JP2010178446A - Hybrid working machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、運動エネルギや位置エネルギを電気エネルギに変換して蓄電装置に蓄電し、蓄電された電気エネルギを利用して駆動系を駆動するハイブリッド型作業機械に関する。 The present invention relates to a hybrid work machine that converts kinetic energy or potential energy into electrical energy, stores the electrical energy in a power storage device, and drives a drive system using the stored electrical energy.
近年、建設作業機械等の動力発生機械に、地球環境に配慮した省燃費、低公害、低騒音等の性能が求められている。これらの要請を満たすために、油圧ポンプに代えて、または油圧ポンプの補助として電動機を利用した油圧ショベル等の作業機械が登場している。電動機を組み込んだ作業機械においては、電動機から発生する余剰の運動エネルギが電気エネルギに変換され、キャパシタ等に蓄積される。キャパシタには、例えば電気二重層コンデンサが用いられる。 In recent years, power generation machines such as construction work machines have been required to have performance such as fuel saving, low pollution, and low noise in consideration of the global environment. In order to satisfy these demands, work machines such as hydraulic excavators that use an electric motor instead of the hydraulic pump or as an auxiliary to the hydraulic pump have appeared. In a work machine incorporating an electric motor, surplus kinetic energy generated from the electric motor is converted into electric energy and stored in a capacitor or the like. For example, an electric double layer capacitor is used as the capacitor.
キャパシタは、充放電を繰り返す長期間の使用により、または過充電、過放電や発熱等により、劣化が進行する。キャパシタの内部抵抗を測定することにより、劣化状態を判定することができる(特許文献1)。 Capacitors deteriorate due to long-term repeated charge / discharge or overcharge, overdischarge, heat generation, or the like. The deterioration state can be determined by measuring the internal resistance of the capacitor (Patent Document 1).
キャパシタが過熱した状態で充放電を行うと、キャパシタの劣化が速まる。また、低温状態では、キャパシタの内部抵抗が高くなるため、低温の状態で通常の充放電を行うことは好ましくない。 If charging / discharging is performed in a state where the capacitor is overheated, deterioration of the capacitor is accelerated. Further, since the internal resistance of the capacitor becomes high at a low temperature, it is not preferable to perform normal charging / discharging at a low temperature.
本発明の一観点によると、
電力の供給によって駆動される力行動作、及び電力を発生する回生動作を行う第1の電動機と、
前記第1の電動機の出力を制御する第1の電気回路と、
前記第1の電動機に電力を供給し、及び前記第1の電動機からの回生電力を蓄電するキャパシタと、
前記キャパシタの充放電電流を制御するキャパシタ充放電回路と、
前記キャパシタの温度を検出する温度検出器と、
前記温度検出器で検出された温度データが入力され、前記温度検出器で検出された温度が第1の基準温度以上になったとき、前記キャパシタの充電電流及び放電電流が、通常時の制限値である第1の制限値よりも小さい第2の制限値を超えないように、前記キャパシタ充放電回路を制御する制御装置と
を有するハイブリッド型作業機械が提供される。
According to one aspect of the invention,
A first electric motor that performs a power running operation driven by the supply of electric power and a regenerative operation that generates electric power;
A first electric circuit for controlling the output of the first electric motor;
A capacitor for supplying electric power to the first electric motor and storing regenerative electric power from the first electric motor;
A capacitor charge / discharge circuit for controlling a charge / discharge current of the capacitor;
A temperature detector for detecting the temperature of the capacitor;
When the temperature data detected by the temperature detector is input and the temperature detected by the temperature detector is equal to or higher than a first reference temperature, the charging current and discharging current of the capacitor are limited to normal values. There is provided a hybrid work machine having a control device for controlling the capacitor charge / discharge circuit so as not to exceed a second limit value smaller than the first limit value.
キャパシタのさらなる温度上昇を抑制することができる。これにより、キャパシタの劣化が抑制される。 Further temperature rise of the capacitor can be suppressed. Thereby, deterioration of the capacitor is suppressed.
図1に、実施例によるハイブリッド型作業機械の側面図を示す。下部走行体(基体)1に、旋回機構2を介して上部旋回体3が搭載されている。旋回機構2は、電動機(モータ)を含み、上部旋回体3を時計回り、または反時計周りに旋回させる。上部旋回体3に、ブーム4が取り付けられている。ブーム4は、油圧駆動されるブームシリンダ7により、上部旋回体3に対して上下方向に揺動する。ブーム4の先端に、アーム5が取り付けられている。アーム5は、油圧駆動されるアームシリンダ8により、ブーム4に対して前後方向に揺動する。アーム5の先端にバケット6が取り付けられている。バケット6は、油圧駆動されるバケットシリンダ9により、アーム5に対して上下方向に揺動する。上部旋回体3には、さらに運転者を収容するキャビン10が搭載されている。
FIG. 1 is a side view of a hybrid work machine according to an embodiment. An upper swing body 3 is mounted on the lower traveling body (base body) 1 via a swing mechanism 2. The turning mechanism 2 includes an electric motor (motor), and turns the upper turning body 3 clockwise or counterclockwise. A boom 4 is attached to the upper swing body 3. The boom 4 swings up and down with respect to the upper swing body 3 by a hydraulically driven
図2に、ハイブリッド型作業機械のブロック図を示す。図2において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気系統を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。 FIG. 2 shows a block diagram of the hybrid work machine. In FIG. 2, the mechanical power system is represented by a double line, the high-pressure hydraulic line is represented by a thick solid line, the electric system is represented by a thin solid line, and the pilot line is represented by a broken line.
エンジン11の駆動軸が減速機13の入力軸に連結されている。エンジン11には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。エンジン11は、作業機械の運転中は、常時駆動されている。
The drive shaft of the
電動発電機12の駆動軸が、減速機13の他の入力軸に連結されている。電動発電機12は、電動(アシスト)運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。電動発電機12には、例えば磁石がロータ内部に埋め込まれた内部磁石埋込型(IMP)モータが用いられる。
The drive shaft of the
減速機13は、2つの入力軸と1つの出力軸とを有する。この出力軸には、メインポンプ14の駆動軸が連結されている。
The
エンジン11に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機12がアシスト運転を行い、電動発電機12の駆動力が減速機13を介してメインポンプ14に伝達される。これにより、エンジン11に加わる負荷が軽減される。一方、エンジン11に加わる負荷が小さい場合には、エンジン11の駆動力が減速機13を介して電動発電機12に伝達されることにより、電動発電機12が発電運転される。電動発電機12のアシスト運転と発電運転との切り替えは、電動発電機12に接続されたインバータ18により行われる。インバータ18は、制御装置30により制御される。
When the load applied to the
制御装置30は、中央処理装置(CPU)30A及び内部メモリ30Bを含む。CPU30Aは、内部メモリ30Bに格納されている駆動制御用プログラムを実行する。制御装置30は、表示装置35に、各種装置の劣化状態等を表示することにより、運転者の注意を喚起する。
The
メインポンプ14は、高圧油圧ライン16を介して、コントロールバルブ17に油圧を供給する。コントロールバルブ17は、運転者からの指令により、油圧モータ1A、1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びパケットシリンダ9に油圧を分配する。油圧モータ1A及び1Bは、それぞれ図1に示した下部走行体1に備えられた左右の2本のクローラを駆動する。
The
電動発電機12の電気系統の入出力端子が、インバータ18を介して蓄電回路90に接続されている。インバータ18は、制御装置30からの指令に基づき、電動発電機12の運転制御を行う。蓄電回路90には、さらに、他のインバータ20を介して旋回用電動機21が接続されている。蓄電回路90及びインバータ20は、制御装置30により制御される。
An input / output terminal of the electric system of the
電動発電機12がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、蓄電回路90から電動発電機12に供給される。電動発電機12が発電運転されている期間は、電動発電機12によって発電された電力が、蓄電回路90に供給される。
During the period in which the
旋回用電動機21は、インバータ20からのパルス幅変調(PWM)制御信号により交流駆動され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回用電動機21には、例えばIMPモータが用いられる。IMPモータは、回生時に大きな誘導起電力を発生する。
The turning
旋回用電動機21の力行動作中は、旋回用電動機21の回転力が減速機24を介して、図1に示した旋回機構2に伝達される。この際、減速機24は、回転速度を遅くする。これにより、旋回用電動機21で発生した回転力が増大して、旋回機構2に伝達される。また、回生運転時には、上部旋回体3の回転運動が、減速機24を介して旋回用電動機21に伝達されることにより、旋回用電動機21が回生電力を発生する。この際、減速機24は、力行運転の時とは逆に、回転速度を速める。これにより、旋回用電動機21の回転数を上昇させることができる。
During the power running operation of the turning
レゾルバ22が、旋回用電動機21の回転軸の回転方向の位置を検出する。検出結果は、制御装置30に入力される。旋回用電動機21の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。
The
メカニカルブレーキ23が、旋回用電動機21の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ23の制動状態と解除状態とは、制御装置30からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。
A
パイロットポンプ15が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン25を介して操作装置26に供給される。操作装置26は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置26は、パイロットライン25から供給される1次側の油圧を、運転者の操作に応じて、2次側の油圧に変換する。2次側の油圧は、油圧ライン27を介してコントロールバルブ17に伝達されると共に、他の油圧ライン28を介して圧力センサ29に伝達される。
The
圧力センサ29で検出された圧力の検出結果が、制御装置30に入力される。これにより、制御装置30は、下部走行体1、旋回機構2、ブーム4、アーム5、及びバケット6の操作の状況を検知することができる。特に、実施例によるハイブリッド型作業機械では、油圧モータ1A、1Bのみならず、旋回用電動機21も旋回機構2を駆動する。このため、旋回機構2を制御するためのレバーの操作量を高精度に検出することが望まれる。制御装置30は、圧力センサ29を介して、このレバーの操作量を高精度に検出することができる。
The detection result of the pressure detected by the
さらに、制御装置30は、下部走行体1、旋回機構2、ブーム4、アーム5、及びバケット6のいずれも運転されておらず、蓄電回路90への電力の供給及び蓄電回路90からの電力の強制的な取り出しのいずれも行われていない状態(非運転状態)を検出することができる。
Further, in the
図3に、蓄電回路90の等価回路図を示す。蓄電回路90は、キャパシタ19、コンバータ200、及びDCバスライン110を含む。コンバータ100の一対の電源接続端子103A、103Bにキャパシタ19が接続されており、一対の出力端子104A、104BにDCバスライン110が接続されている。一方の電源接続端子103B、及び一方の出力端子104Bは接地されている。
FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the
DCバスライン110は、インバータ18、20を介して、電動発電機12及び旋回用電動機21に接続されている。DCバスライン110に発生している電圧が、電圧計111により測定され、測定結果が制御装置30に入力される。
The
昇圧用の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)102Aのコレクタと、降圧用のIGBT102Bのエミッタとが相互に接続された直列回路が、出力端子104Aと104Bとの間に接続されている。昇圧用IGBT102Aのエミッタが接地され、降圧用IGBT102Bのコレクタが、高圧側の出力端子104Aに接続されている。昇圧用IGBT102Aと降圧用IGBT102Bの相互接続点が、リアクトル101を介して、高圧側の電源接続端子103Aに接続されている。
A series circuit in which the collector of the step-up insulated gate bipolar transistor (IGBT) 102A and the emitter of the step-down
昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bに、それぞれダイオード102a、102bが、エミッタからコレクタに向かう向きが順方向になる向きで並列接続されている。出力端子104Aと104Bとの間に、平滑用のコンデンサ105が挿入されている。
電源接続端子103Aと103Bとの間に接続された電圧計106が、キャパシタ19の端子間電圧を測定する。リアクトル101に直列に挿入された電流計107が、キャパシタ19の充放電電流を測定する。電圧及び電流の測定結果は、制御装置30に入力される。
A
温度検出器36が、キャパシタ19の温度を検出する。検出された温度データは、制御装置30に入力される。キャパシタ19は、例えば直列接続された144個の電気二重層コンデンサを含む。温度検出器36は、例えば144個の電気二重層コンデンサから選択された4個のコンデンサに対応して準備された4個の温度計を含む。制御装置30は、例えば、4個の温度計で取得された4個の温度データの平均を算出し、平均値をキャパシタ19の温度とする。なお、キャパシタの過熱状態を判定する際には、4個の温度データが示す温度のうち最も高い温度を、キャパシタの温度として採用してもよい。逆に、キャパシタの温度が低下し過ぎた状態の判定には、4個の温度データが示す温度のうち最も低い温度を、キャパシタの温度として採用してもよい。
The temperature detector 36 detects the temperature of the
制御装置30が、昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bのゲート電極に、制御用のパルス幅変調(PWM)電圧を印加する。
The
制御装置30は、内部メモリ30Bを含む。内部メモリ30Bには、充放電電流制限値記憶部31及び旋回出力制限値記憶部32が確保されている。これらの役割については、図4〜図7を参照しながら後述する。
The
以下、昇圧動作(放電動作)について説明する。昇圧用IGBT102Aのゲート電極にPWM電圧を印加する。昇圧用IGBT102Aのオフ時に、リアクトル101に、高圧側の電源接続端子103Aから昇圧用IGBT102Aのコレクタに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この起電力が、ダイオード102bを介してDCバスライン110に印加される。これにより、DCバスライン110が昇圧される。
Hereinafter, the boosting operation (discharging operation) will be described. A PWM voltage is applied to the gate electrode of the boosting
次に、降圧動作(充電動作)について説明する。降圧用IGBT102Bのゲート電極に、PWM電圧を印加する。降圧用IGBT102Bのオフ時に、リアクトル101に、降圧用IGBT102Bのエミッタから高圧側の電源接続端子103Aに向かって電流を流す向きの誘導起電力が発生する。この誘導起電力により、キャパシタ19が充電される。なお、キャパシタ19を放電する向きの電流を正とし、充電する向きの電流を負とする。
Next, the step-down operation (charging operation) will be described. A PWM voltage is applied to the gate electrode of the step-down
図4に、制御装置30により制御される運転状態の遷移図の一例を示す。運転状態は、通常、低温異常、第1の高温異常、第2の高温異常、及び高温異常回復待ちの5個の状態を含む。通常状態で運転中に、キャパシタ温度が第1の基準温度T1以上になると、運転状態が第1の高温異常状態に遷移する。第1の高温異常状態で運転中に、キャパシタ温度が第1の基準温度T1よりも低い高温異常回復温度THRまで低下すると、運転状態が通常状態に戻る。
In FIG. 4, an example of the transition diagram of the driving | running state controlled by the
第1の高温異常状態で運転中に、キャパシタ温度が、第1の基準温度T1よりも高い第2の基準温度T2以上になると、運転状態が第2の高温異常状態に遷移する。第2の高温異常状態で運転中に、キャパシタ温度が第2の基準温度T2まで低下すると、運転状態が高温異常回復待ち状態に遷移する。高温異常回復待ち状態で運転中に、作業者が回復指示の操作を行うと、現時点のキャパシタ温度と第1の基準温度T1との大小を比較する。キャパシタ温度が第1の基準温度T1以上の場合には、運転状態が第1の高温異常状態に遷移する。キャパシタ温度が第1の基準温度T1未満である場合には、運転状態は通常状態に戻る。回復指示の操作は、図2に示した操作装置26により行われる。
If the capacitor temperature becomes equal to or higher than the second reference temperature T 2 higher than the first reference temperature T 1 during operation in the first high temperature abnormal state, the operation state transitions to the second high temperature abnormal state. During operation in the second high temperature abnormality condition, if the capacitor temperature is lowered to a second reference temperature T 2, the operating state transitions to high temperature abnormality recovery waiting state. During operation at high temperature abnormality recovery waiting state, when the operator operates the recovery instruction, it compares the magnitude of the reference temperature T 1 of the capacitor temperature and the first of the current. When the capacitor temperature is equal to or higher than the first reference temperature T1, the operating state transitions to the first high temperature abnormal state. When the capacitor temperature is lower than the first reference temperature T 1 of the operating state returns to the normal state. The operation of the recovery instruction is performed by the
高温異常回復待ち状態のときに、キャパシタ温度が再度第2の基準温度T2以上になると、第2の高温異常状態に戻る。 When the high temperature abnormality recovery waiting state, when the capacitor temperature reaches the second reference temperature T 2 higher again, it returns to the second high temperature abnormality condition.
通常状態で運転中に、キャパシタ温度が、第1の基準温度T1よりも低い第3の基準温度T3以下になったら、運転状態が低温異常状態に遷移する。低温異常状態で運転中に、キャパシタ温度が低温異常回復温度TLR以上になったら、運転状態が通常状態に復帰する。 During operation in the normal state, the capacitor temperature is, when the first reference temperature T 1 of the third reference temperature T 3 less since lower than, the operating state transitions to a low temperature abnormal state. If the capacitor temperature becomes equal to or higher than the low temperature abnormality recovery temperature TLR during operation in the low temperature abnormality state, the operation state returns to the normal state.
図5に、運転状態が、通常状態から第1の高温異常状態になった後、通常状態に戻る場合のタイミングチャートの一例を示す。 FIG. 5 shows an example of a timing chart in the case where the operation state returns to the normal state after the normal state is changed to the first high temperature abnormal state.
最上段に、温度検出器19で検出されたキャパシタ19の温度を示す。時間経過と共にキャパシタ19の温度が上昇し、時刻t1に、第1の基準温度T1を超える。キャパシタ温度が第1の基準温度T1を超えると、図4に示したように、運転状態が通常状態から第1の高温異常状態に遷移する。
In the top row, the temperature of the
キャパシタ温度が、第2の基準温度T2に到達することなく、時刻t2において、高温異常回復温度THRまで低下する。時刻t2において、運転状態が第1の高温異常状態から通常状態に戻る。高温異常回復温度THRを、第1の基準温度T1よりも低く設定しておくことにより、第1の高温異常状態と通常状態との間での、短周期の遷移の繰り返しを防止することができる。 Capacitor temperature, without reaching the second reference temperature T 2, at time t 2, the drop to high temperature abnormality recovery temperature T HR. In time t 2, the operating state returns to a normal state from the first high temperature abnormality condition. By setting the high temperature abnormal recovery temperature T HR lower than the first reference temperature T 1, it is possible to prevent repeated short-cycle transitions between the first high temperature abnormal state and the normal state. Can do.
第2段目に、コンバータ100の運転指令状態を示す。「ON」は、コンバータ100が運転状態であることを示し、「OFF」は、コンバータ100が停止状態であることを示す。運転状態においては、図3に示した昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bのゲート電極に、所定のPWM電圧が印加される。停止状態においては、図3に示した昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bが常時非導通になっている。
In the second stage, the operation command state of
第3段目に、図3に示した電流計107で計測される充放電電流の一例を示す。縦軸のIDF及びICFは、それぞれ異常時の放電電流及び充電電流の制限値を示し、IDN及びICNは、それぞれ通常時の放電電流及び充電電流の制限値を示す。これらの制限値は、図3に示した充放電電流制限値記憶部31に記憶される。充電電流の向きを負と定義したが、これらの充電電流の制限値ICN、ICFは、電流の大きさを表す。このため、図4に示したチャートでは、充電電流の制限値ICN、ICFにマイナス符号を付している。異常時の充電電流の制限値ICFは、通常時の充電電流の制限値ICNよりも小さい。異常時の放電電流の制限値IDFは、通常時の放電電流の制限値IDNよりも小さい。
An example of the charge / discharge current measured by the
制御装置30は、充放電電流が、現在有効な制限値を超えないように、コンバータ100を制御する。
運転状態が通常状態の時、すなわち、時刻0からt1の間、及び時刻t2以降では、キャパシタ19の放電電流の制限値として通常時の制限値IDNが有効となり、充電電流の制限値として、通常時の制限値ICNが有効になる。どの制限値を有効にするかは、制御装置30により決定される。運転状態が第1の高温異常状態の時、すなわち、時刻t1からt2までの期間は、キャパシタ19の放電電流の制限値として、高温異常時制限値IDFを有効にし、充電電流の制限値として、高温異常時制限値ICFを有効にする。
When the operation state is the normal state, that is, between
充放電電流は、実際には図3に示したリアクトル101で発生する誘導起電力により、パルス的に流れる。「充放電電流の大きさ」は、厳密にはパルス的に流れる電流の時間平均値を意味する。充放電電流の大きさは、実際には、図3に示した昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bのゲート電極に印加するPWM電圧の周波数を変化させることにより制御される。
The charge / discharge current actually flows in a pulsed manner by the induced electromotive force generated in the
第1の高温異常状態のときに充放電電流の制限値として、より小さな制限値を有効にすることにより、キャパシタ19からの発熱を抑制することができる。これにより、キャパシタ19のさらなる温度上昇が抑制される。
By making the smaller limit value valid as the limit value of the charge / discharge current in the first high temperature abnormal state, heat generation from the
第4段目に、エンジン11の出力の一例を示す。通常時及び第1の高温異常時のエンジン11の制限値PEは同一である。制御装置30は、エンジン11の出力が制限値PEを超えないようにエンジン11を制御する。
In the fourth row, an example of the output of the
第5段目に、旋回用電動機21の出力の一例を示す。縦軸のPCN及びPCFは、それぞれ通常時制限値及び高温異常時制限値を示す。高温異常時制限値PCFは、通常時制限値PCNよりも小さい。
On the fifth level, an example of the output of the turning
制御装置30は、旋回用電動機21の出力が、現時点の有効な制限値を超えないように、インバータ20を制御する。運転状態が通常状態のとき、通常時制限値PCNを有効にし、運転状態が第1の高温異常状態のとき、高温異常時制限値PCFを有効にする。
The
旋回用電動機21は、電動発電機12で発生した電力、及びキャパシタ19から放電される電力により駆動される。第1の高温異常状態のときにキャパシタ19の放電電流の制限値が小さくなっていることに対応して、旋回用電動機21の出力の制限値が低くされている。これにより、電動発電機12の発電動作時に、過剰な電気的負荷が加わることが防止される。
The turning
第6段目に、油圧出力の一例を示す。油圧出力の制限値PPは、通常状態及び第1の高温異常状態に関わらず一定である。第1の高温異常状態の期間は、キャパシタ19からの放電によるアシスト動作の出力が制約されるが、エンジン11の出力を高めることにより、必要な油圧出力を得ることができる。このため、第1の高温異常状態のときでも、油圧出力の制限値PPを小さくする必要はない。
In the sixth stage, an example of hydraulic output is shown. Limit value P P of the hydraulic output is constant irrespective of the normal state and the first high temperature abnormality condition. During the period of the first high temperature abnormal state, the output of the assist operation due to the discharge from the
第7段目に、表示装置35の表示状態を示す。通常状態の時には、「通常」を表示し、第1の高温異常状態のときには、「異常1」を表示する。作業者は、この表示を視認することにより、現在の運転状態を認識することができる。
In the seventh row, the display state of the
図6に、第2の高温異常状態まで至った場合のタイミングチャートの一例を示す。第1段〜第7段目のチャートは、図6と同様に、それぞれキャパシタ温度、コンバータ運転指令、充放電電流、エンジン出力、旋回用電動機出力、油圧出力、及び表示装置の出力のチャートを示す。時刻t1において、キャパシタ温度が第1の基準温度T1を超えて、運転状態が第1の高温異常状態に遷移している。その後、時刻t3において、キャパシタ温度が第2の基準値T2を超え、運転状態が第2の高温異常状態に遷移する。 FIG. 6 shows an example of a timing chart when the second high temperature abnormal state is reached. Similarly to FIG. 6, the first to seventh charts are charts of capacitor temperature, converter operation command, charge / discharge current, engine output, turning motor output, hydraulic output, and display output, respectively. . At time t 1, capacitor temperature exceeds the first reference temperature T 1, the operating condition is changes to the first high temperature abnormality condition. Then, at time t 3, the capacitor temperature is greater than the second reference value T 2, the operating state transitions to the second high temperature abnormality condition.
運転状態が第2の高温異常状態になると、コンバータ運転指令が「OFF」になる。すなわち、図3に示した昇圧用IGBT102A及び降圧用IGBT102Bが常時非導通になる。このため、リアクトル101の誘導起電力に基づく強制的な充電及び放電は行われなくなる。なお、出力端子104A、104B間の電圧が、キャパシタ19の端子間電圧よりも低くなると、ダイオード102bを通してキャパシタ19の放電電流が流れる。
When the operation state becomes the second high temperature abnormality state, the converter operation command is “OFF”. That is, the step-up
充放電電流の制限値として、第1の高温異常状態のときの有効な制限値IDF及びICFが維持される。ただし、コンバータ運転指令が「OFF」であるため、充放電電流は殆ど流れない。 As limit values of the charge / discharge current, effective limit values I DF and I CF at the time of the first high temperature abnormal state are maintained. However, since the converter operation command is “OFF”, almost no charge / discharge current flows.
エンジン出力及び油圧出力の制限値PE及びPPは、通常状態のときの制限値と同一である。旋回用電動機の出力の制限値として、第1の高温異常状態のときの制限値PCFが維持される。キャパシタ19からの強制的な放電が行われないため、旋回用電動機21は、電動発電機12の発電動作により発生した電力で駆動される。また、電動発電機12のアシスト動作は行われない。
The engine output and hydraulic output limit values PE and PP are the same as the limit values in the normal state. As the limit value of the output of the turning electric motor, limit value P CF when the first high temperature abnormality state is maintained. Since the forced discharge from the
第2の高温異常状態になると、表示装置に「異常2」が表示される。 When the second high temperature abnormality state is reached, “abnormality 2” is displayed on the display device.
第2の高温異常状態では、キャパシタ19の充放電がほとんど行われないため、キャパシタ19の温度の上昇が抑制され、さらには温度が低下し始める。
In the second abnormal state of high temperature, the
時刻t4において、キャパシタ19の温度が第2の基準温度T2以下になると、図4に示したように、高温異常回復待ちの状態に遷移する。また、表示装置には、「回復待ち」が表示される。
At time t 4, when the temperature of the
時刻t5において、作業者が回復指示の操作を行うと、コンバータ運転指令が「ON」になると共に、運転状態が遷移する。図6では、回復指示の操作時のキャパシタ温度が第1の基準温度T1以上であるため、運転状態が第1の高温異常状態に遷移する。なお、回復指示の操作時のキャパシタ温度が第1の基準温度T1未満である場合には、図4に示したように運転状態が通常状態に遷移する。時刻t6において、キャパシタ温度が高温異常回復温度THR以下になると、運転状態が通常状態に復帰する。 At time t 5, when the operator operates the recovery instructions, along with converter operation command is "ON", the operating state transitions. In Figure 6, for the capacitor temperature during operation of the recovery instruction is first standard temperature above T 1, the operating state transitions to the first high temperature abnormality condition. Incidentally, the capacitor temperature during operation of the recovery instruction if less than a first reference temperature T 1 of the operating state as shown in FIG. 4 transitions to the normal state. At time t 6, when the capacitor temperature is below high temperature abnormality recovery temperature T HR, the operating condition is restored to the normal state.
第2の高温異常状態のときに、キャパシタ19の強制的な充放電を行わないため、キャパシタ19のさらなる温度上昇を抑制することができる。これにより、キャパシタ19の劣化を抑制することができる。
Since the
図7に、低温異常状態に至る場合のタイミングチャートの一例を示す。上段から順番に、キャパシタ温度、コンバータ運転指令、充放電電流、エンジン出力、旋回用電動機出力、油圧出力、電動発電機出力、及び表示装置の出力のチャートを示す。 FIG. 7 shows an example of a timing chart when a low temperature abnormality state is reached. A chart of capacitor temperature, converter operation command, charge / discharge current, engine output, turning motor output, hydraulic output, motor generator output, and display device output is shown in order from the top.
運転開始時のキャパシタ温度が第3の基準温度T3以下であるとする。このとき、運転状態は、低温異常状態である。コンバータ運転指令は「ON」である。充放電電流のチャートの縦軸のICFL及びIDFLは、それぞれ低温時の充電電流制限値及び低温時の放電電流制限値を示す。低温時の充電電流制限値ICFLは、通常時の充電電流の制限値ICNよりも小さく、低温時の放電電流制限値IDFLは、通常時の放電電流の制限値IDNよりも小さい。低音異常状態のときには、低温異常時の制限値ICFL、及びIDFLを有効にする。 Capacitor temperature at the start of operation is to be a third reference temperature T 3 below. At this time, the operating state is a low temperature abnormal state. The converter operation command is “ON”. I CFL and I DFL on the vertical axis of the charge / discharge current chart indicate a charge current limit value at a low temperature and a discharge current limit value at a low temperature, respectively. The charging current limit value I CFL at low temperature is smaller than the charging current limit value I CN at normal time, and the discharging current limiting value I DFL at low temperature is smaller than the limiting value I DN at normal temperature. In the case of a low tone abnormal state, limit values I CFL and I DFL at the time of low temperature abnormality are made valid.
旋回用電動機出力のチャートの縦軸のPCFLは、低温異常時の出力制限値を示す。低温異常状態のときには、低温時の出力制限値PCFLを有効にする。表示装置には、「低温異常」が表示される。 P CFL of the vertical axis of the turning electric motor output chart indicates the output limit value at the low temperature abnormality. When the temperature is abnormal, the output limit value PCFL at the time of low temperature is made effective. “Low temperature abnormality” is displayed on the display device.
電動発電機出力を示すチャートの縦軸のPAF及びPGFは、それぞれ低温異常時におけるアシスト動作出力制限値及び発電動作出力制限値を示す。縦軸のPAN及びPGNは、それぞれ通常時におけるアシスト動作出力制限値及び発電動作出力制限値を示す。制御装置30は、現在有効な制限値を超えない範囲でアシスト動作及び発電動作が行われるように、インバータ18を制御する。
PAF and PGF on the vertical axis of the chart indicating the motor generator output indicate an assist operation output limit value and a power generation operation output limit value when the temperature is abnormal. PAN and PGN on the vertical axis indicate the assist operation output limit value and the power generation operation output limit value in normal times, respectively. The
低温異常状態であって、かつ旋回用電動機21が駆動されていないときには、低温異常時制限値PAF及びPGFを有効にし、アシスト動作と発電動作とが交互に繰り返されるように、制御装置30がインバータ18を制御する。旋回用電動機21への電力の供給、及び旋回用電動機21からの回生電力の取り出しがないため、電動発電機12のアシスト動作時にキャパシタ19に放電電流が流れ、発電動作時に充電電流が流れる。この充電電流及び放電電流により、キャパシタ19で発熱が生じる。これにより、キャパシタ19の温度を上昇させることができる。
When it is in the low temperature abnormality state and the turning
時刻t10において、キャパシタ温度が、第3の基準温度よりも高い低温異常回復温度TLR以上になると、運転状態が通常状態に遷移する。充放電電流の制限値として、通常時の制限値IDN、ICNを有効にし、旋回用電動機出力の制限値として、通常時の制限値PCNを有効にし、電動発電機出力のアシスト動作出力及び発電動作出力の制限値として、それぞれ通常時の制限値PAN及びPGNを有効にする。電動発電機12の動作も、通常状態の動作に戻る。すなわち、負荷に応じて、アシスト動作または発電動作が切り替えられる。
At time t 10, the capacitor temperature is equal to or higher than the low temperature abnormality recovery temperature T LR than the third reference temperature, the operating state transitions to the normal state. The normal limit values I DN and I CN are validated as limit values for the charge / discharge current, the normal limit value P CN is validated as the limit value for the turning motor output, and the motor generator output assist operation output In addition, the normal limit values PAN and PGN are validated as the limit values of the power generation operation output. The operation of the
何らかの原因で、時刻t12においてキャパシタ温度が第3の基準温度T3以下になると、運転状態が低温異常状態に遷移する。各制限値として、低温異常時の制限値を有効にする。旋回用電動機21の動作、及びキャパシタ19の充放電動作に応じて、電動発電機12のアシスト動作と発電動作とが切り替えられる。充放電電流の制限値を小さくすることにより、キャパシタ19の内部抵抗が高い状態で、大きな電流が流れることを防止できる。
For some reason, when the capacitor temperature at time t 12 is the third reference temperature T 3 below, the operating state transitions to a low temperature abnormal state. As each limit value, the limit value at low temperature abnormality is made effective. The assist operation and the power generation operation of the
時刻t12において、キャパシタ温度が低温異常回復温度TLR以上になると、運転状態が通常状態に復帰する。 At time t 12, when the capacitor temperature becomes higher cold abnormality recovery temperature T LR, the operating condition is restored to the normal state.
上記実施例では、通常状態時にコンバータ100の運転指令が「ON」である場合について説明したが、コンバータ100の運転指令が「OFF」にされている場合もある。この場合も、各制限値は、上記実施例の場合と同様に、運転状態に応じて有効になる。
In the above embodiment, the case where the operation command of the
コンバータ100の運転指令が「OFF」のときには、図3に示したダイオード102bを経由してキャパシタ19から放電電流が流れる場合がある。この放電電流の大きさを制限する制御は、図2に示した電動発電機12及び旋回用電動機21の出力の合計値を制限することにより行われる。具体的には、コンバータ100を通って流れる放電電流の大きさが、現時点で有効になっている制限値の範囲内に納まるように、電動発電機12及び旋回用電動機21の合計の出力の上限値を計算により求める。電動発電機12及び旋回用電動機21の合計の出力が、この上限値を超えないように、インバータ18及び20が制御される。
When the operation command of the
上記実施例では、ハイブリッド型作業機械として、旋回用電動機21を回生動作させるショベルについて説明した。上記実施例で説明した蓄電回路90の制御方法は、巻き上げ用の駆動装置が備えられたクレーンに適用することも可能である。この場合には、巻き上げ対称物の位置エネルギが電気エネルギに変換される。発生した電気エネルギがキャパシタ19に蓄電される。巻き上げ動作時には、キャパシタ19からの放電電流、及び電動発電機12からの発電電力により、巻上用電動機が駆動される。
In the above-described embodiment, the excavator that performs the regenerative operation of the turning
また、上記実施例で説明した蓄電回路90の制御方法は、リフティングマグネット型作業機械に適用することもできる。この場合、キャパシタ19からの放電電流により、リフティングマグネットの吸着動作が行われる。
In addition, the method for controlling the
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
1 下部走行体(基体)
1A、1B 油圧モータ
2 旋回機構
3 上部旋回体
4 ブーム
5 アーム
6 バケット
7 ブームシリンダ
8 アームシリンダ
9 バケットシリンダ
10 キャビン
11 エンジン
12 電動発電機(第2の電動機)
13 減速機
14 メインポンプ
15 パイロットポンプ
16 高圧油圧ライン
17 コントロールバルブ
18 インバータ(第2の電気回路)
19 キャパシタ
20 インバータ(第1の電気回路)
21 旋回用電動機(第1の電動機)
22 レゾルバ
23 メカニカルブレーキ
24 減速機
25 パイロットライン
26 操作装置
27、28 油圧ライン
29 圧力センサ
30 制御装置
35 表示装置
36 温度検出器
100 コンバータ(キャパシタ充放電回路)
101 リアクトル
102A 昇圧用IGBT
102B 降圧用IGBT
102a、102b ダイオード
103A、103B 電源接続端子
104A、104B 出力端子
105 平滑用コンデンサ
106 電圧計
107 電流計
111 電圧計
1 Lower traveling body (base)
1A, 1B Hydraulic motor 2 Turning mechanism 3 Upper turning body 4 Boom 5 Arm 6
13
19
21 Electric motor for turning (first electric motor)
22
101
102B IGBT for step-down
102a, 102b
Claims (7)
前記第1の電動機の出力を制御する第1の電気回路と、
前記第1の電動機に電力を供給し、及び前記第1の電動機からの回生電力を蓄電するキャパシタと、
前記キャパシタの充放電電流を制御するキャパシタ充放電回路と、
前記キャパシタの温度を検出する温度検出器と、
前記温度検出器で検出された温度データが入力され、前記温度検出器で検出された温度が第1の基準温度以上になったとき、前記キャパシタの充電電流及び放電電流が、通常時の制限値である第1の制限値よりも小さい第2の制限値を超えないように、前記キャパシタ充放電回路を制御する制御装置と
を有するハイブリッド型作業機械。 A first electric motor that performs a power running operation driven by the supply of electric power and a regenerative operation that generates electric power;
A first electric circuit for controlling the output of the first electric motor;
A capacitor for supplying electric power to the first electric motor and storing regenerative electric power from the first electric motor;
A capacitor charge / discharge circuit for controlling a charge / discharge current of the capacitor;
A temperature detector for detecting the temperature of the capacitor;
When the temperature data detected by the temperature detector is input and the temperature detected by the temperature detector is equal to or higher than a first reference temperature, the charging current and discharging current of the capacitor are limited to normal values. And a control device that controls the capacitor charge / discharge circuit so as not to exceed a second limit value smaller than the first limit value.
基体と、
前記基体に対して旋回可能に取り付けられた旋回体と
を有し、
前記第1の電動機は、前記旋回体を旋回させる回転駆動力を発生する請求項1または2に記載のハイブリッド型作業機械。 further,
A substrate;
A swivel body pivotably attached to the base body,
3. The hybrid work machine according to claim 1, wherein the first electric motor generates a rotational driving force for turning the turning body. 4.
電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジンと、
前記エンジンの駆動軸に機械的に接続され、かつ前記キャパシタに電気的に接続され、前記エンジンによって駆動されて発電を行う発電動作、及び、前記キャパシタから電力を供給されることによって機械的駆動力を発生して前記エンジンの駆動力を補助するアシスト動作を行う第2の電動機と、
前記第2の電動機へ電力を供給する状態と、該第2の電動機から発電電力を取り出す状態とを切り替える第2の電気回路と
を有し、
前記制御装置は、前記温度検出器で検出された温度が前記第3の基準温度以下になったときに、前記第2の電動機が発電動作とアシスト動作とを交互に繰り返すように前記第2の電気回路を制御する請求項6に記載のハイブリッド型作業機械。 further,
An engine that generates driving force using fuel other than electricity;
A power generation operation that is mechanically connected to the drive shaft of the engine and is electrically connected to the capacitor and is driven by the engine to generate electric power, and mechanical driving force by being supplied with electric power from the capacitor A second electric motor for performing an assist operation for assisting the driving force of the engine by generating
A second electric circuit that switches between a state in which electric power is supplied to the second electric motor and a state in which generated electric power is taken out from the second electric motor;
When the temperature detected by the temperature detector becomes equal to or lower than the third reference temperature, the control device causes the second motor to alternately repeat a power generation operation and an assist operation. The hybrid type work machine according to claim 6 which controls an electric circuit.
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