JP5674086B2 - 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、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減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蓄電器に充電している。

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、従来のハイブリッド型建設機械では、アシスト用の電動発電機又は電動発電機の駆動制御系に異常が発生した場合に、エンジンへの電動運転ができなくなるため、旋回用電動機で発生した回生電力を蓄電手段で回収できなくなるおそれが生じてしまう。

逆に、旋回用電動機又は旋回用電動機の駆動制御系に異常が発生した場合に、電動発電機で発電された電力を蓄電手段で回収できなくなるおそれが生じてしまう。

この場合、蓄電手段の電圧が過電圧となり損傷してしまうことが考えられる。

そこで、本発明は、電動発電機又は前記電動発電機の駆動制御系の異常が発生した場合に、電動作業要素の駆動制御系の駆動を停止させることにより、信頼性の向上を図っ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、内燃機関と接続され、電動発電運転する電動発電系と、前記電動発電系と接続される蓄電系と、前記蓄電系に接続され、前記蓄電系へ回生電力を供給する負荷駆動系と、前記電動発電系に備えられる異常検出部と、前記異常検出部の検出値に基づいて異常判定を行うコントローラとを含み、前記コントローラは、前記電動発電系において異常が発生したと判定すると、前記電動発電系を構成する電動発電機を停止させるとともに前記負荷駆動系の駆動を停止させる。

また、前記コントローラは、異常判断の前後で前記蓄電系の充放電制御を継続してもよい。

また、前記負荷駆動系は旋回用電動機を含み、前駆コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記旋回用電動機の駆動を停止させてもよい。

また、前記コントローラは、さらに、油圧を発生する油圧ポンプの駆動制御を行うように構成されており、前記異常検出部によって前記電動発電機又は前記電動発電機の駆動制御系の異常が検出された場合に、前記油圧ポンプの吐出量を制限してもよい。

また、前記負荷駆動系はブーム回生用発電機を含み、前記コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記ブーム回生用発電機の駆動を停止させてもよい。

本発明によれば、電動発電機又は前記電動発電機の駆動制御系の異常が発生した場合に、電動作業要素の駆動制御系の駆動を停止させることにより、電動作業要素の駆動制御系の損傷を防ぐことができる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。

実施の形態１の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蓄電系の詳細図である。 従来のハイブリッド型建設機械において、電動発電機１２又はインバータ１８の異常が発生した場合のＤＣバス電圧値及びバッテリ電圧値の推移を示す特性図であり、（ａ）は負荷が回生運転を行っていた場合、（ｂ）は負荷が力行運転を行っていた場合の電圧値の推移を示す。 実施の形態１のハイブリッド型建設機械において、電動発電機１２又はインバータ１８の異常が発生した場合のＤＣバス電圧値及びバッテリ電圧値の推移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示すブロック図である。

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。

「実施の形態１」
図１は、実施の形態１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は、建設機械型のハイブリッド型建設機械であり、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、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及び蓄電制御部としての昇降圧コンバータ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を介して電動作業要素としての旋回用電動機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。なお、バッテリ１９、ＤＣバス１１０と昇降圧コンバータ１００は、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蓄電系を構成する。

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。旋回用電動機２１、インバータ２０、レゾルバ２２、及び旋回用減速機２４とで負荷制御系を構成する。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含み、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃ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１８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。そして、電動発電機１２には、電動発電系の第２の異常検出部としての温度センサ１２Ａが配設されている。電動発電機１２に負荷がかかると温度センサ１２Ａの温度検出値が上昇する。これにより、温度センサ１２Ａの温度検出値が高すぎると、電動発電機１２が過負荷状態であることを把握することができる。

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、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からの制御指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う電動発電機１２の駆動制御部である。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を発電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。電動発電機１２とインバータ１９とで電動発電系を構成している。そして、インバータ１８には、電動発電系の異常検出部としての図示しない温度センサ、電流検出器及び電圧検出器が配設されている。温度センサではインバータ１８のスイッチング素子の温度を検出し、電流検出器によって電動発電機１２の電流を検出することができる。例えば、インバータ１８のＩＧＢＴが過負荷状態になると、温度センサで検出される温度値は予め定められた閾値を超えることで、異常が発生したことを検出することができる。

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からの制御指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う旋回用電動機２１の駆動制御部である。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。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、その他マグネット機構や旋回機構部以外の駆動部として備えることで、複数の電動機及び複数のインバータをＤＣバス１１０に接続するようにしてもよい。

なお、このインバータ２０は、電動作業要素としての旋回用電動機２１の駆動制御部である。

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。

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。

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作業要素としての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主制御部としての制御装置であり、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。

コントローラ３０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。

また、コントローラ３０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）を行うとともに、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。コントローラ３０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、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。

また、コントローラ３０は、異常検出部で検出される電動発電機１２、インバータ１８に配設された異常検出部からの検出値と、それぞれの異常検出部に対応して予め定められた閾値とを比較することで異常判定を行う機能を担う。このため、コントローラ３０には、電動発電機１２の温度、電動発電機１２に通流する電流値、電動発電機１２に印加される電圧値、インバータ１８に含まれるスイッチング素子の温度、インバータ１８に供給される電圧値、及びインバータ１８に供給される電流値を表す信号が入力されるように構成されている。

なお、電動発電機１２の異常とは、例えば、電動発電機１２に断線が生じている場合や、温度が異常に上昇している状態をいう。

また、インバータ１８の異常とは、例えば、断線や故障により、スイッチング素子の温度、電圧値、又は電流値がそれぞれの閾値を超えて、過熱状態、過電圧状態、又は過電流状態が生じていることをいう。

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蓄電系の詳細図である。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１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ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。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１０５との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。インバータ１０５は、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、２０に相当する。

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９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１２０により、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１０４及び出力端子１０６は、バッテリ１９及びインバータ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１９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。

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１９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１９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、インバータ１０５を介して供給される回生電力をＤＣバス１１０からバッテリ１９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１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

なお、実際には、コントローラ１２０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図３では省略する。このような駆動部は、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。

ここで、電動発電機１２又はインバータ１８に異常が発生した場合には、インバータ２０に過大な電力が供給され、インバータ２０が損傷を受ける場合がある。

このため、実施の形態１のハイブリッド型建設機械では、電動発電機１２又はインバータ１８に異常が発生した場合には、駆動制御部１２０がインバータ２０の駆動を停止させる。このときの動作特性を図４及び図５を用いて説明する。

図４は、従来のハイブリッド型建設機械において、電動発電機１２又はインバータ１８の異常が発生した場合のＤＣバス電圧値及びバッテリ電圧値の推移を示す特性図であり、（ａ）は負荷が回生運転を行っていた場合、（ｂ）は負荷が力行運転を行っていた場合の電圧値の推移を示す。

図５は、実施の形態１のハイブリッド型建設機械において、電動発電機１２又はインバータ１８の異常が発生した場合のＤＣバス電圧値及びバッテリ電圧値の推移を示す特性図である。

これらの図において、縦軸は電圧値を示し、Ｖ１はＤＣバス電圧値の目標値、Ｖ２はＤＣバス電圧値の上限値、Ｖ４はバッテリ使用範囲の下限値、Ｖ_ＤＣはＤＣバス電圧値、Ｖ_ＢＡＴはバッテリ電圧値を表す。

ここで、ＤＣバス電圧値の上限値Ｖ２は、ＤＣバス電圧値が過電圧であるか否かを判定するための電圧値である。

また、バッテリ使用範囲とは、ハイブリッド型建設機械において、バッテリ１９を使用する際のバッテリ電圧値の範囲であり、図４（ｂ）には、下限値Ｖ４のみを示す。

なお、図４（ａ）、（ｂ）には、インバータ１８に異常が発生した場合の特性を示し、時刻ｔ＝０以前では、図４（ａ）では旋回用電動機２１の回生運転が行われており、図４（ｂ）では力行運転が行われていることとする。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ＝０では、バッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴよりもＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣの方が高い状態となっている。

従来のハイブリッド型建設機械では、時刻ｔ＝０でインバータ１８に異常が発生しても、電動作業要素である旋回用電動機２１の駆動制御は停止されないので、旋回用電動機２１によって回生される電力はＤＣバス１１０へ供給される。これにより、コントローラ３０は、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣを一定に保持するために昇降圧コンバータ１００に降圧動作を行わせるため、バッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは上昇する。

時刻ｔ＝ｔ２で、バッテリ電圧値ＶｂａｔはＤＣバス電圧値Ｖｄｃに到達する。その後、旋回用電動機２１からの回生が継続すると、バッテリ電圧値ＶｂａｔとＤＣバス電圧値Ｖｄｃとはともに上昇してしまう。

さらに、時刻ｔ＝ｔ３では、ＤＣバス電圧値の上限値にまで到達してしまう。この場合に、インバータ２０に対しても過電圧状態となり、損傷を受けてしまう。

また、図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ＝０では、バッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴよりもＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣの方が高い状態となっている。

このように、従来のハイブリッド型建設機械では、時刻ｔ＝０でインバータ１８に異常が発生しても、電動作業要素である旋回用電動機２１の駆動制御は停止されないので、旋回用電動機２１によってＤＣバス１１０の電力が消費される。これにより、駆動制御部１２０は、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣを一定に保持するために昇降圧コンバータ１００に昇圧動作を行わせるため、バッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは低下する。

旋回用電動機２１の電動運転が引き続き行われることにより、時刻ｔ＝ｔ４では、バッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴはバッテリ使用範囲の下限値Ｖ４を下回ってしまう。バッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴが下限値Ｖ４を下回ると、バッテリ１９の出力が減少するので正常な動作ができなくなる。

これに対して、実施の形態１のハイブリッド型建設機械では、インバータ１８に異常が発生しても、以下のようにして、インバータ２０の損傷を防ぐことができる。

図５には、実施の形態１を用いた場合における、インバータ１８、２０に異常が発生した後のバッテリ電圧値とＤＣバス電圧値の時間推移を示す。

ハイブリッド型建設機械が作業を継続し、電動発電機１２に負荷がかかり過ぎて、電動発電機１２に配置した温度センサ１２Ａによる検出値が予め定めら温度に達すると、コントローラ３０は電動発電機１２が過負荷状態にあると判定する（時刻ｔ＝０）。この場合、コントローラ３０は、電動発電系に異常が発生したと判定する。そして、異常処理を行うべく、インバータ１８へ電動発電機１２の駆動を停止するように制御指令を送る。さらに、コントローラ３０は旋回用電動機２１の駆動制御を停止するように制御指令をインバータ２０に送る。これにより、旋回用電動機２１での回生電力の発生を禁止でき、さらに、力行運転による電力消費を禁止する。一方、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１００に対して、電動発電系の異常発生の前後で、継続してＤＣバス電圧ＶｄｃをＶ１に一定に維持するように制御指令を送る。

これにより、ｔ＝０後において、図５に示すようにＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣとバッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは一定値に保持される。このため、インバータ２０が損傷を受けることは生じない。

なお、これは、インバータ１８の代わりに、電動発電機１２に異常が発生した場合においても、同様に、インバータ２０の駆動制御は駆動制御部１２０によって停止され、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣとバッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは一定値に保持される。このため、インバータ２０が損傷を受けることは生じない。

このように実施の形態１のハイブリッド型建設機械では、電動発電機１２、又はその駆動制御系であるインバータ１８に異常が発生すると、インバータ２０の駆動制御は駆動制御部１２０によって停止される。このため、インバータ２０の損傷を防ぐことができる。

なお、インバータ１８及び２０の駆動制御が停止された後は、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣとバッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは一定値に保持される。このため、インバータ１８Ａの復旧後は、速やかに通常通りの運転を行うことができる。

また、電動発電機１２又はインバータ１８に異常が発生した場合に、コントローラ３０がメインポンプ１４の吐出量を制限（低下）させるようにしてもよい。これにより、電動発電機１２又はインバータ１８に異常が発生することによって電動発電機１２の出力が低下した場合においても、エンジン１１がメインポンプ１４を駆動する際の負荷を低減することができる。このため、電動発電機１２又はインバータ１８に異常が発生した際に、吐出量を制限することで、エンジン１１がストールすることを抑制することができる。

［実施の形態２］
図６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。実施の形態２のハイブリッド型建設機械は、ＤＣバス１１０に駆動制御系としてのインバータ１８Ｂを介して電動作業要素としてのブーム回生用発電機３００が接続されている点が実施の形態１のハイブリッド型建設機械と異なる。インバータ１８Ｂとブーム回生用発電機３００とで負荷駆動系を構成する。

実施の形態２のハイブリッド型建設機械では、ブームシリンダ７に油圧モータ３１０が接続されており、ブーム回生用発電機３００の回転軸は、油圧モータ３１０によって駆動される。なお、図６では、説明の便宜上、油圧モータ３１０とブーム回生用発電機３００は離れているが、実際には、ブーム回生用発電機３００の回転軸は、油圧モータ３１０の回転軸に機械的に接続されている。

ブーム回生用発電機３００は、上述のように、油圧モータ３１０によって駆動され、ブーム４が重力に従って下げられるときに、位置エネルギを電気エネルギに変換する電動作業要素である。

油圧モータ３１０は、ブーム４が下げられるときにブームシリンダ７から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム４が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ３１０は、コントロールバルブ１７とブームシリンダ７の間の油圧管７Ａに設けられているため、上部旋回体３内の適当な場所に取り付けることができる。

ブーム回生用発電機３００で発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ１８Ｂを経てＤＣバス１１０に供給される。

このため、電動発電機１２、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る状況が生じうる。また、電動発電機１２、ブーム回生用発電機３００、及び旋回用電動機２１には、いずれかからＤＣバス１１０に電力供給が行う状況が生じうる。

実施の形態２では、昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、ブーム回生用発電機３００、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、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、ブーム回生用発電機３００、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行う。

このような実施の形態２のハイブリッド型建設機械において、時刻ｔ＝０でインバータ１８Ａに異常が発生すると、駆動制御部１２０は、インバータ１８Ｂ、及び２０の駆動制御を停止し、ブーム回生用発電機３００、及び旋回用電動機２１の駆動制御を停止する。

これにより、電動発電系に異常が発生した場合、インバータ１８ＢからＤＣバス１１０への回生エネルギの供給を防止することができる。

これにより、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣとバッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは一定値に保持される。このため、インバータ１８Ｂ、及び２０が損傷を受けることは生じない。

なお、これは、インバータ１８Ａの代わりに、電動発電機１２に異常が発生した場合においても、同様に、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣとバッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは一定値に保持される。このため、インバータ１８Ｂ、及び２０が損傷を受けることは生じない。

このように実施の形態２のハイブリッド型建設機械では、電動発電機１２、又はその駆動制御系であるインバータ１８に異常が発生すると、インバータ１８Ｂ、及び２０の駆動制御は駆動制御部１２０によって停止される。このため、インバータ１８Ｂ、及び２０の損傷を防ぐことができる。

なお、インバータ１８Ｂ、及び２０の駆動制御が停止された後は、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣとバッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは一定値に保持される。このため、インバータ１８Ａの復旧後は、速やかに通常通りの運転を行うことができる。

なお、以上では、ブーム回生用発電機３００が油圧モータ３１０を介してブーム４の位置エネルギを電気エネルギに変換する形態について説明したが、ブーム回生用発電機３００は、ブーム４のブーム軸に接続されており、ブーム４が下げられるときに油圧で駆動される際に発電を行うように構成してもよい。ブーム４の上昇と下降の判別は、例えば、ブーム４の操作を行うための操作レバー２６Ａの２次側に圧力センサを設け、この圧力センサの出力に基づいて駆動制御部１２０が行うようにすればよい。

［実施の形態３］
図７は、実施の形態３のハイブリッド型建設機械の構成を示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は、メインポンプ１４の駆動がポンプ用電動機４００によって行われ、電動発電機１２はエンジン１１によって駆動されることによる電力の回収（発電運転）を行うように構成されている点が実施の形態１のハイブリッド型建設機械と異なる。その他の構成は実施の形態１のハイブリッド型建設機械と同一であるため、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。また、電動発電機１２は、本実施の形態ではエンジン１１によって駆動させることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。

ポンプ用電動機４００は、メインポンプ１４を駆動するための力行運転だけを行うように構成されており、駆動制御系としてのインバータ４１０を介してＤＣバス１１０に接続されている。

このポンプ用電動機４００は、駆動制御部１２０によって駆動されるように構成されている。レバー２６Ａ〜２６Ｃのいずれかが操作されると、ポンプ用電動機４００には、ＤＣバス１１０からインバータ４１０を介して電力が供給され、これによって力行運転が行われ、ポンプ１４が駆動されて圧油が吐出される。

このため、電動発電機１２、ポンプ用電動機４００、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る状況が生じうる。また、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１には、いずれかからＤＣバス１１０に電力供給が行う状況が生じうる。

実施の形態３では、昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、ポンプ用電動機４００、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、インバータ１８、４１０、及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、バッテリ１９、ポンプ用電動機４００、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行う。

このような実施の形態３のハイブリッド型建設機械において、時刻ｔ＝０でインバータ１８に異常が発生すると、駆動制御部１２０は、インバータ２０及び４１０の駆動制御を停止し、旋回用電動機２１及びポンプ用電動機４００の駆動制御を停止する。

これにより、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣとバッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは一定値に保持される。このため、インバータ２０及び４１０が損傷を受けることは生じない。

なお、これは、インバータ１８の代わりに、電動発電機１２に異常が発生した場合においても、同様に、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣとバッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは一定値に保持される。このため、インバータ２０及び４１０が損傷を受けることは生じない。

このように実施の形態３のハイブリッド型建設機械では、電動発電機１２、又はその駆動制御系であるインバータ１８に異常が発生すると、インバータ２０及び４１０の駆動制御は駆動制御部１２０によって停止される。このため、インバータ２０及び４１０の損傷を防ぐことができる。

なお、インバータ２０及び４１０の駆動制御が停止された後は、ＤＣバス電圧値Ｖ_ＤＣとバッテリ電圧値Ｖ_ＢＡＴは一定値に保持される。このため、インバータ１８の復旧後は、速やかに通常通りの運転を行うことができる。

以上、実施の形態１乃至３では、種々の構成のハイブリッド型建設機械について説明したが、本発明のハイブリッド型建設機械は、実施の形態１乃至４に示した構成を任意に組み合わせることができる。

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。

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
７Ａ 油圧管
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
１８、１８Ａ、１８Ｂ、２０、４１０ 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
２６Ｄ ボタンスイッチ
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
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
３００ 発電機
３１０ 油圧モータ
４００ ポンプ用電動機

Claims (5)

1. 内燃機関と接続され、電動発電運転する電動発電系と、
   前記電動発電系と接続される蓄電系と、
   前記蓄電系に接続され、前記蓄電系へ回生電力を供給する負荷駆動系と、
   前記電動発電系に備えられる異常検出部と、
   前記異常検出部の検出値に基づいて異常判定を行うコントローラと
   を含み、前記コントローラは、前記電動発電系において異常が発生したと判定すると、前記電動発電系を構成する電動発電機を停止させるとともに前記負荷駆動系の駆動を停止させる、ハイブリッド型建設機械。
2. 前記コントローラは、異常判断の前後で前記蓄電系の充放電制御を継続する、請求項１に記載のハイブリッド型建設機械。
3. 前記負荷駆動系は旋回用電動機を含み、
   前記コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記旋回用電動機の駆動を停止させる、請求項１又は２に記載のハイブリッド型建設機械。
4. 前記コントローラは、さらに、油圧を発生する油圧ポンプの駆動制御を行うように構成されており、前記異常検出部によって前記電動発電機又は前記電動発電機の駆動制御系の異常が検出された場合に、前記油圧ポンプの吐出量を制限する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のハイブリッド型建設機械。
5. 前記負荷駆動系はブーム回生用発電機を含み、
   前記コントローラは、異常が発生したと判定すると、前記ブーム回生用発電機の駆動を停止させる、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。

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