JP5951027B2

JP5951027B2 - 掘削機

Info

Publication number: JP5951027B2
Application number: JP2014535426A
Authority: JP
Inventors: 英昭湯浅
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2033-08-05
Also published as: WO2014041922A1; JPWO2014041922A1

Description

本発明は、蓄電装置の出力電圧を昇降圧コンバータで昇圧して、作業用電動機を駆動する掘削機に関する。

駆動機構の一部を電動化したハイブリッド型作業機械や、すべての駆動機構を電動化した電動作業機械が提案されている。作業機械には、ショベル等の掘削機が含まれる。ハイブリッド型作業機械や電動作業機械においては、一般に、蓄電装置に蓄積されている電力を昇降圧コンバータで昇圧し、昇降圧コンバータの出力によって電動機が駆動される。

特開２０１０−１２４５６８号公報

昇降圧コンバータは、通常、スイッチング素子及びリアクトルを含む。最大出力の大きな電動機を用いる場合、昇降圧コンバータのスイッチング素子やリアクトルにも、定格電流の大きなものを用いなければならない。定格電流の大きな素子を用いると、これらの素子を冷却するための冷却装置も大型化する。さらに、ハイブリッド型掘削機においては、ブームが取り付けられた旋回体の回転の加減速が頻繁に行われるため、蓄電装置の充放電が頻繁に切り替わり、発熱量も大きくなる。このため、ハイブリッド型の一般車両に用いられる昇降圧コンバータ用冷却装置に比べて、ハイブリッド型掘削機に用いられる冷却装置が大型化する。ハイブリッド型掘削機に搭載するために、効率的に冷却することが可能な昇降圧コンバータが望まれている。

本発明の目的は、スイッチング素子やリアクトルに、定格電流の小さなものを用いることが可能な昇降圧コンバータを搭載した掘削機を提供することである。

本発明の一観点によると、
下部走行体と、
前記下部走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体と、
エンジンと、
前記エンジンの動力によって駆動される発電機と、
電力を蓄電する蓄電装置と、
前記蓄電装置から供給される電力によって駆動され、前記上部旋回体を旋回させる作業用電動機と、
前記上部旋回体に搭載された筐体、前記筐体内に収容された複数の昇降圧コンバータとインバータ、及び前記筐体内に収容され前記昇降圧コンバータと前記インバータとを冷却する冷却媒体を流す流路を含む電力変換装置と
を有し、
前記複数の昇降圧コンバータは相互に並列に接続されており、
前記インバータは、前記発電機と前記蓄電装置とを接続し、
前記昇降圧コンバータの各々は、スイッチング素子とリアクトルとを含み、前記スイッチング素子のスイッチング動作によって、前記リアクトルに誘導起電力を発生させることにより、前記蓄電装置の電圧を昇圧して前記作業用電動機に供給する掘削機が提供される。

複数の昇降圧コンバータが相互に並列に接続されているため、１台の昇降圧コンバータに流れる電流が少なくなる。これにより、スイッチング素子やリアクトルに、定格電流の小さなものを用いることが可能になる。個々のスイッチング素子及びリアクトルの発熱量が少なくなるため、効率的な冷却が可能である。

図１は、実施例による掘削機の側面図である。図２は、実施例による掘削機のブロック図である。図３は、実施例による掘削機に搭載された蓄電回路のブロック図である。図４は、蓄電回路に含まれる昇降圧コンバータの等価回路図である。図５は、インバータの等価回路図である。図６は、昇降圧コンバータ及びインバータを収容した電力変換装置の断面図である。図７は、１つの昇降圧コンバータが故障しているときの蓄電回路の動作を説明するブロック図である。図８は、作業用電動機の制御の流れを示すブロック図である。図９は、他の実施例による蓄電回路の等価回路図である。図１０Ａは、さらに他の実施例による蓄電回路の等価回路図と制御装置のブロック図であり、図１０Ｂは、図１０Ａに示した制御装置による充放電電流のＡ／Ｄ変換の前後のアナログ値とデジタル値との対応を示すグラフである。図１１Ａは、比較例による蓄電回路の等価回路図と制御装置のブロック図であり、図１１Ｂは、図１１Ａに示した制御装置による充放電電流のＡ／Ｄ変換前後のアナログ値とデジタル値との対応を示すグラフである。

図１に、実施例による掘削機の側面図を示す。下部走行体２０に、上部旋回体２１が旋回可能に搭載されている。上部旋回体２１にブーム２３が連結され、ブーム２３にアーム２５が連結され、アーム２５にバケット２７が連結されている。ブームシリンダ２４の伸縮により、ブーム２３の姿勢が変化する。アームシリンダ２６の伸縮により、アーム２５の姿勢が変化する。バケットシリンダ２８の伸縮により、バケット２７の姿勢が変化する。ブームシリンダ２４、アームシリンダ２６、及びバケットシリンダ２８は、油圧駆動される。

上部旋回体２１に、旋回電動機２２、エンジン３０、電動発電機３１、蓄電回路４０、及び電力変換装置５０が搭載されている。エンジン３０の動力によって電動発電機３１が発電を行う。発電された電力が、蓄電回路４０に充電される。旋回電動機２２は、蓄電回路４０からの電力によって駆動され、上部旋回体２１を旋回させる。電力変換装置５０は、蓄電回路４０の充放電制御を行うための昇降圧コンバータ、旋回電動機２２を駆動するためのインバータ等を含む。電動発電機３１は、電動機としても動作し、エンジン３０のアシストを行う。旋回電動機２２は、発電機としても動作し、上部旋回体２１の旋回運動エネルギから回生電力を発生する。

図２に、実施例１による掘削機のブロック図を示す。図２において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気制御系を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。

エンジン３０の駆動軸がトルク伝達機構３２の入力軸に連結されている。エンジン３０には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。エンジン３０は、作業機械の運転中は、常時駆動されている。

電動発電機３１の駆動軸が、トルク伝達機構３２の他の入力軸に連結されている。電動発電機３１は、電動（アシスト）運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。電動発電機３１には、例えば磁石がロータ内部に埋め込まれた内部磁石埋込型（ＩＰＭ）モータが用いられる。

トルク伝達機構３２は、２つの入力軸と１つの出力軸とを有する。この出力軸には、メインポンプ７５の駆動軸が連結されている。

エンジン３０に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機３１がアシスト運転を行い、電動発電機３１の駆動力がトルク伝達機構３２を介してメインポンプ７５に伝達される。これにより、エンジン３０に加わる負荷が軽減される。一方、エンジン３０に加わる負荷が小さい場合には、エンジン３０の駆動力がトルク伝達機構３２を介して電動発電機３１に伝達されることにより、電動発電機３１が発電運転される。

メインポンプ７５は、高圧油圧ライン７６を介して、コントロールバルブ７７に油圧を供給する。コントロールバルブ７７は、運転者からの指令により、油圧モータ２９Ａ、２９Ｂ、ブームシリンダ２４、アームシリンダ２６、及びバケットシリンダ２８に油圧を分配する。油圧モータ２９Ａ及び２９Ｂは、それぞれ図１に示した下部走行体２０に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。

三相交流配線６０が、インバータ５１と電動発電機３１とを接続する。直流配線（バスライン）６１が、インバータ５１と蓄電回路４０とを接続する。三相交流配線６２が、旋回電動機２２とインバータ５２とを接続する。直流配線（バスライン）６３が、インバータ５２と蓄電回路４０とを接続する。インバータ５１、５２、及び蓄電回路４０は、制御装置９０により制御される。

インバータ５１は、制御装置９０からの指令に基づき、電動発電機３１の運転制御を行う。電動発電機３１のアシスト運転と発電運転との切り替えが、インバータ５１により行われる。

電動発電機３１がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、蓄電回路４０からインバータ５１を通して電動発電機３１に供給される。電動発電機３１が発電運転されている期間は、電動発電機３１によって発電された電力が、インバータ５１を通して蓄電回路４０に供給される。これにより、蓄電回路４０内の蓄電装置が充電される。

旋回電動機２２は、インバータ５２によって交流駆動され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回電動機２２には、例えばＩＰＭモータが用いられる。旋回電動機２２の力行動作中は、蓄電回路４０からインバータ５２を介して旋回電動機２２に電力が供給される。旋回電動機２２が、減速機８０を介して、上部旋回体２１（図１）を旋回させる。回生運転時には、上部旋回体２１の回転運動が、減速機８０を介して旋回電動機２２に伝達されることにより、旋回電動機２２が回生電力を発生する。発生した回生電力は、インバータ５２を介して蓄電回路４０に供給される。これにより、蓄電回路４０内の蓄電装置が充電される。

レゾルバ８１が、旋回電動機２２の回転軸の回転方向の位置を検出する。レゾルバ８１の検出結果が、制御装置９０に入力される。旋回電動機２２の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。

メカニカルブレーキ８２が、旋回電動機２２の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ８２の制動状態と解除状態とは、制御装置９０からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。

パイロットポンプ７８が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン７９を介して操作装置８３に供給される。操作装置８３は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置８３は、パイロットライン７９から供給される１次側の油圧を、運転者の操作に応じて、２次側の油圧に変換する。２次側の油圧は、油圧ライン８４を介してコントロールバルブ７７に伝達されると共に、他の油圧ライン８５を介して圧力センサ８６に伝達される。

圧力センサ８６で検出された圧力の検出結果が、制御装置９０に入力される。これにより、制御装置９０は、下部走行体２０、旋回電動機２２、ブーム２３、アーム２５、及びバケット２７（図１）の操作の状況を検知することができる。

図３に、蓄電回路４０のブロック図を示す。複数、例えば２個の昇降圧コンバータ４１が相互に並列に接続されている。相互に並列接続された昇降圧コンバータ４１の入力端子に、切り離し回路３５を介して蓄電装置４５が接続されている。蓄電装置４５には、例えば電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池等が用いられる。切り離し回路３５は、昇降圧コンバータ４１の各々に対応して配置されたリレー３６を含む。リレー３６は、制御装置９０によって制御される。リレー３６をオフにすると、昇降圧コンバータ４１が蓄電装置４５から電気的に切り離される。また、相互に並列接続された昇降圧コンバータ４１同士が電気的に切り離される。蓄電装置４５の端子間電圧を、電圧計５６が計測する。計測結果が制御装置９０に入力される。

相互に並列接続された昇降圧コンバータ４１の出力端子が、ＤＣバスライン５５に接続されている。電圧計５７、及び電圧及び電流を平滑化するためのコンデンサ４６が、ＤＣバスライン５５の電源線と接地線との間に接続されている。電圧計５７は、昇降圧コンバータ４１の出力端子間の電圧（すなわち、ＤＣバスライン５５の電圧）を計測する。計測結果が制御装置９０に入力される。昇降圧コンバータ４１の出力端子は、直流配線６１、６３を介してインバータ５１、５２に接続されている。昇降圧コンバータ４１は、蓄電装置４５（図３）の充放電の制御を行う。

制御装置９０が、昇降圧コンバータ４１の各々の動作状態の正常性を監視する。動作の正常性は、例えば昇降圧コンバータ４１を流れる充放電電流を計測することにより行われる。少なくとも１つの昇降圧コンバータの動作状態が異常と判定された場合、制御装置９０は、切り離し回路３５を制御して、動作状態が異常と判定された昇降圧コンバータ４１を、動作状態が正常の昇降圧コンバータから切り離す。異常の昇降圧コンバータ４１が切り離された後も、動作状態が正常の昇降圧コンバータの動作は継続される。このため、１つの昇降圧コンバータ４１が故障しても、掘削作業を継続することができる。

図４に、昇降圧コンバータ４１の等価回路図を示す。昇降圧コンバータ４１の出力端子の間に、昇圧用のスイッチング素子４２Ａと降圧用のスイッチング素子４２Ｂとの直列回路が接続されている。スイッチング素子４２Ａ、４２Ｂには、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。昇圧用ＩＧＢＴ４２Ａのエミッタが負極の出力端子に接続され、降圧用ＩＧＢＴ４２Ｂのコレクタが、正極の出力端子に接続されている。昇圧用ＩＧＢＴ４２Ａと降圧用ＩＧＢＴ４２Ｂの相互接続点が、リアクトル４４を介して、正極入力端子に接続されている。負極出力端子及び負極入力端子は、共に接地されている。リレー４８と抵抗器４９との並列回路が、リアクトル４４に直列に接続されている。制御装置９０が、リレー４８のオンオフ制御を行う。通常動作中は、リレー４８はオン状態にされている。

昇圧用ＩＧＢＴ４２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ４２Ｂに、それぞれ転流ダイオード（フリーホイールダイオード）４３Ａ、４３Ｂが、エミッタからコレクタに向かう向きが順方向になる向きで並列接続されている。制御装置９０が、昇圧用ＩＧＢＴ４２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ４２Ｂのゲート電極に、制御用のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を印加する。一般的に、スイッチング素子４２Ａ、４２Ｂ及び転流ダイオード４３Ａ、４３Ｂは、モジュール化されてスイッチングモジュール４２を構成する。

電流計３８が、リアクトル４４を流れる充放電電流を計測する。計測結果が制御装置９０に入力される。制御装置９０は、電流計３８の計測結果に基づいて、昇降圧コンバータ４１の動作の正常性を判定する。

以下、昇圧動作（放電動作）について説明する。昇圧用ＩＧＢＴ４２Ａのゲート電極にＰＷＭ電圧を印加する。昇圧用ＩＧＢＴ４２Ａのスイッチング動作時に、リアクトル４４に発生する誘導起電力によって、蓄電装置４５の端子間電圧が昇圧され、転流ダイオード４３Ｂを経由して出力端子から放電電流が流出する。

次に、降圧動作（充電動作）について説明する。降圧用ＩＧＢＴ４２Ｂのゲート電極に、ＰＷＭ電圧を印加する。降圧用ＩＧＢＴ４２Ｂのスイッチング動作時に、リアクトル４４に発生する誘導起電力により、転流ダイオード４３Ａを経由して、蓄電装置４５（図３）が充電される。

制御装置９０は、電圧計５６、５７（図３）の計測結果に基づいて、複数の昇降圧コンバータ４１を、同期制御する。すなわち、複数の昇降圧コンバータ４１が、同一の入力情報に基づいて同期制御される。具体的には、複数の昇降圧コンバータ４１に与えるＰＷＭ電圧のパルス幅が等しくなる条件の下で、スイッチング素子４２Ａ、４２Ｂのゲート電極に印加するＰＷＭ電圧のパルス幅を変化させる。複数の昇降圧コンバータ４１の制御は、インバータ５１、５２の制御とは独立して行われる。

複数の昇降圧コンバータ４１に与えるＰＷＭ電圧の位相をずらしてもよい。ＰＷＭ電圧の位相をずらすことにより、複数の昇降圧コンバータ４１からＤＣバスライン５５（図３）に出力される電圧のリップルを低減することができる。ｎ個の昇降圧コンバータ４１が接続されている場合、ｎ個の昇降圧コンバータ４１に与えるＰＷＭ電圧の位相を３６０°／ｎずつずらすことが好ましい。例えば、２つの昇降圧コンバータ４１が並列接続されている場合には、ＰＷＭ電圧の位相を相互に１８０°ずらすことが好ましい。３つの昇降圧コンバータ４１が並列接続されている場合には、ＰＷＭ電圧の位相を相互に１２０°ずらすことが好ましい。

昇降圧コンバータ４１の出力端子間の電圧が、入力端子間の電圧、すなわち蓄電装置４５（図３）の端子間電圧よりも低いとき、リレー４８がオフにされる。このとき、抵抗器４９、リアクトル４４、転流ダイオード４３Ｂを介して、蓄電装置４５が放電され、出力端子から放電電流が流出する。抵抗器４９は、過大な放電電流が流れることを防止する。

蓄電装置４５に一次電池が用いられ、蓄電装置４５の放電制御のみを行う場合には、降圧用ＩＧＢＴ４２Ｂは不要である。さらに、昇圧用ＩＧＢＴ４２Ａに並列に接続された転流ダイオード４３Ａも不要である。

図５に、旋回電動機２２用のインバータ５２（図２）の等価回路図を示す。電動発電機３１用のインバータ５１も、旋回電動機２２用のインバータ５２と同様の構成を有する。

直流配線６３の間に、Ｕ相用スイッチングモジュール５３Ｕ、Ｖ相用スイッチングモジュール５３Ｖ、及びＷ相用スイッチングモジュール５３Ｗが並列に挿入されている。これらスイッチングモジュールの各々は、直列接続された２つのＩＧＢＴ、及びＩＧＢＴの各々に並列に挿入された転流ダイオードを含む。２つのＩＧＢＴの相互接続点が、それぞれ旋回電動機２２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の端子に接続される。各ＩＧＢＴのゲート電極には、制御装置９０からパルス幅変調（ＰＷＭ）された制御信号が印加される。

図６Ａに、電力変換装置５０（図１）の断面図を示す。筐体６５内に、図３に示した昇降圧コンバータ４１、図２に示したインバータ５１、５２等が収容されている。筐体６５は、側壁６６、仕切り壁６７、第１の蓋６８、及び第２の蓋６９を含む。側壁６６の平断面は、例えば長方形であり、その上下は開放されている。側壁６６の上下の開放部が、それぞれ第１の蓋６８及び第２の蓋６９で塞がれている。側壁６６の高さ方向のほぼ中央に、仕切り壁６７が設けられている。仕切り壁６７は、側壁６６の高さ方向と直交し、筐体６５の内部空間を２つの空間に仕切る。仕切り壁６７で仕切られた２つの空間のうち、第１の蓋６８側の空間を「第１の空間」９１といい、第２の蓋６９側の空間を「第２の空間」９２ということとする。

仕切り壁６７の内部に、流路（冷却機構）９４が形成されている。流路９４を流れる冷却媒体が仕切り壁６７を冷却する。仕切り板６７は、筐体６５内の空間を仕切るとともに、冷却板としても機能する。

第１の空間９１内に、昇降圧コンバータ４１（図３）のスイッチングモジュール４２、インバータ５２（図４）のＵ相用スイッチングモジュール５３Ｕ、Ｖ相用スイッチングモジュール５３Ｖ、及びＷ相用スイッチングモジュール５３Ｗが収容されている。スイッチングモジュール４２、５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗは、仕切り壁６７の、第１の空間９１側の表面に搭載され、仕切り板６７に熱的に結合している。このため、スイッチングモジュール４２、５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗは、流路９４を流れる冷却媒体によって冷却される。

第２の空間９２内に、昇降圧コンバータ４１（図３）のリアクトル４４、リレー４８、及び抵抗器４９が収容されている。具体的には、リアクトル４４、リレー４８、及び抵抗器４９は、仕切り壁６７の、第２の空間９２側の表面に搭載され、仕切り板６７に熱的に結合している。このため、リアクトル４４、リレー４８、及び抵抗器４９は、流路９４を流れる冷却媒体によって冷却される。

仕切り壁６７に、開口９５、９６が形成されている。平滑化用のコンデンサ４６が、開口９６を貫通するように、筐体６５内に収容されている。コンデンサ４６として、例えば電解コンデンサが用いられる。電解コンデンサの外形は、一般的に、スイッチングモジュール４２、５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ、リアクトル４４等に比べて大きい。このため、コンデンサ４６を第１の空間９１または第２の空間９２の一方にのみ収容する場合には、コンデンサ４６を収容する方の空間を大きくしなければならない。仕切り壁６７に形成された開口９６を貫通するようにコンデンサ４６を配置することにより、筐体６５の寸法の増大を回避することができる。さらに、筐体６５内の空間を第１の空間９１と第２の空間９２とに仕切る仕切り壁６７を設けることで、電力変換装置５０の全体の剛性を高めることができる。

コンデンサ４６は、受皿９７を介して仕切り壁６７に支持される。受皿９７は、開口９６を第２の空間９２側から塞ぐように、仕切り壁６７に取り付けられている。受皿９７の深さを調節することにより、コンデンサ４６と第１の蓋６８との間に、配線等のための十分な空間を確保することができる。コンデンサ４６は、受皿９７を介して仕切り板６７に熱的に結合し、流路９４を流れる冷却媒体により、受皿９７を介して冷却される。

コネクタ９８が側壁６６に取り付けられている。スイッチングモジュール４２、リアクトル４４、リレー４８、抵抗器４９、コネクタ９８が、相互に配線９９で接続されている。一部の配線９９は、開口９５を通って、第１の空間９１内の部品と第２の空間９２内の部品とを接続している。

図６Ｂに、図６Ａの一点鎖線６Ｂ−６Ｂにおける平断面図を示す。仕切り壁６７に、スイッチングモジュール４２、５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗが実装されている。さらに、インバータ５１（図２）を構成するスイッチングモジュール５４Ｕ、５４Ｖ、５４Ｗも、仕切り壁６７の、第１の空間９１（図５Ａ）側の表面に実装されている。さらに、スイッチングモジュール４２を含む昇降圧コンバータ４１とは異なるもう一つの昇降圧コンバータ４１（図３）のスイッチングモジュール４７も、仕切り壁６７の、第１の空間９１（図５Ａ）側の表面に実装されている。開口９６内に、コンデンサ４６が配置されている。側壁６６に、複数のコネクタ９８が取り付けられている。

仕切り壁６７内に、冷却媒体用の流路９４が形成されている。流路９４は、開口９５と開口９６との間を蛇行しながら、全体として、開口９５から開口９６に向かう方向と直交する方向に進んでいる。流路９４の両端は、側壁６６のうち、コネクタ９８が取り付けられている面と同一の面の外側の表面に開口している。流路９４は、平面視において、スイッチングモジュール５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ、５４Ｕ、５４Ｖ、５４Ｗ、４２、４７と重なっている。これにより、スイッチングモジュール等を効率的に冷却することができる。コネクタ９８と、流路９４の両端の開口部とが、側壁６６の同一の面に配置されているため、両者が異なる面に配置されている構成と比べて、電力変換装置５０の設置の自由度が高まる。また、電力変換装置５０の保守点検、修理等を容易に行うことができる。

筐体６５の外壁の内部に流路９４を配置した構成では、外壁の外側の表面を、スイッチングモジュール等の冷却に利用することができない。実施例では、筐体６５の内部空間に配置した仕切り壁６７内に流路９４を配置しているため、仕切り壁６７の両面をスイッチングモジュール等の冷却に利用することができる。このため、冷却対象部品の実装密度を高めることができる。言い換えると、電力変換装置５０の小型化を図ることができる。

スイッチングモジュール４２、４７、５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ等の半導体素子を第１の空間９１内に収容し、リアクトル４４、抵抗器４９等の受動素子を第２の空間９２に収容している。半導体素子は、受動素子に比べて故障し易い。相対的に故障し易い部品を第１の空間９１にまとめて収容しているため、半導体素子の故障時には、第１の蓋６８を取り外すことによって、修理を行うことが可能になる。保守者が、第２の蓋６９よりも第１の蓋６８にアクセスし易い姿勢で、電力変換装置５０を掘削機に搭載することが好ましい。これにより、保守点検作業や修理を容易に行うことができる。

複数の昇降圧コンバータ４１が相互に並列に接続されているため、１つの昇降圧コンバータ４１に流れる電流が小さくなる。このため、スイッチングモジュール４２、リアクトル４４（図４）として、電流容量の小さいものを用いることができる。複数の昇降圧コンバータ４１を並列に接続した構成を採用すると、定格電流の大きな１つの昇降圧コンバータを用いる場合に比べて、多くのスイッチングが用いられる。例えば、図３に示したように、２つの昇降圧コンバータ４１を並列に接続した構成は、２個のスイッチングモジュール４２、４７（図６Ｂ）を含む。スイッチングモジュールの個数が増えることにより、冷却板として作用する仕切り壁６７とスイッチングモジュールとの合計の接触面積が大きくなる。このため、スイッチングモジュールの冷却効率を高めることができる。同様に、リアクトル４４（図４、図６Ａ）の冷却効率を高めることができる。

図７に、２つの昇降圧コンバータ４１のうち１つが故障したときの蓄電回路４０のブロック図を示す。故障している昇降圧コンバータ４１Ｆが、正常な昇降圧コンバータ４１から切り離されている。具体的には、制御装置９０が、故障している昇降圧コンバータ４１Ｆに対応するリレー３６をオフにする。正常な昇降圧コンバータ４１に対応するリレー３６はオンにされている。正常な昇降圧コンバータ４１のみを動作させて、蓄電装置４５の充放電が行われる。

図８に、旋回電動機２２の制御の流れを説明するためのブロック図を示す。運転者によって操作装置８３が操作される。圧力センサ８６が、操作装置８３のレバー等の操作量を検出する。検出されたレバーの操作量が、制御装置９０に入力される。上部旋回体２１（図１）の旋回操作が行われた場合について説明する。操作装置８３のレバーの操作量が、旋回電動機２２の旋回の速さの要求値に対応する。旋回動作用のレバーの操作量を、旋回電動機２２に対する「出力要求値Ｐｒｅｑ」ということとする。

制御装置９０は、出力要求値Ｐｒｅｑに基づいて、出力制御値Ｐｃｏｎを生成する。旋回電動機２２が出力制御値Ｐｃｏｎに相当する動力を出力するように、制御装置９０がインバータ５２に制御信号を送出する。出力制御値Ｐｃｏｎ及び出力要求値Ｐｒｅｑの符号は、旋回電動機２２の回転方向を示す。例えば、正の出力制御値Ｐｃｏｎ及び出力要求値Ｐｒｅｑが右旋回を表し、負の出力制御値Ｐｃｏｎ及び出力要求値Ｐｒｅｑが左旋回を表す。

２台の昇降圧コンバータ４１が正常に動作しているとき、出力制御値Ｐｃｏｎは出力要求値Ｐｒｅｑと等しい。ただし、出力制御値Ｐｃｏｎの絶対値の最大値が、Ｐｍａｘ０で制限される。１台の昇降圧コンバータ４１が故障しており、１台のみの昇降圧コンバータ４１が動作しているとき、出力制御値Ｐｃｏｎの絶対値の最大値が、正常時の最大値Ｐｍａｘ０より小さいＰｍａｘ１で制限される。

少なくとも１台の昇降圧コンバータ４１が故障しているときに、出力制御値Ｐｃｏｎの最大値Ｐｍａｘ１を、正常時の最大値Ｐｍａｘ０よりも小さく制限することにより、正常に動作している昇降圧コンバータ４１に過大な放電電流が流れることを防止できる。

蓄電回路４０が３個以上の昇降圧コンバータ４１で構成されている場合には、故障している昇降圧コンバータ４１の台数に応じて、出力制御値Ｐｃｏｎの最大値Ｐｍａｘ１を異ならせることが好ましい。

昇降圧コンバータ４１の故障時に限らず、蓄電回路４０の電気的負荷が軽いときにも、一方の昇降圧コンバータ４１を停止させ、他方の昇降圧コンバータ４１のみを動作させてもよい。例えば、蓄電回路４０の電気的負荷が基準値未満になったことを制御装置９０が検出したときに、一部の昇降圧コンバータ４１を停止させる制御を行なってもよい。

図９を参照して、他の実施例による蓄電回路について説明する。図９は、他の実施例による蓄電回路の等価回路図を示す。以下、図３〜図６に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

図３に示した実施例による蓄電回路４０は、相互に並列に接続された２つの昇降圧コンバータ４１を含んでいたが、図９に示した実施例では、１つの昇降圧コンバータ４１のみが蓄電装置４５とＤＣバスライン５５との間に接続されている。図３に示した実施例の昇降圧コンバータ４１では、誘導起電力を発生するためのインダクタンスが、１つのリアクトル４４で構成されていた。図９に示した実施例では、誘導起電力を発生するためのインダクタンスが、相互に並列に接続された複数のリアクトル４４で構成されている。図９では、２つのリアクトル４４が並列に接続された例を示している。

複数のリアクトル４４が並列に接続されているため、１つのリアクトルを用いた場合に比べて、各リアクトル４４に流れる電流が少なくなる。このため、リアクトル４４として、定格電流の小さなものを用いることができる。なお、リアクトル４４として、並列に接続された複数のリアクトル４４の合成インダクタンスが所望の値になるようなインダクタンスを有するものが選択されている。

一般に、定格電流の小さなリアクトルは、定格電流の大きなリアクトルよりも、扁平なパッケージに収容されている。図６Ａに示した仕切り壁６７に定格電流の大きな１つのリアクトル４４を搭載する場合のリアクトル４４と仕切り壁６７との接触面積に比べて、定格電流の小さな２つのリアクトル４４を搭載する場合の接触面積を大きくすることができる。このため、リアクトル４４の冷却効率を高めることができる。

図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して、さらに他の実施例による蓄電回路４０について説明する。以下、図３及び図４に示した蓄電回路４０との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

図１０Ａに、蓄電回路４０のブロック図を示す。図１０Ａでは、１つの昇降圧コンバータ４１を示しているが、図３に示したように、複数の昇降圧コンバータ４１を並列に接続してもよい。図３及び図４に示した構成では、１つの充放電電流路に１つの電流計３８が配置されていた。電流計３８として双方向性電流計が用いられ、電流計３８は、放電電流及び充電電流を測定することができる。

図１０Ａに示した例では、１つの充放電電流路に、単方向性の２つの電流計３８Ａ及び３８Ｂが配置されている。一方の電流計３８Ａは放電電流を測定し、他方の電流計３８Ｂは充電電流を測定する。電流計３８Ａ及び３８Ｂの出力が、それぞれオペアンプを介して制御装置９０のＡ／Ｄコンバータ９３のアナログ入力端子に入力される。

Ａ／Ｄコンバータ９３は、複数のアナログ入力端子を有し、選択された１つのアナログ入力端子に入力されているアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。蓄電装置４５が放電されている時には、放電用の電流計３８Ａからの出力信号が入力されているアナログ端子が選択される。蓄電装置４５が充電されている時には、充電用の電流計３８Ｂからの出力信号が入力されているアナログ端子が選択される。

図１０Ｂに、充放電電流のＡ／Ｄ変換の前後のアナログ値Ｉａとデジタル値Ｉｄとの対応を示す。横軸は、充放電電流のアナログ値Ｉａを表し、縦軸は充放電電流のデジタル値Ｉｄを表す。充電用の電流計３８Ｂの出力が入力されているアナログ入力端子が選択されている時のアナログ値Ｉａを負と定義した。Ａ／Ｄコンバータ９３が１２ビットの分解能を有する場合について説明する。放電電流及び充電電流の各々について、１２ビットの分解能、すなわち０から４０９５までの４０９６段階の分解能を確保することができる。

図１１Ａに、比較例による蓄電回路４０のブロック図を示す。比較例では、双方向電流計３８が用いられている。電流計３８の出力が比較器の一方の入力端子に入力され、比較器の出力がＡ／Ｄコンバータ９３のアナログ入力端子に入力される。比較器の他方の入力端子には、参照電圧Ｒｅｆが与えられている。参照電圧Ｒｅｆは、最大の充電電流が流れている時の電流計３８の出力に相当する。

図１１Ｂに、充放電電流のＡ／Ｄ変換の前後のアナログ値Ｉａとデジタル値Ｉｄとの対応を示す。横軸は、充放電電流のアナログ値Ｉａを表し、縦軸は充放電電流のデジタル値Ｉｄを表す。放電電流の最大値から、充電電流の負の最大値までの範囲が、１２ビットの分解能でデジタル変換される。このため、放電電流及び充電電流の各々について、１２ビットの分解能、すなわち０から２０４７までの２０４８段階の分解能しか確保することができない。

図１０Ａに示した実施例では、充放電電流路に、放電用の電流計３０Ａと充電用の電流計３０Ｂを配置されている。さらに、放電用の電流計３８Ａの出力と、充電用の電流計３８Ｂの出力とが、異なるアナログ入力端子に入力されている。このため、放電電流及び充電電流の各々を、Ａ／Ｄコンバータ９３の最大の分解能でデジタル値に変換することができる。これにより、充放電電流に基づく種々の制御の精度を高めることができる。

放電用の電流計３８Ａ及び充電用の電流計３８Ｂは、図３に示した昇降圧コンバータ４１の各々に対応して配置してもよいし、蓄電装置４５に対応して配置してもよい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

２０下部走行体
２１上部旋回体
２２旋回電動機（作業用電動機）
２３ブーム
２４ブームシリンダ
２５アーム
２６アームシリンダ
２７バケット
２８バケットシリンダ
２９Ａ、２８Ｂ油圧モータ
３０エンジン
３１電動発電機
３２トルク伝達機構
３５切り離し回路
３６リレー
３８電流計
３８Ａ放電用の電流計
３８Ｂ充電用の電流計
４０蓄電回路
４１昇降圧コンバータ
４２スイッチングモジュール
４２Ａ昇圧用スイッチング素子
４２Ｂ降圧用スイッチング素子
４３Ａ、４３Ｂ転流ダイオード
４４リアクトル
４５蓄電装置
４６コンデンサ
４７スイッチングモジュール
４８リレー
４９抵抗器
５０電力変換装置
５１、５２インバータ
５３Ｕ、５４ＵＵ相用スイッチングモジュール
５３Ｖ、５４ＶＶ相用スイッチングモジュール
５３Ｗ、５４ＷＷ相用スイッチングモジュール
５５ＤＣバスライン
５６、５７電圧計
６０三相交流配線
６１直流配線
６２三相交流配線
６３直流配線
６５筐体
６６側壁
６７仕切り壁
６８第１の蓋
６９第２の蓋
７５メインポンプ
７６高圧油圧ライン
７７コントロールバルブ
７８パイロットポンプ
７９パイロットライン
８０減速機
８１レゾルバ
８２メカニカルブレーキ
８３操作装置
８４、８５油圧ライン
８６圧力センサ
９０制御装置
９１第１の空間
９２第２の空間
９３Ａ／Ｄコンバータ
９４流路
９５、９６開口
９７受皿
９８コネクタ
９９配線

Claims

下部走行体と、
前記下部走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体と、
エンジンと、
前記エンジンの動力によって駆動される発電機と、
電力を蓄電する蓄電装置と、
前記蓄電装置から供給される電力によって駆動され、前記上部旋回体を旋回させる作業用電動機と、
前記上部旋回体に搭載された筐体、前記筐体内に収容された複数の昇降圧コンバータとインバータ、及び前記筐体内に収容され前記昇降圧コンバータと前記インバータとを冷却する冷却媒体を流す流路を含む電力変換装置と
を有し、
前記複数の昇降圧コンバータは相互に並列に接続されており、
前記インバータは、前記発電機と前記蓄電装置とを接続し、
前記昇降圧コンバータの各々は、スイッチング素子とリアクトルとを含み、前記スイッチング素子のスイッチング動作によって、前記リアクトルに誘導起電力を発生させることにより、前記蓄電装置の電圧を昇圧して前記作業用電動機に供給する掘削機。
さらに、前記複数の昇降圧コンバータを制御する制御装置を有し、
前記制御装置は、前記複数の昇降圧コンバータの前記スイッチング素子のスイッチング動作の位相をずらす請求項１に記載の掘削機。
さらに、前記筐体内に配置され、前記流路を流れる冷却媒体によって冷却される冷却板を有し、
前記複数の昇降圧コンバータの前記リアクトルは、それぞれ前記冷却板に搭載されている請求項１または２に記載の掘削機。
前記筐体内の空間が前記冷却板によって第１の空間と第２の空間とに仕切られており、前記複数の昇降圧コンバータの前記スイッチング素子は、前記冷却板の、前記第１の空間側の表面に搭載されており、前記リアクトルは、前記冷却板の、前記第２の空間側の表面に搭載されている請求項３に記載の掘削機。
さらに、
前記インバータと前記昇降圧コンバータとを接続するＤＣバスラインと、
前記ＤＣバスラインに接続された平滑用のコンデンサと
を有し、
前記冷却板に開口が設けられており、前記コンデンサは、前記開口を貫通するように前記筐体内に配置されている請求項４に記載の掘削機。
さらに、前記第１の空間と前期第２の空間との一方から前記開口を塞ぐように、前記冷却板に取り付けられた受皿を有し、
前記コンデンサは、前記受皿を介して前記冷却板に支持されている請求項５に記載の掘削機。
さらに、
前記蓄電装置の充放電電流路に配置され、放電電流を測定する放電用の電流計と、
前記蓄電装置の充放電電流路に配置され、充電電流を測定する充電用の電流計と
を含み、
さらに、前記放電用の電流計からの出力が入力される第１のアナログ入力端子、及び前記充電用の電流計からの出力が入力される第２のアナログ入力端子を持つＡ／Ｄコンバータを有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の掘削機。
前記蓄電装置が放電されている時は、前記第１のアナログ入力端子が選択され、前記蓄電装置が充電されている時は、前記第２のアナログ入力端子が選択され、
前記Ａ／Ｄコンバータは、前記第１のアナログ入力端子及び前記第２のアナログ入力端子のうち選択された方のアナログ入力端子に入力されているアナログ信号をデジタル信号に変換する請求項７に記載の掘削機。
下部走行体と、
前記下部走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体と、
エンジンと、
前記エンジンの動力によって駆動される発電機と、
電力を蓄電する蓄電装置と、
前記蓄電装置から供給される電力によって駆動され、前記上部旋回体を旋回させる作業用電動機と
前記上部旋回体に搭載された筐体、前記筐体内に収容された昇降圧コンバータとインバータ、及び前記筐体内に収容され前記昇降圧コンバータと前記インバータとを冷却する冷却媒体を流す流路を含む電力変換装置と
を有し、
前記インバータは、前記発電機と前記蓄電装置とを接続し、
前記昇降圧コンバータは、直列接続された２つのスイッチング素子と、前記２つのスイッチング素子の相互接続点と前記蓄電装置とを接続するインダクタンス回路とを有し、前記インダクタンス回路は相互に並列に接続された複数のリアクトルを含み、前記スイッチング素子のスイッチング動作によって、前記リアクトルに誘導起電力を発生させることにより、前記蓄電装置の電圧を昇圧して前記作業用電動機に供給する掘削機。
さらに、前記筐体内に配置され、前記流路を流れる冷却媒体によって冷却される冷却板を有し、
前記複数のリアクトルは、それぞれ前記冷却板に搭載されている請求項９に記載の掘削機。