(57)【要約】【課題】建設機械用電源制御装置において、リレーの溶着判定を安全に行う。【解決手段】バッテリ２と負荷４とを接続する一方の電源ライン３１に、リレーＳＷ１と限流抵抗Ｒ１との直列回路Ｌ１と、その直列回路Ｌ１をバイパスするリレーＳＷ２とを介在して成る電源制御装置３において、他方の電源ライン３２にも、リレーＳＷ３と限流抵抗Ｒ２との直列回路Ｌ２と、その直列回路Ｌ２をバイパスするリレーＳＷ４とをさらに設ける。そして、制御回路３４は、負荷４への電源供給の開始時に、前記直列回路Ｌ１，Ｌ２を使用して、その電圧検出結果から、負荷直結用のリレーＳＷ４，ＳＷ２の溶着の有無判定をそれぞれ行った後に、これらのリレーＳＷ４，ＳＷ２をオンする定常の電源供給状態に移る。したがって、起動時に過電流が生じることなく、安全に直結用リレーＳＷ４，ＳＷ２の溶着の有無判定を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建設機械に搭載され、バッテリと負荷とを接続する電源ラインの一方に、前記バッテリから負荷への電源供給のオン／オフ制御を行う第１のスイッチング素子と電流レベルを予め定める値以下に抑制する第１のインピーダンス素子との第１の直列回路、およびその第１の直列回路をバイパスする第２のスイッチング素子を介在し、前記第１および第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路を備えて成る電源制御装置において、
負荷電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電源ラインの他方に介在され、第３のスイッチング素子と第２のインピーダンス素子との第２の直列回路と、その第２の直列回路をバイパスする第４のスイッチング素子とをさらに含み、
前記制御回路は、前記負荷への電源供給の開始時に、前記第１および第２の直列回路を使用して、その電圧検出結果から前記第４および第２のスイッチング素子の溶着の有無判定をそれぞれ行った後に、これら第２および第４のスイッチング素子をオンする定常の電源供給状態に移ることを特徴とする建設機械用電源制御装置。
【請求項２】
前記第１および第２のインピーダンス素子は、限流抵抗であることを特徴とする請求項１記載の建設機械用電源制御装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記第１〜第４のスイッチング素子をオフした状態で、前記電圧検出手段による検出電圧が第１の所定値以上である場合は、第１および第２のスイッチング素子の少なくとも一方と第３および第４のスイッチング素子の少なくとも一方とが溶着してオン故障となって、電流経路が形成されていると判定することを特徴とする請求項１または２記載の建設機械用電源制御装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記電流経路が形成されていない状態で、前記第１および第３のスイッチング素子をオンし、検出電圧が、前記第１の所定値未満である場合はこれら第１および第３のスイッチング素子のいずれか一方はオフ故障していると判定し、前記第１の所定値より大きく設定される第２の所定値以上である場合は前記直結用の第４および第２のスイッチング素子のいずれか一方が溶着してオン故障となっていると判定することを特徴とする請求項３記載の建設機械用電源制御装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記電流経路が形成されていない状態で、前記第１および第３のスイッチング素子をオンし、検出電圧が、前記第１の所定値以上第２の所定値未満である場合に、さらに前記第１および第３のスイッチング素子をオフし、代わって第１および第４のスイッチング素子の組合わせおよび第２および第３のスイッチング素子の組合わせをオンし、検出電圧が前記第２の所定値以上となれば、総てのスイッチング素子は正常と判定し、前記第２の所定値未満であれば、それぞれ第４または第２のスイッチング素子がオフ故障となっていると判定することを特徴とする請求項４記載の建設機械用電源制御装置。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の建設機械用電源制御装置に、前記バッテリを備えて成ることを特徴とする建設機械用電源装置。
【請求項７】
前記制御回路は、それが搭載される建設機械が、前記バッテリを用いた走行または動作可能状態となる前に、前記第４および第２のスイッチング素子の溶着の有無判定を行うことを特徴とする請求項６記載の建設機械用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械の電源を制御する装置およびそれを用いる電源装置に関し、特に制御リレーの溶着の検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境への配慮や燃費向上の手段として、電気と化石燃料とのハイブリッドシステムや、電気だけで駆動するシステムが、自動車のみならず、建設機械でも注目されている。これらのシステムでは、従来のエンジンに加えインバータによって駆動されるモータを併用したり、モータのみを動力源として用いている。いずれの場合もバッテリからの直流電圧を前記インバータによって交流電圧に変換し、交流モータを駆動している。そして、インバータとバッテリとの間に介在される電源制御装置には、それらの間を断接するスイッチング素子としてのリレーが設けられている。
【０００３】
一方、高電圧のバッテリをインバータなどの負荷に接続する際、そのまま両極を接続すると、機器の破損を招いてしまう。それは、負荷側には、電圧変動を安定化させるために、その入力段に平滑コンデンサが挿入されているためであり、この平滑コンデンサが放電している状態で電源を投入すると、このコンデンサに大電流が流れてしまい、前記リレーの溶着や該平滑コンデンサの破損といった前記機器の破損を生じる。
【０００４】
このため、従来では、電源ラインの両方に前記リレーを設けるとともに、前記電源ラインの一方、すなわち主にホット側では、そのリレーと並列に、リレーと限流抵抗との直列回路が接続され、電源投入時は、先ずこの限流抵抗側のリレーをオンし、前記平滑コンデンサを所定のレベルまで充電（プリチャージ）した後に、並列の直結用のリレーをオンして定常の電源供給状態に移るようにすることで、コンデンサインプットにおける起動時の過剰な電流を抑制するようになっている。
【０００５】
ところで、大電流が流れるリレーは、このような電流経路の切替えだけではなく、システム異常時には電力供給を遮断する役割も担っている。したがって、溶着などの異常を適宜診断しておく必要があり、これまでにも多くの手法が提案されている。たとえば特許文献１や特許文献２では、充電（プリチャージ）用のリレーと、反対の極（ＧＮＤ）側のリレーとを片方ずつオンし、その時の入力コンデンサの端子電圧を監視することで、それらのリレーの溶着の有無を判定している。すなわち、片方ずつしかオンしないので、コンデンサの端子電圧には残留電荷分の電圧しか出ないはずのところ、所定レベルを超える電圧が検出されると、溶着によるオン故障（通電故障）と判定する。
【０００６】
また、特許文献３では、システムの動作終了時にリレーを順次オフしてゆき、そのときのコンデンサの電圧低下およびインバータに流れる電流の監視を行うことで、リレーの溶着の有無を判定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１３４７０７号公報
【特許文献２】特開２００６−８１３４０号公報
【特許文献３】特開２００４−３０３６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の従来技術では、充電（プリチャージ）用のリレーと並列に設けられる直結用のリレーの溶着の有無の判定を起動時に安全に行うことができないという問題がある。すなわち、前記特許文献１および特許文献２の従来技術では、充電（プリチャージ）用のリレーと、反対の極（ＧＮＤ）側のリレーとを片方ずつオンしており、直結用のリレーが正常にオフしており、これらのリレーのみで電流経路が形成される場合は、限流抵抗が介在されており、安全である。しかしながら、こうして反対の極（ＧＮＤ）側のリレーの溶着が検出されなかった（正常であることが検出された）後に、前記直結用のリレーの溶着の有無の判定のために該反対の極（ＧＮＤ）側のリレーをオンさせると、直結用のリレーが溶着している場合、その瞬間に突入電流が発生する。また、充電（プリチャージ）用のリレーがオフ故障（非通電故障）している場合、反対の極（ＧＮＤ）側のリレーがオン故障していても検出できないという問題もある。
【０００９】
ここで、リレーの溶着程度であれば、交換部品が用意されていれば、短時間での修理は可能となる。しかしながら、そのリレーの溶着で、入力コンデンサの破損などの負荷側の故障を招いた場合には、直ぐには交換部品や修理の手配が付かず、予定していた工事に使用できなくなったり、或いは機械自体が現場で動かなくなり、撤収にもレッカーなどの大掛かりな作業が必要になる可能性もある。このため、電源装置の確実な故障検出が必要となる。
【００１０】
一方、特許文献３のように、動作終了時に故障判定を行うと、それまで正常に動作しており、またコンデンサに電荷が充分に蓄積された状態から検査を行うので、比較的安全に通電故障を検出することができる。しかしながら、コンデンサの放電時間によっては、その場で使用者へ結果を報知することは困難である（電源オフから結果が出るまでに時間が掛かってしまう）とともに、検出結果を次回起動時に報知するにしても、その記憶が消えてしまわないように対策が必要である。
【００１１】
さらに、何よりも、前回使用時から状況が変わって、その間に故障が生じた場合には、診断の結果が無駄になってしまうという問題がある。具体的には、建設機械では、作業現場間の移動には別途に運搬用車両が用いられることが多く、大型の機械になると分解しての運搬になる。したがって、この分解・移動・再組立ての際に故障が発生する可能性が高く、起動時における確実な故障検出が必要となる。
【００１２】
本発明の目的は、起動時に、安全にリレーの故障判定を行うことができる建設機械用電源制御装置およびそれを用いる建設機械用電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の建設機械用電源制御装置は、建設機械に搭載され、バッテリと負荷とを接続する電源ラインの一方に、前記バッテリから負荷への電源供給のオン／オフ制御を行う第１のスイッチング素子と電流レベルを予め定める値以下に抑制する第１のインピーダンス素子との第１の直列回路、およびその第１の直列回路をバイパスする第２のスイッチング素子を介在し、前記第１および第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路を備えて成る電源制御装置において、負荷電圧を検出する電圧検出手段と、前記電源ラインの他方に介在され、第３のスイッチング素子と第２のインピーダンス素子との第２の直列回路と、その第２の直列回路をバイパスする第４のスイッチング素子とをさらに含み、前記制御回路は、前記負荷への電源供給の開始時に、前記第１および第２の直列回路を使用して、その電圧検出結果から前記第４および第２のスイッチング素子の溶着の有無判定をそれぞれ行った後に、これら第２および第４のスイッチング素子をオンする定常の電源供給状態に移ることを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、建設機械に搭載され、ハイブリッドシステムなどを構成するバッテリと負荷との間に介在される電源制御装置において、従来では、電源ラインの一方、すなわち主にホット側だけに、前記バッテリから負荷への電源供給のオン／オフ制御を行う第１のスイッチング素子と電流レベルを予め定める値以下に抑制する限流抵抗などの第１のインピーダンス素子との第１の直列回路、およびその第１の直列回路をバイパスする第２のスイッチング素子を介在し、制御回路が、第２のスイッチング素子をオフしたまま第１のスイッチング素子をオンし、その後に第２のスイッチング素子をオンすることで、前記負荷がコンデンサインプットなどの場合における起動時の過剰な電流を抑制するようにした電源装置において、そのような起動にあたって、バッテリと負荷とを直結する第２のスイッチング素子の溶着を事前に自己診断しておくために、本発明では、前記電源ラインの他方、すなわちＧＮＤ側にも、第３のスイッチング素子と第２のインピーダンス素子との第２の直列回路および第４のスイッチング素子を設けるとともに、負荷電圧を検出する電圧検出手段を設ける。そして、前記制御回路は、前記負荷への電源供給の開始時に、前記第１および第２の直列回路を使用して、その電圧検出結果から直結用の前記第４および第２のスイッチング素子の溶着の有無判定をそれぞれ行った後に、これら第２および第４のスイッチング素子をオンする定常の電源供給状態に移るようにする。
【００１５】
前記溶着の有無は、具体的には、先ず総てのスイッチング素子をオフすると、電圧検出手段の検出電圧は、インプットコンデンサの残留電荷レベルとなるべきところ、第１の所定値以上である場合は、第１および第２のスイッチング素子の少なくとも一方と第３および第４のスイッチング素子の少なくとも一方とが溶着してオン故障となって、電流経路が形成されていると判定することができる。
【００１６】
一方、前記電流経路が形成されていない状態で、第１および第３のスイッチング素子をオンする、すなわち２つのインピーダンス素子を使用して負荷へ電源供給を行うようにすると、その場合は前記電流経路が形成されて電圧が検出されるべきところ、前記第１の所定値未満である場合は、これら第１および第３のスイッチング素子のいずれか一方はオフ故障していると判定することができる。また、前記第１および第３のスイッチング素子のオンでは、前記検出電圧は小さくなるべきところ、前記第１の所定値より大きく設定される第２の所定値以上である場合は、前記直結用の第４および第２のスイッチング素子のいずれか一方が溶着してオン故障となっていると判定することができる。さらに、前記第１の所定値以上第２の所定値未満である場合に、前記第１および第３のスイッチング素子をオフして、代わって第１および第４のスイッチング素子の組合わせまたは第２および第３のスイッチング素子の組合わせをオンしてみて、検出電圧が前記第２の所定値以上となれば、総てのスイッチング素子は正常と判定することができ、前記第２の所定値未満であれば、それぞれ第４または第２のスイッチング素子がオフ故障となっていると判定することができる。
【００１７】
したがって、前記第１および第２の直列回路を使用して、起動時に過電流が生じることなく、ホット側およびＧＮＤ側の電源ラインにおける直結用の第４および第２のスイッチング素子の溶着の有無判定をそれぞれ行った後に、これら第２および第４のスイッチング素子をオンする定常の電源供給状態に移るので、負荷の故障を未然に防止し、信頼性を向上することができる。また、これらの第１および第２の直列回路を使用して、インピーダンス素子の接続される第３および第１のスイッチング素子の故障判定も安全に行うことができ、総てのスイッチング素子の故障判定を行うことができる。
【００１８】
また、本発明の建設機械用電源装置は、前記の建設機械用電源制御装置に、前記バッテリを備えて成ることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、負荷の故障を未然に防止することができる建設機械用電源装置を実現することができる。この場合、前記スイッチング素子の故障判定は、建設機械がバッテリを用いた走行または動作可能状態となる前に行われる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の建設機械用電源制御装置および建設機械用電源装置は、以上のように、バッテリと負荷とを接続する電源ラインの一方に、第１のスイッチング素子と電流制限用の第１のインピーダンス素子との第１の直列回路と、その第１の直列回路をバイパスする第２のスイッチング素子とを介在して成る電源制御装置において、前記電源ラインの他方にも、第３のスイッチング素子と第２のインピーダンス素子との第２の直列回路と、その第２の直列回路をバイパスする第４のスイッチング素子とをさらに設け、制御回路は、負荷への電源供給の開始時に、前記第１および第２の直列回路を使用して、その電圧検出結果から前記第４および第２のスイッチング素子の溶着の有無判定をそれぞれ行った後に、これら第２および第４のスイッチング素子をオンする定常の電源供給状態に移る。
【００２１】
それゆえ、起動時に過電流が生じることなく、ＧＮＤ側およびホット側の電源ラインにおける直結用の第４および第２のスイッチング素子の溶着の有無判定をそれぞれ行った後に、これら第２および第４のスイッチング素子をオンする定常の電源供給状態に移るので、負荷の故障を未然に防止し、信頼性を向上することができる。また、これらの第１および第２の直列回路を使用して、インピーダンス素子の接続される第３および第１のスイッチング素子の故障判定も安全に行うことができ、総てのスイッチング素子の故障判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の一形態に係る電源装置を用いる建設機械のブロック図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係る故障判定動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明の実施の一形態に係る電源装置１を用いる建設機械のブロック図である。この電源装置１は、バッテリ２と電源制御装置３とを備えて構成され、負荷４を駆動する。前記バッテリ２は、複数のセル２１を相互に直列に接続して成るモジュールを複数並列に接続して構成される高電圧の組電池である。負荷４は、交流モータ４１に、それを駆動するインバータ４２およびインバータ４２の入力段に設けられる電源安定化用の平滑コンデンサ４３を備えて構成される。負荷４は、前記建設機械において、主動力源であるエンジンの出力をアシストするハイブリッドシステムを構成している。なお、前記平滑コンデンサ４３は、電源装置１側に搭載されていてもよい。
【００２４】
注目すべきは、この電源制御装置３では、バッテリ２と負荷４とを接続するホット側の電源ライン３１に、前記バッテリ２から負荷４への電源供給のオン／オフ制御を行う第１のスイッチング素子としてのリレーＳＷ１と電流レベルを予め定める値以下に抑制する第１のインピーダンス素子である限流抵抗Ｒ１との第１の直列回路Ｌ１およびその第１の直列回路Ｌ１をバイパスする第２のスイッチング素子としてのリレーＳＷ２が設けられるとともに、ＧＮＤ側の電源ライン３２にも同様に、前記バッテリ２から負荷４への電源供給のオン／オフ制御を行う第３のスイッチング素子としてのリレーＳＷ３と電流レベルを予め定める値以下に抑制する第２のインピーダンス素子である第２の限流抵抗Ｒ２との第２の直列回路Ｌ２およびその第２の直列回路Ｌ２をバイパスする第４のスイッチング素子としてのリレーＳＷ４が設けられることである。
【００２５】
そして、この電源装置１の出力電圧、すなわち負荷４の入力電圧は、電圧計３３によって検出されており、該建設機械がバッテリ２を用いた走行または動作可能状態となる前の起動時に、制御回路３４が前記各リレーＳＷ１〜ＳＷ４のオン／オフを制御しつつ、前記電圧計３３の検出結果から、以下で詳述するように、各リレーＳＷ１〜ＳＷ４の故障判定を行い、正常である場合に、第２および第４のリレーＳＷ２，ＳＷ４をオンする定常の電源供給状態に移る。この故障判定動作は、前記起動時だけでなく、負荷４が休止している（電源装置１から給電していない）間であれば、所定時間毎等、適宜行われてもよい。
【００２６】
図２は、前記制御回路３４による故障判定動作を詳しく説明するためのフローチャートである。前記第２および第４のリレーＳＷ２，ＳＷ４は、バッテリ２と負荷４とを直結し、前記定常の電源供給に使用するためのリレーであり、旧来通りである。また、第１のリレーＳＷ１と限流抵抗Ｒ１とから成る第１の直列回路Ｌ１も、故障判定時に平滑コンデンサ４３に突入電流が流れないようにする旧来の通りのものである。これに対して、前記第３のリレーＳＷ３と第２の限流抵抗Ｒ２とから成る第２の直列回路Ｌ２が、本発明で故障判定のために新たに設けられる。
【００２７】
前記制御回路３４は、イグニッションスイッチなどに連動して、該建設機械の起動時にこの故障判定動作を開始し、先ずステップＳＴ１で総てのリレーＳＷ１〜ＳＷ４をオフし、ステップＳＴ２で、電圧計の検出電圧Ｖ１を読込む。前記のように総てのリレーＳＷ１〜ＳＷ４をオフすると、前記検出電圧Ｖ１は、負荷４の平滑コンデンサ４３の残留電荷レベルとなるべきところ、ステップＳＴ３において、第１の所定値Ｖｔｈ１以上である場合は、制御回路３４は、ステップＳＴ４で、第１および第２のリレーＳＷ１，ＳＷ２の少なくとも一方と第３および第４のリレーＳＷ３，ＳＷ４の少なくとも一方とが溶着してオン故障となって、電流経路が形成されていると判定することができる。
【００２８】
一方、前記ステップＳＴ３において、前記検出電圧Ｖ１が前記第１の所定値Ｖｔｈ１未満で前記電流経路が形成されていない状態では、制御回路３４は、ステップＳＴ１１で第１および第３のリレーＳＷ１，ＳＷ３をオンする、すなわち２つの限流抵抗Ｒ１，Ｒ２を使用して負荷４へ電源供給を行うようにする。すると、その場合は前記電流経路が形成されてステップＳＴ１２での検出電圧Ｖ３には何らかの電圧が検出されるべきところ、ステップＳＴ１３で前記第１の所定値Ｖｔｈ１未満である場合は、ステップＳＴ１４で、これら第１および第３のリレーＳＷ１，ＳＷ３の少なくともいずれか一方はオフ故障していると判定することができる。
【００２９】
また、前記ステップＳＴ１１での第１および第３のリレーＳＷ１，ＳＷ３のオンでは、前記検出電圧Ｖ３は小さくなるべきところ、さらにステップＳＴ１３からＳＴ１５で前記第２の所定値Ｖｔｈ２以上である場合は、ステップＳＴ１６で、前記直結用の第４または第２のリレーＳＷ４，Ｓ２のいずれか一方が溶着してオン故障となっていると判定することができる。
【００３０】
さらに、前記第１の所定値Ｖｔｈ１以上第２の所定値Ｖｔｈ２未満である場合は、前記制御回路３４は、ステップＳＴ１３からＳＴ２１で、第１および第３のリレーＳＷ１，ＳＷ３をオフして、代わってステップＳＴ２２で、先ず第１および第４のリレーＳＷ１，ＳＷ４の組をオンしてみて、ステップＳＴ２３での検出電圧Ｖ４が、ステップＳＴ２４において、前記第２の所定値Ｖｔｈ２未満であれば、ステップＳＴ２５で、第４のリレーＳＷ４がオフ故障となっていると判定することができる。
【００３１】
これに対して、前記ステップＳＴ２４において、検出電圧Ｖ４が前記第２の所定値Ｖｔｈ２以上となれば、第４のリレーＳＷ４は正常であると判定することができ、さらにステップＳＴ２６に移って、前記第１および第４のリレーＳＷ１，ＳＷ４の組をオフし、代わってステップＳＴ２７で第２および第３のリレーＳＷ２，ＳＷ３の組をオンし、前記ステップＳＴ２３，ＳＴ２４と同様に、ステップＳＴ２８での検出電圧Ｖ５が、ステップＳＴ２９において、前記第２の所定値Ｖｔｈ２未満であれば、ステップＳＴ３０で、第２のリレーＳＷ２がオフ故障となっていると判定することができ、第２の所定値Ｖｔｈ２以上であれば、ステップＳＴ３１で総てのリレーは正常と判定することができる。
【００３２】
したがって、このように構成することで、前記第１および第２の直列回路Ｌ１，Ｌ２を使用して、起動時に過電流が生じることなく、ＧＮＤ側およびホット側の電源ライン３２，３１における直結用の第４および第２のリレーＳＷ４，ＳＷ２の溶着の有無判定をそれぞれ行った後に、これら第２および第４のリレーＳＷ２，ＳＷ４をオンする定常の電源供給状態に移るので、負荷４の故障を未然に防止し、信頼性を向上することができる。また、これらの第１および第２の直列回路Ｌ１，Ｌ２を使用して、限流抵抗Ｒ２，Ｒ１の接続される第３および第１のリレーＳＷ３，ＳＷ１の故障判定も安全に行うことができ、総てのリレーＳＷ１〜ＳＷ４の故障判定を行うことができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    電源装置
２    バッテリ
２１    セル
３    電源制御装置
３１，３２    電源ライン
３３    電圧計
３４    制御回路
４    負荷
４１    交流モータ
４２    インバータ
４３    平滑コンデンサ
Ｌ１    第１の直列回路
Ｌ２    第２の直列回路
Ｒ１，Ｒ２    限流抵抗
ＳＷ１    第１のリレー
ＳＷ２    第２のリレー
ＳＷ３    第３のリレー
ＳＷ４    第４のリレー
【図１】
2011014282.tif 000003
【図２】
2011014282.tif 000004