(57)【要約】【課題】ＤＣリンク電圧ＶＤＣの変動を抑制する。【解決手段】昇降圧コンバータ１１０は、１次側に蓄電器１０２が接続され、２次側にＤＣリンクバス１０４を介して負荷が接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギーを授受する。コンバータコントローラ１２０は、昇降圧コンバータ１１０を制御する。デューティサイクルコントローラ１３０は、昇降圧コンバータ１１０のデューティ比を指示するデューティ指令値Ｓ４を生成する。デューティ指令値Ｓ４は、ＤＣリンクバス１０４に生ずるＤＣリンク電圧ＶＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくようにフィードバック制御される。ドライバ１２６，１２８は、デューティ指令値Ｓ４にもとづいて昇降圧コンバータ１１０を駆動する。デューティサイクルコントローラ１３０の制御ゲインは、昇降圧コンバータ１１０のスイッチングのデューティ比Ｄの逆数１／Ｄに応じて可変である。【選択図】図２
2017046495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側に蓄電器が接続され、２次側にＤＣリンクバスを介して負荷が接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギーを授受可能な昇降圧コンバータと、
前記昇降圧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、
前記昇降圧コンバータのデューティ比を指示するデューティ指令値を生成するデューティサイクルコントローラであって、前記ＤＣリンクバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように前記デューティ指令値をフィードバック制御するデューティサイクルコントローラと、
前記デューティ指令値にもとづいて前記昇降圧コンバータを駆動するドライバと、
を備え、
前記デューティサイクルコントローラの制御ゲインが、前記昇降圧コンバータのスイッチングのデューティ比の逆数に応じて可変であることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記デューティサイクルコントローラは、
前記ＤＣリンクバスに生ずる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第１中間指令値を生成する電圧コントローラと、
前記第１中間指令値にフィードフォワード値を重畳し、前記デューティ指令値を生成するフィードフォワード部と、
を含み、
前記電圧コントローラのゲインが前記デューティ指令値の逆数に応じて可変であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記デューティサイクルコントローラは、
前記ＤＣリンクバスに生ずる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第１中間指令値を生成する電圧コントローラと、
前記昇降圧コンバータのリアクトルに流れる電流が、前記第１中間指令値に応じた電流指令値に近づくように、前記デューティ指令値を生成する電流コントローラと、
を含み、
前記電圧コントローラのゲインが前記デューティ指令値の逆数に応じて可変であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項４】
前記デューティサイクルコントローラは、
前記ＤＣリンクバスに生ずる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第１中間指令値を生成する電圧コントローラと、
前記昇降圧コンバータのリアクトルに流れる電流が、前記第１中間指令値に応じた電流指令値に近づくように値が調節される第２中間指令値を生成する電流コントローラと、
前記第２中間指令値にフィードフォワード値を重畳し、前記デューティ指令値を生成するフィードフォワード部と、
を含み、
前記電圧コントローラのゲインが前記デューティ指令値の逆数に応じて可変であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項５】
電動機と、
前記電動機を駆動するインバータと、
蓄電器と、
前記インバータが接続されるＤＣリンクバスと、
前記蓄電器と前記ＤＣリンクバスの間で相互にエネルギーを授受する請求項１から４のいずれかに記載の電源装置と、
を備えることを特徴とする産業車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇降圧コンバータを用いた電源装置に関する。
【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、発電エネルギー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ーを相互に授受するために、昇降圧コンバータ（双方向ＤＣ／ＤＣ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リンクバス１０４、昇降圧コンバータ１１０、コントローラ１２０を備える。
【０００４】
昇降圧コンバータ４２の１次側には蓄電器１０２が接続され、その２次側にはＤＣリンクバス１０４が接続される。ＤＣリンクバス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】
昇降圧コンバータ１１０は、リアクトル（インダクタ）Ｌ１、平滑キャパシタＣ１、トランジスタＭ１、Ｍ２を含む。昇降圧コンバータ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リンクバス１０４の電圧（ＤＣリンク電圧）ＶＤＣの目標値を指示する電圧指令Ｖｒを受け、ＤＣリンク電圧ＶＤＣ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２００９−１８３０９８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７２９９号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７９０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１の電源装置１００ｒにおいて、平滑キャパシタＣ１の充放電電流ＩＣＨＧは、昇降圧コンバータ１１０のＤＣリンクに流れる電流（ＤＣリンク電流という）Ｉｃと負荷電流ＩＭの和であたえられる。ある時刻に、負荷２００の回生電流ＩＭ（＜０）が急峻に増大すると、平滑キャパシタＣ１に流れ込む充電電流ＩＣＨＧが急激に上昇することとなる。ＤＣリンク電圧ＶＤＣを一定に保つには、昇降圧コンバータ１１０が、回生電流ＩＭの増大に追従して、ＤＣリンク電流Ｉｃを増大させる必要がある。ところがコントローラ１２０の応答速度は有限であるため、ＤＣリンク電流Ｉｃが回生電流ＩＭの上昇に追従できない場合があり、結果としてＤＣリンク電圧ＶＤＣが跳ね上がることとなる。ＤＣリンク電圧ＶＤＣが昇降圧コンバータ１１０や負荷２００を構成する回路部品の耐圧を超える程度に跳ね上がると、装置の信頼性に影響を及ぼすおそれがある。
【０００９】
同様に、ある時刻に負荷２００の力行電流ＩＭが急峻に増大すると、平滑キャパシタＣ１から流れ出る放電電流ＩＣＨＧが急激に上昇し、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが急激に低下する可能性もある。これらの問題を解決するためには、平滑キャパシタＣ１を大容量化すればよいが、これは回路面積およびコストの増加を招くため好ましくない。
【００１０】
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、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの変動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】
【００１１】
本発明のある態様は電源装置に関する。電源装置は、１次側に蓄電器が接続され、２次側にＤＣリンクバスを介して負荷が接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギーを授受可能である昇降圧コンバータと、昇降圧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、昇降圧コンバータのデューティ比を指示するデューティ指令値を生成するデューティサイクルコントローラであって、ＤＣリンクバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくようにデューティ指令値をフィードバック制御するデューティサイクルコントローラと、デューティ指令値にもとづいて昇降圧コンバータを駆動するドライバと、を備える。デューティサイクルコントローラの制御ゲインは、昇降圧コンバータのスイッチングのデューティ比の逆数に応じて可変である。
【００１２】
ＤＣリンク電流ＩＣと蓄電器に流れるリアクトル電流ＩＢの間には、デューティ指令値Ｄを用いて、関係式ＩＣ＝Ｄ・ＩＢが成り立ち、昇降圧コンバータのゲインはデューティ指令値Ｄに応じている。ここでデューティ指令値Ｄは、急峻な負荷変動などに起因して過渡的に変動する。この態様によれば、デューティサイクルコントローラの制御ゲインをデューティ比Ｄの逆数１／Ｄに応じて変化させることで、ループゲインを一定に保つことができ、制御特性を改善できる。
【００１３】
デューティサイクルコントローラは、ＤＣリンクバスに生ずる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第１中間指令値を生成する電圧コントローラと、第１中間指令値にフィードフォワード値を重畳し、デューティ指令値を生成するフィードフォワード部と、を含んでもよい。電圧コントローラのゲインがデューティ指令値の逆数に応じて可変であってもよい。
【００１４】
デューティサイクルコントローラは、ＤＣリンクバスに生ずる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第１中間指令値を生成する電圧コントローラと、昇降圧コンバータのリアクトルに流れる電流が、第１中間指令値に応じた電流指令値に近づくように、デューティ指令値を生成する電流コントローラと、を含んでもよい。電圧コントローラのゲインがデューティ指令値の逆数に応じて可変であってもよい。
【００１５】
デューティサイクルコントローラは、ＤＣリンクバスに生ずる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第１中間指令値を生成する電圧コントローラと、昇降圧コンバータのリアクトルに流れる電流が、第１中間指令値に応じた電流指令値に近づくように値が調節される第２中間指令値を生成する電流コントローラと、第２中間指令値にフィードフォワード値を重畳し、デューティ指令値を生成するフィードフォワード部と、を含んでもよい。電圧コントローラのゲインがデューティ指令値の逆数に応じて可変であってもよい。
【００１６】
電源装置は、電動機と、電動機を駆動するインバータと、蓄電器と、インバータが接続されるＤＣリンクバスと、を備える産業車両に使用され、蓄電器とＤＣリンクバスの間で相互にエネルギーを授受してもよい。
【００１７】
本発明の別の態様は、産業車両に関する。産業車両は、電動機と、電動機を駆動するインバータと、蓄電器と、インバータが接続されるＤＣリンクバスと、蓄電器とＤＣリンクバスの間で相互にエネルギーを授受する上述のいずれかに記載の電源装置と、を備える。
【００１８】
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】
【００１９】
本発明によれば、ＤＣリンク電圧の変動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】電源装置の基本構成を示す回路図である。
【図２】実施の形態に係る電源装置の回路図である。
【図３】図２の電源装置の制御ブロック図である。
【図４】実施の形態に係る電源装置の、負荷電流ＩＭが急変したときの動作波形図である。
【図５】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６】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７】第１変形例に係る電源装置のブロック図である。
【図８】第２変形例に係る電源装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図２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リンクバス１０４、昇降圧コンバータ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リンクバス１０４には、後述するようにインバータ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２には、電動発電機１２を駆動する１個のインバータ１８Ａのみを示している。
【００２３】
昇降圧コンバータ１１０の１次側には蓄電器１０２が接続され、２次側にはＤＣリンクバス１０４が接続される。昇降圧コンバータ１１０は、１次側と２次側で双方向にエネルギー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、昇降圧コンバータ１１０は昇圧動作（Ｉｃ＞０）となり、蓄電器１０２から、リアクトルＬ１およびトランジスタＭ１を介して平滑キャパシタＣ１を充電する。電動発電機１２が回生運転するときには、昇降圧コンバータ１１０は降圧動作（Ｉｃ＜０）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およびリアクトルＬ１を介して、蓄電器１０２に回収する。
【００２４】
コントローラ１２０は、昇降圧コンバータ１１０を制御する。コントローラ１２０は、ＤＣリンクバス１０４に生ずるＤＣリンク電圧ＶＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくように、昇降圧コンバータ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、デューティサイクルコントローラ１３０、パルス変調器１３１を備える。
【００２５】
Ａ／Ｄコンバータ１２２は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣ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、昇降圧コンバータ１１０に流れる電流（コンバータ電流）の検出値をデジタル値Ｓ２に変換する。Ａ／Ｄコンバータ１２４は、コンバータ電流として、昇降圧コンバータ１１０の１次側に流れるバッテリ電流ＩＢ（リアクトル電流）を、デジタル値Ｓ２に変換してもよいし、  昇降圧コンバータ１１０の２次側に流れるＤＣリンク電流ＩＣをデジタル値Ｓ２に変換してもよい。
【００２６】
デューティサイクルコントローラ１３０は、ソフトウェア制御によって、トランジスタＭ１、Ｍ２のスイッチングのデューティ比を指示するデューティ指令値Ｓ４を生成する。デューティサイクルコントローラ１３０は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくようにデューティ指令値Ｓ４をフィードバック制御する。デューティサイクルコントローラ１３０の制御ゲインは、デューティ指令値Ｓ４の逆数に応じて可変である。
【００２７】
パルス変調器１３１は、デューティ指令値Ｓ４を受け、それが指示するデューティ比を有する駆動パルスＳ５を生成する。ゲートドライバ１２６、１２８は、駆動パルスＳ５に応じてトランジスタＭ１、Ｍ２をスイッチングする。
【００２８】
図３は、図２の電源装置１００の制御ブロック図である。デューティサイクルコントローラ１３０は、フィードバックコントローラ１４０およびフィードフォワード部１４２を備える。フィードバックコントローラ１４０は、ＤＣリンクバス１０４に生ずるＤＣリンク電圧ＶＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくように値が調節される中間デューティ指令値ＤＦＢを生成する。この中間デューティ指令値ＤＦＢによって昇降圧コンバータ１１０のスイッチングのデューティ比が微調節される。したがって中間デューティ指令値ＤＦＢは、デューティ比と同様に無次元である。
【００２９】
フィードバックコントローラ１４０は、たとえば電圧コントローラ１３２、ゲイン補償器１３４、電流コントローラ１３８を含む。電圧コントローラ１３２は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣ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第１中間指令値（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、ＰＤ制御あるいはＰＩＤ制御を用いてもよい。
【００３０】
ゲイン補償器１３４は、電流指令値Ｉｒに、デューティ比Ｄに反比例する係数（１／Ｄ）を乗算する。このデューティ比Ｄは、デューティ指令値Ｓ４を用いればよい。電流指令値Ｉｒに係数を乗算することは、電圧コントローラ１３２の比例ゲインＫＰを変化させることと等価であり、したがってゲイン補償器１３４は、電圧コントローラ１３２のＰＩ補償器に組み込まれてもよい。
【００３１】
電流コントローラ１３８は、昇降圧コンバータ１１０に流れるコンバータ電流（つまりＤＣリンク電流ＩＣもしくはバッテリ電流ＩＢ）の検出値Ｓ２が電流指令Ｉｒと一致するように、中間デューティ指令値ＤＦＢを生成する。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、ＰＤ補償器あるいはＰＩＤ補償器を用いてもよい。
【００３２】
なおフィードバックコントローラ１４０の構成は、図３のそれには限定されない。電圧コントローラ１３２、電流コントローラ１３８を備えるコントローラは電流モードとも称される。フィードバックコントローラ１４０は、電流コントローラ１３８を省略して電圧モードのコントローラであってもよい。
【００３３】
フィードフォワード部１４２は、中間デューティ指令値ＤＦＢに、フィードフォワード値ＤＦＦを重畳し、昇降圧コンバータ１１０のデューティ比を指示するデューティ指令値Ｓ４（その値をＤとする）を生成する。フィードフォワード部１４２は、加算器もしくは減算器で表される。
【００３４】
フィードフォワード値ＤＦＦは、蓄電器１０２の電圧ＶＢ、ＤＣリンク電圧ＶＤＣ、負荷電流ＩＭ、リアクトル電流ＩＢの少なくともひとつに応じてもよい。フィードフォワード制御については、特願２０１２−０２３４５５や特願２０１５−００４３１６等に記載の技術あるいはその他の公知技術、将来利用可能な技術を用いることができる。
【００３５】
デューティ指令値Ｓ４は、駆動パルスＳ５に変換される。図３のブロック１１０は、昇降圧コンバータ１１０をモデル化したものであり、リアクトルＬ１の等価直列抵抗等を含む内部抵抗ｒを考慮したモデルである。ブロック１５０は、リアクトルＬ１をモデル化したものであり、リアクトルＬ１のインダクタンスＬ、等価直列抵抗ｒを含む。
【００３６】
ブロック１５４は、上側アームＭ１と下側アームＭ２のスイッチングをモデル化したものであり、駆動パルスＳ５のデューティ比Ｄに、ＤＣリンク電圧ＶＤＣを乗算する。ブロック１５４の出力は、上側アームＭ１と下側アームＭ２の接続ノードの電圧Ｖａの時間平均を表す。ブロック１５６は、リアクトル電圧ＶＬを表しており、減算器を用いて、ＶＬ＝Ｖａ−ＶＢの式をモデル化している。ブロック１５８は、平滑キャパシタＣ１を表しており、具体的には負荷電流ＩＭとＤＣリンク電流ＩＣの合計あるいは差分により、平滑キャパシタＣ１が充放電される現象をモデル化している。なおＤＣリンク電流ＩＣは、リアクトル電流ＩＢにデューティ比Ｄを乗じた値（＝Ｄ・ＩＢ）となる。
【００３７】
昇降圧コンバータ１１０のスイッチングのデューティ比がＤであるとき、ＤＣリンク電流ＩＣは、ＩＣ＝Ｄ・ＩＢである。平滑キャパシタＣ１の充放電電流ＩＣＨＧは、ＩＭ＋ＩＣであり、キャパシタＣ１のインピーダンス１／Ｃｓにより電圧ＶＤＣに変換される。
【００３８】
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。
上述のように、ＤＣリンク電流ＩＣとリアクトル電流（バッテリ電流）ＩＢの間には、デューティ比Ｄを用いて、関係式ＩＣ＝Ｄ・ＩＢが成り立ち、したがって昇降圧コンバータのゲインはデューティ比Ｄに依存する。ここでデューティ比Ｄは、急峻な負荷変動などに起因して過渡的に変動し、したがって昇降圧コンバータ１１０のゲインも負荷変動などによって変動しうる。
【００３９】
実施の形態に係る電源装置１００によれば、デューティサイクルコントローラ１３０の制御ゲインをデューティ比Ｄの逆数１／Ｄに応じて変化させることで、ループゲインを一定に保つことができ、制御特性を改善できる。
【００４０】
図４は、実施の形態に係る電源装置１００の、負荷電流ＩＭが急変したときの動作波形図（シミュレーション結果）である。図４には、ゲイン補償器１３４によるゲイン補償を行ったときの波形を実線（i）で、ゲイン補償を行わないときの波形を破線（ii）で示す。
【００４１】
時刻ｔ０より前は定常状態であり、ＤＣリンク電圧ＶＤＣは、その目標値Ｖｒである  ３６０Ｖに安定化されている。ゲイン補償を行わない場合、（ii）に示すように時刻ｔ０に負荷電流ＩＭが急激に変化すると、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが３７２Ｖまで上昇する。
【００４２】
これに対してゲイン補償を行った場合、（i）に示すようにＤＣリンク電圧ＶＤＣの上昇は、３６８Ｖに抑制されている。またもとの電圧３６０Ｖに戻るまでのセトリング時間も短縮することができる。このように実施の形態に係る電源装置１００によれば、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの安定性を高めることができる。
【００４３】
なお従来の電源装置においても、電流コントローラ１３８の後段にＡＶＲ（Automatic Voltage Regulator）が挿入される場合があったが、ＡＶＲによるゲイン補償と、ゲイン補償器１３４によるゲイン補償とを混同してはならない。ＡＶＲは、ループゲインが一定となるように、その可変利得ｇが調節されるものであるが、ＡＶＲの利得ｇは、主としてＤＣリンク電圧ＶＤＣの変動に起因するループゲインの変動を相殺するもるためのものであり、負荷変動などに起因する短い時間スケールのループゲインの変動に関しては無力である。これに対して実施の形態に係るゲイン補償は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣではなく、デューティ比Ｄの瞬時値を利用するものであり、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの変動、バッテリ電圧ＶＢの変動、負荷変動（ＩＭの変動）など、ループゲインを変動させるあらゆる事象に対して有効であるという利点を有する。
【００４４】
またＤＣリンク電圧ＶＤＣの変動を抑制できることから、平滑キャパシタＣ１の容量値を小さくできるという効果を得ることができる。これは装置の小型化、低コスト化、あるいはメンテナンスの容易性に資する。
【００４５】
最後に電源装置１００の好ましい用途を説明する。
図５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。
【００４６】
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。
【００４７】
図６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６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。
【００４８】
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。
【００４９】
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５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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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ー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、回生エネルギーとしてインバータ１８Ｂを経て蓄電手段１０１に供給される。
【００５４】
旋回用電動機２１は、図５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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
（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。
【００５９】
（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、位置エネルギーを電気エネルギー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ーを直流電力に変換し、電源装置１００に回収する。
【００６０】
（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。
【００６１】
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。
【００６２】
（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、例えば蓄電器であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ（昇降圧コンバータ）と、正極及び負極の直流配線からなるＤＣリンク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リンクバスには、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リンクバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、昇降圧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、昇降圧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、昇降圧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。
【００６３】
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リンク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リンク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リンク電圧値、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リンクバスを、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。
【００６４】
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。
【００６５】
（第１変形例）
図７は、第１変形例に係る電源装置１００ａのブロック図である。この変形例では、フィードバックコントローラ１４０の電流ループが省略されており、その他は図３の電源装置１００と同様である。図３の電流ループは、回路保護や回路の安定性を考慮して採用されるが、リアクトル電流に制限を設ける必要がないアプリケーションでは、図７の変形例を用いることができる。
【００６６】
（第２変形例）
図８は、第２変形例に係る電源装置１００ｂのブロック図である。この変形例では、フィードフォワード部１４２が省略されており、その他は図３の電源装置１００と同様である。
【００６７】
（第３変形例）
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】
【００６８】
１…ショベル、Ｃ１…平滑キャパシタ、Ｌ１…リアクトル、２…走行機構、２Ａ…油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、Ｓ４…デューティ指令値、５…ブーム、Ｓ５…駆動パルス、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、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リンクバス、１１０…昇降圧コンバータ、１２０…コントローラ、１２２，１２３，１２４…Ａ／Ｄコンバータ、１２６，１２８…ゲートドライバ、１３０…デューティサイクルコントローラ、１３１…パルス変調器、１３２…電圧コントローラ、１３４…ゲイン補償器、１３８…電流コントローラ、１４０…フィードバックコントローラ、１４２…フィードフォワード部、２００…負荷、３００…ブーム回生用発電機、３１０…油圧モータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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