專利名稱：具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械以及工業(yè)車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械以及工業(yè)車輛，例如涉及具備適用于液壓挖掘機(jī)或叉車等的電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械以及工業(yè)車輛。
背景技術(shù)：
在將馬達(dá)(motor)用于車輛的驅(qū)動系統(tǒng)中的混合動力汽車、電動汽車或者電池叉車等中，為了驅(qū)動行走用的馬達(dá)而具備電池，從該電池經(jīng)由變換器(inverter)向馬達(dá)供給交流電。電池叉車等工業(yè)車輛中將鉛蓄電池用作電源，但若考慮到這樣的工業(yè)車輛在行走時(shí)或者工作時(shí)的消耗能量，則需要增大電池的容量。此外，即使搭載了大容量的電池，在將鉛蓄電池用作搭載的電池時(shí)，由于鉛蓄電池不適于快速充電所以有時(shí)再生控制時(shí)的再生能量中的大部分會損耗掉而無法回收。因此，在近年來通過組合電池與電容來構(gòu)成電源系統(tǒng)，將來自負(fù)載的能量蓄積在電容中，并且通過在瞬間向負(fù)載供給所蓄積的能量實(shí)現(xiàn)了效率提高。例如，在專利文獻(xiàn)1中公開了如下內(nèi)容在組合了電池和電容的電源系統(tǒng)中，在充放電用電容和電池之間配置電流電壓轉(zhuǎn)換器(converter)，當(dāng)對作為負(fù)載的馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動控制時(shí)將所述電容連接至放電路徑，當(dāng)對所述馬達(dá)進(jìn)行再生控制時(shí)將所述電容連接至充電路徑，由此減少電池等電源的容量來向負(fù)載供給希望的所需要最大能量?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開2002-320302號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2006-321640號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題根據(jù)作為所述現(xiàn)有技術(shù)的專利文獻(xiàn)1，能夠回收再生能量，此外還能夠減少電池或者電容的容量。但是，該專利文獻(xiàn)1并沒有公開用于實(shí)現(xiàn)再生能量的回收或者電池或電容的容量的降低的方法的詳細(xì)內(nèi)容。此外，在專利文獻(xiàn)2中，通過在重復(fù)動力運(yùn)行(power running)和再生 (regeneration)時(shí)僅在預(yù)先設(shè)定的條件時(shí)進(jìn)行再生動作，能夠減輕再生能量的控制負(fù)擔(dān)， 但在應(yīng)用對象是起重機(jī)中的自由落體(freefall)時(shí)的再生這樣的單純控制時(shí)，即使能夠應(yīng)用，而在像液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)這樣地在一連串動作過程中存在加速和制動并變換動力運(yùn)行和再生的情況下，電源系統(tǒng)的響應(yīng)性也會成為問題，從而難以應(yīng)用。本發(fā)明是鑒于以上問題而提出的發(fā)明，本發(fā)明提供能夠高效地回收再生能量、并能夠降低電池或電容的容量的控制技術(shù)。用于解決課題的手段
本發(fā)明為了解決上述課題，采用了如下手段。一種具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛，該電源系統(tǒng)具備可充放電的電容； 以及供電電路，其將可充放電的電池以及所述電容與能夠進(jìn)行動力運(yùn)行以及再生的負(fù)載相連接，在所述電源系統(tǒng)中經(jīng)由變換器將在所述電容中積蓄的能量供電到負(fù)載，經(jīng)由所述變換器將負(fù)載的再生能量充電到電容，所述具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛的特征在于，所述負(fù)載是電動馬達(dá)，并且所述電容經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器與負(fù)載連接，該DC/DC轉(zhuǎn)換器具備控制單元，其控制所述電容經(jīng)由該DC/DC轉(zhuǎn)換器充放電的能量，所述控制單元具備動力運(yùn)行/再生動作推定單元，其根據(jù)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩、或者供給到變換器的DC電流、或者操作桿信息、以及包含預(yù)先保存有的重復(fù)作業(yè)中的動力運(yùn)行/再生的變化點(diǎn)的動作模式信息，來推定包含馬達(dá)的動力運(yùn)行/再生的變化點(diǎn)的動作模式；以及電容目標(biāo)電壓運(yùn)算單元，其根據(jù)該動力運(yùn)行/再生動作推定單元推定出的變化點(diǎn)以及動作模式來控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出指令值，使得電容的目標(biāo)電壓在動力運(yùn)行的情況下逐漸降低、在再生的情況下逐漸升高。發(fā)明效果本發(fā)明由于具有以上結(jié)構(gòu)，所以能夠高效地回收再生能量、并能夠降低電池或電容的容量。


圖1是用于說明搭載了第一實(shí)施方式涉及的電源系統(tǒng)的混合動力式液壓挖掘機(jī)的圖。圖2是混合動力式液壓挖掘機(jī)的驅(qū)動部的結(jié)構(gòu)以及所搭載的第一實(shí)施方式涉及的電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是表示圖2所示的控制器的各功能的框圖。圖4是回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)動作中的電容的目標(biāo)電壓的變化例的示意圖。圖5是用于說明控制器的處理(計(jì)算出電容的電壓指令值的處理)的圖。圖6是用于說明搭載了第二實(shí)施方式涉及的電源系統(tǒng)的叉車的圖。圖7是用于說明圖6所示的叉車的結(jié)構(gòu)以及所搭載的電源系統(tǒng)的詳細(xì)情況的圖。圖8是表示叉的上升以及下降時(shí)的各種輸出變化的圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照

最優(yōu)的實(shí)施方式。(實(shí)施方式1)圖1是用于說明搭載有第一實(shí)施方式涉及的電源系統(tǒng)的混合動力式液壓挖掘機(jī)的圖。在圖1中液壓挖掘機(jī)具有行走體401、回轉(zhuǎn)體402，通過行走用液壓馬達(dá)33驅(qū)動行走體401。此外，在回轉(zhuǎn)體402的前部左側(cè)設(shè)有駕駛室403，在前部右側(cè)設(shè)有具有斗桿(boom)405、動臂(arm)406、挖斗(bucket)407的多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的作業(yè)裝置400。斗桿405、動臂406、挖斗407分別通過作為液壓致動器(actuator)的斗桿缸32a、 動臂缸32b、挖斗缸32c而被驅(qū)動。圖2是表示圖1所示的混合動力式液壓挖掘機(jī)的驅(qū)動部的結(jié)構(gòu)以及所搭載的第一實(shí)施方式涉及的電源系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)的示意圖。行走用液壓馬達(dá)33以及作業(yè)裝置驅(qū)動用液壓致動器(動臂缸32b、挖斗缸32c) 通過從發(fā)動機(jī)10驅(qū)動的液壓泵31吐出的工作油而被驅(qū)動。并且，發(fā)動機(jī)10與電動發(fā)電機(jī) (motor generator) 8連接，電動發(fā)電機(jī)8通過發(fā)動機(jī)10而被驅(qū)動，還通過液壓泵31而被驅(qū)動來進(jìn)行再生動作。行走用液壓馬達(dá)33、動臂缸32b以及挖斗缸32c經(jīng)由控制閥34與各液壓泵31連通，收授工作油?；剞D(zhuǎn)體402通過回轉(zhuǎn)用的交流馬達(dá)36a可在行走體401上回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)用馬達(dá)36經(jīng)由變換器37a、動臂驅(qū)動用馬達(dá)36b經(jīng)由變換器37b與電池12以及DC/DC轉(zhuǎn)換器 (DC/DC converter) 15連接。此外，DC/DC轉(zhuǎn)換器15與電容13連接，在與馬達(dá)36^3 之間進(jìn)行動力運(yùn)行/再生能量的收授。變換器37a以及37b與控制器11連接，通過控制器11而被控制。此外，控制器11 根據(jù)未圖示的操作桿的操作量、基于車速或回轉(zhuǎn)速度等車體信息的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)速、變換器的電流值、由作業(yè)裝置所挖掘的砂土等裝載物的載重等信息，來控制電源系統(tǒng)1、與由發(fā)動機(jī)10驅(qū)動的電動發(fā)電機(jī)8連接的變換器9、以及發(fā)動機(jī)控制單元(EOT =Engine Control Unit)15。液壓挖掘機(jī)等建筑機(jī)械或叉車等工業(yè)車輛中，由于作業(yè)模式已大致決定，所以根據(jù)作業(yè)模式容易推定所需要的動力運(yùn)行能量或產(chǎn)生的再生能量。S卩，通過使用當(dāng)前的動作狀態(tài)和預(yù)先獲得的動作模式信息來推定下一次的動力運(yùn)行/再生的變化點(diǎn)(從動力運(yùn)行到再生或者從再生到動力運(yùn)行的動作的變化時(shí)間點(diǎn))，對應(yīng)于推定出的變化時(shí)間點(diǎn)運(yùn)算出能夠相對于電容輸入輸出的能量，并能與運(yùn)算出的能量相符地決定電容13的目標(biāo)電壓Vc*。在本實(shí)施方式中，在作為負(fù)載的馬達(dá)36a與電容13之間設(shè)有DC/DC轉(zhuǎn)換器14，可使電容側(cè)的電壓進(jìn)行升壓降壓。這里，電池12的電壓為48V，而電容13側(cè)的電壓在例如 48V 90V的電壓范圍內(nèi)工作。在該電壓系統(tǒng)1中，控制DC/DC轉(zhuǎn)換器14當(dāng)電容13的充電量不足時(shí)從電池12充電，當(dāng)電容13的充電量接近可充電的上限值時(shí)、或者到達(dá)上限值時(shí)，對電池12進(jìn)行充電。然而，由于鉛蓄電池在充電時(shí)的損失較大，所以無法高效地將再生能量回收到電池。此外，若以大電流反復(fù)對鉛蓄電池進(jìn)行充放電，則導(dǎo)致劣化有縮短壽命的趨勢。因此， 在回轉(zhuǎn)動作時(shí)，在重復(fù)進(jìn)行電動機(jī)的動力運(yùn)行和再生的情況下，希望盡可能地利用電容13 的充放電。由此能夠提高充放電的能量效率。圖3是表示圖2所示的控制器11的各功能的框圖。一般來講，由于建筑機(jī)械中重復(fù)進(jìn)行動作的情況較多，所以對于動力運(yùn)行和再生的變化點(diǎn)、例如是回轉(zhuǎn)動作的話從加速到減速的變化點(diǎn)，根據(jù)回轉(zhuǎn)角度或回轉(zhuǎn)速度而預(yù)先知道的情況較多。本實(shí)施方式中的動作推定單元19根據(jù)操作桿的操作量、回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩、設(shè)于各致動器的行程傳感器(stroke sensor)的信息等來預(yù)先獲得并保存動作模式信息，該動作模式信息包含進(jìn)行重復(fù)作業(yè)中的動力運(yùn)行/再生的變化點(diǎn)。此外，根據(jù)該保存有的動作模式信息和當(dāng)前的動作信息來推定下一動力運(yùn)行/再生的變化點(diǎn)以及含有該變化點(diǎn)的動作模式。例如，當(dāng)回轉(zhuǎn)用的交流馬達(dá)36a進(jìn)行動力運(yùn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)為回轉(zhuǎn)加速過程中，能夠根據(jù)此時(shí)(當(dāng)前)的回轉(zhuǎn)速度或馬達(dá)轉(zhuǎn)矩、回轉(zhuǎn)馬達(dá)用變換器的電流值、以及所述的預(yù)先保存有的所述動作模式信息，來推定出何時(shí)變化成用于停止的制動再生動作(變化點(diǎn))。此外，能夠根據(jù)桿操作來推定變化的方向(從動力運(yùn)行到再生、或者從再生到動力運(yùn)行)。例如，當(dāng)通過桿的操作斗桿405或者動臂406為上升動作(動力運(yùn)行動作)時(shí)， 能夠推定為下一動作是下降動作、即再生動作。動力運(yùn)行/再生能量運(yùn)算單元16根據(jù)當(dāng)前的回轉(zhuǎn)加減速度所需的回轉(zhuǎn)用馬達(dá)36a 的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信息、預(yù)先保存有的動作模式以及動作推定單元19推定出的變化點(diǎn)的信息， 來運(yùn)算到動力運(yùn)行/再生動作變化點(diǎn)為止的時(shí)間延遲(延遲時(shí)間)以及到延遲時(shí)間為止要求的動力運(yùn)行/再生能量。電容輸入輸出能量運(yùn)算單元17計(jì)算是否能全部從電容13輸出負(fù)載的動力運(yùn)行/ 再生能量、或者電容是否能接受所有再生能量。電池輸入輸出能量運(yùn)算單元20根據(jù)電容輸入輸出能量運(yùn)算單元17的所述計(jì)算結(jié)果，在負(fù)載為動力運(yùn)行時(shí)計(jì)算是否需要從電池12放電，或者在負(fù)載進(jìn)行再生時(shí)計(jì)算是否還應(yīng)該對電池12進(jìn)行充電。電容目標(biāo)電壓運(yùn)算單元18根據(jù)由動力運(yùn)行/再生能量運(yùn)算單元16運(yùn)算的動力運(yùn)行/再生能量運(yùn)算來決定電容13的最終目標(biāo)電壓Vc*。例如，再生時(shí)的電容13的目標(biāo)電壓 Vc*設(shè)定為由電容13盡可能地接受再生能量的值。此時(shí)，依據(jù)動作模式信息控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流，由此能夠逐漸地對電容13的電壓進(jìn)行升壓。如上述說明，在第一實(shí)施方式中，能夠根據(jù)回轉(zhuǎn)時(shí)的回轉(zhuǎn)模式的動作模式信息等， 計(jì)算出能夠?qū)﹄娙莩浞烹姷哪芰縀，并能計(jì)算出電容電壓指令值Vc*。再生時(shí)，通過控制DC/DC轉(zhuǎn)換器14使得依據(jù)例如基于回轉(zhuǎn)速度的動作模式信息來對電容13的目標(biāo)電壓Vc*進(jìn)行升壓，能夠避免劇烈的目標(biāo)電壓變化，同時(shí)能夠減少對電池 12進(jìn)行充電的狀況，并能防止對電池充電導(dǎo)致的效率降低。此外，通過擴(kuò)大電容13的充放電電壓范圍，能夠使電容13小型化。圖4是回轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)動作中的電容的目標(biāo)電壓的變化模式例的示意圖。電容的目標(biāo)電壓從回轉(zhuǎn)開始時(shí)的Vci開始隨著加速時(shí)的動力運(yùn)行導(dǎo)致的能量消耗而逐漸降低。在Vci成為了 Vcl的時(shí)刻從動力運(yùn)行變化為再生，通過再生時(shí)(減速時(shí)) 的能量再生，Vci逐漸上升最終成為Vcf并停止。這里，在從動力運(yùn)行變化到再生時(shí)電容的目標(biāo)電壓Vci從Vcl向Vc2階梯狀 (stepwise)上升，是由于摩擦等機(jī)械損耗以及變換器的效率等引起的電氣損耗使得在再生過程中無法全部回收在動力運(yùn)行中獲得的動能和勢能。同樣地，在回轉(zhuǎn)動作的結(jié)束時(shí)刻的目標(biāo)電壓Vcf相對于開始時(shí)刻Vci為了補(bǔ)償損耗量而被設(shè)定地高一些。這里，控制器的響應(yīng)性成為問題是從動力運(yùn)行變化到再生時(shí)的目標(biāo)電壓的急速上升，若能預(yù)先知道該變化點(diǎn)則能夠如期地控制控制器的響應(yīng)性。圖5是用于說明控制器11的處理(計(jì)算出電容的電壓指令值的處理)的圖。
在圖5的步驟40中，輸入桿的操作量、回轉(zhuǎn)速度。在步驟41中，輸入回轉(zhuǎn)用馬達(dá)36b的轉(zhuǎn)矩指令值Trcf以及回轉(zhuǎn)速度《m。在步驟42中，使用這些信息計(jì)算出負(fù)載的輸出Rii。例如，將馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩指令值 Trcf和回轉(zhuǎn)速度ωπι相乘通過公式(1)計(jì)算出回轉(zhuǎn)過程中的回轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸出Rii。Pm = Trq*· com (1)這里，根據(jù)Rn是否大于0能夠判斷出馬達(dá)是否輸出驅(qū)動力(馬達(dá)是否為動力運(yùn)行時(shí))、是否制動而進(jìn)行再生(是否為再生時(shí))。此外，這里使用馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩指令值和回轉(zhuǎn)速度來進(jìn)行判斷，但也可以根據(jù)流過變換器4的DC電流Idc的正負(fù)來判斷是向電源裝置放電還是從電源裝置供電。另外，還可以根據(jù)在步驟40中所輸入的操作桿的操作量來計(jì)算出負(fù)載的輸出Rii。在步驟43中，輸入電池電流lb、電池電壓Vb。在步驟44中，輸入電容電壓Vc、電容電流Ic。這里，電容13的目標(biāo)電壓Vc在馬達(dá)的動力運(yùn)行時(shí)和再生時(shí)不同，根據(jù)電池電壓Vb或電容13電壓Vc來決定。例如，在馬達(dá)的動力運(yùn)行時(shí)，盡可能地消耗在電容13中蓄積的能量，使得不從電池放電。由此，當(dāng)電容電壓Vc高于電池電壓Vb時(shí)，使電容13的目標(biāo)電壓Vc*降低，控制DC/ DC轉(zhuǎn)換器14以使從電容13獲取動力運(yùn)行能量。此外，在馬達(dá)的再生時(shí)，盡可能地將再生能量回收到電容13中，使得不對電池充電。由此，當(dāng)電容電壓Vc低于預(yù)定值時(shí)，使電容13的目標(biāo)電壓Vc*上升，控制DC/DC轉(zhuǎn)換器14以使將再生能量回收到電容13中。因此，在步驟45中，根據(jù)電池電流lb、電池電壓Vb、電容電壓Vc、電容電流Ic、動力運(yùn)行/再生能量Rn、勢能，推定出能夠相對于電容輸入輸出的能量數(shù)量。在本實(shí)施方式中，通過對當(dāng)前的電容電壓Vc逐次計(jì)算能充放電的能量數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)能夠相對于電容輸入輸出的能量數(shù)量。如果是動力運(yùn)行時(shí)，電容電壓Vc越高，能放電的能量數(shù)量越多，隨著電壓降低能放電的能量數(shù)量變少。如果是再生時(shí)，電容電壓Vc越低，能夠充電的能量數(shù)量越多，隨著電容電壓Vc變高，能充電的能量數(shù)量變少。S卩，預(yù)先決定出相對于當(dāng)前的電容電壓Vc能夠充放電的能量數(shù)量。因此，為了根據(jù)電容電壓推定出能夠輸入輸出的能量，可以用表等來保存預(yù)先獲得的遵照動作模式信息的電容電壓和可充放電的能量數(shù)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。接下來，計(jì)算出回轉(zhuǎn)動作時(shí)的再生能量數(shù)量，根據(jù)計(jì)算出的能量數(shù)量，在步驟46 中運(yùn)算出電容13的電壓指令值Vc*。S卩，通過當(dāng)前的回轉(zhuǎn)加速度或者回轉(zhuǎn)角度來獲知直到動力運(yùn)行/再生動作變化點(diǎn)為止的余裕度(時(shí)間的余裕)，如果在動力運(yùn)行和再生動作發(fā)生變化的變化點(diǎn)以前預(yù)先發(fā)行與控制器的響應(yīng)延遲相抵消的控制指令，則能夠提高DC/DC轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)性。這里，考慮用于在空的挖斗中裝入裝載物的回轉(zhuǎn)動作。設(shè)回轉(zhuǎn)體的慣性力矩為I， 角速度為ω，則用下述公式來表示通過動能產(chǎn)生的再生能量。Ev = KvI ω2 (2)其中，Kv表示預(yù)先設(shè)定的常數(shù)。當(dāng)再生動能Ev時(shí)，由于摩擦引起的機(jī)械損耗等可能無法再生全部的能量，所以估計(jì)為再生例如70%程度。此時(shí)，Kv = 0.7。由于液壓挖掘機(jī)或叉車等中已決定了作業(yè)模式， 所以Kv可以大致視為一定。由此，能夠通過下述公式計(jì)算出電容電壓指令值Vc*。此外，Emax是由電容的額定決定的能蓄電的能量的最大值，C是電容的容量。Vc*=V2(Emax-Ev)/C(3)如公式C3)所示控制成當(dāng)前的行走速度越大、或者升降機(jī)(lift)的高度以及載重越大，即動能或勢能越大，越降低電容電壓指令值Vc*。在步驟47中，根據(jù)以上算出的電容電壓指令值Vc^H十算出DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流指令值。通過上述的電容電壓指令值Vc*和能夠相對于電容13輸入輸出的能量之間的關(guān)系，如下述那樣決定電池的充放電電流。例如，在加速行走時(shí)馬達(dá)3a進(jìn)行動力運(yùn)行的情況下(Rn > 0)，比較能夠從電容13 輸出的能量和行走所需要的能量E，如果能夠全部從電容13輸出，則可以不從電池12放電地輸出從負(fù)載請求的能量。由此，若將電容的容量設(shè)為C[F]，則C/2*(Vc~2-V(T2) =E成立，可以計(jì)算出電容電壓指令值Vc*。由此，在放電時(shí)通過控制DC/DC轉(zhuǎn)換器14使得成為電容電壓指令值Vc*，來從電容13供給全部能量。此時(shí)，不從電池12供給能量，S卩，控制成電池電流rt = 0。在電容電壓Vc為電池電壓Vb以下時(shí)，控制成從電池12向負(fù)載供給能量。此外，在回轉(zhuǎn)時(shí)馬達(dá)36a輸出再生能量時(shí)(Rn彡0)，比較能夠回收到電容13的能量和減速時(shí)應(yīng)該再生的能量和能夠蓄電到電容13的能量數(shù)量，如果能夠全部回收到電容， 則不對電池12充電地回收全部再生能量。由此，DC/DC轉(zhuǎn)換器在再生時(shí)(充電時(shí))進(jìn)行升壓控制使得成為電容電壓指令值 Vc*，將能量充電到電容。其中，當(dāng)電容13的Vc接近滿充電時(shí)控制成向電池12充電。此外，在動力運(yùn)行時(shí)消耗能量較少、電容13的電壓Vc不降低的情況下，也可以對電池12進(jìn)行微量充電，來消耗電容13的能量。這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，在再生時(shí)可以不用大電流對電池12進(jìn)行充電，并能將幾乎所有的再生能量回收到電容13中，提高了電容的利用效率。此外，在以微量的電流值Λ 對電池12進(jìn)行充電時(shí)，可以高效地對電池12進(jìn)行充電。此外，在對電容13充電的能量較少時(shí)，即在電容13的電壓Vc為與電池電壓Vb同等或以下時(shí)，控制成從電池充電。如上述說明，根據(jù)本實(shí)施方式，在液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)重復(fù)加速和停止、或者斗桿重復(fù)上升和下降這樣的狀況下，盡可能地使用電容13進(jìn)行能量的輸入輸出。由此，在對現(xiàn)有的電池(鉛蓄電池)進(jìn)行充放電時(shí)能夠降低再生時(shí)產(chǎn)生的損失。此外，由于還能減少電池的容量所以能實(shí)現(xiàn)小型化，并能夠提高電源系統(tǒng)的利用效率。(實(shí)施方式2)以下對第二實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖6是用于說明搭載了第二實(shí)施方式涉及的電源系統(tǒng)的叉車的圖。圖7是用于說明圖1所示的電源系統(tǒng)1的詳細(xì)情況以及叉車中的控制系統(tǒng)的圖。 圖7中，電源系統(tǒng)1具備電池12以及電容13。電池12是鉛蓄電池或者鋰離子電池，這里假設(shè)是電壓為48V的鉛蓄電池。電容13可以由電雙層電容器等構(gòu)成，容量為數(shù)十F。變換器4中通常流過150A程度的電流，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)有時(shí)也流過300A 400A。 當(dāng)使用鉛蓄電池作為電池12時(shí)，雖然也與叉車的工作量以及1天的工作時(shí)間有關(guān)，但400Ah程度的容量是必須的。叉車2具備桅桿部(mast)7、叉8、加速器、制動器等的踏板9、行走用的交流馬達(dá) 3a。交流馬達(dá)3a的驅(qū)動力被傳遞到驅(qū)動輪10，驅(qū)動驅(qū)動輪10。此外，通過來自控制器11 的指令控制的變換器4控制交流馬達(dá)3a的輸出。交流馬達(dá)3a可以為與驅(qū)動輪直接連接的結(jié)構(gòu)，也可以為經(jīng)由齒輪連接的結(jié)構(gòu)。交流馬達(dá)3a是電動發(fā)電機(jī)(motor generator)，當(dāng)動力運(yùn)行工作時(shí)作為馬達(dá)產(chǎn)生驅(qū)動力，當(dāng)通過驅(qū)動輪10而被驅(qū)動時(shí)作為發(fā)電機(jī)而工作來再生能量。為了任意控制交流馬達(dá)3a產(chǎn)生的動力而設(shè)有變換器如。即，變換器如在動力運(yùn)行時(shí)將電源系統(tǒng)1中積蓄的直流電力變換成交流電力并供給到交流馬達(dá)3a。變換器如在再生時(shí)將交流馬達(dá)3a輸出的交流電力變換成直流電力并供給到電源系統(tǒng)1?？刂破?1根據(jù)駕駛員操作的踏板9或者制動器的操作量、或者各部件的狀態(tài)來計(jì)算對交流馬達(dá)3a的轉(zhuǎn)矩指令等，控制車輛。在叉車2中使用桿6來操作叉8的升降機(jī)動作以及傾斜動作。為了進(jìn)行升降機(jī)動作而具備交流馬達(dá)北。并且，為了使叉8在上下方向上升降，叉車2具備將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換成上下方向的直線運(yùn)動的致動器。叉8由兩根一組的爪而構(gòu)成，所以交流馬達(dá)北的輸出被傳遞到致動器，并經(jīng)由未圖示的連接器(coupler)而被分配到兩根爪，并通過接收到來自控制器11的指令的變換器4b來被控制。在叉的上升時(shí)通過變換器4b來驅(qū)動交流馬達(dá)北，在叉的下降時(shí)通過載荷的勢能將交流馬達(dá)北驅(qū)動為發(fā)電機(jī)，并將再生的能量供給到電源系統(tǒng)1。這里示例了具備1個(gè)升降機(jī)用的交流馬達(dá):3b的結(jié)構(gòu)，但也可以是將升降機(jī)用的左右爪分別由交流馬達(dá)北以及交流馬達(dá)3c來驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，即也可以是通過獨(dú)立的直動型致動器來進(jìn)行升降的結(jié)構(gòu)。此時(shí)， 兩個(gè)交流馬達(dá)由對應(yīng)設(shè)置的各自的變換器來控制。此外，在本實(shí)施方式中也使用圖2所示的控制器來作為圖7所示的控制器。在本例子中也是，動作推定單元19根據(jù)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩、踏板9、致動器或桿6 等的操作量、以及搭載于叉8的載重的信息，如果當(dāng)前是動力運(yùn)行動作則接下來是再生、如果當(dāng)前是再生動作則接下來是動力運(yùn)行，從而推定出到下一動作的變化點(diǎn)。例如踏下加速器時(shí)是行走過程中，可以推定出下一動作是用于停車的再生動作。 此外，當(dāng)通過桿6的操作叉8為上升過程中時(shí)，可以推定出下一動作是叉8下降的動作所以為再生動作。當(dāng)像這樣行走時(shí)檢測出加減速度、或者在裝卸動作過程中通過檢測出升降機(jī)的上升下降動作可以推定出動力運(yùn)行和再生的動作變化時(shí)刻。此外，根據(jù)此時(shí)(當(dāng)前的) 行走或者裝卸馬達(dá)轉(zhuǎn)矩、或者變換器的電流值、以及預(yù)先取得并保持有的動作模式信息，可以推定出何時(shí)變成用于停止的制動再生動作(變化點(diǎn))。在本實(shí)施方式中，根據(jù)叉車2的動作或各組件的狀態(tài)控制DC/DC轉(zhuǎn)換器14的電流使得電容13的電壓Vc成為所希望的值。圖8是表示叉的上升以及下降時(shí)各種輸出的變化的圖，圖8(a)表示負(fù)載輸出，圖 8(b)表示電池電流以及電容電流，圖8 (c)表示電池電壓以及電容電壓，圖8(d)表示電池以及電容的輸出變化。如圖8所示，在叉開始上升的區(qū)間㈧中，由于從電容輸出能量，所以控制成電池中不流過電流Ib，使電容電壓Vc下降。在電容電壓Vc下降到電池電壓Vb以后的區(qū)間⑶中，從電池12供給能量。接下來，在叉下降時(shí)再生能量，但在該再生區(qū)間(C)中，控制成使電容電壓Vc升壓以使電池電流Λ = 0。由此可知電容13的電壓上升、通過電容來回收所有再生能量。如上述說明，在叉車重復(fù)行走和停止這樣的動作模式中，盡可能地使用電容13來進(jìn)行能量的輸入輸出。由此，可以減少現(xiàn)有的鉛蓄電池中再生時(shí)的損失，從而提高電源系統(tǒng)的利用效率。在以上說明中，示例了電池叉車行走時(shí)的行走用馬達(dá)3a的例子，對于升降機(jī)用馬達(dá):3b、3c的情況也是相同。在升降機(jī)用馬達(dá):3b、3c的情況下，有在叉中載有貨物的狀態(tài)下使叉上升或下降的情況、以及在載有貨物的狀態(tài)下使叉上升卸下貨物然后下降的情況等多種多樣的狀況。即使在這樣的情況下，也可以通過使用在圖3所示的動作推定單元19中獲得的操作桿的信息，來推測有負(fù)載(貨物)的情況和沒有負(fù)載的情況。例如在和升降機(jī)動作一起加入了傾斜動作時(shí)，若搭載有貨物，則在有再次傾斜動作時(shí)可以推測為是卸下貨物這樣的狀況等。此外，通過設(shè)有載重傳感器來計(jì)測貨物的重量，可以推定出在升降機(jī)降下時(shí)獲得怎樣程度的再生能量。通過事先推定出再生能量可以判斷出是否能將所有再生能量回收到電容13中。此外，與行走用馬達(dá)3a的情況一樣，在升降機(jī)用的馬達(dá)時(shí)，也可以通過盡可能地由電容來進(jìn)行在叉的上升或下降時(shí)產(chǎn)生的能量的輸入輸出，來提高電源系統(tǒng)的利用效率。如以上說明，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在叉車重復(fù)行走和停止或者重復(fù)升降機(jī)的上升和下降這樣的情形中，盡可能地使用電容13來進(jìn)行能量的輸入輸出。由此能夠減少使用了現(xiàn)有電池(鉛蓄電池)的再生時(shí)的損失，從而提高效率。此外，以上對液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)動作和挖掘、叉車的行走動作和升降機(jī)動作進(jìn)行了說明，但對于其它建筑機(jī)械也同樣可以應(yīng)用。例如可以應(yīng)用于輪式裝載機(jī)(wheel loader)中的前進(jìn)和后退、砂土的裝載、卸載動作等。如上所述，由于建筑機(jī)械中與汽車不同其動作幾乎被固定，所以能夠適當(dāng)?shù)毓芾砟芰渴罩А７栒f明1電源系統(tǒng)，2叉車，3交流馬達(dá)，4變換器，5柱塞(plug)，6操作桿，7桅桿部，8叉，12電池，13電容，14DC/DC轉(zhuǎn)換器，16動力運(yùn)行/再生能量推定單元，17電容輸入輸出負(fù)載能量推定單元，18電容目標(biāo)電壓運(yùn)算單元，19動作推定單元，20電池輸入輸出能量運(yùn)算單元
權(quán)利要求
1.一種具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛，該電源系統(tǒng)具備可充放電的電容; 以及供電電路，其將可充放電的電池以及所述電容與能夠進(jìn)行動力運(yùn)行以及再生的負(fù)載相連接，在所述電源系統(tǒng)中經(jīng)由變換器將在所述電容中積蓄的能量供電到負(fù)載，經(jīng)由所述變換器將負(fù)載的再生能量充電到電容，所述具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛的特征在于， 所述負(fù)載是電動馬達(dá)，并且所述電容經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器與負(fù)載連接， 該DC/DC轉(zhuǎn)換器具備控制單元，其控制所述電容經(jīng)由該DC/DC轉(zhuǎn)換器充放電的能量， 所述控制單元具備動力運(yùn)行/再生動作推定單元，其根據(jù)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩、或者供給到變換器的DC 電流、或者操作桿信息、以及包含預(yù)先保存有的重復(fù)作業(yè)中的動力運(yùn)行/再生的變化點(diǎn)的動作模式信息，來推定包含馬達(dá)的動力運(yùn)行/再生的變化點(diǎn)的動作模式；以及電容目標(biāo)電壓運(yùn)算單元，其根據(jù)該動力運(yùn)行/再生動作推定單元推定出的變化點(diǎn)以及動作模式來控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出指令值，以使電容的目標(biāo)電壓在動力運(yùn)行的情況下逐漸降低、在再生的情況下逐漸升高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛，其特征在于， 根據(jù)所述動力運(yùn)行/再生動作推定單元推定出的動作模式，發(fā)行如下命令在比動力運(yùn)行和再生的變化點(diǎn)早相當(dāng)于所述控制單元的響應(yīng)延遲的量時(shí)，使電容的目標(biāo)電壓階梯狀地變化與動力運(yùn)行和再生之間的能量損耗相當(dāng)?shù)碾妷毫康拿睢?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛，其特征在于， 所述控制單元具備用于推定動力運(yùn)行/再生能量的推定單元；以及電容輸入輸出能量推定單元，其依據(jù)該推定單元推定出的能量以及電容電壓來推定應(yīng)該相對于所述電容輸入輸出的能量，所述控制單元依據(jù)該電容輸入輸出能量推定單元推定出的輸入輸出能量來運(yùn)算電容的目標(biāo)電壓，并根據(jù)該目標(biāo)電壓來控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出指令值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛，其特征在于， 所述控制單元具備電池輸入輸出能量推定單元，其依據(jù)所述動力運(yùn)行/再生能量推定單元推定出的能量以及電池電壓來推定能夠相對于所述電池輸入輸出的能量，所述控制單元依據(jù)動力運(yùn)行/再生能量以及該電池輸入輸出能量推定單元推定出的輸入輸出能量來運(yùn)算電容的目標(biāo)電壓，并根據(jù)該目標(biāo)電壓來控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出指令值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛，其特征在于，所述控制單元具備電容輸入輸出能量推定單元，其依據(jù)所述動力運(yùn)行/再生能量推定單元推定出的電力以及電容電壓來推定應(yīng)該相對于所述電容輸入輸出的電力，所述控制單元依據(jù)該電容輸入輸出能量推定單元推定出的輸入輸出能量來運(yùn)算電容的目標(biāo)電壓，并隨之控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出指令值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛，其特征在于， 所述建筑機(jī)械或者工業(yè)機(jī)械具備與所述負(fù)載連接的電池，所述控制單元具備電池輸入輸出能量推定單元，其依據(jù)所述動力運(yùn)行/再生能量推定單元推定出的電力以及電池電壓來推定應(yīng)該相對于所述電池輸入輸出的電力，所述控制單元依據(jù)該電池輸入輸出能量推定單元推定出的輸入輸出能量來運(yùn)算電容的目標(biāo)電壓，并隨之控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出指令值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛，其特征在于， 所述建筑機(jī)械或者工業(yè)機(jī)械具備與所述負(fù)載連接的電池，所述控制單元在當(dāng)前的工作狀態(tài)為再生動作時(shí)控制所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出以使所述電容電壓升壓。
全文摘要
高效地回收再生能量，對電池或者電容的電壓進(jìn)行最佳控制。一種具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛，該電源系統(tǒng)具備可充放電的電容；以及供電電路，其將可充放電的電池以及所述電容與能夠進(jìn)行動力運(yùn)行以及再生的負(fù)載相連接，在所述電源系統(tǒng)中經(jīng)由變換器將在所述電容中積蓄的能量供電到負(fù)載，經(jīng)由所述變換器將負(fù)載的再生能量充電到電容，所述具備電源系統(tǒng)的建筑機(jī)械或者工業(yè)車輛的特征在于，所述負(fù)載是電動馬達(dá)，并且所述電容經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器與負(fù)載連接，該DC/DC轉(zhuǎn)換器具備控制單元，其控制所述電容經(jīng)由該DC/DC轉(zhuǎn)換器充放電的能量，所述控制單元具備動力運(yùn)行/再生動作推定單元，其根據(jù)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩、或者供給到變換器的DC電流、或者操作桿信息、以及包含預(yù)先保存有的重復(fù)作業(yè)中的動力運(yùn)行/再生的變化點(diǎn)的動作模式信息，來推定包含馬達(dá)的動力運(yùn)行/再生的變化點(diǎn)的動作模式；以及電容目標(biāo)電壓運(yùn)算單元，其根據(jù)該動力運(yùn)行/再生動作推定單元推定出的變化點(diǎn)以及動作模式來控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出指令值，使得電容的目標(biāo)電壓在動力運(yùn)行的情況下逐漸降低、在再生的情況下逐漸升高。
文檔編號B60L11/18GK102325947SQ20108000883
公開日2012年1月18日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者伊君高志, 正野信夫, 泉枝穗, 金子悟 申請人:日立建機(jī)株式會社