JP2011103720A - 油圧ユニットの電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ−ＤＣコンバータの使用率を上げることによって、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率を上げ、機械の稼動時間を延ばすことにより充放電のサイクル数を減らし、バッテリの長寿命化を図ることが可能な油圧ユニットの電源システムを提供する。
【解決手段】油圧ポンプ３２と、ポンプ用電動モータ３３と、油圧アクチュエータ３５と、メインバッテリ４１及びサブバッテリ４２と、メインバッテリ４１からの直流電力を交流電力に変換して供給させることによりポンプ用電動モータ３３を作動させるインバータ４３と、サブバッテリ４２からの直流電力を受けて作動して、制御装置４４とを備えた油圧ユニットの電源システムにおいて、メインバッテリ４１からサブバッテリ４２への充電をオン／オフするリレー４７を備え、制御装置４４が、サブバッテリ４２のバッテリ残量を検出し、バッテリ残量が所定値より少なくなったとき、上記リレー４７にオンさせることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動モータを動力源とする主として建設機械に用いられる油圧ユニットの電源システムに関する。

電動モータで油圧ポンプを稼動させ油圧ポンプから供給された作動油を用いて油圧アクチュエータを作動させる構成を有する油圧ユニットを備えた機械として、例えば、パワーショベル等の建設機械がある。油圧アクチュエータとしては油圧モータや油圧シリンダ等があるが、例えば建設機械では、これらの油圧アクチュエータを作動させることにより、走行装置、旋回装置、ブーム、アーム、バケット等のシリンダを作動させて走行、掘削等各種作業を行う。パワーショベルは、走行、掘削の作業の他に、車両の旋回や土砂を移動させるような作業も行うことができる。

上述したような建設機械には、一般的に、例えば図３に示すように、作動油を貯留する作動油タンク１３１と、油圧駆動式の油圧ポンプ１３２と、油圧ポンプ１３２を駆動させる電動モータ１３３と、油圧ポンプ１３２から吐出された作動油の油量等を制御するコントロールバルブ１３４と、複数の油圧シリンダ及び油圧モータで構成される油圧アクチュエータ１３５とを備えて構成される油圧ユニット１３０が設けられる。また、電動モータ１３３に電力を供給する電源ユニット１４０を備え、電源ユニット１４０は、例えば充電器１２９を介して商用電源１２８の電力を蓄電するとともに直流電力を供給するバッテリ１４１と、バッテリ１４１の直流電力を交流電力に変換し電動モータ１３３に供給するインバータ１４３と、インバータ１４３の作動を制御する制御装置１４４と、バッテリ１４１の直流電圧を所定の電圧に変換してその電力を制御装置１４４に出力するＤＣ−ＤＣコンバータ１４６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４６を介してバッテリ１４１から得た電力により作動する前照灯等のオプション１５２とを備えて構成されている。

また、バッテリはメインバッテリとサブバッテリから構成され、メインバッテリにＤＣ−ＤＣコンバータを介してサブバッテリを接続させることにより、上記のような制御装置に大容量で安定した電力を供給することを可能にしているハイブリッド式の建設機械（例えば、特許文献１を参照）が周知となっている。そして、バッテリが、電動モータに電力を供給する第１バッテリと、制御装置に電力を供給する第２バッテリとから構成され、充電装置が、第１バッテリを充電する第１充電装置と、第２バッテリを充電する第２充電装置とから構成され、車体に太陽光エネルギを受けて発電して起電力を第２充電装置に供給する太陽光発電装置が設けられている建設機械もある（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００７−１０７２３１号公報 特開２００７−２８４８７４号公報

ところで、上述したようなバッテリが複数ある建設機械においては、制御装置が第１バッテリ（メインバッテリ）から電力を受け、また、ライト等のオプションも第１バッテリ（メインバッテリ）から電力を受ける構成となっている場合がある。このような構成では、第２バッテリ（サブバッテリ）が設けられていたとしても、常に第１バッテリから電力を消費するため、実質的に第１バッテリの寿命が長くならないという課題があった。また、ＤＣ−ＤＣコンバータは、一般に使用率が高い程、電圧の変換効率が上がるが、上記の構成では使用頻度は低いが消費電力量は大きいライト、ホーン等を考慮した出力が必要となり、ＤＣ−ＤＣコンバータの使用率が小さいためその効率が良くないという課題があった。

本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、ＤＣ−ＤＣコンバータの使用率を上げることによって、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率を上げ、機械の稼動時間を延ばすことにより充放電のサイクル数を減らし、バッテリの長寿命化を図ることが可能な油圧ユニットの電源システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る油圧ユニットの電源システムは、作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、油圧ポンプを作動させる交流電動モータ（例えば、実施形態におけるポンプ用電動モータ３３）と、直流電力を出力する第１バッテリ（例えば、実施形態におけるメインバッテリ４１）と、第１バッテリからの電力供給を受けて充電可能な、直流電力を出力する第２バッテリ（例えば、実施形態におけるサブバッテリ４２）と、第１バッテリからの直流電力を交流電力に変換して交流電動モータに供給させることにより交流電動モータを作動させるインバータと、第２バッテリからの直流電力を受けて作動して、インバータの作動を制御するインバータ制御装置（例えば、実施形態における制御装置４４）とを備えた油圧ユニットの電源システムにおいて、第１バッテリから第２バッテリへの充電をオン／オフするスイッチ（例えば、実施形態におけるリレー４７）と、第２バッテリのバッテリ残量を検出し、バッテリ残量が所定値より少なくなったとき、スイッチをオンさせるスイッチ制御装置（例えば、実施形態における制御装置４４）とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る油圧ユニットの電源システムにおいては、第１バッテリの直流電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、ＤＣ−ＤＣコンバータから出力された電力により第２バッテリが充電されることが好ましい。

以上、本発明に係る油圧ユニットの電源システムにおいては、第１バッテリ及び第２バッテリと、第１バッテリから第２バッテリへの充電をオンオフするスイッチと、第２バッテリのバッテリ残量が所定値以下になったときに上記スイッチをオンさせるスイッチ制御装置とを備えている。従って、作業中などに第２バッテリのバッテリ残量が低下したときに限り、第１バッテリから電力を出力し第２バッテリへの充電を行う構成になっているため、第１バッテリの電力の消費量を抑えることが可能になり、全体として第１及び第２バッテリの長寿命化を実現できる。

また、本発明に係る油圧ユニットの電源システムにおいては、ＤＣ−ＤＣコンバータが第１バッテリと第２バッテリの間に設けられている場合、第１バッテリと第２バッテリは第２バッテリのバッテリ残量が減少した場合にのみ接続されるようになっているため、ＤＣ−ＤＣコンバータに従来より使用率を上げることが可能となり、ＤＣ−ＤＣコンバータに効率良く電圧変換させることができる。

本発明に係る油圧ユニットの電源システムを適用させた建設機械の一例として示すパワーショベルの斜視図である。 本発明に係る油圧ユニットの電源システムを示す油圧回路及び電気回路を示すブロック図である。 従来の油圧ユニットの電源システムを示す油圧回路及び電気回路を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１には、本発明に係る油圧ユニットの電源システムを適用させた建設機械の一例としてクローラ型のパワーショベル１を示している。このパワーショベル１は、平面視略Ｈ字状の走行台車４（車体）の左右に走行機構３，３が設けられて構成される走行装置２と、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の上部に旋回可能に設けられた旋回台１１と、旋回台１１の前部に設けられたショベル機構１２と、旋回台１１の上部に立設された運転者搭乗用のオペレータキャビン１５（車体）とから構成されている。

走行装置２を構成する左右一対の走行機構３，３は、走行台車４の左右前部に設けられた駆動用スプロケットホイール５と、走行台車４の左右後部に設けられたアイドラホイール６との間に履帯７が巻き掛けられて構成される。駆動用スプロケットホイール５は、電動モータあるいは油圧モータからなる走行モータにより回転駆動される。ブレード９は、油圧駆動式のブレードシリンダ（不図示）の作動により揺動される。旋回台１１は、電動モータあるいは油圧モータからなる旋回モータ（不図示）により旋回動される。

ショベル機構１２は、旋回台１１の前部に起伏動自在に枢結されたブーム２１と、ブーム２１の先端部にブーム２１の起伏面内で上下に揺動自在に枢結されたアーム２２と、アーム２２の先端に上下で揺動自在に枢結されたバケット２３と、油圧駆動式のブームシリンダ２４、アームシリンダ２５、及びバケットシリンダ２６とから構成されている。ブーム２１はブームシリンダ２４により起伏動され、アーム２２はアームシリンダ２５により揺動され、バケット２３はバケットシリンダ２６により揺動される。以降の説明ではこれらのシリンダ２４〜２６やブレード９のブレードシリンダを纏めて「油圧アクチュエータ３５」と呼ぶ（図２参照）。また、オペレータキャビン１５は、上下前後左右が囲まれた矩形箱状に形成されており、内部に運転者が着座するためのオペレータシート１６と、走行装置２やショベル機構１２の作動操作を行うための操作装置１７とが設けられている。

ところで、図２に示すように、パワーショベル１には、油圧アクチュエータ３５に作動油を供給し作動させる油圧ユニット３０が設けられている。油圧ユニット３０は、作動油を貯留するタンク３１、所定油圧、所定流量の作動油を吐出する油圧ポンプ３２、油圧ポンプ３２を駆動させるポンプ用電動モータ３３、及び、油圧ポンプ３２から吐出される作動油を操作装置１７の操作に応じた供給方向及び供給量で油圧アクチュエータ３５に供給させる制御を行うコントロールバルブ３４から構成されている。

上記ポンプ用電動モータ３３には、電源システム４０から電力が供給されるようになっており、ポンプ用電動モータ３３はこの電力により駆動するようになっている。この電源システム４０について以下で図２を参照しながら説明する。図２では、電気的または光学的信号回路を実線の矢印で示し、油圧回路を点線の矢印で示している。なお、図２に示す構成では、上記走行モータ及び旋回モータは油圧モータからなり、これらのモータも油圧アクチュエータ３５に含まれている。

電源システム４０は、メインバッテリ４１と、サブバッテリ４２と、インバータ４３と、制御装置４４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４６と、リレー４７とを備えて構成されている。メインバッテリ４１及びサブバッテリ４２は、例えば一日の作業が終わった時点で、充電器２９を介して外部の商用電源２８から電力を受けて充電できるようになっている。本実施形態では、メインバッテリ４１とサブバッテリ４２が設けられ、後に詳述するが、制御装置４４にはメインバッテリ４１ではなくサブバッテリ４２から電力が供給される構成となっているため、メインバッテリ４１を有効に使用し、パワーショベル１の稼動時間を延ばすことが可能となっている。

メインバッテリ４１は、インバータ４３を介してポンプ用電動モータ３３に電力を供給するために設けられる。メインバッテリ４１としては、例えばリチウムイオン電池や有機ラジカル電池等の二次電池を用いることができる。サブバッテリ４２は、制御装置４４及び後述するオプション５２に電力を供給するために設けられる。サブバッテリ４２としては、例えばリチウムイオン電池や鉛シール電池等を用いることができる。なお、メインバッテリ４１からは、サブバッテリ４２と比較して、高電圧の直流電流が供給される。インバータ４３は、メインバッテリ４１からの直流電力を任意の周波数の交流電力に変換してこの交流電力をポンプ用電動モータ３３に供給する。

制御装置４４は、電源システム４０を統括的に制御し、サブバッテリ４２からの電力を受けて機能する。制御装置４４は、モータ回転数検出センサ（不図示）、油圧・油温センサ（不図示）により、ポンプ用電動モータ３３の回転数、作動油の油圧・油温を検出することが可能となっており、検出した回転数、油圧・油温に基づいて、油圧ポンプ３２から供給される油圧等が最適状態になるように制御信号を生成し、当該制御信号をインバータ４３に送信する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ４６は、いわゆる降圧型のものを使用しており、メインバッテリ４１から供給される高電圧の直流電流を低電圧の直流電流（例えば、ＤＣ１２．６Ｖ）に変換して安定化させる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４６とサブバッテリ４２の間には、リレー４７の接点４７ａが接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ４６とサブバッテリ４２とはこのリレー４７により接続及び切断される。リレー４７の接点４７ａは、制御装置４４の制御により接続及び切断されるように構成されている。この接点４７ａは、通常は切断状態（オフ状態）に維持され、制御装置４４からリレー４７に電圧が印加されるとオン状態となり、接点４７ａがオン状態になってメインバッテリ４１及びＤＣ−ＤＣコンバータ４６と、サブバッテリ４２とが接続されるようになっている。こうして、接点４７ａがオン状態になると、ＤＣ−ＤＣコンバータ４６を介して、サブバッテリ４２が充電されるように構成されている。

オプション５２は、前照灯等のライトや砕石機構を作動させるためのコントローラ等のサブアクチュエータから構成され、サブバッテリ４２からの電力をそれぞれ受けて作動する。このように構成されることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ４６の仕様を、オプション５２の消費電力から求められたサブバッテリ４２の仕様のみに基づいて決めることができ、従来技術に比べて最適なＤＣ−ＤＣコンバータ４６を選定することができる。なお、サブバッテリ４２の容量は、一日の稼動における制御回路・保護回路・リレーの消費電力等に基づいて決定される。運転状況に応じて使用されるライトやホーン等オプション５２の消費電力はサブバッテリ４２の容量計算には含めず、必要に応じてメインバッテリ４１からサブバッテリ４２経由で、供給するものとしている。

また、制御装置４４は、サブバッテリ４２から供給される電流及び電圧の値（電力量）に基づいてそのバッテリ残量を検出することが可能になっており、検出したバッテリ残量に応じてリレー４７の作動を制御するように構成されている。具体的には、サブバッテリ４２のバッテリ残量に応じて、メインバッテリ４１からサブバッテリ４２への充電を行うか否かを決定することが可能となっている。また、制御装置４４は、上記充電を行うか否かの閾値として所定の上限値と下限値を設定することができるようになっており、サブバッテリ４２のバッテリ残量が下限値（閾値）より下がったときは、リレー４７に電圧を印加し接点４７ａをオン状態にし、リレー４７の接点をつないで、メインバッテリ４１からＤＣ−ＤＣコンバータ４６を介してサブバッテリ４２に一気に電力が補充され、サブバッテリ４２への充電が開始されるようになる。そして、充電が進み、サブバッテリ４２のバッテリ残量が上限値（閾値）まで到達した時点で、制御装置４４は、接点４７ａをオフ状態にし、リレー４７の接点４７ａを遮断する。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ４６は、理論上は省略することも可能ではあるが、ＤＣ−ＤＣコンバータ４６は使用率が高いほど効率が上がるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ４６を設けることにより、ある程度使用率を上げた状態でメインバッテリ４１から効率良くサブバッテリ４２に電力を供給することができるようになっている。

このように、バッテリ残量が大きいときにはサブバッテリ４２からのみ電力の供給を受けるようにすることでパワーショベル１の稼動時間を長くすることができる。また、サブバッテリ４２のバッテリ残量が、例えば昼間の作業中に閾値未満（あるいは閾値以下）となったときにのみ、メインバッテリ４１からＤＣ−ＤＣコンバータ４６を介してサブバッテリ４２に電力を供給させることにより、メインバッテリ４１及びサブバッテリ４２に充電された電力を有効活用することができる。

以上、本実施形態におけるパワーショベル１は、電源システム４０が上記のように構成されていることにより、サブバッテリ４２のバッテリ残量が少なくなったときでも、制御装置４４への電力供給を止めることなく、サブバッテリ４２をメインバッテリ４１により充電させることができ、従来と比較してパワーショベル１の稼動時間を長くすることができる。

また、本実施形態において、制御装置４４がインバータ４３及びリレー４７の作動を制御する例について説明したが、インバータ４３の作動を制御するインバータ制御装置と、リレー４７の作動を制御するリレー制御装置とを別体で設けても同様の効果が得られる。

そして、本実施形態においては、メインバッテリ４１及びサブバッテリ４２を充電する手段として商用電源２８及び充電器２９を用いる例について説明したが、上記手段としてはこれに限定されることはない。例えば、太陽光エネルギを電気エネルギに変換するソーラーパネルを車体に配置してソーラーパネルに充電させるようにしてもよいし、専用の発電機を使用してもよい。

さらに、本実施形態においては、油圧ユニットを備えた機械の一例として油圧ユニット３０を備えたパワーショベル１を示したが、油圧ユニット３０の構成は上記に限定されるものではない。また、機械についてもパワーショベル１に限定されず、高所作業車、移動式クレーン、フォークリフト、ローダ等に対しても本発明を適用することは可能である。更には、建設機械以外の機械の油圧ユニットにも本発明に係る電源システムを適用させることは可能である。

３０ 油圧ユニット
３２ 油圧ポンプ
３３ ポンプ用電動モータ（交流電動モータ）
３５ 油圧アクチュエータ
４０ 電源システム
４１ メインバッテリ（第１バッテリ）
４２ サブバッテリ（第２バッテリ）
４３ インバータ
４４ 制御装置（インバータ制御装置、スイッチ制御装置）
４６ ＤＣ−ＤＣコンバータ
４７ リレー（スイッチ）

Claims (2)

1. 作動油を吐出する油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、
   前記油圧ポンプを作動させる交流電動モータと、
   直流電力を出力する第１バッテリと、
   前記第１バッテリからの電力供給を受けて充電可能な、直流電力を出力する第２バッテリと、
   前記第１バッテリからの直流電力を交流電力に変換して前記交流電動モータに供給させることにより前記交流電動モータを作動させるインバータと、
   前記第２バッテリからの直流電力を受けて作動して、前記インバータの作動を制御するインバータ制御装置とを備えた油圧ユニットの電源システムにおいて、
   前記第１バッテリから前記第２バッテリへの充電をオン／オフするスイッチと、
   前記第２バッテリのバッテリ残量を検出し、前記バッテリ残量が所定値より少なくなったとき、前記スイッチをオンさせるスイッチ制御装置とを備えることを特徴とする油圧ユニットの電源システム。
2. 前記第１バッテリの直流電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータから出力された電力により前記第２バッテリが充電されることを特徴とする請求項１に記載の油圧ユニットの電源システム。

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