CN101408212A - 混合动力工程机械执行元件的能量回收系统 - Google Patents

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龚文
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本发明公开了一种混合动力工程机械执行元件的能量回收系统。主要包括两个变频电机、两个整流/逆变器、发动机、变量泵、变量马达、蓄能器、比例方向阀、信号控制单元、电池和油缸。信号控制单元从控制手柄获得控制信号，从三个压力传感器获得检测信号，向发动机、比例方向阀、变量泵、变量马达、两个整流/逆变器、比例溢流阀发出控制指令控制发动机的油门位置信号、比例方向阀的阀心位移、变量泵的排量、变量马达的排量、两个变频电机的转速和比例溢流阀的阀心位移，从而控制油缸的动作。本发明提高了能量回收系统的动态响应性能，改善发电机的发电工况，提高系统的能量回收效率，降低了系统对电池比功率的要求。

Description

混合动力工程机械执行元件的能量回收系统
技术领域
本发明涉及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其是涉及一种混合动力工程机械执行元件的能量回收系统。
背景技术
随着世界范围内能源短缺和环境污染问题的日趋严重，研究工程机械的节能问题具有重要的现实意义。
工程机械中的执行机构要反复举升和下放重物，而工程机械各机械臂惯性较大，在机械臂下降或制动时，会释放出大量的能量，在传统工程机械中，这部分能量难以进行回收、存储和再利用，不仅造成了能源的浪费，还会引起发热、噪声、振动和降低寿命等危害。若能将这部分能量回收并加以再利用，可提高工程机械的能量利用率，从而降低其能耗。
在工程机械中引入混合动力系统，由于动力系统中具备电池或电容等储能装置，能量的回收和存储都易于实现。当工程机械执行元件下降时间较长时，利用液压缸的回油腔与一液压马达相连，该液压马达与发电机同轴相联。液压执行元件回油腔的液压油驱动液压马达回转，将液压能转化为机械能输出，并带动发电机发电，三相交流电能经整流/逆变器整流为直流电能并储存在储能元件中。当系统需要时，直流电可以逆变成三相交流电能驱动电动机，与发动机共同驱动负载。但是当工程机械执行元件的下降时间较短时，以挖掘机动臂为例，其下降时间只有2～3秒，如果只采用液压马达和发电机的能量回收系统，能量回收系统的频响很难达到工程机械执行元件的频响要求，从而影响系统的操作性能，同时能量回收系统中的发电机受到负载剧烈波动的影响，回收效率较低。
发明内容
为了降低液压控制阀的节流损失，提高能量回收系统的效率，同时不影响工程机械执行机构的操作性能，本发明的目的在于提供一种混合动力工程机械执行元件的能量回收系统，利用液压马达对上述能量进行回收，并通过电动机的反工况运行发电，将电能回馈或储存再利用，同时利用蓄能器的比功率大和能量储存释放的快速性提高能量回收系统的频响，利用蓄能器来平缓负载波动改善发电机发电工况，提高系统的回收效率。
为达到上述目的，本发明采用的的技术方案如下：
本发明包括两个变频电机、两个整流/逆变器、发动机、变量泵、变量马达、蓄能器、截止阀、电磁换向阀、比例方向阀、两个单向阀、比例溢流阀、安全阀、三个压力传感器、控制手柄、信号控制单元、电池和油缸；其相互连接关系如下：
发动机、变量泵和第一变频电机同轴相联；变量马达和第二变频电同轴相连；第一变频电机接第一整流/逆变器，第二变频电机接第二整流/逆变器；两个整流/逆变器接电池；第一变量泵的出口接第一单向阀的进油口，第一单向阀的出油口分四路，第一路接比例溢流阀的进油口，第二路接比例方向阀的P口，第三路接第一压力传感器的输入端，第四路接安全阀进油口；比例方向阀的A口分两路，第一路接油缸的无杆腔，第二路接第二压力传感器的输入端；B口接油缸的有杆腔，T口接电磁换向阀的P口；电磁换向阀的A口分四路，第一路经截止阀后接蓄能器，第二路接第三压力传感器的输入端，第三路接第一变量马达的进油口，第一变量马达的出油口接油箱；第四路接第二单向阀的出油口，第二单向阀的进油口接油箱；信号控制单元从控制手柄获得控制信号，从第一、第二、第三压力传感器获得检测信号，向发动机、比例方向阀、变量泵、变量马达、第一、第二整流/逆变器、比例溢流阀发出控制指令控制发动机的油门位置信号、比例方向阀的阀心位移、变量泵的排量、变量马达的排量、第一、第二变频电机的转速和比例溢流阀的阀心位移，从而控制油缸的动作。
本发明与背景技术相比，具有有益的效果是：
1、系统采用混合动力系统的电量蓄能装置，采用了液压马达-发电机-电池的能量回收系统，把工程机械执行机构下降释放的势能转化成电能，当系统需要时，电能通过整流器逆变成目标频率的三相交流电能驱动电动机，与发动机共同驱动负载(液压泵)工作。
2、蓄能器的比功率较高，能够满足能量存储和释放的快速性要求，在工程机械执行机构下降时，可以在短时间里快速的吸收执行机构释放的能量，解决了采用液压马达和发电机组成的能量回收系统动态响应较低的问题。
3、系统采用蓄能器，缓冲负载的波动，改善发电机的发电工况，提高了能量回收效率。
4、系统采用蓄能器后，在工程机械执行机构下降时，利用需能器可以快速吸收工程机械释放的能量，在执行机构上升时释放出来继续驱动液压马达-发电机的回收能量，延长了能量回收时间，延长了电量储存装置的充电时间，提高了系统的能量回收效率，降低了对电量储存装置比功率的要求，克服了电池比功率较低的缺陷。
5、由于蓄能器的比能量较低，采用蓄能器的能量回收系统的蓄能器体积庞大，这对空间有限的工程机械是不适合的，本发明采用了蓄能器和液压马达-发电机复合的能量回收系统，在工程机械执行机构下降时释放的能量，蓄能器和液压马达-发电机可以同时回收能量，蓄能器只吸收部分机械臂下降过程中释放的能量，降低了蓄能器的容量。
附图说明
附图是本发明的结构原理示意图。
图中：1、变量马达，2、变频电机，3、整流/逆变器，4、电池5、整流/逆变器，6、变频电机，7、变量泵，8、发动机，9、单向阀，10、比例溢流阀，11、压力传感器，12、安全阀，13、电磁换向阀，14、比例方向阀，15、油缸，16、压力传感器，17、蓄能器，18、截止阀，19、控制手柄，20、压力传感器，21、信号控制单元，22、单向阀。
具体实施方式
下面结合附图，通过对实施例的描述给出本发明的细节。
如附图所示，本发明包括两个变频电机2，6、两个整流/逆变器3，5、发动机8、变量泵7、变量马达1、蓄能器17、截止阀18、电磁换向阀13、比例方向阀14、两个单向阀9，22、比例溢流阀10、安全阀12、三个压力传感器11，16，20、控制手柄19、信号控制单元21、电池4和油缸15；其相互连接关系如下：
发动机8、变量泵7和第一变频电机6同轴相联；变量马达1和第二变频电机2同轴相连；第一变频电机6接第一整流/逆变器5，第二变频电机2接第二整流/逆变器3；两个整流/逆变器3，5接电池4；第一变量泵7的出口接第一单向阀9的进油口，第一单向阀9的出油口分四路，第一路接比例溢流阀10的进油口，第二路接比例方向阀14的P口，第三路接第一压力传感器11的输入端，第四路接安全阀12进油口；比例方向阀14的A口分两路，第一路接油缸15的无杆腔，第二路接第二压力传感器16的输入端；B口接油缸15的有杆腔，T口接电磁换向阀13的P口；电磁换向阀13的A口分四路，第一路经截止阀18后接蓄能器17，第二路接第三压力传感器20的输入端，第三路接第一变量马达1的进油口，第一变量马达1的出油口接油箱；第四路接第二单向阀22的出油口，第二单向阀22的进油口接油箱；信号控制单元21从控制手柄19获得控制信号，从第一、第二、第三压力传感器11，16，20获得检测信号，向发动机8、比例方向阀14、变量泵7、变量马达1、第一、第二整流/逆变器5，3、比例溢流阀10发出控制指令控制发动机8的油门位置信号、比例方向阀14的阀心位移、变量泵7的排量、变量马达1的排量、第一、第二变频电机6，2的转速和比例溢流阀10的阀心位移，从而控制油缸15的动作。
本发明的工作原理如下：
信号控制单元21对通过压力传感器11输出信号进行数据处理，获得负载压力，通过对压力传感器16和20输出信号进行数据处理，获得比例方向阀14的A口，T口的端口压力差信号，同时通过对控制手柄19的控制信号进行数据处理，获得油缸15的目标速度；向发动机8、比例方向阀14、变量泵7、变量马达1、整流/逆变器3和5、比例溢流阀10发出控制指令从而控制油缸15的动作。
当控制信号为正，具体如下：
1)比例方向阀14右行，电磁换向阀13左行，变量泵7高液压油通过单向阀9、比例方向阀14的P口、A口进入油缸15无杆腔，推动油缸15上升举起重物；油缸15有杆腔的液压油经比例方向阀14的B口和T口、电磁换向阀13的B口回油箱。此时系统通过调节比例方向阀14的阀芯位移来控制油缸15上升速度，处于进油节流调速状态；
2)变量泵7由发动机8和变频电机6组成的混合动力系统共同驱动。发动机8提供负载的平均功率，当负载功率大于发动机8的输出功率时，变频电机6工作在电动状态，变量泵7由发动机8和变频电机6共同驱动，电池4处于放电状态；当负载功率小于发动机8的输出功率时，变频电机6工作在发电状态，发动机8驱动变量泵7，同时驱动变频电机6把发动机输出的多余的能量转化成电能储存在电池4中，电池4处于充电状态。
当控制信号为负，具体如下：
1)比例方向阀14左行，电磁换向阀13右行，发动机8处于自动怠速状态，变频电机6处于停止空转状态，变量泵7液压油通过单向阀9、比例方向阀14的P口和B口进入油缸15有杆腔；油缸15无杆腔的液压油经比例方向阀14的A口和T口、电磁换向阀13的P口接由蓄能器17和变量马达1组成的能量回收液压回路。此时油缸15处于下降过程，系统信号控制单元21根据压力传感器16和20、操作手柄19的输入信号，计算比例方向阀14的阀芯位移信号，向比例方向阀14发出控制信号来控制油缸15的下降速度。
2)若油缸15下放时间较长，则关闭截止阀18，油缸15的无杆腔的所有液压能驱动变量马达1转化成机械能，并带动与变量马达1同轴的变频电机2发电，经整流/逆变器2整流为直流电能储存在电池4中；
3)若油缸15下放时间较短，则打开截止阀18，由于油缸15下降的时间极短(挖掘机动臂下降时间约2S)，整个油缸15下降过程释放的部分液压能直接由蓄能器17吸收，部分液压能驱动变量马达1转化成机械能，并带动与变量马达1同轴的变频电机2发电，经整流/逆变器3整流为直流电能储存在电池4中；待油缸下降过程结束后至油缸15下一次下降的时间里，蓄能器17的液压能释放出来，驱动变量马达1转化成机械能，并带动与变量马达1同轴的变频电机2发电，经整流/逆变器3整流为直流电能储存在电池4中；
以上，本发明涉及的两个整流/逆变器3和5，电池4可根据需要可以在市场选购。信号控制单元21可采用PLC可编程逻辑控制器。

Claims (1)

1、一种混合动力工程机械执行元件的能量回收系统，其特征在于：包括两个变频电机(2，6)、两个整流/逆变器(3，5)、发动机(8)、变量泵(7)、变量马达(1)、蓄能器(17)、截止阀(18)、电磁换向阀(13)、比例方向阀(14)、两个单向阀(9，22)、比例溢流阀(10)、安全阀(12)、三个压力传感器(11，16，20)、控制手柄(19)、信号控制单元(21)、电池(4)和油缸(15)；其相互连接关系如下：
发动机(8)、变量泵(7)和第一变频电机(6)同轴相联；变量马达(1)和第二变频电机(2)同轴相连；第一变频电机(6)接第一整流/逆变器(5)，第二变频电机(2)接第二整流/逆变器(3)；两个整流/逆变器(3，5)接电池(4)；第一变量泵(7)的出口接第一单向阀(9)的进油口，第一单向阀(9)的出油口分四路，第一路接比例溢流阀(10)的进油口，第二路接比例方向阀(14)的P口，第三路接第一压力传感器(11)的输入端，第四路接安全阀(12)进油口；比例方向阀(14)的A口分两路，第一路接油缸(15)的无杆腔，第二路接第二压力传感器(16)的输入端；B口接油缸(15)的有杆腔，T口接电磁换向阀(13)的P口；电磁换向阀(13)的A口分四路，第一路经截止阀(18)后接蓄能器(17)，第二路接第三压力传感器(20)的输入端，第三路接第一变量马达(1)的进油口，第一变量马达(1)的出油口接油箱；第四路接第二单向阀(22)的出油口，第二单向阀(22)的进油口接油箱；信号控制单元(21)从控制手柄(19)获得控制信号，从第一、第二、第三压力传感器(11，16，20)获得检测信号，向发动机(8)、比例方向阀(14)、变量泵(7)、变量马达(1)、第一、第二整流/逆变器(5，3)、比例溢流阀(10)发出控制指令控制发动机(8)的油门位置信号、比例方向阀(14)的阀心位移、变量泵(7)的排量、变量马达(1)的排量、第一、第二变频电机(6，2)的转速和比例溢流阀(10)的阀心位移，从而控制油缸(15)的动作。
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