JP6269621B2 - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

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Description

本発明はハイブリッド建設機械の故障判別に関するものである。
ハイブリッド建設機械においては、インバータと蓄電装置とが中核部品として設けられている。そして、ハイブリッド建設機械では、蓄電装置とインバータとの間に、蓄電装置をインバータから切り離すためのリレーと、電圧の安定化を図るための平滑コンデンサとが挿入されている。
このような回路構成を持つ技術として、例えば、特許文献1が公知である。特許文献1は、電動モータと、蓄電デバイスとしてのキャパシタと、電動モータ及びキャパシタ間に設けられたインバータ及び直流電圧変換器と、直流電圧変換器及びキャパシタ間に設けられたリレーとを備える建設機械を開示する。そして、特許文献1は、リレーにより直流電圧変換器とキャパシタとが接続されてから、直流電圧変換器のインバータ側の電圧(二次側電圧V2)を検知し、検知した二次側電圧V2が所定の閾値KVSL2未満であれば、インバータが異常と判定する(図7のS105)。また、特許文献1は、直流電圧変換器のリレー側の電圧(一次電圧V1)が所定の閾値KVG1SW未満であれば、リレーが短絡されていると判断する(図7のS107)。
特開2013−129969号公報
しかし、特許文献1は、イグニッションキーがオンされたときのキャパシタ(蓄電装置)の初期放電制御時に故障診断が行われており(段落[0045])、平滑コンデンサの強制放電時に故障診断が行われていない。そのため、特許文献1は、蓄電装置の電圧と、インバータの電圧との電圧差を演算し、この電圧差からインバータとリレーとの故障を判別するようなことは行われていない。また、特許文献1では、リレーが閉じられた状態で故障診断が行われており(段落[0044])、リレーが開放した状態で故障診断が行われていないので、リレーの固着を検出することはできない。
本発明は、平滑コンデンサの強制放電時にインバータとリレーとの故障を判別できるハイブリッド建設機械を提供することを目的とする。
本発明の一態様におけるハイブリッド建設機械は、エンジンと、
前記エンジンの動力補助及びエネルギー回収を行う発電電動機と、
前記発電電動機前記発電電動機との間で電力の授受を行う蓄電装置と、
前記発電電動機を駆動するインバータと、
前記インバータと前記蓄電装置との間に設けられ、前記インバータと並列接続された平滑コンデンサ及び抵抗を備える主回路と、
前記蓄電装置と前記主回路との接続を制御するリレーと、
前記蓄電装置と並列接続され、前記蓄電装置の電圧である第1電圧を検出する第1電圧検出部と、
前記主回路の前記インバータ側の電圧である第2電圧を検出する第2電圧検出部と、
前記平滑コンデンサの強制放電を開始してから一定時間以内に前記第2電圧が所定の基準電圧未満にならなかった場合、前記第1電圧と前記第2電圧との電圧差を演算し、前記電圧差が所定の閾値以上であれば、前記インバータが故障していると判断し、前記電圧差が前記閾値未満であれば、前記リレーが故障していると判断する故障検出部とを備える。
強制放電時にはリレーが開放されるが、リレーが故障しているとリレーが開放されないので、蓄電装置と主回路とは接続されたままとなる。そのため、平滑コンデンサが蓄積するエネルギーが平滑コンデンサに並列接続された抵抗で消費されるものの、蓄電装置から平滑コンデンサへのエネルギーの供給は継続される。これにより、平滑コンデンサの電圧はさほど低下せず、第1、第2電圧の電圧差はリレーが故障していない場合に比べて小さくなる。
一方、インバータが故障していると、リレーが故障していなければ、蓄電装置から平滑コンデンサへのエネルギーの供給が絶たれた状態で、平滑コンデンサのエネルギーが抵抗で消費される。これにより、平滑コンデンサの電圧は低下し、第1、第2電圧の電圧差はリレーが故障している場合に比べて大きくなる。そのため、本構成では、強制放電時にリレーとインバータとの故障を判別でき、修理部品や部品交換を的確に行うことができる。
また、本構成によれば、強制放電の完了を待ってからインバータとリレーとの故障を判別する処理が行われているので、インバータとリレーとの故障の判別を的確に行うことができる。また、強制放電開始後の一定期間内に平滑コンデンサの電圧を示す第2電圧が所定の基準電圧未満になっていない場合に限って、インバータとリレーとの故障を判別する処理が行われるので、処理負担の軽減を図ることができる。
また、上記の態様において、前記故障検出部は、前記強制放電を開始してから一定時間以内に前記第2電圧が所定の基準電圧未満にならなかった場合、前記判断の結果に基づいて故障履歴を生成し、メモリーに記憶させてもよい。
この構成によれば、故障履歴がメモリーに記憶されるので、サービスマンは、後日、故障履歴を閲覧して故障の発生及び原因を認識できる。
また、上記の態様において、前記故障検出部は、イグニッションキーがオフされたときに前記強制放電を開始させてもよい。
この構成によれば、イグニッションキーがオフされる都度、強制放電が行われ、故障判別が行われるので、わざわざ、故障判別の開始指示を入力することなく、故障判別を行うことができる。
また、上記の態様において、前記故障検出部は、前記リレーを開放するための制御指示を出力して前記強制放電を実行させてもよい。
この構成によれば、リレーが故障している場合、制御指示を出力してもリレーが開放されないので、リレーの固着を検出できる。
本発明によれば、強制放電時にリレーとインバータとの故障を判別でき、修理部品や部品交換を的確に行うことができる。
本発明の実施の形態におけるハイブリッド建設機械をハイブリッドショベルに適用したときのハイブリッドショベルの外観図である。 図1に示すハイブリッドショベルのシステム構成の一例を示すブロック図である。 図1に示すハイブリッドショベルの電気的な構成を示す回路図である。 ハイブリッドショベルの強制放電時における動作の一例を示すフローチャートである。
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
図1は、本発明の実施の形態におけるハイブリッド建設機械をハイブリッドショベル1に適用したときのハイブリッドショベル1の外観図である。ハイブリッドショベル1は、クローラ式の下部走行体2と、下部走行体2上に旋回可能に設けられた上部旋回体3と、上部旋回体3に取り付けられた作業アタッチメント4とを備えている。
作業アタッチメント4は、上部旋回体3に対して起伏可能に取り付けられたブーム15と、ブーム15の先端部に対して揺動可能に取り付けられたアーム16と、アーム16の先端部に対して揺動可能に取り付けられたバケット17とを備えている。
また、作業アタッチメント4は、上部旋回体3に対してブーム15を起伏させるブームシリンダ18と、ブーム15に対してアーム16を揺動させるアームシリンダ19と、アーム16に対してバケット17を揺動させるバケットシリンダ20とを備えている。
図2は、図1に示すハイブリッドショベル1のシステム構成の一例を示すブロック図である。
ハイブリッドショベル1は、エンジン21と、エンジン21の出力軸に連結された油圧ポンプ23及び発電電動機22と、油圧ポンプ23から前記各シリンダ18〜20に対する駆動油の給排を制御するコントロールバルブ231と、蓄電装置27の充放電及び発電電動機22の駆動を制御する発電インバータ24と、蓄電装置27の充放電及び旋回電動機26の駆動を制御する旋回インバータ25と、旋回インバータ25により駆動される旋回電動機26と、発電電動機22により発電された電力を充電可能な蓄電装置27と、蓄電装置27を監視するバッテリコントローラ28と、発電インバータ24、旋回インバータ25、及びバッテリコントローラ28を制御する制御部29とを備える。なお、図2において、太線は電力線を示し、細線は制御の流れを示し、二重線はエンジン21の出力軸を示す。
エンジン21は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される。
発電電動機22は、エンジン21からの動力により発電機として機能し、エンジン21のエネルギー回収を行う。また、発電電動機22は、蓄電装置27からの電力により電動機として機能し、エンジン21をアシストする。
油圧ポンプ23は、エンジン21の動力により駆動して、駆動油を吐出する。油圧ポンプ23から吐出された駆動油は、コントロールバルブ231によって流量制御された状態で、各シリンダ18〜20に導かれる。
発電インバータ24は、制御部29の制御の下、発電電動機22の発電機としての機能と、発電電動機22の電動機としての機能との切り換えを制御する。また、発電インバータ24は、発電電動機22のトルクを制御する。
旋回インバータ25は、蓄電装置27の電力を旋回電動機26に供給し、旋回電動機26を駆動させる。また、旋回インバータ25は、上部旋回体3の旋回減速時に旋回電動機26に発生する回生電力を蓄電装置27に蓄積させる。また、旋回インバータ25は、旋回電動機26のトルクを制御する。
旋回電動機26は、蓄電装置27の電力により駆動され、図1に示す上部旋回体3を旋回させる。
蓄電装置27は、発電インバータ24の制御の下、発電電動機22が発電した電力を蓄積する。また、蓄電装置27は、旋回インバータ25の制御の下、旋回電動機26の回生電力を蓄積する。
バッテリコントローラ28は、蓄電装置27の充電率(SOC:State Of Charge)を検出し、制御部29に出力する。
制御部29は、例えば、ASIC(application specific integrated circuit)、FPGA(field−programmable gate array)、及びCPU等のプロセッサと、ROMと、RAMと、EEPROM等の書き換え可能な記憶装置とで構成されている。そして、制御部29は、ハイブリッドショベル1の全体制御を司る。
図3は、図1に示すハイブリッドショベル1の電気的な構成を示す回路図である。ハイブリッドショベル1は、蓄電装置27、リレーSW、突入電流防止部35、主回路30、インバータ34、発電電動機22、旋回電動機26、第1電圧検出部31、及び第2電圧検出部32を備える。
蓄電装置27は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタといった二次電池で構成され、1以上のセルが直列接続されて構成されている。
主回路30は、蓄電装置27及びインバータ34の間に設けられ、インバータ34と並列接続されている。主回路30は、平滑コンデンサC1及び抵抗R1を備える。平滑コンデンサC1は、蓄電装置27と並列接続され、蓄電装置27から供給される電力を平滑化する。抵抗R1は、平滑コンデンサC1と並列接続されている。そして、抵抗R1は、平滑コンデンサC1の強制放電時に、平滑コンデンサC1が蓄積するエネルギーを消費する。
リレーSWは、一対のリレーSW1、SW2で構成され、蓄電装置27及び主回路30間を導通及び開放して、蓄電装置27及び主回路30間の接続を制御する。リレーSW1は、蓄電装置27の正極に接続されたラインL1に設けられている。リレーSW2は、蓄電装置27の負極に接続されたラインL2に設けられている。リレーSW1、SW2は、制御部29の制御の下、同期して動作する。
インバータ34は、発電インバータ24及び旋回インバータ25を備える。発電インバータ24は、例えば、複数のスイッチング素子を含む三相又は単相インバータで構成され、主回路30から供給される直流電力を交流電力に変換して、発電電動機22に供給する。また、発電インバータ24は、エンジン21からの動力によって発電電動機22が発電した交流電力を主回路30に供給する。
旋回インバータ25は、例えば、発電インバータ24と同様、三相又は単相インバータで構成され、発電インバータ24と並列接続されている。そして、旋回インバータ25は、主回路30から供給された直流電力を交流電力に変換して、旋回電動機26に供給する。また、旋回インバータ25は、旋回電動機26で発生した回生電力を主回路30に供給する。
発電電動機22及び旋回電動機26は、例えば、三相又は単相モータで構成される。
第1電圧検出部31は、蓄電装置27と並列接続され、主回路30の蓄電装置27側の電圧である第1電圧V1を計測する。
第2電圧検出部32は、インバータ34と並列接続され、主回路30のインバータ34側の電圧である第2電圧V2を計測する。
突入電流防止部35は、リレーSW1と並列接続され、リレーSW3及び抵抗R2が直列接続された直列回路で構成されている。そして、突入電流防止部35は、故障検出部291の制御の下、リレーSWと同時にリレーSW3が導通する、或いは、リレーSWが導通する直前にリレーSW3が導通し、ラインL1に流れる電流の一部を抵抗R2に流す。これにより、リレーSWの導通時にラインL1、L2等で発生する突入電流が抑制される。
制御部29は、故障検出部291、計時部292、メモリー293、及び通信部294を備える。故障検出部291は、平滑コンデンサC1の強制放電を開始してから一定時間以内に第2電圧V2が所定の基準電圧VT2未満にならなかった場合、第1電圧V1と第2電圧V2との電圧差を演算する。そして、故障検出部291は、演算した電圧差が所定の閾値VT1以上であれば、インバータ34が故障していると判断し、電圧差が閾値VT1未満であれば、リレーSWが故障していると判断する。インバータ34の故障としては、例えば、インバータ34を構成する回路素子(スイッチング素子)の破損が挙げられる。
ここで、閾値VT1としては、例えば、電圧差がこれ以上低下するとリレーSWが固着しているとみなされる予め定められた電圧値が採用できる。
故障検出部291は、キーセンサ33によりイグニッションキーがオフされたことを示す信号が出力されると、リレーSW1、SW2、SW3を開放させ、平滑コンデンサC1の強制放電を開始する。
強制放電が開始されると、平滑コンデンサC1が蓄積するエネルギーが抵抗R1で消費されて減少する。ここで、故障検出部291は、強制放電時にインバータ34を制御して、発電電動機22及び旋回電動機26を駆動させ、両電動機に平滑コンデンサC1が蓄積するエネルギーを消費させてもよい。これにより、強制放電時間が短縮化される。
基準電圧VT2としては、例えば、平滑コンデンサC1が蓄積するエネルギーが感電等を発生させないレベルまで低下したとみなせる平滑コンデンサC1の電圧値が採用できる。例えば、基準電圧VT2としては、実質的に平滑コンデンサC1の電圧が0Vであるとみなせる電圧値が採用できる。
また、一定時間としては、例えば、平滑コンデンサC1及び抵抗R1の時定数を考慮して、満充電状態の平滑コンデンサC1の電圧を基準電圧VT2未満にするために要する放電時間、或いは、その放電時間に多少のマージンを付加した時間が採用できる。
また、故障検出部291は、強制放電を開始してから一定時間以内に第2電圧V2が基準電圧VT2未満にならなかった場合、リレーSW及びインバータ34の故障の判断の結果に基づいて故障履歴を生成し、メモリー293に記憶させる。ここで、故障履歴としては、例えば、故障を検出した日時、及び故障の原因(リレーSW1の故障或いはインバータ34の故障)等が含まれる。
計時部292は、故障検出部291の制御の下、強制放電時間を計時する。
メモリー293は、故障履歴を記憶する。
通信部294は、例えば、衛星通信装置で構成され、ハイブリッドショベル1を衛星通信を介してサーバ40に接続させる。そして、通信部294は、故障履歴をサーバ40に送信する。
キーセンサ33は、ハイブリッドショベル1のイグニッションキーのオン・オフを検知し、検知信号を制御部29に出力する。
サーバ40は、1以上の建設機械(ハイブリッドショベル1を含む。)の稼働状況等を管理する装置であり、メモリー41を備える。メモリー41は、各建設機械の稼働状況を記憶するものであり、本実施の形態では、特に、ハイブリッドショベル1から送信される故障履歴を蓄積する。なお、故障履歴がサーバ40のみで管理される場合、メモリー293は不要である。
次に、図3に示す回路の動作について簡単に説明する。イグニッションキーのオン時には、リレーSW1〜SW3が導通されており、蓄電装置27及びインバータ34は主回路30を介して電気的に接続されている。そして、イグニッションキーがオフされると、リレーSW1〜SW3がオフされ、平滑コンデンサC1の強制放電が開始される。強制放電が開始されると、平滑コンデンサC1が蓄積するエネルギーが、抵抗R1、発電電動機22、及び旋回電動機26等で消費され、第2電圧V2が低下していく。そして、第2電圧V2が一定時間内に基準電圧VT2未満になると、強制放電が終了される。
次に、ハイブリッドショベル1の動作について説明する。図4はハイブリッドショベル1の強制放電時における動作の一例を示すフローチャートである。
まず、キーセンサ33がイグニッションキーがオフされたことを検知すると(S401でYES)、故障検出部291は、計時部292に強制放電時間の計時を開始させる(S402)。一方、キーセンサ33がイグニッションキーのオフを検知しなければ(S401でNO)、処理がS401に戻される。
次に、故障検出部291は、リレーSW1〜SW3を開放させるための制御信号をリレーSW1〜SW3に出力し、且つ、インバータ34に発電電動機22及び旋回電動機26を駆動させ、強制放電を開始する(S403)。この場合、リレーSW1〜SW3が故障により固着していれば、リレーSW1〜SW3は導通状態を維持する。
次に、故障検出部291は、第2電圧V2が基準電圧VT2未満でなければ(S404でNO)、計時部292が計時する強制放電時間が一定時間を経過したか否かを判定する(S406)。そして、強制放電時間が一定時間を経過していなければ(S406でNO)、処理はS404に戻る。一方、強制放電時間が一定時間を経過していれば(S406でYES)、故障検出部291は、第1、第2電圧V1、V2を取得する(S407)。S404では、第2電圧V2が基準電圧VT2未満であれば(S404でYES)、故障検出部291は正常と判定し(S405)、処理を終了する。
すなわち、故障検出部291は、強制放電を開始してから一定時間内に第2電圧V2が基準電圧VT2未満にならなければ故障の判断を行い、第2電圧V2が基準電圧VT2未満になれば正常と判定する(S404〜S407)。
S408では、故障検出部291は、第1、第2電圧V1、V2の電圧差を算出する。そして、電圧差の絶対値が閾値VT1以上であれば(S408でYES)、インバータ34が故障していると判断する(S409)。一方、電圧差の絶対値が閾値VT1未満であれば(S408でNO)、リレーが固着していると判断する(S410)。
強制放電時にはリレーSWが開放されるが、リレーSWが故障しているとリレーSWが開放されないので、蓄電装置27と主回路30とは接続されたままとなる。そのため、平滑コンデンサC1が蓄積するエネルギーが抵抗R1、発電電動機22、及び旋回電動機26で消費されるものの、蓄電装置27から平滑コンデンサC1へのエネルギーの供給は継続される。これにより、第2電圧V2はさほど低下せず、第1、第2電圧V1、V2の電圧差はリレーSWが故障していない場合に比べて小さくなる。
一方、インバータ34が故障している場合、リレーSWが故障していなければ、蓄電装置27から平滑コンデンサC1へのエネルギーの供給が絶たれた状態で、平滑コンデンサC1のエネルギーが抵抗R1、発電電動機22、及び旋回電動機26で消費されるので、第2電圧V2は低下し、第1、第2電圧V1、V2の電圧差はリレーSWが故障している場合に比べて大きくなる。そのため、ハイブリッドショベル1は、強制放電時にリレーSWとインバータ34との故障を判別でき、修理部品や部品交換を的確に行うことができる。
また、強制放電の完了を待ってからインバータ34とリレーSWとの故障を判別する処理が行われているので、インバータ34とリレーSWとの故障の判別を的確に行うことができる。また、強制放電開始後の一定期間内に第2電圧V2が基準電圧VT2未満になっていない場合に限って、インバータ34とリレーSWとの故障を判別する処理が行われるので、処理負担の軽減を図ることができる。
また、故障履歴がメモリー293に記憶されるので、サービスマンは、後日、故障履歴を閲覧して故障の発生及び原因を認識できる。サービスマンは、自身が所持する端末装置からサーバ40にアクセスして故障履歴を閲覧してもよい。或いは、サービスマンは、自身が所持する端末装置を制御部29に接続して、メモリー293にアクセスして故障履歴を閲覧してもよい。
本実施の形態では、イグニッションキーがオフされる都度、強制放電が行われ、故障判別が行われるので、わざわざ、故障判別の開始指示を入力することなく、故障判別を行うことができる。
本実施の形態では、リレーSWが故障している場合、制御指示を出力してもリレーSWが開放されないので、リレーの固着を検出できる。
なお、図3において、旋回インバータ25及び旋回電動機26が省かれた構成、発電インバータ24及び発電電動機22が省かれた構成に対しても、本願発明は適用可能である。
C1 平滑コンデンサ
R1 抵抗
SW、SW1、SW2、SW3 リレー
V1 第1電圧
V2 第2電圧
VT1 閾値
VT2 基準電圧
1 ハイブリッドショベル
22 発電電動機
24 発電インバータ
25 旋回インバータ
26 旋回電動機
27 蓄電装置
29 制御部
30 主回路
31 第1電圧検出部
32 第2電圧検出部
33 キーセンサ
34 インバータ
35 突入電流防止部
291 故障検出部
292 計時部
293 メモリー
294 通信部

Claims (4)

  1. エンジンと、
    前記エンジンの動力補助及びエネルギー回収を行う発電電動機と、
    前記発電電動機との間で電力の授受を行う蓄電装置と、
    前記発電電動機を駆動するインバータと、
    前記インバータと前記蓄電装置との間に設けられ、前記インバータと並列接続された平滑コンデンサ及び抵抗を備える主回路と、
    前記蓄電装置と前記主回路との接続を制御するリレーと、
    前記蓄電装置と並列接続され、前記蓄電装置の電圧である第1電圧を検出する第1電圧検出部と、
    前記主回路の前記インバータ側の電圧である第2電圧を検出する第2電圧検出部と、
    前記平滑コンデンサの強制放電を開始してから一定時間以内に前記第2電圧が所定の基準電圧未満にならなかった場合、前記第1電圧と前記第2電圧との電圧差を演算し、前記電圧差が所定の閾値以上であれば、前記インバータが故障していると判断し、前記電圧差が前記閾値未満であれば、前記リレーが故障していると判断する故障検出部とを備えるハイブリッド建設機械。
  2. 前記故障検出部は、前記強制放電を開始してから一定時間以内に前記第2電圧が所定の基準電圧未満にならなかった場合、前記判断の結果に基づいて故障履歴を生成し、メモリーに記憶させる請求項1に記載のハイブリッド建設機械。
  3. 前記故障検出部は、イグニッションキーがオフされたときに前記強制放電を開始させる請求項1又は2に記載のハイブリッド建設機械。
  4. 前記故障検出部は、前記リレーを開放するための制御指示を出力して前記強制放電を実行させる請求項1〜3のいずれか1項に記載のハイブリッド建設機械。
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