JP5319236B2

JP5319236B2 - 電源装置および作業機械

Info

Publication number: JP5319236B2
Application number: JP2008272168A
Authority: JP
Inventors: 俊彦石田; 敏宏木村; 哲弘土井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: US8125105B2; EP2180576A2; EP2180576A3; EP2180576B1; JP2010104120A; US20100096921A1

Description

本発明は、少なくとも２つの電力供給源に接続して直流電圧を出力する電源装置、および、その電源装置を載置した作業機械に関するものである。

従来から、バッテリ駆動の作業機械が知られている。たとえば、電動モータを動力源とする建設機械において、その電源部は３相商用電源と高電圧バッテリの両方に接続可能であり、３相商用電源からの３相電圧はＡＣ／ＤＣ変換器を介してインバータに供給され、他方、高電圧バッテリからの直流電圧は、そのままインバータ用の駆動電圧として使用されている（特許文献）。
特開２００７−２２８７１５号公報

この種の電源部は、商用電源または内蔵バッテリを選択的に利用することができるので使用範囲に制約を受けないという利点を有するが、単相の家庭用電源では電流が大きくなり過ぎるので３相交流電源が必須であり、且つ、インバータの駆動電圧に適合させるために高電圧のバッテリが必要になってくる、という不便さを抱えている。さらに、昇圧チョッパなどを別途用意しない限り、低電圧の商用電源から高電圧のバッテリを充電することは不可能であるという問題がある。

請求項１に係る発明は、第１の電力供給源または第２の電力供給源から電力供給を受けて所定の直流電圧を発生する電源装置であって、第１の端子および第２の端子を備え、一方の端子電圧と他方の端子電圧との間で昇圧もしくは降圧を行う双方向昇降圧手段と、前記第１の電力供給源から得られる直流電圧を前記双方向昇降圧手段の前記第１の端子に印加する第１の開閉手段と、前記第２の電力供給源から得られる直流電圧を前記双方向昇降圧手段の前記第１の端子に印加する第２の開閉手段と、前記第１の電力供給源から得られる直流電圧を前記双方向昇降圧手段の前記第２の端子に印加する第３の開閉手段と、前記双方向昇降圧手段の前記第２の端子から前記所定の直流電圧を出力する出力手段と、前記第１の開閉手段、前記第２の開閉手段、および前記第３の開閉手段の開閉を制御する開閉制御手段とを備える。
請求項５に係る発明は、上記の電源装置と、前記電源装置の直流出力電圧により動作するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動される電動機とを備え、前記電動機を動力源として用いる作業機械である。

本発明によれば、電力供給源の種類および電圧の高低を問わずに使用することができるのみならず、一方の電力供給源に対して他方の電力供給源から電力を供給することができるので、多くの用途に適用できる極めて汎用性の高い電源装置を提供することができる。
さらに、本発明に係る電源装置をインバータ駆動源として用いることにより、使用する場所・地域に制限を受けない作業機械を実現することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜実施の形態＞
図１は、本発明を適用した作業機械の全体構成図である。本実施の形態では、作業機械の一つとして油圧ショベルを挙げて説明をしていく。図２は、油圧ショベルの油圧系に着目したブロック図である。これら両図において、１００は電源装置、２００は油圧ポンプ駆動用の電動モータ、３００は油圧ポンプ、４００は油圧制御弁、５００は油圧ショベルの全体図である。

電源装置１００は、整流器３，開閉器７，開閉器８，開閉器９，双方向昇降圧チョッパ２０，インバータ３０を含んでいる。双方向昇降圧チョッパ２０は、電流の方向に係わらず、一方の端子の電圧を他方の端子の電圧に対して昇圧もしくは降圧することが可能なチョッパである。電源装置１００には、商用電源１４０および内蔵バッテリ１１０が接続される。商用電源１４０の替わりに、外部直流電源（外部バッテリ）１５０を接続することも可能である。

電源装置１００には制御装置１２０が接続されており、操作装置１３０により指示されたオペレータ入力に従って、開閉器７，開閉器８，開閉器９の開閉を制御すると同時に、双方向昇降圧チョッパ２０の変換比率を設定する。また、制御装置１２０は、商用電源１４０（もしくは外部直流電源１５０）から得られる直流電圧と、内蔵バッテリ１１０から得られる直流電圧とを検出することにより（検出回路は図示せず）、開閉器７，開閉器８，開閉器９の開閉を制御することも可能である。商用電源１４０（もしくは外部直流電源１５０）から得られる直流電圧および内蔵バッテリ１１０から得られる直流電圧と、各開閉器の開閉状態との関係は次に説明する。

−商用電源１４０を用いた動作−
図３は、電源装置１００のみを抜き出したブロック図である。ここでは、商用電源１４０として３相２００ボルト系、内蔵バッテリ１１０として１００ボルト級、インバータ３０として２００ボルト系電源用を用いる場合について述べる。

図４は、この場合における開閉器７，開閉器８，開閉器９の開閉状態を示したブロック図である。本図に示すように、開閉器７および開閉器８を閉じ、開閉器９を開くことにより、電動機２００の駆動電力として、商用電源１４０からの電力と、内蔵バッテリ１１０からの電力のどちらでも利用することができる（切り替え回路は図示せず）。さらに、内蔵バッテリ１１０が放電したときには、商用電源１４０から双方向昇降圧チョッパ２０を通して内蔵バッテリ１１０に充電用電力を供給することができる。

その他の動作例として、商用電源１４０が単相１００ボルト系、インバータ３０が２００ボルト系電源用、内蔵バッテリ１１０が１００ボルト級の電圧系である場合について説明する。この場合には、図４と同じく開閉器７および開閉器８を閉じ、開閉器９を開き、且つ商用電源１４０側から内蔵バッテリ１１０側に向けて昇圧比がほぼ１となるよう双方向昇降圧チョッパ２０を昇降圧動作をさせることで、商用電源１４０の電力を用いて内蔵バッテリ１１０を充電することが可能となる。そして、内蔵バッテリ１１０が充電された後には、開閉器８を開いてから内蔵バッテリ１１０側からインバータ３０側に向けて双方向昇降圧チョッパ２０を昇圧動作させることで、電動機２００を運転することができる。

−外部直流電源１５０を用いた動作−
図５に示すように、商用電源１４０の替わりに外部直流電源（外部バッテリ）１５０を使用することも可能である。ここで、外部直流電源１５０が２００ボルト級、インバータ３０が２００ボルト系電源用、内蔵バッテリ１１０が１００ボルト級の電圧系である場合、図６に示すように、開閉器７および開閉器８を閉じ、開閉器９を開くことにより、電動機２００の駆動電力として、外部直流電源１５０からの電力と、内蔵バッテリ１１０からの電力のどちらでも利用することができる（切り替え回路は図示せず）。さらに、内蔵バッテリ１１０が放電したときには、外部直流電源１５０から双方向昇降圧チョッパ２０を通して内蔵バッテリ１１０に充電用電力を供給することができる。

その他の動作例として、外部直流電源１５０が１００ボルト級、インバータ３０が２００ボルト系電源用、内蔵バッテリ１１０が１００ボルト級の電圧系である場合について説明する。この場合には、図６と同じく開閉器７および開閉器８を閉じ、開閉器９を開き、且つ外部直流電源１５０側から内蔵バッテリ１１０側に向けて昇圧比がほぼ１となるよう双方向昇降圧チョッパ２０を昇降圧動作させることで、外部直流電源１５０の電力を用いて内蔵バッテリ１１０を充電することが可能となる。そして、内蔵バッテリ１１０が充電された後には、開閉器８を開いてから内蔵バッテリ１１０側からインバータ３０側に向けて双方向昇降圧チョッパ２０を昇圧動作させることで、電動機２００を運転することができる。

さらに、図７に示すように、開閉器７および開閉器８を開き、開閉器９を閉じることにより、内蔵バッテリ１１０を使用することなく、１００ボルト級の外部直流電源１５０を使用することも可能である。すなわち、外部直流電源１５０の電圧を双方向昇降圧チョッパ２０を介して昇圧し、インバータ３０に供給することより電動機２００を動作させることができる。

＜本実施の形態による作用・効果＞
（１）商用電源１４０（もしくは外部直流電源１５０）または内蔵バッテリ１１０から電力供給を受けて所定の直流電圧をインバータ３０に供給する際に、第１の端子および第２の端子を備え、一方の端子電圧と他方の端子電圧との間で昇圧もしくは降圧を行う双方向昇降圧チョッパ２０と、開閉器７と、開閉器８と、開閉器９と、各開閉器の開閉を制御する制御装置１２０を備えているので、電力供給源の種類および電圧の高低を問わずに使用することができるのみならず、一方の電力供給源に対して他方の電力供給源から電力を供給することができる。例えば、商用電源として、単相１００ボルト、３相２００ボルト、３相４００ボルト系のいずれも使用可能である。また、インバータ３０として３相２００ボルト、３相４００ボルト系電源の整流電圧を使用するときにも、より低電圧の内蔵バッテリ１１０あるいは商用電源１４０（もしくは外部直流電源１５０）を使用することができる。

（２）制御装置１２０は、商用電源１４０（もしくは外部直流電源１５０）から得られる直流電圧と、内蔵バッテリ１１０直流電圧とに基づいて、各開閉器７，８，９の開閉を制御するに際して、オペレータの指示に従うほか、各電圧を検出して自動的に開閉制御を行うことも可能である。

（３）開閉器９を開放し、開閉器７を閉成し、開閉器８を閉成することにより、商用電源１４０（もしくは外部直流電源１５０）から双方向昇降圧チョッパ２０を介して内蔵バッテリ１１０を充電することができる。

（４）開閉器９を閉成し、開閉器７を開放し、開閉器８を開放することにより、商用電源１４０（もしくは外部直流電源１５０）から双方向昇降圧チョッパ２０を介して所定の直流電圧をインバータ３０に供給することができる。

（５）電源装置１００と、電源装置１００の直流出力電圧により動作するインバータ３０と、インバータ３０により駆動される電動機２００とを備え、電動機２００を動力源として用いる油圧ショベル５００を実現することができる。

（６）電源装置１００に電力を供給する外部の電力供給源として、商用電源もしくは外部直流電源（外部バッテリ）を使用するので、油圧ショベル本体に内蔵したバッテリ１１０と共に、広範囲な範囲での作業が可能となる。

＜その他の変形例＞
（１）上述した実施の形態では、電動機２００を駆動するためにインバータ３０を使用したが、インバータ以外の機器に直流電圧を供給することも可能である。たとえば、定速運転する直流電動機には、インバータを介することなく、電機子電圧を印加することが可能である。また、双方向昇降圧チョッパ２０の昇降圧比を可変制御することにより、直流電動機の速度制御を行うことも可能である。
（２）上述した実施の形態では、油圧ポンプ３００の動力源として電動機２００を用いているが、走行用油圧モータ３４０，３５０あるいは上部旋回体を旋回させる旋回用油圧モータ３６０の替わりに電動モータを使用することも可能である。
（３）本発明にかかる電源装置は、油圧ショベルに限定されず、いかなる作業機械にも載置可能である。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上述した実施の形態および変形例に限定されるものではない。
実施の形態と変形例の一つとを組み合わせること、もしくは、実施の形態と変形例の複数とを組み合わせることも可能である。
変形例同士をどのように組み合わせることも可能である。
さらに、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

本発明を適用した作業機械の全体構成図である。油圧ショベルの油圧系に着目して描いたブロック図である。電源装置１００の動作を説明するためのブロック図である。電源装置１００の動作を説明するためのブロック図である。電源装置１００の動作を説明するためのブロック図である。電源装置１００の動作を説明するためのブロック図である。電源装置１００の動作を説明するためのブロック図である。

符号の説明

３整流器
７開閉器
８開閉器
９開閉器
２０双方向昇降圧チョッパ
３０インバータ
１００電源装置
１１０内蔵バッテリ
１２０制御装置
１３０操作装置
１４０商用電源
１５０外部直流電源
２００電動モータ
３００油圧ポンプ
４００油圧制御弁
５００油圧ショベル

Claims

第１の電力供給源または第２の電力供給源から電力供給を受けて所定の直流電圧を発生する電源装置であって、
第１の端子および第２の端子を備え、一方の端子電圧と他方の端子電圧との間で昇圧もしくは降圧を行う双方向昇降圧手段と、
前記第１の電力供給源から得られる直流電圧を前記双方向昇降圧手段の前記第１の端子に印加する第１の開閉手段と、
前記第２の電力供給源から得られる直流電圧を前記双方向昇降圧手段の前記第１の端子に印加する第２の開閉手段と、
前記第１の電力供給源から得られる直流電圧を前記双方向昇降圧手段の前記第２の端子に印加する第３の開閉手段と、
前記双方向昇降圧手段の前記第２の端子から前記所定の直流電圧を出力する出力手段と、
前記第１の開閉手段、前記第２の開閉手段、および前記第３の開閉手段の開閉を制御する開閉制御手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
前記第１の電力供給源から得られる直流電圧は、商用電源の交流電圧を整流して得られる直流電圧、または、外部バッテリから得られる直流電圧であり、
前記第２の電力供給源から得られる直流電圧は、既設のバッテリから得られる直流電圧であり、
前記双方向昇降圧手段は双方向型の昇降圧チョッパであり、
前記開閉制御手段は、前記第１の電力供給源から得られる直流電圧と、前記第２の電力供給源から得られる直流電圧とに基づいて、前記第１の開閉手段ないし前記第３の開閉手段の開閉を制御する、
ことを特徴とする電源装置。
請求項１または２に記載の電源装置において、
前記開閉制御手段は、前記第１の開閉手段を開放し、前記第２の開閉手段を閉成し、前記第３の開閉手段を閉成することにより、前記第１の電力供給源から前記双方向昇降圧手段を介して前記第２の電力供給源へ電力を送ることを特徴とする電源装置。
請求項１または２に記載の電源装置において、
前記開閉制御手段は、前記第１の開閉手段を閉成し、前記第２の開閉手段を開放し、前記第３の開閉手段を開放することにより、前記第１の電力供給源から前記双方向昇降圧手段を介して前記所定の直流電圧を外部に出力することを特徴とする電源装置。
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電源装置と、前記電源装置の直流出力電圧により動作するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動される電動機とを備え、前記電動機を動力源として用いることを特徴とする作業機械。
請求項５に記載の作業機械において、
前記第１の電力供給源は外部の商用電源もしくは外部直流電源であり、
前記第２の電力供給源は作業機本体に内蔵したバッテリである、
ことを特徴とする作業機械。