作业机械的控制装置以及作业机械的控制方法

技术领域

本公开涉及作业机械的控制装置以及作业机械的控制方法。

本申请对2021年9月30日在日本申请的特愿2021-161335号主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

近年来，为了代替化石燃料而将清洁的能量作为作业机械的动力，正在研究在作业机械搭载燃料电池。为了像作业机械那样通过燃料电池使大型的机械运行，考虑将多个燃料电池(燃料电池模块)并联地搭载(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2021/064010号

发明内容

发明要解决的课题

另一方面，已知燃料电池的效率根据负载率而变化。因此，在使作业机械的运行所需的电力均等地向并联搭载的燃料电池输出的情况下，未必能够高效地使燃料电池运转。

本公开的目的在于提供一种能够高效地运转搭载于作业机械的多个燃料电池的作业机械的控制装置以及作业机械的控制方法。

用于解决课题的方案

根据本发明的一方式，作业机械的控制装置是具备多个燃料电池的作业机械的控制装置，其中，所述作业机械的控制装置具备：负载率决定部，其基于所述作业机械的所需电力，决定所述多个燃料电池各自的负载率；以及运转指示部，其使所述多个燃料电池分别以所决定的所述负载率运转。

发明效果

根据上述方案，能够高效地运转搭载于作业机械的多个燃料电池。

附图说明

图1是示意地表示第一实施方式的运输车辆的侧视图。

图2是表示第一实施方式的运输车辆的动力系统以及驱动系统的结构的概要框图。

图3是表示第一实施方式的控制装置的结构的概要框图。

图4是表示燃料电池的负载率与效率的关系的一例的图。

图5是表示第一实施方式的控制装置的动作的流程图。

图6是表示第二实施方式的控制装置的结构的概要框图。

图7是表示第二实施方式的控制装置的动作的流程图。

图8是表示至少一个实施方式的计算机的结构的概要框图。

具体实施方式

<第一实施方式>

《运输车辆的结构》

以下，参照附图，对实施方式进行详细说明。

图1是示意地表示第一实施方式的运输车辆10的立体图。运输车辆10是在矿山等作业现场行驶来运输装载物的自卸车。运输车辆10可以是不依赖于驾驶员的运转操作而以无人方式运行的无人自卸车，也可以是基于驾驶员的运转操作而运行的有人自卸车。

运输车辆10具备车斗(卸料车体)11、车身12、以及行驶装置13。

车斗11是堆积装载物的构件。车斗11的至少一部分配置于比车身12靠上方的位置。车斗11进行卸料动作以及下降动作。通过卸料动作以及下降动作，车斗11被调整为卸料姿势以及堆积姿势。卸料姿势是指车斗11上升的姿势。堆积姿势是指车斗11下降的姿势。

卸料动作是指使车斗11远离车身12而向卸料方向倾斜的动作。卸料方向是车身12的后方。在实施方式中，卸料动作包括使车斗11的前端部上升而使车斗11向后方倾斜的情况。通过卸料动作，车斗11的堆积面朝向后方而向下方倾斜。

下降动作是指使车斗11与车身12接近的动作。在实施方式中，下降动作包括使车斗11的前端部下降的情况。

在实施排土作业的情况下，车斗11以从堆积姿势变化为卸料姿势的方式进行卸料动作。在车斗11堆积有装载物的情况下，装载物通过卸料动作而从车斗11的后端部向后方排出。在实施装载作业的情况下，车斗11被调整为堆积姿势。

车身12包括车身框架。车身12支承车斗11。车身12支承于行驶装置13。

行驶装置13支承车身12。行驶装置13使运输车辆10行驶。行驶装置13使运输车辆10前进或后退。行驶装置13的至少一部分配置于比车身12靠下方的位置。行驶装置13具备一对前轮和一对后轮。前轮是转向轮，后轮是驱动轮。

动力系统14使氢与氧反应而产生用于驱动行驶装置13的动力。驱动行驶装置13包括使行驶装置13的后轮旋转的情况。

图2是表示第一实施方式的运输车辆10的动力系统14以及驱动系统15的结构的概要框图。动力系统14具备氢罐141、氢供给装置142、燃料电池143、蓄电池144、以及DCDC转换器145。需要说明的是，动力系统14具备多个燃料电池143。在第一实施方式中，将燃料电池143的数量设为M个。M为自然数。

氢供给装置142将氢罐141的氢供给至燃料电池143。燃料电池143使从氢供给装置142供给的氢与外部空气所含的氧进行电化学反应而产生电力。蓄电池144储存在燃料电池143中产生的电力。DCDC转换器145根据来自控制装置16(参照图3)的指示而从所连接的燃料电池143或蓄电池144输出电力。动力系统14具备M+1个DCDC转换器145。

动力系统14输出的电力经由母线B而向驱动系统15输出。驱动系统15具有逆变器151、泵驱动马达152、液压泵153、提升缸154、逆变器155以及行驶驱动马达156。逆变器151将来自母线B的直流电流转换为三相交流电流并供给至泵驱动马达152。泵驱动马达152驱动液压泵153。从液压泵153排出的工作油经由未图示的控制阀向提升缸154供给。通过向提升缸154供给工作油，提升缸154工作。提升缸154使车斗11进行卸料动作或下降动作。逆变器155将来自母线B的直流电流转换为三相交流电流并供给至行驶驱动马达156。行驶驱动马达156产生的旋转力传递至行驶装置13的后轮。

《控制装置16的结构》

图3是表示第一实施方式的控制装置16的结构的概要框图。控制装置16具备状况确定部161、操作量取得部162、所需电力决定部163、负载率决定部164、分担决定部165、以及运转指示部166。

图4是表示燃料电池143的负载率与效率的关系的一例的图。负载率是指输出电流相对于燃料电池的额定电流的比例。如图4所示，各燃料电池143针对每个个体确定了效率最大的负载率，负载率越高于最大效率点、或越低于最大效率点则其效率越低。第一实施方式的控制装置16以使动力系统14所具备的M个燃料电池143的整体的效率变高的方式控制动力系统14。

状况确定部161确定M个燃料电池143各自的使用状况。具体而言，状况确定部161通过从设置于燃料电池143的各个输出端的电流计取得电流值，并求出一定时间(例如，1小时)的平均来确定使用状况。电流值的平均越大，则表示燃料电池143的最近的使用负载越高。需要说明的是，其他实施方式的状况确定部161也可以基于电流值以外的物理量来确定使用负载。例如，其他实施方式的状况确定部161既可以基于燃料电池143的输出电力来确定使用负载，也可以基于燃料电池143的冷却水的出口温度来确定使用负载。需要说明的是，燃料电池143因反应而产生热，因此出口温度越高，则表示燃料电池143的最近的使用负载越高。

另外，状况确定部161检测向母线B供给的电力。

操作量取得部162从未图示的运输车辆10的操作装置取得表示车斗11以及行驶装置13的操作量的操作信号。

所需电力决定部163基于操作量取得部162取得的操作量，决定为了操作车斗11以及行驶装置13而应该从M个燃料电池143输出的电力即所需电力。例如，可以预先针对车斗11和行驶装置13分别求出表示操作量与所需电力的关系的电力决定函数，所需电力决定部163通过将所取得的操作量代入电力决定函数来决定所需电力。需要说明的是，所需电力可以不必是车斗11以及行驶装置13的运行所需的全部电力。例如，在动力系统14使燃料电池143输出恒定的电力、主要使蓄电池144吸收操作量的变动的情况、使蓄电池144输出恒定的电力、主要使燃料电池143吸收操作量的变动的情况下等，计算从车斗11以及行驶装置13的运行所需的全部电力减去蓄电池144的输出量而得到的部分作为所需电力。

负载率决定部164基于所需电力决定部163决定的所需电力，决定第一运转模式与第二运转模式中的、能量损失最小的模式、即最燃料电池143整体的效率最高的模式。

第一运转模式是在以下的条件下使M个燃料电池运转的模式。

·使N个燃料电池143以最大效率点的负载率运转。其中，N是满足N≤M一1的自然数。

·使1个燃料电池143输出所需电力与N个燃料电池143的输出电力之差的电力。

·不使剩余的(M-N-1)个燃料电池运转。

第二运转模式是在以下的条件下使M个燃料电池运转的模式。

·使N个燃料电池143输出将所需电力除以N而得到的电力。其中，N是满足N≤M的自然数。

·不使剩余的(M-N)个燃料电池运转。

分担决定部165基于由状况确定部161确定出的各燃料电池143的使用状况来决定各燃料电池143的负载率的分担。具体而言，分担决定部165以使最近的使用负载高的燃料电池143不运转，使最近的使用负载低的燃料电池143优先运转的方式决定分担。

运转指示部166按照分担决定部165所决定的分担以及负载率决定部164所决定的运转模式，向与燃料电池143连接的DCDC转换器145输出运转指示。另外，运转指示部166将使状况确定部161所确定的母线的电力与所需电力决定部163所决定的所需电力之差的电力输出的运转指示向与蓄电池144连接的DCDC转换器145输出。即，运转指示部166是蓄电池控制部的一例。

《控制装置16的动作》

图5是表示第一实施方式的控制装置16的动作的流程图。第一实施方式的控制装置16每隔规定的燃料电池控制周期(例如几十msec)执行图5所示的燃料电池143的控制处理。

首先，控制装置16的状况确定部161从设置于各燃料电池143的传感器取得状态量，由此确定各燃料电池143的使用状况(使用负载)(步骤S1)。接下来，操作量取得部162从未图示的操作装置取得表示车斗11以及行驶装置13的操作量的操作信号(步骤S2)。所需电力决定部163基于操作量取得部162取得的操作量，决定车斗11以及行驶装置13的操作所需的电力(步骤S3)。

接下来，负载率决定部164确定将在步骤S3中决定的所需电力除以各燃料电池143的最大效率点所涉及的电力而得到的商的整数部N和余数V

负载率决定部164判定商的整数部N是否大于燃料电池143的数量M(步骤S5)。在商的整数部N比燃料电池143的数量M大的情况下(步骤S5：是)，负载率决定部164将在步骤S3中决定的所需电力除以燃料电池143的数量M而得到的商V

另一方面，在商的整数部N为燃料电池143的数量M以下的情况下(步骤S5：否)，负载率决定部164基于在步骤S4中求出的商的整数部N和余数V

接下来，负载率决定部164确定将在步骤S3中决定的所需电力除以在步骤S4中求出的N而得到的商V

接下来，负载率决定部164基于在步骤S4中求出的N，确定将在步骤S3中决定的所需电力除以(N+1)而得到的V

负载率决定部164将在步骤S8、步骤S10、步骤S12中计算出的运转模式中的能量损失最小的运转模式决定为燃料电池143的运转模式(步骤S13)。分担决定部165基于在步骤S1中确定的燃料电池143的负载，以负载越小的燃料电池143分担越高的负载率的方式决定各燃料电池143的负载率(步骤S14)。具体而言，在负载率决定部164决定为步骤S8的第一运转模式的情况下，分担决定部165决定使使用负载低的下位N个以最大效率点运转，不使使用负载高的上位(M-N-1)个运转，而使剩余的一个输出电力V

需要说明的是，分担决定部165若负载率决定部164决定的运转模式以及运行的燃料电池143的个数N与前次的决定时相同，则不改变各燃料电池143的分担而仅变更负载率。由此，能够防止产生频繁的分担的变更。

运转指示部166按照分担决定部165决定的分担以及负载率决定部164决定的运转模式，向与燃料电池143连接的DCDC转换器145输出运转指示(步骤S15)。

需要说明的是，控制装置16与上述的燃料电池143的控制处理并行地以与燃料电池控制周期同等的周期向与蓄电池144连接的DCDC转换器145输出使母线B的电力与所需电力之差的电力输出的运转指示。燃料电池143的输出不是瞬时变化，而是转换需要几秒左右的时间。如上述那样，通过使蓄电池144吸收母线B的电力与所需电力之差，能够使向母线B供给的电力稳定。

这样，第一实施方式的控制装置16基于运输车辆10的所需电力，以使多个燃料电池143的能量损失的合计成为最小的方式决定多个燃料电池143各自的负载率。由此，控制装置16能够使多个燃料电池143输出所需电力，并且高效地运用多个燃料电池143整体。

另外，第一实施方式的控制装置16基于第一运转模式和第二运转模式中的能量损失最小的运转模式来控制多个燃料电池143。由此，控制装置16不用求解以多个燃料电池143各自的负载率为变量的复杂的最优化问题，就能够以少的计算量决定燃料电池143的运转模式。需要说明的是，在其他实施方式中，控制装置16也可以除了第一运转模式以及第二运转模式以外，或者代替它们中的任一个而包含其他运转模式来进行计算。

另外，第一实施方式的控制装置16在不使多个燃料电池143中的一部分的燃料电池143运转的情况下，将多个燃料电池143的使用负载大的燃料电池决定为不运转的燃料电池。由此，能够利用多个燃料电池143使负载分散。

另外，第一实施方式的运输车辆10具备蓄电池144，控制装置16使蓄电池144输出多个燃料电池143的电力与所需电力之差的电力。由此，能够使蓄电池144吸收由燃料电池143的输出的切换引起的母线B的负载的变动。

<第二实施方式>

第一实施方式的控制装置16针对能够供给所需电力的多个运转模式求出能量损失，确定能量损失为最小的运转模式。与此相对，在第二实施方式中，预先通过最优化计算等求出能量损失最小的运转模式，将用于根据所需电力决定运转模式的模式表存储于控制装置16，控制装置16基于模式表来确定运转模式。

《控制装置16的结构》

图6是表示第二实施方式的控制装置16的结构的概要框图。第二实施方式的控制装置16除了第一实施方式的结构以外，还具备存储部167。存储部167存储按每个电力范围将在输出该电力范围内的电力时能量损失为最小的运转模式建立了关联的模式表。运转模式可以如第一实施方式那样是第一运转模式与第二运转模式中的任一个，也可以包括与之不同的模式。另外，在模式表中还记录有使其运转的燃料电池143的台数N。由此，负载率决定部164在模式表中读出与所需电力决定部163决定的包含所需电力的电力范围建立了关联的运转模式，由此能够确定能量损失为最小的运转模式。

《控制装置16的动作》

图7是表示第二实施方式的控制装置16的动作的流程图。第二实施方式的控制装置16每隔规定的燃料电池控制周期(例如数十msec)执行图7所示的燃料电池143的控制处理。

首先，控制装置16的状况确定部161从设置于各燃料电池143的传感器取得状态量，由此确定各燃料电池143的使用状况(步骤S21)。接下来，操作量取得部162从未图示的操作装置取得表示车斗11以及行驶装置13的操作量的操作信号(步骤S22)。所需电力决定部163基于操作量取得部162取得的操作量，决定车斗11以及行驶装置13的操作所需的电力(步骤S23)。

接下来，负载率决定部164从存储部167存储的模式表中，确定与在步骤S23中决定的包含所需电力的电力范围建立关联的运转模式(步骤S24)。负载率决定部164按照所确定的运转模式，决定要运转的燃料电池143以及各燃料电池143的负载率(步骤S25)。

分担决定部165基于在步骤S21中确定的燃料电池143的负载，以负载越小的燃料电池143分担越高的负载率的方式决定各燃料电池143的负载率(步骤S26)。运转指示部166按照分担决定部165所决定的分担以及负载率决定部164所决定的运转模式，向与燃料电池143连接的DCDC转换器145输出运转指示(步骤S27)。

需要说明的是，控制装置16与上述的燃料电池143的控制处理并行地以与燃料电池控制周期同等的周期向与蓄电池144连接的DCDC转换器145输出使母线B的电力与所需电力之差的电力输出的运转指示。燃料电池143的输出不是瞬时变化，而是转换需要几秒左右的时间。如上述那样，通过使蓄电池144吸收母线B的电力与所需电力之差，能够使向母线B供给的电力稳定。

这样，第二实施方式的控制装置16基于第一运转模式与第二运转模式中的能量损失最小的模式来控制多个燃料电池143。由此，控制装置16不用求解以多个燃料电池143各自的负载率为变量的复杂的最优化问题，就能够以较少的计算量决定燃料电池143的运转模式。需要说明的是，在其他实施方式中，控制装置16也可以除了第一运转模式以及第二运转模式以外，或者代替它们中的任一个而包含其他运转模式来进行计算。

另外，第二实施方式的控制装置16基于在模式表中与包含所需电力的电力范围建立关联的模式，决定多个燃料电池143各自的负载率。模式表是按每个电力范围将在输出电力范围内的电力时能量损失成为最小的多个燃料电池143各自的负载率的模式建立了关联，且是模式数据的一例。由此，控制装置16能够以较少的计算量适当地决定燃料电池143的负载率。

<其他实施方式>

以上，参照附图对一实施方式进行了详细说明，但具体结构并不局限于上述方式，而能够进行各种设计变更等。即，在其他实施方式中，也可以适当变更上述的处理的顺序。另外，也可以并行执行一部分的处理。

上述实施方式的控制装置16既可以是由单独的计算机构成，也可以是将控制装置16的结构分开地配置于多个计算机，并通过多个计算机相互配合来作为控制装置16发挥功能的装置。此时，构成控制装置16的一部分的计算机也可以搭载于运输车辆10的内部，其他计算机也可以设置于运输车辆10的外部。

在上述的实施方式中，作为作业机械的例子，对作为运输车辆10的自卸车进行了说明，但并不限定于此。例如，其他实施方式的作业机械也可以是例如液压挖掘机、车轮装载机等其他作业机械。

在上述的实施方式中，控制装置16从预先决定的运转模式中选择燃料电池143的能量损失为最小的运转模式，但并不限定于此。例如，其他实施方式的控制装置16也可以通过最优化计算等来运算在线能量损失为最小的运转模式。

<计算机结构>

图8是表示至少一个实施方式的计算机的结构的概要框图。

计算机50具备处理器51、主存储器53、储存器55、以及接口57。

上述的控制装置16安装于计算机50。并且，上述的各处理部的动作以程序的形式存储于储存器55。处理器51从储存器55读出程序并将其展开于主存储器53，根据该程序执行上述处理。另外，处理器51根据程序，在主存储器53中确保与上述的各存储部所对应的存储区域。作为处理器51的例子，可以举出CPU(Central Processing Unit)、GPU(GraphicProcessing Unit)、微处理器等。

程序也可以是用于实现使计算机50发挥的功能的一部分的程序。例如，程序可以是通过与已存储于储存器的其他程序的组合、或者与安装于其他装置的其他程序的组合来发挥功能的程序。需要说明的是，在其他实施方式中，计算机50也可以除了上述结构之外或者取代上述结构而具备PLD(Programmable Logic Device)等定制LSI(Large ScaleIntegrated Circuit)。作为PLD的例子，可举出PAL(Programmable Array Logic)、GAL(Generic Array Logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(FieldProgrammable Gate Array)。在该情况下，由处理器51实现的功能的一部分或全部也可以由该集成电路来实现。这样的集成回路也包含于处理器的一例。

作为储存器55的例子，可举出磁盘、光盘、光磁盘、半导体存储器等。储存器55既可以是与计算机50的总线直接连接的内部介质，也可以是经由接口57或通信线路与计算机50连接的外部介质。另外，也可以是，在通过通信线路向计算机50分发该程序的情况下，接受了分发的计算机50将该程序展开于主存储器53并执行上述处理。在至少一个实施方式中，储存器55是非易失性的有形存储介质。

另外，该程序也可以是用于实现前述的功能的一部分的程序。而且，该程序也可以是通过与已存储于储存器55的其他程序的组合来实现前述的功能的程序、所谓的差分文件(差分程序)。

工业上的可利用性

根据上述方式，能够高效地运转搭载于作业机械的多个燃料电池。

附图标记说明

10…运输车辆；11…车斗；12…车身；13…行驶装置；14…动力系统；141…氢罐；142…氢供给装置；143…燃料电池；144…蓄电池；145…DCDC转换器；15…驱动系统；151…逆变器；152…泵驱动马达；153…液压泵；154…提升缸；155…逆变器；156…行驶驱动马达；16…控制装置；161…状况确定部；162…操作量取得部；163…所需电力决定部；164…负载率决定部；165…分担决定部；166…运转指示部；167…存储部。