(57)【要約】【課題】  ハイブリッド型作業機械において、キャパシタの特性を測定する技術を提供する。【解決手段】  蓄電回路が回生電力を蓄電する。この蓄電回路は、平滑キャパシタが接続されたＤＣバスラインと、内部抵抗を有する蓄電キャパシタと、ＤＣバスラインと蓄電キャパシタとを接続し、充放電動作を行うコンバータとを有する。制御装置は、始動キーがオンにされると、第１のスイッチをオフ状態からオン状態にした後、蓄電キャパシタの放電特性に関わる物理量を測定し、測定結果に基づいて、蓄電キャパシタの内部抵抗及び静電容量の少なくとも一方を算出する。【選択図】  図３
2011130653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力の供給によって駆動される力行動作、及び電力を発生する回生動作を行う第１の電動機と、
前記第１の電動機の力行動作及び回生動作を制御する第１の電気回路と、
前記第１の電動機に電力を供給し、及び前記第１の電動機からの回生電力を蓄電する蓄電回路と、
前記第１の電気回路及び前記蓄電回路を制御する制御装置と、
前記制御装置を起動する始動キーと
を有し、
前記蓄電回路は、
前記第１の電気回路に接続され、接地線と電源線との間に平滑キャパシタが接続されたＤＣバスラインと、
内部抵抗を有する蓄電キャパシタと、
前記ＤＣバスラインと前記蓄電キャパシタとを接続し、前記蓄電キャパシタから前記ＤＣバスラインに電気エネルギを供給する放電動作、及び前記ＤＣバスラインから前記蓄電キャパシタに電気エネルギを供給する充電動作を行うコンバータと、
前記蓄電キャパシタと前記ＤＣバスラインとを接続する電気回路を導通させるオン状態と、遮断するオフ状態との切り替えを行う第１のスイッチと
を有し、
前記制御装置は、
前記始動キーがオンにされると、前記第１のスイッチをオフ状態からオン状態にした後、前記蓄電キャパシタの放電特性に関わる物理量を測定し、測定結果に基づいて、前記蓄電キャパシタの内部抵抗及び静電容量の少なくとも一方を算出するハイブリッド型作業機械。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記第１のスイッチがオフ状態のときの前記蓄電キャパシタの端子間の電圧を測定して第１の測定値を取得し、
前記第１のスイッチをオン状態にしたときの前記蓄電キャパシタの放電電流を測定して第２の測定値を取得し、
前記第１の測定値、及び前記第２の測定値に基づいて、前記蓄電キャパシタの内部抵抗を算出する請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項３】
さらに、前記制御装置は、
前記第１のスイッチをオン状態した時点から、第１の経過時間経過した時点における前記蓄電キャパシタからの放電電流を測定して第３の測定値を取得し、
前記第１の測定値、前記内部抵抗の算出値、前記第３の測定値、及び前記第１の経過時間に基づいて、前記蓄電キャパシタの静電容量を算出する請求項２に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項４】
前記蓄電回路は、前記蓄電キャパシタに直列に接続された充電抵抗を含み、前記制御装置は、さらに、前記充電抵抗の抵抗値に基づいて前記蓄電キャパシタの内部抵抗を算出する請求項２または３に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項５】
さらに、前記充電抵抗の温度を測定する温度計を有し、
前記制御装置は、前記蓄電キャパシタの内部抵抗を算出する際に、前記充電抵抗の温度に基づいて該充電抵抗の抵抗値を補正する請求項４に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項６】
さらに、前記蓄電キャパシタに直列に接続された充電抵抗と、
前記充電抵抗に並列に接続され、該充電抵抗の端子間を短絡させることができる第２のスイッチと
を有し、
前記制御装置は、
前記第１のスイッチをオン状態にした後、第２の時刻において、前記第２のスイッチを閉じて、前記充電抵抗の端子間を短絡させ、
前記第２の時刻の直前における前記蓄電キャパシタ及び前記平滑キャパシタの端子間電圧、及び前記第２の時刻の直前と直後とにおける前記蓄電キャパシタの放電電流とに基づいて、該蓄電キャパシタの内部抵抗を算出する請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項７】
前記制御装置は、
前記第２のスイッチを閉じた後の前記蓄電キャパシタからの放電電流の減少の時定数、及び前記蓄電キャパシタの内部抵抗の算出値に基づいて、前記蓄電キャパシタの静電容量を算出する請求項６に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項８】
前記制御装置は、
前記第１のスイッチがオフ状態のときの前記蓄電キャパシタの端子間の電圧を測定して第１の測定値を取得し、
前記第１のスイッチをオン状態にした時点から、第３の経過時間経過した第３の時刻までの前記蓄電キャパシタの放電電流の積分値である第１の積分値を取得し、
前記第３の時刻における前記蓄電キャパシタの端子間電圧を測定して第３の測定値を取得し、
前記第１の測定値、前記第１の積分値、及び前記第３の測定値に基づいて、前記蓄電キャパシタの静電容量を算出する請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項９】
前記平滑キャパシタの静電容量をＣｄ、前記蓄電キャパシタの静電容量の定格値をＣｃ、内部抵抗の定格値をＲｃ、前記第３の時刻における放電電流をｉ（Ｔ３）、前記第１の測定値をＶ０としたとき、Ｒｃ×ｉ（Ｔ３）が、Ｖ０×（Ｃｄ／（Ｃｃ＋Ｃｄ））の１／１０以下になるように前記第３の時刻が選択されている請求項８に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項１０】
前記制御装置は、さらに、
前記第１のスイッチをオン状態にした後、前記第３の時刻よりも前の第４の時刻における前記蓄電キャパシタの端子間電圧及び放電電流を測定して、それぞれ第４の測定値及び第５の測定値を取得し、
前記第１のスイッチをオン状態にした時点から、前記第４の時刻までの前記蓄電キャパシタの放電電流の積分値を算出して第２の積分値とし、
前記第１の測定値、第４の測定値、第５の測定値、第２の積分値、及び前記蓄電キャパシタの算出された静電容量に基づいて、前記蓄電キャパシタの内部抵抗を算出する請求項８または９に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項１１】
前記制御装置は、
前記第１のスイッチがオフ状態のときの前記蓄電キャパシタの端子間の電圧を測定して第１の測定値を取得し、
前記第１のスイッチをオン状態にした後、第４の時刻における前記蓄電キャパシタの端子間電圧及び放電電流を測定して、それぞれ第４の測定値及び第５の測定値を取得し、
前記第１の測定値、第４の測定値及び第５の測定値に基づいて、前記蓄電キャパシタの内部抵抗を算出する請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
【請求項１２】
前記制御装置は、
前記第１のスイッチをオフ状態からオン状態に切替えた時点から、第５、第６及び第７の経過時間が経過した第５、第６及び第７の時刻において、前記蓄電キャパシタの端子間電圧、及び放電電流を測定し、
前記第５の時刻から第６の時刻までの期間、前記第５の時刻から第７の時刻までの期間、及び前記第６の時刻から第７の時刻までの期間のうち２つの期間において、前記放電電流の積分値を算出し、
測定された端子間電圧、放電電流、及び算出された積分値に基づいて、前記蓄電キャパシタの静電容量及び内部抵抗を算出する請求項１に記載のハイブリッド型作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動エネルギや位置エネルギを電気エネルギに変換して蓄電装置に蓄電し、蓄電された電気エネルギを利用して駆動系を駆動するハイブリッド型作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。キャパシタには、例えば電気二重層コンデンサが用いられる。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５５５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、キャパシタを用いたハイブリッド型作業機械において、キャパシタの特性を測定する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、
電力の供給によって駆動される力行動作、及び電力を発生する回生動作を行う第１の電動機と、
前記第１の電動機の力行動作及び回生動作を制御する第１の電気回路と、
前記第１の電動機に電力を供給し、及び前記第１の電動機からの回生電力を蓄電する蓄電回路と、
前記第１の電気回路及び前記蓄電回路を制御する制御装置と、
前記制御装置を起動する始動キーと
を有し、
前記蓄電回路は、
前記第１の電気回路に接続され、接地線と電源線との間に平滑キャパシタが接続されたＤＣバスラインと、
内部抵抗を有する蓄電キャパシタと、
前記ＤＣバスラインと前記蓄電キャパシタとを接続し、前記蓄電キャパシタから前記ＤＣバスラインに電気エネルギを供給する放電動作、及び前記ＤＣバスラインから前記蓄電キャパシタに電気エネルギを供給する充電動作を行うコンバータと、
前記蓄電キャパシタと前記ＤＣバスラインとを接続する電気回路を導通させるオン状態と、遮断するオフ状態との切り替えを行う第１のスイッチと
を有し、
前記制御装置は、
前記始動キーがオンにされると、前記第１のスイッチをオフ状態からオン状態にした後、前記蓄電キャパシタの放電特性に関わる物理量を測定し、測定結果に基づいて、前記蓄電キャパシタの内部抵抗及び静電容量の少なくとも一方を算出するハイブリッド型作業機械。
【発明の効果】
【０００７】
ハイブリッド型作業機械の始動時に、蓄電キャパシタの内部抵抗を測定することができる。これにより、蓄電キャパシタの劣化状態を判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１によるハイブリッド型作業機械の側面図である。
【図２】実施例１によるハイブリッド型作業機械のブロック図である。
【図３】実施例１によるハイブリッド型作業機械に用いられる蓄電回路の等価回路図である。
【図４】実施例１によるハイブリッド型作業機械のキャパシタ特性を測定する方法を説明するための等価回路図である。
【図５】実施例１によるハイブリッド型作業機械のキャパシタ特性を測定する方法を説明するための電圧電流変化の一例を示すグラフである。
【図６】実施例２によるハイブリッド型作業機械のキャパシタ特性を測定する方法を説明するための電圧電流変化の一例を示すグラフである。
【図７】実施例３によるハイブリッド型作業機械のキャパシタ特性を測定する方法を説明するための等価回路図である。
【図８】実施例３によるハイブリッド型作業機械のキャパシタ特性を測定する方法を説明するための電圧電流変化の一例を示すグラフである。
【図９】実施例３によるハイブリッド型作業機械のキャパシタの電圧電流変化の実測値を示すグラフである。
【図１０】実施例５によるハイブリッド型作業機械のキャパシタ特性を測定する方法を説明するための電圧電流変化の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、実施例１及び実施例２について説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１に、実施例１によるハイブリッド型作業機械の側面図を示す。下部走行体（基体）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４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。
【００１１】
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、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気系統を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。
【００１２】
エンジン１１の駆動軸が変速機１３の入力軸に連結されている。エンジン１１には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、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。
【００１３】
電動発電機１２の駆動軸が、変速機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（ＩＰＭ）モータが用いられる。
【００１４】
変速機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。
【００１５】
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の駆動力が変速機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の駆動力が変速機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、電動発電機１２に接続されたインバータ１８により行われる。インバータ１８は、制御装置３０により制御される。
【００１６】
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。
【００１７】
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に示した下部走行体１に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。
【００１８】
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には、さらに、他のインバータ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。
【００１９】
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を経由して、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を経由して、蓄電回路９０に供給される。
【００２０】
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、力行動作及び回生動作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ＩＰＭモータが用いられる。ＩＰＭモータは、回生時に大きな誘導起電力を発生する。
【００２１】
旋回用電動機２１の力行動作中は、旋回用電動機２１の回転力が変速機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、変速機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、回生動作時には、上部旋回体３の回転運動が、変速機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、変速機２４は、力行動作の時とは逆に、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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１によるハイブリッド型作業機械では、旋回用電動機２１が旋回機構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。
【００２６】
操作者によって始動キー３２がオンにされると、制御装置３０が起動される。制御装置３０は、エンジン１１、インバータ１８、２０、及び蓄電回路９０の制御を開始する。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おらず、蓄電回路９０への電力の供給及び蓄電回路９０からの電力の強制的な取り出しのいずれも行われていない状態（非運転状態）を検出することができる。
【００２７】
図３に、蓄電回路９０の等価回路図を示す。蓄電回路９０は、蓄電キャパシタ１９、コンバータ１００、及びＤＣバスライン１１０を含む。
【００２８】
コンバータ１００は、蓄電キャパシタ１９とＤＣバスライン１１０とを接続する。蓄電キャパシタ１９とＤＣバスライン１１０とを接続する電気回路に、さらに、蓄電キャパシタ１９と直列に、充電抵抗１０８及び第１のスイッチ１１５が挿入されている。蓄電キャパシタ１９は、例えば複数の電気二重層コンデンサを直列に接続した構造を有する。蓄電キャパシタ１９の静電容量をＣｃとし、内部抵抗をＲｃとする。
【００２９】
第１のスイッチ１１５は、制御装置３０により制御され、蓄電キャパシタ１９とＤＣバスライン１１０とを接続する電気回路を導通させるオン状態と、遮断するオフ状態との切り替えを行う。充電抵抗１０８に並列に、第２のスイッチ１１６が接続されている。第２のスイッチ１１６は制御装置３０により制御され、充電抵抗１０８の端子間を短絡させることができる。
【００３０】
キャパシタ用電圧計１０６が、蓄電キャパシタ１９の端子間電圧を測定し、測定結果を制御装置３０に入力する。キャパシタ用電流計１０７が、蓄電キャパシタ１９の充放電電流を測定し、測定結果を制御装置３０に入力する。
【００３１】
温度計１１２が、充電抵抗１０８の温度を測定し、測定結果を制御装置３０に入力する。充電抵抗１０８の抵抗値は、その温度によって変化する場合がある。制御装置３０は、充電抵抗１０８の定格抵抗値、温度特性、及び現時点の温度から、現時点における充電抵抗１０８の抵抗値を計算する。
【００３２】
ＤＣバスライン１１０は、接地線と電源線とを含む。接地線と電源線との間に平滑キャパシタ１０５が接続されている。ＤＣバスライン１１０の接地線と電源線は、インバータ１８、２０を介して、それぞれ電動発電機１２及び旋回用電動機２１に接続されている。ＤＣバスライン１１０の接地線と電源線との間の電圧が、ＤＣバスライン用電圧計１１１により測定され、測定結果が制御装置３０に入力される。
【００３３】
コンバータ１００は、昇圧用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１０２Ａ、降圧用のＩＧＢＴ１０２Ｂ、及びリアクトル１０１を含む。昇圧用のＩＧＢＴ１０２Ａのエミッタが、ＤＣバスライン１１０の接地線に接続され、降圧用のＩＧＢＴ１０２Ｂのコレクタが、ＤＣバスライン１１０の電源線に接続されている。昇圧用のＩＧＢＴ１０２Ａ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。
【００３４】
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、蓄電キャパシタ１９の一方の端子に接続され、ＤＣバスライン１１０の接地線が、蓄電キャパシタ１９の他方の端子に接続されている。リアクトル１０１に並列に、第３のスイッチ１１７が接続されている。第３のスイッチ１１７は、制御装置３０によって開閉制御される。第３のスイッチ１１７が閉じられると、リアクトル１０１の端子間が短絡される。
【００３５】
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。
【００３６】
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をオンからオフへ切り換えた時に、リアクトル１０１に、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。
【００３７】
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をオンからオフに切り換えた時に、リアクトル１０１に、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのエミッタから蓄電キャパシタ１９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、蓄電キャパシタ１９が充電される。なお、本明細書において、蓄電キャパシタ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。
【００３８】
図４及び図５を参照して、蓄電キャパシタ１９の内部抵抗Ｒｃ及び静電容量Ｃｃの測定方法について説明する。この測定は、ハイブリッド型作業機械の始動時に行われる。作業機械の始動時には、図３に示した蓄電キャパシタ１９に電荷が蓄積されており、平滑キャパシタ１０５には電荷が蓄積されていない。
【００３９】
ハイブリッド型作業機械が始動されると、制御装置３０は、第３のスイッチ１１７を閉じて、リアクトル１０１の端子間を短絡させる。ＩＧＢＴ１０２Ａ、１０２Ｂは、オフ状態である。また、電動発電機１２による誘起電圧が生じる前である。
【００４０】
図４に、リアクトル１０１の端子間を短絡させた状態の等価回路図を示す。なお、図３に示したダイオード１０２ｂの順方向の抵抗を０とし、もう一方のダイオード１０２ａの逆方向の抵抗を無限大としている。蓄電キャパシタ１９の放電電流をｉ（ｔ）とする。充電抵抗１０８の抵抗値をＲｒとし、平滑キャパシタ１０５の静電容量をＣｄとする。
【００４１】
図５に、図４に示した充電抵抗１０８及び平滑キャパシタ１０５が接続された蓄電キャパシタ１９の時刻ｔ＝０以降の放電特性、具体的には、電流ｉ（ｔ）、蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）、平滑キャパシタ１０５の端子間電圧Ｖｄ（ｔ）の変動を示す。始動キー３２（図２）がオンにされると、時刻ｔ＝０において、制御装置３０が第１のスイッチ１１５を閉じる。第１のスイッチ１１５を閉じる前（作業機械の始動前、具体的には始動キー３２がオンにされる前）における蓄電キャパシタ１９の端子間電圧をＶ０とする。第１のスイッチ１１５を閉じた瞬間に、電流ｉ（ｔ）が立ち上がる。このとき、内部抵抗Ｒｃによる電圧降下が生じることにより、蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）が立ち下がる。
【００４２】
放電電流ｉ（ｔ）によって平滑キャパシタ１０５が充電され、その端子間電圧Ｖｄ（ｔ）が徐々に増加する。端子間電圧Ｖｄ（ｔ）の増加に伴って、放電電流ｉ（ｔ）が徐々に減少する。放電電流ｉ（ｔ）の減少に伴い、内部抵抗Ｒｃによる電圧降下が小さくなるため、蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）が徐々に増加する。蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）と、平滑キャパシタ１０５の端子間電圧Ｖｄ（ｔ）とが等しくなると、放電電流ｉ（ｔ）が０になる。
放電電流ｉ（ｔ）が０になったときの蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）は、時刻ｔ＝０の直前における端子間電圧Ｖ０よりも低い。ただし、蓄電キャパシタ１９の静電容量Ｃｃが、平滑キャパシタ１０５の静電容量Ｃｄに比べて十分大きいため、蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）の低下量は極僅かである。
【００４３】
電流ｉ（ｔ）は、下記の式で表される。
【００４４】
【数１】
2011130653.tif 000003
【００４５】
式（１ａ）〜（１ｃ）において、ｔ＝＋０のとき、下記の式が得られる。
【００４６】
【数２】
2011130653.tif 000004
【００４７】
電流ｉ（＋０）は、作業機械の始動（具体的にはキーオン）に対応して第１のスイッチ１１５が閉じられた直後の電流の大きさであり、キャパシタ用電流計１０７で測定可能である。第１のスイッチ１１５を閉じる直前の蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖ０は、キャパシタ用電圧計１０６により測定可能である。充電抵抗１０８の大きさＲｒは既知である。従って、測定値Ｖ０、ｉ（＋０）、及び既知の抵抗値Ｒｒから、内部抵抗Ｒｃを算出することができる。
【００４８】
充電抵抗１０８の抵抗値Ｒｒの温度変化による変動が大きい場合には、図３に示した温度計１１２で測定された温度に基づいて、充電抵抗１０８の抵抗値を補正することが好ましい。
【００４９】
式（１ａ）から、下記の式が得られる。
【００５０】
【数３】
2011130653.tif 000005
【００５１】
時刻ｔ＝Ｔ１の時点の電流ｉ（Ｔ１）を、キャパシタ用電流計１０７で測定する。合成静電容量Ｃは、下記の式で求められる。
【００５２】
【数４】
2011130653.tif 000006
【００５３】
平滑キャパシタ１０５の静電容量Ｃｄは既知である。従って、経過時間Ｔ１、測定値Ｖ０、ｉ（Ｔ１）、内部抵抗Ｒｃの算出値、及び式（４）、（１ｂ）、及び（１ｃ）から、蓄電キャパシタ１９の静電容量Ｃｃを算出することができる。
【００５４】
蓄電キャパシタ１９の内部抵抗Ｒｃ及び静電容量Ｃｃの算出が完了すると、制御装置３０は、図３に示した第３のスイッチ１１７を開放する。これにより、蓄電キャパシタ１９の充放電動作が可能になる。
【実施例２】
【００５５】
次に、図４及び図６を参照して、実施例２によるキャパシタ特性の測定方法について説明する。
【００５６】
図６に、充電抵抗１０８、第２のスイッチ１１６、平滑キャパシタ１０５が接続された蓄電キャパシタ１９のｔ＝０以降の放電特性を示す。
【００５７】
時刻ｔ＝０において第１のスイッチ１１５を閉じる手順は、実施例１の場合と同一である。実施例２では、ｉ＝０になる前の時刻ｔ＝Ｔ２において、第２のスイッチ１１６を閉じる。第２のスイッチ１１６を閉じると、放電電流ｉ（ｔ）が流れる閉回路の直流抵抗が低下するため、電流ｉ（ｔ）が立ち上がる。電流ｉ（ｔ）の立ち上がりによって、内部抵抗Ｒｃで発生する電圧降下が大きくなるため、蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）が立ち下がる。
【００５８】
充電抵抗１０８が短絡されたことによって、放電電流ｉ（ｔ）が流れる閉回路の時定数が短くなる。このため、時刻ｔ＝Ｔ２以降は、より短い時定数で電流ｉ（ｔ）が徐々に減少する。電流ｉ（ｔ）の減少によって、内部抵抗Ｒｃで発生する電圧降下が徐々に小さくなるため、蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）は、時刻ｔ＝Ｔ２以降、徐々に増加する。平滑キャパシタ１０５の端子間電圧Ｖｄ（ｔ）は、より短い時定数で徐々に増加する。
【００５９】
時刻ｔ＝Ｔ２の直前における内部抵抗Ｒｃ及び充電抵抗Ｒｒによる電圧降下Ｖｒ（Ｔ２−０）は、下記の式で表される。
【００６０】
【数５】
2011130653.tif 000007
【００６１】
時刻ｔ＝Ｔ２の直後における内部抵抗Ｒｃによる電圧降下Ｖｒ（Ｔ２＋０）は、下記の式で表される。
【００６２】
【数６】
2011130653.tif 000008
【００６３】
蓄電キャパシタ１９の静電容量Ｃｃの両端の電圧、及び平滑キャパシタ１０５の端子間電圧Ｖｄ（ｔ）が不連続に変化することはないため、Ｖｒ（Ｔ２−０）＝Ｖｒ（Ｔ２＋０）が成り立つ。従って、以下の式が成立する。
【００６４】
【数７】
2011130653.tif 000009
【００６５】
また、時刻ｔ＝Ｔ２の直前において、下記の式が成立している。
【００６６】
【数８】
2011130653.tif 000010
【００６７】
式（７）と式（８）とから、充電抵抗１０８の抵抗値Ｒｒを消去すると、下記の式が得られる。
【００６８】
【数９】
2011130653.tif 000011
【００６９】
式（９）の右辺のＶｃ（Ｔ２−０）は、キャパシタ用電圧計１０６で測定可能であり、Ｖｄ（Ｔ２−０）は、ＤＣバスライン用電圧計１１１で測定可能である。電流ｉ（Ｔ２＋０）及びｉ（Ｔ２−０）は、キャパシタ用電流計１０７で測定可能である。従って、これらの測定結果から、式（９）の左辺である蓄電キャパシタ１９の内部抵抗Ｒｃを算出することができる。式（９）は、充電抵抗１０８の抵抗値Ｒｒを含まないため、充電抵抗１０８の抵抗値Ｒｒの変動の影響を受けることなく、内部抵抗Ｒｃを求めることができる。
【００７０】
時刻ｔ＝Ｔ２以降の電流ｉ（ｔ）の減少の時定数は、Ｃ×Ｒｃである。内部抵抗Ｒｃが式（９）に基づいて算出されているため、電流ｉ（ｔ）の減少の時定数がわかれば、蓄電キャパシタ１９の静電容量Ｃｃを算出することができる。
【００７１】
電流ｉ（ｔ）の減少の時定数は、図６の時刻ｔ＝Ｔ２以降の電流ｉ（ｔ）の変化の形状から求めることができる。一例として、時刻ｔ＝Ｔ２以降の少なくとも２点における電流ｉ（ｔ）の値から、時定数を算出することができる。
【００７２】
蓄電キャパシタ１９の内部抵抗Ｒｃ及び静電容量Ｃｃの算出が完了したら、制御装置３０は、図３に示した第２のスイッチ１１６及び第３のスイッチ１１７を開放する。これにより、蓄電キャパシタ１９の充放電動作が可能になる。
【実施例３】
【００７３】
次に、図７及び図８を参照して、実施例３によるキャパシタ特性の測定方法について説明する。
【００７４】
図７に、実施例３で適用される等価回路図を示す。ハイブリッド型作業機械の始動時に、蓄電キャパシタ１９に電荷が蓄積されており、平滑キャパシタ１０５には、殆ど電荷が蓄積されていない。ハイブリッド型作業機械が始動されると、制御装置３０（図２、図３）が第１のスイッチ１１５を閉じる。以下、図７において、時刻ｔ＝０のときに第１のスイッチ１１５がオン状態になると考える。
【００７５】
図８に、図７に示した充電抵抗１０８、リアクトル１０１、及び平滑キャパシタ１０５が接続された蓄電キャパシタ１９のｔ＝０以降における放電特性を示す。始動キー３２（図２）がオンにされて、時刻ｔ＝０で第１のスイッチ１１５がオン状態になると、蓄電キャパシタ１９の放電電流ｉ（ｔ）が流れ始める。ただし、リアクトル１０１の影響により、放電電流ｉ（ｔ）が最大値を示す時刻は、ｔ＝０からやや遅れる。放電電流ｉ（ｔ）は、最大値を示した後、徐々に減少し、蓄電キャパシタ１９と平滑キャパシタ１０５との端子間電圧が同一になった時点で０になる。一般に、図７に示したＬＣＲ回路の合成抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、合成キャパシタンスをＣとすると、Ｒ２＞（４Ｌ／Ｃ）が成りたつ。このため、振動減衰は発生せず、過減衰が生じる。
【００７６】
第１のスイッチ１１５をオン状態にする前に、キャパシタ用電圧計１０６で測定される電圧Ｖｃ（ｔ）をＶ０とする。第１のスイッチ１１５がオン状態になり、放電電流ｉ（ｔ）が流れると、蓄電キャパシタ１９内部抵抗Ｒｃによる電圧降下により、端子間電圧Ｖｃ（ｔ）が低下する。放電電流ｉ（ｔ）が減少するに従って、電圧Ｖｃ（ｔ）が上昇する。ただし、放電電流ｉ（ｔ）が０になったとき、蓄電キャパシタ１９から平滑キャパシタ１０５に電荷が移動しているため、電圧Ｖｃ（ｔ）は初期値Ｖ０までは回復しない。具体的には、ΔＶ＝Ｖ０−Ｖｃ（∞）＝Ｖ０×Ｃｄ／（Ｃｃ＋Ｃｄ）になる。ここで、Ｃｄは、平滑キャパシタ１０５の静電容量である。
図７に示したキャパシタ用電圧計１０６で測定される電圧Ｖｃ（ｔ）は、下記の式で表される。
【００７７】
【数１０】
2011130653.tif 000012
【００７８】
式（１０）を変形して、ｔ＝Ｔ３とおくと、次の式が得られる。
【００７９】
【数１１】
2011130653.tif 000013
【００８０】
時刻ｔ＝０からＴ３までの期間を、図８に示したように、放電電流ｉ（ｔ）がほぼ０になるまで十分長く設定しておくと、式（１１）のＲｃ・ｉ（Ｔ３）を０と近似することができる。経過時間ｔを大きくすると、Ｖ０−Ｖｃ（ｔ）は、有限の値ΔＶに漸近し、０にはならない。Ｖ０−Ｖｃ（Ｔ３）に比べてＲｃ・ｉ（Ｔ３）が十分小さい場合には、式（１１）は、下記のように近似される。
【００８１】
【数１２】
2011130653.tif 000014
【００８２】
時刻ｔ＝Ｔ３のときの電圧Ｖｃ（Ｔ３）は測定可能である。右辺の積分項は、放電電流ｉ（ｔ）を、電流の変動に追随できる短い時間刻み幅でｔ＝０からｔ＝Ｔ３まで測定することにより算出することができる。従って、式（１２）から、蓄電キャパシタ１９の静電容量Ｃｃを算出するができる。
【００８３】
一例として、式（１１）において、Ｒｃ・ｉ（Ｔ３）が、Ｖ０−Ｖｃ（Ｔ３）の１／１０以下になれば、十分な精度で式（１２）の近似が成り立つ。図８に示した電圧低下量ΔＶは、Ｖ０−Ｖｃ（Ｔ３）よりも小さいため、Ｒｃ・ｉ（Ｔ３）が、ΔＶの１／１０以下になれば、式（１２）の近似を適用してもよいと考えられる。
【００８４】
ｔ＝∞のときの電圧低下量ΔＶは、Ｖ０×Ｃｄ／（Ｃｃ＋Ｃｄ）である。すなわち、Ｒｃ・ｉ（ｔ）が、ΔＶ＝Ｖ０×Ｃｄ／（Ｃｃ＋Ｃｄ）の１／１０以下になる時刻を時刻Ｔ３として採用すればよい。このとき、蓄電キャパシタ１９の静電容量Ｃｃ、内部抵抗Ｒｃとして、現時点の厳密な値を用いる必要はなく、蓄電キャパシタ１９の静電容量Ｃｃ及び内部抵抗Ｒｃの初期値または定格値を用いればよい。
【００８５】
また、蓄電キャパシタ１９が劣化していない状態で、図８に示した放電電流ｉ（ｔ）を測定し、Ｒｃ・ｉ（ｔ）が、ΔＶ＝Ｖ０×Ｃｄ／（Ｃｃ＋Ｃｄ）の１／１０以下になる時刻Ｔ３を予め決定しておいてもよい。ハイブリッド型作業機械の起動時におけるキャパシタ特性の測定時における時刻Ｔ３として、蓄電キャパシタが劣化していない状態で予め決定された時刻Ｔ３を採用してもよい。
【００８６】
式（１１）を変形して、ｔ＝Ｔ４と置くと、下記の式が得られる。
【００８７】
【数１３】
2011130653.tif 000015
【００８８】
式（１３）の電圧Ｖｃ（Ｔ４）、及び電流ｉ（Ｔ４）は測定可能である。右辺の積分項は、放電電流ｉ（ｔ）を、電流の変動に追随できる短い時間刻み幅でｔ＝０からｔ＝Ｔ４まで測定することにより算出することができる。静電容量Ｃｃは、式（１２）を用いて算出されている。従って、式（１３）から、内部抵抗Ｒｃを算出することができる。
【００８９】
式（１３）の右辺の分母ｉ（Ｔ４）が０になると、演算エラーが発生するため、図８に示すように、時刻Ｔ４は、放電電流ｉ（Ｔ４）が０にならない期間内に設定する必要がある。具体的には、時刻Ｔ４は時刻Ｔ３よりも前になるように選択する必要がある。また、時刻Ｔ４を、放電電流ｉ（ｔ）が最大値を示す時刻よりも前に設定すると、式（１３）の積分項の測定誤差が大きくなる。このため、時刻Ｔ４は、放電電流ｉ（ｔ）が最大値を示す時刻よりも後になるように選択することが好ましい。
【００９０】
電流ｉ（Ｔ４）が０に近づくと、ｉ（Ｔ４）の測定誤差が、内部抵抗Ｒｃの算出結果に与える影響が大きくなる。このため、ｉ（Ｔ４）が十分大きくなるように、時刻Ｔ４を設定することが好ましい。一例として、ｉ（Ｔ４）が放電電流ｉ（ｔ）の最大値の１／３以上になるように、時刻Ｔ４を選択することが好ましい。
【００９１】
図９に、放電電流ｉ（ｔ）と、蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）との実測結果の一例を示す。横軸は、第１のスイッチ１１５をオン状態に時刻からの経過時間を単位「秒」で表す。左縦軸は、端子間電圧Ｖｃ（ｔ）を任意単位で表し、右縦軸は、放電電流を任意単位で表す。
【００９２】
時刻０において、放電電流ｉ（ｔ）が急激に立ち上がっている。この放電電流ｉ（ｔ）を積分することにより、式（１２）及び式（１３）の積分項を算出することができる。
【００９３】
実施例３においては、式（１２）及び式（１３）に示したように、蓄電キャパシタ１９のキャパシタ特性の算出に、充電抵抗１０８の抵抗値、及び平滑キャパシタ１０５の静電容量を用いる必要がない。このため、これらの素子の影響を受けることなく、蓄電キャパシタ１９の特性を測定することができる。また、リアクトル１０１の両端を短絡させる必要もない。
【実施例４】
【００９４】
次に、実施例４について説明する。実施例４においては、式（１３）の右辺の分子の第３項を０と近似することにより、内部抵抗Ｒｃを算出する。すなわち、下記の式により内部抵抗Ｒｃを算出する。
【００９５】
【数１４】
2011130653.tif 000016
【００９６】
式（１３）の右辺の分子の第３項は、蓄電キャパシタ１９の時刻Ｔ４までの放電によって失われた電荷量に対応する電圧低下分である。この電圧低下分は、経過時間ｔを∞にしたときの電圧低下分ΔＶ＝Ｖ０×Ｃｄ／（Ｃｃ＋Ｃｄ）よりも小さい。従って、Ｖ０−Ｖｃ（Ｔ４）がΔＶよりも十分大きくなるように、時刻Ｔ４を選択すれば、高い精度で式（１４）が成り立つ。一例として、Ｖ０−Ｖｃ（Ｔ４）がΔＶの５倍以上になるように、時刻Ｔ４を選択すると、十分な精度が確保される。
【００９７】
実施例４においては、蓄電キャパシタ１９の静電容量Ｃｃを測定することなく、内部抵抗Ｒｃを算出することができる。さらに、放電電流の値は、時刻Ｔ４においてのみ測定すればよい。放電電流ｉ（ｔ）の時刻暦を測定する必要はない。
【実施例５】
【００９８】
次に、図７及び図１０を参照して、実施例５について説明する。実施例５においても、実施例３と同じ図７に示した等価回路を適用する。上述の式（１０）において、ｔ＝Ｔ５とおくと、以下の式が得られる。
【００９９】
【数１５】
2011130653.tif 000017
【０１００】
同様に、ｔ＝Ｔ６とおくと、以下の式が得られる。
【０１０１】
【数１６】
2011130653.tif 000018
【０１０２】
式（１５）及び式（１６）から、以下の式が得られる。
【０１０３】
【数１７】
2011130653.tif 000019
【０１０４】
時刻ｔ＝Ｔ７においても、式（１５）、（１６）と同様に、Ｖｃ（Ｔ７）が得られるため、以下の式が導出される。
【０１０５】
【数１８】
2011130653.tif 000020
【０１０６】
式（１７）及び式（１８）のうち、静電容量Ｃｃ及び内部抵抗Ｒｃ以外の項は、図１０に示すように、すべて測定可能な物理量である。従って、式（１７）と式（１８）との２元連立方程式を解くことにより、静電容量Ｃｃ及び内部抵抗Ｒｃを算出することができる。
【０１０７】
実施例５では、第１のスイッチ１１５をオン状態にした後の３つの時刻Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７（Ｔ５＜Ｔ６＜Ｔ７）において、蓄電キャパシタ１９の端子間電圧Ｖｃ（ｔ）、放電電流ｉ（ｔ）、時刻Ｔ５からＴ６までの放電電流の積分値、及び時刻Ｔ６からＴ７までの放電電流の積分値を測定することにより、静電容量Ｃｃ及び内部抵抗Ｒｃが求まる。ｔ＝０近傍の急激に変動する電圧及び電流の測定値を用いることがないため、電圧及び電流を測定する時間の刻み幅を長くすることができる。なお、時刻Ｔ５からＴ６までの期間、時刻Ｔ５からＴ７までの期間、及び時刻Ｔ６からＴ７までの期間のうち２つの期間において、放電電流ｉ（ｔ）の積分値を算出すればよい。
【０１０８】
上記実施例１〜実施例５では、ハイブリッド型作業機械として、旋回用電動機２１を回生動作させるショベルについて説明した。上記実施例で説明した蓄電キャパシタ１９の特性の測定方法は、巻き上げ用の駆動装置が備えられたクレーンに適用することも可能である。この場合には、巻き上げ対象物の位置エネルギが電気エネルギに変換される。発生した電気エネルギが蓄電キャパシタ１９に蓄電される。巻き上げ動作時には、蓄電キャパシタ１９からの放電電流、及び電動発電機１２からの発電電力により、巻上用電動機が駆動される。
【０１０９】
また、上記実施例で説明した蓄電回路９０の制御方法は、リフティングマグネット型作業機械に適用することもできる。この場合、蓄電キャパシタ１９からの放電電流により、リフティングマグネットの吸着動作が行われる。
【０１１０】
作業機械の運転中は、電動発電機１２が回転しているため、誘起電圧の影響を受けてＤＣバスラインの電圧が変動してしまい、ノイズとして検出されてしまう。上記実施例１〜実施例５では、作業機械の始動時に蓄電キャパシタ１９の内部抵抗や静電容量が計測される。このため、計測の精度を高めることができる。
【０１１１】
また、ハイブリッド型作業機械では、吊り上げ作業や掘削作業等が運転中に行われるため、蓄電キャパシタ１９の充放電が頻繁に行われる。このため、蓄電キャパシタ１９の内部抵抗等の特性変化を正確に把握できなければ、充電率を正確に算出することもできない。算出された充電率が正確でない場合、モータに十分な電力を供給できなくなるおそれがある。その結果、作業機械の運転が不可能になってしまうこともある。上記実施例１〜実施例５では、蓄電キャパシタ１９の内部抵抗及び静電容量の算出精度を高めることができる。これにより、安定した作業機械の運転が可能になる。
【０１１２】
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。
【符号の説明】
【０１１３】
１  下部走行体（基体）
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  インバータ
１９  蓄電キャパシタ
２０  インバータ（第１の電気回路）
２１  旋回用電動機（第１の電動機）
２２  レゾルバ
２３  メカニカルブレーキ
２４  変速機
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
３２  始動キー
３５  表示装置
１００  コンバータ
１０１  リアクトル
１０２Ａ  昇圧用ＩＧＢＴ
１０２Ｂ  降圧用ＩＧＢＴ
１０２ａ、１０２ｂ  ダイオード
１０５  平滑キャパシタ
１０６  キャパシタ用電圧計
１０７  キャパシタ用電流計
１０８  充電抵抗
１１１  ＤＣバスライン用電圧計
１１２  温度計
１１５  第１のスイッチ
１１６  第２のスイッチ
１１７  第３のスイッチ
【図１】
2011130653.tif 000021
【図２】
2011130653.tif 000022
【図３】
2011130653.tif 000023
【図４】
2011130653.tif 000024
【図５】
2011130653.tif 000025
【図６】
2011130653.tif 000026
【図７】
2011130653.tif 000027
【図８】
2011130653.tif 000028
【図９】
2011130653.tif 000029
【図１０】
2011130653.tif 000030