CN102869838B - 用于混合动力挖掘机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于混合动力挖掘机的控制系统，其包括：发动机；液压泵，其由发动机驱动，用于借助于所排出的油驱动液压致动器；发电机，其由发动机驱动以产生电能；以及电能存储装置，用于充蓄由发电机产生的电能，并将电能供应到电致动器，其中，用于混合动力挖掘机的控制系统还包括：所需扭矩检测装置，用于检测驱动液压泵所需要的扭矩；充电量检测装置，用于检测电能存储装置的充电率（或充电量）；存储器，用于存储有关基于扭矩和充电率（或充电量）的发电程度（或发电量）；以及混合动力控制装置，用于根据在存储器中存储的发电量来控制发电机，在存储器中存储的发电量与所需扭矩检测装置所检测的扭矩值和充电量检测装置所检测的充电率值（或充电量）两者对应。连接到发动机的发电机基于与用于液压泵的所需扭矩和充电状态（SOC）对应的预定发电量操作，以最大化燃料效率。

Description

用于混合动力挖掘机的控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于混合动力挖掘机的控制系统，特别地涉及一种用于混合动力挖掘机的基于扭矩和充电状态（SOC）的控制系统，其中连接到发动机的发电机基于表示发电量的预定值被驱动，其中发电量对应于驱动液压泵所需的扭矩和充电状态，由此优化了燃料效率。

背景技术

一般而言，现有技术中的诸如挖掘机等施工机械采用液压驱动系统，在液压驱动系统中，液压泵由燃料发动机驱动，致动器由液压压力驱动。这种传统挖掘机不仅执行需要最大输出功率的工作，也执行需要诸如最大输出功率的约80%或50%等低于最大输出功率的输出功率。在执行这种低输出功率的工作的情况下，发动机效率和燃料效率降低。

图1是图示现有技术的挖掘机系统的必需扭矩输出关系图。如图1所示，在传统液压挖掘机中，通过使用者操纵控制杆5并根据先导阀6的输出而调整主控制阀（MCV）7的打开面积。从液压泵13排出的液压流体以根据MCV 7打开面积而调整过的液压流体流量输送到相应的液压系统。

在这种传统液压挖掘机中，有时需要在大幅改变发动机输出功率以处理大载荷变化的同时执行工作，并需要设法通过有效利用发动机输出而提高发动机燃料效率。因此，已计划将利用混合动力汽车中采用的发电机的混合动力技术应用于挖掘机。也即，已提出将发电机连接到发动机的混合动力挖掘机。根据混合动力挖掘机，在执行轻载荷操作的情况下，利用发动机输出的一部分操作发电机发电以为电池充电，而在执行回转操作或利用另一电动装置的情况下，从电池供应电能以驱动致动器。

然而，挖掘机具有发动机输出功率、扭矩/速度操作区域、以及动力传输装置这些与混合动力汽车的那些相当不同的特性，因此将混合动力技术应用于挖掘机不太容易。根据现有技术中提出的用于混合动力挖掘机的控制系统，将液压泵的驱动扭矩和发动机的输出扭矩彼此简单对比，使得在执行轻载荷操作情况下，电动发电机利用过剩发动机输出扭矩而发电以为电池充电，而在执行重载荷操作情况下，电池中所充的电能供应到电动发电机以将电动发电机作为电动机操作，从而补充与发动机输出扭矩所短缺的能量一样多的能量，这样难于设法通过利用挖掘机发动机的输出而提高燃料效率，其中挖掘机具有多种载荷工作区域、发动机输出、扭矩/速度操作区域、以及动力传输装置这些与混合动力汽车的那些相当不同的特性。

特别地，由于挖掘机执行工作载荷彼此不同的多种工作，例如挖掘、倾倒、平整、重击等，因而用于混合动力汽车的传动技术未用在现有技术的混合动力挖掘机中，且因此很难最优化燃料效率。

进一步地，在挖掘机中，如果不考虑工作种类（方式）与发动机输出或电池充电状态之间的关系，可出现诸如能量浪费、工作效率低下等问题。

发明内容

技术问题

因此，本发明致力于解决现有技术中存在的上述问题，本发明的一目的是提供一种用于混合动力挖掘机的控制系统，其能优化燃料效率。

本发明的第二目的是提供一种用于混合动力挖掘机的基于扭矩和充电状态的控制系统，其中连接到发动机的发电机基于表示发电量的预定值被驱动，其中发电量对应于驱动液压泵所需的扭矩和充电状态（SOC），由此获得最优燃料效率和发动机在重复工作区域中的平稳操作。

本发明的第三目的是提供一种用于混合动力挖掘机的控制系统，其中用于上回转结构的回转操作的回转型电动发电机安装并借助于电能操作从而加速回转操作，并在回转操作的减速过程中产生待充蓄的电能，由此进一步优化燃料效率。

技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种用于混合动力挖掘机的控制系统，其包括：发动机；液压泵，所述液压泵由所述发动机驱动以借助于从所述液压泵排出的液压流体驱动液压致动器；发电机，所述发电机由所述发动机驱动以产生电能；以及电能存储装置，所述电能存储装置用于充蓄由所述发电机产生的电能，并将电能供应到电致动器，所述控制系统还包括：所需扭矩检测装置，所述所需扭矩检测装置用于检测驱动所述液压泵所需的扭矩；充电量检测装置，所述充电量检测装置用于检测所述电能存储装置的充电率（或充电量）；存储器，所述存储器用于存储基于所述扭矩和所述充电率（或充电量）的发电程度（或发电量）；以及混合动力控制装置，所述混合动力控制装置用于基于在所述存储器中存储的发电量来控制所述发电机，在所述存储器中存储的发电量与所述所需扭矩检测装置所检测的扭矩值和所述充电量检测装置所检测的充电率（或充电量）值两者对应。

优选地，连接于所述发动机并由所述发动机驱动的所述发电机可执行电动机功能，并可与所述发动机一起操作所述液压泵。

并且，优选地，用于混合动力挖掘机的所述控制系统还可包括充电装置，所述充电装置用于如果所述所需扭矩检测装置检测到低于预定水平的扭矩，则通过在适于发电的不同转数的适当扭矩区域内操作所述发动机，为所述电能存储装置充电，所述预定水平确定为与不工作时的备用状态对应。

优选地，用于混合动力挖掘机的所述控制系统还可包括发动机转数调整单元，所述发动机转数调整单元用于如果所述所需扭矩检测装置检测到低于预定水平的扭矩，则将发动机转数降低到具有小燃料消耗的低RPM，所述预定水平确定为与不工作时的备用状态对应。

优选地，用于混合动力挖掘机的所述控制系统还可包括发电机驱动单元，所述发电机驱动单元用于如果所述所需扭矩检测装置检测到低于预定水平的扭矩，则以高于预定水平的水平驱动所述发电机，所述预定水平确定为与不工作时的备用状态对应。

另外，优选地，用于混合动力挖掘机的控制系统还可包括用于识别挖掘机调整杆的运动的装置，使得如果所述调整杆不操作，则确定所述挖掘机处于不工作的备用状态，且所述发动机使用区域受控。

根据本发明优选实施方式的控制系统还包括回转型电动发电机，其作为借助于从电能存储装置供应的电能而加速上回转结构的回转操作的电动机操作，也作为在上回转结构的回转操作的减速过程中通过惯性运动而产生电能的发电机操作；其中，所述混合动力控制装置在所述上回转结构的回转操作减速时，控制回转型电动发电机作为发电机操作以用所产生的电能为电能存储装置充电，并且为了所述回转型电动发电机的电动机操作而控制从所述电能存储装置的电能供应。

技术效果

对比于现有技术中的传统技术，在传统技术中，由于缺乏传动和所需输出扭矩的突然和频繁变化，难于将通过现有混合动力汽车发展的混合动力技术应用于挖掘机，而根据如上构造的根据本发明的用于混合动力挖掘机的控制系统，可通过改进基于扭矩和充电状态（SOC）的控制技术（其中基于用于多种工作区域的液压泵所需扭矩和充电状态控制发电机的驱动），并将改进的控制技术应用于挖掘机，而可期望较高燃料效率提高效果。

另外，用于上回转结构的回转操作的回转型电动发电机安装为，使得它通过电能操作以加速回转操作，并在回转操作的减速过程中产生待充蓄的电能，由此进一步获得提高的发动机效率和燃料效率。

对于本领域技术人员显然的是，从根据本发明实施方式的多种构造中可获得在本发明多种实施方式中未直接描述的多种效果。

附图说明

从参考附图的以下详述中将更清楚本发明的上述以及其它目的、特征和优点，其中：

图1是图示现有技术的挖掘机系统的必需扭矩输出关系图；

图2是图示根据本发明的用于混合动力挖掘机的控制系统的配置的示意性方块图；

图3是图示基于驱动液压泵所需的必需扭矩和充电状态（SOC）确定发电量的示例的曲线图；

图4这一表格图示利用该表格并基于驱动液压泵所需的必需扭矩和充电状态（SOC）确定发电量的另一示例；

图5是图示实施方式中的发动机使用区域的视图，其中发电以避免在低发动机效率情况下以高RPM（转数/分）空转，通过将高发动机转数转变成低发动机转数而发电，或者在低RPM的空转时改变发动机使用区域；以及

图6是图示根据本发明的混合动力挖掘机的外部配置的示意图。

具体实施方式

现在，将参照附图于下文详述根据本发明的用于混合动力挖掘机的控制系统的优选实施方式。

图2是根据本发明的用于混合动力挖掘机的控制系统的配置的示意性方块图。

参见图2，根据本发明的用于混合动力挖掘机的控制系统包括：发动机10；液压泵13，其由发动机10驱动以借助于从液压泵13排出的液压流体驱动液压致动器；发电机17，其由发动机10驱动以产生电能或电力；以及电能存储装置（例如电池）19，其用于充蓄由发电机产生的电能，并将电能供应到电致动器205。控制系统还包括：所需扭矩检测装置201，其用于检测为驱动液压泵13所需的扭矩；充电量检测装置202，其用于检测电能存储装置19的充电率（或充电量）；存储器203，其用于存储有关基于扭矩和充电率（或充电量）的不同发电程度（或发电量）的信息；以及混合动力控制装置204，其用于基于在存储器203中存储的发电量来控制发电机17，在存储器203中存储的发电量与所需扭矩检测装置201所检测的扭矩值和充电量检测装置202所检测的充电率（或充电量）的值两者对应。

另外，连接于发动机10并由发动机10驱动的发电机17执行电动机功能，并与发动机10一起操作液压泵13。

并且，控制系统还包括充电装置（未示出），所述充电装置用于如果所需扭矩检测装置201检测到低于预定水平的扭矩，则通过在适于发电的不同转数的适当扭矩区域内操作发动机10，为电能存储装置19充电，所述预定水平确定为与不工作时的备用状态对应。

进一步地，控制系统还包括发动机转数调整单元，所述发动机转数调整单元用于如果所需扭矩检测装置201检测到低于预定水平的扭矩，则将发动机转数降低到具有小燃料消耗的低RPM，所述预定水平确定为与不工作时的备用状态对应。

附加地，控制系统还包括发电机驱动单元，所述发电机驱动单元用于如果所需扭矩检测装置检测到低于预定水平的扭矩，则以高于预定水平的水平驱动发电机17，所述预定水平确定为与不工作时的备用状态对应。

而且，控制系统还包括用于识别挖掘机调整杆的运动的装置，使得如果调整杆不操作，则确定挖掘机处于不工作的备用状态，且发动机使用区域受控。

混合动力控制装置204构造为，使得它分别从所需扭矩检测装置201接收为驱动液压泵所需的必需扭矩值和从充电量检测装置202接收电能存储装置19的充电率（或充电量）值，使得混合动力控制装置基于存储在存储器203内的发电量控制发电机17，存储在存储器203内的发电量与所接收的扭矩值和充电率（或充电量）值对应。

图3是图示基于为驱动液压泵所需的必需扭矩和充电状态（SOC）来确定发电量的示例的曲线图。

参见图3，发电量通过如下方法确定，在该方法中，用于液压泵的必需扭矩的值和用于SOC的值单独设定并彼此计算。本发明的控制系统包括存储器，所述存储器存储基于液压泵的必需扭矩和SOC两者的发电量，使得可从存储器读取与扭矩值和SOC值两者对应的发电量。

图4示出利用预设表格确定发电量的另一示例。也即，作为得到发电机的发电比率（electricity generation ratio）的示例，基于液压泵的必需扭矩和SOC的发电量被预先设定在关于两个变量的表格中，且获得与表格的两个变量（即液压泵的必需扭矩和SOC）对应的表示发电量的值。例如，在输入到所需扭矩检测装置201的液压泵的必需扭矩值是0.6且SOC值是0.1的情况下，获取与两个值对应的作为发电量的值0.669。

图5是图示实施方式中的发动机使用区域的视图，其中发电以避免在低发动机效率情况下以高RPM（转数/分）空转，通过将高发动机转数转变成低发动机转数而发电，或者在低RPM的空转时改变发动机使用区域。

参见图5，典型地，发动机操作设定为高发动机转数，以为了使挖掘机工作人员获得期望输出功率。当工作人员执行挖掘机工作时，在发动机转数近似维持的同时发动机扭矩增大。在这种情况下，如果不工作，发动机扭矩减小，但发动机仍旧维持处于高转数下。在高转数下外部不工作的这种空转区域（高空转）内，发动机效率特别低。因此，优选的是避免发动机在该区域内操作。可通过下表1中列出的几种方法防止在高RPM下空转（高空转）。

表1

图6是图示根据本发明的混合动力挖掘机的外部配置的示意图。

参见图6，混合动力挖掘机包括连接到发动机的发电机17、电能存储装置19、用于执行回转操作的回转型电动发电机117、以及用于驱动发电机的驱动器18。

基本上，回转型电动发电机117利用存储在电能存储装置19内的电能加速上回转结构的回转操作，并在回转操作的减速过程中产生待充蓄到电能存储装置19内的电能。

由于因电动发电机的效率和摩擦故而在回转操作的加速过程中所用的电能大于在回转操作的减速过程中产生的电能，因此优选地利用连接到发动机的发电机17发电。

下文将参照图2描述根据本发明的如上述构造的用于混合动力挖掘机的控制系统的操作。

参见图2，首先，存储器203已在其内存储有关发电程度（或发电量）的信息，所述发电程度（或发电量）的信息与不同扭矩值和充电率值对应。其后，如果所需扭矩检测装置201检测到驱动液压泵13所需的扭矩且充电量检测装置202检测到电能存储装置19（例如电池）的充电率（或充电量），则混合动力控制装置204分别从所需扭矩检测装置201接收驱动液压泵13所需的必需扭矩值和接收电能存储装置19的充电率（或充电量）值。然后，混合动力控制装置204可从存储器203在存储器203内存储的有关发电量的信息中读取与所接收的扭矩值和充电率（或充电量）值对应的发电量，然后基于读取发电量信息而控制发电机17。

产业应用性

根据本发明的用于混合动力挖掘机的控制系统可有用地用于施工机械中，特别是挖掘机中，其可通过改进基于扭矩和充电状态（SOC）的控制技术（基于用于多种工作区域的液压泵所需扭矩和充电状态控制发电机驱动），并将改进的控制技术应用于挖掘机，而获得较高燃料效率提高效果，从而克服现有技术的传统技术中涉及的问题，在传统技术中，由于缺乏传动和必需输出扭矩的突然和频繁变化，难于将通过现有混合动力汽车发展的混合动力技术应用于挖掘机。

Claims (5)

1.一种用于混合动力挖掘机的控制系统，包括：发动机；液压泵，所述液压泵由所述发动机驱动以借助于从所述液压泵排出的液压流体驱动液压致动器；发电机，所述发电机由所述发动机驱动以产生电能；以及电能存储装置，所述电能存储装置用于充蓄由所述发电机产生的电能，并将电能供应到电致动器，所述控制系统还包括：

所需扭矩检测装置，所述所需扭矩检测装置用于检测驱动所述液压泵所需要的扭矩；

充电量检测装置，所述充电量检测装置用于检测所述电能存储装置的充电率；

存储器，所述存储器用于存储基于所述扭矩和所述充电率的发电程度；以及

混合动力控制装置，所述混合动力控制装置用于基于在所述存储器中存储的发电量来控制所述发电机，在所述存储器中存储的发电量与所述所需扭矩检测装置所检测的扭矩值和所述充电量检测装置所检测的充电率值两者对应；以及

充电装置，所述充电装置用于如果所述所需扭矩检测装置检测到低于预定水平的扭矩，则通过在适于发电的不同转数的适当扭矩区域内操作所述发动机，为所述电能存储装置充电，所述预定水平确定为与不工作时的备用状态对应。

2.如权利要求1所述的用于混合动力挖掘机的控制系统，其中，连接于所述发动机并由所述发动机驱动的所述发电机执行电动机功能，并与所述发动机一起操作所述液压泵。

3.如权利要求1所述的用于混合动力挖掘机的控制系统，还包括发动机转数调整单元，所述发动机转数调整单元用于如果所述所需扭矩检测装置检测到低于预定水平的扭矩，则将发动机转数降低到具有小燃料消耗的低RPM，所述预定水平确定为与不工作时的备用状态对应。

4.如权利要求1所述的用于混合动力挖掘机的控制系统，还包括发电机驱动单元，所述发电机驱动单元用于如果所述所需扭矩检测装置检测到低于预定水平的扭矩，则以高于预定水平的水平驱动所述发电机，所述预定水平确定为与不工作时的备用状态对应。

5.如权利要求4所述的用于混合动力挖掘机的控制系统，还包括用于识别挖掘机调整杆的运动的装置，使得如果所述调整杆不操作，则确定所述挖掘机处于不工作的备用状态，且所述发动机使用区域受控。