(57)【要約】【課題】電流変化に対する電圧追従遅れ生じても、蓄電装置の充電状態を高精度に求めることが可能な作業機械を提供する。【解決手段】蓄電装置から出力される電力で電気負荷が駆動される。計測器が、蓄電装置の電圧及び電流を計測する。制御装置が、蓄電装置を流れる電流の変化に対する電圧追従遅れ量に基づいて、計測器の計測結果を補正して補正値を算出し、補正値に基づいて、蓄電装置の充電状態を算出する。【選択図】図１
2016170063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置と、
前記蓄電装置から出力される電力で駆動される電気負荷と、
前記蓄電装置の電圧及び電流を計測する計測器と、
前記蓄電装置を流れる電流の変化に対する電圧追従遅れ量に基づいて、前記計測器の計測結果を補正して補正値を算出し、前記補正値に基づいて、前記蓄電装置の充電状態を算出する制御装置と
を有する作業機械。
【請求項２】
さらに、前記蓄電装置の温度を計測する温度センサを有し、
前記制御装置は、さらに、前記温度センサで計測された温度に基づいて前記計測器の計測結果を補正して前記補正値を算出する請求項１に記載の作業機械。
【請求項３】
前記計測器の計測結果を補正するための補正情報が前記制御装置に格納されており、前記制御装置は、前記補正情報に基づいて前記補正値を算出する請求項１または２に記載の作業機械。
【請求項４】
前記制御装置は、前記電圧追従遅れ量に相当する大きさの仮想電流を、前記蓄電装置に流れている電流に重畳することにより、電流の前記補正値を算出する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械。
【請求項５】
前記制御装置は、前記電圧追従遅れ量に相当する大きさの仮想電圧を、前記蓄電装置の電圧に重畳することにより、電圧の前記補正値を算出する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械。
【請求項６】
前記制御装置は、前記電流の計測値に対して、前記電圧追従遅れ量に対応する遅れフィルタ処理を施すことにより、電流の前記補正値を算出する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械。
【請求項７】
さらに、油圧負荷を有し、
前記制御装置は、前記電気負荷及び前記油圧負荷に対する出力要求値と、前記蓄電装置の前記充電状態とに基づいて、前記蓄電装置の充放電電流を制御する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電装置からの放電電力で電気負荷を駆動する作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の特許文献１に、キャパシタ、電動発電機、及び旋回電動機を搭載したハイブリッド型ショベルが開示されている。キャパシタからの電力により、電動発電機及び旋回電動機が駆動される。電動発電機で発電された電力、及び旋回電動機からの回生電力によりキャパシタが充電される。エンジンと電動発電機とにより、油圧系のメインポンプが駆動される。
【０００３】
キャパシタの電圧及び充放電電流に基づいて、キャパシタの充電状態（ＳＯＣ）が算出される。油圧系の出力要求値、旋回電動機の出力要求値、及びキャパシタの充電状態に基づいて、キャパシタから出力すべき電力または充電すべき電力、エンジンから出力すべき動力が求められる。キャパシタから出力すべき電力または充電すべき電力を求める際に、キャパシタの充電状態が考慮されるため、キャパシタの過放電や過充電が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１１３２２３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
キャパシタ、二次電池等の蓄電装置の過充電や過放電を防止するために、充電状態を精度よく計測することが望まれる。充電状態の算出には、一般的に、蓄電装置の端子間電圧、充放電電流、及び内部抵抗に基づいて算出される開路電圧が用いられる。通常は、充放電電流が流れていない状態における端子間電圧が、開路電圧に一致する。
【０００６】
電流変化に対して、電圧の追従に遅れが生じる場合がある。例えば、リチウムイオン二次電池の場合、活物質中におけるリチウムイオンの拡散抵抗により、電圧の追従に遅れが生じる。特に、低温環境下において、電圧追従遅れ量が大きくなる。寒冷地での使用が想定される作業機械において、電圧追従遅れによる影響が顕著になる。電圧追従遅れが生じている期間に、端子間電圧に基づいて算出される充電状態は、精度が低い。
【０００７】
本発明の目的は、電圧追従遅れ生じても、蓄電装置の充電状態を高精度に求めることが可能な作業機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によると、
蓄電装置と、
前記蓄電装置から出力される電力で駆動される電気負荷と、
前記蓄電装置の電圧及び電流を計測する計測器と、
前記蓄電装置を流れる電流の変化に対する電圧追従遅れ量に基づいて、前記計測器の計測結果を補正して補正値を算出し、前記補正値に基づいて、前記蓄電装置の充電状態を算出する制御装置と
を有する作業機械が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
電圧追従遅れ量に基づいて、計測器の計測結果を補正するため、算出される充電状態の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは、実施例による作業機械に搭載される蓄電装置から電気負荷までの等価回路図であり、図１Ｂは、制御装置の、充電状態を算出する機能のブロック図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｄは、それぞれ補正処理部及び充電状態算出部の処理を説明するための電流の計測値、電圧の計測値、開路電圧の算出値、開路電圧の補正値の時間変化を示すグラフである。
【図３】図３Ａは、他の実施例による蓄電装置から電気負荷までの等価回路図であり、図３Ｂは、制御装置の、充電状態を算出する機能のブロック図である。
【図４】図４は、さらに他の実施例による制御装置の、充電状態を算出する機能のブロック図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｄは、それぞれ補正処理部及び充電状態算出部の処理を説明するための電流の計測値、電圧の計測値、電流の補正値、開路電圧の補正値の時間変化を示すグラフである。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、さらに他の実施例による作業機械に搭載される制御装置の、充電状態を算出する機能のブロック図である。
【図７】図７は、さらに他の実施例による制御装置の、充電状態を算出する機能のブロック図である。
【図８】図８Ａ〜図８Ｄは、それぞれ補正処理部及び充電状態算出部の処理を説明するための電流の計測値、電圧の計測値、電圧の補正値、開路電圧の補正値の時間変化を示すグラフである。
【図９】図９は、実施例による作業機械の例として示されるハイブリッド型ショベルの側面図である。
【図１０】図１０は、ハイブリッド型ショベルの制御装置の機能ブロック図である。
【図１１】図１１は、蓄電装置の充放電動作と、充電状態を算出する契機との関係を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１Ａに、作業機械に搭載される蓄電装置１０から電気負荷１２までの等価回路図を示す。蓄電装置１０の開路電圧をＶｏｃで表し、内部抵抗の値をＲｉで表す。蓄電装置１０が、昇降圧コンバータ１１を介して、電気負荷１２に接続されている。電気負荷１２に平滑キャパシタ１５が並列に接続されている。蓄電装置１０には、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等を用いてもよい。
【００１２】
計測器２０が、蓄電装置１０の端子間電圧及び充放電電流を計測する。計測器２０として、蓄電装置１０の端子間電圧を計測する電圧センサ２０Ｖと、充放電電流を計測する電流センサ２０Ａとを用いてもよい。計測器２０の計測結果が制御装置３０に入力される。
【００１３】
昇降圧コンバータ１１は、相互に直列接続された２つのスイッチング素子、及びスイッチング素子同士の接続点と蓄電装置１０との間に挿入されたインダクタを含む。スイッチング素子には、ＩＧＢＴ等を用いてもよい。各スイッチング素子に還流ダイオードが接続されている。制御装置３０がスイッチング素子のオンオフを制御することにより、蓄電装置１０の充電電流及び放電電流を制御する。
【００１４】
電気負荷１２は、インバータ１３及び旋回電動機１７を含む構成としてもよい。旋回電動機１７は、蓄電装置１０から昇降圧コンバータ１１及びインバータ１３を介して供給される電力によって駆動される。逆に、旋回電動機１７で回生された回生電力がインバータ１３で直流電力に変換される。制御装置３０が、蓄電装置１０の充電状態ＳＯＣを考慮しながら、昇降圧コンバータ１１及びインバータ１３を制御する。
【００１５】
図１Ｂに、制御装置３０の、充電状態を算出する機能のブロック図を示す。各機能は、制御装置３０内のメモリ３７に格納されているコンピュータプログラムを中央処理ユニット（ＣＰＵ）が実行することにより実現されるか、または電子回路により実現される。
【００１６】
電圧計測部３１が、電圧センサ２０Ｖの計測結果に基づいて、蓄電装置１０の端子間電圧の計測値Ｖを出力する。電流計測部３２が、電流センサ２０Ａの計測結果に基づいて、蓄電装置１０に流れている電流の計測値Ｉを出力する。本明細書において、放電電流を正と定義し、充電電流を負と定義する。メモリ３７に、補正情報Ｄｃ、及び蓄電装置１０の現時点の内部抵抗値Ｒｉが記憶されている。内部抵抗値Ｒｉは、公知の方法で計測することができる。
【００１７】
補正処理部３３が、電圧の計測値Ｖ、電流の計測値Ｉ、及び補正情報Ｄｃに基づいて、電圧の計測値Ｖまたは電流の計測値Ｉを補正して補正値を算出する。
【００１８】
充電状態算出部３４が、電圧の計測値Ｖ及び電流の計測値Ｉのうち補正されていない方の計測値、補正処理部３３で求められた補正値、及び内部抵抗値Ｒｉに基づいて、蓄電装置１０の充電状態ＳＯＣを算出する。
【００１９】
図２Ａ〜図２Ｄを参照して、補正処理部３３及び充電状態算出部３４（図１Ａ）の処理について説明する。以下、作業機械の電気負荷１２（図１Ａ）の動作（旋回動作）のための駆動電流の立ち上がりから、駆動電流の立ち下がり後に充電状態を算出するまでの期間について説明する。図２Ａに電流の計測値Ｉの時間変化を示し、図２Ｂに、電圧の計測値Ｖの時間変化を示し、図２Ｃに、蓄電装置１０の開路電圧の算出値Ｖｏｃ１の時間変化を示し、図２Ｄに開路電圧の補正値Ｖｏｃ２の時間変化を示す。
【００２０】
時刻ｔ１において、旋回動作の操作が行われると、放電電流が立ち上がり、電気負荷１２（図１Ａ）に電力が供給される。時刻ｔ３において、旋回動作の停止操作が行われると、放電電流が立ち下がり、電気負荷１２への電力の供給が停止される。時刻ｔ１よりも前、及び時刻ｔ３よりも後の電流の計測値Ｉは０である。言い換えると、電気負荷１２に電力が供給されておらず、電気負荷１２の回生電力による充電も行われていない。時刻ｔ１からｔ３までの期間の電流の計測値ＩはＩ１である。
【００２１】
電流の変化に対して電圧の計測値Ｖには、追従遅れが生じる。電圧追従遅れが生じる場合の処理を説明する前に、比較のために、電圧追従遅れが生じない例について説明する。電流の計測値Ｉの変化に対して電圧の計測値Ｖの追従遅れが生じない場合の電圧の計測値Ｖ変化を、図２Ｂのグラフに破線で示す。時刻ｔ１において、蓄電装置１０の内部抵抗に起因して、電流の計測値Ｉの変化量ΔＩに相当する電圧降下が生じるため、電圧の計測値ＶがΔＶだけ低下する。時刻ｔ１からｔ３までの期間は、放電電流が流れることにより、電圧が時間の経過とともに低下する。時刻ｔ３において、放電電流が立ち下がることにより、内部抵抗に起因する電圧降下がなくなるため、電圧の計測値ＶがΔＶだけ上昇する。時刻ｔ１の時点の開路電圧をＶｏｃｂで表し、時刻ｔ３の時点の開路電圧をＶｏｃａで表す。
【００２２】
電圧の計測値Ｖの変化量ΔＶは、
ΔＶ＝−ΔＩ・Ｒｉ・・・（１）
と表される。ここで、右辺のマイナス記号は、放電電流が増加すると、電圧が低下することを意味している。
【００２３】
一般的に、開路電圧の算出値Ｖｏｃ１は、
Ｖｏｃ１＝Ｖ＋Ｉ×Ｒｉ・・・（２）
と表される。電圧追従遅れが生じない場合には、図２Ｃのグラフに破線で示したように、開路電圧の算出値Ｖｏｃ１として、正しい開路電圧が得られる。
【００２４】
実際には、電流の計測値Ｉの変化に対して電圧の計測値Ｖに追従遅れが生じる。電圧追従遅れが生じる場合の電圧の計測値Ｖの変化を、図２Ｂのグラフに実線で示す。時刻ｔ１で電流が立ち上がると、電圧の計測値Ｖは破線のように急激には変化せず、破線で示した変化に遅れて、実線に示すように緩やかに変化する。電圧追従遅れが解消する時刻をｔ２で表す。同様に、電流が立ち下がった時刻ｔ３から電圧追従遅れが生じる。電圧追従遅れが解消する時刻をｔ４で表す。電圧追従遅れが生じる場合に求まる開路電圧の算出値Ｖｏｃ１を、図２Ｃのグラフに実線で示す。電圧追従遅れが生じている期間（ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４）の開路電圧の算出値Ｖｏｃ１は、破線で示した正しい開路電圧からずれる。このため、開路電圧の算出値Ｖｏｃ１に基づいて算出される充電状態にも、開路電圧の算出値Ｖｏｃ１のずれに起因する誤差が生じる。
【００２５】
時刻ｔ３以降において電流の計測値Ｉが０であるため、式（２）から求まる開路電圧の算出値Ｖｏｃ１は、電圧の計測値Ｖと等しい。電圧追従遅れが生じていない場合は、時刻ｔ３以降の破線で示した電圧の計測値Ｖが、正しい開路電圧Ｖｏｃａを表している。ところが、電圧追従遅れが生じている場合には、時刻ｔ３からｔ４までの期間、実線で示した電圧の計測値Ｖが開路電圧Ｖｏｃａに一致しない。このため、開路電圧の算出値Ｖｏｃ１も、正しい開路電圧Ｖｏｃａに一致しない。その結果、開路電圧の算出値Ｖｏｃ１に基づいて算出する充電状態に誤差が生じる。
【００２６】
以下に説明する実施例では、充電状態の算出値の誤差を少なくすることができる。まず、補正処理部３３（図１Ｂ）の処理について説明する。実施例においては、図２Ｂに示した電圧追従遅れ量に基づいて、電圧の計測値Ｖまたは電流の計測値Ｉが、補正処理部３３（図１Ｂ）で補正される。ここで、「電圧追従遅れ量」は、電圧追従遅れが生じない場合の電圧の計測値（図２Ｂのグラフの破線で示された値）と、実際の電圧の計測値Ｖ（図２Ｂのグラフの実線で示された値）との差を意味する。
【００２７】
電圧の計測値Ｖの補正値をＶｃで表し、電流の計測値Ｉの補正値をＩｃで表す。充電状態算出部３４が、この補正値を用いて開路電圧の補正値Ｖｏｃ２を算出する。開路電圧の補正値Ｖｏｃ２は、下記のいずれかの式で求められる。
Ｖｏｃ２＝Ｖｃ＋Ｉ×Ｒｉ・・・（３）
Ｖｏｃ２＝Ｖ＋Ｉｃ×Ｒｉ・・・（４）
式（３）では、電圧の計測値Ｖが補正され、式（４）では、電流の計測値Ｉが補正される。
【００２８】
電圧の補正値Ｖｃは、図２Ｃに示した時刻ｔ１〜ｔ２の間の電圧追従遅れ量、及び時刻ｔ３からｔ４までの電圧追従遅れ量を予め計測しておくことにより、求めることができる。計測された電圧追従遅れ量の時間変化を表す情報が、補正情報Ｄｃ（図１Ｂ）としてメモリ３７に格納されている。補正情報Ｄｃは、経過時間と電流の変化量ΔＩ（図２Ａのグラフ参照）とを変数とする関数式で表現することができる。また、補正情報Ｄｃは、この関数式に対応する数値テーブルで表わされてもよいし、電圧追従遅れ量の変化の時定数で表わされてもよい。
【００２９】
電圧の補正値Ｖｃを、図２Ｂに破線で示した電圧追従遅れが生じない場合の端子間電圧に一致させてもよい。この場合、電圧追従遅れ量がほぼ補償される。必ずしも、電圧の補正値Ｖｃを、図２Ｂに破線で示した電圧追従遅れが生じない場合の端子間電圧に完全に一致させる必要はない。電圧の補正値Ｖｃと、図２Ｂに破線で示した電圧追従遅れが生じない場合の端子間電圧との差が、電圧の計測値Ｖと、電圧追従遅れが生じない場合の端子間電圧との差より小さくなるように、補正値Ｖｃを決定してもよい。この場合、電圧追従遅れ量を完全に補償することはできないが、計測値Ｖを使って充電状態を求める場合に比べて、充電状態の誤差を小さくすることができる。
【００３０】
上述の関数式や数値テーブルには、変数として、経過時間、及び電流の変化量ΔＩの他に、蓄電装置の劣化度を示す劣化指数αを含めてもよい。電圧追従遅れ量と電流の変化量ΔＩとが比例関係を有する場合には、代表的な１つの変化量ΔＩについてのみ、関数式または数値テーブルを準備しておいてもよい。
【００３１】
電流の補正値Ｉｃは、電圧の補正値Ｖｃと同様に、予め計測された電圧追従遅れ量に基づいて、求めることができる。
【００３２】
式（３）では、電圧の計測値Ｖに代えて補正値Ｖｃを用いて開路電圧が算出される。式（４）では、電流の計測値Ｉに代えて補正値Ｉｃを用いて開路電圧が算出される。補正値Ｖｃ、Ｉｃは、電圧追従遅れを補償するように補正されているため、式（３）及び式（４）のいずれかを用いて求められた開路電圧の補正値Ｖｏｃ２は、図２Ｄに示すように、ほぼ正しい開路電圧を表していると考えることができる。
【００３３】
次に、充電状態算出部３４（図１Ｂ）の処理について説明する。充電状態算出部３４（図１Ｂ）は、開路電圧の補正値Ｖｏｃ２に基づいて、蓄電装置１０（図１Ａ）の充電状態を算出する。蓄電装置１０が電気二重層キャパシタである場合、蓄電装置１０の電圧の定格上限値をＶｍａｘ、定格下限値をＶｍｉｎで表したとき、充電状態ＳＯＣは、
ＳＯＣ＝（Ｖｏｃ２２−Ｖｍｉｎ２）／（Ｖｍａｘ２−Ｖｍｉｎ２）・・・（５）
で表される。蓄電装置１０が二次電池である場合、充電状態ＳＯＣと開路電圧とは、ある一定の関係を有する。この関係を表す関数を用いて、開路電圧の補正値Ｖｏｃ２から充電状態ＳＯＣを算出することができる。この関数は、関数式を用いて定義しておいてもよいし、数値テーブルを用いて定義しておいてもよい。
【００３４】
電圧の計測値Ｖまたは電流の計測値Ｉの補正を行わない場合には、図２Ｃのグラフに示したように、時刻ｔ３からｔ４までの期間に、正しい開路電圧を算出することができない。正しい開路電圧を算出するためには、電流の立ち下がり後、電圧追従遅れが解消するまで、すなわち時刻ｔ４まで、開路電圧の算出処理の実行を待たなければならない。電圧追従遅れが解消するまでに電流が流れ始めると、正しい開路電圧を算出することができない。
【００３５】
上記実施例では、電圧追従遅れが解消しない時刻ｔ３からｔ４までの期間でも、図２Ｄに示したように、正しい開路電圧を求めることができる。このため、充電状態ＳＯＣの算出値の信頼性を高めることができる。
【００３６】
図２Ａ〜図２Ｄでは、放電電流の立ち上がり及び立ち下がり時の電圧追従遅れについて説明したが、充電電流の立ち上がり及び立ち下がり時にも、電圧追従遅れが生じる。充電電流の立ち上がり及び立ち下がり時の電圧追従遅れに対応する補正情報Ｄｃを準備しておくことにより、放電電流の場合と同様に、電圧追従遅れが解消していない期間に、正しい開路電圧を求めることができる。
【００３７】
電流の計測値Ｉの変化量ΔＩ（図２Ａ）が小さい場合には、電圧の計測値Ｖの変化量ΔＶ（図２Ｂ）も小さい。従って、開路電圧の算出値Ｖｏｃ１（図２Ｃ）と、開路電圧の補正値Ｖｏｃ２（図２Ｄ）との差も小さい。この差が十分小さい場合には、補正処理部３３（図１Ｂ）による補正処理を行わないようにしてもよい。例えば、電流の計測値Ｉの変化量ΔＩが、ある閾値以下である場合に、補正処理を行わないようにしてもよい。
【００３８】
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、他の実施例について説明する。以下、図１Ａ〜図２Ｄに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
【００３９】
図３Ａに、蓄電装置１０から電気負荷１２までの等価回路図を示す。図３Ａに示した実施例では、蓄電装置１０に温度センサ２１が取り付けられている。温度センサ２１は蓄電装置１０の温度を計測し、計測結果が制御装置３０に入力される。図３Ａに示した実施例は、温度センサ２１が設けられている点において、図１Ａに示した実施例と異なる。
【００４０】
図３Ｂに、制御装置３０の、充電状態を算出する機能のブロック図を示す。温度計測部３５が、温度センサ２１の計測結果に基づいて、蓄電装置１０の温度Ｔを算出する。補正情報Ｄｃを定義する関数式または数値テーブルが、変数として温度Ｔを含む。補正処理部３３は、電圧の計測値Ｖ、電流の計測値Ｉ、補正情報Ｄｃの他に、温度Ｔに基づいて、補正値を算出する。
【００４１】
一般に、電圧追従遅れ量は、蓄電装置１０の温度に依存し、温度が低くなるに従って、電圧追従遅れ量が大きくなる。図３Ａ及び図３Ｂに示した実施例では、蓄電装置１０の温度Ｔに基づいて、電圧の補正値Ｖｃまたは電流の補正値Ｉｃを求めるため、特に寒冷地で使用される作業機械において、充電状態ＳＯＣの算出値の信頼性を高めることができる。
【００４２】
蓄電装置１０の温度が十分高い場合、例えば室温程度である場合、電圧追従遅れ量は小さい。電圧追従遅れ量が充電状態ＳＯＣの算出結果に与える影響が十分小さい場合、補正処理部３３（図３Ｂ）での補正処理を省略してもよい。例えば、蓄電装置１０の温度がある閾値以上の場合に、補正処理部３３（図３Ｂ）での補正処理を省略してもよい。
【００４３】
次に、図４及び図５Ａ〜図５Ｄを参照して、さらに他の実施例について説明する。以下、図１Ａ〜図２Ｄに示した実施例、及び図３Ａ〜図３Ｂに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。図４〜図５Ｄに示した実施例では、電圧追従遅れを補償するための補正の対象として、電流の計測値が採用される。
【００４４】
図４に、制御装置３０の、充電状態を算出する機能のブロック図を示す。補正処理部３３が、電流補正部３３１を含む。電流補正部３３１は、温度Ｔ及び補正情報Ｄｃに基づいて、電流の計測値Ｉを補正することにより、補正値Ｉｃを求める。充電状態算出部３４は、電圧の計測値Ｖ、電流の補正値Ｉｃ、及び内部抵抗値Ｒｉに基づいて、開路電圧の補正値Ｖｏｃ２を算出する。さらに、開路電圧の補正値Ｖｏｃ２に基づいて、充電状態ＳＯＣを算出する。
【００４５】
図５Ａ〜図５Ｄを参照して、電流補正部３３１及び充電状態算出部３４の処理について説明する。図５Ａ及び図５Ｂのグラフは、図２Ａ及び図２Ｂのグラフと同一である。図５Ｃに、電流の補正値Ｉｃの時間変化を実線で示す。比較のために、電流の計測値Ｉを破線で示す。図５Ｄに、開路電圧の補正値Ｖｏｃ２の時間変化を示す。
【００４６】
電流補正部３３１（図４）は、電圧追従遅れ量に相当する大きさの仮想電流Ｉｖを、電流の計測値Ｉに重畳することにより、電流の補正値Ｉｃ＝Ｉ＋Ｉｖを求める。時刻ｔ１からｔ２までの期間、負の仮想電流Ｉｖが重畳され、時刻ｔ３からｔ４までの期間、正の仮想電流Ｉｖが重畳される。仮想電流Ｉｖの時間変化は、経過時間ｔ、蓄電装置１０の温度Ｔ、蓄電装置の劣化指数α、及び電流の変化量ΔＩを変数として、関数式で定義される。この関数式が、補正情報Ｄｃに相当する。この関数式は、下記のように表すことができる。
Ｉｖ＝α×ｆｉ（ｔ，ΔＩ，Ｔ）・・・（６）
ここで、ｆｉ（ｔ，ΔＩ，Ｔ）は、経過時間ｔ、温度Ｔ、及び電流の変化量ΔＩを変数とする関数である。蓄電装置１０の内部抵抗に仮想電流Ｉｖが流れることにより、電圧追従遅れ量に相当する電圧降下が発生するように関数ｆｉが決定される。具体的には、蓄電装置１０の充放電電流の立ち上がりまたは立ち下がり後の電圧の変化を計測して、電圧追従遅れ量を求めることにより、関数ｆｉを決定することができる。
【００４７】
式（６）の関数ｆｉに代えて、補正情報Ｄｃとして、経過時間ｔ、温度Ｔ、及び電流の変化量ΔＩを変数とする数値テーブルを準備しておいてもよい。
【００４８】
充電状態算出部３４（図４）は、電流補正部３３１で求められた補正値Ｉｃを式（４）に代入することにより開路電圧の補正値Ｖｏｃ２を算出する。開路電圧の補正値Ｖｏｃ２の算出式に仮想電流Ｉｖを導入することにより、図５Ｄに示したように、電圧追従遅れの影響を回避して、実際の開路電圧に近い補正値Ｖｏｃ２を求めることができる。
【００４９】
図６Ａに、さらに他の実施例による作業機械に搭載される制御装置３０の、充電状態を算出する機能のブロック図を示す。以下、図４及び図５Ａ〜図５Ｄに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
【００５０】
電流補正部３３１が、電流の計測値Ｉに対して、電圧追従遅れ量に対応する一次遅れフィルタ処理を施すことにより、補正値Ｉｃを算出する。一次遅れフィルタの伝達関数は、ＫＬ／（ＴＬｓ＋１）と表される。ここで、ＫＬはゲインであり、ＴＬは時定数である。ゲインＫＬ及び時定数ＴＬは温度Ｔに依存し、補正情報Ｄｃとして準備されている。電流の補正値Ｉｃが充電状態算出部３４に入力される。
【００５１】
図６Ｂに示すように、一次遅れフィルタ処理に代えて、二次遅れフィルタ処理を行ってもよい。二次遅れフィルタの伝達関数は、ＫＬ／（（ｓ／ＯＮ）２＋（２ＺＴ／ＯＮ）ｓ＋１）と表される。ここで、ＫＬはゲインであり、ＯＮは固有角周波数であり、ＺＴは減衰係数である。ゲインＫＬ、固有角周波数ＯＮ、及び減衰係数ＺＴは温度Ｔに依存し、補正情報Ｄｃとして準備されている。
【００５２】
一次遅れフィルタ及び二次遅れフィルタの伝達関数を定義する各パラメータは、電圧追従遅れ量に対応して、決定されている。具体的には、蓄電装置１０の内部抵抗によって、電圧追従遅れ量に相当する電圧降下が重畳して発生するように、一次遅れフィルタ及び二次遅れフィルタの伝達関数を定義する各パラメータが決定される。これにより、電圧追従遅れの影響を回避して、実際の開路電圧に近い補正値Ｖｏｃ２を求めることができる。
【００５３】
次に、図７及び図８Ａ〜図８Ｄを参照して、さらに他の実施例について説明する。以下、図１Ａ〜図２Ｄに示した実施例、及び図３Ａ〜図３Ｂに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。図７〜図８Ｄに示した実施例では、電圧追従遅れを補償するための補正の対象として、電圧の計測値が採用される。
【００５４】
図７に、制御装置３０の、充電状態を算出する機能のブロック図を示す。補正処理部３３が、電圧補正部３３３を含む。電圧補正部３３３は、電流の計測値Ｉの変化量ΔＩ（後述の図８Ａ）、温度Ｔ及び補正情報Ｄｃに基づいて、電圧の計測値Ｖを補正することにより、補正値Ｖｃを求める。充電状態算出部３４は、電圧の補正値Ｖｃ、電流の計測値Ｉ、及び内部抵抗値Ｒｉに基づいて、開路電圧の補正値Ｖｏｃ２を算出する。
【００５５】
図８Ａ〜図８Ｄを参照して、電圧補正部３３３及び充電状態算出部３４の機能について説明する。図８Ａ及び図８Ｂのグラフは、図２Ａ及び図２Ｂのグラフと同一である。図８Ｃに、電圧の補正値Ｖｃの時間変化を実線で示す。比較のために、電圧の計測値Ｖを破線で示す。図８Ｄに、開路電圧の補正値Ｖｏｃ２の時間変化を示す。
【００５６】
電圧補正部３３３（図７）は、電圧追従遅れ量に相当する大きさの仮想電圧Ｖｖを、電圧の計測値Ｖに重畳することにより、電圧の補正値Ｖｃを求める。時刻ｔ１からｔ２までの期間、負の仮想電圧Ｖｖが重畳され、時刻ｔ３からｔ４までの期間、正の仮想電圧Ｖｖが重畳される。仮想電圧Ｖｖの時間変化は、電圧追従遅れ量の時間変化に対応しており、経過時間ｔ、蓄電装置１０の温度Ｔ、蓄電装置の劣化指数α、及び電流の変化量ΔＩを変数として、関数式で定義される。この関数式が、補正情報Ｄｃに相当する。この関数式は、下記のように表すことができる。
Ｖｖ＝α×ｆｖ（ｔ，ΔＩ，Ｔ）・・・（７）
ここで、ｆｖ（ｔ，ΔＩ，Ｔ）は、経過時間ｔ、温度Ｔ、及び電流の変化量ΔＩを変数とする関数である。この関数ｆｖは、蓄電装置１０の充放電電流の立ち上がりまたは立ち下がり後の電圧の変化を計測することにより、決定することができる。
【００５７】
式（７）の関数ｆｖに代えて、経過時間ｔ、温度Ｔ、及び電流の変化量ΔＩを変数とする数値テーブルを準備しておいてもよい。
【００５８】
充電状態算出部３４は、電圧補正部３３３で求められた補正値Ｖｃを式（３）に代入することにより開路電圧の補正値Ｖｏｃ２を算出する。開路電圧の補正値Ｖｏｃ２の算出式に電圧の補正値Ｖｃを導入することにより、図８Ｄに示したように、電圧追従遅れの影響を回避して、実際の開路電圧に近い補正値Ｖｏｃ２を求めることができる。
【００５９】
図９に、実施例による作業機械の例としてハイブリッド型ショベルの側面図を示す。下部走行体５１に上部旋回体５２が旋回可能に搭載されている。上部旋回体に５２に、エンジン１６、電動発電機１４、旋回電動機１７、蓄電装置１０、制御装置３０、電力変換装置１８、油圧系メインポンプ６０が搭載されている。作業者が操作レバー６３を操作する。
【００６０】
上部旋回体５２に、ブーム５３、アーム５４、及びバケット５５が連結されている。ブームシリンダ５６、アームシリンダ５７、及びバケットシリンダ５８が、それぞれブーム５３、アーム５４、及びバケット５５を駆動する。電動発電機１４が、蓄電装置１０からの電力により、エンジン１６をアシストするとともに、エンジン１６からの動力により発電を行う。発電された電力により、蓄電装置１０が充電される。
【００６１】
旋回電動機１７が、蓄電装置１０からの電力により上部旋回体５２を旋回させるとともに、上部旋回体５２の制動時に回生電力を発生する。回生電力により蓄電装置１０が充電される。油圧系メインポンプ６０が、エンジン１６の動力により駆動され、ブームシリンダ５６、アームシリンダ５７、およびバケットシリンダ５８に作動油を供給する。電力変換装置１８は、蓄電装置１０の充放電用の昇降圧コンバータ１１（図１Ａ）、電動発電機１４用のインバータ、及び旋回電動機１７用のインバータ１３（図１Ａ）を含む。制御装置３０が、電力変換装置１８及びエンジン１６を制御する。エンジン１６及び蓄電装置１０に対して、油圧系メインポンプ６０が油圧負荷として作用し、旋回電動機１７が電気負荷１２（図１Ａ）として作用する。
【００６２】
図１０に、制御装置３０の機能ブロック図を示す。充電状態算出部３４が蓄電装置１０の充電状態ＳＯＣを算出する。充電状態算出部３４は、図１Ｂ、図３Ｂ、図４、図６Ａ、図６Ｂ、または図７で説明した充電状態算出部３４に相当する。出力要求値算出部４０が、操作レバー６３の操作量に応じて、油圧負荷（油圧系メインポンプ６０）及び電気負荷１２（図１Ａ）に対する出力要求値Ｐｒｑを算出する。エンジン回転数計測部４１がエンジン１６の回転数Ｎｅを計測する。
【００６３】
出力配分決定部４２が、出力要求値Ｐｒｑ、エンジンの回転数Ｎｅ、及び充電状態ＳＯＣに基づいて、電気出力Ｐｏｅと機械出力Ｐｏｍとを決定する。具体的には、出力要求値Ｐｒｑの一部を電気出力Ｐｏｅに割り当て、残りを機械出力Ｐｏｍに割り当てる。蓄電装置充放電制御部４３が、電気出力Ｐｏｅに基づいて、電力変換装置１８を制御する。エンジン制御部４４が、機械出力Ｐｏｍに基づいて、エンジン１６を制御する。
【００６４】
出力配分決定部４２は、蓄電装置１０の過放電や過充電が生じないように、電気出力Ｐｏｅを決定する。一例として、充電状態ＳＯＣが許容上限値に近づくと、電気出力Ｐｏｅを大きくすることが可能である。充電状態ＳＯＣが許容下限値に近づくと、蓄電装置１０から電気出力を取り出すことができないため、電気出力Ｐｏｅが負に設定される。負の電気出力Ｐｏｅは、蓄電装置１０が充電されることを意味する。
【００６５】
図１１に、蓄電装置１０の充放電動作、及び充電状態ＳＯＣを算出する契機のタイミングチャートを示す。図１１では、蓄電装置１０に充放電電流が流れている期間、充放電電流を積算して充電状態ＳＯＣを算出する電流積算法が適用される例を示す。
【００６６】
図１１の上段に、電流の計測値Ｉの時間変化を示す。作業機械の動作に応じて、蓄電装置１０の充放電電流が流れ、動作していない期間は、充放電電流が０になる。時刻ｔ１０において放電電流が立ち下がる。時刻ｔ１１からｔ１２までの期間に放電電流が流れ、時刻ｔ１３からｔ１４までの期間に充電電流が流れる。時刻ｔ１５において、放電電流が立ち上がる。
【００６７】
図１１の上から２段目に、電圧の計測値Ｖの時間変化を示す。比較のために、電圧追従遅れが発生しない場合の電圧の時間変化を破線で示している。放電電流が流れている期間は、電圧の計測値Ｖが時間の経過とともに低下し、充電電流が流れている期間は、電圧の計測値Ｖが時間の経過とともに上昇する。充放電電流が急激に、例えば不連続に変化した直後に、電圧追従遅れが発生する。図１１において、時刻ｔ１０、ｔ１１、ｔ１２、ｔ１３、ｔ１４、及びｔ１５の直後に、電圧追従遅れが発生している。電流が０になる時刻ｔ１０、ｔ１２、ｔ１４で発生した電圧追従遅れは、それぞれ次の電流が流れ始める時刻ｔ１１、ｔ１３、ｔ１５までに解消していない。
【００６８】
充放電電流が流れている期間（ｔ１１〜ｔ１２、ｔ１３〜ｔ１４）は、電流積算法により、周期的に充電状態ＳＯＣが算出される。時刻ｔ１０、ｔ１２、ｔ１４において充放電電流が０になると、図１Ａ〜図８Ｄに示した電圧追従遅れを考慮した方法を用いて、充電状態ＳＯＣが算出される。
【００６９】
図１１に示した例では、電流が０になって、次に電流が流れ始めるまでに、電圧追従遅れが解消しない。このため、電圧追従遅れを考慮しない方法では、電流が０になっている期間に充電状態ＳＯＣを求めることができない。その結果、電流積算法のみで充電状態ＳＯＣを算出する期間が長く続いてしまう。電流積算法のみで充電状態ＳＯＣを算出すると、電流計測値の誤差が累積されて、算出された充電状態ＳＯＣと、正しい充電状態ＳＯＣとの差が大きくなってしまう可能性がある。
【００７０】
充電状態ＳＯＣの算出値の信頼性が低い場合には、過充電及び過放電を防止するために、充電状態ＳＯＣの許容上限値を定格上限値より低く設定し、許容下限値を定格下限値より高く設定することが望ましい。このため、蓄電装置１０の利用効率が低下してしまう。
【００７１】
図１１に示したように、電流が０になっている期間に、電圧追従遅れを考慮した方法で充電状態ＳＯＣを算出することにより、電流積算法を用いることによる充電状態ＳＯＣの誤差の累積を解消することができる。充電状態ＳＯＣの算出値の信頼性が高いため、充電状態ＳＯＣの許容上限値を定格上限値とほぼ等しくし、許容下限値を定格下限値とほぼ等しくすることが可能である。これにより、蓄電装置１０の利用効率を高めることができる。
【００７２】
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】
【００７３】
１０  蓄電装置
１１  昇降圧コンバータ
１２  電気負荷
１３  インバータ
１４  電動発電機
１５  平滑キャパシタ
１６  エンジン
１７  旋回電動機
１８  電力変換装置
２０  計測器
２０Ａ  電流センサ
２０Ｖ  電圧センサ
２１  温度センサ
３０  制御装置
３１  電圧計測部
３２  電流計測部
３３  補正処理部
３４  充電状態算出部
３５  温度計測部
３７  メモリ
４０  出力要求算出部
４１  エンジン回転数計測部
４２  出力配分決定部
４３  蓄電装置充放電制御部
４４  エンジン制御部
５１  下部走行体
５２  上部旋回体
５３  ブーム
５４  アーム
５５  バケット
５６  ブームシリンダ
５７  アームシリンダ
５８  バケットシリンダ
６０  油圧系メインポンプ
６３  操作レバー
３３１  電流補正部
３３３  電圧補正部
Ｄｃ  補正情報
Ｉ  電流の計測値
Ｉｃ  電流の補正値
Ｉｖ  仮想電流
Ｎｅ  エンジンの回転数
Ｐｏｅ  電気出力
Ｐｏｍ  機械出力
Ｐｒｑ  出力要求値
Ｒｉ  内部抵抗値
ＳＯＣ  充電状態
Ｔ  蓄電装置の温度
Ｖ  電圧の計測値
Ｖｃ  電圧の補正値
Ｖｏｃ１  開路電圧の算出値
Ｖｏｃ２  開路電圧の補正値
Ｖｖ  仮想電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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