JP5101400B2 - ハイブリッド型建設機械 - Google Patents

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Description

本発明は、昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子を有し、負荷への電力供給の制御と、負荷より得られる回生電力の蓄電器への供給の制御とを行う昇降圧コンバータの駆動制御装置含むハイブリッド型建設機械に関する。
従来より、駆動機構の一部を電動化したハイブリッド型建設機械が提案されている。このような建設機械は、ブーム、アーム、バケット若しくはリフティングマグネット、及び下部走行体等の作業要素を油圧駆動するための油圧ポンプを備え、この油圧ポンプを駆動するためのエンジンに増速機を介して電動機を接続し、電動機でエンジンの駆動をアシストするとともに、発電によって得る電力をバッテリに充電している。
また、上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源としても電動機を備え、旋回機構の駆動時に電動機で力行運転(加速時)と回生運転(減速時)を行うことにより、発電される電力をバッテリに充電している(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−299102号公報
ところで、上述のようにバッテリへの充電に加えて、バッテリから電力供給を行う場合には、充放電の制御を行うために昇降圧コンバータを用いることが考えられる。
しかしながら、例えば、上部旋回体の旋回駆動はハイブリッド型建設機械の作業中に繰り返し行われるため、その度に昇降圧コンバータで昇降圧制御を行うと、昇降圧コンバータにおける電力損失が生じるという課題があった。
そこで、本発明は、必要に応じて昇降圧制御を行うことにより、省エネルギ化を図った昇降圧コンバータの駆動制御装置含むハイブリッド型建設機械を提供することを目的とする。
本発明は、
エンジンの動力により発電された電力を蓄電する蓄電器と、
力行駆動及びエネルギ回生の双方を行う旋回用電動機と、
前記蓄電器と前記旋回用電動機との間に接続され、前記蓄電器の充放電制御を行う昇降圧コンバータ
前記旋回用電動機と前記昇降圧コンバータとの間のDCバスの電圧値(以下、DCバス電圧値と称す)が所定の電圧範囲内にある場合は、前記昇降圧コンバータをオフにし、前記DCバス電圧値が前記所定の電圧範囲から外れると、当該所定の電圧範囲内に収まるように前記DCバス電圧値の目標値に基づき前記昇降圧コンバータを駆動制御する制御装置とを備える、ハイブリッド型建設機械を提供するものである。
本発明によれば、昇圧動作と降圧動作を安定的に行うことができるとともに、昇降圧動作における省エネルギ化を図った昇降圧コンバータの駆動制御装置含むハイブリッド型建設機械を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の昇降圧コンバータの駆動制御装置及びこれを含むハイブリッド型建設機械を適用した実施の形態について説明する。
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1の昇降圧コンバータの駆動制御装置を含むハイブリッド型建設機械を示す側面図である。
このハイブリッド型建設機械の下部走行体1には、旋回機構2を介して上部旋回体3が搭載されている。また、上部旋回体3には、ブーム4、アーム5、及びバケット6と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9に加えて、キャビン10及び動力源が搭載される。
[全体構成]
図2は、実施の形態1のハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。この図2では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。
機械式駆動部としてのエンジン11と、アシスト駆動部としての電動発電機12は、ともに増力機としての減速機13の入力軸に接続されている。また、この減速機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が接続されている。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、実施の形態1の建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ17には、下部走行体1用の油圧モータ1A(右用)及び1B(左用)、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る。
また、電動発電機12には、インバータ18及び昇降圧コンバータ100を介して蓄電器としてのバッテリ19が接続される。このインバータ18と昇降圧コンバータ100との間は、DCバス110によって接続されている。
また、DCバス110には、インバータ20を介して旋回用電動機21が接続されている。DCバス110は、バッテリ19、電動発電機12、及び旋回用電動機21の間で電力の授受を行うために配設されている。
DCバス110には、DCバス110の電圧値(以下、DCバス電圧値と称す)を検出するためのDCバス電圧検出部111が配設されている。検出されるDCバス電圧値は、コントローラ30に入力される。
また、バッテリ19には、バッテリ電圧値を検出するためのバッテリ電圧検出部112と、バッテリ電流値を検出するためのバッテリ電流検出部113が配設されている。これらによって検出されるバッテリ電圧値とバッテリ電流値は、コントローラ30に入力される。
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。また、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が接続される。
操作装置26には、油圧ライン27及び28を介して、コントロールバルブ17及びレバー操作検出部としての圧力センサ29がそれぞれ接続される。この圧力センサ29には、実施の形態1の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ30が接続されている。
このような実施の形態1の建設機械は、エンジン11、電動発電機12、及び旋回用電動機21を動力源とするハイブリッド型建設機械である。これらの動力源は、図1に示す上部旋回体3に搭載される。以下、各部について説明する。
[各部の構成]
エンジン11は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機13の一方の入力軸に接続される。このエンジン11は、建設機械の運転中は常時運転される。
電動発電機12は、電動(アシスト)運転(力行駆動)及び発電運転(エネルギ回生)の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機12として、インバータ20によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機12は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機12の回転軸は減速機13の他方の入力軸に接続される。
減速機13は、2つの入力軸と1つの出力軸を有する。2つの入力軸の各々には、エンジン11の駆動軸と電動発電機12の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ14の駆動軸が接続される。エンジン11の負荷が大きい場合には、電動発電機12が電動(アシスト)運転を行い、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。これによりエンジン11の駆動がアシストされる。一方、エンジン11の負荷が小さい場合は、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が発電運転による発電を行う。電動発電機12の力行運転と発電運転の切り替えは、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。
メインポンプ14は、コントロールバルブ17に供給するための油圧を発生するポンプである。この油圧は、コントロールバルブ17を介して油圧モータ1A、1B、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の各々を駆動するために供給される。
パイロットポンプ15は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。
コントロールバルブ17は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体1用の油圧モータ1A、1B、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の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。
インバータ18は、上述の如く電動発電機12と昇降圧コンバータ100との間に設けられ、コントローラ30からの指令に基づき、電動発電機12の運転制御を行う。これにより、インバータ18が電動発電機12を電動運転している際には、必要な電力をバッテリ19と昇降圧コンバータ100からDCバス110を介して電動発電機12に供給する。また、電動発電機12を回生運転している際には、電動発電機12により発電された電力をDCバス110及び昇降圧コンバータ100を介してバッテリ19に充電する。
バッテリ19は、昇降圧コンバータ100を介してインバータ18及びインバータ20に接続されている。これにより、電動発電機12の電動(アシスト)運転と旋回用電動機21の力行運転との少なくともどちらか一方が行われている際には、電動(アシスト)運転又は力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、電動発電機12の発電運転と旋回用電動機21の回生運転の少なくともどちらか一方が行われている際には、発電運転又は回生運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積するための電源である。
このバッテリ19の充放電制御は、バッテリ19の充電状態、電動発電機12の運転状態(電動(アシスト)運転又は発電運転)、旋回用電動機21の運転状態(力行運転又は回生運転)に基づき、昇降圧コンバータ100によって行われる。この昇降圧コンバータ100の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、DCバス電圧検出部111によって検出されるDCバス電圧値、バッテリ電圧検出部112によって検出されるバッテリ電圧値、及びバッテリ電流検出部113によって検出されるバッテリ電流値に基づき、コントローラ30によって行われる。
インバータ20は、旋回用電動機21と昇降圧コンバータ100との間に設けられ、コントローラ30からの指令に基づき、旋回用電動機21に対して運転制御を行う。これにより、インバータが旋回用電動機21を力行運転している際には、必要な電力をバッテリ19から昇降圧コンバータ100を介して旋回用電動機21に供給する。また、旋回用電動機21が回生運転をしている際には、旋回用電動機21により発電された電力を昇降圧コンバータ100を介してバッテリ19へ充電する。図2には、旋回電動機(1台)及びインバータ(1台)を含む実施の形態を示すが、バケット6の代わりにリフティングマグネットを備える場合や旋回機構部以外の駆動部を電動化する場合には、これらの電動機構の各々をインバータを介してDCバス110に接続してもよい。
昇降圧コンバータ100は、一側がDCバス110を介して電動発電機12及び旋回用電動機21に接続されるとともに、他側がバッテリ19に接続されており、DCバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧又は降圧を切り替える制御を行う。電動発電機12が電動(アシスト)運転を行う場合には、インバータ18を介して電動発電機12に電力を供給する必要があるため、DCバス電圧値を昇圧する必要がある。一方、電動発電機12が発電運転を行う場合には、発電された電力をインバータ18を介してバッテリ19に充電する必要があるため、DCバス電圧値を降圧する必要がある。これは、旋回用電動機21の力行運転と回生運転においても同様であり、その上、電動発電機12はエンジン11の負荷状態に応じて運転状態が切り替えられ、旋回用電動機21は上部旋回体3の旋回動作に応じて運転状態が切り替えられるため、電動発電機12と旋回用電動機21には、いずれか一方が電動(アシスト)運転又は力行運転を行い、他方が発電運転又は回生運転を行う状況が生じうる。
このため、昇降圧コンバータ100は、電動発電機12と旋回用電動機21の運転状態に応じて、DCバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。この制御手法については、図3乃至図9を用いて説明する。
DCバス110は、2つのインバータ18及び20と昇降圧コンバータとの間に配設されており、バッテリ19、電動発電機12、及び旋回用電動機21の間で電力の授受が可能に構成されている。
DCバス電圧検出部111は、DCバス電圧値を検出するための電圧検出部である。検出されるDCバス電圧値はコントローラ30に入力され、このDCバス電圧値を一定の範囲内に収めるための昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。
バッテリ電圧検出部112は、バッテリ19の電圧値を検出するための電圧検出部であり、バッテリの充電状態を検出するために用いられる。検出されるバッテリ電圧値は、コントローラ30に入力され、昇降圧コンバータ100の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。
バッテリ電流検出部113は、バッテリ19の電流値を検出するための電流検出部である。バッテリ電流値は、バッテリ19から昇降圧コンバータ100に流れる電流を正の値として検出される。検出されるバッテリ電流値は、コントローラ30に入力され、昇降圧コンバータ100の電流制御を行うために用いられる。
旋回用電動機21は、力行運転(力行駆動)及び回生運転(エネルギ回生)の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体3の旋回機構2を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機21の回転駆動力の回転力が減速機24にて増幅され、上部旋回体3が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体3の慣性回転により、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ことができる。ここでは、旋回用電動機21として、PWM(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ20によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機21は、例えば、磁石埋込型のIPMモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機21にて発電される電力を増大させることができる。
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旋回用電動機21の回転前の回転軸21Aの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸21Aの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機21の回転軸21Aの回転角度を検出することにより、旋回機構2の回転角度及び回転方向が導出される。また、図2にはレゾルバ22を取り付けた形態を示すが、電動機の回転センサを有しないインバータ制御方式を用いてもよい。
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、旋回用電動機21の回転軸21Aを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ23は、電磁式スイッチにより制動/解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ30によって行われる。
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2に機械的に伝達する減速機である。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機21の回転力を増力させ、より大きな回転力として旋回体へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、旋回体で発生した回転数を増加させ、より多くの回転動作を旋回用電動機21に発生させることができる。
旋回機構2は、旋回用電動機21のメカニカルブレーキ23が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体3が左方向又は右方向に旋回される。
操作装置26は、旋回用電動機21、下部走行体1、ブーム4、アーム5、及びバケット6を操作するための操作装置であり、ハイブリッド型建設機械の運転者によって操作される。
この操作装置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)を運転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。
操作装置26が操作されると、油圧ライン27を通じてコントロールバルブ17が駆動され、これにより、油圧モータ1A、1B、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内の油圧が制御されることによって、下部走行体1、ブーム4、アーム5、及びバケット6が駆動される。
なお、油圧ライン27は、油圧モータ1A及び1B、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の駆動に必要な油圧をコントロールバルブに供給する。
旋回用操作検出部としての圧力センサ29では、操作装置26に対して旋回機構2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。これにより、操作装置26に入力される旋回機構2を旋回させるための操作量を的確に把握することができる。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。また、実施の形態1では、レバー操作検出部としての圧力センサを用いる形態について説明するが、操作装置26に入力される旋回機構2を旋回させるための操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。
[コントローラ30]
コントローラ30は、実施の形態1のハイブリッド型建設機械の駆動制御を行う制御装置であり、旋回駆動制御部40、及び駆動制御部120を含み、CPU(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、CPUが内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。
旋回駆動制御部40は、圧力センサ29から入力される信号(操作装置26に入力される旋回機構2を旋回させるための操作量を表す信号)を速度指令に変換し、旋回用電動機21の駆動制御を行う。
駆動制御部120は、電動発電機12の運転制御(電動(アシスト)運転又は発電運転の切り替え)、及び、昇降圧コンバータ100の駆動制御を行う駆動制御装置である。駆動制御部120が昇降圧コンバータ100の昇降圧動作を切り替えることにより、バッテリ19の充放電制御が行われる。
この駆動制御部120は、バッテリ19の充電状態、電動発電機12の運転状態(電動(アシスト)運転又は発電運転)、及び旋回用電動機21の運転状態(力行運転又は回生運転)に基づいて、昇降圧コンバータ100の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりバッテリ19の充放電制御を行う。
この昇降圧コンバータ100の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、DCバス電圧検出部111によって検出されるDCバス電圧値、及びバッテリ電圧検出部112によって検出されるバッテリ電圧値に基づいて行われる。
図3は、実施の形態1のハイブリッド型建設機械に用いる昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。この昇降圧コンバータ100は、リアクトル101、昇圧用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)102A、降圧用IGBT102B、バッテリ103を接続するための電源接続端子104、モータ105を接続するための出力端子106、及び、一対の出力端子106に並列に挿入される平滑用のコンデンサ107を備える。コンバータ100の出力端子106とモータ105との間は、DCバス110によって接続される。なお、バッテリ103は、図2におけるバッテリ19に相当し、モータ105は、図2における電動発電機12と旋回用電動機21に相当する。図3では、図の簡略化のためにインバータ18及び20(図2参照)を省略する。
リアクトル101は、一端が昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bの中間点に接続されるとともに、他端が電源接続端子104に接続されており、昇圧用IGBT102Aのオン/オフに伴って生じる磁気エネルギをDCバス100に供給するために設けられている。
昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子である。昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bは、後述する昇降圧コンバータの駆動制御装置からゲート端子にPWM電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bには、整流素子であるダイオード102a及び102bが並列接続される。
バッテリ103は、昇降圧コンバータ100を介してDCバス110との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図3には、蓄電器としてバッテリ103を示すが、バッテリ103の代わりに、コンデンサ、充放電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。なお、このバッテリ103は、図2に示すバッテリ19に相当する。
電源接続端子104及び出力端子106は、バッテリ103及びモータ105が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子104の間には、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出部112が接続される。一対の出力端子106の間には、DCバス電圧を検出するDCバス電圧検出部111が接続される。
バッテリ電圧検出部112は、バッテリ103の電圧値(vbat_det)を検出し、DCバス電圧検出部111は、DCバス110の電圧(以下、DCバス電圧:vdc_det)を検出する。
出力端子106に接続される負荷であるモータ105は、力行運転(力行駆動)及び回生運転(エネルギ回生)が可能な電動機であればよく、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。図3には、直流駆動用のモータ105を示すが、インバータを介して交流駆動されるモータであってもよい。
平滑用のコンデンサ107は、出力端子106の正極端子と負極端子との間に挿入され、DCバス電圧を平滑化できる蓄電素子であればよい。
バッテリ電流検出部113は、バッテリ103に通流する電流の値を検出可能な検出手段であればよく、電流検出用の抵抗器を含む。このリアクトル電流検出部108は、バッテリ103に通流する電流値(ibat_det)を検出する。
[昇降圧動作]
このような昇降圧コンバータ100において、DCバス110を昇圧する際には、昇圧用IGBT102Aのゲート端子にPWM電圧を印加し、降圧用IGBT102Bに並列に接続されたダイオード102bを介して、昇圧用IGBT102Aのオン/オフに伴ってリアクトル101に蓄えられた磁気エネルギをDCバス110に供給する。これにより、DCバス110が昇圧される。
また、DCバス110を降圧する際には、降圧用IGBT102Bのゲート端子にPWM電圧を印加し、降圧用IGBT102Bを介して、モータ105によって発生される回生電力をDCバス110からバッテリ103に供給する。これにより、DCバス110に蓄積された電力がバッテリ103に充電され、DCバス110が降圧される。
ここで、実施の形態1の昇降圧コンバータ100は、ハイブリッド式の建設用機械の電源制御部に適用するため、ハイブリッド型建設機械で取り扱う電圧、電流に耐えうる容量が必要とされる。
このため、リアクトル101、昇圧用IGBT102A、降圧用IGBT102B、電源接続端子104、出力端子106、及びコンデンサ107は、このような用途に耐えうるものであることが要求される。
また、実施の形態1では、昇降圧動作の切替を常時行うのではなく、所定の電圧範囲から外れた場合に行うが、その詳細については後述する。
なお、この図3では、昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102BをPWM駆動する制御部を省略する。このような制御部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。実施の形態1では図4を用いて演算処理装置によって実現される制御部について説明する。
図4は、実施の形態1の昇降圧コンバータの駆動制御装置における昇降圧動作の切替制御の処理手順を示す図である。
実施の形態1の昇降圧コンバータの駆動制御装置では、DCバス電圧値の目標値はV3(V)に設定されている。また、DCバス電圧値が下限値V1(V)から上限値V2(V)までの電圧範囲内にある場合は、昇降圧コンバータ100をオフとする。一方、下限値V1(V)未満の場合、又は上限値V2(V)を超える場合には、目標値をV3(V)に設定して昇降圧コンバータ100の駆動制御を行う。この切替制御は、駆動制御部120によって実行される。
なお、下限値V1(V)、上限値V2(V)、目標値V3(V)には、V1<V3<V2の関係が成立するものとする。
駆動制御部120は、DCバス電圧値が下限値であるV1未満であるか否かを判定する(ステップS1)。DCバス電圧値は、DCバス電圧検出部111で検出され、コントローラ30内にある駆動制御部120によって検知される。
駆動制御部120は、V1未満であると判定した場合は、DCバス電圧値の目標値をV3に設定する(ステップS2)。電動発電機12の電動運転、又は旋回用電動機21の力行運転を行うには、ある程度のDCバス電圧値が必要であるため、DCバス110の電圧値を上昇させるためである。
次いで、駆動制御部120は、昇降圧コンバータ100をオンにする(ステップS3)。この場合は、昇圧動作を行う必要があるため、昇圧用IGBT102Aのゲートにパルス電圧が印加され、昇圧用IGBT102Aのオン・オフが繰り返されることにより、目標値をV3としてDCバス電圧値が昇圧される。
駆動制御部120は、DCバス電圧値がV3以上であるか否かを判定する(ステップS4)。DCバス電圧値が目標値に達したか否かを判定するためである。
駆動制御部120は、DCバス電圧値が目標値であるV3に達したと判定した場合は、昇降圧コンバータ100をオフにする(ステップS5)。すなわち、この場合、昇圧用IGBT102Aがオフにされ、昇降圧コンバータ100は昇降圧制御を行っていない状態にされる。
なお、ステップS4においてDCバス電圧値が目標値であるV3未満であると判定した場合は、駆動制御部120は、DCバス電圧値がV3に到達するまでステップS4の処理を繰り返し実行する。これにより、DCバス電圧値はV3に上昇される。
ステップS1において、DCバス電圧値がV1未満ではない(すなわちV1以上である)と判定した場合は、駆動制御部120は、DCバス電圧値が上限値であるV2より高い(V2を超えている)か否かを判定する(ステップS6)。DCバス電圧値がV1からV3の電圧範囲内にあるか否かを判定するためである。
駆動制御部120は、V2より高いと判定した場合は、DCバス電圧値の目標値をV3に設定する(ステップS7)。電動発電機12及び旋回用電動機21に印加する電圧値には上限があるため、高すぎる場合には損傷を防ぐために、降圧する必要があるからである。
次いで、駆動制御部120は、昇降圧コンバータ100をオンにする(ステップS8)。この場合は、降圧動作を行う必要があるため、降圧用IGBT102Bのゲートにパルス電圧が印加され、降圧用IGBT102Bのオン・オフが繰り返されることにより、目標値をV3としてDCバス電圧値が降圧される。
駆動制御部120は、DCバス電圧値がV3以下であるか否かを判定する(ステップS9)。DCバス電圧値が目標値に達したか否かを判定するためである。
駆動制御部120は、DCバス電圧値が目標値であるV3に達したと判定した場合は、昇降圧コンバータ100をオフにする(ステップS5)。すなわち、この場合、降圧用IGBT102Bがオフにされ、昇降圧コンバータ100は昇降圧制御を行っていない状態にされる。
なお、ステップS9においてDCバス電圧値がV3より高いと判定した場合は、駆動制御部120は、DCバス電圧値がV3に到達するまでステップS9の処理を繰り返し実行する。これにより、DCバス電圧値はV3に降圧される。
また、ステップS6においてDCバス電圧値がV2より高くない(すなわちV2以下である)と判定した場合は、駆動制御部120は手順をステップS5に進行させ、昇降圧コンバータ100をオフにする(ステップS5)。この場合、DCバス電圧値は下限値V1から上限値V2の間の電圧範囲内にあるため、昇降圧の制御を行わないようにするためである。
以上のステップS1からS9の処理は、実施の形態1のハイブリッド型建設機械の運転中において繰り返し実行される。
図5は、実施の形態1のハイブリッド型建設機械の動作例を示す特性図である。ここでは、ハイブリッド型建設機械の作業要素のうち、上部旋回体3のみを動作させる場合における、DCバス電圧値、旋回用電動機21の駆動状態(力行又は回生)、及び昇降圧コンバータ100の作動状態(オン又はオフ)の別を示す。
期間(1)では、DCバス電圧値はV3(V)で電圧範囲内にあり、旋回用電動機21は停止しており、昇降圧コンバータ100はオフにされている。
期間(2)では、旋回用電動機21の力行運転が開始され、DCバス電圧値がV3(V)から低下し始めるが、電圧範囲の下限値V1(V)以上であるため、昇降圧コンバータ100はオフの状態に保持される。この期間(2)は、旋回用電動機21の回転軸21aが加速されている状態に相当する。
なお、期間(2)では、昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bはともにオフにされているが、図3の回路図ではバッテリ103からダイオード102bを通じ、さらにDCバス110を介してモータ105(ここでは旋回用電動機21)に電力が供給される。
期間(3)では、旋回用電動機21の力行運転が終わり、回転軸21aの定速回転が行われるが、期間の最初に一瞬だけDCバス電圧値がV1(V)未満になることにより、駆動制御部120によって昇降圧コンバータ100が駆動制御され、DCバス電圧値が昇圧される。なお、このときのDCバス電圧値の目標値はV3(V)に設定される。
期間(4)では、DCバス電圧値はV3(V)で電圧範囲内にあり、旋回用電動機21の回転軸21aは定速回転されており、昇降圧コンバータ100はオフにされる。
期間(5)では、上部旋回体3の旋回動作を制動させるために、旋回用電動機21の回生運転が行われる。旋回用電動機21が発電を行うことによりDCバス電圧値はV3(V)から上昇し始めるが、DCバス電圧値はV1(V)以上、V2(V)以下の電圧範囲内にあるため、昇降圧コンバータ100はオフの状態に保持される。
期間(6)では、旋回用電動機21の駆動が終了するが、期間の最初に一瞬だけDCバス電圧値がV2(V)を超えることにより昇降圧コンバータ100がオンにされ、DCバス電圧値が降圧される。このときのDCバス電圧値の目標値はV3(V)に設定される。なお、この期間(6)では、旋回用電動機21は期間(5)で回生運転による制動トルクがかかることにより、停止された状態となる。
期間(7)では、旋回用電動機21が停止された状態で、DCバス電圧値は目標値であるV3(V)になっているので、昇降圧コンバータ100はオフにされる。
以上、実施の形態1の昇降圧コンバータの駆動制御装置によれば、DCバス電圧値が予め設定した電圧範囲内にある場合は昇降圧コンバータ100をオフにするので、このようにオフにすることなく常時昇降圧コンバータ100を駆動制御する場合に比べて、昇降圧コンバータ100における電力損失が低減されるため、昇降圧動作における省エネルギ化を図ることができる。また、予め設定した電圧範囲からDCバス電圧値が逸脱した場合には昇降圧コンバータ100によって速やかにDCバス電圧値が目標値まで昇圧又は降圧されるので、昇圧動作と降圧動作を安定的に行うことができる。
[実施の形態2]
図6は、実施の形態2の昇降圧コンバータの駆動制御装置における昇降圧動作の切替制御の処理手順を示す図である。
実施の形態2の昇降圧コンバータの駆動制御装置は、昇降圧コンバータ100をオフにする条件と、DCバス電圧値の目標値の設定の仕方が実施の形態1の昇降圧コンバータの駆動制御装置と異なる。その他の構成等は実施の形態1の昇降圧コンバータの駆動制御装置に準ずるため、同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
実施の形態2では、DCバス電圧値の目標値が昇圧用と降圧用とで異なり、昇圧用の目標値はV4(V)からV5(V)の間で変化する。昇圧用の目標値は、旋回用電動機21及び電動発電機12の必要電圧値がV4(V)以下の場合には、V4(V)に設定され、旋回用電動機21及び電動発電機12の必要電圧値がV4(V)より高い場合には、必要電圧値に追従するように駆動制御部120によって増大されて最大でV5(V)まで上昇される。なお、昇圧用の目標値V4(V)、V5(V)は、実施の形態1における上限値V2(V)を用いると、V4<V5<V2の関係が成立する電圧値である。
また、DCバス電圧値が上限電圧値V2を超えた場合には、降圧用の目標値がV2(V)に設定される。
これにより、実施の形態2の昇降圧コンバータの駆動制御装置では、DCバス電圧値が負荷の必要電圧値以上であり、かつ、上限電圧値以下の場合には、昇降圧コンバータ100がオフにされる。また、負荷の必要電圧がDCバス電圧値より高い場合には、昇降圧コンバータ100に昇圧動作を行わせ、DCバス電圧値が上限電圧値より高い場合には、昇降圧コンバータ100に降圧動作を行わせる。
図6に示すように、駆動制御装置120は、モータ105が駆動中であるか否かを判定する(ステップS21)。図3に示すモータ105は、図2では電動発電機12及び旋回用電動機21に相当するため、駆動制御装置120は、電動発電機12及び旋回用電動機21がともに駆動中であるか否かを判定する。
駆動中であると判定した場合は、駆動制御装置120は、モータ105の必要電圧値を演算する(ステップS22)。モータ105の必要電圧値は、電動発電機12の必要電圧と旋回用電動機21の必要電圧値のうちの高い方の電圧値であり、電動発電機12と旋回用電動機21のトルク電流指令と回転数に基づいて必要電あるが演算される。
次いで、駆動制御装置120は、DCバス電圧値がモータ105の必要電圧値よりも低いか否かを判定する(ステップS23)。昇圧の必要性を判定するためである。
DCバス電圧値がモータ105の必要電圧値よりも低いと判定した場合は、駆動制御装置120は、DCバス電圧値の昇圧用の目標値をステップS22で演算した必要電圧値に設定する(ステップS24)。DCバス電圧値をモータ105の駆動に必要な電圧値に昇圧するためである。
次いで、駆動制御装置120は、昇降圧コンバータ100をオンにする(ステップS25)。この場合は、昇圧動作を行う必要があるため、昇圧用IGBT102Aのゲートにパルス電圧が印加され、昇圧用IGBT102Aのオン・オフが繰り返されることにより、昇圧用の目標値である必要電圧値にまでDCバス電圧値が昇圧される。
ステップS25の処理が終了すると、駆動制御装置120は、手順をステップS23にリターンし、再びDCバス電圧値がモータ105の必要電圧値よりも低いか否かを判定する。ステップS23からS25の処理は、ステップS23においてDCバス電圧値がモータ105の必要電圧値以上であると判定されるまで繰り返し実行される。
ステップS23においてDCバス電圧値がモータ105の必要電圧値以上であると判定した場合は、駆動制御装置120は、DCバス電圧値が上限電圧値より高いか否かを判定する(ステップS26)。DCバス電圧値が上限電圧値V2より高い場合にはモータ105の損傷等を防ぐために降圧する必要があるからである。
駆動制御装置120は、DCバス電圧値が上限電圧値より高いと判定した場合は、DCバス電圧値の降圧用の目標値を上限電圧値に設定する(ステップS27)。上限電圧値V2を降圧用の目標値として降圧するためである。
次いで、駆動制御装置120は、昇降圧コンバータ100をオンにする(ステップS28)。この場合は、降圧動作を行う必要があるため、降圧用IGBT102Bのゲートにパルス電圧が印加され、降圧用IGBT102Bのオン・オフが繰り返されることにより、降圧用の目標値である上限電圧値V2にまでDCバス電圧値が降圧される。
また、ステップS26において、DCバス電圧値が上限電圧値以下であると判定した場合は、駆動制御装置120は、昇降圧コンバータ100をオフする(ステップS29)。DCバス電圧値が必要電圧値以上かつ上限電圧値以下である場合は、DCバス110の昇降圧制御を行わなくてもモータ105の動作等に影響はないからである。この場合、昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bがともにオフにされ、昇降圧コンバータ100は昇降圧制御を行っていない状態にされる。
なお、ステップS21において、モータ105が駆動中ではないと判定した場合においても、駆動制御装置120は、昇降圧コンバータ100をオフにする(ステップS29)。モータ105が駆動されていない場合は、DCバス110の昇降圧制御を行う必要がないからである。
以上のステップS21からステップS29の処理は、実施の形態2のハイブリッド型建設機械の運転中において繰り返し実行される。
図7は、実施の形態2のハイブリッド型建設機械の動作例を示す特性図である。ここでは、ハイブリッド型建設機械の作業要素のうち、上部旋回体3のみを動作させる場合における、DCバス電圧値、旋回用電動機21の必要電圧値、及び昇降圧コンバータ100の作動状態(オン又はオフ)の別を示す。
期間(1)が始まる前は、旋回用電動機21は駆動されておらず、昇降圧コンバータ100はオフにされており、DCバス電圧値はV4(V)となっている。
期間(1)に入り、旋回用電動機21の駆動が開始されて加速し始めると、旋回用電動機21の必要電圧値が上昇する。
期間(2)に入り、旋回用電動機21は引き続き加速しており、旋回用電動機21の必要電圧値がV4(V)を超えるため、駆動制御装置120によって昇降圧コンバータ100がオンにされ、これにより、DCバス電圧値の昇圧用の目標値は旋回用電動機21の必要電圧値に設定されるため、V4(V)から増大し続けてV5(V)になる。
期間(3)に入ると、旋回用電動機21は減速し始める。これにより旋回用電動機21は回生運転状態となり発電を行うため、DCバス電圧値はV5(V)を超えて上昇を続ける。また、このとき、DCバス電圧値は、旋回用電動機21の必要電圧値の上限(V5(V))を超えるため、昇降圧コンバータ100はオフにされる。期間(3)の最後にはDCバス電圧値の上限電圧値であるV5(V)に到達する。
期間(4)では、初めにDCバス電圧値がV5(V)を超えるため、DCバス電圧値を降圧させるために、昇降圧コンバータ100がオンにされる。この期間(4)では旋回用電動機21は引き続き減速する。これにより旋回用電動機21は発電を行うため、DCバス110にはエネルギ回生によって得られた電力が供給される。このときのDCバス電圧値の目標値は昇圧用の目標値の上限値であるV5(V)であるため、DCバス100は昇降圧コンバータ100によって降圧されつつ、DCバス電圧値はV5(V)に保持される。
期間(5)では、旋回用電動機21が停止される。これにより、昇降圧コンバータ100はオフにされる。
以上、実施の形態2の昇降圧コンバータの駆動制御装置によれば、DCバス電圧値が予め設定した電圧範囲内にある場合は昇降圧コンバータ100をオフにするので、このようにオフにすることなく常時昇降圧コンバータ100を駆動制御する場合に比べて、昇降圧コンバータ100における電力損失が低減されるため、昇降圧動作における省エネルギ化を図ることができる。また、予め設定した電圧範囲からDCバス電圧値が逸脱した場合には昇降圧コンバータ100によって速やかにDCバス電圧値が目標値まで昇圧又は降圧されるので、昇圧動作と降圧動作を安定的に行うことができる。
以上では、出力端子106に直流駆動のモータ105を直接接続する形態について説明したが、これに代えて、出力端子106にインバータを介して交流駆動されるモータを接続してもよい。
なお、実施の形態2のハイブリッド型建設機械に用いる昇降圧コンバータの駆動制御装置の制御部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。
以上では、実施の形態1及び2の昇降圧コンバータの駆動制御装置を含むハイブリッド型建設機械がブーム4、アーム5、及びバケット6を含むショベル形式の建設機械である形態について説明したが、実施の形態1及び2の昇降圧コンバータの駆動制御装置は、フォークリフトやクレーン等の搬送装置、車両やロボット工作機械の駆動部にも適用可能である。
また、以上では、PI制御を用いる形態について説明したが、制御方式はPI制御方式に限られるものではなく、ヒステリシス制御、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御、ゲインスケジューリング制御、又は、スライディングモード制御であってもよい。
以上、本発明の例示的な実施の形態のハイブリッド型建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
実施の形態1の昇降圧コンバータの駆動制御装置を含むハイブリッド型建設機械を示す側面図である。 実施の形態1のハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。 実施の形態1のハイブリッド型建設機械に用いる昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。 実施の形態1の昇降圧コンバータの駆動制御装置における昇降圧動作の切替制御の処理手順を示す図である。 実施の形態1のハイブリッド型建設機械の動作例を示す特性図である。 実施の形態2の昇降圧コンバータの駆動制御装置における昇降圧動作の切替制御の処理手順を示す図である。 実施の形態2のハイブリッド型建設機械の動作例を示す特性図である。
符号の説明
1 下部走行体
1A、1B 走行機構
2 旋回機構
3 上部旋回体
4 ブーム
5 アーム
6 バケット
7 ブームシリンダ
8 アームシリンダ
9 バケットシリンダ
10 キャビン
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
18A、18B インバータ
19 バッテリ
21 旋回用電動機
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
26A、26B レバー
26C ペダル
27 油圧ライン
28 油圧ライン
29 圧力センサ
30 コントローラ
31 速度指令変換部
32 駆動制御装置
40 旋回駆動制御装置
100 昇降圧コンバータ
101 リアクトル
102A 昇圧用IGBT
102B 降圧用IGBT
103 バッテリ
104 電源接続端子
105 モータ
106 出力端子
107 コンデンサ
110 DCバス
111 DCバス電圧検出部
112 バッテリ電圧検出部
113 バッテリ電流検出部
120 駆動制御部

Claims (5)

  1. エンジンの動力により発電された電力を蓄電する蓄電器と、
    力行駆動及びエネルギ回生の双方を行う旋回用電動機と、
    前記蓄電器と前記旋回用電動機との間に接続され、前記蓄電器の充放電制御を行う昇降圧コンバータ
    前記旋回用電動機と前記昇降圧コンバータとの間のDCバスの電圧値(以下、DCバス電圧値と称す)が所定の電圧範囲内にある場合は、前記昇降圧コンバータをオフにし、前記DCバス電圧値が前記所定の電圧範囲から外れると、当該所定の電圧範囲内に収まるように前記DCバス電圧値の目標値に基づき前記昇降圧コンバータを駆動制御する制御装置とを備える、ハイブリッド型建設機械
  2. 前記DCバス電圧値が前記目標値に到達すると、前記昇降圧コンバータはオフにされる、請求項1に記載のハイブリッド型建設機械。
  3. 前記DCバス電圧値の目標値は、複数設定される、請求項1又は2に記載のハイブリッド型建設機械。
  4. 前記所定の電圧範囲は、前記DCバス電圧値の目標値の上下所定割合以内の電圧範囲である、請求項1に記載のハイブリッド型建設機械
  5. 前記旋回用電動機の必要電圧が前記DCバス電圧値より高い場合には、前記昇降圧コンバータに昇圧動作を行わせ、前記DCバス電圧値が当該DCバス電圧値の上限電圧値より高い場合には、前記昇降圧コンバータに降圧動作を行わせる、請求項に記載のハイブリッド型建設機械
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