JP7177967B2 - 建設機械 - Google Patents

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Description

本発明は、建設機械に関する。
近年、油圧ショベル等の建設機械では、環境への配慮や燃費の向上を目的として電動化が進んでいる。これに伴って、電動化された部分に電力を供給するために、鉛電池とは異なる高電圧高性能な新しい電池を搭載するケースが増えている。
一方、油圧ショベルに取り付けられたセンサ等の電気機器や、エンジンを始動するためのスタータモータ等は、全てを新しい電池に対応した電源回路に変更することが難しく、従来通り鉛電池から電力供給を受けている。例えばエンジンを始動するスタータモータの場合、エンジンが大きいこと、メインポンプの引きずりトルクが大きいことから、必要とされる始動トルクが大きく、このため、低速高トルクのものが用いられており、従来通り鉛電池から電力供給を受けてエンジンを始動する。
特許文献1には、エンジンを始動するスタータモータと、電動化された旋回モータと、エンジンアシスト及び発電を行うアシスト発電モータと、発電された電力を貯める蓄電装置とを備えるハイブリッドショベルが開示されている。そして、スタータモータは鉛電池から電力供給を受けている。
特開2018-87496号公報
しかしながら、上述した油圧ショベルでは以下のような問題がある。すなわち、鉛電池の充電量が少ない場合又は電池の劣化によって容量が少ない場合、スタータモータの駆動に消費された電力によって、鉛電池電圧の低下や激しい電圧リップルが生じる。これによって、鉛電池から電力供給を受ける電気機器が動作不良を起こし、電気機器の故障及び誤作動につながる可能性がある。加えて、電動化された油圧ショベルは、従来の油圧ショベルと比べて電気機器の誤動作の影響が大きい。
本発明の目的は、エンジン始動時にスタータモータの消費電力によって蓄電装置の電圧が低下したり大きな電圧変動が起きたとしても、電気機器への影響を抑制し、電気機器の故障及び誤作動を防止できる建設機械を提供することにある。
本発明に係る建設機械は、エンジンと、第1の蓄電装置から電力供給を受け、前記エンジンを始動するスタータモータと、前記第1の蓄電装置と前記スタータモータとを接続する第1の電気系統と、前記第1の電気系統と並列に接続され、前記第1の蓄電装置と電気機器とを接続する第2の電気系統と、前記第2の電気系統へ電力供給を行う第2の蓄電装置と、前記第1の電気系統と前記第2の電気系統との接続を遮断することにより前記第1の蓄電装置から前記第2の電気系統への電力供給を遮断可能な遮断装置と、前記第2の電気系統と接続され、少なくとも前記スタータモータ及び前記遮断装置の制御を行う車体コントローラと、を備え、前記車体コントローラは、前記第1の蓄電装置の残量の推定結果が予め設定された閾値以上になるまで前記スタータモータの駆動を禁止し、前記推定結果が前記閾値以上である場合に前記遮断装置を用いて前記第1の電気系統と前記第2の電気系統との接続を遮断することを特徴としている。
本発明に係る建設機械では、車体コントローラは、第1の蓄電装置の残量の推定結果が閾値以上である場合に遮断装置を用いて第1の電気系統と第2の電気系統との接続を遮断するので、第1の蓄電装置と電気機器との接続が遮断される。すなわち、遮断装置によって、電圧の低下や電圧リップルの原因で故障及び誤作動する可能性のある電気機器は、スタータモータに電力供給する第1蓄電装置と切り離され、第2の電気系統から電力供給を受けて安定的に動作する。このため、エンジン始動時にスタータモータの消費電力によって第1の蓄電装置の電圧が低下したり大きな電圧変動が起きたとしても、電気機器への影響を抑制できるので、これらの電気機器の誤作動及び故障を防止することができる。
本発明によれば、エンジン始動時にスタータモータの消費電力によって蓄電装置の電圧が低下したり大きな電圧変動が起きたとしても、電気機器への影響を抑制し、電気機器の故障及び誤作動を防止することができる。
実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。 実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。 エンジン始動準備の制御処理を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明に係る建設機械の実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。また、以下では、建設機械として油圧ショベルの例を挙げて説明するが、本発明は油圧ショベルに限定されず、油圧ショベル以外の建設機械にも適用される。
図1は実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図であり、図2は実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。本実施形態に係る油圧ショベル1は、エンジン2及びアシストモータ3によってメインポンプ4が駆動されるハイブリッド式油圧ショベルである。油圧ショベル1では、メインポンプ4から供給される圧油がコントロールバルブ5によって分配され、複数の油圧アクチュエータ(バケットシリンダ6、アームシリンダ7、ブームシリンダ8、旋回油圧モータ9、走行油圧モータ10)へ供給されることより、掘削動作、旋回動作及び走行動作が行われる。
コントロールバルブ5は、メインポンプ4から各油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する流量制御弁である。バケットシリンダ6は、バケット26を駆動するための油圧アクチュエータであり、メインポンプ4から供給される圧油によって駆動されている。アームシリンダ7は、アーム27を駆動するための油圧アクチュエータであり、メインポンプ4から供給される圧油によって駆動されている。ブームシリンダ8は、ブーム28を駆動するための油圧アクチュエータであり、メインポンプ4から供給される圧油によって駆動されている。
旋回油圧モータ9は、走行体30に対し旋回体29を旋回させるための油圧アクチュエータであり、メインポンプ4から供給される圧油によって駆動されている。走行油圧モータ10は、走行体30を前進又は後進させるための油圧アクチュエータであり、メインポンプ4から供給される圧油によって駆動されている。
そして、それら流量制御弁、油圧アクチュエータおよびメインポンプは後述の車体コントローラ13によって制御される。
エンジン2には、該エンジン2を始動するためのスタータモータ11が取り付けられている。スタータモータ11は、鉛電池(第1の蓄電装置)12から供給される電力によって駆動される。鉛電池12とスタータモータ11とは、第1の電気系統14によって電気的に接続されている。
また、油圧ショベル1は、車体の状態の監視及び制御、並びに各電気機器の動作等を制御する車体コントローラ13と、エンジン2の状態監視及び制御を行うECU(エンジンコントローラユニット)22とを備えている。図2に示すように、車体コントローラ13、ECU22及び24V電気機器16は、第2の電気系統15によって鉛電池12と電気的に接続されている。24V電気機器16は、例えば油圧ショベル1に取り付けられた各種センサや前照灯等を含む電気機器である。
第2の電気系統15は、第1の電気系統14と並列に接続され、鉛電池12と車体コントローラ13、24V電気機器16、ECU22とを電気的に接続する。第1の電気系統14と第2の電気系統15との間において、正極側の回路にはリレー(遮断装置)17が設けられている。すなわち、リレー17は、第1の電気系統14と第2の電気系統15との正極側を遮断可能に構成されている。なお、リレー17は、必ずしも第1の電気系統14と第2の電気系統15との正極側を遮断可能に構成される必要はなく、第1の電気系統14と第2の電気系統15との負極側、又は正極側及び負極側の両方を遮断可能に構成されても良い。
また、リレー17は、第1の電気系統14と第2の電気系統15との接続を遮断することにより鉛電池12から第2の電気系統15への電力供給を遮断可能に構成されている。リレー17をクローズにすると、第1の電気系統14及び第2の電気系統15は電気的に接続されることになり、鉛電池12からの電力は車体コントローラ13、24V電気機器16、及びECU22にそれぞれ供給される。一方、リレー17をオープンにすると、第1の電気系統14と第2の電気系統15との接続は遮断され、鉛電池12から車体コントローラ13、24V電気機器16、及びECU22への電力供給は遮断される。
本実施形態において、リレー17には、例えばコイルが非励磁状態において接続状態(すなわち、クローズ状態)であるノーマルクローズリレーが用いられる。
アシストモータ3は、48V電池(第2の蓄電装置)18から供給される電力によって駆動される。アシストモータ3と48V電池18とは、第3の電気系統19によって電気的に接続されている。また、エンジン2の動力供給を受けて発電する発電機20と、エンジン2のラジエータを冷却し電動モータ(図示せず)によって駆動されるエンジンファン21と、パイロットポンプ25を駆動するパイロットポンプモータ23とは、それぞれ第3の電気系統19によって48V電池18と電気的に接続されている。なお、パイロットポンプ25は、コントロールバルブ5の操作用の圧油を供給するポンプである。また、エンジンファン21を駆動する電動モータは、第3の電気系統19に接続されている。
そして、48V電池18は、アシストモータ3、エンジンファン21及びパイロットポンプモータ23にそれぞれ電力を供給するとともに、発電機20によって充電できるように構成されている。また、この48V電池18は、後述するDC/DCコンバータ24を介して第2の電気系統15へ電力供給を行い、更に第2の電気系統15を介して鉛電池12を充電できるようになっている。
発電機20は、エンジン2の動力供給を受けて第3の電気系統19及びDC/DCコンバータ24(後述する)を介して第1の電気系統14及び第2の電気系統15へ電力供給を行う。
本実施形態では、鉛電池12は定格電圧24Vの構成となっている。このため、第1の電気系統14と第2の電気系統15は定格電圧24Vの電気系統となる。一方、48V電池18は定格電圧48Vの構成となっているので、第3の電気系統19は定格電圧48Vの電気系統となる。
また、第2の電気系統15と第3の電気系統19との間には、DC/DCコンバータ(電圧変換器)24が介在されており、第3の電気系統19から第2の電気系統15に対して電圧変換を行い、第2の電気系統15に電力を供給する。このようにすることで、発電機20により発電された電力は、DC/DCコンバータ24に電圧変換された後に、第2の電気系統15及び第1の電気系統14に供給され、更に鉛電池12を充電する。
車体コントローラ13は、例えば演算を実行するCPU(Central Processing Unit)と、演算のためのプログラムを記憶した二次記憶装置としてのROM(Read Only Memory)と、演算経過の保存や一時的な制御変数を保存する一時記憶装置としてのRAM(Random Access Memory)とを組み合わせてなるマイクロコンピュータにより構成されており、記憶されたプログラムの実行によって車体の状態の監視及び制御、並びに各電気機器の動作等を制御する。
例えば、車体コントローラ13は、スタータモータ11の駆動(例えば起動、停止)に加えて、リレー17のオープン及びクローズ、DC/DCコンバータ24の動作等を制御しつつ、各推定処理や判定処理を行う。本実施形態では、車体コントローラ13は、鉛電池12の電池残量を推定し、推定結果が予め設定された閾値以上になるまでスタータモータ11の駆動を禁止し、推定結果が閾値以上である場合にリレー17を用いて第1の電気系統14と第2の電気系統15との接続を遮断する。
以下、図3を参照して油圧ショベル1のスタートアップの一部である、エンジン始動準備を説明する。スタートアップとは、キーシリンダのキーオン信号の入力によって始まり、エンジン2の始動を行い、各電気機器の起動を全て完了させて通常動作へ遷移するまでのことを指す。ここでは、キーオン信号の入力からエンジン2の始動の直前まで、すなわちエンジン始動準備を説明する。そして、エンジン2の始動の直前を「エンジン始動準備完了」とする。この「エンジン始動準備完了」は、後述する鉛電池12の残量の推定結果が予め設定された閾値以上になると同じ意味である。
上述したように、キーシリンダのキーオン信号が入力されると、図3に示す制御処理が開始される。ステップS11では、リレー17にノーマルクローズリレーが用いられるので、第1の電気系統14と第2の電気系統15とは電気的に接続されている。従って、鉛電池12からの電力は、リレー17及び第2の電気系統15を介して、車体コントローラ13、24V電気機器16及びECU22に供給される。そして、鉛電池12の電力供給を受けて車体コントローラ13が起動し、24V電気機器16の各電気機器及びECU22も起動する。車体コントローラ13、24V電気機器16及びECU22が起動した後でも、車体コントローラ13はリレー17をクローズのままとする。
ここでは、車体コントローラ13は、24V電気機器16の各電気機器及びECU22の起動完了からエンジン始動準備完了まで、スタータモータ11の駆動を禁止する。このため、エンジン始動準備完了までは、キーシリンダのエンジンスタート信号が入力されても、スタータモータ11が駆動されないため、エンジン2の始動は行われない。
ステップS11に続くステップS12では、24V電気機器16が起動したら、車体コントローラ13は、48V電池18とDC/DCコンバータ24とを起動する。その後、車体コントローラ13は、DC/DCコンバータ24で48V電池18の電力を24Vに変換させ、第1の電気系統14及び第2の電気系統15への電力供給を開始する。
このとき、DC/DCコンバータ24は、該DC/DCコンバータ24に備え付けられた電流検出手段(図示せず)を用いて48V電池18から第2の電気系統15へ供給される電流を検出し、検出した結果を車体コントローラ13に出力する。また、DC/DCコンバータ24の出力電圧(言い換えれば第2の電気系統15の電圧)は、例えば第2の電気系統15に設けられた電圧検出手段(図示せず)によって検出され、検出された結果が車体コントローラ13に出力される。
ステップS12に続くステップS13では、第2の電気系統15の消費電力の測定が行われる。第2の電気系統15の消費電力には、設計値を基に車体コントローラ13に入力された規定値が用いられても良いが、本実施例では測定された値が用いられる。
第2の電気系統15の消費電力を測定する際、リレー17をオープンにした状態において、DC/DCコンバータ24が第2の電気系統15に供給する電力が測定される。すなわち、リレー17をオープンにすると、第1の電気系統14と第2の電気系統15との接続が遮断され、DC/DCコンバータ24からの電力は第2の電気系統15しか供給されないため、測定される電力は第2の電気系統15の消費電力となる。
ステップS13に続くステップS14では、リレー17をクローズにした状態で、鉛電池12への電力供給が再開される。すなわち、リレー17をクローズにすると、第1の電気系統14と第2の電気系統15とは接続される状態になるので、DC/DCコンバータ24からの電力は第2の電気系統15及び第1の電気系統14にそれぞれ供給される。このため、DC/DCコンバータ24から供給される電力(すなわち、供給電力)から第2の電気系統15の消費電力を減算した値が、鉛電池12への充電電力となるので、充電電流が算出可能となる。
そして、充電電流が小さければ、鉛電池12の開回路電圧に近い値が測定可能となるので、鉛電池12の電池残量を推定することが可能となる。このため、鉛電池12の電池残量を推定する際に、車体コントローラ13は、充電電流がゼロになるようにDC/DCコンバータ24の供給電流を制御しつつ電圧を測定することにより、鉛電池12の電池残量を推定する。
ステップS14に続くステップS15では、車体コントローラ13は、ステップS14で推定した鉛電池12の電池残量(すなわち、推定結果)を閾値と比較し、エンジン2が始動可能か否かを判定する。閾値は、エンジン2の始動に十分な電池残量に基づいて予め設定された規定値である。
ここでは、推定結果が閾値以上である場合、車体コントローラ13はエンジン2が始動可能と判定する。推定結果が閾値より小さい場合、車体コントローラ13はエンジン2が始動不可能と判定する。
そして、エンジン2が始動可能と判定された場合、制御処理はステップS16に進む。ステップS16では、車体コントローラ13は、他の電気機器も起動し、起動完了後にリレー17をオープンにすることで、第1の電気系統14と第2の電気系統15との接続を遮断する。これによって、エンジン始動準備が完了する。ステップS16が終わると、一連の制御処理が終了する。
なお、エンジン始動準備が完了した後、車体コントローラ13は、キーシリンダを介してエンジンスタートを入力する。このとき、スタータモータ11は、鉛電池12からの電力供給を受けて回転し、エンジン2を始動させる。
そして、車体コントローラ13は、ECU22を介してエンジン2の回転数を監視し、回転数が規定値以上になったときに、エンジン2の始動完了と判定する。その後、車体コントローラ13は、リレー17を再びクローズにする。
一方、ステップS15でエンジン2が始動可能でない(すなわち、始動不可能)と判定された場合、制御処理はステップS17に進む。ステップS17では、車体コントローラ13は、始動不可能と判定されるのが2回目以内であるか否かを判定する。始動不可能と判定されるのが2回目以内であると判定された場合、制御処理はステップS18に進む。ステップS18では、車体コントローラ13は、ステップS14で鉛電池12の電池残量を推定するために減らしたDC/DCコンバータ24の供給電力を増やし、鉛電池12を充電する。
このとき、車体コントローラ13は、ステップS14で推定した鉛電池12の電池残量とエンジン2が始動可能か否かの判定に用いられた閾値との差異、及び予め定められた充電電流量に基づいて充電時間を算出する。そして、車体コントローラ13は、算出した充電時間が経過するまで(すなわち、エンジン2を始動するための充電中において)油圧ショベル1を待機させる。充電時間経過後、制御処理はステップS14に戻り、再度鉛電池12の電池残量が推定され、再度エンジン2が始動可能か否かの判定が行われる(ステップS15参照)。
ステップS18で充電時間の算出及びエンジン2を起動するための充電中において、車体コントローラ13は、エンジン2を始動するための充電中である旨を油圧ショベル1のオペレータ等に通知する。例えば、車体コントローラ13は、運転室に設けられたモニタに充電中である旨を表示させることで、オペレータに通知する。また、車体コントローラ13は、算出した充電時間の結果をオペレータ等に通知する。このようにすれば、オペレータに与えるストレス等を軽減することができる。
一方、ステップS17で始動不可能と判定されるのが2回目以内でないと判定された場合、言い換えれば3度繰り返してもエンジン2が始動可能と判定できない場合、制御処理はステップS19に進む。ステップS19では、車体コントローラ13は鉛電池12が故障したと判定し、故障したことをオペレータ等に通知する。例えば、車体コントローラ13は、運転室に設けられたモニタに鉛電池12が故障する旨を表示させることで、オペレータに通知する。その後、制御処理は終了する。
以上のように構成された油圧ショベル1では、車体コントローラ13は、鉛電池12の残量の推定結果が閾値以上である場合にリレー17を用いて第1の電気系統14と第2の電気系統15との接続を遮断するので、鉛電池12と車体コントローラ13、24V電気機器16及びECU22等との接続は遮断される。すなわち、リレー17によって、電圧の低下や電圧リップルの原因で故障及び誤作動する可能性のある車体コントローラ13、24V電気機器16及びECU22等の電気機器は、スタータモータ11に電力供給する鉛電池12と切り離され、第2の電気系統15及びDC/DCコンバータ24を介して48V電池18からの電力供給を受けて安定的に動作する。
このため、エンジン始動時にスタータモータ11の消費電力によって鉛電池12の電圧が低下したり大きな電圧変動が起きたとしても、車体コントローラ13、24V電気機器16及びECU22等の電気機器への影響を抑制できるので、これらの電気機器の誤作動及び故障を防止することができる。更に、このようにすることで、例えば24V電気機器16に用いられる各電気機器の選択肢を広げる効果も期待できる。
なお、本実施形態において鉛電池12の電池残量を推定する際に、車体コントローラ13は、充電電流がゼロになるようにDC/DCコンバータ24の供給電流を制御して電圧を測定することを説明したが、これに限らない。例えば車体コントローラ13は、予め鉛電池12のON抵抗を規定値として記憶し、充電電流に鉛電池12のON抵抗を積算することにより充電時の電圧上昇量を概算することにより、鉛電池12の開回路電圧、すなわち電池残量を推定することもできる。
また、鉛電池12の電池残量の推定は、必ずしも車体コントローラ13によって行われる必要はない。例えば、鉛電池12が電池管理ユニットを有する場合、電池管理ユニットを用いて電池残量を推定しても良い。この場合、鉛電池12は、電池管理ユニットで推定した結果を車体コントローラ13に出力する。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
1 油圧ショベル
2 エンジン
3 アシストモータ
4 メインポンプ
5 コントロールバルブ(流量制御弁)
6 バケットシリンダ
7 アームシリンダ
8 ブームシリンダ
9 旋回油圧モータ
10 走行油圧モータ
11 スタータモータ
12 鉛電池(第1の蓄電装置)
13 車体コントローラ
14 第1の電気系統
15 第2の電気系統
16 24V電気機器
17 リレー(遮断装置)
18 48V電池(第2の蓄電装置)
19 第3の電気系統
20 発電機
21 エンジンファン
22 ECU
23 パイロットポンプモータ
24 DC/DCコンバータ(電圧変換器)
25 パイロットポンプ
26 バケット
27 アーム
28 ブーム
29 旋回体
30 走行体

Claims (7)

  1. エンジンと、
    第1の蓄電装置から電力供給を受け、前記エンジンを始動するスタータモータと、
    前記第1の蓄電装置と前記スタータモータとを接続する第1の電気系統と、
    前記第1の電気系統と並列に接続され、前記第1の蓄電装置と電気機器とを接続する第2の電気系統と、
    前記第2の電気系統へ電力供給を行う第2の蓄電装置と、
    前記第1の電気系統と前記第2の電気系統との接続を遮断することにより前記第1の蓄電装置から前記第2の電気系統への電力供給を遮断可能な遮断装置と、
    前記第2の電気系統と接続され、少なくとも前記スタータモータ及び前記遮断装置の制御を行う車体コントローラと、
    を備え、
    前記車体コントローラは、前記第1の蓄電装置の残量の推定結果が予め設定された閾値以上になるまで前記スタータモータの駆動を禁止し、前記推定結果が前記閾値以上である場合に前記遮断装置を用いて前記第1の電気系統と前記第2の電気系統との接続を遮断することを特徴とする建設機械。
  2. 前記第1の電気系統及び前記第2の電気系統とは異なる定格電圧を有し、前記第2の蓄電装置と接続される第3の電気系統と、
    前記第3の電気系統から前記第2の電気系統への電圧を変換する電圧変換器と、
    前記第3の電気系統に接続され、前記エンジンの動力供給を受けて前記第3の電気系統及び前記電圧変換器を介して前記第1の電気系統及び前記第2の電気系統へ電力供給を行う発電機と、
    を更に備え、
    前記第2の蓄電装置は、前記第3の電気系統と接続されるとともに、前記電圧変換器を介して前記第2の電気系統へ電力供給を行う請求項1に記載の建設機械。
  3. 前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、
    前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータと、
    前記油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する流量制御弁とを備え、
    前記油圧ポンプ、前記油圧アクチュエータ及び前記流量制御弁は、前記第2の電気系統に接続された前記車体コントローラによって制御されるとともに、
    前記第3の電気系統には、前記エンジンを冷却するエンジンファン駆動用の電動モータが接続される請求項2に記載の建設機械。
  4. 前記第2の電気系統の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記第2の蓄電装置から前記第2の電気系統へ供給される電流を検出する電流検出手段と、
    を更に備え、
    前記車体コントローラは、前記電圧検出手段及び前記電流検出手段の検出結果に基づいて前記第1の蓄電装置の残量を推定する請求項1~3のいずれか一項に記載の建設機械。
  5. 前記車体コントローラは、前記推定結果が前記閾値以上になるまで、前記スタータモータの駆動を禁止するとともに、前記第2の蓄電装置で前記第1の蓄電装置を充電する請求項1~4のいずれか一項に記載の建設機械。
  6. 前記車体コントローラは、前記スタータモータの駆動を禁止する間に、前記第1の蓄電装置を充電中であることを通知する請求項1~5のいずれか一項に記載の建設機械。
  7. 前記車体コントローラは、前記推定結果、前記閾値、及び予め定められた前記第1の蓄電装置の充電電流量に基づいて前記第1の蓄電装置を充電する充電時間を算出し、算出した結果を通知する請求項1~6のいずれか一項に記載の建設機械。
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