CN104870720B - 混合动力工程机械的发动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合动力工程机械的发动机控制装置，更详细而言，其目的在于，在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中，在较低负载作业情况下，当发动机辅助电动机的目标发电量小时，把发动机的旋转速度控制得比以往的从旋钮输入及模式输入所决定的发动机旋转速度低，从而在满足为了满足能量存储装置要求的目标充电量所需的发动机辅助电动机最低旋转速度的同时，消除轻负载时不必要的能量损失，改善燃油效率。

Description

混合动力工程机械的发动机控制装置
技术领域
本发明涉及混合动力工程机械的发动机控制装置，更详细而言，涉及一种为了使具备电动式转动装置的混合动力工程机械的燃油效率性能实现最大化，能够对应于较低泵负载及较低发动机辅助电动机目标发电量，使发动机旋转速度降低的混合动力工程机械的发动机控制装置。
背景技术
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。
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***称为混合动力***。例如，在混合动力***中，有诸如混合动力汽车及挖掘机的重型设备用混合动力***。
另一方面，普通的挖掘机***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***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***的整体效率提高。
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。
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，转动装置的运动能量因能量存储装置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的构成，与以往的发动机式挖掘机相同。
以往的挖掘机发动机如图2所示，从驾驶员的旋钮输入、模式输入开关[例：P(强力)模式、S(标准)模式、E(经济)模式]接受输入，控制使得把目标发动机旋转速度保持为已设置的既定的值。因此，与负载的大小无关，发动机以既定的旋转速度驱动，因而在较低的负载作业中，发生不必要的能量损失。
另一方面，如图1所示，就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而言，转动电动机70从能量存储装置60接受电能供应并驱动。就这种混合动力挖掘机而言，在转动运转时，发动机不发生负载，因而在反复挖掘-转动-倾倒动作的代表性作业模式下，与以往的发动机式挖掘机相比，高负载作用于发动机的时间少。因此，如果应用以往的发动机旋转速度控制方法，那么可以说，混合动力挖掘机即使与以往的发动机式挖掘机比较，在较低负载作业中因不必要的较高发动机旋转速度而发生的能量损失更大。
不过，就图1的混合动力挖掘机而言，为了使能量存储装置60的电压保持于适当水平，以与发动机10相同的旋转速度驱动的发动机辅助电动机20必须能够在以适当速度以上旋转的同时生成充分的发电电压。这意味着，就混合动力挖掘机而言，不同于以往的发动机式挖掘机，即使在较低负载作业下，为了能量存储装置60的充电，也存在需较高地维持发动机旋转速度的必要性。
发明内容
技术课题
本发明正是为了解决所述问题而导出的，其目的在于，在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中，在较低负载作业情况下，当发动机辅助电动机的目标发电量小时，把发动机的旋转速度控制得比以往的从旋钮输入及模式输入所决定的发动机旋转速度低，从而在满足为了满足能量存储装置要求的目标充电量所需的发动机辅助电动机最低旋转速度的同时，消除轻负载时不必要的能量损失，改善燃油效率。
课题的解决方案
为达成所述目的，本发明在基于泵扭矩的发动机目标旋转速度中，把用于发电机的目标输出量的最低旋转速度设置为下限值，把以往的从旋钮输入及模式输入所决定的目标旋转速度设置为上限值，算出最终的发动机目标旋转速度。
更具体而言，本发明的一种混合动力工程机械的发动机控制装置，该混合动力工程机械具备发动机、发动机辅助电动机、能量存储装置、转动电动机、用于借助所述发动机的驱动力而使转动作业之外的工作机运转的泵，所述混合动力工程机械的发动机控制装置的特征在于，包括：第一发动机目标转数演算部，其基于作为所述发动机转数相关信息的旋钮输入值及作业模式输入值，算出所述发动机的第一发动机目标转数；第二发动机目标转数演算部，其基于所述发动机辅助电动机的目标发电量，算出所述发动机的第二目标转数；及发动机速度决定部，其比较所述算出的第一发动机目标转数的算出值与所述算出的第二发动机目标转数的算出值，把最低值决定为最终发动机目标旋转速度。
所述本发明的特征在于，还包括基于所述泵的扭矩来算出所述发动机的第三发动机目标转数的第三发动机目标转数演算部；所述发动机速度决定部包括：最大值算出部，其比较所述算出的第二发动机目标转数的算出值与所述算出的第三发动机目标转数的算出值，算出最大值；及最低值算出部，其比较所述算出的第一发动机目标转数的算出值与所述最大值算出部算出的最大值，算出最低值，所述发动机速度决定部把所述算出的最低值决定为最终发动机目标旋转速度。
其特征在于，所述第三发动机目标转数演算部把发动机目标转数上升的时间点的泵扭矩设置得高于发动机目标转数下降的时间点的泵扭矩，从而在泵扭矩与发动机目标转数的关系中应用滞后(Hysteresis)。
所述本发明的特征在于，还包括从所述能量存储装置的电压及目标电压算出所述发动机辅助电动机的目标发电量的PID控制器。
发明效果
在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中，本发明的混合动力工程机械的发动机控制装置在较低的负载作业情况下，当发动机辅助电动机的目标发电量小时，把发动机的旋转速度控制得比以往的从旋钮输入及模式输入所决定的发动机旋转速度低，从而能够在满足为了满足能量存储装置要求的目标充电量所需的发动机辅助电动机最低旋转速度的同时，消除轻负载时不必要的能量损失，改善燃油效率。
附图说明
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。
图2是以往的发动机旋转速度控制框图。
图3是本发明的混合动力工程机械的发动机控制装置的构成图。
图4是根据图3的泵扭矩的发动机旋转速度控制线图。
图5是以往的发动机旋转速度控制与本发明的发动机旋转速度控制比较图。
符号说明
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－第一发动机目标转数演算部，200－第二发动机目标转数演算部，300－第三发动机目标转数演算部，400－PID控制器，500－最大值算出部，600－最低值算出部。
具体实施方式
下面参照附图，详细说明本发明的实施例。本发明的构成及其作用效果通过以下详细说明将会明确地理解。在本发明的详细说明之前，对于相同的构成要素，即使标识于不同的附图上，也尽可能标识为相同的符号，对于公知的构成，当判断认为可能混淆本发明的要旨时，省略具体的说明。
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工程机械。
即，本发明如图1所示，可以应用于如下混合动力工程机械，所述混合动力工程机械具备：发动机10；发动机辅助电动机20，其借助于发动机10而驱动；能量存储装置60，其用于存储从发动机辅助电动机20接受传递的能量；转动电动机70，其借助于能量存储装置60的电能而驱动；泵30，其用于借助发动机10的驱动力，通过转动作业之外的控制阀40使工作机50运转。
图3是本发明的混合动力工程机械的发动机控制装置的构成图。
如图3所示，本发明的混合动力工程机械的发动机控制装置包括第一发动机目标转数演算部100、第二发动机目标转数演算部200、第三发动机目标转数演算部300及发动机速度算出部500、600。其中，发动机速度算出部500、600由最大值算出部500和最低值算出部600构成。
本发明的混合动力工程机械的发动机控制装置包括：第一发动机目标转数演算部100，其基于作为如图2所示以往发动机旋转速度控制中应用的发动机10转数相关信息的旋钮输入值及作业模式输入值，算出发动机10的第一发动机目标转数；第二发动机目标转数演算部200，其基于发动机辅助电动机20的目标发电量，算出发动机10的第二发动机目标转数；第三发动机目标转数演算部300，其基于泵30的扭矩，算出发动机10的第三发动机目标转数；发动机速度算出部500、600。
其中，如果具体考查发动机速度算出部500、600，最低值算出部600比较第一发动机目标转数演算部100算出的第一发动机目标转数的算出值与第二发动机目标转数部200算出的第二发动机目标转数的算出值，把最低值决定为最终发动机目标旋转速度。
另一方面，如果考查考虑了第三发动机目标转数的一个示例，最大值算出部500比较第二发动机目标转数演算部200算出的第二发动机目标转数的算出值与第三发动机目标转数演算部300算出的第三发动机目标转数的算出值，算出最大值。而且，最低值算出部600比较第一发动机目标转数演算部100算出的第一发动机目标转数的算出值与最大值算出部500算出的最大值，可以把最低值决定为最终发动机目标旋转速度。
即，借助于最低值算出部600及最大值算出部500，本发明在根据泵扭矩的发动机目标旋转速度中，把用于发电机的目标输出量的最低旋转速度设置为下限值，把从以往的旋钮输入及模式输入决定的目标旋转速度设置为上限值，可以算出最终的发动机目标旋转速度。
另一方面，在第二发动机目标转数演算部200的输入端，配置有PID控制器400，从能量存储装置60的电压及目标电压算出发动机辅助电动机20的目标发电量。
其中，在图1的混合动力工程机械中，用于能量存储装置60充电的发动机辅助电动机20的目标发电量用于补偿能量存储装置60的目标电压与实际电压的差异，为了输出辅助电动机20的目标发电量，发动机的旋转速度应保持高于从下述[数学式1]决定的最低旋转速度。
【数学式1】
说明以上构成的本发明的发动机控制装置的动作过程。
首先，第一发动机目标转数演算部100基于由使用者输入的关于发动机旋转速度的旋钮输入值和运转模式输入值[例：P(强力)模式、S(标准)模式、E(经济)模式]，算出第一发动机目标旋转速度。
配备有PID控制器400，从能量存储装置60的电压及目标电压算出发动机辅助电动机20的目标发电量后，将其传递给第二发动机目标转数演算部200的输入端。
第二发动机目标转数演算部200基于从PID控制器400接受的发动机辅助电动机20的目标发电量值，算出第二发动机目标旋转速度。
第三发动机目标转数演算部300基于泵30的扭矩，算出发动机10的第三发动机目标转数。
在考虑第三发动机目标转数的情况下，最大值算出部500在第二发动机目标转数演算部200的算出值与第三发动机目标转数演算部300的算出值中，算出最大值。
然后，最低值算出部600在第一发动机目标转数演算部100的算出值与最大值算出部500的算出值中算出最低值后，把最低值算出部600的算出值决定为最终发动机目标旋转速度。
另一方面，如图4所示，当第三发动机目标转数演算部300基于泵30的扭矩而算出发动机10的目标转数时，针对接入发动机的负载的大小，以从泵压力及倾转角度计算的扭矩信息为基础，当为轻负载作业时，相对于图4的泵扭矩，从发动机目标旋转速度线图算出发动机的目标旋转速度，使得发动机的旋转速度降低。就诸如工程机械的工程装置而言，由于泵的扭矩的变动幅大、变动速度快，因而当根据负载而使发动机的目标旋转速度可变时，存在发动机的旋转速度摆动(hunting)的问题。
为了解决这种问题，如图4所示，在泵扭矩从轻负载变为高负载、从高负载变为轻负载的时间点，应用滞后(Hysteresis)，使得能够预防因发动机的旋转速度摆动(hunting)而发生的噪声、振动。即，第三发动机目标转数演算部300把发动机目标转数上升的时间点的泵扭矩设置得高于发动机目标转数下降的时间点的泵扭矩，从而在泵扭矩与发动机目标转数的关系中，应用滞后(Hysteresis)。
另一方面，在泵扭矩从轻负载急增至高负载，要求发动机旋转速度急剧上升的情况下，发动机辅助电动机执行驱动(Motoring)动作，使发动机旋转速度快速恢复。
在根据泵扭矩的发动机目标旋转速度中，把用于发电机的目标输出量的最低旋转速度设置为下限值，把从以往的旋钮输入及模式输入而决定的目标旋转速度设置为上限值，算出最终的发动机目标旋转速度。
图5显示出应用了以往的发动机旋转速度及本发明的混合动力工程机械发动机控制方法的比较图。
在以往的发动机旋转速度控制方法中，在旋钮输入值既定的情况下，与负载无关，发动机的速度保持既定。
相反，在应用了混合动力工程机械的发动机控制方法的情况下，即使是旋钮输入值既定的情形，根据与负载有关的泵扭矩的大小，发动机目标旋转速度增加或减小。即，如果泵扭矩的大小增大，则发动机目标旋转速度增加，如果泵扭矩减小，则发动机目标旋转速度也减小。另外，可以根据旋钮输入值与泵扭矩大小间的相关比例，既定地保持发动机目标旋转速度。
另外，如图5所示，在发生发动机辅助电动机20的目标发电量的情况下，可以确认发动机目标旋转速度与发生的该发动机辅助电动机20的目标发电量相应地减小。
以上的说明只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脱离本发明的技术思想的范围内进行多样的变形。因此，本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权利要求书解释，与其均等范围内的所有技术也应解释为包括于本发明的范围。

Claims (4)

1.一种混合动力工程机械的发动机控制装置，该混合动力工程机械具备发动机、发动机辅助电动机、能量存储装置、转动电动机、用于借助所述发动机的驱动力而使转动作业之外的工作机运转的泵，所述混合动力工程机械的发动机控制装置的特征在于，包括：
第一发动机目标转数演算部，其基于作为所述发动机转数相关信息的旋钮输入值及作业模式输入值，算出所述发动机的第一发动机目标转数；
第二发动机目标转数演算部，其基于所述发动机辅助电动机的目标发电量，算出所述发动机的第二目标转数；及
发动机速度算出部，其比较所述算出的第一发动机目标转数的算出值与所述算出的第二发动机目标转数的算出值，把最低值决定为最终发动机目标旋转速度。
2.根据权利要求1所述的混合动力工程机械的发动机控制装置，其特征在于，
还包括基于所述泵的扭矩来算出所述发动机的第三发动机目标转数的第三发动机目标转数演算部；
所述发动机速度算出部包括：
最大值算出部，其比较所述算出的第二发动机目标转数的算出值与所述算出的第三发动机目标转数的算出值，算出最大值；及
最低值算出部，其比较所述算出的第一发动机目标转数的算出值与所述最大值算出部算出的最大值，算出最低值，
所述发动机速度算出部把所述算出的最低值决定为最终发动机目标旋转速度。
3.根据权利要求2所述的混合动力工程机械的发动机控制装置，其特征在于，
所述第三发动机目标转数演算部把发动机目标转数上升的时间点的泵扭矩设置得高于发动机目标转数下降的时间点的泵扭矩，从而在泵扭矩与发动机目标转数的关系中应用滞后。
4.根据权利要求1所述的混合动力工程机械的发动机控制装置，其特征在于，
还包括从所述能量存储装置的电压及目标电压算出所述发动机辅助电动机的目标发电量的PID控制器。
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