JPWO2012102352A1 - ショベル、ショベルの制御方法 - Google Patents

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Abstract

ショベルの蓄電装置（１２０）は、発電機で発電した電力を蓄積する蓄電器（１９）と蓄電器の充放電を制御する電気回路とを含む。異常検出部は、蓄電装置（１２０）の異常を検出する。異常検出部の蓄電状態推定部は、電圧検出部と電流検出部とにより得られる検出値に基づいて、蓄電器（１９）の蓄電状態を推定して推定値を求める。異常判断部は、蓄電状態推定部で求められた推定値に基づいて異常判断を行う。

Description

本発明は蓄電器からの電力で電動作業要素を駆動するショベルに関する。
電動機で駆動する旋回機構等の電動作業要素を有するショベル等の建設機械には、電動作業要素を駆動するための電力を供給する蓄電器を含む蓄電装置が設けられる。蓄電器を含む蓄電装置は一般的に小さな筐体内に収容されており、蓄電装置の発熱や外部からの熱が筐体内にこもるため、蓄電装置の雰囲気温度は通常の温度より高いことが多い。蓄電装置の雰囲気温度が高いと、蓄電器の劣化が促進されたり、蓄電装置の電気回路に故障が発生することが多くなる。
ここで、蓄電装置において蓄電器の充放電を行なう昇降圧コンバータにインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）を用いて、昇降圧コンバータのパワーデバイス（蓄電装置の一部）が過熱しないように保護することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０１０−２２６７８２号公報
例えば、蓄電装置の蓄電器電圧を検出する電圧計が故障して蓄電器電圧を検出できず、電圧値がゼロとなった場合を考える。このような場合には、実際の蓄電器電圧はゼロではなく（蓄電器は充電されている）のにも係わらず、建設機械の制御装置が蓄電器電圧がゼロであると誤認識して蓄電器を初期充電してしまうことがある。このように蓄電器の初期充電が行なわれると、蓄電器が満充電であるのに蓄電器電圧の検出値はゼロのままであるので、充電が継続して行なわれて過充電となり、最悪の場合、蓄電器が劣化するおそれがある。
そこで、蓄電器を含む蓄電装置の異常を容易に判断することで、蓄電装置の異常や蓄電器の劣化に対応することが望まれている。
本発明によれば、アタッチメントが連結されるアームと、該アームが連結されたブームと、該ブームが連結された上部旋回体と、該上部旋回体に配置されたエンジンと、発電機で発電した電力を蓄積する蓄電器と該蓄電器の充放電を制御する電気回路とを含む蓄電装置と、該蓄電器と前記発電機との間に配置され、前記蓄電器の電圧を計測する電圧検出部と、前記蓄電器に流れる電流を計測する電流検出部と、（前記蓄電器の充放電量を演算する制御部と、）前記蓄電装置の異常を検出する異常検出部とを有し、該異常検出部は、前記電圧検出部と前記電流検出部とにより得られる検出値に基づいて、前記蓄電器の蓄電状態を推定して推定値を求める蓄電状態推定部と、前記蓄電状態推定部で求められた前記推定値に基づいて異常判断を行う異常判断部とを含む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、蓄電器を含む蓄電装置の異常を容易に判断することができる。
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。 蓄電系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の回路図である。 本実施形態による異常検出部の機能ブロック図である。 蓄電装置の異常判定処理のフローチャートである。 異常判断処理を行なっているときのキャパシタを流れる電流値及びキャパシタの充電率の時間変化を示すグラフである。 充電率の変化量を指標として用いて蓄電装置の劣化・故障を判断する方法を説明するための図である。 旋回機構を旋回油圧モータで駆動する構成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。 シリーズ方式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１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にも適用することができる。
図１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２は、図１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２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、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。油圧ポンプ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２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は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータとＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ 電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２と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 電圧値とキャパシタ 電流値は、コントローラ３０に供給される。
昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、発電機３００、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、発電機３００、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。
図２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（蓄電装置）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１８，２０を接続するための出力端子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がそれぞれ並列接続される。
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を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１１６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を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１１６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１９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。
本実施形態では、上述のような構成のハイブリッド式ショベルにおいて、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣを常に高い状態に維持することで、蓄電器からの電力で電気負荷をエネルギ効率の良い状態で駆動することができる。
本実施形態では、以上のような構成のハイブリッド式ショベルにおいて、コントローラ３０には、蓄電装置の故障及び蓄電器の劣化などに起因する異常を判定する異常検出部が設けられる。異常検出部により検出した異常に対応して、適切な処理を行なうことで、安全で安定したショベルの運転を実現することができる。
図５は本実施形態による異常検出部２００の機能ブロック図である。異常検出部２００は、ＳＯＣ計測部２１０、電流積分部２２０、蓄電状態推定部２３０、及び異常判断部２４０を有する。異常検出部２００はマイクロコンピュータ等より構成される制御回路により実現される。図５に示す例では、異常検出部２００ショベルのコントローラ３０とは別に示されているが、コントローラ３０に含まれていてもよい。
本実施形態では、コントローラ３０にＤＣバス電圧の目標値Ｖｄｃｒが供給される。コントローラ３０は、ＤＣバス電圧の目標値Ｖｄｃｒと昇降圧コンバータ１００から出力される電圧値（すなわち、電圧検出部１１３が検出したＤＣバス電圧Ｖｄｃ）とキャパシタ１９に供給する充電電流の目標値Ｉｒを求め、昇降圧コンバータ１００に供給する。昇降圧コンバータ１００は、キャパシタ１９に供給する充電電流の目標値Ｉｒに基づいて、キャパシタ１９に充電電流Ｉ２を供給する。以上のようにしてキャパシタ１９は充電され、充電率ＳＯＣがシステム制御上限値とシステム制御下限値との間の一定の範囲内に維持される。
本実施形態による異常検出部２００は、ある時間間隔内でのキャパシタ１９の充電率ＳＯＣの変化量ΔＳＯＣに基づいて、キャパシタの蓄電状態を推定して推定値を求めて異常の有無を判断する。
異常検出部２００のＳＯＣ計測部２１０は、キャパシタ電圧検出部１１２が検出したキャパシタ電圧値Ｖｃａｐとキャパシタ電流検出部１１６が検出した電流値Ｉ１とに基づいて、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣを計測する。ＳＯＣ計測部２１０は、計測した充電率ＳＯＣを異常判断部２４０に出力する。電流積分部２２０は、キャパシタ電流検出部１１６が検出した電流値Ｉ１を積分して、積分値を蓄電状態推定部２３０に出力する。この積分値は異常判断部２４０にも供給される。
蓄電状態推定部２３０は、キャパシタ電圧検出部１１２が検出したキャパシタ電圧値Ｖｃａｐとキャパシタ電流検出部１１６が検出した電流値Ｉ１と電流積分部２２０から供給される積分値とに基づいて、充電率ＳＯＣの変化量ΔＳＯＣを演算する。この充電率ＳＯＣの変化量ΔＳＯＣは、キャパシタ１９の実際の充電率ＳＯＣの変化量ではなく、電圧Ｖｃａｐと電流Ｉ１と電流積分値とから推定した推定値である。蓄電状態推定部２３０は、得られた充電率ＳＯＣの変化量ΔＳＯＣを異常判断部２４０に出力する。
異常判断部２４０は、ＳＯＣ計測部２１０から供給される充電率ＳＯＣと蓄電状態推定部２３０から供給される充電率の変化量ΔＳＯＣとから、キャパシタ１９を含む蓄電系（蓄電装置）１２０の異常の有無を判断する。異常判断部２４０は、キャパシタ１９を含む蓄電系（蓄電装置）１２０に異常があると判断すると、その異常に対処すべく処理を行なう。
ここで、蓄電装置の異常判断処理について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は蓄電装置の異常判断処理のフローチャートである。図７は異常判断処理を行なっている際の、電流値Ｉ１及びキャパシタ１９の充電率ＳＯＣの時間変化を示すグラフである。
異常判断処理が開始されると、まずステップＳ１において、第１の一定時間間隔Ｔ１内における電流値Ｉ１がキャパシタ電流検出部１１３により計測される。ここでの第１の一定時間間隔Ｔ１とは、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの短い時間であり、例えば０．５秒である。また、ステップＳ１において、時刻ｔ０におけるキャパシタ１９の充電率ＳＯＣ０と、時刻ｔ１におけるキャパシタ１９の充電率ＳＯＣ１とがＳＯＣ計測部２１０で計測される。
次に、ステップＳ２において、電流積分部２２０は、電流値Ｉ１を時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間（すなわち、第１の一定時間間隔Ｔ１）で積分した積分値を演算し、その積分値の絶対値が、所定値Ａより大きいか否かを判定する。電流値Ｉ１を積分することにより、時刻ｔ０から時刻ｔ１までに流れた電流量を求めている。電流値Ｉ１の積分値を所定値Ａと比較することにより、キャパシタ１９に電流が流れたか否かが判定されている。電流値Ｉ１を時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間（第１の一定時間間隔Ｔ１）は短い時間に設定されているので、電流値Ｉ１の計測値にノイズが入るおそれがある。そこで、所定値Ａを予め設定しておき、ノイズの影響を除去している。ここで、所定値Ａは、ショートスパンの時間において、電流が確実に流れたかを判定できる程度の電流量が設定されている。すなわち、電流値Ｉ１の積分値が所定値Ａ以下である場合は、ノイズにより電流値Ｉ１が計測された可能性があるとして、キャパシタ１９に電流が流れたとは判定しない。一方、電流値Ｉ１の積分値が所定値Ａより大きい場合は、電流値Ｉ１の計測値はノイズより大きく、実際に電流が流れたと判定する。なお、電流値Ｉ１の積分値の絶対値をとる理由は、キャパシタ１９から放電している場合の電流値Ｉ１を正の値とすると、キャパシタ１９へ充電している場合の電流値Ｉ１は負の値となるからである。したがって、ステップＳ２では、充電の場合でも放電の場合でも、キャパシタに電流が流れたか否かが判定されている。
ステップＳ２において、電流値Ｉ１を時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間で積分した値の絶対値が所定値Ａより大きく無い（所定値Ａ以下である）と判定された場合、すなわち、キャパシタ１９に電流が流れなかったと判定された場合、処理はステップＳ１に戻り、再び電流値Ｉ１及び充電率ＳＯＣ０，ＳＯＣ１の計測が行なわれる。一方、ステップＳ２において電流値Ｉ１の積分値の絶対値が所定値Ａより大きい、すなわちキャパシタ１９に電流が流れたと判定されると、処理はステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、異常判断部２４０は、時刻ｔ１における充電率ＳＯＣ１から時刻ｔ０における充電率ＳＯＣ０を引いた値の絶対値が所定値Ｂより小さいか否かを判定する。すなわち、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間（第１の一定時間間隔Ｔ１）に変化した充電率の変化量が、所定値Ｂより小さいか否かが判定される。所定値Ｂは、キャパシタ１９に上述の所定値Ａに相当する電流が流れた場合に、キャパシタ１９が充電されて充電率が上昇する量、又はキャパシタ１９が放電して充電率が低下する量に相当する。所定値Ｂには、ノイズの影響を除去できる程度の値があらかじめ設定されている。したがって、時刻ｔ１における充電率ＳＯＣ１から時刻ｔ０における充電率ＳＯＣ０を引いた値の絶対値が所定値Ｂより小さい場合、すなわち、キャパシタに流れた電流量に対して、非常に小さい充電率の変化である場合は、異常判断部２４０は、蓄電装置又はキャパシタ１９に異常が発生したと判断する。一方、時刻ｔ１における充電率ＳＯＣ１から時刻ｔ０における充電率ＳＯＣ０を引いた値の絶対値が所定値Ｂより大きい場合、すなわち、キャパシタに流れた電流量に対して、ノイズ相当量以上の充電率の変化である場合は、異常判断部２４０は、蓄電装置又はキャパシタ１９に異常は発生していないと判断する。ここで、判定値として用いる所定値Ｂをゼロとすると、異常が発生した場合であっても、ノイズにより検出値がゼロとならない場合には、異常を検出できない。このため、所定値Ｂにはノイズの影響を除去できる程度の値があらかじめ設定されている。
そこで、ステップＳ３において、時刻ｔ１における充電率ＳＯＣ１から時刻ｔ０における充電率ＳＯＣ０を引いた値の絶対値が所定値Ｂより小さいと判定された場合、すなわち、キャパシタに流れた電流量に対して、非常に小さい充電率の変化である場合は、異常が発生していると判断して、処理はステップＳ４に進む。そして、ステップＳ４において、異常の種類を判定するために、異常判断部２４０は、キャパシタ１９の正極端子側に流れる電流値Ｉ１と、キャパシタ１９の負極端子側に流れる電流値Ｉ２とが互いに等しいか否かを判定する。
電流値Ｉ１と電流値Ｉ２とが等しい場合は、キャパシタ１９で電流が外部に漏れていることはなく、キャパシタ１９自体は正常であると判断することができる。そして、キャパシタ１９が正常であるのなら、蓄電装置内の部品や配線の異常であると判断することができる。したがって、ステップＳ４において、電流値Ｉ１と電流値Ｉ２が互いに等しいと判定されると、処理はステップＳ５に進み、異常判断部２４０は、蓄電装置内の部品や配線の異常であるとの判断に基づいて、蓄電装置の動作を停止すると共に正常なキャパシタ１９を蓄電装置の回路から切り離す。キャパシタ１９の切り離しは、リレー１３０−１，１３０−２をＯＦＦとして電源ライン１１４，１１７を遮断することにより行なわれる。一方、ステップＳ４において、電流値Ｉ１と電流値Ｉ２が互いに等しく無いと判定されると、処理はステップＳ６に進み、異常判断部２４０は、キャパシタ１９に地絡等の重大な異常が発生しているという判断に基づいて、蓄電装置の動作を停止すると共に異常が発生したキャパシタ１９を蓄電装置の回路から切り離す。キャパシタ１９の切り離しは、リレー１３０−１，１３０−２をＯＦＦとして電源ライン１１４，１１７を遮断することにより行なわれる。
ステップＳ３において時刻ｔ１における充電率ＳＯＣ１から時刻ｔ０における充電率ＳＯＣ０を引いた値の絶対値が所定値Ｂより大きいと判定された場合、すなわち、キャパシタに流れた電流量に対して、ノイズ相当量以上の充電率の変化である場合は、処理はステップＳ７に進む。ステップＳ７では、第２の一定時間間隔Ｔ２内における電流値Ｉ１がキャパシタ電流検出部１１３により計測される。ここでの第２の一定時間間隔Ｔ２は、第１の一定時間間隔Ｔ１より長く、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの時間間隔であり、例えば１分間である。また、ステップＳ７において、ＳＯＣ計測部２１０は、時刻ｔ２におけるキャパシタ１９の充電率ＳＯＣ２を計測する。
ここで、ステップＳ１０〜Ｓ１４において蓄電装置の異常を特定判断するためには所定の充電量が必要である。このため、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間のロングスパンの時間で、十分な電流量が流れたかを判断する必要がある。そこで、ステップＳ８において、電流積分部２２０は、電流値Ｉ１を時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間（すなわち、第２の一定時間間隔Ｔ２）で積分して積分値を求める。そして、電流積分部２２０は、積分値の絶対値が所定値Ｄより大きいか否かを判定する。電流積分部２２０は、電流値Ｉ１を第２の時間間隔Ｔ２の間で積分することにより、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの比較的長い時間に流れた電流量を求めており、この電流量が所定値Ｄより大きいか否かを判定している。ステップＳ８における処理は、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣが所定量より大きく変化するような電流が流れたか否かを判定するための処理である。したがって、所定値Ｄは、ステップＳ１０〜Ｓ１４において所定の充電量を得るために必要な電流量に相当する。
ステップＳ８において、電流値Ｉ１の積分値の絶対値が所定値Ｄ以下である場合は、処理はステップＳ７に戻り、ステップＳ７及びステップＳ８の処理を繰り返し行なう。一方、電流値Ｉ１の積分値の絶対値が所定値Ｄより大きい場合は、処理はステップＳ９に進む。なお、電流値Ｉ１の積分値の絶対値をとる理由は、キャパシタ１９から放電している場合の電流値Ｉ１を正の値とすると、キャパシタ１９へ充電している場合の電流値Ｉ１は負の値となるからである。したがって、ステップＳ８では、充電電流（正の値）及び放電電流（負の値）が合算され、充電電流のほうが多い場合は積分値が負の値となるので、これの絶対値をとって、正の値である所定値Ｄと比較して大小を判定している。
ステップＳ９では、蓄電状態推定部２３０は、時刻ｔ０から時刻ｔ２までのキャパシタ１９の充電率の変化量ΔＳＯＣを算出する。すなわち、時刻ｔ２における充電率ＳＯＣ２と時刻ｔ１における充電率ＳＯＣ０との差がΔＳＯＣとなる。充電率の変化量ΔＳＯＣは以下の式により算出することができる。
Figure 2012102352
続いて、ステップＳ１０において、異常判断定部２４０は、ＳＯＣ２−ＳＯＣ０の絶対値をΔＳＯＣの絶対値で除算した値（|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|／|ΔＳＯＣ|）が、第１の閾値Ｆより小さいか否かを判定する。ここで、第１の閾値Ｆは例えば０．９（ΔＳＯＣに対して９０％）に設定される。ここで、第１の閾値Ｆは、許容できるバラツキを経験的に考慮して設定した値である。充電率の変化量が閾値Ｆより小さい場合には、計測で求めた充電量の変化量|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|が、演算で求めた充電量の変化量|ΔＳＯＣ|より小さくなっていることであり、このような状況は通常の状態ではあり得ないことである。したがって、ＳＯＣ２−ＳＯＣ０の絶対値をΔＳＯＣの絶対値で除算した値（|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|／|ΔＳＯＣ|）が第１の閾値Ｆより小さい場合は、異常判断部２４０は、蓄電装置の電気回路に何かしらの故障（重大な故障）が生じており、蓄電装置をそのまま作動させておくとキャパシタ１９に異常が発生するおそれがあると判断する。そこで、処理はステップＳ１１に進み、異常検出部２００は、蓄電装置の作動を停止し且つキャパシタ１９を蓄電装置の電気回路から切り離す。これと同時に、異常検出部２００は、蓄電装置に重故障が発生したことを、警報音を鳴らしたり運転室の表示パネルに表示することで、ショベルの操作者に通知することとしてもよい。
一方、ステップＳ１０において、ＳＯＣ２−ＳＯＣ０の絶対値をΔＳＯＣの絶対値で除算した値（|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|／|ΔＳＯＣ|）が、第１の閾値Ｆより小さく無いと判定されると、処理はステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、異常判断部２４０は、ＳＯＣ２−ＳＯＣ０の絶対値をΔＳＯＣの絶対値で除算した値（|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|／|ΔＳＯＣ|）が、第２の閾値Ｅより大きいか否かを判定する。第２の閾値Ｅはキャパシタ１９の劣化度合いの判断規準となる値であり、例えば１．２５（ΔＳＯＣに対して１２５％）に設定する。ここで、第２の閾値Ｅは経験的に求めることができる。ＳＯＣ２−ＳＯＣ０の絶対値をΔＳＯＣの絶対値で除算した値（|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|／|ΔＳＯＣ|）が第２の閾値Ｅより大きいと、キャパシタ１９の劣化が進んでいると判断できる。したがって、ステップＳ１２においてＳＯＣ２−ＳＯＣ０の絶対値をΔＳＯＣの絶対値で除算した値（|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|／|ΔＳＯＣ|）が第２の閾値Ｅより大きいと判定された場合、処理はステップＳ１３に進む。
ステップＳ１３では、異常判断部２４０は、キャパシタ１９の内部抵抗の現在値Ｒを初期値Ｒ０で除した値（Ｒ／Ｒ０）が、第３の閾値Ｇより小さいか否かを判定する。キャパシタ１９の内部抵抗は劣化が進むほど大きくなるので、第３の閾値Ｇもキャパシタ１９の劣化度合いの判断規準となる値であり、例えば１．５０（１５０％）に設定される。ステップＳ１３においてキャパシタ１９の内部抵抗の現在値Ｒを初期値Ｒ０で除した値（Ｒ／Ｒ０）が第３の閾値Ｇより小さいと判定されると、異常判断部２４０は、キャパシタ１９の特性が悪化している（軽故障）と判断する。したがって、処理はステップＳ１４に進み、キャパシタ１９からの放電電流及びキャパシタ１９への充電電流を制限してキャパシタ１９にあまり負荷をかけないようにしながら、蓄電装置の作動が継続される。これと同時に、異常検出部２００は、キャパシタ１９に軽故障が発生したことを、警報音を鳴らしたり運転室の表示パネルに表示することで、ショベルの操作者に通知することとしてもよい。ここで、キャパシタ１９の特性悪化には、例えばキャパシタ１９のセルの一部の短絡や、均等化回路の故障が含まれる。一方、ステップＳ１３においてキャパシタ１９の内部抵抗の現在値Ｒを初期値Ｒ０で除した値（Ｒ／Ｒ０）が第３の閾値Ｇより小さく無いと判定されると、キャパシタ１９の劣化によるものであると判断できる。そこで、処理はステップＳ１５に進み、キャパシタ１９からの放電電流及びキャパシタ１９への充電電流を制限してキャパシタ１９にあまり負荷をかけないようにしながら、蓄電装置の作動が継続される。ここで、内部抵抗の現在値Ｒの測定に関して、ショベルのキーオン時に計測した内部抵抗の値を現在値Ｒとして用いてもよく、エンジンのアイドリング運転時に計測した内部抵抗の値を現在値Ｒとしてもよい。あるいは、上述の異常判断処理中に測定した最新値を現在値Ｂとして用いることもできる。また、内部抵抗の測定は、当業界において通常知られた測定方法によって行なうことができる。
一方、ステップＳ１２においてＳＯＣ２−ＳＯＣ０の絶対値をΔＳＯＣの絶対値で除算した値（|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|／|ΔＳＯＣ|）が第２の閾値Ｅより大きいと判定された場合、実際の計測値に基づいて求めた充電率とキャパシタに流れる電流量から求めた充電率とがほぼ一致しており、異常判断部２４０は、キャパシタ１９を含む蓄電装置は正常に作動していると判断することができる。そこで、処理はステップＳ１６に進み、蓄電装置をそのまま継続して作動させる。
以上の処理における判断をまとめると図８に示すようになる。図８において、横軸は計測値に基づく充電率の変化量ΔＳＯＣを示している。
まず、ステップＳ１〜Ｓ６までの処理（第１の一定時間間隔Ｔ１（例えば、０．５秒間）での判定（ショートスパン検出）では、充電電流又は放電電流が流れて充電又は放電が行なわれたのにもかかわらず、計測で求めた充電率の変化量ΔＳＯＣが所定値Ｂより小さい場合、センサの断線や故障、あるいは地絡等の重故障であると判断する。
ショートスパン検出が終了すると、次にステップＳ７〜Ｓ１６までの処理（第２のＴ２（例えば、１分間）での判定（ロングスパン検出）が行なわれる。ロングスパン検出では、キャパシタ１９を流れる電流に基づいて演算により求めた充電率の変化量ΔＳＯＣ（理論値）と、実際の計測値に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣとを比較することで、蓄電回路の故障やキャパシタ１９の劣化を判断する。すなわち、実際の計測値に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣが、電流に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣ（理論値）の例えば９０％未満である場合は（第１の閾値Ｆを０．９とした場合）重故障が発生していると判定し、９０％〜１２５％である場合は（第２の閾値Ｅを１．２５とした場合）正常であると判定し、１２５％を超えている場合は、キャパシタ１９の劣化であると判断する。
また、実際の計測値に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣが、電流に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣ（理論値）の１２５％を超えており、キャパシタ１９の劣化と判定された場合であって、さらにキャパシタ１９の内部抵抗の最新値Ｒが初期値Ｒ０の１５０％未満である場合は（第３の閾値Ｇを１．５０とした場合）、キャパシタ１９の軽故障（セルの短絡や均等化回路の故障）による劣化であると判断する。
上述の実施形態では、故障や劣化を判断するための指標として充電率ＳＯＣを用いている。充電率ＳＯＣはキャパシタ電圧の二乗に比例する値であり、充電率ＳＯＣ及び充電率の変化量ΔＳＯＣの代わりに、キャパシタ１９の電圧及び電圧の変化量を用いることとしてもよい。
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１０は図２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１０に示すハイブリッド型油圧ショベルでは、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を含む蓄電装置の異常を判断することができる。
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１０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１０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１１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１０に示す電動ショベルは、エンジン１１が設けられておらず、ポンプ用電動機４００のみでメインポンプ１４が駆動される。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。蓄電系１２０には、コンバータ１２０Ａを介して外部電源５００が接続可能となっており、外部電源５００から電力が蓄電系１２０に供給されて蓄電器が充電され、蓄電器からポンプ用電動機４００に電力が供給される。
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１月２８日出願の優先権主張日本国特許出願第２０１１−０１６５４６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、蓄電器からの電力で電動作業要素を駆動する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
２６Ｄ ボタンスイッチ
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
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣ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
１２０Ａ コンバータ
１３０−１，１３０−２ リレー
３００ 発電機
３１０ 油圧モータ
４００ ポンプ用電動機
５００ 外部電源
本発明によれば、アタッチメントが連結されるアームと、該アームが連結されたブームと、該ブームが連結された上部旋回体と、該上部旋回体に配置されたエンジンと、発電機で発電した電力を蓄積する蓄電器と該蓄電器の充放電を制御する電気回路とを含む蓄電装置と、該蓄電器と前記発電機との間に配置され、前記蓄電器の電圧を計測する電圧検出部と、前記蓄電器に流れる電流を計測する電流検出部と、（前記蓄電器の充放電量を演算する制御部と、）前記蓄電装置の異常を検出する異常検出部と、前記蓄電器の充放電を制御するスイッチング素子と、該スイッチング素子と前記蓄電器との間の電源ラインを遮断する遮断器とを有し、該異常検出部は、前記電圧検出部と前記電流検出部とにより得られる検出値に基づいて、前記蓄電器の蓄電状態を推定して推定値を求める蓄電状態推定部と、前記蓄電状態推定部で求められた前記推定値に基づいて異常判断を行う異常判断部とを含み、前記異常検出部は、前記異常判断部の異常判断結果に基づいて、前記スイッチング素子と前記遮断器とを制御し、前記異常判断部は、前記蓄電器の充電状態の変化量が第１の閾値より小さいときは、前記スイッチング素子の作動を停止し、且つ前記遮断器により前記電源ラインを遮断することを特徴とするショベル等が提供される。
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。 蓄電系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の回路図である。 本実施形態による異常検出部の機能ブロック図である。 蓄電装置の異常判断処理のフローチャートである。 異常判断処理を行なっているときのキャパシタを流れる電流値及びキャパシタの充電率の時間変化を示すグラフである。 充電率の変化量を指標として用いて蓄電装置の劣化・故障を判断する方法を説明するための図である。 旋回機構を旋回油圧モータで駆動する構成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。 シリーズ方式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。
図２は、図１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２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細い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。
図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータ１００とＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ 電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２と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 電圧値とキャパシタ 電流値は、コントローラ３０に供給される。
昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。
図４は、蓄電系（蓄電装置）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の一方に接続される。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。
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。
キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値（キャパシタ電圧値）Ｖｃａｐを検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧値（ＤＣバス電圧）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。
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、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から降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを介してキャパシタ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。
図５は本実施形態による異常検出部２００の機能ブロック図である。異常検出部２００は、ＳＯＣ計測部２１０、電流積分部２２０、蓄電状態推定部２３０、及び異常判断部２４０を有する。異常検出部２００はマイクロコンピュータ等より構成される制御回路により実現される。図５に示す例では、異常検出部２００とショベルのコントローラ３０とは別に示されているが、コントローラ３０に含まれていてもよい。
本実施形態では、コントローラ３０にＤＣバス電圧の目標値Ｖｄｃｒが供給される。コントローラ３０は、ＤＣバス電圧の目標値Ｖｄｃｒと昇降圧コンバータ１００から出力される電圧値（すなわち、ＤＣバス電圧検出部１１１が検出したＤＣバス電圧Ｖｄｃ）とキャパシタ１９に供給する充電電流の目標値Ｉｒを求め、昇降圧コンバータ１００に供給する。昇降圧コンバータ１００は、キャパシタ１９に供給する充電電流の目標値Ｉｒに基づいて、キャパシタ１９に充電電流を供給する。以上のようにしてキャパシタ１９は充電され、充電率ＳＯＣがシステム制御上限値とシステム制御下限値との間の一定の範囲内に維持される。
蓄電状態推定部２３０は、キャパシタ電圧検出部１１２が検出したキャパシタ電圧値Ｖｃａｐとキャパシタ電流検出部１１６が検出した電流値Ｉ１と電流積分部２２０から供給される積分値とに基づいて、充電率ＳＯＣの変化量ΔＳＯＣを演算する。この充電率ＳＯＣの変化量ΔＳＯＣは、キャパシタ１９の実際の充電率ＳＯＣの変化量ではなく、キャパシタ電圧値Ｖｃａｐと電流値Ｉ１と電流積分値とから推定した推定値である。蓄電状態推定部２３０は、得られた充電率ＳＯＣの変化量ΔＳＯＣを異常判断部２４０に出力する。
次に、ステップＳ２において、電流積分部２２０は、電流値Ｉ１を時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間（すなわち、第１の一定時間間隔Ｔ１）で積分した積分値を演算し、その積分値の絶対値が、所定値Ａより大きいか否かを判定する。電流値Ｉ１を積分することにより、時刻ｔ０から時刻ｔ１までに流れた電流量を求めている。電流値Ｉ１の積分値を所定値Ａと比較することにより、キャパシタ１９に電流が流れたか否かが判定されている。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間（第１の一定時間間隔Ｔ１）は短い時間に設定されているので、電流値Ｉ１の計測値にノイズが入るおそれがある。そこで、所定値Ａを予め設定しておき、ノイズの影響を除去している。ここで、所定値Ａは、ショートスパンの時間において、電流が確実に流れたかを判定できる程度の電流量が設定されている。すなわち、電流値Ｉ１の積分値が所定値Ａ以下である場合は、ノイズにより電流値Ｉ１が計測された可能性があるとして、キャパシタ１９に電流が流れたとは判定しない。一方、電流値Ｉ１の積分値が所定値Ａより大きい場合は、電流値Ｉ１の計測値はノイズより大きく、実際に電流が流れたと判定する。なお、電流値Ｉ１の積分値の絶対値をとる理由は、キャパシタ１９から放電している場合の電流値Ｉ１を正の値とすると、キャパシタ１９へ充電している場合の電流値Ｉ１は負の値となるからである。したがって、ステップＳ２では、充電の場合でも放電の場合でも、キャパシタに電流が流れたか否かが判定されている。
ここで、ステップＳ１０〜Ｓ１４において蓄電装置の異常を特定判断するためには所定の充電量が必要である。このため、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間のロングスパンの時間で、十分な電流量が流れたかを判断する必要がある。そこで、ステップＳ８において、電流積分部２２０は、電流値Ｉ１を時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間（すなわち、第２の一定時間間隔Ｔ２）で積分して積分値を求める。そして、電流積分部２２０は、積分値の絶対値が所定値Ｄより大きいか否かを判定する。電流積分部２２０は、電流値Ｉ１を第２の一定時間間隔Ｔ２の間で積分することにより、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの比較的長い時間に流れた電流量を求めており、この電流量が所定値Ｄより大きいか否かを判定している。ステップＳ８における処理は、キャパシタ１９の充電率ＳＯＣが所定量より大きく変化するような電流が流れたか否かを判定するための処理である。したがって、所定値Ｄは、ステップＳ１０〜Ｓ１４において所定の充電量を得るために必要な電流量に相当する。
ステップＳ９では、蓄電状態推定部２３０は、時刻ｔ０から時刻ｔ２までのキャパシタ１９の充電率の変化量ΔＳＯＣを算出する。すなわち、時刻ｔ２における充電率ＳＯＣ２と時刻ｔ０における充電率ＳＯＣ０との差がΔＳＯＣとなる。充電率の変化量ΔＳＯＣは以下の式により算出することができる。
Figure 2012102352
 続いて、ステップＳ１０において、異常判断部２４０は、ＳＯＣ２−ＳＯＣ０の絶対値をΔＳＯＣの絶対値で除算した値（|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|／|ΔＳＯＣ|）が、第１の閾値Ｆより小さいか否かを判定する。ここで、第１の閾値Ｆは例えば０．９（ΔＳＯＣに対して９０％）に設定される。ここで、第１の閾値Ｆは、許容できるバラツキを経験的に考慮して設定した値である。充電率の変化量が第１の閾値Ｆより小さい場合には、計測で求めた充電量の変化量|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|が、演算で求めた充電量の変化量|ΔＳＯＣ|より小さくなっていることであり、このような状況は通常の状態ではあり得ないことである。したがって、ＳＯＣ２−ＳＯＣ０の絶対値をΔＳＯＣの絶対値で除算した値（|ＳＯＣ２−ＳＯＣ０|／|ΔＳＯＣ|）が第１の閾値Ｆより小さい場合は、異常判断部２４０は、蓄電装置の電気回路に何かしらの故障（重大な故障）が生じており、蓄電装置をそのまま作動させておくとキャパシタ１９に異常が発生するおそれがあると判断する。そこで、処理はステップＳ１１に進み、異常検出部２００は、蓄電装置の作動を停止し且つキャパシタ１９を蓄電装置の電気回路から切り離す。これと同時に、異常検出部２００は、蓄電装置に重故障が発生したことを、警報音を鳴らしたり運転室の表示パネルに表示することで、ショベルの操作者に通知することとしてもよい。
ステップＳ１３では、異常判断部２４０は、キャパシタ１９の内部抵抗の現在値Ｒを初期値Ｒ０で除した値（Ｒ／Ｒ０）が、第３の閾値Ｇより小さいか否かを判定する。キャパシタ１９の内部抵抗は劣化が進むほど大きくなるので、第３の閾値Ｇもキャパシタ１９の劣化度合いの判断規準となる値であり、例えば１．５０（１５０％）に設定される。ステップＳ１３においてキャパシタ１９の内部抵抗の現在値Ｒを初期値Ｒ０で除した値（Ｒ／Ｒ０）が第３の閾値Ｇより小さいと判定されると、異常判断部２４０は、キャパシタ１９の特性が悪化している（軽故障）と判断する。したがって、処理はステップＳ１４に進み、キャパシタ１９からの放電電流及びキャパシタ１９への充電電流を制限してキャパシタ１９にあまり負荷をかけないようにしながら、蓄電装置の作動が継続される。これと同時に、異常検出部２００は、キャパシタ１９に軽故障が発生したことを、警報音を鳴らしたり運転室の表示パネルに表示することで、ショベルの操作者に通知することとしてもよい。ここで、キャパシタ１９の特性悪化には、例えばキャパシタ１９のセルの一部の短絡や、均等化回路の故障が含まれる。一方、ステップＳ１３においてキャパシタ１９の内部抵抗の現在値Ｒを初期値Ｒ０で除した値（Ｒ／Ｒ０）が第３の閾値Ｇより小さく無いと判定されると、キャパシタ１９の劣化によるものであると判断できる。そこで、処理はステップＳ１５に進み、キャパシタ１９からの放電電流及びキャパシタ１９への充電電流を制限してキャパシタ１９にあまり負荷をかけないようにしながら、蓄電装置の作動が継続される。ここで、内部抵抗の現在値Ｒの測定に関して、ショベルのキーオン時に計測した内部抵抗の値を現在値Ｒとして用いてもよく、エンジンのアイドリング運転時に計測した内部抵抗の値を現在値Ｒとしてもよい。あるいは、上述の異常判断処理中に測定した最新値を現在値Ｒとして用いることもできる。また、内部抵抗の測定は、当業界において通常知られた測定方法によって行なうことができる。
ショートスパン検出が終了すると、次にステップＳ７〜Ｓ１６までの処理（第２の一定時間間隔Ｔ２（例えば、１分間）での判定（ロングスパン検出））が行なわれる。ロングスパン検出では、キャパシタ１９を流れる電流に基づいて演算により求めた充電率の変化量ΔＳＯＣ（理論値）と、実際の計測値に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣとを比較することで、蓄電回路の故障やキャパシタ１９の劣化を判断する。すなわち、実際の計測値に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣが、電流に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣ（理論値）の例えば９０％未満である場合は（第１の閾値Ｆを０．９とした場合）重故障が発生していると判定し、９０％〜１２５％である場合は（第２の閾値Ｅを１．２５とした場合）正常であると判定し、１２５％を超えている場合は、キャパシタ１９の劣化であると判断する。
また、実際の計測値に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣが、電流に基づいて求めた充電率の変化量ΔＳＯＣ（理論値）の１２５％を超えており、キャパシタ１９の劣化と判定された場合であって、さらにキャパシタ１９の内部抵抗の現在値Ｒが初期値Ｒ０の１５０％未満である場合は（第３の閾値Ｇを１．５０とした場合）、キャパシタ１９の軽故障（セルの短絡や均等化回路の故障）による劣化であると判断する。
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
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣ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
１２０Ａ コンバータ
１３０−１，１３０−２ リレー
３００ 発電機
３１０ 油圧モータ
４００ ポンプ用電動機
５００ 外部電源



Claims (10)

  1. アタッチメントが連結されるアームと、
    該アームが連結されたブームと、
    該ブームが連結された上部旋回体と、
    該上部旋回体に配置されたエンジンと、
    発電機で発電した電力を蓄積する蓄電器と該蓄電器の充放電を制御する電気回路とを含む蓄電装置と、
    該蓄電器と前記発電機との間に配置され、前記蓄電器の電圧を計測する電圧検出部と、
    前記蓄電器に流れる電流を計測する電流検出部と、
    前記蓄電装置の異常を検出する異常検出部と
    を有し、
    該異常検出部は、
    前記電圧検出部と前記電流検出部とにより得られる検出値に基づいて、前記蓄電器の蓄電状態を推定して推定値を求める蓄電状態推定部と、
    前記蓄電状態推定部で求められた前記推定値に基づいて異常判断を行う異常判断部と
    を含むことを特徴とするショベル。
  2. 請求項１記載のショベルであって、
    前記異常判断部は、前記蓄電器の充電状態の変化量と前記推定値とを比較して前記異常判断を行うことを特徴とするショベル。
  3. 請求項１又は２記載のショベルであって、
    前記蓄電器の充放電を制御するスイッチング素子と、
    該スイッチング素子と前記蓄電器との間の電源ラインを遮断する遮断器と
    をさらに有し、
    前記異常検出部は、前記異常判断部の異常判断結果に基づいて、前記スイッチング素子と前記遮断器とを制御することを特徴とするショベル。
  4. 請求項３記載のショベルであって、
    前記異常判断部は、前記蓄電器の充電状態の変化量が第１の閾値より小さいときは、前記スイッチング素子の作動を停止し、且つ前記遮断器により前記電源ラインを遮断することを特徴とするショベル。
  5. 請求項４記載のショベルであって、
    前記異常判断部は、前記蓄電器の充電状態の変化量が第２の閾値より大きいときは、前記蓄電器に流れる電流を制限するように前記スイッチング素子の作動を制御することを特徴とするショベル。
  6. 請求項４記載のショベルであって、
    前記異常判断部は、前記蓄電器の充電状態の変化量が前記第１の閾値以上であり且つ第２の閾値以下であるときは、前記遮断器により前記電源ラインを遮断せずに前記スイッチング素子の作動を継続させることを特徴とするショベル。
  7. 請求項４記載のショベルであって、
    前記異常検出部は、前記蓄電器の内部抵抗の初期値に対する現在値の比率が、第３の閾値より小さいときは、故障が発生していることを操作者に通知することを特徴とするショベル
  8. 請求項１乃至７のうちいずれか一項記載のショベルであって、
    前記異常判断部は、前記電流検出部が計測した電流値と前記蓄電器の充電状態の変化量とに基づいて異常判断を行うことを特徴とするショベル。
  9. 請求項１乃至８のうちいずれか一項記載のショベルであって、
    前記異常検出部は、前記電流検出部が計測した電流の積分値に基づいて、前記異常判断部による異常判断の実施可否を判断することを特徴とするショベル。
  10. 請求項３乃至９のうちいずれか一項記載のショベルであって、
    前記異常判断部は、前記蓄電器の充電状態の変化量が第４の閾値より小さいときに、前記スイッチング素子の制御を停止し且つ前記遮断器を駆動して前記電源ラインを遮断することを特徴とするショベル。
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