CN104196067B - 分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统 - Google Patents

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郝惠敏
黄家海
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武兵
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Abstract

本发明公开了一种分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统,其驱动控制回路包括A动力源、B动力源、C动力源、动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组、铲斗控制阀、回转控制阀、回转马达控制阀组、左行走控制阀、右行走控制阀、八个两位两通阀、第Ⅰ和第Ⅱ两位三通阀、第Ⅰ和第Ⅱ蓄能器,能量回收控制回路采用主被动复合能量回收回路,系统能量可以存入第Ⅰ或第Ⅱ蓄能器,也可以经过电动发电机转化为电能存入直流母线。本发明公开的分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统,具有能量回收效率高、集成性高、主动回路装机功率低等多方面的技术优势。

Description

分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统
技术领域
[0001]本发明属于液压系统技术领域,具体涉及一种容腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机的主被动复合能量回收系统。
背景技术
[0002]随着我国工程机械行业的巨大发展,挖掘机已成为重要的支柱产业之一。在挖掘机作业中,动臂举升而产生的势能、大惯性上车加速回转具有的动能都是很大的,而这两种动作又非常频繁,如不对其进行有效的再生,将是巨大的损失。因此,如何高效地回收利用这部分能量,成为了降低挖掘机能耗亟需解决的重要问题。
[0003]目前,对液压挖掘机进行能量回收的研究主要集中在回转制动动能回收和动臂、斗杆的势能回收两个方面。关于回转制动动能的回收,德国、瑞典及我国的姜继海教授均对采用二次调节技术进行回转动能回收进行了大量研究并提出了相应措施;韩国釜山大学的Triet Hung Ho、浙江大学管成教授、中南大学李赛白及德国力士乐公司研究了在液压回路中增设蓄能器及相应控制阀对液压挖掘机的回转动能进行回收,并发布了相关专利(如:US2009/0165451 Al);德国利勃海尔公司曾提出闭式和开式回路结合、高低压储能的回转制动动能回收方案(CN 101861437 A),国内重汽集团专用汽车公司也申请了液压马达驱动液压栗向蓄能器充液的回收方案专利(CN 101858094 A),柳工常州挖掘机公司申请了混合动力二次调节回转驱动的专利(CN 102561444 A);油电混合动力挖掘机,大多采用电动机直接驱动回转机构,将制动动能存储在超级电容和蓄电池中进行能量回收。尽管有许多研究成果,但现有回转制动动能的回收仍存在技术复杂、回收效率低等问题。
[0004]关于动臂、斗杆的势能回收,以回收动臂的势能为研究的重点,其方法包括:I)闭式回路控制动臂经过蓄能器回收,该方法取得了较好的势能回收效果,但需要四象限工作的变排量栗;2)在原有控制回路的基础上增加液压变压器和蓄能器回收,或直接利用,该方法的回收效率约为50% ;3)在混合动力机器中采用液压马达驱动发电机用超级电容或蓄电池储能,能量存储有限;4)采用液压蓄能器直接回收,存入蓄能器的液压能可以直接用来驱动辅助装置(冷却系统等),也可以引入液压栗的入口,辅助动力源驱动主栗,该方法属于无源储能,回收效率较低;5)在动臂缸并列一个起储能作用的气液缸进行能量回收,该方法的回收效率同样较低。
发明内容
[0005]本发明针对液压挖掘机能量回收存在的上述问题和不足,在容腔独立变转速容积直驱的基础上,提出一种分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统。液压挖掘机的动力源既是驱动单元,也是储能单元,可根据不同的需要处于驱动工况或储能工况,使驱动与能量回收一体化,能量在蓄电池、直流母线、电动发电机、蓄能器之间直接传递、转换,大大提高了挖掘机能量的再生效率。
[0006]为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
[0007]分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统,包括动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸、回转马达、左行走马达、右行走马达、共用直流母线、总电源开关、整流器、平滑电容、DC-DC变换器和蓄电池,其中:它还包括能量回收控制回路;所述能量回收控制回路包括A动力源、B动力源、C动力源、动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组、铲斗控制阀、回转控制阀、回转马达控制阀组、左行走控制阀、右行走控制阀、序号依次为I到砸的第1-第砸两位两通阀、第I和第Π两位三通阀、第I和第Π蓄能器;所述A、B和C动力源均包括液压栗、电动发电机及逆变器,逆变器的输入端均与直流母线连接,逆变器的输出端连接所驱动电动发电机,电动发电机连接所驱动液压栗;所述动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组及回转马达控制阀组均由A、B、C、D两位两通阀组成,A两位两通阀和D两位两通阀的一个油口均与油箱连接,另一个油口分别与B两位两通阀的一个油口和C两位两通阀的一个油口连通,B两位两通阀的另一个油口与C两位两通阀的另一个油口连通,从A、B两位两通阀连接的管路上引出一条油路分别与动臂液压缸的有杆腔、斗杆液压缸的有杆腔及回转马达的第一油口连接;从C、D两位两通阀连接的管路上引出一条油路分别与动臂液压缸的无杆腔、斗杆液压缸的无杆腔及回转马达的第二油口连接;
[0008]所述的A动力源中液压栗的第一工作油口连接第I两位三通阀的第一油口,第I两位三通阀的第二和第三油口分别连接第I蓄能器和油箱;A动力源中液压栗的第二工作油口与左行走控制阀的第一油口、铲斗控制阀的第一油口、动臂缸控制阀组中B两位两通阀和C两位两通阀连接的管路以及第IV、第V两位两通阀的第一油口连接;
[0009]所述的B动力源中液压栗的进油口与油箱连接,其出油口与第V两位两通阀的第二油口连接;同时,B动力源中液压栗的出油口与斗杆缸控制阀组和回转马达控制阀组中B两位两通阀和C两位两通阀连接的管路以及右行走控制阀的第一油口连接,还与第VI两位两通阀的第一油口相连;B动力源中液压栗的出油口还通过第W两位两通阀与第Π蓄能器连接;
[0010]所述的C动力源中液压栗的第一工作油口连接第Π两位三通阀的第一油口,第Π两位三通阀的第二和第三油口分别连接第Π蓄能器和油箱;C动力源中液压栗的第二工作油口与第VI两位两通阀的第二油口相连,还与第I两位两通阀、第π两位两通阀的第二油口以及回转控制阀的第一油口相连;同时,C动力源中液压栗的第二工作油口分别通过第VI两位两通阀和第IV两位两通阀与第Π蓄能器和A动力源中液压栗的第二工作油口连接;第I两位两通阀和第π两位两通阀的第一油口分别与动臂液压缸和斗杆液压缸的有杆腔连通;
[0011]所述回转控制阀的第二和第三油口分别与回转马达的两个油口连接;所述的左行走马达、右行走马达的工作油口分别与左行走控制阀和右行走控制阀连接;所述第m两位两通阀的第一工作油口与斗杆液压缸的无杆腔连接,第m两位两通阀的第二工作油口与第π两位两通阀的第一工作油口连接;
[0012]所述的动臂液压缸、斗杆液压缸和回转马达的控制回路均为主被动复合能量回收回路,当第I和第π蓄能器内压力低于蓄能器设定的最低值时,所述动臂液压缸、斗杆液压缸的势能和回转马达制动的动能通过接通第IV-第νπι两位两通阀存入第I或第Π蓄能器内;当第I和第Π蓄能器内压力达到蓄能器设定的最高值时,动臂液压缸、斗杆液压缸的势能和回转马达制动的动能可以经过电动发电机转化为电能存入直流母线;向第I或第π蓄能器、直流母线中储能也可以同时进行;系统能量在蓄能器、直流母线、电动发电机之间传递、转换,也可通过控制A、B或C动力源驱动负载;
[0013]所述的A、B和C动力源冗余控制为:当电动发电机回收能量时为发电机,A动力源、B动力源及C动力源可以单独,也可以任意组合实现动臂液压缸、斗杆液压缸势能和回转马达制动动能的能量回收。
[0014]所述A、B、C动力源中的液压栗是定量液压栗或各种类型的变量栗,A、B、C动力源中的电动发电机是永磁同步电动发电机或交流异步电动发电机或开关磁阻电动发电机。
[0015] 所述的动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组和回转马达控制阀组中的A、B、C、D两位两通阀、铲斗控制阀、回转控制阀、左行走控制阀、右行走控制阀、序号依次为I到Vi的第1-第VI两位两通阀以及第I和第Π两位三通阀是电磁开关式换向阀或液控和电控比例换向阀或插装阀组成的阀组。
[0016] 所述动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组和回转马达控制阀组中的A、B、C、D两位两通阀也可以是其它可实现相同功能的三位三通阀的任意组合。
[0017]本发明具有以下有益效果:
[0018] I)能量回收效率高:驱动与能量回收一体化,能量在蓄能器、直流母线、电动发电机以及蓄能器之间传递、转换,再生效率高。
[0019] 2)降低主动回路装机功率:主被动复合回转驱动,使被动回路在储存能量后可以辅助驱动,从而降低主动回路的装机功率。
[0020] 3)高集成性:本发明整机控制方案布置灵活、方便,高度集成,不受空间限制,且系统无需设置专用储能单元,每一个动力源既是驱动源也是储能再生源,存储和再生不受负载大小和蓄能器中压力变化的影响。
附图说明
[0021]图1为本发明分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统示意图;
[0022]图2为本发明动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组及回转马达控制阀组组成示意图;
[0023]图3为本发明主被动复合能量回收回路原理示意图。
[0024]图中:1_动臂液压缸、2-斗杆液压缸、3-铲斗液压缸、4-回转马达、5-左行走马达、6-右行走马达、7-共用直流母线、8-总电源开关、9-整流器、10-平滑电容、11-DC-DC变换器、12-蓄电池、13-A动力源、14-B动力源、15-C动力源、16-动臂缸控制阀组、17-斗杆缸控制阀组、18-回转马达控制阀组、20铲斗控制阀、21-回转控制阀、22-左行走控制阀、23-右行走控制阀、24〜31-第I〜VDI两位两通阀、32_第I两位二通阀、33_第Π两位二通阀、34_第I蓄能器、35-第Π蓄能器、38-逆变器、39-电动发电机、40-液压栗、41-执行机构、42-电机控制器、43-控制系统。
具体实施方式
[0025]以下结合附图对本发明做进一步的详细描述:
[0026]如图1所示,分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统,包括动臂液压缸1、斗杆液压缸2、铲斗液压缸3、回转马达4、左行走马达5、右行走马达6、共用直流母线
7、总电源开关8、整流器9、平滑电容10、DC-DC变换器11和蓄电池12,其中,它还包括能量回收控制回路;所述能量回收控制回路包括A动力源13、B动力源14、C动力源15、动臂缸控制阀组16、斗杆缸控制阀组17、回转马达控制阀组18、铲斗控制阀20、回转控制阀21、左行走控制阀22、右行走控制阀23、序号依次为I到VI的第1-第VI两位两通阀24〜31、第I和第Π两位三通阀32〜33、第I和第Π蓄能器34〜35;所述A、B和C动力源均包括液压栗40、电动发电机39及逆变器38,逆变器的输入端均与直流母线连接,逆变器的输出端连接所驱动电动发电机,电动发电机连接所驱动液压栗。
[0027] 如图1和图2所示,所述动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组及回转马达控制阀组均由A、B、C、D四个两位两通阀组成,A两位两通阀和D两位两通阀的一个油口均与油箱连接,另一个油口分别与B两位两通阀的一个油口和C两位两通阀的一个油口连通,B两位两通阀的另一个油口与C两位两通阀的另一个油口连通,从A、B两位两通阀连接的管路上引出一条油路分别与动臂液压缸的有杆腔、斗杆液压缸的有杆腔及回转马达的第一油口连接;从C、D两位两通阀连接的管路上引出一条油路分别与动臂液压缸的无杆腔、斗杆液压缸的无杆腔及回转马达的第二油口连接。
[0028]所述的A动力源中液压栗的第一工作油口连接第I两位三通阀的第一油口,第I两位三通阀的第二和第三油口分别连接第I蓄能器和油箱;A动力源中液压栗的第二工作油口与左行走控制阀的第一油口、铲斗控制阀的第一油口、动臂缸控制阀组中B两位两通阀和C两位两通阀连接的管路以及第IV、第V两位两通阀的第一油口连接。
[0029]所述的B动力源中液压栗的进油口与油箱连接,其出油口与第V两位两通阀的第二油口连接;同时,B动力源中液压栗的出油口与斗杆缸控制阀组和回转马达控制阀组中B两位两通阀和C两位两通阀连接的管路以及右行走控制阀的第一油口连接,还与第VI两位两通阀的第一油口相连;B动力源中液压栗的出油口还通过第W两位两通阀与第Π蓄能器连接。
[0030]所述的C动力源中液压栗的第一工作油口连接第Π两位三通阀的第一油口,第Π两位三通阀的第二和第三油口分别连接第Π蓄能器和油箱;C动力源中液压栗的第二工作油口与第VI两位两通阀的第二油口相连,还与第I两位两通阀、第π两位两通阀的第二油口以及回转控制阀的第一油口相连;同时,C动力源中液压栗的第二工作油口分别通过第VI两位两通阀和第IV两位两通阀与第Π蓄能器和A动力源中液压栗的第二工作油口连接;第I两位两通阀和第π两位两通阀的第一油口分别与动臂液压缸和斗杆液压缸的有杆腔连通。
[0031]所述回转控制阀的第二和第三油口分别与回转马达的两个油口连接;所述的左行走马达、右行走马达的工作油口分别与左行走控制阀和右行走控制阀连接。所述第m两位两通阀的第一工作油口与斗杆液压缸的无杆腔连接,第m两位两通阀的第二工作油口与第π两位两通阀的第一工作油口连接。
[0032]所述的动臂液压缸、斗杆液压缸和回转马达的控制回路均为主被动复合能量回收回路,当第I和第Π蓄能器内压力低于蓄能器设定的最低值时,所述动臂液压缸、斗杆液压缸的势能和回转马达制动的动能通过接通第IV-第νπι两位两通阀存入第I或第Π蓄能器内;当第I和第Π蓄能器内压力达到蓄能器设定的最高值时,动臂液压缸、斗杆液压缸的势能和回转马达制动的动能经过电动发电机转化为电能存入直流母线;向第I或第Π蓄能器、直流母线中储能也可以同时进行;系统能量在蓄能器、直流母线、电动发电机之间传递、转换,也可通过控制A、B或C动力源驱动负载;
[0033]所述的Α、Β和C动力源冗余控制为:当电动发电机回收能量时为发电机,A动力源、B动力源及C动力源可以单独,也可以任意组合实现动臂液压缸、斗杆液压缸势能和回转马达制动动能的能量回收。
[0034]回收动臂、斗杆液压缸势能和回转马达制动动能的主被动复合能量回收回路原理如图3所示。图中,执行机构41可以是动臂液压缸或斗杆液压缸,也可以是回转马达,执行机构驱动负载M;A动力源13和B动力源14均包括电机控制器42、电动发电机39和液压栗40,电机控制器的输入端与控制系统43连接,电机控制器的输出端连接所驱动电动发电机,电动发电机连接所驱动液压栗。
[0035]以执行机构为回转马达为例,主动回路为驱动回路,通过控制回转马达控制阀组和回转控制阀的通断,A、B动力源根据负载需要,独立或共同为回转马达的两个油口供油;被动回路为能量储存回路,通过控制回转控制阀和第Vni两位两通阀31的通断,使回转马达的制动动能储存到第Π蓄能器35;通过控制系统43实现对各控制阀^和8动力源的控制,回转马达的制动动能存储到第Π蓄能器后,可根据不同负载的需要从第二蓄能器中释放能量用于系统的辅助驱动。
[0036]将图3所示的主被动复合回转驱动原理应用于液压挖掘机,采用A、B、C三个动力源驱动执行机构,并将三个动力源均与直流母线连接,构成图1所示的分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统。采用A、B、C动力源可以驱动动臂液压缸、斗杆液压缸、回转马达、左行走马达、右行走马达及铲斗液压缸,同时也可以回收动臂液压缸、斗杆液压缸的重力势能以及回转马达的制动动能。当第I和第Π蓄能器内压力较低时,所述动臂液压缸、斗杆液压缸的势能和回转马达制动的动能可以通过接通第IV-第νπι两位两通阀存入第I或第Π蓄能器;当第I和第Π蓄能器内压力高到无法存储能量时,动臂液压缸、斗杆液压缸的势能和回转马达制动的动能可以经过电动发电机转化为电能存入直流母线。
[0037]电动发电机可根据负载的不同需要,同时充当电动机和发电机的角色,当其驱动时是电动机,当其回收能量时为发电机,系统的能量在蓄能器、直流母线、电动发电机以及蓄能器之间传递、转换,无需增加特定的能量储存原件,在系统需要大的驱动力时,可通过控制Α、Β或C动力源辅助驱动负载。
[0038] 上述实施例中的A、B、C动力源中的液压栗是定量液压栗或各种类型的变量栗,Α、
B、C动力源中的电动发电机是永磁同步电动发电机或交流异步电动发电机或开关磁阻电动发电机。
[0039] 上述实施例中的动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组和回转马达控制阀组中的A、B、
C、D两位两通阀、铲斗控制阀、回转控制阀、左行走控制阀、右行走控制阀、序号依次为I到VI的第1-第VI两位两通阀以及第I和第Π两位三通阀是电磁开关式换向阀或液控和电控比例换向阀或插装阀组成的阀组。
[0040] 上述实施例中的动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组和回转马达控制阀组中的Α、Β、C、D两位两通阀也可以是其它可实现相同功能的三位三通阀的任意组合。

Claims (3)

1.分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统,包括动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸、回转马达、左行走马达、右行走马达、共用直流母线、总电源开关、整流器、平滑电容、DC-DC变换器和蓄电池,其特征在于:它还包括能量回收控制回路;所述能量回收控制回路包括A动力源、B动力源、C动力源、动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组、铲斗控制阀、回转控制阀、回转马达控制阀组、左行走控制阀、右行走控制阀、第1-第νπι两位两通阀、第I和第Π两位三通阀、第I和第Π蓄能器;所述Α、Β和C动力源均包括液压栗、电动发电机及逆变器,逆变器的输入端均与直流母线连接,逆变器的输出端连接所驱动电动发电机,电动发电机连接所驱动液压栗;所述动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组及回转马达控制阀组均由A、B、C、D两位两通阀组成,A两位两通阀和D两位两通阀的一个油口均与油箱连接,另一个油口分别与B两位两通阀的一个油口和C两位两通阀的一个油口连通,B两位两通阀的另一个油口与C两位两通阀的另一个油口连通,从Α、Β两位两通阀连接的管路上引出一条油路分别与动臂液压缸的有杆腔、斗杆液压缸的有杆腔及回转马达的第一油口连接;从C、D两位两通阀连接的管路上引出一条油路分别与动臂液压缸的无杆腔、斗杆液压缸的无杆腔及回转马达的第二油口连接; 所述的A动力源中液压栗的第一工作油口连接第I两位三通阀的第一油口,第I两位三通阀的第二和第三油口分别连接第I蓄能器和油箱;A动力源中液压栗的第二工作油口与左行走控制阀的第一油口、铲斗控制阀的第一油口、动臂缸控制阀组中B两位两通阀和C两位两通阀连接的管路以及第IV、第V两位两通阀的第一油口连接; 所述的B动力源中液压栗的进油口与油箱连接,其出油口与第V两位两通阀的第二油口连接;同时,B动力源中液压栗的出油口与斗杆缸控制阀组和回转马达控制阀组中B两位两通阀和C两位两通阀连接的管路以及右行走控制阀的第一油口连接,还与第VI两位两通阀的第一油口相连;B动力源中液压栗的出油口还通过第W两位两通阀与第Π蓄能器连接;所述的C动力源中液压栗的第一工作油口连接第Π两位三通阀的第一油口,第Π两位三通阀的第二和第三油口分别连接第Π蓄能器和油箱;C动力源中液压栗的第二工作油口与第VI两位两通阀的第二油口相连,还与第I两位两通阀、第Π两位两通阀的第二油口以及回转控制阀的第一油口相连;同时,C动力源中液压栗的第二工作油口分别通过第VI两位两通阀和第IV两位两通阀与第Π蓄能器和A动力源中液压栗的第二工作油口连接;第I两位两通阀和第Π两位两通阀的第一油口分别与动臂液压缸和斗杆液压缸的有杆腔连通; 所述回转控制阀的第二和第三油口分别与回转马达的两个油口连接;所述的左行走马达、右行走马达的工作油口分别与左行走控制阀和右行走控制阀连接;所述第m两位两通阀的第一工作油口与斗杆液压缸的无杆腔连接,第m两位两通阀的第二工作油口与第π两位两通阀的第一工作油口连接; 所述的动臂液压缸、斗杆液压缸和回转马达的控制回路均为主被动复合能量回收回路,当第I和第π蓄能器内压力低于蓄能器设定的最低值时,所述动臂液压缸、斗杆液压缸的势能和回转马达制动的动能通过接通第IV-第砸两位两通阀存入第I或第π蓄能器内;当第I和第π蓄能器内压力达到蓄能器设定的最高值时,动臂液压缸、斗杆液压缸的势能和回转马达制动的动能经过电动发电机转化为电能存入直流母线;向第I或第π蓄能器、直流母线中储能也可以同时进行;系统能量在蓄能器、直流母线、电动发电机之间传递、转换,也可通过控制A、B或C动力源驱动负载; 所述的A、B和C动力源冗余控制为:当电动发电机回收能量时为发电机,A动力源、B动力源及C动力源可以单独,也可以任意组合实现动臂液压缸、斗杆液压缸势能和回转马达制动动能的能量回收。
2.根据权利要求1所述的分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统,其特征在于:所述A、B、C动力源中的液压栗是定量液压栗或各种类型的变量栗,A、B、C动力源中的电动发电机是永磁同步电动发电机或交流异步电动发电机或开关磁阻电动发电机。
3.根据权利要求1所述的分腔独立变转速容积直驱纯电液压挖掘机能量回收系统,其特征在于:所述的动臂缸控制阀组、斗杆缸控制阀组和回转马达控制阀组中的A、B、C、D两位两通阀、铲斗控制阀、回转控制阀、左行走控制阀、右行走控制阀、第1-第VI两位两通阀以及第I和第Π两位三通阀是电磁开关式换向阀或液控和电控比例换向阀或插装阀组成的阀组。
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