WO2019039608A1

WO2019039608A1 - 電動駆動式作業車両

Info

Publication number: WO2019039608A1
Application number: PCT/JP2018/031451
Authority: WO
Inventors: 重之吉原; 徳孝伊藤; 浩志歌代
Original assignee: 日立建機株式会社
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2019-02-28
Also published as: JP2019038365A

Abstract

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）の発電量を制御する発電インバータ（６）と、発電電動機と電気的に接続された走行電動機（７）と、走行電動機（７）のトルクを制御する走行インバータ（８）と、車体の前進または後進を切り替えために操作される前後進スイッチ（１０３）とを備える電動駆動式ホイールローダ（３０）において、ブレーキ抵抗器（３）と、入力電圧がブレーキ設定電圧（Ｖｂ）を超えるとき発電インバータ（６）及び走行インバータ（８）をブレーキ抵抗器（３）に電気的に接続するチョッパ回路（４）と、ホイールローダ（３０）がモジュレート動作する間、ブレーキ設定電圧（Ｖｂ）を超える電圧（Ｖ２）を発生する発電電圧指令を発電インバータ（６）に出力するメインコントローラ（１００）とを備える。

Description

電動駆動式作業車両

　本発明は、電動駆動式作業車両に関する。

　ホイールローダを含む作業車両には、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、トルコンと称する）式の自動変速機と、車両の進行方向を切り替える前後進スイッチとを備えた作業車両（以下、トルコン車と称する）がある。

　トルコン車は、走行中に現在の進行方向と逆側に前後進スイッチを切り替えることで現在の進行方向で車両を減速させるモジュレート機能を有しており、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。また、トルコン車では、モジュレート時にトルコンの滑りを発生させるための負荷がエンジンにかかり続ける。すなわち、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、モジュレート後の前後進スイッチの指示する方向での加速に必要なパワーをエンジンから入力軸に速やかに供給できる。その結果、モジュレート後の加速は停止状態からの加速よりも応答性が良好となる。

　ところで、作業車両には、エンジンと、エンジンと機械的に接続した発電電動機と、発電電動機の発電量を制御する発電インバータと、車両を駆動する走行電動機と、発電インバータと走行電動機とに電気的に接続した蓄電装置と、前後進スイッチとを備える電動駆動式作業車両がある。電動駆動式作業車両もトルコン車同様にモジュレート機能を有するが、モジュレート時の走行電動機は、車両の運動エネルギを回生電力に変換することで制動力を発生しており、発電電動機及び蓄電装置から電力供給を受ける必要がない。そのため、トルコン車と異なり、モジュレート時のエンジンは負荷がかからないアイドル状態となる。これにより、モジュレート後の進行方向（前後進切り替えスイッチの指示する方向）における加速時には、直前まで無負荷だったエンジンに突然負荷が作用する状況となり、エンジンの応答遅れが発生してトルコン車のように速やかに加速できないおそれがある。

　このようなモジュレート後のエンジンの応答遅れの改善を試みた技術として、特開２０１３－１６９８２４号公報には、現在の進行方向と逆側に前後進スイッチを切り替えた後、蓄電装置の電圧が最高電圧値以下であり、走行電動機の速度信号が予め設定した設定速度以下であるときに、発電電動機の発電量を増加する指令を発電インバータに出力するコントローラを備える電動駆動式作業車両が開示されている。この技術では、モジュレート時に走行電動機が設定速度以下になったとき、エンジンで発電電動機を駆動してその発電電力を蓄電装置に充電している。すなわち、モジュレート時にもエンジンに負荷をかけることでモジュレート後の加速時のエンジン応答性の向上を図っている。

特開２０１３－１６９８２４号公報

　上記の技術は、二次電池やキャパシタ等の蓄電装置を備える電動駆動式作業車両に関するものである。蓄電装置を備える電動駆動式作業車両では、蓄電装置を利用して回生電力量を制御するが、作業車両の運転パターンは様々なものがあるため蓄電量が一定ではなく、蓄電量が満充電状態の時は、前述のようなモジュレート時に発電量を増やしてエンジンに負荷をかけることはできない。したがって、蓄電装置の蓄電量に応じてモジュレート後の加速性能にばらつきが生じ、加速性が良くなったり悪くなったりするおそれがある。

　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。

　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、エンジンと、前記エンジンと機械的に接続された発電電動機と、前記発電電動機の発電量を制御する発電インバータと、前記発電電動機と電気的に接続された走行電動機と、前記走行電動機のトルクを制御する走行インバータと、車体の前進または後進を切り替えるために操作される前後進切替え装置と、発電電圧指令を前記発電インバータに出力し、電動機トルク指令を前記走行インバータに出力する制御装置とを備える電動駆動式作業車両において、前記発電電動機及び前記走行電動機に対し電気的に接続されたブレーキ抵抗器と、前記発電インバータ及び前記走行インバータに電気的に接続され、入力電圧が設定電圧を超えるとき前記発電インバータ及び前記走行インバータを前記ブレーキ抵抗器に電気的に接続することで前記発電電動機及び前記走行電動機で発生した電力を消費するチョッパ回路とを備え、前記制御装置は、前記前後進切替え装置により前記車体の進行方向と逆方向が選択されたことで前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作する間、前記エンジンにより前記発電電動機を駆動して前記設定電圧を超える電圧を発生する発電電圧指令を前記発電インバータに出力することとする。

　本発明によればモジュレート後の加速においてトルコン車と同等以上の加速が電動駆動式作業車両で得られる。

本発明の実施の形態に係る電動駆動式ホイールローダ３０の側面図。本発明の実施の形態に係る電動駆動式ホイールローダ３０の電動、油圧機器のシステム構成図。本発明の実施の形態のメインコントローラ１００の機能ブロック図。モジュレート判定部１１０によるモジュレート判定処理の一例を示す図。発電電圧指令演算部１４０による発電電圧指令演算処理の一例を示す図。トルク指令演算部１２０による電動機トルク指令演算処理の一例を示す図。エンジン回転指令演算部１３０によるエンジン回転指令令演算処理の一例を示す図。本発明の実施の形態の発電制御と抵抗放電制御の動作の一例を示す図。本発明の実施の形態に対する比較例の発電制御と抵抗放電制御の動作の一例を示す図。

　以下、電動駆動式作業車両としてホイールローダを例にとって、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、電動駆動式ホイールローダに適用が限定されるものではなく、例えば電動駆動式フォークリフトにも適用可能である。また、走行中に現在の進行方向と逆側に前後進スイッチを切り替えることで現在の進行方向で車両を減速させるモジュレート動作が可能な電動駆動式作業車両であって、走行電動機の電力源として二次電池やキャパシタ等の蓄電装置を備えない電動駆動式作業車両であれば、本発明は適用可能である。さらに、走行電動機の電力源として二次電池やキャパシタ等の蓄電装置を備えた電動駆動式作業車両であってもブレーキ抵抗器を備えることで本発明は適用可能となる。

　＜ホイールローダ３０のハードウェア構成＞
　図１は本発明の実施の形態に係る電動駆動式ホイールローダの側面図である。なお、各図において同じ部分には同じ符号を付しており、同じ部分の説明は省略することがある。図１のホイールローダ３０は、車体３１と、この車体３１の前方に取り付けた多関節型の油圧作業装置５０とを備えている。車体３１は、アーティキュレート操舵式（車体屈折式）を採用しており、それぞれ左右に車輪１０（前輪１０ａ、後輪１０ｂ）を装着した前部車体（フロントフレーム）３１ａと後部車体（リアフレーム）３１ｂを、センタージョイント６４で連結している。図１には示されていないが、センタージョイント６４の左右両側には前部車体３１ａと後部車体３１ｂを連結するようにステアリングシリンダ５３（図２参照）が配置されている。

　運転室３６内には、油圧作業装置５０を操作するための操作レバー５６（図２参照）と、車体３１の進行方向に関して前進（Ｆ）または後進（Ｒ）に切り替える装置（前後進切替え装置）である前後進スイッチ１０３と、車体３１に加速を指示するためのアクセルペダル１０１と、車体３１に減速を指示するためのブレーキペダル１０２と、車体３１の左右の進行方向を操るためのステアリングホイール（図示せず）とが設置されている。運転室（キャブ）３６内に設置されたステアリングホイール（図示せず）を操作すると、ステアリングシリンダ５３の伸縮駆動に伴って後部車体３１ｂと前部車体３１ａはセンタージョイント６４を中心にして屈折（旋回）する。

　後部車体３１ｂ上には、前方に運転室３６、後方にエンジン室３７が搭載されている。エンジン室３７には、図２に示したディーゼルエンジン（ＥＮＧ）１、油圧ポンプ（メインポンプ）９、コントロールバルブ（Ｃ／Ｖ）５５、発電電動機（ＧＥＮ）５及び走行電動機（走行用モータ，ＭＯＴ）７等が収納されている。

　油圧作業装置５０は、リフトアーム４１及びバケット４２と、リフトアーム４１及びバケット４２を駆動するために伸縮駆動されるリフトシリンダ５２及びバケットシリンダ５１を備えている。なお、リフトアーム４１とリフトシリンダ５２は前部車体３１ａの左右に１つずつ装備されているが、図１で隠れている車体右側のリフトアーム４１とリフトシリンダ５２は省略して説明する。

　リフトアーム４１は、リフトシリンダ５２の伸縮駆動に伴って上下方向に回動（俯仰動）する。バケット４２は、バケットシリンダ５１の伸縮駆動に伴って上下方向に回動（ダンプ動作又はクラウド動作）する。なお、図示したホイールローダ３０は、バケット４２を作動させるためのリンク機構として、Ｚリンク式（ベルクランク式）のものを採用している。当該リンク機構にはバケットシリンダ５１が含まれている。

　＜システム構成＞
　図２は本発明の電動駆動式作業車両の第１の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。図２において、ホイールローダ３０は、ディーゼルエンジン１と、エンジン１の出力を制御するコンピュータであるエンジンコントローラ（ＥＣＵ）２と、車両全体を制御するコンピュータであるメインコントローラ（Ｍ／Ｃ）１００と、エンジン１と機械的に接続された発電電動機５と、メインコントローラ１００から入力される発電電圧指令に基づいて発電電動機５の発電量を制御する発電インバータ（発電電動機用インバータ）６と、発電電動機５と電気的に接続され発電電動機５から供給される電力によって車体３１を駆動する走行電動機７と、メインコントローラ１００から入力される電動機トルク指令に基づいて走行電動機７のトルクを制御する走行インバータ（走行電動機用インバータ）８と、発電インバータ６及び走行インバータ８と電気的に接続されたチョッパ回路４と、チョッパ回路４のスイッチング動作により発電インバータ６（発電電動機５）及び走行インバータ８（走行電動機７）と電気的に接続されるブレーキ抵抗器３と、踏み込み量（操作量）に相当するアクセル信号をメインコントローラ１００に出力するアクセルペダル１０１と、踏み込み量（操作量）に相当するブレーキ信号をメインコントローラ１００に出力するブレーキペダル１０２と、前進（Ｆ）、ニュートラル（Ｎ）、後進（Ｒ）の３つの切り替え位置が存在し、各位置に応じた前後進スイッチ信号をメインコントローラ１００に出力するために操作される前後進スイッチ１０３と、を備えている。

　チョッパ回路４と発電インバータ６と走行インバータ８とは同一の電力線に接続されており、本稿ではその電力線の電圧を端子電圧２０とする。

　メインポンプ９は、エンジン１および発電電動機５と機械的に接続されており、エンジン１および発電電動機５によって駆動されて作動油を吐出する。メインポンプ９から吐出される作動油は、操作レバー５６の操作方向と操作量を基に制御されるコントロールバルブ５５によって流量及び流通方向が制御され、その結果、油圧シリンダ５１，５２，５３がそれぞれ適宜駆動され油圧作業装置５０が駆動するようになっている。

　メインコントローラ（制御装置）１００には、アクセルペダル１０１、ブレーキペダル１０２、前後進スイッチ１０３（前後進切替え装置）、ＥＣＵ２、発電インバータ６、走行インバータ８の各信号線が接続されており、これら各部に対する信号の入出力が可能になっている。このうち、アクセルペダル１０１からはアクセル信号が、ブレーキペダル１０２からはブレーキ信号が、前後進スイッチ１０３からは現在選択されている車両進行方向（前進（Ｆ）、後進（Ｒ）、ニュートラル（Ｎ））を示す前後進スイッチ信号が、走行インバータ８からは走行電動機７の速度信号がメインコントローラ１００へ送られている（入力されている）。また、メインコントローラ１００からは、発電インバータ６に対して発電電圧指令が、走行インバータ８に対して電動機トルク指令が、ＥＣＵ２に対してエンジン回転数指令が送られている（出力されている）。

　＜モジュレートの定義＞
　本稿では、作業車両の走行中に進行方向と逆側に前後進スイッチ１０３を切り替えることで、スイッチ１０３の切り替え時の進行方向における車速を低減させる作業車両の動作をモジュレート動作又は単にモジュレートと称する。例えば、前進中にスイッチ１０３をＦ（前進）からＲ（後進）に切り替えると、ブレーキペダル１０２を操作せずとも前進方向における車速が低減し、その減速中もアクセルペダル１０１を踏み込んでおくと、モジュレート動作の終了後（前進方向における減速の終了後）に後ろ方向への加速が開始されることになる。

　本実施形態のホイールローダ３０では、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の回転数とに基づいて車両がモジュレート動作中であることを判定したら、モジュレート動作終了直後の走行加速に備えてモジュレート動作中に発電電動機５の発電トルク負荷をエンジン１にかけ、発電電動機５で発生した電力をブレーキ抵抗器３で消費するようにした。以下、そのような動作を行うためのメインコントローラ１００の構成について図面を用いて説明する。

　＜メインコントローラ（制御装置）１００＞
　図３はメインコントローラ１００の機能ブロック図である。メインコントローラ１００は、モジュレート判定部１１０と、トルク指令演算部１２０と、エンジン回転指令演算部１３０と、発電電圧指令演算部１４０とを備えている。

　＜モジュレート判定部１１０＞
　モジュレート判定部１１０は、前後進スイッチ信号と電動機速度信号に基づいてホイールローダ３０がモジュレート中か否かを判定する処理を行う部分である。本実施形態のモジュレート判定部１１０は、前後進スイッチ１０３で選択されている進行方向が走行電動機７の回転方向と異なりかつ走行電動機７の速度の大きさ（回転速度）がモジュレート判定閾値より大きいとき、ホイールローダ３０がモジュレート動作中であると判定し、前後進スイッチ１０３で選択されている進行方向が走行電動機７の回転方向と一致するときまたは走行電動機７の速度の大きさがモジュレート判定閾値以上のとき、ホイールローダ３０がモジュレート非動作中であると判定する。

　図４はモジュレート判定部１１０によるモジュレート判定処理の一例を示す図である。メインコントローラ１００は所定の制御周期で図４の処理を開始する。処理が開始されると、モジュレート判定部１１０は、前後進スイッチ信号に基づいて前後進スイッチ１０３の位置がＦまたはＲか否かを判定する（Ｓ４０１）。ここでスイッチ１０３の位置がＦまたはＲと判定された場合にはＳ４０２に進む。一方、Ｆ及びＲではないと判定された場合、すなわちＮであると判定された場合にはモジュレート中ではない（モジュレート非動作中）と判定する（Ｓ４０５）。

　Ｓ４０２において、モジュレート判定部１１０は、電動機速度信号に基づいて走行電動機７の速度の大きさ（絶対値）がモジュレート判定閾値以下であるか否かを判定する。本実施形態ではモジュレート判定閾値をゼロとし、走行電動機７の速度の大きさがゼロより大きい場合にはＳ４０３に進む。一方、走行電動機７の速度の大きさがゼロの場合にはＳ４０５に進みモジュレート中ではないと判定する。

　Ｓ４０３において、モジュレート判定部１１０は、前後進スイッチ信号及び電動機速度信号に基づいて、走行電動機７の回転方向と前後進スイッチ１０３の示す進行方向が異なるか否かを判定する。両者の方向が異なる場合にはＳ４０４に進みモジュレート中である（モジュレート動作中）と判定し、両者の方向が同じ場合にはＳ４０５に進みモジュレート中ではないと判定する。

　モジュレート判定部１１０は、Ｓ４０４またはＳ４０５の判定結果に即したモジュレート判定信号をトルク指令演算部１２０及び発電電圧指令演算部１４０に出力する。

　なお、図４のフローチャートを含め本実施形態では、走行電動機速度に基づいてモジュレート中か否かを判定したが、走行電動機速度に代えて車両速度（車体３１の速度）を検出しそれを基に図４の速度に関する各処理を実行しても良い。

　＜発電電圧指令演算部１４０＞
　発電電圧指令演算部１４０は、発電電動機５に出力する発電電圧指令を演算する処理を行う部分である。ここで演算された発電電圧指令は発電インバータ６に出力され、発電インバータ６による発電電動機５の発電量制御に利用される。

　図５は発電電圧指令演算部１４０による発電電圧指令演算処理の一例を示す図である。本実施形態の発電電圧指令演算部１４０は、モジュレート判定信号および電動機速度信号に基づいて発電電圧指令を演算している。メインコントローラ１００は所定の制御周期で図５の処理を開始する。処理が開始されると、発電電圧指令演算部１４０は、モジュレート判定部１１０から入力されるモジュレート判定信号に基づいてホイールローダ３０がモジュレート中か否かを判定するする（Ｓ５０１）。ここでモジュレート中であると判定された場合にはＳ５０２に進む。一方、モジュレート中ではないと判定された場合には、発電電圧指令値ＶｎをＶ１とする発電電圧指令を算出する（Ｓ５０３）。なお、本実施形態では、Ｖ１＝６００Ｖと設定している。

　Ｓ５０２において、発電電圧指令演算部１４０は、電動機速度信号に基づいて、走行電動機７の速度の大きさが第２速度閾値以上かつ第１速度閾値以下か否かを判定する。第１速度閾値は第２速度閾値より大きい値とし、本実施形態では第２速度閾値をモジュレート判定閾値と同じゼロ、第１速度閾値を１ｋｍ／ｈとする。つまり、Ｓ５０２では、車体３１が減速するモジュレート動作が間もなく終了するか否か、さらに換言するとモジュレート動作終了に伴う加速が間もなく行われるか否かを判定している。Ｓ５０２で走行電動機の速度の大きさが第２速度閾値以上かつ第１速度閾値以下の場合（Ｓ５０２の判定がＹＥＳの場合）には、モジュレート動作が間もなく終了するとみなしてＳ５０４に進む。一方、それ以外の場合（Ｓ５０２の判定がＮＯの場合）には、モジュレートが継続する又はそもそもモジュレート中ではないと判定してＳ５０３に進む。

　Ｓ５０４において、発電電圧指令演算部１４０は、発電電圧指令値ＶｎをＶ２とする発電電圧指令を算出する。Ｖ２は、Ｖ１より大きい値、かつ、後述するチョッパ回路４のブレーキ設定電圧（Ｖｂ）より大きい値とし、本実施形態では、Ｖ２＝７００Ｖと設定している。発電電圧指令演算部１４０がＳ５０４の処理を実行する場合、ブレーキ設定電圧Ｖｂを越える電圧Ｖ２を発生する発電電圧指令Ｖｎが出力され、後述のようにチョッパ回路４が動作する。これにより発電電動機５で発電された電力はブレーキ抵抗器３で消費されるため、図５中ではＳ５０４の処理を「抵抗放電制御」と称している。一方、ブレーキ設定電圧Ｖｂより小さい電圧Ｖ１を発生するＳ５０３では、発電電動機５の発電電力だけではチョッパ回路４は動作せず、Ｓ５０４と異なり通常の発電制御が行われるため、図５ではＳ５０３の処理を「発電制御」と称している。

　発電電圧指令演算部１４０は、Ｓ５０３またはＳ５０４で算出した発電電圧指令を発電インバータ６に出力する。

　＜トルク指令演算部１２０＞
　トルク指令演算部１２０は、電動機７のトルク指令（電動機トルク指令）を演算する処理を行う部分である。ここで演算された電動機トルク指令は走行インバータ８に出力され、走行インバータ８による走行電動機７のトルク制御に利用される。

　図６はトルク指令演算部１２０による電動機トルク指令演算処理の一例を示す図である。本実施形態のトルク指令演算部１２０は、前後進スイッチ信号、アクセル信号および電動機速度信号に基づいて電動機トルク指令を演算している。図中のトルク指令の符号の意味は、（＋）が前進方向のトルクを、（－）が後進方向のトルクを示している。また電動機回転数（電動機速度）の符号の意味は、（＋）が前進方向の回転数を、（－）が後進方向の回転数を示している。図中の上段に示したグラフは前後進スイッチ１０３が前進（Ｆ）の時の特性、中段に示したグラフはニュートラル（Ｎ）の時の特性、下段に示したグラフは後進（Ｒ）の時の特性を示す。

　例えば前後進スイッチ１０３が前進（Ｆ）の時、上段のグラフが選択され、トルク指令演算部１２０は、電動機回転数とアクセル信号の大きさに応じてマッピングされたトルク指令を走行インバータ８に出力する。アクセル信号が最大時は実線の特性となり、最小時は点線の特性となる。なお、電動機回転数が低速でかつアクセル信号が最小の条件でもトルク指令が所定の値を示すのは、いわゆるクリープトルク指令を出力するためである。前後進スイッチ１０３が後進（Ｒ）時は、下段のグラフが選択され、前進（Ｆ）の場合と符号が逆転したトルク指令が出力される。前後進スイッチ１０３がニュートラル（Ｎ）時は、アクセル信号に関係なく、トルク指令はゼロである。

　＜エンジン回転指令演算部１３０＞
　エンジン回転指令演算部１３０は、エンジン１の回転数指令（エンジン回転数指令）を演算する処理を行う部分である。ここで演算されたエンジン回転数指令はＥＣＵ２に出力され、ＥＣＵ２によるエンジン１の回転数制御に利用される。

　図７はエンジン回転指令演算部１３０によるエンジン回転指令令演算処理の一例を示す図である。本実施形態では、エンジン回転指令演算部１３０は、前後進スイッチ信号と、ニュートラル（Ｎ）の継続時間とに基づいて、エンジン回転数指令を演算している。エンジン回転指令演算部１３０は、前後進スイッチ信号が前進（Ｆ）または後進（Ｒ）のとき、エンジン回転数指令値ＲｎをＲ２とするエンジン回転数指令（第２回転数指令）を算出する。また、前後進スイッチ信号がニュートラル（Ｎ）の状態で所定時間（例えば１秒）継続したとき、エンジン回転数指令値ＲｎをＲ１とするエンジン回転数指令（第１回転数指令）を算出する。Ｒ１はＲ２より小さく設定されており、例えば、Ｒ１＝１４００ｒｐｍ、Ｒ２＝１８００ｒｐｍと設定することができる。エンジン回転数をＲ２からＲ１まで低減することでニュートラル選択時の燃焼消費量が抑制される。ところで、図示していないが、前後進スイッチ１０３をニュートラルに選択してから所定時間が継続する前までは、直前に選択されている前進（Ｆ）または後進（Ｒ）のエンジン回転数指令（第２回転数指令）が算出される。ニュートラル選択時の回転数指令の変更に“所定時間継続”の条件を設けている理由は、モジュレート後の再加速を考慮してエンジン１を負荷運転可能な状態に維持しておくためである。

　なお、図７のエンジン回転数指令算出のプロセスは一例に過ぎず、例えば、前後進スイッチ信号の内容に関係無く第２回転数指令を算出するようにしてもよい。

　＜発電インバータ６・発電電動機５＞
　発電インバータ６は、メインコントローラ１００からの発電電圧指令で規定される発電電圧指令値Ｖｎ（すなわちＶ１又はＶ２）に端子電圧２０が維持されるように発電電動機５を制御する。例えば、端子電圧２０が発電電圧指令値Ｖｎを下回る場合には、発電インバータ６は、エンジン１を負荷運転させて発電電動機５により電力を発生させる。

　＜走行インバータ８・走行電動機７＞
　走行インバータ８は、メインコントローラ１００からの電動機トルク指令で規定されるトルクを出力するように走行電動機７を制御する。

　例えば、ホイールローダ３０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、タイヤ１０へと伝えられ車体３１を加速させる。一方、ホイールローダ３０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（制動トルク）は、力行トルクと同様にタイヤ１０へと伝えられ車体３１を減速させる。走行電動機７で発生した回生電力は、後述のように、回生動力の発生中に動作するチョッパ回路４を経由し、ブレーキ抵抗器３で消費される。

　＜チョッパ回路４・ブレーキ抵抗器３＞
　チョッパ回路４は、チョッパ回路４への入力電圧（端子電圧２０）を監視しており、その入力電圧がブレーキ設定電圧Ｖｂを越えるとき、チョッパ回路４に内蔵するスイッチングデバイス（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）をスイッチングする（スイッチングデバイスのＯＮ／ＯＦＦを繰り返す）ことで端子電圧２０をブレーキ設定電圧Ｖｂに保持するように動作する。チョッパ回路４の動作中、発電インバータ６及び走行インバータ８はブレーキ抵抗器３に電気的に接続され、チョッパ回路４の出力電圧はブレーキ抵抗器３に印加される。これにより抵抗放電制御時の発電電動機５の発電電力と走行電動機７の回生電力はブレーキ抵抗器３で消費される。一方、チョッパ回路４への入力電圧（端子電圧２０）がブレーキ設定電圧Ｖｂ以下のときは、チョッパ回路４は動作しない。そのため発電インバータ６及び走行インバータ８のブレーキ抵抗器３との電気的に接続は遮断される。

　チョッパ回路のブレーキ設定電圧Ｖｂは、発電電動機５の発電制御時（図５のＳ５０３参照）の発電電圧指令値Ｖ１より大きくかつ抵抗放電制御時（図５のＳ５０４参照）の発電電圧指令値Ｖ２より小さく設定されており、本実施形態ではＶ１＝６００Ｖ，Ｖ２＝７００Ｖに対して、Ｖｂ＝６５０Ｖと設定されている。これにより、端子電圧２０がブレーキ設定電圧Ｖｂを越えるときには、発電電動機５が抵抗放電制御（図５のＳ５０４参照）により発電しているときと、走行電動機７が回生電力を発生しているときが含まれる。

　＜動作＞
　次に本実施形態の電動駆動式作業車両の動作について図８を用いて説明する。図８は本実施形態の発電制御と抵抗放電制御の動作の一例を示す図である。アクセル信号が最大で前後進スイッチ１０３を前進（Ｆ）の状態からニュートラル（Ｎ）を経由して後進（Ｒ）に操作する場合の動作例である。

　（１）前後進スイッチ１０３が前進（Ｆ）のとき
　まず、前後進スイッチ１０３が前進（Ｆ）の状態について説明する。この場合、メインコントローラ１００のトルク指令演算部１２０は図７に基づいて走行インバータ８に正（＋）のトルク指令を送り、走行電動機７の速度は正（＋）となってホイールローダ３０は力行運転で前進している。走行電動機７の電力はエンジン１の動力によって駆動される発電電動機５から得られる。

　このとき、メインコントローラ１００のモジュレート判定部１１０では図４に基づいてモジュレート中ではないと判定されるため、メインコントローラ１００の発電電圧指令演算部１４０は図５に基づいて発電電圧指令値Ｖ１（＝６００Ｖ）を発電インバータ６に出力する。これにより発電電動機５では通常の発電制御が行われる。発電電動機５は負荷状態となったエンジン１によって駆動され、端子電圧２０は指令通りの電圧値Ｖ１に制御される。

　チョッパ回路４は、端子電圧２０がブレーキ設定電圧Ｖｂ（＝６５０Ｖ）を超えると動作し、ブレーキ抵抗器３が電力を消費するように設定されている。車両が前進で力行している状態では、端子電圧２０がＶ１（＝６００Ｖ）に制御されているので、チョッパ回路４は停止している。

　エンジン１は、図７に基づいて第２回転数指令で制御され、発電電動機５を回すために相当の負荷運転をしている。

　（２）前後進スイッチ１０３がニュートラル（Ｎ）のとき
　次に、前後進スイッチ１０３を後進（Ｒ）に切り替える際に一時的に通過するニュートラル（Ｎ）の状態（ｔ１からｔ２までの時間）について説明する。この場合、メインコントローラ１００のトルク指令演算部１２０は図７に基づいて走行インバータ８にゼロトルク指令を送り、走行電動機７はトルクゼロとなり、走行電動機速度は惰行状態となる。

　メインコントローラ１００のモジュレート判定部１１０では引き続きモジュレート中ではないと判定されるため、発電電動機５の発電制御は直前の前進（Ｆ）の状態（発電電圧指令値Ｖ１）を継続する。これにより端子電圧２０は依然としてＶ１（＝６００Ｖ）に制御されるので、チョッパ回路４は停止を継続する。

　ニュートラル（Ｎ）が継続する時間は所定時間未満のためエンジン１は第２回転数指令のまま制御されるが、ゼロトルク指令により走行電動機７用の電力は不要となる。そのため、エンジン１の負荷はほとんどなくなり無負荷運転の状態となって、エンジン出力の応答性は鈍い状態となる。

　（３）前後進スイッチ１０３が後進（Ｒ）のとき
　時間ｔ２で前後進スイッチ１０３が後進（Ｒ）になると、メインコントローラ１００のトルク指令演算部１２０は図７に基づいて走行インバータ８に負（－）のトルク指令を送り、走行電動機７は回生動作となり減速を始める。

　モジュレート判定部１１０は図４に基づいてモジュレート中であると判定するが、走行電動機速度の大きさが第１速度閾値（＝１ｋｍ／ｈ）を超えるため、発電電圧指令演算部１４０は図５に基づいて引き続き発電電圧指令値Ｖ１（＝６００Ｖ）を発電インバータ６に出力し、発電電動機５は引き続き端子電圧２０をＶ１（＝６００Ｖ）に制御しようとする。しかし、走行電動機７が発生する回生電力が端子電圧２０をＶ１から上げるように作用するので、端子電圧２０がブレーキ設定電圧Ｖｂ（＝６５０Ｖ）まで上昇した時点からチョッパ回路４の動作が開始する。これにより走行電動機７とブレーキ抵抗器３が通電して走行電動機７の回生電力がブレーキ抵抗３で消費され、端子電圧２０はブレーキ設定電圧Ｖｂ（＝６５０Ｖ）に維持される。

　その後、時間ｔ３で走行電動機７の速度が回生動作で徐々に低下し第１速度閾値を下回ると、発電電圧指令演算部１４０は図５に基づいて発電電圧指令値をブレーキ設定電圧Ｖｂ（＝６５０Ｖ）より高いＶ２（＝７００Ｖ）に設定する。つまり、発電電動機５は発電電力をブレーキ抵抗器３で消費するための抵抗放電制御を開始する。端子電圧２０がＶ２に制御される間、チョッパ回路４は継続して動作して走行電動機７及び発電電動機５をブレーキ抵抗器３と通電させる。このときのブレーキ抵抗器３は走行電動機７の回生電力と発電電動機５の発電電力の両方を消費している。

　時間ｔ３でエンジン１は発電電動機５でＶ２を発生するための相当の負荷運転に切り替わる。図８中に「遅れ時間」と示した切り替わり直後の若干の時間（通常は０．５秒から１秒以内）は出力応答性が低いものの、モジュレート動作が終了する時間ｔ４では出力の応答性が高い状態になる。第１速度閾値と第２速度閾値は、走行電動機速度が第１速度閾値から第２速度閾値に達するまでの所要時間に「遅れ時間」が包含されるように設定する必要があり、本実施形態では第１速度閾値を１ｋｍ／ｈ、第２速度閾値を０ｋｍ／ｈとした。

　時間ｔ４で走行電動機７の速度がゼロ（第２速度閾値）に到達して後進方向の回転（力行動作）を開始すると、前後進スイッチ１０３の方向と走行電動機７の回転方向が一致するので、モジュレート判定部１１０はモジュレート中ではないと判定する。これにより発電電圧指令演算部１４０は図５に基づいて発電電圧指令値を通常の値Ｖ１（＝６００Ｖ）に戻す。このように走行電動機７の回生動作が終了し、かつ発電電動機５の発電電圧が通常の電圧Ｖ１に戻ると、端子電圧２０もブレーキ設定値Ｖｂより小さいＶ１まで下がるためチョッパ回路４は停止する。時間ｔ４で走行電動機７は力行動作のための電力を必要とするが、エンジン１は時間ｔ３から負荷運転を行っているので、時間ｔ４で即座に負荷運転が可能な状態になる。これにより発電電動機５の発電が応答性良く開始され、これにより走行電動機７を応答性良く力行動作に切り替えることができる。

　＜比較例の動作＞
　次に、モジュレート中に発電電動機５の抵抗放電制御を実施しない電動駆動式作業車両を本実施形態の比較例とし、この場合の動作について図９を用いて説明する。図９は比較例の発電制御と抵抗放電制御の動作の一例を示す図であり、図８の場合と同様、アクセル信号が最大で前後進スイッチを前進（Ｆ）の状態からニュートラル（Ｎ）を経由して後進（Ｒ）に操作する場合の動作例である。

　まず、前後進スイッチ１０３が前進（Ｆ）の状態の場合、メインコントローラ１００は走行インバータ８に正（＋）のトルク指令を送り、走行電動機７の速度は正（＋）となってホイールローダは力行運転で前進している。走行電動機７の電力はエンジン１による動力によって発電電動機５から得られる。

　メインコントローラ１００は発電インバータ６に発電電圧指令値Ｖ１（本実施形態と同じ６００Ｖとする）を出力し、発電電動機５では通常の発電制御が行われる。エンジン１は負荷運転状態で発電電動機５を回しており、端子電圧２０は指令値通りの電圧値Ｖ１に制御される。

　比較例でもチョッパ回路４は、端子電圧２０がブレーキ設定電圧Ｖｂ（本実施形態と同じ６５０Ｖとする）を超えると動作し、ブレーキ抵抗器３が電力を消費するように設定されている。車両が前進で力行している状態では、端子電圧２０がＶ１（＝６００Ｖ）に制御されているので、チョッパ回路４は停止している。

　次に、前後進スイッチ１０３を後進（Ｒ）に切り替える際に一時的に通過するニュートラル（Ｎ）の状態について説明する。この場合、メインコントローラ１００は走行インバータ８にゼロトルク指令を送り、走行電動機７はトルクゼロとなり、走行電動機速度は惰行状態となる。

　引き続きモジュレート中ではないため、発電電動機５の発電制御は直前の前進（Ｆ）の状態（発電電圧指令値Ｖ１）を継続するが、ゼロトルク指令により走行電動機７用の電力は不要となる。そのため、エンジン１の負荷はほとんどなくなり無負荷運転の状態となって、エンジン出力の応答性は鈍い状態となる。

　次に、前後進スイッチ１０３が後進（Ｒ）になると、メインコントローラ１００は走行インバータ８に負（－）のトルク指令を送り、走行電動機７は回生動作となり減速を始める。発電電動機５は引き続き端子電圧２０をＶ１（＝６００Ｖ）に制御しようとするが、走行電動機７が発生する回生電力が端子電圧２０を上げるよう働くので、端子電圧２０がブレーキ設定値Ｖｂ（＝６５０Ｖ）に到達した時点から、チョッパ回路４が動作してブレーキ抵抗器３が電力を消費することによって、端子電圧２０はブレーキ設定値Ｖｂ（＝６５０Ｖ）を維持する。

　回生動作で走行電動機７の速度が徐々に低下して時間ｔ４で前進から後進へ切り替わる状態になると、走行電動機７は回生動作から力行動作へ切り替わることになる。しかし、エンジン１は時間ｔ４の直前まで無負荷運転を継続していたため、時間ｔ４では速やかに負荷運転が可能な状態になっていない。そのため、遅れ時間（通常、０．５秒から１秒程度）の発生を経てからはじめてエンジン１が負荷運転に対応可能な状態となり、その後、発電電動機５が必要な電力を発電し、その電力によって走行電動機７の力行運転が可能となる。すなわち、比較例の作業車両では、モジュレート後の加速性が悪く、トルコン車に比較して運転性が劣ることが分かる。

　＜効果＞
　上記のような比較例に対して本実施形態の電動駆動式作業車両は次のような効果を奏する。

　（１）本実施形態では、ホイールローダ３０のモジュレート動作中、エンジン１で発電電動機５を駆動してチョッパ回路４のブレーキ設定電圧Ｖｂを越える電圧Ｖ２を発生させることでエンジン１を負荷運転させ、そのときに動作するチョッパ回路４に発電インバータ６と走行インバータ８をブレーキ抵抗器３に電気的に接続させることで発電電動機５と走行電動機７で発生した電力をブレーキ抵抗器３で消費することとした。このようにモジュレート中からエンジン１を負荷運転させてスタンバイ状態にしておくと、前後進スイッチ１０３の指示方向の加速をモジュレート動作の終了直後から速やかに開始できるので、トルコン車と同等以上の加速性能を発揮できる。

　モジュレート中にエンジンに負荷をかける目的で発電電動機に発電させ、その発電電力を二次電池やキャパシタ等の蓄電装置に蓄える方式の電動駆動式作業車両では、蓄電装置が満充電状態の場合はモジュレート時にエンジンに負荷をかけることはできない。そのため、蓄電装置の蓄電量に応じてモジュレート後の加速性能にばらつきが生じ、加速性が良くなったり悪くなったりするおそれがあった。これに対して、モジュレート時の発電電力をブレーキ抵抗器３で消費するように構成した本実施形態では、モジュレート時に常にエンジンに負荷をかけることできるため、モジュレート後の加速性能を均一化できる。

　一般的に、走行電動機の電力源として二次電池やキャパシタ等の蓄電装置を搭載する場合、作業車両での利用に適した大容量の蓄電装置は高額なため電動駆動式作業車両の製造コストも高額になりやすいが、本実施形態は蓄電装置を備えないため電動駆動式作業車両のイニシャルコストを抑制できるというメリットがある。

　（２）また、モジュレート動作中にブレーキ設定電圧Ｖｂを越える電圧Ｖ２を発電電動機５で発生させる時間（すなわち、発電電動機５を抵抗放電制御する時間）は、燃料消費量削減の観点からはできるだけ短いことが好ましい。そこで本実施形態では、モジュレート動作中に走行電動機速度が第１速度閾値以下の間だけ発電電動機５で電圧Ｖ２を発生させることとした。このようにするとモジュレート動作中に継続して発電する場合よりもエンジン１の燃料消費量を削減できる。

　（３）さらに、本実施形態では、モジュレート動作中に走行電動機速度が第１速度閾値以下かつ第２速度閾値以上の間だけ発電電動機５で電圧Ｖ２を発生させることとし、第２速度閾値はモジュレート判定閾値と一致させることとした（すなわちモジュレート判定閾値は第２速度閾値と同一の値に設定されている）。このように構成するとモジュレート動作が終了するタイミング（つまり、非モジュレート動作が開始するタイミング）で発電電動機５の発電電圧をＶ２からＶ１に変更でき、エンジン１による無駄な燃料消費を削減できる。

　＜その他＞
　上記では、前後進スイッチ１０３を前進（Ｆ）の状態からニュートラル（Ｎ）を経由して後進（Ｒ）に操作する場合の動作例について説明したが、前後進スイッチ１０３を後進（Ｒ）の状態からニュートラル（Ｎ）を経由して前進（Ｆ）に操作する場合も同様の効果が得られることは言うまでも無い。

　上記では、端子電圧２０の変化とチョッパ回路４の動作開始にできるだけ時間差が生じないように、チョッパ回路４に自身への入力電圧を監視させ、その入力電圧がブレーキ設定電圧Ｖｂを越える場合にチョッパ回路４を動作するように構成したが、インバータ６，８からの入力信号等を基にメインコントローラ１００に端子電圧２０を監視させ、端子電圧２０がブレーキ設定電圧Ｖｂを越える場合にメインコントローラ１００からチョッパ回路４に動作指令を出力するように構成しても良い。

　なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

　また、上記の実施の形態の説明では、制御線や情報線は、当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。

　１…エンジン、３…ブレーキ抵抗器、４…チョッパ回路、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、２０…端子電圧、３０…電動駆動式ホイールローダ、１００…メインコントローラ（制御装置）、１０１…アクセル、１０３…前後進スイッチ、１１０…モジュレート判定部、１２０…トルク指令演算部、１３０…エンジン回転指令演算部、１４０…発電電圧指令演算部

Claims

　エンジンと、前記エンジンと機械的に接続された発電電動機と、前記発電電動機の発電量を制御する発電インバータと、前記発電電動機と電気的に接続された走行電動機と、前記走行電動機のトルクを制御する走行インバータと、車体の前進または後進を切り替えるために操作される前後進切替え装置と、発電電圧指令を前記発電インバータに出力し、電動機トルク指令を前記走行インバータに出力する制御装置とを備える電動駆動式作業車両において、
　前記発電電動機及び前記走行電動機に対し電気的に接続されたブレーキ抵抗器と、
　前記発電インバータ及び前記走行インバータに電気的に接続され、入力電圧が設定電圧を超えるとき前記発電インバータ及び前記走行インバータを前記ブレーキ抵抗器に電気的に接続することで前記発電電動機及び前記走行電動機で発生した電力を消費するチョッパ回路とを備え、
　前記制御装置は、
　前記前後進切替え装置により前記車体の進行方向と逆方向が選択されたことで前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作する間、前記エンジンにより前記発電電動機を駆動して前記設定電圧を超える電圧を発生する発電電圧指令を前記発電インバータに出力することを特徴とする電動駆動式作業車両。
　請求項１の電動駆動式作業車両において、
　前記制御装置は、
　　前記前後進切替え装置で選択された進行方向が前記走行電動機の回転方向と異なりかつ前記走行電動機の速度の大きさがモジュレート判定閾値を越えるとき、前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作中であると判定し、前記前後進切替え装置で選択された進行方向が前記走行電動機の回転方向と一致するときまたは前記走行電動機の速度の大きさがモジュレート判定閾値以下のとき、前記電動駆動式作業車両がモジュレート非動作中であると判定し、
　　前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作中であると判定されかつ前記走行電動機の速度の大きさが第１速度閾値より小さいとき、前記設定電圧を超える電圧を発生する前記発電電圧指令を算出することを特徴とする電動駆動式作業車両。
　請求項２の電動駆動式作業車両において、
　前記モジュレート判定閾値は、前記第１速度閾値より小さい第２速度閾値と同一の値に設定され、
　前記制御装置は、前記電動駆動式作業車両がモジュレート動作中であると判定されかつ前記走行電動機の速度の大きさが前記第１速度閾値より小さくかつ前記第２速度閾値より大きいとき、前記設定電圧を超える電圧を発生する前記発電電圧指令を算出することを特徴とする電動駆動式作業車両。
　請求項３の電動駆動式作業車両において、
　前記モジュレート判定閾値と前記第２速度閾値はゼロであることを特徴とする電動駆動式作業車両。