JP4111629B2 - ハイブリッド式ダンプトラック - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉱山での稼動に適合するハイブリッド式ダンプトラックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、露天掘鉱山では鉱石及び表土を運搬するオフロード大型ダンプトラックとしては電気駆動式ダンプトラックが広く使用されて来ている。また、露天掘鉱山では、谷部で採鉱された鉱石をダンプトラックに積み込み、坂を登って頂上部の所定の排土位置で排土した後、再び谷部に戻るというサイクルの走行路を規定して走行する作業が一般的である。登坂時は通常は走行距離が長く、しかも積荷状態なので、平地走行よりもさらに大きな牽引力が必要となり、この登坂時間の短縮化が鉱山における生産性向上のための非常に重要な課題の一つとなっている。このことから、電気駆動式ダンプトラックには、おおよそ次の２つの駆動方式が採用されている。
【０００３】
第１の方式では、図６に示すように、走行経路の内、大きな牽引力を必要とする場所（例えば、登坂路）にトロリー用の架線５１を敷設し、平地等での通常走行時はエンジンにより発電機を回転させて発生した電力エネルギを用いて直流電動モータを駆動して駆動輪を制御し、登坂時はトロリー架線から受電する電力により上記エンジン発電によるモータ駆動をアシストしている。このようなトロリーアシストによるダンプトラックは、降坂時及び制動時には、ダイナミックブレーキにより直流電動モータの回生エネルギを抵抗発熱で消費して制動をかけるようにしている。
また第２の方式では、エンジンにより発電機を駆動して発生させた交流電圧を直流に変換し、この発電電力のみにより直流電動モータを駆動するものであり、制動時には上記第１の方式同様にダイナミックブレーキにより制動をかけるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電気駆動式ダンプトラックには、以下のような問題がある。
第１の電気駆動方式では、生産性を上げるために、登坂時にトロリーアシストにより牽引力を大きくして増速することはできるが、トロリー架線及びこのトロリー架線に高電圧の電力を供給する変電所等の地上設備を設けなければならず、イニシャルコストが非常に高いので、全体として運搬コストが高価となる。また、走行路面の凸凹を影響を受けてトロリー線とパンタグラフとの接触及び離線が頻繁に発生し易く、このためにトロリー線の摩耗が大きくてランニングコストもかかる。さらに、登坂経路の変更及び延長に伴って新たな設備コストがかかり、このために谷部での採鉱が進むに連れての走行経路の変更を自由にはできないという問題がある。
【０００５】
また第２の電気駆動方式では、生産性を上げるために登坂時の車速を増速する（例えば２倍とする）場合には、エンジン出力を増加する必要があり、このためにさらに大出力のエンジンを搭載した大型ダンプトラックを導入しなければならない。ところが、大出力が必要なのは登坂時のみであり、したがって通常の平地走行では大出力エンジンの性能を充分に使用しているとは言えず、むしろ過剰性能となっており、この結果運搬コストが高くなる。また、制動時には回生エネルギをダイナミックブレーキ抵抗で発熱させているだけなので、エネルギ効率が悪く、よって消費燃料が多いのでランニングコストが高くなり、生産性が低いという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、生産性を向上できるハイブリッド式ダンプトラックを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、本発明に係る第１発明は、駆動輪を駆動する駆動モータと、発電機を回転駆動して発電するエンジンと、発電機の出力した交流を直流に変換する整流器と、整流器の直流出力ラインに入力電源ラインが接続され、かつ外部からの速度指令信号に応じて駆動モータの回転数を制御して車速を制御するインバータと、整流器の直流出力ライン及びインバータの入力電源ラインに並列に接続されたバッテリと、アクセルペダルの踏み込み量に応じて駆動モータの速度指令信号をインバータに出力して車速を制御するコントローラとを備えたハイブリッド式ダンプトラックにおいて、駆動モータは、エンジンの最大出力よりも大きい最大出力を有し、バッテリから整流器の直流出力ライン及びインバータの入力電源ラインまでの間に、入力指令によってバッテリからインバータへの放電及び整流器からバッテリへの充電のいずれかを可能とするように切り換えるバッテリ開閉スイッチを設け、コントローラは、アクセルペダルの踏み込み量に応じて駆動モータの回転速度を制御するときに、エンジンの最大出力時の発電電力よりも大きい電力が駆動モータの駆動に必要な場合には、バッテリからインバータへの放電を可能とする指令をバッテリ開閉スイッチに出力して放電電流により駆動モータの駆動電力をアシストするバッテリ充放電制御手段と、走行路の路面状態に応じた車速、並びに車速及び路面状態に応じたエンジンによる発電のための回転数等の走行データの目標値を入力する走行データ入力手段と、入力された走行データの所定の目標値に従って所定の走行路を１サイクル走行したとき、その間の実際のエンジンの発電電力量、駆動モータの駆動電力量、及び駆動モータから回生される回生電力量をそれぞれ演算して、バッテリに対する電力量積算値を求める電力量積算手段と、求められた電力量積算値に基づいて、バッテリの放電時の総電力量よりも充電時の総電力量が大きくなるように、現在の走行データを更新する走行データ更新手段とを有する構成としている。
【０００８】
第１発明によると、平地走行等のように小さい牽引力で走行できる場合は、エンジン発電電力によるモータ駆動を行い、登坂時のように大きな牽引力を必要とする場合は、エンジン発電電力を最大出力とすると共に、バッテリ放電電力によりアシストするようにしている。これにより、従来のトロリーアシスト方式のようなトロリー架線及び高電圧変電所等の地上設備なしで登坂時等の大きな牽引力が得られるので、イニシャルコストを低減でき、また走行路の変更に対しても柔軟に、しかもコストがかからずに対応できる。したがって、トータルの生産性を向上できる。また、小型のエンジンを使用するので、エンジンの消費燃料を低減できると共に、排気ガス量を低減できる。
【００１０】
さらにまた、走行路の路面状態（例えば、登坂、降坂、平坦地及び非平坦地等）に応じた車速及びエンジン回転数等の走行データの設定された目標値に基づいて１サイクル走行した後、このサイクル走行中のエンジンの発電電力量、駆動モータの駆動電力量、及び駆動モータから回生される回生電力量をそれぞれ演算してバッテリに対する電力量積算値を求め、求めた電力量積算値に基づいて、バッテリの放電時の総電力量よりも充電時の総電力量が大きくなるように、現在の走行データを更新する。これにより、走行した時の充放電量により、走行路の所定の基準位置（例えば、露天掘鉱山の現場の低地部の所定位置等）にある時のバッテリの充電状態が常時所定値以上になるように充電量が確保される。したがって、エンジンによる発電電力だけではモータ駆動力が不足するような時（例えば登坂時）に、直ちにバッテリでモータ駆動をアシストできるので、サイクルタイムを短くして走行できる。また、バッテリの略満充電状態から所定の使用可能な低充電状態までの範囲を短時間で放電や充電を行えるので、バッテリを効率的に使用できる。
【００１１】
第２発明は、第１発明において、コントローラの走行データ更新手段は、前記充電時の総電力量の前記放電時の総電力量に対する総電力量比が１より大きい所定閾値よりも大きいとき、登坂時及び降坂時の車速目標値を現在の設定値のままとし、降坂時のエンジン回転数目標値を、前記総電力量比が１以上で、かつ前記所定閾値以下となるように変更する構成としている。
【００１２】
第２発明によると、前回のサイクル走行によってバッテリが過充電気味になった場合には、走行データのうち、登坂時及び降坂時の車速目標値を現在の設定値のままとするとともに、降坂時のエンジンによる発電電力を抑えるために、降坂時のエンジン回転数目標値を、前記総電力量比が１以上で、かつ前記所定閾値以下となるように変更するので、エンジンの消費燃料及び排気ガス量を低減でき、かつ、登坂時及び降坂時の車速を下げることなく生産性を向上できる。
【００１３】
第３発明は、第１発明において、コントローラの走行データ更新手段は、前記総電力量比が１より小さいとき、登坂時の車速目標値を前回サイクルでの目標値よりも遅く設定して放電量を前回よりも抑える構成としている。
【００１４】
第３発明によると、前回のサイクル走行によってバッテリが放電気味になった場合には、走行データのうち、登坂時の車速目標値を前回サイクルでの目標値よりも遅く設定して、バッテリでのモータ駆動のアシスト電力量を低減することにより、バッテリ放電量を前回よりも抑えるようにしたので、１サイクル走行を完了して走行路の所定の基準位置にある時のバッテリの充電状態が常時所定値以上になるように充電量が確保される。これにより、必要なときに直ちにバッテリでモータ駆動をアシストできるので、サイクルタイムを短くして走行できる。また、バッテリの略満充電状態から所定の使用可能な低充電状態までの範囲を短時間で放電や充電を行えるので、バッテリを効率的に使用できる。
【００１５】
第４発明は、第１発明において、コントローラの走行データ更新手段は、前記総電力量比が１より小さいとき、登坂時及び降坂時以外の走行時のエンジン回転数目標値を前回よりも大きく設定する構成としている。
【００１６】
第４発明によると、前回のサイクル走行によってバッテリが放電気味になった場合には、登坂時及び降坂時以外にエンジンを吹かして良いときに、走行データのうち、登坂時及び降坂時以外の走行時のエンジン回転数目標値を前回よりも大きく設定するため、登坂時及び降坂時以外の走行時に、エンジンの発電電力によってバッテリが前回サイクル走行時よりも急速に充電されるので、バッテリが短時間で充電される。したがって、１サイクル走行を完了して走行路の所定の基準位置にある時のバッテリの充電状態が常時所定値以上になるように充電量が確保される。これにより、必要なときに直ちにバッテリでモータ駆動をアシストできるので、サイクルタイムを短くして走行できる。また、バッテリの略満充電状態から所定の使用可能な低充電状態までの範囲を短時間で放電や充電を行えるので、バッテリを効率的に使用できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施形態を図を参照して詳細に説明する。
図１に実施形態に係るハード構成ブロック図を示し、まず同図に基づいて構成を説明する。エンジン１の出力軸は発電機２に連結されており、エンジン１の図示しないスロットルレバーにはスロットルレバー制御部１１が接続されている。発電機２は３相交流を出力するものであり、その界磁コイル（図示せず）には励磁電流を通電する図示しない励磁回路が接続されている。発電機２の３相出力ラインには短絡防止用のサーキットブレーカ３を介して整流器４が接続されている。整流器４は３相交流を直流に整流し、平滑しており、直流のラインはバッテリ開閉スイッチ５及びヒューズ６を介してバッテリ７に接続されると共に、２つのインバータ８ａ，８ｂの入力端子に接続されている。バッテリ７の正端子側に接続され、かつバッテリ開閉スイッチ５とヒューズ６との間のラインには、バッテリ残存量検出センサ２６ａが接続されている。バッテリ残存量検出センサ２６ａは本実施形態ではバッテリ７の出力端子電圧をバッテリ残存量信号としてモニタしており、この残存量信号はコントローラ２０に入力されている。２つのインバータ８ａ，８ｂは入力した速度指令信号に基づいて駆動モータ９ａ，９ｂの回転数を制御しており、２つのインバータ８ａ，８ｂのモータ出力ライン（本例では３相）は、それぞれ前輪及び後輪の内いずれか１方の駆動モータ９ａ，９ｂに接続されている。インバータ８ａ，８ｂは駆動モータ９ａ，９ｂの駆動電力値及び回生電力値をそれぞれモニタする検出器を有しており、この検出値信号はコントローラ２０に入力されている。また、駆動モータ９ａ，９ｂは本実施形態では３相誘導モータにより構成されており、それぞれ左右１対の前輪又は後輪を回転駆動する。
【００１８】
コントローラ２０は、マイクロコンピュータ及び高速数値演算装置等の演算装置を備えており、内部に読み書き可能な（いわゆるＲＡＭ）所定容量のメモリ２０ａを有している。コントローラ２０は、スロットルレバー制御部１１にスロットル開度制御指令を出力し、励磁回路１２には励磁電流指令を出力する。また、２つのインバータ８ａ，８ｂには前輪用及び後輪用の駆動モータ９ａ，９ｂのそれぞれの速度指令が出力されている。さらに、バッテリ残存量検出センサ２６ａの検出した残存量信号、２つのインバータ８ａ，８ｂに内蔵された回生ユニットを介して回生される電力量の信号、及び２つの駆動モータ９ａ，９ｂの回転数をそれぞれ検出する回転数センサ１５ａ，１５ｂからの回転数信号がそれぞれコントローラ２０に入力されている。
【００１９】
また、コントローラ２０にはアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル量検出器１６からのアクセル量信号、ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキ量検出器１７からのブレーキ量信号、バッテリ７から電力をアシストして走行可能なバッテリモードを選択するバッテリモードスイッチ１８からのバッテリモード信号、及び車両の前後方向傾斜角度を検出する傾斜計１９の傾斜角度信号が入力されている。コントローラ２０は、上記の入力したアクセル量信号に応じた車速になるように、回転数センサ１５ａ，１５ｂからの回転数信号をフィードバック信号に基づいてインバータ８ａ，８ｂに速度指令信号を出力して駆動モータ９ａ，９ｂの回転数を制御し、またブレーキ量信号に応じた所定の減速カーブで車速が減速されるようにインバータ８ａ，８ｂを介して駆動モータ９ａ，９ｂの回転数を制御すると共に、図示しない油圧式ブレーキ装置に制動指令を出力して機械的に制動をかける。
また、バッテリモードスイッチ１８からバッテリモード信号を入力したときは、コントローラ２０は後述するような所定の処理を行い、バッテリ７からの放電電力による駆動モータ９ａ，９ｂの駆動のアシスト、及びエンジン１による発電電力でのバッテリ充電及び駆動モータ９ａ，９ｂの駆動等を所定のタイミングで行う。バッテリモード信号を入力してないときは、バッテリ７からの放電電力による駆動モータ９ａ，９ｂの駆動は行わず、エンジン１による発電電力のみによる駆動を行う。
【００２０】
さらに、コントローラ２０にはバッテリモードでの車速やエンジン回転数等の走行データの目標値を入力する走行データ設定スイッチ２１ａが接続されている。そしてまた、コントローラ２０には、コントローラ２０からの表示指令に従って走行データの設定値及び演算値を表示してオペレータに知らせるデータ表示器２８が接続されている。
コントローラ２０はバッテリモードのとき、詳細は後述するように、設定された走行データに基づいて所定の走行路を１サイクル走行の度に、所定の処理によって、バッテリ７に対する充放電の電力量積算値を演算し、この演算結果に基づいて次回の走行データを求めて更新して行き、常時バッテリ残存量が略満充電状態となるように充放電電力量を制御している。
【００２１】
図２は、本発明に係るハイブリッド式ダンプトラックのバッテリ充放電ルールを表している。本発明では、モータ駆動用として車載したバッテリを効率的に使用することによりダンプトラックの登坂時の車速を高速にして生産性を向上するようにしている。このため、バッテリの残存容量（残存量）を、満充電状態（１００％）に略近い所定の上限値（例えば９５％）から、空状態（０％）に略近い所定の下限値（例えば５％）までの間で短時間に充放電を繰り返すようにしている。
【００２２】
すなわち、登坂時は、エンジン発電電力とバッテリ７からの放電電力とにより、駆動モータ９ａ，９ｂを駆動する。このとき、走行路の頂上（例えば、露天掘鉱山の排土位置である所定位置）でバッテリ７が略空近傍（図示の所定の下限値Ｐｄ）となるように、車速を設定し、バッテリ７の放電量を設定する。また、降坂時は、制動の際の回生電力とエンジン発電電力とにより、バッテリ７を充電する。このとき、走行路の底部（例えば露天掘鉱山の採鉱現場位置）でバッテリ７が満充電（所定の上限値Ｐｕ以上）となるように、車速及びエンジン回転数の目標値を設定する。降坂時、エンジン１を定格回転数で回転させても満充電に満たない場合には、登坂時のバッテリ放電量（つまりアシスト量）の見直しをしたり、あるいは排土時、積込み時又は平地走行時等にもエンジン発電電力によりバッテリ７を充電するようにしている。
そして、これらの走行条件は、サイクルタイム及びバッテリ満充電量等から総合的に判断して設定される。
【００２３】
次に、図３に示す機能構成ブロック図により、本発明に係るハイブリッド式ダンプトラックのバッテリ充放電制御機能を説明する。
走行データ入力手段２１は、ダンプトラックが所定の走行路に沿って走行するとき、予め前記バッテリ充放電ルールに従って走行データの初期値を設定するものである。入力されたデータは、走行データ記憶手段２２に出力される。本実施形態では、走行データ入力手段２１は走行データ設定スイッチ２１ａにより構成されているが、本発明はこれに限定されず、例えば予め所定の初期データが設定してあるＩＣメモリカード及びフロッピー等のデータ入力手段でもよい。
走行データ記憶手段２２は走行データ入力手段２１から入力された走行データをコントローラ２０のメモリ２０ａ内に記憶する。
【００２４】
バッテリ残存量検出手段２６はバッテリ残存量を検出し、残存量信号をバッテリ充放電制御手段２３に出力する。本実施形態では、バッテリ残存量検出手段２６はバッテリ残存量検出センサ２６ａにより構成されているが、これに限定されず、例えば走行データに基づいて充電量及び放電量をそれぞれ演算により求め、満充電状態からのこれらの充電量及び放電量の積算値により算出するようにしてもよい。
バッテリ充放電制御手段２３は走行データ記憶手段２２に記憶された走行データとバッテリ残存量検出手段２６により検出されたバッテリ残存量とに基づいて、実際の走行時の、バッテリ７の放電、スロットルレバー制御部１１を介するエンジン回転数の制御による発電電力量、及び回生電力及びエンジン１からの電力によるバッテリ７への充電等を制御する。
【００２５】
電力量積算手段２４は、このバッテリ充放電制御手段２３の制御中にバッテリ７の放電量、エンジン１（すなわち発電機２）による発電量、駆動モータ９ａ，９ｂの駆動電力量、及び回生電力量等をモニタする。そして、所定の走行路を１サイクル走行した後、バッテリ７への充放電の総電力量を積算する。
走行データ更新手段２５は、電力量積算手段２４により求めた電力量積算値に基づいて、１サイクル走行後のバッテリ放電量に対する充電量の比を演算し、前記バッテリ充放電ルールに従った充電状態になるように、走行データを所定のアルゴリズムで演算し直して更新する。
【００２６】
図４に、走行路の１サイクル中に登坂及び降坂の走行を所定の時間比で有する場合の、コントローラ２０のバッテリ充放電及びエンジン発電の制御フローチャート例を示す。同図により、充放電制御方法を説明する。以下では、各処理ステップ番号をＳを付して表す。
まず、走行データ入力手段２１により初期値の走行データが設定されているか否か判断し（Ｓ１）、設定されてなければオペレータにデータ表示器２８でアラーム表示して走行データ入力を促し、これに従ってオペレータは、走行データの目標値として登坂、降坂及び平坦走行での車速、エンジン回転数、及び積荷と空荷の荷状況等を入力する（Ｓ２）。前記Ｓ１で走行データが設定されているときは、次のＳ３の処理を行う。次に、バッテリモードスイッチ１８によりバッテリモードが選択されているか判断し（Ｓ３）、バッテリモードでないときは、バッテリー開閉スイッチ５を閉じてバッテリ７からの放電を停止すると共に、エンジン発電電力のみによる走行（以後、通常走行と言う）を行い（Ｓ４）、Ｓ３へ戻って処理を繰り返す。バッテリモードのときは、設定された走行データをデータ表示器２８に表示し、オペレータに設定された車速で走行するように促すとともに、登坂走行中か、又は降坂走行中かチェックする（Ｓ５、Ｓ６）。ここで登坂走行中か、また降坂走行中かは、傾斜計１９により検出した傾斜角度に基づいて判断するようにしてもよいし、あるいはアクセル量検出器１６からのアクセル量によりアクセルペダルが踏み込まれていると判断したときは登坂走行中と判断し、ブレーキ量検出器１７からのブレーキ量によりブレーキペダルが踏み込まれていると判断したときは降坂走行中と判断してもよい。登坂走行中のときはＳ１１へ、降坂走行中のときはＳ２１へ処理を移行し、両者以外の平地走行のときは通常走行を行い（Ｓ７）、Ｓ５，Ｓ６処理を繰り返す。
【００２７】
登坂走行中のときは、車速が設定した所定の登坂時車速値になるようにインバータ８ａ，８ｂを介して駆動モータ９ａ，９ｂを制御すると共に、エンジンバッテリ残存量検出センサ２６ａにより検出したバッテリ残存量が所定の下限値以上かチェックし（Ｓ１１）、下限値より小さいときはこれ以上の放電を避けるために通常走行を行う（Ｓ１２）。この通常走行時は、設定した登坂時車速値に達しない場合もある。Ｓ１１で下限値以上のときは、さらにエンジン回転数が定格回転数に達しているかをチェックし（Ｓ１３）、定格回転数以下のときはそのまま通常走行を行い（Ｓ１４）、定格回転数に達しているときは前記設定した車速で走行するにはエンジン発電電力のみでは牽引力が不足している可能性があるので、バッテリー開閉スイッチ５を開き、エンジン発電電力に加えてモータ駆動電力をバッテリ７からアシストして走行する（Ｓ１５）。次に、登坂終了かチェックし（Ｓ１６）、終了するまでＳ１１に戻って処理を繰り返す。尚、Ｓ１２、Ｓ１４での通常走行処理の後は、同様にＳ１６で登坂終了するまで処理を繰り返す。登坂終了したときは、登坂時のエンジン発電量、バッテリ放電量及びモータ駆動電力をそれぞれ積算し（Ｓ１７）、この後通常走行を行って（Ｓ１８）、Ｓ６に処理を移行する。
【００２８】
降坂走行中のときは、バッテリ残存量検出センサ２６ａにより検出したバッテリ残存量が所定の上限値以下かチェックし（Ｓ２１）、上限値より大きいときはエンジン発電及びバッテリ７への充電を停止する（Ｓ２２）。このとき、駆動モータ９ａ，９ｂの回生エネルギは図示しないブレーキ抵抗器で発熱させるとともに、このブレーキ抵抗器の制動能力を超えないよう図示しないメカニカルブレーキを併用する。上限値以下のときは設定した回転数でエンジン発電し（Ｓ２３）、このエンジン発電エネルギと回生エネルギとをバッテリ７に充電する（Ｓ２４）。この後、降坂終了かチェックし（Ｓ２５）、終了するまでＳ２１に戻って処理を繰り返す。尚、Ｓ２２での処理の後は、同様にＳ２５で降坂終了まで処理を繰り返す。降坂終了したときは、降坂時のエンジン発電量、制動回生電力量及びバッテリ充電量のそれぞれの積算値を演算し（Ｓ２６）、この後通常走行を行う（Ｓ２７）。
【００２９】
次に、走行路を１サイクル走行したら、バッテリモードスイッチ１８によりバッテリモードが選択されているか判断し（Ｓ２８）、バッテリモードでないときはＳ４へ移行して通常走行を行い、以後前記同様の処理を繰り返す。バッテリモードのときは、１サイクル中のエンジン発電量、バッテリ放電量、モータ駆動電力、制動回生電力量及びバッテリ充電量のそれぞれの積算値に基づいて、バッテリ放電量に対する充電量の比を演算し、充放電ルールに従ってこの比が所定の範囲内に入るように走行データを演算する。すなわち、走行路の谷部の所定基準位置においてバッテリ充電状態が所定の上限値Ｐｕ（図２参照）以上となるように走行データを学習する。この学習によって、登坂時、降坂時、排土時、積込時及び平地走行時等のそれぞれの車速及びエンジン回転数を演算して設定値を更新し（Ｓ２９）、そしてＳ１に戻って以上の処理を繰り返す。
【００３０】
つぎに、図５は上記フローチャートのＳ２９における学習の詳細な手順を示したフローチャートであり、同図により学習方法を説明する。
いま、直前まで走行していたときの現在の設定値が、登坂時車速はＶｕ、降坂時車速はＶｄ、エンジン回転数は最大発電量相当の定格回転数ｒmax とする。
先ず、数１より求めたバッテリ７の充電量と放電量との第１の比Ｒ１を演算し、この第１の比Ｒ１が数式「１≦Ｒ１≦１．１」を満足するかチェックする（Ｓ４１）。ここで、第１の比Ｒ１は数１により演算される。
【数１】
但し、Ｐu(Vu)は車速Ｖｕでの登坂時の車両牽引に要する出力電力、Ｐd(Vd)は車速Ｖｄでの降坂時の制動回生による入力電力、Ｐe(rmax)は定格回転数ｒmaxでのエンジン発電電力、Ｔ(Vd)は車速Ｖｄでの降坂走行時間、Ｔ(Vu)は車速Ｖｕでの登坂走行時間とする。
数式「１≦Ｒ１≦１．１」を満足するときは、現在の設定値のままとして本学習処理を終了する（Ｓ４２）。
【００３１】
満足しないときは、次に第１の比Ｒ１が数式「１．１＜Ｒ１」を満足するかチェックする（Ｓ４３）。満足するときは過充電気味なので、登坂時車速Ｖｕ及び降坂時車速Ｖｄは現在の設定値のままとし、第２の比Ｒ２が数式「１≦Ｒ２≦１．１」となるような最小のエンジン回転数ｒ１を求めて降坂時のエンジン回転数とし（Ｓ４４）、本学習処理を終了する。ここで、第２の比Ｒ２は数２により演算される。これにより、次回の走行の降坂時は、エンジン回転数ｒ１でエンジン発電を行ってバッテリ充電が行われる。
【数２】
但し、Ｐe(r1) は回転数ｒ１でのエンジン発電電力とする。
【００３２】
Ｓ４３において満足しないときは、第１の比Ｒ１が１以下なのでバッテリ放電気味であると判断し、次に登坂時及び降坂時以外にエンジンを吹かして（つまりエンジン回転数を所定回転以上に上げて）よいか否かをチェックし（Ｓ４５）、よくないときは、降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時のエンジン回転数は定格回転数ｒmax とし、登坂時車速Ｖｕは第３の比Ｒ３が数式「１≦Ｒ３≦１．１」を満たすような最大の登坂時車速Ｖ３（但し、初期の登坂時車速Ｖｕを上限値とする）に設定し（Ｓ４６），本学習処理を終了する。ここで、第３の比Ｒ３は数３により演算される。これにより、登坂時車速を前回走行時よりも遅くして放電量を前回よりも抑え、降坂時の回生電力とエンジン発電のみでバッテリを充電するようにする。
【数３】
但し、Ｐu(V3)は車速Ｖ３での登坂時の車両牽引に要する出力電力、Ｔ(V3)は車速Ｖ３での降坂走行時間とする。
【００３３】
Ｓ４５において登坂時及び降坂時以外にエンジンを吹かしてよいと判断したときは、次に第４の比Ｒ４が数式「１≦Ｒ４」を満足するかチェックする（Ｓ４７）。満足するときは、登坂時車速Ｖｕ及び降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時のエンジン回転数は定格回転数ｒmax とし、さらに排土時のエンジン回転数は第５の比Ｒ５が数式「１≦Ｒ５≦１．１」を満たすような最大のエンジン回転数ｒ３（但し、定格回転数ｒmaxを上限値とする）に設定し（Ｓ４８）、本学習処理を終了する。ここで、第４の比Ｒ４及び第５の比Ｒ５はそれぞれ数４及び数５により演算される。これにより、降坂時以外に排土時にもエンジン発電により充電される。
【数４】
【数５】
但し、Ｔｄは排土時間、Ｐe(r3) は回転数ｒ３でのエンジン発電電力とする。
【００３４】
Ｓ４７において「１≦Ｒ４」を満足しないときは、第６の比Ｒ６が数式「１≦Ｒ６」を満足するかチェックする（Ｓ４９）。満足するときは、登坂時車速Ｖｕ及び降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時のエンジン回転数及び排土時のエンジン回転数を定格回転数ｒmax とし、さらに積込時のエンジン回転数は第７の比Ｒ７が数式「１≦Ｒ７≦１．１」を満たすような最大のエンジン回転数ｒ４（但し、定格回転数ｒmaxを上限値とする）に設定し（Ｓ５０）、本学習処理を終了する。ここで、第６の比Ｒ６及び第７の比Ｒ７はそれぞれ数６及び数７により演算される。これにより、降坂時及び排土時以外に積込時にもエンジン発電により充電される。
【数６】
【数７】
但し、ＴＬは排土時間、Ｐe(r4) は回転数ｒ４でのエンジン発電電力とする。
【００３５】
そして、Ｓ４９において「１≦Ｒ６」を満足しないときは、第８の比Ｒ８が数式「１≦Ｒ８」を満足するかチェックする（Ｓ５１）。満足するときは、登坂時車速Ｖｕ及び降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時、排土時及び積込時のエンジン回転数を定格回転数ｒmax とし、さらに平地走行時のエンジン回転数（平地走行車速Ｖ５での走行に必要な発電電力に対応する回転数ｒ２よりも余裕ある回転数とする）は第９の比Ｒ９が数式「１≦Ｒ９≦１．１」を満たすような最大のエンジン回転数ｒ５（但し、定格回転数ｒmaxを上限値とする）に設定し（Ｓ５２）、本学習処理を終了する。ここで、第８の比Ｒ８及び第９の比Ｒ９はそれぞれ数８及び数９により演算される。これにより、降坂時、排土時及び積込時以外に平地走行時にもエンジン発電により充電される。
【数８】
【数９】
但し、Ｐe(r2) 、Ｐe(r5) はそれぞれ回転数ｒ２，ｒ５でのエンジン発電電力、Ｔ(V5)は平地走行車速Ｖ５での走行時間とする。
【００３６】
Ｓ５１において「１≦Ｒ８」を満足しないときは、降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時、排土時及び積込時のエンジン回転数を定格回転数ｒmax とし、登坂時車速Ｖｕは第１０の比Ｒ１０が数式「１≦Ｒ１０≦１．１」を満たすような最大の登坂時車速Ｖ４（但し、Ｖ４＜Ｖｕ）に設定し（Ｓ５３）、本学習処理を終了する。ここで、第１０の比Ｒ１０は数１０により演算される。これにより、降坂時、排土時及び積込時にエンジン発電により充電されると共に、登坂時車速Ｖ４を前回走行時の登坂時車速Ｖｕよりも遅くして登坂時の放電量を少なくし、バッテリ７への充電が進むようにしている。
【数１０】
但し、Ｐu(V4)は車速Ｖ４での登坂時の車両牽引に要する出力電力、Ｔ(V4)は車速Ｖ４での登坂走行時間とする。
【００３７】
以上説明したように、本発明によると、平地走行等のように小さい牽引力で走行できる場合は、エンジン発電電力によるモータ駆動を行い、登坂時のように大きな牽引力を必要とする場合は、エンジン発電電力をバッテリ放電電力によりアシストするようにしている。これにより、従来のトロリーアシスト方式のようなトロリー架線及び高電圧変電所等の地上設備なしで登坂時等の大きな牽引力が得られるので、イニシャルコストを低減でき、また走行路の変更に対しても柔軟に、しかもコストがかからずに対応できる。したがって、トータルの生産性を向上できる。また、小出力のエンジンを使用するので、エンジンの消費燃料を低減できると共に、排気ガス量を低減できる。
【００３８】
また、走行路の路面状態（例えば、登坂、降坂、平坦地及び非平坦地等）に応じた車速及びエンジン回転数等の走行データの設定された目標値に基づいて走行した後、この走行中のエンジンの発電電力量、駆動モータの駆動電力量、及び駆動モータから回生される回生電力量をそれぞれ演算してバッテリに対する電力量積算値を求めている。そして、求めた電力量積算値に基づいて、バッテリの放電時の総電力量よりも充電時の総電力量が大きくなるように、現在の走行データを更新している。このように学習を行って走行データを更新するので、走行した時の充放電量により、走行路の所定の基準位置（例えば、露天掘鉱山の現場の低地部の所定位置等）にある時のバッテリの充電状態が常時所定値以上になるように充電量が確保される。このとき、バッテリ充電のタイミングとして、エンジンの発電電力がモータ駆動電力に対して余裕があるとき（降坂時、排土時、積込時及び平地走行時等）は余った発電電力をバッテリの充電に使用する、あるいは降坂時には、エンジンによる発電電力に加えて駆動モータによる回生電力によってバッテリが充電されるように走行データが更新される。この結果、エンジン発電により走行しながら、バッテリが可能な限り短時間で充電される。
したがって、エンジンによる発電電力だけではモータ駆動力が不足するような時（例えば登坂時）に、直ちにバッテリでモータ駆動をアシストできるので、設定通りに高速走行が可能となり、サイクルタイムを短くして走行できる。また、バッテリの略満充電状態から所定の使用可能な低充電状態までの範囲を短時間で放電や充電を行えるので、バッテリを効率的に使用できる。さらに、小出力エンジンが搭載されていても、登坂時の大きな牽引力を出せるので、消費燃料を低減でき、生産性を向上できる。
【００３９】
さらに、降坂時の回生エネルギを単に抵抗発熱させて無駄にすることなくバッテリの充電電力として使用するので、充電及びモータ駆動に必要なエンジンの発電電力を従来に比して低減することができ、エンジンからの排気ガス量を低減できると共に、消費燃料も大きく低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るハード構成ブロック図である。
【図２】本発明に係るバッテリ充放電ルールの説明図である。
【図３】本発明に係るバッテリ充放電制御の機能構成ブロック図である。
【図４】本発明に係るバッテリ充放電及びエンジン発電の制御フローチャート例を示す。
【図５】本発明に係るバッテリ充放電制御の学習の詳細フローチャート例である。
【図６】従来技術に係るダンプトラックの電気駆動方式の説明図である。
【符号の説明】
１…エンジン、２…発電機、４…整流器、５…バッテリー開閉スイッチ、７…バッテリ、８ａ，８ｂ…インバータ、９ａ，９ｂ…駆動モータ、１１…スロットルレバー制御部、１５ａ，１５ｂ…回転数センサ、１６…アクセル量検出器、１７…ブレーキ量検出器、１８…バッテリモードスイッチ、２０…コントローラ、２１…走行データ入力手段、２１ａ…走行データ設定スイッチ、２２…走行データ記憶手段、２３…バッテリ充放電制御手段、２４…電力量積算手段、２５…走行データ更新手段、２６…バッテリ残存量検出手段、２６ａ…バッテリ残存量検出センサ、２８…データ表示器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉱山での稼動に適合するハイブリッド式ダンプトラックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、露天掘鉱山では鉱石及び表土を運搬するオフロード大型ダンプトラックとしては電気駆動式ダンプトラックが広く使用されて来ている。また、露天掘鉱山では、谷部で採鉱された鉱石をダンプトラックに積み込み、坂を登って頂上部の所定の排土位置で排土した後、再び谷部に戻るというサイクルの走行路を規定して走行する作業が一般的である。登坂時は通常は走行距離が長く、しかも積荷状態なので、平地走行よりもさらに大きな牽引力が必要となり、この登坂時間の短縮化が鉱山における生産性向上のための非常に重要な課題の一つとなっている。このことから、電気駆動式ダンプトラックには、おおよそ次の２つの駆動方式が採用されている。
【０００３】
第１の方式では、図６に示すように、走行経路の内、大きな牽引力を必要とする場所（例えば、登坂路）にトロリー用の架線５１を敷設し、平地等での通常走行時はエンジンにより発電機を回転させて発生した電力エネルギを用いて直流電動モータを駆動して駆動輪を制御し、登坂時はトロリー架線から受電する電力により上記エンジン発電によるモータ駆動をアシストしている。このようなトロリーアシストによるダンプトラックは、降坂時及び制動時には、ダイナミックブレーキにより直流電動モータの回生エネルギを抵抗発熱で消費して制動をかけるようにしている。
また第２の方式では、エンジンにより発電機を駆動して発生させた交流電圧を直流に変換し、この発電電力のみにより直流電動モータを駆動するものであり、制動時には上記第１の方式同様にダイナミックブレーキにより制動をかけるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電気駆動式ダンプトラックには、以下のような問題がある。
第１の電気駆動方式では、生産性を上げるために、登坂時にトロリーアシストにより牽引力を大きくして増速することはできるが、トロリー架線及びこのトロリー架線に高電圧の電力を供給する変電所等の地上設備を設けなければならず、イニシャルコストが非常に高いので、全体として運搬コストが高価となる。また、走行路面の凸凹を影響を受けてトロリー線とパンタグラフとの接触及び離線が頻繁に発生し易く、このためにトロリー線の摩耗が大きくてランニングコストもかかる。さらに、登坂経路の変更及び延長に伴って新たな設備コストがかかり、このために谷部での採鉱が進むに連れての走行経路の変更を自由にはできないという問題がある。
【０００５】
また第２の電気駆動方式では、生産性を上げるために登坂時の車速を増速する（例えば２倍とする）場合には、エンジン出力を増加する必要があり、このためにさらに大出力のエンジンを搭載した大型ダンプトラックを導入しなければならない。ところが、大出力が必要なのは登坂時のみであり、したがって通常の平地走行では大出力エンジンの性能を充分に使用しているとは言えず、むしろ過剰性能となっており、この結果運搬コストが高くなる。また、制動時には回生エネルギをダイナミックブレーキ抵抗で発熱させているだけなので、エネルギ効率が悪く、よって消費燃料が多いのでランニングコストが高くなり、生産性が低いという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、生産性を向上できるハイブリッド式ダンプトラックを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、本発明に係る第１発明は、駆動輪を駆動する駆動モータと、発電機を回転駆動して発電するエンジンと、発電機の出力した交流を直流に変換する整流器と、整流器の直流出力ラインに入力電源ラインが接続され、かつ外部からの速度指令信号に応じて駆動モータの回転数を制御して車速を制御するインバータと、整流器の直流出力ライン及びインバータの入力電源ラインに並列に接続されたバッテリと、アクセルペダルの踏み込み量に応じて駆動モータの速度指令信号をインバータに出力して車速を制御するコントローラとを備えたハイブリッド式ダンプトラックにおいて、駆動モータは、エンジンの最大出力よりも大きい最大出力を有し、バッテリから整流器の直流出力ライン及びインバータの入力電源ラインまでの間に、入力指令によってバッテリからインバータへの放電及び整流器からバッテリへの充電のいずれかを可能とするように切り換えるバッテリ開閉スイッチを設け、コントローラは、アクセルペダルの踏み込み量に応じて駆動モータの回転速度を制御するときに、エンジンの最大出力時の発電電力よりも大きい電力が駆動モータの駆動に必要な場合には、バッテリからインバータへの放電を可能とする指令をバッテリ開閉スイッチに出力して放電電流により駆動モータの駆動電力をアシストするバッテリ充放電制御手段と、走行路の路面状態に応じた車速、並びに車速及び路面状態に応じたエンジンによる発電のための回転数等の走行データの目標値を入力する走行データ入力手段と、入力された走行データの所定の目標値に従って所定の走行路を１サイクル走行したとき、その間の実際のエンジンの発電電力量、駆動モータの駆動電力量、及び駆動モータから回生される回生電力量をそれぞれ演算して、バッテリに対する電力量積算値を求める電力量積算手段と、求められた電力量積算値に基づいて、バッテリの放電時の総電力量よりも充電時の総電力量が大きくなるように、現在の走行データを更新する走行データ更新手段とを有する構成としている。
【０００８】
第１発明によると、平地走行等のように小さい牽引力で走行できる場合は、エンジン発電電力によるモータ駆動を行い、登坂時のように大きな牽引力を必要とする場合は、エンジン発電電力を最大出力とすると共に、バッテリ放電電力によりアシストするようにしている。これにより、従来のトロリーアシスト方式のようなトロリー架線及び高電圧変電所等の地上設備なしで登坂時等の大きな牽引力が得られるので、イニシャルコストを低減でき、また走行路の変更に対しても柔軟に、しかもコストがかからずに対応できる。したがって、トータルの生産性を向上できる。また、小型のエンジンを使用するので、エンジンの消費燃料を低減できると共に、排気ガス量を低減できる。
【００１０】
さらにまた、走行路の路面状態（例えば、登坂、降坂、平坦地及び非平坦地等）に応じた車速及びエンジン回転数等の走行データの設定された目標値に基づいて１サイクル走行した後、このサイクル走行中のエンジンの発電電力量、駆動モータの駆動電力量、及び駆動モータから回生される回生電力量をそれぞれ演算してバッテリに対する電力量積算値を求め、求めた電力量積算値に基づいて、バッテリの放電時の総電力量よりも充電時の総電力量が大きくなるように、現在の走行データを更新する。これにより、走行した時の充放電量により、走行路の所定の基準位置（例えば、露天掘鉱山の現場の低地部の所定位置等）にある時のバッテリの充電状態が常時所定値以上になるように充電量が確保される。したがって、エンジンによる発電電力だけではモータ駆動力が不足するような時（例えば登坂時）に、直ちにバッテリでモータ駆動をアシストできるので、サイクルタイムを短くして走行できる。また、バッテリの略満充電状態から所定の使用可能な低充電状態までの範囲を短時間で放電や充電を行えるので、バッテリを効率的に使用できる。
【００１１】
第２発明は、第１発明において、コントローラの走行データ更新手段は、前記充電時の総電力量の前記放電時の総電力量に対する総電力量比が１より大きい所定閾値よりも大きいとき、登坂時及び降坂時の車速目標値を現在の設定値のままとし、降坂時のエンジン回転数目標値を、前記総電力量比が１以上で、かつ前記所定閾値以下となるように変更する構成としている。
【００１２】
第２発明によると、前回のサイクル走行によってバッテリが過充電気味になった場合には、走行データのうち、登坂時及び降坂時の車速目標値を現在の設定値のままとするとともに、降坂時のエンジンによる発電電力を抑えるために、降坂時のエンジン回転数目標値を、前記総電力量比が１以上で、かつ前記所定閾値以下となるように変更するので、エンジンの消費燃料及び排気ガス量を低減でき、かつ、登坂時及び降坂時の車速を下げることなく生産性を向上できる。
【００１３】
第３発明は、第１発明において、コントローラの走行データ更新手段は、前記総電力量比が１より小さいとき、登坂時の車速目標値を前回サイクルでの目標値よりも遅く設定して放電量を前回よりも抑える構成としている。
【００１４】
第３発明によると、前回のサイクル走行によってバッテリが放電気味になった場合には、走行データのうち、登坂時の車速目標値を前回サイクルでの目標値よりも遅く設定して、バッテリでのモータ駆動のアシスト電力量を低減することにより、バッテリ放電量を前回よりも抑えるようにしたので、１サイクル走行を完了して走行路の所定の基準位置にある時のバッテリの充電状態が常時所定値以上になるように充電量が確保される。これにより、必要なときに直ちにバッテリでモータ駆動をアシストできるので、サイクルタイムを短くして走行できる。また、バッテリの略満充電状態から所定の使用可能な低充電状態までの範囲を短時間で放電や充電を行えるので、バッテリを効率的に使用できる。
【００１５】
第４発明は、第１発明において、コントローラの走行データ更新手段は、前記総電力量比が１より小さいとき、登坂時及び降坂時以外の走行時のエンジン回転数目標値を前回よりも大きく設定する構成としている。
【００１６】
第４発明によると、前回のサイクル走行によってバッテリが放電気味になった場合には、登坂時及び降坂時以外にエンジンを吹かして良いときに、走行データのうち、登坂時及び降坂時以外の走行時のエンジン回転数目標値を前回よりも大きく設定するため、登坂時及び降坂時以外の走行時に、エンジンの発電電力によってバッテリが前回サイクル走行時よりも急速に充電されるので、バッテリが短時間で充電される。したがって、１サイクル走行を完了して走行路の所定の基準位置にある時のバッテリの充電状態が常時所定値以上になるように充電量が確保される。これにより、必要なときに直ちにバッテリでモータ駆動をアシストできるので、サイクルタイムを短くして走行できる。また、バッテリの略満充電状態から所定の使用可能な低充電状態までの範囲を短時間で放電や充電を行えるので、バッテリを効率的に使用できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施形態を図を参照して詳細に説明する。
図１に実施形態に係るハード構成ブロック図を示し、まず同図に基づいて構成を説明する。エンジン１の出力軸は発電機２に連結されており、エンジン１の図示しないスロットルレバーにはスロットルレバー制御部１１が接続されている。発電機２は３相交流を出力するものであり、その界磁コイル（図示せず）には励磁電流を通電する図示しない励磁回路が接続されている。発電機２の３相出力ラインには短絡防止用のサーキットブレーカ３を介して整流器４が接続されている。整流器４は３相交流を直流に整流し、平滑しており、直流のラインはバッテリ開閉スイッチ５及びヒューズ６を介してバッテリ７に接続されると共に、２つのインバータ８ａ，８ｂの入力端子に接続されている。バッテリ７の正端子側に接続され、かつバッテリ開閉スイッチ５とヒューズ６との間のラインには、バッテリ残存量検出センサ２６ａが接続されている。バッテリ残存量検出センサ２６ａは本実施形態ではバッテリ７の出力端子電圧をバッテリ残存量信号としてモニタしており、この残存量信号はコントローラ２０に入力されている。２つのインバータ８ａ，８ｂは入力した速度指令信号に基づいて駆動モータ９ａ，９ｂの回転数を制御しており、２つのインバータ８ａ，８ｂのモータ出力ライン（本例では３相）は、それぞれ前輪及び後輪の内いずれか１方の駆動モータ９ａ，９ｂに接続されている。インバータ８ａ，８ｂは駆動モータ９ａ，９ｂの駆動電力値及び回生電力値をそれぞれモニタする検出器を有しており、この検出値信号はコントローラ２０に入力されている。また、駆動モータ９ａ，９ｂは本実施形態では３相誘導モータにより構成されており、それぞれ左右１対の前輪又は後輪を回転駆動する。
【００１８】
コントローラ２０は、マイクロコンピュータ及び高速数値演算装置等の演算装置を備えており、内部に読み書き可能な（いわゆるＲＡＭ）所定容量のメモリ２０ａを有している。コントローラ２０は、スロットルレバー制御部１１にスロットル開度制御指令を出力し、励磁回路１２には励磁電流指令を出力する。また、２つのインバータ８ａ，８ｂには前輪用及び後輪用の駆動モータ９ａ，９ｂのそれぞれの速度指令が出力されている。さらに、バッテリ残存量検出センサ２６ａの検出した残存量信号、２つのインバータ８ａ，８ｂに内蔵された回生ユニットを介して回生される電力量の信号、及び２つの駆動モータ９ａ，９ｂの回転数をそれぞれ検出する回転数センサ１５ａ，１５ｂからの回転数信号がそれぞれコントローラ２０に入力されている。
【００１９】
また、コントローラ２０にはアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル量検出器１６からのアクセル量信号、ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキ量検出器１７からのブレーキ量信号、バッテリ７から電力をアシストして走行可能なバッテリモードを選択するバッテリモードスイッチ１８からのバッテリモード信号、及び車両の前後方向傾斜角度を検出する傾斜計１９の傾斜角度信号が入力されている。コントローラ２０は、上記の入力したアクセル量信号に応じた車速になるように、回転数センサ１５ａ，１５ｂからの回転数信号をフィードバック信号に基づいてインバータ８ａ，８ｂに速度指令信号を出力して駆動モータ９ａ，９ｂの回転数を制御し、またブレーキ量信号に応じた所定の減速カーブで車速が減速されるようにインバータ８ａ，８ｂを介して駆動モータ９ａ，９ｂの回転数を制御すると共に、図示しない油圧式ブレーキ装置に制動指令を出力して機械的に制動をかける。
また、バッテリモードスイッチ１８からバッテリモード信号を入力したときは、コントローラ２０は後述するような所定の処理を行い、バッテリ７からの放電電力による駆動モータ９ａ，９ｂの駆動のアシスト、及びエンジン１による発電電力でのバッテリ充電及び駆動モータ９ａ，９ｂの駆動等を所定のタイミングで行う。バッテリモード信号を入力してないときは、バッテリ７からの放電電力による駆動モータ９ａ，９ｂの駆動は行わず、エンジン１による発電電力のみによる駆動を行う。
【００２０】
さらに、コントローラ２０にはバッテリモードでの車速やエンジン回転数等の走行データの目標値を入力する走行データ設定スイッチ２１ａが接続されている。そしてまた、コントローラ２０には、コントローラ２０からの表示指令に従って走行データの設定値及び演算値を表示してオペレータに知らせるデータ表示器２８が接続されている。
コントローラ２０はバッテリモードのとき、詳細は後述するように、設定された走行データに基づいて所定の走行路を１サイクル走行の度に、所定の処理によって、バッテリ７に対する充放電の電力量積算値を演算し、この演算結果に基づいて次回の走行データを求めて更新して行き、常時バッテリ残存量が略満充電状態となるように充放電電力量を制御している。
【００２１】
図２は、本発明に係るハイブリッド式ダンプトラックのバッテリ充放電ルールを表している。本発明では、モータ駆動用として車載したバッテリを効率的に使用することによりダンプトラックの登坂時の車速を高速にして生産性を向上するようにしている。このため、バッテリの残存容量（残存量）を、満充電状態（１００％）に略近い所定の上限値（例えば９５％）から、空状態（０％）に略近い所定の下限値（例えば５％）までの間で短時間に充放電を繰り返すようにしている。
【００２２】
すなわち、登坂時は、エンジン発電電力とバッテリ７からの放電電力とにより、駆動モータ９ａ，９ｂを駆動する。このとき、走行路の頂上（例えば、露天掘鉱山の排土位置である所定位置）でバッテリ７が略空近傍（図示の所定の下限値Ｐｄ）となるように、車速を設定し、バッテリ７の放電量を設定する。また、降坂時は、制動の際の回生電力とエンジン発電電力とにより、バッテリ７を充電する。このとき、走行路の底部（例えば露天掘鉱山の採鉱現場位置）でバッテリ７が満充電（所定の上限値Ｐｕ以上）となるように、車速及びエンジン回転数の目標値を設定する。降坂時、エンジン１を定格回転数で回転させても満充電に満たない場合には、登坂時のバッテリ放電量（つまりアシスト量）の見直しをしたり、あるいは排土時、積込み時又は平地走行時等にもエンジン発電電力によりバッテリ７を充電するようにしている。
そして、これらの走行条件は、サイクルタイム及びバッテリ満充電量等から総合的に判断して設定される。
【００２３】
次に、図３に示す機能構成ブロック図により、本発明に係るハイブリッド式ダンプトラックのバッテリ充放電制御機能を説明する。
走行データ入力手段２１は、ダンプトラックが所定の走行路に沿って走行するとき、予め前記バッテリ充放電ルールに従って走行データの初期値を設定するものである。入力されたデータは、走行データ記憶手段２２に出力される。本実施形態では、走行データ入力手段２１は走行データ設定スイッチ２１ａにより構成されているが、本発明はこれに限定されず、例えば予め所定の初期データが設定してあるＩＣメモリカード及びフロッピー等のデータ入力手段でもよい。
走行データ記憶手段２２は走行データ入力手段２１から入力された走行データをコントローラ２０のメモリ２０ａ内に記憶する。
【００２４】
バッテリ残存量検出手段２６はバッテリ残存量を検出し、残存量信号をバッテリ充放電制御手段２３に出力する。本実施形態では、バッテリ残存量検出手段２６はバッテリ残存量検出センサ２６ａにより構成されているが、これに限定されず、例えば走行データに基づいて充電量及び放電量をそれぞれ演算により求め、満充電状態からのこれらの充電量及び放電量の積算値により算出するようにしてもよい。
バッテリ充放電制御手段２３は走行データ記憶手段２２に記憶された走行データとバッテリ残存量検出手段２６により検出されたバッテリ残存量とに基づいて、実際の走行時の、バッテリ７の放電、スロットルレバー制御部１１を介するエンジン回転数の制御による発電電力量、及び回生電力及びエンジン１からの電力によるバッテリ７への充電等を制御する。
【００２５】
電力量積算手段２４は、このバッテリ充放電制御手段２３の制御中にバッテリ７の放電量、エンジン１（すなわち発電機２）による発電量、駆動モータ９ａ，９ｂの駆動電力量、及び回生電力量等をモニタする。そして、所定の走行路を１サイクル走行した後、バッテリ７への充放電の総電力量を積算する。
走行データ更新手段２５は、電力量積算手段２４により求めた電力量積算値に基づいて、１サイクル走行後のバッテリ放電量に対する充電量の比を演算し、前記バッテリ充放電ルールに従った充電状態になるように、走行データを所定のアルゴリズムで演算し直して更新する。
【００２６】
図４に、走行路の１サイクル中に登坂及び降坂の走行を所定の時間比で有する場合の、コントローラ２０のバッテリ充放電及びエンジン発電の制御フローチャート例を示す。同図により、充放電制御方法を説明する。以下では、各処理ステップ番号をＳを付して表す。
まず、走行データ入力手段２１により初期値の走行データが設定されているか否か判断し（Ｓ１）、設定されてなければオペレータにデータ表示器２８でアラーム表示して走行データ入力を促し、これに従ってオペレータは、走行データの目標値として登坂、降坂及び平坦走行での車速、エンジン回転数、及び積荷と空荷の荷状況等を入力する（Ｓ２）。前記Ｓ１で走行データが設定されているときは、次のＳ３の処理を行う。次に、バッテリモードスイッチ１８によりバッテリモードが選択されているか判断し（Ｓ３）、バッテリモードでないときは、バッテリー開閉スイッチ５を閉じてバッテリ７からの放電を停止すると共に、エンジン発電電力のみによる走行（以後、通常走行と言う）を行い（Ｓ４）、Ｓ３へ戻って処理を繰り返す。バッテリモードのときは、設定された走行データをデータ表示器２８に表示し、オペレータに設定された車速で走行するように促すとともに、登坂走行中か、又は降坂走行中かチェックする（Ｓ５、Ｓ６）。ここで登坂走行中か、また降坂走行中かは、傾斜計１９により検出した傾斜角度に基づいて判断するようにしてもよいし、あるいはアクセル量検出器１６からのアクセル量によりアクセルペダルが踏み込まれていると判断したときは登坂走行中と判断し、ブレーキ量検出器１７からのブレーキ量によりブレーキペダルが踏み込まれていると判断したときは降坂走行中と判断してもよい。登坂走行中のときはＳ１１へ、降坂走行中のときはＳ２１へ処理を移行し、両者以外の平地走行のときは通常走行を行い（Ｓ７）、Ｓ５，Ｓ６処理を繰り返す。
【００２７】
登坂走行中のときは、車速が設定した所定の登坂時車速値になるようにインバータ８ａ，８ｂを介して駆動モータ９ａ，９ｂを制御すると共に、エンジンバッテリ残存量検出センサ２６ａにより検出したバッテリ残存量が所定の下限値以上かチェックし（Ｓ１１）、下限値より小さいときはこれ以上の放電を避けるために通常走行を行う（Ｓ１２）。この通常走行時は、設定した登坂時車速値に達しない場合もある。Ｓ１１で下限値以上のときは、さらにエンジン回転数が定格回転数に達しているかをチェックし（Ｓ１３）、定格回転数以下のときはそのまま通常走行を行い（Ｓ１４）、定格回転数に達しているときは前記設定した車速で走行するにはエンジン発電電力のみでは牽引力が不足している可能性があるので、バッテリー開閉スイッチ５を開き、エンジン発電電力に加えてモータ駆動電力をバッテリ７からアシストして走行する（Ｓ１５）。次に、登坂終了かチェックし（Ｓ１６）、終了するまでＳ１１に戻って処理を繰り返す。尚、Ｓ１２、Ｓ１４での通常走行処理の後は、同様にＳ１６で登坂終了するまで処理を繰り返す。登坂終了したときは、登坂時のエンジン発電量、バッテリ放電量及びモータ駆動電力をそれぞれ積算し（Ｓ１７）、この後通常走行を行って（Ｓ１８）、Ｓ６に処理を移行する。
【００２８】
降坂走行中のときは、バッテリ残存量検出センサ２６ａにより検出したバッテリ残存量が所定の上限値以下かチェックし（Ｓ２１）、上限値より大きいときはエンジン発電及びバッテリ７への充電を停止する（Ｓ２２）。このとき、駆動モータ９ａ，９ｂの回生エネルギは図示しないブレーキ抵抗器で発熱させるとともに、このブレーキ抵抗器の制動能力を超えないよう図示しないメカニカルブレーキを併用する。上限値以下のときは設定した回転数でエンジン発電し（Ｓ２３）、このエンジン発電エネルギと回生エネルギとをバッテリ７に充電する（Ｓ２４）。この後、降坂終了かチェックし（Ｓ２５）、終了するまでＳ２１に戻って処理を繰り返す。尚、Ｓ２２での処理の後は、同様にＳ２５で降坂終了まで処理を繰り返す。降坂終了したときは、降坂時のエンジン発電量、制動回生電力量及びバッテリ充電量のそれぞれの積算値を演算し（Ｓ２６）、この後通常走行を行う（Ｓ２７）。
【００２９】
次に、走行路を１サイクル走行したら、バッテリモードスイッチ１８によりバッテリモードが選択されているか判断し（Ｓ２８）、バッテリモードでないときはＳ４へ移行して通常走行を行い、以後前記同様の処理を繰り返す。バッテリモードのときは、１サイクル中のエンジン発電量、バッテリ放電量、モータ駆動電力、制動回生電力量及びバッテリ充電量のそれぞれの積算値に基づいて、バッテリ放電量に対する充電量の比を演算し、充放電ルールに従ってこの比が所定の範囲内に入るように走行データを演算する。すなわち、走行路の谷部の所定基準位置においてバッテリ充電状態が所定の上限値Ｐｕ（図２参照）以上となるように走行データを学習する。この学習によって、登坂時、降坂時、排土時、積込時及び平地走行時等のそれぞれの車速及びエンジン回転数を演算して設定値を更新し（Ｓ２９）、そしてＳ１に戻って以上の処理を繰り返す。
【００３０】
つぎに、図５は上記フローチャートのＳ２９における学習の詳細な手順を示したフローチャートであり、同図により学習方法を説明する。
いま、直前まで走行していたときの現在の設定値が、登坂時車速はＶｕ、降坂時車速はＶｄ、エンジン回転数は最大発電量相当の定格回転数ｒmax とする。
先ず、数１より求めたバッテリ７の充電量と放電量との第１の比Ｒ１を演算し、この第１の比Ｒ１が数式「１≦Ｒ１≦１．１」を満足するかチェックする（Ｓ４１）。ここで、第１の比Ｒ１は数１により演算される。
【数１】
数式「１≦Ｒ１≦１．１」を満足するときは、現在の設定値のままとして本学習処理を終了する（Ｓ４２）。
【００３１】
満足しないときは、次に第１の比Ｒ１が数式「１．１＜Ｒ１」を満足するかチェックする（Ｓ４３）。満足するときは過充電気味なので、登坂時車速Ｖｕ及び降坂時車速Ｖｄは現在の設定値のままとし、第２の比Ｒ２が数式「１≦Ｒ２≦１．１」となるような最小のエンジン回転数ｒ１を求めて降坂時のエンジン回転数とし（Ｓ４４）、本学習処理を終了する。ここで、第２の比Ｒ２は数２により演算される。これにより、次回の走行の降坂時は、エンジン回転数ｒ１でエンジン発電を行ってバッテリ充電が行われる。
【数２】
【００３２】
Ｓ４３において満足しないときは、第１の比Ｒ１が１以下なのでバッテリ放電気味であると判断し、次に登坂時及び降坂時以外にエンジンを吹かして（つまりエンジン回転数を所定回転以上に上げて）よいか否かをチェックし（Ｓ４５）、よくないときは、降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時のエンジン回転数は定格回転数ｒmax とし、登坂時車速Ｖｕは第３の比Ｒ３が数式「１≦Ｒ３≦１．１」を満たすような最大の登坂時車速Ｖ３（但し、初期の登坂時車速Ｖｕを上限値とする）に設定し（Ｓ４６），本学習処理を終了する。ここで、第３の比Ｒ３は数３により演算される。これにより、登坂時車速を前回走行時よりも遅くして放電量を前回よりも抑え、降坂時の回生電力とエンジン発電のみでバッテリを充電するようにする。
【数３】
【００３３】
Ｓ４５において登坂時及び降坂時以外にエンジンを吹かしてよいと判断したときは、次に第４の比Ｒ４が数式「１≦Ｒ４」を満足するかチェックする（Ｓ４７）。満足するときは、登坂時車速Ｖｕ及び降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時のエンジン回転数は定格回転数ｒmax とし、さらに排土時のエンジン回転数は第５の比Ｒ５が数式「１≦Ｒ５≦１．１」を満たすような最大のエンジン回転数ｒ３（但し、定格回転数ｒmaxを上限値とする）に設定し（Ｓ４８）、本学習処理を終了する。ここで、第４の比Ｒ４及び第５の比Ｒ５はそれぞれ数４及び数５により演算される。これにより、降坂時以外に排土時にもエンジン発電により充電される。
【数４】
【００３４】
Ｓ４７において「１≦Ｒ４」を満足しないときは、第６の比Ｒ６が数式「１≦Ｒ６」を満足するかチェックする（Ｓ４９）。満足するときは、登坂時車速Ｖｕ及び降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時のエンジン回転数及び排土時のエンジン回転数を定格回転数ｒmax とし、さらに積込時のエンジン回転数は第７の比Ｒ７が数式「１≦Ｒ７≦１．１」を満たすような最大のエンジン回転数ｒ４（但し、定格回転数ｒmaxを上限値とする）に設定し（Ｓ５０）、本学習処理を終了する。ここで、第６の比Ｒ６及び第７の比Ｒ７はそれぞれ数６及び数７により演算される。これにより、降坂時及び排土時以外に積込時にもエンジン発電により充電される。
【数６】
【００３５】
そして、Ｓ４９において「１≦Ｒ６」を満足しないときは、第８の比Ｒ８が数式「１≦Ｒ８」を満足するかチェックする（Ｓ５１）。満足するときは、登坂時車速Ｖｕ及び降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時、排土時及び積込時のエンジン回転数を定格回転数ｒmax とし、さらに平地走行時のエンジン回転数（平地走行車速Ｖ５での走行に必要な発電電力に対応する回転数ｒ２よりも余裕ある回転数とする）は第９の比Ｒ９が数式「１≦Ｒ９≦１．１」を満たすような最大のエンジン回転数ｒ５（但し、定格回転数ｒmaxを上限値とする）に設定し（Ｓ５２）、本学習処理を終了する。ここで、第８の比Ｒ８及び第９の比Ｒ９はそれぞれ数８及び数９により演算される。これにより、降坂時、排土時及び積込時以外に平地走行時にもエンジン発電により充電される。
【数８】
【００３６】
Ｓ５１において「１≦Ｒ８」を満足しないときは、降坂時車速Ｖｄは現在のままとし、降坂時、排土時及び積込時のエンジン回転数を定格回転数ｒmax とし、登坂時車速Ｖｕは第１０の比Ｒ１０が数式「１≦Ｒ１０≦１．１」を満たすような最大の登坂時車速Ｖ４（但し、Ｖ４＜Ｖｕ）に設定し（Ｓ５３）、本学習処理を終了する。ここで、第１０の比Ｒ１０は数１０により演算される。これにより、降坂時、排土時及び積込時にエンジン発電により充電されると共に、登坂時車速Ｖ４を前回走行時の登坂時車速Ｖｕよりも遅くして登坂時の放電量を少なくし、バッテリ７への充電が進むようにしている。
【数１０】
【００３７】
以上説明したように、本発明によると、平地走行等のように小さい牽引力で走行できる場合は、エンジン発電電力によるモータ駆動を行い、登坂時のように大きな牽引力を必要とする場合は、エンジン発電電力をバッテリ放電電力によりアシストするようにしている。これにより、従来のトロリーアシスト方式のようなトロリー架線及び高電圧変電所等の地上設備なしで登坂時等の大きな牽引力が得られるので、イニシャルコストを低減でき、また走行路の変更に対しても柔軟に、しかもコストがかからずに対応できる。したがって、トータルの生産性を向上できる。また、小出力のエンジンを使用するので、エンジンの消費燃料を低減できると共に、排気ガス量を低減できる。
【００３８】
また、走行路の路面状態（例えば、登坂、降坂、平坦地及び非平坦地等）に応じた車速及びエンジン回転数等の走行データの設定された目標値に基づいて走行した後、この走行中のエンジンの発電電力量、駆動モータの駆動電力量、及び駆動モータから回生される回生電力量をそれぞれ演算してバッテリに対する電力量積算値を求めている。そして、求めた電力量積算値に基づいて、バッテリの放電時の総電力量よりも充電時の総電力量が大きくなるように、現在の走行データを更新している。このように学習を行って走行データを更新するので、走行した時の充放電量により、走行路の所定の基準位置（例えば、露天掘鉱山の現場の低地部の所定位置等）にある時のバッテリの充電状態が常時所定値以上になるように充電量が確保される。このとき、バッテリ充電のタイミングとして、エンジンの発電電力がモータ駆動電力に対して余裕があるとき（降坂時、排土時、積込時及び平地走行時等）は余った発電電力をバッテリの充電に使用する、あるいは降坂時には、エンジンによる発電電力に加えて駆動モータによる回生電力によってバッテリが充電されるように走行データが更新される。この結果、エンジン発電により走行しながら、バッテリが可能な限り短時間で充電される。
したがって、エンジンによる発電電力だけではモータ駆動力が不足するような時（例えば登坂時）に、直ちにバッテリでモータ駆動をアシストできるので、設定通りに高速走行が可能となり、サイクルタイムを短くして走行できる。また、バッテリの略満充電状態から所定の使用可能な低充電状態までの範囲を短時間で放電や充電を行えるので、バッテリを効率的に使用できる。さらに、小出力エンジンが搭載されていても、登坂時の大きな牽引力を出せるので、消費燃料を低減でき、生産性を向上できる。
【００３９】
さらに、降坂時の回生エネルギを単に抵抗発熱させて無駄にすることなくバッテリの充電電力として使用するので、充電及びモータ駆動に必要なエンジンの発電電力を従来に比して低減することができ、エンジンからの排気ガス量を低減できると共に、消費燃料も大きく低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るハード構成ブロック図である。
【図２】本発明に係るバッテリ充放電ルールの説明図である。
【図３】本発明に係るバッテリ充放電制御の機能構成ブロック図である。
【図４】本発明に係るバッテリ充放電及びエンジン発電の制御フローチャート例を示す。
【図５】本発明に係るバッテリ充放電制御の学習の詳細フローチャート例である。
【図６】従来技術に係るダンプトラックの電気駆動方式の説明図である。
【符号の説明】
１…エンジン、２…発電機、４…整流器、５…バッテリー開閉スイッチ、７…バッテリ、８ａ，８ｂ…インバータ、９ａ，９ｂ…駆動モータ、１１…スロットルレバー制御部、１５ａ，１５ｂ…回転数センサ、１６…アクセル量検出器、１７…ブレーキ量検出器、１８…バッテリモードスイッチ、２０…コントローラ、２１…走行データ入力手段、２１ａ…走行データ設定スイッチ、２２…走行データ記憶手段、２３…バッテリ充放電制御手段、２４…電力量積算手段、２５…走行データ更新手段、２６…バッテリ残存量検出手段、２６ａ…バッテリ残存量検出センサ、２８…データ表示器。
Claims (4)
- 駆動輪を駆動する駆動モータ(9a,9b) と、発電機(2) を回転駆動して発電するエンジン(1) と、発電機(2) の出力した交流を直流に変換する整流器(4) と、整流器(4) の直流出力ラインに入力電源ラインが接続され、かつ外部からの速度指令信号に応じて駆動モータ(9a,9b) の回転数を制御して車速を制御するインバータ(8a,8b) と、整流器(4) の直流出力ライン及びインバータ(8a,8b) の入力電源ラインに並列に接続されたバッテリ(7) と、アクセルペダルの踏み込み量に応じて駆動モータ(9a,9b) の速度指令信号をインバータ(8a,8b) に出力して車速を制御するコントローラとを備えたハイブリッド式ダンプトラックにおいて、
駆動モータ(9a,9b) は、エンジン(1) の最大出力よりも大きい最大出力を有し、
バッテリ(7) から整流器(4) の直流出力ライン及びインバータ(8a,8b) の入力電源ラインまでの間に、入力指令によってバッテリ(7) からインバータ(8a,8b) への放電及び整流器(4) からバッテリ(7) への充電のいずれかを可能とするように切り換えるバッテリ開閉スイッチ(5) を設け、
コントローラ(20)は、アクセルペダルの踏み込み量に応じて駆動モータ(9a,9b) の回転速度を制御するときに、エンジン(1) の最大出力時の発電電力よりも大きい電力が駆動モータ(9a,9b) の駆動に必要な場合には、バッテリ(7) からインバータ(8a,8b) への放電を可能とする指令をバッテリ開閉スイッチ(5) に出力して放電電流により駆動モータ(9a,9b) の駆動電力をアシストするバッテリ充放電制御手段(23)と、
走行路の路面状態に応じた車速、並びに車速及び路面状態に応じたエンジン (1) による発電のための回転数等の走行データの目標値を入力する走行データ入力手段 (21) と、
入力された走行データの所定の目標値に従って所定の走行路を１サイクル走行したとき、その間の実際のエンジン (1) の発電電力量、駆動モータ (9a,9b) の駆動電力量、及び駆動モータ (9a,9b) から回生される回生電力量をそれぞれ演算して、バッテリ (7) に対する電力量積算値を求める電力量積算手段 (24) と、
求められた電力量積算値に基づいて、バッテリ (7) の放電時の総電力量よりも充電時の総電力量が大きくなるように、現在の走行データを更新する走行データ更新手段 (25) とを有する
ことを特徴とするハイブリッド式ダンプトラック。 - 請求項１記載のハイブリッド式ダンプトラックにおいて、
コントローラ(20)の走行データ更新手段 (25)は、前記充電時の総電力量の前記放電時の総電力量に対する総電力量比が１より大きい所定閾値よりも大きいとき、登坂時及び降坂時の車速目標値を現在の設定値のままとし、降坂時のエンジン回転数目標値を、前記総電力量比が１以上で、かつ前記所定閾値以下となるように変更する
ことを特徴とするハイブリッド式ダンプトラック。 - 請求項１記載のハイブリッド式ダンプトラックにおいて、
コントローラ(20)の走行データ更新手段 (25)は、前記総電力量比が１より小さいとき、登坂時の車速目標値を前回サイクルでの目標値よりも遅く設定して放電量を前回よりも抑える
ことを特徴とするハイブリッド式ダンプトラック。 - 請求項１記載のハイブリッド式ダンプトラックにおいて、
コントローラ(20)の走行データ更新手段 (25)は、前記総電力量比が１より小さいとき、登坂時及び降坂時以外の走行時のエンジン回転数目標値を前回よりも大きく設定する
ことを特徴とするハイブリッド式ダンプトラック。
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