JP5355279B2

JP5355279B2 - ハイブリッド型作業機械及びハイブリッド型作業機械の制御方法

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Publication number: JP5355279B2
Application number: JP2009176107A
Authority: JP
Inventors: 和也横山; 寛寺井
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: JP2011030389A

Description

本発明は、蓄電装置（バッテリ）に蓄電された電気エネルギを利用して駆動系を駆動するハイブリッド型作業機械、及びその制御方法に関する。

ハイブリッド建設機械は、（ｉ）充放電可能な蓄電装置、（ｉｉ）蓄電装置の電圧を昇圧して、電動発電機を駆動する三相交流に変換し、また、電動発電機によって発電された三相交流を直流に変換して、蓄電装置電圧まで降圧し蓄電装置に充電する双方向電力移送システム、（ｉｉｉ）インバータからの三相交流電力で駆動され、制動トルクを受けるときには発電機としてエネルギ回生を行う電動発電機を含んで構成される。電動発電機は、ハイブリッド建設機械の駆動系を駆動する。また、ハイブリッド建設機械は、エンジンと油圧ポンプを用いて駆動される駆動系をも含む。

ハイブリッド建設機械の蓄電装置には、たとえば電気二重層キャパシタなどの蓄電素子を多数、直列に接続したものが使用される。直列接続された各々の電気二重層キャパシタはセルと呼ばれる。蓄電素子間に存する特性のばらつきにより、蓄電装置の各セルに電圧が均等に分配されない場合がある。これを防止するため、電圧均等化回路が使用される。

図８に、電圧均等化回路の接続された蓄電装置を示す。本図には、並列モニタと呼ばれる電圧均等化回路が接続された例を示した。

蓄電装置の蓄電部は、直列接続されたｎ個の電気二重層キャパシタ（セルＣ_１〜Ｃ_ｎ）により構成される。並列モニタ５０は、各セルＣ_１〜Ｃ_ｎに１つずつ並列接続される。並列モニタ５０は、比較器５０ａ及び半導体スイッチ５０ｂを含んで構成される。比較器５０ａにより、各セルの端子間電圧が、あらかじめ設定した電圧値（作動電圧Ｖｚ）よりも大きいか否かが比較判定され、大きい場合には、半導体スイッチ５０ｂがオンする。その結果、セルの端子間に放電電流（バイパス電流、均等化電流）が流れ、セルの端子間電圧が所定値（作動電圧Ｖｚ）以下に保たれる。本図においては、セルＣ_ｋ(k=1,2,…,n)の端子間電圧が作動電圧Ｖｚより大きい場合に流れる放電電流をＩ_ｋ(k=1,2,…,n)と表示した。電流Ｉ_ｋが流れる放電路（バイパス回路）は半導体スイッチ５０ｂと均等化電流制限抵抗Ｒを含んで構成される。

なお、作動電圧Ｖｚは、蓄電装置満充電電圧をｎで除し、各セル当たりに換算された満充電電圧の近傍の電圧に設定される。

並列モニタ方式で電圧の均等化を行う技術は、たとえば特許文献１や特許文献２に記載されている。

図９（Ａ）に、特許文献１記載の均等化回路を示す。本図においては、セルＣ_１、Ｃ_２の内部抵抗をＲ_１、Ｒ_２、端子間電圧をＶ_１、Ｖ_２と表した。セルＣ_１、Ｃ_２にそれぞれ並列に接続される並列モニタ均等化回路はたとえば等しい回路であり、抵抗Ｒ_ａ〜Ｒ_ｄ、シャントレギュレータＸ、トランジスタＱ、及びダイオードＤを含む。

各並列モニタ均等化回路は、回路両端子間の電圧（セルの端子間電圧）を抵抗で分圧して、検出素子で検出することにより、回路両端子間の電圧が作動電圧以上になっているか否かを判定し、作動電圧以上であれば半導体スイッチをオンして、バイパス回路で回路両端間を電流リークさせる。

図示の均等化回路においては、セルの電圧をＲ_ａ：Ｒ_ｂに分割し、Ｒ_ｂに対応する電圧がシャントレギュレータＸのリファレンス電圧を超えると、シャントレギュレータＸがトランジスタＱをオンして、セルの電荷がトランジスタＱ及び抵抗Ｒ_ｄを通ってリークする。セルＣ_１、Ｃ_２のそれぞれの放電電流をＩ_１、Ｉ_２と示した。

（数１）
（作動電圧Ｖｚ）：（Ｘのリファレンス電圧）＝（Ｒ_ａ＋Ｒ_ｂ）：Ｒ_ｂ
であるため、

（数２）
（作動電圧Ｖｚ）＝（Ｘのリファレンス電圧）×（Ｒ_ａ＋Ｒ_ｂ）／Ｒ_ｂ
となる。

なお、ダイオードＤは回路保護のために用いられている。

この均等化回路における放電電流は、トランジスタのコレクタに接続する抵抗、あるいはベース入力で制限して、トランジスタの定格電流（半導体スイッチ許容電流）以内とされる。

図９（Ｂ）は、並列モニタ電圧（セルの端子間電圧）Ｖと並列モニタ電流（放電電流）Ｉの関係を示すグラフである。グラフの横軸は並列モニタ電圧、縦軸は並列モニタ電流を示す。並列モニタ電圧Ｖが作動電圧Ｖｚとなったとき、トランジスタＱがオンし、ある大きさの放電電流が流れはじめる。すなわちＶ＝ＶｚのときＩが垂直に立ち上がる、［ｄＩ／ｄＶ］_Ｖ＝Ｖｚ＝∞のＶ−Ｉ特性を有する。なお、Ｖ＝Ｖｚのとき流れはじめる電流値は、トランジスタＱのゲート入力、及び抵抗Ｒ_ｄの抵抗値に依存する。

Ｖ＝Ｖｚにおける放電電流Ｉの立ち上がり幅が大きいほど、放電されるセルの端子間電圧は迅速に引き下げられる。一方、外部電源は、蓄電装置全体の電圧が確保されるように充電を行う。このため、端子間電圧が並列モニタの作動電圧Ｖｚより低いセルについては、その端子間電圧が引き上げられる。こうして蓄電装置を構成するセルの端子間電圧が均等化される。しかしながら発熱量は電流値の２乗に比例するため、放電電流が大きいと冷却が困難となるほどの発熱が生じる場合がある。したがって、通常、セル１つ当たりの放電電流は１Ａ以下とされ、その結果、満足できる均等化速度が得られることは少ない。

また、すべてのセルの端子間電圧が作動電圧Ｖｚを超えている場合には、すべてのセルに同様の放電電流が流れるため、セル間の端子間電圧のばらつきを有効に小さくすることは困難である。並列モニタ方式による電圧の均等化が有効なのは、蓄電装置全体が、ほぼ作動電圧Ｖｚ×セル数となる電圧の場合である。すなわち、並列モニタを使用した電圧の均等化は、蓄電装置全体が満充電電圧付近に充電され、各蓄電素子電圧が作動電圧近傍でばらついている場合に有効である。図９（Ｂ）のグラフに示されるように、並列モニタを使った電圧の均等化においては、ｄＩ／ｄＶの値が大きいのは、電流が流れはじめるＶ＝Ｖｚにおいてのみであって、Ｖ＞Ｖｚの範囲においては、ｄＩ／ｄＶの値は小さい。したがって、セルの端子間電圧ＶがＶｚをはずれて分布している場合には、電圧の均等化は極めて遅い。

ハイブリッド建設機械に搭載される蓄電装置においては、作業開始後すぐにダイナミックな充放電が行われる。このような場合でも、十分に電圧の均等化を実現することのできる技術が望まれている。

並列モニタ方式以外の方法、たとえばツェナーダイオード方式で電圧の均等化を行う技術も知られている（たとえば、特許文献３参照）。

図１０（Ａ）に、特許文献３記載の電圧均等化回路を示す。電圧均等化回路は、直列接続されたツェナーダイオードＺと抵抗Ｒとからなり、これが各セルに並列に接続される。この電圧均等化回路においては、ツェナー電圧が作動電圧Ｖｚとなる。セルの端子間電圧Ｖが作動電圧Ｖｚ以上となる範囲においては、放電電流Ｉは、大略、

（数３）
Ｉ＝（Ｖ−Ｖｚ）／Ｒ
で表される。ここでＲは、ツェナーダイオードＺに直列接続された抵抗Ｒの抵抗値である。

この電圧均等化回路においては、作動電圧Ｖｚ（ツェナー電圧）を自由に設定できないという問題がある。また、ツェナー電圧のばらつきが大きく、必要な均等化電圧精度が得にくいという問題もある。更に、式（３）から理解されるように、放電電流Ｉは、セルの端子間電圧Ｖに比例する。それゆえ、Ｖが大きい場合でも回路が焼損しない（ツェナーダイオードの許容電流を超えない）ように、Ｒを十分大きく、たとえば数十Ωとする必要がある。

図１０（Ｂ）は、ツェナーダイオードを用いた電圧均等化回路における、均等化回路電圧（セルの端子間電圧）Ｖと均等化回路電流（放電電流）Ｉの関係を示すグラフである。グラフの横軸は均等化回路電圧、縦軸は均等化回路電流を示す。均等化回路電圧Ｖが作動電圧Ｖｚとなったとき、放電電流が流れはじめる。上述のように、直列抵抗Ｒの抵抗値は、たとえば数十Ωである。このため、Ｖ≧ＶｚにおけるｄＩ／ｄＶ（グラフの傾き）は小さく、均等化に時間を要する。なお、Ｖｚ以上の電圧のセルがＶｚに収束する時間（収束の時定数）は、Ｒとセル等価静電容量との積で与えられる。

並列モニタ方式、ツェナーダイオード方式以外の方法としては、たとえばスイッチドキャパシタ方式、トランス方式による技術が公知である。スイッチドキャパシタ方式は、蓄電素子の容量より小さな容量の補助キャパシタを使って、高電圧の蓄電素子の電荷を低電圧の蓄電素子に移す方式である。トランス方式とは、トランスに蓄電素子それぞれを充放電できる二次巻き線を設け、この発生起電力より低い電圧の蓄電素子を充電する方式である。

特許３７６４１７５号公報特許３１７４４７２号公報特開２００４−２２２４３８号公報

本発明の目的は、高品質のハイブリッド型作業機械を提供することである。

更に、本発明の目的は、作業機械の品質を長く維持することのできるハイブリッド型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れば、
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載された上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられたブームと、
駆動力を発生するエンジンと、
前記エンジンから駆動力が伝達され、発電動作を行う発電機と、
前記発電機を制御するインバータと、
直列に接続された複数の単位キャパシタを含んで構成され、前記発電機で発電された電力により充電されるキャパシタと、
前記単位キャパシタの各々の端子間に接続される電圧均等化回路であって、第１の端子と第２の端子とを備え、前記第２の端子の電圧よりも前記第１の端子の電圧が高く、その差が第１の電圧値以上のとき、前記第１及び第２の端子間を導通させ、前記第１の電圧値よりも小さいとき、導通時の抵抗よりも高抵抗の状態になる並列モニタ回路と、前記並列モニタ回路に直列に接続された電流制限抵抗とを有する電圧均等化回路と、
ＤＣバスラインを介して前記インバータと接続され、前記キャパシタの充放電電流を制御するキャパシタ充放電回路と、
前記キャパシタの電圧が上限電圧で制限されるように、前記キャパシタ充放電回路を制御する制御装置と
を有するハイブリッド型作業機械が提供される。

本発明の他の観点によれば、
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載された上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられたブームと、
駆動力を発生するエンジンと、
前記エンジンから駆動力が伝達され、発電動作を行う発電機と、
前記発電機を制御するインバータと、
直列に接続された複数の単位キャパシタを含んで構成され、前記発電機で発電された電力により充電されるキャパシタと、
前記単位キャパシタの各々の端子間に接続される電圧均等化回路であって、第１の端子と第２の端子とを備え、前記第２の端子の電圧よりも前記第１の端子の電圧が高く、その差が第１の電圧値以上のとき、前記第１及び第２の端子間を導通させ、前記第１の電圧値よりも小さいとき、導通時の抵抗よりも高抵抗の状態になる並列モニタ回路と、前記並列モニタ回路に直列に接続された電流制限抵抗とを有する電圧均等化回路と、
ＤＣバスラインを介して前記インバータと接続され、前記キャパシタの電圧が上限電圧で制限されるように充放電電流を制御するキャパシタ充放電回路と、
前記キャパシタ充放電回路を制御する制御装置と
を有するハイブリッド型作業機械の制御方法であって、
（ａ）前記第１の電圧値を設定する工程と、
（ｂ）作業機械が非運転状態か否かを判定する工程と、
（ｃ）前記作業機械の非運転状態が所定時間継続したことを検知すると、前記キャパシタの端子間電圧を所定電圧にする工程と
を有するハイブリッド型作業機械の制御方法が提供される。

本発明によれば、高品質のハイブリッド型作業機械を提供することができる。

更に、本発明によれば、作業機械の品質を長く維持することのできるハイブリッド型作業機械の制御方法を提供することができる。

実施例によるハイブリッド型作業機械の側面図を示す。ハイブリッド型作業機械のブロック図を示す。蓄電回路１２０の等価回路図を示す。（Ａ）は、キャパシタ１９の概略図であり、（Ｂ）は、電圧均等化回路５１の具体例を示し、（Ｃ）は、電圧均等化回路５１の電圧（セルの端子間電圧）Ｖと電圧均等化回路５１を流れる電流（放電電流）Ｉの関係を示す。（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例による電圧均等化回路５１の変形例を示す概略図である。実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法を示すフローチャートである。抵抗ｒの抵抗値を決定する方法を説明するためのグラフである。電圧均等化回路の接続された蓄電装置を示す。（Ａ）は、特許文献１記載の均等化回路を示し、（Ｂ）は、並列モニタ電圧（セルの端子間電圧）Ｖと並列モニタ電流（放電電流）Ｉの関係を示す。（Ａ）は、特許文献３記載の電圧均等化回路を示し、（Ｂ）は、ツェナーダイオードを用いた電圧均等化回路における、均等化回路電圧（セルの端子間電圧）Ｖと均等化回路電流（放電電流）Ｉの関係を示す。

図１に、実施例によるハイブリッド型作業機械の側面図を示す。下部走行体（基体）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、電気系統を細い実線で表し、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、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（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、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、制御装置３０により制御される。

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、及びパケットシリンダ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１２０のＤＣバスラインに接続されている。また、蓄電回路１２０のＤＣバスラインは、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。

温度検出器３６が、蓄電回路１２０に含まれるキャパシタの温度を検出する。検出された温度データは、制御装置３０に入力される。

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、力行動作及び回生動作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の力行動作中は、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。

図３に、蓄電回路１２０の等価回路図を示す。蓄電回路１２０は、コンバータ１００、ＤＣバスライン１１０、及びキャパシタ１９を含んで構成される。コンバータ１００は、キャパシタ１９の充放電電流を制御する。ＤＣバスライン１１０は、平滑用コンデンサ１０５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の平滑用コンデンサ１０５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。

ＤＣバスライン１１０は、インバータ１８、２０を介して、電動発電機１２及び旋回用電動機２１に接続されている。

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を介してキャパシタ１９に供給され、キャパシタ１９が充電される。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、キャパシタ１９からインバータ１８を介して電動発電機１２に供給される。

旋回用電動機２１には、キャパシタ１９から電力が供給される。また、旋回用電動機２１で発生した回生電力は、キャパシタ１９に蓄電される。

平滑用コンデンサ１０５の両端に発生している電圧が、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。

なお、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のいずれも動作しておらず、キャパシタ１９の充電及び放電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。

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。

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。

図４（Ａ）は、キャパシタ１９の概略図である。キャパシタ１９は、直列接続されたｎ個（たとえばｎ＝１４４）の電気二重層コンデンサ（セル、蓄電素子）を含んで構成され、セルごとに同機能の電圧均等化回路が設けられている。電圧均等化回路は、並列モニタ５０、及び並列モニタ５０に直列に接続された電流制限抵抗ｒとを備え、各セルの＋側端子（本図においては上側の端子）と−側端子（本図においては下側の端子）との間に接続される。並列モニタ５０は、セルの＋側端子の電圧が−側端子の電圧よりも、一定のしきい値以上高いとき、両端子間を導通させ、しきい値よりも小さいとき、導通時の抵抗よりも高抵抗の状態になる電気回路である。並列モニタ５０は、たとえば図８に示したそれと等しい構成を有し、等しく動作する。

図４（Ｂ）に、電圧均等化回路５１の具体例を示す。電圧均等化回路５１は、図９（Ａ）に示した均等化回路（特許文献１記載の均等化回路）に、たとえば１〜２［Ω］の抵抗ｒを直列に付加したものである。キャパシタ１９の各セルの静電容量（たとえばＣ_１）は１０００〜３０００［Ｆ］、内部抵抗（たとえばＲ_１）は２［ｍΩ］以下である。また、たとえばＲ_ａは１００［ｋΩ］、Ｒ_ｂは１００［ｋΩ］、Ｒ_ｃは３３０［Ω］、Ｒ_ｄは１０〜２０［Ω］である。

電圧均等化回路５１においては、セルの電圧をＲ_ａ：Ｒ_ｂ（１：１）に分割し、Ｒ_ｂに対応する電圧がシャントレギュレータＸのリファレンス電圧を超えると、シャントレギュレータＸがトランジスタＱをオンして、セルの電荷がトランジスタＱ及び抵抗Ｒ_ｄを通ってリークする。セルＣ_１、Ｃ_２のそれぞれの放電電流をＩ_１、Ｉ_２と示した。電圧均等化回路５１の作動電圧Ｖｚは、式（２）で表されるため、本例における作動電圧Ｖｚは、シャントレギュレータＸのリファレンス電圧の２倍となる。電圧均等化回路５１は、セルの端子間電圧が作動電圧Ｖｚよりも大きくなったときに、該端子間電圧をＶｚに近づける。

図４（Ｃ）は、電圧均等化回路５１の電圧（セルの端子間電圧）Ｖと電圧均等化回路５１を流れる電流（放電電流）Ｉの関係を示すグラフである。グラフの横軸はセルの端子間電圧、縦軸は放電電流を示す。

セルの端子間電圧Ｖが作動電圧Ｖｚ以下であるとき、放電電流はゼロである。セルの端子間電圧Ｖが作動電圧Ｖｚとなったとき、トランジスタＱがオンし、放電電流Ｉが流れはじめる。放電電流Ｉは、セルの端子間電圧Ｖが素子電圧（各セル電圧）領域の上限となるまで一定の割合で増加する。これは図９（Ｂ）に示したＶｚにおけるＩの急速な（不連続な）立ち上がりと著しい対照をなす。この特性は、抵抗ｒを直列接続したことの効果であり、前記一定の割合はｒの抵抗値で決定される。素子電圧領域の上限を超えると電流の増大は制限され、一定値（電流制限値）となる。すなわちセルの端子間電圧Ｖが、素子電圧領域の上限を超えた範囲では放電電流が飽和する特性を有する。

実施例によるハイブリッド型作業機械においては、制御装置３０は、運転時、キャパシタ１９全体の電圧の、変動する領域の上限（キャパシタ１９電圧上限）が制限されるように、コンバータ１００によるキャパシタ１９の充放電を制御する。素子電圧領域の上限（各セルの通常変動しうる電圧の上限値）は、キャパシタ１９電圧上限の１／ｎを大きくは超えない値である。実施例において、作動電圧Ｖｚは、素子電圧領域の上限より十分低い電圧値、たとえば作業機械の運転時に、セルの端子間電圧が変動する範囲の中央付近の電圧値に設定する。

図４（Ｃ）に示すＶ−Ｉ特性は、作動電圧Ｖｚで電流が垂直に（不連続に）立ち上がる回路特性（図４（Ｃ）においては２点鎖線で示す回路特性）を、ｉ＝ｆ（ｖ）またはｖ＝ｆ^−１（ｉ）で表すとき、抵抗ｒを直列に接続した結果、

（数４）
Ｖ＝ｆ^−１（Ｉ）＋ｒＩ
で表されることになる特性である。

図４（Ｃ）に示すように、実施例による電圧均等化回路は、図９（Ａ）に示した均等化回路に比べ、Ｖｚから素子電圧領域上限までの広い電圧範囲に渡って、有限な傾きｄＩ／ｄＶをもっている。傾きｄＩ／ｄＶは、図１０（Ｂ）に示すツェナーダイオード方式による電圧均等化回路（特許文献３記載の電圧均等化回路）におけるそれに比べ、十分に大きい。実施例による電圧均等化回路は、このようなＶ−Ｉ特性（ｄＩ／ｄＶ特性）を有しているため、各セルの端子間電圧のばらつきに対して、均等化電流（放電電流）を大きく変化させることができる。端子間電圧が高いＶ_Ｈ（＞Ｖｚ）のセルについては大きな放電電流を流し、端子間電圧が低いＶ_Ｌ（Ｖｚ＜Ｖ_Ｌ＜Ｖ_Ｈ）のセルについては小さな放電電流を流すことで、前者は迅速に、後者はゆっくりと電圧が引き下げられる。この結果、電圧の均等化速度を速めることができる。

また、実施例による電圧均等化回路は、広い電圧範囲で有効な均等化を行うことが可能であるため、作業機械に使用される場合のように、ダイナミックに充放電を繰り返し、電圧が一定にとどまることがないキャパシタであっても、十分に長い均等化時間を確保することができる。したがって作業機械の作業効率を向上させることができる。更に、作業機械の運転中の多くの時間において均等化を行うことが可能であるため、均等化を急ぐ必要がなく、均等化電流を小さくすることも可能である。

なお、セル間の電圧差は、均等化時間に対し指数関数的に減少する。その時定数の目安はセルの等価静電容量と、電圧均等化回路５１の等価抵抗の積となる。電圧均等化回路５１の等価抵抗はｄＩ／ｄＶの逆数であるため、ｄＩ／ｄＶが大きいほど時定数は小さくなり、迅速な均等化を行うことができる。

たとえば、セルの静電容量が１０００［Ｆ］、抵抗ｒが１［Ω］（ｄＩ／ｄＶ＝１［Ａ／Ｖ］）であるとき、回路を流れる電流の時定数は１０００［秒］（１６分４０秒）となる。実施例による電圧均等化回路を用いた場合、この時間中、キャパシタ１９を均等化のための一定電圧に維持する必要はない。作動電圧Ｖｚから素子電圧領域上限までの電圧範囲にあれば、均等化が進行する。また、キャパシタ１９の端子間電圧がＶｚ未満となった場合であっても、均等化が中断されるだけで、何ら問題は生じない。

また、キャパシタ１９全体の電圧を確保するように外部電源から充電が行われている場合には、たとえば端子間電圧が低いＶ_Ｌのセルについては、均等化電流よりも外部からの充電電流が大きくなって電圧が上昇し、一方、端子間電圧が高いＶ_Ｈのセルについては電圧が下降する。この結果すべてのセルの電圧を揃えることができる。

更に、実施例による電圧均等化回路においては、素子電圧領域上限を超えた電圧範囲で均等化電流が制限される（ｄＩ／ｄＶが、Ｖｚから素子電圧領域上限までの範囲に比し、小さい値となる）ので、セルの端子間電圧が素子電圧領域上限を超えた場合であっても、均等化電流をトランジスタ（スイッチ素子）Ｑの定格電流以下とすることができる。なお、トランジスタの定格電流は、ツェナーダイオードのそれよりも大きいのが通常であるため、スイッチ素子としては、より好適にトランジスタを用いることができる。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例による電圧均等化回路５１の変形例を示す概略図である。図５（Ａ）は、抵抗ｒをセルの−側端子に配置した例を示し、図５（Ｂ）は、トランジスタを２段にして、半導体スイッチを構成した例を示す。図５（Ｂ）に示した例においては、半導体スイッチの許容電流を大きくすることができる。

図６は、実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法を示すフローチャートである。まずステップＳ１０１において、電圧均等化回路の作動電圧Ｖｚを設定する。作動電圧Ｖｚは、セル電圧の変動しうる可能性のある電圧領域の上限より十分低く、セルの保管に適した電圧とする。アイドリング時、またはエンジン停止直前のキャパシタ１９電圧をＶｓ（アイドリング電圧）とし、キャパシタ１９が直列に接続されたｎ個のセルで構成されているとするとき、作動電圧Ｖｚは、たとえばＶｓ／ｎ、あるいはその近傍に設定される。Ｖｓ／ｎは、アイドリング時、またはエンジン停止時の平均セル電圧である。なお、アイドリング時やエンジン停止時においては、セルの劣化を抑止するためにキャパシタ１９電圧を下げることが望まれる。

次に、ステップＳ１０２において、制御装置３０は、作業機械が非運転状態か否かを判定する。

そしてステップＳ１０３において、制御装置３０が、非運転状態が所定時間、たとえば３秒間継続したことを検知した場合には、制御装置３０は、コンバータ１００を制御して、キャパシタ１９の電圧を所定電圧、たとえばアイドリング電圧Ｖｓにする。作業機械の運転を停止する場合には、この後にエンジンキーをオフにする。

この制御により、アイドリング時、またはエンジン停止中に、セルの端子間電圧の均等化を進行させることができる。特に、夕方の作業終了時から翌朝の作業開始時までのエンジン停止時間には、セル電圧の揃う時間の時定数よりも十分に長い均等化時間が確保されるため、ステップＳ１０３の実施時に端子間電圧が作動電圧Ｖｚより高いセルについては、端子間電圧をすべてＶｚに揃えることができる。

なお、エンジン停止中はキャパシタ１９の充電は行われないので、ステップＳ１０３の実施時に端子間電圧が作動電圧Ｖｚより低いセルについては、端子間電圧がＶｚとなることはない。そのため、多くのセルの端子間電圧を一定電圧Ｖｚに揃えるために、作業機械の運転を停止する場合には、ステップＳ１０３において、キャパシタ電圧をアイドリング電圧Ｖｓよりも高い電圧とする制御を行ってもよい。

実施例による電圧均等化回路によれば、セルの端子間電圧の均等化を高効率で行うことが可能である。したがって、これを使用することで、セルの劣化が抑止された高品質のハイブリッド型作業機械を提供することができる。また、実施例によるハイブリッド型作業機械の制御方法を用いると、セルの劣化を抑止することができ、作業機械の品質を長期間高く維持することができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、実施例においては、電圧均等化回路５１の抵抗ｒを１〜２［Ω］としたが、ｒの抵抗値は、たとえば以下のように決定する。

図７は、抵抗ｒの抵抗値を決定する方法を説明するためのグラフである。グラフの縦軸、横軸の示すところ、及び図中の折れ線は、図４（Ｃ）に示したグラフと等しい。

本図においては、素子電圧領域上限の電圧を飽和電圧Ｖｙ、そのときに流れる放電電流（均等化電流）である制限電流値をＩｙと示した。作動電圧Ｖｚから飽和電圧Ｖｙまでの電圧領域におけるｄＩ／ｄＶ（直線の傾き）はｒの抵抗値の逆数として定まる。したがって、ｒの抵抗値は、放電によるエネルギロスが小さい範囲（電流が漏れることで蓄電のロスにならない程度）の電流値である電流制限値Ｉｙ、及び飽和電圧Ｖｙと作動電圧Ｖｚとの差を用い、ｒ＝（Ｖｙ−Ｖｚ）／Ｉｙとして決定することができる。

各セルの電圧の不均衡は、各々のセルにおける漏れ電流のばらつきに起因する。本図においては、キャパシタ１９を構成するセルのうち漏れ電流が最も大きいセルＣ_ｂの端子間電圧をＶ_ｂ、セルＣ_ｂに流れる放電電流（均等化電流）をＩ_ｂと表示した。また、キャパシタ１９を構成するセルのうち漏れ電流が最も小さいセルＣ_ａの端子間電圧をＶ_ａ、セルＣ_ａに流れる放電電流（均等化電流）をＩ_ａと表示した。更に、漏れ電流が最も大きいセルの電圧を基準として許容される電圧のばらつきの範囲を「ｄＶ」とし、本図には、セルＣ_ｂの端子間電圧とセルＣ_ａの端子間電圧との差がｄＶである場合を示した。ｄＶは予め定められる一定値である。またＩ_ｂとＩ_ａの差をｄＩと表した。ここでｒの抵抗値を決定する際の（Ｖｙ−Ｖｚ）は、許容電圧ばらつき範囲ｄＶの２〜５倍となるように定める。これをＩｙで除してｒを決定すればよい。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

電圧均等化回路の用いられる機器一般、殊にハイブリッド型作業機械一般に好ましく利用可能である。

１下部走行体（基体）
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（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
２０インバータ
２１旋回用電動機（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
３６温度検出器
５０並列モニタ
５０ａ比較器
５０ｂ半導体スイッチ
５１電圧均等化回路
１００コンバータ（キャパシタ充放電回路）
１０１リアクトル
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電圧計
１０７電流計
１１０ＤＣバスライン
１１１電圧計
１２０蓄電回路

Claims

下部走行体と、
前記下部走行体に搭載された上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられたブームと、
駆動力を発生するエンジンと、
前記エンジンから駆動力が伝達され、発電動作を行う発電機と、
前記発電機を制御するインバータと、
直列に接続された複数の単位キャパシタを含んで構成され、前記発電機で発電された電力により充電されるキャパシタと、
前記単位キャパシタの各々の端子間に接続される電圧均等化回路であって、第１の端子と第２の端子とを備え、前記第２の端子の電圧よりも前記第１の端子の電圧が高く、その差が第１の電圧値以上のとき、前記第１及び第２の端子間を導通させ、前記第１の電圧値よりも小さいとき、導通時の抵抗よりも高抵抗の状態になる並列モニタ回路と、前記並列モニタ回路に直列に接続された電流制限抵抗とを有する電圧均等化回路と、
ＤＣバスラインを介して前記インバータと接続され、前記キャパシタの充放電電流を制御するキャパシタ充放電回路と、
前記キャパシタの電圧が上限電圧で制限されるように、前記キャパシタ充放電回路を制御する制御装置と
を有するハイブリッド型作業機械。
前記キャパシタを構成する前記単位キャパシタの個数がｎ個であり、
前記第１の電圧値は、前記上限電圧の１／ｎよりも低い請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
前記作業機械非運転状態が所定時間継続したことを前記制御装置が検知すると、前記キャパシタの端子間電圧が所定電圧になるように、前記キャパシタ充放電回路を制御する請求項１または２に記載のハイブリッド型作業機械。
前記所定電圧は、前記第１の電圧値に、前記キャパシタを構成する単位キャパシタの直列接続数を乗じた値である請求項３に記載のハイブリッド型作業機械。
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載された上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられたブームと、
駆動力を発生するエンジンと、
前記エンジンから駆動力が伝達され、発電動作を行う発電機と、
前記発電機を制御するインバータと、
直列に接続された複数の単位キャパシタを含んで構成され、前記発電機で発電された電力により充電されるキャパシタと、
前記単位キャパシタの各々の端子間に接続される電圧均等化回路であって、第１の端子と第２の端子とを備え、前記第２の端子の電圧よりも前記第１の端子の電圧が高く、その差が第１の電圧値以上のとき、前記第１及び第２の端子間を導通させ、前記第１の電圧値よりも小さいとき、導通時の抵抗よりも高抵抗の状態になる並列モニタ回路と、前記並列モニタ回路に直列に接続された電流制限抵抗とを有する電圧均等化回路と、
ＤＣバスラインを介して前記インバータと接続され、前記キャパシタの充放電電流を制御するキャパシタ充放電回路と、
前記キャパシタの電圧が上限電圧で制限されるように、前記キャパシタ充放電回路を制御する制御装置と
を有するハイブリッド型作業機械の制御方法であって、
（ａ）前記第１の電圧値を設定する工程と、
（ｂ）作業機械が非運転状態か否かを判定する工程と、
（ｃ）前記作業機械の非運転状態が所定時間継続したことを検知すると、前記キャパシタの端子間電圧を所定電圧にする工程と
を有するハイブリッド型作業機械の制御方法。
前記キャパシタを構成する前記単位キャパシタの個数がｎ個であり、
前記第１の電圧値は、前記上限電圧の１／ｎよりも低い請求項５に記載のハイブリッド型作業機械の制御方法。
前記工程（ｃ）における所定電圧は、前記第１の電圧値に、前記キャパシタを構成する単位キャパシタの直列接続数を乗じた値である請求項５または６に記載のハイブリッド型作業機械の制御方法。