CN103391039A - 混合动力式作业机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合动力式作业机械，其价格低廉，不需要对用于驱动助力电动机的电力进行蓄电，能够利用再生能量对发动机进行助力。该混合动力式作业机械具有：作业机；发动机，其对作业机提供动力；助力电动机，其用于对发动机进行助力；再生装置，其对作业机在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量进行再生；发电机，其利用由再生装置再生的再生能量进行发电；变流器，其将由发电机发电得到的交流电压转换为直流电压；以及逆变器，其将变流器的直流电压转换为交流电压而驱动助力电动机。该混合动力式作业机械还具有根据上述发动机的负载控制发电机的发电量的控制装置。

Description

混合动力式作业机械

技术领域

本发明涉及混合动力式作业机械，详细地讲，涉及具有对发动机进行助力的助力电动机的混合动力式作业机械。

背景技术

以往，作为混合动力式作业机械，存在具有用于对驱动液压泵的发动机进行助力的助力电动机的作业机械（例如，参照国际公开第2008/117748号公报（专利文献1））。

在上述混合动力式作业机械中，通常使用电池或电容器等大容量的蓄电器，将再生的能量暂时存储到蓄电器中，根据发动机负载/转速和蓄电器的剩余容量，以预先决定的输出进行发动机的助力。

然而，存在上述混合动力式作业机械所使用的大容量的蓄电器成本高且安装尺寸大这样的课题。此外，还存在如下课题，该大容量的蓄电器需要振动对策和冷却对策，由于老化严重而内部发热增大，导致蓄电量降低。此外，还存在如下课题，在上述混合动力式作业机械中，当进行维护作业时需要对大容量的蓄电器确保安全性，大容量的蓄电器的废弃成本较高，而且截流继电器、浪涌电流抑制电路等附加电路也使成本升高。

在上述以往的混合动力式作业机械中，如果在回收再生能量过程中处于由于发动机驱动液压泵的负载等而存在发动机负载的状态，则可以与发电同时地进行发动机助力，因而不需要暂时将能量存储到蓄电器中，可以将再生能量用于发动机助力。

然而，由于发动机转速或作业机的作业状态的不同，存在由再生能量发电的发电量比发动机负载大的情况。当这样的由再生能量发电的发电量比发动机负载大时，如果原样继续发电，则可能导致发动机转速上升而破坏设备，或者控制器内的稳定电压用的电容器电压值上升而使设备破损。

专利文献

专利文献1：国际公开第2008／117748号公报

发明内容

发明要解决的问题

因此，本发明的课题在于，提供一种不需要对用于驱动助力电动机的电力进行蓄电，而能够利用再生能量对发动机进行助力的价格低廉的混合动力式作业机械。

用于解决问题的手段

为了解决上述课题，本发明的混合动力式作业机械的特征在于，具有：作业机；发动机，其为上述作业机提供动力；助力电动机，其用于对上述发动机进行助力；再生装置，其对上述作业机在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量进行再生；发电机，其通过由上述再生装置再生的能量进行发电；变流器，其将由上述发电机发电产生的交流电压转换为直流电压；逆变器，其将由上述变流器转换得到的直流电压转换为驱动上述助力电动机的交流电压；以及控制装置，其根据上述发动机的负载控制上述发电机的发电量。

根据上述结构，通过再生装置使发电机对作业机在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量再生而进行发电，通过变流器将来自发电机的交流电压转换为直流电压，通过逆变器将变流器的直流电压转换为交流电压。这样，通过由逆变器转换得到的交流电压驱动助力电动机。此时，控制装置根据发动机的负载控制发电机的发电量，因此例如以发电机的发电量不大于与发动机负载相当的电力量的方式限制发电机的发电量，由此可以将变流器与逆变器之间的直流环节（DC link）电压的上升设为容许电压以下。由此，可以不需要对用于驱动助力电动机的电力进行蓄电，而能够利用再生能量与发电同时地对发动机进行助力。因此，能够实现可以对发动机进行助力的价格低廉的混合动力式作业机械。

此外，在一个实施方式的混合动力式作业机械中，采用在上述变流器与上述逆变器之间不连接实质上对电力进行蓄电的蓄电器而利用直流环节部进行连接的结构。

根据上述实施方式，通过采用在变流器与逆变器之间不连接实质上对电力进行蓄电的蓄电器而利用直流环节部进行连接的结构，不使用需要振动对策、冷却对策、安全对策等并且尺寸较大的蓄电器，因此能够实现处理容易的混合动力式作业机械。

此外，在一个实施方式的混合动力式作业机械中，上述控制装置具有：发电量判定部，其判定上述发电机通过上述作业机在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量能够发电的发电量是否为与上述发动机的负载相当的电力以上；以及发电量控制部，当上述发电量判定部判定为上述发电机的可发电电力为与上述发动机的负载相当的电力以上时，控制上述发电机的发电量，以使得上述发电机的发电量成为与上述发动机的负载相当的发电量。

根据上述实施方式，当发电量判定部判定为发电机的可发电电力为与发动机的负载相当的电力以上时，通过发电量控制部控制发电机的发电量，以使得发电机的发电量成为与发动机的负载相当的发电量，因此能够以简单的控制将变流器与逆变器之间的直流环节电压抑制在容许电压以下。由此，能够抑制变流器与逆变器之间的直流环节电压的过电压，可靠地防止部件的破损。

此外，在一个实施方式的混合动力式作业机械中，上述再生装置是液压设备。

根据上述实施方式，在通过液压驱动作业机的作业机械的情况下，通过在再生装置中使用液压设备，能够利用液压回路容易地对作业机在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量进行再生。

发明的效果

由以上可知，根据该发明，能够实现不需要使用大容量的蓄电器而能够利用再生能量对发动机进行助力的价格低廉的混合动力式作业机械。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的混合动力式作业机械的结构图。

图2是用于对上述混合动力式作业机械的动作进行说明的流程图。

图3是示出当上述混合动力式作业机械的发动机负载减小时的直流环节电压的变化的图。

标号说明

1…作业机

2…发动机

3…助力电动机

4…再生装置

5…发电机

6…变流器

6a…可发电电力计算部

6b…发电量判定部

6c…发电量控制部

7…逆变器

10…直流环节部

11…作业机控制器

12…发动机控制器

具体实施方式

以下，通过图示的实施方式详细地对本发明的混合动力式作业机械进行说明。

图1示出本发明一个实施方式的混合动力式作业机械的结构图。

如图1所示，该一个实施方式的混合动力式作业机械具有：作业机1；发动机2，其为作业机1提供动力；助力电动机3，其用于对发动机2进行助力；再生装置4，其对作业机1在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量进行再生；发电机5，其通过由再生装置4再生的能量进行发电；变流器6，其将由发电机5发电得到的三相交流电压转换为直流电压；以及逆变器7，其将由变流器6转换得到的直流电压转换为驱动助力电动机3的三相交流电压。在此，作业机1是具有由发动机2驱动的液压泵的建筑机械等。

上述混合动力式作业机械构成为，在变流器6与逆变器7之间的直流环节部10中，不具有对用于驱动助力电动机3的电力进行蓄电的蓄电器。

此外，上述混合动力式作业机械具有控制作业机1的作业机控制器11和控制发动机2的发动机控制器12。上述作业机控制器11与发动机控制器12彼此进行通信而协调动作。

此外，作业机1具有作为负载的一例的旋转液压电动机（未图示）。再生装置4利用经由在该旋转液压电动机加速或减速时动作的溢流阀返回油箱（未图示）时的能量来使发电机5工作。

此外，变流器6具有：可发电电力计算部6a，其计算发电机5的可发电电力；发电量判定部6b，其判定发电机5通过作业机1在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量而可以发电的发电量是否为与发动机2的负载相当的电力以上；以及发电量控制部6c，当发电量判定部6b判定为发电机5的可发电电力为与发动机2的负载相当的电力以上时，控制发电机5的发电量，以使得发电机5的发电量变为与发动机2的负载相当的发电量。

通过上述发动机控制器12和变流器6的可发电电力计算部6a、发电量判定部6b和发电量控制部6c，构成根据发动机2的负载控制发电机5的发电量的控制装置。

通过上述变流器6的发电量控制部6c，例如通过控制提供给发电机5的发电机转矩，来控制发电机5的发电量。

根据上述结构的混合动力式作业机械，通过再生装置4使发电机5对作业机1在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量再生而进行发电，通过变流器6将来自发电机5的三相交流电压转换为直流电压，通过逆变器7将变流器6的直流电压转换为三相交流电压。这样，通过由逆变器7转换得到的三相交流电压驱动助力电动机3，对发动机2进行助力。

下面依照图2所示的流程图对混合动力式作业机械的发动机控制器12和变流器6的动作进行说明。

首先，发动机控制器12在步骤S11中计算发动机负载。在此，由发动机控制器12根据发动机2的转速和来自作业机控制器11的液压泵（未图示）的排出压力等计算发动机负载。

接着，在将在步骤S12中计算出的发动机负载发送到变流器6之后，返回步骤S11。

另一方面，在步骤S21中，变流器6接收从发动机控制器12发送的发动机负载。

接着，进入步骤S22，判断可发电电力是否大于发动机负载。然后，当判断为可发电电力大于发动机负载时，进入步骤S23，另一方面，当判断为可发电电力为发动机负载以下时，进入步骤S24。

在此，根据将要返回油箱的工作油被提供给再生装置4时的工作油的压力和流量或者发动机2的转速等，通过变流器6的可发电电力计算部6a计算可发电电力。

接着，在步骤S23中，通过变流器6的发电量控制部6c，将发电机5的发电电力设为与发动机负载相当的电力。另一方面，在步骤S24中，通过变流器6的发电量控制部6c，将发电机5的发电电力设为可发电电力。

在此，从发动机控制器12发送的发动机负载为与发动机控制器12和变流器6之间的通信方式对应的形式的信号。

另外，在上述实施方式中，将由发动机控制器12计算出的发动机负载发送到变流器6，但也可以将由作业机控制器11计算出的作业机1的操作状态和负载发送到变流器6。该情况下，由于作业机1的操作状态和负载与发动机负载之间具有相关关系，因此变流器6的发电量判定部6b根据从作业机控制器11发送的作业机1的操作状态和负载来估计发动机负载。

此外，图3示出当上述混合动力式作业机械的发动机负载减小时的直流环节电压的变化。在图3中，横轴表示时间[任意刻度]，纵轴表示直流环节电压[V]和发动机负载[kW]。

图3所示的单点划线表示没有根据发动机负载控制发电机5的发电量时的直流环节电压，当发动机负载减小时，发电机5的发电量比与发动机负载相当的电力量大，变流器6与逆变器7之间的直流环节电压超过了电路的容许上限电压400VDC。

与此相对，图3所示的实线示出根据该实施方式的混合动力式作业机械的发动机负载控制发电机5的发电量时的直流环节电压。

在该实施方式的混合动力式作业机械中，如图3所示，变流器6限制发电机5的发电量，以使得发电机5的发电量不大于与发动机负载相当的电力量，由此，可以将变流器6与逆变器7之间的直流环节电压的变动抑制在容许电压以下。

由此，能够防止助力电动机3输出的动力大于发动机负载，发动机2的转速上升而使发动机2破损，并且，通过抑制变流器6与逆变器7之间的直流环节电压的过电压，能够防止变流器6和逆变器7的破损。

这样，根据上述混合动力式作业机械，通过发动机控制器12和变流器6的发电量控制部6c，以使得发电机5的发电量成为不大于与发动机负载相当的电力量的方式限制发电机5的发电量，由此，可以将变流器6与逆变器7之间的直流环节电压的变动控制在容许电压以下。由于不需要对用于驱动助力电动机3的电力进行蓄电，可以利用再生能量与发电同时地对发动机2进行助力，因此，能够实现可以对发动机2进行助力的价格低廉的混合动力式作业机械。

此外，通过采用由直流环节部10连接上述变流器6与逆变器7之间，以便在二者之间不连接实质上进行蓄电的蓄电器的结构，无需使用需要振动对策、冷却对策、安全对策等并且尺寸较大的蓄电器，因此，能够实现处理容易的混合动力式作业机械。

蓄电器大致分为脉动（ripple）去除（平滑）用、电力蓄积用、交流耦合用，在本说明书中，“实质上对电力进行蓄电的蓄电器”是电力蓄积用，不同于在变流器和逆变器等中使用的脉动去除（平滑）用电容器或交流耦合用电容器。

此外，当发电量判定部6b判定为上述发电机5的可发电电力为与发动机2的负载相当的电力以上时，通过发电量控制部6c控制发电机5的发电量，以使得发电机5的发电量成为与发动机的负载相当的发电量，由此，能够以简单的控制将变流器6与逆变器7之间的直流环节电压抑制在容许电压以下。由此，能够抑制变流器6与逆变器7之间的直流环节电压的过电压，可靠地防止部件的破损。

此外，通过在上述再生装置4中使用液压设备，能够利用液压电路容易地进行作业机1在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量的再生。

在上述实施方式中，对在作业机1中具有旋转液压电动机（未图示）的混合动力式作业机械进行了说明，但本发明的混合动力式作业机械的作业机不限于旋转液压电动机，只要是能够利用再生能量的作业机即可。

对本发明的具体的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，可以在本发明的范围内进行各种变更而进行实施。

Claims (4)

1.一种混合动力式作业机械，其特征在于，该混合动力式作业机械具有：

作业机（1）；

发动机（2），其对上述作业机（1）提供动力；

助力电动机（3），其用于对上述发动机（2）进行助力；

再生装置（4），其对上述作业机（1）在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量进行再生；

发电机（5），其通过由上述再生装置（4）再生的能量进行发电；

变流器（6），其将由上述发电机（5）发电得到的交流电压转换为直流电压；

逆变器（7），其将由上述变流器（6）转换得到的直流电压转换为驱动上述助力电动机（3）的交流电压；以及

控制装置，其根据上述发动机（2）的负载控制上述发电机（5）的发电量。

2.根据权利要求1所述的混合动力式作业机械，其特征在于，

采用在上述变流器（6）与上述逆变器（7）之间不连接实质上对电力进行蓄电的蓄电器而利用直流环节部（10）进行连接的结构。

3.根据权利要求1所述的混合动力式作业机械，其特征在于，

上述控制装置具有：

发电量判定部（6b），其判定上述发电机（5）通过上述作业机（1）在加速时产生的过剩能量或者在减速时产生的惯性能量能够发电的发电量是否为与上述发动机（2）的负载相当的电力以上；以及

发电量控制部（6c），当上述发电量判定部（6b）判定为上述发电机（5）能够发电的电力为与上述发动机（2）的负载相当的电力以上时，控制上述发电机（5）的发电量，以使得上述发电机（5）的发电量成为与上述发动机（2）的负载相当的发电量。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的混合动力式作业机械，其特征在于，

上述再生装置（4）是液压设备。

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