JP7053360B2 - 電動式作業機械 - Google Patents

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Description

本発明は、電動式作業機械に関する。
下記特許文献1には、商用電源およびバッテリで電動モータを駆動する電源システムが搭載された建設機械が開示されている。この電源システムは、電動モータに直流電力を任意の交流電力に変換し供給するインバータにバッテリからの直流電源を供給する電路と、商用電源から供給する交流電力をAC-DC変換部を介して直流電力に変換しインバータに供給する電路を切り換える電源切換装置を備えている。
下記特許文献2には、外部電源からバッテリへの充電を継続しながら電動モータを駆動させるモードと、バッテリのみで電動モータを駆動させるモードとを備えている電動式ショベルにおいて、バッテリのみで電動モータを駆動させるモード中に、外部電源を接続することにより、外部電源からバッテリへの充電を継続しながら電動モータを駆動させるモードに移行する技術が開示されている。
特開2007-228715号公報 特開2008-308881号公報
しかしながら、特許文献1では、商用電源とバッテリを選択することから、商用電源からのみの電力で電動モータを駆動させた場合、電動モータを駆動させる電力が商用電源に依存するため、大きな駆動力の必要な作業の場合に十分な駆動力を得ることができないという問題があった。また、特許文献2では、バッテリのみによる駆動中の本機に外部電源を給電するための給電ケーブルを接続することからアーク放電が起こる危険性がある。さらに、バッテリのみによる駆動中の本機に給電ケーブルを接続する行為は、本機の旋回、走行動作による接触事故を誘発する恐れがある。
そこで、本発明は上記課題に鑑み、駆動中の本機に外部電源からの給電ケーブルを接続する行為を抑止し、仮に給電ケーブルを接続した場合にもアーク放電が起こることを防止できる電動式作業機械を提供することを目的とする。
本発明の電動式作業機械は、外部電源及びバッテリを駆動電源とする電動モータと、前記電動モータによって駆動される油圧ポンプを油圧源とする油圧アクチュエータとを備える電動式作業機械であって、
前記外部電源から前記バッテリへの充電を継続しながら前記電動モータを駆動させる第1電源モードと、前記バッテリのみで前記電動モータを駆動させる第2電源モードとを備え、
前記外部電源を給電するための給電ケーブルが給電口に接続され、かつ前記電動モータの回転が停止されている場合に、前記第2電源モードから前記第1電源モードに移行するものである。
本発明において、前記外部電源を給電するための給電ケーブルが給電口に接続され、かつ前記電動モータの回転が停止され、かつ前記油圧アクチュエータを操作するパイロット圧を遮断することにより前記油圧アクチュエータの操作を制限するカットオフレバーが上方に回動されて前記油圧アクチュエータの操作が制限されている場合に、前記第2電源モードから前記第1電源モードに移行するものでもよい。
本発明において、前記給電ケーブルが前記給電口から脱離された場合に、前記第1電源モードから前記第2電源モードに移行するものでもよい。
本発明によれば、電動モータの回転が停止されなければ、第2電源モードから第1電源モードへ移行しないため、駆動中の本機に外部電源からの給電ケーブルを接続する行為を抑止することができ、仮に給電ケーブルを接続した場合にもアーク放電が起こることがない。
本実施形態に係る電動式作業機械を示す側面図である。 電動式作業機械のカットオフレバー周辺を拡大して示す側面図である。 電動式作業機械の油圧回路を示す図である。 電動式作業機械に搭載される電源システムのブロック図である。 商用電源モードを実現する電源システムのブロック図である。 2wayモードを実現する電源システムのブロック図である。 バッテリモードを実現する電源システムのブロック図である。 充電モードを実現する電源システムのブロック図である。 電源モードの切り替え制御の手順を示すフローチャートである。 2wayモードとバッテリモードの切り替え制御の手順を示すフローチャートである。 別実施形態に係る2wayモードとバッテリモードの切り替え制御の手順を示すフローチャートである。
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
[電動式作業機械の構成]
まず、図1及び図2を参照しながら、電動式作業機械の一例としての油圧ショベル1の概略構造について説明する。ただし、電動式作業機械としては、油圧ショベル1に限定されず、ホイルローダ等の他の車両でもよい。油圧ショベル1は、下部走行体2と、作業機3と、上部旋回体4とを備える。
下部走行体2は、左右一対のクローラ21,21及び左右一対の走行モータ22L,22Rを備える。油圧モータである左右の走行モータ22L,22Rが左右のクローラ21,21をそれぞれ駆動することで油圧ショベル1の前後進を可能としている。また、下部走行体2には、ブレード23、及びブレード23を上下方向に回動させるための油圧シリンダであるブレードシリンダ23aが設けられている。
作業機3は、ブーム31、アーム32、及びバケット33を備え、これらを独立して駆動することによって土砂等の掘削作業を可能としている。ブーム31、アーム32、及びバケット33は、それぞれ作業部に相当し、油圧ショベル1は、複数の作業部を有する。
ブーム31は、基端部が上部旋回体4の前部に支持されて、伸縮自在に可動するブームシリンダ31aによって回動される。また、アーム32は、基端部がブーム31の先端部に支持されて、伸縮自在に可動するアームシリンダ32aによって回動される。そして、バケット33は、基端部がアーム32の先端部に支持されて、伸縮自在に可動するバケットシリンダ33aによって回動される。ブームシリンダ31a、アームシリンダ32a、及びバケットシリンダ33aは、油圧シリンダにより構成される。
上部旋回体4は、下部走行体2に対して旋回ベアリング(図示しない)を介して旋回可能に構成されている。上部旋回体4には、操縦部41、旋回台42、旋回モータ43、バッテリ62等が配置されている。油圧モータである旋回モータ43の駆動力で上部旋回体4が旋回ベアリング(図示しない)を介して旋回する。また、上部旋回体4には、電動モータにより駆動される複数の油圧ポンプ(図1に図示していない)が配設される。これらの油圧ポンプが、各油圧モータ(走行モータ22L,22R、旋回モータ43)、各油圧シリンダ(ブレードシリンダ23a、ブームシリンダ31a、アームシリンダ32a、及びバケットシリンダ33a)に圧油を供給する。各油圧モータ及び各油圧シリンダをまとめて油圧アクチュエータと称する。
操縦部41には、操縦席411が配置されている。操縦席411の左右に一対の作業操作レバー412L,412R、前方に一対の走行レバー413L,413Rが配置されている。オペレータは、操縦席411に着座して作業操作レバー412L,412R、走行レバー413L,413R等を操作することによって、各油圧アクチュエータの制御を行い、走行、旋回、作業等を行うことができる。
また、作業操作レバー412L,412Rは、レバースタンド414に一体的に取り付けられ、このレバースタンド414からは、作業操作レバー412L,412Rによる作業機3の操作を入・切するためのカットオフレバー415が前方に延設されている。カットオフレバー415は、上下に回動可能に構成されており、下方に回動操作されると作業操作レバー412L,412Rの操作による作業機3の作動が可能の状態となり、上方に回動操作されると作業操作レバー412L,412Rを操作しても作業機3が作動しないロック状態となるように構成されている。レバースタンド414の内部には、カットオフレバー415の回動位置を検知するカットオフスイッチ416が設けられている。カットオフスイッチ416は、カットオフレバー415が下方に回動されるとONされ、一方、カットオフレバー415が上方に回動されるとOFFされるように構成されている。
上部旋回体4には、不図示の給電口が設けられており、この給電口に商用電源5(外部電源に相当)の給電ケーブル51を接続することで、商用電源5を後述する電源システム6に接続することができる。
油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプは、電力によって駆動する電動モータにより作動するように構成され、商用電源5とバッテリ62は、電動モータに電力を供給する。
[油圧回路の構成]
図3は、油圧ショベル1に搭載される油圧回路100を示している。油圧回路100は、第1アクチュエータ111と、第2アクチュエータ112と、油圧ポンプ113と、パイロットポンプ114と、第1方向切換弁115と、第2方向切換弁116と、操作装置117と、を備えている。
第1アクチュエータ111は、油圧ポンプ113から供給された圧油により駆動される油圧モータである。第1アクチュエータ111は、例えば走行モータ22L,22Rである。第2アクチュエータ112は、油圧ポンプ113から供給された圧油により駆動される油圧シリンダである。第2アクチュエータ112は、例えばブームシリンダ31aである。
油圧ポンプ113は、不図示の電動モータによって駆動され、圧油を吐出する。油圧ポンプ113から吐出された圧油は、油路113a、油路113bを介して第1方向切換弁115及び第2方向切換弁116へと供給される。なお、図3では、油圧ポンプ113から第1アクチュエータ111及び第2アクチュエータ112に供給される圧油の油路を実線で示している。
第1方向切換弁115は、第1アクチュエータ111に供給される圧油の向きを切り換え流量を調節することが可能なパイロット式の方向切換弁である。第2方向切換弁116は、第2アクチュエータ112に供給される圧油の向きを切り換え流量を調節することが可能なパイロット式の方向切換弁である。
パイロットポンプ114は、第1方向切換弁115及び第2方向切換弁116へ入力される指令としてのパイロット圧油を吐出する。図3では、パイロットポンプ114から第2方向切換弁116に供給されるパイロット圧油の油路を破線で示している(なお、パイロットポンプ114から第1方向切換弁115に供給されるパイロット圧油の油路は図示していない)。パイロットポンプ114は、第1方向切換弁115及び第2方向切換弁116に付与されるパイロット圧を発生させる。パイロットポンプ114は、不図示の電動モータによって駆動され、圧油を吐出することにより、油路114a内にパイロット圧を発生させる。
第1方向切換弁115は、スプールを摺動させることにより複数のポジションに切り換えることが可能である。第1方向切換弁115のパイロットポート115a及びパイロットポート115bのいずれにもパイロット圧が付与されない場合、スプリングの付勢力により、第1方向切換弁115は中立位置に保持される。第1方向切換弁115が中立位置にある場合、圧油は、油路113bから第1アクチュエータ111に供給されない。
一方、第1方向切換弁115のパイロットポート115a又はパイロットポート115bにパイロット圧が付与された場合、第1方向切換弁115が中立位置から他のポジションに切り換えられて、圧油は、油路111a又は油路111bを介して第1アクチュエータ111に供給される。油路111a又は油路111bを介して供給される圧油によって、第1アクチュエータ111は正方向又は逆方向に回転駆動する。
第2方向切換弁116は、スプールを摺動させることにより複数のポジションに切り換えることが可能である。第2方向切換弁116のパイロットポート116a及びパイロットポート116bのいずれにもパイロット圧が付与されない場合、スプリングの付勢力により、第2方向切換弁116は中立位置に保持される。第2方向切換弁116が中立位置にある場合、圧油は、油路113aから第2アクチュエータ112に供給されない。
一方、第2方向切換弁116のパイロットポート116a又はパイロットポート116bにパイロット圧が付与された場合、第2方向切換弁116が中立位置から他のポジションに切り換えられて、圧油は、油路112a又は油路112bを介して第2アクチュエータ112に供給される。油路112a又は油路112bを介して供給される圧油によって、第2アクチュエータ112は伸縮する。
操作装置117は、第2方向切換弁116に供給されるパイロット圧油の向きと圧力を切り換えるためのリモコン弁117aを有する。操作装置117は、例えば作業操作レバー412L,412Rである。リモコン弁117aは、油路114aに接続される。また、リモコン弁117aは、油路117b及び油路117cを介して第2方向切換弁116のパイロットポート116a及びパイロットポート116bにそれぞれ接続される。リモコン弁117aは、油路114aを介してパイロットポンプ114から供給される圧油を、パイロット用の圧油として第2方向切換弁116に供給する。操作装置117を操作することにより、第2方向切換弁116を切り換え、第2アクチュエータ112に供給される圧油の向きを切り換え流量を調節することができる。
パイロットポンプ114とリモコン弁117aとの間の油路114aには、開閉弁180が設けられている。開閉弁180は、電磁バルブで構成され、ソレノイド180aを備えている。ソレノイド180aは、カットオフスイッチ416に接続されている。ソレノイド180aは、図3に示すように、カットオフレバー415が下方に回動されてカットオフスイッチ416がONのとき、通電されて、開閉弁180を連通状態とする。これにより、パイロットポンプ114からの圧油が開閉弁180を介してリモコン弁117aへ供給される。一方、図3に2点鎖線で示すようにカットオフレバー415が上方に回動されると、カットオフスイッチ416はスプリングの付勢力によりOFFとなり、ソレノイド180aに通電されなくなり、開閉弁180はスプリングの付勢力により遮断状態となる。これにより、パイロットポンプ114からの圧油がリモコン弁117aへ供給されなくなり、操作装置117を操作しても第2方向切換弁116にパイロット圧が付与されないため、第2アクチュエータ112に圧油が供給されず、第2アクチュエータ112の操作が制限される。よって、カットオフレバー415は、下方に回動操作されると操作装置117の操作による作業機3の作動が可能の状態となり、上方に回動操作されると操作装置117を操作しても作業機3が作動しないロック状態となる。
[電源システムの構成]
図4を用いて、油圧ショベル1に搭載され、電動モータ7に電力を供給する電源システム6について説明する。電源システム6は、商用電源5の交流電源電圧を直流電源電圧に交換する給電器61と、給電器61からの電力を充電または放電するバッテリ62と、直流電源電圧を交流電源電圧に交換するインバータ63と、給電器61からインバータ63に電力を供給する第1の電路6aと、バッテリ62から第1の電路6aに合流する第2の電路6bと、第1の電路6aと第2の電路6bの合流点6cとインバータ63の間に配置されたインバータリレー64と、合流点6cとバッテリ62の間に配置されたバッテリリレー65と、合流点6cと給電器61の間に配置された給電器リレー66と、を備える。
給電器61は、商用電源5から給電ケーブル51を介して供給された交流電圧を直流電圧に変換する。この直流電圧は、給電器リレー66及びバッテリリレー65を介してバッテリ62に供給され、バッテリ62が充電される。また、給電器61の直流電圧は、給電器リレー66及びインバータリレー64を介してインバータ63に供給される。
バッテリ62は、バッテリリレー65及びインバータリレー64を介してインバータ63に直流電圧を供給する。バッテリ62としては、リチウムイオンバッテリが例示される。
インバータ63は、給電器61及び/又はバッテリ62から供給された直流電圧を交流電圧に変換する。この交流電圧は、電動モータ7に供給される。電動モータ7は、油圧ポンプ113を作動させる。なお、図4では、油圧ポンプ113のみ示されているが、油圧ポンプは複数設けられてもよい。
また、電源システム6は、電源システム6を制御するためのシステムコントローラ67を備えている。システムコントローラ67は、電動モータ7に供給される電力の制御、バッテリ62の充電の制御等を行う。より具体的には、システムコントローラ67は、給電器61、インバータ63、インバータリレー64、バッテリリレー65、給電器リレー66等を制御することにより、電動モータ7を駆動させたり、バッテリ62を充電させたりすることができる。
電源システム6は、図5A~図5Dに示す複数の電源モードを備える。電源システム6は、図5Aに示すように、インバータリレー64及び給電器リレー66の接点を接触させ、バッテリリレー65の接点を切り離すことで、商用電源5のみから電力を供給して電動モータ7を駆動する商用電源モードを構成することができる。これにより、バッテリ62の使用頻度を減らすことができ、バッテリ62の寿命を延ばすことができる。また、バッテリ62が異常状態になった場合にも、商用電源モードであれば商用電源5により作業を継続することができる。
また、電源システム6は、図5Bに示すように、インバータリレー64、給電器リレー66、及びバッテリリレー65の3つの接点を接触させることで、バッテリ62と商用電源5から電力を供給して電動モータ7を駆動する2wayモード(第1電源モードに相当する)を構成することができる。
また、電源システム6は、図5Cに示すように、インバータリレー64及びバッテリリレー65の接点を接触させ、給電器リレー66の接点を切り離すことで、バッテリ62のみから電力を供給して電動モータ7を駆動するバッテリモード(第2電源モードに相当する)を構成することができる。
また、電源システム6は、図5Dに示すように、バッテリリレー65及び給電器リレー66の接点を接触させ、インバータリレー64の接点を切り離すことで、商用電源5によるバッテリ62の充電のみが行われる充電モードを構成することができる。
次に、上記の電源モードの切り替えを実現する制御方法について説明する。図6は、電源モードの切り替え制御の手順を示すフローチャートである。初めに、オペレータは電源をオンする。次いで、オペレータは、電源モード選択スイッチにより電源モードを選択する。ステップS1において、どの電源モードが選択されたか判定する。モード1が選択された場合、システムコントローラ67は、インバータリレー64及び給電器リレー66をオンし、かつバッテリリレー65をオフして、商用電源モードとなる。
一方、ステップS1において、モード2又はモード3が選択された場合、次のステップS2において、給電器61の使用可否を判断する。給電器61は、自身の使用可否を判別して、使用不可であればエラー信号をシステムコントローラ67に送信する制御部を備えており、システムコントローラ67は、給電器61からのエラー信号を受信した場合、給電器61が使用不可と判断する。
ステップS2において、給電器61が「使用不可」と判断された場合、次のステップS3において、バッテリ62の使用可否を判断する。バッテリ62は、自身の使用可否を判別して、使用不可であればエラー信号をシステムコントローラ67に送信する制御部を備えており、システムコントローラ67は、バッテリ62からのエラー信号を受信した場合、バッテリ62が使用不可と判断する。ステップS3において、バッテリ62が「使用不可」と判断された場合、システムコントローラ67は、エラー発報を行う。
一方、ステップS3において、バッテリ62が「使用可能」と判断された場合、次のステップS4において、システムコントローラ67は、バッテリリレー65をオンする。次いで、ステップS5において、インバータ63の使用可否を判断する。インバータ63は、自身の使用可否を判別して、使用不可であればエラー信号をシステムコントローラ67に送信する制御部を備えており、システムコントローラ67は、インバータ63からのエラー信号を受信した場合、インバータ63が使用不可と判断する。ステップS5において、インバータ63が「使用不可」と判断された場合、システムコントローラ67は、エラー発報を行う。
一方、ステップS5において、インバータ63が「使用可能」と判断された場合、次のステップS6において、システムコントローラ67は、インバータリレー64をオンする。これにより、バッテリ62のみから電力を供給して電動モータ7を駆動するバッテリモード(第2電源モード)を実現することができる。
ステップS2において、給電器61が「使用可能」と判断された場合、次のステップS7において、バッテリ62の使用可否を判断する。ステップS7において、バッテリ62が「使用不可」と判断された場合、システムコントローラ67は、エラー発報を行う。一方、ステップS7において、バッテリ62が「使用可能」と判断された場合、次のステップS8において、システムコントローラ67は、バッテリリレー65をオンする。
次いで、ステップS9において、どの電源モードが選択されたか判定する。モード3が選択されていると判定された場合、次のステップS10において、給電ケーブル51の接続を確認する。給電ケーブル51が、給電口に接続されると、給電器61はこれを検出して、接続信号をシステムコントローラ67に送信する。システムコントローラ67は、給電器61から接続信号を受信した場合、給電ケーブル51が給電口に接続されたと判断する。ステップS10において、給電ケーブル51が「未接続」と判定された場合、システムコントローラ67は、エラー発報を行う。
一方、ステップS10において、給電ケーブル51が「接続」と判定された場合、次のステップS11において、給電器リレー66をオンする。これにより、商用電源5によるバッテリ62の充電のみが行われる充電モードを実現することができる。
ステップS9において、モード2が選択されていると判定された場合、次のステップS12において、インバータ63の使用可否を判断する。システムコントローラ67は、インバータ63が使用不可の場合、エラー発報を行う。一方、ステップS12において、インバータ63が使用可能と判断された場合、次のステップS13において、システムコントローラ67は、インバータリレー64をオンする。
次いで、ステップS14において、給電ケーブル51の接続を確認する。ステップS14において、給電ケーブル51が「未接続」と判定された場合、バッテリ62のみから電力を供給して電動モータ7を駆動するバッテリモード(第2電源モード)となる。
一方、ステップS14において、給電ケーブル51が「接続」と判定された場合、次のステップS15において、給電器リレー66をオンする。これにより、バッテリ62と商用電源5から電力を供給して電動モータ7を駆動する2wayモード(第1電源モード)を実現することができる。
次に、図7を用いて、2wayモードとバッテリモードの切り替えを実現する制御方法について説明する。バッテリモードの状態にあるとき、ステップS16において、給電ケーブル51の接続を確認する。ステップS16において、給電ケーブル51が「未接続」と判定された場合、バッテリモードを継続する。
一方、ステップS16において、給電ケーブル51が「接続」と判定された場合、次のステップS17において、電動モータ7の回転が停止されているか否かを判定する。電動モータ7には位置センサが設けられており、インバータ63は、電動モータ7から位置センサの情報を受け取り、電動モータ7の回転速度を算出して、電動モータ7の回転速度の情報をシステムコントローラ67に送信する。システムコントローラ67は、インバータ63から受け取った電動モータ7の回転速度の情報に基づき、電動モータ7の回転が停止されているか否かを判定することができる。ステップS17において、電動モータ7の回転が停止していない、「NO」と判定された場合、バッテリモードを継続する。
一方、ステップS17において、電動モータ7の回転が停止している、「YES」と判定された場合、次のステップS18において、給電器リレー66をオンする。これにより、バッテリモードから2wayモードへの切り替えを実現することができる。
また、2wayモードにあるとき、ステップS19において、給電ケーブル51の接続を確認する。ステップS19において、給電ケーブル51が「接続」と判定された場合、2wayモードを継続する。
一方、ステップS19において、給電ケーブル51が「未接続」と判定された場合、次のステップS20において、給電器リレー66をオフする。これにより、2wayモードからバッテリモードへの切り替えを実現することができる。
[別実施形態]
図8に示すように、バッテリモードから2wayモードへの切り替えにおいて、給電ケーブル51の接続の確認、電動モータ7の回転停止の確認に加えて、カットオフレバー415が上方に回動されて油圧アクチュエータの操作が制限されているか否かを判定してもよい。システムコントローラ67は、カットオフスイッチ416から送信されたカットオフレバー415が上方又は下方に回動されているかの情報に基づき、カットオフレバー415が上方に回動されているか否かを判定することができる。ステップS17で「YES」と判定された場合、次のステップS21において、カットオフレバー415が上方に回動されているか否かを判定する。ステップS21において、カットオフレバー415が下方に回動されていない、「NO」と判定された場合、バッテリモードを継続し、一方、カットオフレバー415が上方に回動されている、「YES」と判定された場合、次のステップS18において、給電器リレー66をオンする。
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
1 油圧ショベル
5 商用電源
51 給電ケーブル
6 電源システム
7 電動モータ
62 バッテリ
112 第2アクチュエータ
113 油圧ポンプ
415 カットオフレバー

Claims (3)

  1. 外部電源及びバッテリを駆動電源とする電動モータと、前記電動モータによって駆動される油圧ポンプを油圧源とする油圧アクチュエータとを備える電動式作業機械であって、
    前記外部電源から前記バッテリへの充電を継続しながら前記電動モータを駆動させる第1電源モードと、前記バッテリのみで前記電動モータを駆動させる第2電源モードとを備え、
    前記外部電源を給電するための給電ケーブルが給電口に接続され、かつ前記電動モータの回転が停止されている場合に、前記第2電源モードから前記第1電源モードに移行する、電動式作業機械。
  2. 前記外部電源を給電するための給電ケーブルが給電口に接続され、かつ前記電動モータの回転が停止され、かつ前記油圧アクチュエータを操作するパイロット圧を遮断することにより前記油圧アクチュエータの操作を制限するカットオフレバーが上方に回動されて前記油圧アクチュエータの操作が制限されている場合に、前記第2電源モードから前記第1電源モードに移行する、請求項1に記載の電動式作業機械。
  3. 前記給電ケーブルが前記給電口から脱離された場合に、前記第1電源モードから前記第2電源モードに移行する、請求項1又は2に記載の電動式作業機械。


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