CN102535568B - 混合式工作机械 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够利用驱动部分较少的机构在短时间内进行蓄电器的放电的混合式工作机械。该混合式工作机械具有：向辅助引擎(11)的辅助马达(12)供给电力的蓄电装置(120)；通过蓄电装置的蓄电器(19)的电力进行动力运行的放电用电动机(300)；连结于放电用电动机的放电用液压马达(310)；及驱动控制放电用液压马达的液压回路。液压回路包含连接于放电用液压马达的液压供给端口和液压排出端口的循环回路，并且，包含进行放电处理时以放电用液压马达(310)连接于循环回路的方式切换的切换阀(330)。

Description

混合式工作机械
技术领域
本申请主张基于2010年12月09日申请的日本专利申请第2010-274861号的优先权。其申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
本发明涉及一种混合式工作机械。
背景技术
混合式挖土机等混合式工作机械一般包含用于辅助引擎的电动发电机。电动发电机通过来自包含蓄电池或蓄电器的蓄电装置的电力被驱动。并且，通过再生机构获得的再生电力被充电于蓄电装置。
作为蓄电装置的蓄电器有时利用大容量的电容器。这样的电容器具有若重复进行充放电则促进劣化且缩短寿命之类的特性。因此，为了延长电容器的寿命想尽各种办法。
例如，鉴于电容器的电压越高劣化的程度越大这一点，提出了当结束工作机械的运行时，以电容器的电压成为设定电压以下的方式使电容器放电的技术。从电容器放电的电力蓄积在例如辅助蓄电池等蓄电部。
并且，为了不设置辅助蓄电池等蓄电部而使电容器放电，提出了例如由来白电容器的电力驱动水冷泵(水冷泵用电动机)来消耗电力并降低电容器电压的技术(例如参考专利文献1)。
专利文献1：国际公开WO2009/125833号
如上述由来自电容器的电力驱动水冷泵(水冷泵用电动机)来消耗电力，由此降低电容器的电压时(这种情况称为放电)，水冷泵的容量一般较小，因此有水冷泵消耗的电力较小且放电花费时间的顾虑。进行放电通常在停止施工机械的运行时进行，若放电花费时间，则有直到完全停止施工机械的运行为止的时间也相应地变长之类的问题。并且，寒冷地区模式的施工机械还有不需要水冷且不使用水冷泵的情况，这时无法进行放电。
因此，还提出了为了进行放电而使用辅助马达来代替使用水冷泵的技术。这时，为了驱动辅助马达需要驱动机械地连接于主液压泵的引擎。因此，工作的驱动机构较多，因此当驱动机构发生故障时有可能产生无法进行放电之类的问题。并且，由于将引擎驱动至放电结束，因此在引擎中白白地消耗能量。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够利用驱动部分较少的机构在短时间内进行电容器的放电的技术。
根据本发明，提供一种混合式工作机械，其具有引擎；辅助所述引擎的辅助马达；通过所述引擎驱动的液压泵；将电力供给至所述辅助马达的蓄电装置；通过所述蓄电装置的蓄电器的电力进行动力运行的放电用电动机；连结于所述放电用电动机的放电用液压马达；及驱动控制所述放电用液压马达的液压回路，其特征在于，所述液压回路包含连接于所述放电用液压马达的液压供给端口与液压排出端口的循环回路，并且，包含在进行放电处理时以所述放电用液压马达连接于所述循环回路的方式进行切换的切换阀。
发明效果：
根据本发明，由于通过驱动放电用电动机来进行蓄电器的放电，因此驱动的部分仅为放电用电动机及放电用液压马达，即使在引擎停止的状态下也能够进行放电。并且，通过将放电用电动机设为容量比较大的动臂再生用电动发电机或回转再生用电动发电机，能够在短时间内消耗为了放电而从蓄电器放出的电力。
附图说明
图1是混合式挖土机的侧视图。
图2是表示基于第1实施方式的混合式挖土机的驱动系统的结构的块图。
图3是表示蓄电系统的结构的块图。
图4是蓄电系统的回路图。
图5是放电处理的一例的流程图。
图6是放电处理的其他例子的流程图。
图7是表示通过回转液压马达驱动回转机构的混合式挖土机的驱动系统的结构的块图。
图8是表示基于第2实施方式的混合式挖土机的驱动系统的结构的块图。
图9是表示串联型混合式挖土机的驱动系统的结构的块图。
图中：1-下部行走体，1A、1B-液压马达，2-回转机构，3-上部回转体，4-动臂，5-斗杆，6-铲斗，7-动臂缸，7A-液压配管，7B-动臂角度传感器，8-斗杆缸，9-铲斗缸，10-驾驶室，11-引擎，12-电动发电机，13-变速器，14-主泵，15-先导泵，16-高压液压管路，17-控制阀，18、18A、18B、20-逆变器，19-电容器，21-回转用电动机，22-分解器，23-机械制动器，24-回转变速器，25-先导管路，26-操作装置，26A、26B-操纵杆，26C-踏板，26D-按钮开关，27-液压管路，28-液压管路，29-压力传感器，30-控制器，35-显示装置，40-回转液压马达，100-升降压转换器，110-DC母线，111-DC母线电压检测部，112-电容器电压检测部，113-电容器电流检测部，120-蓄电系统，300-动臂再生用马达(电动发电机)，310-动臂再生用液压马达，320-再生阀，330-切换阀，400-回转再生用马达(电动发电机)，410-回转再生用液压马达，500-泵用电动机。
具体实施方式
图1是表示作为应用本发明的混合式工作机械的一例的混合式挖土机的侧视图。
混合式挖土机的下部行走体1上通过回转机构2搭载有上部回转体3。上部回转体3上安装有动臂4。在动臂4的前端安装斗杆5，在斗杆5的前端安装有铲斗6。动臂4、斗杆5及铲斗6分别通过动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9液压驱动。上部回转体3上设置驾驶室10，并且搭载引擎等动力源。
图2是表示基于本发明的第1实施方式的混合式挖土机的驱动系统的结构的块图。在图2中，分别用双重线表示机械动力系统，用实线表示高压液压管路，用虚线表示先导管路，用实线表示电力驱动或控制系统。
作为机械式驱动部的引擎11及作为辅助驱动部的电动发电机12分别连接于变速器13的2个输入轴。变速器13的输出轴上作为液压泵连接有主泵14及先导泵15。主泵14上通过高压液压管路16连接有控制阀17。
控制阀17为进行混合式挖土机中的液压系统的控制的控制装置。下部行走体1用的液压马达1A(右用)及1B(左用)、动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9通过高压液压管路连接于控制阀17。
电动发电机12上通过逆变器18A连接包含作为蓄电器的电容器的蓄电系统120。蓄电系统120上通过逆变器20连接有作为电动工作要件的回转用电动机21。回转用电动机21的旋转轴21A上连接分解器22、机械制动器23及回转变速器24。并且，先导泵15上通过先导管路25连接操作装置26。由回转用电动机21、逆变器20、分解器22、机械制动器23及回转变速器24构成负载驱动系统。
操作装置26包含操纵杆26A、操纵杆26B、踏板26C。操纵杆26A、操纵杆26B及踏板26C通过液压管路27及28分别连接于控制阀17及压力传感器29。压力传感器29连接于进行电力系统的驱动控制的控制器30。
本实施方式中，用于获得动臂再生电力的动臂再生用马达300(也称为电动发电机300)通过逆变器18C连接于蓄电系统120。电动发电机300通过由从动臂缸7吐出的工作油驱动的液压马达310驱动。电动发电机300利用动臂4随重力下降时从动臂缸7吐出的工作油的压力，将动臂4的位能转换为电能。另外，在图2中，为了方便说明，液压马达310和电动发电机300示于相隔的位置，但实际上，电动发电机300的旋转轴机械地连接于液压马达310的旋转轴。
即，液压马达310构成为通过动臂4下降时从动臂缸7吐出的工作油旋转，且为了将动臂4随重力下调时的能量转换成旋转力而设置。液压马达310设置在控制阀17与动臂缸7之间的液压配管7A上，能够安装于上部回转体3内的适当的部位。
由电动发电机300发电的电力作为再生电力经逆变器18C供给至蓄电系统120。由电动发电机300和逆变器18C构成负载驱动系统。
另外，本实施方式中，用于检测动臂4的角度的动臂角度传感器7B安装于动臂4的支承轴。动臂角度传感器7B将检测出的动臂角度θB供给至控制器30。
图3是表示蓄电系统120的结构的块图。蓄电系统120包含作为蓄电器的电容器19、升降压转换器及DC母线110。作为第2蓄电器的DC母线110控制作为第1蓄电器的电容器19、电动发电机12及回转用电动机21之间的电力授受。电容器19上设置有用于检测电容器电压值的电容器电压检测部112和用于检测电容器电流值的电容器电流检测部113。通过电容器电压检测部112和电容器电流检测部113检测的电容器电压值和电容器电流值被供给至控制器30。
升降压转换器100按照电动发电机12、电动发电机300及回转用电动机21的运行状态，进行切换升压动作与降压动作的控制，以便将DC母线电压值限制在恒定范围内。DC母线110配设在逆变器18A、18C及20与升降压转换器100之间，进行电容器19、电动发电机12、电动发电机300及回转用电动机21之间的电力的授受。
返回到图2，控制器30为驱动控制混合式挖土机的作为主控制部的控制装置。控制器30由包含CPU(Central Processing Unit)及内部存储器的运算处理装置构成，是通过由CPU执行储存在内部存储器中的驱动控制用程序来实现的装置。
控制器30将从压力传感器29供给的信号转换成速度指令，进行回转用电动机21的驱动控制。从压力传感器29供给的信号相当于表示为了使回转机构2回转而对操作装置26进行操作时的操作量的信号。
控制器30进行电动发电机12的运行控制(电动(辅助)运行或发电运行的切换)，并且通过驱动控制作为升降压控制部的升降压转换器100来进行电容器19的充放电控制。控制器30根据电容器19的充电状态、电动发电机12的运行状态(电动(辅助)运行或发电运行)及回转用电动机21的运行状态(动力运行或再生运行)，进行升降压转换器100的升压动作与降压动作的切换控制，由此进行电容器19的充放电控制。
该升降压转换器100的升压动作与降压动作的切换控制根据通过DC母线电压检测部111检测的DC母线电压值、通过电容器电压检测部112检测的电容器电压值及通过电容器电流检测部113检测的电容器电流值进行。
在如以上的结构中，作为辅助马达的电动发电机12所发电的电力通过逆变器18A供给至蓄电系统120的DC母线110，通过升降压转换器100供给至电容器19。回转用电动机21再生运行而生成的再生电力通过逆变器20供给至蓄电系统120的DC母线110，通过升降压转换器100供给至电容器19。并且，动臂再生用电动发电机300所发电的电力通过逆变器18C供给至蓄电系统120的DC母线110，通过升降压转换器100供给至电容器19。
通过分解器22检测回转用电动机21的转速(角速度ω)。并且通过设置在动臂4的支承轴的回转式编码器等动臂角度传感器7B检测动臂4的角度(动臂角度θB)。
本实施方式中，当需要进行电容器19的放电时，从电容器19向动臂再生用马达300供给电力来驱动液压马达310，由此消耗来自电容器19的电力。由此，可以通过将电容器19的电压降低至预先规定的较低电压来进行放电。
图4是表示用于进行放电的液压回路的图。进行放电时，首先从控制器30向逆变器18C发送用于为了放电而驱动动臂再生用马达300的控制信号。若接收控制信号，则逆变器18C将从蓄电系统120供给的电容器19的电力供给至动臂再生用马达300。由此驱动动臂再生用马达300，液压马达310通过驱动力旋转。
在此，进行放电时，电动发电机300作为电动机发挥作用，动臂再生用液压马达310相当于通过电动发电机300驱动的液压负载。当然，进行放电时，不进行基于动臂再生用液压马达310的再生。因此，进行放电时，呈控制阀17关闭，且再生阀320也关闭的状态。若再生阀320关闭，则工作油不会供给至动臂再生用液压马达310。因此，进行放电时，从控制器30向切换阀330发送模式切换信号，驱动切换阀330来切换液压回路。即，驱动切换阀330，由闭环回路连接动臂再生用液压马达310的液压供给端口和液压排出端口。
因此，若切换阀330被切换，则供给至动臂再生用液压马达310的液压供给端口的工作油从液压排出端口排出，排出的工作油再次返回到液压供给端口，动臂再生用液压马达310呈空转的状态。即使在空转的状态下，也需要用于使工作油流动的动力，其动力相当于电动发电机300的驱动力。
如以上，动臂再生用液压马达310通过供给至电动发电机300的来自电容器19的电力进行空转，由此消耗来自电容器19的电力，电容器19的电压下降。当电容器19的电压成为预先设定的电压时，完成放电，停止向电动发电机300供给电力，动臂再生用液压马达310的空转被停止。
电动发电机300及动臂再生用液压马达310为与包含引擎11的驱动系统分离的驱动系统，即使在引擎11不运行(停止的)的状态下，也能够驱动电动发电机300及动臂再生用液压马达310。因此，能够在停止引擎11之后进行放电，即使引擎11为怠速状态，也能够进行放电。
在此，参考图5的流程图对放电处理的一例进行说明。若开始放电处理，则首先在步骤S1中，判定引擎11是否停止。引擎11停止时，处理进入步骤S2。在步骤S2中，放电模式成为ON，首先，模式切换信号供给至切换阀330，切换阀330切换成放电模式。这时，动臂再生用液压马达310不进行液压再生，因此再生阀320关闭。切换阀330切换成放电模式后，控制信号供给至逆变器18C。由此，逆变器18C将来自电容器19的电力供给至电动发电机300，电动发电机300被驱动。通过电动发电机300的驱动，动臂再生用液压马达310被驱动，电动发电机300消耗电力。该电力为从电容器19供给的电力，电容器19的电压通过该放电降低。
接着，在步骤S3中，判定电容器19的电压Vcap是否小于预先设定的电容器目标电压(阈值)Vth。当电容器19的电压Vcap在电容器目标电压(阈值)Vth以上时，重复进行步骤S3的判定。若电容器19的电压Vcap小于电容器目标电压(阈值)Vth，则处理进入步骤S4，放电模式成为OFF。由此，停止向电动发电机300供给电力，动臂再生用液压马达310停止，完成放电。因此，在步骤S5中将施工机械的电源(主开关)设为OFF而结束放电处理。这样，若将电源设为OFF，则停止向转换器、逆变器发送控制信号。
另一方面，若在步骤S1中判定为引擎11没有停止，则处理进入步骤S6。步骤S6中，判定引擎11是否在怠速运行中。若判定为引擎11在非怠速运行中，则处理返回到步骤S1，从最开始重复放电处理。若在步骤S6中判定为引擎11在怠速运行中，则处理进入步骤S7。步骤S7～步骤S9的处理与上述的步骤S2～步骤S4的处理相同。
在此，怠速运行是指，未施加向主泵的负载时的引擎的运行状态。并且，作为怠速运行，也可以为在未向主泵施加负载的状态下，以引擎转速设定成低于工作时转速的怠速时转速旋转时的引擎的运行状态。
即，在步骤S7中，放电模式成为ON，首先，模式切换信号供给至切换阀330，切换阀330切换成放电模式。这时，由于动臂再生用液压马达310不进行液压再生，因此再生阀320关闭。切换阀330切换成放电模式后，控制信号供给至逆变器18C。由此，逆变器18C将来自电容器19的电力供给至电动发电机300，电动发电机300被驱动。通过电动发电机300的驱动，动臂再生用液压马达310被驱动，电动发电机300消耗电力。该电力为从电容器19供给的电力，电容器19的电压通过该放电降低。
接着，在步骤S8中，判定电容器19的电压Vcap是否小于预先设定的电容器目标电压(阈值)Vth。当电容器19的电压Vcap在电容器目标电压(阈值)Vth以上时，重复进行步骤S8的判定。若电容器19的电压Vcap小于电容器目标电压(阈值)Vth，则处理进入步骤S9，放电模式成为OFF。由此，停止向电动发电机300供给电力，动臂再生用液压马达310停止，完成放电。若在步骤S9中完成怠速运行中的放电处理，则处理返回到步骤S1。根据返回到步骤S1来判定是否不处于怠速运行中且引擎11已停止，因此能够接着进行引擎11停止时的放电处理。
在以上的放电处理中，即使引擎11在怠速运行中时，也通过动力运行动臂再生用电动发电机300来进行放电，但是当引擎11在怠速运行中时，还能够利用作为辅助马达的电动发电机12来进行放电。
在此，参考图6对利用电动发电机12进行放电的处理进行说明。在图6中，对与图5所示的步骤相同的步骤附加相同的步骤号码，并适当省略其说明。
图6所示的放电处理中与图5所示的放电处理的不同点为，引擎11的怠速运行中的放电并非成为图5所示的步骤S7的处理，而是成为图6所示的步骤S11的处理。在步骤S7的处理中，通过驱动动臂再生用马达300来进行放电，但在步骤S11的处理中，通过驱动直接连接于引擎11的作为辅助马达的电动发电机12来进行放电。当引擎11怠速运行时，电动发电机12也旋转，能够通过动力运行电动发电机12并辅助引擎11的怠速运行来消耗电力。
因此，图6所示的放电处理中，若在步骤S6中判定为引擎11在怠速运行中，则处理进入步骤S11。在步骤S11中，放电模式成为ON，首先，控制信号供给至逆变器18A。由此，逆变器18A将来自电容器19的电力供给至电动发电机12，电动发电机12被驱动，通过电动发电机12的驱动辅助引擎11的怠速运行。电动发电机12消耗与该辅助的量相应的从电容器19供给的电力，由此电容器19的电压下降。
这样，通过利用电动发电机12来进行放电，不仅只消耗来自电容器19的电力，而且还辅助引擎11的怠速运行。由于引擎11能够减少与被辅助的量相应的输出，因此能够降低怠速运行中的耗油量。
接着，在步骤S8中，判定电容器19的电压Vcap是否小于预先设定的电容器目标电压(阈值)Vth。当电容器19的电压Vcap在电容器目标电压(阈值)Vth以上时，重复进行步骤S8的判定。若电容器19的电压Vcap小于电容器目标电压(阈值)Vth，则处理进入步骤S12，放电模式成为OFF。由此，停止向电动发电机12供给电力，电动发电机12停止动力运行，完成放电。在步骤S12中，若完成怠速运行中的放电处理，则处理返回到步骤S1。
上述实施方式中，利用回转用电动机21作为驱动回转机构2的驱动源，但是如图7所示，也可通过回转液压马达40驱动回转机构2。即，图7所示的结构中，设置连接于控制阀17的回转液压马达40来代替包含图2所示的回转用电动机21的负载驱动系统，成为整个驱动部通过液压工作的结构，本发明还能够应用于这种结构的混合式挖土机中。在图7中，对与图2所示的结构组件相同的组件附加相同的符号而省略其说明。
图7所示的结构的混合式挖土机中，通过引擎11的剩余输出由电动发电机12发电的发电电力及通过动臂再生用马达300发电的发电电力蓄电在蓄电系统120中。蓄电在蓄电系统120中的蓄电电力用于辅助引擎11的输出。
并且，本发明还能够应用于设置回转液压马达40减速时产生再生电力的回转液压再生机构的结构中。图8是表示基于设置有回转液压再生机构的第2实施方式的混合式挖土机的驱动系统的结构的块图。在图8中，对与图7所示的结构组件相同的组件附加相同的符号而省略其说明。
回转液压再生机构包含可由从回转液压马达40排出的工作油驱动的回转再生用液压马达410与通过回转再生用液压马达410驱动的电动发电机(回转再生用马达)400。电动发电机400通过逆变器18B连接于蓄电系统120。电动发电机400所发电的再生电力从逆变器18B供给至蓄电系统120。并且，电动发电机400作为通过从逆变器18B供给的电力驱动的电动机发挥作用。若电动发电机400进行动力运行，则回转再生用液压马达410被驱动。在回转再生用液压马达410的液压回路上设置有具有与上述切换阀330相同功能的切换阀，若设定为放电模式，则将回转再生用液压马达410和罐设为非连接状态并构成循环回路，由此能够使回转再生用液压马达410进行空转。
与上述第1实施方式中的电动发电机300相同，能够在进行放电时利用本实施方式中的电动发电机400。即，若放电模式成为ON，则回转再生用液压马达410可空转，电容器19的电力通过逆变器18B供给至电动发电机400。由此，电动发电机400进行动力运行并驱动回转再生用液压马达410，由此能够消耗电容器19的电力，并降低电容器19的电压。
另外，上述实施方式中，对在将引擎11和电动发电机12连接于作为液压泵的主泵14来驱动主泵的所谓并联型混合式挖土机中应用本发明的例子进行了说明。本发明还能够应用于如图9所示由引擎11驱动电动发电机12且将电动发电机12所生成的电力蓄积在蓄电系统120后仅通过蓄积的电力驱动泵用电动机500来驱动主泵14的所谓串联型混合式挖土机。这时，电动发电机12具备作为只进行在本实施方式中通过由引擎11驱动来进行的发电运行的发电机的功能。
以上说明的实施方式中，作为用于放电的电动机，利用动臂再生用马达(电动发电机)300或回转再生用马达(电动发电机)400。这是因为通过利用现有电动发电机而无需新设置放电用电动机。但是，也可新设置专用放电用电动机。这时，将放电用液压马达连接于液压回路，将放电用电动机连接于该放电用液压马达。由于新设置专用放电用电动机，因此放电用电动机具有作为电动机的功能即可，无需作为电动发电机。
基于本发明的工作机械不限于上述的实施方式，也可进行其他各种变形。例如，上述实施方式中作为工作机械对混合式挖土机进行了说明，但也可将本发明应用于轮式装载机、推土机、起重机等其他工作机械。

Claims (7)

1.一种混合式工作机械，其具有：
引擎；
辅助所述引擎的辅助马达；
通过所述引擎驱动的液压泵；
将电力供给至所述辅助马达的蓄电装置；
通过所述蓄电装置的蓄电器的电力进行动力运行的放电用电动机；
连结于所述放电用电动机的放电用液压马达；及
驱动控制所述放电用液压马达的液压回路，其特征在于，
所述液压回路包含连接于所述放电用液压马达的液压供给端口和液压排出端口的循环回路，并且，包含进行放电处理时以所述放电用液压马达连接于所述循环回路的方式切换的切换阀。
2.如权利要求1所述的混合式工作机械，其特征在于，
所述放电用电动机对应所述切换阀的动作而进行动力运行。
3.如权利要求2所述的混合式工作机械，其特征在于，
所述放电用电动机在结束所述混合式工作机械的运行时进行所述动力运行。
4.如权利要求3所述的混合式工作机械，其特征在于，
当所述引擎进行怠速运行时，动力运行所述辅助马达来消耗来自所述蓄电装置的电力。
5.如权利要求3所述的混合式工作机械，其特征在于，
当所述引擎进行怠速运行时，动力运行所述放电用电动机来消耗来自所述蓄电装置的蓄电器的电力。
6.如权利要求1至5中任一项所述的混合式工作机械，其特征在于，
所述放电用液压马达为动臂再生用液压马达，所述放电用电动机为机械地连接于所述动臂再生用液压马达的动臂再生用电动发电机。
7.如权利要求1至5中任一项所述的混合式工作机械，其特征在于，
所述放电用液压马达为回转再生用液压马达，所述放电用电动机为机械地连接于所述回转再生用液压马达的回转再生用电动发电机。
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