JP2011157689A - 作業機械の充電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】低温時でも所定の時間帯に充電を開始することが可能な作業機械の充電システムを提供する。
【解決手段】電気駆動式の作業機械の充電システム５０が、外部の商用電源５５から供給される電力を利用してバッテリ４１を充電する充電器５１と、充電器５１の作動を制御する充電制御部５２と、バッテリ４１の温度を計測する温度計５３とを有し、充電制御部５２が、ポンプ用電動モータ３３等の作動が停止したときに深夜時間帯でない場合、バッテリ４１の温度が所定温度（例えば−２℃）を超えているときにはバッテリ４１の充電を停止し、バッテリ４１の温度が所定温度以下のときにはバッテリ４１の充電を行ってバッテリ４１を発熱させ、深夜時間帯になるとバッテリ４１の充電を開始するように充電器５１の作動を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータを動力源とする建設機械等の作業機械の充電システムに関する。
一般に建設機械の動力源はエンジンが主流であるが、近年、周囲環境を考慮して電動モータを駆動源とした電気駆動式の建設機械が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このような建設機械には、電動モータに電力を供給するためのバッテリが搭載され、また、電動モータ等の各種電気部品を作動制御する制御装置が設けられる。このような電気駆動式の建設機械においては、バッテリの充電可能容量に応じて作業可能時間が定まるので、１日間の作業が可能な程度の容量を有するバッテリを搭載し、１日の作業が終わってから翌日の作業開始までの間にバッテリの充電を行うような構成が一般的に採用されている。
特開２００４−２２５３５５号公報
上述からわかるように、バッテリの充電を主として夜間に行うことが想定されるが、バッテリとして例えばリチウムイオンバッテリを用いる場合、バッテリの温度が低温（−２℃以下）になると充電を行うことができない。これに対し、ヒータを用いてバッテリを加温したり、断熱材等を用いてバッテリを保温したりすることも考えられるが、部品点数が増えてコスト上昇の原因となり、また、ヒータを用いて加温する場合には余計に電力が必要になってしまう。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、低温時でも所定の時間帯に充電を開始することが可能な作業機械の充電システムを提供することを目的とする。
このような目的達成のため、本発明に係る作業機械の充電システムは、作動油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータの作動を利用して所定の作業を行う作業装置（例えば、実施形態におけるショベル機構１２）と、前記油圧ポンプを作動させる電動モータと、前記電動モータに電力を供給するバッテリとを備えた電気駆動式の作業機械（例えば、実施形態におけるパワーショベル１）の充電システムであって、外部から供給される電力を利用して前記バッテリを充電する充電器と、前記充電器の作動を制御する充電制御部と、前記バッテリの温度を計測する温度計とを有し、前記充電制御部は、前記電動モータの作動が停止したときに所定の時間帯でない場合、前記バッテリの温度が所定温度を超えているときには前記バッテリの充電を停止し、前記バッテリの温度が前記所定温度以下のときには前記バッテリの充電を行って前記バッテリを発熱させ、前記所定の時間帯になると前記バッテリの充電を開始するように前記充電器の作動を制御するようになっている。
なお、上述の発明において、前記油圧ポンプまたは前記油圧アクチュエータの作動によって前記作動油から発生した熱を前記バッテリへ導く伝熱部（例えば、実施形態における送風装置６５）を有し、前記伝熱部は、前記電動モータの作動が停止したときに、前記作動油から発生した熱を前記バッテリへ導くことが好ましい。
また、上述の発明において、前記所定の時間帯は、前記外部から供給される電力の料金が他の時間帯よりも安くなる時間帯であることが好ましい。
また、上述の発明において、前記バッテリがリチウムイオンバッテリであることが好ましい。
本発明によれば、充電制御部は、電動モータの作動が停止したときに所定の時間帯でない場合、バッテリの温度が所定温度を超えているときにはバッテリの充電を停止し、バッテリの温度が所定温度以下のときにはバッテリの充電を行ってバッテリを発熱させるように充電器の作動を制御するため、所定の時間帯になったときに、気温が例えば−１０℃を下回るような低温であったとしても、バッテリの温度が所定温度を超えた状態でバッテリの充電を開始することができ、低温時でも所定の時間帯に充電を開始することが可能になる。
なお、上述の発明において、油圧ポンプまたは油圧アクチュエータの作動によって作動油から発生した熱をバッテリへ導く伝熱部を有していることが好ましく、このようにすれば、充電を行うことなくバッテリの温度低下を防止することができ、作動油から発生した熱を有効に利用して、低温時における充電の回数を低減させることができる。
また、上述の発明において、所定の時間帯は、外部から供給される電力の料金が他の時間帯よりも安くなる時間帯であることが好ましく、これにより、バッテリの充電コストを低減させることができる。
また、上述の発明において、バッテリは、リチウムイオンバッテリであることが好ましく、これにより、上述の発明で得られる効果を効果的に得ることができる。
パワーショベルの斜視図である。 パワーショベルの油圧回路および電気回路を示すブロック図である。 旋回台の側面図（部分断面図）である。 充電器の制御の一例を示すタイミングチャートである。 送風装置および補助送風装置の配置図である。
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態のパワーショベル１を図２に示しており、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）とを備えて構成される。
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、例えば油圧モータからなる走行モータ（図示せず）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（図示せず）の作動により揺動される。旋回台１１は、例えば油圧モータからなる旋回モータ（図示せず）により旋回動される。
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、およ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。なお、以降の説明では、これらのシリンダ２４〜２６や、前述のブレードシリンダ（図示せず）、走行モータ（図示せず）、および旋回モータ（図示せず）をまとめて油圧アクチュエータ３５（図１を参照）と称することがある。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。
さらに、パワーショベル１には、図１に示すように、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や、油圧ユニット３０の電動モータに電力を供給する電源システム４０、充電を行うための充電システム５０等が設けられている。なお、図１において、電気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。油圧ユニット３０は、作動油を貯留するタンク３１と、タンク３１から所定油圧および所定流量の作動油を吐出する油圧ポンプ３２と、油圧ポンプ３２を駆動するポンプ用電動モータ３３と、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およ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とを有して構成される。ポンプ用電動モータ３３は、電源システム４０と電気的に接続されており、電源システム４０から供給される電力を利用して作動するようになっている。
電源システム４０は、直流電力を供給する蓄電可能なバッテリ４１と、バッテリ４１から供給される直流電力を交流電力に変換してポンプ用電動モータ３３に出力するインバータ４２と、インバータ４２の作動を制御する制御装置４３と、バッテリ４１の直流電圧を所定の電圧に変換してその電力を制御装置４３に出力するＤＣ−ＤＣコンバータ４４とを有して構成される。なお、バッテリ４１から供給される直流電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４４を介して前照灯等のオプション４９にも供給される。バッテリ４１は、例えばリチウムイオンバッテリであり、本実施形態の充電システム５０により外部の商用電源５５から供給される電力を利用して充電できるようになっている。
充電システム５０は、外部の商用電源５５から供給される電力を利用してバッテリ４１を充電する充電器５１と、充電器５１の作動を制御する充電制御部５２と、バッテリ４１の温度を計測する温度計５３とを有して構成される。充電器５１は、商用電源５５と電気的に接続可能な電源コード（図示せず）を有しており、電源コードの先端に設けられたプラグ（図示せず）を商用電源５５のコンセントまたはコネクタ（図示せず）に差し込んで電気的に接続した状態で、バッテリ４１の充電を行うようになっている。充電制御部５２は、内部時計（図示せず）を有しており、充電器５１および温度計５３と電気的に接続される。温度計５３は、バッテリ４１に装着されており、バッテリ４１の温度を計測してその計測信号を充電制御部５２へ出力する。
なお、バッテリ４１は、図３に示すように、旋回台１１の後部に設けられたボンネット６０の内部に収容される。ボンネット６０の内部には、バッテリ４１を収容するバッテリ収容部６１や、バッテリ収容部６１に隣接して油圧ユニット３０のタンク３１を収容するタンク収容部６２が設けられており、さらに、バッテリ収容部６１とタンク収容部６２との間には送風装置６５が配設される。送風装置６５は、詳細な図示を省略するが、送風ファンやファンモータ等から構成され、例えば、送風ファンの正転時にタンク収容部６２内の空気をバッテリ収容部６１内へ送風し、送風ファンの逆転時にバッテリ収容部６１内の空気をタンク収容部６２内へ送風するようになっている。なお、バッテリ収容部６１およびタンク収容部６２の下方には、油圧ユニット３０の油圧ポンプ３２およびポンプ用電動モータ３３が収容されるモータ収容部６４等が設けられる。
以上のように構成されるパワーショベル１において、運転者がオペレータシート１６に着座して操作装置１７を操作すると、油圧ポンプ３２から吐出された作動油がコントロールバルブ３４の供給制御により操作装置１７の操作に応じた供給方向および供給量で油圧アクチュエータ３５に供給される。このとき、例えば、ブームシリンダ２４、アームシリンダ２５、およびバケットシリンダ２６の作動によってショベル機構１２による掘削作業等が行われ、ブレードシリンダ（図示せず）の作動によりブレード９が揺動し、走行モータ（図示せず）の作動により走行装置２が走行し、旋回モータ（図示せず）の作動により旋回台１１が旋回する。またこのとき、油圧ポンプ３２を駆動するポンプ用電動モータ３３は、バッテリ４１からインバータ４２を介して供給される電力を利用して作動する。
パワーショベル１による掘削等の作業が終了すると、運転者が操作キー（図示せず）等を操作してパワーショベル１を作動停止状態にする。このとき、ポンプ用電動モータ３３等の作動が停止することになる。このようにして１日の作業が終わってから翌日の作業開始までの間に、例えば、商用電源５５の電力料金が他の時間帯よりも割安な深夜時間帯の電力（いわゆる深夜電力）を利用して、本実施形態の充電システム５０によりバッテリ４１の充電を行う。このとき、所定の収容スペースに収容されていた電源コード（図示せず）を取り出して、商用電源５５と電気的に接続させ、充電スイッチ（図示せず）をＯＮ操作することにより、充電器５１を用いてバッテリ４１の充電を行う。
ここで、充電制御部５２による充電制御について、図４に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。上述のようにパワーショベル１を作動停止状態にし、充電器５１を商用電源５５と電気的に接続させて充電スイッチ（図示せず）をＯＮ操作すると、充電制御部５２は、内部時計（図示せず）の時刻から深夜時間帯（例えば、午後１１時〜午前７時の時間帯）であると判定した場合、充電器５１に駆動信号を出力してバッテリ４１の充電を行うように充電器５１の作動を制御する。一方、充電制御部５２は、内部時計（図示せず）の時刻から深夜時間帯でない（図４における昼時間帯もしくは夜時間帯）と判定した場合、図４に示すように、深夜時間帯になるまで充電器５１に停止信号を出力してバッテリ４１の充電を停止し、深夜時間帯（例えば、深夜時間帯の開始時刻Ｔｎ）になってから充電器５１に駆動信号を出力してバッテリ４１の充電を開始するように充電器５１の作動を制御する。
上述のようにバッテリ４１の充電を停止している間、例えば、気温が−１０℃であった場合、バッテリ４１の温度が低下して気温と同じ−１０℃に達すると（図４の二点鎖線を参照）、バッテリ４１としてリチウムイオンバッテリを用いているので充電を行うことができなくなる。これに対し、本実施形態では、充電制御部５２にバッテリ４１の温度計５３から計測信号が入力されており、充電制御部５２は、内部時計（図示せず）の時刻から深夜時間帯でないと判定した場合、バッテリ４１の温度が所定温度（例えば、リチウムイオンバッテリの充電が可能な下限の温度である−２℃）を超えているときには、上述のように充電器５１に停止信号を出力してバッテリ４１の充電を停止するように充電器５１の作動を制御する。一方、バッテリ４１の温度が所定温度（−２℃）以下になると、充電制御部５２は、充電器５１に駆動信号を出力してバッテリ４１の充電を行い、バッテリ４１の温度が所定温度（−２℃）を超えるまでバッテリ４１を発熱させるように充電器５１の作動を制御する。これにより、深夜時間帯になったときに、気温が例えば−１０℃を下回るような低温であったとしても、バッテリ４１の温度が所定温度（−２℃）を超えた状態でバッテリ４１の充電を開始することができる。なお、充電制御部５２は、バッテリ４１の充電を開始してバッテリ４１の充電量が所定値を超えたとき、充電器５１に停止信号を出力してバッテリ４１の充電が終了する。
また、上述のようにバッテリ４１の充電を停止している間、充電制御部５２は、図３の実線の矢印で示すように、送風装置６５の送風ファンを正転させてタンク収容部６２内の空気をバッテリ収容部６１内へ送風するように送風装置６５の作動を制御することが好ましい。これにより、パワーショベル１の作動中に油圧ポンプ３２または油圧アクチュエータ３５の作動によって作動油から発生した熱をタンク３１からバッテリ４１へ導くことができるため、充電を行うことなくバッテリ４１の温度低下を防止することができ、作動油から発生した熱を有効に利用して、低温時における充電の回数を低減させることができる。なお、パワーショベル１（ポンプ用電動モータ３３）の作動時には、バッテリ４１の温度上昇を防ぐため、図３の一点鎖線の矢印で示すように、送風装置６５の送風ファンを逆転させてバッテリ収容部６１内の空気をタンク収容部６２内へ送風するように送風装置６５の作動を制御するようにしてもよい。これにより、バッテリ４１周辺の温度を最適に保つことができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、充電制御部５２は、パワーショベル１（ポンプ用電動モータ３３）の作動が停止したときに深夜時間帯でない場合、バッテリ４１の温度が所定温度（例えば、−２℃）を超えているときにはバッテリ４１の充電を停止し、バッテリ４１の温度が所定温度（−２℃）以下のときにはバッテリ４１の充電を行ってバッテリ４１を発熱させるように充電器５１の作動を制御するため、深夜時間帯になったときに、気温が例えば−１０℃を下回るような低温であったとしても、バッテリ４１の温度が所定温度（−２℃）を超えた状態でバッテリ４１の充電を開始することができ、低温時でも深夜時間帯に充電を開始することが可能になる。なお、バッテリ４１としてリチウムイオンバッテリを用いることで、特に高い効果を得ることができる。
また、充電を開始する時間帯は、外部の商用電源５５から供給される電力の料金が他の時間帯よりも安くなる深夜時間帯であることが好ましく、これにより、バッテリ４１の充電コストを低減させることができる。
また、油圧ポンプ３２または油圧アクチュエータ３５の作動によって作動油から発生した熱をバッテリ４１へ導く送風装置６５を有していることが好ましく、このようにすれば、充電を行うことなくバッテリ４１の温度低下を防止することができ、作動油から発生した熱を有効に利用して、低温時における充電の回数を低減させることができる。
なお、上述の実施形態において、バッテリ４１としてリチウムイオンバッテリを用いているが、これに限られるものではなく、例えば、有機ラジカル電池等の二次電池を用いることができる。
また、上述の実施形態において、充電を開始する時間帯は、電力料金が他の時間帯よりも安くなる深夜時間帯となっているが、これに限られるものではなく、必要に応じてユーザーが設定した所定の時間帯であればよい。
また、上述の実施形態において、充電制御部５２は、バッテリ４１の温度が−２℃以下のときにバッテリ４１の充電を行ってバッテリ４１を発熱させるように充電器５１の作動を制御しているが、これに限られるものではなく、例えば、バッテリ４１としてリチウムイオンバッテリを用いる場合、所定温度は−１℃であってもよく、バッテリ４１の充電が可能な（下限近傍の）温度であればよい。
また、上述の実施形態において、充電器５１は、外部の商用電源５５から供給される電力を利用してバッテリ４１を充電しているが、これに限られるものではなく、例えば、発電機から供給される電力を利用するようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、充電スイッチ（図示せず）をＯＮ操作することにより、深夜時間帯にバッテリ４１の充電を開始しているが、このような充電スイッチとは別に、例えば急速充電スイッチを設けて、当該急速充電スイッチをＯＮ操作した場合には、深夜時間帯を待たずに充電を開始する機能を追加するようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、送風装置６５を利用して作動油から発生した熱をタンク３１からバッテリ４１へ導いているが、これに限られるものではなく、例えば、バッテリ収容部６１とタンク収容部６２との間に断熱材等によって形成されたシャッター部材を設け、パワーショベル１（ポンプ用電動モータ３３）の作動が停止したとき深夜時間帯でない場合にシャッター部材を開いて、作動油から発生した熱をタンク３１からバッテリ４１へ導くようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、充電制御部５２は、図１に示すように独立して設けるようにしてもよく、電源システム４０の制御装置４３に組み込むようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、電気駆動式のパワーショベル１を例に説明したが、これに限られるものではなく、例えば、電気駆動式の高所作業車や、移動式クレーン、フォークリフト等、バッテリを備えた電気駆動式の作業機械であれば、本実施形態の充電システムを適用可能である。
また、上述の実施形態において、送風装置６５に加えて、図５に示すように、ボンネット６０の内部に設けられた充電器収容部６３とバッテリ収容部６１との間に、補助送風装置６６を設けるようにしてもよい。なお、充電器収容部６３は、バッテリ収容部６１に隣接して充電器５１を収容する。また、補助送風装置６６は、詳細な図示を省略するが、送風ファンやファンモータ等から構成され、例えば、送風ファンの正転時にバッテリ収容部６１内の空気を充電器収容部６３内へ送風し、送風ファンの逆転時に充電器収容部６３内の空気をバッテリ収容部６１内へ送風するようになっている。この補助送風装置６６を送風装置６５と組み合わせて用いるようにすれば、バッテリ４１の加熱および冷却効果をより高めることができる。
ここで、送風装置６５および補助送風装置６６の作動制御の一例について説明する。パワーショベル１を作動停止状態にし、充電器５１を商用電源５５と電気的に接続させて充電スイッチ（図示せず）をＯＮ操作すると、充電制御部５２は、バッテリ４１の温度が所定の設定温度以下の場合、図５の実線の矢印で示すように、送風装置６５の送風ファンを正転させてタンク収容部６２内の空気をバッテリ収容部６１内へ送風するように送風装置６５の作動を制御するとともに、補助送風装置６６の送風ファンを正転させてバッテリ収容部６１内の空気を充電器収容部６３内へ送風するように補助送風装置６６の作動を制御する。これにより、バッテリ４１を効果的に温めることができる。そして、充電器５１がバッテリ４１の充電を開始すると、充電制御部５２は、図５の一点鎖線の矢印で示すように、送風装置６５の送風ファンを逆転させてバッテリ収容部６１内の空気をタンク収容部６２内へ送風するように送風装置６５の作動を制御するとともに、補助送風装置６６の送風ファンを逆転させて充電器収容部６３内の空気をバッテリ収容部６１内へ送風するように補助送風装置６６の作動を制御する。充電中はバッテリ４１が発熱して温められるからである。
一方、バッテリ４１の温度が所定の設定温度を超えている場合、充電制御部５２は、送風装置６５の送風ファンを逆転させてバッテリ収容部６１内の空気をタンク収容部６２内へ送風するように送風装置６５の作動を制御するとともに、補助送風装置６６の送風ファンを逆転させて充電器収容部６３内の空気をバッテリ収容部６１内へ送風するように補助送風装置６６の作動を制御する。これにより、バッテリ４１を効果的に冷却することができる。そして、充電器５１がバッテリ４１の充電を開始すると、充電制御部５２は、同様の制御を継続する。充電中はバッテリ４１が発熱して温められるからである。なお、所定の温度は、充電時の発熱によって予想されるバッテリ４１の温度（例えば、バッテリ４１を２０％充電したときの温度）に設定することが好ましい。
１ パワーショベル
２ 走行装置
９ ブレード
１１ 旋回台
１２ ショベル機構
３０ 油圧ユニット
３２ 油圧ポンプ
３３ ポンプ用電動モータ
３５ 油圧アクチュエータ
４０ 電源システム
４１ バッテリ
５０ 充電システム
５１ 充電器
５２ 充電制御部
５３ 温度計
５５ 商用電源
６５ 送風装置

Claims (4)

  1. 作動油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータの作動を利用して所定の作業を行う作業装置と、前記油圧ポンプを作動させる電動モータと、前記電動モータに電力を供給するバッテリとを備えた電気駆動式の作業機械の充電システムであって、
    外部から供給される電力を利用して前記バッテリを充電する充電器と、
    前記充電器の作動を制御する充電制御部と、
    前記バッテリの温度を計測する温度計とを有し、
    前記充電制御部は、前記電動モータの作動が停止したときに所定の時間帯でない場合、前記バッテリの温度が所定温度を超えているときには前記バッテリの充電を停止し、前記バッテリの温度が前記所定温度以下のときには前記バッテリの充電を行って前記バッテリを発熱させ、前記所定の時間帯になると前記バッテリの充電を開始するように前記充電器の作動を制御することを特徴とする作業機械の充電システム。
  2. 前記油圧ポンプまたは前記油圧アクチュエータの作動によって前記作動油から発生した熱を前記バッテリへ導く伝熱部を有し、
    前記伝熱部は、前記電動モータの作動が停止したときに、前記作動油から発生した熱を前記バッテリへ導くことを特徴とする請求項１に記載の作業機械の充電システム。
  3. 前記所定の時間帯は、前記外部から供給される電力の料金が他の時間帯よりも安くなる時間帯であることを特徴とする請求項１または２に記載の作業機械の充電システム。
  4. 前記バッテリがリチウムイオンバッテリであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の作業機械の充電システム。
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