JP2019196162A - ハイブリッド型電動作業車 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド型電動作業車の単数又は複数のアクチュエータ用のモータをコンパクト，高効率及び安定を得る回転を実現するために、負荷が変動しても出力電圧は変動しないように制御すると共に、既存油圧式作業車両の長所を受け短所をカバーする。【解決手段】 ハイブリッド型電動作業車の走行用電池を複数のアクチュエータを駆動用に用いるために、高電圧駆動のインバータ及び三相モータを安定回転するために、負荷が変動しても出力電圧は変動しないように制御すると共に、既存油圧式作業車両の長所であるコンパクトで高出力な構造を高電圧駆動の三相モータで実現する。【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド型電動作業車の走行用電池の電気を、車両に取付けた作業装置に用いるアクチュエータをコンパクトで効率良い三相モータにし、前記走行電池の電気の電圧を安定高圧化し、前記三相モータと対をなすインバータによる制御・駆動することにより更に効率の良くしたシステムに関するものである。

近年、量産化されたハイブリッド車両の走行用補助動力モータに供給する電力を蓄える走行用電池を活用する塵芥収集車等の電動作業車両が知られている。例えば、特許文献１ハイブリッドシステムを活用した特装車においては、電力の供給源を走行用電動機と共に、１個の作業装置駆動用電動機に供給し、前記作業装置駆動用電動機により１個の油圧ポンプを駆動し、同ポンプからの圧油が制御バルブにより作業装置の油圧アクチュエータを駆動している。これらの油圧アクチュエータは、コンパクトな長所を有している。

油圧ポンプ及び油圧アクチュエータは、上記長所を有しているが、動力伝達効率が悪くその摺動部の摩耗等劣化が更なる性能低下及び効率低下となる短所も有している。

ハイブリッド電源を走行用補助動力したハイブリッド車両に関し、例えば、特許文献２のハイブリッド発電機／電動モータとクーラ駆動に関するハイブリッド車両に関する技術も知られているが、バッテリの低電圧電源のまま直接インバータ制御によりコンプレッサを駆動する電動クーラに係る技術である。前記電動クーラの技術は、作業装置に係る技術と異なる。

特開２０１４−９７７６６号広報 特開２０１１−３１７６４号広報

解決しようとする課題は、ハイブリッド電源を用いたハイブリッド型電動作業車に使用するアクチュエータを、油圧機器同等の動力とコンパクトさを有するものにすることにより架装を容易にし、更に、ハイブリッド型電動作業車のアクチュエータ駆動用の電動モータを安定回転制御するために、走行用電池の電圧及び／又はアクチュエータの負荷が変動してもアクチュエータの出力回転数は変動しないようにすることにある。

本発明は係る点に鑑みてなされるものであり、その目的とするところは、アクチュエータを動力伝達効率が良く小型化できる三相モータにするのが最適であり、又、走行用電池の電圧を安定昇圧し駆動・制御をインバータで行い、前記三相モータの負荷変動等により出力回転数が変動しないようにすることにある。

更に、三相モータ及び対をなすインバータが複数になると、各アクチュエータの負荷変動が干渉し合い電源電圧が変動しやすくなるが、定電圧に制御する定電圧昇圧装置の出力電圧が一定になることにより、各アクチュエータの回転を設定回転数通りに安定する。

ハイブリッド型電動作業車の作業装置のアクチュエータの必要な動力を得てコンパクトにするため、定格電圧の高い三相モータを必要回転数まで減速することによりトルクを上げるために前記三相モータに直結したコンパクトな減速機であるギヤードモータとする。

ハイブリッド型電動作業車の一つであるハイブリッド型電動凍結防止剤散布車においては、アクチュエータを凍結防止剤搬送用コンベヤモータ及び凍結防止剤散布用モータとして用いるものとする。

前記ハイブリッド型電動作業車の前記定電圧昇圧装置が出力する電気には交流電気と直流電気があるが、前記三相モータを駆動・制御する前記インバータに適した電気にする。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ハイブリッド型電動作業車の施工時におけるエネルギー効率を向上させ、且つ、アクチュエータの維持経費が軽減される高信頼性のハイブリッド型電動作業車の電動システムにすることを特徴とする。

第１の発明では、エンジンと発電機能及び走行補助動力機能を有するモータ／ジェネレータを用いたハイブリッド型電動作業車において、発電時には駆動用電気を前記モータ／ジェネレータで発電し走行用電池へ供給し、前記走行用電池は前記駆動用電気を受取り蓄える。作業施工時において、前記走行用電池からの前記駆動用電気は作業装置のアクチュエータである三相モータに供給される。前記駆動用電気は、定電圧昇圧装置により前記走行用電池からの電気を高電圧化し前記三相モータと対をなすインバータに供給し、前記インバータは前記三相モータを駆動・制御する。
作業施工しない一般走行時においては、前記走行用電池からの前記駆動用電気の供給は走行効率の良い制御で行われる。

第２の発明では、前記電動アクチュエータである三相モータを複数有する前記ハイブリッド型電動作業車において、前記定電圧昇圧装置による前記インバータへの高電圧を安定制御することにより、複数のアクチュエータによる複雑な負荷変動が生じても各アクチュエータの安定回転を可能とする。

第３の発明では、前記ハイブリッド型電動作業車の前記エンジン，前記モータ／ジェネレータ及び車両機器を制御するエンジン（車両）制御ユニットＥＣＵは、作業装置のアクチュエータを駆動・制御する前記インバータを制御する作業装置制御ユニット及び電池制御ユニットＢＣＵと通信し、車両用電池が作業中も適正容量を維持するように制御する。

第４の発明では、減速機を前記三相モータの出力軸に取付けたギヤードモータを前記アクチュエータに用いることにより、高効率で低速・高トルクの出力でコンパクト構造にした動力伝達システムを可能とする。

第５の発明は、ハイブリッド電動作業車を冬季に路面の凍結を防ぐための凍結防止剤を蓄積したホッパからコンベヤにより設定量を散布装置に配送し、更に散布装置により設定幅に散布する凍結防止剤散布車として活用するものである。

第６の発明は、高圧直流電気を電源とし三相モータを駆動・制御するインバータ用として前記定電圧昇圧装置を昇圧型ＤＣ―ＤＣコンバータにし、前記昇圧型ＤＣ―ＤＣコンバータからの高圧直流電圧まで安定化及び昇圧し、モータ駆動するアクチェータ駆動用のモータの負荷が変動しても安定回転できるようにする。

第７の発明は、高圧交流電気を電源とし三相モータを駆動・制御するインバータ用として前記定電圧昇圧装置を昇圧型ＤＣ―ＡＣインバータとし、前記昇圧型ＤＣ―ＡＣインバータにより高圧化し、アクチェータである三相モータを駆動・制御するインバータに必要な単相高圧交流電圧まで安定化及び昇圧し、三相モータの負荷が変動しても安定回転できるようにする。

上記目的を達成するために本発明の請求項１に係わる発明は、ハイブリッド作業車において、エンジン動力をモータ／ジェネレータの発電機能により電気エネルギーとして走行用電池に蓄え、蓄えた電気エネルギーをモータ／ジェネレータより走行補助動力又は作業装置の動力として活用することにより、一般走行補助又はアクチュエータを有する作業装置の作業施工時にも効率の良い作業のできるようにする。又、前記アクチュエータである三相モータと対をなし、前記三相モータを駆動・制御するインバータに適した安定した電気を供給するために、定電圧昇圧装置により安定した高圧電気を提供することによりコンパクト化して架装を容易にすると共に、前記アクチュエータの負荷変動による電圧変動を抑えて安定回転を実現する。

さらに、請求項２に係る発明は、前記作業装置のアクチュエータである前記三相モータが複数になる構成においても各アクチュエータの負荷変動が複雑に生じても、前記定電圧昇圧装置により、前記複数の三相モータと対をなし駆動・制御するインバータに供給する電気の高電圧を安定供給する。

本発明の請求項３に関わる発明は、エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵが作業装置制御ユニット及び電池制御ユニットＢＣＵと通信することにより、例えば作業施工時に走行用電池の電気を優先的に前記作業装置に供給し、更に電気が必要になれば前記モータ／ジェネレータが発電する電気も合せるようにすることにより前記作業装置を安定作動する。

また、請求項４に係る発明は、例えばインバータ制御に適し効率が良く市場性の良い電動モータである三相モータの定格出力を出せる回転数は１，８００ｍｉｎ^−１の高速・低トルク出力である。作業装置のアクチュエータの適正回転数の数倍以上で、動力伝達効率を上げるために三相モータ出力部に減速機を取付けるギヤードモータにすることにより、作業装置の施工に適した低速・高トルク化することになる。これにより、架装が容易になると共にコスト低減にも寄与できる。

請求項５に係る発明は、前記ハイブリッド型電動作業車の作業装置のアクチュエータが凍結防止剤搬送用コンベヤモータ及び凍結防止剤散布用モータで構成されるハイブリッド型凍結防止剤散布車において、コンパクトで動力効率が良く散布材の搬送抵抗の変化等による負荷変動生じてもしても、均等散布するための回転制御がなされることにある。

請求項６に係る発明は、アクチュエータを制御するインバータの電源が高圧直流電気である場合は、前記定電圧昇圧装置を昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにより出力を高圧直流電圧にすることとなる。

請求項７に係る発明は、アクチュエータを制御するインバータの電源が高圧単相交流電気である場合は、前記定電圧昇圧装置を昇圧型ＤＣ−ＡＣインバータにより出力を高圧単相交流電圧にすることとなる。

本発明のハイブリッド型電動凍結防止剤散布車を示す側面図。（実施例１） 本発明のハイブリッド型電動凍結防止剤散布車の動力・電源図。 本発明の昇圧装置が昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータのブロック図。（実施例２） 本発明の昇圧装置が昇圧型ＤＣ−ＡＣインバータのブロック図。（実施例３） 本発明の電力配分の管理を示すフローチャート。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係るハイブリッド型電動作業車の実施例であるハイブリッド型凍結防止剤散布車１の側面図である。ハイブリッド型凍結防止剤散布車１は、走行するための車両８と、そこに架装する凍結防止剤を散布する凍結防止剤散布装置２からなっている。

車両８は、シャーシ９と、前記シャーシ９の前部に設置されている運転室１０とを設置している。シャーシ９は前部に左右一対の前車輪１１及び後部に後車輪１２が設置されている。運転室１０は運転席，エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ２５及び作業装置制御ユニット２７の操作部が設けられている。

凍結防止剤散布装置２は、凍結防止剤を収容するホッパ３，上記凍結防止剤を搬送するコンベヤ４及び上記凍結防止剤を散布する散布装置５から構成されている。コンベヤ４はコンベヤ用三相モータ６Ａとコンベヤ用三相モータ６Ａの出力部に減速，高トルク化するコンベヤ用減速機６Ｂからなるコンベヤ用ギヤードモータ６により駆動される。コンベヤ４は、ベルトコンベヤ方式を記載しているが、例えばスクリュコンベヤも同じ搬送技術である。散布用三相モータ７Ａとその出力部に減速，高トルク化する減速機７Ｂからなる散布用ギヤードモータ７により駆動される。

車両８は、走行するためにエンジン１３，走行用補助動力と発電機能を有するモータ／ジェネレータ１４及び走行用電池１５を有するハイブリッドシステムを備えている。エンジン１３又は前記モータ／ジェネレータ１４の動力がトランスミッション１６，ユニバーサルジョイント１７及びデファレンシャルギヤ１９（図３に記載）を経由して後車輪１４の走行動力となっていく。

図２は、本発明に係るハイブリッド型電動作業車の一種類であるハイブリッド型凍結防止剤散布車１の動力・電源図である。ハイブリッド型凍結防止剤散布車１のエンジン１３の動力は、クラッチ２０を連結経由してモータ／ジェネレータ１４の発電動力となる。モータ／ジェネレータ１４が発電した三相電気は、車両用インバータ２４により直流に変換され走行用電池１５に蓄積し、走行動力の他に、凍結防止剤散布装置２のコンベヤ４及び散布装置５の作業装置の動力源となる。凍結防止剤散布装置２の電気は、凍結防止剤散布時に走行用電池１７から定電圧昇圧装置２３に流れ、定電圧昇圧装置２３により高圧電気になり、コンベヤ用インバータ２１Ａによりコンベヤ用三相モータ６Ａへ制御出力すると共に，散布用インバータ２１Ｂにより散布用三相モータ７Ａ制御出力し、各アクチュエータは稼動する。走行用電池１５の直流電気は、走行時に走行補助用に車両用インバータ２４の制御により三相電気に変換され、モータ／ジェネレータ１４へ電気が供給される。車両用インバータ２４，エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ２５，電池制御ユニットＢＣＵ２６，作業装置制御ユニット２７，コンベヤ用インバータ２１Ａ及び散布用インバータ２１Ｂの間に通信するために破線で記載の通信配線２９が配線されている。

コンベヤ４は、エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ２５からの走行速度情報を受け作業装置制御ユニット２７からの指令値を受けたコンベヤ用インバータ２１Ｂからの三相電気によりコンベヤ用三相モータ６Ａを回転されコンベヤ用減速機６Ｂにて減速回転し、凍結防止剤を散布装置５へ設定量搬送する。散布装置５は、搬送された凍結防止剤を散布幅に合せ作業装置制御ユニット２７からの指令値を受けた散布用インバータ２１Ａからの三相電気により散布用三相モータ７Ａか回転され散布用減速機７Ｂにて減速定速回転し、凍結防止剤を路面へ散布する。

前記通信配線２９を通じて、エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ２５は、エンジン１３及び車両８，トランスミッション１６及びクラッチ２０の制御に係る電気系統を制御するコントローラであり、更に前記散布コントロールユニット２７と通信する。

エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ２５は、通信配線２９を通して電池制御ユニットＢＣＵ２６及び作業装置制御ユニット２７と通信し、車両用インバータ２４，モータ／ジェネレータ１４及びクラッチ２０を制御する。

作業装置制御ユニット２７は、凍結防止剤の散布量及び散布幅の設定値からコンベヤ４の速度及び散布装置５の速度、更にコンベヤ用三相モータ６Ａ，散布用三相モータ７Ａの回転値及び散布ＯＮ／ＯＦＦ等指令をコンベヤ用インバータ２１Ｂ，散布用インバータ２１Ｂを通じて指示する。

走行用電池１５に充電する場合、エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ２５の指令信号により、モータ／ジェネレータ１４が発電した電気を車両用インバータ２４により交流から直流に変換して、走行用電池１５に供給する。逆に、前記エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ２５の指令信号により、モータ／ジェネレータ１４へ走行用電池１７からの発電電力を直流から交流に変換して、走行駆動力に提供する。尚、走行駆動力をモータ／ジェネレータ１６のみで駆動するには、クラッチ２０を切る。

走行用電池１５により走行支援する場合、エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ２５の指令信号により、電池制御ユニットＢＣＵ２６により走行用電池１７の電池容量（ＳＯＣ）が許容値以上になっていることを確認し、走行用電池１７からの直流電気を三相電気に変換し、モータ／ジェネレータ１６に走行補助動力を出すように送電する。

図３は、本発明に係る昇圧装置２３の実施例である直流−直流変換フルブリッジ型昇圧型のＤＣ―ＤＣコンバータ２３Ｂを使用したブロック図である。走行用電池１７からの直流電気をＰＷＭ回路３０により交流電気に変換し、変換された交流電気をトランス３１により高圧化し、更に高圧化した高圧交流電気をダイオード整流回路３２により高圧直流電気に変換し、変換した電圧が設定電圧になるように制御装置３３で制御する。変換した前記直流高圧電気は、コンベヤ用インバータ２１Ａ及び散布用インバータ２１Ｂにより駆動制御電気に変換しコンベヤ用三相モータ６Ａ及び散布用三相モータ７Ａを駆動する。

図４は、本発明に係る昇圧装置２３の実施例である直流−交流変換ブリッジ型昇圧型のＤＣ―ＡＣインバータ２３Ａを使用したブロック図である。走行用電池１７からの直流電気をＰＷＭ回路３０により交流電気に変換し、変換された交流電気をトランス３１により高圧化し、高圧化した交流電圧が設定電圧になるように制御装置３１で制御する。高圧化した交流高圧電気は、コンベヤ用インバータ２１Ａ及び散布用インバータ２１Ｂにより駆動制御電気に変換しコンベヤ用三相モータ６Ａ及び散布用三相モータ７Ａを駆動する。

図６は、本発明に係る走行用電池，走行及び凍結防止剤散布装置２への走行用電池１５の制御管理を示すフローチャートの実施一例である。

エンジン始動後の「Ｓｔａｒｔ」後の、ステップＳ１において、前記凍結防止剤散布装置２が作動するかどうか判定する。凍結防止剤散布装置２が作動しなければ（ＮＯ）、フローＦ１に流れ、ステップＳ２の車両走行補助のモータ／ジェネレータ１４に活用しているハイブリッド走行制御を管理し、再び「Ｓｔａｒｔ」に戻る。

凍結防止剤散布装置２が作動すれば（ＹＥＳ）フローＦ２に流れ、即ち、ステップＳ３は、走行用電池１５からモータ／ジェネレータ１４への電力提供をせず、凍結防止剤散布装置２が作動のために、同装置への電力を走行用電池１５及び必要に応じてモータ／ジェネレータ１４から供給する。尚、凍結防止剤散布装置２のアクチュエータの安定作動した最高定格動力の電力の和がモータ／ジェネレータ１４の発電電力以下に設定し、走行用電池１５が電力不足にならない。

フローＦ２に流れると、即ち、凍結防止剤散布装置２が作動することにより、ステップＳ３で走行用電池１５の電池容量を測定する。そして、ステップＳ４にて走行用電池１７の電池容量（ＳＯＣ）が電池容量の上限値（例えば、８０％）以上かどうか比較・判定する。

フローＦ３に流れた場合、即ち、電池容量（ＳＯＣ）が電池容量（ＳＯＣ）の上限値以上あれば、充電不要なので、ステップ５にてモータ／ジェネレータ１４の発電を停止し、再び「Ｓｔａｒｔ」に戻る。

フローＦ４に流れた場合、即ち、走行用電池１５の電池容量（ＳＯＣ）が電池容量の上限値以下あれば、ステップＳ４にて電池容量（ＳＯＣ）をその下限値（例えば、４０％）以下かどうか比較・判定する。

ステップＳ６の走行用電池１５の電池容量（ＳＯＣ）が下限値以上であれば、フローＦ５に流れステップＳ７の例えばモータ／ジェネレータ１４の発電停止状態若しくは発電状態を維持し、再び「Ｓｔａｒｔ」に戻る。

ステップＳ６の走行用電池１５の電池容量（ＳＯＣ）が下限値以下であれば、フローＦ６に流れステップＳ８のモータ／ジェネレータ１４は発電を行い、凍結防止剤散布装置２の消費電力以上の電力を凍結防止剤散布装置２に供給し、走行用電池１５の電池容量（ＳＯＣ）にモータ／ジェネレータ１４の電力を加えた電力により凍結防止剤散布施工は継続され、再び「Ｓｔａｒｔ」に戻る。

このように、一般走行又は施工前後の回送走行時にはハイブリッド走行による燃料効率の良い走行をし、作業装置の施工走行時にはモータ／ジェネレータ１４及び走行用電池１５を活用した効率の良い電動作業車となることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に次の構成にしても良い。
凍結防止剤散布装置の追加機能として、水ポンプ及びモータが追加された凍結防止剤散布車もある。
又、ＤＣ−ＤＣコンバータ及びＤＣ−ＡＣインバータの内部回路構成は一実施形態を示すもので、他の回路構成でも同じ機能を達成すれば本技術の範囲となる。
更に、三相モータにはＩＰＭモータ，ＳＰＭモータ，シンクロナスモータ，シンクロナスリラクタンスモータ等各種あるが、インバータと三相配線され制御・駆動されるものは本発明の技術範囲となる。

他に、高速回転用モータと低速回転用モータの複数の三相モータを有するコンクリートミキサー車も本技術のハイブリッド型電動作業車の技術範囲となる。

更に、ハイブリッド車両のエンジン，クラッチ，モータ／ジェネレータには実施例以外の組合せもあるが、それらを用いたハイブリッド型電動作業車も本技術の技術範囲となる。

以上説明したように、本発明は、三相モータを有するハイブリッド型電動作業車について有用である。

１ ハイブリッド型凍結防止剤散布車
２ 凍結防止剤散布装置
３ ホッパ
４ コンベヤ
５ 散布装置
６ コンベヤ用ギヤードモータ
６Ａ コンベヤ用三相モータ
６Ｂ コンベヤ用減速機
７ 散布用ギヤードモータ
７Ａ 散布用三相モータ
７Ｂ 散布用減速機
８ 車両
９ シャーシ
１０ 運転室
１１ 前車輪
１２ 後車輪
１３ エンジン
１４ モータ／ジェネレータ
１５ 走行用電池
１６ トランスミッション
１７ ユニバーサルジョイント
１９ デファレンシャルギヤ
２０ クラッチ
２１Ａ コンベヤ用インバータ
２１Ｂ 散布用インバータ
２３ 定電圧昇圧装置
２３Ａ ＤＣ―ＡＣインバータ
２３Ｂ ＤＣ―ＤＣコンバータ
２４ 車両用インバータ
２５ エンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ
２６ 電池制御ユニットＢＣＵ
２７ 作業装置制御ユニット
２９ 通信配線
３０ ＰＷＭ回路
３１ トランス
３２ ダイオード整流回路
３３ 制御装置

Claims (7)

1. エンジンと走行補助動力機能及び発電機能を有するモータ／ジェネレータ及び前記モータ／ジェネレータから電力を受け蓄える走行用電池を有するハイブリッド車両とアクチュエータを有する作業装置から成るハイブリッド型電動作業車において、前記走行用電池及び前記アクチュエータが三相モータであって、前記三相モータと対をなし駆動・制御するインバータと前記インバータへの電気を前記走行用電池からの電気を昇圧し供給する昇圧装置よりなることを特徴とするハイブリッド型電動作業車。
2. 前記ハイブリッド型電動作業車の作業装置のアクチュエータである三相モータが複数であって、前記三相モータと対をなし駆動・制御するインバータも同数有することを特徴とするハイブリッド型電動作業車。
3. 前記ハイブリッド型電動作業車において、前記エンジン及び車両を制御するエンジン（車両）制御ユニットＥＣＵ，前記作業装置のアクチュエータである三相モータを駆動・制御する前記インバータを制御する作業装置制御ユニット及び前記走行用電池を管理する電池制御ユニットＢＣＵが通信することを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド型電動作業車。
4. 前記アクチュエータが、前記三相モータ出力部に減速機を取り付けたギヤードモータであることを特徴とする請求項１〜３に記載のハイブリッド型電動作業車。
5. 前記ハイブリッド型電動作業車両の作業装置のアクチュエータが凍結防止剤搬送のためのコンベヤ用の三相モータ及び凍結防止剤散布のための散布用の三相モータからなるハイブリッド型凍結防止剤散布車であることを特徴とする請求項１〜４に記載のハイブリッド型電動作業車。
6. 請求項１〜５に記載の電動車両において、昇圧装置が昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでその出力が定電圧高圧直流電気であることを特徴とするハイブリッド型電動作業車。
7. 請求項１〜５に記載の電動車両において、昇圧装置が昇圧型ＤＣ−ＡＣインバータでその出力が定電圧単相高圧交流電気であることを特徴とするハイブリッド型電動作業車。

Images