(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024022759
(43)【公開日】2024-02-21
(54)【発明の名称】電気駆動作業車両
(51)【国際特許分類】
B60W 20/12 20160101AFI20240214BHJP
B60K 6/46 20071001ALI20240214BHJP
B60W 10/26 20060101ALI20240214BHJP
F02D 29/06 20060101ALI20240214BHJP
B60L 50/61 20190101ALI20240214BHJP
B60L 58/10 20190101ALI20240214BHJP
【FI】
B60W20/12
B60K6/46 ZHV
B60W10/26 900
F02D29/06 D
F02D29/06 E
B60L50/61
B60L58/10
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022126080
(22)【出願日】2022-08-08
(71)【出願人】
【識別番号】000005522
【氏名又は名称】日立建機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】弁理士法人開知
(72)【発明者】
【氏名】金子 悟
(72)【発明者】
【氏名】小原 峻介
(72)【発明者】
【氏名】北口 篤
(72)【発明者】
【氏名】高田 知範
【テーマコード(参考)】
3D202
3G093
5H125
【Fターム(参考)】
3D202AA00
3D202AA07
3D202BB00
3D202BB02
3D202BB11
3D202BB21
3D202BB43
3D202DD01
3D202DD16
3D202DD45
3D202DD47
3D202DD48
3D202DD50
3G093AA07
3G093AA08
3G093BA19
5H125AA12
5H125AB01
5H125AC08
5H125AC12
5H125BC05
5H125BD17
5H125CA05
5H125CA06
5H125CB02
5H125EE31
5H125EE55
(57)【要約】
【課題】2次電池の容量が比較的小さい場合に燃料消費量をより削減することができる電気駆動作業車両を提供すること。
【解決手段】エンジンにより駆動される主発電機および補助発電機と、主発電機から供給される電力により駆動する走行用電動モータと、補助発電機から供給される電力により駆動する補機装置と、走行用電動モータの車両制動時に発生する回生電力を補機装置に供給する回生装置と、回生装置及び補助発電機から補機装置に供給される電力を蓄電可能な電池とを備え、回生装置は、電気駆動作業車両の走行パターンとエンジンの燃料消費率とに基づいて、エンジンの燃料消費率に応じて電池を放電させる第1の放電区間と、車両の消費エネルギーの大きさに応じて電池を放電させる第2の放電区間とを決定し、第1及び第2の放電区間に基づいて電池から補機装置又は走行用電動モータに対して電力を供給する。
【選択図】
図9
【特許請求の範囲】
【請求項1】
エンジンと、
前記エンジンにより駆動される主発電機および補助発電機と、
前記主発電機から供給される電力により駆動する走行用電動モータと、
前記補助発電機から供給される電力により駆動する補機装置と、
前記走行用電動モータの車両制動時に発生する回生電力を前記補機装置に供給する回生装置と、
前記回生装置及び前記補助発電機から前記補機装置に供給される電力を蓄電可能な電池と、を備えた電気駆動作業車両において、
前記回生装置は、
前記電気駆動作業車両の走行パターンとエンジンの燃料消費率とに基づいて、
前記エンジンの燃料消費率に応じて前記電池を放電させる区間を前記電気駆動車両の走行区間または時間により規定した第1の放電区間と、
車両の消費エネルギーの大きさに応じて前記電池を放電させる区間を前記電気駆動車両の走行区間または時間により規定した第2の放電区間とを決定し、
前記第1及び第2の放電区間に基づいて前記電池から前記補機装置又は前記走行用電動モータに対して電力を供給することを特徴とする電気駆動作業車両。
【請求項2】
請求項1記載の電気駆動作業車両において、
前記回生装置は、
前記走行パターンと前記エンジンの燃料消費量とを繰り返し演算し、
前記走行パターンにおける前記エンジンの燃料消費量が最小となるように前記電池の放電タイミングを決定し、
前記放電タイミングに基づいて前記電池から前記補機装置に対して電力を供給することを特徴とする電気駆動作業車両。
【請求項3】
請求項1記載の電気駆動作業車両において、
前記回生装置は、
前記エンジンの燃料消費率が予め定めた燃費閾値よりも大きい区間を前記第1の放電区間として決定し、
前記電気駆動作業車両の消費エネルギーの走行サイクルにおける収支が合うように前記第2の放電区間を決定することを特徴とする電気駆動作業車両。
【請求項4】
請求項3記載の電気駆動作業車両において、
前記回生装置は、
前記走行パターンにおける前記エンジンの燃料消費量が小さくなるように前記燃費閾値を調整して前記第1の放電区間を決定した後に、
前記電気駆動作業車両の消費エネルギーの走行サイクルにおける収支が合うように前記第2の放電区間を決定することを特徴とする電気駆動作業車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気駆動作業車両に関する。
【背景技術】
【0002】
鉱山などの作業現場では、鉱石や剥土を積込場から放土場まで運搬するために多数の大型のダンプトラックが稼動している。作業現場においては、積込場から放土場の経路は一定に決められており、1つの経路で同じ車格の複数台のダンプトラックが長ければ1日24時間稼働して繰り返し往復走行することにより搬送効率の向上が図られている。
【0003】
このように、大型のダンプトラックを長時間かつ複数台稼動する場合には、単位コスト(イニシャルコスト+ランニングコスト)当りの仕事量(エネルギー量)で示される搬送効率が重要視される。ダンプトラックでは、搬送効率を向上するために、イニシャルコストの抑制とランニングコストの低減を実現する各種方策が施される。このうち、ランニングコストの低減については、効率が良く、かつメンテナンスコストが比較的かからない駆動システムの1種である電気駆動システムを用いてエンジンの燃料消費率[g/kWh]を低減することにより実現可能である。
【0004】
ダンプトラックの機械式駆動システムではエンジンの動力をトルクコンバータと変速機を用いてタイヤに伝達しているのに対し、電気駆動システムではエンジンで発電機を駆動し、ここで発電された電力を用いてタイヤ軸に連結された走行用の電動モータを駆動している。電気駆動システムでは、効率の高い電動モータを用いるとともに、エンジンを燃焼効率の高い動作点で駆動することができるため、燃料消費率[g/kWh](所謂、燃費)の改善が期待できる。また、電気駆動システムでは、鉱山等の作業現場に数多く存在する坂道(下り坂)において、走行用電動モータで電気的な制動力を発生させることで回生電力を得ることができ、この回生電力を利用することで、更なる燃費の改善を期待することができる。具体的には、制動時に発生する回生電力を補機装置の駆動に活用したり、一時的に2次電池に充電して、通常の走行時に車両の駆動や補機装置の駆動に活用したりすることが可能である。
【0005】
このように、2次電池を活用した電気駆動システムに係る技術としては、例えば、特許文献1に記載のものが知られている。特許文献1には、エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、電力を用いて車輪を駆動するモータと、前記モータが発電した電力を充電可能に構成され充電した電力を前記モータに供給する蓄電装置と、前記蓄電装置への充電と前記蓄電装置からの放電とを制御する制御装置とを有する鉱山用ハイブリッド式ダンプトラックにおいて、積載量センサを備え、前記制御装置は、積載量が閾値よりも大きい場合は第1放電ゲインK1を選択し、積載量が閾値よりも小さい場合は第2放電ゲインK2を選択する信号切替器を備える鉱山用ハイブリッド式ダンプトラックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記従来技術においては、比較的大きな容量の2次電池を搭載し、エンジンで駆動される発電機からの電力を2次電池に蓄電して、車両の登坂走行のような大きなエンジン動力が必要とされる場合に2次電池から電力を供給することで燃料消費量の削減を図っている。
【0008】
一方、走行用電動モータで発生する回生電力による補機装置の駆動などを目的とするシステムのように、搭載する2次電池の容量に制限がある場合には、2次電池の容量確保に要するコストは抑制されるものの、上記従来技術を適用したとしてもエンジンの燃費改善効果は限定的となることが考えられる。
【0009】
本願発明は上記に鑑みてなされたものであり、2次電池の容量が比較的小さい場合でもエンジンの燃料消費率[g/kWh]をより改善することができる電気駆動作業車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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、前記エンジンにより駆動される主発電機および補助発電機と、前記主発電機から供給される電力により駆動する走行用電動モータと、前記補助発電機から供給される電力により駆動する補機装置と、前記走行用電動モータの車両制動時に発生する回生電力を前記補機装置に供給する回生装置と、前記回生装置及び前記補助発電機から前記補機装置に供給される電力を蓄電可能な電池と、を備えた電気駆動作業車両において、前記回生装置は、前記電気駆動作業車両の走行パターンとエンジンの燃料消費率とに基づいて、前記エンジンの燃料消費率に応じて前記電池を放電させる区間を前記電気駆動車両の走行区間または時間により規定した第1の放電区間と、車両の消費エネルギーの大きさに応じて前記電池を放電させる区間を前記電気駆動車両の走行区間または時間により規定した第2の放電区間とを決定し、前記第1及び第2の放電区間に基づいて前記電池から前記補機装置又は前記走行用電動モータに対して電力を供給するものとする。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、2次電池の容量が比較的小さい場合にエンジンの燃料消費率をより改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】電気駆動作業車両の一例であるダンプトラックの外観を模式的に示す側面図である。
【
図2】電気駆動システムの一部を周辺構成とともに抜き出して概略的に示す図である。
【
図3】ディーゼルエンジンの燃費特性の一例を示す図である。
【
図4】作業現場の一例である鉱山でのダンプトラックの走行パターンを車両速度の変化として示す図である。
【
図5】
図4に示す走行パターンにおける充電量の推移(充放電特性)の一例を示す図である。
【
図6】
図4に示す走行パターンにおけるエンジンの燃料消費率の推移の一例を示す図である。
【
図7】回生制御装置の処理機能のうち、放電区間を決定する放電区間決定処理に係る機能部の処理内容を示す機能ブロック図である。
【
図8】回生制御装置における放電区間決定処理の処理内容を示すフローチャートである。
【
図9】
図4に示す走行パターンにおけるエンジンの燃料消費率の推移について燃費閾値を設定し、第1及び第2の放電区間を設定した場合の一例を示す図である。
【
図10】
図4に示す走行パターンにおいて
図9に示すようなエンジン燃費閾値の設定を行い、第1及び第2の放電区間の設定を行った場合における充電量の推移(充放電特性)の一例を示す図である。
【
図11】本実施の形態の従来技術に対する燃料消費率の改善状況を説明する図である。
【
図12】比較例の電気駆動システムの一部を周辺構成とともに抜き出して概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、電気駆動作業車両の一例として積載対象を積み込む荷台を有するダンプトラックを例示して説明するが、ホイールローダ等のような車輪を有する他の電気駆動作業車両にも本発明を適用することが可能である。
【0014】
図1は、本実施の形態に係る電気駆動作業車両の一例であるダンプトラックの外観を模式的に示す側面図である。
【0015】
図1において、ダンプトラック100は、前後方向に延在して支持構造体を形成する車体フレーム18と、車体フレーム18の上部に前後方向に演算するように配置され、その後端下部をピン結合部7aを介して車体フレーム18に傾動可能に設けられた荷台(ベッセル)7と、車体フレーム18の下方前側左右に設けられた一対の従動輪4L(4R)と、車体の下方後側左右に設けられた一対の駆動輪5L(5R)と、車体フレーム18の上方前側に設けられた運転席6と、車体フレーム18上に配置されたエンジン1(例えば、ディーゼルエンジン)と、エンジン1により駆動される主発電機2(後の
図2参照)から出力される電力を用いて車輪(駆動輪5L,5R)を駆動する走行用電動モータ3L,3R等を有する電気駆動システムとから概略構成されている。なお、
図1においては、従動輪および駆動輪は左右一対の構成のうちの一方のみを図示して符号を付し、他方については図中に括弧書きで符号のみを示して図示を省略する。
【0016】
図2は、電気駆動システムの一部を周辺構成とともに抜き出して概略的に示す図である。
【0017】
図2において、電気駆動システムは、エンジン1により駆動される主発電機2及び補助発電機14と、主発電機2から出力される電流(交流電力)を整流する整流器8と、整流器8で整流された電流(直流電力)を交流電力の駆動信号に変換して走行用電動モータ3L,3Rに供給するインバータ9と、主発電機2から整流器8およびインバータ9を介して供給される電力を用いて駆動輪5L,5R(車輪)を駆動する走行用電動モータ3L,3Rと、補助発電機14から出力される電流(交流電力)を整流する補助用整流器11と、冷却ブロワなどの補機装置である補助用モータ13と、補助用整流器11で整流された電流(直流電流)を交流電力の駆動信号に変換して補助用モータ13(補機装置)に供給する補助用インバータ12と、主発電機2側の整流器8の下流側の回路(以降、主回路と称する)と補助発電機14側の補助用整流器11の下流側の回路(以降、補助回路と称する)の間で電力の変換及び授受を行うDC-DCコンバータ10(以降、回生装置とも称する)と、補助回路の電力を蓄電する2次電池17と、補助回路と2次電池17との間で電力の変換を行って2次電池17の蓄電(充電)および放電を制御する双方向コンバータ16と、主回路側の余剰電力を必要に応じて消費する外部抵抗器15と、電気駆動システムの回生動作を含む全体の動作を制御する回生制御装置20とを概略備えている。なお、ダンプトラック100には、補機装置として複数組の冷却ブロワ(補助用インバータ12および補助用モータ13)が搭載されているが、
図2においては図示の簡単のために1組の補機装置のみを例示している。
【0018】
DC-DCコンバータ10は、ダンプトラック100の制動時に走行用電動モータ3L,3Rで発生する回生電力等の主回路側の電力を変換(降圧)して補助回路側に供給し、補助用インバータ12を介して補助用モータ13の駆動に用いる。これにより、ダンプトラック100の制動時に発生する回生電力を補機装置の駆動に利用することが可能となり、その分、燃料消費量を削減することができる。
【0019】
また、DC-DCコンバータ10は、ダンプトラック100の制動時に走行用電動モータ3L,3Rで発生する回生電力等の主回路側の電力を変換(降圧)して補助回路側に供給し、双方向コンバータ16を介して2次電池17に蓄電させる。そして、2次電池17に蓄電した電力は、走行用電動モータ3L,3Rの回生時以外の動作(例えば、ダンプトラック100の力行動作)において補機装置に供給される。すなわち、本実施の形態においては、走行用電動モータ3L,3Rで発生する回生電力であって補機装置の駆動に用いない余剰分の電力の一部を、外部抵抗器15で消費せずに回収して2次電池17に蓄電し、走行用電動モータ3L,3Rの回生時以外で補機装置に供給される。これにより、全体的なエネルギー効率をさらに向上することができ、燃料消費量を削減することができる。
【0020】
ここで、本実施の形態における2次電池の電力容量の設定、及び、電力アシストのタイミングの設定の基本原理について説明する。
【0021】
まず、本実施の形態の対象となる2次電池17の電力容量の設定について説明する。
【0022】
ダンプトラックのような電気駆動作業車両に搭載されるハイブリッドシステムとしては、ある程度大きな容量の蓄電デバイスを搭載して電気系のみで走行可能なシステム(所謂、ストロングハイブリッド型)と、電気系のエネルギー源としては主に回生エネルギーを用い、エンジンのアシストや補機系の駆動を主動作とする、すなわち、蓄電デバイスからの電力供給単独での車両の駆動を想定していないシステム(所謂、マイルドハイブリッド型)とが知られている。
【0023】
一般的に鉱山等で稼働している大型のダンプトラックにおける走行用電動モータの回生電力の大きさは、大まかに数千kWであるのに対して、補機装置で要求される電力はおおよそ100kW程度であり、大きさの違いが桁違いである。そのため、ダンプトラックの回生電力は、補機装置で必要とされる電力よりも大きい電力であり、車両の制動時における回生装置を介した補機装置への電力供給のみでは吸収できない場合が多い。そこで、回生電力の一部を外部抵抗で消費することにより、補機装置への電力供給に対して余剰となる回生電力に対応している。
【0024】
ここで、大型のダンプトラックにおいて、回生装置の出力部に2次電池を搭載することで、外部抵抗器で消費する電力の一部を2次電池に充電し、車両の力行時にその電力を活用することが考えられる。ただし、本実施の形態で対象とするダンプトラック100は積荷の搬送量が最も重要な基本性能指標となるため、重量物である電池を多く搭載するほどコストの上昇を招くだけでなく、基本性能である搬送量を損なってしまう。
【0025】
そこで、本実施の形態においては、ダンプトラックに適用するにあたって最もコストパフォーマンスを発揮すると考えられる比較的小型の2次電池、すなわち、電池容量が比較的小さい2次電池を搭載する。
【0026】
次に、電力アシストのタイミングの設定について説明する。
【0027】
本実施の形態においては、ダンプトラック100の作業現場における走行パターンを時間軸で規定し、エンジン1の燃費に応じて2次電池17から補機装置(補助用インバータ12および補助用モータ13)に電力を供給する電力アシストを行う、すなわち2次電池17の放電を行うタイミング(第1の放電区間)と、ダンプトラック100の消費エネルギーの大きさに応じて電力アシストを行う2次電池17を放電させるタイミング(第2の放電区間)とを設定する。ここで、第1及び第2の放電区間とは、所定のタイミング(例えば、運搬作業のサイクルにおける走行開始時)からの経過時間に基づいて規定される区間(すなわち、期間)であり、第1及び第2の放電区間の開始と終了とがそれぞれ経過時間に基づいて規定される。なお、以降の説明においては、上記のように電力アシストを行う第1及び第2の放電区間をそれぞれ時間で規定した場合を例示して説明するが、ダンプトラック100の位置に基づいて走行区間内における特定の位置の間を放電区間として設定するように構成しても良い。
【0028】
まず、エンジン1の燃料消費率[g/kWh](以下、燃費と称することもある)に応じて電力アシストを行うタイミング(第1の放電区間)を設定する場合について説明する。
【0029】
図3は、ディーゼルエンジンの燃費特性の一例を示す図であり、縦軸にディーゼルエンジンのトルク[N・m]を、横軸にディーゼルエンジンの回転数[rpm]を示した場合の等燃費マップとして燃費特性を示している。
【0030】
図3に示すように、ディーゼルエンジンの燃費特性は、出力(トルク×回転数)が大きくなるにしたがって燃費が良くなり、出力が小さくなるにしたがって燃費が悪くなる傾向を示す。ディーゼルエンジンの燃費の向上には、燃費がより悪い領域(出力がより小さい領域)で、2次電池からの電量供給による補機装置の駆動(以降、電力アシストと称する)を実施することが有効である。
【0031】
そこで、本実施の形態においては、エンジン1(ディーゼルエンジン)が出力のより小さい領域で駆動しているタイミングを考慮して、2次電池17からの放電(電力アシスト)を実施する第1の放電区間を設定する。
【0032】
続いて、ダンプトラック100の消費エネルギーに応じて電力アシストを行うタイミング(第1の放電区間)を設定する場合について説明する。
【0033】
図4は、作業現場の一例である鉱山でのダンプトラックの走行パターンを車両速度の変化として示す図であり、縦軸に車両速度[km/h]を、横軸に時間[h]をそれぞれ示している。
【0034】
図4に示すように、鉱山でのダンプトラック100の車両速度の変化は、ほぼ同一の走行パターンを繰り返す。例えば、鉱山におけるダンプトラック100は、積み込み場所に移動しての運搬物の積込みと、排出場所に移動しての運搬物の排出とを繰り返す。その間、ダンプトラック100は、鉱山の坂道の上り下り、加減速を繰り返すため、走行用電動モータ3L,3Rは力行動作と回生動作とを繰り返す。電力アシストで用いられる回生電力は、回生動作によって得られる。
【0035】
図5は、
図4に示す走行パターンにおける充電量の推移(充放電特性)の一例を示す図であり、縦軸に2次電池の充電量[kwh]を、横軸に時間[h]をそれぞれ示している。
【0036】
図5では、ダンプトラックが
図4に示す走行パターンで走行した場合であって、車両の制動によって得られた回生電力をその次の車両の力行時において直ちに放電させた場合の2次電池の充電量の推移(充放電特性)を示している。この場合、走行パターンの初期の区間で充放電がほとんど終了しており、全体のエネルギー収支を考慮すると、さらなる改善の可能性が考えられる。
【0037】
図6は、
図4に示す走行パターンにおけるエンジンの燃料消費率の推移の一例を示す図であり、縦軸に燃料消費率[g/kwh]を、横軸に時間[h]をそれぞれ示している。
【0038】
図4に示したダンプトラックの走行パターンでは、車両速度が大きく出力が比較的大きいと考えられる区間と、車両速度が小さく出力が比較的小さいと考えられる区間の2種類の区間を有する特性が表れており、これに応じて
図6においても、燃料消費率が良い区間と、燃料消費率が悪い区間とを有する特性が表れている。
【0039】
ここで、
図5で示したように、走行パターンの初期の期間で充放電をほとんど終了するような2次電池の放電を実施した場合には、
図6のエンジンの燃費が良い区間であっても2次電池からの電力アシストを実施することになり、電力アシストの燃費改善への寄与が大きくないことが考えられる。すなわち、
図6において、走行パターンの前半に見られるようなより燃費の良い区間における電力アシストの実施(放電)を抑えつつ、走行パターンの後半に見られるようなより燃費の悪い区間における電力アシストの実施(放電)を行うことで、更なる燃料消費量の削減が期待できる。
【0040】
本実施の形態は、以上のような知見に基づいて第1及び第2の放電区間を設定することにより、燃料消費量の削減を図るものである。すなわち、エンジンの燃費のみに着目した場合、走行用電動モータの電気制動で得られた回生電力を2次電池に充電し、この電力を電気駆動部の電力アシストに活用する際には、できるだけエンジンの燃費が悪い区間で電力アシストを実施することが望ましい。しかしながら、一般的にディーゼルエンジンは出力の小さい領域で燃費が悪いといった特性を有するため、エンジンの燃費のみを考慮して電力アシストの区間を設定すると、2次電池に回収した回生電力をすべて使い切ることができず、さらなる燃料消費量の削減の余地が生じる。そこで、
図6に示したように、エンジンの燃費が比較的良い区間と燃費が比較的悪い区間の2種類の区間を有するようなダンプトラックの走行パターンにおいては、燃費の良し悪しによらずに2次電池の放電(電力アシスト)を実施して、ダンプトラックの走行サイクルにおける充放電の収支を合わせるように調整する区間(以下、「その他の放電区間」とも称する)を第2の放電区間として設定する。
【0041】
このように、本実施の形態においては、エンジン1の燃費に応じて第1の放電区間を設定するとともに、燃費によらず放電を実施する第2の放電区間を設定することで、燃料消費量をより削減することができる。
【0042】
図7は、回生制御装置の処理機能のうち、放電区間を決定する放電区間決定処理に係る機能部の処理内容を示す機能ブロック図である。
【0043】
図7において、回生制御装置20は、放電区間を決定する放電区間決定処理に係る機能部として、エンジン燃費点閾値調整部21と、走行パターン生成部22と、2次電池充放電収支情報演算部23と、電池放電区間判断部24とを有している。
【0044】
エンジン燃費点閾値調整部21は、エンジン1の動作を制御するECU1aから取得したエンジン燃費の情報に基づいて、第1の放電区間の決定に用いるための燃費閾値を設定し、電池放電区間判断部24に出力する。
【0045】
走行パターン生成部22は、ダンプトラック100に設けられた図示しないGNSS(Global Navigation Satellite System:全球測位衛星システム)から取得したダンプトラック100の位置情報(走行地点の情報)と、図示しないGNSSや傾斜センサなどから取得したダンプトラック100の勾配情報と、CAN通信などを介して取得したダンプトラック100の車速情報と、ECU1aなどからの情報に基づいて演算された走行トルクの情報とに基づいて、ダンプトラック100の作業現場での最新の走行パターンを生成し、走行パターン信号として電池放電区間判断部24に出力することで、電池放電区間判断部24での処理に用いる走行パターンを更新する。
【0046】
2次電池充放電収支情報演算部23は、2次電池17から取得した電流及び電圧に関する情報(電流電圧情報)に基づいて、所定の期間(例えば、ダンプトラック100の走行パターンの1サイクル)において2次電池17が充電および放電した電力の収支を示す情報(2次電池充放電収支情報)を生成し、電池放電区間判断部24に出力する。なお、ダンプトラック100の鉱山などの作業現場における走行パターンの1サイクルとは、例えば、ダンプトラック100の走路における基準点から土砂等を積み込む積荷位置および土砂を放出する放土位置を介して基準点に戻るまでの一連の走行動作である。ただし、基準点は積荷位置や放土位置に設けても良いし、積荷位置や放土位置を複数回経る走行動作を1サイクルとしても良い。
【0047】
電池放電区間判断部24は、ECU1aから取得したエンジン燃費の情報と、エンジン燃費点閾値調整部21からの燃費閾値と、走行パターン生成部22から走行パターン信号として取得した走行パターンと、2次電池充放電収支情報演算部23から取得した2次電池充放電収支情報とに基づいて、第1及び第2の放電区間の2種類の放電区間を決定し、2次電池17の放電を許可する信号(放電許可信号)を第1及び第2の放電区間のみにおいて双方向コンバータ16に出力する。双方向コンバータ16は、第1及び第2の放電区間において電池放電区間判断部24から放電許可信号が出力される間のみ2次電池17の放電を行い、その他の場合には2次電池17の充電を行う。
【0048】
なお、実際には、ダンプトラック100が稼働する鉱山などの作業現場における走行パターンは、ダンプトラック100の導入前の時点で予め大まかに予測できるため、エンジン燃費点閾値調整部21で設定する燃費閾値の初期値、及び走行パターン生成部22で生成する走行パターンの初期値は、予測した走行パターンに基づいて予め設定することができ、電池放電区間判断部24で決定する第1及び第2の放電区間の2種類の放電区間の初期値もダンプトラック100の初期の現場導入時に暫定的に設定することができる。
【0049】
図8は、回生制御装置における放電区間決定処理の処理内容を示すフローチャートである。
【0050】
図8において、回生制御装置20は、まず、エンジン燃費点閾値調整部21や電池放電区間判断部24で用いる情報(エンジン燃費、燃料消費量[l/h]の情報)、走行パターン生成部22で用いる情報(走行地点の情報、勾配情報、車両速度の情報、走行トルクの情報)、及び、2次電池充放電収支情報演算部23で用いる情報(電流電圧情報)を取得する(ステップS100)。なお、ステップS100で取得する各種情報は、放電区間決定処理のサイクルに関わらず、例えば、回生制御装置20を構成する演算装置の最小処理サイクルで逐次更新されている。
【0051】
ステップS100において、各種情報を取得すると、続いて、エンジン燃料消費量[l/h]が前回のサイクルよりも改善しているか否かを判定する(ステップS110)。
【0052】
ステップS110での判定結果がYESの場合、すなわち、エンジン燃料消費量が前回のサイクルよりも改善していると判定された場合には、さらなる改善の余地(改善代)があると判断して、エンジン燃費閾値を予め定めた値だけ下げて第1の放電区間の調整を行い(ステップS111)、続いて、ステップS111でのエンジン燃費閾値の調整に応じて第2の放電区間の調整(2次電池17の充放電収支を合わせるように調整)を行い(ステップS120)、処理を終了する。このようなステップS111の処理により、第1の放電区間で2次電池17から放電される電力エネルギーが増加し、結果的に燃料削減効果を増加させることができる。
【0053】
また、ステップS110での判定結果がNOの場合、すなわち、エンジン燃料消費量が前回のサイクルよりも改善していない(つまり、悪化している)と判定された場合には、走行パターンの後半に燃費が悪い区間があり、第1の放電区間における2次電池17からの放電を制限する必要があると判断して、エンジン燃費閾値を予め定めた値だけ上げて第1の放電区間の調整を行い(ステップS112)、続いて、ステップS112でのエンジン燃費閾値の調整に応じて第2の放電区間の調整(2次電池17の充放電収支を合わせるように調整)を行い(ステップS120)、処理を終了する。このようなステップS112の処理により、第1の放電区間で2次電池17から放電される電力エネルギーが減少し、結果的に燃料消費削減効果を増加させることができる。
【0054】
なお、ステップS111,S112におけるエンジン燃費閾値の調整幅は、ダンプトラック100の燃料消費率の変化量を考慮して適宜設定可能であるが、例えば、燃料量換算で0.1[L]相当の燃料消費率[g/kwh]を燃費閾値の1サイクル毎の変更値とする。
【0055】
回生制御装置20は、放電区間決定処理としてステップS100~S120の処理を1サイクル毎に繰り返す。これにより、エンジンの燃料消費量が最小(最善)となる第1及び第2の放電区間の組み合わせが設定される。
【0056】
図9は、
図4に示す走行パターンにおけるエンジンの燃料消費率の推移について燃費閾値を設定し、第1及び第2の放電区間を設定した場合の一例を示す図であり、縦軸に燃料消費率[g/kwh]を、横軸に時間[h]をそれぞれ示している。
【0057】
図9に示すように、本実施の形態のエンジン燃費閾値を設定し、第1及び第2の放電区間を設定すると、それに応じた2次電池の放電(電力アシスト)が補機装置に対して実施される。
【0058】
図10は、
図4に示す走行パターンにおいて
図9に示すようなエンジン燃費閾値の設定を行い、第1及び第2の放電区間の設定を行った場合における充電量の推移(充放電特性)の一例を示す図であり、縦軸に2次電池の充電量[kwh]を、横軸に時間[h]をそれぞれ示している。
【0059】
図10に示すように、本実施の形態における2次電池17の充放電特性は、本実施の形態に係る制御を適用せずに車両の制動によって得られた回生電力をその次の車両の力行時において直ちに放電させた場合の充放電特性(
図5参照)と比較して、2次電池17の充電量が走行パターンの後半まで残っており、走行パターン後半のエンジン燃費の悪い区間での放電(電力アシスト)が行われていることが確認できる。また、1サイクルあたりの充放電収支を合わせるように調整されるので、電力エネルギーを効率よく用いることで燃料消費量を削減することができる。このように、本実施の形態においては、作業現場の状況に応じたダンプトラック100の走行パターンを繰り返し演算し、それに応じてエンジン燃費閾値(第1の放電区間)と第2の放電区間とを設定することで、回生電力を活用したエンジンの燃料消費量の削減を実現することが可能となる。
【0060】
なお、
図10においては、充電量が0(ゼロ)である状態を基準として、走行パターンの1サイクルあたりの充放電特性(充放電収支)を例示しているが、実際には、2次電池17の充放電における劣化等の影響を考慮して、満充電量に対する50%程度を基準点としたり、1サイクルでの平均値が50%程度となるようにしたりして運用することが望ましい。
【0061】
以上のように構成した本実施の形態の作用効果を比較例を用いて説明する。
【0062】
図12は、比較例として示す電気駆動システムの一部を周辺構成とともに抜き出して概略的に示す図である。
【0063】
図12において、比較例の電気駆動システムは、エンジン1により駆動される主発電機2及び補助発電機14と、主発電機2から出力される電流(交流電力)を整流する整流器8と、整流器8で整流された電流(直流電力)を交流電力の駆動信号に変換して走行用電動モータ3L,3Rに供給するインバータ9と、主発電機2から整流器8およびインバータ9を介して供給される電力を用いて駆動輪5L,5R(車輪)を駆動する走行用電動モータ3L,3Rと、補助発電機14から出力される電流(交流電力)を整流する補助用整流器11と、冷却ブロワなどの補機装置である補助用モータ13と、補助用整流器11で整流された電流(直流電流)を交流電力の駆動信号に変換して補助用モータ13(補機装置)に供給する補助用インバータ12とを概略備えている。
【0064】
鉱山等の作業現場で稼働するダンプトラックに
図12に示す比較例の電気駆動システムを適用する場合には、効率の高い電動モータを用いるとともに、エンジンを燃焼効率の高い動作点で駆動することができるため、燃料消費量の削減が期待できる。しかしながら、この電気駆動システムでは、鉱山等の作業現場に数多く存在する坂道(下り坂)において、走行用電動モータで電気的な制動力が発生した場合の回生電力を外部抵抗器15で消費することしかできず、更なる改善が課題であった。
【0065】
このような課題に対する他の従来技術としては、比較的大きな容量の2次電池を搭載し、エンジンで駆動される発電機からの電力を2次電池に蓄電して、車両の登坂走行のような大きなエンジン動力が必要とされる場合に2次電池から電力を供給することで燃料消費量の削減を図るものが考案されている。一方で、走行用電動モータで発生する回生電力による補機装置の駆動などを目的とするシステムのように、搭載する2次電池の容量に制限がある場合には、2次電池の容量確保に要するコストは抑制されるものの、上記従来技術を適用したとしても燃料消費量の削減効果は限定的となることが考えられる。
【0066】
これに対して本実施の形態においては、エンジン1と、エンジンにより駆動される主発電機2および補助発電機14と、主発電機から供給される電力により駆動する走行用電動モータ3L,3Rと、補助発電機から供給される電力により駆動する補機装置(例えば、冷却ブロワを構成する補助用インバータ12および補助用モータ13)と、走行用電動モータの車両制動時に発生する回生電力を補機装置に供給する回生装置(例えば、DC-DCコンバータ10)と、回生装置及び補助発電機から補機装置に供給される電力を蓄電可能な電池(例えば、2次電池17)と、を備えた電気駆動作業車両(例えば、ダンプトラック100)において、回生装置は、電気駆動作業車両の走行パターンとエンジンの燃料消費率とに基づいて、エンジンの燃費に応じて電池を放電させる第1の放電区間と、車両の消費エネルギーの大きさに応じて電池を放電させる第2の放電区間とを決定し、第1及び第2の放電区間に基づいて電池から補機装置又は走行用電動モータに対して電力を供給するように構成したので、2次電池の容量が比較的小さい場合に燃料消費量をより削減することができる。
【0067】
図11は、本実施の形態の従来技術に対する燃料消費率および燃料消費量の改善状況を説明する図であり、左縦軸に燃料消費率[g/kwh]を、右縦軸に燃料消費量[l](積算量)を、横軸に時間[h]をそれぞれ示している。
【0068】
図11に示すように、本実施の形態においては、区間a,c(燃料消費率が高い(悪い)区間)では、2次電池17から補機装置への電力アシストを実施するため、従来技術と比較してより燃料消費量を低減することができる。一方、本実施の形態においては、区間b(燃料消費率が低い区間)では、2次電池17から補機装置への電力アシストを実施しないため、従来技術と比較してより単位時間あたりの燃料消費量が若干増加する。ただし、区間bは燃料消費率が低い(良い)区間であるため、燃料消費量の単位時間あたりの増加幅は小さい。そして、区間a,b,cのトータルでの燃料消費量は、従来技術と比較して低減することができる。
【0069】
<付記>
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や組み合わせが含まれる。また、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、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
【0070】
例えば、本実施の形態においては、2次電池の放電(電力アシスト)における電力の供給先として冷却ブロア等の補機装置を例示したが、これに限られず、例えば、回生装置(DC-DCコンバータ10)を双方向のDC-DCコンバータとすることにより、2次電池の放電(電力アシスト)における電力の供給先を走行用電動モータ3L,3Rとすることも可能であり、このような場合には、2次電池をより大容量化することで、燃費改善効果をより拡大することができる。
【符号の説明】
【0071】
1…エンジン、2…主発電機、3L,3R…走行用電動モータ、4L,4R…従動輪、5L,5R…駆動輪、6…運転席、7…荷台(ベッセル)、7a…ピン結合部、8…整流器、9…インバータ、10…DC-DCコンバータ、11…補助用整流器、12…補助用インバータ、13…補助用モータ、14…補助発電機、15…外部抵抗器、16…双方向コンバータ、17…2次電池、18…車体フレーム、20…回生制御装置、21…エンジン燃費点閾値調整部、22…走行パターン生成部、23…2次電池充放電収支情報演算部、24…電池放電区間判断部、100…ダンプトラック