JP5313000B2 - Construction machinery - Google Patents
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Description
本発明は、建設機械に関するものである。 The present invention relates to a construction machine.
従来より、駆動機構の一部を電動化した建設機械が提案されている。このような建設機械は、例えばブーム、アーム、及びバケットといった可動部を油圧駆動するための油圧ポンプを備えており、この油圧ポンプを駆動するための内燃機関発動機(エンジン)に交流電動機(電動発電機)を連結し、該エンジンの駆動力を補助するとともに、発電により得られる電力をインバータ回路を介してDCバス(直流母線)へ返還する。 Conventionally, construction machines have been proposed in which a part of the drive mechanism is motorized. Such a construction machine includes a hydraulic pump for hydraulically driving movable parts such as a boom, an arm, and a bucket, for example, and an internal combustion engine engine (engine) for driving the hydraulic pump is an AC electric motor (electric motor). The generator is connected to assist the driving force of the engine, and the electric power obtained by the power generation is returned to the DC bus (DC bus) via the inverter circuit.
また、建設機械は、例えば上部旋回体といった作業要素を備えていることが多い。このような場合、上記建設機械は、作業要素を駆動するための油圧モータに加え、この油圧モータを補助するための作業用電動機を備えることがある。例えば上部旋回体を旋回させる際、加速旋回時には交流電動機によって油圧モータの駆動を補助し、減速旋回時には交流電動機において回生運転を行い、発電された電力をインバータを介して上記DCバスへ返還する。 In addition, construction machines often include a work element such as an upper turning body. In such a case, the construction machine may include a working electric motor for assisting the hydraulic motor in addition to the hydraulic motor for driving the working element. For example, when the upper swing body is turned, the drive of the hydraulic motor is assisted by the AC motor during acceleration turning, the regenerative operation is performed in the AC motor during deceleration turning, and the generated electric power is returned to the DC bus via the inverter.
DCバスには昇降圧コンバータを介して蓄電池(バッテリ)が接続されており、交流電動機の発電により得られる電力は、バッテリに充電される。或いは、DCバスに接続された交流電動機の相互間で電力が授受される。 A storage battery (battery) is connected to the DC bus via a step-up / down converter, and power obtained by power generation by the AC motor is charged to the battery. Alternatively, power is exchanged between AC motors connected to the DC bus.
このような建設機械の例として、特許文献1に記載された油圧駆動装置がある。この装置では、発電機を兼ねる電動機を油圧ポンプに付設し、コントローラの切換制御により電動機に発電作動とアシスト作動とを行わせている。また、旋回体を駆動する旋回ポンプモータを備えており、旋回系の制動時に回転運動エネルギーを回生している。 As an example of such a construction machine, there is a hydraulic drive device described in Patent Document 1. In this apparatus, an electric motor that also serves as a generator is attached to a hydraulic pump, and the electric motor performs a power generation operation and an assist operation by switching control of a controller. In addition, a revolving pump motor that drives the revolving structure is provided, and rotational kinetic energy is regenerated during braking of the revolving system.
上述した構成を備える建設機械では、作業用電動機の駆動または回生を行うインバータ回路や、バッテリの充放電を行う昇降圧コンバータにおいて、インテリジェントパワーモジュール(Intelligent Power Module;IPM)が用いられることがある。IPMは、パワーMOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)といったパワーデバイスを含む駆動回路に加え、このパワーデバイスを保護するための自己保護機能(例えば、過熱保護機能、短絡保護機能、過電流保護機能など)が一つのパッケージ内に組み込まれて構成される。 In a construction machine having the above-described configuration, an intelligent power module (IPM) may be used in an inverter circuit that drives or regenerates a work motor or a step-up / down converter that charges or discharges a battery. The IPM includes a drive circuit including a power device such as a power MOSFET and an insulated gate bipolar transistor (IGBT), and a self-protection function (for example, an overheat protection function, a short-circuit protection function, an overcurrent protection function, etc.) for protecting the power device. ) Is built in one package.
一般的にIPMは、上述した自己保護機能により異常を検知すると、その動作を停止する。しかしながら、建設機械は、熱帯地域から寒帯地域まで様々な気候の土地で使用されるので、気温の高い地域ではIPMの過熱保護機能が頻繁に働き、IPMが度々停止することも考えられる。このような状態での使用は、当該建設機械における信頼性の観点から好ましくない。 In general, when an IPM detects an abnormality by the above-described self-protection function, the IPM stops its operation. However, since construction machines are used in land of various climates from the tropical region to the cold region, the overheat protection function of the IPM frequently works in regions with high temperatures, and the IPM may stop frequently. Use in such a state is not preferable from the viewpoint of reliability in the construction machine.
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、IPMを含むインバータ回路や昇降圧コンバータを備える建設機械の信頼性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to improve the reliability of a construction machine including an inverter circuit including an IPM and a step-up / down converter.
上記した課題を解決するために、本発明による建設機械は、操作者の操作により駆動される作業用電動機を備える建設機械であって、蓄電池と、IPMを含み作業用電動機を駆動するインバータ回路を有するインバータユニット、及びIPMを含み蓄電池の充放電を行う直流電圧変換器を有する昇降圧コンバータユニットのうち少なくとも一方のユニットを含む一又は複数のユニットと、インバータ回路及び直流電圧変換器のうち少なくとも一方を制御する制御部とを備え、一又は複数のユニットは、IPMに内蔵された第1の温度センサとは別に、IPMの温度を検出するための第2の温度センサをIPMの外部に有し、制御部は、第2の温度センサによる温度検出結果が、第1の温度センサによってIPMの過熱保護機能が動作する温度より低い所定の第1の閾値を超えた場合に、当該ユニットがインバータユニットである場合には作業用電動機への最大駆動電流を低下させ、また当該ユニットが昇降圧コンバータユニットである場合には蓄電池からの最大放電電流及び/又は蓄電池への最大充電電流を低下させることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a construction machine according to the present invention is a construction machine including a work motor driven by an operator's operation, and includes a storage battery and an inverter circuit that includes the IPM and drives the work motor. One or a plurality of units including at least one unit among an inverter unit having an IPM and a step-up / down converter unit having a DC voltage converter including an IPM for charging and discharging a storage battery, and at least one of an inverter circuit and a DC voltage converter And one or a plurality of units have a second temperature sensor for detecting the temperature of the IPM, outside the IPM, separately from the first temperature sensor built in the IPM. The control unit detects that the temperature detection result by the second temperature sensor is a temperature at which the overheat protection function of the IPM is operated by the first temperature sensor. If the unit is an inverter unit, the maximum drive current to the working motor is reduced when the predetermined first threshold value is exceeded, and if the unit is a buck-boost converter unit, a storage battery The maximum discharge current from the battery and / or the maximum charge current to the storage battery is reduced.
上記建設機械では、インバータユニットや昇降圧コンバータユニットといった各ユニットにおいて、IPMに内蔵された第1の温度センサとは別に、IPMの温度を検出するための第2の温度センサがIPMの外部に設けられている。そして、この第2の温度センサによる温度検出結果が、第1の温度センサによってIPMの過熱保護機能が動作する温度、すなわちIPMが自動的に停止する温度より低い所定の第1の閾値を超えた場合には、それ以上IPMが過熱して停止することを防ぐため、制御部は、IPMを流れる電流量の低減を図る。すなわち、そのユニットがインバータユニットである場合には作業用電動機への最大駆動電流を低下させ、また昇降圧コンバータユニットである場合には、蓄電池からの最大放電電流及び蓄電池への最大充電電流の一方または双方を低下させる。これにより、気温の高い地域や場所であってもIPMの過熱保護機能が頻繁に働くことを抑制でき、当該建設機械の信頼性を向上させることができる。 In the construction machine, in each unit such as the inverter unit and the buck-boost converter unit, a second temperature sensor for detecting the temperature of the IPM is provided outside the IPM separately from the first temperature sensor built in the IPM. It has been. Then, the temperature detection result by the second temperature sensor exceeds a predetermined first threshold value lower than the temperature at which the IPM overheat protection function operates by the first temperature sensor, that is, the temperature at which the IPM automatically stops. In this case, the control unit attempts to reduce the amount of current flowing through the IPM in order to prevent the IPM from overheating and stopping. That is, when the unit is an inverter unit, the maximum drive current to the working motor is reduced, and when the unit is a buck-boost converter unit, one of the maximum discharge current from the storage battery and the maximum charge current to the storage battery is reduced. Or reduce both. Thereby, it can suppress that the overheat protection function of IPM works frequently even in the area and place where temperature is high, and the reliability of the construction machine can be improved.
また、上記建設機械において、制御部は、第2の温度センサによる温度検出結果が、第1の温度センサによってIPMの過熱保護機能が動作する温度より低く且つ第1の閾値より大きい第2の閾値を超えた場合、当該ユニットがインバータユニットである場合にはインバータ回路の動作を停止させ、また当該ユニットが昇降圧コンバータユニットである場合には直流電圧変換器の動作を停止させることが好ましい。これにより、第1の温度センサが故障したり第1の温度センサと制御部とを繋ぐ配線が断線したような場合であっても、IPMの過熱を確実に検知してIPMの動作を停止させることができるので、当該建設機械の信頼性を更に向上させることができる。 Further, in the construction machine, the control unit may have a second threshold value that is lower than a temperature at which the overtemperature protection function of the IPM is operated by the first temperature sensor and that is greater than the first threshold value. If the unit is an inverter unit, the operation of the inverter circuit is preferably stopped, and if the unit is a buck-boost converter unit, the operation of the DC voltage converter is preferably stopped. As a result, even if the first temperature sensor breaks down or the wiring connecting the first temperature sensor and the control unit is disconnected, overheating of the IPM is reliably detected and the operation of the IPM is stopped. Therefore, the reliability of the construction machine can be further improved.
また、上記建設機械において、一又は複数のユニットは、IPMと熱的に結合された放熱面を含む熱伝導プレートを有しており、第2の温度センサが熱伝導プレートの放熱面上に配置されていることが好ましい。これにより、IPMの温度をより精度よく検出できる。また、この場合、熱伝導プレートが当該建設機械の上下方向に沿って延在するよう配置されており、第2の温度センサが、熱伝導プレートの放熱面内においてIPMの上側に配置されていることが尚好ましい。 In the construction machine, the one or more units have a heat conduction plate including a heat radiation surface thermally coupled to the IPM, and the second temperature sensor is disposed on the heat radiation surface of the heat conduction plate. It is preferable that Thereby, the temperature of IPM can be detected more accurately. In this case, the heat conduction plate is arranged so as to extend along the vertical direction of the construction machine, and the second temperature sensor is arranged on the upper side of the IPM in the heat radiation surface of the heat conduction plate. More preferably.
本発明による建設機械によれば、IPMを含むインバータ回路や昇降圧コンバータを備える建設機械の信頼性を向上させることができる。 According to the construction machine of the present invention, it is possible to improve the reliability of a construction machine including an inverter circuit including an IPM and a step-up / down converter.
以下、添付図面を参照しながら本発明による建設機械の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a construction machine according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明に係る建設機械の一例として、ハイブリッド型建設機械1の外観を示す斜視図である。図1に示すように、ハイブリッド型建設機械1はいわゆるリフティングマグネット車両であり、無限軌道を含む走行機構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旋回体4とを備えている。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リフティングマグネット7とが取り付けられている。リフティングマグネット7は、鋼材などの吊荷Gを磁力により吸着して捕獲するための設備である。ブーム5、アーム6、及びリフティングマグネット7は、それぞれブームシリンダ8、アームシリンダ9、及びバケットシリンダ10によって油圧駆動される。また、旋回体4には、リフティングマグネット7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(内燃機関発動機)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。
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a hybrid type construction machine 1 as an example of the construction machine according to the present invention. As shown in FIG. 1, the hybrid construction machine 1 is a so-called lifting magnet vehicle, and includes a
また、ハイブリッド型建設機械1はサーボ制御ユニット60を備えている。サーボ制御ユニット60は、旋回機構3やリフティングマグネット7といった作業要素を駆動するための交流電動機や、エンジン11をアシストするための電動発電機、並びに蓄電池(バッテリー)の充放電を制御する。サーボ制御ユニット60は、直流電力を交流電力に変換して交流電動機や電動発電機を駆動するためのインバータユニット、バッテリーの充放電を制御する昇降圧コンバータユニットといった複数のドライバユニットと、該複数のドライバユニットを制御するためのコントロールユニットとを備えている。
The hybrid construction machine 1 includes a
図2は、本実施形態のハイブリッド型建設機械1の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。なお、図2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。また、図3は、図2における蓄電手段120の内部構成を示す図である。 FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration such as an electric system and a hydraulic system of the hybrid construction machine 1 of the present embodiment. In FIG. 2, the mechanical power transmission system is indicated by a double line, the hydraulic system is indicated by a thick solid line, the steering system is indicated by a broken line, and the electrical system is indicated by a thin solid line. FIG. 3 is a diagram showing an internal configuration of the power storage means 120 in FIG.
図2に示すように、ハイブリッド型建設機械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がこのエンジン11を作業要素として駆動することによりエンジン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替えは、ハイブリッド型建設機械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。
As shown in FIG. 2, the hybrid construction machine 1 includes a
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、ハイブリッド型建設機械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1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8、アームシリンダ9、及びバケットシリンダ10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。
A
電動発電機12の電気的な端子には、インバータ回路18Aの出力端が接続されている。インバータ回路18Aの入力端には、蓄電手段120が接続されている。蓄電手段120は、図3に示すように、直流母線であるDCバス110、昇降圧コンバータ(直流電圧変換器)100及びバッテリ19を備えている。即ち、インバータ回路18Aの入力端は、DCバス110を介して昇降圧コンバータ100の入力端に接続されることとなる。昇降圧コンバータ100の出力端には、蓄電池としてのバッテリ19が接続されている。バッテリ19は、例えばキャパシタ型蓄電池によって構成される。バッテリ19の大きさの一例としては、電圧2.5V、容量2400Fのキャパシタが144個直列に接続されたもの(すなわち、両端電圧360V)が好適である。
The output terminal of the inverter circuit 18 </ b> A is connected to the electrical terminal of the
インバータ回路18Aは、コントローラ30からの指令に基づき、電動発電機12の運転制御を行う。すなわち、インバータ回路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。なお、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バス電圧値、バッテリ電圧値、及び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。これにより、DCバス110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。
The inverter circuit 18 </ b> A controls the operation of the
蓄電手段120のDCバス110には、インバータ回路20Bを介してリフティングマグネット7が接続されている。リフティングマグネット7は、金属物を磁気的に吸着させるための磁力を発生する電磁石を含んでおり、インバータ回路20Bを介してDCバス110から電力が供給される。インバータ回路20Bは、コントローラ30からの指令に基づき、電磁石をオンにする際には、リフティングマグネット7へ要求された電力をDCバス110より供給する。また、電磁石をオフにする場合には、回生された電力をDCバス110に供給する。
A
更に、蓄電手段120には、インバータ回路20Aが接続されている。インバータ回路20Aの一端には作業用電動機としての旋回用電動機(交流電動機)21が接続されており、インバータ回路20Aの他端は蓄電手段120のDCバス110に接続されている。旋回用電動機21は、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。なお、インバータ回路20Aは、本実施形態における第1のインバータ回路である。
Furthermore, an
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。旋回用電動機21は、PWM(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ回路20A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。
When the turning
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。
The
なお、DCバス110には、インバータ回路18A、20A及び20Bを介して、電動発電機12、旋回用電動機21、及びリフティングマグネット7が接続されているので、電動発電機12で発電された電力がリフティングマグネット7又は旋回用電動機21に直接的に供給される場合もあり、リフティングマグネット7で回生された電力が電動発電機12又は旋回用電動機21に供給される場合もあり、さらに、旋回用電動機21で回生された電力が電動発電機12又はリフティングマグネット7に供給される場合もある。
In addition, since the
インバータ回路18A、20A及び20B、並びに昇降圧コンバータ100は大電力を制御するので、発熱量が極めて大きくなる。したがって、インバータ回路18A、20A及び20B、並びに昇降圧コンバータ100を冷却する必要が生じる。そこで、本実施形態のハイブリッド型建設機械1は、エンジン11用の冷却液循環システムとは別に、昇降圧コンバータ100、インバータ回路18A,20A,及び20Bを冷却するための冷却液循環システム70を備えている。
Since the
冷却液循環システム70は、昇降圧コンバータ100、インバータ回路18A,20A及び20B等に供給される冷却液を循環させるためのポンプ(冷却液循環用ポンプ)72と、このポンプ72を駆動するポンプモータ(冷却用電動機)71とを有している。ポンプモータ71は、インバータ回路20Cを介して蓄電手段120に接続されている。インバータ回路20Cは、コントローラ30からの指令に基づき、昇降圧コンバータ100を冷却する際にポンプモータ71へ要求された電力を供給する。本実施形態の冷却液循環システム70は、昇降圧コンバータ100、インバータ回路18A,20A,及び20B、並びにコントローラ30を冷却する。加えて、冷却液循環システム70は、電動発電機12、減速機13、および旋回用電動機21を冷却する。
The coolant circulation system 70 includes a pump (coolant circulation pump) 72 for circulating the coolant supplied to the step-up / down
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、及びリフティングマグネット7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。ここでは、作業用電動機としての旋回用電動機21を挙げているが、さらに、走行機構2を作業用電動機として電気駆動させても良い。
An operation device 26 is connected to the
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。
When an operation for turning the
コントローラ30は、本実施形態における制御部を構成する。コントローラ30は、CPU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。また、コントローラ30の電源は、バッテリ19とは別のバッテリ(例えば24V車載バッテリ)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のうち、旋回機構3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、この速度指令に基づいてインバータ回路20Aを駆動することにより旋回用電動機21の制御を行う。また、コントローラ30は、インバータ回路18Aを駆動することにより電動発電機12の運転制御(アシスト運転及び発電運転の切り替え)を行い、インバータ回路20Bを駆動することによりリフティングマグネット7の制御(励磁と消磁の切り替え)を行い、昇降圧コンバータ100を駆動することによりバッテリ19の充放電制御を行う。
The
また、本実施形態のコントローラ30は、インバータ回路18A、20A及び20B、並びに昇降圧コンバータ100を駆動する際に、これらの回路に含まれるIPMの温度に応じて、当該回路を流れる電流の制限を行う。すなわち、IPMの温度が第1の閾値T1以下である場合には、通常動作に支障がない程度の最大電流値を設定し、この最大電流値を超えないように当該回路(インバータ回路18A、20A及び20B、並びに昇降圧コンバータ100のいずれか)を駆動する。そして、IPMの温度が第1の閾値T1を超えた場合(温度異常時)、当該回路の最大電流値を上述した通常時の最大電流値より小さく設定し、この温度異常時の最大電流値を超えないように当該回路を駆動する。なお、コントローラ30は、このような温度異常を経てIPMの温度が第1の閾値T1より低い第3の閾値T3(<T1)以下となった場合には、当該回路の最大電流値を通常動作に支障がない程度の最大電流値に戻す。このように、通常動作へ戻る際の温度T3を温度異常と判定する温度T1より小さく設定するのは、異常判定にヒステリシスを持たせて安定した制御を行うためである。
In addition, when driving the
また、コントローラ30は、IPMの温度が第1の閾値T1より高い第2の閾値T2(>T1)を超えた場合には、当該IPMを含む回路(インバータ回路18A、20A及び20B、並びに昇降圧コンバータ100のいずれか)の動作を停止させる。なお、この第2の閾値T2は、IPMに内蔵された過熱保護機能が動作する温度より低く設定される。
When the temperature of the IPM exceeds a second threshold value T2 (> T1) higher than the first threshold value T1, the
ここで、本実施形態における昇降圧コンバータ100について詳細に説明する。図3に示すように、昇降圧コンバータ100は、昇降圧型のスイッチング制御方式を備えており、リアクトル101、トランジスタ100B及び100C、並びに平滑用のコンデンサ100dを有する。トランジスタ100Bは昇圧用のスイッチング素子であり、トランジスタ100Cは降圧用のスイッチング素子である。トランジスタ100B及び100Cは、IPMに内蔵されたIGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)等のパワートランジスタによって構成され、互いに直列に接続されている。
Here, the buck-
具体的には、トランジスタ100Bのコレクタとトランジスタ100Cのエミッタとが相互に接続され、トランジスタ100Bのエミッタはバッテリ19の負側端子およびDCバス110の負側配線に接続され、トランジスタ100CのコレクタはDCバス110の正側配線に接続されている。そして、リアクトル101は、その一端がトランジスタ100Bのコレクタ及びトランジスタ100Cのエミッタに接続されるとともに、他端がバッテリ19の正側端子に接続されている。トランジスタ100B及び100Cのゲートには、コントローラ30からPWM電圧が印加される。
Specifically, the collector of the
なお、トランジスタ100Bのコレクタとエミッタとの間には、整流素子であるダイオード100bが逆方向に並列接続されている。同様に、トランジスタ100Cのコレクタとエミッタとの間には、ダイオード100cが逆方向に並列接続されている。平滑用のコンデンサ100dは、トランジスタ100Cのコレクタとトランジスタ100Bのエミッタとの間(すなわち、DCバス110の正側配線と負側配線との間)に接続され、昇降圧コンバータ100からの出力電圧を平滑化する。ダイオード100b及び100cは、トランジスタ100B及び100Cと共に一つのIPMに内蔵されている。
Note that a
このような構成を備える昇降圧コンバータ100において、直流電力をバッテリ19からDCバス110へ供給する際には、コントローラ30からの指令によってトランジスタ100BのゲートにPWM電圧が印加される。そして、トランジスタ100B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がダイオード100cを介して伝達され、この電力がコンデンサ100dにより平滑化される。また、直流電力をDCバス110からバッテリ19へ供給する際には、コントローラ30からの指令によってトランジスタ100CのゲートにPWM電圧が印加されるとともに、トランジスタ100Cから出力される電流がリアクトル101により平滑化される。
When the DC power is supplied from the
図4は、冷却液循環システム70について説明するためのブロック図である。図4に示すように、冷却液循環システム70は、ポンプモータ71によって駆動されるポンプ72と、ラジエター73と、サーボ制御ユニット60とを含んでいる。ポンプ72によって循環された冷却液はラジエター73により放熱され、サーボ制御ユニット60へ送られる。サーボ制御ユニット60は、昇降圧コンバータ100、インバータ回路18A,20A及び20B、並びにコントローラ30を冷却するための配管を有しており、冷却液はこの配管内を循環する。サーボ制御ユニット60の配管を通過した冷却液は、旋回用電動機21、電動発電機12、および減速機13をこの順に冷却したのち、ポンプ72からラジエター73へ戻される。なお、サーボ制御ユニット60の入口には、冷却液の温度を検出するための温度センサ77が設けられることが好ましい。更に、検出した温度を表示する表示装置を備えると尚良い。これにより、ラジエター73が詰まり冷却性能が低下した場合には、温度検出値に基づいて旋回用電動機21及び電動発電機12(または、これらのうち一方)の出力を制限することができる。その結果、連続的な運転を可能とすることができ、ハイブリッド型建設機械1を停止させることなく継続的な作業が可能となる。
FIG. 4 is a block diagram for explaining the coolant circulation system 70. As shown in FIG. 4, the coolant circulation system 70 includes a
次に、図5を用いてサーボ制御ユニット60について説明する。サーボ制御ユニット60は、略直方体状の外観を有しており、コントローラ30を収容するコントロールユニット600と、昇降圧コンバータユニット66と、インバータユニット62〜65とを備えている。昇降圧コンバータユニット66は昇降圧コンバータ100を収容しており、インバータユニット62〜65は例えばインバータ回路18A、20A、20B及びその他のインバータ回路を収容している。
Next, the
昇降圧コンバータユニット66及びインバータユニット62〜65は、それぞれ奥行き方向に長い直方体状の金属容器を有する。これらのユニット62〜66は、その長手方向と交差する方向に並んだ状態で、金属製の上面が開いた板状台座67内に設置され、ボルトにより板状台座67に各々固定されている。そして、これらのユニット62〜66の上に、ユニット62〜66の上面を覆うように上蓋としてのコントロールユニット底板61が設けられており、コントロールユニット底板61上にコントロールユニット600が載置されている。更にコントロールユニット600の上面には空冷のためのヒートシンク68が取り付けられている。ユニット62〜66の上面側は、コントロールユニット底板61によって密閉されている。
The step-up / down
コントロールユニット600には冷却用配管608が内蔵されている。同様に、昇降圧コンバータユニット66には冷却用配管66aが、インバータユニット62〜65には冷却用配管62a〜65aが、それぞれ内蔵されている。図6は、各冷却用配管62a〜66aを接続した状態を示す斜視図である。ラジエター73(図4参照)から延設された配管90Aは、三本の配管90B〜90Dに分岐される。これらの配管のうち、配管90Bはコントロールユニット600の冷却用配管608の一端に連結され、冷却用配管608の他端は、更に別の配管90Eを介してインバータユニット62の冷却用配管62aの一端に連結される。また、配管90Cは昇降圧コンバータユニット66の冷却用配管66aの一端に連結され、冷却用配管66aの他端は、配管90Fを介してインバータユニット64の冷却用配管64aの一端に連結される。また、配管90Dはインバータユニット65の冷却用配管65aの一端に連結され、冷却用配管65aの他端は、配管90Gを介してインバータユニット63の冷却用配管63aの一端に連結される。
The
そして、インバータユニット62〜64の冷却用配管62a〜64aの他端には、それぞれ配管90J、90Iおよび90Hが連結される。配管90J、90Iおよび90Hは一本の配管90Kに連結され、配管90Kが例えば旋回用電動機21等の他の被冷却要素へ延設される。
ここで、昇降圧コンバータユニット66及びインバータユニット62〜65の内部構造について詳細に説明する。図7(a)は、昇降圧コンバータユニット66の内部構成を示す平面図である。また、図7(b)は、昇降圧コンバータユニット66の内部構成を示す側面図である。なお、これらの図においては、昇降圧コンバータユニット66の内部構成がわかるようにケースの天板や側板を外した状態を示している。
Here, the internal structure of the buck-
昇降圧コンバータユニット66の内部には、昇降圧コンバータ100のトランジスタ100B及び100C(図3参照)を組み込んだIPM103と、リアクトル101と、冷却用配管66aとが内蔵されている。IPM103は、配線基板104上に実装されている。冷却用配管66aは、昇降圧コンバータユニット66の側面に沿って二次元状に配設されている。具体的には、冷却用配管66aは、昇降圧コンバータユニット66の内部でなるべく長く配設されるように幾重にも折れ曲がった状態で矩形断面の金属容器66bに収容されており、またこの金属容器66bの内側面に接している。金属容器66bは本実施形態における熱伝導プレートを構成しており、当該ハイブリッド型建設機械1の上下方向に沿って延在するよう配置されている。金属容器66bの外側面には、図7(a)に示すようにリアクトル101及びIPM103が接触配置されており、この金属容器66bの外側面は、リアクトル101及びIPM103と熱的に結合された放熱面として機能する。すなわち、金属容器66bは、リアクトル101及びIPM103からの熱を冷却用配管66aへ伝える。これにより、リアクトル101及びIPM103が冷却される。
Inside the step-up / down
また、昇降圧コンバータユニット66は、IPM103の温度を検出するための温度センサ107を有する。温度センサ107は、本実施形態における第2の温度センサであり、IPM103に内蔵された温度センサ(第1の温度センサ)とは別にIPM103の外部に設けられたものである。温度センサ107は、金属容器66bの外側面上においてIPM103の近傍に(好ましくはIPM103に隣接して)配置されており、具体的には金属容器66bの外側面内においてIPM103の上側(すなわち、IPM103とコントロールユニット600との間)に位置する領域上に配置されている。
Further, the step-up / down
図8(a)は、インバータユニット62の内部構成を示す平面図である。また、図8(b)は、インバータユニット62の内部構成を示す側面図である。なお、これらの図においては、図7と同様に、インバータユニット62の内部構成がわかるようにケースの天板や側板を外した状態を示している。また、インバータユニット63〜65の内部構成は、内蔵するインバータ回路の構成を除いて、図8に示すインバータユニット62の内部構成と同様である。
FIG. 8A is a plan view showing the internal configuration of the
インバータユニット62の内部には、インバータ回路20Aのトランジスタを組み込んだIPM105と、冷却用配管62aとが内蔵されている。IPM105は、配線基板106上に実装されている。冷却用配管62aは、昇降圧コンバータユニット66における冷却用配管66aと同様の形態で配設されている。冷却用配管62aは矩形断面の金属容器62bに収容されており、またこの金属容器62bの内側面に接している。金属容器62bは本実施形態における熱伝導プレートを構成しており、当該ハイブリッド型建設機械1の上下方向に沿って延在するよう配置されている。金属容器62bの外側面には、図8(a)に示すようにIPM105が接触配置されており、この金属容器62bの外側面は、IPM105と熱的に結合された放熱面として機能する。すなわち、金属容器62bは、IPM105からの熱を冷却用配管62aへ伝える。これにより、IPM105が冷却される。
Inside the
また、インバータユニット62は、IPM105の温度を検出するための温度センサ108を有する。温度センサ108は、本実施形態における第2の温度センサであり、IPM105に内蔵された温度センサ(第1の温度センサ)とは別にIPM105の外部に設けられたものである。温度センサ108は、金属容器62bの外側面上においてIPM105の近傍に(好ましくはIPM105に隣接して)配置されており、具体的には金属容器62bの外側面内においてIPM105の上側(すなわち、IPM105とコントロールユニット600との間)に位置する領域上に配置されている。
Further, the
ここで、IPM103,105といったIPMの内部構成の例について説明する。図9は、IPM103の内部構成を示す側断面図である。なお、IPM105の内部構成はIPM103とほぼ同様であるため詳細な説明を省略する。
Here, an example of an internal configuration of the IPM such as the
IPM103は、例えば銅やアルミニウムといった伝熱性が高い金属からなる平板状の金属ベース131と、金属ベース131の一方の面上に敷設された絶縁基板132と、絶縁基板132上に実装されたトランジスタ100B,100Cとを有する。トランジスタ100B,100Cは、絶縁基板132上に配設されたパターン配線やボンディングワイヤ133によって相互に接続される。また、トランジスタ100B,100Cの一部の端子は、トランジスタ100B,100Cの上方に配設された配線基板134に、ボンディングワイヤ135を介して接続される。配線基板134上には、トランジスタ100B,100Cに接続されるダイオード100b,100cといった各種電子部品が実装されている。
The
絶縁基板132、トランジスタ100B及び100C、配線基板134、並びにダイオード100b,100c等の電子部品は、パッケージ136によって封じられている。そして、金属ベース131の他方の面がこのパッケージ136から露出しており、当該面が金属容器66bに接触した状態でIPM103が固定される。
Electronic components such as the insulating
また、絶縁基板132上には、トランジスタ100B,100Cの温度を検出するための温度センサ137が配置されている。この温度センサ137は本実施形態における第1の温度センサであり、IPM103は、自己保護機能としての過熱保護機能において、この温度センサ137での温度検出結果に基づいて自己の動作を停止するか否かを判断する。なお、IPM103の外部に配置される温度センサ107(第2の温度センサ)は、例えば図9に示すように金属ベース131に隣接して配置される。
A
以上の構成を備える本実施形態のハイブリッド型建設機械1の動作のうち、コントローラ30による昇降圧コンバータ100及びインバータ回路18A,20A及び20Bに対する電流制限動作について詳細に説明する。図10は、コントローラ30による昇降圧コンバータ100,インバータ回路18A,20A及び20Bに対する電流制限動作を示すフローチャートである。また、図11及び図12は、(a)昇降圧コンバータ100,インバータ回路18A,20A及び20Bを構成するIPMの温度の時間変化の一例、および(b)昇降圧コンバータ100,インバータ回路18A,20A及び20Bを流れる電流の時間変化の一例を示すグラフである。
Of the operations of the hybrid construction machine 1 of the present embodiment having the above configuration, the current limiting operation for the buck-
まず、コントローラ30は、昇降圧コンバータ100及びインバータ回路18A,20A及び20Bを作動させながら、温度センサ107,108からの温度検出結果をモニタする。そして、温度センサ107,108からの温度検出結果すなわちIPM103,105の温度が第1の閾値T1を超えているか否かを常に判定し(ステップS1)、IPM103,105の温度がT1以下である場合には(ステップS1;No)、通常動作に支障がない程度の最大電流値I1を設定し、この最大電流値I1を超えないように当該回路(インバータ回路18A,20A及び20B及び昇降圧コンバータ100)を駆動する(ステップS2、図11及び図12における時刻t1まで)。すなわち、インバータ回路20Aにおいては旋回用電動機21への最大駆動電流としてI1を設定し、また昇降圧コンバータ100においてはバッテリ19からの最大放電電流としてI1を設定する。なお、第1の閾値T1は、温度センサ137(図9参照)によってIPM103,105の過熱保護機能が動作する温度TA(例えば100℃)より低い温度、例えば80℃に設定される。
First, the
また、コントローラ30は、IPM103,105の温度が第1の閾値T1を超えた場合(ステップS1;Yes)、当該回路(昇降圧コンバータ100及びインバータ回路18A,20A及び20Bのいずれか)の最大電流値を上述した通常時の最大電流値I1より小さい値I2に設定し、この最大電流値I2を超えないように当該回路を駆動する(ステップS3、図11及び図12における時刻t1〜t2)。すなわち、インバータ回路20Aにおいては旋回用電動機21への最大駆動電流をI1からI2へ低下させ、また昇降圧コンバータ100においてはバッテリ19からの最大放電電流をI1からI2へ低下させる。
In addition, when the temperature of the
なお、コントローラ30は、このような温度異常を経てIPM103,105の温度が第1の閾値T1より低い第3の閾値T3(<T1)以下となった場合には、当該回路の最大電流値をI1に戻し、この最大電流値I1を超えないようにインバータ回路18A,20A及び20B及び昇降圧コンバータ100を駆動する(ステップS4;Yes、図11における時刻t2以降)。
Note that the
一方、IPM103,105の温度が第3の閾値T3以下とならない場合には、コントローラ30は電流値がI2を超えないように当該回路を駆動しつつ、IPM103,105の温度が第1の閾値T1より高い第2の閾値T2(>T1)を超えているか否かを判定する(ステップS5)。そして、IPM103,105の温度が第2の閾値T2を超えた場合には(ステップS5;Yes)、当該IPM103(または105)を含む回路(インバータ回路18A、20A及び20B、並びに昇降圧コンバータ100のいずれか)の動作を停止させる(ステップS6、図12における時刻t2以降)。なお、この第2の閾値T2は、IPM103,105に内蔵された過熱保護機能が動作する温度TAより低く設定される。
On the other hand, if the temperature of the
以上に説明した、本実施形態のハイブリッド型建設機械1によって得られる効果について説明する。上述したように、ハイブリッド型建設機械1では、インバータユニット62〜65や昇降圧コンバータユニット66といった各ユニットにおいて、IPM103,105に内蔵された温度センサ137とは別に、IPM103,105の温度を検出するための温度センサ107,108がIPM103,105の外部に設けられている。そして、この温度センサ107,108による温度検出結果が、温度センサ137によってIPM103,105の過熱保護機能が動作する温度、すなわちIPM103,105が自動的に停止する温度TAより低い所定の第1の閾値T1を超えた場合には、それ以上IPM103,105が過熱して停止することを防ぐため、コントローラ30は、IPM103,105を流れる電流量の低減を図る。すなわち、そのユニットがインバータユニット62である場合には旋回用電動機21への最大駆動電流を低下させ、また昇降圧コンバータユニット66である場合にはバッテリ19からの最大放電電流を低下させる。これにより、気温の高い地域や場所であってもIPM103,105の過熱保護機能が頻繁に働くことを抑制でき、ハイブリッド型建設機械1の信頼性を向上させることができる。特に、本実施の形態のように、インバータユニット62〜65や昇降圧コンバータユニット66が密閉空間を形成している場合には、IPM103,105が高温状態となり易い。このような条件下であっても、上記構成のようにIPM103,105の過熱保護機能が働く前に予めIPM103,105の出力を低下させることによって、異常の発生を防ぎ、作業を継続させることができる。
The effects obtained by the hybrid construction machine 1 of the present embodiment described above will be described. As described above, in the hybrid construction machine 1, the temperatures of the
なお、本実施形態では、ユニットが昇降圧コンバータユニット66である場合にバッテリ19からの最大放電電流を低下させる方式について説明したが、バッテリ19への最大充電電流を低下させるようにしても良く、或いは最大放電電流及び最大充電電流の双方を低下させても良い。
In the present embodiment, the method of reducing the maximum discharge current from the
また、本実施形態のように、コントローラ30は、温度センサ107,108による温度検出結果が、温度センサ137によってIPM103,105の過熱保護機能が動作する温度TAより低く且つ第1の閾値T1より大きい第2の閾値T2を超えた場合、当該ユニットがインバータユニット62である場合にはインバータ回路20Aの動作を停止させ、また当該ユニットが昇降圧コンバータユニット66である場合には昇降圧コンバータ100の動作を停止させることが好ましい。これにより、温度センサ137が故障したり温度センサ137とコントローラ30とを繋ぐ配線が断線したような場合であっても、IPM103,105の過熱を確実に検知してIPM103,105の動作を停止させることができるので、ハイブリッド型建設機械1の信頼性を更に向上させることができる。
Further, as in the present embodiment, the
また、本実施形態のように、インバータユニット62や昇降圧コンバータユニット66は、IPM103,105と熱的に結合された放熱面を含む金属容器62b,66bを有し、温度センサ107,108が金属容器62b,66bの放熱面上に配置されていることが好ましい。これにより、IPM103,105の温度をより精度よく検出できる。この場合、本実施形態のように、熱伝導プレートとしての金属容器62b,66bがサーボ制御ユニット60の上下方向に沿って延在するよう配置されており、温度センサ107,108が、金属容器62b,66bの放熱面内においてIPM103,105の上側に配置されていることが尚好ましい。IPM103,105から放出された熱は金属容器62b,66bを介して上方へ伝わり易いので、温度センサ107,108がIPM103,105の上側に配置されることによって、IPM103,105の温度を更に精度よく検出できる。
Further, as in the present embodiment, the
本発明による建設機械は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では建設機械としてハイブリッド型のリフティングマグネット車両を例示して説明したが、他の建設機械(例えば、ショベルやホイルローダ、クレーン等)にも本発明を適用できる。 The construction machine according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible. For example, in the embodiment described above, a hybrid type lifting magnet vehicle has been described as an example of a construction machine. However, the present invention can also be applied to other construction machines (for example, an excavator, a wheel loader, a crane, etc.).
1…ハイブリッド型建設機械、2…走行機構、2a…油圧モータ、3…旋回機構、4…旋回体、4a…運転室、11…エンジン、12…電動発電機、13…減速機、18A,20A,20B,20C…インバータ回路、19…バッテリ、21…旋回用電動機、30…コントローラ、60…サーボ制御ユニット、62〜65…インバータユニット、62a〜66a…冷却用配管、62b,66b…金属容器、66…昇降圧コンバータユニット、100…昇降圧コンバータ、100B,100C…トランジスタ、103,105…IPM、107,108…第2の温度センサ、110…DCバス、120…蓄電手段、131…金属ベース、132…絶縁基板、137…第1の温度センサ、600…コントロールユニット。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hybrid type construction machine, 2 ... Traveling mechanism, 2a ... Hydraulic motor, 3 ... Turning mechanism, 4 ... Turning body, 4a ... Driver's cab, 11 ... Engine, 12 ... Motor generator, 13 ... Reducer, 18A, 20A , 20B, 20C ... inverter circuit, 19 ... battery, 21 ... electric motor for turning, 30 ... controller, 60 ... servo control unit, 62-65 ... inverter unit, 62a-66a ... cooling piping, 62b, 66b ... metal container, 66 ... Buck-boost converter unit, 100 ... Buck-boost converter, 100B, 100C ... Transistor, 103, 105 ... IPM, 107, 108 ... Second temperature sensor, 110 ... DC bus, 120 ... Power storage means, 131 ... Metal base, 132 ... Insulating substrate, 137 ... First temperature sensor, 600 ... Control unit.
Claims (4)
蓄電池と、
インテリジェントパワーモジュール(以下、IPMとする)を含み前記作業用電動機を駆動するインバータ回路を有するインバータユニット、及びIPMを含み前記蓄電池の充放電を行う直流電圧変換器を有する昇降圧コンバータユニットのうち少なくとも一方のユニットを含む一又は複数のユニットと、
前記インバータ回路及び前記直流電圧変換器のうち少なくとも一方を制御する制御部と
を備え、
前記一又は複数のユニットは、前記IPMに内蔵された第1の温度センサとは別に、前記IPMの温度を検出するための第2の温度センサを前記IPMの外部に有し、
前記制御部は、前記第2の温度センサによる温度検出結果が、前記第1の温度センサによって前記IPMの過熱保護機能が動作する温度より低い所定の第1の閾値を超えた場合に、当該ユニットが前記インバータユニットである場合には前記作業用電動機への最大駆動電流を低下させ、また当該ユニットが前記昇降圧コンバータユニットである場合には前記蓄電池からの最大放電電流及び/又は前記蓄電池への最大充電電流を低下させる
ことを特徴とする、建設機械。 A construction machine including a working electric motor driven by an operator's operation,
A storage battery,
At least of an inverter unit including an intelligent power module (hereinafter referred to as IPM) having an inverter circuit for driving the working motor, and a step-up / down converter unit including an IPM and having a DC voltage converter for charging / discharging the storage battery One or more units including one unit;
A control unit for controlling at least one of the inverter circuit and the DC voltage converter,
The one or more units have a second temperature sensor outside the IPM for detecting the temperature of the IPM, separately from the first temperature sensor built in the IPM.
When the temperature detection result by the second temperature sensor exceeds a predetermined first threshold value lower than the temperature at which the overheat protection function of the IPM is operated by the first temperature sensor, the control unit Is the inverter unit, the maximum drive current to the working motor is reduced, and when the unit is the buck-boost converter unit, the maximum discharge current from the storage battery and / or the storage battery Construction machinery characterized by lowering the maximum charging current.
ことを特徴とする、請求項1に記載の建設機械。 In the control unit, a temperature detection result by the second temperature sensor exceeds a second threshold value that is lower than a temperature at which the overheat protection function of the IPM is operated by the first temperature sensor and larger than the first threshold value. When the unit is the inverter unit, the operation of the inverter circuit is stopped, and when the unit is the step-up / down converter unit, the operation of the DC voltage converter is stopped. The construction machine according to claim 1.
前記第2の温度センサが前記熱伝導プレートの前記放熱面上に配置されている
ことを特徴とする、請求項1または2に記載の建設機械。 The one or more units have a heat conducting plate including a heat radiating surface thermally coupled to the IPM;
The construction machine according to claim 1, wherein the second temperature sensor is disposed on the heat radiating surface of the heat conducting plate.
前記第2の温度センサが、前記熱伝導プレートの前記放熱面内において前記IPMの上側に配置されている
ことを特徴とする、請求項3に記載の建設機械。 The heat conducting plate is arranged to extend along the vertical direction of the construction machine,
The construction machine according to claim 3, wherein the second temperature sensor is disposed on the upper side of the IPM in the heat radiation surface of the heat conducting plate.
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