CN103437392B - 混合动力液压挖掘机系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力液压挖掘机系统，包括储能装置、电控装置、上车回转机构、左行走机构、右行走机构、动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置；电控装置分别与上车回转机构、左行走机构、右行走机构、动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置相连接；动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置之间相互并联；上车回转机构、左行走机构和右行走机构上分别设置有上车能量回收装置、左行走能量回收装置以及右行走能量回收装置；动臂液压驱动装置上设置有动臂能量回收装置；动臂能量回收装置、上车能量回收装置、左行走能量回收装置以及右行走能量回收装置均通过电控装置与储能装置相连接。

Description

混合动力液压挖掘机系统及使用方法

技术领域

本发明涉及机电液一体化工程机械混合动力系统，尤其是一种混合动力液压挖掘机系统及使用方法。

背景技术

传统液压挖掘机主要由发动机直接驱动双联泵，通过多路阀控制驱动液压缸和液压马达进行工作；工作时，负载变化剧烈，发动机多工作在低效率点，造成其燃油率低、排放差等缺点；同时，由于不同执行机构负载不同，负载油液压力不同，各执行机构之间相互耦合，造成多路阀系统中节流损失较大，使整个系统的能量利用率进一步降低。

而混合动力技术被公认为是最具有发展前景的节能减排技术，混合动力主要有两个发展方向，即油电混合动力系统和油液混合动力系统。油电混合动力系统是将电动/发电机作为第二动力源，并采用电池或电容作为储能装置；而油液混合动力系统则是将系统的能量通过蓄能器等液压能量回收装置将能量存储再利用。

其中，在油电混合动力系统中引入电储能装置，便于控制，不仅可以改善传统挖掘机燃油性差的缺点，还可以解决纯电动系统电能供给问题；然在油液混合动力系统中引入蓄能器作为能量的回收存储装置，虽然可以改善系统的能耗，但蓄能器效率低，且不能控制，能量的存储与再利用需要需引入控制阀对其进行控制，结构复杂，且在各执行机构之间存在耦合，造成能量的再利用十分困难。

国内外许多高校、企业以及相关研究机构都已开始对混合动力系统做了相关的研究，并取得了一些成果,主要有：

(1)如专利公开号为CN101761104A的专利所公开的一种新型混合动力挖掘机系统构型；该专利采用发动机、发电机/电动机、变量泵依次串联同轴，动臂和斗杆的油缸回油通过一个发电机进行能量回收，回转采用电机进行能量再生；

(2)如专利公开号为CN101037869的专利所公开的一种混合动力建筑机械；该专利的发动机的输出轴连接液压泵和发电电动机；由蓄能电池驱动旋转电机，通过发电电动机的电动作用来辅助发电；同时提出通过检测液压泵和旋转电动机消耗动力之和不超过作为可供给液压泵以及旋转电动机的动力之和设定供给动力，确保液压挖掘机的性能和操作性。

(3)如专利公开号为CN101973271A的专利所公开的混合动力挖掘机驱动及能量回收系统；该专利采用发动机、发电机/电动机、变量泵依次串联同轴，动臂引入液压马达—发电机—泵做为能量回收系统进行能量再生，动臂、斗杆、铲斗仍采用多路阀驱动油缸进行控制，行走采用多路阀驱动液压马达进行控制，回转采用电机进行驱动。

上述专利均采用混合动力并联结构作为挖掘机的动力系统，上车回转采用电机驱动进行能量再生。专利公开号为CN101973271A的专利还提出了一套混合动力液压挖掘机系统，但三个专利仍然存在许多不足之处。比如：

(1)如专利公开号为CN101761104A的专利中提出对动臂和斗杆的回油缸通过一个电机进行能量回收，由于动臂和斗杆中回油压力的差异，将导致二者在油液会合时产生冲击，会导致对动臂和斗杆的操纵性变差，可回收的能量降低等缺点。

(2)如专利公开为CN101037869的专利中提出的一种保证蓄能装置能量存储的控制方法，这势必会影响电动/发电机在对发动机进行补偿时，无法充分补偿发动机不足的功率，导致系统操纵性受到影响。

(3)如专利公开号为CN101973271A的专利中提出的由单变量泵动臂、斗杆、铲斗和左右行走等五个执行机构，由于负载之间的差异，将导致液压系统的能耗效率低，而且液压系统结构复杂。所采用的动臂能量回收装置，由双向马达—回收电机—泵同轴相连，并将回收装置的泵出口与主泵的出口相连，这将导致二者在液压油汇合时，造成系统冲击，产生振荡。

根据国内外的研究发现，液压挖掘机在采用混合动力技术时，均采用并联结构作为动力系统，采用回转电机驱动上车回转机构，以及动臂的势能回等方式；虽然，这些技术可以提高发动机的燃油经济性，但是改善的空间十分有限，因为制约传统液压挖掘机能耗差的主要因素除了在发动机本身的效率低之外，液压系统也直接影响整机的能量利用率。传统挖掘机一般采用双并联泵通过多路阀控制驱动动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、回转马达以及两个行走马达，混合动力技术的应用，引入了电储能装置，将传统挖机中回转马达用回转电机替代，动臂(斗杆或铲斗)回油腔直接通过多路阀接液压马达驱动发电机进行发电。这将使得传统挖机液压结构中双泵的能量分配受到影响，而且由于传统挖掘机中多路阀的特殊结构，控制动臂(斗杆或铲斗)回油的主阀口中存在液阻和动臂回油再生功能，这种结构使得传统多路阀不能直接采用马达-电机能量再生系统。而且采用混合动力系统之后，传统挖掘机液压系统结构也不适合混合动力挖掘机。

混合动力并联结构系统是将液压泵和电动发电机并联连接在作为共同动力源的发动机上，根据负载工况的不同，当负载所需的功率较大时，电动发电机处于电动状态，与电动机共同驱动液压泵；当负载所需功率较小时，电动发电机工作在发电状态，将发动机多余的能量通过电能存储于蓄能装置中，以维持发动机的功率输出在高效区域，同时降低发动机功率。但是，实际工作中，挖掘机的负载变化十分剧烈，电动发电机并不能十分充分的补偿发动机剧烈变化的功率，发动机的燃油性、排放性仍较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种适用于挖掘机的混合动力系统结构，该混合动力系统结构能提高挖掘机燃油性、排放性，同时还能保证具有较好的操纵性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种混合动力液压挖掘机系统，包括储能装置、动力装置、上车回转机构、左行走机构、右行走机构、动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置；所述动力装置分别与上车回转机构、左行走机构、右行走机构、动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置相连接；所述动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置之间相互并联；所述上车回转机构、左行走机构和右行走机构上分别设置有上车能量回收装置、左行走能量回收装置以及右行走能量回收装置；所述动臂液压驱动装置上设置有动臂能量回收装置；所述动臂能量回收装置、上车能量回收装置、左行走能量回收装置以及右行走能量回收装置均通过动力装置与储能装置相连接。

作为对本发明所述的混合动力液压挖掘机系统的改进：所述储能装置为储能单元；所述动力装置为发动机、发电机、电动机和电机集成控制器；所述动臂液压驱动装置包括动臂油缸、动臂控制主阀和动臂驱动液压泵；所述铲斗液压驱动装置包括铲斗油缸、铲斗控制主阀和铲斗驱动液压泵；所述斗杆液压驱动装置包括斗杆油缸、斗杆控制主阀和斗杆驱动液压泵；所述上车回转机构、左行走机构和右行走机构上分别设置有上车回转驱动电机、左行走电机和右行走电机；所述动臂能量回收装置包括动臂能量回收马达和动臂回收发电机；所述发动机与发电机相连接，所述发电机与电机集成控制器电连接，所述电机集成控制器分别与电动机、储能单元、上车回转驱动电机、左行走电机、右行走电机、动臂回收发电机、上车回转机构、左行走机构和右行走机构电连接；所述电动机分别与动臂驱动液压泵、铲斗驱动液压泵和斗杆驱动液压泵电连接；所述动臂驱动液压泵与动臂控制主阀相连接，动臂控制主阀与动臂能量回收马达相连接；动臂油缸与动臂控制主阀相连接；所述铲斗驱动液压泵与铲斗控制主阀相连接；铲斗油缸与铲斗控制主阀相连接；斗杆驱动液压泵与斗杆控制主阀相连接，斗杆油缸与斗杆控制主阀相连接；所述动臂能量回收马达与动臂回收发电机相连接。

作为对本发明所述的混合动力液压挖掘机系统的进一步改进：所述动臂油缸与动臂控制主阀之间设置有安全控制阀组Ⅰ，动臂控制主阀与动臂驱动液压泵之间设置有安全阀；所述所述铲斗驱动液压泵与铲斗控制主阀之间设置有安全控制阀组Ⅱ，铲斗油缸与铲斗控制主阀之间设置有安全阀；所述斗杆驱动液压泵与斗杆控制主阀之间设置有安全控制阀组Ⅲ，斗杆油缸与斗杆控制主阀之间设置有安全阀。

作为对本发明所述的混合动力液压挖掘机系统的进一步改进：所述安全控制阀组Ⅰ包括动臂无杆腔油路单向阀、动臂无杆腔油路安全阀、动臂有杆腔油路单向阀和动臂有杆腔油路安全阀；所述安全控制阀组Ⅱ包括铲斗无杆腔油路单向阀、铲斗无杆腔安全阀、铲斗有杆腔油路单向阀和铲斗有杆腔安全阀；所述安全控制阀组Ⅲ包括斗杆无杆腔油路单向阀、斗杆无杆腔安全阀、斗杆有杆腔油路单向阀和斗杆有杆腔安全阀；所述动臂驱动液压泵的出油口分别与安全阀的P口和动臂控制主阀的P口相连接，动臂能量回收马达的进油口与动臂控制主阀的T口相连接；动臂油缸的无杆腔分别与动臂控制主阀的A口、动臂无杆腔油路单向阀的B口和动臂无杆腔油路安全阀的P口相连接，动臂油缸的有杆腔分别与动臂控制主阀的B口、动臂有杆腔油路单向阀的B口和动臂有杆腔油路安全阀的P口相连接；动臂无杆腔油路单向阀的A口、动臂无杆腔油路安全阀的T口、动臂有杆腔油路单向阀的A口、动臂有杆腔油路安全阀的T口以及安全阀的T口分别与动臂驱动液压泵的油箱相连接；铲斗驱动液压泵的出油口分别与铲斗控制主阀的P口和安全阀的P口相连接，所述铲斗油缸的无杆腔与铲斗无杆腔油路单向阀的B口、铲斗无杆腔油路安全阀的P口以及铲斗控制主阀的A口相连接；所述铲斗油缸的有杆腔与铲斗有杆腔油路单向阀的B口、铲斗有杆腔油路安全阀的P口以及铲斗控制主阀的B口相连接；所述铲斗控制主阀的T口、铲斗无杆腔油路单向阀的A口、铲斗无杆腔油路安全阀的T口、铲斗有杆腔油路单向阀的A口、铲斗有杆腔油路安全阀的T口和安全阀的T口分别与铲斗驱动液压泵油箱相连接；所述斗杆驱动液压泵出油口分别与安全阀的P口和斗杆控制主阀的P口相连接；所述斗杆油缸的无杆腔分别与斗杆无杆腔油路单向阀的B口、斗杆无杆腔油路安全阀的P口以及斗杆控制主阀的A口相连接；所述斗杆油缸的有杆腔分别与斗杆有杆腔油路单向阀的B口、斗杆有杆腔油路安全阀的P口和斗杆控制主阀的B口相连接，斗杆控制主阀的T口、斗杆无杆腔油路单向阀的A口、斗杆无杆腔油路安全阀的T口、斗杆有杆腔油路单向阀的A口、斗杆有杆腔油路安全阀以及安全阀的T口分别与斗杆驱动液压泵的油箱相连接。

作为对本发明所述的混合动力液压挖掘机系统的进一步改进：所述动臂能量回收马达的进油口与动臂控制主阀的T口之间的油路与动臂能量回收马达的油箱之间设置有单向阀。

作为对本发明所述的混合动力液压挖掘机系统的进一步改进：所述动力装置还包括置储能监测装置、发动机控制器、混合动力液压挖掘机控制器和电源模块；所述混合动力液压挖掘机控制器分别与储能监测装置、电机集成控制器和发动机控制器信号连接；所述储能监测装置与储能单元电连接；所述发动机控制器与发动机电连接；所述混合动力液压挖掘机控制器分别与动臂控制主阀、动臂驱动液压泵、铲斗控制主阀、铲斗驱动液压泵、斗杆控制主阀和斗杆驱动液压泵电连接；所述电源模块分别与储能监测装置和发动机控制器电连接。

作为对本发明所述的混合动力液压挖掘机系统的进一步改进：混合动力液压挖掘机控制器还连接有显示屏；所述显示屏与电源模块相连接。

一种混合动力液压挖掘机系统的使用方法：启动发动机，由发动机带动发电机开始发电；所述发电机发出的电流通过电机集成控制器进行转换；经过电机集成控制器转化的电流分别驱动电动机、上车回转机构、左行走机构和右行走机构的运行；电动机分别驱动动臂驱动液压泵、铲斗驱动液压泵和斗杆驱动液压泵运行，再分别通过控制动臂控制主阀、铲斗控制主阀和斗杆控制主阀就可以分别驱动动臂油缸、铲斗油缸和斗杆油缸内的活塞工作；所述动臂控制主阀工作在左位的时候，电动机控制动臂驱动液压泵向动臂油缸的无杆腔内供油，动臂油缸的有杆腔内的油液被压入动臂能量回收马达的油箱，动臂能量回收马达空转，不进行能量回收；动臂控制主阀工作在右位的时候，电动机控制动臂驱动液压泵向动臂油缸的有杆腔内供油，动臂油缸的无杆腔内的油液被压入动臂能量回收马达的油箱，动臂能量回收马达带动动臂回收发电机产生电能，动臂回收发电机的电能通过电机集成控制器转换后存储在储能单元内；铲斗控制主阀工作在左位的时候，电动机控制铲斗驱动液压泵向铲斗油缸的无杆腔内供油，铲斗油缸的有杆腔内的油液被压入铲斗驱动液压泵的油箱；铲斗控制主阀工作在右位的时候，电动机控制铲斗驱动液压泵向铲斗油缸的有杆腔内供油，铲斗油缸的无杆腔内的油液被压入铲斗驱动液压泵的油箱；斗杆控制主阀工作在左位的时候，电动机控制斗杆驱动液压泵向斗杆油缸的无杆腔内供油，斗杆油缸的有杆腔内的油液被压入斗杆驱动液压泵的油箱；斗杆控制主阀工作在右位的时候，电动机控制斗杆驱动液压泵向斗杆油缸的有杆腔内供油，斗杆油缸的无杆腔内的油液被压入斗杆驱动液压泵的油箱。

作为对本发明所述的混合动力液压挖掘机系统的使用方法的改进：回转驱动电机、左行走电机和右行走电机分别将上车回转机构、左行走机构和右行走机构在制动过程中产生的动能转换为电能，再传回电机集成控制器,在储能单元中存储。

本发明的技术解决方案如下：

液压挖掘机发动机与一台发电机相连，用于发电，该发电机与电机集成控制器相连，所产生的电能通过电动机用于驱动三个主泵和回转电机、行走电机，电动机、回转电机和行走电机分别与电机集成控制器相连，多余的电能存储于蓄能装置中。一台电动机与三个主泵依次相连，三个主泵入口接油箱，出口与三个主阀相连，主阀出口分别与动臂、斗杆、铲斗油缸相连。控制动臂的主阀回油口接到一台马达入口，马达与一台电机相连，通过对主阀和电机控制来保证操纵性能的同时，进行势能回收。动臂势能回收电机与电机集成控制器相连。回转电机通过回转平台、减速器与上车机构相连。

与背景技术相比，本发明具有有益的效果是：

1、本发明在动力系统采用串联系统，发动机的工作不受负载的影响，不仅可以降低发动机的功率，而且可以使发动机稳定在高效工作区，提高发动机的燃油性和排放性。

2、本发明不仅将回转马达用回转电机代替，而且将两个行走马达也用电机代替，可以有效减少液压系统所造成能量损失，不仅控制简单、操纵性能好，而且可以将刹车时的动能进行回收存储于储能元件中，提高系统的能量利用率。

3、本发明采用三泵驱动三个执行机构，动臂、斗杆、铲斗，三个执行器之间不存在压力耦合，可以有效降低节流损失，提高系统能量利用率，控制简单。

4、本发明采用主阀和马达-电机再生系统联合控制对动臂的势能进行回收，与背景技术中所提到的动臂势能回收有所不同，通过对主阀和电机的联合控制，可以有效的保证系统的操纵性能，并对势能进行回收。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的混合动力液压挖掘机系统及使用方法主要原理结构示意图；

图2是图1在实际使用过程中的一种电气连接示意图。

具体实施方式

实施例1、图1给出了一种混合动力液压挖掘机系统及使用方法，混合动力液压挖掘机系统包括储能装置、动力装置、上车回转机构、左行走机构、右行走机构、动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置；储能装置为储能单元15；动力装置为发动机1、发电机2、电动机3和电机集成控制器16；动臂液压驱动装置包括动臂油缸17、动臂控制主阀7和动臂驱动液压泵4；铲斗液压驱动装置包括铲斗油缸18、铲斗控制主阀8和铲斗驱动液压泵5；斗杆液压驱动装置包括斗杆油缸19、斗杆控制主阀9和斗杆驱动液压泵6；上车回转机构、左行走机构和右行走机构上分别设置有上车回转驱动电机12、左行走电机13和右行走电机14；动臂能量回收装置包括动臂能量回收马达10和动臂回收发电机11。

以挖掘机为例，挖掘机由上车回转机构、左行走机构、右行走机构、动臂、铲斗以及斗杆组成，以上所述的上车回转机构上设置上车回转驱动电机12，左行走机构上设置左行走电机13，右行走机构上设置右行走电机14；上车回转机构、左行走机构以及右行走机构在减速运动的时候，分别通过上车回转驱动电机12、左行走电机13以及右行走电机14将机械能转换成电能。

如图1所示，以上所述的发动机1与发电机2相连接，发动机1的输出轴与发电机2的输出轴相互连接，发动机1将其他形式的能量转换成机械能，再通过发动机1带动发电机2进行运转，通过发电机2将机械能转换成电能；发电机2与电机集成控制器16相连接，发电机2产生的电能通过电机集成控制器16进行相应的转换，以适应各个负载的使用；电机集成控制器16分别和电动机3、动臂回收发电机11、上车回转驱动电机12、左行走电机13、右行走电机14和储能单元15相连接；电动机3分别与动臂驱动液压泵4、铲斗驱动液压泵5和斗杆驱动液压泵6相连接，通过电机集成控制器16向电动机3供电，再通过电动机3将电能转换成机械能，然后分别通过动臂驱动液压泵4、铲斗驱动液压泵5和斗杆驱动液压泵6将机械能转换成液压能。

在动臂油缸17与动臂控制主阀7之间设置有安全控制阀组Ⅰ，安全控制阀组Ⅰ包括动臂无杆腔油路单向阀20、动臂无杆腔油路安全阀21、动臂有杆腔油路单向阀22和动臂有杆腔油路安全阀23，动臂控制主阀7与动臂驱动液压泵4之间设置有安全阀24；铲斗驱动液压泵5与铲斗控制主阀8之间设置有安全控制阀组Ⅱ，安全控制阀组Ⅱ包括铲斗无杆腔油路单向阀25、铲斗无杆腔安全阀26、铲斗有杆腔油路单向阀27和铲斗有杆腔安全阀28，铲斗油缸18与铲斗控制主阀8之间设置有安全阀29；斗杆驱动液压泵6与斗杆控制主阀9之间设置有安全控制阀组Ⅲ，安全控制阀组Ⅲ包括斗杆无杆腔油路单向阀30、斗杆无杆腔安全阀31、斗杆有杆腔油路单向阀32和斗杆有杆腔安全阀33，斗杆油缸19与斗杆控制主阀9之间设置有安全阀34。

动臂驱动液压泵4的出油口分别与安全阀24的P口和动臂控制主阀7的P口相连接，动臂能量回收马达10的进油口与动臂控制主阀7的T口相连接；动臂油缸17的无杆腔分别与动臂控制主阀7的A口、动臂无杆腔油路单向阀20的B口和动臂无杆腔油路安全阀21的P口相连接，动臂油缸17的有杆腔分别与动臂控制主阀7的B口、动臂有杆腔油路单向阀22的B口和动臂有杆腔油路安全阀23的P口相连接；动臂无杆腔油路单向阀20的A口、动臂无杆腔油路安全阀21的T口、动臂有杆腔油路单向阀22的A口、动臂有杆腔油路安全阀23的T口以及安全阀24的T口分别与动臂驱动液压泵4的油箱相连接。通过动臂驱动液压泵4向动臂油缸17提供液压能，再通过动臂控制主阀7控制动臂油缸17的动臂油缸活塞运动。

铲斗驱动液压泵5的出油口分别与铲斗控制主阀8的P口和安全阀29的P口相连接，所述铲斗油缸18的无杆腔与铲斗无杆腔油路单向阀25的B口、铲斗无杆腔油路安全阀26的P口以及铲斗控制主阀8的A口相连接；所述铲斗油缸18的有杆腔与铲斗有杆腔油路单向阀27的B口、铲斗有杆腔油路安全阀28的P口以及铲斗控制主阀8的B口相连接；所述铲斗控制主阀8的T口、铲斗无杆腔油路单向阀25的A口、铲斗无杆腔油路安全阀26的T口、铲斗有杆腔油路单向阀27的A口、铲斗有杆腔油路安全阀28的T口和安全阀29的T口分别与铲斗驱动液压泵5油箱相连接。通过铲斗驱动液压泵5向铲斗油缸18提供液压能，再通过铲斗控制主阀8控制铲斗油缸18的铲斗油缸活塞运动。

所述斗杆驱动液压泵6出油口分别与安全阀34的P口和斗杆控制主阀9的P口相连接；所述斗杆油缸19的无杆腔分别与斗杆无杆腔油路单向阀30的B口、斗杆无杆腔油路安全阀31的P口以及斗杆控制主阀9的A口相连接；所述斗杆油缸19的有杆腔分别与斗杆有杆腔油路单向阀32的B口、斗杆有杆腔油路安全阀33的P口和斗杆控制主阀9的B口相连接，斗杆控制主阀9的T口、斗杆无杆腔油路单向阀30的A口、斗杆无杆腔油路安全阀31的T口、斗杆有杆腔油路单向阀32的A口、斗杆有杆腔油路安全阀33以及安全阀34的T口分别与斗杆驱动液压泵6的油箱相连接。通过斗杆驱动液压泵6向斗杆油缸19提供液压能，再通过斗杆控制主阀9控制斗杆油缸19的斗杆油缸活塞运动。

动臂能量回收马达10的进油口与动臂控制主阀7的T口之间的油路与动臂能量回收马达10的油箱之间设置有单向阀35。

动臂回收发电机11与动臂能量回收马达10相连接，动臂油缸17的无杆腔回收的液压油进入动臂能量回收马达10后，通过动臂能量回收马达10将液压能转换成机械能，再通过动臂能量回收马达10带动动臂回收发电机11将机械能转换成电能；动臂回收发电机11与电机集成控制器16相连接，电机集成控制器16与储能单元15相连接，就可以通过电机集成控制器16回收动臂回收发电机11所产生的电能，再通过储能单元15对电能进行存储。而通过上车回转驱动电机12、左行走电机13以及右行走电机14将机械能转换成的电能通过电机集成控制器16回收，并且通过储能单元15存储。上车回转机构、左行走机构以及右行走机构分别与电机集成控制器16电连接，在实际使用的时候，上车回转机构、左行走机构以及右行走机构均通过电机集成控制器16供电驱动。

电机集成控制器16、驱动电机12、左行走电机13和右行走电机14为现有技术，可以通过市购的方式获得。

具体工作的时候，按如下步骤：

二、液压系统的能量回收：

1、启动发动机1，由发动机1带动发电机2开始发电。

2、发电机2产生的交流电通过电机集成控制器16进行转换(通过电机集成控制器16可以将交流电转化成直流电，将直流电转化成可调三相交流电，以满足各种用电设备的用电需求)。

3、电机集成控制器16转化出可调三相交流电驱动电动机3工作，由电动机3控制动臂驱动液压泵4、铲斗驱动液压泵5和斗杆驱动液压泵6工作，同时，控制动臂控制主阀7、铲斗控制主阀8和斗杆控制主阀9工作，具体的步骤如下：

电动机3控制动臂驱动液压泵4供油，动臂控制主阀7工作在左位的时候，电动机3控制动臂驱动液压泵4向动臂油缸17的无杆腔内供油，动臂油缸17的有杆腔内的油液被压入动臂能量回收马达10的油箱，动臂能量回收马达10空转，不进行能量回收；动臂控制主阀7工作在右位的时候，电动机3控制动臂驱动液压泵4向动臂油缸17的有杆腔内供油，动臂油缸17的无杆腔内的油液被压入动臂能量回收马达10的油箱，动臂能量回收马达10带动动臂回收发电机11产生电能，动臂回收发电机11的电能通过电机集成控制器16转换后存储在储能单元15内；

电动机3控制铲斗驱动液压泵5供油，铲斗控制主阀8工作在左位的时候，电动机3控制铲斗驱动液压泵5向铲斗油缸18的无杆腔内供油，铲斗油缸18的有杆腔内的油液被压入铲斗驱动液压泵5的油箱；铲斗控制主阀8工作在右位的时候，电动机3控制铲斗驱动液压泵5向铲斗油缸18的有杆腔内供油，铲斗油缸18的无杆腔内的油液被压入铲斗驱动液压泵5的油箱；

电动机3控制斗杆驱动液压泵6供油，斗杆控制主阀9工作在左位的时候，电动机3控制斗杆驱动液压泵6向斗杆油缸19的无杆腔内供油，斗杆油缸19的有杆腔内的油液被压入斗杆驱动液压泵6的油箱；斗杆控制主阀9工作在右位的时候，电动机3控制斗杆驱动液压泵6向斗杆油缸19的有杆腔内供油，斗杆油缸19的无杆腔内的油液被压入斗杆驱动液压泵6的油箱；

在以上步骤的时候，通过调节动臂控制主阀7的开口量和动臂能量回收马达10的转速或转矩即可以对动臂的动臂油缸17内动臂油缸活塞的运动速度进行控制；通过调节铲斗控制主阀8的开口量即可以对铲斗的铲斗油缸18内铲斗油缸活塞的运动速度进行控制；通过调节斗杆控制主阀9的开口量即可以对斗杆的斗杆油缸活塞的运动速度进行控制。

二、上车回转机构、左行走机构和右行走机构的能量回收：

4、通过电机集成控制器16分别控制上车回转机构、左行走机构和右行走机构的运行：

在驱动上车回转机构的时候，电机集成控制器16先将直流电源转变为三相可调电流，再用三相可调电流驱动上车回转机构回转运动；在上车回转机构做减速运动的时候，上车回转机构的动能通过上车回转驱动电机12产生电能，再由电机集成控制器16将上车回转驱动电机12产生的电能逆变为直流电，再将直流电用于驱动其他执行元机构或存储于储能单元15中；

在驱动右行走机构的时候，电机集成控制器16先将直流电源转变为三相可调电流，再用三相可调电流驱动右行走机构回转运动；在右行走机构做减速运动的时候，右行走机构的动能通过右行走电机14产生电能，再由电机集成控制器16将右行走电机14产生的电能逆变为直流电，再将直流电用于驱动其他执行元机构或存储于储能单元15中；

在驱动左行走机构的时候，电机集成控制器16先将直流电源转变为三相可调电流，再用三相可调电流驱动上车回转机构回转运动；在上车回转机构做减速运动的时候，上车回转机构的动能通过左行走电机13产生电能，再由电机集成控制器16将左行走电机13产生的电能逆变为直流电，再将直流电用于驱动其他执行元机构或存储于储能单元15中。

在实际使用的过程中，如图2所示在本发明的混合动力液压挖掘机系统中设置储能监测装置101、发动机控制器103、显示屏104、混合动力液压挖掘机控制器105和电源模块110，混合动力液压挖掘机控制器105分别与储能监测装置101、电机集成控制器16、发动机控制器103和显示屏104信号连接；储能监测装置101与储能单元15电连接；发动机控制器103与发动机1电连接；所述混合动力液压挖掘机控制器105分别与动臂控制主阀7、动臂驱动液压泵4、铲斗控制主阀8、铲斗驱动液压泵5、斗杆控制主阀9和斗杆驱动液压泵6电连接；所述电源模块110分别与储能监测装置101、发动机控制器103和显示屏104电连接。通过储能监测装置101监控储能单元15内的能源存储状态，再通过发动机控制器103控制发动机1的运行，所述混合动力液压挖掘机控制器105分别控制动臂控制主阀7、动臂驱动液压泵4、铲斗控制主阀8、铲斗驱动液压泵5、斗杆控制主阀9和斗杆驱动液压泵6的运行。而储能监测装置101、发动机控制器103和显示屏104分别通过电源模块110供电。为保持图面清洁，未画出所有与电源模块110相连接的电连接关系。

在专利公开号为CN101761104A的专利中提出对动臂和斗杆的回油缸通过一个电机进行能量回收，根据不同吨位、不同负载、不同工况下动臂中回油压力与斗杆中回油压力之间压差较大，以中型挖掘机为例，根据挖掘机负载谱，斗杆和动臂回油腔的压差变化范围为5MPa左右(由于挖掘机负载的不同，吨位不同，无法给出一个确定的值，只能根据挖掘机的吨位给出一个范围，但由于其本身之间的压差还是比较大的至少之间有几MPa的差距，当液压油汇合时，会造成冲击，会影响两个执行机构的操作，而且由于动臂的压力比斗杆的压力大，会直接增加斗杆无杆腔的压力，这将导致系统需要提供更高的压力，耗能更大，如果采用阀控限制动臂端能量回收的压力，将导致可回收的能量减少。二者在油液会合时产生的冲击力，会导致对动臂和斗杆的操纵性变差，可回收的能量降低等缺点)。

而在本发明中，动臂与斗杆之间不存在压力耦合，即不存在压力冲击。

在专利公开号为CN101037869的专利中提出的一种保证蓄能装置能量存储的控制方法，这势必会影响电动/发电机在对发动机进行补偿时，无法充分补偿发动机不足的功率，导致系统操纵性受到影响。该专利的发动机的输出轴连接液压泵和发电电动机；由蓄能电池驱动旋转电机，通过发电电动机的电动作用来辅助发电；同时此提出通过检测液压泵和旋转电动机消耗动力之和不超过作为可供给液压泵以及旋转电动机的动力之和设定供给动力，确保液压挖掘机的性能和操作性。

而在本发明中，使用的时候，由发动机1直接驱动发电机2进行发电，监测储能单元15充电状态，可以将储能单元15的充电状态维持在一个高效的范围内，进而驱动其他电动机(如电动机3等)进行工作，不存在动力系统补偿不充分问题。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.混合动力液压挖掘机系统，其特征是：包括储能装置、动力装置、上车回转机构、左行走机构、右行走机构、动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置；所述动力装置分别与上车回转机构、左行走机构、右行走机构、动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置相连接；

所述动臂液压驱动装置、铲斗液压驱动装置以及斗杆液压驱动装置之间相互并联；

所述上车回转机构、左行走机构和右行走机构上分别设置有上车能量回收装置、左行走能量回收装置以及右行走能量回收装置；

所述动臂液压驱动装置上设置有动臂能量回收装置；

所述动臂能量回收装置、上车能量回收装置、左行走能量回收装置以及右行走能量回收装置均通过动力装置与储能装置相连接；

所述储能装置为储能单元(15)；

所述动力装置为发动机(1)、发电机(2)、电动机(3)和电机集成控制器(16)；

所述动臂液压驱动装置包括动臂油缸(17)、动臂控制主阀(7)和动臂驱动液压泵(4)；

所述铲斗液压驱动装置包括铲斗油缸(18)、铲斗控制主阀(8)和铲斗驱动液压泵(5)；

所述斗杆液压驱动装置包括斗杆油缸(19)、斗杆控制主阀(9)和斗杆驱动液压泵(6)；

所述上车回转机构、左行走机构和右行走机构上分别设置有上车回转驱动电机(12)、左行走电机(13)和右行走电机(14)；

所述动臂能量回收装置包括动臂能量回收马达(10)和动臂回收发电机(11)；

所述发动机(1)与发电机(2)相连接，所述发电机(2)与电机集成控制器(16)电连接，所述电机集成控制器(16)分别与电动机(3)、储能单元(15)、上车回转驱动电机(12)、左行走电机(13)、右行走电机(14)、动臂回收发电机(11)、上车回转机构、左行走机构和右行走机构电连接；

所述电动机(3)分别与动臂驱动液压泵(4)、铲斗驱动液压泵(5)和斗杆驱动液压泵(6)电连接；

所述动臂驱动液压泵(4)与动臂控制主阀(7)相连接，动臂控制主阀(7)与动臂能量回收马达(10)相连接；动臂油缸(17)与动臂控制主阀(7)相连接；

所述铲斗驱动液压泵(5)与铲斗控制主阀(8)相连接；铲斗油缸(18)与铲斗控制主阀(8)相连接；

斗杆驱动液压泵(6)与斗杆控制主阀(9)相连接，斗杆油缸(19)与斗杆控制主阀(9)相连接；

所述动臂能量回收马达(10)与动臂回收发电机(11)相连接。

2.根据权利要求1所述的混合动力液压挖掘机系统，其特征是：所述动臂油缸(17)与动臂控制主阀(7)之间设置有安全控制阀组Ⅰ，动臂控制主阀(7)与动臂驱动液压泵(4)之间设置有安全阀(24)；

所述所述铲斗驱动液压泵(5)与铲斗控制主阀(8)之间设置有安全控制阀组Ⅱ，铲斗油缸(18)与铲斗控制主阀(8)之间设置有安全阀(29)；

所述斗杆驱动液压泵(6)与斗杆控制主阀(9)之间设置有安全控制阀组Ⅲ，斗杆油缸(19)与斗杆控制主阀(9)之间设置有安全阀(34)。

3.根据权利要求2所述的混合动力液压挖掘机系统，其特征是：所述安全控制阀组Ⅰ包括动臂无杆腔油路单向阀(20)、动臂无杆腔油路安全阀(21)、动臂有杆腔油路单向阀(22)和动臂有杆腔油路安全阀(23)；

所述安全控制阀组Ⅱ包括铲斗无杆腔油路单向阀(25)、铲斗无杆腔安全阀(26)、铲斗有杆腔油路单向阀(27)和铲斗有杆腔安全阀(28)；

所述安全控制阀组Ⅲ包括斗杆无杆腔油路单向阀(30)、斗杆无杆腔安全阀(31)、斗杆有杆腔油路单向阀(32)和斗杆有杆腔安全阀(33)；

所述动臂驱动液压泵(4)的出油口分别与安全阀(24)的P口和动臂控制主阀(7)的P口相连接，动臂能量回收马达(10)的进油口与动臂控制主阀(7)的T口相连接；动臂油缸(17)的无杆腔分别与动臂控制主阀(7)的A口、动臂无杆腔油路单向阀(20)的B口和动臂无杆腔油路安全阀(21)的P口相连接，动臂油缸(17)的有杆腔分别与动臂控制主阀(7)的B口、动臂有杆腔油路单向阀(22)的B口和动臂有杆腔油路安全阀(23)的P口相连接；动臂无杆腔油路单向阀(20)的A口、动臂无杆腔油路安全阀(21)的T口、动臂有杆腔油路单向阀(22)的A口、动臂有杆腔油路安全阀(23)的T口以及安全阀(24)的T口分别与动臂驱动液压泵(4)的油箱相连接；

铲斗驱动液压泵(5)的出油口分别与铲斗控制主阀(8)的P口和安全阀(29)的P口相连接，所述铲斗油缸(18)的无杆腔与铲斗无杆腔油路单向阀(25)的B口、铲斗无杆腔油路安全阀(26)的P口以及铲斗控制主阀(8)的A口相连接；所述铲斗油缸(18)的有杆腔与铲斗有杆腔油路单向阀(27)的B口、铲斗有杆腔油路安全阀(28)的P口以及铲斗控制主阀(8)的B口相连接；所述铲斗控制主阀(8)的T口、铲斗无杆腔油路单向阀(25)的A口、铲斗无杆腔油路安全阀(26)的T口、铲斗有杆腔油路单向阀(27)的A口、铲斗有杆腔油路安全阀(28)的T口和安全阀(29)的T口分别与铲斗驱动液压泵(5)油箱相连接；

所述斗杆驱动液压泵(6)出油口分别与安全阀(34)的P口和斗杆控制主阀(9)的P口相连接；所述斗杆油缸(19)的无杆腔分别与斗杆无杆腔油路单向阀(30)的B口、斗杆无杆腔油路安全阀(31)的P口以及斗杆控制主阀(9)的A口相连接；所述斗杆油缸(19)的有杆腔分别与斗杆有杆腔油路单向阀(32)的B口、斗杆有杆腔油路安全阀(33)的P口和斗杆控制主阀(9)的B口相连接，斗杆控制主阀(9)的T口、斗杆无杆腔油路单向阀(30)的A口、斗杆无杆腔油路安全阀(31)的T口、斗杆有杆腔油路单向阀(32)的A口、斗杆有杆腔油路安全阀(33)以及安全阀(34)的T口分别与斗杆驱动液压泵(6)的油箱相连接。

4.根据权利要求3所述的混合动力液压挖掘机系统，其特征是：所述动臂能量回收马达(10)的进油口与动臂控制主阀(7)的T口之间的油路与动臂能量回收马达(10)的油箱之间设置有单向阀(35)。

5.根据权利要求4所述的混合动力液压挖掘机系统，其特征是：所述动力装置还包括置储能监测装置(101)、发动机控制器(103)、混合动力液压挖掘机控制器(105)和电源模块(110)；

所述混合动力液压挖掘机控制器(105)分别与储能监测装置(101)、电机集成控制器(16)和发动机控制器(103)信号连接；

所述储能监测装置(101)与储能单元(15)电连接；

所述发动机控制器(103)与发动机(1)电连接；

所述混合动力液压挖掘机控制器(105)分别与动臂控制主阀(7)、动臂驱动液压泵(4)、铲斗控制主阀(8)、铲斗驱动液压泵(5)、斗杆控制主阀(9)和斗杆驱动液压泵(6)电连接；

所述电源模块(110)分别与储能监测装置(101)和发动机控制器(103)电连接。

6.根据权利要求5所述的混合动力液压挖掘机系统，其特征是：混合动力液压挖掘机控制器(105)还连接有显示屏(104)；所述显示屏(104)与电源模块(110)相连接。

7.混合动力液压挖掘机系统的使用方法，其特征是：启动发动机(1)，由发动机(1)带动发电机(2)开始发电；所述发电机(2)发出的电流通过电机集成控制器(16)进行转换；经过电机集成控制器(16)转化的电流分别驱动电动机(3)、上车回转机构、左行走机构和右行走机构的运行；

电动机(3)分别驱动动臂驱动液压泵(4)、铲斗驱动液压泵(5)和斗杆驱动液压泵(6)运行，再分别通过控制动臂控制主阀(7)、铲斗控制主阀(8)和斗杆控制主阀(9)就可以分别驱动动臂油缸(17)、铲斗油缸(18)和斗杆油缸(19)内的活塞工作；

所述动臂控制主阀(7)工作在左位的时候，电动机(3)控制动臂驱动液压泵(4)向动臂油缸(17)的无杆腔内供油，动臂油缸(17)的有杆腔内的油液被压入动臂能量回收马达(10)的油箱，动臂能量回收马达(10)空转，不进行能量回收；

动臂控制主阀(7)工作在右位的时候，电动机(3)控制动臂驱动液压泵(4)向动臂油缸(17)的有杆腔内供油，动臂油缸(17)的无杆腔内的油液被压入动臂能量回收马达(10)的油箱，动臂能量回收马达(10)带动动臂回收发电机(11)产生电能，动臂回收发电机(11)的电能通过电机集成控制器(16)转换后存储在储能单元(15)内；

铲斗控制主阀(8)工作在左位的时候，电动机(3)控制铲斗驱动液压泵(5)向铲斗油缸(18)的无杆腔内供油，铲斗油缸(18)的有杆腔内的油液被压入铲斗驱动液压泵(5)的油箱；铲斗控制主阀(8)工作在右位的时候，电动机(3)控制铲斗驱动液压泵(5)向铲斗油缸(18)的有杆腔内供油，铲斗油缸(18)的无杆腔内的油液被压入铲斗驱动液压泵(5)的油箱；

斗杆控制主阀(9)工作在左位的时候，电动机(3)控制斗杆驱动液压泵(6)向斗杆油缸(19)的无杆腔内供油，斗杆油缸(19)的有杆腔内的油液被压入斗杆驱动液压泵(6)的油箱；斗杆控制主阀(9)工作在右位的时候，电动机(3)控制斗杆驱动液压泵(6)向斗杆油缸(19)的有杆腔内供油，斗杆油缸(19)的无杆腔内的油液被压入斗杆驱动液压泵(6)的油箱。

8.根据权利要求7所述的混合动力液压挖掘机系统的使用方法，其特征是：回转驱动电机(12)、左行走电机(13)和右行走电机(14)分别将上车回转机构、左行走机构和右行走机构在制动过程中产生的动能转换为电能，再传回电机集成控制器(16),在储能单元(15)中存储。