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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林添良
龚文
胡宝赞
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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l、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IO、安全阀12、三个压力传感器ll, 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 l的进油口,第一变量马达l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ll, 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l、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l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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