JP5499860B2

JP5499860B2 - ハイブリッド作業機械の機器冷却装置

Info

Publication number: JP5499860B2
Application number: JP2010093221A
Authority: JP
Inventors: 利雄空; 夏輝柚本; 啓介下村
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-04-14
Also published as: JP2011220069A

Description

本発明はハイブリッドショベル等のハイブリッド作業機械において、ハイブリッド関係の電気機器を冷却する機器冷却装置に関するものである。

ハイブリッドショベルを例にとって背景技術を説明する。

ショベルは、図３に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が、地面に対して鉛直となる縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２の前部に、ブーム３、アーム４、バケット５、及びこれらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ６,７,８を備えた作業アタッチメント９が取付けられて構成される。

上部旋回体２には、前部左側にキャビン１０が搭載されるとともに、後端部にカウンタウェイト１１が装着される。

上部旋回体２の後部にはエンジンルーム１２が設けられ、このエンジンルーム１２に動力源としてのエンジン１３が設置される。

なお、この明細書において、「前後」「左右」はキャビン１０内に着座したオペレータから見た方向性をいう。

ハイブリッドショベルの駆動系及び制御系のブロック構成を図４に示す。

エンジン１３に、発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機１４と油圧ポンプ１５とが接続され、これらがエンジン１３によって駆動される。

油圧ポンプ１５からの吐出油はコントロールバルブ(弁そのものはアクチュエータごとに設けられているが、ここでは複数の弁の集合体として示す)１６を介して図３に示すブーム、アーム、バケット各シリンダ６〜８、及び図示しない左、右両走行用油圧モータ等の油圧アクチュエータに供給され、これら油圧アクチュエータが駆動される。

一方、発電電動機１４には、二次電池等からなる電源としてのバッテリ１７がバッテリコントローラ１８を介して、また旋回駆動源としての旋回電動機１９がインバータ２０を介してそれぞれ接続される。

バッテリコントローラ１８は、発電電動機１４の発電機出力の過不足に応じたバッテリ１７の充・放電作用等を制御する。

インバータ２０は、発電電動機１４の発電機作用と電動機作用の切換え、発電電力あるいは電動機としての電流またはトルクの制御、それに旋回電動機１９の電流またはトルクの制御等を行う。

なお、発電電動機１４及び旋回電動機１９を別々のインバータで制御する場合もあるが、ここでは上記兼用タイプのものを例にとっている。

このようなハイブリッドショベルにおいて、バッテリ１７及びインバータ２０のように熱に弱いハイブリッド関係の電気機器(要冷却機器)について、性能維持のために、ファンを用いた強制空冷方式によって冷却する技術は特許文献１に示されている。

この場合、要冷却機器ごとに冷却ファンを設け、それぞれのファンモータ(電動機)を要冷却機器ごとに設定された温度に基づいて別々に制御するのが一般的である。

この従来の制御技術を、バッテリ１７及びインバータ２０を例にとって説明する。

図５に示すように、バッテリ１７及びインバータ２０はそれぞれ独立したケーシング(バッテリケーシング、インバータケーシング)２１，２２内に、周囲に空気通路が形成される状態で収容される。

両ケーシング２１，２２には、吸気口２３，２４と、排気口２５，２６と、バッテリ及びインバータ両冷却ファン２７，２８と、この両冷却ファン２７，２８を駆動するファンモータ２９，３０(冷却ファン２７，２８とともにケーシング内に設けられるが、図５では便宜上、ケーシング外に抽出して示す)、それに冷却用の空気を吸気口２３，２４に導入する吸気ダクト３１，３２が設けられる。

また、両ケーシング２１，２１内の温度、すなわちバッテリ１７及びインバータ２０の雰囲気温度を検出する温度検出手段としての温度センサ３３，３４が設けられ、この温度センサ３３，３４からの温度信号がファン制御手段としてのコントローラ３５に入力される。

コントローラ３５は、この温度信号に基づき、両ケーシング内の温度(バッテリ１７及びインバータ２０の雰囲気温度)がバッテリ１７及びインバータ２０のそれぞれについて冷却を開始すべき温度として予め設定された値(設定温度)に達すると、この設定温度以上となった側のファンモータ２９または３０に対し、コントローラ内の図示しないモータ制御部から駆動指令(電圧または電流)を出力し、設定温度未満で停止指令(電圧または電流０)を出力する。

つまり、両ファンモータ２９，３０(ファン２７，２８)を別々に独立して制御する構成がとられている。

特開２００７−１０６２０９号公報

ここで、
(１) ハイブリッドショベルの場合、既存の機械の限られたスペースにハイブリッド関係機器を追加すること、及び機器間の接続配線の容易化、短縮化の要請があること等から、バッテリ１７とインバータ２０は、通常、近接して配置される。

このため、周囲の温度環境は両者ほぼ同じで、雰囲気温度の変化も似たものとなる。

(２) バッテリ１７とインバータ２０の設定温度、及び冷却ファン２７，２８による冷却能力はほぼ同じである。

つまり、バッテリ１７とインバータ２０は冷却条件において殆ど差がなく、両冷却ファン２７，２８はほぼ同時期に駆動され、停止するのが実状である。

ところが、従来装置では上記のように両冷却ファン２７，２８(ファンモータ２９，３０)を、別々の温度センサ３３，３４からの信号に基づいて別々に駆動制御する構成をとっているため、冷却制御のための温度センサ、配線等の設備、及びファンモータ駆動回路の回路構成に無駄があり、コスト、メンテナンスの点で不利となっていた。

そこで本発明は、冷却条件がほぼ同じバッテリとインバータの冷却制御を、最小限の設備及び回路構成によって効率良く行うことができるハイブリッド作業機械の機器冷却装置を提供するものである。

本発明は、次の(Ｉ)〜(Ｖ)のすべての要件を具備するものである。

(Ｉ) 電源としてのバッテリと、電動機の作動を制御するインバータがそれぞれ別個独立したケーシング内に収容されること。

(ＩＩ) 上記各ケーシングには、それぞれ吸気口と、排気口と、別々のファンモータにより駆動されて冷却用の空気を上記吸気口から吸入し上記排気口から排出する冷却ファンとが設けられること。

(ＩＩＩ) 上記バッテリとインバータについての冷却条件がほぼ同じとなるように、上記バッテリ及びインバータの設定温度、及び上記ファンによる冷却能力がほぼ同じに設定されるとともに、上記各ケーシングが近接して配置されること。

(ＩＶ) 上記バッテリについての温度のみを検出する温度検出手段と、上記各ファンモータに対する駆動指令及び停止指令を出力するファン制御手段を具備すること。

(Ｖ) 上記ファン制御手段は、上記温度検出手段からの温度信号のみに基づいて上記各ファンモータを同期して駆動／停止させるように構成されること。

本発明によると、バッテリとインバータに共通の温度検出手段からの温度信号に基づいてバッテリ用及びインバータ用のファンモータを同期して駆動／停止させる構成としたから、温度センサ、信号配線等の設備が最小限に少なくてすむとともに、ファンモータ駆動回路の回路構成が簡単ですむ。このため、コスト及びメンテナンスの点で有利となる。

ところで、バッテリとインバータの組み合わせにおいて、両者のうちバッテリの方が熱影響による性能、寿命の低下が大きいため、より厳しい温度管理が要求される。

この点、本発明によると、バッテリ側優先で温度を検出して両ファンモータを駆動制御するため、バッテリを確実に保護することができる。

本発明の実施形態に係る冷却装置を含めたハイブリッドショベルの概略平面図である。同装置の駆動系及び制御系の構成を示す図である。本発明が適用されるハイブリッドショベルの概略側面図である。ハイブリッドショベル全体の駆動系及び制御系の構成を示す図である。従来の冷却装置の駆動系及び制御系の構成を示す図である。

本発明の実施形態を図１，２によって説明する。

実施形態はハイブリッドショベルにおいて、バッテリ１７及びインバータ２０の二つの要冷却機器の冷却装置を適用対象としている。

図１は、上部旋回体におけるバッテリ１７とインバータ２０の配置を示す。

図中、３６は上部旋回体のアッパーフレームで、このアッパーフレーム３６の前部左側にキャビン１０が設置されるとともに、後部にエンジンルーム１２が形成され、ここにエンジン１３が設置される。

一方、アッパーフレーム３６の右側後部にバッテリ１７、その前方にインバータ２０がそれぞれ相近接して設置される。

図２はこのバッテリ１７及びインバータ２０の冷却装置の駆動系と制御系の構成を示す。

図１，２に示すように、この冷却装置において、
(ｉ) バッテリ１７及びインバータ２０はそれぞれ独立したケーシング(バッテリケーシング、インバータケーシング)２１，２２内に、周囲に空気通路が形成される状態で収容される点、
(ｉｉ) 両ケーシング２１，２２には、吸気口２３，２４と、排気口２５，２６と、バッテリ及びインバータ両冷却ファン２７，２８と、この両冷却ファン２７，２８を駆動するファンモータ２９，３０(冷却ファン２７，２８とともにケーシング内に設けられるが、図２では便宜上、ケーシング外に抽出して示す)、それに冷却空気を吸気口２３，２４に導入する吸気ダクト３１，３２が設けられる点
は、図２に示す従来の冷却装置と同じである。

なお、吸気ダクト３１，３２は、低温の外気を冷却空気として吸入し得るように機械外側に向けて開口している。

この吸気ダクト３１，３２を一つに統合し、分岐して両ケーシング２１，２２の吸気口２３，２４に接続してもよい。

実施形態固有の構成として、バッテリ、インバータ両ケーシング２１，２１のうち、バッテリケーシング２１内の温度、すなわちバッテリ１７の雰囲気温度を検出する温度検出手段としての温度センサ３７が設けられ、この温度センサ３７からの温度信号がファン制御手段としてのコントローラ３８に入力される。

コントローラ３８は、この温度信号に基づき、バッテリ雰囲気温度がバッテリ１７について冷却を開始すべき温度として予め設定された値(設定温度)に達すると、両ファンモータ２９，３０に対し、コントローラ内の図示しないモータ制御部から同時に駆動指令(電圧または電流)を出力し、設定温度未満で同時に停止指令(電圧または電流０)を出力する。

つまり、この冷却装置においては、バッテリ１７とインバータ２０に冷却条件(設定温度、冷却ファン２７，２８による冷却能力)に殆ど差がないことに着目し、両ファンモータ２９，３０(ファン２７，２８)を、一つの温度センサ３７からの温度信号に基づく単一の制御系により同期して作動させる構成がとられている。

この構成によると、温度センサとしてバッテリ用の温度センサ３７のみを設ければよく、信号配線もこの温度センサ３７とコントローラ３７とを結ぶ一つだけですむとともに、ファンモータ駆動回路の回路構成が簡単ですむ。

このため、コスト及びメンテナンスの点で有利となる。

また、バッテリ側優先で温度を検出して両ファンモータ２９，３０を駆動制御するため、とくに熱影響による性能、寿命の低下が大きいバッテリ１７を確実に保護することができる。

他の実施形態
(１) 上記実施形態では、インバータ２０として発電電動機１４及び旋回電動機１９の両者を制御するものを例示したが、本発明は、両者別々のインバータで制御する構成をとる場合の両インバータの一方または双方についてバッテリと組み合わせて適用することができる。

(２) 本発明はハイブリッドショベルに限らず、ショベルを母体として構成される解体機や破砕機等の他のハイブリッド作業機械にも適用することができる。

１７バッテリ
２０インバータ
２１バッテリケーシング
２２インバータケーシング
２３，２４吸気口
２５，２６排気口
２７バッテリ用冷却ファン
２８インバータ用冷却ファン
２９バッテリファンモータ
３０インバータファンモータ
３７温度センサ
３８ファン制御手段としてのコントローラ

Claims

次の(Ｉ)〜(Ｖ)のすべての要件を具備することを特徴とするハイブリッド作業機械の機器冷却装置。
(Ｉ) 電源としてのバッテリと、電動機の作動を制御するインバータがそれぞれ別個独立したケーシング内に収容されること。
(ＩＩ) 上記各ケーシングには、それぞれ吸気口と、排気口と、別々のファンモータにより駆動されて冷却用の空気を上記吸気口から吸入し上記排気口から排出する冷却ファンとが設けられること。
(ＩＩＩ) 上記バッテリとインバータについての冷却条件がほぼ同じとなるように、上記バッテリ及びインバータの設定温度、及び上記ファンによる冷却能力がほぼ同じに設定されるとともに、上記各ケーシングが近接して配置されること。
(ＩＶ) 上記バッテリについての温度のみを検出する温度検出手段と、上記各ファンモータに対する駆動指令及び停止指令を出力するファン制御手段を具備すること。
(Ｖ) 上記ファン制御手段は、上記温度検出手段からの温度信号のみに基づいて上記各ファンモータを同期して駆動／停止させるように構成されること。