JP2006136072A

JP2006136072A - ハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置

Info

Publication number: JP2006136072A
Application number: JP2004320364A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kubo; 隆久保; Hiroshi Ishiyama; 寛石山; Kiminori Sano; 公則佐野
Original assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-25
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: JP4485909B2

Abstract

【課題】インバータを備えたハイブリッド式建設機械において、特別のコントローラを必要とせず、インバータからバッテリへの過電流を防止するとともにインバータへの電力損失を低減する。
【解決手段】エンジン１８に永久磁石式同期電動発電機１９と油圧ポンプ２０を接続し、該永久磁石式同期電動発電機１９を駆動制御するインバータ２１とバッテリ２２との間に抵抗器２３を介装するとともに、抵抗器２３を短絡する断続器２４を設ける。バッテリ電圧とインバータ動作可能電圧とを比較して、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、前記永久磁石式同期電動発電機１９を発電機として動作させるとともに断続器２４を開として、発電された電力を抵抗器２３を介してバッテリ２２に充電する。バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧以上の場合は、断続器２４を閉として抵抗器２３を短絡し、発電された電力をバッテリ２２に充電する。
【選択図】図２

Description

本発明はハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置に関するものであり、特に、電力損失を小さくしたハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置に関するものである。

近年、油圧ショベルをはじめとする建設機械では、エンジンの負担や燃料消費率低減などのために、油圧ポンプの駆動源としてエンジンのほかに電動機を搭載したハイブリッド式建設機械が知られている。このハイブリッド式建設機械では、電動機に電源を供給するバッテリの電圧が低下すると、電動機を動作させることができない。然るときは、通常はバッテリを機械から取り外して充電するか、或いは、充電器を持ってきてバッテリを充電しなければならず、充電作業が煩雑であった。

この不具合を解消するために、エンジンに電動発電機を接続するとともに、この電動発電機を駆動制御するためのインバータを搭載し、油圧ポンプが低負荷のときは、エンジンの動力のみで油圧ポンプを駆動するとともに発電機で発電した電力をバッテリに蓄え、油圧ポンプが高負荷のときは、バッテリに蓄えられた電力で前記発電機を電動機として駆動するハイブリッド式建設機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、操作レバーまたは操作パネルにパワーアップ用スイッチを設け、このスイッチからの信号がコントローラに入力されたときに、油圧ポンプの駆動を助成すべく電動発電機の出力トルクを制御するように構成したハイブリッド式建設機械も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−１６７０４号公報特開２００４−１１５０２号公報

特許文献１記載の発明は、エンジンの動力により電動発電機で発電した交流電力を、インバータにより直流電力に変換してバッテリに充電するので、従来のように、充電時にわさわざ機械からバッテリを取り外す必要がない。また、バッテリに蓄えられた電力をインバータにより交流電力に変換して電動発電機を電動機として任意の回転数で駆動することができる。

しかし、インバータからバッテリへ充電する際、バッテリ電圧と発電電圧との差が大きいと過電流が流れ、バッテリに負担がかかって寿命が短くなる虞が大きい。このためインバータとバッテリの接続途中に抵抗器を介装して、過電流となるのを防止する必要がある。一方、インバータとバッテリの接続途中に常時抵抗器が介装されていると、充電時及び放電時に電力損失によって効率が低下する。

特許文献２記載の発明は、パワーアップ用スイッチを設けてそのスイッチ操作により電動発電機の出力トルクを制御するが、インバータを制御するために特別のコントローラが必要でコストアップの要因となる。

そこで、インバータを備えたハイブリッド式建設機械において、特別のコントローラを必要とせず、インバータからバッテリへの過電流を防止するとともに、充電時及び放電時の電力損失を低減するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、エンジンと、該エンジンに接続される永久磁石式同期電動発電機と、該永久磁石式同期電動発電機を駆動制御するインバータと、該インバータの直流電源となるバッテリとを備えたハイブリッド式建設機械において、前記インバータとバッテリとの間に抵抗器を介装するとともに、該抵抗器を短絡する断続器を設け、バッテリ電圧とインバータ動作可能電圧とを比較して、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、前記永久磁石式同期電動発電機を発電機として動作させるとともに前記断続器を開として、前記永久磁石式同期電動発電機で発電された電力を前記抵抗器を介してバッテリに充電するように構成したハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置を提供する。

この構成によれば、インバータとバッテリとの間に抵抗器と該抵抗器を短絡する断続器を設けてあり、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、断続器を開として永久磁石式同期電動発電機で発電された電力を抵抗器を介してバッテリに充電するため、バッテリ電圧と発電電圧との差が大きくても前記抵抗器により過電流が緩衝されてバッテリへ入力される。

請求項２記載の発明は、上記バッテリ電圧が上記インバータ動作可能電圧以上の場合は、上記断続器を閉として上記抵抗器を短絡し、必要に応じて上記永久磁石式同期電動発電機を発電機又は電動機として動作させ、発電された電力をバッテリに充電する一方、該バッテリに蓄えられた電力により上記永久磁石式同期電動発電機を電動機として駆動させるように構成したハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置を提供する。

この構成によれば、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧以上の場合は、断続器を閉として抵抗器を短絡し、発電機の電力が抵抗器を通らずにインバータを介してバッテリに供給され、また、バッテリの電力が抵抗器を通らずにインバータを介して電動機へ供給される。

請求項１記載の発明は、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、断続器を開として発電機で発電された電力を抵抗器を介してバッテリに充電するため、バッテリ電圧と発電電圧との差が大きくても抵抗器により定格電流に緩衝されて、バッテリに負担がかからず寿命が長くなる。

請求項２記載の発明は、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧以上の場合は、断続器を閉として抵抗器を短絡し、発電機の電力が抵抗器を通らずにインバータを介してバッテリに供給され、また、バッテリの電力が抵抗器を通らずにインバータを介して電動機へ供給されるため、インバータへの電力損失を低減することができ効率向上に寄与できる。

以下、本発明に係るハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置について、好適な実施例をあげて説明する。インバータを備えたハイブリッド式建設機械において、特別のコントローラを必要とせず、インバータからバッテリへの過電流を防止するとともにインバータへの電力損失を低減するという目的を、インバータとバッテリとの間に抵抗器を介装するとともに、該抵抗器を短絡する断続器を設け、バッテリ電圧とインバータ動作電圧とを比較して、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、永久磁石式同期電動発電機を発電機として動作させるとともに断続器を開として、該永久磁石式同期電動発電機で発電された電力を抵抗器を介してバッテリに充電するように構成し、また、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧以上の場合は、断続器を閉として抵抗器を短絡し、必要に応じて前記永久磁石式同期電動発電機を発電機又は電動機として動作させ、発電された電力をバッテリに充電する一方、該バッテリに蓄えられた電力により前記永久磁石式同期電動発電機を電動機として駆動させるように構成したことにより実現した。

図１は建設機械の一例として油圧ショベル１０を示し、下部走行体１１の上に旋回機構１２を介して上部旋回体１３が旋回自在に載置されている。上部旋回体１３にはその前方一側部にキャブ１４が設けられ、且つ、前方中央部にブーム１５が俯仰可能に取り付けられている。更に、ブーム１５の先端にアーム１６が上下回動自在に取り付けられ、該アーム１６の先端にバケット１７が取り付けられている。前記上部旋回体１３には、エンジン１８と、該エンジン１８に接続される永久磁石式同期電動発電機１９並びに油圧ポンプ２０などの駆動装置が搭載されている。

図２はバッテリ充電装置のブロック図であり、前述したように、前記エンジン１８に永久磁石式同期電動発電機１９並びに油圧ポンプ２０が接続され、該永久磁石式同期電動発電機１９を駆動制御するインバータ２１と、インバータ２１の直流電源となるバッテリ２２が設けられている。前記インバータ２１とバッテリ２２との間には抵抗器２３を介装するとともに、該抵抗器２３を短絡する断続器２４を設ける。この断続器２４は例えばリレーなどのスイッチを使用し、後述するように、バッテリ電圧とインバータ動作可能電圧との比較値によって断続される。

次に、バッテリ充電装置の動作について説明する。機械始動時の初期状態で前記バッテリ２２の電圧が低くて、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合、或いは、機械作動中に前記バッテリ２２の電圧が低下して、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満になった場合は、前記永久磁石式同期電動発電機１９を発電機として動作させるとともに、同図に示すように、前記断続器２４を開とする。

前記永久磁石式同期電動発電機１９で発電された交流電力はインバータ２１にて直流電力に変換され、この直流電力が前記抵抗器２３を介してバッテリ２２に充電され、バッテリ２２の電圧と永久磁石式同期電動発電機１９の電圧との差が大きくても、回路の途中に抵抗器２３を介在させてあるため、該抵抗器２３により過電流が緩衝されて定格電流としてバッテリ２２へ入力される。従って、バッテリ２２に負担がかからず寿命が長くなる。

そして、バッテリ２２への充電が進み、バッテリ電圧が正常電圧範囲に戻り、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧以上になった場合は、必要に応じて前記永久磁石式同期電動発電機１９を発電機又は電動機として動作させ、発電された交流電力をインバータ２１により直流電力に変換してバッテリ２２に充電する一方、該バッテリ２２に蓄えられた直流電力をインバータ２１にて交流電力に変換し、この交流電力を前記永久磁石式同期電動発電機１９へ供給して、該永久磁石式同期電動発電機１９を電動機として駆動する。

ここで、永久磁石式同期電動発電機により発電された電力をバッテリ２２に供給する場合、及び、バッテリ２２に蓄えられた電力をインバータ２１に供給する場合、途中に前記抵抗器２３が介装されていると、電力損失によって効率が低下するため、図３に示すように、前記断続器２４を閉として抵抗器２３を短絡する。従って、前記永久磁石式同期電動発電機により発電された交流電力、並びに、バッテリ２２の直流電力は抵抗器２３を通らずに供給されるため、電力損失を低減することができ効率向上に寄与できる。

尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明が適用された油圧ショベルの側面図。断続器が開状態における本発明に係るバッテリ充電装置のブロック図。断続器が閉状態における本発明に係るバッテリ充電装置のブロック図。

符号の説明

１０油圧ショベル
１８エンジン
１９永久磁石式同期電動発電機
２１インバータ
２２バッテリ
２３抵抗器
２４断続器

Claims

エンジンと、該エンジンに接続される永久磁石式同期電動発電機と、該永久磁石式同期電動発電機を駆動制御するインバータと、該インバータの直流電源となるバッテリとを備えたハイブリッド式建設機械において、
前記インバータとバッテリとの間に抵抗器を介装するとともに、該抵抗器を短絡する断続器を設け、バッテリ電圧とインバータ動作可能電圧とを比較して、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、前記永久磁石式同期電動発電機を発電機として動作させるとともに前記断続器を開として、前記永久磁石式同期電動発電機で発電された電力を前記抵抗器を介してバッテリに充電するように構成したことを特徴とするハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置。
上記バッテリ電圧が上記インバータ動作可能電圧以上の場合は、上記断続器を閉として上記抵抗器を短絡し、必要に応じて上記永久磁石式同期電動発電機を発電機又は電動機として動作させ、発電された電力をバッテリに充電する一方、該バッテリに蓄えられた電力により上記永久磁石式同期電動発電機を電動機として駆動させるように構成した請求項１記載のハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置。