JP2022153098A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】暖機運転の実行時間を短縮し、結果として蓄電装置の充電時間の短縮を図る。【解決手段】この建設機械は、油圧ポンプを駆動する電動機と、電動機に電力を供給する蓄電装置と、蓄電装置を充電する充電器と、充電器を制御する制御装置とを備える。制御装置は、少なくとも蓄電装置の温度に基づき、蓄電装置の充電と放電を繰り返す暖機運転を実行するか否かを判定する。そして、制御装置は、蓄電装置の温度と、充電器の充電率との関係に従い、暖機運転中の充電電流と放電電流の大きさを変化させて暖機運転を実行する。【選択図】図６

Description

本発明は、建設機械に関する。

近年、地球温暖化の抑制の観点から、自動車の電動化が急速に進んでおり、建設機械においても欧州を中心として電動化が進み始めている。電動化を可能とする駆動源である電動機への電力源としては、自動車同様に蓄電装置が主に用いられている。

電動式の建設機械は、外気に晒された過酷な環境下にて使用されるため、蓄電装置は外部環境の影響を大きく受ける。蓄電装置から電動機に電力を供給するには、予め蓄電装置に電力を蓄積する必要がある。

蓄電装置の特性により蓄電装置に流せる許容可能な電流値に制限があり、この許容可能な電流値は、低温時には更に低下する。充電時においては十分な電流値を流せないため、充電時間が長くなってしまうという問題がある。そのため蓄電装置を暖める暖機運転を行うことで、許容可能な電流値を大きくし、これにより充電時間を短くすることが行われている。暖機運転は、一例として、蓄電装置に対する充電と放電とを意図的に繰り返し行うことにより実行される。暖機運転中の充放電電流により発生する熱により蓄電装置を暖めることができる（例えば、特許文献１、２参照）。

しかし、従来技術においては、検出された温度に従って暖機運転の実行の要否を判断するのみであり、暖機運転の実行時間を十分に短くすることができない。

特開２０１５－０９４１７３号公報 特開２０１３－０５２８６６号公報

本発明は、暖機運転の実行時間を短縮し、結果として蓄電装置の充電時間の短縮を図ることができる建設機械を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明に係る建設機械は、油圧ポンプを駆動する電動機と、前記電動機に電力を供給する蓄電装置と、前記蓄電装置を充電する充電器と、前記充電器を制御する制御装置とを備える。前記制御装置は、少なくとも前記蓄電装置の温度に基づき、前記蓄電装置の充電と放電を繰り返す暖機運転を実行するか否かを判定する。そして、前記制御装置は、前記蓄電装置の温度と、前記充電器の充電率との関係に従い、前記暖機運転中の充電電流と放電電流の大きさを変化させて前記暖機運転を実行する。

本発明によれば、暖機運転の実行時間を短縮し、結果として蓄電装置の充電時間の短縮を図ることができる建設機械を提供することができる。

実施形態の建設機械１０の外観構成図である。 建設機械１０に備えられる、油圧制御装置を駆動する電動機、及びその電動機に電力を供給する電気系統の構成例を説明するブロック図である。 蓄電装置４の充電時における、充電率（ＳＯＣ）と許容電流との関係について説明するグラフである。 蓄電装置４の放電時における、充電率（ＳＯＣ）と許容電流との関係について説明するグラフである。 コントローラ６が備えるテーブルの例を示す。 実施の形態の建設機械における暖機運転の動作を説明するフローチャートである。 実施の形態の建設機械における暖機運転の動作を説明するグラフである。

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

図１の外観構造図に示すように、本実施形態の建設機械１０は、一例として、油圧ショベルであり、例えば上部旋回体１１１０と、下部走行体１１２０と、作業機１１３０と、旋回機構１１４０と、シリンダ１１６０とを備えている。

上部旋回体１１１０は、下部走行体１１２０の上部に旋回機構１１４０を介して旋回可能に取り付けられる車体の一部であり、オペレータが運転を行うための運転室１１１１が備えられている。運転室１１１１には運転室１１１１を外部と仕切り開閉可能とされたドアＤが備え付けられている。ドアＤは、物理鍵により施錠可能に構成されている。

上部旋回体１１１０は、建設機械１０の高さ方向に平行な回転軸を中心に、下部走行体１１２０に対して旋回する。上部旋回体１１１０は、例えば、油圧ポンプ、及び油圧制御装置を収容している。下部走行体１１２０は、例えば、図示を省略する油圧ポンプによって駆動される履帯１１２１を備え、制御装置の制御の下で建設機械１０を走行させる。後述するように、この建設機械１０は、この油圧制御装置を駆動する電動機、及び電動機に電力を供給する蓄電装置、その他の電気系統も内蔵している。

作業機１１３０は、例えば、上部旋回体１１１０の前部に設けられ、シリンダ１１６０によって駆動されて掘削作業などの作業を行う。作業機１１３０は、例えば、ブーム１１３１と、アーム１１３２と、バケット１１３３とを有する。旋回機構１１４０は、図示を省略する油圧モータを有し、油圧制御装置の制御の下、建設機械１０の高さ方向に平行な回転軸を中心に、上部旋回体１１１０を下部走行体１１２０に対して旋回させる。

建設機械１０は一般に、油圧ポンプ等にて各種可動部に動力を与えている。このような油圧ポンプ等を電動機と接続し、電動機からの動力により油圧ポンプを回して圧力を生成し、油圧バルブのソレノイドの開閉度を調節して、各種可動部を動作させる。ソレノイドの開閉度は、運転席の操作レバーやペダルにて操作することができる。

図２のブロック図を参照して、建設機械１０に備えられる、油圧制御装置を駆動する電動機、及びその電動機に電力を供給する電気系統の構成例を説明する。図２において、電力を供給する電力線を実線で示し、制御信号等を送受信する通信信号線は点線で示している。

この建設機械１０は、油圧制御装置１を駆動する電動機（モータ）２と、電動機２を制御するためのインバータ３と、インバータ３を介して電動機２に電力を供給する高電圧用の蓄電装置４と、高電圧用の蓄電装置４への充電を行う充電器５を備えている。また、これらの機器を制御し、電気系統の動作の全体を制御、監視、保護のためのコントローラ６（制御装置）が設けられている。さらに、これらの機器の電気的な接続を行うためのジャンクションボックス９が備えられている。ジャンクションボックス９は、各種機器の接続に関し防塵・防水機能を提供すると共に、誤用や故障に対する保護の観点から、リレーやヒューズ等のＯＣＰ（Over current protection）を備えている。

前述したように、蓄電装置４に流せる許容可能な電流値に制限があり、この許容可能な電流（放電電流、充電電流）の値は、低温時には更に低下する。このため、本実施の形態の蓄電装置４は、低温時には、充電と放電を繰り返し実行して暖機運転をすることが可能に構成されている。暖機運転を実行するか否かの判断は、コントローラ６において、蓄電装置４の温度に基づいて判断される。なお、暖機運転の実行の要否は、蓄電装置４の温度のみでなく、他の判断要素も加味して判断されてもよい。なお、後述するように、暖機運転における充電電流の放電電流の値は、状況の変化に応じて適宜更新される。

蓄電装置４には、ジャンクションボックス９を介して、電力変換装置７が接続されている。電力変換装置７は、蓄電装置４から供給される電圧を変換し各機器の制御電圧を生成する。電力変換装置７には、低電圧（例えば１２／２４Ｖ）の蓄電装置８が接続される。

低電圧用の蓄電装置８は、各機器を制御するための制御電圧を生成する。また、建設機械１０には、各種警告灯が設置される。このような警告灯等で使用される低電圧を供給するための蓄電装置として、蓄電装置８が設けられる。

インバータ３は、電動機２を任意の回転数に制御するため、蓄電装置４が出力する直流電力を交流電力に変換する。蓄電装置４が電力を供給するためには予め電力を蓄積しておく必要がある。充電器５は、系統電源設備に接続され、コントローラ６の制御の下、蓄電装置４を充電する。

蓄電装置４の内部には、蓄電装置４に流れる電流を計測する電流計測部としての電流センサ１１、蓄電装置４を構成する電池セルの各電圧を計測する電圧計測部としての電圧センサ１２、及び、蓄電装置４の電池セルの各温度を計測する温度計測部としての温度センサ１３がそれぞれ取り付けられている。

各種センサ１１～１３の各々は、１つの蓄電装置４中に複数個設けられてもよい。同種のセンサが１つの蓄電装置８の中に複数個設けられる場合、その計測値は、平均値、最大値、最小値、中間値などとして出力することができる。コントローラ６は、各種センサ１１～１３で計測された電流、電圧、温度などに従い、蓄電装置８の蓄電量を算出し、更に蓄電量から充電率（ＳＯＣ）を算出する。

図３及び図４を参照して、蓄電装置４の充電時及び放電時における、充電率（ＳＯＣ）と許容電流との関係について説明する。許容電流とは、ある条件下で蓄電装置４が流すことができる電流を意味する。

図３及び図４に示すように、蓄電装置４が高温の場合には、低温時に比べ、充電電流の許容電流、放電電流の許容電流が大きいことが分かる。

また、図３及び図４に示すように、蓄電装置４が低温時においては、充電率（ＳＯＣ）が高くなるほど、放電電流の許容電流は増加する。一方、図３に示すように、蓄電装置４が低温時においては、充電率（ＳＯＣ）の増加に対し、充電電流の許容電流の増加は微小である。なお、大きな電流を流すことでより発熱を促進することができることを考慮すると、蓄電装置４の暖機運転として充放電を実施する場合、温度は常温（２５℃程度まで）程度まで高くされることが望ましく、充電率（ＳＯＣ）は高く維持されていることが望ましい。

図３及び図４から分かるように、蓄電装置４の充電時、及び放電時における許容電流は、蓄電装置４の充電率（ＳＯＣ）によっても異なるし、また蓄電装置４の温度によっても異なる。そこで、本実施の形態では、蓄電装置４の充電率（ＳＯＣ）と蓄電装置４の温度Ｔとの組合せに従って、暖機運転中の充電電流の値ｘ及び放電電流の値ｙを決定し、その決定値ｘ、ｙに従い、を蓄電装置４の暖機運転を制御する。コントローラ６は、充電率ＳＯＣと温度Ｔを逐次算出又は計測し、その算出又は計測された充電率（ＳＯＣ）及び温度Ｔに適した充電電流及び放電電流を設定して暖機運転を実行する。

一例として、コントローラ６は、図５に示すような、暖機運転中の充電電流の値ｘ、ｙを決定するためのテーブルを備えている。このテーブルは、蓄電装置４の充電率（ＳＯＣ）と、蓄電装置の温度Ｔとの組合せ毎に、暖機運転中の充電電流の値ｘと、放電電流の値ｙとを記憶している。コントローラ６は、算出された充電率（ＳＯＣ）と、測定された蓄電装置４の温度Ｔとによりテーブルを参照し、充電電流の値ｘ及び放電電流の値ｙを決定し、暖機運転を制御する。なお、暖機運転時の放電電流に基づく放電電力は、充電器５に充電電力を供給する電源に回生することができる。

図５のテーブルにおいて、充電率（ＳＯＣ）と温度Ｔの組合せ毎に、充電電流の値ｘ（ｘ１１、ｘ１２、・・・・ｘ９９）と、放電電流の値ｙ（ｙ１１、ｙ１２、・・・ｙ９９）とが定められているが、いずれの組合せにおいても、充電電流ｘの値は、放電電流の値ｙよりも大きい値にされている。ｘ、ｙの値は、暖機運転の間適宜更新されるが、ｘ＞ｙの関係は図５のテーブルの記憶値に従い、常に維持される。ｘ＞ｙの関係が暖機運転中に維持されることで、暖機運転の実行中、充電率（ＳＯＣ）は単調に増加する。充電率（ＳＯＣ）が高い方が、許容電流が大きくなり、その分、ｘ、ｙの値も大きい値に設定することができる。従って、ｘ＞ｙの関係が維持されることは、蓄電装置４の充電時間を短縮するためには好ましい。ただし、動作条件によっては、一部においてｘ≦ｙとなる時間帯が設定されてもよい。

図５のテーブルにおいて、充電率（ＳＯＣ）が上昇するほど、放電電流の値ｙに対する充電電流の値ｘの比率が大きくなるように、ｘ及びｙの値が設定されることが好ましい。これにより、暖機運転中の放電電流に対する充電電流の比率は、充電率（ＳＯＣ）が上昇するほどに大きくされ、これにより、蓄電装置４の充電時間を短縮することができる。また、図５のテーブルにおいて、温度Ｔが上昇するほど、放電電流の値ｙに対する充電電流の値ｘの比率が大きくなるように、ｘ及びｙの値が設定されることが好ましい。これにより、暖機運転中の放電電流に対する充電電流の比率は、温度Ｔが上昇するほどに大きくされ、これにより、蓄電装置４の充電時間を短縮することができる。

図６のフローチャート、及び図７のグラフを参照して、実施の形態の建設機械１０における暖機運転の動作を説明する。

最初に、ステップＳ１０では、蓄電装置４の温度Ｔを検出する。そして、ステップＳ１１では、検出された温度Ｔが、暖機運転が必要になる閾値温度Ｔｔｈよりも低いか否かが判定される。Ｔ＜Ｔｔｈの場合には、暖機運転が必要と判断され、ステップＳ１２に移行し、暖機運転の準備が開始される。Ｔ≧Ｔｔｈの場合は、暖機運転は不要と判断され、通常運転（充電）が実行される（ステップＳ２４）。

続くステップＳ１２では、電流センサ１１及び電圧センサ１２の計測値に基づき、蓄電装置４の蓄電量が算出され、更に充電率（ＳＯＣ）が算出される。コントローラ６は、計測された温度Ｔと、算出された充電率（ＳＯＣ）とに基づいて図５のテーブルを参照し、充放電電流の条件（条件１～５）としての、暖機運転時における充電電流の値ｘ及び放電電流の値ｙを設定（又は更新）し（ステップＳ１３）、暖機運転が実施される（ステップＳ１４）。

図７に示すように、時刻ｔ０で暖機運転が開始され、決定された充電電流及び放電電流の値に従い、暖機運転において蓄電装置４への充電及び放電が短期間に繰り返される。図７の一番上のグラフは、蓄電装置４への充放電電流の時間による変化を示しており、放電流を＋側、充電電流を－側としている。図７の真ん中のグラフは、充電率（ＳＯＣ）の時間による変化を示している。暖機運転による充電と放電の繰り返しがされることにより、充電率（ＳＯＣ）も、増減を繰り返す。ただし、充電電流ｘの値は、放電電流ｙの値よりも大きい値に原則として設定されるため、充電率（ＳＯＣ）も全体として時間と共に増加する。なお、図７において、条件１～条件５とは、充電率（ＳＯＣ）と温度Ｔに従い図５に示すテーブルを参照して設定された充電電流の値ｘ、及び放電電流ｙの値を含む、暖機運転の実行時の条件を示している。条件１～５の内容は、状況の変化に応じて変化する。図７では、条件１～５が設定される例が図示されているが、暖機運転中に設定（更新）される条件の数はこれに限定されるものではない。

図６のフローチャートに戻って説明すると、設定された条件に従って暖機運転を開始後、所定の時間間隔で、蓄電装置４の温度Ｔ、及び充電率（ＳＯＣ）が検出又は算出される（ステップＳ２０、Ｓ２１）。

続くステップＳ２２では、ステップＳ２１で検出された温度Ｔが、次の目標温度Ｔｇ（Ｔｇ１、Ｔｇ２、・・・）を超えたか否かが判定される。Ｔ＞Ｔｇであれば、温度Ｔが最終目標温度Ｔｍａｘに達していない限り（ステップＳ２３のＮｏ）、ステップＳ１３に戻り、充放電電流の条件が図５のテーブルに基づいて更新される。なお、ステップＳ２３でＹｅｓの判定がされる場合には、暖機運転は終了し、通常運転、すなわち、通常の蓄電装置４への充電動作に切り替えられる。

ステップＳ２２で、Ｔ≦Ｔｇと判定された場合、ステップＳ３２では、ステップＳ２１で算出された充電率（ＳＯＣ）が、次の目標充電率ＳＯＣ（ＳＯＣ１、ＳＯＣ２．．．）を超えたか否かが判定される。Ｙｅｓであれば、ステップＳ３３に移行する。Ｎｏであれば、ステップＳ１４に戻って、同一の充放電条件により暖機運転が継続される。

ステップＳ３３では、充電率（ＳＯＣ）が最終目標充電率ＳＯＣｍａｘに到達していないか否かが判定される。到達していなければ（ステップＳ３３のＮｏ）、ステップＳ１３に戻り、充放電電流の条件がテーブルに基づいて更新される。ステップＳ３３でＹｅｓの判定がされる場合には、充電は完了したものと判定し、充電動作を終了する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、暖機運転の開始後も、充電率（ＳＯＣ）と温度Ｔとが継続的に算出又は計測され、その充電率（ＳＯＣ）及び温度Ｔの組合せに従った充電電流の値ｘ及び放電電流の値ｙが決定され、暖機運転の条件が適宜更新される。これにより、最適な条件で暖機運転が実行され、より短時間で蓄電装置４への充電動作を終了することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、上記以外の様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…油圧制御装置、 ２…電動機、 ３…インバータ、 ４…蓄電装置、 ５…充電器、 ６…コントローラ、 ７…電力変換装置、 ８…蓄電装置、 ９…ジャンクションボックス、 １０…建設機械、 １１…電流センサ、 １２…電圧センサ、 １３…温度センサ、 １１１０…上部旋回体、 １１１１…運転室、 １１２０…下部走行体、 １１２１…履帯、 １１３０…作業機、 １１３１…ブーム、 １１３２…アーム、 １１３３…バケット、 １１４０…旋回機構、 １１６０…シリンダ。

Claims (8)

1. 油圧制御装置を駆動する電動機と、
   前記電動機に電力を供給する蓄電装置と、
   前記蓄電装置を充電する充電器と、
   前記充電器を制御する制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   少なくとも前記蓄電装置の温度に基づき、前記蓄電装置の充電と放電を繰り返す暖機運転を実行するか否かを判定し、
   前記蓄電装置の温度と、前記充電器の充電率との関係に従い、前記暖機運転中の充電電流と放電電流の大きさを変化させて前記暖機運転を実行する
   ことを特徴とする建設機械。
2. 前記制御装置は、前記暖機運転において、前記充電電流を前記放電電流よりも大きい値にする、請求項１に記載の建設機械。
3. 前記制御装置は、前記暖機運転において、前記蓄電装置の温度が増加するに従い、前記放電電流に対する前記充電電流の比率を大きくする、請求項１に記載の建設機械。
4. 前記制御装置は、前記暖機運転において、前記蓄電装置の充電率が増加するに従い、前記放電電流に対する前記充電電流の比率を大きくする、請求項１に記載の建設機械。
5. 前記制御装置は、前記暖機運転において、前記充電電流を前記放電電流よりも大きい値に設定し、
   前記蓄電装置の温度が増加するに従い、前記放電電流に対する前記充電電流の比率を大きくし、
   前記蓄電装置の充電率が増加するに従い、前記放電電流に対する前記充電電流の比率を大きくする、請求項１に記載の建設機械。
6. 前記制御装置は、前記蓄電装置の温度と、前記充電率との組合せ毎に前記充電電流の値と前記放電電流の値を記憶したテーブルを備え、
   前記制御装置は、得られた前記温度及び前記充電率に基づいて、前記テーブルを参照して前記充電電流の値と前記放電電流の値を決定する、請求項１に記載の建設機械。
7. 前記制御装置は、前記暖機運転の前記充電電流と前記放電電流を設定した後、新たに計測又は算出された前記温度及び前記充電率とに基づき、前記充電電流と前記放電電流とを含む前記暖機運転の条件を更新する、請求項１に記載の建設機械。
8. 前記蓄電装置は、前記暖機運転時の放電電流に基づく放電電力を前記充電器に電力を供給する電源に回生する、請求項１に記載の建設機械。

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