JP5871783B2

JP5871783B2 - 電動式建設機械

Info

Publication number: JP5871783B2
Application number: JP2012258489A
Authority: JP
Inventors: 田中　篤司; 篤司田中; 竹内　健; 健竹内; 哲弘土井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: JP2014107929A

Description

本発明は、バッテリを搭載し、バッテリ電力を動力源とした電動式建設機械に関する。

近年、建設機械の作業現場において、省エネや耐環境性向上の要求が高まりつつある。それに呼応するため、建機メーカではハイブリッドショベル、バッテリショベルを開発し、市場投入を始めている。ハイブリッドショベルはエンジン動力に加えてアクチュエータの回生エネルギーを再使用するため、燃費低減に効果がある。またバッテリショベルは車体搭載した蓄電装置であるバッテリ蓄電力により駆動源である電動モータを駆動するため、排気ガスは排出されず、低騒音であり耐環境性に優れている。

これら建設機械に搭載された蓄電のためのバッテリは、発電機若しくは外部電源から充電し、充電した電力をアクチュエータに動力を与える電動モータ等に放電する、いわゆる充放電サイクルを繰り返す。また、これらのバッテリは、長時間稼動が要求されるため、必然的にリチウムイオンバッテリなど高容量バッテリが用いられる。バッテリは複数の単セルを直列、若しくは並列に構成したブロックというモジュールで一般的に取り扱われる。

一方、バッテリは使用状況により蓄電容量低下、いわゆる劣化を引き起こすが、そのメカニズムも充放電サイクルで発生するサイクル劣化と長期間不使用で保管状態に有っても劣化する保存劣化との２つの原因が有る。サイクル劣化はバッテリ内で起こる不可逆な化学反応により化合物が発生することが原因である．一方の保存劣化はバッテリを高温度環境で保管した場合の化学反応が発生することが原因である。そして、この保存劣化は充電量が多いほど劣化は促進する。よって満充電状態で保管した場合が最も劣化が進み易い。

また、バッテリを構成する各単セルの電圧にはバラツキが生じるが、劣化が進むつれ、このバラツキが大きくなる。よって各単セルの電圧やブロックの電圧を検出し、バラツキを監視することで劣化の進捗が判る。

バッテリ劣化を診断し、保全する従来技術として特許文献１がある。この特許文献１には電動式建設機械とは異なるが、バッテリを搭載したハイブリッド自動車において、複数のバッテリブロック間の電圧差を検出し、電圧差が所定値を超えた場合、放電電力に制限を掛ける。さらに所定値を越えた回数が所定回数以上となった場合、劣化と判断し、ブロック内の各単セルの容量を均等化する制御を行うことが開示されている。

特許第３９３６０４８号公報

前述した特許文献１に示される従来技術では、以下の問題が有る。すなわち、充放電サイクルの繰り返しが起因するサイクル劣化は回数のカウントで進捗を判断できるが、保存劣化の場合は不使用期間中に進む劣化のため、回数のカウントでは進捗の判断ができない。このように、特許文献１の従来技術では長期間不使用による保存劣化を把握できないという問題があった。

本発明の対象とした電動式建設機械ではレンタルリースなどにおいて長期間不使用の場合も有り得るため、この間のバッテリの劣化状況を把握し、適宜バッテリの交換判断などを行うことは重要である。

本発明は、上述した従来技術における実情からなされたもので、その目的は、長期間不使用時の劣化状況を把握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。

この目的を達成するために本発明は、車体の移動を可能とした走行体と、作業装置と、前記走行体上に設けられた旋回体とを備え、前記旋回体には複数の単セルを含み、電力源となるバッテリを有し、前記バッテリの電力を供給して駆動するインバータ、電動モータを介して、油圧ポンプを駆動し、前記作業装置に圧油を供給して作業を行う、電動式建設機械において、前記バッテリの単セルの電圧を検出する単セル電圧検出装置と、前記単セル電圧検出装置から検出された前記単セルの電圧が、予め設定される単セル電圧閾値を越えているかどうか判断する第１判断部と、前記第１判断部で、前記単セル電圧閾値を越えた単セルの個数をカウントする個数カウント部と、前回の個数を記憶するとともに、前記個数カウント部によりカウントされた今回の個数を前回の個数に代えて記憶可能な個数記憶部と、前記個数カウント部でカウントされた今回の個数と前記個数記憶部に記憶された前回の個数との個数差を算出する演算部と、前記演算部で算出した前記個数差と予め設定される個数差閾値とを比較する個数差比較部とを有し、前記個数差が前記個数差閾値より大きい場合に、前記個数差比較部により前記バッテリの劣化と判断する第２判断部と、前記第２判断部で前記バッテリの劣化と判断したときに、劣化信号を出力する出力部とを備えたことを特徴としている。

このように構成した本発明によれば、個数カウント部でカウントされる単セル電圧閾値を超えた今回の単セル電圧の個数と個数記憶部に記憶させた前回の単セル電圧の個数を比較することで、長期間不使用時の保存劣化の状況が把握できる。

本発明は前記発明において、前記第２判断部は、前記個数差閾値を複数有し、前記個数差比較部により前記個数差閾値毎に前記個数差を比較し、前記バッテリの劣化を判断することを特徴としている。

本発明は前記発明において、前記出力部は、複数の前記個数差閾値に関連した劣化信号を出力することを特徴としている。

これらのように構成した本発明によれば、劣化状況が段階的に把握できる。

本発明は前記発明において、前記出力部からの出力信号を受信し、変換出力信号として出力する信号変換装置と、前記信号変換装置からの前記変換出力信号を受信し、情報として報知する報知装置とを有することを特徴としている。

本発明は前記発明において、前記信号変換装置から出力された変換出力信号を車体外部へ送信する送信装置を有することを特徴としている。

これらのように構成した本発明によれば、前記報知装置を例えば建設機械の運転席に設置すればオペレータにバッテリ劣化状況を伝えることができ、さらに無線などで情報を外部送信することで、車体管理者にも劣化状況を伝えることができる。

本発明は、従来困難であった長期間不使用時のバッテリの劣化状況を把握することができる。これにより本発明は、精度の高いバッテリの劣化診断を実現させることができる。さらに本発明は出力部を通じてオペレータや車体管理者に劣化状況を伝達することができるので、車体管理者等がバッテリの交換時期のスケジュール化がし易くなるなど、効率的な管理ができる。

本発明に係る電動式建設機械の一例として挙げたバッテリショベルを示す側面図である。図１に示すバッテリショベルに備えられるバッテリ、コントローラ、送信関連機器の接続関係を示す図である。

以下、本発明に係る電動式建設機械の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に本発明に係る電動式建設機械の一例として挙げたバッテリショベルを示す側面図を示す。

走行体１は無限履帯で構成し、それを回動させ、車体の前後、左右移動を行う。走行体１の上には旋回体２を設けている。旋回体２は図示していないが走行体１との間に介在するベアリング機構により走行体１に対し旋回可能となっている。また旋回体２には運転室１０、バッテリ室１１を設け、さらに前部に作業装置３を備えている。

旋回体２には車体の電力源であるバッテリ２０をバッテリ室１１に搭載している。バッテリ２０は複数の単セル２０ａを直列に接続したブロックである。蓄電力を増やす場合は、このブロックをさらに複数直列若しくは並列に接続するが、図１では説明を簡単にするため、単数で示している。

バッテリ２０の直流電力は図示しないインバータにより交流電力に変換される。インバータは図示しない電動モータの回転数、トルクを制御し、電動モータは作業装置３に圧油を与える図示しない油圧ポンプに駆動力を与える。

運転室１０はインバータや電動モータの起動・停止や回転数指令、作業装置の操作指令、などの指令信号を出力する図示しない操作機構、オペレータに稼働状況を伝える報知装置、例えばモニタ２４、さらにこれらを統括制御するコントローラ２２を設けている。

図２に図１で示したバッテリショベルに備えたバッテリ２０、コントローラ２２、送信関連機器の接続関係を示す。

バッテリ２０は複数の単セル２０ａで構成されている。本実施形態は各単セル２０ａの電圧を検出する複数の単セル電圧検出装置２１を設けている。単セル電圧検出装置２１のそれぞれで検出した単セル電圧がコントローラ２２に入力される。

コントローラ２２は入力部２２ｆ、単セル電圧閾値記憶部２２ｇ、第１判断部２２ａ、第２判断部、及び出力部２２ｅを設けている。入力部２２ｆは、単セル電圧検出装置２１により検出された単セル電圧を入力し、第１判断部２２ａに出力する。単セル電圧閾値記憶部２２ｇは、予め設定した単セル電圧閾値を記憶し、第１判断部２２ａに出力する。第１判断部２２ａは、入力部２２ｆから入力した単セル電圧と、単セル電圧閾値記憶部２２ｇから入力した単セル電圧閾値とを比較する。第２判断部は単セル電圧閾値より電圧の大きい単セルの個数をカウントする個数カウント部２２ｂと、個数カウント部２２ｂでカウントされた単セルの個数を記憶する個数記憶部２２ｃと、予め設定した個数差閾値を記憶し、後述する個数差比較部２２ｄに出力する個数差閾値記憶部２２ｈと、個数カウント部２２ｂでカウントされた単セル電圧閾値より電圧の大きい単セルの個数から、個数記憶部２２ｃに記憶された前回の単セルの個数を減算し、後述する個数差比較部２２ｄに出力する演算部である減算部２２ｉと、減算部２２ｉから入力された個数差と、個数差閾値記憶部２２ｈから入力された個数差閾値とこの個数差を比較する個数差比較部２２ｄとを有する。比較の結果、個数カウント部２２ｂでカウントされた個数から、個数記憶部２２ｃに記憶された個数を引いた個数差が個数差閾値記憶部２２ｈに記憶された個数差閾値より大きい場合、バッテリの劣化と判断する。出力部２２ｅは前記第２判断部でバッテリが劣化していると判断した場合、劣化信号を出力する。

また本実施形態は、運転室１０内に搭載され、前記出力部２２ｅからの出力信号を受信し、変換出力信号として出力する信号変換装置２３と、信号変換装置２３からの変換出力信号を受信し、この変換出力信号を情報として表示するモニタ２４を備える。また本実施形態は、信号変換装置２３から出力される変換出力信号を、例えば遠隔地にいる車体管理者に無線送信するために送信アンテナ２５ａを含む送信装置２５を備える。

即ち、送信装置２５は運転室１０内などに搭載され、信号変換装置２３からの変換出力信号を無線信号に変換し、送信アンテナ２５ａより車体の外部へ送信する。車体外部の受信装置２６は送信アンテナ２５ａからの送信信号を受信アンテナ２６ａで受信する。受信装置２６は、例えば当該バッテリショベルから遠隔にある管理室に設けられる。

次に本実施形態の作用について図２を用いて説明する。

ここでは一般的な充電方法である定電流定電圧制御を用いた充電器で充電した場合を説明する。定電流定電圧制御とは、予め設定したバッテリ設定電圧を超えないように充電を行う制御である。

バッテリショベルではバッテリ２０の蓄電量が空に近い状態まで作業し、そこからフルまで充電するケースが多い。定電流定電圧制御を用いて充電すると、バッテリ２０の両極にかかる電圧を電圧検出器で観測しながら、バッテリ設定電圧までは定電流制御を用い一定の比較的大電流により充電する。バッテリ設定電圧到達後は定電圧制御に切り替わり、バッテリ設定電圧を超えないように電流を下げて行き、予め設定した電流閾値に到達すると充電を停止する。

充電時に観測するバッテリ２０の両極にかかる電圧は、実際に溜まった電荷により生ずる電圧分Ｒａと、充電電流と内部抵抗により生ずる電圧分Ｒｂとの合計電圧である。よって定電流制御でバッテリ設定電圧に到達したと判断されても、実際は電圧分Ｒｂだけ溜まっていない。そこで定電圧制御によりバッテリ設定電圧を超えないように充電電流を下げながら電荷を押し込んでフルに充電する。

バッテリ設定電圧は、ある一定以上を超えるとバッテリ内部でガスなどの有害な化学物質が発生してしまうため、これを防ぐ安全上の閾値である。またバッテリ電圧とは複数の単セル電圧の合計値である。

充電時はバッテリ電圧を検出しながら充電を行うが、これを単セル毎に見た場合、定電流制御でバッテリ設定電圧に到達した時点で単セル電圧にバラツキが見られる。このバラツキが大きくなると劣化が進んだと判断できる。よって、単セル電圧に劣化の状況を示す閾値を設定し、この閾値を超えた単セルの個数を前回の充電時と今回の充電時で比較して個数が増えていれば、劣化が進んだと判断できる。

本実施形態では、バッテリ２０の内部にある各単セル２０ａの電圧Ｖｎ（ｎ＝１、２、３・・・）が単セル電圧検出装置２１で検出され、コントローラ２２内の入力部２２ｆを介して、第１判断部２２ａに入力される。また、単セル電圧閾値記憶部２２ｇは、単セル電圧閾値Ｖｃを記憶し、記憶した単セル電圧閾値Ｖｃを第１判断部２２ａに出力する。なお、単セル電圧閾値Ｖｃは、パソコンなどの図示しない外部機器から予め設定でき、例えば、外部機器とコントローラ２２とを接続した図示しない信号線を介し、外部機器から設定値を入力して設定する。第１判断部２２ａは、入力部２２ｆから入力した単セル電圧Ｖｎと単セル電圧閾値記憶部２２ｇから入力した単セル電圧閾値Ｖｃとを比較し、単セル電圧閾値Ｖｃより大きい単セル電圧Ｖｎがあった場合に第２判断部の個数カウント部２２ｂへ信号を出力する。

個数カウント部２２ｂでは入力された信号により単セル電圧閾値Ｖｃを超えた単セルの個数Ｃｐをカウントし、カウントした個数Ｃｐを第２判断部の減算部２２ｉに出力する。また、個数記憶部２２ｃから、減算部２２ｉへ前回カウントした個数Ｃｆが出力され、減算部２２ｉで単セル電圧閾値Ｖｃを越えた単セルの個数Ｃｐから、前回のカウントした個数Ｃｆが減算される。減算部２２ｉで減算が終了した後、第２判定部の個数記憶部２２ｃへカウントした個数Ｃｐが出力され、今回カウントした個数Ｃｐが前回カウントした個数Ｃｆに上書きして記憶される。

減算部２２ｉで減算した個数差Ｄｐは個数差比較部２２ｄへ出力される。

第２判断部の個数差比較部２２ｄは、減算部２２ｉから入力した個数差Ｄｐと、後述する個数差閾値記憶部２２ｈから入力した個数差閾値Ｄｃとを比較する。個数差Ｄｐが個数差閾値Ｄｃより大きい場合、個数差比較部２２ｄではバッテリの劣化が進んだと判断し、出力部２２ｅに劣化信号Ｓｄを出力する。

第２判断部の個数差閾値記憶部２２ｈは、個数差閾値Ｄｃを記憶し、記憶した個数差閾値Ｄｃを個数差比較部２２ｄへ出力する。なお、個数差閾値Ｄｃは、パソコンなどの図示しない外部機器から予め設定でき、例えば、外部機器とコントローラ２２とを接続した図示しない信号線を介し、外部機器から設定値を入力して設定する。

出力部２２ｅは劣化信号Ｓｄの入力を検出すると、信号変換装置２３に劣化信号Ｓｄ１を出力する。

コントローラ２２からの劣化信号Ｓｄ１が、信号変換装置２３に入力されると、信号変換装置２３はその内部で劣化信号Ｓｄ１を運転室１０内のモニタ２４や送信装置２５が受信できる信号に変換し、各々に変換出力信号である劣化信号Ｓｄ２、Ｓｄ３を出力する。

モニタ２４が劣化信号Ｓｄ２を受信すると、モニタ画面に劣化警告を表示し、バッテリショベルのオペレータにバッテリの劣化情報を伝達できる。また送信装置２５が劣化信号Ｓｄ３を受信すると、送信アンテナ２５ａから劣化信号Ｓｄ３が、受信アンテナ２６ａを介して受信装置２６へ送信され、バッテリショベルから遠隔にある車体管理者に伝達できる。

このように構成された本実施形態により、例えばリースレンタル業者が保有するバッテリショベル等において、従来困難であった長期間不使用時のバッテリ２０の劣化状況を把握することができる。これにより精度の高いバッテリの劣化診断を実現させることができる。さらに出力部を通じてオペレータや車体管理者に劣化状況を伝達することができるので、車体管理者等がバッテリの交換時期のスケジュール化をし易くなるなど、効率的な管理ができる。

なお前述の実施形態によれば、個数差閾値記憶部２２ｈの個数差閾値Ｄｃを単一に設定したが、このように構成することには限られない。即ち、複数設定してもよい。例えば個数差閾値ＤｃをＤｃ１＜Ｄｃ２＜Ｄｃ３の３段階に設定して、個数差比較部２２ｄに出力し、個数差比較部２２ｄでは、下記（１）〜（３）に示す個数差Ｄｐとの比較をし、新たな判断基準とすることができる。さらに、（１）〜（３）との比較結果に応じて、コントローラ２２の出力部２２ｅは以下に示す劣化信号Ｓｄ１ａ〜Ｓｄ１ｃを出力する。
（１）Ｄｃ１≦Ｄｐ＜Ｄｃ２⇒初期劣化と判断し、劣化信号Ｓｄ１ａを出力する。
（２）Ｄｃ２≦Ｄｐ＜Ｄｃ３⇒中劣化と判断し、劣化信号Ｓｄ１ａに対し、劣化が進んだ状態を示す劣化信号Ｓｄ１ｂを出力する。
（３）Ｄｃ３≦Ｄｐ⇒劣化と判断し、劣化信号Ｓｄ１ｂに対し、劣化が進んだ状態を示す劣化信号Ｓｄ１ｃを出力する。

また、前述の実施形態によれば、報知装置はオペレータに劣化を知らしめるものであれば、モニタ２４に限ることなく、ランプ、ブザーなどを用いてもよい。

これらにより、オペレータや車体管理者はバッテリ２０の劣化の状況を段階的に把握することができ、交換時期のスケジュール化がし易くなり、より効率的な管理ができる。

１走行体
２旋回体
３作業装置
１０運転室
１１バッテリ室
２０バッテリ
２０ａ単セル
２１単セル電圧検出装置
２２コントローラ
２２ａ第１判断部
２２ｂ個数カウント部
２２ｃ個数記憶部
２２ｄ個数差比較部
２２ｅ出力部
２２ｆ入力部
２２ｇ単セル電圧閾値記憶部
２２ｈ個数差閾値記憶部
２２ｉ減算部（演算部）
２３信号変換装置
２４モニタ（報知装置）
２５送信装置
２５ａ送信アンテナ
２６受信装置
２６ａ受信アンテナ

Claims

車体の移動を可能とした走行体と、作業装置と、前記走行体上に設けられた旋回体とを備え、前記旋回体には複数の単セルを含み、電力源となるバッテリを有し、前記バッテリの電力を供給して駆動するインバータ、電動モータを介して、油圧ポンプを駆動し、前記作業装置に圧油を供給して作業を行う、電動式建設機械において、
前記バッテリの単セルの電圧を検出する単セル電圧検出装置と、前記単セル電圧検出装置から検出された前記単セルの電圧が、予め設定される単セル電圧閾値を越えているかどうか判断する第１判断部と、
前記第１判断部で、前記単セル電圧閾値を越えた単セルの個数をカウントする個数カウント部と、前回の個数を記憶するとともに、前記個数カウント部によりカウントされた今回の個数を前回の個数に代えて記憶可能な個数記憶部と、前記個数カウント部でカウントされた今回の個数と前記個数記憶部に記憶された前回の個数との個数差を算出する演算部と、前記演算部で算出した前記個数差と予め設定される個数差閾値とを比較する個数差比較部とを有し、前記個数差が前記個数差閾値より大きい場合に、前記個数差比較部により前記バッテリの劣化と判断する第２判断部と、
前記第２判断部で前記バッテリの劣化と判断したときに、劣化信号を出力する出力部とを備えたことを特徴とする電動式建設機械。
請求項１記載の電動式建設機械において、
前記第２判断部は、前記個数差閾値を複数有し、前記個数差比較部により前記個数差閾値毎に前記個数差を比較し、前記バッテリの劣化を判断することを特徴とする電動式建設機械。
請求項２記載の電動式建設機械において、
前記出力部は、複数の前記個数差閾値に関連した劣化信号を出力することを特徴とする電動式建設機械。
請求項１〜３のいずれか１項記載の電動式建設機械において、
前記出力部からの出力信号を受信し、変換出力信号として出力する信号変換装置と、前記信号変換装置からの前記変換出力信号を受信し、情報として報知する報知装置とを有することを特徴とする電動式建設機械。
請求項４記載の電動式建設機械において、
前記信号変換装置から出力された前記変換出力信号を車体外部へ送信する送信装置を有することを特徴とする電動式建設機械。