JP2008306865A

JP2008306865A - 車両の走行制御装置

Info

Publication number: JP2008306865A
Application number: JP2007152870A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Fujita; 良和藤田
Original assignee: Nippon Yusoki Co Ltd
Current assignee: Nippon Yusoki Co Ltd
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-12-18

Abstract

【課題】バッテリ２の残存容量に応じてモータ４，４の最大出力を制限することにより、工作車１等の走行速度を不必要に低下させることなく運用することができる車両の走行制御装置を提供する。
【解決手段】バッテリ２を電源としてモータ４，４により自走する工作車１等の走行制御装置３において、バッテリ２の残存容量を検出する残存容量検出手段と、この残存容量検出手段が検出した残存容量に応じて、この残存容量が少なくなるほど小さいモータ最大制限出力を決定するモータ最大制限出力決定手段と、このモータ最大制限出力決定手段が決定したモータ最大制限出力以下の範囲内で、モータ４，４の出力を制御する駆動制御手段とを備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、モノレールの保守点検を行う工作車等のように、バッテリを電源としてモータにより自走する車両の走行制御装置に関するものである。

モノレールは、営業時間の終了後の深夜に軌道上を工作車が走行して保守点検を行っている。ただし、営業時間が終了すると、安全のために、軌道の架線を電源から切り離して接地するようになっているので、工作車は、この架線から電源の供給を受けることができず、軌道上を自走する必要がある。

このような工作車は、バッテリを搭載してモータ（電動機）の駆動により自走するものが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。工作車がモータを用いるのは、保守点検のために、軌道上を勾配条件等に関係なく例えば０．１ｋｍ／ｈ程度の微速から４０ｋｍ／ｈ程度の高速までの間の一定速度で走行する必要があるため、エンジン（内燃機関）に比べて、モータの方が走行抵抗の変動時に精密な速度制御が容易だからである。また、工作車は、他の車両を牽引することもあるので、起動時や低速時のトルクの大きいモータの方が有利となる。

図５に従来の工作車１の駆動装置の構成例を示す。この工作車１に搭載されたバッテリ２は、走行制御装置３を介して２台のモータ４，４に電力を供給するようになっている。また、各モータ４は、走行制御装置３に制御されて回転駆動し、この駆動力を減速機５を介してタイヤ６に伝えるようになっている。

ところが、上記工作車１は、車庫でしかバッテリ２の充電が行われないので、一旦車庫から出庫すると、このバッテリ２の残存容量がなくなるまでに再び車庫まで戻る必要がある。このため、従来は、バッテリ２の残存容量を検出して表示させ、この残存容量の表示を運転者が随時監視することで、バッテリ２の残存容量が尽きて車庫まで戻れなくなる事故を防止していたので、このバッテリ２の残存容量の監視が煩わしいという問題が生じていた。

また、バッテリ２は、容量に対する放電電流が大きくなるほど放電効率が低下する。例えば、電池工業会Ｇ０８０５の「電気車用鉛蓄電池に関する技術指針」によれば、電気車用鉛蓄電池は、０．２Ｃの放電電流ではほぼ１００％の放電効率が要求されるが、この５倍の１Ｃの放電電流では約４０％まで放電効率が低下することが許容されている。従って、工作車１のバッテリ２が０．２Ｃの放電電流を供給して５分間走行した場合と、１Ｃの放電電流を供給して１分間走行した場合とでは、計算上は残存容量が同じ放電容量だけ減少することになるが、実際には、１Ｃ放電の場合の方が放電効率が低下するので、残存容量の減少が多くなる。

そこで、従来は、バッテリ２の残存容量が少なくなると、工作車１の速度を低下させてモータ４，４の消費電力を抑制することにより放電電流も小さくなるようにしていた。しかしながら、従来は、例えば平坦路を走行する場合等のように、モータ４，４の消費電力が極めて小さくなる場合や、下り勾配等で回生電力が発生するような場合にも、速度を一律に低く制限していたので、車庫に戻るまでに予定以上の長時間を要し、工作車１の入庫が営業開始時間に間に合わなくなるおそれがあるという問題も発生していた。

さらに、最近では、エンジン発電機と充電回路を用いて、出庫時の走行中等にもバッテリ２に充電できるようにすることにより、このバッテリ２の容量と質量を小さくして車両質量の軽量化を図った工作車１が開発されている。しかしながら、バッテリ２の容量が小さくなると、従来と同じ大きさの放電電流を流しても放電効率は低下する。例えば、バッテリ２の容量が３分の１に縮小されると、従来は０．３Ｃの放電電流であったものが０．９Ｃの放電電流となるので、放電効率が大幅に低下する。しかも、バッテリ２の放電末期では、特にこの放電効率の低下が著しくなる。このため、バッテリ２の容量を小さくした工作車１では、このバッテリ２の残存容量の管理が極めて厳しくなるので、運用に十分な注意が必要になるという問題が生じていた。
特開平７−３０４４４４号公報

本発明は、バッテリの残存容量に応じてモータの最大出力を制限することにより、車両の走行速度を不必要に低下させることなく運用することができる車両の走行制御装置を提供しようとするものである。

請求項１の発明は、バッテリを電源としてモータにより自走する車両の走行制御装置において、バッテリの残存容量を検出する残存容量検出手段と、この残存容量検出手段が検出した残存容量に応じて、この残存容量が少なくなるほど小さいモータ最大制限出力を決定するモータ最大制限出力決定手段と、このモータ最大制限出力決定手段が決定したモータ最大制限出力以下の範囲内で、モータの出力を制御する駆動制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、バッテリの残存容量が少なくなった場合に、モータの最大出力を制限するので、放電効率の低い大電流の放電を防止できるようになる。しかも、車両の最高制限速度を一律に制限するのではないので、平坦路等のように走行抵抗が小さくモータの出力が大きくならない場合や、下り勾配等で回生電力が発生するような場合には、高速走行を行うことができる。従って、バッテリの残存容量が少なくなった場合に、不必要に車両の走行速度を低く制限することなく、放電容量を抑制することができるようになる。特に、バッテリの容量が小さい場合は、放電電流が大きくなると放電効率の低下が著しいので厳しい運用が要求されるが、このような場合に最適な走行制御を行うことができるようになる。

なお、モータ最大制限出力決定手段は、残存容量が少なくなるほど小さいモータ最大制限出力を決定するが、この残存容量が僅かでも少なくなったからといって、必ずより小さいモータ最大制限出力を決定する必要はなく、この残存容量がある程度の範囲内のときには、同じ大きさのモータ最大制限出力を決定してもよい。即ち、モータ最大制限出力決定手段が決定するモータ最大制限出力は、残存容量が少なくなるに従って、段階的に小さくなるようになっていてもよい。

以下、本発明の最良の実施形態について図１〜図４を参照して説明する。なお、これらの図においても、図５に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。

本実施形態は、図２に示すような跨座式のモノレールの軌道７上を走行する工作車１について説明する。この工作車１は、従来例と同様に、バッテリ２を搭載し、走行制御装置３に制御された２台のモータ４，４が減速機５，５を介してタイヤ６，６を回転駆動させることにより軌道７上を自走するようになっている。また、本実施形態の工作車１は、エンジン発電機８と充電回路９とを備えている。

上記工作車１の駆動装置の構成を図１に基づいて説明する。バッテリ２は、従来例と同様に、ここでは鉛蓄電池を用いている。ただし、バッテリ２の容量は、従来例のものに比べて非常に小さいもの（例えば定格容量が３分の１程度のもの）が用いられる。各モータ４も、従来例と同様のＤＣブラシレスモータ等の直流モータである。また、各減速機５と各タイヤ６も、従来例と同様のものである。減速機５は、ギア等の伝導装置によってモータ４の回転速度を所定の減速比で減速させてタイヤ６に伝える装置である。ただし、本実施形態の減速機５は、バッテリ２の容量の縮小に伴い工作車１の車両質量も軽くなるので、従来のものよりも減速比の小さいものが用いられている。

上記エンジン発電機８は、内燃機関であるガソリンエンジンやディーゼルエンジン等のエンジンと、交流発電機等の発電機とを組み合わせた発電装置であり、ガソリンや軽油等の燃料を用いてエンジンを駆動させることにより発電機を回転させて発電を行わせるものである。充電回路９は、このエンジン発電機８で発電された電力を定電流定電圧充電方式等によりバッテリ２に供給して充電を行う回路装置である。従って、本実施形態の工作車１は、出庫時の走行中や作業のための停車中であっても、これらエンジン発電機８と充電回路９を用いてバッテリ２に充電を行うことができるので、従来よりも少ない容量のバッテリ２で足りるようになる。なお、この工作車１が車庫に入庫した場合には、エンジン発電機８に代えて、商用三相交流電源１０に接続して、充電回路９によりバッテリ２の充電を行うことになる。また、商用三相交流電源１０に接続する場合には、充電回路９とは別の充電回路を用いてもよい。

上記走行制御装置３は、従来例と同様に、運転者の運転操作に従って、バッテリ２からモータ４，４に供給される電力を制御することにより、これらのモータ４，４の速度制御等の駆動制御を行う回路装置である。モータ４，４の速度制御には、ここではＰＷＭ方式が用いられる。

また、本実施形態の走行制御装置３は、電流検出器１１と温度検出器１２とが接続され、バッテリ２の残存容量を検出するようになっている（残存容量検出手段）。電流検出器１１は、バッテリ２に流れる充放電電流を検出するホール素子等の電流センサであり、温度検出器１２は、このバッテリ２の電解液の温度を検出するサーミスタ等の温度センサである。バッテリ２の充放電電流は、電流検出器１１によって電圧値に変換されて走行制御装置３に送られ、図３に示すように、Ｖ／Ｆ変換器３ａによって電圧値に応じた周波数のパルス信号に変換され、分周器３ｂ（プログラマブル分周器）で分周されてアップダウンカウンタ３ｃに入力される。従って、このアップダウンカウンタ３ｃには、バッテリ２の充放電電流が積算（積分）されるので、これによってバッテリ２の残存容量を検出することができる。

つまり、バッテリ２の電流は、実際には、電流検出器１１の出力の正負に応じて、放電電流と充電電流に分けられ、それぞれについてＶ／Ｆ変換器３ａと分周器３ｂを介したパルス信号がアップダウンカウンタ３ｃの加算入力と減算入力に入力されて、残存容量を加減算するようになっている。例えば、バッテリ２の電流が放電電流である場合には、アップダウンカウンタ３ｃのカウント値からこの放電電流値に対応する値（放電電荷量）を減算することにより、残存容量が徐々に減ることになる。また、バッテリ２の電流がエンジン発電機８又は商用三相交流電源１０からの充電電流である場合やモータ４，４の回生による充電電流である場合には、アップダウンカウンタ３ｃのカウント値にこの充電電流値に対応する値（充電電荷量）を加算することにより、残存容量が徐々に増えることになる。

ただし、バッテリ２の充放電電流を積算するだけでは、時間の経過に伴って誤差が累積するために、正確な残存容量を検出することができない。そこで、他の方法により検出した残存容量に基づき、アップダウンカウンタ３ｃで積算された残存容量を適宜補正や修正することが好ましい。鉛蓄電池の場合、充放電電流と端子電圧との関係（ＩＶ特性）から残存容量をほぼ正確に推定することができる。このため、本実施形態の場合には、車庫での無負荷の定電流充電を行うときに、充電電流の大きさと充電電圧の上昇の様子から残存容量を正確に推定して、アップダウンカウンタ３ｃの残存容量を修正する。なお、放電電流とそのときの端子電圧との関係から推定した残存容量に基づき、アップダウンカウンタ３ｃの残存容量を修正することもできる。

また、バッテリ２の充放電効率は、上述のように、充放電電流の大きさによっても変化するので、本実施形態では、分周器３ｂの分周比を充放電電流の大きさに応じて変化させることにより、アップダウンカウンタ３ｃで積算される残存容量を補正するようにしている。例えば、０．２Ｃ放電のときの放電効率が１００％で、１Ｃ放電のときの放電効率が４０％であったとすると、放電電流が０．２Ｃのときには分周器３ｂの分周比を既定値とし、放電電流が１Ｃになると、分周器３ｂの分周比を既定値の２．５分の１（４０％）として、アップダウンカウンタ３ｃが放電電流の大きさの比以上のカウントを行うようにすることで、残存容量が放電効率の低下分だけより多く減少するように補正する。

さらに、バッテリ２の充放電効率は、電解液の温度によっても変化するので、本実施形態では、温度検出器１２の検出温度に応じても分周比をさらに調整して、アップダウンカウンタ３ｃで積算される残存容量を補正するようにしている。

なお、アップダウンカウンタ３ｃで積算される残存容量の補正や修正は、上記方法に限らず任意であり、例えば上記温度検出器１２の検出温度による補正に代えて、放電電流と端子電圧との関係から随時残存容量を補正することにより、この電解液の温度だけでなく、バッテリ２の経年劣化による影響も補償することができる。

本実施形態の走行制御装置３は、図４における工作車１の走行速度と牽引力（トルク）の関係において、走行速度が１０ｋｍ／ｈ未満の低速域を定トルク領域とし、走行速度が１０ｋｍ／ｈ以上の中高速域を定出力領域として、モータ４，４の駆動制御を行う。定トルク領域は、牽引力がモータ４，４の電機子電流に比例する領域であり、走行制御装置３は、モータ４，４の界磁電流を最大値とし、電機子電流を増減させることにより、従来と同様の駆動制御を行う。

定出力領域は、牽引力が走行速度に反比例する領域であり、電機子電流を一定としても、走行速度の上昇に伴い界磁電流を減少させることによりモータ電圧が一定（定格電圧）となるので、モータ出力を一定とすることができる。そして、走行制御装置３は、上記アップダウンカウンタ３ｃで積算したバッテリ２の残存容量に基づいて、この残存容量が少なくなるほど小さいモータ最大制限出力を決定し（モータ最大制限出力決定手段）、電機子電流をこのモータ最大制限出力に対応する一定値に制限して、走行速度に応じ界磁電流を増減させることにより駆動制御を行う。

本実施形態の走行制御装置３の制御動作を図４に基づいて詳細に説明する。この走行制御装置３は、バッテリ２の残存容量が７０％以上の場合には、モータ最大制限出力を最大のモータ出力Ｐ_１として決定する。また、残存容量が６０％以上７０％未満の場合には、モータ出力Ｐ_１より小さいモータ出力Ｐ_２として決定し、残存容量が５０％以上６０％未満の場合には、モータ出力Ｐ_２より小さいモータ出力Ｐ_３として決定し、残存容量が４０％以上５０％未満の場合には、モータ出力Ｐ_３より小さいモータ出力Ｐ_４として決定し、残存容量が３０％以上４０％未満の場合には、モータ出力Ｐ_４より小さいモータ出力Ｐ_５として決定する。

ここで、具体的には、モータ出力Ｐ_１を１２０ｋＷとし、モータ出力Ｐ_２を１０８ｋＷ（＝０．９×１２０ｋＷ）とし、モータ出力Ｐ_３を９６ｋＷ（＝０．８×１２０ｋＷ）とし、モータ出力Ｐ_４を８４ｋＷ（＝０．７×１２０ｋＷ）とし、モータ出力Ｐ_５を７２ｋＷ（＝０．６×１２０ｋＷ）としている。そして、定出力領域では牽引力が走行速度に反比例するので、これらのモータ出力Ｐ_１〜_５を示す曲線は、図４に示すように、順に左下に推移した反比例曲線となる。また、走行制御装置３は、モータ４，４の出力が、決定されたモータ出力Ｐ_１〜_５を超えないように、電機子電流をそれぞれに対応する所定値までに制限するので、これらのモータ出力Ｐ_１〜_５を示す曲線よりも下側の領域でのみ駆動制御が可能となる。

例えばバッテリ２の残存容量が３０％以上４０％未満の場合には、図４のモータ出力Ｐ_５の曲線よりも下側の領域で駆動制御が行われるので、必要牽引力（＝走行抵抗）が５ｋＮの平坦路を走行するときには、４０ｋｍ／ｈの速度での走行が可能となるが、必要牽引力が１０ｋＮの上り勾配では、２５ｋｍ／ｈまでに制限され、必要牽引力が２０ｋＮの急な上り勾配では、１５ｋｍ／ｈまでに制限される。これに対して、バッテリ２の残存容量が７０％以上の場合には、モータ出力Ｐ_１の曲線よりも下側の領域で駆動制御が行われるので、必要牽引力が１０ｋＮの上り勾配でも４０ｋｍ／ｈの速度での走行が可能となり、必要牽引力が２０ｋＮの急な上り勾配でも、２０ｋｍ／ｈまでの走行が可能になる。

また、バッテリ２の残存容量がいずれの場合であっても、必要牽引力が５ｋＮ以下となる平坦路や下り坂を走行するときには、４０ｋｍ／ｈの速度での走行が可能となる。しかも、必要牽引力が負となる下り坂を走行するときには、回生電力が発生するので、モータ出力を制限する必要がなくなり、電機子電流も最大値として、制動力を十分に発揮できるようにする。

以上説明したように、本実施形態の工作車１の走行制御装置３によれば、バッテリ２の残存容量が少なくなった場合に、モータ４，４の最大出力を制限するので、放電効率の低い大電流が放電されるのを防止できるようになる。しかも、モータ４，４の出力が大きくならない平坦路を走行する場合や、回生電力が発生する下り勾配の場合には、高速走行を行うことができる。

また、本実施形態の工作車１は、エンジン発電機８と充電回路９を備えているため、バッテリ２の容量が従来例のものに比べて非常に小さいので、放電効率が低い状態で運用せざるを得ない場合が多くなるが、このバッテリ２の残存容量が少ないときであっても、工作車１の走行速度を一律に制限するのではなく、残存容量に応じてモータ４，４の最大出力を制限するので、工作車１の運用に支障を来すようなおそれをなくすことができる。

なお、上記実施形態では、エンジン発電機８と充電回路９を備えた工作車１について説明したが、バッテリ２を電源としてモータ４，４により自走する工作車１であれば同様の効果を得ることができるので、必ずしもエンジン発電機８や充電回路９を備えたものである必要はない。

また、上記実施形態では、モータ４として直流モータを用いる場合を示したが、モータの出力を直接制御すれば同様の効果を得ることができるので、誘導モータ等の他のモータを用いた場合でも同様に実施可能である。

また、上記実施形態では、バッテリ２として鉛蓄電池を用いる場合を示したが、残存容量が少ない場合に消費電力を抑制する必要がある点では、他の蓄電池でも同じであるため、リチウムイオン二次電池等の他の蓄電池でも同様に実施可能である。

また、上記実施形態では、バッテリ２の充放電電流をＶ／Ｆ変換器３ａと分周器３ｂとアップダウンカウンタ３ｃで積算する場合について説明したが、例えば電流検出器１１で検出した電流値をＡ／Ｄ変換してマイクロコンピュータに入力し、ここで適宜修正や補正を施して積算することもでき、この残存容量の積算方法は任意である。しかも、上記実施形態では、バッテリ２の充放電電流を積算することにより残存容量を検出する場合を示したが、このバッテリ２の残存容量は、蓄電池の種類に応じて任意の方法で検出することができる。例えば、上記実施形態のような鉛蓄電池の場合には、放電電流とそのときの端子電圧との関係のみから残存容量を随時推定することも可能である。

また、上記実施形態では、モノレールの保守点検を行う工作車１について説明したが、バッテリを電源としてモータにより自走する車両であれば、どのような車両にも同様に実施可能である。

本発明の一実施形態を示すものであって、工作車の駆動装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態を示すものであって、工作車の構成を示す側面図である。本発明の一実施形態を示すものであって、工作車の走行制御装置の構成の一部を示すブロック図である。本発明の一実施形態を示すものであって、工作車の走行速度と牽引力の関係を示すグラフである。従来例を示すものであって、工作車の駆動装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１工作車
２バッテリ
３走行制御装置
３ａＶ／Ｆ変換器
３ｂ分周器
３ｃアップダウンカウンタ
４モータ
５減速機
６タイヤ
７軌道
８エンジン発電機
９充電回路
１０商用三相交流電源
１１電流検出器
１２温度検出器

Claims

バッテリを電源としてモータにより自走する車両の走行制御装置において、
バッテリの残存容量を検出する残存容量検出手段と、
この残存容量検出手段が検出した残存容量に応じて、この残存容量が少なくなるほど小さいモータ最大制限出力を決定するモータ最大制限出力決定手段と、
このモータ最大制限出力決定手段が決定したモータ最大制限出力以下の範囲内で、モータの出力を制御する駆動制御手段と
を備えたことを特徴とする車両の走行制御装置。