(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】
(24)【登録日】2024-09-02
(45)【発行日】2024-09-10
(54)【発明の名称】電力制御装置、電力制御方法、電力制御装プログラム
(51)【国際特許分類】
E02F 9/20 20060101AFI20240903BHJP
E02F 9/00 20060101ALI20240903BHJP
【ＦＩ】
E02F9/20 N
E02F9/00 C
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2023556227
(86)(22)【出願日】2022-09-28
(86)【国際出願番号】 JP2022036269
(87)【国際公開番号】W WO2023074241
(87)【国際公開日】2023-05-04
【審査請求日】2023-11-30
(31)【優先権主張番号】P 2021175811
(32)【優先日】2021-10-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2022003479
(32)【優先日】2022-01-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】503405689
【氏名又は名称】ナブテスコ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(72)【発明者】
【氏名】中村 和人
【審査官】石川 信也
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１０／１０１２３３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／１２９５２５（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０２Ｆ ９／２０
Ｅ０２Ｆ ９／００
Ｈ０２Ｐ ２７／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御装置であって、前記複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得部と、
前記駆動情報に基づいて、前記複数の関節構成部によって前記建設機械が行う動作を識別する識別部と、
識別された前記建設機械の動作に応じて、前記複数の駆動部に供給する電力を決定する決定部と、
を備え、
前記関節構成部は、地面を走行可能な下部走行体、当該下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体、当該上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブーム、当該ブームに屈曲可能に取り付けられたアーム、当該アームに屈曲可能に取り付けられたバケットの少なくともいずれかであり、
前記建設機械の動作は、走行動作であり、
前記決定部は、前記下部走行体を駆動する駆動部に供給する電力を、前記上部旋回体、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットを駆動する駆動部に供給する電力よりも大きくする電力制御装置。
【請求項2】
前記駆動情報は、前記建設機械の操作部で受け付けた操作指令、前記複数の駆動部のそれぞれに対する動作指令の少なくとも一つであり、前記識別部は、記憶部に記憶された動作と駆動情報との対応関係と、取得された前記駆動情報と、に基づいて、前記建設機械が行う動作を識別する、
請求項１に記載の電力制御装置。
【請求項3】
複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御装置であって、
前記複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得部と、
前記駆動情報に基づいて、前記複数の関節構成部によって前記建設機械が行う動作を識別する識別部と、
識別された前記建設機械の動作に応じて、前記複数の駆動部に供給する電力を決定する決定部と、
を備え、
前記関節構成部は、地面を走行可能な下部走行体、当該下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体、当該上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブーム、当該ブームに屈曲可能に取り付けられたアーム、当該アームに屈曲可能に取り付けられたバケットの少なくともいずれかであり、
前記建設機械の動作は、旋回動作であり、
前記決定部は、前記上部旋回体を駆動する駆動部に供給する電力を、前記下部走行体、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットを駆動する駆動部に供給する電力よりも大きくする電力制御装置。
【請求項4】
複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御装置であって、
前記複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得部と、
前記駆動情報に基づいて、前記複数の関節構成部によって前記建設機械が行う動作を識別する識別部と、
識別された前記建設機械の動作に応じて、前記複数の駆動部に供給する電力を決定する決定部と、
を備え、
前記関節構成部は、地面を走行可能な下部走行体、当該下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体、当該上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブーム、当該ブームに屈曲可能に取り付けられたアーム、当該アームに屈曲可能に取り付けられたバケットの少なくともいずれかであり、
前記建設機械の動作は、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットを用いた掘削動作、旋回積込動作、溝掘動作、地面ならし動作の少なくとも一つであり、
前記決定部は、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットを駆動する駆動部に供給する電力を、前記下部走行体を駆動する駆動部に供給する電力よりも大きくする電力制御装置。
【請求項5】
前記バケットが運搬する被運搬物の重量を示す情報を取得する重量取得部を更に備え、前記決定部は、前記上部旋回体、前記ブーム、前記アーム、前記バケットの各駆動部のうち、前記重量取得部で取得された前記被運搬物の重量に応じた負荷が大きい駆動部に供給する電力を、負荷が小さい駆動部に供給する電力よりも大きくする、
請求項４に記載の電力制御装置。
【請求項6】
複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御装置であって、
前記複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得部と、
前記駆動情報に基づいて、前記複数の関節構成部によって前記建設機械が行う動作を識別する識別部と、
識別された前記建設機械の動作に応じて、前記複数の駆動部に供給する電力を決定する決定部と、
を備え、
前記関節構成部は、地面を走行可能な下部走行体、当該下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体、当該上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブーム、当該ブームに屈曲可能に取り付けられたアーム、当該アームに屈曲可能に取り付けられたバケットの少なくともいずれかであり、
前記上部旋回体の旋回軸からの前記バケットの距離を取得する距離取得部を更に備え、
前記決定部は、前記距離取得部で取得された距離が大きいほど、前記上部旋回体の駆動部に供給する電力を大きくすることを決定する電力制御装置。
【請求項7】
複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御装置であって、
前記複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得部と、
前記駆動情報に基づいて、前記複数の関節構成部によって前記建設機械が行う動作を識別する識別部と、
識別された前記建設機械の動作に応じて、前記複数の駆動部に供給する電力を決定する決定部と、
を備え、
前記関節構成部は、地面を走行可能な下部走行体、当該下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体、当該上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブーム、当該ブームに屈曲可能に取り付けられたアーム、当該アームに屈曲可能に取り付けられたバケットの少なくともいずれかであり、
前記決定部は、前記ブーム、前記アーム、前記バケットの各駆動部で回収される回生電力を当該各駆動部の間で配分し、当該各駆動部の需要電力の合計を超える余剰な回生電力を前記電源側に戻すことを決定する電力制御装置。
【請求項8】
前記各駆動部は回転動力を発生させるモータを含み、前記駆動情報は、前記各モータの回転数、前記モータの電流指令値の少なくとも１つを含む、
請求項１から７のいずれかに記載の電力制御装置。
【請求項9】
複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御装置であって、
前記複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得部と、
前記駆動情報に基づいて、前記複数の関節構成部によって前記建設機械が行う動作を識別する識別部と、
識別された前記建設機械の動作に応じて、前記複数の駆動部に供給する電力を決定する決定部と、
を備え、
前記複数の駆動部それぞれの需要電力を取得する需要電力取得部と、
バッテリの充電率および放電可能量の少なくともいずれかを供給可能電力として取得する供給可能電力取得部を更に備え、
前記決定部は、前記需要電力の合計が前記供給可能電力を超える場合に、前記識別された前記建設機械の動作に応じて、前記複数の駆動部に供給する電力を決定する電力制御装置。
【請求項10】
複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御方法であって、前記複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得ステップと、
前記駆動情報に基づいて、前記複数の関節構成部によって前記建設機械が行う動作を識別する識別ステップと、
識別された前記建設機械の動作に応じて、前記複数の駆動部に供給する電力を決定する決定ステップと、
を備え、
前記関節構成部は、地面を走行可能な下部走行体、当該下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体、当該上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブーム、当該ブームに屈曲可能に取り付けられたアーム、当該アームに屈曲可能に取り付けられたバケットの少なくともいずれかであり、
前記建設機械の動作は、走行動作であり、
前記決定ステップは、前記下部走行体を駆動する駆動部に供給する電力を、前記上部旋回体、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットを駆動する駆動部に供給する電力よりも大きくする電力制御方法。
【請求項11】
複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御プログラムであって、前記複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得ステップと、
前記駆動情報に基づいて、前記複数の関節構成部によって前記建設機械が行う動作を識別する識別ステップと、
識別された前記建設機械の動作に応じて、前記複数の駆動部に供給する電力を決定する決定ステップと、
をコンピュータに実行させ、
前記関節構成部は、地面を走行可能な下部走行体、当該下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体、当該上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブーム、当該ブームに屈曲可能に取り付けられたアーム、当該アームに屈曲可能に取り付けられたバケットの少なくともいずれかであり、
前記建設機械の動作は、走行動作であり、
前記決定ステップは、前記下部走行体を駆動する駆動部に供給する電力を、前記上部旋回体、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットを駆動する駆動部に供給する電力よりも大きくする電力制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は建設機械における電力制御技術に関する。
【背景技術】
【0002】
建設現場で使用される建設機械（以下、建機ともいう）として、電動機（以下、電気モータまたはモータともいう）で駆動される電動建機や、油圧機器と電動機が併用されるハイブリッド建機が知られている（以下、総称して電動建機ともいう）。モータの回転動力で駆動されるボールねじ等の機械要素によって電動建機の各関節構成部を直接的に駆動する方式のアクチュエータは電気機械式アクチュエータ（ＥＭＡ：Electro-Mechanical Actuator）と呼ばれ、モータの回転動力で駆動される油圧ポンプ等の油圧機器によって電動建機の各関節構成部を間接的に駆動する方式のアクチュエータは電気油圧式アクチュエータ（ＥＨＡ：Electro-Hydrostatic Actuator）と呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００８－８８６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１の電動建機には、下部走行体、上部旋回体、ブーム、アーム、バケット等の各関節構成部を駆動するための電力を生成する発電機が設けられる。発電機の発電量は変動し、各関節構成部で必要な電力も電動建機の動作によって大きく変動する。このため、各関節構成部で必要な電力が発電機から適切に供給されない可能性がある。
【0005】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、建設機械において電力を適切に配分できる電力制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力制御装置は、複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御装置であって、複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得部と、駆動情報に基づいて、複数の関節構成部によって建設機械が行う動作を識別する識別部と、識別された建設機械の動作に応じて、複数の駆動部に供給する電力を決定する決定部と、を備える。この態様によれば、各駆動部の駆動情報に基づいて認識された建設機械の動作に応じて、各駆動部への電力供給量が決定されるため、各駆動部の間で適切な電力配分を実現できる。
【0007】
本発明の別の態様は、電力制御方法である。この方法は、複数の関節構成部と、当該複数の関節構成部を駆動する複数の駆動部に電力を供給する電源と、を備える建設機械における電力制御方法であって、複数の駆動部の駆動情報を取得する駆動情報取得ステップと、駆動情報に基づいて、複数の関節構成部によって建設機械が行う動作を識別する識別ステップと、識別された建設機械の動作に応じて、複数の駆動部に供給する電力を決定する決定ステップと、を備える。
【0008】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、建設機械において電力を適切に配分できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】電動建機の概略構成図である。
【図2】電動建機の上面図である。
【図3】電動建機の駆動装置の第１の構成例を示す。
【図4】充放電回路の構成例を示す。
【図5】電動建機の駆動装置の第２の構成例を示す。
【図6】電動建機の駆動装置の第３の構成例を示す。
【図7】充放電コンバータが直流／交流電圧バスに供給する電圧Ｖの時間ｔによる変化を模式的に示す。
【図8】電動建機の電力制御装置の構成例を示す。
【図9】各アクチュエータにおけるモータの電流指令値をｄｑ座標系で示す。
【図10】電力制御装置による電力制御処理の例を示すフローチャートである。
【図11】判定処理、電力配分量決定処理、電力供給処理の例を模式的に示す。
【図12】決定部による電力供給量決定処理の例を示すフローチャートである。
【図13】作業部の動作に応じた各アクチュエータへの電力配分の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本実施形態で説明する駆動装置の技術的思想は、関節構成部を備える任意の電動機械に適用できる。本実施形態では関節構成部として下部走行体、上部旋回体、ブーム、アーム、バケットを備える建設機械または電動建機の例を説明するが、その他の電動機械に本実施形態の駆動装置の技術的思想を適用することを妨げるものではない。例えば、関節構成部としての関節部またはジョイントを備える産業用ロボットに本実施形態の駆動装置の技術的思想を適用してもよい。また、本実施形態で説明する駆動装置および／または電力制御装置の技術的思想は、関節構成部として下部走行体、上部旋回体、ブーム、アーム、バケットを備える任意の建設機械に適用できる。また、本実施形態ではモータの回転動力で駆動される機械要素によって電動建機の各関節構成部を直接的に駆動するＥＭＡをアクチュエータとして例示するが、本実施形態の技術的思想はモータの回転動力で駆動される油圧機器によって電動建機の各関節構成部を間接的に駆動するＥＨＡにも適用できる。
【0012】
図１は、電動建機１００の概略構成図である。図２は、電動建機１００の上面図である。なお、以下の説明において、前後上下左右等の向きは、電動建機１００の向きと同一とする。すなわち、以下の説明では、電動建機１００の進行方向前方を単に前方と称し、電動建機１００の進行方向後方を単に後方と称し、重力方向上側を単に上側と称し、重力方向下側を単に下側と称し、前方を向いて車幅方向右側を単に右側と称し、車幅方向左側を単に左側と称して説明する。
【0013】
建設機械である電動建機１００では、地面を前方および後方に走行可能な下部走行体１０１の上に上部旋回体１０２が旋回可能に取り付けられている。上部旋回体１０２には、前方左側にキャブ１０３が設けられると共に、前方中央部にブーム１０４が起伏可能に取り付けられている。ブーム１０４の先端には、アーム１０５が上下に屈曲可能に取り付けられている。アーム１０５の先端には、バケット１０６が上下に屈曲可能に取り付けられている。
【0014】
キャブ１０３の前方左側には、ジャイロセンサ１１０が取り付けられている。換言すれば、上部旋回体１０２において、旋回中心Ｃ１から最大限離間した位置にジャイロセンサ１１０が取り付けられている。ジャイロセンサ１１０は、キャブ１０３（下部走行
体１０１、上部旋回体１０２）の傾斜角度、傾斜方向、旋回位置、回転角速度を検出可能なセンサである。なお、傾斜方向とは、傾斜の上り方向または下り方向をいう。
体１０１、上部旋回体１０２）の傾斜角度、傾斜方向、旋回位置、回転角速度を検出可能なセンサである。なお、傾斜方向とは、傾斜の上り方向または下り方向をいう。
【0015】
以下、下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６を電動建機１００の関節構成部と総称する。従って、図１および図２の電動建機１００は５個の関節構成部を有する建設機械である。なお、下部走行体１０１は地面を走行可能な走行部を構成し、上部旋回体１０２は走行部に対して旋回可能な旋回部を構成し、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６は旋回部に取り付けられて作業を行う作業部を構成する。
【0016】
関節構成部は厳密には、下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６が駆動される際に回転する部位であり、図１においてそれぞれ１０１Ａ、１０２Ａ、１０４Ａ、１０５Ａ、１０６Ａで示される。下部走行体１０１の関節構成部１０１Ａは無限軌道を構成する前輪および後輪であり、上部旋回体１０２の関節構成部１０２Ａは下部走行体１０１に取り付けられている旋回軸であり、ブーム１０４の関節構成部１０４Ａは上部旋回体１０２に取り付けられている起伏軸であり、アーム１０５の関節構成部１０５Ａはブーム１０４の先端に取り付けられている屈曲軸であり、バケット１０６の関節構成部１０６Ａはアーム１０５の先端に取り付けられている屈曲軸である。以下、特に明記する必要がある場合を除いて、１０１Ａ、１０２Ａ、１０４Ａ、１０５Ａ、１０６Ａの符号は使用せず、１０１、１０２、１０４、１０５、１０６を使用する。例えば、「下部走行体１０１」および／または「関節構成部１０１」との表現は、文脈に応じて関節構成部１０１Ａを指すものとする。
【0017】
図３は、電動建機１００の駆動装置１の第１の構成例を示す。駆動装置１は、直流電源としてのバッテリ１０が生成する直流電圧または直流電力に基づいて電動建機１００の関節構成部である下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６を駆動する。なお、直流電力を生成する直流電源としてのバッテリ１０の代わりに交流電力を生成する交流電源を設けてもよい。電動建機１００の各関節構成部には、それぞれを駆動する駆動部としてのアクチュエータが設けられる。以下、下部走行体１０１を走行駆動する一対の走行体アクチュエータ２１Ａおよび２１Ｂ、上部旋回体１０２を旋回駆動する旋回体アクチュエータ２２、ブーム１０４を起伏駆動するブームアクチュエータ２４、アーム１０５を屈曲駆動するアームアクチュエータ２５、バケット１０６を屈曲駆動するバケットアクチュエータ２６を、アクチュエータ２と総称する。
【0018】
各アクチュエータ２は、コンバータと、インバータと、モータを備える。一対の走行体アクチュエータ２１Ａおよび２１Ｂは、コンバータ２１１Ａおよび２１１Ｂと、インバータ２２１Ａおよび２２１Ｂと、モータ２３１Ａおよび２３１Ｂを備える。旋回体アクチュエータ２２は、コンバータ２１２と、インバータ２２２と、モータ２３２を備える。ブームアクチュエータ２４は、コンバータ２１４と、インバータ２２４と、モータ２３４を備える。アームアクチュエータ２５は、コンバータ２１５と、インバータ２２５と、モータ２３５を備える。バケットアクチュエータ２６は、コンバータ２１６と、インバータ２２６と、モータ２３６を備える。以下、コンバータ２１１Ａ、２１１Ｂ、２１２、２１４、２１５、２１６をコンバータ２１０と総称し、インバータ２２１Ａ、２２１Ｂ、２２２、２２４、２２５、２２６をインバータ２２０と総称し、モータ２３１Ａ、２３１Ｂ、２３２、２３４、２３５、２３６をモータ２３０と総称する。
【0019】
コンバータ２１０には、バッテリ１０と共に上部旋回体１０２に設けられる旋回体アクチュエータ２２のコンバータ２１２を除き、後述するようにバッテリ１０による直流電力から変換された交流電力が入力される。旋回体アクチュエータ２２のコンバータ２１２には、バッテリ１０による直流電力が後述するＤＣ／ＡＣコンバータ１２１やＤＣ／ＡＣコンバータ１３１で変換されることなく入力される。各コンバータ２１０は、入力された交流または直流の電力を、後段の各インバータ２２０が動作可能な直流電力に変換する。インバータ２２０は、コンバータ２１０から入力された直流電力に基づいて、後段のモータ２３０を回転駆動する３相の交流電力を生成する。モータ２３０は、インバータ２２０から入力された３相の交流電力に基づいて、回転動力を発生させて対応する関節構成部を駆動する。
【0020】
バッテリ１０は充放電コンバータ１１を介して直流電圧バス３１に接続される。充放電コンバータ１１は双方向のＤＣ／ＤＣ変換器であり、バッテリ１０の充放電の制御と直流電圧の変換を担う。バッテリ１０の放電時には、バッテリ１０の放電による直流電圧が充放電コンバータ１１によって直流電圧バス３１における所定の直流電圧に変換される。バッテリ１０の充電時には、直流電圧バス３１における所定の直流電圧が充放電コンバータ１１によってバッテリ１０が充電可能な直流電圧に変換される。直流電圧バス３１の所定の直流電圧は任意に設定できるが、例えば、200V～400V程度の高電圧とするのが好ましい。
【0021】
以上の構成のうち、バッテリ１０、充放電コンバータ１１、直流電圧バス３１、旋回体アクチュエータ２２は、電動建機１００の本体である上部旋回体１０２に設けられる（図３における一点鎖線より上方の構成が上部旋回体１０２に含まれる）。前述の旋回体アクチュエータ２２は直流電圧バス３１に接続されているため、上部旋回体１０２の旋回駆動のための電力は直流電圧バス３１から供給される。また、直流電圧バス３１から分岐するように、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６によって構成される作業部に電力を供給する作業部給電機構１２と、下部走行体１０１に電力を供給する走行体給電機構１３が設けられる。
【0022】
作業部給電機構１２は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２１と、ブーム伝送部１２２と、アーム伝送部１２３と、バケット伝送部１２４を備える。ＤＣ／ＡＣコンバータ１２１は、バッテリ１０で生成された直流電力を交流電力に変換する（直流交流）変換部を構成する。具体的には、上部旋回体１０２において直流電圧バス３１に接続されるＤＣ／ＡＣコンバータ１２１は、直流電圧バス３１から供給される直流電圧を1kHz以上の周波数の交流電圧に変換する。商用電源の交流電力の周波数としては100Hz未満が一般的だが、このような低い周波数では以下で説明する非接触伝送部を構成するコイルが大型化してしまう。そこで、本実施形態では商用電源よりも高い1kHz以上の周波数を採用することで、コイルを小型化してスペースの限られた電動建機１００の各関節構成部に非接触伝送部をコンパクトに形成する。なお、直流電力を生成するバッテリ１０の代わりに交流電力を生成する交流電源が設けられる場合、交流電源で生成された交流電力（例えば100Hz未満）をより高い周波数（例えば1kHz以上）を有する交流電力に変換するＡＣ／ＡＣコンバータがＤＣ／ＡＣコンバータ１２１の代わりの変換部として設けられる。
【0023】
ブーム伝送部１２２、アーム伝送部１２３、バケット伝送部１２４は、電動建機１００の関節構成部であるブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６においてＤＣ／ＡＣコンバータ１２１で変換された交流電力を非接触で伝送する非接触伝送部を構成する。具体的には、ブーム伝送部１２２はブームアクチュエータ２４およびアーム伝送部１２３に非接触で電力を伝送し、アーム伝送部１２３はアームアクチュエータ２５およびバケット伝送部１２４に非接触で電力を伝送し、バケット伝送部１２４はバケットアクチュエータ２６に非接触で電力を伝送する。ブーム伝送部１２２、アーム伝送部１２３、バケット伝送部１２４は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２１から供給された交流電力を伝送する交流電圧バス３２によって直列に接続される。このように、ブーム伝送部１２２、アーム伝送部１２３、バケット伝送部１２４を直列に接続することで、それぞれの伝送部のためにＤＣ／ＡＣコンバータ１２１を別々に設ける必要がなくなるため、駆動装置１の構成を簡素化できる。
【0024】
ブーム伝送部１２２は、ブーム１０４と上部旋回体１０２を左右方向の回転軸（図１の１０４Ａ）の周りに相対回転可能に接続するスイベル等の接続部品の内部に格納された複数のコイルによって構成される。具体的には、上部旋回体１０２側においてＤＣ／ＡＣコンバータ１２１と接続される一次コイル１２２１と、アーム１０５側において交流電圧バス３２と接続される二次コイル１２２２と、ブームアクチュエータ２４と接続される三次コイル１２２３によってブーム伝送部１２２が構成される。なお、ブーム伝送部１２２の全部または一部のコイルと、前段のＤＣ／ＡＣコンバータ１２１および／または後段のコンバータ２１４（更にはインバータ２２４）を一体的なトランスユニットまたは非接触伝送ユニットとして構成してもよい。
【0025】
一次コイル１２２１、二次コイル１２２２、三次コイル１２２３は互いに磁気的に結合している。ＤＣ／ＡＣコンバータ１２１から一次コイル１２２１に供給された交流電力は、一次コイル１２２１と磁気的に結合した二次コイル１２２２および／または三次コイル１２２３によって、アーム１０５側および／またはブームアクチュエータ２４に非接触で伝送される。このように、ブーム１０４の駆動部としてのブームアクチュエータ２４は、非接触伝送部としてのブーム伝送部１２２における一次コイル１２２１および三次コイル１２２３によって非接触で伝送された交流電力に基づいてブーム１０４を駆動する。なお、一次コイル１２２１、二次コイル１２２２、三次コイル１２２３の間のギャップには電力伝送効率を高めるために磁性体等を挿入してもよい。
【0026】
また、ブームアクチュエータ２４のモータ２３４の減速時等に発生する回生電力は、インバータ２２４およびコンバータ２１４を介して三次コイル１２２３に供給され、それと磁気的に結合した一次コイル１２２１および／または二次コイル１２２２によって、上部旋回体１０２側および／またはアーム１０５側に非接触で伝送される。後述するように、アームアクチュエータ２５のモータ２３５および／またはバケットアクチュエータ２６のモータ２３６の減速時等に発生する回生電力は、交流電圧バス３２を介して二次コイル１２２２に供給され、それと磁気的に結合した一次コイル１２２１および／または三次コイル１２２３によって、上部旋回体１０２側および／またはブームアクチュエータ２４に非接触で伝送される。なお、各コイル１２２１、１２２２、１２２３の間の磁気的な結合は、非接触で伝送される交流電圧の大きさを一定に保つようなものでもよいし、非接触で伝送される交流電圧の大きさを変化させる変圧器またはトランスのようなものでもよい。
【0027】
アーム伝送部１２３は、アーム１０５とブーム１０４を左右方向の回転軸（図１の１０５Ａ）の周りに相対回転可能に接続するスイベル等の接続部品の内部に格納された複数のコイルによって構成される。具体的には、ブーム１０４側において交流電圧バス３２と接続される一次コイル１２３１と、バケット１０６側において交流電圧バス３２と接続される二次コイル１２３２と、アームアクチュエータ２５と接続される三次コイル１２３３によってアーム伝送部１２３が構成される。
【0028】
一次コイル１２３１、二次コイル１２３２、三次コイル１２３３は互いに磁気的に結合している。ブーム伝送部１２２の二次コイル１２２２から交流電圧バス３２を介して一次コイル１２３１に供給された交流電力は、一次コイル１２３１と磁気的に結合した二次コイル１２３２および／または三次コイル１２３３によって、バケット１０６側および／またはアームアクチュエータ２５に非接触で伝送される。このように、アーム１０５の駆動部としてのアームアクチュエータ２５は、非接触伝送部としてのアーム伝送部１２３における一次コイル１２３１および三次コイル１２３３によって非接触で伝送された交流電力に基づいてアーム１０５を駆動する。なお、一次コイル１２３１、二次コイル１２３２、三次コイル１２３３の間のギャップには電力伝送効率を高めるために磁性体等を挿入してもよい。
【0029】
また、アームアクチュエータ２５のモータ２３５の減速時等に発生する回生電力は、インバータ２２５およびコンバータ２１５を介して三次コイル１２３３に供給され、それと磁気的に結合した一次コイル１２３１および／または二次コイル１２３２によって、ブーム１０４側および／またはバケット１０６側に非接触で伝送される。後述するように、バケットアクチュエータ２６のモータ２３６の減速時等に発生する回生電力は、交流電圧バス３２を介して二次コイル１２３２に供給され、それと磁気的に結合した一次コイル１２３１および／または三次コイル１２３３によって、ブーム１０４側および／またはアームアクチュエータ２５に非接触で伝送される。なお、各コイル１２３１、１２３２、１２３３の間の磁気的な結合は、非接触で伝送される交流電圧の大きさを一定に保つようなものでもよいし、非接触で伝送される交流電圧の大きさを変化させる変圧器またはトランスのようなものでもよい。
【0030】
バケット伝送部１２４は、バケット１０６とアーム１０５を左右方向の回転軸（図１の１０６Ａ）の周りに相対回転可能に接続するスイベル等の接続部品の内部に格納された複数のコイルによって構成される。具体的には、アーム１０５側において交流電圧バス３２と接続される一次コイル１２４１と、バケットアクチュエータ２６と接続される二次コイル１２４２によってバケット伝送部１２４が構成される。
【0031】
一次コイル１２４１と二次コイル１２４２は互いに磁気的に結合している。アーム伝送部１２３の二次コイル１２３２から交流電圧バス３２を介して一次コイル１２４１に供給された交流電力は、一次コイル１２４１と磁気的に結合した二次コイル１２４２によってバケットアクチュエータ２６に非接触で伝送される。このように、バケット１０６の駆動部としてのバケットアクチュエータ２６は、非接触伝送部としてのバケット伝送部１２４における一次コイル１２４１および二次コイル１２４２によって非接触で伝送された交流電力に基づいてバケット１０６を駆動する。なお、一次コイル１２４１と二次コイル１２４２の間のギャップには電力伝送効率を高めるために磁性体等を挿入してもよい。
【0032】
また、バケットアクチュエータ２６のモータ２３６の減速時等に発生する回生電力は、インバータ２２６およびコンバータ２１６を介して二次コイル１２４２に供給され、それと磁気的に結合した一次コイル１２４１によってアーム１０５側に非接触で伝送される。なお、各コイル１２４１、１２４２の間の磁気的な結合は、非接触で伝送される交流電圧の大きさを一定に保つようなものでもよいし、非接触で伝送される交流電圧の大きさを変化させる変圧器またはトランスのようなものでもよい。
【0033】
走行体給電機構１３は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３１と、降圧伝送部１３２と、一対の昇圧伝送部１３３Ａおよび１３３Ｂを備える。ＤＣ／ＡＣコンバータ１３１は、バッテリ１０で生成された直流電力を交流電力に変換する（直流交流）変換部を構成する。具体的には、上部旋回体１０２において直流電圧バス３１に接続されるＤＣ／ＡＣコンバータ１３１は、直流電圧バス３１から供給される直流電圧を1kHz以上の周波数の交流電圧に変換する。なお、直流電力を生成するバッテリ１０の代わりに交流電力を生成する交流電源が設けられる場合、交流電源で生成された交流電力（例えば100Hz未満）をより高い周波数（例えば1kHz以上）を有する交流電力に変換するＡＣ／ＡＣコンバータがＤＣ／ＡＣコンバータ１３１の代わりの変換部として設けられる。降圧伝送部１３２、一対の昇圧伝送部１３３Ａおよび１３３Ｂは、電動建機１００の関節構成部である下部走行体１０１においてＤＣ／ＡＣコンバータ１３１で変換された交流電力を非接触で伝送する非接触伝送部、および、下部走行体１０１の駆動部である走行体アクチュエータ２１Ａおよび２１Ｂに非接触で電力を伝送する下部走行体伝送部を構成する。
【0034】
降圧伝送部１３２は、下部走行体１０１と上部旋回体１０２を上下方向の回転軸（図１の旋回軸１０２Ａ）の周りに相対回転可能に接続するスイベル等の接続部品の内部に格納された複数のコイルによって構成される。具体的には、上部旋回体１０２側においてＤＣ／ＡＣコンバータ１３１と接続される一次コイル１３２１と、下部走行体１０１側において一対の昇圧伝送部１３３Ａおよび１３３Ｂと並列に接続される二次コイル１３２２によって降圧伝送部１３２が構成される。なお、降圧伝送部１３２の全部または一部のコイルと、前段のＤＣ／ＡＣコンバータ１３１を一体的なトランスユニットまたは非接触伝送ユニットとして構成してもよい。
【0035】
一次コイル１３２１と二次コイル１３２２は互いに磁気的に結合している。ＤＣ／ＡＣコンバータ１３１から一次コイル１３２１に供給された交流電力は、一次コイル１３２１と磁気的に結合した二次コイル１３２２によって、下部走行体１０１側に非接触で伝送される。後述するように、走行体アクチュエータ２１Ａおよび／または２１Ｂのモータ２３１Ａおよび／または２３１Ｂの減速時等に発生する回生電力は、昇圧伝送部１３３Ａおよび／または１３３Ｂを介して二次コイル１３２２に供給され、それと磁気的に結合した一次コイル１３２１によって上部旋回体１０２側に非接触で伝送される。なお、一次コイル１３２１と二次コイル１３２２の間のギャップには電力伝送効率を高めるために磁性体等を挿入してもよい。
【0036】
降圧伝送部１３２は、一次コイル１３２１および二次コイル１３２２の巻数の違いによって非接触で伝送される交流電圧の大きさを変化させる変圧器またはトランスとして構成され、上部旋回体１０２側のＤＣ／ＡＣコンバータ１３１から供給された交流電圧を降圧して下部走行体１０１側に非接触で伝送する。前述のように、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３１が接続される直流電圧バス３１の直流電圧は例えば200V～400V程度であるが、降圧伝送部１３２によって40V～60V程度の低電圧の交流電圧に変換される。降圧伝送部１３２が設けられるのは上部旋回体１０２と下部走行体１０１の間の回転部（旋回部）であるが、水分を含む土砂や水の付着によって万が一漏電が起こったとしても降圧伝送部１３２によって電圧が下げられているため安全性を確保できる。なお、降圧伝送部１３２と比べて人が接触する可能性が低い作業部給電機構１２におけるブーム伝送部１２２では、降圧伝送部１３２のような大幅な降圧を行う必要はない。このため、作業部給電機構１２における交流電圧バス３２の交流電圧は、降圧伝送部１３２によって降圧された交流電圧より高くなる。
【0037】
一対の昇圧伝送部１３３Ａおよび１３３Ｂは、クローラ等の左右一対の下部走行体１０１に対応して並列に設けられる。以下では昇圧伝送部１３３と総称してまとめて説明する。同様に、一対の走行体アクチュエータ２１Ａおよび２１Ｂは走行体アクチュエータ２１と総称し、一対のコンバータ２１１Ａおよび２１１Ｂはコンバータ２１１と総称し、一対のインバータ２２１Ａおよび２２１Ｂはインバータ２２１と総称し、一対のモータ２３１Ａおよび２３１Ｂはモータ２３１と総称する。
【0038】
昇圧伝送部１３３は、左右の各下部走行体１０１の内部に格納された複数のコイルによって構成される。具体的には、降圧伝送部１３２の二次コイル１３２２と接続される一次コイル１３３１と、走行体アクチュエータ２１と接続される二次コイル１３３２によって昇圧伝送部１３３が構成される。なお、昇圧伝送部１３３の全部または一部のコイルと、後段のコンバータ２１１（更にはインバータ２２１）を一体的なトランスユニットまたは非接触伝送ユニットとして構成してもよい。
【0039】
一次コイル１３３１と二次コイル１３３２は互いに磁気的に結合している。降圧伝送部１３２の二次コイル１３２２から一次コイル１３３１に供給された交流電力は、一次コイル１３３１と磁気的に結合した二次コイル１３３２によって走行体アクチュエータ２１に非接触で伝送される。また、走行体アクチュエータ２１のモータ２３１の減速時等に発生する回生電力は、インバータ２２１およびコンバータ２１１を介して二次コイル１３３２に供給され、それと磁気的に結合した一次コイル１３３１によって、降圧伝送部１３２の二次コイル１３２２および／または他方の昇圧伝送部１３３の一次コイル１３３１に非接触で伝送される。なお、一次コイル１３３１と二次コイル１３３２の間のギャップには電力伝送効率を高めるために磁性体等を挿入してもよい。
【0040】
昇圧伝送部１３３は、一次コイル１３３１および二次コイル１３３２の巻数の違いによって非接触で伝送される交流電圧の大きさを変化させる変圧器またはトランスとして構成され、降圧伝送部１３２の二次コイル１３２２から供給された交流電圧を昇圧して走行体アクチュエータ２１に非接触で伝送する。前述のように降圧伝送部１３２で40V～60V程度まで降圧された交流電圧は、昇圧伝送部１３３によって走行体アクチュエータ２１のコンバータ２１１が動作可能な大きさまで昇圧される。以上のように、下部走行体１０１の駆動部としての走行体アクチュエータ２１は、非接触伝送部としての降圧伝送部１３２および昇圧伝送部１３３によって非接触で伝送された交流電力に基づいて下部走行体１０１を駆動する。
【0041】
各関節構成部のアクチュエータ２で回収される回生電力は、他のアクチュエータ２による関節構成部の駆動に用いられる他、直流電圧バス３１に接続される電気二重層キャパシタ（EDLC: Electric double-layer capacitor）等で構成される回生電力充電部としてのキャパシタ１４に充電される。本実施形態の電力制御装置に関して後述するように、交流電圧バス３２によって相互に接続されたブームアクチュエータ２４、アームアクチュエータ２５、バケットアクチュエータ２６で回収された回生電力は、これらのアクチュエータ群において優先的に消費され、余剰があった場合のみ上部旋回体１０２側に戻される。
【0042】
具体的には、バケットアクチュエータ２６で回収された回生電力のうち、ブームアクチュエータ２４およびアームアクチュエータ２５のいずれでも消費されない余剰分は、コンバータ２１６で交流電力に変換された上で、バケット伝送部１２４、アーム伝送部１２３、ブーム伝送部１２２を介して、上部旋回体１０２のＤＣ／ＡＣコンバータ１２１に非接触で伝送される。アームアクチュエータ２５で回収された回生電力のうち、ブームアクチュエータ２４およびバケットアクチュエータ２６のいずれでも消費されない余剰分は、コンバータ２１５で交流電力に変換された上で、アーム伝送部１２３、ブーム伝送部１２２を介して、上部旋回体１０２のＤＣ／ＡＣコンバータ１２１に非接触で伝送される。ブームアクチュエータ２４で回収された回生電力のうち、アームアクチュエータ２５およびバケットアクチュエータ２６のいずれでも消費されない余剰分は、コンバータ２１４で交流電力に変換された上で、ブーム伝送部１２２を介して上部旋回体１０２のＤＣ／ＡＣコンバータ１２１に非接触で伝送される。
【0043】
ブームアクチュエータ２４、アームアクチュエータ２５、バケットアクチュエータ２６の少なくともいずれかから余った回生電力を受け取ったＤＣ／ＡＣコンバータ１２１は、その交流電力を直流電力に変換してキャパシタ１４を充電する充放電回路１４１に供給する。図４は、充放電回路１４１の構成例を示す。充放電回路１４１は、直流電圧バス３１の高電位ライン３１Ｈに接続される高電位トランジスタ１４２Ｈと、直流電圧バス３１の低電位ライン３１Ｌに接続される低電位トランジスタ１４２Ｌと、高電位トランジスタ１４２Ｈおよび低電位トランジスタ１４２Ｌの接続点１４３と低電位ライン３１Ｌの間にキャパシタ１４と直列に接続される昇降圧リアクトル１４４を備える。充放電回路１４１は、高電位トランジスタ１４２Ｈおよび低電位トランジスタ１４２Ｌのスイッチング動作によってキャパシタ１４の充放電の制御と直流電圧の変換を行う。
【0044】
なお、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２１が直流電力に変換した回生電力は、充放電コンバータ１１を介したバッテリ１０の充電に用いられてもよいし、充電されずに他のアクチュエータ（旋回体アクチュエータ２２および／または走行体アクチュエータ２１）に供給されてもよい。また、キャパシタ１４に蓄えられた電力は充放電回路１４１によって放電可能であり各アクチュエータ２に供給される。
【0045】
同様に、一対の走行体アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂで回収された回生電力は、これらのアクチュエータ群において優先的に消費され、余剰があった場合のみ上部旋回体１０２側に戻される。具体的には、一方の走行体アクチュエータ２１で回収された回生電力のうち、他方の走行体アクチュエータ２１で消費されない余剰分は、コンバータ２１１で交流電力に変換された上で、昇圧伝送部１３３、降圧伝送部１３２を介して、上部旋回体１０２のＤＣ／ＡＣコンバータ１３１に非接触で伝送される。
【0046】
一対の走行体アクチュエータ２１Ａおよび２１Ｂの少なくともいずれかから余った回生電力を受け取ったＤＣ／ＡＣコンバータ１３１は、その交流電力を直流電力に変換してキャパシタ１４を充電する充放電回路１４１に供給する。なお、ＤＣ／ＡＣコンバータ１３１が直流電力に変換した回生電力は、充放電コンバータ１１を介したバッテリ１０の充電に用いられてもよいし、充電されずに他のアクチュエータ（旋回体アクチュエータ２２、ブームアクチュエータ２４、アームアクチュエータ２５、バケットアクチュエータ２６等）に供給されてもよい。また、旋回体アクチュエータ２２で回収された回生電力は、コンバータ２１２で直流電力に変換された上で、キャパシタ１４を充電する充放電回路１４１、バッテリ１０を充電する充放電コンバータ１１、他のアクチュエータ（走行体アクチュエータ２１、ブームアクチュエータ２４、アームアクチュエータ２５、バケットアクチュエータ２６等）等に供給される。
【0047】
以上の駆動装置１によれば、電動建機１００の関節構成部のうち下部走行体１０１、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６に、非接触伝送部としての降圧伝送部１３２、ブーム伝送部１２２、アーム伝送部１２３、バケット伝送部１２４を設けることで、これらの関節構成部の円滑な動作を妨げることなく非接触で交流電力を伝送できる。また、各非接触伝送部は複数のコイルによって簡素に構成できるため、特許文献１のような直流電力の伝送のための配線を関節構成部に収納する構成に比べて、関節構成部の複雑化や大型化を防止できる。
【0048】
図５は、電動建機１００の駆動装置１の第２の構成例を示す。図３の第１の構成例と同様の構成要素には同一の符号を付して重複した説明を省略する。第２の構成例では、バッテリ１０で生成された直流電力を交流電力に変換する直流交流変換部としてのＤＣ／ＡＣコンバータ１５がバッテリ１０に付随して設けられる。
【0049】
バッテリ１０の放電時には、バッテリ１０の放電による直流電力がＤＣ／ＡＣコンバータ１５によって1kHz以上の周波数の交流電力に変換されて交流電圧バス３３に供給される。バッテリ１０の充電時には、交流電圧バス３３における交流電力がＤＣ／ＡＣコンバータ１５によって直流電力に変換されてバッテリ１０を充電する。ＤＣ／ＡＣコンバータ１５から交流電力が供給される交流電圧バス３３は、旋回体アクチュエータ２２、作業部給電機構１２、走行体給電機構１３に1kHz以上の周波数の交流電力を供給する。
【0050】
図３の第１の構成例では旋回体アクチュエータ２２のコンバータ２１２に直流電圧バス３１からの直流電力が入力されたが、図５の第２の構成例では旋回体アクチュエータ２２のコンバータ２１２に交流電圧バス３３からの交流電力が入力される。旋回体アクチュエータ２２のコンバータ２１２は、入力された交流電力を後段のインバータ２２２が動作可能な直流電力に変換する。
【0051】
作業部給電機構１２は、図３におけるＤＣ／ＡＣコンバータ１２１が設けられない点を除いて第１の構成例と同様である。図３におけるＤＣ／ＡＣコンバータ１２１の機能は、図５におけるＤＣ／ＡＣコンバータ１５が担う。すなわち、ＤＣ／ＡＣコンバータ１５は交流電圧バス３３を介して、ブーム伝送部１２２の一次コイルに交流電力を供給する。
【0052】
走行体給電機構１３は、図３におけるＤＣ／ＡＣコンバータ１３１が設けられない点を除いて第１の構成例と同様である。図３におけるＤＣ／ＡＣコンバータ１３１の機能は、図５におけるＤＣ／ＡＣコンバータ１５が担う。すなわち、ＤＣ／ＡＣコンバータ１５は交流電圧バス３３を介して、降圧伝送部１３２の一次コイルに交流電力を供給する。
【0053】
図５の第２の構成例では、回生電力充電部を構成するキャパシタ１４および充放電回路１４１の前段にＡＣ／ＤＣコンバータ１６が設けられる。ＡＣ／ＤＣコンバータ１６は交流電圧バス３３の交流電力を、充放電回路１４１がキャパシタ１４の充電処理を行うための直流電力に変換する。また、キャパシタ１４の放電処理の際は、充放電回路１４１が出力する直流電力がＡＣ／ＤＣコンバータ１６によって交流電力に変換されて交流電圧バス３３に供給される。
【0054】
図６は、電動建機１００の駆動装置１の第３の構成例を示す。図３の第１の構成例と同様の構成要素には同一の符号を付して重複した説明を省略する。第３の構成例では、充放電コンバータ１１がバッテリ１０で生成された直流電力に1kHz以上の周波数の交流電力を重畳する交流重畳部として機能する。図７は、充放電コンバータ１１が直流／交流電圧バス３４に供給する電圧Ｖの時間ｔによる変化を模式的に示す。「ＤＣ」がバッテリ１０で生成された直流電圧を示し、これに「ＡＣ」で示される交流電圧が充放電コンバータ１１によって重畳された電圧Ｖが直流／交流電圧バス３４に供給される。
【0055】
直流／交流電圧バス３４に直接的に接続される旋回体アクチュエータ２２のコンバータ２１２および充放電回路１４１は、直流／交流電圧バス３４から供給される電圧Ｖのうち主に直流成分に基づいて図３の第１の構成例と同様に動作する。
【0056】
作業部給電機構１２は、図３におけるＤＣ／ＡＣコンバータ１２１の代わりに、直流除去フィルタとしてのＤＣ除去フィルタ１２５と交流変換部としてのＡＣ／ＡＣコンバータ１２６を備える。ＤＣ除去フィルタ１２５は、交流重畳部としての充放電コンバータ１１の出力に接続され、直流電力を除去して交流電力を通過させることで、直流交流変換部としてのＤＣ／ＡＣコンバータ１２１と同等の機能を担う。図７の例では、直流成分「ＤＣ」がＤＣ除去フィルタ１２５によって除去され、交流成分「ＡＣ」がＤＣ除去フィルタ１２５を通過する。
【0057】
ＤＣ除去フィルタ１２５を通過した交流電力は、そのままブーム伝送部１２２の一次コイルに供給されてもよいが、図６の例ではブーム伝送部１２２における非接触伝送の効率を上げるためのＡＣ／ＡＣコンバータ１２６が不図示の共振回路と共に設けられる。ＡＣ／ＡＣコンバータ１２６は、ＤＣ除去フィルタ１２５を通過した交流電力の周波数を変換して非接触伝送部としてのブーム伝送部１２２に供給する。具体的には、ＡＣ／ＡＣコンバータ１２６は交流電力の周波数を高める処理を行い、ブーム伝送部１２２における非接触伝送の効率が高まる高周波数帯に交流電力を遷移させる。ＡＣ／ＡＣコンバータ１２６で周波数が高められた交流電力は、ブーム伝送部１２２の一次コイルに供給される。なお、ブーム伝送部１２２における非接触伝送の効率を高めるためのＡＣ／ＡＣコンバータ１２６は、図３の第１の構成例や図５の第２の構成例に設けてもよい。
【0058】
走行体給電機構１３は、図３におけるＤＣ／ＡＣコンバータ１３１の代わりに、直流除去フィルタとしてのＤＣ除去フィルタ１３４と交流変換部としてのＡＣ／ＡＣコンバータ１３５を備える。ＤＣ除去フィルタ１３４は、交流重畳部としての充放電コンバータ１１の出力に接続され、直流電力を除去して交流電力を通過させることで、直流交流変換部としてのＤＣ／ＡＣコンバータ１３１と同等の機能を担う。図７の例では、直流成分「ＤＣ」がＤＣ除去フィルタ１３４によって除去され、交流成分「ＡＣ」がＤＣ除去フィルタ１３４を通過する。
【0059】
ＤＣ除去フィルタ１３４を通過した交流電力は、そのまま降圧伝送部１３２の一次コイルに供給されてもよいが、図６の例では降圧伝送部１３２における非接触伝送の効率を上げるためのＡＣ／ＡＣコンバータ１３５が不図示の共振回路と共に設けられる。ＡＣ／ＡＣコンバータ１３５は、ＤＣ除去フィルタ１３４を通過した交流電力の周波数を変換して非接触伝送部としての降圧伝送部１３２に供給する。具体的には、ＡＣ／ＡＣコンバータ１３５は交流電力の周波数を高める処理を行い、降圧伝送部１３２における非接触伝送の効率が高まる高周波数帯に交流電力を遷移させる。ＡＣ／ＡＣコンバータ１３５で周波数が高められた交流電力は、降圧伝送部１３２の一次コイルに供給される。なお、降圧伝送部１３２における非接触伝送の効率を高めるためのＡＣ／ＡＣコンバータ１３５は、図３の第１の構成例や図５の第２の構成例に設けてもよい。
【0060】
図８は、電動建機１００の電力制御装置４の構成例を示す。電力制御装置４は、需要電力取得部４１と、供給可能電力取得部４２と、電力比較部４３と、決定部４４と、識別部４５と、駆動情報取得部４７を備える。
【0061】
需要電力取得部４１は、下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６の各アクチュエータ２の需要電力を示す情報として、各アクチュエータ２におけるモータの回転数Ｎおよび電流指令値ｉｑ、ｉｄを取得する。これらの情報は、各アクチュエータ２に内蔵された不図示の通信装置が近距離無線通信技術等によって需要電力取得部４１に送信してもよいし、各アクチュエータ２に供給される交流電力を搬送波として変調して非接触伝送部１２２、１２３、１２４、１３２、１３３を介して需要電力取得部４１に送信してもよい。図９は、各アクチュエータ２におけるモータの電流指令値をｄｑ座標系で示す。ｄｑ座標系ではｄ軸電流ｉｄがモータにおけるトルクの発生に寄与せず、ｉｄ＝０の場合はｑ軸電流ｉｑに回転数Ｎを乗じたｉｑ・Ｎが各アクチュエータ２の需要電力となる。一方、モータの高速回転時の界磁による逆起電力を低減させるための弱め界磁制御を行う場合は負のｄ軸電流ｉｄも流す必要があるため、需要電力取得部４１はｑ軸電流ｉｑだけでなくｄ軸電流ｉｄも考慮して各アクチュエータ２の需要電力を算出する。なお、需要電力取得部４１は、電動建機１００の操作部４０のオペレータによる操作すなわち各アクチュエータ２に対する操作指令に基づいて、各アクチュエータ２の需要電力を見積もってもよい。
【0062】
供給可能電力取得部４２は、電力制御装置４が各アクチュエータ２に供給可能な電力を取得する。電力制御装置４の供給可能電力は、バッテリ１０の充電量または放電可能量、キャパシタ１４の充電量または放電可能量、各アクチュエータ２で回収される回生電力の総和である。バッテリ１０の充電量または放電可能量を示す情報として、供給可能電力取得部４２はバッテリ１０の充電率であるＳＯＣ（State Of Charge）および放電可能量を取得する。キャパシタ１４の充電量または放電可能量を示す情報として、供給可能電力取得部４２はキャパシタ１４の充電率であるＳＯＣを取得する。各アクチュエータ２で回収される回生電力は、作業部（ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６）のアクチュエータ２４、２５、２６で回収される作業部回生電力と、下部走行体１０１の走行体アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂで回収される走行体回生電力と、上部旋回体１０２のアクチュエータ２２で回収される旋回体回生電力に大別される。後述するように、作業部回生電力は作業部のアクチュエータ２４、２５、２６において優先的に消費され、走行体回生電力は下部走行体１０１の走行体アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂにおいて優先的に消費される。
【0063】
電力比較部４３は、需要電力取得部４１で取得された各アクチュエータ２の需要電力の合計と、供給可能電力取得部４２で取得された電力制御装置４の供給可能電力を比較する。決定部４４は、各アクチュエータ２の需要電力の合計が電力制御装置４の供給可能電力より大きい場合、識別部４５で識別された電動建機１００の動作および／または慣性モーメント取得部４６で取得された作業部の慣性モーメントに応じて、需要電力より小さい電力を供給するアクチュエータ２を決定する。なお、決定部４４は、各アクチュエータ２の需要電力の合計と電力制御装置４の供給可能電力の大小関係によらず、識別部４５で識別された電動建機１００の動作に応じて、各アクチュエータ２に供給する電力を決定してもよい。また、決定部４４は、各アクチュエータ２の需要電力の合計が電力制御装置４の供給可能電力より大きい場合、複数のアクチュエータ２のうち、識別部４５で識別された電動建機１００の動作に応じた必要電力が小さいアクチュエータ２に需要電力より小さい電力を供給することを決定する。決定部４４による電力供給量決定処理の具体例については後述する。
【0064】
供給可能電力取得部４２で取得された電力制御装置４の供給可能電力は、決定部４４で決定された配分に応じて各アクチュエータ２に供給される。この時、各アクチュエータ２で回収される余剰な回生電力は、充放電コンバータ１１および／または充放電回路１４１によって、バッテリ１０および／またはキャパシタ１４に充電される。また、上部旋回体１０２と作業部の間の双方向電力伝送を担うＤＣ／ＡＣコンバータ１２１は、バッテリ１０やキャパシタ１４等の上部旋回体１０２側からの直流電力を交流電力に変換して作業部のアクチュエータ２４、２５、２６に供給すると共に、作業部のアクチュエータ２４、２５、２６で回収される余剰な回生電力を交流から直流に変換して上部旋回体１０２のバッテリ１０やキャパシタ１４等に供給または充電する。同様に、上部旋回体１０２と下部走行体１０１の間の双方向電力伝送を担うＤＣ／ＡＣコンバータ１３１は、バッテリ１０やキャパシタ１４等の上部旋回体１０２側からの直流電力を交流電力に変換して下部走行体１０１のアクチュエータ２１Ａ、２１Ｂに供給すると共に、下部走行体１０１のアクチュエータ２１Ａ、２１Ｂで回収される余剰な回生電力を交流から直流に変換して上部旋回体１０２のバッテリ１０やキャパシタ１４等に供給または充電する。また、決定部４４は、直列に接続されたブーム伝送部１２２、アーム伝送部１２３、バケット伝送部１２４の間の電力（回生電力を含む）の配分を決定する。同様に、決定部４４は、直列に接続された二つの昇圧伝送部１３３Ａ、１３３Ｂの間の電力（回生電力を含む）の配分を決定する。
【0065】
駆動情報取得部４７は、電動建機１００の各関節構成部、すなわち、下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６の各アクチュエータ２の駆動情報を取得する。各アクチュエータ２の駆動情報としては、電動建機１００の操作部４０で受け付けたオペレータによる操作指令、当該操作指令に基づいて生成される各アクチュエータ２におけるモータに印加される電圧指令値や電流指令値等の動作指令、各アクチュエータ２におけるモータの回転数、電流、トルク等の動作パラメータの測定データ、各関節構成部に設けられる加速度センサ等の測定データ等が例示される。識別部４５は、電動建機１００の各関節構成部が行う動作を、駆動情報取得部４７で取得された駆動情報、および、メモリ等の記憶部（不図示）に記憶された動作と駆動情報の対応関係に基づいて識別する。識別部４５は、駆動情報取得部４７で取得された駆動情報と電動建機１００の動作を対応付けたテーブルを参照して電動建機１００の動作を識別してもよいし、このようなテーブルに相当する網羅的な教師データによる機械学習を行った人工知能を通じて電動建機１００の動作を識別してもよい。識別部４５に設けられる慣性モーメント取得部４６は、バケット１０６が運搬する被運搬物の重量を取得する重量取得部４６１と、上部旋回体１０２の旋回軸からのバケット１０６の距離を取得する距離取得部４６２を備え、被運搬物を含む作業部の旋回軸周り慣性モーメントを取得する。なお、作業部の慣性モーメントの演算に必要な作業部（ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６）自体の重量または質量は慣性モーメント取得部４６に予め記憶されているものとする。
【0066】
図１０は、電力制御装置４による電力制御処理の例を示すフローチャートである。フローチャートの説明において「Ｓ」はステップまたは処理を意味する。Ｓ１では、需要電力取得部４１が、下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６の各アクチュエータ２の需要電力を取得または算出する。Ｓ２では、供給可能電力取得部４２が、電力制御装置４が各アクチュエータ２に供給可能な電力を取得する。Ｓ３では、電力比較部４３が、Ｓ１で取得された各アクチュエータ２の需要電力の合計と、Ｓ２で取得された電力制御装置４の供給可能電力を比較する。Ｓ３における電力比較の結果、各アクチュエータ２の需要電力の合計が電力制御装置４の供給可能電力より大きい場合（Ｓ４におけるＹｅｓ）はＳ５に進み、各アクチュエータ２の需要電力の合計が電力制御装置４の供給可能電力以下の場合（Ｓ４におけるＮｏ）はＳ８に進む。
【0067】
Ｓ５では、駆動情報取得部４７が電動建機１００の各関節構成部のアクチュエータ２の駆動情報を取得し、識別部４５が取得された駆動情報に基づいて、下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６によって電動建機１００が行う動作を識別する。Ｓ６では、慣性モーメント取得部４６が、重量取得部４６１で取得されるバケット１０６の被運搬物の重量および距離取得部４６２で取得される旋回軸からのバケット１０６の距離に基づいて、被運搬物を含む作業部の旋回軸周り慣性モーメントを取得する。Ｓ７では、決定部４４が、Ｓ５で識別された電動建機１００の動作および／またはＳ６で取得された作業部の慣性モーメントに応じて、各アクチュエータ２に供給する電力を決定する。例えば、決定部４４は、Ｓ６で取得された被運搬物の重量に応じて、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６の各アクチュエータ２のうち、負担する重量または負荷が少ないアクチュエータ２に供給する電力が負担する重量または負荷が多いアクチュエータ２に供給する電力より小さくなるように決定する。また、決定部４４は、Ｓ６で取得された距離が大きいほど、旋回体アクチュエータ２２に供給する電力を大きくする。
【0068】
Ｓ８では、Ｓ２で取得された電力制御装置４の供給可能電力が、充放電コンバータ１１、充放電回路１４１、ＤＣ／ＡＣコンバータ１２１、１３１等を介して、各アクチュエータ２に供給または配分される。Ｓ４でＮｏと判定された場合は、原則としてＳ１で取得された需要電力の通りに各アクチュエータ２に電力が供給される。Ｓ４でＹｅｓと判定された場合は、Ｓ７で決定された配分に応じて各アクチュエータ２に電力が供給される。なお、Ｓ８において各アクチュエータ２の需要電力を上回る余剰な回生電力が発生した場合は、充放電コンバータ１１および／または充放電回路１４１によって、バッテリ１０および／またはキャパシタ１４に充電される。
【0069】
図１１は、Ｓ４の判定処理、Ｓ７の電力配分量決定処理、Ｓ８の電力供給処理の例を模式的に示す。縦軸は電力を表し、横軸は時間を表す。曲線は各時刻における電力制御装置４の供給可能電力を表す。前述の通り、電力制御装置４の供給可能電力は、バッテリ１０の充電量、キャパシタ１４の充電量、各アクチュエータ２で回収される回生電力の総和であり、時間によって大きく変動する。時刻Ｔ１、Ｔ２に示される積み上げ棒グラフは、当該各時刻における各アクチュエータ２の需要電力を表す。なお、図示および説明の簡素化のため、作業部のアクチュエータ２４、２５、２６の需要電力のみを示す。従って、図示の供給可能電力は、作業部のアクチュエータ２４、２５、２６に対する供給可能電力のみを含み、走行体アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、旋回体アクチュエータ２２に対する供給可能電力を含まない。
【0070】
時刻Ｔ１では、各アクチュエータ２の需要電力の合計が電力制御装置４の供給可能電力以下となるためＳ４ではＮｏと判定され、Ｓ８では図示の需要電力の通りに各アクチュエータ２に電力が供給される。時刻Ｔ２では、各アクチュエータ２の当初の需要電力の合計が点線で示されるものであったとする。この場合、各アクチュエータ２の需要電力の合計が電力制御装置４の供給可能電力より大きくなるためＳ４ではＹｅｓと判定される。Ｓ７では、決定部４４が、各アクチュエータ２の需要電力の合計が電力制御装置４の供給可能電力以下となるように、各アクチュエータ２に供給する電力を決定する。その結果、Ｓ８では電力制御装置４の供給可能電力の範囲で各アクチュエータ２に電力が供給される。このように、各アクチュエータ２の需要電力の合計が電力制御装置４の供給可能電力より大きい場合、決定部４４の決定に基づいて少なくともいずれかのアクチュエータ２への電力配分が減らされるため、供給可能電力の範囲で適切な電力配分を実現できる。
【0071】
図１２は、決定部４４によるＳ７の電力供給量決定処理の例を示すフローチャートである。Ｓ１１では、Ｓ５で識別された電動建機１００の主な動作が下部走行体１０１による走行動作であるか否かが判定される。Ｓ１１でＹｅｓと判定された場合はＳ１２に進み、主たる動作を担う下部走行体１０１への電力配分はそのままに、必要電力が小さい上部旋回体１０２または作業部への電力配分が減らされる。Ｓ１１でＮｏと判定された場合はＳ１３に進み、Ｓ５で識別された電動建機１００の主な動作が上部旋回体１０２による旋回動作であるか否かが判定される。Ｓ１３でＹｅｓと判定された場合はＳ１４に進み、主たる動作を担う上部旋回体１０２への電力配分はそのままに、必要電力が小さい下部走行体１０１または作業部への電力配分が減らされる。Ｓ１３でＮｏと判定された場合はＳ１５に進み、Ｓ５で識別された作業部の動作（例えば、掘削動作、旋回積込動作、溝掘動作、地面ならし動作）に応じて各アクチュエータ２に電力が配分される。
【0072】
図１３は、作業部の動作に応じた各アクチュエータ２への電力配分の例を示す。「需要電力」の積み上げ棒グラフは各アクチュエータ２の需要電力を表し、「掘削動作」「90度旋回積込動作」の各積み上げ棒グラフは、Ｓ１５において各動作に応じて各アクチュエータ２に配分される電力を表す。図示されるように、「需要電力」は電力制御装置４の供給可能電力を上回っているが、「掘削動作」「90度旋回積込動作」では電力制御装置４の供給可能電力の範囲で各動作にとって適切な電力配分が実現される。「掘削動作」では、掘削動作を担う作業部のアクチュエータ２４、２５、２６には電力が多めに配分される一方で、必要電力が小さい走行体アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、旋回体アクチュエータ２２への電力が抑制または低減される。「90度旋回積込動作」では、作業部だけでなく上部旋回体１０２でも大きな電力が必要となるため、旋回体アクチュエータ２２には需要電力通りの電力が配分される。一方、「90度旋回積込動作」では下部走行体１０１が停止しているため、必要電力が小さい走行体アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂへの電力の配分または供給が停止される。
【0073】
Ｓ１６では、Ｓ６で取得された作業部の旋回軸周り慣性モーメントが所定値以上であるか否かが判定される。Ｓ１６でＹｅｓと判定された場合はＳ１７に進み、上部旋回体１０２への電力配分がＳ１５から増やされる。これは作業部の慣性モーメントが大きくなると、それを旋回させる上部旋回体１０２における電力消費量が増えるためである。なお、上部旋回体１０２に追加で配分される電力は、必要電力が小さい下部走行体１０１または作業部への電力配分を減らすことで捻出される。Ｓ１８では以上の処理Ｓ１１～Ｓ１７を経て各アクチュエータ２への電力配分量が決定される。図１１や図１３で説明したように、各アクチュエータ２への電力配分量の合計は電力制御装置４の供給可能電力以下になる。
【0074】
Ｓ１９以降の処理は、各アクチュエータ２で回収される回生電力の配分に関する。Ｓ１９では、作業部のアクチュエータ２４、２５、２６で回収される作業部回生電力（Ｓ２で検知可能）が、当該作業部アクチュエータ群に優先的に配分される。Ｓ２０では、Ｓ２で検知された作業部回生電力の総和がＳ１８で決定された作業部のアクチュエータ２４、２５、２６への配分電力の総和より大きいか否かが判定される。Ｓ２０でＹｅｓと判定された場合はＳ２１に進み、余剰な作業部回生電力がＤＣ／ＡＣコンバータ１２１を介して上部旋回体１０２側またはバッテリ１０／キャパシタ１４側に戻される。
【0075】
Ｓ２２では、下部走行体１０１の走行体アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂで回収される走行体回生電力（Ｓ２で検知可能）が、当該走行体アクチュエータ群に優先的に配分される。Ｓ２３では、Ｓ２で検知された走行体回生電力の総和がＳ１８で決定された下部走行体１０１の走行体アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂへの配分電力の総和より大きいか否かが判定される。Ｓ２３でＹｅｓと判定された場合はＳ２４に進み、余剰な走行体回生電力がＤＣ／ＡＣコンバータ１３１を介して上部旋回体１０２側またはバッテリ１０／キャパシタ１４側に戻される。
【0076】
以上の本実施形態によれば、複数のアクチュエータ２の需要電力の合計が電源の供給可能電力より大きい場合、決定部４４の決定に基づいて少なくともいずれかのアクチュエータ２への電力配分が減らされるため、供給可能電力の範囲で適切な電力配分を実現できる。特に、電源がバッテリ１０によって構成される場合、限られた充電量を効率的に利用することで、電力制御装置４ひいては電動建機１００の連続稼働時間を延ばすことができる。
【0077】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、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。
【0078】
図８の電力制御装置４の構成例では各アクチュエータ２に供給される交流電力が非接触伝送部１２２、１２３、１２４、１３２、１３３を介して非接触で伝送されていたが、バッテリ１０で生成された直流電力が配線によって各アクチュエータ２に供給される構成の電動建機にも本発明の電力制御装置４は適用可能である。
【0079】
実施形態ではアクチュエータ２が電動建機１００の各関節構成部を直接的に駆動するＥＭＡの例を説明したが、電動建機１００の各関節構成部はアクチュエータ２によって間接的に駆動されてもよい。例えば、各関節構成部を直接的に駆動するのが油圧モータや油圧シリンダ等の油圧機器である場合、各油圧機器への油圧を制御する油圧バルブの制御にモータ２３０を用いることでアクチュエータ２をＥＨＡとして構成してもよい。
【0080】
また、実施形態では建設機械または電動建機として、下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６を関節構成部として備えるものを例示したが、その他の関節構成部を備える任意の建設機械に本発明は適用できる。例えば、ブルドーザ、スクレイパー、掘削機、ショベル、運搬機械、ダンプトラック、トレーラー、ショベルローダー、フォークローダー、ベルトコンベア、クレーン、建設用リフト、フォークリフト、杭打ち機、せん孔機械、ボーリングマシン、さく岩機、ロードローラー、トラックミキサ、コンプレッサ、ポンプ、ウインチ等が例示される。
【0081】
なお、実施形態で説明した各装置の機能構成はハードウェア資源またはソフトウェア資源により、あるいはハードウェア資源とソフトウェア資源の協働により実現できる。ハードウェア資源としてプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。
【0082】
本明細書で開示した実施形態のうち、複数の機能が分散して設けられているものは、当該複数の機能の一部又は全部を集約して設けても良く、逆に複数の機能が集約して設けられているものを、当該複数の機能の一部又は全部が分散するように設けることができる。機能が集約されているか分散されているかにかかわらず、発明の目的を達成できるように構成されていればよい。
【産業上の利用可能性】
【0083】
本発明は建設機械における電力制御技術に関する。
【符号の説明】
【0084】
１ 駆動装置、２ アクチュエータ、４ 電力制御装置、１０ バッテリ、１１ 充放電コンバータ、１２ 作業部給電機構、１３ 走行体給電機構、１４ キャパシタ、１５ ＤＣ／ＡＣコンバータ、１６ ＡＣ／ＤＣコンバータ、２１ 走行体アクチュエータ、２２ 旋回体アクチュエータ、２４ ブームアクチュエータ、２５ アームアクチュエータ、２６ バケットアクチュエータ、３１ 直流電圧バス、３２ 交流電圧バス、３３ 交流電圧バス、３４ 直流／交流電圧バス、４０ 操作部、４１ 需要電力取得部、４２ 供給可能電力取得部、４３ 電力比較部、４４ 決定部、４５ 識別部、４６ 慣性モーメント取得部、１００ 電動建機、１０１ 下部走行体、１０２ 上部旋回体、１０４ ブーム、１０５ アーム、１０６ バケット、１２１ ＤＣ／ＡＣコンバータ、１２２ ブーム伝送部、１２３ アーム伝送部、１２４ バケット伝送部、１２５ ＤＣ除去フィルタ、１２６ ＡＣ／ＡＣコンバータ、１３１ ＤＣ／ＡＣコンバータ、１３２ 降圧伝送部、１３３ 昇圧伝送部、１３４ ＤＣ除去フィルタ、１３５ ＡＣ／ＡＣコンバータ、１４１ 充放電回路、２３０ モータ、４６１ 重量取得部、４６２ 距離取得部。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】