JP4284334B2 - 作業用車両 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーで駆動される電動モータを動力源とする作業用車両に関する。

従来の作業用車両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作業用車両が用いられている（例えば、特許文献１参照）。この電動モータの電源としては、商用電源や、作業用車両に搭載され商用電源により充電されるバッテリーが用いられる。

特開２００４−２２５３５５号公報

しかしながら、このような作業用車両においては、コントローラもバッテリーからの電力により作動するように構成されているため、バッテリーに異常が発生して電力供給ができなくなると、この作業用車両の全てが停止してしまう。すなわち、バッテリーの異常をオペレータに警告することもできなくなってしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、バッテリーに異常が発生しても、その異常を警報することができる作業用車両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、本発明に係る作業用車両（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、油圧アクチュエータにより駆動されるものであり、この油圧アクチュエータを作動させるための作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプを駆動する電動モータと、直流電力を供給するメインバッテリーと、メインバッテリーからの直流電力を交流電力に変換して電動モータに供給することによりこの電動モータを作動させるインバータと、メインバッテリーおよびインバータを接続・切断する電動モータ用リレー（例えば、実施形態における第２リレー４７）と、メインバッテリーからの直流電力により動作して、油圧アクチュエータおよびインバータの作動を制御するとともに、電動モータ用リレーによりメインバッテリーおよびインバータを接続・切断する制御コントローラと、メインバッテリーおよび制御コントローラを接続・切断するコントローラ用リレー（例えば、実施形態における第１リレー４６）と、メインバッテリーの状態を監視するとともに、コントローラ用リレーによりメインバッテリーおよび制御コントローラを接続・切断する電源監視コントローラと、この電源監視コントローラに電力を供給するバックアップバッテリーと、電源監視コントローラおよびバックアップバッテリーを接続・切断するキースイッチとを有して構成される。そして、この作業用車両は、キースイッチにより電源監視コントローラおよびバックアップバッテリーが接続されて、電源監視コントローラを起動したときに、電源監視コントローラが、メインバッテリーの状態を取得し、メインバッテリーが使用可能であるか否かを判断する第１のステップ、この第１のステップにおいてメインバッテリーが使用可能であると判断されたときに、電源監視コントローラが、コントローラ用リレーによりメインバッテリーおよび制御コントローラを接続して、制御コントローラを起動する第２のステップ、および、制御コントローラが、電動モータ用リレーによりメインバッテリーおよびインバータを接続して電動モータを駆動させる第３のステップ、を実行するように構成される。

なお、このような本発明に係る作業用車両は、メインバッテリーの状態を収集する保護回路を有し、第１のステップにおいて、電源監視コントローラが、保護回路にバックアップバッテリーからの電力を供給してこの保護回路を起動した後に、この保護回路からメインバッテリーの状態を取得するように構成されることが好ましい。

また、本発明に係る作業用車両は、メインバッテリーが使用不可能であることを警報する警報手段（例えば、実施形態における警報用パイロットランプ５２）を有し、第１のステップにおいて、メインバッテリーが使用不可能であると判断されたときに、電源監視コントローラが警報手段により警報を発するように構成されることが好ましい。

さらに、本発明に係る作業用車両は、メインバッテリーの直流電圧を、電源監視コントローラを作動させる電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータを有し、コントローラ用リレーが、メインバッテリーおよび制御コントローラを接続すると同時に、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力をバックアップバッテリーおよび電源監視コントローラに接続するように構成されることが好ましい。

本発明に係る作業用車両を以上のように構成すると、インバータに対する電力供給を制御する制御コントローラとは別に、メインバッテリーを監視するとともに制御コントローラに対する電力供給を制御する電源監視コントローラ、および、メインバッテリーユニットから電力が供給されない状態でもこの電源監視コントローラを作動させるバックアップバッテリーを設けることにより、メインバッテリーに異常が発生したときでも、全ての処理が停止することがない。例えば、メインバッテリーの異常を電源監視コントローラで検出して警報手段により警報を発することができるので、この作業用車両を操作するオペレータは、メインバッテリーの異常をすぐに認識することができる。

また、電源投入時の処理は、電源監視コントローラから順に電源を投入していくことにより行うことができるので、電源監視コントローラおよび制御コントローラの処理および構成を簡単にすることができる。

さらに、メインバッテリーが正常な状態で、制御コントローラに電力が供給されたときは、同時に、メインバッテリーにより電源監視コントローラを作動させるとともに、バックアップバッテリーを充電することにより、メインバッテリーの異常時に、バックアップバッテリーで電源監視コントローラを作動させることができる。

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、本発明に係る作業用車両の一例として、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、バッテリー（後述するメインバッテリー５０ａ）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、走行装置２を構成する走行台車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と、後部に設けられたアイドラホイール６（駆動用スプロケットホイール５とアイドラホイール６とを合わせて「クローラホイール」と呼ぶ場合がある）と、これら両ホイール５，６に掛け回されて駆動される左右一対の履帯７とからなる。なお、駆動用スプロケットホイール５の各々は、図示しない左右の走行モータ（油圧モータ）により駆動され、このパワーショベル車１を走行させることができる。また、旋回台１１は、図示しない旋回モータ（油圧モータ）により走行台車４に対して旋回動させることができる。

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や上述した走行モータおよび旋回モータは、図２に示すように、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、これらをまとめて「油圧アクチュエータ２０」と呼ぶ。また、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。

油圧ユニット３０は、電動モータ３１、この電動モータ３１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、作動油を溜めるタンク３３、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２０に供給制御するコントロールバルブ（電磁比例弁）３４、並びに、温度上昇した作動油を冷却するオイルクーラ３５等から構成される。なお、操作装置１４から出力される操作信号は、後述する制御コントローラ４２に入力され、この制御コントローラ４２が操作信号に応じた指令信号をコントロールバルブ３４に出力してこのコントロールバルブ３４を制御するように構成されている。

電動モータ３１は、メインバッテリーユニット５０から供給される直流電力を、インバータ４３で所定の電圧および周波数を有する交流電力に変換して供給することにより駆動される。なお、メインバッテリーユニット５０は、リチウムイオンバッテリーで構成され、直流高電圧（例えば、直流３３６Ｖ）を出力することができるメインバッテリー５０ａと、このメインバッテリー５０ａの状態を取得するとともに保護する保護回路５０ｂとから構成される。

次に、この電動モータ３１にメインバッテリーユニット５０を用いて電力を供給する電源システム４０について説明する。電源システム４０は、メインバッテリーユニット５０の状態および出力電圧を監視する電源監視コントローラ４１、並びに、インバータ４３およびコントロールバルブ３４を制御して電動モータ３１および油圧アクチュエータ２０を作動させるとともに、インバータ４３に供給される電力を接続および切断する制御コントローラ４２を有している。

この電源システム４０は、パワーショベル車１の始動時に電源監視コントローラ４１を作動させるために、この電源監視コントローラ４１を作動させる直流電圧（例えば、直流１２．６Ｖ）を出力するリチウムイオンバッテリーで構成されたバックアップバッテリー４４を有しており、このバックアップバッテリー４４と電源監視コントローラ４１とは、オペレータキャビン１５内に設けられたキースイッチ（メイン電源スイッチ）４５により接続および切断されるように構成されている。また電源監視コントローラ４１は、メインバッテリーユニット５０の保護回路５０ｂにバックアップバッテリー４４からの電力を供給するように構成されるとともに、この保護回路５０ｂからメインバッテリー５０ａの状態を収集するように構成されている。

メインバッテリーユニット５０のメインバッテリー５０ａは、制御コントローラ４２とインバータ４３とに電力を供給するように接続されている。メインバッテリー５０ａと制御コントローラ４２との間には第１リレー４６の第１接点４６ａが接続されており、メインバッテリー５０ａと制御コントローラ４２とはこの第１リレー４６により接続および切断される。また、メインバッテリー５０ａとインバータ４３との間には第２リレー４７の接点４７ａが接続されており、メインバッテリー５０ａとインバータ４３とはこの第２リレー４７により接続および切断される。この制御コントローラ４２は、メインバッテリー５０ａから供給される高圧直流電圧を低圧直流電圧（電源監視コントローラ４１を作動させるための電圧）に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ４８を有しており、このＤＣ−ＤＣコンバータ４８の出力は保護用のダイオード５１を介してバックアップバッテリー４４とキースイッチ４５の間、すなわち、電源監視コントローラ４１とバックアップバッテリー４４とに接続されており、これらの接続は第１リレー４６の第２接点４６ｂにより接続および切断されるように構成されている。

第１リレー４６の第１および第２接点４６ａ，４６ｂは、電源監視コントローラ４１の制御により接続および切断されるように構成されている。この第１および第２接点４６ａ，４６ｂは、通常は切断状態（オフ状態）に維持され、電源監視コントローラ４１から第１リレー４６に電圧が印加されるとオン状態となり、これらの接点４６ａ，４６ｂが接続してメインバッテリー５０ａと制御コントローラ４２、並びに、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８と電源監視コントローラ４１およびバックアップバッテリー４４を接続するように構成されている。なお、第１リレー４６の第２接点４６ｂが接続されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８は、電源監視コントローラ４１に電力を供給するとともに、バックアップバッテリー４４を充電するように構成されている。また、第２リレー４７の接点４７ａは、制御コントローラ４２の制御により接続およ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、制御コントローラ４２から第２リレー４７に電圧が印加されるとオン状態となり、この接点４７ａが接続してメインバッテリー５０ａとインバータ４３とを接続するように構成されている。

なお、制御コントローラ４２は、油圧ユニット３０に設けられ油圧ポンプ３２の吐出圧力を検出する油圧センサ３６の出力値と、メインバッテリー５０ａからインバータ４３に供給される負荷電流を計測する電流センサ４９の検出値が入力されるように構成されている。また、電源監視コントローラ４１には、第１リレー４６がオン状態であること、すなわち、制御コントローラ４２に電力が供給されていることを示す第１パイロットランプ４１ａと、第１リレー４６がオフ状態のときに押下することにより、第１リレー４６をオンする電源スイッチ４１ｂと、メインバッテリーユニット５０の異常等が発生していることを報知する警報用パイロットランプ５２とが設けられている。さらに、制御コントローラ４２には、第２リレー４７がオン状態であること、すなわち、インバータ４３に電力が供給されていることを示す第２パイロットランプ４２ａと、第２リレー４７がオフ状態のときに押下することにより、第２リレー４７をオンするモータ起動スイッチ４２ｂとが設けられている。こられの第１および第２パイロットランプ４１ａ，４２ａ、警報用パイロットランプ５２、電源スイッチ４１ｂ、並びに、モータ起動スイッチ４２ｂは、オペレータキャビン１５内に配置されている。

それでは、この電源システム４０による電力供給の制御について図３を用いて説明する。最初に、電源の投入処理から説明する。オペレータキャビン１５に搭乗したオペレータは、このオペレータキャビン１５に配置されたキースイッチ４５をオンすると、バックアップバッテリー４４から電源監視コントローラ４１に電力が供給され、この電源監視コントローラ４１が起動する（ステップＳ１００）。電源監視コントローラ４１は、まず、メインバッテリーユニット５０の保護回路５０ｂに電力を供給しこの保護回路５０ｂを起動させ、保護回路５０ｂは、メインバッテリー５０ａの状態の収集を開始する（ステップＳ１１０）。そして、電源監視コントローラ４１は、保護回路５０ｂからメインバッテリー５０ａの状態を取得し（ステップＳ１２０）、メインバッテリー５０ａが使用可能か否かを判断する（ステップＳ１３０）。例えば、メインバッテリー５０ａが過放電状態である場合等、このメインバッテリー５０ａが使用不可能であると判断すると、電源監視コントローラ４１は、警報用パイロットランプ５２を点灯させ、電源投入処理を終了する（ステップＳ１６０）。

一方、メインバッテリー５０ａが正常な状態であり、使用可能であると判断すると、電源監視コントローラ４１は、第１リレー４６をオンして、メインバッテリー５０ａから制御コントローラ４２に電力を供給し、この制御コントローラ４２を起動させるとともに、第１パイロットランプ４１ａを点灯する（ステップＳ１４０）。なお、上述のように、第１リレー４６がオン状態になると、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８から電源監視コントローラ４１およびバックアップバッテリー４４に電力が供給され、以降は、電源監視コントローラ４１は、このＤＣ−ＤＣコンバータ４８から供給される電力で動作するとともに、バックアップバッテリー４４の充電が開始される。

最後に、制御コントローラ４２が起動すると、この制御コントローラ４２は、第２リレー４７をオン状態にしてメインバッテリー５０ａからインバータ４３に電力を供給し、このインバータ４３を制御して、所定の電圧および周波数の交流電力を電動モータ３１に供給して、電動モータ３１を駆動させるとともに、第２パイロットランプ４２ａを点灯し（ステップＳ１４０）、電源システム４０における電源投入処理を修了する。

次に、電源システム４０による省電力制御について図４を用いて説明する。なお、省電力制御とは、油圧アクチュエータ２０に作動油を供給する必要が無いときに、電動モータ３１を停止したり、制御コントローラ４２を停止したりすることにより、メインバッテリー５０ａに充電された電力の消耗を防ぐ制御である。図４は、制御コントローラ４２における制御を示しており、上述のように電源投入処理が終了すると、省電力制御が開始される。

制御コントローラ４２は、油圧センサ３６および電流センサ４９により吐出油圧および負荷電流を計測する（ステップＳ２００）。そして、設定時間内（例えば、５秒間）で吐出油圧若しくは負荷電流の変化があるかを判断し（ステップＳ２１０）、変化がある場合は、ステップＳ２００に戻りこれらの処理を繰り返す。一方、設定時間内に吐出油圧および負荷電流に変化が無いときは、制御コントローラ４２は第２リレー４７をオフし、インバータ４３への電力供給を切断して、電動モータ３１を停止させるとともに、第２パイロットランプ４２ａを消灯する（ステップＳ２２０）。

次に、制御コントローラ４２は、モータ起動スイッチ４２ｂがオンされたか否かを判断する（ステップＳ２３０）。モータ起動スイッチ４２ｂがオンされたと判断したときは、第２リレー４７をオンしてインバータ４３へ電力を供給することにより電動モータ３１を駆動させ、また、第２パイロットランプ４２ａを点灯する（ステップＳ２４０）。そして、ステップＳ２００に戻り、上述の処理を繰り返す。ステップＳ２３０で、モータ起動スイッチ４２ｂがオンされていないと判断されたときは、制御コントローラ４２は、操作装置１４等の操作状態を取得し（ステップＳ２５０）、設定時間内で無操作制御状態であるか否かを判断し（ステップＳ２６０）、無操作制御状態でないときはステップＳ２３０に戻りこれらの処理を繰り返す。

ステップＳ２３０で設定時間の間、無操作制御状態が継続したと判断されたときは、制御コントローラ４２は、電源監視コントローラ４１に指令信号を送信する（ステップＳ２７０）。そして、電源監視コントローラ４１は、この指令信号を制御コントローラ４２から受信すると、第１リレー４６をオフして、制御コントローラ４２への電力供給を切断することによりこの制御コントローラ４２を停止させるとともに第１パイロットランプ４１ａを消灯し、また、メインバッテリーユニット５０の保護回路５０ｂへの電力供給を停止し、その後、スリープモードに移行する。

電源監視コントローラ４１は、スリープモードに入ると、電源スイッチ４１ｂが押下されるのを監視する以外の動作を停止し、バックアップバッテリー４４の電力消費を極力抑えるように動作する。そして、電源スイッチ４１ｂが押下されたのを検出すると、電源監視コントローラ４１は、スリープモードを解除して、図３で示した電源投入処理のうちステップＳ１１０以降の処理を実施し、第１および第２リレー４６，４７をオン状態にして、制御コントローラ４２およびインバータ４３に電力を供給して電動モータ３１を作動させる。

このように、インバータ４３に対する電力供給を制御する制御コントローラ４２とは別に、メインバッテリーユニット５０を監視するとともに制御コントローラ４２に対する電力供給を制御する電源監視コントローラ４１、および、メインバッテリーユニット５０から電力が供給されない状態でもこの電源監視コントローラ４１を作動させるバックアップバッテリー４４を設けることにより、メインバッテリー５０ａに異常が発生したときでも、この異常を電源監視コントローラ４１で検出して警報用パイロットランプ５２等により警告することができるので、このパワーショベル車１を操作するオペレータは、メインバッテリーユニット５０の異常をすぐに認識することができる。

このとき、上述のように電源投入時の処理は、電源監視コントローラ４１から順に電源を投入していくことにより行うことができるので、電源監視コントローラ４１および制御コントローラ４２の処理および構成を簡単にすることができる。また、メインバッテリー５０ａが正常な状態で、制御コントローラ４２に電力が供給されたときは、同時に、メインバッテリー５０ａにより電源監視コントローラ４１を作動させるとともに、バックアップバッテリー４４を充電することにより、メインバッテリー５０ａの異常時に、バックアップバッテリー４４で電源監視コントローラ４１を作動させることができる。

さらに、油圧アクチュエータ２０への作動油の供給状況や操作装置１４の操作状況を制御コントローラ４２で監視し、油圧が必要ないときはインバータ４３への電力供給を停止したり、さらには、制御コントローラ４２への電力供給を停止したりすることにより、メインバッテリー５０ａの不要な電力消費を抑え、このメインバッテリーユニット５０を充電することなく行えるパワーショベル車１の作業時間を長くすることができる。なお、このようにインバータ４３や制御コントローラ４２への電力供給を停止したとしても、モータ起動スイッチ４２ａ若しくは電源スイッチ４１ａを押下することにより、簡単に、インバータ４３や制御コントローラ４２へ電力を供給することが可能である。

本発明に係る作業用車両の一例であるクローラ型パワーショベル車の構成を示す斜視図である。 上記パワーショベル車に搭載される油圧ユニットおよび電源ユニットの構成を示すブロック図である。 上記電源ユニットにおける電源投入時の処理を示すフローチャートである。 上記電源ユニットにおける省電力制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ クローラ型パワーショベル車（作業用車両）
２０ 油圧アクチュエータ
３１ 電動モータ
３２ 油圧ポンプ
５０ メインバッテリーユニット
５０ａ メインバッテリー
５０ｂ 保護回路
４１ 電源監視コントローラ
４２ 制御コントローラ
４３ インバータ
４４ バックアップバッテリー
４５ キースイッチ
４６ 第１リレー（コントローラ用リレー）
４７ 第２リレー（電動モータ用リレー）
４８ ＤＣ−ＤＣコンバータ
５２ 警報用パイロットランプ（警報手段）

Claims (4)

1. 油圧アクチュエータにより駆動される作業用車両であって、
   前記油圧アクチュエータを作動させるための作動油を吐出する油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプを駆動する電動モータと、
   直流電力を供給するメインバッテリーと、
   前記メインバッテリーからの直流電力を交流電力に変換して前記電動モータに供給することにより前記電動モータを作動させるインバータと、
   前記メインバッテリーおよび前記インバータを接続・切断する電動モータ用リレーと、
   前記メインバッテリーからの直流電力により作動して、前記油圧アクチュエータおよび前記インバータの作動を制御するとともに、前記電動モータ用リレーにより前記メインバッテリーおよび前記インバータを接続・切断する制御コントローラと、
   前記メインバッテリーおよび前記制御コントローラを接続・切断するコントローラ用リレーと、
   前記メインバッテリーの状態を監視するとともに、前記コントローラ用リレーにより前記メインバッテリーおよび前記制御コントローラを接続・切断する電源監視コントローラと、
   前記電源監視コントローラに電力を供給するバックアップバッテリーと、
   前記電源監視コントローラおよび前記バックアップバッテリーを接続・切断するキースイッチと、を有し、
   前記キースイッチにより前記電源監視コントローラおよび前記バックアップバッテリーが接続されて、前記電源監視コントローラを起動したときに、
   前記電源監視コントローラが、前記メインバッテリーの状態を取得し、前記メインバッテリーが使用可能であるか否かを判断する第１のステップ、
   前記第１のステップにおいて前記メインバッテリーが使用可能であると判断されたときに、前記電源監視コントローラが、前記コントローラ用リレーにより前記メインバッテリーおよび前記制御コントローラを接続して、前記制御コントローラを起動する第２のステップ、および、
   前記制御コントローラが、前記電動モータ用リレーにより前記インバータおよび前記メインバッテリーを接続して前記電動モータを駆動させる第３のステップ、を実行するように構成された作業用車両。
2. 前記メインバッテリーの状態を収集する保護回路を有し、
   前記第１のステップにおいて、前記電源監視コントローラが、前記保護回路に前記バックアップバッテリーからの電力を供給して前記保護回路を起動した後に、前記保護回路から前記メインバッテリーの状態を取得するように構成された請求項１に記載の作業用車両。
3. 前記メインバッテリーが使用不可能であることを警報する警報手段を有し、
   前記第１のステップにおいて、前記メインバッテリーが使用不可能であると判断されたときに、前記電源監視コントローラが前記警報手段により警報を発するように構成された請求項１または２に記載の作業用車両。
4. 前記メインバッテリーの直流電圧を前記電源監視コントローラを作動させるための電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータを有し、
   前記コントローラ用リレーが、前記メインバッテリーおよび前記制御コントローラを接続すると同時に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を前記バックアップバッテリーおよび前記電源監視コントローラに接続するように構成された請求項１〜３のいずれか一項に記載の作業用車両。

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