JP2010206978A - バッテリ駆動式建設機械の充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ駆動式建設機械のバッテリに充電する際に、電力仕様として設定されている最大需要電力を超えない範囲で、有効かつ効率的電力供給を行うようにする。
【解決手段】バッテリ駆動式の油圧ショベル１にはアクチュエータを駆動するためのバッテリ３０が搭載され、このバッテリ３０には、商用電源４０からの受電機構４１に接続した充電装置３２からの電力が供給されるが、充電装置３２には入力パネル４２が設けられて、受電機構４１に設定されている電力仕様に関するデータが入力され、このようにして入力された電力仕様のデータに基づいて、出力電流演算手段４４を構成する電流閾値演算部４６Ａ，４６Ｂにより出力電流の閾値が演算され、電流制限手段４７を構成する制御回路４８に記憶させた出力電流の閾値を超えないように、主電力トランジスタ４９により充電装置３２の出力電流が制御される。
【選択図】図３

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械であって、バッテリを駆動源として複数のアクチュエータを駆動する構成としたバッテリ駆動式建設機械において、このバッテリを充電するために用いられるバッテリ駆動式建設機械の充電装置に関するものである。

建設機械の一例としての油圧ショベルは、左右の履帯を有する下部走行体に旋回装置を介して上部旋回体が旋回可能に設置されている。そして、上部旋回体には、ブーム，アーム及びバケットからなり、土砂の掘削等といった作業を行う作業手段が設けられている。また、上部旋回体には、機械の操作を行うオペレータが搭乗する運転室も設けられている。

下部走行体は、走行モータにより駆動され、また旋回装置には旋回モータが装着される。作業手段は、それぞれブームシリンダ，アームシリンダ，バケットシリンダというように、油圧シリンダにより駆動されるものである。従って、モータ及び油圧シリンダは機械のアクチュエータを構成し、各アクチュエータを作動させることにより、車両の走行、上部旋回体の旋回、作業手段による作業が実行される。ここで、複数設けられているアクチュエータとして、モータは電動モータ若しくは油圧モータを用いることができる。一方、作業手段を駆動するのは油圧シリンダである。従って、油圧ショベルには油圧ポンプが設けられる。このように、油圧ポンプを有することから、走行モータや旋回モータは、電動モータから構成することができ、また油圧モータで構成することもできる。

建設機械の動力源としては、原動機としてのエンジンを用いたエンジン駆動式のものが従来から広く用いられている。しかしながら、近年における排ガス規制，騒音の低減についての要請等の観点から、電気駆動式のものが開発され、実用化も図られるようになってきている。電気駆動式という場合、電源を外部に求める外部電源式のものがあるが、この方式では、車両と外部電源との間は常に電源コードで接続しなければならず、作業性が悪いという問題点がある。

以上のことから、車両にバッテリを搭載して、このバッテリを駆動源とするバッテリ駆動式の建設機械が実用化されつつある。ただし、建設機械にあっては、高負荷状態で長時間稼働することから、駆動用のバッテリは大容量のものとなり、バッテリで全動力を賄うには、建設機械の上部旋回体には載置できないサイズのバッテリを用いなければならなくなる。従って、排ガスや騒音等の環境対策のためには、バッテリのみを駆動源とした完全な電動式のものが望ましいが、バッテリの設置スペース等の制約から、実用化についてはバッテリとエンジンとを併用したハイブリッド式の建設機械が先行している。ここで、建設機械には、制御用の電源としてのバッテリも搭載されているが、この制御用のバッテリは建設機械に設置した発電機を用いて蓄電されるものであり、以下の説明でバッテリという場合、商用電源からの電力の供給を受けて充電されて、アクチュエータを駆動するための駆動源として用いられるバッテリを言う。

このように、建設機械に搭載されているバッテリは充電装置と接続して充電されるものであって、充電装置は電力会社が提供する商用電源から電力の供給を受けるものである。ここで、土木・建設工事の現場では、様々な電動機械器具が用いられ、また種々の設備に電源を供給することから、受電機構がシステムとして構築され、電力会社と個別的に受電契約を締結することになる。従って、受電機構のシステムが構築されると、バッテリへの給電用の充電装置もこの受電機構に組み込まれることになり、充電装置からのケーブルをバッテリ駆動式建設機械に接続することで、バッテリに電力が供給されて充電が行われる。充電装置の一例としては、例えば特許文献１に開示されているように、商用電源からの交流電力を直流電力に変換してバッテリに供給される。従って、バッテリ駆動式建設機械においては、充電装置からのプラグイン方式で、夜間等のように、作業を行わない時間帯にバッテリへの電力供給が行われることになる。

特開２００８−８６１５５号公報

土木・建設現場において構築された受電機構をシステムにおける電力会社との間での契約による料金体系は、最大需要電力に基づいて設定されるものである。従って、コスト低減の観点から、各々の土木・建設現場における種々の条件を勘案して、最大需要電力が設定され、消費電力はこの最大需要電力を超えないように制限され、この範囲内で、電力を有効に活用することによって、工事を円滑に施工することになる。

バッテリの充電のために、充電装置における電力容量を最大限に利用すれば、充電時間を短縮することができるが、そうすると前述した最大需要電力を超えてしまう可能性がある。一方、充電装置の電力容量を仕様により設定されている電力容量より低い状態で使用すると、その分だけ充電時間が長時間化して、充電効率が低下することになる。以上のことから、バッテリに充電を行う際には、電力仕様により設定されている最大需要電力を超えない範囲で、しかも効率的な充電を行うようにする必要があり、このために充電装置における出力設定をその都度変更するのは面倒であり、しかも設定変更を怠ることによる不都合の発生を排除できないことがある。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、バッテリ駆動式建設機械のバッテリに充電する際に、電力仕様として設定されている最大需要電力を超えない範囲で、有効かつ効率的電力供給を行うようにすることにある。

前述した目的を達成するために、本発明は、建設機械に搭載したバッテリに受電機構から電力を供給するために、充電装置本体と、この充電装置本体から引き出されて、前記バッテリに着脱可能に接続されるケーブルとを備えたバッテリ駆動式建設機械の充電装置であって、前記受電機構に設定されている電力仕様に関するデータを入力する入力手段と、前記入力手段により設定した電力仕様に基づいて、出力電流の閾値を演算する出力電流演算手段と、前記出力電流演算手段からの出力信号に基づいて、出力電流の閾値を超えないように出力電流を制限する制御回路を備えた電流制限手段とを含む構成としたことをその特徴とするものである。

ここで、充電装置からバッテリを充電する際には、商用電源である交流電流を直流電流に変換して、バッテリの電力容量に見合う電力を供給する。一方、受電機構には電気方式や最大需要電力等の電力仕様が設定されており、この電力仕様により供給される電力に制限が加えられる。充電装置によるバッテリの充電の際には、当然、受電機構における電力仕様による制限を受ける。電力会社との契約では、最大需要電力が設定され、実際に消費した電力容量に応じて課金されることから、使用する電気容量が大きいと、その分だけ電気料金が高くなってしまう。従って、バッテリの充電は、受電機構による電力仕様による制限の範囲内で、最も効率的に行えるようにする必要がある。このために、充電装置にこの受電機構による電力仕様のデータを予め入力しておく。そして、このデータに基づいて出力電流の閾値を設定するようになし、充電時の出力電流がこの閾値を超えないように制限し、その範囲で最も効率的にバッテリへの充電を行う。

受電機構における電力仕様が変わらなければ、バッテリの充電を行う毎に、その電力仕様についてのデータを入力する必要はない。従って、充電装置の電流制限手段の制御回路にこのデータを記憶させておくのが望ましい。ただし、受電機構の電力仕様は、建設工事現場により異なっていることもあり、ある建設工事現場から他の建設工事現場に充電装置を移動させると、電力仕様を記憶・保存している手段に記憶・保持されているデータを変更しなければならなくなる。そこで、充電装置は、その設置場所を移動させたときには、それまでに電力仕様記憶手段に記録・保持されている電力仕様に関するデータを消去して、改めてデータの入力を必要とするように設定する構成とすると、データ変更の懈怠による不都合が回避される。

バッテリ駆動式建設機械において、充電装置によりバッテリへの充電を、電力仕様として設定されている最大需要電力を超えないように制御し、もってその制限範囲内で効率的に行うことができる。

本発明によるバッテリ駆動式建設機械の一例としての油圧ショベルを、そのバッテリの充電装置と共に示す全体構成図である。 図１の油圧ショベルの駆動機構の構成説明図である。 充電装置における出力電流の制御機構の構成説明図である。 図３の充電装置におけるデータの入力手段の構成を示す説明図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。まず、図１に建設機械の一例として油圧ショベルを示す。なお、本発明の建設機械は油圧ショベルに限定されるものではないことはいうまでもない。

図中において、１は油圧ショベルを示し、油圧ショベル１は、左右にクローラ式走行手段２を有する下部走行体３と、下部走行体３に旋回装置４を介して設けた上部旋回体５とから構成され、上部旋回体５にはオペレータが搭乗する運転室６及び各種の機械・器具類を収納した機械室建屋７が設けられている。また、上部旋回体５には、作業機８が装着されており、この作業機８は、土砂の掘削等といった作業を行うためのものであり、ブーム９，アーム１０及び交換可能なフロントアタッチメントとしてのバケット１１から構成される。

左右一対からなるクローラ式走行手段２は、スプロケット１２とアイドラ１３との間に巻回して設けた履帯１４を有するものであり、スプロケット１２はモータ２０で回転駆動される。また、旋回装置４は、上部旋回体５を旋回させるものであり、やはりモータ２１で駆動される。さらに、作業機８には、ブームシリンダ２２，アームシリンダ２３及びバケットシリンダ２４が設けられており、これら各シリンダ２２〜２４を駆動することによって、土砂の掘削等の作業が実行される。

図２に、前述した各駆動手段の駆動制御機構の構成を示す。走行用のモータ２０、具体的にはクローラ式走行手段２は左右に設けられており、図２に符号２０Ｒ，２０Ｌで示したように、走行用のモータは２個設けられる。これら走行用モータ２０Ｒ，２０Ｌは電動モータである。また、旋回用のモータ２１も電動モータである。作業機８の駆動手段であるシリンダ２２〜２４は油圧シリンダであり、これらシリンダ２２〜２４に圧油を供給するために、油圧ポンプ２５が設けられており、この油圧ポンプ２５は電動式のモータ２６で駆動される。従って、モータ２０Ｒ，２０Ｌ，２１と、シリンダ２２〜２４とは油圧ショベル１のアクチュエータである。そして、モータ２０Ｒ，２０Ｌ，２１及び２６には、それぞれインバータ２７Ａ〜２７Ｄが接続されており、これらインバータ２７Ａ〜２７Ｄに電力を供給するために、機械室建屋７にバッテリ３０が設けられ、このバッテリ３０と各インバータ２７Ａ〜２７Ｄとの間は電気的に接続されている。なお、バッテリ３０のみを設けているが、このバッテリ３０と共にエンジンも設置するようにしても良い。

インバータ２５〜２９は制御装置３１からの信号に基づいて制御される。そして、図示は省略するが、運転室６には左右の走行用、旋回用及びブーム操作用，アーム操作用，バケット操作用の各操作レバーが設けられており、これら各操作レバーの操作信号が制御装置３１に取り込まれるようになっており、これら各操作レバーの操作信号に基づいてインバータ２５〜２９の制御が行われる。

バッテリ３０に電力供給するために、充電装置３２が所定の位置に固定的に設置されている。この充電装置３２は、充電装置筐体３３ａからケーブル３３ｂを引き出す構成としたものであり、ケーブル３３ｂは油圧ショベル１の上部旋回体５に設けた接続部１５に着脱可能に接続されるようになっている。このように、ケーブル３３ｂを接続部１５に接続することによって、バッテリ３０に電力が供給されて、充電が行われることになる。接続部１５には切換器３４が接続されており、この切換器３４は、制御装置３１からの制御信号に基づいて、バッテリ３０をインバータ２７Ａ〜２７Ｄに接続する状態と、接続部１５と接続する状態とに切り換える制御が行われる。バッテリ３０がインバータ２７Ａ〜２７Ｄに接続されると、モータ２０Ｒ，２０Ｌ，２１及び２６に電源が供給されて、油圧ショベル１は可動状態となる。また、バッテリ３０が接続部１５に接続されると、バッテリ３０を充電する状態となる。

充電装置３２には、商用電源４０からの電力が受電機構４１を介して供給されるようになっている。この受電機構４１には、充電装置３２だけでなく、作業現場において使用される各種の電動機器等の電源としても利用される。ここで、受電機構４１には電力会社との契約により所定の電力仕様が設定されている。バッテリ３０は、受電機構４１から給電を受ける他の電動機器等と比較して、電力消費量が遥かに大きいものであり、受電機構４１において設定されている電力仕様を超える電力容量となる場合がある。そこで、充電装置３２には、受電機構４１において設定されている電力仕様のうちの必要なデータを入力して、バッテリ３０への充電時における出力電流が電力仕様において設定されている出力電流の閾値を超えないように制御する構成としている。

このために、充電装置３２には、図３に示した出力電流制御機構を備えている。この出力電流制御機構は、入力手段としての入力パネル４２と、入力データが表示される表示部４３とが設けられている。入力パネル４２には、図４に示したように、０〜９までの数値を入力するテンキーと、設定ボタン及び消去ボタンとが設けられており、また表示部４３には、仕様により設定された電圧の最大値と、電力容量の最大値と、電気方式としての相数とが表示されるようになっている。一方、表示部４３に選択ボタンが設けられており、選択ボタンは電圧設定ボタンと、電力容量設定ボタン及び相数設定ボタンとから構成されている。また、これらの選択ボタンと並んで数値が表示される数値表示部が設けられている。従って、例えば電圧設定ボタンを押して、テンキーで数値を入力し、設定キーを押すと、電力仕様において設定された電圧値の入力が行われる。これらの各キーやボタンはタッチパネル式で入力される。

入力パネル４２には出力電流演算手段４４が接続されており、この出力電流演算手段４４は分別回路４５と複数の電流閾値演算部とを含む構成となっている。入力パネル４２により入力された電圧値，電力容量値及び電気方式としての相数に関するデータが出力電流演算手段４４の分別回路４５に取り込まれる。そして、この分別回路４５では相数毎に出力電流の閾値を演算により求めるものであって、この場合には単相方式と三相方式との２種類があり、従って２個の電流閾値演算部４６Ａ，４６Ｂから構成されて、それぞれ単相方式と三相方式とのそれぞれの出力電流の最大値、即ち電流閾値が演算される。

出力電流演算手段４４には電流制限手段４７が接続されており、出力電流演算手段４４における各電流閾値演算部４６Ａ，４６Ｂで演算した電流閾値に関するデータはこの電流制限手段４７を構成する制御回路４８に入力されることになる。商用電源４０は受電機構４１を介して充電装置３２の主電力トランジスタ４９に接続されており、商用電源４０からの電力は、この主電力トランジスタ４９によるスイッチング動作により、制御回路４８から出力される閾値を超えないように制御された出力電流となった電力がバッテリ３０に供給されることになる。

バッテリ３０の充電が終了して、ケーブル３３ｂを接続部１５から脱着すると、油圧ショベル１は稼働できるようになる。ここで、制御回路４８には記憶手段が設けられている。従って、建設作業現場が変わらない限り、その後にも、前述した電流閾値に関するデータは制御回路４８の記憶手段に記憶・保持されるようになし、もって充電を行う度毎にデータを再入力する必要がなくなる。

ただし、受電機構４１における電力仕様は、当該油圧ショベル１が稼働する建設作業現場によっては一様ではないことから、一つの建設作業現場から搬出して、他の建設作業現場に移動させる際には、データを書き換える必要がある。このために、充電装置３２には、それが所定の位置に設置されている限りはＯＮの状態に保持されて、前述したデータを保持するようになっており、建設作業現場から搬出するために移動させると、その動きを検出して、出力電流演算手段４４を構成する各部、より具体的には電流閾値演算部４６Ａ，４６Ｂに記憶・保持されている出力最大電流に関するデータを消去するように構成している。このために、充電装置３２における底面部にはデータ消去用のスイッチ３５が設けられており、このスイッチ３５は充電装置３２の自重が作用しており、従って常時にはＯＮの状態となっており、充電装置３２がクレーン等を用いて充電装置３２が所定の位置から引き上げると、スイッチ３５がＯＦＦの状態になり、出力電流演算手段４４の電流閾値演算部４６Ａ，４６Ｂにおける記憶データの消去が行われる構成としている。

本実施の形態は以上のように構成されるものであって、油圧ショベル１にはバッテリ３０が搭載されており、このバッテリ３０からの電力で下部走行体３による走行、及び旋回装置４による上部旋回体５の旋回が行われ、さらに作業機８が駆動されて、土砂の掘削等の作業が行われる。このような作業を継続すると、電力が消費されて、バッテリ３０における蓄電残量が減少することから、蓄電量がゼロになる前に充電しなければならない。バッテリ３０の蓄電残量はバッテリチェッカを内蔵させる等により検出できる。従って、この検出信号に基づいて、充電が必要な程度にまで蓄電残量が低下すると、警報等によりオペレータに報知することができる。オペレータはこの警報に基づいてバッテリ３０の充電作業を行う。

ここで、バッテリ３０の充電を短時間で効率的に行うために、充電装置３２からの出力電流をバッテリの電力容量に基づく最大値とすることが望まれる。ただし、充電装置３２には受電機構４１を介して商用電源４０と接続され、この受電機構４１には所定の電力仕様が設定されており、最大電力容量が制限されている。従って、充電装置３２は、この受電機構４１の電力仕様により制限を受けるものであり、この電力仕様に関するデータは充電装置３２に予め入力されるようになっている。

即ち、入力パネル４２及びその表示部４３から、最大電圧、最大電力容量及び相数がタッチパネル方式で入力され、これらについての数値を入力して、設定ボタンを操作することによって、仕様に基づくデータが入力される。このようにして入力された各データは出力電流演算手段４４に取り込まれて、その分別回路４５によって、相数毎の最大電圧及び最大電力容量のデータに分別されて、それぞれ電流閾値演算部４６Ａ，４６Ｂで電流閾値が演算されて、それらのデータが電流制限手段４７の制御回路４８に取り込まれて、記憶されることになる。

ここで、電流閾値演算部４６Ａでは単相の場合の電流閾値の演算を行うものとし、電流閾値演算部４６Ｂでは三相の場合の電流閾値の演算を行うものとする。従って、電流閾値演算部４６Ａでは、電流閾値＝最大電力容量／最大電圧として演算され、また電流閾値演算部４６Ｂでは、電流閾値＝最大電力容量／√３／最大電圧が演算される。

このようにして制御回路４８には相数毎の電流閾値に関するデータが記憶されており、油圧ショベル１のバッテリ３０に充電を行うために、この油圧ショベル１を充電装置３２に近接する位置にまで走行させて、ケーブル３３ｂを接続部１５に接続することによって、バッテリ３０への充電が開始される。この充電時には、電流制限手段４７の主電力トランジスタ４９が作動して、そのスイッチング動作により供給電力が電流閾値で制限されることになり、従って受電機構に４１おいて設定されている電力仕様に応じた最大需要電力を超えない範囲で、バッテリ３０に最も効率的な充電が行われる。

バッテリ３０への充電が完了すると、接続部１５からケーブル３３ｂを脱着させるが、このときに充電装置３２において記憶されている前述した各種のデータはそのまま保持される。従って、繰り返し行われる充電時にも前述と同じ制御がなされることになる。

ところで、受電機構４１の電力仕様は、各々の建設工事現場によって、それぞれの規模や工期等に基づいて個別的に設定されることから、充電装置３２を別の建設工事現場に設置するに当っては、その建設工事現場における受電機構４１に設定されている電力仕様に合わせる必要がある。充電装置３２は、原則として一つの現場では場所を移すことはないが、別の現場に搬入する際には、クレーン等を用いて、充電装置３２を持ち上げて搬送することになる。充電装置３２の充電装置筐体３３ａには制御回路４８において、記憶されている電流閾値に関するデータを保持するために、スイッチ３５が設けられており、このスイッチ３５はＯＮ状態となっていると、前述したデータが保持されるが、スイッチ３５がＯＦＦの状態になると消去されるように構成されている。従って、クレーンで充電装置３２の充電装置筐体３３ａを吊り上げたときには、スイッチ３５がＯＦＦの状態になり、このために制御回路４８に記憶されているデータが消去されることになり、改めて入力することが必要になる。

そこで、充電装置３８は、データの入力がなされない限り、作動状態とはならないように設定しておくことが望ましい。これによって、建設工事現場を変える毎に、懈怠なく新たな現場の電力仕様に対応できるデータの書き込みがなされることになる。従って、単一の充電装置３２を電力仕様の異なる複数の建設工事現場に使い回す際に、その充電装置３２が受電機構４１の電力仕様の範囲内で最大限に充電能力を発揮することになる。

１ 油圧ショベル １５ 接続部
３０ バッテリ ３３ｂ ケーブル
３５ スイッチ ４０ 商用電源
４１ 受電機構 ４２ 入力パネル
４３ 表示部 ４４ 出力電流演算手段
４５ 分別回路 ４６Ａ，４６Ｂ 電流閾値演算部
４７ 電流制限手段 ４８ 制御回路
４９ 主電力トランジスタ

Claims (3)

1. 建設機械に搭載したバッテリに受電機構から電力を供給するために、充電装置本体と、この充電装置本体から引き出されて、前記バッテリに着脱可能に接続されるケーブルとを備えたバッテリ駆動式建設機械の充電装置であって、
   前記受電機構に設定されている電力仕様に関するデータを入力する入力手段と、
   前記入力手段により設定した電力仕様に基づいて、出力電流の閾値を演算する出力電流演算手段と、
   前記出力電流演算手段からの出力信号に基づいて、出力電流の閾値を超えないように出力電流を制限する制御回路を備えた電流制限手段と
   を含む構成としたことを特徴とするバッテリ駆動式建設機械の充電装置。
2. 前記電流制限手段の制御回路には、前記入力手段により入力された電力仕様に関するデータを記憶・保持する手段を備えることを特徴とする請求項１記載のバッテリ駆動式建設機械の充電装置。
3. 前記充電装置本体を、その設置位置から移動させる際に、前記電力仕様記憶手段に記憶・保持されている電力仕様に関するデータを消去する手段を備える構成としたことを特徴とする請求項２記載のバッテリ駆動式建設機械の充電装置。

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