JP2014096874A - 荷役車両の電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鉛電池11とリチウム電池12を備え、各電池11,12毎に個別に充電可能な充電回路17,18を備え、リチウム電池12の電力量を求めるリチウム電池モニター部64を備え、荷役作業を行う就業時間内に設けた休み時間では、この休み時間の長さに合わせて、リチウム電池モニター部64により求められる電力量から満充電電力量まで充電できるようリチウム電池12の充電電流を設定し、リチウム電池12の第2充電回路18を使用してリチウム電池12の充電を行う。これにより、休み時間における充電電流を少なくすることができ、リチウム電池12の電池寿命を延ばすことができる。
【選択図】図1
Description
バッテリ車は、鉛電池の容量で稼働時間が決まり、少ない容量の鉛電池では稼働時間は短く、大きい容量の鉛電池では長くできる。
またバッテリ車は、エンジン車のような出力(パワー)を出すことができず、同じ積載荷重のフォークリフトでは、エンジン車のほうが走行スピードおよび荷役作業の性能ともはるかに勝り、エンジン車と比較して見劣りするという問題があり、バッテリ車には、高出力の放電が期待できる次世代の2次電池(例えば、リチウム電池)の搭載が必要となってくる。
また通常、バッテリの充電は作業が終了したあとに行い、大体がタ刻から夜中にかけて行われ、また稼働時間を長くするために昼休みなどの休憩時に行われ、少しでも長く稼動できるように工夫されている。またリチウム電池は、急速充電が可能である。
また鉛電池とリチウム電池では充電条件(例えば、鉛電池は0.2C、リチウム電池は1Cで充電)が異なるために、充電時にいずれか一方の電池に制約されるという問題があった。
図1は本発明の実施の形態におけるバッテリフォークリフト(荷役車両の一例)に搭載される電源装置の回路図であり、鉛電池11と、(急速充電可能な電池として)鉛電池11より定格電圧が低いリチウム電池12を備え、これら鉛電池11とリチウム電池12より、バッテリフォークリフトの負荷を構成するモータ(交流モータ)13へインバータ14を介して給電し、またリチウム電池12より、コントローラ、ランプ、ホーン等の48V系補器15へ補器保護ヒューズ15Aを介して給電している。
また鉛電池11は、前記鉛電池保護ヒューズ23を介して、インバータ14に接続されている。
またプルアップ用抵抗49、およびプルダウン用抵抗50は、直列に接続され、この直列回路は、プラス電源ライン40と接地ライン24との間に接続されている。
また第1ダイオード51のカソードは、プラス電源ライン40に接続され、アノードは、第2ダイオード52のカソードに接続され、第2ダイオード52のアノードは、接地ライン24に接続されている。
またプルアップ用抵抗49とプルダウン用抵抗50の接続点に、リアクトル42Aの他方の端子が接続されている。
また第1ダイオード51のアノードと第2ダイオード52のカソードの接続点は、コンダクタBL、およびリチウム電池保護ヒューズ33を介してリチウム電池12に接続されている。
・電圧安定化コンデンサ41のプリチャージ
・電圧安定化コンデンサ41のディスチャージ
・リチウム電池12からインバータ14へ給電制御(72Vまでの昇圧・放電制御)
・リチウム電池12への充電制御
またコンダクタコントローラ58は、コンダクタMCを接続状態(オン状態)としたとき、インバータ用コントローラ38へ接続信号を出力し、インバータ用コントローラ38はこの接続信号を確認し、メインコントローラ60よりモータ13の駆動信号を入力すると、指令出力電流値となるように、スイッチング素子37を駆動し、モータ13ヘ給電する。
前記電圧VPb、および放電電流IPbを入力し、これら電圧VPb、および放電電流IPbにより、現在の鉛電池11の電力量kWhを求める鉛電池モニター部63と、
前記電圧VC、電圧VL、放電電流IC、および電流ILiを入力し、これら電圧VC、電圧VL、放電電流IC、および電流ILiにより、現在のリチウム電池12の電力量kWhを求めるリチウム電池モニター部(検出手段の一例)64と、
時間を刻む時計機能を有する時計機能部65と
が設けられている。
メインコントローラ60より出力される上記各指令について説明する。
メインコントローラ60は、バッテリフォークリフトが起動状態となると(例えば、バッテリフォークリフトのキースイッチ等のオン操作を確認すると)、チョッパ用コントローラ53へ始動指令を出力する。この始動指令に基づいて、チョッパ用コントローラ53は、電圧安定化コンデンサ41のプリチャージを実行する(詳細は後述する)。
メインコントローラ60は、バッテリフォークリフトが運転解除起動状態となると(例えば、バッテリフォークリフトのキースイッチ等のオフ操作を確認すると)、チョッパ用コントローラ53およびコンダクタコントローラ58へ作業終了指令を出力する。
チョッパ用コントローラ53は、この作業終了指令に基づいて、電圧安定化コンデンサ41のデッスチャージを実行する(詳細は後述する)。またコンダクタコントローラ58は、作業終了シーケンスを実行する(詳細は後述する)。
メインコントローラ60は、モータ13の駆動指令(例えば、ペダルの踏み込み信号、すなわちモータ13に必要な電流値の指令)を入力すると、チョッパ用コントローラ53およびコンダクタコントローラ58へ放電指令を出力する。続いて、鉛電池11の放電電流IPbを検出し、モータ13に必要な電流値からこの放電電流IPbを減算して求めた電流を目標放電電流としてチョッパ用コントローラ53へ出力する。またモータ13の駆動指令が解除(オフ)とされると、前記放電指令を解除する。
チョッパ用コントローラ53は、放電指令を入力すると、指令された目標放電電流となるように、リチウム電池12からモータ13へ放電する(詳細は後述する)。またコンダクタコントローラ58は、放電指令を入力すると、鉛電池11からモータ13へ放電する(詳細は後述する)。
バッテリフォークリフトを使用して荷役作業を実行するエリアでは、図3(a)に示すように、バッテリフォークリフトを使用して荷役作業を行う就業時間(例えば、8時から20時まで)、就業時間の中の休み時間(例えば、12時から13時まで)、および就業時間外(例えば、20時から翌8時まで)が予め設定されている。
メインコントローラ60は、図3(b)に示すように、前記時計機能部65により刻まれている時間により、就業時間の中の休み時間かどうか、休み時間以外の就業時間内かどうか、就業時間外かどうかを検出している(ステップ−1)。そして検出した時間帯により異なるリチウム電池充電指令を出力している。
時間帯が、就業時間内で前記休み時間以外のとき、任意で充電スイッチ61が操作されると(ステップ−2)、リチウム電池モニター部64により求められている電力量より満充電とするまでの目標電力量(kWh)、すなわち電力量を満充電電力量(kWh)とする目標電力量(kWh)を求め、この目標電力量を短い所定時間(例えば、15分間)で充電する目標充電電流を求め(ステップ−3)、この目標充電電流を含むリチウム電池充電指令を、チョッパ用コントローラ53へ出力する(ステップ−4)。同時に、充電時間の計測を開始し(ステップ−5)、所定時間が経過すると(ステップ−6)、リチウム電池充電指令を解除して(ステップ−7)、終了する。
また時間帯が、前記休み時間のとき、リチウム電池モニター部64により求められている電力量より満充電とするまでの目標電力量(kWh)を求め、この目標電力量を休み時間に合わせて(休み時間をいっぱいに使って)充電する目標充電電流を求め(ステップ−8)、この目標充電電流を含むリチウム電池充電指令を、チョッパ用コントローラ53へ出力する(ステップ−9)。そして、前記時計機能部65により刻まれている時間により、休み時間が終了したことを確認すると(ステップ−10)、リチウム電池充電指令を解除して終了する。
また時間帯が、就業時間外のとき、リチウム電池モニター部64により求められている電力量より満充電とするまでの目標電力量(kWh)を求め、この目標電力量を就業時間外の時間(例えば、11時間)に合わせて(就業時間外の時間をいっぱいに使って)充電する目標充電電流を求め(ステップ−11)、この目標充電電流を含むリチウム電池充電指令を、チョッパ用コントローラ53へ出力する(ステップ−12)。そして、前記時計機能部65により刻まれている時間により、就業時間になったことを確認すると(ステップ−13)、リチウム電池充電指令を解除する。
チョッパ用コントローラ53は、これらリチウム電池充電指令に基づいてリチウム電池12を充電する(詳細は後述する)。
メインコントローラ60は、就業時間外となると、鉛電池充電指令を、コンダクタコントローラ58へ出力する。また鉛電池モニター部63により求められている電力量が満充電(電力量)となると、または就業時間となると、鉛電池充電指令を解除する。
コンダクタコントローラ58は、この鉛電池充電指令に基づいて鉛電池11を充電する(詳細は後述する)。
コンダクタコントローラ58は、メインコントローラ60より上記作業終了指令を入力すると、全てのコンダクタCM1,CM2,CP,CL,BC,BL,MCを、開放した状態(オフした状態)とする。これにより、バッテリフォークリフトの始動時には全てのコンダクタCM1,CM2,CP,CL,BC,BL,MCは開放状態(オフ状態)となっている。
電圧安定化コンデンサ41のプリチャージについて、図4を参照しながら説明する。電圧安定化コンデンサ41の電圧(コンデンサ電圧)が小さいときに、コンダクタBLあるいはBCを投入すると電圧安定化コンデンサ41に大きな突入電流が流れることになり、コンダクタBLあるいはBCの接点部にもその突入電流が流れて大きな火花が生じ、場合によっては溶着し破損するという問題が発生する。このため、プリチャージを実行して、コンダクタBLあるいはBCを投入する前に、電圧安定化コンデンサ41のコンデンサ電圧を上げ、それからコンダクタBLを投入し、コンダクタBCを投入している。
次に、電圧安定化コンデンサ41のディスチャージは、メインコントローラ60よりチョッパ用コントローラ53に前記作業終了信号が入力されると実行される。すなわち、チョッパ用コントローラ53は、作業終了信号を確認すると、ディスチャージ用のスイッチング素子46を接続して(オンして)、電圧安定化コンデンサ41を抵抗48を介して接地してディスチャージを行う。
上記鉛電池11およびリチウム電池12の放電制御は、メインコントローラ60よりコンダクタコントローラ58およびチョッパ用コントローラ53ヘ前記放電指令が入力されることにより実行される。なお、電圧安定化コンデンサ41のプリチャージは終了し、コンダクタBC,BLは接続(オン)されているものとする。また鉛電池11の充電用のコンダクタCM1とCPは開放(オフ)され、またリチウム電池12の充電用のコンダクタCM2とCLも開放(オフ)されているものとする。
コンダクタコントローラ58は、放電信号を入力すると(ステップ−1)、コンダクタMCを接続して(オンして)放電を開始し(ステップ−2)、続いてチョッパ用コントローラ53へコンダクタMCの接続信号を出力する(ステップ−3)。
そして、計測している鉛電池11の電圧VPbが予め設定された最低電圧(例えば、定格電圧の50%)となると(ステップ−4)、あるいは放電指令がオフ(解除)となると(ステップ−5)、コンダクタMCを開放し(ステップ−6)、続いてチョッパ用コントローラ53へコンダクタMCの開放信号を出力し(ステップ−7)、放電を終了する。
なお、鉛電池11からの放電は、リチウム電池12からの放電が制御されることにより、補充する形で実行される。
チョッパ用コントローラ53は、放電指令を入力すると(ステップ−1)、コンダクタコントローラ58より、上記コンダクタMCの接続信号を入力しているかを確認し(ステップ−2)、確認するとリチウム電池12の放電制御を開始する(ステップ−3)。
すなわち、一対の第1スイッチング素子43を連続して接続し(オンし)、一対の第2スイッチング素子44を接続・開放し(オン・オフし)、この第2スイッチング素子44の接続時間(オン時間)により、昇圧(48V→72V)すると共に、計測されている放電電流ICを、入力されている上記放電指令の目標放電電流に制御する。
上記鉛電池11の充電制御について、図6(a)を参照しながら説明する。この充電制御は、メインコントローラ60よりコンダクタコントローラ58に前記鉛電池充電指令が入力されることにより、コンダクタコントローラ58により、第1充電回路17を使用して準定電圧方式で実行される。
そして、計測している鉛電池11の電圧VPbが、所定の電圧(例えば、定格電圧の90%)まで上昇すると(ステップ−3)、あるいは鉛電池充電指令がオフ(解除)となると(ステップ−4)、コンダクタCM1とCPを開放し(ステップ−5)、充電を終了する。
このとき、鉛電池11の充電量Pbc(kWh/min)は、第1トランス20から出力される容量により設定される。
次に、上記リチウム電池12の充電制御について、図6(b)を参照しながら説明する。この充電制御は、メインコントローラ60よりチョッパ用コントローラ53ヘ前記リチウム電池充電指令が入力されることにより、チョッパ用コントローラ53およびコンダクタコントローラ58により、第2充電回路18を使用して、電池電圧変動の影響が少ない第2トランス26(一般トランス)を用いた充放電チョッパ31によるCC−CV充電方式で実行される。なお、電圧安定化コンデンサ41のプリチャージは終了しているものとする。
また休み時間において充電が実行されることにより、充電スイッチ61を使用した短時間急速充電を実行する必要を少なくすることができる。
この構成によれば、時間帯が、就業時間内で前記休み時間以外のとき、リチウム電池12の急速充電において、常に一定の充電電流とすることができ、このとき充電電流を、短時間急速充電で満充電とするときの充電電流より小さくすることが可能となり、電池寿命を延ばすことができ、さらに1時間でモータ13へ給電(放電)する平均電力量が補充されるので、少なくとも、リチウム電池12による稼動時間を確保することができる。
第2充電回路18を使用できないとき、すなわちバッテリフォークリフトが運転中で第2充電回路18を商用電源に接続できない状態、あるいは不具合が発生している状態で、チョッパ用コントローラ53は、リチウム電池充電指令を確認すると、あるいはリチウム電池12の電圧VLが低下し、規定残存容量以下になったことを検出すると、コンダクタコントローラ58へ、コンダクタMC,CL,CPの開放指令信号、およびコンダクタBCの接続指令信号を出力して、コンダクタコントローラ58により、コンダクタMC,CL,CPを開放させ(オフさせ)、コンダクタBCを接続させ(オンさせ)、充放電チョッパ31のスイッチング素子43,44を制御することより充電を実行する。
このように、リチウム電池12の第2充電回路18を使用できないとき、鉛電池11から充電することができる。
12 リチウム電池
13 モータ(交流モータ)
14 インバータ
15 48V系補器
17 第1充電回路
18 第2充電回路
20 第1トランス(3相トランス)
21 第1整流器
24 接地ライン
26 第2トランス(3相トランス)
27 第2整流器
31 充放電チョッパ
32 充電器
37 スイッチング素子
38 インバータ用コントローラ
41 電圧安定化コンデンサ
42 2相式リアクトル
43 第1スイッチング素子
44 第2スイッチング素子
45 プリチャージ用のスイッチング素子
46 ディスチャージ用のスイッチング素子
53 チョッパ用コントローラ
58 コンダクタコントローラ
60 メインコントローラ
CM1 コンダクタ(第1充電回路)
CP コンダクタ(第1充電回路)
CM2 コンダクタ(第2充電回路)
CL コンダクタ(第2充電回路)
MC コンダクタ(インバータ)
BL コンダクタ(リチウム電池)
BC コンダクタ(充放電チョッパ)
Claims (5)
- 鉛電池とリチウム電池を備え、荷役車両の負荷に必要な電力を、これらリチウム電池と鉛電池から同時に給電可能とした電源装置であって、
前記リチウム電池および鉛電池毎にそれぞれ充電回路を備え、前記鉛電池とリチウム電池をこれら充電回路からそれぞれ個別に充電可能に構成し、
前記リチウム電池の電力量を求める検出手段を備え、
前記荷役車両を使用して荷役作業を行う就業時間内に設けた休み時間では、この休み時間の長さに合わせて、前記検出手段により求められている電力量から満充電電力量まで充電できるよう前記リチウム電池の充電電流を設定し、前記リチウム電池の充電回路を使用してリチウム電池の充電を行うこと
を特徴とする荷役車両の電源装置。 - 前記休み時間以外で、就業時間内において前記リチウム電池の充電を行うとき、所定の短い時間において、前記検出手段により求められている電力量から満充電電力量まで充電できるよう前記リチウム電池の充電電流を設定し、前記リチウム電池の充電回路を使用してリチウム電池の急速充電を行うこと
を特徴とする請求項1に記載の荷役車両の電源装置。 - 前記休み時間以外で、就業時間内において前記リチウム電池の充電を行うとき、所定の短い時間において、所定の限定された電力量を補充するだけの前記リチウム電池の充電電流を設定し、前記リチウム電池の充電回路を使用して前記リチウム電池の急速充電を行うこと
を特徴とする請求項1に記載の荷役車両の電源装置。 - 前記就業時間外では、就業開始までに残された時間の長さに合わせて、前記検出手段により求められている電力量から満充電電力量まで充電できるよう前記リチウム電池の充電電流を設定し、前記リチウム電池の充電回路を使用して前記リチウム電池の充電を行うこと
を特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の荷役車両の電源装置。 - 前記鉛電池の充電を、前記就業時間外に、前記鉛電池の充電回路のみを使用して行うこと
を特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の荷役車両の電源装置。
Priority Applications (1)
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