CN104024540B - 混合动力工程机械的紧急停止方法及制动器控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混合动力工程机械的紧急停止方法及制动器控制装置，更详细而言，能够确认混合动力工程机械的故障发生位置，分别按照发生的故障位置，利用一部分功能，吸收回转体的惯性能量，使回转体稳定地紧急停止，在混合动力工程机械中，当发生故障时，利用回转速度或前端信息生成制动器模式，按照生成的该制动器模式来控制电压控制阀或液压阀，从而控制回转体的制动器，由此能够按照使用者所期望的停止速度曲线，使回转体柔和地停止。
Description
技术领域
本发明涉及混合动力工程机械的紧急停止方法及制动器控制装置，详细而言，涉及一种能够确认混合动力工程机械的故障发生位置，分别按照发生的故障位置，利用一部分功能，吸收回转体的惯性能量，使回转体稳定地紧急停止，当需要紧急停止时，决定制动器模式，根据所决定的该制动器模式，控制液压制动器，从而能够使回转体柔和地停止的混合动力工程机械的紧急停止方法及制动器控制装置。
背景技术
最近，随着油价急剧上升，将发动机的剩余动力存储于电池，从电池供应发动机的不足的动力，从而改善燃料效率的混合动力形态的工程机械的研究如火如荼地进行着。
如上所述，将发动机和电气马达作为共同动力源而使用并具有电能存储装置的系统称为混合动力系统。例如，在混合动力系统中，有混合动力汽车及诸如挖掘机的重型设备用混合动力系统。
图1是普通的混合动力工程机械的电力变换装置的构成图。
如图1所示，混合动力工程机械的电力变换装置包括发动机辅助电动机110、发动机侧变换器(inverter)111、具备制动器的回转电动机120、回转侧变换器121、超级电容器130及转换器(converter)131。
发动机侧变换器111使发动机辅助电动机110作为马达或发电机动作。
回转电动机120使混合动力挖掘机的上部回转体驱动。驱动回转电动机120的回转侧变换器121根据对混合动力挖掘机进行操作的使用者的操纵杆控制，执行加速和减速驾驶。回转侧变换器121在加速时使回转电动机120作为马达而动作。相反，回转侧变换器121在减速时使回转电动机120作为发电机而动作。即，回转侧变换器121将混合动力挖掘机的回转上部体的旋转惯性能量变换成电能。
超级电容器130执行存储电能的功能，与控制充电及放电的转换器131连接在一起。
图2是关于在普通的混合动力工程机械的电力变换装置中发生故障的过程的一个实施例流程图。
如图2所示，以往的电力变换装置如果电力变换装置发生故障(S202)，则中止所有动作。
如果具体观察，电力变换装置使发动机辅助电动机110的发动机侧变换器111关闭(S202)。另外，电力变换装置使回转电动机120的回转侧变换器121关闭(S206)。接着，回转电动机120经过回转电动机120的再生(Regeneratino)步骤(S208)，Vdc处于过电压状态(S210)。另外，电力变换装置使超级电容器(UC:Ultra Capacitor)130侧的转换器131关闭(S212)。
如上所述，混合动力挖掘机不同于液压挖掘机，如果电力变换装置停止，则直到制动器动作之前，上部回转体进行自由旋转，此时，存在事故发生的危险大幅增加的问题。如果回转体持续旋转，则存在可能对周边造成危害的问题。
为了减小这种危害，回转制动器动作，以阻止回转体的旋转，直至惯性能量耗尽为止。以往的制动器控制方式是当回转速度为某既定值以下时，发生制动器关闭命令。在制动器关闭命令后，具有一定的延迟，液压制动器进行动作。此时，在故障发生之前，当因回转体速度大，惯性能量剩余较多时，如果利用机械式回转制动器直接进行制动，则会给使用者造成冲击，在倾斜地面存在挖掘机可能翻倒的问题。
发明内容
技术课题
本发明正是为了解决所述问题而提出的，其目的在于提供一种混合动力工程机械的紧急停止方法，其能够确认混合动力工程机械的故障发生位置，分别按照发生的故障位置，利用一部分功能，吸收回转体的惯性能量，使回转体稳定地紧急停止。
另一方面，本发明正是为了解决所述问题而提出的，其另一目的在于提供一种工程机械的制动器控制装置，其当混合动力工程机械中发生故障时，利用回转速度或前端信息而生成制动器模式，根据所生成的该制动器模式，控制电 压控制阀或液压阀，控制回转体的制动器，从而能够按照使用者期望的停止速度曲线，使回转体柔和地停止。
解决课题的方法
为此，本发明的方法的特征在于，包括：故障位置确认步骤，在混合动力工程机械的回转侧、发动机侧及超级电容器侧中确认故障发生位置；故障关闭步骤，关闭与所述确认的故障发生位置连接的变换器或转换器；以及紧急停止步骤，使所述确认的故障发生位置之外的其它部分的变换器或转换器动作，通过超级电容器及发动机辅助电动机吸来收回转体的惯性能量进行紧急停止。
为此，本发明的装置的特征在于，包括：制动器，其用于在工程机械发生故障时使回转体停止；驱动阀，其由液压式或电压控制式构成，用于控制向所述制动器施加的压力或流量；以及控制部，其利用前端信息或所述回转体的回转速度来决定制动器模式，为了使所述回转体按照所述决定的制动器模式进行停止，生成电压控制信号或液压控制信号，由此控制所述驱动阀。
发明的效果
本发明具有能够确认混合动力工程机械的故障发生位置，分别按照发生的故障位置，利用一部分功能，吸收回转体的惯性能量，使回转体稳定地紧急停止的效果。
另外，本发明向使用者显示故障发生位置及紧急停止状况，从而具有使用者在紧急停止之后也能够迅速应对的效果。
另外，本发明具有能够随着回转体的稳定的紧急停止而减小制动时对使用者的冲击，当工程机械位于倾斜地面时，能够减小工程机械的翻倒危险的效果。
另一方面，本发明在混合动力工程机械发生故障时，利用回转速度或前端信息生成制动器模式，按照生成的该制动器模式来控制电压控制阀或液压阀，从而控制回转体的制动器，由此能够按照使用者期望的停止速度曲线，使回转体柔和地停止。
即，本发明具有能够按照脉冲宽度调制方式来控制液压阀，以使用者所期望的停止速度曲线使回转体柔和地停止的效果。另外，本发明具有能够利用电压控制阀，选择或计算使用者所期望的制动器模式，使回转体柔和地停止的效果。
另外，本发明具有无需以往的诸如节流塞(Orifice)的附加性装置，也能够使回转体紧急停止，也能够简单地制造制动器控制装置，能够监视前端信息或回转速度，以多样的制动器模式使回转体停止的效果。
进而，本发明具有能够随着回转体的稳定的紧急停止而减小制动时对使用者的冲击，当工程机械位于倾斜地面时能够减小工程机械的翻倒危险的效果。
附图说明
图1是普通的混合动力工程机械的电力变换装置的构成图。
图2是关于在普通的混合动力工程机械的电力变换装置中发生故障的过程的一个实施例流程图。
图3是本发明的关于以往与本发明之间的回转速度的减速曲线图的一个实施例示例图。
图4及图5是本发明的在回转侧故障时关于紧急停止过程的第一实施例说明图及流程图。
图6及图7是本发明的在回转侧故障时关于紧急停止过程的第二实施例说明图及流程图。
图8是本发明的在发动机侧故障时关于紧急停止过程的第一实施例流程图，图9是本发明的在发动机侧故障时关于回转速度的第一实施例示例图。
图10是本发明的在发动机侧故障时关于紧急停止过程的第二实施例流程图。
图11是本发明的在发动机侧故障时关于回转速度的第二实施例示例图。
图12是本发明的在超级电容器侧故障时关于紧急停止过程的一个实施例流程图。
图13是本发明的在超级电容器侧故障时关于回转速度的一个实施例示例图。
图14是本发明的制动器控制装置的一个实施例构成图。
图15是本发明的制动器控制装置的第一实施例构成图。
图16是本发明的制动器控制装置的第二实施例构成图。
图17是当应用本发明的制动器控制装置时关于回转速度的减速速度曲线图的一个实施例示例图。
符号的说明
110—发动机辅助电动机，111—发动机侧变换器，120—回转电动机，121—回转侧变换器，130—超级电容器，131—超级电容器侧转换器，1400—制动器控制装置，1410—制动器，1420—驱动阀，1421—液压阀，1422—电压控制阀，1430—控制部。
具体实施方式
下面参照附图，详细说明本发明的实施例。本发明的构成及其作用效果通过以下详细说明将会明确理解。在本发明的详细说明之前，需要注意的是，对于相同的构成要素，即使标识于不同的附图上，也尽可能标识为相同的符号，对于公知的构成，当判断认为可能混淆本发明要旨时，省略具体说明。
图3是本发明的关于以往与本发明之间的回转速度的减速曲线图的一个实施例示例图。
如果以往的电力变换装置发生故障，则如301所示，在惯性能量消耗为摩擦能同时，回转体旋转而不迅速停止。
与此相反，在本发明中，如果在电力变换装置的发动机侧发生故障，则电力变换装置利用回转侧变换器121和超级电容器侧转换器131，将惯性能量充电到超级电容器130，由此吸收惯性能量。302表示此时的回转速度特性。
另外，如果在超级电容器侧发生故障，则电力变换装置利用回转侧变换器121和发动机辅助电动机110侧变换器111，消耗惯性能量。303表示此时的回转速度特性。
另外，电力变换装置在利用回转侧变换器121和发动机辅助电动机110侧变换器111消耗惯性能量，并且为了更迅速使回转体停止而能够并用机械式液压制动器进行制动。304表示此时的回转速度特性区域。
如上所述，在本发明的电力变换装置中，在混合动力工程机械的回转侧、发动机侧及超级电容器侧中确认故障发生位置。即，电力变换装置确认发动机侧故障(发动机辅助电动机110或发动机侧变换器111的故障)、回转侧故障(回转电动机120或回转侧变换器121的故障)、超级电容器侧故障(超级电容器130或超级电容器侧转换器131的故障)。而且，电力变换装置使与确认的该故障发生位置连接的变换器或转换器关闭。另外，电力变换装置使确认的 故障发生位置之外的其它部分的变换器或转换器动作，吸收回转体的惯性能量进行紧急停止。即，电力变换装置区分故障发生位置，并不是使所有动作关闭，而是可以利用一部分变换器或转换器，在紧急情况下安全地停止。
下面对发生发动机侧故障、回转侧故障及超级电容器侧故障的紧急停止过程进行详细观察。
图4及图5是本发明的在回转侧故障时关于紧急停止过程的第一实施例说明图及流程图。
如图4及图5所示，电力变换装置确认发生回转侧故障(回转电动机120或回转侧变换器121的故障)(S502)。
而且，电力变换装置使发生故障的回转侧变换器121关闭(S504)。此时，就回转电动机120而言，回转电动机因回转体的惯性能量而恢复正常(S506)。
另外，作为第一实施例，电力变换装置使发动机侧变换器111关闭，使超级电容器侧的转换器131动作(S508)。接着，电力变换装置在使超级电容器侧的转换器131执行Vdc电压控制(S510)，并且使回转体的惯性能量存储到超级电容器130。由此，电力变换装置在使Vdc稳定化，并且吸收回转体的惯性能量(S512)。
另一方面，电力变换装置为了缩短回转体的减速时间，可以使回转电动机120具备的机械式液压制动器动作并进行制动(S514)。
图6及图7是本发明的在回转侧故障时关于紧急停止过程的第二实施例说明图及流程图。
如图6及图7所示，电力变换装置确认发生回转侧故障(回转电动机120或回转侧变换器121的故障)(S702)。
而且，电力变换装置使发生故障的回转侧变换器121关闭(S704)。此时，就回转电动机120而言，回转电动机因回转体的惯性能量而恢复正常(S706)。
另外，不同于图4及图5，作为第二实施例，电力变换装置使超级电容器侧的转换器131关闭，使发动机侧变换器111动作(S708)。因此，发动机辅助电动机110作为辅助发动机输出的马达而动作。
接着，电力变换装置在使发动机侧变换器111执行Vdc电压控制(S710)，并且使回转体的惯性能量被发动机辅助电动机110吸收。由此，电力变换装置 使Vdc稳定化(S712)。
另一方面，电力变换装置为了缩短回转体的减速时间，可以使回转电动机120具备的机械式液压制动器动作并进行制动(S714)。
图8是本发明的在发动机侧故障时关于紧急停止过程的第一实施例流程图，图9是本发明的在发动机侧故障时关于回转速度的第一实施例示例图。
如图8所示，电力变换装置确认发生发动机侧故障(发动机辅助电动机110或发动机侧变换器111的故障)(S802)。
而且，电力变换装置使发生故障的发动机侧变换器111关闭(S804)。
另外，作为第一实施例，电力变换装置使回转侧变换器121动作(S806)。接着，电力变换装置将回转速度控制为“0”(S808)。
另一方面，电力变换装置使超级电容器侧的转换器131动作(S810)。而且，电力变换装置执行超级电容器侧的转换器131的Vdc电压控制(S812)。
由此，电力变换装置使Vdc稳定化，并且吸收回转体的惯性能量(S814)。
如图9所示，在故障发生时间点902，惯性能量通过超级电容器侧的转换器131存储到超级电容器130。由此，回转体的回转速度具有如904所示的倾斜度而进行减速。
图10是本发明的在发动机侧故障时关于紧急停止过程的第二实施例流程图，图11是本发明的在发动机侧故障时关于回转速度的第二实施例示例图。
如图10所示，电力变换装置确认发生发动机侧故障(发动机辅助电动机110或发动机侧变换器111的故障)(S1002)。
而且，电力变换装置使发生故障的发动机侧变换器111关闭(S1004)。
另外，电力变换装置使回转侧变换器121动作(S1006)。接着，电力变换装置将回转速度控制为“0”(S1008)。
另一方面，电力变换装置使超级电容器侧的转换器131动作(S1010)。而且，电力变换装置执行超级电容器侧的转换器131的Vdc电压控制(S1012)。
由此，电力变换装置使Vdc稳定化，并且吸收回转体的惯性能量(S1014)。
作为第二实施例，电力变换装置为了缩短回转体的减速时间而使回转电动机120具备的机械式液压制动器动作并进行制动(S1016)。
如图11所示，在故障发生时间点1102，惯性能量通过超级电容器侧的转 换器131存储到超级电容器130，回转速度以具有倾斜度1104的形态进行减速。此时，会发生超级电容器130充满的时间点1112。
当超级电容器130被充满时，回转体的惯性能量不再存储到超级电容器130，因而回转体的回转速度会以具有更缓慢的倾斜度1114的形态进行减速。
但是，如果电力变换装置为了缩短回转体的减速时间而使回转电动机120具备的机械式液压制动器动作，则会以具有更急剧的倾斜度1116的形态进行减速。
图12是本发明的在超级电容器侧故障时关于紧急停止过程的一个实施例流程图，图13是本发明的在超级电容器侧故障时关于回转速度的一个实施例示例图。
如图12所示，电力变换装置确认发生超级电容器侧故障(超级电容器130或超级电容器侧转换器131的故障)(S1202)。
而且，电力变换装置使发生故障的超级电容器侧转换器131关闭(S1204)。
另外，电力变换装置使回转侧变换器121动作(S1206)。接着，电力变换装置将回转速度控制为“0”(S1208)。
另一方面，电力变换装置使发动机侧变换器111动作(S1210)。由此，发动机辅助电动机110作为帮助发动机的发动机输出的马达而进行动作。而且，电力变换装置执行发动机侧变换器111的Vdc电压控制(S1212)。
由此，电力变换装置使Vdc稳定化，并且吸收回转体的惯性能量(S1214)。
另一方面，电力变换装置为了缩短回转体的减速时间，可以使回转电动机120具备的机械式液压制动器动作并进行制动(S1216)。
如图13所示，在故障发生时间点1302，使惯性能量通过回转侧变换器121和发动机侧的变换器111，被发动机辅助电动机110消耗。
一般而言，回转体的惯性能量比发动机辅助电动机110侧变换器111容量大，因此，电力变换装置无法如1306倾斜度所示的那样迅速减速，而是会如1304倾斜度一样，使回转体紧急停止。
为了对此进行完善，如果电力变换装置为了缩短回转体的减速时间而使回转电动机120具备的机械式液压制动器动作，则会以具有更急剧的1308区域的倾斜度的形态进行减速。
另一方面，电力变换装置在诸如过电压故障那样的无法驱动所有电力变换装置的故障情况下，只利用机械式回转电动机120具备的机械式液压制动器进行制动。
另一方面，当电力变换装置因发生故障而紧急停止的情况下，可以通过监视装置，向使用者显示故障发生位置和紧急停止事项。
另一方面，参照图14至图17，对本发明的紧急停止时的工程机械的制动器控制装置进行贯彻。
图14是本发明的制动器控制装置的一个实施例构成图。
如图14所示，制动器控制装置包括制动器1410、驱动阀1420及控制部1430。驱动阀1420可以由液压阀1421或电压控制阀(EPPR Valve:Electronic Proportional Pressure Reducing Valve)1422构成。
制动器控制装置1400以两种方式控制制动器。
第一，当驱动阀1420为液压阀1421时，制动器控制装置1400将脉冲宽度调制(PWM:Pulse Width Modulation)方式的控制信号接入液压阀1421，决定制动器模式。
第二，当驱动阀1420为电压控制阀1422时，制动器控制装置1400按照预先设定的停止速度曲线而决定制动器模式。
这种制动器模式利用回转电动机120的速度或前端信息而决定，制动器控制装置1400按照该制动器模式来控制驱动阀1420。
下面，对工程机械的制动器控制装置的构成要素分别进行观察。
制动器1410使回转体制动。制动器1410与回转电动机120连接。
驱动阀1420以液压式或电压控制式驱动制动器1410。驱动阀1420可以由液压阀1421或电压控制阀1422构成。驱动阀1420可以调节从与驱动阀1420连接的制动器用泵1401向制动器1410排出的流量或压力。
控制部1430利用前端信息或回转体的回转速度而决定制动器模式。即，控制部1430需要根据回转体的惯性能量大小而采用不同的制动器模式。控制部1430接受输入的回转电动机120的回转速度，利用回转速度和旋转体的前端信息，选择或计算制动器模式。其中，在前端信息中，当工程机械为挖掘机时，包括动臂、小臂、铲斗等的状态，并不限定于特定工程机械的前端信息。 控制部1430可以在预先算出的多个制动器模式中选择一个制动器模式。另外，控制部1430可以在预先定义的制动器函数中反映回转速度及前端信息，算出制动器模式。
而且，控制部1430根据所决定的该制动器模式，生成驱动阀1420的电压控制信号或液压控制信号，控制驱动阀1420，以使回转体停止。
图15是本发明的制动器控制装置的第一实施例构成图。
如图15所示，当驱动阀1420为液压阀1421时，液压阀1421以液压式调节从用于驱动制动器1410的制动器用泵1401排出的流量，其中，所述制动器1410与回转电动机120连接。
在驱动阀1420为液压阀1421时，控制部1430利用前端信息或所述回转体的回转速度，按照脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)方式生成制动器模式。其中，控制部1430可以调节在脉冲宽度调制方式下打开/关闭的每个脉冲的占空比(Duty Ratio)，从而变更制动器的压力周期。
而且，控制部1430按照所生成的该脉冲宽度调制方式的液压控制信号，控制由液压阀1421构成的驱动阀1420。
图16是本发明的制动器控制装置的第二实施例构成图。
如图16所示，当驱动阀1420为电压控制阀1422时，电压控制阀1422以电压控制式调节从用于驱动制动器1410的制动器用泵1401排出的流量，其中，所述制动器1410与回转电动机120连接。
在驱动阀1420为电压控制阀1422时，控制部1430利用前端信息或回转体的回转速度，按照电压控制式生成制动器模式。其中，控制部1430可以利用相对于制动器输入的制动器压力能够指定的制动器模式特性，生成制动器模式。制动器模式特性可以由使用者预先设定，可以预先存储于制动器控制装置1400。
而且，控制部1430按照所生成的该电压控制方式的液压控制信号，控制由电压控制阀1422构成的驱动阀1420。
图17是当应用本发明的制动器控制装置时关于回转速度的减速速度曲线图的一个实施例示例图。
如图17所示，制动器控制装置1400按照回转体的惯性能量大小，不同地 设定制动器模式。制动器控制装置1400可以利用所测定的回转速度或回转体的前端信息，选择或计算制动器模式。
图4表示回转体以故障发生时间点1700为基准变更为停止状态的曲线图。
上端回转速度曲线1710表示立即停止的情况下的回转速度。下端回转速度曲线1720表示按照本发明的制动器模式而减速的回转速度。
就上端回转速度曲线1710而言，使用者会因液压制动器1410而直接受到冲击。另外，在工程机械处于倾斜地面的情况下，存在工程机械翻倒的危险。
下端回转速度曲线1720表示从工程机械的故障发生后的回转速度。其中，直到回转速度为“0”时的面积(积分)1722是回转体的移动距离。就下端回转速度曲线1720而言，与按照停止速度曲线直接停止时的上端回转速度曲线1710相比，回转体旋转距离会增加。
以上说明只不过是示例性地说明本发明，可以由本领域技术人员在不超出本发明的技术思想的范围内多样地变形。因此，本发明的说明书中记载的实施例并不限定本发明。本发明的范围应根据以下的权利要求书进行解释，在与之等同的范围内的所有技术也应解释为包含于本发明的范围。
Claims (8)
1.一种混合动力工程机械的紧急停止方法，其特征在于，包括：
故障位置确认步骤，在混合动力工程机械的回转侧、发动机侧及超级电容器侧中确认故障发生位置；
故障关闭步骤，关闭与所述故障位置确认步骤中确认的故障发生位置连接的变换器或转换器；以及
紧急停止步骤，使所述故障位置确认步骤中确认的故障发生位置之外的其它部分的变换器或转换器动作，通过超级电容器或发动机辅助电动机来吸收回转体的惯性能量进行紧急停止，
在所述紧急停止步骤中，
当所述故障发生位置为发动机侧时，使所述回转侧的变换器及超级电容器侧的转换器动作，执行回转零速度控制，并且将驱动混合动力工程机械的上部回转体的回转电动机的惯性能量存储到所述超级电容器，
当所述故障发生位置为超级电容器侧时，使所述回转侧的变换器及所述发动机侧的变换器动作，执行回转零速度控制，并且消耗惯性能量。
2.根据权利要求1所述的混合动力工程机械的紧急停止方法，其特征在于，
在所述紧急停止步骤中，当所述故障发生位置为回转侧时，使所述发动机侧的变换器或超级电容器侧的转换器动作，执行DC环节电压控制，从而吸收所述回转电动机的惯性能量。
3.根据权利要求1或2所述的混合动力工程机械的紧急停止方法，其特征在于，
还包括制动器制动步骤，为了缩短回转体的减速时间，与所述紧急停止步骤并用机械式制动器，从而使所述回转体制动。
4.根据权利要求2所述的混合动力工程机械的紧急停止方法，其特征在于，
当所述发动机侧的变换器动作时，所述发动机辅助电动机作为帮助所述发动机的输出的马达进行动作。
5.根据权利要求2所述的混合动力工程机械的紧急停止方法，其特征在于，
当所述超级电容器侧的转换器动作之后，在所述回转体旋转的状态下，所述超级电容器被充满，则使用所述回转体所配备的机械式制动器，对所述回转体进行制动。
6.一种混合动力工程机械的制动器控制装置，其特征在于，包括：
制动器，其用于在工程机械发生故障时使回转体停止；
驱动阀，其由液压式或电压控制式构成，用于控制向所述制动器施加的压力或流量；以及
控制部，其利用前端信息或所述回转体的回转速度来决定制动器模式，为了使所述回转体按照所决定的制动器模式进行停止，生成电压控制信号或液压控制信号，由此控制所述驱动阀。
7.根据权利要求6所述的工程机械的制动器控制装置，其特征在于，
当所述驱动阀为液压式时，所述控制部利用前端信息或所述回转体的回转速度，按照脉冲宽度调制方式来生成制动器模式，并且按照所生成的脉冲宽度调制方式的液压控制信号来控制所述驱动阀。
8.根据权利要求6所述的工程机械的制动器控制装置，其特征在于，
当所述驱动阀为电压控制式时，所述控制部利用前端信息或所述回转体的回转速度，按照预先设定的停止速度曲线来生成制动器模式，并且按照所生成的电压控制信号来控制所述驱动阀。
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