專利名稱：混合式工作機械的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請主張基于2009年3月5日申請的日本專利申請第2009-052197號、以及 2009年11月17日申請的日本專利申請第2009-262062號的優(yōu)先權(quán)。該申請的全部內(nèi)容通 過參照援用在本說明書中。本發(fā)明涉及將動能或位能轉(zhuǎn)換成電能而蓄電于蓄電裝置，利用被蓄電的電能驅(qū)動 驅(qū)動系統(tǒng)的混合式工作機械。
背景技術(shù)：
近幾年，對建筑工作用機械等的動力產(chǎn)生機械要求考慮到地球環(huán)境的省燃料費、 低公害、低噪音等性能。為了滿足這些要求，出現(xiàn)了代替液壓泵或者作為液壓泵的輔助而利 用電動機的液壓挖掘機等的工作機械。在組裝電動機的工作機械中，從電動機產(chǎn)生的剩余 的動能轉(zhuǎn)換成電能而蓄積于電容器等。在電容器上例如使用雙電層電容器。電容器通過反復(fù)充放電的長期間的使用或者通過過充電、過放電或發(fā)熱等進行劣 化。通過測量電容器的內(nèi)部電阻可以判斷劣化狀態(tài)(專利文獻1)。專利文獻1 日本特開2007-155586號公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供在使用了電容器的混合式工作機械中，測量電容器的特 性的技術(shù)?；诒景l(fā)明的一觀點，具有進行通過電力的供給而驅(qū)動的動力運行動作以及產(chǎn)生電力的再生動作的第1電 動機；控制上述第1電動機的動力運行動作以及再生動作的第1電路；將電力供給到上述第1電動機以及蓄積來自上述第1電動機的再生電力的蓄電電 路；控制上述第1電路以及上述蓄電電路的控制裝置；以及起動上述控制裝置的起動鍵，上述蓄電電路具有連接于上述第1電路，并在接地線和電源線之間連接有平滑電容器的DC總線；具有內(nèi)部電阻的蓄電電容器；連接上述DC總線和上述蓄電電容器，并且進行將電能從上述蓄電電容器供給到 上述DC總線的放電動作及將電能從上述DC總線供給到上述蓄電電容器的充電動作的轉(zhuǎn)換 器；以及進行使連接上述蓄電電容器和上述DC總線的電路導(dǎo)通的接通狀態(tài)和切斷的關(guān)閉 狀態(tài)的切換的第1開關(guān)，上述控制裝置若上述起動鍵被接通，則使上述第1開關(guān)從關(guān)閉狀態(tài)成為接通狀態(tài)之后，測量有關(guān)上述蓄電電容器的放電特性的物理量，基于測量結(jié)果計算上述蓄電電容器 的內(nèi)部電阻以及靜電電容的至少一方。發(fā)明的效果混合式工作機械起動時，可以測量蓄電電容器的內(nèi)部電阻。由此，可以判斷蓄電電 容器的劣化狀態(tài)。


圖1是基于實施例1的混合式工作機械的側(cè)視圖。圖2是基于實施例1的混合式工作機械的方框圖。圖3是用于基于實施例1的混合式工作機械的蓄電電路的等效電路圖。圖4是用于說明測量基于實施例1的混合式工作機械的電容器特性的方法的等效 電路圖。圖5是表示用于說明測量基于實施例1的混合式工作機械的電容器特性的方法的 電壓電流變化的一例的圖表。圖6是表示用于說明測量基于實施例2的混合式工作機械的電容器特性的方法的 電壓電流變化的一例的圖表。圖7是用于說明測量基于實施例3的混合式工作機械的電容器特性的方法的等效 電路圖。圖8是表示用于說明測量基于實施例3的混合式工作機械的電容器特性的方法的 電壓電流變化的一例的圖表。圖9是表示基于實施例3的混合式工作機械的電容器的電壓電流變化的實測值的 圖表。圖10是表示用于說明測量基于實施例5的混合式工作機械的電容器特性的方法 的電壓電流變化的一例的圖表。 圖中1-下部行走體(基體)，1A、1B-液壓馬達，2-旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，3-上部旋轉(zhuǎn)體，4-動 臂，5-斗桿，6-鏟斗，7-動臂油缸，8-斗桿油缸，9-鏟斗油缸，10-駕駛室，11-發(fā)動機，12-電 動發(fā)電機，13-變速器，14-主泵，15-先導(dǎo)泵，16-高壓液壓管路，17-控制閥，18-變頻器， 19-蓄電電容器，20-變頻器(第1電路)，21_旋轉(zhuǎn)用電動機(第1電動機)，22_分解器， 23-機械制動器，24-減速器，25-先導(dǎo)管路，26-操作裝置，27,28-液壓管路，29-壓力傳感 器，30-控制裝置，32-起動鍵，35-顯示裝置，100-轉(zhuǎn)換器，101-電抗器，102A-升壓用IGBT， 102B-降壓用IGBT，102a、102b-二極管，105-平滑電容器，106-電容器用電壓表，107-電容 器用電流表，108-充電電阻，111-DC總線用電壓表，112-溫度計，115-第1開關(guān)，116-第2 開關(guān)，117-第3開關(guān)。
具體實施例方式以下，參照附圖并對實施例1以及實施例2進行說明。[實施例1]在圖1表示根據(jù)實施例1的混合式工作機械的側(cè)視圖。在下部行走體(基體)通 過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2搭載有上部旋轉(zhuǎn)體3。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2包括電動機(馬達)，使上部旋轉(zhuǎn)體3按順
6時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)。在上部旋轉(zhuǎn)體3安裝有動臂4。動臂4通過液壓驅(qū)動的動臂油缸7 相對于上部旋轉(zhuǎn)體3在上下方向擺動。在動臂4的前端安裝有斗桿5。斗桿5通過液壓驅(qū) 動的斗桿油缸8相對于動臂4在前后方向擺動。在斗桿5的前端安裝有鏟斗6。鏟斗6通 過液壓驅(qū)動的鏟斗油缸9相對于斗桿5在上下方向擺動。在上部旋轉(zhuǎn)體3還搭載有容納操 作人員的駕駛室10。在圖2表示混合式工作機械的方框圖。在圖2中，用雙重線表示機械動力系統(tǒng)，用 粗實線表示高壓液壓管路，用細實線表示電氣系統(tǒng)，用虛線表示先導(dǎo)管路。發(fā)動機11的驅(qū)動軸連結(jié)于變速器13的輸入軸。在發(fā)動機11上使用通過電氣以 外的燃料產(chǎn)生驅(qū)動力的發(fā)動機，例如使用柴油發(fā)動機等的內(nèi)燃機。發(fā)動機11在工作機械的 運轉(zhuǎn)中始終被驅(qū)動。電動發(fā)電機12的驅(qū)動軸連結(jié)于變速器13的另一輸入軸。電動發(fā)電機12可以進 行電動(輔助)運轉(zhuǎn)和發(fā)電運轉(zhuǎn)雙方的運轉(zhuǎn)動作。在電動發(fā)電機12上例如使用磁鐵埋入 于轉(zhuǎn)子內(nèi)部的內(nèi)部磁鐵埋入型(IPM)馬達。變速器13具有2個輸入軸和1個輸出軸。在該輸出軸連結(jié)有主泵14的驅(qū)動車由。施加于發(fā)動機11的負載大時，電動發(fā)電機12進行輔助運轉(zhuǎn)，電動發(fā)電機12的驅(qū) 動力通過變速器13傳遞到主泵14。由此，減輕施加于發(fā)動機11的負載。另一方面，施加于 發(fā)動機11的負載小時，發(fā)動機11的驅(qū)動力通過變速器13傳遞到電動發(fā)電機12，從而電動 發(fā)電機12被發(fā)電運轉(zhuǎn)。電動發(fā)電機12的輔助運轉(zhuǎn)和發(fā)電運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換，通過連接于電動發(fā) 電機12的變頻器18進行。變頻器18由控制裝置30控制?？刂蒲b置30包括中央處理器(CPU) 30A以及內(nèi)部存儲器30B。CPU30A執(zhí)行存儲于 內(nèi)部存儲器30B的驅(qū)動控制用程序。控制裝置30通過在顯示裝置35顯示各種裝置的劣化 狀態(tài)等而引起操作人員的注意。主泵14通過高壓液壓管路16將液壓供給到控制閥17?？刂崎y17通過來自操作 人員的指令將液壓分配到液壓馬達1A、1B、動臂油缸7、斗桿油缸8以及鏟斗油缸9。液壓馬 達1A及1B分別驅(qū)動在圖1所示的下部行走體1所具備的左右2個履帶。電動發(fā)電機12的電氣系統(tǒng)的輸入輸出端子通過變頻器18連接于蓄電電路90。變 頻器18基于來自控制裝置30的指令進行電動發(fā)電機12的運轉(zhuǎn)控制。在蓄電電路90上還 通過另一變頻器20連接有旋轉(zhuǎn)用電動機21。蓄電電路90以及變頻器20由控制裝置30控 制。輔助運轉(zhuǎn)電動發(fā)電機12的期間所需要的電力從蓄電電路90經(jīng)由變頻器18供給 到電動發(fā)電機12。發(fā)電運轉(zhuǎn)電動發(fā)電機12的期間通過電動發(fā)電機12發(fā)電的電力經(jīng)由變頻 器18供給到蓄電電路90。旋轉(zhuǎn)用電動機21通過來自變頻器20的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制信號進行交流驅(qū) 動，可以進行動力運行動作以及再生動作雙方的運轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)用電動機21上例如使用IPM 馬達。IPM馬達在再生時產(chǎn)生大的感應(yīng)電動勢。在旋轉(zhuǎn)用電動機21的動力運行動作中，旋轉(zhuǎn)用電動機21的旋轉(zhuǎn)力通過減速器24 傳遞到圖1所示的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2。此時，減速器24減慢旋轉(zhuǎn)速度。由此，在旋轉(zhuǎn)用電動機21 產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力增大并傳遞到旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2。而且，在再生動作時，上部旋轉(zhuǎn)體3的旋轉(zhuǎn)運動通 過減速器24傳遞到旋轉(zhuǎn)用電動機21，從而旋轉(zhuǎn)用電動機21產(chǎn)生再生電力。此時，減速器24與動力運行動作時相反加快旋轉(zhuǎn)速度。由此，可以使旋轉(zhuǎn)用電動機21的轉(zhuǎn)速上升。
分解器22檢測旋轉(zhuǎn)用電動機21的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向的位置。檢測結(jié)果輸入到控 制裝置30。通過檢測在旋轉(zhuǎn)用電動機21的運轉(zhuǎn)前和運轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向的位置而 導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)方向。機械制動器23連結(jié)于旋轉(zhuǎn)用電動機21的旋轉(zhuǎn)軸，并產(chǎn)生機械制動力。機械制動 器23的制動狀態(tài)和解除狀態(tài)受到來自控制裝置30的控制并由電磁開關(guān)切換。先導(dǎo)泵15產(chǎn)生液壓操作系統(tǒng)所需要的先導(dǎo)壓力。產(chǎn)生的先導(dǎo)壓力通過先導(dǎo)管路 25供給到操作裝置26。操作裝置26包括操作桿或踏板，由操作人員進行操作。操作裝置 26根據(jù)操作人員的操作將從先導(dǎo)管路25供給的1次側(cè)的液壓轉(zhuǎn)換成2次側(cè)液壓。2次側(cè)液 壓通過液壓管路27傳遞到控制閥17的同時，通過其他液壓管路28傳遞到壓力傳感器29。由壓力傳感器29檢測的壓力的檢測結(jié)果輸入到控制裝置30。由此，控制裝置30 可以檢測下部行走體1、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2、動臂4、斗桿5以及鏟斗6的操作狀況。尤其，在根據(jù)實 施例1的混合式工作機械中，旋轉(zhuǎn)用電動機21驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2。因此，期望高精度地檢測用 于控制旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2的操作桿的操作量?？刂蒲b置30通過壓力傳感器29可以高精度地檢測 該操作桿的操作量。若起動鍵32由操作人員接通，則控制裝置30起動?？刂蒲b置30開始進行發(fā)動機 11、變頻器18、20以及蓄電電路90的控制?？刂蒲b置30在下部行走體1、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2、動臂 4、斗桿5以及鏟斗6均不進行運轉(zhuǎn)而可以檢測均不進行對蓄電電路90的電力的供給以及 來自蓄電電路90的電力的強制性輸出的狀態(tài)(非運轉(zhuǎn)狀態(tài))。在圖3表示蓄電電路90的等效電路圖。蓄電電路90包括蓄電電容器19、轉(zhuǎn)換器 100以及DC總線110。轉(zhuǎn)換器100連接蓄電電容器19和DC總線110。在連接蓄電電容器19和DC總線 110的電路上還與蓄電電容器19串聯(lián)地插入有充電電阻108以及第1開關(guān)115。蓄電電容 器19例如具有串聯(lián)連接多個雙電層電容器的結(jié)構(gòu)。將蓄電電容器19的靜電電容設(shè)為Cc， 將內(nèi)部電阻設(shè)為Rc。第1開關(guān)115由控制裝置30控制，進行使連接蓄電電容器19和DC總線110的電 路導(dǎo)通的接通狀態(tài)和切斷的關(guān)閉狀態(tài)的切換。在充電電阻108并聯(lián)地連接有第2開關(guān)116。 第2開關(guān)116由控制裝置30控制，可以使充電電阻108的端子間短路。電容器用電壓表106測量蓄電電容器19的端子間電壓，并將測量結(jié)果輸入到控制 裝置30。電容器用電流表107測量蓄電電容器19的充放電電流，并將測量結(jié)果輸入到控制 裝置30。溫度計112測量充電電阻108的溫度，并將測量結(jié)果輸入到控制裝置30。有時充 電電阻108的電阻值根據(jù)其溫度而變化?？刂蒲b置30從充電電阻108的額定電阻值、溫度 特性以及當(dāng)前的溫度計算當(dāng)前的充電電阻108的電阻值。DC總線110包括接地線和電源線。在接地線和電源線之間連接有平滑電容器105。 DC總線110的接地線和電源線通過變頻器18、20分別連接于電動發(fā)電機12以及旋轉(zhuǎn)用電 動機21。DC總線110的接地線和電源線之間的電壓由DC總線用電壓表111測量，并將其 結(jié)果輸入到控制裝置30。轉(zhuǎn)換器100包括升壓用的絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 102A、降壓用IGBT102B以及電抗器101。升壓用IGBT102A的發(fā)射極連接于DC總線110的接地線，降壓用IGBT102B的集 電極連接于DC總線110的電源線。升壓用IGBT102A的集電極和降壓用IGBT102B的發(fā)射 極相互連接。二極管102a、102b以從發(fā)射極朝向集電極的方向成為順時針方向的方向分別 并聯(lián)連接于升壓用IGBT102A以及降壓用IGBT102B。升壓用IGBT102A和降壓用IGBT102B的相互連接點通過電抗器101連接于蓄電電 容器19的一方的端子，DC總線110的接地線連接于蓄電電容器19的另一方的端子。在電 抗器101上并聯(lián)地連接有第3開關(guān)117。由控制裝置30開閉控制第3開關(guān)117。若第3開 關(guān)117關(guān)閉，則電抗器101的端子間短路?？刂蒲b置30在升壓用IGBT102A以及降壓用IGBT102B的柵電極外加控制用的脈 沖寬度調(diào)制(PWM)電壓。以下，對升壓動作(放電動作)進行說明。對升壓用IGBT102A的柵電極外加PWM 電壓。將升壓用IGBT102A從接通切換成關(guān)閉時，在電抗器101產(chǎn)生朝向升壓用IGBT102A 的集電極通電流的方向的感應(yīng)電動勢。該電動勢通過二極管102b外加于DC總線110。由 此，DC總線110升壓。接著，對降壓動作(充電動作)進行說明。對降壓用IGBT102B的柵電極外加PWM 電壓。將降升壓用IGBT102B從接通切換成關(guān)閉時，在電抗器101產(chǎn)生從降壓用IGBT102B的 發(fā)射極朝向蓄電電容器19通電流的方向的感應(yīng)電動勢。通過該感應(yīng)電動勢蓄電電容器19 被充電。另外，在本說明書中，將蓄電電容器19放電的方向的電流設(shè)為正，將充電的方向的 電流設(shè)為負。參照圖4及圖5對蓄電電容器19的內(nèi)部電阻Rc以及靜電電容Cc的測量方法進 行說明。在混合式工作機械起動時進行該測量。在工作機械起動時，在圖3所示的蓄電電 容器19蓄積電荷而在平滑電容器105未蓄積電荷。若混合式工作機械起動，則控制裝置30關(guān)閉第3開關(guān)117并使電抗器101的端子 間短路。IGBT102A、102B為關(guān)閉狀態(tài)。而且，是在產(chǎn)生基于電動發(fā)電機12的感應(yīng)電壓之前。在圖4表示使電抗器101的端子間短路的狀態(tài)的等效電路圖。另外，將圖3所示 的二極管102b的順時針方向的電阻設(shè)為0，將另一方的二極管102a的逆時針方向的電阻設(shè) 為無限大。將蓄電電容器19的放電電流設(shè)為i(t)。將充電電阻108的電阻值設(shè)為Rr，將 平滑電容器105的靜電電容設(shè)為Cd。在圖5表示連接圖4所示的充電電阻108以及平滑電容器105的蓄電電容器19 的時刻t = 0以后的放電特性，具體地表示電流i(t)、蓄電電容器19的端子間電壓Vc(t)、 平滑電容器105的端子間電壓Vd(t)的變動。若起動鍵32(圖2)被接通，則在時刻t = 0， 控制裝置30關(guān)閉第1開關(guān)115。將關(guān)閉第1開關(guān)115之前(工作機械的起動前，具體地是 起動建32成為接通之前)的蓄電電容器19的端子間電壓設(shè)為Vo。在關(guān)閉第1開關(guān)115的 瞬間電流i(t)上升。此時，產(chǎn)生由內(nèi)部電阻Rc引起的電壓下降，從而蓄電電容器19的端 子間電壓Vc(t)下降。平滑電容器105通過放電電流i(t)充電，其端子間電壓Vd(t)逐漸增加。伴隨端 子間電壓Vd(t)的增加，放電電流i(t)逐漸減少。由于伴隨放電電流i(t)的減少而由內(nèi) 部電阻Rc引起的電壓下降變小，因此蓄電電容器19的端子間電壓Vc(t)逐漸增加。若蓄 電電容器19的端子間電壓Vc(t)和平滑電容器105的端子間電壓Vd(t)成為相等，則放電電流i(t)為0。放電電流i(t)為0時的蓄電電容器19的端子間電壓Vc(t)低于在即將到時刻t =0之前的端子間電壓Vo。其中，由于蓄電電容器19的靜電電容Cc充分大于平滑電容器 105的靜電電容Cd，所以蓄電電容器19的端子間電壓Vc(t)的下降量極其少。電流i(t)由下式表示。
<formula>formula see original document page 10</formula>
電流i (+0)是對應(yīng)于工作機械的起動(具體地鍵接通)并在剛剛關(guān)閉第1開關(guān) 115之后的電流的大小，可用電容器用電流表107測量。在即將關(guān)閉第1開關(guān)115之前的蓄 電電容器19的端子間電壓Vo可由電容器用電壓表106測量。充電電阻108的大小Rr是 已知的。從而，可從測量值Vo、i(+0)以及已知的電阻值Rr計算內(nèi)部電阻Rc。由充電電阻108的電阻值Rr的溫度變化引起的變動大時，優(yōu)選基于用圖3所示的 溫度計112測量的溫度校正充電電阻108的電阻值。用電容器用電流表107測量時刻t = 的時刻的電流i 0\)。合成靜電電容C由 下式求出。
<formula>formula see original document page 10</formula>
平滑電容器105的靜電電容Cd是已知的。從而，從經(jīng)過時間、測量值VodCTi)、 內(nèi)電阻Rc的計算值以及式(4)、(lb)以及(lc)可以計算蓄電電容器19的靜電電容Cc。若結(jié)束蓄電電容器19的內(nèi)部電阻Rc以及靜電電容Cc的計算，則控制裝置30斷 開圖3所示的第3開關(guān)117。由此，能進行蓄電電容器19的充放電動作。
[實施例2]
其次，參照圖4及圖6對根據(jù)實施例2的電容器特性的測量方法進行說明。
在圖6表示連接充電電阻1081第2開關(guān)1161平滑電容器105的蓄電電容器19的七一。以后的放電特性。
在時刻七一。關(guān)閉第l開關(guān)115的順序與實施例l的情況相同。在實施例2中，在成為i—o之前的時刻七一T，關(guān)閉第2開關(guān)116。若關(guān)閉第2開關(guān)116，則由于放電電流i(t)流動的閉合電路的直流電阻下降，因此電流i(t)上升。由于根據(jù)電流i(t)的上升，因內(nèi)部電阻RC所發(fā)生的電壓下降變大，因此蓄電電容器19的端子間電壓VC(t)下降。
通過充電電阻108短路，放電電流i(t)流動的閉合電路的時間常數(shù)變短。因此，時刻七一T，以后，以更短的時間常數(shù)電流i(t)逐漸減少。由于根據(jù)電流i(t)的減少，因內(nèi)部電阻RC所發(fā)生的電壓下降逐漸變小，所以蓄電電容器19的端子間電壓VC(t)在時刻七一T，以后逐漸增加。平滑電容器105的端子間電壓Vd(t)以更短的時間常數(shù)逐漸增加。
基于時刻七一T，之前的內(nèi)部電阻RC以及充電電阻Rr的電壓下降Vr(T，一o)由下式表示。
[式5]
Vr(T，一o)一i(T，一o)×(RC+Rr)…(5)
基于時刻七一T，之后的內(nèi)部電阻RC的電壓下降Vr(T，+o)由下式表示。
[式6]
Vr(T，+o)一i(T，+o)×RC…(6)
由于蓄電電容器19的靜電電容CC的兩端的電壓以及平滑電容器105的端子間電壓Vd(t)不會有不連續(xù)地變化，所以Vr(T，一o)一Vr(T，+o)成立。因此，下式成立
[式7]
i(T，一o)×(RC+Rr)一i(T，+o)×RC…(7)
而且，在即將時刻七一T，之前，下式成立。
[式8]
02] i(T，一o)×Rr—VC(T，一o)一Vd(T，一o)…(8)
若從式(7)和式(8)消去充電電阻108的電阻值Rr，則獲得下式。
[式9]LOT05]…罵寺耑嚮…‘㈨
式(9)的右邊的VC(T，一o)可用電容器用電壓表106測量，Vd(T，一o)可用DC總線用電壓表11 l測量。電流i(T，+o)以及i(T，一o)可用電容器用電流表107測量。因此，從這些測量結(jié)果可以計算式(9)的左邊的蓄電電容器19的內(nèi)部電阻RC。由于式(9)不包括充電電阻108的電阻值Rr，所以不受到充電電阻108的電阻值Rr的變動的影響而可以求出內(nèi)部電阻RC。
時刻七一T，以后的電流i(t)的減少的時間常數(shù)為C×RC。由于內(nèi)部電阻RC基于式(9)計算，所以如果知道電流i(t)的減少的時間常數(shù)，就可以計算蓄電電容器19的靜電電容CC。
電流i(t)的減少的時間常數(shù)可以從圖6的時刻七一T，以后的電流i(t)的變化的形狀求出。作為一例可以從時刻t = T2以后的至少2點的電流i(t)的值計算時間常數(shù)。若蓄電電容器19的內(nèi)部電阻Rc以及靜電電容Cc的計算結(jié)束，則控制裝置30斷 開圖3所示的第2開關(guān)116以及第3開關(guān)117。由此，能進行蓄電電容器19的充放電動作。[實施例3]其次，參照圖7及圖8對基于實施例3的電容器特性的測量方法進行說明。在圖7表示在實施例3中所應(yīng)用的等效電路圖。混合式工作機械起動時，在蓄電 電容器19蓄積有電荷，在平滑電容器105幾乎沒有蓄積電荷。若混合式工作機械起動，則 控制裝置30(圖2、圖3)關(guān)閉第1開關(guān)115。以下，在圖7中，認為時刻t = 0時第1開關(guān) 115成為接通狀態(tài)。在圖8表示連接圖7所示的充電電阻108、電抗器101以及平滑電容器105的蓄電 電容器19的在t = 0以后的放電特性。若起動鍵32(圖2)成為接通，并且第1開關(guān)115 在時刻t = 0成為接通狀態(tài)，則蓄電電容器19的放電電流i(t)開始流動。但是，因電抗器 101的影響，放電電流i (t)表示最大值的時刻從t = 0稍慢。放電電流i (t)表示最大值之 后逐漸減少，在蓄電電容器19和平滑電容器105的端子間電壓成為相同的時刻成為0。一 般，若將圖7所示的LCR電路的合成電阻設(shè)為R，將感應(yīng)系數(shù)設(shè)為L，將合成電容量設(shè)為C，則 R2> (4L/C)成立。因此，不發(fā)生振動衰減而產(chǎn)生過大的衰減。使第1開關(guān)115為接通狀態(tài)之前，將用電容器用電壓表106測量的電壓Vc(t)設(shè) 為Vo。第1開關(guān)115成為接通狀態(tài)，若放電電流i(t)流動，則由蓄電電容器19的內(nèi)電阻 Rc引起的電壓下降，從而端子間電壓Vc(t)下降。隨著放電電流i(t)減少，電壓Vc(t)上 升。但是，放電電流i⑴成為0時，由于電荷從蓄電電容器19移動到平滑電容器105，所以 電壓Vc(t)不會恢復(fù)到初期值Vo。具體地成為AV = Vo-Vc ( - ) = VoXCd/(Cc+Cd)。其 中，Cd為平滑電容器105的靜電電容。用圖7所示的電容器用電壓表106測量的電壓Vc(t)由下式表示。[式10]<formula>formula see original document page 12</formula>10)若變形式(10)設(shè)為t = T3，則獲得下式。[式11]<formula>formula see original document page 12</formula>如圖8所示，若將從時刻t = 0到T3的期間設(shè)定成足夠長，直到放電電流i⑴大 致成為0，則可以使式(11)的Rc*i(T3)近似于0。若加大經(jīng)過時間t，則Vo-Vc (t)逐漸接 近于有限的值A(chǔ)V而并不成為0。Rc i(T3)充分小于Vo-Vc(T3)時，式(11)近似于如下。[式12] <formula>formula see original document page 12</formula>
可測量時刻t = 1時的電壓VC(T3)。通過以可以追隨電流的變動的短的時間步 長(時間刻^ 幅)從t = 0到t = T3測量放電電流i(t)，可以計算右邊的積分項。從而， 從式(12)可以計算蓄電電容器19的靜電容量Cc在式(11)中，作為一例，若Rc*i(T3)成為Vo-Vc(T3)的1/10以下，則以充分的精 度式(12)近似成立。由于圖8所示的電壓下降量AV小于Vo-Vc(T3)，所以認為若Rc .i(T3) 成為AV的1/10以下，則也可以應(yīng)用式(12)的近似。t =①時的電壓下降量 AV 為 VoXCd/(Cc+Cd)。BP，將 Rc i (t)成為 A V = VoXCd/(Cc+Cd)的1/10以下的時刻作為時刻T3而采用即可。此時，作為蓄電電容器19的 靜電電容Cc、內(nèi)部電阻Rc不需要利用當(dāng)前的嚴密的值，利用蓄電電容器19的靜電電容Cc 及內(nèi)部電阻Rc的初期值或額定值即可。而且，在蓄電電容器19不劣化的狀態(tài)下，也可以測量圖8所示的放電電流i(t)，并 預(yù)先決定好Rc i(t)成為AV = VoXCd/(Cc+Cd)的1/10以下的時刻T3。作為測量混合 式工作機械起動時的電容器特性時的時刻T3，也可以采用在蓄電電容器不劣化的狀態(tài)下預(yù) 先決定的時刻t3。若變形式(11)設(shè)為t = T4，則獲得下式。[式13]<formula>formula see original document page 13</formula>
可以測量式(13)的電壓Vc(T4)以及電流i(T4)。通過以可以追隨于電流的變動 的短的時間步長從t = 0到t = t4測量放電電流i (t)，可以計算右邊的積分項。靜電電容 Cc利用式(12)計算。從而，從式(13)可以計算內(nèi)部電阻Rc。若式(13)的右邊的分母i(T4)為0，則由于發(fā)生運算錯誤，所以如圖8所示，需要 將時刻1\設(shè)定在放電電流i(T4)不為0的期間內(nèi)。具體地，時刻T4需要選擇在T3之前。而 且，若將時刻1\設(shè)定為比表示放電電流i(t)為最大值的時刻之前，則式(13)的積分項的 測量誤差變大。因此，優(yōu)選時刻??；選擇成比表示放電電流i(t)為最大值的時刻值后。若電流i(T4)接近0，則i(T4)的測量誤差對內(nèi)部電阻Rc的計算結(jié)果帶來的影響 變大。因此，優(yōu)選以i(T4)變得足夠大的形式設(shè)定時刻T4。作為一例，優(yōu)選時刻T4選擇成 i(T4)成為放電電流i(t)的最大值的1/3以上。在圖9表示放電電流i(t)和蓄電電容器19的端子間電壓Vc(t)的實測結(jié)果的一 例。橫軸用單位“秒”表示從在第1開關(guān)115接通狀態(tài)下的時刻的經(jīng)過時間。左縱軸用任 意單位表示端子間電壓Vc(t)，右縱軸用任意單位表示放電電流。在時刻0，放電電流i(t)急劇上升。通過積分該放電電流i(t)，可以計算式(12) 及式(13)的積分項。如式(12)及式(13)所示，在實施例3中，在計算蓄電電容器19的電容器特性時 不需要利用充電電阻108的電阻值以及平滑電容器105的靜電電容。因此，可以不受到這 些元件的影響而測量蓄電電容器19的特性。而且，也不需要使電抗器101的兩端短路。[實施例4]其次，對實施例4進行說明。在實施例4中，通過使式(13)的右邊的分子的第3項近似于O而計算內(nèi)部電阻Re。即，由下式計算內(nèi)部電阻Re。[式14]
<formula>formula see original document page 14</formula>式(13)的右邊的分子的第3項是對應(yīng)于通過到蓄電電容器19的時刻T4的放電 而失去的電荷量的電壓下降的量。該電壓下降的量小于將經(jīng)過時間t設(shè)為⑴時的電壓下降 的量AV = VoXCd/(Cc+Cd)。從而，若以Vo-Vc(T4)成為充分大于Δν的形式選擇時刻T4, 則式(14)以高精度成立。作為一例，若以Vo-Vc(T4)成為ΔΥ的5倍以上的形式選擇時刻 T4，則可確保充分的精度。在實施例4中，不測量蓄電電容器19的靜電電容Cc而可以計算內(nèi)部電阻Rc。另 夕卜，放電電流的值僅在時刻T4進行測量即可。不需要測量放電電流i(t)的時刻履歷。[實施例5]其次，參照圖7及圖10，對實施例5進行說明。在實施例5中，也與實施例3同樣 地應(yīng)用圖7所示的等效電路。在上式(10)中，若設(shè)為t = T5,則獲得下式。[式 15]
<formula>formula see original document page 14</formula>同樣地，若設(shè)為t = T6,則獲得下式。[式 16]<formula>formula see original document page 14</formula>
從式(15)及式(16)獲得下式。[式17]<formula>formula see original document page 14</formula>
由于在時刻t = T7，也與式(15)、(16)同樣地獲得Vc(T7)，所以能導(dǎo)出下式。[數(shù) 18]<formula>formula see original document page 14</formula>
如圖10所示，在式(17)及式(18)中，靜電電容Cc以及內(nèi)部電阻Rc以外的項均 為可測量的物理量。從而，通過解出式(17)和式(18)的二元聯(lián)立方程式，可以計算靜電電 容Cc以及內(nèi)部電阻Re。在實施例5中，在使第1開關(guān)115為接通狀態(tài)之后的3個時刻T5、T6、T7 (T5 < T6 < T7)，通過測量蓄電電容器19的端子間電壓Vc (t)、放電電流i⑴、從時刻T5到T6的放電 電流的積分值以及從時刻Tf^IjT7的放電電流的積分值，求出靜電電容Cc以及內(nèi)部電阻Re。 由于沒有利用t = 0附近的急劇變動的電壓及電流的測量值，所以可以加長測量電壓及電流的時間的步長。另外，在從時刻t5到T6的期間、從時刻T5到T7的期間以及從時刻T6到 T7的期間中2個期間，只要計算放電電流i (t)的積分值即可。在上述實施例1 實施例5中，作為混合式工作機械對使旋轉(zhuǎn)用電動機21進行再 生動作的挖掘機進行了說明。在上述實施例中說明的蓄電電容器19的特性的測量方法也 可應(yīng)用于具備起吊用的驅(qū)動裝置的起重機。此時，起吊對象物的位能轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)生的 電能被于蓄電電容器19。起吊動作時，通過來自蓄電電容器19的放電電流以及來自電動發(fā) 電機12的發(fā)電電力驅(qū)動起吊用電動機。而且，在上述實施例中說明的蓄電電路90的控制方法也可以應(yīng)用于起重磁鐵式 工作機械。此時，通過來自蓄電電容器19的放電電流進行起重磁鐵的吸附動作。在工作機械的運轉(zhuǎn)中，由于電動發(fā)電機12進行旋轉(zhuǎn)，所以受到感應(yīng)電壓的影響而 DC總線的電壓變動，作為雜音而檢測。在上述實施例1 實施例5中，工作機械起動時測量 蓄電電容器19的內(nèi)部電阻或靜電電容。因此，可以提高測量的精度。而且，在混合式工作機械中，由于在運轉(zhuǎn)中進行起吊操作或挖掘操作等，所以頻繁 進行蓄電電容器19的充放電。因此，若不能正確地掌握蓄電電容器19的內(nèi)部電阻等的特 性變化，則也不能正確地計算充電率。所計算的充電率不正確的情況，存在不可以將充足的 電力供給到馬達上的危險。其結(jié)果，也存在工作機械不能運轉(zhuǎn)的情況。在上述實施例1 實施例5中，可以提高蓄電電容器19的內(nèi)部電阻以及靜電電容的計算精度。由此，能夠進 行穩(wěn)定的工作機械的運轉(zhuǎn)。根據(jù)以上實施例說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這些，例如可以進行各種變更、 改進、組合等對本技術(shù)領(lǐng)域者來說是不言自明的。
權(quán)利要求
一種混合式工作機械，其特征在于，具有第1電動機，進行通過電力的供給而驅(qū)動的動力運行動作以及產(chǎn)生電力的再生動作；第1電路，控制上述第1電動機的動力運行動作以及再生動作；蓄電電路，將電力供給到上述第1電動機以及蓄積來自上述第1電動機的再生電力；控制裝置，控制上述第1電路以及上述蓄電電路；以及起動鍵，起動上述控制裝置，上述蓄電電路具有DC總線，連接于上述第1電路，在接地線和電源線之間連接有平滑電容器；蓄電電容器，具有內(nèi)部電阻；轉(zhuǎn)換器，連接上述DC總線和上述蓄電電容器，并且進行將電能從上述蓄電電容器供給到上述DC總線的放電動作及將電能從上述DC總線供給到上述蓄電電容器的充電動作；以及第1開關(guān)，進行使連接上述蓄電電容器和上述DC總線的電路導(dǎo)通的接通狀態(tài)和切斷的關(guān)閉狀態(tài)的切換，上述控制裝置若上述起動鍵被接通，則使上述第1開關(guān)從關(guān)閉狀態(tài)成為接通狀態(tài)之后，測量有關(guān)上述蓄電電容器的放電特性的物理量，根據(jù)測量結(jié)果計算上述蓄電電容器的內(nèi)部電阻以及靜電電容的至少一方。
2.如權(quán)利要求1所述的混合式工作機械，其特征在于，上述控制裝置測量上述第1開關(guān)為關(guān)閉狀態(tài)時的上述蓄電電容器的端子間的電壓而 取得第1測量值，測量使上述第1開關(guān)成為接通狀態(tài)時的上述蓄電電容器的放電電流而取得第2測量值，基于上述第1測量值以及上述第2測量值計算上述蓄電電容器的內(nèi)部電阻。
3.如權(quán)利要求2所述的混合式工作機械，其特征在于，上述控制裝置還從使上述第1開關(guān)成為接通狀態(tài)的時刻起測量經(jīng)過了第1經(jīng)過時間的 時刻的來自上述蓄電電容器的放電電流而取得第3測量值，基于上述第1測量值、上述內(nèi)部電阻的計算值、上述第3測量值以及上述第1經(jīng)過時間 計算上述蓄電電容器的靜電電容。
4.如權(quán)利要求2或3所述的混合式工作機械，其特征在于，上述蓄電電路包括串聯(lián)連接于上述蓄電電容器的充電電阻，而上述控制裝置還基于上 述充電電阻的電阻值計算上述蓄電電容器的內(nèi)部電阻。
5.如權(quán)利要求4所述的混合式工作機械，其特征在于， 還具有測量上述充電電阻的溫度的溫度計，上述控制裝置在計算上述蓄電電容器的內(nèi)部電阻時，基于上述充電電阻的溫度校正該 充電電阻的電阻值。
6.如權(quán)利要求1所述的混合式工作機械，其特征在于，還具有 充電電阻，串聯(lián)連接于上述蓄電電容器；以及第2開關(guān)，并聯(lián)連接于上述充電電阻，并可以使該充電電阻的端子間短路， 上述控制裝置使上述第1開關(guān)成為接通狀態(tài)之后，在第2時刻關(guān)閉上述第2開關(guān)而使上述充電電阻的端子間短路，基于在即將到上述第2時刻之前的上述蓄電電容器及上述平滑電容器的端子間電壓、 以及在即將到上述第2時刻之前和剛剛過上述第2時刻之后的上述蓄電電容器的放電電 流，計算該蓄電電容器的內(nèi)部電阻。
7.如權(quán)利要求6所述的混合式工作機械，其特征在于，上述控制裝置基于來自關(guān)閉了上述第2開關(guān)之后的上述蓄電電容器的放電電流的減 少的時間常數(shù)以及上述蓄電電容器的內(nèi)部電阻的計算值，計算上述蓄電電容器的靜電電容。
8.如權(quán)利要求1所述的混合式工作機械，其特征在于，上述控制裝置測量上述第1開關(guān)為關(guān)閉狀態(tài)時的上述蓄電電容器的端子間的電壓而 取得第1測量值，取得從使上述第1開關(guān)成為接通狀態(tài)的時刻起到經(jīng)過了第3經(jīng)過時間為止的第3時刻 的作為上述蓄電電容器的放電電流的積分值的第1積分值，測量上述第3時刻的上述蓄電電容器的端子間電壓而取得第3測量值， 基于上述第1測量值、上述第1積分值以及上述第3測量值計算上述蓄電電容器的靜 電電容。
9.如權(quán)利要求8所述的混合式工作機械，其特征在于，在將上述平滑電容器的靜電電容設(shè)為Cd、將上述蓄電電容器的靜電電容的額定值設(shè)為 Ce、將內(nèi)部電阻的額定值設(shè)為Re、將上述第3時刻的放電電流設(shè)為i (T3)、將上述第1測量 值設(shè)為Vo時，這樣選擇上述第3時刻使得RcXi (T3)為VoX (Cd/(Cc+Cd))的1/10以下。
10.如權(quán)利要求8或9所述的混合式工作機械，其特征在于，上述控制裝置還測量使上述第1開關(guān)成為接通狀態(tài)之后，在上述第3時刻之前的第4 時刻的上述蓄電電容器的端子間電壓及放電電流，分別取得第4測量值及第5測量值，計算從使上述第1開關(guān)成為接通狀態(tài)的時刻起到上述第4時刻為止的上述蓄電電容器 的放電電流的積分值而設(shè)為第2積分值，基于上述第1測量值、第4測量值、第5測量值、第2積分值以及上述蓄電電容器的被 計算出的靜電電容，計算上述蓄電電容器的內(nèi)部電阻。
11.如權(quán)利要求1所述的混合式工作機械，其特征在于，上述控制裝置測量上述第1開關(guān)為關(guān)閉狀態(tài)時的上述蓄電電容器的端子間的電壓而 取得第1測量值，使上述第1開關(guān)成為接通狀態(tài)之后，測量在第4時刻的上述蓄電電容器的端子間電壓 及放電電流，分別取得第4測量值及第5測量值，基于上述第1測量值、第4測量值及第5測量值計算上述蓄電電容器的內(nèi)部電阻。
12.如權(quán)利要求1所述的混合式工作機械，其特征在于，上述控制裝置在從將上述第1開關(guān)從關(guān)閉狀態(tài)切換成接通狀態(tài)的時刻起在經(jīng)過了第5 經(jīng)過時間、第6經(jīng)過時間及第7經(jīng)過時間的第5時刻、第6時刻及第7時刻，測量上述蓄電 電容器的端子間電壓以及放電電流，在從上述第5時刻起到第6時刻為止的期間、從上述第5時刻起到第7時刻為止的期 間以及從上述第6時刻起到第7時刻為止的期間中的2個期間，計算上述放電電流的積分值，基于被測量的端子間電壓、放電電流以及被計算出的積分值，計算上述蓄電電容器的靜電電容及內(nèi)部電阻。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在混合式工作機械中測量電容器的特性的技術(shù)。蓄電電路蓄積再生電力。該蓄電電路具有DC總線，連接平滑電容器；蓄電電容器，具有內(nèi)部電阻；以及轉(zhuǎn)換器，連接DC總線和蓄電電容器，并進行充放電動作?？刂蒲b置若起動鍵被接通，則使第1開關(guān)從關(guān)閉狀態(tài)成為接通狀態(tài)之后，測量有關(guān)蓄電電容器的放電特性的物理量，根據(jù)測量結(jié)果計算蓄電電容器的內(nèi)部電阻以及靜電電容的至少一方。
文檔編號H01M10/48GK101826759SQ20101013000
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者杉山祐太 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社