JP6315545B2

JP6315545B2 - ショベル

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Publication number: JP6315545B2
Application number: JP2013240233A
Authority: JP
Inventors: 祐太杉山
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP2015098746A

Description

本発明は、ショベルに関する。

蓄電器、ＤＣバス、及びコンバータを含む蓄電系を搭載するショベルが知られている（例えば、特許文献１参照）。ＤＣバスは、電気機器に接続されるインバータと、蓄電器に接続されるコンバータとの間に接続され、電気機器と蓄電器との間の電力の授受を可能にする。コンバータは、ＤＣバスの電圧値が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換える。

国際公開第２０１０／１４３６２８号

しかしながら、特許文献１は、蓄電器の意図しない放電を防止するために蓄電器をコンバータから切り離すリレーについては言及しておらず、リレーの異常の有無を判定することについても言及していない。

上述の点に鑑み、蓄電器をコンバータから切り離すリレーの異常の有無を判定可能なショベルの提供が望まれる。

本発明の一実施形態によるショベルは、エンジンと、前記エンジンに連結されるアシストモータと、前記アシストモータとの間で電力の授受を行う蓄電器と、前記アシストモータと前記蓄電器との間に配置される、リアクトルを含むコンバータと、前記コンバータと前記蓄電器との間に配置される複数のリレーと、前記リアクトルにおける第１電圧値を検出する電圧検出部と、前記複数のリレーの導通・遮断制御を行う制御装置と、を有し、前記制御装置は、当該ショベルの起動時及び停止時の少なくとも一方で、前記複数のリレーのそれぞれの導通・遮断状態と前記第１電圧値とに基づいて前記複数のリレーのそれぞれの異常の有無を判定し、前記複数のリレーは、前記蓄電器の正極側に配置される正極側リレーと、前記蓄電器の負極側に配置される負極側リレーと、前記正極側リレー又は前記負極側リレーに並列に接続されるプリチャージリレーとを含み、前記プリチャージリレーは、前記負極側リレーに並列に接続され、前記制御装置は、前記プリチャージリレーのみが導通状態のときに前記第１電圧値が所定電圧以上であれば前記正極側リレーが溶着していると判定し、前記正極側リレーのみが導通状態のときに前記第１電圧値が所定電圧以上であれば前記プリチャージリレー又は前記負極側リレーが溶着していると判定し、前記プリチャージリレー及び前記正極側リレーが導通状態のときに前記第１電圧値が所定電圧未満であれば前記プリチャージリレー又は前記正極側リレーが溶断していると判定し、且つ、前記正極側リレー及び前記負極側リレーが導通状態で且つ前記プリチャージリレーが遮断状態のときに前記第１電圧値が所定電圧未満であれば前記負極側リレーが溶断していると判定する。
同様に、本発明の一実施形態によるショベルは、エンジンと、前記エンジンに連結されるアシストモータと、前記アシストモータとの間で電力の授受を行う蓄電器と、前記アシストモータと前記蓄電器との間に配置される、リアクトルを含むコンバータと、前記コンバータと前記蓄電器との間に配置される複数のリレーと、前記リアクトルにおける第１電圧値を検出する電圧検出部と、前記複数のリレーの導通・遮断制御を行う制御装置と、前記アシストモータに接続されるインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間に配置されるＤＣバスと、前記ＤＣバスにおける第２電圧値を検出するＤＣバス電圧検出部と、を有し、前記制御装置は、当該ショベルの起動時及び停止時の少なくとも一方で、前記複数のリレーのそれぞれの導通・遮断状態と、前記第２電圧値に基づいて算出される閾電圧値と前記第１電圧値との比較結果とに基づいて前記複数のリレーのそれぞれの異常の有無を判定する。

上述の手段により、蓄電器をコンバータから切り離すリレーの異常の有無を判定可能なショベルが提供される。また、上述の手段により、意図しない蓄電器の過放電の防止、及び、ＤＣバスに接続される電動機等の機器のショベル起動時における安定的な運用が実現される。

本発明の一実施形態によるハイブリッドショベルの側面図である。図１に示すハイブリッドショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図１に示すハイブリッドショベルの蓄電系の構成例を示すブロック図である。蓄電系の回路図の一例である。蓄電系の回路図の別の一例である。リレーの異常の有無を判定する処理のフローチャートである。

最初に、本発明の一実施形態によるハイブリッドショベルの全体構成及び駆動系の構成について説明する。図１は本発明の一実施形態によるハイブリッドショベルを示す側面図である。なお、本発明は、ハイブリッドショベルに限らず、ＤＣバスを用いて蓄電器から電気機器に電力を供給する構成を有するものであれば、他の作業機械にも適用することができる。

図１に示すハイブリッドショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して作業要素としての上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端には、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端には、バケット６が取り付けられている。アタッチメントとしてのブーム４、アーム５、及びバケット６は、アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は図１に示すハイブリッド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、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細い実線でそれぞれ示される。

エンジン１１と、アシストモータとしての電動発電機１２は、減速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続される。減速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてのメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続される。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。なお、電動発電機１２には、インバータ１８を介して、蓄電器を含む蓄電系１２０が接続される。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッドショベルにおける油圧系の制御を行う油圧制御装置である。また、コントロールバルブ１７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、並びにバケットシリンダ９等の各種アクチュエータのそれぞれに対応する切換弁を含む。各種アクチュエータは、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

操作装置２６は、各種アクチュエータを操作するための装置である。本実施形態では、操作装置２６は、操作レバーの操作量、操作方向等の操作内容に応じたパイロット圧を発生させる。また、操作装置２６は、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、操作装置２６が発生させたパイロット圧を電気信号に変換し、変換した電気信号をコントローラ３０に対して出力する。コントロールバルブ１７は、操作装置２６が発生させたパイロット圧に応じて各種アクチュエータに対応する切換弁を動かし、メインポンプ１４が吐出する作動油を各種アクチュエータに供給する。

コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの駆動制御を行う制御装置である。本実施形態では、コントローラ３０は、Central Processing Unit（ＣＰＵ）及び内部メモリを含む演算処理装置である。具体的には、コントローラ３０は、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵに実行させて各種機能を実現する。

例えば、コントローラ３０は、電動発電機１２の駆動制御を通じて、電動アシスト運転と発電運転の切り替えを行う。また、コントローラ３０は、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータを駆動制御する。より具体的には、蓄電器の充電状態及び電動発電機１２の運転状態等に基づく昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切り替え制御を通じて、蓄電器の充放電制御を行う。

図２に示すハイブリッドショベルは旋回機構２を電動にしたものであり、旋回機構２を駆動するために旋回モータとしての旋回用電動機２１を有する。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続される。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、及び旋回減速機２４が接続される。

図３は蓄電系１２０の構成例を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器１９、昇降圧コンバータ１００、及びＤＣバス１１０を含む。ＤＣバス１１０は、電動発電機１２、蓄電器１９、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を可能にする。蓄電器１９には、蓄電器１９の端子間電圧の値を検出するための蓄電器電圧検出部１１２と、蓄電器１９を流れる電流値を検出するための蓄電器電流検出部１１３が設けられている。蓄電器電圧検出部１１２と蓄電器電流検出部１１３によって検出される蓄電器電圧値と蓄電器電流値は、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バス電圧値が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。本実施形態では、昇降圧コンバータ１００は、蓄電器１９とＤＣバス１１０との間に配置される。

本実施形態では、コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される電気信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。そして、コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御を行うとともに、昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによって蓄電器１９の充放電制御を行う。具体的には、コントローラ３０は、蓄電器１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態、及び旋回用電動機２１の運転状態に基づく昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御を通じて蓄電器１９の充放電制御を行う。なお、電動発電機１２の運転状態は、電動アシスト運転状態及び発電運転状態を含み、旋回用電動機２１の運転状態は、力行運転状態及び回生運転状態を含む。

昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、蓄電器電圧検出部１１２によって検出される蓄電器電圧値、及び蓄電器電流検出部１１３によって検出される蓄電器電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８を介してＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介して蓄電器１９に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転で生成した回生電力は、インバータ２０を介してＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介して蓄電器１９に供給される。

図４は、蓄電系１２０の回路図の一例である。昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、蓄電器１９を接続するための一対の電源接続端子１０４、インバータ１８、２０を接続するための一対の出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用コンデンサ１０７を含む。昇降圧コンバータ１００の一対の出力端子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、他端は正極側電源接続端子１０４Ｐ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る。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、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。本実施形態では、Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（ＭＯＳＦＥＴ）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る。そして、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。また、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、それぞれ、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

蓄電器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を行う充放電可能な装置である。蓄電器１９としては、例えば、リチウムイオンキャパシタ(Lithium-Ion Capacitor(LIC)）、電気二重層キャパシタ(Electric Double Layer Capacitor(ELDC))等が採用される。また、リチウムイオン電池(Lithium-Ion Battery(LIB))等の二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源が採用されてもよい。

本実施形態では、蓄電器１９としてリチウムイオンキャパシタが採用される。そのため、コントローラ３０は、蓄電器１９の端子間電圧が常に所定の電圧範囲内に維持されるよう蓄電器１９の充放電制御を行う。リチウムイオンキャパシタは、所定の下限電圧を下回るとセルの劣化が進み、ひいては故障するおそれがあるためである。また、特にリチウムイオンキャパシタが採用される場合、コントローラ３０は、蓄電器１９に接続される全てのリレーの異常の有無を判定する必要がある。リレーの異常は蓄電器１９の過放電又は過充電を引き起こすおそれがあり、ひいてはリチウムイオンキャパシタのセルの劣化又は故障を引き起こすおそれがあるためである。

蓄電器電圧検出部１１２は、蓄電器１９の端子間電圧である蓄電器電圧値Ｖｃａｐを検出する。また、ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧であるＤＣバス電圧値Ｖｄｃを検出する。平滑用コンデンサ１０７は、正極側出力端子１０６Ｐと負極側出力端子１０６Ｎとの間に挿入され、ＤＣバス電圧値Ｖｄｃを平滑化する。

蓄電器電流検出部１１３は、蓄電器１９の正極端子（Ｐ端子）側において蓄電器１９に流れる電流の値である蓄電器電流値Ｉｃａｐを検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。

昇降圧コンバータ１００によりＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加される。その結果、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降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して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。

昇降圧コンバータ１００により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。その結果、インバータ１８、２０からの回生電力が降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを介してＤＣバス１１０から蓄電器１９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力が蓄電器１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

なお、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部（図示せず。）が存在する。この駆動部は、電子回路又は演算処理装置の何れで実現されてもよい。降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂについても同様である。

また、本実施形態では、蓄電器１９の正極端子と昇降圧コンバータ１００の正極側電源接続端子１０４Ｐとを接続する正極側電源ラインＬＰに継電器としての２つの正極側リレー９１Ｐ１、９１Ｐ２が設けられる。正極側リレー９１Ｐ１は、コントローラ３０からの導通信号によりオン（導通）状態となり、遮断信号によりオフ（遮断）状態となる。コントローラ３０は、正極側リレー９１Ｐ１を遮断状態とすることで、蓄電器１９を昇降圧コンバータ１００から切り離すことができる。正極側リレー９１Ｐ２についても同様である。なお、正極側リレー９１Ｐ１、９１Ｐ２は、手動でオン・オフ（導通・遮断）状態が切り換えられてもよい。

また、蓄電器１９の負極端子と昇降圧コンバータ１００の負極側電源接続端子１０４Ｎとを接続する負極側電源ラインＬＮには２つの負極側リレー９１Ｎ１、９１Ｎ２が設けられる。負極側リレー９１Ｎ１は、コントローラ３０からの導通信号によりオン（導通）状態となり、遮断信号によりオフ（遮断）状態となる。負極側リレー９１Ｎ２についても同様である。コントローラ３０は、負極側リレー９１Ｎ１を遮断状態とすることで、蓄電器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、負極側リレー９１Ｎ１、９１Ｎ２は、手動でオン・オフ（導通・遮断）状態が切り換えられてもよい。

抵抗器９２は、ＤＣバス１１０をプリチャージする際に蓄電器１９からの突入電流による昇降圧コンバータ１００の破損を防止するための抵抗器である。本実施形態では、抵抗器９２は、負極側電源ラインＬＮにおいて、負極側リレー９１Ｎ２に対して並列に接続される。そして、抵抗器９２は、ＤＣバス１１０をプリチャージする際に正極側リレー９１Ｐ１、９１Ｐ２、及び負極側リレー９１Ｎ１が導通状態となったときに蓄電器１９から昇降圧コンバータ１００に流れる電流を抑制する。なお、ＤＣバス１１０がプリチャージされた後、負極側リレー９１Ｎ２は導通状態にされる。その後の充放電制御において蓄電器１９と昇降圧コンバータ１００との間を流れる電流が抵抗器９２によって抑制されないようにするためである。

ヒューズ９３は、定格以上の電流から電気回路を保護するための電子部品である。本実施形態では、複数のセルで構成される蓄電器１９の中央の２つのセルの間に接続され、定格以上の電流が流れた場合に溶断して昇降圧コンバータ１００を保護する。

また、本実施形態では、蓄電器電圧検出部１１２は、正極側リレー９１Ｐ１と正極側リレー９１Ｐ２との間の電位と、負極側リレー９１Ｎ１と負極側リレー９１Ｎ２との間の電位との電位差を蓄電器電圧値Ｖｃａｐとして検出する。

上述の構成を有する蓄電系１２０に対し、コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの起動時及び停止時の少なくとも一方で正極側リレー９１Ｐ１、９１Ｐ２及び負極側リレー９１Ｎ１、９１Ｎ２のそれぞれの異常の有無を判定する。

本実施形態では、コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの起動時及び停止時に、４つのリレー９１Ｐ１、９１Ｐ２、９１Ｎ１、９１Ｎ２のそれぞれの導通・遮断制御を個別に実行する。そして、コントローラ３０は、４つのリレーのそれぞれの導通・遮断状態と、蓄電器電圧値Ｖｃａｐとに基づいて４つのリレーのそれぞれの異常の有無を判定する。なお、コントローラ３０は、蓄電器電流値Ｉｃａｐを追加的に参照して４つのリレーのそれぞれの異常の有無を判定してもよい。また、リレーの異常の有無の判定方法については以下でより詳細に説明する。

次に、図５を参照して、蓄電系１２０の回路図の別の一例について説明する。なお、図５の回路は、リレーの数及び配置が図４の回路と相違するが、その他の点で図４の回路と共通する。この構成により、図５の回路は、蓄電系１２０の低コスト化、省スペース化を実現する。

具体的には、図５の蓄電系１２０は、蓄電器１９と蓄電器電圧検出部１１２との間に、正極側リレー９１Ｐ、負極側リレー９１Ｎ、及びプリチャージリレー９１Ｃを含む。

正極側リレー９１Ｐは、蓄電器１９の正極端子と昇降圧コンバータ１００の正極側電源接続端子１０４Ｐとを接続する正極側電源ラインＬＰに配置される。正極側リレー９１Ｐは、コントローラ３０からの導通信号によりオン（導通）状態となり、遮断信号によりオフ（遮断）状態となる。コントローラ３０は、正極側リレー９１Ｐを遮断状態とすることで、蓄電器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、正極側リレー９１Ｐは、手動でオン・オフ（導通・遮断）状態が切り換えられてもよい。

また、負極側リレー９１Ｎは、蓄電器１９の負極端子と昇降圧コンバータ１００の負極側電源接続端子１０４Ｎとを接続する負極側電源ラインＬＮに配置される。負極側リレー９１Ｎは、コントローラ３０からの導通信号によりオン（導通）状態となり、遮断信号によりオフ（遮断）状態となる。なお、負極側リレー９１Ｎは、手動でオン・オフ（導通・遮断）状態が切り換えられてもよい。

プリチャージリレー９１Ｃは、ＤＣバス１１０をプリチャージする際に用いられる継電器である。本実施形態では、プリチャージリレー９１Ｃは、コントローラ３０からの導通信号によりオン（導通）状態となり、遮断信号によりオフ（遮断）状態となる。また、プリチャージリレー９１Ｃは、正極側リレー９１Ｐ及び負極側リレー９１Ｎと同様、手動でオン・オフ（導通・遮断）状態が切り換えられてもよい。

また、本実施形態では、プリチャージリレー９１Ｃは、抵抗器９２に直列に接続され、抵抗器９２と共にプリチャージ部を構成する。そして、プリチャージ部は、負極側リレー９１Ｎに対して並列に接続される。この構成により、コントローラ３０は、正極側リレー９１Ｐ及びプリチャージリレー９１Ｃを導通状態とし、且つ、負極側リレー９１Ｎを遮断状態とした場合にプリチャージ部に電流を流すことができる。また、コントローラ３０は、負極側リレー９１Ｎ及びプリチャージリレー９１Ｃを遮断状態とすることで、蓄電器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、本実施形態では、蓄電器電圧検出部１１２は、正極側リレー９１Ｐとリアクトル１０１（昇降圧コンバータ１００の正極側電源接続端子１０４Ｐ）との間の電位と、プリチャージ部及び負極側リレー９１Ｎと昇降圧コンバータ１００の負極側電源接続端子１０４Ｎとの間の電位との電位差を蓄電器電圧値Ｖｃａｐとして検出する。

次に、図６を参照して、図５の蓄電系１２０における正極側リレー９１Ｐ、負極側リレー９１Ｎ、及びプリチャージリレー９１Ｃのそれぞれの異常の有無をコントローラ３０が判定する処理（以下、「異常判定処理」とする。）について説明する。なお、図６は、異常判定処理の流れを示すフローチャートであり、コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの起動時及び停止時の少なくとも一方でこの異常判定処理を実行する。本実施形態では、コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの起動時及び停止時にこの異常判定処理を実行する。特に、ハイブリッドショベルを停止させる際の実行は、ハイブリッドショベル停止中にリチウムイオンキャパシタである蓄電器１９の端子間電圧が下限電圧を下回るのを防止するのに有効である。ハイブリッドショベルを停止させる際にリレーの溶着が発生したことを操作者に伝えることができ、溶着したリレーを通じた蓄電器１９の過放電がハイブリッドショベル停止中に発生するのを防止できるためである。

最初に、コントローラ３０は、遮断状態にある３つのリレー９１Ｃ、９１Ｎ、９１Ｐのうち、プリチャージリレー９１Ｃに対して導通信号を出力し、プリチャージリレー９１Ｃを導通状態にする（ステップＳ１）。

そして、コントローラ３０は、所定のプリチャージリレー導通待ち時間が経過した後に、蓄電器電圧値Ｖｃａｐと閾電圧値Ａ［Ｖ］とを比較する（ステップＳ２）。なお、プリチャージリレー導通待ち時間は、導通信号を受けたプリチャージリレー９１Ｃが実際に導通状態になるまでに要する時間であり、例えば０．１秒である。

蓄電器電圧値Ｖｃａｐが閾電圧値Ａ［Ｖ］以上であると判断した場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、正極側リレー９１Ｐが溶着しているおそれがあると判断する（ステップＳ３）。正極側リレー９１Ｐが溶着していなければ、蓄電器１９が充放電することはなく、蓄電器電圧値Ｖｃａｐは閾電圧値Ａ［Ｖ］未満のまま（例えばゼロ［Ｖ］）であると考えられるためである。この場合、コントローラ３０は、正極側リレー９１Ｐが溶着しているおそれがある旨を操作者に通知する。本実施形態では、コントローラ３０は、警告音を出力すると共にその旨を示すメッセージをキャビン１０内のディスプレイ（図示せず。）に表示する。

その後、コントローラ３０は、３つのリレー９１Ｃ、９１Ｎ、９１Ｐの全てに対して遮断信号を出力し、３つのリレー９１Ｃ、９１Ｎ、９１Ｐの全てを遮断状態にして今回の異常判定処理を終了する（ステップＳ４）。

また、ステップＳ２において、蓄電器電圧値Ｖｃａｐが閾電圧値Ａ［Ｖ］未満であると判断した場合（ステップＳ２のＮＯ）、コントローラ３０は、プリチャージリレー９１Ｃに対して遮断信号を出力し、プリチャージリレー９１Ｃを遮断状態にする（ステップＳ５）。

そして、コントローラ３０は、所定のプリチャージリレー遮断待ち時間が経過した後に、正極側リレー９１Ｐに対して導通信号を出力し、正極側リレー９１Ｐを導通状態にする（ステップＳ６）。なお、プリチャージリレー遮断待ち時間は、遮断信号を受けたプリチャージリレー９１Ｃが実際に遮断状態になるまでに要する時間であり、例えば０．１秒である。

その後、コントローラ３０は、所定の正極側リレー導通待ち時間が経過した後に、蓄電器電圧値Ｖｃａｐと閾電圧値Ａ［Ｖ］とを比較する（ステップＳ７）。なお、正極側リレー導通待ち時間は、導通信号を受けた正極側リレー９１Ｐが実際に導通状態になるまでに要する時間であり、例えば０．１秒である。

蓄電器電圧値Ｖｃａｐが閾電圧値Ａ［Ｖ］以上であると判断した場合（ステップＳ７のＹＥＳ）、コントローラ３０は、負極側リレー９１Ｎ又はプリチャージリレー９１Ｃが溶着しているおそれがあると判断する（ステップＳ８）。負極側リレー９１Ｎ及びプリチャージリレー９１Ｃが溶着していなければ、蓄電器１９が充放電することはなく、蓄電器電圧値Ｖｃａｐは閾電圧値Ａ［Ｖ］未満のまま（例えばゼロ［Ｖ］）であると考えられるためである。この場合、コントローラ３０は、負極側リレー９１Ｎ又はプリチャージリレー９１Ｃが溶着しているおそれがある旨を操作者に通知する。本実施形態では、コントローラ３０は、警告音を出力すると共にその旨を示すメッセージをキャビン１０内のディスプレイ（図示せず。）に表示する。

また、ステップＳ７において、蓄電器電圧値Ｖｃａｐが閾電圧値Ａ［Ｖ］未満であると判断した場合（ステップＳ７のＮＯ）、コントローラ３０は、プリチャージリレー９１Ｃに対して導通信号を出力し、プリチャージリレー９１Ｃを導通状態にする（ステップＳ９）。そして、コントローラ３０は、プリチャージリレー導通待ち時間が経過した後に、蓄電器電圧値Ｖｃａｐと閾電圧値Ａ［Ｖ］とを比較する（ステップＳ１０）。

蓄電器電圧値Ｖｃａｐが閾電圧値Ａ［Ｖ］未満であると判断した場合（ステップＳ１０のＹＥＳ）、コントローラ３０は、正極側リレー９１Ｐ又はプリチャージリレー９１Ｃが溶断しているおそれがあると判断する（ステップＳ１１）。正極側リレー９１Ｐ及びプリチャージリレー９１Ｃが溶断していなければ、蓄電器１９が充放電するはずであり、蓄電器電圧値Ｖｃａｐは閾電圧値Ａ［Ｖ］以上になると考えられるためである。この場合、コントローラ３０は、正極側リレー９１Ｐ又はプリチャージリレー９１Ｃが溶断しているおそれがある旨を操作者に通知する。本実施形態では、コントローラ３０は、警告音を出力すると共にその旨を示すメッセージをキャビン１０内のディスプレイ（図示せず。）に表示する。

また、ステップＳ１０において、蓄電器電圧値Ｖｃａｐが閾電圧値Ａ［Ｖ］以上であると判断した場合（ステップＳ１０のＮＯ）、コントローラ３０は、ＤＣバス１１０を充電する（ステップＳ１２）。本実施形態では、コントローラ３０は、所定の平滑コンデンサ充電判断時間だけ待機する。なお、平滑コンデンサ充電判断時間は、平滑用コンデンサ１０７の端子間電圧が所定電圧値（例えば蓄電器１９の端子間電圧）になるまでに要する時間であり、例えば１．０秒である。また、コントローラ３０は、ＤＣバス電圧値Ｖｄｃと蓄電器電圧値Ｖｃａｐとがほぼ等しくなり、且つ、蓄電器電流値Ｉｃａｐがほぼゼロとなったことを確認するまで待機してもよい。

このように、プリチャージリレー９１Ｃは、正極側リレー９１Ｐが導通状態となった後、負極側リレー９１Ｎが導通状態となる前に、導通状態となるように制御される。抵抗器９２を含む経路を電流が流れるようにすることによって、蓄電器１９と昇降圧コンバータ１００とを接続する際に流れる電流を抑制するためである。また、ＤＣバス１１０が充電された後で負極側リレー９１Ｎが導通状態になったとしても、蓄電器１９と昇降圧コンバータ１００との間に大電流が流れることはない。ＤＣバス電圧値Ｖｄｃと蓄電器電圧値Ｖｃａｐとがほぼ等しいためである。

その後、コントローラ３０は、負極側リレー９１Ｎに対して導通信号を出力し、負極側リレー９１Ｎを導通状態にする（ステップＳ１３）。そして、コントローラ３０は、所定の負極側リレー導通待ち時間が経過した後に、プリチャージリレー９１Ｃに対して遮断信号を出力し、プリチャージリレー９１Ｃを遮断状態にする（ステップＳ１４）。なお、負極側リレー導通待ち時間は、ここでは、導通信号を受けた負極側リレー９１Ｎが実際に導通状態になるまでに要する時間であり、例えば０．１秒である。

そして、コントローラ３０は、プリチャージリレー遮断待ち時間が経過した後に、蓄電器電圧値Ｖｃａｐと閾電圧値Ａ［Ｖ］とを比較する（ステップＳ１５）。

蓄電器電圧値Ｖｃａｐが閾電圧値Ａ［Ｖ］未満であると判断した場合（ステップＳ１５のＹＥＳ）、コントローラ３０は、負極側リレー９１Ｎが溶断しているおそれがあると判断する（ステップＳ１６）。負極側リレー９１Ｎが溶断していなければ、蓄電器１９が充放電するはずであり、蓄電器電圧値Ｖｃａｐは閾電圧値Ａ［Ｖ］以上になると考えられるためである。この場合、コントローラ３０は、負極側リレー９１Ｎが溶断しているおそれがある旨を操作者に通知する。本実施形態では、コントローラ３０は、警告音を出力すると共にその旨を示すメッセージをキャビン１０内のディスプレイ（図示せず。）に表示する。

また、ステップＳ１５において、蓄電器電圧値Ｖｃａｐが閾電圧値Ａ［Ｖ］以上であると判断した場合（ステップＳ１５のＮＯ）、コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの起動時であれば、正極側リレー９１Ｐ及び負極側リレー９１Ｎを導通状態としたままで今回の異常判定処理を終了する。また、コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの停止時であれば、正極側リレー９１Ｐ及び負極側リレー９１Ｎに対して遮断信号を出力し、正極側リレー９１Ｐ及び負極側リレー９１Ｎを遮断状態にした後で今回の異常判定処理を終了する。

なお、ステップＳ１５において、蓄電器電圧値Ｖｃａｐが閾電圧値Ａ［Ｖ］以上であると判断した場合（ステップＳ１５のＮＯ）、コントローラ３０は、蓄電器電圧値Ｖｃａｐが所定の下限電圧以上であるか否かを判定してもよい。そして、蓄電器電圧値Ｖｃａｐが所定の下限電圧未満であると判定した場合、コントローラ３０は、その旨を操作者に通知し、且つ、３つのリレー９１Ｃ、９１Ｎ、９１Ｐの全てを遮断状態にする。蓄電器１９の劣化が進むのを防止するためである。

また、上述の実施形態では、閾電圧値Ａには、現在のＤＣバス電圧値Ｖｄｃとは無関係である予め登録された電圧値が採用される。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、閾電圧値Ａには、現在のＤＣバス電圧値Ｖｄｃに基づいて導き出される電圧値が採用されてもよい。具体的には、閾電圧値Ａは、ダイオード１０２ａ及び１０２ｂの逆方向抵抗による分圧を考慮して決定されてもよい。ダイオード１０２ａ及び１０２ｂに極僅かに逆方向電流が流れ、蓄電器電圧検出部１１２で分圧による電圧が検出されることが考えられるためである。この場合、閾電圧値Ａは、例えば、ＤＣバス電圧値Ｖｄｃを二等分した電圧値に電圧マージンαを加えることで導き出される（Ａ＝Ｖｄｃ／２＋α）。なお、ＤＣバス電圧値Ｖｄｃを二等分した電圧値（Ｖｄｃ／２［Ｖ］）は、ダイオード１０２ａ及び１０２ｂの逆方向抵抗の大きさが等しい場合に蓄電器電圧検出部１１２で検出される分圧による電圧値である。また、電圧マージンαは、ダイオード１０２ａ及び１０２ｂの逆方向抵抗の大きさの違いを吸収するための値である。ダイオード１０２ａ及び１０２ｂの逆方向抵抗の大きさが互いに異なる場合、蓄電器電圧検出部１１２で検出される分圧による電圧値がＶｄｃ／２［Ｖ］を上回る場合が想定されるためである。なお、本実施形態では、電圧マージンαは、蓄電器１９の端子間電圧の最大値の１０％に設定される。

これにより、コントローラ３０は、蓄電器電圧検出部１１２によって検出される蓄電器電圧値ＶｃａｐがＤＣバス電圧値Ｖｄｃの影響を受ける場合であっても、蓄電器電圧値Ｖｃａｐに基づいてリレー９１Ｃ、９１Ｎ、９１Ｐのそれぞれの異常の有無を判定できる。具体的には、コントローラ３０は、蓄電器電圧検出部１１２がリレーを介さずに昇降圧コンバータ１００に接続される場合であっても、蓄電器電圧値Ｖｃａｐに基づいてリレー９１Ｃ、９１Ｎ、９１Ｐのそれぞれの異常の有無を判定できる。

また、コントローラ３０は、ＤＣバス電圧値Ｖｄｃが比較的高い場合であっても蓄電器電圧値Ｖｃａｐに基づいてリレー９１Ｃ、９１Ｎ、９１Ｐのそれぞれの異常の有無を判定できる。具体的には、コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの停止時にＤＣバス１１０に比較的高い電圧が残っている場合であっても、蓄電器電圧値Ｖｃａｐに基づいてリレー９１Ｃ、９１Ｎ、９１Ｐのそれぞれの異常の有無を判定できる。

以上の構成により、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１００から蓄電器１９を切り離すことができる複数のリレーのそれぞれの導通・遮断状態と蓄電器電圧値Ｖｃａｐとに基づいてそれら複数のリレーのそれぞれにおける異常の有無を判定できる。具体的には、コントローラ３０は、それら複数のリレーのそれぞれの溶断及び溶着を早期に検出し、その検出結果を操作者に通知できる。その結果、溶着したリレーを通じた蓄電器１９の過放電を防止できる。この効果は、蓄電器１９がリチウムイオンキャパシタの場合に特に重要である。リチウムイオンキャパシタは、セルの劣化を防止するため、その端子間電圧が所定の下限電圧以上に維持される必要があるためである。

また、昇降圧コンバータ１００からの蓄電器１９の切り離しは、プリチャージリレー９１Ｃ、負極側リレー９１Ｎ、及び正極側リレー９１Ｐの３つのリレーによって実現されてもよい。この構成により、蓄電系１２０は、ＤＣバス１１０をプリチャージする機能と３つのリレーの異常の有無を判定する機能とを同時に実現しながら、省スペース化及び低コスト化を実現できる。

また、コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの起動時及び停止時の少なくとも一方において、昇降圧コンバータ１００から蓄電器１９を切り離すことができる複数のリレーのそれぞれの異常の有無を判定する。そのため、コントローラ３０は、それら複数のリレーのそれぞれの溶断及び溶着を早期に検出し、その検出結果を操作者に通知できる。また、ハイブリッドショベルを停止させる際に異常の有無の判定を行う場合、コントローラ３０は、溶着したリレーを通じた蓄電器１９の過放電がハイブリッドショベルの停止中に発生するのを防止できる。

また、コントローラ３０は、昇降圧コンバータ１００から蓄電器１９を切り離すことができる複数のリレーのそれぞれの導通・遮断状態と蓄電器電圧値ＶｃａｐとＤＣバス電圧値Ｖｄｃとに基づいてそれら複数のリレーのそれぞれの異常の有無を判定してもよい。具体的には、コントローラ３０は、ＤＣバス電圧値Ｖｄｃから算出される閾電圧値Ａと蓄電器電圧値Ｖｃａｐとの比較結果に基づいてそれら複数のリレーのそれぞれの異常の有無を判定してもよい。その結果、コントローラ３０は、ダイオード１０２ａ及び１０２ｂの逆方向抵抗による分圧を考慮して異常の有無を判定でき、判定結果の信頼性を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施形態において、プリチャージ部は、負極側リレー９１Ｎに対して並列に接続される。しかしながら、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、プリチャージ部は、正極側リレー９１Ｐに対して並列に接続されてもよい。

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・・・減速機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・・・蓄電器２０・・・インバータ２１・・・旋回用電動機２１Ａ・・・出力軸２２・・・レゾルバ２３・・・メカニカルブレーキ２４・・・旋回減速機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・・・コントローラ９１Ｎ、９１Ｎ１、９１Ｎ２・・・負極側リレー９１Ｐ、９１Ｐ１、９１Ｐ２・・・正極側リレー９１Ｃ・・・プリチャージリレー９２・・・抵抗器９３・・・ヒューズ１００・・・昇降圧コンバータ１０１・・・リアクトル１０２Ａ・・・昇圧用ＩＧＢＴ１０２ａ・・・ダイオード１０２Ｂ・・・降圧用ＩＧＢＴ１０２ｂ・・・ダイオード１０４・・・電源接続端子１０４Ｎ・・・負極側電源接続端子１０４Ｐ・・・正極側電源接続端子１０６・・・出力端子１０６Ｎ・・・負極側出力端子１０６Ｐ・・・正極側出力端子１０７・・・平滑用コンデンサ１１０・・・ＤＣバス１１１・・・ＤＣバス電圧検出部１１２・・・蓄電器電圧検出部１１３・・・蓄電器電流検出部１２０・・・蓄電系

Claims

ショベルであって、
エンジンと、
前記エンジンに連結されるアシストモータと、
前記アシストモータとの間で電力の授受を行う蓄電器と、
前記アシストモータと前記蓄電器との間に配置される、リアクトルを含むコンバータと、
前記コンバータと前記蓄電器との間に配置される複数のリレーと、
前記リアクトルにおける第１電圧値を検出する電圧検出部と、
前記複数のリレーの導通・遮断制御を行う制御装置と、を有し、
前記制御装置は、当該ショベルの起動時及び停止時の少なくとも一方で、前記複数のリレーのそれぞれの導通・遮断状態と前記第１電圧値とに基づいて前記複数のリレーのそれぞれの異常の有無を判定し、
前記複数のリレーは、前記蓄電器の正極側に配置される正極側リレーと、前記蓄電器の負極側に配置される負極側リレーと、前記正極側リレー又は前記負極側リレーに並列に接続されるプリチャージリレーとを含み、
前記プリチャージリレーは、前記負極側リレーに並列に接続され、
前記制御装置は、
前記プリチャージリレーのみが導通状態のときに前記第１電圧値が所定電圧以上であれば、前記正極側リレーが溶着していると判定し、
前記正極側リレーのみが導通状態のときに前記第１電圧値が所定電圧以上であれば、前記プリチャージリレー又は前記負極側リレーが溶着していると判定し、
前記プリチャージリレー及び前記正極側リレーが導通状態のときに前記第１電圧値が所定電圧未満であれば、前記プリチャージリレー又は前記正極側リレーが溶断していると判定し、且つ、
前記正極側リレー及び前記負極側リレーが導通状態で且つ前記プリチャージリレーが遮断状態のときに前記第１電圧値が所定電圧未満であれば、前記負極側リレーが溶断していると判定する、
ショベル。
ショベルであって、
エンジンと、
前記エンジンに連結されるアシストモータと、
前記アシストモータとの間で電力の授受を行う蓄電器と、
前記アシストモータと前記蓄電器との間に配置される、リアクトルを含むコンバータと、
前記コンバータと前記蓄電器との間に配置される複数のリレーと、
前記リアクトルにおける第１電圧値を検出する電圧検出部と、
前記複数のリレーの導通・遮断制御を行う制御装置と、
前記アシストモータに接続されるインバータと、
前記コンバータと前記インバータとの間に配置されるＤＣバスと、
前記ＤＣバスにおける第２電圧値を検出するＤＣバス電圧検出部と、
を有し、
前記制御装置は、当該ショベルの起動時及び停止時の少なくとも一方で、前記複数のリレーのそれぞれの導通・遮断状態と、前記第２電圧値に基づいて算出される閾電圧値と前記第１電圧値との比較結果とに基づいて前記複数のリレーのそれぞれの異常の有無を判定する、
ショベル。
前記閾電圧値は、前記第２電圧値を二等分した電圧値に電圧マージンを加えて導出され、前記閾電圧値をＡ、前記第２電圧値をＶｄｃ、前記電圧マージンをαとすると、Ａ＝Ｖｄｃ／２＋αで表される、
請求項２に記載のショベル。
前記蓄電器は、リチウムイオンキャパシタであり、
前記制御装置は、前記リチウムイオンキャパシタに接続される全てのリレーの異常の有無を判定する、
請求項１乃至３の何れか一項に記載のショベル。
前記制御装置は、前記蓄電器の充放電制御により、前記蓄電器の端子間電圧を所定範囲内に維持する、
請求項１乃至４の何れか一項に記載のショベル。
前記異常は溶着及び溶断を含む、
請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。