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CN103180519A - 混合动力工程机械 - Google Patents

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Abstract

在混合动力工程机械中，提供一种驱动控制装置，以尽可能简单的结构来实现能够防止蓄电量的急剧减少的电动发电机(2)的控制机构(8)。其特征在于，用于计算对电动发电机(2)输出的马达转矩指令值的控制机构(8)根据实际蓄电量与规定的目标蓄电量的差、和由发动机(1)的最大转矩与发动机(1)的实际转矩的差求出的转矩余量而计算马达转矩指令值，其中，发动机(1)的最大转矩根据发动机(1)的实际转速而确定。

Description

混合动力工程机械
技术领域
本发明涉及适用于液压挖掘机或轮式装载机等液压工程机械的合适的混合动力工程机械。
背景技术
在混合动力工程机械中，公知有如下情况：为了提高燃料效率，通过发电电动机来辅助伴随着发动机的小型化而导致的输出不足。而且，向对发动机的输出进行辅助的电动发电机供给电力的蓄电装置的蓄电量被设定成在目标作业时间内为固定的蓄电量。
但是，在持续进行比设想的作业更重负载的作业的情况下，发生实际的蓄电量低于被规定为目标的蓄电量的状况。这样，若在实际的蓄电量处于低于目标蓄电量的水准的状态下持续作业，则在进行基于发电电动机的发动机辅助动作时，由于蓄电量不足而无法进行发动机辅助，从而导致发动机熄火。
在专利文献1中提出有能够解决这种问题的现有技术。该现有技术的驱动控制装置具有用于检测蓄电量的蓄电量检测机构，并根据液压工作部的规定动作来确定特定的动作形态，将该动作形态用作判断基准，抑制进行与蓄电量相应的动力运行辅助，从而防止蓄电量的急剧减少。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-83242号公报
发明内容
但是，现有技术存在如下技术课题。现有技术根据动作形态来抑制进行与蓄电量相应的动力运行辅助。因此，需要对液压作业部的动作状态进行判断的动作形态判断机构，另外，针对每一个由动作形态判断机构判断出的特定的动作形态，需要电动发电机的与发动机转速相应的动力运行转矩输出特性。因此，除控制装置变得复杂以外，成为从输出转矩特性图中根据转速而唯一地提供发电电动机的动力运行辅助量的结构，因此，可能会进行不必要的耗电。
本发明是为了消除这样的问题而研发的，目的在于提供一种混合动力工程机械，在蓄电余量少于目标蓄电量时，以根据发动机的转矩或输出的余量而不使电动发电机进行过度辅助的方式进行控制，从而防止蓄电余量减少。
为了实现上述目的，采用例如权利要求书所记载的结构。
本申请包含多种解决上述目的的方式，作为其一例列举一种混合动力工程机械，具有：发动机；电动发电机，其与发动机机械连接在同一轴上，并进行发电机动作和电动机动作；和蓄电装置，其向电动发电机供给电力，该混合动力工程机械的特征在于，具有计算对电动发电机输出的马达转矩指令值的控制机构，在蓄电装置的实际蓄电量低于在蓄电装置中预先设定的目标蓄电量的情况下，控制机构根据由发动机的最大转矩与发动机的实际转矩的差求出的转矩余量而计算马达转矩指令值，其中，发动机的最大转矩根据发动机的实际转速而确定。
发明效果
根据本发明，提供一种能够以简单的结构高效率地使用蓄电量的工程机械。
附图说明
图1是第1实施方式中的混合动力工程机械的液压驱动控制装置的结构图。
图2是第1实施方式中的控制器8的结构图。
图3是表示第1实施方式中的蓄电装置相对于作业时间的目标蓄电量的图。
图4是表示的第1实施方式中的控制器8的处理功能的流程图。
图5是第1实施方式中的修正增益和转矩余量的特性图。
图6是表示在第1实施方式中蓄电量小于目标蓄电量的情况下的控制器8的处理功能的功能框图。
具体实施方式
基于附图来说明本发明的实施方式。
图1是本发明的实施方式的混合动力工程机械的液压驱动控制装置的结构图。
本实施方式的液压驱动控制装置用于液压挖掘机的前作业机以及旋转装置、行驶装置等液压作业部的驱动。如图1所示，液压驱动控制装置具有：发动机1；检测发动机1的转速的转速传感器6；通过调整发动机1的燃料喷射量来进行发动机1的调速的调速器7；机械连接于发动机驱动轴上的电动发电机2；和经由电动发电机2而被发动机1驱动的可变容量型液压泵3(以下称为“液压泵3”)，从液压泵3排出的液压油经由阀装置4而向液压执行机构5供给。然后，通过该液压执行机构5来驱动混合动力工程机械的各种工作部。而且，液压驱动控制装置还具有：蓄电装置14；逆变器9，其作为控制电动发电机2的转速、且根据需要进行与蓄电装置14的电力交接的电动发电机控制机构；和控制器8。蓄电装置14由以下部分构成：由蓄电池或电容器构成的蓄电器10；和附设在该蓄电器10上的电流传感器11、电压传感器12、温度传感器13，根据由这些传感器检测的电流、电压、温度等信息，通过控制器8进行蓄电量的管理。控制器8控制调速器7来调整燃料喷射量以控制发动机转速，并且控制逆变器9来控制电动发电机2的转矩。
此外，控制器8具有目标转速设定机构26(参照图2)，该目标转速设定机构26将相对于发动机1的必要输出而燃料消耗量最小的动作点作为目标转速指令值进行运算，从而能够实现燃料效率的提高。另外，向控制器8输入在转速传感器6中检测的发动机1的转速。
图3表示本实施方式的蓄电装置14相对于作业时间的目标蓄电量(SOCr)。如图3所示，根据设想的工程机械的标准作业时间、作业内容、蓄电器10的容量、终止余量等，将实际作业时间中的蓄电器10的蓄电量事先确定为目标蓄电量(SOCr)。此外，也能够根据与上述蓄电装置14相关的检测信息而适当更新上述目标蓄电量，在某时刻判断为总作业量小于事先设想的作业量的情况下，通过减小目标蓄电量，能够在以后的作业中充分利用由辅助马达进行的辅助。对于这样设定的目标蓄电量，为了高效率地使用蓄电量，在本发明中，例如以进行如下电动发电机2的输出限制的方式进行控制。
图4示出了本实施方式中的控制的流程图。首先，通过步骤S1，根据例如图3所示那样的关系来确定作业时间中的目标蓄电量SOCr。接下来，在步骤S2中，根据电流传感器11、电压传感器12、温度传感器13等的信息通过控制器8检测实际的实际蓄电量SOCa。接下来，在步骤S3中，通过计算ΔSOC＝SOCa-SOCr来求出上述那样检测出的实际蓄电量SOCa与目标蓄电量SOCr的偏差ΔSOC，并判断这样计算出的ΔSOC是否为ΔSOC＜0。在该判断中，在“是”的情况下、即在ΔSOC＜0的情况下，实际蓄电量SOCa低于目标蓄电量SOCr，在“否”的情况下、即在ΔSOC＞0的情况下，实际蓄电量SOCa高于目标蓄电量SOCr。
在此，在判断为“否”的情况下、即在ΔSOC＞0或ΔSOC＝0的情况下，能够从蓄电装置向电动发电机2供给足够的电力，因此在步骤S4中不对电动发电机2输出的辅助输出量施加限制，对发动机进行充分辅助。另一方面，在ΔSOC＜0从而判断为“是”的情况下，实际蓄电量SOCa低于目标蓄电量SOCr，无法从蓄电装置14向电动发电机2供给足够的电力，因此，在步骤S5以后进行对电动发电机2输出的辅助输出量施加限制的处理。
在本实施例中，在像这样对电动发电机2输出的辅助输出量施加限制的情况下，根据最大转矩Tmax与实际转矩Ta的差计算出转矩余量ΔT，并根据该转矩余量ΔT进行辅助输出量的限制。在此，最大转矩Tmax是指相对于发动机的实际转速而发动机能够输出的转矩的最大值。另外，实际转矩Ta是指相对于发动机的实际转速而发动机实际输出的转矩。
然后，在步骤S5中，将根据这样确定的最大转矩Tmax与实际转矩Ta的差而计算出的转矩余量ΔT与阈值Tc进行比较。在此，阈值Tc例如是相对于与发动机的实际转速相对应的最大转矩Tmax而设定规定比例的值。
对转矩余量ΔT和阈值Tc进行比较，并进行是否为ΔT＞Tc的判断，在判断为“是”的情况下、即在转矩余量ΔT大于阈值Tc的情况下，发动机的转矩具有余量。因此，在步骤S6中以充分限制从蓄电装置14向电动发电机2供给的电力，从而从发动机得到需求动力的方式进行控制。通过进行这样的控制，能够减少蓄电装置的蓄电量的耗电量。
另一方面，在判断为“否”的情况下，由于发动机的转矩不具有余量，所以需要从蓄电装置14向电动发电机2供给电力而进行发动机的辅助。此时，在步骤S7中，在不会引起发动机熄火的范围内限制电动发电机2的辅助量，从而限制蓄电装置14的耗电量。通过进行这样的控制，能够在不会引起发动机熄火的情况下减少蓄电装置14的耗电量。
以上那样的控制按照固定的周期重复这一系列的控制。
图2示出了控制器8的结构。按照上述图4的控制流程说明控制器8的各控制部中的控制。
首先，蓄电量检测机构20根据从蓄电装置传感器得到的电流、电压、温度等信息检测实际蓄电量SOCa，其中，蓄电装置传感器由电流传感器11、电压传感器12、温度传感器13构成。另外，目标蓄电量设定机构21设定例如图3所示那样的相对于实际作业时间的目标蓄电量SOCr。由运算器22通过计算ΔSOC＝SOCa-SOCr来求出从这些机构得到的实际蓄电量SOCa与目标蓄电量SOCr的偏差ΔSOC。
另外，控制器8输入来自作为发动机转速检测机构的转速传感器6的转速信号，转速传感器6检测发动机的实际转速。而且，控制器8具有发动机最大转矩设定机构23，该发动机最大转矩设定机构23计算所检测出的发动机实际转速的发动机最大转矩。然后，在转矩余量运算中，使用由发动机最大转矩设定机构23计算出的发动机最大转矩Tmax、和在与控制器8分开设置的发动机转矩检测机构29中检测出的发动机实际转矩Ta，在运算器24中根据发动机最大转矩Tmax与发动机实际转矩Ta的差来计算转矩余量ΔT＝Tmax-Ta。
这样计算出的蓄电量偏差ΔSOC及转矩余量ΔT被输入至输出限制判断机构25。如在图4中所说明的那样，在输出限制判断机构25中，进行如下的辅助输出限制的判断。在蓄电量偏差ΔSOC＞0的情况下、即在实际蓄电量SOCa高于目标蓄电量SOCr的情况下，能够从蓄电装置14供给足够的电力，因此通过不限制电动发电机2的辅助输出而使其动力运行来充分实施发动机辅助。另一方面，在蓄电量偏差ΔSOC＜0的情况下、即在实际蓄电量SOCa低于目标蓄电量SOCr的情况下，通过限制电动发电机2的辅助输出而使其动力运行来减少电动发电机2的耗电。在此，在转矩余量ΔT＞Tc的情况下，由于发动机的转矩具有余量，所以充分限制从蓄电装置14向电动发电机2供给的电力。换言之，充分限制电动发电机2输出的辅助输出量。另外，在蓄电量偏差ΔSOC＜0且转矩余量ΔT＜Tc的情况下，由于发动机的转矩不具有余量，所以需要从蓄电装置14向电动发电机2供给电力而进行发动机的辅助，在不会引起发动机熄火的范围内限制辅助输出量而使电动发电机2动力运行。通过实施这样的输出限制，在实际蓄电量SOCa低于目标蓄电量SOCr的情况下，高效率地控制蓄电量来使电动发电机2动力运行，由此能够进行发动机1的辅助。
由上述那样的输出限制判断机构25判断的针对蓄电装置14的输出限制判断、在控制器8所具有的目标转速设定机构26中作为取决于泵负载的发动机转速且作为发动机的燃料效率高的发动机转速而确定的目标转速、和由发动机转速传感器6检测出的发动机实际转速被输入至辅助输出运算机构27。
在辅助输出运算机构27中，根据上述输出限制、目标转速、以及发动机实际转速，计算出马达转矩指令值并对电动发电机2输出。
在此，使用图6来说明经由输出限制判断机构25而在辅助输出运算机构27中计算马达转矩指令值的过程。图6用功能框图示出了计算马达转矩指令的、电动发电机2的控制功能整体的一例。
首先，在输出限制判断机构25中判断为蓄电量偏差ΔSOC＞0的情况下，对电动发电机2输出马达转矩指令，以由电动发电机2进行充分的辅助。由于电动发电机2以基于发动机目标转速与发动机实际转速的转速偏差ΔN的、比例积分控制(以下称作PI控制)为基础，所以根据基于比例控制的动力运行转矩指令值与基于积分控制的动力运行转矩指令值的和来计算出马达转矩指令值，其中，比例控制是通过高通滤波器(HPF)A1对发动机目标转速与发动机实际转速的转速偏差乘以比例增益(Kp)A2，积分控制是对转速偏差ΔN乘以积分增益(Ki)A6。在此，在积分控制中，在对转速偏差乘以积分增益(Ki)A6后，通过带有限幅器的积分器A8计算出马达转矩指令。在带有限幅器的积分器A8中，取对转速偏差ΔN乘以积分增益(Ki)A6而得到的转矩指令值与基于积分控制的马达转矩指令值的和，在转矩指令值的和为正的情况下直接输出该值，在转矩指令值的和为负的情况下输出0。而且，施加限制以使马达不会进行连续进行额定转矩以上的输出，并计算基于积分控制的动力运行转矩指令值。
另一方面，在判断为ΔSOC＜0的情况下，在P控制中，与上述判断为蓄电量偏差ΔSOC＞0的情况相同地，进行通过高通滤波器(HPF)而对发动机目标转速与发动机实际转速的转速偏差ΔN乘以比例增益(Kp)A2的辅助，由此仅对过渡转数偏差进行输出。因此，能够避免在转速偏差变得稳态时消耗电力。另一方面，在I控制中，例如通过进行如下控制，能够抑制稳态耗电量。
首先，根据表示发动机最大转矩Tmax相对于发动机实际转速的特性的发动机特性A3，求出相对于发动机实际转速的发动机最大转矩Tmax。计算所求出的发动机最大转矩Tmax与由发动机转矩检测机构29检测出的发动机实际输出的转矩即发动机实际转矩Ta的差，即，计算转矩余量A4＝Tmax-Ta。使该转矩余量为A4，并使用以转矩余量A4为参数的修正增益用表A5，求出具有值0～1的修正增益。修正增益用表A5例如按照图5所示那样的表确定。在图5中，根据转矩余量A4确定阈值Tc，在转矩余量A4大于阈值Tc的情况下，由于发动机1具有余量，所以修正增益为0。通过像这样确定修正增益，电动发电机2不进行I控制而仅通过P控制来计算动力运行转矩指令值，因此能够抑制稳态耗电。另一方面，在转矩余量A4小于阈值Tc的情况下，由于发动机1不具有余量，所以需要在不会引起发动机熄火的范围内进行电动发电机2的辅助输出限制。因此，以使修正增益具有值0～1的方式来确定修正增益。该表为一例，以在转矩余量A4为0的情况下使修正增益为1、在转矩余量A4大于Tc的情况下使修正增益为0的方式设定修正增益。
在使这样确定的修正增益与基于发动机目标转速与发动机实际转速的偏差ΔN的转速偏差相乘后，乘以积分增益(Ki)A6。然后，与上述判断为蓄电量偏差ΔSOC＞0的情况相同地，通过带有限幅器的积分器计算出基于I控制的动力运行转矩指令值。
通过形成上述那样的结构，在蓄电量低于设想量的情况下，进行与发动机输出的余量相应的电动发电机2的输出抑制，因此能够防止电动发电机2进行过量的发动机辅助以减少蓄电装置14的耗电量，从而能够高效率地使用蓄电装置14的蓄电电力。
如上所述，通过调整作为普通的电动发电机2的控制手法的PI控制、PID控制的增益，能够容易地实现电动发电机2的辅助量的限制。
此外，图6示出了PI控制的一例，但也能够适用于比例控制(P控制)、比例积分微分控制(PID控制)等结构。另外，不仅能够将修正增益利用于积分项，还能够利用于比例项、微分项，而且，通过对比例项、积分项、微分项分别使用不同的修正增益表，能够进行更为灵活的应对。
另外，在本实施方式中，示出了根据发动机转矩来限制电动发电机2的动力运行辅助量的结构，但也能够采用与发动机输出的余量相对应的结构。在采用该结构的情况下，使用上述蓄电量偏差ΔSOC的正负、和最大发动机输出与实际发动机输出的差即发动机输出余量来对电动发电机2的动力运行辅助量进行抑制。
另外，控制器8具有泵倾转控制机构28。泵倾转控制机构28根据在泵负载检测机构30中检测出的泵负载及在辅助输出运算机构27中确定的辅助输出，计算用于操作液压泵3的倾转角的泵倾转指令。将所计算出的泵倾转指令对泵3输出。
另外，在通过上述方法而被抑制的由电动发电机2进行的动力运行辅助与发动机1的输出的和低于泵负载的情况下、或在没有蓄电量而无法通过电动发电机2进行动力运行辅助的情况下，如图2所示那样根据由辅助输出运算机构27运算出的马达转矩指令值，对泵倾转控制机构28进行控制来操作液压泵3的倾转角以降低泵负载，从而避免发动机熄火。
附图标记说明
Figure BPA00001701833300091
Figure BPA00001701833300101

Claims (6)

1.一种混合动力工程机械，包括：
发动机(1)；
电动发电机(2)，其与所述发动机(1)机械连接，进行发电机动作和电动机动作；以及
蓄电装置(14)，其向所述电动发电机(2)供给电力，
所述混合动力工程机械的特征在于，
具有控制机构(8)，所述控制机构(8)计算对所述电动发电机(2)输出的马达转矩指令值，并根据该马达转矩指令值来控制所述电动发电机(2)，
在所述控制机构(8)中，对在目标蓄电量设定机构中检测出的所述蓄电量的实际蓄电量和在目标蓄电量设定机构中设定的目标蓄电量进行比较，在所述实际蓄电量低于所述目标蓄电量的情况下，根据输出限制、在目标转速设定机构(26)中确定的所述发动机(1)的目标转速及所述发动机(1)的实际转速来计算所述马达转矩指令值，其中，所述输出限制是根据由所述发动机(1)的最大转矩与所述发动机(1)的实际转矩的差求出的转矩余量而在输出限制判断机构(25)中判断出的输出限制，所述发动机(1)的最大转矩根据所述发动机(1)的实际转速而在发动机最大转矩设定机构中确定。
2.如权利要求1所述的混合动力工程机械，其特征在于，
所述马达转矩指令值小于在所述蓄电装置(14)的实际蓄电量高于在所述蓄电装置(14)中预先设定的目标蓄电量的情况下、根据由所述发动机(1)的最大转矩与所述发动机(1)的实际转矩的差求出的转矩余量而计算出的马达转矩指令值，其中，所述发动机(1)的最大转矩根据所述发动机(1)的实际转速而确定。
3.如权利要求1所述的混合动力工程机械，其特征在于，
所述马达转矩指令值根据所述转矩余量的大小而计算，在所述转矩余量大于阈值的情况下计算出的马达转矩指令值比在所述转矩余量小于阈值的情况下计算出的马达转矩指令值小。
4.如权利要求1所述的混合动力工程机械，其特征在于，
通过比例积分控制来计算所述马达转矩指令值，所述比例积分控制是基于输出至所述发动机(1)的目标发动机转速与所述发动机(1)的发动机实际转速的差即转速偏差的控制，关于在所述比例积分控制中进行的积分控制所使用的积分增益，在所述转矩余量小于规定值的情况下，相较于在判断为所述蓄电装置(14)的实际蓄电量的值高于在所述蓄电装置(14)中预先设定的目标蓄电量的值的情况下所使用的积分增益而较小，在所述转矩余量大于规定值的情况下，使积分增益为0。
5.一种混合动力工程机械，包括：
发动机(1)；
电动发电机(2)，其与所述发动机(1)机械连接，进行发电机动作和电动机动作；以及
蓄电装置(14)；其向所述电动发电机(2)供给电力，
所述混合动力工程机械的特征在于，
具有控制机构(8)，所述控制机构(8)计算对所述电动发电机(2)输出的马达转矩指令，
在所述控制机构(8)中，在所述蓄电装置(14)的实际蓄电量的值低于在所述蓄电装置(14)中预先设定的目标蓄电量的值的情况下，根据由所述发动机(1)的最大输出与所述发动机(1)的实际输出的差求出的输出余量的大小来计算马达转矩指令值，其中，所述发动机(1)的最大输出根据所述发动机(1)的实际转速而确定。
6.如权利要求5所述的混合动力工程机械，其特征在于，
通过比例积分控制来计算所述马达转矩指令值，所述比例积分控制是基于输出至所述发动机(1)的目标发动机转速与所述发动机(1)的发动机实际转速的差即转速偏差的控制，关于在所述比例积分控制中进行的积分控制所使用的积分增益，在所述输出余量小于规定值的情况下，相较于在判断为所述蓄电装置(14)的实际蓄电量的值高于在所述蓄电装置(14)中预先设定的目标蓄电量的值的情况下所使用的积分增益而较小，在所述输出余量大于规定值的情况下，使积分增益为0。
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