特許 6366978 産業車両用電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6366978

(24)【登録日】2018年7月13日

(45)【発行日】2018年8月1日

(54)【発明の名称】産業車両用電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20180723BHJP

   E02F 9/20 20060101ALI20180723BHJP

   E02F 9/00 20060101ALI20180723BHJP

   B60L 11/14 20060101ALI20180723BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/155 P

   E02F9/20 Z

   E02F9/00 C

   H02M3/155 H

   B60L11/14

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-69995(P2014-69995)

(22)【出願日】2014年3月28日

(65)【公開番号】特開2015-192568(P2015-192568A)

(43)【公開日】2015年11月2日

【審査請求日】2017年3月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】日置 一弥

【審査官】 小林 秀和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０９８８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７５２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２６３７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１２４５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０６８６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２９２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２３６７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

Ｂ６０Ｌ １１／１４

Ｅ０２Ｆ ９／００

Ｅ０２Ｆ ９／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電動機と、前記電動機を駆動するインバータと、を備える産業車両に搭載される産業車両用電源装置であって、
蓄電器と、
前記インバータが接続されるＤＣバスと、
１次側に前記蓄電器が接続され、２次側に前記ＤＣバスが接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータコントローラと、
を備え、
前記コンバータコントローラは、
前記ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節されるデューティ指令値を生成するデューティコントローラと、
前記デューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス幅変調器と、
（i）前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれるインダクタに流れる電流を検出し、（ii）少なくとも検出された電流の直流成分が前記インダクタの直流重畳許容電流より大きな範囲において、前記インダクタの直流重畳特性と検出された電流の前記直流成分にもとづきインダクタンスを推定し、インダクタンスが小さくなるにしたがい、前記パルス幅変調器のキャリア周波数を高くし、（iii）インダクタンスの変化を相殺するように前記デューティコントローラのループゲインを調節する周波数コントローラと、
を含むことを特徴とする産業車両用電源装置。

【請求項2】

前記周波数コントローラは、推定されたインダクタンスとの積が一定となるように、前記パルス幅変調器のキャリア周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載の産業車両用電源装置。

【請求項3】

前記デューティコントローラは、
前記ＤＣリンク電圧が前記目標電圧に近づくように値が調節される電流指令を生成する電圧コントローラと、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに流れる電流の検出値が前記電流指令と一致するように、前記デューティ指令値を調節する電流コントローラと、
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の産業車両用電源装置。

【請求項4】

電動機と、前記電動機を駆動するインバータと、を備える産業車両に搭載される産業車両用電源装置であって、
蓄電器と、
前記インバータが接続されるＤＣバスと、
１次側に前記蓄電器が接続され、２次側に前記ＤＣバスが接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータコントローラと、
を備え、
前記コンバータコントローラは、
前記ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節されるデューティ指令値を生成するデューティコントローラと、
前記デューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス幅変調器と、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれるインダクタに流れる電流を検出し、少なくとも検出された電流の直流成分が予め定めた所定の第１電流値より小さい範囲では、第１周波数を用い、大きい範囲では第１の周波数より高い第２周波数を用いるように、前記パルス幅変調器のキャリア周波数を調節する周波数コントローラと、
を含むことを特徴とする産業車両用電源装置。

【請求項5】

前記周波数コントローラは、前記インダクタに流れる電流の前記直流成分が前記第１電流値より大きい所定の第２電流値を超える範囲では、前記第２周波数より高い第３周波数を用いるように、前記パルス幅変調器のキャリア周波数を調節することを特徴とする請求項４に記載の産業車両用電源装置。

【請求項6】

前記周波数コントローラには、前記インダクタに流れる電流の前記直流成分と前記キャリア周波数の関係が規定されており、前記検出された電流の前記直流成分と前記関係にもとづいて、前記キャリア周波数を決定することを特徴とする請求項４または５に記載の産業車両用電源装置。

【請求項7】

前記周波数コントローラは、ループゲインが実質的に一定となるように、前記キャリア周波数を設定することを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の産業車両用電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを有する産業車両用電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年のパワーショベルやクレーンをはじめとする建設機械において、上部旋回体の動力源として、油圧モータと交流電動機のハイブリッド型が利用される。ハイブリッド型の旋回動力源は、上部旋回体の加速時において、交流電動機によって油圧モータをアシストし、減速時においては交流電動機によって回生運転を行い、発電エネルギによってバッテリなどの蓄電器を充電する。

【0003】

交流電動機とバッテリ間でエネルギを相互に授受するために、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇降圧コンバータともいう）を用いた電源装置が設けられる。図１は、電源装置１００ｒの基本構成を示す回路図である。電源装置１００ｒは、蓄電器１０２、ＤＣバス１０４、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、コントローラ１２０を備える。

【0004】

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の１次側には蓄電器１０２が接続され、その２次側にはＤＣバス１０４が接続される。ＤＣバス１０４は、負荷２００と接続される。負荷２００は、電動機およびインバータを含む。電源装置１００ｒからみて、負荷２００は、可変の負荷電流Ｉｍを生成する可変電流源として作用する。たとえば交流電動機が力行運転するとき、負荷電流Ｉｍは正であり、回生運転するとき負荷電流Ｉｍは負となる。

【0005】

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、インダクタ（リアクトル）Ｌ１、平滑キャパシタＣ１、トランジスタＭ１、Ｍ２を含む。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０のトポロジーは公知であるため説明を省略する。

【0006】

コントローラ１２０は、上流のコントローラから、ＤＣバス１０４の電圧（ＤＣリンク電圧）Ｖ_ＤＣの目標値を指示する電圧指令Ｖｒを受け、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが電圧指令Ｖｒと一致するように、トランジスタＭ１、Ｍ２のスイッチングのデューティ比を制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１２−１５７１５３号公報

【特許文献2】特開２０１３−０４６４３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

インダクタＬ１に流れる直流電流が大きくなると磁気飽和によってそのインダクタンスが定格値よりも小さくなる。これをインダクタの直流重畳特性ともいう。図２は、インダクタの直流重畳特性の一例を示す図である。インダクタンスが低下し始める電流を、直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨという。

【0009】

インダクタＬ１の両端間に電圧Ｖ（ｔ）が印加されたときの電流Ｉ_Ｌ（ｔ）は式（１）で与えられる。
Ｉ_Ｌ（ｔ）＝１／Ｌ・∫Ｖ（ｔ）ｄｔ …（１）
図３（ａ）、（ｂ）は、同じ振幅の矩形パルス電圧が印加されたときのコイル電流Ｉ_Ｌを示す波形図である。図３（ａ）と（ｂ）とでは、コイル電流Ｉ_Ｌの直流成分Ｉ_ＤＣが異なっており、図１に示すように図３（ｂ）の直流成分Ｉ_ＤＣ２に対するインダクタンスＬは、図３（ａ）の直流成分Ｉ_ＤＣ１に対するインダクタンスＬの略１／３となっている。コイル電流Ｉ_Ｌのリップル成分の振幅は、インダクタンスに反比例するから、図３（ｂ）では、図３（ａ）の３倍のリップルが観測される。

【0010】

従来では、想定されるインダクタに流れる直流電流の最大値を見積もっておき、その最大値より大きな直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨを有するインダクタを選定し、インダクタンスが低下する領域では動作しないように設計するのが一般的であった。しかしながら直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨが大きなインダクタは、大きくまた高価であり、電源装置１００ｒのコスト増の要因になっていた。

【0011】

本発明は、かかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、効率の低下を抑制しつつ、リップルを抑制可能な電源装置の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明のある態様は、電動機と、電動機を駆動するインバータと、を備える産業車両に搭載される電源装置に関する。電源装置は、蓄電器と、インバータが接続されるＤＣバスと、１次側に蓄電器が接続され、２次側にＤＣバスが接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータコントローラと、を備える。コンバータコントローラは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節されるデューティ指令値を生成するデューティコントローラと、デューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス幅変調器と、（i）双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれるインダクタに流れる電流を検出し、（ii）少なくとも検出された電流がインダクタの直流重畳許容電流より大きな範囲において、インダクタの直流重畳特性と検出された電流にもとづきインダクタンスを推定し、インダクタンスが小さくなるにしたがい、パルス幅変調器のキャリア周波数を高くし、（iii）インダクタンスの変化を相殺するようにデューティコントローラのループゲインを調節する周波数コントローラと、を備える。

【0013】

この態様によると、直流重畳許容電流を超える電流範囲において、インダクタンスの低下に反してキャリア周波数を高めることにより、電流リップルを抑制できる。またインダクタンスに流れる電流が直流重畳許容電流より小さな範囲では、キャリア周波数は低くなるため、定常的な電力損失の増大を抑制できる。

【0014】

周波数コントローラは、推定されたインダクタンスとの積が一定となるように、パルス幅変調器のキャリア周波数を制御してもよい。

【0015】

デューティコントローラは、ＤＣリンク電圧が目標電圧に近づくように値が調節される電流指令を生成する電圧コントローラと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに流れるコンバータ電流の検出値が電流指令と一致するように、デューティ指令値を調節する電流コントローラと、含んでもよい。

【0016】

本発明の別の態様も、産業車両に搭載される産業車両用電源装置に関する。産業車両用電源装置は、蓄電器と、インバータが接続されるＤＣバスと、１次側に蓄電器が接続され、２次側にＤＣバスが接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータコントローラと、を備える。コンバータコントローラは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節されるデューティ指令値を生成するデューティコントローラと、デューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス幅変調器と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれるインダクタに流れる電流を検出し、少なくとも検出された電流が予め定めた所定の第１電流値より小さい範囲では、第１周波数を用い、大きい範囲では第１の周波数より高い第２周波数を用いるように、パルス幅変調器のキャリア周波数を調節する周波数コントローラと、を含む。

【0017】

周波数コントローラは、インダクタに流れる電流が第１電流値より大きい所定の第２電流値を超える範囲では、第２周波数より高い第３周波数を用いるように、パルス幅変調器のキャリア周波数を調節してもよい。

【0018】

周波数コントローラには、インダクタに流れる電流とキャリア周波数の関係が規定されており、検出された電流と関係にもとづいて、キャリア周波数を決定してもよい。

【0019】

周波数コントローラは、ループゲインが実質的に一定となるように、キャリア周波数を設定してもよい。

【0020】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、効率の低下を抑制しつつ、リップルを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】電源装置の基本構成を示す回路図である。

【図2】インダクタの直流重畳特性の一例を示す図である。

【図3】図３（ａ）、（ｂ）は、同じ振幅の矩形パルス電圧が印加されたときのコイル電流ＩＬを示す波形図である。

【図4】実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。

【図5】実施の形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。

【図6】実施の形態に係る電源装置の回路図である。

【図7】図６の電源装置の制御ブロック図である。

【図8】図８（ａ）、（ｂ）は、図６の電源装置の動作波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0024】

図４は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主として走行機構２と、走行機構２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に旋回体ともいう）４とを備えている。

【0025】

旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。

【0026】

図５は、実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図５では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。

【0027】

ショベル１は電動発電機１２および減速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２が自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、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。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、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が発電を行う。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）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切りかえは、ショベル１における電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

【0028】

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が接続されており、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、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図４に示した走行機構２を駆動するための油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、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ており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

【0029】

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（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、走行機構２、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。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）を操作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。

【0030】

圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構３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。

【0031】

コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。コントローラ３０は、各種センサ及び操作装置２６等からの操作入力を受けて、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ及び蓄電手段１０１等の駆動制御を行う。

【0032】

油圧モータ３１０は、ブーム５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５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。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を経て蓄電手段１０１に供給される。

【0033】

旋回用電動機２１は、図４の旋回機構３に設けられ、上部旋回体４を回動させる。旋回用電動機２１は交流電動機であり、旋回体４を旋回させる旋回機構３の動力源である。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。旋回用インバータ１８Ｃは、蓄電手段１０１からの電力を受け、旋回用電動機２１を駆動する。また旋回用電動機２１の回生運転時には、旋回用電動機２１からの電力を蓄電手段１０１に回収する。

【0034】

旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、旋回体４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体４の慣性回転により、旋回減速機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。

【0035】

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回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３の回転角度及び回転方向が導出される。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、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。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３に機械的に伝達する減速機である。

【0036】

続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ３０、電源装置１００、インバータ１８Ａ〜１８Ｃを備える。

【0037】

（アシスト）
アシスト用のインバータ１８Ａの２次側（出力）端には、電動発電機１２が接続される。インバータ１８Ａは、コントローラ３０の一部であるアシスト用インバータコントローラ３０Ａからの指令にもとづき、電動発電機１２の運転制御を行う。

【0038】

（ブーム回生）
インバータ１８Ｂの２次側（出力）端には、ブーム回生用発電機３００が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機３００は、ブーム５が重力の作用により下げられるときに、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。インバータ１８Ｂは、コントローラ３０のブーム回生用のインバータコントローラ３０Ｂによって制御され、ブーム回生用発電機３００が発生する電気エネルギを直流電力に変換し、電源装置１００に回収する。

【0039】

（旋回）
旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、旋回減速機２４、旋回用インバータ１８Ｃおよびコントローラ３０の一部である旋回用のインバータコントローラ３０Ｃは、電動旋回装置５００を構成する。
旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御指令により旋回用インバータ１８Ｃによって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。

【0040】

旋回用インバータコントローラ３０Ｃは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ２２により検出される旋回用電動機２１の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ１８Ｃを制御する。

【0041】

（電源）
蓄電手段１０１とコントローラ３０の一部であるコンバータコントローラ３０Ｄは、電源装置１００を構成する。蓄電手段１０１は、例えば蓄電池であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、正極及び負極の直流配線からなるＤＣバスとを備えている（図示せず）。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な２次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。ＤＣバスには、インバータ１８Ａ〜インバータ１８Ｃそれぞれの１次側（直流入力）が接続されている。コントローラ３０Ｄは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。電源装置１００は、電動発電機１２等が力行運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧動作させ、電動発電機１２等が回生運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧動作させ、電動発電機１２が発生した電力を蓄電器に回収する。

【0042】

すなわち、インバータ１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからＤＣバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラ３０Ｄによって行われる。これにより、ＤＣバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。

【0043】

以上がショベル１の全体構成である。続いて、実施の形態に係る電源装置１００について詳細に説明する。

【0044】

図６は、実施の形態に係る電源装置１００の回路図である。電源装置１００は、蓄電器１０２、ＤＣバス１０４、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、コントローラ１２０を備える。
蓄電器１０２は、電池や大容量キャパシタである。ＤＣバス１０４には、インバータ１８Ａ〜１８Ｃが接続されうるが、理解の容易化と説明の簡潔化のため、図６には、インバータ１８Ａのみを示している。

【0045】

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の１次側には蓄電器１０２が接続され、２次側にはＤＣバス１０４が接続される。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成される。電動発電機１２が力行運転するときには、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は力行動作となり、蓄電器１０２から、インダクタＬ１およびトランジスタＭ１を介して充電電流を供給し、平滑キャパシタＣ１を充電する。電動発電機１２が回生運転するときには、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は回生動作となり、電動発電機１２が生成する回生電流を、トランジスタＭ１およびインダクタＬ１を介して、蓄電器１０２に回収する。

【0046】

コントローラ１２０は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を制御する。コントローラ１２０は、ＤＣバス１０４に生ずるＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を制御する。たとえばコントローラ１２０は、Ａ／Ｄコンバータ１２２、１２４、ゲートドライバ１２６、１２８、デジタルコントローラ１３０を備える。

【0047】

Ａ／Ｄコンバータ１２２は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの検出値をデジタル値Ｓ１に変換する。Ａ／Ｄコンバータ１２４は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０に流れるコンバータ電流、すなわち平滑キャパシタＣ１の充放電電流Ｉｃの検出値をデジタル値Ｓ２に変換する。デジタルコントローラ１３０は、ソフトウェア制御によって、トランジスタＭ１、Ｍ２のオン、オフを指示するパルス信号Ｓ４＿１、Ｓ４＿２を生成する。ゲートドライバ１２６、１２８は、パルス信号Ｓ４＿１、Ｓ４＿２に応じてトランジスタＭ１、Ｍ２をスイッチングする。

【0048】

デジタルコントローラ１３０は、デューティコントローラ１４０、パルス幅変調器１４２、周波数コントローラ１４４を備える。デューティコントローラ１４０は、ＤＣバス１０４に生ずるＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくように値が調節されるデューティ指令値Ｓ３を生成する。パルス幅変調器１４２は、デューティ指令値Ｓ３に応じたデューティ比を有するパルス信号Ｓ４＿１、Ｓ４＿２を生成する。デューティコントローラ１４０およびパルス幅変調器１４２の構成は特に限定されず、公知技術を用いればよい。

【0049】

周波数コントローラ１４４は、（i）双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０に含まれるインダクタＬ１に流れる電流Ｉｃを検出する。そして周波数コントローラ１４４は、（ii）少なくとも検出された電流ＩｃがインダクタＬ１の直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨより大きな範囲において、インダクタＬ１の直流重畳特性と、検出された電流Ｉｃ（Ｓ２）の直流成分にもとづきインダクタンスＬを推定し、インダクタンスＬが小さくなるにしたがい、パルス幅変調器１４２のキャリア周波数ｆｃを高くする。また周波数コントローラ１４４は、（iii）インダクタンスＬの変化を相殺するように、デューティコントローラ１４０のループゲインｇを調節する。

【0050】

たとえば周波数コントローラ１４４には、直流重畳特性、すなわちインダクタンスＬと直流電流Ｉ_ＤＣの関係Ｌ＝ｆ（Ｉ_ＤＣ）が、数式あるいはテーブルとして保持される。そして直流重畳特性を参照し、検出されたコイル電流Ｉｃの直流レベルＩ_ＤＣに対応するインダクタンスＬを取得する。

【0051】

図２に示すように、検出された電流（重畳電流）Ｉｃの直流成分Ｉ_ＤＣがインダクタＬ１の直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨより小さな範囲においては、インダクタンスＬは定格値Ｌ_０であり、実質的に一定とみなすことができる。したがって、Ｉｃ＜Ｉ_ＴＨの範囲では、キャリア周波数ｆｃを一定値ｆｃ_０としてもよい。
この場合、Ｉｃ＞Ｉ_ＴＨの範囲においては、
ｆｃ＝Ｌ_０×ｆｃ_０／Ｌ
としてもよい。なお、周波数コントローラ１４４は、ｆｃとインダクタンスＬの関係ｆｃ＝ｇ（Ｉ_ＤＣ）を保持してもよい。
ｆｃ＝ｇ（Ｉ_ＤＣ）＝Ｌ_０×ｆｃ_０／ｆ（Ｉ_ＤＣ）

【0052】

好ましくは、周波数コントローラ１４４は、キャリア周波数ｆｃと、推定されたインダクタンスＬとの積（ｆｃ×Ｌ）が一定となるように、キャリア周波数ｆｃを制御する。

【0053】

図７は、図６の電源装置１００の制御ブロック図である。デューティコントローラ１４０は、電圧コントローラ１３２、電流コントローラ１３８、利得調節部１３９を含む。

【0054】

電圧コントローラ１３２は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの検出値Ｓ１が、電圧指令Ｖｒと一致するように値が調節される電流指令Ｉｒを生成する。たとえば電圧コントローラ１３２は、ＰＩ補償器で構成される。ＰＩ制御に代えて、Ｐ制御あるいはＰＩＤ制御を用いてもよい。

【0055】

電流コントローラ１３８は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０に流れるコンバータ電流Ｉｃの検出値Ｓ２が電流指令Ｉｒと一致するように、デューティ指令値Ｓ３の値を調節する。電流コントローラ１３８は、電圧コントローラ１３２と同様にＰＩ補償器が好適であるが、Ｐ補償器あるいはＰＩＤ補償器を用いてもよい。

【0056】

利得調節部１３９は、利得ｇが可変に構成されており、ループゲインが一定となるように、言い換えれば、利得ｇとインダクタンスＬの積が一定となるように、周波数コントローラ１４４により調節される。利得調節部１３９は、ＡＶＲ（Automatic Voltage Regulator）の一部であってもよい。

【0057】

以上が電源装置１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図８（ａ）、（ｂ）は、図６の電源装置１００の動作波形図である。図８（ａ）には、Ｉ_ＤＣ＜Ｉ_ＴＨのときのコイル電流波形Ｉ_Ｌ（ｔ）が、図８（ｂ）には、Ｉ_ＤＣ＞Ｉ_ＴＨのときのコイル電流波形Ｉ_Ｌ（ｔ）が示される。

【0058】

図８（ａ）に示すように、コイル電流Ｉ_Ｌの平均値、すなわち重畳電流Ｉ_ＤＣが、許容電流Ｉ_ＴＨより低いときには、インダクタンスＬは定格値Ｌ_０を有し、コイル電流Ｉ_Ｌのリップルは、定格値Ｌ_０に応じた振幅となる。

【0059】

図８（ｂ）に示すように、コイル電流Ｉ_Ｌの平均値、すなわち重畳電流Ｉ_ＤＣが、許容電流Ｉ_ＴＨより大きくなると、インダクタンスＬは定格値Ｌ_０から低くなる。これにより、コイル電流Ｉ_Ｌの傾きは大きくなるが、周波数コントローラ１４４によってキャリア周波数ｆｃが高められるため、コイル電流Ｉ_Ｌのリップルは、図８（ａ）と同程度に維持される。また周波数コントローラ１４４によって、利得調節部１３９の利得が調節されるため、ループゲインが一定に維持され、したがって系の応答性および安定性も不変である。

【0060】

このように、実施の形態に係る電源装置１００によれば、直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨを超える電流範囲において、インダクタンスＬの低下に反してキャリア周波数ｆｃを高めることにより、電流リップルを抑制できる。またインダクタＬ１に流れる電流Ｉｃが直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨより小さな範囲では、キャリア周波数ｆｃは低くなるため、定常的な電力損失の増大を抑制できる。

【0061】

加えて電源装置１００によれば以下の効果が得られる。従来では、想定されるインダクタに流れる直流電流Ｉ_ＤＣの最大値を見積もっておき、その最大値より大きな直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨを有するインダクタを選定し、インダクタンスが低下する領域では動作しないように設計するのが一般的であった。これに対して実施の形態に係る電源装置１００では、インダクタを、直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨを超える範囲で使用することが可能となるため、直流重畳許容電流Ｉ_ＴＨが小さな部品を選定することができ、インダクタの低コスト化および小型化を実現することができる。

【0062】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

【0063】

実施の形態では、Ｉｃ＜Ｉ_ＴＨの範囲においても、キャリア周波数ｆｃおよびインダクタンスＬを一定としたが、この範囲においてもキャリア周波数ｆｃをインダクタンスＬに応じて変化させてもよい。

【0064】

実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル１を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。

【符号の説明】

【0065】

１…ショベル、２…走行機構、２Ａ…油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、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…バケット、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…インバータ、１８Ｃ…旋回用インバータ、１９…スイッチング回路、２１…旋回用電動機、２１Ａ…回転軸、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、２７，２８…油圧ライン、２９…圧力センサ、３０…コントローラ、３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…インバータコントローラ、３０Ｄ…コンバータコントローラ、１００…電源装置、１０１…蓄電手段、１０２…蓄電器、１０４…ＤＣバス、１１０…双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、Ｃ１…平滑キャパシタ、Ｌ１…インダクタ、１２０…コントローラ、１２１…電流センサ、１２２，１２４…Ａ／Ｄコンバータ、１２６，１２８…ゲートドライバ、１３０…デジタルコントローラ、１３２…電圧コントローラ、１３８…電流コントローラ、１３９…利得調節部、１４０…デューティコントローラ、１４２…パルス幅変調器、１４４…周波数コントローラ、２００…負荷、３００…ブーム回生用発電機、３１０…油圧モータ、Ｓ１…電圧検出値、Ｓ２…電流検出値、Ｓ３…デューティ指令値、Ｓ４…パルス信号。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】