作業機械的動力源裝置的製作方法
2023-04-29 06:35:21 1
專利名稱：作業機械的動力源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種並用發動機動力和電力的混合式作業機械的動力源裝置。
背景技術：
在混合式的作業機械(例如挖掘機)中，採用並聯方式的驅動形式的作業機械已為公眾所知(參照日本專利公開公報特開平10-42587號)。
在該並聯方式中，將液壓泵和起到發電機作用及電動機作用的動力機並聯地連接在作為共用動力源的發動機上。通過液壓泵驅動液壓致動器，並且，利用動力機的發電機作用對蓄電裝置進行充電。此外，在適當的時候，還利用該蓄電裝置的放電使動力機發揮電動機作用來輔助發動機。
另外，作為動力機，可以使用以一臺機器發揮發電機作用和電動機作用這兩種作用的兼用機(發電機兼電動機)，以及並用分別的發電機和電動機。
根據這樣的混合式作業機械，能夠減輕發動機的負荷，在高效率範圍內運轉發動機，從而能夠實現節能。
發明內容
但是，根據公知技術，會有如下的問題。
鋰離子蓄電器等電池(二次電池)或電容器(電雙層電容器)等蓄電裝置的充放電特性取決於其充電量，充電量越低，最大充電力越大，最大放電力越小。
在此情況下，在公知技術中，採用的是與這樣的蓄電裝置的充電量無關而決定發動機和蓄電裝置的功率分配的方案。因此，根據負荷狀況，有時會出現蓄電裝置功率過小、或超出能力而過大的狀態。
其結果，不能有效地利用蓄電裝置的能力，並且會導致蓄電裝置的劣化。
鑑於此，本發明提供一種能夠按照蓄電裝置的充電量來決定發動機和動力機的功率分配、將蓄電裝置的充電量保持在適當範圍內的作業機械的動力源裝置。
為了解決上述問題，本發明採用了如下的方案。
即，本發明所提供的一種作業機械的動力源裝置，驅動液壓致動器的液壓泵、和發揮發電機作用與電動機作用的動力機被並聯地連接在作為共用動力源的發動機上，利用上述動力機的發電機作用對蓄電裝置充電，並且，利用該蓄電裝置的放電力驅動上述動力機而發揮電動機作用，該作業機械的動力源裝置具備下述各機構(A)致動器要求功率檢測機構，求出作為上述液壓致動器要求的功率的致動器要求功率；(B)充電量檢測機構，求出上述蓄電裝置的充電量；(C)蓄電裝置功率設定機構，在上述蓄電裝置的充電量被保持在一定範圍內的方向上，按照充電量的變化來設定充電功率及放電功率；(D)發動機功率設定機構，按照上述蓄電裝置的充電量來設定上述發動機的功率；(E)功率分配機構，根據上述致動器要求功率、設定的蓄電裝置的充電功率及放電功率、和設定的發動機功率，決定發動機和上述動力機的功率分配；以及(F)動力機控制機構，根據由該功率分配機構決定的功率分配控制動力機的功率。
根據本發明，按照蓄電裝置的充電量來設定蓄電裝置的充放電功率及發動機功率。即，如果充電量降低，則增大充電功率，減小放電功率，並且增大發動機功率。並且，根據該設定值和致動器要求功率來進行發動機和動力機的功率分配。因此，能夠將蓄電裝置的充電量保持在一定範圍內，即保持在能夠有效利用蓄電裝置的能力並且能夠防止過充電、過放電而抑制蓄電裝置的劣化的範圍內。
圖1是本發明的第1實施方式的系統結構的示意圖。
圖2是表示圖1的控制器的結構的框圖。
圖3是電池的放電功率相對於充電量及溫度的特性的示意圖。
圖4是電池的充電功率相對於充電量及溫度的特性的示意圖。
圖5是發動機功率1(下限值)相對於電池充電量的特性的示意圖。
圖6是表示發動機功率2(上限值)相對於電池充電量的特性的示意圖。
圖7是功率分配機構中的功率分配流程的示意圖。
圖8是接著圖7進行的功率分配流程的示意圖。
圖9是有關發動機功率的響應性修正的流程的示意圖。
圖10是本發明的第2實施方式的系統結構的示意圖。
圖11是表示控制器的結構的框圖。
具體實施例方式
第1實施方式(參照圖1～圖9)在第1實施方式中，作為蓄電裝置，舉例說明使用了電池(鋰離子蓄電器等二次電池)的情況。
如圖1所示，在發動機1上，介於功率分配器2並聯地連接有液壓泵3、和以1臺機器發揮發電機作用和電動機作用的作為動力機的發電機兼電動機4，它們由發動機1驅動。
在液壓泵3上，介於控制閥(每個致動器都有設置，但這裡表示為多個控制閥的集合體)5連接有未圖示的液壓致動器(例如，就挖掘機來講，是動臂、鬥杆、鏟鬥的各壓力缸及行進用液壓馬達等)，這些液壓致動器通過由液壓泵3供給的液壓油而予以驅動。另外，在圖1中表示的是只連接了一臺液壓泵3的情況，但也有串聯或並聯地連接多臺的情況。
另一方面，在發電機兼電動機4上，介於作為動力機控制機構的變換器6而連接有作為蓄電裝置的電池7。
變換器6控制發電機兼電動機4的發電機作用和電動機作用的切換、發電功率、以及作為電動機的電流或轉矩，並且又按照發電機兼電動機4的發電機輸出，來控制電池7的充放電。
在控制器8中，有如下的信息被輸入。
i、由未圖示的電流傳感器檢測出的電池7的電流(通過對該電流積分來求出電池充電量)。
ii、由未圖示的電池溫度傳感器檢測出的電池7的溫度。
iii、用來求出致動器要求功率的參數，即液壓泵3的壓力(排出壓力)和排出量、以及轉速(這裡是發電機兼電動機4的轉速)。
在圖2中詳細表示該控制器8的結構內容。
在控制器8中，設有如上所述的那樣根據電池電流求出電池充電量的電池充電量檢測機構9、求出電池溫度的電池溫度檢測機構10、按照電池充電量和溫度來設定發動機1的功率的發動機功率設定機構11、按照電池充電量和溫度來設定電池7的功率(充電要求功率及放電要求功率)的電池功率設定機構12、根據泵壓力、排出量、轉速求出致動器要求的功率的致動器要求功率檢測機構13、和決定發動機1和電池7的功率分配的功率分配機構14。
在電池功率設定機構12中，例如，如圖3、圖4所示那樣，預先相對於電池充電量(充電狀態SOC＝State of Charge)及溫度將充電要求功率及放電要求功率表格化，選擇與檢測出的電池充電量及溫度相對應的數值來進行設定。
在發動機功率設定機構11中，例如，如圖5、圖6所示那樣，預先將發動機功率相對於電池充電量的關係(充電量越低則越增大發動機功率)表格化。並且，選擇與檢測出的電池充電量相對應的發動機功率來進行設定。
這裡，發動機功率的設定值，作為能夠高效率地運轉發動機1的範圍，可被設定為圖5所示的下限值(發動機功率1)和圖6所示的上限值(發動機功率2)之間的數值。
另一方面，在功率分配機構14中，根據如上所述那樣求出或設定的致動器要求功率、電池充電要求功率、電池放電要求功率、發動機功率，來進行發動機1和電池7的功率分配。
在圖7、圖8中表示該分配流程。
在兩圖中，PWpws致動器要求功率PWbc電池充電要求功率(≤0)PWbd電池放電要求功率(≥0)PWeg1發動機功率1(發動機功率下限值)(≥0)PWeg2發動機功率2(發動機功率上限值)(≥0)
PWegmax發動機最大功率(≥0)PWeg發動機功率PWb電池功率其中，PWegmax是由發動機的性能決定的常數。
此外，在圖7、圖8中，設電池7的放電為+，充電為-。
首先，在圖7的步驟S1中，對致動器要求功率PWpws和發動機功率下限值PWeg1進行比較。這裡，如果致動器要求功率PWpws比發動機功率下限值PWeg1小(為是)，則在步驟S2中，設定為發動機功率PWeg＝發動機功率下限值PWeg1、電池功率PWb＝致動器要求功率PWpws-發動機功率PWeg。
其中，如果為電池功率PWb＜電池充電要求功率PWbc(電池功率超過充電能力的設定)，則設定為電池功率PWb＝電池充電要求功率PWbc、發動機功率PWeg＝致動器要求功率PWpws-電池功率PWb(步驟S3、S4)。
另外，如果發動機功率＜0，則設定為發動機功率＝0(步驟S5、S6)。
若在步驟S1為否、且發動機功率1≤致動器要求功率PWpws＜發動機功率2、即在致動器要求功率處於發動機功率1和發動機功率2的之間時(在步驟S7為是)，設定為發動機功率PWeg＝致動器要求功率PWpws、電池功率PWb＝0。
即設定為由發動機1全部承擔致動器要求功率(步驟S8)。
在圖8的步驟S9中，如果判斷為發動機功率2≤致動器要求功率＜(發動機功率2+電池放電要求功率)，即被判斷為致動器要求功率處在發動機功率2和(發動機功率2+電池放電要求功率)的之間時，在步驟S10中，設定為發動機功率PWeg＝發動機功率2PWeg2、電池功率PWb＝致動器要求功率PWpws-發動機功率PWeg。
發動機1隻承擔發動機功率2，剩餘的由電池7承擔。
另一方面，在步驟S11中，若判斷為(發動機功率2PWeg2+電池放電要求功率PWbd)≤致動器要求功率PWpWs＜(發動機最大功率PWegmax+電池放電要求功率PWbd)，即被判斷為致動器要求功率處在(發動機功率2+電池放電要求功率)和(發動機最大功率+電池放電要求功率)的之間時，則在步驟S12中，設定為電池功率PWb＝電池放電要求功率PWbd、發動機功率PWeg＝致動器要求功率PWpws-電池功率PWb。由此，電池7隻承擔電池放電要求功率，剩餘的由發動機1承擔。
與此相反，如果是(發動機最大功率PWegmax+電池放電要求功率PWbd)≤致動器要求功率PWpws(在步驟S11為否)、即致動器要求功率為超出發動機1和電池7的能力的功率時，則設定為電池功率PWb＝電池放電要求功率PWbd、發動機功率PWeg＝發動機最大功率PWegmax(步驟S13)。
對於發動機功率PWeg，因其動特性而會對劇烈的功率變動產生響應延遲。所以，在功率分配流程中，如果發動機功率設定值的變化量超出預先設定的值，則如圖9所示那樣，通過使用低通濾波器等進行的修正處理，計算並設定修正發動機功率PWeg』，以使發動機輸出的升高與動特性對應(例如，分階段地上升)。
此外，基於該修正發動機功率PWeg』，用PWb』＝PWpws-PWeg』重新計算修正電池功率PWb』。
其中，若修正電池功率PWb』比電池充電要求功率PWbc小，則設定為PWb』＝PWbc，若修正電池功率PWb』比電池放電要求功率PWbd大，則設定為PWb』＝PWbd。
此時，用PWeg』＝PWpws-PWb』重新計算發動機功率。
進而，根據上述功率分配，用以下的計算式求出發電機兼電動機4的功率。
PWmg＝PWpws-PWegPWmg發電機功率Tqmg＝PWpws/ωmgTqmg發電機兼電動機4的轉矩(發電機轉矩)ωmg發電機兼電動機4的角速度(根據發電機兼電動機4的轉速求出)這樣求出的發電機轉矩，從功率分配機構14作為發電機轉矩指令值而被發送給圖1的變換器6。然後，根據該轉矩來控制發電機兼電動機4，以達到如上述指令值那樣的輸出轉矩。
通過以上的控制，電池7的充放電功率及發動機功率按照電池7的充電量而被設定。並且，根據該設定值和致動器要求功率來進行發動機1和動力機4的功率分配。因此，能夠將電池7的充電量保持在一定範圍內，即保持在能夠有效利用電池能力並且能夠防止過充電、過放電而抑制電池7的劣化的範圍內。
此外，由於按照電池7的溫度設定充放電功率，所以能夠將該充放電功率設定為對應於電池溫度的適當值。
進而，在發動機功率設定機構11中，決定發動機功率的下限值(PWeg1)和上限值(PWeg2)，在該下限值和上限值之間，按照電池7的充電量來設定發動機功率。因此，通過預先決定該設定範圍來作為能夠高效率運轉發動機的範圍，能夠提高發動機1的運轉效率。
此外，在功率分配機構14中，修正發動機功率設定值以使發動機功率按照發動機的動特性而發生變化。因此，能夠防止由於發動機的功率負擔急劇增加而造成的發動機轉速降低或發動機停止。
如上所述，可一邊進行發動機1的高效運轉，一邊控制電池7的充電量，從而能夠有效地利用混合系統的動力源的性能。
第2實施方式(參照圖10、圖11)在第2實施方式中，使用電容器15作為蓄電裝置。
該裝置的基本系統結構，除以下幾點外，與第1實施方式相同。
a)圖1的電池7被替換為電容器15。
b)作為其控制器而設有轉換器16。
c)在連結變換器6和轉換器16的直流電路中設有檢測直流電壓的電壓傳感器17。
此外，在控制器18的結構中，如圖11所示，僅在附加有直流電壓控制機構19這一點上與第1實施方式(圖1、圖2)的控制器8不同。圖11中的電容器充電量檢測機構20、電容器溫度檢測機構21、電容器功率設定機構22分別與圖2中的電池充電量檢測機構9、電池溫度檢測機構10、電池功率設定機構12相對應。
進而，作用也基本上與第1實施方式相同。即，按照電容器15的充電量及溫度，通過電容器功率設定機構22，設定與圖3、圖4同樣的充放電特性。並且，還在發動機功率設定機構11中，進行與圖5、圖6同樣的發動機功率設定。
在功率分配機構14中，也通過與圖7、圖8同樣的分配流程進行發動機1和電容器15的功率分配。
在直流電壓控制機構19中，通過反饋連結變換器6和轉換器16的直流電路的電壓，而對轉換器16輸出電流指令以使直流電壓成為一定。
通過該第2實施方式，也能夠得到與第1實施方式同樣的效果(既以高效率運轉發動機1，又可將電容器15的充電量保持在一定範圍)。
在上述實施方式中，使用的是發電機和電動機構成為一體的發電機兼電動機4，但也可以將發電機和電動機分別進行設置。
此外，在上述實施方式中，採用的是檢測蓄電裝置(電池或電容器)的充電量和溫度這兩者的方案，但也可以採用只檢測充電量的方案。或者，也可以在檢測兩者和只檢測充電量之間進行切換。
進而，作為蓄電裝置也可以並用電池和電容器這兩者。
如上所述，本發明按照蓄電裝置的充電量設定蓄電裝置的充放電功率及發動機功率，根據該設定值和致動器要求功率，進行發動機和動力機的功率分配。
在此情況下，在技術方案2的發明中，根據液壓泵的排出壓力、排出量、轉速來求出致動器要求功率。
此外，在技術方案3的發明中，如果蓄電裝置的溫度降低，則在蓄電裝置的充電功率及放電功率變小的方向上設定兩個功率。這樣，則能夠將充放電功率設定為對應於蓄電裝置溫度的適當值。
在技術方案4的發明中，決定發動機功率的上限值和下限值，在該上限值和下限值之間設定發動機功率。這樣，通過預先決定設定範圍來作為能夠高效率運轉發動機的範圍，則能夠提高發動機的運轉效率。
在技術方案5的發明中，修正發動機功率設定值以使發動機功率按照發動機的動特性而發生變化。這樣，能夠防止由於發動機的功率負擔急劇增加而造成的發動機轉速降低或發動機停止。
工業上的實用性根據本發明，在混合式的作業機械中，能夠發揮將蓄電裝置的充電量保持在適當範圍內的這一有用的效果。
權利要求
1.一種作業機械的動力源裝置，驅動液壓致動器的液壓泵和發揮發電機作用與電動機作用的動力機被並聯地連接在作為共用動力源的發動機上，利用上述動力機的發電機作用對蓄電裝置充電，並且，利用該蓄電裝置的放電力驅動上述動力機而發揮電動機作用，其特徵在於具備下述各機構，(A)致動器要求功率檢測機構，求出作為上述液壓致動器要求的功率的致動器要求功率；(B)充電量檢測機構，求出上述蓄電裝置的充電量；(C)蓄電裝置功率設定機構，在上述蓄電裝置的充電量被保持在一定範圍內的方向上，按照充電量的變化來設定充電功率及放電功率；(D)發動機功率設定機構，按照上述蓄電裝置的充電量來設定上述發動機的功率；(E)功率分配機構，根據上述致動器要求功率、設定的蓄電裝置的充電功率及放電功率、和設定的發動機功率，決定發動機和上述動力機的功率分配；以及(F)動力機控制機構，根據由該功率分配機構決定的功率分配控制動力機的功率。
2.如權利要求1所述的作業機械的動力源裝置，其特徵在於致動器要求功率檢測機構根據液壓泵的排出壓力、排出量、轉速，求出致動器要求功率。
3.如權利要求1或2所述的作業機械的動力源裝置，其特徵在於，具備檢測蓄電裝置的溫度的溫度檢測機構，其中，蓄電裝置功率設定機構，如果蓄電裝置的溫度降低，則在蓄電裝置的充電功率及放電功率變小的方向上設定兩個功率。
4.如權利要求1至3中任一項所述的作業機械的動力源裝置，其特徵在於，發動機功率設定機構決定發動機功率的上限值和下限值，在該上限值和下限值之間設定發動機功率。
5.如權利要求1至4中任一項所述的作業機械的動力源裝置，其特徵在於，功率分配機構修正發動機功率設定值，使發動機功率按照發動機的動特性而發生變化。
全文摘要
按照蓄電裝置的充電量決定發動機和蓄電裝置的功率分配，將蓄電裝置的充電量保持在適當範圍內。本發明的作業機械的動力源裝置，將液壓泵(3)和發電機兼電動機(4)並聯連接在作為共用動力源的發動機(1)上，利用發電機兼電動機(4)的發電機作用對作為蓄電裝置的電池(7)充電，並且利用該電池(7)的放電力驅動發電機兼電動機(4)來發揮電動機作用，其中，通過控制器(8)，根據致動器要求功率、在將電池充電量保持在一定範圍內的方向上按照電池充電量而被設定的電池充電功率及放電功率、設定的發動機功率，來決定發動機(1)和發電機兼電動機(4)的功率分配。
文檔編號B60W10/30GK1922782SQ20058000573
公開日2007年2月28日 申請日期2005年1月11日 優先權日2004年2月23日
發明者鹿児島昌之, 空利雄, 小見山昌之 申請人:神鋼建設機械株式會社, 株式會社神戶制鋼所