JP4867665B2 - 蓄電体の充放電制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電体の充放電制御装置に係り、特に充電時に電力制御を行うようにした充放電制御装置に関するものである。
自動車や建設機械の作業機等においては、省エネルギーの観点から回転軸を介して同期電動機（ＰＭモータ）とエンジンとを連結して構成したハイブリッドシステムが採用されている。図３はハイブリッド建設機械としてパワーシャベルの構成図を示したもので、エンジンＥｎとＰＭモータ及び油圧ポンプの回転軸はそれぞれ連結されており、運転時にはＰＭモータをエンジンＥｎのアシストとして使用する。ＰＭモータは正逆方向への電力変換機能を有する電力変換装置（インバータ）を備え、その主電源としてバッテリや電気二重層キャパシタ等の蓄電体を使用している。このため、蓄電体の充放電機能が必須のものとなっている。
電力変換装置での充放電機能としては、ＰＭモータの駆動状態時には蓄電体の蓄電電圧を電力変換装置により交流の所定電圧に変換してＰＭモータに供給する。また、ＰＭモータが回生状態時にはＰＭモータで発生した電力を電力変換装置を介して直流に変換し、蓄電体を充電する。このような建設機械のハイブリッドシステムとしては特許文献１が公知となっている。
特開２００５−２６９８２５号公報
従来における充放電制御装置は、ＰＭモータが回生状態となったときに電力変換装置に対してトルク一定にて制御を行って蓄電体を充電している。
しかし、回生状態となったときに発生する電力は、ＰＭモータの回転速度によって発電される電力は異なり、また、充電時間や蓄電状態によっても異なるため過充電等の問題が発生している。
なお、特許文献１では、リミッタ制御を行うことにより過充電、過放電を防止しようとしているが充電時間や蓄電状態は考慮されていない。
本発明が目的とするところは、所望の電力を発生させ，且つ充放電の切換をスムースに実行できる蓄電体の充放電制御装置を提供することにある。
本発明の請求項１は、蓄電体を主電源とする電力変換装置を介してトルク指令値に基づいてＰＭモータを制御するよう構成した蓄電体の充放電制御装置において、
前記電力変換装置の制御部に電力ＰＩ制御部を設け、通常は前記ＰＭモータの制御を設定器により設定されたトルク指令値によるトルク制御とし、前記蓄電体が予め設定された充電残容量値以下となった時は前記ＰＭモータの制御を、前記設定器により設定されたトルク指令から前記電力ＰＩ制御部で算出されたトルク指令値による電力一定制御に切替え、且つ電力一定制御によって前記蓄電体を充電するよう構成すると共に、
前記電力ＰＩ制御部は、該電力ＰＩ制御部で設定された電力指令値と前記電力変換装置で検出された直流電流，直流電圧から求められた検出電力値との偏差信号に応じて比例演算する比例演算部と、前記設定された電力指令値をＰＭモータの速度信号で除して電力損失補正値を求める除算部を有し、前記比例演算部の出力と算出された電力損失補正値の和信号を前記ＰＩ制御部で算出されたトルク指令値として電力変換装置へ出力するよう構成したものである。
本発明の請求項２は、前記設定器により設定されたトルク指令値と前記電力ＰＩ制御部で算出トルク指令値の出力ルートにそれぞれ一次遅れのフィルタを設けたことを特徴としたものである。
本発明の請求項３は、前記ＰＭモータは、エンジン、ＰＭモータ及び油圧ポンプの各回転軸を連結してハイブリッド建設機械に設けたことを特徴としたものである。
以上のとおり、本発明によれば、ハイブリット建設機械において、主電源である蓄電体の充電電圧が所定値以下に低下したとき、エンジンをアシストするＰＭモータに対して目的とする任意の電力を発電するよう電力制御を行うよう構成したことにより、充放電制御装置として安定した制御を行うことができる。
また、トルク指令値と電力指令値の出力ルートにそれぞれ一次遅れのフィルタを設け、トルク制御と電力制御相互間の切替え時に、一次遅れフィルタの前回値を切替え前のトルク指令値とするよう構成したことにより、円滑な切替え制御が可能となる。
図１は、本発明の実施例を示す構成図を示したもので、１はＰＭモータで、エンジンに連結されてアシスト動作をする。２は電力変換装置で、ベクトル制御を行うための制御手段と、この制御手段によって制御されてインバータ及びコンバータとして機能する主回路を有している。また、この電力変換装置２には主電源としてのバッテリや電気二重層キャパシタ等の蓄電体３が接続される。４は速度演算部で、ＰＭモータ１の磁極位置検出信号を時間微分または時間差分により速度を演算し、速度信号は電力ＰＩ制御部１０とフィルタ５を介して電力演算部６に出力される。
また、位置検出信号は電力変換装置２の制御手段の回転座標変換部と逆回転座標変換部に出力されて３相／２相変換、又は２相／３相変換に変換された後、変換された３相交流の電圧指令に基づいてパルス幅変調される。
電力演算部６は、電力変換装置２に入力されるトルク信号と速度演算部４によって算出された速度信号から電力指令値Ｐrefを演算して電力ＰＩ制御部１０に出力する。７はトルク指令用のフィルタ、８はトルク制限部、９はフィルタクッション部で、トルク制御時と電力制御切替え時に最適なクッション特性が設定されている。
図２は電力ＰＩ制御部１０の構成図を示したものである。１１は一次遅れフィルタで、電力演算部６によって求められた電力指令値Ｐrefはこのフィルタ１１を通って減算部１３に出力される。１２は乗算部で、検出器により検出された直流電流Ｉｄｃと直流電圧Ｖｄｃとの乗算を実行して検出電力Ｐｄｅｔを生成し、減算部１３に出力する。減算部１３ではフィルタ１１を経て印加された電力指令値Ｐrefと検出電力Ｐｄｅｔとの減算処理が実行される。求められた偏差信号は比例演算部１４に出力され、偏差信号に対応した比例演算が行われた後、加算部１５に出力して遅れ回路１６を経て印加された比例信号を加算し、加算信号を電力損失補正値として加算部１８に出力する。
１７は除算部で、電力演算部６によって求めた電力指令値Ｐrefと速度演算部４により求められた速度信号ωＮの除算Ｐ／Ｎを実行してトルクＴを求める。このトルクＴは加算部１８に出力されて補正値と加算され、その出力はトルク指令値Ｔrefとして図１で示すスイッチ体ＳＷの一方の入力端子Ｓ１側に出力される。スイッチ体ＳＷの他方の入力端子Ｓ２側には設定器により設定されたトルク指令値がフィルタ７を介して入力される。スイッチ体ＳＷはトルク制御と電力制御の切替え信号によって切替えられる。
以上のように構成された本発明において、通常、スイッチ体ＳＷは端子Ｓ２側に接続されており、ＰＭモータ１はトルク指令値に基づき電力変換装置２を介して制御されている。蓄電体３には、現在の充電状態を監視する充電監視手段が設けられており、予め設定された充電残容量以下となったとき、自動若しくは手動によりスイッチ体ＳＷに切替え信号を出力し、端子Ｓ１側に切替える。
電力制御に切替えられたことにより、電力変換装置２は電力ＰＩ制御部１０側のルートで電力制御状態となる。これにより、従来ではＰＭモータをトルク一定で制御しているため、ＰＭモータの回転速度の変化により発電電力が変化して蓄電体への充電が不安定となっていたものが、本発明では、ＰＭモータ１の回転状態が変化しても蓄電体３に対しては一定の電力で充電することが可能となる。また、ＰＭモータの回転速度が変化した場合、ＰＭモータ１自体は電力変換装置２によって電力一定制御となっていることにより、その回転速度の変化に伴ってトルク指令値を変化させることが可能となる。
以上のように本発明は、充放電制御装置に電力ＰＩ制御部１０を設けたことによって、電力指令に応じたトルク指令値を計算により求めている。電力は、電力演算部において速度×トルクによって容易に求めることができるが、演算によって求める電力自体は理想的な電力値である。しかし、実際にはＰＭモータや電力変換装置に損失があるので、単に速度×トルクによって求めた電力値を電力指令とすると検出される電力は低い値となってしまう。このため、図２で示すように、加算部１８において検出電力のフィードバック値を電力損失補正値として加えてトルク指令値Ｔrefとしている。
また、トルク制御と電力制御間の切替えを円滑に行う必要があるが、本発明では７及び１１で示すように両指令にそれぞれ一次遅れのフィルタをかけ、制御が切替わるときに前回のトルク指令値を初期値として指令を変化させて各指令の急峻な変化による過電流発生を抑制している。
すなわち、トルク制御から電力制御への切替え時には、
切替え時電力指令前回値初期値＝切替え前のトルク指令値×回転速度とし、
電力制御からトルク制御への切替え時には、
切替え時電力指令前回値初期値＝切替え前のトルク指令値
としている。
以上本発明によれば、ＰＭモータに対して目的とした電力を発電することができ、且つトルク制御と電力制御との相互切替えを円滑に行うことができるため、充放電制御装置として安定した制御を行うことができる。
本発明の実施形態を示す構成図。 本発明の電力ＰＩ制御部の構成図。 ハイブリッド建設機械の構成図。
１… ＰＭモータ
２… 電力変換装置
３… 蓄電体
４… 速度演算部
５… フィルタ
６… 電力演算部
７… トルク指令フィルタ
８… トルク制限部
９… フィルタクッション
１０… 電力ＩＰ制御部
１１… 一次遅れフィルタ
１２… 乗算部
１４… 比例演算部
１７…除算部

Claims (3)

  1. 蓄電体を主電源とする電力変換装置を介してトルク指令値に基づいてＰＭモータを制御するよう構成した蓄電体の充放電制御装置において、
    前記電力変換装置の制御部に電力ＰＩ制御部を設け、通常は前記ＰＭモータの制御を設定器により設定されたトルク指令値によるトルク制御とし、前記蓄電体が予め設定された充電残容量値以下となった時は前記ＰＭモータの制御を、前記設定器により設定されたトルク指令から前記電力ＰＩ制御部で算出されたトルク指令値による電力一定制御に切替え、且つ電力一定制御によって前記蓄電体を充電するよう構成すると共に、
    前記電力ＰＩ制御部は、該電力ＰＩ制御部で設定された電力指令値と前記電力変換装置で検出された直流電流，直流電圧から求められた検出電力値との偏差信号に応じて比例演算する比例演算部と、前記設定された電力指令値をＰＭモータの速度信号で除して電力損失補正値を求める除算部を有し、前記比例演算部の出力と算出された電力損失補正値の和信号を前記ＰＩ制御部で算出されたトルク指令値として電力変換装置へ出力するよう構成したことを特徴とした蓄電体の充放電制御装置。
  2. 前記設定器により設定されたトルク指令値と前記電力ＰＩ制御部で算出トルク指令値の出力ルートにそれぞれ一次遅れのフィルタを設けたことを特徴とした請求項１記載の蓄電体の充放電制御装置。
  3. 前記ＰＭモータは、エンジン、ＰＭモータ及び油圧ポンプの各回転軸を連結してハイブリッド建設機械に設けたことを特徴とした請求項１又は２記載の蓄電体の充放電制御装置。
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