WO2013146204A1 - 掘削機及び掘削機の蓄電器の電圧制御方法 - Google Patents

Abstract

　掘削機は、電動機（７１）と、電動機に接続されたインバータ（２０Ｃ）と、インバータに接続され、蓄電器（１９）を含む蓄電装置（１２０）とを有する。エンジン（１１）の駆動停止中に、蓄電器（１９）の電圧は第２の所定の電圧値より高い状態に維持される。

Description

掘削機及び掘削機の蓄電器の電圧制御方法

　本発明は電気負荷を駆動するための動力源として蓄電器を有する掘削機に関する。

　掘削機の一例としてのショベルにおいて、駆動機構の一部を電動化することが提案されている。ショベルは、ブーム、アーム、及びバケットといった可動部を油圧駆動するための油圧ポンプを備えている。そのような油圧ポンプを駆動するための内燃機関発動機（エンジン）に交流電動機（電動発電機）を連結し、エンジンの駆動力を補助する。また、電動発電機の発電により得られる電力を、インバータを介してＤＣバス（直流母線）へ返還する。ＤＣバスには、蓄電池（バッテリ）又は蓄電器（キャパシタ）を含む蓄電装置がコンバータを介して接続されており、電動発電機の発電により得られた電力は、蓄電装置に充電される。

　上述のようなショベルにおいては、大型の作業要素を駆動するためにＤＣバスの電圧は例えば数百ボルトというような高い電圧に設定されている。そこで、メンテナンスを行う際には、作業者の安全を考慮して、ＤＣバス電圧を低下させておくことが望ましい。ここで、ショベルの運転を停止しているときのＤＣバス電圧は蓄電装置の蓄電池又は蓄電器の電圧にほぼ等しくなる。したがって、メンテナンスを行なう際には、蓄電池又は蓄電器の電圧を下げておくことが望ましい。

　また、蓄電装置に蓄電器（キャパシタ）を用いた場合には、ショベルの運転を停止しているときの蓄電器の電圧を下げておくことが好ましい。これは、一般的に、蓄電器の劣化は蓄電器の電圧に比例し、蓄電器は、その電圧が高いほど劣化の度合いが大きいという特性を有しているからである。ショベルの運転を停止している間も蓄電器の電圧を高い状態に維持していると、ショベルを運転していない間にも蓄電器の劣化が進み、蓄電器の寿命が短くなってしまう。

　そこで、ハイブリッド式作業機械において、作業終了時に、キャパシタから補助バッテリに向けて放電することで、キャパシタ電圧が放電設定値を超えないように維持することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、キャパシタを用いた発電電動機駆動装置において、メンテナンス時のキャパシタの電荷の放電を速やかに行なうための放電方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５－２１８２８５号公報 国際公開ＷＯ２００８／１１１６４９号

　上述の特許文献１に開示された技術では、運転停止時のキャパシタの電圧値が、作業機械の運転時の放電設定値を超えないように制御するものであり、運転停止時においても、キャパシタ電圧はほぼ満充電時の電圧に維持される。したがって、運転停止時でもキャパシタの電圧は高い状態に維持され、キャパシタの劣化を抑制することはできない。

　一方、上述の特許文献２に開示された技術では、キャパシタの電圧をほぼゼロに近い状態に低下させることができる。

　ところが、本発明者が様々な実験を行なってキャパシタの劣化を検討した結果、キャパシタの電圧が低く過ぎるとかえってキャパシタの劣化が促進されることがあり得るという知見が得られた。

　本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、運転停止中におけるキャパシタの劣化を抑制することのできる掘削機を提供することを目的とする。

　本発明の一実施態様によれば、電動機と、該電動機に接続されたインバータと、該インバータに接続され、蓄電器を含む蓄電装置とを有し、エンジンの駆動停止中に、前記蓄電器の電圧は第２の所定の電圧値より高い状態に維持される掘削機が提供される。

　本発明の他の実施態様によれば、電動機と、該電動機に接続されたインバータと、該インバータに接続され、蓄電器を含む蓄電装置とを有する掘削機の蓄電器の電圧制御方法であって、エンジンの駆動停止中に、前記蓄電器の電圧を第２の所定の電圧値より高い状態に維持する掘削機の蓄電器の電圧制御方法が提供される。

　本発明によれば、掘削機の運転停止中におけるキャパシタの劣化を抑制することができる。

本発明に係る掘削機の一例であるショベルの側面図である。 図１に示すショベルの電気系統及び油圧系統を含む駆動系の構成を示すブロック図である。 図２に示す蓄電装置の回路図である。 冷却液循環システムのブロック図である。 電気二重層コンデンサのセルの内部抵抗変化率を示すグラフである。 セル電圧の変化を示すグラフである。 旋回機構を旋回油圧モータで駆動する構成のショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

　まず、本発明の一実施形態による掘削機の一例であるショベルの全体構成及び駆動系の構成について説明する。図１は本発明の一実施形態による掘削機の一例であるショベルを示す側面図である。

　図１に示す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１に示すショベルはハイブリッド型ショベルであり、サーボ制御ユニット６０を備えている（図４参照）。サーボ制御ユニット６０は、旋回機構２を駆動するための旋回用電動機２１（交流電動機）、及びエンジン１１をアシストするための電動発電機１２の駆動を制御する。また、サーボ制御ユニット６０は蓄電装置１２０の蓄電器（キャパシタ）の充放電を制御する。サーボ制御ユニット６０は、直流電力を交流電力に変換して交流電動機や電動発電機を駆動するためのインバータユニット、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータユニットといった複数のドライバユニットと、該複数のドライバユニットを制御するためのコントロールユニットとを備えている。

　図２は、図１に示すショベルの電気系統や油圧系統等の駆動系を示すブロック図である。図２において、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示されている。図３は、図２における蓄電装置１２０の回路図である。

　図２に示すように、ショベルは電動発電機１２および変速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に変速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２がエンジン１１を作業要素として駆動することによりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、電動発電機１２の駆動力が変速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、エンジン１１の駆動力が変速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電を行う。電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切り替えは、ショベルにおける電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

　変速機１３の出力軸にはメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されており、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。コントロールバルブ１７は、ショベルにおける油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示した下部走行体１を駆動するための油圧モータ１ａ及び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が、高圧油圧ライン１６を介して接続されている。コントロールバルブ１７は、これら油圧機器に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

　電動発電機１２はインバータ回路１８Ａに接続されている。インバータ回路１８Ａの入力端には、蓄電装置１２０が接続されている。蓄電装置１２０は、図３に示すように、直流母線であるＤＣバス１１０、昇降圧コンバータ（直流電圧変換器）１００及びキャパシタ１９を備えている。即ち、インバータ回路１８Ａの入力端は、ＤＣバス１１０を介して昇降圧コンバータ１００の入力端に接続されている。昇降圧コンバータ１００の出力端には、蓄電器としてのキャパシタ１９が接続されている。キャパシタ１９は、例えば電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）によって構成される。キャパシタ１９の一例としては、電圧２．５Ｖ、容量２４００Ｆのキャパシタセルが１４４個直列に接続されキャパシタ（すなわち、端子間電圧３６０Ｖ）が用いられる。

　インバータ回路１８Ａは、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。すなわち、インバータ回路１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、必要な電力をキャパシタ１９と昇降圧コンバータ１００からＤＣバス１１０を介して電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス１１０及び昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に充電する。なお、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バス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値に基づき、コントローラ３０によって行われる。これにより、ＤＣバス１１０を、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。

　更に、蓄電装置１２０には、インバータ回路２０Ａを介して、作業用電動機としての旋回用電動機（交流電動機）２１が接続されている。すなわち、インバータ回路１０Ａの一端は蓄電装置１２０のＤＣバス１１０に接続されており、他端は旋回用電動機２１に接続されている。旋回用電動機２１は、上部旋回体３を旋回させる旋回機構２の動力源である。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。作業中は、蓄電装置１２０は目標値として設定された充電率になるように、コントローラ３０により制御される。

　旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回変速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、旋回変速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させる。旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号によりインバータ回路２０Ａによって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。

　レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサである。レゾルバ２２は、旋回用電動機２１に機械的に連結されることで回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。旋回変速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構２に機械的に伝達する減速機である。

　なお、ＤＣバス１１０には、インバータ回路１８Ａ及び２０Ａを介して、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１がそれぞれ接続されている。したがって、電動発電機１２で発電された電力が旋回用電動機２１に直接に供給される場合もあり、逆に、旋回用電動機２１で回生された電力が電動発電機１２に供給される場合もある。

　インバータ回路１８Ａ及び２０Ａは大電力を制御するので、発熱量が極めて大きい。また、昇降圧コンバータ１００に含まれるリアクトル１０１（図３参照）における発熱量も大きい。したがって、インバータ回路１８Ａ及び２０Ａ、並びに昇降圧コンバータ１００を冷却する必要がある。そこで、本実施形態のショベルは、エンジン１１用の冷却液循環システムとは別に、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ及び２０Ａを冷却するための冷却液循環システムを備えている。

　図４は冷却液循環システム７０のブロック図である。冷却液循環システム７０は、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ及び２０Ａ等に供給される冷却液を循環させるためのポンプ（冷却液循環用ポンプ）７２と、ポンプ７２を駆動するポンプモータ（冷却用電動機）７１とを有している。図２に示すように、ポンプモータ７１は、インバータ回路２０Ｃを介して蓄電装置１２０に接続されている。インバータ回路２０Ｃは、本実施形態における冷却用電動機駆動回路に相当する。インバータ回路２０Ｃは、コントローラ３０からの指令に基づき、昇降圧コンバータ１００を冷却する際にポンプモータ７１へ要求された電力を供給する。本実施形態による冷却液循環システム７０は、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ及び２０Ａ、並びにコントローラ３０を冷却する。加えて、冷却液循環システム７０は、旋回用電動機２１、電動発電機１２、及び変速機１３を冷却する。

　図２に戻り、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が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を操作者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。ここでは、作業用電動機としての旋回用電動機２１を挙げているが、さらに、下部走行体１の駆動機構を作業用電動機として電気駆動させても良い。

　圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構２を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。

　コントローラ３０は、本実施形態における制御部を構成する。コントローラ３０は、ＣＰＵ及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。また、コントローラ３０の電源は、キャパシタ１９とは別のバッテリ（例えば、２４Ｖ車載用バッテリ）である。コントローラ３０は、圧力センサ２９から入力される信号のうち、上部旋回体３を旋回させるための操作量を表す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。また、コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（アシスト運転及び発電運転の切り替え）、並びに、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。

　また、本実施形態によるコントローラ３０は、ショベルのメンテナンス等を実施するときにＤＣバス１１０の電圧を低下させるためのＤＣバス電圧低下モード（母線電圧低下モード）を有している。具体的には、ＤＣバス電圧低下モードでは、ＤＣバス１１０に接続された平滑用コンデンサ等に蓄積された電荷を消費させることで、ＤＣバス１１０の電圧を低下させる。

　コントローラ３０は、このＤＣバス電圧低下モードにおいて、インバータ回路１８Ａ及び２０Ａ、並びに昇降圧コンバータ１００を全て停止させ、昇降圧コンバータ１００とキャパシタ１９との間に設けられたスイッチ（後述する）を非接続状態とする。その後、コントローラ３０は、インバータ回路２０Ｃを駆動してポンプモータ７１に電力を消費させることによりＤＣバス１１０の電圧を低下させる。ＤＣバス電圧低下モードは、ショベルの運転が停止された際（具体的には、操作者のキー４０の操作によりエンジン１１が停止しようとするとき）に開始される。或いは、ＤＣバス電圧低下モードは、キャビン１０の運転室（図１参照）内の操作パネルを介して作業者によりＤＣバス電圧低下モードの開始に関する入力が為された際に開始される。

　ここで、本実施形態における昇降圧コンバータ１００について詳細に説明する。図３に示すように、昇降圧コンバータ１００は、昇降圧型のスイッチング制御方式を備えており、リアクトル１０１、トランジスタ１００Ｂ及び１００Ｃを有する。トランジスタ１００Ｂは昇圧用のスイッチング素子であり、トランジスタ１００Ｃは降圧用のスイッチング素子である。トランジスタ１００Ｂ及び１００Ｃは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成され、互いに直列に接続されている。

　具体的には、トランジスタ１００Ｂのコレクタとトランジスタ１００Ｃのエミッタとが相互に接続される。トランジスタ１００Ｂのエミッタはスイッチ１００Ｆを介してキャパシタ１９の負側端子およびＤＣバス１１０の負側配線に接続される。トランジスタ１００ＣのコレクタはＤＣバス１１０の正側配線に接続される。そして、リアクトル１０１の一端はトランジスタ１００Ｂのコレクタ及びトランジスタ１００Ｃのエミッタに接続され、他端はスイッチ１００Ｅを介してキャパシタ１９の正側端子に接続される。トランジスタ１００Ｂ及び１００Ｃのゲートには、コントローラ３０からＰＷＭ電圧が印加される。スイッチ１００Ｅ及び１００Ｆは、コントローラ３０からの指令によりその接続状態が制御される。

　なお、トランジスタ１００Ｂのコレクタとエミッタとの間には、整流素子であるダイオード１００ｂが逆方向に並列接続されている。同様に、トランジスタ１００Ｃのコレクタとエミッタとの間には、ダイオード１００ｃが逆方向に並列接続されている。トランジスタ１００Ｃのコレクタとトランジスタ１００Ｂのエミッタとの間（すなわち、ＤＣバス１１０の正側配線と負側配線との間）には、平滑用のコンデンサ１１０ａが接続される。コンデンサ１１０ａは、昇降圧コンバータ１００からの出力電圧、電動発電機１２からの発電電圧や旋回用電動機２１からの回生電圧を平滑化する。ＤＣバス１１０の正側配線と負側配線との間には、ＤＣバス１１０の電圧を検出するための電圧センサ１１０ｂが設けられる。電圧センサ１１０ｂにより検出した電圧はコントローラ３０へ供給される。

　上述のような構成を有する昇降圧コンバータ１００において、電力をキャパシタ１９からＤＣバス１１０へ供給する際には、スイッチ１００Ｅ，１００Ｆが接続された状態で、コントローラ３０からの指令によってトランジスタ１００ＢのゲートにＰＷＭ電圧が印加される。そして、トランジスタ１００Ｂ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ダイオード１００ｃを介して伝達され、この電力がコンデンサ１１０ａにより平滑化される。また、直流電力をＤＣバス１１０からキャパシタ１９へ供給する際には、スイッチ１００Ｅ，１００Ｆが接続された状態で、コントローラ３０からの指令によってトランジスタ１００ＣのゲートにＰＷＭ電圧が印加されるとともに、トランジスタ１００Ｃから出力される電流がリアクトル１０１により平滑化される。

　図４を参照すると、冷却液循環システム７０は、ポンプモータ７１によって駆動されるポンプ７２と、ラジエター７３と、サーボ制御ユニット６０とを含んでいる。ポンプ７２によって循環された冷却液はラジエター７３において放熱され、サーボ制御ユニット６０へ送られる。サーボ制御ユニット６０は、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ及び２０Ａ、並びにコントローラ３０を冷却するための配管を有しており、冷却液はこの配管内を循環する。サーボ制御ユニット６０の配管を通過した冷却液は、旋回用電動機２１、電動発電機１２、及び変速機１３をこの順に冷却したのち、ポンプ７２からラジエター７３へ戻される。なお、サーボ制御ユニット６０の入口には、冷却液の温度を検出するための温度センサ７７が設けられることが好ましい。更に、検出した温度を表示する表示装置を備えるとなお良い。これにより、ラジエター７３が詰まり冷却性能が低下した場合には、温度検出値に基づいて旋回用電動機２１及び電動発電機１２（または、これらのうち一方）の出力を制限することができる。その結果、連続的な運転を可能とすることができ、ショベルの運転を停止させることなく継続的な作業が可能となる。

　本実施形態では、以上のような構成のショベルにおいて、ショベルの運転を停止する際に、キャパシタ１９の端子間電圧（以下、キャパシタ電圧と称する）を低下させる処理を行う。すなわち、エンジン１１の駆動が停止された時点で、キャパシタ１９に蓄えられている電力を放電することで、キャパシタ電圧を所定の電圧値以下まで低下させる。このキャパシタ電圧を低下させる処理を「電圧抜き」と称する。

　すなわち、ショベルでの作業が終了し、ショベルの運転が停止されたときには、キャパシタ１９には運転時に必要な電力が蓄積されており、キャパシタ電圧は高い状態となっている。ここで、ショベルの運転を停止するために、エンジン１１のキー４０がＯＦＦとされると、ショベルの運転が再開されるまでの間は、キャパシタ電圧が高いままに維持される。例えば、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）よりなるキャパシタ１９は、キャパシタ電圧が高いほど劣化度（劣化の進み具合）が大きいと言われている。したがって、ショベルの運転が停止された状態においてキャパシタ１９の劣化を抑制するために、上述の「電圧抜き」を行ってキャパシタ電圧を低下させる。また、上述では、冷却液循環システムのポンプモータ７１を駆動して電圧抜きを行なう事例を示したが、その他、電動発電機１２を駆動して電圧抜きを行なってもよい。さらに、シリンダからの戻り油を用いて回生発電機により回生発電を行なう場合には、回生発電機を駆動して電圧抜きを行なうこともできる。

　キャパシタの劣化度は、キャパシタの内部抵抗の変化率から推測することができる。すなわち、キャパシタが劣化すると、劣化度に比例して内部抵抗が上昇するので、内部抵抗を劣化度の指標とすることができる。

　ここで、本発明者は、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）の劣化度に関して調査した結果、電気二重層コンデンサの各セルの電極材料や製造工程等の条件によっては、キャパシタ電圧を低くすればするほど内部抵抗変化率（すなわち、劣化度）が小さくなるわけでは無いという知見を得た。すなわち、ある電気二重層コンデンサにおいて、各セルのセル電圧が高い状態と低い状態との間で、セルの内部抵抗変化率（すなわち、劣化度）が小さくなる電圧範囲が存在することがわかった。なお、一般的に、電気二重層コンデンサは、端子間電圧が２～３Ｖのセルを複数個直列に接続して構成され、複数のセルを合わせた全体の端子間電圧（すなわち、キャパシタ電圧）が数百ボルトとなるように設計されている。

　図５は、そのような電気二重層コンデンサのセルのうち一つのセルの内部抵抗変化率を示すグラフ（実験式）である。図５において、横軸はキャパシタ電圧（Ｖ）を示し、縦軸は内部抵抗変化率（％）を示す。内部抵抗変化率は、セルをある時間放置した後のセルの内部抵抗と、そのセルを有る時間放置する前の初期内部抵抗との比率で表される。例えば、内部抵抗が変化しないときには、内部抵抗変化率は１００％となり、内部抵抗が２倍になったときには、内部抵抗変化率は２００％となる。

　図５に示すグラフは、セルを所定の蓄電状態にしてから１０００時間そのまま放置した際のセルの内部抵抗変化率を示しており、蓄電状態を変えたときに（すなわち、セル電圧を変えたときに）内部抵抗変化率がどのように変化するかを示している。このセルの通常使用時の電圧は、例えば１．５Ｖ～２．５Ｖであり、図５において「通常使用範囲」として示されている。また、１．８～２．３Ｖが「適正範囲」として示されている。

　図５において、セルの内部抵抗変化率を示す曲線は、２．０Ｖで最小値となる下に閉じた曲線となっている。セル電圧が２．０Ｖより高くなるにつれ、セルの内部抵抗変化率は大きくなっていき、セル電圧が２．０Ｖより低くなるにつれ、セルの内部抵抗変化率は大きくなっていく。さらに、セル電圧を小さくした０．３Ｖでも１８０％と高い値となってしまう。これは、セル電圧が２．０Ｖのときが、１０００時間放置後のセルの内部抵抗が最も小さく、劣化度が最も小さいことを意味する。そして、セル電圧が２．０Ｖより低くなるほど、１０００時間放置後のセルの内部抵抗は大きくなり、劣化度が大きくなっていく。以上のように、セルの内部抵抗変化率を示す曲線は、通常使用範囲において、一つの極小値をもつ曲線を形成する。また、セルの内部抵抗変化率を示す曲線の曲率は、蓄電セルの温度や使用時間によって変化する。

　図５に示すセルの特性を考慮すると、図５に示す特性を有するセルは、作業終了時のセル電圧を適正範囲内にすることで、エンジン停止中においてセル電圧が低下しても、セル電圧を通常使用範囲内に維持することができる。具体的には、本実施の形態においては、セル電圧を２．０Ｖに維持しておくことで、セル電圧に起因した劣化が抑制され、セルを劣化させないようにすることができることがわかる。すなわち、図５に示す特性を有するセルを用いて構成したキャパシタをショベルの蓄電装置１２０のキャパシタ１９として用いた場合、ショベルの運転を停止している間は、セル電圧が２．０Ｖとなるキャパシタ電圧となるように電圧抜きを行なっておけば、運転停止中におけるキャパシタ１９の劣化を抑制することができる。

　なお、図５に示す劣化度の特性は、ある特定の電極材料をセルの電極材料として用いたときの劣化度を示しているものであり、全てのキャパシタのセルに当てはまるものでは無い。

　ここで、ショベルの運転停止中のキャパシタ１９の各セルのセル電圧の変化について考察する。図６はセル電圧の変化を示すグラフである。図６において、時刻ｔ１まではショベルが運転しており、キャパシタ１９は運転中の充電状態に維持されており、セル電圧は２．５Ｖが維持されるように制御されている。

　時刻ｔ１において、ショベルの運転が停止され、キー４０がＯＦＦとされる。ここで、本実施形態では、キャパシタ１９の電圧抜きが行なわれ、セル電圧が２．０Ｖとなるまでキャパシタ１９の放電が行なわれる。このときにキャパシタ１９から放出される電力は、上述の冷却液循環システム７０のポンプモータ７１に送られ、ポンプモータ７１で消費される。すなわち、キャパシタ１９に蓄積された余分な電力で冷却液循環システム７０を駆動することで、電圧抜きが行なわれる。冷却液循環システム７０は、ショベルの運転が停止された後も、しばらくの間駆動される。したがって、キャパシタ１９の電圧抜きで放出される電力を冷却液循環システム７０の駆動に充当することは、省電力化につながる。

　時刻ｔ１は、例えば、一日のショベルでの作業が終了した１７時（午後５時）である。時刻ｔ１にいてショベルのキー４０がＯＦＦとなると、電圧抜きが開始される。電圧抜きでは、キャパシタ１９に蓄積されている電力が冷却液循環システム７０に供給され、ポンプモータ７１により消費される。したがって、キャパシタ１９の電力は減少し、これによりキャパシタ電圧（すなわち、セル電圧）も減少する。

　時刻ｔ１からセル電圧が減少していき、時刻ｔ２においてセル電圧が２．０Ｖとなると、電圧抜きは終了される。時刻ｔ２は例えば１８時（午後６時）であり、電圧抜きはちょうど一時間行なわれたこととなる。時刻ｔ２以降はキャパシタ１９の電力授受は行なわれず、キャパシタ１９は放置された状態となる。このとき、セル電圧は２．０Ｖとなっているので、キャパシタ１９の劣化は最小限となっている。ここで、作業終了時のセル電圧が２．０Ｖより小さい場合には、キャパシタ１９へ充電を行ない、セル電圧を第１の所定の電圧値である２．０Ｖにする。

　時刻ｔ２以降は、キャパシタ１９が蓄積している電力は、自然放電により徐々に減少していき、それに伴ってセル電圧も徐々に低下していく。しかし、自然放電によるセル電圧の低下は僅かであり、セル電圧は２．０Ｖから急激に低下することはないので、セル電圧は継続してほぼ２．０Ｖに維持される。そして、次の日にショベルの作業を行なうためにキー４０がＯＮとされる時刻ｔ３となるまで、セル電圧は２．０Ｖに近い値に維持される。時刻ｔ３におけるセル電圧は例えば１．８Ｖ程度であり（自然放電で０．２Ｖだけセル電圧が低下したこととなる）、この電圧値におけるキャパシタの劣化度は小さい。

　時刻ｔ３は、例えば翌日にショベルの作業を開始するためにキー４０がＯＮとされる９時（午前９時）である。時刻ｔ３でキー４０がＯＮとされ、エンジン１１の運転が開始されると、キャパシタ１９への充電が開始され、キャパシタの蓄電量は増大し、したがって、セル電圧は上昇していく。時刻ｔ４になるとキャパシタが十分に充電された状態となり、このときのセル電圧は２．５Ｖとなる。

　以上のように、本実施形態による掘削機では、エンジン１１の駆動が停止されたら、キャパシタ１９の電圧が第１の所定の電圧値となるまで電圧抜きを行い、エンジン１１の駆動停止中にキャパシタ１９の電圧が第２の所定の電圧値より高い状態が維持される。ここで、第１の所定の電圧値は、キャパシタ１９の各セルのセル電圧が、劣化度が最小となるときのセル電圧である２．０Ｖとなるようなキャパシタ電圧である。また、第２の所定の電圧値は、キャパシタ１９の各セルの電圧がほぼ２．０Ｖに維持されるようなキャパシタ電圧であり、本実施形態では、例えばセル電圧が１．７５Ｖとなるようなキャパシタ電圧とする。図５から分るように、セル電圧が１．７５Ｖのときは、内部抵抗変化率は１２５％程度であり、セル電圧が１．７５Ｖのときに劣化度は、セル電圧が２．０Ｖのときの劣化度とほとんど変わらず、実質的にセル電圧が２．０Ｖのときの劣化度が維持される。このように、本実施形態では、少なくとも、定格電圧（２．５Ｖ）の５０％以下の電圧にならないように維持される。

　なお、本実施形態において、キャパシタ１９の通常使用時のキャパシタ電圧は、セル電圧が２．０Ｖとなるようなキャパシタ電圧である。したがって、第１の所定の電圧値はキャパシタ１９が通常使用時のキャパシタ電圧となるようなセル電圧（２．５Ｖ）よりもはるかに低い値である。したがって、電圧抜きによりキャパシタ１９から放出される電力は、冷却液循環システム７０を駆動するのに十分な電力である。

　本実施形態では、キャパシタ１９の各セルの電極材料で決まるキャパシタ１９の劣化特性から、劣化度が最小となるセル電圧（２．０Ｖ）を求め、このセル電圧を第１の所定の電圧値として設定している。すなわち、キャパシタ１９の各セルの電極材料に起因する劣化度の変化に基づいて第１の所定の電圧値が決定される。

　また、本実施形態では、蓄電装置１２０の蓄電器としてキャパシタ１９を用いている。通常、蓄電器はバッテリ等の蓄電池と異なり、通常の使用条件でキャパシタ電圧が０Ｖとなるまで放電することができる。

　以上の実施形態では水冷ポンプで電力を消費することで電圧抜きを行なっているが、電圧抜きに用いる電気負荷は、水冷ポンプに限られることなく、例えば、電動発電機などの他の電気負荷を用いて電圧抜きを行なってもよい。また、ブーム回生発電用の発電機が設けられている場合には、ブーム回生発電用の発電機を用いて電圧抜きを行なってもよい。

　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７は図２に示す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７に示すショベルでは、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。このような構成のショベルであっても、上述の実施形態のようにして、エンジン１１の駆動停止中に、キャパシタ１９の電圧を第２の所定の電圧値より高い状態に維持することにより、掘削機の運転停止中におけるキャパシタ１９の劣化を抑制することができる。

　本発明は具体的に開示された上述のショベルを一例とする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、２０１２年３月２８日出願の優先権主張日本国特許出願第２０１２－０７４４３４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、電気負荷を駆動するための動力源として蓄電器を有する掘削機に適用することができる。

　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
　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，２０Ａ，２０Ｃ　インバータ
　１９　キャパシタ 
　２１　旋回用電動機
　２１Ａ　出力軸
　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
　７０　冷却液循環システム
　７１　ポンプモータ
　７２　ポンプ
　７３　ラジエター
　７５　補助タンク
　７７　温度センサ
　１００　昇降圧コンバータ
　１１０　ＤＣバス
　１２０　蓄電装置

Claims (14)

1. 　電動機と、
   　該電動機に接続されたインバータと、
   　該インバータに接続され、蓄電器を含む蓄電装置と
   　を有し、
   　エンジンの駆動停止中に、前記蓄電器の電圧は第２の所定の電圧値より高い状態に維持される掘削機。
2. 　請求項１記載の掘削機であって、
   　前記蓄電器の電圧に対する内部抵抗変化率を表す曲線は一つの極小値を有する掘削機。
3. 　請求項１記載の掘削機であって、
   　前記インバータを制御する制御部を有し、
   　該制御部は、作業終了時に前記蓄電器の電圧を前記第２の所定の電圧値よりも高い第１の所定電圧にする掘削機。
4. 　請求項３記載の掘削機であって、
   　前記第１の所定の電圧値は、前記蓄電器の電極材料に起因する劣化度の変化に基づいて決定される掘削機。
5. 　請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の掘削機であって、
   　前記蓄電器は、正常使用時に電圧が０Ｖとなるまで放電可能である掘削機。
6. 　請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の掘削機であって、
   　前記蓄電器は電気二重層コンデンサである掘削機。
7. 　請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の掘削機であって、
   　前記エンジンをＯＦＦとしてから次に前記エンジンをＯＮとするまでの間、前記蓄電器の電圧は前記第２の所定の電圧値より高い電圧値に維持される掘削機。
8. 　電動機と、該電動機に接続されたインバータと、該インバータに接続され、蓄電器を含む蓄電装置とを有する掘削機の蓄電器の電圧制御方法であって、
   　エンジンの駆動停止中に、前記蓄電器の電圧を第２の所定の電圧値より高い状態に維持する掘削機の蓄電器の電圧制御方法。
9. 　請求項８記載の掘削機の蓄電器の電圧制御方法であって、
   　前記蓄電器の電圧に対する内部抵抗変化率を表す曲線は一つの極小値を有する掘削機の蓄電器の電圧制御方法。
10. 　請求項８記載の掘削機の蓄電器の電圧制御方法であって、
    　作業終了時に前記蓄電器の電圧を前記第２の所定の電圧値よりも高い第１の所定電圧にする掘削機の蓄電器の電圧制御方法。
11. 　請求項１０記載の掘削機の蓄電器の電圧制御方法であって、
    　前記第１の所定の電圧値を、前記蓄電器の電極材料に起因する劣化度の変化に基づいて決定する掘削機の蓄電器の電圧制御方法。
12. 　請求項８乃至１１のうちいずれか一項記載の掘削機の蓄電器の電圧制御方法であって、
    　前記蓄電器は、正常使用時に電圧が０Ｖとなるまで放電可能である掘削機の蓄電器の電圧制御方法。
13. 　請求項８乃至１２のうちいずれか一項記載の掘削機の蓄電器の電圧制御方法であって、
    　前記蓄電器は電気二重層コンデンサである掘削機の蓄電器の電圧制御方法。
14. 　請求項８乃至１３のうちいずれか一項記載の掘削機の蓄電器の電圧制御方法であって、
    　前記エンジンをＯＦＦとしてから次に前記エンジンをＯＮとするまでの間、前記蓄電器の電圧を前記第２の所定の電圧値より高い電圧値に維持する掘削機の蓄電器の電圧制御方法。

Images