JP3914857B2

JP3914857B2 - 大型運搬車両

Info

Publication number: JP3914857B2
Application number: JP2002317107A
Authority: JP
Inventors: 和彦北沢; 朗小野田
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP2004153938A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製鉄所構内などの運搬に使用され、走行装置を複数備える多軸の大型運搬車両に関し、更に詳細には、エンジン発電機の出力によって駆動する電動モータへの電力供給をハイブリッド化した大型運搬車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄所等では、従来から製品や資材、或いはスクラップといったものを構内で運搬する際、いわゆるキャリヤとよばれる大型運搬車両（以下、単に「キャリヤ」と記す）が利用されている。図９及び図１０は、そうしたキャリヤを示した側面図及び平面図である。例えばこのキャリヤ１００は全長が１４メートル程あり、９５トンもの搭載が可能な運搬車両であって、大型運搬物の積載が可能な荷台１０１を備え、その荷台１０１の下には前後方向に連続して並べられた適数個の走行装置１０２，１０２…が設けられている。ここで示したキャリヤ１００は、左右に２個、前後に５個の走行装置１０２，１０２…が設けられた１０軸のものである。
【０００３】
各走行装置１０２は、それぞれ左右２個ずつ計４個のタイヤを有している。そして、荷台１０１の下部に旋回可能に設けられたサスペンションブラケット１１１のアームに対し、上下方向に揺動可能なスイングアーム１１２が枢着され、そのスイングアーム１１２が油圧シリンダ１１３で支持されたジャッキアップ機構を構成するものである。
【０００４】
また、各走行装置１０２，１０２…には、そのスイングアーム１１２先端の支軸に軸箱が軸支され、軸箱内の車軸を回転させる電動モータ（走行モータ）１２１や、サスペンションブラケット１１１を旋回させる電動モータ（操舵モータ）１２２が設けられている。キャリヤ１００の走行及び操舵は、運転室１０３におけるハンドルやアクセルペダルの操作に従い、不図示のキャリヤコントローラから指令信号が送られ、各走行装置１０２，１０２…の走行モータ１２１や操舵モータ１２２の制御が行われる。
【０００５】
ここで示したキャリヤ１００は電動式であり、エンジン１０５と発電機１０６とを備え、その発電機１０６から出力される電力によって走行モータ１２１及び操舵モータ１２２などを駆動させるものである。図１１は、こうした電動式キャリヤの駆動システムを示したブロック図である。
エンジン１０５と発電機１０６とは機械的に直結され、その４極のブラシレス交流発電機が、インバータ１３１，１３１…を介して走行モータ１２１及び操舵モータ１２２、更には油圧シリンダ１１３に作動油を送り込むための油圧ポンプ駆動用モータ１２３にも直接接続されている。
【０００６】
エンジン１０５にはガバナ１３２が、また発電機１０６にはＡＶＲ（Automatic Voltage Regulate ）１３３がそれぞれ接続されている。そして、インバータ１３１やガバナ１３２には、アクセルペダルの踏み込み量などに応じて制御指令信号を送信するキャリヤコントローラ１３５が接続されている。
こうしたキャリヤ１００の駆動系では、走行する場合、エンジン１０５をアイドリング回転数から１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍまで回転数をアップさせる必要がある。搭載した発電機１０６が、５０Ｈｚの交流を出力する場合にはエンジン１０５の回転数を１５００ｒｐｍに、また６０Ｈｚの交流を出力する場合には１８００ｒｐｍに維持しなければならないからである。
【０００７】
キャリヤ１００の走行では、例えばアクセルペダルの踏み込み量やハンドルの回転に応じてトルク指令信号や位置指令信号がキャリヤコントローラ１３５からインバータ１３１に送られ、インバータ１３１，１３１…で目標とする周波数及び電圧の交流電力に変換され、走行モータ１２１へ供給されてキャリヤ１００走行の加減速が行われる。なお、キャリヤ１００は製鉄所内などの決められた走行ルートに従った走行プログラムをもっており、トルク指令に対応した速度マップの参照速度とインバータ１３１からの実速度情報が平衡したポイントで、そのトルク指令出力が保持される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１６６００９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のこうしたキャリヤ１００は、負荷の小さい一定速で走行するような場合や、一旦停止するために減速する場合でも所定周波数の交流を得るために、エンジン１０５の回転数を１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍに継続しなければならなかった。従って、製鉄所内の限られた範囲を低速走行（２０ｋｍ／ｈ前後）するキャリヤ１００は、特に音が響く建家内などのような閉じられた空間を走行する場合、本来はエンジン１０５の回転数を下げて騒音を抑えることが望ましいが、それができなかった。
【００１０】
また、従来のキャリヤ１００はパワー源がエンジン・発電機単一であるため、エンジン１０５及び発電機１０６が大型になり、キャリヤ１００内において大きな設置スペースが必要になるほか、前述したようにエンジンの回転数を高回転で維持しなければならないことから燃費効率が悪く、また排ガスの問題もあった。このことは特に、建家内の閉じられた空間を走行するキャリヤ１００から発せられる騒音と排ガスとが、そこで作業を行っている人への環境を悪化させる点で問題であった。
【００１１】
そこで、本発明は、こうした課題を解決すべく、騒音や排ガスの低下を図った大型運搬車両を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明は、電動モータによって車軸を回転させる走行装置を複数備えた多軸の大型運搬車両において、エンジンの回転によって発電する発電機と、その発電機によって発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、そのコンバータからの直流電力を交流電力に変換して前記電動モータに供給するインバータと、前記コンバータからの発電電力と前記インバータからの回生電力とを充電するバッテリと、エンジンの回転数などを制御するコントローラとを有し、前記コントローラは、回転数−出力特性マップを備え、積車状態と空車状態とを判別して加速走行又は定速走行に応じて予め設定された所定の回転数でエンジンを回転させるとともに、インバータへは所定の速度で走行するようにトルク指令信号を出力するようにしたものであることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、コンバータでエンジン発電機からの交流電力を直流電力に変換し、インバータによって目的とする周波数及び電圧の交流電力に変換するので、最終的な出力が発電機出力電圧と周波数に依存しなくなる。そのため、エンジンの回転数を落としても発電機からの電力を得ることができ、またバッテリからの放電電力のアシストによって電動モータを駆動させるので、騒音や排ガスを低下させることが可能となる。
【００１４】
また、本発明の大型運搬車両は、前記コントローラからの制御指令信号によって、加速時には、発電機で発電された電力に加えてバッテリから供給される放電電力のアシストを行い、減速時には、電動モータからの回生電力をバッテリに送って充電を行い、更に定速走行時には、発電機で発電した電力のみによる走行、発電機で発電した電力によって走行しながらのバッテリへの充電、又はバッテリからの放電電力のみの走行を、制御するものであることが望ましい。
【００１５】
更に、本発明の大型運搬車両は、バッテリ許容放電量が予め設定され、加速時に必要な所要電力からバッテリ許容放電電力分を差し引いた電力を発電機が発電するように、エンジンの回転数が前記コントローラによって制御されるようにしたものであることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る大型運搬車両の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態の大型運搬車両は、前記従来例で挙げたものと同じ型のキャリヤであり、図１及び図２は、その側面図又は平面図を示したものである。本実施形態のキャリヤ１も、荷台２が１０機の走行装置３にジャッキアップ機構を備えた多軸の大型運搬車両であり、アクセペダルや昇降レバーなどの操作によって、荷台２の昇降や走行モータ５の駆動による前進・後退などが行われる。
【００１７】
次に図３は、本実施形態のキャリヤ１における駆動システムを示したブロック図である。このキャリヤ１でも、エンジン１１と発電機１２とが機械的に直結され、その４極のブラシレス交流発電機から発生する電力によって走行モータ５及び操舵モータ６を駆動させるよう構成されている。しかし、本実施形態では、発電機から得られる電力のみによって走行モータなどを駆動させていた従来のものとは異なり、バッテリ１３を備えることによって充電電力を利用して発電機１２をアシストするようにしたハイブリッド式のキャリヤを構成している。
【００１８】
すなわち、図３に示す本実施形態の駆動システムでは、エンジン１１の駆動による機械エネルギーから発電機１２が電気エネルギーを発生し、この電気エネルギーをパワーアシストコンバータ１４及びインバータ１５を介して走行モータ５及び操舵モータ６へ送り、そこで機械エネルギーに変換して車両を駆動させるシリーズハイブリッドを構成している。発電機１２に接続されたパワーアシストコンバータ１４は、交流電力を直流電力に変換し、そのパワーアシストコンバータ１４に接続されたインバータ１５が直流電力を交流電力に変換して電力を走行モータ５及び操舵モータ６に供給するようにしている。
【００１９】
こうして発電機１２からの交流電力を一旦パワーアシストコンバータ１４で直流電力に変換し、これをインバータ１５に送って再び交流電力に変換する構成をとっているのは、パワーアシストコンバータ１４で変換した直流電力をインバータ１５によって目的とする周波数及び電圧の交流電力に変換することによって、最終的な出力を発電機出力電圧と周波数に依存しなくするためである。ここでパワーアシストコンバータ１４は、ＡＣ２２０〜４４０ＶをＤＣ２８０Ｖ〜３８０Ｖに変換する機能をもつものであり、具体的には、図４にブロック図で示すような構成をしている。
【００２０】
パワーアシストコンバータ１４は、交流電力を直流電力に変換する前記変換機能をもったコンバータ２１を備えており、そのコンバータ２１が、キャリヤコントローラ１６からの指令信号によって駆動制御するための制御回路２２に接続されている。また、パワーアシストコンバータ１４は、制御回路２２からの制御信号によって駆動するゲート２３を有し、発電機１２で発電された電力と走行モータ５を発電機として機能させて得られる回生電力とを充電できるように、そのパワーアシストコンバータ１４にはゲート２３を介してバッテリ１３が接続されている。
【００２１】
図３に戻って、発電機１２には、走行装置３の油圧シリンダなどに作動油を送り込む油圧ポンプ駆動用モータ１７が接続されている。そしてエンジン１１には、その回転数の調整を行うガバナ１８が接続されており、また発電機１２は、界磁電流１９によって界磁巻線を可変励磁することによって出力電圧が調整される。発電機１２は界磁電流を一定とし、その出力（電圧、周波数）が回転数によって変化するようになっており、本実施形態では１５００ｒｐｍで発電機出力が最大となるように界磁電流が調整されている。
【００２２】
パワーアシストコンバータ１４の入力範囲は、図５に示すように、その発電機１２によってエンジン１１の回転数７５０ｒｐｍで発生する周波数２５Ｈｚ、電圧２２０Ｖの出力から、その回転数１５００ｒｐｍで出力される周波数５０Ｈｚ、電圧４４０Ｖの出力の間である。
一方、アクセルペダル２０の踏み込み量や、ハンドルの回転に応答して各種制御指令信号を送信するキャリヤコントローラ１６が、前述したようにパワーアシストコンバータ１４に接続され、さらにインバータ１５やガバナ１８にも接続されている。
【００２３】
次に、本実施形態におけるキャリヤ１の走行について説明する。本実施形態のキャリヤ１は、発電機１２で発電された電力に加え、適宜バッテリ１３からの放電電力を利用して効率の良い走行を可能としたものである。そこで、キャリヤ１が製鉄所構内において荷物を運搬する場合について、例えば図６に示すように積車状態と空車状態とで往復する運転パターンを想定し、このときの所要電力をシュミレーションして、本実施形態のキャリヤ１と従来のキャリヤ１００とのバッテリ消費量や燃料消費量について確認を行った。
【００２４】
図６に示すキャリヤ１の運転パターンは、加速後、定速走行し、そして減速するという走行を繰り返すことにより所定の区間を往復する場合を想定している。また、キャリヤ１の定速走行時の速度は、大型運搬物を載せて走行する車両であるためその安定を図る必要から、空車状態でも時速２５ｋｍであり、積載時には時速１５ｋｍと更に速度を落として一定速度走行を行う。
【００２５】
そして本実施形態のキャリヤ１では、先ず負荷のかかる加速時には発電機１２で発電された電力に加えてバッテリ１３から供給される放電電力のアシストを行う一方、減速時には走行モータ５からの回生エネルギをバッテリ１３に送って充電を行うようにしている。そして、定速走行時には、積車状態と空車状態などの違いにより、発電機１２で発電した電力のみによって走行する場合と、発電機１２で発電した電力によって走行しながらその電力をバッテリ１３へ充電する場合、更にバッテリ１３からの放電電力のみで走行を行う場合とに分けている。
【００２６】
図７は、こうした本実施形態のハイブリッド式のキャリヤ１における所要電力チャートを示した図であり、同じように従来の電動式のキャリヤ１００における所要電力チャートを図８に示した。そこで、以下にこれらを比較しながら説明する。
ハイブリッド式のキャリヤ１と電動式のキャリヤ１００は、ともに図８に示すように、加速時に１０５ｋＷの電力を必要とし、定速走行時には、積車状態で１０２ｋＷ、空車状態では４３ｋＷの電力を必要とする。この場合の消費電力は、走行モータ５の駆動の消費だけでなく、操舵モータ６の駆動やその他の制御系消費電力も含まれている。
【００２７】
電動式のキャリヤ１００のように発電機１０６に直接インバータ１３１を接続する場合（図１１参照）、走行モータ５などへ出力される電力の電圧・周波数が発電機出力電圧と周波数に依存するため、図８に示すように加速、定速そして減速のいずれの走行状態であってもエンジン１１の回転数を常に１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍに維持しなければならない。そして、これはキャリヤが積車状態であっても空車状態であっても変わることはない。
【００２８】
これに対して本実施形態のハイブリッド式のキャリヤ１では、図７に示すように、例えば加速時には、発電機１２側からの５７ｋＷの電力とバッテリ１３からの４８ｋＷの電力で所要電力を得るようにしている。これはキャリヤコントローラ１６からパワーアシストコンバータ１４に対してバッテリ許容放電量が予め設定され、加速時に必要な所要電力の１０５ｋＷからバッテリ許容放電電力分の４８ｋＷを差し引いた電力、すなわち５７ｋＷの電力を発電機１２が発電するように、エンジン１１の回転数がキャリヤコントローラ１６からガバナ１８へ送られる指令信号によって制御される。
【００２９】
エンジン１１の回転数を調整するガバナ１８への指令信号は、キャリヤコントローラ１６内に回転数−出力特性マップを有しており、加速時には８６０ｒｐｍの回転数でエンジン１１を回転させる指令信号が選択され、その指令信号がキャリヤコントローラ１６からガバナ１８へと送られる。
一方、インバータ１５へは、アクセルペダル２０の踏み込み量に応じたトルク指令信号がキャリヤコントローラ１６から出力され、予めトルク指令に対応した速度マップの参照速度とインバータ１５からの実速度情報が平衡したポイントで、各種トルク指令出力が保持される。
【００３０】
走行に必要な電力は積載荷重によって異なるが、ここでは単に積車と空車の区別のみによって判別している。これは、負荷の違いによってインバータ１５への供給電力が異なるからであり、積車状態では１０２ｋＷ、空車状態では４３ｋＷの電力を要する。
【００３１】
キャリヤコントローラ１６は、パワーアシストコンバータ１４内の制御回路２２を通してバッテリ電流信号を検出し、これを時間積分することによってバッテリ充放電量を算出する。そのため任意に設定された残容量レベルを下回った場合には、バッテリ１３からの電力アシストを停止して発電機１２からの発電電力のみによって走行し、その走行中又は停止中に発電機１２からの電力によって回復充電をかける。そのため、例えば積車状態で定速走行するときに充放電量が残容量レベルを下回っている場合には、図７に示すようにエンジン１１の回転数をパワーアシストコンバータ１４の入力範囲上限の１５００ｒｐｍまで上げ、発電機１２のみから１０２ｋＷの所要電力を得る。
【００３２】
一方、空車状態のときであって、充放電量が残容量レベルを下回っていない場合には、パワーアシストコンバータ１４の入力範囲を下回る６５０ｒｐｍにエンジン１１の回転数に落としてアイドリング状態にし、バッテリ１３からの放電電力のみによって走行させるようにもする。
更には、空車状態のときであって、充放電量が残容量レベルを下回っている場合には、充電しながら走行すべくエンジン１１の回転数を１２００ｒｐｍまで上げ、発電機１２からの発電電力を走行に使用するとともに、バッテリ１３への充電を行うようにもする。
【００３３】
そして次に、減速時には走行モータ５への電力供給が必要なくなるので、操舵モータ６の駆動やその他の制御系消費電力にはバッテリ１３の放電電力が使用される。そのため、減速時にはエンジン１１は回転数を６５０ｒｐｍにまで落としてアイドリング状態にする。なお、キャリヤ１を一旦停止させた場合も同様にエンジン１１はアイドリング状態にする。
そして、減速時にブレーキ力を電力に回生して蓄電すべく、回生制動時は、走行モータ５に発生した制動電力をインバータ１５を介して、パワーアシストコンバータ１４からバッテリ１３に回生する。
【００３４】
従って、従来は、ある決まった周波数の交流電力を出力するためには、発電機の極数とエンジン回転数が限定されていたため運転効率が悪かったが、本実施形態では、図７に示すようにバッテリ１３からの放電電力を利用し、また適宜充電を行いながらエンジンを効率の最も高い点で運転することによって、エンジンの燃費を大きく向上させることができるようになった。具体的には、電動式のキャリヤ１００とハイブリッド式のキャリヤ１とを比較すると、１０パーセント以上の燃費向上が可能となる結果が得られた。
【００３５】
また、キャリヤ１では、バッテリ１３からの放電電力によって走行する場合には、エンジン１１の回転数を６５０ｒｐｍにまで落としたアイドリング状態にすることができるため、特に建家のように閉じられた空間内では、エンジン１１の回転数を落として騒音や排ガスを抑えた走行が可能になる。
更に、発電機の出力を大きく取りたい場合は、極数が限定されるため、従来のキャリヤ１００ではエンジンの排気量や発電機容量の大きなものが設置され、そのエンジン・発電機が大型化・高重量化する傾向にあったが、本実施形態では、バッテリからの電力アシストによって所要の電力を得ることができるため、コンパクト化が可能になった。具体的には、エンジン排気量で２５パーセント、発電機容量で４０パーセントの削減になった。
【００３６】
以上、大型搬送車両の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、大型搬送車両の一実施形態としてキャリヤを示して説明したが、本発明はこの他にも自動で搬送を行うＡＧＶなどへの応用も可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、エンジンの回転によって発電する発電機と、その発電機によって発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、そのコンバータからの直流電力を交流電力に変換して前記電動モータに供給するインバータと、前記コンバータからの発電電力と前記インバータからの回生電力とを充電するバッテリとを有するので、騒音や排ガスの低下を図った大型運搬車両を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のキャリヤを示した側面図である。
【図２】実施形態のキャリヤを示した平面図である。
【図３】実施形態のハイブリッド式キャリヤの駆動システムを示したブロック図である。
【図４】パワーアシストコンバータを示したブロック図である。
【図５】パワーアシストコンバータの入力範囲を示した図である。
【図６】キャリヤの仮想運転パターンを示した図である。
【図７】実施形態のハイブリッド式のキャリヤにおける所要電力チャートを示した図である。
【図８】従来の電動式のキャリヤにおける所要電力チャートを示した図である。
【図９】従来のキャリヤを示した側面図である。
【図１０】従来のキャリヤを示した平面図である。
【図１１】電動式キャリヤの駆動システムを示したブロック図である。
【符号の説明】
１キャリヤ
３走行装置
５走行モータ
６操舵モータ
１１エンジン
１２発電機
１３バッテリ
１４パワーアシストコンバータ
１５インバータ
１６キャリヤコントローラ
２１コンバータ
２２制御回路

Claims

電動モータによって車軸を回転させる走行装置を複数備えた多軸の大型運搬車両において、
エンジンの回転によって発電する発電機と、
その発電機によって発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
そのコンバータからの直流電力を交流電力に変換して前記電動モータに供給するインバータと、
前記コンバータからの発電電力と前記インバータからの回生電力とを充電するバッテリと、
エンジンの回転数などを制御するコントローラとを有し、
前記コントローラは、回転数−出力特性マップを備え、積車状態と空車状態とを判別して加速走行又は定速走行に応じて予め設定された所定の回転数でエンジンを回転させるとともに、インバータへは所定の速度で走行するようにトルク指令信号を出力するようにしたものであることを特徴とする大型運搬車両。
請求項１に記載する大型運搬車両において、
前記コントローラからの制御指令信号によって、加速時には、発電機で発電された電力に加えてバッテリから供給される放電電力のアシストを行い、減速時には、電動モータからの回生電力をバッテリに送って充電を行い、更に定速走行時には、発電機で発電した電力のみによる走行、発電機で発電した電力によって走行しながらのバッテリへの充電、又はバッテリからの放電電力のみの走行を、制御するものであることを特徴とする大型運搬車両。
請求項２に記載する大型運搬車両において、
バッテリ許容放電量が予め設定され、加速時に必要な所要電力からバッテリ許容放電電力分を差し引いた電力を発電機が発電するように、エンジンの回転数が前記コントローラによって制御されるようにしたものであることを特徴とする大型運搬車両。