JP5085202B2

JP5085202B2 - ハイブリット電源装置

Info

Publication number: JP5085202B2
Application number: JP2007167467A
Authority: JP
Inventors: 範之西山
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Engineering and Services Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Engineering and Services Co Ltd
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-06-26
Also published as: WO2009001604A1; KR20100017863A; MY154014A; CN101794992A; CN101794992B; HK1125748A1; US20100156180A1; JP2009011021A; CN101335466B; KR20120060906A; US8227935B2; CN101335466A; KR101171160B1

Description

本発明は、ハイブリット電源装置に関する。ガントリークレーンやタイヤマウント式ジブクレーンなどのエンジン発電機を動力源として有するクレーン等では、エンジン発電機とバッテリ等の蓄電装置とを備えたハイブリット電源によりモータ等を駆動させる機構を備えたものが開発されている。
本発明は、かかるガントリークレーン等の設備に使用されるハイブリット電源装置に関する。

従来よりクレーン等におけるモータやポンプ等の電動機を駆動させる電力源には、ディーゼルエンジン等を備えたエンジン発電機が使用されている。かかるクレーン等では、エンジン発電機が発生する電力をコンバータとインバータを介して電動機に供給しており、この電動機に電力を供給する回線には、バッテリ等の蓄電器もインバータと並列に設けられている（例えば、特許文献１，２）。

かかる特許文献１，２の技術では、電動機が必要とする電力が小さいときには余剰電力を蓄電器に蓄えておくことができるから、エネルギーの効率を高くできる。そして、電動機が必要とする電力が大きいときには、エンジン発電機と蓄電器の両方から電動機に電力を供給できるので、エンジン発電機を小型化できるという利点がある。

しかし、特許文献１，２の技術では、電動機が必要とする電力に比例してエンジン発電機に加わる負荷が変動する。このため、電動機が必要とする電力が急激に増加すると、エンジン発電機に加わる負荷が急激に増加して、エンジン発電機の瞬時電圧が低下する可能性がある。極端な場合にはエンジン発電機が停止してしまう可能性がある。

上記のごとき問題を解決する技術として、エンジン発電機が発生する電力を全てバッテリに供給し、このバッテリのみからモータ等に電力を供給する技術も開発されている（特許文献３）。
この特許文献３の技術では、エンジン発電機はバッテリの充電にのみ使用されるので、電動機の要求電力にかかわらず、最適な条件でエンジン発電機を運転させることができるから、燃費向上できるという利点がある。

しかるに、特許文献３の技術の場合には、バッテリのみから電力を供給しているので、モータが必要とする電力が変動してもエンジン発電機の負荷は変化しないものの、モータが要求する電力を確実に供給するためには大型のバッテリが必要となるため、電源装置も大型化してしまうという問題がある。

特開平１１−２１７１９３号特開平１１−２８５１６５号特開２００３−１０２１０６号

本発明は上記事情に鑑み、エンジン発電機の運転を適切に制御でき、しかも装置が大型化することを防ぐことができるハイブリット電源装置を提供することを目的とする。

第１発明のハイブリット電源装置は、エンジン発電機と蓄電器とを備えた電源装置であって、前記エンジン発電機と前記蓄電器とが並列に接続された、外部に電力を供給する直流母線と、該直流母線と前記エンジン発電機との間に設けられ、該エンジン発電機から該直流母線に供給する電流量を制御する昇圧コンバータと、前記直流母線と前記蓄電器との間に設けられ、該蓄電器から該直流母線に供給する電流量を制御する昇降圧コンバータと、該昇降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータの作動を制御する制御部とを備えており、前記エンジン発電機が過給機構を有するものであり、該制御部は、前記直流母線電圧が前記エンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように、前記昇降圧コンバータを制御すると共に、前記外部に供給する供給電流量が増加したときにおいて、前記エンジン発電機から前記直流母線電圧に供給する電流量の増加割合を、該エンジン発電機において過給機構を使用しない非過給最大出力時に得られる最大電流量を超えた後の電流量の増加割合が該非過給最大出力時に得られる最大電流量に達するまでの電流量の増加割合よりも小さくなるように制御することを特徴とする。
第２発明のハイブリット電源装置は、第１発明において、前記制御部は、前記外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から前記直流母線に供給するように前記昇圧コンバータを制御し、かつ、前記直流母線電圧が所定の設定電圧に維持されるように前記昇降圧コンバータを制御することを特徴とする。
第３発明のハイブリット電源装置は、第１または第２発明において、前記制御部は、前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定することを特徴とする。
第４発明のハイブリット電源装置は、第１、第２または第３発明において、前記直流母線には、前記エンジン発電機および前記蓄電器と並列に、電解コンデンサが接続されていることを特徴とする。
第５発明のハイブリット電源装置の制御方法は、エンジン発電機と蓄電器とを備えた電源装置の制御方法であって、前記電源装置は、エンジン発電機と前記蓄電器とが並列に接続された、外部に電力を供給する直流母線と、該直流母線と前記エンジン発電機との間に設けられ、該エンジン発電機から該直流母線に供給する電流量を制御する昇圧コンバータと、前記直流母線と前記蓄電器との間に設けられ、該蓄電器から該直流母線に供給する電流量を制御する昇降圧コンバータと、該昇降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータの作動を制御する制御部とを備えており、前記エンジン発電機が過給機構を有するものであり、該制御部によって、前記直流母線電圧が前記エンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように、前記昇降圧コンバータを制御すると共に、前記外部に供給する供給電流量が増加したときにおいて、前記エンジン発電機から前記直流母線電圧に供給する電流量の増加割合を、該エンジン発電機において過給機構を使用しない非過給最大出力時に得られる最大電流量を超えた後の電流量の増加割合が該非過給最大出力時に得られる最大電流量に達するまでの電流量の増加割合よりも小さくなるように制御することを特徴とする。
第６発明のハイブリット電源装置の制御方法は、第５発明において、前記外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から前記直流母線に供給するように前記昇圧コンバータを制御し、かつ、前記直流母線電圧が所定の設定電圧に維持されるように前記昇降圧コンバータを制御することを特徴とする。
第７発明のハイブリット電源装置の制御方法は、第５または第６発明において、前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定することを特徴とする。

第１発明によれば、エンジン発電機と蓄電器が直流母線に並列に接続されており、両方から外部に電力を供給することができるから、エンジン発電機と蓄電器をともに小型化することが可能となる。しかも、制御部により昇圧コンバータを制御しているので、エンジン発電機から直流母線に供給する電力を調整できる。よって、電源装置から外部に供給する電力の変動に係わらず、エンジン発電機の負荷を調整することができる。そして、制御部によって直流母線電圧がエンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように制御することにより、エンジン発電機から直流母線に供給される電流が無制御状態となることを防いでいる。このため、昇圧コンバータを制御することによりエンジン発電機の負荷変動を、常に、能動的に制御することができ、エンジン発電機の負荷変動を設定した負荷変動率内に抑えることができる。更には、供給電流量が変動したときに、エンジン発電機の負荷が過大にならないので、黒煙の発生やエンジン発電機の停止が生じることを防ぐことができる。
第２発明によれば、エンジン発電機の出力電圧が比較的安定しているので、エンジン発電機からの供給電流を制限することにより、実用的に足りる程度の精度でエンジン発電機からの供給電力（エンジン発電機の負荷）を制御できる。一方、蓄電器からの供給電流を直流母線電圧を維持するように制御することにより、外部への供給電力とエンジン発電機から供給される電力の差分を蓄電器から供給することができる。よって、エンジン発電機の供給電力および蓄電器の供給電力を制御する場合に比べて制御が容易になる。
第３発明によれば、エンジン発電機が負担する電力を蓄電器の充電量も考慮して決定しているので、蓄電器の充電量を適切に保つことができ、過放電の状態となることを防ぐことができる。
第４発明によれば、電解コンデンサに蓄えられている電力がバッファとして機能するので、電源装置から外部に供給する電力が急激に変動したときにおけるエンジン発電機の負荷変動を自動的に緩和することができ、設定した負荷変動率内に抑えることができる。
第５発明によれば、エンジン発電機と蓄電器が直流母線に並列に接続されており、両方から外部に電力を供給することができるから、エンジン発電機と蓄電器をともに小型化することが可能となる。しかも、制御部により昇圧コンバータを制御しているので、エンジン発電機から直流母線に供給する電力を調整できる。よって、電源装置から外部に供給する電力の変動に係わらず、エンジン発電機の負荷を調整することができる。そして、直流母線電圧がエンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように制御することにより、エンジン発電機から直流母線に供給される電流が無制御状態となることを防いでいる。このため、昇圧コンバータを制御することによりエンジン発電機の負荷変動を、常に、能動的に制御することができ、エンジン発電機の負荷変動を設定した負荷変動率内に抑えることができる。更には、供給電流量が変動したときに、エンジン発電機の負荷が過大にならないので、黒煙の発生やエンジン発電機の停止が生じることを防ぐことができる。
第６発明によれば、エンジン発電機の出力電圧が比較的安定しているので、エンジン発電機からの供給電流を制限することにより、実用的に足りる程度の精度でエンジン発電機からの供給電力（エンジン発電機の負荷）を制御できる。一方、蓄電器からの供給電流を直流母線電圧を維持するように制御することにより、外部への供給電力とエンジン発電機から供給される電力の差分を蓄電器から供給することができる。よって、エンジン発電機の供給電力および蓄電器の供給電力を制御する場合に比べて制御が容易になる。
第７発明によれば、エンジン発電機が負担する電力を蓄電器の充電量も考慮して決定しているので、蓄電器の充電量を適切に保つことができ、過放電の状態となることを防ぐことができる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明のハイブリット電源装置は、ラバータヤードガントリークレーンやタイヤマウント式ジブクレーン等の機械において、ウインチや横走行装置等の作業用アクチュエータに電力を供給するための装置であって、エンジン発電機と蓄電器を有し、エンジン発電機の運転を適切に制御でき、しかも装置が大型化することを防ぐことができることに特徴を有している。

図１は本実施形態のハイブリット電源装置１０の概略回路図である。同図において、符号１０は本実施形態のハイブリット電源装置を示している。また、符号Ａは、ハイブリット電源装置から電力が供給される作業用アクチュエータを示している。
なお、以下では、作業用アクチュエータＡが、モータ等の電動機Ｍ、インバータＩを有する例を説明するが、インバータＩは、電動機Ｍと後述する直流母線Ｌａとの間に設けられていればよく、ハイブリット電源装置１０に内蔵されていてもよい。

図１において、符号Ｌａは、本実施形態のハイブリット電源装置１０から外部に直流電力を供給する直流母線を示している。この直流母線Ｌａは、一対の導電路を有しており、この一対の導電路間に電解コンデンサ１８が設けられている。この電解コンデンサ１８は、直流母線Ｌａに供給される直流電力を貯蔵したり、また、放電して直流母線Ｌａに対して直流電力を供給したりすることができるものである。この電解コンデンサ１８はその充電率と直流母線Ｌａの直流電圧との関係から自動的に貯蔵放電を行うので、電解コンデンサ１８に蓄えられている電力は作業用アクチュエータＡが要求する電力の変動に対してバッファとして機能する。
なお、インバータＩや後述する各コンバータ１３，１６は、通常、直流母線Ｌａと並列に接続された電解コンデンサを内蔵しているので、かかる電解コンデンサに上記電解コンデンサ１８の機能を行わせるのであれば、特別な電解コンデンサ１８は設けなくてもよい。

図１に示すように、前記直流母線Ｌａには、ダイオードコンバータ１２、昇圧コンバータ１３を介して本実施形態のハイブリット電源装置１０のエンジン発電機１１が接続されている。

エンジン発電機１１は、交流電力を発生させるエンジン発電機であって、自動電圧調整器（ＡＶＲ）を有しており、出力電圧の変動が少ないものである。このエンジン発電機１１は、ダイオードコンバータ１２によって発生した交流電力を直流電力に変換して昇圧コンバータ１３に供給できるように構成されている。
なお、エンジン発電機１１は、ターボチャージャー等の過給機構を備えたディーゼル発電機等を採用することができるが、交流電力を発生させるエンジン発電機であれば、とくに限定はない。
さらになお、エンジン発電機よって発生した交流電力を直流電力に変換して出力する機器はダイオードコンバータに限られない。

ダイオードコンバータ１２によって変換された直流電力は、昇圧コンバータ１３を介して直流母線Ｌａに供給されるように構成されている。
この昇圧コンバータ１３は、ダイオードコンバータ１２によって変換された直流電力の電圧（以下、エンジン側電圧という）を昇圧して出力する機能を有するものであり、制御部１７からの指令に基づいて作動するようになっている。具体的には、制御部１７からの指令に基づいて、昇圧コンバータ１３はダイオードコンバータ１２から直流母線Ｌａに供給する電流量を制御しており、この電流量を制御することによって、直流母線Ｌａに対して供給する直流電力量、直流電力を供給する時間およびタイミングを調整しているのである。

このため、昇圧コンバータ１３を制御すれば、所望のタイミングに所望の時間だけ、言い換えれば、所望のタイミングに所望の量だけ、エンジン側電圧よりも高い電圧の直流電力を直流母線Ｌａに供給することができるのである。

また、図１に示すように、前記直流母線Ｌａには、昇降圧コンバータ１６を介して、充放電が可能なバッテリやキャパシタ等の蓄電器１５が、前記エンジン発電機１１と並列となるように接続されている。つまり、蓄電器１５も昇降圧コンバータ１６を介して、直流母線Ｌａを通して作業用アクチュエータＡに電力を供給できるようになっている。

昇降圧コンバータ１６は、蓄電器１５から供給される直流電力の電圧（以下、蓄電器側電圧という）を昇圧して出力したり降圧して低くしたりする機能を有するものであり、昇圧コンバータ１３と同様に、制御部１７からの指令に基づいて作動するようになっている。具体的には、制御部１７からの指令に基づいて、昇降圧コンバータ１６は昇圧制御により蓄電器１５から直流母線Ｌａに供給する電流量を制御しており、この電流量を制御することによって、直流母線Ｌａの電圧（電解コンデンサ１８の端子間電圧）が低下しないように、直流母線Ｌａに対して供給する直流電流を調整しているのである。
また、昇降圧コンバータ１６は、降圧制御することにより、直流母線Ｌａの電圧が上昇しないように蓄電器１５に、直流母線Ｌａから直流電流を供給する機能も有している。

このため、昇降圧コンバータ１６を昇圧制御すれば、所望のタイミングに所望の時間だけ、言い換えれば、所望のタイミングに所望の量だけ、蓄電器側電圧よりも高い電圧の直流電力を直流母線Ｌａに供給することができ、直流母線Ｌａを所定の設定電圧に保つことができるのである。
また、昇降圧コンバータ１６は、降圧制御して、直流母線Ｌａの電圧よりも降圧された蓄電器側電圧よりも少し高い電圧を蓄電器１５側に出力し、蓄電器１５に直流電力を供給する機能も有している。よって、蓄電器１５の充電率が減少した場合や直流母線Ｌａの電圧が所定の設定電圧よりも高くなりすぎた場合には、直流母線Ｌａから蓄電器１５に降圧した直流電力を供給して、蓄電器１５を充電させることも可能である。

つぎに、制御部１７を説明する。
上述したように、制御部１７は、昇圧コンバータ１３および昇降圧コンバータ１６の作動を制御して、エンジン発電機１１および蓄電器１５が負担する電力を調整する機能を有するものである。この制御部１７には、直流母線Ｌａの電圧情報や作業用アクチュエータＡのインバータＩに対して流れる電流情報、蓄電器１５の充電量情報等が入力されており、これらの情報に基づいてエンジン発電機１１および蓄電器１５が負担する電力を調整している。

なお、制御部１７がエンジン発電機１１および蓄電器１５の負担する直流電力を決定する方法はとくに限定されず、上記情報以外の情報に基づいて直流電力を決定することができる。

以上のごとき構成であるから、本実施形態のハイブリット電源装置１０では、エンジン発電機１１と蓄電器１５の両方から作業用アクチュエータＡに電力を供給することができる。
すると、作業用アクチュエータＡが要求する電力が昇圧コンバータ１３を介してエンジン発電機１１から供給できる電力より大きくても、不足する電力を蓄電器１５に負担させることが可能となるし、逆に、作業用アクチュエータＡが要求する電力が昇降圧コンバータ１６を介して蓄電器１５から供給できる電力よりも大きくても、不足する電力をエンジン発電機１１に負担させることが可能となる。
つまり、作業用アクチュエータＡが要求する最大電力よりも小さい電力しか供給できない発電機１１や蓄電器１５でも、作業用アクチュエータＡを作動させることができるから、エンジン発電機１１と蓄電器１５をともに小型化することが可能となり、ハイブリット電源装置１０全体としても小型化することができる。

また、制御部１７によって、エンジン発電機１１および蓄電器１５のそれぞれから直流母線Ｌａに供給する直流電力を調整できるので、エンジン発電機１１および蓄電器１５のそれぞれが負担する直流電力の割合を自由に調整することができる。
すると、エンジン発電機１１および蓄電器１５のいずれか一方の負荷が大きくなりすぎることも防ぐことができる。
しかも、作業用アクチュエータＡが要求する電力、言い換えれば、本実施形態のハイブリット電源装置１０から作業用アクチュエータＡに供給する電力が急激に変動した場合でも、一時的に蓄電器１５側の負担が多くなるように制御すれば、エンジン発電機１１の負荷が急激に変動することを抑えることができ、黒煙の発生やエンジン発電機の緊急停止などが発生することを防ぐことができる。
そして、制御部１７は蓄電器１５の充電量も考慮してエンジン発電機１１が負担する電力を決定しているので、蓄電器１５の充電量を適切に保ち、過放電を防ぐことができる。

さらに、本実施形態のハイブリット電源装置１０では、制御部１７によって直流母線Ｌａの電圧がダイオードコンバータ１２から昇圧コンバータ１３に供給される直流電力の電圧よりも常に高くなるように昇降圧コンバータ１６を制御している。
昇圧コンバータ１３は出力電圧を入力電圧よりも低くすることができないので、直流母線Ｌａの電圧がエンジン側電圧よりも低くなると、昇圧コンバータ１３によって直流母線Ｌａに供給する電流を制御することができなくなり、ダイオードコンバータ１２から直流母線Ｌａに無制限に電流が供給されることになる。言い換えれば、昇圧コンバータ１３によってエンジン発電機１１の負荷を制御できなくなり、無制限に流れる電流を供給するためにエンジン発電機１１が作動することになる。すると、エンジン発電機１１には過剰な負荷が加わることとなり、黒煙の発生を生じたり、最悪の場合にはエンジン発電機１１停止する場合もある。
しかし、本実施形態のハイブリット電源装置１０では、制御部１７によって直流母線Ｌａの電圧がダイオードコンバータ１２から昇圧コンバータ１３に供給される直流電力の電圧よりも常に高くなるように昇降圧コンバータ１６を制御しているので、上記のごとき問題が発生することを防ぐことができる。そして、昇圧コンバータ１３を制御することにより、常に、エンジン発電機１１の負荷変動を能動的に制御することができるから、エンジン発電機１１の負荷変動を設定した負荷変動率内に抑えることができる。

なお、直流母線Ｌａの電圧（電解コンデンサ１８の端子間電圧）はエンジン側電圧や蓄電器側電圧よりも常に高い電圧に維持されるのであるが、この電圧値はエンジン発電機１１が供給できる最大電圧および蓄電器１５が供給できる最大電圧よりも高く設定されているのは、いうまでもない。

さらに、本実施形態のハイブリット電源装置１０では、インバータＩで使用される電力に代えて、供給電流量と直流母線Ｌａの電圧とを検出し、直流母線Ｌａの電圧を所定の設定電圧に保つように制御するだけで、電力バランスを調整しているので、制御を容易にすることができる。

通常、エンジン発電機１１と蓄電器１５からインバータＩに電力を供給する場合、エンジン発電機１１の供給する電力と蓄電器１５の供給する電力の合計電力がインバータＩの電力と一致するようにしなければならない。このため、従来は、インバータＩで使用される電力を検出し、このインバータＩで使用される電力に基づいてエンジン発電機１１および蓄電器１５の出力電圧および出力電流をそれぞれ制御していた。そして、エンジン発電機１１と蓄電器１５の合計電力が、インバータＩで使用される電力と一致するように制御していた。つまり、従来は、電力を直接検出し制御するという発想に基づいて発電装置の制御を行っていたため、電力バランスを調整する制御が非常に複雑となっていた。

しかし、本実施形態のハイブリット電源装置１０では、以下のごとき理由により電力バランスを容易に調整できる。

まず、エンジン発電機１１は出力電圧が比較的安定しているため、制御部１７は、供給電流量に基づいてエンジン発電機１１から直流母線Ｌａに供給する電流量を、昇圧コンバータ１３を制御して調整するだけで、エンジン発電機１１が直流母線Ｌａに供給する電力を制御できる。つまり、制御部１７は電流量だけで、エンジン発電機１１から直流母線Ｌａに供給する電力（エンジン発電機の負荷）を、実用的に足りる程度の精度で制御できる。

一方、エンジン発電機１１はインバータＩで使用される電力の一部しか負担しないので、インバータＩで使用される電力とエンジン発電機１１から供給される電力の差の分だけ、蓄電器１５からインバータＩに直流母線Ｌａに電力を供給することが必要となる。

ここで、直流母線Ｌａの電圧が一定であれば、供給電流量とエンジン発電機１１から直流母線Ｌａに供給する電流量の差の分だけ蓄電器１５から電流を供給すれば、ハイブリット電源装置１０から供給する電力とインバータＩで使用される電力を一致させることができる。言い換えれば、制御部１７が昇降圧コンバータ１６を制御して、直流母線Ｌａの電圧が一定となるように蓄電器１５から直流母線Ｌａに電流量を供給すれば、ハイブリット電源装置１０から供給する電力とインバータＩで使用される電力を一致させることができるのである。

以上のごとく、本実施形態のハイブリット電源装置１０では、エンジン発電機１１と蓄電器１５の合計電力やインバータＩで使用される電力を考慮する必要がなく、供給電流量に基づいてエンジン発電機１１から母線Ｌａに供給する電流量を調整し、直流母線Ｌａの電圧を設定電圧に保つように蓄電器１５から直流母線Ｌａに供給する電流量を調整するだけで、電力バランスを調整できるから、制御を容易にすることができるのである。

つぎに、本実施形態のハイブリット電源装置１０の作動を説明する。
以下では、（１）作業用アクチュエータＡの電動機Ｍが待機状態の場合、（２）作業用アクチュエータＡの電動機Ｍが力行状態の場合、（３）作業用アクチュエータＡの電動機Ｍが回生運転を行っている場合、について説明する。

（１）作業用アクチュエータＡの電動機Ｍが待機状態の場合
作業用アクチュエータＡの電動機Ｍが待機状態、つまり、インバータＩが電動機Ｍを作動させていない状態では、エンジン発電機１１および蓄電器１５から直流母線Ｌａに対する電力供給は停止される。
この状態でも、電解コンデンサ１８は、作業用アクチュエータＡのインバータＩに電力を供給しており、インバータＩ内の電解コンデンサ（図示せず）に付属する放電抵抗器に流れる電流により電解コンデンサ１８の電圧は徐々に低下する。すると、電解コンデンサ１８の電圧が低下すると、直流母線Ｌａの電圧も低下する。

制御部１７は直流母線Ｌａの電圧を計測しているので、昇降圧コンバータ１６を作動させて直流母線Ｌａの電圧が設定値となるように、蓄電器１５から直流母線Ｌａに電力を供給する。具体的には、昇降圧コンバータ１６の昇圧側トランジスタのゲート開時間を制御して直流母線Ｌａに供給する電力を調整し、直流母線Ｌａの電圧を設定値に安定させる。

（２）作業用アクチュエータＡの電動機Ｍが力行状態の場合
作業用アクチュエータＡの電動機Ｍが力行状態において、作業用アクチュエータＡに供給する電流量が増加すると、エンジン発電機１１や蓄電器１５からの供給電力（供給電流）では、作業用アクチュエータＡが必要とする電流量を満たすことができなくなるので、電解コンデンサ１８からの放電により、不足する電流量を補う。

一方、制御部１７はインバータＩに対して流れる電流量（インバータ側電流量）を検出しており、このインバータ側電流量の変化に基づいて、エンジン発電機１１から直流母線Ｌａに供給する電力、つまり、エンジン発電機１１から直流母線Ｌａに供給する電流量を決定する。
なお、蓄電器１５の充電量が少ない場合には、蓄電器１５の負担を抑えるように、また、蓄電器１５に充電を行うことができるようにエンジン発電機１１の負荷が決定される。

エンジン発電機１１から直流母線Ｌａに供給する電流量が決定されると、制御部１７から昇圧コンバータ１３に指令が送信され、決定された電流量だけエンジン発電機１１から直流母線Ｌａに電流が供給される。具体的には、昇圧コンバータ１３の昇圧側トランジスタのゲート開時間を制御して直流母線Ｌａに所定の電流が供給される。なお、エンジン発電機１１は直流母線Ｌａに供給する電流量に応じてその出力、つまり、負荷が変動する。

ここで、エンジン発電機１１から直流母線Ｌａに対して供給される電力は、電動機Ｍの作動に必要な電力の一部（例えば、半分程度）であるため、電解コンデンサ１８の放電は継続し、電解コンデンサ１８の端子間電圧は低下し、直流母線Ｌａの電圧も低下する。

直流母線Ｌａの電圧が低下すると、制御部１７から昇降圧コンバータ１６に指令が送信され、直流母線Ｌａの電圧が設定値となるように蓄電器１５から直流母線Ｌａに直流電力、つまり電流が供給される。具体的には、昇降圧コンバータ１６の昇圧側トランジスタのゲート開時間を制御して直流母線Ｌａに所定の電流が供給される。

すると、作業用アクチュエータＡに供給する電流量とエンジン発電機１１から供給される電流量の差分を蓄電器１５から供給することができ、しかも、電解コンデンサ１８にも充電されるから、直流母線Ｌａの電圧を設定に保つことができる。

ここで、エンジン発電機１１がターボチャージャー等の過給機構を有するものである場合、過給機構が機能していない状態（以下、非過給状態という）では、エンジン発電機１１の出力、つまり、エンジン発電機１１から得られる電流量が、過給機構が機能している状態（以下、過給状態という）よりも少なくなる。しかも、非過給状態からエンジン発電機１１の負荷が増加したときに、過給状態となるまでの時間遅れ（以下、タイムラグという）が存在する。
すると、作業用アクチュエータＡに供給する電流量の急激な増加に伴ってエンジン発電機１１に要求される電流量を急激に増加させた場合であって、その電流量が、非過給状態における最大出力時に得られる最大電流量以下の状態からこの最大電流量以上に変化するときには、タイムラグ期間にエンジン発電機１１の負荷が非過給状態における最大出力を超えてしまう可能性がある。この場合には、エンジン発電機１１は過負荷状態となり、黒煙の発生や、最悪の場合には、エンジン発電機１１が停止が生じる可能性がある。
そこで、本実施形態のハイブリット電源装置１０は、作業用アクチュエータＡに供給する電流量が急激に増加した場合には、以下のようにエンジン発電機１１の負担電力、つまり、エンジン発電機１１から直流母線Ｌａに供給する電流量の変化状態を決定している。

図２は作業用アクチュエータＡに供給する電流量が急激に増加した場合におけるエンジン発電機１１の負担する電流量の変化状態を示した図である。なお、図２では、安定運転時において、エンジン発電機１１から供給する電流量が、ハイブリット電源装置１０から作業用アクチュエータＡに供給する電流量の半分より少ない場合を示しているが、かかる場合に限定されないのはいうまでもない。

まず、図２において、実線ＲＰは、ハイブリット電源装置１０から作業用アクチュエータＡに供給する電流量ＲＰ（以下、単に供給電流量ＲＰという）を示している。また、破線ＨＰは、供給電流量ＲＰの半分の電流量ＨＰを示すラインである。
図２に示すように、非過給状態やエンジン発電機１１が停止している状態から、供給電流量ＲＰが急激に増加すると、エンジン発電機１１から直流母線Ｌａに供給する電流量（以下、エンジン電流量ＥＰという）は、電流量ＨＰのラインに沿って増加するように制御される。

やがて、エンジン電流量ＥＰがエンジン発電機１１において非過給状態の最大出力時に得られる電流量Ｃに到達すると、電流量ＥＰの増加割合を減少させる。すると、電流量ＥＰの増加割合が減少している期間にエンジン発電機１１が過給状態となる。

そして、供給電流量ＲＰが安定状態になると、エンジン電流量ＥＰは、通常の運転状態における負担割合の電流量Ｂとなるように制御される。電流量Ｂは電流量Ｃよりも大きいが、このときにはエンジン発電機１１は過給状態となっているので、エンジン発電機１１を安定した状態で作動させることができる。

以上のごとく制御すれば、供給電流量ＲＰが急激に変動してもエンジン発電機１１の負荷が過大にならないので、黒煙の発生やエンジン発電機１１の停止が生じることを防ぐことができる。
しかも、非過給状態の最大出力時に得られる電流量Ｃまでは、エンジン発電機１１の負荷を急速に増加させるので、供給電流量ＲＰの変動に対するエンジン発電機１１の追従性をある程度高くすることができ、蓄電器１５の充電量を適切に保つことができ、過放電の状態となることを防ぐことができる。

なお、非過給状態や停止状態からエンジン電流量ＥＰを増加させる場合において、エンジン電流量ＥＰは、必ずしも供給電流量ＲＰの半分の電流量ＨＰのラインに沿って変動させる必要はなく、エンジン発電機１１の性能や蓄電器１５の性能に応じて、供給電流量ＲＰの半分以上の電流量のラインや半分以下の電流量のラインに沿って移動させてもよい。

（３）作業用アクチュエータＡの電動機Ｍが回生運転を行っている場合
作業用アクチュエータＡの電動機Ｍが回生運転されると、電動機Ｍは発電機として動作しインバータＩを介して直流母線Ｌａに電力を供給する。すると、インバータＩを介して直流母線Ｌａに供給された電力により電解コンデンサ１８には充電電流が流れるため、直流母線Ｌａの電圧が上昇する。
直流母線Ｌａの電圧が上昇すると、電解コンデンサ１８を放電させ電圧を設定値まで下げるように制御部１７によって昇降圧コンバータ１６が制御される。具体的には、直流母線Ｌａから蓄電器１５に電力を供給し蓄電器１５を充電するように、昇降圧コンバータ１６の降圧側トランジスタのゲート開時間を制御する。
すると、インバータＩより回生された電力は蓄電器１５に蓄えられるとともに直流母線Ｌａの電圧の上昇を抑えられ、直流母線Ｌａの電圧を設定値に保つことができる。

ここで、蓄電器１５の充電率が高くなりすぎた場合には、蓄電器１５の損傷を防ぐため、制御部１７は昇降圧コンバータ１６によって蓄電器１５の充電電流に制限をかける。すると、直流母線Ｌａの電圧を設定値に保てなくなり、直流母線Ｌａの電圧が上昇することとなる。
直流母線Ｌａの電圧が上昇すると、電解コンデンサ１８や、コンバータおよびインバータ内の半導体素子および電解コンデンサを破損させる可能性がある。そこで、直流母線Ｌａに、ダイナミックブレーキユニット１９（以下、ＤＢＵ１９で示す）を設けている。このＤＢＵ１９は、直流母線Ｌａの電圧が危険電圧となる前に、抵抗器に電流を流すように動作して直流母線電圧Ｌａを下げるように動作するものである。
よって、電動機Ｍの回生運転により発生する電力を、蓄電器１５への充電だけでは吸収しきれないような場合には、ＤＢＵを設けることによって、各機器の損傷を防ぐことができるから、電動機Ｍを安心して回生運転することができる。

なお、蓄電器１５の充電率が低下していると、力行時における電動機Ｍの作動に必要な電力とエンジン発電機１１から供給される電力の差分を蓄電器１５から供給できない可能性がある。そこで、蓄電器１５の充電率が低下した場合、制御部１７によって昇圧コンバータ１３を制御して直流母線Ｌａに電流を供給し直流母線Ｌａの電圧を上昇させる。直流母線Ｌａの電圧が事前に定めた電圧まで上昇すると、制御部１７は、直流母線Ｌａの電圧上昇を抑制するために昇降圧コンバータ１６に降圧動作を行わせるので、直流母線Ｌａから蓄電器１５に電力が供給される。よって、蓄電器１５を適正な充電率まで充電させることができる。

本発明のハイブリット電源装置は、ガントリークレーンやガントリークレーンやタイヤマウント式ジブクレーンなどのエンジン発電機を動力源として有するクレーン等のように、インバータの直流母線に電力を供給する設備の電源として適している。

本実施形態のハイブリット電源装置１０の概略回路図である。作業用アクチュエータＡに供給する電流量が急激に増加した場合におけるエンジン発電機１１の負担する電流量の変化状態を示した図である。

符号の説明

１０ハイブリッド発電装置
１１エンジン発電機
１３昇圧コンバータ
１５蓄電器
１６昇降圧コンバータ
１７制御部
１８電解コンデンサ
Ａ作業用アクチュエータ
Ｉインバータ
Ｍ電動機

Claims

エンジン発電機と蓄電器とを備えた電源装置であって、
前記エンジン発電機と前記蓄電器とが並列に接続された、外部に電力を供給する直流母線と、
該直流母線と前記エンジン発電機との間に設けられ、該エンジン発電機から該直流母線に供給する電流量を制御する昇圧コンバータと、
前記直流母線と前記蓄電器との間に設けられ、該蓄電器から該直流母線に供給する電流量を制御する昇降圧コンバータと、
該昇降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータの作動を制御する制御部と、を備えており、
前記エンジン発電機が、過給機構を有するものであり、
該制御部は、
前記直流母線電圧が前記エンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように、前記昇降圧コンバータを制御すると共に、
前記外部に供給する供給電流量が増加したときにおいて、前記エンジン発電機から前記直流母線電圧に供給する電流量の増加割合を、該エンジン発電機において過給機構を使用しない非過給最大出力時に得られる最大電流量を超えた後の電流量の増加割合が該非過給最大出力時に得られる最大電流量に達するまでの電流量の増加割合よりも小さくなるように制御する
ことを特徴とするハイブリット電源装置。
前記制御部は、前記外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から前記直流母線に供給するように前記昇圧コンバータを制御し、かつ、前記直流母線電圧が所定の設定電圧に維持されるように前記昇降圧コンバータを制御する
ことを特徴とする請求項１記載のハイブリット電源装置。
前記制御部は、前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定する
ことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリット電源装置。
前記直流母線には、前記エンジン発電機および前記蓄電器と並列に、電解コンデンサが接続されている
ことを特徴とする請求項１、２または３記載のハイブリット電源装置。
エンジン発電機と蓄電器とを備えた電源装置の制御方法であって、
前記電源装置は、
エンジン発電機と前記蓄電器とが並列に接続された、外部に電力を供給する直流母線と、
該直流母線と前記エンジン発電機との間に設けられ、該エンジン発電機から該直流母線に供給する電流量を制御する昇圧コンバータと、
前記直流母線と前記蓄電器との間に設けられ、該蓄電器から該直流母線に供給する電流量を制御する昇降圧コンバータと、
該昇降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータの作動を制御する制御部と、を備えており、
前記エンジン発電機が、過給機構を有するものであり、
該制御部によって、前記直流母線電圧が前記エンジン発電機の出力電圧よりも高くなるように、前記昇降圧コンバータを制御すると共に、前記外部に供給する供給電流量が増加したときにおいて、前記エンジン発電機から前記直流母線電圧に供給する電流量の増加割合を、該エンジン発電機において過給機構を使用しない非過給最大出力時に得られる最大電流量を超えた後の電流量の増加割合が該非過給最大出力時に得られる最大電流量に達するまでの電流量の増加割合よりも小さくなるように制御する
ことを特徴とするハイブリット電源装置の制御方法。
前記外部に供給する供給電流量の一部を前記エンジン発電機から前記直流母線に供給するように前記昇圧コンバータを制御し、かつ、前記直流母線電圧が所定の設定電圧に維持されるように前記昇降圧コンバータを制御する
ことを特徴とする請求項５記載のハイブリット電源装置の制御方法。
前記外部に供給する電流量および前記蓄電器の充電量に基づいて、前記エンジン発電機から前記直流母線に供給する電流量を決定する
ことを特徴とする請求項５または６記載のハイブリット電源装置の制御方法。