JP6009339B2 - ハイブリッド式建設機械の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、ハイブリッド式建設機械の制御装置に関し、特に旋回電気モータの回生に関する。

従来、ハイブリッド式建設機械には、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。このハイブリッド式建設機械では、電動機が力行動作及び回生動作を行う。キャパシタが前記電動機に電力を供給し、また前記電動機からの回生電力を蓄電する。温度検出器がキャパシタの温度を検出し、検出された温度が基準温度以上になったとき、キャパシタの充電電流及び放電電流が通常の制限値である第１の制限値よりも小さい第２の制限値を越えないように、充放電が制御される。

特開２０１０−１７８４４６号公報

特許文献１の技術のように、温度上昇に伴い充電電流を制限すると、キャパシタの破損を防止したり、劣化を抑制することができるが、回生ブレーキが有効に作用せず、電動機を所望の位置で停止できない可能性があった。

この発明は、電動機の回生ブレーキを電動機が減速動作中に有効に作用させるハイブリッド建設機械の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のハイブリッド建設機械の制御装置は、エンジンに接続され、交流電力を発生する発電機を有している。この発電機に第１電力変換器が接続され、この第１電力変換器に旋回電気モータの電力を制御する第２電力変換器が接続されている。第１電力変換器を交流電力を直流電力に変換するコンバータで構成し、第２電力変換器をコンバータからの直流電力を所望の周波数及び電圧の交流電力に変換するインバータによって構成する交流―直流―交流変換器として第１及び第２電力変換器を構成することもできるし、第１電力変換器を電流型整流器として、第２電力変換器を電圧型インバータとして構成し、両者を直流リンクで接続し、この直流リンクにエネルギーバッファが不要なインダイレクトマトリックスコンバータとして第１及び第２電力変換器を構成することもできる。さらに蓄電装置が設けられている。蓄電装置としては充放電可能な二次電池や電気二重層コンデンサを使用することができる。第１及び第２電力変換器の双方から前記蓄電装置を充放電可能な第３電力変換器が設けられている。第３電力変換器としては、例えばチョッパを使用することができる。制御装置が、前記旋回電気モータの回転速度指令とトルク電流指令値とを有するとともに、前記蓄電装置への前記第３電力変換器による充放電を制御する。前記制御装置が、前記蓄電装置への充電電流を制限可能である。前記旋回電気モータが減速動作中には、前記制御装置が、前記充電電流の制限を解除し、または前記充電電流の制限値を大きくする。制限値を大きくすることによりより多くの充電電流を蓄電装置に供給することができる。

蓄電装置への充電電流を制限したり、充電電流の制限値を小さくしていると、回生ブレーキが有効に作用しないが、この発明のハイブリッド建設機械のように蓄電装置への充電電流の制限を解除したり、充電電流の制限値を大きくしていると、回生ブレーキが有効に作用し、旋回電気モータを所望の位置で停止させることが可能となる。

さらに、前記制御装置が前記充電電流を制限するときを、前記蓄電装置の充電容量が所定値以上に上昇したときであるとすることもできる。このように構成すると、蓄電装置の充電容量が所定以上に上昇したとき、充電電流を制限することができ、蓄電装置の劣化や破損を防止することができ、しかも、旋回電気モータが減速動作中には回生ブレーキを有効に作用させることができる。

或いは、前記制御装置が前記充電電流を制限するときを、前記蓄電装置の温度が所定値以上に上昇したときであるとすることもできる。このように構成すると、蓄電装置の温度が所定以上に上昇した場合、充電電流を制限するので、蓄電装置の劣化や破損を防止することができ、この場合も、旋回電気モータが減速動作中には回生ブレーキを有効に作用させることができる。

以上のように、本発明によれば、充電電流の制限を解除したり、充電電流の制限値を大きくすることによって、旋回電気モータの回生ブレーキを減速動作中に有効に作用させることができる。さらに、充電容量や温度が所定値以上になったときに、充電電流を制限するように構成することにより、蓄電装置の劣化や破損を防止することができる。

本発明の一実施形態のハイブリッド建設機械のブロック図である。 図１のハイブリッド建設機械の制御装置の動作フローチャートである。 図２の動作フローチャートの変形例である。 図２の動作フローチャートの別の変形例である。

本発明の１実施形態のハイブリッド式建設機械の制御装置は、図１に示すように、エンジン２を有している。このエンジン２は、油圧ポンプ４及び発電機６を駆動する。この油圧ポンプ４は、ハイブリッド建設機械の複数のアクチュエータ５（図１では１つのアクチュエータのみを示している。）、例えばアームシリンダ、ブームシリンダ、バケットシリンダ、走行油圧モータ（Ｌ）及び走行油圧モータ（Ｒ）の駆動源として機能する。

アームシリンダはハイブリッド建設機械が備えるアームを駆動する。ブームシリンダがアームに取り付けられたブームを駆動する。バケットシリンダがブームに取り付けられたバケットを駆動する。アームは、ハイブリッド式建設機械の上部旋回体７に取り付けられている。この上部旋回体７は走行体（図示せず）に旋回可能に設けられている。走行体は左右のクローラを備え、これらクローラを走行油圧モータ（Ｌ）及び走行油圧モータ（Ｒ）が駆動する。

上部旋回体７を旋回させるために、上部旋回体７に旋回機構８を介して電気旋回モータ、例えば三相電動機１０が結合されている。三相電動機１０を回転させる電力を得るために、エンジン２に上述した発電機６が結合されている。発電機６は、例えば三相交流電力を発生する三相交流発電機である。発電機６は、三相電動機としても動作可能である。三相電動機として動作する場合には、発電機６は、エンジン２と共に油圧ポンプ４の駆動をアシストする。同様に、三相電動機１０も発電機として動作可能である。

発電機６が発生した交流電力は、インダイレクトマトリクスコンバータ１２に供給され、インダイレクトマトリクスコンバータ１２によって交流電力の周波数及び電圧が変換されて、変換された交流電力が三相電動機１０に供給される。インダイレクトマトリクスコンバータ１２は、第１の電力変換器、例えば電流型整流器、具体的にはコンバータ１４と、第２の電力変換器、例えば電圧型インバータ１６とを有している。コンバータ１４は、その出力側である直流リンク、例えば中間直流出力端に、中間直流電圧を生成する。インバータ３２は、中間直流電圧を入力し、所望の周波数の交流電圧に変換して、三相電動機１０に供給する。インダイレクトマトリクスコンバータ１２は、三相交流電力を、コンバータ１４及びインバータ１６によって直接に所望の交流電力に変換している。

即ち、コンバータと平滑用キャパシタとで交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をインバータで所望の交流電力に変換する手法を採用していない。従って、インダイレクトマトリクスコンバータ１２では中間直流端に平滑用の大容量のキャパシタを設ける必要がない。よって、インダイレクトマトリクスコンバータ１２を小型化することができ、インダイレクトマトリクスコンバータ１２を使用したハイブリッド建設機械も、小型することができる。インダイレクトマトリクスコンバータ１２の構成は、公知であるので、これ以上の説明は省略する。

中間直流出力端には、第３電力変換器、例えばチョッパ１８を介して蓄電装置２０、例えば充放電が可能なＥＤＬＣ（電気二重層コンデンサ）やＬｉｃ（リチウムイオンキャパシタ）が接続されている。蓄電装置２０は、インダイレクトマトリクスコンバータ１２のコンバータ１４及びチョッパ１８を介して発電機６の発電電力によって充電可能である。また、チョッパ１８及びインダイレクトマトリクスコンバータ１２のインバータ１６を介して蓄電装置２０の充電電力は、三相電動機１０に供給可能である。この供給は、蓄電装置２０単独で行うこともできるし、コンバータ１４を介しての発電機６の発電電力の供給と共に行うことも可能である。

また、蓄電装置２０の充電電力は、チョッパ１８、コンバータ１４を介して発電機６に供給することも可能である。また、三相電動機１０によって発生する回生電力は、インバータ１６及びコンバータ１４を介して発電機６に供給することも可能であるし、三相電動機１０によって発生される回生電力がチョッパ１８を介して蓄電装置２０を充電することも可能である。

これらコンバータ１４、インバータ１６及びチョッパ１８は、制御装置２２によって制御され、三相電動機１０に所望の周波数及び所望の交流電圧を持つ交流電力を供給する。この制御に使用するために、制御装置２２には、三相電動機１０の速度指令部、例えばレバー２２と、三相電動機１０の負荷の状態を検出する圧力センサ２４と、旋回機構８の旋回速度を検出する速度検出器２５とが、設けられている。

制御装置２２は、圧力センサ２４によって検出された負荷の圧力に基づいて三相電動機１０に発生させるトルクを決定し、トルク電流指令値を生成する。また、レバー２２の操作によって生成された回転速度指令を制御装置２２は受けている。制御装置２２での制御に使用するために、蓄電装置２０の電圧Ｖｃが蓄電装置２０が備える電圧検出器（ＶＤ）２７によって検出され、その検出された電圧Ｖｃが制御装置２２に供給されている。

この電圧Ｖｃに基づいて制御装置２２は蓄電装置２０の充電状態を測定する。この測定値に基づいて、制御装置２２は蓄電装置２０の充放電を制御する。更に、制御装置２２には表示手段、例えば案内装置２６が接続されている。案内装置２６は、例えば測定された蓄電装置２０の充電状態及びエンジン２の回転数等を表示したり、音声出力したりする。

制御装置２２による蓄電装置２０の制御は、蓄電装置２０が例えば過充電であるか否かによって、通常は行われる。通常、過充電でない場合には、旋回電気モータ１０の回生電力を蓄電装置２０に充電するように、コンバータ１４、インバータ１６及びチョッパ１８の制御が行われる。この場合、充電電流が予め定めた通常の制限値よりも大きくならないように充電が行われる。また、蓄電装置２０が過充電である場合には、通常、旋回電気モータ１０の回生電力を蓄電装置２０にあまり充電しないように、上述した通常の制限値よりも制限値を低減させて、充電電流が小さくなるように、コンバータ１４、インバータ１６及びチョッパ１８の制御が行われる。この場合、最も充電電流の制限値を低減させると、蓄電装置２０に全く充電が行われない。

過充電か否かの判断は、例えば、蓄電装置２０の仕様によって定められた充電可能な最大充電電圧Ｖｍａｘよりも小さな値に予め定められた設定充電電圧Ｖｃｏ以上に、蓄電装置２０の電圧Ｖｃがなっているか否かによる。これら最大充電電圧Ｖｍａｘ及び設定充電電圧Ｖｃｏは、制御装置２２の記憶手段２２ａに記憶されている。

しかし、通常状態でない場合、例えば、旋回電気モータ１０が減速動作中に、蓄電装置２０が過充電であると判断して、蓄電装置２０への充電を制限すると、回生ブレーキが充分に作用せず、旋回電気モータ１０によって駆動されている上部旋回体７が所望の位置で停止しない可能性がある。

そこで、図２に示すように、制御装置２２は、蓄電装置２０が過充電であるか否かを判断する（ステップＳ２）。この判断の答えがノーの場合、即ち、過充電でない場合、制御装置２２は、コンバータ１４、インバータ１６及びチョッパ１８を制御して、蓄電装置２０に対して充電電流の制限値を通常の値として、充電電流の通常の制限を行う（ステップ４）。即ち、通常の充電電流制限値以上では充電されないようにして、蓄電装置２０を充電する。

ステップＳ２の判断の答えがイエスの場合、即ち、蓄電装置２０が過充電の場合、電気旋回モータ１０が減速動作中であるか判断する（ステップＳ６）。この判断は、例えば速度検出器２５が検出している旋回電気モータ１０の速度に基づいて行われる。

ステップＳ６の判断の答えがノーの場合、即ち、蓄電装置が２０が過充電であり、旋回電気モータ１０は減速動作中でない場合、蓄電装置２０の充電電流の制限値を通常の制限値よりも低減して、上記予め定めた充電電流よりも小さく設定した制限値以上では充電が行われないようにして、蓄電装置２０を充電する。これによって、蓄電装置２０の劣化や破損を防止することができる。この場合、回生ブレーキは通常の制限値の場合よりも作用しない。

ステップＳ６の判断の答えがイエスの場合、即ち、蓄電装置２０が過充電であり、かつ旋回電気モータ１０が減速動作中である場合、ステップＳ４を実行する。即ち、蓄電装置２０の充電電流の制限値を通常の制限値として、蓄電装置２０に多く充電電流を充電させる。この場合、充電電流の制限値は、減速動作中でない場合よりも大きな値である。これによって、蓄電装置２０は過充電であるが、減速中でない場合よりも大きな充電電流で充電されるので、回生ブレーキが充分に作用し、電気旋回モータ１０が所望の位置で停止し、ひいては上部旋回体７も所望の位置で停止する。なお、上記のように蓄電装置２０が過充電でも減速動作中に充電している間、案内装置２６によって案内を行う。また、このようにして過充電でも充電した後には、過充電が解消されるまで、この建設機械の作動、例えば旋回動作を禁止するように制御装置２２によって制御することも可能である。

上記の実施形態では、蓄電装置２０が過充電であるか否かをステップＳ２で判断したが、蓄電装置２０に温度検出器（ＴＤ）２９を設け、この温度検出器２９が検出した温度を制御装置２２に供給し、ステップＳ２に代えて、図３のステップＳ１０に示すように、前記温度検出器で検出した温度が所定温度以上であるか制御装置２２が判断し、所定温度以上であると判断されたとき、ステップＳ６を実行し、所定温度以上でないと判断されたとき、ステップＳ４を実行するように構成することもできる。

或いは、図４に示すように、蓄電装置２０が過充電であるかまたは前記所定温度以上であるかを判断し、過充電あるかまたは所定温度以上である場合、ステップＳ６を実行し、過充電でないかまたは所定温度以上でない場合、ステップＳ４を実行するように構成することもできる。

上記の実施形態では、コンバータ１４とインバータ１６とによってインダイレクトマトリックスコンバータ１２を構成したが、これに限ったものではなく、コンバータで発電機６からの交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置２０に直流電力を蓄積し、この直流電力をインバータによって所望の周波数及び電圧の交流電力に変換することもできる。また、上記の各実施形態では、蓄電装置２０が過充電あるか、蓄電装置２０の温度が所定以上であるか、蓄電装置２０が過充電あるかまたは温度が所定温度以上であるかの判断を行ったが、これらの判断を除去し、電気旋回モータ１０が減速動作中である場合には、常に蓄電装置２０の充電電流に対して通常の制限とするように構成することもできる。また、上記の実施形態では、ステップＳ６の判断の答えがイエスの場合、ステップＳ４を実行して、蓄電装置２０の充電電流の制限値を通常の制限値としたが、全く充電電流を制限せずに、旋回電気モータ１０が発生する全ての電流で蓄電装置２０を充電するように構成することもできる。

２ エンジン
６ 発電機
１０ 三層電動機（旋回電気モータ）
１４ コンバータ（第１電力変換器）
１６ インバータ（第２電力変換器）
１８ チョッパ（第３電力変換器）
２０ 蓄電装置
２２ 制御装置

Claims (3)

1. エンジンに接続され、交流電力を発生する発電機と、
   この発電機に接続された第１電力変換器と、
   この第１電力変換器に接続され、旋回電気モータの電力を制御する第２電力変換器と、
   蓄電装置と、
   第１及び第２電力変換器の双方から前記蓄電装置を充放電可能な第３電力変換器と、
   前記旋回電気モータの回転速度指令とトルク電流指令値とを有するとともに、前記蓄電装置への前記第３電力変換器による充放電を制御する制御装置とを、備え、前記制御装置が、前記蓄電装置への充電電流を制限可能なハイブリッド式建設機械の制御装置において、
   前記蓄電装置が過充電であり、かつ前記旋回電気モータが減速動作中には、前記制御装置が、前記充電電流の制限を解除し、または前記充電電流の制限値を大きくすることを特徴とするハイブリッド式建設機械の制御装置。
2. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械の制御装置において、前記制御装置が前記充電電流を制限するときが、前記蓄電装置の充電容量が所定値以上に上昇したときであることを特徴とするハイブリッド式建設機械の制御装置。
3. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械の制御装置において、前記制御装置が前記充電電流を制限するときが、前記蓄電装置の温度が所定値以上に上昇したときであることを特徴とするハイブリッド式建設機械の制御装置。

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