CN103370518A - 动力源装置及具备该动力源装置的混合动力工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明在通常作业时和上述高负荷压力条件下的液压泵的连续运转时，分别决定最合适的液压泵的最大输入的设定值。其具有：控制器，进行基于第一特性及第二特性和由泵压力检测器检测到的排出压力而决定液压泵的流量的马力控制，所述第一特性及第二特性利用液压泵的排出压力和液压泵的流量定义液压泵的最大输入的设定值，控制器在排出压力低于设定压力时、以及排出压力为设定压力以上的状态未持续设定时间时，基于第一特性决定流量，在排出压力为设定压力以上的状态持续了设定时间时，基于第二特性决定流量。

Description

动力源装置及具备该动力源装置的混合动力工程机械
技术领域
本发明涉及并用发动机的动力和蓄电器的电力的混合动力工程机械的动力源装置。
背景技术
以挖掘机为例说明背景技术。
在仅以发动机为动力源的通常的挖掘机中，进行对应于液压泵的负荷压力(液压泵的排出压力)而控制液压泵的流量的马力控制。上述马力控制按照图4所示的特性而进行。具体而言，图4所示的特性被设定成在控制开始压力(图4中的A的压力区间)下成为最大流量，在最高压力(泄放压力(reliefpressure))下成为最小流量。
在图4所示的特征中，液压泵的最大输入的设定值被设定为发动机的最大输出以下，以使发动机不超负荷。具体而言，液压泵的最大输入的设定值被设定成成为比发动机的最大输出小大致一定值的值。
即，在图4所示的特征中，以下的关系成立。
发动机的最大输出>液压泵的最大输入=液压泵的排出压力×流量
(此处，省略效率和系数)
另外，关于液压泵的流量的控制，一般而言，并用流量控制和上述马力控制。具体而言，选择流量控制和马力控制所分别算出的流量中较低的流量，并指示液压泵的调节器。上述流量控制是对应于操作液压致动器的操作装置的操作量(以下有时称为杆操作量)而控制液压泵的流量的控制方式。
上述流量控制中，在操作装置中立的状态下被设定为待命（standby）流量(考虑开始动作的系统响应性而决定的流量)，另一方面，在操作装置被操作为全行程的状态下被设定为最大流量。
与此相对，上述马力控制中，在控制开始压力下被设定为最大流量，另一方面，在泄放压力下被设定为最小流量。
因而，在上述压力区间A中，被指示的液压泵的流量由对应于操作装置的操作量的流量控制来决定，在超过该区间A的液压泵的压力范围中，被指示的液压泵的流量由马力控制来决定。
另一方面，混合动力挖掘机包括：驱动液压致动器的液压泵；能够作为发电机和电动机而动作的发电电动机；以及用于连接液压泵和发电电动机的发动机。在该混合动力挖掘机中，通过发电电动机的作为发电机的动作，蓄电器被充电，并且通过该蓄电器的放电力，发电电动机作为电动机而动作，从而辅助液压泵的驱动。
为了维持通常挖掘机的机械性能，该混合动力挖掘机中的液压泵的流量特性被设定成基本与通常挖掘机相同。
但是，如上所述，混合动力挖掘机中的发动机的动力还被加上发电电动机(蓄电器)的辅助量。因此，如图5所示，考虑到上述辅助量，混合动力挖掘机中的发动机的最大输出被设定成比通常挖掘机的发动机的最大输出低的值(通常为平均动力。以下对该情况进行说明)。
即，在图5所示的特征中，成立以下关系。
发动机的最大输出<液压泵的最大输入
并且，在图5所示的特征中，还成立以下关系。
(发动机最大输出+最大辅助力)>液压泵的最大输入
在该混合动力挖掘机中，存在以下两个固有的问题点。第一，在蓄电器的充电量减少时，上述辅助能力降低，且在蓄电器的充电量的剩余量小于极限时，辅助能力丧失。由此，发动机超负荷，有熄火的可能。
第二，在进行频繁的高电平的充放电时，蓄电器的劣化加剧。
作为这些问题的对策，提出有对应于蓄电器的充电量而限制液压泵的最大输入的技术（例如参照专利文献1）。
上述专利文献1所记载的控制是对应于蓄电器的充电量的减少而限制液压泵的最大输入，并抑制放电的进行和急剧的充放电的所谓对症疗法的控制。因此，在蓄电器的消耗（放电）平缓的通常作业时，专利文献1所记载的控制是有效的。
可是，在寒冷时的发动机刚起动后的暖机运转时或岩石的挖掘作业时那样的高负荷压力（特别是泄放压力）条件下，在连续运转液压泵的情况下，即，在液压泵连续地全力运行的情况下，蓄电器以高电平急速地消耗（放电）。在如此的状况下，即使进行专利文献1所记载的控制，也无法抑制蓄电器的消耗，蓄电器的辅助能力急速地降低。由此，其后的通常作业时成为辅助能力不足或无法辅助的状态，给作业带来障碍。
专利文献1：日本专利公开公报特开2005-83242号
发明内容
本发明的目的在于，提供一种混合动力工程机械的动力源装置，其能够在通常作业时和上述高负荷压力条件下的液压泵的连续运转时，分别决定最合适的液压泵的最大输入的设定值。
为了解决上述课题，本发明提供一种动力源装置，是液压致动器的动力源装置，用于混合动力工程机械，包括：液压泵，驱动所述液压致动器；发电电动机，能够作为发电机和电动机而动作；发动机，与所述液压泵和所述发电电动机连接；蓄电器，通过所述发电电动机的作为发电机的动作而被充电，并且，能够对所述发电电动机供应已充电的电力，使得所述发电电动机作为电动机动作从而辅助液压泵的驱动；泵压力检测器，检测所述液压泵的排出压力来作为所述液压泵的负荷压力；以及控制器，进行基于第一特性及第二特性和由所述泵压力检测器检测到的排出压力而决定所述液压泵的流量的马力控制，所述第一特性及所述第二特性利用所述液压泵的排出压力和所述液压泵的流量来定义所述液压泵的最大输入的设定值，其中，所述第一特性被设定成，在所述液压泵的排出压力的整个压力范围内，泵最大输入大于发动机最大输出；所述第二特性被设定成，液压泵的最大输入的设定值在所述排出压力为预先设定的基准压力的状态下大于所述发动机的最大输出，随着所述排出压力从所述基准压力向高压变化而逐渐减小，在所述排出压力为最高压力的状态下小于所述发动机最大输出；所述控制器(i)在所述泵压力检测器所检测出的排出压力低于设定压力时、以及所述排出压力为设定压力以上的状态未持续设定时间时，基于所述第一特性决定所述流量；(ii)在所述排出压力为设定压力以上的状态持续了设定时间时，基于所述第二特性决定所述流量。
另外，本发明提供具备液压致动器和对所述液压致动器供应动力的所述动力源装置的混合动力工程机械。
根据本发明，能够在通常作业时和上述高负荷压力条件下的液压泵的连续运转时，分别决定最合适的液压泵的最大输入的设定值。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的动力源装置的整体结构的框图。
图2是表示液压泵的排出压力与液压泵的流量的关系的曲线图。
图3是用于说明由图1的控制装置执行的处理的流程图。
图4是表示通常挖掘机中的液压泵的排出压力与液压泵的流量的关系的曲线图。
图5是表示以往的混合动力挖掘机中的液压泵的排出压力与液压泵的流量的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，以下的实施方式是将本发明具体化的一个例子，并不具有限定本发明的技术范围的性质。
参照图1至图3说明本发明所涉及的实施方式。实施方式以混合动力挖掘机作为应用对象。
图1是表示系统整体结构的框图。本实施方式所涉及的混合动力挖掘机包括：液压致动器；驱动液压致动器的液压泵3；能够作为发电机和电动机而动作的发电电动机2；与液压泵3和发电电动机2连接的发动机1；充入用于辅助驱动液压泵3的电力的蓄电器9；用于控制蓄电器9和发电电动机2的逆变器8；检测液压泵3的排出压力的泵压力传感器（泵压力检测器）11；可调节液压泵3的排出量的调节器5；控制对液压致动器的液压油的给排的控制阀6；产生用于使控制阀6动作的先导压力的遥控阀7；检测遥控阀7产生的先导压力的先导压力传感器10；以及控制逆变器8和调节器5的控制装置（控制器）4。
另外，在混合动力挖掘机中，作为对液压泵3供应动力的方式，有所谓并联方式和串联方式。本发明能够应用于两种方式中的任一种。
液压泵3是变量泵。具体而言，液压泵3的倾转通过由控制装置4控制调节器5而变更。由此，液压泵3的排出量（流量）变化。来自液压泵3的液压油经由控制阀6供应至多个液压致动器。液压致动器包含例如挖掘机中的动臂工作缸（boom cylinder）、斗杆工作缸（arm cylinder）、挖斗工作缸（bucket cylinder）、以及行走用液压马达。
调节器5也可以使用根据来自控制装置4的电信号而直接动作的装置。此外，调节器5也可以是利用来自控制装置4的信号使电磁阀动作，并利用来自该电磁阀的液压而动作的装置。
遥控阀7产生对应于其操作量（杆操作量）的先导压力。控制阀6对应于来自遥控阀7的先导压力而动作。并且，控制阀6根据其动作状态，控制对液压致动器的液压油的给排（液压致动器的动作方向和速度）。
发电电动机2经由逆变器8连接于蓄电器9。
逆变器8控制发电电动机2的作为发电机的动作与作为电动机的动作的切换。另外，逆变器8控制相对于发电电动机2的电流或发电电动机2的转矩。并且，逆变器8根据发电电动机2的动作状态，控制蓄电器9的充电和放电。
蓄电器9能够通过发电电动机2的作为发电机的动作而充电。此外，蓄电器9能够对发电电动机2供应已充电的电力。由此，发电电动机2作为电动机动作，辅助液压泵3的驱动。
先导压力传感器10为了与上述杆操作量对应的流量控制而检测遥控阀7的先导压力（杆操作量）。上述流量控制是根据操作液压致动器的操作装置的杆操作量（遥控阀7产生的先导压力的大小）而控制液压泵3的流量的控制方式。
泵压传感器11为了马力控制而检测液压泵3的排出压力来作为液压泵3的负荷压力。
控制装置4基于两个传感器10、11所检测到的杆操作量和液压泵3的排出压力，通过运算而求出由流量控制和马力控制所决定的液压泵3的流量。具体而言，控制装置4选择由流量控制所决定的液压泵3的流量和由马力控制所决定的液压泵3的流量中较低的流量。并且，控制装置4控制调节器5，以获得所求出的液压泵3的流量。
另外，控制装置4，在上述马力控制中，基于图5所示的第一特性及图2所示的第二特性和由泵压力检测器11检测到的排出压力而决定液压泵3的流量。具体而言，控制装置4对应于泵压力检测器11所检测到的排出压力的大小，在第一特性、第二特性之间切换使用的特性。
第一特性及第二特性分别被预先设定及存储在控制装置4中。第一特性及第二特性分别利用排出压力和流量定义液压泵3的最大输入的设定值。此外，所谓“液压泵的最大输入”，是将液压泵3的排出压力与流量相乘而所获得的结果（此处，省略效率和系数）。另外，第一特性与以往的混合动力系统相同。另一方面，第二特性是本实施方式所涉及的动力源装置固有的特性。
即，第一特性中，液压泵3的最大输入的设定值如图5所示地被规定，使得液压泵3的排出压力在从低压状态至最高压状态的整个压力范围内成立以下关系。
发动机的最大输出<液压泵的最大输入
另一方面，第二特性中，液压泵3的最大输入的设定值如图2所示地被规定。具体而言，第二特性中的液压泵3的最大输入的设定值被规定为，在液压泵3的排出压力为排出压力Pp1（基准压力）的状态下大于发动机的最大输出，随着排出压力从排出压力Pp1向高压侧变化而逐渐减小，在排出压力为最高压力的状态下小于发动机最大输出。
即，第二特性中的作为最大流量点的排出压力Pp1下，成立以下关系。
发动机的最大输出<液压泵的最大输入
另外，排出压力Pp1是作为能使流量为最大的最大的排出压力而被预先设定的压力。
另一方面，第二特性中的作为最小流量点的最高排出压力Pp3（泄放压力）下，如以下的关系所示，上述关系反转。
发动机的最大输出>液压泵的最大输入
并且，第二特性中，在上述排出压力Pp1与排出压力Pp3之间的中间区域，液压泵3的最大输入的设定值平滑地变化。
此外，图2中的排出压力（反转压力）Pp2是作为反转的临界点的泵压力。即，在排出压力Pp2下，成立以下的关系。
发动机的最大输出=液压泵的最大输入
这样，图2所示的液压泵3的最大输入的设定值在从排出压力Pp1至排出压力Pp2的整个压力范围内大于发动机1的最大输出，且在从排出压力Pp2至最高压力的整个压力范围内小于发动机1的最大输出。
而且，控制装置4基于由泵压力检测器11检测到的排出压力，执行以下的(i)或(ii)的处理。
(i)在泵压力检测器11所检测出的排出压力低于预先设定的设定压力时、以及排出压力为设定压力以上的状态未持续预先设定的设定时间时，基于上述第一特性和排出压力来决定液压泵3的最大输入的设定值（流量）。另外，在控制装置4中，内置有用于计测时间的计时器。
(ii)在泵压力检测器11所检测出的排出压力为上述设定压力以上的状态持续了设定时间时，基于上述第二特性和排出压力来决定液压泵3的最大输入的设定值（流量）。
此处，作为上述特性的切换点的排出压力的“设定压力”可以是构成上述反转的临界点的排出压力Pp2，也可以是比该排出压力Pp2稍低的压力。
另外，上述排出压力为设定压力以上的状态所持续的“时间”对应于蓄电器9的容量等设定在数分钟～数十分钟之间。
以下，根据图3所述的流程图说明由控制装置4执行的处理。
控制开始后，在步骤S1中检测液压泵3的排出压力。接着，在步骤S2中判定步骤S1中检测出的排出压力是否为设定压力以上。
在步骤S2中为否的情况下，即排出压力低于设定压力时，选择图5的第一特性。此时，在随后的步骤S3中，基于第一特性中的液压泵3的最大输入的设定值和由泵压力传感器11检测到的排出压力，进行对应于上述排出压力的液压泵3的控制。
与之相对，在步骤S2中为是、即液压泵3的排出压力为设定压力以上时，在步骤S4中，判定以下关系的成立状态是否持续了设定时间。
液压泵的排出压力≥设定压力
该步骤S4中如判定为是，则在步骤S5中选择图2的第二特性。
即，基于第二特性中的液压泵3的最大输入的设定值和由泵压力传感器11检测到的排出压力，对应于上述排出压力对液压泵3进行控制。之后重复上述处理。
通过该控制，在泵压力低于设定压力的状态持续、或即使为设定压力以上但仅维持很短时间的通常作业时，进行使用蓄电器9的辅助作用的、混合动力系统原本的运转。另一方面，在高负荷压力条件下的液压泵3连续运转时，通过选择第二特性能够以发动机1的输出负担液压泵3的最大输入的一大半，所以能够抑制蓄电器9的消耗（放电）。由此，能够在高负荷条件下的连续运转时保存辅助能力，并在其后的通常作业时发挥充分的辅助能力。此外，所谓在高负荷条件下的连续运转时，指的是寒冷时的发动机刚起动后的暖机运转时或岩石挖掘作业时那样，液压泵3连续地全力运行的运转时。
即，由于在中负荷和低负荷的通常作业时，混合动力系统始终有效地发挥作用，所以能够提高节能效果。另一方面，在高负荷压力条件下的连续运转时，能够避免蓄电器频繁地在高电平下充放电，所以能够抑制蓄电器9的劣化。
而且，在高负荷压力条件下的运转时，本来，需要的是力（压力）而对速度（流量）的必要性小。因此，在排出压力为最高压力的状态下，将液压泵3的最大输入的设定值设定得小于发动机1的最大输出而导致的弊端小。另外，由于使流量逐渐降低，所以也不会产生操作上的不适感。
在上述实施方式中，使用预先存储的第一特性及第二特性而决定流量。由此，与在使用由泵压力传感器11检测到的压力而算出流量的情况相比，能够简化控制装置4的处理。
在上述实施方式中，第二特性中的液压泵3的最大输入的设定值在从排出压力Pp1到排出压力Pp2的整个压力范围内大于发动机1的最大输出，且在从排出压力Pp2到排出压力Pp3的整个压力范围内小于发动机1的最大输出。由此，在排出压力高于排出压力Pp2的高压作业时，能够切实地抑制蓄电器9的消耗。
在上述实施方式中，设定压力是等同或低于排出压力Pp2的压力。由此，在排出压力至少为排出压力Pp2以上的负荷条件下，能够切实地抑制蓄电器9的消耗。
另外，本发明不限于挖掘机，例如能够广泛地应用于以挖掘机为母体而构成的拆楼机、破碎机等其他混合动力工程机械。
另外，上述具体实施方式中主要包含具有下述结构的发明。
本发明提供一种动力源装置，是液压致动器的动力源装置，用于混合动力工程机械，包括：液压泵，驱动所述液压致动器；发电电动机，能够作为发电机和电动机而动作；发动机，与所述液压泵和所述发电电动机连接；蓄电器，通过所述发电电动机的作为发电机的动作而被充电，并且，能够对所述发电电动机供应已充电的电力，使得所述发电电动机作为电动机动作从而辅助液压泵的驱动；泵压力检测器，检测所述液压泵的排出压力来作为所述液压泵的负荷压力；以及控制器，进行基于第一特性及第二特性和由所述泵压力检测器检测到的排出压力而决定所述液压泵的流量的马力控制，所述第一特性及所述第二特性利用所述液压泵的排出压力和所述液压泵的流量来定义所述液压泵的最大输入的设定值，其中，所述第一特性被设定成，在所述液压泵的排出压力的整个压力范围内，泵最大输入大于发动机最大输出；所述第二特性被设定成，液压泵的最大输入的设定值在所述排出压力为预先设定的基准压力的状态下大于所述发动机的最大输出，随着所述排出压力从所述基准压力向高压变化而逐渐减小，在所述排出压力为最高压力的状态下小于所述发动机最大输出；所述控制器(i)在所述泵压力检测器所检测出的排出压力低于设定压力时、以及所述排出压力为设定压力以上的状态未持续设定时间时，基于所述第一特性决定所述流量；(ii)在所述排出压力为设定压力以上的状态持续了设定时间时，基于所述第二特性决定所述流量。
根据本发明，在从低压区域至中间压力区域的负荷压力条件下液压泵进行运转的通常作业时、和在高压区域的高负荷压力条件下液压泵持续运转的持续运转时，能够切换与液压泵的最大输入的设定值相关的特性。
具体而言，在本发明中，在排出压力低于设定压力时、以及排出压力为设定压力以上的状态未持续设定时间时，基于第一特性决定流量，另一方面，在排出压力为设定压力以上的状态持续了设定时间时，基于第二特性决定流量。
由此，在通常作业时，能够在成立以下关系的状态下，运转动力源装置。
液压泵的最大输入>发动机的最大输出
另一方面，在高负荷压力持续运转时，能够在成立以下关系的状态下，运转动力源装置。
液压泵的最大输入＜发动机的最大输出
即，在通常作业时，能够进行发挥了蓄电器的辅助能力的、混合动力系统原本的节能运转。另一方面，在高负荷压力条件下的连续运转时，由于能够以发动机的输出负担液压泵的最大输入的一大半，所以能够抑制蓄电器的消耗（放电）。由此，能够在高负荷压力条件下的连续运转时保存辅助能力，并在其后的通常作业时发挥充分的辅助能力。另外，所谓在高负荷压力条件下的连续运转时，指的是像寒冷时的发动机刚刚起动之后的暖机运转时或挖掘作业时那样，液压泵连续地全力运行的运转时。
即，由于在中负荷和低负荷的通常作业时，混合动力系统始终有效地发挥作用，所以能够提高节能效果。另一方面，在高负荷压力条件下的连续运转时，由于能够避免蓄电器的急速的放电及之后的充电这种高电平状态下的充放电，所以能够抑制蓄电器的劣化。
而且，在高负荷压力条件下的运转时，本来，需要的是力（压力）而对速度（流量）的必要性小。因此，在排出压力为最高压力的状态下，将液压泵的最大输入的设定值设定得小于发动机的最大输出的缺点小。另外，由于逐渐降低流量，所以也不会产生操作上的不适感。
在上述动力源装置中，较为理想的是，所述控制器预先存储所述第一特性和随着从所述基准压力向所述最高压力变化所述流量连续地减少的所述第二特性。
在上述实施方式中，使用预先存储的第一特性及第二特性而决定流量。由此，与在使用由泵压力检测器检测到的压力而算出流量的情况相比，能够简化控制器的处理。
在上述动力源装置中，较为理想的是，所述第二特性中的所述液压泵的最大输入的设定值，在从所述基准压力到预先设定的反转压力的整个压力范围内大于所述发动机的最大输出，且在从所述反转压力到所述最高压力的整个压力范围内小于所述发动机的最大输出。
根据上述方式，能够在排出压力低于反转压力的一侧有效地灵活运用蓄电器的辅助，并且在排出压力高于反转压力的高压作业时，可靠地抑制蓄电池的消耗。
在上述动力源装置中，较为理想的是，所述设定压力是等于或低于所述反转压力的压力。
根据上述实施方式，在排出压力至少为反转压力以上的负荷压力条件下，能够切实地抑制蓄电器的消耗。
具体而言，所述基准压力可作为能够将所述流量设定为最大流量的最大的排出压力而被预先设定。
另外，本发明提供具备液压致动器和对所述液压致动器供应动力的所述动力源装置的混合动力工程机械。
产业上的可利用性
根据本发明，能够在通常作业时和上述高负荷压力条件下的液压泵的连续运转时，分别决定最合适的液压泵的最大输入的设定值。
符号说明
Pp1排出压力（基准压力）
Pp2排出压力（反转压力）
Pp3排出压力（最高压力）
1发动机
2发电电动机
3液压泵
4控制装置（控制器）
9蓄电器
11泵压力传感器（泵压力检测器）

Claims (6)

1.一种动力源装置，是液压致动器的动力源装置，用于混合动力工程机械，其特征在于包括：
液压泵，驱动所述液压致动器；
发电电动机，能够作为发电机和电动机而动作；
发动机，与所述液压泵和所述发电电动机连接；
蓄电器，通过所述发电电动机的作为发电机的动作而被充电，并且，能够对所述发电电动机供应已充电的电力，使得所述发电电动机作为电动机动作从而辅助液压泵的驱动；
泵压力检测器，检测所述液压泵的排出压力来作为所述液压泵的负荷压力；以及
控制器，进行基于第一特性及第二特性和由所述泵压力检测器检测到的排出压力而决定所述液压泵的流量的马力控制，所述第一特性及所述第二特性利用所述液压泵的排出压力和所述液压泵的流量来定义所述液压泵的最大输入的设定值，其中，
所述第一特性被设定成，在所述液压泵的排出压力的整个压力范围内，泵最大输入大于发动机最大输出；
所述第二特性被设定成，液压泵的最大输入的设定值在所述排出压力为预先设定的基准压力的状态下大于所述发动机的最大输出，随着所述排出压力从所述基准压力向高压变化而逐渐减小，在所述排出压力为最高压力的状态下小于所述发动机最大输出；
所述控制器
(i)在所述泵压力检测器所检测出的排出压力低于设定压力时、以及所述排出压力为设定压力以上的状态未持续设定时间时，基于所述第一特性决定所述流量；
(ii)在所述排出压力为设定压力以上的状态持续了设定时间时，基于所述第二特性决定所述流量。
2.一种动力源装置，其特征在于：
所述控制器预先存储所述第一特性和随着从所述基准压力向所述最高压力变化所述流量连续地减少的所述第二特性。
3.根据权利要求1或2所述的动力源装置，其特征在于：
所述第二特性中的所述液压泵的最大输入的设定值，在从所述基准压力到预先设定的反转压力的整个压力范围内大于所述发动机的最大输出，且在从所述反转压力到所述最高压力的整个压力范围内小于所述发动机的最大输出。
4.根据权利要求3所述的动力源装置，其特征在于：
所述设定压力是等于或低于所述反转压力的压力。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的动力源装置，其特征在于：
所述基准压力是作为能够将所述流量设定为最大流量的最大的排出压力而被预先设定的压力。
6.一种混合动力工程机械，其特征在于包括：
液压致动器；以及
对所述液压致动器供应动力的权利要求1至5中任一项所述的动力源装置。
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