CN108064206B - 再生制动装置及自卸卡车 - Google Patents

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Abstract

一种再生制动装置，其为自卸卡车的再生制动装置，该自卸卡车包括：发动机；由所述发动机驱动的第1发电机及第2发电机；由所述第1发电机的发电电力驱动的行驶用马达；以及经由第1整流电路输入所述第2发电机的发电电力的风扇用马达，该再生制动装置包括：电阻器，其在被供给再生制动时来自所述行驶用马达的再生电力的同时，被由所述风扇用马达驱动的风扇冷却，将电能转换为热能并进行散热；以及DC/DC转换器，其将向所述电阻器供给的所述再生电力的一部分经由第2整流电路输入至所述第1整流电路的输出线路。

Description

再生制动装置及自卸卡车
技术领域
本发明涉及再生制动装置及具有再生制动装置的自卸卡车。
背景技术
近年来，在矿山工地使用各种各样的工程机械，例如，作为运输用途使用自卸卡车。作为矿山中的矿石的运输成本，有劳务费、燃料费、维修费、初期投资等，通常认为燃料费继劳务费之后占较大的比例。因此，要求自卸卡车的节能化，提出了各种用于提高燃油经济性的技术。
例如，在专利文献1中提出了这样一种技术：对由再生制动装置产生的电力和辅助设备所需的电力顺次进行测量和比较，仅在再生电力超过辅助设备所需的电力时，降低辅助设备用发电机的负荷输出，同时将再生电力向辅助设备供给。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国发明专利申请公开第2010/0039054号公报
发明内容
然而，在矿山工地使用自卸卡车时，通常行驶的矿山道路未必平坦，能够想到由再生制动装置产生的再生电力的变动较大且急剧变化。因此，对于像上述那样对再生电力和辅助设备所需的电力顺次进行测量和比较、并基于其结果决定向辅助设备进行电力供给的方式，需要快速的控制。结果，为了能够在适当的时刻对辅助设备进行电力补给，要求提高控制系统的性能，成为成本增加的原因。
根据本发明的一方案，再生制动装置为自卸卡车的再生制动装置，该自卸卡车包括发动机、由所述发动机驱动的第1发电机及第2发电机、由所述第1发电机的发电电力驱动的行驶用马达、以及经由第1整流电路输入所述第2发电机的发电电力的风扇用马达，该再生制动装置的特征在于，其包括：电阻器，其在被供给再生制动时来自所述行驶用马达的再生电力的同时，被由所述风扇用马达驱动的风扇冷却，将电能转换为热能并进行散热；以及DC/DC转换器，其将向所述电阻器供给的所述再生电力的一部分经由第2整流电路输入至所述第1整流电路的输出线路。
发明效果
采用本发明，能够根据再生电力的状况，自动地在适当时刻将再生电力向作为辅助设备的网格箱风扇马达(日文：グリッドボックスフアンモータ)供给。
附图说明
图1是表示自卸卡车的概略构造的图。
图2是表示自卸卡车的动力系统的概略的图。
图3是说明DC/DC转换器的构成的图。
图4是说明车辆制动时的网格箱风扇马达的驱动电力的流程图。
图5是表示再生制动时的网格箱风扇马达用逆变器的输入电压、DC/DC转换器的输出侧开路电压、辅助发电机的发电电力、DC/DC转换器的输出电力以及网格箱电阻的发热量的演变的时序图。
图6是表示自卸卡车在矿山工地工作时的制动动作的一例的时序图。
图7是表示比较例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式详细进行说明。图1是表示自卸卡车的概略构造的图。图1所示的自卸卡车1包括：车架2、能够旋转地设于车架2的下部的前轮3(3L、3R)及后轮4(4L、4R)、设于车架2的前部的驾驶室5、以及能够倾斜动作地设于车架2的后部的货斗6。
装载砂土等的货斗6通过举升缸7的伸缩驱动而进行倾斜动作。在驾驶室5的后方设有后述的具有网格箱电阻(日文：グリッドボックス抵抗)的网格箱(日文：グリッドボックス)8。虽未图示，在驾驶室5设置有加速踏板、制动踏板、升降踏板、方向盘等操作部。操作者能够通过加速踏板的踏入量来控制自卸卡车1的加速力，通过制动踏板的踏入量来控制制动力。另外，操作者能够通过踩踏升降踏板来进行由液压驱动的卸货操作，通过方向盘操作来进行由液压驱动的转向操作。
图2是表示本实施方式的自卸卡车1的动力系统的概略的图。自卸卡车1利用发动机11驱动主发电机12，将产生的电力供给到行驶用马达10L、10R，利用行驶用马达10L、10R驱动后轮4(4L、4R)来进行行驶。
主发电机12所产生的三相交流电压由主发电机用整流电路(例如二极管电桥电路)21转换为直流电压，并输入至行驶马达用逆变器15R、15L。行驶马达用逆变器15R、15L是将输入的直流电压转换为三相交流电压的电力转换装置。从行驶马达用逆变器15R输出的三相交流电力被输入驱动后轮4R的行驶用马达10R。行驶用马达10R经由减速器9R与后轮4R机械连接。行驶用马达10R及减速器9R收纳于后轮4R的旋转轴部。
同样地，从行驶马达用逆变器15L输出的三相交流电力被输入驱动后轮4L的行驶用马达10L。行驶用马达10L经由减速器9L与后轮4L机械连接。行驶用马达10L及减速器9L收纳于后轮4L的旋转轴部。
在主发电机用整流电路21与行驶马达用逆变器15R、15L之间的直流线路连接有网格箱电阻53a～53c及断路器16，来作为将再生电力转换为热能并进行散热的装置。即，能够利用网格箱电阻53a～53c将再生能源作为热能释放，从而获得再生制动力。在图2所示的例子中，设有并联连接的三个网格箱电阻53a、53b、53c。其中，网格箱电阻的数量不限于三个，能够根据再生电力的最大电力来适当设定。
虽未图示，自卸卡车1具有机械式的制动系统，能够适当区分使用上述再生制动力和机械式的制动系统所产生的机械制动力来降低自卸卡车1的速度。
发动机11的输出轴，除了连接有上述主发电机12之外，还机械连接有用于向辅助设备供给电力的辅助发电机13。辅助发电机13所产生的三相交流电力由辅助发电机用整流电路(例如二极管电桥电路)17转换为直流电力。辅助发电机用整流电路17与网格箱风扇马达用逆变器18相连接。从辅助发电机用整流电路17输出的直流电压由网格箱风扇马达用逆变器18转换为交流电压，向三个网格箱风扇马达54供给三相交流电力。
主控制器50基于自卸卡车1的状态、操作者的操作输入(例如，加速踏板操作、制动踏板操作等)对发动机11、功率控制器51统一进行控制。功率控制器51遵照主控制器50的控制来向设于行驶马达用逆变器15R、15L、断路器16、网格箱风扇马达用逆变器18的半导体开关(未图示)输入开闭信号。由此，功率控制器51使行驶用马达10R、10L、网格箱电阻63a～53c、网格箱风扇马达54在适当时刻以适当输出动作，对制动动作时的电力的流动进行控制。
网格箱电阻53a～53c所产生的热量散发到周围的大气中。在产生的热能较大的情况下，网格箱电阻53a～53c变得高温。在需要对网格箱电阻53a～53c进行强制冷却的情况下，功率控制器51向网格箱风扇马达用逆变器18输入使网格箱风扇马达54驱动的控制信号，利用网格箱风扇马达54驱动风扇19旋转。网格箱电阻53a～53c被风扇19的旋转所产生的冷却风强制冷却。
在本实施方式中，设有DC/DC转换器20，将DC/DC转换器20的输出侧连接于辅助发电机用整流电路17与网格箱风扇马达用逆变器18之间的直流线路，而构成为将流入网格箱电阻53a～53c的再生电力的一部分用于驱动风扇马达54。
图3是说明DC/DC转换器20的构成的图。DC/DC转换器20的一次侧(输入侧)与网格箱电阻53a～53c相连接，二次侧(输出侧)与网格箱风扇马达用逆变器18的输入侧相连接。
DC/DC转换器20的一次侧的高电位侧(以下，称作P侧)输入端经由继电器60a与网格箱电阻53a～53c的高电位侧相连接。另一方面，DC/DC转换器20的一次侧的低电位侧(以下，称作N侧)输入端经由继电器60b与从网格箱电阻53b的中途引出的引出线61b相连接，并且经由继电器60c与从网格箱电阻53a的中途引出的引出线61a相连接。继电器60a～60c例如通过自卸卡车1的启动(点火钥匙开关打开)而成为闭合状态，通过自卸卡车1的停止(点火钥匙开关关闭)而成为断开状态。
在N侧的输入线路上串联插入有防反向电流用的二极管20b及电流制限用的电阻20c，由此，避免在引出线61a、61b流动的电流过大。另外，在P侧线路与N侧线路之间连接有平滑用的电容器20d、电压传感器20e、半导体电桥电路20f。在半导体电桥电路20f的交流输出侧连接有变压器20g及电流传感器20h。在变压器20g的输出侧连接有整流电路20i。在图3所示的例子中，作为整流电路20i设有二极管电桥电路。在整流电路20i的直流输出侧连接有电压传感器20j。
电压传感器20e、电流传感器20h及电压传感器20j的传感器测量值分别输入DC/DC转换器20的控制部20k。控制部20k将基于输入的传感器测量值的PWM(Pulse WidthModulation：脉冲宽度调制)控制信号输入半导体电桥电路20f，并以DC/DC转换器20的输出电压不超过最大控制电压V20max的方式，将向变压器20g输入的一次输入电压控制在一定范围内。
(再生制动时的网格箱风扇马达54的驱动电力)
接着，使用图4、5对操作者踏下制动踏板时或下坡的制动动作时的网格箱风扇马达54的驱动电力进行说明。
图4所示的流程图示出了车辆制动时的、到决定网格箱风扇马达54的驱动电力为止的流程。如以下说明的那样，采用将DC/DC转换器20的输出侧连接于辅助发电机用整流电路17与网格箱风扇马达用逆变器18之间的直流线路的结构，从而图4的步骤Sl0～S30的处理根据制动动力自动地进行。
另外，图5的(a)是表示再生制动时的网格箱风扇马达用逆变器18的输入电压V18in及DC/DC转换器20的输出侧开路电压V20open与制动动力之间的关系的图。图5的(b)是表示辅助发电机13的发电电力、DC/DC转换器20的输出电力及网格箱电阻53a～53c的发热量与制动动力之间的关系的图。
在自卸卡车1的制动时，从功率控制器51向行驶马达用逆变器15L、15R输入用于减速的控制信号，行驶用马达10L、10R作为发电机动作。即，通过再生动作将车辆的动能转换为电能。因产生的电能，行驶马达用逆变器15L、15R的直流侧的电压上升，当电压超过规定值时，功率控制器51使断路器16动作。当断路器16动作开始时，图4的流程开始。
当使断路器16动作时，电力(再生电力)从主发电机用整流电路21和行驶马达用逆变器15R、15L之间的直流线路向网格箱电阻53a～53c流入。自卸卡车1处于起动中时，图2、3所示的继电器60a～60c闭合，因此当因断路器16的动作而对网格箱电阻53a～53c施加有电压时，作为主发电机用整流电路21和行驶马达用逆变器15R、15L之间的直流线路的高电位侧的电位与引出线61a、61b的电位之间的电位差即电压施加于DC/DC转换器20的一次侧。
制动动力较小时，DC/DC转换器20的输入电压较低，DC/DC转换器20无法输出较大的电压。DC/DC转换器20的输出侧开路电压V20open在辅助发电机用整流电路17的输出侧开路电压V17open以下的情况下(V20open≤V17open)，网格箱风扇马达用逆变器18的输入电压V18in成为与辅助发电机用整流电路17的输出电压V170ut相等(参照图5的(a))。
此时，辅助发电机用整流电路17和网格箱风扇马达用逆变器18之间的直流线路的电压(＝V18in)比变压器20g的输出电压高，因此变压器20g的输出电压被整流电路20i拦截，DC/DC转换器20的输出电力W20成为零。结果，网格箱风扇马达54的驱动电力Wfan的一次产生源变成辅助发电机13，驱动电力Wfan由整流电路17的输出电力W17out供应(Wfan＝W17out：步骤S20)。即，网格箱风扇马达54由辅助发电机13的发电电力W13驱动(参照图5的(b))。
如图5的(a)所示，随着制动动力变大，DC/DC转换器20的输出侧开路电压V20open逐渐变大。并且，当制动动力大于值Wb时，DC/DC转换器20的输出侧开路电压V20open变得大于辅助发电机用整流电路17的输出侧开路电压V17open。当DC/DC转换器20的输出侧开路电压V20open大于辅助发电机用整流电路17的输出侧开路电压V17open时，网格箱风扇马达用逆变器18的输入电压V18in成为与DC/DC转换器20的输出电压相等。
此时，辅助发电机用整流电路17和网格箱风扇马达用逆变器18之间的直流线路的电压比辅助发电机13的输出电压高，因此，辅助发电机13的输出电压被辅助发电机用整流电路17拦截，辅助发电机13的负荷降低，发电电力W13降低。这里，成为辅助发电机13仅向网格箱风扇马达54供给电力的结构，因此发电电力W13降低为零(参照图5的(b))。
结果，网格箱风扇马达54的驱动电力Wfan的一次产生源变成行驶用马达15L、15R，驱动电力Wfan由DC/DC转换器20的输出电力W20out供应(Wfan＝W20out：步骤S30)。即，网格箱风扇马达54成为由再生电力驱动。
像这样，在制动动力＞Wb的范围内，网格箱风扇马达54由再生电力驱动，因此，辅助发电机13的负荷、即发动机11的负荷降低，能够减少燃料消耗量。另外，由网格箱电阻53a～53c消耗的再生电力的一部分被网格箱风扇马达54消耗，因此，制动动力超过Wb时(图5的(b)中的用附图标记D表示的部位)，网格箱电阻53a～53c的发热量WH减少。
另外，在图5的(a)中，制动动力大于Wmax的情况下，DC/DC转换器20的控制部20k以DC/DC转换器20的输出电压不超过最大控制电压V20max的方式，即以V20open＝V20max的方式控制向变压器20g输入的一次输入电压。
之后，当制动动力降低时，DC/DC转换器20的输出侧开路电压V20open降低，输出侧开路电压V20open变得低于辅助发电机用整流电路17的输出侧开路电压V17open。因此，再次由整流电路20i拦截变压器20g的输出电压，DC/DC转换器20的输出电力W20out成为零。结果，网格箱风扇马达54成为仅由来自辅助发电机13的电力驱动。
(在矿山工地的制动动作例)
图6示出了自卸卡车1在矿山工地工作时的制动动作的一例。图6的(a)中的线L1、L2分别表示自卸卡车1的速度v及制动动力(制动功率)PW的演变。其中，Pl及P2分别表示自卸卡车1到达挖掘工地及一次堆载地的时刻。另外，图6的(b)中的线L3表示网格箱风扇马达54的输出P f(瓦特)的演变，图6的(c)中的线L4表示网格箱风扇马达用逆变器18的输入电压V18in的演变。
这里，为了便于说明，假设自卸卡车1进行制动动作时仅为从行驶到停止时及下坡时。另外，假设由风扇19进行的冷却、即网格箱风扇马达54的驱动仅在制动动作时进行。
首先，自卸卡车1行驶到挖掘工地Pl，操作者踏下制动踏板来进行制动，在液压挖掘机等挖掘机附近停下。如曲线L2所示，在该制动动作时(时刻tl～时刻t2)产生制动动力(L2)。由于风扇19所进行的冷却仅在制动时进行，因此，如图6的(b)所示，从时刻tl到时刻t2产生网格箱风扇马达54的输出Wfan。另外，在产生了线L2所示那样的制动动力的情况下，在制动期间tl～t2中的施加了阴影的期间，V20open＞V17open，在该期间，成为由再生电力驱动网格箱风扇马达54。即，辅助发电机13的负荷成为零，发动机11的输出降低。
另外，在因制动动力的增加而DC/DC转换器20的输出电压(即，网格箱风扇马达用逆变器18的输入电压V18in)达到最大控制电压V20max的情况下，控制部20k以输出电压不超过最大控制电压V20max的方式控制DC/DC转换器20。
当自卸卡车1停下而制动动力变小时，网格箱风扇马达用逆变器18的输入电压V18in保持为辅助发电机用整流电路17的输出电压。
接着，充分装载了矿石的自卸卡车1再次开始行驶，驶向位于坡上的一次堆载地P2。此时，到爬坡结束为止几乎不会进行制动动作。当靠近一次堆载地P2时，自卸卡车1进行制动动作而停下。在该制动动作时(时刻t3～时刻t4)，产生制动动力(L2)。并且，在成为V20open＞V17open的施加了阴影的期间，实施由再生电力进行的网格箱风扇马达54的驱动。
之后，自卸卡车1在一次堆载地P2卸料后，再次开始朝向挖掘工地Pl行驶。由于自卸卡车1下坡行驶，因此为了进行较长的下坡行驶而需要持续进行制动。因此，在下坡时(时刻t5～时刻t6)的大致整个期间内，利用DC/DC转换器20的输出电力W20out(即，再生电力)驱动网格箱风扇马达54。
在矿山工地，自卸卡车1重复进行以上的动作。如图6的(c)中用阴影所示，驱动网格箱风扇马达54的时间的大半由DC/DC转换器20的输出电力W20out来驱动。在由DC/DC转换器20的输出电力W20out进行驱动的期间，辅助发电机13的输出大致为零，因此能够实现降低驱动网格箱风扇马达54所需的发动机输出，实现提高车辆的燃油经济性。
图7示出了作为比较例的、仅由辅助发电机13的发电电力驱动网格箱风扇马达54的情况下的自卸卡车1的动力系统的概略。在该构成中，网格箱风扇马达54的驱动电力都由辅助发电机13的发电电力供应，因此，例如在图6的(c)中的期间tl～t2、t3～t4、t5～t6这些全部期间中，都对发动机11要求用于驱动网格箱风扇马达54的附加驱动力。因此，与上述实施方式相比，燃料消耗量会增大。
如上所述，在本实施方式中，自卸卡车1包括发动机11、由发动机11驱动的主发电机(第1发电机)12及辅助发电机(第2发电机)13、由主发电机12的发电电力驱动的行驶用马达10L、10R、以及经由辅助发电机用整流电路(第1整流电路)17输入辅助发电机13的发电电力的网格箱风扇马达(风扇用马达)54，在该自卸卡车1的再生制动装置(16、20、53a～53c)中设有DC/DC转换器20，向将电能转换为热能并进行散热的网格箱电阻(电阻器)53a～53c供给的再生电力的一部分经由DC/DC转换器20的整流电路(第2整流电路)20i输入辅助发电机用整流电路17的输出线路。
通过采用这样的构成，在DC/DC转换器20的输出侧开路电压V20open与辅助发电机用整流电路17的输出侧开路电压V17open的大小关系为V20open≤V17open的情况下，变压器20g的输出电压被整流电路20i拦截，网格箱风扇马达54由辅助发电机13的发电电力驱动。相反，在V20open＞V17open的情况下，辅助发电机13的输出电压被辅助发电机用整流电路17拦截，网格箱风扇马达54由从DC/DC转换器20输入的再生电力驱动。
结果，能够根据再生电力的状况自动地在适当时刻将再生电力向作为辅助设备的网格箱风扇马达54供给，能够可靠地供给网格箱风扇马达54所需的电力。并且，不需要像以往那样设置用于进行再生电力和辅助发电机13的发电电力的切换的控制系统。
另外，通过向网格箱风扇马达54供给再生电力，辅助发电机13的负荷减少，因此能够实现提高驱动辅助发电机13的发动机11的燃油经济性。此外，如图6所示，将网格箱风扇马达54需要驱动的时机和活用再生电力的时机结合，能够抑制辅助发电机13的负荷变动。
另外，如图3所示，优选构成为从网格箱电阻53a、53b的中途引出引出线(电压引出线)61a、61b，将比施加于网格箱电阻53a～53c的施加电压低的电压施加于DC/DC转换器20的一次侧。
采用这样的构成，能够用耐压性低的部件构成DC/DC转换器20，能够使部件的体积更小，并且，能够实现低成本化。例如，再生时的行驶马达用逆变器15L、15R的直流侧的电压超过1000V，而网格箱风扇马达54的电压为600V左右，因此，考虑到DC/DC转换器20的耐压情况，优选像引出线61a、61b那样从网格箱电阻53a～53c的中途引出。
当然，也可以构成为，在构成DC/DC转换器20的部件的耐压比施加于网格箱电阻53a～53c的施加电压高的情况下，将网格箱电阻53a～53c的两端电压输入DC/DC转换器20。
另外，以上的说明不过是一例，只要不影响本发明的特征，本发明完全不限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，辅助发电机13主要产生网格箱风扇马达54的驱动电力，但也可以用于驱动其他辅助设备(电气设备)，还可以两者都使用辅助发电机13。
附图标记说明
1…自卸卡车，10L、10R…行驶用马达，11…发动机，12…主发电机(第1发电机)，13…辅助发电机(第2发电机)，15R、15L…行驶马达用逆变器，16…断路器(再生制动装置)，17…辅助发电机用整流电路(第1整流电路)，18…网格箱风扇马达用逆变器，19…风扇，20…DC/DC转换器(再生制动装置)，20i…整流电路(第2整流电路)，53a～53c…网格箱电阻(电阻器，再生制动装置)，54…网格箱风扇马达(风扇用马达)，61a、61b…引出线

Claims (3)

1.一种再生制动装置，其为自卸卡车的再生制动装置，该自卸卡车包括：发动机；由所述发动机驱动的第1发电机及第2发电机；由所述第1发电机的发电电力驱动的行驶用马达；以及风扇用马达，所述第2发电机的发电电力经由第1整流电路输入至所述风扇用马达，
该再生制动装置的特征在于，其包括：
电阻器，其在被供给再生制动时来自所述行驶用马达的再生电力的同时，被由所述风扇用马达驱动的风扇冷却，将电能转换为热能并进行散热；
DC/DC转换器，其将向所述电阻器供给的所述再生电力的一部分经由第2整流电路输入至所述第1整流电路的输出线路；以及
电压引出线，其将比施加于所述电阻器的施加电压低的电压从所述电阻器引出，并施加于所述DC/DC转换器的一次侧，
并且，所述电压引出线连接在所述DC/DC转换器的一次侧与所述电阻器之间，以在所述DC/DC转换器的二次侧开路电压大于所述第1整流电路的输出侧开路电压的情况下，仅将所述DC/DC转换器的输出电力向所述风扇用马达供给。
2.根据权利要求1所述的再生制动装置，其特征在于，
所述第2整流电路是二极管电桥电路。
3.一种自卸卡车，其特征在于，
包括：
发动机；
由所述发动机驱动的第1发电机及第2发电机；
由所述第1发电机的发电电力驱动的行驶用马达；
经由第1整流电路输入所述第2发电机的发电电力的风扇用马达；以及
权利要求1所述的再生制动装置。
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