CN101920660A - 流动式工程机械的供能方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流动式工程机械的供能系统，通过燃油发动机为行驶机构提供动力，并带动发电机发电，为蓄能单元充电，并通过蓄能单元作为供能源为作业机构提供电能；当处于停止行驶时，还可通过控制燃油发动机转速，从而带动发电机进行小功率发电，对蓄能单元进行不断充电。本发明还提供了一种流动式工程机械的供能方法。采用本发明的供能方法及系统，通过蓄电单元为作业机构提供电能，能够显著降低作业时的发电功率，可节约燃油40％-60％以上，减少排放污染，具有明显的社会和经济效益。

Description

流动式工程机械的供能方法及系统

技术领域

本发明涉及工程机械的供能技术，更具体地说，涉及一种流动式工程机械的供能方法及系统。

背景技术

流动式工程机械种类很多，包括挖掘机、铲土车、混凝土搅拌车、凿岩台车、起重车、倾卸车等等，被广泛用于建筑、水利、电力、道路、矿山、港口和国防等工程领域。请参阅图1所示，目前，流动式工程机械常见的供能方式为：行驶时，采用燃油发动机燃烧燃油(柴油或汽油，柴油较多)，为其行驶机构提供动力；作业时，通过该燃油发动机带动发电机进行发电，为作业机构运行提供电能。在此需要说明的是，有些作业机构是靠直接供电进行运行，如混凝土搅拌车的搅拌机构、凿岩台车的凿岩机构、起重车的起重机构等；还有些作业机构是靠供电给作业机构的液压装置，通过液压装置动作驱动作业机构运行，如挖掘机的挖掘机构、铲土车的铲土机构以及倾卸车的倾卸机构等。

但是，在实际使用过程中，此类供能方式存在以下缺点：

1、燃油发动机功率配置过大

为了满足相应作业机构的最大负荷、额定速度和额定加速度运行时的峰值功率需要，厂家一般都针对峰值功率再加余量来选择大功率燃油发动机，而流动式工程机械经常是间歇式作业，作业时的持续功率仅为其几分之一。

2、燃油发动机低负荷时间比例较高

据统计：在作业时，其相应的燃油发动机负荷低于25％的运转时间高达85％以上，在此期间燃油发动机仍然以全速运行，不但造成大量的储备功率导致燃油浪费严重，而且还加大了环境污染。

3、行驶及作业时产生的再生电能没有得到利用

流动式工程机械在行驶或作业时，均存在由重力做功、减速或制动过程中产生再生电能的情况，而目前此类再生电能未得到有效的回收和利用，进一步造成能量的浪费。

综上所述，现有的流动式工程机械采用大功率燃油发动机燃烧燃油的供能方式存在油耗高、能耗大、污染严重以及无法回收再生能量的缺点，已无法满足国家节能减排的要求。随着混合动力的出现，以及蓄电技术的日益完善，迫切需要一种新的供能方式来解决上述问题。

发明内容

针对目前的流动式工程机械存在的油耗高、污染严重的缺陷，本发明的目的是提供一种流动式工程机械的供能方法及系统，该供能系统和方法可以大幅度减小油耗，降低污染，从而达到节能减排的目的。

为此，本发明的流动式工程机械的供能系统包括：

流动式工程机械的供能方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、采用燃油发动机燃烧燃油为行驶机构提供动力，并在行驶时，通过燃油发动机带动发电机进行发电；

b、将步骤a中生成的电能通过AC/DC转换成直流电；

c、将步骤b中的直流电输入蓄能单元内进行充电；

d、作业时，通过蓄能单元输出直流电，并经DC/DC转换后，为工程机械的作业机构的运行提供电能。

在所述的步骤c中，通过功率控制模块对蓄能单元内的工作参数进行检测，并控制步骤b中的直流电输入蓄能单元内进行充电。

所述的通过功率控制模块进行充电的控制步骤具体包括：

c1、将步骤b中波动的直流电变换成恒定的直流电，供蓄能单元充电；

c2、当蓄能单元处于储能不多，内阻很低的初始状态时，对蓄能单元的预充电进行限流管理；

c3、当燃油发动机带动发电机工作时，保持对蓄能单元常态充电；

c4、当蓄能单元储能满额时，控制发电机关断；

c5、当蓄能单元储能低于设定阀值时，且流动式工程机械处于停止行驶时，阻止作业机构动作，等待充电过程进行。

若流动式工程机械处于停止行驶状态，且蓄能单元储能低于设定值，需要充电时，通过功率控制模块控制燃油发动机启动并带动发电机进行小功率发电，用以充电，并且根据蓄能单元储能量的大小，通过功率控制模块控制调速器进行动态调整燃油发动机的转速；还通过功率控制模块与作业机构的PLC控制器进行通讯联络，获取做功量、速度、耗用功率等数据，并依据蓄能单元的储能情况，对PLC控制器提出作业机构的速度控制要求。

若蓄能单元工作异常，通过转换开关将经AC/DC转换的直流电直接对作业机构进行供电。

该供能方法还包括步骤e：

在流动式工程机械行驶或作业过程中，处于重力做功、减速或制动时，通过蓄能单元回收由重力做功、减速或制动所产生的再生电能；

若再生电能在蓄能单元满溢时，通过控制小容量的制动单元和制动电阻进行工作。

本发明的流动式工程机械的供能系统包括燃油发动机和电动机，燃油发动机分别与行驶机构、电动机相连，为行驶机构提供动力并带动电动机发电，该供能系统还包括：

AC/DC转换器，输入端与发电机连接，将发电机生成的电能进行整流处理；

蓄能单元，输入端与AC/DC转换器的输出端连接，接收电能并进行充电；

DC/DC变换器，输入端与蓄能单元的输出端连接，将蓄能单元输出的电能转换成恒定的高压电流；输出端与流动式工程机械的作业机构连接，对作业机构的运行提供电能。

所述的供能系统还包括功率控制模块，连接设于AC/DC转换器和蓄能单元之间，对蓄能单元内的工作参数进行检测，并将AC/DC转换器输出的波动的直流电变换成恒定的直流电，用以控制蓄能单元进行充电，并且

当蓄能单元处于储能不多，内阻很低的初始状态时，功率控制模块对蓄能单元的预充电进行限流管理；

当燃油发动机带动发电机工作时，功率控制模块保持对蓄能单元常态充电；

当蓄能单元储能满额时，功率控制模块控制发电机关断；

当蓄能单元储能低于设定阀值，且流动式工程机械处于停止行驶时，功率控制模块阻止作业机构动作，等待充电过程进行；

当蓄能单元储能低于设定值，且流动式工程机械处于停止行驶时，功率控制模块控制燃油发动机启动并带动发电机进行小功率发电，用以充电。

所述的燃油发动机还具有调速器，所述功率控制模块还与调速器连接，通过对调速器的控制，进行动态调整燃油发动机的转速。

所述的AC/DC转换器的输出端还通过一个转换开关直接跨接至作业机构上。

本发明的流动式工程机械的供能方法及系统，通过燃油发动机为行驶机构提供动力，并带动发电机发电，为蓄能单元充电，并通过蓄能单元作为供能源为作业机构提供电能；当处于停止行驶时，还可通过控制燃油发动机转速，从而带动发电机进行小功率发电，对蓄能单元进行不断充电。采用本发明的供能方法及系统，通过蓄电单元为作业机构提供电能，能够显著降低作业时的发电功率，可节约燃油40％-60％以上，减少排放污染，具有明显的社会和经济效益。

因此，本发明的流动式工程机械的供能方法及系统具有大幅度减小油耗，提高燃油的利用率，从而达到节能减排目的的优点。

附图说明

图1是本发明的流动式工程机械的供能方法的流程图；

图2是本发明的流动式工程机械供能系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明的主要设计原理是通过采用燃油发动机燃烧燃料为行驶机构提供动力，并带动发电机发电作为蓄能单元的电能补给源，作业时，则通过蓄能单元作为主要供电源，对作业机构的大功率运行进行有效供电。若不处于行驶状态，但需要充电时，可控制燃油发动机带动发电机进行小功率发电，从而对蓄能单元进行积累充电。

请结合图1、图2所示，本发明的流动式工程机械的供能方法包括以下步骤：a、采用燃油发动机111燃烧燃油为行驶机构1提供动力，并在行驶时，通过燃油发动机111带动发电机112进行发电；b、将步骤a中生成的电能通过AC/DC转换成直流电；c、将步骤b中的直流电输入蓄能单元130内进行充电；d、作业时，通过蓄能单元130输出直流电，并经DC/DC转换后，为流动式工程机械的作业机构2的运行提供电能。在所述的步骤c中，还通过功率控制模块150对蓄能单元130内的工作参数进行检测，并控制步骤b中的直流电输入蓄能单元130内进行充电。该供能方法还包括步骤e：在流动式工程机械行驶或作业过程中，处于重力做功、减速或制动时，通过蓄能单元130回收由重力做功、减速或制动所产生的再生电能；若再生电能在蓄能单元130满溢时，再通过控制小容量的制动单元和制动电阻进行工作。

下面对上述的充电过程进行具体说明：当流动式工程机械在行驶时，由可自动调速的燃油发动机111燃烧燃油，对行驶机构1提供动力，同时带动发电机112发出非恒定交流电，经AC/DC转换器120整流后，得到的直流电经功率控制模块150对蓄能单元130进行充电(功率控制模块150根据蓄能单元130电压变化，按照I＝P/V的关系，自动调整充电电流并将电流限制在允许值以内)。由于蓄能单元130的电压不能突变，因此燃油发动机111转速也不会突变，这使燃油发动机111能够始终处于良好的工作环境下，对延长燃油发动机111使用寿命大有裨益。而需要作业时，作业机构2所需电能均由蓄能单元130提供，其过程是：蓄能单元130储存的电能通过DC/DC转换器140转换为稳定直流送给供电直流母排，再由直流母排向作业机构2供电，当作业机构2处于重力做功、减速或制动时，产生的再生电能全部由蓄能单元130回收。当蓄能单元130发生故障以及其它工作异常时，可启动应急工作模式，即通过转换开关160闭合，将AC/DC转换器120与直流母排跨接，通过发电机112直接为作业机构2进行应急供电，这时还可对作业机构2最高运行速度进行限制。

在本发明中，蓄能单元130的电能信号和作业负荷信号会引入燃油发电机111的调速器输入端，以调节燃油发电机111的转速并完成燃油发电机111的自动启停，从而还可解决长时间低负荷及空载造成的燃油浪费。

在本发明中，功率控制模块150是管理燃油发电机111的调速控制、燃油发电机111的自动启停控制；还管理蓄能单元130的充电控制，具体的控制步骤进行如下举例说明：

1、自动调速的燃油发电机111带动发电机112发出220～440V、25～0HZ非恒定交流电，经平波电抗器滤波后送至二极管整流，得到的直流电输入功率控制模块150；

2、功率控制模块150把输入的300～600V直流电变换成恒定的600V直流电，输出到蓄能单元130，进行充电。

3、当蓄能单元130为初始状态时，储能不多，内阻很低，功率控制模块150在预充电时进行限流管理。

4、当蓄能单元130储能低于设定阀值时，功率控制模块150不允许作业机构2动作，等待充电过程进行。

5、当燃油发动机111持续工作并带动发电机112发电时，功率控制模块150保持对蓄能单元130常态充电。

6、当蓄能单元130储能满额时，功率控制模块150控制发电机112关断。

7、当流动式工程机械处于停止行驶状态，且蓄能单元130储能低于设定值需要充电时，功率控制模块150控制燃油发动机111启动并带动发电机112进行小功率发电，用以对蓄能单元130进行长时间的充电；并且还可根据蓄能单元130储能量的大小，通过功率控制模块150动态调整燃油发动机111的转速，实现按能量需求调节发电量的目的。

8、通过功率控制模块150检测并控制蓄能单元130内的电流、温度、小单元均压等参数。

9、通过功率控制模块150跟作业机构2的PLC控制器进行通讯联络，获取做功量、速度、耗用功率等数据，并依据蓄能单元130的储能情况对PLC当提出作业机构2运行速度要求。

10、当蓄能单元130发生故障以及其它工作异常时，可启动应急工作模式，即通过转换开关160闭合，将AC/DC转换器120与作业机构2的直流母排跨接，直接为作业进行应急供电，并且这时还可通过软件控制将作业机构2最高运行速度限制在额定速度的50％。

请参阅图2所示，本发明的流动式工程机械的供能系统100包括燃油发动机111和电动机，燃油发动机111分别与行驶机构1、电动机相连，为行驶机构1提供动力并带动电动机发电，该供能系统还包括AC/DC转换器、蓄能单元130和DC/DC变换器，AC/DC转换器输入端与发电机112连接，将发电机112生成的电能进行整流处理，一般可采用二极管整流；蓄能单元130输入端与AC/DC转换器的输出端连接，接收电能并进行充电，在此需要说明的是，蓄能单元130可以采用超级电容，也可以采用蓄电池或者其它蓄电装置，并且在其作业机构2处在重力做功、减速或制动时，该蓄能单元130还可以用来收由重力做功、减速或制动所产生的再生电能；DC/DC变换器输入端与蓄能单元130的输出端连接，将蓄能单元130输出的电能转换成恒定的高压电流；输出端与流动式工程机械的作业机构2连接，对作业机构2的运行提供电能。该供能系统还包括功率控制模块150，连接设于AC/DC转换器120和蓄能单元130之间，对蓄能单元130内的工作参数进行检测，并控制蓄能单元130的充电，该功率控制模块150可选用具有CPU的集成控制电路。该功率控制模块150还将AC/DC转换器120输出的波动的直流电变换成恒定的直流电，供蓄能单元130充电，并且当蓄能单元130处于储能不多，内阻很低的初始状态时，功率控制模块150对蓄能单元130的预充电进行限流管理；当燃油发动机111带动发电机112持续工作时，功率控制模块150保持对蓄能单元130常态充电；当蓄能单元130储能满额时，功率控制模块150控制发电机112关断；当蓄能单元130储能低于设定阀值时，功率控制模块150阻止作业机构2动作，等待充电过程进行；当蓄能单元130储能低于设定值需要充电时，并且行驶机构1处于停止作业时，功率控制模块150控制燃油发动机111启动并带动发电机112进行小功率发电(220-440V、25-50HZ)，用以长时间的充电。并且该功率控制模块150还负责与作业机构2的PLC控制器进行通讯联络，获取做功量、速度、耗用功率等数据，并依据蓄能单元130的储能情况，对PLC控制器提出作业机构2的速度控制要求。燃油发动机111还具有调速器，功率控制模块150与调速器连接，通过对调速器的控制，进行动态调整燃油发电机111的转速，从而实时控制发电功率。另外，AC/DC转换器120的输出端还通过一个转换开关160直接跨接至作业机构2的直流母排上，当蓄能单元130工作异常时，转换开关160闭合，将经AC/DC转换的直流电直接对作业机构2进行供电，并通过PLC控制器对相应的作业机构2进行限速控制。另外，当作业机构2在重力做功、减速或制动时，所产生的再生电能全部由DC/DC变换器140输入蓄能单元130回收；再生电能只有在蓄能单元130满溢时，才控制一个小容量的制动单元和制动电阻工作。

目前市场上常见的流动式工程机械均可采用本发明技术进行改造，下面分别再对各有作业特点的倾卸车、凿岩台车以及挖掘车采用本发明后的工作原理进行分别举例说明：由于倾卸车行驶时间长，作业时间短，因此可主要通过行驶过程中对蓄能单元130进行充分有效的充电，用于瞬间倾卸作业的供电；由于凿岩台车的行驶时间较少，而作业时间短，因此，除了在行驶过程中对蓄能单元130进行充电外，还可在平时(非行驶时)以及作业时，通过功率控制模块150控制燃油发动机111带动发电机112进行小功率发电，对蓄能单元130进行持续充电，用于作业机构2的供电；挖掘车除了可采用以上的行驶充电以及小功率持续充电这两种模式之外，在其挖掘作业时，还可通过蓄能单元130回收重力做功、减速或制动所产生的再生电能。当然上述三者还均可通过蓄能单元130回收在行驶过程中产生的各种再生电能。

通过试验证明，采用本发明的供能系统和方法，能够使其作业的燃油消耗量下降40％-60％以上，不但减少能源浪费，而且还降低了排放污染，为用户带来客观的经济效益和社会效益。

综上所述，本发明的流动式工程机械的供能方法及系统具有大幅度减小作业油耗，提高燃油的利用率，达到节能减排的优点。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种流动式工程机械的供能方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、采用燃油发动机燃烧燃油为行驶机构提供动力，并在行驶时，通过燃油发动机带动发电机进行发电；

b、将步骤a中生成的电能通过AC/DC转换成直流电；

c、将步骤b中的直流电输入蓄能单元内进行充电；

d、作业时，通过蓄能单元输出直流电，并经DC/DC转换后，为工程机械的作业机构的运行提供电能。

2.根据权利要求1所述的流动式工程机械的供能方法，其特征在于，

在所述的步骤c中，通过功率控制模块对蓄能单元内的工作参数进行检测，并控制步骤b中的直流电输入蓄能单元内进行充电。

3.根据权利要求2所述的流动式工程机械的供能方法，其特征在于，

所述的通过功率控制模块进行充电的控制步骤具体包括：

c1、将步骤b中波动的直流电变换成恒定的直流电，供蓄能单元充电；

c2、当蓄能单元处于储能不多，内阻很低的初始状态时，对蓄能单元的预充电进行限流管理；

c3、当燃油发动机带动发电机工作时，保持对蓄能单元常态充电；

c4、当蓄能单元储能满额时，控制发电机关断；

c5、当蓄能单元储能低于设定阀值时，阻止作业机构动作，等待充电过程进行。

4.根据权利要求2所述的流动式工程机械的供能方法，其特征在于，

若流动式工程机械处于停止行驶状态，且蓄能单元储能低于设定值，需要充电时，通过功率控制模块控制燃油发动机启动并带动发电机进行小功率发电，用以充电，并且根据蓄能单元储能量的大小，通过功率控制模块控制调速器进行动态调整燃油发动机的转速；还通过功率控制模块与作业机构的PLC控制器进行通讯联络，获取做功量、速度、耗用功率等数据，并依据蓄能单元的储能情况，对PLC控制器提出作业机构的速度控制要求。

5.根据权利要求4所述的流动式工程机械的供能方法，其特征在于，

若蓄能单元工作异常，通过转换开关将经AC/DC转换的直流电直接对作业机构进行供电。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的流动式工程机械的供能方法，其特征在于，

该供能方法还包括步骤e：

在流动式工程机械行驶或作业过程中，处于重力做功、减速或制动时，通过蓄能单元回收由重力做功、减速或制动所产生的再生电能；

若再生电能在蓄能单元满溢时，通过控制小容量的制动单元和制动电阻进行工作。

7.一种流动式工程机械的供能系统，包括燃油发动机和电动机，燃油发动机分别与行驶机构、电动机相连，为行驶机构提供动力并带动电动机发电，其特征在于，

该供能系统还包括：

AC/DC转换器，输入端与发电机连接，将发电机生成的电能进行整流处理；

蓄能单元，输入端与AC/DC转换器的输出端连接，接收电能并进行充电；

DC/DC变换器，输入端与蓄能单元的输出端连接，将蓄能单元输出的电能转换成恒定的高压电流；输出端与流动式工程机械的作业机构连接，对作业机构的运行提供电能。

8.根据权利要求7所述的流动式工程机械的供能系统，其特征在于：

所述的供能系统还包括功率控制模块，连接设于AC/DC转换器和蓄能单元之间，对蓄能单元内的工作参数进行检测，并将AC/DC转换器输出的波动的直流电变换成恒定的直流电，用以控制蓄能单元进行充电，并且

当蓄能单元处于储能不多，内阻很低的初始状态时，功率控制模块对蓄能单元的预充电进行限流管理；

当燃油发动机带动发电机工作时，功率控制模块保持对蓄能单元常态充电；

当蓄能单元储能满额时，功率控制模块控制发电机关断；

当蓄能单元储能低于设定阀值，且流动式工程机械处于停止行驶时，功率控制模块阻止作业机构动作，等待充电过程进行；

当蓄能单元储能低于设定值，且流动式工程机械处于停止行驶时，功率控制模块控制燃油发动机启动并带动发电机进行小功率发电，用以充电。

9.根据权利要求7所述的流动式工程机械的供能系统，其特征在于：

所述的燃油发动机还具有调速器，所述功率控制模块还与调速器连接，通过对调速器的控制，进行动态调整燃油发动机的转速。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的流动式工程机械的供能系统，特征在于：

所述的AC/DC转换器的输出端还通过一个转换开关直接跨接至作业机构上。

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