CN101408213A - 混合动力工程机械蓄能器-液压马达能量回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合动力工程机械蓄能器－液压马达能量回收系统。要包括发动机、变量泵、变频电机、变量马达、信号控制单元、蓄能器和液压执行元件等。系统中变量马达和变频电机M2同轴相连，和蓄能器组成复合能量回收系统，回收执行机构下放过程中的重力势能及制动能。变量泵、发动机、变频电机M1同轴相联，发动机、变频电机M1组成的混合动力系统和蓄能器共同驱动液压执行机构上升举起重物。本发明克服了变量马达－发电机能量回收系统响应慢以及蓄能器比能量低的缺陷，提高了能量回收系统的动态响应性能，改善了发电机的发电工况，同时可以由蓄能器直接回收部分势能，提高了系统的能量回收效率。
Description
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蓄能器-液压马达能量回收系统。
背景技术
面对全球性的能源、环境污染等重大问题，工程机械用量大、能耗高、排放差，研究工程机械的节能问题具有重要的现实意义，混合动力技术在工程机械中的应用是国际上公认的最佳解决方案之一。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。利用执行机构驱动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，其动臂下降时间只有2～3秒，如果只采用液压马达和发电机的能量回收系统，对机械臂的速度控制是传统的节流控制变成容积调速，能量回收系统很难保证工程机械执行元件的快速下降的要求，从而影响系统的操作性能。
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蓄能器-液压马达能量回收系统，利用液压马达-发电机和蓄能器组成的能量回收系统对油缸下降释放的能量进行回收。
为达到上述目的，本发明采用的的技术方案如下：
一种混合动力工程机械蓄能器-液压马达能量回收系统，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、两个单向阀、比例节流阀，比例溢流阀、安全阀、两个压力传感器、控制手柄、信号控制单元、电池和油；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连，第一变频电机接第一整流/逆变器；变量马达和第二变频电机同轴相连，第二变频电机接第二整流/逆变器；第一、第二整流/逆变器接电池；
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六路，第一路接比例溢流阀的进油口，第二路接安全阀的P口，第三路接第一压力传感器的输入端，第四路接比例节流阀的B口，第五路接变量马达的出油口，第六路接蓄能器；
油缸无杆腔接三路，第一路接第二单向阀进油口，第二路接比例节流阀的A口，第三路接第二压力传感器的输入端；第二单向阀的出油口接变量马达的进油口；
信号控制单元从控制手柄获得控制信号，从第一、第二压力传感器获得检测信号，向发动机、变量泵、变量马达、第一、第二整流/逆变器、比例节流阀和比例溢流阀发出控制指令控制发动机的油门位置信号、变量泵的排量、变量马达的排量、第一、第二变频电机的转速、比例节流阀的阀心位移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，具有的有益效果是：
1、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；
2、系统采用蓄能器后，在工程机械执行机构下降时，利用蓄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驱动执行机构上升，避免了执行机构下降时释放的部分能量采取液压马达-发电机能量回收系统由于能量的多次转换而造成的能量损失，提高了能量回收系统的回收效率。
3、由于蓄能器的比能量较低，若全部采用蓄能器回收执行机构下放时释放的能量，则蓄能器体积庞大，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。
4、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；
附图说明
附图是本发明的结构原理示意图。
图中：1、发动机，2、变量泵，3、变频电机，4、整流/逆变器，5、电池，6、整流/逆变器，7、比例溢流阀，8、变频电机，9、变量马达，10、单向阀，11、比例节流阀，12、油缸，13、压力传感器，14、蓄能器，15、控制手柄，16、信号控制单元，17、压力传感器，18、安全阀，19、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3，8、两个整流/逆变器4，6、发动机1、变量泵2、变量马达9、蓄能器14、两个单向阀10，19、比例节流阀11，比例溢流阀7、安全阀18、两个压力传感器13，17、控制手柄15、信号控制单元16、电池5和油缸12；其相互连接关系如下：
发动机1、变量泵2和第一变频电机3同轴相连，第一变频电机3接第一整流/逆变器4；变量马达9和第二变频电机8同轴相连，第二变频电机8接第二整流/逆变器6；第一、第二整流/逆变器4，6接电池5；
变量泵2的出口接第一单向阀19的进油口，第一单向阀19的出油口分六路，第一路接比例溢流阀7的进油口，第二路接安全阀18的P口，第三路接第一压力传感器17的输入端，第四路接比例节流阀11的B口，第五路接变量马达9的出油口，第六路接蓄能器14；
油缸12无杆腔接三路，第一路接第二单向阀10进油口，第二路接比例节流阀11的A口，第三路接第二压力传感器13的输入端；第二单向阀10的出油口接变量马达9的进油口；
信号控制单元16从控制手柄15获得控制信号，从第一、第二压力传感器17，13获得检测信号，向发动机1、变量泵2、变量马达9、第一、第二整流/逆变器4，6、比例节流阀11和比例溢流阀7发出控制指令控制发动机1的油门位置信号、变量泵2的排量、变量马达9的排量、第一、第二变频电机3，8的转速、比例节流阀11的阀心位移和比例溢流阀7的阀心位移，从而控制油缸12的动作。
本发明的工作原理如下：
信号控制单元16对通过第一，第二压力传感器17和13输出信号进行数据处理，获得比例节流阀11的A口，B口的端口压力差信号，同时通过对控制手柄15控制信号进行数据处理，获得油缸12的目标速度；向发动机1、比例节流阀11、变量泵2、变量马达9、整流/逆变器4和6、比例溢流阀7发出控制指令从而控制油缸12的动作。
当控制信号为负，具体如下：
1)发动机1、变频电机3和变量泵2处于停止状态；油缸12无杆腔的液压油经比例节流阀11和变量马达9后接蓄能器；油箱低压油进入油缸12有杆腔；此时油缸12处于下降过程，系统信号控制单元16根据操作手柄15的输入信号获得油缸12的下降目标速度，根据油缸12的无杆腔面积，求出油缸12的无杆腔的流量大小，根据一定的控制策略(可根据实际制订控制策略)把油缸12的无杆腔的流量分配到变量马达9和比例节流阀11，利用压力传感器13和17的输入信号获得比例节流阀11的A、B端口的压力差，根据通用压力流量方程计算比例节流阀11的通流面积，进而比例节流阀11阀芯位移信号，利用变量马达的流量方程和一定的控制策略(可根据实际制订控制策略)计算变量马达9的排量信号、变频电机8的转速信号；
2)油缸12下降的速度通过变频电机8的转速、变量马达9的排量和比例节流阀11的阀心位移来控制；
2)油缸12下降过程由于重力的作用释放大量的势能，通过油缸12转化成液压能；部分液压能驱动变量马达9转化成机械能，并带动与变量马达9同轴的变频电机9发电，经整流/逆变器6整流为直流电能储存在电池5中；部分液压能直接由蓄能器17吸收；
当控制信号为正，具体如下：
1)变量泵2高压油通过单向阀19和蓄能器14释放的压力油共同经比例节流阀11进入油缸12无杆腔，推动油缸12上升举起重物；油缸15有杆腔的液压油接油箱。此时变量泵2的压力油和蓄能器14释放的压力油共同驱动油缸12；系统通过调节比例节流阀11的阀芯位移来控制油缸15上升速度；
2)变量泵2由发动机1和变频电机3组成的混合动力系统共同驱动。发动机1提供负载(变量泵2)的平均功率，当负载功率大于发动机1的输出功率时，变频电机3工作在电动状态，变量泵2由发动机1和变频电机3共同驱动，电池5处于放电状态；当负载功率小于发动机1的输出功率时，变频电机3工作在发电状态，发动机1驱动变量泵2，同时驱动变频电机3把发动机输出的多余的能量转化成电能储存在电池5中，电池5处于充电状态。
以上，本发明涉及的两个整流/逆变器4和6，电池5可根据需要可以在市场选购，信号控制单元16可采用PLC可编程逻辑控制器，负载(变量泵)的输出功率，可以根据第二压力传感器17检测的输入信号和信号控制单元16输出的变量泵2的排量信号估算，信号控制单元16采取的具体控制策略可以根据实际需要进行编写。
Claims (1)
1、一种混合动力工程机械蓄能器-液压马达能量回收系统，其特征在于：包括两个变频电机(3，8)、两个整流/逆变器(4，6)、发动机(1)、变量泵(2)、变量马达(9)、蓄能器(14)、两个单向阀(10，19)、比例节流阀(11)，比例溢流阀(7)、安全阀(18)、两个压力传感器(13，17)、控制手柄(15)、信号控制单元(16)、电池(5)和油缸(12)；其相互连接关系如下：
发动机(1)、变量泵(2)和第一变频电机(3)同轴相连，第一变频电机(3)接第一整流/逆变器(4)；变量马达(9)和第二变频电机(8)同轴相连，第二变频电机(8)接第二整流/逆变器(6)；第一、第二整流/逆变器(4，6)接电池(5)；
变量泵(2)的出口接第一单向阀(19)的进油口，第一单向阀(19)的出油口分六路，第一路接比例溢流阀(7)的进油口，第二路接安全阀(18)的P口，第三路接第一压力传感器(17)的输入端，第四路接比例节流阀(11)的B口，第五路接变量马达(9)的出油口，第六路接蓄能器(14)；
油缸(12)无杆腔接三路，第一路接第二单向阀(10)进油口，第二路接比例节流阀(11)的A口，第三路接第二压力传感器(13)的输入端；第二单向阀(10)的出油口接变量马达(9)的进油口；
信号控制单元(16)从控制手柄(15)获得控制信号，从第一、第二压力传感器(17，13)获得检测信号，向发动机(1)、变量泵(2)、变量马达(9)、第一、第二整流/逆变器(4，6)、比例节流阀(11)和比例溢流阀(7)发出控制指令控制发动机(1)的油门位置信号、变量泵(2)的排量、变量马达(9)的排量、第一、第二变频电机(3，8)的转速、比例节流阀(11)的阀心位移和比例溢流阀(7)的阀心位移，从而控制油缸(12)的动作。
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Open date: 20090415 |