JP4949288B2 - 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を用いた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、このようなハイブリッド型建設機械では、エンジンをアシストするための電動機と旋回駆動用の電動機とでは必要な駆動力の違い等により定格出力が異なる。

また、エンジンをアシストするための電動機は略一定の回転数で電動（アシスト）運転又は発電運転を行うため、電動機の出力の変動は比較的少ないが、旋回駆動用の電動機は上部旋回体の回転に伴って加速（力行運転）と減速（回生運転）を繰り返し行い、作業内容によって運転者のレバー操作量が変更され、それによって旋回駆動用の電動機の回転数も変化する。

このため、供給電圧を旋回駆動用の電動機の回転数に応じて変化させると、一定の電圧範囲しか使用しない電動発電機のインバータ（制御器）に対して大きな電圧負荷となり、損傷や破損が生じる恐れがある。

一方、一定の回転数でしか回転しない電動発電機に電圧値を合わせると、旋回駆動用の電動機の出力が不足してしまう。

そこで、本発明は、電動駆動用の機器の損傷又は破損を抑制しつつ、各電動機を効率的に駆動することのできる昇降圧コンバータを用いたハイブリッド型建設機械を提供することを目的とする。

本発明の一局面のハイブリッド型建設機械は、油圧駆動作業要素の駆動に必要な油圧を発生する油圧ポンプを駆動するための内燃機関に機械的に接続され、電動（アシスト）運転及び発電運転を行う電動発電機と、電動駆動作業要素の駆動を行う電動駆動部と、前記電動発電機又は前記電動駆動部に供給するための電力を蓄積するとともに、前記電動発電機又は前記電動駆動部によって発電された電力を充電する蓄電器と、一側が第１ＤＣバスを介して前記電動発電機に接続されるとともに、他側が前記蓄電器に接続され、前記第１ＤＣバスの電圧値を昇圧又は降圧する第１昇降圧コンバータと、一側が第２ＤＣバスを介して前記電動駆動部に接続されるとともに、他側が前記蓄電器に接続され、前記第２ＤＣバスの電圧値を昇圧又は降圧する第２昇降圧コンバータとを含む。

また、前記電動駆動部は、上部旋回体の旋回機構を回転駆動するための旋回用電動機であり、前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータの少なくとも一方は、前記旋回用電動機の回転速度に応じて前記第１ＤＣバス又は前記第２ＤＣバスの電圧値を可変制御してもよい。

また、これに代えて、前記電動駆動部は、上部旋回体の旋回機構を回転駆動するための旋回用電動機であり、前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータのいずれか一方は、前記旋回用電動機の回転速度に応じて前記第１ＤＣバス又は前記第２ＤＣバスの電圧値を可変制御し、いずれか他方は、前記第１ＤＣバス又は前記第２ＤＣバスの電圧値を一定値に制御してもよい、
また、この場合に、前記電圧値が一定値に制御される前記第１ＤＣバス又は前記第２ＤＣバスには、リフティングマグネットの駆動回路、又は、電動式の走行機構の駆動回路が接続されてもよい。

また、前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータの少なくとも一方は自己診断機能を有し、異常時には、異常を表す異常信号を他方に通報してもよい。

また、この場合に、前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータは、自己診断機能により異常を検出した場合には、自己の電流制限値を他方の昇降圧コンバータの電流制限値に設定させてもよい。

また、前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータのいずれか一方は自己診断機能を有し、異常時には、異常を表す異常信号を上位制御部に報知してもよい。

また、前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータの少なくとも一方は、異常時に自己の昇降圧コンバータをバイパスさせるバイパス回路を有してもよい。

本発明によれば、電動駆動用の機器の損傷又は破損を抑制しつつ、各電動機を効率的に駆動することのできる昇降圧コンバータを用いた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。

「本実施の形態」
図１は、本実施の形態の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、建設機械の作業要素であるブーム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、本実施の形態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・制御系を実線でそれぞれ示す。

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、本実施の形態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１００Ａを介して蓄電装置としてのバッテリ１９が接続される。このインバータ１８Ａと昇降圧コンバータ１００Ａとの間は、ＤＣバス１１０Ａによって接続されている。

また、このＤＣバス１１０Ａ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１１０Ａから電力が供給される。

バッテリ１９には、昇降圧コンバータ１００Ａと並列に昇降圧コンバータ１００Ｂが接続されており、この昇降圧コンバータ１００Ｂは、ＤＣバス１１０Ｂ及びインバータ２０Ａを介して旋回機構２を駆動するための旋回用電動機２１が接続されている。

また、このＤＣバス１１０Ｂには、インバータ２０Ｂを介して発電機３０が接続されている。

発電機３０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２０Ｂを経てＤＣバス１１０Ａに供給される。

このように、本実施の形態のハイブリッド型建設機械の駆動制御装置では、エンジン１１のアシスト用の電動発電機１２及びリフティングマグネット６と、旋回用電動機２１及びブーム回生用の発電機３０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１１０Ｂとバッテリ１９の間には、別々の昇降圧コンバータ１００Ａと１００Ｂが接続されている。

このため、電動発電機１２及びリフティングマグネット６は、ＤＣバス１１０Ａを介して昇降圧コンバータ１００Ａとの間で電力の授受を行い、旋回用電動機２１及び発電機３０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。

本実施の形態では、電動発電機１２の定格電圧は３６０（Ｖ）、旋回用電動機２１の定格電圧は３００〜４００（Ｖ）とする。このため、昇降圧コンバータ１００Ｂ及びＤＣバス１１０Ｂの容量は、昇降圧コンバータ１００Ａ及びＤＣバス１１０Ａよりも高電圧・大電流に耐えられる容量に設定されている。

ＤＣバス１１０Ａと１１０Ｂには、それぞれのＤＣバスの電圧値（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１１１Ａ及び１１１Ｂ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１２０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１１２Ａ及び１１２Ｂが接続されており、バッテリ１９と昇降圧コンバータ１００Ａ及び１００Ｂの間には、昇降圧コンバータ１００Ａ及び１００Ｂに流れるコンバータ電流値を検出するための電流検出部１１３Ａ及び１１３Ｂ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１２０に入力される。なお、バッテリ電流値は、電流検出部１１３Ａと１１３Ｂでそれぞれ検出されるコンバータ電流値の和で与えられる。

ここで、各検出部について説明する。

ＤＣバス電圧検出部１１１Ａ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１２０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。

同様に、ＤＣバス電圧検出部１１１Ｂ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１２０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１１２Ａ及び１１２Ｂ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１２０に入力され、昇降圧コンバータ１００Ａ及び１００Ｂ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１１３Ａは、昇降圧コンバータ１００Ａのコンバータ電流値を検出するための電流検出部である。コンバータ電流値は、バッテリ１９から昇降圧コンバータ１００Ａに流れる電流を正の値として検出される。検出されるコンバータ電流値は、コントローラ１２０に入力され、昇降圧コンバータ１００Ａ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１１３Ｂは、昇降圧コンバータ１００Ｂのコンバータ電流値を検出するための電流検出部である。コンバータ電流値は、バッテリ１９から昇降圧コンバータ１００Ｂに流れる電流を正の値として検出される。

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、本実施の形態の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ１２０が接続されている。

このような本実施の形態の建設機械は、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（アシスト）運転と発電運転の切り替えは、コントローラ１２０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１００Ａとの間に設けられ、コントローラ１２０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１００Ａ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をＤＣバス１１０Ａ及び昇降圧コンバータ１００Ａへ供給する。

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１００Ａとの間に設けられ、コントローラ１２０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１１０Ａ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１００Ａに供給する。

バッテリ１９は、昇降圧コンバータ１００Ａを介してインバータ１８Ａ及び１８Ｂに接続されるとともに、昇降圧コンバータ１００Ｂを介してインバータ２０Ａ及び２０Ｂ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を駆動する際には、必要な電力を供給する。また、電動発電機１２が発電運転を行っている際、リフティングマグネット６をオフにするときに回生電力が発生している際、旋回用電動機２１が回生運転を行っている際、又は、発電機３０が発電運転を行っている際には、発電運転又は回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギとして蓄積するための電源である。

なお、ＤＣバス１１０Ａには、インバータ１８Ａ及び１８Ｂを介して、電動発電機１２及びリフティングマグネット６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）、発電機３０の発電状態、リフティングマグネット６の駆動状態、及び、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、昇降圧コンバータ１００Ａ及び１００Ｂによって行われる。この昇降圧コンバータ１００Ａ及び１００Ｂの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１Ａ及び１１１Ｂによって検出されるＤＣバス電圧値、バッテリ電圧検出部１１２Ａ及び１１２Ｂによって検出されるバッテリ電圧値、及び電流検出部１１３Ａ及び１１３Ｂ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１２０によって行われる。

インバータ２０Ａは、上述の如く旋回用電動機２１と昇降圧コンバータ１００Ｂとの間に設けられ、コントローラ１２０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から昇降圧コンバータ１００Ｂ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へ供給する。

インバータ２０Ｂは、発電機３０と昇降圧コンバータ１００Ａとの間に設けられ、発電機３０の駆動制御を行う。

なお、ＤＣバス１１０Ｂには、インバータ２０Ａを介して旋回用電動機２１が接続されているため、発電機３０で発電された電力が旋回用電動機２１に直接的に供給される場合もある。

昇降圧コンバータ１００Ａは、一側がＤＣバス１１０Ａ及びインバータ１８Ａ及び１８Ｂを介して電動発電機１２及びリフティングマグネット６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）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。

このため、昇降圧コンバータ１００Ａ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）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。

また、発電機３０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。

ここで、エンジン１１は一定回転数で回転しているため、電動発電機１２も一定回転数で回転し、これにより、インバータ１８Ａの電圧値は一定になるように制御される。従って、電動発電機１２及びインバータ１８Ａは電圧変動が少ないＤＣバス１１０Ａへ接続される。また、同様にリフティングマグネット６も電圧値が一定のため、リフティングマグネット６を制御するインバータ１８ＢもＤＣバス１１０Ａへ接続される。このように、ＤＣバス１１０Ａは電圧変動が小さい駆動部と接続しているので、昇降圧コンバータ１００ＡはＤＣバス１１０ＡにおけるＤＣバス電圧検出部１１１Ａによって検出した電圧値が一定になるように、ＤＣバス電圧検出部１１１Ａとバッテリ電圧検出部１１２Ａ及び１１２Ｂとの電圧値を比較し、バッテリ１９との電力供給の制御を行う。

一方、旋回用電動機２１の回転速度は、作業内容に対応したオペレータのレバー操作量に基づいて変化するので、電動発電機１２に比べて大きい。このため、旋回用電動機２１へ供給されるためのＤＣバス１１０Ｂの電圧値は、旋回用電動機２１の回転速度に応じて、大きく変化することになる。従って、一定の電圧値に制御されるＤＣバス１１０Ａに旋回用電動機２１を接続した場合、旋回用電動機２１の回転速度が高速の場合、ＤＣバス１１０Ａの電圧値が十分に高くないため、高速での旋回動作を行うことができなくなる。しかも、高電圧の回生電力が旋回電動機２１よりＤＣバス１１０Ａへ供給されると、インバータ１８Ａの損傷につながってしまう。

そこで、本実施の形態では、電圧値を一定に制御するＤＣバス１１０Ａ及び昇降圧コンバータ１００Ａとは別に、ＤＣバス１１０Ｂ及び昇降圧コンバータ１００Ｂを設けることで、各電動機を効率よく駆動できるようにした。

昇降圧コンバータ１００Ｂは、一側がＤＣバス１１０Ｂを介して旋回用電動機２１に接続されるとともに、他側がバッテリ１９に接続されている。

昇降圧コンバータ１００Ｂは、旋回用電動機２１に接続されたレゾルバ２２によって検出された旋回速度に応じたＤＣバス１１０Ｂの電圧値になるように昇圧動作又は降圧動作を切り替える。

ここで、昇降圧コンバータ１００Ｂは、ＤＣバス１１０Ｂの電圧値をＤＣバス１１０Ａの電圧値よりも高い値に設定する。これは、電動発電機１２と旋回用電動機２１の使用方法の違いによるものである。

このように、昇降圧コンバータ１００ＢがＤＣバス１１０Ｂの電圧値を可変制御するのは、旋回用電動機２１は、駆動時における回転速度の変化が電動発電機１２に比べてかなり大きいため、力行運転及び回生運転を行う際にＤＣバス１１０Ｂの電圧値は大きく変動するためである。なお、昇降圧動作の切替は、コントローラ１２０によって行われる。

具体的には、レゾルバ２２で検出された回転速度が高速である場合には、ＤＣバス１１０Ｂには高電圧が必要とされる。この場合、ＤＣバス電圧検出部１１１Ｂの電圧検出値が高速での回転速度に対応した電圧値となるように、昇降圧コンバータ１００Ｂは、ＤＣバス電圧検出部１１１Ｂとバッテリ電圧検出部１１２Ｂとの電圧値を比較し、バッテリ１９との電力供給の制御を行う。

また、レゾルバ２２で検出された回転速度が低速である場合には、ＤＣバス１１０Ｂの電圧は低い電圧で十分である。この場合、ＤＣバス電圧が高い状態であると過電圧状態となるため、ＤＣバス電圧検出部１１１Ｂの電圧検出値を、低速での回転速度に対応した電圧値となるように、昇降圧コンバータ１００Ｂは、バッテリ１９との電力供給の制御を行う。

また、上述の説明では、レゾルバ２２によって検出された旋回速度に基づいてＤＣバス１１０Ｂの電圧値が変化するが、運転者のレバー操作量に対応した速度指令値に基づいて、ＤＣバス１１０Ｂの電圧値を変更するようにしてもよい。

また、説明の便宜上、図２では図示を省略するが、昇降圧コンバータ１００Ｂにはバイパス回路が並列に接続される。このバイパス回路は、昇降圧コンバータ１００Ｂの異常時にＤＣバス１１０Ｂとバッテリ１９との間を短絡するための回路であるが、その詳細については図３を用いて後述する。

なお、既述のように、ＤＣバス電圧検出部１１１Ａ及びＤＣバス電圧検出部１１１Ｂは、ＤＣバス１１０Ａ及びＤＣバス１１０Ｂの電圧値を検出するための電圧検出部であり、バッテリ電圧検出部１１２Ａ及び１１２Ｂ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、電流検出部１１３Ａ及び電流検出部１１３Ｂは、昇降圧コンバータ１００Ａ及び昇降圧コンバータ１００Ｂのコンバータ電流値を検出するための電流検出部である。コンバータ電流値は、バッテリ１９から昇降圧コンバータ１００Ａ及び１００Ｂに流れる電流を正の値として検出される。

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１２０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、本実施の形態では、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。

図３は、本実施の形態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。昇降圧コンバータ１００Ａ及び１００Ｂの構成は同一であるため、ここでは昇降圧コンバータ１００Ａを中心に説明を行う。

昇降圧コンバータ１００Ａは、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、バッテリ１９を接続するための電源接続端子１０３Ａ、負荷を接続するための出力端子１０４Ａ、及び、一対の出力端子１０４Ａに並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０５を備える。昇降圧コンバータ１００Ａの出力端子１０４Ａと負荷との間は、ＤＣバス１１０Ａによって接続される。

このＤＣバス１１０Ａに接続される負荷は、互いに並列接続される電動発電機１２、発電機３０、及びリフティングマグネット６である。

なお、図３では、図の簡略化のためにインバータ１８Ａ〜１８Ｂ（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１２０Ａを省略する。

また、昇降圧コンバータ１００Ａは自己診断機能を有しており、この自己診断機能は、昇降圧コンバータ１００Ａの電流検出部１１３Ａが電流値を監視することによって実現される。なお、この自己診断機能は、電流検出部１１３Ａの検出値を昇降圧コンバータ１００Ａが監視することによって実現されてもよい。

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１０３Ａ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１１０Ａ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、駆動制御部１２０Ａ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１９は、昇降圧コンバータ１００Ａを介してＤＣバス１１０Ａ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１９を示すが、バッテリ１９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。

電源接続端子１０３Ａは、バッテリ１９が接続可能な端子であればよい。出力端子１０４Ａは、ＤＣバス１１０Ａが接続可能な端子であればよい。

バッテリ１９には、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出部１１２Ａ及び１１２Ｂが接続される。また、ＤＣバス１１０Ａには、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１Ａが接続される。

バッテリ電圧検出部１１２Ａ及び１１２Ｂは、バッテリ１９の電圧値を検出し、ＤＣバス電圧検出部１１１Ａは、ＤＣバス１１０Ａの電圧値を検出する。

平滑用のコンデンサ１０５は、出力端子１０４Ａの正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス１１０ＡのＤＣバス電圧を平滑化できる蓄電素子であればよい。

電流検出部１１３Ａは、昇降圧コンバータ１００Ａのコンバータ電流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。

昇降圧コンバータ１００Ｂは、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、バッテリ１９を接続するための電源接続端子１０３Ｂ、負荷を接続するための出力端子１０４Ｂ、及び、一対の出力端子１０４Ｂに並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０５を備える。昇降圧コンバータ１００Ｂの出力端子１０４Ｂと負荷との間は、ＤＣバス１１０Ｂによって接続される。ＤＣバス１１０Ｂに接続される負荷は、旋回用電動機２１である。なお、図３では、図の簡略化のためにインバータ２０Ａ（図２参照）を省略する。

また、昇降圧コンバータ１００Ｂは自己診断機能を有しており、この自己診断機能は、昇降圧コンバータ１００Ｂの電流検出部１１３Ｂが電流値を監視することによって実現される。なお、この自己診断機能は、電流検出部１１３Ｂの検出値を昇降圧コンバータ１００Ｂが監視することによって実現されてもよい。

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１０３Ｂ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１１０Ｂ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の構成は、昇降圧コンバータ１００Ａと同一である。

また、バッテリ１９は、昇降圧コンバータ１００Ｂを介してＤＣバス１１０Ｂとの間で電力の授受を行う。

電源接続端子１０３Ｂは、バッテリ１９が接続可能な端子であればよい。出力端子１０４Ｂは、ＤＣバス１１０Ｂが接続可能な端子であればよい。

また、ＤＣバス１１０Ｂには、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１Ｂが接続される。ＤＣバス電圧検出部１１１Ｂは、ＤＣバス１１０Ｂの電圧値を検出する。

平滑用のコンデンサ１０５は、出力端子１０４Ｂの正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス１１０ＢのＤＣバス電圧を平滑化できる蓄電素子であればよい。

電流検出部１１３Ｂは、昇降圧コンバータ１００Ｂのコンバータ電流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。

また、昇降圧コンバータ１００Ｂには、バイパス回路１３０が並列に接続されている。このバイパス回路１３０は、昇降圧コンバータ１００Ｂの異常時にＤＣバス１１０Ｂとバッテリ１９との間を短絡するための回路であり、駆動制御部１２０Ａによって開閉制御が行われるリレー１３０Ａ及び１３０Ｂを含む。バイパス回路１３０の開閉制御については後述する。

「昇降圧動作」
このような昇降圧コンバータ１００Ａにおいて、ＤＣバス１１０Ａ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１１０Ａに供給する。これにより、ＤＣバス１１０Ａが昇圧される。これは、昇降圧コンバータ１００ＢとＤＣバス１１０Ｂとの関係においても同様である。

また、ＤＣバス１１０Ａ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、電動発電機１２によって発生される発電電力、又は発電機３０によって発生される回生電力をＤＣバス１１０Ａからバッテリ１９に供給する。これにより、ＤＣバス１１０Ａに蓄積された電力がバッテリ１９に充電され、ＤＣバス１１０Ａが降圧される。この降圧動作は、昇降圧コンバータ１００ＢとＤＣバス１１０Ｂを介して接続された旋回用電動発電機２１との間においても同様である。

図４は、本実施の形態のハイブリッド型建設機械の昇降圧コンバータ１００Ａによって行われるバイパス回路１３０の駆動制御の処理手順を示す図である。これは、昇降圧コンバータ１００Ａの制御部によって実行される処理である。

昇降圧コンバータ１００Ａは、昇降圧コンバータ１００Ｂから異常信号を受信したか否かを判定する（ステップＳ１）。この処理は、自己診断機能により異常判定を行う降圧コンバータ１００Ｂから異常信号を受信するまで繰り返し実行される。

昇降圧コンバータ１００Ａは、異常信号を受信した場合は、バイパス回路１３０をオンにするため、リレー１３０Ａ及び１３０Ｂを閉成する（ステップＳ２）。これにより、昇降圧コンバータ１００Ｂがバイパスされ、ＤＣバス１１０Ｂはバッテリ１９に直接的に接続される。

次いで、昇降圧コンバータ１００Ａは、昇降圧コンバータ１００Ａの電流制限値を昇降圧コンバータ１００Ｂの電流制限値に設定し、ＤＣバス１１０Ａ及び１１０Ｂの双方のＤＣバス電圧値を一定に制御するために昇圧動作又は降圧動作を行う。これにより、昇降圧コンバータ１００Ｂに異常が生じて一時的に利用できなくなっても、ＤＣバス１１０Ａ側のシステム（インバータ１８Ａ等）によりバッテリ１９の電圧を一定にすることができる。これにより、ＤＣバス１１０Ｂはバッテリ電圧と同等の電圧を維持することができ、所定の作業が完了するまでの間、インバータ２０Ａを制御して旋回用電動機２１を駆動することができる。

なお、ここでは、昇降圧コンバータ１００Ｂの自己診断機能によって異常判定が行われた場合に、昇降圧コンバータ１００Ａによってバイパス回路１３０の駆動制御が行われる形態について説明したが、昇降圧コンバータ１００Ｂが異常判定を行った場合に、上位制御部である駆動制御部１２０Ａに異常信号を通報し、駆動制御部１２０Ａがバイパス回路１３０の駆動制御を行なうようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態のハイブリッド型建設機械によれば、エンジン１１のアシスト用の電動発電機１２及びリフティングマグネット６と、旋回機構２を駆動するための旋回用電動機２１及びブーム回生用の発電機３０とは、別々のＤＣバス１１０Ａと１１０Ｂに接続されているため、電動発電機１２及びリフティングマグネット６と、旋回用電動機２１とには別々のＤＣバス１１０Ａ及び１００Ｂを介して電力が供給される。

このような構成により、定格出力の電動発電機１２と旋回用電動機２１の定格出力の違いに合わせてＤＣバス１１０Ｂの電圧値をＤＣバス１１０Ａの電圧値よりも高く設定することができ、機器の損傷又は破損を抑制しつつ、各電動機を効率的に駆動することのできる昇降圧コンバータを用いたハイブリッド型建設機械を提供することができる。

さらに、ＤＣバス及び昇降圧コンバータを複数に分けたため、一方の昇降圧コンバータが損傷しても、直ちに制御不能となることなく、他方のコンバータで所定の間、全ての作業を継続することができる。

また、リフティングマグネット６と旋回用電動機２１とを、共通のＤＣバス１１０Ｂで接続しているので、昇降圧コンバータ１００Ｂが損傷しても、直ちにリフティングマグネット６への電流供給を継続させることができる。

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。

本実施の形態のハイブリッド型建設機械を示す側面図である。 本実施の形態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。 本実施の形態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。 本実施の形態のハイブリッド型建設機械の昇降圧コンバータ１００Ａによって行われるバイパス回路１３０の駆動制御の処理手順を示す図である。

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、２０Ｂ、２０Ａ、２０Ｂ 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
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ 発電機
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
１０３Ａ、１０３Ｂ 電源接続端子
１０４Ａ、１０４Ｂ 出力端子
１０５ コンデンサ
１１０Ａ、１１０Ｂ ＤＣバス
１１１Ａ、１１１Ｂ ＤＣバス電圧検出部
１１２Ａ、１１２Ｂ バッテリ電圧検出部
１１３Ａ、１１３Ｂ 電流検出部
１２０ コントローラ
１２０Ａ 駆動制御部
１２０Ｂ 旋回駆動制御部

Claims (8)

1. 油圧駆動作業要素の駆動に必要な油圧を発生する油圧ポンプを駆動するための内燃機関に機械的に接続され、電動運転及び発電運転を行う電動発電機と、
   電動駆動作業要素の駆動を行う電動駆動部と、
   前記電動発電機又は前記電動駆動部に供給するための電力を蓄積するとともに、前記電動発電機又は前記電動駆動部によって発電された電力を充電する蓄電器と、
   一側が第１ＤＣバスを介して前記電動発電機に接続されるとともに、他側が前記蓄電器に接続され、前記第１ＤＣバスの電圧値を昇圧又は降圧する第１昇降圧コンバータと、
   一側が第２ＤＣバスを介して前記電動駆動部に接続されるとともに、他側が前記蓄電器に接続され、前記第２ＤＣバスの電圧値を昇圧又は降圧する第２昇降圧コンバータと
   を含む、ハイブリッド型建設機械。
2. 前記電動駆動部は、上部旋回体の旋回機構を回転駆動するための旋回用電動機であり、
   前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータの少なくとも一方は、前記旋回用電動機の回転速度に応じて前記第１ＤＣバス又は前記第２ＤＣバスの電圧値を可変制御する、請求項１に記載のハイブリッド型建設機械。
3. 前記電動駆動部は、上部旋回体の旋回機構を回転駆動するための旋回用電動機であり、
   前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータのいずれか一方は、前記旋回用電動機の回転速度に応じて前記第１ＤＣバス又は前記第２ＤＣバスの電圧値を可変制御し、いずれか他方は、前記第１ＤＣバス又は前記第２ＤＣバスの電圧値を一定値に制御する、請求項１に記載のハイブリッド型建設機械。
4. 前記電圧値が一定値に制御される前記第１ＤＣバス又は前記第２ＤＣバスには、リフティングマグネットの駆動回路、又は、電動式の走行機構の駆動回路が接続される、請求項３に記載のハイブリッド型建設機械。
5. 前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータの少なくとも一方は自己診断機能を有し、異常時には、異常を表す異常信号を他方に通報する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド型建設機械。
6. 前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータは、自己診断機能により異常を検出した場合には、自己の電流制限値を他方の昇降圧コンバータの電流制限値に設定させる、請求項５に記載のハイブリッド型建設機械。
7. 前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータのいずれか一方は自己診断機能を有し、異常時には、異常を表す異常信号を上位制御部に報知する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド型建設機械。
8. 前記第１昇降圧コンバータ又は前記第２昇降圧コンバータの少なくとも一方は、異常時に自己の昇降圧コンバータをバイパスさせるバイパス回路を有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のハイブリッド型建設機械。

Images