JP5283515B2 - キャパシタ劣化判断方法及び作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、キャパシタの劣化状態を判断する方法、及びその方法を適用したキャパシタを有する作業機械に関する。

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（特許文献１）。

特開２００７−１５５５８６号公報

キャパシタの劣化状態の検出精度が低く、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場合がある。劣化したキャパシタを用いて通常運転を継続することは、キャパシタの寿命を縮めることになる。

本発明の目的は、キャパシタの劣化判断を、より高精度に行う方法を提供することである。本発明の他の目的は、この方法を採用した作業機械を提供することである。

本発明の一観点によると、
キャパシタと、
電動機と、
前記キャパシタから前記電動機に電力を供給する放電状態と、前記電動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る制御を行うコンバータと
を有する作業機械の前記キャパシタの劣化判断方法であって、
前記キャパシタの内部抵抗及び静電容量を測定する工程と、
前記キャパシタの内部抵抗に依存し、該内部抵抗の増加に関して単調に変化する内部抵抗劣化指数、及び前記キャパシタの静電容量に依存し、該静電容量の低下に関して単調に
変化する静電容量劣化指数を、測定された前記内部抵抗及び前記静電容量から算出する工程と、
前記内部抵抗劣化指数を一方の軸とし、前記静電容量劣化指数を他方の軸とする直交座標系を定義し、該座標系内に、前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に０となる開始点、及び前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に許容限界値となる許容限界点を対角の２つの頂点とする長方形を定義し、該長方形の開始点に連続する一対の辺のうち一方の辺上の、両端を除く点と、他方の辺上の、両端を除く点とを、前記長方形内を通って結ぶ第１の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第１の境界線を越えているか否かを判定する工程と、
前記現在の状態を示す点が、前記第１の境界線を越えているとき、前記キャパシタが第１の劣化状態にあると認定する工程と
を有する作業機械のキャパシタ劣化判断方法が提供される。

本発明の他の観点によると、
キャパシタと、
電動機と、
前記キャパシタから前記電動機に電力を供給する放電状態と、前記電動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る制御を行うコンバータと、
前記キャパシタの充電電流及び放電電流を測定する電流計と、
前記キャパシタの電圧を測定する電圧計と、
制御装置と、
表示装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記キャパシタの電圧値及び前記キャパシタの充電電流または放電電流の電流値に基づいて、前記キャパシタの内部抵抗及び静電容量を算出し、
前記キャパシタの内部抵抗に依存し、該内部抵抗の増加に関して単調に変化する内部抵抗劣化指数、及び静電容量の低下量に依存し、該静電容量の低下に関して単調に変化する静電容量劣化指数を、算出された前記内部抵抗及び前記静電容量に基づいて計算し、
前記内部抵抗劣化指数を一方の軸とし、前記静電容量劣化指数を他方の軸とする直交座標系を定義し、該座標系内に、前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に０となる開始点、及び前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に許容限界値となる許容限界点を対角の２つの頂点とする長方形を定義し、該長方形の開始点に連続する一対の辺のうち一方の辺上の、両端を除く点と、他方の辺上の、両端を除く点とを、前記長方形内を通って結ぶ第１の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第１の境界線を越えているか否かを判定し、
前記現在の状態を示す点が、前記第１の境界線を越えているとき、前記キャパシタが第１の劣化状態にあることを、前記表示装置に表示する作業機械が提供される。

内部抵抗と静電容量との両方を用いて劣化度を判定することにより、判定の精度を高めることができる。

実施例によるキャパシタ劣化判断方法が適用される作業機械の側面図である。 図１に示した作業機械のブロック図である。 コンバータの等価回路図である。 キャパシタの等価回路図である。 キャパシタの内部抵抗を求める際のキャパシタの充電率、電流、及び電圧の時間変化の一例を示すグラフである。 （６Ａ）は、電気二重層キャパシタの等価回路図であり、（６Ｂ）は、（６Ａ）の等価回路図を、より簡単化した等価回路図であり、（６Ｃ）は、静電容量を求める際の電圧の変化の一例を示すグラフである。 （７Ａ）及び（７Ｂ）は、キャパシタの劣化判断方法で用いられる座標系を示す線図である。

図１に、実施例によるキャパシタ劣化判断方法が適用されるハイブリッド型作業機械の側面図を示す。下部走行体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３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、機械的駆動系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気駆動制御系を細い実線で表し、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、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、制御装置３０により行われる。

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に示した旋回機構２を時計回り、及び反時計回りに旋回させる回転力を発生する。

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。インバータ１８は、制御装置３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。蓄電回路９０は、他のインバータ２０を介して旋回用電動機２１に接続されている。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からインバータ１８を介して電動発電機１２に供給される。電動発電機１２が発電運転されている期間は、電動発電機１２によって発電された電力が、インバータ１８を介して蓄電回路９０に供給される。

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、力行運転及び回生運転の双方の運転を行うことができる。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が力行運転されている期間は、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、実施例によるハイブリッド型作業機械では、油圧モータ１Ａ、１Ｂのみならず、旋回用電動機２１も旋回機構２を駆動する。このため、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、ＤＣバスライン（一定電圧蓄積部）１１０、コンバータ１００、及びキャパシタ（変動電圧蓄積部）１９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。キャパシタ１９には、例えば電気二重層キャパシタが用いられる。

ＤＣバスライン１１０は、インバータ１８を介して電動発電機１２に接続されるとともに、他のインバータ２０を介して旋回用電動機２１に接続されている。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。ＤＣバスライン１１０の接地ラインと高圧ラインとの間に、平滑キャパシタ１０５が接続されている。

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バッテリ用電圧計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バッテリ用電流計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。

制御装置３０は、内部メモリ３０Ｂを含む。内部メモリ３０Ｂには、内部抵抗許容限度記憶部３１Ａ及び静電容量許容限度記憶部３１Ｂが確保されている。これらの役割については、図７Ａ及び図７Ｂを参照しながら後述する。

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が充電されるとともに、ＤＣバスライン１１０が降圧される。

ＤＣバスライン１１０に発生している電圧が一定値になるように、コンバータ１００が制御される。また、キャパシタ１９の端子間電圧は、充放電によって変動する。このため、ＤＣバスライン１１０を一定電圧蓄積部と呼び、キャパシタ１９を変動電圧蓄積部と呼ぶことができる。以降の説明では、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。

次に、図４及び図５を参照して、キャパシタ１９の内部抵抗の測定方法について説明する。内部抵抗の測定は、制御装置３０によって行われる。

図４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に示したバッテリ用電圧計１０６で測定され、電流Ｉは、バッテリ用電流計１０７で測定される。

図５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、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_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。

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。

次に、図６Ａ〜図６Ｃを参照して、静電容量の測定方法について説明する。

図６Ａ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６Ｂ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の端子間電圧をＶ_Ｌとし、静電容量Ｃ_Ｈの端子間電圧を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６Ｃ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ｔ１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、バッテリ用電流計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においてバッテリ用電圧計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。

次に、図７Ａを参照して、キャパシタ１９の劣化状態を判断する方法について説明する。以下に説明する判断は、制御装置３０に格納されたプログラムにより行われる。

図７Ａに、内部抵抗を横軸とし、静電容量を縦軸とした直交座標系を示す。図７Ａにおいて、静電容量は、図６Ｂに示した静電容量Ｃ_Ｌを意味することとする。キャパシタ１９の初期状態の内部抵抗をＲ_０とし、静電容量をＣ_０とする。キャパシタ１９は、充放電の繰り返しや、発熱等によって劣化が進むことにより、内部抵抗が上昇し、かつ静電容量が低下する。図７Ａの座標系において、内部抵抗と静電容量とで示される点は、劣化が進むに従って右下に向かって移動する。

通常、内部抵抗Ｒ及び静電容量Ｃの許容限界値が、初期値Ｒ_０及びＣ_０に対する比率で定義される。例えば、内部抵抗Ｒの許容限界値を、初期値Ｒ_０のｎ_Ｒ倍とし、静電容量Ｃの許容限界値を、初期値Ｃ_０のｎ_Ｃ倍とする。ｎ_Ｒを内部抵抗の上昇許容率と呼び、ｎ_Ｃを静電容量の低下許容率とよぶこととする。上昇許容率ｎ_Ｒ及び低下許容率ｎ_Ｃは、それぞれ図３に示した内部抵抗許容限度記憶部３１Ａ及び静電容量許容限度記憶部３１Ｂに記憶されている。内部抵抗の上昇許容率ｎ_Ｒは、１より大きい実数であり、静電容量の低下許容率ｎ_Ｃは０より大きく、１より小さい実数である。

図７Ａに示した座標系において、内部抵抗が初期値Ｒ_０であり、静電容量が初期値Ｃ_０である開始点Ｐ_０と、内部抵抗がｎ_ＲＲ_０であり、静電容量がｎ_ＣＣ_０である許容限界点Ｐ_Ｅとを対角の頂点とする長方形Ｓを定義する。長方形Ｓの開始点Ｐ_０に連続する一対の辺のうち一方の辺上の点（ｍ_ＲＲ_０，Ｃ_０）から、他方の辺上の点（Ｒ_０，ｍ_ＣＣ_０）までを、長方形Ｓ内を通って結ぶ第１の境界線ＬＢ_１を定義する。ここで、ｍ_Ｒは、１より大きく、ｎ_Ｒより小さい実数であり、ｍ_Ｃは、１より小さく、ｎ_Ｃより大きい実数である。第１の境界線ＬＢ _１ の定義方法の具体例については、後に図７（Ｂ）を参照して説明する。

さらに、長方形Ｓの開始点Ｐ_０及び許容限界点Ｐ_Ｅ以外の２つの頂点を通り、開始点Ｐ_０から見て第１の境界線ＬＢ_１よりも外側であって、長方形Ｓの内部を通過する第２の境界線ＬＢ_２を定義する。第２の境界線ＬＢ _２ の定義方法の具体例については、後に図７（Ｂ）を参照して説明する。第１の境界線ＬＢ_１、及び第２の境界線ＬＢ_２は、制御装置３０に予め記憶されている。

制御装置３０は、図４〜図６Ｃを参照して説明した方法で、内部抵抗Ｒ及び静電容量Ｃを測定する。図７Ａに示した座標系内で、測定された内部抵抗Ｒ及び静電容量Ｃで示される現在の状態を示す点が、開始点Ｐ_０から見て、第１の境界線ＬＢ_１または第２の境界線ＬＢ_２を越えているか否かを判定する。第１の境界線ＬＢ_１を越えている場合には、キャパシタ１９は第１の劣化状態（軽劣化状態）と判定される。また、第２の境界線ＬＢ_２を越えている場合には、キャパシタ１９は第２の劣化状態（重劣化状態）と判定される。

上述の方法では、キャパシタ１９の静電容量のうち、図６Ｂに示した静電容量Ｃ_Ｌのみについて劣化判断を行い、静電容量Ｃ_Ｈについては、測定及び劣化判断を行わなかった。ただし、静電容量Ｃ_ＨとＣ_Ｌとは、１つの電気二重層キャパシタにより生ずるものであるため、静電容量Ｃ_Ｈの劣化は、静電容量Ｃ_Ｌの劣化とほぼ同時に進行する。従って静電容量Ｃ_Ｌにのみ着目して判定した劣化状態は、静電容量Ｃ_Ｈを含むキャパシタ１９の劣化状態を反映していると考えることができる。

次に、図７Ｂを参照して、キャパシタ１９の劣化状態を判断する他の方法について説明する。

内部抵抗Ｒと静電容量Ｃにより、下記の内部抵抗劣化判断指数ＳＯＨＲと、静電容量劣化判断指数ＳＯＨＣとを定義する。

内部抵抗Ｒ＝Ｒ_０、静電容量Ｃ＝Ｃ_０のとき、すなわち初期状態のとき、ＳＯＨＲ及びＳＯＨＣは共に１になる。また、内部抵抗Ｒ＝ｎ_ＲＲ_０、静電容量Ｃ＝ｎ_ＣＣ_０のとき、ＳＯＨＲ及びＳＯＨＣは共に０になる。

図７Ｂに示すように、横軸を内部抵抗劣化判断指数ＳＯＨＲとし、縦軸を静電容量劣化判断指数ＳＯＨＣとする直交座標系を定義する。図７Ａに示した座標系内の点と、図７Ｂに示した座標系内の点とは、１対１に対応する。従って、図７Ｂに示した座標系内に、開始点Ｐ_０、限界許容点Ｐ_Ｅ、長方形Ｓ、第１の境界線ＬＢ_１、及び第２の境界線ＬＢ_２が定義される。開始点Ｐ_０の座標は（１，１）であり、限界許容点Ｐ_Ｅの座標は（０，０）である。従って、長方形Ｓは、実際には正方形になる。

第１の境界線ＬＢ_１を、開始点Ｐ_０を中心とし、長軸が横軸または縦軸に平行になる楕円の１／４の部分とする。第２の境界線ＬＢ_２を、開始点Ｐ_０を中心とし、半径１の円周の１／４の部分とする。

このように定義することにより、現時点の内部抵抗Ｒ、静電容量Ｃが、第１の境界線ＬＢ_１または第２の境界線ＬＢ_２を越えているか否かの判定を、簡単な代数計算により行うことが可能になる。

内部抵抗劣化判断指数及び静電容量劣化判断指数として、他の指数を採用してもよい。ただし、内部抵抗劣化判断指数は、キャパシタの内部抵抗に依存し、内部抵抗の増加に関して単調に変化するように定義する必要がある。また、静電容量劣化指数は、キャパシタの静電容量に依存し、静電容量の低下に関して単調に変化するように定義する必要がある。

制御装置３０は、キャパシタ１９が第１の劣化状態であると判定した場合には、例えば表示装置３５に警報を表示し、運転者に注意を喚起する。または、充放電電流が、予め決められている上限値以下の範囲内になるように、コンバータ１００を制御するようにしてもよい。充放電電流を小さくすることにより、劣化の進みを抑制することができる。また、キャパシタ１９が第２の劣化状態であると判定された場合には、コンバータ１００を制御して、充放電動作を停止させるようにしてもよい。

上記実施例では、内部抵抗と静電容量との両方に基づいて、キャパシタ１９の劣化度を判定している。このため、内部抵抗のみ、または静電容量のみに基づいて劣化度を判定する場合に比べて、判定精度を高めることができる。

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（バッテリ、変動電圧蓄積部）
２１ 旋回用電動機
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
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 バッテリ用電圧計
１０７ バッテリ用電流計
１１０ ＤＣバスライン（一定電圧蓄積部）
１１１ ＤＣバス用電圧計

Claims (8)

1. キャパシタと、
   電動機と、
   前記キャパシタから前記電動機に電力を供給する放電状態と、前記電動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る制御を行うコンバータと
   を有する作業機械の前記キャパシタの劣化判断方法であって、
   前記キャパシタの内部抵抗及び静電容量を測定する工程と、
   前記キャパシタの内部抵抗に依存し、該内部抵抗の増加に関して単調に変化する内部抵抗劣化指数、及び前記キャパシタの静電容量に依存し、該静電容量の低下に関して単調に変化する静電容量劣化指数を、測定された前記内部抵抗及び前記静電容量から算出する工程と、
   前記内部抵抗劣化指数を一方の軸とし、前記静電容量劣化指数を他方の軸とする直交座標系を定義し、該座標系内に、前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に０となる開始点、及び前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に許容限界値となる許容限界点を対角の２つの頂点とする長方形を定義し、該長方形の開始点に連続する一対の辺のうち一方の辺上の、両端を除く点と、他方の辺上の、両端を除く点とを、前記長方形内を通って結ぶ第１の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第１の境界線を越えているか否かを判定する工程と、
   前記現在の状態を示す点が、前記第１の境界線を越えているとき、前記キャパシタが第１の劣化状態にあると認定する工程と
   を有する作業機械のキャパシタ劣化判断方法。
2. 前記内部抵抗劣化指数が、前記キャパシタの内部抵抗の値自体であり、前記静電容量劣化指数が、前記静電容量の値自体である請求項１に記載の作業機械のキャパシタ劣化判断方法。
3. 前記内部抵抗劣化指数ＳＯＨＲ、及び前記静電容量劣化指数ＳＯＨＣは、前記キャパシタの内部抵抗の初期値をＲ_０、現時点の測定値をＲ、静電容量の初期値をＣ_０、現時点の
   測定値をＣとしたとき、
   
   （ｎ_Ｒは１より大きな実数、ｎ_Ｃは０より大きく、１より小さな実数）
   と定義され、
   前記第１の境界線は、前記開始点を中心とする楕円または円の一部分である請求項１に記載の作業機械のキャパシタ劣化判断方法。
4. さらに、
   前記長方形の前記開始点及び許容限界点以外の２つの頂点を通り、前記開始点から見て前記第１の境界線よりも外側であって、前記長方形の内部を通過する第２の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第２の境界線を越えているか否かを判定する工程と、
   前記現在の状態を示す点が、前記第２の境界線を越えているとき、前記キャパシタが第２の劣化状態にあると認定する工程と
   を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械のキャパシタ劣化判断方法。
5. キャパシタと、
   電動機と、
   前記キャパシタから前記電動機に電力を供給する放電状態と、前記電動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る制御を行うコンバータと、
   前記キャパシタの充電電流及び放電電流を測定する電流計と、
   前記キャパシタの電圧を測定する電圧計と、
   制御装置と、
   表示装置と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記キャパシタの電圧値及び前記キャパシタの充電電流または放電電流の電流値に基づいて、前記キャパシタの内部抵抗及び静電容量を算出し、
   前記キャパシタの内部抵抗に依存し、該内部抵抗の増加に関して単調に変化する内部抵抗劣化指数、及び静電容量の低下量に依存し、該静電容量の低下に関して単調に変化する静電容量劣化指数を、算出された前記内部抵抗及び前記静電容量に基づいて計算し、
   前記内部抵抗劣化指数を一方の軸とし、前記静電容量劣化指数を他方の軸とする直交座標系を定義し、該座標系内に、前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に０となる開始点、及び前記内部抵抗の増加量及び前記静電容量の低下量が共に許容限界値となる許容限界点を対角の２つの頂点とする長方形を定義し、該長方形の開始点に連続する一対の辺のうち一方の辺上の、両端を除く点と、他方の辺上の、両端を除く点とを、前記長方形内を通って結ぶ第１の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第１の境界線を越えているか否かを判定し、
   前記現在の状態を示す点が、前記第１の境界線を越えているとき、前記キャパシタが第１の劣化状態にあることを、前記表示装置に表示する作業機械。
6. 前記内部抵抗劣化指数が、算出された内部抵抗の値自体であり、前記静電容量劣化指数が、算出された静電容量の値自体である請求項５に記載の作業機械。
7. さらに、
   前記キャパシタの内部抵抗の増加率の許容限度を記憶する内部抵抗許容限度記憶部と、
   前記キャパシタの静電容量の低下率の許容限度を記憶する静電容量許容限度記憶部と
   を有し、
   前記許容限界点は、前記内部抵抗許容限度記憶部及び前記静電容量許容限度記憶部に記憶されている許容限度に基づいて決定され、
   前記内部抵抗劣化指数ＳＯＨＲ、及び前記静電容量劣化指数ＳＯＨＣは、前記キャパシタの内部抵抗の初期値をＲ_０、現時点の測定値をＲ、静電容量の初期値をＣ_０、現時点の測定値をＣ、前記内部抵抗許容限度記憶部に記憶されている許容限度をｎ_Ｒ、前記静電容量許容限度記憶部に記憶されている許容限度をｎ_Ｃとしたとき、
   
   と定義され、
   前記第１の境界線は、前記開始点を中心とする楕円または円の一部分である請求項５に記載の作業機械。
8. さらに、
   前記制御装置は、
   前記長方形の前記開始点及び許容限界点以外の２つの頂点を通り、前記開始点から見て前記第１の境界線よりも外側であって、前記長方形の内部を通過する第２の境界線が定義されており、算出された前記内部抵抗劣化指数及び静電容量劣化指数で示される現在の状態を示す点が、前記開始点から見て、前記第２の境界線を越えているか否かを判定し、
   前記現在の状態を示す点が、前記第２の境界線を越えているとき、前記キャパシタが第２の劣化状態にあることを、前記表示装置に表示する請求項５乃至７のいずれか１項に記載の作業機械。