CN103443363B - 混合动力式工程机械及用于该工程机械的辅助控制装置 - Google Patents

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Abstract

混合动力式工程机械具有：控制装置(80)，其进行液压电动复合旋转模式和液压单独旋转模式的切换，在液压电动复合旋转模式下，当操作了旋转用的操作杆装置(72)时，以电动马达(25)和液压马达(27)的合计转矩进行旋转体(20)的驱动，在液压单独旋转模式下，当操作了旋转用的操作杆装置(72)时，仅以液压马达(27)的转矩进行旋转体(20)的驱动；和辅助控制装置(88)，其在动力控制单元(55)或蓄电装置(24)发生了故障的情况下，作为所除去的动力控制单元(55)或蓄电装置(24)的代替用的控制器，具有与控制装置(80)和电动马达(25)连接并监视电动马达(25)的温度或漏电情况的监视控制器。

Description

混合动力式工程机械及用于该工程机械的辅助控制装置
技术领域
本发明涉及混合动力式工程机械及用于该工程机械的辅助控制装置，更详细而言，涉及液压挖掘机等具有旋转体的混合动力式工程机械及用于工程机械的辅助控制装置。
背景技术
在例如液压挖掘机这样的工程机械中，作为动力源，使用汽油、轻油等燃料，通过发动机驱动液压泵而产生液压，由此驱动液压马达、液压缸等液压执行机构。液压执行机构体积小重量轻且能够实现大的输出功率，从而被广泛用作工程机械的执行机构。
另一方面，近年来，提出了通过使用电动马达及蓄电装置(蓄电池或双电荷层电容器等)而比只使用了液压执行机构的以往的工程机械提高了能量效率、实现了节能化的工程机械(例如，参照专利文献1)。
电动马达(电动执行机构)，与液压执行机构相比，具有能量效率高、能够将制动时的动能再生为电能(在是液压执行机构的情况下，则是转换成热量放出)等在能量性能方面优异的特点。
例如，在专利文献1记载的现有技术中，公开了搭载电动马达来作为旋转体的驱动执行机构的液压挖掘机的实施方式。驱动液压挖掘机的上部旋转体使之相对于下部行驶体旋转的执行机构(以往使用液压马达)的使用频率很高，在作业中会频繁地重复起动停止、加速减速。
此时，减速时(制动时)的旋转体的动能在采用液压执行机构的情况下在液压回路上作为热量被舍弃，但在采用电动马达的情况下有望作为电能再生，因此能够谋求节能化。
此外，还提出了同时搭载液压马达和电动马达并通过合计转矩来驱动旋转体的工程机械(例如，参照专利文献2及专利文献3)。
在专利文献2中公开了如下这样的液压工程机械的能量再生装置：在旋转体驱动用液压马达上直接连结电动马达，根据操作杆的操作量，控制器对电动马达指示输出转矩。在减速(制动)时，电动马达将旋转体的动能再生为电能并储存在蓄电池中。
在专利文献3中公开了如下混合动力型工程机械：利用旋转驱动用液压马达输入侧和输出侧的压差，算出对电动马达的转矩指令值，并进行液压马达和电动马达的输出转矩分配。
专利文献2及专利文献3的现有技术都是将电动马达和液压马达一并用作旋转驱动用执行机构，由此对于即使习惯了以往的液压执行机构驱动的工程机械的操作员，也能够不产生不适感地进行操作，并且能够以简单且易于实用化的结构谋求节能化。
现有技术文献 
专利文献
专利文献1：日本特开2001-016704号公报
专利文献2：日本特开2004-124381号公报
专利文献3：日本特开2008-63888号公报
在专利文献1记载的混合动力式液压挖掘机中，减速时(制动时)的旋转体的动能通过电动马达再生为电能，因此从节能的观点考虑是有效果的。
另一方面，存在如下问题：一旦电气系统产生故障，对电动马达的电力供给就会中断，那么旋转动作就完全无法进行。在由于液压挖掘机常年在严酷的环境下使用，因此电气系统产生致命的故障而无法修理的情况下，将无法继续使用机械。
在专利文献2及3所记载的混合动力式液压挖掘机中，在旋转装置上搭载液压马达和电动马达双方，因此即使万一电气系统产生故障，也有可能能够单独通过液压马达进行一定程度的动作。
但是，在旋转驱动所需要的全部转矩中，电动马达负担一定的 转矩，因此在由于逆变器、马达等电气系统的故障、异常或者蓄电装置的能量不足或过充电状态等某种理由而无法产生电动马达的转矩的情况下，用于驱动旋转体的全部转矩不足，有可能无法与正常时相同地起动、停止。
另外，在通常用作高输出马达的永久磁铁同步马达中，若在不输出转矩的状态下强制性地使转子部旋转，则由于发电作用，会在电动马达端子部产生感应电压。在以这样的状态使工程机械运转并在电动马达、逆变器、蓄电装置等电动系统中产生某些故障的情况下，存在上述的感应电压因故障部位而短路从而产生意外的短路电流的隐患。其结果是，有可能导致例如构成逆变器的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等元件损坏、电动系统的一部分过热而使性能下降的情况。
在上述的这些专利文献中，关于电气系统产生故障时的具体的工作方法等，未明确地记载。
发明内容
本发明是基于上述情况而研发的，其目的在于提供一种混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置，使得在将液压马达和电动马达用于旋转体的驱动的混合动力式工程机械中，即使在发生由于电动马达、逆变器、蓄电装置等电动系统的故障等而无法产生电动马达的转矩的事态的情况下，也能够进行作业，特别是，即使由于老化等而电动系统不可能修复的情况下，也能够继续安全地进行使用。
为了达成上述目的，第1发明为，一种混合动力式工程机械，具有：原动机；由所述原动机驱动的液压泵；旋转体；所述旋转体驱动用的电动马达；驱动所述电动马达的动力控制单元；由所述液压泵驱动的所述旋转体驱动用的液压马达；与所述电动马达连接的蓄电装置；以及对所述旋转体的驱动进行指示的旋转用的操作杆装置，其中包括：控制装置，所述控制装置进行液压电动复合旋转模 式和液压单独旋转模式的切换，在所述液压电动复合旋转模式下，当操作了所述旋转用的操作杆装置时，驱动所述电动马达和所述液压马达双方，从而以所述电动马达和所述液压马达的合计转矩进行所述旋转体的驱动，在所述液压单独旋转模式下，当操作了所述旋转用的操作杆装置时，只驱动所述液压马达，从而仅以所述液压马达的转矩进行所述旋转体的驱动；和辅助控制装置，所述辅助控制装置在所述动力控制单元或所述蓄电装置发生了故障的情况下，作为所除去的所述动力控制单元或所述蓄电装置的代替用的控制器，具有与所述控制装置和所述电动马达连接并监视所述电动马达的温度或漏电情况的监视控制器。
另外，第2发明的特征在于，在第1发明中，所述辅助控制装置具有：温度传感器，所述温度传感器检测所述电动马达的内部温度；和监视控制器，该监视控制器具有：存储部，所述存储部存储预先设定的限制规定值；和运算部，所述运算部在来自所述温度传感器的检测值超过预先设定的限制规定值时向所述控制装置报告异常。
另外，第3发明的特征在于，在第1发明中，所述辅助控制装置具有：电流传感器，所述电流传感器检测所述电动马达的输出电流；和监视控制器，该监视控制器具有：存储部，所述存储部存储预先设定的限制规定值；以及运算部，所述运算部在来自所述电流传感器的检测值超过预先设定的限制规定值时向所述控制装置报告异常。
另外，第4发明为，一种混合动力式工程机械的辅助控制装置，所述混合动力式工程机械具有：原动机；由所述原动机驱动的液压泵；旋转体；所述旋转体驱动用的电动马达；驱动所述电动马达的动力控制单元；由所述液压泵驱动的所述旋转体驱动用的液压马达；与所述电动马达连接的蓄电装置；以及对所述旋转体的驱动进行指示的旋转用的操作杆装置；以及控制装置，所述控制装置进行液压电动复合旋转模式和液压单独旋转模式的切换，在所述液压电动复 合旋转模式下，当操作了所述旋转用的操作杆装置时，驱动所述电动马达和所述液压马达双方，从而以所述电动马达和所述液压马达的合计转矩进行所述旋转体的驱动，在所述液压单独旋转模式下，当操作了所述旋转用的操作杆装置时，只驱动所述液压马达，从而仅以所述液压马达的转矩进行所述旋转体的驱动，其中，所述辅助控制装置在所述动力控制单元或所述蓄电装置发生了故障的情况下，将所述动力控制单元或所述蓄电装置除去，取而代之具有与所述控制装置连接并监视所述电动马达的温度或漏电情况的监视控制器。
另外，第5发明的特征在于，在第4发明中，具有：温度传感器，所述温度传感器检测所述电动马达的内部温度；和监视控制器，该监视控制器具有：存储部，所述存储部存储预先设定的限制规定值；和运算部，所述运算部在来自所述温度传感器的检测值超过预先设定的限制规定值时向所述控制装置报告异常。
另外，第6发明的特征在于，在第4发明中，具有：电流传感器，所述电流传感器检测所述电动马达的输出电流；和监视控制器，该监视控制器具有：存储部，所述存储部存储预先设定的限制规定值；以及运算部，所述运算部在来自所述电流传感器的检测值超过预先设定的限制规定值时向所述控制装置报告异常。
发明效果
根据本发明，在将液压马达和电动马达用于旋转体的驱动的混合动力式工程机械中，即使在电动马达、逆变器、蓄电装置等电动系统发生故障等而无法产生电动马达的转矩的情况下，也能够通过液压马达单独驱动旋转体而进行作业。特别是，即使由于老化而电动系统变成不可能修理的情况，也能够通过在电动系统中设置代替的辅助控制装置来监视电动马达的漏电情况或温度，并通过液压马达单独驱动旋转体从而能够使机械的运转继续。
附图说明
图1是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式的侧视图。
图2是构成本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式的电动液压设备的系统结构图。
图3是本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式的系统结构及控制框图。
图4是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的旋转液压系统的结构的液压回路图。
图5是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的液压泵的转矩控制特性的特性图。
图6是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的旋转用滑阀的进口节流开口面积特性及旁路节流开口面积特性的特性图。
图7是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的旋转用滑阀的出口节流开口面积特性的特性图。
图8是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的、旋转用滑阀61的进口节流部和中间位置旁通切断阀63的合成开口面积特性相对于液压先导信号(操作先导压)的特性图。
图9是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的液压电动复合旋转模式下的旋转驱动时的液压先导信号(先导压)、进口节流压力(M／I压)、旋转电动马达的辅助转矩、旋转体的转动速度(旋转速度)的时序波形的特性图。
图10是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式 工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的、旋转用滑阀61的出口节流开口面积特性相对于液压先导信号(操作先导压)的特性图。
图11是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的液压电动复合旋转模式下的旋转停止时的液压先导信号(先导压)、出口节流压力(M／O压)、旋转电动马达的辅助转矩、上部旋转体的转动速度(旋转速度)的时序波形的特性图。
图12是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的旋转用可变过载安全阀的溢流压力特性的特性图。
图13是本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的将动力控制单元更换为监视控制器后的系统结构及控制框图。
图14是表示适用于图13所示的监视控制器的液压马达的转速与限制温度的关系的一例的特性图。
具体实施方式
以下，作为工程机械以液压挖掘机为例使用附图说明本发明的实施方式。此外，本发明能够适用于具有旋转体的各种工程机械(包括作业机械)，本发明的适用范围并不限于液压挖掘机。例如，本发明也能够适用于具有旋转体的起重车等以及其他工程机械。图1是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式的侧视图，图2是构成本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式的电动液压设备的系统结构图，图3是本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式的系统结构及控制框图。
在图1中，混合动力式液压挖掘机具有行驶体10、能够旋转地设置在行驶体10上的旋转体20、以及挖掘机构30。
行驶体10由一对履带11a、11b及履带架12a、12b(在图1中仅示出单侧)、对各履带11a、11b独立地驱动控制的一对行驶用液压马达13、14及其减速机构等构成。
旋转体20包括旋转架21、设置在旋转架21上的作为原动机的发动机22、由发动机22驱动的辅助发电马达23、旋转电动马达25及旋转液压马达27、与辅助发电马达23及旋转电动马达25连接的双电荷层电容器24、以及使旋转电动马达25和旋转液压马达27的旋转减速的减速机构26等，旋转电动马达25和旋转液压马达27的驱动力经由减速机构26被传递，通过该驱动力驱动旋转体20(旋转架21)使之相对于行驶体10旋转。
此外，在旋转体20上搭载有挖掘机构(前部装置)30。挖掘机构30包括动臂31、用于驱动动臂31的动臂液压缸32、被旋转自如地轴支承在动臂31的前端部附近的斗杆33、用于驱动斗杆33的斗杆液压缸34、被旋转自如地轴支承在斗杆33前端的铲斗35、以及用于驱动铲斗35的铲斗液压缸36等。
另外，在旋转体20的旋转架21上搭载有用于驱动上述行驶用液压马达13、14、旋转液压马达27、动臂液压缸32、斗杆液压缸34、及铲斗液压缸36等液压执行机构的液压系统40。液压系统40包括作为产生液压的液压源的液压泵41(图2)及用于驱动控制各执行机构的控制阀42(图2)，液压泵41由发动机22驱动。
接下来，概略说明液压挖掘机的电动液压设备的系统构成。如图2所示，发动机22的驱动力被传递至液压泵41。控制阀42根据来自旋转用的操作杆装置72(参照图3)的旋转操作指令(液压先导信号)来控制向旋转液压马达27供给的液压油的流量和方向。此外，控制阀42根据来自旋转以外操作用的操作杆装置73(参照图3)的操作指令(液压先导信号)来控制向动臂液压缸32、斗杆液压缸34、铲斗液压缸36以及行驶用液压马达13、14供给的液压油的流量和方向。
电动系统由上述辅助发电马达23、电容器24及旋转电动马达 25、动力控制单元55及主接触器56等构成。动力控制单元55具有斩波器51、逆变器52、53、平滑电容器54等，主接触器56具有主继电器57、浪涌电流防止电路58等。
来自电容器24的直流电借助斩波器51而被升压为规定的母线电压，并被输入至用于驱动旋转电动马达25的逆变器52、及用于驱动辅助发电马达23的逆变器53。为使母线电压稳定化而设置有平滑电容器54。旋转电动马达25和旋转液压马达27的旋转轴相互结合，经由减速机构26驱动旋转体20。根据辅助发电马达23及旋转电动马达25的驱动状态(是驱动行驶还是再生)，电容器24进行充放电。
控制器80利用旋转操作指令信号、压力信号及旋转速度信号等(后述)，生成对控制阀42、动力控制单元55的控制指令，以进行使用旋转液压马达27的液压单独旋转模式与使用旋转液压马达27和旋转电动马达25的液压电动复合旋转模式的切换、各模式的旋转控制、电动系统的异常监视、能量管理等控制。
接下来，使用图3进一步详细说明本发明的进行旋转控制所需的装置和控制机构、控制信号等。
液压挖掘机具有用于起动发动机22的点火开关70、以及在作业中止时使先导压截断阀76为ON从而使液压系统不能动作的闸式锁定杆装置71。此外，液压挖掘机具有：上述控制器80、与控制器80的输入输出有关的液压电气转换装置74a、74bL、74bR、电气液压转换装置75a、75b、75c、75d及液压单独旋转模式固定开关77，这些构成旋转控制系统。液压电气转换装置74a、74bL、74bR分别为例如压力传感器，电气液压转换装置75a、5b、75c、75d分别为例如电磁比例减压阀。
控制器80由异常监视、异常处理控制模块81、能量管理控制模块82、液压电动复合旋转控制模块83、液压单独旋转控制模块84、控制切换模块85等构成。
在整个系统中无异常从而旋转电动马达25能够驱动的状态下， 控制器80选择液压电动复合旋转模式。此时，控制切换模块85选择液压电动复合旋转控制模块83，通过液压电动复合旋转控制模块83控制旋转执行机构动作。通过旋转操作杆装置72的输入而产生的液压先导信号由液压电气转换装置74a转换为电信号，并被输入至液压电动复合旋转控制模块83。旋转液压马达27的动作压由液压电气转换装置74bL、74bR转换为电信号，并被输入至液压电动复合旋转控制模块83。从动力控制单元55内的电动马达驱动用的逆变器输出的旋转马达速度信号也被输入至液压电动复合旋转控制模块83。液压电动复合旋转控制模块83根据来自旋转操作杆装置72的液压先导信号、旋转液压马达27的动作压信号及旋转马达速度信号来进行规定的运算，计算出旋转电动马达25的指令转矩，并向动力控制单元55输出转矩指令EA。其结果是，旋转电动马达25驱动。同时，将使液压泵41的输出转矩及旋转液压马达27的输出转矩以与电动马达25所输出的转矩部分相对应的量减少的减转矩指令EB、EC输出至电气液压转换装置75a、75b。
另一方面，通过旋转操作杆装置72的输入而产生的液压先导信号也被输入至控制阀42。由此，将旋转用滑阀61(参照图4)从中立位置切换至A位置或C位置从而将液压泵41的排出油向旋转液压马达27供给，旋转液压马达27也同时驱动。
根据旋转电动马达25加速时消耗的能量和减速时再生的能量之差，电容器24的蓄电量进行增减。对此进行控制的是能量管理控制模块82，通过输入上述的电容器24的电压、电流、温度的检测信号并向辅助发电马达23发出发电或辅助指令ED，来进行将电容器24的蓄电量保持在规定范围的控制。
在动力控制单元55、旋转电动马达25、电容器24等电动系统中发生故障、异常、警告状态的情况下，或在电容器24的蓄电量变为规定范围外的情况下，异常监视、异常处理控制模块81及能量管理控制模块82使控制切换模块85进行切换以选择液压单独旋转控制模块84，从而进行从液压电动复合旋转模式向液压单独旋转模式 的切换。基本上，旋转的液压系统被匹配成与旋转电动马达25协调动作，因此液压单独旋转控制模块84分别向电气液压转换装置75c、75d输出旋转驱动特性修正指令EE和旋转先导压修正指令EF，以进行使旋转液压马达27的驱动转矩增加的修正和使旋转液压马达27的制动转矩增加的修正，由此进行即使没有旋转电动马达25的转矩也无损旋转操作性这样的控制。
液压单独旋转模式固定开关77在电动系统故障时、或安装特定的附属装置时等由于某些原因想要固定在液压单独旋转模式的情况下使用，若将固定开关77操作至ON位置，则切换控制模块85被固定成选择液压单独旋转控制模块84。
接下来，使用图4至图12说明旋转液压系统的详细情况。图4是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的旋转液压系统的结构的液压回路图。在图4中，与图1至图3所示的附图标记为相同附图标记的部分是同一部分，因此省略其详细的说明。
图3的控制阀42对应于每个执行机构具有被称为滑阀的阀部件，根据来自操作杆装置72、73的指令(液压先导信号)，相对应的滑阀发生位移从而开口面积发生变化，在各油路中通过的液压油的流量发生变化。图4所示的旋转液压系统只包括旋转用滑阀。
旋转液压系统能够在旋转液压马达27的最大输出转矩为第一转矩的第一模式和旋转液压马达27的最大输出转矩为大于第一转矩的第二转矩的第二模式之间进行变更。以下说明其详细情况。
在图4中，旋转液压系统包括：所述液压泵41及旋转液压马达27、旋转用滑阀61、旋转用可变过载安全阀62a、62b、以及作为旋转辅助阀的中间位置旁通切断阀63。
液压泵41为可变容量泵，包括具备转矩控制部64a的调节器64，通过使调节器64动作来改变液压泵41的倾转角从而使液压泵41的容量改变，使液压泵41的排出流量和输出转矩改变。若从图3的液压电动复合旋转控制模块83向电气液压转换装置75a输出减转矩指 令EB，则电气液压转换装置75a将所对应的控制压力输出给调节器64的转矩控制部64a，转矩控制部64a将转矩控制部64a的设定变更为使液压泵41的最大输出转矩减少与电动马达25所输出的转矩相对应的量。
液压泵41的转矩控制特性如图5所示。横轴表示液压泵41的排出压力，纵轴表示液压泵41的容量。
当选择液压电动复合旋转模式并向电气液压转换装置75a输出减转矩指令EB时，电气液压转换装置75a产生控制压力，此时转矩控制部64a的设定处于与实线PTS相比最大输出转矩减少的实线PT的特性(第一模式)。当选择液压单独旋转模式，且未向电气液压转换装置75a输出减转矩指令EB时，转矩控制部64a变化为实线PTS的特性(第二模式)，液压泵41的最大输出转矩以与用斜线表示的面积相对应的量增加。
回到图4，旋转用滑阀61具有A、B、C三个位置，其接收来自操作杆装置72的旋转操作指令(液压先导信号)而从中立位置B连续地切换至A位置或C位置。
操作杆装置72内置有根据杆操作量使来自先导液压源29的压力减压的减压阀，将与杆操作量相应的压力(液压先导信号)提供给旋转用滑阀61的左右任一个压力室。
当旋转用滑阀61位于中立位置B时，从液压泵41喷出的液压油通过旁路节流部，并进一步通过中间位置旁通切断阀63而回到油箱。当旋转用滑阀61接收到与杆操作量相应的压力(液压先导信号)而切换至A位置时，来自液压泵41的液压油通过A位置的进口节流部而被输送至旋转液压马达27的右侧，来自旋转液压马达27的返回油通过A位置的出口节流部而回到油箱，旋转液压马达27向一方向旋转。相反地，当旋转用滑阀61接收到与杆操作量相应的压力(液压先导信号)而切换至C位置时，来自液压泵41的液压油通过C位置的进口节流部而被输送至旋转液压马达27的左侧，来自旋转液压马达27的返回油通过C位置的出口节流部而回到油箱，旋转液 压马达27向与在A位置的情况下相反的方向旋转。
当旋转用滑阀61位于B位置和A位置的中间时，来自液压泵41的液压油被分配至旁路节流部和进口节流部。此时，在进口节流部的进入侧产生与旁路节流部的开口面积和中间位置旁通切断阀63的开口面积相应的压力，通过该压力向旋转液压马达27供给液压油，提供与该压力(旁路节流部的开口面积)相应的动作转矩。此外，来自旋转液压马达27的排出油受到与此时的出口节流部的开口面积相应的阻力而产生背压，产生与出口节流部的开口面积相应的制动转矩。在B位置和C位置的中间也是一样的。
当操作杆装置72的操作杆回到中立位置，旋转用滑阀61回到中立位置B时，由于旋转体20是惯性体，因此旋转液压马达27因其惯性要继续旋转。此时，当来自旋转液压马达27的排出油的压力(背压)要超过旋转用可变过载安全阀62a或62b的设定压力时，过载安全阀62a或62b动作而使液压油的一部分溢流到油箱，由此限制背压的上升，并产生与过载安全阀62a或62b的设定压力相应的制动转矩。
图6是表示本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的旋转用滑阀61的进口节流开口面积特性及旁路节流开口面积特性的特性图，图7是表示出口节流开口面积特性的特性图。
在图6中，实线MI为进口节流开口面积特性，实线MB为旁路节流开口面积特性，均是本实施方式的。双点划线MB0为在不使用电动马达的以往的液压挖掘机中能够确保良好操作性的旁路节流开口面积特性。本实施方式的旁路节流开口面积特性MB被设计成控制区域起点及终点与以往的相同，但在中间区域与以往的相比开度自由(成为较大的开口面积)。
在图7中，实线MO为本实施方式的出口节流开口面积特性。双点划线MO0为在不使用电动马达的以往的液压挖掘机中能够确保良好操作性的出口节流开口面积特性。本实施方式的出口节流开口 面积特性MO被设计成控制区域起点及终点与以往的相同，但在中间区域与以往的相比开度自由(成为较大的开口面积)。
图8是表示旋转用滑阀61的进口节流部和中间位置旁通切断阀63的相对于液压先导信号(操作先导压)的合成开口面积特性的图。
当选择了液压电动复合旋转模式时，由于未输出旋转驱动特性修正指令EE，因此中间位置旁通切断阀63位于图示的打开位置，旋转用滑阀61的进口节流部和中间位置旁通切断阀63的合成开口面积特性成为只由图6的旁路节流开口面积特性MB决定的虚线MBC的特性(第一模式)。
当选择了液压单独旋转模式时，如前所述向电气液压转换装置75c输出旋转驱动特性修正指令EE，电气液压转换装置75c向中间位置旁通切断阀63的受压部输出相对应的控制压力，从而中间位置旁通切断阀63被切换至图示右侧的节流位置。通过该中间位置旁通切断阀63的切换，与旋转用滑阀61的液压先导信号相对的旋转用滑阀61的进口节流部和中间位置旁通切断阀63的合成开口面积特性变为与虚线MBC的特性相比合成开口面积小的实线MBS的特性(第二模式)。该实线MBS的合成开口面积特性与在以往的液压挖掘机中能够确保良好的操作性的旁路节流开口面积特性相同。
图9是表示液压电动复合旋转模式下的旋转驱动时的液压先导信号(先导压)、进口节流压力(M／I压)、旋转电动马达25的辅助转矩、上部旋转体20的转动速度(旋转速度)的时序波形的特性图。图9是从先导压为0的旋转停止状态开始在时间T=T1～T4内使液压先导信号以斜坡状增加至先导压最大的情况的例子。
当选择了液压电动复合旋转模式时，如图8的虚线MBC所示，旋转用滑阀61的进口节流部和中间位置旁通切断阀63的合成开口面积特性成为只由图6的旁路节流开口面积特性MB决定的特性，因此，本实施方式的进口节流压力(M／I)以旁路节流部的开口面积比以往大的部分相应地变低。进口节流压力与旋转液压马达27的动作转矩(加速转矩)相当，因此需要通过旋转电动马达25提供仅与 进口节流压力降低的部分相对应的加速转矩。在图8中，驱动行驶侧的辅助转矩为正。在本实施方式中，控制成：使得旋转电动马达25的辅助转矩和基于由旋转用滑阀61产生的进口节流压力而来的加速转矩的合计值大致等于以往的液压挖掘机所产生的加速转矩。由此能够使旋转体20的旋转速度具有与以往的液压挖掘机同等的加速感。
另一方面，当选择了液压单独旋转模式时，旋转用滑阀61的进口节流部和中间位置旁通切断阀63的合成开口面积特性变更为与图8的虚线MBC相比合成开口面积小的实线MBS的特性，因此，由旋转用滑阀61产生的进口节流压力上升至图9所示的通过以往的液压挖掘机得到的实线的进口节流压力，基于由旋转用滑阀61产生的进口节流压力而来的加速转矩被控制成大致等于以往的液压挖掘机所产生的加速转矩。由此能够使旋转体20的旋转速度具有与以往的液压挖掘机同等的加速感。
此外，能够单独通过旋转液压马达27进行旋转是指，旋转液压马达27的最大输出转矩大于旋转电动马达25的最大输出转矩。这意味着在液压电动复合旋转模式下，即使万一旋转电动马达25进行了非本意的动作，只要液压回路正常就不会出现那么危险的动作，本发明在安全性上也很有利。
图10是表示旋转用滑阀61的相对于液压先导信号(操作先导压)的出口节流开口面积特性的图。
当选择了液压电动复合旋转模式时，由于未输出旋转先导压修正指令EF，因此旋转用滑阀61的出口节流开口面积特性成为表示与图7的出口节流开口面积特性MO相同的变化的虚线MOC的特性(第一模式)。
当选择了液压单独旋转模式时，如前所述，向图3的电气液压转换装置75d(图4的电气液压转换装置75dL、75dR)输出旋转先导压修正指令EF，电气液压转换装置75d对由操作杆装置72生成的液压先导信号(操作先导压)进行减压修正。通过该液压先导信 号的修正，旋转用滑阀61的相对于液压先导信号的出口节流开口面积特性变更为相对于图10的虚线MOC的特性而中间区域的开口面积减少了的实线MOS的特性(第二模式)。该实线MOS的开口面积特性与在以往的液压挖掘机中能够确保良好的操作性的出口节流开口面积特性等同。
图11是表示液压电动复合旋转模式下的旋转制动停止时的液压先导信号(先导压)、出口节流压力(M／O压)、旋转电动马达25的辅助转矩、旋转体20的转动速度(旋转速度)的时序波形的图。图11是从先导压最大的最高旋转速度开始在时间T=T5～T9内使液压先导信号以斜坡状减少至先导压为0的情况的例子。
当选择了液压电动复合旋转模式时，如图10的虚线MOC所示，旋转用滑阀61的相对于液压先导信号的出口节流开口面积特性变为与图7的出口节流开口面积特性MO相同地变化的特性，因此，如图7所示，本实施方式的出口节流压力(M／O压)以出口节流部的开口面积比以往大的部分相应地变低。由于出口节流压力与制动转矩(brake torque)相当，所以需要通过电动马达25提供仅与出口节流压力降低的部分相对应的制动转矩。在图11中再生侧的辅助转矩为负。在本实施方式中，控制成：使得旋转电动马达25的辅助转矩和基于由旋转用滑阀61产生的出口节流压力而来的制动转矩的合计值大致等于以往的液压挖掘机所产生的制动转矩。由此能够使旋转体20的旋转速度具有与以往的液压挖掘机同等的减速感。
另一方面，当选择了液压单独旋转模式时，旋转用滑阀61的相对于液压先导信号的出口节流开口面积特性变更为相对于图11的虚线MOC的特性而中间区域的开口面积减少的实线MOS的特性，因此，由旋转用滑阀61产生的出口节流压力上升至图11所示的通过以往的液压挖掘机得到的实线的出口节流压力，基于由旋转用滑阀61产生的出口节流压力而来的制动转矩被控制成大致等于以往的液压挖掘机所产生的制动转矩，从而能够使旋转体20的旋转速度具有与以往的液压挖掘机同等的减速感。
图12是表示旋转用的可变过载安全阀62a、62b的溢流压力特性的图。
当选择了液压电动复合旋转模式，并向图3的电气液压转换装置75b(图4的电气液压转换装置75bL、75bR)输出减转矩指令EC时，电气液压转换装置75b生成控制压力，该控制压力作用于可变过载安全阀62a、62b的设定压力减少侧，可变过载安全阀62a、62b的溢流特性变为溢流压力是Pmax1的实线SR的特性(第一模式)。当选择了液压单独旋转模式而不向电气液压转换装置75b(图4的电气液压转换装置75bL、75bR)输出减转矩指令EC时，电气液压转换装置75b不生成控制压力，因此，可变过载安全阀62a、62b的溢流特性变为溢流压力从Pmax1上升至Pmax2的实线SRS的特性(第二模式)，与溢流压力变高的部分相应地，制动转矩增加。
由此，在选择了液压电动复合旋转模式时，可变过载安全阀62a、62b的溢流压力被设定为比Pmax2低的Pmax1，因此当使操作杆装置72的操作杆回到中立位置时，来自旋转液压马达27的排出油的压力(背压)上升至可变过载安全阀62a、62b的较低的设定压力、即Pmax1，旋转电动马达25的辅助转矩和基于由可变过载安全阀62a或62b产生的背压而来的制动转矩的合计值被控制成大致等于以往的液压挖掘机所产生的制动转矩，从而能够使旋转体20的旋转速度具有与以往的液压挖掘机同等的减速感。
此外，当选择了液压单独旋转模式时，可变过载安全阀62a、62b的溢流压力被设定为比Pmax1高的Pmax2，因此在使操作杆装置72的操作杆回到中立位置的情况下，来自旋转液压马达27的排出油的压力(背压)上升至可变过载安全阀62a、62b的较高的设定压力、即Pmax2，基于由可变过载安全阀62a或62b产生的背压而来的制动转矩被控制成大致等于以往的液压挖掘机所产生的制动转矩，从而能够使旋转体20的旋转速度具有与以往的液压挖掘机同等的减速感。
接下来，使用图13及图14说明本发明的混合动力式工程机械 的一个实施方式的液压挖掘机中的将动力控制单元更换为监视控制器后的系统。图13是本发明的混合动力式工程机械及用于该混合动力式工程机械的辅助控制装置的一个实施方式中的将动力控制单元更换为监视控制器后的系统结构及控制框图，图14是表示适用于图13所示的监视控制器的液压马达的转速与限制温度的关系的一例的特性图。在图13及图14中，具有与图1至图12所示的附图标记相同的附图标记的为同一部分，因此省略其详细的说明。
在上述的混合动力式液压挖掘机中，考察对于在动力控制单元或电容器中产生了需要修理的水平的不良状况的情况的应对。由于这些单元包含电气电子部件，因此由于长年的使用而产生某些不良状况的可能性很高。在这些部件中产生了不良状况的情况下，通常按部件进行更换。
但是，还考虑到液压挖掘机不仅在发达国家使用，也会在严酷的环境或未开发的地区长年使用、例如使用20年以上的情况。在这样的情况下，希望在超过厂商的修理应对期间之后，即使产生上述的部件的不良状况，液压挖掘机也能够继续使用。但是，长年继续供给特定的电气电子部件对于厂商来说非常困难。另外，长年管理保管这些特定部件对于使用者来说非常困难。
在本实施方式中，鉴于这样的状况，如图13所示，除去动力控制单元55等，作为代替用的控制器，配置仅对旋转电动马达25和辅助发电马达23的温度及漏电进行检测的简单的监视控制器88(辅助控制装置)。此时，由于无法实现这些马达25、23的驱动控制，因此上位的控制器80仅进行液压单独旋转控制，能够在没有旋转电动马达25的驱动力的情况下使液压挖掘机运转。
在该情况下，通过发动机22强制性地使辅助发电马达23的转子部旋转，通过旋转液压马达27强制性地使旋转电动马达25的转子部旋转。在这些马达25、23为永久磁铁同步电动机的情况下，由于发电作用而在电动马达端子部产生感应电压。若在这样的状态下使工程机械运转，则在电动系统中产生了某些故障的情况下，存在 上述的感应电压由于故障部位而短路，产生意外的短路电流从而电动系统的局部过热的隐患。为了防止这样的风险，监视控制器88(辅助控制装置)仅进行温度和漏电的监视，能够向上位的控制器80提供它们的警报。
如图13所示，除去动力控制单元55、主接触器56、电容器24等，并配置监视控制器88来作为代替用的控制器。监视控制器88和控制器80电连接，以便能够发送接收异常报警信号。
在铺设于动力控制单元55和旋转电动马达25之间的缆线上设有检测在缆线中流动的电流I1的电流传感器65，另外，在铺设于动力控制单元55和辅助发电马达23之间的缆线上设有检测在缆线中流动的电流I2的电流传感器66。这些电流传感器65、66检测在漏电时流动的过电流，并分别与监视控制器88电连接。
另外，在旋转电动马达25的内部设有检测其内部温度t1的温度传感器86，另外，在辅助发电马达23的内部设有检测其内部温度t2的温度传感器87。这些温度传感器86、87分别与监视控制器88电连接。
另外，检测旋转电动马达25的转速的例如旋转变压器等与监视控制器88电连接。
监视控制器88具有：输入部，其被输入来自上述的电流传感器65、66、温度传感器86、87以及旋转变压器等的检测信号并将其转换为运算值；存储部，其存储预先设定的设定值；运算部，其基于通过输入部转换的运算值和存储在存储部中的设定值进行运算；以及输出部，其将由运算部判断出的结果输出至控制器80。
首先，说明监视控制器88的基于温度信号进行的动作。监视控制器88在第1步骤中读取温度信号t1、t2和旋转液压马达27的转速信号r。具体而言，读取从温度传感器86和87检测到的旋转电动马达25的内部温度信号t1和辅助发电马达23的内部温度信号t2、以及通过旋转体20的旋转而旋转的旋转电动马达27的例如通过旋转变压器等检测出的转速r。
在第2步骤中，进行在第1步骤中读取的温度信号是否不高的检查。具体而言，将温度信号t1、t2相对于预先设定并存储的旋转液压马达27的转速r的限制值特性、与在第1步骤中读取的各检测信号进行比较。在图14中表示旋转液压马达27的转速r与温度信号t1、t2的限制值特性的一例。在图14中，ta表示旋转液压马达27的最大转速rm时的限制值温度，tb表示旋转液压马达27的停止必要温度，ra表示旋转液压马达27的停止必要温度tb时的最大容许转速。
例如，在图14中，在旋转液压马达27的转速为r0的情况下，在第2步骤中，若温度信号t1、t2低于限制值特性上的t0，则判断为正常，若温度信号t1、t2高于限制值特性上的t0，则判断为异常。
在第2步骤中判断为异常的情况下，推进到第3步骤，向控制器80报告异常信号。其结果是，通过控制器80，可以利用监视器等的显示或声音向操作员报告温度信号t1、t2超过了停止必要温度这一情况。
接下来，说明监视控制器88的基于电流信号进行的动作。监视控制器88在第1步骤中读取电流信号I1、I2和旋转液压马达27的转速信号r。具体而言，读取从电流传感器65和66检测到的旋转电动马达25的电流信号I1和辅助发电马达23的电流信号I2。
在第2步骤中，进行在第1步骤中读取的电流信号是否不高的检查。具体而言，将预先设定的旋转液压马达27的停止必要电流设定值It、与在第1步骤中读取的各检测信号进行比较。
在第2步骤中判断为异常的情况下，推进到第3步骤，向控制器80报告异常信号。其结果是，通过控制器80，例如可以利用监视器的显示或声音向操作员报告电流信号I1、I2超过了停止必要电流值这一情况。
根据上述的本发明的一个实施方式，在将旋转液压马达27和旋转电动马达25用于旋转体20的驱动的混合动力式工程机械中，即使在旋转电动马达25、逆变器55、蓄电装置24等电动系统发生故障而无法产生旋转电动马达25的转矩的情况下，也能够通过旋转液压马达27单独驱动旋转体20来进行作业。另外，即使由于老化而电动系统不可能修理的情况下，通过在电动系统中设置代替用的辅助控制装置，能够监视旋转电动马达25的漏电或温度，也能够通过旋转液压马达27单独驱动旋转体而使机械继续运转。
此外，在本实施方式中，说明了监视控制器88具有温度信号t1、t2相对于旋转液压马达27勺转速r的限制值特性的情况，但不限于此。也可以仅通过设定温度与检测温度的比较来判断异常。
另外，以上说明了将本发明应用于液压挖掘机的情况下的实施方式，也能够在液压挖掘机以外的具有旋转体的各种工程机械中应用本发明。
附图标记说明
10  行驶体
11  履带
12  履带架
13  右行驶用液压马达
14  左行驶用液压马达
20  旋转体
21  旋转架
22  发动机
23  辅助发电马达
24  电容器
25  旋转电动马达
26  减速机构
27  旋转液压马达
30  挖掘机构
31  动臂
33  斗杆
35   铲斗
40   液压系统
41   液压泵
42   控制阀
51   斩波器
52   旋转电动马达用逆变器
53   辅助发电马达用逆变器
54   平滑电容器
55   动力控制单元
56   主接触器
57   主继电器
58   浪涌电流防止回路
65   电流传感器
66   电流传感器
80   控制器
81   异常监视、异常处理控制模块
82   能量管理控制模块
83   液压电动复合旋转控制模块
84   液压单独控制模块
85   控制切换模块
86   温度传感器
87   温度传感器
88   监视控制器(辅助控制装置)

Claims (6)

1.一种混合动力式工程机械，具有：原动机(22)；由所述原动机(22)驱动的液压泵(41)；旋转体(20)；所述旋转体驱动用的电动马达(25)；驱动所述电动马达(25)的动力控制单元(55)；由所述液压泵(41)驱动的所述旋转体驱动用的液压马达(27)；与所述电动马达(25)连接的蓄电装置(24)；对所述旋转体(20)的驱动进行指示的旋转用的操作杆装置(72)；以及控制装置(80)，所述控制装置进行液压电动复合旋转模式和液压单独旋转模式的切换，在所述液压电动复合旋转模式下，当操作了所述旋转用的操作杆装置(72)时，驱动所述电动马达(25)和所述液压马达(27)双方，从而以所述电动马达(25)和所述液压马达(27)的合计转矩进行所述旋转体(20)的驱动，在所述液压单独旋转模式下，当操作了所述旋转用的操作杆装置(72)时，只驱动所述液压马达(27)，从而仅以所述液压马达(27)的转矩进行所述旋转体(20)的驱动，所述混合动力式工程机械的特征在于，包括：
辅助控制装置(88)，所述辅助控制装置在所述动力控制单元(55)或所述蓄电装置(24)发生了故障的情况下，作为所除去的所述动力控制单元(55)或所述蓄电装置(24)的代替用的控制器，具有与所述控制装置(80)和所述电动马达(25)连接并监视所述电动马达(25)的温度或漏电情况的监视控制器。
2.如权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
所述辅助控制装置(88)具有：温度传感器(86)，所述温度传感器检测所述电动马达(25)的内部温度；和监视控制器(88)，该监视控制器(88)具有：存储部，所述存储部存储预先设定的限制规定值；和运算部，所述运算部在来自所述温度传感器(86)的检测值超过预先设定的限制规定值时向所述控制装置(80)报告异常。
3.如权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，
所述辅助控制装置(88)具有：电流传感器(65)，所述电流传感器检测所述电动马达(25)的输出电流；和监视控制器(88)，该监视控制器(88)具有：存储部，所述存储部存储预先设定的限制规定值；以及运算部，所述运算部在来自所述电流传感器(65)的检测值超过预先设定的限制规定值时向所述控制装置(80)报告异常。
4.一种混合动力式工程机械的辅助控制装置(88)，所述混合动力式工程机械具有：原动机(22)；由所述原动机(22)驱动的液压泵(41)；旋转体(20)；所述旋转体驱动用的电动马达(25)；驱动所述电动马达(25)的动力控制单元(55)；由所述液压泵(41)驱动的所述旋转体驱动用的液压马达(27)；与所述电动马达(25)连接的蓄电装置(24)；以及对所述旋转体(20)的驱动进行指示的旋转用的操作杆装置(72)；以及
控制装置(80)，所述控制装置进行液压电动复合旋转模式和液压单独旋转模式的切换，在所述液压电动复合旋转模式下，当操作了所述旋转用的操作杆装置(72)时，驱动所述电动马达(25)和所述液压马达(27)双方，从而以所述电动马达(25)和所述液压马达(27)的合计转矩进行所述旋转体(20)的驱动，在所述液压单独旋转模式下，当操作了所述旋转用的操作杆装置(72)时，只驱动所述液压马达(27)，从而仅以所述液压马达(27)的转矩进行所述旋转体(20)的驱动，
所述混合动力式工程机械的辅助控制装置(88)的特征在于，
所述辅助控制装置(88)在所述动力控制单元(55)或所述蓄电装置(24)发生了故障的情况下，将所述动力控制单元(55)或所述蓄电装置(24)除去，取而代之具有与所述控制装置(80)连接并监视所述电动马达(25)的温度或漏电情况的监视控制器(88)。
5.如权利要求4所述的混合动力式工程机械的辅助控制装置，其特征在于，
具有：温度传感器(86)，所述温度传感器检测所述电动马达(25)的内部温度；和监视控制器(88)，该监视控制器(88)具有：存储部，所述存储部存储预先设定的限制规定值；和运算部，所述运算部在来自所述温度传感器(86)的检测值超过预先设定的限制规定值时向所述控制装置(80)报告异常。
6.如权利要求4所述的混合动力式工程机械的辅助控制装置，其特征在于，
具有：电流传感器(65)，所述电流传感器检测所述电动马达(25)的输出电流；和监视控制器(88)，该监视控制器(88)具有：存储部，所述存储部存储预先设定的限制规定值；以及运算部，所述运算部在来自所述电流传感器(65)的检测值超过预先设定的限制规定值时向所述控制装置(80)报告异常。
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