JP2014128034A - 荷役車両の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛電池およびリチウム電池を搭載した荷役車両において、これら電池の充電時間を短くでき、さらにリチウム電池の急速充電を避けることができ、リチウム電池の寿命が短くなる恐れを回避できる荷役車両の電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】鉛電池１１とリチウム電池１２を備え、各電池１１，１２毎に個別に充電可能な充電回路１７，１８を備え、リチウム電池１２の放電条件（リチウム電池１２からモータ１３への給電量）の設定を、２つの電池１１，１２の充電量に対する、リチウム電池１２の充電量の比率に応じて行う。これにより、給電した電力量を回復（充電）するとき、鉛電池１１とリチウム電池１２の充電時間が同一となり、同時に充電を開始すると同時に充電が終了し、充電時間を短縮でき、また充電時間を短くするために、リチウム電池１２を急速充電する必要がなくなり、リチウム電池の寿命が短くなることを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷役車両、特にバッテリフォークリフト（バッテリ駆動の産業用車両）の電源装置に関するものである。

現在、フォークリフトには、エンジンを駆動源とするフォークリフト（以下、エンジン車と称す）と、鉛電池（バッテリ）を駆動源とするフォークリフト（以下、バッテリ車と称す）がある。エンジン車では、今後、排ガス規制等によりエンジンの吸排気系の価格が上昇し、エンジン車自体の価格が上昇すると予想され、よってバッテリ車の需要が伸びるものと予想されている。しかし、バッテリ車は、エンジン車のような出力（パワー）を出すことができず、同じ積載荷重のフォークリフトでは、エンジン車のほうが走行スピードおよび荷役作業の性能ともはるかに勝り、バッテリ車が見劣りするという問題があった。

そこで、バッテリ車の性能をエンジン車並みに上げるには、現在使用されている鉛電池だけでは、電源側の出力（パワー）が全く足りず、高出力の放電を期待できる次世代の２次電池（例えば、リチウム電池）の搭載が必要となってきている。

しかし、次世代の２次電池は価格が高く、現在使用されている鉛電池にそのまま置き換えることはできないため、例えば、特許文献１に開示されているように、現在の鉛電池に加えてリチウム電池を搭載し、電池の容量を増やす電源システムが提案されている。

特開２００１−３１３０８２号公報

しかし、鉛電池とリチウム電池では充電条件（通常、鉛電池は０．２Ｃ、リチウム電池は１Ｃで充電）が異なるために、単位時間当たりの充電量が異なり、よって充電時いずれか一方の電池の充電時間に制約され、２つの電池を共にフル充電するまでの時間を短くできないという問題があった。
またリチウム電池は、急速充電が可能であるが、頻繁に急速充電を繰り返すと、やはり電極が劣化し、寿命が短くなる恐れがあった。

そこで、本発明は、鉛電池およびリチウム電池を搭載した荷役車両において、これら電池の充電時間を短くでき、さらにリチウム電池の急速充電を避けることができ、リチウム電池の寿命が短くなる恐れを回避できる荷役車両の電源装置を提供することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、鉛電池とリチウム電池を備え、荷役車両の負荷に必要な電力を、これらリチウム電池と鉛電池から同時に給電可能とした電源装置であって、
前記リチウム電池と鉛電池毎にそれぞれ充電回路を備え、前記鉛電池とリチウム電池をこれら充電回路からそれぞれ個別に充電可能に構成し、前記荷役車両の負荷に必要な電力量をＡ（ｋＷｈ）、前記リチウム電池の充電量をＬｉｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）、前記鉛電池の充電量をＰｂｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）とするとき、前記リチウム電池から前記負荷への給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）を、
ＡＬｉ＝Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）×Ｌｉｃ
に制御することを特徴とするものである。

上記構成によれば、各電池毎に各電池の充電に必要なだけの電流を供給する充電回路を設け、各電池を独立して充電する構成としたことにより、各電池の充電制御を簡単に確実に自由に行うことが可能となる。

また荷役車両の負荷に必要な電力量Ａ（ｋＷｈ）が要求されたとき、リチウム電池から前記負荷への給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）を、２つの電池の充電量Ｌｉｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ），Ｐｂｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）に対する、リチウム電池の充電量Ｌｉｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）の比率により制御する。すなわち、
ＡＬｉ＝Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）×Ｌｉｃ
と制御する。
この給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）を、回復するときのリチウム電池の充電時間ＴＬｉは、
ＴＬｉ＝ＡＬｉ÷Ｌｉｃ＝Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）
となり、鉛電池から負荷への給電量ＡＰｂ（ｋＷｈ）は、
ＡＰｂ＝Ａ−ＡＬｉ
であるから、ＡＰｂ（ｋＷｈ）を、回復するときの鉛電池の充電時間ＴＰｂは、
ＴＰｂ＝ＡＰｂ÷Ｐｂｃ＝（Ａ−ＡＬｉ）÷Ｐｂｃ
＝｛Ａ−Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）×Ｌｉｃ｝÷Ｐｂｃ
＝Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）
となり、
ＴＬｉ＝ＴＰｂ
となる。

このようにリチウム電池の放電条件（リチウム電池から負荷への給電量；エネルギマネジメント）の設定を、２つの電池（リチウム電池および鉛電池）の充電量に対する、リチウム電池の充電量の比率に応じて行うことにより、給電した電力量を回復（充電）するとき、鉛電池とリチウム電池の充電時間が同一となり、同時に充電を開始すると同時に充電が終了し、充電時間を短縮できる。また充電時間を短くするために、リチウム電池を急速充電する必要がなくなり、リチウム電池の寿命が短くなることが防止される。
なお、鉛電池の給電量を多くすると、鉛電池をフル充電するまでの時間がかかり、できるだけ短い時間で充電を終らせることができなくなる。

また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記リチウム電池から前記負荷への給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）は、所定の使用容量（Ａｈ）以下に限定し、不足分は前記鉛電池より給電することを特徴とするものである。

上記構成によれば、給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）を、負荷が要求する電圧（Ｖ）で除算すると、リチウム電池に要求される電気量（電池の容量）が求められ、放電時間により、放電電流が求められる。このとき、放電を開始し、時間（放電時間）の経過で、使用容量（＝放電定電流値×放電時間）が、所定の使用容量を超えると、リチウム電池からの放電を停止する。これにより、リチウム電池に、回復できない劣化が発生することが回避される。以後、鉛電池からだけの放電とされる。

また請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明であって、前記鉛電池の定格電圧を、前記荷役車両の負荷へ印加する電圧に設定し、前記リチウム電池の定格電圧を、前記鉛電池の定格電圧より低く設定し、前記リチウム電池と前記荷役車両の負荷との間に、前記リチウム電池の定格電圧を、前記負荷への印加電圧まで昇圧し、前記リチウム電池から前記負荷への給電量を制御する充放電チョッパを設けたことを特徴とするものである。

上記構成によれば、リチウム電池の定格電圧を、前記鉛電池の定格電圧より低く設定したことにより、リチウム電池の大きさを小さくでき、荷役車両への搭載スペースを小さくでき、また充放電チョッパによりリチウム電池から負荷への給電量を制御することにより、鉛電池から給電する電流の制御が不要となる。

本発明の荷役車両の電源装置は、各電池毎に各電池の充電に必要なだけの電流を供給する充電回路を設け、各電池を独立して充電する構成としたことにより、各電池の充電制御を簡単に確実に自由に行うことが可能にでき、さらにリチウム電池の放電条件（リチウム電池から負荷への給電量；エネルギマネジメント）の設定を、２つの電池の充電量に対する、リチウム電池の充電量の比率に応じて行うことにより、給電した電力量を回復（充電）するとき、鉛電池とリチウム電池の充電時間が同一となり、同時に充電を開始すると同時に充電が終了し、充電時間を短縮でき、また充電時間を短くするために、リチウム電池を急速充電する必要がなくなり、リチウム電池の寿命が短くなることを防止できる、という効果を有している。

本発明の実施の形態における荷役車両の電源装置の回路図である。 同荷役車両の電源装置の制御構成図である。 同荷役車両の電源装置におけるプリチャージ実行時の手順を示すフローチャートである。 同荷役車両の電源装置における放電時の手順を示すフローチャートであり、（ａ）は鉛電池のフローチャート、（ｂ）はリチウム電池のフローチャートである。 同荷役車両の電源装置における充電時の手順を示すフローチャートであり、（ａ）は鉛電池のフローチャート、（ｂ）はリチウム電池のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態におけるバッテリフォークリフト（荷役車両の一例）に搭載される電源装置の回路図であり、鉛電池１１と、（急速充電可能な電池として）鉛電池１１より定格電圧が低いリチウム電池１２を備え、これら鉛電池１１とリチウム電池１２より、バッテリフォークリフトの負荷を構成するモータ（交流モータ）１３へインバータ１４を介して給電し、またリチウム電池１２より、コントローラ、ランプ、ホーン等の４８Ｖ系補器１５へ補器保護ヒューズ１５Ａを介して給電している。

前記鉛電池１１の定格電圧を、複数の単電池を接続することにより７２Ｖとしている。鉛電池１１の定格電圧の設定を７２Ｖとしたことにより、鉛電池１１の容積（鉛電池１１によりモータ１３を所定時間駆動できる電池容量を確保したときの大きさ）によってバッテリフォークリフトの車体の大きさが現在より大きくなることを避けることができ、且つインバータ１４のスイッチング素子３７（後述する）として、使用しやすい１５０Ｖ耐圧のＦＥＴを使用できる。なお、それ以上となるとスイッチング素子３７としてＩＧＢＴを使用することが必要となり使い勝手が悪くなる。

またリチウム電池１２の定格電圧を、複数のセルを接続することにより４８Ｖとしており、鉛電池１１の定格電圧（７２Ｖ）より低く設定している。リチウム電池１２の定格電圧を４８Ｖとしたことにより、リチウム電池１２の容積（リチウム電池１２によりモータ１３を所定時間駆動できる電池容量を確保したときの大きさ）を小さくすることが可能となり、バッテリフォークリフトの車体に搭載するスペースを少なくでき、また後述する充放電チョッパ３１に使用するスイッチング素子として、使用しやすい１５０Ｖ耐圧のＦＥＴを使用できる。またリチウム電池１２の定格電圧を４８Ｖとしたことにより、リチウム電池１２より、電圧を変更することなく（分圧することなく）４８Ｖ系補器１５へ給電することができ、電力の損失を最小限に抑えている。仮に、リチウム電池１２の定格電圧を７２Ｖとすると、電池の途中から４８Ｖを取り出すことになり、電池のセル間にアンバランスが生じ（４８Ｖまでのセルのほうが早く容量低下する）、電池のセルの寿命低下もアンバランスとなり、片べりとなる。リチウム電池１２の定格電圧を４８Ｖとしたことにより、このような電池のセルの片べりを防止している。またリチウム電池１２には、各電池のセルの電圧を一定値以内に保持するバッテリコントロールユニット（ＢＣＵ）１６（図２）が設けられている。

また各電池１１，１２毎にそれぞれ、各電池１１，１２の充電に必要なだけの電流を供給する充電回路１７，１８が備えられている。

鉛電池１１用の第１充電回路１７は、コンダクタＣＭ１と、第１サーマルリレイ１９と、第１トランス（３相トランス）２０と、フルブリッジからなる第１整流器２１と、コンダクタ（第３コンダクタの一例）ＣＰと、第１ヒューズ２２から構成され、前記第１整流器２１、コンダクタＣＰ、および第１ヒューズ２２は、直列に接続され、この直列回路が、鉛電池保護ヒューズ２３を介して、鉛電池１１の両端に接続されている。

この第１充電回路１７により、商用３相電源の電圧が、コンダクタＣＭ１および第１サーマルリレイ１９を介して第１トランス２０に印加され、この第１トランス２０により第１整流器２１に発生する無負荷直流電圧が７２Ｖとなるように変圧され、第１整流器２１により直流に変換され、コンダクタＣＰ、第１ヒューズ２２および鉛電池保護ヒューズ２３を介して、鉛電池１１へ充電される。また第１充電回路１７（第１トランス２０）の電流容量は、所定の鉛電池１１の充電量Ｐｂｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）に合わせて、必要なだけの電流を供給する容量に設定されている。また前記コンダクタＣＰは、鉛電池１１と第１充電回路１７との間に備えられているスイッチと見なすことができ、コンダクタＣＰのオン−オフにより、鉛電池１１の充電が実行される。
また鉛電池１１は、前記鉛電池保護ヒューズ２３を介して、インバータ１４に接続されている。

またリチウム電池１２の第２充電回路１８は、コンダクタＣＭ２と、第２サーマルリレイ２５と、第２トランス（３相トランス）２６と、フルブリッジからなる第２整流器２７と、コンダクタ（第４コンダクタの一例）ＣＬと、第２ヒューズ２８から構成され、前記第２整流器２７、コンダクタＣＬ、および第２ヒューズ２８は、直列に接続され、この直列回路が、リチウム電池１２の両端に接続されている充放電チョッパ３１の両端に接続されている。

この第２充電回路１８により、商用３相電源の電圧が、コンダクタＣＭ２および第２サーマルリレイ２５を介して第２トランス２６に印加され、この第２トランス２６により第２整流器２７に発生する無負荷直流電圧が７２Ｖとなるように変圧され、第２整流器２７により直流に変換され、コンダクタＣＬおよび第２ヒューズ２８を介して、充放電チョッパ３１へ供給される。また第２充電回路１８（第２トランス２６）の電流容量は、所定のリチウム電池１２の充電量Ｌｉｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）に合わせて、充電に必要なだけの電流を供給する容量に設定されている。また前記コンダクタＣＬは、充放電チョッパ３１と第２充電回路１８との間に備えられているスイッチと見なすことができ、コンダクタＣＬのオン−オフにより、充放電チョッパ３１を介してリチウム電池１２への充電が可能となる（詳細は後述する）。

また第１充電回路１７のコンダクタＣＭ１、第１サーマルリレイ１９、および第１トランス２０と、第２充電回路１８のコンダクタＣＭ２、第２サーマルリレイ２５、および第２トランス２６により、商用電源に接続される充電器３２が構成されている。

また充放電チョッパ３１とリチウム電池１２と間に、コンダクタ（第１コンダクタの一例）ＢＬが備えられ、また充放電チョッパ３１と鉛電池１１と間に、コンダクタ（第２コンダクタの一例）ＢＣが備えられている。

充放電チョッパ３１は、リチウム電池１２を充電し、リチウム電池１２の電圧を鉛電池１１の電圧に昇圧して放電するチョッパであり、この充放電チョッパ３１の高圧側は、コンダクタＢＣを介してインバータ１４に接続され、また第２充電回路１８に接続され、さらに鉛電池保護ヒューズ２３を介して鉛電池１１に接続されており、また充放電チョッパ３１の低圧側は、コンダクタＢＬ、およびリチウム電池保護ヒューズ３３を介してリチウム電池１２に接続されている。そして、共通の接地ライン２４に、鉛電池１１とリチウム電池１２とインバータ１４と充放電チョッパ３１が接続されている。

なお、１つの充電回路（１台のトランス）で、鉛電池１１およびリチウム電池１２に充電しようとすると、不具合が生じる。例えば、鉛電池１１を、０．２Ｃで充電、３００Ａｈの電池とすると、６０Ａの電流を供給するトランスが必要であり、リチウム電池１２のことを考えると、１００Ａの電流を供給するトランスが必要となるが、リチウム電池１２への充電が不要のとき、１００Ａが鉛電池１１へ流れて過充電となり劣化が激しくなり、温度がすぐに上がるという不具合が生じる。鉛電池１１に対して鉛電池１１のみの充電に必要な電流に合わせた第１充電回路１７を設けることにより、鉛電池１１が過充電となる恐れを回避している。

またインバータ１４は、インバータ保護ヒューズ３５と、コンダクタＭＣと、コンデンサ３６と、フルブリッジに組まれたＦＥＴからなるスイッチング素子３７と、ＣＰＵからなるコントローラ（以下、インバータ用コントローラと称す；図２に示す）３８から構成されている。各電池１１，１２から、インバータ保護ヒューズ３５およびコンダクタＭＣを介してスイッチング素子３７へ給電され、インバータ用コントローラ３８により、スイッチング素子３７は矩形波信号でそれぞれ駆動され、各電池１１，１２から供給された直流電流は定格周波数の交流電流に変換されモータ１３ヘ給電される。また前記コンデンサ３６は、スイッチング素子３７のオン−オフ時に発生するサージを吸収し、またスイッチング素子３７へ印加される電圧を安定化させる機能を有している。

また上記充放電チョッパ３１は、コンダクタＢＣに接続されたプラス電源ライン４０と、電圧安定化コンデンサ４１と、２相式リアクトル４２と、ＦＥＴからなる一対の第１スイッチング素子４３と、ＦＥＴからなる一対の第２スイッチング素子４４と、ＦＥＴからなるプリチャージ用のスイッチング素子４５と、ＦＥＴからなるディスチャージ用のスイッチング素子４６と、電圧降下用抵抗４７と、電力消費用抵抗４８と、プルアップ用抵抗４９と、プルダウン用抵抗５０と、第１ダイオード５１と、第２ダイオード５２と、ＣＰＵからなるコントローラ（以下、チョッパ用コントローラと称す；図２に示す）５３とから構成されている。

前記電圧安定化コンデンサ４１は、リチウム電池１２と鉛電池１１の異なる電池電圧を合わせ、安定するために必要なコンデンサであり、プラス電源ライン４０と接地ライン２４との間に接続されている。
またプルアップ用抵抗４９、およびプルダウン用抵抗５０は、直列に接続され、この直列回路は、プラス電源ライン４０と接地ライン２４との間に接続されている。
また第１ダイオード５１のカソードは、プラス電源ライン４０に接続され、アノードは、第２ダイオード５２のカソードに接続され、第２ダイオード５２のアノードは、接地ライン２４に接続されている。

前記プリチャージ用のスイッチング素子４５、電圧降下用抵抗４７、ディスチャージ用のスイッチング素子４６、および電力消費用抵抗４８は、この順に直列に接続され、この直列回路は、鉛電池１１により電圧安定化コンデンサ４１をプリチャージするプリチャージ回路を構成しており、プリチャージ回路は鉛電池保護ヒューズ２３を介して鉛電池１１の両端に接続され、直列回路の両端に鉛電池１１の７２Ｖの電圧が印加される。またディスチャージ用のスイッチング素子４６、および電力消費用抵抗４８により、電圧安定化コンデンサ４１のディスチャージ回路が構成されている。

また電圧降下用抵抗４７とディスチャージ用のスイッチング素子４６の接続点は、電圧安定化コンデンサ４１のプラス側端子およびプラス電源ライン４０に接続され、電圧降下用抵抗４７と電力消費用抵抗４８により、鉛電池１１から印加される７２Ｖの電圧は、プリチャージ用のスイッチング素子４５およびディスチャージ用のスイッチング素子４６が共にオンのとき、例えば、３４Ｖに分圧されて電圧安定化コンデンサ４１に印加される。

また第１ダイオード５１のアノードと第２ダイオード５２のカソードの接続点に、２相式リアクトル４２を構成するリアクトル４２Ａ，４２Ｂそれぞれの一方の端子が接続され、リアクトル４２Ａ，４２Ｂそれぞれの他方の端子とプラス電源ライン４０との間に、第１スイッチング素子４３が接続され、リアクトル４２Ａ，４２Ｂそれぞれの他方の端子と接地ライン２４との間に、第２スイッチング素子４４が接続されている。
またプルアップ用抵抗４９とプルダウン用抵抗５０の接続点に、リアクトル４２Ａの他方の端子が接続されている。
また第１ダイオード５１のアノードと第２ダイオード５２のカソードの接続点は、コンダクタＢＬ、およびリチウム電池保護ヒューズ３３を介してリチウム電池１２に接続されている。

また充放電チョッパ３１のプラス電源ライン４０と接地ライン２４との間の電圧ＶＣと、鉛電池１１の電圧ＶＰｂと、リチウム電池１２の電圧ＶＬと、充放電チョッパ３１（プラス電源ライン４０）から放電される放電電流ＩＣと、鉛電池１１から放電される放電電流ＩＰｂと、リアクトル４２Ａ，４２Ｂに流れる電流ＩＬｉが計測され、これら計測された、電圧ＶＣ，電圧ＶＰｂ，電圧ＶＬ，放電電流ＩＣ，放電電流ＩＰｂ，電流ＩＬｉは、チョッパ用コントローラ５３に入力され、鉛電池１１の電圧ＶＰｂは、またコンダクタコントローラ５８に入力されている。

またチョッパ用コントローラ５３に、バッテリコントロールユニット１６が接続され、バッテリコントロールユニット１６よりリチウム電池１２が正常であることを示すリチウム電池正常信号が入力されている。

そしてこのチョッパ用コントローラ５３は、このリチウム電池正常信号が入力されていることを条件に、第１スイッチング素子４３、第２スイッチング素子４４、プリチャージ用のスイッチング素子４５、およびディスチャージ用のスイッチング素子４６をオン−オフ制御して、次の機能を実現している（詳細は後述する）。
・電圧安定化コンデンサ４１のプリチャージ
・電圧安定化コンデンサ４１のディスチャージ
・リチウム電池１２からインバータ１４へ給電制御（７２Ｖまでの昇圧・放電制御）
・リチウム電池１２への充電制御

また各コンダクタＣＭ１，ＣＭ２，ＣＰ，ＣＬ，ＢＣ，ＢＬ，ＭＣを開放−接続（オン−オフ）制御するコントローラ（以下、コンダクタコントローラと称す）５８（図２）が設けられ、このコンダクタコントローラ５８に、各コンダクタＣＭ１，ＣＭ２，ＣＰ，ＣＬ，ＢＣ，ＢＬ，ＭＣに加えて、インバータ用コントローラ３８、チョッパ用コントローラ５３、およびメインコントローラ６０（図２）が接続されている。

またバッテリフォークリフトの作業時間、および走行・荷役作業の状態に応じて、始動指令、モータ１３の駆動信号（出力電流値の指令を含む）、放電指令{インバータ１４（モータ１３）に必要な電力量Ａ（ｋＷｈ）および放電時間ＴＨの指令を含む}、充電指令、および長時間に渡って停止状態とする作業終了指令を出力する前記メインコントローラ６０が設けられ、このメインコントローラ６０より、チョッパ用コントローラ５３へ、始動指令、放電指令、リチウム電池充電指令および作業終了指令が出力され、コンダクタコントローラ５８へ、放電指令、鉛電池充電指令、および作業終了指令が出力され、また前記放電指令と同時にインバータ用コントローラ３８へモータ１３の駆動指令が出力される。

またコンダクタコントローラ５８は、メインコントローラ６０より作業終了指令を入力すると、全てのコンダクタＣＭ１，ＣＭ２，ＣＰ，ＣＬ，ＢＣ，ＢＬ，ＭＣを、開放した状態（オフした状態）とする。これにより、バッテリフォークリフトの始動時には全てのコンダクタＣＭ１，ＣＭ２，ＣＰ，ＣＬ，ＢＣ，ＢＬ，ＭＣは開放状態（オフ状態）となっている。またコンダクタコントローラ５８は、コンダクタＭＣを接続状態（オン状態）としたとき、インバータ用コントローラ３８へ接続信号を出力し、インバータ用コントローラ３８はこの接続信号を確認し、メインコントローラ６０よりモータ１３の駆動信号を入力すると、指令出力電流値となるように、スイッチング素子３７を駆動し、モータ１３ヘ給電する。

［電圧安定化コンデンサ４１のプリチャージ］
電圧安定化コンデンサ４１のプリチャージについて、図３を参照しながら説明する。電圧安定化コンデンサ４１の電圧（コンデンサ電圧）が小さいときに、コンダクタＢＬあるいはＢＣを投入すると電圧安定化コンデンサ４１に大きな突入電流が流れることになり、コンダクタＢＬあるいはＢＣの接点部にもその突入電流が流れて大きな火花が生じ、場合によっては溶着し破損するという問題が発生する。このため、プリチャージを実行して、コンダクタＢＬあるいはＢＣを投入する前に、電圧安定化コンデンサ４１のコンデンサ電圧を上げ、それからコンダクタＢＬを投入し、コンダクタＢＣを投入している。

この電圧安定化コンデンサ４１のプリチャージは、メインコントローラ６０よりチョッパ用コントローラ５３に始動指令が入力されると、チョッパ用コントローラ５３およびコンダクタコントローラ５８により実行される。なお、始動時には、上述したように、全てのコンダクタＣＭ１，ＣＭ２，ＣＰ，ＣＬ，ＢＣ，ＢＬ，ＭＣは開放した状態（オフした状態）となっている。

チョッパ用コントローラ５３は、始動指令の入力を確認すると（ステップ−１）、計測されている電圧ＶＣが第１規定電圧（例えば、リチウム電池１２の電池電圧×０．７以上；実施の形態では３４Ｖ）以上かどうか、すなわち電圧安定化コンデンサ４１が第１規定電圧以上にチャージされているかどうかを確認し（ステップ−２）、第１規定電圧未満のときプリチャージを行う。すなわち、スイッチング素子４５を接続して（オンして）、電圧安定化コンデンサ４１に、鉛電池１１の電圧７２Ｖを抵抗４７で分圧した３４Ｖ（第１規定電圧）を印加し、電圧安定化コンデンサ４１をチャージする（ステップ−３）。

電圧安定化コンデンサ４１がチャージされ、計測されている電圧ＶＣが３４Ｖ（第１規定電圧）に達したことを確認すると、続いてコンダクタコントローラ５８へコンダクタＢＬの接続指令信号を出力し、コンダクタコントローラ５８によりコンダクタＢＬを接続して（オンして）、リチウム電池１２より４８Ｖを印加する（ステップ−４）。さらに電圧安定化コンデンサ４１がチャージされ、計測されている電圧ＶＣが第２規定電圧（例えば、鉛電池１１の電池電圧×０．７以上；実施の形態では４８Ｖ）に達すると（ステップ−５）、プリチャージを終了し、コンダクタコントローラ５８へコンダクタＢＣの接続指令信号を出力し、コンダクタコントローラ５８によりコンダクタＢＣを接続して（オンして）、放電可能な状態とし（ステップ−６）、終了する。

このように、プリチャージを実行することにより、コンダクタＢＬあるいはＢＣを接続したとき、コンダクタＢＬあるいはＢＣに火花が飛ぶことが回避され、コンダクタＢＬ，ＢＣが破損（溶着等）することが回避される。

［電圧安定化コンデンサ４１のディスチャージ］
次に、電圧安定化コンデンサ４１のディスチャージは、メインコントローラ６０よりチョッパ用コントローラ５３に作業終了信号が入力されると実行される。すなわち、チョッパ用コントローラ５３は、作業終了信号を確認すると、ディスチャージ用のスイッチング素子４６を接続して（オンして）、電圧安定化コンデンサ４１を抵抗４８を介して接地してディスチャージを行う。

『リチウム電池と鉛電池の充放電制御』
［リチウム電池１２からモータ１３への給電量、鉛電池１１からモータ１３への給電量、リチウム電池１２の放電電流、リチウム電池１２の充電時間、および鉛電池１１の充電時間の演算］

メインコントローラ６０よりチョッパ用コントローラ５３に上記放電指令が入力されると、チョッパ用コントローラ５３は、リチウム電池１２からモータ１３への給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）、鉛電池１１からモータ１３への給電量ＡＰｂ（ｋＷｈ）、リチウム電池１２の放電電流ＩＬｉ（ｋＡ）、リチウム電池１２の充電時間ＴＬｉ、および鉛電池１１の充電時間ＴＰｂを演算する。

上記放電指令によるインバータ１４（モータ１３）に必要な電力量をＡ（ｋＷｈ）は、
Ａ＝ＡＰｂ＋ＡＬｉ …（ｉ）
である。このとき、リチウム電池１２からモータ１３への給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）を、２つの電池の充電量Ｌｉｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ），Ｐｂｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）に対する、リチウム電池の充電量Ｌｉｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）の比率により、
ＡＬｉ＝Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）×Ｌｉｃ …（ii）
とする。このとき、鉛電池１１からモータ１３への給電量ＡＰｂ（ｋＷｈ）は、式（ｉ）より、
ＡＰｂ＝Ａ−ＡＬｉ …（iii）
となる。

また放電時間ＴＨ（ｈ）が入力されており、インバータ１４へ印加される電圧は７２（Ｖ）であるので、充放電チョッパ３１（リチウム電池１２）から放電される放電電流ＩＬｉ（ｋＡ）は、
ＩＬｉ＝ＡＬｉ÷ＴＨ÷７２ …（iv）
で求められる。
また上記リチウム電池１２と鉛電池１１でそれぞれ放電により消費した電力量を回復（充電）するとき、リチウム電池１２の充電時間ＴＬｉは、
ＴＬｉ＝ＡＬｉ÷Ｌｉｃ
であるから、式（ii）より、
ＴＬｉ＝Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）
となる。また鉛電池の充電時間ＴＰｂは、
ＴＰｂ＝ＡＰｂ÷Ｐｂｃ
であるから、式（ｉ）、式（ii）により
ＴＰｂ＝（Ａ−ＡＬｉ）÷Ｐｂｃ
＝｛Ａ−Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）×Ｌｉｃ｝÷Ｐｂｃ
＝Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）
となる。このように、
ＴＬｉ＝ＴＰｂ＝Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ） …（ｖ）
で求めることができる。

［鉛電池１１およびリチウム電池１２からの放電］
上記鉛電池１１およびリチウム電池１２の放電制御について、図４を参照しながら説明する。この放電制御は、メインコントローラ６０よりコンダクタコントローラ５８およびチョッパ用コントローラ５３ヘ放電指令が入力されることにより実行される。なお、電圧安定化コンデンサ４１のプリチャージは終了し、コンダクタＢＣ，ＢＬは接続（オン）されているものとする。また鉛電池１１の充電用のコンダクタＣＭ１とＣＰは開放（オフ）され、またリチウム電池１２の充電用のコンダクタＣＭ２とＣＬも開放（オフ）されているものとする。

＊リチウム電池１２からの放電
チョッパ用コントローラ５３は、放電指令を入力すると（ステップ−１）、上記式（ii）によりリチウム電池１２の給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）を求め、上記式（iv）により放電電流ＩＬｉ（ｋＡ）を求め、上記式（ｖ）によりリチウム電池１２の充電時間ＴＬｉと鉛電池１１の充電時間ＴＰｂを求める（ステップ−２）。

そして、コンダクタコントローラ５８より、後述するコンダクタＭＣの接続信号を入力しているかを確認し（ステップ−３）、確認するとリチウム電池１２の放電制御を実行する（ステップ−４）。
すなわち、一対の第１スイッチング素子４３を連続して接続し（オンし）、一対の第２スイッチング素子４４を接続・開放し（オン・オフし）、この第２スイッチング素子４４の接続時間（オン時間）により、昇圧（４８Ｖ→７２Ｖ）すると共に、計測されている放電電流ＩＣを、上記放電電流ＩＬｉに制御する。

同時に放電時間の計測を開始し（ステップ−５）、計測している放電時間ＴＭに、放電電流ＩＬｉを乗算することにより、使用容量Ｋ（Ａｈ）を求める（ステップ−６）。そして、この使用容量Ｋ（Ａｈ）が、所定の使用容量ＫＥ（Ａｈ）を超えたかどうかを確認し（ステップ−７）、確認すると、あるいは（フル充電されると仮定して）所定の使用容量（Ａｈ）を超えていないとき、計測している放電時間ＴＭが、入力している放電時間ＴＨ（ｈ）に達すると（ステップ−８）、あるいは計測しているリチウム電池１２の電圧ＶＬが、放電終止電圧となると（ステップ−９）、あるいはメインコントローラ６０より出力される放電指令が解除されると（ステップ−１０）、あるいはコンダクタコントローラ５８より、後述するコンダクタＭＣの開放信号を入力すると（ステップ−１１）、コンダクタコントローラ５８へコンダクタＢＣの開放指令信号を出力し、コンダクタコントローラ５８は、この開放指令信号を入力すると、コンダクタＢＣを開放し（オフし）（ステップ−１２）、一対の第１スイッチング素子４３および一対の第２スイッチング素子４４をともに開放して（オフして）（ステップ−１３）、終了する。

＊鉛電池１１からの放電
コンダクタコントローラ５８は、放電信号を入力すると（ステップ−１）、コンダクタＭＣを接続して（オンして）放電を開始し（ステップ−２）、続いてチョッパ用コントローラ５３へコンダクタＭＣの接続信号を出力し（ステップ−３）、同時に放電時間ＴＰの計測を開始し（ステップ−４）、計測している放電時間ＴＰが、放電時間ＴＨ（ｈ）に達すると（ステップ−５）、あるいは計測している鉛電池１１の電圧ＶＰｂが予め設定された最低電圧（例えば、定格電圧の５０％）となると（ステップ−６）、あるいは放電指令がオフ（解除）となると（ステップ−７）、コンダクタＭＣを開放し（ステップ−８）、続いてチョッパ用コントローラ５３へコンダクタＭＣの開放信号を出力し（ステップ−９）、放電を終了する。
なお、鉛電池１１からの放電は、リチウム電池１２からの放電が制御されることにより、補充する形で実行される。

［鉛電池１１の充電］
上記鉛電池１１の充電制御について、図５（ａ）を参照しながら説明する。この充電制御は、メインコントローラ６０よりコンダクタコントローラ５８に鉛電池充電指令が入力されることにより、コンダクタコントローラ５８により、第１充電回路１７を使用して準定電圧方式で実行される。

コンダクタコントローラ５８は、鉛電池充電指令を入力すると（ステップ−１）、コンダクタＢＣとＭＣを開放し（オフし）、コンダクタＣＭ１とＣＰを接続して（オンして）、充電を開始し（ステップ−２）、同時に充電時間の計測を開始し（ステップ−３）、計測している充電時間ＴＰＪが、上述した鉛電池１１の充電時間ＴＰｂに到達すると（ステップ−４）、あるいは計測している鉛電池１１の電圧ＶＰｂが、所定の電圧（例えば、定格電圧の９０％）まで上昇すると（ステップ−５）、あるいは鉛電池充電指令がオフ（解除）となると（ステップ−６）、コンダクタＣＭ１とＣＰを開放し（ステップ−７）、充電を終了する。
このとき、鉛電池１１の充電量をＰｂｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）は、第１トランス２０から出力される容量により設定される。

［リチウム電池１２の充電］
次に、上記リチウム電池１２の充電制御について、図５（ｂ）を参照しながら説明する。この充電制御は、メインコントローラ６０よりコンダクタコントローラ５８およびチョッパ用コントローラ５３ヘリチウム電池充電指令が入力されることにより、コンダクタコントローラ５８およびチョッパ用コントローラ５３により、第２充電回路１８を使用して、電池電圧変動の影響が少ない第２トランス２６（一般トランス）を用いた充放電チョッパ３１によるＣＣ−ＣＶ充電方式で実行される。なお、電圧安定化コンデンサ４１のプリチャージは終了しているものとする。

チョッパ用コントローラ５３は、リチウム電池充電指令を入力すると（ステップ−１）、コンダクタコントローラ５８へ、コンダクタＢＣを開放（オフ）する開放指令信号、およびコンダクタＣＭ２，ＣＬを接続（オン）する接続指令信号を出力し（ステップ−２）、コンダクタコントローラ５８は、これら指令信号によりコンダクタＢＣを開放（オフ）し、コンダクタＣＭ２，ＣＬを接続（オン）し、チョッパ用コントローラ５３へ、これらコンダクタＢＣの開放信号およびＣＭ２，ＣＬの接続信号を出力する（ステップ−３）。

チョッパ用コントローラ５３は、これら開放信号と接続信号を入力すると（ステップ−４）、一対の第１スイッチング素子４３と一対の第２スイッチング素子４４を、交互に接続・開放し（オン・オフし）、一対の第１スイッチング素子４３の接続時間（オン時間）により、計測されているリチウム電池１２の電圧ＶＬと計測されているリアクトル４２Ａ，４２Ｂに流れる合計の電流ＩＬｉをフィードバックしながら、リチウム電池１２の充電量がＬｉｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）となるように、制御する（ステップ−５）。

同時に充電時間ＴＬＪの計測を開始し（ステップ−６）、計測している充電時間ＴＬＪが、上述したリチウム電池１２の充電時間ＴＬｉに到達すると（ステップ−７）、あるいは計測されているリチウム電池１２の電圧ＶＬが、充電保護電圧に達すると（ステップ−８）、あるいはリチウム電池充電指令がオフ（解除）となると（ステップ−９）、チョッパ用コントローラ５３は、一対の第１スイッチング素子４３および一対の第２スイッチング素子４４をともに開放して（オフして）（ステップ−１０）、コンダクタコントローラ５８へ、コンダクタＣＭ２とＣＬを開放（オフ）する開放指令信号、およびコンダクタＢＣを接続（オン）する接続指令信号を出力する（ステップ−１１）。コンダクタコントローラ５８は、これら指令信号を入力すると、コンダクタＣＭ２とＣＬを開放し（オフし）、コンダクタＢＣを接続し（オンし）（ステップ−１２）、終了する。

上記回路の構成により、メインコントローラ６０から始動指令が出力されると、チョッパ用コントローラ５３により、電圧安定化コンデンサ４１のプリチャージが実行され、待機状態とされる。またメインコントローラ６０から作業終了信号が出力されると、コンダクタコントローラ５８により、全てのコンダクタＣＭ１，ＣＭ２，ＣＰ，ＣＬ，ＢＣ，ＢＬ，ＭＣが、開放状態（オフ状態）とされ、またチョッパ用コントローラ５３により、電圧安定化コンデンサ４１のディスチャージが実行される。

またメインコントローラ６０から鉛電池充電指令が出力されると、コンダクタコントローラ５８により、鉛電池１１の充電が実行され、またメインコントローラ６０からリチウム電池充電指令が出力されると、チョッパ用コントローラ５３により、リチウム電池１２の充電が実行され、このように鉛電池１１とリチウム電池１２は、これら充電回路１７，１８から、それぞれ個別に充電可能な構成とされている。

またメインコントローラ６０から放電指令が出力されると、コンダクタコントローラ５８により、鉛電池１１の放電が実行され、且つチョッパ用コントローラ５３により、リチウム電池１２の放電が実行され、このように鉛電池１１とリチウム電池１２から同時にモータ１３へ給電可能な構成とされている。このとき、チョッパ用コントローラ５３により、メインコントローラ６０より要求された電力量に応じた放電電流となるように、リチウム電池１２の放電電流が制御される。

以上のように本実施の形態によれば、各電池１１，１２毎に充電回路１７，１８を設け、各電池１１，１２を独立して充電する構成としたことにより、各電池１１，１２の充電制御を簡単に確実に自由に行うことができ、また鉛電池１１に対して、第１充電回路１７より鉛電池１１の充電に必要なだけの電流を供給することにより、鉛電池１１が過充電となる恐れを回避でき、バッテリフォークリフトの安全を確保できる。

また本実施の形態によれば、リチウム電池１２の放電条件（リチウム電池１２から負荷への給電量；エネルギマネジメント）の設定を、２つの電池１１，１２の充電量に対する、リチウム電池１２の充電量の比率に応じて行うことにより、給電した電力量を回復（充電）するとき、鉛電池１１とリチウム電池１２の充電時間が同一となり、同時に充電を開始すると同時に充電が終了し、充電時間を短縮でき、また充電時間を短くするために、リチウム電池１２を急速充電する必要がなくなり、リチウム電池１２の寿命が短くなることを防止できる。

また本実施の形態によれば、リチウム電池１２の給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）を、負荷が要求する電圧（Ｖ）で除算すると、リチウム電池１２に要求される電気量（電池の容量）が求められ、放電時間により、放電電流が求められ、このとき、放電を開始し、時間（放電時間）の経過で、使用容量（＝放電定電流値×放電時間）が、所定の使用容量を超えると、リチウム電池１２からの放電を停止することにより、リチウム電池１２に回復できない劣化が発生することを回避できる。

また本実施の形態によれば、プリチャージ回路を介して電圧安定化コンデンサ４１の電圧を第１規定電圧まで上昇し、それからコンダクタＢＬを接続することにより、コンダクタＢＬに、リチウム電池１２の電圧と電圧安定化コンデンサ４１の電圧との差により火花が飛び、コンダクタＢＬが破損することを回避することができる。さらに電圧安定化コンデンサ４１の電圧を第２規定電圧まで上昇し、それからコンダクタＢＣを接続することにより、コンダクタＢＣに、鉛電池１１の電圧と電圧安定化コンデンサ４１の電圧との差により火花が飛び、コンダクタＢＣが破損することを回避することができる。

また本実施の形態によれば、リチウム電池１２の充電時は、コンダクタＢＣを開放し、電圧安定化コンデンサ４１のプリチャージの終了後、コンダクタＣＬを接続し、充電終了でコンダクタＣＬを開放し、鉛電池１１の充電時は、コンダクタＢＣを開放し、コンダクタＣＰを接続し、充電終了でコンダクタＣＰを開放することにより、各電池１１，１２は個別に充電され、このように、コンダクタの接続（オン）−開放（オフ）により、各電池を独立して簡単に自由に充電することができる。

なお、本実施の形態によれば、リチウム電池１２への充電を、第２充電回路１８を使用して実行しているが、第２充電回路１８を使用できないとき、鉛電池１１から充電することもできる。
第２充電回路１８を使用できないとき、すなわちバッテリフォークリフトが運転中で第２充電回路１８を商用電源に接続できない状態、あるいは不具合が発生している状態で、チョッパ用コントローラ５３は、リチウム電池充電指令を確認すると、あるいはリチウム電池１２の電圧ＶＬが低下し、規定残存容量以下になったことを検出すると、コンダクタコントローラ５８へ、コンダクタＭＣ，ＣＬ，ＣＰの開放指令信号、およびコンダクタＢＣの接続指令信号を出力して、コンダクタコントローラ５８により、コンダクタＭＣ，ＣＬ，ＣＰを開放させ（オフさせ）、コンダクタＢＣを接続させ（オンさせ）、充放電チョッパ３１のスイッチング素子４３，４４を制御することにより充電を実行する。
このように、リチウム電池１２の第２充電回路１８を使用できないとき、鉛電池１１から充電することができる。

また本実施の形態では、鉛電池１１に対する充放電を実行する制御回路を設けていない（充電制御はしていない）が、充放電を実行する制御回路を設けてもよい。しかし、鉛電池１１は、基本的に急速充電という能力がないので、トランスの能力に応じて充電されるだけであり、単にコンダクタＣＭ１とＣＰをオン−オフ制御するだけで十分である。また充放電を実行する制御回路を設けると、コストが高くなる。

また本実施の形態では、荷役車両を、バッテリフォークリフトとしているが、本発明は、鉛電池とリチウム電池をともに搭載した車両に適用することが可能である。

１１ 鉛電池
１２ リチウム電池
１３ モータ（交流モータ）
１４ インバータ
１５ ４８Ｖ系補器
１７ 第１充電回路
１８ 第２充電回路
２０ 第１トランス（３相トランス）
２１ 第１整流器
２４ 接地ライン
２６ 第２トランス（３相トランス）
２７ 第２整流器
３１ 充放電チョッパ
３２ 充電器
３７ スイッチング素子
３８ インバータ用コントローラ
４１ 電圧安定化コンデンサ
４２ ２相式リアクトル
４３ 第１スイッチング素子
４４ 第２スイッチング素子
４５ プリチャージ用のスイッチング素子
４６ ディスチャージ用のスイッチング素子
５３ チョッパ用コントローラ
５８ コンダクタコントローラ
６０ メインコントローラ
ＣＭ１ コンダクタ（第１充電回路）
ＣＰ コンダクタ（第１充電回路）
ＣＭ２ コンダクタ（第２充電回路）
ＣＬ コンダクタ（第２充電回路）
ＭＣ コンダクタ（インバータ）
ＢＬ コンダクタ（リチウム電池）
ＢＣ コンダクタ（充放電チョッパ）

Claims (3)

1. 鉛電池とリチウム電池を備え、荷役車両の負荷に必要な電力を、これらリチウム電池と鉛電池から同時に給電可能とした電源装置であって、
   前記リチウム電池と鉛電池毎にそれぞれ充電回路を備え、前記鉛電池とリチウム電池をこれら充電回路からそれぞれ個別に充電可能に構成し、
   前記荷役車両の負荷に必要な電力量をＡ（ｋＷｈ）、前記リチウム電池の充電量をＬｉｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）、前記鉛電池の充電量をＰｂｃ（ｋＷｈ／ｍｉｎ）とするとき、前記リチウム電池から前記負荷への給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）を、
   ＡＬｉ＝Ａ÷（Ｌｉｃ＋Ｐｂｃ）×Ｌｉｃ
   と制御すること
   を特徴とする荷役車両の電源装置。
2. 前記リチウム電池から前記負荷への給電量ＡＬｉ（ｋＷｈ）は、所定の使用容量（Ａｈ）以下に限定し、不足分は前記鉛電池より給電すること
   を特徴とする請求項１に記載の荷役車両の電源装置。
3. 前記鉛電池の定格電圧を、前記荷役車両の負荷へ印加する電圧に設定し、
   前記リチウム電池の定格電圧を、前記鉛電池の定格電圧より低く設定し、
   前記リチウム電池と前記荷役車両の負荷との間に、前記リチウム電池の定格電圧を、前記負荷への印加電圧まで昇圧し、前記リチウム電池から前記負荷への給電量を制御する充放電チョッパを設けたこと
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の荷役車両の電源装置。
   

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