JP5704676B2 - ハイブリッド型作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、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を用いたハイブリッド型作業機械に関する。

従来より、駆動機構の一部を電動化したハイブリッド型作業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、及びバケット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発電機を接続し、電動発電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油圧モータに加えて電動機を備え、旋回機構の加速時に電動機で油圧モータの駆動をアシストし、旋回機構の減速時に電動機で回生運転を行い、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）。
特開平１０−１０３１１２号公報

ところで、このようなハイブリッド型作業機械では、電動発電機等のような負荷による電力消費と回生電力の生成が繰り返し行われるため、負荷とバッテリの間のＤＣバスの電圧値は大きく変動する。

ＤＣバス電圧値の変動は、負荷の制御性のばらつきや、過電流による負荷のドライバの損傷等をもたらす場合があるという課題があった。

そこで、本発明は、ＤＣバス電圧値の安定化を図ることにより、負荷の制御性のばらつきや、過電流による負荷のドライバの損傷等の抑制を図ったハイブリッド型作業機械を提供することを目的とする。

本発明の一局面のハイブリッド型作業機械は、旋回用電動機が含まれる複数の電動作業要素を駆動するための複数のインバータと、前記複数のインバータとの間で電力の授受を行う蓄電器と、前記複数のインバータに接続されるＤＣバスと、前記ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設される昇降圧コンバータと、前記蓄電器と前記昇降圧コンバータとの間を通流する電流値を検出する電流検出手段とを含み、前記複数のインバータは、前記旋回用電動機を駆動制御するインバータを含む一又は複数の第１インバータと、一又は複数の第２インバータとを含み、前記ＤＣバスは、前記一又は複数の第１インバータが接続される第１ＤＣバスと、前記一又は複数の第２インバータが接続される第２ＤＣバスとを含み、前記昇降圧コンバータは、前記第１ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設され、更に、第１ＤＣバス電圧検出部と、前記蓄電器の電圧検出部と、コントローラと、を備え、前記コントローラは、第１ＤＣバス電圧値、前記蓄電器の電圧値及び前記第１ＤＣバスと前記蓄電器との間の前記電流値に基づいて、前記第１ＤＣバスの電圧を一定の範囲に収めるため、前記昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御、及び前記電流検出手段で検出される前記電流値が許容電流値以下になるように電流制限制御を行なう。

本発明の一局面のハイブリッド型作業機械は、エンジンをアシストするための電動発電機が含まれる複数の電動作業要素を駆動するための複数のインバータと、前記複数のインバータとの間で電力の授受を行う蓄電器と、前記複数のインバータに接続されるＤＣバスと、前記ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設される昇降圧コンバータと、前記蓄電器と前記昇降圧コンバータとの間を通流する電流値を検出する電流検出手段とを含み、前記複数のインバータは、前記電動発電機を駆動制御するインバータを含む一又は複数の第１インバータと、一又は複数の第２インバータとを含み、前記ＤＣバスは、前記一又は複数の第１インバータが接続される第１ＤＣバスと、前記一又は複数の第２インバータが接続される第２ＤＣバスとを含み、前記昇降圧コンバータは、前記第１ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設され、更に、第１ＤＣバス電圧検出部と、前記蓄電器の電圧検出部と、コントローラと、を備え、前記コントローラは、第１ＤＣバス電圧値、前記蓄電器の電圧値及び前記第１ＤＣバスと前記蓄電器との間の前記電流値に基づいて、前記第１ＤＣバスの電圧を一定の範囲に収めるため、前記昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御及び前記電流検出手段で検出される前記電流値が許容電流値以下になるように電流制限制御を行なう。

本発明によれば、ＤＣバス電圧値の安定化を図ることにより、負荷の制御性のばらつきや、過電流による負荷のドライバの損傷等の抑制を図ったハイブリッド型作業機械を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明のハイブリッド型作業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のハイブリッド型作業機械を含む建設機械を示す側面図である。

このハイブリッド型作業機械の下部走行体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、及びリフティングマグネット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のハイブリッド型作業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１８Ａ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１８Ａ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、このＤＣバス１１０には、インバータ１８Ｂを介してリフティングマグネット６が接続されている。リフティングマグネット６は、金属物を磁気的に吸着させるための磁力を発生する電磁石を含んでおり、インバータ１８Ｂを介してＤＣバス１１０から電力が供給される。

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。旋回用電動機２１は、旋回機構２の動力源であり、上部旋回体３を右方向又は左方向に回転させるための駆動制御が行われる。

ＤＣバス１１０は、バッテリ１９、リフティングマグネット６、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。

このＤＣバス１１０には、ＤＣバス１１０の電圧値（以下、実施の形態１において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作業機械である。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）運転及び発電運転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１８Ａ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の電動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１８Ａ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１８Ａが電動発電機１２の力行を運転制御している際には、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の回生を運転制御している際には、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。

インバータ１８Ｂは、リフティングマグネット６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、電磁石をオンにする際には、リフティングマグネット６へ要求された電力をＤＣバス１１０より供給する。また、電磁石をオフにする場合には、回生された電力をＤＣバス１００に供給する。

バッテリ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してインバータ１８Ａ、インバータ１８Ｂ、及びインバータ２０に接続されている。これにより、バッテリ１９は、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、又は、リフティングマグネット６を励磁する（オンにする）際には、必要な電力を供給する。また、バッテリ１９は、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、または、リフティングマグネット６を消磁する（オフにする）ときに回生電力が発生している際には、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。

なお、ＤＣバス１１０には、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０を介して、電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び旋回用電動機２１が接続されているため、電動発電機１２で発電された電力がリフティングマグネット６又は旋回用電動機２１に直接的に供給される場合もあり、リフティングマグネット６で回生された電力が電動発電機１２又は旋回用電動機２１に供給される場合もあり、さらに、旋回用電動機２１で回生された電力が電動発電機１２又はリフティングマグネット６に供給される場合もある。

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）、リフティングマグネット６の駆動状態、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、上述の如く旋回用電動機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の力行を運転制御している際には、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。

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、リフティングマグネット６、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１８Ａ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１８Ａ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、リフティングマグネット６の励磁（オン）と消磁（オフ）、及び旋回用電動機２１の力行運転と回生運転においても同様である。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、リフティングマグネット６は作業状態において駆動状態（励磁と消磁）が切り替えられ、さらに、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。

このため、電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び旋回用電動機２１には、いずれかにＤＣバス１１０を介して電力供給が行われ、いずれかからＤＣバス１１０に電力供給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、リフティングマグネット６、及び旋回用電動機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。

ＤＣバス１１０は、３つのインバータ１８Ａ、１８Ｂ、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、リフティングマグネット６、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行う。

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の昇降圧制御の応答性の向上のために用いられる。

旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転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、及びリフティングマグネット６を操作するための操作装置であり、ハイブリッド型作業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、及びリフティングマグネット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９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のハイブリッド型作業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５０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のうち、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５０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）、リフティングマグネット６の駆動制御（励磁（オン）と消磁（オフ）の切り替え）、及び、昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるバッテリ１９の充放電制御を行うための制御装置である。駆動制御部５０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）、リフティングマグネット６の駆動状態（励磁（オン）と消磁（オフ））、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、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いて行われる。

図３は、実施の形態１のハイブリッド型作業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、負荷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。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６と負荷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、負荷１０５は、図２における電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び旋回用電動機２１に相当する。図３では、図の簡略化のためにインバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０（図２参照）を省略する。また、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２ＢをＰＷＭ駆動する駆動制御部５０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誘導起電力をＤＣバス１１０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及び負荷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１０５は、電力供給による駆動と回生による発電が可能な電気負荷であればよく、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータやリフティングマグネットで構成することができる。図３には、直流駆動用の負荷１０５を示すが、インバータを介して交流駆動される電気負荷であってもよい。

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に発生する誘導起電力を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、負荷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。

なお、この図３では、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２ＢをＰＷＭ駆動する駆動制御部１００を省略したが、駆動制御部５０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。

ここで、旋回用電動機２１の出力トルクは旋回用電動機２１へ供給される電圧値の二乗に比例する。このため、旋回用電動機２１へ供給される電圧値が低下すると、出力トルクが大幅に低下してしまう。このため、操作装置２６からの指令に基づくトルクを出力するため多くの電流が必要となるが、連続稼働を行うハイブリッド型作業機械では、バッテリ１３０の発熱のため、定格電流値以上は流せないので出力不足となり、作業の中断を生じてしまう。

このため、旋回用電動機２１への供給電圧は一定にするため、ＤＣバス電圧値を電圧制御により一定に維持することが望ましい。リフティングマグネット６へ供給される場合も同様である。このため、図４を用いて、ＤＣバス１１０の電圧を維持するため、コンバータ１００における電圧制御方法を説明する。

図４は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械に用いる昇降圧コンバータ１００の駆動制御部５０の回路構成を制御ブロックで示す図である。この図に示すように、実施の形態１の昇降圧コンバータ１００の駆動制御部５０は、電圧制御部５１及び昇降圧切替部５２を備える。

この駆動制御部５０には、電源接続端子１０４、出力端子１０６、昇圧用ＰＭ（Power Module）５３、及び降圧用ＰＭ５４が接続される。これらは、図３に示すハードウェア構成を実現可能とするように接続される。すなわち、駆動制御部５０によって昇圧用ＰＭ５３及び降圧用ＰＭ５４に含まれる昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２ＢがＰＷＭ駆動され、その結果、電源接続端子１０４からバッテリ電圧値Vbat（＝vbat_det）及びバッテリ電流値Ibat（＝ibat_det）が出力され、出力端子１０６からＤＣバス電圧値Vout（＝vdc_det）が出力されるように接続される。

電圧制御部５１は、目標電圧値Vout_refと、出力端子１０６から出力されるＤＣバス電圧値Voutとの差に基づいてＰＩ（Proportional Integral）制御を行うことにより、昇圧用ＩＢＧＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動制御するためのスイッチングデューティduty_refを演算する。

ここで、実施の形態１の昇降圧コンバータ１００では、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａを駆動するためのスイッチングデューティと、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するためのスイッチングデューティとに互いに異なる符号を用いて区別を図っている。このため、上述したスイッチングデューティには、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａの駆動用に正の符号を付し、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの駆動用に負の符号を付す。

ここで、Vout_Iは電圧制御部５１で演算される電圧積分値、Vout_Pは電圧制御部５１で演算される電圧比例値である。また、duty_refは電圧制御部５１で演算されるスイッチングデューティであり、駆動用デューティduty_refとして昇降圧切替部５２に伝送される。

なお、この駆動用デューティduty_refは、昇圧駆動用の駆動用デューティには正の符号が付され、昇降圧駆動用の駆動用デューティには負の符号が付されることになる。

昇降圧切替部５２は、駆動用デューティduty_refの符号に基づき、この駆動用デューティduty_refによって駆動されるパワーモジュールを昇圧用ＰＭ５３又は降圧用ＰＭ５４のいずれかに決定する。

昇圧用ＰＭ５３は、上述の昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａと、この昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａを駆動するための駆動回路及び自己保護機能とを組み込んだパワーモジュールである。

同様に、降圧用ＰＭ５４は、上述の降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂと、この降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するための駆動回路及び自己保護機能とを組み込んだパワーモジュールである。

なお、図４にはリアクトルを図示しないが、電源接続端子１０４から出力されるバッテリ電流値Ibatは、リアクトルを通流する電流である。

また、上述のように、降圧用ＰＭ５４に含まれる降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、昇降圧切替部５２から負の駆動用デューティduty_refが伝送されるため、符号を反転（−１倍）するように構成されている。

このように、実施の形態１のハイブリッド型作業機械によれば、複数のインバータ（１８Ａ、１８Ｂ、及び２０）に接続されるＤＣバス１１０とバッテリ１９との間にＤＣバス電圧値を一定に保持するように駆動制御が行われる昇降圧コンバータ１００を配設しているので、電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び旋回用電動機２１の様々な駆動状態に応じてＤＣバス電圧値は略一定に保持される。

そして、このようにＤＣバス電圧値が略一定に保持されることにより、電気負荷の制御性のばらつきや、過電圧によるインバータの損傷等を抑制することができ、さらに、過電圧（過充電）によるバッテリ１９の損傷を抑制することができる。

ところで、図４に示すように、ＤＣバス１１０の目標電圧値（Vout_ref）、ＤＣバス電圧値Vout（＝vdc_det）、及びバッテリ電圧値Vbat（＝vbat_det）に基づく電圧制御では、ハイブリッド型作業機械の仕様や負荷１０５の駆動状態によっては、負荷１０５の駆動に多大な電力が必要となり、バッテリ１９に通流する電流値の監視を行った方がよい場合もある。

そこで、実施の形態１のハイブリッド型作業機械では、上述した電圧制御に加えて、さらに次に説明するような電流制御を行うことにより、バッテリ１９の保護の強化を図ってもよい。

図５は、実施の形態１の変形例によるハイブリッド型作業機械に用いる昇降圧コンバータ１００の駆動制御部５０の回路構成を制御ブロックで示す図である。この図に示すように、実施の形態１の昇降圧コンバータ１００の駆動制御部５０は、電圧制御部５１、及び昇降圧切替部５２に加えて、電流制御部５５及び制御切替部５６を備える。

なお、図５に示す制御ブロックでは、電圧制御部５１が演算するスイッチングデューティduty_vを第１スイッチングデューティduty_vとする。

電流制御部５５は、電流閾値Ibat_refと、電源接続端子１０４から出力されるバッテリ電流値Ibatとの差に基づいてＰＩ制御を行うことにより、昇圧用ＩＢＧＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動制御するための第２スイッチングデューティduty_iを演算する。

図５に示す制御ブロックでは、第１スイッチングデューティ及び第２スイッチングデューティの各々には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａの駆動用に正の符号を付し、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの駆動用に負の符号を付す。

制御切替部５６は、リアクトル１０１又は負荷１０５（出力端子１０６）の負荷が所定負荷以下になるように、電圧制御部５１又は電流制御部５５のいずれかを選択的に切り替える。具体的には、電圧制御部５１による駆動制御が行われているときに、リアクトル１０１を通流する電流の絶対値が電流閾値よりも大きい場合は、電流制御部５５による駆動制御に切り替える。

このような電圧制御と電流制御との切り替えは、制御切替部５６がプラス（＋）に接続されるか（電圧制御）、マイナス（−）に接続されるか（電流制御）によって行われる。

なお、Vout_Iは電圧制御部５１で演算される電圧積分値、duty_iは電流制御部５５で演算される第２スイッチングデューティ、Vout_Pは電圧制御部５１で演算される電圧比例値である。また、Ibat_Iは電流制御部５５で演算される電流積分値、duty_vは電圧制御部５１で演算される第１スイッチングデューティ、Ibat_Pは電流制御部５５で演算される電流比例値である。

制御切替部５６は、電圧制御部５１から得られる第１スイッチングデューティと、電流制御部５５から得られる第２スイッチングデューティとのいずれかを昇圧用ＰＭ５３及び降圧用ＰＭ５４を駆動するための駆動用デューティduty_refとして選択する。

この選択は、バッテリ電流値Ibatが電源供給電流閾値Ibat_refを超えると、電流制御部５５（すなわち、第２スイッチングデューティ）による駆動制御に切り替え、ＤＣバス電圧値Voutが出力目標電圧値Vout_refに復帰すると、電圧制御部５１（すなわち、第１スイッチングデューティ）による駆動制御部に復帰させることによって実現される。

選択された駆動用デューティduty_refは、昇降圧切替部５２に伝送される。なお、この駆動用デューティduty_refは、第１スイッチングデューティ、又は第２スイッチングデューティのいずれかであるため、昇圧駆動用の駆動用デューティには正の符号が付され、昇降圧駆動用の駆動用デューティには負の符号が付されることになる。

昇降圧切替部５２は、制御切替部５６から伝送される駆動用デューティduty_refの符号に基づき、この駆動用デューティduty_refによって駆動されるパワーモジュールを昇圧用ＰＭ５３又は降圧用ＰＭ５４のいずれかに決定する。

なお、図５にはリアクトルを図示しないが、電源接続端子１０４から出力されるバッテリ電流値Ibatは、リアクトルを通流する電流である。

図６は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械における電流制限方法を示す図であり、（ａ）はバッテリ電流許容値Ibat_lim、バッテリ電流値Ibat、及びＤＣバス１１０に通流する電流値（ＤＣバス電流値）Idcの関係を示す特性図、（ｂ）はＤＣバス電流値Idcとインバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０の各々に通流する電流値とを示す特性図である。

図６（ａ）に示すＤＣバス電流値Idcは、図２に示すインバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０に通流する電流の合計となる。すなわち、図６（ｂ）に示すように、ＤＣバス電流値Idcは、インバータ１８Ａに通流する電流値Ｉ１、インバータ１８Ｂに通流する電流値Ｉ２、及びインバータ２０に通流する電流値Ｉ３の合計であり、次式（１）が成立する。

Ｉｄｃ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３・・・（１）
実施の形態１のハイブリッド型作業機械では、図４に示す制御ブロックによる電圧制御に加えて、図６（ａ）に示すように、バッテリ電流値Ｉｂａｔがバッテリ電流許容値Ｉｂａｔ＿ｌｉｍ以下となるように電流制限を行ってもよい。このような電流制御は、例えば、電流閾値Ｉｂａｔ＿ｒｅｆをＩｂａｔ＿ｌｉｍに設定することによって実現することができる。この電流制御を行った場合は、バッテリ電流値Ｉｂａｔの動作領域からは図６（ａ）に示すバッテリ電流許容値Ｉｂａｔ＿ｌｉｍを超える領域が除かれることになる。つまり、図５におけるＩｂａｔ＿ｒｅｆがＩｂａｔ＿ｌｉｍとなり、制御切替部５６には、Ｉｂａｔ＿ｌｉｍとＩｂａｔとの偏差が入力され、ＩｂａｔがＩｂａｔ＿ｌｉｍを超える場合には電流制御に切替られる。

ここで、昇降圧コンバータ１００における変換効率をηとして、電圧検出部１１１で検出されるＤＣバス電圧vdc_det、バッテリ電圧検出部１１２で検出されるバッテリ１０３の電圧値vbat_det、及びＤＣバス電流値Idcを用いると、バッテリ電流値Ibatは、次式（２）で表すことができる。

Ibat=１／η×（vdc_det／vbat_det）×Idc・・・（２）
このため、式（２）で表されるバッテリ電流値Ibatが駆動制御部５０によってバッテリ電流許容値Ibat_lim以下となるように電流制限が行われることにより、バッテリ１０３（バッテリ１９）の過電流を抑制することができる。このバッテリ電流許容値Ibat_limは、例えば、定格電流の値に設定すればよい。これにより、それぞれの駆動部における負荷要求が高くて、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、２０に通電する電流に対して、バッテリの出力が制限されることで、過剰なバッテリの充放電を防止することができ、異常な発熱を防ぐことができる。これにより、バッテリの寿命を延ばすことができる。

また、昇降圧コンバータ１００における電流損失は、バッテリ電流値Ibatと昇降圧コンバータ１００の内部抵抗との積で表されるが、実施の形態１のハイブリッド型作業機械によれば、バッテリ電流値Ibatがバッテリ電流許容値Ibat_lim以下となるように制限されることにより、バッテリ電流値Ibatが比較的小さいため、昇降圧コンバータ１００における電流損失を低減することができる。

また、負荷１０５の出力は、供給される電圧に比例するとともに電流値に比例する。ここで、負荷１０５の出力を増大させる場合には、電圧又は電流（あるいはこれらの両方）を増大させる必要がある。

このため、ＤＣバス電圧値の出力目標電圧値Vout_refを比較的高く設定しておけば、バッテリ電流値Ibatがバッテリ電流許容値Ibat_limに制限されていても、昇降圧コンバータ１００における電流損失を低減しつつ、負荷１０５の出力を効率的に増大させることができる。

なお、以上では、ＤＣバス１１０にインバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０を介して電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び旋回用電動機２１が接続される形態について説明したが、作業要素はハイブリッド型作業機械の仕様に応じて変更されてもよい。例えば、リフティングマグネット６ではなくバケットを備えるハイブリッド型作業機械には、インバータ１８Ｂ及びリフティングマグネット６は含まれない。また、ブーム軸やアーム軸等に発電機を備える場合は、この発電機をインバータを介してＤＣバス１１０に接続してもよい。

［実施の形態２］
図７は、実施の形態２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７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・制御系を実線でそれぞれ示す。

実施の形態２のハイブリッド型作業機械は、実施の形態１のハイブリッド型作業機械とは、ＤＣバスが２つ（１１０Ａと１１０Ｂ）に分割されている点が異なる。また、これに伴い、電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び旋回用電動機２１の接続も実施の形態１とは異なる。さらに、電気負荷としてブーム４のブーム軸に接続される発電機２００を備える点が実施の形態１と異なる。その他の構成は実施の形態１のハイブリッド型作業機械に準ずるため、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。

ＤＣバス１１０Ａには、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び１８Ｃを介して電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び発電機２００が接続されている。

また、ＤＣバス１１０Ｂには、インバータ２０を介して旋回用電動発電機２１が接続されている。

発電機２００は、図１に示すブーム４のブーム軸に接続されており、ブーム４がブームシリンダ７によって油圧で駆動される際に発電を行うブーム回生用の発電機である。発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ１８Ｃを経てＤＣバス１１０Ａに供給される。

実施の形態２のハイブリッド型建設機械の駆動制御装置では、電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び発電機２００と、旋回用電動機２１とは、別々のＤＣバス１１０Ａと１１０Ｂに接続されており、さらに、ＤＣバス１１０Ａとバッテリ１９の間には、昇降圧コンバータ１００が接続されている。

このため、電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び発電機２００は、ＤＣバス１１０Ａを介して昇降圧コンバータ１００との間で電力の授受を行い、旋回用電動機２１は、ＤＣバス１１０Ｂとの間で電力の授受を行う。

このように、電動発電機１２と旋回用電動機２１との電力供給系統を分けているのは、電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び発電機２００の供給電圧を一定にして、各駆動部を精度良く制御するためである。

ＤＣバス１１０Ａには、ＤＣバスの電圧値（以下、実施の形態２において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がそれぞれ配設されている。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の昇降圧コンバータ１００が接続されている側の端子間には、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が接続されており、バッテリ１９と昇降圧コンバータ１００の間には、昇降圧コンバータ１００を経てバッテリ１９に流れるバッテリ電流値を検出するための電流検出部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コンバータ電流値は、コントローラ３０に入力される。

ここで、各検出部について説明する。

ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０Ａの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。

電流検出部１１３は、昇降圧コンバータ１００を経てバッテリ１９に供給される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の昇降圧制御の応答性の向上のために用いられる。

このような実施の形態２の建設機械は、エンジン１１、電動発電機１２、リフティングマグネット６、発電機２００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、実施の形態１と相違する各部の構成について説明する。

インバータ１８Ａは、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１８Ａが電動発電機１２の電動（アシスト）運転を制御している際には、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１１０Ａを介して電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２が発電運転を制御している際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス１１０Ａ及び昇降圧コンバータ１００へ供給する。

インバータ１８Ｃは、発電機２００と昇降圧コンバータ１００との間に設けられ、発電機２００の駆動制御を行う。具体的には、ブーム４が上昇又は下降されることによって発電機２００が回生運転を行う際には、発電機２００により発電された電力をＤＣバス１１０Ａ及び昇降圧コンバータ１００へ供給する。

バッテリ１９は、一端側（図中左側）で昇降圧コンバータ１００を介してインバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び１８Ｃに接続されるとともに、他端側（図中右側）でインバータ２０に接続されている。このため、バッテリ１９は、電動発電機１２の電動（アシスト）運転、リフティングマグネット６の励磁、又は旋回用電動機２１の力行運転が行われる場合には必要な電力を供給する。また、電動発電機１２の発電運転、リフティングマグネット６の消磁、発電機２００の回生運転、又は旋回用電動機２１の回生運転が行われる際には、回生電力を電気エネルギとして蓄積する。

なお、ＤＣバス１１０Ａには、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び１８Ｃを介して、電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び発電機２００が接続されているため、電動発電機１２で発電された電力がリフティングマグネット６に直接的に供給される場合もあり、リフティングマグネット６で回生された電力が電動発電機１２に供給される場合もあり、さらに、発電機２００で回生された電力が電動発電機１２又はリフティングマグネット６に供給される場合もある。

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）、リフティングマグネット６の駆動状態、及び、発電機２００の発電状態に基づき、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。

なお、旋回用電動機２１は、ＤＣバス１１０Ｂを介してバッテリ１９に直接的に接続されているため、ＤＣバス１１０Ｂの電圧値はバッテリ１９の充電電圧値と等しく、昇降圧コンバータ１００の昇降圧制御は、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）とは無関係に行われる。

インバータ２０は、旋回用電動機２１とバッテリ１９の間に直接的に設けられ、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。インバータが旋回用電動機２１の力行運転を制御している際には、必要な電力がバッテリ１９から旋回用電動機２１に供給される。また、旋回用電動機２１の回生運転を制御している際には、旋回用電動機２１により発電された電力がＤＣバス１１０Ｂへ供給される。

昇降圧コンバータ１００は、一側がＤＣバス１１０Ａ及びインバータ１８Ａ乃至１８Ｃを介して電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び発電機２００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、電動発電機１２及びリフティングマグネット６の運転状態（駆動状態）と、発電機２００の発電状態とに応じて、昇圧動作又は降圧動作を切り替える。

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１８Ａ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。また、リフティングマグネット６を駆動する場合にも、インバータ１８Ｂを介してリフティングマグネット６に電力を供給する必要があるため、ＤＣバス電圧値を電動発電機１２の回転数に応じて、昇圧する。

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１８Ａ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。また、リフティングマグネット６が消磁されて回生電力が得られる場合にも、電力をインバータ１８Ｂ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。さらに、発電機２００で発電が行われる場合にも、発電された電力をインバータ１８Ｃ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。

このため、昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及びリフティングマグネット６の運転状態（駆動状態）と発電機２００の発電状態に応じて、ＤＣバス１１０Ａの電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作又は降圧動作を切り替える。

このように、ＤＣバスを複数に分けた場合には、複数の駆動部が接続されているＤＣバスにインバータが接続される。これにより、図６で説明したように、それぞれの駆動部における負荷要求が高くて、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、２０に通電する電流に対して、バッテリの出力が制限されることで、過剰なバッテリの充放電を防止することができ、異常な発熱を防ぐことができる。これにより、バッテリの寿命を延ばすことができる。

そこで、実施の形態２では、ＤＣバスを２つに分割するとともに、一方のＤＣバス１１０Ａだけに昇降圧コンバータ１００を接続した。ＤＣバスが２つに分割されることにより、実施の形態１のように一つのＤＣバスにすべての電気負荷を接続する場合よりもＤＣバスで取り扱う電力が小さくなるので、昇降圧コンバータの容量を小さくすることが可能になる。

また、一方のＤＣバス１１０Ａには昇降圧コンバータ１００が接続されてＤＣバス電圧値はバッテリ１９の電圧値（バッテリ電圧値）及び電流値（バッテリ電流値）を用いて略一定に保持されるため、昇降圧コンバータが接続されないＤＣバス１１０Ｂの電圧値は、ＤＣバス１１０Ａにも昇降圧コンバータが接続されない場合（すなわち２つのＤＣバス１１０Ａ及び１１０Ｂのいずれにも昇降圧コンバータが接続されない場合）に比べて各段に安定する。

このため、実施の形態２によれば、ＤＣバスを２分割するとともに、その一方だけに昇降圧コンバータ１００を接続することにより、動作の安定とコストダウンを両立したハイブリッド型作業機械を提供することができる。

また、このようにＤＣバス１１０Ａの電圧値が略一定に保持されることにより、ＤＣバス１１０Ａに接続されている電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び発電機２００だけでなく、昇降圧コンバータが配設されていないＤＣバス１１０Ｂに接続されている旋回用電動機２１の制御性のばらつきや、過電流によるインバータの損傷等を抑制することができ、また、バッテリ１９の損傷を抑制することができる。

また、実施の形態２によれば、リフティングマグネット６が接続されるＤＣバス１１０Ａとバッテリ１９との間に昇降圧コンバータ１００を備える。リフティングマグネット６は、重量の嵩む金属製の物品等を電磁吸着力によって吸着させて運搬作業を行うため、昇降圧コンバータ１００が接続されるＤＣバス１１０Ａに接続することにより、安定した電磁吸着力を発生させることができるので、制御性のばらつき抑制や、信頼性の向上を図ることができる。

なお、以上では、ＤＣバス１１０Ａにインバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び１８Ｃを介して電動発電機１２、リフティングマグネット６、及び発電機２００が接続され、ＤＣバス１１０Ｂにインバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続される形態について説明したが、作業要素はハイブリッド型作業機械の仕様に応じて変更されてもよい。

例えば、リフティングマグネット６ではなくバケットを備えるハイブリッド型作業機械には、インバータ１８Ｂ及びリフティングマグネット６は含まれない。また、ブーム軸の代わりに、あるいはブーム軸に加えてアーム軸等に発電機を備える場合は、その発電機がインバータを介してＤＣバス１１０Ａに接続されてもよい。

また、昇降圧コンバータ１００の昇降圧の切り替え制御は、実施の形態１の変形例（図５及び図６）と同様に、電流制御を併せて行ってもよい。

［実施の形態３］
図８は、実施の形態３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８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・制御系を実線でそれぞれ示す。

実施の形態３のハイブリッド型作業機械は、実施の形態２のハイブリッド型作業機械とは、ＤＣバスが２つ（１１０Ａと１１０Ｂ）に分割されている点で共通するが、リフティングマグネット６、発電機２００、及び昇降圧コンバータ１００の接続が実施の形態２とは異なる。また、これに伴い、ＤＣバス電圧検出部１１１、バッテリ電圧検出部１１２、及び電流検出部１１３の接続が実施の形態２と異なる。その他の構成は実施の形態１及び２のハイブリッド型作業機械に準ずるため、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。

ＤＣバス１１０Ａには、インバータ１８Ａを介して電動発電機１２が接続されている。また、ＤＣバス１１０Ｂには、インバータ２０Ａ、２０Ｂ、及び２０Ｃを介して旋回用電動発電機２１、発電機２００、及びリフティングマグネット６が接続されている。

実施の形態３のハイブリッド型建設機械の駆動制御装置では、電動発電機１２と、旋回用電動機２１、発電機２００、及びリフティングマグネット６とは、別々のＤＣバス１１０Ａと１１０Ｂに接続されており、さらに、ＤＣバス１１０Ｂとバッテリ１９の間には、昇降圧コンバータ１００が接続されている。

このため、電動発電機１２は、ＤＣバス１１０Ａを介して昇降圧コンバータ１００との間で電力の授受を行い、旋回用電動機２１、発電機２００、及びリフティングマグネット６は、ＤＣバス１１０Ｂを介して昇降圧コンバータ１００Ｂとの間で電力の授受を行う。

このように、電動発電機１２と旋回用電動機２１との電力供給系統を分けているのは、電動発電機１２と旋回用電動機２１、発電機２００、及びリフティングマグネット６との定格電圧値及び定格電流値が大きく異なるため、別々の電力供給を可能にするためである。

ＤＣバス１１０Ｂには、ＤＣバスの電圧値（以下、実施の形態３において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の昇降圧コンバータ１００が接続されている側の端子間には、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が接続されており、バッテリ１９と昇降圧コンバータ１００の間には、昇降圧コンバータ１００を経てバッテリ１９に流れるバッテリ電流値を検出するための電流検出部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コンバータ電流値は、コントローラ３０に入力される。

ここで、各検出部について説明する。

ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０Ｂの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。

電流検出部１１３は、昇降圧コンバータ１００を経てバッテリ１９に供給される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。

このような実施の形態３の建設機械は、エンジン１１、電動発電機１２、リフティングマグネット６、発電機２００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、実施の形態１と相違する各部の構成について説明する。

インバータ１８Ａは、電動発電機１２とＤＣバス１１０Ａ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１８Ａが電動発電機１２の電動（アシスト）運転を制御している際には、必要な電力がバッテリ１９からＤＣバス１１０Ａを介して電動発電機１２に供給される。また、電動発電機１２の発電運転を制御している際には、電動発電機１２により発電された電力がＤＣバス１１０Ａへ供給される。

バッテリ１９は、一端側（図中左側）でインバータ１８Ａに接続されるとともに、他端側（図中右側）で昇降圧コンバータ１００を介してインバータ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに接続されている。このため、バッテリ１９は、電動発電機１２の電動（アシスト）運転、リフティングマグネット６の励磁、又は旋回用電動機２１の力行運転が行われる場合には必要な電力を供給する。また、電動発電機１２の発電運転、リフティングマグネット６の消磁、発電機２００の回生運転、又は旋回用電動機２１の回生運転が行われる際には、回生電力を電気エネルギとして蓄積する。

なお、ＤＣバス１１０Ｂには、インバータ２０Ａ、２０Ｂ、及び２０Ｃを介して、旋回用電動機２１、リフティングマグネット６、及び発電機２００が接続されているため、旋回用電動機２１で発電された電力がリフティングマグネット６に直接的に供給される場合もあり、リフティングマグネット６で回生された電力が旋回用電動機２１に供給される場合もあり、さらに、発電機２００で回生された電力が旋回用電動機２１又はリフティングマグネット６に供給される場合もある。

バッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）、リフティングマグネット６の駆動状態、及び、発電機２００の発電状態に基づき、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、及び電流検出部１１３によって検出されるコンバータ電流値に基づき、コントローラ３０によって行われる。

なお、電動発電機１２は、ＤＣバス１１０Ａを介してバッテリ１９に直接的に接続されているため、ＤＣバス１１０Ａの電圧値はバッテリ１９の充電電圧値と等しく、昇降圧コンバータ１００の昇降圧制御は、電動発電機１２の運転状態（電動運転又は発電運転）とは無関係に行われる。

インバータ２０Ａは、旋回用電動機２１とＤＣバス１１０Ｂ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。インバータが旋回用電動機２１の力行運転を制御している際には、必要な電力をバッテリ１９からＤＣバス１１０Ｂ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の回生運転を制御している際には、旋回用電動機２１により発電された電力をＤＣバス１１０Ｂ及び昇降圧コンバータ１００へ供給する。

インバータ２０Ｂは、リフティングマグネット６とＤＣバス１１０Ｂとの間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、電磁石をオンにする際には、リフティングマグネット６へ要求された電力をＤＣバス１１０Ｂより供給する。また、電磁石をオフにする場合には、回生された電力をＤＣバス１１０Ｂ及び昇降圧コンバータ１００に供給する。

インバータ２０Ｃは、発電機２００とＤＣバス１１０Ｂとの間に設けられ、発電機２００の駆動制御を行う。具体的には、ブーム４が上昇又は下降されることによって発電機２００が回生運転を行う際には、発電機２００により発電された電力をＤＣバス１１０Ｂ及び昇降圧コンバータ１００へ供給する。

昇降圧コンバータ１００は、一側がＤＣバス１１０Ｂ及びインバータ２０Ａ乃至２０Ｃを介して旋回用電動機２１、リフティングマグネット６、及び発電機２００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、旋回用電動機２１及びリフティングマグネット６の運転状態（駆動状態）と、発電機２００の発電状態とに応じて、昇圧動作又は降圧動作を切り替える。

旋回用電動機２１が力行運転を行う場合には、インバータ２０Ａを介して旋回用電動機２１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。また、リフティングマグネット６を駆動する場合にも、インバータ２０Ｂを介してリフティングマグネット６に電力を供給する必要があるため、ＤＣバス電圧値を電動発電機１２の回転数に応じて、昇圧する。

一方、旋回用電動機２１が回生運転を行う場合には、発電された電力をインバータ２０Ａ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。また、リフティングマグネット６が消磁されて回生電力が得られる場合にも、電力をインバータ２０Ｂ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。さらに、発電機２００で発電が行われる場合にも、発電された電力をインバータ２０Ｃ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。

このため、昇降圧コンバータ１００は、旋回用電動機２１及びリフティングマグネット６の運転状態（駆動状態）と発電機２００の発電状態に応じて、ＤＣバス１１０Ｂの電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作又は降圧動作を切り替える。

このように、ＤＣバスを複数に分けた場合には、複数の駆動部が接続されているＤＣバスにインバータが接続される。これにより、図６で説明したように、それぞれの駆動部における負荷要求が高くて、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、２０に通電する電流に対して、バッテリの出力が制限されることで、過剰なバッテリの充放電を防止することができ、異常な発熱を防ぐことができる。これにより、バッテリの寿命を延ばすことができる。

以上、実施の形態３のハイブリッド型作業機械によれば、ＤＣバスが２つに分割されることにより、実施の形態１のように一つのＤＣバスにすべての電気負荷を接続する場合よりもＤＣバスで取り扱う電力が小さくなるので、昇降圧コンバータの容量を小さくすることが可能になる。

また、一方のＤＣバス１１０Ｂには昇降圧コンバータ１００が接続されてＤＣバス電圧値はバッテリ１９の電圧値（バッテリ電圧値）及び電流値（バッテリ電流値）を用いて略一定に保持されるため、昇降圧コンバータが接続されないＤＣバス１１０Ａの電圧値は、ＤＣバス１１０Ｂにも昇降圧コンバータが接続されない場合（すなわち２つのＤＣバス１１０Ａ及び１１０Ｂのいずれにもに昇降圧コンバータが接続されない場合）に比べて各段に安定する。

このため、実施の形態３によれば、ＤＣバスを２分割するとともに、その一方だけに昇降圧コンバータ１００を接続することにより、動作の安定とコストダウンを両立したハイブリッド型作業機械を提供することができる。

また、昇降圧コンバータが配設されないＤＣバス１１０Ａには電圧変動の比較的少ない電動発電機１２がインバータ１８Ａを介して接続されるとともに、電圧変動の大きい旋回用電動発電機２１が接続されるＤＣバス１１０Ｂの電圧値は昇降圧コンバータ１００によって略一定に保持されることにより、ＤＣバス１１０Ｂに接続されている旋回用電動機２１、リフティングマグネット６、及び発電機２００だけでなく、昇降圧コンバータが配設されないＤＣバス１１０Ａに接続される電動発電機１２の制御性のばらつきや、過電流によるインバータの損傷等を抑制することができ、また、バッテリ１９の損傷を抑制することができる。

なお、実施の形態３のハイブリッド型作業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。

また、以上では、ＤＣバス１１０Ａにインバータ１８Ａを介して電動発電機１２が接続され、ＤＣバス１１０Ｂにインバータ２０Ａ、２０Ｂ、及び２０Ｃを介して旋回用電動機２１、リフティングマグネット６、及び発電機２００が接続される形態について説明したが、作業要素はハイブリッド型作業機械の仕様に応じて変更されてもよい。

例えば、リフティングマグネット６ではなくバケットを備えるハイブリッド型作業機械には、インバータ２０Ｂ及びリフティングマグネット６は含まれない。また、ブーム軸の代わりに、あるいはブーム軸に加えてアーム軸等に発電機を備える場合は、その発電機がインバータを介してＤＣバス１１０Ｂに接続されてもよい。

また、昇降圧コンバータ１００の昇降圧の切り替え制御は、実施の形態１の変形例（図５及び図６）と同様に、電流制御を併せて行ってもよい。

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。

以上では、ハイブリッド型建設機械について説明したが、ハイブリッド型作業機械は、建設機械以外の形態の作業機械であってもよく、例えば、ハイブリッド型の運搬荷役機械（クレーンやフォークリフト）であってもよい。

例えば、図２に示すエンジン１１及び電動発電機１２をクレーンのエンジン及びアシスト用電動発電機として用い、図２に示す旋回用電動機２１をクレーンの荷役作業において部品や貨物等を上昇又は下降させるための動力源に用いればよい。特に、部品や貨物等を上昇又は下降させるための動力源は、ワイヤの巻き取り、又は引出に伴って力行運転（巻き取り時）と回生運転（引出時）を行うため、ハイブリッド型作業機械として上述のハイブリッド型建設機械と同様に実施することができる。

また、フォークリフトの場合も同様に、図２に示すエンジン１１及び電動発電機１２をフォークリフトのエンジン及びアシスト用電動発電機として用い、図２に示す旋回用電動機２１をフォークリフトの荷役作業においてフォークを上昇又は下降させるための動力源に用いればよい。特に、フォークを上昇又は下降させるための動力源は、上下動作に伴って力行運転（巻き取り時）と回生運転（引出時）を行うため、ハイブリッド型作業機械として上述のハイブリッド型建設機械と同様に実施することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態のハイブリッド型作業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のハイブリッド型作業機械を示す側面図である。 実施の形態１のハイブリッド型作業機械の構成を表すブロック図である。 実施の形態１のハイブリッド型作業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のハイブリッド型作業機械に用いる昇降圧コンバータ１００の駆動制御部５０の回路構成を制御ブロックで示す図である。 実施の形態１の変形例によるハイブリッド型作業機械に用いる昇降圧コンバータ１００の駆動制御部５０の回路構成を制御ブロックで示す図である。 実施の形態１のハイブリッド型作業機械における電流制限方法を示す図であり、（ａ）はバッテリ電流許容値Ibat_lim、バッテリ電流値Ibat、及びＤＣバス１１０に通流する電流値（ＤＣバス電流値）Idcの関係を示す特性図、（ｂ）はＤＣバス電流値Idcとインバータ１８Ａ、１８Ｂ、及び２０の各々に通流する電流値とを示す特性図である。 実施の形態２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３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。

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 リフティングマグネット
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
５０ 駆動制御部
５１ 電圧制御部
５２ 昇降圧切替部
５３ 昇圧用ＰＭ
５４ 降圧用ＰＭ
５５ 電流制御部
５６ 制御切替部
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 負荷
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

Claims (2)

1. 旋回用電動機が含まれる複数の電動作業要素を駆動するための複数のインバータと、
   前記複数のインバータとの間で電力の授受を行う蓄電器と、
   前記複数のインバータに接続されるＤＣバスと、
   前記ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設される昇降圧コンバータと、
   前記蓄電器と前記昇降圧コンバータとの間を通流する電流値を検出する電流検出手段とを含み、
   前記複数のインバータは、前記旋回用電動機を駆動制御するインバータを含む一又は複数の第１インバータと、一又は複数の第２インバータとを含み、
   前記ＤＣバスは、前記一又は複数の第１インバータが接続される第１ＤＣバスと、前記一又は複数の第２インバータが接続される第２ＤＣバスとを含み、
   前記昇降圧コンバータは、前記第１ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設され、
   更に、第１ＤＣバス電圧検出部と、前記蓄電器の電圧検出部と、コントローラと、を備え、
   前記コントローラは、第１ＤＣバス電圧値、前記蓄電器の電圧値及び前記第１ＤＣバスと前記蓄電器との間の前記電流値に基づいて、
   前記第１ＤＣバスの電圧を一定の範囲に収めるため、前記昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御、及び前記電流検出手段で検出される前記電流値が許容電流値以下になるように電流制限制御を行なう、
   ハイブリッド型作業機械。
2. エンジンをアシストするための電動発電機が含まれる複数の電動作業要素を駆動するための複数のインバータと、
   前記複数のインバータとの間で電力の授受を行う蓄電器と、
   前記複数のインバータに接続されるＤＣバスと、
   前記ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設される昇降圧コンバータと、
   前記蓄電器と前記昇降圧コンバータとの間を通流する電流値を検出する電流検出手段とを含み、
   前記複数のインバータは、前記電動発電機を駆動制御するインバータを含む一又は複数の第１インバータと、一又は複数の第２インバータとを含み、
   前記ＤＣバスは、前記一又は複数の第１インバータが接続される第１ＤＣバスと、前記一又は複数の第２インバータが接続される第２ＤＣバスとを含み、
   前記昇降圧コンバータは、前記第１ＤＣバスと前記蓄電器との間に配設され、
   更に、第１ＤＣバス電圧検出部と、前記蓄電器の電圧検出部と、コントローラと、を備え、
   前記コントローラは、第１ＤＣバス電圧値、前記蓄電器の電圧値及び前記第１ＤＣバスと前記蓄電器との間の前記電流値に基づいて、
   前記第１ＤＣバスの電圧を一定の範囲に収めるため、前記昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御及び前記電流検出手段で検出される前記電流値が許容電流値以下になるように電流制限制御を行なう、
   ハイブリッド型作業機械。

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