JP2016130030A - ハイブリッド式作業車両 - Google Patents

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金子　　悟
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Abstract

【課題】急勾配の斜面で登坂と掘削作業を実施する際に、その後の登坂動作とフロント部による掘削作業をハイブリッドシステムからのパワー供給不足が生じることなくスムーズに作業を行うことができるハイブリッド式作業車両を提供することにある。【解決手段】ハイブリッド式作業車両は、エンジン１で発電機６を駆動し、前記発電機で発電された電力により走行用電動機９を駆動して走行を行うシリーズハイブリッドシステムと、制御装置１５とを有する。制御装置１５の坂道発進制御部２０は、坂道での車両のずり下がりを検出した際、車両速度を予め設定された後退速度を超えないように走行用電動機９を回生動作させるとともに、その際のエンジン回転数が制御装置１５で決定される目標回転数以下である場合において、走行用電動機９で発生している回生電力を用いて発電機６をモータ駆動し、エンジン軸の回転速度を増加させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド式作業車両に係り、特に、坂道における作業車両の制御に好適なハイブリッド式作業車両に関する。
近年，環境問題，原油高騰などの点から，各工業製品に対して省エネ志向が強まっている。これまでディーゼルエンジンを動力源とした油圧駆動システムが中心であった建設車両，作業用車両等の分野においてもその傾向にあり、電動化による高効率化，省エネルギー化の事例が増加してきている。
例えば、前述の建設車両や作業用車両の駆動部分を電動化した場合，排気ガスの低減のほか，エンジンの高効率駆動（ハイブリッド機種の場合），動力伝達効率の向上，回生電力の回収など多くの省エネルギー効果が期待できる。このような建設車両・作業用車両分野では，フォークリフトの電動化が最も進んでおり，バッテリーの電力を用いてモータを駆動する、いわゆる「バッテリーフォークリフト」が他車両に先駆けていち早く実用化されており、小形フォークリフトを中心にかなりの普及台数となってきている。また最近では、これに引き続いて、油圧ショベル、エンジン式フォークリフトなどにおいて、ディーゼルエンジンと電気モータを組み合わせた「ハイブリッド車両」が製品化され始めている。
さらに、上記のように電動化による環境対応・省エネルギー化が進む建設車両・作業用車両の中で、今後、ハイブリッド化した場合の効果として比較的大きな燃費低減効果が見込まれる車両にホイールローダがある。従来のホイールローダは、エンジンの動力をトルクコンバータ（トルコン）およびトランスミッション（Ｔ／Ｍ）によりタイヤに伝えて走行を行いながら、フロント部の油圧作業部のバケット部分で土砂等を掘削・運搬する作業用車両である。
例えば、このようなホイールローダの走行駆動部分を電動化した場合、トルコン、トランスミッション部分の動力伝達効率を電機駆動による動力伝達効率までに向上させることが可能となる。さらにホイールローダでは、作業中、頻繁に発進・停止の走行動作を繰り返すため、走行駆動部分を電動化した場合には、走行用の電動機から制動時の回生電力回収が見込める。よって、走行駆動部分を電動化した車両で坂道を走行する際、車両の進行方向と走行用電動機のトルク方向が逆（すなわち、電動機にてブレーキをかける動作）となった場合には走行用電動機が発電動作となり、電力を発生する。この電力は回生電力としてバッテリーやキャパシタ等の蓄電デバイスに充電されるか、もしくは蓄電デバイスが満充電状態となっていた場合などにはハイブリッドシステムの電気的な負荷となりうる部分で蓄電デバイスに充電できない分の回生電力を消費するよう動作する。
このようなハイブリッド車両をはじめとする電機駆動システムの坂道等での車両制御方法としては、エンジンで駆動されるＭＧ（モータジェネレータ）が発電中、駆動モータの回転数符号が反転したときに、駆動モータを回生させるとともにＭＧを力行動作に切り替えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載のものでは、坂道等において駆動モータから回生電力が発生した際、エンジンに機械的に接続されたＭＧを即時力行動作に切り替えるため、エンジンの応答遅れが影響するバッテリーへの過充電を回避することが可能となる。
特開２０１２−５１４５７号公報
特許文献１記載のものでは、車両が坂道等で後退した場合、駆動モータに回生トルクが発生し、モータジェネレータが力行に切り換えられるため、エンジン回転数が速やかに上昇し車両が即時に登坂動作に移行することとなる。
ところで、ハイブリッド式ホイールローダでは、走行駆動部は電動機によって駆動され、フロント作業機は油圧ポンプにて発生した油圧により駆動されるが、いずれもエンジンの駆動により発生した電力または油圧力を用いるため、それらを駆動するためには、ある程度以上のエンジン出力が必要である。そして、ハイブリッド式ホイールローダは、作業前の停止時に、燃費等を考慮してエンジン回転数をアイドリング時程度の低回転数にまで落として待機していることが多い。そのため、特許文献１の技術をそのままハイブリッド式ホイールローダに適用してみても、登坂路での待機状態から登坂動作とフロント作業機による掘削動作を開始した場合に、エンジン出力が不十分で、待機状態から登坂動作と掘削動作にスムーズに移行できない可能性がある。
そこで、本発明の目的は、急勾配の斜面で登坂と掘削作業を実施する際に、その後の登坂動作とフロント部による掘削作業をハイブリッドシステムからのパワー供給不足が生じることなくスムーズに作業を行うことができるハイブリッド式作業車両を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、エンジンで発電機を駆動し、前記発電機で発電された電力により走行用電動機を駆動して走行を行うシリーズハイブリッドシステムと、該シリーズハイブリッドシステムを制御する制御装置とを有するハイブリッド式作業車両であって、前記制御装置は、坂道での車両のずり下がりを検出した際、車両速度を予め設定された後退速度を超えないように前記走行用電動機を回生動作させるとともに、その際のエンジン回転数が前記制御装置で決定される目標回転数以下である場合において、前記走行用電動機で発生している回生電力を用いて前記発電機をモータ駆動し、前記エンジンの軸の回転速度を増加させる坂道発進制御部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、急勾配の斜面で登坂と掘削作業を実施する際にも車両のずり下がりを防止し、その後の登坂動作とフロント部による掘削作業をハイブリッドシステムからのパワー供給不足が生じることなくスムーズに作業を行うことができるものとなる。
本発明によれば、急勾配の斜面で登坂と掘削作業を実施する際に、その後の登坂動作とフロント部による掘削作業をハイブリッドシステムからのパワー供給不足が生じることなくスムーズに作業を行うことができる。
本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両の全体構成を示すシステム構成図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両の一例であるホイールローダの特徴的な作業パターンの説明図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両の一例であるホイールローダの特徴的な作業パターンの説明図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両に搭載する制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両に搭載する制御装置の制御内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両に搭載する制御装置の制御内容を示すフローチャートである。
以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるハイブリッド式作業車両の全体構成について説明する。ここでは、ハイブリッド式作業車両として、ハイブリッドホイールローダを一例として説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両の全体構成を示すシステム構成図である。
ハイブリッド式作業車両の一例であるハイブリッドホイールローダは、エンジン１でモータジェネレータ６を駆動して得られる電力または蓄電装置１１に蓄えられた電力を走行用電動機９に供給することで走行を行いながら、フロント部の油圧作業部５のバケット部分で土砂等を掘削・運搬する作業用車両である。
ホイールローダは、一般に主な駆動部として、走行部（ホイール部分）とフロントの油圧作業部（リフト／バケット部分）を有している。ホイールローダは、エンジン１の出力を主動力源にして、４輪の車輪ＷＨにより走行を行いながら、さらに油圧ポンプ４によって駆動される車両フロント部の油圧作業装置５で土砂等を掘削・運搬する作業用車両である。
エンジン１の出力軸にモータジェネレータ（ＭＧ）６、それを制御するインバータ７、ならびに、走行部のプロペラシャフト８軸上に取り付けられた走行用電動機９、それを制御するインバータ１０が搭載される。また、蓄電装置１１はＤＣＤＣコンバータ１２を介してインバータ７，１０と電気的に接続されており、これらの電力変換器の間で直流電力の収受を行う。特に本実施例では、蓄電装置１１として電気２重層キャパシタを想定して記載しており、ＤＣＤＣコンバータ１２によってキャパシタ電圧の昇降圧制御を行い、インバータ７、１０との間で直流電力の受け渡しを行う。
以上、本実施形態が対象とするハイブリッドシステムは一般にシリーズ型といわれる構成であるが、本発明は図１の構成に限定されることなく、システムに少なくとも上記シリーズ型の構成が含まれていれば適用可能である。なお、図１に示すハイブリッドホイールローダは、土砂などの掘削作業を行うフロント部の油圧作業装置５に油圧を供給する油圧ポンプ４を備えていて、目的に応じた作業を実施する。それに対して、車両の走行動作は、主にエンジン１の動力によりＭＧ６で発電した電力を利用し、走行用電動機９を駆動することにより行う。その際、蓄電装置１１では車両制動時の回生電力の吸収やエンジン１に対する出力アシストを行い、車両の消費エネルギー低減に寄与する。
そして、ホイールローダに必要な性能を発揮するためにハイブリッドシステムを統括的に制御するのが制御装置１５である。制御装置１５の詳細構成は、図４を用いて後述する。制御装置１５は、エンジン１，ポンプ４，インバータ７，１０，ＤＣＤＣコンバータ１２等を制御する。
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態によるハイブリッド式作業車両の一例であるホイールローダの特徴的な作業パターンについて説明する。
図２及び図３は、本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両の一例であるホイールローダの特徴的な作業パターンの説明図である。
図２は、本発明で対象としているホイールローダの特徴的な作業パターンの中で、最も代表的な作業パターンであるＶサイクル掘削作業の内容を示している。
ホイールローダＷＬはこのとき、まず砂利山などの掘削対象物に対して前進し、砂利山の掘削対象物ＯＢＪに突っ込むような形でバケットに砂利等の運搬物を積み込む。その後、後進して元の位置に戻り、ステアリングを操作しながら、かつフロントのバケット部分を上昇させながらダンプ等の運搬車両ＣＶに向かって前進する。そして、運搬車両ＣＶに運搬物を積み込んだ（放土した）後は再び後進し、ホイールローダＷＬは元の位置に戻る。ホイールローダＷＬは以上の説明のようにＶ字軌跡を描きながらこの作業を繰り返し行う。
例えば、このようなＶサイクル掘削作業において前述の制御装置１５は、ハイブリッドシステム全体で最も燃費、および作業効率が高くなるように、エンジン１と蓄電装置１１からの出力を油圧作業装置５および走行用電動機９に配分する。このＶサイクル掘削作業は基本的にほぼ平地面で行われる作業であり、大きな牽引力で土砂山に突っ込む掘削時や走行部とフロント部を同時に駆動するダンプアプローチ動作で比較的大きなパワーを必要とするものの、エンジン１の回転数を高めに維持しておくことで大きな出力不足は生じない。
図３は、本発明で対象としているホイールローダの特徴的な作業パターンの中で、他の代表的な作業パターンである土砂山等の斜面上で行う「かき上げ作業」の内容を示している。
かき上げ作業は、ホイールローダＷＬの重負荷作業に分類されるものである。かき上げ作業は、土砂面などの急な斜面上において、フロントの油圧作業装置で掘削と放土を繰り返しながら登坂する動作である。以上のようにかき上げ作業は、フロント部で掘削作業を行いながら急な斜面を登坂走行するため、車両全体で必要とされるパワーは非常に大きいものとなる。例えば、かき上げ作業時に必要なパワーをエンジンで供給するためには、エンジンの定格出力を出せるまでの回転数まで予め上げておく必要がある。
一方、ハイブリッド車は作業車両としてのホイールローダに必要な作業性を確保した上で、燃費性能を向上させるといった目的も有する。よって、かき上げ作業を行う直前に斜面上で車両を停止させた際にはアイドリング回転数を低回転（例えば１０００ｍｉｎ−１以下）まで低下させ、車両停止時の燃料消費量を最小限にとどめるようにエンジンの制御を行う。このように、燃費向上のため、車両の停止時においてエンジン回転数を低減させた状態からかき上げ作業に移行しようとした場合、車両はすぐにパワーを出せず、急な勾配となっている斜面の影響で進行方向とは逆方向に後退することが考えられる。このとき斜面の勾配によっては大きな後退速度まで加速してしまい、オペレータが必要以上にブレーキ操作を行うことになる可能性がある。
あるいは、発進後、即座に蓄電装置１１の電力を利用して走行用電動機９から車両の後退を回避し、登坂動作に移った場合においても、まだそのときのエンジン回転が所望の回転数まで達していない場合では登坂動作に加えてフロント作業を行うために必要なパワーを出すことが困難となり、著しく作業性を低下させることになる。
次に、図４〜図６を用いて、本実施形態によるハイブリッド式作業車両に搭載する制御装置の構成及びその制御内容について説明する。
図４は、本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両に搭載する制御装置の構成を示すブロック図である。図５及び図６は、本発明の一実施形態によるハイブリッド式作業車両に搭載する制御装置の制御内容を示すフローチャートである。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
最初に、図４を用いて、制御装置１５の内部構成について説明する。制御装置１５内には、各々の機能部分として、ハイブリッドシステム全体の制御を行うシステム制御部３０、エンジン１の出力と蓄電手段１１の出力を各駆動部に分配する動力分配部３１、車両の要求出力値に応じてエンジン１の回転数指令を決定するエンジン制御部３２、発電要求値に応じてＭＧ６のトルク指令を決定するＭＧ制御部３３、レバー操作量等から演算されたフロント油圧作業部５の動力要求値から油圧ポンプ４の傾転角指令値を演算する油圧制御部３４、アクセル／ブレーキペダル操作量、現在の車速から演算された走行動力要求値から走行用電動機９のトルク指令を演算する走行制御部３５の各制御部を有する。さらに、各制御部から各コンポーネント制御部であるエンジン制御装置３６，コンバータ制御装置３７，油圧制御装置３８，インバータ制御装置３９にそれぞれ制御指令を与える。この制御系の中で坂道発進制御部２０は、最終的な出力が走行電動機９のトルク指令となるため、その制御信号は前記走行制御部３５に対して出力される。
坂道発進制御部２０には、アクセル信号、前後進レバーの信号、走行用電動機の回転数信号、エンジン回転数の信号などが入力する。
次に、図４を用いて、制御装置１５の中の坂道発進制御部２０の動作について説明する。
坂道発進制御部２０は、前述の坂道のおける課題を解決するために、以下の説明するような制御を実行する。
坂道発進制御部２０は、ステップＳ２１において、車両後退検知処理を実行し、車両の後退状態を検出する。車両後退検知処理の具体的処理内容としては、入力としてオペレータが操作する前後進レバーの入力方向（前進ｏｒ後進ｏｒ中立）と車両速度（走行用電動機９の回転速度で換算可能）を入力として、２つの符号の差異をみる。その際、前後進レバーの入力が前進、あるいは後進の位置にあり、それに対して車両速度の符号が一致状態から不一致状態に変化したことで車両の後退状態を検出する。
車両の後退検知後、次の処理として、後退速度抑制制御・エンジン予備加速制御を実行する。なお、この処理の詳細は、図６を用いて説明する。
後退速度抑制制御・エンジン予備加速制御では、まず、ステップＳ２１Ａにおいて、現在の車両後退速度が予め制御装置１５内に設定された後退速度設定値より大きいか（より大きい速度で後退しているか）を判断する。
ここで、車両速度が後退速度設定値より大きければ、ステップＳ２１Ｂで走行用電動機９のトルクを増加させ、車両の後退速度を抑制する。これに対して、ステップＳ２１Ａにおいて、車両速度が後退速度設定値以内であれば、車両は大きく後退している（ずり下がっている）訳ではないため、特に走行用電動機９のトルクを増加させることはしない。
なお、上記後退速度設定値は、予め制御装置１５内に設定されている値であり、例えば−２ｋｍ／ｈや−３ｋｍ／ｈ程度の車両後退速度が適当である。この程度の後退速度であれば、車両が意図しない後退をしても特にオペレータが不要なブレーキをかけることなく、次の動作に移行できる。
以上の制御により、車両は後退速度設定値よりも遅い（緩やかな）速度で後退する。すなわち、坂道発進制御部２０は、予め設定した後退速度設定値よりも低速の後退速度で後退を持続するように、後退速度を制御する。走行用電動機９は後退方向に回転しているため、回生電力を発生する。ここで、走行用電動機９が前進方向に駆動するためには、蓄電装置１１に蓄積された電力を用いる必要がある。それに対して、走行用電動機９が回生電力を発生するように制御されることで、蓄電装置１１の電力が消費されることはないものである。後述するように、ステップＳ２１Ｃでは、ＭＧ６は力行動作される。このとき、蓄電装置１１の電力を用いるため、走行用電動機９を力行動作させると、ＭＧ６を力行動作させるための電力が不足することになる。それに対して、本実施形態では、走行用電動機９が回生電力を発生するように制御しているため、ステップＳ２１Ｃにて、ＭＧ６を力行動作させる際には、電力不足とならないようにできるものである。
その後、ステップＳ２１Ｃにおいて、ＭＧ６を力行動作させ、さらにＭＧトルクを増加させる。このステップＳ２１Ｃの動作により、車両の後退動作中に発生している走行用電動機９からの回生電力を用いて、ＭＧ６に機械的に接続されたエンジン軸の回転速度を増加することができる。
ここで、前述のように、走行用電動機９の制御に際して低速の後退速度を持続するようにしている。すなわち、蓄電装置１１の電力は消費してないものである。むしろ、走行用電動機９は回生電力を発生するように制御されているため、その回生電力は蓄電装置１１に蓄積されている。従って、ＭＧ６は蓄電装置１１に蓄積された電力を用いて力行動作させることができる。
以上が後退速度抑制制御・エンジン予備加速制御の処理内容となる。
さらに、後退速度抑制制御・エンジン予備加速制御の次の処理として、図５のステップＳ２３のエンジン回転判定処理において、ＭＧ６の力行動作により加速されたエンジン回転が目標回転数に到達したかを確認する。ここで、現在のエンジン回転数がまだ目標回転数より低い状態であれば、ステップＳ２１の上記車両後退検知処理に戻り、上記処理を繰り返す。
それに対し、ステップＳ２３のエンジン回転判定処理において現在のエンジン回転数が目標回転数に到達したならば、次の登坂動作、およびかき上げ作業に必要な動力を供給可能となったとして坂道発進制御部２０の処理を終了し、次の処理に移行する。
なお、上記エンジン１の目標回転数は制御装置１５内において、その時々の作業内容に応じて、エンジン出力の不足が生じないようなエンジン回転を設定する必要がある。例えば、上記急な斜面では車両の後退抑制制御中の走行用電動機９は、すり下がらないように相応のトルクを出している。そこで例えば、その走行用電動機９が発生しているトルクの大きさに応じてエンジン回転目標値を設定することができる。すなわち、走行用電動機９が発生しているトルクの大きさから現在の斜面の勾配を推定し、その後の動作に必要なパワーを推測する方式である。例えば、本実施例で前提としているような急斜面での作業においては、ほぼ定格付近のエンジン出力が必要になるため、エンジン回転目標値は定格回転付近を設定することになる。
以上が坂道発進制御部２０の処理内容である。なお、上記で説明した動作では、オペレータによりアクセルが踏まれているとして、後退速度抑制制御中にエンジン回転数が目標値に達した後、走行用電動機９のトルクを増して、車両の後退から登坂（前進）に移行するように記載している。これに対して、オペレータがアクセルを踏んでいない場合は、その時点では前進する意思が無いとして、後退速度抑制制御中にエンジン回転数が目標値に達した後でも走行用電動機９のトルクを増して前進に移らず、そのまま後退速度抑制制御を継続することが可能である。その際、走行用電動機９からは後退中、継続して回生電力が発生する。この回生電力は蓄電装置１１に充電するか、もしくは継続してＭＧを力行動作させてエンジン軸を回転駆動することで消費する。
以上のように、制御装置１５内に坂道発進制御部２０を実装することで、ハイブリッドホイールローダの急斜面での作業開始において発生する車両のずり下がりを抑制し、かつその後の登坂動作、およびかき上げ作業をパワー不足なく実施することが可能となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、急勾配の斜面で登坂と掘削作業を実施する際に、その後の登坂動作とフロント部による掘削作業をハイブリッドシステムからのパワー供給不足が生じることなく、スムーズに行うことができる。
１…エンジン
２…トルクコンバータ
３…トランスミッション（ＴＭ）
４…油圧ポンプ
５…フロント油圧作業部
６…モータジェネレータ（ＭＧ）
７…インバータ
８…プロペラシャフト
９…走行用電動機
１０…インバータ
１１…蓄電装置
１２…ＤＣＤＣコンバータ
１５…制御装置
２０…坂道発進制御部
２１…車両後退検知部
２２…後退速度抑制制御・エンジン予備加速部
２３…エンジン回転判定部
３０…システム制御部
３１…動力配分部
３２…エンジン制御部
３３…Ｍ／Ｇ制御部
３４…油圧制御部
３５…走行制御部
３６〜３９…コンポーネント制御装置

Claims (5)

  1. エンジンで発電機を駆動し、前記発電機で発電された電力により走行用電動機を駆動して走行を行うシリーズハイブリッドシステムと、該シリーズハイブリッドシステムを制御する制御装置とを有するハイブリッド式作業車両であって、
    前記制御装置は、坂道での車両のずり下がりを検出した際、車両速度を予め設定された後退速度を超えないように前記走行用電動機を回生動作させるとともに、その際のエンジン回転数が前記制御装置で決定される目標回転数以下である場合において、前記走行用電動機で発生している回生電力を用いて前記発電機をモータ駆動し、前記エンジンの軸の回転速度を増加させる坂道発進制御部を備えることを特徴とするハイブリッド式作業車両。
  2. 請求項１に記載のハイブリッド式作業車両において、
    前記坂道発進制御部は、前記設定された後退速度よりも低速の後退速度で後退を持続するように、後退速度を制御することを特徴とするハイブリッド式作業車両。
  3. 請求項１〜請求項２のいずれかに記載のハイブリッド式作業車両において、
    前記制御装置で決定される目標回転数は、車両の後退速度が制限されている状態における前記走行用電動機のトルクの大きさに応じて決定されることを特徴とするハイブリッド式作業車両。
  4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のハイブリッド式作業車両において、
    前記坂道発進制御部は、前記車両が後退している間にオペレータによりアクセル操作が無かった場合は、車両速度が予め設定された後退速度を超えない状態で後退動作を継続することを特徴とするハイブリッド式作業車両。
  5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のハイブリッド式作業車両において、
    前記坂道発進制御部は、前記車両が後退している間にオペレータによりアクセル操作があった場合は、前記エンジン回転数が前記目標回転数に達した後、車両の登坂動作に移行することを特徴とするハイブリッド式作業車両。
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