JP5384397B2

JP5384397B2 - 電動式建設機械

Info

Publication number: JP5384397B2
Application number: JP2010034699A
Authority: JP
Inventors: 甫栗熊; 且良那須; 竜夫滝下
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: JP2011172408A

Description

本発明は、バッテリ駆動の電動モータを動力源とする電動式建設機械に関する。

例えば油圧ショベル等の電動式建設機械として、内蔵バッテリを用いて電動モータを駆動すると共に、この電動モータを駆動源として油圧ポンプを作動させ、該油圧ポンプにて生成した油圧を用いてブームシリンダ、アームシリンダ等のアクチュエータを駆動するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような従来技術による電動式建設機械では、電動モータを駆動するための高電圧のメインバッテリに加え、各種の電子機器を駆動するための低電圧のバックアップバッテリを備えている。

また、他の従来技術として、高電圧のメインバッテリに降圧コンバータを接続して設け、該降圧コンバータからの出力を用いて各種の電子機器を駆動する構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−３２１４６２号公報特開２００８−５６２２号公報

ところで、特許文献１に記載された電動式建設機械では、始動時にバックアップバッテリを用いて電源監視コントローラを駆動し、該電源監視コントローラを用いてメインバッテリの状態を監視する。そして、メインバッテリが正常状態であると判断すると、電源監視コントローラは制御コントローラとメインバッテリとを接続し、制御コントローラはインバータとメインバッテリとを接続する。これにより、電動モータにはインバータから交流電力が供給され、電動モータが始動する構成としている。このように、特許文献１の電動式建設機械では、電動モータが始動するまでに、複数の処理工程を実行する必要があり、油圧アクチュエータの起動が遅延するという問題がある。

一方、特許文献２には、メインバッテリに降圧コンバータを接続し、該降圧コンバータを用いて制御回路等を駆動する構成が開示されている。しかし、例えばメンテナンス時のようにバッテリを取外す場合を考慮すると、メインバッテリと降圧コンバータとの間に開閉器を取り付ける必要があり、構造が複雑化し、製造コストが上昇するという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、簡易な構成を用いて電動モータを速やかに起動することができる電動式建設機械を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明による電動式建設機械は、メインバッテリと、該メインバッテリから供給される直流電圧を昇圧する昇圧回路と、前記メインバッテリと該昇圧回路との間を接続または遮断するメインバッテリ用リレーと、前記昇圧回路によって昇圧した直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、該インバータから供給される交流電圧によって駆動する電動モータと、該電動モータによって駆動する油圧ポンプと、該油圧ポンプにて生成した油圧を用いて駆動する複数のアクチュエータと、前記メインバッテリ用リレー、昇圧回路およびインバータを制御するコントローラと、前記メインバッテリの直流電圧よりも低圧の直流電圧を供給して該コントローラを駆動する補助バッテリと、前記コントローラと該補助バッテリとの間を接続または遮断するコントローラ用リレーと、該コントローラ用リレーの接続状態を制御するキースイッチと、前記メインバッテリから供給される直流電圧を降圧して前記補助バッテリを充電する降圧回路とを備え、前記コントローラ用リレーは、前記キースイッチが始動操作されたときに、前記コントローラに前記補助バッテリを接続して前記補助バッテリから前記コントローラに直流電圧を供給する切り換えと、前記メインバッテリ用リレーを遮断状態から予備的な接続状態への切り換えとの２つの切り換え動作を行い、前記コントローラは、前記昇圧回路が起動可能か否かを監視して、起動可能と判断したときに、前記メインバッテリ用リレーを予備的な接続状態から最終的な接続状態に切り換える構成としている。

請求項２の発明では、前記昇圧回路は、前記メインバッテリ用リレーに接続されたコンデンサを備え、前記コントローラは、前記昇圧回路のコンデンサの充電状態を監視し、該コンデンサの充電が完了したときに、前記昇圧回路が起動可能と判断する構成としている。

請求項３の発明では、前記インバータの入力側には、交流電圧を直流電圧に変換する交流・直流変換器を接続し、該交流・直流変換器の入力側には、外部電源用リレーを介して外部の交流電源が接続可能な外部電源接続コネクタを設け、前記コントローラ用リレーは、前記キースイッチが始動操作されたときに、前記コントローラに前記補助バッテリを接続して前記補助バッテリから前記コントローラに直流電圧を供給する切り換えと、前記メインバッテリ用リレーを遮断状態から予備的な接続状態への切り換えとに加えて、前記外部電源用リレーを遮断状態から予備的な接続状態への切り換えの３つの切り換え動作を行い、前記コントローラは、前記交流・直流変換器が起動可能か否かを監視して、起動可能と判断したときに、前記外部電源用リレーを予備的な接続状態から最終的な接続状態に切り換える構成としている。

上述の如く、請求項１に記載の発明によれば、コントローラ用リレーは、キースイッチが始動操作されたときに、遮断状態から接続状態に切り換わる。このとき、コントローラ用リレーは、コントローラに補助バッテリを接続して補助バッテリからコントローラに直流電圧を供給する切り換えと、メインバッテリ用リレーを遮断状態から予備的な接続状態への切り換えとの２つの切り換え動作を行う。一方、コントローラは、補助バッテリによって駆動し、昇圧回路が起動可能か否かを監視する。そして、コントローラは、昇圧回路が起動可能と判断したときには、メインバッテリ用リレーを予備的な接続状態から最終的な接続状態に切り換える。これにより、メインバッテリによる電力はインバータを通じて電動モータに供給され、電動モータおよび油圧ポンプが起動する。

この結果、コントローラ用リレーとコントローラとを用いて、メインバッテリからの電力を速やかに電動モータに供給することができ、電動モータの起動時間を短縮することができる。また、補助バッテリを備えるから、メインバッテリをコントローラに直接的に接続することがなく、これらの間に別途開閉器を設ける必要がない。このため、全体構成を簡略化して製造コストを低下させることができる。

請求項２の発明によれば、昇圧回路は、メインバッテリ用リレーに接続されたコンデンサを備え、コントローラは、昇圧回路のコンデンサの充電状態を監視するから、コンデンサの充電が完了したときに、昇圧回路が起動可能と判断することができる。このため、始動時に大きな電流がコンデンサに流れるのを防止して、コンデンサを保護することができる。

請求項３の発明によれば、インバータの入力側には、交流電圧を直流電圧に変換する交流・直流変換器を接続し、該交流・直流変換器の入力側には、外部電源用リレーを介して外部の交流電源が接続可能な外部電源接続コネクタを設けたから、外部電源接続コネクタに外部の交流電源を接続することによって、外部の交流電源から電動モータに電力を供給することができると共に、外部の交流電源を用いてメインバッテリを充電することができる。

また、コントローラ用リレーは、キースイッチが始動操作されたときに、コントローラに補助バッテリを接続して補助バッテリからコントローラに直流電圧を供給する切り換えと、メインバッテリ用リレーを遮断状態から予備的な接続状態への切り換えとに加えて、外部電源用リレーを遮断状態から予備的な接続状態への切り換えの３つの切り換え動作を行う。また、コントローラは、補助バッテリによって駆動し、交流・直流変換器が起動可能か否かを監視する。そして、コントローラは、交流・直流変換器が起動可能と判断したときには、外部電源用リレーを予備的な接続状態から最終的な接続状態に切り換える。これにより、外部の交流電源による電力はインバータを通じて電動モータに供給することができると共に、メインバッテリを充電することができる。

本発明の実施の形態による油圧ショベルを示す正面図である。図１中の油圧ショベルに適用する電源系の構成を示すブロック図である。図２中の昇降圧チョッパ、補助電源回路等を示す回路図である。図３中のＣＰＵ用リレー等を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態による電動式建設機械として油圧ショベルを例に挙げ、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図中、１は油圧ショベルの下部走行体を示し、該下部走行体１上には上部旋回体２が旋回可能に搭載されている。また、上部旋回体２には、運転席３等が配設されている。ここで、下部走行体１には走行モータが設けられると共に、上部旋回体２には旋回モータ（いずれも図示せず）が設けられている。そして、下部走行体１は走行モータによって前進、後進等の走行動作を行い、上部旋回体２は旋回モータによって旋回動作するものである。

４は上部旋回体２の前部に俯仰動可能に取り付けられた作業装置（フロント）で、該作業装置４はブーム５、アーム６、バケット７等によって構成され、ブーム５、アーム６、バケット７にはブームシリンダ８、アームシリンダ９、バケットシリンダ１０等の油圧シリンダが取り付けられている。そして、これらのシリンダ８〜１０は、走行モータや旋回モータ等の油圧モータと共に、後述の油圧ポンプ１１から供給される油圧によって駆動するアクチュエータを構成している。

１１は油圧源としての油圧ポンプで、該油圧ポンプ１１は、例えば上部旋回体２のうち運転席３の右側に設けられている。そして、油圧ポンプ１１は、図２に示すように、後述の電動モータ１５によって回転駆動し、油圧を生成する。また、油圧ポンプ１１は、複数の方向切換弁からなる制御弁装置（Ｃ／Ｖ）１２を介して各シリンダ８〜１０等に接続され、オイルタンク１３内の作動油を吸込んで高圧な油圧を生成し、この油圧を各シリンダ８〜１０等に向けて供給する。

このとき、図１に示す運転席３に着座したオペレータが操作レバー１４等を操作することによって、制御弁装置１２が切換操作される。これにより、例えば各シリンダ８〜１０に対する油圧の供給、排出が切換えられ、各シリンダ８〜１０の伸縮動作が制御弁装置１２を用いて制御される。

１５は油圧ポンプ１１の近傍に位置して上部旋回体２に設けられた電動モータで、該電動モータ１５は、例えば三相誘導電動機によって構成されている。また、電動モータ１５は、図２に示すように、その出力軸が油圧ポンプ１１に連結され、油圧ポンプ１１の駆動源として機能する。そして、電動モータ１５は、後述のインバータ１９から供給される三相交流電力によって回転駆動し、その出力軸を通じて油圧ポンプ１１を駆動する。

１６は上部旋回体２の後側に設けられたメインバッテリで、該メインバッテリ１６は、例えば定格出力１６０Ｖ_DCの直流電圧を得るリチウムイオン電池等の二次電池によって構成されている。また、メインバッテリ１６は、それ自体が重量物であるため、作業装置４に加わる重量負荷に対するカウンタウエイトとしても機能する。そして、メインバッテリ１６は、後述する制御盤１７のインバータ１９を介して電動モータ１５に接続されている。

１７は電動モータ１５等の駆動を制御する制御盤で、該制御盤１７は、例えば電動モータ１５の上方位置に取付けられると共に、外部の商用電源ＰＳに接続するための外部電源接続コネクタ１８が設けられている。そして、制御盤１７は、後述するインバータ１９、交流・直流変換器２０等によって構成されている。

１９は電動モータ１５に接続されたインバータで、該インバータ１９は、トランジスタ、サイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等からなる複数のスイッチング素子（図示せず）を用いて構成されている。ここで、インバータ１９は、スイッチング素子のオン／オフを制御することによって、例えば２８８Ｖ_DCの直流電力から２００Ｖ_ACの三相交流電力を生成する。そして、インバータ１９は、三相交流電力を電動モータ１５に供給し、電動モータ１５を駆動する。

２０は外部電源接続コネクタ１８とインバータ１９との間に電気的に接続された交流・直流変換器（ＡＣ／ＤＣ）で、該交流・直流変換器２０は、図２および図３に示すように、例えば交流電力を全波整流する整流器２１と、該整流器２１の後段に接続され電力波形を平滑化する平滑回路２２とによって構成されている。この平滑回路２２は、例えば電界コンデンサ等からなるコンデンサＣ0と、チョークコイルとしてのリアクトルＬ0とによって構成されている。そして、交流・直流変換器２０は、例えば外部の商用電源ＰＳから供給される２００Ｖ_ACの三相交流電力を２８８Ｖ_DCの直流電力に変換し、インバータ１９に供給する。なお、交流・直流変換器２０には、単相１００Ｖ_ACの交流電力や１５０Ｖ_DCの外部バッテリを接続する構成としてもよい。

２３は交流・直流変換器２０と外部電源接続コネクタ１８との間に設けられた外部電源用リレーで、該外部電源用リレー２３は、三相交流のＲ相、Ｓ相、Ｔ相にそれぞれ対応した接点２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを備えると共に、接点２３Ｃに並列接続された接点２３Ｄを備えている。この接点２３Ａ〜２３Ｄには、これらのオン／オフを制御するコイルＭＣ１〜ＭＣ４がそれぞれ設けられている。また、接点２３Ｄには、始動時に交流・直流変換器２０に流れる電流を制限するための制限抵抗２３Ｅが直列接続されている。

そして、外部電源用リレー２３は、後述のＣＰＵ用リレー３１およびＣＰＵ３０によって、コイルＭＣ１〜ＭＣ４の励磁状態が制御され、接点２３Ａ〜２３Ｄのオン／オフが切り換えられる。これにより、外部電源用リレー２３は、交流・直流変換器２０と外部電源接続コネクタ１８との間を接続または遮断する。

また、外部電源用リレー２３は、始動時には予備的な接続状態となり、接点２３Ａ，２３Ｄがオンになり、接点２３Ｂ，２３Ｃがオフになる。これにより、制限抵抗２３Ｅを通じて交流・直流変換器２０に電流を供給し、コンデンサＣ0を充電することができる。そして、コンデンサＣ0の充電が完了すると、ＣＰＵ３０によってコイルＭＣ２，ＭＣ３が励磁される。これにより、外部電源用リレー２３は、最終的な接続状態となり、接点２３Ａ〜２３Ｄが全てオンになる。なお、最終的な接続状態では、外部電源用リレー２３の接点２３Ａ〜２３Ｃはオンになり、接点２３Ｄはオフになる構成としてもよい。

２４はメインバッテリ１６とインバータ１９との間に電気的に接続された昇降圧チョッパで、該昇降圧チョッパ２４は、メインバッテリ１６の出力側とインバータ１９の入力側とに電気的に接続されると共に、交流・直流変換器２０の出力側に電気的に接続されている。この昇降圧チョッパ２４は、インバータ１９および交流・直流変換器２０のプラス端子とマイナス端子との間に直列接続された２個のスイッチ素子Ｓ11，Ｓ12と、メインバッテリ１６のプラス端子とマイナス端子との間に直列接続された２個のスイッチ素子Ｓ13，Ｓ14と、スイッチ素子Ｓ11，Ｓ12間の接続点とスイッチ素子Ｓ13，Ｓ14間の接続点との間に接続されたリアクトルＬ1とを備えている。

このとき、スイッチ素子Ｓ11〜Ｓ14は、例えばＩＧＢＴ等によって構成されると共に、ダイオードＤ11〜Ｄ14がそれぞれ並列接続されている。また、メインバッテリ１６のプラス端子とマイナス端子との間には、例えば電界コンデンサ等からなるコンデンサＣ1が接続されている。そして、昇降圧チョッパ２４は、後述のＣＰＵ３０によってスイッチ素子Ｓ11〜Ｓ14のオン／オフが制御される。これにより、メインバッテリ１６を用いて電動モータ１５を駆動するときには、昇降圧チョッパ２４は、メインバッテリ１６から出力される例えば１６０Ｖ_DCの直流電圧を２８８Ｖ_DCの直流電圧に昇圧してインバータ１９に供給する昇圧回路（昇圧チョッパ）として機能する。また、外部電源（例えば商用電源ＰＳ等）を用いてメインバッテリ１６を充電するときには、昇降圧チョッパ２４は、交流・直流変換器２０から出力される例えば２８８Ｖ_DCの直流電圧を１６０Ｖ_DCの直流電圧に降圧してメインバッテリ１６に供給する降圧回路（降圧チョッパ）として機能する。

２５は昇降圧チョッパ２４とメインバッテリ１６との間に設けられたメインバッテリ用リレーで、該メインバッテリ用リレー２５は、メインバッテリ１６のプラス側の端子とマイナス側の端子にそれぞれ対応した接点２５Ａ，２５Ｂを備えると共に、プラス側の接点２５Ａに並列接続された接点２５Ｃを備えている。この接点２５Ａ〜２５Ｃには、これらのオン／オフを制御するコイルＭＣ５〜ＭＣ７がそれぞれ設けられている。また、接点２５Ｃには、始動時に昇降圧チョッパ２４に流れる電流を制限するための制限抵抗２５Ｄが直列接続されている。

そして、メインバッテリ用リレー２５は、後述のＣＰＵ用リレー３１およびＣＰＵ３０によって、コイルＭＣ５〜ＭＣ７の励磁状態が制御され、接点２５Ａ〜２５Ｃのオン／オフが切り換えられる。これにより、メインバッテリ用リレー２５は、昇降圧チョッパ２４とメインバッテリ１６との間を接続または遮断する。

また、メインバッテリ用リレー２５は、始動時には予備的な接続状態となり、接点２５Ｂ，２５Ｃがオンになり、接点２５Ａがオフになる。これにより、制限抵抗２５Ｄを通じて昇降圧チョッパ２４に電流を供給し、コンデンサＣ1を充電することができる。そして、コンデンサＣ1の充電が完了すると、ＣＰＵ３０によってコイルＭＣ５が励磁される。これにより、メインバッテリ用リレー２５は、最終的な接続状態となり、接点２５Ａ〜２５Ｃが全てオンになる。なお、最終的な接続状態では、メインバッテリ用リレー２５の接点２５Ａ，２５Ｂはオンになり、接点２５Ｃはオフになる構成としてもよい。

２６は後述のＣＰＵ３０に駆動電圧を供給すると共に、１２Ｖバッテリ２９を充電するための補助電源回路で、該補助電源回路２６は、交流・直流変換器２０の出力側とインバータ１９の入力側とに電気的に接続されると共に、昇降圧チョッパ２４に電気的に接続されている。この補助電源回路２６は、交流・直流変換器２０等のプラス端子とマイナス端子との間にブリッジ接続された４個のスイッチ素子Ｓ21〜Ｓ24と、スイッチ素子Ｓ21，Ｓ22間の接続点とスイッチ素子Ｓ23，Ｓ24間の接続点との間に接続された変圧器Ｔと、該変圧器Ｔの２次側（低圧側）に接続された２個のダイオードからなる整流器２７と、該整流器２７の出力側に接続されたコンデンサＣ2およびリアクトルＬ2からなる平滑回路２８とを備えている。

このとき、スイッチ素子Ｓ21〜Ｓ24は、例えばＭＯＳＦＥＴ等によって構成されると共に、ダイオードＤ21〜Ｄ24がそれぞれ並列接続されている。そして、補助電源回路２６は、後述のＣＰＵ３０によってスイッチ素子Ｓ21〜Ｓ24のオン／オフが制御される。これにより、補助電源回路２６は、交流・直流変換器２０または昇降圧チョッパ２４から出力される例えば２８８Ｖ_DCの直流電圧を１３．５Ｖ_DCの直流電圧に降圧して１２Ｖバッテリ２９およびＣＰＵ３０に供給する降圧回路として機能する。

２９は補助電源回路２６の出力側に接続された補助バッテリとしての１２Ｖバッテリで、該１２Ｖバッテリ２９は、例えば定格出力１２Ｖ_DCの直流電圧を得る鉛蓄電池、リチウムイオン電池等の二次電池によって構成されている。この１２Ｖバッテリ２９のプラス側の端子には、図４に示すように、ダイオード２９Ａが接続されると共に、該ダイオード２９Ａには抵抗２９Ｂが並列接続されている。そして、１２Ｖバッテリ２９は、補助電源回路２６からの出力電力によって充電される。また、１２Ｖバッテリ２９の出力側は、後述するＣＰＵ用リレー３１を介してＣＰＵ３０に接続されている。これにより、１２Ｖバッテリ２９は、メインバッテリ１６の直流電圧（例えば１６０Ｖ_DC）よりも低圧な１２Ｖ_DCの直流電圧をＣＰＵ３０に供給して、ＣＰＵ３０を駆動するものである。

３０は例えばマイクロコンピュータによって構成されたコントローラとしてのＣＰＵで、該ＣＰＵ３０は、ＣＰＵ用リレー３１を介して補助電源回路２６または１２Ｖバッテリ２９に接続され、補助電源回路２６または１２Ｖバッテリ２９から出力される直流電圧によって駆動する。ＣＰＵ３０の出力側は、インバータ１９、昇降圧チョッパ２４および補助電源回路２６に接続されている。これにより、ＣＰＵ３０は、インバータ１９のスイッチ素子のオン／オフを切り換えてインバータ１９を制御し、スイッチ素子Ｓ11〜Ｓ14のオン／オフを切り換えて昇降圧チョッパ２４を制御すると共に、スイッチ素子Ｓ21〜Ｓ24のオン／オフを切り換えて補助電源回路２６を制御する。

また、ＣＰＵ３０は、外部電源用リレー２３およびメインバッテリ用リレー２５に接続されている。これに加えて、ＣＰＵ３０は、例えば交流・直流変換器２０の電流、電圧等を検出することによって平滑回路２２のコンデンサＣ0の充電状態を監視すると共に、例えば昇降圧チョッパ２４の電流、電圧等を検出することによってコンデンサＣ1の充電状態を監視している。そして、ＣＰＵ３０は、コンデンサＣ0の充電が完了したときに、コイルＭＣ２，ＭＣ３を励磁して外部電源用リレー２３を予備的な接続状態から最終的に接続状態に切り換える。また、ＣＰＵ３０は、コンデンサＣ1の充電が完了したときに、コイルＭＣ５を励磁してメインバッテリ用リレー２５を予備的な接続状態から最終的に接続状態に切り換える。

３１はＣＰＵ３０と補助電源回路２６、１２Ｖバッテリ２９との間に設けられたコントローラ用リレーとしてのＣＰＵ用リレーで、該ＣＰＵ用リレー３１は、１２Ｖバッテリ２９のプラス側の端子とマイナス側の端子との間に直列接続された２個の接点３１Ａ，３１Ｂを備えると共に、接点３１Ｂに並列接続された接点３１Ｃを備えている。接点３１Ａ，３１Ｂは、後述のキースイッチ３２を用いて切り換えられる。一方、接点３１Ｃには、そのオン／オフを制御するコイルＲy1が設けられている。また、このコイルＲy1は、接点３１Ｂ，３１Ｃと１２Ｖバッテリ２９のマイナス側の端子との間に電気的に接続されている。

これにより、ＣＰＵ用リレー３１は、自己保持回路を構成し、接点３１Ａ，３１Ｂをオンにすることによって、コイルＲy1が励磁され、接点３１Ｃはオンに保持される。一方、接点３１Ａをオフにすることによって、接点３１Ｃはオフに切り換わる。

また、コイルＲy1には、外部電源用リレー２３のコイルＭＣ１，ＭＣ４およびメインバッテリ用リレー２５のコイルＭＣ６，ＭＣ７がそれぞれ並列接続されている。これにより、ＣＰＵ用リレー３１（接点３１Ａ，３１Ｂ）がオンになったときには、コイルＭＣ１，ＭＣ４，ＭＣ６，ＭＣ７が励磁され、これらの接点２３Ａ，２３Ｄ，２５Ｂ，２５Ｃがオンに切り換わる。

さらに、接点３１ＣとコイルＲy1との間の接続点には、ＣＰＵ３０が接続されている。そして、ＣＰＵ用リレー３１がオンになったときには、接点３１Ｃを介してＣＰＵ３０が１２Ｖバッテリ２９および補助電源回路２６に接続され、ＣＰＵ３０に駆動電圧が供給される。一方、ＣＰＵ用リレー３１がオフになったときには、接点３１Ａ〜３１Ｃがオフになり、ＣＰＵ３０と補助電源回路２６、１２Ｖバッテリ２９との間は遮断される。これにより、ＣＰＵ用リレー３１は、ＣＰＵ３０と１２Ｖバッテリ２９および補助電源回路２６との間を接続または遮断する。

３２はＣＰＵ用リレー３１に設けられたキースイッチで、該キースイッチ３２は、例えば運転席３の近傍に設けられ、オペレータがイグニションキーを回転操作することによって、ＣＰＵ用リレー３１の接点３１Ａ，３１Ｂのオン／オフを切り換える。ここで、キースイッチ３２は、オフ位置（ＯＦＦ）、オン位置（ＯＮ）、スタート位置（ＳＴＡＲＴ）を備えている。キースイッチ３２をオフ位置にしたときには、ＣＰＵ用リレー３１の接点３１Ａがオフになる。このとき、接点３１Ｂ，３１Ｃはオフに保持される。キースイッチ３２をオン位置にしたときには、ＣＰＵ用リレー３１の接点３１Ａがオンになるものの、接点３１Ｂ，３１Ｃはオフに保持される。

一方、キースイッチ３２をスタート位置にしたときには、ＣＰＵ用リレー３１の接点３１Ａ，３１Ｂがオンになる。このとき、コイルＲy1が励磁されるから、接点３１Ｃはオンに切り換わると共に、オン状態に自己保持される。このため、キースイッチ３２を始動操作するときには、オペレータがキースイッチ３２をスタート位置にすると、例えばバネ力等によってキースイッチ３２はオン位置に戻るものの、接点３１Ｃはオンに保持される。これにより、コイルＭＣ１，ＭＣ４，ＭＣ６，ＭＣ７が励磁され、これらの接点２３Ａ，２３Ｄ，２５Ｂ，２５Ｃがオンになると共に、ＣＰＵ３０に駆動電圧が供給される。

本実施の形態による油圧ショベルは上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。

まず、オペレータがキースイッチ３２を始動操作してオフ位置からスタート位置にすると、ＣＰＵ用リレー３１がオフ（遮断状態）からオン（接続状態）に切り換わり、ＣＰＵ３０が起動する。このとき、ＣＰＵ用リレー３１は、外部電源用リレー２３のコイルＭＣ１，ＭＣ４を励磁すると共に、メインバッテリ用リレー２５のコイルＭＣ６，ＭＣ７を励磁する。これにより、外部電源用リレー２３の接点２３Ａ，２３Ｄがオンになると共に、メインバッテリ用リレー２５の接点２５Ｂ，２５Ｃがオンになる。

ここで、外部の商用電源ＰＳが外部電源接続コネクタ１８に接続されているときには、交流・直流変換器２０のコンデンサＣ0は、商用電源ＰＳによって充電される。このため、ＣＰＵ３０は、コンデンサＣ0の充電状態を監視し、コンデンサＣ0の充電が完了したときには、外部電源用リレー２３のコイルＭＣ２，ＭＣ３を励磁して、接点２３Ｂ，２３Ｃをオンに切り換える。これにより、ＣＰＵ３０は、外部電源用リレー２３を接点２３Ａ，２３Ｄだけがオンになった予備的な接続状態から全ての接点２３Ａ〜２３Ｄがオンになった最終的な接続状態に切り換える。

一方、昇降圧チョッパ２４のコンデンサＣ1は、メインバッテリ１６によって充電される。このため、ＣＰＵ３０は、コンデンサＣ1の充電状態を監視し、コンデンサＣ1の充電が完了したときには、メインバッテリ用リレー２５のコイルＭＣ５を励磁して、接点２３Ａをオンに切り換える。これにより、ＣＰＵ３０は、メインバッテリ用リレー２５を接点２３Ｂ，２３Ｃだけがオンになった予備的な接続状態から全ての接点２３Ａ〜２３Ｃがオンになった最終的な接続状態に切り換える。

また、ＣＰＵ３０は、メインバッテリ１６の充電を行うバッテリ充電モード、外部の商用電源ＰＳを用いて油圧ショベルを駆動する外部電源駆動モード、メインバッテリ１６を用いて油圧ショベルを駆動するバッテリ駆動モード等に応じて、インバータ１９のスイッチ素子および昇降圧チョッパ２４のスイッチ素子Ｓ11〜Ｓ14を制御する。

例えば、バッテリ充電モードでは、ＣＰＵ３０は昇降圧チョッパ２４を降圧回路として動作させ、商用電源ＰＳから供給される電力を、昇降圧チョッパ２４を介してメインバッテリ１６に供給する。これにより、メインバッテリ１６に向けて昇降圧チョッパ２４から１６０Ｖ_DCの直流電力を供給し、メインバッテリ１６を充電することができる。

また、外部の商用電源ＰＳを用いて油圧ショベルを駆動するときには、インバータ１９に向けて商用電源ＰＳから２８８Ｖ_DCの直流電力を供給する。このとき、ＣＰＵ３０はインバータ１９のスイッチ素子を制御し、インバータ１９は直流電力を交流電力に変換して電動モータ１５に供給する。これにより、電動モータ１５は油圧ポンプ１１を駆動し、油圧ポンプ１１は油圧を生成する。この結果、この油圧を各シリンダ８〜１０等に供給することによって、下部走行体１による走行動作、上部旋回体２の旋回動作、作業装置４による掘削作業等を行うことができる。

さらに、メインバッテリ１６を用いて油圧ショベルを駆動するときには、ＣＰＵ３０は昇降圧チョッパ２４を昇圧回路として動作させ、メインバッテリ１６による１６０Ｖ_DCの直流電力を２８８Ｖ_DCの直流電力に昇圧して、インバータ１９に供給する。これにより、インバータ１９は直流電力を交流電力に変換して電動モータ１５に供給し、電動モータ１５は油圧ポンプ１１を駆動する。

かくして、本実施の形態によれば、ＣＰＵ用リレー３１は、キースイッチ３２をスタート位置に切り換える始動操作をすることによってオン状態となる。このとき、ＣＰＵ用リレー３１は、１２Ｖバッテリ２９からＣＰＵ３０に直流電圧を供給すると共に、メインバッテリ用リレー２５を全ての接点２５Ａ〜２５Ｃがオフになった遮断状態から接点２５Ｂ，２５Ｃだけがオンになった予備的な接続状態に切り換える。一方、ＣＰＵ３０は、１２Ｖバッテリ２９によって駆動し、コンデンサＣ1の充電状態によって昇降圧チョッパ２４が起動可能か否かを監視する。そして、ＣＰＵ３０は、コンデンサＣ1の充電が完了して昇降圧チョッパ２４が起動可能と判断したときには、メインバッテリ用リレー２５を予備的な接続状態から全ての接点２５Ａ〜２５Ｃがオンになった最終的な接続状態に切り換える。これにより、メインバッテリ１６による電力はインバータ１９を通じて電動モータ１５に供給され、電動モータ１５および油圧ポンプ１１が起動する。

この結果、ＣＰＵ用リレー３１とＣＰＵ３０とを用いて、メインバッテリ１６からの電力を速やかに電動モータ１５に供給することができ、電動モータ１５の起動時間を短縮することができる。また、ＣＰＵ用リレー３１を用いてメインバッテリ用リレー２５を遮断状態から予備的な接続状態に切り換えるから、ＣＰＵ３０を用いてメインバッテリ用リレー２５の接続状態を全て切り換える場合に比べて、ＣＰＵ３０の処理を簡略化して電動モータ１５を速やかに起動することができる。さらに、補助の１２Ｖバッテリ２９を備えるから、メインバッテリ１６をＣＰＵ３０に直接的に接続することがなく、これらの間に別途開閉器を設ける必要がない。このため、全体構成を簡略化して製造コストを低下させることができる。

また、昇降圧チョッパ２４は、メインバッテリ用リレー２５に接続されたコンデンサＣ1を備え、ＣＰＵ３０は、昇降圧チョッパ２４のコンデンサＣ1の充電状態を監視するから、コンデンサＣ1の充電が完了したときに、昇降圧チョッパ２４が起動可能と判断することができる。このため、始動時に大きな電流がコンデンサＣ1に流れるのを防止して、コンデンサＣ1を保護することができる。

さらに、インバータ１９の入力側には、交流電圧を直流電圧に変換する交流・直流変換器２０を接続し、該交流・直流変換器２０の入力側には、外部電源用リレー２３を介して外部の商用電源ＰＳが接続可能な外部電源接続コネクタ１８を設けたから、外部電源接続コネクタ１８に商用電源ＰＳを接続することによって、商用電源ＰＳから電動モータ１５に電力を供給することができると共に、商用電源ＰＳを用いてメインバッテリ１６を充電することができる。

また、ＣＰＵ用リレー３１は、キースイッチ３２を始動操作することによってオン状態となり、１２Ｖバッテリ２９からＣＰＵ３０に直流電圧を供給すると共に、外部電源用リレー２３を全ての接点２３Ａ〜２３Ｄがオフになった遮断状態から接点２３Ａ，２３Ｄだけがオンになった予備的な接続状態に切り換える。このとき、ＣＰＵ３０は、１２Ｖバッテリ２９によって駆動し、コンデンサＣ0の充電状態によって交流・直流変換器２０が起動可能か否かを監視する。そして、ＣＰＵ３０は、コンデンサＣ0の充電が完了して交流・直流変換器２０が起動可能と判断したときには、外部電源用リレー２３を予備的な接続状態から全ての接点２３Ａ〜２３Ｄがオンになった最終的な接続状態に切り換える。これにより、外部の商用電源ＰＳによる電力はインバータ１９を通じて電動モータ１５に供給することができると共に、メインバッテリ１６を充電することができる。

なお、前記実施の形態では、メインバッテリ１６とインバータ１９との間には昇圧回路および降圧回路を兼用する昇降圧チョッパ２４を設ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、昇圧回路および降圧回路を別途に設ける構成としてもよい。

また、前記実施の形態では、メインバッテリ１６は１６０Ｖ_DCの直流電圧を出力すると共に、電動モータ１５は２００Ｖ_ACの三相交流電力によって駆動するものとした。しかし、これらの電圧値は、実施の形態で示した値に限らず、各バッテリや電動モータの仕様等に応じて適宜設定すればよい。

また、前記実施の形態では、電動式建設機械として装軌式の油圧ショベルを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えばホイール式の油圧ショベル、ホイールローダ等の他の建設機械にも広く適用することができる。

８ブームシリンダ（アクチュエータ）
９アームシリンダ（アクチュエータ）
１０バケットシリンダ（アクチュエータ）
１１油圧ポンプ
１５電動モータ
１６メインバッテリ
１８外部電源接続コネクタ
１９インバータ
２０交流・直流変換器
２３外部電源用リレー
２４昇降圧チョッパ（昇圧回路）
２５メインバッテリ用リレー
２６補助電源回路（降圧回路）
２９１２Ｖバッテリ（補助バッテリ）
３０ＣＰＵ（コントローラ）
３１ＣＰＵ用リレー（コントローラ用リレー）
３２キースイッチ
Ｃ0，Ｃ1 コンデンサ
ＰＳ商用電源（外部の交流電源）

Claims

メインバッテリと、
該メインバッテリから供給される直流電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記メインバッテリと該昇圧回路との間を接続または遮断するメインバッテリ用リレーと、
前記昇圧回路によって昇圧した直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
該インバータから供給される交流電圧によって駆動する電動モータと、
該電動モータによって駆動する油圧ポンプと、
該油圧ポンプにて生成した油圧を用いて駆動する複数のアクチュエータと、
前記メインバッテリ用リレー、昇圧回路およびインバータを制御するコントローラと、
前記メインバッテリの直流電圧よりも低圧の直流電圧を供給して該コントローラを駆動する補助バッテリと、
前記コントローラと該補助バッテリとの間を接続または遮断するコントローラ用リレーと、
該コントローラ用リレーの接続状態を制御するキースイッチと、
前記メインバッテリから供給される直流電圧を降圧して前記補助バッテリを充電する降圧回路とを備え、
前記コントローラ用リレーは、前記キースイッチが始動操作されたときに、前記コントローラに前記補助バッテリを接続して前記補助バッテリから前記コントローラに直流電圧を供給する切り換えと、前記メインバッテリ用リレーを遮断状態から予備的な接続状態への切り換えとの２つの切り換え動作を行い、
前記コントローラは、前記昇圧回路が起動可能か否かを監視して、起動可能と判断したときに、前記メインバッテリ用リレーを予備的な接続状態から最終的な接続状態に切り換える構成としてなる電動式建設機械。
前記昇圧回路は、前記メインバッテリ用リレーに接続されたコンデンサを備え、
前記コントローラは、前記昇圧回路のコンデンサの充電状態を監視し、該コンデンサの充電が完了したときに、前記昇圧回路が起動可能と判断する構成としてなる請求項１に記載の電動式建設機械。
前記インバータの入力側には、交流電圧を直流電圧に変換する交流・直流変換器を接続し、
該交流・直流変換器の入力側には、外部電源用リレーを介して外部の交流電源が接続可能な外部電源接続コネクタを設け、
前記コントローラ用リレーは、前記キースイッチが始動操作されたときに、前記コントローラに前記補助バッテリを接続して前記補助バッテリから前記コントローラに直流電圧を供給する切り換えと、前記メインバッテリ用リレーを遮断状態から予備的な接続状態への切り換えとに加えて、前記外部電源用リレーを遮断状態から予備的な接続状態への切り換えの３つの切り換え動作を行い、
前記コントローラは、前記交流・直流変換器が起動可能か否かを監視して、起動可能と判断したときに、前記外部電源用リレーを予備的な接続状態から最終的な接続状態に切り換える構成としてなる請求項１または２に記載の電動式建設機械。