JP2014185963A - 作業機械及び作業機械の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載されている蓄電装置の内部抵抗を、ノイズの影響を受けず、高い精度で測定することが可能な作業機械を提供する。
【解決手段】 蓄電装置が電気エネルギを蓄積する。昇降圧コンバータが、蓄電装置の充放電を行う。内部抵抗測定装置が、昇降圧コンバータを経由することなく蓄電装置からの放電電流を流すとともに、蓄電装置の内部抵抗を測定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、蓄電装置を搭載した作業機械、及び作業機械の制御方法に関する。

近年、建設作業機械、土木作業機械等の動力発生機械に、地球環境に配慮した省燃費、低公害、低騒音等の性能が求められている。これらの要請を満たすために、油圧ポンプに代えて、または油圧ポンプの補助として電動機を利用したハイブリッド型ショベル、電動ショベル等の作業機械が登場している。電動機を組み込んだ作業機械においては、電動機から発生する余剰の運動エネルギが電気エネルギに変換され、二次電池、キャパシタ等の蓄電装置に蓄積される。

蓄電装置は、充放電を繰り返す長期間の使用により、または過充電、過放電や発熱等により、劣化が進行する。蓄電装置の内部抵抗を測定することにより、劣化状態を判定することができる（特許文献１）。

特許文献２に、ショベルのアイドリング中に、蓄電装置の内部抵抗を測定する技術が開示されている。アイドリング中は、エンジンが一定回転数で運転されている。内部抵抗を測定するために、エンジンが発生する動力によって電動発電機を発電運転させ、発生した電力によって蓄電装置を充電する。この充電電流、及び蓄電装置の端子間電圧を測定することにより、蓄電装置の内部抵抗が算出される。

特開２００７−１５５５８６号公報 国際公開２０１０／１１３２２３号

内部抵抗の測定中に操作者が前進、後退、掘削、旋回等の通常動作を要求すると、アイドリングから通常動作に移行する。アイドリング中に内部抵抗を測定する従来の方法では、通常動作に移行した時点で内部抵抗の測定が中断される。内部抵抗を測定するためには、次のアイドリング状態まで待たなければならない。

また、ハイブリッド型作業機械には、電動機、インバータ等で消費される電力の変動に起因して、蓄電装置の充放電電流にノイズが重畳される。アイドリング中に内部抵抗を測定する方法では、このノイズの影響を受けるため、十分な測定精度を得ることが困難である。

本発明の目的は、ノイズの影響を受けず、高い精度で蓄電装置の内部抵抗を測定することが可能な作業機械、及び作業機械の制御方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、
前記蓄電装置の充放電を行う昇降圧コンバータと、
前記昇降圧コンバータを経由することなく前記蓄電装置からの放電電流を流すとともに、前記蓄電装置の内部抵抗を測定する内部抵抗測定装置と
を有する作業機械が提供される。

本発明の他の観点によると、
エンジン、電動発電機、蓄電装置、及びメインコントローラを搭載し、前記メインコントローラが前記エンジン、前記電動発電機、前記蓄電装置の動作の制御を行う作業機械の前記メインコントローラに、動作開始及び動作停止を指令するメインキーにより、動作停止が指令された後、前記メインコントローラとは独立して動作する内部抵抗測定装置で前記蓄電装置の内部抵抗を測定する工程と、
前記メインキーにより動作開始が指令された後、前記内部抵抗測定装置から前記メインコントローラに、前記蓄電装置の内部抵抗の測定値を送信する工程と
を有する作業機械の制御方法が提供される。

昇降圧コンバータを経由することなく、蓄電装置からの放電電流が内部抵抗測定装置流れるため、昇降圧コンバータを動作させることなく、蓄電装置の内部抵抗を測定することができる。これにより、昇降圧コンバータの動作中に発生するノイズの影響を受けることなく、高精度に内部抵抗を測定することができる。

図１は、実施例による作業機械の例として示されたショベルの側面図である。 図２は、実施例によるショベルのブロック図である。 図３は、蓄電回路及び内部抵抗測定装置の等価回路図である。 図４は、内部抵抗測定装置の処理装置で実行される処理のフローチャートである。 図５は、実施例によるハイブリッド型作業機械の簡単なブロック図、及び動力（機械的パワー）、電力（電気的パワー）の流れを示す図である。 図６は、メインコントローラの機能ブロック図である。 図７は、旋回電動機要求出力Ｐｅｒと旋回電動機出力Ｐｅｏとの関係を示すグラフである。 図８は、油圧負荷要求出力Ｐｈｒと油圧負荷出力Ｐｈｏとの関係を示すグラフである。 図９Ａ及び図９Ｂは、第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１と電気出力Ｐｂｏとの関係を示すグラフである。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、電動発電機出力Ｐａｏの決定方法を示す線図である。 図１１は、他の構成例によるメインコントローラの機能ブロック図である。

図１に、実施例による作業機械の例として、ショベルの側面図を示す。下部走行体１に上部旋回体２が旋回可能に搭載されている。上部旋回体２は、旋回電動機２１により下部走行体１に対して旋回する。

上部旋回体２に、フロントアタッチメントが取り付けられている。フロントアタッチメントは、ブーム４、ブーム４の先端に連結されたアーム５、及びアーム５の先端に取り付けられたバケット６を含む。ブームシリンダ７がブーム４を駆動し、アームシリンダ８がアーム５を駆動し、バケットシリンダ９がバケット６を駆動する。

図２に、実施例によるショベルのブロック図を示す。図２において、機械的動力系を二
重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、パイロットラインを破線で表し、電気系統を細い実線で表す。

エンジン１１の駆動軸が減速機１３の入力軸に連結されている。エンジン１１には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。エンジン１１は、作業機械の運転中は、常時駆動されている。

電動発電機１２の駆動軸が、減速機１３の他の入力軸に連結されている。電動発電機１２は、電動（アシスト）運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。電動発電機１２には、例えば磁石がロータ内部に埋め込まれた内部磁石埋込型（ＩＰＭ）モータが用いられる。

減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸とを有する。この出力軸に、メインポンプ１４の駆動軸が連結されている。

メインポンプ１４に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機１２がアシスト運転を行い、電動発電機１２の駆動力が減速機１３を介してメインポンプ１４に伝達される。これにより、エンジン１１に加わる負荷が軽減される。一方、メインポンプ１４に加わる負荷が小さい場合には、エンジン１１の駆動力が減速機１３を介して電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電運転される。電動発電機１２のアシスト運転と発電運転との切り替えは、電動発電機１２に接続されたインバータ１８により行われる。インバータ１８は、メインコントローラ３０により制御される。

メインコントローラ３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）３０Ａ及び内部メモリ３０Ｂを含む。ＣＰＵ３０Ａは、内部メモリ３０Ｂに格納されている制御用プログラムを実行する。メインコントローラ３０は、表示装置３９に、各種装置の劣化状態等を表示することにより、操作者の注意を喚起する。

メインポンプ１４は、高圧油圧ラインを介して、コントロールバルブ１７に油圧を供給する。コントロールバルブ１７は、操作者からの指令により、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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に油圧を分配する。油圧モータ１Ａ及び１Ｂは、それぞれ図１に示した下部走行体１に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。

電動発電機１２の電気系統の入出力端子が、インバータ１８を介して蓄電回路５０に接続されている。蓄電回路５０には、さらに、他のインバータ２０を介して旋回電動機２１が接続されている。蓄電回路５０及びインバータ２０は、メインコントローラ３０により制御される。蓄電回路５０は、後に図３を参照して説明するように、蓄電装置、昇降圧コンバータ、ＤＣバスライン等を含む。内部抵抗測定装置６０が、蓄電回路５０の蓄電装置の内部抵抗を測定する。

電動発電機１２がアシスト運転されている期間は、必要な電力が蓄電回路５０から電動発電機１２に供給され、電動発電機１２が動力（機械的パワー）を発生する。電動発電機１２が発電運転されている期間は、エンジン１１から必要な動力が供給され、電動発電機１２が電力（電気的パワー）を発生する。電動発電機１２によって発電された電力が、蓄電回路５０に供給される。インバータ１８が、メインコントローラ３０からの指令を受けて、指令された動力または電力を出力するように電動発電機１２の運転制御を行う。

旋回電動機２１は、インバータ２０からのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号により交流駆動され、動力を発生する力行動作、及び電力を出力する回生動作の双方の運転を行うこ
とができる。インバータ２０は、メインコントローラ３０からの指令を受け、指令された動力を発生するように旋回電動機２１の運転制御を行う。旋回電動機２１には、例えばＩＰＭモータが用いられる。ＩＰＭモータは、回生動作時に大きな誘導起電力を発生する。

旋回電動機２１の力行動作中は、旋回電動機２１の回転力が減速機２４を介して上部旋回体２（図１）に伝達される。この際、減速機２４は、回転速度を遅くする。これにより、旋回電動機２１で発生した回転力が増大して、上部旋回体２に伝達される。回生動作時には、上部旋回体２の回転運動が、減速機２４を介して旋回電動機２１に伝達されることにより、旋回電動機２１が回生電力を発生する。この際、減速機２４は、力行運転の時とは逆に、回転速度を速める。これにより、旋回電動機２１の回転数を上昇させることができる。

レゾルバ２２が、旋回電動機２１の回転軸の回転方向の位置を検出する。検出結果は、メインコントローラ３０に入力される。旋回電動機２１の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。

メカニカルブレーキ２３が、旋回電動機２１の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ２３の制動状態と解除状態とは、メインコントローラ３０からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。

パイロットポンプ１５が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットラインを介して操作装置２６に供給される。操作装置２６は、レバーやペダルを含み、操作者によって操作される。操作装置２６は、パイロットポンプ１５から供給される１次側の油圧を、操作者の操作に応じて、２次側の油圧に変換する。２次側の油圧は、油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に伝達されると共に、他の油圧ラインを介して圧力センサ２９に伝達される。

圧力センサ２９で検出された圧力の検出結果が、メインコントローラ３０に入力される。これにより、メインコントローラ３０は、下部走行体１、上部旋回体２、ブーム４、アーム５、及びバケット６の操作の状況を検知することができる。特に、実施例によるハイブリッド型ショベルでは、旋回電動機２１が上部旋回体２を旋回させるため、上部旋回体２を旋回させるためのレバーの操作量を高精度に検出することが望まれる。メインコントローラ３０は、圧力センサ２９を介して、このレバーの操作量を高精度に検出することができる。

操作者がスタートキー２７をオンにすると、メインコントローラ３０が作動を開始し、スタートキー２７をオフにすると、メインコントローラ３０が作動を停止する。メインコントローラ３０は、下部走行体１、上部旋回体２、ブーム４、アーム５、及びバケット６のいずれも運転されておらず、蓄電回路５０への電力の供給及び蓄電回路５０からの電力の強制的な取り出しのいずれも行われていない状態（非運転状態）を検出することができる。

図３に、蓄電回路５０及び内部抵抗測定装置６０の等価回路図を示す。蓄電回路５０は、蓄電装置５１、昇降圧コンバータ５２、及びＤＣバスライン５３を含む。蓄電装置５１は、直列に接続された複数の蓄電セルを含む。複数の蓄電セルを直列接続することにより、目標とする電圧を発生することができる。

昇降圧コンバータ５２は、昇圧用絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）５４Ａ、降圧用ＩＧＢＴ５４Ｂ、リアクトル５５、及びスイッチング素子５６を含む。昇圧用ＩＧＢＴ５４Ａと降圧用ＩＧＢＴ５４Ｂとが直列に接続されている。昇圧用ＩＧＢＴ５４
Ａのエミッタが、蓄電装置５１の負極に接続されるとともに、接地されている。昇圧用ＩＧＢＴ５４Ａと降圧用ＩＧＢＴ５４Ｂとの相互接続点が、リアクトル５５及びスイッチング素子５６を介して蓄電装置５１の正極に接続されている。スイッチング素子５６は、蓄電装置５１と昇降圧コンバータ５２とを接続する電流路の開閉を行う。昇圧用ＩＧＢＴ５４Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ５４Ｂに、それぞれ還流ダイオードが接続されている。

昇圧用ＩＧＢＴ５４Ａのエミッタ及び降圧用ＩＧＢＴ５４Ｂのコレクタが、それぞれＤＣバスライン５３の接地線及び電源線に接続されている。接地線と電源線との間に、平滑キャパシタ５７が挿入されている。ＤＣバスライン５３は、インバータ１８、２０の直流端子に接続されている。インバータ１８、２０の三相交流端子に、それぞれ電動発電機１２、旋回電動機２１が接続されている。

メインコントローラ３０が、昇圧用ＩＧＢＴ５４Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ５４Ｂのゲート電極に、制御用のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を印加することにより、昇降圧コンバータ５２の充放電動作を制御する。また、メインコントローラ３０は、スイッチング素子５６の開閉動作を制御する。スタートキー２７がオンにされると、メインコントローラ３０が動作を開始し、スイッチング素子５６をオンにする。スタートキー２７がオフにされると、メインコントローラ３０は、スイッチング素子５６をオフにした後、動作を停止する。メインコントローラ３０の内部メモリ３０Ｂに、運転状態記憶部３１が確保されている。運転状態記憶部３１には、現在の運転状態が記憶される。運転状態は、後に説明するように、「通常運転状態」及び「出力制限状態」の２つの状態のいずれかである。

以下、昇圧動作（放電動作）について説明する。昇圧用ＩＧＢＴ５４Ａのゲート電極にＰＷＭ信号を印加する。昇圧用ＩＧＢＴ５４Ａがオン状態からオフ状態に移行する時に、リアクトル５５に発生する誘導起電力により、蓄電装置５１から、降圧用ＩＧＢＴ５４Ｂに接続された還流ダイオードを介してＤＣバスライン５３に電流が流れる。これにより、ＤＣバスライン５３が昇圧される。

次に、降圧動作（充電動作）について説明する。降圧用ＩＧＢＴ５４Ｂのゲート電極に、ＰＷＭ信号を印加する。降圧用ＩＧＢＴ５４がオン状態からオフ状態に移行する時に、リアクトル５５に発生する誘導起電力により、蓄電装置５１を充電する向きの電流が流れる。

電流センサ５８が、リアクトル５５を流れる電流を測定する。電圧センサ５９がＤＣバスライン５３に発生している電圧を測定する。電流センサ５８及び電圧センサ５９の測定結果が、メインコントローラ３０に入力される。

内部抵抗測定装置６０は、スイッチング素子５６を介することなく、蓄電装置５１に接続されている。内部抵抗測定装置６０は、抵抗素子６１、スイッチング素子６２、電流センサ６３、電圧センサ６４、及び処理装置６５を含む。抵抗素子６１が、スイッチング素子６２を介して、蓄電装置５１の正極と負極との間に接続されている。電流センサ６３が、抵抗素子６１を流れる電流を測定する。なお、電流センサ６３を省略してもよい。電流センサ６３を省略した場合には、抵抗素子６１の抵抗値と、電圧センサ６４による測定値とに基づいて、抵抗素子６１を流れる電流の大きさを算出することができる。電圧センサ６４が、蓄電装置５１の端子間電圧を測定する。電圧センサ６４の測定結果が、メインコントローラ３０に入力される。

処理装置６５は、スタートキー２７がオフにされると、スイッチング素子６２をオフにし、スタートキー２７がオンにされると、スイッチング素子６２をオフにする。さらに、処理装置は、電流センサ６３及び電圧センサ６４による測定結果に基づいて、蓄電装置５
１の内部抵抗を算出する。内部抵抗の算出値が、メインコントローラ３０に送信される。

図４に、内部抵抗測定装置６０の処理装置６５で実行される処理のフローチャートを示す。ステップＳ１において、スタートキー２７（図３）がオフにされるまで待機する。スタートキー２７がオフにされると、ステップＳ２において、一定時間待機する。この待機中に、メインコントローラ３０が、スイッチング素子５６（図３）をオフにした後、動作を停止する。

ステップＳ３において、電圧センサ６４により蓄電装置５１（図３）の開路電圧を測定する。ステップＳ４において、スイッチング素子６２（図３）をオンにする。スイッチング素子６２をオンにすることにより、蓄電装置５１（図３）から抵抗素子６１に放電電流が流れる。ステップＳ５において、電流センサ６３により放電電流を測定するとともに、電圧センサ６４により蓄電装置５１の端子間電圧を測定する。

ステップＳ６において、蓄電装置５１の内部抵抗を算出する。内部抵抗は、ステップＳ３で測定された蓄電装置５１の開路電圧、ステップＳ５で測定された放電電流及び端子間電圧に基づいて、いわゆるＩＲドロップ法により算出することができる。なお、交流インピーダンス法により、内部抵抗を測定することも可能である。

内部抵抗を算出した後、ステップＳ７においてスイッチング素子６２をオフにする。ステップＳ８において、スタートキー２７（図３）がオンにされるまで待機する。スタートキー２７がオンにされると、ステップＳ６で算出された内部抵抗の算出値を、メインコントローラ３０に送信する。その後、ステップＳ１に戻って、スタートキー２７がオフにされるまで待機する。

実施例においては、スイッチング素子５６（図３）がオフの期間に、内部抵抗測定装置６０が、蓄電装置５１の内部抵抗に依存する物理量、具体的には放電電流及び端子間電圧を取得する。このとき、内部抵抗測定装置６０の処理装置６５は、メインコントローラ３０とは独立して動作する。スイッチング素子５６がオフの期間に、内部抵抗に依存する物理量が取得されるため、昇降圧コンバータ５２の動作に起因するノイズの影響を排除して、高精度に内部抵抗を測定することができる。

内部抵抗の測定中、すなわち図４に示したステップＳ２からＳ７までの期間に、スタートキー２７（図３）がオンにされたら、内部抵抗測定装置６０は内部抵抗の測定処理を中止する。この場合、処理装置６５（図３）は、予め内部抵抗の最大値として入力されている値、または直近の測定処理で算出された内部抵抗の算出値を、メインコントローラ３０（図３）に送信する。

蓄電装置５１には、充放電電流を強制的に停止させるための安全スイッチが設けられている。安全スイッチをオフにすると、蓄電装置５１の充放電電流、及び入出力端子に出力されている電圧が０になる。さらに、蓄電装置５１に異常電流が流れた時に、充放電動作を停止させるためのヒューズが備えられている。安全スイッチ及びヒューズは、安全カバーで覆われている。内部抵抗測定装置６０は、安全カバーが開けられたことを検出すると、内部抵抗の測定処理を中止する。これにより、メンテナンスを行う作業者の安全を確保することができる。

図５に、実施例によるハイブリッド型作業機械の簡単なブロック図、及び動力（機械的パワー）、電力（電気的パワー）の流れを示す。エンジン１１からのエンジン出力Ｐｇｏが、メインポンプ１４及び電動発電機１２に供給される。電動発電機１２がアシスト運転されているときは、電動発電機１２からメインポンプ１４に、電動発電機出力Ｐａｏが供
給される。電動発電機１２が発電運転されているときは、発電された電力−Ｐａｏが蓄電装置５１に入力される。ここで、電動発電機１２がアシスト運転しているときの出力を正、発電運転しているときの出力を負と定義した。

蓄電装置５１から出力される電気出力Ｐｂｏが、電動発電機１２及び旋回電動機２１に供給される。旋回電動機２１は、力行動作を行っているとき、動力Ｐｅｏを出力する。回生動作を行っているとき、回生電力−Ｐｅｏを出力し、蓄電装置５１に供給する。ここで、力行動作のときの出力を正とし、回生動作のときの出力を負と定義した。動力Ｐｅｏと回生電力−Ｐｅｏとをまとめて「旋回電動機出力」という。エンジン１１、電動発電機１２、及び蓄電装置５１に対して、メインポンプ１４が機械負荷となり、旋回電動機２１が電気負荷となる。

メインコントローラ３０に、油圧負荷要求出力Ｐｈｒ（機械負荷に要求される動力）及び旋回電動機要求出力Ｐｅｒ（電気負荷に要求される電力）が入力される。油圧負荷要求出力Ｐｈｒは、図２に示した油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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等の油圧により駆動される油圧機構に必要とされる動力の合計である。例えば、油圧負荷要求出力Ｐｈｒは、操作者が操作する操作レバーの操作量から算出される。旋回電動機要求出力Ｐｅｒは、図２に示した旋回電動機が必要とする電力に相当する。例えば、旋回電動機要求出力Ｐｅｒは、操作者が操作する操作レバーの操作量から算出される。

メインコントローラ３０は、油圧負荷要求出力Ｐｈｒ及び旋回電動機要求出力Ｐｅｒに基づいて、要求されている全パワーを、エンジン出力Ｐｇｏ、電動発電機出力Ｐａｏ、及び電気出力Ｐｂｏに割り当てる。パワーを割り当てる処理を、「エネルギ管理」という。エネルギ管理に、蓄電装置５１の充電率ＳＯＣ、及び蓄電装置５１の劣化状態が反映される。蓄電装置５１の劣化が進むと内部抵抗が大きくなるため、蓄電装置５１の劣化状態は、蓄電装置５１の内部抵抗の算出値Ｒｉによって推定することができる。

典型的には、蓄電装置５１の充電率ＳＯＣが低い場合、蓄電装置５１からの電気出力Ｐｂｏを小さくするか、または電気出力Ｐｂｏを負にする（すなわち蓄電装置５１を充電する）。また、蓄電装置５１の劣化が進んでいる場合、すなわち内部抵抗の算出値Ｒｉが大きい場合、蓄電装置５１からの電気出力Ｐｂｏを、劣化が進んでいないときよりも小さい値に制限する。これにより、蓄電装置５１の劣化の進行を抑制することができる。

蓄電装置５１の内部抵抗は、相互に直列接続された複数の蓄電セルの各々の内部抵抗の和に等しくなる。上記実施例においては、複数の蓄電セルの内部抵抗の和が蓄電装置５１の内部抵抗として測定される。このため、蓄電セル個々の内部抵抗を測定する場合に比べて、少ない電流で、内部抵抗に起因する大きな電圧降下が観測される。これにより、測定精度に起因して生じる内部抵抗の算出値のばらつきを低減することができる。また、実施例による方法では、蓄電セル間の接触抵抗が加味されて、蓄電装置５１の内部抵抗として測定される。このため、実施例による方法で求められた内部抵抗の算出値は、蓄電装置５１の実際の充放電動作に合致した値となる。

図６〜図１０Ｂを参照して、エネルギ管理の１つの具体例について説明する。

図６に、メインコントローラ３０の機能ブロック図を示す。油圧負荷要求出力Ｐｈｒ、旋回電動機要求出力Ｐｅｒ、エンジン回転数Ｎａｃｔ、及び蓄電装置の電圧Ｖｍが、メインコントローラ３０に入力される。

エンジン回転数Ｎａｃｔは、図２に示したエンジン１１の実際の回転数に相当する。エ
ンジン１１は、作業機械の運転時には常時駆動されており、エンジン回転数Ｎａｃｔが検出されている。

蓄電装置の電圧Ｖｍは、図３に示した蓄電装置５１の端子間電圧に相当し、電圧センサ６４で測定される。

エンジン回転数Ｎａｃｔが、エンジン出力範囲決定ブロック３２に入力される。エンジン出力範囲決定ブロック３２には、エンジン回転数から、エンジン出力上限値及びエンジン出力下限値を求めるためのマップまたは変換テーブルが記憶されている。エンジン出力範囲決定ブロック３２は、入力されたエンジン回転数Ｎａｃｔから、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕ及びエンジン出力下限値Ｐｇｏｌを算出し、動力分配ブロック３５に与える。

蓄電装置の電圧Ｖｍが、電気出力決定ブロック３３に入力される。電気出力決定ブロック３３は、電気出力範囲決定ブロック３３Ａ、電気出力目標値決定ブロック３３Ｂ、及び充電率算出ブロック３３Ｃを含む。充電率算出ブロック３３Ｃは、入力された蓄電装置の電圧Ｖｍから充電率ＳＯＣを算出する。算出された充電率ＳＯＣは、電気出力範囲決定ブロック３３Ａ及び電気出力目標値決定ブロック３３Ｂに与えられる。

蓄電装置５１に電気二重層キャパシタが用いられる場合には、充電率ＳＯＣは、例えばＶｍ^２／Ｖ_０ ^２と定義することができる。Ｖ_０は、蓄電装置５１の定格電圧（急速充電及び緩和充電によって充電される最大電圧）を示す。

電気出力範囲決定ブロック３３Ａには、充電率ＳＯＣから、電気出力上限値、及び電気出力下限値を算出するためのマップまたは変換テーブルが記憶されている。電気出力目標値決定ブロック３３Ｂには、充電率ＳＯＣから電気出力目標値を算出するためのマップまたは変換テーブルが記憶されている。電気出力範囲決定ブロック３３Ａは、充電率ＳＯＣから、第１の電気出力上限値Ｐｂｏｕ０、及び第１の電気出力下限値Ｐｂｏｌ０を求め、補正ブロック３４に与える。電気出力目標値決定ブロック３３Ｂは、入力された充電率ＳＯＣから、第１の電気出力目標値Ｐｂｏｔ０を求め、補正ブロック３４に与える。

蓄電装置劣化情報判定ブロック３６に、内部抵抗測定装置６０（図３）から、蓄電装置５１の内部抵抗の算出値Ｒｉが入力される。蓄電装置劣化情報判定ブロック３６は、内部抵抗の算出値Ｒｉに基づいて、蓄電装置５１の劣化状態を判定する。蓄電装置５１の劣化状態に応じて、出力制限の要否を決定する。具体的には、内部抵抗の算出値Ｒｉが基準値以下のとき、出力制限不要と決定され、内部抵抗の算出値Ｒｉが基準値を超えたとき、出力制限要と決定される。出力制限要のとき、「出力制限状態」が運転状態記憶部３１に設定され、出力制限不要のとき、「通常運転状態」が運転状態記憶部３１に設定される。

補正ブロック３４は、出力範囲補正ブロック３４Ａ及び出力目標値補正ブロック３４Ｂを含む。第１の電気出力上限値Ｐｂｏｕ０、及び第１の電気出力下限値Ｐｂｏｌ０が、出力範囲補正ブロック３４Ａに与えられる。出力範囲補正ブロック３４Ａは、現時点の運転状態に基づいて、第１の電気出力上限値Ｐｂｏｕ０、及び第１の電気出力下限値Ｐｂｏｌ０を補正することにより、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１、及び第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１を生成する。第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１、及び第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１は、出力目標値補正ブロック３４Ｂに与えられる。

第１の電気出力上限値Ｐｂｏｕ０は、蓄電装置５１からの放電電力の上限値に相当する。第１の電気出力下限値Ｐｂｏｌ０は負であり、その絶対値は、蓄電装置５１への充電電力の上限値に相当する。第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１とにより、蓄電装置５１の入出力電力の適正範囲が定義される。

例えば、現時点の運転状態が通常運転状態である場合には、Ｐｂｏｕ１＝Ｐｂｏｕ０、Ｐｂｏｌ１＝Ｐｂｏｌ０である。すなわち、出力は制限されない。現時点の運転状態が出力制限状態である場合には、Ｐｂｏｕ１＜Ｐｂｏｕ０、Ｐｂｏｌ１＞Ｐｂｏｌ０である。不等式Ｐｂｏｕ１＜Ｐｂｏｕ０は、蓄電装置５１からの放電電力の上限値を、通常運転状態のときの上限値よりも小さくすることを意味する。不等式Ｐｂｏｌ１＞Ｐｂｏｌ０は、蓄電装置５１への充電電力の上限値を、通常運転状態のときの上限値よりも小さくすることを意味する。

出力目標値補正ブロック３４Ｂは、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１、及び第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１に基づいて、第１の電気出力目標値Ｐｂｏｔ０を補正して、第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１を生成する。例えば、第１の電気出力目標値Ｐｂｏｔ０が、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１とで定義される範囲から外れている場合には、第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１が、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１とで定義される範囲内に納まるように、第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１を生成する。第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１、第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１、及び第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１が、動力分配ブロック３５に入力される。

動力分配ブロック３５は、油圧負荷要求出力Ｐｈｒ、旋回電動機要求出力Ｐｅｒ、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕ、エンジン出力下限値Ｐｇｏｌ、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１、第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１、及び第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１に基づいて、実際の油圧負荷出力Ｐｈｏ、電動発電機出力Ｐａｏ、及び旋回電動機出力Ｐｅｏを決定する。このとき、エンジン出力Ｐｇｏ（図５）が、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕとエンジン出力下限値Ｐｇｏｌとの範囲内になり、電気出力Ｐｂｏ（図５）が、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１との範囲内になるように、各出力が決定される。

例えば、通常運転状態のときには、蓄電装置５１の入出力電力が、補正前の第１の電気出力上限値Ｐｂｏｕ０と第１の電気出力下限値Ｐｂｏｌ０とで定義される範囲内に納まるように昇降圧コンバータ５２（図３）が制御される。出力制限状態のときには、蓄電装置５１の入出力電力が、補正後の第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１とで定義される範囲内に納まるように昇降圧コンバータ５２（図３）が制御される。

メインコントローラ３０は、これらの決定された出力に基づいて、図２に示したエンジン１１、インバータ１８、２０、及び図３に示した昇降圧コンバータ５２を制御する。

運転状態が「出力制限状態」であるとき、電気出力上限値が「通常運転状態」のときよりも小さくなり、電気出力下限値の絶対値が、「通常運転状態」のときよりも小さくなる。このため、「出力制限状態」のときには、蓄電装置５１の充放電電流の最大値が、「通常運転状態」のときの充放電電流の最大値に比べて小さくなる。このように、蓄電装置５１の内部抵抗の算出値Ｒｉを、昇降圧コンバータ５２の充放電動作の制御に反映させることにより、蓄電装置５１の劣化を抑制することができる。

次に、図７〜図１０Ｂを参照して、動力分配ブロック３５（図６）の処理の一例について説明する。

図７は、旋回電動機要求出力Ｐｅｒと旋回電動機出力Ｐｅｏとの関係を示す。旋回電動機要求出力Ｐｅｒが、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕと第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１と
の合計値Ｐｅｏｍａｘよりも大きい場合、旋回電動機出力Ｐｅｏを、この合計値Ｐｅｏｍａｘに等しくする。すなわち、
Ｐｅｏ＝Ｐｇｏｕ＋Ｐｂｏｕ
とする。これは、旋回電動機出力Ｐｅｏが、エンジン１１と蓄電装置５１とから取り出せる最大パワーを超えないことを意味する。

旋回電動機要求出力Ｐｅｒが、エンジン出力下限値Ｐｇｏｌから油圧負荷要求出力Ｐｈｒと第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１の絶対値を減じた値Ｐｅｏｍｉｎよりも小さい場合には、旋回電動機出力Ｐｅｏを、この値Ｐｅｏｍｉｎに等しくする。すなわち、
Ｐｅｏ＝Ｐｇｏｌ−Ｐｈｒ＋Ｐｂｏｍｉｎ
とする。Ｐｂｏｍｉｎは負の値であるため、上述の式において、Ｐｂｏｍｉｎに付された演算子は「＋」（プラス）である。この式は、エンジン１１から取り出す動力が最も小さくなるようにエンジン１１を動作させた状態で、旋回電動機２１の発電電力が、油圧負荷要求出力Ｐｈｒと蓄電装置５１に供給し得る電力の上限値との合計値を超えないことを意味する。

旋回電動機要求出力Ｐｅｒが、ＰｅｏｍａｘとＰｅｏｍｉｎとの間である場合、旋回電動機出力Ｐｅｏを、旋回電動機要求出力Ｐｅｒに等しくする。すなわち、
Ｐｅｏ＝Ｐｅｒ
とする。この式は、旋回電動機２１に対して、要求通りの出力が確保されることを意味する。

図８は、油圧負荷要求出力Ｐｈｒと油圧負荷出力Ｐｈｏとの関係を示す。油圧負荷要求出力Ｐｈｒが、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕと第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１との合計値から、旋回電動機出力Ｐｅｏを減じた値Ｐｈｏｍａｘを超えた場合、油圧負荷出力Ｐｈｏを、この値Ｐｈｏｍａｘに等しくする。すなわち、
Ｐｈｏ＝Ｐｇｏｕ＋Ｐｂｏｕ１−Ｐｅｏ
とする。これは、油圧負荷出力Ｐｈｏが、エンジン１１と蓄電装置５１とから取り出せる最大パワーから、既に決定された旋回電動機出力Ｐｅｏ分のパワーを引いた残りのパワーを超えないことを意味する。

油圧負荷要求出力Ｐｈｒが、Ｐｈｏｍａｘ以下である場合、油圧負荷出力Ｐｈｏを、油圧負荷要求出力Ｐｈｒと等しくする。すなわち、
Ｐｈｏ＝Ｐｈｒ
とする。これは、油圧負荷に対して、要求どおりの出力が確保されることを意味する。

図９Ａ及び図９Ｂは、第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１と電気出力Ｐｂｏとの関係を示す。図７に示したグラフに基づいて決定された旋回電動機出力Ｐｅｏと、図８に示したグラフに基づいて決定された油圧負荷出力Ｐｈｏとの合計値から、エンジン出力下限値Ｐｇｏｌを減じた値をＰｂｏｍａｘ１とする。旋回電動機出力Ｐｅｏと油圧負荷出力Ｐｈｏとの合計値から、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕを減じた値をＰｂｏｍｉｎ１とする。

図９Ａは、Ｐｂｏｍａｘ１が、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１よりも小さく、かつＰｂｏｍｉｎ１が、第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１よりも大きい場合を示す。第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１が、Ｐｂｏｍａｘ１を超えた場合、電気出力Ｐｂｏを、Ｐｂｏｍａｘ１と等しくする。これは、蓄電装置５１から取り出すことができる電力が十分大きいため、エンジン１１をエンジン出力下限値Ｐｇｏｌで動作させ、蓄電装置５１から余分な電力は取り出さないことを意味する。第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１が、Ｐｂｏｍｉｎ１を下回った場合、電気出力Ｐｂｏを、Ｐｂｏｍａｘ１と等しくする。これは、蓄電装置５１の充電率が十分ではないため、エンジン１１をエンジン出力上限値Ｐｇｏｕで動作させ
、蓄電装置５１に電力を供給することを意味する。

第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１が、Ｐｂｏｍａｘ１とＰｂｏｍｉｎ１との間の場合には、電気出力Ｐｂｏを、第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１と等しくする。これにより、蓄電装置５１の充電率を、充電率の目標値に近づけることができる。

図９Ｂは、Ｐｂｏｍａｘ１が、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１よりも大きく、かつＰｂｏｍｉｎ１が、第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１よりも小さい場合を示す。この場合には、電気出力Ｐｂｏが、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１との間（適正範囲）に収まるように、電気出力Ｐｂｏの上下限値が制限される。

このように、電気出力Ｐｂｏの上限は、Ｐｂｏｕ１とＰｂｏｍａｘ１との小さい方の値で制限され、下限は、Ｐｂｏｌ１とＰｂｏｍｉｎ１との大きい方の値で制限される。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、電動発電機出力Ｐａｏの決定方法を示す線図である。図５から、
Ｐｂｏ＝Ｐａｏ＋Ｐｅｏ
が成立することがわかる。電気出力Ｐｂｏ及び旋回電動機出力Ｐｅｏが決定されたら、上述の式から電動発電機出力Ｐａｏが算出される。

図１０Ａに示すように、電気出力Ｐｂｏが旋回電動機出力Ｐｅｏよりも大きい場合、余剰電力で電動発電機１２をアシスト動作させ、電動発電機出力Ｐａｏを出力する。図１０Ｂに示すように、電気出力Ｐｂｏが旋回電動機出力Ｐｅｏよりも小さい場合、不足電力を供給するために電動発電機１２を発電動作させ、電力−Ｐａｏを出力する。

図１１に、他の構成例によるメインコントローラ３０の電動発電機出力Ｐａｏの決定に関わる機能ブロック図を示す。電気出力決定ブロック３３、補正ブロック３４、及び蓄電装置劣化情報判定ブロック３６の機能は、図６に示した対応するブロックの機能と同一である。

図１１に示した例では、電動発電機出力Ｐａｏの決定のために、旋回電動機要求出力Ｐｅｒ、蓄電装置の電圧Ｖｍ、及び内部抵抗Ｒｉが用いられ、油圧負荷要求出力Ｐｈｒ及びエンジン回転数Ｎａｃｔは用いられない。

電動発電機出力決定ブロック３８が、旋回電動機要求出力Ｐｅｒ、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１、第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１、及び第２の電気出力目標値Ｐｂｏｔ１に基づいて、電動発電機出力Ｐａｏを決定する。

次に、電動発電機出力決定ブロック３８の処理の一例について説明する。例えば、旋回電動機要求出力Ｐｅｒが大きい場合（高速の旋回操作が行われた場合）、旋回電動機２１に十分な電力を供給するために、電動発電機１２の発電運転を行う。蓄電装置５１の内部抵抗Ｒｉが基準値を超えている場合、運転状態記憶部３１が「出力制限状態」に設定されているため、第２の電気出力上限値Ｐｂｏｕ１が、通常運転状態のときの出力上限値よりも小さくなる。電動発電機出力決定ブロック３８は、蓄電装置５１から出力される電力の不足分を補うために、電動発電機出力Ｐａｏを負の大きな値にする（言い換えると、発電される電力を大きくする。）このとき、例えば、電動発電機１２で発電された電力が、蓄電装置５１（図３）に蓄えられることなく、平滑キャパシタ５７を含むＤＣバスライン５３（図３）を経由して旋回電動機２１に供給される。このように、蓄電装置５１の劣化によって蓄電装置５１から十分な電力が取り出せない状況のときにも、電動発電機１２から旋回電動機２１に電力を供給することにより、旋回操作に応じた速度で旋回を行うことが
できる。

出力制限状態のときに、第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１の絶対値が通常運転状態のときの値より小さくなる。すなわち、充電電流の上限値が小さくなる。蓄電装置５１を充電する場合、電動発電機出力決定ブロック３８は、第２の電気出力下限値Ｐｂｏｌ１の絶対値が小さいことを反映して、電動発電機出力Ｐａｏを負の小さな値にする（言い換えると、発電される電力を小さくする。）。このため、通常運転状態のときに比べて小さな充電電流で蓄電装置５１が充電される。これにより、蓄電装置５１の劣化の進行を抑制することができる。

上記実施例では、作業機械の例としてショベルを取り上げたが、上記実施例による蓄電装置の内部抵抗測定技術は、他の作業機械に適用することも可能である。例えば、リフティングマグネット型作業機械等に適用することも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
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
１７ コントロールバルブ
１８、２０ インバータ
２１ 旋回電動機
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 減速機
２６ 操作装置
２７ スタートキー
２９ 圧力センサ
３０ メインコントローラ
３０Ａ 中央処理装置（ＣＰＵ）
３０Ｂ 内部メモリ
３１ 運転状態記憶部
３２ エンジン出力範囲決定ブロック
３３ 電気出力決定ブロック
３３Ａ 電気出力範囲決定ブロック
３３Ｂ 電気出力目標値決定ブロック
３３Ｃ 充電率算出ブロック
３４ 補正ブロック
３４Ａ 出力範囲補正ブロック
３４Ｂ 出力目標値補正ブロック
３５ 動力分配ブロック
３６ 蓄電装置劣化情報判定ブロック
３７ 電動機油圧出力分配ブロック
３８ 電動発電機出力決定ブロック
３９ 表示装置
５０ 蓄電回路
５１ 蓄電装置
５２ 昇降圧コンバータ
５３ ＤＣバスライン
５４Ａ 昇圧用ＩＧＢＴ
５４Ｂ 降圧用ＩＧＢＴ
５５ リアクトル
５６ スイッチング素子
５７ 平滑キャパシタ
５８ 電流センサ
５９ 電圧センサ
６０ 内部抵抗測定装置
６１ 抵抗素子
６２ スイッチング素子
６３ 電流センサ
６４ 電圧センサ
６５ 処理装置

Claims (8)

1. 電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、
   前記蓄電装置の充放電を行う昇降圧コンバータと、
   前記昇降圧コンバータを経由することなく前記蓄電装置からの放電電流を流すとともに、前記蓄電装置の内部抵抗を測定する内部抵抗測定装置と
   を有する作業機械。
2. さらに、前記蓄電装置と前記昇降圧コンバータとを接続する電流路の開閉を行う第１のスイッチング素子を有し、
   前記内部抵抗測定装置は、前記第１のスイッチング素子を経由することなく前記蓄電装置に接続されている請求項１に記載の作業機械。
3. さらに、前記第１のスイッチング素子の開閉動作、及び前記昇降圧コンバータの充放電動作を制御するメインコントローラを有し、
   前記内部抵抗測定装置は、前記第１のスイッチング素子がオフの期間に、前記蓄電装置の内部抵抗に依存する物理量を取得する請求項２に記載の作業機械。
4. 前記内部抵抗測定装置は、前記蓄電装置の内部抵抗に依存する物理量に基づいて内部抵抗を算出する処理装置を含み、
   前記処理装置は、前記第１のスイッチング素子がオフの期間に、前記メインコントローラとは独立して前記物理量を取得する請求項３に記載の作業機械。
5. さらに、前記メインコントローラの作動開始及び作動停止の操作を行うスタートキーを有し、
   前記処理装置は、前記スタートキーによって前記メインコントローラの作動開始の操作が行われた後に、内部抵抗の算出結果を前記メインコントローラに送信する請求項４に記載の作業機械。
6. 前記メインコントローラは、前記内部抵抗測定装置から送られた前記蓄電装置の内部抵抗の算出値を、前記昇降圧コンバータの充放電動作の制御に反映させる請求項５に記載の作業機械。
7. さらに、
   動力を発生するエンジンと、
   前記エンジンからの動力によって駆動されて発電を行い、前記蓄電装置を充電するとともに、前記蓄電装置からの電力によって前記エンジンをアシストする電動発電機と、
   前記エンジン及び前記電動発電機からの動力によって駆動される機械負荷と、
   前記蓄電装置からの電力によって駆動される電気負荷と
   を有し、
   前記メインコントローラは、前記機械負荷及び前記電気負荷に要求される動力及び電力に応じて、前記エンジンから取り出す動力、及び蓄電装置に流出入する電力を管理するエネルギ管理を行い、さらに、前記内部抵抗測定装置から送られた前記蓄電装置の内部抵抗の算出値を、前記エネルギ管理に反映させる請求項６に記載の作業機械。
8. エンジン、電動発電機、蓄電装置、及びメインコントローラを搭載し、前記メインコントローラが前記エンジン、前記電動発電機、前記蓄電装置の動作の制御を行う作業機械の前記メインコントローラに、動作開始及び動作停止を指令するメインキーにより、動作停止が指令された後、前記メインコントローラとは独立して動作する内部抵抗測定装置で前記蓄電装置の内部抵抗を測定する工程と、
   前記メインキーにより動作開始が指令された後、前記内部抵抗測定装置から前記メインコントローラに、前記蓄電装置の内部抵抗の測定値を送信する工程と
   を有する作業機械の制御方法。

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