JP2016142118A - 作業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の大きな減速時においても、機械式ブレーキによる損失を低減し、かつ制動性能を損なうことなく、良好なブレーキフィーリングを実現する作業車両を提供すること。【解決手段】走行電動機９により駆動される複数の車輪６１を有する走行部と、走行部の駆動軸であるプロペラシャフト８ｂに機械的に連結され、力行駆動動作と回生制動動作のうち回生制動動作のみを実施する回生制動装置２０と、回生制動装置が発生した回生電力を充電する蓄電装置１１と、作業車両の制動動作時に走行部に出力を要求する制動動力を演算し、その制動動力が走行電動機９で出力可能な制動動力を超える場合、その不足分の制動動力を発生するように回生制動装置２０に指示する制御装置２００とを作業車両に備える。【選択図】 図２

Description

本発明は電動機により駆動される走行部を備える作業車両に関する。

回転電機の回生時に発生するトルクを回生制動力として車輪に伝達する回生式制動装置に関する背景技術として、特開２０１２−１７５８９３号公報（特許文献１）がある。

この文献には、「車両の前輪に回生制動力を伝達可能な第１回生制動手段、及び前記車両の後輪に回生制動力を伝達可能な第２回生制動手段の各々を制御する回生制動制御装置であって、前記第１回生制動手段及び前記第２回生制動手段の各々に要求される回生制動力の合計値である要求回生制動力を算出する要求回生制動力算出手段と、前記要求回生制動力を、前記第１回生制動手段及び前記第２回生制動手段で配分して実現する場合のエネルギ損失が、最も小さくなる配分比を算出する配分比算出手段と、前記算出された配分比で前記要求回生制動力を実現するように、前記第１回生制動手段及び前記第２回生制動手段を夫々制御する制御手段とを備える回生制動制御装置」が記載されている。

特開２０１２−１７５８９３号公報

上記文献には、第１回生制動手段として、車両の左右の前輪を駆動する第１電動機及び回生回路を備え、第２回生制動手段として、車両の左右の後輪を駆動する第２電動機及び回生回路を備えた車両、つまり、１組の前輪を駆動する第１電動機と、１組の後輪を駆動する第２電動機を備える車両が開示されている。

「走行」を主目的とする一般的な車両と異なり、「作業」を主目的とするホイールローダでは、時間あたりの作業量を最大化する観点等から、急加速とその直後の急減速をセットとした短時間の動作が繰り返し行われることがある。そして、その急減速の実行に際して、ホイールローダで必要とされる最大駆動力を超える制動力が要求されることが多く、その場合、ホイールローダでは各回転数における最大駆動力を超える最大制動力が要求される。一方、一般的に電動機が出力可能な駆動力と制動力は略等しい。そのため、ホイールローダで上記文献のように走行部の駆動源として２つの電動機（第１電動機及び第２電動機）のみを利用した場合において、ホイールローダで必要な最大駆動力を充足することを優先して当該２つの電動機の性能を決定したときには、急減速に必要な総制動力が当該２つの電動機だけで得られず、制動力不足を生じてしまい、結果的に要求される制動性能が得られない可能性が生じる。

このような事態を回避する方策としては、油圧ブレーキ等の機械的な制動装置（機械式ブレーキ）を備え、その機械的な制動力により電動機による電気的な制動力の不足分を補うものがある。しかし、この方策では、機械的なブレーキを用いた分は摩擦損失となる。さらに、特性の異なる電気的なブレーキと機械的なブレーキを組み合わせて利用するため、車両の制動特性を最適に制御することが難しくなり、必要な車両全体の制動性能が得られない可能性がある。

上記の課題は、例示したホイールローダに限られず、短時間で急加速と急減速が繰り返し行われ、その急減速の実行に際して、稼働中に必要とされる最大駆動力を超える制動力が要求され得る他の作業車両にも該当するものである。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、車両の大きな減速時においても、機械式ブレーキによる損失を低減し、かつ制動性能を損なうことなく、良好なブレーキフィーリングを実現する作業車両を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、電動機により駆動される走行部と、前記走行部の駆動軸に機械的に連結され、力行駆動動作と回生制動動作のうち回生制動動作のみを実施する回生制動装置と、前記回生制動装置が発生した回生電力を充電する蓄電装置と、前記作業車両の制動動作時に前記走行部に出力を要求する制動動力を演算し、その制動動力が前記電動機で出力可能な制動動力を超える場合、その不足分の制動動力を発生するように前記回生制動装置に指示する制御装置とを備えるものとする。

本発明によれば、作業車両の大きな減速時において、ブレーキによる損失を低減し、かつ制動性能を損なうことなく良好なブレーキフィーリングを実現することができる。

本発明の実施の形態に係るハイブリッド式ホイールローダの側面図。 図１に示したホイールローダ１００のシステム構成を示す図。 界磁巻線型発電機の概略構成を示す図。 トルコンを用いたホイールローダの駆動システム構成を示す図。 ホイールローダの作業パターンの一例であるＶ字掘削動作を示す図。 回生制動装置２０に関連する動力制御を行うために制御装置２００が備える機能を示した機能ブロック図 回生制動装置２０の動作範囲を所定の車両速度範囲に設定した場合の出力特性。 車両速度と回生制動装置２０の界磁電流の時間的関係を示す図。 ハイブリッド式ホイールローダに変速機３０を介して回生制動装置２０を搭載した構成例を示す図。 変速機３０を介して搭載した回生制動装置２０の動作領域を示す図。 回生制動装置２０の他の配置例を示す図。 連続降坂時の回生制動装置２０の動作領域を示す図。

以下、本発明をハイブリッド式のホイールローダに適用した場合の実施の形態について説明する。ハイブリッド式のホイールローダは、一般にエンジンの出力と蓄電装置（二次電池やキャパシタ）の電力を主動力源としており、その主な駆動対象部として、走行部（ホイール部分）と油圧作業部（フロントの油圧作業装置を含む油圧アクチュエータ部分）を有しており、電動機で走行部の４つの車輪を駆動して走行しながら、エンジン又は電動機で駆動される油圧ポンプで油圧作業部の油圧アクチュエータを動作することで土砂等を掘削・運搬する作業車両である。

図１は本発明の実施の形態に係るハイブリッド式ホイールローダの側面図である。なお、各図において同じ部分には同じ符号を付しており、当該同じ部分の説明は省略することがある。

図１のホイールローダ１００は、車体１１０と、この車体１１０の前方に取り付けた油圧作業装置５０とを備えている。車体１１０は、アーティキュレート操舵式（車体屈折式）を採用しており、それぞれ左右に車輪６１（前輪６１ａ、後輪６１ｂ）を装着した前部車体（フロントフレーム）１１１と後部車体（リアフレーム）１１２を、センタージョイント６４で連結している。図１には示されていないが、センタージョイント６４の左右両側には前部車体１１１と後部車体１１２を連結するようにステアリングシリンダ５３（図２参照）が配置されている。運転室（キャブ）１１６内に設置されたステアリングホイール（図示せず）を操作すると、ステアリングシリンダ５３の伸縮駆動に伴って後部車体１１２と前部車体１１１はセンタージョイント６４を中心にして屈折（旋回）する。

後部車体１１２上には、前方に運転室１１６、後方にエンジン室１１７が搭載されている。エンジン室１１７には、図２に示したディーゼルエンジン１、油圧ポンプ４、コントロールバルブ５５、電動発電機６、蓄電装置１１及び走行電動機（走行用モータ）９等が収納されている。

油圧作業装置５０は、リフトアーム１２１及びバケット１２２と、リフトアーム１２１及びバケット１２２を駆動するために伸縮駆動されるリフトシリンダ５２及びバケットシリンダ５１を備えている。なお、リフトアーム１２１とリフトシリンダ５２は前部車体１１１の左右に１つずつ装備されているが、図１で隠れている右側のリフトアーム１２１とリフトシリンダ５２は省略して説明する。

リフトアーム１２１は、リフトシリンダ５２の伸縮駆動に伴って上下方向に回動（俯仰動）する。バケット１２２は、バケットシリンダ５１の伸縮駆動に伴って上下方向に回動（ダンプ動作又はクラウド動作）する。なお、図示したホイールローダ１００は、バケット１２２を作動させるためのリンク機構として、Ｚリンク式（ベルクランク式）のものを採用している。当該リンク機構にはバケットシリンダ５１が含まれている。

図２は図１に示したホイールローダ１００のシステム構成図である。この図に示すホイールローダは、ディーゼルエンジン１と、エンジン１の出力軸に機械的に連結されエンジン１によって駆動される電動発電機（モータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ））６と、電動発電機６を制御するインバータ装置７と、電動発電機６に機械的に連結され、電動発電機６及びエンジン１の少なくとも一方に駆動される油圧ポンプ４と、コントロールバルブ５５を介して油圧ポンプ４から供給される圧油によって駆動される油圧アクチュエータ（バケットシリンダ５１、リフトシリンダ５２及びステアリングシリンダ５３）と、出力軸の両端に機械的に連結されたプロペラシャフト（駆動軸）８ａ，８ｂを介して４つの車輪６１を駆動する走行電動機９と、走行電動機９を制御するインバータ装置１０と、ＤＣＤＣコンバータ１２を介してインバータ７，１０（電動発電機６，走行電動機９）と電気的に接続されインバータ７，１０との間で直流電力の受け渡しを行う蓄電装置１１と、油圧アクチュエータ５１，５２，５３を駆動するための操作信号を操作量に応じて出力する操作装置（操作レバー５６及びステアリングホイール（図示せず））と、ホイールローダ１００に必要な性能を発揮するための各種制御処理を実行してハイブリッドシステムを統括的に制御する制御装置２００とを備えている。

さらにホイールローダ１００は、ホイールローダ１００の速度（車両速度）を算出するために利用される各車輪６１の回転量・回転角度・回転位置を検出するロータリエンコーダ６２を備えている。

走行電動機９の出力軸の一端（車両前方側の出力軸）は、１組の前輪６１ａに駆動力を伝達するプロペラシャフト８ａに機械的に連結されており、その出力軸の他端は、１組の後輪６１ｂに駆動力を伝達するプロペラシャフト８ｂに機械的に連結されている。

プロペラシャフト８ａに入力された駆動力は、ディファレンシャルギア（Ｄｉｆ）、ドライブシャフト及びギア（Ｇ）を介して１組の前輪６１ａに伝達され、同様に、プロペラシャフト８ｂに入力された駆動力は、ディファレンシャルギア（Ｄｉｆ）、ドライブシャフト及びギア（Ｇ）を介して１組の後輪６１ｂに伝達される。

プロペラシャフト８ｂには回生制動装置２０が機械的に連結されている。回生制動装置２０は、プロペラシャフト８ｂからの回転動力の入力で電気的な制動力を発生する装置、すなわち発電機であり、力行駆動動作と回生制動動作のうち回生制動動作のみを実施する。回生制動装置２０の出力軸は、車両後方側のディファレンシャルと走行電動機９を接続するプロペラシャフト８ｂの一部を構成しているとみなすことができる。回生制動装置２０が電気的な制動力を発生した場合（すなわち回生制動動作を行った場合）に生じた回生電力は蓄電装置１１で回収（充電）される。

回生制動装置２０としては、図３に示した界磁巻線型発電機を利用することが好ましい。界磁巻線型発電機は、界磁電流により発生する磁界を利用して発電する。界磁巻線型発電機における変換器は図示のようにダイオード整流器７１となるため、インバータを搭載するタイプの発電機に対してより安価となる。また、界磁巻線型発電機（回生制動装置２０）による制動力の発生の有無及び大きさは、界磁巻線型発電機に入力する界磁電流で制御することができる。例えば、或る条件で回生制動装置２０が動作するようにする場合には、当該条件が満たされている間に界磁電流を流すように制御すれば良く、その界磁電流により磁界が発生して制動力および回生電力を得ることができる。

なお、上記では４輪６１ａ，６１ａ、６１ｂ，６１ｂを１つの走行電動機９が駆動する場合について説明したが、プロペラシャフト８ａ，８ｂを分離独立させ、各プロペラシャフト８ａ，８ｂに異なる電動機を連結する構成（すなわち走行電動機は合計２つとなる）を採用しても良い。

蓄電装置１１としては、比較的大きな電気容量を有するものが好ましく、例えば、リチウム電池などの２次電池あるいは電気２重層キャパシタなどがこれに該当する。ＤＣＤＣコンバータ１２は、蓄電装置１１の電圧の昇降圧制御を行い、これによりインバータ７、１０と蓄電装置１１の間で直流電力の受け渡しが行われる。

図１及び２に示すハイブリッドホイールローダは、フロント部については、油圧ポンプ４で油圧作業装置５０に油圧を供給し、その油圧を元に目的に応じた作業を実施する。この点については、エンジンの動力をトルクコンバータ（トルコン）、トランスミッション（ＴＭ）及びプロペラシャフトを介して車輪に伝えて走行を行いながら、フロント部の油圧作業装置のバケットで土砂等を掘削・運搬する従来からのホイールローダ（以下では「トルコン機」と称することがあり、その概略構成を図４に示す）と同様である。しかし、走行部については、トルコン機と異なり、主にエンジン１の動力により電動発電機６で発電した電力を利用し、走行電動機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の低減に寄与する。

本発明の適用対象となるホイールローダにはいくつかの特徴的な動作パターンがある。このうち最も典型的な作業形態は図５に示すようなＶ字掘削作業である。この作業の際、ホイールローダはまず、砂利山などの掘削対象物に対して前進し、その掘削対象物に突っ込むような形でバケット１２２に砂利等の運搬物を積み込む（第１前進動作３１）。その後、後進して元の位置に戻り（第１後退動作３２）、ステアリングを操作しながら、かつバケット１２２を上昇させながらダンプ等の運搬車両に向かって前進する（第２前進動作３３）。そして、バケット１２２をダンプさせて運搬車両に運搬物を積み込んだ（バケット１２２から放土した）後は再び後進し、元の位置に戻る（第２後退動作３４）。車両は以上の説明のようにＶ字軌跡を描くように前進・後退して掘削作業を繰り返し行う。

Ｖ字掘削作業では、上記の一連の動作３１，３２，３３，３４からなる動作パターンは基本的に変わらないものの、この動作パターンに要する時間（サイクルタイムと称することがある）はその時々の状況により長短がある。Ｖ字掘削作業時の移動距離を一定とすれば、サイクルタイムが短い場合には、それに応じて各動作３１，３２，３３，３４における車両の加減速度が大きくなる。そして、この場合の車両の加速度と減速度は同一ではなく、異なった特性となる。

特に短い（速い）サイクルタイムでのＶ字掘削作業では、後進して元の位置に戻る後退動作３２，３４における車両の挙動が特に速くなり（さらに、後退動作３２，３４に続く前進動作３３，３１を見越して、後退が完全に完了する前にオペレータが前後進レバーを「前進」に入れることが多いため）、非常に大きな減速度が発生する。例えば、上記のＶ字掘削作業においては、作業中の最高速度（例えば車速１０ｋｍ／ｈ程度）から数ｋｍ／ｈ程度までの速度範囲で減速を行うときの減速度が特に大きな値となり、その減速度の大きさは駆動時の加速度の大きさに対して２倍程度となる。なお、先述のトルコン機では、トルコン自体が車輪から与えられる回転力によって非常に大きな制動力を出すことができるため、上記のような場合（後退動作３２，３４のとき）にも特に制動力に不足分を生じることなく動作することができる。

本実施の形態を含むハイブリッド式のホイールローダでは、減速が必要な場合には、まず走行電動機により制動動力を発生させ、車両を停止させる方向に動力を働かせる。しかし、前述のようにサイクルタイムが短く、加速後の減速に際して特に大きな制動動力が必要となる場合には、その際に必要となる制動動力（制動動力要求値）は走行電動機９で発生可能な制動動力を上回ることがある。

この場合、車輪６１に伴って回転する円盤に対して油圧を利用してブレーキパッドを接触させ、車輪６１の運動エネルギーを熱エネルギーに変換することにより制動する油圧ブレーキ（機械式ブレーキ）を走行電動機９と併用すれば、不足分の制動動力を補うことができる。しかし、この方法では運動エネルギーは熱エネルギーに変換されるため損失となり、ブレーキパッドも磨耗する。さらに走行電動機９の電気的な制動動力と、油圧ブレーキの機械的な制動動力の特性の違いにより、この２つのブレーキを併用した際には、スムーズな制動動作を実施することができず、最終的には作業性の低下に繋がる可能性もある。

そこで、上記のように構成した本実施の形態に係るホイールローダ１００では、プロペラシャフト８ｂの軸上に回生制動装置２０を設置することとした。このように回生制動装置２０を備えれば、ホイールローダ１００の制動動作時に必要となる制動動力（制動動力要求値）が走行電動機９の発生可能な制動動力を超えても、その超過分の制動動力を回生制動装置２０で発生して補うことで、制動動力要求値通りの制動動力を発生できる。また、回生制動装置２０により制動動力を発生すると、車輪６１の運動エネルギーは電気エネルギー（回生電力）に変換され、その回生電力は蓄電装置１１に蓄えられる。すなわち、機械式ブレーキの場合と比較して制動に伴うエネルギー損失は低減できる。さらに、回生制動装置２０による制動動力は、走行電動機９と同じ電気的な制動動力であるため、走行電動機９によるブレーキと併用しても車両の制動特性の最適制御が容易であり、機械式ブレーキを併用した場合のように制動性能を損なうことが無く、良好なブレーキフィーリングを実現できる。

回生制動装置２０は、ホイールローダ１００に搭載されている他の電気機器と同様に制御装置２００によって制御される。ここで、回生制動装置２０の制御に関連して制御装置２００で実施される動力制御の一例を述べる。なお、駆動動力（駆動パワー）はホイールローダ１００の駆動動作時に出力される符号が正の動力とし、制動動力（制動パワー）は制動動作時に出力される符号が負の動力とする。

図６に回生制動装置２０に関連する動力制御を行うために制御装置２００が備える機能を示した機能ブロック図を示す。この図に示すように制御装置２００は、要求走行動力演算部２５と、指令走行動力演算部２６と、走行電動機動力演算部２７として機能する。まず、要求走行動力演算部２５は、ホイールローダ１００のオペレータが走行部（走行電動機９及び回生制動装置２０を含むホイールローダ１００の走行に必要な全ての電動アクチュエータ）に要求する動力（要求走行動力）を演算する部分である。要求走行動力は、アクセルペダル及びブレーキペダルの踏み込み量を示す信号と、前進又は後退を選択するための前後進レバーのレバー位置を示す信号と、ロータリエンコーダ６２の出力から取得される車速データを入力として演算される。要求走行動力の符号が正のときは車輪６１の駆動が要求されていることを、負のときは車輪６１の制動が要求されていることを示す。

要求走行動力演算部２５による処理において、前後進レバーの信号は、例えば、レバー位置（「前進」と「後進」がある）が示す方向が実際の車両進行方向と一致するか否かを判別するために用いられる。これは、他の信号が同じ場合でも、レバー位置が示す方向が実際の車両進行方向と一致するか否かで必要とされる要求走行動力値が異なるためである。また、両者の方向の不一致と、アクセル信号を検出することで、近い将来オペレータから急加速または急減速が要求されることが予測でき、例えばそれを見越した各種制御を開始・準備することもできる。

指令走行動力演算部２６は、制御装置２００からの指令として実際に走行部に出力を要求する動力（指令走行動力）を演算する部分である。指令走行動力演算部２６は、演算部２５で演算した要求走行動力と、エンジン１の状態（例えば図示の回転数及びトルク）と、蓄電装置１１の状態（例えば図示の電圧）と、オペレータが油圧作業部（バケットシリンダ５１、リフトシリンダ５２、ステアリングシリンダ５３等を含むホイールローダ１００に搭載された全ての油圧アクチュエータ）に要求する動力（つまりオペレータが油圧ポンプ４に要求する動力であり、以下では「要求油圧動力」と称することがある）を基に、要求走行動力及び／又は要求油圧動力に制限を加える処理を必要に応じて行い、それを指令走行動力値として演算する。

エンジン１の状態からはエンジン１が出力可能な動力を算出でき、蓄電装置１１の状態からは蓄電装置１１の電力により出力可能な動力を算出でき、この２つの動力からは、走行部と油圧部に割り当て可能な動力の合計値（出力可能動力合計値）を算出できる。一方、要求走行動力値と要求油圧動力値からは、走行部と油圧部が要求する動力の合計値（要求動力合計値）を算出できる。要求動力合計値が出力可能動力合計値を超える場合には、要求動力合計値を制限する処理（出力制限処理）を行う必要があり、その結果、実際に走行部に出力を指示する動力（指令走行動力値）が要求走行動力値を下回ることも出てくる。このように指令走行動力演算部２６は、要求動力合計値が出力可能動力合計値以下に収まるように指令走行動力を演算している。

走行電動機出力演算部２７は、走行電動機９の動力（図中の「走行電動機動力」であり、実際に走行電動機９が出力する動力となる）を決定する処理を行う。走行電動機動力の最大値は、走行電動機９の性能や蓄電装置１１の電力に依存するため、指令走行動力が走行電動機動力を超えて、走行電動機９だけでは指令走行動力を出力できないことがある。そこで、制御装置２００は、指令走行動力から走行電動機動力を減じる演算を走行電動機動力算出と並列して行い、その算出値を不足分動力とする。

本実施の形態では、制動動作時に不足分動力が生じた場合には、その不足分の制動動力を発生するように回生制動装置２０に指示をする。これにより回生制動装置２０により不足分の制動動力が出力されるので、指令走行動力通りの制動性能を確保することができる。回生制動装置２０は電気的な出力制御が可能なので、走行電動機９と同等のフィーリングで制御可能である。また、機械式ブレーキを併用した場合に摩擦熱となって失われるパワー分を回生電力として蓄電装置１１に回収し、電動アクチュエータ（電動発電機６及び走行電動機９）の駆動に再利用することができるため、最終的に燃料消費量の削減に繋がる。

ところで、回生制動装置２０の動作が必要となる場面（すなわち、指令走行動力が走行電動機動力を超える場合）は、前述のように車両速度と密接な関係性があり、予め設定した車両速度範囲で動作するように回生制動装置２０に制御装置２００から指示することが好ましい。当該速度範囲の下限値の決定に関しては、或る車両速度で制動動作を行うことを想定したとき、走行電動機９が出力可能な制動力と回生制動装置２０が出力可能な制動力が略一致する車両速度を当該速度範囲の下限値として設定することが好ましい。そして、当該速度範囲の上限値に関しては、作業車両の作業中の最高速度を上限値に設定することが好ましい。例えば、ホイールローダの当該速度範囲は、Ｖ字掘削作業中の最高速度である１０ｋｍ／ｈ付近から数ｋｍ／ｈ付近までの範囲となる。

このように回生制動装置２０が動作する速度範囲を予め設定しておくと、回生制動装置２０の仕様や性能をホイールローダでの利用に最適化でき、例えば回生制動装置２０の小型化を図ることができる。

回生制動装置２０の動作範囲を前述の車両速度範囲に設定した場合の出力特性を図７のＮ−Ｔ線図に示す。この図において、横軸（Ｎ）は走行電動機９及び回生制動装置２０の回転数を示し、縦軸（Ｔ）は走行電動機９及び回生制動装置２０のトルク（制動力）を示す。図７の横軸上では、便宜上、回転数を車両速度に変換し、前述の速度範囲（下限値がＡｋｍ／ｈ（数ｋｍ／ｈに相当）で上限値がＢｋｍ／ｈ（１０ｋｍ／ｈに相当））を横軸上に示している。各回転数において走行電動機９が出力可能な制動力の最大値は図中の破線で示しており、各回転数において走行電動機９と回生制動装置２０が出力可能な制動力の合計の最大値は図中の実線で示している。これにより或る回転数における実線上の点から破線上の点を減じた値が当該回転数において回生制動装置２０が出力可能な制動力の最大値となる。図中のハッチングは、回生制動装置２０が制動力を出力するＡ〜Ｂｋｍ／ｈの範囲において、回生制動装置２０が出力可能な制動力の範囲を示している。この図に示すように、所定の速度範囲（Ａ〜Ｂｋｍ／ｈ）では、走行電動機９の制動力が不足しても、その不足分を回生制動装置２０の制動力で補うことができる。

回生制動装置２０を図３に示した界磁巻線型発電機とした場合には、回生制動装置２０の制動力は界磁電流で制御できるが、界磁電流の電流値を目標値まで変化させる指示をした時刻（指示タイミング）と当該界磁電流が実際に当該目標値に達する時刻（到達タイミング）には時間的遅れが生じる。そこで、上述のように回生制動装置２０を予め設定した速度範囲で動作させる場合には、車両速度がその速度範囲に入ったときに界磁電流の電流値が目標値に達しているように、界磁電流の時定数、車両速度、及びそのときの加速度を考慮して界磁電流制御の指示タイミングを決定することが好ましい。この場合の界磁電流の制御例（波形）を図８に示す。

図８に示すように、回生制動装置２０（界磁巻線型発電機）の界磁電流が予め設定された速度範囲（Ａ〜Ｂｋｍ／ｈ）で立ち上がっておくように制御を行う。通常、界磁巻線型発電機の界磁電流の時定数は数１０ｍｓ〜数秒単位程度であり、そのときの車両速度、および加速度を演算し、動作させる車両速度までの所要時間を算出し、界磁電流の時定数と同様の所要時間となる車両速度で界磁電流制御を開始することとなる。図８の例では、車両速度が速度範囲の上限値（Ｂｋｍ／ｈ）を超えている状態から当該速度範囲に入るため、車両速度が速度Ｂに達するタイミングで界磁電流の電流値が速度Ｂでの目標値に達するように指示タイミングを決定している。

以上のように、本実施の形態では、その時々の車両速度に応じて回生制動装置２０（界磁巻線型発電機）の界磁電流を制御するだけで、予め設定された速度範囲内での制動力制御が実施可能となる。

なお、図８の例では、Ａ〜Ｂｋｍ／ｈの速度範囲で界磁電流の電流値は一定（速度Ｂでの目標値）としているがこれは一例に過ぎず、車両速度に合わせて電流値を変化させても良いことは言うまでも無い。また、図８の例とは反対に、車両速度が速度範囲の下限値（Ｂｋｍ／ｈ）未満の状態から当該速度範囲に入る場合には、車両速度が速度Ａに達するタイミングで界磁電流の電流値が速度Ａでの目標値に達するように指示タイミングを決定すれば良い。すなわち、当該速度範囲に入るときの速度（速度範囲の上限値または下限値）における界磁電流の目標値に界磁電流が達するタイミングと、車両速度が当該速度範囲に入るタイミングが一致するように（又はできるだけ近づくように）指示タイミングを決定し、その指示タイミングに基づいて界磁電流を制御すれば良い。

次に、回生制動装置２０を変速機を介してプロペラシャフト８ｂに接続する実施形態について述べる。この場合のホイールローダの構成図を図９に示す。図９に示すように、回生制動装置２０は、変速機（ＴＭ）３０を介してプロペラシャフト８ｂに接続されている。変速機３０は、プロペラシャフト８ｂから入力される動力の回転数を車両速度に応じて適宜変更して回生制動装置２０に伝達する。

この構成とした場合、回生制動装置２０が使用できる速度範囲は変速機３０の変速比に応じて拡大させることができる。たとえば、変速機３０が２速とした場合の回生制動装置２０の動作範囲を図１０にハッチングで示す。この場合、変速機３０が１速の場合の回生制動装置２０の動作範囲は図７においてハッチングで示した範囲となる。

本実施の形態のように、車両速度に応じて変速機３０を変速することにより、回生制動装置２０の動作範囲を拡大することができる。これにより、回生制動装置２０をより高回転域で動作させることができるようになるため、回生制動装置２０をより小型化できるようになる。

なお、以上の実施の形態では回生制動装置２０の動作範囲は、主に掘削作業における制動時に大きな制動力が必要となる速度範囲として説明した。これは、短いサイクルタイムにおける掘削作業では、走行用電動機９で出力される制動力に対して、車両自体はより大きな制動力を必要とするからである。

ただし、回生制動装置２０の使用範囲は上記掘削作業時にのみに限らない。すなわち、比較的大きな制動力を必要する走行状態では、その他の速度範囲においても回生制動装置２０により良好な制動特性と、回生エネルギーの回収が可能となる。その走行状態の一つに連続降坂がある。この場合、坂道の傾斜にもよるが、車両の降坂速度が増加するのを防止するため、比較的大きな制動力が必要となる。さらに、降坂走行の時間が長くなった場合、走行用電動機９あるいは機械式ブレーキの発熱も大きくなる可能性がある。このとき、上記回生制動装置２０を併用すると、車両全体として大きな制動力を得られると共に、走行用電動機９あるいは機械式ブレーキの発熱を小さくすることができる。このときの回生制動装置２０の動作範囲を図１２に示す。図１２に示すように、本実施の形態では、車両の最高速度から制動力を発生するようにする。また、回生制動装置２０の最低動作速度は例えば、先の実施の形態で示した掘削動作における最低動作速度とすればよい。（例えば、図７中で示す速度Ａkm/h）。このとき、動作範囲を高速側まで拡大したことになるが、回生制動装置２０のパワーとしては掘削時と同様のパワーである。そのため、回生制動装置２０の構造が大きく変わることは無く、また、回生制動装置２０の連続使用時間に応じて増加する発熱に対しては、回生制動装置２０の体格を大きくして熱容量を大きくすることで対応可能となる。このように、回生制動装置２０の動作範囲は速度に制限されるのもではなく、大きな制動力が要求される場面で必要に応じて使用することが可能である。

以上のように、各実施の形態では、従来、油圧ブレーキなどの機械式ブレーキで行っていた制動を発電機２０で行うようにしたため、回生電力の回収量が増加し、燃料消費量を削減できる。さらに、発電機２０は、走行電動機９と同様に、電気的な制動が可能なため、機械式ブレーキを併用した場合と比較して制動時のフィーリングが向上する。さらに、機械式ブレーキの使用頻度が減少するため、ブレーキパッド等の消耗品の寿命を延長できる。

なお、回生制動装置２０は走行部のプロペラシャフト８ａ，８ｂからの回転動力で駆動される構成であれば、その配置位置は図２に示した位置に制限されない。例えば図１１のように、ドライブシャフト８ａ上に存在するセンタージョイント６４より車両前方の位置に回生制動装置２０を配置しても構わない。

ところで、上記の各実施の形態では、指令走行動力が走行電動機動力を超えた不足分は回生制動装置２０で出力する場合について説明したが、当該不足分が回生制動装置２０で発生可能な制動動力を超える場合には、その超過分の制動動力を油圧ブレーキで発生し、走行電動機９、回生制動装置２０および油圧ブレーキの併用で指令走行動力を出力するように構成しても良い。また、回生制動装置２０を複数搭載しても良い。

また、上記では、ロータリエンコーダ６２の出力に基づいて算出した車両速度に基づいて回生制動装置２０の制御を行ったが、車輪速度を検出可能なセンサであればロータリエンコーダ６２と代替可能である。また、車両速度に代えて、プロペラシャフト８ａ，８ｂの回転速度、走行電動機９の回転速度、または走行電動機９への電流値などに基づいて回生制動装置２０の制御を行っても良い。

また、上記で説明した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２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。

また、エンジン１と蓄電装置１１を出力源とするハイブリッド式のホイールローダを例に挙げて説明してきたが、エンジンを備えない電動式のホイールローダについても本発明は適用可能である。さらに、上記で例示したホイールローダに限らず、加速後の急減速が使用態様に頻繁にみられる車両（例えば、フォークリフト）であれば、本発明は適用可能である。

また、本発明は、上記の各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が含まれる。例えば、本発明は、上記の各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、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

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、５０…フロント油圧作業装置、６…モータジェネレータ（ＭＧ）、７…インバータ、８ａ，８ｂ…プロペラシャフト、９…走行電動機、１０…インバータ、１１…蓄電装置、１２…ＤＣＤＣコンバータ、２００…制御装置、２０…回生制動装置、２５…要求走行動力演算部、２６…指令走行動力演算部、２７…走行電動機動力演算部、３０…トランスミッション（ＴＭ）、６４…センタージョイント

Claims (4)

1. 電動機により駆動される走行部と、
   前記走行部の駆動軸に機械的に連結され、力行駆動動作と回生制動動作のうち回生制動動作のみを実施する回生制動装置と、
   前記回生制動装置が発生した回生電力を充電する蓄電装置と、
   前記作業車両の制動動作時に前記走行部に出力を要求する制動動力を演算し、その制動動力が前記電動機で出力可能な制動動力を超える場合、その不足分の制動動力を発生するように前記回生制動装置に指示する制御装置とを備えることを特徴とする作業車両。
2. 請求項１に記載の作業車両において、
   前記制御装置は、予め設定された車両速度範囲で動作するように前記回生制動装置に指示することを特徴とする作業車両。
3. 請求項２に記載の作業車両において、
   前記回生制動装置は、界磁電流により発生する磁界を利用して発電する界磁巻線型発電機であり、
   前記制御装置は、前記車両速度が前記車両速度範囲に入るタイミングと、前記車両速度が前記車両速度に入る速度における前記界磁電流の目標値に前記界磁電流が達するタイミングとに基づいて、前記界磁電流の制御を実施することを特徴とする作業車両。
4. 請求項１に記載の作業車両において、
   前記回生制動装置は、変速機を介して前記駆動軸に機械的に連結されていることを特徴とする作業車両。

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