JP2013124167A - リレー制御装置およびそれを用いた産業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】リレー制御装置の消費電力を低減する。
【解決手段】駆動トランジスタＱ１は、制御対象のリレー８の制御コイルＬ１と直列に設けられる。コイル電圧検出部１０は、駆動トランジスタＱ１の両端間のコイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬを検出する。駆動指令部１２は、コイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬが目標値Ｖ_ＲＥＦと一致するように、駆動トランジスタＱ１の制御信号を生成する。制御部１４は、リレー８が搭載されるフォークリフト１の状態を監視し、監視結果に応じて目標値Ｖ_ＲＥＦを変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、リレー制御装置に関する。

産業機器や産業車両は、電力源である電池と、モータなどの負荷に電力を供給する電力変換装置（インバータ）を備える。電池とインバータの間には電磁リレー（単にリレーともいう）が設けられ、無負荷時にはリレーをオフすることにより、電源経路が遮断可能となっている。

リレーは、接点と、接点を機械的、物理的に変位させるための電磁石を備える。メーク接点（ａ接点）のリレーは、電磁石のコイルに駆動電流を流すことにより、導通状態となる。特許文献１には、リレー制御装置が開示されている。

特許文献１のリレー制御装置は、リレーの制御コイルと直列に駆動用のトランジスタを設け、トランジスタを駆動することにより、制御コイルに電流を流し、リレー接点をオンする。この技術では、リレーコイル部の発熱を抑制するために、制御コイルの両端間のコイル電圧を検出し、コイル電圧が一定となるようにトランジスタをＰＷＭ駆動する。

特開２００４−１７８９６７号公報

産業機器や産業車両は、ノイズや振動の影響を受けやすい。したがってこれらの用途に使用されるリレーは、ノイズや振動によってリレー接点が開放されないように、駆動電流に大きなマージンが付加される。この駆動電流のマージンによって、制御装置の消費電力が大きくなるという問題がある。特にリレーはオン期間が長いため、制御装置の消費電力量が、全体の消費電力量に占める割合は無視できない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、リレー制御装置の消費電力の低減にある。

本発明のある態様は、車両に搭載されるリレー制御装置に関する。リレー制御装置は、制御対象のリレーの制御コイルと直列に設けられた駆動トランジスタと、制御コイルの両端間のコイル電圧を検出するコイル電圧検出部と、コイル電圧が目標値と一致するように、駆動トランジスタの制御信号を生成する駆動指令部と、リレーが搭載される車両の状態を監視し、監視結果に応じて目標値を変化させる制御部と、を備える。

この態様のリレー制御装置は、車両の状態を監視し、監視結果に応じて目標値を変化させ、制御コイルに流れる駆動電流を車両の状態に応じた最適な値とする。これにより、目標値を、車両の状態にかかわらず一定とする場合に比べて、駆動電流のマージンを減らすことができ、消費電力を低減できる。

制御部は、車両の振動を検出し、振動に応じて目標値を変化させてもよい。実際に車両が振動していないか、あるいは振動していても十分に小さい場合には、接点の開放は起こりにくいため目標値を下げることにより、消費電力を低減できる。

制御部は、車両に振動が発生する蓋然性が高いとき、目標値を増大させてもよい。
ある時刻において車両が振動していなくても、その直後に大きな振動が予測される状況では、その振動に先立って目標値を増大させることにより、振動に備えることができる。

制御部は、車両の走行速度に応じて、目標値を変化させてもよい。車両が高速に移動する間は、わずかな段差によっても大きな振動が発生する蓋然性が高く、反対に車両の速度が低いときは、振動は発生しにくく、あるいは発生したとしても振動は小さい。この態様によれば、速度に応じて駆動電流を制御することにより、リレー接点の安定性と消費電力を適切にバランスさせることができる。

車両はフォークリフトであり、制御部は、荷物の重量に応じて目標値を変化させてもよい。フォークリフトが重い荷物を搬送している場合、大きな振動が発生する蓋然性が高いといえる。この態様によれば、荷物の重量に応じて駆動電流を制御することにより、リレー接点の安定性と消費電力を適切にバランスさせることができる。

車両はフォークリフトであり、制御部は、昇降体の高さに応じて目標値を変化させてもよい。
フォークリフトは、荷物を下ろす際に、大きな振動が発生する蓋然性が高いといえる。この態様によれば、昇降体の高さに応じて駆動電流を制御することにより、リレー接点の安定性と消費電力を適切にバランスさせることができる。

制御部は、リレーに流れる電流に応じて、目標値を変化させてもよい。リレーは、その接点に大電流が流れているときには、開放しにくいという特性を有する。この態様によれば、リレーに流れる電流に応じて駆動電流を制御することにより、リレー接点の安定性と消費電力を適切にバランスさせることができる。

本発明の別の態様は、産業車両に関する。この産業車両は、電池と、モータと、電池からの電力を受け、モータを駆動するインバータと、電池とインバータの間の電源ライン上に設けられたリレーと、リレーを制御する上述のいずれかの態様のリレー制御装置と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、リレー制御装置の消費電力を低減できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、フォークリフトの構成を示す図である。 実施の形態に係るリレー制御装置を備えるフォークリフトの構成を示すブロック図である。 図２のリレー制御装置の動作を示すタイムチャートである。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

本実施の形態に係るリレー制御装置は、たとえばフォークリフト、クレーン車、ショベルカーなどの産業車両に搭載される。本実施の形態では、フォークリフトを例に説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は、フォークリフトの構成を示す図である。図１（ａ）に示すように、フォークリフト１は、本体６０、フォーク６２、昇降体（リフト）６４、マスト６６、車輪６８を備える。マスト６６は本体６０の前方に設けられる。昇降体６４は、油圧アクチュエータ（図１（ａ）に不図示、図２の６５）などの動力源によって駆動され、マスト６６に沿って昇降する。昇降体６４には、荷物を支持するためのフォーク６２が取り付けられている。

図１（ｂ）は、フォークリフト１の電気系統の構成を示す図である。フォークリフト１は、２系統のモータＭ１、Ｍ２を備える。第１モータＭ１は、車輪６８を回転させるための車輪用モータであり、第２モータＭ２は、昇降体６４を昇降させる油圧アクチュエータを制御するための荷役用モータである。電力変換装置２＿１、２＿２はそれぞれ、電池６から直流電圧を受け、それを３相交流信号に変換し、対応するモータＭ１、Ｍ２へと供給する。電池６、電力変換装置２＿１、２＿２、モータＭ１、Ｍ２は、本体６０に固定される。電力変換装置２＿１、２＿２は、別個のモジュールであってもよいし、単一のモジュールとして構成されてもよい。

図２は、実施の形態に係るリレー制御装置１００を備えるフォークリフト１の構成を示すブロック図である。

フォークリフト１の電気系統は、上述のようにインバータ２＿１、２＿２、モータＭ１、Ｍ２、電池６を備える。リレー８は、電池６とインバータの間の電源ラインＬＶＤＤ上に設けられる。リレー８は、電磁石を構成する制御コイルＬ１と、電磁石が発生する磁界によって導通、遮断が切りかえられるリレー接点９と、ダイオードＤ１と、を有する。

リレー制御装置１００は、制御コイルＬ１に流れる駆動電流Ｉ_ＤＲＶを制御することにより、リレー接点９の導通、遮断を切りかえる。

リレー制御装置１００は、駆動トランジスタＱ１、コイル電圧検出部１０、駆動指令部１２、制御部１４を備える。駆動トランジスタＱ１は、制御コイルＬ１と直列に設けられる。具体的には駆動トランジスタＱ１は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであり、エミッタが接地され、コレクタが制御コイルＬ１の一端と接続される。制御コイルＬ１の他端は電池６と接続される。駆動トランジスタＱ１は、ＦＥＴであってもよい。

コイル電圧検出部１０は、制御コイルＬ１の両端間のコイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬを検出する。駆動指令部１２は、コイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬが目標値Ｖ_ＲＥＦと一致するように、駆動トランジスタＱ１の制御信号、すなわちベース電流を制御する。コイル電圧検出部１０は駆動トランジスタＱ１をＰＷＭ駆動してもよいし、リニア駆動してもよい。

リレー８の接点の安定性と、駆動電流Ｉ_ＤＲＶつまりリレー制御装置１００の消費電力の間には、トレードオフの関係が成り立つ。すなわち、目標値Ｖ_ＲＥＦを大きくして駆動電流Ｉ_ＤＲＶを大きくすれば、消費電力が増大するが、電磁石の力が強くなるためリレー８の接点の安定性は高まる。反対に、駆動電流Ｉ_ＤＲＶを小さくすれば、消費電力が減少するかわりに、リレー８の接点の安定性が低下する。

実施の形態に係るリレー制御装置１００は、フォークリフト１の状態に応じて、トレードオフ関係にある安定性と消費電力を最適なポイントに設定する。すなわち制御部１４は、リレー８が搭載されるフォークリフト１の状態を監視し、監視結果に応じて目標値Ｖ_ＲＥＦを変化させる。

具体的には制御部１４は、（１）フォークリフト１に、オン状態のリレー接点９が意図せずに開放する程度の振動が生じている場合、あるいは（２）現在は振動していないが、その後、そのような振動が生ずる蓋然性が高い場合には、目標値Ｖ_ＲＥＦを増大させ、駆動電流Ｉ_ＤＲＶを増大させることにより、リレー接点９の開放を防止する。反対に、振動が発生しておらず、振動が発生する蓋然性が低い場合には、目標値ＶＲＥＦを低下させ、駆動電流Ｉ_ＤＲＶを低減する。

このリレー制御装置１００によれば、目標値Ｖ_ＲＥＦを、車両の状態にかかわらず一定とする場合に比べて、駆動電流Ｉ_ＤＲＶのマージンを減らすことができ、消費電力を低減できる。

以下、制御部１４による目標値Ｖ_ＲＥＦの制御の具体例を説明する。

本実施の形態において制御部１４は、フォークリフト１の状態として、
ａ． フォークリフト１の振動
ｂ． フォークリフト１の速度
ｃ． フォークリフトの荷物の重量
ｄ． フォークリフトの昇降体の位置
ｅ． リレーに流れる電流
を監視し、監視結果にもとづいて目標値Ｖ_ＲＥＦを変化させる。

フォークリフト１は、振動センサ２０、速度センサ２２、重量センサ２４、位置センサ２６、電流センサ２８を備える。

振動センサ２０は、フォークリフト１に実際に生じている振動を検知し、振動の大きさを示す検出値Ｓ１を生成する。振動センサ２０は、リレー８の周囲に設けられることが好ましい。制御部１４は、振動センサ２０からの検出値Ｓ１にもとづいて、振動が大きいほど駆動電流Ｉ_ＤＲＶが大きくなるように目標値Ｖ_ＲＥＦを制御する。

これに対して、速度センサ２２、重量センサ２４、位置センサ２６は、振動が生じていない状況において、その直後に大きな振動が生ずる蓋然性が高い状況を判定するために設けられる。

速度センサ２２は、フォークリフト１の走行速度に応じた検出値Ｓ２を生成する。速度センサ２２は、モータＭ１あるいは車輪６８の実際の回転数、あるいはインバータ２＿１の電流値を監視してもよいし、インバータ２＿１に対する速度指令値を監視してもよい。
フォークリフト１が高速に移動する間は、わずかな段差によっても大きな振動が発生する蓋然性が高く、反対に車両の速度が低いときは、振動は発生しにくく、あるいは発生したとしても振動は小さい。そこで制御部１４は、検出値Ｓ２が示す回転数が大きいほど、目標値Ｖ_ＲＥＦを大きくする。

重量センサ２４は、昇降体６４に積載される荷物の重量に応じた検出値Ｓ３を生成する。重い荷物を昇降し、あるいは重い荷物を積載して走行する場合、荷物が軽い場合に比べて大きな振動が発生する蓋然性が高いといえる。そこで制御部１４は、検出値Ｓ３が示す荷物が重いほど、目標値Ｖ_ＲＥＦを大きくする。

位置センサ２６は、昇降体６４の高さを検出し、高さに応じた検出値Ｓ４を生成する。フォークリフト１は、荷物を下ろす際に、大きな振動が発生する蓋然性が高いといえる。または、荷物を可動範囲の最も高い位置まで上昇させたときに、反動によって振動が生ずる可能性もある。つまり、昇降体６４の高さが下限値付近であるときに、あるいは上限値付近であるときには、振動の発生が予測される。そこで制御部１４は、検出値Ｓ４が示す昇降体の高さが所定の範囲であるときに、目標値Ｖ_ＲＥＦを大きくする。

電流センサ２８は、リレー８に流れる負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤを示す検出値Ｓ５を生成する。リレー８は、その接点９に大電流が流れているときには、開放しにくいという特性を有する。そこで制御部１４は、リレー８に流れる電流Ｉ_ＬＯＡＤが小さいときに、目標値Ｖ_ＲＥＦを大きくする。

制御部１４は、以下のようにして目標値Ｖ_ＲＥＦを制御してもよい。

（第１の制御）
フォークリフト１が完全に静止し、振動がない状態において、リレー接点９の接続を安定に維持しうる最小値Ｖ_ＭＩＮを実験、あるいは測定によって定める。そして制御部１４は、この最小値Ｖ_ＭＩＮに、フォークリフト１の状態に応じた差分ΔＶを加算して、目標値Ｖ_ＲＥＦを生成する。
Ｖ_ＲＥＦ＝Ｖ_ＭＩＮ＋ΔＶ

制御部１４は、各検出値Ｓ１〜Ｓ５ごとに、それらに応じて差分ΔＶ１〜ΔＶ５を生成し、それらを合成することにより、目標値ＶＲＥＦを生成してもよい。
Ｖ_ＲＥＦ＝Ｖ_ＭＩＮ＋ΔＶ１＋ΔＶ２＋ΔＶ３＋ΔＶ４＋ΔＶ５

あるいは、各検出値Ｓ１〜Ｓ５ごとに、それらに応じて係数α１、α２、α３、α４、α５を生成し、係数に応じて差分ΔＶを増減させてもよい。
Ｖ_ＲＥＦ＝Ｖ_ＭＩＮ＋ΔＶ×α１×α２×α３×α４×α５

（第２の制御）
この制御でも、フォークリフト１が完全に静止し、振動がない状態において、リレー接点９の接続を安定に維持しうる最小値Ｖ_ＭＩＮが定義される。そして、各検出値Ｓ１〜Ｓ５ごとに、それらに応じて係数β１、β２、β３、β４、β５を生成し、それらの係数を最小値Ｖ_ＭＩＮに乗ずることにより、目標値Ｖ_ＲＥＦを生成する。
Ｖ_ＲＥＦ＝Ｖ_ＭＩＮ×β１×β２×β３×β４×β５

（第３の制御）
第３の制御では、第１の制御と第２の制御が組み合わせられる。すなわち、目標値ＶＲＥＦを生成は、
Ｖ_ＲＥＦ＝Ｖ_ＭＩＮ×βｉ＋ΔＶ
で与えられる。βｉ、ΔＶは、検出値Ｓ１〜Ｓ５に応じて調節される。

第１から第３の制御において、制御部１４は、各検出値Ｓ１〜Ｓ５を重み付けし、目標値Ｖ_ＲＥＦに反映させてもよい。経験的には、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の順に、重み付けは軽くなっていく。すなわち、実際に振動しているか否かが最も因子としては大きく、走行速度、重量、昇降体の高さ、リレーに流れる電流の順で、駆動電流Ｉ_ＤＲＶ（目標値Ｖ_ＲＥＦ）に及ぼす影響を小さくしてもよい。

以上がリレー制御装置１００の構成である。続いてその動作を説明する。図３は、図２のリレー制御装置１００の動作を示すタイムチャートである。本明細書における波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。

フォークリフト１が静止し、荷物も搭載されない状態では、目標値Ｖ_ＲＥＦは最小値Ｖ_ＭＩＮをとる（ｔ０〜ｔ１）。時刻ｔ１に重い荷物が搭載されると、重量センサ２４がそれを検知し、制御部１４は目標値Ｖ_ＲＥＦを高める。期間ｔ２〜ｔ３は、荷物を搭載した状態でフォークリフト１が走行している。このときには衝撃に備えて、さらに目標値Ｖ_ＲＥＦが高められる。時刻ｔ３に走行が停止すると、目標値Ｖ_ＲＥＦは低下する。その後、時刻ｔ４に荷物を下ろすと、目標値Ｖ_ＲＥＦは最小値Ｖ_ＭＩＮに下げられる。その後も、フォークリフト１の状況に応じて目標値Ｖ_ＲＥＦは時々刻々と変化する。

リレー制御装置１００の利点は、従来のリレー制御装置との対比によって明確となる。従来では、図３に破線で示すように、フォークリフト１の状況にかかわらず目標値Ｖ_ＲＥＦを一定値としていたため消費電力が大きくなっている。
これに対して、実施の形態に係るリレー制御装置１００では、フォークリフト１の状態に応じて目標値Ｖ_ＲＥＦすなわち駆動電流Ｉ_ＤＲＶを適応的に変化させる。その結果、図３においてハッチングを付した面積に相当する消費電力量を削減することができる。特にフォークリフト１では、大きな駆動電流Ｉ_ＤＲＶが必要とされる期間はわずかであり、動作時間の大半においては、それほどの駆動電流Ｉ_ＤＲＶは必要とされない。したがって、リレー制御装置１００の消費電力を低減することにより、発熱を抑制し、電池の持続時間を延ばすことができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

実施の形態では、以下の５つのパラメータにもとづいて目標値Ｖ_ＲＥＦを制御する場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、任意のひとつ、あるいは任意の組み合わせに応じて、目標値Ｖ_ＲＥＦを制御してもよい。
ａ． フォークリフト１の振動
ｂ． フォークリフト１の速度
ｃ． フォークリフトの荷物の重量
ｄ． フォークリフトの昇降体の位置
ｅ． リレーに流れる電流

実施の形態では、リレー制御装置１００の用途としてフォークリフト１を説明したが、本発明はそれに限定されない。クレーン車やショベルカーなどの産業車両においても、上記ａ〜ｅに相当するパラメータは存在するため、それらをリレー制御に反映させることにより消費電力を低減できる。

１…フォークリフト、２…インバータ、Ｍ１，Ｍ２…モータ、６…電池、８…リレー、９…リレー接点、Ｌ１…制御コイル、１００…リレー制御装置、Ｑ１…駆動トランジスタ、１０…コイル電圧検出部、１２…駆動指令部、１４…制御部、２０…振動センサ、２２…速度センサ、２４…重量センサ、２６…位置センサ、２８…電流センサ。

Claims (8)

1. 制御対象のリレーの制御コイルと直列に設けられた駆動トランジスタと、
   前記制御コイルの両端間のコイル電圧を検出するコイル電圧検出部と、
   前記コイル電圧が目標値と一致するように、前記駆動トランジスタの制御信号を生成する駆動指令部と、
   前記リレーが搭載される車両の状態を監視し、監視結果に応じて前記目標値を変化させる制御部と、
   を備えることを特徴とするリレー制御装置。
2. 前記制御部は、前記車両の振動を検出し、振動に応じて前記目標値を変化させることを特徴とする請求項１に記載のリレー制御装置。
3. 前記制御部は、前記車両に振動が発生する蓋然性が高いとき、前記目標値を増加させることを特徴とする請求項１または２に記載のリレー制御装置。
4. 前記制御部は、前記車両の走行速度に応じて、前記目標値を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のリレー制御装置。
5. 前記車両はフォークリフトであり、
   前記制御部は、荷物の重量に応じて前記目標値を変化させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のリレー制御装置。
6. 前記車両はフォークリフトであり、
   前記制御部は、昇降体の高さに応じて前記目標値を変化させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のリレー制御装置。
7. 前記制御部は、前記リレーに流れる電流に応じて、前記目標値を変化させることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のリレー制御装置。
8. 電池と、
   モータと、
   前記電池からの電力を受け、前記モータを駆動するインバータと、
   前記電池と前記インバータの間の電源ライン上に設けられたリレーと、
   前記リレーを制御する請求項１から７のいずれかに記載のリレー制御装置と、
   を備えることを特徴とする産業車両。

Images