JP2019064450A - 作業車両の電力回生システム - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明に係る作業車両の電力回生システムの第1実施形態について説明する。本発明の第1実施形態に係る電力回生システムは、作業車両の代表例であるダンプトラックに適用した例である。
図1は作業車両の代表例であるダンプトラックの側面図である。図1に示すダンプトラック100は、特に鉱山向けに用いられるもので、フレーム1上に土砂等を積載するためのボディ5が搭載され、フレーム1とボディ5とはホイストシリンダ6により連結されている。またフレーム1には、図示しない機構部品を介して前輪2、後輪3、燃料タンク9などが取り付けられている。後輪3の回転軸部には、後輪3を駆動するための走行モータ10と、後輪3の回転数を調整する減速機が収められている。
キャブ4内には不図示のアクセルペダル、ブレーキペダル、ホイストペダル、およびハンドルが設置されている。オペレータはキャブ4内のアクセルペダルまたはブレーキペダルを操作して、ダンプトラック100の加速力または制動力を制御することができる。さらにオペレータはハンドルを左右に回転させることによりダンプトラック100の操舵操作を行い、ホイストペダルを踏み込むことによりボディ5をホイストシリンダ6により起立させてダンプ操作を行う。なお、操舵操作、ダンプ操作を行うための油圧システムについては公知であるため、詳述しない。
図2はダンプトラックの電力回生システムの構成図である。図2に示すように、ダンプトラック100の電力回生システムは、エンジン11で駆動する第1発電機12および第2発電機31と、第1電気回路C1と、第2電気回路C2と、降圧装置としてのDC−DCコンバータ21と、コントローラ51と、を備える。
次に、コントローラ51によるDC−DCコンバータ21を含めた各機器の制御について説明する。図4はコントローラ51による各機器の制御を示すブロック線図、図5は図4に示す走行判定部61の機能を説明するためのブロック線図である。図4に示すように、コントローラ51は、チョッパ駆動指令、DC/DC Duty*指令、第2発電機トルク指令を出力して、各機器を制御している。以下、具体的に説明する。
図5に示すように、走行判定部61には、走行モータ10L、10Rのトルクを検出するトルクセンサT1、T2から出力されるトルクTと、ダンプトラック100の車両速度を検出する速度センサS1、S2から出力される車両速度Vに基づいて、ダンプトラック100の走行モードを判定する。走行判定部61は、車両速度Vが正でありかつトルクTが正、または車両速度Vが負でありかつトルクTが負の場合は力行モードと判定し、走行判定部61は力行モードAを出力する。車両速度Vが正でありかつトルクTが負、または車両速度Vが負でありかつトルクTが正の場合は回生モードと判定し、走行判定部61は回生モードBを出力する。車両速度Vがゼロの場合、ダンプトラック100が停止している、もしくは坂道でダンプトラック100の走行モータ10L、10RがトルクTのみを発生している状態であるため、走行判定部61は0を出力する。
切替部74は、走行判定部61に接続され、走行判定部61からの走行判定結果(A、B、0)と、走行モータ10L、10Rのトルク指令値T*と、走行モータ10L、10Rの回転数ωが入力される。切替部74は、走行モータ10L、10Rのトルク指令値T*と検出した回転数ωから、走行モータ10L、10Rに必要な電力P(=T×ω)が演算され、必要な電力Pおよび走行判定部61からの情報を出力する。
第2発電機トルク制御部92は、減算器82と、PI制御部85と、リミッタ86を備えている。補機直流ライン38の第2電圧検出器37の出力である電圧値VLVと補機直流ライン38の電圧指令値VLV *が減算器82に入力される。減算器82は、電圧指令値VLV *と電圧値VLVとの減算を行い、PI制御部85に電圧偏差ΔVLVを出力する。
次に、ダンプトラック100の走行状態に応じた各機器の動作について説明する。図7はダンプトラック100の走行状態と各機器の動作のタイミングを示すタイムチャートである。
ダンプトラック100が走行を開始すると、走行モータ用インバータ13L、13Rが駆動し、走行モータ10L、10Rを駆動するため第1発電機12により電力が発電され、高圧直流ライン18の電圧が上昇する。
ダンプトラック100の走行中に、第1発電機12が走行モータ10L、10Rを駆動する電力以上を発電した際に、走行モータを駆動するのに必要な電圧指令値以上に高圧直流ライン18の電圧が上昇する。このとき、ダンプトラックは力行モードでありかつ高圧直流ラインの検出電圧が第1閾電圧指令値VA *より大きいため、DC−DCコンバータ21が駆動する。DC−DCコンバータ21は、第1発電機12で発電した余剰電力を補機直流ライン38に供給している。このとき、第2発電機31の出力は低下する。
高圧直流ライン18の検出電圧が第1閾電圧指令値VA *と等しく、DC−DCコンバータ21は動作を停止している。
ダンプトラック100が減速し始めると、ダンプトラック100は回生モードとなる。高圧直流ライン18の電圧が、走行モータ10L、10Rのトルク指令値T*および回転数ωより算出される第2閾電圧指令値VB *を超えると、DC−DCコンバータ21が駆動する。DC−DCコンバータ21は、走行モータ10L、10Rからの回生電力を補機直流ライン38に供給している。このとき、第2発電機31の出力は低下する。
走行モータ10L、10Rからの回生電力により、高圧直流ライン18の電圧が最大電圧値VM1に達すると、チョッパ15が駆動し、高圧直流ライン18の電圧が最大電圧値VM1を超えないように制御される。
以上、説明したように、第1実施形態によれば、走行モータ10L、10Rが回生モードである場合、高圧直流ライン18にバッテリを使用することなく、リターダ時(リターダブレーキによる制動時)に発生する電力をグリッドボックス抵抗16にて消費することが可能である。そして、高圧直流ライン18にバッテリを搭載する必要がないため、ダンプトラック100の軽量化を図ることができる。
第1実施形態において、図5に示す走行判定部61の代わりに、図9に示す走行判定部62を適用することができる。図9は走行判定部62の機能を説明するためのブロック線図である。図9に示すように、走行判定部62は、ある時間T1に検出するダンプトラック100の車両速度Vを検出する速度センサS1、S2から出力される前回サンプリング時の車両速度V−1と、ある時間T2(T1<T2)に検出するダンプトラック100の車両速度Vとに基づいて、ダンプトラック100の走行モードを判定する。
図10は本発明の第2実施形態に係る電力回生システムの構成図である。第1実施形態と主に異なる点は、DC−DCコンバータ駆動判定部75における力行モードでの第1閾電圧指令値VA *の設定方法にある。
次に、ダンプトラック100の走行状態に応じた各機器の動作について説明する。図11はダンプトラック100の走行状態と各機器の動作のタイミングを示すタイムチャートである。
ダンプトラック100が走行を開始すると、走行モータ用インバータ13L、13Rを駆動し、走行モータ10L、10Rを駆動するため第1発電機12により電力は発電され、高圧直流ライン18の電圧が上昇する。
ダンプトラック100の走行中に、ダンプトラック100は力行モードでありかつ高圧直流ライン18の検出電圧が第1閾電圧指令値VA *以上であるため、DC−DCコンバータ21が駆動する。DC−DCコンバータ21は、第1発電機12にて発電した余剰電力を補機直流ライン38に供給している。このとき、第2発電機31の出力は低下する。
高圧直流ライン18の検出電圧が第1閾電圧指令値VA *と等しく、DC−DCコンバータ21は駆動しない。ダンプトラック100が減速し始めると、ダンプトラック100は回生モードとなる。高圧直流ライン18の電圧が、走行モータ10L、10Rのトルク指令値T*および回転数ωより算出される第2閾電圧指令値VB *を超えると、DC−DCコンバータ21が駆動する。DC−DCコンバータ21は、走行モータ10L、10Rからの回生電力を補機直流ライン38に供給している。このとき、第2発電機31の出力は低下する。
走行モータ10L、10Rからの回生電力により、高圧直流ラインの電圧が最大電圧値VM1に達すると、チョッパ15が駆動し、高圧直流ラインの電圧が最大電圧値VM1を超えないように制御される。
以上説明したように、第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
11 エンジン
12 第1発電機
13L,13R 走行モータ用インバータ(第1電力変換装置)
14 第1整流回路
16 グリッドボックス抵抗(抵抗器)
17 第1電圧検出器
18 高圧直流ライン
21 DC−DCコンバータ(降圧装置)
31 第2発電機
32 第2整流回路
34 ファンモータ用インバータ(第2電力変換装置)
35 ファンモータ(補機)
36 ファン
37 第2電圧検出器
38 補機直流ライン
100 ダンプトラック
C1 第1電気回路
C2 第2電気回路
VHV 第1電圧値
VLV 第2電圧値
VA * 第1閾電圧指令値(第1閾値)
VB * 第2閾電圧指令値(第2閾値)
VC 最大電圧値(第3閾値)
VM1 第4閾電圧値(第4閾値)
Claims (7)
- 作業車両の電力回生システムであって、
エンジンで駆動する第1発電機および第2発電機と、
前記第1発電機にて発電され、前記作業車両の駆動輪に接続された走行モータに電力を供給するための第1電気回路と、
前記第2発電機にて発電され、前記作業車両の補機に電力を供給するための第2電気回路と、
高圧側が前記第1電気回路と接続され、低圧側が前記第2電気回路と接続されると共に、前記第1電気回路から前記第2電気回路に電力を供給する降圧装置と、
前記作業車両の走行モードが通常の走行状態である力行モードまたは回生電力を得る走行状態である回生モードの何れであるかを判定して、前記降圧装置の駆動を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記作業車両の走行モードが前記回生モードである場合に、前記回生電力を前記第1電気回路から前記降圧装置を介して前記第2電気回路に供給するよう前記降圧装置の駆動を制御して、前記補機を前記回生電力で駆動させるようにしたことを特徴とする作業車両の電力回生システム。 - 請求項1に記載の作業車両の電力回生システムであって、
前記第1電気回路は、前記第1発電機と接続される第1整流回路と、入力側が前記第1整流回路に接続され、出力側が前記走行モータに接続される第1電力変換装置と、前記第1電力変換装置の入力側に接続される抵抗器およびチョッパと、前記第1電気回路内の電圧を検出する第1電圧検出器と、から構成され、
前記第2電気回路は、少なくとも、前記第2発電機と接続される第2整流回路と、入力側が前記第2整流回路に接続され、出力側が前記作業車両の補機に接続される第2電力変換装置と、前記第2電気回路内の電圧を検出する第2電圧検出器と、を含んで構成されることを特徴とする作業車両の電力回生システム。 - 請求項2に記載の作業車両の電力回生システムであって、
前記コントローラは、前記走行モードが前記力行モードであって前記第1電圧検出器にて検出される第1電圧値が第1閾値より大きい場合、または前記走行モードが前記回生モードであって前記第1電圧値が第2閾値より大きい場合に、前記降圧装置を駆動して、前記第1電気回路から前記第2電気回路に電力を供給することを特徴とする作業車両の電力回生システム。 - 請求項3に記載の作業車両の電力回生システムであって、
前記第1閾値および前記第2閾値は、それぞれ前記走行モータのトルクと回転数との関係に基づいて定められた値であることを特徴とする作業車両の電力回生システム。 - 請求項3に記載の作業車両の電力回生システムであって、
前記コントローラは、前記走行モードが前記回生モードであって、前記第1電圧値が第4閾値より大きい場合に、前記抵抗器を駆動して電気エネルギを消費することを特徴とする作業車両の電力回生システム。 - 請求項3に記載の作業車両の電力回生システムであって、
前記コントローラは、前記第2電圧検出器にて検出される第2電圧値が第3閾値以上の場合に、前記降圧装置の駆動を停止することを特徴とする作業車両の電力回生システム。 - 請求項3に記載の作業車両の電力回生システムであって、
前記コントローラは、前記第2電圧検出器にて検出される第2電圧値に基づき、前記力行モード時における前記第1閾値を設定し、
前記第1電圧検出器にて検出される前記第1電圧値が、前記力行モード時に前記第1閾値より大きい場合、前記降圧装置の駆動指令を出力することを特徴とする作業車両の電力回生システム。
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