JP2009197514A

JP2009197514A - 電気駆動式作業機械

Info

Publication number: JP2009197514A
Application number: JP2008041811A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Watanabe; 豊渡辺; Toshihiro Kimura; 敏宏木村
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】信頼性に優れ、かつ限られたバッテリ容量を有効利用して作業量や稼働時間を延長できる電気駆動式作業機械を提供する。
【解決手段】アクチュエータの主動力源である電動モータ１０３，１０６と、当該電動モータ１０３，１０６の駆動電源であるバッテリ２０とを搭載した電気駆動式作業機械において、制御装置１００を備え、バッテリ２０のバッテリ電圧を計測し、計測されたバッテリ電圧からバッテリ２０のバッテリ残量を判定し、バッテリ残量の判定結果に応じてアクチュエータの最大出力を変更する。
【選択図】図６

Description

本発明は、バッテリを駆動電源としてアクチュエータの主動力源である電動モータの駆動を行う電気駆動式作業機械に係り、特に、限られたバッテリ容量を有効利用して、作業量や稼働時間を延長する手段に関する。

従来、油圧ポンプの駆動源として電動モータを搭載し、この電動モータに車載バッテリから電力を供給して、必要な油圧アクチュエータを駆動する電気駆動式作業機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の技術は、バッテリを搭載したショベルに関するものであって、バッテリからインバータを介して複数の電動モータに電力を供給し、これらの各電動モータにより油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプから吐出される圧油をリンク機構に備えられたアクチュエータのシリンダに供給して、掘削などの作業を行なうものである。ショベルには、バッテリの残量（電源容量）を検出する手段が備えられており、この残量が減少して予め設定された閾値に達したことが検知されると、バッテリからの電力供給を制限してアクチュエータの作動を制限すると共に、その旨を知らせる警報を発する警報手段が設けられている。この閾値はショベルが自力で充電施設まで移動できる程度のバッテリ残量を表わすものであり、警報の発生と共にショベルを充電施設まで移動させることにより、ショベルが立ち往生するのを防止できるようにしている。

この種のバッテリ搭載型の電気駆動式作業機械は、排ガスを全く排出せず、騒音及び振動も大幅に低減できるので、エンジン排気を行なうことができない地下での作業や騒音及び振動に規制が課される市街地での作業に適するほか、商用電源を利用するタイプの電気駆動式作業機械とは異なり、電源と電動モータとを電力ケーブルを介して接続する必要がないので、作業機械の移動や旋回が電源ケーブルに制限されないという長所を有する。

ところで、ショベルなどの大型の作業機械を駆動するような大容量の出力を有するバッテリは、高価であるばかりでなく、エンジンの駆動に使用される軽油に比べて重量当たりのエネルギ出力も低いので、車載できる限られた容量のバッテリを如何に有効利用して作業量や稼働時間を延ばすかが大きな問題になる。

特許文献２には、かかる課題を解決する手段として、バッテリ容量の増減を監視手段により監視し、この監視結果に基づいて予め設定した領域ごとに作業機器への出力の増減を制御して当該作業機器を駆動させる技術が開示されている。
特開平１１−１０７３２０号公報特開２００４−１８９４０９号公報

しかしながら、特許文献２に開示の技術は、バッテリに残存している電源容量に応じて作業機器への出力の増減を制御するものであるので、例えばショベルのようにバッテリにかかる負荷の変動が大きい作業機械に適用すると、バッテリにかかる負荷が大きい場合には、仮に電源容量値が十分であっても十分なバッテリ出力が得られず、アクチュエータが正常に動作しないなどの不都合を生じ得る。また、このことから、負荷の大きさに拘わらずアクチュエータを正常に動作させるためには、必要以上に大きな電源容量値を閾値として設定しなくてはならず、電源容量を有効に利用できないという問題もある。

本発明は、かかる従来技術の問題を解消するためになされたものであり、その目的は、信頼性に優れ、かつ限られたバッテリ容量を有効利用して作業量や稼働時間を延長できる電気駆動式作業機械を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、アクチュエータと、アクチュエータの主動力源である電動モータと、電動モータの駆動電源であるバッテリとを搭載した電気駆動式作業機械において、前記バッテリのバッテリ電圧を計測するバッテリ電圧計測手段と、当該バッテリ電圧計測手段により計測されたバッテリ電圧から前記バッテリのバッテリ残量を判定するバッテリ残量判定手段と、当該バッテリ残量判定手段の判定結果に応じて前記アクチュエータの最大出力を変更する出力制御手段とを備えたことを特徴とする。

上述のように、ショベルなどの作業機械は、稼働状況に応じてバッテリにかかる負荷が大きく変動するので、搭載されたバッテリの電源容量を計測して、仮に十分な電源容量があると判定された場合にも、バッテリにかかる負荷が大きく、したがって電圧降下が大きい場合には、十分なバッテリ出力が得られず、アクチュエータを正常に動作させることができない。また、このことから、バッテリの電源容量を十分に利用することができない。これに対して、バッテリ残量としてバッテリ電圧を計測すると、バッテリにかかる負荷に応じた電圧降下を考慮してアクチュエータの最大出力を変更するための閾値を設定することができるので、常にバッテリ残量に応じた適正な出力を得ることができ、アクチュエータを設定された最大出力（最大トルク又は最大速度）の範囲内で正常に動作させることができる。また、負荷時の電圧降下を考慮して適正な閾値を設定できることから、バッテリの電源容量を無駄なく十分に利用できて、作業量や稼働時間の延長を図ることができる。

本発明は第２に、前記第１の電気駆動式作業機械において、前記バッテリ残量判定手段には、前記バッテリの最大負荷時におけるアクチュエータ駆動限界電圧と、当該アクチュエータ駆動限界電圧よりも高い値に設定された閾値とが記憶されており、前記バッテリ残量判定手段は、前記バッテリ電圧計測手段により計測されたバッテリ電圧と前記閾値とを比較して前記バッテリ残量を判定し、前記出力制御手段は、前記バッテリ残量判定手段が、前記計測されたバッテリ電圧は前記閾値以下に低下していると判定した場合に、前記アクチュエータの最大出力を前記計測されたバッテリ電圧が前記閾値を超えて大きい場合よりも低い値に制限することを特徴とする。

かかる構成によると、アクチュエータに負荷がかかった場合の電圧降下を考慮した最適な閾値を設定することができるので、アクチュエータの正常な動作を確保できると共に、電源容量の有効利用を図ることができる。

本発明は第３に、前記第１の電気駆動式作業機械において、前記バッテリ残量判定手段に前記閾値を多段階又は無段階に設定し、前記バッテリ残量判定手段により前記計測されたバッテリ電圧が前記多段階又は無段階に設定された閾値のどの段階にあるのかを判定し、前記出力制御手段は、前記バッテリ残量判定手段の判定結果に応じて前記アクチュエータの最大出力を変更することを特徴とする。

かかる構成によると、バッテリ残量の減少に応じてアクチュエータの最大出力を段階的又は無段階的に制限することができるので、アクチュエータの出力制限をより厳密に行うことができて、より一層適格に電源容量の有効利用を図ることができる。

本発明は第４に、前記第１の電気駆動式作業機械において、前記バッテリ残量判定手段には、前記バッテリの最大負荷時におけるアクチュエータ駆動限界電圧と、当該アクチュエータ駆動限界電圧よりも高い値に設定された閾値とが記憶されており、前記バッテリ残量判定手段は、前記バッテリ電圧計測手段により計測されたバッテリ電圧と前記閾値とを比較して前記バッテリ残量を判定し、前記出力制御手段は、前記バッテリ残量判定手段が、前記計測されたバッテリ電圧は前記閾値以下に低下していると判定した回数をカウントし、前記カウントの回数が増加するに従って前記アクチュエータの最大出力を段階的に低い値に制限することを特徴とする。

アクチュエータを駆動すると、バッテリに負荷がかかって電圧降下が起こり、アクチュエータの駆動を停止すると、バッテリにかかっていた負荷が除かれて電圧上昇が起こる。そして、バッテリ電圧は、このような電圧変動が起こるごとに低下する。したがって、電圧降下の累積回数をカウントし、この回数が増加するに応じてアクチュエータの最大出力を段階的に低い値に制限すると、アクチュエータ駆動限界電圧を超えてアクチュエータが駆動されることを防止できるので、作業機械の正常な動作を保障することができる。

本発明によると、バッテリ残量としてバッテリ電圧を計測するので、バッテリにかかる負荷に応じた電圧降下を考慮してアクチュエータの最大出力を変更するための閾値を設定することができ、常時バッテリ残量に応じた適正な出力でアクチュエータを駆動することができる。また、負荷時の電圧降下を考慮した適正な閾値の設定が可能になることから、バッテリの電源容量を無駄なく十分に利用できて、作業量や稼働時間を延長することができる。

〈第１実施形態〉
以下、本発明に係る電気駆動式作業機械の第１実施形態を、バッテリ式電動ショベルを例にとって説明する。

図１は実施形態に係るバッテリ式電動ショベルの充電時の状態を示す図であって、１はバッテリ式電動ショベル、２はバッテリ式電動ショベル１に充電用の電力を供給する電源供給部を示している。バッテリ式電動ショベル１は、上部旋回体１０と、下部走行体１１と、ブーム１２ａ、アーム１２ｂ及びバケット１２ｃを有するフロント部材１２と、上部旋回体１０の内部に搭載されたバッテリ２０とを含んで構成される。一方、外部電源供給部２は、商用の高圧電源や発電機などの外部電源２１と、バッテリ２０と外部電源２１とを接続する電力ケーブル２１ａとから構成される。

ブーム１２ａは、一端が上部旋回体１０にピン結合されており、このピン結合部を中心として垂直な面内で回転する。アーム１２ｂは、一端がブーム１２ａの先端部にピン結合されており、このピン結合部を中心として垂直な面内で回転する。バケット１２ｃは、一端がアーム１２ｂの先端部にピン結合されており、このピン結合部を中心として垂直な面内で回転する。これらの各フロント部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、各フロント部材毎に備えられた図示しないブーム用油圧シリンダ、アーム用用油圧シリンダ及びバケット用油圧シリンダを伸縮することによって回転動作するようになっており、運転者は、運転室に備えられた操作レバー等を操作し、これら各油圧シリンダを適宜伸縮することにより、掘削や積み込み等の所要の作業を行う。

上部旋回体１０と下部走行体１１との間には、旋回用電動モータ１０６（図２参照）によって回転される旋回輪１３が設けられており、運転者は運転室に備えられた操作レバー等を操作して旋回用電動モータ１０６を駆動し、これにより旋回輪１３を旋回することによって、上部旋回体１０を下部走行体１１上で回転する。また、下部走行体１１には、図示しない走行用油圧モータによって駆動される走行履帯１１ａが設けられており、運転者は運転室に備えられた操作レバー等を操作して走行用油圧モータを駆動し、これにより走行履帯１１ａを駆動することによって、バッテリ式電動ショベル１を前方又は後方に走行させる。なお、走行履帯１１ａ及びこれを駆動する走行用油圧モータは、下部走行体１１の左右両側にそれぞれ備えられる。

バッテリ式電動ショベル１には、前記各油圧シリンダ及び走行用油圧モータ（本明細書では、これらを総称して「油圧アクチュエータ」ということがある。）に圧油を供給する油圧ポンプ１０２及びこれを駆動する電動モータ１０３（図２参照）とが搭載されており、バッテリ２０は、この電動モータを含む車載電気機器の電源として用いられる。

上部旋回体１０には、電力ケーブル２１ａを接続するための図示しない外部電源接続口が設けられており、この外部電源接続口に外部電源供給源２の電力ケーブル２１ａを接続することにより、外部電源供給源２の外部電源２１をバッテリ２０の充電装置に接続できる。電力ケーブル２１ａは、外部電源接続口に対して着脱可能に構成されており、外部電源接続口に電力ケーブル２１ａが接続されたときには、充電装置を介してバッテリ２０が外部電源２１によって充電可能となり、バッテリ充電量が所定量以上になった後においては、このバッテリ２０が前記各アクチュエータの駆動電源となる。

図２は実施形態に係るバッテリ式電動ショベル１に搭載される電源管理部の構成を示すシステムブロック図であり、この図から明らかなように、本例の電源管理部は、制御装置１００と、バッテリ２０と、バッテリ電圧を計測するバッテリ電圧計測装置２２と、バッテリ電圧を含む必要な情報を運転者に表示する表示装置１０１と、下部走行体１１を駆動する走行用油圧モータ並びにブーム１２ａを駆動するブーム駆動用油圧シリンダ、アーム１２ｂを駆動するアーム駆動用油圧シリンダ及びバケット１２ｃを駆動するバケット駆動用油圧シリンダに圧油を供給する油圧ポンプ１０２と、油圧ポンプ１０２を駆動する第１電動モータ１０３と、第１電動モータ１０３に交流電流を供給する第１インバータ１０４と、下部走行体１１に対して上部旋回体１０を旋回させる旋回用電動モータ（第２電動モータ）１０６と、第２電動モータ１０６に交流電流を供給する第２インバータ１０７と、外部電源２１が接続されるバッテリ２０の充電装置１０８と、制御装置１００からの制御信号によりバッテリ式電動ショベル１の駆動電源をバッテリ２０又は外部電源２１若しくはこれらの双方に切り換える電源切換部１０９とからなる。

制御装置１００は、図２及び図３に示すように、運転者がバッテリ式電動ショベル１の起動・スタート・停止のために操作する図示しないキースイッチから出力されるキースイッチ信号ＳＤ１、運転者が作業を実行するために操作する操作レバーから出力されるレバー操作量信号ＳＤ２、運転者が操作レバーの誤操作を防止するために操作するロックレバーから出力されるロックレバー信号ＳＤ３、バッテリ電圧計測装置２２から出力されるバッテリ残量信号ＳＤ４、及び電力ケーブル２１ａが外部電源接続口に接続されたときに充電装置１０８から出力される外部電源接続信号ＳＤ５を入力する入力部１１０と、表示装置１０１に表示する表示データ信号ＳＣ１、第１及び第２のインバータ１０４，１０７に印加するアクチュエータ指令信号ＳＣ２，ＳＣ３、及び電源切換部１０９に印加する電源切換信号ＳＣ４を出力する出力部１２０と、バッテリ電圧計測装置２２により計測されたバッテリ電圧に基づいてバッテリ２０の残量（バッテリ残量）を判定すると共に、判定されたバッテリ残量に応じて、前記各油圧アクチュエータの最大出力（最大トルク又は最大速度等）を変更する判定・制御部１３０と、バッテリ残量の閾値とバッテリ残量が当該閾値以上である場合の前記各アクチュエータの最大出力とバッテリ残量が当該閾値以下である場合の前記各アクチュエータの最大出力とを記憶したＲＯＭ１４０と、判定・制御部１３０にて実行される処理のプログラムが記憶されたＲＡＭ１５０とから主に構成されている。制御装置１００には、図２及び図３に示すように、例えば２４Ｖの制御装置電源ＶＳが供給駆動される。

ＲＯＭ１４０には、図４に示すように、バッテリ２０について、バッテリ残量に応じた無負荷時のバッテリ電圧の変化と最大負荷時のバッテリ電圧の変化とが記憶されており、これらの各データには、アクチュエータ駆動限界電圧Ｖ０以上の所定の電圧値に、閾値が設定されている。本例においては、図４に示すように、アクチュエータ駆動限界電圧Ｖ０よりも高い値に第１の閾値である下限電圧Ｖ１が設定され、当該下限電圧Ｖ１よりも高い値に第２の閾値である復帰電圧Ｖ２が設定されている。

また、このＲＯＭ１４０には、図５に示すように、バッテリ電圧の変化に応じたアクチュエータの最大出力の変化が記憶されている。本例においては、図５に示すように、下限電圧Ｖ１が、負荷時におけるバッテリ２０の最大電圧値よりも３０％低下した値に設定されており、負荷時におけるバッテリ電圧が下限電圧Ｖ１を下回った場合に、アクチュエータの最大出力を１００％から４０％に低下する。

以下、本実施形態に係るバッテリ式電動ショベル１の動作を、図６及び図７に基づいて説明する。

バッテリ式電動ショベル１が駆動停止状態にある場合（図６のステップＳ１）において、運転者が運転室に設置されたキー穴に起動キーを挿入して廻閾スイッチをＯＦＦ状態からＯＮ状態にすると、制御装置用電源ＶＳから制御装置１００から補助電源電圧が供給されて稼動（ＯＮ）状態となり、また、制御装置１００は表示装置１０１に電源電圧を供給してそれを稼動状態にする。この状態から起動キーをさらに廻してキースイッチをスタート状態にすると、このキースイッチからキースイッチ信号ＳＤ１が制御装置１００に供給される。これを受けて、制御装置１００は電源切換部１０９に切換制御信号ＳＣ４を出力し、バッテリ２０からインバータ１０４，１０７に電動モータ１０３，１０６の駆動電源電圧が供給されるように電源切換部１０９を切り換える。これにより、バッテリ２０からの直流電源電圧が電源切換部１０９を介して各インバータ１０４，１０７に供給され、操作レバーの操作によるバッテリ式電動ショベル１が作業可能な稼動状態となる（図６のステップＳ２）。

なお、この状態で運転者が起動キーから手を離すとキースイッチがＯＮ状態となるが、稼動状態はそのまま維持される。また、稼動状態で、起動キーの操作により、キースイッチをＯＮ状態からＯＦＦ状態にすると、キースイッチから制御装置１００にキースイッチ信号ＳＤ１が供給されなくなるので、制御装置１００は電源切換部１０９に切換制御信号ＳＣ４を送って、これをＯＦＦ（開いた）状態に切り換える。これにより、各インバータ１０４，１０７への電力の供給がなくなり、操作レバーを操作してもバッテリ式電動ショベル１の作業が行なわれない停止状態となる（図６のステップＳ３）。また、これに伴って、制御装置用電源ＶＳから制御装置１００への補助電源電圧の供給も終了する。

バッテリ式電動ショベル１が稼動状態にある場合において、運転者により操作レバーが操作されると、操作レバーの操作量に応じたレバー操作量信号ＳＤ２が制御装置１００に供給される。これにより、制御装置１００は、操作された操作レバーに該当するインバータ１０４，１０７にアクチュエータ指令信号ＳＣ２，ＳＣ３を送り、その操作量に応じた動作を行なわせる。また、ロックレバーが操作されると、ロックレバー信号ＳＤ３が制御装置１００に供給され、制御装置１００はこれを受けて電源切換部１０９に切換制御信号ＳＣ４を出力し、これをＯＦＦ状態にする。これにより、キースイッチがＯＮ状態の稼動状態にありながら、レバー操作をしても油圧アクチュエータが動作しないロック状態になり、不用意或いは意図しないレバー操作によるバッテリ式電動ショベル１の不正な動作を防止することができる。

インバータ１０４，１０７は、バッテリ２０或いは外部電源２１が接続されているときには、充電装置１０８からの直流電源電圧を交流電圧に変換し、これに接続された電動モータ１０３，１０６の交流電源電圧を作成するものであって、制御装置１００からのアクチュエータ指令信号ＳＣ２，ＳＣ３に応じて、動作がＯＮ，ＯＦＦ制御されるとともに、操作レバーの操作量に応じて交流電源電圧のデューティ比や極性が制御される。これにより、各電動モータ１０３，１０６の回転速度及び回転方向が制御される。油圧ポンプ１０２は、電動モータ１０３の回転速度に応じた圧力の圧油を吐出し、油圧アクチュエータを操作レバーの操作方向に応じた方向に、その操作量に応じた速度で駆動する。各油圧アクチュエータの最大出力（最大トルク又は最大速度）は、電動モータ１０３の回転速度、ひいては電動モータ１０３に供給される電源電圧値によって規制される。同様に、旋回輪１３の最大出力（最大速度）は、電動モータ１０６の回転速度、ひいては電動モータ１０６に供給される電源電圧値によって規制される。

図７（ａ）に示すように、バッテリ２０のバッテリ電圧は、負荷がかかると電圧降下を起こして低下し、負荷が除かれると電圧上昇を起こして上昇する。負荷をかけたときのバッテリ電圧が、制御装置１００のＲＯＭ１４０に記憶された下限電圧Ｖ１以上に維持されている場合には、図７（ｂ）に示すように判定・制御部１３０はアクチュエータに出力制限をかけず（出力制限ＯＦＦ）、第１電動モータ１０３及び第２電動モータ１０６の出力を、図７（ｃ）に示す通常出力、即ち、バッテリ２０の充電量が満杯（１００％）である場合と同じ出力に維持する（図６のステップＳ２１）。これにより、油圧アクチュエータ及び旋回輪１３は、その定格である最大トルク及び最大速度で運転することが可能になる。これに対して、負荷をかけたときのバッテリ電圧が、下限電圧Ｖ１以下に低下した場合には、図７（ｂ）に示すように判定・制御部１３０がアクチュエータに出力制限をかけ（出力制限ＯＮ）、第１電動モータ１０３及び第２電動モータ１０６の出力を、図７（ｃ）に示す制限出力、即ち、制御装置１００のＲＯＭ１４０に記憶された４０％まで低下する（図６のステップＳ２２）。これにより、バッテリ式電動ショベル１の駆動を確保することができ、バッテリ式電動ショベル１の頓挫を防止できると共に、バッテリ２０の電源容量を無駄なく利用することができて、作業量や稼働時間を延長することができる。そして、図７（ａ）に示すように、負荷を除くことにより、バッテリ２０のバッテリ電圧がＲＯＭ１４０に設定された復帰電圧Ｖ２以上に回復した場合には、図７（ｂ）に示すように判定・制御部１３０が再度アクチュエータの出力制限を解除し（出力制限ＯＦＦ）、第１電動モータ１０３及び第２電動モータ１０６の出力を再度通常出力に切り換える（図６のステップＳ２１）。また、バッテリ２０のバッテリ電圧がＲＯＭ１４０に設定されたアクチュエータ駆動限界電圧Ｖ０に達した場合には、判定・制御部１３０が第１電動モータ１０３及び第２電動モータ１０６への電力供給を一時停止する（図６のステップＳ２３）。これにより、誤作動などの不具合の発生を防止することができる。

なお、第１電動モータ１０３及び第２電動モータ１０６の出力を制限出力まで低下した場合には、これを運転者に報知するため、制御装置１００から表示装置１０１に表示データ信号ＳＣ１を出力して、その旨を表示装置１０１に表示する。これにより、出力の低下に対して運転者が違和感を覚えにくくなるので、モータ出力に応じた適切な運転を行いやすくなる。

バッテリ式電動ショベル１の上部旋回体１０に設けられた外部電源接続口に外部電源２１の電力ケーブル２１ａが接続されると、外部電源２１から電力ケーブル２１ａを介して充電装置１０８に交流電圧が供給され、ここで直流電圧に変換される。この直流電圧は、電源切換部１０９を介してバッテリ２０に供給される。これにより、バッテリ２０が充電される。この電源切換部１０９は、制御装置１００からの切替制御信号ＳＣ４によってＯＮ，ＯＦＦ制御される。また、電力ケーブル２１ａが外部電源接続口に接続され、充電装置１０８に外部電源２１から交流電圧が供給されて充電用の直流電圧が生成されると、充電装置１０８はこれを検出して、電力ケーブル２１ａが外部電源接続口に接続されたことを示す外部電力接続信号ＳＤ５を発生し、制御装置１００に供給する。

制御装置１００は、充電装置１０８からの外部電源接続信号ＳＤ５を取り込んで、外部電源接続口に電力ケーブル２１ａが接続されたか否かを常時監視している。外部電源接続口に電力ケーブル２１ａが接続された状態で、運転室に設置された図示しない充電操作スイッチを操作すると、充電スイッチ信号ＳＤ６が制御装置１３に供給される。制御装置１００は、この充電スイッチ信号ＳＤ６を基に切換制御信号ＳＣ４を発生して電源切換部１０９をＯＮ（閉じた）状態にする。これにより、充電装置１０８によって自動的にバッテリ２０の充電が行なわれる。

なお、この充電操作スイッチは、指先で押した状態でこの指先を離すと、元の状態に復帰するが、この押し込み操作されたことによるＯＮまたはＯＦＦの情報が、保持されているモメンタリスイッチであり、この充電操作スイッチが操作される毎に、制御装置１００からの充電スイッチ信号ＳＤ６により、電源切換部１０９がＯＮ，ＯＦＦと交互に切り替わる。

また、制御装置１００は、常時バッテリ２０のバッテリ残量を検出しており、外部電源２１による充電中にバッテリ２０の充電量が満杯（１００％のバッテリ残量）になったことを検出すると、切替制御信号ＳＣ４を生して電源切換部１０９をＯＦＦ状態にする。これにより、バッテリ２の充電が自動的に終了する。電力ケーブル２１ａを外部電源接続口から取り外したときにも、制御装置１００は、外部電源接続信号ＳＤ５によってこれを検出して切替制御信号ＳＣ４を発生し、電源切換部１０９をＯＦＦ状態にする。

第１実施形態に係るバッテリ式電動ショベルは、バッテリ残量としてバッテリ電圧を計測するので、バッテリにかかる負荷に応じた電圧降下を考慮してアクチュエータの最大出力を変更するための閾値を設定することができる。よって、常時バッテリ残量に応じた適正な出力でアクチュエータを駆動することができて、作業中にショベルが頓挫する等の不都合を回避できると共に、バッテリの電源容量を無駄なく十分に利用できて、作業量や稼働時間を延長することができる。

〈第２実施形態〉
第２実施形態に係るバッテリ式電動ショベルは、図８及び図９に示すように、バッテリ電圧が所定の閾値よりも低下した場合に、測定されたバッテリ電圧が減少するに従って、アクチュエータの最大出力を無段階的に小さくすることを特徴とする。なお、図示は省略するが、測定されたバッテリ電圧が減少するに従って、アクチュエータの最大出力を段階的に小さくすることも勿論可能である。

本例のバッテリ式電動ショベルは、制御装置１００のＲＯＭ１４０（図３参照）にバッテリ電圧に応じた複数の閾値を設定し、計測されたバッテリ電圧が前記多段階又は無段階に設定された閾値のどの段階にあるのかを判定・制御部１３０にて判定し、判定・制御部１３０が、バッテリ残量判定手段の判定結果に応じてアクチュエータの最大出力を変更することにより実施できる。その他については、第１実施形態に係るバッテリ式電動ショベルと同じであるので、説明を省略する。

第２実施形態に係るバッテリ式電動ショベルは、バッテリ残量の減少に応じてアクチュエータの最大出力を段階的又は無段階的に制限するので、アクチュエータの出力制限をより厳密に行うことができて、より一層適格に電源容量の有効利用を図ることができる。

〈第３実施形態〉
第３実施形態に係るバッテリ式電動ショベルは、図１０に示すように、バッテリ電圧が所定の閾値よりも低下した回数をカウントし、カウント数が増加するに従ってアクチュエータの最大出力を段階的に低い値に制限することを特徴とする。

即ち、図１０（ａ）に示すように、バッテリ電圧は、アクチュエータの駆動時にはバッテリに負荷がかかって電圧降下が起こり、アクチュエータの駆動を停止すると、バッテリにかかっていた負荷が除かれて電圧上昇が起こる。そして、負荷を取り除いた後のバッテリ電圧は、このような電圧変動が起こる毎に徐々に低下してゆく。そこで、図１０（ｂ）に示すように、下限電圧Ｖ１を超える電圧降下の累積回数をカウントし、この回数が増加するに応じて、図１０（ｃ）に示すように、アクチュエータの最大出力を段階的に低い値に制限することにより、アクチュエータ駆動限界電圧を超えてアクチュエータが駆動されることを防止できるので、作業機械の正常な動作を保障することができる。

本例のバッテリ式電動ショベルは、図１１に示すように、制御装置１００に下限電圧Ｖ１を超える電圧降下の累積回数をカウントするカウンタ１６０を備えると共に、ＲＯＭ１４０にカウンタ１６０によりカウントされた下限電圧Ｖ１を超える電圧降下の累積回数に応じたアクチュエータの出力制限を記憶することにより実施できる。その他については、第１実施形態に係るバッテリ式電動ショベルと同じであるので、説明を省略する。

第３実施形態に係るバッテリ式電動ショベルは、バッテリ残量が減少して下限電圧Ｖ１を下回る頻度が上がるほどアクチュエータの出力制限が強くなって最大出力が減少するが、これに伴ってバッテリ２０の負担も軽減されていき、電圧降下も少なくなるので、アクチュエータの正常な動作を保障することができる。

なお、前記各実施形態においては、バッテリ式電動ショベルを例にとって説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、任意のバッテリ式電動作業機械に応用することができる。

実施形態に係るバッテリ式電動ショベルの構成図である。実施形態に係る電源管理部のシステムブロック図である。第１実施形態に係る制御装置の構成図である。第１実施形態に係る制御装置に設定される閾値の説明図である。第１実施形態に係る制御装置に設定される出力制限の説明図である。バッテリ電圧の変動に伴う出力制限の状態遷移図である。第１実施形態に係る制御装置で実行される出力制限方式を示す図である。第２実施形態に係る制御装置に設定される出力制限の説明図である。第２実施形態に係る制御装置で実行される出力制限方式を示す図である。第３実施形態に係る制御装置で実行される出力制限方式を示す図である。第３実施形態に係る制御装置の構成図である。

符号の説明

１バッテリ式電動ショベル
２電源供給部
１０上部旋回体
１１下部走行体
１２フロント部材
１３旋回輪
２０バッテリ
２１外部電源
２１ａ電力ケーブル
２２バッテリ電圧計測装置
１００制御装置
１０１表示装置
１０２油圧ポンプ
１０３第１電動モータ
１０４第１インバータ
１０６旋回用（第２）電動モータ
１０７第２インバータ
１０８充電装置
１０９電源切換部
１１０入力部
１２０出力部
１３０判定・制御部
１４０ＲＯＭ
１５０ＲＡＭ
１６０カウンタ

Claims

アクチュエータと、アクチュエータの主動力源である電動モータと、電動モータの駆動電源であるバッテリとを搭載した電気駆動式作業機械において、
前記バッテリのバッテリ電圧を計測するバッテリ電圧計測手段と、当該バッテリ電圧計測手段により計測されたバッテリ電圧から前記バッテリのバッテリ残量を判定するバッテリ残量判定手段と、当該バッテリ残量判定手段の判定結果に応じて前記アクチュエータの最大出力を変更する出力制御手段とを備えたことを特徴とする電気駆動式作業機械。
前記バッテリ残量判定手段には、前記バッテリの最大負荷時におけるアクチュエータ駆動限界電圧と、当該アクチュエータ駆動限界電圧よりも高い値に設定された閾値とが記憶されており、前記バッテリ残量判定手段は、前記バッテリ電圧計測手段により計測されたバッテリ電圧と前記閾値とを比較して前記バッテリ残量を判定し、前記出力制御手段は、前記バッテリ残量判定手段が、前記計測されたバッテリ電圧は前記閾値以下に低下していると判定した場合に、前記アクチュエータの最大出力を前記計測されたバッテリ電圧が前記閾値を超えて大きい場合よりも低い値に制限することを特徴とする請求項１に記載の電気駆動式作業機械。
前記バッテリ残量判定手段に前記閾値を多段階又は無段階に設定し、前記バッテリ残量判定手段により前記計測されたバッテリ電圧が前記多段階又は無段階に設定された閾値のどの段階にあるのかを判定し、前記出力制御手段は、前記バッテリ残量判定手段の判定結果に応じて前記アクチュエータの最大出力を変更することを特徴とする請求項１に記載の電気駆動式作業機械。
前記バッテリ残量判定手段には、前記バッテリの最大負荷時におけるアクチュエータ駆動限界電圧と、当該アクチュエータ駆動限界電圧よりも高い値に設定された閾値とが記憶されており、前記バッテリ残量判定手段は、前記バッテリ電圧計測手段により計測されたバッテリ電圧と前記閾値とを比較して前記バッテリ残量を判定し、前記出力制御手段は、前記バッテリ残量判定手段が、前記計測されたバッテリ電圧は前記閾値以下に低下していると判定した回数をカウントし、前記カウントの回数が増加するに従って前記アクチュエータの最大出力を段階的に低い値に制限することを特徴とする請求項１に記載の電気駆動式作業機械。