JP2007228715A

JP2007228715A - 電源システムおよびこの電源システムが搭載された建設機械

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Publication number: JP2007228715A
Application number: JP2006046376A
Authority: JP
Inventors: Akio Takeuchi; 明雄竹内; Masao Yoshioka; 昌夫吉岡
Original assignee: Takeuchi Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Takeuchi Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】商用電源およびバッテリーで電動モータを駆動する電源システム、および、この電源システムが搭載された建設機械を提供する。
【解決手段】電源システム４０を、商用電源２７に接続され、この商用電源２７からの交流電力を供給する電源コントローラ４４と、直流電力を出力する高電圧バッテリー４１と、交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換部４３ａ、および、直流電力を任意の周波数を有する交流電力に変換するインバータ部４３ｂを有し、これらを直列に接続してインバータ部４３ｂで変換された交流電力を電動モータ３３に供給する電動モータ駆動装置４３と、電源コントローラ４４をＡＣ−ＤＣ変換部４３ａに接続するか、若しくは、高電圧バッテリー４１をインバータ部４３ｂに接続するかのいずれかを選択可能な電源切換装置４５と、この電源切換装置４５を制御するシステムコントローラ４６とから構成し、パワーショベル車１に搭載する。
【選択図】図２

Description

本発明は、商用電源およびバッテリーで電動モータを駆動する電源システム、および、この電源システムが搭載された建設機械に関する。

従来の建設機械の動力源はエンジンが主流である。しかし、地下の建設現場のように周囲環境との関係でエンジンを使用できない現場では電動モータを動力源として搭載した建設機械が用いられている。このような電動式の建設機械においては、外部電源からの電力を供給するために電源ケーブルがこの建設機械に接続される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２２５３５５号公報

しかしながら、電源ケーブルを接続した状態でこの建設機械を用いて作業をすると、作業装置（例えば、パワーショベルにおけるパワーショベル機構）の作動によりこの電源ケーブルを切断する虞があり、また、電源ケーブルの長さの範囲内でしか作業をすることができないため、作業範囲に制約があるという課題があった。

また、車体にバッテリーを搭載し、このバッテリーからの電力により作動するように構成した場合、バッテリーの充電中は作業をすることができないという課題があり、さらに、バッテリーで駆動する電動モータは直流モータがほとんどであり、保守性が悪いという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、商用電源およびバッテリーで電動モータを駆動する電源システム、および、この電源システムが搭載された建設機械を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る電源システムは、交流電源（例えば、実施形態における商用電源２７）に接続され、この交流電源からの交流電力を供給する電源コントローラと、直流電力を出力するバッテリー（例えば、実施形態における高電圧バッテリー４１）と、交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換部、および、直流電力を任意の周波数を有する交流電力に変換するインバータ部を有し、ＡＣ−ＤＣ変換部およびインバータ部を直列に接続し、インバータ部で変換された交流電力を交流モータ（例えば、実施形態における電動モータ３３）に供給する電動モータ駆動装置と、電源コントローラをＡＣ−ＤＣ変換部に接続するか、若しくは、バッテリーをインバータ部に接続するかのいずれかを選択可能な電源切換装置と、この電源切換装置を制御するシステムコントローラとを有して構成される。

このような本発明に係る電源システムは、電源コントローラに接続され、交流電力によりバッテリーを充電する充電器を有し、システムコントローラが、充電器に対してバッテリーを充電するか否かを制御するように構成されることが好ましい。

また、本発明に係る建設機械（例えば、実施形態におけるクローラ型パワーショベル車１）は、交流モータと、この交流モータに電力を供給する上述の電源システムとを有して構成される。

この本発明に係る建設機械は、車体（例えば、実施形態における走行台車４）と、車体に設けられた作業装置（例えば、実施形態におけるパワーショベル機構１３）と、この作業装置を駆動する油圧ユニットとを有し、交流モータが、油圧ユニットの油圧ポンプを駆動するように構成されることが好ましい。あるいは、車体と車体を走行させる走行装置とを有し、交流モータが走行装置を駆動するように構成されることが好ましい。

本発明に係る電源システムを以上のように構成すると、交流電源およびバッテリーで交流モータを駆動することができる。また、電動モータ駆動装置を交流電源とバッテリーとで共用できるため、電源システムの構成を簡単にすることができるとともに、小型化することができる。

また、本発明に係る建設機械を以上のように構成すると、交流電源だけでなく、この交流電源から切り離してもバッテリーで交流モータを駆動することができ、さらに、交流電源でバッテリーを充電しながら交流モータを駆動することができる。また、電源システムを小型化して建設機械全体の重量を軽量化することができる。また、モータとして交流モータを利用することができるため、保守作業が容易になる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、本発明に係る電源システムが搭載されるクローラ型パワーショベル車１について図１を用いて説明する。なお、このパワーショベル車１は、地下等の比較的密閉された空間で使用されることを目的に、商用電源若しくはバッテリーからの電力を利用して作動するものである。このパワーショベル車１は、左右一対の履帯２０を有して構成された走行装置２を備えた走行台車４と、この走行台車４の後部に上下に揺動自在に設けられたブレード９と、走行台車４の上に旋回可能に設けられた旋回台１１と、旋回台１１の前部に枢結されたパワーショベル機構１３と、旋回台１１の上に設けられたオペレータキャビン１５とを有している。

走行装置２は、略Ｈ型をなす走行台車４と、この走行台車４の左右に設けられた走行機構３とからなる。走行機構３は、走行台車４の左右の前部に設けられた駆動用スプロケットホイール５（クローラホイール）と、後部に設けられたアイドラホイール６（クローラホイール）と、これら両ホイール５，６に掛け回されて駆動される履帯２０とからなる。駆動用スプロケットホイール５は、図示しない電動モータにより駆動される。

パワーショベル機構１３は、旋回台１１の前部に起伏動自在に枢結されたブーム１６、ブーム１６の先端部にこのブーム１６の起伏面内で上下に揺動自在に枢結されたアーム１７、および、このアーム１７の先端に上下に揺動自在に枢結されたバケット１８から構成される。ブーム１６はブームシリンダ２１により起伏動され、アーム１７はアームシリンダ２２により揺動され、バケット１８はバケットシリンダ２３により揺動される。なお、このようなシリンダは、後述する油圧ユニット３０から供給される作動油により駆動されるため、以降の説明においては、これらのシリンダ２１〜２３をまとめて「油圧アクチュエータ３５」と呼ぶ。また、旋回台１１は、図示しない旋回モータにより旋回動され、この旋回モータは電動モータでも良いし、油圧モータでも良い。このパワーショベル機構１３の操作は、オペレータキャビン１５内に設けられた操作装置１４により行われる。

本実施例においては、上述のように、走行装置２や油圧アクチュエータ３５に作動油を供給するポンプは電力により駆動する電動モータにより作動するように構成されており、図２および図３を用いてこのパワーショベル車１に搭載されて、この電動モータに電力を供給する電源システム４０について説明する。なお、図２では、電気的または光学的信号回路を実線で示し、油圧回路を点線で示している。まず、油圧アクチュエータ３５に作動油を供給する油圧ユニット３０は、作動油を溜めるタンク３１、電気モータ３３により駆動されて所定油圧・流量の作動油を吐出する油圧ポンプ３２、油圧ポンプ３２から吐出される作動油を操作装置１４の操作に応じた供給方向および供給量で油圧アクチュエータ３５に供給制御するコントロールバルブ（電磁比例弁）３４、温度上昇した作動油を冷却するオイルクーラ（図示せず）等から構成されている。

電源システム４０は、リチウムイオンバッテリー等の二次電池からなる高電圧バッテリー４１、商用電源２７からの交流電力を直流電力に変換して高電圧バッテリー４１を充電する充電器４２、商用電源２７若しくは高電圧バッテリー４１からの電力を制御して電動モータ３３を駆動する電動モータ駆動装置４３、商用電源２７からの電力供給を制御する電源コントローラ４４、電動モータ駆動装置４３に供給される電源を商用電源２７と高電圧バッテリー４１との間で切り換える電力切換装置４５、この電源システム４０を制御するシステムコントローラ４６、高電圧バッテリー４１から供給される高電圧の直流を低電圧の直流に変換してシステムコントローラ４６に供給するＤＣ／ＤＣインバータ４７、および、システムコントローラ４６をバックアップするためのシステムバックアップ電源４８から構成される。

システムコントローラ４６は、高電圧バッテリー４１の充電の制御、油圧ポンプ３２を駆動する電動モータ３３の制御、および、電動モータ３３に印加される電力の選択（商用電源２７か高電圧バッテリー４１かの選択）を行う。まず、高電圧バッテリー４１の充電の制御は、電源コントローラ４４を制御し、商用電源２７からの交流電力を充電器４２に供給し、充電器４２を作動させてこの交流電力を直流電力に変換して高電圧バッテリー４１に印加して充電を開始する。このときシステムコントローラ４６は高電圧バッテリー４１に印加される電圧およびこの高電圧バッテリー４１の出力電圧を監視しており、この高電圧バッテリー４１が最適な充電状態になるように充電器４２を制御する（例えば、充電器４２が高電圧バッテリー４１に印加する電圧を制御する）。

次に、電動モータ３３の制御は、システムコントローラ４６により電動モータ駆動装置４３を制御することにより行われる。この電動モータ駆動装置４３は、図３に示すように、交流電力（ＡＣ）を直流電力（ＤＣ）に変換するＡＣ−ＤＣ変換部４３ａ、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータ部４３ｂ、および、インバータ部４３ｂを制御する制御部４３ｃから構成されている。電動モータ３３は、ＩＰＭモータやサーボモータ等の交流モータで構成されている。そのため、インバータ部４３ｂで変換された任意の周波数の交流電力を電動モータ３３に印加することにより、この電動モータ３３の出力トルクを制御して所定の油圧を油圧ポンプ３２から供給することができ、制御部４３ｃはシステムコントローラ４６からの指令と、電動モータ３３で検出された回転数やロータの位置信号に基づいてインバータ部４３ｂを制御する。なお、電動モータ３３の制御のために、油圧ユニット３０に設けられた油圧センサーや油温センサー３６の検出値がシステムコントローラ４６に入力される。

最後に、電動モータ３３に印加される電力の選択は、電力切換装置４５を制御することにより行われる。電力切換装置４５は、高電圧バッテリー４１からの電力を電動モータ駆動装置４３に印加するか、商用電源２７からの電力を電動モータ駆動装置４３に印加するかを切り換えるＤＣ／ＡＣ切換コントローラ４５ａ、および、高電圧バッテリー４１からの異常な電力供給を保護する三相入力短絡リレー４５ｂから構成される。図３に示すとおり、商用電源２７からの回路はＡＣ−ＤＣ変換部４３ａに接続され、高電圧バッテリー４１からの回路は直接インバータ部４３ｂに接続されている。システムコントローラ４６は、商用電源２７からの電力で電動モータ３３を作動させるときは、電源コントローラ４４を制御して商用電源２７を電力切換装置４５に接続し、ＤＣ／ＡＣ切換コントローラ４５ａを制御してこの電力を電動モータ駆動装置４３に供給する。一方、高電圧バッテリー４１からの電力で電動モータ３３を作動させるときは、ＤＣ／ＡＣ切換コントローラ４５ａを制御して高電圧バッテリー４１からの電力を電動モータ駆動装置４３に供給する。

以上説明した本発明の実施形態において達成される主要な効果を整理すれば次のようになる。第１に、電源システム４０の電動モータ駆動装置４３に対して、ＡＣ−ＤＣ変換部４３ａに商用電源２７を接続し、インバータ部４３ｂに高電圧バッテリー４１を接続するように構成することにより、商用電源２７から切り離して、高電圧バッテリー４１でこのパワーショベル車１を作動させることができる。また、電動モータ駆動装置４３を交流と直流の２種類の電力で共通に利用することができ、この電源システム４０の構成を簡単にすることができるとともに、小型化することができる。また、商用電源２７からの電力供給が停止したときに、高電圧バッテリー４１からの電力で作動させる等の緊急時の対応が可能となる。

第２に、電動モータ駆動装置４３にインバータ部４３ｂを設け、このインバータ部４３ｂで変換された任意の周波数を有する交流電力で電動モータ３３を駆動させるため、この電動モータ３３の出力トルクの制御が容易になるとともに、高電圧バッテリー４１を充電中でも商用電源２７からの電力でこの電動モータ３３を駆動することができるので、充電と同時にパワーショベル車１による作業が可能となる。さらに、第３に電動モータ３３を交流モータで構成できるため、この電動モータ３３の保守作業が容易になる。

なお、システムコントローラ４６において、高電圧バッテリー４１を充電するための制御を実施するか否か、および、電動モータ３３を商用電源２７で行うか、高電圧バッテリー４１で行うかの判断は、このシステムコントローラ４５が電源コントローラ４４の状態を監視し、商用電源２７に接続されていると判断されるときは、高電圧バッテリー４１を充電することや、電動モータ３３を商用電源２７からの電力で作動させるように構成することができ、商用電源２７に接続されていないと判断されるときは、高電圧バッテリー４１からの電力で電動モータ３３を作動させるように構成することができる。或いは、オペレータキャビン１５内に高電圧バッテリー４１を充電するか否か、また、電動モータ３３を商用電源２７若しくは高電圧バッテリー４１のいずれで作動させるかを選択するスイッチを設け、このスイッチの状態をシステムコントローラ４６で検出して制御するように構成することもできる。

また、以上の実施例においては、油圧アクチュエータ３５に作動油を供給する油圧ポンプ３２を駆動するための電動モータ３３に電源システム４０から電力を供給する場合について説明したが、走行装置２を駆動させるモータや旋回台１１を旋回させるモータに電力を供給する場合も同様である。

本発明に係る電源システムが搭載されるクローラ型パワーショベル車の斜視図である。本発明に係る電源システムのブロック図である。電動モータ駆動装置のブロック図である。

符号の説明

１クローラ型パワーショベル車（建設機械）
２走行装置
４走行台車（車体）
１３パワーショベル機構（作業装置）
２７商用電源（交流電源）
３３電動モータ（交流モータ）
４０電源システム
４１高電圧バッテリー（バッテリー）
４２充電器
４３電動モータ駆動装置
４３ａＡＣ−ＤＣ変換部
４３ｂインバータ部
４４電源コントローラ
４５電源切換装置
４６システムコントローラ

Claims

交流電源に接続され、前記交流電源からの交流電力を供給する電源コントローラと、
直流電力を出力するバッテリーと、
交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換部、および、直流電力を任意の周波数を有する交流電力に変換するインバータ部を有し、前記ＡＣ−ＤＣ変換部および前記インバータ部を直列に接続し、前記インバータ部で変換された交流電力を交流モータに供給する電動モータ駆動装置と、
前記電源コントローラを前記ＡＣ−ＤＣ変換部に接続するか、若しくは、前記バッテリーを前記インバータ部に接続するかのいずれかを選択可能な電源切換装置と、
前記電源切換装置を制御するシステムコントローラとを有することを特徴とする電源システム。
前記電源コントローラに接続され、前記交流電力により前記バッテリーを充電する充電器を有し、
前記システムコントローラが、前記充電器に対して前記バッテリーを充電するか否かを制御するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
交流モータと、
前記交流モータに電力を供給する請求項１または２に記載の電源システムとを有することを特徴とする建設機械。
車体と、
前記車体に設けられた作業装置と、
前記作業装置を駆動する油圧ユニットとを有し、
前記交流モータが、前記油圧ユニットの油圧ポンプを駆動するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の建設機械。
車体と、
前記車体を走行させる走行装置とを有し、
前記交流モータが前記走行装置を駆動するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の建設機械。