CN103764470A - 混合电源装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供向挖掘机等工业用设备供电的混合电源装置。根据本发明的混合电源装置包括：用于向混合设备的工作负载供电的动力电源部；用于控制上述工作负载的移动的混合控制部；用于向上述混合控制部供电的控制电源部；代替上述控制电源部变更上述动力电源部的电压并向上述混合控制部供电，或者，对上述控制电源部进行充电的辅助电源部以及用于将上述控制电源部和上述辅助电源部中的任意一个连接于上述混合控制部的第一开关部。

Description

混合电源装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种向挖掘机等工业用设备供电的混合电源装置及其控制方法。

背景技术

近年来，随着国际油价的急速上升，出现了各种工业机械的耗油率问题，因此，积极地进行了将发动机的剩余动力储存在电池中，并通过电池来补充发动机的不足动力来改善耗油率的研究。如上所述，将如下的系统称为混合（Hybrid）系统：将发动机和和电动机用作公共动力源，且具有电能储存装置。混合系统大体上用于各种汽车以及挖掘机等工业用设备。

一般情况下，挖掘机设备以发动机为动力源，通过液压，进行使作为最终负载的吊杆、悬臂以及铲斗旋转或者行驶的动作。相反，混合形式的挖掘机设备是在通常的挖掘机的发动机上连接了发电用电机，还设置能够储存所发出的电能的电池（Battery）、超电容器（Ultra Capacitor）等蓄电装置和各种控制电路等，构成系统，从而，能够提高整体的动力效率。

另外，在如上所述的混合设备中，添加了用于控制以电力为动力源来被驱动的设备部分的电子控制电路，从而确保其稳定性变得尤为重要。现有的机械式液压系统在运行过程中中断其动力供给，则设备的动作被立即停止，因此，不会出现大问题，但是，在混合系统中，当出现控制电路异常或者控制电源被切断等突发状况时，挖掘机设备能够继续几秒以上的行驶或者旋转运动，从而，带来严重的人员或物体伤害。因此，需要能够应对这样的控制电路或者控制电源的异常现象的稳定装置。

一般情况下，混合设备的控制装置包括混合控制部、控制电源部、键驱动部、开关部以及切换模式电源供给部。混合控制部还称为HCU（Hybrid Control Unit），在挖掘机等工业用设备中，用于控制以电池、超电容器等的电能为动力源的驱动装置的驱动。例如，在混合挖掘机的情况下，旋转体或者吊杆驱动体等通过这样的电能驱动。另外，控制电源部是用于向混合控制部供电的电池形式的能源。切换模式电源供给部通常被称为SMPS（Switching Mode Power Supply），将控制电源部的电压变更为适当大小后供给混合控制部。

在具有上述结构的现有的混合控制装置，在向混合控制部供给动力源的控制电源部未发生大的异常而正常运行的前提下，能够确保其可靠性。但是，在控制电源部本身出现问题时，例如，构成控制电源部的电池没电或者寿命已尽，无法继续使用时、连接电池的电缆（cable）出现问题，无法顺利地供电时以及电池的充电装置发生故障时等，直到进行修理为止无法使用整个设备，尤其是，在挖掘机工作中，被切断控制电源（OFF），从而无法控制旋转的旋转体时，将损耗大量的人力、物力。

发明内容

技术课题

本发明为了解决上述问题而提出，其目的在于提供一种即使控制电源部发生故障，也能够通过辅助电源部向混合控制部稳定地供给工作电源，从而，确保混合设备的稳定性的混合电源装置及其控制方法。

并且，另一目的在于不通过连接于发动机的发电机也能够利用积蓄的电能，对控制电源部进行充电。

解决课题的手段

为了实现上述目的，根据本发明的混合电源装置包括：用于向混合设备的工作负载供电的动力电源部；用于控制上述工作负载的移动的混合控制部；用于向上述混合控制部供电的控制电源部；辅助电源部，其用于代替上述控制电源部而变换上述动力电源部的电压后向上述混合控制部供电，或者，对上述控制电源部进行充电；以及第一开关部，其用于将上述控制电源部和上述辅助电源部中的任意一个连接到上述混合控制部上。

当从上述控制电源部未供给用于驱动上述混合控制部的标准电压时，在从上述混合控制部输入有控制信号或者从外部输入有切换信号时，上述第一开关部将上述混合控制部连接到上述辅助电源部上。

并且，根据本发明的混合电源装置还包括第二开关部，该第二开关部用于连接上述辅助电源部和上述控制电源部，在通过上述第二开关部连接上述辅助电源部和上述控制电源部时，上述辅助电源部能够利用上述动力电源部的电压对上述控制电源部进行充电。

根据本发明的混合电源装置的控制方法，该混合电源装置包括：向工作负载供电的动力电源部；以及用于向控制上述工作负载的移动的混合控制部供电的控制电源部，上述混合电源装置的控制方法包括如下步骤：检测上述控制电源部是否发生异常；以及在检测到上述异常的发生时，将上述动力电源部的电源供给上述混合控制部。并且，还包括如下步骤：确定是否可以对上述控制电源部进行充电；以及当可以对上述控制电源部进行充电时，将上述动力电源部的电源供给上述控制电源部，来对上述控制电源部进行充电。

发明效果

根据本发明，设置了能够将积蓄在动力电源部中的电能作为混合控制部的工作电源的辅助电源部，当控制电源部出现问题时，通过切换操作，连接混合控制部和辅助电源部，从而能够稳定地向混合控制部供电。从而，可以提高混合设备控制的稳定性以及可靠性。

并且，当连接于发动机而对控制电源部进行充电功能的发电机发生故障或者连接线上出现问题时，以辅助电源部代替控制电源部的充电器，利用积蓄在动力电源部的电能，充电控制电源部。如上所述，将辅助电源部用作充电器时，可以省略连接于发动机的发电机，节省占据面积，能够更容易地实现系统。

附图说明

图1是根据本发明的混合电源装置的一实施例构成图。

图2a及图2b是用于说明图1所示的辅助电源部的作为充电器（Charger）的功能的图。

图3是根据本发明的混合电源装置的另一实施例构成图。

图4是根据本发明的混合电源装置的一实施例工作流程图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明上述的目的、特征以及优点，由此，本领域技术人员能够容易理解本发明的技术思想。在说明本发明的过程中，当判断为对与本发明相关的公知常识的具体说明可能会混淆本发明的要旨时，省略其详细说明。下面，参照附图详细说明根据本发明的优选实施例。

图1是根据本发明的混合电源装置的一实施例构成图。

参照图1，根据本发明一实施例的混合电源装置包括控制电源部（201）、键驱动部（203）、第一开关部（205）、第二开关部（207）、混合控制部（209）、动力电源部（213）、辅助电源部（219）以及发电机（Alternator）（221）。

控制电源部（201）是用于向混合控制部（209）供电的电能源，可由12V、24V或者48V大小的小容量电池构成。

混合控制部（209）表示包括用于控制挖掘机等混合设备的工作负载（217）的移动的各种控制电路的联合控制部（Hybrid Control Unit,HCU）。其中，工作负载（217）是指通过混合系统以电能为主要或者辅助动力源而被驱动的移动体，例如挖掘机的上部的旋转体。

混合控制部（209）包括SMPS（211）。SMPS（211）能够将由控制电源部（201）供给的电压降低（Down）至适合于驱动混合控制部（209）内的各种控制电路的大小后供给。

动力电源部（213）向混合设备的工作负载（217）供电，可以包括超电容器（UltraCapacitor）或者300V～500V的供电用大容量电池。动力电源部（213）能够将由发动机（215）供给的部分能量作为电能积蓄在超电容器或电池等积蓄单元中，必要时作为工作负载（217）的动力源进行供给。

辅助电源部（219）执行在控制电源部（201）发生异常时代替控制电源部（201）向混合控制部（209）供电或者对控制电源部（201）进行充电的功能。从而，辅助电源部（219）可以由将动力电源部（213）的超电容器或者大容量电池的电压降低（Step-down）至控制电源部（201）的电压大小的DC/DC转换器（Converter）构成。并且，当控制电源部（201）的电压降低到一定标准电压以下时，还可以代替连接于发动机（215）的发电机（221），对控制电源部（201）进行充电。参照图2a及图2b对此进行详细说明。

键驱动部（203）是通过混合设备的操作者来接通（ON）而能够向混合控制部（209）提供控制电源的装置。

第一开关部（205）是通过将混合控制部（209）连接于控制电源部（201）和辅助电源部（219）中的任意一个而使其能够稳定地接受控制电源的开关装置。在通常的工作状态下，第一开关部（205）连接在控制电源部（205），当控制电源部（205）发生故障而未供给用于驱动混合控制部（209）的一定的标准电压时，通过混合控制部（209）的控制信号（CSW1）切换，连接于辅助电源部（219）。这时，混合控制部（209）通过辅助电源部（219）从动力电源部（213）接受电源。

第二开关部（207）是为了对控制电源部（201）进行充电而连接辅助电源部（219）和控制电源部（201）的开关装置。当接通（ON）第二开关部（207）而两个电源部（201、209）被连接时，辅助电源部（219）代替连接于发动机（215）的发电机，利用积蓄在动力电源部（213）的电能，对控制电源部（201）进行充电。

图2a及图2b是用于说明图1所示的辅助电源部（219）的作为充电器（Charger）的功能的图。

参照图2a及图2b，动力电源部（213）包括发动机辅助电机（301）、逆变器（303）、DC-LINK电容器（305）、转换器（307）以及超电容器（309）。

逆变器（303）通过发动机辅助电机（301）对DC-LINK电容器（305）进行充电。其中，发动机辅助电机（301）直接连接于发动机（215），驱动发动机时，能够与发动机相同的旋转数（rpm）进行旋转。转换器（307）利用储存在DC-LINK电容器（305）的电能对超电容器（309）进行充电。这样的动力电源部（213）的详细结构及其功能为公知常识，因此省略其详细说明。

如图2a所示，辅助电源部（219）连接于DC-LINK电容器（305），或者，如图2b所示，连接于超电容器（307），接受所积蓄的电能。其中，能够以大容量电池来代替超电容器（307）。

如果控制电源部（201）降低到一定电压以下时，接通（ON）第二开关部（207），连接辅助电源部（219）和控制电源部（201），将辅助电源部（219）作为充电器进行驱动，从而对控制电源部（201）进行充电。并且，当识别出连接于发动机的发电机（221）发生了故障时，能够以辅助电源部（219）代替发电机（221）。并且，还可以变更为删除发电机（221），通过辅助电源部（219）以及开关部（207）的控制，对控制电源部（201）进行充电的结构。

图3是根据本发明的混合电源装置的另一实施例构成图。

参照图3，根据本发明另一实施例的混合电源装置包括控制电源部（201）、键驱动部（203）、第一开关部（205）、第二开关部（207）、混合控制部（209）、动力电源部（213）、辅助电源部（219）、发电机（221）以及切换信号输入部（401）。

在本实施例中，通过切换信号输入部（401），不仅能从混合控制部（209）接收信号，而且从外部也能够接收用于切换第一开关部（205）的切换动作的控制信号（EXTCSW1）。从而，即使在出现控制电源部（201）变为低电压或者连接电缆断线等问题而无法启动时，从外部施加控制信号（EXTCSW1），将第一开关部（205）的连接切换到辅助电源部（219），从而也能够供给混合控制部（209）的驱动电源。

其他结构的功能以及动作与图1以及图2说明的相同。

图4时根据本发明的混合电源装置的一实施例的工作流程图。

下面，参照图1～图4对根据本发明的混合电源装置的工作过程进行说明，首先，设备操作者接通（ON）键驱动部（203），从控制电源部（201）向混合控制部（209）供电（S501），通过混合控制部（209）的控制，工作负载（217）被驱动（S503）。这时，例如，工作负载（217）为挖掘机的上部的旋转体时，混合控制部（209）可以控制旋转体的旋转方向、角度以及旋转速度等。

在混合设备工作过程中，控制电源部（201）发生放电、电缆断线等问题时（S205），混合控制部（209）切换第一开关部（205），通过辅助电源部（219）能够从动力电源部（213）向混合控制部（209）供电。从而，假设在旋转体旋转过程中即使发生控制电源部（201）的电源供给被切断等紧急状况，也能够通过辅助电源部（219）继续向混合控制部（209）供给工作电源，能够安全地控制设备，例如迅速地停止旋转体等。

接着，确认控制电源部（201）的问题（S509），掌握是否可以对控制电源部（201）进行充电（S511），当可以充电时，通过辅助电源部（219）对控制电源部（201）进行充电。例如，当连接于发动机（215）的发电机（221）发生了故障时，可以将辅助电源部（219）用作充电器。当控制电源部（201）达到使用寿命期限或者电缆断线等而无法进行充电时，通过维修相应部分或者更换（S515），解决问题。

通过上述优选实施例详细说明了本发明的技术思想，但是上述实施例只是用于说明的例子，并不是用于限定本发明。并且，只要是本领域技术人员，即可理解在不脱离本发明的技术思想范围的情况下能够进行各种变更。

Claims (7)

1.一种混合电源装置，其包括：

动力电源部，其用于向混合设备的工作负载供电；

混合控制部，其用于控制上述工作负载的移动；

控制电源部，其用于向上述混合控制部供电；

辅助电源部，其用于代替上述控制电源部变更上述动力电源部的电压后向上述混合控制部供电，或者，对上述控制电源部进行充电；以及

第一开关部，其用于将上述控制电源部和上述辅助电源部中的任意一个连接于上述混合控制部。

2.根据权利要求1所述的混合电源装置，其中，

上述第一开关部

在从上述控制电源部未供给用于驱动上述混合控制部的标准电压的情况下，在从上述混合控制部输入有控制信号时或者从外部输入有切换信号时，将上述混合控制部连接于上述辅助电源部。

3.根据权利要求1所述的混合电源装置，其还包括第二开关部，该第二开关部用于连接上述辅助电源部和上述控制电源部，

在通过上述第二开关部连接了上述辅助电源部和上述控制电源部时，上述辅助电源部利用上述动力电源部的电压，来对上述控制电源部进行充电。

4.根据权利要求1所述的混合电源装置，其还包括发电机，该发电机用于对上述控制电源部进行充电，

在断开了与上述辅助电源部的连接时，上述控制电源部通过从上述发电机供给的电源进行充电。

5.一种混合电源装置，其包括：

动力电源部，其用于向混合设备的工作负载供电；

混合控制部，其用于控制上述工作负载的移动；

控制电源部，其用于向上述混合控制部供电；以及

第二开关部，其用于连接上述动力电源部和上述控制电源部，

当通过上述第二开关部连接了上述动力电源部和上述控制电源部时，上述控制电源部通过从上述动力电源部供给的电源进行充电。

6.一种混合电源装置的控制方法，该混合电源装置包括：用于向混合设备的工作负载供电的动力电源部；以及用于向控制上述工作负载的移动的混合控制部供电的控制电源部，该混合电源装置的控制方法包括如下步骤：

检测上述控制电源部是否发生异常；以及

在检测到上述异常的发生时，将上述动力电源部的电源供给上述混合控制部。

7.一种混合电源装置的控制方法，该混合电源装置包括：用于向混合设备的工作负载供电的动力电源部；以及用于向控制上述工作负载的移动的混合控制部供电的控制电源部，该混合电源装置的控制方法包括如下步骤：

确认是否可以对上述控制电源部进行充电；以及

当可以对上述控制电源部进行充电时，将上述动力电源部的电源供给上述控制电源部，来对上述控制电源部进行充电。

Images