JP5855487B2 - 電動駆動式作業車両 - Google Patents

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秀一 森木
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金子  悟
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雅俊 星野
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徳孝 伊藤
徳孝 伊藤
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Description

本発明は、電動駆動式作業車両に関する。
従来の作業車両には、エンジンと、エンジンの出力軸に機械的に連結された油圧ポンプと、油圧ポンプから供給される作動油によって動作する油圧アクチュエータと、エンジンの出力軸に機械的に連結されたトルクコンバータ(以下、トルコンと記載する)式の自動変速機と、前後進スイッチとを備えたホイールローダ(以下、トルコン車と記載する)がある。
トルコン車は、車両の現在の進行方向と逆側に前後進スイッチを入れることで、車両を減速させるモジュレート機能を有していて、モジュレート時には、トルコンの入力軸と出力軸の回転方向が逆方向になるように自動変速機のギアを切り替え、トルコンの滑りにより制動力を発生させている。このことにより、トルコン車は、油圧ブレーキを使用することなく車両を減速させ、そのまま前後進スイッチの指示する方向へ車両を加速させることができる。
一方、エンジンと、エンジンにより駆動される発電機と油圧ポンプと、発電機の電力により電動式走行モータを介して前後の走行車輪を回転駆動する走行装置と、油圧ポンプの油圧により駆動される荷役装置と機械ブレーキとを備えた電気駆動式荷役車両において、前後進を短時間で切り替えるために、前後進の切り替え時に、車両本体を一旦停止させる全制動トルクに、回生ブレーキの回生制動トルクを割り当て、さらに回生制動トルクだけでは全制動トルクが得られない場合には、不足分を機械ブレーキの機械制動トルクにより補充するものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2008−201391号公報
トルコン車においては、モジュレート時に、車体の運動エネルギをトルコンの滑りによって生じる損失に変換することで制動力を発生させるため、エンジンにはトルコンの滑りを発生させるための負荷がかかり続ける。そのため、モジュレート時においてもエンジンはパワーを出し続けるので、モジュレート後の走行加速に必要なパワーをエンジンから遅れることなく入力軸に供給することができる。その結果、停止状態からの走行加速よりも、モジュレート後の走行加速の方が大きな加速度を得ることができる。
一方、特許文献1に記載されている電動駆動式荷役車両においては、モジュレート時に、車体の運動エネルギを電動式走行モータで電力へ変換することで制動力を発生させていて、電動式走行モータへパワーを供給する必要がないため、エンジンは負荷がかからないアイドル状態となる。このため、モジュレート後の走行加速時には、エンジンの応答遅れが発生し、不足するパワーは蓄電装置の放電によりアシストされる。
そのため、燃料費を低減するために、エンジンを小型化した場合、蓄電装置からアシストするパワーが増加するので、蓄電装置の劣化が早くなる恐れがあった。また、蓄電装置の電圧が低く、アシストできない場合には、モジュレート後の走行加速が遅れる恐れがあった。
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、モジュレート後の加速において、蓄電装置からアシストするパワーを小さくし、トルコン車と同等以上の加速が得られる電動駆動式作業車両を提供することにある。
上記の目的を達成するために、第1の発明は、エンジンと、前記エンジンと機械的に接続した発電電動機と、前記発電電動機の発電量を制御する発電インバータと、車体を駆動する走行電動機と、前記発電インバータと前記走行電動機と電気的に接続した蓄電装置と、前記車体の進行方向を切り替える前後進切替え手段とを有する電動駆動式作業車両において、前記蓄電装置の電圧信号を検出する電圧検出手段と、前記走行電動機の速度信号を検出する速度検出手段と、前記電圧検出手段で検出した前記蓄電装置の電圧信号と、前記速度検出手段で検出した速度信号とを取込み、前記蓄電装置の電圧信号が最高電圧値以下であり、前記前後進切替え手段による切替えにより、前記走行電動機の速度信号の絶対値が0よりも大きく、かつ予め設定した設定速度以下であるときに、前記発電電動機の発電量を増加する指令を前記発電インバータへ出力する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記走行電動機の走行要求パワーを演算する走行パワー演算手段と、前記前後進切替え手段による指示方向と前記走行電動機の速度信号の方向が異なっているときは、モジュレート動作中であると判定し、前記前後進切替え手段による指示方向と前記走行電動機の速度信号の方向が同じときは、モジュレート非動作であると判定するモジュレート判定手段とを備え、前記モジュレート判定手段によるモジュレート動作の判定の前段階であって、前記走行パワー演算手段により演算した前記走行電動機の前記走行要求パワーが予め設定したパワー以下であるときに前記発電電動機の発電量を増加する指令を前記発電インバータへ出力するものとする。
また、第2の発明は、第1の発明において、前記制御手段は、前記蓄電装置の電圧が最高電圧値以下であり、前記走行電動機の速度信号の絶対値が0よりも大きく、かつ予め設定した設定速度以下であるときに、前記走行電動機の速度信号の絶対値が0に漸次減少するほど、前記発電電動機の発電量を増大する指令を前記発電インバータへ出力することを特徴とする。
更に、第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記制御手段は、前記モジュレート判定手段からのモジュレート判定信号を取込み、前記走行電動機の速度信号の絶対値が0よりも大きく、かつ予め設定した設定速度以下であるときに、モジュレート動作中は、モジュレート非動作の時よりも前記発電インバータへ出力する前記発電電動機の発電量の指令を増大する充電要求パワー演算手段とを備えたことを特徴とする。
また、第4の発明は、第又は第の発明において、前記車体を減速するブレーキ操作手段と、前記走行電動機の電圧信号を検出する第2電圧検出手段と、前記走行電動機の電流信号を検出する電流検出手段とを備え、前記制御手段は、前記第2電圧検出手段で検出した前記走行電動機の電圧信号と、前記電流検出手段で検出した前記走行電動機の電流信号とを取込み、前記走行電動機の走行要求パワーを演算する走行パワー取得手段と、前記ブレーキ操作手段からのブレーキ信号を基にブレーキON信号又はブレーキOFF信号を演算するブレーキ判定手段とを有し、前記ブレーキ判定手段からのブレーキ判定信号を取込み、前記走行パワー取得手段からの走行要求パワーが予め設定した設定パワー以下であるときに、ブレーキOFFのときは、ブレーキONのときよりも前記発電インバータへ出力する前記発電電動機の発電量の指令を増大する第2充電要求パワー演算手段とを備えたことを特徴とする。
更に、第5の発明は、第1乃至第の発明のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記電圧検出手段が検出した前記蓄電装置の電圧信号が高ければ高いほど、前記0よりも大きく、かつ予め設定した設定速度の値を小さくすることを特徴とする。
本発明によれば、電動駆動式作業車両のモジュレート時に、発電電動機の発電量を大きくして、予めエンジン出力パワーを増加するので、電動駆動式作業車両におけるモジュレート後の走行加速において、蓄電装置からアシストするパワーを小さくし、トルコン車と同等以上の加速を得ることができる。その結果、電動駆動式作業車両の前後進切替え動作が速やかになり、土砂などの掘削、積込み、及び運搬の作業性を向上させることができる。
本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。 本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態を適用するホイールローダの側面図である。 本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態を構成するメインコントローラの制御ブロック図である。 図3のメインコントローラを構成する油圧要求演算部で用いられるポンプ要求流量マップの一例を示す特性図である。 図3のメインコントローラを構成する走行要求演算部で用いられるアクセル要求トルクマップの一例を示す特性図である。 図3のメインコントローラを構成する蓄電管理部の構成を示す制御ブロック図である。 図6の蓄電管理部を構成するモジュレート判定部の演算方法の一例を示す表図である。 図6の蓄電管理部を構成する第1充電要求パワー演算部で用いられるマップの一例を示す特性図である。 図6の蓄電管理部を構成する第2充電要求パワー演算部で行う演算のフローを示すフローチャート図である。 本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態における通常発電処理及び予備発電処理を説明するための特性図である。 本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態の動作を説明するための特性図を示し、図11(a)は本実施の形態を適用しない場合の特性図、図11(b)は本実施の形態を適用した場合の特性図である。 本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態を構成するメインコントローラの制御ブロック図である。 図12のメインコントローラを構成する蓄電管理部の構成を示す制御ブロック図である。 図13の蓄電管理部を構成する第2充電要求パワー演算部で行う演算のフローを示すフローチャート図である。 本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態における通常発電処理B及び予備発電処理Bを説明するための特性図である。 本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態の動作を説明するための特性図を示し、図16(a)は第1の実施の形態を適用した場合の特性図、図16(b)は本実施の形態を適用した場合の特性図である。
以下、電動駆動式作業車両としてハイブリッド式ホイールローダを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は、モジュレート動作を行う車両、例えばハイブリッド式フォークリフトにも適用が可能であり、本発明の適用はハイブリッド式ホイールローダに限定されるものではない。
図1は本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。図1において、ハイブリッド式ホイールローダは、エンジン1と、エンジン1を制御するエンジンコントローラ2と、蓄電装置としてのキャパシタ3と、キャパシタ3の充放電を制御するコンバータ4と、エンジン1と機械的に接続された発電電動機5と、発電電動機5を駆動する発電インバータ6と、発電電動機5およびキャパシタ3から供給される電力によって力行する走行電動機7、7bと、走行電動機7、7bをそれぞれ駆動する走行インバータ8、8bと、メインコントローラ100とを備えている。
また、ハイブリッド式ホイールローダは、エンジン1および発電電動機5と機械的に接続されたメインポンプ9と、メインポンプ9へ作動油を供給するオイルタンク10と、メインポンプ9が吐出した作動油を分配するコントロールバルブ11と、コントロールバルブ11が分配した作動油により伸縮するステアシリンダ12とリフトシリンダ13とバケットシリンダ14とを備えている。
ここで、コンバータ4と発電インバータ6と走行インバータ8、8bとは同一の電力線に接続されており、相互に電力を供給可能である。また、コンバータ4は電力線に取り付けられた図示しない平滑コンデンサの電圧を監視しており、平滑コンデンサの電圧を一定に保つようにキャパシタ3を充放電する。
メインコントローラ100には、アクセルペダル101、ブレーキペダル102(ブレーキ操作手段)、前後進スイッチ103(前後進切替手段)、走行電動機7の電圧センサ104、及び走行電動機7の電流センサ105からの各信号線が接続されていて、それぞれ、アクセル信号、ブレーキ信号、前後進スイッチ信号、走行電動機7の電圧信号、走行電動機7の電流信号をメインコントローラ100へ送る。
メインポンプ9は可変容量型のポンプであり、図示しない傾転角制御弁によって傾転角を調整することで、容量を変えることができ、同一回転数に対する吐出流量を制御できる。
図1では、電動機7、7bおよび走行インバータ8、8bをそれぞれ2つずつ備える構成を示しているが、本発明はこれに限らず、電動機、走行インバータをそれぞれ1つずつ、または、4つずつ備える構成であってもよく、個数に関して限定はしない。以下、説明の簡略化のため、電動機7および走行インバータ8を1つずつ備える構成について説明を行う。
ハイブリッド式ホイールローダの走行加速時において、走行インバータ8は走行電動機7を力行駆動し、走行電動機7が発生した力行トルクは、プロペラシャフト15f、15r、ディファレンシャルギア16f、16r、ドライブシャフト17a、17b、17c、17dを介してタイヤ18a、18b、18c、18dへと伝えられ、車両を加速させる。
一方、ハイブリッド式ホイールローダの走行制動時において、走行インバータ8は走行電動機7を発電機として駆動し、走行電動機7が発生した回生トルクは、力行トルクと同様にタイヤ18a、18b、18c、18dへと伝えられ、車両を減速させる。走行電動機7で発生した回生電力は、通常、キャパシタ3へと充電される。また、本実施の形態にかかるハイブリッド式ホイールローダは、図示しない油圧ブレーキ制御弁および油圧ブレーキを備え、必要に応じて油圧ブレーキによって車両を減速させることもできる。
図2は本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態を適用するホイールローダの側面図である。図2において、オペレータは運転室19に搭乗し、図1に示したアクセルペダル101、ブレーキペダル102、前後進スイッチ103を操作することで、タイヤ18a、18b、18c、18dを駆動して車両を走行させることができる。また、オペレータは、図示しないステアリングホイールを操作することで、ステアシリンダ12を伸縮させて車両の屈折角を調節し、車両を旋回させることができる。また、図示しないリフトレバー、バケットレバーなどを操作することで、リフトシリンダ13、バケットシリンダ14を伸縮させて、バケット20の高さと傾きを制御し、掘削および荷役作業を行うことができる。
本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態は、前後進スイッチ103からの前後進スイッチ信号と走行電動機7の回転数からモジュレート中であることを判定し、モジュレート後の走行加速に備えて、走行加速を行う前から予め発電電動機5の発電電力を増加し(予備発電)、発電負荷をかけることでエンジン出力パワーを増加し始める。以下、そのような動作を行うためのコントローラ100について図3乃至図5を用いて説明する。図3は本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態を構成するメインコントローラの制御ブロック図、図4は図3のメインコントローラを構成する油圧要求演算部で用いられるポンプ要求流量マップの一例を示す特性図、図5は図3のメインコントローラを構成する走行要求演算部で用いられるアクセル要求トルクマップの一例を示す特性図である。図3乃至図5において、図1乃至図3に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。
図3において、メインコントローラ100は、蓄電管理部110と、油圧要求演算部120と、走行要求演算部130と、パワー管理部140と、エンジン制御部150と、発電電動機制御部160と、傾転角制御部170と、走行電動機・ブレーキ制御部180とを備えている。
蓄電管理部110では、コンバータ4からキャパシタ3の蓄電電圧を、前後進スイッチ103から前後進スイッチ信号を、インバータ8から電動機回転数として走行電動機7の回転数をそれぞれ受信し、充放電要求パワーを演算する。蓄電管理部110で行う演算の詳細は後述する。
油圧要求演算部120では、リフトレバーおよびバケットレバーからレバー信号を、油圧ポンプ9とコントロールバルブ11の間に取り付けられた図示しない圧力センサからポンプ圧力をそれぞれ受信し、油圧要求パワーを演算する。なお、ここでは説明の簡略化のため、ステアリングホイールの操作およびステアシリンダ12の動作を演算に含めないものとして説明する。
まず、レバー信号からポンプ要求流量マップを用いてポンプ要求流量を演算する。ポンプ要求流量マップの一例を図4に示す。ここで、ポンプ要求流量マップは、レバー信号にポンプ要求流量が略比例するように設定している。次にポンプ要求流量qPmpReqと、ポンプ圧PrsPmpとから以下の演算式数1を用いて油圧要求パワーPwrPmpReqを演算する。ただし、ここでは説明の簡略化のため、油圧ポンプ9の効率は演算式数1に含めておらず、以下の演算式も同様に効率を省略して説明する。
Figure 0005855487
走行要求演算部130では、前後進スイッチ103から前後進スイッチ信号を、アクセルペダル101からアクセル信号を、ブレーキペダル102からブレーキ信号を、インバータ8から電動機回転数として走行電動機7の回転数を、電圧センサ104から走行電動機7の電圧を、電流センサ105から走行電動機7の電流をそれぞれ受信し、走行要求トルク、走行要求パワーを演算する(走行パワー取得手段)。
まず、前後進スイッチ信号、アクセル信号、電動機回転数から予め設定したアクセル要求トルクマップを用いてアクセル要求トルクを演算する。アクセル要求トルクマップの一例を図5に示す。ここで、アクセル要求トルクマップは、走行電動機7の最大トルクカーブを基に、アクセル要求トルクが、アクセル信号に比例し、電動機回転数が正の区間では、電動機回転数に反比例するように設定している。ただし、図5のアクセル要求トルクマップは、前後進スイッチ信号が前進方向を示すときのマップであり、前後進スイッチ信号が後進方向を示す場合は左右を反転させたマップを使用する。次にアクセル要求トルクTrqAccと、前後進スイッチ信号VFNRと、電動機回転数NMtrと、ブレーキ信号VBrkとから、演算式数2を用いて走行要求トルクTrqDrvReqを演算する。
Figure 0005855487
ただし、signは符号関数で、引数が正の場合は1を、負の場合は−1を、0の場合は0を返す。また、前後進スイッチ信号VFNRは、前後進スイッチが前進方向の場合は1、後進方向の場合は−1、中立の場合は0とする。また、KBrkは比例定数であり、ブレーキペダルの操作によって過不足のない減速が得られるように設定する。
そして、走行要求トルクTrqDrvReqと、電動機回転数NMtrとから、演算式数3を用いて走行要求パワーPwrDrvReqを演算する。
Figure 0005855487
ここでは、走行要求トルクと電動機回転数とから走行要求パワーを演算したが、例えば、走行電動機7の回転数とトルク推定値またはトルク指令値から走行要求パワーを演算してもよい。また、図3に示すように、走行電動機7の電流、電圧を走行要求演算部130に取り込み、走行要求演算部130で走行要求パワーを演算してもよい。
パワー管理部140では、蓄電管理部110から充放電要求パワーを、油圧要求演算部120から油圧要求パワーを、走行要求演算部130から走行要求パワーを、発電電動機制御部160から発電パワー推定値をそれぞれ受信し、走行パワー指令、発電パワー指令、油圧パワー指令、エンジンパワー指令を演算する。
まず、走行要求パワーPwrDrvReqと、充電要求パワーPwrCapReqとから、演算式数4を用いて発電パワー指令PwrGenRefを演算する。
Figure 0005855487
次に、発電パワー指令PwrGenRefと、油圧要求パワーPwrPmpReqとから演算式数5を用いてエンジンパワー指令PwrEngRefを演算する。
Figure 0005855487
走行要求パワーPwrDrvReqと、充電要求パワーPwrCapReqと、発電パワー推定値PwrGenとから演算式数6を用いて走行パワー指令PwrDrvRefを演算する。
Figure 0005855487
油圧要求パワーPwrPmpReqと、発電パワー指令PwrGenRefとから演算式数7を用いて油圧パワー指令PwrPmpRefを演算する。
Figure 0005855487
ただし、PwrEngMaxはエンジン最大パワーである。
エンジン制御部150では、パワー管理部140から受信したエンジンパワー指令を基に、図示しないエンジン等燃費マップを用いて最もエンジン効率が高くなる動作点を演算し、その動作点でのエンジン回転数をエンジン回転数指令とする。
発電電動機制御部160では、エンジンコントローラ2からエンジン回転数を受信し、エンジン回転数NEngと、発電パワー指令PwrGenRefと、エンジン回転数指令NEngRefとから、演算式数8を用いて発電電動機トルク指令TrqGenRefを演算し、発電インバータ6へ送信する。
Figure 0005855487
ただし、KEngはエンジン回転数の偏差に対する比例ゲインである。
次にエンジン回転数NEngと、発電電動機トルク指令TrqGenRefとから、演算式数9を用いて発電パワー推定値PwrGenを演算する。
Figure 0005855487
傾転角制御部170では、エンジン回転数NEngと、油圧パワー指令PwrPmpRefと、ポンプ圧力PrsPmpとから、演算式数10を用いて傾転角制御信号VDpRefを演算し、傾転角制御弁を駆動する。
Figure 0005855487
ただし、KDpは比例定数である。
走行電動機・ブレーキ制御部180では、走行パワー指令PwrDrvRefと、走行要求パワーPwrDrvReqと、走行要求トルクTrqDrvReqとから、演算式数11を用いて走行電動機トルク指令TrqMtrtを演算し、走行インバータ8へ送信する。
Figure 0005855487
ただし、RDはディファレンシャルギア16の減速比である。また、走行要求パワーPwrDrvReq=0のときは走行電動機トルク指令TrqMtrRef=0とする。
次に、電動機回転数NMtrと、走行要求トルクTrqDrvReqと、走行トルク指令TrqMtrRefとから、演算式数12を用いてブレーキ制御信号VBrkRefを演算し、油圧ブレーキ制御弁を駆動する。
Figure 0005855487
ただし、KBrkは比例定数である。
次に、蓄電管理部110の詳細を図6乃至図10を用いて説明する。図6は図3のメインコントローラを構成する蓄電管理部の構成を示す制御ブロック図、図7は図6の蓄電管理部を構成するモジュレート判定部の演算方法の一例を示す表図、図8は図6の蓄電管理部を構成する第1充電要求パワー演算部で用いられるマップの一例を示す特性図、図9は図6の蓄電管理部を構成する第2充電要求パワー演算部で行う演算のフローを示すフローチャート図、図10は本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態における通常発電処理及び予備発電処理を説明するための特性図である。図6乃至図10において、図1乃至図5に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。
図6において、蓄電管理部110は、モジュレート判定部111(モジュレート判定手段)と、第1充電要求パワー演算部112と、第2充電要求パワー演算部113と、合計充電要求パワー演算部114とを備えている。
モジュレート判定部111では、前後進スイッチ信号と電動機回転数とを基に、モジュレートON信号を演算する。モジュレートON信号の演算方法の一例を図7に示す。電動機回転数の絶対値がモジュレート速度閾値以上または前回判定が真(モジュレート中である)、かつ、電動機回転数の極性(方向)と前後進スイッチ信号の方向とが異なる場合に、真(モジュレート中である)と判定する。ここで、モジュレート速度閾値は、車両のクリープ速度(例えば1km/h)に相当する電動機回転数に設定する。
第1充電要求パワー演算部112では、蓄電電圧を基に第1充電要求パワーを演算する。蓄電電圧から第1充電要求パワーを演算するマップの一例を図8に示す。図中のVcmin、Vcmaxはそれぞれキャパシタ3の最低電圧、最高電圧であり、通常動作時は、キャパシタ3の電圧がこれらの間に収まるように制御する。そのため、蓄電電圧が低くなるほど第1充電要求パワーを正側(充電側)に大きくし、蓄電電圧が高くなるほど第1充電要求パワーを負側(放電側)に大きくする。
第2充電要求パワー演算部113では、蓄電電圧と、モジュレートON判定と、電動機回転数とを基に第2充電要求パワーを演算する。第2充電要求パワー演算部113で行う演算の詳細は後述する。
合計充電要求パワー演算部114では、第1充電要求パワーPwrCapReq1と、第2充電要求パワーPwrCapReq2とから、演算式数13を用いて充電要求パワーPwrCapReqを演算する。
Figure 0005855487
このように第1充電要求パワーの符号を優先することによって、過充電、過放電を確実に防止することができる。また、単純に第1充電要求パワーと第2充電要求パワーを足し合わせても良いが、その場合は、充電要求パワーに上下限のリミットを設けることが望ましい。
次に、第2充電要求パワー演算部113で行う演算の詳細を図9と図10を用いて説明する。
第2充電要求パワー演算部113で行う演算のフローチャートを図9に示す。まず、ステップS1131では、モジュレート中か否かを判断する。モジュレートON信号が真であればステップS1132へ、モジュレートON信号が偽であればステップS1133へ進む。
ステップS1132では、予備発電開始速度を演算し、ステップS1134へ進む。ここで、予備発電とは、前述したようにモジュレート後の走行加速に備えて、走行加速を行う前から予め発電電動機5の発電電力を増加することであり、発電負荷の増加のためにエンジン1の出力パワーを増加させている。
予備発電開始速度は、蓄電電圧を基に演算する。予備発電を開始すると、発電電動機5の発電電力はキャパシタ3を充電する。このため、蓄電電圧がキャパシタ3の最高電圧に達すると予備発電は継続できなくなる。したがって、蓄電電圧が低ければ、キャパシタ3の充電可能容量が大きいため、予備発電開始速度の絶対値は大きくなり、予備発電の開始は早まる。一方、蓄電電圧が高ければ、キャパシタ3の充電可能容量が小さいため、予備発電開始速度の絶対値は小さくなり、予備発電の開始は遅くなる。
ステップS1134では、車体速度と予備発電開始速度との大小を判断する。実際の車体速度の絶対値が、予備発電開始速度以下であればステップS1135へ、実際の車体速度の絶対値が、予備発電開始速度よりも大きければステップS1136へ進む。
ステップS1135では、予備発電中フラグを真とし、予備発電処理を行い、ステップS1136では予備発電中フラグを偽とし、通常発電処理を行う。予備発電処理および通常発電処理の第2充電要求パワーの演算方法については後述する。
一方、ステップS1133では、予備発電中か否かを判断する。予備発電中フラグが真であればステップS1137へ、予備発電中フラグが偽であればステップS1136へ進む。
ステップS1137では、予備発電終了処理を行う。予備発電終了処理では第2充電要求パワーを徐々に0へ減少させ、第2充電要求パワーが0になったときに予備発電中フラグを偽とする。
次に、通常発電処理および予備発電処理について図10を用いて説明する。なお、図10のマップは、前後進スイッチ信号が前進方向を示すときのマップであり、前後進スイッチ信号が後進方向を示す場合は、左右を反転させたマップを使用する。
図10において、横軸は車体速度、縦軸は第2充電要求パワーを示す。図中の太い実線は、通常発電処理で演算される第2充電要求パワーを示し、点線(a),(b)は予備発電処理で演算される第2充電要求パワーを示している。
車体速度が負の領域にある場合において、非モジュレート時は、エンジン1に積極的に負荷をかける必要がないため、第2充電要求パワーを0とする通常発電処理が行われる。
一方、車体速度が負の領域にある場合において、モジュレート時は、走行加速に向けてエンジン出力パワーを徐々に増加させる予備発電処理が行われる。ここで、予備発電処理における第2充電要求パワーは、車体速度が予備発電開始速度Va,Vbよりも小さくなるにつれて(図中の右側に移動する)増加させる。また、モジュレートから走行加速に遷移した後は、予備発電終了処理により、第2充電要求パワーを0へ減少させる。
予備発電を開始すると、発電電動機5の発電電力はキャパシタ3を充電する。このため、蓄電電圧がキャパシタ3の最高電圧に達すると予備発電は継続できなくなる。したがって、蓄電電圧が高ければ、キャパシタ3の充電可能容量が小さいため、予備発電開始速度を小さくし、予備発電の開始を遅らせている。図10の点線(b),予備発電開始速度Vbと点線(a),予備発電開始速度Vaとの相違は、蓄電電圧によるものであって、点線(a)が所定の蓄電圧の場合を、点線(b)が所定の蓄電圧以上の場合の特性をそれぞれ示している。
また、車体速度が正の領域にある場合において、通常発電処理、予備発電処理に関わらず、車体速度が大きいほど第2充電要求パワーを負側(放電側)に大きくし、走行回生および予備発電による充電に備えている。
次に、上述した本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態の動作を図11を用いて説明する。図11は本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態の動作を説明するための特性図を示し、図11(a)は本実施の形態を適用しない場合の特性図、図11(b)は本実施の形態を適用した場合の特性図である。
図11(a),(b)において、横軸は時間を示していて、縦軸の(1)〜(3)は上から順に車体速度V、エンジン1及び走行電動機7のパワーPe,Pm、キャパシタ3のパワーPc、を示している。また、図の点線は、エンジン1のパワーPeを示している。
図11(a)はモジュレート時も予備発電を行わない(本実施の形態を適用しない)場合の例である。説明を簡略化するため、エンジン1にかかる負荷は発電電動機5の負荷トルクのみとし、車体の減速は走行電動機7のみで行うものとする。
時刻T1までは車体速度が負で、車体が後退している状態を示す。このとき、走行電動機7は走行抵抗に見合ったパワーを出し続け(図中の2段目の実線)、エンジン1は、走行電動機7へパワーを供給するために、走行電動機7と略同等のパワーPeを出力する(図中の2段目の点線)。この場合、エンジン1から走行電動機7へ供給されるパワーPeに過不足がないため、キャパシタ3のパワーPcは0となる。
時刻T1でオペレータが、前後進スイッチを切り替えてモジュレートを開始すると、車両が一定の減速度で減速し、走行電動機7のパワーPmは負(回生側)となり、走行電動機7が回生したパワーPmはキャパシタ3へと充電される。このとき、エンジン1は、走行電動機7へとパワーを供給する必要がないため、アイドル状態となってパワーPeを出力しない。なお、言うまでもないが、走行電動機7の回生するパワーPmは走行電動機7のトルクと回転数の積に略比例するため、走行電動機7の回生パワーPmは車体速度と共に徐々に減少する。
時刻T2で車体速度が正となり、前進方向へ加速するため、走行電動機7は車体を加速させるためのパワーを必要とする。このとき、エンジン1は、走行電動機7へパワーを供給するために出力パワーPeを増加させるが、エンジン出力パワーPeの増加が遅れるため、キャパシタ3の放電により不足するパワーをアシストする。ここで、キャパシタ3の蓄電電圧が低い場合は、十分なアシストを行うことができず、結果として走行加速が遅れる恐れがある。また、アシストするパワーPcが大きいほどキャパシタ3の劣化が早く進む恐れがある。
図11(b)は本実施の形態を適用した場合の例である。時刻T1’までの動作は図11(a)と同様である。
本実施の形態を適用したハイブリッド式ホイールローダでは、時刻T1’で、車体速度の絶対値が予備発電開始速度以下になり予備発電を開始する。そのため、予備発電による発電負荷がエンジン1にかかり、エンジン出力パワーPeが徐々に増加する。また、予備発電によって得たパワーPeと、走行電動機7の回生するパワーPmとがキャパシタ3へ充電される。
時刻T2で車体速度が正となり、前進方向へ加速するとき、予備発電によってエンジン出力パワーPeが既に増加しているため、キャパシタ3からアシストするパワーPcが本実施の形態を適用しない場合よりも小さい。そのため、本実施の形態を適用したハイブリッド式ホイールローダでは、キャパシタ3からアシストするパワーPcを小さくし、トルコン車同等以上の加速を得ることができる。
上述した本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態によれば、電動駆動式作業車両のモジュレート時に、発電電動機5の発電量を大きくして、予めエンジン出力パワーPeを増加するので、電動駆動式作業車両におけるモジュレート後の走行加速において、キャパシタ3からアシストするパワーPcを小さくし、トルコン車と同等以上の加速を得ることができる。その結果、電動駆動式作業車両の前後進切替え動作が速やかになり、土砂などの掘削、積込み、及び運搬の作業性を向上させることができる。
また、上述した本発明の電動駆動式作業車両の第1の実施の形態によれば、モジュレート時に、キャパシタ3の蓄電電圧が最高電圧以下であって、かつ、車体速度の絶対値が0よりも大きな予備発電開始速度以下である場合に、車体速度の絶対値が0に近付くほど、発電電動機5の発電量を大きくする予備発電を行うので、モジュレート後の走行加速において、キャパシタ3からアシストするパワーPcを小さくし、トルコン車と同等以上の加速を得ることができる。
以下、本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態を図面を用いて説明する。図12は本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態を構成するメインコントローラの制御ブロック図、図13は図12のメインコントローラを構成する蓄電管理部の構成を示す制御ブロック図、図14は図13の蓄電管理部を構成する第2充電要求パワー演算部で行う演算のフローを示すフローチャート図、図15は本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態における通常発電処理B及び予備発電処理Bを説明するための特性図である。図12乃至図15において、図1乃至図11に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。
本発明の建設機械の第2の実施の形態は、メインコントローラ100がメインコントローラ100bに変更された点を除いて、大略第1の実施の形態と同様の電動・油圧機器で構成されている。
図12において、メインコントローラ100bは、第1の実施の形態のメインコントローラ110の蓄電管理部110が蓄電管理部110bに変わっている。また、蓄電管理部110bには、走行要求演算部130からの走行要求パワーが入力信号に追加され、前後進スイッチ信号に替えて、ブレーキ信号が入力されている。
蓄電管理部110bの構成を図13に示す。蓄電管理部110bは、第1の実施の形態の蓄電管理部110のモジュレート判定部111と第2充電要求パワー演算部113とが、それぞれブレーキ判定部111bと第2充電要求パワー演算部113bとに変更されている。
ブレーキ判定部111bでは、ブレーキ信号を基に、ブレーキON信号を演算する(ブレーキ判定手段)。ブレーキ信号が所定の閾値以上、例えばフルブレーキの10%以上である場合に、ブレーキON中であると判定してブレーキON信号を真とし、それ以外の場合に、ブレーキON中でないと判定してブレーキON信号を偽とする。
第2充電要求パワー演算部113bでは、蓄電電圧と、ブレーキON判定と、電動機回転数と、走行要求パワーとを基に第2充電要求パワーを演算する。
次に、第2充電要求パワー演算部113bで行う演算の詳細を図14と図15を用いて説明する。
第2充電要求パワー演算部113bで行う演算のフローチャートを図14に示す。第1の実施の形態のステップS1131、S1135、S1136が、それぞれ、ステップS1131b、S1135b、S1136bに変わっており、S1134bが追加されている。
まず、ステップS1131bでは、ブレーキONか否かを判断する。ブレーキON信号が真であればステップS1133へ、ブレーキON信号が偽であればステップS1132へ進む。
ステップS1132では、予備発電開始速度を演算し、ステップS1134へ進む。
ステップS1134では、車体速度と予備発電開始速度との大小を判断する。実際の車体速度の絶対値が、予備発電開始速度以下であればステップS1134bへ、実際の車体速度の絶対値が、予備発電開始速度よりも大きければステップS1136bへ進む。
ステップS1134bでは、走行要求パワーと設定した予備発電開始走行パワーとの大小を判断する。走行要求パワーが予備発電開始走行パワー以下であれば、ステップS1135bへ、走行要求パワーが予備発電開始走行パワーよりも大きければ、ステップS1136bへ進む。なお、予備発電開始走行パワーは、平坦路においてフルアクセルで定速走行中の走行パワー以下に設定する。走行パワーは速度に応じて変化するため、ハイブリッド式ホイールローダにおいてトルコン車の変速段を疑似的に再現する場合は、変速段に応じて予備発電開始走行パワーを変えてもよい。
ステップS1135bでは、予備発電中フラグを真とし、予備発電処理を行い、ステップS1136bでは予備発電中フラグを偽とし、通常発電処理を行う。予備発電処理および通常発電処理の第2充電要求パワーの演算方法については後述する。
一方、ステップS1133では、予備発電中か否かを判断する。予備発電中フラグが真であればステップS1137へ、予備発電中フラグが偽であればステップS1136bへ進む。
ステップS1137では、予備発電終了処理を行う。予備発電終了処理では第2充電要求パワーを徐々に0へ減少させ、第2充電要求パワーが0になったときに予備発電中フラグを偽とする。
次に、通常発電処理Bおよび予備発電処理Bについて図15を用いて説明する。
図15において、横軸は車走行要求パワー、縦軸は第2充電要求パワーを示す。図中の太い実線は、通常発電処理Bで演算される第2充電要求パワーを示し、点線(a),(b)は予備発電処理Bで演算される第2充電要求パワーを示している。
車体速度が負の領域にある場合において、ブレーキONである場合は、オペレータに車両を停止させる意図があると判断し、第2充電要求パワーを0とする通常発電処理Bが行われる。
一方、非ブレーキONであって、走行要求パワーが予備発電開始走行パワー以下である場合は、オペレータが走行加速を行う可能性があると判断し、走行加速に向けてエンジン出力パワーを徐々に増加させる予備発電処理Bが行われる。ここで、予備発電処理Bにおける第2充電要求パワーは、走行要求パワーが低くなるほど増加させる。
また、通常発電処理B、予備発電処理Bに関わらず、走行要求パワーが予備発電開始走行パワーより大きいほど第2充電要求パワーを負側(放電側)に大きくし、走行回生および予備発電による充電に備えている。
車体速度の絶対値が大きい場合、モジュレートを開始してから走行加速に遷移するまでの時間(予備発電処理Bの時間)が長くなる。一方、予備発電は、発電電動機5の発電電力でキャパシタ3を充電するので、予備発電処理Bの時間内にキャパシタ3の最高電圧に達すると予備発電は継続できなくなる。このため、車体速度の絶対値が大きいほど第2充電要求パワーを小さくして、不要な発電を防止している。図15の点線(b)と点線(a)との相違は、車体速度の絶対値によるものであって、点線(a)が所定の車体速度の絶対値の場合を、点線(b)が所定の車体速度の絶対値圧以上の場合の特性をそれぞれ示している。
モジュレート開始時の車体速度が低い場合、モジュレート開始から走行加速までの時間が非常に短く、モジュレートを判定してから予備発電を行ってもエンジン1の出力パワーの増加が間に合わない恐れがある。しかし、第2の実施の形態におけるハイブリッド式ホイールローダでは、以上のように、走行要求パワーの低下(車体速度の平衡状態)からモジュレート開始を予測し、モジュレート開始前から予備発電を行うことで、エンジン1の出力パワーの遅れを回避することができる。
次に、上述した本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態の動作を図16を用いて説明する。図16は本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態の動作を説明するための特性図を示し、図16(a)は第1の実施の形態を適用した場合の特性図、図16(b)は本実施の形態を適用した場合の特性図である。
図16(a),(b)において、横軸は時間を示していて、縦軸の(1)〜(3)は上から順に車体速度V、エンジン1及び走行電動機7のパワーPe,Pm、キャパシタ3のパワーPc、を示している。また、図の点線は、エンジン1のパワーPeを示している。
図16(a)は第1の実施の形態を適用した(本実施の形態を適用しない)場合の例である。説明を簡略化するため、エンジン1にかかる負荷は発電電動機5の負荷トルクのみとする。
時刻T1までは車体速度が負で、車体が後退方向に加速している状態を示す。このとき、走行電動機7は走行加速に見合ったパワーPm(図中の2段目の実線)を出力し、一定のピーク値に到達後、車体加速の減少に伴い、パワーPmをピーク値から減少させている。このとき、エンジン1は走行電動機7へパワーを供給するために、パワーPe(図中の2段目の点線)を立ち上げるが、走行電動機7のパワーPmの立ち上がりに対して遅れている。そして、エンジン出力パワーPeの遅れにより不足するパワーをキャパシタ3からの放電によるパワーPcでアシストしている(図中の3段目の実線)。キャパシタ3からのパワーPcは、立ち上がりのときの走行電動機7のパワーPmの立ち上がりに対するエンジン出力パワーPeの不足分が最大のときに、ピーク値となり、エンジン出力パワーPeが走行電動機7のパワーPmに追いついたときに0となる。
時刻T1でオペレータが、前後進スイッチを切り替えてモジュレートを開始すると、車両が減速し始め、走行電動機7のパワーPmが負(回生側)に切り替わり、走行電動機7が回生したパワーPmはキャパシタ3へと充電される。このとき、車体速度の絶対値が予備発電開始速度以下であったとすると、モジュレート開始直後に予備発電が開始され、予備発電による発電負荷がエンジン1にかかり、エンジン出力パワーPe(図中の2段目の点線)が徐々に増加する。
しかしながら、時刻T1で車体速度の絶対値が比較的小さい場合は、モジュレートから走行加速へと切り替わるまでの時間(時刻T1から時刻T2までの時間)が短いので、車両が前進方向へ加速するときに、エンジン出力パワーPeが十分に増加していない場合がある。この場合、車両の前進方向への加速時に、後退方向の場合と同じように走行電動機7のパワーPmの立ち上がりに対するエンジン出力パワーPeの不足分が大きく生ずるので、キャパシタ3からアシストするパワーPcは大きくなってしまう。
図16(b)は本実施の形態を適用した場合の例である。時刻T0までの動作は図16(a)と同様である。時刻T0は、走行電動機7のパワーPmが予備発電開始走行パワー以下となる時刻である。
本実施の形態を適用したハイブリッド式ホイールローダでは、時刻T0で、走行電動機7のパワーが予備発電開始パワー以下になり予備発電を開始する。そのため、予備発電による発電負荷がエンジン1にかかり、エンジン出力パワーPeが徐々に増加する。予備発電によって得たパワーPeは、キャパシタ3へ充電される。
時刻T1でオペレータが、前後進スイッチを切り替えてモジュレートを開始すると、車両が減速し始め、走行電動機7のパワーPmが負(回生側)に切り替わり、走行電動機7が回生したパワーPmはキャパシタ3へと充電される。このときもエンジン出力パワーPeは、徐々に増加している。
時刻T2で車体速度が正となり、車両を前進方向へ加速するときも、予備発電によってエンジン出力パワーPeが既に増加しているため、走行電動機7のパワーPmの立ち上がりに対するエンジン出力パワーPeの不足分が小さくなる。このことにより、キャパシタ3からアシストするパワーPcを、本実施の形態を適用しない場合(第1の実施の形態の場合)よりも小さくすることができる。そのため、本実施の形態を適用したハイブリッド式ホイールローダでは、キャパシタ3からアシストするパワーPcを小さくし、トルコン車同等以上の加速を得ることができる。
上述した本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態によれば、上述した第1の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
また、本発明の電動駆動式作業車両の第2の実施の形態によれば、走行要求パワーの低下(車体速度の平衡状態)からモジュレート開始を予測し、モジュレート開始前から予備発電を行うので、モジュレート開始時の車体速度が低い場合、モジュレート開始から走行加速までの時間が非常に短い場合であっても、確実にエンジン1の出力パワーPeを増加させることができる。この結果、モジュレート後の走行加速において、キャパシタ3からアシストするパワーPcを小さくし、トルコン車と同等以上の加速を得ることができる。
なお、本実施の形態においては、蓄電装置としてキャパシタ3を適用した例を用いて説明したが、これに限るものではない。蓄電装置としてバッテリ等を適用しても良い。
1 エンジン
2 エンジンコントローラ
3 キャパシタ(蓄電装置)
4 コンバータ
5 発電電動機
6 発電インバータ
7 走行電動機
8 走行インバータ
9 メインポンプ
100 メインコントローラ
100b メインコントローラ
102 ブレーキペダル
103 前後進スイッチ
104 電圧センサ
105 電流センサ
110 蓄電管理部
111 モジュレート判定部(モジュレート判定手段)
111b ブレーキ判定部(ブレーキ判定手段)
113 第2充電要求パワー演算部(充電要求パワー演算手段)
113b 第2充電要求パワー演算部(第2充電要求パワー演算手段)

Claims (5)

  1. エンジンと、前記エンジンと機械的に接続した発電電動機と、前記発電電動機の発電量を制御する発電インバータと、車体を駆動する走行電動機と、前記発電インバータと前記走行電動機と電気的に接続した蓄電装置と、前記車体の進行方向を切り替える前後進切替え手段とを有する電動駆動式作業車両において、
    前記蓄電装置の電圧信号を検出する電圧検出手段と、
    前記走行電動機の速度信号を検出する速度検出手段と、
    前記電圧検出手段で検出した前記蓄電装置の電圧信号と、前記速度検出手段で検出した速度信号とを取込み、前記蓄電装置の電圧信号が最高電圧値以下であり、前記前後進切替え手段による切替えにより、前記走行電動機の速度信号の絶対値が0よりも大きく、かつ予め設定した設定速度以下であるときに、前記発電電動機の発電量を増加する指令を前記発電インバータへ出力する制御手段とを備え
    前記制御手段は、前記走行電動機の走行要求パワーを演算する走行パワー演算手段と、前記前後進切替え手段による指示方向と前記走行電動機の速度信号の方向が異なっているときは、モジュレート動作中であると判定し、前記前後進切替え手段による指示方向と前記走行電動機の速度信号の方向が同じときは、モジュレート非動作であると判定するモジュレート判定手段とを備え、
    前記モジュレート判定手段によるモジュレート動作の判定の前段階であって、前記走行パワー演算手段により演算した前記走行電動機の前記走行要求パワーが予め設定したパワー以下であるときに前記発電電動機の発電量を増加する指令を前記発電インバータへ出力する
    ことを特徴とする電動駆動式作業車両。
  2. 請求項1記載の電動駆動式作業車両において、
    前記制御手段は、前記蓄電装置の電圧が最高電圧値以下であり、前記走行電動機の速度信号の絶対値が0よりも大きく、かつ予め設定した設定速度以下であるときに、前記走行電動機の速度信号の絶対値が0に漸次減少するほど、前記発電電動機の発電量を増大する指令を前記発電インバータへ出力する
    ことを特徴とする電動駆動式作業車両。
  3. 請求項または2に記載の電動駆動式作業車両において、
    前記制御手段は、前記モジュレート判定手段からのモジュレート判定信号を取込み、前記走行電動機の速度信号の絶対値が0よりも大きく、かつ予め設定した設定速度以下であるときに、モジュレート動作中は、モジュレート非動作の時よりも前記発電インバータへ出力する前記発電電動機の発電量の指令を増大する充電要求パワー演算手段とを備えた
    ことを特徴とする電動駆動式作業車両。
  4. 請求項1または2に記載の電動駆動式作業車両において、
    前記車体を減速するブレーキ操作手段と、
    前記走行電動機の電圧信号を検出する第2電圧検出手段と、
    前記走行電動機の電流信号を検出する電流検出手段とを備え、
    前記制御手段は、前記第2電圧検出手段で検出した前記走行電動機の電圧信号と、前記電流検出手段で検出した前記走行電動機の電流信号とを取込み、前記走行電動機の走行要求パワーを演算する走行パワー取得手段と、
    前記ブレーキ操作手段からのブレーキ信号を基にブレーキON信号又はブレーキOFF信号を演算するブレーキ判定手段とを有し、
    前記ブレーキ判定手段からのブレーキ判定信号を取込み、前記走行パワー取得手段からの走行要求パワーが予め設定した設定パワー以下であるときに、ブレーキOFFのときは、ブレーキONのときよりも前記発電インバータへ出力する前記発電電動機の発電量の指令を増大する第2充電要求パワー演算手段とを備えた
    ことを特徴とする電動駆動式作業車両。
  5. 請求項乃至4のいずれか1項に記載の電動駆動式作業車両において、
    前記制御手段は、前記電圧検出手段が検出した前記蓄電装置の電圧信号が高ければ高いほど、前記0よりも大きく、かつ予め設定した設定速度の値を小さくする
    ことを特徴とする電動駆動式作業車両。
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