具备电动机的工程机械的直流端电压控制装置及其方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及具备电动机的工程机械的直流端电压控制装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着油价急剧上升，对于将发动机的剩余动力存储于电池并由电池提供 发动机的不足动力，从而改善油耗的混合动力型工程机械的研宄正在活跃地进行。
[0003] 如上所述，将发动机和电动机用作共同动力源并具有电能存储装置的系统称为混 合动力系统。例如，在混合动力系统中存在混合动力汽车和挖掘机等重型设备用混合动力 系统。
[0004] 普通的挖掘机系统以发动机为动力源，通过所谓的液压的介质，执行使作为最终 负载的动臂、斗杆及铲斗驱动而回转或行驶的动作。与此不同，混合动力挖掘机系统通过对 普通的挖掘机追加设置2个电动机和储电装置，能够提高挖掘机系统的整体效率。对混合 动力挖掘机系统追加的主要部件包括电动机、储能装置、逆变器和变换器。其中，储能装置 包括电池（Battery)和超级电容器（Ultra-Capacitor，UC)。
[0005] 通常，在混合动力挖掘机中，逆变器和变换器的电力转换所需要的直流端电压因 发动机辅助电动机的输出、回转电动机的输出的不平衡而变动。因此，使用用于恒定地保持 直流端电压的储能装置用变换器。
[0006] 此时，决定变换器的充放电动作的基准电压、即直流端电压控制器的指令电压与 工程机械的运转无关而具有定值。此外，该指令电压选择较大值，以便可以应对能够使发动 机辅助电动机、回转电动机运转的全部速度和力矩区域。
[0007] 控制这样的混合动力挖掘机的直流端电压的方法如下。通常，与直流端连接的发 动机辅助用逆变器、回转驱动用逆变器、储能装置用变换器由半导体开关构成。半导体开关 在驱动中发生的能量损失与输出的电流、开关频率、直流端电压成比例。输出的电流的大小 由负载条件决定。开关频率主要由输出端电感和电流脉动的大小决定。在直流端电压的情 况下，主要设计成可以在半导体开关所容许的电压范围内能够应对使发动机辅助电动机、 回转电动机运转的全部速度和力矩区域的最大电压。
[0008] 如果这样在混合动力挖掘机中以低速驱动发动机辅助电动机或回转电动机，则与 逆变器驱动无关地使直流端电压保持得过大，从而产生不必要的损失。特别是低速高力矩 区域的损失存在较大问题。
【发明内容】
[0009] 技术课题
[0010] 本发明是为了解决上述问题而独创的发明，其目的在于提供一种具备电动机的工 程机械的直流端电压控制装置及其方法，所述直流端电压控制装置通过考虑回转电动机、 发动机辅助电动机和储能装置的运转条件将直流端电压改变为最佳电压，能够提高逆变器 和变换器等电力转换装置的能量效率。
[0011] 解决技术的方法
[0012] 为了实现上述目的，根据本发明中公开的实施例，能够提供一种具备电动机的工 程机械的直流端电压控制装置，其特征在于，包含：至少一个逆变器，分别与将电能转变为 机械能或将机械能再生为电能的至少一个电动机连接而用于控制上述至少一个电动机；变 换器，与存储由上述至少一个电动机产生的再生电力的储能装置连接而用于控制上述储能 装置；直流端电容器，连接于上述至少一个逆变器和上述变换器之间，通过上述至少一个逆 变器获得电力供应或通过上述变换器回收上述再生电力；以及控制部，产生上述至少一个 逆变器各自需求的至少一个逆变器需求电压和上述变换器中需求的变换器需求电压，并且 基于上述产生的至少一个逆变器需求电压和上述变换器需求电压可变地控制上述直流端 电容器的直流端电压。
[0013] 另一方面，根据本说明书中公开的实施例，能够提供一种具备电动机的工程机械 的直流端电压控制方法，其特征在于，包括：逆变器需求电压产生步骤，产生分别与至少一 个电动机连接的至少一个逆变器中需求的至少一个逆变器需求电压；变换器需求电压产生 步骤，产生与储能装置连接的变换器中需求的变换器需求电压；以及电压控制步骤，基于上 述产生的至少一个逆变器需求电压和上述变换器需求电压可变地控制通过上述至少一个 逆变器获得电力供应或通过上述变换器回收上述再生电力的直流端电容器的直流端电压。
[0014] 有益效果
[0015] 根据本发明公开的实施例，通过可变地控制直流端电压，能够提高电力转换装置 的能量效率而降低损失电力。
[0016] 此外，根据本发明公开的实施例，通过损失电力的降低，减少冷却系统中使用的电 力，不仅能够提高电力转换装置的效率，还能够提高整个系统的效率。
[0017] 此外，根据本发明公开的实施例，不局限于混合动力工程机械，也能够应用于具有 储能装置和回转电动机的电动挖掘机。在该情况下，可以仅去除上述说明中的发动机辅助 电动机的作用而应用。其中，在电动工程机械的情况下，可以使用电动式行走电动机来代替 回转电动机。
【附图说明】
[0018] 图1是包含根据本发明的实施例的直流端电压控制装置的混合动力工程机械的 构成图。
[0019] 图2是包含根据本发明的实施例的直流端电压控制装置的电动工程机械的构成 图。
[0020] 图3是根据本发明的实施例的直流端电压控制装置的控制部的详细构成图。
[0021] 图4是关于根据本发明的实施例的直流端电压控制装置中产生逆变器需求电压 的框图。
[0022] 图5是关于以往的固定式直流端电压控制方法的说明图。
[0023] 图6是关于根据本发明的实施例的可变式直流端电压控制方法的说明图。
【具体实施方式】
[0024] 应当理解，本说明书中使用的技术用语仅用于说明特定实施例，没有限定本发明 的意图。此外，本说明书中使用的技术用语只要在本说明书中没有特别进行其他说明，就应 当以本发明所属技术领域中普通技术人员的常规理解来解释，不应该解释成过度放大的意 义或解释成过度缩小的意义。此外，当本说明书中使用的技术用语为未能够正确表达本发 明的思想的错误技术用语时，本领域技术人员应当用能够正确理解的技术用语来代替而进 行理解。此外，本发明中使用的一般用语应当根据辞书中的定义或根据上下文内容进行理 解，不应当理解成过度缩小的意义。
[0025] 此外，本说明书中使用的单数表达只要在上下文中没有明确说明，就包含复数表 达。在本申请中，"构成"或"包含"等用语不应当解释成一定包含全部说明书中记载的各种 构成要素或各种步骤，应当解释成可能不包含其中一部分构成要素或一部分步骤，或者可 能进一步包含追加的构成要素或步骤。
[0026] 此外，对于本说明书中使用的构成要素的词缀"模块"和"部"是仅考虑便于撰写 说明书而赋予或混用的，其本身不具有彼此不同的意义或作用。
[0027] 此外，本说明书中使用的包含像第1、第2等一样的序数的用语可以用于说明多种 构成要素，但上述构成要素不应当受到上述用语的限制。上述用语仅用于区别一个构成要 素与另一个构成要素的目的。例如，可以在不脱离本发明的权利范围内将第1构成要素命 名为第2构成要素，类似地，也可以将第2构成要素命名为第1构成要素。
[0028] 以下，参照附图对根据本发明的优选实施例进行详细说明，与附图标记无关地，对 相同或类似的构成的要素附上相同的参照符号，省略对此的重复说明。
[0029] 此外，在说明本发明时，当判断对相关公知技术的具体说明会混淆本发明的要旨 时，会省略对其详细说明。此外，应当注意，附图仅用于使本发明的思想便于理解，不应当解 释成本发明的思想会受到附图的限制。
[0030] 图1是根据本发明的实施例的包含直流电压控制装置的混合动力工程机械的构 成图。
[0031] 如图1所示，混合动力工程机械（100)包括液压泵（101)、动臂油缸（102)、斗杆油 缸（103)、铲斗油缸（104)、发动机（10)、发动机辅助电动机（110)、辅助用逆变器（111)、回 转电动机（120)、回转用逆变器（121)、储能装置（130)、DC-DC变换器（131)、直流端电容器 (140)和控制部（150)。
[0032] 具有电动旋转电动机（120)的工程机械（比如，挖掘机、装载机等）根据作为主 要动力源的发动机（10)的存在与否可大致分为混合动力工程机械（1〇〇)和电动工程机械 (图2)。为了便于本发明的说明，重点对混合动力工程机械（100)进行说明，之后，参照图 2对电动工程机械进行说明。
[0033] 图1是关于混合动力工程机械（100)的构成图。
[0034] 图示的发动机辅助电动机（110)与发动机（10)直接连接。
[0035] 与发动机辅助电动机（110)直接连接的液压泵（101)与控制液压泵（101)的压力 油的控制阀连接。通过从控制阀传递的压力油使驱动动臂、斗杆、f产斗的动臂油缸（102)、斗 杆油缸（103)和铲斗油缸（104)驱动。
[0036] 与发动机（10)直接连接的发动机辅助电动机（110)在发动机（10)的输出不足时 作为电动机运转，当发动机（10)的输出存在剩余时作为发电机运转。
[0037]辅助用逆变器（111)为了使发动机辅助电动机（110)作为电动机或发电机运转 而控制发动机辅助电动机（110)，并且根据控制部（150)的指令驱动发动机辅助电动机(110)〇
[0038] 辅助用逆变器（111)的输入端连接有直流端电容器（140)。直流端电容器（140) 发挥如下作用：使辅助用逆变器（111)的输入电压稳定，当发动机辅助电动机（1