DE112008000422T5

DE112008000422T5 - Spannungssteuervorrichtung und Spannungssteuerverfahren

Info

Publication number: DE112008000422T5
Application number: DE112008000422T
Authority: DE
Inventors: Tomohisa Hiratsuka Sato
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2009-12-03
Also published as: KR20090103934A; JP4841636B2; US20100014323A1; CN101606309A; CN101606309B; US8289743B2; KR101130062B1; WO2008099884A1; JPWO2008099884A1

Abstract

Spannungssteuervorrichtung mit:
einem Kondensator zum Zuführen von elektrischer Energie an eine vorbestimmte Last;
einem Umrichter, der mit der Last verbunden ist;
einem bidirektionalen Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung, der zwei Spannungszwischenkreisumrichter, wobei Gleichstromanschlüsse von diesen in Reihe miteinander geschaltet sind, so dass sie eine additive Polarität aufweisen, und einen Transformator zur Wechselspannungskopplung von Wechselstromanschlüssen der zwei Spannungszwischenkreisumrichter umfasst, und der eine vorbestimmte Leckinduktivität aufweist, wobei einer der Spannungszwischenkreisumrichter parallel zu dem Kondensator geschaltet ist, zum Ausgeben einer Gleichspannung, die durch Erhöhen einer Kondensatorspannung des Kondensators erhalten wird, an den Umrichter; und
einer Steuereinheit zum Erzeugen eines Befehlswerts der auszugebenden Gleichspannung basierend auf einem Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung mit einem Wert, der der Kondensatorspannung entspricht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spannungssteuervorrichtung und ein Spannungssteuerverfahren zur Steuerung einer Gleichspannung, die durch Wandlung einer Spannung eines Kondensators, welcher eine Speicher- bzw. Sekundärbatterie bzw. ein Akkumulator ist, erhalten wird.
HINTERGRUNDTECHNIK
Ein Hybridfahrzeug, das mit einer (Brennkraft-)Maschine und einem (Elektro-)Motor als Antriebsquellen ausgerüstet ist, ist mit der Speicher- bzw. Sekundärbatterie wie etwa einer Batterie zum Zuführen von Energie an den Motor und zum Speichern von durch den Motor erzeugter elektrischer Energie versehen. Bei dem Hybridfahrzeug mit einer derartigen Konfiguration ist es üblich, eine Spannungssteuerung des Motors durchzuführen, die sich auf eine Effizienz bzw. einen Wirkungsgrad eines Inverters bzw. Umrichters zum Antreiben des Motors richtet (siehe zum Beispiel die Patentdokumente 1 bis 6).

Patentdokument 1: Veröffentlichung des japanischen Patents Nr. 3746334
Patentdokument 2: Veröffentlichung der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-275367
Patentdokument 3: Schrift der internationalen Veröffentlichung 03/056694
Patentdokument 4: Veröffentlichung der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-341698
Patentdokument 5: Veröffentlichung der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-168140
Patentdokument 6: Veröffentlichung der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-171606

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Im Fall einer Anwendung eines Kondensators mit hoher Kapazität, wie etwa eines Kondensators mit elektrischer Doppelschicht, als die Speicher- bzw. Sekundärbatterie, gab es jedoch einen Fall, in dem die Spannung des Kondensators mit gespeicherter Energie in hohem Maße variiert. Als ein Beispiel ist es bekannt, dass eine Last im Betrieb groß ist und eine Schwankungsbreite der Kondensatorspannung groß wird, wenn das Hybridfahrzeug eine Baumaschine ist, die zusätzlich mit einem (Elektro-)Motor zum Schwenken versehen ist. In einem solchen Fall kann eine Effizienz bzw. ein Wirkungsgrad eines Systems in seiner Gesamtheit mit der herkömmlichen Technik zum Durchführen einer Spannungssteuerung, die sich auf eine Effizienz bzw. einen Wirkungsgrad eines Inverters bzw. Wechselrichters richtet, nicht verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung ist unter dem vorstehend beschriebenen Sachverhalt gemacht, und eine Aufgabe von dieser besteht darin, die Spannungssteuervorrichtung und das Spannungssteuerverfahren bereitzustellen, die imstande sind, die Effizient bzw. den Wirkungsgrad des Systems in seiner Gesamtheit selbst dann zu verbessern, wenn die Schwankung der Spannung des Kondensators, welcher die Speicher- bzw. Sekundärbatterie ist, groß ist.
MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Spannungssteuervorrichtung: einen Kondensator zum Zuführen von elektrischer Energie an eine vorbestimmte Last; einen Umrichter, der mit der Last verbunden ist; einen bidirektionalen Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung, der zwei Spannungszwischenkreisumrichter, wobei Gleichstromanschlüsse von diesen in Reihe miteinander geschaltet sind, so dass sie eine additive Polarität aufweisen, und einen Transformator zur Wechselspannungskopplung von Wechselstromanschlüssen der zwei Spannungszwischenkreisumrichter umfasst, und der eine vorbestimmte Leckinduktivität aufweist, wobei einer der zwei Spannungszwischenkreisumrichter parallel zu dem Kondensator geschaltet ist, zum Ausgeben einer Gleichspannung, die durch Erhöhen einer Kondensatorspannung des Kondensators erhalten wird, an den Wechselrichter; und eine Steuereinheit zum Erzeugen eines Befehlswerts der auszugebenden Gleichspannung basierend auf einem Wirkungsgrad bzw. einer Effizienz des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung mit einem Wert, der der Kondensatorspannung entspricht.
Vorteilhafterweise stellt bei der Spannungssteuervorrichtung die Steuereinheit den Befehlswert der Gleichspannung konstant ein, ohne dass dieser von der Kondensatorspannung abhängig ist, wenn die Kondensatorspannung einen Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs annimmt, und stellt sie den Befehlswert der Gleichspannung auf einen Wert ein, mit dem der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung besser ist als der-/diejenige mit dem konstanten Wert, wenn die Kondensatorspannung einen Wert außerhalb des Bereichs annimmt.
Vorteilhafterweise ändert bei der Spannungssteuervorrichtung die Steuereinheit den Befehlswert der Gleichspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gemäß der Kondensatorspannung.
Vorteilhafterweise verwendet bei der Spannungssteuervorrichtung die Steuereinheit einen Kandidatenwert, der so bestimmt ist, dass er einer Innentemperatur des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung entspricht, wenn sie den Befehlswert der Gleichspannung erzeugt.
Vorteilhafterweise weist bei der Spannungssteuervorrichtung der Spannungszwischenkreisumrichter eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen auf und ist die Innentemperatur des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung eine Temperatur von einer der Vielzahl von Schaltvorrichtungen und/oder eine Temperatur des Transformators.
Vorteilhafterweise stellt bei der Spannungssteuervorrichtung die Steuereinheit den Befehlswert der Gleichspannung in einem unbelasteten Zustand auf eine zu der Kondensatorspannung proportionale Spannung ein.
Vorteilhafterweise ist bei der Spannungssteuervorrichtung die Last ein (Elektro-)Motor.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Spannungssteuerverfahren eines Systems, das versehen ist mit einem Kondensator zum Zuführen von elektrischer Energie an eine vorbestimmte Last; einem Umrichter, der mit der Last verbunden ist; und einem bidirektionalen Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung, der zwei Spannungszwischenkreisumrichter, wobei Gleichstromanschlüsse von diesen in Reihe miteinander geschaltet sind, so dass sie eine additive Polarität aufweisen, und einen Transformator zur Wechselspannungskopplung von Wechselstromanschlüssen der zwei Spannungszwischenkreisumrichter umfasst, und der eine vorbestimmte Leckinduktivität aufweist, wobei einer der zwei Spannungszwischenkreisumrichter parallel zu dem Kondensator geschaltet ist, zum Ausgeben einer Gleichspannung, die durch Erhöhen einer Kondensatorspannung des Kondensators erhalten wird, an den Umrichter, ein Erzeugen eines Befehlswerts der auszugebenden Gleichspannung basierend auf einem Wirkungsgrad bzw. einer Effizienz des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung mit einem Wert, der der Kondensatorspannung entspricht.
Vorteilhafterweise umfasst das Spannungssteuerverfahren ferner: Einstellen des Befehlswerts der Gleichspannung konstant, ohne dass dieser von der Kondensatorspannung abhängig ist, wenn die Kondensatorspannung einen Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs annimmt, und Einstellen des Befehlswerts der Gleichspannung auf einen Wert, mit dem der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung besser ist als der-/diejenige mit dem konstanten Wert, wenn die Kondensatorspannung einen Wert außerhalb des Bereichs annimmt.
Vorteilhafterweise umfasst das Spannungssteuerverfahren ferner ein Ändern des Befehlswerts der Gleichspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gemäß der Kondensatorspannung.
Vorteilhafterweise umfasst das Spannungssteuerverfahren ferner ein Verwenden eines Kandidatenwerts, der so bestimmt ist, dass er einer Innentemperatur des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung entspricht, wenn der Befehlswert der Gleichspannung erzeugt wird.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der bidirektionale Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung zum Erhöhen der Kondensatorspannung, die an den Umrichter auszugeben ist, zwischen dem Kondensator, welcher die Speicher- bzw. Sekundärbatterie ist, und dem Umrichter bereitgestellt und wird die Steuerung zum Bestimmen der Gleichspannung basierend auf dem Wirkungsgrad bzw. der Effizienz des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung durchgeführt, der/die sich gemäß der Kondensatorspannung ändert, so dass es möglich ist, die Ausgabespannung derart zu bestimmen, dass der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung gemäß der Kondensatorspannung selbst dann der/die beste ist, wenn der Kondensator mit hoher Kapazität als die Speicher- bzw. Sekundärbatterie auf einer Lastseite verwendet wird. Selbst wenn die mit dem Umrichter verbundene Last groß ist und die Schwankung der Kondensatorspannung groß ist, kann daher die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad des Systems in seiner Gesamtheit verbessert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration einer Spannungssteuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Hydraulikbaggers zeigt, auf den die Spannungssteuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewandt ist.
3 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Spannungswandlers zeigt.
4 ist ein Steuerblockschaltbild, das eine Steuerung einer Steuereinrichtung zeigt.
5 ist ein Berechnungsablauf eines Gleichspannungsbefehls, der durch eine Spannungswandler-Steuereinheit ausgegeben wird.
6 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Ausgabe des Spannungswandlers und einem Vorrichtungsbruttoverlust, die einer Kondensatorspannung entspricht, in einem Fall zeigt, in dem ein bidirektionaler Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung als der Spannungswandler angewandt ist.
7 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Kondensatorspannung und einem Kandidatenwert (einem ersten zusätzlichen Kandidatenwert) einer Ausgabespannung zeigt.
8 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Kondensatorspannung und einer maximalen Ausgabe des Spannungswandlers zeigt.
9 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer IGBT-Temperatur und einem minimalen Wert der Ausgabespannung zeigt.
10 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Transformatortemperatur und dem minimalen Wert der Ausgabespannung zeigt.
11 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Kondensatorspannung und dem Kandidatenwert (dem zweiten zusätzlichen Kandidatenwert) der Ausgabespannung zeigt.
12 ist eine Darstellung, die ein zweites Beispiel der Beziehung zwischen der Kondensatorspannung und dem Kandidatenwert (dem ersten zusätzlichen Kandidatenwert) der Ausgabespannung zeigt.
13 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Ausgabe und dem Wirkungsgrad des Spannungswandlers zeigt, die der Kondensatorspannung entspricht, wenn die Ausgabespannung 550 (V) ist.
BESTE ART(EN) ZUM VERWIRKLICHEN DER ERFINDUNG
Nachstehend wird hierin unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung eine beste Art zum Verwirklichen der vorliegenden Erfindung (was hierin nachstehend als ein „Ausführungsbeispiel” bezeichnet wird) beschrieben.
1 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration einer Spannungssteuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Spannungssteuervorrichtung 1, die in der Zeichnung gezeigt ist, bildet ein Leistungs- bzw. Energie(versorgungs)system, das an einem Fahrzeug vom Hybridtyp installiert ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das mit der Spannungssteuervorrichtung 1 ausgerüstete Fahrzeug vom Hybridtyp ein gemäß 2 gezeigter Hydraulikbagger 100. Der Hydraulikbagger 100 umfasst eine Selbstfahreinheit 101a zum Selbstantrieb durch Drehung einer Raupenkette oder dergleichen, Betriebsmaschinen wie etwa eine Schaufel, einen Ausleger und einen Arm, sowie einen Betriebsraum, und er ist mit einer Schwenkeinheit 101b versehen, die um eine Drehachse schwenk- bzw. drehbar ist, die in einer vorbestimmten Richtung relativ zu der Selbstfahreinheit 101a ausgerichtet ist. Die Spannungssteuervorrichtung 1, die an dem Hydraulikbagger 100 mit einer derartigen Konfiguration installiert ist, ist mit einem Stromerzeuger bzw. einer Lichtmaschine versehen, wobei eine Antriebswelle von diesem/dieser mit einer Antriebswelle einer (Brennkraft-)Maschine gekoppelt ist, und ist mit einem (Elektro-)Motor zum Schwenken versehen, der eine Antriebswelle aufweist, die mit der Drehachse der Schwenkeinheit 101b übereinstimmt.
Nachstehend wird hierin eine ausführliche Konfiguration der Spannungssteuervorrichtung 1 beschrieben. Die Spannungssteuervorrichtung 1 ist mit einem dreiphasigen Erregungs-SR-(„Switched Reluctance”: geschaltete Reluktanz)Motor 2 mit vier Läuferpolen und sechs Ständerpolen als der Stromerzeuger bzw. die Lichtmaschine versehen. Eine Antriebswelle des SR-Motors 2 ist mit einer Antriebswelle einer (Brennkraft-)Maschine 3 gekoppelt. Zusätzlich ist die Spannungssteuervorrichtung 1 mit einem PM-(Permanentmagnet)Motor 4 als ein (Elektro-)Motor zum Schwenken versehen. Sowohl an dem SR-Motor 2 als auch an dem PM-Motor 4 ist ein (nicht gezeigter) Umdrehungssensor zum Erfassen einer Drehzahl bereitgestellt.
Der SR-Motor 2 und der PM-Motor 4 werden von einem Kondensator 5 mit hoher Kapazität, der aus einem Kondensator mit elektrischer Doppelschicht gebildet ist, mit Energie versorgt. Der Kondensator 5 weist auch eine Funktion zum Speichern von elektrischer Energie auf, die durch den SR-Motor 2 und den PM-Motor 4 erzeugt wird.
Der SR-Motor 2 ist mit einem SR-Treiber 6 verbunden, welcher ein Inverter bzw. Umrichter für den SR-Motor ist. Der SR-Treiber 6 ist parallel zu einem SR-Kondensator 7 geschaltet, der aus einem Filmkondensator gebildet ist, der für eine Signalverlaufsformgebung und eine Überspannungsabsorption geeignet ist. Ein Spannungswandler 8 zum Erhöhen einer auszugebenden Spannung des Kondensators 5 ist parallel zu dem SR-Kondensator 7 geschaltet.
3 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration des Spannungswandlers 8 zeigt. Der in der Zeichnung gezeigte Spannungswandler 8 ist durch Verwendung eines bidirektionalen Gleichspannungs- bzw. Gleichstromwandlers mit Wechselspannungs- bzw. Wechselstromkopplung 81 mit additiver Polarität realisiert, der durch Wechselspannungs- bzw. Wechselstromkopplung von zwei Spannungszwischenkreisumrichtern bzw. Spannungsumrichtern mit U-Zwischenkreis bzw. Spannungs-U-Umrichtern erhalten wird. Der bidirektionale Gleichspannungs- bzw. Gleichstromwandler mit Wechselspannungs- bzw. Wechselstromkopplung 81 weist zwei Spannungszwischenkreisumrichter bzw. Spannungsumrichter mit U-Zwischenkreis bzw. Spannungs-U-Umrichter auf, welche ein unterer Umrichter 82 und ein oberer Umrichter 83 sind, und weist einen Transformator 84 zur Wechselspannungs- bzw. Wechselstromkopplung von Wechselstromseiten des unteren Umrichters 82 und des oberen Umrichters 83 auf.
Der untere Umrichter 82 ist aufgebaut aus insgesamt vier gebrückten IGBTs („Insulated Gate Bipolar Transistors”: Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) 821a, 821b, 821c und 821d, jeweils zwei für den oberen und den unteren Arm bzw. Zweig, als Schaltvorrichtungen zum (Um-)Schalten einer Energiezufuhr. Dioden 822a, 822b, 822c und 822d zum Einspeisen eines Rückfluss- bzw. Rücklaufstroms, der zur Zeit einer Energiezufuhrschaltung erzeugt wird, sind parallel zu den IGBTs 821a, 821b, 821c und 821d geschaltet. Andererseits weist der obere Umrichter 83 vier IGBTs 831a, 831b, 831c und 831d als die Schaltvorrichtungen auf. Dioden 832a, 832b, 832c und 832d sind parallel zu den IGBTs 831a, 831b, 831c und 831d geschaltet.
Bei dem unteren und dem oberen Umrichter 82 und 83 sind ein positiver Gleichstromanschluss des unteren Umrichters 82 und ein negativer Gleichstromanschluss des oberen Umrichters 83 in Reihe gestaltet, so dass sie eine additive Polarität aufweisen. Eine von außen an den bidirektionalen Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung 81 angelegte Spannung wird durch den unteren Umrichter 82 und den oberen Umrichter 83 geteilt.
Ein Kondensator 85, der hauptsächlich auf die Überspannungsabsorption abzielt, ist parallel zu dem unteren Umrichter 82 geschaltet. Eine Kapazität des Kondensators 85 ist erheblich kleiner als die Kapazität des Kondensators 5. Wie in dem Fall des unteren Umrichters 82 ist auch ein Kondensator 86 mit niedriger Kapazität zur Überspannungsabsorption parallel zu dem oberen Umrichter 83 geschaltet. Es ist bevorzugt, dass die Kapazität des Kondensators 85 größer ist als diejenige des Kondensators 86. Dies ist deshalb so, da ein Betrag einer Überspannung, die an dem Kondensator 85 auftritt, welcher auf einer Seite liegt, die mit einer aus dem Spannungswandler 8 herausgehenden Verdrahtung verbunden ist, größer ist als der Betrag einer Überspannung, die an dem Kondensator 86 auftritt. Es besteht auch ein Vorteil der Realisierung eines kompakten Raums, da es nicht notwendig ist, die Kapazität des Kondensators 86 unnötig groß zu machen, indem die Kapazität des Kondensators 86 niedergehalten wird.
Der untere Umrichter 82 ist mit einer Spule 84a des Transformators 84 verbunden, und der obere Umrichter 83 ist mit einer Spule 84b des Transformators 84 verbunden. Wenn Nenn- bzw. Sollspannungen von Gleichspannungen des unteren Umrichters 82 und des oberen Umrichters 83 im Wesentlichen gleich sind, ist es bevorzugt, dass ein Wicklungsverhältnis zwischen den Spulen 84a und 84b auf 1:1 eingestellt ist. Daher ist bei diesem Ausführungsbeispiel das Wicklungsverhältnis zwischen den Spulen 84a und 84b auf 1:1 eingestellt; das Wicklungsverhältnis kann jedoch auf geeignete Weise verändert werden.
Der Transformator 84 weist eine konstante Leck- bzw. Querinduktivität auf (die als L bezeichnet wird). In dem Spannungswandler 8 wird die Leckinduktivität gleichmäßig aufgeteilt, so dass sie L/2 auf Seite der Spule 84a und L/2 auf Seite der Spule 84b ist. Der Transformator 84 überträgt elektrische Energie, die vorübergehend in der Leckinduktivität gespeichert ist, durch eine Hochgeschwindigkeitsschaltsteuerung des unteren Umrichters 82 und des oberen Umrichters 83 an den Kondensator 5 oder dergleichen. Im Allgemeinen ist es bekannt, dass sich die Leckinduktivität in dem Transformator erhöht, wenn ein Abstand zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule größer wird. Wenn der Transformator hergestellt wird, wird dieser daher oft derart ausgebildet, dass die Primärspule und die Sekundärspule eng aneinander anliegen. Andererseits wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine gewünschte Leckinduktivität willentlich ausgebildet, indem der Abstand zwischen der Primär- und der Sekundärspule, das heißt der Abstand zwischen den Spulen 84a und 84b, angepasst wird. Unterdessen ist es auch möglich, die Induktivität außerhalb des Transformators 84 hinzuzufügen.
Der Spannungswandler 8 weist einen IGBT-Temperatursensor 87 zum Messen einer Temperatur eines vorbestimmten IGBT unter den IGBTs des unteren Umrichters 82 und des oberen Umrichters 83, sowie einen Transformator-Temperatursensor 88 zum Messen einer Temperatur des Transformators 84 auf.
Der Kondensator 85 des Spannungswandlers 8, der die vorstehend beschriebene Konfiguration aufweist, ist parallel zu dem Kondensator 5 geschaltet, und ein Kontaktgeber bzw. Schütz 9 ist zwischen dem Kondensator 5 und dem Kondensator 85 in Reihe geschaltet. Wenn der Kontaktgeber 9 eine Verbindung herstellt, erhöht der Spannungswandler 8 die Spannung (Primärseitenspannung) des Kondensators 5, und führt er die erhöhte Spannung (Sekundärseitenspannung) an den SR-Motor 2 und den PM-Motor 4 zu.
Der Spannungswandler 8 ist in Reihe mit einer Erregungsenergieversorgung 10 zum Erregen des SR-Motors 2 auf der Sekundärseite geschaltet. Es wird hierin ein Grund zur Bereitstellung der Erregungsenergieversorgung 10 bei der Spannungssteuervorrichtung 1 beschrieben. Im Allgemeinen weist der SR-Motor 2 die Eigenschaften auf, eine große regenerative Energie zu erzeugen, wenn er mit elektrischer Energie versorgt wird, und dieser fungiert nicht als der Stromerzeuger bzw. die Lichtmaschine durch einfachen Drehungsantrieb des innenliegenden Läufers. Um zu ermöglichen, dass der SR-Motor 2 mit derartigen Eigenschaften, als der Stromerzeuger fungiert, ist es notwendig, die Spule in dem SR-Motor 2 im Voraus zu erregen. Beim Anfahren der Maschine 3 ist jedoch eine elektrische Ladung des SR-Kondensators 7 gleich 0, und es ist nicht möglich, den SR-Motor 2 durch den Kondensator 5 zu erregen, indem der Kontaktgeber 9 beim Anfahren der Maschine 3 eingeschaltet wird. Dann ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Erregungsenergieversorgung 10 zum Erregen des SR-Motors 2 beim Anfahren der Maschine 3 bereitgestellt.
Eine Diode 11 und ein Relais 12 sind zwischen dem Spannungswandler 8 und der Erregungsenergieversorgung 10 in Reihe geschaltet. Die Diode 11 blockiert die Erregungsenergieversorgung 10, wenn die Spannung des SR-Kondensators 7 größer wird als die Spannung der Erregungsenergieversorgung 10. Auch steuert das Relais 12 ein Einschalten und Ausschalten der Erregungsenergieversorgung 10 durch einen Ein/Aus-Betrieb.
Der PM-Motor 4 ist mit einem PM-Umrichter 13 verbunden. Der PM-Umrichter 13 ist parallel zu einem PM-Kondensator 14 geschaltet, der aus einem Filmkondensator gebildet ist. Der Spannungswandler 8 ist parallel zu dem PM-Kondensator 14 geschaltet.
Ein Stromsensor 15 ist zwischen dem SR-Motor 2 und dem SR-Treiber 6 in Reihe geschaltet. Auch ist ein Stromsensor 16 zwischen dem PM-Motor 4 und dem PM-Umrichter 13 in Reihe geschaltet.
Spannungsmesser bzw. Voltmeter 17, 18, 19, 89 und 90, welche Spannungssensoren sind, sind parallel zu dem Kondensator 5, dem SR-Kondensator 7, dem PM-Kondensator 14 und den Kondensatoren 85 und 86 geschaltet. Ein Isolierungssensor 20 ist mit dem Kondensator 5 verbunden.
Die Spannungssteuervorrichtung 1 ist mit einer Steuereinrichtung 21 verbunden, welche ein Steuermittel ist. Die Steuereinrichtung 21 umfasst eine Fahrzeugkörper-Steuereinheit 22 zum Durchführen einer Fahrzeugkörpersteuerung des Hydraulikbaggers 100, eine SR-Motor-Steuereinheit 23 zur Steuerung einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl und eines Drehmoments des SR-Motors 2 durch Steuerung des SR-Treibers 6, eine PM-Motor-Steuereinheit 24 zur Steuerung einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des PM- Motors 4 durch Steuerung des PM-Umrichters 13, eine Spannungswandler-Steuereinheit 25 zur Steuerung des Spannungswandlers 8, sowie eine Kontaktgeber-Steuereinheit 26 zur Ein/Aus-Steuerung des Kontaktgebers 9.
4 ist ein Blockschaltbild, das eine Steuerung der Steuereinrichtung 21 zeigt. Die Fahrzeugkörper-Steuereinheit 22 der Steuereinrichtung 21 umfasst eine Leistungsverwaltungseinheit 221 zum Erzeugen von Betriebsbefehlen der Maschine 3 und des SR-Motors 2, sowie eine Schwenkbetriebseinheit 222 zum Erzeugen eines Betriebsbefehls des PM-Motors 4, und sie führt die Fahrzeugkörpersteuerung basierend auf der Spannung des Kondensators 5 und einer Bedienung eines Bedienhebels Lv durch einen Bediener durch. Die Leistungsverwaltungseinheit 221 erzeugt einen Maschinendrehzahlbefehl, der der Spannung des Kondensators 5, einem Bedienzustand des Bedienhebels Lv und einem Schwenkbetriebszustand entspricht, der von der Schwenkbetriebseinheit 222 übertragen wird, um diesen an die Maschine 3 auszugeben, andererseits erzeugt sie einen Geschwindigkeitsbefehl und einen Drehmomentbefehl des SR-Motors 2, um diese an die SR-Motor-Steuereinheit 23 auszugeben. Auch erzeugt die Schwenkbetriebseinheit 222 einen Geschwindigkeitsbefehl des PM-Motors 4, der der Spannung des Kondensators 5 und dem Hebelbedienzustand entspricht, um diesen an die PM-Motor-Steuereinheit 24 auszugeben.
Die SR-Motor-Steuereinheit 23 erzeugt den Betriebsbefehl des SR-Motors 2 durch Verwendung des Geschwindigkeitsbefehls und des Drehmomentbefehls, die von der Fahrzeugkörper-Steuereinheit 22 ausgegeben werden, der Drehzahl des SR-Motors und der Gleichspannung, die durch den Spannungswandler 8 ausgegeben wird, um diesen an den SR-Treiber 6 auszugeben.
Die PM-Motor-Steuereinheit 24 erzeugt den Betriebsbefehl des PM-Motors 4 durch Verwendung des Geschwindigkeitsbefehls des PM-Motors 4, der von der Fahrzeugkörper-Steuereinheit 22 ausgegeben wird, der Drehzahl des PM-Motors 4 und der Gleichspannung, die durch den Spannungswandler 8 ausgegeben wird, um diesen an den PM-Umrichter 13 auszugeben.
Die Spannungswandler-Steuereinheit 25 erzeugt einen Gleichspannungsbefehl basierend auf der Gleichspannung, die durch den Spannungswandler 8 ausgegeben wird, dem Betriebsbefehl des SR-Motors 2, der durch die SR-Motor-Steuereinheit 23 ausgegeben wird, dem Betriebsbefehl des PM-Motors 4, der durch die PM-Motor-Steuereinheit 24 ausgegeben wird, sowie der Transformatortemperatur und der IGBT-Temperatur in dem Spannungswandler 8, um diesen an den Spannungswandler 8 auszugeben.
5 ist ein Berechnungsablauf des Gleichspannungsbefehls, der durch die Spannungswandler-Steuereinheit 25 ausgegeben wird. Die Spannungswandler-Steuereinheit 25 erzeugt einen Gleichspannungsbefehl V0* basierend auf dem SR-Motor-Betriebsbefehl, der von der SR-Motor-Steuereinheit 23 ausgegeben wird, und dem PM-Motor-Betriebsbefehl, der von der PM-Motor-Steuereinheit 24 ausgegeben wird.
In der folgenden Beschreibung ist festgelegt, dass die Nenn- bzw. Sollspannung des SR-Motors 2 und des PM-Motors 4 550 (V) beträgt. Auch ist festgelegt, dass die Kapazität des Kondensators 5 derart gewählt ist, dass eine Schwankungsbreite einer Kondensatorspannung Vcap bei normalem Betrieb 150 bis 300 (V) beträgt. Unterdessen sind sie Schwankungsbreite der Kondensatorspannung Vcap und Zahlenwerte, die nachstehend angegeben sind, nichts weiter als ein Beispiel, und ist dieses Ausführungsbeispiel nicht durch die Zahlenwerte eingeschränkt.
Zunächst berechnet die Spannungswandler-Steuereinheit 25 einen Betrag, der doppelt so groß ist wie die erhaltene Kondensatorspannung Vcap (2 Vcap), als einen ersten Kandidatenwert V0*(0) des Gleichspannungsbefehls (Schritt S1). Der erste Kandidatenwert V0*(0) = 2 Vcap ist die Spannung, bei der ein Vorrichtungsbruttoverlust des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung 81 in einem unbelasteten Zustand minimal ist, das heißt die Spannung, bei der ein Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung in dem unbelasteten Zustand maximal ist. Hierin umfasst der „Vorrichtungsbruttoverlust” Leitungsverlust von jedem IGBT und Widerstand (einschließlich Gleichstromwiderstand, Skin- bzw. Hauteffekt, Wechselstromwiderstand wie etwa Wirbelstromverlust) des Transformators 84, und dieser ist proportional zu einer Strommenge, die durch den Transformator 84 fließt.
6 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Ausgabe V0 des Spannungswandlers 8 und dem Vorrichtungsbruttoverlust, die der Kondensatorspannung Vcap entspricht, in einem Fall zeigt, in dem der bidirektionale Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung als der Spannungswandler 8 angewandt ist und eine Nennspannung des SR-Motors 2 und des PM-Motors 4 550 (V) beträgt. Gemäß 6 ist bei Vergleich bei derselben Ausgabe festzustellen, dass der Vorrichtungsbruttoverlust minimal ist, wenn die Kondensatorspannung Vcap 275(= 550/2) (V) beträgt. Dies ist deshalb so, weil der durch den Transformator 84 fließende Strom kleiner ist und der Vorrichtungsbruttoverlust kleiner ist, wenn die Gleichspannung V0 V0 = 2 Vcap erfüllt, als in einem Fall von V0 ≠ 2 Vcap (wenn die elektrische Energie nicht zwischen dem SR-Motor 2 und dem Kondensator 5 ausgetauscht wird, beträgt der durch den Transformator 84 fließende Strom idealerweise 0). Da das Wicklungsverhältnis zwischen den Spulen 84a und 84b des Transformators 84 bei diesem Ausführungsbeispiel auf 1:1 eingestellt ist, ist unterdessen der Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung 81 maximal, wenn V0* = 2 Vcap erfüllt ist; im Fall eines allgemeineren Wicklungsverhältnisses ist jedoch die Spannung V0*, bei der der Verlust des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung 81 minimal ist, proportional zu der Kondensatorspannung Vcap, und ein Proportionalitätskoeffizient davon ist gemäß dem Wicklungsverhältnis bestimmt.
Die Spannungswandler-Steuereinheit 25 führt auch eine andere Berechnung als den vorstehend beschriebenen Schritt S1 durch, indem die erhaltene Kondensatorspannung Vcap verwendet wird. Im Speziellen erhält die Spannungswandler-Steuereinheit 25 zwei zusätzliche bzw. ergänzende Kandidatenwerte V0*(1) und V0*(2) zur Bestimmung eines Kandidatenwerts einer Ausgabespannung durch Verwendung von zwei unterschiedlichen Berechnungsverfahren, und gibt sie daraufhin den Minimalwert von diesen als V0*(3) aus.
Zunächst wird ein erstes Berechnungsverfahren beschrieben. Die Spannungswandler-Steuereinheit 25 berechnet einen ersten zusätzlichen bzw. ergänzenden Kandidatenwert V0*(1) zum Bestimmen des Gleichspannungsbefehls gemäß dem Wert der Kondensatorspannung Vcap (Schritt S2). 7 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vcap und dem ersten zusätzlichen Kandidatenwert V0*(1) zeigt, auf die bei dieser Berechnung Bezug genommen wird. Eine in der Zeichnung gezeigte Kurve L1 nimmt die Nennspannung 550 (V) als den ersten zusätzlichen Kandidatenwert V0*(1) an, wenn Vcap nicht kleiner ist als 180 (V); der erste zusätzliche Kandidatenwert V0*(1) verringert sich jedoch allmählich, wenn Vcap kleiner ist als 180 (V).
8 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vcap und einer maximalen Ausgabe P0max des Spannungswandlers 8 zeigt. Eine in der Zeichnung gezeigte Kurve L2 (die durch eine durchgezogene Linie angegeben ist) stellt die Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vcap und der maximalen Ausgabe P0max des Spannungswandlers 8 dar, wenn der erste zusätzliche Kandidatenwert V0*(1) konstant auf 550 (V) eingestellt ist, ohne dass dieser von der Kondensatorspannung Vcap abhängig ist. Auf der Kurve L2 verringert sich mit Abnahme der Kondensatorspannung Vcap allmählich die maximale Ausgabe P0max.
Andererseits ist eine Kurve L3 (die durch eine gestrichelte Linie angegeben ist) gemäß 8 die Kurve, die die Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vcap und der maximalen Ausgabe P0max des Spannungswandlers 8 darstellt, wenn der erste zusätzliche Kandidatenwert V0*(1) in einem Bereich Vcap ≤ 180 (V) geändert wird, wie es durch die gemäß 7 gezeigte Kurve L1 dargestellt ist. Unterdessen stimmt die Kurve L3 in einem Bereich Vcap ≥ 180 (V) mit der Kurve L2 überein. Wie es aus 8 klar ist, wird auf der Kurve L3 die Abnahme der maximalen Ausgabe P0max im Vergleich zu einem Fall der Kurve L2 in dem Bereich Vcap ≤ 180 (V) unterdrückt. Daher wird es möglich, selbst dann, wenn die Kondensatorspannung Vcap einen Spannungswert nahe dem minimalen Wert in der Spannungsschwankungsbreite bei dem normalen Betrieb (150 bis 300 (V)) aufweist, eine bestimmte Größe als die maximale Ausgabe P0max zu erhalten.
Bei der Spannungssteuervorrichtung 1 erhöht sich eine Innentemperatur des Spannungswandlers 8, wenn die Kondensatorspannung Vcap bei einem Hochlastbetrieb oder dergleichen abnimmt. Dann ist es bei diesem Ausführungsbeispiel konfiguriert, den Spannungsbefehl zum Schützen des unteren Umrichters 82 und des oberen Umrichters 83 und zum Verringern der Last zu erzeugen, indem die Ausgabespannung des Spannungswandlers 8 unterdrückt bzw. niedergehalten wird. Auf diese Art und Weise wird es, indem maximale Priorität auf den Wirkungsgrad des Spannungswandlers 8 in dem Bereich gelegt wird, in dem die Kondensatorspannung Vcap niedrig ist, als Folge hiervon möglich, den Wirkungsgrad einer Spannungssteuervorrichtung 1 in ihrer Gesamtheit zu verbessern.
Gemäß 8 wird als die Kondensatorspannung Vcap ein Wert verwendet, der durch Verarbeitung eines tatsächlichen Messwerts unter Verwendung eines Filters von ungefähr 100 (ms) erhalten wird. Dies dient dazu, eine Schwingung einer Spannungssteuerung infolge einer starken Schwankung der durch den bidirektionalen Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung 81 ausgegebenen Gleichspannung V0 im Fall einer schnellen Schwankung der Kondensatorspannung Vcap zu verhindern.
Unterdessen ist die gemäß 8 gezeigte Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vcap und der maximalen Ausgabe POmax nichts weiter als ein Beispiel, und dieses differiert gemäß Bedingungen wie etwa einem Verhalten der Last der Spannungssteuervorrichtung 1 und den Nennspannungen des SR-Motors 2 und des PM-Motors 4.
Anschließend wird ein zweites Berechnungsverfahren beschrieben (Schritte S3 bis S4). Die Spannungswandler-Steuereinheit 25 berechnet einen zweiten zusätzlichen bzw. ergänzenden Kandidatenwert V0*(2) zum Bestimmen des Gleichspannungsbefehls basierend auf der Innentemperatur des Spannungswandlers 8 und der Kondensatorspannung Vcap. Bei diesem Ausführungsbeispiel messen der IGBT-Temperatursensor 87 und der Transformator-Temperatursensor 88 eine Temperatur Tigbt eines vorbestimmten IGBT und eine Temperatur Ttr des Transformators 84 als die Innentemperatur des Spannungswandlers 8. Unterdessen werden die Temperaturen des IGBT und des Transformators 84 gemessen, indem die Temperatursensoren an geeigneten Stellen angebracht werden.
In einem Schritt S3 berechnet die Spannungswandler-Steuereinheit 25 einen Minimalwert Vlo(igbt) der Ausgabespannung, der der erhaltenen IGBT-Temperatur Tigbt entspricht (Schritt S3). 9 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der IGBT-Temperatur Tigbt und dem Minimalwert Vlo(igbt) der Ausgabespannung zeigt, auf die die Spannungswandler-Steuereinheit 25 Bezug nimmt. Auf einer in der Zeichnung gezeigten Kurve L4 beträgt der Minimalwert Vlo(igbt) 550 (V), was eine Motornennspannung ist, wenn die IGBT-Temperatur Tigbt nicht höher ist als 70(°C); der Minimalwert Vlo(igbt) beginnt jedoch abzunehmen, wenn die IGBT-Temperatur Tigbt höher ist als 70(°C), und er ist der Minimalwert 300 (V), wenn die IGBT-Temperatur 90(°C) beträgt. Unterdessen ist die Beziehung zwischen der IGBT-Temperatur Tigbt und dem Minimalwert Vlo(igbt) der Ausgabespannung gemäß Bedingungen, wie etwa einer Auslegung bzw. Bemessung der IGBT-Vorrichtung, als die Beziehung bestimmt, die zum Verhindern eines Ausfalls bzw. einer Störung der IGBT-Vorrichtung infolge einer Überhitzung imstande ist, und ist die gemäß 9 gezeigte Kurve L4 nichts weiter als ein Beispiel.
Die Spannungswandler-Steuereinheit 25 berechnet auch einen Minimalwert Vlo(tr) der Ausgabespannung, der der erhaltenen Transformatortemperatur Ttr entspricht (Schritt S4). 10 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Transformatortemperatur Ttr und dem Minimalwert Vlo(tr) der Ausgabespannung zeigt, auf die die Spannungswandler-Steuereinheit 25 Bezug nimmt. Auf einer in der Zeichnung gezeigten Kurve L5 ist der Minimalwert Vlo(tr) gleich 550 (V), was die Motornennspannung ist, wenn die Transformatortemperatur Ttr nicht höher ist als 100(°C); wenn die Transformatortemperatur Ttr höher ist als 100(°C), beginnt der Minimalwert Vlo(tr) jedoch abzunehmen, und er ist der Minimalwert 300 (V), wenn die Transformatortemperatur 130 (°C) beträgt. Unterdessen ist die Beziehung zwischen der Transformatortemperatur Ttr und dem Minimalwert Vlo(tr) der Ausgabespannung gemäß Bedingungen, wie etwa einer Isolationsklasse einer Wicklung des Transformators 84, als die Beziehung bestimmt, die zum Verhindern eines Isolationsdurchschlags des Transformators 84 infolge einer Überhitzung imstande ist, und ist die gemäß 10 gezeigte Kurve L5 nichts weiter als ein Beispiel.
Anschließend stellt die Spannungswandler-Steuereinheit 25 den Minimalwert aus Vlo(igbt) und Vlo(tr), die in den Schritten S3 und S4 erhalten werden, als Vlo ein (Schritt S5).
Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel ein Fall beschrieben ist, in dem die IGBT-Temperatur Tigbt und die Transformatortemperatur Ttr als die Innentemperatur des Spannungswandlers 8 verwendet werden, ist es unterdessen auch möglich, Vlo unter Verwendung von einer der Temperaturen zu erhalten.
Danach berechnet die Spannungswandler-Steuereinheit 25 den zweiten zusätzlichen Kandidatenwert V0*(2) unter Verwendung des in dem Schritt S5 eingestellten Minimalwerts Vlo (Schritt S6). 11 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vcap und dem zweiten zusätzlichen Kandidatenwert V0*(2) zeigt, auf die die Spannungswandler-Steuereinheit 25 Bezug nimmt. Auf einer in der Zeichnung gezeigten geraden Linie L6 gilt V0*(2) = Vlo, wenn die Kondensatorspannung Vcap 150 (V) beträgt. Außerdem erhöht sich der zweite zusätzliche Kandidatenwert V0*(2) linear, wenn sich die Kondensatorspannung Vcap erhöht, und ist er der maximale Wert 550 (V), wenn Vcap = 275 (V) gilt. Insbesondere, wenn Vlo = 300 (V) gilt, erfüllt die gerade Linie L6 V0*(2) = 2 Vcap. Im Allgemeinen gilt Vlo ≥ 300 (V), so dass die gerade Linie L6 immer V0*(2) ≥ 2 Vcap erfüllt.
Die Spannungswandler-Steuereinheit 25 vergleicht den in dem Schritt S2 erhaltenen ersten zusätzlichen Kandidatenwert V0*(1) mit dem in dem Schritt S6 erhaltenen zweiten zusätzlichen Kandidatenwert V0*(2) und bestimmt den kleineren als einen zweiten Kandidatenwert V0*(3) des Gleichspannungsbefehls der Ausgabespannung (Schritt S7).
Die Spannungswandler-Steuereinheit 25 wählt einen des ersten Kandidatenwerts V0*(0) und des zweiten Kandidatenwerts V0*(3) gemäß Antriebsbedingungen des SR-Motors 2 und des PM-Motors 4 aus, und sie gibt den ausgewählten Kandidatenwert als den Gleichspannungsbefehl V0* an den Spannungswandler 8 aus (Schritt S8). Im Speziellen stellt die Spannungswandler-Steuereinheit 25 den ersten Kandidatenwert V0*(0) als den Gleichspannungsbefehl V0* ein, wenn der SR-Motor 2 und der MP-Motor 4 stehen, sowie in dem unbelasteten Zustand, stellt sie andererseits den zweiten Kandidatenwert V0*(3) als den Gleichspannungsbefehl V0* ein, wenn zumindest einer des SR-Motors 2 und des PM-Motors 4 läuft. 5 zeigt einen Fall, in dem zumindest einer des SR-Motors 2 und des PM-Motors 4 läuft und der zweite Kandidatenwert V0*(3) als der Gleichspannungsbefehl V0* ausgewählt wird.
Zum Beispiel ist es bekannt, dass in einem Fall des herkömmlichen Spannungswandlers wie etwa eines Gleichspannungswandlers vom Chopper-Typ der Wirkungsgrad des Spannungswandlers umso besser ist, je größer die Primärseitenspannung (die der Kondensatorspannung Vcap entspricht) ist. Auch war bei dem herkömmlichen Spannungswandler eine Änderung des Wirkungsgrads des Spannungswandlers, die der Änderung der Primärseitenspannung entspricht, nicht so groß wie diejenige des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung. Daher gab es eine Grenze bei einer Verbesserung des Wirkungsgrads selbst an, wenn versucht wird, den Wirkungsgrad des Spannungswandlers zu steuern. Andererseits ändert sich der Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung 81, der bei diesem Ausführungsbeispiel angewandt ist, in hohem Maße gemäß der Änderung der Primärseitenspannung, so dass ein Wirkungsgrad des Systems erheblich verbessert werden kann, indem die Steuerung zum Einstellen eines optimalen Werts durchgeführt wird.
Gemäß dem einen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der bidirektionale Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung zum Erhöhen der an den Umrichter auszugebenden Kondensatorspannung zwischen dem Kondensator, welcher eine Speicher- bzw. Sekundärbatterie ist, und dem Umrichter bereitgestellt, und wird die Steuerung zum Bestimmen der Gleichspannung basierend auf dem Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung mit einem Wert durchgeführt, der der Kondensatorspannung entspricht, so dass es möglich ist, die Gleichspannung derart zu bestimmen, dass der Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung selbst dann der beste ist, wenn der Kondensator mit hoher Kapazität als die Speicher- bzw. Sekundärbatterie auf einer Lastseite verwendet wird. Daher kann der Wirkungsgrad des Systems in seiner Gesamtheit selbst dann verbessert werden, wenn die mit dem Umrichter verbundene Last groß ist und die Schwankung der Kondensatorspannung groß ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist auch der Verlust des Spannungswandlers selbst gering, so dass es möglich ist, die Erhöhung der Temperatur in dem Spannungswandler zu unterdrücken bzw. niederzuhalten und den Ausfall bzw. die Störung der IGBT-Vorrichtung sowie den Isolationsdurchschlag des Transformators infolge der Erhöhung der Temperatur zu verhindern, wodurch innenliegende Komponenten geschützt werden. Es wird dadurch möglich, einen reibungslosen durchgehenden Betrieb des Systems ohne Ausfall bzw. Störung des Austauschs elektrischer Energie durch den Spannungswandler zu realisieren.
Ferner ist es gemäß diesem Ausführungsbeispiel möglich, den Verlust zu verringern und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern, indem ein Arbeits- bzw. Betriebsbereich mit einem besseren Wirkungsgrad des Spannungswandlers gemäß der Kondensatorspannung verwendet wird.
(Alternatives Ausführungsbeispiel)
Bei dem Spannungssteuerverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vcap und dem ersten zusätzlichen Kandidatenwert V0*(1), auf die die Spannungswandler-Steuereinheit 25 in dem Schritt S2 Bezug nimmt, nicht auf die gemäß 7 gezeigte Kurve L1 beschränkt. 12 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vcap und dem ersten zusätzlichen Kandidatenwert V0*(1) zeigt, auf die in dem Schritt S2 Bezug genommen wird. Eine gemäß 12 gezeigte Kurve L7 ist derart eingestellt, dass sich der erste zusätzliche Kandidatenwert V0*(1) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (500 bis 500 (V) gemäß 12) gemäß der Kondensatorspannung Vcap ändert. Der Bereich ist basierend auf der Motornennspannung bestimmt und derart eingestellt, dass der Wirkungsgrad des Spannungswandlers 8 im Wesentlichen konstant ist oder der Wirkungsgrad des Spannungswandlers 8 gemäß der Änderung der Kondensatorspannung Vcap besser ist.
Nachstehend wird hierin ein Beispiel eines Verfahrens zum Einstellen der Kurve L7 beschrieben. 13 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Ausgabe und dem Wirkungsgrad und des Spannungswandlers 8 zeigt, wenn die Ausgabespannung V0* gleich 550 (V) ist. Der Wirkungsgrad des Spannungswandlers 8 ist am besten, wenn die Ausgabespannung V0* die doppelte Kondensatorspannung ist, wie es vorstehend beschrieben ist. Wenn der erste zusätzliche Kandidatenwert V0*(1) in dem Bereich von 500 bis 550 (V) eingestellt wird, wird daher erachtet, dass die Beziehung zwischen einer optionalen Kondensatorspannung Vcap und der Ausgabespannung V0* im Wesentlichen ähnlich zu der gemäß 13 gezeigten Beziehung ist. Zum Beispiel, wenn V0* = 500 (V) gilt, wird die gemäß 13 gezeigte Kurve von 275 (V) als eine Linie mit Vcap = V0*/2 = 250 (V) betrachtet. Ebenso, wenn V0* = 520 (V) gilt, wird eine gemäß 13 gezeigte Kurve von 275 (V) als eine Linie mit Vcap = V0*/2 = 260 (V) betrachtet.
Auf diese Art und Weise wird die Kurve L7 erhalten, indem alle Beziehungen zwischen der Ausgabe und dem Wirkungsgrad des Spannungswandlers 8 in einem Fall, in dem die Ausgabespannung V0* innerhalb des Bereichs von 500 bis 550 (V) liegt, und die Kurve, auf der der Wirkungsgrad des Spannungswandlers 8 gemäß der Änderung der Kondensatorkapazität Vcap (150 bis 300 (V)) im Wesentlichen konstant ist oder der Wirkungsgrad des Spannungswandlers 8 für die Schwankung der Spannung immer hervorragend ist, gemäß einer vorbestimmten Vorschrift gemacht wird.
Obwohl vorstehend die beste Art zum Verwirklichen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben ist, soll die vorliegende Erfindung nicht durch das eine vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt sein. Zum Beispiel kann bei der vorliegenden Erfindung der mit der Maschine gekoppelte Motor ein anderer Motor als der SR-Motor sein, und kann er zum Beispiel der PM-Motor sein. In diesem Fall ist die Erregungsenergieversorgung nicht notwendig.
Auch ist die vorliegende Erfindung natürlich auf andere Baumaschinen als den Hydraulikbagger anwendbar, und ist sie auf die verschiedenen Arten von Hybridfahrzeugen außer den Baumaschinen anwendbar.
Zusätzlich kann bei der vorliegenden Erfindung die mit dem Spannungswandler verbundene Last eine andere sein als der Motor.
Auf diese Art und Weise kann die vorliegende Erfindung verschiedene Ausführungsbeispiele umfassen, die hierin nicht beschrieben sind, und können verschiedene Entwurfs- bzw. Konstruktionsänderungen innerhalb des Umfangs der durch Patentansprüche festgelegten technischen Idee vorgenommen werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie vorstehend beschrieben ist die vorliegende Erfindung bei dem Hybridfahrzeug nützlich, das die (Brennkraft-Maschine und den (Elektro-)Motor als Antriebsquellen) aufweist, wobei Antriebswellen von diesen miteinander gekoppelt sind, und ist sie besonders geeignet für die Hybridbaumaschinen, bei denen die Lastschwankung groß ist.
Zusammenfassung
Es sind eine Spannungssteuervorrichtung und ein Spannungssteuerverfahren bereitgestellt, die zum Verbessern eines Wirkungsgrads eines Systems in seiner Gesamtheit selbst dann imstande sind, wenn eine Schwankung einer Spannung eines Kondensators, der eine Speicher- bzw. Sekundärbatterie ist, groß ist. Es sind bereitgestellt ein Kondensator zum Zuführen von elektrischer Energie an eine vorbestimmte Last, ein Umrichter, der mit der Last verbunden ist, ein bidirektionaler Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung, der zwei Spannungszwischenkreisumrichter, wobei Gleichstromanschlüsse von diesen in Reihe geschaltet sind, so dass sie eine additive Polarität aufweisen, und einen Transformator zur Wechselspannungskopplung von Wechselstromanschlüssen der zwei Spannungszwischenkreisumrichter umfasst, und der eine vorbestimmte Leckinduktivität aufweist, wobei einer der zwei Spannungszwischenkreisumrichter parallel zu dem Kondensator geschaltet ist, zum Ausgeben einer Gleichspannung, die durch Erhöhen einer Kondensatorspannung des Kondensators erhalten wird, an den Umrichter, und eine Steuereinheit zum Erzeugen eines Befehlswerts der auszugebenden Gleichspannung basierend auf einem Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung mit einem Wert, der der Kondensatorspannung entspricht.

1: Spannungssteuervorrichtung
2: SR-Motor
3: (Brennkraft-)Maschine
4: PM-Motor
5: Kondensator
6: SR-Treiber
7: SR-Kondensator
8: Spannungswandler
9: Kontaktgeber
10: Erregungsenergiequelle
11: Diode
12: Relais
13: PM-Umrichter
14: PM-Kondensator
15, 16: Stromsensor
17, 18, 19, 89, 90: Spannungsmesser
20: Isolierungssensor
21: Steuereinrichtung
22: Fahrzeugkörper-Steuereinheit
23: SR-Motor-Steuereinheit
24: PM-Motor-Steuereinheit
25: Spannungswandler-Steuereinheit
26: Kontaktgeber-Steuereinheit
81: bidirektionaler Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung
82: unterer Umrichter
83: oberer Umrichter
84: Transformator
84a, 84b: Spule
85, 86: Kondensator
87: IGBT-Temperatursensor
88: Transformatortemperatursensor
100: Hydraulikbagger
101a: Selbstfahreinheit
101b: Schwenkeinheit
221: Leistungsverwaltungseinheit
222: Schwenkbetriebseinheit
821a, 821b, 821c, 821d, 831a, 831b, 831c, 831d: IGBT
822a, 822b, 822c, 822d, 832a, 832b, 832c, 832d: Diode
Lv: Bedienhehel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 3746334 [0002]
- JP 2001-275367 [0002]
- WO 03/056694 [0002]
- JP 2005-341698 [0002]
- JP 2005-168140 [0002]
- JP 2002-171606 [0002]

Claims

Spannungssteuervorrichtung mit: einem Kondensator zum Zuführen von elektrischer Energie an eine vorbestimmte Last; einem Umrichter, der mit der Last verbunden ist; einem bidirektionalen Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung, der zwei Spannungszwischenkreisumrichter, wobei Gleichstromanschlüsse von diesen in Reihe miteinander geschaltet sind, so dass sie eine additive Polarität aufweisen, und einen Transformator zur Wechselspannungskopplung von Wechselstromanschlüssen der zwei Spannungszwischenkreisumrichter umfasst, und der eine vorbestimmte Leckinduktivität aufweist, wobei einer der Spannungszwischenkreisumrichter parallel zu dem Kondensator geschaltet ist, zum Ausgeben einer Gleichspannung, die durch Erhöhen einer Kondensatorspannung des Kondensators erhalten wird, an den Umrichter; und einer Steuereinheit zum Erzeugen eines Befehlswerts der auszugebenden Gleichspannung basierend auf einem Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung mit einem Wert, der der Kondensatorspannung entspricht.
Spannungssteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit den Befehlswert der Gleichspannung konstant einstellt, ohne dass dieser von der Kondensatorspannung abhängig ist, wenn die Kondensatorspannung einen Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs annimmt, und den Befehlswert der Gleichspannung auf einen Wert einstellt, mit dem der Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung besser ist als derjenige mit dem konstanten Wert, wenn die Kondensatorspannung einen Wert außerhalb des Bereichs annimmt.
Spannungssteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit den Befehlswert der Gleichspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gemäß der Kondensatorspannung ändert.
Spannungssteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit einen Kandidatenwert verwendet, der so bestimmt ist, dass er einer Innentemperatur des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung entspricht, wenn sie den Befehlswert der Gleichspannung erzeugt.
Spannungssteuervorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der Spannungszwischenkreisumrichter eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen aufweist, und die Innentemperatur des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung eine Temperatur von einer der Vielzahl von Schaltvorrichtungen und/oder eine Temperatur des Transformators ist.
Spannungssteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit den Befehlswert der Gleichspannung in einem unbelasteten Zustand auf eine zu der Kondensatorspannung proportionale Spannung einstellt.
Spannungssteuervorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Last ein Motor ist.
Spannungssteuerverfahren eines Systems, das versehen ist mit einem Kondensator zum Zuführen von elektrischer Energie an eine vorbestimmte Last; einem Umrichter, der mit der Last verbunden ist; und einem bidirektionalen Gleichspannungswandler mit Wechselspannungskopplung, der zwei Spannungszwischenkreisumrichter, wobei Gleichstromanschlüsse von diesen in Reihe miteinander geschaltet sind, so dass sie eine additive Polarität aufweisen, und einen Transformator zur Wechselspannungskopplung von Wechselstromanschlüssen der zwei Spannungszwischenkreisumrichter umfasst, und der eine vorbestimmte Leckinduktivität aufweist, wobei einer der zwei Spannungszwischenkreisumrichter parallel zu dem Kondensator geschaltet ist, zum Ausgeben einer Gleichspannung, die durch Erhöhen einer Kondensatorspannung des Kondensators erhalten wird, an den Umrichter, wobei das Spannungssteuerverfahren aufweist: Erzeugen eines Befehlswerts der auszugebenden Gleichspannung basierend auf einem Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung mit einem Wert, der der Kondensatorspannung entspricht.
Spannungssteuerverfahren gemäß Anspruch 8, zusätzlich mit: Einstellen des Befehlswerts der Gleichspannung konstant, ohne dass dieser von der Kondensatorspannung abhängig ist, wenn die Kondensatorspannung einen Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs annimmt, und Einstellen des Befehlswerts der Gleichspannung auf einen Wert, mit dem der Wirkungsgrad des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung besser ist als derjenige mit dem konstanten Wert, wenn die Kondensatorspannung einen Wert außerhalb des Bereichs annimmt.
Spannungssteuerverfahren gemäß Anspruch 8, zusätzlich mit: Ändern des Befehlswerts der Gleichspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gemäß der Kondensatorspannung.
Spannungssteuerverfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, zusätzlich mit: Verwenden eines Kandidatenwerts, der so bestimmt ist, dass er einer Innentemperatur des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit Wechselspannungskopplung entspricht, wenn der Befehlswert der Gleichspannung erzeugt wird.