JPWO2013121916A1 - ショベル及びショベルの制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、R1はセル19−nの内部抵抗であり、R2は放電抵抗148−nの内部抵抗である。ただし、R1<<R2のため、R1を無視すると、以下の式(1)が導き出される。
算出したセル19−nの静電容量Cnを、予め求められているセル19−nの初期静電容量Cn0(セル19−nが使用される前の静電容量)と比較することで、現在のセル19−nがどの程度劣化しているかを判定することができる。
Ic×tn/(Vds−Vde) ・・・(2)
ここで、Rはセル19−nの放電抵抗(Ω)であり、IcはCMUの消費電流(A)である。
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 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
18,20 インバータ
19 キャパシタ
19−n セル
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
31 速度指令変換部
32 駆動制御装置
40 電動旋回制御装置
60 主制御部
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 蓄電装置
140 キャパシタ制御回路
142 インタフェース
144−1〜144−(n+1) 配線
146−1〜146−n バランス用FET
148−1〜148−n 放電抵抗
152 電圧検出部
154 静電容量算出部
【発明の名称】ショベル及びショベルの制御方法
【技術分野】
本発明は、駆動電源として蓄電器が設けられたショベルに関する。
【背景技術】
ショベルに設けられる蓄電器としてキャパシタが用いられることが多い。ショベル等に用いられるキャパシタには、大容量且つ高電圧が要求されるため、多数のキャパシタセル(以下、単にセルと称する)が接続されて一つのキャパシタが形成される(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献1】特開2010−71905号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
多数のセルが接続されたキャパシタにおいて、セルが劣化するとセルの静電容量にばらつきが生じる。セルの静電容量にばらつきが生じているままキャパシタの充放電を繰り返していると、劣化の度合いが大きいセルに対する負荷がさらに増大する。このため、セルの静電容量のばらつきはさらに大きくなり、劣化の度合いが大きいセルの静電容量はさらに減少する。したがって、複数のセルの静電容量の総和であるキャパシタ全体の静電容量(すなわち、蓄電量)が減少し、内部抵抗が増大するといった問題が発生する。
そこで、ある時点において充電率(SOC)が所定値以上のセルに対して均等化機能を働かせ、複数のセルの充電率を均等化することが行なわれている。均等化機能とは、所定値以上の充電率を有するセルを、充電率が所定値となるまで強制的に放電させる機能である。均等化機能を持たせるために、キャパシタ自体に均等化機能を実現するための均等化回路が設けられる。
以上のようなセルの充電率の均等化を行なうと、充電率の高いセルは強制的に放電させられてしまい、せっかく蓄積した電力が無駄になってしまう。
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、必要な場合にのみセル電圧の均等化機能を働かせるショベルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施態様によれば、駆動力を発生するエンジンと、前記エンジンから伝達された駆動力で発電動作を行う発電機と、前記発電機で発電された電力が蓄積される複数の蓄電セルを有し、ショベルの電気負荷に電力を供給する蓄電器と、各蓄電セルに対して設けられ、前記蓄電セルの静電容量を均等化するために放電抵抗と開閉回路とを備えた均等化回路とを有し、前記蓄電セルの出力におけるばらつきに基づいて前記均等化回路を機能させるか否かを判定するショベルが提供される。
本発明の他の実施態様によれば、駆動力を発生するエンジンと、前記エンジンから伝達された駆動力で発電動作を行う発電機と、前記発電機で発電された電力が蓄積される複数の蓄電セルを有し、ショベルの電気負荷に電力を供給する蓄電器と、各蓄電セルに対して設けられ、前記蓄電セルの静電容量を均等化するために放電抵抗と開閉回路とを備えた均等化回路とを有するショベルの制御方法であって、前記各蓄電セルの出力のばらつきを判定し、ばらつきがある場合に該均等化回路を機能させるショベルの制御方法が提供される。
【発明の効果】
上述の発明によれば、各蓄電セルの静電容量を個別に測定できる。そのため、測定した静電容量に基づいて、必要な場合にのみそのセルに均等化機能を働かせることができる。したがって、均等化機能により強制的に放電する電力を抑制することができ、無駄な電力消費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ハイブリッド型ショベルの側面図である。
【図2】一実施形態によるハイブリッド型ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。
【図3】蓄電装置の回路図である。
【図4】キャパシタの構成を示す回路図である。
【図5】静電容量の算出を行なう部分の機能ブロック図である。
【図6】静電容量算出及び電圧均等化処理のフローチャートの一部である。
【図7】静電容量算出及び電圧均等化処理のフローチャートの一部である。
【図8】静電容量算出及び電圧均等化処理のフローチャートの一部である。
【図9】セルの静電容量とセルの温度との関係を示すグラフである。
【図10】セル電圧と放電時間との関係を示すグラフである。
【図11】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。
【発明を実施するための形態】
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、一実施形態によるショベルの側面図である。図1に示すショベルはハイブリッド型ショベルであるが、本発明はハイブリッド型ショベルに限られず、電気負荷の駆動用電源として蓄電器を備えているものであれば、どのような型のショベルにも適用することができる。
図1に示すように、ハイブリッド型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、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が設けられる。また、上部旋回体3には、キャビン10及び動力源が搭載される。
図2は、ハイブリッド型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、機械的動力系を二重線、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・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。
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、ともに変速機13の入力軸に接続されている。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、油圧系の制御を行う制御装置である。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。
電動発電機12には、インバータ18を介して、蓄電用のキャパシタ又はバッテリを含む蓄電装置120が接続されている。本実施形態では蓄電装置120は蓄電器としてキャパシタ19を含むものとする。蓄電装置120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。蓄電器としてキャパシタ19を用いる代わりに、リチウムイオン電池等の充電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。
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。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。圧力センサ29には、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。
インバータ18は、上述の如く電動発電機12と蓄電装置120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の力行運転を制御している際には、電動発電機12が必要とする電力は、蓄電装置120から電動発電機12に供給される。一方、電動発電機12の回生運転を制御している際には、電動発電機12により発電された電力は蓄電装置120のキャパシタ19に蓄電される。
蓄電装置120は、インバータ18とインバータ20との間に配設されている。これにより、電動発電機12と旋回用電動機21の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、蓄電装置120は、力行運転に必要な電力を供給する。また、電動発電機12と旋回用電動機21の少なくともどちらか一方が回生運転を行っている際には、蓄電装置120は回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギとして蓄積する。
インバータ20は、上述の如く旋回用電動機21と蓄電装置120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の運転を制御する。これにより、インバータ20が旋回用電動機21の力行運転を制御している際には、旋回用電動機21が必要とする電力は蓄電装置120から旋回用電動機21に供給される。一方、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は蓄電装置120のキャパシタ19に蓄電される。
なお、蓄電装置120のキャパシタ19の充放電制御は、キャパシタ19の充電状態、電動発電機12の運転状態(力行運転又は回生運転)、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、コントローラ30によって行われる。
コントローラ30は、ショベルの駆動制御を行う制御装置であり、駆動制御装置32、電動旋回制御装置40、主制御部60、及び、静電容量算出部154を含む。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る。駆動制御装置32、電動旋回制御装置40及び主制御部60は、コントローラ30の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。
速度指令変換部(図示せず)は、圧力センサ29から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー26Aの操作量は、旋回用電動機21を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。速度指令は、駆動制御装置32、電動旋回制御装置40及び主制御部60に入力される。
駆動制御装置32は、電動発電機12の運転制御(力行運転又は回生運転の切り替え)、及び、キャパシタ19の充放電制御を行う。駆動制御装置32は、エンジン11の負荷の状態とキャパシタ19の充電状態に応じて、電動発電機12の力行運転と回生運転を切り替える。駆動制御装置32は、電動発電機12の力行運転と回生運転を切り替えることにより、インバータ18を介してキャパシタ19の充放電制御を行う。
図3は、蓄電装置120の回路図である。蓄電装置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、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18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。
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18を介して蓄電装置120のDCバス110に供給され、そして昇降圧コンバータ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を介して蓄電装置120のDCバス110に供給され、そして昇降圧コンバータ100を介してキャパシタ19に供給される。
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18,20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3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。
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18,20が接続可能な端子である。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、DCバス電圧を平滑化するための蓄電素子であり、出力端子106の正極端子と負極端子との間に挿入される。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に流れる電流の値を検出する検出器であり、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に流れる電流の値を検出する検出器であり、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電圧が印加される。これにより、降圧用IGBT102B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。したがって、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、リレー130−1が設けられる。リレー130−1は、電源ライン114を遮断することのできる遮断器である。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を遮断することができる。これにより、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、リレー130−2が設けられる。リレー130−2は、電源ライン117を遮断することのできる遮断器である。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を遮断することができる。これにより、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を一つのリレーとすることで、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3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。
図4は、キャパシタ19の構成を示す回路図である。図4に示すように、蓄電器としてのキャパシタ19は、実際には、複数の蓄電部としてのn個のキャパシタセル(以下、蓄電セル、あるいは単にセルと称する)19−1〜19−n(nは2以上の整数)とキャパシタ制御回路140とを含む。キャパシタ制御回路140は、各セル19−nの静電容量を測定する静電容量測定機能と各セルの静電容量を均一化する均等化機能とを有する。本実施形態では、説明の便宜上n個のセル19−1〜19−nの全ては直列に接続されているが、直列に接続されたセルを一つのグループとし、複数のグループが並列に接続されていてもよい。以下、全てのセル19−1〜19−nをまとめてセル19−nと称することもあり、各セルを便宜上セル19−nと称することもある。
各セル19−nの両端は、キャパシタ制御回路140内の電圧検出部152に接続されている。具体的には、例えばセル19−1の電極の一方は配線144−1により電圧検出部152に接続され、他方の電極は配線144−2により電圧検出部152に接続される。同様に、セル19−nの電極の一方は配線144−nにより電圧検出部152に接続され、他方の電極は配線144−(n+1)により電圧検出部152に接続される。電圧検出部152はインタフェース142を介してコントローラ30の静電容量算出部154に接続される。
配線144−1と配線144−2との間には、バランス用FET(電界効果トランジスタ)146−1と放電抵抗148−1とが直列に(セル19−1に対しては並列に)接続される。バランス用FET146−1のゲートは電圧検出部152に接続される。同様に、配線144−nと配線144−(n+1)との間には、バランス用FET(電界効果トランジスタ)146−nと放電抵抗148−nとが直列に(セル19−nに対しては並列に)接続される。バランス用FET146−nのゲートは電圧検出部152に接続される。
以上のような構成において、静電容量算出部154は、各セル19−nの静電容量を個別に測定することができる。図5は静電容量算出に係る機能を説明するためのブロック図である。
静電容量の算出は、各セル19−nの端子間電圧を測定する電圧検出部152と、電圧検出部152で検出した電圧に基づいて静電容量を算出する静電容量算出部154とにより行なわれる。このように、静電容量は検出した電圧を用いた演算値であり、各蓄電セルの出力である。
電圧検出部152は、電圧検出指令が与えられると、各セル19−nの電極間電圧を検出し(以下、電極間電圧をセル電圧Vnと称する)、検出した各セル19−nのセル電圧Vnをインタフェース142を介して静電容量算出部154に送る。例えば、セル19−1のセル電圧V1は、配線144−1と配線144−2の間の電圧差として検出することができる。セル19−nのセル電圧Vnは、配線144−nと配線144−(n+1)の間の電圧差として検出することができる。
静電容量算出部154は、インタフェース142を介して電圧検出部152から送られてくる各セル19−nのセル電圧Vnの値に基づいて、各セルの静電容量Cnを算出する。静電容量Cnの算出は以下のようにして行なわれる。
まず、静電容量算出部154は、静電容量Cnの算出を始めた時点における、静電容量Cnを算出するセル19−nのセル電圧Vn0を検出する。そして、静電容量算出部154は、バランス用FET146−nのゲートに信号を送ってバランス用FET146−nを閉じる(ON状態にする)ことにより、セル19−nを短絡して放電させる。短絡路には放電抵抗148−nが設けられているので、セル19−nの放電電流は微小電流である。したがって、放電によるセル19−nのセル電圧Vnは急激にではなく、徐々に降下する。静電容量算出部154に含まれる計時部により計測される所定の時間Tだけ放電させたら、その時点でのセル電圧Vn1を検出する。セル19−nの静電容量Cnは以下の式(1)により算出することができる。すなわち、静電容量を劣化判定の指標として用いることができる。
Cn=−T/(R1+R2)×ln−1{(R1+R2)/R2×Vn1/Vn0}
ここで、R1はセル19−nの内部抵抗であり、R2は放電抵抗148−nの内部抵抗である。ただし、R1<<R2のため、R1を無視すると、以下の式(1)が導き出される。
Cn=−T/R2×ln−1(Vn1/Vn0) ・・・(1)
算出したセル19−nの静電容量Cnを、予め求められているセル19−nの初期静電容量Cn0(セル19−nが使用される前の静電容量)と比較することで、現在のセル19−nがどの程度劣化しているかを判定することができる。
セルの劣化が進むと、静電容量が小さくなるとともに内部抵抗が大きくなる。静電容量や内部抵抗が各セル間でばらつくと、セル電圧もばらつきやすくなってしまう。したがって、同一の電流を通電させているのにもかかわらず、各セル間において電圧の高低が生じてしまう。その結果、劣化しているセルがより一層劣化することになる。このため、セルの劣化のばらつきに応じて積極的に各セルの電圧を均等にすることが望ましい。
そこで、本実施形態では、算出した各セル19−nの現在の静電容量Cnに基づいてそのセル19−nの劣化度を判定し、劣化度に応じて必要なセルのみに均等化回路の機能を働かせて放電させることで、セル電圧の均等化を行なう。
次に、各セルの出力である静電容量を算出する静電容量算出処理と、劣化の進んだセルのセル電圧を下げる電圧均等化処理について、図6乃至図8に示すフローチャートを参照しながら説明する。
まず、キャパシタ19に関する動作や処理を管理する構成について説明する。各セル19−nのセル電圧は、キャパシタ19に設けられたセルモニタリングユニット(CMU:キャパシタ制御回路140)により管理される。CMUは、各セル19−nに対して設けられており、キャパシタ19を管理するバッテリマネージメントユニット(BMU)により管理される。BMUはショベルのコントローラ30に設けられる。また、BMUは静電容量算出部154を備えている。
BMU及びCMUは、ショベルを運転していないときにも、キャパシタ19からの電力供給を受けて常時作動可能であるが、キャパシタ19の電力消費を抑制するために、ショベルを運転していないときにはスリープ状態となるように設定されている。
静電容量算出処理は、キャパシタへの電流の入出力が無い状態で、例えば、キーオフによりショベルが運転されていないときに開始される。すなわち、キャパシタ19の各セル19−nに充放電電流が流れない状態で静電容量算出処理が行なわれる。
ここで、ばらつき判断を行なうための条件が適切かを判断する条件判定処理が行なわれる。まず、ステップS1において、全てのセル19−nの温度が計測開始判定温度td1より高いか否かが判定される(ステップS1)。
全てのセル19−nの温度がtd1より高くない、すなわち、一つのセルでも計測開始判定温度td1以下のものがあると、静電容量算出処理を行なうことのできる条件にはなっていないとして、処理はステップS17(図7参照)に進む。ステップS17では、BMUのメモリに「計測不可」という情報を格納する。
一方、ステップS1において全てのセル19−nの温度が計測開始判定温度td1より高いと判定されると、処理はステップS2に進む。ステップS2では、セル19−nの温度のうち、最大温度と最小温度との差が、温度ばらつき判定温度範囲tr2より小さいか否かが判定される。
最大温度と最小温度との差がtr2より小さくない、すなわち、最大温度と最小温度との差が温度ばらつき判定温度範囲tr2以上であると、静電容量算出処理を行なうことのできる条件にはなっていないとして、処理はステップS17(図7参照)に進む。
一方、ステップS2において最大温度と最小温度との差がtr2より小さいと判定されると、処理はステップS3に進む。
ステップS1において全てのセル19−nの温度が計測開始判定温度td1より高いか否かを判定するのは、図9に示すようなセルの静電容量と計測温度との関係によるものである。すなわち、セルの静電容量はセルの温度が低くなるほど小さくなり、セルの温度が所定の温度より低い領域では、温度変化に対する静電容量の変化が大すぎるため、温度の変化による静電容量のバラツキが大きくなってしまう。そこで、本実施形態では、セルの温度があまり低くない状態でセル電圧の測定を開始することとし、その温度を計測開始判定温度td1としている。
また、キャパシタ19の中に配列された複数のセルの間でも温度にばらつきがあり、セルの温度の差が大きくなると、静電容量の算出誤差ΔFが大きくなってしまう。図9において、キャパシタ19の中の例えば一つのセル19−1の温度がt1であり、他のセル19−2の温度がt2であったとすると、セル19−1の静電容量は変化してしまうので、本実施形態では、ステップS2においてセルの最大温度と最小温度の温度差が所定の温度差範囲tr2より小さいと判定された場合にのみセル電圧測定を開始して静電容量の算出を行なうようにしている。すなわち、全てのセル19−nの温度が所定の温度差範囲tr2以内に入っている場合にのみ、セル電圧の測定を開始している。
ステップS3では、全てのセル19−nのセル電圧が検出される。続いて、ステップS4において全てのセル19−nのセル電圧が計測開始判定セル電圧Vd1より高いか否かが判定される。全てのセル19−nのセル電圧が計測開始判定セル電圧Vd1より高くない、すなわち一つのセルでも計測開始判定セル電圧Vd1以下のものがあると、静電容量算出処理を行なうことのできる条件にはなっていないとして、処理はステップS17(図7参照)に進む。
一方、ステップS4において全てのセル19−nのセル電圧が計測開始判定セル電圧Vd1より高いと判定されると、処理はステップS5に進む。ステップS5では、計測を開始するセル電圧Vds及び計測を終了するセル電圧Vdeを決定する。計測を開始するセル電圧Vdsは、全セルのセル電圧の最小値Vdminとして決定する。計測を終了するセル電圧Vdeは、全セルのセル電圧の最小値Vdminから、計測開始電圧と計測終了電圧との差Vd2を減算した値として決定する(Vde=Vdmin−Vd2)。
続いて、ステップS6において、全セル19−nのバランス用FET146−nのゲートに信号を送ってバランス用FET146−nを閉じる(ONとする)ことにより、セル電圧の計測(検出)を開始する。
次に、ステップS7において、バランス用FET146−nをONとしてからの経過時間ΔTdが、セル電圧の計測を開始するまでの時間Td1以下であるか否かが判定される。バランス用FET146−nをONとしてからの経過時間ΔTdが、セル電圧の計測を開始するまでの時間Td1以下ではない、すなわちバランス用FET146−nをONとしてからの経過時間ΔTdが、セル電圧の計測を開始するまでの時間Td1より長いと、静電容量算出処理を行なうことのできる条件にはなっていないとして、処理はステップS18(図7参照)に進む。ステップS18では、全セル19−nのバランス用FET146−nをOFFとする。続いてステップS19において、BMUのメモリに「計測不可」という情報を格納する。
一方、ステップS7においてバランス用FET146−nをONとしてからの経過時間ΔTdが、セル電圧の計測を開始するまでの時間Td1以下であると判定されると、Td1以下と判定されたセルから順次、ステップS8に進む。ステップS8では、各セル19−nのセル電圧VnがステップS5において決定した計測開始セル電圧Vdsより低いか否かが、各セル19−n毎に判定される。ステップS8においてセル19−nのセル電圧Vnが計測開始セル電圧Vdsより低いか否か(Vn<Vds)という判定条件を条件D1とする。
ステップS8においてセル19−nのセル電圧Vnが計測開始セル電圧Vdsより低くない、すなわち、セル19−nのセル電圧Vnが計測開始セル電圧Vds以上であると判定されると、処理はステップS7に戻り、ステップS8において次のセル19−nのセル電圧をチェックする。
一方、ステップS8においてセル19−nのセル電圧Vnが計測開始セル電圧Vdsより低いと判定されると、Vdsより低いと判定されたセルから順次、ステップS9に進む。ステップS9では、ステップS8の条件D1が成立したセルに対して、経過時間の計測を開始する。このように、ステップS7からステップS9までの判定は、各セルにおいて実行される。このため、ステップS7の判定で、一つのセルがTd1より長いと判定されると、残りの他のセルがステップS9まで到達していた場合であっても、ステップS19へ進み、「計測不可」という情報が、BMUのメモリに格納される。
このように、全セル19−nのバランス用FET146−nを閉じた(ONとした)時点から計測開始までの時間を規定することで、セル電圧のばらつきが大きいために計測開始されない場合であっても、CMUによるセル電圧の消費を制限することができる。
続いて、ステップS10において、経過時間ΔTdが計測を終了するまでの時間Td2以下であるか否かが判定される。経過時間ΔTdは、全セル19−nのバランス用FETのONを指示してからセル電圧の計測を終了するまでの時間であり、予め設定された時間である。
経過時間ΔTdがセル電圧の計測を終了するまでの時間Td2以下ではない、すなわち経過時間ΔTdがセル電圧計測終了時間Td2より長いと判定されると、処理はステップS18に進む。ステップS18では、全てのセル19−nに対するバランス用FET146−nをOFFとする。続いて、ステップS19において、計測不可を示す情報をBMUのメモリに格納する。
一方、ステップS10において経過時間ΔTdがセル電圧計測終了時間Td2以下であると判定されると、Td2以下と判定されたセルから順次、ステップS11に進む。ステップS11では、各セル19−nのセル電圧Vnが、ステップS5で決定した計測終了セル電圧Vde以下であるか否かが判定される。この判定条件Vn≦Vde?を(条件D2)とする。各セル19−nのセル電圧Vnが計測終了セル電圧Vde以下ではない、すなわち、各セル19−nのセル電圧Vnが計測終了セル電圧Vdeより高い場合は、処理はステップS10に戻って、再び経過時間ΔTdがセル電圧計測終了時間Td2以下であるか否かが判定される。
一方、ステップS11において、各セル19−nのセル電圧Vnが、ステップS5で決定した計測終了セル電圧Vde以下であると判定されると、Vde以下と判定されたセルから順次、ステップS12(図7参照)に進む。
以上の処理では、全てのセル19−nのセル電圧Vnが所定の電圧(Vds)以上であるときにセル電圧の測定を開始する。図10に示すように、複数のセルを一定の放電抵抗を介して放電させた場合、セル電圧の減少率はほぼ同じであるので、セル電圧の低いセルのほうが、セル電圧の高いセルより、早く小さな電圧となる。セル電圧が低下し過ぎると、セルの劣化が促進されるので、セル電圧の計測を行なっても全てのセルのセル電圧が所定の電圧以上に維持されている必要がある。ステップS5ではこの所定の電圧を、計測を終了するセル電圧Vdeとして決定している。すなわち、セル電圧の一番低いセルを経過時間ΔTdだけ放電させたときに、計測終了時のセル電圧Vdeが下限電圧を下回らないように計測開始セル電圧Vdsを決定する。
次に、ばらつき判断処理が行なわれる。ステップS12では、(条件D2)が成立したセル19−nに対するセル電圧Vnの計測を終了する。次に、ステップS13において、セル毎の計測時間tnに基づいてそのセル19−nの静電容量Cnを算出し、算出した静電容量Cnの値をBMUのメモリに格納する。静電容量の計算は上述の式(1)により計算できる。あるいは、以下の式(2)でも算出できる。
Cn=−tn/{R×ln(Vde/Vds)}+
Ic×tn/(Vds−Vde) ・・・(2)
ここで、Rはセル19−nの放電抵抗(Ω)であり、IcはCMUの消費電流(A)である。
ステップS13の処理が終了すると、処理はステップS14に進む。なお、ステップS17及びステップS19の処理を終了した後も、ステップS14に進む。
ステップS14において、全てのセル19−nのセル電圧計測が終了したときのセル19−nの温度における、最大温度、最小温度、及びそれらの平均温度を算出し、BMUのメモリに格納する。そして、ステップS15において全てセル19−nのCMUをスリープ状態とし、ステップS16においてBMUをスリープ状態として、CMU及びBMUの作動を停止してCMU及びBMUの電力消費を抑制する。したがって、ステップS16が終了すると、ショベルの運転が開始されるまで、BMU及びCMUによる処理は一旦停止する。
以上のように、上述の処理によれば、複数のセル19−nの静電容量をセル毎に個別に算出することができる。このため、算出した静電容量に基づいてセルの劣化度を知ることができ、劣化のばらつきに応じて積極的にセル電圧のバランスを働かせることができる。ここで、セル毎に算出した静電容量の最大値と最小値との差が、予め定められた閾値より大きい場合に、複数のセル19−nのセルの静電容量にばらつきがあると判断される。ばらつきがあると判断されると、バランス開始の指示がコントローラ30から出力される。ここで、ばらつきの有無の判断は、静電容量の最大値と最小値との差ではなく、平均値などを用いてもよい。
図6及び図7に示す処理が終了してBMU及びCMUがスリープ状態になった後、キーオンによりショベルの運転を再開させるタイミングで、図8に示す均等化処理(バランス処理)が行なわれる。
まず、ステップS20において、キーオンに対応してBMUはショベルの主制御部60から作業要求信号ONを受信し、作業要求信号ONをCMUに対して送出する。そして、ステップS21において、BMU及びCMUはスリープ状態から作動状態に移行し、セル電圧の計測を開始する。
次に、ステップS22において、バランス開始指示信号がONであるか否かが判定される。バランス開始指示信号ONは、均等化機能を働かせて各セル19−nを所定の電圧となるまで放電させる処理を行なうための信号である。
ステップS22においてバランス開始指示信号がONであると判定されると、処理はステップS23に進む。ステップS23では、各セル19−nのセル電圧Vnが、強制的にバランス用FET148−nをONとする電圧Vg1以上であるか否かが判定される。この判定条件を条件Gとする。セル電圧Vnが強制的にバランス用FET148−nをONとする電圧Vg1以上の場合、処理はステップS24に進む。ステップS24では条件Gが成立したセル19−nに対して設けられたバランス用FET148−nをONとし、当該セル19−nを強制的に放電させてセル電圧を低下させる。
一方、ステップS23において条件Gが不成立と判定された場合、処理はステップS25に進む。ステップS25では、条件Gが不成立と判定されたセル19−nに対して設けられたバランス用FET148−nをOFFとし、当該セル19−nの放電が行なわれないようにする。すなわち、セル電圧Vnが電圧Vg1未満の場合、当該セル19−nのバランス用FET148−nはOFFとなる。
ステップS23〜S25の処理により、セル電圧が所定のセル電圧Vg1以上であるセルに対して均等化機能が働き、当該セルは強制的に放電させられて、電極間電圧(充電率)が下げられる。これにより、当該セルの劣化のばらつきにより生じたセル電圧のばらつきが均等化される。なお、セル電圧がセル電圧Vg1未満のセルには均等化機能は働かず、強制的な放電は行われない。
また、ステップS22においてバランス開始指示信号がONではないと判定されると、処理はステップS26に進む。ステップS26では、各セル19−nのセル電圧Vnが、強制的にバランス用FET148−nをONとする電圧Vf1以上であるか否かが判定される。この判定条件を条件Fとする。ここで、電圧Vf1はステップS23において用いられる電圧Vg1よりも高い値に設定される。一方、電圧Vg1は、使用時の電圧範囲内であり、電圧Vf1よりも小さい電圧に設定される。
ステップS26において条件Fが成立したと判定されると、処理はステップS27に進む。ステップS27では、条件Fが成立したセル19−nに対して設けられたバランス用FET148−nをONとして、当該セル19−nを放電させる。一方、ステップS26において条件Fが成立しないと判定されると、条件Fが成立しないセル19−nに対して設けられたバランス用FET148−nをOFFとし、当該セル19−nの放電が行なわれないようにする。
ステップS26〜S28の処理により、セル電圧Vnが予め設定した電圧Vf1以上のセルは強制的に放電させられ、所定のセル電圧まで下げられる。
ステップS24,S25,S27,S28の処理が終了すると、処理はステップS22に戻る。また、キーオフされるとバランス処理は中断される。さらに、本願発明を用いると、各セルの静電容量が計測できるので、セル毎の交換時期を推定できる。さらに、蓄電器に異常が発生した場合でも、異常であるセルを個別に特定できるので、交換する際のメンテナンス費用を低減することができる。
セル電圧に関する情報は、ショベルの運転が停止されているとき(キーOFF)の最新電圧情報であり、セル電圧の最大値、セル電圧の最小値、セル電圧の平均値等を含む。また、静電容量に関する情報は、静電容量の値、セル温度の最大値、セル温度の最小値、セル温度の平均値等を含む。
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11は図2に示すハイブリッド型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11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、蓄電器において電圧が所定値以上のセルに対して、開閉回路のON・OFFにより均等化回路を機能させることで、各蓄電セルの静電容量を個別に測定できる。そして、測定した静電容量に基づいて、必要な場合にのみそのセルに均等化機能を働かせることができる。したがって、均等化機能により強制的に放電する電力を抑制することができ、無駄な電力消費を低減することができる。
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2月17日出願の優先権主張日本国特許出願第2012−033259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。
【産業上の利用可能性】
本発明は、駆動電源として蓄電器が設けられたショベルに適用可能である。
【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 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
18,20 インバータ
19 キャパシタ
19−n セル
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
32 駆動制御装置
40 電動旋回制御装置
60 主制御部
101 リアクトル
102A 昇圧用IGBT
102B 降圧用IGBT
104 電源接続端子
105 コンデンサ
106 出力端子
107 コンデンサ
110 DCバス
111 DCバス電圧検出部
120 蓄電装置
140 キャパシタ制御回路
142 インタフェース
144−1〜144−(n+1) 配線
146−1〜146−n バランス用FET
148−1〜148−n 放電抵抗
152 電圧検出部
154 静電容量算出部
ここで、R1はセル19−nの内部抵抗であり、R2は放電抵抗148−nの内部抵抗である。ただし、R1<<R2のため、R1を無視すると、以下の式(1)が導き出される。
算出したセル19−nの静電容量Cnを、予め求められているセル19−nの初期静電容量Cn0(セル19−nが使用される前の静電容量)と比較することで、現在のセル19−nがどの程度劣化しているかを判定することができる。
Ic×tn/(Vds−Vde) ・・・(2)
ここで、Rはセル19−nの放電抵抗(Ω)であり、IcはCMUの消費電流(A)である。
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 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
18,20 インバータ
19 キャパシタ
19−n セル
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
32 駆動制御装置
40 電動旋回制御装置
60 主制御部
101 リアクトル
102A 昇圧用IGBT
102B 降圧用IGBT
104 電源接続端子
105 コンデンサ
106 出力端子
107 コンデンサ
110 DCバス
111 DCバス電圧検出部
120 蓄電装置
140 キャパシタ制御回路
142 インタフェース
144−1〜144−(n+1) 配線
146−1〜146−n バランス用FET
148−1〜148−n 放電抵抗
152 電圧検出部
154 静電容量算出部
Claims (14)
- 下部走行体と、
該下部走行体の上で旋回動作を行う上部旋回体と、
該上部旋回体に一端が回動自在に取り付けられたブームと、
該ブームの他端に一端が回動自在に取り付けられたアームと、
該アームの他端に回動自在に取り付けられた作業要素と、
前記上部旋回体に搭載され、駆動力を発生するエンジンと、
前記上部旋回体に搭載され、前記エンジンから伝達された駆動力で発電動作を行う発電機と、
前記上部旋回体に搭載され、前記発電機で発電された電力が蓄積される複数の蓄電セルを有する蓄電器と、
各蓄電セルに対して設けられ、放電抵抗と開閉回路とを備えた均等化回路と、
前記各蓄電セルの出力にばらつきがある場合に、該均等化回路を機能させるショベル。 - 請求項1記載のショベルであって、
前記均等化回路は、電圧が所定値以上の蓄電セルに対して機能されるショベル。 - 請求項1又は2記載のショベルであって、
前記開閉回路のON、OFFにより前記均等化回路を機能させることにより、各蓄電セルの静電容量を出力として算出する静電容量算出部を有するショベル。 - 請求項3記載のショベルであって、
各蓄電セルの電極間電圧を計測する電圧検出部をさらに有し、
前記静電容量算出部は、電極間電圧を計測する時間を計測する計時部を備えるとともに、前記蓄電セルの各々を前記放電抵抗を介して放電させたときに所定の電圧降下が得られたときの時間に基づいて、各蓄電セルの静電容量を算出するショベル。 - 請求項4記載のショベルであって、
前記電圧検出部は、前記蓄電器への電流の入出力が無い状態で、各蓄電セルの電圧の計測を行なうショベル。 - 請求項1乃至5のうちいずれか一項記載のショベルであって、
全ての前記蓄電セルの温度が所定温度より高いか否か判定し、判定結果に基づいて前記蓄電セルの静電容量を算出する処理に移行するショベル。 - 請求項6記載のショベルであって、
全ての前記蓄電セルの温度が所定温度より高い場合に、前記蓄電セルの最大温度と最小温度との温度差を算出し、算出した温度差に基づいて前記蓄電セルの静電容量を算出する処理に移行するショベル。 - 請求項7記載のショベルであって、
全ての前記蓄電セルの電圧が所定電圧より高いか否か判定し、判定結果に基づいて前記蓄電セルの静電容量を算出する処理に移行するショベル。 - 下部走行体と、
該下部走行体の上で旋回動作を行う上部旋回体と、
該上部旋回体に一端が回動自在に取り付けられたブームと、
該ブームの他端に一端が回動自在に取り付けられたアームと、
該アームの他端に回動自在に取り付けられた作業要素と、
前記上部旋回体に搭載され、駆動力を発生するエンジンと、
前記上部旋回体に搭載され、前記エンジンから伝達された駆動力で発電動作を行う発電機と、
前記上部旋回体に搭載され、前記発電機で発電された電力が蓄積される複数の蓄電セルを有する蓄電器と、
各蓄電セルに対して設けられ、放電抵抗と開閉回路とを備えた均等化回路と
を有するショベルの制御方法であって、
前記各蓄電セルの出力のばらつきを判定し、
ばらつきがある場合に該均等化回路を機能させる
ショベルの制御方法。 - 請求項9記載のショベルの制御方法であって、
電圧が所定値以上の蓄電セルに対して前記均等化回路を機能せるショベルの制御方法。 - 請求項9又は10記載のショベルの制御方法であって、
前記蓄電器への電流の入出力が無い状態で、各蓄電セルの電圧の計測を行なうショベルの制御方法。 - 請求項9乃至11のうちいずれか一項記載のショベルの制御方法であって、
全ての前記蓄電セルの温度が所定温度より高いか否か判定し、判定結果に基づいて前記蓄電セルの静電容量を算出する処理に移行するショベルの制御方法。 - 請求項12記載のショベルの制御方法であって、
全ての前記蓄電セルの温度が所定温度より高い場合に、前記蓄電セルの最大温度と最小温度との温度差を算出し、算出した温度差に基づいて前記蓄電セルの静電容量を算出する処理に移行するショベルの制御方法。 - 請求項13記載のショベルの制御方法であって、
全ての前記蓄電セルの電圧が所定電圧より高いか否か判定し、判定結果に基づいて前記蓄電セルの静電容量を出力として算出する処理に移行するショベルの制御方法。
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