JP5226503B2 - 電動式特装車の充電制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動式特装車の充電制御方法に関するものである。

従来より、電動式特装車の一例として、車体枠上に、内部にブレードを有するドラムが前下がり状態で回転自在に搭載されていると共に、上記車体枠には、上端部に投入口を有しかつ下端部がドラム内部に連通するホッパと、排出路となるスクープ及びシュートが設けられていて、上記ホッパを介してドラム内部に、生コンクリートを投入し、ドラムを正回転させて生コンクリートをブレードで混練しながら輸送するなどして、目的地（輸送先）においてドラムを逆回転させて混練した生コンクリートをスクープ及びシュートを介して排出するコンクリートミキサ車は知られている。このコンクリートミキサ車では通常、ドラムを油圧モータで駆動しているが、この油圧モータは走行用エンジンで駆動される油圧ポンプで高圧にされた作動油で回転される。

また、例えば、特許文献１のコンクリートミキサ車は、車両を走行駆動する動力を供給するエンジンと、回転駆動されるドラムとを備え、エンジンによって駆動される発電装置と、発電装置の出力を蓄積する蓄電装置と、蓄電装置に蓄積された電力によって駆動される電動機からなる電動駆動装置とを備え、この電動駆動装置によってドラムを回転させている。
特開２００３−２２６１９２号公報

しかしながら、上記特許文献１の電動式特装車の充電制御方法では、車両走行時に蓄電装置を充電する際には、走行状態にかかわらず発電装置を回して充電を行っている。このため、特にコンクリートミキサ車など質量の大きい特装車では、坂道などで発電装置を駆動するのに動力を分担してしまうために加速力が弱くなるなどにより、燃料消費が悪化するおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電動式特装車において、燃料消費を改善しながら、蓄電装置を適切に充電することにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、走行状態に合わせて発電機の発電量に強弱を付けるようにした。

具体的には、第１の発明では、走行用エンジンと、該走行用エンジンに駆動され、出力する電力が調整可能な発電機と、該発電機の電力を蓄える蓄電装置と、発電機及び蓄電装置の少なくとも一方の電力で駆動される電動機とを有する電動式特装車の充電を制御する方法を対象とする。

車両停止時には、アイドリング状態の上記走行用エンジンにより駆動された上記発電機の電力を上記蓄電装置に蓄え、
車両定速走行時には、上記発電機の電力を上記車両停止時よりも大きくし、
車両加速時には、上記発電機の電力を上記車両停止時よりもさらに小さく抑え、
車両減速走行時には、エンジンブレーキをかけて上記発電機の電力を上記定速走行時よりもさらに大きくする。

上記の構成によると、発電機は出力電力が調整可能であるため、発生する電力に強弱を付けることができる。車両停止時には、発電機の出力する電力は必要以上に大きくせずに所定のアイドリングの回転数で発生する大きさに設定する。車両加速時には、特装車を加速させることを優先させるために走行用エンジンの動力を車両駆動に集中させ、発電機における電力は、車両停止時よりもさらに小さく抑える。車両定速走行時は、加速時のような動力を必要としないため、走行時に発電機で発電した電力を停止時よりも積極的に蓄電装置に蓄える。車両減速走行時には、エンジンブレーキをかけることにより、発電機の電力を増大させて定速走行時よりもさらに大きくすることにより、積極的に蓄電装置を充電する。このように、車両走行に合わせ、より走行に動力が必要なときには発電機による発電を抑え、走行にそれほど動力が必要ないときには発電機による発電を積極的に行うようにしているので、特装車の走行がスムーズである。さらには燃費が向上し、二酸化炭素の発生を抑制することができる。

第２の発明では、第１の発明において、
上記特装車は、コンクリートミキサ車であり、
上記電動機で駆動されるドラムを備え、
上記ドラムの回転を止めるときに、該ドラムの回転力により上記電動機を発電機として機能させて発生した電力を上記蓄電装置に蓄積させる。

上記の構成によると、コンクリートミキサ車のドラムが回転している状態から停止させるときに、その回転エネルギーを利用して電動機を発電機として機能させ、発生した電力を蓄電装置に蓄えるようにしているので、蓄電装置の充電量が高水準に保たれる。このため、走行用エンジンを高回転にして発電機を回し、その電力で電動機を回す必要はないので、住宅地や病院の近くなど騒音や排ガスの発生を避けたい場所でもコンクリートミキサ車の使用が可能となる。しかも、走行用エンジンを停止した状態で蓄電装置の電力のみでドラムを回転させるようにすれば、トンネル内などの排ガスをなくしたい場所でもコンクリートミキサ車の使用が可能である。

以上説明したように、加速時に発電機による発電を小さく抑え、減速走行時には、発電機に大きな電力を発生させるようにして走行状態に合わせて蓄電装置を充電するようにしたことにより、燃料消費の改善につながり、蓄電装置を適切に充電することができる。

以下、本発明の例示実施形態を図面に基づいて説明する。

−コンクリートミキサ車の構成−
図１〜図３は本実施形態の電動式特装車としてのコンクリートミキサ車１を示し、このコンクリートミキサ車１には、車体フレーム２の前部に車室３を有するキャビン４が搭載され、車体フレーム２の後部には、内部に備えたブレード（図示せず）により生コンクリートを混練するドラム５が前下がりの回転中心をもって回転自在に支持されている。また、上記車体フレーム２の後端部には、左右で対向しつつ上方へ延びる左右対向部６ａを上部に有する支柱６が立設されており、この支柱６の中央部（左右対向部６ａの基端部）に設けられた左右一対のガイドローラ６ｂにより、上記ドラム５の後端部が回転自在に支持されるようになっている。さらに、上記ドラム５の前端には、電気式駆動ユニット１９が連結され、この電気式駆動ユニット１９により、ドラム５を正逆回転させるようにしている。コンクリートミキサ車１は、走行用エンジン８の駆動力を後輪９に伝えて走行するように構成されているが、この走行用エンジン８は、ディーゼルエンジンでもガソリンエンジンでもよい。

上記支柱６の上端部には、左右対向部６ａの上端部間を後面において連結する連結ブラケット１０が設けられている。また、上記支柱６の左右対向部６ａの上端には、上方へ延びる一対の補助枠１１が立設されている。この各補助枠１１の上端には、上記ドラム５の後端部より生コンクリートをドラム５内に投入するためのホッパ１２が固着されている。また、ドラム５の後端下方にはドラム５内で練り上げられた生コンクリートを排出するシュート１４が配設され、このシュート１４は、垂直軸１４ａの回りに略１８０°の範囲内で回動可能とされている。ホッパ１２を介してドラム５内に投入された生コンクリートは、電気式駆動ユニット１９の駆動力によりドラム５を正回転させてブレードで混練されながら輸送され、輸送先において、ドラム５を逆回転させてブレードの作用により、シュート１４から生コンクリートを排出するようにしている。

車体フレーム２の右方前側には、水タンク１５が設置されている。

図４に示すように、電気式駆動ユニット１９は、電動機としての永久磁石同期電動モータ７を備え、この永久磁石同期電動モータ７は、従来の誘導電動モータに比べて効率が極めて高く、同じ動力が得られる誘導電動モータに比べてサイズ及び質量が半減している。また、電気式駆動ユニット１９は、上記走行用エンジン８に駆動される発電機２０を備えている。この発電機２０は、例えば走行用エンジン８に直結されて常時駆動され、制御装置２１に電気的に接続されている。発電機２０の発電は、常時行うのではなく、制御装置２１の指令を受けて発電するときと、発電しないときとに切換可能に構成されている。制御装置２１の詳細な構成については、後述する。また、電気式駆動ユニット１９は、蓄電装置２２を備えている。本実施形態では、蓄電装置２２は電気二重層コンデンサよりなる。

コンクリートミキサ車１は、ドラム５の回転方向や回転速度を操作する操作レバー２４を備え、この操作レバー２４のドラム操作指令信号が制御装置２１に送られるように構成されている。図５及び図６に示すように、例えばこの操作レバー２４は、車体フレーム２の車幅方向左右にそれぞれ設けられている。操作レバー２４は、車幅方向に延びる棒状のレバー本体２４ａと、このレバー本体２４ａを支持するレバー支持部２４ｂとを備えている。レバー支持部２４ｂには、中央部分が狭くなったガイド孔２４ｃが形成され、このガイド孔２４ｃにより、レバー本体２４ａの操作範囲が規制されている。そして、レバー本体２４ａは中央位置を基準として水平方向（前後方向）に操作すると永久磁石同期電動モータ７の低速域回転数が調整され、上下方向に操作すると高速域回転数が調整されるように、操作指令信号を制御装置２１に送信可能になっている。

このように制御装置２１は、操作レバー２４からの信号を受け、蓄電装置２２及び発電機２０の少なくとも一方の電力で永久磁石同期電動モータ７を駆動するようになっている。

永久磁石同期電動モータ７の回転軸には、ドラム減速機２５が直結されている。このドラム減速機２５によって永久磁石同期電動モータ７の回転軸の回転速度が減速され、ドラム５を例えば、１．５ｒｐｍの低速から１６ｒｐｍの高速で回転させるようになっている。

操作レバー２４がドラム５の回転を止める指令を出したとき、すなわち、レバー本体２４ａをガイド孔２４ｃの中央以外のある位置から中央のドラム停止位置へ移動させるときに、制御装置２１は、ドラム５の回転力により永久磁石同期電動モータ７を発電機として機能させて永久磁石同期電動モータ７で発生した電力を蓄電装置２２に蓄積させるように構成されている。この回生制動についての詳細は後述する。

このように本実施形態のコンクリートミキサ車１は、回転制御の容易な永久磁石同期電動モータ７を含む電気式駆動ユニット１９を備えることで、制御装置２１によって精密な回転制御も可能となり、従来のような油圧ポンプ、油圧モータ等の油圧式駆動ユニットを備えていない。

次いで、制御装置２１の構成について詳細に説明する。

図７に示すように、制御装置２１は、コントロールブロック３１と、充電制御ブロック３２と、インバータブロック３３とを備え、以下のように構成されている。なお、白矢印はパワーライン（電気の流れ）を表している。

コントロールブロック３１は、インターフェイスの役割を果たし、運転席に設けたキースイッチ３４からのキーイン又はキーオフの信号や、車両ステータス信号（エンジン回転数、アクセルペダルやブレーキペダルの操作情報など）を得ると共に、各種表示信号（電源、バッテリの残量レベル、エラーなど）を図示しない表示装置などに送信するように構成されている。また、コントロールブロック３１は、充電制御ブロック３２とインバータブロック３３との間で各種ステータス信号（電源入切、バッテリレベル、エラーなど）をやりとりする。

充電制御ブロック３２は、発電機２０から電力を供給されると共に、蓄電装置２２と電力のやりとりが行われる。また、蓄電装置２２のモニタ装置２３で得られた蓄電装置２２の電圧や温度の情報が入力される。また、充電制御ブロック３２とインバータブロック３３との間でも電力のやりとりが行われる。

インバータブロック３３には、操作レバー２４からの操作指令信号が入力される。

具体的な動作の流れは、以下に説明する。

−作動−
次に、本実施形態にかかるコンクリートミキサ車１の作動について説明する。

（１）インバータブロックの制御
図８に示すように、インバータブロック３３は、ステップＳ０１において、コントロールブロック３１に入力されたステータス信号、例えばキースイッチ３４のオンオフ信号や蓄電装置２２の温度や電圧の異常の有無を判定し、異常があればステップＳ０２に進む。異常がなければステップＳ０３に進む。

ステップＳ０２では、インターロック（停止）し、ステップＳ０１に戻る。

ステップＳ０３において、操作レバー２４からのオン信号の有無について判定する。操作レバー２４からのオン信号があればステップＳ０４に進み、なければステップＳ０５に進む。

ステップＳ０４では、インバータブロック３３でエラーがないかを判定する。異常がなければ、ステップＳ０６に進み、異常があればステップＳ０５に進む。

ステップＳ０６では、ドラム５を回転させる操作レバー２４の操作指令が定速か加速かを判定する。操作レバー２４がドラム停止位置以外のある位置に留まっている場合は定速の操作指令となり、操作レバー２４がドラム停止位置からドラム停止位置以外のある位置に動かされたときは加速の操作指令となる。このような定速か加速の操作指令であればステップＳ０７に進んで永久磁石同期電動モータ７に対して操作レバー２４の操作指令に合わせて正転又は逆転方向に指示された速度で回転するように出力制御を行う。

定速か加速でない、すなわち、減速指令のあるときには、ステップＳ０８に進み、回生制動を行う。具体的には、図９に示すように、ドラム５の正回転を止めるときや、生コンクリートの排出を止めるためにドラム５の逆回転を止めるときには、ドラム５内に質量の大きい生コンクリートが貯留されているので、大きなエネルギーを必要とする。制御装置２１は、このドラム５の回転エネルギーを利用してドラム減速機２５を介して永久磁石同期電動モータ７を発電機として機能させ、発生した電力を蓄電装置２２に蓄積させる。このように、建設現場などでドラム５の回転と停止を繰り返すような運転を行っているときには放電の合間に充電も繰り返されるので、蓄電装置２２の充電量の低下量をできるだけ小さくすることができ、走行用エンジン８の回転数を上げて発電機２０の回転数を上げる必要がない。また、従来は熱として有効利用されずに排出されていた回転エネルギーが有効に使用される。

そして、回生制動を行った後、ステップＳ０５に進む。

ステップＳ０５において、永久磁石同期電動モータ７を停止する停止制御を行う。

（２）充電制御ブロックの制御
図１０及び図１１に示すように、まず、充電制御ブロック３２は、コントロールブロック３１からステータス信号を受け取り、ステータス信号の異常の有無（特にキースイッチ３４のオンオフ）を検知し、異常がなければステップＳ１２に進む。異常があればステップＳ１３に進んで充電を停止する。

ステップＳ１２では、走行用エンジン８のオンオフを検知し、オンであればステップＳ１４に進み、オフであればステップＳ１３に進んで充電を停止する。

ステップＳ１４では、蓄電装置２２の電圧が範囲内にあるかどうかを判定する。電圧の限界値よりも小さい範囲内にあれば、ステップＳ１５に進み、電圧の限界値にあるときには、さらなる充電は必要ないので、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１５では、蓄電装置２２の温度が範囲内にあるかどうかを判定する。温度が限界値よりも小さい範囲内にあれば、ステップＳ１６に進み、温度の限界値にあるときには、ステップＳ１７に進んでエラー表示をして異常をユーザに知らせ、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１６では、エンジン回転数が低いかどうかを判定する。低回転のときはステップＳ１８に進んで充電量を小に設定し、さらにステップＳ１９に進んで充電を開始する。このとき、エンジン回転数が低いことから、充電量は小さくなる。一方、エンジン回転数が低回転でないときは、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、加速中かどうかを判定する。例えば、アクセルペダル、ブレーキペダル、クラッチペダル、速度センサなどからの信号をコントロールブロック３１から受けて加速中かどうかを判定する。加速中であれば、ステップＳ２１に進んで、充電量を極小に設定し、ステップＳ１９に進んで充電を開始する。場合によっては、発電機２０の発電量を０にする。一方、加速中でなければ、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、車速が定速かを検出する。車速が定速に保たれていれば、ステップＳ２３に進んで充電量を中に設定し、さらにステップＳ１９に進んで充電を開始する。車速が定速に保たれていないときには、ステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４では、減速中かどうかを判定する。減速中であれば、ステップＳ２５に進んで充電量を特大に設定し、ステップＳ１９に進んで充電を開始する。減速中でなければ、ステップＳ１８に進み、充電量を小に設定する。これはあくまで例外のケースであり、とりあえず充電量を小さくして走行への影響を少なくする。

上記コントロールブロック３１と充電制御ブロック３２とインバータブロック３３との組合せにより、ドラム５内に生コンクリートがない空荷（ドラム５の回転が停止している状態）の走行時には、制御装置２１は、モニタ装置２３で蓄電装置２２の電圧や温度が範囲外にならないように監視しながら、この発電機２０の出力に強弱を付けて蓄電装置２２を充電する。それにより、蓄電装置２２の電力蓄積量はほぼ満量状態となる。

また、図１２に示すように、生コンクリートの運搬時には、ドラム５内の生コンクリートの品質を保つために例えば１．５ｒｐｍの一定速度でドラム５を回転させながらコンクリートミキサ車１を走行させる。定速走行時や減速走行時には発電機２０で発生する電力が大きいので、発電機２０の電力のみで永久磁石同期電動モータ７を回転させ、余った電力で蓄電装置２２を充電する。車両停止時や加速時など発電機２０の電力が小さく設定されているときには、発電機２０の電力だけでなく、蓄電装置２２の電力を追加して永久磁石同期電動モータ７を回転させる。制御装置２１は、走行用エンジン８の回転数にかかわらず一定の電力を供給することで、ドラム５の回転数を一定に保つ。永久磁石同期電動モータ７が一定の速度で回転し、その回転をドラム減速機２５で減速させてドラム５を回転させる。

さらに、建設現場においては、運搬時に分離した生コンクリートを再び撹拌するために数分間ドラム５を高速で正回転させる必要がある。このとき、住宅地や病院の近くでは騒音や排ガスの発生が問題となる。このため、走行用エンジン８の回転数を上げて発電機２０からの電力を上げることはできない。そこで、図１３に示すように、例えば走行用エンジン８はアイドリングのままで、制御装置２１は、発電機２０で発生した電力と、蓄電装置２２に充電された電力とを利用して永久磁石同期電動モータ７を回転させ、ドラム減速機２５を介して１６ｒｐｍなどの高回転でドラム５を回転させる。また、ドラム５内の生コンクリートの排出時には、操作レバー２４を操作してドラム５を反転させ、シュート１４から生コンクリートを排出する。このように、蓄電装置２２に蓄えた電力を利用してドラム５を回転させることができるので、走行用エンジン８を高回転にして発電機２０で大量の電流を発生させる必要がなく、住宅地や病院の近くなどの騒音や排ガスの発生を避けたい場所でも高回転運転が行える。

一方、トンネル内等の排ガスの発生を避けたい現場では、制御装置２１は、走行用エンジン８を停止させた状態で蓄電装置２２の電力のみで永久磁石同期電動モータ７を回転させ、ドラム減速機２５を介してドラム５を回転させる。この無排ガス運転では、走行用エンジン８を完全に停止させているので、排ガスが一切発生せず、トンネル内などの排ガスの発生を避けたい場所に適している。さらに、外部電力を引いてくる必要がないので、作業が容易である。

図１４に示すように、従来のコンクリートミキサ車は、走行用エンジンの動力を利用して油圧ポンプを回し、油圧モータを回転させてドラムを回転させるためにエンジン回転数を調整してドラムの回転数を増減させていた。一方、本実施形態のコンクリートミキサ車１は、蓄電装置２２の電力を適宜利用することにより、操作レバー２４を操作するときにドラム５の正回転及び逆回転について、低回転から高回転まで走行用エンジン８の回転数を高めることなくアイドリング低速状態を保つことができる点で従来と大きく相違している。

また、本実施形態にかかるコンクリートミキサ車１によると、ドラム５の回転を止めるときに、ドラム５の回転力により永久磁石同期電動モータ７を発電機として機能させて永久磁石同期電動モータ７で発生した電力を蓄電装置２２に蓄積させる回生制動を行うようにしたことにより、走行用エンジン８の回転数を上げることなく蓄電装置２２をできるだけ長時間使用可能にすることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、蓄電装置２２は、電気二重層コンデンサよりなるものとしたが、リチウムイオンバッテリとしてもよい。また、蓄電装置は、リチウムイオンバッテリやニッケル水素バッテリ、その他の蓄電装置としてもよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態のコンクリートミキサ車を示す側面図である。 コンクリートミキサ車を示す平面図である。 コンクリートミキサ車を示す背面図である。 ドラムの駆動機構を示すブロック図である。 操作レバー及びその周辺を示す拡大背面図である。 操作レバー及びその周辺を示す拡大側面図である。 制御装置の構成を詳細に示すブロック図である。 インバータブロックのフローチャートである。 回生制動を示す図４相当図である。 コントロールブロックのフローチャートである。 車速度と充電量との関係を示すグラフである。 低回転充電運転を示す図４相当図である。 高回転運転を示す図４相当図である。 従来のコンクリートミキサ車と本実施形態のコンクリートミキサ車について、操作レバーの角度とドラム回転速度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ コンクリートミキサ車（電動式特装車）
５ ドラム
７ 永久磁石同期電動モータ（電動機）
８ 走行用エンジン
２０ 発電機
２２ 蓄電装置（電気二重層コンデンサ）

Claims (2)

1. 走行用エンジンと、該走行用エンジンに駆動され、出力する電力が調整可能な発電機と、該発電機の電力を蓄える蓄電装置と、発電機及び蓄電装置の少なくとも一方の電力で駆動される電動機とを有する電動式特装車の充電を制御する方法であって、
   車両停止時には、アイドリング状態の上記走行用エンジンにより駆動された上記発電機の電力を上記蓄電装置に蓄え、
   車両定速走行時には、上記発電機の電力を上記車両停止時よりも大きくし、
   車両加速時には、上記発電機の電力を上記車両停止時よりもさらに小さく抑え、
   車両減速走行時には、エンジンブレーキをかけて上記発電機の電力を上記定速走行時よりもさらに大きくする
   ことを特徴とする電動式特装車の充電制御方法。
2. 請求項１に記載の電動式特装車の充電制御方法において、
   上記特装車は、コンクリートミキサ車であり、
   上記電動機で駆動されるドラムを備え、
   上記ドラムの回転を止めるときに、該ドラムの回転力により上記電動機を発電機として機能させて発生した電力を上記蓄電装置に蓄積させる
   ことを特徴とする電動式特装車の充電制御方法。

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