混合式挖土機及混合式挖土機的控制方法

2023-05-17 16:59:36

混合式挖土機及混合式挖土機的控制方法
【專利摘要】本發明提供一種混合式挖土機及混合式挖土機的控制方法。所述混合式挖土機中，使升降壓轉換器穩定，從而在高效率的範圍內進行控制。混合式挖土機的控制裝置（30）設置於上部迴轉體（3），對電動發電機控制部及充放電控制部中的至少一個賦予控制信號。控制裝置（30）在馬達（21）再生動作期間，將第2蓄電部（110）的蓄電目標值設定為高於第1蓄電器（19）的蓄電目標值的值。
【專利說明】混合式挖土機及混合式挖土機的控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種混合式挖土機，尤其涉及一種將通過電負載產生的再生電力充電於蓄電器的混合式挖土機。
【背景技術】
[0002]通常，在混合式挖土機中，在作為電力源的蓄電器與電負載之間設置DC母線(直流母線)，電力經由該DC母線供給至電負載。通過升降壓轉換器控制DC母線的電壓，由此控制來自蓄電器的電力供給(放電)與向蓄電器的電力供給(充電)。
[0003]DC母線的電壓根據電負載的運行狀況而發生變動。若考慮升降壓轉換器的效率，則優選將DC母線的電壓限制在一定範圍內。因此，提出有具備維持一定範圍內的電壓值的恆定電壓蓄電部及容許基於電負載的動力再生運行的電壓變動的變動電壓蓄電部的蓄電裝置(例如，參考專利文獻I)。
[0004]以往技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:國際公開公報W02009/082010號
[0007]發明的概要
[0008]發明所要解決的課題
[0009]通常，升降壓轉換器中，升壓率(蓄電器電壓/DC母線電壓)越接近I電壓轉換效率越高。因此，優選將DC母線電壓控制為高於蓄電器電壓且接近蓄電器電壓的值。另一方面，蓄電器電壓根據放電狀態、充電狀態而發生變動，因此需要考慮蓄電器電壓的變動幅度來控制DC母線電壓。
[0010]若考慮蓄電器的製造成本及設置空間，則優選將蓄電器設為小容量。但是，若將蓄電器設為小容量則蓄電量減少，因此在放電時蓄電器電壓在短時間內下降至下限值，而在充電時蓄電器電壓在短時間內上升至上限值。因此導致蓄電器的電壓變動幅度變大。
[0011]並且，若將蓄電器設為小容量，則與蓄電容量的降低成反比例而其內部電阻增大。由於該內部電阻的增大，蓄電器的內部電阻損失增大而導致充放電效率下降。而且，由於蓄電器的內部電阻引起的電壓下降，控制有可能變得不穩定。
[0012]用於解決課題的手段
[0013]本發明的總括目的在於提供一種解決上述問題的新穎且有用的混合式挖土機及其控制方法。
[0014]本發明的更具體的目的在於提供一種能夠將蓄電器設為小容量的同時使升降壓轉換器穩定，從而在高效率的範圍內進行控制的混合式挖土機及其控制方法。
[0015]為了實現上述目的，根據本發明的一實施方式，提供一種混合式挖土機，所述混合式挖土機具備:下部行走體；上部迴轉體，在該下部行走體上進行迴轉動作；及動臂，其一端轉動自如地安裝於該上部迴轉體，所述混合式挖土機中，具有:引擎，設置於該上部迴轉體並產生驅動力；電動發電機，設置於該上部迴轉體，進行向該引擎的輔助動作及通過從該引擎傳遞的驅動力的發電動作；電動發電機控制部，設置於該上部迴轉體，通過來自控制裝置的切換控制信號控制該電動發電機的輔助動作與發電動作的切換；第I蓄電器，設置於該上部迴轉體，並能夠蓄電；第2蓄電器，設置於該上部迴轉體，與該電動發電機控制部電連接，並能夠蓄電；充放電控制部，設置於該上部迴轉體，對該第I蓄電器與該第2蓄電器之間進行電連接，根據來自外部的控制指令信號控制該第I蓄電器與該第2蓄電器之間的充放電動作；及馬達，設置於該上部迴轉體，並構成為如下，即與該第2蓄電器電連接，至少能夠進行從機械能產生電能的再生動作，將通過該再生動作產生的電能蓄電於所述第2蓄電器，該控制裝置被設置於該上部迴轉體，對該電動發電機控制部及該充放電控制部中的至少一個賦予驅動控制信號，並且，該控制裝置在該馬達的再生動作期間，將該第2蓄電部的蓄電目標值設定為高於該第I蓄電器的蓄電目標值的值。
[0016]並且，提供一種混合式挖土機的控制方法，所述混合式挖土機具有:下部行走體；上部迴轉體，在該下部行走體之上進行迴轉動作；動臂，其一端轉動自如地安裝於該上部迴轉體；引擎，設置於所述上部迴轉體，並產生驅動力；電動發電機，設置於所述上部迴轉體，進行向所述引擎的輔助動作及通過從所述引擎傳遞的驅動力的發電動作；電動發電機控制部，設置於所述上部迴轉體，根據來自控制裝置的切換控制信號控制所述電動發電機的輔助動作與發電動作的切換；第I蓄電器，設置於所述上部迴轉體，並能夠蓄電；第2蓄電器，設置於所述上部迴轉體，與所述電動發電機控制部電連接，並能夠蓄電；充放電控制部，設置於所述上部迴轉體，對所述第I蓄電器與所述第2蓄電器之間進行電連接，根據來自外部的控制指令信號控制所述第I蓄電器與所述第2蓄電器之間的充放電動作；及馬達，設置於所述上部迴轉體，並構成為如下，即與所述第2蓄電器電連接，至少能夠進行從機械能產生電能的再生動作，將通過該再生動作產生的電能蓄電於所述第2蓄電器，所述混合式挖土機的控制方法中，對所述電動發電機控制部及所述充放電控制部中的至少一個賦予驅動控制信號，並且，在所述馬達的再生動作期間，將所述第2蓄電部的蓄電目標值設定為高於所述第I蓄電器的蓄電目標值的值。
[0017]發明效果
[0018]根據上述發明，能夠將蓄電器設為小容量的同時使升壓轉換器穩定，從而在高效率的範圍內進行控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是適用本發明的混合式挖土機的側視圖。
[0020]圖2是表示一實施方式的混合式挖土機的驅動系統的結構的框圖。
[0021]圖3是表示蓄電系統的結構的框圖。
[0022]圖4是蓄電系統的電路圖。
[0023]圖5是DC母線電壓可變控制處理的流程圖。
[0024]圖6是表示DC母線電壓可變控制處理中的各要件的變化的時序圖。
【具體實施方式】
[0025]以下，根據附圖對本發明的實施方式進行說明。
[0026]圖1是表示作為適用本發明的混合式施工機械的一例的混合式挖土機的側視圖。[0027]混合式挖土機的下部行走體I上經由迴轉機構2搭載有上部迴轉體3。上部迴轉體3上安裝有動臂4。動臂4的前端安裝有鬥杆5，鬥杆5的前端安裝有鏟鬥6。動臂4、鬥杆5及鏟鬥6分別通過動臂缸7、鬥杆缸8及鏟鬥缸9液壓驅動。上部迴轉體3上設置駕駛室10且搭載引擎等動力源。
[0028]圖2是表示本發明的一實施方式的混合式挖土機的驅動系統的結構的框圖。圖2中，以雙重線表示機械動力系統，以實線表示高壓液壓管路，以虛線表示先導管路，以實線表示電力驅動、控制系統。
[0029]作為機械驅動部的引擎11及作為輔助驅動部的電動發電機12分別連接於變速器13的2個輸入軸。變速器13的輸出軸上連接有作為液壓泵的主泵14及先導泵15。主泵14上經由高壓液壓管路16連接有控制閥17。
[0030]控制閥17為進行混合式挖土機中的液壓系統的控制的控制裝置。下部行走體I用的液壓馬達IA (右用)及IB (左用)、動臂缸7、鬥杆缸8及鏟鬥缸9經由高壓液壓管路連接於控制閥17。
[0031]電動發電機12上經由逆變器18A連接有包括作為蓄電器的電容器的蓄電系統120。蓄電系統120上經由逆變器20連接有作為電動工作要件的迴轉用電動機21。S卩，迴轉用電動機21為迴轉用馬達。迴轉用電動機21的旋轉軸21A上連接有分解器22、機械制動器23及迴轉變速器24。並且，先導泵15上經由先導管路25連接有操作裝置26。由迴轉用電動機21、逆變器20、分解器22、機械制動器23及迴轉變速器24構成負載驅動系統。
[0032]操作裝置26包括操縱杆26A、操縱杆26B及踏板26C。操縱杆26A、操縱杆26B及踏板26C經由液壓管路27及28分別連接於控制閥17及壓力傳感器29。壓力傳感器29連接於進行電力系統的驅動控制的控制器30。
[0033]本實施方式中，用於獲得動臂再生電力的動臂再生用馬達300(還稱為發電機300)經由逆變器18C連接於蓄電系統120。發電機300通過由從動臂缸7吐出的工作油驅動的液壓馬達310驅動。發電機300利用動臂4隨著重力而下降時從動臂缸7吐出的工作油的壓力，將動臂4的位能轉換為電能。另外，圖2中，為了便於說明，將液壓馬達310及發電機300示於分開的位置，但實際上發電機300的旋轉軸機械性地連接於液壓馬達310的旋轉軸。
[0034]S卩，液壓馬達310構成為通過動臂4下降時從動臂缸7吐出的工作油旋轉。液壓馬達310將動臂4隨著重力而下降時的能量轉換為旋轉力。液壓馬達310設置於控制閥17與動臂缸7之間的液壓配管7A上，能夠安裝於上部迴轉體3內的適當的部位。
[0035]由發電機300發電的電力作為再生電力經過逆變器18C供給至蓄電系統120。由發電機300及逆變器18C構成負載驅動系統。
[0036]另外，本實施方式中，用於檢測動臂4的角度的動臂角度傳感器7B安裝於動臂4的支撐軸上。動臂角度傳感器7B將檢測出的動臂角度Θ B供給至控制器30。
[0037]圖3是表不蓄電系統120的結構的框圖。蓄電系統120包括作為蓄電器的電容器19、升降壓轉換器及DC母線110。作為第2蓄電器的DC母線110控制作為第I蓄電器的電容器19、電動發電機12及迴轉用電動機21之間的電力授受。電容器19上設置有用於檢測電容器電壓值的電容器電壓檢測部112及用於檢測電容器電流值的電容器電流檢測部
113。通過電容器電壓檢測部112及電容器電流檢測部113檢測出的電容器電壓值及電容器電流值被供給至控制器30。
[0038]升降壓轉換器100根據電動發電機12、發電機300及迴轉用電動機21的運行狀態進行切換升壓動作與降壓動作的控制，以便將DC母線電壓值限制在一定範圍內。DC母線110配設於逆變器18A、18C及20與升降壓轉換器100之間，進行電容器19、電動發電機
12、發電機300及迴轉用電動機21之間的電力授受。
[0039]回到圖2，控制器30是作為進行混合式挖土機的驅動控制的主控制部的控制裝置。控制器30由包括CPU (Central Processing Unit)及內部存儲器的運算處理裝置構成，是通過CPU執行存儲於內部存儲器的驅動控制用程序來實現的裝置。
[0040]控制器30將從壓力傳感器29供給的信號轉換為速度指令，進行迴轉用電動機21的驅動控制。從壓力傳感器29供給的信號相當於表示為了使迴轉機構2迴轉而對操作裝置26進行操作時的操作量的信號。
[0041]控制器30進行電動發電機12的運行控制(電動(輔助)運行或發電運行的切換)，並且進行通過驅動控制作為升降壓控制部的升降壓轉換器100來進行的電容器19的充放電控制。控制器30根據電容器19的充電狀態、電動發電機12的運行狀態(電動(輔助)運行或發電運行)及迴轉用電動機21的運行狀態(動力運行動作或再生運行)進行升降壓轉換器100的升壓動作與降壓動作的切換控制，由此進行電容器19的充放電控制。
[0042]升降壓轉換器100的升壓動作與降壓動作的切換控制根據通過DC母線電壓檢測部111檢測的DC母線電壓值、通過電容器電壓檢測部112檢測的電容器電壓值及通過電容器電流檢測部113檢測的電容器電流值進行。
[0043]在如上結構中，將作為輔助馬達的電動發電機12發電的電力經由逆變器18A供給至蓄電系統120的DC母線110，並經由升降壓轉換器100供給至電容器19。將迴轉用電動機21進行再生運行而生成的再生電力經由逆變器20供給至蓄電系統120的DC母線110，並經由升降壓轉換器100供給至電容器19。並且，將動臂再生用發電機300發電的電力經由逆變器18C供給至蓄電系統120的DC母線110，並經由升降壓轉換器100供給至電容器19。
[0044]迴轉用電動機21的轉速(角速度ω)通過分解器22檢測。並且，動臂4的角度(動臂角度Θ B)通過設置在動臂4的支撐軸上的旋轉編碼器等動臂角度傳感器7Β檢測。控制器30根據迴轉用電動機21的角速度ω通過運算求出推斷迴轉再生電力(能量)，並且根據動臂角度Θ B通過運算求出推斷動臂再生電力(能量)。並且，控制器30根據通過運算求出的推斷迴轉再生電力及推斷動臂再生電力，通過運算求出SOC的再生估計目標值。控制器30控制混合式挖土機的各部分，以使電容器19的SOC接近所求出的再生估計目標值。
[0045]圖4是蓄電系統120的電路圖。圖4中，電容器19作為內部電阻成分及靜電容量成分的等效電路來示意地示出。升降壓轉換器100具備電抗器101、升壓用IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor) 102A、降壓用IGBT102B、用於連接電容器19的電源連接端子104、用於連接逆變器105的輸出端子106及並列插入於一對輸出端子106的平滑用電容器107。升降壓轉換器100的輸出端子106與逆變器18A、18C、20之間通過DC母線110連接。
[0046]電抗器101的一端連接於升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B的中間點，另一端連接於電源連接端子104。電抗器101為了將隨著升壓用IGBT102A的開、關而產生的感應電動勢供給至DC母線110而設置。[0047]升壓用IGBT102A 及降壓用 IGBT102B 由將 MOSFET (Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor)組裝於柵極部的雙極電晶體構成,是能夠進行大功率的高速轉換的半導體元件。升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B通過由控制器30對柵極端子施加PWM電壓來驅動。升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B上並聯連接有作為整流元件的二極體 102a 及 102b。
[0048]電容器19是能夠進行充放電的蓄電器即可，以便經由升降壓轉換器100在與DC母線110之間進行電力授受。電容器19包括靜電容量Vc及內部電阻Re。另外，圖4中作為蓄電器示出了電容器19，但是可代替電容器19使用鋰離子電池等能夠進行充放電的二次電池、鋰離子電容器或能夠進行電力授受的其他形態的電源來作為蓄電器。
[0049]電源連接端子104及輸出端子106是能夠連接電容器19及逆變器18A、18B及20的端子即可。一對電源連接端子104之間連接有檢測電容器電壓的電容器電壓檢測部112。一對輸出端子106之間連接有檢測DC母線電壓的DC母線電壓檢測部111。
[0050]電容器電壓檢測部112檢測電容器19的電容器電壓Vcap。DC母線電壓檢測部111檢測DC母線110的電壓(以下，DC母線電壓:Vdc)。平滑電容器107為插入於輸出端子106的正極端子與負極端子之間、用於使DC母線電壓平滑化的蓄電元件。通過平滑電容器107，DC母線110的電壓被維持為預先設定的電壓。電容器電流檢測部113為檢測在電容器19中流動的電流的值的檢測器，包括電流檢測用電阻器。即，電容器電流檢測部113檢測在電容器19中流動的電流值Ic。
[0051]升降壓轉換器100中，升壓DC母線110時，對升壓用IGBT102A的柵極端子施加PWM電壓，隨著升壓用IGBT102A的開、關而在電抗器101中產生的感應電動勢經由並聯連接於降壓用IGBT102B的二極體102b供給至DC母線110。由此，DC母線110升壓。
[0052]降壓DC母線110時，對降壓用IGBT102B的柵極端子施加PWM電壓，經由降壓用IGBT102B、逆變器105供給的再生電力被從DC母線110供給至電容器19。由此，蓄積在DC母線110的電力被充電至電容器19，DC母線110降壓。
[0053]另外，實際上，在控制器30與升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B之間存在生成驅動升壓用IGBT102A及降壓用IGBT102B的PWM信號的驅動部，但是在圖4中省略圖示。這種驅動部通過電子電路或運算處理裝置的任一個均能實現。
[0054]如上述結構的混合式挖土機中，通過將電容器19的充電率SOC始終維持在較高狀態，能夠通過來自蓄電器的電力在能量效率較佳的狀態下驅動電負載。
[0055]並且，為了小型化蓄電器來縮減花費在蓄電系統的費用而使用蓄電容量較小的蓄電器時，通過較高地設定蓄電器的目標S0C，能夠在蓄電器中保持儘可能多的電力。例如，作為蓄電器使用電容器時，通過在使用小型電容器的同時較高地設定目標S0C，不會減少現有的蓄電量就能夠縮小蓄電器。
[0056]在此，了解到，若考慮混合式挖土機的驅動系統中的驅動部的通常時的運行狀況或蓄電器的充電量及充電率，則只要將蓄電器SOC設為90%以下，在通常的使用中不會出現問題。由此，通過將蓄電器的目標SOC設定為90%，能夠以高電壓有效地驅動電負載，並且能夠將蓄電器小型化來降低成本。
[0057]但是，縮小電容器19的容量時，電容器19的內部電阻Re與容量的減少成反比例而增大，充放電時的電壓下降(Re.Ic)變大。充放電時的電容器電壓Vcap成為在與當時的充電率對應的電容器19的靜電容量所具有的電壓Vc上加上上述電壓下降(Re.Ic)的值(Vcap=Vc+Rc.Ic)。因此，縮小電容器19的容量時，若充電電流或者放電電流流向電容器，則電容器電壓Vcap大幅變動(上升)，有可能超過DC母線電壓Vdc。
[0058]DC母線電壓Vdc通過升降壓轉換器100升壓電容器電壓Vcap來產生。因此，在控制上，DC母線電壓Vdc必須始終高於電容器電壓Vcap。換言之，電容器電壓Vcap必須低於DC母線電壓Vdc。但是，若如上述，充放電電流流向電容器19而電容器電壓Vcap大幅上升並超過DC母線電壓Vdc，則升降壓轉換器100變得無法控制，導致無法正常動作。尤其，在迴轉用電動機21或動臂再生用發電機300等中產生再生電力時，較大的充電電流流向電容器19，有可能導致電容器電壓Vcap超過DC母線電壓Vdc。
[0059]因此，本實施方式中，在產生較大的再生電力之前預先使DC母線電壓的目標值Vdct上升，從而使得即使基於再生電力的充電電流流向電容器19，電容器電壓Vcap也不會超過DC母線電壓Vdc。圖2所示的結構圖中，作為再生發電機構，記載有迴轉用電動機21及動臂再生用馬達300，但是未必一定要配置兩個馬達。即，通過根據電容器電壓或電容器電流將DC母線電壓的目標值Vdct設為可變，使電容器電壓Vcap不超過DC母線電壓Vdc。
[0060]以下，參考圖5及圖6，對本實施方式中的DC母線電壓可變控制進行說明。圖5是本實施方式的DC母線電壓可變控制處理的流程圖。圖6是表示DC母線電壓可變控制處理中的各要件的變化的時序圖。
[0061]圖5所示的DC母線電壓可變控制處理例如通過作為控制裝置的控制器30進行。控制裝置不限於控制器30，可設置具有與控制器30相同的計算機結構的專用控制裝置，以便與控制器30協同作用。本實施方式中，如圖2所示，控制器30中設置有推斷再生能量運算部、蓄電目標值決定部及蓄電目標值控制部，推斷再生能量運算部、蓄電目標值決定部及蓄電目標值控制部協同作用，控制器30執行以下的處理。
[0062]若引擎等驅動系統及控制裝置的啟動動作完成而開始混合式挖土機的運行，則在步驟SI中，控制器30判定有無進行上部迴轉體3的迴轉動作。上部迴轉體3通過驅動迴轉電動機21來進行。本實施方式中，迴轉用電動機21還作為發電機發揮功能，使上部迴轉體3的迴轉運動減速時，迴轉用電動機21進行再生動作來進行發電。通過迴轉用電動機21的發電得到的電力經由DC母線110及升降壓轉換器100供給至電容器19而充電。
[0063]步驟SI中判定為上部迴轉體3處於迴轉中時(SI的是)，處理進入步驟S2。步驟S2中，控制器30的推斷再生能量運算部通過運算求出在上部迴轉體3迴轉期間將迴轉能量作為電力回收時得到的迴轉設想再生輸出Qt。即，在上部迴轉體3被迴轉驅動的某個時亥IJ，迴轉用電動機21的迴轉驅動停止而切換為發電運行時，通過迴轉用電動機21可能會得到的再生電力成為迴轉設想再生輸出Qt。如此，控制器30的推斷再生能量運算部根據迴轉用電動機21的速度運算迴轉設想再生輸出Qt。
[0064]其中，若設為再生輸出僅從迴轉用電動機21產生，則在迴轉設想再生輸出Qt上加上輔助馬達輸出指令Qa的值成為蓄電器設想輸出Qc來作為輸出至電容器19的電力。即，如圖6 Cd)所示，蓄電器設想輸出Qc成為合計迴轉設想再生輸出Qt與輔助馬達的指令輸出Qa的輸出。
[0065]另外，圖5所示的例子中，設為再生輸出僅為從迴轉用電動機21得到的再生電力，但是在例如驅動動臂4時，還可設想動臂再生用馬達300進行再生動作(發電)。將動臂再生用馬達300進行再生動作而有可能得到的電力設為動臂設想再生輸出Qb。設想為動臂再生產生時，控制器30的推斷再生能量運算部合計迴轉設想再生輸出Qt與動臂設想再生輸出Qb並通過運算求出蓄電器設想輸出Qc即可。
[0066]若步驟S2的處理結束，則處理繼續進入步驟S3。步驟S3中，控制器30的蓄電目標值決定部由電容器電壓Vc、電容器19的內部電阻Re (當前值)、通過運算求出的迴轉設想再生輸出Qt求出所需DC母線電壓Vdcr。所需DC母線電壓Vdcr作為可進行DC母線電壓Vdc不會低於電容器19的電壓的通常控制的電壓來計算。
[0067]若將迴轉設想再生輸出Qt考慮為全部供給至電容器19而被充電，則電容器19中流動有與迴轉設想再生輸出Qt對應的電容器電流Ic。電容器電流Ic由Ic=Qt/(Vc-Rc -1c)的關係求出。其中，該公式中的Re *Ic相當於電容器19的內部電阻Re引起的電壓下降量。並且，電容器電流Ic為充電電流，成為負值。由此，充電時的電容器電壓Vcap為迴轉設想再生輸出Qt除以作為充電電流的電容器電流Ic的值，因此成為(Vc-Rc.Ic)，其成為所需DC 母線電壓 Vdcr (Vdcr=Vc-Rc.Ic)。
[0068]若步驟S3中計算出所需DC母線電壓Vdcr，則接著在步驟S4中，控制器30的蓄電目標值控制部判定所需DC母線電壓Vdcr是否高於當前的DC母線電壓Vdc。
[0069]所需DC母線電壓Vdcr不高於當前的DC母線電壓Vdc時，S卩，當前的DC母線電壓Vdc高於所需DC母線電壓Vdc時(步驟S4的否)，即使與迴轉設想再生輸出Qt相應的充電電流Ic流向電容器19而電容器電壓Vc上升，也不會超過DC母線電壓Vdc，DC母線電壓Vdc維持為高於電容器電壓Vc的值。由此，此時，升降壓轉換器100能夠正常地控制DC母線電壓Vdc，因此控制器30的蓄電目標值控制部不會改變DC母線電壓的目標值Vdct就結束處理。
[0070]另一方面，步驟S4中，判定為所需DC母線電壓Vdcr高於當前的DC母線電壓Vdc時(步驟S4的是)，若與迴轉設想再生輸出Qt相應的電容器電流Ic流向電容器19而電容器電壓Vc上升，則電容器電壓Vc有可能變得高於DC母線電壓Vdc。此時，升降壓轉換器100無法正常地控制DC母線電壓Vdc，因此需要使DC母線電壓Vdc上升。由此，處理進入步驟S5，控制器30的蓄電目標值控制部將DC母線電壓Vdc的目標值Vdct設定為與所需DC母線電壓Vdcr相等。
[0071]步驟SI中，若判定為上部迴轉體3並非為迴轉中(步驟SI的否)，則處理進入步驟S6。步驟S6中，判定電動發電機12 (輔助馬達)的指令輸出Qa是否為向電容器19的充電電力。如圖6 (c)所示，電動發電機12 (輔助馬達)的指令輸出Qa為向電容器19的充電電力時(步驟S6的是)，處理進入步驟S7。
[0072]步驟S7中，控制器30的蓄電目標值決定部將蓄電器設想輸出Qc作為與輔助馬達指令輸出Qa相等的值來求出。若在步驟S7中由蓄電目標值控制部計算出蓄電器設想輸出Qc,則處理進入步驟S3，如上述那樣進行步驟S3以後的處理。
[0073]另一方面，步驟S6中，若判定為電動發電機12 (輔助馬達)的指令輸出Qa並非為向電容器19的充電電力(步驟S6的否)，則處理進入步驟S8。
[0074]步驟SI中判定為上部迴轉體3並非為迴轉中，且在步驟S6中判定為電動發電機12 (輔助馬達)的指令輸出Qa並非為向電容器19的充電電力時，能夠判定為未產生向電容器19的充電電力。因此，步驟S8中，控制器30的蓄電目標值控制部不改變DC母線電壓Vdc,而是維持通常的目標值。即，由於未進行向電容器19的充電，因此電容器19中沒有充電電流的流動，由此預測電容器電壓Vcap不會超過DC母線電壓Vdc，控制器30的蓄電目標值控制部判定為可以不使DC母線電壓Vdc上升。
[0075]接著，參考圖6，對進行上述的DC母線電壓可變控制處理時的DC母線電壓Vdc的變化進行說明。圖6- (a)是表示迴轉用電動機21的速度的曲線圖。迴轉設想再生輸出Qt為對迴轉用電動機21的當前時刻的速度(迴轉轉速)與再生制動轉矩(設定值)進行乘法運算而得到的值，如圖6- (b)所示，成為與迴轉用電動機21的速度成比例的值。另外，圖6-(b)中，輸出成為負值，這是因為將充電至電容器19的電力設為負，將從電容器放電的電力設為正。圖6- (e)是表示進行DC母線電壓可變控制處理時的DC母線電壓Vdc的時間變化的曲線圖。另外，圖6- (f)是作為參考示出未進行本實施方式的DC母線電壓可變控制處理時的DC母線電壓Vdc的變化的曲線圖。
[0076]如圖6- (a)所示，迴轉用電動機21的速度(轉速)從時刻t=0開始上升，經過時刻tl在時刻t2成為最大，之後經過時刻t3在時刻t4成為零。在該時刻t=0至t4為止的期間，迴轉設想再生輸出Qt與迴轉用電動機21的速度成比例地增減。迴轉設想再生輸出Qt為充電電力，以負值表示。
[0077]如圖6- (C)所示，圖6所示的例子中，作為輔助馬達指令發出充電指令，圖5所示的DC母線電壓可變控制處理中，從步驟SI經過步驟S6進入步驟S7。而且，如圖6- (d)所示，在步驟S7中，蓄電器設想輸出Qc作為合計迴轉設想再生輸出Qt與輔助馬達指令輸出Qa的輸出來計算。
[0078]圖6- (e)中，示出流動有充電電流Ic時的電容器電壓Vcap的變化，即所需DC母線電壓Vdcr的變化。另外，圖6-( e)中，將通常DC母線電壓作為VdcO並以虛線表示，將DC母線電壓作為Vdc並以單點劃線表示。時刻t=0以後，通過輔助馬達的發電開始充電，另一方面由於迴轉馬達的加速而消耗電力，因此電容器的靜電容量所具有的電壓Vc逐漸下降。然而，隨著蓄電器設想輸出Qc的增大，向電容器19的充電電流Ic也上升，其結果，所需DC母線電壓Vdcr在時刻tl達到通常DC母線電壓VdcO。通常DC母線電壓VdcO為在未進行DC母線電壓可變控制處理時設定的DC母線電壓值。時刻tl之前，電容器電壓Vcap低於DC母線電壓Vdc，因此升降壓轉換器100能夠正常動作。由此，時刻tl之前，DC母線電壓Vdc的目標值Vdct被設定為通常的目標值。
[0079]時刻tl以後，電容器電壓Vcap變得高於通常DC母線電壓VdcO，因此，若在此充電電流流向電容器19，則升降壓轉換器100變得無法正常動作。因此，在圖5的步驟S5中，將DC母線電壓的目標值Vdct變更設定為與電容器電壓Vcap相等的所需DC母線電壓Vdcr。由此，通過升降壓轉換器100的控制，放電控制電容器19，DC母線電壓Vdc上升。由此，即使充電電流Ic流向電容器19而電容器電壓Vcap上升，也不會超過DC母線電壓Vdc。作為使DC母線電壓Vdc上升的方法，示出了升降壓轉換器100的放電控制，但是也可設為使用基於逆變器18A的控制的電動發電機12的發電電力。
[0080]在時刻t2，若開始迴轉用電動機21的減速，則迴轉用電動機21切換為發電運行，產生再生電力。由此，較大的充電電流流向電容器19，電容器電壓Vcap上升，但是在時刻11，DC母線電壓的目標值Vdct設定為所需DC母線電壓Vdcr，因此DC母線電壓Vdc成為較高值，電容器電壓Vcap不會超過DC母線電壓Vdc而上升，升降壓轉換器100能夠正常作動。而且，在時刻t2以後，輔助馬達的輸出也有可能發生變化，因此持續進行求出所需DC母線電壓Vdcr的運算。
[0081]其中，不進行本實施方式的DC母線電壓可變控制處理時，如圖6- (f)所示，若經過時刻t2，則電容器電壓Vcap通過迴轉馬達的再生電力而上升，相對於此，DC母線電壓Vdc被維持為恆定。另外，圖6-(f)中，將通常DC母線電壓作為VdcO並以虛線表示，將DC母線電壓作為Vdc並以單點劃線表示。因此，在時刻t3，由於迴轉馬達的再生電力，電容器電壓Vcap超過DC母線電壓Vdc。若如此，則升降壓轉換器100變得無法控制DC母線電壓Vdc。
[0082]但是，通過進行本實施方式的DC母線電壓可變控制處理，如上述，能夠事先將DC母線電壓Vdc設為較高值，電容器電壓Vcap不會超過DC母線電壓Vdc而上升，升降壓轉換器100能夠正常地控制DC母線電壓。
[0083]在時刻t4，迴轉用電動機21的驅動停止，蓄電器設想輸出Qc變成零，所需DC母線電壓Vdcr變得低於通常DC母線電壓VdcO。由此，在時刻t4以後，回到通常的控制，DC母線電壓Vdc被控制成成為通常DC母線電壓VdcO。
[0084]如以上，根據本實施方式，若產生比較大的再生電力，則在可預測的迴轉驅動期間或動臂驅動期間將DC母線電壓的目標值變更為較高值，由此使實際DC母線電壓上升。即，由電容器電壓的當前值、電容器的內部電阻及設想再生輸出求出能夠安全再生的DC母線電壓與電容器電壓的電壓差，根據該電壓差改變DC母線電壓。
[0085]並且，電動發電機(輔助馬達)進行發電運行時，計算充電至電容器的電力，並由電容器電壓的當前值、電容器的內部電阻及充電電力求出能夠安全再生的DC母線電壓與電容器電壓的電壓差。而且，根據該電壓差決定DC母線電壓的目標值，改變實際DC母線電壓。
[0086]在不產生再生電力且輔助馬達不進行發電運行的條件下，即使通過來自電容器的放電來驅動電負載，也在電容器電壓不超過DC母線電壓的範圍內控制DC母線電壓的目標值，以便電容器電壓與DC母線電壓的電壓差儘可能變小，由此能夠提高升降壓轉換器的升壓率。
[0087]本發明不限於具體公開的上述實施方式，在不脫離本發明的範圍內，可實現各種變形例及改良例。
[0088]本申請主張基於2011年10月26日申請的日本專利申請第2011-235189號的優先權，並將其內容援用於本申請。
[0089]產業上的可利用性
[0090]本發明能夠適用於將通過電負載而產生的再生電力充電至蓄電器的混合式挖土機。
[0091]符號說明
[0092]1-下部行走體，1A、IB-液壓馬達，2-迴轉機構，3-上部迴轉體，4_動臂，5-鬥杆，6-鏟鬥，7-動臂缸，7A-液壓配管，7B-動臂角度傳感器，8-鬥杆缸，9-鏟鬥缸，10-駕駛室，11-引擎，12-電動發電機，13-變速器，14-主泵，15-先導泵，16-高壓液壓管路，17-控制閥，18、18A、18B.20-逆變器，19-電容器，21-迴轉用電動機，22-分解器，23-機械制動器，24-迴轉變速器，25-先導管路，26-操作裝置，26A、26B-操縱杆，26C-踏板，26D-按鈕開關，27-液壓管路，28-液壓管路，29-壓力傳感器，30-控制器，100-升降壓轉換器，101-電抗器，102A-升壓用IGBT，102B-降壓用IGBT，104-電源連接端子，106-輸出端子，107-平滑電容器，IIO-DC母線，111-DC母線電壓檢測部，112-電容器電壓檢測部，113-電容器電流檢測部，120-蓄電系統，300-動臂再生用馬達(發電機)，310-動臂再生用液壓馬達。
【權利要求】
1.一種混合式挖土機,其具備: 下部行走體； 上部迴轉體，在該下部行走體之上進行迴轉動作 '及 動臂，其一端轉動自如地安裝於該上部迴轉體， 所述混合式挖土機中，具有: 引擎，設置於所述上部迴轉體並產生驅動力； 電動發電機，設置於所述上部迴轉體，進行向所述引擎的輔助動作及通過從所述引擎傳遞的驅動力的發電動作； 電動發電機控制部，設置於所述上部迴轉體，通過來自控制裝置的切換控制信號控制所述電動發電機的輔助動作與發電動作的切換； 第I蓄電器，設置於所述上部迴轉體，並能夠蓄電； 第2蓄電器，設置於所述上部迴轉體，與所述電動發電機控制部電連接，並能夠蓄電；充放電控制部，設置於所述上部迴轉體，對所述第I蓄電器與所述第2蓄電器之間進行電連接，根據來自外部的控制指令信號控制所述第I蓄電器與所述第2蓄電器之間的充放電動作；及 馬達，設置於所述上部迴轉體，並構成為如下，即與所述第2蓄電器電連接，至少能夠進行從機械能產生電能的再生動作，將通過該再生動作產生的電能蓄電於所述第2蓄電器， 所述控制裝置設置於所述上部迴轉體，對所述電動發電機控制部及所述充放電控制部中的至少一個賦予驅動控制信號，並且， 所述控制裝置在所述馬達再生動作期間，將所述第2蓄電部的蓄電目標值設定為高於所述第I蓄電器的蓄電目標值的值。
2.根據權利要求1所述的混合式挖土機,其中， 所述控制裝置根據預測的再生時的電壓下降值運算所述第2蓄電器的蓄電目標值。
3.根據權利要求2所述的混合式挖土機，其中， 所述控制裝置在所述馬達進行動力運行動作的期間運算所述第2蓄電部的蓄電目標值。
4.根據權利要求3所述的混合式挖土機，其中， 所述控制裝置在所述馬達進行再生運行的期間，仍持續所述第2蓄電部的蓄電目標值的運算。
5.根據權利要求1或2所述的混合式挖土機，其中， 在所述馬達進行動力運行動作的期間，所述控制裝置將所述第2蓄電部的蓄電目標值設定為高於進行該動力運行動作以前的所述第2蓄電部的蓄電目標值的值。
6.根據權利要求1~4中任一項所述的混合式挖土機，其中， 所述控制裝置通過所述第I蓄電器的放電動作使所述第2蓄電器的電壓上升。
7.根據權利要求1~4中 任一項所述的混合式挖土機，其中， 所述控制裝置通過所述電動發電機的發電動作使所述第2蓄電器的電壓上升。
8.根據權利要求1~4中任一項所述的混合式挖土機，其中， 所述馬達為動臂再生用馬達，該混合式挖土機進一步具有檢測動臂角度的角度檢測部， 所述控制裝置具備根據該角度檢測部檢測出的動臂的角度運算推斷再生能量的推斷再生能量運算部。
9.根據權利要求1~4中任一項所述的混合式挖土機，其中， 所述馬達為迴轉用馬達， 該混合式挖土機進一步具有檢測所述上部迴轉體的迴轉速度的迴轉速度檢測部，所述控制裝置具備根據該迴轉速度檢測部檢測出的迴轉速度運算推斷再生能量的推斷再生能量運算部。
10.一種混合式挖土機的控制方法,所述混合式挖土機具有: 下部行走體； 上部迴轉體，在該下部行走體之上進行迴轉動作； 動臂，其一端轉動自如地安裝於該上部迴轉體； 引擎，設置於所述上部迴轉體，產生驅動力； 電動發電機，設置於所述上部迴轉體，進行向所述引擎的輔助動作及通過從所述引擎傳遞的驅動力的發電動作； 電動發電機控制 部，設置於所述上部迴轉體，根據來自控制裝置的切換控制信號控制所述電動發電機的輔助動作與發電動作的切換； 第I蓄電器，設置於所述上部迴轉體，並能夠蓄電； 第2蓄電器，設置於所述上部迴轉體，與所述電動發電機控制部電連接，並能夠蓄電；充放電控制部，設置於所述上部迴轉體，對所述第I蓄電器與所述第2蓄電器之間進行電連接，根據來自外部的控制指令信號控制所述第I蓄電器與所述第2蓄電器之間的充放電動作；及 馬達，設置於所述上部迴轉體，並構成為如下，即與所述第2蓄電器電連接，至少能夠進行從機械能產生電能的再生動作，將通過該再生動作產生的電能蓄電於所述第2蓄電器， 所述混合式挖土機的控制方法中， 對所述電動發電機控制部及所述充放電控制部中的至少一個賦予驅動控制信號，並且， 在所述馬達再生動作期間，將所述第2蓄電部的蓄電目標值設定為高於所述第I蓄電器的蓄電目標值的值。
11.根據權利要求10所述的混合式挖土機的控制方法，其中， 根據預測的再生時的電壓下降值運算所述第2蓄電器的蓄電目標值。
12.根據權利要求11所述的混合式挖土機的控制方法，其中， 所述馬達進行動力運行動作的期間，運算所述第2蓄電部的蓄電目標值。
13.根據權利要求12所述的混合式挖土機的控制方法，其中， 所述馬達進行再生運行期間，仍持續所述第2蓄電部的蓄電目標值的運算。
【文檔編號】E02F9/22GK103890279SQ201280050845
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年10月19日 優先權日:2011年10月26日
【發明者】杉山祐太 申請人:住友重機械工業株式會社