JP6738497B2 - 作業車両の電力回生システム - Google Patents

Description

本発明は、作業車両の電力回生システムに関する。

作業車両の一例であるダンプトラックにおいては、エンジンに機械的に接続される発電機により発電した電力によって走行モータを駆動して走行する電気駆動式ダンプトラックがある。この種の電気駆動式ダンプトラックは、例えば鉱山で使用され、減速時に走行モータを発電機として駆動させ、車体運動エネルギを電気エネルギに変換し、制動力を得る回生動作を行っている。走行モータにより回生（発電）された電気エネルギは消費しなければブレーキ性能が低下してしまうため、何らかの方法で回生された電気エネルギを消費する必要がある。

回生された電気エネルギを消費する技術として、例えば特許文献１には「平滑コンデンサに蓄電された電荷を放電させる放電専用回路を備える電動車用電力変換システムにおいて、電動車用電力変換システムを制御する制御回路が、放電専用回路の故障を検知した場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動して、平滑コンデンサに蓄電された電荷を車両の補機または直流補助電源に給電することで放電させる放電制御部を備える」構成が記載されている（要約参照）。

特開２０１５−０７３４０９号公報

しかしながら、鉱山用の電気駆動式ダンプトラックでは、補機に必要な電力より走行モータで回生される電力の方が遥かに大きい。そのため、特許文献１のように、走行モータにより回生された電気エネルギを全て補機にて消費する方法は適用することができない。また、特許文献１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ（降圧装置）を駆動するタイミングが抵抗器の故障を検知した時のみであり、走行モータにより回生された電気エネルギを補機にて消費する機会が少なく、走行モータにより回生された電気エネルギを有効に利用することができない。

そこで、本発明は、補機の出力に比べて走行モータにて回生される電気エネルギが大きい場合であっても、回生された電気エネルギを有効に利用できる作業車両の電力回生システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、作業車両の電力回生システムであって、エンジンにより駆動される第１発電機および第２発電機と、前記第１発電機にて発電された電力を、前記作業車両の駆動輪に接続された走行モータに供給するための第１電気回路と、前記第１電気回路に接続され、前記走行モータの制動時に生成される電気エネルギを熱エネルギに変換して放熱する抵抗器と、前記第１電気回路の実電圧を検出する電圧検出器と、前記第２発電機にて発電された電力を、前記作業車両の補機に供給するための第２電気回路と、高圧側が前記第１電気回路と接続され、低圧側が前記第２電気回路と接続されると共に、前記第１電気回路から前記第２電気回路に電力を供給する降圧装置と、前記降圧装置の駆動を制御するコントローラと、を備え、前記補機は、前記第２発電機で発電されて前記降圧装置で降圧されていない電力、及び前記走行モータの回生動作で発電されて前記降圧装置で降圧された電力の少なくとも一方が供給されて動作し、前記コントローラは、前記作業車両の走行状態に関する情報に基づいて、前記走行モータが回生動作を行っているか否かを判定する走行状態判定部と、前記作業車両の走行状態に関する情報および前記電圧検出器にて検出された前記実電圧に基づいて、現時点から所定時間経過後における前記第１電気回路の電圧を推定する電圧推定部と、前記電圧推定部にて推定された電圧が前記閾値以上であるか否かを判定し、前記電圧推定部にて推定された電圧が前記閾値以上である場合に、前記降圧装置を駆動することを決定する降圧装置駆動判定部と、前記走行状態判定部により前記走行モータが回生動作を行っていると判定され、かつ、前記降圧装置駆動判定部により前記降圧装置を駆動することが決定された場合に、前記実電圧が前記閾値以上になる前に前記降圧装置に駆動指令を出力する降圧装置制御部と、前記実電圧が予め定められた閾値以上であるか否かを判定し、前記降下装置制御部から前記駆動指令が出力された後で且つ前記実電圧が前記閾値以上になった場合に、前記抵抗器に対して駆動指令を出力する抵抗器駆動判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、補機の出力に比べて走行モータにて回生される電気エネルギが大きい場合であっても、回生された電気エネルギを有効に利用できる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

作業車両の代表例であるダンプトラックの側面図である。 本実施形態に係るダンプトラックの電力回生システムの構成図である。 パワーコントローラの内部構成を示すブロック図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの制御処理の手順を示すフローチャートである。 車体動作の変化を時系列で示すタイムチャートである。 電圧Ｖ^＊の推定方法を説明するための図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの制御処理の手順の変形例を示すフローチャートである。 第２実施形態における電圧Ｖ^＊の推定方法の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態における電圧Ｖ^＊の推定方法の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態おいて電圧Ｖ^＊を推定する際に用いられるルックアップテーブルを示す図である。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

「第１実施形態」
以下、本発明に係る作業車両の電力回生システムの第１実施形態について説明する。本発明の第１実施形態に係る電力回生システムは、作業車両の代表例であるダンプトラックに適用した例である。

（ダンプトラック１００の外観）
図１は作業車両の代表例であるダンプトラックの側面図である。ダンプトラック１００は、フレーム３６上に土砂等を積載するためのボディ（ベッセルとも言う）４が搭載され、両者がホイストシリンダ３３により連結されている。ホイストシリンダ３３の伸縮動作により、ボディ４が上下方向に回動する。またフレーム３６には、図示しない機構部品を介して前輪７、後輪８、作動油タンク６、燃料タンク５が取り付けられている。後輪８の回転軸部には、後輪８を駆動するための走行モータ１０と、後輪８と走行モータ１０とを機械的に接続する減速機９が収められている。なお、前輪７、後輪８、走行モータ１０、減速機９は左右一対設けられており、以下の説明において、左右を区別するために符号の後に適宜「Ｌ」、「Ｒ」を付している。

フレーム３６にはさらに、オペレータが歩行可能なデッキ２８が取り付けられている。デッキ２８上面にはダンプトラック１００の操作を行うためにオペレータが搭乗するキャブ２、各種電力機器が収納されたコントロールキャビネット１、余剰エネルギを熱として放散するための複数のグリッドボックス３が搭載されている。また図１で前輪７により隠れた部分には、エンジン１１および走行モータ用電力源としての主発電機（第１発電機）１２、補機類用電力源としての補助発電機（第２発電機）１３、油圧機器用油圧源としての不図示のメインポンプなどが搭載されている。

（ダンプトラック１００の操作方法）
次に、ダンプトラック１００の操作方法について説明する。キャブ２内には不図示のアクセルペダル、ブレーキペダル、ホイストレバー、ハンドルが設置されている。オペレータはキャブ２内のアクセルペダル、ブレーキペダルの踏み込み量によりダンプトラック１００の加速力、制動力を制御することができる。さらにオペレータはハンドルを左右に回転させることによって油圧駆動による操舵操作を行い、ホイストレバーを前後に倒すことにより油圧駆動によるボディ昇降操作を行うことができる。なお、操舵操作、ボディ昇降操作のシステムについては従来同様のため、本実施形態においては詳述しない。

（ダンプトラック１００の電力回生システムの構成）
図２は本実施形態に係るダンプトラックの電力回生システムの構成図である。図２に示すように、ダンプトラック１００の電力回生システムは、エンジン１１と、主発電機１２および補助発電機１３と、第１電気回路Ｃ１と、第２電気回路Ｃ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（降圧装置）６０と、コントローラ４９と、により大略構成される。主発電機１２、補助発電機１３はエンジン１１に機械的に接続されており、エンジン１１により駆動される。

第１電気回路Ｃ１は、主発電機１２にて発電された電力を、ダンプトラック１００の後輪（駆動輪）８Ｌ、８Ｒに接続された走行モータ１０Ｌ、１０Ｒに供給する。第２電気回路Ｃ２は、補助発電機１３にて発電された電力を、ダンプトラック１００のグリッドボックスファン（補機）１９に接続されたグリッドボックスファンモータ（補機モータ）５４に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、高圧側が第１電気回路Ｃ１と接続され、低圧側が第２電気回路Ｃ２と接続される。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、第１電気回路Ｃ１から第２電気回路Ｃ２に電力を供給する。

第１電気回路Ｃ１において、主発電機１２の三相交流出力は主発電機用ダイオードブリッジ２１、高圧直流ライン５６を介して高圧直流ライン用インバータ１５Ｌ、１５Ｒに入力されており、高圧直流ライン用インバータ１５Ｌ、１５Ｒの出力はそれぞれ走行モータ１０Ｌ、１０Ｒに接続されている。走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの出力軸は減速機９Ｌ、９Ｒを介して後輪８Ｌ、８Ｒと機械的に接続している。また、高圧直流ライン５６は前述の高圧直流ライン用インバータ１５Ｌ、１５Ｒの直流入力部に加え、グリッドボックス抵抗５３およびチョッパ１６にも接続している。高圧直流ライン５６には電圧を検出するための電圧計（電圧検出器）５５も接続されている。

一方、補助発電機１３の三相交流出力は補助発電機用ダイオードブリッジ１７、補機直流ライン５７を介して、補機直流ライン用インバータ１８に入力されており、補機直流ライン用インバータ１８の出力は複数のグリッドボックスファンモータ５４に接続されている。また、グリッドボックスファンモータ５４の出力軸はグリッドボックスファン１９と機械的に接続されている。

コントローラ４９は、メインコントローラ５０とパワーコントローラ５１とを備える。コントローラ４９は、図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵによる処理を実行するための各種プログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）やＨＤＤ（Hard Disc Drive）などの記憶装置５２と、ＣＰＵがプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）と、を含むハードウェアを用いて構成されている。

メインコントローラ５０は、ダンプトラック１００の状態やオペレータの操作入力をもとにエンジン１１やパワーコントローラ５１を統合的に制御している。パワーコントローラ５１はメインコントローラ５０の制御に従い、高圧直流ライン用インバータ１５Ｌ、１５Ｒ、チョッパ１６、補機直流ライン用インバータ１８のそれぞれの半導体スイッチ（不図示）に適宜オン−オフ信号を入力し、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒ、グリッドボックス抵抗（抵抗器）５３、グリッドボックスファンモータ５４を適切なタイミング、および適切な出力で駆動させることにより、第１電気回路Ｃ１および第２電気回路Ｃ２内の電力の流れを制御している。

なお、詳しくは後述するが、パワーコントローラ５１は、ダンプトラック１００が回生電力を得る走行状態で走行しているか否か、すなわち、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが回生動作を行っているか否かを判定して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動を制御している。

次に主発電機１２で発生した電力の詳細な流れを説明する。エンジン１１により主発電機１２が駆動されると、発生した三相交流電圧は、主発電機用ダイオードブリッジ２１によって直流電圧に変換され、高圧直流ライン５６を介して高圧直流ライン用インバータ１５Ｒ、１５Ｌに入力される。この状態でオペレータがアクセルペダルを踏み込む、または、自動運転機能によりパワーコントローラ５１にアクセル信号が出力されると、パワーコントローラ５１は高圧直流ライン用インバータ１５Ｌ、１５Ｒに加速のための制御信号を入力し、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒに電力を供給する。この電力により、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒは減速機９Ｌ、９Ｒを介して後輪８Ｌ、８Ｒを駆動して、車体を前進あるいは後進させる。

一方、降坂時や停車時において制動動作を行うためにオペレータがブレーキペダルを踏みこむ、または、自動運転機能によりパワーコントローラ５１にブレーキ信号が出力されると（図３参照）、パワーコントローラ５１は高圧直流ライン用インバータ１５Ｌ、１５Ｒに減速のための制御信号を入力し、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒは車体の運動エネルギを電気エネルギに変換する。すなわち走行モータ１０Ｌ、１０Ｒは発電機としての動作を行う。このとき、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒには回転方向と逆方向にトルクが発生する。発生した電気エネルギにより高圧直流ライン５６の電圧が上昇すると、パワーコントローラ５１はチョッパ１６を動作させ、グリッドボックス抵抗５３に電力を供給する。

これにより、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが回生動作により発生させた余剰の電力は、グリッドボックス抵抗５３に直流電圧を印可することで、電気エネルギを熱に変換する形で消費される。グリッドボックス抵抗５３の熱は通常は周囲の大気により自然空冷されている。しかし、発熱量が大きい場合はグリッドボックス抵抗５３の温度が上昇し、高温による損傷を引き起こす可能性がある。このため、パワーコントローラ５１は、グリッドボックスファンモータ５４を駆動させ、強制空冷によりグリッドボックス抵抗５３の冷却を行っている。

次にグリッドボックスファンモータ５４の駆動方法を説明する。エンジン１１により補助発電機１３が駆動されると、発生した三相交流電圧は補助発電機用ダイオードブリッジ１７によって直流電圧に変換され、補機直流ライン５７を介して補機直流ライン用インバータ１８に入力される。グリッドボックス抵抗５３の冷却が必要な場合は、パワーコントローラ５１から補機直流ライン用インバータ１８にグリッドボックスファンモータ駆動のための制御信号が入力され、グリッドボックスファンモータ５４に電力が供給される。この電力によりグリッドボックスファンモータ５４は機械的に接続されたグリッドボックスファン１９を回転させる。

このとき、詳細は後述するが、パワーコントローラ５１は走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの発電量から、高圧直流ライン用インバータ１５Ｌ、１５Ｒへの所定時間後の入力電圧を推定する計算を行っている。推定される電圧Ｖ^＊が閾値Ｖｔｈ以上になった時点で、パワーコントローラ５１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０に対してグリッドボックスファン１９を動作させるための制御信号を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０はパワーコントローラ５１からの制御信号の入力に基づいて、高圧直流ライン５６の電圧を補機直流ライン５７の電圧へ変換し、補機直流ライン用インバータ１８に印加する。

これにより、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにより発電された電力がチョッパ１６を介してグリッドボックス抵抗５３に流れる前に、グリッドボックスファン１９に送られ、グリッドボックスファン１９で消費されることにより、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにより発電された電力を有効に利用できるだけでなく、高圧直流ライン５６の電圧上昇を抑えることによりチョッパ１６の動作を遅らせることができ、グリッドボックス抵抗５３の発熱を抑え、グリッドボックス抵抗５３の寿命を延ばすことができる。

次に図３を用いてパワーコントローラ５１内部の機能について説明する。図３は、パワーコントローラ５１の内部構成を示すブロック図である。図３に示すように、パワーコントローラ５１は、抵抗器駆動判定部１０１と、走行状態判定部１０２と、電圧推定部１０３と、ＤＣ／ＤＣ駆動判定部（降圧装置駆動判定部）１０４と、ＤＣ／ＤＣ制御部（降圧装置制御部）１０５と、を備えている。

抵抗器駆動判定部１０１は、電圧計５５が出力する高圧直流ライン５６（第１電気回路Ｃ１）の実電圧Ｖが閾値Ｖｔｈを超えているか判定し、実電圧Ｖが閾値Ｖｔｈを超えている場合にチョッパ１６に対して駆動指令を出力する。走行状態判定部１０２は、ダンプトラック１００の走行状態に関する情報に基づいて、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが回生動作を行っているか否かを判定する。具体的には、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの出力トルクを検出するトルクセンサ２５、および走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数を検出する回転数センサ２６の出力値（トルク：ＴＬ、ＴＲ／回転数：ωＬ、ωＲ）の正負符号が一致しているか判定し（詳細は後述）、不一致の場合に走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが発電している、すなわち、回生動作が行われているとして電圧推定部１０３へ動作指令を送る。ここで、トルクＴ、回転数ωの添え字Ｌは左側の走行モータ１０Ｌのトルク、回転数のことを指し、添え字Ｒは右側の走行モータ１０Ｒのトルク、回転数のことを指している。なお、トルクセンサ２５および回転数センサ２６は、図示しないが走行モータ１０Ｌ、１０Ｒに設けられている。

電圧推定部１０３は、走行状態判定部１０２から走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが回生動作を行っているとの判定結果が入力された場合に、トルクセンサ２５の出力（ＴＬ、ＴＲ）と、回転数センサ２６の出力（ωＬ、ωＲ）と、電圧計５５から出力された実電圧Ｖとから、高圧直流ライン５６の電圧の変化の傾向を予測し、現時点（基準時点）から所定時間ｔｓ後の高圧直流ライン５６の電圧Ｖ^＊を推定して、推定した電圧Ｖ^＊をＤＣ／ＤＣ駆動判定部１０４に出力する。

ＤＣ／ＤＣ駆動判定部１０４は、電圧推定部１０３が推定した所定時間ｔｓ後の高圧直流ライン５６の電圧Ｖ^＊と閾値Ｖｔｈを比較し、電圧Ｖ^＊が閾値Ｖｔｈ以上の場合にＤＣ／ＤＣ制御部１０５へＤＣ／ＤＣコンバータ駆動指令を出力する。

ＤＣ／ＤＣ制御部１０５は、走行状態判定部１０２から走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが回生動作を行っているとの判定結果が入力され、かつ、ＤＣ／ＤＣ駆動判定部１０４からＤＣ／ＤＣコンバータ駆動指令を受け取ると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の出力電圧を所望電圧にするようにＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御する。その結果、高圧直流ライン５６（第１電気回路Ｃ１）からＤＣ／ＤＣコンバータ６０を介して補機直流ライン５７（第２電気回路Ｃ２）に電力が供給される。

次に、図４を用いてパワーコントローラ５１が実行するＤＣ／ＤＣコンバータ６０の制御処理について説明する。図４は、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御処理の手順を示すフローチャートである。

パワーコントローラ５１は、車体の起動（例えば、エンジン１１のキースイッチオン）と共に処理動作を開始する。ステップＳ１において、走行状態判定部１０２はトルクセンサ２５および回転数センサ２６から車体の走行状態、すなわち、走行モータ１０Ｌ、１０ＲのトルクＴＬ、ＴＲおよび回転数ωＬ、ωＲを取得する。また、電圧推定部１０３および抵抗器駆動判定部１０１は、電圧計５５から高圧直流ライン５６の実電圧Ｖを取得する。

ステップＳ２において、走行状態判定部１０２は、走行モータ１０Ｌ、１０ＲのトルクＴＬ、ＴＲの正負符号と回転数ωＬ、ωＲの正負符号が一致しているか判定することにより、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにより発電が行われているか否かを判定する。車体が前進加速中で走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが力行動作中であれば、トルクと回転数の符号はいずれも正であり、一致する。一方、車体が前進減速中で走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが回生動作中であれば、トルクの符号は負、回転数の符号は正であり、一致しない。同様に、後進加速中であればトルクと回転数の符号はいずれも負で一致し、後進減速中であればトルクは正、回転数は負で不一致となる。

そして、符号が一致していない場合（Ｓ２／Ｙｅｓ）は、走行状態判定部１０２は走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにより発電が行われていると判定して、ステップＳ３へ進む。一方、符号が一致している場合（Ｓ２／Ｎｏ）は、走行状態判定部１０２は、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにより発電が行われていないと判定して、一連の動作を終了する。

ステップＳ３において、電圧推定部１０３は、車体の走行状態（走行モータ１０Ｌ、１０ＲのトルクＴＬ、ＴＲと回転数ωＬ、ωＬ）と電圧計５５の実電圧Ｖとから、高圧直流ライン５６の電圧の変化の傾向を予測する。予測した傾向から、現時点から所定時間ｔｓ秒後の高圧直流ライン５６の電圧Ｖ^＊を後述する計算式により推定する。ステップＳ４において、ＤＣ／ＤＣ駆動判定部１０４は、推定した電圧Ｖ^＊と閾値Ｖｔｈとを比較し、電圧Ｖ^＊が閾値Ｖｔｈより小さい場合（Ｓ４／Ｎｏ）には一連の動作を終了し、電圧Ｖ^＊が閾値Ｖｔｈ以上の場合はステップＳ５へ進む。ステップＳ５において、ＤＣ／ＤＣ制御部１０５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０へ制御指令を出力して、一連の動作を終了する。なお、パワーコントローラ５１は、このステップＳ１〜Ｓ５までの動作を車体の起動が開始してから停止するまで、所定の周期（例えば１０ｍｓ毎）で繰り返し行う。すなわち、パワーコントローラ５１は、トルクセンサ２５、回転数センサ２６、電圧計５５の検出データを逐次取得して、所定時間ｔｓ後の電圧Ｖ^＊を推定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の制御を行っている。

次に、図５を用いて本実施形態における車体動作と従来例の車体動作の違いについて説明する。図５は車体動作の変化を時系列で示すタイムチャートである。なお、ここでは説明を簡略化するため、車体を停止する際の制動動作を例にして説明を行う。図５のグラフ５−１に示すように、ダンプトラック１００がある走行速度で走っている際に、時間ｔ１で制動を開始すると、徐々に走行速度が低下し、時間ｔ２でダンプトラック１００が停止する。

この時、グラフ５−２の破線Ｌｃが示すように、従来例では高圧直流ライン５６の実電圧Ｖは時間ｔ１から上昇を始め、最大電圧Ｖｍａｘまで上昇する。この間、時間ｔ３のｔｓ秒後の時間以降は、破線Ｌｃにおける実電圧Ｖは閾値Ｖｔｈより大きく（実電圧Ｖ＞閾値Ｖｔｈ）なり、時間ｔ３のｔｓ秒後のタイミングで、グラフ５−３の破線が示すようにチョッパ１６が動作し、グリッドボックス抵抗５３にて走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが発電した電力が消費されている。

一方、本実施形態では、パワーコントローラ５１は現時点から所定時間ｔｓ秒後の高圧直流ライン５６の電圧Ｖ^＊を逐次算出し、一点鎖線に示すように現時点からｔｓ秒後の電圧Ｖ^＊の予測を行っている（詳細は後述）。この所定時間ｔｓとは、制動開始（ｔ１）から、制動出力（グラフ５−１参照）の変化が線形となっている領域の近似曲線と時間軸との交点までの時間よりも短く設定される任意の時間である。

そして、予測した電圧Ｖ^＊＞閾値Ｖｔｈとなったとき（時間ｔ３）にＤＣ／ＤＣコンバータ６０がオン動作し（グラフ５−４）、高圧直流ライン５６からＤＣ／ＤＣコンバータ６０を介して補機直流ライン５７に電力が供給される。そして、グリッドボックスファンモータ５４は、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒが発電した電力（回生電力）により駆動される。その結果、補助発電機１３の出力はほぼ０になる。これにより、実線Ｌｉの様に高圧直流ライン５６の電圧の上昇が、従来例の電圧上昇（破線Ｌｃ）よりも緩やかになり、グラフ５−３に示すように、チョッパ１６の動作が従来例に比べて時間ｔｃだけ遅くなる。

よって、本実施形態では、グリッドボックス抵抗５３での電力消費時間が短縮され、補機であるグリッドボックスファンモータ５４の動作時間が長くなる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は一度動作した後は走行モータ１０Ｌ、１０Ｒによる制動動作が終了するまで動作し続ける。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は時間ｔ３から時間ｔ２までグリッドボックスファンモータ５４に電力を供給するので、補助発電機１３ひいてはエンジン１１の負荷を、グラフ５−５の斜線領域の面積、すなわち、（グリッドボックスファン必要動力）×（ｔ２−ｔ３）だけ低減でき、燃費改善することができる。

（電圧Ｖ^＊の推定方法）
次に図６を用いて電圧Ｖ^＊の推定方法について説明する。図６は電圧Ｖ^＊の推定方法を説明するための図である。まず、電圧推定部１０３では、車体の走行状態、例えば走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの出力トルクＴＬ、ＴＲおよび回転数ωＬ、ωＲと、電圧計５５にて出力された実電圧Ｖとを逐次取得する。そして、取得された出力トルクＴＬ、ＴＲ、回転数ωＬ、ωＲ，実電圧Ｖから、高圧直流ライン５６の電圧の変化の傾向を予測する。ある所定速度で走行しているときに時間ｔ１でブレーキが踏まれ、ブレーキ信号が大きくなると、速度を落とすために走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの出力トルクは負の方向へ大きくなっていき、その分、高圧直流ライン５６の電圧も上昇する。

その時、電圧推定部１０３は走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの出力トルクを保存しておき、今の出力トルクＴ２とある時間Δｔ前の出力トルクＴ１とから、式（１）を用いて、所定時間ｔｓ秒後のトルクＴｓを推定する。
Ｔｓ＝（Ｔ２−Ｔ１）／Δｔ×ｔｓ＋Ｔ２ ・・・（１）

また、同様に電圧推定部１０３は走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数も保存しておき、今の回転数ω２とある時間Δｔ前の回転数ω１とから、式（２）を用いて、所定時間ｔｓ秒後の回転数ωｓを推定する。
ωｓ＝（ω２−ω１）／Δｔ×ｔｓ＋ω２ ・・・（２）

この所定時間ｔｓ秒後のトルクＴｓと回転数ωｓとから、電圧推定部１０３は、式（３）を用いて、所定時間ｔｓ秒後の走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのモータ出力Ｐｍｓを算出する。
Ｐｍｓ＝Ｔｓ×ωｓ ・・・（３）

また、同様に現在のトルクＴ２と回転数ω２とから、電圧推定部１０３は、式（４）を用いて、現在の走行モータ１０Ｌ、１０Ｒのモータ出力Ｐｍを算出する。
Ｐｍ＝Ｔ２×ω２ ・・・（４）

電圧推定部１０３は、これらのモータ出力Ｐｍと発電効率ηｅとから、式（５）、（６）を用いて、それぞれの走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの発電量Ｐｅｓ、Ｐｅを算出する。
Ｐｅ＝Ｐｍ×ηｅ ・・・（５）
Ｐｅｓ＝Ｐｍｓ×ηｅ ・・・（６）

ここで、発電効率ηｅは走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの仕様と使用状況、例えば入力電圧、周波数、入力電流、により決まる値であり、予めテーブルの形で記憶しておき、使用状況ごとにテーブルを参照して各発電量を求める。電圧推定部１０３は、走行モータ発電量Ｐｅ、Ｐｅｓを算出する式（５）、（６）を左右の走行モータ１０Ｌ、１０Ｒに適用し、それぞれの発電量ＰｅｓＬ、ＰｅｓＲ、ＰｅＬ、ＰｅＲを算出する。

電圧推定部１０３は、これらの走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの発電量ＰｅｓＬ、ＰｅｓＲ、ＰｅＬ、ＰｅＲと、高圧直流ライン５６の静電容量Ｃと、電圧計５５からの実電圧Ｖとから、式（７）を用いて、時間ｔｓ後の高圧直流ライン５６の電圧Ｖ^＊を推定する。
Ｖ^＊＝｛（ＰｅｓＬ＋ＰｅｓＲ＋ＰｅＬ＋ＰｅＲ）／２×ｔｓ／Ｃ＋Ｖ^２｝^０．５・・・（７）

以上より、車体の状態から高圧直流ライン５６の電圧の変化の傾向を導出し、所定時間ｔｓ後の電圧Ｖ^＊を推定することができ、これによりチョッパ１６が駆動する前にＤＣ／ＤＣコンバータ６０を動かすことができる。よって、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒで発電した電力をグリッドボックス抵抗５３で消費する前にグリッドボックスファン（補機）１９に供給することができ、高圧直流ライン５６の電圧上昇を低減することでグリッドボックス抵抗５３の動作を遅らせ、より長くグリッドボックスファン１９に電力を供給することができる。これにより、グリッドボックスファン１９を駆動するための電力を発電していた補助発電機１３の出力低減、補助発電機１３を駆動するエンジン１１の出力低減を行うことができ、燃費を低減することができる。

（第１実施形態の変形例）
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御処理の変形例について説明する。図７はＤＣ／ＤＣコンバータの制御処理の手順の変形例を示すフローチャートである。図７に示すように、変形例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御処理では、ステップＳ５の後にステップＳ５−１、ステップＳ５−２の処理を図４に示す処理に対して追加している。

具体的には、ステップＳ５−１において、電圧推定部１０３は、現在の車体の走行状態（トルクと回転数）を取得する。次いで、ステップＳ５−２において、ステップＳ２と同様に走行状態判定部１０２にて走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにより発電が行われているか判定し、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにより発電が行われている場合（Ｓ５−２／Ｙｅｓ）、ステップＳ５に戻り、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０へ制御指令の出力を継続する。一方、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにより発電が行われていない場合（Ｓ５−２／Ｎｏ）、一連の動作を終了する。

これらの処理を追加することで、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回生動作が続いている間はＤＣ／ＤＣコンバータ６０への制御指令の出力および回生動作が続いているかどうかの判定のみを繰り返し行うことになり、電圧Ｖ^＊の推定（Ｓ３）、電圧Ｖ^＊と閾値Ｖｔｈとの比較の処理（Ｓ４）を省略することができ、制御速度の向上が図れる。

「第２実施形態」
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、電圧Ｖ^＊の推定方法が第１実施形態と相違する。以下、この相違点について説明する。図８は第２実施形態における電圧Ｖ^＊の推定方法の手順を示すフローチャートである。第２実施形態では、電圧推定部１０３は、所定時間ｔｓ秒後の発電量Ｐｅｓを用いずに電圧Ｖ^＊を算出することにより、計算負荷を軽減している点が第１実施形態における電圧Ｖ^＊の推定方法と異なる。

図８に示すように、処理が開始されると、ステップＳ６１−１において、電圧推定部１０３は、逐次取得した車体情報、例えば走行モータ１０Ｌ、１０ＲのトルクＴＬ、ＴＲと回転数ωＬ、ωＲとから、以下の式（８）を用いて走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの出力ＰｍＬ、ＰｍＲを計算する。
ＰｍＬ=ＴＬ×ωＬ（ＰｍＲ=ＴＲ×ωＲ） ・・・（８）

ステップＳ６２−１において、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの出力ＰｍＬ、ＰｍＲと発電効率ηｅとから、電圧推定部１０３は、以下の式（９）を用いて走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの発電量ＰｅＬ、ＰｅＲを計算する。
ＰｅＬ=ＰｍＬ×ηｅ（ＰｅＲ=ＰｍＲ×ηｅ） ・・・（９）

ステップＳ６３において、電圧推定部１０３は、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの発電量ＰｅＬ、ＰｅＲと、外乱Ｐｌと、高圧直流ライン５６の静電容量Ｃと、電圧計５５から出力された実電圧Ｖとから、式（１０）を用いて、所定時間ｔｓ秒後に高圧直流ライン用インバータ１５Ｌ、１５Ｒに入力される電圧Ｖ^＊を推定する。なお、外乱Ｐｌは高圧直流ライン５６に接続される走行モータ１０Ｌ、１０Ｒおよびグリッドボックス抵抗５３以外の負荷の駆動に必要な電力を指す。
Ｖ^＊=｛（ＰｅＬ+ＰｅＲ−Ｐｌ）×ｔｓ／Ｃ＋Ｖ^２｝^０．５ ・・・（１０）

このように、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏するうえ、第１実施形態と比べて電圧Ｖ^＊を推定する際のパワーコントローラ５１の計算負荷を軽減できる利点がある。

「第３実施形態」
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態では、電圧Ｖ^＊の推定方法が第１実施形態および第２実施形態と相違する。以下、この相違点について説明する。図９は第３実施形態における電圧Ｖ^＊の推定方法の手順を示すフローチャートである。第３実施形態では、電圧推定部１０３は、トルクＴＬ、ＴＲを用いた走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの出力ＰｍＬ、ＰｍＲの計算のステップを省いて、走行モータの回転数ωＬ、ωＲとブレーキ信号とルックアップテーブルＬＵＴとから、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの発電量ＰｅＬ、ＰｅＲを求めており、第２実施形態よりもさらに計算負荷が軽減されている。

具体的には、図９に示すように、電圧推定部１０３は、ステップＳ６１−２において、逐次取得した車体情報、例えば走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数ωＬ、ωＲの絶対値とブレーキ信号とから、あらかじめ保存されていたルックアップテーブルＬＵＴを参照して、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの発電量ＰｅＬ、ＰｅＲを求める。なお、ルックアップテーブルＬＵＴは、パワーコントローラ５１内の記憶装置５２に予め記憶されている（図２参照）。

図１０は、第３実施形態おいて電圧Ｖ^＊を推定する際に用いられるルックアップテーブルを示す図である。図１０に示すように、ルックアップテーブルＬＵＴは、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数と、ブレーキ信号と、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの発電量との関係が規定されている。図１０において、横軸に走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数の絶対値、縦軸に走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの発電量を示し、線種でブレーキ信号ごとの違いを表している。ルックアップテーブルＬＵＴは走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの出力特性と、制御特性から作成されるものであり、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒと制御仕様が決まると作成することができる。

次いで、電圧推定部１０３は、第２実施形態と同様にステップＳ６２において、式（１１）を用いて、所定時間ｔｓ秒後に高圧直流ライン用インバータ１５Ｌ、１５Ｒに入力される電圧Ｖ^＊を算出する。
Ｖ^＊=｛（ＰｅＬ+ＰｅＲ−Ｐｌ）×ｔｓ／Ｃ＋Ｖ^２｝^０．５ ・・・（１１）

このように、第３実施形態においては、第２実施形態と同様の作用効果を奏することに加えて、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数とブレーキ信号とに基づいて、ルックアップテーブルＬＵＴから発電量を求めることにより、必要なセンサおよび処理が少なくなり、制御応答性がよくなる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒにより回生動作の有無を判定するために、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数とトルクを使用しているが、これに限るものではなく、走行モータ１０Ｌ、１０Ｒの回転数とブレーキ信号とにより回生動作の有無を判定しても良い。また、各実施形態においてはＤＣ／ＤＣコンバータ６０から電力を供給する先をグリッドボックスファンモータ５４としたが、これに限るものではなく、その他の補機に電力を供給するために使用しても良いし、複数の補機に電力を供給しても良い。

１０Ｌ、１０Ｒ 走行モータ
１１ エンジン
１２ 主発電機（第１発電機）
１３ 補助発電機（第２発電機）
１５Ｌ、１５Ｒ 高圧直流ライン用インバータ
１６ チョッパ
１７ 補助発電機用ダイオードブリッジ
１８ 補機直流ライン用インバータ
１９ グリッドボックスファン（補機）
２１ 主発電機用ダイオードブリッジ
４９ コントローラ
５０ メインコントローラ
５１ パワーコントローラ
５２ 記憶装置
５３ グリッドボックス抵抗（抵抗器）
５４ グリッドボックスファンモータ
５５ 電圧計（電圧検出器）
５６ 高圧直流ライン
５７ 補機直流ライン
６０ ＤＣ／ＤＣコンバータ（降圧装置）
１０１ 抵抗器駆動判定部
１０２ 走行状態判定部
１０３ 電圧推定部
１０４ ＤＣ／ＤＣ駆動判定部（降圧装置駆動判定部）
１０５ ＤＣ／ＤＣ制御部（降圧装置制御部）
Ｃ１ 第１電気回路
Ｃ２ 第２電気回路
ＬＵＴ ルックアップテーブル

Claims (5)

1. 作業車両の電力回生システムであって、
   エンジンにより駆動される第１発電機および第２発電機と、
   前記第１発電機にて発電された電力を、前記作業車両の駆動輪に接続された走行モータに供給するための第１電気回路と、
   前記第１電気回路に接続され、前記走行モータの制動時に生成される電気エネルギを熱エネルギに変換して放熱する抵抗器と、
   前記第１電気回路の実電圧を検出する電圧検出器と、
   前記第２発電機にて発電された電力を、前記作業車両の補機に供給するための第２電気回路と、
   高圧側が前記第１電気回路と接続され、低圧側が前記第２電気回路と接続されると共に、前記第１電気回路から前記第２電気回路に電力を供給する降圧装置と、
   前記降圧装置の駆動を制御するコントローラと、を備え、
   前記補機は、前記第２発電機で発電されて前記降圧装置で降圧されていない電力、及び前記走行モータの回生動作で発電されて前記降圧装置で降圧された電力の少なくとも一方が供給されて動作し、
   前記コントローラは、
   前記作業車両の走行状態に関する情報に基づいて、前記走行モータが回生動作を行っているか否かを判定する走行状態判定部と、
   前記作業車両の走行状態に関する情報および前記電圧検出器にて検出された前記実電圧に基づいて、現時点から所定時間経過後における前記第１電気回路の電圧を推定する電圧推定部と、
   前記電圧推定部にて推定された電圧が閾値以上であるか否かを判定し、前記電圧推定部にて推定された電圧が前記閾値以上である場合に、前記降圧装置を駆動することを決定する降圧装置駆動判定部と、
   前記走行状態判定部により前記走行モータが回生動作を行っていると判定され、かつ、前記降圧装置駆動判定部により前記降圧装置を駆動することが決定された場合に、前記実電圧が前記閾値以上になる前に前記降圧装置に駆動指令を出力する降圧装置制御部と、
   前記実電圧が予め定められた前記閾値以上であるか否かを判定し、前記降圧装置制御部から前記駆動指令が出力された後で且つ前記実電圧が前記閾値以上になった場合に、前記抵抗器に対して駆動指令を出力する抵抗器駆動判定部と、を備えることを特徴とする作業車両の電力回生システム。
2. 請求項１に記載の作業車両の電力回生システムにおいて、
   前記走行状態判定部は、
   前記作業車両の走行状態に関する情報としての前記走行モータの出力トルクおよび前記走行モータの回転数に基づいて、前記走行モータが回生動作を行っているか否かを判定する、ことを特徴とする作業車両の電力回生システム。
3. 請求項２に記載の作業車両の電力回生システムにおいて、
   前記電圧推定部は、
   前記走行モータのトルクおよび前記走行モータの回転数を逐次取得し、
   前記走行モータのトルクと前記走行モータの回転数の変化の傾向から、前記所定時間経過後の前記走行モータのトルクと前記走行モータの回転数を推定し、
   推定した前記走行モータのトルクおよび前記走行モータの回転数から、前記走行モータの発電量を算出し、
   算出された前記走行モータの発電量と、前記電圧検出器にて検出された前記実電圧とに基づき、前記所定時間経過後の前記第１電気回路の電圧を推定する、ことを特徴とする作業車両の電力回生システム。
4. 請求項２に記載の作業車両の電力回生システムにおいて、
   前記電圧推定部は、
   前記走行モータのトルクおよび前記走行モータの回転数を逐次取得し、
   取得した前記走行モータのトルクおよび前記走行モータの回転数から、前記走行モータの発電量を算出し、
   算出された前記走行モータの発電量と、前記電圧検出器にて検出された前記実電圧とに基づき、前記所定時間経過後の前記第１電気回路の電圧を推定する、ことを特徴とする作業車両の電力回生システム。
5. 請求項２に記載の作業車両の電力回生システムにおいて、
   前記電圧推定部は、
   前記走行モータの回転数およびブレーキ信号を逐次取得し、
   前記走行モータの回転数と前記走行モータの発電量との関係が前記ブレーキ信号毎に予め規定されたルックアップテーブルを参照して、取得した前記走行モータの回転数と前記ブレーキ信号に対応する前記走行モータの発電量を算出し、
   算出された前記走行モータの発電量と、前記電圧検出器にて検出された前記実電圧とに基づき、前記所定時間経過後の前記第１電気回路の電圧を推定する、ことを特徴とする作業車両の電力回生システム。
   

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