以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、ハイブリッド式建設機械の一例としてハイブリッド式の油圧ショベル(以降、ハイブリッドショベルと称する)を例示して説明するが、例えば、ハイブリッドホイールローダやハイブリッドダンプなど、蓄電装置を搭載したハイブリッド式(プラグインハイブリッド式を含む)の建設機械、或いは、エンジンを搭載せず蓄電装置の出力だけで駆動するバッテリ式の建設機械にも本発明を適用することが可能である。
<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態を図1〜図10参照しつつ説明する。
図1は、本実施の形態に係るハイブリッド式建設機械の一例であるハイブリッドショベルの外観を模式的に示す側面図である。
図1において、ハイブリッドショベル100は、垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材(ブーム4A、アーム4B、バケット4C)を連結して構成された多関節型のフロント作業機4と、車体本体を構成する上部旋回体3及び下部走行体2とを備えており、上部旋回体3は下部走行体2に対して旋回可能に設けられている。上部旋回体3は、基部となる旋回フレーム3a上に各部材を配置して構成されており、上部旋回体3を構成する旋回フレーム3aが下部走行体2に対して旋回可能となっている。また、フロント作業機4のブーム4Aの基端は上部旋回体3の前部の片側(例えば、前方を向いて右側)に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム4Bの一端はブーム4Aの基端とは異なる端部(先端)に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム4Bの他端にはバケット4Cが垂直方向に回動可能に支持されている。
下部走行体2は、左右一対のクローラフレーム2B1(2B2)にそれぞれ掛け回された一対のクローラ2C1(2C2)と、クローラ2C1(2C2)をそれぞれ駆動する走行用油圧モータ2A1(2A2)(図示しない減速機構を含む)とから構成されている。なお、下部走行体2の各構成については、左右一対の構成のうちの一方のみを図示して符号を付し、他方の構成については図中に括弧書きの符号のみを示して図示を省略する。
ブーム4A、アーム4B、バケット4C、及び下部走行体2は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ4a、アームシリンダ4b、バケットシリンダ4c、及び左右の走行用油圧モータ2A1(2A2)によりそれぞれ駆動される。また、上部旋回体3も旋回装置3Aに搭載された油圧アクチュエータである旋回用油圧モータ3A1により減速機構24を介して同様に駆動され、下部走行体2に対して旋回動作を行う。
上部旋回体3を構成する旋回フレーム3a上の前部の片側(例えば、前方を向いて左側)には、オペレータが搭乗して後述する操作レバー装置5A等によりハイブリッドショベル100の操作を行うためのキャビン5が配置されており、旋回フレーム3a上の後部には、車体の重量バランスを保つためのカウンタウェイト6が配置されている。また、旋回フレーム3a上のキャビン5とカウンタウェイト6の間には、原動機であるエンジン11とともに、ブームシリンダ4a、アームシリンダ4b、バケットシリンダ4c、旋回用油圧モータ3A1及び左右の走行用油圧モータ2A1(2A2)などの各油圧アクチュエータを駆動するためのコントロールバルブ18などが収納される原動機室7が配置されている。
図2は、本実施の形態に係るハイブリッド式の油圧回路システムを関連構成とともに抜き出して示す図である。
図2において、ハイブリッド式油圧回路システム30は、エンジン11と、力行時にエンジン11の動力をアシストし、回生時に発電する電動発電機14(M/G:Motor/Generator)と、エンジン11と電動発電機14(ただし、力行時)により駆動される可変容量型の油圧ポンプ17と、蓄電装置16と、電動発電機14と蓄電装置16の間の電力の授受を制御するインバータ15と、キャビン5に搭乗したオペレータによるハイブリッドショベル100の操作に係わる操作システム50と、インバータ15を含むハイブリッド式油圧回路システム30全体動作を制御する制御装置としてのハイブリッドコントローラ20(HCU:Hybrid Control Unit)とを備えている。
また、ハイブリッド式油圧回路システム30は、エンジン11の動作を制御するエンジンコントローラ12(ECU:Engine Control Unit)と、エンジン11により駆動されるエアコン等の補機による補機負荷13と、油圧ポンプ17から各油圧アクチュエータ(走行用油圧モータ2A1(2A2)、旋回用油圧モータ3A1、ブームシリンダ4a、アームシリンダ4b、及びバケットシリンダ4c)に供給される圧油の流量及び方向を制御するコントロールバルブ18とを備えている。エンジンコントローラ12及びコントロールバルブ18は、ハイブリッドコントローラ20からの制御信号により制御される。
なお、図示しないが、ハイブリッド式油圧回路システム30は、エンジン11の関連構成として、燃料を貯蔵する燃料タンク、燃料噴射量を調整するガバナ、ターボチャージャ式の過給機などを有しているほか、油圧ポンプ17の関連構成として、エンジン11により駆動されてパイロット圧を生成するパイロットポンプなどを有している。
操作システム50は、キャビン5内に配置されており、オペレータが把持して操作することにより各油圧アクチュエータ2A1(2A2)、3A1、4a、4b、4cに所望の動作を指示する操作レバー装置5Aと、操作レバー装置5Aによる操作を制限するゲートロックレバー装置5Bと、オペレータが車体状態を確認するための表示装置としてのモニタ5Cと、オペレータがエンジン11を含む車体システム全体の起動および停止を操作するための起動スイッチ5Dとを有している。すなわち、操作レバー装置5Aにより複数の油圧負荷である各油圧アクチュエータ2A1(2A2)、3A1、4a、4b、4cが操作される。
ゲートロックレバー装置5BのON時(すなわち、ゲートロックレバー装置5Bが操作レバー装置5Aによる各油圧アクチュエータの操作を制限する位置に切り換えられた時)には、操作レバー装置5Aを操作しても走行用油圧モータ2A、旋回用油圧モータ3A1、ブームシリンダ4a、アームシリンダ4b、及びバケットシリンダ4c等の各油圧アクチュエータが動作しない状態となる。しがたって、オペレータがハイブリッドショベル100の各油圧アクチュエータを動作させるためには、ゲートロックレバー装置5BをOFFとし(すなわち、ゲートロックレバー装置5Bを操作レバー装置5Aによる各油圧アクチュエータの操作を制限しない位置に切り換え)、その状態で操作レバー装置5Aを操作する必要がある。
油圧ポンプ17は、可変容量機構として、例えば、斜板(図示せず)を有しており、この斜板の傾転角を調整することによって油圧ポンプの吐出流量を制御する。また、油圧ポンプ17には、図示しないが、吐出された圧油の圧力を測定する吐出圧センサや、吐出された圧油の流量を測定する吐出流量センサ、油圧ポンプ17の斜板の傾転角を測定する傾転角センサ等が設けられている。なお、本実施の形態では、油圧ポンプ17として、斜板式の可変容量型の油圧ポンプを例示して説明するが、吐出する圧油の流量を制御する機能を有する油圧ポンプであれば良く、例えば、斜軸ポンプ等を用いても良い。
電動発電機14は、その駆動軸を油圧ポンプ17の駆動軸とともにエンジン11の駆動軸と直列に接続配置されており、駆動軸を介してエンジン11及び油圧ポンプ17との間でトルクを相互に伝達することにより、力行時にはエンジン11の動力のアシストおよび油圧ポンプ17の駆動を行い、回生時には発電を行う。
インバータ15は、電動発電機14と蓄電装置16の間に接続され、ハイブリッドコントローラ20からの制御信号に基づいて電動発電機14と蓄電装置16の間の電力の授受を制御するものである。また、インバータ15は電力変換装置であり、電動発電機14の力行時には蓄電装置16から出力される直流電力を交流電力に変換して電動発電機14に供給し、電動発電機14の回生時には電動発電機14で発電された交流電力を直流電力に変換して蓄電装置16に供給する。
図3は、蓄電装置の構成を模式的に示す図である。
図3において、蓄電装置16は、多直列接続された複数(例えば、96個)の電池セルC1〜C96により構成される組電池16Aと、組電池16Aとインバータ15との間で授受される電流を検出する電流センサ16Bと、組電池16Aの電池セルC1〜C96を監視して制御するためのバッテリコントローラ16C(BCU:Battery Control Unit)とから構成されている。なお、図3において、複数の電池セルC1〜C96のように同種多数の部材については、図示の簡単のためにその一部のみを代表して図示する。
組電池16Aは、インバータ15を駆動するのに必要な電圧を得るために、複数の電池セルC1〜C96を多直列接続して構成されている。また、組電池16Aは、多直列接続された複数(例えば、12個)の電池セルを一組とする複数(例えば、8個)の電池モジュールM1〜M8を直列接続することにより構成されている。各電池モジュールM1〜M8には、それぞれ、各電池モジュールM1〜M8を構成する電池セルの電圧の計測や調整、温度の計測等を行うセルコントローラCC1〜CC8が設けられている。また、組電池16Aには、複数の電池セルC1〜C96の総電圧を検出する電圧センサ16Dが設けられている。
バッテリコントローラ16Cは、電流センサ16Bの測定値をAD変換してディジタルの電流値の情報として取得するともに、電圧センサ16Dの測定値をAD変換することによって複数の電池セルC1〜C96の総電圧をディジタルの電圧値の情報として取得する。また、バッテリコントローラ16Cは、セルコントローラCC1〜CC8を介して複数の電池セルC1〜C96の電圧や温度を監視して制御するものであり、セルコントローラCC1〜CC8に制御信号を送信することにより、電池セルC1〜C96の電圧の調整を行うとともに、組電池16Aを構成する複数の電池セルC1〜C96の各電池セルC1〜C96の電圧(セル電圧とも称する)、電池温度などを取得する。そして、バッテリコントローラ16Cは、取得した情報(例えば、各セル電池の電圧のうち代表的なセル電圧(各測定時点の最高セル電圧および最低セル電圧)、総電圧、温度、電流)等を監視結果としてハイブリッドコントローラ20に送信する。バッテリコントローラ16Cによる各種情報の取得タイミング(サンプリング時間)およびハイブリッドコントローラ20への送信タイミングは、取得する情報の変化に対して十分に早ければ足りるが、例えば、ハイブリッド式油圧回路システム30のシステムクロック等に合わせて取得することが考えられる。なお、図3では、バッテリコントローラ16Cからの制御信号がシリアル接続されたセルコントローラCC1から順にセルコントローラCC8まで送信され、各セルコントローラCC1〜CC8からの各種情報がシリアル接続された後段のセルコントローラを介して最終的にセルコントローラCC8からバッテリコントローラ16Cに送信される場合を示している。
組電池16Aを構成する電池セルC1〜C96は、例えば、リチウムイオン電池である。例えば、電池セルとしてリチウムイオン電池を用いた場合、各電池セルの電圧がそれぞれ約3.6Vであると仮定すると、100個の電池セルを多直列接続して構成された組電池は、約360Vの直流電圧を出力することができる。なお、96個の電池セルを多直列接続して構成された組電池は、約345.6Vの直流電圧を出力する。
組電池16Aに蓄えられた直流電力(エネルギー)は、インバータ15によって直流から交流に変換され、電動発電機14へ供給される。これにより、蓄電装置16が放電される。また、電動発電機14によって発電された交流電力(エネルギー)は、インバータ15によって交流から直流に変換され、蓄電装置16へ供給される。これにより、蓄電装置16が充電される。
図4は、ハイブリッドコントローラの詳細を関連構成とともに示す機能ブロック図である。また、図5は、電圧情報抽出部の詳細を関連構成とともに示す機能ブロック図である。
図4において、ハイブリッドコントローラ20は、バッテリコントローラ16Cの監視結果から予め定めた複数の条件下でそれぞれ取得された電圧値を抽出する電圧情報抽出部210と、電圧情報抽出部210で抽出された複数の電圧値に基づいて、組電池16Aの複数の電池セルC1〜C96の内部抵抗異常(可逆抵抗上昇)を判定するための少なくとも1つの判定参照値(後述)を算出する判定参照値演算部220と、判定参照値演算部220で演算された判定参照値に基づいて、組電池16Aの複数の電池セルC1〜C96の少なくとも1つに生じた内部抵抗異常を判定する異常判定部230と、キャビン5に配置された起動スイッチ5Dの状態に基づいて、ハイブリッド式油圧回路システム30を含むハイブリッドショベル100全体の稼動状態(システム状態と称する)を判定するシステム状態判定部240と、異常判定部230での判定結果に基づいて、ECU12やインバータ15の出力調整を行う出力指令部270とを有している。なお、ハイブリッドコントローラ20は、エンジンコントローラ12の情報に基づくエンジン11の出力上限値演算機能や、油圧ポンプ17の要求動力演算機能など、ハイブリッドショベル100の動作に係る他の制御機能も有しているが、説明の簡単のために図示及び詳述を省略する。
システム状態判定部240は、ハイブリッド式油圧回路システム30を含むハイブリッドショベル100のシステム状態を起動スイッチ5DのON/OFF状態から判断し、システムが稼動している状態(システム稼動状態)であるか停止している状態(システム停止状態)であるかを判定結果として電圧情報抽出部210に送信する。
図5に示すように、電圧情報抽出部210は、バッテリコントローラ16Cの監視結果から、複数の電池セルC1〜C96の総電圧VTの予め定めた第一期間内における最高値である最高総電圧抽出値VTHを抽出する最高総電圧抽出部213と、複数の電池セルC1〜C96の総電圧VTの予め定めた期間(第一期間)内における最低値である最低総電圧抽出値VTLを抽出する最低総電圧抽出部214と、複数の電池セルC1〜C96のうちある時点における最高値の電圧を示す電池セルの電圧である最高セル電圧Vmaxの予め定めた期間(第一期間)内における最高値である最高セル電圧抽出値VCHを抽出する最高セル電圧抽出部211と、複数の電池セルC1〜C96のうちある時点における最低値の電圧を示す電池セルの電圧である最低セル電圧Vminの予め定めた期間(第一期間)内における最低値である最低セル電圧抽出値VCLを抽出する最低セル電圧抽出部212とを有している。最高セル電圧抽出部211、最低セル電圧抽出部212、最高総電圧抽出部213、及び最低総電圧抽出部214には、それぞれ、予め定めた期間(第一期間)の終了時(後述)に最高セル電圧抽出値VCH、最低セル電圧抽出値VCL、最低総電圧抽出値VTL、及び最高総電圧抽出値VTHとして出力するための候補値などを一時的に記憶する記憶部(図示せず)を有している。
図6は、組電池を構成する複数の電池セルにおける最高セル電圧、最低セル電圧、及び総電圧の予め定めた期間(第一期間)内における時間変化の一例を模式的に示す図であり、縦軸に最高セル電圧、最低セル電圧、及び総電圧を、横軸に時間を示している。
最高セル電圧Vmaxは、複数の電池セルC1〜C96のうち、ある時点における最高値の電圧を示す電池セルの電圧である。したがって、ある回のサンプリング時に最高値の電圧を示した電池セル以外の電池セルが、次回のサンプリング時に最高値の電圧を示す場合もあり、最高セル電圧Vmaxを示す電池セルがサンプリング毎に異なることもありうる。最低セル電圧Vminについても同様であり、最低セル電圧Vminを示す電池セルがサンプリング毎に異なることもありうる。
最高セル電圧抽出値VCH及び最低セル電圧抽出値VCLは、予め定めた期間(第一期間)における最高セル電圧Vmax及び最低セル電圧Vminの最高値及び最低値の電圧である。例えば、図6においては、予め定めた期間(第一期間)における時間t1で最低セル電圧Vminが最低値を示しており、このときの電圧が予め定めた期間(第一期間)の終了時に最低セル電圧抽出値VCLとして抽出される。また、予め定めた期間(第一期間)における時間t2で最高セル電圧Vmaxが最高値を示しており、このときの電圧が予め定めた期間(第一期間)の終了時に最高セル電圧抽出値VCHとして抽出される。
最高総電圧抽出値VTH及び最低総電圧抽出値VTLは、予め定めた期間(第一期間)における総電圧VTの最高値及び最低値の電圧である。例えば、図6においては、予め定めた期間(第一期間)における時間t1で総電圧VTが最低値を示しており、このときの電圧が予め定めた期間(第一期間)の終了時に最低総電圧抽出値VTLとして抽出される。また、予め定めた期間(第一期間)における時間t2で総電圧VTが最高値を示しており、このときの電圧が予め定めた期間(第一期間)の終了時に最高総電圧抽出値VTHとして抽出される。
なお、蓄電装置16は複数の電池セルC1〜C96を多直列接続して構成されているため、充放電される電流は全電池セルC1〜C96で同値と考えることができる。したがって、最低セル電圧抽出値VCLが抽出されるタイミングと最低総電圧抽出値VTLが抽出されるタイミングはほぼ同時(図6中の時間t1)と考えることができる。また、同様に、最高セル電圧抽出値VCHと最高総電圧抽出値VTHの抽出タイミングもほぼ同時(図6中の時間t2)であると考えることができる。
図7は、電圧情報抽出部の処理機能のうち、最高セル電圧抽出部の処理機能を代表して示すフローチャートである。
図7において、電圧情報抽出部210の最高セル電圧抽出部211は、システム状態判定部240で判定されたシステム状態がOFF状態(システム停止状態)からON状態(システム稼動状態)に切り換わる、すなわち、ハイブリッドショベル100のシステムが起動されると、ハイブリッドショベル100の一稼動日中における初回の起動であるかどうかを判定し(ステップS211)、判定結果がYESの場合には記憶部に記憶されている情報をリセットする(すなわち、記憶部格納値Vz=0とする)(ステップS212)。
ステップS211での判定結果がNOの場合、又は、ステップS212の処理が終了した場合には、続いて、複数の電池セルC1〜C96のうち、その時点における最高値の電圧を示す電池セルの電圧値(すなわち、最高セル電圧Vmax)を取得し(ステップS213)、ステップS213で取得した最高セル電圧Vmaxが記憶部に記憶された情報(記憶部格納値Vz)以上であるかどうかを判定する(ステップS214)。ステップS214での判定結果がYESの場合には、ステップS213で取得した最高セル電圧Vmaxを記憶部に記憶された情報(記憶部格納値Vz)に上書きする(ステップS215)。
ステップS214での判定結果がNOの場合、又は、ステップS215の処理が終了した場合には、続いて、システム状態判定部240で判定されたシステム状態がOFF状態(システム停止状態)であるかどうかを判定し(ステップS216)、判定結果がNOの場合、すなわち、システム稼動状態である場合には、判定結果がYESになるまで、すなわち、システム停止状態になるまで、ステップS213〜S215の処理を繰り返す。
また、ステップS216での判定結果がYESの場合には、記憶部格納値(Vz)を最高セル電圧抽出値VCHとして判定参照値演算部220に出力し(ステップS217)、処理を終了する。
電圧情報抽出部210を構成する最高セル電圧抽出部211以外の最低セル電圧抽出部212、最高総電圧抽出部213、最低総電圧抽出部214についても同様の処理を行う。例えば、最高総電圧抽出部213の処理では、図7のフローチャートにおいて最高セル電圧Vmaxを総電圧VTに置き換え、最高セル電圧抽出部211とは異なる記憶部格納値を用いた処理を行う。また、最低セル電圧抽出部212及び最低総電圧抽出部214の処理では、図7のフローチャートにおいて最高セル電圧Vmaxを最低セル電圧Vmin及び総電圧VTにそれぞれ置き換え、他の抽出部とは異なる記憶部格納値を用いるとともに、ステップS214の不等号を逆の処理として、すなわち、Vmin≦Vz及びVT≦Vzとして処理を行う。
図8は、システム状態判定部で判定されるシステム状態の変化の一例を示す図である。
図8では、第1日目において、システム状態がシステム停止状態からシステム稼動状態に切り換わり(起動)、その後、システム稼動状態からシステム停止状態に切り換わる(停止)こと、すなわち、システムの起動と停止を2回繰り返している場合を示している。同様に、第2日目においてはシステムが起動され、第3日目に一度停止された後、さらに、起動と停止を行った場合を示している。
最高セル電圧抽出部211、最低セル電圧抽出部212、最高総電圧抽出部213、及び最低総電圧抽出部214において、予め定めた期間(第一期間)とは、ハイブリッドショベル100の一稼動日中における最初のシステム稼動時から各システム停止時までと定義する。すなわち、一稼動日中に稼動と停止を複数回繰り返す場合には、最初のシステム稼動時から各システム停止時までがそれぞれ第一期間となる。ただし、一稼動日中に最初のシステム稼動時と最後のシステム停止時が無い場合は、最初のシステム稼動時後、最初のシステム停止時までを第一期間とする。
最高セル電圧抽出部211、最低セル電圧抽出部212、最高総電圧抽出部213、及び最低総電圧抽出部214は、予め定めた期間(第一期間)の開始時、すなわち、図8における時間R1,R2,R3で記憶部格納値をリセットし(図7のステップS212参照)、時間S1,S2,S3,S4で抽出値を出力する(図7のステップS217参照)。なお、最高セル電圧抽出部211、最低セル電圧抽出部212、最高総電圧抽出部213、及び最低総電圧抽出部214は、ハイブリッドコントローラ20が有するシステム時刻等から日時情報を容易に取得可能である。また、処理上の日付の切り替わる時刻は、例えば22時、2時など、毎日決まった時刻であれば必ずしも午前零時でなくてもよい。
判定参照値演算部220は、最高セル電圧抽出部211、最低セル電圧抽出部212、最高総電圧抽出部213、及び最低総電圧抽出部214からそれぞれ出力される最高セル電圧抽出値VCH、最低セル電圧抽出値VCL、最低総電圧抽出値VTL、及び最高総電圧抽出値VTHを受信する度に、以下の(式1)及び(式2)に基づいて、判定参照値A及び判定参照値Bを演算する。
A=VCH−(VTH/N) ・・・(式1)
B=(VTL/N)−VCL ・・・(式2)
ここで、Nは、蓄電装置16の組電池16Aを構成する電池セルC1〜C96の数であり、例えば、本実施の形態においてはN=96(個)である。
図9は、異常判定部の処理機能を示すフローチャートである。
図9において、異常判定部230は、判定参照値演算部220から出力された判定参照値A,Bを読み込み(ステップS231)、判定参照値Aが予め定めた閾値Ath以上であり、かつ、判定参照値Bが予め定めた閾値Bth以上であるかどうかを判定する(ステップS232)。ステップS231での判定結果がYESの場合には、組電池16Aの複数の電池セルC1〜C96の少なくとも1つに内部抵抗異常(可逆抵抗上昇)が発生したと判定し、内部抵抗異常の発生を示すフラグ(異常フラグ)をモニタ5C及び出力指令部270に出力して(ステップS233)、処理を終了する。また、ステップS231での判定結果がNOの場合には、組電池16Aにおいて内部抵抗異常は発生してないと判定し、処理を終了する。
モニタ5Cは、異常判定部230から異常フラグが出力されると、蓄電装置16(正確には蓄電装置16の組電池16Aの電池セルC1〜C96)に内部抵抗異常(可逆抵抗上昇)が発生したとする情報を表示してオペレータに報知する。また、出力指令部270は、異常判定部230から異常フラグが出力されると、蓄電装置16の充放電電力が低減されるようにエンジンコントローラ12及びインバータ15への制御指令を演算して出力する。
ここで、内部抵抗異常(可逆抵抗上昇)の判定原理について説明する。
判定参照値演算部220で算出される判定参照値A,Bは、通常(つまり、正常時)は演算される度に大きく変化しない。しかし、組電池16Aを構成する複数の電池セルC1〜C96のうち、特定の電池セルの内部抵抗が大きくなる(すなわち、可逆抵抗上昇などの内部抵抗異常が発生する)と判定参照値A,Bともに値が大きくなる。すなわち、特定の電池セルの内部抵抗が大きくなると、電流通電時の当該電池セルの電圧の変動も大きくなるため、上記(式1)の最高セル電圧抽出値VCHが正常時に比べて高い値をとることになる。一方、最高総電圧抽出値VTHも最高セル電圧抽出値VCHの増分だけ大きくなるが、組電池16Aを構成する複数の電池セルC1〜C96の数Nで除算されるため、(VTH/N)の増加分はわずかとなる。したがって、特定の電池セルの内部抵抗が大きくなると判定参照値Aが大きくなる。同様に、特定の電池セルの内部抵抗が大きくなると判定参照値Bもまた値が大きくなる。したがって、異常判定部230で判定参照値A,Bを日々モニタすることで、特定の電池セルの内部抵抗上昇を検知することができる。
図10は、判定参照値の日付毎の変動の一例を模式的に示す図であり、縦軸に判定参照値を、横軸に日付をそれぞれ示している。
図10において、判定参照値A,Bは、演算される度にその値は増減するが、例えば、日付Dにおける判定参照値A,Bのように、特定の電池セルの内部抵抗が急激に大きくなると、判定参照値A,Bともに極端にその値が大きくなる。このような場合に、判定参照値A,Bが予め定めた閾値Ath,Bthをそれぞれ同時に超えたとすると、内部抵抗異常が発生したと判定することができる。
次に、閾値Ath,Bthの設定方法について説明する。
ここでは、閾値Athを例にとり、その値の設定方法の一例を説明する。閾値Athは蓄電装置16に含まれる電池セルC1〜C96の基本特性や多直列接続された電池セルの数、蓄電装置16にかかる充放電負荷電流の大きさなどに応じて定められる。例えば、蓄電装置16が100個の電池セルを多直列接続して構成され、各電池セルの定格電圧を3.6V、異常のない正常の電池セルの内部抵抗を3mΩとした場合を考える。なお、これらの値は、蓄電装置16の内部構成や電池セルの基礎特性等から予め知ることができる数値である。また、ハイブリッドショベル100(ハイブリッド式建設機械)が日々使用される中で、蓄電装置16に充放電される電流値もまた予め知ることができ、ここでは、充電電流が100Aである場合の各電池セルの電圧や総電圧を考える。
各電池セルの閉回路電圧が3.6Vで、充電電流100Aの場合に最高セル電圧抽出値VCHを記録するとした場合、内部抵抗が3mΩのセルの開回路電圧は3.9Vとなる。しかし、内部抵抗が例えば正常時の1.4倍の電池セル、すなわち、内部抵抗が4.2mΩの電池セル(すなわち、内部抵抗異常が発生した異常セル)が1つ発生した場合、その電池セルの開回路電圧は4.02Vとなり、これが最高セル電圧抽出値VCHとなる。このような条件下で上記(式1)によって判定参照値Aを求めると、参照判定値A≒0.119Vとなる。同様に、異常セルの内部抵抗が正常時の1.3倍であった場合の判定参照値Aを算出すると、判定参照値A≒0.089Vとなる。したがって、内部抵抗異常が生じた電池セルの内部抵抗が正常な電池セルの1.3倍から1.4倍に増加したときに異常と判定すると決めた場合、例えば、閾値Ath=0.1Vに設定すればよい。なお、電池セルの内部抵抗値の正常/異常の範囲は、用いる電池セルの仕様等から求められる。
以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。
二次電池では一般に、電流の充放電や保存に伴う経年劣化として、その内部抵抗が上昇するという特性が知られている。このような抵抗上昇は通常、不可逆的な抵抗上昇(以下、不可逆抵抗上昇と称する)である。一方、ある種の二次電池では、電池の容量に対して大電流の充放電が継続して実施された場合には、通常の不可逆抵抗上昇とは異なる、可逆的な抵抗上昇(以下、可逆抵抗上昇と称する)が発生する場合があり、この可逆抵抗上昇が発生している状態で充放電を行うと、二次電池の劣化が促進されるということが報告されている。
ハイブリッド式建設機械向けの二次電池では、ハイブリッド式自動車向け二次電池などに比べて大電流の充放電が継続される傾向が強く、可逆抵抗上昇が発生しやすい状況での使用が想定される。そこで、従来技術として、二次電池の可逆抵抗上昇を検出して、劣化の促進を抑制するように制御するものが考えられている。
しかしながら、従来技術においては、複数の電池セルが多直列接続された組電池構成の蓄電システムへの適用が困難である。すなわち、上記従来技術においては、組電池構成の蓄電システムを1つの蓄電池として見た場合に、その蓄電池を構成する複数の電池セルに一様に可逆抵抗上昇が発生した場合には検知可能であるが、組電池構成の一部の電池セルに発生する可逆抵抗上昇を検知することについては考慮されていない。したがって、組電池構成の一部の電池セルでの可逆抵抗上昇の発生を検知せず、可逆抵抗上昇が発生した状態のまま継続して電池を充放電してしまうと、その電池セルの劣化が促進してしまうことが懸念される。
これに対して本実施の形態においては、エンジン11と、力行時にエンジンの動力をアシストし、回生時に発電する電動発電機14と、エンジン11により駆動される油圧ポンプ17と、蓄電装置16と、電動発電機14と蓄電装置16の間の電力の授受を制御するインバータ15と、インバータ15の動作を制御するハイブリッドコントローラ20とを備えたハイブリッドショベル100において、蓄電装置16は、多直列接続された複数の電池セルC1〜C96により構成された組電池16Aと、組電池16Aの複数の電池セルC1〜C96の総電圧VTと各電池セルの電圧とを監視するバッテリコントローラ16Cとを備え、ハイブリッドコントローラ20は、バッテリコントローラ16Cの監視結果から、複数の電池セルの総電圧VTの予め定めた第一期間内における最高値である最高総電圧抽出値VTHおよび最低値である最低総電圧抽出値VTLと、複数の電池セルのうちある時点における最高値の電圧を示す電池セルの電圧である最高セル電圧Vmaxの予め定めた第一期間内における最高値である最高セル電圧抽出値VCHと、複数の電池セルのうちある時点における最低値の電圧を示す電池セルの電圧である最低セル電圧Vminの予め定めた第一期間内における最低値である最低セル電圧抽出値VCLとを抽出する電圧情報抽出部210と、電圧情報抽出部210で抽出された最高総電圧抽出値VTH、最低総電圧抽出値VTL、最高セル電圧抽出値VCH、及び最低セル電圧抽出値VCLに基づいて、蓄電装置の複数の電池セルの内部抵抗異常を判定するための少なくとも1つの判定参照値A,Bを演算する判定参照値演算部220と、判定参照値演算部220で演算された少なくとも1つの判定参照値A,Bが予め定めた閾値Ath,Bth以上となった場合に、組電池16Aの複数の電池セルの少なくとも1つに内部抵抗異常が生じたと判定する異常判定部230とを有するように構成したので、複数の電池セルC1〜C96が多直列接続された組電池構成に含まれる一部の電池セルの可逆抵抗上昇を検知することができる。
また、蓄電装置を構成する電池セルの劣化を抑制し、長寿命化を実現することができ、蓄電装置を用いるハイブリッド式建設機械の蓄電システムの信頼性を向上することができる。
なお、本実施の形態においては、2つの判定参照値A,Bを演算し、判定演算値A,Bの両方がそれぞれ閾値Ath,Bthを越えた場合に、内部抵抗異常(可逆抵抗上昇)の発生を判定するように構成したがこれに限られず、少なくとも一方の判定演算値が閾値を越えた場合に内部抵抗異常(可逆抵抗上昇)の発生を判定するように構成しても良い。
<第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態を図11〜図13を参照しつつ説明する。本実施の形態では第1の実施の形態との相違点についてのみ説明するものとし、図面において第1の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、判定参照値の変化量に基づいて内部抵抗異常(可逆抵抗上昇)の発生を判定するよう構成したものである。
図11は、ハイブリッドコントローラの詳細を関連構成とともに示す機能ブロック図である。
図11において、ハイブリッドコントローラ20Aは、バッテリコントローラ16Cの監視結果から予め定めた複数の条件下でそれぞれ取得された電圧値を抽出する電圧情報抽出部210と、電圧情報抽出部210で抽出された複数の電圧値に基づいて、組電池16Aの複数の電池セルC1〜C96の内部抵抗異常(可逆抵抗上昇)を判定するための少なくとも1つの判定参照値A,Bを算出する判定参照値演算部220と、判定参照値演算部220で演算された判定参照値を記憶する演算値記憶部260と、判定参照値演算部220で演算された判定参照値A,B及び演算値記憶部260に記憶された判定参照値A0,B0に基づいて、組電池16Aの複数の電池セルC1〜C96の少なくとも1つに生じた内部抵抗異常を判定する異常判定部230Aと、キャビン5に配置された起動スイッチ5Dの状態に基づいて、ハイブリッド式油圧回路システム30を含むハイブリッドショベル100全体の稼動状態(システム状態と称する)を判定するシステム状態判定部240と、異常判定部230Aでの判定結果に基づいて、ECU12やインバータ15の出力調整を行う出力指令部270とを有している。
演算値記憶部260は、判定参照値演算部220で演算された判定参照値A,Bを記憶するものであり、ハイブリッドショベル100の1稼動日以前の判定参照値A,Bの最終値が判定参照値A0,B0として記憶されている。すなわち、演算値記憶部260の判定参照値A0,B0には、日付が変わる度に、その前日以前に最後に演算された判定参照値A,Bが上書きされることとなる。
図12は、異常判定部の処理機能を示すフローチャートである。
図12において、異常判定部230Aは、判定参照値演算部220から出力された判定参照値A,Bを読み込むとともに(ステップS251)、演算値記憶部260判定参照値A0,B0を読み込む(ステップS252)。続いて、参照判定値変化量ΔA(=A−A0),ΔB(=B−B0)を演算し(ステップS253)、判定参照値変化量ΔAが予め定めた閾値ΔAth以上であり、かつ、判定参照値変化量ΔBが予め定めた閾値ΔBth以上であるかどうかを判定する(ステップS254)。ステップS254での判定結果がYESの場合には、組電池16Aの複数の電池セルC1〜C96の少なくとも1つに内部抵抗異常(可逆抵抗上昇)が発生したと判定し、内部抵抗異常の発生を示すフラグ(異常フラグ)をモニタ5C及び出力指令部270に出力して(ステップS255)、処理を終了する。また、ステップS254での判定結果がNOの場合には、組電池16Aにおいて内部抵抗異常は発生してないと判定し、処理を終了する。
図13は、判定参照値変化量の日付毎の変動の一例を模式的に示す図であり、縦軸に判定参照値変化量を、横軸に日付をそれぞれ示している。
図13において、判定参照値変化量ΔA,ΔBは、演算される度にその値は増減するが、例えば、日付Dにおける判定参照値変化量ΔA,ΔBのように、特定の電池セルの内部抵抗が前回稼動時よりも急激に大きくなると、判定参照値変化量ΔA,ΔBともに極端にその値が大きくなる。このような場合に、判定参照値変化量ΔA,ΔBが予め定めた閾値ΔAth,ΔBthをそれぞれ同時に超えたとすると、内部抵抗異常が発生したと判定することができる。
その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
以上のように構成した本実施の形態においても第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、判定参照値の変化量に基づいて、内部抵抗異常の発生を判定しているので、電流の充放電や保存に伴う経年劣化としての内部抵抗の上昇の判定結果への影響を抑制することができ、通常の不可逆抵抗上昇とは異なる、可逆的な抵抗上昇(以下、可逆抵抗上昇と称する)の発生をより正確に判定することができる。
次に上記の各実施の形態の特徴について説明する。
(1)上記の実施の形態では、エンジン11と、力行時に前記エンジンの動力をアシストし、回生時に発電する電動発電機14と、前記エンジンにより駆動される油圧ポンプ17と、蓄電装置16と、前記電動発電機と前記蓄電装置の間の電力の授受を制御するインバータ15と、前記インバータの動作を制御するハイブリッドコントローラ20;20Aとを備えたハイブリッド式建設機械(例えば、ハイブリッドショベル100)において、前記蓄電装置は、多直列接続された複数の電池セルC1〜C96により構成された組電池16Aと、前記組電池の複数の電池セルの総電圧と各電池セルの電圧とを監視するバッテリコントローラ16Cとを備え、前記ハイブリッドコントローラは、前記バッテリコントローラの監視結果から、前記複数の電池セルの総電圧の予め定めた第一期間内における最高値である最高総電圧抽出値VTHおよび最低値である最低総電圧抽出値VTLと、前記複数の電池セルのセル電圧の予め定めた第一期間内における最高値である最高セル電圧抽出値VCHおよび最低値である最低セル電圧抽出値VCLとを抽出する電圧情報抽出部210と、前記電圧情報抽出部で抽出された最高総電圧抽出値、最低総電圧抽出値、最高セル電圧抽出値、及び最低セル電圧抽出値に基づいて、前記蓄電装置の複数の電池セルの内部抵抗異常を判定するための少なくとも1つの判定参照値A,Bを演算する判定参照値演算部220と、前記判定参照値演算部で演算された前記少なくとも1つの判定参照値が予め定めた閾値Ath,Bth以上である場合に、前記組電池の複数の電池セルの少なくとも1つに内部抵抗異常が生じたと判定する異常判定部230;230Aとを有するものとする。
これにより、複数の電池セルC1〜C96が多直列接続された組電池構成に含まれる一部の電池セルの可逆抵抗上昇を検知することができる。
(2)また、上記の実施の形態では、(1)のハイブリッド式建設機械において、前記判定参照値演算部220は、前記最高セル電圧抽出値から前記最高総電圧抽出値を前記複数の電池セルの数で除した値を減じた値である第一判定参照値と、前記最低総電圧抽出値を前記複数の電池セルの数で除した値から前記最低セル電圧抽出値を減じた値である第二判定参照値とを算出し、前記異常判定部は、前記第一判定参照値が予め定めた第一閾値以上の場合と前記第二判定参照値が予め定めた第二閾値以上の場合の少なくとも一方の場合に、前記組電池の複数の電池セルの少なくとも1つに内部抵抗異常が発生したと判定するものとする。
(3)また、上記の実施の形態では、(1)のハイブリッド式建設機械において、前記第一期間よりも前であって、かつ、最後に前記判定参照値演算部で演算された第一判定参照値及び第二判定参照値を記憶する記憶部(例えば、演算値記憶部260)を備え、前記異常判定部230Aは、前記記憶部に記憶された前記第一判定参照値に対する前記第一期間の第一判定参照値Aの変化量ΔAが予め定めた第三閾値ΔAth以上の場合と前記記憶部に記憶された前記第二判定参照値に対する前記第一期間の第二判定参照値Bの変化量ΔBが予め定めた第四閾値ΔBth以上の場合の少なくとも一方の場合に、前記組電池の複数の電池セルの少なくとも1つに内部抵抗異常が発生したと判定するものとする。
これにより、電流の充放電や保存に伴う経年劣化としての内部抵抗の上昇の判定結果への影響を抑制することができ、通常の不可逆抵抗上昇とは異なる、可逆的な抵抗上昇(以下、可逆抵抗上昇と称する)の発生をより正確に判定することができる。
<付記>
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。