CN102490583A - 用于液压系统的混合动力系统和工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于液压系统的混合动力系统包括：发动机输出转速和扭矩，用于驱动交流发电机；变速箱连接至发动机，调节发动机的转速和扭矩，并通过耦合装置将调节后的转速和扭矩传送至交流发电机，使交流发电机工作在额定转速；交流发电机连接至所述变频器，生成电能并传送至变频器；变频器根据调节后的输出频率控制输出至交流变频电机的电压和电流；交流变频电机连接至液压泵，根据输入的电压和电流调节其转速和扭矩；液压泵根据交流变频电机的转速和扭矩调节液压油的输出流量。采用仅由交流变频电机驱动液压泵的方式，使操控更方便，并提高了系统的安全性和节能效率。本发明还提供了一种工程机械。

Description

用于液压系统的混合动力系统和工程机械
技术领域
本发明涉及动力系统技术领域，具体而言，涉及用于液压系统的混合动力系统和具有该用于液压系统的混合动力系统的工程机械。
背景技术
目前，小吨位全液压起重机(100吨以下)主要由下车行走发动机经由变速箱连接至液压泵，为上车液压系统提供动力源；而大吨位全液压起重机在上车单独配置了一个发动机，由该发动机直接连接液压泵，为上车液压系统提供动力源。
在相关技术中公开的变频式全液压起重机混合动力装置，如图1所示，它包含发动机1、发动机联轴器2、液压泵3、液压管路4、液压系统5、频率调整踏板6、电动机启动开关7、动力电源8、变频器9、电缆10、变频电机11、电机联轴器12，发动机1经发动机连轴器2与液压泵3串联连接，两个液压泵3经液压管路4并联后与液压系统5串联连接；频率调整踏板6经电缆10使变频器9、变频电机11串联连接后再经电机联轴器12使变频电机11与液压泵3串联连接。
上述技术方案存在以下缺陷：
1)当没有地面动力电源时，只能使用发动机动力源，不能实现变频调速和节能；
2)将两个液压泵进行并联设计，使液压系统管路和油路控制更为复杂，同时也增加了生产成本；
3)电气部分设计过于简单，存在电气安全隐患；
4)控制方式单一，依赖人为操作的过程太多，因此，存在人为操作隐患。
发明内容
考虑到上述背景技术，本发明所要解决的一个技术问题是提供一种用于液压系统的混合动力系统，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种具有上述混合动力系统的工程机械，仅由交流变频电机驱动液压泵，使得操作控制更方便，并提高了系统的安全性。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于液压系统的混合动力系统，包括：发动机、变速箱、耦合装置、交流发电机、变频器、交流变频电机和液压泵，其中，所述发动机连接至所述变速箱，输出转速和扭矩，用于驱动所述交流发电机；所述变速箱连接至所述发动机，调节所述发动机的转速和扭矩，并通过所述耦合装置将调节后的所述转速和扭矩传送至所述交流发电机，使所述交流发电机工作在额定转速；所述交流发电机连接至所述变频器，生成电能并传送至所述变频器；所述变频器用以调节输出频率，并根据调节后的输出频率控制输出至所述交流变频电机的电压和电流；所述交流变频电机连接至所述液压泵，根据输入的所述电压和电流调节其转速和扭矩；所述液压泵接收来自所述交流变频电机的转速和扭矩，以调节液压油的输出流量。
因此，避免了如相关技术中出现的两个液压泵并联设计所造成的液压系统管路和油路控制复杂的问题。
在上述技术方案中，优选地，还可以包括：第一操作装置，将所述交流变频电机所需转速信号经控制器发送至所述变频器，以调节所述变频器的输出频率；所述控制器，连接至所述发动机、所述第一操作装置和所述变速箱，采集所述发动机的状态信号和采集所述变速箱的当前档位信号，并根据选择的供电模式判断是否需要启动所述发动机，在判断出需要启动所述发动机时，进而判断所述当前档位信号是否满足所述交流变频电机在工作状态时的档位信号，若判断结果为满足，则根据所述交流变频电机的额定功率和发动机万有特性曲线计算出所述发动机的最佳转速，以保证所述发动机工作在最佳油耗区域，并将所述最佳转速的信号传送至所述发动机，启动所述发动机，若判断结果为不满足，则关闭所述发动机。
该控制器如果发现变速箱的档位为上车正在工作的档位，则可以启动发动机，为了防止上车正在工作时，出现下车行走或执行其他动作的安全问题，并且使用交流变频电机驱动液压泵，可以实现变频调速和节能。
在上述技术方案中，优选地，还可以包括：第一电控柜和导电环，所述第一电控柜连接至所述交流发电机和所述控制器，所述第一电控柜采集外接电源的电源状态和交流发电机的发电状态，并将所述电源状态和所述发电状态反馈给所述控制器，以便控制器进行所述供电模式的选择，所述交流发电机的电能通过所述电控柜和所述导电环传送至所述变频器；所述外接电源，连接至所述电控柜，通过所述电控柜将电能提供至所述交流变频电机；所述控制器还用于如果所述电源状态为检测不到所述外接电源，则选择由所述交流发电机提供电能给所述变频器的供电模式，如果所述发电状态为不正常时，则选择由所述外接电源提供电能给所述变频器的供电模式，并将切换指令给所述第一电控柜；所述第一电控柜还用于在接收到所述控制器的切换指令时，进行切换动作，以控制将所述交流发电机提供的电能提供给所述变频器，或控制将所述外接电源提供的电能提供至所述变频器。
这样，就存在为变频器提供电能的多种方式，例如采用交流发电机向变频器提供电能，采用外接电源向变频器提供电能，利用电控柜来进行切换，根据不同工作环境的需要进而采用不同的供能方式。
在上述技术方案中，优选地，还可以包括：第二操作装置，连接至所述控制器，将排量信号经所述控制器发送至所述液压泵，以调节所述液压泵的液压油的输出流量；所述控制器还连接至所述变频器和所述液压泵，接收由所述变频器反馈的所述交流变频电机的当前转速信号和当前扭矩信号，根据所述液压泵的所需流量信号以及所述交流变频电机的当前转速信号和当前扭矩信号，计算出所述液压泵的所需排量并调节所述液压泵的排量，以匹配计算出的所述所需排量。
根据所需流量结合实际工况，灵活调节液压泵的排量，使得工作效率更高。
在上述技术方案中，优选地，还可以包括：充电机，连接至所述导电环，获取所述导电环中的部分电能并传输至电池组；所述电池组，用于保存所述部分电能，在所述交流发电机或所述外接电源没有为所述变频器提供电能时，为所述变频器提供电能。
在上述技术方案中，优选地，所述控制器还连接至所述充电机和所述电池组，接收来自所述电池组的电池信息，在所述电池信息为所述电池组的电能不足时，启动所述充电机，或在所述电池信息为所述电池组的电能已充足时，关闭所述充电机。
在上述技术方案中，优选地，还可以包括：所述控制器还连接至第二电控柜和所述电池组，接收来自所述电池组的电池信息，根据所述电池信息判断所述电池组的电能状态和故障状态，在所述电池组的电能不足时，向所述第二电控柜发送断开信号，以及在所述电池组出现故障时，向所述第二电控柜发送断开信号；所述第二电控柜，连接至所述电池组、所述变频器和所述控制器，在接收到所述控制器的断开信号时，断开所述电池组与所述变频器之间的电能供应路径。
充分利用驱动过程中产生的剩余电能，利用电池组保存剩余的电能，在缺少地面动力电源时，电池组就可以应急，提供了灵活的实现方式，且不浪费能量，更环保。利用控制器避免了安全方面的问题，在电池组出现故障或电能充足时，则不启动充电机，断开电池组与变频器的连接，避免损坏电池组，保证动力系统的正常运作。
在上述技术方案中，优选地，所述控制器还用于判断所述交流发电机的输出功率是否满足所述交流变频电机的所需功率，在判断结果为所述输出功率大于所述所需功率时，启动所述充电机，将多余的电能提供至所述电池组。
在上述技术方案中，优选地，所述第二操作装置为先导手柄。
在上述技术方案中，优选地，所述第一操作装置为电子油门踏板。
根据本发明的技术方案，仅由交流变频电机驱动液压泵，操作控制更方便，通过电控柜对电路的转化和保护，提高了电气线路的安全性，并且采用电子油门踏板、先导手柄和控制器的集中控制，提高了系统的安全性和节能的效率。
根据本发明的另一方面，还提供了一种工程机械，包括如上述任一技术方案中所描述的用于液压系统的混合动力系统。
在上述技术方案中，优选地，所述工程机械为起重机。
根据本发明的技术方案，仅由交流变频电机驱动液压泵，操作控制更方便，通过电控柜对电路的转化和保护，提高了电气线路的安全性，并且采用电子油门踏板、先导手柄和控制器的集中控制，提高了系统的安全性和节能的效率。
附图说明
图1示出了相关技术中的变频式全液压起重机混合动力装置的示意图；
图2示出了根据本发明的实施例的用于液压系统的混合动力系统的示意图；以及
图3示出了根据本发明的又一实施例的用于液压系统的混合动力系统的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
图2示出了根据本发明的实施例的用于液压系统的混合动力系统的示意图。
如图2所示，根据本发明的实施例的用于液压系统的混合动力系统，发动机206、变速箱208、耦合装置2010、交流发电机2012、变频器18、交流变频电机20和液压泵22，其中，发动机206连接至变速箱208，输出转速和扭矩，用于驱动交流发电机2012；变速箱208连接至发动机206，调节发动机206的转速和扭矩，并通过耦合装置2010将调节后的转速和扭矩传送至交流发电机2012，使交流发电机2012工作在额定转速；交流发电机2012连接至变频器18，生成电能并传送至变频器18；变频器18用以调节输出频率，并根据调节后的输出频率控制输出至交流变频电机20的电压和电流；交流变频电机20连接至液压泵22，根据输入的电压和电流调节其转速以及扭矩；液压泵22，接收来自所述交流变频电机20的转速和扭矩，以调节液压油的输出流量。发动机206用于驱动交流发电机2012转动，由交流发电机2012向交流变频电机20提供所需电能。
因此，仅由交流变频电机驱动液压泵，避免了如相关技术中出现的两个液压泵并联设计，所造成的液压系统管路和油路控制复杂的问题。
在上述技术方案中，优选地，还可以包括：第一操作装置202，将交流变频电机20所需转速信号经控制器26发送至变频器18，以调节所述变频器18的输出频率；控制器26，连接至发动机206、第一操作装置202和变速箱208，采集发动机206的状态信号和采集变速箱208的当前档位信号，并根据选择的供电模式判断是否需要启动发动机206，在判断出需要启动发动机206时，进而判断当前档位信号是否满足交流变频电机20在工作状态时的档位信号，若判断结果为满足，则根据交流变频电机20的额定功率和发动机万有特性曲线计算出发动机206的最佳转速，以保证发动机206工作在最佳油耗区域，并将最佳转速的信号传送至发动机206，启动发动机206，若判断结果为不满足，则关闭发动机206。
该控制器如果发现变速箱的当前档位为上车正在工作的档位，则可以启动发动机，为了防止上车正在工作时，出现下车行走或执行其他动作的安全问题；同时发动机保持工作在最佳油耗区域，提高了发动机的燃油效率；并且使用交流变频电机驱动液压泵，可以方便调速，在上车空载或者动作停滞时，可以关闭交流变频电机，减少燃油消耗，提高节能效率和液压系统部件使用寿命。
在上述技术方案中，优选地，还可以包括：第一电控柜14和导电环16，第一电控柜14连接至交流发电机2012和控制器26，交流发电机2012的电能通过电控柜14和导电环16传送至变频器18；外接电源24，连接至电控柜14，通过电控柜14将电能提供至交流变频电机20；控制器26还用于如果电源状态为检测不到外接电源24，则选择由交流发电机2012提供电能给变频器18的供电模式，如果发电状态为不正常时，则选择由外接电源24提供电能给变频器18的供电模式，并将切换指令给第一电控柜14；第一电控柜14还用于采集外接电源24和交流发电机2012的电源状态，并将状态反馈给控制器26，以便控制器26进行优选模式选择，进而向第一电控柜14传输切换指令，第一电控柜14在接收到控制器26的切换指令时，进行切换动作，以控制将所述交流发电机2012提供的电能提供给变频器18，或控制将所述外接电源24提供的电能提供至变频器18。
这样，就存在为变频器提供电能的多种方式，例如采用交流发电机向变频器提供电能，采用外接电源向变频器提供电能，利用电控柜来进行切换，根据不同工作环境的需要进而采用不同的供能方式。
在上述技术方案中，优选地，还可以包括：第二操作装置204，连接至控制器26，将液压泵的所需流量信号给控制器26；控制器26还连接至变频器18和液压泵22，接收由变频器18反馈的交流变频电机20的当前转速信号和当前扭矩信号，根据液压泵22的所需流量信号以及交流变频电机20的当前转速信号和当前扭矩信号，计算出液压泵22的所需排量并调节液压泵22的排量，以匹配计算出的所需排量。
根据所需流量结合实际工况，灵活调节液压泵的排量，使得工作效率更高。
因此，根据本发明的控制器26不仅可以将第一操作装置202的交流发电机的所需转速信号传递至变频器18，来调节变频器18的输出频率，从而调节输入至交流发电机2012的电压和电流，使得交流发电机2012可以调节其转速和扭矩，还可以根据第一电控柜14反馈的外接电源24的状态和交流发电机2012的状态来生成切换指令，并将该切换指令传送至第一电控柜14，如果外接电源24不可接入或检测不到外接电源24，则切换到交流发电机2012的供电模式，如果交流发电机2012不能正常供电，且外接电源24可用，则切换到外接电源24的供电模式，也就是说，控制器26可以根据当前供电状态来选择供电模式。
此外，该控制器26在切换到交流发电机2012的供电模式时，还可以判断是否可以启动发动机206，其根据采集的变速箱208的当前档位信号和发动机206的状态信号来判断是否可以启动发动机206，如果发现交流变频电机20处于工作状态，则可以根据交流变频电机20的额定功率和发动机万有特性曲线计算出发动机206工作在最佳油耗区域时的最佳转速，启动发动机206并以该最佳转速转动。如果发现不满足这样的条件，则关闭起动机，这样可以防止上车(如图2所示，上车的部分可以是划分线以上的部分)正在吊载时，出现下车(如图2所示，下车的部分可以是划分线以下的部分)行走或执行其他动作的安全问题。
如图3所示，上述用于液压系统的混合动力系统还可以包括：充电机28，连接至导电环16，获取导电环16中的部分电能并传输至电池组32；电池组32，用于保存部分电能，在交流发电机2012或外接电源24没有为变频器18提供电能时，为变频器18提供电能。
并且，控制器26还连接至充电机28和电池组32，接收来自电池组32的电池信息，在电池信息为电池组32的电能不足时，启动充电机28，或在电池信息为电池组32的电能已充足时，关闭充电机28。
这样，控制器可以控制充电机开始工作或停止工作，为电气安全提供了进一步的保障。
在上述技术方案中，优选地，还可以包括：控制器26还连接至第二电控柜30和电池组32，接收来自电池组32的电池信息，根据电池信息判断电池组32的电能状态和故障状态，在电池组32的电能不足时，向第二电控柜30发送断开信号，以及在电池组32出现故障时，向第二电控柜30发送断开信号；第二电控柜30，连接至电池组32、变频器18和控制器26，在接收到控制器26的断开信号时，断开电池组32与变频器18之间的电能供应路径。
充分利用驱动过程中产生的剩余电能，利用电池组保存剩余的电能，在缺少地面动力电源时，电池组就可以应急，提供了灵活的实现方式，且不浪费能量，更环保。利用控制器避免了安全方面的问题，在电池组出现故障或电能充足时，则不启动充电机，断开电池组与变频器的连接，避免损坏电池组，保证动力系统的正常运作。
在上述技术方案中，优选地，控制器26还用于判断交流发电机2012的输出功率是否满足交流变频电机20的所需功率，在判断结果为输出功率大于所需功率时，启动充电机28，将多余的电能提供至电池组32。
对比图2所示的用于液压系统的混合动力系统，图3所示的用于液压系统的混合动力系统不仅增加了可活动的电池组32，还增加了第二电控柜30，这样，上车的部分即可以如图中所示划分线以上的部分，下车的部分可以如图中所示划分线以下的部分，应该理解，这种划分只是一种具体实施方式，并不用于限制本发明，导电环16也可以设置在下车部分。
在此，本领域内的技术人员应该理解，第二操作装置204可以为先导手柄，第一操作装置202可以为电子油门踏板，通过电子油门踏板和先导手柄联合控制交流变频电机的转速。
因此，上述用于液压系统的混合动力系统，取消了与发动机联接的油泵及相关的液压系统管路，同时发动机通过变速箱联接发电机，为交流变频电机提供电能；在电气线路中还增加电路安全装置(第一电控柜和第二电控柜)，保证了电气安全；进一步采用控制器集中控制，使系统智能化，杜绝人为操作隐患；此外，还增加了活动的蓄电池组，在没有地面动力电源时，用蓄电池组的电能驱动交流变频电机，保证起重机的正常工作。
根据本发明的另一方面，还提供了一种工程机械，包括如图2或图3中所描述的用于液压系统的混合动力系统。
在此，应该理解，该工程机械包括但不限于起重机。
以上结合附图详细说明了根据本发明的技术方案，仅由交流变频电机驱动液压泵，操作控制更方便，通过电控柜对电路的转化和保护，提高了电气线路的安全性，并且采用电子油门踏板、先导手柄和控制器的集中控制，提高了系统的安全性和节能的效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，包括：发动机(206)、变速箱(208)、耦合装置(2010)、交流发电机(2012)、变频器(18)、交流变频电机(20)和液压泵(22)，其中，
所述发动机(206)连接至所述变速箱(208)，输出转速和扭矩，用于驱动所述交流发电机(2012)；
所述变速箱(208)连接至所述发动机(206)，调节所述发动机(206)的转速和扭矩，并通过所述耦合装置(2010)将调节后的所述转速和扭矩传送至所述交流发电机(2012)，使所述交流发电机(2012)工作在额定转速；
所述交流发电机(2012)连接至所述变频器(18)，生成电能并传送至所述变频器(18)；
所述变频器(18)用以调节输出频率，并根据调节后的输出频率控制输出至所述交流变频电机(20)的电压和电流；
所述交流变频电机(20)连接至所述液压泵(22)，根据输入的所述电压和电流调节其转速和扭矩；
所述液压泵(22)接收来自所述交流变频电机(20)的转速和扭矩，以调节液压油的输出流量。
2.根据权利要求1所述的用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，还包括：
第一操作装置(202)，将所述交流变频电机(20)所需转速信号经控制器(26)发送至所述变频器(18)，以调节所述变频器(18)的输出频率；
所述控制器(26)，连接至所述发动机(206)、所述第一操作装置(202)和所述变速箱(208)，采集所述发动机(206)的状态信号和采集所述变速箱(208)的当前档位信号，并根据选择的供电模式判断是否需要启动所述发动机(206)，在判断出需要启动所述发动机(206)时，进而判断所述当前档位信号是否满足所述交流变频电机(20)在工作状态时的档位信号，若判断结果为满足，则根据所述交流变频电机(20)的额定功率和发动机万有特性曲线计算出所述发动机(206)的最佳转速，以保证所述发动机(206)工作在最佳油耗区域，并将所述最佳转速的信号传送至所述发动机(206)，启动所述发动机(206)，若判断结果为不满足，则关闭所述发动机(206)。
3.根据权利要求2所述的用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，还包括：
第一电控柜(14)和导电环(16)，所述第一电控柜(14)连接至所述交流发电机(2012)和所述控制器(26)，所述第一电控柜(14)采集外接电源(24)的电源状态和交流发电机(2012)的发电状态，并将所述电源状态和所述发电状态反馈给所述控制器(26)，以便控制器(26)进行所述供电模式的选择，所述交流发电机(2012)的电能通过所述电控柜(14)和所述导电环(16)传送至所述变频器(18)；
所述外接电源(24)，连接至所述电控柜(14)，通过所述电控柜(14)将电能提供至所述交流变频电机(20)；
所述控制器(26)还用于如果所述电源状态为检测不到所述外接电源(24)，则选择由所述交流发电机(2012)提供电能给所述变频器(18)的供电模式，如果所述发电状态为不正常时，则选择由所述外接电源(24)提供电能给所述变频器(18)的供电模式，并将切换指令给所述第一电控柜(14)；
所述第一电控柜(14)还用于在接收到所述控制器(26)的切换指令时，进行切换动作，以控制将所述交流发电机(2012)提供的电能提供给所述变频器(18)，或控制将所述外接电源(24)提供的电能提供至所述变频器(18)。
4.根据权利要求2所述的用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，还包括：
第二操作装置(204)，连接至所述控制器(26)，将排量信号经所述控制器(26)发送至所述液压泵(22)，以调节所述液压泵(22)的液压油的输出流量；
所述控制器(26)还连接至所述变频器(18)和所述液压泵(22)，接收由所述变频器(18)反馈的所述交流变频电机(20)的当前转速信号和当前扭矩信号，根据所述液压泵(22)的所需流量信号以及所述交流变频电机(20)的当前转速信号和当前扭矩信号，计算出所述液压泵(22)的所需排量并调节所述液压泵(22)的排量，以匹配计算出的所述所需排量。
5.根据权利要求3所述的用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，还包括：
充电机(28)，连接至所述导电环(16)，获取所述导电环(16)中的部分电能并传输至电池组(32)；
所述电池组(32)，用于保存所述部分电能，在所述交流发电机(2012)或所述外接电源(24)没有为所述变频器(18)提供电能时，为所述变频器(18)提供电能。
6.根据权利要求5所述的用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，所述控制器(26)还连接至所述充电机(28)和所述电池组(32)，接收来自所述电池组(32)的电池信息，在所述电池信息为所述电池组(32)的电能不足时，启动所述充电机(28)，或在所述电池信息为所述电池组(32)的电能已充足时，关闭所述充电机(28)。
7.根据权利要求5所述的用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，还包括：
所述控制器(26)还连接至第二电控柜(30)和所述电池组(32)，接收来自所述电池组(32)的电池信息，根据所述电池信息判断所述电池组(32)的电能状态和故障状态，在所述电池组(32)的电能不足时，向所述第二电控柜(30)发送断开信号，以及在所述电池组(32)出现故障时，向所述第二电控柜(30)发送断开信号；
所述第二电控柜(30)，连接至所述电池组(32)、所述变频器(18)和所述控制器(26)，在接收到所述控制器(26)的断开信号时，断开所述电池组(32)与所述变频器(18)之间的电能供应路径。
8.根据权利要求5所述的用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，所述控制器(26)还用于判断所述交流发电机(2012)的输出功率是否满足所述交流变频电机(20)的所需功率，在判断结果为所述输出功率大于所述所需功率时，启动所述充电机(28)，将多余的电能提供至所述电池组(32)。
9.根据权利要求4所述的用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，所述第二操作装置(204)为先导手柄。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的用于液压系统的混合动力系统，其特征在于，所述第一操作装置(202)为电子油门踏板。
11.一种工程机械，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的用于液压系统的混合动力系统。
12.根据权利要求11所述的工程机械，其特征在于，所述工程机械为起重机。
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