JP2019038365A - 電動駆動式作業車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】モジュレート後の加速においてトルコン車と同等以上の加速が得られる電動駆動式作業車両を提供すること。
【解決手段】エンジン1と機械的に接続した発電電動機5と、発電電圧指令に基づいて発電電動機5の発電量を制御する発電インバータ6と、車体を駆動する走行電動機7と、電動機トルク指令に基づいて走行電動機7のトルクを制御する走行インバータ8と、車体の前進/後進を切り替える前後進スイッチ103とを備える電動駆動式ホイールローダ30において、ブレーキ抵抗器3と、入力電圧がブレーキ設定電圧Vbを超えるとき発電インバータ6及び走行インバータ8をブレーキ抵抗器3に電気的に接続するチョッパ回路4と、ホイールローダ30がモジュレート動作する間、ブレーキ設定電圧Vbを超える電圧V2を発生する発電電圧指令を発電インバータ6に出力するメインコントローラ100とを備える。
【選択図】 図2
【解決手段】エンジン1と機械的に接続した発電電動機5と、発電電圧指令に基づいて発電電動機5の発電量を制御する発電インバータ6と、車体を駆動する走行電動機7と、電動機トルク指令に基づいて走行電動機7のトルクを制御する走行インバータ8と、車体の前進/後進を切り替える前後進スイッチ103とを備える電動駆動式ホイールローダ30において、ブレーキ抵抗器3と、入力電圧がブレーキ設定電圧Vbを超えるとき発電インバータ6及び走行インバータ8をブレーキ抵抗器3に電気的に接続するチョッパ回路4と、ホイールローダ30がモジュレート動作する間、ブレーキ設定電圧Vbを超える電圧V2を発生する発電電圧指令を発電インバータ6に出力するメインコントローラ100とを備える。
【選択図】 図2
Description
本発明は、電動駆動式作業車両に関する。
ホイールローダを含む作業車両には、エンジンと、エンジンの出力軸に機械的に連結された油圧ポンプと、油圧ポンプから供給される作動油によって動作する油圧アクチュエータと、エンジンの出力軸に機械的に連結されたトルクコンバータ(以下、トルコンと称する)式の自動変速機と、車両の進行方向を切り替える前後進スイッチとを備えた作業車両(以下、トルコン車と称する)がある。
トルコン車は、走行中に現在の進行方向と逆側に前後進スイッチを切り替えることで現在の進行方向で車両を減速させるモジュレート機能を有しており、モジュレート時には、トルコンの入力軸と出力軸の回転方向が逆方向になるように自動変速機のギアを切り替え、トルコンの滑りにより制動力を発生させている。このことにより、トルコン車は、油圧ブレーキを使用することなく車両を減速させ、そのまま前後進スイッチの指示する方向へ車両を加速させることができる。また、トルコン車では、モジュレート時にトルコンの滑りを発生させるための負荷がエンジンにかかり続ける。すなわち、モジュレート時においてもエンジンはパワーを出し続けるので、モジュレート後の前後進スイッチの指示する方向での加速に必要なパワーをエンジンから入力軸に速やかに供給できる。その結果、モジュレート後の加速は停止状態からの加速よりも応答性が良好となる。
ところで、作業車両には、エンジンと、エンジンと機械的に接続した発電電動機と、発電電動機の発電量を制御する発電インバータと、車両を駆動する走行電動機と、発電インバータと走行電動機とに電気的に接続した蓄電装置と、前後進スイッチとを備える電動駆動式作業車両がある。電動駆動式作業車両もトルコン車同様にモジュレート機能を有するが、モジュレート時の走行電動機は、車両の運動エネルギを回生電力に変換することで制動力を発生しており、発電電動機及び蓄電装置から電力供給を受ける必要がない。そのため、トルコン車と異なり、モジュレート時のエンジンは負荷がかからないアイドル状態となる。これにより、モジュレート後の進行方向(前後進切り替えスイッチの指示する方向)における加速時には、直前まで無負荷だったエンジンに突然負荷が作用する状況となり、エンジンの応答遅れが発生してトルコン車のように速やかに加速できないおそれがある。
このようなモジュレート後のエンジンの応答遅れの改善を試みた技術として、特開2013−169824号公報には、現在の進行方向と逆側に前後進スイッチを切り替えた後、蓄電装置の電圧が最高電圧値以下であり、走行電動機の速度信号が予め設定した設定速度以下であるときに、発電電動機の発電量を増加する指令を発電インバータに出力するコントローラを備える電動駆動式作業車両が開示されている。この技術では、モジュレート時に走行電動機が設定速度以下になったとき、エンジンで発電電動機を駆動してその発電電力を蓄電装置に充電している。すなわち、モジュレート時にもエンジンに負荷をかけることでモジュレート後の加速時のエンジン応答性の向上を図っている。
上記の技術は、二次電池やキャパシタ等の蓄電装置を備える電動駆動式作業車両に関するものである。蓄電装置を備える電動駆動式作業車両では、蓄電装置を利用して回生電力量を制御するが、作業車両の運転パターンは様々なものがあるため蓄電量が一定ではなく、蓄電量が満充電状態の時は、前述のようなモジュレート時に発電量を増やしてエンジンに負荷をかけることはできない。したがって、蓄電装置の蓄電量に応じてモジュレート後の加速性能にばらつきが生じ、加速性が良くなったり悪くなったりするおそれがある。
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、モジュレート後の加速においてトルコン車と同等以上の加速が得られる電動駆動式作業車両を提供することにある。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、エンジンと、前記エンジンと機械的に接続した発電電動機と、発電電圧指令に基づいて前記発電電動機の発電量を制御する発電インバータと、車体を駆動する走行電動機と、電動機トルク指令に基づいて前記走行電動機のトルクを制御する走行インバータと、前記車体の前進/後進を切り替える前後進切替え装置とを備える電動駆動式作業車両において、ブレーキ抵抗器と、前記発電インバータ及び前記走行インバータに電気的に接続され、入力電圧が設定電圧を超えるとき前記発電インバータ及び前記走行インバータを前記ブレーキ抵抗器に電気的に接続することで前記発電電動機及び前記走行電動機で発生した電力を消費するチョッパ回路と、前記前後進切替え装置により前記車体の進行方向と逆方向が選択されたことで前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作する間、前記エンジンにより前記発電電動機を駆動して前記設定電圧を超える電圧を発生する発電電圧指令を前記発電インバータに出力する制御装置とを備えることとする。
本発明によればモジュレート後の加速においてトルコン車と同等以上の加速が電動駆動式作業車両で得られる。
以下、電動駆動式作業車両としてホイールローダを例にとって、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、電動駆動式ホイールローダに適用が限定されるものではなく、例えば電動駆動式フォークリフトにも適用可能である。また、走行中に現在の進行方向と逆側に前後進スイッチを切り替えることで現在の進行方向で車両を減速させるモジュレート動作が可能な電動駆動式作業車両であって、走行電動機の電力源として二次電池やキャパシタ等の蓄電装置を備えない電動駆動式作業車両であれば、本発明は適用可能である。さらに、走行電動機の電力源として二次電池やキャパシタ等の蓄電装置を備えた電動駆動式作業車両であってもブレーキ抵抗器を備えることで本発明は適用可能となる。
<ホイールローダ30のハードウェア構成>
図1は本発明の実施の形態に係る電動駆動式ホイールローダの側面図である。なお、各図において同じ部分には同じ符号を付しており、同じ部分の説明は省略することがある。図1のホイールローダ30は、車体31と、この車体31の前方に取り付けた多関節型の油圧作業装置50とを備えている。車体31は、アーティキュレート操舵式(車体屈折式)を採用しており、それぞれ左右に車輪10(前輪10a、後輪10b)を装着した前部車体(フロントフレーム)31aと後部車体(リアフレーム)31bを、センタージョイント64で連結している。図1には示されていないが、センタージョイント64の左右両側には前部車体31aと後部車体31bを連結するようにステアリングシリンダ53(図2参照)が配置されている。
図1は本発明の実施の形態に係る電動駆動式ホイールローダの側面図である。なお、各図において同じ部分には同じ符号を付しており、同じ部分の説明は省略することがある。図1のホイールローダ30は、車体31と、この車体31の前方に取り付けた多関節型の油圧作業装置50とを備えている。車体31は、アーティキュレート操舵式(車体屈折式)を採用しており、それぞれ左右に車輪10(前輪10a、後輪10b)を装着した前部車体(フロントフレーム)31aと後部車体(リアフレーム)31bを、センタージョイント64で連結している。図1には示されていないが、センタージョイント64の左右両側には前部車体31aと後部車体31bを連結するようにステアリングシリンダ53(図2参照)が配置されている。
運転室36内には、油圧作業装置50を操作するための操作レバー56(図2参照)と、車体31の進行方向に関して前進(F)/後進(R)を切り替える装置(前後進切替え装置)である前後進スイッチ103と、車体31に加速を指示するためのアクセルペダル101と、車体31に減速を指示するためのブレーキペダル102と、車体31の左右の進行方向を操るためのステアリングホイール(図示せず)とが設置されている。運転室(キャブ)36内に設置されたステアリングホイール(図示せず)を操作すると、ステアリングシリンダ53の伸縮駆動に伴って後部車体31bと前部車体31aはセンタージョイント64を中心にして屈折(旋回)する。
後部車体31b上には、前方に運転室36、後方にエンジン室37が搭載されている。エンジン室37には、図2に示したディーゼルエンジン(ENG)1、油圧ポンプ(メインポンプ)9、コントロールバルブ(C/V)55、発電電動機(GEN)5及び走行電動機(走行用モータ,MOT)7等が収納されている。
油圧作業装置50は、リフトアーム41及びバケット42と、リフトアーム41及びバケット42を駆動するために伸縮駆動されるリフトシリンダ52及びバケットシリンダ51を備えている。なお、リフトアーム41とリフトシリンダ52は前部車体31aの左右に1つずつ装備されているが、図1で隠れている車体右側のリフトアーム41とリフトシリンダ52は省略して説明する。
リフトアーム41は、リフトシリンダ52の伸縮駆動に伴って上下方向に回動(俯仰動)する。バケット42は、バケットシリンダ51の伸縮駆動に伴って上下方向に回動(ダンプ動作又はクラウド動作)する。なお、図示したホイールローダ30は、バケット42を作動させるためのリンク機構として、Zリンク式(ベルクランク式)のものを採用している。当該リンク機構にはバケットシリンダ51が含まれている。
<システム構成>
図2は本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。図2において、ホイールローダ30は、ディーゼルエンジン1と、エンジン1の出力を制御するコンピュータであるエンジンコントローラ(ECU)2と、車両全体を制御するコンピュータであるメインコントローラ(M/C)100と、エンジン1と機械的に接続された発電電動機5と、メインコントローラ100から入力される発電電圧指令に基づいて発電電動機5の発電量を制御する発電インバータ(発電電動機用インバータ)6と、発電電動機5から供給される電力によって車体31を駆動する走行電動機7と、メインコントローラ100から入力される電動機トルク指令に基づいて走行電動機7のトルクを制御する走行インバータ(走行電動機用インバータ)8と、発電インバータ6及び走行インバータ8と電気的に接続されたチョッパ回路4と、チョッパ回路4のスイッチング動作により発電インバータ6及び走行インバータ8と電気的に接続されるブレーキ抵抗器3と、踏み込み量(操作量)に相当するアクセル信号をメインコントローラ100に出力するアクセルペダル101と、踏み込み量(操作量)に相当するブレーキ信号をメインコントローラ100に出力するブレーキペダル102と、前進(F)、ニュートラル(N)、後進(R)の3つの切り替え位置が存在し、各位置に応じた前後進スイッチ信号をメインコントローラ100に出力する前後進スイッチ103と、を備えている。
図2は本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。図2において、ホイールローダ30は、ディーゼルエンジン1と、エンジン1の出力を制御するコンピュータであるエンジンコントローラ(ECU)2と、車両全体を制御するコンピュータであるメインコントローラ(M/C)100と、エンジン1と機械的に接続された発電電動機5と、メインコントローラ100から入力される発電電圧指令に基づいて発電電動機5の発電量を制御する発電インバータ(発電電動機用インバータ)6と、発電電動機5から供給される電力によって車体31を駆動する走行電動機7と、メインコントローラ100から入力される電動機トルク指令に基づいて走行電動機7のトルクを制御する走行インバータ(走行電動機用インバータ)8と、発電インバータ6及び走行インバータ8と電気的に接続されたチョッパ回路4と、チョッパ回路4のスイッチング動作により発電インバータ6及び走行インバータ8と電気的に接続されるブレーキ抵抗器3と、踏み込み量(操作量)に相当するアクセル信号をメインコントローラ100に出力するアクセルペダル101と、踏み込み量(操作量)に相当するブレーキ信号をメインコントローラ100に出力するブレーキペダル102と、前進(F)、ニュートラル(N)、後進(R)の3つの切り替え位置が存在し、各位置に応じた前後進スイッチ信号をメインコントローラ100に出力する前後進スイッチ103と、を備えている。
チョッパ回路4と発電インバータ6と走行インバータ8とは同一の電力線に接続されており、本稿ではその電力線の電圧を端子電圧20とする。
メインポンプ9は、エンジン1および発電電動機5と機械的に接続されており、エンジン1および発電電動機5によって駆動されて作動油を吐出する。メインポンプ9から吐出される作動油は、操作レバー56の操作方向と操作量を基に制御されるコントロールバルブ55によって流量及び流通方向が制御され、その結果、油圧シリンダ51,52,53がそれぞれ適宜駆動され油圧作業装置50が駆動するようになっている。
メインコントローラ(制御装置)100には、アクセルペダル101、ブレーキペダル102、前後進スイッチ103(前後進切替え装置)、ECU2、発電インバータ6、走行インバータ8の各信号線が接続されており、これら各部に対する信号の入出力が可能になっている。このうち、アクセルペダル101からはアクセル信号が、ブレーキペダル102からはブレーキ信号が、前後進スイッチ103からは現在選択されている車両進行方向(前進(F)、後進(R)、ニュートラル(N))を示す前後進スイッチ信号が、走行インバータ8からは走行電動機7の速度信号がメインコントローラ100へ送られている。また、メインコントローラ100からは、発電インバータ6に対して発電電圧指令が、走行インバータ8に対して電動機トルク指令が、ECU2に対してエンジン回転数指令が送られている。
<モジュレートの定義>
本稿では、作業車両の走行中に進行方向と逆側に前後進スイッチ103を切り替えることで、スイッチ103の切り替え時の進行方向における車速を低減させる作業車両の動作をモジュレート動作又は単にモジュレートと称する。例えば、前進中にスイッチ103をF(前進)からR(後進)に切り替えると、ブレーキペダル102を操作せずとも前進方向における車速が低減し、その減速中もアクセルペダル101を踏み込んでおくと、モジュレート動作の終了後(前進方向における減速の終了後)に後ろ方向への加速が開始されることになる。
本稿では、作業車両の走行中に進行方向と逆側に前後進スイッチ103を切り替えることで、スイッチ103の切り替え時の進行方向における車速を低減させる作業車両の動作をモジュレート動作又は単にモジュレートと称する。例えば、前進中にスイッチ103をF(前進)からR(後進)に切り替えると、ブレーキペダル102を操作せずとも前進方向における車速が低減し、その減速中もアクセルペダル101を踏み込んでおくと、モジュレート動作の終了後(前進方向における減速の終了後)に後ろ方向への加速が開始されることになる。
本実施形態のホイールローダ30では、前後進スイッチ103からの前後進スイッチ信号と走行電動機7の回転数とに基づいて車両がモジュレート動作中であることを判定したら、モジュレート動作終了直後の走行加速に備えてモジュレート動作中に発電電動機5の発電トルク負荷をエンジン1にかけ、発電電動機5で発生した電力をブレーキ抵抗器3で消費するようにした。以下、そのような動作を行うためのメインコントローラ100の構成について図面を用いて説明する。
<メインコントローラ(制御装置)100>
図3はメインコントローラ100の機能ブロック図である。メインコントローラ100は、モジュレート判定部110と、トルク指令演算部120と、エンジン回転指令演算部130と、発電電圧指令演算部140とを備えている。
図3はメインコントローラ100の機能ブロック図である。メインコントローラ100は、モジュレート判定部110と、トルク指令演算部120と、エンジン回転指令演算部130と、発電電圧指令演算部140とを備えている。
<モジュレート判定部110>
モジュレート判定部110は、前後進スイッチ信号と電動機速度信号に基づいてホイールローダ30がモジュレート中か否かを判定する処理を行う部分である。本実施形態のモジュレート判定部110は、前後進スイッチ103で選択されている進行方向が走行電動機7の回転方向と異なりかつ走行電動機7の速度の大きさ(回転速度)がモジュレート判定閾値より大きいとき、ホイールローダ30がモジュレート動作中であると判定し、前後進スイッチ103で選択されている進行方向が走行電動機7の回転方向と一致するときまたは走行電動機7の速度の大きさがモジュレート判定閾値以上のとき、ホイールローダ30がモジュレート非動作中であると判定する。
モジュレート判定部110は、前後進スイッチ信号と電動機速度信号に基づいてホイールローダ30がモジュレート中か否かを判定する処理を行う部分である。本実施形態のモジュレート判定部110は、前後進スイッチ103で選択されている進行方向が走行電動機7の回転方向と異なりかつ走行電動機7の速度の大きさ(回転速度)がモジュレート判定閾値より大きいとき、ホイールローダ30がモジュレート動作中であると判定し、前後進スイッチ103で選択されている進行方向が走行電動機7の回転方向と一致するときまたは走行電動機7の速度の大きさがモジュレート判定閾値以上のとき、ホイールローダ30がモジュレート非動作中であると判定する。
図4はモジュレート判定部110によるモジュレート判定処理の一例を示す図である。メインコントローラ100は所定の制御周期で図4の処理を開始する。処理が開始されると、モジュレート判定部110は、前後進スイッチ信号に基づいて前後進スイッチ103の位置がFまたはRか否かを判定する(S401)。ここでスイッチ103の位置がFまたはRと判定された場合にはS402に進む。一方、F及びRではないと判定された場合、すなわちNであると判定された場合にはモジュレート中ではない(モジュレート非動作中)と判定する(S405)。
S402において、モジュレート判定部110は、電動機速度信号に基づいて走行電動機7の速度の大きさ(絶対値)がモジュレート判定閾値以下であるか否かを判定する。本実施形態ではモジュレート判定閾値をゼロとし、走行電動機7の速度の大きさがゼロより大きい場合にはS403に進む。一方、走行電動機7の速度の大きさがゼロの場合にはS405に進みモジュレート中ではないと判定する。
S403において、モジュレート判定部110は、前後進スイッチ信号及び電動機速度信号に基づいて、走行電動機7の回転方向と前後進スイッチ103の示す進行方向が異なるか否かを判定する。両者の方向が異なる場合にはS404に進みモジュレート中である(モジュレート動作中)と判定し、両者の方向が同じ場合にはS405に進みモジュレート中ではないと判定する。
モジュレート判定部110は、S404またはS405の判定結果に即したモジュレート判定信号をトルク指令演算部120及び発電電圧指令演算部140に出力する。
なお、図4のフローチャートを含め本実施形態では、走行電動機速度に基づいてモジュレート中か否かを判定したが、走行電動機速度に代えて車両速度(車体31の速度)を検出しそれを基に図4の速度に関する各処理を実行しても良い。
<発電電圧指令演算部140>
発電電圧指令演算部140は、発電電動機5に出力する発電電圧指令を演算する処理を行う部分である。ここで演算された発電電圧指令は発電インバータ6に出力され、発電インバータ6による発電電動機5の発電量制御に利用される。
発電電圧指令演算部140は、発電電動機5に出力する発電電圧指令を演算する処理を行う部分である。ここで演算された発電電圧指令は発電インバータ6に出力され、発電インバータ6による発電電動機5の発電量制御に利用される。
図5は発電電圧指令演算部140による発電電圧指令演算処理の一例を示す図である。本実施形態の発電電圧指令演算部140は、モジュレート判定信号および電動機速度信号に基づいて発電電圧指令を演算している。メインコントローラ100は所定の制御周期で図5の処理を開始する。処理が開始されると、発電電圧指令演算部140は、モジュレート判定部110から入力されるモジュレート判定信号に基づいてホイールローダ30がモジュレート中か否かを判定するする(S501)。ここでモジュレート中であると判定された場合にはS502に進む。一方、モジュレート中ではないと判定された場合には、発電電圧指令値V*をV1とする発電電圧指令を算出する(S503)。なお、本実施形態では、V1=600Vと設定している。
S502において、発電電圧指令演算部140は、電動機速度信号に基づいて、走行電動機7の速度の大きさが第2速度閾値以上かつ第1速度閾値以下か否かを判定する。第1速度閾値は第2速度閾値より大きい値とし、本実施形態では第2速度閾値をモジュレート判定閾値と同じゼロ、第1速度閾値を1km/hとする。つまり、S502では、車体31が減速するモジュレート動作が間もなく終了するか否か、さらに換言するとモジュレート動作終了に伴う加速が間もなく行われるか否かを判定している。S502で走行電動機の速度の大きさが第2速度閾値以上かつ第1速度閾値以下の場合(S502の判定がYESの場合)には、モジュレート動作が間もなく終了するとみなしてS504に進む。一方、それ以外の場合(S502の判定がNOの場合)には、モジュレートが継続する又はそもそもモジュレート中ではないと判定してS503に進む。
S504において、発電電圧指令演算部140は、発電電圧指令値V*をV2とする発電電圧指令を算出する。V2は、V1より大きい値、かつ、後述するチョッパ回路4のブレーキ設定電圧(Vb)より大きい値とし、本実施形態では、V2=700Vと設定している。発電電圧指令演算部140がS504の処理を実行する場合、ブレーキ設定電圧Vbを越える電圧V2を発生する発電電圧指令V*が出力され、後述のようにチョッパ回路4が動作する。これにより発電電動機5で発電された電力はブレーキ抵抗器3で消費されるため、図5中ではS504の処理を「抵抗放電制御」と称している。一方、ブレーキ設定電圧Vbより小さい電圧V1を発生するS503では、発電電動機5の発電電力だけではチョッパ回路4は動作せず、S504と異なり通常の発電制御が行われるため、図5ではS503の処理を「発電制御」と称している。
発電電圧指令演算部140は、S503またはS504で算出した発電電圧指令を発電インバータ6に出力する。
<トルク指令演算部120>
トルク指令演算部120は、電動機7のトルク指令(電動機トルク指令)を演算する処理を行う部分である。ここで演算された電動機トルク指令は走行インバータ8に出力され、走行インバータ8による走行電動機7のトルク制御に利用される。
トルク指令演算部120は、電動機7のトルク指令(電動機トルク指令)を演算する処理を行う部分である。ここで演算された電動機トルク指令は走行インバータ8に出力され、走行インバータ8による走行電動機7のトルク制御に利用される。
図6はトルク指令演算部120による電動機トルク指令演算処理の一例を示す図である。本実施形態のトルク指令演算部120は、前後進スイッチ信号、アクセル信号および電動機速度信号に基づいて電動機トルク指令を演算している。図中のトルク指令の符号の意味は、(+)が前進方向のトルクを、(−)が後進方向のトルクを示している。また電動機回転数(電動機速度)の符号の意味は、(+)が前進方向の回転数を、(−)が後進方向の回転数を示している。図中の上段に示したグラフは前後進スイッチ103が前進(F)の時の特性、中段に示したグラフはニュートラル(N)の時の特性、下段に示したグラフは後進(R)の時の特性を示す。
例えば前後進スイッチ103が前進(F)の時、上段のグラフが選択され、トルク指令演算部120は、電動機回転数とアクセル信号の大きさに応じてマッピングされたトルク指令を走行インバータ8に出力する。アクセル信号が最大時は実線の特性となり、最小時は点線の特性となる。なお、電動機回転数が低速でかつアクセル信号が最小の条件でもトルク指令が所定の値を示すのは、いわゆるクリープトルク指令を出力するためである。前後進スイッチ103が後進(R)時は、下段のグラフが選択され、前進(F)の場合と符号が逆転したトルク指令が出力される。前後進スイッチ103がニュートラル(N)時は、アクセル信号に関係なく、トルク指令はゼロである。
<エンジン回転指令演算部130>
エンジン回転指令演算部130は、エンジン1の回転数指令(エンジン回転数指令)を演算する処理を行う部分である。ここで演算されたエンジン回転数指令はECU2に出力され、ECU2によるエンジン1の回転数制御に利用される。
エンジン回転指令演算部130は、エンジン1の回転数指令(エンジン回転数指令)を演算する処理を行う部分である。ここで演算されたエンジン回転数指令はECU2に出力され、ECU2によるエンジン1の回転数制御に利用される。
図7はエンジン回転指令演算部130によるエンジン回転指令令演算処理の一例を示す図である。本実施形態では、エンジン回転指令演算部130は、前後進スイッチ信号と、ニュートラル(N)の継続時間とに基づいて、エンジン回転数指令を演算している。エンジン回転指令演算部130は、前後進スイッチ信号が前進(F)または後進(R)のとき、エンジン回転数指令値R*をR2とするエンジン回転数指令(第2回転数指令)を算出する。また、前後進スイッチ信号がニュートラル(N)の状態で所定時間(例えば1秒)継続したとき、エンジン回転数指令値R*をR1とするエンジン回転数指令(第1回転数指令)を算出する。R1はR2より小さく設定されており、例えば、R1=1400rpm、R2=1800rpmと設定することができる。エンジン回転数をR2からR1まで低減することでニュートラル選択時の燃焼消費量が抑制される。ところで、図示していないが、前後進スイッチ103をニュートラルに選択してから所定時間が継続する前までは、直前に選択されている前進(F)または後進(R)のエンジン回転数指令(第2回転数指令)が算出される。ニュートラル選択時の回転数指令の変更に“所定時間継続”の条件を設けている理由は、モジュレート後の再加速を考慮してエンジン1を負荷運転可能な状態に維持しておくためである。
なお、図7のエンジン回転数指令算出のプロセスは一例に過ぎず、例えば、前後進スイッチ信号の内容に関係無く第2回転数指令を算出するようにしてもよい。
<発電インバータ6・発電電動機5>
発電インバータ6は、メインコントローラ100からの発電電圧指令で規定される発電電圧指令値V*(すなわちV1又はV2)に端子電圧20が維持されるように発電電動機5を制御する。例えば、端子電圧20が発電電圧指令値V*を下回る場合には、発電インバータ6は、エンジン1を負荷運転させて発電電動機5により電力を発生させる。
発電インバータ6は、メインコントローラ100からの発電電圧指令で規定される発電電圧指令値V*(すなわちV1又はV2)に端子電圧20が維持されるように発電電動機5を制御する。例えば、端子電圧20が発電電圧指令値V*を下回る場合には、発電インバータ6は、エンジン1を負荷運転させて発電電動機5により電力を発生させる。
<走行インバータ8・走行電動機7>
走行インバータ8は、メインコントローラ100からの電動機トルク指令で規定されるトルクを出力するように走行電動機7を制御する。
走行インバータ8は、メインコントローラ100からの電動機トルク指令で規定されるトルクを出力するように走行電動機7を制御する。
例えば、ホイールローダ30の走行加速時において、走行インバータ8は走行電動機7を力行駆動し、走行電動機7が発生した力行トルクは、タイヤ10へと伝えられ車体31を加速させる。一方、ホイールローダ30の走行制動時において、走行インバータ8は走行電動機7を発電機として駆動し、走行電動機7が発生した回生トルク(制動トルク)は、力行トルクと同様にタイヤ10へと伝えられ車体31を減速させる。走行電動機7で発生した回生電力は、後述のように、回生動力の発生中に動作するチョッパ回路4を経由し、ブレーキ抵抗器3で消費される。
<チョッパ回路4・ブレーキ抵抗器3>
チョッパ回路4は、チョッパ回路4への入力電圧(端子電圧20)を監視しており、その入力電圧がブレーキ設定電圧Vbを越えるとき、チョッパ回路4に内蔵するスイッチングデバイス(例えば、MOSFET、IGBT等)をスイッチングする(スイッチングデバイスのON/OFFを繰り返す)ことで端子電圧20をブレーキ設定電圧Vbに保持するように動作する。チョッパ回路4の動作中、発電インバータ6及び走行インバータ8はブレーキ抵抗器3に電気的に接続され、チョッパ回路4の出力電圧はブレーキ抵抗器3に印加される。これにより抵抗放電制御時の発電電動機5の発電電力と走行電動機7の回生電力はブレーキ抵抗器3で消費される。一方、チョッパ回路4への入力電圧(端子電圧20)がブレーキ設定電圧Vb以下のときは、チョッパ回路4は動作しない。そのため発電インバータ6及び走行インバータ8のブレーキ抵抗器3との電気的に接続は遮断される。
チョッパ回路4は、チョッパ回路4への入力電圧(端子電圧20)を監視しており、その入力電圧がブレーキ設定電圧Vbを越えるとき、チョッパ回路4に内蔵するスイッチングデバイス(例えば、MOSFET、IGBT等)をスイッチングする(スイッチングデバイスのON/OFFを繰り返す)ことで端子電圧20をブレーキ設定電圧Vbに保持するように動作する。チョッパ回路4の動作中、発電インバータ6及び走行インバータ8はブレーキ抵抗器3に電気的に接続され、チョッパ回路4の出力電圧はブレーキ抵抗器3に印加される。これにより抵抗放電制御時の発電電動機5の発電電力と走行電動機7の回生電力はブレーキ抵抗器3で消費される。一方、チョッパ回路4への入力電圧(端子電圧20)がブレーキ設定電圧Vb以下のときは、チョッパ回路4は動作しない。そのため発電インバータ6及び走行インバータ8のブレーキ抵抗器3との電気的に接続は遮断される。
チョッパ回路のブレーキ設定電圧Vbは、発電電動機5の発電制御時(図5のS503参照)の発電電圧指令値V1より大きくかつ抵抗放電制御時(図5のS504参照)の発電電圧指令値V2より小さく設定されており、本実施形態ではV1=600V,V2=700Vに対して、Vb=650Vと設定されている。これにより、端子電圧20がブレーキ設定電圧Vbを越えるときには、発電電動機5が抵抗放電制御(図5のS504参照)により発電しているときと、走行電動機7が回生電力を発生しているときが含まれる。
<動作>
次に本実施形態の電動駆動式作業車両の動作について図8を用いて説明する。図8は本実施形態の発電制御と抵抗放電制御の動作の一例を示す図である。アクセル信号が最大で前後進スイッチ103を前進(F)の状態からニュートラル(N)を経由して後進(R)に操作する場合の動作例である。
次に本実施形態の電動駆動式作業車両の動作について図8を用いて説明する。図8は本実施形態の発電制御と抵抗放電制御の動作の一例を示す図である。アクセル信号が最大で前後進スイッチ103を前進(F)の状態からニュートラル(N)を経由して後進(R)に操作する場合の動作例である。
(1)前後進スイッチ103が前進(F)のとき
まず、前後進スイッチ103が前進(F)の状態について説明する。この場合、メインコントローラ100のトルク指令演算部120は図7に基づいて走行インバータ8に正(+)のトルク指令を送り、走行電動機7の速度は正(+)となってホイールローダ30は力行運転で前進している。走行電動機7の電力はエンジン1の動力によって駆動される発電電動機5から得られる。
まず、前後進スイッチ103が前進(F)の状態について説明する。この場合、メインコントローラ100のトルク指令演算部120は図7に基づいて走行インバータ8に正(+)のトルク指令を送り、走行電動機7の速度は正(+)となってホイールローダ30は力行運転で前進している。走行電動機7の電力はエンジン1の動力によって駆動される発電電動機5から得られる。
このとき、メインコントローラ100のモジュレート判定部110では図4に基づいてモジュレート中ではないと判定されるため、メインコントローラ100の発電電圧指令演算部140は図5に基づいて発電電圧指令値V1(=600V)を発電インバータ6に出力する。これにより発電電動機5では通常の発電制御が行われる。発電電動機5は負荷状態となったエンジン1によって駆動され、端子電圧20は指令通りの電圧値V1に制御される。
チョッパ回路4は、端子電圧20がブレーキ設定電圧Vb(=650V)を超えると動作し、ブレーキ抵抗器3が電力を消費するように設定されている。車両が前進で力行している状態では、端子電圧20がV1(=600V)に制御されているので、チョッパ回路4は停止している。
エンジン1は、図7に基づいて第2回転数指令で制御され、発電電動機5を回すために相当の負荷運転をしている。
(2)前後進スイッチ103がニュートラル(N)のとき
次に、前後進スイッチ103を後進(R)に切り替える際に一時的に通過するニュートラル(N)の状態(t1からt2までの時間)について説明する。この場合、メインコントローラ100のトルク指令演算部120は図7に基づいて走行インバータ8にゼロトルク指令を送り、走行電動機7はトルクゼロとなり、走行電動機速度は惰行状態となる。
次に、前後進スイッチ103を後進(R)に切り替える際に一時的に通過するニュートラル(N)の状態(t1からt2までの時間)について説明する。この場合、メインコントローラ100のトルク指令演算部120は図7に基づいて走行インバータ8にゼロトルク指令を送り、走行電動機7はトルクゼロとなり、走行電動機速度は惰行状態となる。
メインコントローラ100のモジュレート判定部110では引き続きモジュレート中ではないと判定されるため、発電電動機5の発電制御は直前の前進(F)の状態(発電電圧指令値V1)を継続する。これにより端子電圧20は依然としてV1(=600V)に制御されるので、チョッパ回路4は停止を継続する。
ニュートラル(N)が継続する時間は所定時間未満のためエンジン1は第2回転数指令のまま制御されるが、ゼロトルク指令により走行電動機7用の電力は不要となる。そのため、エンジン1の負荷はほとんどなくなり無負荷運転の状態となって、エンジン出力の応答性は鈍い状態となる。
(3)前後進スイッチ103が後進(R)のとき
時間t2で前後進スイッチ103が後進(R)になると、メインコントローラ100のトルク指令演算部120は図7に基づいて走行インバータ8に負(−)のトルク指令を送り、走行電動機7は回生動作となり減速を始める。
時間t2で前後進スイッチ103が後進(R)になると、メインコントローラ100のトルク指令演算部120は図7に基づいて走行インバータ8に負(−)のトルク指令を送り、走行電動機7は回生動作となり減速を始める。
モジュレート判定部110は図4に基づいてモジュレート中であると判定するが、走行電動機速度の大きさが第1速度閾値(=1km/h)を超えるため、発電電圧指令演算部140は図5に基づいて引き続き発電電圧指令値V1(=600V)を発電インバータ6に出力し、発電電動機5は引き続き端子電圧20をV1(=600V)に制御しようとする。しかし、走行電動機7が発生する回生電力が端子電圧20をV1から上げるように作用するので、端子電圧20がブレーキ設定電圧Vb(=650V)まで上昇した時点からチョッパ回路4の動作が開始する。これにより走行電動機7とブレーキ抵抗器3が通電して走行電動機7の回生電力がブレーキ抵抗3で消費され、端子電圧20はブレーキ設定電圧Vb(=650V)に維持される。
その後、時間t3で走行電動機7の速度が回生動作で徐々に低下し第1速度閾値を下回ると、発電電圧指令演算部140は図5に基づいて発電電圧指令値をブレーキ設定電圧Vb(=650V)より高いV2(=700V)に設定する。つまり、発電電動機5は発電電力をブレーキ抵抗器3で消費するための抵抗放電制御を開始する。端子電圧20がV2に制御される間、チョッパ回路4は継続して動作して走行電動機7及び発電電動機5をブレーキ抵抗器3と通電させる。このときのブレーキ抵抗器3は走行電動機7の回生電力と発電電動機5の発電電力の両方を消費している。
時間t3でエンジン1は発電電動機5でV2を発生するための相当の負荷運転に切り替わる。図8中に「遅れ時間」と示した切り替わり直後の若干の時間(通常は0.5秒から1秒以内)は出力応答性が低いものの、モジュレート動作が終了する時間t4では出力の応答性が高い状態になる。第1速度閾値と第2速度閾値は、走行電動機速度が第1速度閾値から第2速度閾値に達するまでの所要時間に「遅れ時間」が包含されるように設定する必要があり、本実施形態では第1速度閾値を1km/h、第2速度閾値を0km/hとした。
時間t4で走行電動機7の速度がゼロ(第2速度閾値)に到達して後進方向の回転(力行動作)を開始すると、前後進スイッチ103の方向と走行電動機7の回転方向が一致するので、モジュレート判定部110はモジュレート中ではないと判定する。これにより発電電圧指令演算部140は図5に基づいて発電電圧指令値を通常の値V1(=600V)に戻す。このように走行電動機7の回生動作が終了し、かつ発電電動機5の発電電圧が通常の電圧V1に戻ると、端子電圧20もブレーキ設定値Vbより小さいV1まで下がるためチョッパ回路4は停止する。時間t4で走行電動機7は力行動作のための電力を必要とするが、エンジン1は時間t3から負荷運転を行っているので、時間t4では発電電動機5の発電が応答性良く開始され、これにより走行電動機7を応答性良く力行動作に切り替えることができる。
<比較例の動作>
次に、モジュレート中に発電電動機5の抵抗放電制御を実施しない電動駆動式作業車両を本実施形態の比較例とし、この場合の動作について図9を用いて説明する。図9は比較例の発電制御と抵抗放電制御の動作の一例を示す図であり、図8の場合と同様、アクセル信号が最大で前後進スイッチを前進(F)の状態からニュートラル(N)を経由して後進(R)に操作する場合の動作例である。
次に、モジュレート中に発電電動機5の抵抗放電制御を実施しない電動駆動式作業車両を本実施形態の比較例とし、この場合の動作について図9を用いて説明する。図9は比較例の発電制御と抵抗放電制御の動作の一例を示す図であり、図8の場合と同様、アクセル信号が最大で前後進スイッチを前進(F)の状態からニュートラル(N)を経由して後進(R)に操作する場合の動作例である。
まず、前後進スイッチ103が前進(F)の状態の場合、メインコントローラ100は走行インバータ8に正(+)のトルク指令を送り、走行電動機7の速度は正(+)となってホイールローダは力行運転で前進している。走行電動機7の電力はエンジン1による動力によって発電電動機5から得られる。
メインコントローラ100は発電インバータ6に発電電圧指令値V1(本実施形態と同じ600Vとする)を出力し、発電電動機5では通常の発電制御が行われる。エンジン1は負荷運転状態で発電電動機5を回しており、端子電圧20は指令値通りの電圧値V1に制御される。
比較例でもチョッパ回路4は、端子電圧20がブレーキ設定電圧Vb(本実施形態と同じ650Vとする)を超えると動作し、ブレーキ抵抗器3が電力を消費するように設定されている。車両が前進で力行している状態では、端子電圧20がV1(=600V)に制御されているので、チョッパ回路4は停止している。
エンジン1は、図7に基づいて第2回転数指令で制御され、発電電動機5を回すために相当の負荷運転をしている。
次に、前後進スイッチ103を後進(R)に切り替える際に一時的に通過するニュートラル(N)の状態について説明する。この場合、メインコントローラ100は走行インバータ8にゼロトルク指令を送り、走行電動機7はトルクゼロとなり、走行電動機速度は惰行状態となる。
引き続きモジュレート中ではないため、発電電動機5の発電制御は直前の前進(F)の状態(発電電圧指令値V1)を継続するが、ゼロトルク指令により走行電動機7用の電力は不要となる。そのため、エンジン1の負荷はほとんどなくなり無負荷運転の状態となって、エンジン出力の応答性は鈍い状態となる。
次に、前後進スイッチ103が後進(R)になると、メインコントローラ100は走行インバータ8に負(−)のトルク指令を送り、走行電動機7は回生動作となり減速を始める。発電電動機5は引き続き端子電圧20をV1(=600V)に制御しようとするが、走行電動機7が発生する回生電力が端子電圧20を上げるよう働くので、端子電圧20がブレーキ設定値Vb(=650V)に到達した時点から、チョッパ回路4が動作してブレーキ抵抗器3が電力を消費することによって、端子電圧20はブレーキ設定値Vb(=650V)を維持する。
回生動作で走行電動機7の速度が徐々に低下して時間t4で前進から後進へ切り替わる状態になると、走行電動機7は回生動作から力行動作へ切り替わることになる。しかし、エンジン1は時間t4の直前まで無負荷運転を継続していたため、時間t4では速やかに負荷運転が可能な状態になっていない。そのため、遅れ時間(通常、0.5秒から1秒程度)の発生を経てからはじめてエンジン1が負荷運転に対応可能な状態となり、その後、発電電動機5が必要な電力を発電し、その電力によって走行電動機7の力行運転が可能となる。すなわち、比較例の作業車両では、モジュレート後の加速性が悪く、トルコン車に比較して運転性が劣ることが分かる。
<効果>
上記のような比較例に対して本実施形態の電動駆動式作業車両は次のような効果を奏する。
上記のような比較例に対して本実施形態の電動駆動式作業車両は次のような効果を奏する。
(1)本実施形態では、ホイールローダ30のモジュレート動作中、エンジン1で発電電動機5を駆動してチョッパ回路4のブレーキ設定電圧Vbを越える電圧V2を発生させることでエンジン1を負荷運転させ、そのときに動作するチョッパ回路4に発電インバータ6と走行インバータ8をブレーキ抵抗器3に電気的に接続させることで発電電動機5と走行電動機7で発生した電力をブレーキ抵抗器3で消費することとした。このようにモジュレート中からエンジン1を負荷運転させてスタンバイ状態にしておくと、前後進スイッチ103の指示方向の加速をモジュレート動作の終了直後から速やかに開始できるので、トルコン車と同等以上の加速性能を発揮できる。
モジュレート中にエンジンに負荷をかける目的で発電電動機に発電させ、その発電電力を二次電池やキャパシタ等の蓄電装置に蓄える方式の電動駆動式作業車両では、蓄電装置が満充電状態の場合はモジュレート時にエンジンに負荷をかけることはできない。そのため、蓄電装置の蓄電量に応じてモジュレート後の加速性能にばらつきが生じ、加速性が良くなったり悪くなったりするおそれがあった。これに対して、モジュレート時の発電電力をブレーキ抵抗器3で消費するように構成した本実施形態では、モジュレート時に常にエンジンに負荷をかけることできるため、モジュレート後の加速性能を均一化できる。
一般的に、走行電動機の電力源として二次電池やキャパシタ等の蓄電装置を搭載する場合、作業車両での利用に適した大容量の蓄電装置は高額なため電動駆動式作業車両の製造コストも高額になりやすいが、本実施形態は蓄電装置を備えないため電動駆動式作業車両のイニシャルコストを抑制できるというメリットがある。
(2)また、モジュレート動作中にブレーキ設定電圧Vbを越える電圧V2を発電電動機5で発生させる時間(すなわち、発電電動機5を抵抗放電制御する時間)は、燃料消費量削減の観点からはできるだけ短いことが好ましい。そこで本実施形態では、モジュレート動作中に走行電動機速度が第1速度閾値以下の間だけ発電電動機5で電圧V2を発生させることとした。このようにするとモジュレート動作中に継続して発電する場合よりもエンジン1の燃料消費量を削減できる。
(3)さらに、本実施形態では、モジュレート動作中に走行電動機速度が第1速度閾値以下かつ第2速度閾値以上の間だけ発電電動機5で電圧V2を発生させることとし、第2速度閾値はモジュレート判定閾値と一致させることとした。このように構成するとモジュレート動作が終了するタイミング(つまり、非モジュレート動作が開始するタイミング)で発電電動機5の発電電圧をV2からV1に変更でき、エンジン1による無駄な燃料消費を削減できる。
<その他>
上記では、前後進スイッチ103を前進(F)の状態からニュートラル(N)を経由して後進(R)に操作する場合の動作例について説明したが、前後進スイッチ103を後進(R)の状態からニュートラル(N)を経由して前進(F)に操作する場合も同様の効果が得られることは言うまでも無い。
上記では、前後進スイッチ103を前進(F)の状態からニュートラル(N)を経由して後進(R)に操作する場合の動作例について説明したが、前後進スイッチ103を後進(R)の状態からニュートラル(N)を経由して前進(F)に操作する場合も同様の効果が得られることは言うまでも無い。
上記では、端子電圧20の変化とチョッパ回路4の動作開始にできるだけ時間差が生じないように、チョッパ回路4に自身への入力電圧を監視させ、その入力電圧がブレーキ設定電圧Vbを越える場合にチョッパ回路4を動作するように構成したが、インバータ6,8からの入力信号等を基にメインコントローラ100に端子電圧20を監視させ、端子電圧20がブレーキ設定電圧Vbを越える場合にメインコントローラ100からチョッパ回路4に動作指令を出力するように構成しても良い。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
また、上記の実施の形態の説明では、制御線や情報線は、当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。
1…エンジン、3…ブレーキ抵抗器、4…チョッパ回路、5…発電電動機、6…発電インバータ、7…走行電動機、8…走行インバータ、20…端子電圧、30…電動駆動式ホイールローダ、100…メインコントローラ(制御装置)、101…アクセル、103…前後進スイッチ、110…モジュレート判定部、120…トルク指令演算部、130…エンジン回転指令演算部、140…発電電圧指令演算部
Claims (4)
- エンジンと、前記エンジンと機械的に接続した発電電動機と、発電電圧指令に基づいて前記発電電動機の発電量を制御する発電インバータと、車体を駆動する走行電動機と、電動機トルク指令に基づいて前記走行電動機のトルクを制御する走行インバータと、前記車体の前進/後進を切り替える前後進切替え装置とを備える電動駆動式作業車両において、
ブレーキ抵抗器と、
前記発電インバータ及び前記走行インバータに電気的に接続され、入力電圧が設定電圧を超えるとき前記発電インバータ及び前記走行インバータを前記ブレーキ抵抗器に電気的に接続することで前記発電電動機及び前記走行電動機で発生した電力を消費するチョッパ回路と、
前記前後進切替え装置により前記車体の進行方向と逆方向が選択されたことで前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作する間、前記エンジンにより前記発電電動機を駆動して前記設定電圧を超える電圧を発生する発電電圧指令を前記発電インバータに出力する制御装置とを備えることを特徴とする電動駆動式作業車両。 - 請求項1の電動駆動式作業車両において、
前記制御装置は、
前記前後進切替え装置で選択された進行方向が前記走行電動機の回転方向と異なりかつ前記走行電動機の速度の大きさがモジュレート判定閾値を越えるとき、前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作中であると判定し、前記前後進切替え装置で選択された進行方向が前記走行電動機の回転方向と一致するときまたは前記走行電動機の速度の大きさがモジュレート判定閾値以下のとき、前記電動駆動式作業車両がモジュレート非動作中であると判定するモジュレート判定部と、
前記モジュレート判定部で前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作中であると判定されかつ前記走行電動機の速度の大きさが第1速度閾値より小さいとき、前記設定電圧を超える電圧を発生する前記発電電圧指令を算出する発電電圧指令演算部とを備えることを特徴とする電動駆動式作業車両。 - 請求項2の電動駆動式作業車両において、
前記発電電圧指令演算部は、前記モジュレート判定部で前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作中であると判定されかつ前記走行電動機の速度の大きさが第1速度閾値より小さくかつ前記第1速度閾値より小さい第2速度閾値より大きいとき、前記設定電圧を超える電圧を発生する前記発電電圧指令を算出し、
前記第2速度閾値と前記モジュレート判定閾値は一致することを特徴とする電動駆動式作業車両。 - 請求項3の電動駆動式作業車両において、
前記モジュレート判定閾値と前記第2速度閾値はゼロであることを特徴とする電動駆動式作業車両。
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