JP5384039B2 - 作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、充放電が繰り返し行われる、作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置に関する。

従来より、二次電池として用いられる蓄電器として、静電的に電荷を蓄積又は放出するコンデンサが挙げられる。コンデンサは、負荷の要求に応じて充放電を繰り返すことにより、電気エネルギの蓄積又は放出を行う。

従来より、二次電池として用いられる蓄電器が種々の用途に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−５０４０９号公報

しかしながら、蓄電器により駆動される作業機械の多くの場合、蓄電器の充放電時に駆動する電動発電機においては、作業中においては電動発電機の電動（アシスト）運転及び発電運転が頻繁に繰り返される。特に、電動発電機の電力制御を行う場合、充電率によって電圧が変化するキャパシタ等の制御では一定電流に制御することが困難である。

そこで、本発明は、作業機械の動作を利用して、内部抵抗値を測定することのできる、作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、
作業機械の作業時に電動発電機を介して動力源として用いられる蓄電器の内部抵抗の測定方
法であって、
前記作業機械には前記電動発電機の発電動作を行うエンジンが備えられ、
該蓄電器が通電状態後の無負荷状態のときに第１の電流値及び第１の蓄電電圧値を計測し、
前記エンジンが一定回転数を保持した状態で前記電動発電機に発電動作を行わせ、再度、前記蓄電器を通電状態とし、
前記蓄電器の該通電状態において電流値及び蓄電電圧値をそれぞれ複数サンプリングし、
該サンプリングされた複数の電流値及び蓄電電圧値を用いて所定の演算を行い、第２の電流値及び第２の蓄電電圧値を算出し、
該第２の電流値と前記第１の電流値によって得られる電流差と、該第２の蓄電電圧値と前記第１の蓄電電圧値によって得られる電圧差とに基づいて前記蓄電器の内部抵抗を算出することを特徴とする作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法を提供するものである。

また、前記蓄電器の充電率が予め定められた値以上のときに、前記第１の電流値及び前記第１の蓄電電圧値が計測されてもよい。

また、前記電流値が閾値範囲内と判断された後、前記第１の電流値が計測されてもよい。

また、前記電動発電機は、前記蓄電器の充電率に基づいて電動発電運転を行ってもよい。

また、前記作業機械が非作業状態において、前記第１、第２の電流値及び前記第１、第２の蓄電電圧値が計測されてもよい。

本発明によれば、内部抵抗値の測定用の特別な機能を備えることなく、負荷の通常の稼働中に蓄電器の内部抵抗値を測定することのできる、作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を適用した実施の形態について説明する。ここでは、実施の形態１の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置の処理内容を分かり易くするために、実施の形態１の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置をハイブリッド型建設機械に適用した例（適用例）について説明を行う。

［実施の形態１］
実施の形態１の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を適用したハイブリッド型建設機械の適用例について説明するにあたり、まず、図１及び図２を用いてハイブリッド型建設機械の基本構成を説明する。

図１は、実施の形態１の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を適用したハイブリッド型建設機械を示す側面図である。

このハイブリッド型建設機械の下部走行体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。また、上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に加えて、キャビン１０及び動力源が搭載される。

［全体構成］
図２は、実施の形態１の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を適用したハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。この図２では、機械的動力系を太実線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を実線でそれぞれ示す。

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、ともに増力機としての減速機１３の入力軸に接続されている。また、この減速機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。

コントロールバルブ１７は、実施の形態１の建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ１７には、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が高圧油圧ラインを介して接続される。

また、電動発電機１２には、インバータ１８及び昇降圧コンバータ１００を介して蓄電器としてのバッテリ１９が接続される。このインバータ１８と昇降圧コンバータ１００との間は、ＤＣバス１１０によって接続されている。

また、ＤＣバス１１０には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。ＤＣバス１１０は、バッテリ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行うために配設されている。

ＤＣバス１１０には、ＤＣバス１１０の電圧値（以下、ＤＣバス電圧値と称す）を検出するためのＤＣバス電圧検出部１１１が配設されている。検出されるＤＣバス電圧値は、コントローラ３０に入力される。

また、バッテリ１９には、バッテリ電圧値を検出するためのバッテリ電圧検出部１０６と、バッテリ電流値を検出するためのバッテリ電流検出部１０７が配設されている。これらによって検出されるバッテリ電圧値とバッテリ電流値は、コントローラ３０に入力される。

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、及び旋回減速機２４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には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及びレバー操作検出部としての圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、実施の形態１の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

このような実施の形態１の建設機械は、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

［各部の構成］
エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、電動（アシスト）運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ２０によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。

減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が電動（アシスト）運転を行い、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、エンジン１１の駆動力が減速機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が発電運転による発電を行う。電動発電機１２の電動運転と発電運転の切り替えは、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。

メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生するポンプである。この油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ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の各々を駆動するために供給される。

パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ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の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２と昇降圧コンバータ１００との間に設けられ、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。これにより、インバータ１８が電動発電機１２を電動運転している際には、必要な電力をバッテリ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を発電運転している際には、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を介してバッテリ１９に充電する。

バッテリ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してインバータ１８及びインバータ２０に接続されている。これにより、電動発電機１２の電動（アシスト）運転と旋回用電動機２１の力行運転との少なくともどちらか一方が行われている際には、電動（アシスト）運転又は力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、電動発電機１２の発電運転と旋回用電動機２１の回生運転の少なくともどちらか一方が行われている際には、発電運転又は回生運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積するための電源である。

このバッテリ１９の充放電制御は、バッテリ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）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、昇降圧コンバータ１００によって行われる。この昇降圧コンバータ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、バッテリ電圧検出部１０６によって検出されるバッテリ電圧値、及びバッテリ電流検出部１０７によって検出される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。

インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１と昇降圧コンバータ１００との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータが旋回用電動機２１の力行を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から昇降圧コンバータ１００を介して旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力を昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９へ充電する。図２には、旋回電動機（１台）及びインバータ（１台）を含む実施の形態を示すが、その他マグネット機構や旋回機構部以外の駆動部として備えることで、複数の電動機及び複数のインバータをＤＣバス１１０に接続するようにしてもよい。

昇降圧コンバータ１００は、一側がＤＣバス１１０を介して電動発電機１２及び旋回用電動機２１に接続されるとともに、他側がバッテリ１９に接続されており、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧又は降圧を切り替える制御を行う。電動発電機１２が電動（アシスト）運転を行う場合には、インバータ１８を介して電動発電機１２に電力を供給する必要があるため、ＤＣバス電圧値を昇圧する必要がある。一方、電動発電機１２が発電運転を行う場合には、発電された電力をインバータ１８を介してバッテリ１９に充電する必要があるため、ＤＣバス電圧値を降圧する必要がある。これは、旋回用電動機２１の力行運転と回生運転においても同様であり、その上、電動発電機１２はエンジン１１の負荷状態に応じて運転状態が切り替えられ、旋回用電動機２１は上部旋回体３の旋回動作に応じて運転状態が切り替えられるため、電動発電機１２と旋回用電動機２１には、いずれか一方が電動（アシスト）運転又は力行運転を行い、他方が発電運転又は回生運転を行う状況が生じうる。

このため、昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２と旋回用電動機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。この制御手法については、図３を用いて説明する。

ＤＣバス１１０は、２つのインバータ１８及び２０と昇降圧コンバータとの間に配設されており、バッテリ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受が可能に構成されている。

ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス電圧値を検出するための電圧検出部である。検出されるＤＣバス電圧値はコントローラ３０に入力され、このＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収めるための昇圧動作と降圧動作の切替制御を行うために用いられる。

バッテリ電圧検出部１０６は、バッテリ１９の電圧値を検出するための電圧検出部であり、バッテリの充電状態を検出するために用いられる。検出されるバッテリ電圧値は、コントローラ３０に入力され、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うために用いられる。

バッテリ電流検出部１０７は、バッテリ１９の電流値を検出するための電流検出部である。バッテリ電流値は、バッテリ１９から昇降圧コンバータ１００に流れる電流を正の値として検出される。検出されるバッテリ電流値は、コントローラ３０に入力され、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うために用いられる。

旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が減速機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、減速機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ことができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。

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り、旋回用電動機２１と機械的に連結することで旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構２の回転角度及び回転方向が導出される。また、図２にはレゾルバ２２を取り付けた形態を示すが、電動機の回転センサを有しないインバータ制御方式を用いてもよい。

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、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。

旋回減速機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。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転力を増力させ、より大きな回転力として旋回体へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、旋回体で発生した回転数を増加させ、より多くの回転動作を旋回用電動機２１に発生させることができる。

旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

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、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

この操作装置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）を運転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。

レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、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内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

なお、油圧ライン２７は、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の駆動に必要な油圧をコントロールバルブに供給する。

圧力センサ２９では、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバー２６Ａの操作、アーム４及びバケット６を操作するためのレバー２６Ｂの操作、下部走行体１を走行させるためのペダル２６Ｃ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し、この電気信号はコントローラ３０に入力される。これにより、コントローラ３０は、下部走行体１、アーム４、アーム５、バケット６、及び旋回用電動機２１の操作の有無を検知することができる。

また、実施の形態１のハイブリッド建設機械は旋回機構２を電動駆動するため、コントローラ３０は、圧力センサ２９から入力される旋回機構２を旋回させるためのレバー２６Ａの操作量を的確に把握することができる。

なお、実施の形態１では、操作検出部として圧力センサ２９を用いる形態について説明するが、操作装置２６に入力される操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。

［コントローラ３０］
コントローラ３０は、実施の形態１のハイブリッド型建設機械の駆動制御を行う制御装置であり、旋回駆動制御部４０、及び駆動制御部１２０を含み、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る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。

このコントローラ３０には、圧力センサ２９から入力される電気信号に基づき、下部走行体１、アーム４、アーム５、バケット６、及び旋回用電動機２１の操作の有無を検知する。また、コントローラ３０は、後述する電力制御回路における充放電の制御も行うため、コントローラ３０は、ハイブリッド建設機械の非作業状態を検出するように構成されている。非作業状態の検出は、下部走行体１、アーム４、アーム５、バケット６、及び旋回用電動機２１のいずれも操作されておらず、かつ、充電又は放電のいずれも行われていない状態である。

また、コントローラ３０は、非作業状態において、内部抵抗測定用の電流をバッテリ１９に通流させるために、エンジン１１を所定の短時間だけ運転させる機能を有する。

旋回駆動制御部４０は、圧力センサ２９から入力される信号（操作装置２６に入力される旋回機構２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。

駆動制御部１２０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）、及び、昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるバッテリ１９の充放電制御を行うための制御装置である。駆動制御部１２０は、バッテリ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、これによりバッテリ１９の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータ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、バッテリ電圧検出部１０６によって検出されるバッテリ電圧値、及びバッテリ電流検出部１０７によって検出されるバッテリ電流値に基づいてコントローラ３０によって行われる。

なお、充電又は放電のいずれも行われていない状態とは、昇降圧コンバータ１００学どうされていない状態をいう。

図３は、図１及び図２で説明したハイブリッド型建設機械に適用される実施の形態１の電力制御回路を示す図である。この電力制御回路は、昇降圧コンバータ１００、ＤＣバス１１０、モータ１２０、及びバッテリ１９を含み、バッテリ１９は、実施の形態１の内部抵抗測定装置によって内部抵抗値が測定される蓄電器である。

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、バッテリ１９を接続するための電源接続端子１０３、モータ１２０を接続するための出力端子１０４、一対の出力端子１０４に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０５、バッテリ電圧検出部１０６、及びバッテリ電流検出部１０７を備える。

昇降圧コンバータ１００の出力端子１０４とモータ１２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。なお、バッテリ１９は、図２におけるバッテリ１９に相当し、モータ１２０は、図２における電動発電機１２と旋回用電動機２１に相当する。図３では、図の簡略化のためにインバータ１８及び２０（図２参照）を省略する。

リアクトル１０１は、一端が昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続されるとともに、他端が電源接続端子１０３に接続されており、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９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である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０からゲート端子に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が並列接続される。

ここで、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの駆動制御（充放電の切替制御）は、コントローラ３０によって行われる。このため、コントローラ３０内では、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂによる充放電の切替が検知される。

なお、ここでは、「充放電の切替」という文言は、放電状態から充電状態への切替、充電状態から放電状態への切替、充放電を行っていない状態から充電状態又は放電状態への切替、あるいは、充電状態又は放電状態から充放電を行っていない状態への切替を表すこととして用い、これは特許請求の範囲においても同様である。

バッテリ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３には、蓄電器としてバッテリ１９を示すが、バッテリ１９の代わりに、コンデンサ、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。

電源接続端子１０３及び出力端子１０４は、バッテリ１９及びモータ１２０が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０３の間には、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出部１０６が接続される。一対の出力端子１０４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。

バッテリ電圧検出部１０６は、バッテリ１９の電圧値Ｖｍを検出し、ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧（以下、ＤＣバス電圧Ｖｄｃ）を検出する。

出力端子１０４に接続される負荷であるモータ１２０は、力行運転及び回生運転が可能な電動機であればよく、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。図３には、直流駆動用のモータ１２０を示すが、インバータを介して交流駆動されるモータであってもよい。

平滑用のコンデンサ１０５は、出力端子１０４の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化できる蓄電素子であればよい。

バッテリ電流検出部１０７は、バッテリ１９に通流する電流の値を検出可能な検出部であればよく、電流検出用の抵抗器を含む。このバッテリ電流検出部１０７は、バッテリ１９に通流する電流値Ｉを検出する。

なお、実施の形態１では、バッテリ１９からＤＣバス１１０に電流を供給する方向の電流値を正とし、ＤＣバス１１０からバッテリ１９に電流を供給する方向の電流値を負とする。すなわち、バッテリ１９を放電する際の電流値が正となり、バッテリ１９を充電する際の電流値が負となる。

［昇降圧動作］
このような昇降圧コンバータ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電圧を印加し、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をＤＣバス１１０に供給する。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

また、ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧を印加し、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを介して、モータ１２０によって発生される回生電力をＤＣバス１１０からバッテリ１９に供給する。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がバッテリ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

ここで、実施の形態１の昇降圧コンバータ１００は、ハイブリッド型建設用機械に適用した場合、バッテリ１９の電圧値：約１００〜５００Ｖ、出力端子１０４における出力定格電圧：約２００〜４００Ｖ、定格出力：約数十ｋＷ、瞬時最大出力電力：±１００ｋＷ、定格電流：±百Ａ、及び、瞬時最大電流：±百Ａの仕様値の範囲で用いられる。

［内部抵抗値の測定］
バッテリ１９（バッテリ１９）の内部抵抗値の測定は、コントローラ３０によって行われる。

図４は、実施の形態１におけるバッテリ１９の等価回路を示す図である。バッテリ１９は、容量１３１と内部抵抗１３２に分けることができる。バッテリ１９の端子間電圧値Ｖｍは、容量１３１の充電電圧値Ｖｃと内部抵抗１３２での電圧降下分Ｖｒとの和となる。ここで、内部抵抗１３２の抵抗値をＲ、バッテリ１９に通流する電流をＩとすると、Ｖｒ＝Ｒ×Ｉと表すことができる。

実施の形態１の蓄電器の内部抵抗の測定方法では、非作業状態（無負荷状態）におけるハイブリッド建設機械のバッテリ１９に通流する電流値Ｉ１と、このときのバッテリ１９の端子間電圧値Ｖ１と、非作業状態においてエンジン１１に一定回転を行われることによって電動発電機１２に発電させることによってバッテリ１９を充電し、このときにバッテリ１９に通流する電流値Ｉ２と、このときのバッテリ１９の端子間電圧値Ｖ２とを用いて（１）式によってバッテリ１９の内部抵抗値Ｒを導出する。

Ｒ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｉ２−Ｉ１） ・・・（１）
この測定方法は、実施の形態１の蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を適用した作業機械としてのハイブリッド建設機械の非作業状態のように、バッテリ１９の充電も放電も行われていない状態では、バッテリ１９に通流する電流値は略零であって内部抵抗による電圧降下は生じていないが（このため、バッテリ１９の端子間電圧はバッテリ１９のせ電容量成分の充電電圧に等しいが）、非作業状態から充電を開始する場合は、バッテリ１９に電荷を蓄積させるために通流する電流によって内部抵抗で電圧降下が生じるため、この電圧降下値に相当する電圧値の変化分（Ｖ２−Ｖ１）を電流値の変化分（Ｉ２−Ｉ１）で除算することによって得る抵抗値をバッテリ１９の内部抵抗値として導出する測定方法である。

なお、バッテリ１９の端子間電圧値はバッテリ電圧検出部１０６によって検出され、電流値はバッテリ電流検出部１０７によって検出される。

図５は、実施の形態１の蓄電器の内部抵抗の測定方法による内部抵抗値の測定原理を説明するための特性図であり、測定に必要な電圧値及び電流値の波形と、ＳＯＣの関係を示す。

時刻ｔ＝０〜ｔ１の期間は、電流値が負であるため、バッテリ１９の充電が行われている期間である。このときＳＯＣは徐々に上昇している。

時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２の期間は、バッテリ１９に通流する電流値は略零となり、バッテリ１９の充放電が行われない無負荷状態となる。このときの作業機械は、非作業状態であり、エンジン１１は一定回転数が維持されるアイドリング状態である。また、電圧値はＶ１で略一定となるので、ＳＯＣは略一定の値を有し、バッテリ１９の充電状態は電流値が図示しない閾値内の値を維持する非常に安定した状態である。そして、予め定められた期間が経過すると、エンジン１１は一定回転数のままモータ１２０を駆動して発電（放電）を行い、計測用の電流パターンを作成する。

時刻ｔ＝ｔ２〜ｔ３の期間は、発電（放電）開始時に、コンバータの制御性のため電流が安定するまでの待機期間である。このときＳＯＣは再び徐々に上昇し始めている。そして、バッテリ１９に通電する電流値が予め定められた電流値に達すると、電流が安定したと判断し、電流値と電圧値の測定がされる（時刻ｔ＝ｔ３）。

時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４の期間は、バッテリ１９に通流する電流も安定し、ＳＯＣは線形的に上昇する。

なお、ｔ２〜ｔ３は数十ミリ秒、ｔ３〜ｔ４は数十〜百数十ミリ秒の時間間隔である。

コントローラ３０は、非作業状態の最後の時刻ｔ＝ｔ２においてバッテリ１９の端子間電圧Ｖ１と電流値Ｉ１を測定し、充電状態において発電量が一定となる時刻ｔ＝ｔ３においてバッテリ１９の端子間電圧Ｖ２と電流値Ｉ２を測定し、（１）式を用いてバッテリ１９の内部抵抗値を測定する。

なお、コントローラ３０は、例えば、５ミリ秒周期で端子間電圧値と電流値をサンプリングしているため、時刻ｔ＝ｔ２又はその直後における端子間電圧値Ｖ１と電流値Ｉ１を表すデータが入力されるとともに、時刻ｔ＝ｔ３又はその直後後における端子間電圧値Ｖ２と電流値Ｉ２を表すデータが入力される。

図６は、実施の形態１の蓄電器の内部抵抗の測定方法による内部抵抗値の導出手順を示す図である。この処理は、コントローラ３０のＣＰＵによって実行される。

コントローラ３０は、作業機械が非作業状態であるか否かを判定する（ステップＳ１）。コントローラ３０は、圧力センサ２９から入力される電気信号に基づき、下部走行体１、アーム４、アーム５、バケット６、及び旋回用電動機２１のいずれの操作も行われておらず、かつ、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのいずれも駆動されていないことを検知すると、非作業状態であると判定する。なお、このステップＳ１の処理は、非作業状態を検知するまで繰り返し実行される。

コントローラ３０は、ステップＳ１で非作業状態を検知すると、ＳＯＣが一定値であるか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、ＳＯＣが一定値でないと判定した場合は、手順をステップＳ１にリターンする。

そして、電流値が閾値内の略零の値を維持すると、コントローラ３０は、バッテリ１９が無負荷状態であると判定する。そして、予め定められた時間が経過し時刻ｔ＝ｔ２になると、コントローラ３０は端子間電圧値Ｖ１と電流値Ｉ１を測定する（ステップＳ３）。測定した端子間電圧値Ｖ１と電流値Ｉ１を表すデータは、コントローラ３０の内部メモリに格納される。

次いで、端子間電圧Ｖに電圧降下が生じるまで電流を通流させる。予め定められた電流値Ｉ２に達すると、そのとき（ｔ＝ｔ３）の端子電圧Ｖ２を測定する（ステップＳ４）。ここで、容量１３１の発電（放電）が生じないように電流値Ｉ２は予め決定される。測定した端子間電圧値Ｖ２と電流値Ｉ２を表すデータは、コントローラ３０の内部メモリに格納される。また、電動発電機１２の発電（放電）が開始（ｔ＝ｔ２）後、予め定められた時間が経過した時点（ｔ＝ｔ３）に、そのときの端子間電圧Ｖ２及び電流値Ｉ２を測定するようにしてもよい。

コントローラ３０は、ステップＳ３及びＳ４で測定した端子間電圧値Ｖ１、Ｖ２と電流値Ｉ１、Ｉ２を内部メモリから読み出し、（１）式を用いて内部抵抗値を導出する（ステップＳ５）。

以上で、実施の形態１の蓄電器の内部抵抗の測定方法による測定処理が終了する。

実施の形態１の蓄電器の内部抵抗の測定方法によれば、ハイブリッド建設機械の動作を利用して、バッテリ１９の充電率（ＳＯＣ）が高い状態で、非作業時と充電時の端子間電圧及び電流値の差に基づいてバッテリ１９の内部抵抗値（内部抵抗１３２の抵抗値Ｒ）を導出することができる。

また、実施の形態１の蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置をバッテリの充電率に基づいて駆動制御されている電動発電機を用いるハイブリッド型建設機械へ適用した場合には、充電率が変動すると電動発電機の発電（放電）電流を一定に制御することが難しい。

実施の形態１の手法によれば、定電流を通流させることなく、エンジン１１を一定回転で運転して電動発電機１２に発電を行わせるだけで、非作業時と充電時の端子間電圧及び電流値の差に基づいてバッテリ１９の内部抵抗値（内部抵抗１３２の抵抗値Ｒ）を導出することができるので、ハイブリッド建設機械においても正確にバッテリ１９の内部抵抗値（内部抵抗１３２の抵抗値Ｒ）を測定することができる。

コントローラ３０は、バッテリ１９（バッテリ１９）、インバータ１８、インバータ２０、及び昇降圧コンバータ１００の駆動制御を行っており、特に昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによってバッテリ１９（バッテリ１９）の充放電制御を行っているため、定期的に内部抵抗１３２の抵抗値Ｒを導出して内部メモリに格納しておけば、例えば、内部抵抗１３２の抵抗値Ｒの増大に応じてバッテリ充電率(SOC: State Of Charge)の変更等を行うような制御処理を実現することができる。

また、バッテリ１９の劣化を監視することにより、バッテリ充電率(SOC: State Of Charge)が所定値を達成できない状態になった場合には、交換時期の警報を出力するような警報処理を実現することができる。

［実施の形態２］
図７は、実施の形態２の蓄電器の内部抵抗の測定方法による内部抵抗値の測定原理を説明するための特性図であり、測定に必要な電圧値及び電流値の波形と、ＳＯＣの関係を示す。この実施の形態２の蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置は、実施の形態１と同様に、図１及び図２に示すハイブリッド型建設機械に適用可能である。このため、同一又は同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。また、図５と共通する符号の説明は省略する。

実際にハイブリッド型建設機械で検出される電圧値（Ｖ１、Ｖ２）及び電流値（Ｉ１、Ｉ２）は、図７に示すような振れ幅のある波形となる。このため、上述のような内部抵抗値の導出手法を用いる場合には、電圧値及び電流値ともに平均値を用いた方が、より正確な内部抵抗値を導出することができる場合がある。

このため、実施の形態２では、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２までの間の端子間電圧値Ｖ１を複数サンプリングし、その平均値Ｖ１＊を用いる。

同様に、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４までの間の端子間電圧値Ｖ２を複数サンプリングし、その平均値Ｖ２＊を用いる。

また、電流値については、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２までの間の電流値Ｉ１を複数サンプリングし、その平均値Ｉ１＊を用いる。

同様に、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４までの間の電流値Ｉ２を複数サンプリングし、その平均値Ｉ２＊を用いる。ここで、時刻ｔ＝ｔ４は、ｔ３から予め定められた時間経過後の時刻としてもよいし、検出される電流値が予め定められた電流値になった時刻としてもよい。

コントローラ３０は、（１）式に平均値Ｖ１＊、Ｖ２＊、Ｉ１＊、及びＩ２＊を代入することにより、内部抵抗１３２の抵抗値Ｒを導出する。

なお、上述の平均値を導出するためにサンプリングした電圧値（Ｖ１、Ｖ２）及び電流値（Ｉ１、Ｉ２）はコントローラ３０の内部メモリに格納され、平均値を演算する際に読み込まれる。

以上、実施の形態２によるバッテリ１９の内部抵抗値（内部抵抗１３２の抵抗値Ｒ）の測定方法によれば、図７に示すように電圧波形及び電流波形に振れ幅があって安定しない場合でも、電圧値及び電流値の平均値を用いることにより、正確にバッテリ１９の内部抵抗値（内部抵抗１３２の抵抗値Ｒ）を導出することができる。

［実施の形態３］
図８は、実施の形態３の蓄電器の内部抵抗の測定方法による内部抵抗値の測定原理を説明するための特性図であり、測定に必要な電圧値及び電流値の波形と、ＳＯＣの関係を示す。なお、図５と共通する符号の説明は省略する。

実施の形態３では、電圧値及び電流値の処理に平均値を用いる代わりに、電圧値及び電流値の処理に最小二乗法を用いて正確な内部抵抗値を導出する点が実施の形態２と異なる。

このため、実施の形態３では、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２までの間の端子間電圧値Ｖ１を複数サンプリングし、サンプリングした値に最小二乗法を用いてサンプルに最もフィットする直線ｌ１を演算する。この直線ｌ１において、時刻ｔ＝ｔ２の値Ｖ１を求める。

同様に、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４までの間の端子間電圧値Ｖ２を複数サンプリングし、サンプリングした値に最小二乗法を用いてサンプルに最もフィットする直線ｌ２を演算する。この直線ｌ２において、時刻ｔ＝ｔ３の値Ｖ２を求める。

また、電流値については、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２までの間の電流値Ｉ１を複数サンプリングし、サンプリングした値に最小二乗法を用いてサンプルに最もフィットする直線ｋ１を演算する。この直線ｋ１において、時刻ｔ＝ｔ２の値Ｉ１を求める。

同様に、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４までの間の電流値Ｉ２を複数サンプリングし、サンプリングした値に最小二乗法を用いてサンプルに最もフィットする直線ｋ２を演算する。この直線ｋ２において、時刻ｔ＝ｔ３の値Ｉ２を求める。ここで、時刻ｔ＝ｔ４は、ｔ３から予め定められた時間経過後の時刻としてもよいし、検出される電流値が予め定められた電流値になった時刻としてもよい。

コントローラ３０は、（１）式に最小二乗法で求めた値Ｖ１、Ｖ２、Ｉ１、及びＩ２を代入することにより、内部抵抗１３２の抵抗値Ｒを導出する。

なお、サンプリングした電圧値（Ｖ１、Ｖ２）及び電流値（Ｉ１、Ｉ２）はコントローラ３０の内部メモリに格納され、最小二乗法による演算を行う際に読み込まれる。

以上、実施の形態３によるバッテリ１９の内部抵抗値（内部抵抗１３２の抵抗値Ｒ）の測定方法によれば、図７に示すように電圧波形及び電流波形が安定しない場合でも、電圧値及び電流値の処理に最小二乗法を用いることにより、充放電の切替開始時及び切替終了時の電圧値及び電流値を演算によって求めることができるので、正確にバッテリ１９の内部抵抗値（内部抵抗１３２の抵抗値Ｒ）を導出することができる。

以上では、実施の形態１乃至３の蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置が適用されるハイブリッド型建設機械の制御系にＰＩ制御を用いる形態について説明したが、制御方式はＰＩ制御方式に限られるものではなく、ヒステリシス制御、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御、ゲインスケジューリング制御、又は、スライディングモード制御であってもよい。

また、以上では、ハイブリッド型建設機械に適用した場合の実施の形態１乃至３の蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置ついて説明したが、実施の形態１乃至３の蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置の適用対象は、ハイブリッド型建設機械に搭載されるバッテリ１９に限られず、充放電が行われるのであれば、様々な装置に含まれるバッテリの内部抵抗値を導出することができる。

また、以上では、実施の形態１乃至３の蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を適用したハイブリッド型建設機械について説明したが、適用例としてのハイブリッド型作業機械は、建設機械以外の形態の作業機械であってもよく、例えば、ハイブリッド型の運搬荷役機械（クレーンやフォークリフト）であってもよい。

例えば、図２に示すエンジン１１及び電動発電機１２をクレーンのエンジン及びアシスト用電動発電機として用い、図２に示す旋回用電動機２１をクレーンの荷役作業において部品や貨物等を上昇又は下降させるための動力源に用いればよい。特に、部品や貨物等を上昇又は下降させるための動力源は、ワイヤの巻き取り、又は引出に伴って力行運転（巻き取り時）と回生運転（引出時）を行うため、ハイブリッド型作業機械として上述のハイブリッド型建設機械と同様に実施することができる。

また、フォークリフトの場合も同様に、図２に示すエンジン１１及び電動発電機１２をフォークリフトのエンジン及びアシスト用電動発電機として用い、図２に示す旋回用電動機２１をフォークリフトの荷役作業においてフォークを上昇又は下降させるための動力源に用いればよい。特に、フォークを上昇又は下降させるための動力源は、上下動作に伴って力行運転（巻き取り時）と回生運転（引出時）を行うため、ハイブリッド型作業機械として上述のハイブリッド型建設機械と同様に実施することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の蓄電器の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を適用したハイブリッド型建設機械を示す側面図である。 実施の形態１の内部抵抗の測定方法及び内部抵抗測定装置を適用したハイブリッド型建設機械の構成を表すブロック図である。 図１及び図２で説明したハイブリッド型建設機械に適用される実施の形態１の電力制御回路を示す図である。 実施の形態１におけるバッテリ１９の等価回路を示す図である。 実施の形態１の蓄電器の内部抵抗の測定方法による内部抵抗値の測定原理を説明するための特性図であり、測定に必要な電圧値及び電流値の波形と、ＳＯＣの関係を示す。 実施の形態１の蓄電器の内部抵抗の測定方法による内部抵抗値の導出手順を示す図である。 実施の形態２の蓄電器の内部抵抗の測定方法による内部抵抗値の測定原理を説明するための特性図であり、測定に必要な電圧値及び電流値の波形と、ＳＯＣの関係を示す。 実施の形態３の蓄電器の内部抵抗の測定方法による内部抵抗値の測定原理を説明するための特性図であり、測定に必要な電圧値及び電流値の波形と、ＳＯＣの関係を示す。

符号の説明

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
１８Ａ、１８Ｂ インバータ
１９ バッテリ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
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
３１ 速度指令変換部
３２ 駆動制御装置
４０ 旋回駆動制御装置
１００ 昇降圧コンバータ
１０１ リアクトル
１０２Ａ 昇圧用ＩＧＢＴ
１０２Ｂ 降圧用ＩＧＢＴ
１０３ 電源接続端子
１０４ 出力端子
１０５ コンデンサ
１０６ バッテリ電圧検出部
１０７ バッテリ電流検出部
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１２０ モータ
１３１ 容量
１３２ 内部抵抗

Claims (5)

1. 作業機械の作業時に電動発電機を介して動力源として用いられる蓄電器の内部抵抗の測定方法であって、
   前記作業機械には前記電動発電機の発電動作を行うエンジンが備えられ、
   該蓄電器が通電状態後の無負荷状態のときに第１の電流値及び第１の蓄電電圧値を計測し、
   前記エンジンが一定回転数を保持した状態で前記電動発電機に発電動作を行わせ、再度、前記蓄電器を通電状態とし、
   前記蓄電器の該通電状態において電流値及び蓄電電圧値をそれぞれ複数サンプリングし、
   該サンプリングされた複数の電流値及び蓄電電圧値を用いて所定の演算を行い、第２の電流値及び第２の蓄電電圧値を算出し、
   該第２の電流値と前記第１の電流値によって得られる電流差と、該第２の蓄電電圧値と前記第１の蓄電電圧値によって得られる電圧差とに基づいて前記蓄電器の内部抵抗を算出することを特徴とする作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法。
2. 前記蓄電器の充電率が予め定められた値以上のときに、前記第１の電流値及び前記第１の蓄電電圧値が計測される請求項１に記載の作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法。
3. 前記電流値が閾値範囲内と判断された後、前記第１の電流値が計測される請求項１又は２に記載の作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法。
4. 前記電動発電機は、前記蓄電器の充電率に基づいて電動発電運転を行う請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法。
5. 前記作業機械が非作業状態において、前記第１、第２の電流値及び前記第１、第２の蓄電電圧値が計測される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作業機械における蓄電器の内部抵抗の測定方法。

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