混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统

摘要

本发明涉及混合动力工程机械用能量存储装置的充电系统，更详细而言，涉及一种在对电动式混合动力工程装备的能量存储装置进行充电方面，根据执行器的运转情况而演算预想的可再生能量，反映演算的可再生能量，算出能量存储装置的目标充电率，为了最终补偿能量存储装置的目标电压与实际电压的差，能够演算发动机辅助电动机的发电量的混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统。

权利要求

1.一种混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统，该混合动力工程机械具备发动机、发电机、能量存储装置、借助于所述能量存储装置的电能而驱动的转动电动机，所述混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统的特征在于，包括：可再生能量演算部，其接受所述转动电动机的电流、电压及速度中至少一者输入，演算转动电动机的可再生能量；

目标电压演算部，其以所述可再生能量演算部演算的可再生能量为基础，演算所述能量存储装置的目标电压；及控制部，其演算用于补偿所述演算的能量存储装置的目标电压与实际能量存储装置电压的差的所述发电机的输出量，所述可再生能量演算部包括：

转动动力演算部，其接受所述转动电动机的电流、电压及速度中至少一者输入，演算转动电动机动力；

再生效率决定部，其从所述转动电动机的输出符号判断所述转动电动机的驱动及再生与否，决定所述转动电动机再生效率；以及转动电动机输出积分部，其对在所述演算的转动电动机动力中反映了所述决定的再生效率的转动电动机输出进行积分，算出可再生能量。

2.根据权利要求1所述的混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统，其特征在于，所述可再生能量演算部还包括：重置部，其从所述转动电动机的速度及加速度信息，对所述转动电动机输出积分部的值进行重置；以及上下限值设置部，其为了防止所述转动电动机输出积分部的输出值输出为已指定的最大值或负值，设置所述转动电动机的可再生能量的上下限值。

3.根据权利要求1所述的混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统，其特征在于，所述目标电压演算部以从与所述能量存储装置最高电压对应的所述能量存储装置的能量中减去所述转动电动机可再生能量后的能量为基础，决定所述能量存储装置目标电压。

4.根据权利要求1所述的混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统，其特征在于，所述控制部把所述演算的能量存储装置的目标电压与所述能量存储装置的实际电压的差值应用于比例-积分-微分控制方式，决定所述发电机目标输出。

说明书

混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及混合动力工程机械用能量存储装置的充电系统，更详细而言，涉及一种在对具备电动式转动装置的混合动力工程机械的能量存储装置进行充电方面，考虑可再生能量，使能量存储装置的充电率保持于适当水平的混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统。

背景技术

[0002] 最近，随着油价的急剧上升，对把发动机的盈余动力存储于电池后从电池供应发动机的不足的动力，因而改善燃油效率的混合动力形态的工程机械的研究正在活跃地进行。

[0003] 如上所述，把使用发动机与电气马达作为共同动力源的有电能存储装置的系统称为混合动力系统。例如，在混合动力系统中，有诸如混合动力汽车及挖掘机的重型设备用混合动力系统。

[0004] 另一方面，普通的挖掘机系统以发动机为动力源，通过称为液压的介质，执行使作为最终负载的动臂、斗臂及铲斗转动或行驶的动作。不同于此，混合动力挖掘机系统在普通的挖掘机中追加安装马达和电气存储装置，从而能够使挖掘机系统的整体效率提高。

[0005] 图1是转动装置从以往的液压式动力传递系分离并以电动式驱动的混合动力挖掘机的构成图。

[0006] 如图所示，转动电动机70从能量存储装置60接受电能供应并驱动，能量存储装置60从发动机辅助电动机20接受电力供应。在转动电动机70减速的情况下，转动装置的运动能因能量存储装置60而再生，因摩擦等而损失的电力从发动机辅助电动机20供应，使能量存储装置60的电压保持于适当水平。另一方面，发动机10、泵30、控制阀40及动臂/斗臂/铲斗/行驶工作机50是与以往的发动机式挖掘机相同的构成品。

[0007] 以往的电动式混合动力工程装备的能量存储装置充电方式，把能量存储装置60的电压划分为能充电、放电的区域，使得与执行器的运转情况无关，充电已设置的目标电压。因此，在能量存储装置60的电压保持较低的作业模式下，在向执行器供应相同的输出方面，需要较高的电流供应，因此，发生与电流之积成比例的电铜损。

[0008] 另一方面，在能量存储装置的电压保持较高的作业模式下，无法把转动电动机70的可再生能量存储于能量存储装置60，通过发热电阻等而以热能辐射，发生能量损失，结果，使电动式混合动力工程装备的燃油效率恶化。为了防止这种现象，当把能量存储装置60的容量较大地设计成需要以上时，不仅费用增加，而且搭载于车辆时，占据较多体积，在设计上也发生制约。

发明内容

[0009] 技术课题

[0010] 本发明正是为了解决前述问题而导出的，旨在提供一种混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统，在对电动式混合动力工程装备的能量存储装置进行充电方面，根据执行器的运转情况演算预想的可再生能量量，反映演算的可再生能量量，算出能量存储装置的目标充电率，最终为了补偿能量存储装置的目标电压与实际电压的差，能够演算发动机辅助电动机的发电量。

[0011] 在算出能量存储装置的目标充电率方面，反映基于执行器运转状态的可再生能量，因而能够预防能量存储装置的过度充电及放电，防止高电压时能量无法再生、低电压时因高电流导致的电气损失(铜损)，结果使得避免电动式混合动力工程装备的低效运转。另外，通过应用本发明提出的能量存储装置的高效充电方法，使得能够预防能量存储装置容量设计过大，使得能够实现能量存储装置的小型化搭载设计。

[0012] 课题的解决方案

[0013] 为达成所述目的，在具备发动机、发电机、能量存储装置、借助于所述能量存储装置的电能而驱动的转动电动机的混合动力工程机械中，本发明的特征在于，包括：可再生能量演算部，其接受所述转动电动机的电流、电压及速度中至少一者输入，演算转动电动机的可再生能量；目标电压演算部，其以所述可再生能量演算部演算的可再生能量为基础，演算所述能量存储装置的目标电压；及控制部，其演算用于补偿所述演算的能量存储装置的目标电压与实际能量存储装置电压的差的所述发电机的输出量。

[0014] 其特征在于，所述可再生能量演算部包括：转动动力演算部，其接受所述转动电动机的电流、电压及速度中至少一者输入，演算转动电动机动力；再生效率决定部，其从所述转动电动机的输出符号判断所述转动电动机的驱动及再生与否，决定所述转动电动机再生效率；转动电动机输出积分部，其对在所述演算的转动电动机动力中反映了所述决定的再生效率的转动电动机输出进行积分，算出可再生能量；重置部，其从所述转动电动机的速度及加速度信息，对所述转动电动机输出积分部的值进行重置；及上下限值设置部，其为了防止所述转动电动机输出积分部的输出值输出为已指定的最大值或负值，设置所述转动电动机的可再生能量的上下限值。

[0015] 其特征在于，所述目标电压演算部以从与所述能量存储装置最高电压对应的所述能量存储装置的能量中减去所述转动电动机可再生能量后的能量为基础，决定所述能量存储装置目标电压。

[0016] 其特征在于，所述控制部把所述演算的能量存储装置的目标电压与所述能量存储装置的实际电压的差值应用于比例-积分-微分控制方式，决定所述发电机目标输出。

[0017] 发明效果

[0018] 本发明在算出能量存储装置的目标充电率方面，反映了基于执行器运转状态的可再生能量，因而能够预防能量存储装置的过度充电及放电，防止高电压时能量无法再生、低电压时因高电流导致的电气损失(铜损)，结果具有能够避免电动式混合动力工程装备的低效运转的效果。

[0019] 另外，通过应用本发明中提出的能量存储装置的高效充电方法，使得能够预防能量存储装置的容量设计过大，能够实现能量存储装置的小型化搭载设计。

附图说明

[0020] 图1是应用了本发明的混合动力挖掘机的构成图。

[0021] 图2是关于本发明的混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统的框图。

[0022] 图3是本发明的图2所示转动电动机可再生能量演算部的详细框图。

[0023] 图4是本发明实施例的能量存储装置的充电系统中关于转动可再生能量演算的流程图。

[0024] 图5是本发明实施例的能量存储装置的充电系统中关于发电机输出指令演算的流程图。

[0025] 图6是本发明实施例的基于转动可再生能量的能量存储装置目标电压的示例图。

[0026] 图7是本发明实施例的基于转动可再生能量的能量存储装置的运转示例图。

[0027] 符号说明

[0028] 10－发动机，20－发动机辅助电动机，30－泵，40－控制阀，50－动臂/斗臂/铲斗行驶工作机，60－能量存储装置，70－转动电动机，100－可再生能量演算部，110－再生效率决定部，120－转动电动机输出积分部，130－重置部，140－上下限值设置部，150－转动动力演算部，200－目标电压演算部，300－控制部。

具体实施方式

[0029] 下面参照附图，详细说明本发明的实施例。通过以下的详细说明，本发明的构成及其作用效果将明确理解。在本发明的详细说明之前，针对相同的构成要素，即使标识于不同附图上，也尽可能以相应的符号标识，对于公知的构成，当判断认为可能混淆本发明的要旨时，省略具体说明。

[0030] 本发明应用于如图1所示的转动装置从以往的液压式动力传递系分离并以电动式驱动的混合动力挖掘机。

[0031] 即，本发明能够应用于如下混合动力挖掘机，如图1所示，具备：发动机10；借助于所述发动机10而驱动的发动机辅助电动机20；用于存储从所述发动机辅助电动机20接受传递的能量的能量存储装置60；借助于所述能量存储装置60的电能而驱动的转动电动机70；用于借助所述发动机10的驱动力而使转动作业之外的工作机50运转的泵30。其中，发动机辅助电动机20执行发电机功能，向能量存储装置60补充能量。

[0032] 如图所示，图1的转动电动机70从能量存储装置60接受电能供应并驱动，能量存储装置60从发动机辅助电动机20接受电力供应。在转动电动机70减速的情况下，转动装置的运动能因能量存储装置60而再生，因摩擦等而损失的能量从发动机辅助电动机20供应，使得能量存储装置60的电压保持于适当水平。

[0033] 图2是关于本发明的混合动力工程机械的能量存储装置的充电系统的框图。

[0034] 图2以框图表现了演算发动机辅助电动机的目标输出的过程，能量存储装置60的充电系统反映执行器(转动电动机，70)的可再生的能量，演算能量存储装置(UC,Ultra-Capacitor)60的目标电压，补偿与能量存储装置60的实际电压的差。

[0035] 如图所示，应用了本发明的能量存储装置60的充电系统包括可再生能量演算部100、目标电压演算部200及控制部300。

[0036] 可再生能量演算部100接受转动电动机70的电流、电压及速度中至少一者输入，演算转动电动机70的可再生能量。

[0037] 目标电压演算部200接受可再生能量演算部100的可再生能量输入，以此为基础，演算能量存储装置60的目标电压。

[0038] 控制部300演算用于补偿能量存储装置60的目标电压与实际能量存储装置60的电压的差的发动机辅助电动机20的输出量。

[0039] 图3是本发明的图2所示转动电动机可再生能量演算部的详细框图。

[0040] 如图3所示，可再生能量演算部100由再生效率决定部110、转动电动机输出积分部120、重置部130、上下限值设置部140及转动动力演算部150构成。

[0041] 再生效率决定部110从转动电动机70的输出符号判断所述转动电动机的驱动及再生与否，以此为基础，决定转动电动机输出效率。以转动输出的符号为基础，当转动输出为正数时，意味着驱动，因而考虑再生效率，求出可再生的输出部分，对此进行积分，求出转动电动机的可再生的能量。在转动输出为负数的情况下，意味着再生，因而直接对转动电动机输出进行积分，从可再生能量中去除。

[0042] 转动电动机输出积分部120对反映了再生效率决定部110的效率的转动电动机输出进行积分，算出可再生能量。

[0043] 重置部130从转动电动机70的速度及加速度信息，对所述转动电动机输出积分部120的值进行重置。即，为了补偿在所述算出转动电动机的可再生的能量的过程中，因转动摩擦及电力系统损失等导致的不确定成份而发生的误差，当转动电动机速度为0时，没有可再生的运动能，因而使转动电动机可再生能量重置为0。而且，在作为转动速度的借助于微分计131而计算的微分值的加速度为0的情况下，虽然存在因摩擦而导致的驱动输出，但可再生的运动能不变，因此，使得把转动电动机可再生能量保持为以前值。

[0044] 上下限值设置部140为了防止转动电动机输出积分部120的输出值输出为理论上最大值或负值，设置转动电动机的可再生能量的上下限值。

[0045] 转动动力演算部150从为了转动电动机70的控制而计量的转动电动机相电流及转动电动机相电压之积，演算转动输出。

[0046] 反映从所述过程计算的转动电动机可再生能量E，能量存储装置60的目标电压可以从下述的[数学式1]求出。

[0047] 【数学式1】

[0048]

[0049] 其中，V max：代表能量存储装置最高电压

[0050] V target：代表能量存储装置目标电压

[0051] C：代表能量存储装置容量常数

[0052] E：代表转动电动机可再生能量。

[0053] 从所述[数学式1]，能量存储装置60的目标电压如下述[数学式2]所示，如果将其图示化，则如图6的线图所示。

[0054] 【数学式2】

[0055]

[0056] 其中，V target：代表能量存储装置目标电压。

[0057] 比较在所述[数学式2]中计算的能量存储装置60的目标电压与能量存储装置60实际电压的差，从以下控制部300的下述[数学式3]计算发动机辅助电动机20的目标输出。

[0058] 【数学式3】

[0059]

[0060] 其中，Pgenerator：代表发动机辅助电动机20目标输出，Kp代表比例增益，Ki代表积分增益，Kd代表微分增益。

[0061] 所述动作在混合动力挖掘机的电力控制器中实时演算，以图4及图5的流程图为参照进行说明。

[0062] 图4是本发明实施例的能量存储装置的充电系统中关于转动可再生能量演算的流程图，图5是本发明实施例的能量存储装置的充电系统中关于发动机辅助电动机20的输出指令演算的流程图。

[0063] 首先，可再生能量演算部100从为了转动电动机的控制而计量的转动电动机相电流及转动电动机相电压之积，演算转动输出(S10)。

[0064] 然后，以转动输出的符号为基础(S20)，可再生能量演算部100在转动输出为正数时，意味着驱动，因而考虑效率，求出可再生的输出部分(S30)，对此进行积分，求出转动电动机的可再生的能量。

[0065] 相反，可再生能量演算部100在转动输出为负数时，意味着再生，因而直接对转动电动机输出进行积分，使得从可再生的能量中去除(S40)。

[0066] 在所述的转动电动机的可再生能量的过程中，为了补偿因转动摩擦及电力系统损失等导致的不确定的成份而发生的误差，可再生能量演算部100确认转动电动机速度是否为0(S50)。

[0067] 所述确认结果(S50)，如果转动电动机速度为0，则没有可再生的运动能，因而可再生能量演算部100使转动电动机可再生能量重置为0(S70)。

[0068] 相反，当转动电动机速度不为0时，可再生能量演算部100确认转动速度的作为微分值的加速度是否为0(S60)。

[0069] 所述确认结果(S60)，如果转动速度的作为微分值的加速度为0，则存在因摩擦导致的驱动输出，但可再生的运动能不变，因此，可再生能量演算部100使得转动电动机可再生能量保持为以前值(S80)。

[0070] 相反，所述确认结果(S60)，如果转动速度的作为微分值的加速度不为0，那么，可再生能量演算部100在转动可再生能量基础上，加上转动电动机输出与控制周期之积，演算为转动可再生能量(S90)。

[0071] 如图5所示，能量存储装置60的充电系统为了防止对转动输出进行积分而获得的转动电动机可再生能量值计算成理论最大值以上或负值，使得设置上、下限值。

[0072] 充电系统比较转动可再生能量与转动最大可再生能量(S100)。

[0073] 所述比较结果(S100)，当转动可再生能量大于转动最大可再生能量时，充电系统把转动可再生能量设置为转动最大可再生能量(S200)。

[0074] 所述比较结果(S100)，当转动可再生能量不大于转动最大可再生能量时，充电系统检查转动可再生能量是否为负数(S300)，当为负数时，把转动可再生能量重置为0(S400)。相反，在转动可再生能量不为负数的情况下，充电系统根据前述[数学式1]及[数学式2]，求出能量存储装置60的目标电压(S500)。

[0075] 而且，充电系统比较计算的能量存储装置60的目标电压与能量存储装置60的实际电压的差，从前述[数学式3]的PID控制器关系式，计算发动机辅助电动机20的目标输出(S600)。即，充电系统可以把UC目标电压与UC实际电压的差值应用于比例-积分-微分(PID)控制方式，决定发电机目标输出。

[0076] 图7是本发明实施例的基于转动可再生能量的能量存储装置的运转示例图。

[0077] 图7显示了应用本发明时的示例，显示出随着转动运转，转动电动机可再生能量、能量存储装置60的目标电压。

[0078] 在转动速度加速的区间，转动可再生能量增加，反映这种情况，能量存储装置60的目标电压降低。在转动速度为等速的情况下，因摩擦而稍稍发生转动输出，但由于加速度为0，转动可再生能量保持既定。

[0079] 在转动电动机减速时，发生再生能量，因而转动可再生能量降低，能量存储装置60的目标电压升高。如果转动体停止，转动电动机速度为0，则由于没有转动运动能，可再生能量重置为0，能量存储装置60的目标电压设置为最高高电压。

[0080] 以上的说明只不过是示例性地说明本发明，本发明所属技术领域的技术人员可以在不超出本发明技术思想的范围内多样地变形。因此，本发明的说明书中公开的实施例并非限定本发明。本发明的范围应根据以下的权利要求书解释，处于与之均等范围内的所有技术也应解释为包含于本发明的范围。