JP2013129969A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタを含む電気系部品の故障の発生および故障部位を、機械の動作時に自動的かつ速やかに判別できる故障診断機能を備え、修理や部品交換等のメンテナンス性向上を図ることできる建設機械を提供する。
【解決手段】電動モータと、蓄電デバイスとしてのキャパシタと、電動モータとキャパシタとの間に設けたインバータ及び直流電圧変換器と、直流電圧変換器とキャパシタとの間に設けたリレーとを備え、電動モータとキャパシタとの間で電力の授受を可能とした建設機械において、直流電圧変換器のリレー側に直流電圧変換器の一次側電圧を検知する電圧センサを有し、前記リレーにより前記直流電圧変換器と前記キャパシタとが接続されてからの前記電圧センサの検出電圧の変化率を演算することにより、直流電圧変換器及びキャパシタを含む電気系部品の故障を判定する故障判定手段を備えた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、建設機械に係り、特に電動モータと蓄電装置とを備えた建設機械に関する。

例えば油圧ショベルのような建設機械においては、動力源として、ガソリン、軽油等の燃料を用い、エンジンによって油圧ポンプを駆動して油圧を発生することにより油圧モータ、油圧シリンダといった油圧アクチュエータを駆動する。油圧アクチュエータは、小型軽量で大出力が可能であり、建設機械のアクチュエータとして広く用いられている。

一方で、近年、電動モータ及び蓄電デバイス（バッテリや電気二重層キャパシタ等）を用いることにより、油圧アクチュエータのみを用いた従来の建設機械よりエネルギ効率を高め、省エネルギ化を図った建設機械が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

電動モータ（電動アクチュエータ）は油圧アクチュエータに比べてエネルギ効率が良い、制動時の運動エネルギを電気エネルギとして回生できる（油圧アクチュエータの場合は熱にして放出）といった、エネルギ的に優れた特徴がある。

例えば、特許文献１に示される従来技術では、旋回体の駆動アクチュエータとして電動モータを搭載した油圧ショベルの実施の形態が示されている。油圧ショベルの旋回体を走行体に対して旋回駆動するアクチュエータ（従来は油圧モータを使用）は、使用頻度が高く、作業において起動停止、加速減速を頻繁に繰り返す。

このとき、減速時（制動時）における旋回体の運動エネルギは、油圧アクチュエータの場合は油圧回路上で熱として捨てられるが、電動モータの場合は電気エネルギとしての回生が見込めることから、省エネルギ化が図れる。

ところで、このような建設機械における蓄電装置であるキャパシタは、過酷な環境下で長時間使用されることにより、劣化が進行し易い。キャパシタの劣化は、建設機械の作業能力を低下させるので、キャパシタなどの蓄電装置を車載した状態で、キャパシタの劣化状態を事前に判定することのできる蓄電装置の劣化判定装置がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−０１６７０４号公報 特開２００９−２２７０４４号公報

上述した特許文献２の従来技術によれば、キャパシタの劣化判定を事前に行うことができる。しかしながら、例えば、建設機械における蓄電装置や電圧変換器等の電気部品のいずれかに故障が発生すると、キャパシタへの充電や、キャパシタからの電力の供給が正常に行われなくなってしまう。上述した特許文献２の従来技術は、このような電気部品全体における故障部位の判別については考慮されていないので、このような場合に、故障部位を速やかに判定し、修理や部品交換を迅速に行うことは難しかった。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、蓄電装置として特にキャパシタを備えた建設機械において、キャパシタを含む電気系部品の故障の発生および故障部位を、機械の動作時に自動的かつ速やかに判別できる故障診断機能を備え、修理や部品交換等のメンテナンス性向上を図ることできる建設機械を提供するものである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、電動モータと、蓄電デバイスとしてのキャパシタと、前記電動モータと前記キャパシタとの間に設けたインバータ及び直流電圧変換器と、前記直流電圧変換器と前記キャパシタとの間に設けたリレーとを備え、前記電動モータと前記キャパシタとの間で電力の授受を可能とした建設機械において、前記直流電圧変換器の前記リレー側に前記直流電圧変換器の一次側電圧を検知する電圧センサと、前記リレーにより前記直流電圧変換器と前記キャパシタとが接続されてからの前記電圧センサの検出電圧の変化率を演算し、この変化率を用いて前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障を判定する故障判定手段とを備えたものとする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記故障判定手段は、前記リレーにより前記直流電圧変換器と前記キャパシタが接続されてから所定時間経過後の前記電圧センサの検出電圧の変化率を算出する変化率算出手段と、前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障時における前記直流電圧変換器の一次側電圧の変化率を予め記憶した記憶手段と、前記変化率算出手段で算出した変化率と前記記憶手段における変化率とを比較することにより前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障を判定する判定部とを備えたことを特徴とする。

更に、第３の発明は、第１の発明において、前記故障判定手段は、前記リレーにより前記直流電圧変換器と前記キャパシタが接続されてから所定時間経過後の前記電圧センサの検出電圧の変化率を算出する変化率算出手段と、前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障時の故障部位毎における前記直流電圧変換器の一次側電圧の変化率を予め記憶した記憶手段と、前記変化率算出手段で算出した変化率と前記記憶手段における変化率とを比較することにより前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障部位を判定する判定部とを備えたことを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、前記記憶手段は、前記直流電圧変換器が故障した場合の前記直流電圧変換器の一次側電圧の変化率である第１の設定値と、前記直流電圧変換器と前記キャパシタとを接続するケーブル又は前記キャパシタが故障した場合の前記直流電圧変換器の一次側電圧の変化率である第２の設定値とを予め記憶し、前記判定部は、前記変化率算出手段で算出した変化率が前記第１の設定値を超えたときに、前記直流電圧変換器と前記キャパシタとを接続するケーブル又は前記キャパシタの故障と判定し、前記変化率算出手段で算出した変化率が前記第２の設定値未満のときに前記直流電圧変換器の故障と判定することを特徴とする。

更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記故障判定手段は、電気系部品の故障及び／または故障部位を表示する出力信号を報知装置及び／またはホストコンピュータ等へ無線送信する無線通信端末に出力することを特徴とする。

本発明によれば、電動モータと蓄電装置としてキャパシタを備えた建設機械において、キャパシタや電圧変換器を含む電気系部品の故障の発生および故障部位を、機械の起動時に速やかかつ確実に判別することができるので、修理や部品交換等のメンテナンス性が向上する。

本発明の建設機械の一実施の形態を示す側面図である。 本発明の建設機械の一実施の形態を構成する主要電動・油圧機器のシステム構成図である。 本発明の建設機械の一実施の形態を構成する主要電動システムのパワー回路図である。 本発明の建設機械の一実施の形態を構成する故障判定手段の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の建設機械の一実施の形態を構成する故障判定手段における各故障部位のキャパシタ電圧の特性を示す特性図である。 本発明の建設機械の一実施の形態を構成する故障判定手段におけるキャパシタ電圧の変化率と故障部位との関係を示す表図である。 本発明の建設機械の一実施の形態を構成する故障判定手段における故障診断のフローチャート図である。

以下、建設機械として油圧装置と電動機とを備えたハイブリッド油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は、建設機械全般（作業機械を含む）に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。図１は本発明の建設機械の一実施の形態を示す側面図、図２は本発明の建設機械の一実施の形態を構成する主要電動・油圧機器のシステム構成図、図３は本発明の建設機械の一実施の形態を構成する主要電動システムのパワー回路図である。

図１において、ハイブリッド式油圧ショベルは走行体１０と、走行体１０上に旋回可能に設けた旋回体２０及びショベル機構３０を備えている。

走行体１０は、一対のクローラ１１ａ，１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ，１２ｂ（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１ａ，１１ｂを独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３、１４及びその減速機構等で構成されている。

旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジン２２により駆動されるアシスト発電モータ２３と、旋回電動モータ２５及び旋回油圧モータ２７と、アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５に接続される電気二重層のキャパシタ２４と、旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転を減速する減速機構２６等から構成されている。旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の駆動力は、減速機構２６を介して旋回体２０（旋回フレーム２１）に伝達されるので、旋回体２０（旋回フレーム２１）は走行体１０に対して旋回駆動する。

また、旋回体２０にはショベル機構（フロント装置）３０が搭載されている。ショベル機構３０は、旋回体フレーム２１に俯仰動可能に設けたブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。

さらに、旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述した走行用油圧モータ１３，１４、旋回油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧システム４０が搭載されている。油圧システム４０は、油圧を発生する油圧源となる油圧ポンプ４１（図２）及び各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブ４２（図２）を含み、油圧ポンプ４１はエンジン２２によって駆動される。

次に、油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成について概略説明する。図２に示すように、エンジン２２の駆動力は油圧ポンプ４１に伝達されている。コントロールバルブ４２は、図示しない旋回用の操作レバー装置からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、旋回油圧モータ２７に供給される圧油の流量と方向を制御する。また、コントロールバルブ４２は、旋回以外の操作レバー装置からの操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６及び走行用油圧モータ１３，１４に供給される圧油の流量と方向を制御する。

主要電動システムは、上述したアシスト発電モータ２３、旋回電動モータ２５、これらを駆動制御する電気部品からなるパワーコントロールユニット５５、メインコントローラ８０、及び電気二重層のキャパシタ２４を有し、キャパシタ２４とパワーコントロールユニット５５との電気的接続を制御するリレー等を備えるキャパシタユニット５６とを備えている。

キャパシタ２４からの直流電力は直流電圧変換器（チョッパ）５１によって所定の母線電圧に昇圧されて、旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５２、アシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５３に入力される。平滑コンデンサ５４は、母線電圧を安定化させるために設けられている。旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転軸は連結されており、減速機構２６を介して旋回体２０を駆動する。アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、キャパシタ２４は充放電されることになる。

コントローラ８０は、マイコン及び電気回路から構成される制御装置であり、エンジンキースイッチ（図示せず）によって起動し、操作指令信号、圧力信号及び回転速度信号等の図２に示されない信号を用いて、コントロールバルブ４２、パワーコントロールユニット５５、キャパシタユニット５６に対する制御指令を生成し、油圧、電動システム、及びエンジン２２の運転制御を行う。また、後述するように、ハイブリッド油圧ショベル始動時に、キャパシタ２４を含む電気系部品の故障の発生および故障部位を、自動的かつ速やかに判別する故障診断を実行する故障判定手段８１（図４参照）を備えている。故障判定手段８１により判別された電気系部品の故障の発生および故障部位は、報知装置８２によりオペレータに報知されると共に、無線通信端末１００にも出力される。無線通信端末１００は、コントローラ８０が収集する機器データや上述した電気系部品の故障の発生および故障部位をホストコンピュータ等に対して無線送信する。また、電磁比例バルブ７５は、メインコントローラ８０からの電気信号を油圧パイロット信号に変換するものであって、この油圧パイロット信号によって、コントロールバルブ４２が制御される。

次に、本発明の建設機械の一実施の形態を構成する主要電動システムのパワー回路を図３を用いて説明する。図３において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
キャパシタユニット５６には、キャパシタ２４の正極と直流電圧変換器５１の一次側の正極との間の電気的接続を開閉する開閉スイッチとして正側リレー５７ｂが、キャパシタ２４の負極と直流電圧変換器５１の母線の負極との間の電気的接続を開閉する開閉スイッチとして負側リレー５７ｃが、それぞれ設けられている。また、突入電流防止回路が、正側リレー５７ｂの接点をバイパスするように、突入電流防止リレー５７ａと突入電流防止抵抗５８とで構成されている。具体的には、突入電流防止リレー５７ａの一方の固定接点が、正側リレー５７ｂのキャパシタ２４側の固定接点と接続され、突入電流防止リレー５７ａの他方の固定接点が突入電流防止抵抗５８の一端と接続され、突入電流防止抵抗５８の他端が、正側リレー５７ｂの直流電圧変換器５１側の固定接点と接続されている。

突入電流防止回路は、直流電圧変換器５１内の平滑コンデンサ８８が充電されていない状態において、直流電圧変換器５１とキャパシタ２４を接続する時に流れる過大な電流の発生を防止するものである。具体的には、正側リレー５７ｂが閉動作する前に、突入電流防止リレー５７ａを閉動作させて、突入電流防止回路の経路で電流を制限して直流電圧変換器５１内のコンデンサ８８を充電する。

直流電圧変換器５１は、８５，８６で示す２個のパワートランジスタ１ＩＧＢＴと２ＩＧＢＴと、リアクトル８７と、平滑コンデンサ８８とを備えている。

リアクトル８７は、一端が端子９１と接続ケーブル９２と正側リレー５７ｂとを介してキャパシタ２４の正極に接続され、他端が１ＩＧＢＴ８５のソース及び２ＩＧＢＴ８６のドレインに接続されている。１ＩＧＢＴ８５のドレインは、主平滑コンデンサ５４の一端、アシスト発電モータ用インバータ５３、及び電動旋回モータ用インバータ５２の一端に接続されている。２ＩＧＢＴ８６のソースは、負側リレー５７ｃを介してキャパシタ２４の負極、主平滑コンデンサ５４の他端、アシスト発電モータ用インバータ５３、及び電動旋回モータ用インバータ５２の他端に接続されている。また、リアクトル８７の一端には、平滑コンデンサ８８の一端が接続され、平滑コンデンサ８８の他端は、２ＩＧＢＴ８６のソースに接続されている。

コントローラ８０からの指令を受けて１ＩＧＢＴ８５，２ＩＧＢＴ８６を交互に開閉させることにより、キャパシタ２４の電圧を所定の母線電圧に昇圧させ、母線電圧を所定の一定値付近に制御する動作を行う。

直流電圧変換器５１のキャパシタ側端子の電圧（一次側電圧）Ｖ１を計測する電圧検出手段である電圧センサ８９と、直流電圧変換器５１の母線側端子の電圧（二次側電圧）Ｖ２を計測する電圧検出手段である電圧センサ９０とが、直流電圧変換器５１の一次側と二次側にそれぞれ設けられている。電圧センサ８９，９０によって計測された各電圧値Ｖ１，Ｖ２は、ハイブリッド油圧ショベルの始動時の電気系部品の故障の発生及び故障部位を判定する為にコントローラ８０にそれぞれ入力されている。コントローラ８０には、後述する故障判定手段８１（図４参照）が設けられている。

主平滑コンデンサ５４は直流電圧を平滑する。アシスト発電モータ用インバータ５３及び電動旋回モータ用インバータ５２は、一方に直流電圧変換器５１及び主平滑コンデンサ５４が接続され、他方にはアシスト発電モータ２３と電動旋回モータ２５とがそれぞれ接続されている。

アシスト発電モータ用インバータ５３及び旋回電動モータ用インバータ５２は、例えばＩＧＢＴのようなスイッチング素子６個からなるブリッジ回路で構成されている。アシスト発電モータ用インバータ５３及び旋回電動モータ用インバータ５２は、双方向に電力変換を行う。

アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５を駆動する場合には、コントローラ８０からの指令を受けて、電流のON/OFFを繰り返し、パルス幅を変動させることで直流電力変換器５１の二次側の母線から三相交流を生成する力行制御を行う。一方、アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５からの電力をキャパシタ２４へ充電する場合には、コントローラ８０からの指令を受けて、電流のON/OFFを繰り返し、パルス幅を変動させることで三相交流から直流電力変換器５１の二次側の母線に直流電力を生成して回生制御する。この直流電力を供給することでキャパシタ２４を充電する。

次に、コントローラ８０で実行するハイブリッド油圧ショベル始動時の電気系部品の故障の発生および故障部位を判別する故障判定手段について図４乃至図６を用いて説明する。図４は本発明の建設機械の一実施の形態を構成する故障判定手段の構成を示す機能ブロック図、図５は本発明の建設機械の一実施の形態を構成する故障判定手段における各故障部位のキャパシタ電圧の特性を示す特性図、図６は本発明の建設機械の一実施の形態を構成する故障判定手段におけるキャパシタ電圧の変化率と故障部位との関係を示す表図である。図４乃至図６において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

故障判定手段８１は、図４に示すように、記憶手段８１ａと、変化率算出手段８１ｂと、電圧比較手段８１ｃと、変化率比較手段８１ｄと、判定部８１ｅとを備えている。また、故障判定手段８１には、電圧センサ８９が検出した直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１と、電圧センサ９０が検出した直流電圧変換器５１の二次側電圧Ｖ２が入力されている。さらに、故障判定手段８１からは、無線通信端末１００と報知装置８２へ、電気系部品の故障の発生および故障部位を報知する信号が出力されている。

記憶手段８１ａには、後述する直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率の閾値ＫＶ１ＳＬ１，ＫＶ１ＳＬ２と、直流電圧変換器５１の二次側電圧Ｖ２の閾値ＫＶ２ＳＬと、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の閾値ＫＶＩＧ１Ｓとが記憶されている。

変化率算出手段８１ｂには、電圧センサ８９が検出した直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１が入力される。変化率算出手段８１ｂは、後述する演算方法によりこの一次側電圧Ｖ１の変化率を算出する。算出された変化率は変化率比較手段８１ｄに出力される。

電圧比較手段８１ｃには、電圧センサ８９が検出した直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１と、電圧センサ９０が検出した直流電圧変換器５１の二次側電圧Ｖ２と、記憶手段８１ａからの閾値ＫＶ２ＳＬとＫＶＩＧ１Ｓとが入力される。電圧比較手段８１ｃは、これらの入力信号を比較演算して、その結果を判定部８１ｅに出力する。

変化率比較手段８１ｄには、変化率算出手段８１ｂからの出力信号と、記憶手段８１ａからの閾値ＫＶ１ＳＬ１とＫＶ１ＳＬ２とが入力される。変化率比較手段８１ｄは、これらの入力信号を比較演算して、その結果を判定部８１ｅに出力する。

判定部８１ｅには、電圧比較手段８１ｃからの出力信号と、変化率比較手段８１ｄからの出力信号とが入力される。判定部８１ｅは、これらの入力信号から電気系部品の故障の発生および故障部位を判定し、この判定信号を無線通信端末１００と報知装置８２へ出力する。

次に、故障判定手段８１の処理内容について説明する。
本発明の建設機械の一実施の形態の油圧ショベルにおける始動は、まず、図示しないイグニッションキーをオンからスタート位置にして、エンジン２２、油圧ポンプ４１を起動させる。この後に、コントローラ８０によるキャパシタ２４の初期充放電制御が実行される。キャパシタ２４の初期充放電制御は、パワーコントロールユニット５５を起動し、インバータ５２，５３及び主平滑コンデンサ５４の初期充電処理とリレー５７ａ〜ｃの接続処理を行い、キャパシタ２４の初期充電等を行うものである。

このキャパシタ２４の初期充放電制御におけるリレー５７ａ〜ｃの接続処理後の直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の挙動をコントローラ８０の故障判定手段８１で監視することで、キャパシタ２４を含む電気系部品の故障の発生および故障部位を判別することができる。

図５において、横軸は時間を示していて、縦軸は直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１を示している。また、特性線の実線（ａ）〜（ｃ）は、キャパシタユニット５６等の電気部品等が正常である場合の直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の特性を、点線は、キャパシタユニット５６内のケーブル、リレーの断線や、キャパシタユニットへの接続ケーブル９２の断線、端子９１の接触不良等いわゆるキャパシタユニット側断線が生じている場合の直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の特性を、一点鎖線（ａ’）〜（ｃ’）は、直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５、およびリアクトル８７が断線している場合、または直流電圧変換器５１の２ＩＧＢＴ８６が短絡している場合の直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の特性をそれぞれ示している。また、時刻Ｔ１は突入電流防止リレー５７ａを接続し、直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５をゲートオンした時刻を示す。

まず、直流電圧変換器５１、キャパシタユニット５６等の電気系部品およびこれらの接続が正常である場合について説明する。時刻Ｔ１において、突入電流防止リレー５７ａを接続し、直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５をゲートオンするので、キャパシタ２４から直流電圧変換器５１の平滑コンデンサ８８に電流が急激に流入する。このことにより、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１は実線（ａ）〜（ｃ）のようにキャパシタ２４の電圧（初期電圧）まで直ちに上昇する。この初期電圧はキャパシタ２４の充電状態により異なる。実線（ａ）はキャパシタ２４の充電量が多い場合の特性を、実線（ｂ）はキャパシタ２４の充電量が少ない場合の特性を、実線（ｃ）はキャパシタ２４の充電量がほとんどない場合の特性をそれぞれ示している。

直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１が初期電圧まで上昇した後は、アシスト発電モータ２３からの電力が、アシスト発電モータ用インバータ５３と直流電圧変換器５１とを介してキャパシタ２４に流入し、キャパシタ２４を充電する。このため、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１は初期電圧から徐々に上昇する。このときの直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率は、キャパシタ２４の静電容量とキャパシタ２４への充電電流によって定まる。

ここで、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１が初期電圧まで上昇した後の時刻をＴ２とし、時刻Ｔ２から所定の時間経過後の時刻をＴ３と設定している。ここで、時刻Ｔ２は変化率を求める際の電圧下限値を規定する時刻であって、時刻Ｔ２と時刻Ｔ１との時間ΔＴ１は、例えば１０ｍｓとする。

また、時刻Ｔ３は変化率を求める際の電圧上限値を規定する時刻であって、キャパシタユニット５６内のケーブルが断線した状態における一次側電圧Ｖ１の変化特性が飽和する前の時刻とする。時刻Ｔ３と時刻Ｔ２との時間ΔＴ２は、例えば、５０ｍｓとする。

一方、キャパシタユニット５６内のケーブル、リレー５７ａ〜ｃの断線や、キャパシタユニット５６への接続ケーブル９２の断線、端子９１の接触不良等いわゆるキャパシタユニット側断線が生じている場合には、突入電流防止リレー５７ａを接続し、直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５をゲートオンする時刻Ｔ１の後に、アシスト発電モータ２３からの電流はキャパシタ２４に流入せず、直流電圧変換器５１の平滑コンデンサ８８のみに流入する。この直流電圧変換器５１の平滑コンデンサ８８の静電容量はキャパシタ２４の静電容量に比べて十分に小さいので、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１は点線（ｄ）で示すように０から急速に上昇する。

また、直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５、およびリアクトル８７が断線している場合には、突入電流防止リレー５７ａを接続し、直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５をゲートオンすると、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１は一点鎖線（ａ’）〜（ｃ’）のようにキャパシタ２４の電圧（初期電圧）まで直ちに上昇するが、その後は、アシスト発電モータ２３からの電流がキャパシタ２４に流入しないので、それぞれの初期電圧から変化しないことになる。一点鎖線（ａ’）はキャパシタ２４の充電量が多い場合の特性を、一点鎖線（ｂ’）はキャパシタ２４の充電量が少ない場合の特性を、一点鎖線（ｃ’）はキャパシタ２４の充電量がほとんどない場合の特性をそれぞれ示している。

さらに、直流電圧変換器５１の２ＩＧＢＴ８６が短絡している場合には、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１は一点鎖線（ｃ’）のように０のままになる。

したがって、突入電流防止リレー５７ａを接続し、直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５をゲートオンする時刻Ｔ１の後の時刻Ｔ２から時刻Ｔ３における直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率を監視することで、電気系部品の故障の発生および故障部位を判別することができる。本実施の形態においては、故障判定手段８１の変化率算出手段８１ｂにおいて、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３における時間ΔＴ２における直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率を演算し、その変化率を変化率比較手段８１ｄにおいて、記憶手段８１ａに記憶された例えば図６に示すキャパシタ電圧の変化率と故障部位との関係を示す表図と比較することで、故障部位を判定することができる。

図６において、ＫＶ１ＳＬ１は予め定めた変化率の閾値であって、電気系部品が正常であるときの最大値を示し、ＫＶ１ＳＬ２は予め定めた変化率の閾値であって、電気系部品が正常であるときの最小値を示す。これらの値は記憶手段８１ａに記憶されている。変化率比較手段８１ｄにおいて、変化率算出手段８１ｂから出力された変化率がＫＶ１ＳＬ１を超過すれば、判定部８１ｅはキャパシタユニット５６側断線と判別し、同様に変化率算出手段８１ｂから出力された変化率がＫＶ１ＳＬ２未満であれば、判定部８１ｅは直流電圧変換器５１内部故障と判別する。変化率算出手段８１ｂから出力された変化率がＫＶ１ＳＬ１以下ＫＶ１ＳＬ２以上であれば、判定部８１ｅは電気系部品が正常であると判別する。

記憶手段８１ａに図６で示す表図を記憶テーブルの形式でデータ化して記憶させ、変化率算出手段８１ｂにおいて、予め設定された時刻Ｔ２，Ｔ３における電圧センサ８９が検出した直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１に応じた変化率を算出し、変化率比較手段８１ｄにおいて、記憶手段８１ａのデータと比較演算し、判定部８１ｅにおいて故障部位を判別する。

次に、本発明の建設機械の一実施の形態において、故障判定手段における故障診断フローについて図７を用いて説明する。図７は本発明の建設機械の一実施の形態を構成する故障判定手段における故障診断のフローチャート図である。図６において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

まず、図７のステップ（Ｓ１０１）では、エンジン２２が始動しているか否かが判断される。具体的には、例えば、図示しないイグニッションキーがスタート位置に操作されたか否かで判断する。エンジン２２が始動していればＹＥＳと判断され、ステップ（Ｓ１０２）に進み、エンジン始動していなければＮＯと判断されて、ステップ（Ｓ１０１）へ戻る。

ステップ（Ｓ１０２）では、エンジン２２の回転速度信号が所定の設定値ＫＮＥ以上か否かが判断される。具体的には、コントローラ８０に取込んだエンジン２２の回転速度信号と記憶部に予め記憶された設定値ＫＮＥとを比較する。設定値ＫＮＥは、アシスト発電モータ２３からの電力がキャパシタ２４を充電し得るエンジン回転数であって、例えばアイドル回転数である８００回転に設定する。エンジン２２の回転数が設定値ＫＮＥ以上であればＹＥＳと判断され、ステップ（Ｓ１０３）に進み、エンジン２２の回転数が設定値ＫＮＥ未満であればＮＯと判断されて、ステップ（Ｓ１０１）へ戻る。

ステップ（Ｓ１０３）では、アシスト発電モータ２３によるパワーコントロールユニット５５の母線電圧の制御が実行されているか否かが判断される。具体的には、コントローラ８０がアシスト発電モータ用インバータ５３を回生制御しているか否かで判断する。ステップ（Ｓ１０２）とステップ（Ｓ１０３）とがＹＥＳと判断されれば、アシスト発電モータ２３によりキャパシタ２４を充電するのに必要な電力が得られると判定することができる。コントローラ８０がアシスト発電モータ用インバータ５３を回生制御していればＹＥＳと判断され、ステップ（Ｓ１０４）に進み、回生制御していなければＮＯと判断されて、ステップ（Ｓ１０１）へ戻る。

ステップ（Ｓ１０４）では、パワーコントロールユニット５５の母線電圧である直流電圧変換器５１の二次側電圧Ｖ２が所定の閾値ＫＶ２ＳＬ以上か否かが判断される。具体的には、故障判定手段８１の電圧比較手段８１ｃにおいて、電圧センサ９０が検出した直流電圧変換器５１の二次側電圧Ｖ２と記憶手段８１ａに予め記憶された閾値ＫＶ２ＳＬとを比較する。閾値ＫＶ２ＳＬは、アシスト発電モータ２３からの電力がキャパシタ２４を充電し得る母線電圧であって、例えば３００Ｖに設定する。直流電圧変換器５１の二次側電圧Ｖ２が閾値ＫＶ２ＳＬ以上であればＹＥＳと判断され、ステップ（Ｓ１０６）に進み、直流電圧変換器５１の二次側電圧Ｖ２が閾値ＫＶ２ＳＬ未満であればＮＯと判断されて、ステップ（Ｓ１０５）へ進む。

ステップ（Ｓ１０５）では、アシスト発電モータ２３又はアシスト発電モータ用インバータ５３が異常と判定部８１ｅが判定する。ステップ（Ｓ１０４）において直流電圧変換器５１の二次側電圧Ｖ２が所定の閾値以上となっていなければ、正常に発電が行われていないためである。故障判定手段８１の判定部８１ｅは、例えば、モニタ画面等の報知装置８２によりオペレータへ異常の報知を行うと共に故障部位を表示し、これらの情報を無線通信端末１００を介してホストコンピュータ等へ無線送信する。

ステップ（Ｓ１０６）では、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１が所定の閾値ＫＶＩＧ１Ｓ以下か否かが判断される。故障判定手段８１の電圧比較手段８１ｃにおいて、電圧センサ８９が検出した直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１と記憶手段８１ａに予め記憶された閾値ＫＶＩＧ１Ｓとを比較する。このタイミングにおいては、リレー５７ａ〜ｃは不接続で直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５もゲートオンしていないので、正常であれば、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１は大略０Ｖである。したがって、閾値ＫＶＩＧ１Ｓは、例えば、ノイズ電圧等から想定される最小電圧であって、例えば２０Ｖに設定する。直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１が閾値ＫＶＩＧ１Ｓ以下であればＹＥＳと判断され、ステップ（Ｓ１０８）に進み、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１が閾値ＫＶＩＧ１Ｓ超過であればＮＯと判断されて、ステップ（Ｓ１０７）へ進む。

ステップ（Ｓ１０７）では、直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５が短絡または、キャパシタユニット５６のリレー５７ａ〜５７ｃの短絡と判定部８１ｅが判定する。ステップ（Ｓ１０６）において、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１が所定の閾値以下となっていなければ、異常な回路が構成されて電圧が発生しているためである。故障判定手段８１の判定部８１ｅは、例えば、モニタ画面等の報知装置８２によりオペレータへ異常の報知を行うと共に故障部位を表示し、これらの情報を無線通信端末１００を介してホストコンピュータ等へ無線送信する。

ステップ（Ｓ１０８）では、突入電流防止リレー５７ａを接続し、直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５をゲートオンする。具体的には、コントローラ８０からキャパシタユニット５６の突入電流防止リレー５７ａに閉指令が出力され、パワーコントロールユニット５５の直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５にゲートオン信号が出力される。このことにより、キャパシタ２４への充電が開始される。

ステップ（Ｓ１０９）では、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率を測定する。具体的には、故障判定手段８１の変化率算出手段８１ｂにおいて、図５で示す直流電圧変換器５１の１ＩＧＢＴ８５をゲートオンする時刻Ｔ１の後の時刻Ｔ２から時刻Ｔ３における時間ΔＴ２における直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率を演算して算出する。

ステップ（Ｓ１１０）では、ステップ（Ｓ１０９）で算出した直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率が所定の閾値ＫＶ１ＳＬ１超過か否かが判断される。具体的には、故障判定手段８１の変化率比較手段８１ｄにおいて、変化率算出手段８１ｂが算出した直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率と記憶手段８１ａに予め記憶された閾値ＫＶ１ＳＬ１とを比較する。直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率が閾値ＫＶ１ＳＬ１超過であればＹＥＳと判断され、ステップ（Ｓ１１１）に進み、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率が閾値ＫＶ１ＳＬ１以下であればＮＯと判断されて、ステップ（Ｓ１１２）へ進む。

ステップ（Ｓ１１１）では、キャパシタユニット５６側断線と判定部８１ｅが判定する。故障判定手段８１の判定部８１ｅは、例えば、モニタ画面等の報知装置８２によりオペレータへ異常の報知を行うと共に故障部位を表示し、これらの情報を無線通信端末１００を介してホストコンピュータ等へ無線送信する。

ステップ（Ｓ１１２）では、ステップ（Ｓ１０９）で算出した直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率が所定の閾値ＫＶ１ＳＬ２未満か否かが判断される。具体的には、故障判定手段８１の変化率比較手段８１ｄにおいて、変化率算出手段８１ｂが算出した直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率と記憶手段８１ａに予め記憶された閾値ＫＶ１ＳＬ２とを比較する。直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率が閾値ＫＶ１ＳＬ２未満であればＹＥＳと判断され、ステップ（Ｓ１１３）に進み、直流電圧変換器５１の一次側電圧Ｖ１の変化率が閾値ＫＶ１ＳＬ２以上であればＮＯと判断されて、正常で故障部位なしとして、ＥＮＤへ進む。

ステップ（Ｓ１１３）では、直流電圧変換器５１の内部故障と判定部８１ｅが判定する。故障判定手段８１の判定部８１ｅは、例えば、モニタ画面等の報知装置８２によりオペレータへ異常の報知を行うと共に故障部位を表示し、これらの情報を無線通信端末１００を介してホストコンピュータ等へ無線送信する。

以上の故障診断フローにより電気系部品の故障部位を速やかかつ確実に判定することができる。なお、ステップ（Ｓ１１１）でキャパシタユニット５６側断線と判定された場合には、キャパシタユニット５６またはその接続ケーブル９２の修理または交換を行えば良い。また、ステップ（Ｓ１１３）で直流電圧変換器５１の内部故障と判定された場合には、直流電圧変換器５１を修理するか直流電圧変換器５１を含むパワーコントロールユニット５５を交換すれば良い。

上述した本発明の建設機械の一実施の形態によれば、アシスト発電モータ２３，電動旋回モータ２５と蓄電装置としてキャパシタ２４とを備えた建設機械において、キャパシタ２４や直流電圧変換器５１等を含む電気系部品の故障の発生および故障部位を、機械の起動時に速やかかつ確実に判別することができるので、修理や部品交換等のメンテナンス性が向上する。また、これに伴い、機械の停止時間を短くすることができるので、作業能力を高めることができて、生産性が向上する。

なお、本発明の実施の形態においては、故障判定手段８１から無線通信端末１００と報知装置８２へ、電気系部品の故障の発生および故障部位を報知する信号が出力されているが、これに限るものではない。無線通信端末１００と報知装置８２のいずれか一方に出力されていても良い。

なお、本発明の実施の形態においては、油圧装置と電動機とを備えたハイブリッド油圧ショベルを例にとって説明したが、これに限るものではない。電動モータとキャパシタとを有する建設・作業機械全般に対して適用が可能である。

１０ 走行体
２０ 旋回体
２１ 旋回フレーム
２２ エンジン
２３ アシスト発電モータ
２４ キャパシタ
２５ 旋回電動モータ
４０ 油圧システム
４１ 油圧ポンプ
４２ コントロールバルブ
５１ 直流電圧変換器
５２ 旋回電動モータ用インバータ
５３ アシスト発電モータ用インバータ
５４ 主平滑コンデンサ
５５ パワーコントロールユニット
５６ キャパシタユニット
５７ａ 突入電流防止リレー
５７ｂ 正側リレー
５７ｃ 負側リレー
８０ コントローラ
８１ 故障判定手段
８１ａ 記憶手段
８１ｂ 変化率算出手段
８１ｃ 電圧比較手段
８１ｄ 変化率比較手段
８１ｅ 判定部
８２ 報知装置
８５ １ＩＧＢＴ
８６ ２ＩＧＢＴ
８７ リアクトル
８８ 平滑コンデンサ
８９ 電圧センサ
９０ 電圧センサ
１００ 無線通信端末

Claims (5)

1. 電動モータと、蓄電デバイスとしてのキャパシタと、前記電動モータと前記キャパシタとの間に設けたインバータ及び直流電圧変換器と、前記直流電圧変換器と前記キャパシタとの間に設けたリレーとを備え、前記電動モータと前記キャパシタとの間で電力の授受を可能とした建設機械において、
   前記直流電圧変換器の前記リレー側に前記直流電圧変換器の一次側電圧を検知する電圧センサと、
   前記リレーにより前記直流電圧変換器と前記キャパシタとが接続されてからの前記電圧センサの検出電圧の変化率を演算し、この変化率を用いて前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障を判定する故障判定手段とを備えた
   ことを特徴とする建設機械。
2. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記故障判定手段は、前記リレーにより前記直流電圧変換器と前記キャパシタが接続されてから所定時間経過後の前記電圧センサの検出電圧の変化率を算出する変化率算出手段と、
   前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障時における前記直流電圧変換器の一次側電圧の変化率を予め記憶した記憶手段と、
   前記変化率算出手段で算出した変化率と前記記憶手段における変化率とを比較することにより前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障を判定する判定部とを備えた
   ことを特徴とする建設機械。
3. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記故障判定手段は、前記リレーにより前記直流電圧変換器と前記キャパシタが接続されてから所定時間経過後の前記電圧センサの検出電圧の変化率を算出する変化率算出手段と、
   前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障時の故障部位毎における前記直流電圧変換器の一次側電圧の変化率を予め記憶した記憶手段と、
   前記変化率算出手段で算出した変化率と前記記憶手段における変化率とを比較することにより前記直流電圧変換器及び前記キャパシタを含む電気系部品の故障部位を判定する判定部とを備えた
   ことを特徴とする建設機械。
4. 請求項３に記載の建設機械において、
   前記記憶手段は、前記直流電圧変換器が故障した場合の前記直流電圧変換器の一次側電圧の変化率である第１の設定値と、前記直流電圧変換器と前記キャパシタとを接続するケーブル又は前記キャパシタが故障した場合の前記直流電圧変換器の一次側電圧の変化率である第２の設定値とを予め記憶し、
   前記判定部は、前記変化率算出手段で算出した変化率が前記第１の設定値を超えたときに、前記直流電圧変換器と前記キャパシタとを接続するケーブル又は前記キャパシタの故障と判定し、前記変化率算出手段で算出した変化率が前記第２の設定値未満のときに前記直流電圧変換器の故障と判定する
   ことを特徴とする建設機械。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の建設機械において、
   前記故障判定手段は、電気系部品の故障及び／または故障部位を表示する出力信号を報知装置及び／またはホストコンピュータ等へ無線送信する無線通信端末に出力する
   ことを特徴とする建設機械。

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