JP4485909B2 - Battery charger for hybrid construction machines - Google Patents
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Description
本発明はハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置に関するものであり、特に、電力損失を小さくしたハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置に関するものである。 The present invention relates to a battery charger for a hybrid construction machine, and more particularly to a battery charger for a hybrid construction machine with reduced power loss.
近年、油圧ショベルをはじめとする建設機械では、エンジンの負担や燃料消費率低減などのために、油圧ポンプの駆動源としてエンジンのほかに電動機を搭載したハイブリッド式建設機械が知られている。このハイブリッド式建設機械では、電動機に電源を供給するバッテリの電圧が低下すると、電動機を動作させることができない。然るときは、通常はバッテリを機械から取り外して充電するか、或いは、充電器を持ってきてバッテリを充電しなければならず、充電作業が煩雑であった。 In recent years, in construction machines such as a hydraulic excavator, a hybrid type construction machine equipped with an electric motor in addition to an engine as a driving source of a hydraulic pump is known in order to reduce an engine load and a fuel consumption rate. In this hybrid construction machine, when the voltage of the battery that supplies power to the electric motor decreases, the electric motor cannot be operated. At that time, normally, the battery must be removed from the machine for charging, or the battery must be charged by bringing a charger, which makes the charging work complicated.
この不具合を解消するために、エンジンに電動発電機を接続するとともに、この電動発電機を駆動制御するためのインバータを搭載し、油圧ポンプが低負荷のときは、エンジンの動力のみで油圧ポンプを駆動するとともに発電機で発電した電力をバッテリに蓄え、油圧ポンプが高負荷のときは、バッテリに蓄えられた電力で前記発電機を電動機として駆動するハイブリッド式建設機械が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In order to solve this problem, a motor generator is connected to the engine and an inverter for controlling the drive of the motor generator is installed. When the hydraulic pump is under low load, the hydraulic pump is driven only by the engine power. Hybrid construction machines that drive and store the power generated by the generator in a battery and drive the generator as an electric motor with the power stored in the battery when the hydraulic pump has a high load are known (for example, Patent Document 1).
また、操作レバーまたは操作パネルにパワーアップ用スイッチを設け、このスイッチからの信号がコントローラに入力されたときに、油圧ポンプの駆動を助成すべく電動発電機の出力トルクを制御するように構成したハイブリッド式建設機械も知られている(例えば、特許文献2参照)。
特許文献1記載の発明は、エンジンの動力により電動発電機で発電した交流電力を、インバータにより直流電力に変換してバッテリに充電するので、従来のように、充電時にわさわざ機械からバッテリを取り外す必要がない。また、バッテリに蓄えられた電力をインバータにより交流電力に変換して電動発電機を電動機として任意の回転数で駆動することができる。 In the invention described in Patent Document 1, AC power generated by a motor generator using engine power is converted into DC power by an inverter and charged to the battery. There is no need to remove it. Moreover, the electric power stored in the battery can be converted into alternating current power by an inverter, and the motor generator can be driven as an electric motor at an arbitrary rotational speed.
しかし、インバータからバッテリへ充電する際、バッテリ電圧と発電電圧との差が大きいと過電流が流れ、バッテリに負担がかかって寿命が短くなる虞が大きい。このためインバータとバッテリの接続途中に抵抗器を介装して、過電流となるのを防止する必要がある。一方、インバータとバッテリの接続途中に常時抵抗器が介装されていると、充電時及び放電時に電力損失によって効率が低下する。 However, when the battery is charged from the inverter, if the difference between the battery voltage and the generated voltage is large, an overcurrent flows, and there is a high possibility that the battery is burdened and the life is shortened. For this reason, it is necessary to prevent overcurrent by interposing a resistor in the middle of connection between the inverter and the battery. On the other hand, if a resistor is always installed in the middle of the connection between the inverter and the battery, the efficiency decreases due to power loss during charging and discharging.
特許文献2記載の発明は、パワーアップ用スイッチを設けてそのスイッチ操作により電動発電機の出力トルクを制御するが、インバータを制御するために特別のコントローラが必要でコストアップの要因となる。 In the invention described in Patent Document 2, a power-up switch is provided and the output torque of the motor generator is controlled by operating the switch. However, a special controller is required to control the inverter, which causes an increase in cost.
そこで、インバータを備えたハイブリッド式建設機械において、特別のコントローラを必要とせず、インバータからバッテリへの過電流を防止するとともに、充電時及び放電時の電力損失を低減するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。 Therefore, in a hybrid construction machine equipped with an inverter, there is no need for a special controller, and a technical problem to be solved to prevent overcurrent from the inverter to the battery and to reduce power loss during charging and discharging. A problem arises, and the present invention aims to solve this problem.
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項1記載の発明は、建設機械の下部走行体の上に旋回機構を介して旋回自在に載置された上部旋回体の上に、エンジンと、該エンジンに接続される永久磁石式同期電動発電機と、該永久磁石式同期電動発電機を駆動制御するインバータと、該インバータの直流電源となるバッテリとを備えたハイブリッド式建設機械において、
前記インバータとバッテリとの間に抵抗器を介装するとともに、該抵抗器を短絡する断続器を設け、バッテリ電圧とインバータ動作可能電圧とを比較して、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、前記永久磁石式同期電動発電機を発電機として動作させるとともに前記断続器を開として、前記永久磁石式同期電動発電機で発電された電力を前記抵抗器を介してバッテリに充電するように構成し、且つ、油圧ショベルの使用に供して成るハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置を提供する。
The present invention has been proposed in order to achieve the above-mentioned object, and the invention according to claim 1 is directed to an upper swing body that is rotatably mounted on a lower traveling body of a construction machine via a swing mechanism. A hybrid type comprising an engine, a permanent magnet type synchronous motor generator connected to the engine, an inverter for driving and controlling the permanent magnet type synchronous motor generator, and a battery serving as a DC power source of the inverter In construction machinery
A resistor is interposed between the inverter and the battery, and an interrupter for short-circuiting the resistor is provided. The battery voltage is less than the inverter operable voltage by comparing the battery voltage and the inverter operable voltage. In this case, the permanent magnet type synchronous motor generator is operated as a generator and the interrupter is opened to charge the battery with the electric power generated by the permanent magnet type synchronous motor generator via the resistor. A battery charger for a hybrid construction machine configured as described above and used for a hydraulic excavator is provided.
この構成によれば、インバータとバッテリとの間に抵抗器と該抵抗器を短絡する断続器を設けてあり、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、断続器を開として永久磁石式同期電動発電機で発電された電力を抵抗器を介してバッテリに充電するため、バッテリ電圧と発電電圧との差が大きくても前記抵抗器により過電流が緩衝されてバッテリへ入力される。 According to this configuration, the resistor and the interrupter for short-circuiting the resistor are provided between the inverter and the battery. When the battery voltage is less than the inverter operable voltage, the interrupter is opened and the permanent magnet type Since the electric power generated by the synchronous motor generator is charged into the battery via the resistor, the overcurrent is buffered by the resistor and input to the battery even if the difference between the battery voltage and the generated voltage is large.
請求項2記載の発明は、上記バッテリ電圧が上記インバータ動作可能電圧以上の場合は、上記断続器を閉として上記抵抗器を短絡し、必要に応じて上記永久磁石式同期電動発電機を発電機又は電動機として動作させ、発電された電力をバッテリに充電する一方、該バッテリに蓄えられた電力により上記永久磁石式同期電動発電機を電動機として駆動させるように構成したハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置を提供する。 According to a second aspect of the present invention, when the battery voltage is equal to or higher than the inverter operable voltage, the interrupter is closed, the resistor is short-circuited, and the permanent magnet synchronous motor generator is connected to the generator as necessary. Alternatively, a battery charging device for a hybrid construction machine configured to operate as an electric motor and charge the generated electric power to a battery while driving the permanent magnet synchronous motor generator as an electric motor by the electric power stored in the battery I will provide a.
この構成によれば、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧以上の場合は、断続器を閉として抵抗器を短絡し、発電機の電力が抵抗器を通らずにインバータを介してバッテリに供給され、また、バッテリの電力が抵抗器を通らずにインバータを介して電動機へ供給される。 According to this configuration, when the battery voltage is higher than the inverter operable voltage, the interrupter is closed and the resistor is short-circuited, and the power of the generator is supplied to the battery via the inverter without passing through the resistor. The battery power is supplied to the electric motor through the inverter without passing through the resistor.
請求項1記載の発明は、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、断続器を開として発電機で発電された電力を抵抗器を介してバッテリに充電するため、バッテリ電圧と発電電圧との差が大きくても抵抗器により定格電流に緩衝されて、バッテリに負担がかからず寿命が長くなる。 According to the first aspect of the present invention, when the battery voltage is lower than the inverter operable voltage, the battery voltage and the generated voltage are generated in order to charge the battery with the electric power generated by the generator by opening the interrupter through the resistor. Even if the difference is large, it is buffered by the rated current by the resistor, so that the battery is not burdened and the life is extended.
請求項2記載の発明は、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧以上の場合は、断続器を閉として抵抗器を短絡し、発電機の電力が抵抗器を通らずにインバータを介してバッテリに供給され、また、バッテリの電力が抵抗器を通らずにインバータを介して電動機へ供給されるため、インバータへの電力損失を低減することができ効率向上に寄与できる。 According to the second aspect of the present invention, when the battery voltage is equal to or higher than the inverter operable voltage, the interrupter is closed and the resistor is short-circuited, and the generator power is supplied to the battery via the inverter without passing through the resistor. Moreover, since the electric power of the battery is supplied to the electric motor via the inverter without passing through the resistor, the power loss to the inverter can be reduced, and the efficiency can be improved.
以下、本発明に係るハイブリッド式建設機械のバッテリ充電装置について、好適な実施例をあげて説明する。インバータを備えたハイブリッド式建設機械において、特別のコントローラを必要とせず、インバータからバッテリへの過電流を防止するとともにインバータへの電力損失を低減するという目的を、インバータとバッテリとの間に抵抗器を介装するとともに、該抵抗器を短絡する断続器を設け、バッテリ電圧とインバータ動作電圧とを比較して、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、永久磁石式同期電動発電機を発電機として動作させるとともに断続器を開として、該永久磁石式同期電動発電機で発電された電力を抵抗器を介してバッテリに充電するように構成し、また、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧以上の場合は、断続器を閉として抵抗器を短絡し、必要に応じて前記永久磁石式同期電動発電機を発電機又は電動機として動作させ、発電された電力をバッテリに充電する一方、該バッテリに蓄えられた電力により前記永久磁石式同期電動発電機を電動機として駆動させるように構成したことにより実現した。 Hereinafter, a battery charger for a hybrid construction machine according to the present invention will be described with reference to preferred embodiments. In a hybrid construction machine equipped with an inverter, a resistor is not required between the inverter and the battery for the purpose of preventing overcurrent from the inverter to the battery and reducing power loss to the inverter without requiring a special controller. In addition, an interrupter that short-circuits the resistor is provided, and the battery voltage is compared with the inverter operating voltage. If the battery voltage is less than the inverter operable voltage, the permanent magnet synchronous motor generator is installed. It is configured to operate as a generator and open the interrupter to charge the battery with the electric power generated by the permanent magnet type synchronous motor generator via a resistor, and the battery voltage is higher than the inverter operable voltage. In this case, the interrupter is closed and the resistor is short-circuited, and the permanent magnet synchronous motor generator is It is operated as a motor, while charging the generated electric power in the battery, and implemented by the electric power stored in the battery and configured to drive the permanent magnet type synchronous motor generator as a motor.
図1は建設機械の一例として油圧ショベル10を示し、下部走行体11の上に旋回機構12を介して上部旋回体13が旋回自在に載置されている。上部旋回体13にはその前方一側部にキャブ14が設けられ、且つ、前方中央部にブーム15が俯仰可能に取り付けられている。更に、ブーム15の先端にアーム16が上下回動自在に取り付けられ、該アーム16の先端にバケット17が取り付けられている。前記上部旋回体13には、エンジン18と、該エンジン18に接続される永久磁石式同期電動発電機19並びに油圧ポンプ20などの駆動装置が搭載されている。
FIG. 1 shows a
図2はバッテリ充電装置のブロック図であり、前述したように、前記エンジン18に永久磁石式同期電動発電機19並びに油圧ポンプ20が接続され、該永久磁石式同期電動発電機19を駆動制御するインバータ21と、インバータ21の直流電源となるバッテリ22が設けられている。前記インバータ21とバッテリ22との間には抵抗器23を介装するとともに、該抵抗器23を短絡する断続器24を設ける。この断続器24は例えばリレーなどのスイッチを使用し、後述するように、バッテリ電圧とインバータ動作可能電圧との比較値によって断続される。
FIG. 2 is a block diagram of the battery charger. As described above, the permanent magnet type
次に、バッテリ充電装置の動作について説明する。機械始動時の初期状態で前記バッテリ22の電圧が低くて、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合、或いは、機械作動中に前記バッテリ22の電圧が低下して、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満になった場合は、前記永久磁石式同期電動発電機19を発電機として動作させるとともに、同図に示すように、前記断続器24を開とする。
Next, the operation of the battery charger will be described. When the voltage of the
前記永久磁石式同期電動発電機19で発電された交流電力はインバータ21にて直流電力に変換され、この直流電力が前記抵抗器23を介してバッテリ22に充電され、バッテリ22の電圧と永久磁石式同期電動発電機19の電圧との差が大きくても、回路の途中に抵抗器23を介在させてあるため、該抵抗器23により過電流が緩衝されて定格電流としてバッテリ22へ入力される。従って、バッテリ22に負担がかからず寿命が長くなる。
The AC power generated by the permanent magnet type
そして、バッテリ22への充電が進み、バッテリ電圧が正常電圧範囲に戻り、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧以上になった場合は、必要に応じて前記永久磁石式同期電動発電機19を発電機又は電動機として動作させ、発電された交流電力をインバータ21により直流電力に変換してバッテリ22に充電する一方、該バッテリ22に蓄えられた直流電力をインバータ21にて交流電力に変換し、この交流電力を前記永久磁石式同期電動発電機19へ供給して、該永久磁石式同期電動発電機19を電動機として駆動する。
When the
ここで、永久磁石式同期電動発電機により発電された電力をバッテリ22に供給する場合、及び、バッテリ22に蓄えられた電力をインバータ21に供給する場合、途中に前記抵抗器23が介装されていると、電力損失によって効率が低下するため、図3に示すように、前記断続器24を閉として抵抗器23を短絡する。従って、前記永久磁石式同期電動発電機により発電された交流電力、並びに、バッテリ22の直流電力は抵抗器23を通らずに供給されるため、電力損失を低減することができ効率向上に寄与できる。
Here, when the electric power generated by the permanent magnet type synchronous motor generator is supplied to the
尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。 It should be noted that the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention, and the present invention naturally extends to the modified ones.
10 油圧ショベル
18 エンジン
19 永久磁石式同期電動発電機
21 インバータ
22 バッテリ
23 抵抗器
24 断続器
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記インバータとバッテリとの間に抵抗器を介装するとともに、該抵抗器を短絡する断続器を設け、バッテリ電圧とインバータ動作可能電圧とを比較して、バッテリ電圧がインバータ動作可能電圧未満である場合は、前記永久磁石式同期電動発電機を発電機として動作させるとともに前記断続器を開として、前記永久磁石式同期電動発電機で発電された電力を前記抵抗器を介してバッテリに充電するように構成し、且つ、油圧ショベルの使用に供して成ることを特徴とするハイブリット゛式建設機械のバッテリ充電装置。 On the upper swinging body mounted on the lower traveling body of the construction machine through a swing mechanism, the engine, the permanent magnet synchronous motor generator connected to the engine, and the permanent magnet type In a hybrid construction machine including an inverter for driving and controlling a synchronous motor generator and a battery serving as a DC power source of the inverter,
A resistor is interposed between the inverter and the battery, and an interrupter for short-circuiting the resistor is provided. The battery voltage is less than the inverter operable voltage by comparing the battery voltage and the inverter operable voltage. In this case, the permanent magnet type synchronous motor generator is operated as a generator and the interrupter is opened to charge the battery with the electric power generated by the permanent magnet type synchronous motor generator via the resistor. And a battery charger for a hybrid construction machine, characterized in that it is used for a hydraulic excavator .
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