(57)【要約】【課題】外部電源とバッテリの一方又は両方で電動モータを駆動させる駆動モードと、外部電源によるバッテリの充電のみが行われる充電モードとを有する電動式作業機械を提供する。【解決手段】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、インバータ６３により電力を供給され制御される電動モータ７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。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電源の交流電源電圧を直流電源電圧に交換する給電器と、前記給電器からの電力を充電または放電するバッテリと、直流電源電圧を交流電源電圧に交換するインバータと、前記インバータにより電力を供給され制御される電動モータと、前記給電器から前記インバータに電力を供給する第１の電路と、前記バッテリから前記第１の電路に合流する第２の電路と、前記第１の電路と前記第２の電路の合流点と前記インバータの間に配置されたインバータリレーと、前記合流点と前記バッテリの間に配置されたバッテリリレーと、前記合流点と前記給電器の間に配置された給電器リレーと、を備えた電動式作業機械。
【請求項２】
前記インバータリレー及び前記給電器リレーの接点が接触し、前記バッテリリレーの接点が離れることによって構成される第１電源モードと、前記インバータリレー、前記給電器リレー、及び前記バッテリリレーの接点が接触することによって構成される第２電源モードとを備え、前記第１電源モードにおいて、前記給電器は、前記インバータの定格電圧に基づいて制御され、前記第２電源モードにおいて、前記給電器は、前記外部電源の上限値から定まる定格電流になるように制御される、請求項１に記載の電動式作業機械。
【請求項３】
前記第１電源モードにおいて、前記インバータの出力の上限値は、前記外部電源の供給できる電流に応じた閾値に設定される、請求項１又は２に記載の電動式作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動式作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
下記特許文献２には、商用電源およびバッテリで駆動する電動式ショベルとして、商用電源を外部電源として、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、外部電源からバッテリの充電のみを行うモードと、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、バッテリから電動モータにいたる電路に配置されたスイッチと、バッテリと外部電源にいたる電路に配置されたスイッチと、前記モードに移行するための前記スイッチの入・切を含めた操作条件が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２８７１５号公報
【特許文献２】特開２００８−３０８８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。一方、特許文献２では、商用電源のみで電動モータを駆動するモードは存在しない。また、特許文献２では、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において、通常、電路の設計上電動モータの駆動をバッテリでも外部電源でも行うことができるが、バッテリに異常が生じた場合、作業を継続することができないという問題があった。さらに、バッテリのみを駆動源とするバッテリモード時にＳＯＣ（State of charge）が下限値に達した場合、作業ができなくなるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、外部電源とバッテリの一方又は両方で電動モータを駆動させる駆動モードと、外部電源によるバッテリの充電のみが行われる充電モードとを有する電動式作業機械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】
本発明の電動式作業機械は、外部電源の交流電源電圧を直流電源電圧に交換する給電器と、前記給電器からの電力を充電または放電するバッテリと、直流電源電圧を交流電源電圧に交換するインバータと、前記インバータにより電力を供給され制御される電動モータと、前記給電器から前記インバータに電力を供給する第１の電路と、前記バッテリから前記第１の電路に合流する第２の電路と、前記第１の電路と前記第２の電路の合流点と前記インバータの間に配置されたインバータリレーと、前記合流点と前記バッテリの間に配置されたバッテリリレーと、前記合流点と前記給電器の間に配置された給電器リレーと、を備えたものである。
【０００８】
本発明において、前記インバータリレー及び前記給電器リレーの接点が接触し、前記バッテリリレーの接点が離れることによって構成される第１電源モードと、前記インバータリレー、前記給電器リレー、及び前記バッテリリレーの接点が接触することによって構成される第２電源モードとを備え、前記第１電源モードにおいて、前記給電器は、前記インバータの定格電圧に基づいて制御され、前記第２電源モードにおいて、前記給電器は、前記外部電源の上限値から定まる定格電流になるように制御されるものでもよい。
【０００９】
本発明において、前記第１電源モードにおいて、前記インバータの出力の上限値は、前記外部電源の供給できる電流に応じた閾値に設定されるものでもよい。
【００１０】
本発明によれば、インバータリレー、バッテリリレー、及び給電器リレーを切り換えることにより、外部電源とバッテリの一方又は両方で電動モータを駆動させる駆動モードと、外部電源によるバッテリの充電のみが行われる充電モードとを実現することができる。また、外部電源のみから電動モータに給電することができるため、バッテリの使用頻度を減らすことができ、バッテリの寿命を延ばすことができる。さらに、バッテリが異常状態になった場合にも、外部電源のみにより作業を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る電動式作業機械を示す側面図である。
【図２】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。
【図３Ａ】第１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。
【図３Ｂ】第２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。
【図３Ｃ】第３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。
【図３Ｄ】第４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。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
［電動式作業機械の構成］
まず、図１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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
［電源システムの構成］
図２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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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７１を作動させる。なお、図２では、油圧ポンプ７１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。
【００２５】
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。
【００２６】
電源システム６は、図３Ａ〜図３Ｄに示す複数の電源モードを備える。電源システム６は、図３Ａ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（第１電源モードに相当する）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。
【００２７】
また、電源システム６は、図３Ｂ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２電源モードに相当する）を構成することができる。
【００２８】
また、電源システム６は、図３Ｃ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３電源モード）を構成することができる。
【００２９】
また、電源システム６は、図３Ｄ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（第４電源モード）を構成することができる。
【００３０】
商用電源５のみで電動モータ７を駆動する商用電源モードでは、給電器６１は、インバータ６３の定格電圧に基づいて制御されるのが好ましい。すなわち、給電器６１は、インバータ６３の定格電圧に合わせてインバータ６３に直流電圧を供給するように制御される。給電器６１の制御は、システムコントローラ６７からの指令により行われる。
【００３１】
また、商用電源モードにおいて、インバータ６３の出力の上限値は、商用電源５の供給できる電流に応じた閾値に設定されるのが好ましい。通常、商用電源５は、ブレーカにより電流の上限値が規定されている。そのため、インバータ６３の出力する電流の上限値を、商用電源５の供給できる電流に応じた閾値に定めることで、商用電源５のブレーカが落ちるのを防止でき、安定的に作業を行うことができる。インバータ６３は、システムコントローラ６７からの指令に応じて出力を制御することができる。インバータ６３の出力の上限値は、スイッチ、液晶パネル等の出力上限設定部６８により入力されて設定される。
【００３２】
また、バッテリ６２と商用電源５で電動モータ７を駆動する２ｗａｙモードでは、給電器６１は、商用電源５の上限値から定まる定格電流になるように制御されるのが好ましい。バッテリ６２と商用電源５から電動モータ７に給電する際、回路の電圧はバッテリ６２の電圧により定まるため、給電器６１は商用電源５の上限値から定まる定格電流を供給することができる。これにより、安定的に作業を行うことができる。
【００３３】
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４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（第１電源モード）となる。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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３電源モード）を実現することができる。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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（第４電源モード）を実現することができる。
【００４１】
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。
【００４２】
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３電源モード）となる。
【００４３】
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２電源モード）を実現することができる。
【００４４】
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。
【符号の説明】
【００４５】
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
６ａ  第１の電路
６ｂ  第２の電路
６ｃ  合流点
６１    給電器
６２    バッテリ
６３    インバータ
６４    インバータリレー
６５    バッテリリレー
６６    給電器リレー
７    電動モータ
７１    油圧ポンプ
【図１】
2019190104.tif 000003
【図２】
2019190104.tif 000004
【図３Ａ】
2019190104.tif 000005
【図３Ｂ】
2019190104.tif 000006
【図３Ｃ】
2019190104.tif 000007
【図３Ｄ】
2019190104.tif 000008
【図４】
2019190104.tif 000009