JP2008154324A

JP2008154324A - 産業用電気駆動車両の制動装置

Info

Publication number: JP2008154324A
Application number: JP2006337677A
Authority: JP
Inventors: Noritaka Ito; 徳孝伊藤; Toshio Kotaka; 稔生小鷹
Original assignee: TCM Corp
Current assignee: TCM Corp
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】設定や構造が容易で、安全性が高く、回生エネルギーの回収率が高い。
【解決手段】ブレーキペダルにより操作される機械式油圧ブレーキと、走行用モータを制御するインバータ装置と、ブレーキペダルの踏み込み量を検出する踏み込み量検出器の検出信号に基づいてインバータ装置を制御する車両コントローラとを具備し、車両コントローラを、踏み込み量検出器の検出値に基づいてブレーキペダルのオフ位置０から機械制動始点ｔの間の低速制動域Ｔは、踏み込み量の増加に対応して漸次増加させる回生制動トルクＥＴにより制動し、機械制動始点ｔを越える高速制動域ＯＴでは、踏み込み量の増加に対応して漸次増加する機械制動トルクＭＴと回生制動トルクＥＴとにより制動するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホイールローダやフォークリフト、ダンプトラックなど、特に低速回転の前後進と停止とを繰り返して行う作業走行が多い産業用電気駆動車両に適した制動装置に関する。

回生（電気式）ブレーキと油圧（機械式）ブレーキとを併用した車両の制動装置において、回生制動トルクと油圧制動トルクとを、ブレーキペダルの踏み込み速度に応じて分配し、両制動トルクの総和が全制動トルクとなるように制御するものが、たとえば特許文献１に示されている。
特開平６−２５３４０６号公報

しかしながら、特許文献１においては、
Ａ）ブレーキペダルの踏み込み速度は、オペレータの個人差があるとともに、通常時はブレーキペダルの反力を感じながら踏み込むので、所定の反力を感じるまでは、一気に踏み込むことが多く、踏み込み速度により制動トルクを設定するのは困難を伴うこと、
Ｂ）踏み込み速度を計算して油圧ブレーキにフィードバックするため、油圧ブレーキの油圧回路に比例制御弁とブレーキ力を変更するための装置が必要で、構造が複雑になること、
Ｃ）油圧ブレーキの操作に、回生ブレーキの電気制御が関わるため、電気制御系統にトラブルが発生すると、油圧ブレーキが操作ができなくなり、安全面での対策がさらに必要となることなどの問題があった。

本発明は上記問題点を解決して、設定や構造が容易で、安全性が高く、低速回転の前後進と停止とを繰り返して作業走行の多い産業用電気駆動車両に適した産業用電気駆動車両の制動装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、ブレーキペダルにより操作されるブレーキバルブにより、圧油を駆動室に給排出して走行車輪を制動する機械式油圧ブレーキと、前記ブレーキペダルの踏み込み量を検出する踏み込み量検出器と、走行用モータを制御するインバータ装置と、前記踏み込み量検出器の検出信号に基づいてインバータ装置を制御する車両コントローラとを具備し、前記車両コントローラを、踏み込み量検出器の検出値に基づいてブレーキ踏み込み量の増加に対応して回生制動トルクを漸次増加させるように構成し、前記ブレーキバルブを、ブレーキペダルオフ位置から機械制動始点の間の踏み込み量では圧油を駆動室に供給せず、機械制動始点からの踏み込み量の増加に対応して駆動室への圧油の供給を漸次増加して機械制動トルクを増加させるように構成し、ブレーキペダルのオフ位置から機械制動始点の間のブレーキ踏み込み量で回生制動トルクを全制動トルクとし、機械制動始点以上のブレーキ踏み込み量で、回生制動トルクと機械制動トルクとの総和を全制動トルクとしたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、インバータ装置に、走行用モータからの回生電力を蓄電する蓄電器を設けたものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の構成において、車両コントローラにより、走行モータに走行車輪を拘束停止する回生制動トルクを発生する停止位置制御を行うとともに、アクセルペダルの踏み込み量に対応する駆動トルクが前記回生制動トルクを越えた時に走行モータに駆動力を与える遅延制御を行う坂道発進切換スイッチを設けたものである。

請求項１記載の発明によれば、作業走行時に油圧ブレーキを使用しないですむので、油圧ブレーキのディスクやドラム、パッドなどの制動部材の磨耗を大幅に減少させることができ、制動部材の寿命を延ばすことができる。さらに、高速回転時に回生制動を使用すると、インバータ装置や走行モータ、放熱用のブレーキ抵抗器などの回生ブレーキの構成部材を大型で大容量のものを使用する必要があるが、本発明では、低速回転時に回生制動のみを使用し、高速回転時や急ブレーキ時の全制動トルクを油圧ブレーキで補うように構成したので、回生ブレーキの構成部材を小型化することができる。さらにまた、油圧ブレーキはブレーキペダルによりブレーキバルブを介して操作され、回生ブレーキの構成部材や制御用電気回路とは独立しているので、電気系統にトラブルが発生しても、油圧ブレーキのみで車両を制動することができ、設定や構造が容易で、かつ安全性が高い。

請求項２記載の発明によれば、低速回転で前後進と停止とを繰り返す作業走行時には、ブレーキ踏み込み量がオフ位置から機械制動始点までの低速制動域で走行モータを回生制動のみで制動し、この回生制動により回収した回生電力をインバータ装置の蓄電器に蓄電して前後進に使用することで、作業走行時に高効率で回生エネルギーを回収し有効利用を図ることができる（油圧ブレーキを使用すると回生エネルギーを有効に回収できない）。

請求項３記載の発明によれば、坂道発進切換スイッチをオンし、車両コントローラにより、回生ブレーキをかけて回生制動により走行車輪を停止させる停止位置制御を行うとともに、アクセルペダルの踏み込みにより駆動力の走行車輪への伝達を遅らせる遅延制御を行うので、オペレータの判断で坂道発進スイッチを操作して、坂道発進をスムーズに行うことができる。この時、油圧ブレーキを使用しないので、制動部材の磨耗を減少させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
この車両は、たとえばバケットなどの作業具を作業ブームを介して回動・昇降駆動する作業装置（図示せず）を搭載したホイールローダなどの電気駆動車両であって、図２に示すように、エンジン１１により発電機１２と油圧ポンプ１３とを駆動して、発電機１２の電力により、前後の走行車輪１４などを回転駆動するとともに、油圧ポンプ１３の油圧により作業装置や油圧ブレーキ１６などを駆動するように構成されるものである。

前記走行車輪１４は、走行モータ１５により減速機を介してそれぞれ回転駆動され、車両コントローラ３１により図４のインバータ装置３２を介して走行モータ１５が駆動制御される。また各走行車輪１４には、アクスルにブレーキディスクやブレーキパッドなどの制動部材を介して制動する機械式の油圧ブレーキ１６が設けられるとともに、車両コントローラ３１によりインバータ装置３２を介して回生制動する回生ブレーキが設けられ、これら油圧ブレーキ１６と回生ブレーキとにより各走行車輪１４がそれぞれ制動される。

図３に示すように、油圧ブレーキ１６を操作するブレーキ用油圧回路２１には、油圧ポンプ１３により供給される圧油を溜めるブレーキ用アキュムレータ２２と、運転席に設けられたブレーキペダル２３により操作されてブレーキ用アキュムレータ２２の圧油を油圧ブレーキ１６に供給、排出するブレーキバルブ（流量制御弁）２４とを具備し、油圧ブレーキ１６にはブレーキバルブ２４から圧油が給排出される単動形シリンダの駆動室１６ａを有し、この駆動室１６ａにより単動形シリンダを作動しブレーキパッドを介してブレーキディスクを加圧して油圧ブレーキ１６を作動する。単動形シリンダには、駆動室１６ａからの圧油を排出する拘束用ばね１６ｂが設けられている。また前記ブレーキペダル２３には、踏み込み量を検出するたとえばポテンショメーターからなる踏み込み位置検出器（踏み込み量検出器）２５が設けられている。

図４に示すように、発電機１２から走行モータ１５に電力を供給するインバータ装置３２は、サイリスタコンバータを２組用いた可逆コンバータにより構成されており、コンバータ部３３と平滑回路部３４とインバータ部３５と、サイリスタとコイルからなる整流回路３６ａを介して回生電力を蓄電するキャパシタ（蓄電器）３６と、キャパシタ３６が過充電された時に回生電力を消費するための放熱用の冷却ファン付制動用抵抗器３７とを具備し、回生制動時の回生電力をキャパシタ３６に蓄電して走行時に使用することができる。そして、車両コントローラ３１からインバータ部３５に走行モータ１５を走行駆動制御および回生制動制御する制御信号が出力される。

図５に示すように、車両コントローラ３１には、前記踏み込み位置検出器２５と、前進−中立−後進および速度モードを切り替える走行方向切換レバー４１と、加速・減速を行うアクセルペダル４２と、旋回を設定するための操舵ハンドル４３と、坂道発進時などに使用する坂道発進切換スイッチ４４と、各アクスルの油圧ブレーキ１６に一体に設けられた駐車ブレーキを操作する駐車ブレーキスイッチ４５と、エンジン速度切換スイッチ４７と、その他運転準備・解消スイッチなどのスイッチ類からそれぞれ入力信号が入力される。またこの車両コントローラ３１の操作出力信号が、インバータ装置３２のインバータ部３５と、エンジンコントローラ４６や表示ランプなどにそれぞれ出力される。

この電気駆動車両の回生ブレーキと油圧ブレーキ１６について説明する。
図１（ａ）に示すように、ブレーキペダル２３が踏み込まれて踏み込み位置検出器２５によりブレーキ踏み込み量がオフ位置０から機械制動始点ｔまで低速制御域Ｔ内で増加すると、車両コントローラ３１ではインバータ部３５を制御して、ブレーキ踏み込み量の増加に対応して回生制動トルクＥＴを漸次増加させて各走行モータ１５に回生ブレーキをかけ、走行車輪１４を制動する。この低速制御域Ｔ内で、ブレーキバルブ２４は閉鎖位置に保持され、油圧ブレーキ１６を作動しない。次いで機械制動始点ｔからブレーキ踏み込み量が増加する高速制動域ＯＴになると、車両コントローラ３１ではインバータ部３５を制御し、踏み込み量の増加に対応して回生制動トルクＥＴをさらに漸次増加させ、各走行モータ１５にそれぞれ回生ブレーキをかけ走行車輪１４を制動する。同時にブレーキバルブ２４では、ブレーキ踏み込み量の増加に対応してブレーキ用アキュムレータ２２の圧油を駆動室１６ａに漸次増加して供給し、油圧ブレーキ１６の機械制動トルクＭＴを漸次増大させて走行車輪１４を制動する。

このように、ブレーキ踏み込み量がオフ位置０から機械制動始点ｔまでの低速制動域Ｏでは、回生ブレーキのみが作動されて走行車輪１４を制動し、ブレーキ踏み込み量が機械制動始点ｔを越える高速制動域ＯＴになると、車両コントローラ３１により回生ブレーキが作動されると同時に油圧ブレーキ１６が作動されて、走行車輪１４が大きい制動力で制動される。したがって、低速制動域Ｔでは回生制動トルクＥＴが全制動トルクＡＴとなり、高速制動域ＯＴになると、回生制動トルクＥＴに加えて機械制動トルクＭＴが補充され、回生制動トルクＥＴと機械制動トルクＭＴとの総和が全制動トルクＡＴとなる。

ここで、機械制動始点ｔは、ブレーキ踏み込み量が全ストロークとなる最大全制動トルクＡＴmaxの０．２５〜０．４倍の範囲が適している。これは最大全制動トルクＡＴmaxの０．２５倍未満では、油圧ブレーキ１６の使用頻度が多くなり過ぎて制動部材の磨耗量も多く、また回生エネルギーの回収効率も低いからであり、０．４倍を越えると、高速での制動回数が増えて回生制動トルクを増大させる分、インバータ装置３２などを大型化する必要があり設備コストが嵩むからである。さらに機械制動始点ｔの好適値は、最大全制動トルクＡＴmaxの０．３〜０．３５倍の範囲である。このように、ブレーキ踏み込み量がオフ位置０から機械制動始点ｔまでの低速制動域Ｔで、低速回転で前後進と停止とを繰り返す作業走行時における全制動トルクが回生制動だけで行われるように設定されている。

また、産業用電気駆動車両には、低速で間欠的に停止と前進または後進を繰り返すことにより、荷などの対象物に精度良く接近するのに使用されるインチングスイッチが設けられている（たとえば特開２００１−２４５４０６）。このインチングスイッチのない場合には、左右に設けられたブレーキペダルとアクセルペダルを交互に操作して間欠的に前後進を行うため、油圧ブレーキと走行モータとが同時に作動されてブレーキの発熱・磨耗と燃料の消費が同時に行われてエネルギーの浪費状態となる。これを防止するための従来のインチングスイッチは、ブレーキペダルを操作している時に、走行モータの駆動力を作用させないように制御するものである。

本発明の産業用電気駆動車両では、低速時に使用するブレーキペダル２３のオフ位置０から機械制動始点ｔまでを、回生ブレーキでカバーするので、ブレーキペダル２３とアクセルペダル４２とを同時に踏んだ場合には、ブレーキペダル２３が優先されて走行モータ１５が回生制動され、ブレーキペダル２３がオフ位置０となりアクセルペダル４２が踏み込まれると、走行モータ１５が駆動される。そしてブレーキペダル２３とアクセルペダル４２とが交互に踏み込まれても、ブレーキと走行モータ１５とが同時に作動されることはない。

ところで、図１（ａ）（ｂ）では、ブレーキ踏み込み量の変化に伴う全制動トルクＡＴの変化率が、低速制動域Ｔで小さく、高速制動域ＯＴで大きく、機械制動始点ｔで低い折れ線形となっている。これは、作業走行時を含む低速走行時に、オペレータが低速制動域Ｔでブレーキペダル２３を通常感覚で操作し、高速制動域ＯＴで初めて急ブレーキをかけるような大きい加圧力でブレーキペダル２３の操作することになるため、低速制動域Ｔと高速制動域ＯＴとでオペレータの操作感覚に問題は生じることはない。もちろん、図１（ｃ）に示すように、回生制動トルクＥＴを、仮想線や破線で示すように制御して、ブレーキ踏み込み量の変化に伴う低速制動域Ｔと高速制動域ＯＴの全制動トルクＡＴの変化率を一定とすることもできる。

また、坂道発進などで車両がずり下がることなく発進できる技術が、たとえば特開平７−３２２４０４に提案されている。この技術では、走行モータの回転数と回転方向と、走行方向切換レバーによる進行方向指令が反対である時に、自動的に拘束停止状態とするものである。しかし、上記従来例では、意図的に走行方向切換レバーを切り替えることなく、自重で車両をずり下げて位置調整することができない（自動的に拘束停止される）。本発明では、坂道発進切換スイッチ４４を設け、これをオペレータが任意にオンすることにより、走行車輪１４を拘束停止するように構成している。

すなわち、この坂道発進切換スイッチ４４をオンすることにより、車両コントローラ３１では、走行車輪１４の停止位置制御が行われる。車両コントローラ３１からコンバータ部３３に停止指令が出力され、走行モータ１５からフィードバックされる回転方向と回転速度に基づいて、走行モータ１５の回転速度が０となるように回生制動トルクを発生させ、これにより坂道で車両を拘束停止させる。アクセルぺダル４２が操作されると、踏み込み量に応じて出力される駆動トルクの指令値が回生制動トルクを超えると、回生ブレーキが解除され走行車輪１４が回転駆動される遅延制御を行い、これにより坂道発進がスムーズに行われる。なお、機械制動始点ｔではほぼ１０％前後の勾配で停止させる回生制動トルクＥＴであり、この停止位置制御では、機械制動始点ｔを越える回生制動トルクＥＴを発生して回生ブレーキのみで車両を停止する。

上記実施の形態によれば、ブレーキ踏み込み量がオフ位置０から機械制動始点ｔの低速制動域Ｔ内では回生制動のみを行い、低速制動域Ｔでは、低速回転で前後進と停止とを繰り返す作業走行が行われる。これにより、走行モータ１５を回生制動して、回収した回生電力をインバータ装置３２のキャパシタ３６に蓄電し、この回生電力を走行モータ１５の前後進の駆動に使用することで、高効率でエネルギーを回収して有効利用することができる。なお、作業走行時に油圧ブレーキ１６が使用されると、回生エネルギーを有効に回収できない。

また低速制動域Ｔで油圧ブレーキ１６を使用しないですむので、油圧ブレーキ１６の制動部材の磨耗を大幅に減少させることができ、制動部材の寿命を延ばすことができる。
さらに、高速制動域ＯＴで回生制動のみで制動しようとすると、インバータ装置３２や走行モータ１５、放熱用の制動用抵抗器３７などを大型で大容量のものを使用する必要があるが、本発明では、低速回転域Ｔでは回生制動トルクＥＴのみで制動し、高速回転域ＯＴで回生制動トルクＥＴを油圧ブレーキ１６による機械制動トルクＭＴで補うので、より確実な制動が可能となり、制動装置を大型化する必要がない。

さらにまた、坂道発切換進スイッチ４４により、車両コントローラ３１により停止位置制御と遅延制御とを行うので、任意時にオペレータの判断で電気駆動車両の坂道発進をスムーズに行うことができ、油圧ブレーキ１６を使用しないので、制動部材の磨耗を減少させることができる。

また油圧ブレーキ１６のブレーキ用油圧回路２１と、回生ブレーキの制御用の電気回路とが互いに独立して設置されることから、電気系統にトラブルが発生しても、ブレーキペダル２３によりブレーキバルブ２４を介して油圧ブレーキ１６を操作することができ、車両を安全に停止することができる。

図６は、産業用電気駆動車両の他の実施の形態における走行モータの給電回路図を示したもので、キャパシタ３６を削除したものである。これにより、回生ブレーキによる回生電力を、放熱用の冷却ファン付制動抵抗器３７により消費するように構成される。この実施の形態によれば、先の実施の形態に比較して、回生電力を有効に利用することができないものの、他の効果を同様に奏することができる。

本発明に係る産業用電気駆動車両の制動装置の実施の形態におけるブレーキペダルの踏み込み量と制動トルクの関係を示すグラフで、（ａ）は第１例のブレーキ踏み込み量と、回生制動トルクおよび機械制動トルクの関係を示し、（ｂ）は第１例の全制動トルクを示し、（ｃ）は第２例のブレーキ踏み込み量と、回生制動トルクおよび機械制動トルクならびに全制動トルクの関係を示す。産業用電気駆動車両の概略構成図である。ブレーキ用油圧回路図である。走行モータの給電回路図である。産業用電気駆動車両の制御構成図である。産業用電気駆動車両の他の実施の形態を示す走行モータの給電回路図である。

符号の説明

ＥＴ回生制動トルク
ＭＴ機械制動トルク
ＡＴ全制動トルク
ｔ機械制動始点
Ｔ低速制動域
ＯＴ高速制動域
１１エンジン
１２発電機
１４走行車輪
１５走行モータ
１６油圧ブレーキ
１６ａ駆動室
２１ブレーキ用油圧回路
２２ブレーキ用アキュムレータ
２３ブレーキペダル
２４ブレーキバルブ
２５踏み込み位置検出器
３１車両コントローラ
３２インバータ装置
３５インバータ部
３６キャパシタ（蓄電器）
３７制動抵抗器
４２アクセルペダル
４４坂道発進切換スイッチ

Claims

ブレーキペダルにより操作されるブレーキバルブにより、圧油を駆動室に給排出して走行車輪を制動する機械式油圧ブレーキと、
前記ブレーキペダルの踏み込み量を検出する踏み込み量検出器と、
走行用モータを制御するインバータ装置と、
前記踏み込み量検出器の検出信号に基づいてインバータ装置を制御する車両コントローラとを具備し、
前記車両コントローラを、踏み込み量検出器の検出値に基づいてブレーキ踏み込み量の増加に対応して回生制動トルクを漸次増加させるように構成し、
前記ブレーキバルブを、ブレーキペダルオフ位置から機械制動始点の間の踏み込み量では圧油を駆動室に供給せず、機械制動始点からの踏み込み量の増加に対応して駆動室への圧油の供給を漸次増加して機械制動トルクを増加させるように構成し、
ブレーキペダルのオフ位置から機械制動始点の間のブレーキ踏み込み量で回生制動トルクを全制動トルクとし、機械制動始点以上のブレーキ踏み込み量で、回生制動トルクと機械制動トルクとの総和を全制動トルクとした
産業用電気駆動車両の制動装置。
インバータ装置に、走行用モータからの回生電力を蓄電する蓄電器を設けた
請求項１記載の産業用電気駆動車両の制動装置。
車両コントローラにより、走行モータに走行車輪を拘束停止する回生制動トルクを発生する停止位置制御を行うとともに、アクセルペダルの踏み込み量に対応する駆動トルクが前記回生制動トルクを越えた時に走行モータに駆動力を与える遅延制御を行う坂道発進切換スイッチを設けた
請求項１または２記載の産業用電気駆動車両の制動装置。