JP5642044B2

JP5642044B2 - ハイブリッド作業車及びその走行制御方法

Info

Publication number: JP5642044B2
Application number: JP2011241044A
Authority: JP
Inventors: 英樹平山; 高橋　伸和; 伸和高橋; 林　千尋; 千尋林
Original assignee: 株式会社日本除雪機製作所
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: JP2013095308A

Description

本発明は、ハイブリッド作業車及びその走行制御方法に関するものである。

近年、地球環境保護の意識が高まっており、また、原油価格の高騰などもあって、自動車の分野においてはハイブリッド型乗用車が販売され人気を博している。
また、静油圧無段変速機（以下、「ＨＳＴ」と称す）を駆動系に用いた、農作業用車両や建設作業車両、あるいは除雪車等は周知であり、例えば特許文献１に開示されている。このような作業車両においてもハイブリッド化が実現できると、化石燃料の効率的な使用および二酸化炭素排出量の減少等が可能なため好適である。本願出願人は、ハイブリッド方式を採用したロータリ除雪車を先に提案している（特願２０１１−００２９５６）。

再表２００５／０５４７２０号公報

従来のＨＳＴを用いたハイブリッド車両において、ＨＳＴブレーキは車両の運動エネルギーを熱エネルギーに変えて減速するため、電気エネルギーとして回収可能なエネルギーを捨ててしまっていた。また、ＨＳＴのメイン油圧がリリーフしながら加速または減速していたため、力の伝達効率が低く、無駄に電気エネルギーを使っていたり、回収しきれていなかった。

本発明は、従来のＨＳＴを用いたハイブリッド車両（ハイブリッド作業車）における上述の問題を解決し、無駄なエネルギー消費を抑制するとともにエネルギーの回生効率を高めることのできるハイブリッド作業車及びその走行制御方法を提供することを課題とする。

前記の課題は、本発明により、エンジンと電動モータを備えるハイブリッドシステムと、少なくとも一方が可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータからなるＨＳＴとを搭載し、前記ハイブリッドシステムより前記ＨＳＴを介して駆動輪を駆動するハイブリッド作業車であって、当該車両の走行速度をコントロールする信号に基づき、前記油圧ポンプ又は油圧モータの目標指令値と前記電動モータの目標回転数とを演算し、前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値と前記算出した目標指令値とを比較し、該比較結果に基づいて、加速制御、定速制御、減速制御のいずれであるかを判断し、加速制御の場合は前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値に所定の増加ステップを加えて加速指令値とし、定速制御の場合は前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値を維持し、減速制御の場合は前記電動モータの回転数が所定の閾値より小さければ前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値から所定の減少ステップを差し引いて減速指令値とし、前記電動モータの回転数が所定の閾値以上のときは前記油圧ポンプ又は油圧モータの斜板傾転角を保持して前記電動モータを発電機として制御し、さらに、前記電動モータの現在の回転数と前記算出した目標回転数とを比較して、前記電動モータの発電トルク又は駆動トルクを演算することにより前記ハイブリッドシステムと前記ＨＳＴとを協調制御することを特徴とするハイブリッド作業車により解決される。

また、前記の課題は、本発明により、エンジンと電動モータを備えるハイブリッドシステムより、少なくとも一方が可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータからなるＨＳＴを介して駆動輪を駆動するハイブリッド作業車の走行制御方法において、当該車両の走行速度をコントロールする信号に基づき、前記油圧ポンプ又は油圧モータの目標指令値と前記電動モータの目標回転数とを演算し、前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値と前記算出した目標指令値とを比較し、該比較結果に基づいて、加速制御、定速制御、減速制御のいずれであるかを判断し、加速制御の場合は前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値に所定の増加ステップを加えて加速指令値とし、定速制御の場合は前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値を維持し、減速制御の場合は前記電動モータの回転数が所定の閾値より小さければ前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値から所定の減少ステップを差し引いて減速指令値とし、前記電動モータの回転数が所定の閾値以上のときは前記油圧ポンプ又は油圧モータの斜板傾転角を保持して前記電動モータを発電機として制御し、さらに、前記電動モータの現在の回転数と前記算出した目標回転数とを比較して、前記電動モータの発電トルク又は駆動トルクを演算することにより、前記ＨＳＴと前記ハイブリッドシステムとを協調制御することにより解決される。

また、前記減速制御時に、前記ＨＳＴのメイン油圧がリリーフしないように前記電動モータの発電トルクを制御すると好適である。
また、前記加速制御時に、前記ＨＳＴのメイン油圧がリリーフしないように前記電動モータの回転数および前記ＨＳＴの油圧ポンプ又は油圧モータの斜板傾転角を制御すると好適である。

また、ロータリ除雪装置を備え、該ロータリ除雪装置を駆動する作業用動力を前記ハイブリッドシステムから供給すると好適である。

本発明のハイブリッド作業車及びその走行制御方法によれば、車両の加速時に無駄に使われていたエネルギー消費を抑制し、更には減速時のエネルギー回収量も増えるため、燃費向上が可能となる。

また、ＨＳＴを用いたハイブリッド車両において制御方法のみの変更で本発明を実施できるため、車両構成やハイブリッドシステムの構成を変更・改造等する必要がなく、コスト上昇を抑えて性能向上が可能となる。

請求項２の構成および請求項６の方法により、発電可能なエネルギーが逃げてしまうことを抑制し、回生効率を高めることができる。
請求項３の構成および請求項７の方法により、電動モータの出力を無駄なく駆動力として使うことができる。

請求項４の構成により、燃費の優れたロータリ除雪車を実現することができる。

本発明に係るハイブリッド型ロータリ除雪車の駆動系の構成を示す模式図である。１ポンプ・１モータ型ＨＳＴの構成例を示す油圧回路図である。本発明による、ＨＳＴの油圧ポンプ又は油圧モータと電動モータの協調制御の概要を示す模式図である。実施形態における上記協調制御の内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここではハイブリッド作業車として除雪車を例に挙げて説明するが、本発明は除雪車に限らず、農作業用車両や建設作業車両、あるいは重量物運搬車など、ＨＳＴを用いるハイブリッド方式の作業車両に適用できるものである。また、以下で説明する実施形態で採用しているハイブリッド・システムはシリーズ・ハイブリッド方式によるものであるが、本発明はシリーズ・ハイブリッド方式に限らず、パラレル方式やシリーズ・パラレル方式にも適用できるものである。

図１は、本発明に係るハイブリッド型ロータリ除雪車の駆動系の構成を示す模式図である。この図に示すように、動力発生源であるハイブリッド・システム１０で発生された動力は、作業用変速機２１とＨＳＴ３０に伝達される。ＨＳＴ３０は油圧を利用した無段変速機であり、少なくとも一方が可変容量型の油圧ポンプ３１（ＨＳＴポンプ）及び油圧モータ３２（ＨＳＴモータ）から構成され、油圧ポンプ又は油圧モータの流量を制御して走行速度を制御する。ＨＳＴ３０からの動力は、走行用変速機４０を介して前後のディファレンシャル（差動機）４１，４２を経て前後輪４３，４４に伝達される。

ロータリ除雪装置を駆動する作業用動力は、作業用変速機２１から伝動機２２に至り、二分されて一系統はブロア２３を駆動し、他系統はチェーン伝動機２４を経てオーガ２５を駆動する。オーガ及びブロアを備えるロータリ除雪装置は従来周知なものと同様であり、オーガ２５で切り崩して取り込んだ雪をブロア２３により図示しないシュート（投雪筒）から投雪する。

ハイブリッド・システム１０は、動力源としてのエンジン１、エンジン１により駆動される発電機（ジェネレータ）２、発電機２により発電された交流電力を直流電力に変換する第１インバータ（発電機用インバータ）３、直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換する第２インバータ（モータ駆動用インバータ）４、作業用及び走行用動力を出力する電動モータ５、直流電力を蓄えるバッテリー（蓄電池）６、昇圧機構としての昇圧チョッパ７等により構成される。なお、昇圧チョッパ７及びバッテリー（蓄電池）６は、第１及び第２インバータ３，４間に直列に接続されている。

エンジン１はディーゼル、ガソリン等の適宜な原動機を採用可能であり、実施例では７３ｋＷ／２０００ｒｐｍ（３８５Ｎ・ｍ／１６００ｒｐｍ）の出力のディーゼル・エンジンを用いている。発電機２は、実施例では定格７５ｋＷ／３８０Ｖ／１３５Ａのものを用いている。電動モータ５は、実施例では定格５５ｋＷ／３８０Ｖ／１０１Ａのものを用いている。

駆動用の電動モータ５は、モータが回されることによって発電機と同じ動作をするので、停止時や坂を下っているときなどはエネルギーの回生を行う。回生により生じた電力は、基本的にはバッテリー６に蓄えられる。

バッテリー６の定格は１０８Ｖ／１５０Ａｈである。昇圧チョッパ７は入力１０８Ｖ／出力６００Ｖで、バッテリーアシスト最大５０ｋＷのものを用いている。ハイブリッド・システムではバッテリーがもっとも高価な機器であり、本実施形態では、搭載するバッテリーの本数（容量）を削減するために昇圧機構を設けている。実施例で用いている昇圧チョッパ７は、バッテリー６の電圧１０８Ｖを６００Ｖまで昇圧する。

上記のように構成された本実施形態のハイブリッド・システム１０はシリーズ・ハイブリッド方式によるもので、エンジン１は発電機２の動力源としてのみ使用し、走行及び除雪作業の全動力を電動モータ５の出力だけでまかなう本格的ハイブリッド・システムである。エンジン１を発電機２の動力源としてのみ使用するため、低負荷での運転が可能であり、燃料の効率的な使用、ＣＯ２排出量の減少が可能となる。

図２は、ＨＳＴ３０として採用可能な１ポンプ・１モータ型ＨＳＴの代表的な構成例を示す油圧回路図である。油圧ポンプ３１及び油圧モータ３２がそれぞれ有する２つのポートを高圧配管Ａと高圧配管Ｂで連結している。また、符号は省略するが、所定以上の圧力を逃がすリリーフバルブなども設けられている。なお、本発明で用いるＨＳＴはここに例示するものに限らず、２ポンプ・２モータ型など、適宜な構成のものを採用可能である。

図２に示すように、油圧ポンプ３１は分配機出力軸からの動力により駆動され、その油圧ポンプ３１の圧油を受けて油圧モータ３２が回転される。図２の構成の場合には、油圧ポンプ３１が可変容量型であり、油圧モータ３２は固定容量型となっている。油圧モータ３２は走行用変速機４０（図１）の入力軸に接続され、変速機４０の出力軸から走行用動力が取り出され、車輪４３，４４（図１）を回転駆動する。なお、ＨＳＴは油圧ポンプと油圧モータの少なくとも一方が可変容量型であれば良く、可変容量型の油圧モータを制御するようにしてもかまわない。

ところで、ハイブリッド方式のＨＳＴ車両では、ＨＳＴブレーキに加えて電動モータによる回生ブレーキを利用することができるが、発明の課題で上述したように、ＨＳＴブレーキは車両の運動エネルギーを熱エネルギーに変えて減速するため、従来の制御では、電気エネルギーとして回収可能なエネルギーを捨ててしまっており、また、ＨＳＴのメイン油圧がリリーフしながら加速または減速していたため、力の伝達効率が低く、無駄に電気エネルギーを使っていたり、回収しきれていなかった。そこで、本発明においては、ＨＳＴブレーキを最小限に抑え、回生ブレーキを積極的に利用するように、ＨＳＴとハイブリッド・システムとを協調制御する（ＨＳＴの油圧ポンプ又は油圧モータの斜板と電動モータのトルクとを協調制御する）ことによって、更なる燃費改善が可能となった。

以下、本実施形態におけるＨＳＴとハイブリッド・システムの協調制御について説明するが、実施形態では油圧ポンプ３１を可変容量型としており、以下では、油圧ポンプ３１と電動モータ５を制御する場合で説明する。

上記のように構成された本実施形態のロータリ除雪車において、車両の減速時は、電動モータ５の回転数が閾値以下になるまでは油圧ポンプ３１の斜板傾転角を保持し（ＨＳＴブレーキ無し）、電動モータ５を発電機（回生ブレーキ）として制御する。また、エネルギー回生時はメイン油圧がリリーフしないように回生トルクを掛けることで回生効率を高めることができる。

車両の加速時も同様に、メイン油圧がリリーフしないように電動モータ５の回転数および油圧ポンプ３１の斜板傾転角を制御することで、電動モータの出力を無駄なく駆動力として使うことができる。

図３は、本実施形態における上記協調制御の概要を示す模式図である。また、図４は、制御内容を示すフローチャートである。これらの図を参照してより詳しく説明する。なお、説明中の括弧「（）」内は図４のフローチャートにおけるステップ番号である。

上記協調制御がスタートすると、まず、エンジン１をコントロールするアクセルペダルの位置から油圧ポンプ３１の目標ポンプ指令値を演算する（Ｓ１）。また、アクセルペダル位置から電動モータ５の目標回転数を演算する（Ｓ２）。１００ミリ秒を待って（Ｓ３）、タイマ（１００ミリ秒経過を判断するタイマ）をセットする（Ｓ４）。そして、ＨＳＴ３０の圧力が所定の閾値以下であるかどうか判断する（Ｓ５）。圧力が閾値より大きい場合はＳ１１に進んで現在のポンプ指令値を維持する。また、圧力が閾値以下であればＳ６に進み、現在のポンプ指令値とＳ１で演算した目標ポンプ指令値とを比較する。Ｓ６で現在のポンプ指令値が目標ポンプ指令値より大きい場合は加速制御に入り、現在のポンプ指令値に所定の増加ステップを加えてポンプ指令値とする（Ｓ７）。

一方、Ｓ６で現在のポンプ指令値が目標ポンプ指令値以下である場合はＳ８に進み、現在のポンプ指令値が目標ポンプ指令値より小さいかどうかを判断する。ここでの判断が「Ｎｏ」の場合は定速制御であり、Ｓ１１に進んで現在のポンプ指令値を維持する（車速維持）。Ｓ８の判断が「Ｙｅｓ」の場合は減速制御に入り、電動モータ５の回転数が所定の閾値以上であるかどうかを判断する。モータ回転数が閾値より小さい場合は現在のポンプ指令値から所定の減少ステップを差し引いてポンプ指令値とする（Ｓ１０）。また、モータ回転数が閾値以上の場合は現在のポンプ指令値を維持する（Ｓ１１）。すなわち、電動モータ５の回転数が閾値以下になるまでは油圧ポンプ３１の斜板傾転角を保持することでＨＳＴブレーキを使わないようにしている。

Ｓ７，Ｓ１０，Ｓ１１からはＳ１２に進んで、現在のモータ回転数が目標回転数より大きいかどうかを判断する。ここでの判断が「Ｙｅｓ」であれば電動モータ５の発電トルクを演算（Ｓ１３）して、処理を終了する。また、Ｓ１２での判断が「Ｎｏ」の場合はＳ１４に進み、現在のモータ回転数が目標回転数以下であるかどうかを判断する。Ｓ１４での判断が「Ｎｏ」であれば処理を終了し、Ｓ１４での判断が「Ｙｅｓ」であれば電動モータ５の駆動トルクを演算（Ｓ１５）して、処理を終了する。

なお、図４のフローでは、圧力センサを用いてポンプ指令値の増減を判断しているが、圧力センサを使わずに、実験等で予め求めておいたＨＳＴ圧力がリリーフしないポンプ指令値を用いるようにしても良い。また、ＨＳＴの油圧モータを可変容量型として、油圧モータと電動モータを制御する場合も同様のフローにより対応可能である。

図３にも示すように、車両の減速時に電動モータ５が車輪から回されて所定の回転数以上のときは油圧ポンプ３１の斜板傾転角を保持することでＨＳＴブレーキを使わず、電動モータ５による（発電機として用いることで）回生ブレーキのみで制動を行う。また、減速時（回生時）にＨＳＴの油圧がリリーフすると発電可能なエネルギーが逃げてしまうため、減速側（Ｂポート）の油圧がリリーフしないように（図３に破線で例示する圧力となるように）電動モータ５の発電トルク及び油圧ポンプ３１の斜板傾転角を制御する。また、加速時にＨＳＴの油圧がリリーフすると駆動エネルギーが逃げてしまうため、加速側（Ａポート）の油圧がリリーフしないように（図３に破線で例示する圧力となるように）電動モータ５の回転数及び油圧ポンプ３１の斜板傾転角を制御する。これにより、電動モータ５の出力を無駄なく駆動力として利用するとともに、減速時における回生効率を向上させることができ、燃費向上が可能となる。

また、本発明によるＨＳＴとハイブリッドシステムの協調制御は、ＨＳＴを用いたハイブリッド車両において制御方法のみの変更で実施できるため、車両構成やハイブリッドシステムの構成を変更・改造等する必要がなく、コスト上昇を抑えて性能向上が可能となる。

以上、本発明を図示例により説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。ＨＳＴは適宜な構成のものを採用可能である。また、ハイブリッド・システムも適宜な方式・構成のものを採用可能である。

除雪車両の駆動系の構成、ロータリ除雪装置の構成も、適宜なものを採用可能である。さらに、道路を走行するロータリ除雪車に限らず、線路上の除雪を行う軌道除雪車にも適用可能である。また、ラッセル式除雪車でも構わない。さらに、本発明は、農作業用車両や建設作業車両、あるいは重量物運搬車など多様な作業車両に適用可能なものである。

１エンジン
２発電機（ジェネレータ）
３，４インバータ
５電動モータ
６バッテリー（蓄電池）
１０ハイブリッド・システム
２１作業用変速機
２５オーガ
３０ＨＳＴ（油圧無段変速機）
３１油圧ポンプ
３２油圧モータ
４０走行用変速機

Claims

エンジンと電動モータを備えるハイブリッドシステムと、少なくとも一方が可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータからなるＨＳＴとを搭載し、前記ハイブリッドシステムより前記ＨＳＴを介して駆動輪を駆動するハイブリッド作業車であって、
当該車両の走行速度をコントロールする信号に基づき、前記油圧ポンプ又は油圧モータの目標指令値と前記電動モータの目標回転数とを演算し、
前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値と前記算出した目標指令値とを比較し、該比較結果に基づいて、加速制御、定速制御、減速制御のいずれであるかを判断し、加速制御の場合は前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値に所定の増加ステップを加えて加速指令値とし、定速制御の場合は前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値を維持し、減速制御の場合は前記電動モータの回転数が所定の閾値より小さければ前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値から所定の減少ステップを差し引いて減速指令値とし、前記電動モータの回転数が所定の閾値以上のときは前記油圧ポンプ又は油圧モータの斜板傾転角を保持して前記電動モータを発電機として制御し、
さらに、前記電動モータの現在の回転数と前記算出した目標回転数とを比較して、前記電動モータの発電トルク又は駆動トルクを演算する
ことにより前記ハイブリッドシステムと前記ＨＳＴとを協調制御することを特徴とするハイブリッド作業車。
前記減速制御時に、前記ＨＳＴのメイン油圧がリリーフしないように前記電動モータの発電トルクを制御することを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド作業車。
前記加速制御時に、前記ＨＳＴのメイン油圧がリリーフしないように前記電動モータの回転数および前記ＨＳＴの油圧ポンプ又は油圧モータの斜板傾転角を制御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作業車。
ロータリ除雪装置を備え、該ロータリ除雪装置を駆動する作業用動力を前記ハイブリッドシステムから供給することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド作業車。
エンジンと電動モータを備えるハイブリッドシステムより、少なくとも一方が可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータからなるＨＳＴを介して駆動輪を駆動するハイブリッド作業車の走行制御方法において、
当該車両の走行速度をコントロールする信号に基づき、前記油圧ポンプ又は油圧モータの目標指令値と前記電動モータの目標回転数とを演算し、
前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値と前記算出した目標指令値とを比較し、該比較結果に基づいて、加速制御、定速制御、減速制御のいずれであるかを判断し、加速制御の場合は前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値に所定の増加ステップを加えて加速指令値とし、定速制御の場合は前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値を維持し、減速制御の場合は前記電動モータの回転数が所定の閾値より小さければ前記油圧ポンプ又は油圧モータの現在の指令値から所定の減少ステップを差し引いて減速指令値とし、前記電動モータの回転数が所定の閾値以上のときは前記油圧ポンプ又は油圧モータの斜板傾転角を保持して前記電動モータを発電機として制御し、
さらに、前記電動モータの現在の回転数と前記算出した目標回転数とを比較して、前記電動モータの発電トルク又は駆動トルクを演算することにより、前記ＨＳＴと前記ハイブリッドシステムとを協調制御することを特徴とするハイブリッド作業車の走行制御方法。
前記減速制御時に、前記ＨＳＴのメイン油圧がリリーフしないように前記電動モータの発電トルクを制御することを特徴とする、請求項５に記載のハイブリッド作業車の走行制御方法。
前記加速制御時に、前記ＨＳＴのメイン油圧がリリーフしないように前記電動モータの回転数および前記ＨＳＴの油圧ポンプ又は油圧モータの斜板傾転角を制御することを特徴とする、請求項５又は６に記載のハイブリッド作業車の走行制御方法。