JP2014507320A

JP2014507320A - 能動高電圧バス電圧放出

Info

Publication number: JP2014507320A
Application number: JP2013546146A
Authority: JP
Inventors: ゴールダマーティモシー; ローチュオン; ミラージェイソン; ウァイジャクソン
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2014-03-27
Also published as: WO2012087447A2; CN103269927B; CN103269927A; DE112011104517T5; US8610382B2; WO2012087447A3; US20120161679A1

Abstract

エンジン（１０２）、発電機（１１２）、牽引モータ（１２４）、および１つまたは複数の補助デバイス（１２６）を有する機械（１００）の共通バス（１１６）を能動的に放電する方法が提供される。この方法は、第１のしきい値に関してエンジン（１０２）の速度を監視し、第２のしきい値に関して共通バス（１１６）の電圧を監視し、エンジン速度が第１のしきい値未満に低下し、電圧が第２のしきい値を超えた場合に、共通バス（１１６）から電圧を放電するために、発電機（１１２）、モータ（１２４）、および補助デバイス（１２６）の１つまたは複数を使用可能にすることができる。

Description

本開示は、一般に、電気駆動アセンブリに関し、より詳細には、電気的バスを能動的に放電するためのシステムおよび方法に関する。

共通または電気的バスが、作業機械、車両、およびコンピュータを含めた様々な適用例で使用されている。電気的バスは、電源から電気的デバイスに電力を送るために高電圧用途で使用することもできる。電気的バスは、本質的には、複数の電気的デバイスを発電機、太陽電池、バッテリなどの電源と接続するために使用される並列回路である。さらに、電気的バスは、直流（ＤＣ）用途で使用することができ、正ラインと、負ラインまたは接地ラインとを有し、それらのラインを介してポテンシャル電圧差を提供することができる。

ＤＣ電圧用途で生じ得る問題は、電気的デバイスが電力を貯めることがあることである。その結果、電気的バスが電源から切断されたときに、電気的デバイスは、貯まった電力で電気的バスを引き続き通電状態にする。したがって、正ラインと負ラインの間の電位差が最小である低エネルギー状態に電気的バスを戻すのに、比較的長い期間が必要となることがある。技師は、修理を始める前に電気的バスが低エネルギー状態に戻るのを待たなければならないので、そのような機械を修理して保守するのにかかる総時間、およびそれに伴うコストが大幅に増加する。

現在既存の多くの高電圧電気的バスは、関連の電源が遮断または切断された後に、貯まったエネルギーを消散させる助けとなるように、ブリーダ抵抗器を採用する。例えば、Ｈｉｃｋａｍへの（特許文献１）は、電流を放電するために関連の電気的バスの正ラインと負ラインの間に接続されたパワー抵抗器を有する放電回路を開示する。そのようなブリーダレジストはある程度のエネルギー消散を実現するが、それでも放電率は自然減衰速度に制限され、これは、特に高電圧用途では、依然としてかなりの待機時間を必要とする。さらに、そのような放電回路およびブリーダ抵抗器は故障しやすく、これは、フォールバックなど二次的な安全装置を装備していないデバイスでは、大きな安全面でのリスクをもたらすことがある。

米国特許出願第２００９／０１４１４１２号明細書

本明細書で開示するシステムおよび方法は、上述した問題の１つまたは複数を克服することを目的とする。

本開示の一態様では、エンジン、発電機、牽引モータ、および１つまたは複数の補助デバイスを有する機械の共通バスを能動的に放電する方法が提供される。この方法は、第１のしきい値に関してエンジンの速度を監視し、第２のしきい値に関して共通バスの電圧を監視し、エンジン速度が第１のしきい値未満に低下し、電圧が第２のしきい値を超えた場合に、共通バスから電圧を放電するために、発電機、モータ、および補助デバイスの１つまたは複数を使用可能にする。

本開示の別の態様では、エンジンと発電機を有する機械の共通バスを能動的に放電する方法が提供される。この方法は、エンジンに関する速度しきい値を決定し、共通バスに関する電圧しきい値を決定し、エンジンの即時速度を速度しきい値と比較し、共通バスの即時電圧を電圧しきい値と比較し、エンジンの即時速度が速度しきい値未満に低下し、共通バスの即時速度が電圧しきい値を超えた場合に、共通バスから余剰電圧を部分的に放電するために、発電機を電動モードに切り替える。

本開示のさらに別の態様では、エンジン、発電機、牽引モータ、および１つまたは複数の補助デバイスを有する機械のための能動電圧放出システムが提供される。能動電圧放出システムは、共通バスと、制御装置とを備える。共通バスは、機械の発電機、牽引モータ、および補助デバイスの少なくとも１つと電気的に通信する。制御装置は、少なくとも機械のエンジンおよび共通バスと電気的に通信する。また、制御装置は、第１のしきい値に関してエンジンの速度を監視し、第２のしきい値に関して共通バスの電圧を監視し、エンジン速度が第１のしきい値未満に低下し、電圧が第２のしきい値を超えた場合に、共通バスから電圧を放電するために、発電機、モータ、および補助デバイスの１つまたは複数を使用可能にするように構成される。

本開示の例示的実施形態に従って構成された機械の概略図である。典型的な電気駆動機械に適用されるときの能動電圧放出システムの例示的実施形態の概略図である。機械の電気的な共通バスを能動的に放電する例示的な方法のフローチャートである。

次に、具体的な実施形態または特徴に詳細に言及する。それらの実施形態または特徴の例は、添付図面に示されている。一般に、図面を通じて、同一または対応する部分を表すために、対応する参照番号が使用されている。

図１は、移動を生じさせるための電気駆動手段を採用することができる可動機械１００を概略的に示す。より具体的には、機械１００は、主動力源１０２を含むことができ、主動力源１０２は、牽引デバイス１０６によって移動を生じさせるための電気駆動機構１０４に結合される。そのような可動機械１００は、採掘、建設、農業、輸送、または当技術分野で知られている任意の他の適切な産業など、ある産業に関連付けられる特定のタイプの動作を実施するための作業機械として使用することができる。例えば、機械１００は、土木機械、船舶、航空機、トラクタ、オフロードトラック、オンハイウェイ乗用車、または任意の他の適切な可動機械でよい。

図２を見ると、機械１００の電気駆動機構１０４に適用される例示的な電圧放出システム１０８が提供される。電気駆動機構１０４は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジン、または動力を発生するために一般に使用される任意の他のタイプの燃焼機関など、主動力源１０２を含むことができる。また、電気駆動機構１０４は、例えば燃料電池など任意の他の適切な動力源と共に使用することもできる。エンジン１０２は、寄生負荷１１０に動力を直接伝達する、またはベルトや油圧システムなどを介して間接的に伝達するように構成することができる。また、エンジン１０２は、結合する、または軸方向に回転する駆動シャフト１１４を介して発電機１１２に動力を機械的に伝達するように構成することもできる。

図２の発電機１１２は、スイッチドリラクタンス（ＳＲ）発電機、またはエンジン１０２からの回転入力に応答して電力を発生するように構成された任意の他の適切な発電機でよい。当技術分野でよく知られているように、発電機１１２は、回転子（図示せず）を含むことがあり、回転子は、定置固定子（図示せず）の内部に回転可能に配設される。発電機１１２の回転子は、直接クランクシャフト、歯車列、油圧回路などを介してエンジン１０２の出力に回転可能に結合させることができる。発電機１１２の固定子は、整流器、インバータ、コンデンサなどを有する変換器回路１１８を介して電気駆動機構１０４の共通バス１１６に結合させることができる。発電動作モード中、主動力源１０２によって発電機１１２の回転子が固定子内部で回転されるとき、電流が誘発されて、変換器回路１１８に供給されることがある。変換器回路１１８は、電気信号を適当な直流（ＤＣ）電圧に変換して、機械１００の様々な電気的デバイスおよびサブコンポーネントに分散させることができる。さらに、発電機１１２は、例えば電動動作モード中に共通バス１１６から固定子に提供される電気信号に応答して、回転子の回転を引き起こすことを可能にされることがある。

共通バス１１６は、正ライン１２０と、負ラインまたは接地ライン１２２とを提供することができ、それらのラインを介して、共通バス１１６は、機械１００の１つまたは複数の電気的に並列な構成要素の間で共通ＤＣバス電圧を伝達することができる。例えば、共通バス１１６は、牽引デバイス１０６による運動を引き起こすために、エンジン１０２および発電機１１２によって供給される動力を１つまたは複数のモータ１２４に伝達することができる。特に、発電機１１２に関連付けられる第１の変換器回路１１８は、送信すべきＤＣ信号を、１つまたは複数のモータ１２４に関連付けられる第２の変換器回路１１８に提供することができる。第２の変換器回路１１８は、ＤＣ信号を、モータ１２４を駆動させるのに必要な適当な位相信号に変換することができる。また、共通バス１１６は、共通ＤＣ電圧を機械１００の補助デバイス１２６に伝達することもでき、補助デバイス１２６は、例えば、加熱、換気、および冷却（ＨＶＡＣ）システム１２８、高電圧ポンプ１３０、高電圧ファン１３２、または共通ＤＣ電圧によって動作させることができる任意の他の電気的デバイスを含む。さらに、補助デバイス１２６は、バッテリまたは大容量コンデンサなど充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１３６の内部に共通ＤＣ電圧を貯蔵するように構成された二次動力源またはハイブリッドシステム１３４を含むことができる。そのような実施形態では、共通バス１１６は、動力源１０２によって消費される燃料またはエネルギーを最小限にするために、エネルギー貯蔵デバイス１３６の内部に貯蔵された電力を発電機１１２および／または１つまたは複数のモータ１２４に選択的に伝達することができるように構成することができる。さらなる代替形態では、補助デバイス１２６は、スイッチ式ブリードオフ抵抗器１３８を設けられることがあり、スイッチ式ブリードオフ抵抗器１３８は、正ライン１２０と負ライン１２２の間に選択的に接続することができ、それにより、共通バス１１６での任意の余剰電圧を受動的に放電する。

例えば図２に示されるように、共通バス１１６は、さらに、共通バス１１６の内部に貯まった余剰電圧を能動的に電圧放出または放電するための手段を設けられることもある。より具体的には、電圧放出システム１０８は、少なくとも機械１００の共通バス１１６および主動力源またはエンジン１０２と通信する制御装置１４０を設けられることがある。制御装置１４０は、機械１００の即時動作状態を監視し、さらに、それらの動作状態に基づいて、共通バス電圧を消散すべきかどうか判断することができる。動作状態は、例えば、機械１００の負荷、機械１００の対地速度、操作者による入力としての機械１００の望みの動作などを示すことができる。制御装置１４０は、機械１００のそのような動作状態に基づいて共通バス電圧を電圧放出すべきと判断した場合、共通バス１１６から電力を受け取る発電機１１２、牽引モータ１２４、補助デバイス１２６、または任意の他のデバイスの１つまたは複数を使用可能にすることによって、バス電圧を逃がすことができる。

１つの特定の実施形態では、制御装置１４０は、余剰バス電圧を少なくとも一部逃がすために、発電機１１２を電動動作モードに設定することができる。したがって、電圧放出システム１０８の制御装置１４０は、発電機１１２の動作モードを決定および／または選択するために発電機１１２と通信することができる。例えば、スイッチドリラクタンス発電機の制御は、スイッチドリラクタンス発電機のスイッチおよび／または巻線への直接の接続によって管理することができる。また、制御装置１４０は、牽引モータ１２４、ＨＶＡＣシステム１２８、高電圧ポンプ１３０、高電圧ファン１３２、またはそれらの任意の組合せを介してバス電圧を放電するように構成することもできる。また、ハイブリッドシステム１３４を使用して、制御装置１４０は、放電されたバス電圧を、後で使用するためにエネルギー貯蔵デバイス１３６に調整および貯蔵するように構成することもできる。そのようなデバイスを使用可能にすることによって、制御装置１４０は、既存の構成要素および典型的に行われる動作を使用して、機械１００内部からバス電圧を安全に放電することが可能であることがある。

電圧放出システム１０８の動作は、機械１００の既存の制御に埋め込むまたは組み込むことができる。さらに、制御装置１４０は、電圧放出システム１０８の機能を電子的に制御するための処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、電子制御モジュール（ＥＣＭ）、電子制御ユニット（ＥＣＵ）、または任意の他の適切な手段の１つまたは複数を使用して実装することができる。制御装置１４０は、機械１００の様々な動作状態に基づいて電圧放出システム１０８を制御するための所定のアルゴリズムまたは命令セットに従って動作するように構成することができる。そのようなアルゴリズムまたは命令セットは、当技術分野で一般に使用されるような制御装置１４０のメモリに予めプログラムする、または組み込むことができる。

次に図３のフローチャートを参照して、機械１００の共通バス１１６を能動的に電圧放出または放電するための例示的な方法を開示する。開示する方法は、アルゴリズムまたは１組のプログラムコードとして実装することができ、制御装置１４０が、そのアルゴリズムまたは１組のプログラムコードによって動作するように構成される。図示されるように、制御装置１４０は、共通バス電圧に関係する機械１００の１つまたは複数のパラメータを監視するために、まず１組のしきい値を決定することができる。例えば、制御装置１４０は、エンジン速度に関する第１のしきい値または下限と、共通バス電圧に関する第２のしきい値または上限とを決定することができる。適当な第１および第２のしきい値は、機械１００での負荷、機械１００の対地速度、操作者入力など、機械１００の即時動作状態の組合せに基づいて決定することができる。あるいは、エンジン速度およびバス電圧に関するしきい値は、制御装置１４０に予めプログラムされた既定の値でよい。さらなる代替形態では、複数の既定のしきい値を、機械１００の異なる動作状態にマップすることができ、それにより、制御装置１４０が、検出された即時動作状態に基づいて、採用すべき理想的なしきい値の組を検索できるようになる。

図２の制御装置１４０は、少なくとも電気駆動機構１０４のエンジン１０２および共通バス１１６と通信することができ、それにより、図３に示されるように、機械１００の通常動作中に即時エンジン速度およびバス電圧を監視する。さらに、制御装置１４０は、即時エンジン速度をエンジン速度しきい値と継続的に比較し、さらに即時共通バス電圧をバス電圧しきい値と比較することができる。両方のしきい値に達した場合、例えば、即時エンジン速度が最小速度しきい値未満に低下し、バス電圧が最大電圧しきい値を超えた場合、制御装置１４０は、場合によっては安全でない電力レベルが、適切に逃がされずに共通バス１１６内に貯まっていると判断することができる。したがって、図３に示されるように、制御装置１４０は、発電機１１２、牽引モータ１２４、１つまたは複数の補助デバイス１２６、またはそれらの任意の組合せを使用可能にすることによって、共通バス１１６の電圧の放電に進むことができる。発電機１１２、牽引モータ１２４、ＨＶＡＣシステム１２８、高電圧ポンプ１３０、またはファン１３２にバス電圧を供給することによって、機械１００またはその操作者が要求することがある典型的な動作または機能を行いながら、共通バス１１６を機械１００の内部から安全に放電することができる。

図３の実施形態では、制御装置１４０は、例えば、即時エンジン速度が最小速度しきい値未満に低下し、バス電圧が最大電圧しきい値を超えた場合に、発電機１１２を電動動作モードに設定するように構成することができる。制御装置１４０が発電機１１２の電動モードを設定する様式は、使用される発電機１１２の構成およびタイプに応じて異なることがある。例えば、発電機１１２がスイッチドリラクタンスタイプの発電機である構成では、制御装置１４０は、チョッピング、パルス幅変調、または当技術分野で一般に使用されている任意の他の適切な手段によって、切り替えられた電流を発電機１１２の各位相に誘発し、適切なパルスシーケンスを各位相に提供することによって、電動モードに設定することができる。共通バス１１６に貯まった電力を再び発電機１１２に向け直し、発電機１１２の回転子を回転させることによって、制御装置１４０は、共通バス電圧をより安全なレベルまで効率的に放電することができる。そのようにして、制御装置１４０は、しきい値の１つまたは複数が満たされるまで、発電機１１２を電動モードに設定することができる。図３に示されるように、例えば、共通バス電圧が最大電圧しきい値未満に低下した場合、またはエンジン速度が最小速度しきい値を超えると判断された場合、制御装置１４０は、共通バス１１６から発電機１１２への電流の誘発を止めて、電動モードから出ることができる。制御装置１４０が電動モードから出ると、制御装置１４０は、エンジン速度および共通バス電圧の監視に戻ることができる。あるいは、制御装置１４０は、監視ステップに戻る前に、新規のエンジン速度およびバス電圧しきい値の決定に戻ることができる。

一般に、前述の開示は、例えば、農業、建設、および採掘産業など様々な産業分野で利用され、トラクタ、バックホーローダ、突き固め機、フェラーバンチャ、林業機械、産業ローダ、スキッドステアローダ、ホイールローダなど、高電圧可動作業車両および／または機械での電気的バスのより効率的な電圧放出を提供する。本明細書で開示するシステムおよび方法は、機械の１つまたは複数の既存のデバイスを電動動作モードに設定することによって、電気的バスに貯まったエネルギーを放電する。電気的バスを迅速に放電することができ、技師が作業を行うことができるので、修理および／または保守に費やされるダウンタイムが大幅に短縮される。

以上、例示の目的でいくつかの実施形態のみを記載してきたが、当業者には、上述した説明から代替形態および修正形態が明らかであろう。これらおよび他の代替形態は、均等物であり、本開示および添付の特許請求の範囲の精神および範囲内にあるとみなされる。

Claims

エンジン（１０２）、発電機（１１２）、牽引モータ（１２４）、および１つまたは複数の補助デバイス（１２６）を有する機械（１００）の共通バス（１１６）を能動的に放電する方法であって、
第１のしきい値に関してエンジン（１０２）の速度を監視するステップと、
第２のしきい値に関して共通バス（１１６）の電圧を監視するステップと、
エンジン速度が第１のしきい値未満に低下し、電圧が第２のしきい値を超えた場合に、共通バス（１１６）から電圧を放電するために、発電機（１１２）、モータ（１２４）、および補助デバイス（１２６）の１つまたは複数を使用可能にするステップと
を含む方法。
補助デバイス（１２６）が、共通バス（１１６）内の電気エネルギーを受動的に放電するために、加熱、換気、および冷却（ＨＶＡＣ）システム（１２８）と、高電圧ポンプ（１３０）と、高電圧ファン（１３２）と、ブリーダレジスト（１３８）との１つまたは複数を含む請求項１に記載の方法。
補助デバイス（１２６）が、共通バス（１１６）によって放電された電圧をエネルギー貯蔵デバイス（１３６）内に調整および貯蔵するためのハイブリッドシステム（１３４）を含む請求項１に記載の方法。
エンジン速度が第１のしきい値未満に低下し、電圧が第２のしきい値を超えた場合に、共通バス（１１６）から電圧を放電するために、発電機（１１２）が電動動作モードに切り替えられる請求項１に記載の方法。
さらに、共通バス（１１６）の電圧が第２のしきい値未満に低下した場合に、発電機（１１２）を電動モードから出るように切り替えるステップを含む請求項４に記載の方法。
第１のしきい値が、機械（１００）の負荷、機械（１００）の対地速度、および操作者入力の少なくとも１つに基づく請求項１に記載の方法。
発電機（１１２）が、スイッチドリラクタンス発電機である請求項１に記載の方法。
エンジン（１０２）、発電機（１１２）、牽引モータ（１２４）、および１つまたは複数の補助デバイス（１２６）を有する機械（１００）のための能動電圧放出システム（１０８）であって、
機械（１００）の発電機（１１２）、牽引モータ（１２４）、および補助デバイス（１２６）の少なくとも１つと電気的に通信する共通バス（１１６）と、
少なくとも、機械（１００）のエンジン（１０２）および共通バス（１１６）と電気的に通信する制御装置（１４０）とを備え、制御装置（１４０）が、第１のしきい値に関してエンジン（１０２）の速度を監視し、第２のしきい値に関して共通バス（１１６）の電圧を監視し、エンジン速度が第１のしきい値未満に低下し、電圧が第２のしきい値を超えた場合に、共通バス（１１６）から電圧を放電するために、発電機（１１２）、モータ（１２４）、および補助デバイス（１２６）の１つまたは複数を使用可能にするように構成される
能動電圧放出システム（１０８）。
制御装置（１４０）が、エンジン速度が第１のしきい値未満に低下し、電圧が第２のしきい値を超えた場合に、発電機（１１２）を電動動作モードに切り替え、共通バス（１１６）の電圧が第２のしきい値未満に低下した場合に、発電機（１１２）を電動モードから出るように切り替える請求項８に記載のシステム（１０８）。
制御装置（１４０）が、機械（１００）の１つまたは複数の即時動作状態に基づいて第１のしきい値を決定し、機械（１００）の１つまたは複数の即時動作状態に基づいて第２のしきい値を決定するように構成される請求項８に記載のシステム（１０８）。