JP5096012B2 - 電気駆動式作業車 - Google Patents

Description

本発明は、走行可能な車体に作業装置が設けられ、この作業装置が電動モータにより駆動された油圧ユニットからの作動油供給を受けて作動する電気駆動式作業車に関する。

一般に建設機械の駆動源はエンジンが主流であるが、近年、周囲環境を考慮して上記のように電動モータを駆動源とした電気駆動式の作業車が提案されている（例えば、特許文献１）。このような建設機械には、電動モータに電力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作業車においては、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のバッテリを搭載し、１日の作業が終わって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

しかしながら、作業装置の使用状況、頻度、作業車の作業内容に応じて、バッテリの消費電力は大きく変動するため、作業の途中にバッテリ残量がなくなり、作業ができなくなり、さらには、走行装置による走行移動もできなくなるおそれがある。このようなことを避けるためには、バッテリ容量を大きくすれば良いが、バッテリ容量を大きくすると車両に搭載するバッテリが大型化し、重量化して、作業車が大型化、重量化する。このため、さらに大きな容量のバッテリが必要となり悪循環を繰り返すことになりかねない。

このような課題に鑑み、本発明は、バッテリからの電力により作業装置等を駆動する電気駆動式作業車において、バッテリ残量がなくなった場合でも、ある程度の作業もしくは走行移動を確保することができるような構成の電気駆動式作業車を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係る電気駆動式作業車は、走行装置を有して走行可能な車体と、前記車体に設けられた作業装置と、前記作業装置を駆動する油圧ユニットと、前記油圧ユニットを駆動するための電動モータと、前記電動モータに駆動電力を供給して前記電動モータを駆動するメインバッテリとを備えて構成される。その上で、前記メインバッテリより高電圧の定格電圧を有し、前記メインバッテリを充電可能なサブバッテリと、前記サブバッテリを前記電動モータおよび前記メインバッテリに選択的に接続する接続切換手段とを有し、前記接続切換手段により、前記サブバッテリを前記電動モータに接続させて前記サブバッテリからの電力供給により前記電動モータを駆動可能であるとともに、前記サブバッテリを前記メインバッテリに接続させて前記サブバッテリからの電力供給により前記メインバッテリを充電可能であるように構成される。

この電気駆動式作業車がさらに、前記車体に設けられた発電手段と、前記発電手段から供給される発電電力を前記サブバッテリに供給して前記サブバッテリを充電するサブバッテリ充電制御手段とを備えるのが好ましい。

この場合、前記発電手段を、太陽光エネルギー受けて発電する太陽光発電手段や、前記走行装置が受ける被駆動エネルギーを回生発電するエネルギー回生手段や、前記油圧ユニットから供給される作動油により駆動されて発電を行う作動油発電手段から構成することができる。また、車体が前記走行装置に旋回自在に設けられた旋回体を有する構成の場合には、前記発電手段を前記旋回体が受ける被駆動エネルギーを回生発電するエネルギー回生手段から構成できる。

この構成において、前記サブバッテリ充電制御手段は、前記サブバッテリが満充電状態となったときに、前記発電手段から供給される発電電力を前記メインバッテリに供給して前記メインバッテリを充電するように構成するのが好ましい。

なお、本発明に係る電気駆動式作業車は電気駆動方式のみの構成に限られるものではなく、走行装置および油圧ユニットを駆動するエンジンも備えたハイブリッド駆動方式としても良い。

以上のように構成される本発明に係る電気駆動式作業車においては、電動モータを駆動するメインバッテリに加えて、メインバッテリより高電圧の定格電圧を有してメインバッテリを充電可能なサブバッテリを備えているので、メインバッテリの残容量がなくなった場合には、接続切換手段によりサブバッテリを電動モータと接続して電動モータの駆動を行わせ、ある程度の作業もしくは走行を行うことができる。このため、メインバッテリの残容量が無くなった場合に、サブバッテリの電力を用いて充電設備のある場所まで作業車を走行でき、この充電設備を用いてメインバッテリの充電を行わせれば良く、効率の良い運用が可能である。

なお、太陽光発電や、被駆動エネルギーの回生発電や、油圧ユニットから供給される作動油により駆動される発電手段等からなる発電手段を設け、この発電手段によりサブバッテリを発電する構成であるのが望ましく、これにより作業中、走行中に発電手段によりサブバッテリを充電することができ、サブバッテリの容量を常に高く保つことができる。

この場合に、発電手段からの発電電力により充電されてサブバッテリが満充電状態となったときには、発電手段からの発電電力をメインバッテリに供給してメインバッテリの充電を行わせるのが好ましく、これによりサブバッテリを常に満充電状態に保持しつつ、余剰発電電力を用いてメインバッテリの充電容量を増加させることができ、エネルギー利用効率の高い作業車を得ることができる。

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。図１には、本発明に係る電気駆動式作業車の一例としてクローラ型のパワーショベル車１を示している。このパワーショベル車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を設け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（排土板）９と、走行台車４の上部に旋回可能に設けられた旋回体１１（車体）と、旋回体１１の前部に設けられたショベル機構１２（作業装置）と、旋回体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）とから構成されている。

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を掛け回して構成される。駆動用スプロケットホイール５は、電動モータあるいは油圧モータからなる走行モータにより回転駆動される。

ブレード９は、油圧シリンダからなるブレードシリンダ９ａにより揺動される。旋回体１１は、電動モータあるいは油圧モータからなる旋回モータにより旋回動される。ショベル機構１２は、旋回体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の先端に上下に揺動自在に枢結されたバケット２３とから構成され、ブーム２１は油圧シリンダからなるブームシリンダ２４により起伏動され、アーム２２は油圧シリンダからなるアームシリンダ２５により揺動され、バケット２３は油圧シリンダからなるバケットシリンダ２６により揺動される。なお、本明細書においては、これら油圧シリンダおよび油圧モータを総称して油圧アクチュエータと称する。

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の作動操作やショベル機構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。また、オペレータキャビン１５の天井外側面１５ａには、太陽光エネルギを電気エネルギに変換（すなわち、太陽光エネルギを受けて発電）する公知のソーラーパネル２７が取り付けられている。ソーラーパネル２７は外郭平板状に成形されている。

このパワーショベル車１においては、油圧アクチュエータに作動油を供給するためのポンプが電動モータにより駆動される。以下、図２を参照して油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ユニット３０と、このポンプ用電動モータ３３に電力を供給する電源システム４０とについて説明する。これら油圧ユニット３０および電源システム４０は、旋回体１１上にカバー部材５０に覆われて配置されている。なお、図２に示す構成においては、上記走行モータおよび旋回モータが油圧モータからなり、これらの油圧モータが油圧アクチュエータに含まれている。

油圧ユニット３０は、作動油を溜めるタンク３１、上記ポンプ用電動モータ３３により駆動されて所定油圧・流量の作動油を吐出する油圧ポンプ３２、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各油圧アクチュエータに供給する制御を行うコントロールバルブ３４、および、コントロールバルブ３４からタンク３１に戻る作動油の流れを受けて回転駆動されて発電を行う作動油発電機３５から構成されている。作動油発電機３５は、例えば、コントロールバルブ３４からタンク３１への戻り油路内に配設された回転羽根と、この回転羽根の回転力を受けて回転される発電器とから構成される。

具体的には、図示のように、コントロールバルブ３４は、ブレードシリンダ９ａ、ブームシリンダ２４、アームシリンダ２５、バケットシリンダ２６、走行油圧モータ３６および旋回油圧モータ３８に対する作動油圧の供給制御を行う。ここで、走行油圧モータ３６には、走行油圧モータ３６による走行から減速走行を行うときに回転されて減速エネルギーを回生して発電する回生発電機３７が設けられている。同様に、旋回油圧モータ３８には旋回減速作動時に回転駆動されて旋回を減速させるエネルギーを回生して発電する回生発電機３９が設けられている。

電源システム４０は、リチウムイオン電池や有機ラジカル電池等の二次電池で構成されるメインバッテリ４１と、商用電源に繋がるコンセント４２ａを有し、コンセント４２ａを商用電源に繋げてここからの交流電力を受けてメインバッテリ４１を充電するメイン充電器４２と、メインバッテリ４１からの直流電力を任意の周波数の交流電力に変換してこの交流電力をポンプ用電動モータ３３に供給する出力制御装置４３と、リチウムイオン電池や有機ラジカル電池等の二次電池で構成されるサブバッテリ４４と、サブバッテリ４４をメインバッテリ４１および出力制御装置４３に選択的に接続する接続切換器４５と、前述したソーラーパネル２７、作動油発電機３５および回生発電機３７，３９からの発電電力供給を受けてサブバッテリ４４を充電するサブ充電器４６とから構成される。なお、図２においては、作動油発電機３５および回生発電機３７，３９を説明を分かり易くするため２カ所に示しているが、実際はこれらは同一のものである。

上記構成や図２からもわかるように、メインバッテリ４１は、ポンプ用電動モータ３３の電源として機能し、高定格電圧で高容量（例えば、定格電圧DC336Vで、容量30Kw）に設定されている。サブバッテリ４４は、接続切換器４５によりメインバッテリ４１に接続されたときにメインバッテリ４１を充電できるように、メインバッテリ４１の定格電圧より高圧となる定格電圧（例えば、定格電圧DC400〜450V）に設定されているが、後述するその使用目的から低容量（例えば、500W）に設定されている。このため、メインバッテリ４１に対してサブバッテリ４４は小型軽量である。

ポンプ用電動モータ３３はＩＰＭモータ（永久磁石同期型モータ）等の交流モータからなる。このため、出力制御装置４３で変換された任意の周波数の交流電力をポンプ用電動モータ３３に印加することにより、ポンプ用電動モータ３３の出力トルクを制御して所定油圧を油圧ポンプ３２から供給させることができる。このときの電力供給は、通常はメインバッテリ４１により行われるが、切換器４５によりサブバッテリ４４を出力制御装置４３に接続することにより、サブバッテリ４４からの電力供給により電動モータ３３を駆動することもできるようになっている。

メイン充電器４２は、コンセント４２ａを介して商用電源に接続可能で、商用電源から供給される交流電力（例えばAC200V）を直流電力に変換するとともに出力電圧（直流電圧）をメインバッテリ４１を充電できるように制御する充電制御部を備えて構成されている。サブ充電器４６はソーラーパネル２７，作動油発電機３５および回生発電機３７，３９から供給される電力によりサブバッテリ４４を充電する制御を行うものであり、これにより、サブバッテリ４４は作業車が作動している間において継続的に充電されるようになっている。

このため後述するように、サブバッテリ４４が満充電状態になると、これを監視しているサブ充電器４６はソーラーパネル２７，作動油発電機３５および回生発電機３７，３９から供給される電力をメインバッテリ４１に供給させ、メインバッテリ４１を充電する構成となっている。

以上のように構成されたパワーショベル車１の作動について以下に説明する。パワーショベル車１はオペレータキャビン１５内のオペレータシート１６に座ったオペレータが操作装置１７を操作することによりその作動を行わせる。具体的には、中央部前方において床面から起立して設けられた２本の操作装置１７が走行機構３，３を作動させるための走行操作レバーを構成し、オペレータシート１６の座席の左右に設けられた左右一対の操作装置１７がショベル機構１２の操作を行うための作業操作レバーを構成する。

このため、走行操作レバー１７を操作すれば、その操作信号に基づいてコントロールバルブ３４の作動が制御され、走行油圧モータ３６への作動油圧供給制御が行われ、左右の走行機構３，３を駆動させてパワーショベル車１を走行させる制御が行われる。なお、このようにしてパワーショベル車１を走行させる制御を行っている場合において、これを減速走行させるときには、回生発電機３７によりエネルギー回生を行わせて減速トルクを発生させる。このようにして回生発電機３７により発電された電力はサブ充電器４６を介してサブバッテリ４４に供給されてこれを充電する。なお、このとき、操作に応じてメインバッテリ４１から出力制御装置４３によりポンプ用駆動モータ３３に電力供給制御が行われ、このモータ３３により油圧ポンプ３２が駆動されて、作動油圧がコントロールバルブ３４に供給されている。

一方、作業操作レバー１７を操作すれば、その操作信号に基づいてコントロールバルブ３４の作動が制御され、ブレードシリンダ９ａ、ブームシリンダ２４、アームシリンダ２５、バケットシリンダ２６および旋回油圧モータ３８への作動油圧供給制御が行われ、ショベル機構１２の作動や、旋回体１１の旋回作動が行われる。このとき、旋回を停止させるときに回生発電機３９によりエネルギー回生を行わせて旋回を減速させるとともに、このようにして回生発電機３９により発電された電力はサブ充電器４６を介してサブバッテリ４４に供給されてこれを充電する。このときにおいても、操作に応じてメインバッテリ４１から出力制御装置４３によりポンプ用駆動モータ３３に電力供給制御が行われ、このモータ３３により油圧ポンプ３２が駆動されて、作動油圧がコントロールバルブ３４に供給されている。

このようにしてパワーショベル車１の走行およびショベル機構１２による作業が行われるとメインバッテリ４１の電力が消費するため、その残容量が少なくなると、コンセント４２ａを商用電源に接続して商用電源からの電力をメイン充電器４２を介してメインバッテリ４１に供給してその充電が行われる。

一方、サブバッテリ４６は、図示していないが、サブ充電器４６を介して商用電源からの電力により充電が可能であるが、さらに、前述のように、ソーラーパネル２７の発電電力や、回生発電機３７，３９の発電電力や、作動油発電機３５の発電電力がサブ充電器４６を介して供給されて充電されるようになっている。通常では、パワーショベル車１の走行およびショベル機構１２による作業はメインバッテリ４１の電力によりポンプ用駆動モータ３３を駆動して行われる。このため、サブバッテリ４６の電力消費はほとんどなく、これが満充電状態ではソーラーパネル２７等の発電電力は充電に用いることができないため、サブ充電器４６によりこの発電電力をメインバッテリ４１に供給させて、メインバッテリ４１の充電に用いるようになっている。

なお、パワーショベル車１の走行およびショベル機構１２による作業によりメインバッテリ４１の電力が消費されてその残容量が小さくなったときには、接続切換器４５によりサブバッテリ４４をメインバッテリ４１に接続し、サブバッテリ４４によりメインバッテリ４１の充電を行わせる。もしくは、メインバッテリ４１の残容量が無くなったときには、接続切換器４５によりサブバッテリ４４を出力制御装置４３に接続させ、サブバッテリ４４の電力を出力制御装置４３により制御してポンプ用駆動モータ３３に供給してこれを駆動させる。この結果、メインバッテリ４１の残容量が無くなった場合には、サブバッテリ４４の電力を用いてポンプ用駆動モータ３３を駆動し、左右の走行機構３，３を駆動してパワーショベル車１を充電設備のあるところまで走行させ、この充電設備によりメインバッテリ４１の充電を行うという対処が可能である。サブバッテリ４４はこのような役割を果たすものであるため、前述のようにその容量はメインバッテリ４１に比べて小さなものになっている。

次に、本発明の実施形態の変形例を図３を参照して説明する。この実施形態においては、走行機構３の駆動、すなわち駆動用スプロケットホイール５を電動モータ５１により駆動して走行装置２による走行を行わせるようになっている。さらに、旋回体１１を電動モータ５２により駆動して旋回させるようになっている。なお、これ以外の構成は図２の構成と同一であるので、同一部分には同一番号を付してその説明を省略する。

これら電動モータ５１，５２はモータジェネレータから構成されており、出力制御装置４３を介してメインバッテリ４１（もしくはサブバッテリ４４）からの電力供給を受けて駆動されるが、走行装置２による減速走行時にはその減速力をうけて電動モータ５１が発電機として作用し、その発電電力がサブ充電器４６を介してサブバッテリ４４に供給されてこれを充電する。同様に、旋回体１１の減速旋回時にその減速力を受けて電動モータ５２が発電機として作用し、その発電電力がサブ充電器４６を介してサブバッテリ４４に供給されてこれを充電する。

なお、本発明に係る電気駆動式作業車は以上説明したような電気駆動方式のみの構成に限られるものではなく、走行装置および油圧ユニットを駆動するエンジンも備えたハイブリッド駆動方式としても良い。

本発明に係る電気駆動式作業車の一例として示すパワーショベル車の斜視図である。 上記パワーショベル車の第１実施形態に係る油圧ユニットおよび電源システムのブロック図である。 上記パワーショベル車の第２実施形態に係る油圧ユニットおよび電源システムのブロック図である。

符号の説明

１ パワーショベル車（電気駆動式作業車）
１２ ショベル機構（作業装置）
２７ ソーラーパネル（太陽光発電手段）
３０ 油圧ユニット
３３ ポンプ用電動モータ
３４ コントロールバルブ
３５ 作動油発電器
３７，３９ 回生発電器
４１ メインバッテリ
４４ サブバッテリ
４５ 接続切換器

Claims (8)

1. 走行装置を有して走行可能な車体と、
   前記車体に設けられた作業装置と、
   前記作業装置を駆動する油圧ユニットと、
   前記油圧ユニットを駆動するための電動モータと、
   前記電動モータに駆動電力を供給して前記電動モータを駆動するメインバッテリとを備える電気駆動式作業車であって、
   前記メインバッテリより高電圧の定格電圧を有し、前記メインバッテリを充電可能なサブバッテリと、
   前記サブバッテリを前記電動モータおよび前記メインバッテリに選択的に接続する接続切換手段とを有し、
   前記接続切換手段により、前記サブバッテリを前記電動モータに接続させて前記サブバッテリからの電力供給により前記電動モータを駆動可能であるとともに、前記サブバッテリを前記メインバッテリに接続させて前記サブバッテリからの電力供給により前記メインバッテリを充電可能であることを特徴とする電気駆動式作業車。
2. 前記車体に設けられた発電手段と、
   前記発電手段から供給される発電電力を前記サブバッテリに供給して前記サブバッテリを充電するサブバッテリ充電制御手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電気駆動式作業車。
3. 前記発電手段が、太陽光エネルギーを受けて発電する太陽光発電手段であることを特徴とする請求項２に記載の電気駆動式作業車。
4. 前記発電手段が、前記走行装置が受ける被駆動エネルギーを回生発電するエネルギー回生手段であることを特徴とする請求項２に記載の電気駆動式作業車。
5. 前記発電手段が、前記油圧ユニットから供給される作動油により駆動されて発電を行う作動油発電手段であることを特徴とする請求項２に記載の電気駆動式作業車。
6. 前記車体が、前記走行装置に旋回自在に設けられた旋回体を有し、
   前記発電手段が、前記旋回体が受ける被駆動エネルギーを回生発電するエネルギー回生手段であることを特徴とする請求項２に記載の電気駆動式作業車。
7. 前記サブバッテリ充電制御手段は、前記サブバッテリが満充電状態となったときに、前記発電手段から供給される発電電力を前記メインバッテリに供給して前記メインバッテリを充電することを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の電気駆動式作業車。
8. 前記走行装置および前記油圧ユニットを駆動するエンジンも備えたハイブリッド駆動方式に構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電気駆動式作業車。

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