JP6022452B2

JP6022452B2 - ショベル

Info

Publication number: JP6022452B2
Application number: JP2013522821A
Authority: JP
Inventors: 正典湯村; 和也横山
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2032-06-22
Also published as: KR101560300B1; JPWO2013002149A1; CN103597699A; EP2728701A4; CN103597699B; US20140100745A1; EP2728701B1; WO2013002149A1; EP2728701A1; KR20140017661A; US9376785B2

Description

本発明はショベルに係り、特に、電動負荷に電力を供給するための蓄電装置を備えたショベルに関する。

蓄電装置を備えたショベルの一例としてハイブリッド式ショベルがある。ハイブリッド式ショベルでは、一般的に、エンジンの出力で油圧ポンプを駆動して油圧負荷を駆動するとともに、蓄電装置から供給される電力でアシスト用電動機を駆動してエンジンをアシストする。

蓄電装置は、電力を蓄積して必要に応じて供給するために、電力を蓄積する蓄電部（蓄電器あるいは蓄電池）を有する。蓄電部として、例えば電気二重層コンデンサやリチウムキャパシタ等のキャパシタを用いる場合がある。

キャパシタの内部抵抗はキャパシタの温度に依存し、温度が低くなると内部抵抗は大きくなる。キャパシタが充放電する際の電圧変動は、キャパシタの内部抵抗に依存しており、内部抵抗が高いほど大きくなる。すなわち、ある放電電流が流れるときに、キャパシタの温度が低い場合には、通常の温度のときに比べてキャパシタ電圧は低くなる。

例えば、通常の温度仕様のキャパシタを有する蓄電装置が組み込まれたショベルを、外気温が−２０℃となるような寒冷地で運転する場合を考える。この場合、ショベルの運転開始時にキャパシタは外気温と同じような低温になっており、キャパシタの内部抵抗は非常に大きくなっている。そのような状態で、通常の蓄電装置の充放電制御が行なわれてキャパシタに放電電流や充電電流が流れると、キャパシタの電圧は大きく変動してしまう。例えば、キャパシタの電圧が極端に低くなると、キャパシタの劣化が急激に促進されてしまう。

そこで、キャパシタの温度が所定の閾値以下となったらキャパシタの充放電電流を制限することができるハイブリッド型作業機械が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１７８４４６号公報

ショベルの蓄電装置に使用されるようなキャパシタは、一般的に、長期にわたって使用すると劣化して蓄電量が少なくなるという特性を有している。キャパシタ以外の蓄電器やリチウムイオン電池等の蓄電池も、同様な劣化特性を有している。

一般的にキャパシタの劣化の進み具合（劣化速度）は、その温度と電圧に依存することが知られている。キャパシタの温度が高いほど劣化速度は大きく、キャパシタは早く劣化する。また、キャパシタの電圧が高いほど劣化速度は大きく、キャパシタは早く劣化する。キャパシタが劣化すると、その内部抵抗は大きくなる。

ここで、例えば、電気二重層コンデンサの内部抵抗は、その温度が−４０℃となると、温度が２０℃のときの内部抵抗の値の約２．５倍にまで大きくなる場合がある。また、リチウムキャパシタの内部抵抗は、その温度が−２０℃となると、温度が２０℃のときの内部抵抗の値の約４．５倍にまで大きくなる場合がある。

したがって、外気温の低い場所でショベルを運転すると、それまでにある程度劣化して高くなっていたキャパシタの内部抵抗が、低温の影響によりさらに大きな値となり、これに伴ってキャパシタ電圧の変動が非常に大きくなってしまう。

図１は低温時のキャパシタの電圧変動を示す図である。図１において、実線は外気温が常温（例えば、２０℃）でキャパシタが常温状態であるときのキャパシタ電圧の変化を示し、点線は外気温が低温（例えば、−２０℃）でキャパシタが低温状態であるときのキャパシタ電圧の変化を示す。

図１において、時刻ｔ１において放電が開始され、時刻ｔ２までの間に充電電流Ｉｄ１がキャパシタに流れる。その後、時刻ｔ３において充電が開始され、時刻ｔ４までの間に放電電流Ｉｃ１がキャパシタに流れる。続いて、時刻ｔ４において充電から放電に切り替わり、時刻ｔ５までの間に放電電流Ｉｄ２がキャパシタに流れる。

外気温が通常温度（例えば、２０℃）のときには、時刻ｔ１において放電が開始されると、実線で示すように、キャパシタ電圧は放電電流と内部抵抗の積に相当する電圧降下により僅かに下がる（図１のＡ部）。このとき、常温状態であるのでキャパシタの内部抵抗はそれほど大きくなっておらず、電圧降下幅は小さい。時刻ｔ１から時刻ｔ２まで放電することにより、キャパシタ電圧はさらに徐々に降下するが、この例では、システム下限電圧までには到達しない。システム下限電圧とは、ショベルの制御システムにおいて設定されたキャパシタ電圧の下限値である。キャパシタ電圧がシステム下限電圧より低くならないように制御システムによりキャパシタの充放電制御が行なわれる。

時刻ｔ２において放電が停止され、放電電流Ｉｄ１がゼロとなると、キャパシタ電圧は、内部抵抗に相当する分だけ僅かに上昇する（図１のＢ部）。その後、時刻ｔ３において充電が開始されると、実線で示すように、キャパシタ電圧は充電電流と内部抵抗の積に相当する電圧上昇により僅かに上昇する（図１のＣ部）。このとき、常温状態であるのでキャパシタの内部抵抗はそれほど大きくなっておらず、電圧上昇幅は小さい。時刻ｔ３から時刻ｔ４まで充電されることにより、キャパシタ電圧はさらに徐々に上昇するが、システム上限電圧までには到達しない。システム上限電圧とは、ショベルの制御システムにおいて設定されたキャパシタ電圧の上限値である。キャパシタ電圧がシステム上限電圧より高くならないように制御システムによりキャパシタの充放電制御が行なわれる。

時刻ｔ４において、充電が放電に切り替わると、キャパシタ電圧は充電電流、放電電流と内部抵抗の積に相当する電圧降下により下がる（図１のＤ部）。このとき、常温状態であるのでキャパシタの内部抵抗はそれほど大きくなっておらず、電圧降下幅は小さい。時刻ｔ４から時刻ｔ５まで放電することにより、キャパシタ電圧はさらに徐々に降下するが、システム下限電圧までには到達しない。

以上が、図１において実線で示す、通常状態におけるキャパシタ電圧の変動である。

次に、外気温が低く、キャパシタが低温状態にあるときのキャパシタ電圧の変動について説明する。

外気温が低温（例えば、−２０℃）のときには、時刻ｔ１において放電が開始されると、点線で示すように、キャパシタ電圧は放電電流と内部抵抗の積に相当する電圧降下により下がる（図１のＥ部）。このとき、低温状態であるのでキャパシタの内部抵抗は大きくなっており、電圧降下幅は大きく、この例では、システム下限電圧より下のレベルまで降下してしまう。キャパシタ電圧がシステム下限電圧まで下がった際に、放電制限が働くように設定されている場合には放電制限が働き、通常の放電電流Ｉｄ１を流すことができなくなってしまう。これにより、ショベルの電気系の制御が適切に行なわれなくなり、ショベルの運転に支障をきたすおそれがある。

そこで、キャパシタ電圧がシステム下限電圧より低くなっても放電制限が働かない場合を考える。この場合、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて放電電流Ｉｄ１が流れるので、時刻ｔ１においてシステム下限電圧より低くなったキャパシタ電圧は、放電とともに徐々にではあるがさらに降下し続け、キャパシタの下限電圧よりも低くなってしまう（図１のＦ部）。下限電圧とは、キャパシタの使用下限を示す定格電圧である。例えば、リチウムイオンキャパシタの場合、キャパシタ電圧が下限電圧以下となると、キャパシタの劣化が大きく促進されてしまう。電気二重層コンデンサの場合には、下限電圧が０ボルトであるため、下限電圧は設定されない。

時刻ｔ２において放電が停止され、放電電流Ｉｄ１がゼロとなると、キャパシタ電圧は、内部抵抗に相当する分だけ上昇する。その後、時刻ｔ３において充電が開始されると、点線で示すように、キャパシタ電圧は充電電流と内部抵抗の積に相当する電圧上昇により上昇する（図１のＧ部）。このとき、低温状態であるのでキャパシタの内部抵抗は大きくなっており、電圧上昇幅は大きく、システム上限電圧を超えてしまう。キャパシタ電圧がシステム上限電圧を超えてしまうと、充電制限がかかり、通常の充電電流Ｉｃ１を流すことができなくなってしまう。これにより、ショベルの電気系の制御が適切に行なわれなくなり、ショベルの運転に支障をきたすおそれがある。

そこで、キャパシタ電圧がシステム上限電圧より高くなっても充電制限が働かない場合を考える。この場合、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて充電電流Ｉｃ１が流れるので、時刻ｔ１においてシステム上限電圧より高くなったキャパシタ電圧は、充電とともに徐々にではあるがさらに上昇し続け、キャパシタの上限電圧よりも高くなってしまう（図１のＨ部）。上限電圧とは、キャパシタの使用上限を示す定格電圧である。例えば、キャパシタ電圧が上限電圧以上となると、キャパシタの劣化が大きく促進されてしまう。

時刻ｔ４において、充電が放電に切り替わると、キャパシタ電圧は充電電流、放電電流と内部抵抗の積に相当する電圧降下により下がる。このとき、低温状態であるのでキャパシタの内部抵抗は大きくなっており、電圧降下幅は大きく、キャパシタ電圧は再びシステム下限電圧より低くなってしまう。そのまま放電を続けると、キャパシタ電圧はさらに徐々に降下し、下限電圧を超えてしまう。

以上のように、低温状態でキャパシタの内部抵抗が大きくなると、キャパシタの充放電時の電圧変動が非常に大きくなり、システム上限電圧やシステム下限電圧を超えてしまう状況が多く発生し、充放電制御ができなくなったり、キャパシタの劣化がおおきく促進されてしまう。

特許文献１に開示されているように、キャパシタ電圧が閾値より低くなったら放電制限を行なう場合には、適切な閾値を設定する必要がある。システム下限の閾値が高すぎるとキャパシタの温度が少し低くなっただけで（すなわち、キャパシタの内部抵抗が少し高くなっただけで）、キャパシタ電圧が閾値より低くなって放電制限がかかってしまい、ショベルの運転に支障をきたすおそれがある。反対に、システム下限の閾値が低すぎるとキャパシタの温度がかなり低くなっても、（すなわち、キャパシタの内部抵抗が大きくなっても）、キャパシタ電圧が閾値より低くならず、キャパシタ電圧が下がり過ぎて劣化が促進されてしまうこととなる。

ここで、キャパシタの内部抵抗が常温状態において一定の値であり、且つ温度変化に伴って常に同じように変化するのであれば、上述の閾値を一定の値に設定しておくことができる。しかし、キャパシタの内部抵抗はその劣化の程度によって異なり、また、温度変化に伴う内部抵抗の変化率も劣化の程度によって異なる。すなわち、劣化が進んでいるキャパシタでは、その温度が通常状態であってもキャパシタの内部抵抗は大きくなっており、さらに充放電時のキャパシタ電圧の変動幅も大きくなる。したがって、上述の閾値をキャパシタの劣化の程度を考慮した値に設定しないと、キャパシタの劣化が進むに連れて、適切な充放電制御を行なうことができなくなってしまう。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、蓄電器又は蓄電池の劣化の程度に係わらず、低温状態時に蓄電器又は蓄電池の出力制限を適切に行なうことのできる技術を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、下部走行体と、該下部走行体に備えられた上部旋回体と、該上部旋回体に備えられた蓄電装置と、該蓄電装置に接続されたコンバータと、前記蓄電装置の状態を表す状態値を検出する状態検出部と、前記コンバータを制御する制御部とを有するショベルであって、前記制御部は、前記ショベルの起動時に前記蓄電装置と前記コンバータとを通電するとともに、通電後に前記蓄電装置の状態を表す状態値としての前記蓄電装置の温度を検出し、前記状態検出部で検出した電流値又は電圧値に基づいて前記蓄電装置の内部抵抗の値を算出し、算出された内部抵抗の値に基づいて、前記内部抵抗が閾値以下となる温度を所定の値として算出し、前記蓄電装置の温度が算出された温度となるまで前記コンバータを制御して出力制限を行なうことを特徴とするショベルが提供される。

上述の発明によれば、蓄電装置に含まれる蓄電器又は蓄電池の劣化の程度に係わらず、低温状態時に蓄電器又は蓄電池の出力制限を適切に行なうことができる。

低温時のキャパシタの電圧変動を示す図である。ハイブリッド式ショベルの側面図である。一実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。蓄電系の回路図である。第１実施形態における出力制限処理のフローチャートである。キャパシタの温度と内部抵抗との関係を示すグラフである。第２実施形態における出力制限処理のフローチャートである。第３実施形態における出力制限処理のフローチャートである。キャパシタの温度と電圧変化量との関係を示すグラフである。第４実施形態における出力制限処理のフローチャートである。キャパシタの温度と電圧変化量との関係を示すグラフである。旋回機構を油圧駆動式とした場合のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。シリーズ型のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。電動ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図２は本発明が適用されるショベルの一例であるハイブリッド式ショベルの側面図である。本発明が適用されるショベルとしては、ハイブリッド式ショベルに限られず、蓄電装置からの電力で電動作業要素あるいは電動負荷を駆動するものであれば、他の構成のショベルや作業機械にも適用することができる。

図２に示すハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４，アーム５及びバケット６は、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によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図３は、図２に示すハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図３において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。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。メインポンプ１４は可変容量式油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、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は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器を含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続される。また、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が接続される。操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータを駆動制御することによる蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。コントローラ３０は、蓄電器（キャパシタ）の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）に基づいて、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これにより蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバスに設けられたＤＣバス電圧検出部によって検出されるＤＣバス電圧値、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値、及び蓄電器電流検出部によって検出される蓄電器電流値に基づいて行われる。

さらに、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）のＳＯＣが算出される。また、上述では蓄電器としてキャパシタを例として示したが、キャパシタの代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。

図３に示すハイブリッド式ショベルは旋回機構を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。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、及び旋回変速機２４が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。

図３に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００（図４参照）を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。

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バス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０（図４参照）に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

図４は、蓄電系１２０の回路図である。昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１８Ａ，２０を接続するための一対の出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８Ａ，２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。

リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４に接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子（スイッチング素子）である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。

電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びインバータ１８Ａ，２０が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値Ｖｃａｐを検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧値Ｖｄｃを検出する。平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。この平滑用のコンデンサ１０７によって、ＤＣバス１１０の電圧は予め定められた電圧に維持されている。

キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子（Ｐ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子に流れる電流値Ｉ１を検出する。一方、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタの負極端子（Ｎ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の負極端子に流れる電流値Ｉ２を検出する。

昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ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ＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１８Ａ，２０を介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ１９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

本実施形態では、キャパシタ１９の正極端子を昇降圧コンバータ１００の電源接続端子１０４に接続する電源ライン１１４に、当該電源ライン１１４を遮断することのできる遮断器としてリレー１３０−１が設けられる。リレー１３０−１は、電源ライン１１４へのキャパシタ電圧検出部１１２の接続点１１５とキャパシタ１９の正極端子の間に配置されている。リレー１３０−１はコントローラ３０からの信号により作動し、キャパシタ１９からの電源ライン１１４を遮断することで、キャパシタ１９を昇降圧コンバータ１００から切り離すことができる。

また、キャパシタ１９の負極端子を昇降圧コンバータ１００の電源接続端子１０４に接続する電源ライン１１７に、当該電源ライン１１７を遮断することのできる遮断器としてリレー１３０−２が設けられる。リレー１３０−２は、電源ライン１１７へのキャパシタ電圧検出部１１２の接続点１１８とキャパシタ１９の負極端子の間に配置されている。リレー１３０−２はコントローラ３０からの信号により作動し、キャパシタ１９からの電源ライン１１７を遮断することで、キャパシタ１９を昇降圧コンバータ１００から切り離すことができる。なお、リレー１３０−１とリレー１３０−２を一つのリレーとして正極端子側の電源ライン１１４と負極端子側の電源ライン１１７の両方を同時に遮断してキャパシタを切り離すこととしてもよい。

なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図４では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態によるショベルにおけるキャパシタの充放電制御について説明する。第１実施形態では、上述のような構成のハイブリッド式ショベルにおいて、低温状態においてキャパシタ１９の充放電制御を行ない、適切なキャパシタ１９の出力制限を行なう。

図５は第１実施形態における出力制限処理のフローチャートである。図６はキャパシタの温度と内部抵抗との関係を示すグラフである。

図５に示す出力制限処理は、主にコントローラ３０により行なわれる処理であり、エンジン１１のスタートキーがＯＮとなると直ちに開始される。まず、ステップＳ１において、キャパシタ１９の温度と内部抵抗を計測する。キャパシタ１９の内部抵抗は、例えば変化する電流をキャパシタ１９に流し、そのときのキャパシタ１９の電圧変化を計測することで求めることができる。

次に、ステップＳ２において、制限解除温度Ｔ２を演算により求める。制限解除温度Ｔ２とは、キャパシタ１９の内部抵抗が閾値Ｒｔｈとなるときの温度である。以下に、制限解除温度Ｔ２の求め方について説明する。

キャパシタ１９の温度と内部抵抗は図６の実線又は点線で示すような関係であり、ある温度のときの内部抵抗が分れば、温度−内部抵抗特性曲線に基づいて求めることができる。図６における実線は、キャパシタ１９が初期状態で劣化していないときの温度−内部抵抗特性曲線であり、図６における点線は、キャパシタ１９がある程度劣化した状態での温度−内部抵抗特性曲線である。キャパシタ１９が劣化したときの温度−内部抵抗特性曲線（点線で示す）は、キャパシタ１９が初期状態で劣化していないときの温度−内部抵抗特性曲線（実線で示す）を上方に平行移動したものである。したがって、キャパシタ１９が初期状態で劣化していないときの温度−内部抵抗特性曲線（実線で示す）を予め求めておけば、キャパシタ１９がある程度劣化した時点での内部抵抗値とそのときの温度とから、その時点での温度−内部抵抗特性曲線を求めることができる。

図６に示す例では、キャパシタ１９が初期状態で劣化していないときの温度−内部抵抗特性曲線（実線で示す）は予め求められているので、ステップＳ１で計測した温度から、キャパシタ１９が劣化していないときの内部抵抗Ｒ１を求めることができる。

ステップＳ１において計測された内部抵抗がＲ３であったとすると、現時点でのキャパシタ１９の温度−内部抵抗特性曲線（点線で示す）は、予め求められている温度−内部抵抗特性曲線（実線で示す）をＲ３−Ｒ１だけ上方に平行移動することで求めることができる。

ここで、キャパシタ１９の温度が上昇すると、キャパシタ１９の内部抵抗は小さくなり、ある温度となると、キャパシタ１９に通常に充放電電流を流すことができるようになる。キャパシタ１９が初期状態であって劣化していない状態において、キャパシタ１９に通常に充放電電流を流すことができるようになるときの温度を制限解除温度Ｔ１とし、このときのキャパシタ１９の内部抵抗値をＲ２とする。すなわち、キャパシタ１９の内部抵抗が閾値Ｒｔｈまで下がるときのキャパシタ１９の温度が制限解除温度Ｔ１であり、内部抵抗値Ｒ２は閾値Ｒｔｈに等しい。

キャパシタ１９が初期状態であって劣化していない状態であれば、キャパシタ１９の温度が制限解除温度Ｔ１以下となったときに、キャパシタ１９の出力制限を解除すればよい。しかし、図６の点線で示す温度−内部抵抗特性曲線となるようにキャパシタ１９が劣化している場合には、キャパシタ１９の温度が制限解除温度Ｔ１となったときには内部抵抗値はＲ４であり、内部抵抗値Ｒ２（すなわち、閾値Ｒｔｈ）より高い。そこで、キャパシタ１９が劣化した状態での温度−内部抵抗特性曲線（点線で示す）を用いて、内部抵抗値がＲ５（＝Ｒ２＝Ｒｔｈ）となるときの温度を求める。この温度が制限解除温度Ｔ２となる。

図５に示すフローチャートに戻り説明を続ける。ステップＳ２において制限解除温度Ｔ２が算出された後、ステップＳ３において、ショベルの運転準備が完了し、ショベルでの作業が開始される。したがって、ショベルにおいて、電動発電機（アシストモータ）１２及び旋回用電動機２１が駆動できる状態となる。そして、電動発電機１２が駆動され、作業に伴って旋回用電動機２１が駆動される。次に、ステップＳ４において、キャパシタ１９の温度が計測される。そして、ステップＳ５において、ステップＳ４で計測したキャパシタ１９の温度が制限解除温度Ｔ２以上であるか否かが判定される。

ステップＳ５において、キャパシタ１９の温度が制限解除温度Ｔ２以上ではないと判定された場合は（ステップＳ５のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ６に進む。このときのキャパシタ１９の内部抵抗値は、例えば図６に示すＲ３，Ｒ４である。ステップＳ６では、キャパシタ１９の出力制限指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電に制限が加わる。充放電の制限とは、例えば、充放電電流を小さな値に制限することである。キャパシタ１９の充放電電流を小さな値に制限することにより、キャパシタ１９の内部抵抗が増大していることによる急激な電圧降下あるいは電圧上昇を抑制することができる。これにより、低温状態における、キャパシタ１９の充放電時の電圧を、例えば、システム下限電圧とシステム上限電圧との間の範囲にとどめておくことができる。また、制限された充放電の出力により、キャパシタ１９の暖機を行うことができる。

ステップＳ６の処理が終了すると、ステップＳ８において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ８のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ８のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ４に戻る。

一方、ステップＳ５において、キャパシタ１９の温度が制限解除温度Ｔ２以上であると判定された場合は（ステップＳ５のＹＥＳ）、出力制限処理はステップＳ７に進む。このときのキャパシタ１９の内部抵抗値は、例えば図６に示すＲ５である。ステップＳ７では、キャパシタ１９の出力制限解除指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電制限が解除され、キャパシタ１９には通常の充放電制御が行なわれる。

ステップＳ７の処理が終了すると、ステップＳ８において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ８のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ８のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ４に戻る。ショベルでの作業が終了するまでこの処理は繰り返される。

以上のような出力制限処理によれば、例えば、キャパシタ１９が低温状態においてショベルの運転が開始された場合、ショベルの運転開始直後でキャパシタ１９が暖機状態となるまでは、キャパシタ１９の温度は制限解除温度より低いので、ステップＳ５のＮＯからステップＳ６に進み、キャパシタ１９の出力制限が適用される。ショベルの運転が継続してキャパシタ１９が暖機状態となり、キャパシタ１９の温度が制限解除温度以上となると、ステップＳ５のＹＥＳからステップＳ７に進み、キャパシタ１９の出力制限が解除され、キャパシタ１９に通常の充放電制御を適用することができるようになる。キャパシタ１９の温度が、現時点でのキャパシタ１９の劣化による内部抵抗の増大を考慮しながら求めた制限解除温度Ｔ２になった時点でキャパシタ１９の出力制限を解除するので、キャパシタ１９の劣化の程度にかかわらず、キャパシタ１９の温度が適切な温度となった時点で、出力制限を解除することができる。これにより、低温時にショベルを起動する場合でも、キャパシタ１９の劣化を抑制しながらキャパシタ１９の暖機を行ない、通常の充放電制御に迅速に戻すことができる。

上述のように、本実施形態では、キャパシタ１９の温度に基づいてキャパシタの状態を検出しており、キャパシタの温度はキャパシタ１９の状態を表す状態値に相当する。そして、コントローラ３０がステップＳ４においてキャパシタ１９の温度を計測することで、状態検出部が実現される。

以上説明したように、出力制限をしながらショベルの作業を開始することができるので、ショベルでの作業開始の遅延を防ぐことができる。すなわち、ショベルのエンジンの運転を開始してから、実際にショベルでの作業を開始することができるようになるまでの遅延時間の発生を防止することができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態のようにキャパシタ１９の温度が制限解除温度Ｔ２以上となったら出力制限を解除するのではなく、キャパシタ１９の内部抵抗値が閾値Ｒｔｈ以下となったら出力制限を解除する。すなわち、第２実施形態では、現在のキャパシタ１９の内部抵抗を逐次計算して求め、内部抵抗に基づいて出力制限を解除する。

図７は第２実施形態における出力制限処理のフローチャートである。キャパシタの温度と内部抵抗との関係は、図６に示すものと同じであるので、図６も参照しながら説明を行なう。

図７に示す出力制限処理は、主にコントローラ３０により行なわれる処理であり、エンジン１１のスタートキーがＯＮとなると直ちに開始される。まず、ステップＳ１１において、キャパシタ１９の内部抵抗を計測する。キャパシタ１９の内部抵抗は、例えば変化する電流をキャパシタ１９に流し、そのときのキャパシタ１９の電圧変化を計測することで求めることができる。このときに計測される内部抵抗は図６におけるＲ３に相当する。

ステップＳ１２においてショベルの運転準備が完了し、ショベルでの作業が開始される。したがって、ショベルにおいて、電動発電機（アシストモータ）１２及び旋回用電動機２１が駆動できる状態となる。そして、電動発電機１２が駆動され、作業に伴って旋回用電動機２１が駆動される。続いて、ステップＳ１４において、キャパシタ１９の現在の内部抵抗値が算出される。

次に、ステップＳ１５において、キャパシタ１９の現在の内部抵抗値が、内部抵抗の閾値Ｒｔｈ以下か否かが判定される。キャパシタ１９の現在の内部抵抗値が、内部抵抗の閾値Ｒｔｈ以下ではないと判定された場合は（ステップＳ１５のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ１６に進む。このときのキャパシタ１９の内部抵抗値は、例えば図６に示すＲ３，Ｒ４である。ステップＳ１６では、キャパシタ１９の出力制限指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電に制限が加わる。充放電の制限とは、例えば、充放電電流を小さな値に制限することである。キャパシタ１９の充放電電流を小さな値に制限することにより、キャパシタ１９の内部抵抗が増大していることによる急激な電圧降下あるいは電圧上昇を抑制することができる。これにより、低温状態における、キャパシタ１９の充放電時の電圧を、例えば、システム下限電圧とシステム上限電圧との間の範囲にとどめておくことができる。また、制限された充放電の出力により、キャパシタ１９の暖機を行うことができる。

ステップＳ１６の処理が終了すると、ステップＳ１８において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ１８のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ１８のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ１３に戻る。

一方、ステップＳ１５において、キャパシタ１９の現在の内部抵抗値が、内部抵抗の閾値Ｒｔｈ以下であると判定された場合は（ステップＳ１５のＹＥＳ）、出力制限処理はステップＳ１７に進む。このときのキャパシタ１９の内部抵抗値は、例えば図６に示すＲ５である。ステップＳ１７では、キャパシタ１９の出力制限解除指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電制限が解除され、キャパシタ１９には通常の充放電制御が行なわれる。

ステップＳ１７の処理が終了すると、ステップＳ１８において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ１８のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ１８のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ１３に戻る。ショベルでの作業が終了するまでこの処理は繰り返される。

以上のような第２実施形態による出力制限処理によれば、例えば、キャパシタ１９が低温状態においてショベルの運転が開始された場合、運転を開始した直後はキャパシタ１９の内部抵抗は閾値Ｒｔｈより大きいので、ステップＳ１５のＮＯからステップＳ１６に進み、キャパシタ１９の出力制限が適用される。ショベルの運転が継続してキャパシタ１９が暖機状態となり、キャパシタ１９の内部抵抗が閾値Ｒｔｈ以下となると、ステップＳ１５のＹＥＳからステップＳ１７に進み、キャパシタ１９の出力制限が解除され、キャパシタ１９に通常の充放電制御を適用することができるようになる。計測で求めたキャパシタ１９の現在の内部抵抗が、実際に閾値Ｒｔｈになった時点でキャパシタ１９の出力制限を解除するので、キャパシタ１９の劣化の程度にかかわらず、適時に出力制限を解除することができる。これにより、低温時にショベルを起動する場合でも、キャパシタ１９の劣化を抑制しながらキャパシタ１９の暖機を行ない、通常の充放電制御に迅速に戻すことができる。

上述のように、本実施形態では、キャパシタ１９の内部抵抗値に基づいてキャパシタの状態を検出しており、キャパシタ１９の内部抵抗値はキャパシタ１９の状態を表す状態値に相当する。そして、コントローラ３０がステップＳ１４においてキャパシタ１９の内部抵抗値を算出することで、状態検出部が実現される。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、キャパシタに電流を流した際に変化するキャパシタ電圧の電圧変化量に基づいてキャパシタ１９の出力制限及び出力制限の解除を行なう。

図８は第３実施形態における出力制限処理のフローチャートである。図９はキャパシタの温度と電圧変化量との関係を示すグラフである。

キャパシタ１９の電圧変化量は、キャパシタ１９に流れる電流が変化したときの電圧差に相当する。すなわち、電圧変化量は、例えば、キャパシタ１９に流れる電流が第１の値から第２の値へと大きく減少したときに、第１の値の電流が流れているときの第１の電圧と第２の値の電流が流れているときの第２の電圧との差（いわゆるＩＲドロップ）に相当する。したがって、電圧変化量はキャパシタ１９の内部抵抗と同等のパラメータとみなすことができ、内部抵抗の代わりに電圧変化量を用いて上述の第２実施形態のように出力制限処理を行なうことができる。

第３実施形態による出力制限処理が開始されると、まず、ステップＳ２１において、ショベルの運転準備が完了し、ショベルでの作業が開始される。したがって、ショベルにおいて、電動発電機（アシストモータ）１２及び旋回用電動機２１が駆動できる状態となる。そして、電動発電機１２が駆動され、作業に伴って旋回用電動機２１が駆動される。続いて、ステップＳ２２において、キャパシタ１９の電圧が計測される（電圧計測１）。この電圧の計測は、キャパシタに電流が流れているタイミングで行なわれる。続いて、ステップＳ２３において、一定時間が経過するのを待つ。一定時間とは、キャパシタ１９に流れている電流が変化するのに十分な時間であり、例えば、０．２〜０．３秒といった時間間隔である。

続いて、ステップＳ２４において、再度キャパシタ１９の電圧が計測される（電圧計測２）。そして、電圧計測１で計測された電圧と電圧計測２で計測された電圧との差を演算により求めることで、電圧変化量が求められる。ここで求められた電圧変化量は、図９における電圧変化量Ｖ１，Ｖ３に相当する。

続いて、ステップＳ２５において、キャパシタ１９の現在の温度が計測される。そして、ステップＳ２６において、キャパシタ１９の現在の温度が室温以上であるか否かが判定される。キャパシタ１９の現在の温度が室温以上であると判定された場合は（ステップＳ２６のＹＥＳ）、キャパシタ１９は低温状態ではないと判断され、出力制限処理はステップＳ２７に進む。

ステップＳ２７では、ステップＳ２２での電圧計測１による電圧とステップＳ２４での電圧計測２による電圧との差が、電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下であるか否かが判定される。電圧変化量の閾値Ｖｔｈは、第２実施形態における内部抵抗の閾値Ｒｔｈと同等な閾値であり、電圧変化量が閾値Ｖｔｈ以下であれば、キャパシタ１９の内部抵抗が閾値Ｒｔｈ以下であるとみなすことができる。

電圧計測１による電圧と電圧計測２による電圧との差が、電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下ではないと判定された場合は（ステップ２７のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ２８に進む。閾値Ｖｔｈ以下ではないと判定される電圧変化量は図９における電圧変化量Ｖ４，Ｖ５に相当する。この場合、ステップＳ２６においてキャパシタ１９の温度は室温以上であると判定されているので、電圧変化量が大きいということはキャパシタ１９が劣化しているため内部抵抗が大きくなっていると判断することができる。そこで、ステップＳ２８では、キャパシタ１９の出力制限指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電に制限が加わる。充放電の制限とは、例えば、充放電電流を小さな値に制限することである。キャパシタ１９の充放電電流を小さな値に制限することにより、キャパシタ１９が劣化してその内部抵抗が増大していることによる急激な電圧降下あるいは電圧上昇を抑制することができる。これにより、劣化状態におけるキャパシタ１９の充放電時の電圧を、例えば、システム下限電圧とシステム上限電圧との間の範囲にとどめておくことができる。また、制限された充放電の出力により、キャパシタ１９の暖機を行うことができる。

ステップＳ２８の処理が終了すると、ステップＳ３０において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ３０のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ３０のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ３０の処理を繰り返してショベルの運転が終了するのを待つ。電圧変化量が大きいことが、キャパシタ１９の劣化によるものであり、キャパシタ１９の温度も室温以上である（低温状態ではない）ので、キャパシタ１９の内部抵抗は現在の値より小さくはならないため、再度電圧変化量を求める必要はないためである。

一方、ステップＳ２７において、キャパシタ１９の電圧変化量が、電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下であると判定された場合は（ステップＳ２７のＹＥＳ）、出力制限処理はステップＳ２９に進む。閾値Ｖｔｈ以下であると判定される電圧変化量は、図９における電圧変化量Ｖ２，Ｖ６に相当する。ステップＳ２９では、キャパシタ１９の出力制限は行なわれず、あるいは、キャパシタ１９の出力制限解除指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電制限は行なわれず、キャパシタ１９には通常の充放電制御が適用される
ステップＳ２９に続いて、ステップＳ３０において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ３０のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ３０のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ３０の処理を繰り返してショベルの運転が終了するのを待つ。電圧変化量は小さく、キャパシタ１９は劣化していないと判断でき、キャパシタ１９の温度も室温以上である（低温状態ではない）ので、キャパシタ１９の内部抵抗は現在の値より大きくならないと判断でき、再度電圧変化量を求める必要はないためである。

一方、ステップＳ２６で現在のキャパシタ１９の温度が室温以上ではないと判定された場合は（ステップＳ２６のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ３１に進む。ステップＳ３１においても、ステップＳ２７と同様に、ステップＳ２２での電圧計測１による電圧とステップＳ２４での電圧計測２による電圧との差が、電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下であるか否かが判定される。

電圧計測１により計測された電圧と電圧計測２により計測された電圧との差が電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下ではないと判定された場合は（ステップＳ３１のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ３２に進む。ここで、閾値Ｖｔｈ以下ではないと判定される電圧変化量は、図９における電圧変化量Ｖ１，Ｖ３に相当する。この場合、ステップＳ２６においてキャパシタ１９の温度は室温以上ではない（低温状態である）と判定されているので、電圧変化量が大きいということはキャパシタ１９の温度が低いため内部抵抗が大きくなっていると判断することができる。そこで、ステップＳ３２では、キャパシタ１９の出力制限指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電に制限が加わる。充放電の制限とは、例えば、充放電電流を小さな値に制限することである。キャパシタ１９の充放電電流を小さな値に制限することにより、キャパシタ１９の温度が低くてその内部抵抗が増大していることによる急激な電圧降下あるいは電圧上昇を抑制することができる。これにより、劣化状態におけるキャパシタ１９の充放電時の電圧を、例えば、システム下限電圧とシステム上限電圧との間の範囲にとどめておくことができる。また、制限された充放電の出力により、キャパシタ１９の暖機を行うことができる。

ステップＳ３２の処理が終了すると、ステップＳ３４において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ３４のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ３４のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ２２に戻る。ショベルの運転が継続されてキャパシタ１９が暖機状態になることで、内部抵抗が小さくなり、出力制限を解除できる状態になると予想されるからである。

一方、ステップＳ３２において、キャパシタ１９の電圧変化量が、電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下であると判定された場合は（ステップＳ３２のＹＥＳ）、出力制限処理はステップＳ３３に進む。ステップＳ３３では、キャパシタ１９の出力制限は行なわれず、あるいは、キャパシタ１９の出力制限解除指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電制限は行なわれず、キャパシタ１９には通常の充放電制御が適用される
ステップＳ３３に続いて、ステップＳ３４において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ３４のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ３４のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ２２に戻る。ショベルの運転が継続されている間にキャパシタ１９が低温状態になることで、内部抵抗が大きくなり、出力制限を加える必要がある状態になることもあり得るからである。ショベルでの作業が終了するまでこの処理は繰り返される。

以上のような第３実施形態による出力制限処理によれば、例えば、キャパシタ１９が低温状態においてショベルの運転が開始された場合、運転を開始した直後はキャパシタ１９の内部抵抗は閾値Ｒｔｈより大きいので電圧変化量は閾値Ｖｔｈより大きい。したがって、出力制限処理は、ステップＳ２６のＮＯからステップＳ３１を経てステップＳ３２に進み、キャパシタ１９の出力制限が適用される。ショベルの運転が継続してキャパシタ１９が暖機状態となり、キャパシタ１９の内部抵抗が閾値Ｒｔｈ以下となって電圧変化量がＶｔｈ以下となると、出力制限処理はステップＳ２６のＹＥＳからステップＳ３１を経てステップＳ３３に進み、キャパシタ１９の出力制限が解除され、キャパシタ１９に通常の充放電制御を適用することができるようになる。計測で求めた電圧変化量が閾値Ｖｔｈ以下となった時点、すなわちキャパシタ１９の現在の内部抵抗が実際に閾値Ｒｔｈより小さくなった時点でキャパシタ１９の出力制限を解除するので、キャパシタ１９の劣化の程度にかかわらず、適時に出力制限を解除することができる。これにより、低温時にショベルを起動する場合でも、キャパシタ１９の劣化を抑制しながらキャパシタ１９の暖機を行ない、通常の充放電制御に迅速に戻すことができる。

上述のように、本実施形態では、キャパシタ１９の電圧変化量に基づいてキャパシタ１９の状態を検出しており、キャパシタ１９の電圧変化量はキャパシタ１９の状態を表す状態値に相当する。そして、コントローラ３０がステップＳ２４においてキャパシタ１９の電圧変化量を算出することで、状態検出部が実現される。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態では、第３実施形態と同様にキャパシタに電流を流した際に変化するキャパシタ電圧の電圧変化量に基づいてキャパシタ１９の出力制限及び出力制限の解除を行なうが、現在のキャパシタ１９の温度による劣化の判断は行なわない。

図１０は第４実施形態における出力制限処理のフローチャートである。図１１はキャパシタの温度と電圧変化量との関係を示すグラフである。

第４実施形態による出力制限処理が開始されると、まず、ステップＳ４１において、ショベルの運転準備が完了し、ショベルでの作業が開始される。したがって、ショベルにおいて、電動発電機（アシストモータ）１２及び旋回用電動機２１が駆動できる状態となる。そして、電動発電機１２が駆動され、作業に伴って旋回用電動機２１が駆動される。続いて、ステップＳ４２において、キャパシタ１９の電圧が計測される（電圧計測１）。この電圧の計測は、キャパシタに電流が流れているタイミングで行なわれる。続いて、ステップＳ４３において、一定時間が経過するのを待つ。一定時間とは、キャパシタ１９に流れている電流が変化するのに十分な時間であり、例えば、０．２〜０．３秒といった時間間隔である。

続いて、ステップＳ４４において、再度キャパシタ１９の電圧が計測される（電圧計測２）。そして、電圧計測１と電圧計測２において計測された電圧の差を演算により求めることで、電圧変化量が求められる。ここで求められた電圧変化量は、図１１における電圧変化量Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５に相当する。

続いて、ステップＳ３１において、ステップＳ２２での電圧計測１で計測された電圧とステップＳ２４での電圧計測２で計測された電圧との差が、電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下であるか否かが判定される。

電圧計測１で計測された電圧と電圧計測２で計測された電圧との差が電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下ではないと判定された場合は（ステップＳ４５のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ４６に進む。ステップＳ４６で電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下ではないと判定される電圧変化量は、図１１における電圧変化量Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５に相当する。ステップＳ４６では、キャパシタ１９の出力制限指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電に制限が加わる。充放電の制限とは、例えば、充放電電流を小さな値に制限することである。キャパシタ１９の充放電電流を小さな値に制限することにより、キャパシタ１９の温度が低くてその内部抵抗が増大していることによる急激な電圧降下あるいは電圧上昇を抑制することができる。これにより、劣化状態におけるキャパシタ１９の充放電時の電圧を、例えば、システム下限電圧とシステム上限電圧との間の範囲にとどめておくことができる。また、制限された充放電の出力により、キャパシタ１９の暖機を行うことができる。

ステップＳ４６の処理が終了すると、ステップＳ４８において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ４８のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ４８のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ４２に戻る。ショベルの運転が継続されてキャパシタ１９が暖機状態になることで、内部抵抗が小さくなり、出力制限を解除できる状態になると予想されるからである。

一方、ステップＳ４５において、キャパシタ１９の電圧変化量が、電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下であると判定された場合は（ステップＳ４５のＹＥＳ）、出力制限処理はステップＳ４７に進む。ステップＳ４５において電圧変化量の閾値Ｖｔｈ以下であると判定される電圧変化量は、図１１における電圧変化量Ｖ２，Ｖ４に相当する。ステップＳ４７では、キャパシタ１９の出力制限は行なわれず、あるいは、キャパシタ１９の出力制限解除指令がコントローラ３０から蓄電系１２０に送信される。これにより、キャパシタ１９の充放電制限は行なわれず、キャパシタ１９には通常の充放電制御が適用される
ステップＳ４７に続いて、ステップＳ４８において、ショベルの運転が終了したか否かが判定される。ショベルの運転が終了している場合は（ステップＳ４８のＹＥＳ）、出力制限処理は終了する。ショベルの運転が終了していない場合は（ステップＳ４８のＮＯ）、出力制限処理はステップＳ４２に戻る。ショベルの運転が継続されている間にキャパシタ１９が低温状態になることで、内部抵抗が大きくなり、出力制限を加える必要がある状態になることもあり得るからである。ショベルでの作業が終了するまでこの処理は繰り返される。

以上のような第４実施形態による出力制限処理によれば、例えば、キャパシタ１９が低温状態においてショベルの運転が開始された場合、運転を開始した直後はキャパシタ１９の内部抵抗は閾値Ｒｔｈより大きいので電圧変化量は閾値Ｖｔｈより大きい。したがって、出力制限処理は、ステップＳ４５のＮＯからステップＳ４６に進み、キャパシタ１９の出力制限が適用される。ショベルの運転が継続してキャパシタ１９が暖機状態となり、キャパシタ１９の内部抵抗が閾値Ｒｔｈ以下となって電圧変化量が閾値Ｖｔｈ以下となると、出力制限処理はステップＳ４５のＹＥＳからステップＳ４７に進み、キャパシタ１９の出力制限が解除され、キャパシタ１９に通常の充放電制御を適用することができるようになる。計測で求めた電圧変化量が閾値Ｖｔｈ以下となった時点、すなわちキャパシタ１９の現在の内部抵抗が実際に閾値Ｒｔｈより小さくなった時点でキャパシタ１９の出力制限を解除するので、キャパシタ１９の劣化の程度にかかわらず、適時に出力制限を解除することができる。これにより、低温時にショベルを起動する場合でも、キャパシタ１９の劣化を抑制しながらキャパシタ１９の暖機を行ない、通常の充放電制御に迅速に戻すことができる。

上述のように、本実施形態では、キャパシタ１９の電圧変化量に基づいてキャパシタ１９の状態を検出しており、キャパシタ１９の電圧変化量はキャパシタ１９の状態を表す状態値に相当する。そして、コントローラ３０がステップＳ４４においてキャパシタ１９の電圧変化量を算出することで、状態検出部が実現される。

なお、上述の実施形態では旋回機構２が電動式であったが、旋回機構２が電動ではなく油圧駆動の場合がある。図１２は図３に示すハイブリッド式ショベルの旋回機構を油圧駆動式とした場合の駆動系の構成を示すブロック図である。図１２に示すハイブリッド式ショベルでは、旋回用電動機２１の代わりに、旋回油圧モータ２Ａがコントロールバルブ１７に接続され、旋回機構２は旋回油圧モータ２Ａにより駆動される。このような、ハイブリッド式ショベルであっても、上述のようにして、キャパシタ１９の出力制限処理を行なうことができる。

また、上述の実施形態では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプであるメインポンプ１４に接続してメインポンプ１４を駆動する、いわゆるパラレル型のハイブリッド式ショベルに本発明を適用した例について説明した。本発明は、図１３に示すようにエンジン１１で電動発電機１２を駆動し、電動発電機１２が生成した電力を蓄電系１２０に蓄積してから蓄積した電力のみによりポンプ用電動機４００を駆動してメインポンプ１４を駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド式ショベルにも適用することもできる。この場合、電動発電機１２は、本実施形態ではエンジン１１によって駆動させることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。

なお、図１３に示すハイブリッド式ショベルでは、ブームシリンダ７からの戻り油圧を利用して油圧回生が行なわれている。すなわち、ブームシリンダ７からの戻り油圧用の油圧配管７Ａにブーム回生油圧モータ３１０が設けられ、ブーム回生油圧モータにより発電機３００を駆動して回生電力を発生する。発電機３００により発生した電力はインバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０に供給される。

また、本発明はハイブリッド式ショベルに限定されることなく、図１４に示すような電動ショベルにも適用することができる。図１４に示す電動ショベルは、エンジン１１が設けられておらず、外部電源からの電力によりポンプ用電動機４００と旋回用電動機２１が駆動される。メインポンプ１４はポンプ用電動機４００のみで駆動される。ポンプ用電動機への電力は蓄電系１２０からの電力で全て賄われる。

本明細書ではハイブリッド式ショベルの実施形態により本発明を説明したが、本発明は具体的に開示された上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形例及び改良例がなされるであろう。

本出願は、２０１１年６月２８日出願の優先権主張日本国特許出願第２０１１−１４３２６２号に基づくものであり、その全内容は本出願に援用される。

本発明は、電動負荷に電力を供給するための蓄電装置を備えたショベルに適用可能である。

１下部走行体
１Ａ、１Ｂ油圧モータ
２旋回機構
２Ａ旋回油圧モータ
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
７Ａ油圧配管
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変速機
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
１８Ａ，１８Ｃ，２０インバータ
１９キャパシタ
２１旋回用電動機
２２レゾルバ
２３メカニカルブレーキ
２４旋回変速機
２５パイロットライン
２６操作装置
２６Ａ、２６Ｂレバー
２６Ｃペダル
２７油圧ライン
２８油圧ライン
２９圧力センサ
３０コントローラ
１００昇降圧コンバータ
１１０ＤＣバス
１１１ＤＣバス電圧検出部
１１２キャパシタ電圧検出部
１１３，１１６キャパシタ電流検出部
１１４，１１７電源ライン
１１５，１１８接続点
１２０蓄電系
１３０−１，１３０−２リレー
３００発電機
３１０油圧モータ

Claims

下部走行体と、
該下部走行体に備えられた上部旋回体と、
該上部旋回体に備えられた蓄電装置と、
該蓄電装置に接続されたコンバータと、
前記蓄電装置の状態を表す状態値を検出する状態検出部と、
前記コンバータを制御する制御部と
を有するショベルであって、
前記制御部は、前記ショベルの起動時に前記蓄電装置と前記コンバータとを通電するとともに、通電後に前記蓄電装置の状態を表す状態値としての前記蓄電装置の温度を検出し、前記状態検出部で検出した電流値又は電圧値に基づいて前記蓄電装置の内部抵抗の値を算出し、算出された内部抵抗の値に基づいて、前記内部抵抗が閾値以下となる温度を所定の値として算出し、前記蓄電装置の温度が算出された温度となるまで前記コンバータを制御して出力制限を行なうことを特徴とするショベル。
下部走行体と、
該下部走行体に備えられた上部旋回体と、
該上部旋回体に備えられた蓄電装置と、
該蓄電装置に接続されたコンバータと、
前記蓄電装置の状態を表す状態値を検出する状態検出部と、
前記コンバータを制御する制御部と
を有するショベルであって、
前記蓄電装置の起動状態を表す状態値は、前記ショベルの起動時に前記蓄電装置と前記コンバータとを通電した際に検出された前記蓄電装置の電圧と、該検出から一定時間の後に検出された前記蓄電装置の電圧との差に相当する電圧変化量であり、前記一定時間の後にさらに一定時間が経過した後に、前記蓄電装置の温度が温度閾値以下になった際に前記蓄電装置の電圧変化量を計測し、
前記制御部は、該電圧変化量が所定の値としての電圧変化量閾値になるまで前記コンバータを制御して前記蓄電装置の出力制限を行なうことを特徴とするショベル。
請求項１又は２に記載のショベルであって、
前記制御部は、前記ショベルの起動後に出力制限を行なっている状態で、前記蓄電装置と前記コンバータとを通電させ、前記状態検出部により前記ショベルの動作中の前記状態値を検出し、検出した前記状態値と前記所定の値とを比較し、比較結果に基づいて前記コンバータを制御して前記蓄電装置の出力制限を解除することを特徴とするショベル。