JP2011050153A

JP2011050153A - 電動産業車両

Info

Publication number: JP2011050153A
Application number: JP2009195527A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kaneko; 金子　　悟; Takashi Ikimi; 高志伊君; Shiho Izumi; 泉　　枝穂; Shuichi Moriki; 秀一森木; Nobuo Shono; 信夫正野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2011-03-10
Also published as: WO2011024707A1

Abstract

【課題】簡便な演算方法により、回生時及び力行時の双方において駆動部を高効率に駆動可能な電源システム装置を備えた電動産業車両を提供する。
【解決手段】電動産業車両の電源システム装置３を、鉛バッテリ２と、大容量キャパシタ１３と、大容量キャパシタ１３の電圧制御を行うＤＣＤＣコンバータ１２と、鉛バッテリ２及び大容量キャパシタ１３の充放電電力を制御するコントローラ１１とから構成する。コントローラ１１は、電動産業車両の駆動源である電動モータ４，６の力行動作時に、鉛バッテリ２及び大容量キャパシタ１３の内部抵抗と、電動モータ４，６の負荷要求電力に基づいて、電源システム装置３の損失が最小となるように、鉛バッテリ２及び大容量キャパシタ１３の電流配分を決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリ式フォークリフト等の電動産業車両に係り、特に、車両各部の駆動源に電源を供給する電源システム装置に関する。

近年、環境問題や原油高騰の問題などに対処するため、各工業製品に対して省エネ志向が強まっている。これを受けて、これまでエンジンによる油圧駆動システム装置が中心であった建設や荷役などの各種産業分野で使用される産業車両についても、電動化による高効率化、省エネルギ化の事例が増加してきている。産業車両を電動化した場合、すなわち産業車両の動力源として電動モータを用いた場合、排気ガスの低減のほか、エンジンの高効率駆動（ハイブリッドの場合）、伝達効率の向上、回生電力の回収などの省エネルギ効果が期待できる。

産業車両の中では、倉庫内や工場内で使用されることが多く、排ガスを出さないことが要求されるフォークリフトの電動化がいち早く進んでおり、バッテリの電力を用いて電動モータを駆動する「バッテリ式フォークリフト」が他の産業車両に先駆けて実用化されている。現在既に製品化されているバッテリ式フォークリフトは、電力源に二次電池として例えば鉛バッテリを使用し、この鉛バッテリの電力を用いて、直接走行用タイヤを電動モータで駆動し、走行を行う。また、荷物の昇降作業を行う荷役装置部分（リフト）においては、電動油圧システム装置が採用されており、専用の荷役モータで油圧ポンプを駆動し、発生した油圧でマスト部に設置された左右の油圧シリンダを作動させる構成となっている。

図６に、従来知られている一般的なバッテリ式フォークリフトの電源システム装置の構成を示す。この図に示すように、本例の電源システム装置３はインバータ１０、鉛バッテリ２、ならびにインバータ１０に指令を与えるコントローラ１１で構成される。バッテリ式フォークリフトのエネルギ源は鉛バッテリ２のみであり、この鉛バッテリ２の直流電力をインバータ１０にて交流電力に変換して、負荷となる走行用電動モータ４及び荷役用電動モータ６を駆動する。電源システム装置３を構成するインバータ１０は、２つのモータ４，６をそれぞれ独立して駆動するため、２つの電力変換器を有している。コントローラ１１は、各モータ４，６から運転者の要求するパワー（特に図示していないが、アクセルやブレーキペダル、ならびに荷役用レバーにより決定される操作量）通りに動力が出力されるように、インバータ１０を介して各モータ４，６を制御する。

バッテリ式フォークリフトは、走行動作時に加減速を頻繁に繰り返しており、制動時には走行用電動モータ４により電気ブレーキがかけられるので、走行動作時において、かなりの量の回生電力を発生している。また、現状では、リフトを用いて持ち上げられた荷物を下降する際、油圧シリンダ内の圧油をリリーフして、リフトに蓄えられた位置エネルギを廃棄してしまっているが、このリフトの位置エネルギを利用して発電機を回す構成とすれば、回生電力としてエネルギを回収することも可能である。このように、バッテリ式フォークリフトでは、その動作内容からかなりの量の回生電力が発生できることがわかる。

しかしながら、バッテリ式フォークリフトに使用されている鉛バッテリは、電動モータの回生電力等の短時間大電流での充電特性には優れていないので、電動モータの回生電力等を直接鉛バッテリに印加しても、ほとんどが損失になってしまい、回生電力等を有効利用することができない。そこで、最近では、鉛バッテリの低急速充電特性を補うために、大容量のキャパシタなどを併用して、電動モータやリフトからの回生電力の回収量を改善する技術が提案されている。

鉛バッテリに大容量のキャパシタを併用する技術は、これまでいくつかの事例が報告されている。その中でも、バッテリに対しＤＣＤＣコンバータを介して大容量キャパシタを並列接続したシステム装置において、キャパシタの内部抵抗をゼロとみなせるような電流指令を演算し、その電流がキャパシタに流れるように制御するものが、効率よく回生電力を回収する技術として特に注目される（非特許文献１参照。）。

平成２０年電気学会全国大会Ｎｏ．４−１４４、「バッテリに並列接続したＥＤＬＣの制御方法」、著者：明電舎宮本ほか

しかしながら、非特許文献１に記載の技術は、回生を行う際のキャパシタに流れる電流指令の演算方法として、バッテリ電圧に対する微分演算を用いているので、高い演算性能を有するコントローラを備えることが要求される。また、非特許文献１には、電力放電時の制御方法が開示されておらず、放電時にも効率のよい駆動が可能になるとはいえないので、この点に改良の余地がある。

本発明は、このような従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便な演算方法により、回生（充電）時及び力行（放電）時の双方において駆動部を高効率に駆動可能な電源システム装置を備えた電動産業車両を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するため、車両の駆動部を駆動する電動モータと、該電動モータにモータ駆動電力を供給する電源システム装置とを備えた電動産業車両であって、前記電源システム装置が、短時間大電流での充電特性に劣る第１蓄電手段と、短時間大電流での充電特性に優れた第２蓄電手段と、該第２蓄電手段の電圧制御を行うＤＣＤＣコンバータと、前記第１蓄電手段及び前記第２蓄電手段の充放電電力を制御するコントローラとを備えたものからなる電動産業車両において、前記コントローラは、前記電動モータの力行動作時に、前記第１蓄電手段及び前記第２蓄電手段の各内部抵抗と前記電動モータの負荷要求電力に基づいて、前記電源システム装置の損失が最小となるように、前記第１蓄電手段及び前記第２蓄電手段の電流配分を決定するという構成にした。

かかる構成によると、電動モータの力行動作時に、第１及び第２の蓄電手段の内部抵抗と電動モータの負荷要求電力に基づいて、電源システム装置の損失が最小となるように、第１蓄電手段及び第２蓄電手段の電流配分を決定するので、電源システム装置の高効率な利用が可能になる。よって、回生時における回生電力の回収量を改善する技術と組合わせることにより、回生時だけでなく、力行時における駆動部の駆動を高効率化することができる。また、第１及び第２の蓄電手段の内部抵抗と電動モータの負荷要求電力に基づいて第１蓄電手段及び第２蓄電手段の電流配分を決定するので、微分演算を行うことなく第１蓄電手段及び第２蓄電手段の電流配分を決定することができ、コントローラの負担を軽減することができる。

また本発明は、前記構成の電動産業車両において、前記コントローラは、前記電動モータの回生動作時に、前記第２蓄電手段にのみ前記電動モータからの回生電力が流れるように、前記ＤＣＤＣコンバータを制御するという構成にした。

第２蓄電手段は、短時間大電流での充電特性に優れているので、かかる構成とすることにより、回生電力を効率良く回収することができる。

また本発明は、前記構成の電動産業車両において、前記コントローラは、前記電動モータの回生動作時に、前記第１蓄電手段に流す電流指令値をゼロとし、この電流指令値と前記第１蓄電手段に流れる電流値との偏差がゼロになるように、前記ＤＣＤＣコンバータをフィードバック制御するという構成にした。

かかる構成によると、第１蓄電手段に流す電流指令値に対して第１蓄電手段に流れる電流値を加減算するだけでＤＣＤＣコンバータをフィードバック制御できるので、コントローラの負担を軽減することができる。

また本発明は、前記構成の電動産業車両において、前記第１蓄電手段が二次電池であり、前記第２蓄電手段が大容量キャパシタであるという構成にした。

鉛バッテリなどの二次電池及び大容量キャパシタを用いた電動産業車両は、技術的に確立しているので、かかる構成とすることにより、信頼性に優れた電動産業車両を実現できる。

本発明によれば、簡便な演算方法により、回生動作時及び力行動作時の双方において高効率駆動が可能な電源システム装置を備えた電動産業車両を提供することができる。

一般的なバッテリ式フォークリフトの構成図である。実施形態に係るバッテリ式フォークリフト用電源システム装置の構成を示すブロック図である。実施形態に係るバッテリ式フォークリフト用電源システム装置に備えられるＤＣＤＣコンバータ制御部の構成を示すブロック図である。実施形態に係るバッテリ式フォークリフト用電源システム装置に備えられる要求電力演算部の構成を示すブロック図ある。実施形態に係るバッテリ式フォークリフト用電源システム装置に備えられる電流分配部の構成を示すブロック図である。従来例に係るバッテリ式フォークリフト用電源システム装置の構成図である。

以下、本発明に係る電動産業車両の実施形態を、バッテリ式フォークリフトを例にとり説明する。

図１に示すように、実施形態に係るバッテリ式フォークリフト１は、走行用電動モータ４により駆動される駆動輪（タイヤ）５と、荷役用電動モータ６により駆動されるポンプ７と、ポンプ７から吐出される圧油にて駆動される油圧シリンダ８と、油圧シリンダ８の伸縮に応じて上昇又は下降するリフト９とを備えている。また、このバッテリ式フォークリフト１には、走行用電動モータ４及び荷役用電動モータ６のエネルギ源として鉛バッテリ２を備えており、鉛バッテリ２に蓄えられた電力は、電源システム装置３により、走行用電動モータ４及び荷役用電動モータ６に対して、それらの各要求パワーに応じた配分で配給される。したがって、実施形態に係るバッテリ式フォークリフト１は、走行用電動モータ４で駆動輪５を回転駆動することによって走行することができ、荷役用電動モータ６でポンプ７を回転駆動し、ポンプ７から吐出される圧油の流れを図示しない方向切換弁などで切り換えて、油圧シリンダ８を伸長又は収縮することによって荷物の上げ下ろしをすることができる。

電源システム装置３は、図２に示すように、インバータ１０に対して並列に接続された鉛バッテリ２及び大容量キャパシタ１３と、大容量キャパシタ１３に印加される電圧値を調整するＤＣＤＣコンバータ１２と、鉛バッテリ２に流れる電流を検出するカレントセンサ１４と、カレントセンサ１４に流れる電流に応じてＤＣＤＣコンバータ１２を制御すると共に、インバータ１０に指令を与えるコントローラ１１とから構成されている。

この電源システム装置は、回生電力が発生した場合に、鉛バッテリ２にはその回生電力を流さず、大容量キャパシタ１３にのみ電力を回収する。その際、コントローラ１１は、図３に示すように、鉛バッテリ２に流れる電流Ｉｂをカレントセンサ１４により検出し、ＤＣＤＣコンバータ１２の制御系にフィードバックさせて、回生電力の回生制御を行う。即ち、コントローラ１１が現在「回生動作」であると判断した場合には、鉛バッテリ２に流す電流指令Ｉｂ^＊をゼロとして、カレントセンサ１４の検出値Ｉｂを電流指令Ｉｂ^＊にフィードバックする。そして、この電流指令Ｉｂ^＊と検出値Ｉｂとの偏差ΔＩｂがゼロとなるように制御器２０で比例積分などの制御演算を行い、大容量キャパシタ１３の目標電圧ＶＣ^＊を算出する。さらに、大容量キャパシタ１３の目標電圧ＶＣ^＊をＤＣＤＣコンバータ電圧制御系２１に入力して、ＤＣＤＣコンバータ１２による大容量キャパシタ１３の電圧制御を行う。

以上が、回生モードにおける、大容量キャパシタ１３を併用した電源システム装置３の制御動作例である。このように、鉛バッテリ２に流れる電流がゼロとなるようにＤＣＤＣコンバータ１２を用いて大容量キャパシタ１３の電圧を制御することにより、走行用電動モータ４及び荷役用電動モータ６の回生モードにおいて、回生電力をすべて大容量キャパシタ１３側に回収することが可能となる。これにより、走行用電動モータ４及び荷役用電動モータ６のエネルギ源として、回生電力の受け入れ特性が低い鉛バッテリ２を用いる場合にも、高効率に回生電力の回収が可能となる。

一方、走行用電動モータ４からトルクを発生させて、バッテリ式フォークリフト１を走行したり、荷役用電動モータ６からトルクを発生させてリフト９を昇降する力行動作時には、走行用電動モータ４、荷役用電動モータ６及びインバータ１０が、そのときの動作（作業）に必要な電力をコントローラ１１に要求する。コントローラ１１は、この要求電力に応じて鉛バッテリ２及び大容量キャパシタ１３より電力を取りだす。その際、力行動作においても、前述の回生動作と同様に、高効率で電源システム装置３を制御することが必要である。前述の回生動作では、鉛バッテリ２の回生電力受け入れ特性が低いために、発生する回生電力のすべてを大容量キャパシタ１３で回収するように制御した。これに対して、力行動作では、鉛バッテリ２は大容量キャパシタ１３と同等の放電特性を有するため、鉛バッテリ２と大容量キャパシタ１３を併用して、走行用電動モータ４、荷役用電動モータ６及びインバータ１０からの要求パワーを賄うようにする。このとき、鉛バッテリ２と大容量キャパシタ１３の電力分配は、当然ながら放電時の損失が最小となるように分配することが好ましい。そこで、コントローラ１１は、鉛バッテリ２と大容量キャパシタ１３の各々の内部抵抗を推定し、走行用電動モータ４、荷役用電動モータ６及びインバータ１０の要求パワーを満足するように、鉛バッテリ２と大容量キャパシタ１３の負担電力を決定する。

図４に、力行動作時における鉛バッテリ２と大容量キャパシタ１３の電力分配を演算する電流分配部３０の構成を示す。この図から明らかなように、本例の電流分配部３０は、要求電力演算部２５と、内部抵抗演算部２６と、電力分配部２７とからなる。なお、この電流分配部３０は、コントローラ１１内に設けられる。

要求電力演算部２５は、走行用電動モータ４及び荷役用電動モータ６の回転数及び温度、図示しないアクセルペダルやリフト昇降レバー等から出力されるトルク指令値、並びにインバータ１０の温度を入力し、その時々で必要な電力を演算する。この要求電力演算部２５のより具体的な構成を図５に示す。この図から明らかなように、本例の要求電力演算部２５は、走行用電動モータ４及び荷役用電動モータ６のそれぞれについて、モータ回転数とトルク指令値の乗算に基づいて出力を演算すると共に、走行用電動モータ４及び荷役用電動モータ６のそれぞれについて、そのモータ温度とインバータ１０の温度とから損失演算部３１，３２にて各モータ動作点での損失を演算し、各モータ４，６の出力と損失を合計して、全要求電力を求める。

内部抵抗演算部２６は、図４に示すように、鉛バッテリ２及び大容量キャパシタ１３の温度を入力して、各蓄電装置についての内部抵抗値を算出する。内部抵抗値演算部２６には、各蓄電装置２，１３に関し、温度に対する内部抵抗特性が記憶されており、この記憶された特性に基づいて内部抵抗値が算出される。

図４の電力配分部２７では、要求電力演算部２５にて求められた全要求電力と、内部抵抗演算部２６にて求められた内部抵抗値を用いて、鉛バッテリ２と大容量キャパシタ１３の電力分配を決定する。このときの電力配分方法としては、電源システム装置３の損失が最小になるようにすることが好ましい。一般に、抵抗体に電流を流した際に発生する損失Ｗ_ｌｏｓｓは、電流をＩ、抵抗をＲとすると、数１で表される。

Ｗ_ｌｏｓｓ＝Ｉ^２×Ｒ・・・（数１）
数１から明らかなように、損失Ｗ_ｌｏｓｓは、電流Ｉの２乗及び抵抗値Ｒのそれぞれに比例する。よって損失Ｗ_ｌｏｓｓを最小にするためには、できるだけ抵抗Ｒが小さい蓄電装置の電力分担分を増やすようにする。

但し、大容量キャパシタ１３の容量は、鉛バッテリの１/１００程度のオーダであり、使用できる電力は限りがある。よって、損失を最小にできる電力配分が可能な条件は、それを賄える程度の電力を大容量キャパシタ１３が蓄えているときであり、大容量キャパシタ１３に蓄えられている電力が減少してきた場合には、残された電力の範囲で可能な限り損失を最小にする電力配分とする。電力配分決定後は、前述の回生動作時と同様に、図３の制御ブロックに基づいてＤＣＤＣコンバータ１２の制御を行う。即ち、鉛バッテリ２に流れる電流Ｉｂをカレントセンサ１４により検出し、ＤＣＤＣコンバータ１２の制御系にフィードバックさせる。このとき、鉛バッテリの電流指令Ｉｂ＊は、電力配分部２７にて算出された鉛バッテリ２の電力配分量に基づいて決定される。例えば、鉛バッテリ２の電力配分量を鉛バッテリ２の電圧値で除した値を電流指令Ｉｂ＊に用いればよい。以上のように、配分された２つの電力のうち、鉛バッテリ２に流れる電流のみを制御することにより、要求電力と鉛バッテリ２の電力の差分を、自動的に大容量キャパシタ１３から負担することができるようになる。

このように、本例の電動産業車両は、走行用電動モータ４及び荷役用電動モータ６の力行動作時に、鉛バッテリ２及び大容量キャパシタ１３の内部抵抗と各電動モータ２，４の負荷要求電力に基づいて、電源システム装置３の損失が最小となるように、鉛バッテリ２及び大容量キャパシタ１３の電流配分を決定するので、電源システム装置３の高効率な利用が可能になる。よって、回生時における回生電力の回収量を改善する技術と組合わせることにより、回生時だけでなく、力行時における駆動部の駆動を高効率化することができる。また、微分演算を行うことなく鉛バッテリ２及び大容量キャパシタ１３の電流配分を決定できるので、コントローラの負担を軽減することができる。

なお、ＤＣＤＣコンバータ１２としては、昇圧型の変換器を用いることもできるし、昇降圧型の変換器を用いることもできる。昇圧型の変換器を用いた場合には、大容量キャパシタ１３の電圧が鉛バッテリ２の電圧以下になったときに、ＤＣＤＣコンバータ１２の上側アーム素子をＯＮに切り換えて、各電動モータ４，６への電力供給を鉛バッテリ２に切り換える。また、ＤＣＤＣコンバータ１２として、昇降圧型の変換器を用いた場合には、各電動モータ４，６の力行動作時において、鉛バッテリ２が所定の電圧範囲内で動作するように、ＤＣＤＣコンバータ１２を制御する。

また、本実施例では鉛バッテリ２と大容量キャパシタ１３を併用した電源システム装置３を例にとって説明したが、電源システム装置３に備えられる２つの蓄電装置の組合せは、これに限定されるものではなく、例えば二次電池としてリチウムイオンバッテリやニッケル水素バッテリなどの短時間大電流での充電特性に劣る第１蓄電手段と、短時間大電流での充電特性に優れた第２蓄電手段との組合せであれば足りる。

本発明は、バッテリ式フォークリフト等の電動産業車両に利用することができる。

１バッテリ式フォークリフト
２鉛バッテリ
３電源システム装置
４走行用電動モータ
６荷役用電動モータ
９リフト
１０インバータ
１１コントローラ
１２ＤＣＤＣコンバータ
１３大容量キャパシタ
２５要求電力演算部
２６内部抵抗演算部
２７電力分配部
３０電流分配部
３１，３２損失演算部

Claims

車両の駆動部を駆動する電動モータと、該電動モータにモータ駆動電力を供給する電源システム装置とを備えた電動産業車両であって、前記電源システム装置が、短時間大電流での充電特性に劣る第１蓄電手段と、短時間大電流での充電特性に優れた第２蓄電手段と、該第２蓄電手段の電圧制御を行うＤＣＤＣコンバータと、前記第１蓄電手段及び前記第２蓄電手段の充放電電力を制御するコントローラとを備えたものからなる電動産業車両において、
前記コントローラは、前記電動モータの力行動作時に、前記第１蓄電手段及び前記第２蓄電手段の各内部抵抗と前記電動モータの負荷要求電力に基づいて、前記電源システム装置の損失が最小となるように、前記第１蓄電手段及び前記第２蓄電手段の電流配分を決定することを特徴とする電動産業車両。
前記コントローラは、前記電動モータの回生動作時に、前記第２蓄電手段にのみ前記電動モータからの回生電力が流れるように、前記ＤＣＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の電動産業車両。
前記コントローラは、前記電動モータの回生動作時に、前記第１蓄電手段に流す電流指令値をゼロとし、この電流指令値と前記第１蓄電手段に流れる電流値との偏差がゼロになるように、前記ＤＣＤＣコンバータをフィードバック制御することを特徴とする請求項２に記載の電動産業車両。
前記第１蓄電手段が二次電池であり、前記第２蓄電手段が大容量キャパシタであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電動産業車両。