JP2013201818A - フォークリフトの走行モータ用の電力変換装置およびそれを用いたフォークリフト - Google Patents

Abstract

【課題】電池電圧低下時の電力損失を低減する。
【解決手段】第１電力変換装置２００は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴを受け、フォークリフトの車輪に動力を伝達する走行モータＭ１に電力を供給する。指令値生成部２０３は、ユーザの操作に応じた速度指令値Ｓ１を受け、速度指令値Ｓ１に応じたトルク指令値Ｓ５を生成する。インバータ２２０は、トルク指令値Ｓ５に応じた電力を走行モータＭ１に供給する。出力制限回路２５０は電池電圧Ｖ_ＢＡＴの低下に応じて、（１）走行モータＭ１の速度の上限値、（２）走行モータＭ１の加速度の上限値、（３）変調方式、の少なくともひとつを変化させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、フォークリフトの走行モータ用の電力変換装置に関する。

産業車両のひとつに、電池を動力源とする電動フォークリフトがある。電動フォークリフト（以下単にフォークリフトとも称する）は、走行用車輪（駆動輪）である前輪に動力を伝達する走行モータと、転舵輪である後輪の転舵角（操舵角）を制御する油圧ポンプに動力を伝達する油圧アクチュエータ用モータ（ステアリングモータ）と、昇降体を制御する油圧ポンプに動力を伝達する油圧アクチュエータ用モータ（荷役モータ）と、走行モータ、ステアリングモータ、荷役モータそれぞれを駆動する電力変換装置を備える。

モータは、電力変換装置から供給された電力に応じたトルクを発生し、あるいは電力に応じた回転数で回転する。電力変換装置は、その出力段に、電池からの直流電圧が供給されるＰ線とＮ線と、Ｐ線とＮ線の間に直列に設けられたパワートランジスタで構成される上アームと下アームを備える。電力変換装置のゲート駆動回路は、上アームと下アームを相補的にスイッチングし、スイッチングのデューティ比を制御することにより、モータに供給する電流を制御し、トルクや回転数を制御する。

特開２００９−６９２５５３号公報

本発明者らは、このような電力変換装置について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。

本発明はかかる課題を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、電力損失を低減可能なフォークリフトの提供にある。

本発明のある態様は、電池電圧を受け、フォークリフトの車輪に動力を伝達する走行モータに電力を供給する電力変換装置に関する。電力変換装置は、ユーザの操作に応じた速度指令値を受け、速度指令値に応じたトルク指令値を生成する指令値生成部と、トルク指令値に応じた電力を走行モータに供給するインバータと、電池電圧の低下に応じて、（１）モータの速度の上限値、（２）モータの加速度の上限値、（３）変調方式、の少なくともひとつを変化させる出力制限回路と、を備える。

電池から電力変換装置に供給される電流は、モータの速度あるいは加速度の上限値を低下させ、あるいは変調方式を変化させることにより、小さくすることができる。そこで電池電圧の低下にともない、（１）モータの速度の上限値、（２）モータの加速度の上限値、（３）変調方式の少なくともひとつを変化させることにより、電池電圧低下時の電力損失を低減できる。

出力制限回路は、少なくとも（１）モータの速度の上限値、（３）変調方式を変化させるよう構成され、電池電圧の低下に応じて、（１）モータの速度の上限値を変更するより先に、（３）変調方式を切りかえてもよい。
モータの速度の上限値を変化させる場合に比べて、変調方式の切りかえの方が、ユーザに与える違和感やストレスが小さい。そこで、電池電圧が低下した場合に、変調方式を先に切りかえることにより、ユーザの操作感に与える影響を抑えつつ、電力損失を低減できる。

出力制限回路は、少なくとも（２）モータの加速度の上限値、（３）変調方式を変化させるよう構成され、電池電圧の低下に応じて、（２）モータの加速度の上限値を変更するより先に、（３）変調方式を切りかえてもよい。
モータの加速度の上限値を変化させる場合に比べて、変調方式の切りかえの方が、ユーザに与える違和感やストレスが小さい。そこで、電池電圧が低下した場合に、変調方式を先に切りかえることにより、ユーザの操作感に与える影響を抑えつつ、電力損失を低減できる。

出力制限回路は、電池電圧の低下に応じて、（１）モータの速度の上限値、（２）モータの加速度の上限値、（３）変調方式、を変化させるよう構成され、電池電圧の低下に応じて、（１）モータの速度の上限値および（２）モータの加速度の上限値を変更するより先に、（３）変調方式を切りかえてもよい。
モータの加速度や速度の上限値を変化させる場合に比べて、変調方式の切りかえの方が、ユーザに与える違和感やストレスが小さい。そこで、電池電圧が低下した場合に、変調方式を先に切りかえることにより、ユーザの操作感に与える影響を抑えつつ、電力損失を低減できる。

変調方式の切りかえは、３相変調と２相変調の切りかえを含んでもよい。
３相変調から２相変調に切りかえることにより、回路電流を低減でき、電力損失を低減できる。

出力制限回路は、少なくとも（１）モータの速度の上限値、（２）モータの加速度の上限値、を変化させるよう構成され、電池電圧の低下に応じて、（１）モータの速度の上限値を変更するより先に、（２）モータの加速度の上限値を変化させてもよい。
モータの速度の上限値を変化させる場合に比べて、モータの加速度の上限値を変化させる方が、ユーザに与える違和感やストレスが小さい。そこで、電池電圧が低下した場合に、速度の上限値より先に、加速度の上限値を低下させることにより、ユーザの操作感に与える影響を抑えつつ、電力損失を低減できる。

本発明の別の態様はフォークリフトに関する。フォークリフトは、車体と、車体を支持する車輪と、車輪に動力を伝達する走行モータと、走行モータを駆動する上述のいずれかの態様の電力変換装置と、を備えてもよい。

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、電池電圧低下時の電力損失を低減できる。

フォークリフトの外観図を示す斜視図である。 フォークリフトの操縦パネルの一例を示す図である。 フォークリフトの電気系統、機械系統の構成を示すブロック図である。 第１電力変換装置の構成を示すブロック図である。 出力制限回路による速度の上限値、加速度の上限値の制御の一例を示す図である。 フォークリフトの動作を示す波形図である。

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。

図１は、フォークリフトの外観図を示す斜視図である。フォークリフト６００は、車体（シャーシ）６０２、フォーク６０４、昇降体（リフト）６０６、マスト６０８、車輪６１０、６１２を備える。マスト６０８は車体６０２の前方に設けられる。昇降体６０６は、油圧アクチュエータ（図１（ａ）に不図示、図３の１１６）などの動力源によって駆動され、マスト６０８に沿って昇降する。昇降体６０６には、荷物を支持するためのフォーク６０４が取り付けられている。

図２は、フォークリフトの操縦パネル７００の一例を示す図である。操縦パネル７００は、イグニッションスイッチ７０２、ステアリングホイール７０４、リフトレバー７０６、アクセルペダル７０８、ブレーキペダル７１０、ダッシュボード７１４、前後進レバー７１２を備える。

イグニッションスイッチ７０２は、フォークリフト６００の起動用のスイッチである。ステアリングホイール７０４は、フォークリフト６００の操舵を行うための操作手段である。リフトレバー７０６は、昇降体６０６を上下に移動させるための操作手段である。アクセルペダル７０８は、走行用の車輪の回転を制御する操作手段であり、ユーザが踏み込み量を調節することでフォークリフト６００の走行が制御される。ユーザがブレーキペダル７１０を踏み込むと、ブレーキがかかる。前後進レバー７１２は、フォークリフト６００の走行方向を、前進と後進で切りかえるためのレバーである。そのほか、図示しないインチングペダルが設けられてもよい。

続いて、フォークリフト６００の構成を、走行、荷役、操舵それぞれについて説明する。図３は、フォークリフト６００の電気系統、機械系統の構成を示すブロック図である。ＥＣＵ（電子制御コントローラ）１１０は、フォークリフト６００全体を制御するためのプロセッサである。

（走行）
ＥＣＵ１１０は、前後進レバー７１２からの前進、後進を指示する信号と、アクセルペダル７０８からの、踏み込み量に応じた走行操作量を示す信号を受け、それに応じた信号（走行操作量ともいう）Ｓ１を第１電力変換装置２００に出力する。第１電力変換装置２００は、走行操作量Ｓ１に応じて走行モータＭ１に供給する電力を制御する。走行操作量Ｓ１は、走行モータＭ１の目標回転数を指示する速度指令値と相関を有する。駆動輪である前輪６１０は、ドライブシャフト１１４と接続される。ギアボックス１１２およびドライブシャフト１１４は、走行モータＭ１からの動力を前輪６１０に伝達する。

（荷役）
リフトレバー７０６の傾きによって、昇降体６０６の上下動が制御される。ＥＣＵ１１０は、リフトレバー７０６の傾きを検出し、傾きに応じた荷役操作量Ｓ２を示す信号を第２電力変換装置１０２に出力する。第２電力変換装置１０２は、荷役操作量Ｓ２に応じた電力を荷役モータＭ２に供給し、その回転を制御する。昇降体６０６は、油圧アクチュエータ１１６と連結される。油圧アクチュエータ１１６は、荷役モータＭ２が生成する回転運動を、直線運動に変換し、昇降体６０６を制御する。

（操舵）
レゾルバ１２２は、ステアリングホイール７０４の回転角を検出し、回転角を示す信号をＥＣＵ１１０に出力する。ＥＣＵ１１０は、回転角に応じた制御信号Ｓ３を第３電力変換装置１０４に出力する。第３電力変換装置１０４は、制御信号Ｓ３に応じた電力をステアリングモータＭ３に供給し、その回転数を制御する。転舵輪である後輪６１２は、タイロッド１２６を介してギアボックス１２４と連結される。ステアリングモータＭ３の回転運動は、油圧アクチュエータ１１８およびギアボックス１２４を介して、タイロッド１２６に伝達され、操舵が制御される。

以上がフォークリフト６００全体の構成の説明である。続いて実施の形態に係る第１電力変換装置２００の構成を説明する。

図４は、第１電力変換装置２００の構成を示すブロック図である。第１電力変換装置２００は、コントローラ２０２およびインバータ２２０を備える。インバータ２２０は、出力段２２４Ｕ〜２２４Ｗ、ゲート駆動回路２２２Ｕ〜２２２Ｗを備える。出力段２２４はそれぞれ、Ｐ線Ｌ_ＰとＮ線Ｌ_Ｎの間に直列に設けられた上アームと下アームを含む。ゲート駆動回路２２２Ｕ〜Ｗはそれぞれ、コントローラ２０２からの駆動信号Ｓ７に応じて、対応する出力段２２４Ｕ〜Ｗをスイッチングする。

コントローラ２０２は、指令値生成部２０３、パルス変調器２１０、出力制限回路２５０を備える。
指令値生成部２０３は、ＥＣＵ１１０から制御指令値として、走行操作量Ｓ１を示す信号（速度指令値）を受け、走行操作量Ｓ１に応じたトルク指令値Ｓ５を生成する。指令値生成部２０３の構成は特に限定されないが、たとえば指令値生成部２０３は、減算器２０４およびＰＩ（比例・積分）制御部２０６を含む。減算器２０４には、走行モータＭ１の回転状態（回転数）を示す検出信号Ｓ４がフィードバックされる。減算器２０４は、走行操作量Ｓ１と検出信号Ｓ４の偏差を算出する。ＰＩ制御部２０６は、偏差を受け、偏差がゼロとなるように値が制御されるトルク指令値Ｓ５を出力する。パルス変調器２１０は、トルク指令値Ｓ５にもとづいてパルス幅変調された駆動信号Ｓ７を生成する。

電池が発生する直流電圧（電池電圧Ｖ_ＢＡＴ）は時間とともに低下していく。そして電池電圧Ｖ_ＢＡＴが低下すると、モータのコイルに印加される電圧振幅が小さくなるため、モータに対して同じ電力を供給するために必要な電流は大きくなる。回路電流が大きくなると、配線抵抗での電力損失が大きくなり、効率が低下するという問題がある。

この問題を解決するために、実施の形態に係るコントローラ２０２は、（１）走行モータＭ１の速度（回転数）の上限値、（２）走行モータＭ１の回転数の加速度の上限値、（３）変調方式、が切りかえ可能に構成され、さらに出力制限回路２５０が設けられる。

出力制限回路２５０は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴを監視する。そして出力制限回路２５０は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴの低下の度合いに応じて、（１）走行モータＭ１の速度（回転数）の上限値、（２）走行モータＭ１の回転数の加速度の上限値、（３）変調方式、を制御する。

（１）速度（回転数）の制限
走行モータＭ１に流れる電流は、負荷トルクが同じであれば、回転数が高いほど大きくなる。言い換えれば、走行モータＭ１の回転数を制限すれば、走行モータＭ１に流れる電流を抑制することができる。そこで出力制限回路２５０は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴの低下時に走行モータＭ１の速度の上限値を低下させることにより、走行モータＭ１に供給すべき電流を抑制し、電力損失を低減する。

なお、コントローラ２０２における速度の制限の具体的な手法は特に限定されない。たとえば速度指令値Ｓ１を所定の上限値でクランプする構成としてもよい。あるいは速度検出信号Ｓ４を監視し、速度検出信号Ｓ４が上限値を超えないように、ＰＩ制御部２０６が生成するトルク指令値Ｓ５を制御し、あるいはパルス変調器２１０が生成するパルス信号のデューティ比を制御してもよい。

（２）加速度の制限
走行モータＭ１に流れる電流は、加速度が高いほど大きくなる。言い換えれば、走行モータＭ１の加速度を制限すれば、走行モータＭ１に流れる電流を抑制することができる。そこで出力制限回路２５０は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴの低下時に走行モータＭ１の加速度の上限値を低下させることにより、走行モータＭ１に供給すべき電流を抑制し、電力損失を低減する。

コントローラ２０２における加速度の制限の具体的な手法も、特に限定されない。たとえば速度検出信号Ｓ４にもとづいて走行モータＭ１の実際の回転数の加速度を検出し、検出された加速度が上限値を超えないように、ＰＩ制御部２０６が生成するトルク指令値Ｓ５を制御し、あるいはパルス変調器２１０が生成するパルス信号のデューティ比を制御してもよい。
（変調方式の制御）
走行モータＭ１に流れる電流は、変調方式を切りかえることによっても制御できる。本実施の形態では、一例として２相変調と３相変調を切りかえるものとする。３相変調から２相変調に切りかえることにより、スイッチングロスすなわち回路電流が低減される。

第１電力変換装置２００によれば、出力制限回路２５０によって（１）〜（３）の制御を組み合わせることにより、ユーザに与える違和感を抑制しつつも、電流を制限し、電力損失を低減する。

出力制限回路２５０は、ユーザに与える違和感が小さい順に、上限値の変更、変調方式の切りかえを行うことが好ましい。

本発明者らが検討したところ、（１）速度の上限、（２）加速度の上限、（３）変調方式のうち、変調方式の変更が、もっともユーザが知覚しにくい傾向が見られた。そこで出力制限回路２５０は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴが低下し始めると、最初に変調方式を３相変調から２相変調へと切りかえる。出力制限回路２５０は、パルス変調器２１０に対して変調方式を指示する制御信号Ｓ２１を出力する。出力制限回路２５０は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴが第１しきい値Ｖ_ＴＨ１より高いとき、パルス変調器２１０に対して３相変調を指示し、電池電圧Ｖ_ＢＡＴが第１しきい値Ｖ_ＴＨ１より低いとき、パルス変調器２１０に対して２相変調を指示する。

また本発明者らは、（１）速度の上限の低下と、（２）加速度の上限の低下について比較検討した。速度の上限を低下させていくと、車両の速度が遅くなるため、作業時間（作業効率）に直接的に影響を及ぼす。一方、加速度の上限を低下させると、アクセル操作に対する追従性は低下していき操作感が損なわれるが、速度の上限を低下させた場合ほど作業効率を低下させるものではない。

そこで出力制限回路２５０は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴの低下に応じて、（１）走行モータＭ１の速度の上限値を低下させるより先に、（２）走行モータＭ１の加速度の上限値を低下させる。

出力制限回路２５０は、走行モータＭ１の速度、加速度を、段階的に変化させてもよいし、連続的に変化させてもよい。図５は、出力制限回路２５０による速度の上限値、加速度の上限値の制御の一例を示す図である。横軸は電池電圧Ｖ_ＢＡＴを、縦軸は速度の上限値（i）、加速度の上限値（ii）を示す。

加速度（ii）は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴが第２しきい値Ｖ_ＴＨ２より高い領域では一定値をとり、電池電圧Ｖ_ＢＡＴが第２しきい値Ｖ_ＴＨ２より低くなると低下し始める。同様に速度（i）は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴが第３しきい値Ｖ_ＴＨ３より高い領域では一定値をとり、電池電圧Ｖ_ＢＡＴが第３しきい値Ｖ_ＴＨ３より低くなると低下し始める。作業効率と操作感の関係から、Ｖ_ＴＨ２＞Ｖ_ＴＨ３とすることが望ましい。

以上がフォークリフト６００の構成である。続いてその動作を説明する。
図６は、フォークリフト６００の動作を示す波形図である。ユーザがフォークリフト６００を操作し、荷物の搬送、積み卸しを繰り返すと、時間とともに電池電圧Ｖ_ＢＡＴが低下していく。電流Ｉ_ＢＡＴは、第１電力変換装置２００の動作電流である。（１）モータの速度の上限値、（２）モータの加速度の上限値、（３）変調方式を制御しない場合の動作が破線で、制御したときの動作が実線で示される。

制御を行わない場合、電池電圧Ｖ_ＢＡＴの低下にともない、電流Ｉ_ＢＡＴは増大していく。その結果、電池の内部抵抗、ブスバー、その他の配線、パワートランジスタのオン抵抗、モータのコイルの直流抵抗成分における損失が増大していく。これに対して（１）モータの速度の上限値、（２）モータの加速度の上限値、（３）変調方式を制御すると、電流Ｉ_ＢＡＴの増大を抑制でき、損失を低減することができる。

また、（１）モータの速度の上限値、（２）モータの加速度の上限値、（３）変調方式を変化させる順序を適切に定めることにより、ユーザの操作感や作業効率に与える影響を抑制できる。

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、走行モータ用の電力変換装置について、加速度、速度、変調方式すべてを切りかえる技術を説明したが、本発明はそれに限定されない。たとえば加速度のみ、速度のみ、変調方式のみを切りかえてもよいし、それらの任意の組み合わせを切りかえてもよい。また複数のパラメータを制御する場合に、それらを変化させる順序は実施の形態のそれには限定されず、ユーザの操作感や作業効率にもとづいて入れ替えてもよい。

また走行モータＭ１を駆動する第１電力変換装置２００に加えて、あるいはそれに代えて、荷役モータＭ２を駆動する第２電力変換装置１０２、ステアリングモータＭ３を駆動する電力変換装置１０４に、同様の技術を適用してもよい。

６００…フォークリフト、６０２…車体、６０４…フォーク、６０６…昇降体、６０８…マスト、６１０…前輪、６１２…後輪、１００…電池、２００…第１電力変換装置、１０２…第２電力変換装置、１０４…第３電力変換装置、１１０…ＥＣＵ、１１２…ギアボックス、１１４…ドライブシャフト、１１６，１１８…油圧アクチュエータ、１２０…ステアリングシャフト、１２２…レゾルバ、１２４…ギアボックス、１２６…タイロッド、２０２…コントローラ、２０３…指令値生成部、２０４…減算器、２０６…ＰＩ制御部、２１０…パルス変調器、２２０…インバータ、２２２…ゲート駆動回路、２２４…出力段、２５０…出力制限回路、Ｍ１…走行モータ、Ｍ２…荷役モータ、Ｍ３…ステアリングモータ、７００…操縦パネル、７０２…イグニッションスイッチ、７０４…ステアリングホイール、７０６…リフトレバー、７０８…アクセルペダル、７１０…ブレーキペダル、７１２…前後進レバー、７１４…ダッシュボード。

Claims (7)

1. 電池電圧を受け、フォークリフトの車輪に動力を伝達する走行モータに電力を供給する電力変換装置であって、
   ユーザの操作に応じた速度指令値を受け、前記速度指令値に応じたトルク指令値を生成する指令値生成部と、
   前記トルク指令値に応じた電力を前記走行モータに供給するインバータと、
   前記電池電圧の低下に応じて、（１）前記モータの速度の上限値、（２）前記モータの加速度の上限値、（３）変調方式、の少なくともひとつを変化させる出力制限回路と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記出力制限回路は、
   少なくとも（１）前記モータの速度の上限値、（３）変調方式を変化させるよう構成され、
   前記電池電圧の低下に応じて、（１）前記モータの速度の上限値を変更するより先に、（３）変調方式を切りかえることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記出力制限回路は、
   少なくとも（２）前記モータの加速度の上限値、（３）変調方式を変化させるよう構成され、
   前記電池電圧の低下に応じて、（２）前記モータの加速度の上限値を変更するより先に、（３）変調方式を切りかえることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記出力制限回路は、
   前記電池電圧の低下に応じて、（１）前記モータの速度の上限値、（２）前記モータの加速度の上限値、（３）変調方式、を変化させるよう構成され、
   前記電池電圧の低下に応じて、（１）前記モータの速度の上限値および（２）前記モータの加速度の上限値を変更するより先に、（３）変調方式を切りかえることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記変調方式の切りかえは、３相変調と２相変調の切りかえを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 前記出力制限回路は、
   少なくとも（１）前記モータの速度の上限値、（２）前記モータの加速度の上限値、を変化させるよう構成され、
   前記電池電圧の低下に応じて、（１）前記モータの速度の上限値を変更するより先に、（２）前記モータの加速度の上限値を変化させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 車体と、
   前記車体を支持する車輪と、
   前記車輪に動力を伝達する走行モータと、
   前記走行モータを駆動する請求項１から６のいずれかに記載の電力変換装置と、
   を備えることを特徴とするフォークリフト。

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