JP5778094B2

JP5778094B2 - 電動式作業車両とそのバッテリ装置、並びに、バッテリ監視装置

Info

Publication number: JP5778094B2
Application number: JP2012172148A
Authority: JP
Inventors: 富洋飯泉
Original assignee: Kokusan Denki Co Ltd
Current assignee: Kokusan Denki Co Ltd
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2032-08-02
Also published as: JP2014033523A

Description

本発明は、例えば、芝刈り機や除雪車や刈取り機など、所定の作業を電動で行うことが可能な電動式作業車両とそのバッテリを監視するバッテリ監視装置に関する。

走行用のモータを利用して移動しながら、アクチュエータである、例えば、ブレードカッタを回転・駆動して芝刈り作業を行う作業機、又は、動力装置（即ち、芝刈り機）は、例えば、以下の特許文献１や特許文献２により、既に知られている。

しかしならが、上述した従来技術になる芝刈り機では、走行用のモータだけではなく、更に、ブレードカッタの回転に加え、車載の発電機を回転駆動するための内燃機関（エンジン）を備えることにより、所謂、ハイブリッド方式の作業車を実現している。

更に、以下の特許文献３によれば、エンジンに代えて、電源装置であるバッテリからの電力で駆動するモータを動力源として利用するものが開示されており、そして、高精度の刈り込み精度を発揮する電動芝刈り機も、既に、知られている。

加えて、以下の特許文献４によれば、バッテリの電力で駆動するモータを動力源とする電動ホーが開示されており、このなかでは、搭載されたバッテリの残量に応じた選択可能な動作モードで動作するものが開示されている。

特開２００４−２７５０２６号公報特表２００６−５０７７８９号公報特開平５−３０８３２号公報特表２００９−５３４０２１号公報

しかしながら、上述した従来技術では、エンジンに代えて、電力で駆動するモータを動力源として利用することは開示されているが、しかしながら、当該モータに電力を供給するための電動式作業車両用のバッテリ装置については、十分な考慮がなされていなかった。

一般的に、芝刈り機や除雪車や刈取り機などの電動式作業車両は、作業中以外の状態では、収納のための小屋や納屋等、屋外環境に近い状態で保管され、場合によっては、屋外環境に放置されることもある。即ち、電動式作業車両は、保管状態においても、比較的厳しい環境下に置かれることが多く、その際、動力源としてのモータに電力を供給するバッテリ装置も、同様に、環境下に置かれることなる。より具体的には、例えば、ハーネスの被覆損傷や雨水の侵入による漏電等によりモータを含む負荷の短絡が生じることによって過剰な電流が流れてしまい、作業を行っていないにも拘わらず、バッテリ装置が放電して電力残量が低下してしまい、作業を行う際に必要な十分な電力の供給が不可能になってしまうなどの問題点が指摘されていた。

本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、即ち、厳しい環境下に置かれても、漏電などに伴う不要な放電によりバッテリの電力残量が低下することから保護し、もって、より長時間の作業を行うことが可能な電動式作業車両と、そのためのバッテリ装置を、更には、バッテリ監視装置を提供することをその目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、まず、所定の作業を行う回転部と、
前記回転部に対して回転駆動力を供給する電動機と、前記電動機に対して電力を供給するための車載のバッテリと、前記バッテリに蓄積された直流電力を所望の交流電流に変換して前記電動機に供給する電力供給部とを備えた電動式作業車両において、更に、前記電力供給部と前記バッテリの間に、バッテリ監視装置を設け、当該バッテリ監視装置は、前記バッテリから供給される電流を導通／遮断するスイッチ素子と、当該電動式作業車両の運転状態と休止状態を振動で検出する加速度センサと、前記スイッチ素子を制御する制御部を備え、前記制御部は前記バッテリから供給される電流を監視して当該電流が所定の電流制限値を超えた場合、当該電流を遮断すると共に、当該電流制限値として複数の電流制限値が設定されており、設定された一方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が運転状態にある時の制限値であり、他方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が休止状態にある時の制限値であり、当該一方の電流制限値は、他の電流制限値よりも大きい電動式作業車両が提供される。

そして、本発明では、前記に記載した電動式作業車両において、前記バッテリ監視装置は、前記電力供給部と一体に構成されていることが好ましい。

また、本発明によれば、やはり上述の目的を達成するため、電動式作業車両の電動機に駆動電流を供給するためのバッテリ装置であって、その内部に電力を蓄積するバッテリと、前記バッテリの一部に取り付けられたバッテリ監視装置とを備えており、当該バッテリ監視装置は、前記バッテリから供給される電流を導通／遮断するスイッチ素子と、当該電動式作業車両の運転状態と休止状態を振動で検出する加速度センサと、前記スイッチ素子を制御する制御部を備え、前記制御部は前記バッテリから供給される電流を監視して当該電流が所定の電流制限値を超えた場合、当該電流を遮断すると共に、当該電流制限値として複数の電流制限値が設定されており、設定された一方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が運転状態にある時の制限値であり、他方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が休止状態にある時の制限値であり、当該一方の電流制限値は、他の電流制限値よりも大きいバッテリ装置が提供される。

加えて、本発明によれば、やはり上述の目的を達成するため、電動式作業車両の電動機に駆動電流を供給するためのバッテリを監視するバッテリ監視装置であって、電動式作業車両の運転状態と休止状態を振動で検出する加速度センサと、バッテリから電動機に供給される電流を検出するための手段と、バッテリから電動機に供給される電流を導通／遮断する手段と、前記電流検出手段により検出される電流値に基づいて、前記電流導通／遮断手段の導通又は遮断を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記バッテリから供給される電流を監視して当該電流が所定の電流制限値を超えた場合、当該電流を遮断すると共に、当該電流制限値として複数の電流制限値が設定されており、設定された一方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が運転状態にある時の制限値であり、他方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が休止状態にある時の制限値であり、当該一方の電流制限値は、他の電流制限値よりも大きいバッテリ監視装置が提供される。

上述した本発明によれば、厳しい環境下に置かれても、漏電などに伴う不要な放電によりバッテリの電力残量が低下することから保護し、もって、より長時間の作業を行うことが可能な電動式作業車両と、そのためのバッテリ装置を、更には、バッテリ監視装置を提供することが可能になるという実用的にも優れた効果を発揮する。

本発明の一実施の形態になる電動式作業車両の一例である電動式耕運機の概略構造を示す図である。上記電動式耕運機における電動部品を中心として示した回路構成図である。上記電動式耕運機におけるバッテリとバッテリ監視装置の構成の一例を示す図である。上記電動式耕運機におけるバッテリとバッテリ監視装置の回路構成の一例を示すブロック図である。上記バッテリ監視装置の加速度センサからの出力と、フィルターにより得られるエンベロープ波形を示す波形図である。上記電動式耕運機におけるバッテリとバッテリ監視装置の動作の詳細を示すフローチャート図である。上記バッテリ監視装置における運転時と休止時での消費電流と制限値との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態になる電動式作業車両の一例として、作業用アクチュエータの駆動にもモータを利用した電動式耕運機について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。

まず、添付の図１には、本発明になる電動式作業車両として、その一例である小型の耕運機１００が示されている。この耕運機１００は、例えば、その回転により自走すると共に土壌を耕すロータリーブレード等、その回転により所定の作業を行う回転部１０と、当該回転部に対して回転駆動力を供給する電動機（モータ）２０と、当該モータに電力を供給するための蓄電池である車載のバッテリ３０と、当該耕運機を保持しながら操作するためのハンドルバー４０を含んでいる。なお、当該耕運機１００は、上述した構成要素に加え、モータからの回転力を回転部に伝達する減速機や駆動軸等、更には、当該耕運機を運転するための手段として、スイッチやレバー等が含まれるが、ここでは、本発明には直接に関連しないことから、それらの図示や説明は省略する。

次に、上記に述べた耕運機１００における電動部であるモータ２０を中心とした構成について、添付の図２を参照しながら説明する。

図２は、上述した回転部に対して回転駆動力を供給するモータ２０と、当該モータに対して、バッテリ監視装置５０を介してバッテリ３０に蓄積した電力を駆動電流として供給する電力供給部６０の詳細を示している。この図からも明らかなように、電力供給部６０は、例えば、転流ダイオードを含むパワートランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体電力素子を、それぞれ、６組づつ備えたインバータ回路６０１を備えている。また、電力供給部６０は、当該インバータ回路の各電力素子の導通／遮断を制御するための制御信号を生成するためのドライブ回路６０２、そして、当該ドライブ回路を制御するためのＣＰＵ６０３を備えている。なお、本例では、一例として、例えば、上記ハンドルバー４０の一部に取り付けられた図示しないブレーキレバーやアクセルレバーからのブレーキ情報やアクセル情報、更には、上記モータ２０からの車速情報などが、上記のＣＰＵ６０３に入力されている。

なお、この図では、上述したバッテリ３０は、再充電が不可能な一次電池であっても、再充電が可能な二次電池であってもよく、特に、後者の場合には、図に破線で示すように、商用電源により当該バッテリを充電するための充電回路（直流変換器）９０を介して、家庭用の電源（コンセント）にプラグ９１を差し込むもとにより充電することが出来る。

続いて、上記バッテリ３０と共に、その監視を行うバッテリ監視装置５０とを含めたバッテリ装置の詳細について、添付の図３及び４を参照しながら説明する。

図３は、本発明の一実施例になるバッテリ装置を示しており、本例では、一例として、鉛蓄電池を使用した例を示している。そして、図からも明らかなように、本発明のバッテリ装置は、蓄電池本体であるバッテリ３０と、当該バッテリ３０に取り付けられる箱状のバッテリ監視装置５０とから構成される。

この箱状のバッテリ監視装置５０は、バッテリ３０の正（＋）電極及び負（−）電極に圧入されて電気的な接続が得られる端子部３１、３２を備えており、当該端子部には、その外周に絶縁被覆が施された一対の配線ケーブル５１、５２の一端に形成されたキャップ状のコネクタ部５３、５４が取り付けられており、一方、配線ケーブル５１、５２の他端は、例えば、コンセント５５とプラグ５６からなるコネクタを介して、上述したモータ２０や電力供給部６０を含む電気回路（図２を参照）に対し、電気的に、かつ、着脱自在に接続可能となっている。このバッテリ監視装置５０は、例えば、防水性に優れた樹脂（ゴム状のものでもよい）により形成された筺体の内部に、以下に詳述する要素を備えて構成されており、耕運機１００の一部に固定して取り付けられる。

図４には、上記筺体の内部に埋め込まれたバッテリ監視装置５０の回路構成が示されており、図からも明らかなように、上記バッテリ３０から供給される直流電流を検出するための、所謂、電流検出器５０１、当該バッテリ３０から供給される直流電流を導通／遮断するスイッチ素子としてのパワートランジスタ５０２、当該パワートランジスタの導通／遮断（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御する駆動回路５０３、当該駆動回路の動作を制御するＣＰＵや入出力（Ｉ／Ｆ）部を含む制御部５０４、そして、耕運機１００の稼働（運転）状態を検出するため、振動を検出する加速度センサ５０５を含んでいる。なお、当該バッテリ監視装置５０には、図示しない配線により、耕運機の休止中であっても、常に、バッテリ３０からの電力が供給されている。

なお、この加速度センサ５０５はフィルター等を備えており、添付の図５にも示すように、例えば、その出力（図に細線で示す）からそのエンベロープ波形（図に太線で示す）を形成しており、これを所定の閾値（ＴＨ）と比較することにより、その出力値により耕運機の稼働（運転）又は休止状態を確実に判定可能とする。

続いて、上記にその回路構成を示した本発明になるバッテリ監視装置５０の動作について、添付の図６のフローチャート図を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、上述したバッテリ監視装置５０を構成する制御部５０４のＣＰＵにより、例えば、内蔵メモリ内に格納したソフトウェアに従って実行されるものである。

図において、まず、動作が開始されると（例えば、バッテリ監視装置５０がバッテリ３０に接続される）、耕運機が運転状態であるか否かを判定する（ステップＳ５１）。この時、上記加速度センサ５０５からの出力を、上記の図５にも示したエンベロープ波形を所定の閾値（ＴＨ）と比較することにより、耕運機の運転状態を容易に判定することが出来る。その結果、耕運機が運転状態であると判定された場合（図の「ＹＥＳ」を参照）には、電流制限値を高い値（LimiHigh）に設定する（ステップＳ５２）。

ここで、電流制限値とは、耕運機において上記電動機（モータ）２０に流れる電流の上限値であり、予め設定される値である。そして、添付の図７にも示すように、以下に述べる高い値の電流制限値（LimiHigh）と、低い値の電流制限値を（LimiLow）とは、前者は、特に、その運転時（状態）における消費電流（運転時消費電流）を超えた運転時制限値に設定され、後者は、休止時（状態）において流れるであろう微小な電流（停止時消費電流）に対する上限値として設定される値（停止時制限値）である。なお、この図の例では、一例として、運転時消費電流＝７０Ａに対し、運転時電流制限値である高い値の電流制限値（LimiHigh）を１００Ａに設定すると共に、停止時消費電流＝１Ａに対し、停止時消費電流である低い値の電流制限値（LimiLow）を５Ａに設定している。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではない。

ここで再び、図６に戻り、上記電流検出器５０１により検出された現在の電流値を入力し（ステップＳ５３）、そして、上記で設定された高い値の電流制限値（LimiHigh）と比較する（ステップＳ５４）。その結果、流れる電流が高い値の電流制限値（LimiHigh）を超えていない場合（図の「ＮＯ」を参照）には、上記駆動回路５０３を介して（即ち、ＯＮ信号を供給して）、電源のスイッチ素子である上記パワートランジスタ５０２を導通（ＯＮ）状態にし、もって、バッテリ３０から供給される直流電流を供給する（ステップＳ５５）。

これに対し、流れる電流が高い値の電流制限値（LimiHigh）を超えている場合（図の「ＹＥＳ」を参照）には、上記駆動回路５０３を介して（即ち、ＯＦＦ信号を供給して）、電源のスイッチ素子である上記パワートランジスタ５０２を遮断（ＯＦＦ）状態にし、もって、バッテリ３０から供給される直流電流の供給を停止（ステップＳ５６）して、一連の動作を終了する。

他方、耕運機が運転状態でない（即ち、休止状態）と判定された場合（上記ステップＳ５１で「ＮＯ」）には、電流制限値を低い値（LimiLow）に設定する（ステップＳ５７）。その後、上記と同様に、電流検出器５０１により検出された現在の電流値を入力し（ステップＳ５８）、そして、上記で設定された低い値の電流制限値（LimiLow）と比較する（ステップＳ５９）。その結果、流れる電流が低い値の電流制限値（LimiLow）を超えていない場合（図の「ＮＯ」を参照）には、上記のステップＳ５５へ移行し、電源のスイッチ素子である上記パワートランジスタ５０２を導通（ＯＮ）状態にし、もって、バッテリ３０から供給される直流電流を供給する。

これに対し、流れる電流が低い値の電流制限値（LimiLow）を超えている場合（図の「ＹＥＳ」を参照）には、上記のステップＳ５６へ移行し、電源のスイッチ素子である上記パワートランジスタ５０２を遮断（ＯＦＦ）状態にし、もって、バッテリ３０から供給される直流電流の供給を停止して、一連の動作を終了する。

このように、本発明になるバッテリ監視装置５０の機能によれば、耕運機の運転状態におけるバッテリ３０からの供給電流を所望の制限値（高い値の電流制限値（LimiHigh））以下に抑制することによりバッテリを過負荷から保護することが可能であると共に、特に、休止時、即ち、上記加速度センサ５０５からの出力が閾値（ＴＨ）以下の場合には、低い値の電流制限値（LimiLow）にすることにより、耕運機が休止（電動機（モータ）の停止）している際に流れる異常な電流、例えば、ハーネスの損傷やモータコイルの劣化などによる漏電等に起因する電流を確実に検知することが可能となる。また、このことにより、バッテリを電動機（モータ）に対して電気的に遮断することから、耕運機の休止中に不要な電流が漏出して電力残量が低下してしまい（バッテリ３０が空になる）、更なる作業を行う際に必要な十分な電力の供給が不可能になってしまうことを防止することが出来る。

また、上述のように、バッテリ３０に対する電流制限値を、耕運機の運転時と休止時とで、高い値の電流制限値である運転時制限値（LimiHigh）と低い値の電流制限値である休止時制限値（LimiLow）として、個別に設定可能とするによれば、運転時と休止時の両方を考慮した共通な一の値として設定する従来の場合に比較し、その設定の自由度か確保されると共に、特に、耕運機の休止時において比較的厳しい環境下に置かれることが多い電動式作業車両の電源であるバッテリをより確実に保護することが可能となる。

また、図示はしないが、更に、電動式作業車両を構成する要素の一部に表示装置（例えば、液晶ディスプレイ）やランプ、及び／又は、スピーカやブザーを備え、そして、休止時において過大電流が流れた場合（例えば、上記図６のステップＳ５４において、「ＹＥＳ」と判定された場合）、このことを制御部５０４を構成するＣＰＵの内蔵メモリ内に格納してもよい。かかる構成によれば、電動式作業車両が再始動した際に、当該事実を表示装置に表示することにより（又は、ランプの点灯やスピーカやブザーの鳴動により）、当該車両の電気系統に不具合（例えば、ハーネスの被覆損傷や雨水の侵入による漏電等によりモータを含む負荷の短絡等）が生じていることを操作者に対して警告することも可能となる。即ち、異常電流を伴う車両の電気系統に生じた異常を早期に発見してその被害を抑制することが可能となる。

加えて、上述した実施例では、上記のバッテリ監視装置５０は、モータ２０に対してバッテリ３０からの電力を駆動電流として供給する電力供給部６０とは別体であるとして説明したが、しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、当該電力供給部６０と一体に構成することも可能である。但し、その際には、電力供給部６０がバッテリ３０から電気的に遮断された場合であっても、当該バッテリ監視装置５０は、常に、バッテリ３０に電気的に接続されるように構成することが重要である（図４参照）。又は、このバッテリ監視装置５０は、バッテリ３０と一体に構成することも可能であろう。その場合、図示はしないが、例えば、バッテリ３０の電極が設けられた上面を覆うように保護カバーを取り付け、その一部に当該バッテリ監視装置５０を搭載してもよい。

更に、上記の実施の形態では、上述したバッテリ監視装置５０において該バッテリ３０から供給される直流電流を導通／遮断するスイッチ素子として、パワートランジスタ５０２を用いた例についてのみ述べたが、しかしながら、これに代え、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体電力素子を、更には、リードスイッチ等の機械式のスイッチを採用することも可能であろう。

１００…耕運機、１０…回転部、２０…電動機（モータ）、３０…バッテリ、５０…バッテリ監視装置、６０…電力供給部、５０１…電流検出器、５０５…加速度センサ、５０４…制御部。

Claims

所定の作業を行う回転部と、
前記回転部に対して回転駆動力を供給する電動機と、
前記電動機に対して電力を供給するための車載のバッテリと、
前記バッテリに蓄積された直流電力を所望の交流電流に変換して前記電動機に供給する
電力供給部とを備えた電動式作業車両において、更に、
前記電力供給部と前記バッテリの間に、バッテリ監視装置を設け、
当該バッテリ監視装置は、前記バッテリから供給される電流を導通／遮断するスイッチ素子と、当該電動式作業車両の運転状態と休止状態を振動で検出する加速度センサと、前記スイッチ素子を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記バッテリから供給される電流を監視して当該電流が所定の電流制限値を超えた場合、当該電流を遮断すると共に、当該電流制限値として複数の電流制限値が設定されており、設定された一方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が運転状態にある時の制限値であり、他方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が休止状態にある時の制限値であり、当該一方の電流制限値は、他の電流制限値よりも大きいことを特徴とする電動式作業車両。
前記請求項１に記載した電動式作業車両において、前記加速度センサはフィルタを備えてその出力からエンベロープ波形を形成し、前記制御部はエンベロープ波形と所定の閾値を比較することにより当該電動式作業車両の運転状態と休止状態を判定することを特徴とする電動式作業車両。
前記請求項２に記載した電動式作業車両において、前記バッテリ監視装置は、前記電力供給部と一体に構成されていることを特徴とする電動式作業車両。
電動式作業車両の電動機に駆動電流を供給するためのバッテリ装置であって、
その内部に電力を蓄積するバッテリと、
前記バッテリの一部に取り付けられたバッテリ監視装置とを備えており、
当該バッテリ監視装置は、前記バッテリから供給される電流を導通／遮断するスイッチ素子と、当該電動式作業車両の運転状態と休止状態を振動で検出する加速度センサと、前記スイッチ素子を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記バッテリから供給される電流を監視して当該電流が所定の電流制限値を超えた場合、当該電流を遮断すると共に、当該電流制限値として複数の電流制限値が設定されており、設定された一方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が運転状態にある時の制限値であり、他方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が休止状態にある時の制限値であり、当該一方の電流制限値は、他の電流制限値よりも大きいことを特徴とするバッテリ装置。
前記請求項４に記載したバッテリ装置において、前記加速度センサはフィルタを備えてその出力からエンベロープ波形を形成し、前記制御部はエンベロープ波形と所定の閾値を比較することにより当該電動式作業車両の運転状態と休止状態を判定することを特徴とするバッテリ装置。
電動式作業車両の電動機に駆動電流を供給するためのバッテリを監視するバッテリ監視
装置であって、
電動式作業車両の運転状態と休止状態を振動で検出する加速度センサと、
バッテリから電動機に供給される電流を検出するための手段と、
バッテリから電動機に供給される電流を導通／遮断する手段と、
前記電流検出手段により検出される電流値に基づいて、前記電流導通／遮断手段の導通
又は遮断を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記バッテリから供給される電流を監視して当該電流が所定の電流制限値を超えた場合、当該電流を遮断すると共に、当該電流制限値として複数の電流制限値が設定されており、設定された一方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が運転状態にある時の制限値であり、他方の電流制限値は前記加速度センサで検出された当該電動式作業車両が休止状態にある時の制限値であり、当該一方の電流制限値は、他の電流制限値よりも大きいことを特徴とするバッテリ監視装置。
前記請求項６に記載したバッテリ監視装置において、前記加速度センサはフィルタを備えてその出力からエンベロープ波形を形成し、前記制御部はエンベロープ波形と所定の閾値を比較することにより当該電動式作業車両の運転状態と休止状態を判定することを特徴とするバッテリ監視装置。
前記請求項７に記載したバッテリ監視装置において、前記バッテリの一部に一体に構成されたことを特徴とするバッテリ監視装置。