(57)【要約】【課題】安価な構成で軌条式走行車の効率のよい回生駆動を可能とする。【解決手段】傾斜地用の軌条式走行車１００は、地上に架設した軌条２に噛み合うピニオン１２を駆動するためのモータ部２０と、モータ部２０を駆動する電力を蓄える、負極材料をリチウムチタン複合酸化物系材料としたリチウムイオン二次電池セルを複数有する電源部９と、上り勾配に際して電源部９を放電モードとし、かつモータ部２０を電動機モードとして、電源部９に蓄えられた電力を放電させてモータ部２０を駆動し、電源部９に空き容量を確保した状態で、下り勾配に際して電源部９を放電モードとし、かつモータ部２０を発電機モードとして、モータ部２０を等速で回転させつつ発生させた回生電力を、電源部９に蓄電するよう制御する制御部とを備える。【選択図】図４
2018117422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜地用の軌条式走行車であって、
地上に架設した軌条に噛み合うピニオンを駆動するためのモータ部と、
前記モータ部を駆動する電力を蓄える、負極材料をリチウムチタン複合酸化物系材料としたリチウムイオン二次電池セルを複数有する電源部と、
上り勾配に際して前記電源部を放電モードとし、かつ前記モータ部を電動機モードとして、前記電源部に蓄えられた電力を放電させて前記モータ部を駆動し、前記電源部に空き容量を確保した状態で、
下り勾配に際して前記電源部を充電モードとし、かつ前記モータ部を発電機モードとして、前記モータ部を等速で回転させつつ発生させた回生電力を、前記電源部に蓄電するよう制御する制御部と、
を備える軌条式走行車。
【請求項２】
請求項１に記載の軌条式走行車であって、
前記制御部が、前記電源部とＣＡＮで通信を行うものである軌条式走行車。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の軌条式走行車であって、
前記モータ部が、三相誘導モータを含む軌条式走行車。
【請求項４】
請求項３に記載の軌条式走行車であって、さらに、
前記電源部の直流電力を、前記三相誘導モータを駆動する交流電力に変換するためのインバータ部を備える軌条式走行車。
【請求項５】
請求項４に記載の軌条式走行車であって、
前記制御部が、前記インバータ部で変換された三相電流値をクラーク変換及びパーク変換して、ＰＩ制御を行うよう構成してなる軌条式走行車。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の軌条式走行車であって、さらに、
前記電源部と接続されてこれを充電するための太陽電池パネルを備えてなる軌条式走行車。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の軌条式走行車であって、
前記リチウムイオン二次電池セルが、負極材料をチタン酸リチウム系材料としてなる軌条式走行車。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の軌条式走行車であって、
前記リチウムイオン二次電池セルが、正極材料をマンガン酸リチウム系材料としてなる軌条式走行車。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の軌条式走行車であって、
前記リチウムイオン二次電池セルが、定格電圧を２．４Ｖとしてなる軌条式走行車。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の軌条式走行車であって、
前記モータ部が発電機として動作した際に発生する回生電力の余剰分を消費させる抵抗器を有しない軌条式走行車。
【請求項１１】
始点から作業点に架設された軌条に噛み合うピニオンを駆動するためのモータ部と、
前記モータ部を駆動するための、負極材料をリチウムチタン複合酸化物系材料としたリチウムイオン二次電池セルを複数有する電源部と、
前記モータ部の回転を制御するための制御部と、
を備える、傾斜地用の軌条式走行車を用いた運搬方法であって、
始点から、該始点よりも高地にある作業点に向かう上り勾配に際して、前記電源部を放電モードとし、かつ前記モータ部を電動機モードとして、前記電源部に蓄えられた電力を放電させて前記モータ部を駆動し、前記軌条式走行車を軌条に沿って運行させつつ、前記電源部に空き容量を確保する工程と、
作業点から、該作業点よりも低地にある第二作業点に向かう下り勾配に際して、前記電源部を充電モードとし、かつ前記モータ部を発電機モードとして前記軌条式走行車を軌条に沿って運行させつつ、前記モータ部で発生させた回生電力を、前記電源部の空き容量に蓄電する工程と、
を含む傾斜地用の軌条式走行車を用いた運行方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、傾斜地用の軌条式走行車及びその運行方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
果樹園等の傾斜地では、地上に架設した軌条に沿って出発地と終点地の間を巡行させる軌条式走行車が用いられている。このような軌条は、出発地と終点地の間で何回も上り下りし、それも傾斜角４５°程度といった急勾配が多い。したがって、走行車には速度制御とブレーキが必須の設備となる。ところで、この種の走行車の駆動源は、従来は内燃機関のエンジンが主流であったが、近年の化石燃料の高騰やＣＯ2削減、騒音や排ガスといった環境への配慮等から電動式のモータを採用するものが提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
このような、バッテリの直流電力を交流電力に変換してピニオン用モータを駆動する軌道式走行車の場合は、モータを回転数（速度）制御するため抵抗制御を用いていた。また、下り坂の場合は負荷側から駆動されてモータが発電機となって回生電流が発生するが、この回生電流をそのまま給電側に戻すと、電圧、電流が増えて機器が破損したり、制御が不能になったりする。そこで、回生電流を放電抵抗において放出したり、電動機の回転数に応じて作動する機械式ブレーキを用いる方法が採用されていた（例えば特許文献２、３）。しかしながら、これらの制御は技術的に複雑であってモータやその周辺部材の高コスト化を招く上、エネルギーとしても無駄が増えて効率が悪くなるという問題があった。特に回生ブレーキ用の放熱抵抗器の場合は、放熱フィン等の放熱機構が必要となって装置が大型化する。また、発熱量が多くなるとオーバーヒートが生じる虞もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２３２７０２号公報
【特許文献２】特公平６−１８４４３号公報
【特許文献３】特開２００８−２７１６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、その目的の一は、安価な構成で効率のよい回生駆動を可能とした軌条式走行車及びその運行方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
本発明の第１の形態に係る軌条式走行車によれば、傾斜地用の軌条式走行車であって、地上に架設した軌条に噛み合うピニオンを駆動するためのモータ部と、前記モータ部を駆動する電力を蓄える、負極材料をリチウムチタン複合酸化物系材料としたリチウムイオン二次電池セルを複数有する電源部と、上り勾配に際して前記電源部を放電モードとし、かつ前記モータ部を電動機モードとして、前記電源部に蓄えられた電力を放電させて前記モータ部を駆動し、前記電源部に空き容量を確保した状態で、下り勾配に際して前記電源部を充電モードとし、かつ前記モータ部を発電機モードとして、前記モータ部を等速で回転させつつ発生させた回生電力を、前記電源部に蓄電するよう制御する制御部とを備えることができる。上記構成により、従来、下り勾配で発生する回生電流を有効利用できず、熱などで消耗させるしかなかったところ、本発明においては事前に上り勾配で電源部に蓄えられた電力を消費させて空き容量を確保させた上で、この空き容量に回生電力を蓄えられるようにしたことで、過充電となって電源部に負荷がかかる事態を回避している。加えて、電源部を突入電流の特性に優れたリチウムチタン複合酸化物系材料を負極材料とするリチウムイオン二次電池セルを利用したことで、従来よりも突入電流に対する耐性を増し、放電抵抗等によらずとも発生した回生電力を短時間で吸収可能とでき、極めて高効率なエネルギーのリサイクル運行が実現される。
【０００７】
また、第２の形態に係る軌条式走行車によれば、上記構成に加えて、前記制御部を、前記電源部とＣＡＮで通信を行うよう構成できる。
【０００８】
さらに、第３の形態に係る軌条式走行車によれば、上記何れかの構成に加えて、前記モータ部に、三相誘導モータを含めることができる。
【０００９】
さらにまた、第４の形態に係る軌条式走行車によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに前記電源部の直流電力を、前記三相誘導モータを駆動する交流電力に変換するためのインバータ部を備えることができる。
【００１０】
さらにまた、第５の形態に係る軌条式走行車によれば、上記何れかの構成に加えて、前記制御部が、前記インバータ部で変換された三相電流値をクラーク変換及びパーク変換して、ＰＩ制御を行うよう構成できる。
【００１１】
さらにまた、第６の形態に係る軌条式走行車によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記電源部と接続されてこれを充電するための太陽電池パネルを備えることができる。
【００１２】
さらにまた、第７の形態に係る軌条式走行車によれば、上記何れかの構成に加えて、前記リチウムイオン二次電池セルの、負極材料をチタン酸リチウム系材料とすることができる。
【００１３】
さらにまた、第８の形態に係る軌条式走行車によれば、上記何れかの構成に加えて、前記リチウムイオン二次電池セルの、正極材料をマンガン酸リチウム系材料とすることができる。
【００１４】
さらにまた、第９の形態に係る軌条式走行車によれば、上記何れかの構成に加えて、前記リチウムイオン二次電池セルの、定格電圧を２．４Ｖとすることができる。
【００１５】
さらにまた、第１０の形態に係る軌条式走行車によれば、上記何れかの構成に加えて、前記モータ部が発電機として動作した際に発生する回生電力の余剰分を消費させる抵抗器を有しない構成とできる。
【００１６】
さらにまた、第１１の形態に係る軌条式走行車の運行方法によれば、始点から作業点に架設された軌条に噛み合うピニオンを駆動するためのモータ部と、前記モータ部を駆動するための、負極材料をリチウムチタン複合酸化物系材料としたリチウムイオン二次電池セルを複数有する電源部と、前記モータ部の回転を制御するための制御部とを備える、傾斜地用の軌条式走行車を用いた運搬方法であって、始点から、該始点よりも高地にある作業点に向かう上り勾配に際して、前記電源部を放電モードとし、かつ前記モータ部を電動機モードとして、前記電源部に蓄えられた電力を放電させて前記モータ部を駆動し、前記軌条式走行車を軌条に沿って運行させつつ、前記電源部に空き容量を確保する工程と、作業点から、該作業点よりも低地にある第二作業点に向かう下り勾配に際して、前記電源部を充電モードとし、かつ前記モータ部を発電機モードとして前記軌条式走行車を軌条に沿って運行させつつ、前記モータ部で発生させた回生電力を、前記電源部の空き容量に蓄電する工程とを含むことができる。これにより、従来、下り勾配で発生する回生電流を有効利用できず、熱などで消耗させるしかなかったところ、本発明においては事前に上り勾配で電源部に蓄えられた電力を消費させて空き容量を確保させた上で、この空き容量に回生電力を蓄えられるようにしたことで、過充電となって電源部に負荷がかかる事態を回避している。加えて、電源部を突入電流の特性に優れたリチウムチタン複合酸化物系材料を負極材料とするリチウムイオン二次電池セルを利用したことで、従来よりも突入電流に対する耐性を増し、放電抵抗等によらずとも発生した回生電力を短時間で吸収可能とでき、極めて高効率なエネルギーのリサイクル運行が実現される。
【００１７】
さらにまた、第１２の形態に係る軌条式走行車の運行方法によれば、上記構成に加えて、第二作業点を、始点と一致させるできる。これにより、始点と、これよりも高地にある作業点との間の往復運転に際して、下り勾配移動時に得られる回生電力を回収して、効率良く運行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る軌条式走行車の側面図である。
【図２】軌条式走行車の駆動系の拡大側面図である。
【図３】軌条式走行車の機能ブロック図である。
【図４】実施形態１に係る軌条式走行車の運行方法を示す模式図である。
【図５】図４の軌条式走行車が空荷と積荷で往復運行する様子を示す模式図である。
【図６】実施形態２に係る軌条式走行車の運行方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（実施形態１）
【００２０】
本発明の実施形態１に係る軌条式走行車の側面図を図１に、登坂姿勢での駆動系の拡大側面図を図２に、それぞれ示す。図１に示す軌条式走行車１００は、牽引車３と荷台車４を備える。牽引車３は自走機能を有し、荷台車４を牽引する。この軌条式走行車１００は、地上にその片側を支柱１によって支持される断面が角形をした軌条２上を走行する。このように、軌条２は支柱１で地面上に支持されるから、その支柱１の高さを適宜調整することで、地面を整地しなくても、軌条２を滑らかに連続させることができる。軌条２の下面（上面や側面でもよい）には、その中央に軌条２の幅よりも幅狭のラック５が貼着されている。
【００２１】
この例では、軌条式走行車１００として単軌条の例を説明するが、本発明は単軌条に限らず複数条の軌条に沿って運行する軌条式走行車にも適用できることは言うまでもない。また軌条式走行車で運搬する対象物は、貨物や資材の他、人員も運搬の対象に含めることができる。例えば人のみを運搬する軌条式走行車として利用してもよい。
（牽引車３）
【００２２】
牽引車３には、軌条２を上下から挟む牽引側支持輪ユニット６で支持される牽引側車台７の上に電源部９が搭載されている。
（電源部９）
【００２３】
電源部９には、リチウムイオン二次電池セルが複数本、直列及び／又は並列に接続された電池モジュールを備えている。また電源部９は、各リチウムイオン二次電池セルの電圧の監視、温度上昇時の保護を図るための保護回路等を実装したＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）を実装している。
（リチウムイオン二次電池セル）
【００２４】
リチウムイオン二次電池セルは、負極材料としてリチウムチタン複合酸化物系材料を使用している。これによって、急速充電性能（高回生性能）を向上させ、充電受入性すなわち高い突入電流に対する耐性を高めることができる。すなわち、リチウムイオンがアノードへ出入りする際の障害となる表面電解質被膜が形成されなくなり、急速に充放電しても充電容量が低下し難くなる。好ましくは、負極材料としてチタン酸リチウム（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12）系材料を用いる。このような二次電池はチタン酸リチウム二次電池等とも呼ばれ、一般のリチウムイオン二次電池よりも高速充電が可能とされている。また正極材料は、マンガン酸系材料、好ましくはマンガン酸リチウム系材料を用いる。このリチウムイオン二次電池セルは、定格電圧を２．４Ｖとしており、一般的なリチウムイオン二次電池セルの定格電圧である３．６〜３．７Ｖよりも低いものの、大電流の短時間の充電に対応できる特性を有している。また、外力などで内部短絡が生じても熱暴走を生じ難い、充放電１５０００回以上の長寿命、６分間での急速充電、キャパシタ並みの入出力密度、−３０℃の低温での動作等の特性を有する。実施例においては、リチウムイオン二次電池セルを２２本、２並列１１直列に接続した電池モジュールを使用している。この電池モジュールは４８Ｖ、２３Ａｈの定格を有する。
【００２５】
また牽引車３は、発電機としても機能する同期型のＡＣモータ１０が搭載されている。さらに牽引車３に、減速機１１が搭載されている。減速機１１は、ＡＣモータ１０の回転速度を減じて必要なトルクを生じさせる。ここでは、平歯車を組み合わせて減速比を１：５０としている。また減速機１１には、その出力軸に連係してラック５に噛み合うピニオン１２が設けられている。
【００２６】
なお減速機１１に、ブレーキを組み込むこともできる。ブレーキの一例として、既存の機械式ブレーキが上げられる。機械式ブレーキには、遠心内拡式摩擦ブレーキが利用できる。例えば減速機１１の中のある伝動軸をシューで締め付ける構成とする。このシューを流体シリンダや流体モータ等で作動させ、その作動力をＡＣモータ１０の回転数に対応させて制御する。すなわち、ＡＣモータ１０の回転数が上がりすぎると（下り勾配等で走行車の速度が上がりすぎる場合もこれに含まれる）、それに応じてブレーキが効くようにする。また、機械式ブレーキに代えて、あるいはこれに加えて、電磁ブレーキを設けてもよい。電磁ブレーキは供給電力をＡＣモータ１０の回転数に対応させる。さらに、手動ブレーキを備えることもできる。軌条式走行車１００に操作者が乗用して運転する場合は、操作者がこの手動ブレーキを操作して停止あるいは減速することができる。
（荷台車４）
【００２７】
荷台車４は、荷台側車台１３上を開放してここに人や機材或いは収穫物といった荷を積むものである。荷台側車台１３には、前後二個の荷台側支持輪ユニット１４を取り付け、この荷台側支持輪ユニット１４で荷台側車台１３を軌条２上に支持している。
【００２８】
また、牽引車３と荷台車４とは連結器１５で連結されており、牽引車３で荷台車４を牽引して走行する。このような軌条２は、麓から山腹までの傾斜地に施工されることが多いから、目的地までの往行は全体として上り勾配になっており、目的地からの復行は全体として下り勾配になっている。このような勾配は設置場所の地形によって変化し、例えば途中でも上り勾配や下り勾配は何回も繰り返されることがある。また４５°程度の急勾配の個所が含まれることもある。
（制御部３０）
【００２９】
図３に、図１の軌条式走行車１００の機能ブロック図を示す。この軌条式走行車１００は、電源部９と、制御部３０と、操作盤４０と、インバータ部１８と、モータ部２０を備える。制御部３０は、供給コントローラ１７と、システムコントローラ１６を含む。この供給コントローラ１７は、モータ部２０の回転を制御する。さらに制御部３０は、電源部９の状態を監視して、充電モードと放電モードの切り替えや充放電電流の計測、ＳＯＣ（State of Charge）演算、異常検出時の電池の保護等を行う。このような供給コントローラ１７は、ＢＭＵ（Battery Management Unit)等と呼ばれ、例えばマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）やＣＰＵ、ＬＳＩ、ＦＰＧＡやＡＳＩＣ等のゲートアレイで実現できる。この例では供給コントローラ１７は電源部９とＣＡＮ（Controller Area Network）バスで接続され、供給コントローラ１７を構成するＢＭＵは、電源部９側のＣＭＵとＣＡＮ通信で制御情報を転送する。さらに供給コントローラ１７は、ＣＡＮ通信にて、電池情報や計測・演算情報等を上位コントローラであるシステムコントローラ１６に通知する。ＣＡＮは耐ノイズ性や信頼性に優れ、インターフェースとして低コストで入出力データを扱える。
【００３０】
一方システムコントローラ１６は、各部材を制御するための部材である。システムコントローラ１６は、供給コントローラ１７に指示を送り、電源部９の電力を供給コントローラ１７で制御してインバータ部１８で交流電力に変換し、この交流電力をモータドライブインバータ１９によってＡＣモータ１０を駆動する。このインバータ部１８は、ＤＣ／ＡＣ変換用インバータとして機能する。
【００３１】
なお充放電の制御等、電池周りの制御の一部又はすべてを、電源部側に行わせてもよい。例えば電源部に、充放電コントローラを設ける。すなわち充放電コントローラは、電源部側に設けてもよいし、制御部側に設けてもよい。あるいは、電源部と制御部とを一体に構成することもできる。
（操作盤４０）
【００３２】
さらに制御部３０には操作盤４０が接続される。操作盤４０は、操作者が電源部９のバッテリの状態を確認したり、充放電電流の値、時間変化、異常時の確認等を行うための操作パネルである。
（モータ部２０）
【００３３】
モータ部２０は、モータドライブインバータ１９と、ＡＣモータ１０を備える。ＡＣモータ１０は、三相誘導モータが好適に利用できる。インバータ部１８は、電源部９の直流電力を、三相誘導モータを駆動する交流電力に変換する。また制御部３０は、インバータ部１８を介して三相誘導モータをＰＷＭ駆動する。ここでは、インバータ部１８で変換された三相電流値をクラーク変換及びパーク変換して、制御部３０でフィードバックしてＰＩ制御を行う。また制御部３０の出力を逆パーク変換してインバータ部１８に入力する。
【００３４】
ＡＣモータ１０は、電源部９から電力の供給を受けてピニオン１２を駆動する通常の電動機モードと、回生動作時にピニオン１２の回転から発電を行う発電機モードに切り替え可能としている。モータ部２０の充放電モードの切り替えは、制御部３０で行われる。電動機モードにおいては、電源部９の直流電力をインバータ部１８で交流に変換してＡＣモータ１０に供給し、ピニオン１２を駆動して軌条２のラック５と歯合させ、軌条式走行車１００を走行させる。なお電源部９への電力供給は、予め商用電源や太陽電池パネル８により充電しておく。一方、発電機モードにおいては、ピニオン１２の回転をモータ部２０に伝達して回生電力を生じさせ、得られた交流電力をインバータ部１８で直流に変換して、電源部９に蓄電する。この回生電流を充電に利用できるようにしたことで、発生するエネルギーを無駄なく活用でき、エネルギーのリサイクルを実現して環境に優しい軌条式走行車を実現できる利点が得られる。
（太陽電池パネル８）
【００３５】
また、太陽電池パネル８を電源部９に接続して充電可能としてもよい。太陽電池パネル８は、常時軌条式走行車と接続するように、軌条式走行車１００に設置する構成とするよりも、着脱式として、充電時に接続するよう構成することが好ましい。例えば、始点Ｐ０となる出発地に太陽電池パネル８を配置して、運行前に電源部９を充電し、上り勾配を電源部９の電力のみで登坂できる十分な電力を予め蓄えておく。
（軌条式走行車１００の運行）
【００３６】
次に、この軌条式走行車１００を運行させる方法を、図４〜図５に基づいて説明する。これらの図において、図４は実施形態１に係る軌条式走行車１００の運行方法を示す模式図、図５は図４の軌条式走行車１００が空荷と積荷で往復運行する様子を示す模式図を、それぞれ示している。これらの図に示す軌条式走行車１００は、高低差を有する傾斜地に架設された軌条２に沿って運行する。特に軌条２は、図４に示すように出発地である始点Ｐ０から、目的地である作業点Ｐ１まで架設されている。作業点Ｐ１は始点Ｐ０よりも高地に位置する。このため軌条式走行車１００は、始点Ｐ０から作業点Ｐ１までのＡ行程を上り勾配で運行し、一方作業点Ｐ１から始点Ｐ０までのＢ行程は下り勾配で運行することになる。勾配の傾斜角αは、４５°程度まで対応可能とする。例えば、みかん農園で収穫したみかんの運搬に用いる場合は、始点Ｐ０を平地として、作業点Ｐ１を山頂や山腹にあるみかん農園として使用される。すなわち図５に示すように、往路であるＡ行程においては空荷で上り勾配を登坂し、作業点Ｐ１でみかんを積んだ後、復路であるＢ行程においては積載状態で下り勾配を下りる。
【００３７】
軌条２は、上述の通りラック５を設けている。一方、軌条式走行車１００のピニオン１２は、このラック５と歯合するよう構成されている。ピニオン１２はモータ部２０で駆動される。一方制御部３０は、電源部９と通信を行い、電源部９の充放電を制御する。ここでは、電源部９の放電モードと充電モードを切り替えるよう、制御部３０が電源部９に指示を送る。さらに制御部３０は、モータ部２０を、ピニオン１２を駆動する通常の電動機モードと、回生動作時にピニオン１２の回転から発電を行う発電機モードに切り替える制御も行う。より具体的には、制御部３０は、上り勾配に際しては電源部９を放電モードとし、かつモータ部２０を電動機モードとする。これによって、図４のＡ行程で示すように、電源部９に蓄えられた電力が放電されてモータ部２０が駆動される結果、電源部９に空き容量が形成される。次に下り勾配に際しては、電源部９を放電モードとし、かつモータ部２０を発電機モードとする。これによって、自重で軌条式走行車１００が下る際にピニオン１２の回転がモータ部２０に伝達され、回生電力が発生される。この回生電力は、インバータ部１８で直流に変換されて電源部９に蓄電される。この際、従来用いられていた、回生電力として吸収できない電力を放電抵抗で熱として消費することを避け、下り勾配で発生する回生電力を有効に利用できる。そして、蓄電された電力は、次に上り勾配で使用する際に消費され、登坂のエネルギーとして有効利用され、さらに下り勾配では同様にして、空き容量に蓄電されて、無駄なく回生電力を回収できる。
【００３８】
この軌条式走行車１００の運行方法を説明する。傾斜地用の軌条式走行車の特性として、軌条を往復して同じ区間を登坂、降坂する場合が多い。そこで、登坂前に予め、電源部９を充電しておく。そして、始点Ｐ０から作業点Ｐ１に向かう上り勾配に際して、電源部９を放電モードとし、かつモータ部２０を電動機モードとして、電源部９に蓄えられた電力を放電させてモータ部２０を駆動し、軌条式走行車１００を軌条２に沿って運行させる。この際、登坂時のモータ駆動で電力を消費して、電源部９に空き容量を確保する。
【００３９】
次に、作業点Ｐ１から、この作業点Ｐ１よりも低地にある第二作業点（図４の例では始点Ｐ０）に向かう下り勾配に際して、電源部９を充電モードとし、かつモータ部２０を発電機モードとして、軌条式走行車１００を軌条２に沿って運行させる。この際、モータ部２０で発生させた回生電力を、電源部９の空き容量に蓄電する。
【００４０】
ここで登坂時と降坂時の効率ηをほぼ同一でη＜１とすれば、充電される電力は、登坂で消費される電力のη2倍となり、空き容量よりも小さくなる。よって、登坂工程により電源部９には空き容量が確保でき、降坂時には過充電とはならない。
【００４１】
このようにして、本実施形態によれば、下り勾配で発生する回生電力を放熱等の手段で捨てることなく、有効に利用できる。従来、下り勾配で発生する回生電流は一部のみしか回収できず、大半は放熱抵抗や機械式ブレーキ等を用いて熱として消費させるしかなかった。これは、ブレーキ制動（回生ブレーキ）で回生電力を発生させるハイブリッド自動車や電気自動車等でも同様であり、例えば急ブレーキ等で生じる回生電力が瞬間的に大電流となるため、短時間で大電流となって生じるエネルギーを電池で吸収しきれないからである。これを避けるには、大電流でも短時間で充電可能な電気二重層キャパシタを用いることが考えられるものの、エネルギー密度が低いため多数を用意しなければならず、またコストが高くなる問題があった。
【００４２】
この問題を解決するため、本発明者は試行錯誤を重ね、傾斜地用の軌条式走行車の特有の利用形態に着目して問題を解決するに至った。すなわち、回生電力を吸収できない理由の一つが、回生電力を蓄えることのできる電源部９の空き容量の確保である。例えば一部の乗用車で採用されている減速エネルギー回生システムでは、１２Ｖの鉛蓄電池に充電することで、電装系の電力消費を賄い、もってオルタネータによる発電量を抑えてガソリンの消費量を抑制し燃費を改善することを企図している。しかしながら、一般に車載用の鉛蓄電池は満充電に近い状態で使用されているため、必ずしも空き容量が十分でなく、急ブレーキを踏んだときの回生エネルギーの回収が常時高効率で行われているものでない。
【００４３】
これに対して、傾斜地用の軌条式走行車では、出発地と目的地に高低差があることが多い。例えばみかんの収穫に利用する用途では、図５に示すように平地から出発した軌条式走行車１００は、往路では空荷で、山腹等の収穫場所まで移動する。ここで、目的地が出発地よりも高地にあると、必ず放電によって、出発地である始点Ｐ０での空き容量ＲＣ１よりも、目的地である作業点Ｐ１での空き容量ＲＣ２が大きくなり、その分だけ、回生電力を蓄える能力が高められているということができる。特に、農業用途の場合は４５°といった急勾配の傾斜地での作業も一般的であるため、急勾配であるほど、高低差も大きくなって、その分、空き容量も大きく確保され、本実施例にとっては好都合である。なお、本明細書において電源部９の空き容量とは、電源部に蓄えることできる最大容量から、現在の残容量を引いた値を意味する。
【００４４】
この構成は、一見すると傾斜地用の軌条式走行車である以上、当然のように思われるが、そうではない。寧ろ、従来より急勾配の軌条（例えば電車やケーブルカー）では電力回生ブレーキでなく、熱として消費させるブレーキ（回生した電力を自車内で回生ブレーキ用抵抗器（ＤＢＲ）等により熱エネルギーに変換して捨ててしまうものであり、発電ブレーキとも呼ばれる）が一般的であった。なぜなら、傾斜地では特に安定したブレーキ性能の要求されるところ、回生ブレーキを有効に動作させるには様々な条件が必要であり、信頼性が求められたからである。このような回生ブレーキが動作しない場面としては、例えば回生失効が挙げられる。これは、回生ブレーキを用いるには車輌から送り返される側の電圧が供給側（電車の場合は架線側）より高くなければ十分な電力回生ができず、ブレーキ性能が低下する現象である。また、負荷側の故障等によって回生ブレーキが動作しないことも起こり得る。このような事情から、特に急勾配の斜面等では確実にブレーキを動作させる信頼性の観点から、寧ろ回生ブレーキを積極的に選択しない、あるいは回生ブレーキを採用する場合にも発電ブレーキと併用することが技術常識であった。これに対して本願発明者は、回生効率の向上を目指して根本から見直し、敢えて回生ブレーキを採用しつつ、その障害となる課題を特定して、本願発明を成すに至ったものである。
【００４５】
さらに本実施形態においては、電源部９で用いる二次電池セルにも、大電流の充電に適したタイプを使用することで、さらに高回生性能を実現している。すなわち、大容量のディープサイクルバッテリを採用している。ここでは、負極材料に炭素系材料を用いる一般的なリチウムイオン二次電池セルに代えて、リチウムチタン複合酸化物系材料を用いた二次電池セルを用いた。特に負極材料としてチタン酸リチウム二次電池を用いたことで、回生電流が大きな充電電流でも対応可能としている。これによって、軌条式走行車１００の降坂時のエネルギーの受け皿として耐え得る電源部９を実現し、発電ブレーキ等によらない安定制動が実現される。
【００４６】
加えて、大電流とならないように、モータの回転速度を一定値に抑える制御も行っている。これは電力回生ブレーキによって実現される。一般の車輌等では、回生ブレーキ制動で回生電流を充電する際、車輌の速度が一定でなく、ブレーキ制動前の速度や制動後の速度、またブレーキの踏み込み具合や停止までの距離等によって、回生電流のピーク値やその通電期間は大きく異なる。これを事前に予測したり、規定することは困難である。これに対して傾斜地用の軌条式走行車では事情が大きく異なり、高速な移動速度は要求されておらず、一定速度での運行であっても許容される。したがって、事前に回生モードでの軌条式走行車の移動速度を規定できるので、これに合わせて回生ブレーキの条件を設定しておくことができる。しかも回生ブレーキの本来的な欠点であった、車輌の停止間近といった低速度では利用できない点も、下り勾配を一定速度で運行させながら、その間に回生ブレーキ制動を継続させることで、欠点とならず、下り勾配の殆どの期間、正確には軌条式走行車１００の停止直前までの間を除いてずっと回生ブレーキを動作させて充電することが可能となるので、回生の効率を高めることができる。このように、一般の車輌等における回生ブレーキと比べ、急に速度が変化して充電電流が増加することがなく、ほぼ一定の充電電流を電源部９に供給できる。加えて図５に示すように作業点Ｐ１で収穫みかんのような貨物を積載して下る場合は、貨物の重量によって一層、回生エネルギーが発生する。この結果、約４０％の高い回生効率を実現している。ここでは、インバータ部１８により可変電圧可変周波数制御を行い、モータの回転速度を一定に抑えるように回生電流を発生させている。
【００４７】
また上述の通り、交流電源で回生制動させる場合、従来は電流の回生時に負荷となる機器が他に存在しないと、回生失効が生じて回生トルクが安定しなくなる。これに対して本実施形態では、予め電源部９に空き容量を確保しておくことで、直流の大電流を充電電流として回生することができ、安定した負荷を存在させることになる。この結果、回生失効を回避して回生トルクが安定し、速度を安定させることができるのである。
【００４８】
さらに、図４に示すように電源部９の充電は、始点Ｐ０側で行う。いいかえると、作業点Ｐ１では行わない。これにより、空き容量が確保される。元来、蓄電池（特に鉛バッテリ）は極力満充電に近付ける制御が行われていたが、上述の通り、本実施形態においては逆に、下り勾配を降坂する前に、十分な電源部の空き容量を確保することが肝要である。また、放電させるために放熱抵抗器を用いるような無駄を生じさせず、あくまでも動力に消費することを念頭に検討した結果、上り勾配の登坂前に充電すること、いいかえると高地の作業点Ｐ１では充電しないという構成が最適であることを見出したものである。このため上述の通り、軌条式走行車１００を充電する充電ステーションは、始点Ｐ０に設ける。好ましくは、太陽電池パネル８を、始点Ｐ０側に配置して電源部９を充電できるように構成する。
【００４９】
また、必ずしも太陽電池パネル８を軌条式走行車１００に直結させる必要はなく、例えば太陽電池パネル８で発電された電力を一旦、別の蓄電池に蓄電して、この蓄電池と軌条式走行車１００あるいは着脱式とした電源部９とを接続して、充電するように構成してもよい。
（実施形態２）
【００５０】
以上説明した例では、低地にある出発地を始点Ｐ０とし、この出発地から、高地にある作業点Ｐ１を目的地として、始点Ｐ０と作業点Ｐ１との間を往復して運行する例を説明したが、本発明はこの構成に限られない。例えば図６に示す実施形態２に係る軌条式走行車の運搬方法のように、低地にある出発地から、高地にある作業地を経て、低地にある（始点Ｐ０とは異なる）第二作業点Ｐ２に移動させるような態様においても利用できる。この場合、出発地から作業点Ｐ１までの上り勾配、あるいは作業点Ｐ１から出発地までの下り勾配の運行（Ａ’行程）は、上述した実施形態１と同様の態様で運行できる。また作業点Ｐ１から第二作業点Ｐ２までの下り勾配、あるいは第二作業点Ｐ２から作業点Ｐ１までの上り勾配の運行（Ｂ’行程）も、上述した実施形態１における、作業点Ｐ１と始点Ｐ０との運行と同様の制御を適用できる。
【００５１】
さらに、始点Ｐ０から作業点Ｐ１までの間、あるいは作業点Ｐ１から第二作業点Ｐ２までの間に起伏があり、上り勾配と下り勾配が生じる態様においても同様に、上り勾配の放電モードと、下り勾配の充電モードとを切り替えて運行できる。特に、始点Ｐ０が作業点Ｐ１よりも低地にあり、かつ中間の起伏も、始点Ｐ０よりも低い位置まで下ることがなければ、中間の極大点まで上昇する間に電源部９が放電されて、回生電力を蓄える空き容量が確保されるので、本発明を有効に適用できる。
【００５２】
なお図４、図５、図６は模式化しており、実際には往路、復路ともに起伏があり、往路にも下り勾配があったり、復路にも上り勾配があるケースが生じる。このような場合も、往路、復路の別によらず、上り勾配は放電モードかつ電動機モード、下り勾配は充電モードかつ発電機モードとして制御部３０でもって電源部９とモータ部２０の動作を切り替えることで、同様の効果が得られる。重要なことは、始点Ｐ０と作業点Ｐ１に高度差があり、かつ作業点Ｐ１が始点Ｐ０よりも高い位置に存在することである。これであれば、必然的に始点Ｐ０での空き容量よりも、作業点Ｐ１での空き容量の方が大きくなり、この空き容量を利用した充電が見込まれる。
【００５３】
以上のように、本実施形態においては事前に上り勾配で電源部９に蓄えられた電力を消費させて空き容量を確保させた上で、この空き容量に回生電力を蓄えられるようにしたことで、過充電となって電源部９に負荷がかかる事態を回避している。加えて、電源部９を突入電流の特性に優れたリチウムチタン複合酸化物系材料を負極材料とするリチウムイオン二次電池セルを利用したことで、従来よりも突入電流に対する耐性を増し、放電抵抗等によらずとも発生した回生電力を短時間で吸収可能とでき、極めて高効率なエネルギーのリサイクル運行が実現される。
【００５４】
特に通常の乗用車などと異なり、傾斜地用の軌条式走行車は速度が求められていないため、ゆっくりした低速運転でも許容される。この結果、乗用車の急ブレーキによって瞬間的に大電流が発生するという事態も回避でき、一定速度で運行させて回生電流の発生も抑制しながら電源部９側に充電できるため、極めて安定的な動作が可能となる。いいかえると、充電式しきれない余剰の電流を、放電抵抗や機械式ブレーキなどで消費させる必要が無いため、余分な発熱や摩耗も生じず、装置側の負担も軽減される上、発生したエネルギーを有効利用でき、傾斜地の運行という限られた分野に特化したエネルギーの効率的なリサイクルが実現される。
【００５５】
さらにこの軌条式走行車１００は、従来必須とされてきた、モータ部２０が発電機として動作した際に発生する回生電力の余剰分を消費させる回生ブレーキ用抵抗器を有しない。この結果、抵抗器の放熱のための放熱フィンのような部材や放熱機構も不要となって、部品点数を少なくし、構成の簡素化、低コスト化にも寄与できる。さらに、回生ブレーキのみで下り勾配を降下できるように構成したことで、従来必須とされてきた、ＡＣモータ１０の駆動トルクやピニオン１２の回転速度の検出値から、機械式ブレーキと回生ブレーキの内、回生ブレーキ配分を制御するためのセンサやコントローラも不要としている。なお、安全のため手動で操作させるブレーキを備えていることは上述の通りである。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の軌条式走行車は、高低差のある場所で荷物を運搬する用途、例えば山の傾斜面におけるみかん栽培やお茶栽培といった農業用、あるいは法面の工事などの資材運搬用といった産業用途等に好適に利用できる。さらに、観光用やアミューズメント用等で人員を高低差のある場所で移送する用途にも利用できる。例えば山奥の森林をモノレールで移動して森林浴を楽しむ観光モノレールとして好適である。
【符号の説明】
【００５７】
１００…軌条式走行車
１…支柱
２…軌条
３…牽引車
４…荷台車
５…ラック
６…牽引側支持輪ユニット
７…牽引側車台
８…太陽電池パネル
９…電源部
１０…ＡＣモータ
１１…減速機
１２…ピニオン
１３…荷台側車台
１４…荷台側支持輪ユニット
１５…連結器
１６…システムコントローラ
１７…供給コントローラ
１８…インバータ部
１９…モータドライブインバータ
２０…モータ部
３０…制御部
４０…操作盤
Ｐ０…始点
Ｐ１…作業点
Ｐ２…第二作業点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年1月17日(2017.1.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
特に通常の乗用車などと異なり、傾斜地用の軌条式走行車は速度が求められていないため、ゆっくりした低速運転でも許容される。この結果、乗用車の急ブレーキによって瞬間的に大電流が発生するという事態も回避でき、一定速度で運行させて回生電流の発生も抑制しながら電源部９側に充電できるため、極めて安定的な動作が可能となる。いいかえると、充電しきれない余剰の電流を、放電抵抗や機械式ブレーキなどで消費させる必要が無いため、余分な発熱や摩耗も生じず、装置側の負担も軽減される上、発生したエネルギーを有効利用でき、傾斜地の運行という限られた分野に特化したエネルギーの効率的なリサイクルが実現される。