CN105917101A - 混合动力工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合动力工程机械，其具备液压泵、发电电动机、发动机和控制装置，能基于总负载转矩对发动机转速进行适当的控制、降低因辅助设备的动力带来的能量损失，使发动机及发电电动机能高效率地运转。控制装置具备：总负载转矩确定部，检测液压泵的负载转矩及所述发电电动机的负载转矩的总和、即总负载转矩；以及发动机转速控制部，基于该总负载转矩对发动机转速进行控制。发动机转速控制部，在高负载转矩区域进行随着总负载转矩的减少而使发动机转速增加的调节控制，在低负载转矩区域进行将发动机转速维持在规定的目标转速N2的同步控制。

Description

混合动力工程机械

技术领域

本发明涉及具备对发动机转速进行控制的控制装置的混合动力工程机械。

背景技术

以混合动力挖掘机为例，对本发明的背景技术进行说明。

一般的混合动力挖掘机具备发动机、液压致动器、驱动该液压致动器的液压泵、连接于所述发动机而发挥发电机作用和电动机作用的发电电动机、以及利用由发电电动机的发电机作用所产生的电力被充电的蓄电装置。所述发电电动机在适当的时候被所述蓄电装置中储备的电力驱动而发挥电动机作用，并利用通过该电动机作用所产生的动力来辅助所述发动机。

另一方面，不管是混合动力挖掘机还是通常的液压挖掘机，作为发动机转速的控制方式之一，一般知道专利文献1及2中公开的按照负载转矩使发动机转速变化的调节控制。该调节控制对燃料喷射量进行调节，以便使发动机转速沿着调节线在目标转速和额定转速之间变化，其中，所述调节线是设定在发动机的输出特性线的内侧的直线，并且，该调节线以规定的角度向右下方倾斜。

在混合动力挖掘机中，所述发动机的负载不仅是来自液压泵的负载，还包含发电时来自发电电动机的负载。因此，需要基于泵的负载转矩与发电电动机的负载转矩相加的总负载转矩对发动机转速进行控制。如果对于混合动力挖掘机直接沿用只将泵负载视为发动机负载的上述公知技术，则不能正确地反映负载，基本上无法适当地控制发动机转速。

此外，在公知技术中，负载转矩的减少带来发动机转速的增加，因此在低负载转矩区域中鼓风机等辅助设备的动力变大，造成能量损失。为了抑制该能量损失，如果将调节特性的目标转速设定为较低，即将调节线移到低转速侧，在随着负载转矩的增加而发动机转速下降的调节特性的情况下，发电电动机发电时的负载转矩的增加会进一步使发动机转速降低。也就是，因伴随着在发动机的油耗效率及发电电动机的发电效率都不佳的区域进行运转的情况，所以能量效率变低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2012-31763号

专利文献2：国际申请专利公开公报WO2004/099593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，该混合动力工程机械具备发动机及发电电动机，能基于总负载转矩对发动机转速进行适当的控制、降低因辅助设备的动力带来的能量损失，使发动机及发电电动机能高效率地运转。

本发明提供一种混合动力工程机械，包括：液压致动器；液压泵，驱动所述液压致动器；发电电动机，发挥发电机作用和电动机作用；发动机，是所述液压泵及发电电动机的动力源；蓄电装置，利用由所述发电电动机的发电机作用所产生的电力被充电；以及控制装置，控制所述发动机的转速。所述发电电动机利用所述蓄电装置中储备的电力被驱动而发挥所述电动机作用，并利用由此产生的动力来辅助所述发动机。所述控制装置具备：总负载转矩确定部，检测所述液压泵的负载转矩及所述发电电动机的负载转矩，确定作为这些负载转矩的总和的总负载转矩；以及发动机转速控制部，基于所确定的所述总负载转矩对所述发动机转速进行控制。发动机转速控制部进行调节控制和同步控制，其中，调节控制是指在所述总负载转矩为预先设定的基础设定值Ts以上且为对应于额定转速N0的额定转矩V以下的区域，随着该总负载转矩的减少而使发动机转速沿着调节线增加的控制，其中，该调节线是将所述额定转速N0和总负载转矩为0时的第1目标转速N1相连接的线；同步控制是指在所述总负载转矩小于所述基础设定值Ts的区域，不管该总负载转矩如何变化，都进行将所述发动机转速维持在低于所述第1目标转速N1的第2目标转速N2的控制。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的混合动力工程机械的主要要素的系统结构图。

图2是表示所述混合动力工程机械的控制器的运算控制操作的流程图。

图3是表示由所述控制器控制的发动机转速和总负载转矩之间的基本关系的图。

图4是表示总负载转矩和用于进行转移控制的比例增益之间的关系的图。

图5是表示总负载转矩和通过所述转移控制所控制的发动机转速之间的关系的图。

图6是图5中用虚线20包围的部分的放大图。

具体实施方式

参照附图，对本发明的实施方式进行说明。本实施方式虽然以混合动力挖掘机为例，但是本发明也可同样地适用于混合动力挖掘机以外的其它混合动力工程机械。

图1表示上述实施方式所涉及的混合动力挖掘机的主要构成要素。该混合动力挖掘机具备作为动力源的发动机1、发挥发电机作用和电动机作用的发电电动机2、多个液压致动器5、作为驱动液压致动器5的液压源的可变容量型的液压泵3、设于液压致动器5和液压泵3之间的控制阀4以及冷却用的鼓风机6。发电电动机2、液压泵3及鼓风机6连接于所述发动机1，从而被该发动机1驱动。液压泵3通过所述控制阀4向各液压致动器5提供工作油而驱动该液压致动器5。

该混合动力挖掘机还具备逆变器7、蓄电装置8、控制器9及ECU(发动机控制单元)10。所述发电电动机2被所述发动机1驱动而发挥发电机作用，由此产生电力。产生的电力通过逆变器7被提供到蓄电装置8，蓄电装置8利用该电力被充电，即储存该电力。发电电动机2在适当的时候利用所述蓄电装置8中储备的电力发挥电动机作用而产生动力，利用该动力来辅助发动机1。逆变器7基于来自控制器9的指令进行蓄电装置8的充电、从蓄电装置8的放电、发电电动机2的运转等控制。控制器9向ECU10输入发动机转速指令，具体而言输入燃料喷射量指令。ECU10基于所输入的燃料喷射量指令使发动机1的燃料喷射量变化。这样，对发动机转速进行控制。

该混合动力工程机械还具备多个传感器。该多个传感器包含：发动机转速传感器11，检测发动机转速；泵压力传感器12，检测泵压力，该泵压力是液压泵3喷出的工作油的压力；以及倾转传感器13，检测作为液压泵3的倾转的泵倾转。各传感器11至13生成检测信号，将该检测信号输入控制器9。由发电电动机2生成的有关发电电动机转矩的信号也被输入控制器9。

控制器9具备转矩运算部和发动机转速指令部。

所述转矩运算部，基于所述各传感器11至13检测出的所述泵压力、所述泵倾转和所述发动机转速运算泵负载转矩，并且，运算该泵负载转矩和发电电动机转矩的总和、即总负载转矩T。也就是，该转矩运算部和所述各传感器11至13一起构成用于确定实际的总负载转矩T的总负载转矩确定部。

发动机转速指令部根据所述总负载转矩T生成发动机转速指令，并输入所述ECU10。发动机转速指令部和ECU10一起构成发动机转速控制部，基于所述总负载转矩T对发动机转速进行控制。所述总负载转矩确定部及所述发动机转速控制部构成对发动机转速进行控制的控制装置。

所述发动机转速指令部根据为了确定对应于所述总负载转矩T的发动机转速而预先设定的控制线、即图3所示的调节线La及同步线(isochronous line)Lb来生成用于控制发动机转速的发动机转速指令并输出。

所述调节线La是在图3中用点划线表示的在发动机1的输出特性线Lo的内侧连接点V和N1的向右下方倾斜的直线，其中，点V是指该输出特性线Lo中的额定点即与额定转速N0相对应的点，N1是指在总负载转矩T为0时而设定的第1目标转速(无负载转速)。根据该调节线La，发动机转速按照负载转矩在所述第1目标转速N1和额定转速N0之间变化。

所述同步线Lb是在总负载转矩T小于预先设定的基础设定值Ts的负载转矩区域(以下称为“低负载转矩区域”)从所述调节线La垂直向下分支的线。根据该同步线Lb，在低负载转矩区域中，不管总负载转矩T如何变化，发动机转速N都被维持在第2目标转速N2，该第2目标转速N2是在所述调节线La中对应于所述基础设定值Ts的规定的转速。该控制利用至少包含比例控制的反馈控制来执行，优选利用PID控制执行，在比例控制中使用比例增益Kp1。即，将实际的发动机转速和第2目标转速N2的偏差乘以比例增益Kp1而得的值作为补正值来使用。

其中，“在调节线La中对应于基础设定值Ts的规定的转速”不仅包含该调节线La中完全对应于基础设定值Ts的转速，还包含从完全对应于基础设定值Ts的转速稍微偏移的值，以便进行后面叙述的转移控制。

所述发动机转速指令部根据所述总负载转矩T的大小生成与两个线La、Lb分别对应的用于控制的发动机转速指令并输出。具体而言，在总负载转矩T为所述基础设定值Ts以上的高负载转矩区域，发出用于进行调节控制的发动机转速指令，该调节控制是按照总负载转矩T沿着所述调节线La使发动机转速N变化的控制。另一方面，在总负载转矩T小于所述基础设定值Ts的低负载转矩区域，发出用于进行同步控制(isochronous control)的发动机转速指令，该同步控制是按照所述同步线Lb将发动机转速N维持在规定的所述第2目标转速N2的控制。

然而，在所述调节控制和所述同步控制之间的单纯的转移会带来较大的发动机转速的变化，容易发生控制不稳定(control hunting)。此外，发动机转速的急剧变化也会给操作员带来操作的不协调感。

于是，在所述两个控制之间的转换过渡期间，由所述发动机转速指令部及ECU10构成的发动机转速控制部按照总负载转矩T的变化进行转移控制，该转移控制是指，按照总负载转矩T的变化，让用于比例控制的比例增益Kp在所述同步控制用的比例增益Kp1和所述调节控制用的比例增益Kp2(≒0)之间逐渐地变化的控制。具体而言，控制器9的发动机转速指令部根据预先设定的图4所示的总负载转矩T和比例增益Kp之间的关系确定所述过渡期间的比例增益Kp，并采用该比例增益Kp。即，如图4所示，对于总负载转矩T还设定了小于所述基础设定值Ts的过渡期间用设定值Tm，并在该设定值Ts和Tm之间，以让比例增益Kp在同步控制用增益Kp1和调节控制用增益Kp2之间对应于所述总负载转矩T而逐渐变化的方式，进行所述比例增益Kp的设定。通过该比例增益Kp的设定，能够在所述调节控制和所述同步控制之间的过渡期间S使发动机转速缓慢地变化，由此防止两个控制之间的转换带来的控制不稳定的发生以及对操作员带来的不协调感，其中，所述过渡期间S相当于图5及图6所示的两条水平虚线之间的区域。

图2是表示所述控制器9进行的运算控制操作的流程图。

所述控制器9的转矩运算部，首先在步骤S1中运算液压泵3的转矩和发电电动机2的转矩的总和、即总负载转矩T。该控制器9的发动机转速指令部在步骤S2中判断所运算的总负载转矩T是否为基础设定值Ts以上。

在所述总负载转矩T为所述基础设定值Ts以上的情况下，即处于T≥Ts的高负载转矩区域的情况下(步骤S2中为“是”)，发动机转速指令部运算用于进行调节控制的对应于总负载转矩T的发动机转速指令并输出。该发动机转速指令被输入到ECU10，由此启动发动机1的例如调节装置(governor)。这样，进行随着总负载转矩T的减少而使发动机转速N增加的调节控制。

在所运算的总负载转矩T小于所述基础设定值Ts的情况下，即处于T＜Ts的低负载转矩区域的情况下(步骤S2中为“否”)，发动机转速指令部进一步在步骤S4中判断总负载转矩T是否为过渡期间用设定值Tm以上。

在T≥Tm的情况下，即总负载转矩T处于设定值Ts和Tm之间的情况下(步骤S4中为“是”)，发动机转速指令部运算用于执行针对过渡期间S的转移控制的发动机转速指令并输出。通过使该发动机转速指令输入所述ECU10，执行按照总负载转矩T的变化而使发动机转速比调节控制时更缓慢地变化的转移控制。

在总负载转矩T小于过渡期间用设定值Tm(T＜Tm)的情况下，即已经离开了过渡期间S的情况下(步骤S4中为“否”)，发动机转速控制被转换为同步控制。即，发动机转速指令部运算用于进行同步控制的发动机转速指令并输出。通过使该发动机转速指令输入ECU10，不管总负载转矩T如何变化，都进行将发动机转速维持在规定的第2目标转速N2的同步控制。具体而言，进行既包含反馈控制，又按照总负载转矩T的变化调节燃料喷射量从而将发动机转速N保持不变的处理。

之后，通过反复所述各步骤，进行对应于总负载转矩T的调节控制、同步控制或针对两个控制之间的过渡期间S的转移控制。

在该混合动力工程机械中，通过对所述泵转矩和发电电动机转矩的总和即总负载转矩T进行的确定以及基于该总负载转矩的发动机转速指令，作为它们最基本的效果，能够进行正确地反映负载的适当的转速控制。

而且，在所述总负载转矩T小于基础设定值Ts的低负载转矩区域，进行将发动机转速N维持在低于第1目标转速N1的第2目标转速N2的同步控制，通过该同步控制，能够减少因鼓风机6等辅助设备的动力带来的能量损失。此外，通过将该第2目标转速N2设定为发动机1及发电电动机2的运转效率良好的转速范围内，该发动机1及发电电动机2都能够在能量效率良好的状态下运转。

而且，在高负载转矩区域的调节控制和低负载转矩区域的同步控制之间的转换过渡期间S，通过进行按照总负载转矩T的变化而使比例增益Kp逐渐地变化的转移控制，能够实现该调节控制和同步控制之间的缓慢的转移。由此，能够抑制控制不稳定，并能防止发动机转速N的急剧变化对操作员带来操作的不协调感。

但是，可以省略该转移控制。即，也可以在所述调节控制和所述同步控制之间进行直接转换。即使在这种情况下，也能够获得如下基本效果，即，基于总负载转矩T适当地控制发动机转速，降低因辅助设备的动力带来的能量损失，并且，发动机1和发电电动机2高效率地运转。

如上所述，可提供一种混合动力工程机械，其具备发动机及发电电动机，能基于总负载转矩对发动机转速进行适当的控制、降低因辅助设备的动力带来的能量损失，使发动机及发电电动机能高效率地运转。所述混合动力工程机械包括：液压致动器；液压泵，驱动所述液压致动器；发电电动机，发挥发电机作用和电动机作用；发动机，是所述液压泵及发电电动机的动力源；蓄电装置，利用由所述发电电动机的发电机作用所产生的电力被充电；以及控制装置，控制所述发动机的转速。所述发电电动机利用所述蓄电装置中储备的电力被驱动而发挥所述电动机作用，并利用由此产生的动力来辅助所述发动机。所述控制装置具备：总负载转矩确定部，检测所述液压泵的负载转矩及所述发电电动机的负载转矩，确定作为这些负载转矩的总和的总负载转矩；以及发动机转速控制部，基于所确定的所述总负载转矩对所述发动机转速进行控制。发动机转速控制部进行调节控制和同步控制，其中，调节控制是指在所述总负载转矩为预先设定的基础设定值Ts以上且为对应于额定转速N0的额定转矩V以下的区域，随着该总负载转矩的减少而使发动机转速沿着调节线增加的控制，其中，该调节线是将所述额定转速N0和总负载转矩为0时的第1目标转速N1相连接的线；同步控制是指在所述总负载转矩小于所述基础设定值Ts的区域，不管该总负载转矩如何变化，都进行将所述发动机转速维持在低于所述第1目标转速N1的第2目标转速N2的控制。

通过对所述泵转矩和发电电动机转矩的总和即总负载转矩T进行的确定以及基于所确定的该总负载转矩进行的发动机转速的控制，作为它们最基本的效果，能够进行正确地反映负载的适当的发动机转速控制。通过在所述总负载转矩小于基础设定值的低负载转矩区域进行同步控制，即进行将发动机转速维持在低于第1目标转速N1的第2目标转速N2的控制，能够降低因辅助设备的动力带来的能量损失。此外，通过将所述第2目标转速设定为发动机及发电电动机的运转效率良好的转速范围内，这两者都能在能量效率良好的状态下运转。换言之，能够防止在将调节特性的目标转速设定为低的情况下发生的发电电动机发电时发动机转速降低的问题，由此能够避免在发动机的油耗效率及发电电动机的发电效率都不佳的区域的运转。

优选的是，所述发动机转速控制部，在所述调节控制和所述同步控制之间的转换过渡期间，进行按照所述总负载转矩的变化而让用于控制所述发动机转速的增益逐渐地变化的转移控制，例如，按照所述总负载转矩的增加而让所述比例增益减少。通过该转移控制，能够实现调节控制和同步控制之间的缓慢的转移。由此，能够抑制控制不稳定，并能防止发动机转速的急剧变化对操作员带来操作的不协调感。

Claims (2)

1. 一种混合动力工程机械，其特征在于包括：

液压致动器；

液压泵，驱动所述液压致动器；

发电电动机，发挥发电机作用和电动机作用；

发动机，是所述液压泵及发电电动机的动力源；

蓄电装置，利用由所述发电电动机的发电机作用所产生的电力被充电；以及

控制装置，控制所述发动机的转速，其中，

所述发电电动机利用所述蓄电装置中储备的电力被驱动而发挥所述电动机作用，并利用由此产生的动力来辅助所述发动机，

所述控制装置具备：

总负载转矩确定部，检测所述液压泵的负载转矩及所述发电电动机的负载转矩，确定作为这些负载转矩的总和的总负载转矩；以及

发动机转速控制部，基于所确定的所述总负载转矩对所述发动机转速进行控制，其中，

发动机转速控制部进行调节控制和同步控制，其中，调节控制是指在所述总负载转矩为预先设定的基础设定值Ts以上且为对应于额定转速N0的额定转矩V以下的区域，随着该总负载转矩的减少而使发动机转速沿着连接所述额定转速N0和总负载转矩为0时设定的第1目标转速N1的调节线而增加的控制；同步控制是指在所述总负载转矩小于所述基础设定值Ts的区域，不管该总负载转矩如何变化，都进行将所述发动机转速维持在低于所述第1目标转速N1的第2目标转速N2的控制。

2. 根据权利要求1所述的混合动力工程机械，其特征在于：所述发动机转速控制部，在所述调节控制和所述同步控制之间的转换过渡期间，进行按照所述总负载转矩的变化而使用于控制所述发动机转速的增益逐渐地变化的转移控制。