JP5598938B2 - フォークリフト - Google Patents

Description

本発明は、走行モータから得られた回生電力によりバッテリが過電圧となるのを防ぐことができるフォークリフトに関する。

一般に、バッテリで駆動するフォークリフトでは、走行中に回生制動が行われると、走行モータから得られた回生電力がバッテリに回生されてバッテリ電圧が上昇する。特に、充電直後のバッテリは電圧上昇が著しく、回生制動が連続的に行われるとバッテリ電圧が制御部等を構成する素子の耐圧を超えてしまうおそれがある。

このようなバッテリの過電圧を防ぐことができるフォークリフトとしては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載のフォークリフトでは、回生電力によりバッテリ電圧が予め設定された起動電圧以上になると、荷役装置を駆動するための油圧モータを回転させて回生電力の一部または全部を消費させることで、バッテリが過電圧となるのを防いでいる。

特許第４３４８７７４号公報

しかしながら、上記従来のフォークリフトでは、回生電力を消費するために油圧モータを回転させているため、その回転音がオペレータや周囲の者に不快感を与えていた。しかも、上記従来のフォークリフトでは、油圧モータが回転することにより作動油の流れが生じるため、荷役操作開始時に荷役装置が意図しない動作をしてしまう（例えば、フォークが急に上昇してしまう）おそれがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、オペレータや周囲の者に不快感を与えたり、荷役装置が意図しない動作を行ったりすることなく、回生電力によるバッテリの過電圧を防ぐことができるフォークリフトを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るフォークリフトは、（１）車両に搭載されたバッテリと、車両を走行させるための走行モータと、車両に設けられた荷役装置を駆動させるための油圧モータと、バッテリから供給された直流電力をスイッチ手段でスイッチングして交流電力に変換して走行モータに供給する一方、走行モータから得られた回生電力をバッテリに回生させる走行モータ用電力変換部と、少なくともバッテリから供給された直流電力をスイッチ手段でスイッチングして油圧モータに供給する油圧モータ用電力変換部と、走行モータ用電力変換部および油圧モータ用電力変換部を制御する制御部と、を備えたフォークリフトであって、制御部は、回生電力によりバッテリのバッテリ電圧が予め設定された第１閾値を超えないように、油圧モータ用電力変換部のスイッチ手段を制御して油圧モータを回転させることなく油圧モータで回生電力の少なくとも一部を消費させるとともに、バッテリ電圧が第１閾値よりも低く設定された第２閾値以上になると、油圧モータで回生電力の少なくとも一部が消費されるように油圧モータ用電力変換部のスイッチ手段を制御し始め、かつバッテリ電圧が第１閾値に近づくにつれてスイッチ手段のデューティ比を増加させることを特徴とする。

この構成によれば、油圧モータを回転させることなく油圧モータで回生電力の少なくとも一部を消費させるので、オペレータや周囲の者に不快感を与えたり、荷役装置が意図しない動作を行ったりすることなく、回生電力によるバッテリの過電圧を防ぐことができる。

上記（１）のフォークリフトでは、（２）制御部は、油圧モータ用電力変換部のスイッチ手段に流れる回生電流が当該スイッチ手段の許容電流値を超えない範囲で、デューティ比を増加させるよう構成できる。

上記（２）のフォークリフトでは、（３）油圧モータが、三相誘導電動機からなる場合、制御部は、回生電流が油圧モータの任意の２相間を流れるように油圧モータ用電力変換部のスイッチ手段を制御するよう構成できる。

上記（１）〜（３）のフォークリフトでは、（４）制御部は、バッテリ電圧が第１閾値を超えた場合に、走行モータ用電力変換部のスイッチ手段を制御して走行モータの回生トルクを制限するよう構成できる。

本発明によれば、オペレータや周囲の者に不快感を与えたり、荷役装置が意図しない動作を行ったりすることなく、回生電力によるバッテリの過電圧を防ぐことができるフォークリフトを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るフォークリフトに備えられた過電圧制御機構のブロック図である。 本発明の一実施形態における油圧モータ用インバータを流れる回生電流の経路を示す図である。 本発明の一実施形態における制御部の動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るフォークリフトの好ましい実施形態について説明する。

（構成）
本発明の一実施形態に係るフォークリフトは、図１に示す過電圧制御機構１を備えている。同図に示すように、過電圧制御機構１は、バッテリ２と、本発明の「走行モータ用電力変換部」に相当する走行モータ用インバータ３と、本発明の「油圧モータ用電力変換部」に相当する油圧モータ用インバータ４と、制御部５と、走行モータＭ_１および油圧モータＭ_２とから構成されている。

バッテリ２は、複数の鉛バッテリセルが直列接続された鉛バッテリである。このバッテリ２は、充電中にバッテリ電圧が最大約６３Ｖまで上昇し、満充電状態において約５２Ｖで安定する。バッテリ２には電圧センサＶが並列に接続されており、電圧センサＶは、バッテリ２が出力するバッテリ電圧を検知し、検知結果を制御部５に伝達する。

走行モータＭ_１は、車両を走行させるためのモータであり、油圧モータＭ_２は、フォーク等の荷役装置を駆動させるためのモータである。走行モータＭ_１および油圧モータＭ_２は、いずれも三相誘導電動機からなる。

油圧モータ用インバータ４は、図２に示すように、Ｕ相上、Ｕ相下、Ｖ相上、Ｖ相下、Ｗ相上、Ｗ相下の６個の半導体スイッチング素子（本発明の「スイッチ手段」）Ｑ_１〜Ｑ_６を有している。油圧モータ用インバータ４は、荷役装置を駆動させる場合、制御部５の制御下で行われる半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６のスイッチング動作により、供給された直流電力を三相交流電力に変換して油圧モータＭ_２に供給し、油圧モータＭ_２を回転させる。半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６としては、例えばＭＯＳ型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの高速スイッチング動作が可能な素子が用いられる。

再び図１を参照して、油圧モータ用インバータ４と油圧モータＭ_２との接続ラインのうちＵ相とＶ相の接続ライン上には電流センサＡ_１、Ａ_２が設けられている。電流センサＡ_１、Ａ_２は、油圧モータ用インバータ４と油圧モータＭ_２との間を流れる電流を検知する。また、油圧モータＭ_２の近傍には不図示のパルスジェネレータが設けられている。パルスジェネレータは、油圧モータＭ_２の回転数を検知する。これらの検知結果は、いずれも制御部５に伝達される。

走行モータ用インバータ３は、油圧モータ用インバータ４と同様に６個の半導体スイッチング素子を有している。走行モータ用インバータ３は、制御部５の制御下で行われる半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、力行動作時には、バッテリ２から供給された直流電力を三相交流電力に変換して走行モータＭ_１に供給し、回生動作時には、発電機として機能する走行モータＭ_１から得られた三相交流電力を直流電力（回生電力）に変換してバッテリ２または油圧モータ用インバータ４に供給する。

走行モータ用インバータ３と走行モータＭ_１との接続ラインのうちＵ相とＶ相の接続ライン上には電流センサＡ_３、Ａ_４が設けられている。電流センサＡ_３、Ａ_４は、走行モータ用インバータ３と走行モータＭ_１との間を流れる電流を検知する。また、走行モータＭ_１の近傍には不図示のパルスジェネレータが設けられている。パルスジェネレータは、走行モータＭ_１の回転数を検知する。これらの検知結果は、いずれも制御部５に伝達される。

制御部５は、走行モータＭ_１の指示トルクを決定し、走行モータＭ_１の力行トルク（または回生トルク）が当該指示トルクに一致するように、走行モータ用インバータ３に含まれる半導体スイッチング素子のデューティ比を制御する。走行モータＭ_１の指示トルクは、パルスジェネレータで検知された走行モータＭ_１の回転数から求めた走行速度と、アクセルペダルの踏み込み量から求めた目標速度とのＰＩＤ制御により決定される。後述するように、走行モータＭ_１の回生時であって、かつ電圧センサＶで検知されたバッテリ電圧が予め設定された第１閾値（例えば、充電中の最大バッテリ電圧である６３Ｖ）を超えている場合には、制御部５は、走行モータＭ_１の回生トルクを下げる（制限する）ために、ＰＩＤ制御により決定された指示トルクから予め設定された所定のトルクを差し引いて、最終的な指示トルクを決定する。

また、制御部５は、油圧モータ用インバータ４に含まれる半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６のデューティ比も制御する。特に、走行モータＭ_１の回生時に油圧モータＭ_２で回生電力を消費させる場合には、油圧モータＭ_２が回転しないように半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６のデューティ比を制御する。この制御の詳細については、後述する。なお、制御部５は、ディレクショナルレバーの操作により設定された車両の進行方向と、決定した指示トルクの極性とから、走行モータＭ_１が力行しているか回生しているかを判断する。

（回生時における制御部の動作）
続いて、図２および図３を参照して、回生時における制御部５の動作について説明する。なお、図２では、制御部５と走行モータＭ_１と電圧センサＶおよび電流センサＡ_１〜Ａ_４とを省略している。

図３に示すように、制御部５は、走行モータＭ_１が回生していると判断すると（Ｓｔａｒｔ）、電圧センサＶで検知されたバッテリ電圧と第２閾値（本実施形態では、５５Ｖ）とを比較する（Ｓ１）。制御部５は、ステップＳ１の比較においてバッテリ電圧が第２閾値未満と判断した場合（Ｓ１でＮＯ）、荷役装置を駆動させない限りは、油圧モータ用インバータ４の半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６のデューティ比がゼロになるように（油圧モータ用インバータ４が動作しないように）、半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６を制御する（Ｓ２）。これにより、回生電力の全てがバッテリ２に回生され、バッテリ電圧が上昇する。

次いで、制御部５は、走行モータＭ_１の回生が継続しているか否かを判断する（Ｓ３）。制御部５は、走行モータＭ_１の回生が終了していると判断した場合（Ｓ３でＮＯ）、走行モータ用インバータ３の回生時の制御を終了する（Ｅｎｄ）。一方、走行モータＭ_１の回生が継続していると判断した場合（Ｓ３でＹＥＳ）、制御部５は、再びバッテリ電圧と第２閾値とを比較する（Ｓ１）。

制御部５は、ステップＳ１の比較においてバッテリ電圧が第２閾値以上と判断した場合（Ｓ１でＹＥＳ）、バッテリ電圧と第１閾値（６３Ｖ）とを比較する（Ｓ４）。制御部５は、ステップＳ４の比較においてバッテリ電圧が第１閾値以下と判断した場合（Ｓ４でＮＯ）、走行モータＭ_１の回生トルクを制限することなく（回生電力を制限することなく）、走行モータ用インバータ３の半導体スイッチング素子を制御する。さらに、制御部５は、回生電力の少なくとも一部が油圧モータＭ_２に供給されるように、油圧モータ用インバータ４の半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６を制御する（Ｓ５）。

具体的には、制御部５は、図２に示すように油圧モータＭ_２のＵ相からＶ相に回生電流が流れるように、半導体スイッチング素子Ｑ_２〜Ｑ_４、Ｑ_６のデューティ比をゼロに設定した状態で（半導体スイッチング素子Ｑ_２〜Ｑ_４、Ｑ_６をオフさせたまま）、半導体スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_５を所定の（ゼロ以外の）デューティ比でオンさせる。これにより、回生電流が油圧モータＭ_２のＵ−Ｖ相間を直流電流として流れる。その結果、本実施形態に係るフォークリフトでは、油圧モータＭ_２を回転させることなく、油圧モータＭ_２で回生電力を消費させることができる。

上記デューティ比は、バッテリ電圧および半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６の許容電流値に応じて設定される。具体的には、制御部５は、半導体スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_５に流れる回生電流が当該半導体スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_５の許容電流値を超えない範囲で、バッテリ電圧が第１閾値に近いほど大きくなるように、上記デューティ比を設定する。すなわち、バッテリ電圧が第２閾値に近く、制御部５等を構成する素子に損傷を与える可能性が低い場合には、制御部５は、デューティ比を小さな値に設定して、油圧モータＭ_２で消費される回生電力を少なくする（バッテリ２に回生される回生電力を多くする）。一方、バッテリ電圧が第１閾値に近く、制御部５等を構成する素子に損傷を与える可能性が高い場合には、制御部５は、デューティ比を大きな値に設定して、油圧モータＭ_２で消費される回生電力を多くする（バッテリ２に回生される回生電力を少なくする）。その結果、本実施形態に係るフォークリフトでは、油圧モータＭ_２による回生電力の無駄な消費を最小限に抑えつつ、バッテリ２の過電圧（バッテリ電圧が第１閾値を超えること）を防ぐことが可能となる。

しかしながら、回生電力が非常に大きい場合は、上記デューティ比が１００％（または回生電流が半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６の許容電流値を超えない範囲で最も大きな値）に設定されていても、回生電力の一部がバッテリ２に回生されて、バッテリ電圧が第１閾値を超えてしまう場合がある。かかる場合、制御部５は、ステップＳ４の比較においてバッテリ電圧が第１閾値を超えていると判断する（Ｓ４でＹＥＳ）。

制御部５は、バッテリ電圧が第１閾値を超えていると判断した場合、バッテリ電圧が第１閾値となるように、ＰＩＤ制御により決定された走行モータＭ_１の指示トルクから予め設定された所定のトルクを差し引いて、走行モータＭ_１の最終的な指示トルクを決定する。そして制御部５は、走行モータＭ_１の回生トルクが最終的な指示トルクに一致するように、走行モータ用インバータ３に含まれる半導体スイッチング素子のデューティ比を制御する。これにより、走行モータＭ_１の回生トルクが制限され、走行モータＭ_１から得られる回生電力が低減される。

走行モータＭ_１から得られる回生電力が低減されると、制御部５は、低減された回生電力の少なくとも一部が油圧モータＭ_２に供給されるように、油圧モータ用インバータ４の半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６を制御する（Ｓ７）。なお、ステップＳ６の時点においてすでに回生電力が油圧モータＭ_２に供給されている場合は、このステップＳ７は省略される。

次いで、制御部５は、走行モータＭ_１の回生が継続しているか否かを判断する（Ｓ３）。制御部５は、走行モータＭ_１の回生が終了していると判断した場合（Ｓ３でＮＯ）、走行モータ用インバータ３の制御を終了する（Ｅｎｄ）。一方、走行モータＭ_１の回生が継続していると判断した場合（Ｓ３でＹＥＳ）、制御部５は、再びバッテリ電圧と第２閾値とを比較する（Ｓ１）。

結局、本実施形態に係るフォークリフトによれば、油圧モータＭ_２を回転させることなく油圧モータＭ_２で回生電力を消費させることができるので、オペレータや周囲の者に不快感を与えたり、荷役装置が意図しない動作を行ったりすることなく、回生電力によるバッテリ２の過電圧を防ぐことができる。

以上、本発明に係るフォークリフトの好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態における制御部５は、バッテリ電圧が第２閾値以上になると、油圧モータ用インバータ４を制御して油圧モータＭ_２で回生電力を消費させているが、これに替えて、バッテリ電圧が第１閾値に達したときに、バッテリ電圧が第１閾値を超えないように油圧モータ用インバータ４を制御して油圧モータＭ_２で回生電力を消費させてもよい。

上記実施形態では、第１閾値を６３Ｖ、第２閾値を５５Ｖに設定しているが、第１閾値を制御部５等を構成する素子の耐圧以下とし、第２閾値を満充電状態におけるバッテリ電圧以上とするのであれば（ただし、第１閾値＞第２閾値）、第１閾値および第２閾値は任意に変更できる。

上記実施形態では、ステップＳ１においてバッテリ電圧と第２閾値とを比較し、ステップＳ４においてバッテリ電圧と第１閾値とを比較しているが、これらの比較は同時に行ってもよい。

上記実施形態では、油圧モータＭ_２を回転させることなく油圧モータＭ_２で回生電力を消費させるために、油圧モータＭ_２のＵ相からＶ相に回生電流を流しているが、Ｕ相とＶ相に限らず油圧モータＭ_２の任意の２相間に回生電流を流すことができる。さらに、Ｕ相からＶ相に回生電流を流した後、Ｕ相からＷ相に回生電流を流し、再びＵ相からＶ相に回生電流を流すといったように、回生電流を流す２相間を変更しつつ、油圧モータＭ_２が回転しないように油圧モータＭ_２で回生電力を消費させてもよい。

また上記実施形態では、油圧モータＭ_２のＵ−Ｖ相間に回生電流（直流電流）を流すときに、半導体スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_５を所定のデューティ比でオンさせているが、例えば、半導体スイッチング素子Ｑ_１（またはＱ_５）をオンさせたまま、半導体スイッチング素子Ｑ_５（またはＱ_１）を所定のデューティ比でオンさせてもよい。

本発明では、油圧モータＭ_２を回転させることなく油圧モータＭ_２で回生電力を消費させることができるのであれば、半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６のデューティ比は任意に変更できる。

１ 過電圧制御機構
２ バッテリ
３ 走行モータ用インバータ（走行モータ用電力変換部）
４ 油圧モータ用インバータ（油圧モータ用電力変換部）
５ 制御部
Ｍ_１ 走行モータ
Ｍ_２ 油圧モータ

Claims (4)

1. 車両に搭載されたバッテリと、
   前記車両を走行させるための走行モータと、
   前記車両に設けられた荷役装置を駆動させるための油圧モータと、
   前記バッテリから供給された直流電力をスイッチ手段でスイッチングして交流電力に変換して前記走行モータに供給する一方、前記走行モータから得られた回生電力を前記バッテリに回生させる走行モータ用電力変換部と、
   少なくとも前記バッテリから供給された直流電力をスイッチ手段でスイッチングして前記油圧モータに供給する油圧モータ用電力変換部と、
   前記走行モータ用電力変換部および前記油圧モータ用電力変換部を制御する制御部と、
   を備えたフォークリフトであって、
   前記制御部は、前記回生電力により前記バッテリのバッテリ電圧が予め設定された第１閾値を超えないように、前記油圧モータ用電力変換部の前記スイッチ手段を制御して前記油圧モータを回転させることなく前記油圧モータで前記回生電力の少なくとも一部を消費させるとともに、前記バッテリ電圧が前記第１閾値よりも低く設定された第２閾値以上になると、前記油圧モータで前記回生電力の少なくとも一部が消費されるように前記油圧モータ用電力変換部の前記スイッチ手段を制御し始め、かつ前記バッテリ電圧が前記第１閾値に近づくにつれて前記スイッチ手段のデューティ比を増加させることを特徴とするフォークリフト。
2. 前記制御部は、前記油圧モータ用電力変換部の前記スイッチ手段に流れる回生電流が当該スイッチ手段の許容電流値を超えない範囲で、前記デューティ比を増加させることを特徴とする請求項１に記載のフォークリフト。
3. 前記油圧モータは、三相誘導電動機からなり、
   前記制御部は、前記回生電流が前記油圧モータの任意の２相間を流れるように前記油圧モータ用電力変換部の前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項２に記載のフォークリフト。
4. 前記制御部は、前記バッテリ電圧が前記第１閾値を超えた場合に、前記走行モータ用電力変換部の前記スイッチ手段を制御して前記走行モータの回生トルクを制限することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォークリフト。

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