CN102421648A - 用于混合动力交通工具的能量系统 - Google Patents

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Abstract

一种控制混合动力交通工具(1)的能量系统(10)的运作的方法，能量系统(10)包括：被控制以在期望的发动机转速(RPM期望)工作的燃烧发动机(11)；设置为由燃烧发动机(11)驱动以输出生成电力的发电机/马达(12)；设置为由燃烧发动机(11)驱动并可由发电机/马达(12)驱动的动力消耗装置(14)；以及连接到发电机/马达(12)且设置为接收发电机/马达(12)输出的生成电力的能量存储装置(13)。该方法包括以下步骤：监测(101)实际的发动机转速(RPM实际)；且若实际的发动机转速(RPM实际)从期望的发动机转速(RPM期望)减小，则控制(104)发电机/马达(12)输出逐渐减小的生成电力。据此，燃烧发动机可允许保持在其有效工作的运作范围内，同时满足动力消耗装置的动力需要。

Description

用于混合动力交通工具的能量系统
本发明的技术领域
本发明涉及用于控制混合动力交通工具能量系统的操作的方法和装置，并涉及此种混合动力交通工具。
技术背景
作为减小大气中温室气体排放的持续努力的一部分，有更大能效的交通工具正在被开发。
此交通工具的一类被称为混合动力交通工具，其设有带有燃烧发动机、发电机/马达和能量存储装置比如电池或电容的能量系统。通过明智地使用存储在能量存储装置中的能量，燃烧发动机可更加有效地运行，这导致由混合动力交通工具排放的每公里的CO2量减小。
汽车形式的混合动力交通工具如今在市场上是大量的。然而，很少发现施工设备形式的和设有附加的实体动力消耗装置比如液压提升系统的其他公用车辆形式的混合动力交通工具。
发明概述
由上可见，本发明的一般目的是提供包括实体的动力消耗装置比如液压提升系统的混合动力交通工具的能量有效操作。
根据本发明的第一方面，通过用于混合动力交通工具的能量系统的控制操作方法来实现这些目的和其他目的，能量系统包括：被控制以在期望的发动机转速下工作的燃烧发动机；被设置为由燃烧发动机驱动以输出生成电力的发电机/马达；被设置为由燃烧发动机驱动并可由发电机/马达驱动的动力消耗装置；以及被连接到发电机/马达且被设置为接收由发电机/马达输出的生成电力的能量存储装置，其中该方法包括以下步骤：监测实际的发动机转速；且如果实际的发动机转速从期望的发动机转速减小，则控制发电机/马达以输出逐渐减小的生成电力。
应当注意，根据本发明的方法决不限制于以任何特定的顺序执行其步骤。
在包括实体动力消耗装置的混合动力交通工具能量系统的改进中，本发明人遇到了新的挑战。例如，来自动力消耗装置的不可预见的动力需求可导致多于燃烧发动机可产生动力的动力总需求，然后燃烧发动机可能熄火。
对于此问题的明显解决方案可以是提供更大的燃烧发动机，但是通过此解决方案，混合动力交通工具的优点，比如提高能效就不能完全实现。另外，较大尺寸的燃烧发动机增加混合动力交通工具的成本。
由于本发明人面临的这些新挑战，本发明基于以下认识，即具有实体动力消耗装置的混合动力交通工具的能效操作可以通过监测实际的发动机转速来实现，且如果实际的发动机转速从期望的发动机转速减小，这将是如果由动力消耗装置需要动力的情形，则逐渐减小由发电机/马达输出的生成电力。
由发电机/马达输出的生成电力的逐渐减小可以是连续的或者分阶段的。例如，表示实际的发动机转速的值和表示相应的生成电力的值可以设置在查询表中，其然后可以用于根据表示感应到的实际发动机转速的值来控制发电机/马达。
可控制发电机/马达以迅速减小其生成电力的输出并紧跟随实际的发动机转速的减小，据此要由燃烧发动机驱动的负载可被快速地充分地减小以允许发动机继续运行，而不熄火。
据此，燃烧发动机可被允许保持在其有效工作的运行范围，而同时满足动力消耗装置的动力需要。
另外，本发明的方法的各种实施方式允许燃烧发动机的尺寸构造为用于实质上比发电机/马达和动力消耗装置的总预测负载低的最高输出动力。这提供了减小的CO2排放和能量系统的较低成本。
上面提到的期望的发动机转速可通常选择为其中燃烧发动机具有其最高效率的发动机转速，且燃烧发动机可典型地具有使发动机朝期望的发动机转速调节的发动机控制系统。此控制系统本身在本领域是已知的。
当燃烧发动机上的负载波动时，发动机转速也将典型地波动，波动的发动机转速即实际的发动机转速。响应于此波动，发动机控制系统将典型地力图使发动机回到期望的发动机转速。
根据本发明的方法还可包括步骤：如果实际的发动机转速朝期望的发动机转速增加，则控制发电机/马达以输出逐渐增加的生成电力，据此提供由燃烧发动机传递的动力的有效利用。
根据其各种实施方式，本发明的方法还可有利地包括步骤：如果实际的发动机转速低于预定的临界发动机转速，则控制发电机/马达用作电马达，从能量存储装置汲取电力并向动力消耗装置提供机械动力。
据此，即使动力消耗装置需要多于燃烧发动机能够传递的动力的动力，也可允许发动机继续工作并向动力消耗装置传递机械动力，额外的机械动力由发电机/马达提供。
这允许燃烧发动机具有甚至更小的尺寸，因为燃烧发动机的尺寸可被构造为至少间歇地提供实质上少于动力消耗装置可能需要的动力的动力。由此，能量系统，且因而混合动力交通工具甚至能以更大能效且低成本地制造。
根据本发明的第二方面，通过用于控制混合动力交通工具的能量系统的操作的控制器实现上面提到的和其他的目的，能量系统包括：可控制以在期望的发动机转速下工作的燃烧发动机；被设置为由燃烧发动机驱动以输出生成电力的发电机/马达；被设置为由燃烧发动机驱动且可由发电机/马达驱动的动力消耗装置；以及连接到发电机/马达并设置为接收由发电机/马达输出的生成电力的能量存储装置，控制器被设定为：监测实际的发动机转速；且如果实际的发动机转速从期望的发动机转速减小，则控制发电机/马达以输出逐渐减小的生成电力。
控制器可以以硬件、软件或其组合的形式设置，且根据本发明第一方面的方法可以以控制器内的硬件，作为适于在包括于控制器内的微处理器上运行的计算机程序，或者作为其组合来实施。
为了监测实际的发动机转速，控制器可具有用于获取表示实际的发动机转速的数据的输入。数据可典型地产生于感应实际的发动机转速的传感器。此传感器对本领域技术人员来说是已知的。另外，实际的发动机转速可通过直接监测燃烧发动机曲轴的转速或者间接地通过监测能量系统的其它转动部分，比如包括在发电机/马达内的转子或者可机械地连接燃烧发动机和发电机/马达以及动力消耗装置的其他动力传递部件或者轴中的一个或多个来监测。
如上面结合本发明的第一方面描述的，控制器还可设定为，如果实际的发动机转速低于预定的临界发动机转速，则控制发电机/马达以用作电马达，从能量存储装置汲取电力并向动力消耗装置提供机械动力。
为此，控制器可设定为将实际的发动机转速与预定的临界发动机转速相比较，且如果实际的发动机转速被确定为低于临界发动机转速，则使发电机/马达反向操作。对本领域技术人员来说，如何将发电机/马达从发电机状态转换到马达状态是公知的。
本发明的此第二方面的其他实施方式和通过此第二方面得到的效果非常类似于对于本发明第一方面的以上那些描述。
另外，根据本发明的控制器可有利地包括在用于混合动力交通工具的能量系统中，能量系统还包括：可控制以在期望的发动机转速下工作的燃烧发动机；被设置为由燃烧发动机驱动以输出生成电力的发电机/马达；被设置为由燃烧发动机驱动且可由发电机/马达驱动的动力消耗装置；以及连接到发电机/马达并设置为接收由发电机/马达输出的生成电力的能量存储装置。
发电机/马达和动力消耗装置可机械地连接到燃烧发动机以便由燃烧发动机以实际的发动机转速驱动。
另外，燃烧发动机、发电机/马达和动力消耗装置可以排成一列的方式设置且可通过轴相互连接。
根据各种实施方式，动力消耗装置可以是用于液压系统比如液压提升系统的泵。
另外，根据本发明各种实施方式的能量系统可有利地包括在混合动力交通工具内，混合动力交通工具还包括一组驱动轮；用于驱动所述一组驱动轮的至少一个驱动电马达，电马达设置为接收来自包括在混合动力交通工具能量系统中的能量存储装置的电力。
在各种实施方式中，混合动力交通工具可包括多个可单独控制的驱动电马达，每一个可单独控制的驱动电马达被设置为驱动相应的一个驱动轮。
混合动力交通工具还可包括设置为由包括在混合动力交通工具能量系统中的动力消耗装置提供动力的液压系统。
在各种实施方式中，此液压系统可包括液压提升工具，比如挖掘机铲斗或用于林业中使用的传送装置的抓取工具。
根据另一方面，还可以通过计算机程序实现上面提到的和其他的目的，所述计算机程序当在根据本发明第二方面的控制器上运行时，能够执行根据本发明第一方面的方法的步骤。此计算机程序可因而是能够使现有计算机程序执行根据本发明方法的步骤的独立计算机程序或升级。
附图简述
本发明的这些或其他方面现将参照显示本发明示例性实施方式的附图更详细地描述，其中：
图1以林业中使用的传送装置的形式示意地阐示根据本发明实施方式的示例性混合动力交通工具；
图2是示意地阐示包括在图1混合动力交通工具中的能量系统的实施方式的框图；
图3是示意地阐示根据本发明实施方式的能量系统控制方法的流程图；以及
图4a-c是以示例性方案示意地阐示图2中能量系统运行的图表。
本发明优选实施方式的详述
在本详细描述中，根据本发明的控制方法、控制器和能量系统的各种实施方式主要参照包括在林业中使用的传送装置内的能量系统进行讨论。应当注意，这决不限制本发明的范围，其可同等地应用于任何其他混合动力交通工具中使用的能量系统，比如混合动力的施工设备，包括挖掘机和翻斗车。
图1以林业中使用的传送装置1的形式示意地阐示示例性的混合动力交通工具。
混合传送装置1包括驾驶舱2、用于保持收割的木材的底盘3、用于使传送装置1的操作器能够将收割的木材从地面提升到传送装置1的底盘3的液压抓取工具4。混合传送装置1还设有六个轮子5a-f，每个轮子能够由分别关联的可控制电马达(图1中未示出)驱动。驱动轮子5a-f的电马达和液压抓取工具4由能量系统提供动力，该能量系统在图1中不可见，但下面将参照图2更详细地描述。
图2是示意地阐示包括在图1的混合传送装置1中的能量系统的实施方式的框图。
参照图2，能量系统10包括燃烧发动机11、发电机/马达12、能量存储装置13和动力消耗装置，燃烧发动机11可以以靠柴油或生物燃料开动的发动机的形式有利地设置，能量存储装置13此处由单个电池示意性地显示，动力消耗装置是以用于给图1中混合传送装置1的抓取工具4提供动力的液压泵14的形式。
如图2所示，燃烧发动机11、发电机/马达12和液压泵14通过轴15、16机械地连接，轴15、16导致燃烧发动机11、发电机/马达12和液压泵14的活动部分以同样的转速-实际的发动机转速，RPM实际旋转。应当注意，本发明可同样用于在能量系统10的不同部分之间具有间接机械连接，比如通过一个或多个齿轮箱或类似物的能量系统。
还如图2中示意地阐示的，发电机/马达12电连接到能量存储装置13，能量存储装置13则对驱动传送装置1的轮子5a-f的电马达提供电能。应当注意，发电机/马达12还可以对驱动轮子5a-f的电马达直接提供电力。
为了控制能量系统10的运行，能量系统10设有控制器17，由图2以示例性实施方式示意性阐示的控制器17显示为与发电机/马达12相关联的微处理器。
现在已经描述了根据本发明实施方式的示例性能量系统的基本构造，以下将参照附图3中的示意性流程图描述通过控制器17实现的控制方法的实施方式。
参照图3，在第一步骤101中，通过控制器17监测实际的发动机转速RPM实际。可通过重复地获取表示实际的发动机转速RPM实际的数据来监测实际的发动机转速RPM实际。例如，这可以通过获取来自感应燃烧发动机11的曲轴、发电机/马达12的转子、液压阀14或机械地连接能量系统10主要部分的任何轴15、16的转速的一个或多个传感器的信号来实现。
在下一步骤102中，将监测到的实际的发动机转速RPM实际与预定的临界发动机转速RPM临界进行比较。如果实际的发动机转速RPM实际大于临界发动机转速RPM临界，该方法继续到步骤103，在步骤103中评估实际的发动机转速RPM实际的时时进展。实际的发动机转速RPM实际可保持恒定、减小或增加。
如果在步骤103中确定实际的发动机转速RPM实际是恒定的，然后程序回到步骤101并继续监测实际的发动机转速RPM实际。
如果在步骤103中确定实际的发动机转速RPM实际在减小，然后程序继续到步骤104并控制发电机/马达12以逐渐地减小由发电机/马达12输出的电力。然后，程序回到步骤101并继续监测实际的发动机转速RPM实 际。
如果在步骤103中确定实际的发动机转速RPM实际在增加，然后程序继续到步骤105并控制发电机/马达12以逐渐地增加发电机/马达12输出的电力。然后，程序回到步骤101并继续监测实际的发动机转速RPM实际。
另一方面，如果在步骤102中确定实际的发动机转速RPM实际小于临界发动机转速RPM临界，该方法继续到步骤106并控制发电机/马达12以用作使从能量存储装置13中汲取的电力转化成机械动力的电马达，所述机械动力通过连接发电机/马达12和液压泵14的轴16提供到液压泵14。然后，程序回到步骤101并继续监测实际的发动机转速RPM实际。
现以通常的方式描述了根据本发明的能量系统的控制方法之后，下面将参照图4a-c中的简图描述结合图2描述的能量系统的运行。
图4a中的图表示意地阐示了对于图1中传送装置1运行的示例性顺序液压泵14的动力消耗随时间的变化，图4b中的图表示意地阐示实际的发动机转速随时间的变化，且图4c中的图表示意地阐示来自发电机/马达12的电力输出。
在发生于图4a-c中所示时间t1的第一情形之前，燃烧发动机11以期望的发动机转速RPM期望运行，液压泵14消耗非常低的备用动力，且发电机/马达12接收实际上所有由燃烧发动机11提供的机械动力，并将此动力转化成被输出到能量存储装置13的生成电力。
如图4a中可见，在时间t1液压泵14的动力消耗有增加，此时动力消耗从备用动力增加到动力P1。液压泵14的动力消耗中的此增加可由操作动作，比如使传送装置1转弯、操作抓取工具4、抬起驾驶舱2等典型地产生。
当液压泵14的动力消耗增加时，瞬间需要多于燃烧发动机11可传递的动力的更多动力，这将导致如图4b中示意阐示的实际的发动机转速RPM实际的下降。
如以上与图3中的流程图相关联地描述的，实际的发动机转速RPM实 际由控制器17监测，如图4c中示意地阐示的，控制器17将控制发电机/马达12以逐渐地减小由发电机/马达12输出的生成电力。来自发电机/马达12的电力输出，且因而由发电机/马达12消耗的机械动力将逐渐地减小直到达到稳定状态，在稳定状态中由燃烧发动机11提供的动力相当于由发电机/马达12和液压泵14消耗的动力。在当前所示示例中，此稳定状态持续直到时间t2，此时液压泵14的动力消耗再次降回至备用动力。
由于液压泵14动力消耗的减小，能量系统10的总动力消耗降低。如图4b中所示，这允许燃烧发动机的发动机控制系统逐渐地增加实际的发动机转速RPM实际直到达到期望的发动机转速RPM实际。
实际的发动机转速RPM实际通过控制器17监测，如图4c中示意性所示，控制器17控制发电机/马达12向能量存储装置13输出逐渐增加的生成电力。
在时间t3，如图4a中可见，在液压泵14的动力消耗上再次有增加，其中动力消耗从备用动力增加到动力P2，动力P2高于可由燃烧发动机11提供的最大动力。此液压泵14动力消耗上的增加可以例如由操作动作的组合产生，比如同时操作抓取工具4以提升重载并抬起驾驶舱2等。
当液压泵14的动力消耗增加时，再次瞬间需要多于燃烧发动机11可传递的动力的更多动力，这将导致如图4b中示意阐示的实际的发动机转速RPM实际的下降。
响应于减小的实际的发动机转速RPM实际，控制器17将再次控制发电机/马达12向能量存储装置13输出逐渐减小的电力。因为此时液压泵14需要多于燃烧发动机11可传递的动力的更多动力，所以不能实现稳定状态。相反，实际的发动机转速RPM实际继续下降直到预定的临界发动机转速RPM临界。这由控制器17监测，控制器17响应于此而控制发电机/马达12以作为电马达，所述电马达从能量存储装置13汲取电力并将机械动力提供到液压泵14。据此，防止了燃烧发动机11熄火，且液压泵14设有需要同时来自燃烧发动机11和发电机/马达12的机械动力。
如图4a中所示，在时间t4，液压泵14的动力消耗再次降回至备用动力。
由于液压泵14动力消耗的减小，能量系统10的总动力消耗降低。如图4b中所示，这允许燃烧发动机的发动机控制系统逐渐增加实际的发动机转速RPM实际直到达到期望的发动机转速RPM实际。
实际的发动机转速RPM实际通过控制器17监测，如图4c中示意性所示，控制器17控制发电机/马达12转回到其发电状态，并向能量存储装置13输出逐渐增加的生成电力。
尽管图4a中所示液压泵14动力消耗的变化为大体瞬时的，但是这只是为了阐示的目的。
本领域技术人员意识到，本发明决不限制于如上描述的优选实施方式。例如，控制器17可定位在混合动力交通工具1的任何位置，或者可包括分布逻辑。

Claims (15)

1.一种控制用于混合动力交通工具(1)的能量系统(10)的运作的方法，所述能量系统(10)包括：
燃烧发动机(11)，其被控制以在期望的发动机转速(RPM期望)工作；
发电机/马达(12)，其被设置为由所述燃烧发动机(11)驱动以输出生成电力；
动力消耗装置(14)，其被设置为由所述燃烧发动机(11)驱动并且是由所述发电机/马达(12)可驱动的；以及
能量存储装置(13)，其被连接到所述发电机/马达(12)且被设置为接收由所述发电机/马达(12)输出的生成电力，
其中所述方法包括以下步骤：
监测(101)实际的发动机转速(RPM实际)；且
如果所述实际的发动机转速(RPM实际)从所述期望的发动机转速(RPM期望)减小，则控制(104)所述发电机/马达(12)以输出逐渐减小的生成电力。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
如果所述实际的发动机转速(RPM实际)朝向所述期望的发动机转速(RPM期望)增加，则控制(105)所述发电机/马达(12)以输出逐渐增加的生成电力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：
如果所述实际的发动机转速(RPM实际)低于预定的临界发动机转速(RPM临界)，则控制(106)所述发电机/马达(12)以用作电马达，以从所述能量存储装置(13)汲取电力并向所述动力消耗装置(14)提供机械动力。
4.一种用于控制混合动力交通工具(1)的能量系统(10)的运作的控制器(17)，所述能量系统(10)包括：
燃烧发动机(11)，其可控制成在期望的发动机转速(RPM期望)工作；
发电机/马达(12)，其被设置为由所述燃烧发动机(11)驱动以输出生成电力；
动力消耗装置(14)，其被设置为由所述燃烧发动机(11)驱动并且是由所述发电机/马达(12)可驱动的；以及
能量存储装置(13)，其被连接到所述发电机/马达(12)且被设置为接收由所述发电机/马达(12)输出的生成电力，
所述控制器(17)被设定为：
监测实际的发动机转速(RPM实际)；且
如果所述实际的发动机转速(RPM实际)从所述期望的发动机转速(RPM期望)减小，则控制所述发电机/马达(12)以输出逐渐减小的生成电力。
5.根据权利要求4所述的控制器(17)，还被设定为：
如果所述实际的发动机转速(RPM实际)朝向所述期望的发动机转速(RPM期望)增加，则控制所述发电机/马达(12)以输出逐渐增加的生成电力。
6.根据权利要求4或5所述的控制器(17)，还被设定为：
如果所述实际的发动机转速(RPM实际)低于预定的临界发动机转速(RPM临界)，则控制所述发电机/马达(12)以用作电马达，以从所述能量存储装置(13)汲取电力并向所述动力消耗装置(14)提供机械动力。
7.一种用于混合动力交通工具(1)的能量系统(10)，包括：
燃烧发动机(11)，其可控制成在期望的发动机转速(RPM期望)工作；
发电机/马达(12)，其被设置为由所述燃烧发动机(11)驱动以输出生成电力；
动力消耗装置(14)，其被设置为由所述燃烧发动机(11)驱动并且是由所述发电机/马达(12)可驱动的；
能量存储装置(13)，其被连接到所述发电机/马达(12)且被设置为接收由所述发电机/马达(12)输出的生成电力；以及
根据权利要求4至6中任一项所述的控制器(17)。
8.根据权利要求7所述的能量系统(10)，其中所述发电机/马达(12)和所述动力消耗装置(14)机械地连接到所述燃烧发动机(11)以由处于所述实际的发动机转速(RPM实际)的所述燃烧发动机驱动。
9.根据权利要求8所述的能量系统(10)，其中所述燃烧发动机(11)、所述发电机/马达(12)和所述动力消耗装置(14)以排成一列的方式设置且通过轴(15、16)相互连接。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的能量系统(10)，其中所述动力消耗装置(14)是用于液压系统(4)的泵。
11.一种混合动力交通工具(1)，包括：
根据权利要求7至9中任一项所述的能量系统(10)；
一组驱动轮(5a-f)；
用于驱动所述一组驱动轮(5a-f)的至少一个驱动电马达，所述电马达设置为接收来自包括在所述混合动力交通工具(1)的所述能量系统(10)内的能量存储装置(13)的电力。
12.根据权利要求11所述的混合动力交通工具(1)，包括多个可单独控制的驱动电马达，每一个可单独控制的驱动电马达设置为驱动所述驱动轮(5a-f)中的相应的一个。
13.根据权利要求11或12所述的混合动力交通工具(1)，还包括液压系统(4)，所述液压系统(4)设置为由包括在所述混合动力交通工具(1)的所述能量系统(10)内的动力消耗装置(14)提供动力。
14.根据权利要求13所述的混合动力交通工具(1)，其中所述液压系统包括液压提升工具(4)。
15.一种计算机程序，所述计算机程序当在根据权利要求4至6中任一项所述的控制器(17)上运行时，能够执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法的步骤。
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