JPWO2010113223A1

JPWO2010113223A1 - ハイブリッド型作業機械

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Publication number: JPWO2010113223A1
Application number: JP2011506855A
Authority: JP
Inventors: 和也横山
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: EP2418504B1; WO2010113223A1; CN102369449B; EP2418504A4; US20120038327A1; EP2418504A1; JP5579166B2; KR20110132427A; US8810210B2; KR101325562B1; CN102369449A

Abstract

電動発電機が、発電機及び電動機として動作する。コンバータが、キャパシタから電動発電機に電力を供給する放電状態と、電動発電機で発電された電力によりキャパシタを充電する充電状態とを切り替える。放電状態のときにキャパシタから出力される電気的パワー、及び充電状態のときにキャパシタに入力される電気的パワーが制御される。キャパシタ電圧計が、キャパシタの端子間電圧を測定する。キャパシタ電流計が、キャパシタの充放電電流を測定する。キャパシタ電圧計及びキャパシタ電流計から、制御装置に測定結果が入力される。制御装置は、測定結果に基づいてコンバータを制御する。

Description

本発明は、キャパシタの劣化状態に応じて出力制御を行うハイブリッド型作業機械に関する。

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（特開２００７−１５５５８６号公報）。

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と、劣化が速まり、キャパシタの寿命を縮めることになる。

本発明の一観点によると、
キャパシタと、
発電機及び電動機として動作する電動発電機と、
前記キャパシタから前記電動発電機に電力を供給する放電状態と、前記電動発電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、放電状態のときに該キャパシタから出力される電気的パワー、及び充電状態のときに該キャパシタに入力される電気的パワーを制御できるコンバータと、
前記キャパシタの端子間電圧を測定するキャパシタ電圧計と、
前記キャパシタの充放電電流を測定するキャパシタ電流計と、
前記キャパシタ電圧計及び前記キャパシタ電流計から測定結果が入力され、測定結果に基づいて前記キャパシタの入出力電力の適正範囲を決定し、前記キャパシタの入出力電力が、前記適性範囲から外れないように前記コンバータ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。

キャパシタ電圧計及びキャパシタ電流計による測定結果から、キャパシタの劣化状態を推測することができる。この測定結果に基づいて、キャパシタの入出力電力の適正範囲されるため、キャパシタの劣化を抑制することができる。

実施例によるハイブリッド型作業機械の側面図である。実施例によるハイブリッド型作業機械のブロック図である。実施例によるハイブリッド型作業機械に搭載される蓄電回路の等価回路図である。実施例によるハイブリッド型作業機械の起動から停止までの流れを示す図である。第１の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定し、運転状態を決定するフローチャートである。キャパシタの等価回路図である。第１の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定するときの充電率と充放電電流、端子間電圧の時間変化を示すグラフである。第２の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定し、運転状態を決定するフローチャートである。第２の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定するときの端子間電圧と充放電電流との時間変化を示すグラフである。（１０Ａ）は、実施例によるハイブリッド型作業機械の簡単なブロック図であり、（１０Ｂ）は、制御装置の機能ブロック図である。（１０Ｃ）は、制御装置の機能ブロック図の他の例である。（１１Ａ）は、電気二重層キャパシタの等価回路図であり、（１１Ｂ）は、簡略化した等価回路図であり、（１１Ｃ）は、静電容量ＣＬとＣＨとの両端の電圧の時間変化の一例を示すグラフである。（１２Ａ）は、内部抵抗の過渡特性を示すグラフであり、（１２Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃａを示すグラフであり、（１２Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。（１３Ａ）は、内部抵抗の過渡特性を示すグラフであり、（１３Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃａを示すグラフであり、（１３Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。（１４Ａ）は、内部抵抗の過渡特性を示すグラフであり、（１４Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃａを示すグラフであり、（１４Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。（１５Ａ）は、内部抵抗の過渡特性及び近似値を示すグラフであり、（１５Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃ_１を示すグラフであり、（１５Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。（１６Ａ）は、内部抵抗の過渡特性及び近似値を示すグラフであり、（１６Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃ_２を示すグラフであり、（１６Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。実施例６の動力分配方法ｗｐ適用したときの旋回用電動機出力と旋回用電動機要求出力との関係を示すグラフである。実施例６の動力分配方法ｗｐ適用したときの油圧負荷出力と油圧負荷要求出力との関係を示すグラフである。（１９Ａ）及び（１９Ｂ）は、実施例６の動力分配方法ｗｐ適用したときのキャパシタ出力と第２のキャパシタ出力目標値との関係を示すグラフである。（２０Ａ）及び（２０Ｂ）は、実施例６の動力分配方法ｗｐ適用したときの電動発電機出力と、キャパシタ出力と、旋回用電動機出力との関係を示すグラフである。実施例７による動力分配処理のフローチャートである。実施例７による動力分配処理の処理Ａのフローチャートである。実施例７による動力分配処理を適用した時の要求出力合計値と、分配後の出力との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら実施例について説明する。

図１に、実施例１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４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に示した下部走行体１に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。

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。蓄電回路９０には、さらに、他のインバータ２０を介して旋回用電動機（負荷電動機）２１が接続されている。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から電動発電機１２に供給され、電動発電機１２が機械的パワーを出力する。電動発電機１２が発電運転されている期間は、エンジン１１から必要な機械的パワーが供給され、電気的パワー（電力）を出力する。電動発電機１２によって発電された電力が、蓄電回路９０に供給される。インバータ１８が、制御装置３０からの指令を受けて、指令された機械的パワーまたは電気的パワーを出力するように電動発電機１２の運転制御を行う。

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、機械的パワーを出力する力行動作、及び電気的パワーを出力する回生動作の双方の運転を行うことができる。インバータ２０は、制御装置３０からの指令を受け、指令された機械的パワーを出力するように旋回用電動機２１の運転制御を行う。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１によるハイブリッド型作業機械では、旋回用電動機２１が旋回機構２を駆動するため、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おらず、蓄電回路９０への電力の供給及び蓄電回路９０からの電力の強制的な取り出し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。

図３に、蓄電回路９０の等価回路図を示す。蓄電回路９０は、キャパシタ１９、コンバータ１００、及びＤＣバスライン１１０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。

ＤＣバスライン１１０は、インバータ１８、２０を介して、それぞれ電動発電機１２及び旋回用電動機２１に接続されている。ＤＣバスライン１１０は、出力端子１０４Ｂに接続された接地線と、もう一方の出力端子１０４Ａに接続された電源線とを含む、接地線と電源線との間に、平滑用のコンデンサ１０５が挿入されている。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。

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。また、制御装置３０の内部メモリ３０Ｂには、運転状態記憶部３１が確保されている。運転状態記憶部３１には、現在の運転状態が記憶される。運転状態は、後に説明するように、「通常運転状態」及び「出力制限状態」の２つの状態のいずれかである。

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。なお、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。

図４に、実施例１による作業機械の起動から停止までの一連の処理を示す。作業者が作業機械の起動スイッチをＯＮにすることにより作業機械が起動されると、ステップＳＡ１において、蓄電回路９０、電動発電機１２等の動作準備が行われる。具体的には、エンジン１１が駆動されて、電動発電機１２が回転を開始する。これにより、電動発電機１２が発電を開始し、ＤＣバス１１０の平滑コンデンサ１０５が充電される。

動作準備が完了すると、ステップＳＡ２において、制御装置３０が、第１の計測方法でキャパシタ１９の内部抵抗を測定し、運転状態を決定する。第１の計測方法については、後に図５を参照して説明する。その後、ステップＳＡ３において、動作指令を入力することにより、作業機械の動作が開始される。動作指令は、運転者が操作装置２６（図２）を操作することにより行われる。

作業機械の動作中は、ステップＳＡ４において、制御装置３０が第２の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定し、運転状態を決定する。第２の計測方法については、後に図８を参照して説明する。

ステップＳＡ５で、作業機械がアイドリング中か否かを制御装置３０が判定し、アイドリング中であると判定された場合には、ステップＳＡ６において、第１の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定し、運転状態を決定する。その後、ステップＳＡ７において、制御装置３０が、作業機械停止の指令が入力されたか否かを判定する。作業機械の停止の指令は、操作者が操作装置２６（図２）を操作することにより行われる。ステップＳＡ５で、アイドリング中ではないと判定された場合には、ステップＳＡ６の処理を行うことなく、ステップＳＡ７において、作業機械停止の指令が入力されたか否かを判定する。

作業機械停止の指令が入力されている場合には、制御装置３０は、作業機械を停止させる。作業機械停止の指令が入力されていない場合には、ステップＳＡ４に戻り、制御装置３０が、第２の計測方法によるキャパシタの内部抵抗の測定、及び運転状態の決定を行う。

図５に、第１の計測方法のフローチャートを示す。まず、ステップＳＢ１において、制御装置３０が、キャパシタ１９の内部抵抗の測定を開始する。測定方法については、後に、図６及び図７を参照して説明する。

ステップＳＢ２において、計測完了までに、動作指令の入力があったか否かを、制御装置３０が判定する。計測中に、動作指令の入力があった場合には、ステップＳＢ３において計測を中断する。その後、ステップＳＢ４において、制御装置３０が、直前の測定処理で得られている計測値を判定値として採用する。その後、ステップＳＢ５において、判定値に基づいて、制御装置３０が出力制限の要否を判断する。

ステップＳＢ２において、計測完了までに動作指令の入力が無かった場合には、ステップＳＢ６において、制御装置３０が、計測値を判定値として採用し、記憶する。その後、ステップＳＢ５において、判定値に基づいて、制御装置３０が出力制限の要否を判断する。

ステップＳＢ５においては、例えば、判定値を基準値と比較する。判定値が基準値以下である場合には、出力制限不要と判定される。判定値が基準値を超えている場合には、キャパシタ１９が劣化していると考えられる。この場合には、出力制限要と判定される。

出力制限要と判定された場合には、ステップＳＢ７において、制御装置３０が、運転状態記憶部３１（図３）に、「出力制限状態」を設定する。出力制限不要と判定された場合には、ステップＳＢ８において、制御装置３０が、運転状態記憶部３１に、「通常出力状態」を設定する。通常運転状態及び出力制限状態については、後に図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して詳しく説明する。

次に、内部抵抗の測定方法について説明する。

図６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に示したキャパシタ電圧計１０６で測定され、電流Ｉは、キャパシタ電流計１０７で測定される。

図７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_１の期間は、例えば図４に示したステップＳＡ１の動作準備の期間に相当し、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_１〜ｔ_４の期間は、例えば図４に示したステップＳＡ２の内部抵抗測定期間に相当する。

時刻ｔ_１〜ｔ_２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。図４に示したステップＳＡ１の蓄電回路及び電動機等の動作準備が完了した時点は、時刻ｔ_１〜ｔ_２の期間に相当する。また、ステップＳＡ５でアイドリング中と判断された期間も、時刻ｔ_１〜ｔ_２の期間に相当する。

時刻ｔ_２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_２またはその直後の電流Ｉ及び電圧Ｖｍを測定する。時刻ｔ_２における電流の測定結果をＩ_１、電圧の測定結果をＶ_１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_３とする。時刻ｔ_３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_２、電圧の測定結果をＶ_２とする。

時刻ｔ_３〜ｔ_４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_２からｔ_３までの時間、及び時刻ｔ_３からｔ_４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_２からｔ_３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_２からｔ_３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_１及び電圧Ｖ_１として、時刻ｔ_１〜ｔ_２の期間の電流及び電圧の平均値を採用し、電流Ｉ_２及び電圧Ｖ_２として、時刻ｔ_３〜ｔ_４の期間の電流及び電圧の平均値を採用してもよい。

図８に、第２の計測方法のフローチャートを示す。第２の計測方法では、図５に示した第１の計測方法のステップＳＢ２〜ＳＢ４が省略されている。ステップＳＢ１において内部抵抗の測定を行った後、ステップＳＢ６において、測定値を判定値として採用する。その後、ステップＳＢ５において、判定値に基づいて、出力制限要否を判定する。ステップＳＢ７及びＳＢ８は、第１の計測方法の場合と同じである。

次に、図９を参照して、ステップＳＢ１における内部抵抗の測定方法について説明する。図９の上図及び下図は、それぞれキャパシタ１９の端子間電圧Ｖｍ、及び充放電電流Ｉの時間変化の一例を表す。

時刻０〜ｔ_１の期間、放電電流Ｉが徐々に減少すると共に、端子間電圧Ｖｍも徐々に低下する。時刻ｔ_１からｔ_２の間に、放電状態から充電状態に切り替えられる。時刻ｔ_２以降は、充電電流が徐々に増加（電流Ｉが負で、その絶対値が徐々に増加）する。時刻ｔ_１における放電電流をＩ_１とし、端子間電圧をＶｍ_１とする。時刻ｔ_２における充電電流をＩ_２（＜０）とし、端子間電圧をＶｍ_２とする。また、図６に示した等価回路において、時刻ｔ_１及びｔ_２におけるキャパシタ電圧Ｖｃを、それぞれＶｃ_１及びＶｃ_２とすると、以下の式が成り立つ。

時刻ｔ_１からｔ_２までの時間は、例えば数ミリ秒程度である。また、静電容量Ｃは、例えば１０Ｆ程度であり、十分大きい。このため、静電容量Ｃに発生している電圧Ｖｃは、時刻ｔ_１からｔ_２までの間にほとんど変化しない。一例として、Ｖｃ_１とＶｃ_２との差は、Ｖｃ_１の０．０１〜０．１％程度である。このため、Ｖｃ_１＝Ｖｃ_２と近似することができる。そうすると、上述の式から、以下の式が得られる。

時刻ｔ_１における端子間電圧Ｖｍ_１及び充放電電流Ｉ_１と、時刻ｔ_２における端子間電圧Ｖｍ_２及び充放電電流Ｉ_２とを測定することにより、キャパシタ１９の内部抵抗Ｒを算出することができる。端子間電圧Ｖｍ及び充放電電流Ｉは、それぞれ図３に示したキャパシタ電圧計１０６及びキャパシタ電流計１０７により測定することができる。

なお、内部抵抗の測定時期は、放電状態から充電状態に切り替わるときに限定されない。充電状態から放電状態に切り替わるときに、内部抵抗を測定してもよい。さらに、充電状態と放電状態との切り替え時期に限らず、Ｖｃ_１＝Ｖｃ_２の近似が成り立つような短時間の間に測定を行ってもよい。なお、内部抵抗の算出誤差を小さくするために、静電容量Ｃの電圧Ｖｃの変化幅が小さく、かつ電流Ｉの変化幅が大きい期間に測定を行うことが好ましい。充電状態と放電状態との切り換え時には、大きな電流変化が期待できるため、計測誤差が小さくなる。

図４では、第１の計測方法による内部抵抗の測定と、第２の計測方法による内部抵抗の測定とを併用したが、いずれか一方の計測方法のみを採用してもよい。一方の計測方法のみを採用する場合には、電流が安定している期間に計測が行われる第１の計測方法を採用することが好ましい。

次に、図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して、通常運転状態及び出力制限状態について説明する。

図１０Ａに、実施例１によるハイブリッド型作業機械の簡単なブロック図、及び機械的、電気的パワーの流れを示す。エンジン１１からの出力Ｐｇｏが、メインポンプ１４及び電動発電機１２に供給される。電動発電機１２がアシスト運転されているときは、電動発電機１２からメインポンプ１４に、電動発電機出力（機械的パワー）Ｐａｏが供給される。電動発電機１２が発電運転されているときは、発電された電動発電機出力（電気的パワー）−Ｐａｏが蓄電回路９０に入力される。ここで、電動発電機１２がアシスト運転しているときの出力を正、発電運転しているときの出力を負と定義した。

蓄電回路９０からのキャパシタ出力Ｐｂｏが、電動発電機１２及び旋回用電動機２１に供給される。旋回用電動機２１は、力行運転状態のとき、旋回用電動機出力（機械的パワー）Ｐｅｏを出力する。回生運転状態のとき、旋回用電動機出力（電気的パワー）−Ｐｅｏを出力し、蓄電回路９０に供給する。ここで、力行運転状態のときの出力を正とし、回生運転状態のときの出力を負と定義した。

図１０Ｂに、制御装置３０の機能ブロック図を示す。油圧負荷要求出力Ｐｈｒ、旋回用電動機要求出力Ｐｅｒ、エンジン回転数Ｎａｃｔ、及びキャパシタ電圧Ｖｍが、制御装置３０に入力される。

油圧負荷要求出力Ｐｈｒは、図２に示した油圧モータ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等の油圧により駆動される油圧機構に必要とされる機械的パワーの合計である。例えば、油圧負荷要求出力Ｐｈｒは、操作者が操作する操作レバーの操作量から算出される。

旋回用電動機要求出力Ｐｅｒは、図２に示した旋回用電動機が必要とする電気的パワーに相当する。例えば、旋回用電動機要求出力Ｐｅｒは、操作者が操作する操作レバーの操作量から算出される。

エンジン回転数Ｎａｃｔは、図２に示したエンジン１１の実際の回転数に相当する。エンジン１１は、作業機械の運転時には常時駆動されており、その回転数Ｎａｃｔが検出されている。

キャパシタ電圧Ｖｍは、図３に示したキャパシタ１９の端子間電圧に相当し、キャパシタ電圧計１０６で測定される。

エンジン回転数Ｎａｃｔが、エンジン出力範囲決定ブロック３２に入力される。エンジン出力範囲決定ブロック３２には、エンジン回転数から、エンジン出力上限値及びエンジン出力下限値を求めるためのマップまたは変換テーブルが記憶されている。エンジン出力範囲決定ブロック３２は、入力されたエンジン回転数Ｎａｃｔから、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕ及びエンジン出力下限値Ｐｇｏｌを算出し、動力分配ブロック３５に与える。

キャパシタ電圧Ｖｍが、キャパシタ出力決定ブロック３３に入力される。キャパシタ出力決定ブロック３３は、キャパシタ出力範囲決定ブロック３３Ａ、キャパシタ出力目標値決定ブロック３３Ｂ、及び充電率算出ブロック３３Ｃを含む。充電率算出ブロック３３Ｃは、入力されたキャパシタ電圧Ｖｍから充電率ＳＯＣを算出する。算出された充電率ＳＯＣは、キャパシタ出力範囲決定ブロック３３Ａ及びキャパシタ出力目標値決定ブロック３３Ｂに与えられる。

ここで、充電率ＳＯＣは、例えばＶｍ^２／Ｖ_０ ^２と定義することができる。Ｖ_０は、キャパシタ１９の定格電圧（急速充電及び緩和充電によって充電される最大電圧）を示す。

キャパシタ出力範囲決定ブロック３３Ａには、充電率ＳＯＣから、キャパシタ出力上限値、及びキャパシタ出力下限値を算出するためのマップまたは変換テーブルが記憶されている。キャパシタ出力目標値決定ブロック３３Ｂには、充電率ＳＯＣからキャパシタ出力目標値を算出するためのマップまたは変換テーブルが記憶されている。キャパシタ出力範囲決定ブロック３３Ａは、充電率ＳＯＣから、第１のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ０、及び第１のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ０を求め、補正ブロック３４に与える。キャパシタ出力目標値決定ブロック３３Ｂは、入力された充電率ＳＯＣから、第１のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ０を求め、補正ブロック３４に与える。

キャパシタ劣化情報判定ブロック３６に、電圧電流測定値Ｄｖａが入力される。電圧電流測定値Ｄｖａから、例えば図４のステップＳＡ２、ＳＡ４、ＳＡ６に示したようにキャパシタ１９の内部抵抗が算出される。キャパシタ劣化情報判定ブロック３６は、図５及び図８に示したステップＳＢ５の処理を実行する。決定された運転状態、すなわち「通常出力状態」または「出力制限状態」が、運転状態記憶部３１に記憶される。

補正ブロック３４は、出力範囲補正ブロック３４Ａ及び出力目標値補正ブロック３４Ｂを含む。第１のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ０、及び第１のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ０が、出力範囲補正ブロック３４Ａに与えられる。出力範囲補正ブロック３４Ａは、現時点の運転状態に基づいて、第１のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ０、及び第１のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ０を補正することにより、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１、及び第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１を生成する。第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１、及び第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１は、出力目標値補正ブロック３４Ｂに与えられる。

第１のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ０は、放電電力の上限値に相当する。第１のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ０は負であり、その絶対値は、充電電力の上限値に相当する。第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１とにより、キャパシタの入出力電力の適正範囲が定義される。

例えば、現時点の運転状態が通常運転状態である場合には、Ｐｂｏｕ１＝Ｐｂｏｕ０、Ｐｂｏｌ１＝Ｐｂｏｌ０である。すなわち、出力は制限されない。現時点の運転状態が出力制限状態である場合には、Ｐｂｏｕ１＜Ｐｂｏｕ０、Ｐｂｏｌ１＞Ｐｂｏｌ０である。不等式Ｐｂｏｕ１＜Ｐｂｏｕ０は、キャパシタの放電電力の上限値を、通常運転状態のときの上限値よりも小さくすることを意味する。不等式Ｐｂｏｌ１＞Ｐｂｏｌ０は、キャパシタの充電電力の上限値を、通常運転状態のときの上限値よりも小さくすることを意味する。

出力目標値補正ブロック３４Ｂは、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１、及び第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１に基づいて、第１のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ０を補正して、第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１を生成する。例えば、第１のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ０が、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１とで定義される範囲から外れている場合には、第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１が、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１とで定義される範囲内に納まるように、第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１を生成する。第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１、第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１、及び第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１が、動力分配ブロック３５に入力される。

動力分配ブロック３５は、油圧負荷要求出力Ｐｈｒ、旋回用電動機要求出力Ｐｅｒ、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕ、エンジン出力下限値Ｐｇｏｌ、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１、第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１、及び第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１に基づいて、実際の油圧負荷出力Ｐｈｏ、電動発電機出力Ｐａｏ、及び旋回用電動機出力Ｐｅｏを決定する。このとき、エンジン出力Ｐｇｏが、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕとエンジン出力下限値Ｐｇｏｌとの範囲内になり、キャパシタ出力Ｐｂｏが、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１との範囲内になるように、各出力が決定される。

例えば、通常状態のときには、キャパシタの入出力電力が、補正前の第１のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ０と第１のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ０とで定義される範囲内に納まるようにコンバータが制御される。出力制限状態のときには、キャパシタの入出力電力が、補正後の第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１とで定義される範囲内に納まるようにコンバータが制御される。

制御装置３０は、これらの決定された出力に基づいて、図２に示したエンジン１１、インバータ１８、２０、図３に示したコンバータ１００を制御する。

運転状態が「出力制限状態」であるとき、キャパシタ出力上限値が通常運転状態のときよりも小さくなり、キャパシタ出力下限値の絶対値が、通常運転状態のときよりも小さくなる。このため、出力制限状態のときには、キャパシタ１９の充放電電流の最大値が、通常運転状態のときの充放電電流の最大値に比べて小さくなる。これにより、キャパシタ１９の劣化を抑制することができる。

図１０Ｃに、制御装置３０の機能ブロック図の他の例を示す。以下、図１０Ｂの例との相違点に着目する。補正ブロック３４は、第１のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ０、第１のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ０、第１のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ０、及び現在の運転状態に基づいて、第１のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ０を、第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１に補正する。例えば、現時点の運転状態が「出力制限状態」である場合には、補正後の第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１を、第１のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ０よりも小さくする。現時点の運転状態が「通常運転状態」である場合には、補正を行わない。すなわち、Ｐｂｏｔ１＝Ｐｂｏｔ０とする。

動力分配部３５は、油圧負荷要求出力Ｐｈｒ、旋回用電動機要求出力Ｐｅｒ、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕ、エンジン出力下限値Ｐｇｏｌ、及び第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１に基づいて、実際の油圧負荷出力Ｐｈｏ、電動発電機出力Ｐａｏ、及び旋回用電動機出力Ｐｅｏを決定する。この場合、出力制限状態のときのキャパシタ出力Ｐｂｏの絶対値が、通常運転状態のときのキャパシタ出力Ｐｂｏの絶対値がと等しいか、または通常運転状態のときのキャパシタ出力Ｐｂｏの絶対値よりも小さくなるように、コンバータ１００が制御される。

ここでは、内部抵抗の計測方法として、図５に示した第１の計測方法、及び図８に示した第２の計測方法を示したが、他の方法で内部抵抗を計測することも可能である。

作業機械の動作中に内部抵抗を計測することにより、内部抵抗の最新の計測値を用いて、充電率ＳＯＣを算出することができる。この場合、充電率ＳＯＣは、例えばＶｃ^２／Ｖ_０ ^２と定義することができる。Ｖｃは、図６に示したように、静電容量Ｃに印加される電圧を示し、Ｖ_０は、キャパシタ１９の定格電圧を示す。

電圧Ｖｃは、キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｍ、充放電電流Ｉ、及び内部抵抗Ｒから算出することができる。端子間電圧Ｖｍは、図３に示したキャパシタ電圧計１０６で測定され、充放電電流Ｉは、キャパシタ電流計１０７で測定される。内部抵抗Ｒは、数式１の右辺の第２項を０と近似することにより、算出される。

内部抵抗Ｒの最新の計測値を用いて充電率ＳＯＣを算出することにより、キャパシタ１９の最新の状態に基づいて、キャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ０、キャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ０、及びキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ０を決定することができる。内部抵抗Ｒの最新の計測値には、キャパシタ１９の劣化状態が反映されている。このため、動力分配制御にも、キャパシタ１９の劣化状態が反映されることになる。これにより、作業機械の制御の安定性を高めることができる。

次に、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して、実施例２について説明する。上記実施例１では、キャパシタ１９の内部抵抗に基づいてキャパシタの出力制限要否の判定（図５及び図８のステップＳＢ５）を行った。実施例２では、キャパシタの静電容量に基づいて出力制限要否の判定を行う。以下、キャパシタ１９の静電容量の測定方法について説明する。

図１１Ａ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_１〜Ｃ_ｎの並列接続として表すことができる。静電容量Ｃ_１〜Ｃ_ｎには、それぞれ内部抵抗Ｒ_１〜Ｒ_ｎが直列に挿入されている。

図１１Ｂ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_Ｌと、内部抵抗が相対的に大きい静電容量Ｃ_Ｈとで表される。一対の電極間に、静電容量Ｃ_Ｌと内部抵抗Ｒ_Ｌとの直接回路が挿入される。さらに、静電容量Ｃ_Ｈと内部抵抗Ｒ_Ｈとの直接回路が、静電容量Ｃ_Ｌに並列に接続される。

静電容量Ｃ_Ｌに印加される電圧をＶ_Ｌとし、静電容量Ｃ_Ｈに印加される電圧をＶ_Ｈとする。静電容量Ｃ_ＬとＣ_Ｈ、及び内部抵抗Ｒ_Ｈとで構成される閉回路の時定数が、静電容量Ｃ_Ｌと内部抵抗Ｒ_Ｌ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_Ｌ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_Ｈの充放電も行われる。

図１１Ｃに、電圧Ｖ_ＬとＶ_Ｈとの時間変化の一例を示す。図中の実線が電圧Ｖ_Ｌを示し、破線が電圧Ｖ_Ｈを示す。時刻０からｔ_１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_Ｌが低下し、充電されている期間は電圧Ｖ_Ｌが上昇する。電圧Ｖ_Ｌが電圧Ｖ_Ｈよりも高い期間は、静電容量Ｃ_Ｈへの充電が行われるため、電圧Ｖ_Ｈが上昇し、電圧Ｖ_Ｌが電圧Ｖ_Ｈよりも低い期間は、静電容量Ｃ_Ｈからの放電が行われるため、電圧Ｖ_Ｈが低下する。ただし、静電容量Ｃ_Ｈの充放電の時定数が大きいため、電圧Ｖ_Ｈの変化は、電圧Ｖ_Ｌの変化に比べて緩やかである。

時刻ｔ_１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_Ｌと電圧Ｖ_Ｈとが等しくなるまで、静電容量Ｃ_ＬとＣ_Ｈとの間で電荷が移動する。時刻ｔ_２において、電圧Ｖ_Ｌと電圧Ｖ_Ｈとが等しくなる。このときの電圧をＶ_Ａとする。

時刻ｔ_３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_Ｌ及びＶ_Ｈが上昇する。キャパシタＣ_Ｈの充電は緩やかに進むため、電圧Ｖ_Ｈの上昇は緩やかである。時刻ｔ_４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_Ｌの値をＶ_Ｂとする。

時刻ｔ_４以降は、電圧Ｖ_ＨとＶ_Ｌとが等しくなるまで、静電容量Ｃ_Ｌから静電容量Ｃ_Ｈへの電荷の移動が緩やかに生じる。時刻ｔ_３からｔ_４までの期間が十分に短い場合には、静電容量Ｃ_Ｌから静電容量Ｃ_Ｈ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_Ｌ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、キャパシタ電流計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_３における充電動作開始の直前、及び時刻ｔ_４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_Ｌによる電圧降下は生じない。このため、電圧Ｖ_Ａ及びＶ_Ｂは、それぞれ時刻ｔ_３及びｔ_４においてキャパシタ電圧計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_３及びｔ_４においてそれぞれ測定された電圧Ｖ_Ａ及びＶ_Ｂから、静電容量Ｃ_Ｌを算出することができる。

実施例１では、図８に示したステップＳＢ１においてキャパシタ１９の内部抵抗を測定したが、実施例２では、上述の数式４に基づいて、静電容量Ｃ_Ｌを算出する。ステップＳＢ５において、静電容量Ｃ_Ｌに基づいて、出力制限の要否を判断する。出力制限の要否が決定された後の処理は、実施例１の処理と共通である。

なお、内部抵抗と静電容量との両方に基づいて、出力制限の要否を判断してもよい。

次に、図１２Ａ〜図１４Ｃを参照して、実施例３について説明する。実施例３は、図１０Ｂに示した充電率算出ブロック３３Ｃの処理が、上記実施例１による処理と異なり、他の構成は実施例１の構成と同一である。

図１２Ａに、キャパシタ１９の充放電電流が０の状態から放電電流が流れ始めたときの内部抵抗Ｒの過渡特性を示す。図１２Ｃに、キャパシタ１９の充放電電流の変化を示す。時刻ｔ_１において放電電流が流れ始める。放電電流は、実際には一定の時定数で減少するが、内部抵抗Ｒが定常状態に戻るまでの過渡期間は、放電電流の時定数に比べて十分短い。このため、内部抵抗Ｒの過渡特性を考慮する際には、放電電流はほぼ一定であると考えることができる。一定の放電電流をＩ_１とする。

キャパシタ１９の定常状態における内部抵抗をＲｉ_１とする。この内部抵抗Ｒｉ_１は、実施例１による方法で算出することができる。時刻ｔ_１においてキャパシタ１９に放電電流が流れ始めると、内部抵抗ＲがＲｉ_２まで低下し、その後、徐々に定常状態の内部抵抗Ｒｉ_１向かって上昇する。

時刻ｔ_１以降の内部抵抗Ｒは、以下の式で表すことができる。

時刻ｔが無限大になると、内部抵抗Ｒは、定常状態の内部抵抗Ｒｉ_１に漸近する。

キャパシタ１９の充電率ＳＯＣを算出するには、図６に示した静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃを算出しなければならない。ところが、キャパシタ電圧計１０６で実際に測定される電圧は、端子間電圧Ｖｍである。内部抵抗Ｒによる電圧降下Ｖｒ、静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃ、及び端子間電圧Ｖｍの間で、以下の関係式が成立する。

電圧降下Ｖｒを示す数式の右辺にマイナス符号を付したのは、キャパシタ１９を流れる放電電流の向きを正と定義したためである。数式６のパラメータのうち、端子間電圧Ｖｍ及び電流Ｉは実測可能である。

図１２Ｂに、端子間電圧Ｖｍ、及び静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃの時刻暦を示す。時刻ｔ_１までの期間は、キャパシタ１０を流れる電流が０であるため、電圧Ｖｃと、端子間電圧Ｖｍとは等しい。

時刻ｔ_１において、電流Ｉ_１が流れ始める。電流Ｉ_１が一定であると仮定したため、静電容量Ｃの蓄積電荷量Ｑは、線型に減少する。このため、電圧Ｖｃも線型に低下する。端子間電圧Ｖｍは、以下の式で表される。

すなわち、端子間電圧Ｖｍは、電圧ＶｃよりもＲ×Ｉ_１だけ小さい値をとる。電圧Ｖｃが線型に低下し、内部抵抗Ｒが図１２Ａに示すように過渡的に変化するため、端子間電圧Ｖｍにも、過渡的な変化が現れる。すなわち、時刻ｔ_１において、（Ｒｉ_１−Ｒｉ_２）×Ｉ_１に相当する電圧分の低下が発生する。時間が経過するに従って、内部抵抗ＲがＲｉ_１に向かって上昇するため、端子間電圧Ｖｍと電圧Ｖｃとの差が広がる。定常状態、すなわち内部抵抗ＲがＲｉ_１まで回復すると、端子間電圧Ｖｍと電圧Ｖｃとの差はＲｉ_１×Ｉ_１になる。

電圧Ｖｃは、端子間電圧Ｖｍの測定値、電流Ｉ_１の測定値、及び内部抵抗Ｒから、数式７により算出ことができる。内部抵抗Ｒは、数式５に示したパラメータＲｉ_１、Ｒｉ_２、及びτから算出ことができる。これらのパラメータは、図１０Ｂに示した充電率算出ブロック３３Ｃに記憶されている。

充電率算出ブロック３３Ｃは、パラメータＲｉ_１、Ｒｉ_２、τ、端子間電圧Ｖｍの測定値、及び電流Ｉ_１の測定値に基づいて、電圧Ｖｃを算出する。さらに、充電率算出ブロック３３Ｃは、算出された電圧Ｖｃに基づいて充電率ＳＯＣを算出する。

内部抵抗Ｒの過渡現象を考慮することなく、Ｒ＝Ｒｉ_１であると仮定して計算した静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃａを、図１２Ｂに破線で示す。端子間電圧Ｖｍと電圧Ｖｃａとの差は、Ｒｉ_１×Ｉ_１になり、一定である。このため、静電容量Ｃに印加される電圧としてＶｃａを採用すると、時刻ｔ_１において、電圧の不連続が発生してしまう。この電圧Ｖｃａに基づいて充電率ＳＯＣを算出すると、算出された充電率ＳＯＣも、時刻ｔ_１において不連続になってしまう。充電率ＳＯＣが不連続に変化すると、それに基づいて算出される第１のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ０、第１のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ０、第１のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ０も、不連続に変化してしまう。これにより、動力分配ブロック３５による分配制御が不安定になる。

内部抵抗Ｒの過渡現象を考慮して充電率ＳＯＣを算出することにより、充電率ＳＯＣの算出値の不連続な変化が防止される。これにより、動力分配制御が不安定になることを回避することができる。

時刻ｔ_１から十分長い時間が経過すると、内部抵抗Ｒと定常状態の内部抵抗Ｒｉ_１との差が小さくなる。両者の差が、ある基準値よりも小さくなった後は、内部抵抗Ｒとして、数式５を用いて計算した値ではなく、定常状態の内部抵抗Ｒｉ_１を用いてもよい。

内部抵抗Ｒの過渡的な変動は、キャパシタ１９に電流が流れていない状態から、充電電流が流れ始めたとき、放電状態から充電状態に切り替わったとき、及び充電状態から放電状態に切り替わったときにも発生する。

図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃに、それぞれ充電電流が流れ始めたときの内部抵抗Ｒの変化、電圧の変化、及び電流の変化を示す。図１３Ａに示した内部抵抗Ｒの変化は、図１２Ａに示した変化と同一である。時刻ｔ_１以降の充電電流は一定値Ｉ_２（Ｉ_２＜０）である。

静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃは、図１３Ｂに示したように線型に増加する。この電圧Ｖｃは、端子電圧Ｖｍの実測値、充電電流の実測値Ｉ_２、及び過渡現象を考慮した内部抵抗Ｒとにより算出される。過渡現象を考慮することなく、内部抵抗Ｒを常にＲｉ_１と仮定して算出した静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃａは、時刻ｔ_１において不連続になってしまう。

図１４Ａ、図１４Ｂ、及び図１４Ｃに、それぞれ放電状態から充電状態に切り替わったときの内部抵抗Ｒの変化、電圧の変化、及び電流の変化を示す。図１４Ａに示した内部抵抗Ｒの変化は、図１２Ａに示した変化と同一である。時刻ｔ_１以前の放電電流はＩ_１であり、時刻ｔ_１以降の充電電流はＩ_２である。

時刻ｔ_１において、キャパシタ１９を流れる電流の向きが反転するため、端子間電圧Ｖｍは不連続に変化する。内部抵抗Ｒを定常状態の内部抵抗Ｒｉ_１と仮定して静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃａを算出すると、電圧Ｖｃａが時刻ｔ_１で不連続になってしまう。内部抵抗Ｒの過渡現象を考慮して電圧Ｖｃを算出することにより、電圧Ｖｃが不連続に変化することを防止できる。

次に、図１５Ａ〜図１５Ｃを参照して、実施例４について説明する。実施例３では、キャパシタ１９の内部抵抗Ｒが過渡的に変化している期間に、内部抵抗Ｒとして、実際の変化に忠実に従う数式５で算出された値を用いて、静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃを算出した。実施例４では、電圧Ｖｃの算出に用いる内部抵抗Ｒが、過渡期における内部抵抗Ｒの最小値Ｒｉ_２で一定であると仮定する。

図１５Ｃに示すように、時刻ｔ_１において放電電流Ｉ_１が流れ始める。図１５Ａに示すように、内部抵抗Ｒは過渡的に変化するが、電圧Ｖｃの算出においては、内部抵抗が一定値Ｒｉ_２であると仮定する。この仮定の下で計算した静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃ_１及び実際に静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃは、以下の式で表される。

時刻ｔ_１においてＲ＝Ｒｉ_２であるから、時刻ｔ_１では、Ｖｃ_１＝Ｖｃが成立する。このため、電圧Ｖｃ_１は、時刻ｔ_１で不連続に変化することはない。このため、実施例３と同様に、動力分配制御が不安定になることを回避できる。

実施例４では、充電率算出ブロック３３Ｃは、端子間電圧Ｖｍの測定値、電流Ｉ_１の測定値、及び内部抵抗の最低値Ｒｉ_２により、数式８に基づいて、静電容量Ｃに発生する電圧Ｖｃ_１を算出する。内部抵抗の最低値Ｒｉ_２は、予め、充電率算出ブロック３３Ｃに記憶されている。

実施例４では、内部抵抗Ｒが定常状態に達した後も、Ｒ＝Ｒｉ_２として電圧Ｖｃ_１を算出する。このため、定常状態において、充電率ＳＯＣを算出するための電圧Ｖｃ_１が、実際に静電容量Ｃに印加されている電圧Ｖｃと異なることになる。ただし、充電率ＳＯＣの算出に用いる電圧Ｖｃ_１が不連続に変化することはないため、動力分配制御の安定性が保たれる。

実施例４の方法は、電流が０の状態から充電電流が流れ始めたときにも適用することができる。

実施例４の方法では、放電状態から電流が０の状態に移行したとき、及び充電状態から電流が０の状態に移行したときに、電圧Ｖｃ_１の算出結果が不連続になる。ただし、電流が０、すなわちキャパシタ１９のエネルギの入出力が０であるため、動力分配制御が不安定になることはない。

また、充電状態から放電状態、または放電状態から充電状態に切り替わったときにも、電圧Ｖｃ_１が不連続に変化する。ただし、内部抵抗をＲｉ_１に固定して算出した電圧Ｖｃａの不連続の大きさに比べて、内部抵抗をＲｉ_２に固定して算出した電圧Ｖｃ_１の不連続の大きさの方が小さい。このため、電圧Ｖｃａに基づいて充電率ＳＯＣを算出する場合に比べて、動力分配制御の不安定度が低減される。

次に、図１６Ａ〜図１６Ｃを参照して、実施例５について説明する。実施例３では、キャパシタ１９の内部抵抗Ｒが過渡的に変化している期間に、内部抵抗Ｒとして、実際の変化に忠実に従う値を用いて、静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃを算出した。実施例５では、電圧Ｖｃの算出に用いる内部抵抗Ｒが、線型に変化すると近似する。

図１６Ｃに示すように、時刻ｔ_１において放電電流Ｉ_１が流れ始める。図１６Ａに、内部抵抗Ｒの変化と、その近似値Ｒｉ_３を示す。内部抵抗の近似値Ｒｉ_３は、以下の式で定義される。

静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃの近似値Ｖｃ_２は、下記の式で計算される。

時刻ｔ_１においてＲｉ_３＝Ｒが成立するため、Ｖｃ_２＝Ｖｃとなる。このため、Ｖｃ_２は時刻ｔ_１において不連続に変化することはない。内部抵抗Ｒが定常状態、すなわちＲ＝Ｒｉ_１になると、近似値Ｖｃ_２は静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃと等しくなる。

また、時刻ｔ_２において、内部抵抗の近似値Ｒｉ_３の傾きが不連続になるため、電圧の近似値Ｖｃ_２の傾きも不連続に変化する。ただし、近似値Ｖｃ_２の大きさが不連続に変化することはない。

実施例５の方法は、電流が０の状態から充電状態に切り替わったとき、放放電状態から電流が０になったとき、充電状態から放電状態に切り替わったとき、放電状態から充電状態に切り替わったときのいずれの場合にも適用することが可能である。

次に、図１７〜図２０Ｂを参照して、実施例６について説明する。実施例６では、図１０Ｂに示した動力分配ブロック３５の処理の一例について説明する。

図１７は、旋回用電動機要求出力Ｐｅｒと旋回用電動機出力Ｐｅｏとの関係を示す。旋回用電動機要求出力Ｐｅｒが、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕと第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１との合計値Ｐｅｏｍａｘよりも大きい場合、旋回用電動機出力Ｐｅｏを、この合計値Ｐｅｏｍａｘに等しくする。すなわち、
Ｐｅｏ＝Ｐｇｏｕ＋Ｐｂｏｕ
とする。これは、旋回用電動機出力Ｐｅｏが、エンジン１１と蓄電回路９０とから取り出せる最大パワーを超えないことを意味する。

旋回用電動機要求出力Ｐｅｒが、エンジン出力下限値Ｐｇｏｌから油圧負荷要求出力Ｐｈｒと第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１の絶対値を減じた値Ｐｅｏｍｉｎよりも小さい場合には、旋回用電動機出力Ｐｅｏを、この値Ｐｅｏｍｉｎに等しくする。すなわち、
Ｐｅｏ＝Ｐｇｏｌ−Ｐｈｒ＋Ｐｂｏｍｉｎ
とする。Ｐｂｏｍｉｎは負の値であるため、上述の式において、Ｐｂｏｍｉｎに付された演算子は「＋」（プラス）である。この式は、エンジン１１から取り出す動力が最も小さくなるようにエンジン１１を動作させた状態で、旋回用電動機２１の発電電力が、油圧負荷要求出力Ｐｈｒと蓄電回路９０に供給し得る電力の上限値との合計値を超えないことを意味する。

旋回用電動機要求出力Ｐｅｒが、ＰｅｏｍａｘとＰｅｏｍｉｎとの間である場合、旋回用電動機出力Ｐｅｏを、旋回用電動機要求出力Ｐｅｒに等しくする。すなわち、
Ｐｅｏ＝Ｐｅｒ
とする。この式は、旋回用電動機に対して、要求どおりの出力が確保されることを意味する。

図１８は、油圧負荷要求出力Ｐｈｒと油圧負荷出力Ｐｈｏとの関係を示す。油圧負荷要求出力Ｐｈｒが、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕと第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１との合計値から、旋回用電動機出力Ｐｅｏを減じた値Ｐｈｏｍａｘを超えた場合、油圧負荷出力Ｐｈｏを、この値Ｐｈｏｍａｘに等しくする。すなわち、
Ｐｈｏ＝Ｐｇｏｕ＋Ｐｂｏｕ１−Ｐｅｏ
とする。これは、油圧負荷出力Ｐｈｏが、エンジン１１と蓄電回路９０とから取り出せる最大パワーから、既に決定された旋回用電動機出力Ｐｅｏ分のパワーを引き出した残りのパワーを超えないことを意味する。

油圧負荷要求出力Ｐｈｒが、Ｐｈｏｍａｘ以下である場合、油圧負荷出力Ｐｈｏを、油圧負荷要求出力Ｐｈｒと等しくする。すなわち、
Ｐｈｏ＝Ｐｈｒ
とする。これは、油圧負荷に対して、要求どおりの出力が確保されることを意味する。

図１９Ａ及び図１９Ｂは、第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１とキャパシタ出力Ｐｂｏとの関係を示す。図１７に示したグラフに基づいて決定された旋回用電動機出力Ｐｅｏと、図１８に示したグラフに基づいて決定された油圧負荷出力Ｐｈｏとの合計値から、エンジン出力下限値Ｐｇｏｌを減じた値をＰｂｏｍａｘ１とする。旋回用電動機出力Ｐｅｏと油圧負荷出力Ｐｈｏとの合計値から、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕを減じた値をＰｂｏｍｉｎ１とする。

図１９Ａは、Ｐｂｏｍａｘ１が、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１よりも小さく、かつＰｂｏｍｉｎ１が、第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１よりも大きい場合を示す。第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１が、Ｐｂｏｍａｘ１を超えた場合、キャパシタ出力Ｐｂｏを、Ｐｂｏｍａｘ１と等しくする。これは、蓄電回路９０から取り出すことができる電力が十分大きいため、エンジン１１をその出力下限値Ｐｇｏｌで動作させ、蓄電回路９０から余分な電力は取り出さないことを意味する。第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１が、Ｐｂｏｍｉｎ１を下回った場合、キャパシタ出力Ｐｂｏを、Ｐｂｏｍａｘ１と等しくする。これは、蓄電回路９０の充電率が十分ではないため、エンジン１１をその出力上限値Ｐｇｏｕで動作させ、蓄電回路９０に電力を供給することを意味する。

第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１が、Ｐｂｏｍａｘ１とＰｂｏｍｉｎ１との間の場合には、キャパシタ出力Ｐｂｏを、第２のキャパシタ出力目標値Ｐｂｏｔ１と等しくする。これにより、蓄電回路９０の充電率を、充電率の目標値に近づけることができる。

図１９Ｂは、Ｐｂｏｍａｘ１が、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１よりも大きく、かつＰｂｏｍｉｎ１が、第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１よりも小さい場合を示す。この場合には、キャパシタ出力Ｐｂｏが、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１と第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１との間（適正範囲）に収まるように、キャパシタ出力Ｐｂｏの上下限値が制限される。

このように、キャパシタ出力Ｐｂｏの上限は、Ｐｂｏｕ１とＰｂｏｍａｘ１との小さい方の値で制限され、下限は、Ｐｂｏｌ１とＰｂｏｍｉｎ１との大きい方の値で制限される。

図２０Ａ及び図２０Ｂは、電動発電機出力Ｐａｏの決定方法を示す線図である。図１０Ａから、
Ｐｂｏ＝Ｐａｏ＋Ｐｅｏ
が成立することがわかる。キャパシタ出力Ｐｂｏ及び旋回用電動機出力Ｐｅｏが決定されたら、上述の式から電動発電機１２の出力Ｐａｏが算出される。

図２０Ａに示すように、キャパシタ出力Ｐｂｏが旋回用電動機出力Ｐｅｏよりも大きい場合、余剰電力で電動発電機１２をアシスト動作させ、動力Ｐａｏを出力する。図２０Ｂに示すように、キャパシタ出力Ｐｂｏが旋回用電動機出力Ｐｅｏよりも小さい場合、不足電力を供給するために電動発電機１２を発電動作させ、電力Ｐａｏを出力する。

次に、図２１〜図２３を参照して、実施例７について説明する。実施例７では、図１０Ｂに示した動力分配ブロック３５の処理の他の例について説明する。図２１は、実施例７による動力分配方法のフローチャートを示し、図２２は、図２１に示した処理Ａの詳細なフローチャートを示し、図２３は、要求出力と、分配後の出力との関係を示す。エンジン出力Ｐｇｏとキャパシタ出力Ｐｂｏとの合計が、出力合計値Ｐｓｕｍで示されている。

図２１に示すように、ステップＳ１において、油圧負荷要求出力Ｐｈｒと旋回用電動機要求出力Ｐｅｒとの合計値を、要求出力Ｐｒとする。要求出力Ｐｒは、動力及び電力の合計の出力要求値を表す。

ステップＳ２において、要求出力Ｐｒによって分岐する。要求出力Ｐｒがエンジン出力下限値Ｐｇｏｌ未満である場合、処理Ａを行う。処理Ａについては、後に図２２を参照して説明する。

要求出力Ｐｒが、エンジン出力下限値Ｐｇｏｌ以上であり、かつエンジン出力上限値Ｐｇｏｕ未満である場合、ステップＳ３を実行する。ステップＳ３では、図２３に示すように、エンジン出力Ｐｇｏを要求出力Ｐｒと等しくし、キャパシタ出力Ｐｂｏを０にする。すなわち、全ての要求出力Ｐｒがエンジン１１によって賄われる。

要求出力Ｐｒが、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕ以上であり、かつエンジン出力上限値Ｐｇｏｕと第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１との合計値未満である場合、ステップＳ４を実行する。ステップＳ４では、図２３に示すように、エンジン出力Ｐｇｏを、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕと等しくし、キャパシタ出力Ｐｂｏを、要求出力Ｐｒからエンジン出力Ｐｇｏを減じた値にする。すなわち、エンジン１１を出力上限値で動作させ、動力の不足分をキャパシタ１９から取り出す。

要求出力Ｐｒが、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕと第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１との合計値以上である場合、ステップＳ５を実行する。ステップＳ５では、図２３に示すように、エンジン出力Ｐｇｏを、エンジン出力上限値Ｐｇｏｕと等しくし、キャパシタ出力Ｐｂｏを、第２のキャパシタ出力上限値Ｐｂｏｕ１と等しくする。すなわち、エンジン１１及びキャパシタ１９から、出力上限値に相当するパワーを取り出す。このとき、実際の合計出力Ｐｓｕｍは、要求出力Ｐｒよりも小さくなる。

図２２に、処理Ａのフローチャートを示す。ステップＳＳ１において、図２３に示すように、エンジン出力Ｐｇｏをエンジン出力下限値Ｐｇｏｌに等しくし、キャパシタ出力Ｐｂｏを、要求出力Ｐｒからエンジン出力Ｐｇｏを減じた値とする。すなわち、エンジン１１をその出力下限値Ｐｇｏｌで動作させ、余分の動力でキャパシタ１９を充電する。

ステップＳＳ２において、キャパシタ出力Ｐｂｏと第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１とを比較する。キャパシタ出力Ｐｂｏが第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１以上のとき、処理Ａを終了し、図２１のフローチャートに戻る。すなわち、キャパシタ１９の充電電力が、その許容上限値以下である場合には、エンジン１１をその出力下限値Ｐｇｏｌで動作させ、余分の動力によってキャパシタ１９が充電される。

キャパシタ出力Ｐｂｏが第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１よりも小さいとき、ステップＳＳ３を実行する。ステップＳＳ３では、図２３に示すように、キャパシタ出力Ｐｂｏを第２のキャパシタ出力下限値Ｐｂｏｌ１と等しくする。すなわち、キャパシタ１９の充電電力が、その許容上限値を超えることを防止する。さらに、エンジン出力Ｐｇｏを、要求出力Ｐｒからキャパシタ出力Ｐｂｏを減じた値にする。エンジン１１を、その出力下限値Ｐｇｏｌで動作させても、エンジン１１が発生した動力の一部は、キャパシタ１９の充電電力として有効に活用できない。このため、エンジン１１を、その出力下限値Ｐｇｏｌ以下で動作させる。

ステップＳＳ４において、エンジン出力Ｐｇｏが負か否かを判定する。エンジン出力Ｐｇｏが正または０のとき、処理Ａを終了して図２１に示したフローチャートに戻る。エンジン出力Ｐｇｏが負のとき、ステップＳＳ５においてエンジン出力Ｐｇｏを０に設定する。エンジン出力Ｐｇｏを負にするように、エンジン１１を制御することはできないからである。その後、図２１に示したフローチャートに戻る。

動力分配ブロック３５の処理は、上記実施例６及び実施例７の方法に限定されない。その他、種々の動力分配処理が可能である。

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
２１旋回用電動機（負荷電動機）
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
３１運転状態記憶部
３２エンジン出力範囲決定ブロック
３３キャパシタ出力決定ブロック
３４補正ブロック
３５動力分配ブロック
３６キャパシタ劣化情報判定ブロック
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キャパシタ電圧計
１０７キャパシタ電流計
１１０ＤＣバスライン
１１１ＤＣバス用電圧計

本発明の一観点によると、
キャパシタと、
発電機及び電動機として動作する電動発電機と、
前記キャパシタから前記電動発電機に電力を供給する放電状態と、前記電動発電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、放電状態のときに該キャパシタから出力される電気的パワー、及び充電状態のときに該キャパシタに入力される電気的パワーを制御できるコンバータと、
前記キャパシタの端子間電圧を測定するキャパシタ電圧計と、
前記キャパシタの充放電電流を測定するキャパシタ電流計と、
前記キャパシタ電圧計及び前記キャパシタ電流計から測定結果が入力され、測定結果に基づいて前記キャパシタの入出力電力の適正範囲を決定し、前記キャパシタの入出力電力が、前記適正範囲から外れないように前記コンバータ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。

実施例によるハイブリッド型作業機械の側面図である。実施例によるハイブリッド型作業機械のブロック図である。実施例によるハイブリッド型作業機械に搭載される蓄電回路の等価回路図である。実施例によるハイブリッド型作業機械の起動から停止までの流れを示す図である。第１の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定し、運転状態を決定するフローチャートである。キャパシタの等価回路図である。第１の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定するときの充電率と充放電電流、端子間電圧の時間変化を示すグラフである。第２の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定し、運転状態を決定するフローチャートである。第２の計測方法でキャパシタの内部抵抗を測定するときの端子間電圧と充放電電流との時間変化を示すグラフである。（１０Ａ）は、実施例によるハイブリッド型作業機械の簡単なブロック図であり、（１０Ｂ）は、制御装置の機能ブロック図である。（１０Ｃ）は、制御装置の機能ブロック図の他の例である。（１１Ａ）は、電気二重層キャパシタの等価回路図であり、（１１Ｂ）は、簡略化した等価回路図であり、（１１Ｃ）は、静電容量ＣＬとＣＨとの両端の電圧の時間変化の一例を示すグラフである。（１２Ａ）は、内部抵抗の過渡特性を示すグラフであり、（１２Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃａを示すグラフであり、（１２Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。（１３Ａ）は、内部抵抗の過渡特性を示すグラフであり、（１３Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃａを示すグラフであり、（１３Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。（１４Ａ）は、内部抵抗の過渡特性を示すグラフであり、（１４Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃａを示すグラフであり、（１４Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。（１５Ａ）は、内部抵抗の過渡特性及び近似値を示すグラフであり、（１５Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃ１を示すグラフであり、（１５Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。（１６Ａ）は、内部抵抗の過渡特性及び近似値を示すグラフであり、（１６Ｂ）は、端子間電圧Ｖｍの実測値、静電容量Ｃの両端の電圧Ｖｃの理論値、及び静電容量Ｃの両端の電圧の近似計算値Ｖｃ２を示すグラフであり、（１６Ｃ）は、キャパシタの充放電電流の時間変化を示すグラフである。実施例６の動力分配方法を適用したときの旋回用電動機出力と旋回用電動機要求出力との関係を示すグラフである。実施例６の動力分配方法を適用したときの油圧負荷出力と油圧負荷要求出力との関係を示すグラフである。（１９Ａ）及び（１９Ｂ）は、実施例６の動力分配方法を適用したときのキャパシタ出力と第２のキャパシタ出力目標値との関係を示すグラフである。（２０Ａ）及び（２０Ｂ）は、実施例６の動力分配方法を適用したときの電動発電機出力と、キャパシタ出力と、旋回用電動機出力との関係を示すグラフである。実施例７による動力分配処理のフローチャートである。実施例７による動力分配処理の処理Ａのフローチャートである。実施例７による動力分配処理を適用した時の要求出力合計値と、分配後の出力との関係を示すグラフである。

図１２Ｂに、端子間電圧Ｖｍ、及び静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃの時刻暦を示す。時刻ｔ_１までの期間は、キャパシタ１９を流れる電流が０であるため、電圧Ｖｃと、端子間電圧Ｖｍとは等しい。

静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃは、図１３Ｂに示したように線型に増加する。この電圧Ｖｃは、端子間電圧Ｖｍの実測値、充電電流の実測値Ｉ_２、及び過渡現象を考慮した内部抵抗Ｒとにより算出される。過渡現象を考慮することなく、内部抵抗Ｒを常にＲｉ_１と仮定して算出した静電容量Ｃに印加される電圧Ｖｃａは、時刻ｔ_１において不連続になってしまう。

実施例５の方法は、電流が０の状態から充電状態に切り替わったとき、放電状態から電流が０になったとき、充電状態から放電状態に切り替わったとき、放電状態から充電状態に切り替わったときのいずれの場合にも適用することが可能である。

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４５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。

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
２１旋回用電動機（負荷電動機）
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
３１運転状態記憶部
３２エンジン出力範囲決定ブロック
３３キャパシタ出力決定ブロック
３４補正ブロック
３５動力分配ブロック
３６キャパシタ劣化情報判定ブロック
４５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キャパシタ電圧計
１０７キャパシタ電流計
１１０ＤＣバスライン
１１１ＤＣバス用電圧計

Claims

キャパシタと、
発電機及び電動機として動作する電動発電機と、
前記キャパシタから前記電動発電機に電力を供給する放電状態と、前記電動発電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、放電状態のときに該キャパシタから出力される電気的パワー、及び充電状態のときに該キャパシタに入力される電気的パワーを制御できるコンバータと、
前記キャパシタの端子間電圧を測定するキャパシタ電圧計と、
前記キャパシタの充放電電流を測定するキャパシタ電流計と、
前記キャパシタ電圧計及び前記キャパシタ電流計から測定結果が入力され、測定結果に基づいて前記コンバータ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。
前記制御装置は、前記キャパシタ電圧計及び前記キャパシタ電流計による測定結果に基づいて、前記キャパシタの入出力電力の適正範囲を決定し、前記キャパシタの入出力電力が、前記適正範囲から外れないように前記コンバータを制御する請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
前記制御装置は、前記キャパシタ電圧計及び前記キャパシタ電流計から入力された測定結果に基づいて、前記キャパシタの内部抵抗を算出し、算出された内部抵抗に基づいて前記適正範囲を決定する請求項２に記載のハイブリッド型作業機械。
前記制御装置は、前記キャパシタ電圧計及び前記キャパシタ電流計から入力された測定結果に基づいて、前記キャパシタの静電容量を算出し、算出された静電容量に基づいて前記適正範囲を決定する請求項２に記載のハイブリッド型作業機械。
さらに、前記キャパシタから放電された電力を機械的パワーに変換して出力する力行運転と、機械的パワーを電気的パワーに変換して出力する回生運転とを行うことができる負荷電動機を有し、
前記制御装置は、前記負荷電動機の要求出力に基づいて、前記キャパシタの入出力電力が前記適性範囲から外れないように、前記負荷電動機が発生する機械的パワーを決定し、決定された機械的パワーを出力するように前記負荷電動機を制御する請求項２に記載のハイブリッド型作業機械。
さらに、
前記電動発電機に機械的パワーを与えるエンジンと、
前記エンジン及び前記電動発電機から機械的パワーを与えられて油圧を発生する油圧ポンプと
を有し、
前記制御装置は、前記エンジンの出力の適正範囲を決定し、前記油圧ポンプに要求される油圧負荷要求出力に基づいて、前記キャパシタの入出力電力が、その適性範囲から外れず、かつ前記エンジンの出力が、その適性範囲から外れないように、前記油圧ポンプが発生する機械的パワーを決定する請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
前記制御装置は、前記キャパシタ電圧計及びキャパシタ電流計から入力された測定結果に基づいて、運転状態が、通常状態か出力制限状態かを判定し、出力制限状態と判定された場合の前記キャパシタの入出力電力の絶対値が、通常状態と判定された場合の前記キャパシタの入出力電力の絶対値と等しいか、または小さくなるように、前記コンバータを制御する請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
前記制御装置は、前記キャパシタに通電を開始した時の該キャパシタの内部抵抗の過渡特性を表す情報を記憶しており、前記過渡特性に基づいて、該キャパシタの入出力電力の適正範囲を決定する請求項２に記載のハイブリッド型作業機械。
キャパシタと、
発電機及び電動機として動作する電動発電機と、
前記キャパシタから前記電動発電機に電力を供給する放電状態と、前記電動発電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、放電状態のときに該キャパシタから出力される電気的パワー、及び充電状態のときに該キャパシタに入力される電気的パワーを制御できるコンバータと、
前記キャパシタの端子間電圧を測定するキャパシタ電圧計と、
前記キャパシタの充放電電流を測定するキャパシタ電流計と、
前記キャパシタ電圧計及び前記キャパシタ電流計から測定結果が入力され、前記コンバータを制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記キャパシタの入出力電力が第１の範囲内に納まるように前記コンバータを制御する通常状態、または前記キャパシタの入出力電力が、前記第１の範囲よりも狭い第２の範囲内に納まるように前記コンバータを制御する出力制限状態で前記コンバータを制御し、前記測定結果に基づいて前記通常状態と前記出力制限状態とを切り替えるハイブリッド型作業機械。