(57)【要約】【課題】  デュアルバッテリハイブリッドエンジン駆動溶接機及びそれを制御する方法及びシステムを提供する。【解決手段】  本発明の実施形態は、システムがオフである場合に、エンジンを始動させるため及び動作電力を供給するための第１のバッテリと、第２のバッテリが必要な電力を供給するために蓄積されたエネルギーを有する限り、全ての動作電力を供給するための第２の高蓄積バッテリとを使用する、エンジン駆動溶接機等の燃焼エンジン発電装置に関する。一実施形態において、第１のバッテリは鉛蓄電池であり、第２のバッテリはリチウムイオンバッテリである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン駆動電力供給装置であって、
燃焼エンジンが動作している場合に出力電力を発生させる発電機に接続される燃焼エンジンであって、前記発電機は出力回路に接続され、前記出力回路は負荷によって用いられるよう出力電力信号を生成する、燃焼エンジンと、
少なくともコントローラ及びユーザインターフェースを有する制御電子機器システムであって、前記エンジン駆動電力供給装置の動作を制御する制御電子機器システムと、
前記制御電子機器システム及び前記燃焼エンジンに接続される第１のエネルギー蓄積装置と、
前記制御電子機器及び前記出力回路に接続される第２のエネルギー蓄積装置と、を備え、
前記エンジン駆動電力供給装置が第１の状態にある場合に、前記第１のエネルギー蓄積装置は、前記制御電子機器システムによって用いられる全ての電力を供給し、前記燃焼エンジンを始動させるよう全ての電力を供給するために用いられ、
前記エンジン駆動電力供給装置が第２の状態にある場合に、前記第２のエネルギー蓄積装置は、前記制御電子機器システムによって用いられる全ての電力を供給し、前記出力電力信号を生成するよう前記出力回路によって用いられる全ての電力を供給する、
エンジン駆動電力供給装置。
【請求項２】
前記出力電力信号は溶接機電力信号である、請求項１に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項３】
前記第２のエネルギー蓄積装置が、前記第２のエネルギー蓄積装置に関して検出した負荷のための十分に蓄積されたエネルギーを有することを、前記制御電子機器システムが判断した場合、前記エンジン駆動電力供給装置は、前記第１の状態から前記第２の状態へ切り換える、請求項１に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項４】
前記第１のエネルギー蓄積装置は１２ボルト鉛蓄電池であり、前記第２のエネルギー蓄積装置はリチウムイオンバッテリである、請求項１に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項５】
前記第２のエネルギー蓄積装置は、４０〜６０ボルトの範囲の電圧と、定格を５０〜７０ＡＨの範囲とするアンペア時とを有する、請求項１に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項６】
前記第２の状態において、前記第２のエネルギー蓄積装置は、前記エンジン駆動電力供給装置によって用いられる全ての電力を供給する、請求項１に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項７】
前記第２の状態において、前記燃焼エンジンは、動作しないか、アイドリング状態にある、請求項６に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項８】
前記第２のエネルギー蓄積装置に接続される補助電力回路を更に備え、前記第２の状態において、前記第２のエネルギー蓄積装置は全ての電力を前記補助電力回路に供給する、請求項６に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項９】
前記第２の状態において、前記第２のエネルギー蓄積装置は、前記第２のエネルギー蓄積装置が閾レベルより上の電圧を有する限り、前記エンジン駆動電力供給装置によって用いられる全ての電力を供給する、請求項１に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項１０】
前記閾値は１４〜１６ボルトの範囲にある、請求項９に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項１１】
前記制御電子機器システムは、前記第２のエネルギー蓄積装置の検出された電圧が前記閾値未満に下がった場合に、前記燃焼エンジンを作動させる、請求項９に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項１２】
前記エンジン駆動電力供給装置が第３の状態にある場合、前記第２のエネルギー蓄積装置は、前記エンジン駆動電力供給装置によって用いられる前記電力の大半を供給し、前記発電機は、前記エンジン駆動電力供給装置によって用いられる前記電力の残りを供給する、請求項１に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項１３】
前記第２のエネルギー蓄積装置は、障害が前記第２のエネルギー蓄積装置で検出された場合に、いずれの電力も前記エンジン駆動電力供給装置に供給しない、請求項１に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項１４】
エンジン駆動電力供給装置であって、
燃焼エンジンが動作している場合に出力電力を発生させる発電機に接続される燃焼エンジンであって、前記発電機は出力回路に接続され、前記出力回路は負荷によって用いられるよう溶接出力電力信号を生成する、燃焼エンジンと、
少なくともコントローラ及びユーザインターフェースを有する制御電子機器システムであって、前記エンジン駆動電力供給装置の動作を制御する制御電子機器システムと、
前記制御電子機器システム及び前記燃焼エンジンに接続される第１のバッテリであって、１２ボルトバッテリである第１のバッテリと、
前記制御電子機器及び前記出力回路に接続される第２のバッテリであって、４０〜６０ボルトの範囲の電圧と、定格を５０〜７０ＡＨの範囲とするアンペア時とを有する第２のバッテリと、を備え、
前記エンジン駆動電力供給装置が第１の状態にある場合に、前記第１のバッテリは、前記制御電子機器システムによって用いられる全ての電力を供給し、前記燃焼エンジンを始動させるよう全ての電力を供給するために用いられ、
前記エンジン駆動電力供給装置が第２の状態にある場合に、前記第２のバッテリは、前記制御電子機器システムによって用いられる全ての電力を供給し、前記出力電力信号を生成するよう前記出力回路によって用いられる全ての電力を供給し、
前記第２のバッテリが、前記第２のバッテリに関して検出した負荷のための十分に蓄積されたエネルギーを有することを、前記制御電子機器システムが判断した場合、前記エンジン駆動電力供給装置は、前記第１の状態から前記第２の状態へ切り換える、
エンジン駆動電力供給装置。
【請求項１５】
前記第２の状態において、前記第２のバッテリは、前記エンジン駆動電力供給装置によって用いられる全ての電力を供給する、請求項１４に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項１６】
前記第２の状態において、前記燃焼エンジンは動作しない、請求項１５に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項１７】
前記第２のエネルギー蓄積装置に接続される補助電力回路を更に備え、前記第２の状態において、前記第２のエネルギー蓄積装置は全ての電力を前記補助電力回路に供給する、請求項１５に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項１８】
前記第２の状態において、前記第２のエネルギー蓄積装置は、前記第２のエネルギー蓄積装置が閾レベルより上の電圧を有する限り、前記エンジン駆動電力供給装置によって用いられる全ての電力を供給する、請求項１５に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項１９】
前記制御電子機器システムは、前記第２のエネルギー蓄積装置の検出された電圧が前記閾値未満に下がった場合に、前記燃焼エンジンを作動させる、請求項１８に記載のエンジン駆動電力供給装置。
【請求項２０】
エンジン駆動電力供給装置であって、
燃焼エンジンが動作している場合に出力電力を発生させる発電機に接続される燃焼エンジンであって、前記発電機は出力回路に接続され、前記出力回路は負荷によって用いられるよう溶接出力電力信号を生成する、燃焼エンジンと、
少なくともコントローラ及びユーザインターフェースを有する制御電子機器システムであって、前記エンジン駆動電力供給装置の動作を制御する制御電子機器システムと、
前記制御電子機器システム及び前記燃焼エンジンに接続される第１のエネルギー蓄積装置と、
前記制御電子機器及び前記出力回路に接続され、前記第１のエネルギー蓄積装置よりも高い電圧を有する第２のエネルギー蓄積装置と、を備え、
前記エンジン駆動電力供給装置が第１の状態にある場合に、前記第１のエネルギー蓄積装置は、前記制御電子機器システムによって用いられる全ての電力を供給し、前記燃焼エンジンを始動させるよう全ての電力を供給するために用いられ、
前記エンジン駆動電力供給装置が第２の状態にある場合に、前記第２のエネルギー蓄積装置は、前記制御電子機器システムによって用いられる全ての電力を供給し、前記出力電力信号を生成するよう前記出力回路によって用いられる全ての電力を供給し、前記燃焼エンジンは、オフとなっているか、エンジンアイドリング状態にあり、
前記第２のエネルギー蓄積装置に関する予想される電力需要が閾レベルを超える場合に、前記燃焼エンジンは、オフであれば作動し、アイドリングにあれば回転数を増加させる、
エンジン駆動電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態に従う装置、システム、及び方法は、ハイブリッドエンジン駆動溶接機に関し、より詳細には、汎用性及び性能を向上させたデュアルバッテリハイブリッドエンジン駆動溶接機に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン駆動溶接機の構造及び使用は周知である。多くの場合、かかる溶接機は、公共電力網が利用できないか、確実ではないかのどちらか一方の場合に用いられる。かかる溶接機において、エンジン及び発電機の組み合わせが電力を発生させるために用いられ、その電力は、出力回路によって用いられて、出力電力を発生する。これらシステムに対する改良を図るべく、ハイブリッドエンジン駆動溶接機が開発され、ここで、溶接機は、バッテリ等のエネルギー蓄積装置を含んでいる。バッテリは、数ある使用の中でも、システムの出力電力に加えるか、及び／又は、発電機によって出力回路に供給される電力を平滑化するために、溶接システムによって用いられてもよい。かかるシステムは公知であり、多くの場合、ハイブリッドエンジン駆動溶接機と称される。かかる溶接システムに対して、それらの利用及び性能を向上させるための発展が行われてきたが、これらのシステムには未だに欠点がある。従って、ハイブリッドエンジン駆動溶接システムの信頼性性能及び汎用性を向上させるために、改良が必要とされている。
【０００３】
従来の、伝統的な、及び提案されたアプローチの更なる制限及び欠点は、かかるアプローチと、図面を参照する本出願の残りの部分に記載するような本発明の実施形態との比較を通じて、当業者にとって明らかとなるであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例示的な実施形態は、溶接機のエンジンを始動させる第１のエネルギー蓄積装置と、リチウムイオンバッテリであってもよい第２のエネルギー蓄積装置とを用いて、溶接システムの内部電力需要を含む溶接機のための全ての他の電力負荷に電力を供給するハイブリッドエンジン駆動溶接機である。更に、溶接機は、第２のエネルギー蓄積装置に関する負荷需要に応じて、複数の動作モードを有し、異なる動作モードに基づいて、エンジンの使用率を変化させる。
【０００５】
本発明の上記及び／又は他の態様は、以下の添付図面を参照して、本発明の例示の実施形態を詳細に説明することによってより明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、例示的なハイブリッドエンジン駆動溶接機を表す図である。
【図２】図２は、例示的なハイブリッドエンジン駆動溶接機の電気システムを表す図である。
【図３】図３は、本発明の例示的な実施形態の電気システムを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
ここで、様々な、及び、代替としての例示的な実施形態、並びに、同様の符号が実質的に同一の構造要素を表している添付図面に対して、詳細に参照する。各実施例は、説明のために提供しており、限定するものとして提供していない。実際に、本開示及び特許請求の範囲の適用範囲及び精神から逸脱することなく、変更及び変形が行われてもよいことは、当業者にとって明白であろう。例えば、一実施形態の一部として図示し、説明する特徴は、更に追加の実施形態をもたらすよう別の実施形態に関して用いられてもよい。従って、本開示は、添付特許請求の範囲及びそれらの均等物の適用範囲内に入るような変更例及び変形例を含むことを意図している。
【０００８】
本開示は、一般に、ガソリン又はディーゼルエンジンを用いて、溶接作業のための電力を発生させる発電機に動力を供給するハイブリッドエンジン駆動溶接機に関する。更に、例示の溶接機は、また、溶接機に接続される補機に電力を供給するために用いることができる補助電力も発生させることができる。更に、例示的な実施形態は、発電機の電力を用いて、エネルギーをエネルギー蓄積装置（例えば、バッテリ）に供給することができ、エネルギー蓄積装置はエネルギーを蓄え、必要に応じてそのエネルギーを溶接機の出力電力に供給することができる。しかし、本発明の例示的な実施形態は、溶接電力を供給する電力供給に限定されず、所望される通りに、切断用電力又はその他の電力を供給するために用いられてもよい。
【０００９】
ここで図１を参照すると、エンジン駆動溶接機の例示的な実施形態が示されている。無論、図示の実施形態は、単に例示することを目的とし、多少なりとも制限することを目的としていない。図示の通り、溶接機１００は、溶接機１００の内部コンポーネントを囲むハウジング１１０を有している。溶接機１００は、ユーザ入力制御部１０３が位置する前面１０１を有している。入力制御部１０３は、様々な動作パラメータを入力し、システム機能を監視し、システム１００の動作を制御するために用いられる。また、溶接機１００には、出力用コンセント１２０も含まれている。コンセント１２０は溶接／切断用ケーブルのための接続部を含んでいてもよく、補助電力コンセントは、１１０ＶＡＣ又は２２０ＶＡＣ電力のどちらか一方、又は、それらがシステム１００に連結されることを望まれてもよいその他の種類の出力電力を供給する。ハイブリッドエンジン駆動溶接機の一般的な構成、動作、及び機能は公知であり、本明細書中で詳細に説明する必要はない。
【００１０】
ここで図２を参照すると、ハイブリッドエンジン設計を有するエンジン駆動溶接システム２００’の例示的な実施形態が示されている。図２に示す構成は、エンジン駆動ハイブリッドシステムの全体の構成及び動作を示し、説明するため、例示のシステム２００’を表していることに留意されたい。図２に示すシステムの全体の機能及び構造は、図３に関して本明細書中に説明する実施形態と共に用いることができ、変形又は相違を図３に関して説明する。
【００１１】
図２に示すように、エンジン２００は、駆動軸２０２を介して発電機２１０を駆動する。発電機は、整流充電調整器２２０によって整流される交流電流を発生させる。図２に示すように、発電機２１０は、交流電流用の補助電力出力部２６０に電力を供給することもできる。加えて、発電機２１０からの交流電流は、整流され、部分的に補助直流電力出力部（図示せず）に向けられてもよい。整流充電調整器２２０からの直流電流は、フィードバック信号２３２が、バッテリを充電する必要があるか、及び／又は、充電に使用できることを示している場合、バッテリを充電するよう、バッテリシステム２３０に向けられる。バッテリシステム２３０のバッテリから供給される直流電流は、アーク溶接プロセス中に所望の電流波形を形成するために用いられるチョッパーモジュール溶接出力部２４０に向けられる。整流充電調整器２２０からの直流電流も、チョッパーモジュール溶接出力部２４０に直接供給されてもよい。従って、整流充電調整器２２０からの直流電流は、バッテリシステム２３０を充電することのみに用いられてもよいか、又は、バッテリシステム２３０を充電し、電流をチョッパーモジュール溶接出力部２４０に供給することの両方に用いられてもよい。
【００１２】
エンジン制御システム２７０は、エンジン２００の動作を制御するために備えられる。エンジン制御システムは、バッテリシステムから配線２７２を介して信号を受信し、信号はバッテリシステムの充電状態を表している。バッテリシステムが完全に充電されると、エンジン制御システムは、エンジン２００の速度を落とすか、エンジン２００を停止させる。バッテリシステムがフル充電未満、及び／又は、所定の充電レベル未満である場合、エンジン制御システムは、エンジンの速度を上げるか、及び／又は、エンジンを始動させる。
【００１３】
溶接制御部２５０は、配線２５４を介して受信する出力電流情報に基づいて、信号２５２を介してチョッパー溶接出力部を制御する。図２は、また、溶接制御部２５０が、バッテリシステム２３０からチョッパーモジュール溶接出力部２４０に向けられている直流電流からの電圧情報も追加として受信できることを示す。チョッパー溶接出力部からの直流電流は、溶接アークを生成するために用いられる直流電流を平滑化するよう、直流フィルターチョーク２６０に向けられる。
【００１４】
開路検出器２８０は、アークが溶接作業中に電極と母材との間に形成されているか、又は、形成されそうになっているかどうかを判断するために備えられている。開路検出器２８０がアークを検出しない場合、開路検出器はチョッパーモジュール２４０を停止させ、それによってバッテリシステムからの電力の消費を低減している。１つの非制限的な設計において、母材と電極との間の電圧レベルは、アークの現在の状態を判断するために監視される。
【００１５】
図２に示すように、溶接出力に向けられる全ての電流は、バッテリシステム２３０によって供給される。バッテリシステム２３０が全電流を溶接出力２９０に供給するために、バッテリシステムの大きさは、十分な時間、溶接機の最大電力定格を供給できる十分なアンペア時サイズを有するよう選択される。通常、大多数の手棒溶接のためのデューティサイクルは、約２０〜４０％である。結果として、約１０分間の期間中、電気アークは２〜４分間しか生成されない。バッテリシステム２３０の大きさ及びアンペア定格は、アーク溶接プロセス中に適切な電気アークを得るために、このデューティサイクル中に電気アークに対して最大電力を少なくとも供給するよう十分でなければならない。電気アークが生成されていない時間の間、整流充電調整器２２０は、直流電流をバッテリシステム２３０に向けて、消耗したバッテリシステムを再充電する。後続のデューティサイクル中に電気アークを生成できるよう、電気アークが生成されない断続期間中にバッテリを急速に再充電できるように、急速再充電できるバッテリを選択することが望ましい。通常、バッテリのアンペア時の大きさは、少なくとも約１分間、通常、約５〜４５分間の溶接機の最大溶接出力定格に対するアーク溶接要件を提供するように選択される。
【００１６】
溶接機用のハイブリッドエネルギー源の設計及び動作から正しく認識できるように、エンジン２００及び発電機２１０の大きさは、溶接機の最大溶接出力定格を提供するような大きさである必要はない。エンジン２００及び発電機２１０の大きさは、電気アークを形成する際に、バッテリが一部放電された後、バッテリを十分に再充電するよう、十分な電流をバッテリシステム２３０のバッテリに供給するために十分な大きさであることだけを必要とする。一例として、溶接機の最大溶接出力定格が電力１０ｋＷで、溶接作業に対する最大平均デューティサイクルが４０％である場合、エンジン及び発電機は、十分な電流を発生させて、４０％の最大溶接出力定格を供給することだけを必要とし、それは、溶接機の特定のデューティサイクル中に、この量だけの電流がバッテリシステムによって放電されているためである。結果として、エンジンの大きさ及び発電機の大きさは、本発明のハイブリッドエネルギー源を用いることによって、かなり低減できる。より小型のエンジン及び発電機を用いることに関連するコスト節約に加えて、電流の大部分が、電気アークの形成中にバッテリが一部放電された後、それを再充電するために用いられるため、発電機によって発生させた電流の使用のための効率定格はかなり増加する。これまでは、デューティサイクルが約２０〜４０％であった場合に、発電機によって発生させた電流の２０〜４０％だけが溶接作業に用いられていた。エネルギー利用効率の増加に加えて、より小型のエンジンがハイブリッドエネルギー源に電力を供給するために必要とされるため、溶接機の最大溶接出力定格を満たすために十分な電力を供給することを必要とされる原動機の大きさが低減される。ハイブリッドエネルギー源の別の利点は、エンジン２００及び発電機２１０を作動させる必要なく、溶接機が溶接電流を発生できることである。バッテリシステム２３０が完全に充電されると、バッテリシステムは、特定の期間の間に溶接アーク要件を提供するための十分なアンペア時サイズを有する。結果として、エンジンを動力とする溶接機の運転が騒音及び／又はエンジン排気問題のために容認されない場所で、溶接機を使用することができる。図２に示すように、バッテリシステム２３０は、溶接電力用の直流バスに電力を供給すると共に、エンジン制御システムに電力を供給している。
【００１７】
ここで図３を参照すると、本発明のハイブリッドエンジンシステム３００の例示的な実施形態が示されている。全てのハイブリッドエンジンシステムと同様に、システム３００は、ガソリン又はディーゼルエンジンであってもよいエンジン３１０を含んでいる。エンジン３１０は、エンジンを始動させるために用いられるエンジン点火システム３１１に連結されている。エンジン３１０は、オルタネータ３２０及び発電機３３０に機械的に連結されている。機械的連結は、駆動軸又は伝動装置、若しくは他の機械的手段を介して行われてもよい。オルタネータ３２０は、エンジン３１０の作動中に電力を発生させるために用いられ、ここで、電力は、１２ボルトエンジン始動バッテリ３２５、コントローラ／ユーザインターフェース回路３４０、及び、以下でより完全に検討するハイブリッドモジュール４００に電荷を与えるために用いられる。発電機３３０は、公知の発電機と同様に構成されてもよく、図示の実施形態において、三相発生回路３３１、単相発生回路３３３、及び一次出力電力発生回路３３５を有している。三相及び単相発生回路のそれぞれは、それぞれ、補助コンセント電力回路３３１’及び３３３’に向けられてもよい補助電力信号を生成するために用いられる。ワイヤ送給装置、ツール、コンプレッサ、照明、等のような外部補助コンポーネントが、コンセント３３１’及び３３３’に接続されてもよく、作動中にシステム３００によって電力が供給されてもよい。例示的な実施形態において、コンセント３３１’及び３３３’のそれぞれは、保護のために絶縁される。一次出力電力発生回路３３５は、溶接及び／又は切断信号用に用いられてもよい出力電力を発生させるために用いられる。この出力電力は、回路３３５からの交流出力を整流する整流ブリッジ３５０に向けられる。整流ブリッジ３５０からの出力は、整流された電力信号を特定の操作用の所望の溶接又は切断信号に調整／修正する出力回路３６０に向けられる。出力回路３６０は、チョッパー又は所望の出力信号を提供するために用いることができるその他の公知の種類の出力回路であってもよい。出力回路３６０は、また、システム３００の全体の動作及び機能を制御するために用いられるコントローラ／ユーザインターフェース３４０にも接続される。コントローラ／ユーザインターフェース３４０は、ユーザ入力データ並びにその内部制御ロジック及びシステムを用いてシステム３００の動作を制御し、溶接／切断作業用に用いられる所望の出力信号を供給し、システム３００のその他の機能態様を提供する。
【００１８】
図３に示すように、システム３００は、また、ハイブリッドモジュール４００も含んでいる。モジュール４００は、発電エネルギー蓄積装置４１０を含んでいる。発電蓄積装置４１０は、リチウムイオンタイプのバッテリ等であってもよい大容量蓄積装置（バッテリ）である。他の例示的な実施形態において、蓄積装置４１０は、以下で説明する機能のために必要なエネルギー量を蓄積する１つのスーパーキャパシタ又は複数のスーパーキャパシタであってもよい。ハイブリッドモジュール４００は、また、エンジン３１０の動作中に蓄積装置４１０を充電するために用いられる絶縁型充電器システム３８０も含んでいる。充電器３８０は、エンジンが動作している間にオルタネータ３２０からの電力を受け取る。充電回路３８５は、絶縁型充電器３８０と蓄積装置４１０との間に備えられている。更に、モジュール４００は、また、電力をコンセント３３１’／３３３’、出力回路３６０、及び／又はコントローラ／ユーザインターフェース３４０に供給する前に蓄積装置４１０からの電力を調整する、昇圧回路等であってもよい電力調整回路３９０を含んでいてもよい。図３に示すように、モジュール４００には、ハイブリッドダッシュボードユーザインターフェース３７０も接続される。これは、ユーザインターフェース／コントローラ３４０内に含まれていてもよいか、システム１００のハウジング上の別のユーザインターフェースであってもよい。このユーザインターフェース３７０は、蓄積装置４１０の状態、エンジンシステムの動作、充電状態、及びハイブリッドモジュール４００の動作全体を判断するために用いられてもよい。
【００１９】
以下でより完全に説明するように、図３に示す例示的な実施形態は、１２ボルトバッテリ３２５を含む、システム３００のコンポーネントのうちの幾つかの向上した性能及び長期間にわたる稼動寿命を提供する。
【００２０】
一般的に理解されるように、公知のシステムにおいて、鉛蓄電池が、エンジンを始動／動作させるために用いられており、溶接又は切断作業中に出力電力を供給するための蓄積装置として用いられてもよい。しかし、６０〜８０ＶＤＣの範囲の電圧が、多くの場合、アーク、パルス溶接、溶接棒のウィッピング、等を生じさせるために必要とされ／望まれる。この高出力状況／引き込みは、鉛蓄電池の耐用年数を明らかに低減させる恐れがある。しかし、エンジンを始動させることは、多くの場合、バッテリシステムから少なくとも５００コールドクランキングアンペアを必要とする可能性があり、これは、多くの場合、溶接／切断システムが発揮できるものよりも大きい。従って、既存のシステムは、エネルギー蓄積装置の使用において、犠牲と妥協を行わなければならず、それは、それらの耐用年数を損なう恐れがある。本発明の実施形態は、これらの問題に取り組み、改良されたシステムを提供する。
【００２１】
上で説明したように、システム３００は、公知のエンジンシステムと同様の方法で、１２ＶＤＣバッテリ３２５を用いてエンジン３１０を始動させる。バッテリ３２５は、エンジン３１０を始動させるために必要なコールドクランキングアンペアを供給することができる鉛蓄電池であってもよい。しかし、他の公知のシステムとは異なり、システム３００は、エンジン３１０が動いていない場合に、蓄積装置４１０を用いて残りの電気部品の全てに電力を供給し、必要に応じて、出力回路３６０用の直流バス並びにコンセント３３１’及び３３３’に電力を供給している。すなわち、エンジンが動いておらず、蓄積装置が十分な蓄積エネルギーを有している場合、蓄積装置４１０は、コントローラ／ユーザインターフェース３４０、ユーザインターフェース３７０、及びシステム３００内部のその他のコントローラ／負荷のために電力を供給し、従って、始動バッテリ３２５への電力需要を軽減している。これは、内部電子機器及び制御システムが、多くの場合、それらの電力をエンジンを始動させるために用いられる同じバッテリから得ている公知のシステムとは異なっている。これは、バッテリへの需要を増加させ、その耐用年数を低減する。
【００２２】
システム３００の例示的な実施形態の動作を、ここで説明する。システムがオフになっている状態の間、コントローラ３４０及びシステム３００内部のその他の低電圧負荷（クロック等）は、バッテリ３２５によって電力が供給されている。これは、蓄積装置４１０の消耗を防ぐためである。始動時、バッテリ３２５は、エンジン３１０のための始動電力を供給し、システム３００が始動すると同時に制御電子機器への電力を供給する。しかし、一旦、エンジンが始動され、運転すると、コントローラ３４０は、システムチェックを実行し、蓄積装置４１０の充電状態及び何らかの電流引き込みを評価する。蓄積装置４１０が、検出された電流引き込みを満足させ、システム３００の内部電子機器を制御するために十分なエネルギーを有している限り、システム３００のための制御電力は、その後、蓄積装置４１０から引き込まれる。上で示したように、蓄積装置４１０は、リチウムイオンバッテリ、又はスーパーキャパシタ、若しくは同様の性能特性の蓄積装置であってもよい。特に、これらの蓄積装置は、例えば、より多くの充電サイクルを有する鉛蓄電池に勝る向上した性能を有している。本発明の例示的な実施形態において、蓄積装置は、４０〜６０ボルトの範囲の電圧と、定格を５０〜７０ＡＨの範囲とするアンペア時とを有している。他の例示的な実施形態において、蓄積装置は、５０〜６０ボルトの範囲の電圧と、定格を６０〜７０ＡＨの範囲とするアンペア時とを有している。
【００２３】
図３に示すように、システム３００は、蓄積装置４１０が閾値より上の電力レベルを有する限り、蓄積装置４１０がシステム制御及び作動用電力の全てを提供することを保証する構造を採用している。例えば、図示の実施形態において、ダイオードベースの電気回路は、蓄積装置４１０が１２ボルトバッテリ３２５の電圧より上のレベルで電圧を供給できる限り、電力が蓄積装置４１０から供給されるように、用いられる。本発明の例示的な実施形態において、蓄積装置４１０が、１４〜１６ボルトの範囲内であってもよい閾レベルより上の電圧を供給できる限り、コントローラ３４０、ユーザインターフェース、及びその他の制御回路のための制御電力は、蓄積装置４１０から生じる。蓄積装置から供給される電圧が閾値未満に降下すると、制御電力は、次いで、バッテリ３２５から生じる。これは、連続する制御電力を保証し、バッテリ３２５の電力供給義務を大幅に低減させ、これにより、公知のシステムと比較して、その寿命が大幅に延長される。
【００２４】
図３に示す構成は、また、システム３００の性能を向上させることに役立つよう操作柔軟性も提供できる。特に、システム３００は、システム３００のコンポーネントのうちの幾つかの動作条件及び状態に基づく多数の異なる動作モードを有していてもよい。第１の動作モードにおいて、システム３００は、非エンジン動作モードにある。この動作モードにおいて、蓄積装置４１０は、出力回路３６０からの信号を受信する何らかの溶接／切断負荷、コンセント３３１’及び３３３’のどちらか一方又は両方からの補助電力を受け取る何らかの補助負荷、及びコントローラ／ユーザインターフェース３４０によって用いられる制御電力、並びにシステム３００内部のその他の制御／動作電力又は負荷を含む、蓄積装置４１０に求められる需要の全てに対して電力を供給するために十分に蓄積されたエネルギーを有する。かかる動作モードにおいて、エンジン３１０は、完全に停止されてもよいか、又は、低アイドリング動作モードで運転されていてもよい。第２の動作モードは、システムの最大電力出力を供給できる高性能動作モードであってもよい。この動作モードにおいて、（出力回路及び／又はコンセントを介する）システムの出力電力は、エンジン／発電機と蓄積装置４１０との組み合わせによって供給される。かかる実施形態において、発電機３３０及び蓄積装置４１０からの電力は、直流バスに供給され、次いで、システム３００の負荷に向けられる（無論、その一部は、上で説明したように、コントローラ、制御電子機器、及びユーザインターフェース電子機器のためにも用いられる）。これは、エンジンが動作回転数で動作している際の最小効率の動作モードであり、そのため、燃費は、他のモードと比較して比較的高い。第３の動作モードは、節約動作モードである。この動作モードにおいて、蓄積装置４１０は、出力負荷及びシステムの制御のためにシステム３００によって用いられるエネルギーの大半を供給し、エンジン／発電機の組み合わせは、動作しているが、低下した回転数レベルで動作し、そのため、エンジン３１０は大量の燃料を消費してはいない。この動作モードにおいて、エンジン／発電機は、システム３００によって消費される総電力出力の１〜２０％の範囲で供給する速度で動作している。他の例示的な実施形態において、システム３００は、システム全体の電力需要が閾レベル未満であるとコントローラが判断する場合に、この動作モードに入る。例えば、コントローラ３４０は、制御電子機器等のためにシステム３００の既知の電力使用量、及び、補助及び一次（溶接又は切断）負荷のための予想又は実際の負荷需要を用いてもよく、このエネルギー需要の合計が特定の閾レベル未満であれば、コントローラ３４０は、節約モードが許容されることを判断し、必要とされるであろう追加エネルギーのみを供給するよう、低い回転数でエンジン３１０を動作させる。更に、全需要が第２の閾レベル未満であるとコントローラ３４０が判断した場合、この状況下で、蓄積装置４１０は、外部負荷及び内部制御のための必要な電力の全てを供給でき、コントローラ３４０はエンジンを停止させ、システム３００はバッテリ単体モードに入る。
【００２５】
従って、例示的な実施形態において、システム３００のコントローラ３４０は、動作モードを決定するために用いられる、コントローラ３４０によって監視されるシステム情報に関して予め決定されるか、それに基づくかのどちらか一方であってもよい、少なくとも２つの動作閾値を有していてもよい。システム３００の検出及び／又は予想された電力需要／負荷全体（外部負荷及び内部制御負荷を含む）が、第１の閾レベル未満である場合、システム３００は、電力の全てが蓄積装置４１０から供給されるバッテリ単体モードに設定される。幾つかの例示的な実施形態において、この閾レベルは、初期に決定及び／又は検出されたエネルギー需要が、電力需要の開始時に蓄積装置によって供給されてもよいエネルギーの７０〜９０％の範囲にある地点に設定される。システム３００のために決定／予想された電力需要が第１の閾値より上であるが、第２の閾値未満である場合、システム３００は、蓄積装置４１０を用いて負荷のための電力の大半を供給するが、エンジン／発電機の組み合わせも用いて電力の少なくとも一部を供給する。しかし、このモードにおいて、エンジンは、可能な限り効率的に動くように、低減された回転数レベルで動く。例示的な実施形態において、この第２の電力需要閾レベルは予め決定され、コントローラ３４０に格納されてもよいが、他の実施形態において、このレベルは、システム３００の動作設定及びパラメータ、及び／又は、蓄積装置４１０の状態及び状況に基づいて、コントローラ３４０によって決定されてもよい。更に、第２の閾レベルは、蓄積装置４１０のために決定された最大エネルギー出力未満に設定されてもよい。かかる実施形態において、これは、蓄積装置４１０によって供給される利用可能な電力よりも上に、負荷需要合計が急上昇する可能性がある状況に対して電力を供給する状態で、エンジン３１０が動いていることを保証する。例えば、幾つかの例示的な実施形態において、第２の電力閾値は、蓄積装置４１０から利用可能なエネルギーの８０〜１００％の範囲内にある。他の例示的な実施形態において、第２の閾値は、蓄積装置から利用可能なエネルギーの８５〜９５％の範囲内にある。従って、予想／検出された負荷が第１の閾値より上であるが、第２の閾値未満である場合、蓄積装置４１０は、システム負荷に利用できる少なくとも一部のエネルギーを供給するよう、少なくともアイドリング速度で動作しているエンジンにより必要とされるエネルギーの大半を供給する。幾つかの動作中に、エンジンが動いていたとしても、発電機３３０により発生される電力は、必要な電力の全てが蓄積装置４１０から生じるため、必要なくてもよいが、エネルギー需要が蓄積装置４１０の利用可能なエネルギーよりも急上昇する可能性がある状況のために、エネルギーを供給するよう、エンジンは動いていてもよいことに留意されたい。
【００２６】
最終的に、予想又は検出された負荷合計が第２の閾値を超えていると、発電機３３０が、その外部負荷及び内部制御のためにシステム３００によって用いられるエネルギーの大半を供給し、蓄積装置４１０が求められる通りに必要なエネルギーを補うように、高い回転数レベル（例えば、通常動作回転数レベル）で運転されるように、エンジン／発電機は制御される。
【００２７】
従って、本発明の例示的な実施形態は、システムの効率を最適化する一方で、バッテリ３２５の寿命を延ばす。
【００２８】
上で参照したように、電力／需要閾レベルは、少なくとも蓄積装置４１０に基づいてコントローラ３４０内でプログラム化される所定の動作レベルであってもよい。しかし、上でも説明したように、閾レベルは、システム３００の動作設定及び検出された状況に基づいて決定されてもよい。例えば、コントローラ３４０は、蓄積装置４１０の使用年数等の状況、及び、その再充電率等を含む性能特性を含む蓄積装置４１０の状態及び状況を考慮してもよい。従って、コントローラ３４０は、蓄積装置の状況及び能力を考慮して、システム３００の性能が蓄積装置４１０の寿命全体を通して維持されることを保証する。更に、蓄積装置が老朽化し、その性能が損なわれるにつれて、コントローラ３４０は、ユーザが必要に応じて交換できるように、ユーザインターフェース上に蓄積装置４１０の状況を示す指示を提供できる。更に、コントローラは、システム３００が必要に応じて適切なエネルギー量を供給することができるように、閾値がどのレベルにあるべきかを決定するよう、所定の動作中に受ける外部負荷に関するユーザ入力情報を考慮してもよい。例えば、出力回路３６０上の補助負荷及び一次負荷が、逸脱又は急上昇等しない比較的平滑又は一定の負荷タイプであると判断された場合、閾レベルは適切に調整されてもよい。例えば、比較的一定の電力負荷により、容量を超える恐れのあるエネルギースパイクの確率は希であるため、閾値は蓄積装置４１０の最大エネルギー容量に近接してもよい。これにより、システム３００の全体効率が向上する。しかし、プロセス種類（例えば、ガウジング、パルス溶接等）のようなユーザ入力情報が、エネルギー需要又は負荷に大きな変動がある可能性を示す場合、閾値設定は、適切なエネルギー量が必要に応じて利用できることを保証するように適切に調整される。例えば、比較的一定のエネルギー需要を持たないか、負荷スパイクを伴う恐れのあるプロセス中、閾値は、過剰なエネルギーが必要時に利用できることを保証するよう、蓄積装置４１０の容量に関して低いパーセンテージであってもよい。これは、また、過剰な容量が利用できるため、エンジンを始動させるか、負荷スパイク中に速度を増加させる必要性を防ぐことができる。
【００２９】
従って、例示的な実施形態において、エネルギー／負荷需要総計は、ユーザ入力情報に基づいて決定されてもよく、閾値は、システム／蓄積装置の状況及び予想される負荷／需要種類、すなわち、それが比較的一定の負荷であるか、又は大きく可変する負荷であるか、に関して決定されてもよい。
【００３０】
本発明の更に例示的な実施形態において、システム３００は障害動作モードを有している。かかる動作モードにおいて、コントローラ３４０は、ハイブリッドモジュール４００及び／又は蓄積装置４１０に障害があるかを判断する。かかる障害が検出された場合、コントローラ３４０は、エンジン／発電機の組み合わせだけを用いて、システム３００によって利用される、外部負荷のための電力を供給する。かかる動作モードにおいて、システム３００は、従来の非ハイブリッドエンジン駆動溶接機／電力供給のように動作してもよい。更に、障害が検出された場合、コントローラ３４０は、障害メッセージをユーザインターフェース上に表示させて、ユーザに障害を通知してもよい。更に、コントローラ３４０は、全ての動作をロックアウトさせるか、使用できなくさせてもよく、これは蓄積装置４１０の使用を必要とするであろう。例えば、溶接／切断プロセスが、発電機３３０及び蓄積装置４１０からの両方の電力供給が適切に実行されることを必要とした場合、コントローラ３４０は、そのプロセスが開始されないよう防ぎ、エラーメッセージを使用に対して提供してもよい。
【００３１】
上記の検討は、主に、溶接及び切断作業に重点を置いたことに留意されたいが、システムは他の作業及び負荷種類に対しても同様に用いられてもよい。
【００３２】
本出願の主張する主題を、ある特定の実施形態を参照して説明してきたが、様々な変更が行われてもよく、主張する主題の適用範囲から逸脱することなく、均等物が代用されてもよいことは、当業者によって理解されるであろう。加えて、多くの変形例が、特定の状況又は材料を、その適用範囲から逸脱することなく主張する主題の教示に適合させるよう、作成されてもよい。従って、主張する主題は開示した特定の実施形態に限定されないことを意図しているが、主張する主題が、添付特許請求の範囲の適用範囲内に入る全ての実施形態を含むことを意図している。
【符号の説明】
【００３３】
１００  溶接機
１０１  前面
１０３  ユーザ入力制御部
１１０  ハウジング
１２０  出力コンセント
２００  エンジン
２００’  エンジン駆動溶接システム
２０２  駆動軸
２１０  発電機
２２０  整流充電調整器
２３０  バッテリシステム
２３２  フィードバック信号
２４０  チョッパーモジュール溶接出力部
２５０  溶接制御部
２５２  信号
２５４、２７２  配線
２６０  直流フィルターチョーク
２７０  エンジン制御システム
２８０  開路検出器
２９０  溶接出力
３３１  三相発生回路
３００  ハイブリッドエンジンシステム
３１０  エンジン
３１１  エンジン点火システム
３２０  オルタネータ
３２５  １２ボルトエンジン始動バッテリ
３３０  発電機
３３１’、３３３’  補助コンセント電力回路
３３３  単相発生回路
３３５  一次出力電力発生回路
３４０  コントローラ／ユーザインターフェース回路
３５０  整流ブリッジ
３６０  出力回路
３７０  ハイブリッドダッシュボードユーザインターフェース
３８０  絶縁型充電器システム
３８５  充電回路
３９０  電力調整回路
４００  ハイブリッドモジュール
４１０  発電エネルギー蓄積装置
【図１】
2018026349.tif 000002
【図２】
2018026349.tif 000003
【図３】
2018026349.tif 000004
【外国語明細書】
2018026349000001.pdf