CN102219017A - 混合动力工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合动力工程机械，包括：液压致动装置；发动机；液压泵；电池；发电电动机，通过发动机输出的动力而作为发电机进行工作以便对电池进行充电，通过接受电池供应的电力而作为辅助发动机的电动机进行工作；电池监视装置，检测用于表示电池的充电状态的电池SOC；控制器，根据电池监视装置所检测的电池SOC来控制电池的充电功率；作业状态检测器，检测作业状态作为用于判别是处于让液压致动装置运转的作业期还是处于不让液压致动装置运转的待机期的判断信息，其中，与处于作业期时相比，在处于待机期时，控制器对充电功率施加限制。由此，在处于作业期时及处于待机期时均能进行恰当的电池充电控制。

Description

混合动力工程机械
技术领域
本发明涉及一种组合使用发动机动力与电池电力的混合动力工程机械(hybrid working machine)。
背景技术
作为混合动力型的工程机械，例如日本专利公开公报特开2005-237178号所公开的混合动力挖掘机已为公众所知。该混合动力挖掘机包括发动机、与该发动机连接的液压泵及发电电动机、通过所述液压泵喷出的液压油而被驱动的液压致动装置、以及以发电电动机所产生的电力充电的电池(battery)。该电池适时地对发电电动机供应电力使其发挥电动机作用，以此来辅助发动机。
该混合动力挖掘机还包括检测作为所述电池的充电状态(充电量)的电池SOC(State Of Charge，充电状态)的机构、以及根据所检测的电池SOC控制充电功率以便接近SOC的目标值的机构。在此，由于所述电池的充电能力也依赖于电池温度，因此电池SOC和充电功率之间的特性也会因该电池温度而变化。
然而，在进行该电池充电控制的混合动力工程机械中，有可能使电池承受过度的负担。具体而言，在以往的混合动力工程机械中，为了在因作业期的放电而导致电池SOC急剧降低的情况下，使SOC快速地恢复而稳定在目标值，要进行通过全力发挥由此时的电池温度和SOC所决定的电池能力进行快速充电的控制，即以所述放电时为基准设定电池控制的内容，因此，由于在不放电的待机期连续进行快速充电而导致电池的负担增大，从而有可能给电池带来损伤而导致其寿命降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合动力工程机械，在处于作业期时及处于待机期时均能够进行恰当的电池充电控制。
具体而言，本发明所提供的混合动力工程机械包括：液压致动装置；发动机；液压泵，与所述发动机连接，通过该发动机输出的动力而被驱动向所述液压致动装置供应液压；电池；发电电动机，与所述发动机连接，通过该发动机输出的动力而作为发电机进行工作以便对所述电池充电，通过接受该电池的电力供应而作为辅助所述发动机的电动机进行工作；电池监视装置(monitor)，检测用于所述电池的充电状态的电池SOC；控制器，根据所述电池监视装置所检测的电池SOC来控制所述电池的充电功率；以及作业状态检测器(detector)，检测作业状态作为用于判别是处于让所述液压致动装置运转的作业期还是处于不让所述液压致动装置运转的待机期的判别信息，其中，与处于所述作业期时相比，在处于所述待机期时，所述控制器对所述充电功率施加限制。
根据本发明，在处于作业期时及处于待机期时均能够进行恰当的电池充电控制。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的混合动力工程机械的主要结构要素的框图。
图2是本发明的实施方式所涉及的混合动力工程机械中的控制器所存储的作业期充电图的示意图。
图3是本发明的实施方式所涉及的混合动力工程机械中的控制器所存储的待机期充电图的示意图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的混合动力工程机械中的控制器所进行的控制动作的流程图。
具体实施方式
本实施方式所涉及的混合动力工程机械，如图1所示，包括发动机1、功率分配器(power divider)2、液压泵3、发电电动机4、多个液压致动装置、针对各致动装置设置的多个控制阀5、多个逆变器(inverters)6、电池7、控制器8、电池监视装置9以及作业状态检测器10。
发动机1经由功率分配器2与液压泵3和发电电动机4并联连接，驱动液压泵3及发电电动机4。
液压泵3通过各控制阀5向多个液压致动装置供应液压油，由此来驱动该液压致动装置。例如为混合动力挖掘机时，该液压致动装置为动臂缸(boom cylinder)、斗杆缸(arm cylinder)、挖斗缸(bucket cylinder)、行走用液压马达等。另外，图1中仅代表性地示出一个控制阀5及一个液压致动装置。此外，图1中仅示出1台液压泵3，但也可以是多个液压泵与所述液压致动装置串联或并联连接。
发电电动机4经由逆变器6与电池7连接。作为电池7，例如可采用镍氢电池或锂离子电池。发电电动机4可通过被所述发动机1驱动而作为发电机工作，产生电力对所述电池7充电，另一方面，也可通过从该电池7供应的电力作为辅助发动机1的电动机而工作。
电池监视装置9生成关于电池7的SOC和温度的检测信号并将该信号输送到控制器8。
作业状态检测器10检测用于判别是处于液压致动装置被驱动的作业期还是处于没有被驱动的待机期的信息、即关于作业状态的判别信息。在本实施方式中，作业状态检测器10输出关于有无使控制阀5工作的操作装置(例如遥控阀)的操作的操作检测信号(在为遥控阀时，该遥控阀所具备的操作杆受到操作，因此称作“操作杆信号”)。该操作检测信号也被输送到控制器8。
此外，本实施方式所涉及的混合动力工程机械还包括分别检测液压泵3的泵压力、喷出量及转速的省略图示的检测器，根据这些检测器所检测的信息求出液压致动装置请求的功率(致动装置请求功率)。
控制器8具备控制电池7的充电的电池充电控制部11、以及与该电池充电控制部11联系而确定发电电动机4和发动机1的功率分配的功率分配控制部12。电池充电控制部11存储有预先设定的电池SOC/充电功率的图(充电图，即电池SOC和充电功率的关系图)，从该图中读出与此时的电池SOC对应的充电功率作为充电请求功率并发送至功率分配控制部12。功率分配控制部12基于从电池充电控制部11发送的充电请求功率，确定相对于致动装置请求功率的发动机功率的分担额，并基于此对发电电动机4输出转矩指令。
该控制器8的特征在于进行如下控制：在作业期全力发挥由此时的电池温度与SOC所决定的电池能力进行快速充电，在待机期抑制充电功率以保护电池7。其理由在于，在机械作业期(操作杆操作时)因放电而导致电池SOC急剧降低，因此为了使电池SOC迅速地恢复而需要快速充电，另一方面，在未放电的机械停止时(操作杆中立时)，如果继续进行作业期的快速充电，则电池7的负担增大，从而会产生电池7受到损伤而导致寿命降低的弊端。
参照图2及图3对该问题进一步进行详述。图2表示作业期的电池SOC/充电功率的图(作业期充电图)，图3表示待机期的电池SOC/充电功率的图(待机期充电图)。为便于比较两图，图2中也以粗虚线绘出待机期无电图。
作业期充电图具有多个分别为不同设定温度下的充电图，在各充电图中设定有处于某一个电池温度下的作业期的电池SOC和充电功率的关系，例如，上述各充电图分别设定有处于0℃、5℃、10℃、15℃、20℃以及-5℃的电池温度下的作业期的电池SOC和充电功率的关系，即作业期充电图具有0℃、5℃、10℃、15℃、20℃以及-5℃的这6个电池温度(设定温度)下的充电图。在处于作业期时从作业期充电图中读出与检测到的电池温度对应的充电图。在检测到的电池温度为设定温度的中间值(例如3℃或18℃)的情况下，例如，可从作业期充电图中读出与检测到的电池温度最接近的设定温度的充电图后，确定与电池SOC对应的电池充电功率，也可通过基于与检测到的电池温度最接近的两个设定温度的充电图来进行内插运算而得出在该检测到的电池温度下的电池充电功率。
就待机期充电图而言，与作业期充电图相同，采用具有多个分别为不同设定温度下的充电图为理想，但为了避免控制的复杂化，待机期如图3所示，与电池温度无关仅设定一个充电图。但是，为了防止在低温下对电池施加过大的充电功率，可以选择同时读出的两个充电功率中较低的充电功率作为待机期充电功率，这两个充电功率是基于与电池温度对应的作业期充电图的充电功率和基于待机期充电图的充电功率。由图2及图3(尤其是由图2)可知，尤其在使用频率较高的区域即电池的SOC为50％以上的区域中，所述待机期充电图中的处于待机期时的充电功率被设定成低于处于作业期时的充电功率。
具体而言，对于作业期，在电池温度为负的范围以外的范围内充电功率的上限值被设定成在待机期的充电功率的上限值以上，而且，在整个电池SOC范围内充电功率都被设定成在待机期的充电功率以上。此外，在作业期，电池SOC为70％时的充电功率设定为0(即电池SOC的目标值设定为70％)，而在待机期，电池SOC为65％时的充电功率设定为0(即电池SOC的目标值设定为65％)。
基于这些方面，使用图4的流程图说明本实施方式的混合动力工程机械的作用。
控制开始后，在步骤S1读出待机期充电图，设定与此时的电池SOC对应的待机期充电功率PWb1。在步骤S2读出作业期充电图，设定与此时的电池温度和电池SOC对应的作业期充电功率PWb2。在步骤S3，将用于之后进行的比率限制(rate limit)处理的充电请求功率的旧值设为一个控制周期前的值(PWbrq0)。
在步骤S4判别是否有操作杆操作(是处于作业期，还是处于待机期)。如果是处于作业期(在步骤S4中为“是”)，则在步骤S5将作业期充电功率PWb2设为充电请求功率PWbrq。而如果是处于待机期(在步骤S4中为“否”)，则在步骤S6将待机期充电功率PWb1和作业期充电功率PWb2中的较低值设为充电请求功率PWbrq。即，如图2所示，在电池温度为负的区域中，由于作业期充电功率PWb2低于待机期充电功率PWb1，因此，将作业期充电功率PWb2设为充电请求功率PWbrq。
步骤S5及S6之后均移至步骤S7，在步骤S7至S10中，当作业期充电图与待机期充电图之间进行的切换时，实行用于将充电功率的变化量设定得低于由充电图所决定的值的比率限制处理。
首先在步骤S7中，将在步骤S5或S6所设的充电请求功率PWbrq(设定值：set value)、与一个控制周期前的旧值PWbrq0加上固定值ΔPWbrq所得的值(功率增加时的比较值)进行比较。
这里，如果为“是”、即PWbrq＞PWbrq0+ΔPWbrq，则在步骤S8将较低侧的比较值(PWbrq0+ΔPWbrq)设为充电请求功率(决定值)。
另一方面，如果在步骤S7中为“否”、即PWbrq≤PWbrq0+ΔPWbrq，则在步骤S9将设定值PWbrq和从旧值PWbrq0减去固定值ΔPWbrq所得的值(功率减少时的比较值)进行比较。
这里，如果为“是”、即PWbrq＜PWbrq0-ΔPWbrq，则在步骤S10将较高侧的比较值(PWbrq0-ΔPWbrq)设为充电请求功率(决定值)。
另一方面，如果在步骤S9中为“否”、即即非PWbrq＜PWbrq0+ΔPWbrq、也非PWbrq＜PWbrq0-ΔPWbrq，则设定值直接作为充电请求功率(决定值)。
然后，从步骤S8、S10、S9移至步骤S11，确定发动机1与电池7的功率分配以不超过作为决定值的充电请求功率PWbrq。在按照该功率分配对发电电动机4发出转矩指令之后，返回到步骤S1。
根据该控制，在反复放电的作业期可通过全力发挥电池能力的快速充电使电池SOC迅速地恢复，另一方面，与作业期相比，在未放电的待机期对充电功率施加限制，由此可避免因连续快速充电所引起的电池的损伤。即，可进行适于作业期和待机期的恰当的电池充电，从而可保持最佳的电池SOC并且提高电池寿命。
此外，在图4的步骤S6，在待机期，选择基于与此时的电池温度对应的作业期充电图的充电功率PWb1、和基于待机期充电图的充电功率PWb2中的较低值作为充电请求功率PWbrq，因此可使待机期充电图仅为与电池温度无关的一种而简化控制，并且可以降低低温下的待机期充电功率从而保护电池7。
此外，在作业期与待机期的充电功率的切换时，通过图4的步骤S7至S11的比率限制处理将充电功率的变化量抑制得较低，这可使充电功率的变化变得平滑，从而可保护电池。
本发明并不限定于上述实施方式，例如包含以下实施方式。
(1)上述实施方式中，基于操作杆信号进行了作业期和待机期的判别，但也可基于其他作业状态(例如液压致动装置的运转和非运转)进行判别。
(2)作为待机期充电图，也可设定与电池温度对应的多个待机期专用图。即，在待机期，也可不进行上述实施方式那样的较低值选择，而是基于所述待机期专用图控制充电功率。
(3)上述实施方式中，如图1所示液压泵3和发电电动机4经由功率分配器2与发动机1并联连接，但本发明也可应用于液压泵3和发电电动机4与发动机1串联连接的混合动力工程机械。
如上所述，本发明提供一种能够进行适于作业期和待机期的恰当的电池充电控制的混合动力工程机械。具体而言，该混合动力工程机械包括：液压致动装置；发动机；液压泵，与所述发动机连接，通过该发动机输出的动力而被驱动并向所述液压致动装置供应液压；电池；发电电动机，与所述发动机连接，通过该发动机输出的动力而作为发电机进行工作以便对所述电池充电，通过接受该电池的电力供应而作为辅助所述发动机的电动机进行工作；电池监视装置(monitor)，检测用于表示所述电池的充电状态的电池SOC；控制器，根据所述电池监视装置所检测的电池SOC来控制所述电池的充电功率；以及作业状态检测器(detector)，检测作业状态作为判别信息，该判别信息用于判别是处于让所述液压致动装置运转的作业期还是处于不让液压致动装置运转的待机期，其中，与处于作业期时相比，在处于所述待机期时，所述控制器对所述充电功率施加限制。
在该混合动力工程机械中，作业状态检测器进行作业期和待机期的判别，与处于作业期时相比，在处于待机期时，控制器对充电功率施加限制，从而可兼顾在反复放电的作业期通过全力发挥电池能力的快速充电使电池SOC迅速地恢复、及避免因未放电的待机期的连续快速充电所造成的电池的损伤。即，可进行适于作业期和待机期的恰当的电池充电，从而可保持最佳的电池SOC并且提高电池寿命。
较为理想的是：当处于所述作业期时，所述控制器根据作业期充电图来决定充电请求功率，该作业期充电图基于电池SOC与充电功率的关系而被预先设定；当处于所述待机期时，所述控制器根据待机期充电图来决定充电请求功率，以便与处于作业期时相比在处于待机期时对充电功率施加限制，该待机期充电图基于与所述作业期充电图不同的电池SOC和充电功率之间的特性被预先设定。更为理想的是，在所述待机期充电图中所设定的充电功率的上限值小于在所述作业期充电图中所设定的充电功率的的上限值。
在此情况下，更为理想的是，所述电池监视装置检测电池温度，所述控制器存储有与电池温度对应而预先设定的的多个充电图作为所述作业期充电图，并且存储有与电池温度无关而设定的一个充电图作为所述待机期充电图，在处于所述待机期时，所述控制器从基于所述作业期充电图中的与检测到的电池温度对应的的充电功率和基于所述待机期充电图的充电功率中选择较低值作为充电请求功率。由此，不会使控制复杂化，可降低低温下的待机期充电功率从而保护电池。
此外，更为理想的是，在所述作业期充电图与所述待机期充电图之间的切换时，所述控制器将充电功率的变化量设定得低于由所述作业期充电图和所述待机期充电图所决定的值，以进行比率限制处理。该比率限制处理通过将作业期与待机期的充电功率的切换时的充电功率的变化量抑制得较低而使充电功率的变化变得平滑，从而可保护电池。
较为理想的是，所述作业状态检测器例如检测有无操作装置的操作作为作业状态，该操作装置是需要被操作以便让所述液压致动装置工作的装置。

Claims (6)

1.一种混合动力工程机械，具有电池保护功能，其特征在于包括：
液压致动装置；
发动机；
液压泵，与所述发动机连接，通过该发动机输出的动力而被驱动，向所述液压致动装置供应液压；
电池；
发电电动机，与所述发动机连接，通过该发动机输出的动力而作为发电机进行工作以便对所述电池进行充电，通过接受该电池供应的电力而作为辅助所述发动机的电动机进行工作；
电池监视装置，检测用于表示所述电池的充电状态的电池SOC；
控制器，根据所述电池监视装置所检测的电池SOC来控制所述电池的充电功率；以及
作业状态检测器，检测作业状态作为判别信息，该判别信息用于判别是处于让所述液压致动装置运转的作业期还是处于不让所述液压致动装置运转的待机期，其中，
与处于所述作业期时相比，在处于所述待机期时，所述控制器对所述充电功率施加限制。
2.根据权利要求1所述的混合动力工程机械，其特征在于：
当处于所述作业期时，所述控制器根据作业期充电图来决定充电请求功率，其中，所述作业期充电图基于电池SOC与充电功率的关系而预先被设定；
当处于所述待机期时，所述控制器根据待机期充电图来决定充电请求功率，以便与处于所述作业期时相比在处于所述待机期时对充电功率施加限制，其中，所述待机期充电图基于与所述作业期充电图不同的电池SOC和充电功率之间的特性而预先被设定。
3.根据权利要求2所述的混合动力工程机械，其特征在于：
在所述待机期充电图中所设定的充电功率的上限值小于在所述作业期充电图中所设定的充电功率的上限值。
4.根据权利要求2所述的混合动力工程机械，其特征在于：
所述监视装置检测电池温度，
所述控制器存储有与电池温度对应而预先设定的多个充电图作为所述作业期充电图，并且存储有与电池温度无关而预先设定的一个充电图作为所述待机期充电图，
在处于所述待机期时，所述控制器从基于所述作业期充电图中的与检测到的电池温度对应的充电功率和基于所述待机期充电图的充电功率中选择较低值作为充电请求功率。
5.根据权利要求2所述的混合动力工程机械，其特征在于：
在所述作业期充电图与所述待机期充电图之间进行切换时，所述控制器将充电功率的变化量设定得低于由所述作业期充电图和所述待机期充电图所决定的值，以进行比率限制处理。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的混合动力工程机械，其特征在于：
所述作业状态检测器检测有无操作装置的操作作为作业状态，其中，该操作装置是需要被操作以便让所述液压致动装置工作的装置。
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