DE112014002894T5

DE112014002894T5 - Hybridarbeitsmaschine und Verfahren zum Steuern einer Hybridarbeitsmaschine

Info

Publication number: DE112014002894T5
Application number: DE112014002894.0T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Moki
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2016-03-03
Also published as: US20160138245A1; CN105264759A; JP2015006037A; WO2014171557A1; KR20160009586A; JP6133704B2; KR101686004B1

Abstract

Ein Hybridbagger 1 enthält einen Generatormotor 19, der mit einer Antriebswelle 20 einer Antriebsmaschine 17 verbunden ist, einen Kondensator 25, der zumindest durch den Generatormotor 19 erzeugte Energie speichert, einen Schwenkmotor 23, der zumindest durch die durch den Generatormotor 19 erzeugte Energie und/oder zumindest durch die in dem Kondensator 25 gespeicherte Energie angetrieben wird, einen Booster 26, der zwei Brückenschaltungen mit jeweils einer Vielzahl von Schaltelementen enthält und zwischen dem Generatormotor 19 sowie dem Schwenkmotor 23 und dem Kondensator 25 angeordnet ist, und eine Booster-Steuereinheit C21, die eine Phasendifferenz zwischen Spannungen, die von den Brückenschaltungen ausgegeben werden, während des Standbybetriebs, in dem der Generatormotor 19 keine Energie erzeugt und der Schwenkmotor 23 gestoppt ist, auf Null einstellt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Vorliegende Erfindung betrifft eine Hybridarbeitsmaschine mit einer Brennkraftmaschine, einem Generatormotor, einer Speicherbatterie und einem Motor, der zumindest durch die Energie des Generatormotors oder zumindest durch die Energie der Speicherbatterie angetrieben wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern der Hybridarbeitsmaschine.
HINTERGRUND
Es wurde bereits eine Hybridarbeitsmaschine vorgeschlagen, bei der ein Generatormotor durch eine Antriebsmaschine angetrieben wird, der Antrieb des Motors durch die Energie erfolgt, die durch den Generatormotor erzeugt wird, und Arbeitsgeräte oder dergleichen betätigt werden. Die Hybridarbeitsmaschine ist zwischen dem Generatormotor und dem Motor und einer Speicherbatterie mit einem Booster versehen, zum Beispiel einem Kondensator oder einer Batterie, so dass über den Booster ein Austausch von Energie zwischen dem Generatormotor, dem Motor und der Speicherbatterie stattfindet. Patentliteratur 1 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Spannung einer Batterie durch einen DC-DC-Wandler umgewandelt und einem Inverter zugeführt wird, der einen Motor ansteuert.
DOKUMENTELISTE
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2005-168167

ÜBERSICHT
Technisches Problem
Ein Zustand einer Hybridarbeitsmaschine ist ein Zustand, in dem der Generatormotor keine Energie erzeugt oder nicht im Leistungsbetrieb arbeitet, während der Motor gleichzeitig gestoppt ist, d. h. ein Zustand, in dem die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch dem Motor deaktiviert ist. Wenn sich in dieser Situation ein Verlust in dem Booster einstellt, wird die Energie in der Speicherbatterie von dem Booster verbraucht, wodurch die Spannung der Speicherbatterie abfällt. Die Speicherbatterie wird dann geladen, indem der Generatormotor zur Energieerzeugung durch die Antriebsmaschine veranlasst wird. Dabei wird Energie verbraucht, um die Speicherbatterie zu laden, und es wird Kraftstoff verbraucht, um diese Energie aufzubringen. Es gilt daher, in einem Zustand, in dem sowohl der Generatormotor als auch der Motor abgeschaltet sind, den Verlust in dem Booster zu verhindern. Patentliteratur 1 enthält keine Angaben oder Vorschläge zu diesem Punkt und lässt daher Raum für Verbesserungen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung des Verlustes in dem Booster der Hybridarbeitsmaschine, während die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch dem Motor deaktiviert ist.
Problemlösung
Erfindungsgemäß wird eine Hybridarbeitsmaschine angegeben, umfassend: einen Generatormotor, der mit einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine verbunden ist; eine Speicherbatterie, die zumindest durch den Generatormotor erzeugte Energie speichert; einen Motor, der zumindest durch die durch den Generatormotor erzeugte Energie und/oder zumindest durch die in der Speicherbatterie gespeicherte Energie angetrieben wird; einen Booster, der zwei Brückenschaltungen mit jeweils einer Vielzahl von Schaltelementen enthält und zwischen dem Generatormotor sowie dem Motor und der Speicherbatterie vorgesehen ist; und eine Booster-Steuereinheit, die eine Phasendifferenz zwischen Spannungen, die von den Brückenschaltungen ausgegeben werden, während des Standbybetriebs, in dem die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch dem Motors deaktiviert ist, auf Null einstellt.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt, dass die beiden Brückenschaltungen durch einen Transformator miteinander verbunden sind, dass die Booster-Steuereinheit die Phasendifferenz derart steuert, dass eine Differenz zwischen einem von dem Booster ausgegebenen Spannungswert und einem vorgegebenen Schwellwert gleich Null ist, wenn ein K-facher Wert der von der Speicherbatterie abgegebenen Spannung während des Standbybetriebs größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellwert ist und K ein Boost-Verhältnis des Transformators ist.
Erfindungsgemäß wird eine Hybridarbeitsmaschine angegeben, umfassend: einen Generatormotor, der mit einer Ausgangswelle einer Brennkraftmaschine verbunden ist; eine Speicherbatterie, die durch den Generatormotor erzeugte Energie speichert; einen Motor, der zumindest durch die durch den Generatormotor erzeugte Energie und/oder zumindest durch die in der Speicherbatterie gespeicherte Energie angetrieben wird; einen Booster, der ein transformatorgekoppelter DC-DC-Wandler ist, in dem zwei Brückenschaltungen mit jeweils einer Vielzahl von Schaltelementen durch den Transformator miteinander verbunden sind, und der zwischen dem Generatormotor sowie dem Motor und der Speicherbatterie vorgesehen ist; und eine Booster-Steuereinheit, die eine Phasendifferenz zwischen Spannungen, die von den Brückenschaltungen ausgegeben werden, während des Standbybetriebs, in dem die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch dem Motors deaktiviert ist, auf Null einstellt und die Phasendifferenz derart steuert, dass eine Differenz zwischen einem Spannungswert, der von dem Booster ausgegeben wird, und einem vorgegebenen Schwellwert gleich Null ist, wenn ein K-facher Wert der von der Batterie abgegebenen Spannung während des Standbybetriebs größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellwert ist, wobei K ein Boost-Verhältnis des Transformators ist, der die beiden in dem Booster enthaltenen Brückenschaltungen verbindet.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Steuern einer Hybridarbeitsmaschine angegeben, die einen mit einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschinen verbundenen Generatormotor, eine zumindest die durch den Generatormotor erzeugte Energie speichernde Speicherbatterie, einen zumindest durch die durch den Generatormotor erzeugte Energie und/oder zumindest durch die in der Speicherbatterie gespeicherte Energie angetriebenen Motor und einen Booster enthält, der zwei Brückenschaltungen mit jeweils einer Vielzahl von Schaltelementen umfasst und zwischen dem Generatormotor sowie dem Motor und der Speicherbatterie angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: das Bestimmen eines Zustands des Generatormotors und des Motors; und das Einstellen einer Phasendifferenz zwischen den von den Brückenschaltungen ausgegebenen Spannungen auf Null, wenn die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch dem Motor deaktiviert ist.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt, dass die beiden Brückenschaltungen durch einen Transformator miteinander verbunden sind, dass die Phasendifferenz derart gesteuert wird, dass eine Differenz zwischen einem von dem Booster ausgegebenen Spannungswert und einem vorgegebenen Schwellwert gleich Null ist, wenn ein K-facher Wert einer von der Speicherbatterie abgegebenen Spannung größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellwert ist, während die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch dem Motors deaktiviert ist, und K ein Boost-Verhältnis des Transformators ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Vorliegende Erfindung kann den Verlust in dem Booster der Hybridarbeitsmaschine verhindern, während die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch dem Motors deaktiviert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Hybridbaggers als Beispiel einer Hybridarbeitsmaschine;
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtungskonfiguration des in 1 dargestellten Hybridbaggers 1 darstellt;
3 zeigt schematisch einen transformatorgekoppelten Booster, der als Booster dient;
4 zeigt in einem Diagramm einen Betrieb des Boosters;
5 ist ein Graph zur Darstellung einer Beziehung zwischen der Ausgangsleistung und einer Phasendifferenz des Boosters;
6 zeigt in einem Diagramm eine Booster-Steuereinheit, die in einer Hybridsteuerung enthalten ist, und einen Booster;
7 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Ablaufs in einem Verfahren zum Steuern der Hybridarbeitsmaschine gemäß vorliegender Ausführungsform.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Form der praktischen Ausführung (Ausführungsform) der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen im Detail erläutert.
1 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Hybridbaggers 1 als Beispiel einer Hybridarbeitsmaschine. 2 zeigt in einem Blockdiagramm eine Vorrichtungskonfiguration des Hybridbaggers 1, der in 1 dargestellt ist. Es ist anzumerken, dass unter einer einfachen Arbeitsmaschine, die kein Hybrid ist, eine Baumaschine wie ein Bagger, ein Bulldozer, ein Kipper oder ein Radlader erfasst sind und dass eine Baumaschine mit einer für eine Hybridmaschine spezifischen Konstruktion als Hybridarbeitsmaschine bezeichnet wird.
(Hybridbagger)
Der Hybridbagger 1, der als Hybridbaumaschine dient, hat einen Fahrzeugkörper 2 und ein Arbeitsgerät 3. Der Fahrzeugkörper 2 hat einen Unterwagen 4 und einen drehbaren Oberwagen 5. Der Unterwagen 4 hat ein Paar von Fahreinheiten 4a. Jede Fahreinheit 4a trägt eine Raupenkette 4b. Jede Fahreinheit 4a ist derart konfiguriert, dass die Raupenkette 4b durch die Drehung eines rechten hydraulischen Fahrmotors 34 und eines linken hydraulischen Fahrmotors 35, die in 2 dargestellt sind, angetrieben wird, damit der Hybridbagger 1 fährt.
Der drehbare Oberwagen 5 ist auf dem Unterwagen 4 angeordnet. Der Oberwagen 5 kann bezüglich des Unterwagens 4 geschwenkt werden, zu welchem Zweck der drehbare Oberwagen 5 einen Schwenkmotor 23 als Motor aufweist. Der Schwenkmotor 23 ist mit einer Antriebswelle des Schwenkmechanismus 24 (Reduktionsvorrichtung) verbunden. Das Drehmoment des Schwenkmotors 23 wird durch den Schwenkmechanismus 24 übertragen, so dass das übertragene Drehmoment durch ein Schwenkritzel und einen Drehkranz, die nicht dargestellt sind, auf den drehbaren Oberwagen 5 übertragen wird, um den drehbaren Oberwagen 5 zu schwenken.
Der drehbare Oberwagen 5 hat eine Fahrerkabine 6. Ebenso enthält der drehbare Oberwagen 5 einen Kraftstofftank 7, einen Hydraulikfluidtank 8, einen Antriebsmaschinenraum 9 und ein Gegengewicht 10. Der Kraftstofftank 7 speichert Kraftstoff für den Antrieb einer Antriebsmaschine 17, die eine Brennkraftmaschine ist. Der Hydraulikfluidtank 8 speichert Hydraulikfluid, das von einer Hydraulikpumpe 18 in hydraulische Einrichtungen wie einen Hydraulikzylinder eingespritzt wird, zum Beispiel in einen Ausleger-Hydraulikzylinder 14, einen Stiel-Hydraulikzylinder 15 und einen Löffel-Hydraulikzylinder 16 sowie in einen Hydraulikmotor (hydraulischer Aktuator), der den rechten hydraulischen Fahrmotor 34 und den linken hydraulischen Fahrmotor 35 umfasst. Verschiedene Einrichtungen wie beispielsweise die Antriebsmaschine 17, die Hydraulikpumpe 18, ein Generatormotor 19 und ein Kondensator 25, der eine Speicherbatterie ist, befinden sich in dem Antriebsmaschinenraum 9. Das Gegengewicht 10 ist hinter dem Antriebsmaschinenraum 9 angeordnet.
Das Arbeitsgerät 3 ist in einem vorderen Bereich des Oberwagens 5 mittig angeordnet und umfasst einen Ausleger 11, einen Stiel 12, einen Löffel 13, den Ausleger-Hydraulikzylinder 14, den Stiel-Hydraulikzylinder 15 und den Löffel-Hydraulikzylinder 16. Ein unteres Ende des Auslegers 11 ist mit dem drehbaren Oberwagen 5 schwenkbar verbunden. Ein dem unteren Ende des Auslegers 11 gegenüberliegendes oberes Ende ist mit einem unteren Ende des Stiels 12 drehbar verbunden. Ein dem unteren Ende des Stiels 12 gegenüberliegendes oberes Ende ist mit dem Löffel 13 drehbar verbunden. Der Löffel 13 ist durch ein Gelenk mit dem Löffel-Hydraulikzylinder 16 verbunden. Der Ausleger-Hydraulikzylinder 14, der Stiel-Hydraulikzylinder 15 und der Löffel-Hydraulikzylinder 16 sind die Hydraulikzylinder (Hydraulikaktuatoren), die durch das Hydraulikfluid, das von der Hydraulikpumpe 18 eingespritzt wird, aus- und einfahren. Der Ausleger-Hydraulikzylinder 14 schwenkt den Ausleger 11. Der Stiel-Hydraulikzylinder 15 schwenkt den Stiel 12. Der Löffel-Hydraulikzylinder 16 schwenkt den Löffel 13.
Wie in 2 dargestellt ist, enthält der Hybridbagger 1 die Antriebsmaschine 17 als Antriebsquelle und enthält die Hydraulikpumpe 18 und den Generatormotor 19. Als Antriebsmaschine 17 wird eine Dieselmaschine verwendet, und als Hydraulikpumpe 18 wird eine hydraulische Verstellpumpe verwendet. Die Hydraulikpumpe 18 ist zum Beispiel eine hydraulische Taumelscheibenpumpe, die zum Ändern der Pumpenkapazität einen Neigungswinkel einer Taumelscheibe 18a ändert, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Die Antriebsmaschine 17 enthält einen Drehzahlsensor 41, der die Drehzahl (Antriebsmaschinendrehzahl pro Zeiteinheit) der Antriebsmaschine 17 detektiert. Ein Signal, das die Drehzahl der Antriebsmaschine 17 (die Antriebsmaschinendrehzahl) angibt, die durch den Drehzahlsensor 41 detektiert wird, wird in eine Hybridsteuervorrichtung C2 eingegeben. Der Drehzahlsensor 41 wird mit Strom aus einer nicht dargestellten Batterie betrieben und detektiert die Drehzahl der Antriebsmaschine 17, solange sich ein Schlüsselschalter 31, der noch zu beschreiben ist, in einer An-Position (AN) oder in einer Start-Position (ST) befindet.
Die Hydraulikpumpe 18 und der Generatormotor 19 sind mit einer Antriebswelle 20 der Antriebsmaschine 17 mechanisch verbunden und werden angetrieben, wenn die Antriebsmaschine 17 angetrieben wird. Ein hydraulisches Antriebssystem umfasst ein Steuerventil 33, den Ausleger-Hydraulikzylinder 14, den Stiel-Hydraulikzylinder 15, den Löffel-Hydraulikzylinder 16, den rechten hydraulischen Fahrmotor 34 und den linken hydraulischen Fahrmotor 35, wobei diese Hydraulikeinrichtungen angetrieben werden, wenn die Hydraulikpumpe 18 Hydraulikfluid zu dem hydraulischen Antriebssystem leitet. Es ist zu beachten, dass das Steuerventil 33 ein Strömungsrichtungs-Steuerventil ist, das einen (nicht dargestellten) Schieber entsprechend einer Betätigungsrichtung eines Bedienhebels 32 bewegt, die Strömungsrichtung des Hydraulikfluids zu dem jeweiligen Hydraulikaktuator einstellt und den Hydraulikaktuator wie beispielsweise den Ausleger-Hydraulikzylinder 14, den Stiel-Hydraulikzylinder 15, den Löffel-Hydraulikzylinder 16, den rechten hydraulischen Fahrmotor 34 oder den linken hydraulischen Fahrmotor 35 entsprechend dem Betätigungsbetrag des Bedienhebels 32 mit Hydraulikfluid versorgt. Darüber hinaus kann die Ausgangsleistung der Antriebsmaschine 17 über eine Zapfwelle 19 (engl. PTO shaft = Power Take Off shaft) auf den Generatormotor übertragen werden.
Ein elektrisches Antriebssystem umfasst einen ersten Inverter 21, der durch ein Stromkabel mit dem Generatormotor 19 verbunden ist, einen zweiten Inverter 22, der durch einen Kabelbaum mit dem ersten Inverter 21 verbunden ist, einen Booster 26, der über einen Kabelbaum zwischen den ersten Inverter 21 und den zweiten Inverter 22 geschaltet ist, den Kondensator 25, der über einen Schalter 27 (elektromagnetischer Schalter) mit dem Booster 26 verbunden ist, und den Schwenkmotor 23, der durch ein Stromkabel mit dem zweiten Inverter 22 verbunden ist. Ein elektrischer Schaltkreis, der aus dem Kondensator 25 und dem Booster 26 gebildet ist, wird durch den Schalter 27 normalerweise geschlossen, um einen energieführenden Zustand herzustellen. Zum anderen ist die Hybridsteuervorrichtung C2 derart ausgebildet, dass diese die Notwendigkeit eines Öffnens des elektrischen Schaltkreises bestimmt, indem sie einen Streustrom detektiert, und, wenn eine solche Bestimmung erfolgt, ein Befehlssignal an den Schalter 27 ausgibt, damit dieser den Schaltkreis von dem Zustand, in dem der Schaltkreis Strom führen kann, in den unterbrochenen Zustand schaltet. Der Schalter 27, der das Befehlssignal von der Hybridsteuervorrichtung C2 empfängt, öffnet dann den elektrischen Schaltkreis.
Der Schwenkmotor 23 ist mechanisch mit dem vorstehend beschriebenen Schwenkmechanismus 24 verbunden. Der Schwenkmotor 23 wird zumindest durch die Energie angetrieben, die in dem Generatormotor 19 erzeugt wird, oder zumindest durch die Energie, die in dem Kondensator 25 gespeichert ist. Der Schwenkmotor 23, dessen Antrieb durch die Energie erfolgt, die zumindest von dem Generatormotor 19 oder zumindest von dem Kondensator 25 geliefert wird, arbeitet im Leistungsbetrieb und schwenkt den drehbaren Oberwagen 5. Darüber hinaus arbeitet der Schwenkmotor 23 im regenerativen Betrieb, wenn die Schwenkbewegung des drehbaren Oberwagens 5 verzögert wird, und liefert (lädt) Energie (regenerative Energie), die im regenerativen Betrieb erzeugt wird, an (in) den Kondensator 25. Es ist zu beachten, dass der Schwenkmotor 23 einen Drehzahlsensor 55 enthält, der die Drehzahl des Schwenkmotors 23 (Schwenkmotordrehzahl) detektiert. Der Drehzahlsensor 55 kann die Drehzahl des Schwenkmotors 23 im Leistungsbetrieb (Beschleunigung der Schwenkbewegung) oder im regenerativen Betrieb (Verzögerung der Schwenkbewegung) messen. Ein Signal, das die durch den Drehzahlsensor 55 gemessene Drehzahl angibt, wird in die Hybridsteuervorrichtung C2 eingegeben. Als Drehzahlsensor 55 kann zum Beispiel ein Drehmelder verwendet werden.
Abhängig von der Situation liefert (lädt) der Generatormotor 19 die in diesem erzeugte Energie an (in) den Kondensator 25 und liefert Energie auch an den Schwenkmotor 23. Der Generatormotor 19 wirkt als Motor, wenn die Ausgangsleistung der Antriebsmaschine 17 nicht ausreicht, wodurch die Ausgangsleistung der Antriebsmaschine 17 unterstützt wird. Ein SR-Motor (geschalteter Reluktanzmotor) wird zum Beispiel als Generatormotor 19 verwendet. Es kann auch ein Synchronmotor mit einem Permanentmagnet anstelle des SR verwendet werden, um die Aufgabe der Energieversorgung zumindest des Kondensators oder zumindest des Schwenkmotors 23 zu erfüllen. Wenn der SR-Motor als Generatormotor 19 eingesetzt wird, wird bei diesem kein Magnet verwendet, der ein kostspieliges Seltenerdmetall enthält, weshalb der Motor kosteneffektiv ist. Eine Rotorwelle des Generatormotors 19 ist mit der Antriebswelle 20 der Antriebsmaschine 17 mechanisch verbunden. Diese Konstruktion ermöglicht eine Drehung des Generatormotors 19 um seine Rotorwelle, indem die Antriebsmaschine 17 angetrieben wird, und die Erzeugung von Energie. Darüber hinaus ist an der Rotorwelle des Generatormotors 19 ein Drehzahlsensor 54 befestigt. Der Drehzahlsensor 54 misst die Drehzahl des Generatormotors 19, und es wird ein Signal, das die durch den Drehzahlsensor 54 gemessene Drehzahl angibt, in die Hybridsteuervorrichtung C2 eingegeben. Als Drehzahlsensor 54 kann zum Beispiel ein Drehmelder verwendet werden.
Der Booster 26 ist zwischen dem Generatormotor 19 sowie dem Schwenkmotor 23 und dem Kondensator 25 vorgesehen. Der Booster 26 erhöht die Spannung des Stroms (in dem Kondensator gespeicherte elektrische Ladung), der dem Generatormotor 19 oder dem Schwenkmotor 23 über den ersten Inverter 21 oder den zweiten Inverter 22 zugeführt wird. Die erhöhte Spannung wird an dem Schwenkmotor 23 angelegt, wenn der Schwenkmotor 23 im Leistungsbetrieb arbeitet (Beschleunigung der Schwenkbewegung), oder wird an dem Generatormotor 19 angelegt, wenn die Ausgangsleistung der Antriebsmaschine 17 unterstützt werden muss. Der Booster 26 übernimmt auch die Aufgabe eines Herabsetzens (Herabtransformierens) der Spannung, wenn die durch den Generatormotor 19 oder den Schwenkmotor 23 erzeugte Energie in den Kondensator 25 geladen wird. Ein Booster-Spannungsdetektionssensor 53 ist an dem Kabelbaum zwischen dem Booster 26 und jeweils dem ersten Inverter 21 und dem zweiten Inverter 22 befestigt, wobei der Booster-Spannungsdetektionssensor als Spannungsdetektionssensor dient, der die durch den Booster 26 verstärkte Spannung oder die Spannung des Stroms, der durch den Regenerierung des Schwenkmotors 23 erzeugt wird, misst. Ein Signal, das die durch den Booster-Spannungsdetektionssensor 53 gemessene Spannung angibt, wird in die Hybridsteuervorrichtung C2 eingegeben.
Der Booster 26 in der vorliegenden Ausführungsform hat die Funktion zum Verstärken oder Heruntertransformieren des eingegebenen Gleichstroms und dessen Ausgabe als Gleichstrom. Der Typ des Boosters 26 ist nicht beschränkt, solange der Booster über die genannten Funktionen verfügt. In der vorliegenden Ausführungsform wird zum Beispiel ein Booster verwendet, bei dem ein Transformator und zwei Inverter kombiniert sind. Ein solcher Booster enthält zum Beispiel einen bidirektionalen DC-DC-Wandler mit AC-Verknüpfung. Der transformatorgekoppelte Booster wird nachstehend kurz erläutert.
3 zeigt schematisch den transformatorgekoppelten Booster, der als Booster dient. Wie in 3 dargestellt ist, sind der erste Inverter 21 und der zweite Inverter 22 durch eine Plusleitung 60 und eine Minusleitung 61 jeweils als Kabelbaum verbunden. Der Booster 26 ist zwischen die Plusleitung 60 und die Minusleitung 61 geschaltet. Der Booster 26 ist derart konfiguriert, dass zwei Inverter, umfassend einen Niederspannungsinverter 62 als primären Inverter und einen Hochspannungsinverter 63 als sekundären Inverter, AC-(Wechselstrom)-verknüpft und durch einen Transformator 64 verbunden sind. Dementsprechend ist der Booster 26 der transformatorgekoppelte Booster. In der folgenden Beschreibung ist ein Wicklungsverhältnis einer Niederspannungsspule 65 zu einer Hochspannungsspule 66 des Transformators 64 auf eins festgelegt.
Der Niederspannungsinverter 62 und der Hochspannungsinverter 63 sind elektrisch in Reihe geschaltet, so dass eine positive Elektrode des Niederspannungsinverters 62 und eine negative Elektrode des Hochspannungsinverters 63 additive Polarität haben. Das heißt, der Booster 26 ist parallelgeschaltet, so dass er die gleiche Polarität hat wie der erste Inverter 21.
Der Niederspannungsinverter 62 ist eine Brückenschaltung mit IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) 71, 72, 73 und 74 als Vielzahl von Schaltelementen. Der Niederspannungsinverter 62 enthält die vier IGBTs 71, 72, 73 und 74, die eine Brückenschaltung mit der Niederspannungsspule 65 des Transformators bilden, sowie Dioden 75, 76, 77 und 78, die mit den IGBTs 71, 72, 73 und 74 parallelgeschaltet sind, so dass sie eine zur Polarität der IGBTs umgekehrte Polarität aufweisen. Die Brückenschaltung bezieht sich in diesem Fall auf eine Konstruktion, bei der ein Ende der Niederspannungsspule 65 mit einem Emitter des IGBT 71 und einem Kollektor des IGBT 72 verbunden ist, während ein weiteres Ende der Spule mit einem Emitter des IGBT 73 und einem Kollektor des IGBT 74 verbunden ist. Die IGBTs 71, 72, 73 und 74 werden angeschaltet, wenn ein Schaltsignal an einem Gate angelegt wird, das einen Stromfluss von dem Kollektor zu dem Emitter bewirkt.
Ein positiver Anschluss 25a des Kondensators 25 ist durch eine Plusleitung 91 mit einem Kollektor des IGBT 71 elektrisch verbunden. Der Emitter des IGBT 71 ist mit dem Kollektor des IGBT 72 elektrisch verbunden. Ein Emitter des IGBT 72 ist durch eine Minusleitung mit einem negativen Anschluss 25b des Kondensators 25 verbunden. Die Minusleitung 92 ist mit der Minusleitung 61 verbunden.
Ähnlich ist der positive Anschluss 25a des Kondensators durch eine Plusleitung 91 mit einen Kollektor des IGBT 73 elektrisch verbunden. Der Emitter des IGBT 73 ist mit dem Kollektor des IGBT 74 elektrisch verbunden. Ein Emitter des IGBT 74 ist durch die Minusleitung 92 mit dem negativen Anschluss 25b des Kondensators 25 elektrisch verbunden.
Der Emitter des IGBT 71 (eine Anode der Diode 75) und der Kollektor des IGBT 72 (eine Kathode der Diode 76) sind mit dem einen Anschluss der Niederspannungsspule 65 des Transformators 64 verbunden, während der Emitter des IGBT 73 (eine Anode der Diode 77) und der Kollektor des IGBT 74 (eine Kathode der Diode 78) mit dem anderen Anschluss der Niederspannungsspule 65 des Transformators 64 verbunden sind.
Der Hochspannungsinverter 63 ist eine Brückenschaltung, die IGBTs 81, 82, 83 und 84 als eine Vielzahl von Schaltelementen enthält. Der Hochspannungsinverter 63 enthält die vier IGBTs 81, 82, 83 und 84, die mit der Hochspannungsspule 66 des Transformators 64 eine Brückenschaltung bilden, sowie Dioden 85, 86, 87 und 88, die mit den IGBTs 81, 82, 83 und 84 parallelgeschaltet sind, so dass sie eine zu diesen entgegengesetzte Polarität aufweisen. Die Brückenschaltung bezieht sich in diesem Fall auf eine Konstruktion, bei der ein Ende der Hochspannungsspule 66 mit einem Emitter des IGBT 81 und einem Kollektor des IGBT 82 verbunden ist, während das andere Ende der Spule mit einem Emitter des IGBT 83 und einem Kollektor des IGBT 84 verbunden ist. Die IGBTs 81, 82, 83 und 84 werden angeschaltet, wenn ein Schaltsignal an einem Gate angelegt wird, das einen Stromfluss von dem Kollektor zu dem Emitter bewirkt. Der Booster 26 enthält zwei Brückenschaltungen, nämlich den Niederspannungsinverter 62 und den Hochspannungsinverter 63, wie vorstehend beschrieben.
Kollektoren der IGBTs 81 und 83 sind durch eine Plusleitung 93 mit der Plusleitung 60 des ersten Inverters 21 verbunden. Der Emitter des IGBT 81 ist mit dem Kollektor des IGBT 82 elektrisch verbunden. Der Emitter des IGBT 83 ist mit dem Kollektor des IGBT 84 elektrisch verbunden. Emitter der IGBTs 82 und 84 sind mit der Plusleitung 91 verbunden, und zwar mit den Kollektoren der IGBTs 71 und 73 des Niederspannungsinverters 62.
Der Emitter des IGBT 81 (eine Anode der Diode 85) und der Kollektor des IGBT 82 (eine Kathode der Diode 86) sind mit einem Anschluss der Hochspannungsspule 66 des Transformators 64 elektrisch verbunden, während der Emitter des IGBT 83 (eine Anode der Diode 87) und der Kollektor des IGBT 84 (eine Kathode der Diode 88) mit dem anderen Anschluss der Hochspannungsspule 66 des Transformators 64 elektrisch verbunden sind.
Ein Kondensator 67 ist elektrisch zwischen die Plusleitung 91, mit der die Kollektoren der IGBTs 71 und 73 verbunden sind, und die Minusleitung 92, mit der die Emitter der IGBTs 72 und 74 verbunden sind, geschaltet. Ein Kondensator 68 ist elektrisch zwischen die Plusleitung 93, mit der die Kollektoren der IGBTs 81 und 83 verbunden sind, und die Plusleitung 91, mit der die Emitter der IGBTs 82 und 84 verbunden sind, geschaltet. Die Kondensatoren 67 und 68 sind vorgesehen, um Brummstrom zu dämpfen.
Der Transformator 64 hat eine Streuinduktivität mit einem festen Wert L. Die Streuinduktivität erhält man durch die Einstellung eines Spalts zwischen der Niederspannungsspule 65 und der Hochspannungsspule 66 des Transformators 64. 3 zeigt einen Fall, in dem die Streuinduktivität zwischen der Niederspannungsspule 65 (L/2) und der Hochspannungsspule 66 (L/2) aufgeteilt wird. Ein Betrieb des Boosters 26 wird im Folgenden beschrieben.
(Betrieb des Boosters)
4 ist ein Diagramm zur Darstellung des Betriebs des Boosters. Wie 4 zeigt, sind die Spannungen (Ausgangsspannungen) v1 und v2, die von dem Niederspannungsinverter 62 und dem Hochspannungsinverter 63 ausgegeben werden, Rechteckwellenspannungen mit dem Tastverhältnis gleich 50% oder einem Verhältnis eines High-Signals zu einem Low-Signal von 1:1. Die Ausgangsspannungen v1 und v2 haben jeweils eine Dauer a und c, die dem High-Signal entspricht, und eine Dauer b und d, die dem Low-Signal entspricht. Bei beiden Ausgangsspannungen v1 und v2 ist die Dauer des High-Signals und die Dauer des Low-Signals gleich der Zeit t = T. Das Tastverhältnis ist somit gleich 50%. Die Ausgangsspannungen v1 und v2 sind Rechteckwellenspannungen mit jeweils einer Periode von 2 × T.
Der Booster 26 stellt die Phasendifferenz zwischen der Ausgangsspannung v1 des Niederspannungsinverters 62 und der Ausgangsspannung v2 des Hochspannungsinverters 63 ein, um die Leistung (Ausgangsleistung) Po und die Spannung (Ausgangsspannung) Vo, die von dem Booster ausgegeben wird, einzustellen. Die Ausgangsspannung des Boosters 26 entspricht der Spannung des elektrischen Antriebssystems (Systemspannung) des Hybridbaggers 1. 4 zeigt das Beispiel, in welchem eine Zeitdifferenz t = T1 zwischen der Ausgangsspannung v1 und der Ausgangsspannung v2 erzeugt wird. Durch die Verwendung dieser Differenz wird eine Phasendifferenz D zwischen der Ausgangsspannung v1 und der Ausgangsspannung v2 durch den Ausdruck (1) angegeben. D = T1/T (1)
Die Ausgangsleistung Po des Boosters 26 wird durch den Ausdruck (2) angegeben. In Ausdruck (2) bezeichnet Vo die Ausgangsspannung des Boosters 26, V1 bezeichnet die Spannung des Kondensators 25, ω bezeichnet eine Winkelfrequenz und π/T und L bezeichnen die Streuinduktivität des Transformators 64. Po = π × Vo × V1 × (D – D²)/(ω × L) (2)
Der Generatormotor 19 und der Schwenkmotor 23 unterliegen der Drehmomentsteuerung durch den ersten Inverter 21 und den zweiten Inverter 22 unter Steuerung durch die Hybridsteuervorrichtung C2. Der zweite Inverter 22 ist mit einem Amperemesser 52 ausgestattet, der einen in den zweiten Inverter 22 eingegeben Gleichstrom misst. Ein Signal, das den durch den Amperemesser 52 detektierten Strom angibt, wird in die Hybridsteuervorrichtung C2 eingegeben. Die Strommenge (elektrische Ladung oder Kapazität), die in dem Kondensator 25 gespeichert wird, lässt sich mit der Größe der Spannung als Index verwalten. Um die Größe der Spannung des in dem Kondensator 25 gespeicherten Stroms zu detektieren, ist ein Speicherbatterie-Spannungssensor 28 an einem vorgegebenen Ausgangsanschluss des Kondensators 25 vorgesehen. Ein Signal, das die durch den Speicherbatterie-Spannungssensor 28 detektierte Spannung angibt, wird in die Hybridsteuervorrichtung C2 eingegeben. Die Hybridsteuervorrichtung C2 überwacht die Ladungsmenge (Strommenge (elektrische Ladung oder Kapazität)) des Kondensators 25 und führt eine Energieverwaltung durch, die bestimmt, ob die durch den Generatormotor 19 erzeugte Energie dem Kondensator 25 zuzuführen (oder in diesen zu laden) ist oder dem Schwenkmotor 23 zuzuführen ist (zugeführte Energie für den Leistungsbetrieb). Die Hybridsteuervorrichtung C2, speziell die Booster-Steuereinheit C21 stellt die Phasendifferenz zwischen der Ausgangsspannung v1 des Niederspannungsinverters 62 und die Ausgangsspannung v2 des Hochspannungsinverters 63, die in dem Booster 26 enthalten sind, derart ein, dass die Ausgangsspannung Vo des Boosters 26 gleich einer vorgegebenen Spannung ist.
Der Kondensator 25 speichert zumindest die durch den Generatormotor 19 erzeugte Energie, wie vorstehend beschrieben. Der Kondensator 25 speichert ferner die durch den regenerativen Betrieb des Schwenkmotors 23 erzeugte Energie, wenn die Schwenkbewegung des drehbaren Oberwagens 5 einer Verzögerung unterzogen wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird als Kondensator 25 ein elektrischer Doppelschichtkondensator verwendet. Eine weitere Speicherbatterie, die als Sekundärbatterie wirkt, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, kann anstelle des Kondensators 25 verwendet werden. Darüber hinaus ist der Schwenkmotor nicht auf den in dem vorliegenden Beispiel verwendeten Permanentmagnet-Synchronmotor beschränkt.
Das hydraulische Antriebssystem und das elektrische Antriebssystem werden entsprechend einer Betätigung des Bedienhebels 32 wie beispielsweise ein Arbeitsgeräthebel, ein Hebel für den Fahrbetrieb und ein Hebel für den Schwenkbetrieb, die in der Fahrerkabine 6 des Fahrzeugkörpers 2 vorgesehen sind, angesteuert. Wenn ein Bediener des Hybridbaggers 1 den Steuerhebel 32 (Hebel für den Schwenkbetrieb), der als Betätigungseinheit zum Schwenken des drehbaren Oberwagens 5 dient, betätigt, werden die Betätigungsrichtung und der Betätigungsbetrag des Schwenkhebels durch ein Potentiometer oder einen Pilotdrucksensor detektiert, so dass der detektierte Betätigungsbetrag als elektrisches Signal zu der Steuervorrichtung C1 und der Hybridsteuervorrichtung C2 übertragen wird.
Ähnlich wird ein elektrisches Signal zu der Steuervorrichtung C1 und zu der Hybridsteuervorrichtung C2 übertragen, wenn ein weiterer Typ des Bedienhebels 32 betätigt wird. In Reaktion auf die Betätigungsrichtung und den Betätigungsbetrag des weiteren Bedienhebels 32 steuern die Steuervorrichtung C1 und die Hybridsteuervorrichtung C2 den zweiten Inverter 22, den Booster 26 und den ersten Inverter 21, um die Übertragung der Energie (Durchführung der Energieverwaltung) beispielsweise bei der Drehung (Leistungsbetrieb oder regenerativer Betrieb) des Schwenkmotors 23, die Verwaltung der elektrischen Energie (Lade- oder Entladesteuerung) des Kondensators 25 und die Verwaltung der elektrischen Energie (Energieerzeugung, Unterstützung der Ausgangsleistung der Antriebsmaschine oder Leistungsbetrieb des Schwenkmotors 23) des Generatormotors 19 zu steuern.
Außer dem Bedienhebel 32 sind eine Monitorvorrichtung 30 und der Schlüsselschalter 31 in der Fahrerkabine 6 vorgesehen. Die Monitorvorrichtung 30 besteht aus einer Flüssigkristallanzeige, einem Bedienknopf und dergleichen. Die Monitorvorrichtung 30 kann ebenso ein Touchpanel sein, in das eine Anzeigefunktion der Flüssigkristallanzeige und Eingabefunktion des Bedienknopfes für die Eingabe verschiedener Informationen integriert sind. Die Monitorvorrichtung 30 ist eine Informations-Eingabe/Ausgabevorrichtung, deren Aufgabe es ist, den Bediener oder einen Servicetechniker mit Informationen über einen Betriebszustand (betreffend die Wassertemperatur der Antriebsmaschine, vorhandene/nichtvorhandene Störungen von Hydraulikeinrichtungen oder die restliche Kraftstoffmenge) des Hybridbaggers 1 zu informieren. Ebenso hat die Monitorvorrichtung 30 eine Funktion zur Durchführung von Einstellungen oder zur Bereitstellung eines Befehls (Einstellung der Höhe der Ausgangsleistung der Antriebsmaschine, Einstellung der Höhe der Fahrgeschwindigkeit oder die noch zu beschreibende Freigabe einer Kondensatorladung), den der Fahrer an dem Hybridbagger 1 ausführen möchte.
Der Schlüsselschalter 31 besteht aus einem Schlüsselzylinder als Hauptkomponente. Der Schlüsselschalter 31 ist derart konfiguriert, dass ein Schlüssel in einen Schlüsselzylinder gesteckt und gedreht wird, um einen Anlasser zu betätigen (Anlassermotor der Antriebsmaschine), der an der Antriebsmaschine 17 befestigt ist und der die Antriebsmaschine 17 (Starten der Antriebsmaschine) startet. Darüber hinaus ist der Schlüsselschalter 31 konfiguriert für die Ausgabe eines Befehls zum Stoppen der Antriebsmaschine (Stopp der Antriebsmaschine), indem der Schlüssel in die zum Starten der Antriebsmaschine entgegengesetzte Richtung gedreht wird, während die Antriebsmaschine läuft. Der Schlüsselschalter 31 ist eine sogenannte Befehlsausgabeeinheit, die einen Befehl an die Antriebsmaschine 17 und an verschiedene elektrische Einrichtungen des Hybridbaggers 1 ausgibt.
Wenn der Schlüsselschalter gedreht wird (insbesondere in eine noch zu beschreibende AUS-Position gebracht wird), um die Antriebsmaschine 17 zu stoppen, wird die Kraftstoffzufuhr zu der Antriebsmaschine 17 sowie die Stromzufuhr (Bestromung) von einer nicht dargestellten Batterie zu verschiedenen elektrischen Einrichtungen unterbrochen, wodurch die Antriebsmaschine 17 gestoppt wird. Der Schlüsselschalter 31 kann die Stromzufuhr von der nicht dargestellten Batterie zu verschiedenen elektrischen Einrichtungen abschalten, wenn der Schlüssel in die AUS-Position (AUS) gedreht wird, und kann für eine Stromzufuhr von der nicht dargestellten Batterie zu den verschiedenen elektrischen Einrichtungen sorgen, wenn der Schlüssel in die AN-Position (AN) gedreht wird, und kann die Antriebsmaschine starten, wenn der nicht dargestellte Anlasser durch die Steuervorrichtung C1 gestartet wird, wenn der Schlüssel von der AN-Position weiter in eine Startposition (ST) gedreht wird. Nach dem Starten der Antriebsmaschine 17 und während ihres Betriebs befindet sich der Schlüssel in der AN-Position (AN).
Es ist zu beachten, dass der Schlüsselschalter 31, der durch vorstehend genannten Schlüsselzylinder als Hauptkomponente gebildet wird, auch eine andere Befehlsausgabeeinheit sein kann, zum Beispiel ein Druckknopf. Das heißt, der Schlüsselschalter kann ein Schlüsselschalter sein, der die Antriebsmaschine anschaltet (AN), wenn bei gestoppter Antriebsmaschine 17 ein Knopf einmal gedrückt wird, der die Antriebsmaschine startet (ST), wenn der Knopf erneut gedrückt wird, und der die Antriebsmaschine abschaltet, indem der Knopf gedrückt wird, während die Antriebsmaschine 17 läuft. Der Schlüsselschalter kann auch so ausgebildet sein, dass er von dem AUS-Zustand (AUS) in den Start-Zustand (ST) geschaltet werden und die Antriebsmaschine 17 starten kann, wenn der Druckknopf für eine vorgegebene Dauer gedrückt gehalten wird, während die Antriebsmaschine 17 abgeschaltet ist.
Die Steuervorrichtung C1 ist gebildet durch eine Kombination einer Recheneinheit wie beispielsweise eine CPU (Zentraleinheit) und eines Speichers (Speicher). Die Steuervorrichtung C1 steuert die Antriebsmaschine 17 und die Hydraulikpumpe 18 auf der Basis eines Befehlssignals, das von der Monitorvorrichtung 30 ausgegeben wird, eines Befehlssignals entsprechend der Position des Schlüsselschalters 31 und eines Befehlssignals (Signal, das den vorgenannten Betätigungsbetrag und die Betätigungsrichtung angibt), das entsprechend der Betätigung des Bedienhebels 32 ausgegeben wird. Die Antriebsmaschine 17 ist eine Antriebsmaschine, die durch eine Common-Rail-Kraftstoffeinspritzvorrichtung 40 elektronisch gesteuert wird. Die Antriebsmaschine 17 kann eine Soll-Ausgangsleistung erzielen, wenn eine Kraftstoffeinspritzmenge durch die Steuerung C1 in geeigneter Weise gesteuert wird, und der Betrieb der Antriebsmaschine kann bei einer entsprechend einem Lastzustand des Hybridbaggers 1 festgelegten und auszugebenden Antriebsmaschinendrehzahl und einem festgelegten und abzugebenden Drehmoment erfolgen.
Die Hybridsteuervorrichtung C2 ist gebildet durch eine Kombination einer Recheneinheit, z. B. einer Zentraleinheit, und eines Speichers (Speicher). Unter einer mit der Steuervorrichtung C1 zusammenwirkenden Steuerung steuert die Hybridsteuervorrichtung C2 den ersten Inverter 21, den zweiten Inverter 22 und den Booster 26 wie vorstehend beschrieben und steuert den Energietransfer bezüglich des Generatormotors 19, des Schwenkmotors 23 und des Kondensators 25. Die Hybridsteuervorrichtung C2 holt ferner einen Detektionswert ein, der durch die verschiedenen Sensoren detektiert wird, zum Beispiel durch den Speicherbatteriespannungs-Sensor 28, und steuert den Hybridbagger 1 auf der Basis des Detektionswerts.
Die Hybridsteuervorrichtung C2 enthält die Booster-Steuereinheit C21. Die vorgenannte Zentraleinheit oder dergleichen implementiert eine Funktion der Booster-Steuereinheit C21. Nachstehend wird die Steuerung der Ausgangsspannung des Boosters 26 durch die Booster-Steuereinheit C21 der Hybridsteuervorrichtung C2 im Einzelnen erläutert.
(Steuerung der Ausgangsspannung des Boosters)
5 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung und einer Phasendifferenz des Boosters. Wie in 5 gezeigt ist, erhöht sich die Ausgangsleistung Po des Boosters 26 zur Zeit des Leistungsbetriebs (eine einem Pfeil C entsprechende Seite), wenn sich die Phasendifferenz D vergrößert und von 0° bis 90° reicht, und verringert sich, wenn sich die Phasendifferenz D vergrößert, wenn die Phasendifferenz D von 90° bis 180° reicht. Die Ausgangsleistung Po des Boosters 26 zur Zeit der Regenerierung (eine einem Pfeil G entsprechende Seite) erhöht sich, wenn sich die Phasendifferenz D vergrößert, wenn die Phasendifferenz D von –90° bis 0° reicht, und verringert sich, wenn sich die Phasendifferenz D vergrößert, wenn die Phasendifferenz D von –180° – –90° reicht. Die Booster-Steuereinheit C21 der Hybridsteuervorrichtung C2 steuert den Booster 26 dahingehend, dass dieser innerhalb des Bereichs der Phasendifferenz D arbeitet, die –90° oder mehr und 90° oder weniger beträgt, wenn sich zumindest der Generatormotor 19 in einem Zustand der Energieerzeugung befindet oder der Schwenkmotor 23 sich in einem Betriebszustand befindet.
6 zeigt in einem Diagramm die Booster-Steuereinheit, die in der Hybridsteuervorrichtung enthalten ist, und den Booster. Die Booster-Steuereinheit C21, die in der in 2 gezeigten Hybridsteuervorrichtung C2 enthalten ist, umfasst einen Prozessor 100, eine Phasendifferenz-Steuereinheit 101 und eine Schaltmuster-Generierungseinheit 102. Die Ausgabe des Speicherbatteriespannungs-Sensors 28 wird in den Prozessor 100 eingegeben. Die Ausgabe des Speicherbatteriespannungs-Sensors 28 ist eine Spannung (detektierter Wert der Kondensatorspannung) Vcm des Kondensators 25, die durch den Speicherbatteriespannungs-Sensor 28 detektiert wird. Der Kondensatorspannungs-Detektionswert Vcm entspricht einer Zwischenanschlussspannung (Kondensatorspannung) Vcr (wahrer Wert) des Kondensators 25.
Die Ausgabe des Boosterspannungs-Detektionssensors 53 wird in die Phasendifferenz-Steuereinheit 101 eingegeben. Die Ausgabe des Boosterspannungs-Detektionssensors 53 ist eine Ausgangsspannung (Boosterspannungs-Detektionswert) Vsm des Boosters 26, die durch den Boosterspannungs-Detektionssensor 53 detektiert wird. Der Boosterspannungs-Detektionswert Vsm entspricht der Ausgangsspannung Vo (wahrer Wert) des Boosters 26. Die Ausgangsspannung Vo des Boosters 26 ist eine Spannung über der Plusleitung 60 und der Minusleitung 61 und ist die Ausgangsspannung oder die Eingangsspannung des ersten Inverters 21 und des zweiten Inverters 22, die in den 2 und 3 dargestellt sind.
Die Booster-Steuereinheit C21 der Hybridsteuervorrichtung C2 gibt einen Befehlswert Vcom der durch den Booster 26 ausgegebenen Spannung an die Phasendifferenz-Steuereinheit 101 aus, so dass die Spannungsausgabe durch den Booster 26 gleich einem vorgegebenen Wert ist. Darüber hinaus gibt der Prozessor 100 an die Schaltmuster-Generierungseinheit 102 einen Grenzwert DdI der Phasendifferenz D zur Zeit des Leistungsbetriebs und einen Grenzwert DgI der Phasendifferenz D zur Zeit der Regenerierung aus. Erstere ist gleich +90° und letztere gleich –90°. Die Schaltmuster-Generierungseinheit 102 steuert den Niederspannungsinverter 62 und den Hochspannungsinverter 63 des Boosters dahingehend, dass die Phasendifferenz D des Boosters 26 die Grenzwerte DdI und DgI nicht überschreitet.
Die Phasendifferenz-Steuereinheit 101 ermittelt die Phasendifferenz D des Boosters 26, so dass eine Differenz zwischen dem Befehlswert Vcom und dem Boosterspannungs-Detektionswert Vsm gleich Null ist, und gibt die ermittelte Phasendifferenz D als Phasendifferenz-Befehlswert Dc an die Schaltmuster-Generierungseinheit 102 aus. Die Schaltmuster-Generierungseinheit 102 generiert Schaltmuster SPL und SPH, um jedes Schaltelement, das in dem Niederspannungsinverter 62 und in dem Hochspannungsinverter 63 enthalten ist, jeweils AN/AUS zu schalten. Die Schaltmuster-Generierungseinheit 102 liefert an den Niederspannungsinverter 62 und an den Hochspannungsinverter 63 die Schaltmuster SPL und SPH, die derart generiert werden, dass sie eine Phasendifferenz D des Boosters 26 gleich dem Phasendifferenz-Befehlswert Dc aufweisen, und schaltet das in den entsprechenden Invertern enthaltene Schaltelement AN/AUS. Das heißt, die Schaltmuster-Generierungseinheit 102 wird derart angesteuert, dass die Phasendifferenz des Boosters 26 gleich dem Phasendifferenz-Befehlswert Dc ist. Das Ergebnis ist, dass die Ausgangsspannung Vo des Boosters 26 gleich dem Befehlswert Vcom ist, der von dem Prozessor 100 ausgegeben wird. Die Booster-Steuereinheit C21, wie sie beschrieben wurde, führt eine Feedbacksteuerung an dem Booster 26 durch, so dass die Ausgangsspannung Vo des Boosters gleich dem vorgegebenen Wert (dem Befehlswert Vcom in diesem Beispiel) ist.
Die Booster-Steuereinheit C21 führt die vorgenannte Steuerung zur Zeit des Leistungsbetriebs (wenn der Schwenkmotor 23 Triebkraft erzeugt) oder Regenerierung (wenn der Schwenkmotor 23 elektrische Energie erzeugt) durch. Nachstehend wird die Steuerung beschrieben, die im Standbybetrieb von der Booster-Steuereinheit C21 durchgeführt wird. Der Standbybetrieb entspricht der Zeit, in welcher der Generatormotor 19 keine Energie erzeugt oder nicht im Leistungsbetrieb ist und der Schwenkmotor 23 gleichzeitig gestoppt ist. Mit anderen Worten: der Standbybetrieb entspricht der Zeit, in welcher die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch dem Schwenkmotor deaktiviert ist. Es ist zu beachten, dass während des Standbybetriebs eine Schwenkbetrieb-Parkbremse (nicht dargestellt), die an dem Schwenkmechanismus 24 vorgesehen ist, aktiviert ist, um ein unbeabsichtigtes Schwenken des Drehkörpers 5 zu verhindern. Im Standbybetrieb steuert die Booster-Steuereinheit C21 die Phasendifferenz zwischen der Ausgangsspannung v1 des Niederspannungsinverters 62 und der Ausgangsspannung v2 des Hochspannungsinverters 63 derart, dass diese Null ist. In der vorliegenden Ausführungsform gibt der Prozessor 100 der Booster-Steuereinheit C21 an die Schaltmuster-Generierungseinheit 102 die Grenzwerte DdI und DgI aus und stellt diese dabei auf 0° ein. Die Schaltmuster-Generierungseinheit 102 generiert die Schaltmuster SPL und SPH, so dass der Phasendifferenz-Befehlswert gleich DC = 0° beträgt, und liefert diese Muster an den Niederspannungsinverter 62 und den Hochspannungsinverter 63 des Boosters 26. Das Ergebnis ist, dass der Niederspannungsinverter 62 und der Hochspannungsinverter 63 derart angesteuert werden, dass die Phasendifferenz D des Boosters 26 gleich dem Phasendifferenz-Befehlswert Dc, entspricht, nämlich 0°.
Der Booster 26 hat den kleinsten Verlust, wenn er mit einem Verstärkungsverhältnis K arbeitet, das durch das Wicklungsverhältnis der Niederspannungsspule 65 zur Hochspannungsspule 66 des in 3 gezeigten Transformators 64 bestimmt wird. Das Verstärkungsverhältnis K kann durch Ausdruck (3) ermittelt werden. In Ausdruck (3) bezeichnet N1 die Windungszahl der Niederspannungsspule 65 und N2 die Windungszahl der Hochspannungsspule 66. Während das Verstärkungsverhältnis gleich K = 2 ist, da in der vorliegenden Ausführungsform N1 = N2 ist, sind N1, N2 und K nicht auf diese Werte beschränkt. K = (N1 + N2)/N1 (3)
Eine Variation der Steuerung, die während des Wartezustands durchgeführt wird, ist ein Verfahren, bei dem die Booster-Steuereinheit C21 den Booster 26 derart steuert, dass der Booster 26 die Ausgangsspannung Vo aufweist, die den geringsten Verlust des Boosters 26 bedeutet. Die Ausgangsspannung Vo des Boosters 26, bei welcher der Verlust des Boosters 26 am geringsten ist, ist gleich der Kondensatorspannung Vcr × K. Bei dieser Variation gibt der Prozessor 100 Vcr × K als Befehlswert Vcom an die Phasendifferenz-Steuereinheit 101 aus. Die Kondensatorspannung Vcr ist praktisch ein Kondensatorspannungs-Detektionswert Vcm, der durch den Speicherbatteriespannungs-Sensor 28 detektiert und in den Prozessor 100 eingegeben wird. Dementsprechend gibt der Prozessor 100 Vcm × K als Befehlswert Vcom an die Phasendifferenz-Steuereinheit 101 aus. Dies erlaubt dem Booster 26 einen Betrieb mit einem Verstärkungsverhältnis K, was zu dem kleinsten Verlust führt.
Wenn bei dieser Variation in dem detektierten Wert des Speicherbatteriespannungs-Sensors 28, nämlich in dem Kondensatorspannungs-Detektionswert Vcm, ein Fehler enthalten ist, kommt es in dem Befehlswert Vcom zu einer entsprechenden Abweichung. Während an dem Booster 26 eine Feedbacksteuerung durchgeführt wird, um die Differenz zwischen dem Befehlswert Vcom und dem Boosterspannungs-Detektionswert Vsm auf Null einzustellen, besteht die Möglichkeit, dass die durch den Boosterspannungs-Detektionssensor 53 detektierte Boosterspannung einen Fehler enthält. Aus diesem Grund ist es wahrscheinlich, dass sich in der Ausgangsspannung Vo des Boosters 26 eine Abweichung ergibt, wenn der Booster 26 unter Verwendung des vorgenannten Befehlswerts Vcom und des Boosterspannungs-Detektionswerts Vsm einer Feedbacksteuerung unterzogen wird. Wird während des Standybetriebs in dem Booster 26 ein Verlust generiert, wird die Energie des Kondensators 25 verbraucht, weshalb sich die Kondensatorspannung Vcr verringert. Der Verlust in dem Booster 26 variiert entsprechend der Abweichung der Ausgangsspannung Vo des Boosters 26, wodurch es zu einer Variation in der Abnahmegeschwindigkeit der Kondensatorspannung Vcr während des Standbybetriebs kommt.
Während des Standbybetriebs veranlasst die Hybridsteuervorrichtung C2, dass der Generatormotor 19 Energie erzeugt und den Kondensator 25 lädt, wenn die Kondensatorspannung Vcr (der Kondensatorspannungs-Detektionswert Vcm in der Steuerung) unter einen vorgegebenen Wert abfällt. Um zu bewirken, dass der Generatormotor 19 Energie erzeugt, wird die Antriebsmaschine 17 veranlasst zu arbeiten, so dass der Kraftstoff für die Arbeit der Antriebsmaschine 17 zum Laden des Kondensators 25 verbraucht wird. Der Fehler in dem Kondensatorspannungs-Detektionswert Vcm und in dem Boosterspannungs-Detektionswert Vsm tritt gegebenenfalls zwischen typgleichen Hybridbaggern 1 auf. Das heißt, bei dieser Variation variiert der Kraftstoffverbrauch während des Standbybetriebs möglicherweise zwischen den Hybridbaggern 1, die vom gleichen Typ sind.
Wie vorstehend beschrieben wurde, steuert die Booster-Steuereinheit C21 in der vorliegenden Ausführungsform den Niederspannungsinverter 62 und den Hochspannungsinverter 63 derart an, dass die Phasendifferenz D des Boosters 26 gleich 0° beträgt. Die Ausgangsspannung Vo (wahrer Wert) des Boosters 26 entspricht daher einem K-fachen Wert der Kondensatorspannung Vcr (wahrer Wert), und zwar einem Wert, bei welchem der Verlust des Boosters 26 am kleinesten ist, ungeachtet der Variation des Kondensatorspannungs-Detektionswerts Vcm und des Boosterspannungs-Detektionswerts Vsm. Das Ergebnis ist, dass der Booster 26 den kleinsten Verlust hat, und zwar ungeachtet der Variation des Kondensatorspannungs-Detektionswerts Vcm und des Boosterspannungs-Detektionswerts Vsm. Die vorliegende Ausführungsform ist daher geeignet für die Unterdrückung des Verlustes in dem Booster, während der Generatormotor 19 keine Energie erzeugt und der Schwenkmotor 23 gleichzeitig gestoppt ist oder beide Motoren im Wartezustand sind. Vorliegende Ausführungsform ist geeignet für die Unterdrückung des Verlustes in dem Booster 26 während des Standbybetriebs, selbst wenn zum Beispiel bedingt durch die Alterung des Speicherbatteriespannungs-Sensors 28 oder des Boosterspannungs-Detektionssensors 53 die Variationen in dem Kondensatorspannungs-Detektionswert Vcm oder in dem Boosterspannngs-Detektionswert Vsm auftreten. Vorliegende Ausführungsform ist besonders wirksam bei der Verhinderung der Abweichung des Kraftstoffverbrauchs während des Standbybetriebs zwischen den Hybridbaggern 1 vom gleichen Typ.
Wenn in vorliegender Ausführungsform die Kondensatorspannung Vcr (der Kondensatorspannungs-Detektionswert Vcm in der Steuerung) während des Wartezustands gleich einem vorgegebenen Schwellwert Vcri oder höher ist, steuert die Booster-Steuereinheit C21 die Phasendifferenz D in einer Weise, dass eine Differenz zwischen einem K-fachen Wert des vorgegebenen Schwellwerts Vcri und der Ausgangsspannung Vo (der Boosterspannungs-Detektionswert Vsm in der Steuerung) des Boosters 26 gleich Null ist. Der vorgegebene Schwellwert Vcri wird derart bestimmt, dass der K-fache Wert des Schwellwerts zum Beispiel eine Nennspannung des elektrischen Antriebssystems (Nennwert des Systemspannung) des Hybridbaggers 1 wird. Die Nennspannung des elektrischen Antriebssystems wird auf der Basis einer Prüfspannung oder dergleichen einer in dem elektrischen Antriebssystem enthaltenen Elektronikkomponente wie beispielsweise dem ersten Inverter 21 und dem zweiten Inverter 22 bestimmt.
Die Booster-Steuereinheit C21 steuert den Booster 26, so dass man K × Vcri – Vo (Vsm) = 0 erhält, wenn Vcr (Vcm) ≥ Vcri ist. Die Ausgangsspannung Vo des Boosters wird daher kleiner oder gleich der Nennspannung, nämlich K × Vcri, des elektrischen Antriebssystems des Hybridbaggers 1, so dass die Elektronikkomponente oder dergleichen in dem elektrischen Antriebssystem innerhalb ihrer Prüfspannung verwendet wird. Dadurch lässt sich eine Verschlechterung der Dauerhaftigkeit der Elektronikkomponente oder dergleichen, die in dem elektronischen Antriebssystem enthalten ist, verhindern. Es folgt eine kurze Beschreibung eines Ablaufs bei dem Verfahren zum Steuern der Hybridarbeitsmaschine gemäß vorliegender Ausführungsform.
7 zeigt in einem Flussdiagramm den Ablauf des Verfahrens zum Steuern der Hybridarbeitsmaschine gemäß vorliegender Ausführungsform. Bei der Durchführung des Verfahrens zum Steuern der Hybridarbeitsmaschine gemäß vorliegender Ausführungsform bestimmt die Booster-Steuereinheit C21 in Schritt S101 jeweils den Zustand des Generatormotors 19 und des Schwenkmotors 23. Auf der Basis des Zustands der Steuerung, die durch die in 2 dargestellte Hybridsteuervorrichtung C2 an diesen Motoren durchgeführt wird, kann zum Beispiel bestimmt werden, ob sich der Generatormotor 19 und der Schwenkmotor 23 im Standbybetrieb befinden oder nicht. Der Generatormotor 19 und der Schwenkmotor 23 befinden sich im Standbybetrieb, wenn zum Beispiel die Hybridsteuervorrichtung C2 den Generatormotor 19 derart steuert, dass dessen Energieerzeugung Null ist und kein Leistungsbetrieb stattfindet, und ferner den Schwenkmotor 23 derart steuert, dass dieser einen Befehl für eine Geschwindigkeit Null empfängt, wenn nämlich die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor 19 als auch dem Schwenkmotor 13 deaktiviert ist.
Wenn sich der Generatormotor 19 und der Schwenkmotor 23 im Standbybetrieb befinden (JA in Schritt S101), holt die Booster-Steuereinheit C21 in Schritt S102 den Kondensatorspannungs-Detektionswert Vcm von dem Speicherbatteriespannungs-Sensor 28 ein und vergleicht den K-fachen Wert von Vcm mit dem Nennwert (Vcom) der Systemspannung, der der vorgegebene Schwellwert ist. Wenn Vcm × K < Vcom ist (JA in Schritt S102), steuert die Booster-Steuereinheit C21 in Schritt S103 den Booster 26 derart, dass die Phasendifferenz D gleich Null ist. Wie vorstehend beschrieben wurde, gibt der Prozessor 100 der Booster-Steuereinheit C21 an die Schaltmuster-Generierungseinheit 102 insbesondere die Grenzwerte DdI und DgI aus und stellt diese dabei auf 0° ein. Dadurch können der Niederspannungsinverter 62 und der Hochspannungsinverter 63 derart angesteuert werden, dass die Phasendifferenz D des Boosters 26 gleich 0° ist, wodurch die Ausgangsspannung Vo (wahrer Wert) des Boosters 26 gleich dem K-fachen Wert der Kondensatorspannung Vcr (wahrer Wert) oder dem Wert ist, bei welchem der Booster 26 den kleinsten Verlust hat. Das Ergebnis ist, dass der Verlust des Boosters 26 während des Wartezustands minimiert wird.
Wenn Vcm × K ≥ Vcom ist (NEIN in Schritt S102), führt die Booster-Steuereinheit C21 in Schritt S104 eine Feedbacksteuerung an dem Booster 26 derart durch, dass der Booster 26 die vorgegebene Spannung aufweist. Die vorgegebene Spannung zu diesem Zeitpunkt ist zum Beispiel der vorstehend beschriebene Nennwert der Nennspannung (Vcom, der vorgegebene Schwellwert). Es ist zumindest der Generatormotor 19 oder zumindest der Schwenkmotor 23 in Betrieb, wenn der Generatormotor 19 und der Schwenkmotor 23 nicht im Standbybetrieb sind (NEIN in Schritt S101). Mit anderen Worten: die Servosteuerung an zumindest dem Generatormotor 19 oder zumindest an dem Schwenkmotor 23 wird aktiviert. In diesem Fall führt die Booster-Steuereinheit C21 in Schritt S104 eine Feedbacksteuerung an dem Booster 26 durch, so dass der Booster 26 die vorgegebenen Spannung aufweist (wie zum Beispiel den Nennwert der Nennspannung).
Vorliegende Ausführungsform ist nicht auf die vorstehende Beschreibung beschränkt, wonach der Hybridbagger 1 den Schwenkmotor 23 aufweist, der für eine Beschleunigung der Schwenkbewegung (Leistungsbetrieb) und für eine Verzögerung der Schwenkbewegung (Regenerierung) des drehbaren Oberwagens sorgt. Jedoch kann der Hybridbagger 1 stattdessen auch den Schwenkmotor 23 und den Hydraulikmotor in integrierter Form aufweisen. Das heißt, dass der Hydraulikmotor die Drehung des Schwenkmotors 23 unterstützt, wenn der obere Drehkörper 5 des Hybridbaggers 1 einer Beschleunigung unterzogen wird.
Die Komponenten in der vorstehenden Ausführungsform umfassen solche, die für den Fachmann ohne weiteres vorstellbar sind oder in den sogenannten Äquivalenzbereich fallen. Die vorstehend beschriebenen Komponenten können auch kombiniert werden, sofern dies zweckdienlich ist. Darüber hinaus können Komponenten entfallen, durch andere ersetzt werden und modifiziert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Ausführungsform zu verlassen. Ferner ist der Motor nicht auf den Schwenkmotor beschränkt, der den oberen Drehkörper des Hybridbaggers schwenkt.
Bezugszeichenliste

1: Hybridbagger
5: oberer Drehkörper
17: Antriebsmaschine
19: Generatormotor
20: Antriebswelle
21: erster Inverter
22: zweiter Inverter
23: Schwenkmotor
25: Kondensator
25a: positiver Anschluss
25b: negativer Anschluss
26: Booster
27: Schalter
28: Speicherbatteriespannungs-Sensor
52: Amperemesser
53: Boosterspannungs-Detektionssensor
60, 91, 93: Plusleitung
61, 92: Minusleitung
62: Niederspannungsinverter
63: Hochspannungsinverter
64: Transformator
65: Niederspannungsspule
66: Hochspannungsspule
67, 68: Kondensator
71 bis 74: IGBT
81 bis 84: IGBT
75 bis 78: Diode
85 bis 88: Diode
100: Prozessor
101: Phasendifferenz-Steuereinheit
102: Schaltmuster-Generierungseinheit
C1: Steuervorrichtung
C2: Hybridsteuerung
C21: Booster-Steuereinheit
D: Phasendifferenz
K: Verstärkungsverhältnis

Claims

Hybridarbeitsmaschine, umfassend: einen Generatormotor, der mit einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine verbunden ist; eine Speicherbatterie, die zumindest durch den Generatormotor erzeugte Energie speichert; einen Motor, der zumindest durch die durch den Generatormotor erzeugte Energie und/oder zumindest durch die in der Speicherbatterie gespeicherte Energie angetrieben wird; einen Booster, der zwei Brückenschaltungen mit jeweils einer Vielzahl von Schaltelementen enthält und zwischen dem Generatormotor sowie dem Motor und der Speicherbatterie vorgesehen ist; und eine Booster-Steuereinheit, die eine Phasendifferenz zwischen Spannungen, die von den Brückenschaltungen ausgegebenen werden, während des Standbybetriebs, in dem die Servosteuerung sowohl an dem Generator als auch dem Motor deaktiviert ist, auf Null einstellt.
Hybridarbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei die beiden Brückenschaltungen durch einen Transformator miteinander verbunden sind, wobei die Booster-Steuereinheit die Phasendifferenz derart steuert, dass eine Differenz zwischen einem von dem Booster ausgegebenen Spannungswert und einem vorgegebenen Schwellwert gleich Null ist, wenn ein K-facher Wert der von der Speicherbatterie abgegebenen Spannung während des Standbybetriebs größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellwert ist, und wobei K ein Verstärkungsverhältnis des Transformators ist.
Hybridarbeitsmaschine, umfassend: einen Generatormotor, der mit einer Ausgangswelle einer Brennkraftmaschine verbunden ist; eine Speicherbatterie, die durch den Generatormotor erzeugte Energie speichert; einen Motor, der zumindest durch die durch den Generatormotor erzeugte Energie und/oder zumindest durch die in der Speicherbatterie gespeicherte Energie angetrieben wird; einen Booster, der ein transformatorgekoppelter DC-DC-Konverter ist, bei dem zwei Brückenschaltungen mit jeweils einer Vielzahl von Schaltelementen durch den Transformator miteinander verbunden sind, und der zwischen dem Generatormotor sowie dem Motor und der Speicherbatterie vorgesehen ist; und eine Booster-Steuereinheit, die eine Phasendifferenz zwischen Spannungen, die von den Brückenschaltungen ausgegebenen werden, während des Standbybetriebs, in dem die Servosteuerung sowohl an dem Generator als auch dem Motor deaktiviert ist, auf Null einstellt und die Phasendifferenz derart steuert, dass eine Differenz zwischen einem von dem Booster ausgegebenen Spannungswert und einem vorgegebenen Schwellwert gleich Null ist, wenn ein K-facher Wert einer von der Speicherbatterie ausgegebenen Spannung während des Standbybetriebs größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellwert ist, wobei K ein Verstärkungsverhältnis des Transformators ist, der die beiden in dem Booster enthaltenen Brückenschaltungen miteinander verbindet.
Verfahren zum Steuern einer Hybridarbeitsmaschine, die einen mit einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine verbundenen Generatormotor, eine zumindest die durch den Generatormotor erzeugte Energie speichernde Speicherbatterie, einen zumindest durch die durch den Generatormotor erzeugte Energie und/oder zumindest durch die in der Speicherbatterie gespeicherte Energie angetriebenen Motor und einen Booster umfasst, der zwei Brückenschaltungen enthält, deren jede eine Vielzahl von Schaltelementen aufweist, und der zwischen dem Generatormotor sowie dem Motor und der Speicherbatterie vorgesehen ist, wobei das Verfahren umfasst: das Bestimmen eines Zustands des Generatormotors und des Motors; und das Einstellen einer Phasendifferenz zwischen Spannungen, die von den Brückenschaltungen ausgegeben werden, derart, dass diese Null ist, wenn die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch an dem Motor deaktiviert ist.
Verfahren zum Steuern einer Hybridarbeitsmaschine nach Anspruch 4, wobei die beiden Brückenschaltungen durch einen Transformator miteinander verbunden sind, wobei die Phasendifferenz derart gesteuert wird, dass eine Differenz zwischen einem Spannungswert, der von dem Booster ausgegeben wird, und einem vorgegebenen Schwellwert gleich Null ist, wenn ein K-facher Wert der von der Speicherbatterie ausgegebenen Spannung größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellwert ist, während die Servosteuerung sowohl an dem Generatormotor als auch an dem Motor abgeschaltet ist, und wobei K ein Verstärkungsverhältnis des Transformators ist.