CN102300754B - 用于车辆的制动能量回收系统及配备该系统的车辆 - Google Patents

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Abstract

一种适于用在车辆上的制动能量回收系统，以及一种安装有这种系统的车辆。所述车辆具有发动机-传动装置组件、传动轴、制动系统和辅助系统。所述能量回收系统包括第一泵、液压蓄能器和液压马达。所述第一泵是变排量液压泵。所述液压蓄能器连接至所述第一泵，并用以将液压流体存储在压力下。所述液压马达液压地连接至所述蓄能器，以接收液压流体。所述马达适于使用存储在所述蓄能器中的液压能量驱动第二液压泵，所述第二液压泵液压地连接至所述辅助系统。

Description

用于车辆的制动能量回收系统及配备该系统的车辆
技术领域
本发明总体涉及车辆中的能量效率领域。更具体地，本发明涉及一种在具有辅助系统的车辆上使用的制动能量回收系统，所述能量回收系统能够至少部分地给所述辅助系统提供动力。
背景技术
制动能量回收系统——也已知为混合动力系统——在电动汽车（诸如轿车和轻型卡车）领域已经被知晓一段时间。在大多数应用中，在制动期间回收的原本将作为热能耗散的能量被重新用于驱动停止的车辆。
垃圾车非常适于应用制动能量回收系统。事实上，垃圾车在收集模式下的典型工作循环（duty cycle）的特征在于高频率的停止和行进循环以及低的平均速度。此外，频繁使用液压辅助系统（诸如垃圾压实机）所要求的能量消耗非常高，在收集模式中达到接近40%。
来自力士乐（Rexroth）的“HRB Hydrostatic RegenerativeBraking SystemTM”、来自派克（Parker）的“RunwiseTM”和来自伊顿公司（Eaton Corporation）的“Hydraulic Launch AssistTM”都使用组合的液压泵-马达。它们都被设计为用于重型卡车应用，其中制动能量被回收、存储和重新使用以发动车辆。
澳大利亚公司Permo-Drive在并联液压重发动系统的开发中发挥积极的作用。它的名为“再生传动轴（Regenerative Drive Shaft）”的产品是一种围绕周围车辆的传动轴放置的同心泵/马达组件，其在泵模式中回收制动能量，并且在马达模式中在从停止开始加速期间提供助推。
然而，用于在重发动期间助推车辆的系统相当复杂，这是因为它们需要在不同层级与车辆的传动系接口连接。因此，一种令人感兴趣的替代方案是重新使用所存储的制动能量以给大量使用辅助系统的车辆（诸如垃圾车）的辅助系统提供动力。
已经提出了回收制动能量以给车辆的辅助系统提供动力的不同的解决方案。Stragier的美国专利申请No.US2006/0108860描述了一种用于垃圾车的制动能量回收系统，其重新使用该能量来给辅助系统提供动力。然而，该回收系统不能适当地调整制动，因为它的控制基本上充当开/关转换器（ON/OFF switch）。
Hagin等人的美国专利No.US4,778,020描述了一种制动能量回收系统，其能够将制动能量存储在蓄能器中，从而要么从停止驱动车辆，要么给车辆的辅助系统提供动力。然而，该回收系统要求使用复杂的变速传动装置（transmission），而不是标准传动装置，这限制了使用该回收系统来对现有车辆进行改型的潜力。
因此，明确地需要一种改进的制动能量回收系统。
发明内容
本发明的一个目的是提供这样一种制动能量回收系统，其克服或减轻已知制动能量回收系统的一个或多个缺点，或者至少提供一种有用的替代。
本发明的优点包括构造相对简单，这使得它既容易用于改型现有车辆（诸如垃圾车），或者又容易作为原始装备安装在新车辆上。此外，本发明的一个实施方案的优点包括，在使用所回收的制动能量的方式上具有灵活性。
根据本发明的一个实施方案，提供了一种适于用在具有发动机-传动装置组件（engine-transmission assembly）、传动轴、制动系统和辅助系统的车辆上的制动能量回收系统。所述能量回收系统包括第一泵、液压蓄能器和液压马达。所述第一泵是变排量液压泵。所述液压蓄能器连接至所述第一泵，并且用以将液压流体存储在压力下。所述液压马达液压地连接至所述蓄能器，以接收液压流体。所述马达适于使用存储在所述蓄能器中的液压能量驱动第二液压泵。可选地，所述马达可以是变排量液压马达。
根据本发明的另一个实施方案，提供了一种配备制动能量回收系统的车辆。所述车辆具有发动机-传动装置组件、传动轴、制动系统和辅助系统。所述车辆的所述能量回收系统包括第一液压泵、液压蓄能器、液压马达和第二液压泵。所述第一泵是变排量液压泵。所述液压蓄能器连接至所述第一泵，并且用以将液压流体存储在压力下。所述液压马达液压地连接至所述蓄能器，以接收液压流体。所述第二液压泵机械地连接至所述马达，并且液压地连接至所述辅助系统。
可选地，所述马达可以是变排量液压马达，并且所述第二泵可以是固定排量泵。
附图说明
从下文参照附图的描述中，本发明的这些及其他特征将更明了，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方案的制动能量回收系统的示意图；
图2是根据本发明的另一个实施方案的制动能量回收系统的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种制动能量回收系统，其可以作为标准设备设置在新车辆上，也可以对现有车辆进行改型。通过使用了变排量液压泵和马达，可根据制动需求来调整所回收的能量，并且根据来自辅助系统的动力需求来调整所存储的能量。此外，在本发明的一个实施方案中，该制动能量回收系统也可以用于在加速期间助推车辆。
现在参看图1，其示意性地描绘了本发明的制动能量回收系统10。为了更好的理解，制动能量回收系统10被示为安装在车辆的动力系（powertrain）12上。图1中示出的动力系12的部件是：内燃机14和传动装置16，它们共同形成了发动机-传动装置组件18；以及传动轴20，其将轮副（wheel set）22连接至传动装置16。轮副22配备有连接至制动系统23的制动器。辅助系统24通过液压连接线25连接至辅助液压泵26，其被动力系12机械地驱动。辅助系统24常常被设置在最常安装制动能量回收系统10的车辆——诸如垃圾车——上。这样的辅助系统24可以是任何以液压提供动力的设备，诸如垃圾压实机、提起垃圾筒的液压臂、或任何其他以液压提供动力的设备。
制动能量回收系统10使用离合器28，离合器28适于选择性地将传动轴20接合至变排量液压泵32。控制器30控制离合器28的接合。控制器30可以是电气的（electric）、电子的（electronic）、液压的或气动的回路。当离合器28接合至传动轴20时，轮副22的旋转运动驱动该变排量泵32。可选地，变速箱（gearbox）33可以被用在传动轴20和变排量液压泵32之间以提高其速度。优选地，变速箱33位于离合器28和变排量液压泵32之间并机械地连接它们。
通过液压连接35，变排量泵32可以将液压流体从贮存器34泵至加压的液压蓄能器36。蓄能器36被用来在压力下存储液压流体。所述压力是通过活塞或膜相对于液压流体的对立侧的加压气体在蓄能器36内部产生的。
尽管理论上，一旦控制器30使用制动需求传感器31检测到制动系统23的制动需求，则离合器28就与传动轴20接合，但优选的是，控制器30宁可控制变排量泵32的排量。确实，在检测到制动需求和离合器28接合之间的时滞（time lag）长于将变排量泵32的排量从零改变至期望值的时滞。因此，控制器30在通常用于垃圾拾起的速度区间（通常低于约40km/h）中持久地接合离合器28，并改变变排量泵32的排量。在该速度以上，控制器30可以决定使离合器28从传动轴20脱离，以防止一些部件（诸如变排量泵32）超过其额定最大旋转速度。
由于变排量泵32是由轮副22驱动的，所以当控制器增大变排量泵32的排量时产生了阻力。这抵抗轮副22的滚动，由此辅助其制动。由变排量泵32泵送的液压流体的流率（flow rate）越大，制动轮副22的辅助就越大。通过仔细地将来自该车辆的标准制动系统的制动力与由制动能量回收系统在存储能量时提供的制动辅助相结合，控制器30匹配制动需求。有利地，变排量泵32根据它须施加于轮副22的最大制动扭矩来设置大小。然后控制器30可以调整该变排量泵32的排量，以在既不超过制动需求也不超过蓄能器36的容量的前提下使得对制动系统的制动辅助的水平最大化。这不仅允许减少制动系统23的磨损，而且允许存储在蓄能器36中的制动能量最大化。控制器30将蓄能器36的容量纳入考量，因此可以根据蓄能器36的存储可用性（storage availability）来降低制动辅助的水平。因而，在将要达到蓄能器36的容量的情况下，控制器30可以减小变排量泵32的排量。当蓄能器36已经达到其最大容量时，控制器30可以将可变泵32的排量减小至零，或者将离合器28从传动轴20脱离接合。
制动需求的检测可以在制动系统的任何方便位置以许多不同方式实现：电气地、电子地、液压地或气动地。例如，制动需求传感器31可以是连接至制动踏板的用于电气地检测制动需求的可变电阻器（rheostat），或者可以是安装在制动回路中的压力传感器（气动的或液压的，取决于所使用的制动流体的类型）。
液压变排量马达38液压地连接至蓄能器36。通过加压的液压流体，马达38操作性地使用从蓄能器36接收的能量，并将其转化成旋转运动。因而，马达38适于机械地连接，以使用以加压的液压流体的形式存储在蓄能器36中的能量，通过该旋转运动来驱动机械装置。在本实施方案中，马达38驱动固定排量泵40，其通过辅助液压回路42液压地连接至辅助系统24。马达38的大小是根据给辅助系统24提供足够动力所要求的最大扭矩来设置的。有利的是使用两个分立的单元，因为它们可以为其具体扭矩要求而分立地设置大小。
当控制器30检测到来自辅助系统24的动力需求时，控制器30打开阀门39，以将加压的液压流体从蓄能器36输送到马达38。然后该控制器控制马达38的排量，以匹配动力需求。为了检测来自辅助系统24的动力需求，控制器30连接至动力需求传感器44，动力需求传感器44通过连接至辅助系统24或连接至辅助液压回路42来检测动力需求。与制动需求的检测相似，动力需求可以在辅助液压回路42的任何方便位置以许多不同方式来检测：电气地、电子地、液压地或气动地。在图1中，动力需求传感器44被描绘为读取辅助液压回路42的压力的流体压力传感器。
例如，动力需求传感器44可以是连接至用于电气检测动力需求的杆的可变电阻器，或者可以是安装在辅助液压回路42中的压力传感器。
许多现有的垃圾车已经装备了辅助液压泵26。辅助液压泵26——其可以与固定排量泵40相似——被内燃机14驱动，并且机械地连接至发动机-传动装置组件18。辅助液压泵26通常连接至发动机曲柄（crank）、发动机飞轮、传动装置或动力输出装置（power take off）（PTO）。在图1中，辅助液压泵26被示为机械地连接至发动机飞轮。辅助液压泵26被用来将液压流体泵送到它液压地连接至的辅助系统24。由于辅助液压泵26总是被内燃机14驱动，所以卸载阀46被放置在辅助液压泵26和辅助系统24之间的液压连接线25上。卸载阀46被用来当固定排量泵40起作用时将液压流体转移到贮存器34。
由于固定排量泵40和辅助液压泵26都连接至辅助系统24，所以它们中的任一个或二者可以给辅助系统24提供液压动力。因此，目的是尽可能地减少由辅助泵26提供的液压动力，以减小内燃机14的负载。随着内燃机14的负载的减少，使用的燃料就变少。控制器30调整马达38，以尽可能地满足来自辅助系统24的动力需求。如果控制器30能够完全满足该动力需求，那么内燃机14就承受不到来自辅助系统24的负载。那么辅助系统24就完全由从该车辆的制动所回收的能量提供动力。如果控制器30因为没有足够的能量存储在蓄能器36中而不能完全满足该动力需求，那么由内燃气14驱动的辅助液压泵26就补足缺少的量。
现参照图2中的本发明的第二实施方案。该实施方案与已经描述的实施方案相似，区别在于马达38机械地连接至发动机传输组件18，并且固定排量泵40被抛弃。马达38可以通过PTO连接至内燃机14，或者直接连接在内燃机14的曲轴或飞轮上。注意，马达38可以通过第二离合器连接至内燃机14，以允许当不需要时将马达38脱离。此外，辅助液压泵26可以连接至PTO、直接连接在内燃机的曲轴或飞轮上，或者连接至任何其他方便的位置。辅助液压泵26——其可以是固定或变排量泵——甚至可以直接被马达38驱动，以与本发明的第一实施方案中固定排量泵40被马达38驱动相同的方式。
当控制器30检测到来自辅助系统24的动力需求时，它打开阀39以向马达38馈送存储在蓄能器36中的加压的液压流体。然后马达38驱动内燃机14，其也驱动辅助液压泵26。再一次，根据来自辅助系统24的动力需求的水平以及存储在蓄能器36中的能量的水平，控制器调整马达38的排量。如果没有足够的能量存储在蓄能器36中，那么马达38和内燃机14都驱动辅助液压泵26。如果有足够的能量存储在蓄能器36中，那么内燃机14上的负载就会减小，因为只有马达38驱动辅助液压泵26。因而，在这两种情况下，辅助液压泵26至少部分地被马达38驱动。如果蓄能器36中没有能量剩余，那么内燃机14单独驱动辅助液压泵26。最后一种情况与没有配备制动能量回收系统的标准垃圾车的情形相似。
如果控制器30评定存储在蓄能器36中的能量的水平是足够的，那么它可以决定通过驱动它来辅助内燃机14。不论内燃机14在该辅助时期是正在加速、处于稳定速度还是正在空转，结果总是减少了燃料消耗。之所以有使用存储能量的该灵活性，是因为动力从马达38传递至内燃机14。例如，马达38可以在加速期间通过借助发动机飞轮也给轮副22提供动力来辅助内燃机14，从而减小内燃机14上的负载。另一个例子是，马达38助推内燃机14以空转速度运转，而不使用燃料，如在下面将更详细地看到的。
当制动能量回收系统10作为原始设备被制造商安装在卡车上时，能使得控制器30与发动机电子控制单元（ECU）接口连接，因此，当控制器30企图单独以所存储的液压能量来驱动内燃机14时，该ECU切断到内燃机14的燃料供应，并且控制器30调节变排量马达38的排量，以使得内燃机14以其正常空转速度运转。然而，当制动能量回收系统10被用于改型现有卡车时，有利的是不必篡改现有ECU以使得它能与控制器30连通。因而，如果控制器30评定蓄能器36中有足够的能量来单独以液压能量驱动内燃机14，那么它将调节变排量马达38的排量以略微高于其正常空转速度的速度驱动内燃机14。随着ECU减少到内燃机14的燃料供应以降低其发动机速度，它将减少燃料供应直到完全切断，试图进一步将发动机速度降低到空转。
作为上述实施方案的一个替代，变排量泵32和变速箱33可以分别被替换成固定排量泵和无级变速传动装置。这也允许控制由泵32泵送到蓄能器36的液压流体的流率，尽管该实施方案实施起来可能会更昂贵。
已经参照优选实施方案描述了本发明。描述和附图旨在帮助理解本发明，而不是限制其范围。本领域技术人员应明了，在不脱离在此描述的本发明范围的前提下可以对本发明进行各种修改，并且这样的修改旨在被本描述所覆盖。本发明由下列权利要求限定。

Claims (19)

1.一种用于在车辆上使用的制动能量回收系统，所述车辆具有动力系，所述动力系带有驱动部分和从动部分，所述驱动部分包括发动机，所述从动部分包括传动装置以及将所述传动装置连接至轮副的传动轴，所述动力系的所述驱动部分可脱离地联接至所述从动部分，所述制动能量回收系统包括：
第一泵，所述第一泵是变排量液压泵，联接至所述动力系的所述从动部分；
液压蓄能器，其被连接以从所述第一泵接收液压流体，所述蓄能器用以将液压流体存储在压力下；
液压马达，其被连接以从所述蓄能器接收液压流体，所述液压马达与所述动力系的所述从动部分隔离，以使得它们能够独立地运转，所述液压马达还联接至所述动力系的所述驱动部分；
辅助液压系统；以及
用于给所述辅助液压系统提供动力的第二液压泵，所述第二液压泵联接到所述液压马达，使得所述第二液压泵能够被所述液压马达操作。
2.根据权利要求1所述的制动能量回收系统，其中所述第二液压泵还联接至所述动力系的所述驱动部分，使得所述第二液压泵还能够被所述动力系的所述驱动部分操作。
3.根据权利要求1所述的制动能量回收系统，其中所述液压马达适于通过所述动力系的所述驱动部分操作所述第二液压泵。
4.根据权利要求2所述的制动能量回收系统，其中所述液压马达适于通过所述动力系的所述驱动部分操作所述第二液压泵。
5.根据权利要求1所述的制动能量回收系统，其中所述液压马达适于施加扭矩以运转所述发动机，所述扭矩协助所述发动机加速、维持稳定速度、空转、或为所述辅助液压系统提供动力。
6.根据权利要求2或3所述的制动能量回收系统，其中所述液压马达适于施加扭矩以运转所述发动机，所述扭矩协助所述发动机加速、维持稳定速度、空转、或为所述辅助液压系统提供动力。
7.根据权利要求4所述的制动能量回收系统，其中所述液压马达适于施加扭矩以运转所述发动机，所述扭矩协助所述发动机加速、维持稳定速度、空转、或为所述辅助液压系统提供动力。
8.根据权利要求1、2、3、4、5和7中任一项所述的制动能量回收系统，还包括：离合器，所述离合器选择性地将所述第一泵与所述传动轴接合；位于所述传动轴和所述第一泵之间的变速箱，所述变速箱将所述离合器连接至所述第一泵。
9.根据权利要求1、2、3、4、5或7中任一项所述的制动能量回收系统，还包括控制器，所述控制器用以检测制动需求，并且根据所述制动需求调整所述第一泵的排量。
10.根据权利要求9所述的制动能量回收系统，其中所述控制器还用以根据所述蓄能器的存储可用性调整所述第一泵的排量。
11.根据权利要求9所述的制动能量回收系统，其中所述控制器还用以检测来自所述辅助液压系统的能量需求，并且根据所述能量需求调整所述液压马达的排量。
12.根据权利要求9所述的制动能量回收系统，其中所述液压马达联接至所述动力系的所述驱动部分，并且所述控制器用以调节所述液压马达的排量，以产生能够运转所述发动机的扭矩。
13.根据权利要求9所述的制动能量回收系统，其中所述车辆也具有基础制动系统，并且其中所述控制器用以根据所述制动需求激活并调整所述基础制动系统的制动力。
14.根据权利要求9所述的制动能量回收系统，其中所述第一泵的最大排量显著不同于所述液压马达的排量。
15.根据权利要求9所述的制动能量回收系统，其中所述第一泵的排量根据它须施加于所述轮副的最大制动扭矩来设置大小，且其中所述液压马达的排量根据运行所述第二液压泵所要求的最大扭矩来设置大小。
16.根据权利要求9所述的制动能量回收系统，其中所述系统被用于对现有车辆进行改型，所述车辆的传动装置具有多个固定的传动比。
17.根据权利要求9所述的制动能量回收系统，其中所述辅助液压系统是一件液压设备。
18.根据权利要求17所述的制动能量回收系统，其中所述一件液压设备是垃圾车的垃圾压实机、或者是适于提起垃圾筒的垃圾车的液压提升臂。
19.一种具有动力系的车辆，所述动力系带有驱动部分和从动部分，所述驱动部分包括发动机，所述从动部分包括传动装置以及将所述传动装置连接至轮副的传动轴，所述动力系的所述驱动部分可脱离地联接至所述从动部分，所述车辆包括根据前述权利要求中任一项所述的制动能量回收系统。
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