JP7012610B2 - 電力制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、作業を行いながら走行する作業車両の使用電力を制御する電力制御装置に関する。
従来、作業を行いながら走行する作業車両が利用されてきた。この種の作業車両には、バッテリが搭載され、当該バッテリから出力される電力を動力源として走行や作業を行うものがある（例えば特許文献１）。
特許文献１に記載の乗用芝刈機は、バッテリの出力を動力源とし、車輪を回転させる車輪用モータと、芝刈り用のブレードを回転させるブレード用モータと、車輪用モータ及びブレード用モータに供給される電流を検出する電流センサとを備えている。駆動制御装置は、電流センサの検出結果に基づいて車輪用モータ及びブレード用モータの回転数を制御している。
米国特許第９２２６４４４号明細書
特許文献１に記載の乗用芝刈機の電流センサは、車輪用モータ及びブレード用モータに流れる電流の総和を検出し、この電流の総和に基づいて車輪用モータ及びブレード用モータの回転数を制御している。しかしながら、バッテリは、環境温度、蓄電量、劣化度合いに応じて出力可能な電力が変わるため、特許文献１に記載の技術のように、出力電流のみでの回転数の制御では電力不足になったり発熱したりして、乗用芝刈機が円滑に作業を行いながら走行できなくなる可能性がある。
そこで、作業車両が円滑に作業を行いながら走行することができる電力制御装置が求められる。
本発明に係る電力制御装置の特徴構成は、作業を行いながら走行する作業車両の使用電力を制御する電力制御装置であって、前記作業車両の動作状態を示す動作状態情報を取得する動作状態情報取得部と、前記作業車両に搭載されるバッテリの状態を示すバッテリ情報を取得するバッテリ情報取得部と、前記作業車両が取り得る動作モードとして、前記作業車両が前記作業を行わないで走行している状態と、前記作業車両が前記作業を行いながら走行している状態とを含んで規定した動作モード情報を予め記憶しておく記憶部と、前記動作状態情報、前記バッテリ情報、及び前記作業車両が前記作業を行わないで走行している状態と、前記作業車両が前記作業を行いながら走行している状態とを含んで規定した前記動作モード情報に基づいて、前記作業車両を走行させる走行ユニット、及び前記作業を行う作業ユニットの夫々に、前記バッテリから出力される電力を分配する分配電力を算定する分配電力算定部と、前記分配電力を、前記走行ユニットを制御する走行ユニット制御部、及び前記作業ユニットを制御する作業ユニット制御部の夫々に指示する指示部と、を備えている点にある。
このような特徴構成とすれば、作業車両の現在の動作状態とバッテリの状態とから最新の許容分配量を算出し、各機能部を制御する制御ユニットに指示することができる。したがって、動的にモータの速度とトルクを制限することで、バッテリに対する過負荷を未然に抑制することができ、バッテリの劣化や電力不足を防止することが可能となる。
また、前記動作状態情報は、前記走行ユニットの動作状態を示す走行ユニット情報、及び前記作業ユニットの動作状態を示す作業ユニット情報であると好適である。
このような構成とすれば、走行ユニットと作業ユニットとの動作状態に応じて、電力制御装置が走行ユニットと作業ユニットとの動作を制御することが可能となる。したがって、例えば電力不足により作業車両が走行できなくなるといった状況を防止できる。
また、前記動作状態情報は、前記作業車両のインストルメントパネルの表示状態を示す表示情報を更に含み、前記分配電力算定部は、前記インストルメントパネルに分配する前記分配電力も算定し、前記指示部は、前記インストルメントパネルの表示状態を制御する表示制御ユニットにも前記分配電力を指示すると好適である。
このような構成とすれば、バッテリに蓄電されている電力量が少なくなった場合には、例えばインストルメントパネルの表示を制限することで作業車両の走行用に電力を使用することができる。したがって、作業車両が走行できなくなるといった状況を防止できる。
電力制御装置が搭載された作業車両の斜視図である。 作業車両の電気系統及び動力系統を示す系統図である。 電力制御装置の構成を示すブロック図である。 動作モード情報の一例を示す図である。 動作モード情報の一例を示す図である。
本発明に係る電力制御装置は、バッテリの蓄電量が低下した場合であっても、バッテリから出力される電力を適切に分配することができるように構成されている。以下、本実施形態の電力制御装置９について説明する。
図１には、本実施形態の電力制御装置９が搭載される走行車両の一例である乗用電動芝刈機の斜視図が示される。また、図２には、電気系統図及び動力系統図が示される。本実施形態の電力制御装置９は、作業を行いながら走行する作業車両の使用電力を制御する。本実施形態では、作業車両として乗用電動芝刈機を例に挙げて説明する。係る場合、作業は芝刈り作業が相当する。作業車両の使用電力には、作業車両の走行のために利用される電力、作業車両が行う作業のために利用される電力、作業車両を利用するユーザのために利用される電力がある。具体的には、作業車両の走行のために利用される電力は例えば作業車両の駆動輪２を動作させるモータに供給される電力が相当し、作業車両が行う作業のために利用される電力は例えば草刈り作業に利用される刈り刃を回転させるモータに供給される電力が相当する。また、作業車両を利用するユーザのために利用される電力は例えばインストルメントパネル９９の表示に利用される電力が相当する。電力制御装置９は、このような作業を行う作業車両に搭載され、各電力を夫々の機能を実行する機能部に適切に分配する。
図１及び図２に示されるように、乗用電動芝刈機は、前輪であるキャスタ輪４と後輪である駆動輪２とによって支持される車体１５、車体１５の後部に配置されたバッテリ２０、バッテリ２０の前方に配置された運転座席１１、運転座席１１の後方から立設された転倒保護フレーム１２、キャスタ輪４と駆動輪２との間で車体１５の下方空間に昇降リンク機構を介して昇降可能に車体１５から吊り下げられたモーアユニット１３を備えている。駆動輪２は走行制御装置１により動作が制御される走行制御ユニット３により駆動され、モーアユニット１３はモーア制御装置５により動作が制御される。ここで、キャスタ輪４は左側キャスタ輪４ａ及び右側キャスタ輪４ｂからなり、駆動輪２は、左側駆動輪２ａ及び右側駆動輪２ｂからなる。
運転座席１１の前方には運転者の足載せ場であるフロアプレートが設けられており、そこからブレーキペダル１４が突き出ている。運転座席１１の両側には、左操縦レバー６ａと右操縦レバー６ｂが配置されている。さらに、運転座席１１の側方に電気制御系のスイッチボタンやスイッチレバー等を有する電気操作パネル１８が設けられる。電気操作パネル１８には、モーアユニット１３を起動させるためのモーアスイッチ及び上述したインストルメントパネル９９も配置される。なお、上述した左操縦レバー６ａ及び右操縦レバー６ｂは、特に区別する必要がない場合には、操縦レバー６として説明する。
本実施形態では、左側駆動輪２ａと右側駆動輪２ｂは、夫々インホイールモータである左側モータ２１と右側モータ２２からの回転力を動力源としている。左側モータ２１はインバータ７を構成する左側給電部４１を介して電力が供給され、右側モータ２２にはインバータ７を構成する右側給電部４２を介して電力が供給される。夫々の供給される電力を変化させることで、回転速度及びトルクの少なくともいずれか一方を変化させることが可能となる。左側駆動輪２ａと右側駆動輪２ｂの回転速度（周速）を互いに相違させることができ、左側駆動輪２ａと右側駆動輪２ｂの回転速度差によって乗用電動芝刈機の方向転換が行われる。
走行制御ユニット３は、乗用電動芝刈機の走行及び旋回を制御する機能部であって、本実施形態では上述した左側モータ２１、右側モータ２２、インバータ７（特に左側給電部４１及び右側給電部４２）を含んで構成される。インバータ７は、左側モータ２１及び右側モータ２２の夫々に給電する。インバータ７から出力される電力は、走行制御装置１によって算定される速度指示値（目標値）に対応しているが、走行負荷によって、その実際の回転速度（実速度）が目標値より小さくなった場合には、モータ出力トルクが大きくなるように電力が修正される。一方、例えば下り坂等において、実際の回転速度（実速度）が目標値より大きくなった場合には、モータ出力トルクが小さくなるように電力が修正される。
モーアユニット１３は、３つの回転ブレード１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃを備える。回転ブレード１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃは、夫々モーア用モータ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃを駆動源としている。モーア用モータ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃは、インバータ７を構成するモーア給電部４３を介して電力供給が行われる。モーア給電部４３は、モーア制御装置５により制御される。このモーア制御装置５は、上述した走行制御装置１及び電力制御装置９と共に、制御装置１００を構成する。
左操縦レバー６ａの操作量（揺動角）は左操縦角検出センサ８０ａにより検出され、右操縦レバー６ｂの操作量（揺動角）は右操縦角検出センサ８０ｂにより検出される。また、ブレーキペダル１４の操作角はブレーキ検出センサ８０ｃにより検出され、モーアスイッチの操作はモーアセンサ８０ｄにより検出される。また、左側駆動輪２ａの回転速度は左後輪回転検出センサ７０ａにより検出され、右側駆動輪２ｂの回転速度は右後輪回転検出センサ７０ｂにより検出される。また、モーア用モータ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃの回転速度は回転センサ１００ａ，１００ｂ，１００ｃにより検出される。各センサの検出結果は制御装置１００に伝達され、制御装置１００により適宜利用される。
詳細は後述するが、走行制御装置１では、操縦レバー６の操作量に基づいて左側モータ２１と右側モータ２２に供給する電力量が算定される。また、走行制御装置１は、公知のフィードバック制御により、上述した電力量を補正する。すなわち、走行制御装置１は、左側モータ２１及び右側モータ２２に要求される必要駆動トルク（以下単に必要トルクと略称する）を算出する。必要トルクとは、左操縦レバー６ａ又は右操縦レバー６ｂによる操作量に応じて設定される目標回転速度に基づいて算定される制御量では実回転速度が目標回転速度に達しなかった場合に、実速度が目標速度となるために左側モータ２１又は右側モータ２２に要求されるトルク量を意味している。走行制御装置１は、左操縦角検出センサ８０ａ及び右操縦角検出センサ８０ｂの検出結果に基づく左側駆動輪２ａ及び右側駆動輪２ｂの目標回転速度と、左後輪回転検出センサ７０ａと右後輪回転検出センサ７０ｂとによって得られる左側駆動輪２ａ及び右側駆動輪２ｂの実回転速度とから必要トルクを導出する。走行制御装置１は、算定された必要トルクに基づいて、電力量を補正する。
図３は、本実施形態の電力制御装置９の構成を示すブロック図である。図３に示されるように、電力制御装置９は、動作状態情報取得部３１、バッテリ情報取得部３２、記憶部３３、分配電力算定部３４、指示部３５の各機能部を備えて構成される。各機能部は、バッテリ２０から出力される電力の分配に係る処理を行うために、ＣＰＵを中核部材としてハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。
動作状態情報取得部３１は、作業車両の動作状態を示す動作状態情報を取得する。本実施形態では、作業車両は乗用電動芝刈機である。作業車両の動作状態とは、乗用電動芝刈機の各機能部の動作状態であって、動作状態情報とは当該各機能部の動作状態を示す情報である。
本実施形態では、動作状態情報は、走行制御ユニット３（走行ユニットの一例）の動作状態を示す走行ユニット情報、及びモーア制御ユニット８（作業ユニットの一例）の動作状態を示す作業ユニット情報にあたる。走行制御ユニット３とは、上述したように左側モータ２１及び右側モータ２２と、左側給電部４１及び右側モータ２２とが相当する。また、モーア制御ユニット８とは、モーア用モータ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃと、モーア給電部４３とが相当する。動作状態情報には、このような走行ユニット情報及び作業ユニット情報が含まれる。
更に、動作状態情報には、乗用電動芝刈機のインストルメントパネル９９の表示状態を示す表示情報を含むと好適である。インストルメントパネル９９には、例えば乗用電動芝刈機の走行速度や、刈り刃の回転数などの情報を表示する。このようなインストルメントパネル９９は明度や輝度の調整が可能であって、このような明度や輝度を示す情報が表示情報に相当する。
上述した動作状態情報は具体的には、乗用電動芝刈機の走行出力（例えば左側モータ２１及び右側モータ２２の夫々の出力）、作業出力を示す情報（例えばモーア用モータ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃの夫々の出力値）、補機出力を示す情報（例えばインストルメントパネル９９における表示情報）、モータ温度を示す情報（左側モータ２１、右側モータ２２、モーア用モータ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃの夫々の温度）、インバータ温度を示す情報（インバータ７を構成する左側給電部４１、右側モータ２２、及びモーア給電部４３の夫々の温度）が相当する。
動作状態情報取得部３１は、上述した動作状態情報を各機能部から取得する。なお、これらの情報は、上述したセンサ以外に別途センサを設け、その検出結果から取得するように構成することも可能である。動作状態情報取得部３１が取得した動作状態情報は、後述する分配電力算定部３４に伝達される。
バッテリ情報取得部３２は、作業車両に搭載されるバッテリ２０の状態を示すバッテリ情報を取得する。バッテリ情報は、バッテリ２０の温度、充電状態（SOC：State of Charge）、許容充電量、許容放電量、許容回生量等が相当する。このようなバッテリ情報は、例えばバッテリ２０にセンサを設け、その検出結果から取得するように構成すると好適である。バッテリ情報取得部３２が取得したバッテリ情報は、後述する分配電力算定部３４に伝達される。
記憶部３３には、作業車両が取り得る動作モードを規定した動作モード情報を予め記憶されている。作業車両が取り得る動作モードとは、乗用電動芝刈機の走行時に想定される動作状態であって、具体的には乗用電動芝刈機が芝刈り作業を行わないで走行している状態、乗用電動芝刈機が芝刈り作業を行いながら走行している状態が少なくとも含まれる。記憶部３３には、このような動作状態を規定した動作モード情報が予め記憶される。記憶部３３には、これらの動作状態モード情報に係る動作状態以外の動作状態を規定した動作モード情報を記憶しても良い。
分配電力算定部３４は、動作状態情報、バッテリ情報、及び動作モード情報に基づいて、作業車両を走行させる走行ユニット、及び作業を行う作業ユニットの夫々に、バッテリ２０から出力される電力を分配する分配電力を算定する。動作状態情報は、動作状態情報取得部３１から伝達される。バッテリ情報は、バッテリ情報取得部３２から伝達される。動作モード情報は、記憶部３３に記憶され、参照される。作業車両を走行させる走行ユニットとは、乗用電動芝刈機を走行させる走行制御ユニット３である。作業を行う作業ユニットとは、芝刈作業を行うモーア制御ユニット８である。
分配電力算定部３４は、動作モードによる優先順位で電力を分配する。電力の分配は、複数のマップを用いて行っても良いし、計算式を用いて行っても良い。更には、上述した動作状態情報やバッテリ情報を構成する各情報を所定の条件で判定し、その判定結果のみで分配電力を変更するように構成することも可能である。
図４及び図５には分配電力算定部３４が用いるマップの一例が示される。図４は、バッテリ出力可能エネルギーとシステム消費電力との関係を示した図である。図５は、モーア動作（芝刈り動作）とＳＯＣとの関係を示した図である。分配電力算定部３４は、例えば図４や図５のようなマップを用いて分配電力を算定し、算定した分配電力を後述する指示部３５に伝達する。このような分配電力算定部３４は、パワーマネジメント制御器として機能する。なお、この時、分配電力算定部３４は、インストルメントパネル９９に分配する分配電力も算定すると良い。
指示部３５は、分配電力を、走行ユニットを制御する走行ユニット制御部、及び作業ユニットを制御する作業ユニット制御部の夫々に指示する。分配電力は分配電力算定部３４により算定され、伝達される。走行ユニットを制御する走行ユニット制御部とは、走行制御ユニット３を制御する走行制御装置１が相当する。作業ユニットを制御する作業ユニット制御部とは、モーア制御ユニット８を制御するモーア制御装置５が相当する。したがって、指示部３５は、走行制御ユニット３を制御する走行制御装置１、及びモーア制御ユニット８を制御するモーア制御装置５に、分配電力算定部３４により算定された分配電力を指示する。
また、本実施形態では、上述したように分配電力算定部３４は、インストルメントパネル９９に分配する分配電力も算定する。そこで、指示部３５は、インストルメントパネル９９の表示を制御する表示制御ユニット１０にも分配電力を指示する。表示制御ユニット１０とは、インストルメントパネル９９の明度や輝度を調整する機能部である。
具体的には、指示部３５は、インバータ７のうち、乗用電動芝刈機の走行に利用される左側給電部４１及び右側給電部４２にモータ駆動指令及び出力制限指令（例えば力行回生エネルギーや状態フラグ）として指示する。これにより、左側モータ２１と右側モータ２２の回転数やトルク（電流）制限が行われる。
また、指示部３５は、インバータ７のうち、乗用電動芝刈機の作業に利用されるモーア給電部４３にモータ駆動指令及び出力制限指令として指示する。これにより、モーア用モータ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃが制御される。
更に、指示部３５は、インストルメントパネル９９の制御を行う表示制御ユニット１０に操作指令（補機操作指令）として指示する。これにより、インストルメントパネル９９が制御される。
上記のように構成することで、バッテリ２０に蓄電されている電力量に応じてマップを用いて各モータの回転数やトルクを制限することが可能となる。したがって、電力不足により乗用電動芝刈機が走行できなくなることを防止できる。なお、電力制御装置９は、上記各機能部に対する指令を段階的に可変するように構成することも可能である。
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、操縦レバー６が乗用電動芝刈機の車体１５に搭載されている場合の例を挙げて説明したが、乗用電動芝刈機はリモコンにより遠隔操作可能であっても良い。
上記実施形態では、動作状態情報は走行ユニット情報及び作業ユニット情報であるとして説明したが、動作状態情報は、走行ユニット情報及び作業ユニット情報の一方であっても良いし、走行ユニット情報及び作業ユニット情報とは異なる情報であっても良い。
上記実施形態では、動作状態情報は、作業車両のインストルメントパネル９９の表示状態を示す表示情報を含むとして説明したが、動作状態情報は、作業車両のインストルメントパネル９９の表示状態を示す表示情報を含まないで構成することも可能である。あるいは、動作状態情報にインストルメントパネル９９の表示状態を示す表示情報とは異なる情報（例えば、エアコンの動作情報や、音響機器の動作情報、各機器に対する警告アラームの必要性等）を含むように構成することも可能である。
上記実施形態では、電力制御装置９が搭載される作業車両の一例として乗用電動芝刈機を挙げて説明したが、作業車両は他の車両であっても良い。
本発明は、作業を行いながら走行する作業車両の使用電力を制御する電力制御装置に用いることが可能である。
１：走行制御装置（走行ユニット制御部）
３：走行制御ユニット（走行ユニット）
５：モーア制御装置（作業ユニット制御部）
８：モーア制御ユニット（作業ユニット）
９：電力制御装置
１０：表示制御ユニット
２０：バッテリ
３１：動作状態情報取得部
３２：バッテリ情報取得部
３３：記憶部
３４：分配電力算定部
３５：指示部
９９：インストルメントパネル

Claims (3)

  1. 作業を行いながら走行する作業車両の使用電力を制御する電力制御装置であって、
    前記作業車両の動作状態を示す動作状態情報を取得する動作状態情報取得部と、
    前記作業車両に搭載されるバッテリの状態を示すバッテリ情報を取得するバッテリ情報取得部と、
    前記作業車両が取り得る動作モードとして、前記作業車両が前記作業を行わないで走行している状態と、前記作業車両が前記作業を行いながら走行している状態とを含んで規定した動作モード情報を予め記憶しておく記憶部と、
    前記動作状態情報、前記バッテリ情報、及び前記作業車両が前記作業を行わないで走行している状態と、前記作業車両が前記作業を行いながら走行している状態とを含んで規定した前記動作モード情報に基づいて、前記作業車両を走行させる走行ユニット、及び前記作業を行う作業ユニットの夫々に、前記バッテリから出力される電力を分配する分配電力を算定する分配電力算定部と、
    前記分配電力を、前記走行ユニットを制御する走行ユニット制御部、及び前記作業ユニットを制御する作業ユニット制御部の夫々に指示する指示部と、
    を備える電力制御装置。
  2. 前記動作状態情報は、前記走行ユニットの動作状態を示す走行ユニット情報、及び前記作業ユニットの動作状態を示す作業ユニット情報である請求項１に記載の電力制御装置。
  3. 前記動作状態情報は、前記作業車両のインストルメントパネルの表示状態を示す表示情報を更に含み、
    前記分配電力算定部は、前記インストルメントパネルに分配する前記分配電力も算定し、
    前記指示部は、前記インストルメントパネルの表示状態を制御する表示制御ユニットにも前記分配電力を指示する請求項２に記載の電力制御装置。
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