CN100468951C - 作业机械的动力源装置 - Google Patents

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Abstract

按照蓄电装置的充电量决定发动机和蓄电装置的功率分配，将蓄电装置的充电量保持在适当范围内。本发明的作业机械的动力源装置，将液压泵(3)和发电机兼电动机(4)并联连接在作为共用动力源的发动机(1)上，利用发电机兼电动机(4)的发电机作用对作为蓄电装置的电池(7)充电，并且利用该电池(7)的放电力驱动发电机兼电动机(4)来发挥电动机作用，其中，通过控制器(8)，根据致动器要求功率、按照电池充电量而被设定使得电池充电量保持在一定范围内的电池充电功率及放电功率、设定的发动机功率，来决定发动机(1)和发电机兼电动机(4)的功率分配。

Description

作业机械的动力源装置
技术领域
本发明涉及一种并用发动机动力和电力的混合式作业机械的动力源装置。
背景技术
在混合式的作业机械(例如挖掘机)中，采用并联方式的驱动形式的作业机械已为公众所知(参照日本专利公开公报特开平10-42587号)。
在该并联方式中，将液压泵和起到发电机作用及电动机作用的动力机并联地连接在作为共用动力源的发动机上。通过液压泵驱动液压致动器，并且，利用动力机的发电机作用对蓄电装置进行充电。此外，在适当的时候，还利用该蓄电装置的放电使动力机发挥电动机作用来辅助发动机。
另外，作为动力机，可以使用以一台机器发挥发电机作用和电动机作用这两种作用的兼用机(发电机兼电动机)，以及并用分别的发电机和电动机。
根据这样的混合式作业机械，能够减轻发动机的负荷，在高效率范围内运转发动机，从而能够实现节能。
发明内容
但是，根据公知技术，会有如下的问题。
锂离子蓄电器等电池(二次电池)或电容器(电双层电容器)等蓄电装置的充放电特性取决于其充电量，充电量越低，最大充电力越大，最大放电力越小。
在此情况下，在公知技术中，采用的是与这样的蓄电装置的充电量无关而决定发动机和蓄电装置的功率分配的方案。因此，根据负荷状况，有时会出现蓄电装置功率过小、或超出能力而过大的状态。
其结果，不能有效地利用蓄电装置的能力，并且会导致蓄电装置的劣化。
鉴于此，本发明提供一种能够按照蓄电装置的充电量来决定发动机和动力机的功率分配、将蓄电装置的充电量保持在适当范围内的作业机械的动力源装置。
为了解决上述问题，本发明采用了如下的方案。
即，本发明所提供的一种作业机械的动力源装置，驱动液压致动器的液压泵、和发挥发电机作用与电动机作用的动力机被并联地连接在作为共用动力源的发动机上，利用上述动力机的发电机作用对蓄电装置充电，并且，利用该蓄电装置的放电力驱动上述动力机而发挥电动机作用，该作业机械的动力源装置具备下述各机构:
(A)致动器要求功率检测机构，求出作为上述液压致动器要求的功率的致动器要求功率；
(B)充电量检测机构，求出上述蓄电装置的充电量；
(C)蓄电装置功率设定机构，按照充电量的变化来设定充电功率及放电功率，使得上述蓄电装置的充电量被保持在一定范围内；
(D)发动机功率设定机构，按照上述蓄电装置的充电量来设定上述发动机的功率；
(E)功率分配机构，根据上述致动器要求功率、设定的蓄电装置的充电功率及放电功率、和设定的发动机功率，决定发动机和上述动力机的功率分配；以及
(F)动力机控制机构，根据由该功率分配机构决定的功率分配控制动力机的功率。
根据本发明，按照蓄电装置的充电量来设定蓄电装置的充放电功率及发动机功率。即，如果充电量降低，则增大充电功率，减小放电功率，并且增大发动机功率。并且，根据该设定值和致动器要求功率来进行发动机和动力机的功率分配。因此，能够将蓄电装置的充电量保持在一定范围内，即保持在能够有效利用蓄电装置的能力并且能够防止过充电、过放电而抑制蓄电装置的劣化的范围内。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的系统结构的示意图。
图2是表示图1的控制器的结构的框图。
图3是电池的放电功率相对于充电量及温度的特性的示意图。
图4是电池的充电功率相对于充电量及温度的特性的示意图。
图5是发动机功率1(下限值)相对于电池充电量的特性的示意图。
图6是表示发动机功率2(上限值)相对于电池充电量的特性的示意图。
图7是功率分配机构中的功率分配流程的示意图。
图8是接着图7进行的功率分配流程的示意图。
图9是有关发动机功率的响应性修正的流程的示意图。
图10是本发明的第2实施方式的系统结构的示意图。
图11是表示控制器的结构的框图。
具体实施方式
第1实施方式(参照图1～图9)
在第1实施方式中，作为蓄电装置，举例说明使用了电池(锂离子蓄电器等二次电池)的情况。
如图1所示，在发动机1上，介于功率分配器2并联地连接有液压泵3、和以1台机器发挥发电机作用和电动机作用的作为动力机的发电机兼电动机4，它们由发动机1驱动。
在液压泵3上，介于控制阀(每个致动器都有设置，但这里表示为多个控制阀的集合体)5连接有未图示的液压致动器(例如，就挖掘机来讲，是动臂、斗杆、铲斗的各压力缸及行进用液压马达等)，这些液压致动器通过由液压泵3供给的液压油而予以驱动。另外，在图1中表示的是只连接了一台液压泵3的情况，但也有串联或并联地连接多台的情况。
另一方面，在发电机兼电动机4上，介于作为动力机控制机构的变换器6而连接有作为蓄电装置的电池7。
变换器6控制发电机兼电动机4的发电机作用和电动机作用的切换、发电功率、以及作为电动机的电流或转矩，并且又按照发电机兼电动机4的发电机输出，来控制电池7的充放电。
在控制器8中，有如下的信息被输入。
i、由未图示的电流传感器检测出的电池7的电流(通过对该电流积分来求出电池充电量)。
ii、由未图示的电池温度传感器检测出的电池7的温度。
iii、用来求出致动器要求功率的参数，即液压泵3的压力(排出压力)和排出量、以及转速(这里是发电机兼电动机4的转速)。
在图2中详细表示该控制器8的结构内容。
在控制器8中，设有如上所述的那样根据电池电流求出电池充电量的电池充电量检测机构9、求出电池温度的电池温度检测机构10、按照电池充电量和温度来设定发动机1的功率的发动机功率设定机构11、按照电池充电量和温度来设定电池7的功率(充电要求功率及放电要求功率)的电池功率设定机构12、根据泵压力、排出量、转速求出致动器要求的功率的致动器要求功率检测机构13、和决定发动机1和电池7的功率分配的功率分配机构14。
在电池功率设定机构12中，例如，如图3、图4所示那样，预先相对于电池充电量(充电状态SOC＝State of Charge)及温度将充电要求功率及放电要求功率表格化，选择与检测出的电池充电量及温度相对应的数值来进行设定。
在发动机功率设定机构11中，例如，如图5、图6所示那样，预先将发动机功率相对于电池充电量的关系(充电量越低则越增大发动机功率)表格化。并且，选择与检测出的电池充电量相对应的发动机功率来进行设定。
这里，发动机功率的设定值，作为能够高效率地运转发动机1的范围，可被设定为图5所示的下限值(发动机功率1)和图6所示的上限值(发动机功率2)之间的数值。
另一方面，在功率分配机构14中，根据如上所述那样求出或设定的致动器要求功率、电池充电要求功率、电池放电要求功率、发动机功率，来进行发动机1和电池7的功率分配。
在图7、图8中表示该分配流程。
在两图中，
PWpws:致动器要求功率
PWbc:电池充电要求功率(≤0)
PWbd:电池放电要求功率(≥0)
PWeg1:发动机功率1(发动机功率下限值)(≥0)
PWeg2:发动机功率2(发动机功率上限值)(≥0)
PWegmax:发动机最大功率(≥0)
PWeg:发动机功率
PWb:电池功率
其中，PWegmax是由发动机的性能决定的常数。
此外，在图7、图8中，设电池7的放电为+，充电为-。
首先，在图7的步骤S1中，对致动器要求功率PWpws和发动机功率下限值PWeg1进行比较。这里，如果致动器要求功率PWpws比发动机功率下限值PWeg1小(为是)，则在步骤S2中，设定为发动机功率PWeg＝发动机功率下限值PWeg1、电池功率PWb＝致动器要求功率PWpws-发动机功率PWeg。
其中，如果为电池功率PWb<电池充电要求功率PWbc(电池功率超过充电能力的设定)，则设定为
电池功率PWb＝电池充电要求功率PWbc、
发动机功率PWeg＝致动器要求功率PWpws-电池功率PWb
(步骤S3、S4)。
另外，如果发动机功率<0，则设定为发动机功率＝0(步骤S5、S6)。
若在步骤S1为否、且发动机功率1≤致动器要求功率PWpws<发动机功率2、即在致动器要求功率处于发动机功率1和发动机功率2的之间时(在步骤S7为是)，设定为
发动机功率PWeg＝致动器要求功率PWpws、
电池功率PWb＝0。
即设定为由发动机1全部承担致动器要求功率(步骤S8)。
在图8的步骤S9中，如果判断为发动机功率2≤致动器要求功率<(发动机功率2+电池放电要求功率)，即被判断为致动器要求功率处在发动机功率2和(发动机功率2+电池放电要求功率)的之间时，在步骤S10中，设定为
发动机功率PWeg＝发动机功率2PWeg2、
电池功率PWb＝致动器要求功率PWpws-发动机功率PWeg。发动机1只承担发动机功率2，剩余的由电池7承担。
另一方面，在步骤S11中，若判断为(发动机功率2 PWeg2+电池放电要求功率PWbd)≤致动器要求功率PWpws<(发动机最大功率PWegmax+电池放电要求功率PWbd)，即被判断为致动器要求功率处在(发动机功率2+电池放电要求功率)和(发动机最大功率+电池放电要求功率)的之间时，则在步骤S12中，设定为
电池功率PWb＝电池放电要求功率PWbd、
发动机功率PWeg＝致动器要求功率PWpws-电池功率PWb。
由此，电池7只承担电池放电要求功率，剩余的由发动机1承担。
与此相反，如果是(发动机最大功率PWegmax+电池放电要求功率PWbd)≤致动器要求功率PWpws(在步骤S11为否)、即致动器要求功率为超出发动机1和电池7的能力的功率时，则设定为
电池功率PWb＝电池放电要求功率PWbd、
发动机功率PWeg＝发动机最大功率PWegmax
(步骤S13)。
对于发动机功率PWeg，因其动特性而会对剧烈的功率变动产生响应延迟。所以，在功率分配流程中，如果发动机功率设定值的变化量超出预先设定的值，则如图9所示那样，通过使用低通滤波器等进行的修正处理，计算并设定修正发动机功率PWeg’，以使发动机输出的升高与动特性对应(例如，分阶段地上升)。
此外，基于该修正发动机功率PWeg’，用PWb’＝PWpws-PWeg’重新计算修正电池功率PWb’。
其中，若修正电池功率PWb’比电池充电要求功率PWbc小，则设定为
PWb’＝PWbc，
若修正电池功率PWb’比电池放电要求功率PWbd大，则设定为
PWb’＝PWbd。
此时，用PWeg’＝PWpws-PWb’重新计算发动机功率。
进而，根据上述功率分配，用以下的计算式求出发电机兼电动机4的功率。
PWmg＝PWpws-PWeg
   PWmg:发电机功率
Tqmg＝PWpws/ωmg
   Tqmg:发电机兼电动机4的转矩(发电机转矩)
   ωmg:发电机兼电动机4的角速度(根据发电机兼电动机4的转速求出)
这样求出的发电机转矩，从功率分配机构14作为发电机转矩指令值而被发送给图1的变换器6。然后，根据该转矩来控制发电机兼电动机4，以达到如上述指令值那样的输出转矩。
通过以上的控制，电池7的充放电功率及发动机功率按照电池7的充电量而被设定。并且，根据该设定值和致动器要求功率来进行发动机1和动力机4的功率分配。因此，能够将电池7的充电量保持在一定范围内，即保持在能够有效利用电池能力并且能够防止过充电、过放电而抑制电池7的劣化的范围内。
此外，由于按照电池7的温度设定充放电功率，所以能够将该充放电功率设定为对应于电池温度的适当值。
进而，在发动机功率设定机构11中，决定发动机功率的下限值(PWeg1)和上限值(PWeg2)，在该下限值和上限值之间，按照电池7的充电量来设定发动机功率。因此，通过预先决定该设定范围来作为能够高效率运转发动机的范围，能够提高发动机1的运转效率。
此外，在功率分配机构14中，修正发动机功率设定值以使发动机功率按照发动机的动特性而发生变化。因此，能够防止由于发动机的功率负担急剧增加而造成的发动机转速降低或发动机停止。
如上所述，可一边进行发动机1的高效运转，一边控制电池7的充电量，从而能够有效地利用混合系统的动力源的性能。
第2实施方式(参照图10、图11)
在第2实施方式中，使用电容器15作为蓄电装置。
该装置的基本系统结构，除以下几点外，与第1实施方式相同。
a)图1的电池7被替换为电容器15。
b)作为其控制器而设有转换器16。
c)在连结变换器6和转换器16的直流电路中设有检测直流电压的电压传感器17。
此外，在控制器18的结构中，如图11所示，仅在附加有直流电压控制机构19这一点上与第1实施方式(图1、图2)的控制器8不同。图11中的电容器充电量检测机构20、电容器温度检测机构21、电容器功率设定机构22分别与图2中的电池充电量检测机构9、电池温度检测机构10、电池功率设定机构12相对应。
进而，作用也基本上与第1实施方式相同。即，按照电容器15的充电量及温度，通过电容器功率设定机构22，设定与图3、图4同样的充放电特性。并且，还在发动机功率设定机构11中，进行与图5、图6同样的发动机功率设定。
在功率分配机构14中，也通过与图7、图8同样的分配流程进行发动机1和电容器15的功率分配。
在直流电压控制机构19中，通过反馈连结变换器6和转换器16的直流电路的电压，而对转换器16输出电流指令以使直流电压成为一定。
通过该第2实施方式，也能够得到与第1实施方式同样的效果(既以高效率运转发动机1，又可将电容器15的充电量保持在一定范围)。
在上述实施方式中，使用的是发电机和电动机构成为一体的发电机兼电动机4，但也可以将发电机和电动机分别进行设置。
此外，在上述实施方式中，采用的是检测蓄电装置(电池或电容器)的充电量和温度这两者的方案，但也可以采用只检测充电量的方案。或者，也可以在检测两者和只检测充电量之间进行切换。
进而，作为蓄电装置也可以并用电池和电容器这两者。
如上所述，本发明按照蓄电装置的充电量设定蓄电装置的充放电功率及发动机功率，根据该设定值和致动器要求功率，进行发动机和动力机的功率分配。
在此情况下，在技术方案2的发明中，根据液压泵的排出压力、排出量、转速来求出致动器要求功率。
此外，在技术方案3的发明中，把蓄电装置的所述充电功率及所述放电功率设定为在蓄电装置的温度下降时使所述充电功率及放电功率变小。这样，则能够将充放电功率设定为对应于蓄电装置温度的适当值。
在技术方案4的发明中，决定发动机功率的上限值和下限值，在该上限值和下限值之间设定发动机功率。这样，通过预先决定设定范围来作为能够高效率运转发动机的范围，则能够提高发动机的运转效率。
在技术方案5的发明中，修正发动机功率设定值以使发动机功率按照发动机的动特性而发生变化。这样，能够防止由于发动机的功率负担急剧增加而造成的发动机转速降低或发动机停止。
工业上的实用性
根据本发明，在混合式的作业机械中，能够发挥将蓄电装置的充电量保持在适当范围内的这一有用的效果。

Claims (8)

1、一种作业机械的动力源装置，驱动液压致动器的液压泵和发挥发电机作用与电动机作用的动力机被并联地连接在作为共用动力源的发动机上，利用上述动力机的发电机作用对蓄电装置充电，并且，利用该蓄电装置的放电力驱动上述动力机而发挥电动机作用，其特征在于具备下述各机构，
(A)致动器要求功率检测机构，求出作为上述液压致动器要求的功率的致动器要求功率；
(B)充电量检测机构，求出上述蓄电装置的充电量；
(C)蓄电装置功率设定机构，按照充电量的变化来设定充电功率及放电功率，使得上述蓄电装置的充电量被保持在一定范围内；
(D)发动机功率设定机构，按照上述蓄电装置的充电量来设定上述发动机的功率；
(E)功率分配机构，根据上述致动器要求功率、设定的蓄电装置的充电功率及放电功率、和设定的发动机功率，决定发动机和上述动力机的功率分配；以及
(F)动力机控制机构，根据由该功率分配机构决定的功率分配控制动力机的功率。
2、如权利要求1所述的作业机械的动力源装置，其特征在于:致动器要求功率检测机构根据液压泵的排出压力、排出量以及转速，求出致动器要求功率。
3、如权利要求1或2所述的作业机械的动力源装置，其特征在于，具备检测蓄电装置的温度的温度检测机构，其中，蓄电装置功率设定机构把蓄电装置的所述充电功率及所述放电功率设定为在蓄电装置的温度下降时使所述充电功率及放电功率变小。
4、如权利要求1或2所述的作业机械的动力源装置，其特征在于，发动机功率设定机构决定发动机功率的上限值和下限值，在该上限值和下限值之间设定发动机功率。
5、如权利要求3所述的作业机械的动力源装置，其特征在于，发动机功率设定机构决定发动机功率的上限值和下限值，在该上限值和下限值之间设定发动机功率。
6、如权利要求1或2所述的作业机械的动力源装置，其特征在于，功率分配机构修正发动机功率设定值，使发动机功率按照发动机的动特性而发生变化。
7、如权利要求3所述的作业机械的动力源装置，其特征在于，功率分配机构修正发动机功率设定值，使发动机功率按照发动机的动特性而发生变化。
8、如权利要求4所述的作业机械的动力源装置，其特征在于，功率分配机构修正发动机功率设定值，使发动机功率按照发动机的动特性而发生变化。
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