JP6909694B2 - 作業車両の電力回生システム - Google Patents

Description

本発明は、作業車両の電力回生システムに関する。

本発明の背景技術として、例えば特許文献１には、「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接続され、かつ駆動モータの回転数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、アクセル量に応じて速度指令信号をインバータに出力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、エンジンよりも大きい最大出力を有し、コントローラは、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を有する」ことが記載されている（要約参照）。

特開２０００−２９９９０１号公報

特許文献１では、電気回路の高電圧直流ラインにバッテリ（例えばリチウムイオン電池、鉛蓄電池など）を搭載する構成であるため、多くのバッテリを直列に接続しなければならない。すなわち、特許文献１は、バッテリ数が増えるため、ダンプトラックの重量が嵩み、その結果、燃費が悪化するという課題がある。

そのため、作業車両の電力回生システムにおいて、高圧直流ラインにバッテリ等の蓄電装置を設けることなく、回生電力を有効利用できる技術が待望されていた。

上記課題を解決するために、代表的な本発明は、作業車両の電力回生システムであって、エンジンで駆動する第１発電機および第２発電機と、前記第１発電機にて発電され、前記作業車両の駆動輪に接続された走行モータに電力を供給するための第１電気回路と、前記第２発電機にて発電され、前記作業車両の補機に電力を供給するための第２電気回路と、高圧側が前記第１電気回路と接続され、低圧側が前記第２電気回路と接続されると共に、前記第１電気回路から前記第２電気回路に電力を供給する降圧装置と、前記作業車両の走行モードが通常の走行状態である力行モードまたは回生電力を得る走行状態である回生モードの何れであるかを判定して、前記降圧装置の駆動を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記作業車両の走行モードが前記回生モードである場合に、前記回生電力を前記第１電気回路から前記降圧装置を介して前記第２電気回路に供給するよう前記降圧装置の駆動を制御して、前記補機を前記回生電力で駆動させるようにし、前記第１電気回路は、前記第１発電機と接続される第１整流回路と、入力側が前記第１整流回路に接続され、出力側が前記走行モータに接続される第１電力変換装置と、前記第１電力変換装置の入力側に接続される抵抗器およびチョッパと、前記第１電気回路内の電圧を検出する第１電圧検出器と、から構成され、前記第２電気回路は、少なくとも、前記第２発電機と接続される第２整流回路と、入力側が前記第２整流回路に接続され、出力側が前記作業車両の補機に接続される第２電力変換装置と、前記第２電気回路内の電圧を検出する第２電圧検出器と、を含んで構成され、前記コントローラは、前記走行モードが前記力行モードであって前記第１電圧検出器にて検出される第１電圧値が第１閾値より大きい場合、または前記走行モードが前記回生モードであって前記第１電圧値が第２閾値より大きい場合に、前記降圧装置を駆動して、前記第１電気回路から前記第２電気回路に電力を供給する一方、前記第１電圧値が前記第１閾値より大きい場合以外、または前記第１電圧値が前記第２閾値より大きい場合以外では、前記降圧装置を駆動せず、前記第１電気回路から前記第２電気回路に電力を供給しないことを特徴とする。

本発明によれば、作業車両の電力回生システムにおいて、高圧直流ラインにバッテリ等の蓄電装置を設けることなく、回生電力を有効利用することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

作業車両の代表例であるダンプトラックの側面図である。 ダンプトラックの電力回生システムの構成図である。 ＤＣ−ＤＣコンバータの構成図である。 コントローラによる各機器の制御を示すブロック線図である。 走行判定部の機能を説明するためのブロック線図である。 コントローラによるＤＣ−ＤＣコンバータの制御手順を示すフローチャートである。 ダンプトラックの走行状態と各機器の動作のタイミングを示すタイムチャートである。 エンジン回転数とエンジン出力との関係を示す特性図である。 走行判定部の機能を説明するためのブロック線図である。 本発明の第２実施形態に係る電力回生システムの構成図である。 ダンプトラックの走行状態と各機器の動作のタイミングを示すタイムチャートである。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

「第１実施形態」
以下、本発明に係る作業車両の電力回生システムの第１実施形態について説明する。本発明の第１実施形態に係る電力回生システムは、作業車両の代表例であるダンプトラックに適用した例である。

（ダンプトラック１００の外観）
図１は作業車両の代表例であるダンプトラックの側面図である。図１に示すダンプトラック１００は、特に鉱山向けに用いられるもので、フレーム１上に土砂等を積載するためのボディ５が搭載され、フレーム１とボディ５とはホイストシリンダ６により連結されている。またフレーム１には、図示しない機構部品を介して前輪２、後輪３、燃料タンク９などが取り付けられている。後輪３の回転軸部には、後輪３を駆動するための走行モータ１０と、後輪３の回転数を調整する減速機が収められている。

フレーム１にはさらに、オペレータが歩行可能なデッキＤが取り付けられている。デッキＤにはダンプトラック１００の操作を行うためにオペレータが搭乗するためのキャブ４、各種電力機器が収納されたコントロールキャビネット８、余剰エネルギを熱として放散するための複数のグリッドボックス７が搭載されている。また図１で前輪２により隠れた部分には、エンジン１１、主に後輪３を駆動するための走行モータ１０Ｌ、１０Ｒ用の電力源としての第１発電機１２、主にグリッドボックス７内を冷却するためのファン３６に機械的に接続されたファンモータ（補機モータ）３５用の電力源としての第２発電機３１、主に油圧機器用の油圧源としての不図示のメインポンプなどが搭載されている。

（ダンプトラック１００の操作方法）
キャブ４内には不図示のアクセルペダル、ブレーキペダル、ホイストペダル、およびハンドルが設置されている。オペレータはキャブ４内のアクセルペダルまたはブレーキペダルを操作して、ダンプトラック１００の加速力または制動力を制御することができる。さらにオペレータはハンドルを左右に回転させることによりダンプトラック１００の操舵操作を行い、ホイストペダルを踏み込むことによりボディ５をホイストシリンダ６により起立させてダンプ操作を行う。なお、操舵操作、ダンプ操作を行うための油圧システムについては公知であるため、詳述しない。

（ダンプトラック１００の電力回生システムの構成）
図２はダンプトラックの電力回生システムの構成図である。図２に示すように、ダンプトラック１００の電力回生システムは、エンジン１１で駆動する第１発電機１２および第２発電機３１と、第１電気回路Ｃ１と、第２電気回路Ｃ２と、降圧装置としてのＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、コントローラ５１と、を備える。

第１電気回路Ｃ１は、第１発電機１２にて発電された電力を、ダンプトラック１００の後輪（駆動輪）３Ｌ、３Ｒに接続された走行モータ１０Ｌ、１０Ｒに供給する。第２電気回路Ｃ２は、第２発電機３１にて発電された電力を、ダンプトラック１００のファン（補機）３６に接続されたファンモータ（補機モータ）３５に供給する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、高圧側が第１電気回路Ｃ１と接続され、低圧側が第２電気回路Ｃ２と接続される。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、第１電気回路Ｃ１から第２電気回路Ｃ２に電力を供給する。コントローラ５１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の駆動を制御する。詳しくは後述するが、コントローラ５１は、ダンプトラック１００の走行モードが通常の走行状態である力行モードまたは回生電力を得る走行状態である回生モードの何れであるかを判定して、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の駆動を制御している。

第１電気回路Ｃ１において、第１発電機１２の三相交流出力は、ダイオードブリッジである第１整流回路１４を介して走行モータ用インバータ（第１電力変換装置）１３Ｌ、１３Ｒに入力されており、走行モータ用インバータ１３Ｌ、１３Ｒの出力はそれぞれ走行モータ１０Ｌ、１０Ｒに電気的に接続されている。なお、第１整流回路１４としてダイオードブリッジの代わりに、例えば三相インバータのような双方向電力変換装置を用いても良い。

また、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの軸は減速機Ｇ１、Ｇ２を介してそれぞれ後輪３Ｌ、３Ｒと機械的に接続されており、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのトルクが減速機Ｇ１、Ｇ２を介して後輪３Ｌ、３Ｒに伝達される。

第１整流回路１４の出力側であって、走行モータ用インバータ１３Ｌ、１３Ｒの直流入力部である高圧直流ライン１８には、グリッドボックス抵抗（抵抗器）１６およびチョッパ１５が接続されている。ここで、第１電気回路Ｃ１には、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒで回生した電力を蓄えるための蓄電装置が接続されていない。そのため、本実施形態では、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにて回生された回生電力は、蓄電装置に蓄えられることなく、チョッパ１５が作動してグリッドボックス７内のグリッドボックス抵抗１６を介して大気に放電される。また、第１電圧検出器１７により高圧直流ライン１８の第１電圧値が検出され、コントローラ５１に出力される。

一方、第２電気回路Ｃ２において、第２発電機３１の三相交流出力は、ダイオードブリッジである第２整流回路３２を介して、ファンモータ用インバータ（第２電力変換装置）３４に接続しており、ファンモータ用インバータ３４の出力は複数のファンモータ３５に接続されている。また、ファンモータ３５の出力軸はファン３６に接続されている。また、第２電圧検出器３７により補機直流ライン３８の第２電圧値が検出され、コントローラ５１に出力される。ここで、第１実施形態では、補機直流ライン３８の電力の安定のためにバッテリ３３を設けているが、必ずしもバッテリ３３を設ける必要はない。なお、第１実施形態では、補機直流ライン３８に接続される電気部品として、ファンモータ用インバータ３４のみを図示しているが、例えばエアコン用インバータや第１発電機の励磁用電源など直流電圧を電力変換する電力変換装置を補機直流ライン３８に接続しても良い。

コントローラ５１は、図２に示すようにＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵによる処理を実行するための各種プログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）やＨＤＤ（Hard Disc Drive）などの記憶装置と、ＣＰＵがプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）と、を含むハードウェアを用いて構成されている。

コントローラ５１には、第１電圧検出器１７で検出された第１電気回路Ｃ１の電圧値Ｖ_ＨＶと、図示しない第１電流検出器で検出された第１電気回路Ｃ１の電流と、トルクセンサＴ１、Ｔ２で検出された走行モータ１０Ｌ、１０ＲのトルクＴと、回転数センサＲ１、Ｒ２で検出された走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数ωと、速度センサＳ１、Ｓ２で検出されたダンプトラック１００の車両速度Ｖと、第２電圧検出器３７で検出された第２電気回路Ｃ２の電圧値Ｖ_ＬＶと、図示しない第２電流検出器で検出された第２電気回路Ｃ２の電流とが入力される。

コントローラ５１は、入力された第１電気回路Ｃ１内の電流および電圧、第２電気回路Ｃ２内の電流および電圧、走行モータ１０Ｌ、１０ＲのトルクＴ、ダンプトラック１００の車両速度Ｖに基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧である補機直流ライン３８の電圧を制御するための制御信号をＤＣ−ＤＣコンバータ２１に出力する。

また、コントローラ５１は、ダンプトラック１００の状態やオペレータの操作入力をもとにエンジン１１や走行モータ用インバータ１３Ｌ、１３Ｒ、チョッパ１５、ファンモータ用インバータ３４の各半導体スイッチ（不図示）に適宜オン−オフ信号を出力して、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒ、グリッドボックス抵抗１６、ファンモータ３５を適切なタイミングで駆動させることにより、第１電気回路Ｃ１および第２電気回路Ｃ２の電力の流れを制御している。

エンジン１１により第１発電機１２が駆動されると、発生した三相交流電圧は、第１整流回路１４によって直流電圧に変換され、走行モータ用インバータ１３Ｌ、１３Ｒに入力される。この状態でオペレータがアクセルペダルを踏み込むと、コントローラ５１から走行モータ用インバータ１３Ｌ、１３Ｒに加速のための制御信号が入力され、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒに電力が供給される。この電力により、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒは減速機Ｇ１、Ｇ２を介して後輪３Ｌ、３Ｒを駆動させて、ダンプトラック１００を前進あるいは後進させる。

一方、オペレータがブレーキペダルを踏んだ時や、降坂における制動動作時には、コントローラ５１から走行モータ用インバータ１３Ｌ、１３Ｒに減速のための制御信号が入力され、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒはダンプトラック１００の運動エネルギを電気エネルギに変換する。すなわち走行モータ１０Ｌ、１０Ｒは発電機としての動作を行う。

この時発生した電力（回生電力）は走行モータ用インバータ１３Ｌ、１３Ｒの高圧直流ライン１８に直流電圧として蓄えられるが、安全に蓄えられる電力には限界があるため、放電機能が必要となる。そこで直流電圧が規定値を超えた場合には、コントローラ５１が高圧直流ライン１８に接続されたチョッパ１５を動作させる。これにより、第１発電機１２から走行モータ１０Ｌ、１０Ｒへ向かう電気エネルギの流れを、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒからグリッドボックス抵抗１６へ向かうように切り替え、グリッドボックス抵抗１６に直流電圧を印加することで、電気エネルギを熱として消費することを可能にしている。

グリッドボックス抵抗１６の熱は通常は周囲の大気により自然空冷されている。しかし、発熱エネルギの大きい場合はグリッドボックス抵抗１６の温度が上昇し、高温による損傷を引き起こす可能性がある。このため、コントローラ５１は、ファン３６を駆動させ、強制空冷によりグリッドボックス抵抗１６の冷却を行っている。

一方、エンジン１１により第２発電機３１が駆動されると、発生した三相交流電圧は、第２整流回路３２によって直流電圧に変換され、ファンモータ用インバータ３４に入力される。グリッドボックス抵抗１６の冷却が必要な場合は、コントローラ５１からファンモータ用インバータ３４にファンモータ３５を駆動するための制御信号が入力され、ファン３６が回転する。ファン３６の回転により発生した風によって、グリッドボックス抵抗１６が冷却される。

次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の構成について説明する。図３はＤＣ−ＤＣコンバータ２１の構成図である。図３に示すように、高圧直流ライン１８はＤＣ−ＤＣコンバータ２１の高圧側の入力端子４１Ａ、４１Ｂに接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の入力端子４１Ａ、４１Ｂは、例えば絶縁型電圧型フルブリッジなどの回路で構成される直流電圧を矩形波などの交流信号に変換する電圧型インバータ４３に接続している。電圧型インバータ４３は、例えばセンタータップ型などの絶縁機能を持つトランス４４の一次巻線に接続され、トランス４４の巻数比に応じて電圧型インバータ４３で生成された交流信号を変圧し、トランス４４の二次巻線に出力する。トランス４４の二次巻線は、例えばダイオードとチョークコイルで構成される整流回路４５に接続され、トランス４４の二次巻線に出力された交流信号は、整流回路４５により直流電圧に変換されて、低圧側の出力端子４２Ａ、４２Ｂに出力される。出力端子４２Ａ、４２Ｂは補機直流ライン３８に接続され、補機直流ライン３８に直流電力を供給する。

なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の回路構成は、高電圧である高圧直流ライン１８の電圧を低電圧である補機直流ライン３８の電圧に変換する回路構成であれば良い。また、図３は、ＤＣ−ＤＣコンバータを１つのみ用いているが、複数のＤＣ−ＤＣコンバータを多並列、多直列接続しても良い。ちなみに、本実施形態では、高圧側である入力端子４１Ａ、４１Ｂの電圧が約１８００〜２０００Ｖ、低圧側である出力端子４２Ａ、４２Ｂの電圧が約３２０Ｖ〜３５０Ｖである。このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、高圧側から低圧側へと電圧を降圧する降圧手段として機能する。

このように、コントローラ５１は、ダンプトラック１００の制動動作時において、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒを発電機として動作させて運動エネルギを電気エネルギに変換し、電気エネルギをグリッドボックス抵抗１６により熱エネルギに変換することで、制動力を得ている。また、発生した熱をファン３６により強制空冷し、大気中に放出することにより、安定的な制動力を確保している。

なお、図示していないが、ダンプトラック１００はリターダのほかに機械式のブレーキシステムを有しており、状況に応じて電気による減速（リターダブレーキ）と機械式のブレーキシステムを使い分けて車体の速度を低下させることも可能である。

（コントローラ５１による制御）
次に、コントローラ５１によるＤＣ−ＤＣコンバータ２１を含めた各機器の制御について説明する。図４はコントローラ５１による各機器の制御を示すブロック線図、図５は図４に示す走行判定部６１の機能を説明するためのブロック線図である。図４に示すように、コントローラ５１は、チョッパ駆動指令、ＤＣ／ＤＣ Ｄｕｔｙ^＊指令、第２発電機トルク指令を出力して、各機器を制御している。以下、具体的に説明する。

（チョッパ駆動指令の出力）
図５に示すように、走行判定部６１には、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのトルクを検出するトルクセンサＴ１、Ｔ２から出力されるトルクＴと、ダンプトラック１００の車両速度を検出する速度センサＳ１、Ｓ２から出力される車両速度Ｖに基づいて、ダンプトラック１００の走行モードを判定する。走行判定部６１は、車両速度Ｖが正でありかつトルクＴが正、または車両速度Ｖが負でありかつトルクＴが負の場合は力行モードと判定し、走行判定部６１は力行モードＡを出力する。車両速度Ｖが正でありかつトルクＴが負、または車両速度Ｖが負でありかつトルクＴが正の場合は回生モードと判定し、走行判定部６１は回生モードＢを出力する。車両速度Ｖがゼロの場合、ダンプトラック１００が停止している、もしくは坂道でダンプトラック１００の走行モータ１０Ｌ、１０ＲがトルクＴのみを発生している状態であるため、走行判定部６１は０を出力する。

このように、走行判定部６１は、走行モータ１０Ｌ、１０ＲのトルクＴとダンプトラック１００の車両速度Ｖとにより、ダンプトラック１００の現在の走行モードが通常の走行状態である力行モードであるか、それとも回生電力を得る走行状態である回生モードであるかを判定している。

図４に示すように、走行判定部６１に接続される抵抗器駆動判定部７１は、高圧直流ライン１８の電圧を検出する第１電圧検出器１７に接続される。抵抗器駆動判定部７１は、チョッパ１５の駆動用に予め定められた第４閾電圧値（第４閾値）Ｖ_Ｍ１を保持している。走行判定部６１の出力が回生モードＢでありかつ、第１電圧検出器１７の電圧値（第１電圧値）Ｖ_ＨＶがＶ_Ｍ１より大きい場合（Ｖ_ＨＶ＞Ｖ_Ｍ１）、抵抗器駆動判定部７１は１を出力する。

走行判定部６１の出力が力行モードＡもしくは０の場合または第１電圧検出器１７の電圧値Ｖ_ＨＶがＶ_Ｍ１以下の場合（Ｖ_ＨＶ≦Ｖ_Ｍ１）、抵抗器駆動判定部７１は０を出力する。抵抗器駆動判定部７１の出力が１の場合、コントローラ５１はチョッパ駆動指令を出力し、チョッパ１５を起動する。これにより、回生電力がグリッドボックス抵抗１６を介して消費される。一方、抵抗器駆動判定部７１の出力が０の場合、コントローラ５１はチョッパ停止指令を出力し、チョッパ１５を停止する。

（ＤＣ／ＤＣ Ｄｕｔｙ^＊指令の出力）
切替部７４は、走行判定部６１に接続され、走行判定部６１からの走行判定結果（Ａ、Ｂ、０）と、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのトルク指令値Ｔ^＊と、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数ωが入力される。切替部７４は、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのトルク指令値Ｔ^＊と検出した回転数ωから、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒに必要な電力Ｐ（＝Ｔ×ω）が演算され、必要な電力Ｐおよび走行判定部６１からの情報を出力する。

第１閾判定部７２は、切替部７４に接続され、走行判定部６１の出力がＡで力行モードの場合、予め保持している力行モード時の走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのトルク−回転数テーブルから、高圧直流ライン１８に必要な第１閾電圧指令値（第１閾値）Ｖ_Ａ ^＊を出力する。

第２閾判定部７３は、切替部７４に接続され、走行判定部６１の出力がＢで回生モードの場合、予め保持している回生モード時の走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのトルク−回転数テーブルから、高圧直流ライン１８に必要な第２閾電圧指令値（第２閾値）Ｖ_Ｂ ^＊を出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は、第１閾判定部７２および第２閾判定部７３に接続され、それぞれ算出された第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊および第２閾電圧指令値Ｖ_Ｂ ^＊と、高圧直流ライン１８の第１電圧検出器１７の出力である電圧値Ｖ_ＨＶが入力される。高圧直流ライン１８の第１電圧検出器１７の電圧値Ｖ_ＨＶがＶ_Ａ ^＊またはＶ_Ｂ ^＊より大きい（Ｖ_ＨＶ＞Ｖ_Ａ ^＊またはＶ_Ｂ ^＊）場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は１を出力する。一方、高圧直流ライン１８の第１電圧検出器１７の電圧値Ｖ_ＨＶがＶ_Ａ ^＊またはＶ_Ｂ ^＊以下（Ｖ_ＨＶ≦Ｖ_Ａ ^＊またはＶ_Ｂ ^＊）の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は０を出力する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は、予め最大電圧値Ｖ_Ｍ２を保持しており、高圧直流ライン１８の第１電圧検出器１７の電圧値Ｖ_ＨＶがＶ_Ｍ２以上（Ｖ_ＨＶ≧Ｖ_Ｍ２）の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は０を出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧制御部９１は、減算器８２と、ＰＩ制御部８３と、リミッタ８４とを備えている。補機直流ライン３８の第２電圧検出器３７の出力である電圧値（第２電圧値）Ｖ_ＬＶと補機直流ライン３８の電圧指令値Ｖ_ＬＶ ^＊が減算器８２に入力される。減算器８２は、電圧指令値Ｖ_ＬＶ ^＊と第２電圧検出器３７の電圧値Ｖ_ＬＶとの減算を行い、ＰＩ制御部８３に電圧偏差ΔＶ_ＬＶを出力する。ＰＩ制御部８３は、電圧偏差ΔＶ_ＬＶが０となるＤｕｔｙ値をリミッタ８４に出力する。リミッタ８４は、ＰＩ制御部８３から出力されたＤｕｔｙ^＊値に制限をかける機能を有している。

ＰＩ制御部８３から出力されたＤｕｔｙ^＊値が最大リミッタ値Ｄｕｔｙ＿ｍａｘ以上の場合（Ｄｕｔｙ^＊≧Ｄｕｔｙ＿ｍａｘ）、リミッタ８４はＤＣ−ＤＣコンバータ制御部８７にＤｕｔｙ＿ｍａｘを出力する。また、ＰＩ制御部８３から出力されたＤｕｔｙ値が最小リミッタ値Ｄｕｔｙ＿ｍｉｎ以下の場合（Ｄｕｔｙ^＊≦Ｄｕｔｙ＿ｍｉｎ）、リミッタ８４はＤＣ−ＤＣコンバータ制御部８７にＤｕｔｙ＿ｍｉｎを出力する。ＰＩ制御部８３から出力されたＤｕｔｙ^＊値がリミッタ８４の制限値内の場合（Ｄｕｔｙ＿ｍｉｎ＜Ｄｕｔｙ^＊＜Ｄｕｔｙ＿ｍａｘ）リミッタ８４はＤＣ−ＤＣコンバータ制御部８７にＰＩ制御部８３から出力されたＤｕｔｙ^＊値を出力する。

また、補機直流ライン３８の第２電圧検出器３７の出力である電圧値（第２電圧値）Ｖ_ＬＶは第３閾判定部８１に入力される。第３閾判定部８１は、予め補機直流ライン３８の最大電圧値（第３閾値）Ｖ_Ｃを保持している。第３閾判定部８１は、補機直流ライン３８の最大電圧値Ｖ_Ｃと補機直流ライン３８の第２電圧検出器３７の電圧値Ｖ_ＬＶと比較し、電圧値Ｖ_ＬＶが補機直流ライン３８の最大電圧値Ｖ_Ｃ以上の場合（Ｖ_ＬＶ≧Ｖ_Ｃ）、第３閾判定部８１は０を出力し、電圧値Ｖ_ＬＶが補機直流ライン３８の最大電圧値Ｖ_Ｃより小さい場合（Ｖ_ＬＶ＜Ｖ_Ｃ）、第３閾判定部８１は１を出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ制御部８７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５の出力と、リミッタ８４の出力と、第３閾判定部８１の出力が入力される。ＤＣ−ＤＣコンバータ制御部８７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５の出力が０もしくは第３閾判定部８１の出力が０のどちらか一方を満たす場合、０を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の駆動停止を行う。ＤＣ−ＤＣコンバータ制御部８７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５の出力が１かつ第３閾判定部８１の出力が１の場合、リミッタ８４の出力値（すなわちＤｕｔｙ^＊値）を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１を駆動する。

（第２発電機トルク指令の出力）
第２発電機トルク制御部９２は、減算器８２と、ＰＩ制御部８５と、リミッタ８６を備えている。補機直流ライン３８の第２電圧検出器３７の出力である電圧値Ｖ_ＬＶと補機直流ライン３８の電圧指令値Ｖ_ＬＶ ^＊が減算器８２に入力される。減算器８２は、電圧指令値Ｖ_ＬＶ ^＊と電圧値Ｖ_ＬＶとの減算を行い、ＰＩ制御部８５に電圧偏差ΔＶ_ＬＶを出力する。

ＰＩ制御部８５は、電圧偏差ΔＶ_ＬＶが０となるトルク指令値Ｔ_２ ^＊をリミッタ８６に出力する。リミッタ８６は、ＰＩ制御部８５から出力されたトルク指令値Ｔ_２ ^＊に制限をかける機能を有している。ＰＩ制御部８５から出力されたトルク指令値Ｔ_２ ^＊が最大リミッタ値Ｔ＿ｍａｘ以上の場合（Ｔ_２ ^＊≧Ｔ＿ｍａｘ）、リミッタ８６はＴ＿ｍａｘを出力する。また、ＰＩ制御部８５から出力されたトルク指令値Ｔ_２ ^＊が最小リミッタ値Ｔ＿ｍｉｎ以下の場合（Ｔ_２ ^＊≦Ｔ＿ｍｉｎ）、リミッタ８６はＴ＿ｍｉｎを出力する。ＰＩ制御部８５から出力されたトルク指令値Ｔ_２ ^＊がリミッタ８６の制限値内の場合（Ｔ＿ｍｉｎ＜Ｔ_２ ^＊＜Ｔ＿ｍａｘ）、リミッタ８６はＰＩ制御部８５から出力されたトルク指令値Ｔ_２ ^＊を出力する。リミッタ８６から出力されたトルク指令値Ｔ_２ ^＊に従い、第２発電機３１は、エンジン１１により発電を行う。

次に、コントローラ５１の制御フローについて説明する。図６はコントローラ５１によるＤＣ−ＤＣコンバータ２１の制御手順を示すフローチャートである。図７に示すように、コントローラ５１は、補機直流ライン３８の電圧値Ｖ_ＬＶが補機直流ライン３８の最大電圧値（第３閾電圧）Ｖ_Ｃより小さいかを判定する（Ｓ１）。Ｖ_ＬＶがＶ_Ｃより小さい場合（Ｓ１／ＹＥＳ）、コントローラ５１は、走行モータ１０Ｌ、１０ＲのトルクＴおよびダンプトラック１００の車両速度Ｖからダンプトラック１００の走行モードが力行モードと回生モードの何れであるかを判定し、高圧直流ライン１８の電圧閾値（第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊、第２閾電圧指令値Ｖ_Ｂ ^＊）を算出する（Ｓ２）。

走行モードが回生モードである場合（Ｓ３／ＹＥＳ）、コントローラ５１は、高圧直流ライン１８の電圧値Ｖ_ＨＶが第２閾電圧指令値Ｖ_Ｂ ^＊より大きいか判定する（Ｓ４）。大きい場合（Ｓ４／ＹＥＳ）、コントローラ５１は回生モードにおいてＤｕｔｙ^＊値に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２１を駆動する（Ｓ５）。一方、走行モードが力行モードである場合（Ｓ６／ＹＥＳ）、コントローラ５１は、高圧直流ライン１８の電圧値Ｖ_ＨＶが第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊より大きいか判定する（Ｓ７）。大きい場合（Ｓ７／ＹＥＳ）、コントローラ５１は力行モードにおいてＤｕｔｙ^＊値に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２１を駆動する（Ｓ８）。なお、Ｓ４でＮＯの場合、Ｓ６でＮＯの場合、およびＳ７でＮＯの場合には、コントローラ５１はＤＣ−ＤＣコンバータ２１を駆動しない（停止する）。

（ダンプトラック１００の走行状態と各機器の動作）
次に、ダンプトラック１００の走行状態に応じた各機器の動作について説明する。図７はダンプトラック１００の走行状態と各機器の動作のタイミングを示すタイムチャートである。

＜時刻ｔ０〜ｔ１＞
ダンプトラック１００が走行を開始すると、走行モータ用インバータ１３Ｌ、１３Ｒが駆動し、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒを駆動するため第１発電機１２により電力が発電され、高圧直流ライン１８の電圧が上昇する。

＜時刻ｔ１〜ｔ２＞
ダンプトラック１００の走行中に、第１発電機１２が走行モータ１０Ｌ、１０Ｒを駆動する電力以上を発電した際に、走行モータを駆動するのに必要な電圧指令値以上に高圧直流ライン１８の電圧が上昇する。このとき、ダンプトラックは力行モードでありかつ高圧直流ラインの検出電圧が第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊より大きいため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１が駆動する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、第１発電機１２で発電した余剰電力を補機直流ライン３８に供給している。このとき、第２発電機３１の出力は低下する。

＜時刻ｔ２〜ｔ３＞
高圧直流ライン１８の検出電圧が第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊と等しく、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は動作を停止している。

＜時刻ｔ３〜ｔ４＞
ダンプトラック１００が減速し始めると、ダンプトラック１００は回生モードとなる。高圧直流ライン１８の電圧が、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのトルク指令値Ｔ^＊および回転数ωより算出される第２閾電圧指令値Ｖ_Ｂ ^＊を超えると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１が駆動する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒからの回生電力を補機直流ライン３８に供給している。このとき、第２発電機３１の出力は低下する。

＜時刻ｔ４〜ｔ５＞
走行モータ１０Ｌ、１０Ｒからの回生電力により、高圧直流ライン１８の電圧が最大電圧値Ｖ_Ｍ１に達すると、チョッパ１５が駆動し、高圧直流ライン１８の電圧が最大電圧値Ｖ_Ｍ１を超えないように制御される。

（効果）
以上、説明したように、第１実施形態によれば、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが回生モードである場合、高圧直流ライン１８にバッテリを使用することなく、リターダ時（リターダブレーキによる制動時）に発生する電力をグリッドボックス抵抗１６にて消費することが可能である。そして、高圧直流ライン１８にバッテリを搭載する必要がないため、ダンプトラック１００の軽量化を図ることができる。

また、リターダ時に発生する電力の大きさ、出力変動の速さにかかわらず回生電力を消費することが可能であり、かつ、リターダの電力の一部をＤＣ−ＤＣコンバータ２１を介して補機直流ライン３８に供給することにより、回生電力を補機直流ライン３８で消費することが可能となる。

さらに、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが力行モードである場合、エンジン１１と第１発電機１２から発生するエネルギの一部をＤＣ−ＤＣコンバータ２１を介して補機直流ライン３８に供給することが可能となり、力行時の余剰電力による高圧直流ライン１８の電圧上昇を抑制することが可能となる。これにより第２発電機３１、ひいてはエンジン１１の出力を下げることができ、ダンプトラック１００の燃費改善およびダンプトラック１００の安全性向上に寄与する。

また、第１実施形態では、第１電気回路Ｃ１にバッテリを搭載していないため、ダンプトラック１００の走行モードが力行モードと回生モードとに切り替わること毎に、直ちに（バッテリへの蓄電完了を待たずに）、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１を駆動して余剰電力を第１電気回路Ｃ１から第２電気回路Ｃ２に供給することができるため、従来技術と比べてエネルギの有効利用がより一層図れる。すなわち、走行モードに応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２１の動作を切り替えることで、回生電力を直ちに補機類へ供給して消費できる。

また、第１実施形態では、走行判定部６１がダンプトラック１００の走行モードを判定する構成としているため、コントローラ５１がエンジン効率を考慮しながらエンジン回転数を制御することができる。図８に示すエンジン回転数とエンジン出力の特性図を参照して説明すると、点Ｐ１より点Ｐ２の方がエンジン効率が高いため、コントローラ５１はエンジン回転数をＮ１からＮ２に僅かに上げるよう制御することで、エンジン効率を高めて燃費向上を図ることができる。なお、この効果は、本発明に係る電力回生システムを作業車両であるホイールローダに適用する場合に、より顕著である。何故なら、ホイールローダは、いわゆるＶ字掘削といわれる動作を繰り返すからである。

なお、第１実施形態においてはＤＣ−ＤＣコンバータ２１から電力を供給する先をファンモータ３５としたが、図示しない走行モータ１０Ｌ、１０Ｒや第１発電機１２に冷却のために空気を送る走行モータ用ブロワや第１発電機用ブロワ、あるいは第１発電機１２の励磁用電源としても良い。

（走行判定部６１のその他の例）
第１実施形態において、図５に示す走行判定部６１の代わりに、図９に示す走行判定部６２を適用することができる。図９は走行判定部６２の機能を説明するためのブロック線図である。図９に示すように、走行判定部６２は、ある時間Ｔ１に検出するダンプトラック１００の車両速度Ｖを検出する速度センサＳ１、Ｓ２から出力される前回サンプリング時の車両速度Ｖ_−１と、ある時間Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）に検出するダンプトラック１００の車両速度Ｖとに基づいて、ダンプトラック１００の走行モードを判定する。

走行判定部６２は、車両速度Ｖと前回サンプリング時の車両速度Ｖ_−１との差分である車両速度偏差ΔＶ（＝Ｖ−Ｖ_−１）が正の場合は力行モードと判定し、力行モードＡを出力する。走行判定部６２は、車両速度Ｖと前回サンプリング時の車両速度Ｖ_−１との差分である車両速度偏差ΔＶ（＝Ｖ−Ｖ_−１）が負の場合は回生モードと判定し、回生モードＢを出力する。車両速度偏差ΔＶ（＝Ｖ−Ｖ_−１）がゼロの場合、ダンプトラックが停止しているため、走行判定部６２は零を出力する。このように、走行判定部６２の構成であっても、ダンプトラック１００の走行モードを判定することができる。ただし、登坂時の減速を回生モードと判定しないように車体の傾斜を検知する図示しない傾斜角センサを併用する。なお、走行判定部６２は走行判定部６１に代えて用いて良いし、走行判定部６１と共に用いても良い。

「第２実施形態」
図１０は本発明の第２実施形態に係る電力回生システムの構成図である。第１実施形態と主に異なる点は、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５における力行モードでの第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊の設定方法にある。

図１０に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ最小駆動設定部８８には、補機直流ライン３８の電圧値Ｖ_ＬＶが入力される。ＤＣ−ＤＣコンバータ最小駆動設定部８８は、入力された補機直流ライン３８の電圧値Ｖ_ＬＶに基づいて、補機直流ライン３８の電圧値Ｖ_ＬＶをＤＣ−ＤＣコンバータ２１で出力できる高圧直流ライン１８の第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊を算出する。算出方法は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１のトランス巻数比をＮ、最大Ｄｕｔｙ比をＤｕｔｙ＿ｍａｘとすると、式（１）で示される。

Ｖ_Ａ＊ ＝ Ｖ_ＬＶ×Ｎ ／ Ｄｕｔｙ＿ｍａｘ 式（１）

この式（１）に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ最小駆動設定部８８は、算出された高圧直流ライン１８の第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊をＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５に出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は、第２閾判定部７３およびＤＣ−ＤＣコンバータ最小駆動設定部８８に接続され、それぞれ算出された第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊および第２閾電圧指令値Ｖ_Ｂ ^＊と、高圧直流ラインの第１電圧検出器１７の出力である電圧値Ｖ_ＨＶが入力される。

高圧直流ライン１８の第１電圧検出器１７の電圧値Ｖ_ＨＶが第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊または第２閾電圧指令値Ｖ_Ｂ ^＊より大きい（Ｖ_ＨＶ＞Ｖ_Ａ ^＊またはＶ_Ｂ ^＊）場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は１を出力し、高圧直流ライン１８の第１電圧検出器１７の電圧値Ｖ_ＨＶがＶ_Ａ ^＊またはＶ_Ｂ ^＊以下（Ｖ_ＨＶ≦Ｖ_Ａ ^＊またはＶ_Ｂ ^＊）の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は０を出力する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は、予め最大電圧値Ｖ_Ｍ２を保持しており、高圧直流ライン１８の第１電圧検出器１７の電圧値Ｖ_ＨＶがＶ_Ｍ２以上（Ｖ_ＨＶ≧Ｖ_Ｍ２）の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動判定部７５は０を出力する。

（ダンプトラック１００の走行状態と各機器の動作）
次に、ダンプトラック１００の走行状態に応じた各機器の動作について説明する。図１１はダンプトラック１００の走行状態と各機器の動作のタイミングを示すタイムチャートである。

＜時刻ｔ６〜ｔ７＞
ダンプトラック１００が走行を開始すると、走行モータ用インバータ１３Ｌ、１３Ｒを駆動し、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒを駆動するため第１発電機１２により電力は発電され、高圧直流ライン１８の電圧が上昇する。

＜時刻ｔ７〜ｔ８＞
ダンプトラック１００の走行中に、ダンプトラック１００は力行モードでありかつ高圧直流ライン１８の検出電圧が第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊以上であるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１が駆動する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、第１発電機１２にて発電した余剰電力を補機直流ライン３８に供給している。このとき、第２発電機３１の出力は低下する。

＜時刻ｔ８〜ｔ９＞
高圧直流ライン１８の検出電圧が第１閾電圧指令値Ｖ_Ａ ^＊と等しく、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は駆動しない。ダンプトラック１００が減速し始めると、ダンプトラック１００は回生モードとなる。高圧直流ライン１８の電圧が、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのトルク指令値Ｔ^＊および回転数ωより算出される第２閾電圧指令値Ｖ_Ｂ ^＊を超えると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１が駆動する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒからの回生電力を補機直流ライン３８に供給している。このとき、第２発電機３１の出力は低下する。

＜時刻ｔ９〜ｔ１０＞
走行モータ１０Ｌ、１０Ｒからの回生電力により、高圧直流ラインの電圧が最大電圧値Ｖ_Ｍ１に達すると、チョッパ１５が駆動し、高圧直流ラインの電圧が最大電圧値Ｖ_Ｍ１を超えないように制御される。

（効果）
以上説明したように、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。例えば、本発明は、ダンプトラックのほかに、上述したようにホイールローダやフォークリフト等の様々な作業車両に適用できる。

１０Ｌ、１０Ｒ 走行モータ
１１ エンジン
１２ 第１発電機
１３Ｌ，１３Ｒ 走行モータ用インバータ（第１電力変換装置）
１４ 第１整流回路
１６ グリッドボックス抵抗（抵抗器）
１７ 第１電圧検出器
１８ 高圧直流ライン
２１ ＤＣ−ＤＣコンバータ（降圧装置）
３１ 第２発電機
３２ 第２整流回路
３４ ファンモータ用インバータ（第２電力変換装置）
３５ ファンモータ（補機）
３６ ファン
３７ 第２電圧検出器
３８ 補機直流ライン
１００ ダンプトラック
Ｃ１ 第１電気回路
Ｃ２ 第２電気回路
Ｖ_ＨＶ 第１電圧値
Ｖ_ＬＶ 第２電圧値
Ｖ_Ａ ^＊ 第１閾電圧指令値（第１閾値）
Ｖ_Ｂ ^＊ 第２閾電圧指令値（第２閾値）
Ｖ_Ｃ 最大電圧値（第３閾値）
Ｖ_Ｍ１ 第４閾電圧値（第４閾値）

Claims (5)

1. 作業車両の電力回生システムであって、
   エンジンで駆動する第１発電機および第２発電機と、
   前記第１発電機にて発電され、前記作業車両の駆動輪に接続された走行モータに電力を供給するための第１電気回路と、
   前記第２発電機にて発電され、前記作業車両の補機に電力を供給するための第２電気回路と、
   高圧側が前記第１電気回路と接続され、低圧側が前記第２電気回路と接続されると共に、前記第１電気回路から前記第２電気回路に電力を供給する降圧装置と、
   前記作業車両の走行モードが通常の走行状態である力行モードまたは回生電力を得る走行状態である回生モードの何れであるかを判定して、前記降圧装置の駆動を制御するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、
   前記作業車両の走行モードが前記回生モードである場合に、前記回生電力を前記第１電気回路から前記降圧装置を介して前記第２電気回路に供給するよう前記降圧装置の駆動を制御して、前記補機を前記回生電力で駆動させるようにし、
   前記第１電気回路は、前記第１発電機と接続される第１整流回路と、入力側が前記第１整流回路に接続され、出力側が前記走行モータに接続される第１電力変換装置と、前記第１電力変換装置の入力側に接続される抵抗器およびチョッパと、前記第１電気回路内の電圧を検出する第１電圧検出器と、から構成され、
   前記第２電気回路は、少なくとも、前記第２発電機と接続される第２整流回路と、入力側が前記第２整流回路に接続され、出力側が前記作業車両の補機に接続される第２電力変換装置と、前記第２電気回路内の電圧を検出する第２電圧検出器と、を含んで構成され、
   前記コントローラは、前記走行モードが前記力行モードであって前記第１電圧検出器にて検出される第１電圧値が第１閾値より大きい場合、または前記走行モードが前記回生モードであって前記第１電圧値が第２閾値より大きい場合に、前記降圧装置を駆動して、前記第１電気回路から前記第２電気回路に電力を供給する一方、前記第１電圧値が前記第１閾値より大きい場合以外、または前記第１電圧値が前記第２閾値より大きい場合以外では、前記降圧装置を駆動せず、前記第１電気回路から前記第２電気回路に電力を供給しないことを特徴とする作業車両の電力回生システム。
2. 請求項１に記載の作業車両の電力回生システムであって、
   前記第１閾値および前記第２閾値は、それぞれ前記走行モータのトルクと回転数との関係に基づいて定められた値であることを特徴とする作業車両の電力回生システム。
3. 請求項１に記載の作業車両の電力回生システムであって、
   前記コントローラは、前記走行モードが前記回生モードであって、前記第１電圧値が第４閾値より大きい場合に、前記抵抗器を駆動して電気エネルギを消費することを特徴とする作業車両の電力回生システム。
4. 請求項１に記載の作業車両の電力回生システムであって、
   前記コントローラは、前記第２電圧検出器にて検出される第２電圧値が第３閾値以上の場合に、前記降圧装置の駆動を停止することを特徴とする作業車両の電力回生システム。
5. 請求項１に記載の作業車両の電力回生システムであって、
   前記コントローラは、前記第２電圧検出器にて検出される第２電圧値に基づき、前記力行モード時における前記第１閾値を設定し、
   前記第１電圧検出器にて検出される前記第１電圧値が、前記力行モード時に前記第１閾値より大きい場合、前記降圧装置の駆動指令を出力することを特徴とする作業車両の電力回生システム。

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