(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を出力する第１バッテリと、
前記第１バッテリからの電力供給を受けて充電可能な第２バッテリと、
前記第１バッテリからの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、
前記インバータから出力される交流電力により駆動される交流電動モータと、
前記第２バッテリ及び前記交流電動モータに電気的に接続され、前記交流電動モータの駆動エネルギーを回生発電させ、前記回生発電させた電力を蓄電する回生電力蓄電手段と、
前記回生電力蓄電手段と前記第２バッテリとの電気的接続をオン／オフするスイッチと、
前記交流電動モータが駆動状態か停止状態であるかを判断し、前記判断結果に応じて前記スイッチのオン／オフの切り替えを行うスイッチ切り替え部とを備え、
前記スイッチ切り替え部が前記スイッチをオンにしたとき、前記回生電力蓄電手段に蓄電された電力が前記第２バッテリに充電されることを特徴とする充電システム。
【請求項２】
前記スイッチ切り替え部は、前記交流電動モータが駆動状態であると判断したときは前記スイッチをオフにし、前記交流電動モータが停止状態であると判断したときは前記スイッチをオンにする切り替えを行うことを特徴とする請求項１に記載の充電システム。
【請求項３】
前記第１バッテリ及び前記回生電力蓄電手段から出力される電力の変圧を行うＤＣ／ＤＣコンバータを備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより変圧された電力が前記第２バッテリに充電されることを特徴とする請求項１または２に記載の充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として電動モータを備えた建設機械に用いられる充電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーショベル等の建設機械は、油圧ポンプから供給される作動油により作動する油圧モータや油圧シリンダ等の油圧アクチュエータを備え、これらの油圧アクチュエータを作動させて、走行、旋回、そしてブーム、アーム、バケットによる掘削作業等を行うことができるようになっている。また、走行、旋回、掘削のほかにも、油圧アクチュエータの一種であるブレードシリンダを用いて、土砂を移動させるような作業を行うことができる建設機械も周知となっている。
【０００３】
ところで、上記のような建設機械においては、油圧ポンプを駆動させる電動モータ等を備えた電源システムが設けられているものもある。この電源システムは、一般的に、インバータ、コントローラ等とともに、バッテリを主体とする充電システムを備えている。この充電システムに用いられるバッテリとしては、リチウムイオンバッテリが用いられることが多いが、このバッテリには、例えば夜間等作業をしないときに充電できるようになっている。また、充電システムを備えた建設機械としては、省エネルギー化を目的として、車両の旋回駆動等により生じる回生エネルギーを取得するものも周知となっているが、このように、回生エネルギーを用いる場合には、ある程度の放電時間を確保できるコンデンサ等の蓄電デバイスが必要となる（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３２５３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような回生エネルギーを利用する建設機械においては、一般的に、蓄電した電力を熱エネルギーに変換させることが多く、また蓄電した電力をメインバッテリに充電させる構成を用いていることが多い。このように、熱エネルギーに変換させたりメインバッテリに充電させたりする構成を採用する場合、省エネルギー化を実現させることはできるものの、蓄電デバイスとメインバッテリとの電圧差を補正するため、昇降圧回路を備えた制御回路の組み込み等が必須となりその結果構成が複雑化しているという課題があった。また、この複雑化により制御回路に掛かるコストが高くなりメンテナンス性も低く、コストメリットが出ないという課題があった。
【０００６】
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、省エネルギー化を実現させるとともに、構成を簡略化してコストダウンを図り、メンテナンス性を向上させることが可能な充電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る充電システムは、直流電力を出力する第１バッテリ（例えば、実施形態におけるメインバッテリ４１）と、第１バッテリからの電力供給を受けて充電可能な第２バッテリ（例えば、実施形態におけるサブバッテリ４２）と、第１バッテリからの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、インバータから出力される交流電力により駆動される交流電動モータ（例えば、実施形態におけるポンプ用電動モータ３３及び旋回モータ４５）と、第２バッテリ及び交流電動モータに電気的に接続され、交流電動モータの駆動エネルギーを回生発電させ、回生発電させた電力を蓄電する回生電力蓄電手段（例えば、実施形態における第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３）と、回生電力蓄電手段と第２バッテリとの電気的接続をオン／オフするスイッチ（例えば、実施形態における第２スイッチ４９）と、交流電動モータが駆動状態か停止状態であるかを判断し、判断結果に応じてスイッチのオン／オフの切り替えを行うスイッチ切り替え部（例えば、実施形態におけるコントローラ４４）とを備え、スイッチ切り替え部がスイッチをオンにしたとき、回生電力蓄電手段に蓄電された電力が第２バッテリに充電されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る充電システムにおいては、スイッチ切り替え部が、交流電動モータが駆動状態であると判断したときはスイッチをオフにし、交流電動モータが停止状態であると判断したときはスイッチをオンにする切り替えを行うことが好ましい。
【０００９】
そして、本発明に係る充電システムにおいては、第１バッテリ及び回生電力蓄電手段から出力される電力の変圧を行うＤＣ／ＤＣコンバータを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータにより変圧された電力が第２バッテリに充電されるように構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
以上、本発明に係る充電システムにおいては、交流電動モータの回生電力を蓄電する回生電力蓄電手段が第２バッテリ及び交流電動モータに接続して設けられ、蓄電した電力を、インバータへの電力供給を行う第１バッテリではなく第２バッテリに充電させる構成を採用し、交流電動モータの駆動状態に応じて第２バッテリへの充電を行うか否かが決定される。このように構成されることにより、省エネルギー化を可能にするとともに、電気回路における昇降圧手段の組み込み等が不要となり、構成を簡略化させメンテナンス性を向上させることができる。
【００１１】
また、スイッチ切り替え部が、交流電動モータの駆動時にスイッチをオンにし、交流電動モータの停止にスイッチをオフするように作動する場合、交流電動モータの駆動時にはその駆動エネルギーから回生電力を蓄電させることができ、交流電動モータの停止時には蓄電した回生電力を第２バッテリへ充電させることができる。このため、モータ駆動時及び停止時に、回生電力を効率的に取得及び蓄電することが可能となり、更なる省エネルギー化を図ることができる。
【００１２】
そして、第１バッテリ及び回生電力蓄電手段から出力される電力の変圧を行うＤＣ／ＤＣコンバータを設けることにより、少なくとも、回生電力蓄電手段と第２バッテリはスイッチ切り替え部がスイッチをオンにしたときにのみ電気的接続されるように構成されるため、ＤＣ／ＤＣコンバータに効率良く電圧変換させて第２バッテリへの充電を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る充電システムを適用させた建設機械の一例として示すパワーショベルの斜視図である。
【図２】上記充電システムを示す油圧回路及び電気回路を示すブロック図である。
【図３】上記充電システムの電気回路を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る充電システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１には、本発明に係る充電システムを適用させた建設機械の一例としてクローラ型のパワーショベル１を示している。このパワーショベル１は、平面視略Ｈ字状の走行台車４（車体）の左右に走行機構３，３が設けられて構成される走行装置２と、走行台車４の後部に上下に揺動自在に設けられたブレード９と、走行台車４の上部に旋回可能に設けられた旋回台１１と、旋回台１１の前部に設けられたショベル機構１２と、旋回台１１の上部に立設された運転者搭乗用のオペレータキャビン１５（車体）とから構成されている。
【００１５】
走行装置２を構成する左右一対の走行機構３，３は、走行台車４の左右前部に設けられた駆動用スプロケットホイール５と、走行台車４の左右後部に設けられたアイドラホイール６との間に履帯７が巻き掛けられて構成される。駆動用スプロケットホイール５は、電動モータあるいは油圧モータからなる走行モータにより回転駆動される。ブレード９は、油圧駆動式のブレードシリンダ（不図示）の作動により揺動される。旋回台１１は、電動モータからなる旋回モータ４５(図２及び図３参照)により旋回動される。
【００１６】
ショベル機構１２は、旋回台１１の前部に起伏動自在に枢結されたブーム２１と、ブーム２１の先端部にブーム２１の起伏面内で上下に揺動自在に枢結されたアーム２２と、アーム２２の先端に上下で揺動自在に枢結されたバケット２３と、油圧駆動式のブームシリンダ２４、アームシリンダ２５、及びバケットシリンダ２６とから構成されている。ブーム２１はブームシリンダ２４により起伏動され、アーム２２はアームシリンダ２５により揺動され、バケット２３はバケットシリンダ２６により揺動される。以降の説明ではこれらのシリンダ２４〜２６やブレード９のブレードシリンダを纏めて油圧アクチュエータ３５と呼ぶ（図２参照）。また、オペレータキャビン１５は、上下前後左右が囲まれた矩形箱状に形成されており、内部に運転者が着座するためのオペレータシート１６と、走行装置２やショベル機構１２の作動操作を行うための操作装置１７とが設けられている。
【００１７】
ところで、図２に示すように、パワーショベル１には、油圧アクチュエータ３５に作動油を供給し作動させる油圧ユニット３０が設けられている。油圧ユニット３０は、作動油を貯留するタンク３１、所定油圧、所定流量の作動油を吐出する油圧ポンプ３２、油圧ポンプ３２を駆動させるポンプ用電動モータ３３、及び、油圧ポンプ３２から吐出される作動油を操作装置１７の操作に応じた供給方向及び供給量で油圧アクチュエータ３５に供給させる制御を行うコントロールバルブ３４から構成されている。
【００１８】
上記ポンプ用電動モータ３３には、電源システム４０から電力が供給されるようになっており、ポンプ用電動モータ３３はこの電力により駆動するようになっている。この電源システム４０について以下で図２を参照しながら説明する。図２では、電気的または光学的信号回路を実線の矢印で示し、油圧回路を点線の矢印で示している。電源システム４０は、メインバッテリ４１と、サブバッテリ４２と、インバータ４３と、コントローラ４４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６とを備えて構成されている。メインバッテリ４１及びサブバッテリ４２は、例えば一日の作業が終わった時点で、充電器２９を介して外部の商用電源２８から電力を受けて充電できるようになっている。本実施形態では、メインバッテリ４１とサブバッテリ４２が設けられ、コントローラ４４にはメインバッテリ４１ではなくサブバッテリ４２から電力が供給される構成となっているため、メインバッテリ４１を有効に使用し、パワーショベル１の稼動時間を延ばすことが可能となっている。
【００１９】
メインバッテリ４１は、インバータ４３を介してポンプ用電動モータ３３及び旋回モータ４５に電力を供給させるために設けられる。メインバッテリ４１としては、例えばリチウムイオン電池や有機ラジカル電池等の二次電池を用いることができる。サブバッテリ４２は、コントローラ４４及び後述するオプション５２に電力を供給させるために設けられる。サブバッテリ４２としては、例えばリチウムイオン電池や鉛シール電池等を用いることができる。なお、メインバッテリ４１からは、サブバッテリ４２と比較して高電圧の直流電流が供給される（例えば、メインバッテリ４１の電圧を３００Ｖ、サブバッテリ４２の電圧を２４Ｖとすることができる）。インバータ４３は、メインバッテリ４１からの直流電力を任意の周波数の交流電力に変換してこの交流電力をポンプ用電動モータ３３及び旋回モータ４５に供給する。
【００２０】
コントローラ４４は、電源システム４０を統括的に制御し、サブバッテリ４２からの電力を受けて機能する。コントローラ４４は、モータ回転数検出センサ（不図示）、油圧・油温センサ（不図示）により、ポンプ用電動モータ３３の回転数、作動油の油圧・油温を検出することが可能となっており、検出した回転数、油圧・油温に基づいて、油圧ポンプ３２から供給される油圧等が最適状態になるように制御信号を生成し、当該制御信号をインバータ４３に送信する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、降圧型のものを使用しており、メインバッテリ４１から供給される高電圧の直流電流（例えば、ＤＣ３００Ｖ）を低電圧の直流電流（例えば、ＤＣ２４Ｖ）に変換して安定化させる。
【００２１】
オプション５２は、前照灯等のライトや砕石機構を作動させるための油圧モータ等のサブアクチュエータから構成され、サブバッテリ４２からの電力をそれぞれ受けて作動する。このように構成されることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６の仕様を、オプション５２の消費電力から求められたサブバッテリ４２の仕様のみに基づいて決めることができ、最適なＤＣ／ＤＣコンバータ４６を選定することができる。なお、サブバッテリ４２の容量は、一日の稼動における電気回路・保護回路・リレーの消費電力等に基づいて決定される。運転状況に応じて使用されるライトやホーン等オプション５２の消費電力はサブバッテリ４２の容量計算には含めず、必要に応じてメインバッテリ４１からサブバッテリ４２経由で、供給するものとしている。
【００２２】
ところで、本実施形態における旋回モータ４５は、ポンプ用電動モータ３３と同様、電動モータからなり、インバータ４３から電力を受けて作動するようになっているが、ポンプ用電動モータ３３及び旋回モータ４５の駆動エネルギーは回生され、その電気エネルギーが後述する第１乃至第３コンデンサ６１，６２，６３に蓄電されるようになっている。すなわち、電源システム４０を成す電気回路には、図３に示すように、第１コンデンサ６１、第２コンデンサ６２、及び第３コンデンサ６３と、第１スイッチ４８と、第２スイッチ４９とが配設されている。第１乃至第３コンデンサ６１，６２，６３はそれぞれ電気二重層６１ａ，６２ａ，６３ａを備えて構成された電気二重層コンデンサである。第１スイッチ４８及び第２スイッチ４９は、それぞれコントローラ４４の制御信号に基づいてオン／オフされるようになっており、第１スイッチ４８は、メインバッテリ４１と第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３との電気的接続オン／オフするように作動し、第２スイッチ４９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６と第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３との電気的接続をオン／オフするように作動する。
【００２３】
また、図２及び図３に示すように、メインバッテリ４１から出力された電力は、コントローラ４４により第１スイッチ４８及び第２スイッチ４９をオン作動させたときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６を介してサブバッテリ４２に充電されるようになっている。このように構成されることにより、サブバッテリ４２のバッテリ残量が少なくなったときでも、コントローラ４４への電力供給を止めることなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６を介してサブバッテリ４２をメインバッテリ４１により充電させることができ、パワーショベル１の稼動時間を長くすることが可能になっている。
【００２４】
ところで、ポンプ用電動モータ３３から得られたエネルギーは電力に変換され第１コンデンサ６１に、旋回モータ４５から得られたエネルギーは電力に変換され第２コンデンサ６２に、それぞれ蓄電されるようになっている。また、連続して車両を旋回させるため旋回モータ４５を駆動させ続けているときはコントローラ４４により第２スイッチ４９がオフ作動された状態となり、第２コンデンサ６２に蓄電された電力が旋回モータ４５に供給されるようになっている。また、旋回モータ４５の停止時など蓄電された電力が不要なときはコントローラ４４により第２スイッチ４９がオン作動されることにより、第２コンデンサ６２に蓄電された電力がＤＣ／ＤＣコンバータ４６に放電され、当該放電された電力がＤＣ／ＤＣコンバータ４６により変圧されてサブバッテリ４２に充電されるようになっている。なお、第１コンデンサ６１に蓄電された電力についても同様に、ポンプ用電動モータ３３に供給、または、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６に変圧させてサブバッテリ４２への充電、ができるようになっている。
【００２５】
また、上記蓄電または放電（サブバッテリ４２への充電）のタイミングについては、コントローラ４４により制御される第２スイッチ４９のオン／オフ作動により任意にすることもできる。しかし、上記のように、旋回モータ４５の駆動時に第２コンデンサ６２が蓄電を行うとともに旋回モータ４５に電力を供給し、旋回モータ４５の停止時に第２コンデンサ６２に蓄電された電力をＤＣ／ＤＣコンバータ４６を介してサブバッテリ４２に充電させることにより、機械停止後も自己放電させることなくサブバッテリ４２への充電が可能となり、回生エネルギーを効率良く充電及び利用することができる。
【００２６】
なお、メインバッテリ４１の電圧は通常非常に高いため、第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３からメインバッテリ４１への充電は行われないようになっている。但し、昇圧回路をメインバッテリ４１と第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３との間に設ければ、メインバッテリ４１への充電も理論上は可能となるが、本実施形態では、メインバッテリ４１の充電を行わずに、第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３に蓄電された電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６により変圧させ、サブバッテリ４２に充電させることにより、電源システム４０の回路構成を簡易にすることが可能となっている。
【００２７】
また、第３コンデンサ６３は、第２コンデンサ６３に並列接続されて配設される。この第３コンデンサ６３においても、第２コンデンサ６２と同様に、旋回モータ４５の回生電力を蓄電することができるようになっており、第３コンデンサ６３を設けることにより、より多くの回生電力が得られ、サブバッテリ４２へ充電させることができるようになっている。第３コンデンサ６３は、旋回モータ４５が稼動している状態において回生エネルギーを得て蓄電し旋回モータ４５の停止時にサブバッテリ４２への充電を開始するが、蓄電または放電（サブバッテリ４２への充電）のタイミングはこれに限定されない。
【００２８】
以上、本実施形態における電源システム４０では、電気二重層６１ａ，６２ａ，６３ａをそれぞれ有する第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３を備え、ポンプ用電動モータ３３及び旋回モータ４５の駆動状態に応じて、コントローラ４４が第２スイッチ４９をオン／オフさせることにより、ポンプ用電動モータ３３及び旋回モータ４５の使用時にはポンプ用電動モータ３３及び旋回モータ４５への電力の再供給及び第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３への蓄電が可能となる。また、ポンプ用電動モータ３３及び旋回モータ４５の停止時には第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３に蓄電された電力がＤＣ／ＤＣコンバータ４６により変圧されてサブバッテリ４２に充電されるようになっている。このように構成されることにより、電気二重層６１ａ，６２ａ，６３ａに初期充電に利用されていた電力も有効活用できる等、旋回モータ４５の駆動または停止に拘わらず得られた回生エネルギーを有効活用でき、省エネルギー化を図ることができる。
【００２９】
また、上記電源システム４０の電気回路は、メインバッテリ４１への充電を行わない場合は昇圧回路等が不要となるため、第１〜第３コンデンサ６１，６２，６３、並びに第１及び第２スイッチ４８，４９のみを備える簡易な構成とすることが可能となっている。これにより、電源システム４０にかかるコストを抑え、メンテナンス性を高めることも可能となり、コストメリットがある電気回路を提供することができる。
【００３０】
なお、上述した電源システム４０において、第３コンデンサ６３を複数並列接続させたり、上記第３コンデンサ６３と同様に第１コンデンサ６１に並列接続させるコンデンサを１つ又は複数さらに設けても上記同様の効果が得られる。すなわち、電気回路におけるコンデンサの構成は、図３に示す構成に限定されない。また、コンデンサの種類についても上記電気二重層６１ａ，６２ａ，６３ａを備えた電気二重層コンデンサに限定されることなく、単板型、旋回型等、他種のコンデンサを用いても同様の効果が得られる。
【００３１】
また、上述した本実施形態では、ポンプ用電動モータ３３及び旋回モータ４５から回生エネルギーを取得する例について説明したが、走行モータが電動モータの場合は、走行モータから回生エネルギーを取得するようにしてもよい。
【００３２】
なお、上述した本実施形態においては、コントローラ４４がインバータ４３の制御、並びに第１スイッチ４８及び第２スイッチ４９のオン／オフの制御の両方を行う例について説明したが、インバータ４３の制御を行うインバータ制御手段と、第１スイッチ４８及び第２スイッチ４９のオン／オフの切り替えを行うスイッチ切り替え部とを別体で設けてもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、理論的には省略することも可能ではあるが、電気回路における電圧を安定化させるため上記実施形態のように配設した方が好ましい。
【００３３】
そして、本実施形態においては、メインバッテリ４１及びサブバッテリ４２を充電する手段として商用電源２８及び充電器２９を用いる例について説明したが、上記充電の手段としてはこれに限定されることはない。例えば、太陽光エネルギを電気エネルギに変換するソーラーパネルを車体に配置してソーラーパネルに充電させるようにしてもよいし、専用の発電機を使用してもよい。
【００３４】
さらに、本実施形態においては、油圧ユニットを備えた機械の一例としてパワーショベル１を示したが、油圧ユニット３０の構成が上記に限定されないとともに、適用対象の機械についてもパワーショベル１に限定されず、高所作業車、移動式クレーン、フォークリフト、ローダ等に対しても本発明を適用することは可能である。そして、建設機械以外の機械の油圧ユニット、更には、油圧ユニット以外の機器にも本発明に係る充電システムを適用させることができる。
【符号の説明】
【００３５】
３３    ポンプ用電動モータ（交流電動モータ）
４０    電源システム（充電システム）
４１    メインバッテリ（第１バッテリ）
４２    サブバッテリ（第２バッテリ）
４３    インバータ
４４    コントローラ（スイッチ切り替え部）
４５    旋回モータ（交流電動モータ）
４６    ＤＣ／ＤＣコンバータ
４９    第２スイッチ（スイッチ）
６１    第１コンデンサ（回生電力蓄電手段）
６２    第２コンデンサ（回生電力蓄電手段）
６３    第３コンデンサ（回生電力蓄電手段）
【図１】
0005411023.tif 000002
【図２】
0005411023.tif 000003
【図３】
0005411023.tif 000004