CN102668313B

CN102668313B - 混合动力用电力转换装置

Info

Publication number: CN102668313B
Application number: CN201080058962.2A
Authority: CN
Inventors: 金春泽; 朴哲奎
Original assignee: Doosan Infracore Co Ltd
Current assignee: Hyundai Doosan Infracore Co Ltd
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: KR20110073646A; EP2518858A4; CN102668313A; WO2011078575A3; EP2518858B1; WO2011078575A2; EP2518858A2; US20120267902A1; US8742606B2; KR101599555B1

Abstract

本发明为了防止因DC链路电容或超电容彼此直接连接而一方已完全放电或充电电压互不相同时所产生的冲击电流，而初始起动时通过DC链路电容以及超电容之间的切换使各电压相互一致并在结束初始充电之后驱动负载马达，从而初始起动时能够与储电装置的充-放电状态无关地安全地进行初始化。

Description

混合动力用电力转换装置

技术领域

本发明涉及混合动力用电力转换装置，详细地讲，涉及防止在由于DC链路电容或超电容彼此直接连接而一方已完全放电或充电电压互不相同时产生的冲击电流，从而在初始起动时能够与储电装置的充-放电状态无关地安全地进行初始化的混合动力用电力转换装置。

背景技术

最近在油价急剧地上升的同时，积极地进行对于将发动机的剩余动力存储在蓄电池中并从蓄电池供给发动机的不足的动力从而改善了单位油量的行驶公里数的混合动力形态的工程机械的研究。

这种将发动机和电动马达用作共用动力源并具有电能储存装置的系统称之为混合动力系统。例如，在混合动力系统中有混合动力汽车和如挖掘机的重型设备用混合动力系统。

另一方面，通常的挖掘机系统将发动机用作动力源并通过称之为液压的媒介进行使最终负载即动臂、小臂以及铲斗旋转或行驶的动作。与此相反，混合动力挖掘机系统在通常的挖掘机上追加设置两个马达和储电装置，从而能够提高挖掘机系统的整体效率。追加于混合动力挖掘机系统的主要零部件包括马达、储电装置、逆变器（Inverter）以及转换器。这里，储电装置包括蓄电池（Battery）和超电容（Ultra-capacitor）。

图1是具备了现有DC-DC转换器的电力转换装置的构成图。

图1现有的DC-DC转换器具备了的电力转换装置的构成图。

如在图1中所图示，具备了现有的DC-DC转换器的电力转换装置100包括切换模式供电部110、逻辑控制板120、发动机辅助马达逆变器130、负载马达逆变器140、DC链路电容150以及DC-DC转换器即超电容转换器160。这里，切换模式供电部110、逻辑控制板120、发动机辅助马达逆变器130、负载马达逆变器140以及超电容转换器160分别与控制板用蓄电池101、挖掘机电气装置102、发动机辅助马达103、负载马达104以及超电容105相连。

切换模式供电部（SMPS：Switched-Mode Power Supply）110与控制板用蓄电池101连接而向逻辑控制板120供电。

逻辑控制板120执行检测超电容105的电压和DC链路电容150的电压并控制初始驱动逻辑的功能。

发动机辅助马达逆变器130执行通过发动机辅助马达103对DC链路电容150进行充电的功能。这里，发动机辅助马达103与发动机直接连接，并在发动机驱动时以与发动机相同的转数（rpm）旋转。

负载马达逆变器140执行若超电容105的电力接触器成为接通（ON）状态，则按照所充电的电压驱动负载马达104的功能。这里，负载马达104对用于进行挖掘机的作业的驱动零部件中可使用电气动力的驱动零部件提供所需动力。

DC链路电容150由发动机辅助马达逆变器130而转换的DC电压进行充电。DC链路电容150与超电容转换器160相连。

超电容转换器160执行利用存储于DC链路电容150的电能对超电容105进行充电的功能。超电容转换器160连接在DC链路电容150与超电容105之间。这里，超电容105以由超电容105转换的电压进行充电。

具备了具有这种构成的DC-DC转换器的电力转换装置100包括驱动马达的逆变器（例如，发动机辅助马达逆变器130）以及负载马达逆变器140和驱动超电容的转换器（例如，超电容转换器160）。这里，就超电容转换器160而言，在转换要对超电容105进行充电的DC链路的电压的过程中伴随动作损失。若无这种转换器则电力转换装置100能够具有各种优点。

第一、与现有的具备了DC-DC转换器的电力转换装置相比，无转换器（Converter Less）电力转换装置可提高系统效率。这是因为少了与在超电容160产生的损失相应的损失之故。

第二、可缩小电力转换装置100的大小。电力转换装置无需DC-DC转换器用感应器、可快速转换的绝缘栅双极型晶体管（IGBT：Insulated gate bipolartransistor）、以及电流计测用电流互感器（CT：Current Transformer）。因而，无需这种转换器用感应器、IGBT、以及CT所占的面积，从而减小电力转换装置100的大小。

第三、可节减用于制作电力转换装置100的费用。能够以无转换器用感应器、IGBT、以及CT构造制作电力转换装置100。

这样，在使用如超电容105的电能存储装置而不使用转换器的情况下，现有的电力转换装置100具有能够减少损失的优点。

但在使DC链路电容150和超电容105彼此直接连接的情况下，在超电容转换器160已放电时或与DC链路的电压相差较大而需要充电超电容105时会产生冲击电流。在电力转换装置100初始起动的情况下、在某一方已完全放电或充电电压互不相同的情况下、在通过能量再生使得超电容105充电时超电容105的电压较低情况下会产生这种冲击电流。即、从现有的电力转换装置100单纯地删除DC-DC转换器时存在零部件在初始起动时或超电容105充电时因冲击电流而被破损的问题。因此，实际情况是迫切地要求进行解决因这种冲击电流而引起的问题的技术开发。

发明内容

技术课题

本发明是为了解决上述的问题而研究出的，其目的在于提供一种实现电力转换装置的小型化和制造费用节减，并且超电容充电时能够免遭冲击电流所带来的损伤的混合动力用电力转换装置。

为此，根据本发明的混合动力用电力转换装置，其特征是包括：位于与发动机辅助马达连接的第一逆变器、和与连接于负载马达连接的第二逆变器之间，且用于蓄积在上述发动机辅助马达产生的电能的第一蓄电机构；用于对蓄积于上述第一蓄电机构的电能、从上述发动机辅助马达发电的电能以及通过上述负载马达的发电驱动而发电的电能进行蓄电的第二蓄电机构；位于上述第一蓄电机构与第二蓄电机构之间，且将蓄积于上述第一蓄电机构的电能充电到上述第二蓄电机构的初始充电机构；用于对上述初始充电机构与上述第二蓄电机构之间的连接、上述第二蓄电机构与负载马达之间的连接分别进行切换的切换机构；以及使在上述第一和第二蓄电机构分别检测出的第一和第二蓄电电压在初始起动时相互一致，并为了连接上述负载马达和上述第二蓄电机构而控制上述切换机构的初始充电控制机构。

发明效果

本发明为了防止因DC链路电容或超电容彼此直接连接而一方已完全放电或充电电压互不相同时所产生的冲击电流，而初始起动时使DC链路电容和超电容的电压相互一致之后驱动负载马达，因而具有初始起动时能够与储电装置的充-放电状态无关地安全地进行初始化的效果。

即、本发明由于不使用转换器且DC链路电容或超电容彼此直接连接，因而具有能够防止一方已完全放电而或充电电压互不相同时产生的冲击电流，且初始起动时能够与储电装置的充-放电状态无关地安全地进行初始化的效果。

另外，本发明由于无需具备DC-DC转换器用感应器、IGBT以及CT因而具有能够缩小整个电力转换装置的大小的效果。

另外，本发明由于具备转换器因而具有能够降低所需费用的效果。

附图说明

图1是具备了现有DC-DC转换器的电力转换装置的构成图。

图2是根据本发明的混合动力用电力转换装置的一实施例的构成图。

图3a和图3b是根据本发明的对于在DC链路充电模式和UC充电模式中的初始充电动作的一实施例的说明图。

图4是根据本发明的对于DC链路和超电容的初始充电方法的一实施例的流程图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明根据本发明的实施例。本发明的构成及通过它的作用效果将通过下面的详细说明清楚。在本发明的详细说明需要注意的是，对于相同的构成要素即便在其它附图中表示也尽可能以相同的符号表示，对于公知的构成在判断为有可能使本发明的要旨模糊的情况下，省略具体说明。

如在图2中所图示，根据本发明的无DC-DC转换器的电力转换装置200包括由切换模式供电部210供给到电源的初始充电控制部220、发动机辅助马达逆变器230、负载马达逆变器240、直流链路（DC link：Direct Current link）电容250、初始充电部260、初始充电用小容量继电器（SR1、SR2）270以及大电流接通用大容量接触器（MC1、MC2）280。超电容290通过初始充电用小容量继电器（SR1、SR2）270和大电流接通用大容量接触器（MC1、MC2）280与电力转换装置200相连。这里，切换模式供电部210、初始充电控制部220、发动机辅助马达逆变器230、负载马达逆变器240分别与蓄电池101、挖掘机电气装置102、发动机辅助马达103以及负载马达104相连。初始充电用小容量继电器（SR1、SR2）270可被包含在超电容290。图2中作为提供设备的旋转驱动动力的负载马达一例图示有使用蓄积于上述超电容290的电而驱动的负载马达104。但本发明未必限定于此，在与向安装于设备上的各种作业装置提供动力的装置（在挖掘机的情况下是用于提供液压的泵）连接的马达中，只要是能够使用蓄积于超电容的电的马达则可适用任何马达。在该情况下，若是马达因作业装置的惯性而反向驱动从而执行发电的功能的情况，则所发电的电经直流链路能够对超电容充电。

下面对无DC-DC转换器电力转换装置200和超电容290的各构成要素进行说明。

切换模式供电部（SMPS：Switched-Mode Power Supply）210与控制板用蓄电池101相连而向初始充电控制部220供电。

初始充电控制部220执行检测超电容290的电压和DC链路电容250的电压，并控制初始驱动逻辑的功能。即、初始充电控制部220按照下述的[表1]和图4控制初始充电用小容量继电器（SR1、SR2）270和大电流接通用大容量接触器（MC1、MC2）280使得初始起动时DC链路电容250的电压与超电容290的电压一致，以免在DC链路电容250与超电容290之间产生冲击电流。

发动机辅助马达逆变器230执行通过发动机辅助马达103对DC链路电容250进行充电的功能。这里，发动机辅助马达103与发动机直接连接，初始起动时以与发动机相同的转数（rpm）旋转。

若超电容290的大容量接触器（MC1、MC2）280成为接通（ON）状态，则负载马达逆变器240按照所充电的电压驱动负载马达104。

DC链路电容250以由发动机辅助马达逆变器230而转换的DC电压充电。DC链路电容250与初始充电部260相连。

初始充电部260对超电容290进行充电。初始充电部260连接于DC链路电容250与超电容290之间。这里，超电容290以由初始充电部260而转换的电压充电。理想的是，初始充电部260可由初始充电用小容量DC-DC转换器构成。

另一方面，超电容290与DC链路电容250相连，初始充电部260位于其间。就超电容290而言，按照由初始充电控制部220而控制的初始充电用小容量继电器（SR1、SR2）270和大电流接通用大容量接触器（MC1、MC2）280的动作使超电容290的电压与DC链路电容250的电压一致。

初始充电用小容量继电器（SR1、SR2）270执行按照初始充电控制部220的控制将通过初始充电部260转换的DC链路电容250的电压向超电容290传递或断开该传递的功能。

大电流接通用大容量接触器（MC1、MC2）280在初始起动时维持断开（OFF）状态，一旦通过初始充电控制部220的控制DC链路电容250的电压与超电容290的电压一致，则变更为接通（ON）状态使得对超电容290充电的电压通过负载马达逆变器240向负载马达104传递。

下面参照下面的[表1]具体地观察初始起动时在初始充电控制部220的控制过程，根据本发明的无转换器电力转换装置200包括两个电能存储装置即DC链路电容250和超电容290。为了抑制在两个电能存储装置之间产生冲击电流，DC链路电容250和超电容290根据充电和放电状态依次初始化。

首先，初始充电控制部220检测DC链路电容250的电压和超电容290的电压。初始充电控制部220根据检测的电压并按照下面的[表1]区分DC链路电容250和超电容290的充电状态。即、初始充电控制部220判别DC链路电容250和超电容290的电压状态。

表1

这里，基准电压表示初始发动机起动时发动机辅助发电马达103的输出电压。在上述[表1]，DC链路电容250和超电容290的充电状态可区分为4种。

第一、在DC链路电容250的电压落在0V至基准电压内且超电容290的电压为0V至基准电压的情况下，初始充电控制部220将DC链路电容250自然地充电至基准电压。而且，初始充电控制部220使小容量继电器（SR1和SR2）270维持接通（ON）而将超电容290充电至基准电压即DC链路电容250的电压。

第二、在DC链路电容250的电压落在基准电压至最大电压内且超电容290的电压为0V至基准电压的情况下，初始充电控制部220将DC链路电容250作为基准电压而进行电压控制。即、若DC链路电容250的电压高于基准电压，则初始充电控制部220控制小容量继电器（SR1和SR2）270使得DC链路电容250的电压降低。而且，初始充电控制部220使小容量继电器（SR1和SR2）270维持接通（ON）状态而将超电容290充电至基准电压。

第三、在DC链路电容250的电压落在基准电压至最大电压内且超电容290的电压为0V至基准电压的情况下，初始充电控制部220进行电压控制使得DC链路电容250的电压与超电容290的电压一致。此时，初始充电控制部220不控制超电容290的电压。

第四、在DC链路电容250的电压落在基准电压至最大电压且超电容290的电压为基准电压至最大电压的情况下，初始充电控制部220进行电压控制使得DC链路电容250的电压与超电容290的电压一致。此时，初始充电控制部220不控制超电容290的电压。

初始充电控制部220按照上述[表1]进行电压控制使得DC链路电容250的电压与超电容290的电压一致。即、初始充电控制部220以基准电压为基准来区分DC链路电容250的电压和超电容290的电压位于哪一侧而对DC链路电容250或超电容290进行电压控制。

这种电压控制过程由DC链路电容250的充电模式和超电容290的充电模式构成。小容量继电器270和大容量接触器280在DC链路电容250的充电模式维持断开（OFF）状态。DC链路电容250的电压通过发动机辅助马达逆变器230充电。相反，小容量继电器270在超电容290的充电模式维持接通（ON）状态，而大容量接触器280维持断开（OFF）。超电容290的电压通过初始充电部260充电。

区分为根据本发明的DC链路充电模式和UC充电模式进行说明。

第一、在DC链路电容250充电模式中，发动机辅助马达103在初始起动时随着发动机以初始转数（rpm）旋转而自动进行发电动作从而生成与初始转数（rpm）相应的电压。此时，在DC链路电容250的电压低于该发电电压的情况下，由于该电压差使得内装于发动机辅助马达逆变器（下面称之为第一逆变器）230的电源设备（Power Device）的二极管自然地成为接通状态。这样一来，以与所发电的电压相应的电压对DC链路电容250的电容进行充电。这里，发动机在初始起动时以初始转数（rpm）旋转作为重要的要素起作用。小容量继电器（SR1、SR2）270和大电流接通用大容量接触器（MC1、MC2）280在DC链路充电模式维持断开（OFF）状态。

第二、观察超电容290充电模式，在DC链路电容250充电模式维持断开状态的小容量继电器（SR1、SR2）270变更为接通（ON）状态，而大电流接通用大容量接触器（MC1、MC2）280维持断开（OFF）状态。这样一来，在DC链路电容250充电模式被充电的DC链路电容250通过初始充电部260和变更为接通（ON）状态的小容量继电器（SR1、SR2）270而对超电容290进行充电。这里，大电流接通用大容量接触器（MC1、MC2）280维持断开（OFF）状态。

即、DC链路电容250通过第一逆变器230充电，超电容290通过DC链路电容250、初始充电部260以及小容量继电器（SR1、SR2）270充电。

此后，若DC链路电容250和超电容290的充电结束，则初始充电控制部220将大电流接通用大容量接触器（MC1、MC2）280变更为接通（ON）状态而结束初始充电过程。

驾驶员进行挖掘机电气装置102的接通（Key On）而初始起动时发动机以初始转数（rpm）旋转。接着，发动机辅助马达103随着发动机在初始起动时以初始转数（rpm）旋转而自动进行发电动作从而生成与初始转数（rpm）相应的电压。此时，在DC链路电容250的电压低于发电电压的情况下，由于该电压差使得内装于第一逆变器230的电源设备（Power Device）的二极管自然地成为接通状态。这样一来，以与所发电的电压相应的电压对DC链路电容250的电容进行充电（402）。这里，基准电压表示初始起动时随发动机空转（idle）速度的充电电压。

初始充电控制部220确认从超电容290检测的超电容290的电压是否不到基准电压（404）。

上述确认结果（404），若超电容290的电压不到基准电压，则初始充电控制部220使超电容290的电压与基准电压一致地进行充电（406）。

而且，初始充电控制部220确认超电容290的电压是否为基准电压以上（408）。

上述确认结果（408），若超电容290的电压是基准电压以上，则初始充电控制部220将大容量接触器280连接成接通（ON）状态（410）。相反，若超电容290的电压不到基准电压，则初始充电控制部220从以基准电压对超电容290进行充电的“406”过程开始重新进行。

另一方面，上述确认结果（404），若超电容290的电压是基准电压以上，则初始充电控制部220使DC链路电容250与超电容290的电压一致地进行充电（412）。

而且，初始充电控制部220确认DC链路电容250的电压是否为超电容290的电压以上（414）。

上述确认结果（414），若DC链路电容250的电压是超电容290的电压以上，则初始充电控制部220进行将大容量接触器280连接成接通（ON）状态的“410”过程。相反，若DC链路电容250的电压不到超电容290的电压，则初始充电控制部220从使DC链路电容250的电压与超电容290的电压一致地充电的“412”过程开始重新进行。

以上的说明不过是例示性地说明了本发明而已，本领域技术人员在不超出本发明的技术思想的范围内可进行各种变形。因此，本发明的说明书中所公开的实施例并非限定本发明。本发明的范围应由下述的权利要求书的范围解释，并应解释为落在与其等同的范围内的所有技术也包括在本发明的范围。

产业上利用可能性

本发明防止DC链路电容或超电容中一方已完全放电或充电电压互不相同时产生的冲击电流，从而在初始起动时与储电装置的充-放电状态无关地安全地进行初始化，因而能够更加激活当前的电力转换装置。

Claims

1.一种混合动力用电力转换装置，其特征在于，包括：

位于与发动机辅助马达连接的第一逆变器、和与负载马达连接的第二逆变器之间，且用于对在上述发动机辅助马达产生的电能进行蓄积的第一蓄电机构；

用于对蓄积于上述第一蓄电机构的电能、从上述发动机辅助马达发电的电能以及通过上述负载马达的发电驱动而发电的电能进行蓄电的第二蓄电机构；

位于上述第一蓄电机构与第二蓄电机构之间，且将蓄积于上述第一蓄电机构的电能充电到上述第二蓄电机构的初始充电机构；

用于对上述初始充电机构与上述第二蓄电机构之间的连接、上述第二蓄电机构与负载马达之间的连接分别进行切换的切换机构；以及

使在上述第一和第二蓄电机构分别检测出的第一和第二蓄电电压在初始起动时相互一致，并为了连接上述负载马达和上述第二蓄电机构而控制上述切换机构的初始充电控制机构，

上述切换机构包括：

用于切换上述初始充电机构与上述第二蓄电机构之间的连接以便对上述第二蓄电机构进行充电的第一切换机构；以及

用于切换上述第二蓄电机构与上述负载马达之间的连接以便驱动上述负载马达的第二切换机构。

2.根据权利要求1所述的混合动力用电力转换装置，其特征在于，

上述初始充电控制机构将上述检测出的第一和第二蓄电电压在初始起动时与按照发动机空转速度的规定的充电电压相比较，并根据上述检测出的第一与第二电压的比较结果使上述检测出的第一和第二蓄电电压相互一致。

3.根据权利要求2所述的混合动力用电力转换装置，其特征在于，

上述初始充电控制机构根据上述检测出的第一与第二电压的比较结果，若上述检测出的第二电压不到上述规定的充电电压，则利用上述第二切换机构而将上述第二蓄电机构充电至上述规定的充电电压，若上述检测出的第二电压为上述规定的充电电压以上，则将上述第一蓄电机构充电至上述检测出的第二电压。

4.根据权利要求2所述的混合动力用电力转换装置，其特征在于，

上述初始充电控制机构根据上述检测出的第一与第二电压的比较结果进行电压控制使得上述第一和第二蓄电机构的电压达到上述规定充电电压或上述检测出的第二电压。

5.根据权利要求2所述的混合动力用电力转换装置，其特征在于，

上述初始充电控制机构根据上述检测出的第一与第二电压的比较结果，利用上述第二切换机构而将上述第二蓄电机构充电至上述检测出的第一电压或规定电压。