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

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を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を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と、
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を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と、
   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１に記載のハイブリッド型建設機械。

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