控制系统、作业车辆管理装置、控制装置以及作业车辆的控制方法

技术领域

本公开涉及控制系统、作业车辆管理装置、控制装置以及作业车辆的控制方法。

本申请针对在2021年11月15日在日本申请的日本特愿2021-185952号主张优先权，将其内容援引至此。

背景技术

正在研究搭载将氢气用作燃料的燃料电池的作业车辆。由燃料电池驱动的作业车辆通常为了抑制燃料电池的搭载量，并吸收下坡中的再生电力，而具备电池。因此，作业车辆的控制装置需要进行适当地分配燃料电池和电池的能量的能量管理。

在专利文献1中公开了在使用了燃料电池和电池的混合系统中，通过自适应算法使燃料电池与电池的输出比率变化的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：中国专利申请公开第108556672号说明书

发明内容

发明要解决的课题

作为具备燃料电池和电池的电源系统的运转方法，已知有增程器(rangeextender)方式。增程器方式是从燃料电池始终输出固定的电力，并通过电池的充电或放电来供给作业车辆的驱动所需的电力与由燃料电池输出的电力的差分的方式。然而，矿山的行驶路线并不一定是固定的，在行驶路线的行驶中施加的负荷变动。即使在这样的场景中，也期望适当地求出使燃料电池输出的电力。

本公开的目的在于，提供能够适当地决定搭载于作业车辆的燃料电池应输出的电力的控制系统、作业车辆管理装置、控制装置以及作业车辆的控制方法。

用于解决课题的手段

根据本公开的一方式，控制系统是控制具备燃料电池和电池的作业车辆的控制系统，其具备：路线决定部，决定作业现场中的所述作业车辆的行驶路线；电力决定部，基于所述行驶路线的地形，决定所述行驶路线的行驶中的所述燃料电池的目标发电电力；燃料电池控制部，在所述行驶路线的行驶中，对所述燃料电池进行控制，以使输出所述目标发电电力；以及电池控制部，在所述行驶路线的行驶中，基于所述作业车辆的驱动所需的必要电力、与所述目标发电电力之差，控制所述电池的充电或放电。

发明效果

根据上述方式，控制系统能够适当地决定搭载于作业车辆的燃料电池应输出的电力。

附图说明

图1是示出具备第一实施方式所涉及的管理装置的搬运系统的结构的图。

图2是示意性地示出第一实施方式所涉及的搬运车辆的立体图。

图3是示出第一实施方式所涉及的搬运车辆具备的动力系统以及驱动系统的结构的概略框图。

图4是示出第一实施方式所涉及的搬运车辆具备的控制系统的结构的概略框图。

图5是示出第一实施方式所涉及的管理装置的结构的概略框图。

图6是示出基于第一实施方式所涉及的管理装置以及搬运车辆的控制数据的设定处理的流程图。

图7是示出基于第一实施方式所涉及的搬运车辆的行驶处理的流程图。

图8是示出第二实施方式所涉及的搬运车辆具备的控制系统的结构的概略框图。

图9是示出至少一个实施方式所涉及的计算机的结构的概略框图。

具体实施方式

〈第一实施方式〉

《搬运系统1的结构》

以下，参照附图对实施方式详细地进行说明。

图1是示出具备第一实施方式所涉及的管理装置50的搬运系统1的结构的图。搬运系统1用于使用多个搬运车辆10来搬运开采的碎石等。搬运车辆10由以氢气为燃料的燃料电池来驱动。管理装置50发送用于使搬运车辆10行驶的控制数据，控制搬运车辆10的运行。搬运车辆10是作业车辆的一例。

在矿山设置开采场P1和排土场P2。搬运车辆10在开采场P1通过装载机械30装载碎石，将碎石搬运到排土场P2，在排土场P2排出碎石。装载机械30例如也可以是液压挖掘机、轮式装载机。若搬运车辆10在排土场P2排出碎石，则再次向开采场P1移动，装载采石。在矿山设置搬运车辆10行驶的路线(course)C。如图1所示，路线C既可以是双向通行道路，也可以是单向通行道路。

《搬运车辆10的结构》

图2是示意性地示出第一实施方式所涉及的搬运车辆10的立体图。搬运车辆10具备容器(vessel)(倾倒车身(dump body))11、车身12、和行驶装置13。

容器11是装载载货的构件。容器11的至少一部分配置在比车身12靠上方的位置。容器11进行倾倒动作以及下降动作。容器11通过倾倒动作以及下降动作来调整倾倒姿势以及装载姿势。所谓倾倒姿势，是指容器11上升的姿势。所谓装载姿势，是指容器11下降的姿势。

所谓倾倒动作，是指使容器11从车身12离开而向倾倒方向倾斜的动作。倾倒方向是车身12的后方。在实施方式中，倾倒动作包含使容器11的前端部上升，使容器11向后方倾斜。通过倾倒动作，容器11的装载面朝向后方向下方倾斜。

所谓下降动作，是指使容器11接近车身12的动作。在实施方式中，下降动作包含使容器11的前端部下降。

在实施排土作业的情况下，容器11以从装载姿势向倾倒姿势变化的方式进行倾倒动作。在容器11中装载有载货的情况下，载货通过倾倒动作从容器11的后端部向后方排出。在实施装入作业的情况下，容器11调整为装载姿势。

车身12包含车身框架。车身12支承容器11。车身12被行驶装置13支承。

行驶装置13支承车身12。行驶装置13使搬运车辆10行驶。行驶装置13使搬运车辆10前进或后退。行驶装置13的至少一部分配置在比车身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。另外，转向轮与驱动轮的组合不限于此，行驶装置13也可以是四轮驱动、四轮转向。

图3是示出第一实施方式所涉及的搬运车辆10具备的动力系统14以及驱动系统15的结构的概略框图。动力系统14具备氢罐141、氢供给装置142、燃料电池143、电池144、DCDC转换器145、减速器栅格(retarder grid)146。

氢供给装置142将填充于氢罐141的氢气供给到燃料电池143。燃料电池143通过使从氢供给装置142供给的氢和外部气体中包含的氧进行电化学反应来产生电力。电池144蓄积在燃料电池143中产生的电力。DCDC转换器145从按照来自控制系统16(参照图4)的指示而连接的燃料电池143或电池144使电力输出。减速器栅格146在向电池144的充电无法进行的情况下，将来自驱动系统15的再生电力转换为热能。

动力系统14输出的电力经由母线B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、和行驶驱动马达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到泵驱动马达152。泵驱动马达152驱动液压泵153。从液压泵153喷出的工作油经由未图示的控制阀供给到提升缸154。工作油被供给到提升缸154，由此提升缸154工作。提升缸154使容器11进行倾倒动作或下降动作。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到行驶驱动马达156。行驶驱动马达156产生的旋转力传动到行驶装置13的驱动轮。

搬运车辆10具备控制动力系统14以及驱动系统15的控制系统16。图4是示出第一实施方式所涉及的搬运车辆10具备的控制系统16的结构的概略框图。控制系统16具备计测装置161、通信装置162、控制装置163、操作装置164、监视器165。

计测装置161收集与搬运车辆10的运转状态以及行驶状态相关的数据。计测装置161至少包含通过GNSS(全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System))来计测搬运车辆10的位置以及方位的定位装置、计测搬运车辆10的速度的速度计以及计测电池144的充电率的余量计。

通信装置162经由移动体通信网等进行与管理装置50的通信。通信装置162将存储了由计测装置161计测到的各种计测值的计测数据发送到管理装置50。通信装置162从管理装置50接收用于控制搬运车辆10的控制数据。

控制装置163遵循通信装置162从管理装置50接收到的控制数据以及操作装置164的操作量，使搬运车辆10驱动。

操作装置164设置在驾驶室，受理操作员的操作。操作装置164具备加速踏板、制动踏板、方向盘、倾倒杆等。

监视器165设置在驾驶室，将行驶路线等显示给操作员。

控制装置163具备数据获取部171、发电电力设定部172、车身控制部173、燃料电池控制部174、必要电力算出部175、电池控制部176、显示控制部177。

数据获取部171从通信装置162获取控制数据，从计测装置161获取计测数据。

发电电力设定部172基于数据获取部171获取到的控制数据，决定使燃料电池143输出的电力的目标值即目标发电电力。发电电力设定部172将所决定的目标发电电力设定给燃料电池控制部174。发电电力设定部172是决定目标发电电力的电力决定部的一例。第一实施方式所涉及的发电电力设定部172按每个行驶路线设定唯一的目标发电电力。也就是说，目标发电电力是行驶路线的行驶中固定的值。

车身控制部173根据操作装置164的操作量，生成用于控制搬运车辆10的控制信号。例如车身控制部173生成控制行驶装置13的转向、加速、制动、容器动作等的控制信号。

燃料电池控制部174对基于氢供给装置142的氢的供给量进行控制，以使燃料电池143输出发电电力设定部172所设定的目标发电电力。另外，在第一实施方式中，由于作为目标发电电力而不依赖于时间地被设定固定的值，所以在行驶路线的行驶中，燃料电池控制部174对基于氢供给装置142的氢的供给量进行控制，以使输出固定的电力。

必要电力算出部175基于车身控制部173生成的控制信号，算出在动力系统14中必要的必要电力。

电池控制部176算出燃料电池143的发电电力与必要电力的差分。电池控制部176对与电池144连接的DCDC转换器145进行控制，以使在发电电力大于必要电力的情况下，使电池144充电差分所涉及的电力，并在发电电力小于必要电力的情况下，从电池144放电差分所涉及的电力。

显示控制部177使监视器165显示控制数据中包含的行驶路线。

《管理装置50的结构》

图5是示出第一实施方式所涉及的管理装置50的结构的概略框图。

管理装置50具备计测值获取部51、矿山状态确定部52、路线决定部53、地形数据存储部54、行驶负荷运算部55、控制数据发送部56。

计测值获取部51从多个搬运车辆10接收位置、方位以及速度。

矿山状态确定部52基于计测值获取部51获取到的计测值，确定开采场P1以及排土场P2的拥塞状态。例如，矿山状态确定部52确定在开采场P1以及排土场P2中等待的搬运车辆10的数量等。

路线决定部53针对在开采场P1中完成了装载作业的搬运车辆10，基于矿山状态确定部52所确定的状态，决定从开采场P1经由排土场P2向下一个开采场P1移动的行驶路线。例如，路线决定部53能够对搬运车辆10分配穿过等待的搬运车辆10相对少的开采场P1以及排土场P2的行驶路线。行驶路线的起点的开采场P1与终点的开采场P1既可以相同，也可以不同。另外，管理装置50例如能够通过接收表示从装载机械30向搬运车辆10的装载完成的信号，来识别装载作业的完成。此外，管理装置50例如能够根据位于开采场P1的搬运车辆10的容器11的装载重量超过给定值、且行驶速度成为给定值以上，来识别装载作业的完成。

地形数据存储部54存储矿山的地形数据。具体地，地形数据存储路线C的每个位置的坡度等。

行驶负荷运算部55基于路线决定部53所决定的行驶路线和地形数据存储部54存储的地形数据，算出行驶路线的行驶所需的行驶负荷和所需时间。行驶负荷运算部55鉴于开采场P1中的等待时间、基于排土场P2中的容器11操作的负荷以及下坡时的再生电力，算出行驶负荷以及所需时间。

控制数据发送部56将表示路线决定部53所决定的行驶路线、和行驶负荷运算部55所运算的行驶负荷以及所需时间的控制数据发送给搬运车辆10。

《管理装置50的动作》

管理装置50的计测值获取部51从搬运车辆10随时接收计测信息，矿山状态确定部52对开采场P1以及排土场P2的状态进行更新。

图6是示出基于第一实施方式所涉及的管理装置50以及搬运车辆10的控制数据的设定处理的流程图。管理装置50若检测到搬运车辆10的装载作业完成，则管理装置50以及搬运车辆10执行图6所示的控制数据的设定处理。

路线决定部53基于矿山状态确定部52所确定的开采场P1以及排土场P2的状态，决定从开采场P1经由排土场P2向下一个开采场P1移动的行驶路线(步骤S1)。接着，行驶负荷运算部55基于在步骤S1中决定的行驶路线和由地形数据存储部54存储的地形数据，算出行驶路线的行驶所需的行驶负荷和所需时间(步骤S2)。控制数据发送部56将表示在步骤S1中决定的行驶路线、和在步骤S2中运算的行驶负荷以及所需时间的控制数据发送给搬运车辆10(步骤S3)。

搬运车辆10的数据获取部171经由通信装置162从管理装置50接收控制数据(步骤S4)。发电电力设定部172通过对电池144的充电率与预先确定的行驶路线的终点的目标充电率之差乘以电池144的额定容量，从而求出在行驶中应向电池144供给的充电电量(步骤S5)。另外，在电池144的充电率高于目标充电率的情况下，充电电量的值成为负数，表示应放电其绝对值的电量。目标充电率也可以是与当前的充电率相同的值。接着，发电电力设定部172通过对在步骤S4中接收到的控制数据中包含的行驶负荷加上充电电量，从而算出行驶路线的行驶中所需的发电电量(步骤S6)。接着，发电电力设定部172将如下的值决定为在行驶中使燃料电池143输出的目标发电电力，其中，所述值是将在步骤S6中算出的发电电量除以控制数据中包含的所需时间后的值(步骤S7)。发电电力设定部172将所决定的目标发电电力设定给燃料电池控制部174。接着，显示控制部177生成使监视器165显示控制数据中包含的行驶路线的显示信号，并输出到监视器165(步骤S8)。

由此，操作员能够通过视觉辨认监视器165来识别行驶路线，开始进行遵循行驶路线的行驶。

图7是示出基于第一实施方式所涉及的搬运车辆10的行驶处理的流程图。

控制装置163判定是否从管理装置50接收了下一个控制数据(步骤S21)。在从管理装置50没有接收到下一个控制数据的情况下(步骤S21：否)，反复执行以下所示的步骤S22至步骤S26的处理。另外，下一个控制数据在结束了行驶路线的行驶，完成了碎石的装载时被接收。

燃料电池控制部174对氢供给装置142进行控制，以使燃料电池143输出在步骤S7中算出的目标发电电力(步骤S22)。由于目标发电电力在步骤S7中被算出，并到下一个控制数据的接收时为止不被更新，所以燃料电池143会发电行驶路线的行驶中固定的电力。车身控制部173基于操作装置164的操作量，生成用于控制搬运车辆10的控制信号，并输出给各致动器(步骤S23)。必要电力算出部175基于在步骤S23中生成的控制信号，算出在动力系统14中必要的必要电力(步骤S24)。电池控制部176算出燃料电池143的发电电力与必要电力的差分(步骤S25)。电池控制部176对与电池144连接的DCDC转换器145进行控制，以使实现基于差分所涉及的电力的电池144的充电或放电(步骤S26)。接着，控制装置163将处理返回到步骤S21，判定下一个控制数据的接收。

若控制装置163从管理装置50接收到下一个控制数据(步骤S21：是)，则结束行驶处理，开始进行基于下一个控制数据的行驶处理。

《作用、效果》

这样，第一实施方式所涉及的搬运系统1基于行驶路线的地形，决定行驶路线的行驶中的燃料电池143的目标发电电力，并遵循于此来控制燃料电池143。由此，搬运车辆10遵循所决定的行驶路线来行驶，并通过电池144来吸收负荷变动，由此能够使行驶路线的行驶后的电池144的充电率变为所希望的充电率。

另外，关于第一实施方式的行驶路线而言，以开采场P1为起点，将排土场P2作为中继，以下一个开采场P1为终点。通常开采场P1与排土场P2之间的行驶路线为斜坡，因此通过在经由排土场P2向开采场P1返回的行驶路线中，使目标发电电力最优化，从而能够使下坡时的再生电力在爬坡时消耗。另外，在其他实施方式中，也可以将行驶路线设为以排土场P2为起点，将开采场P1作为中继，并以下一个排土场P2为终点。在该情况下，管理装置50例如在搬运车辆10进行容器11的倾倒操作以及下降操作时，开始进行控制数据的设定处理。

〈第二实施方式〉

第一实施方式所涉及的搬运车辆10遵循从管理装置50接收的控制数据来控制燃料电池143。相对于此，第二实施方式所涉及的搬运车辆10基于预先确定的基本发电电力和控制数据，来控制燃料电池143。

图8是示出第二实施方式所涉及的搬运车辆10具备的控制系统16的结构的概略框图。第二实施方式所涉及的搬运车辆10的控制装置163代替第一实施方式的结构中的发电电力设定部172而具备修正部178。

第二实施方式所涉及的燃料电池控制部174生成氢供给装置142的控制信号，以使燃料电池143以基本发电电力进行输出。

此外，第二实施方式所涉及的电池控制部176基于燃料电池143的基本发电电力与必要电力的差分，生成与电池144连接的DCDC转换器145的控制信号。

修正部178基于数据获取部171获取到的控制数据，算出使燃料电池143输出的目标发电电力，算出目标发电电力与燃料电池143的基本发电电力的差分。修正部178基于算出的差分来修正基于燃料电池控制部174的氢供给装置142的控制信号以及基于电池控制部176的DCDC转换器145的控制信号。即，修正部178进行对氢供给装置142的控制信号表示的控制量加上与算出的差分对应的控制量的修正，进行从DCDC转换器145的控制信号表示的控制量减去与算出的差分对应的控制量的修正。

另外，修正部178在数据获取部171无法获取到控制数据的情况下、在控制数据中没有包含目标发电电力的情况下，不进行控制信号的修正。由此，第二实施方式所涉及的搬运车辆10即使在无法获取到控制数据的情况下，也能够使燃料电池143以基本发电电力进行运转。

〈其他实施方式〉

以上，参照附图对一实施方式详细地进行了说明，但具体的结构不限于上述的实施方式，能够进行各种各样的设计变更等。即，在其他实施方式中，上述的处理的顺序也可以适当地进行变更。此外，一部分的处理也可以并行地执行。

上述的实施方式所涉及的管理装置50以及控制装置163既可以分别由单独的计算机构成，也可以将管理装置50或控制装置163的结构划分到多个计算机来配置，并由多个计算机相互协作，由此作为管理装置50或控制装置163而发挥功能。此时，构成控制装置163的一部分的计算机也可以搭载在搬运车辆10的内部，并其他计算机设置在搬运车辆10的外部。

上述的实施方式所涉及的搬运车辆10是由操作员操作的有人车辆，但不限于此。例如，其他实施方式所涉及的搬运车辆10也可以是自动行驶的无人车辆。在该情况下，搬运车辆10的控制系统16也可以不具备操作装置164以及监视器165。此外，车身控制部173根据基于行驶路线和计测装置161的计测值的PID控制等，生成控制信号即可。

此外，在上述的实施方式中，作为作业车辆，以搬运车辆10为例进行了说明，但不限于此。例如，在其他实施方式中，管理装置50也可以管理液压挖掘机、轮式装载机、自卸卡车等其他作业车辆。

此外，在上述的实施方式中，搬运车辆10以增程器方式进行驱动，但不限于此，其中，所述增程器方式是从燃料电池143始终输出固定的电力，并通过电池144的充电或放电来供给搬运车辆10的驱动所需的电力与由燃料电池143输出的电力的差分的方式。例如，在其他实施方式中，搬运车辆10也可以以根据搬运车辆10的负荷而使从燃料电池143输出的电力变动的原动机(prime mover)方式进行驱动。在该情况下，发电电力设定部172将目标发电电力决定为，在行驶路线的行驶中燃料电池143输出的电力在比搬运车辆10的驱动所需的必要电力的变动范围窄的范围内变动。例如，发电电力设定部172也可以在按转向、加速、制动、容器动作的每一个而设定燃料电池143应输出的电力的情况下，将小于必要电力的电力设定为目标发电电力。此外，例如，作为目标发电电力相对于必要电力的比例，发电电力设定部172也可以设定小于100％的值。此外，例如，发电电力设定部172也可以设定目标发电电力的时间序列。

〈计算机结构〉

图9是示出至少一个实施方式所涉及的计算机的结构的概略框图。

计算机90具备处理器91、主存储器93、储存器95、接口97。

上述的管理装置50以及控制装置163分别安装在计算机90。而且，上述的各处理部的动作以程序的形式存储于储存器95。处理器91从储存器95读出程序并加载到主存储器93，并按照该程序执行上述处理。此外，处理器91按照程序，在主存储器93确保与上述的各存储部对应的存储区域。作为处理器91的例子，可列举CPU(中央处理单元(CentralProcessing Unit))、GPU(图形处理单元(Graphic Processing Unit))、微处理器等。

程序也可以用于实现使计算机90发挥的功能的一部分。例如，程序也可以通过与在储存器中已经存储的其他程序的组合、或与安装于其他装置的其他程序的组合而使其发挥功能。另外，在其他实施方式中，计算机90也可以在上述结构的基础上或代替上述结构而具备PLD(可编程逻辑器件(Programmable Logic Device))等定制LSI(大规模集成电路(Large Scale Integrated Circuit))。作为PLD的例子，可列举PAL(可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic))、GAL(通用阵列逻辑(Generic Array Logic))、CPLD(复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device))、FPGA(现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array))。在该情况下，通过处理器91实现的功能的一部分或全部也可以通过该集成电路来实现。这样的集成电路也包含在处理器的一例中。

作为储存器95的例子，可列举磁盘、光磁盘、光盘、半导体存储器等。储存器95既可以是与计算机90的总线直接连接的内部介质，也可以是经由接口97或通信线路与计算机90连接的外部介质。此外，在该程序通过通信线路被分发给计算机90的情况下，接受了分发的计算机90也可以将该程序加载到主存储器93并执行上述处理。在至少一个实施方式中，储存器95是非临时性的有形的存储介质。

此外，该程序也可以用于实现前述的功能的一部分。进而，该程序也可以是通过与在储存器95中已经存储的其他程序的组合而实现前述的功能的程序、所谓的差异文件(差异程序)。

工业上的可利用性

控制系统能够适当地决定搭载于作业车辆的燃料电池应输出的电力。

附图标记说明

1：搬运系统，10：搬运车辆，11：容器，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：电池，145：DCDC转换器，146：减速器栅格，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：控制系统，161：计测装置，162：通信装置，163：控制装置，164：操作装置，165：监视器，171：数据获取部，172：发电电力设定部，173：车身控制部，174：燃料电池控制部，175：必要电力算出部，176：电池控制部，177：显示控制部，178：修正部，30：装载机械，50：管理装置，51：计测值获取部，52：矿山状态确定部，53：路线决定部，54：地形数据存储部，55：行驶负荷运算部，56：控制数据发送部，90：计算机，91：处理器，93：主存储器，95：储存器，97：接口，C：路线，P1：开采场，P2：排土场。