CN103038425B - 用于向液压系统提供动力的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于向液压系统（108）提供动力的系统，所述系统包括操作地连接至主动力源（102）的液压系统（108）和操作地连接至蓄能装置（110）、主动力源（102）和液压系统（108）的控制器（114）。控制器（114）适于确定液压系统动力需求（302）、确定蓄能装置动力需求（304）、基于液压系统动力需求来确定主动力源（102）的期望参数（306）（302），并且根据蓄能装置动力需求（304）和期望参数（306）来向液压系统（108）提供动力（314）。

Description

用于向液压系统提供动力的系统和方法
技术领域
本专利公开文本总体上涉及一种液压动力系统，并且更具体地涉及用于部分地从主动力源且部分地从蓄能装置向液压系统提供动力的系统和方法。
背景技术
液压机械例如液压挖掘机使用发动机来驱动液压泵，液压泵继而向汽缸提供液压动力。不论该机械的实际瞬时动力要求如何，发动机通常都以固定速度运转。因此，即使动力需求低，发动机也以低效的速度运行，这引起过量的燃料消耗和发动机磨损。但是，当动力需求高时，发动机以高速运行并且可以将所需动力有效地传递至液压系统。结果，发动机对于高动力需求的作业以最佳速度运行，但是对于较低动力需求的作业以低效的速度运行。
一种示例性液压机械是液压挖掘机，其用于可以定义为不同步骤的多项作业。挖掘机常常用于挖掘沟渠。在典型的挖掘循环期间，挖掘机通过以其铲斗掘入土壤而开始于挖掘步骤。接下来，在提升和摆转步骤期间，挖掘机将土壤提升到空中并且朝倾倒位置例如等待的自卸车摆转。在倾倒步骤期间，机器在倾倒位置倾倒土壤。最后，在返回步骤期间，挖掘机在降低铲斗的同时回摆至挖掘位置，并因此准备进行下一个挖掘循环。在整个挖掘循环期间，机械以最大动力并因此以高发动机速度运行。但是，仅挖掘步骤以及提升和摆动步骤需要高发动机动力。倾倒和返回步骤需要较少的动力，但是机械典型地以高速度运行，因此不必要地消耗燃料。
已实施控制系统以在变化的动力要求操作期间控制液压机械内的动力分配。例如，授予Khalil等人的U.S.7,434,653（“Khalil”）公开了一种用于作业机械的按需电-液操纵系统。Khalil指出，其中所述的电-液操纵系统可在许多操作情景期间减少用于操纵作业机械的加压流体的量，由此增加了在操纵时可用于操作其他非操纵系统和机具的加压流体的量。不过，Khalil和其他已知的液压系统并未根据蓄能装置动力需求（例如蓄电状态）并且根据期望参数（例如期望的最佳发动机速度）来向液压系统提供动力。
所公开的系统和方法旨在克服上述问题中的一个或多个。
发明内容
在一方面，本发明描述了一种用于向液压系统提供动力的方法。该方法包括确定液压系统动力需求，确定蓄能装置动力需求，并基于液压系统动力需求来确定主动力源的期望参数。该方法还包括根据蓄能装置动力需求和期望参数来向液压系统提供动力。
在另一方面，公开了一种用于向操作地连接至主动力源的液压系统提供动力的系统。该系统包括控制器，该控制器操作地连接至蓄能装置、主动力源和液压系统。控制器适于确定液压系统动力需求，确定蓄能装置动力需求、并基于液压系统动力需求来确定主动力源的期望参数。该系统还适于根据蓄能装置系统动力需求和期望参数来向液压系统提供动力。
在另一方面，公开了一种处理器可读的存储介质，其包含用于将处理器编程以执行一种方法的处理器可读代码，所述方法包括通过接收与操作地连接至液压系统的输入装置相关联的先导压力来确定液压系统动力需求。所述方法还包括部分地基于先导压力来确定蓄能装置的蓄电状态并确定发动机的期望发动机速度。所述方法包括根据期望发动机速度和蓄能装置的蓄电状态而部分地从发动机、部分地从蓄能装置向液压系统提供动力。
附图说明
图1示意性地示出了具有根据本发明的示例性实施例的系统的机械。
图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的用于向液压系统提供动力的系统。
图3是根据本发明的示例性实施例的用于向液压系统提供动力的控制系统的逻辑框图。
具体实施方式
本发明涉及用于向液压系统提供动力的系统和方法。机械100的示例性实施例在图1中示意性地示出。机械100可以是如图所示的液压挖掘机，或任何具有液压或电-液系统的其他车辆，例如装载机。机械100包括主动力源102。主动力源102可实施为一可向机械100和其他机械构件提供动力的发动机。合适的发动机可包括汽油动力发动机和柴油动力发动机。在一个实施例中，发动机可以是产生动力并经动力传递机构例如轴（未示出）将动力传递至机械100的其他构件的柴油发动机，所述动力传递机构继而产生电力。主动力源102可产生可转换为液压动力的机械动力或电力输出。
机械100还可包括操作员平台或驾驶室104，其包含操作机械100所需的控制装置，例如用于推进机械100和用于控制其他机械构件的输入装置106。输入装置106可实施为操纵杆、控制杆、按钮，并且可操作地连接至液压系统108。出于简化目的，将仅论述和/或在图中示出一个实施为操纵杆的输入装置106。
在一些实施例中，驾驶室104还可包括具有用于向操作员传达信息的显示器的界面并且可包括用于从操作人员接收输入以控制或操作机械100、液压系统108和/或其他机械100构件的键盘、触摸屏或任何合适的机构。替换地，或者另外，操作员可位于驾驶室的外部和/或离开机械100一段距离并且远程控制机械100、液压系统108和/或其他机械构件。
液压系统108可包括流体构件，例如液压致动器或汽缸、罐、阀、蓄能器、孔口和用于产生加压流体流的其他合适的构件。液压系统108还可包括流体源，例如一个或多个液压泵，其可实施为可变容积泵、固定容积泵、可变容量泵或其他合适的加压系统。流体源可以可驱动地连接至主动力源102或者可间接连接至主动力源102。还可设想的是，液压系统108可包括互相连接以向液压系统108供给加压流体的多个加压流体源。在一些实施例中，例如在电-液系统中，液压系统108可包括与流体构件协作以给包括作业工具或机具的机械构件提供动力并进行控制的电气构件。
机械100还可包括蓄能装置110。蓄能装置100可实施为任何适当的蓄能系统，例如电池、超级电容器和/或液压蓄能器。在所示的实施例中，蓄能装置110可适合另外或者替换地提供能量以向机械100或其他机械构件提供动力。例如，电能可在低负荷状态期间与主动力源102协作地存储在蓄能装置110中。此外，或者替换地，蓄能装置110可提供超出由主动力源102产生的能量或动力的另外的能量和因此另外的动力，并且可防止主动力源102过载或失速。
此外，如下文更详细所述并且如例如在图3中所示，蓄能装置110可容许主动力源102在需要小于全部动力来例如操作机械100时以相对低的速度运转，并且在不过载或失速的前提下继续满足机械100的可变动力需求。例如，蓄能装置110可在增加的动力需求期间向机械100提供另外的动力以供给充足的动力，同时与动力源102相关的速度（例如发动机的发动机速度）升高以适应增加的动力需求（例如，增加的负荷）。
换言之，蓄能装置110可构造成在机械100于不需要主动力源102的全部容量来供给动力的条件下运转时储存能量。替换地，或者另外，如这样储存的能量可被回收并在机械100需要比主动力源102的全部容量大的动力供给时（即，所需的动力超过主动力源102的容量）时使用、或者用于即使在需要非全部容量时也更有效地从主源提供能量。
机械100还包括具有适合于控制液压系统108的控制器114的控制系统112。如图1和2所示，输入装置106可以可操作地连接至控制器114并且可适合从操作员接收指示机具或机械100的期望移动的输入，并因此可代表用于执行这种机具和/或机械100移动的、与液压系统108相关的动力需求。
控制系统112的一个实施例在图2中示意性地示出。控制系统112可操作地连接输入装置106和液压系统108。例如，输入装置106可与控制器114通信，且控制器114可与液压系统108的电气构件中的一个或多个（例如电子控制的致动器或电磁阀致动器）通信。在一些实施例中，电气信号可与输入装置106相关并且可指示液压系统108的动力需求。在所示的实施例中，控制系统112进一步可操作地连接输入装置106、液压系统108、控制器114、主动力源102和蓄能装置110。
控制器114可适合协调向液压系统108分配动力。在一些实施例中，控制器114可协作地控制主动力源102和蓄能装置110以优化主动力源速度和/或主动力源负荷并因此减少排放和提高燃料效率。在所示的实施例中，控制系统112包括控制机构200，例如合成器（combiner）或求和块（sum block），其适合管理从主动力源102和蓄能装置110向液压系统108的能量供给。
例如，满足与液压系统108相关的动力需求所需的能量的一部分可由主动力源102提供、且满足与液压系统108相关的动力需求所需的能量的一部分可由蓄能装置110提供。控制系统112可适于完全从主动力源102、完全从蓄能装置110提供满足与液压系统108相关的动力需求所需的全部能量，和/或部分从主动力源102且部分从蓄能装置110提供所需的全部能量。
控制系统112还可包括一个或多个传感器，例如速度传感器、压力传感器、温度传感器和其他合适的传感器，其适合测量、收集和/或向控制器114传输信号（即，数据）。速度传感器可与主动力源102相关并且可适合监视主动力源速度。在所示的实施例中，速度传感器实施为与实施为例如发动机的主动力源102相关的一个或多个发动机速度传感器202。
控制器114可适合监视发动机速度以管理在液压系统108中提供流体动力并且使发动机和其他驱动流体源204的构件（例如一个或多个液压泵）以较低速度运转、同时仍提供相同的功或能量。液压系统108所需的流体流量决定泵204所需和使用的动力并且继而决定与发动机102相关的动力需求并因此决定发动机速度。控制器114可构造成直接或间接控制发动机速度。如一般公知的，操作员也可手动调节或控制发动机速度。
压力传感器可与流体构件相关和/或可与将流体构件互相连接的流体管线相关。压力传感器可适合监视液压系统108内以及遍及液压系统108的流体压力。在所示的实施例中，压力传感器实施为与输入装置106相关的一个或多个先导压力传感器206，并且构造成产生指示与液压系统108相关的动力需求的信号。例如，控制器114可将指示升高的先导压力的信号与机械100的可能需要更多流体动力的新运转状态关联，以完成例如与该新运转状态有关的作业。
换言之，如果与输入装置106相关的先导压力升高，则控制器114判断要完成动力密集的作业并且需要更多动力。此外，控制器114可将降低的先导压力与机械100的可能需要较少流体动力的新运转状态关联（例如，要完成动力密集度较低的作业）。在一些实施例中，先导压力传感器206可检测输入装置106的操纵。尽管液压系统108采用先导压力传感器206，但是可设想的是，传感器可以是构造成监视指示液压系统108的动力需求的参数的任何传感器，所述参数包括与电-液系统相关的电气信号。
控制器114也可监视蓄能装置110的蓄电状态并且可适合基于蓄电状态而选择性地对蓄能装置110进行充电和/或放电。控制器114可适合至少部分基于与蓄能装置110相关的特性、例如电池的电气特性来确定蓄电状态。也可设想的是，在一些实施例中，控制器114可基于与蓄能装置110相关的压力、例如液压蓄能器内或其间的压力和/或总的与液压系统108相关的压力来确定蓄电状态。
在一些实施例中，蓄能装置110可适合将能量供给保持在期望的能量水平并且根据液压系统108的动力需求来向液压系统108提供期望的能量水平。例如，蓄能装置110可被维持在足以提供与液压系统108的动力需求相称或者满足所述动力需求的预定阈值之上。在所示的实施例中，控制系统112适合将蓄能装置110中的能量水平维持在一基本恒定的水平，例如充满电的水平。
控制器114可包括一个或多个控制模块（例如，ECM、ECU等）。该一个或多个控制模块可包括处理单元、存储器、传感器接口和/或控制信号接口（用于接收和传输信号）。处理单元可代表由控制系统112的一个或多个逻辑和/或处理构件（气用于执行特定通信、控制和/或诊断功能）。例如，处理单元可适合在控制系统112内部和/或外部的装置之间执行信息传送。该一个或多个控制模块可使用任何合适的通信机制、例如CAN总线彼此通信以及与在控制系统112内并与控制系统112接口的其他构件通信。
此外，处理单元可适合执行包括来自存储装置例如存储器的指令。一个或多个控制模块都可负责执行用于控制系统112的软件代码。一个或多个控制模块可包括多个处理单元，例如一个或多个通用处理单元和/或专用单元（例如，ASICS、FPGA等）。在某些实施例中，处理单元的功能可实施在包括一体的CPU、存储器和一个或多个外围设备的一体微处理器或微控制器内。存储器可代表能够储存信息的一个或多个公知系统，包括但不限于随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、磁和光存储装置、磁盘、可编程、可擦写的构件例如可擦写可编程只读存储器（EPROM、EEPROM等）和非易失性存储器例如闪存存储器。
工业适用性
从以上论述将容易理解用于向文中所述的液压系统提供动力的系统和方法的工业适用性。适合本发明的一种示例性机械为挖掘机。类似地，所述的系统和方法可以适合各种机械和作业。例如，反铲装载机、压实机、伐木归堆机、林业机械、工业装载机、滑移装载机、轮式装载机和许多其他机械可以受益于所述的系统和方法。
根据特定的实施例，控制系统112适合向液压系统108提供动力，以确定液压系统动力需求、确定蓄能装置动力需求、基于液压系统动力需求来确定主动力源102的期望参数，并且根据蓄能装置动力需求和期望参数（例如发动机速度）来向液压系统108提供动力。
图3示出了部分从主动力源102且部分从蓄能装置110向液压系统108提供动力的控制系统112和方法（300）的一个示例性实施例。控制器114适合确定液压系统动力需求（步骤302）。控制器114还适合确定蓄能装置动力需求（步骤304）。在所示的实施例中，蓄能装置动力需求实施为蓄能装置110的蓄电状态。
控制器114基于液压系统动力需求来确定主动力源102的期望参数(步骤306）。在所示的实施例中，控制器114可通过接收与输入装置106相关的先导压力信号或电气信号来确定液压系统动力需求。控制器114可至少部分地基于指示液压系统动力需求的先导压力或电气信号来确定实施为发动机的发动机速度的期望参数。换言之，控制器114可确定为了满足如由先导压力或电气信号指示的液压系统108所需的动力需求而希望的最佳发动机速度。可以设想的是，也可基于其他因素、例如与液压系统108相关的其他压力来确定最佳发动机速度。
控制器114还适合确定实施为发动机的实际发动机速度的主源102的实际参数（步骤308）。控制器114将期望发动机速度与实际发动机速度进行比较（步骤310）。如果期望发动机速度大于实际发动机速度（步骤310：是），则控制器114将蓄能装置110的蓄电状态与预定阈值进行比较（步骤312）。预定阈值可实施为足以提供液压系统108所请求的动力的蓄电状态，其可以是蓄能装置110的全部容量或蓄能装置110的全部容量的一部分。可以设想的是，预定阈值可实施为一个连续的容量范围（a rangealong a continuum of capacities）。换言之，控制器114可适合将蓄能装置110维持在基本恒定的蓄电容量范围内。
如果蓄电状态大于预定阈值（步骤312：是），则控制器114可根据蓄能装置动力需求和期望参数来向液压系统108提供动力（步骤314）。可以设想的是，如果蓄电状态基本上等于预定阈值，则控制器114也可相应地向液压系统108提供动力。换言之，控制器114能够以满足液压系统动力需求并且满足期望发动机速度的方式向液压系统108提供动力。例如，动力的一部分从发动机102提供给液压系统108、并且动力的一部分从蓄能装置110提供，以在供给满足液压系统动力需求所需动力的同时维持期望发动机速度。
由于从发动机102向液压系统108提供动力与从蓄能装置110提供动力是密切相关的，因此控制系统112可在发动机102以较低发动机速度运转的同时向液压系统108提供动力。换言之，控制系统112可降低实际发动机速度并且可允许发动机102在大幅降低的发动机速度下相对快速地作出响应。在一个实施例中，实施为电池的蓄能装置110可用于有效地满足液压系统108的瞬时响应。但是，如果蓄电状态小于预定阈值（步骤312：否），则控制器114可完全从发动机102向液压系统108提供动力（步骤316）。
如果期望发动机速度小于实际发动机速度（步骤310：否），则控制器114将蓄能装置110的蓄电状态与预定阈值进行比较（步骤318）。如果蓄电状态小于预定阈值（步骤318：否），则控制器114可从发动机102向蓄能装置110提供动力直到蓄能装置110的容量达到预定的阈值水平（步骤320）。换言之，如果蓄能装置110的蓄电状态小于预定阈值并且期望发动机速度低于实际发动机速度，则控制器114适合从发动机102向蓄能装置110提供动力。
应该理解，前面的描述提供所公开的系统和方法的示例。但是，可以预期，本发明的其他实施方案可在细节方面可不同于前面的示例。所有对本发明或其示例的说明旨在就这一点说明具体示例且并非旨在更一般地对本发明的范围加以任何限制。对某些特征的区别和贬低的所有语言旨在表示不优选这些特征，但并不将此类特征完全排除在本发明的整体范围之外，除非另外指出。
文中对数值范围的叙述仅旨在用作单独参考落在该范围内的各单独的数值的简便方法，除非文中另外指出，并且将各单独的数值结合在说明书中，就如它在文中被单独叙述一样。文中所述的所有方法可采用任何合适的次序执行，除非文中另外指出或另外明显与上下文抵触。
因此，此发明如适用的法律所允许的那样包括在此所附的权利要求中叙述的主题的所有改型和等同物。此外，上述特征在其所有可能的变型中的任何结合为本发明所涵盖，除非文中另外指出或另外明显与上下文抵触。

Claims (10)

1.一种用于向操作地连接至主动力源(102)的液压系统(108)提供动力的系统，包括：
控制器(114)，所述控制器操作地连接至蓄能装置(110)、所述主动力源(102)和所述液压系统(108)，所述控制器(114)适于：
确定液压系统动力需求(302)；
确定蓄能装置动力需求(304)；
基于所述液压系统动力需求(302)来确定主动力源(102)的期望参数(306)；并且
根据所述蓄能装置动力需求(304)和所述期望参数(306)来向所述液压系统(108)提供动力(314)。
2.根据权利要求1的系统，其中，确定所述液压系统动力需求(302)包括接收与输入装置(106)相关联的先导压力或与输入装置(106)相关联的电气信号中的至少一者，其中所述输入装置(106)操作地连接至所述液压系统(108)。
3.根据权利要求1的系统，其中，确定主动力源(102)的期望参数(306)包括确定发动机(102)的期望发动机速度，确定所述蓄能装置动力需求(304)包括确定所述蓄能装置(110)的蓄电状态。
4.根据权利要求3的系统，其中，所述控制器(114)还适于：
将所述期望发动机速度与实际发动机速度(308)进行比较(310)；以及
如果所述期望发动机速度大于所述实际发动机速度(310)，则部分地从所述蓄能装置(110)向所述液压系统(108)提供动力。
5.根据权利要求4的系统，其中，所述控制器(114)还适于：
将所述蓄电状态与预定阈值进行比较(312)；并且
如果所述蓄电状态大于所述预定阈值(312)，则部分地从所述蓄能装置(110)向所述液压系统(108)提供动力(314)。
6.根据权利要求5的系统，其中，所述控制器(114)还适于：
如果所述期望发动机速度低于所述实际发动机速度(310)，则从所述发动机(102)向所述蓄能装置(110)提供动力(320)。
7.一种机械(100)，包括：
发动机(102)；
蓄能装置(110)；
液压系统(108)，所述液压系统(108)部分地由所述发动机(102)提供动力、部分地由所述蓄能装置(110)提供动力；
操作地连接至所述液压系统(108)的输入装置(106)；
控制器(114)，所述控制器操作地连接至蓄能装置(110)、发动机(102)和液压系统(108)，所述控制器(114)适于：
通过接收与所述输入装置(106)相关联的先导压力来确定液压系统动力需求(302)；
确定所述蓄能装置(110)的蓄电状态；
部分地基于所述先导压力来确定所述发动机(102)的期望发动机速度；以及
根据所述期望发动机速度和所述蓄能装置(110)的蓄电状态而部分地从所述发动机(102)且部分地从所述蓄能装置(110)向所述液压系统(108)提供动力(314)。
8.根据权利要求7的机械，其中，向所述液压系统(108)提供动力(314)包括将所述期望发动机速度与实际发动机速度进行比较；并且如果期望发动机速度大于实际发动机速度，则部分地从所述蓄能装置(110)向所述液压系统(108)提供动力(314)。
9.根据权利要求8所述的机械(100)，其中，向所述液压系统(108)提供动力(314)包括：将所述蓄电状态与预定阈值进行比较(312)；并且如果所述蓄电状态大于所述预定阈值，则部分地从所述蓄能装置(110)向所述液压系统(108)提供动力(314)。
10.根据权利要求9所述的机械(100)，其中，向所述液压系统(108)提供动力(314)包括：如果所述期望发动机速度低于所述实际发动机速度，则从所述发动机(102)向所述蓄能装置(110)提供动力(320)。
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