JP4182813B2 - 電動式建設機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば油圧ショベル等の建設機械に関するものであり、特にその動力源として、バッテリと電動モータとを備え、電動モータで油圧ポンプを駆動するようにした電動式建設機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建設機械として、例えば油圧ショベルは、市街地や住宅地等でも稼動するものであり、また建設・土木工事だけでなく、産業廃棄物処理その他の分野でも用いられるようになってきている。エンジンを動力源とした油圧ショベルは、排気ガスの問題、騒音問題等に直面しており、市街地，住宅地や工場等での稼動が制限される傾向にある。エンジン駆動式に代えて、電動駆動式とすれば、少なくとも排気ガスの問題は生じず、また騒音の低減も図られることから、近年においては、電動式の油圧ショベルが開発され、かつ実用化も図られている。油圧ショベルは、作業時に大きな負荷が作用するものであり、特にフロント作業機等の各作動機構部を電動モータで直接駆動するのには適さない。このために、油圧ポンプを併用して、電動モータでこの油圧ポンプを駆動するようになし、また作動機構各部に油圧アクチュエータを装着して、油圧ポンプから供給される圧油により各油圧アクチュエータを作動させるように構成したものは、従来から知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２７３９１３号公報（第３−４頁、図１−図４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年においては、バッテリとして、鉛バッテリに加えて、リチウムバッテリ、ニッケル水素バッテリ等、多種類のバッテリが開発されているが、いずれのバッテリも、軽油やガソリン等のエンジン用の燃料と比較すれば、エネルギー密度がかなり低いのが現状である。従って、電動モータにより油圧ポンプを駆動するに当って、省電力に対する配慮が必要となる。前述した従来技術のものにあっても、省電力を図るために、走行及び旋回といった比較的負荷が軽く、また作動頻度も少ない作動機構については、電動モータ直結方式となし、フロント作業機等のように、大きな負荷が作用する機構については、電動モータにより油圧ポンプを駆動して、この油圧ポンプから供給される圧油により作動する油圧シリンダを用いるように構成している。しかも、インバータ制御を行うことによって、消費電力を抑制するようにしている。
【０００５】
このように、電動モータにより油圧ポンプを駆動するに当って、省電力を図るためにインバータ制御を行うことから交流式の電動モータが用いられる。電動モータの回転数は交流周波数で決まるものであり、このために電動モータの起動時に目標とする周波数を設定するが、起動時における慣性負荷が大きいことから、直ちに目標周波数となるように制御すると、起動時に大電流が流れることになり、バッテリの消費電力が極めて大きくなる。インバータ制御を行うことから、目標周波数を起動時から最終目標周波数まで段階的または連続的に増大させ、かつそれに比例して供給電圧を変化させるように制御すれば、起動時に過大な電流が流れるのを抑制して、省電力化が図られることになる。
【０００６】
ところで、油圧ショベル等の建設機械は野外で稼動するものであるから、作業環境、特に雰囲気温度に変化があると、バッテリの放電容量が変化する。また、電動モータにより駆動されるのが油圧ポンプであることから、この油圧ポンプの起動時における負荷は作動油温により大きく変化する。従って、前述した起動時におけるインバータ制御を電動モータの慣性負荷のみを基準として設定したのでは、油圧ショベルを作動させるのに条件の良い環境下と、条件の悪い環境下とでは、その起動時におけるバッテリの消費電力が大きく変化することになってしまうという不都合が生じることになる。
【０００７】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、建設機械における作業環境が変化しても、起動時におけるバッテリの消費電力の変動を抑制し、バッテリの長寿命化を図ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明は、走行車両にバッテリと交流式の電動モータとを搭載して、この電動モータにより油圧ポンプを駆動して、各機構部に設けた油圧アクチュエータを作動させるようにした電動式建設機械であって、前記電動モータはその回転数を任意に制御する制御機構を備えており、前記制御機構は、前記電動モータの起動時に、その目標周波数と供給電圧との比を一定にするか、若しくは所望の比特性となるようにして、始動時目標周波数から最終目標周波数まで周波数を増大させると共に供給電圧を上昇させるように制御する起動時出力制御手段を含むものである。そして、第１の発明は、前記起動時出力制御手段は、少なくとも温度センサにより前記バッテリまたは作動油のいずれかの温度を検出し、この検出温度信号に基づいて、始動時目標周波数から最終目標周波数に至る変化時間を雰囲気温度による起動時負荷の変化に対応させるように調整可能な特性変更部を備える構成としたことを特徴としている。また、第２の発明は、前記起動時出力制御手段は、始動時目標周波数から最終目標周波数に至る変化時間を起動時負荷の変化に対応させるために、スイッチまたはボリュームからなる調整信号発生手段を備える構成としている。
【０００９】
ここで、起動時における始動時目標周波数から最終目標周波数に至る変化時間を電動モータの慣性負荷だけでなく、それ以外の要因に基づいて生じる可変な負荷等に応じて変化させる。ここで、他の要因に基づく可変な負荷等としては、雰囲気温度がある。寒冷地や冬季等では、建設機械を長い時間停止した状態から起動する時には、バッテリの電解液や作動油温が極めて低いことがある。従って、これらの要因によって起動時負荷が変動するので、バッテリ温度や作動油温度の少なくともいずれかを温度センサで検出して、この検出信号を調整信号として、制御機構の起動時出力制御手段における特性変更部に取り込んで、起動時における周波数変化特性を調整するすることができる。また、センサ出力ではなく、例えばマニュアル操作、例えばスイッチやボリューム等の操作によって、調整信号を特性変更部に入力するように構成しても良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。まず、図１に建設機械の一例としての油圧ショベルを示す。同図において、１はクローラ式の走行体、２は旋回装置３を介して走行体１に連結した旋回体である。旋回体２には、土砂の掘削等の作業を行うフロント作業機４が設けられている。フロント作業機４は、ブーム５，アーム６及びバケット７から構成される。なお、バケット７はフロントアタッチメントとして、他の作業手段と交換して用いられるようになっている。また、旋回体２には、オペレータが搭乗して機械の操作を行う運転室８が設けられ、さらに運転室８の後方位置には機械室建屋９が設けられている。
【００１１】
次に、図２に油圧ショベルの駆動機構の回路構成を示す。この図において、５ａはブームシリンダ、６ａはアームシリンダ、７ａはバケットシリンダである。また、走行体１を構成する左右一対のクローラは走行モータ１ａ，１ｂで駆動されるようになっており、また旋回装置３は旋回モータ３ａに駆動されるものである。これら各シリンダ５ａ，６ａ，７ａは油圧シリンダであり、走行モータ１ａ，１ｂ及び旋回モータ３ａは油圧モータである。これら油圧シリンダ及び油圧モータは油圧アクチュエータとして、油圧ポンプ１０からコントロールバルブ１１を介して供給される圧油により駆動されるものであり、また各油圧アクチュエータからの戻り油は作動油タンク１２に戻される。従って、作動油タンク１２，油圧ポンプ１０，コントロールバルブ１１及び各油圧アクチュエータにより閉回路からなる油圧回路が形成される。
【００１２】
この油圧ショベルは電動式油圧ショベルとして構成されるものであり、油圧ポンプ１０は交流式の電動モータ１３により駆動されるようになっている。そして、電動モータ１３の電源としては、油圧ショベルに搭載したバッテリ１４が用いられる。これによって、油圧ショベルにエンジンを搭載する必要がなくなり、もって排気ガスのないクリーンな稼動を行うことができて、環境汚染を抑制することができ、また騒音低減も図ることができる。そして、バッテリ１４による電動モータ１３の駆動制御はインバータ回路１５を介して行われるようになっており、これによって消費電力を極力抑制するようにしている。これらの各機器類は機械室建屋９内に設けられており、そのレイアウト配置図の一例は図３に示した通りである。なお、図３において、１６は電動モータ１３と油圧ポンプ１０との間のカップリング部材、１７は電気系の配線、１８はバッテリ１４を冷却する熱交換器である。
【００１３】
次に、図４にインバータ回路１５の構成を示す。インバータ回路１５は、トランジスタＴｒとダイオードＤとから構成され、バッテリ１４の直流電流をこれらトランジスタＴｒとダイオードＤとによってスイッチングすることにより矩形波を生成させて、擬似的な交流電流となるように変換する交流変換部２０を備えている。そして、スイッチングのタイミングを設定するために、タイマを有するＰＷＭ制御部２１が設けられており、このＰＷＭ制御部２１によるスイッチングサイクルとパルスとの時間幅を変化させることによって、この交流変換部２０から出力される周波数及び供給電圧を制御することができるようになっている。
【００１４】
ところで、電動モータには、平行推移という出力トルク特性がある。つまり、目標周波数Ｆと供給電圧Ｖとの比（Ｖ／Ｆ）を任意に設定して、目標周波数毎に電動モータに対する入力電圧を変えて与えると、出力トルク特性が目標周波数軸に対してほぼ平行に推移するという特性である。ここで、目標周波数とは、交流周波数と電動モータとが同期したときの周波数である。図５には、Ｖ／Ｆ＝αで一定にしたときにおける特性であって、（０．７５Ｆ，０．７５Ｖ），（０．５Ｆ，０．５Ｖ），（０．２５Ｆ，０．２５Ｖ）としたときに、出力トルク特性がほぼ平行に推移していることがわかる。
【００１５】
インバータ制御は、目標周波数と入力電圧とを同時に可変制御できるものである。つまり、ＰＷＭ制御部２１は２つのタイマを有するものであり、一方のタイマでサイクルタイムを設定し、もう一方のタイマでパルスの時間幅が設定される。従って、ＰＷＭ制御部２１からの出力波形は図４に示したように、矩形波であり、ｓで与えられるスイッチングサイクルと、ｐで与えられるパルス幅とを２つのタイマで制御する。そして、スイッチングサイクルの時間幅ｓを大きくし、かつパルス時間幅ｐを小さくすると、目標周波数は小さく、かつ入力電圧を低くすることができ、またスイッチングサイクルの時間幅ｓを短縮し、しかもパルス時間幅ｐを大きくすれば、目標周波数が大きくなり、しかも入力電圧が高くなる。即ち、サイクルタイムとそのデューティ比とを変化させることによって、目標周波数と入力電圧とを制御できる。
【００１６】
以上のことから、起動動作時、つまり電動モータ１３が始動して、その回転数が起動状態において目標とする最終的な回転数となるまでの間に、次のような特性を持たせる。即ち、始動時（電動モータ１３が停止状態から作動を開始した直後）においては、インバータ回路１５からは目標周波数Ｆとして０Ｈｚに近い値を与えるように設定するようになし、もって始動時における入力電圧を極力低く抑制する。そして、Ｆ／Ｖ比を一定にする（若しくは所望の比特性を与える）ようにして、目標周波数が最終目標周波数となるまで、連続的若しくは段階的に大きくしていく。これによって、始動時に直ちに最終目標周波数を与えるように制御すると、慣性負荷に対抗するのに必要な大電流が発生するのと比較して、電動モータ１３への入力電流を著しく低減させることができ、もって慣性負荷に抗して電動モータ１３を起動する時における消費電力が抑制されて、バッテリ１４の長寿命化が図られる。
【００１７】
ところで、電動モータ１３（及び電動モータ１３に接続されている油圧ポンプ１０）の起動時における負荷が慣性に起因するものだけであれば、起動動作時における目標周波数の変化特性が一定となるように設定しておけば良いが、油圧ショベル等の建設機械は野外に配置される関係から、外的要因によって起動時に作用する負荷が変動する。この外的要因は主に外気温である。外気温度が低い状態で長時間放置されていると、バッテリ１４の電解液の温度が低下する。その結果、バッテリ１４の放電容量が低下し、具体的に言えば、例えば３０℃で１００％の放電容量が得られるのに対して、電解液の温度が１０℃に低下すると、放電容量も９０％に低下し、さらに電解液温度が０℃になると、放電容量が８０％にまで低下することになる。従って、バッテリ寿命を長くするには、放電容量が低下している際、つまり電解液が低温状態となっているときには、放電量をその分だけ抑制することが必要になる。また、油圧ポンプ１０に供給される作動油の温度が低いと、その分だけ抵抗が大きくなって、油圧ポンプ１０の回転負荷が増大する。
【００１８】
そこで、インバータ回路１５による電動モータ１３の起動時における目標周波数の変化特性を単に電動モータ１３の慣性負荷のみにより制御するのではなく、前述した外的要因の変動により目標周波数の変化特性を補正できるようにしている。このために、インバータ回路１５において、ＰＷＭ制御部２１にＰＷＭ波形調整部２２を接続するように設け、このＰＷＭ波形調整部２２によって、サイクルタイムｓとパルス幅ｐとを変化させることによって、電動モータ１３における目標周波数を、入力電圧との比が一定となるようにして変化させるように制御する。従って、ＰＷＭ波形調整部２２によって、起動時に最適な出力が制御されるように、起動時出力制御手段を構成する。
【００１９】
即ち、例えば図６に示したように、ＰＷＭ波形調整部２２にユーザテーブル２２ａを持たせて、時間ｔに対する目標周波数の変化度合いを実線で示した特性と、点線で示した特性とをこのユーザテーブル２２ａに設定しておくことができる。そして、スイッチ手段２３のＯＮ，ＯＦＦによって、実線で示した特性と、点線で示した特性とのいずれかを選択できるようにする。つまり、スイッチ手段２３を特性変更部として機能させる。例えば、スイッチ手段２３がＯＦＦのときには、実線で示した特性となるように、またスイッチ手段２３がＯＮのときには、点線で示した特性となるように、それぞれＰＷＭ波形調整部２２のユーザテーブル２２ａから出力させるように設定する。さらに、このＰＷＭ波形調整部２２からの出力信号により目標周波数−電圧比特性設定部２４において、目標周波数Ｆに対する入力電圧Ｖの比（Ｆ／Ｖ＝α）が一定になる電圧値が演算されて、図７に示したように入力電圧Ｖが目標周波数に比例するように変化させるようにする。これによって、目標周波数と入力電圧とがＰＷＭ制御部２１に与えられる。
【００２０】
スイッチ手段２３は、オペレータ等の判断によって手動で切り替えられるようになっている。オペレータ等の判断は体感，温度計等により検地される外気温に基づいて行われる。即ち、外気温が低く、従ってバッテリ１４の電解液の温度が低下し、また作動油温も低いときには、スイッチ手段２３をＯＮ側に操作し、外気温が高いときには、スイッチ手段２３をＯＦＦの状態に保つようにする。
【００２１】
元来、スイッチ手段２３を操作しなくても、つまりスイッチ手段２３がＯＦＦの状態としていても、目標周波数（及びそれに基づく入力電圧）は始動時から最終目標値となるまで連続的または段階的に変化させるようにしているので、起動時に流れる電流値はかなり低減されるものの、外気温が低いときには、それでも図８に仮想線で示したように、入力電流が大きくなる。そこで、起動時にスイッチ手段２３をＯＮにすると、起動時における入力電流は実線で示した変化を示すことになり、寒冷時におけるバッテリ１４の消費電力を少なくすることができる。ただし、スイッチ手段２３をＯＮ状態にすると、始動時から起動時における最終目標周波数に至るまでの所要時間が長くなる。
【００２２】
従って、特性変更手段としてのスイッチ手段２３を操作することによって、外気温に応じて目標周波数の変化特性が変えられて、温暖なときには、起動時間の短縮が図られ、寒冷状態では起動時間が多少長くはなるものの、バッテリ１４の電力消費が小さくなりその寿命が長くなる。また、寒冷状態であっても、作業の性質等によっては、スイッチ手段２３をＯＦＦにしたまま油圧ショベルの起動を行うこともできる。これによって、例えば短時間の作業等において、迅速な起動が可能になる。
【００２３】
以上のように、特性変更手段として、マニュアル操作でスイッチ手段２３を切り替えるのに代えて、図９に示したように、例えばバッテリ１４に温度センサ３０を設けておき、この温度センサ３０によってバッテリ１４の温度、必ずしも電解液の温度を直接測定しなくても、そのケーシングの温度を測定して、起動時における出力特性を変更することができるように、つまりＰＷＭ波形調整部２２の図６の実線で示した特性と、点線で示した特性とのいずれかを選択するように構成することもできる。即ち、予め基準温度Ｔｓを比較器３１に設定しておき、温度センサ３０によるバッテリ１４の検出温度Ｔｄをこの比較器３１において基準温度Ｔｓと比較して、検出温度Ｔｄが基準温度Ｔｓ若しくはそれより低い場合には、図６に点線で示した特性を選択し、検出温度Ｔｄが基準温度Ｔｓより高いときには、図６に実線で示した特性を選択する。
【００２４】
なお、起動時における目標周波数の変更は、前述したように、２段階に限定されるのではなく、より微細に、つまり外気温に応じて多段で変化させるように設定することもできる。また、手動制御を行う場合には、スイッチ手段２３に代えてボリューム等で構成することもできる。さらに、自動制御を行う場合において、変動要因としては、バッテリ１４の温度だけでなく、作動油温度を変動要因とすることもでき、またバッテリ１４及び作動油温度を共に変動要因とすることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成したので、建設機械における作業環境が変化しても、起動時におけるバッテリの消費電力の変動を抑制して、バッテリの長寿命化が図られる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】建設機械の一例としての油圧ショベルの概観図である。
【図２】油圧ショベルの駆動回路の構成説明図である。
【図３】機械室建屋の内部における各種の機器の配置構成図である。
【図４】インバータ回路の構成図である。
【図５】電動モータによる目標周波数と出力トルク特性との関係を示す線図である。
【図６】起動時のインバータ回路から電動モータへの出力制御を行う機構の構成説明図である。
【図７】目標周波数の変化に基づく入力電圧の変化特性を示す線図である。
【図８】起動時の電動モータへの入力電流の変化を示す線図である。
【図９】特性変更部の他の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 油圧ポンプ
１３ 電動モータ
１４ バッテリ
１５ インバータ回路
２０ 交流変換部
２１ ＰＷＭ制御部
２２ ＰＷＭ波形調整部
２３ スイッチ手段
２４ 目標周波数−電圧比特性設定部
３０ 温度センサ
３１ 比較器

Claims (2)

1. 走行車両にバッテリと交流式の電動モータとを搭載して、この電動モータにより油圧ポンプを駆動して、各機構部に設けた油圧アクチュエータを作動させるようにした電動式建設機械において、
   前記電動モータはその回転数を任意に制御する制御機構を備えており、
   前記制御機構は、前記電動モータの起動時に、その目標周波数と供給電圧との比を一定にするか、若しくは所望の比特性となるようにして、始動時目標周波数から最終目標周波数まで周波数を増大させると共に供給電圧を上昇させるように制御する起動時出力制御手段を含むものであり、
   この起動時出力制御手段は、少なくとも温度センサにより前記バッテリまたは作動油のいずれかの温度を検出し、この検出温度信号に基づいて、前記指導時目標周波数から最終目標周波数に至る変化時間を雰囲気温度による起動時負荷の変化に対応させるように調整可能な特性変更部を備える
   構成としたことを特徴とする電動式建設機械。
2. 走行車両にバッテリと交流式の電動モータとを搭載して、この電動モータにより油圧ポンプを駆動して、各機構部に設けた油圧アクチュエータを作動させるようにした電動式建設機械において、
   前記電動モータはその回転数を任意に制御する制御機構を備えており、
   前記制御機構は、前記電動モータの起動時に、その目標周波数と供給電圧との比を一定にするか、若しくは所望の比特性となるようにして、始動時目標周波数から最終目標周波数まで周波数を増大させると共に供給電圧を上昇させるように制御する起動時出力制御手段を含むものであり、
   この起動時出力制御手段は、始動時目標周波数から最終目標周波数に至る変化時間を起動時負荷の変化に対応させるために、スイッチまたはボリュームからなる調整信号発生手段を備える
   構成としたことを特徴とする電動式建設機械。

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