JP5283515B2 - キャパシタ劣化判断方法及び作業機械 - Google Patents

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Description

本発明は、キャパシタの劣化状態を判断する方法、及びその方法を適用したキャパシタを有する作業機械に関する。
近年、建設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油圧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、キャパシタ等に蓄積される。
キャパシタは、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。キャパシタ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)。
特開2007−155586号公報
キャパシタの劣化状態の検出精度が低く、キャパシタが劣化しているにも関わらず、通常の運転が継続される場合がある。劣化したキャパシタを用いて通常運転を継続することは、キャパシタの寿命を縮めることになる。
本発明の目的は、キャパシタの劣化判断を、より高精度に行う方法を提供することである。本発明の他の目的は、この方法を採用した作業機械を提供することである。
本発明の一観点によると、
キャパシタと、
電動機と、
前記キャパシタから前記電動機に電力を供給する放電状態と、前記電動機で発電された電力により前記キャパシタを充電する充電状態とを切り替える制御を行うコンバータと
を有する作業機械の前記キャパシタの劣化判断方法であって、
前記キャパシタの内部抵抗及び静電容量を測定する工程と、
前記キャパシタの内部抵抗に依存し、該内部抵抗の増加に関して単調に変化する内部抵抗劣化指数、及び前記キャパシタの静電容量に依存し、該静電容量の低下に関して単調に
変化する静電容量劣化指数を、測定された前記内部抵抗及び前記静電容量から算出する工程と、
前記内部抵抗劣化指数を一方の軸とし、前記静電容量劣化指数を他方の軸とする直交座標系を定義し、該座標系内に、前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に0となる開始点、及び前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に許容限界値となる許容限界点を対角の2つの頂点とする長方形を定義し、該長方形の開始点に連続する一対の辺のうち一方の辺上の、両端を除く点と、他方の辺上の、両端を除く点とを、前記長方形内を通って結ぶ第1の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第1の境界線を越えているか否かを判定する工程と、
前記現在の状態を示す点が、前記第1の境界線を越えているき、前記キャパシタが第1の劣化状態にあると認定する工程と
を有する作業機械のキャパシタ劣化判断方法が提供される。
本発明の他の観点によると、
キャパシタと、
電動機と、
前記キャパシタから前記電動機に電力を供給する放電状態と、前記電動機で発電された電力により前記キャパシタを充電する充電状態とを切り替える制御を行うコンバータと、
前記キャパシタの充電電流及び放電電流を測定する電流計と、
前記キャパシタ電圧を測定する電圧計と、
制御装置と
表示装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記キャパシタの電圧値及び前記キャパシタの充電電流または放電電流の電流値に基づいて、前記キャパシタの内部抵抗及び静電容量を算出し、
前記キャパシタの内部抵抗に依存し、該内部抵抗の増加に関して単調に変化する内部抵抗劣化指数、及び静電容量の低下量に依存し、該静電容量の低下に関して単調に変化する静電容量劣化指数を、算出された前記内部抵抗及び前記静電容量に基づいて計算し、
前記内部抵抗劣化指数を一方の軸とし、前記静電容量劣化指数を他方の軸とする直交座標系を定義し、該座標系内に、前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に0となる開始点、及び前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に許容限界値となる許容限界点を対角の2つの頂点とする長方形を定義し、該長方形の開始点に連続する一対の辺のうち一方の辺上の、両端を除く点と、他方の辺上の、両端を除く点とを、前記長方形内を通って結ぶ第1の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第1の境界線を越えているか否かを判定し、
前記現在の状態を示す点が、前記第1の境界線を越えているとき、前記キャパシタが第1の劣化状態にあることを、前記表示装置に表示する作業機械が提供される。
内部抵抗と静電容量との両方を用いて劣化度を判定することにより、判定の精度を高めることができる。
実施例によるキャパシタ劣化判断方法が適用される作業機械の側面図である。 図1に示した作業機械のブロック図である。 コンバータの等価回路図である。 キャパシタの等価回路図である。 キャパシタの内部抵抗を求める際のキャパシタの充電率、電流、及び電圧の時間変化の一例を示すグラフである。 (6A)は、電気二重層キャパシタの等価回路図であり、(6B)は、(6A)の等価回路図を、より簡単化した等価回路図であり、(6C)は、静電容量を求める際の電圧の変化の一例を示すグラフである。 (7A)及び(7B)は、キャパシタの劣化判断方法で用いられる座標系を示す線図である。
図1に、実施例によるキャパシタ劣化判断方法が適用されるハイブリッド型作業機械の側面図を示す。下部走行体1に、旋回機構2を介して上部旋回体3が搭載されている。旋回機構2は、電動機(モータ)を含み、上部旋回体3を時計回り、または反時計周りに旋回させる。上部旋回体3に、ブーム4が取り付けられている。ブーム4は、油圧駆動されるブームシリンダ7により、上部旋回体3に対して上下方向に揺動する。ブーム4の先端に、アーム5が取り付けられている。アーム5は、油圧駆動されるアームシリンダ8により、ブーム3に対して前後方向に揺動する。アーム5の先端にバケット6が取り付けられている。バケット6は、油圧駆動されるバケットシリンダ9により、アーム5に対して上下方向に揺動する。上部旋回体3には、さらに運転者を収容するキャビン10が搭載されている。
図2に、ハイブリッド型作業機械のブロック図を示す。図2において、機械的駆動系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気駆動制御系を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。
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、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(IMP)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。この出力軸には、メインポンプ14の駆動軸が連結されている。
エンジン11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、エンジン11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、制御装置30により行われる。
制御装置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に格納されている駆動制御用プログラムを実行する。制御装置30は、表示装置35に、各種装置の劣化状態等を表示することにより、運転者の注意を喚起する。
メインポンプ14は、高圧油圧ライン16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、運転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に示した旋回機構2を時計回り、及び反時計回りに旋回させる回転力を発生する。
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90に接続されている。インバータ18は、制御装置30からの指令に基づき、電動発電機12の運転制御を行う。蓄電回路90は、他のインバータ20を介して旋回用電動機21に接続されている。蓄電回路90及びインバータ20は、制御装置30により制御される。
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90からインバータ18を介して電動発電機12に供給される。電動発電機12が発電運転されている期間は、電動発電機12によって発電された電力が、インバータ18を介して蓄電回路90に供給される。
旋回用電動機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、力行運転及び回生運転の双方の運転を行うことができる。旋回用電動機21には、例えばIMPモータが用いられる。IMPモータは、回生時に大きな誘導起電力を発生する。
旋回用電動機21が力行運転されている期間は、旋回用電動機21の回転力が減速機24を介して、図1に示した旋回機構2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、旋回用電動機21で発生した回転力が増大して、旋回機構2に伝達される。また、回生運転時には、上部旋回体3の回転運動が、減速機24を介して旋回用電動機21に伝達されることにより、旋回用電動機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、旋回用電動機21の回転数を上昇させることができる。
レゾルバ22が、旋回用電動機21の回転軸の回転方向の位置を検出する。検出結果は、制御装置30に入力される。旋回用電動機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、旋回用電動機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、制御装置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25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、運転者によって操作される。操作装置26は、パイロットライン25から供給される1次側の油圧を、運転者の操作に応じて、2次側の油圧に変換する。2次側の油圧は、油圧ライン27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28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、制御装置30に入力される。これにより、制御装置30は、下部走行体1、旋回機構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作業機械では、油圧モータ1A、1Bのみならず、旋回用電動機21も旋回機構2を駆動する。このため、旋回機構2を制御す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。制御装置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。
さらに、制御装置30は、下部走行体1、旋回機構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90の等価回路図を示す。蓄電回路90は、DCバスライン(一定電圧蓄積部)110、コンバータ100、及びキャパシタ(変動電圧蓄積部)19を含む。コンバータ100の一対の電源接続端子103A、103Bにキャパシタ19が接続されており、一対の出力端子104A、104BにDCバスライン110が接続されている。一方の電源接続端子103B、及び一方の出力端子104Bは接地されている。キャパシタ19には、例えば電気二重層キャパシタが用いられる。
DCバスライン110は、インバータ18を介して電動発電機12に接続されるとともに、他のインバータ20を介して旋回用電動機21に接続されている。DCバスライン110に発生している電圧が、DCバス用電圧計111により測定され、測定結果が制御装置30に入力される。DCバスライン110の接地ラインと高圧ラインとの間に、平滑キャパシタ105が接続されている。
昇圧用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)102Aのコレクタと、降圧用のIGBT102Bのエミッタとが相互に接続された直列回路が、出力端子104Aと104Bとの間に接続されている。昇圧用IGBT102Aのエミッタが接地され、降圧用IGBT102Bのコレクタが、高圧側の出力端子104Aに接続されている。昇圧用IGBT102Aと降圧用IGBT102Bの相互接続点が、リアクトル101を介して、高圧側の電源接続端子103Aに接続されている。
昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bに、それぞれダイオード102a、102bが、エミッタからコレクタに向かう向きが順方向になる向きで並列接続されている。電源接続端子103Aと103Bとの間に接続されたバッテリ用電圧計106が、キャパシタ19の端子間電圧を測定する。リアクトル101に直列に挿入されたバッテリ用電流計107が、キャパシタ19の充放電電流を測定する。電圧及び電流の測定結果は、制御装置30に入力される。
制御装置30が、昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bのゲート電極に、制御用のパルス幅変調(PWM)電圧を印加する。
制御装置30は、内部メモリ30Bを含む。内部メモリ30Bには、内部抵抗許容限度記憶部31A及び静電容量許容限度記憶部31Bが確保されている。これらの役割については、図7A及び図7Bを参照しながら後述する。
以下、昇圧動作(放電動作)について説明する。昇圧用IGBT102Aのゲート電極にPWM電圧を印加する。昇圧用IGBT102Aのオフ時に、リアクトル101に、高圧側の電源接続端子103Aから昇圧用IGBT102Aのコレクタに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この起電力が、ダイオード102bを介してDCバスライン110に印加される。これにより、DCバスライン110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IGBT102Bのゲート電極に、PWM電圧を印加する。降圧用IGBT102Bのオフ時に、リアクトル101に、降圧用IGBT102Bのエミッタから高圧側の電源接続端子103Aに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この誘導起電力により、キャパシタ19が充電されるとともに、DCバスライン110が降圧される。
DCバスライン110に発生している電圧が一定値になるように、コンバータ100が制御される。また、キャパシタ19の端子間電圧は、充放電によって変動する。このため、DCバスライン110を一定電圧蓄積部と呼び、キャパシタ19を変動電圧蓄積部と呼ぶことができる。以降の説明では、キャパシタ19を放電する向きの電流を正とし、充電する向きの電流を負とする。
次に、図4及び図5を参照して、キャパシタ19の内部抵抗の測定方法について説明する。内部抵抗の測定は、制御装置30によって行われる。
図4に、キャパシタ19の等価回路図を示す。キャパシタ19は、相互に直列に接続された静電容量Cと内部抵抗Rとで表すことができる。キャパシタ19の端子間電圧Vmは、静電容量Cに発生している電圧Vcと、内部抵抗Rによる電圧降下Vrとの和で表される。キャパシタ19の充放電電流をIとすると、放電電流の向きを正としたため、Vr=−R×Iが成立する。
端子間電圧Vmは、図3に示したバッテリ用電圧計106で測定され、電流Iは、バッテリ用電流計107で測定される。
図5に、静電容量Cの充電率SOC、電流I、電圧Vmの時間変化の一例を示す。時刻0〜tの期間は、電流Iが負である。すなわち、キャパシタ19の充電が行われている。このため、充電率SOCが徐々に上昇している。
時刻t〜tの期間は、電流Iがほぼ0である。すなわち、キャパシタ19には充電が行われず、キャパシタ19からの放電も行われない。このとき、作業機械は非動作状態であり、エンジン11は、一定回転数が維持されているアイドリング状態である。また、キャパシタ19の端子間電圧Vm及び充電率SOCはほぼ一定である。
時刻tにおいて、エンジン11の回転数を一定に維持したまま、電動発電機12を発電状態にすると共に、コンバータ100を充電状態にする。時刻tまたはその直後の電流I及び電圧Vmを測定する。時刻tにおける電流の測定結果をI、電圧の測定結果をVとする。
コンバータ100の充電動作が安定するまで待機する。電流が、予め定められた値になったとき、電流が安定したと判断する。このときの時刻をtとする。時刻tまたはその直後における電流I及び電圧Vmを測定する。電流の測定結果をI、電圧の測定結果をVとする。
時刻t〜tの期間は、充電電流が単調に増加し、充電率SOCが上昇する。時刻tからtまでの時間、及び時刻tからtまでの時間は、実際には、それぞれ数十ミリ秒、及び数十〜数百ミリ秒である。
時刻tからtまでのキャパシタ19の蓄積電荷量の増加量をΔQとすると、内部抵抗Rは以下の式で表される。
時刻tからtまでの待機時間は十分短く、静電容量Cが十分大きいため、上式の右辺第2項はほぼ0と近似することができる。従って、電圧及び電流の測定値から、内部抵抗Rを算出することができる。
なお、電流I及び電圧Vとして、時刻t〜tの期間の電流及び電圧の平均値を採用し、電流I及び電圧Vとして、時刻t〜tの期間の電流及び電圧の平均値を採用してもよい。
次に、図6A〜図6Cを参照して、静電容量の測定方法について説明する。
図6Aに、キャパシタ19に電気二重層キャパシタを用いた場合の等価回路図を示す。電気二重層キャパシタでは、活性層がアニオン(陰イオン)とカチオン(陽イオン)を補足する電極として機能する。この活性層には多数の孔が存在する。活性層の表面に起因する静電容量と、孔の奥部に起因する静電容量とでは、内部抵抗が大きく異なる。このため、キャパシタ19は、内部抵抗の異なるn個の静電容量C〜Cの並列接続として表すことができる。静電容量C〜Cには、それぞれ内部抵抗R〜Rが直列に挿入されている。
図6Bに、キャパシタ19の、より単純化した等価回路図を示す。単純化した等価回路図では、内部抵抗が相対的に小さい静電容量Cと、内部抵抗が相対的に大きい静電容量Cとで表される。一対の電極間に、静電容量Cと内部抵抗Rとの直接回路が挿入される。さらに、静電容量Cと内部抵抗Rとの直接回路が、静電容量Cに並列に接続される。
静電容量Cの端子間電圧をVとし、静電容量Cの端子間電圧をVとする。静電容量CとC、及び内部抵抗Rとで構成される閉回路の時定数が、静電容量Cと内部抵抗Rとで構成される直列回路の時定数に比べて十分大きい。このため、数秒以下の急速充電時、及び急速放電時には、静電容量Cのみが充放電される。数時間程度の緩和充電時、及び緩和放電時には、静電容量Cの充放電も行われる。
図6Cに、電圧VとVとの時間変化の一例を示す。図中の実線が電圧Vを示し、破線が電圧Vを示す。時刻0からt1までの期間は、運転動作が行われている。すなわち、キャパシタ19の充電及び放電が行われている。キャパシタ19が放電されている期間は電圧Vが低下し、充電されている期間は電圧Vが上昇する。電圧Vが電圧Vよりも高い期間は、静電容量Cへの充電が行われるため、電圧Vが上昇し、電圧Vが電圧Vよりも低い期間は、静電容量Cからの放電が行われるため、電圧Vが低下する。ただし、静電容量Cの充放電の時定数が大きいため、電圧Vの変化は、電圧Vの変化に比べて緩やかである。
時刻tにおいて、運転を停止させる。すなわち、キャパシタ19への充放電が行われなくなる。このため、電圧Vと電圧Vとが等しくなるまで、静電容量CとCとの間で電荷が移動する。時刻tにおいて、電圧Vと電圧Vとが等しくなる。このときの電圧をVとする。
時刻tにおいて、キャパシタ19の充電を開始する。この充電は、インバータ18を制御して電動発電機12を発電状態にし、コンバータ100を制御して充電状態にすることにより行われる。キャパシタ19が充電されることにより、電圧V及びVが上昇する。キャパシタCの充電は緩やかに進むため、電圧Vの上昇は緩やかである。時刻tにおいて、充電動作を停止させる。充電動作を停止させた直後の電圧Vの値をVとする。
時刻t以降は、電圧VとVとが等しくなるまで、静電容量Cから静電容量Cへの電荷の移動が緩やかに生じる。時刻tからtまでの期間が十分に短い場合には、静電容量Cから静電容量Cへの電荷の移動がほとんど無視できる。この条件の下で、静電容量Cは、次の式で求めることができる。

ここで、電流Iは、キャパシタ19に流れる電流である。I(t)にマイナス符号を付しているのは、放電電流の向きを正としたためである。電流I(t)は、バッテリ用電流計107で測定することができる。例えば、極短い時間刻み幅で電流を測定し、測定結果を数値積分することにより、上述の式の積分項の値が求まる。
時刻tにおける充電動作開始の直前、及び時刻tにおける充電動作停止の直後は、キャパシタ19の充放電電流は0であるため、内部抵抗Rによる電圧降下は生じない。このため、電圧V及びVは、それぞれ時刻t及びtにおいてバッテリ用電圧計106で測定される電圧に等しい。数値積分の結果、及び時刻t及びtにおいてそれぞれ測定された電圧V及びVから、静電容量Cを算出することができる。
次に、図7Aを参照して、キャパシタ19の劣化状態を判断する方法について説明する。以下に説明する判断は、制御装置30に格納されたプログラムにより行われる。
図7Aに、内部抵抗を横軸とし、静電容量を縦軸とした直交座標系を示す。図7Aにおいて、静電容量は、図6Bに示した静電容量Cを意味することとする。キャパシタ19の初期状態の内部抵抗をRとし、静電容量をCとする。キャパシタ19は、充放電の繰り返しや、発熱等によって劣化が進むことにより、内部抵抗が上昇し、かつ静電容量が低下する。図7Aの座標系において、内部抵抗と静電容量とで示される点は、劣化が進むに従って右下に向かって移動する。
通常、内部抵抗R及び静電容量Cの許容限界値が、初期値R及びCに対する比率で定義される。例えば、内部抵抗Rの許容限界値を、初期値Rのn倍とし、静電容量Cの許容限界値を、初期値Cのn倍とする。nを内部抵抗の上昇許容率と呼び、nを静電容量の低下許容率とよぶこととする。上昇許容率n及び低下許容率nは、それぞれ図3に示した内部抵抗許容限度記憶部31A及び静電容量許容限度記憶部31Bに記憶されている。内部抵抗の上昇許容率nは、1より大きい実数であり、静電容量の低下許容率nは0より大きく、1より小さい実数である。
図7Aに示した座標系において、内部抵抗が初期値Rであり、静電容量が初期値Cである開始点Pと、内部抵抗がnであり、静電容量がnである許容限界点Pとを対角の頂点とする長方形Sを定義する。長方形Sの開始点Pに連続する一対の辺のうち一方の辺上の点(m,C)から、他方の辺上の点(R,m)までを、長方形S内を通って結ぶ第1の境界線LBを定義する。ここで、mは、1より大きく、nより小さい実数であり、mは、1より小さく、nより大きい実数である。第1の境界線LB の定義方法の具体例については、後に図7(B)を参照して説明する。
さらに、長方形Sの開始点P及び許容限界点P以外の2つの頂点を通り、開始点Pから見て第1の境界線LBよりも外側であって、長方形Sの内部を通過する第2の境界線LBを定義する。第2の境界線LB の定義方法の具体例については、後に図7(B)を参照して説明する。第1の境界線LB、及び第2の境界線LBは、制御装置30に予め記憶されている。
制御装置30は、図4〜図6Cを参照して説明した方法で、内部抵抗R及び静電容量Cを測定する。図7Aに示した座標系内で、測定された内部抵抗R及び静電容量Cで示される現在の状態を示す点が、開始点Pから見て、第1の境界線LBまたは第2の境界線LBを越えているか否かを判定する。第1の境界線LBを越えている場合には、キャパシタ19は第1の劣化状態(軽劣化状態)と判定される。また、第2の境界線LBを越えている場合には、キャパシタ19は第2の劣化状態(重劣化状態)と判定される。
上述の方法では、キャパシタ19の静電容量のうち、図6Bに示した静電容量Cのみについて劣化判断を行い、静電容量Cについては、測定及び劣化判断を行わなかった。ただし、静電容量CとCとは、1つの電気二重層キャパシタにより生ずるものであるため、静電容量Cの劣化は、静電容量Cの劣化とほぼ同時に進行する。従って静電容量Cにのみ着目して判定した劣化状態は、静電容量Cを含むキャパシタ19の劣化状態を反映していると考えることができる。
次に、図7Bを参照して、キャパシタ19の劣化状態を判断する他の方法について説明する。
内部抵抗Rと静電容量Cにより、下記の内部抵抗劣化判断指数SOHRと、静電容量劣化判断指数SOHCとを定義する。
内部抵抗R=R、静電容量C=Cのとき、すなわち初期状態のとき、SOHR及びSOHCは共に1になる。また、内部抵抗R=n、静電容量C=nのとき、SOHR及びSOHCは共に0になる。
図7Bに示すように、横軸を内部抵抗劣化判断指数SOHRとし、縦軸を静電容量劣化判断指数SOHCとする直交座標系を定義する。図7Aに示した座標系内の点と、図7Bに示した座標系内の点とは、1対1に対応する。従って、図7Bに示した座標系内に、開始点P、限界許容点P、長方形S、第1の境界線LB、及び第2の境界線LBが定義される。開始点Pの座標は(1,1)であり、限界許容点Pの座標は(0,0)である。従って、長方形Sは、実際には正方形になる。
第1の境界線LBを、開始点Pを中心とし、長軸が横軸または縦軸に平行になる楕円の1/4の部分とする。第2の境界線LBを、開始点Pを中心とし、半径1の円周の1/4の部分とする。
このように定義することにより、現時点の内部抵抗R、静電容量Cが、第1の境界線LBまたは第2の境界線LBを越えているか否かの判定を、簡単な代数計算により行うことが可能になる。
内部抵抗劣化判断指数及び静電容量劣化判断指数として、他の指数を採用してもよい。ただし、内部抵抗劣化判断指数は、キャパシタの内部抵抗に依存し、内部抵抗の増加に関して単調に変化するように定義する必要がある。また、静電容量劣化指数は、キャパシタの静電容量に依存し、静電容量の低下に関して単調に変化するように定義する必要がある。
制御装置30は、キャパシタ19が第1の劣化状態であると判定した場合には、例えば表示装置35に警報を表示し、運転者に注意を喚起する。または、充放電電流が、予め決められている上限値以下の範囲内になるように、コンバータ100を制御するようにしてもよい。充放電電流を小さくすることにより、劣化の進みを抑制することができる。また、キャパシタ19が第2の劣化状態であると判定された場合には、コンバータ100を制御して、充放電動作を停止させるようにしてもよい。
上記実施例では、内部抵抗と静電容量との両方に基づいて、キャパシタ19の劣化度を判定している。このため、内部抵抗のみ、または静電容量のみに基づいて劣化度を判定する場合に比べて、判定精度を高めることができる。
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 旋回機構
3 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
10 キャビン
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 インバータ
19 キャパシタ(バッテリ、変動電圧蓄積部)
21 旋回用電動機
22 レゾルバ
23 メカニカルブレーキ
24 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 制御装置
35 表示装置
90 蓄電回路
100 コンバータ
102A 昇圧用IGBT
102B 降圧用IGBT
102a、102b ダイオード
103A、103B 電源接続端子
104A、104B 出力端子
105 平滑用コンデンサ
106 バッテリ用電圧計
107 バッテリ用電流計
110 DCバスライン(一定電圧蓄積部)
111 DCバス用電圧計

Claims (8)

  1. キャパシタと、
    電動機と、
    前記キャパシタから前記電動機に電力を供給する放電状態と、前記電動機で発電された電力により前記キャパシタを充電する充電状態とを切り替える制御を行うコンバータと
    を有する作業機械の前記キャパシタの劣化判断方法であって、
    前記キャパシタの内部抵抗及び静電容量を測定する工程と、
    前記キャパシタの内部抵抗に依存し、該内部抵抗の増加に関して単調に変化する内部抵抗劣化指数、及び前記キャパシタの静電容量に依存し、該静電容量の低下に関して単調に変化する静電容量劣化指数を、測定された前記内部抵抗及び前記静電容量から算出する工程と、
    前記内部抵抗劣化指数を一方の軸とし、前記静電容量劣化指数を他方の軸とする直交座標系を定義し、該座標系内に、前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に0となる開始点、及び前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に許容限界値となる許容限界点を対角の2つの頂点とする長方形を定義し、該長方形の開始点に連続する一対の辺のうち一方の辺上の、両端を除く点と、他方の辺上の、両端を除く点とを、前記長方形内を通って結ぶ第1の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第1の境界線を越えているか否かを判定する工程と、
    前記現在の状態を示す点が、前記第1の境界線を越えているき、前記キャパシタが第1の劣化状態にあると認定する工程と
    を有する作業機械のキャパシタ劣化判断方法。
  2. 前記内部抵抗劣化指数が、前記キャパシタの内部抵抗の値自体であり、前記静電容量劣化指数が、前記静電容量の値自体である請求項1に記載の作業機械のキャパシタ劣化判断方法。
  3. 前記内部抵抗劣化指数SOHR、及び前記静電容量劣化指数SOHCは、前記キャパシタの内部抵抗の初期値をR、現時点の測定値をR、静電容量の初期値をC、現時点の
    測定値をCとしたとき、

    (nは1より大きな実数、nは0より大きく、1より小さな実数)
    と定義され、
    前記第1の境界線は、前記開始点を中心とする楕円または円の一部分である請求項1に記載の作業機械のキャパシタ劣化判断方法。
  4. さらに、
    前記長方形の前記開始点及び許容限界点以外の2つの頂点を通り、前記開始点から見て前記第1の境界線よりも外側であって、前記長方形の内部を通過する第2の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第2の境界線を越えているか否かを判定する工程と、
    前記現在の状態を示す点が、前記第2の境界線を越えているき、前記キャパシタが第2の劣化状態にあると認定する工程と
    を有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の作業機械のキャパシタ劣化判断方法。
  5. キャパシタと、
    電動機と、
    前記キャパシタから前記電動機に電力を供給する放電状態と、前記電動機で発電された電力により前記キャパシタを充電する充電状態とを切り替える制御を行うコンバータと、
    前記キャパシタの充電電流及び放電電流を測定する電流計と、
    前記キャパシタ電圧を測定する電圧計と、
    制御装置と
    表示装置と
    を有し、
    前記制御装置は、
    前記キャパシタの電圧値及び前記キャパシタの充電電流または放電電流の電流値に基づいて、前記キャパシタの内部抵抗及び静電容量を算出し、
    前記キャパシタの内部抵抗に依存し、該内部抵抗の増加に関して単調に変化する内部抵抗劣化指数、及び静電容量の低下量に依存し、該静電容量の低下に関して単調に変化する静電容量劣化指数を、算出された前記内部抵抗及び前記静電容量に基づいて計算し、
    前記内部抵抗劣化指数を一方の軸とし、前記静電容量劣化指数を他方の軸とする直交座標系を定義し、該座標系内に、前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に0となる開始点、及び前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に許容限界値となる許容限界点を対角の2つの頂点とする長方形を定義し、該長方形の開始点に連続する一対の辺のうち一方の辺上の、両端を除く点と、他方の辺上の、両端を除く点とを、前記長方形内を通って結ぶ第1の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第1の境界線を越えているか否かを判定し、
    前記現在の状態を示す点が、前記第1の境界線を越えているとき、前記キャパシタが第1の劣化状態にあることを、前記表示装置に表示する作業機械。
  6. 前記内部抵抗劣化指数が、算出された内部抵抗の値自体であり、前記静電容量劣化指数が、算出された静電容量の値自体である請求項5に記載の作業機械。
  7. さらに、
    前記キャパシタの内部抵抗の増加率の許容限度を記憶する内部抵抗許容限度記憶部と、
    前記キャパシタの静電容量の低下率の許容限度を記憶する静電容量許容限度記憶部と
    を有し、
    前記許容限界点は、前記内部抵抗許容限度記憶部及び前記静電容量許容限度記憶部に記憶されている許容限度に基づいて決定され、
    前記内部抵抗劣化指数SOHR、及び前記静電容量劣化指数SOHCは、前記キャパシタの内部抵抗の初期値をR、現時点の測定値をR、静電容量の初期値をC、現時点の測定値をC、前記内部抵抗許容限度記憶部に記憶されている許容限度をn、前記静電容量許容限度記憶部に記憶されている許容限度をnとしたとき、

    と定義され、
    前記第1の境界線は、前記開始点を中心とする楕円または円の一部分である請求項5に記載の作業機械。
  8. さらに、
    前記制御装置は、
    前記長方形の前記開始点及び許容限界点以外の2つの頂点を通り、前記開始点から見て前記第1の境界線よりも外側であって、前記長方形の内部を通過する第2の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第2の境界線を越えているか否かを判定し、
    前記現在の状態を示す点が、前記第2の境界線を越えているとき、前記キャパシタが第2の劣化状態にあることを、前記表示装置に表示する請求項5乃至7のいずれか1項に記載の作業機械。
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