の整流回路（例えば、第一の整流回路１４）を介して前記第一の直流ライン（例えば、主機直流ライン１６）に出力される電力で動作するとともに、前記第一の直流ラインに回生電力を出力する走行モータ１０Ｌ，１０Ｒにより駆動される駆動輪３Ｌ，３Ｒとを備えるものとした。

（１０）また、上記の実施の形態では、（１）の回生制動システムにおいて、前記複数の電力変換モジュールは耐電圧特性において同等の特性を有し、これらの一部を停止させる場合は、停止させる前記一部の電力変換モジュールの個数に応じて前記可変上限値を低減するものとした。

＜付記＞
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１…車体フレーム、２Ｌ，２Ｒ…従動輪（前輪）、３ａＬ，３ａＲ…減速機、３Ｌ，３Ｒ…駆動輪（後輪）、４…運転室、５…荷台（ベッセル）、５ａ…ピン結合部、６…ホイストシリンダ、７…グリッドボックス、８…コントロールキャビネット、９…燃料タンク、１０Ｌ，１０Ｒ…走行モータ、１１…エンジン、１２…主機発電機、１３Ｌ，１３Ｒ…インバータ、１４…整流回路、１５…電力消費装置、１６…主機直流ライン、１７…電圧検出器、２１，２１Ａ…電力回生装置、２２１〜２２Ｎ…電力変換モジュール、２２１ａ〜２２Ｎａ…入力部、２２１ｂ〜２２Ｎｂ…出力部、２３１〜２３Ｎ，２４１〜２４Ｎ…バイパス装置、２５…リレー、２６Ｎ…インバータ、３１…補機発電機、３２…整流回路、３３…補機装置、３４…補機直流ライン、４１，４１Ａ…制御装置、１００…電気駆動ダンプトラック、１５１…抵抗、１５２…スイッチング素子、１５３…ダイオード、２６１…インバータ、２７１…トランス、２８１…整流回路、４１１，４１１Ａ…システム制御部、４１２…発電機制御部、４１３…電力消費装置制御部、４１４…電圧上限値設定部、４２１…電力回生制御部、４２２…故障検出部、４２３…モジュール制御部、４２４…バイパス制御部、４２５…リレー制御部、４２６…タイミング制御部

Claims (10)

1. エンジンに接続される第一の発電機および第二の発電機と、
   前記第一の発電機に接続され、前記第一の発電機の出力を整流して直流電力として第一の直流ラインに出力する第一の整流回路と、
   前記第一の直流ラインと走行モータとの間に接続されるインバータと、
   前記第一の直流ラインに接続され、前記第一の直流ラインの電力を消費可能な電力消費装置と、
   前記第二の発電機に接続され、前記第二の発電機の出力を整流して直流電力として第二の直流ラインに出力する第二の整流回路と、
   前記第二の直流ラインに接続される補機装置と、
   前記第一の直流ラインの電力を変換して前記第二の直流ラインに供給する電力回生装置と、
   前記第一の発電機、前記電力消費装置、および、前記電力回生装置を制御する制御装置と
   を備えた回生制動システムにおいて、
   前記電力回生装置は、
   前記第一の直流ラインからの電力を入力する入力部が直列接続された複数の電力変換モジュールと、
   前記複数の電力変換モジュールの入力部にそれぞれ接続され、前記入力部の正極端子と負極端子の間を個別に短絡可能な第一のバイパス装置群とを備え、
   前記制御装置は、
   前記第一の直流ラインから前記電力回生装置に入力される電圧が前記複数の電力変換モジュールの耐電圧特性の合計に基づく可変上限値を超えないように前記第一の発電機、前記電力消費装置、及び、前記電力回生装置を制御し、
   前記複数の電力変換モジュールの一部を停止させる場合に、停止させる電力変換モジュールの入力部の正極端子と負極端子の間を前記第一のバイパス装置群によって短絡するとともに、前記可変上限値を前記複数の電力変換モジュールのうち停止させる前記一部の電力変換モジュールの耐電圧特性に応じて低減することを特徴とする回生制動システム。
2. 請求項１記載の回生制動システムにおいて、
   前記可変上限値は、前記第一の直流ラインの電圧に係る電圧上限値を含み、
   前記制御装置は、前記第一の直流ラインの電圧が前記電圧上限値を超えないように前記第一の発電機および前記電力消費装置を制御することにより、前記電力回生装置に入力される電圧が可変上限値を超えないように制御することを特徴とする回生制動システム。
3. 請求項１又は２に記載の回生制動システムにおいて、
   前記可変上限値は、前記電力回生装置に入力される電圧に係る過電圧保護閾値を含み、
   前記複数の電力変換モジュールは、前記入力部から入力される電力の変換に供される少なくとも一つのスイッチング素子をそれぞれ備え、
   前記制御装置は、前記第一の直流ラインの電圧が前記過電圧保護閾値に達したときに前記複数の電力変換モジュールの全てのスイッチング素子の動作を停止することにより、前記電力回生装置に入力される電圧が可変上限値を超えないように制御することを特徴とする回生制動システム。
4. 請求項２記載の回生制動システムにおいて、
   前記可変上限値は、前記電力回生装置に入力される電圧に係る、前記電圧上限値よりも低く設定された過電圧保護閾値を含み、
   前記複数の電力変換モジュールは、前記入力部から入力される電力の変換に供される少なくとも一つのスイッチング素子をそれぞれ備え、
   前記制御装置は、前記第一の直流ラインの電圧が前記過電圧保護閾値に達したときに前記複数の電力変換モジュールの全てのスイッチング素子の動作を停止することにより、前記電力回生装置に入力される電圧が可変上限値を超えないように制御することを特徴とする回生制動システム。
5. 請求項１記載の回生制動システムにおいて、
   前記複数の電力変換モジュールの前記第二の直流ラインに電力を出力する出力部は直列接続されており、
   前記電力回生装置は、前記複数の電力変換モジュールの出力部にそれぞれ接続され、前記出力部の正極端子と負極端子の間を短絡可能な第二のバイパス装置群を備えたことを特徴とする回生制動システム。
6. 請求項１記載の回生制動システムにおいて、
   前記複数の電力変換モジュールの前記第二の直流ラインに電力を出力する出力部が並列接続されたことを特徴とする回生制動システム。
7. 請求項１記載の回生制動システムにおいて、
   前記制御装置は、前記複数の電力変換モジュールの一部を停止させる場合の停止対象ではない電力変換モジュールの台数が多いほど、前記可変上限値を高くすることを特徴とする電動車両の回生制動システム。
8. 請求項１記載の回生制動システムにおいて、
   第一の直流ラインから前記電力回生装置に入力される電力を遮断可能なリレーを備え、
   前記制御装置は、
   前記複数の電力変換モジュールの一部を停止させる場合に、
   前記リレーによって前記電力回生装置に入力される電力を遮断し、かつ、前記複数の電力変換モジュールを全て停止させ、かつ、前記可変上限値を低減した後に、停止させる前記電力変換モジュールの入力部の正極端子と負極端子の間を前記第一のバイパス装置群によって短絡し、
   停止させる前記電力変換モジュールの入力部の正極端子と負極端子の間を短絡した後に、前記リレーによって前記電力回生装置に入力される電力を導通し、
   前記電力回生装置に入力される電力を導通した後に、停止対象ではない電力変換モジュールの運転を再開することを特徴とする回生制動システム。
9. エンジンと、
   請求項１記載の回生制動システムと、
   前記回生制動システムの前記第一の発電機から前記第一の整流回路を介して前記第一の直流ラインに出力される電力で動作するとともに、前記第一の直流ラインに回生電力を出力する走行モータにより駆動される駆動輪と
   を備えたことを特徴とする電気駆動作業車両。
10. 請求項１記載の回生制動システムにおいて、
    前記複数の電力変換モジュールは耐電圧特性において同等の特性を有し、これらの一部を停止させる場合は、停止させる前記一部の電力変換モジュールの個数に応じて前記可変上限値を低減することを特徴とする回生制動システム。

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