CN104831774B - 一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置及控制方法，其中行走制动能量回收辅助驱动装置包括控制器，信号监测模块，液压辅助驱动模块，制动模块；所述液压辅助驱动模块包括泵/马达、三通流量阀、小型蓄能器、大型蓄能器、溢流阀一，溢流阀二。本发明的控制方法，包括泵马达控制步骤、三通流量阀控制步骤。本发明通过采用三通比例控制阀，有效的消除了泵、马达上的扭矩冲击，使装载机在行驶以及制动过程中更加平稳、柔顺，车辆操控性能够得到提高，同时，三通流量阀集成度更高，相比两个或多个开关阀，故障点减少，装置成本也得到降低。

Description

一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种装载机，具体涉及一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置及控制方法。

背景技术

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，以并联式液压混合动力装载机应用最为普遍，该类型的装载机驱动系统包括柴油机、液力变矩器、变速箱、液压泵/马达、液压蓄能器、动臂油缸、扭矩耦合器、翻斗油缸。柴油机是驱动系统的动力源，柴油机输出的功率一部分通过液力变矩器和变速器驱动行驶机构，实现装载机行驶；柴油机输出的功率另一部分通过油泵驱动油缸，实现转向和装载工作。而液压泵/马达、液压蓄能器等构成液压再生系统：装载机制动时，提供再生制动转矩，系统吸收制动能，并存储在蓄能器中；装载机启动时，蓄能器释放液压能，实现能量回收；装载机铲掘时，提供提供辅助牵引功率，避免发动机掉转现象，使其工作于最佳燃油经济区。

一般的能量回收再生装置只有一个蓄能器，从而导致这种类型的装载机仅能适应一种类型的制动能量工况。目前，也存在采用两个蓄能器结合电磁阀、溢流阀构建能量回收再生装置。虽然解决了不同制动工况不要不同容积的蓄能器的问题，但是在车辆启动、制动的平稳性以及柔顺性方面的性能较差，主要原因在于控制阀是开关阀，只有开和关两种状态，当控制阀打开或关闭时，泵马达的扭矩有一个明显的冲击，影响车辆的平稳性和柔顺性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置及控制方法，有效地消除前述这种泵、马达上的扭矩冲击，使装载机在行驶以及制动过程中更加平稳、柔顺，车辆操控性能够得到提高，同时，减少故障点减少，降低装置成本。

本发明的技术方案如下：

一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置，包括控制器，信号监测模块，液压辅助驱动模块，制动模块，控制器通过通讯电缆与信号监测模块、液压辅助驱动模块、制动模块以及装载机其它模块连接，用于接收来自信号监测模块采集的状态信号，结合控制器内部程序处理所采集到的状态信号并产生控制指令，通过控制指令使液压辅助驱动模块、制动模块、行走系统以及其它模块执行相应动作；液压辅助驱动模块为装载机行走制动能量回收辅助驱动装置的核心组成部分，液压辅助驱动模块通过离合器与装载机行驶机构连接。

液压辅助驱动模块包括泵/马达、三通流量阀、小型蓄能器、大型蓄能器、溢流阀2-1，溢流阀2-2，其中，泵/马达通过离合器与装载车的行驶机构连接，泵/马达带有泵/马达电磁铁用于控制泵/马达的工作方式，泵/马达入口安装有油箱，出口安装有三通流量阀；其中，三通流量阀有两个压力油出口，一个出口连接有小型蓄能器和溢流阀2-1，小型蓄能器与溢流阀2-1并联连接；另外一个出口连接有大型蓄能器和溢流阀2-2，大型蓄能器与溢流阀2-2并联连接，并且三通流量阀工作状态由电磁铁A、电磁铁B控制。

制动模块产生的制动信号通过通讯电缆发送至控制器。

信号监测模块包括油门踏板角度传感器、制动踏板角度传感器、发动机转速传感器、蓄能器压力传感器，其中，油门踏板角度传感器用于监测油门踏板角度；制动踏板角度传感器用于监测制动踏板的角度；发动机转速传感器用于监测发动机的转速，蓄能器压力传感器用于蓄能器的压力。

进一步地，溢流阀与蓄能器并联连接，且溢流阀中安装有压力传感器用于向控制器传送压力反馈信号。

装载机制动时，控制器接收到制动脚踏板角度信号，控制器控制离合器断开，同时，控制器发送泵/马达控制指令，液压泵/马达工作于“泵”工况，向制动模块提供再生制动转矩，控制制动过程中，装载车的平稳性，同时吸收制动能，并存储于蓄能器中，制动模式有两种：

a、小型蓄能器工作，适应小的制动能量工况，同时吸收制动能并存储于小型蓄能器；

b、大型蓄能器工作，适应中等制动能量工况，同时吸收制动能并存储在大型蓄能器中；

当装载机启动时，液压泵/马达则工作于“马达”工况，释放液压能为装载机提供辅助功率，实现余能的再次利用。

当装载机铲掘时，液压泵/马达工作于“马达”工况，提供辅助牵引功率，避免发动机掉转现象，使其工作于最佳燃油经济区。

本发明同时提供一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置控制方法，包括泵马达控制步骤、三通流量阀控制步骤：

泵马达控制步骤：

装载机启动时，控制器接收到来自装载机动力单元发出的启动信号，控制器通过处理、运算产生离合器控制电流、泵/马达控制电流、电磁铁控制电流，离合器闭合，泵/马达工作在“马达”工况，电磁铁A或电磁铁B得电，小型蓄能器或大型蓄能器与马达连通，并释放液压能，液压能使液压马达转动，通过离合器，为行驶机构提供辅助功率，为装载机行走提供辅助动力；

装载机制动时，控制器接收到来自装载机制动模块发出的制动信号，控制器通过处理、运算产生离合器控制电流、泵马达控制电流、电磁铁控制电流，离合器断开，泵/马达工作在“泵”工况，“泵”一方面产生的液压能用于装载机制动；另外一方面，电磁铁A或电磁铁B得电，三通流量阀动作，小型蓄能器或大型蓄能器与泵连通，将多余的液压能存储在小型蓄能器或大型蓄能器中；

装载机铲掘时，控制器接收到来自装载机传动系统发出的信号，控制器通过处理、运算产生离合器控制电流、泵/马达控制电流、电磁铁控制电流，离合器闭合，泵/马达工作在“马达”工况，通过离合器提供辅助牵引功率，避免发动机掉转现象，使发动机工作于最佳燃油经济区。

三通流量阀控制步骤：

控制器通过采集到油门踏板角度、制动踏板角度、发动机转速、蓄能器压力信号，按照控制算法，计算出泵马达控制电流、电磁铁A、电磁铁B控制电流值：

a.如果泵/马达控制电流大于设定值，离合器断开，泵/马达工作在“泵”工况；

同时，电磁铁A控制电流大于设定值，电磁铁A得电，三通流量阀动作，小型蓄能器与泵/马达连通，储存液压能，否则，电磁铁不得电，三通流量阀不动作；或，电磁铁B控制电流大于设定值，电磁铁B得电，三通流量阀动作，大型蓄能器与泵连通，储存液压能，否则，电磁铁不得电，三通流量阀不动作。

b. 如果泵/马达控制电流小于设定值，离合器闭合，泵/马达工作在“马达”工况；

同时，电磁铁A控制电流大于设定值，电磁铁A得电，三通流量阀动作，蓄能器与泵/马达连通，释放液压能，否则，电磁铁不得电，三通流量阀不动作；或，电磁铁B控制电流大于设定值，电磁铁B得电，三通流量阀动作，大型蓄能器与泵/马达连通，储存液压能，否则，电磁铁不得电，三通流量阀不动作;

c.在步骤a、步骤b中，电磁铁A得电，三通流量阀动作，小型蓄能器与泵/马达连通的情况下，控制器判断溢流阀的压力反馈信号，如果溢流阀因压力过大打开，电磁铁B得电，电磁铁A失电，大型蓄能器与泵马达连通，否则，保持原状态不变。

本方案所述的系统是在装载机原车系统的基础上增加的一个系统,原系统与新增系统之间通过离合器连接或断开. 当装载机制动时,控制器首先控制离合器闭合,连接传统系统与新增系统. 此时,车辆惯性通过离合器(闭合状态)带动液压泵马达工作,此时液压泵马达处于泵工况,新增系统按照前述过程进行工作; 控制器会在车速降低到某一个速度时断开离合器, 离合器断开后,泵马达不再工作,与蓄能器连接的电磁阀也对应断开.当车辆再次启动时,控制器再次控制离合器闭合,此时,蓄能器中的液压油通过电磁阀(打开状态)驱动泵马达,此时泵马达处于马达工况, 泵马达通过离合器(闭合状态)驱动车轮进行行走驱动.当车速到某一速度时控制器再断开离合器. 也就是说,只要新增系统是工作的,那么离合器一定处于闭合状态. 只有当离合器处于分离状态时, 新增系统与原系统断开而不工作. 在离合器闭合时,新增系统工作时的能量流动链条是:

制动工况的能量流:

车辆惯性—车轮—元件（行驶机构）—离合器—泵马达—电磁阀—大小蓄能器

驱动工况的能量流:

大小蓄能器—电磁阀—泵马达—离合器—元件（行驶机构）—车轮—车辆加速。

本发明的有益效果是：通过三通流量阀的流量可以比例控制,相比于现有方案的开关控制方式，比例控制的流量可以消除泵马达上扭矩的突变，从而使得车辆在行驶和制动过程中更加平稳、更加柔顺，车辆具有更好的操控性能。

三通流量阀集成度更高，将传统的多个开关阀集成为一个三通流量阀，减少了故障点，降低了成本。

附图说明

图1为本发明装载车行走制动能量回收辅助驱动装置结构示意图；

图2为本发明蓄能器连接结构示意图；

图3为本发明控制流程图；

图1中标记为：1.小型蓄能器；2.溢流阀2-1；3.大型蓄能器；4.溢流阀2-2；5.控制器；6.制动模块；7.动力单元；8.传动系统；9.行驶机构；10.离合器；11.泵/马达；12.三通流量阀。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置，包括控制器5，信号监测模块，液压辅助驱动模块，制动模块6，控制器5通过通讯电缆与信号监测模块、液压辅助驱动模块、制动模块6以及装载机其它模块连接，用于接收来自信号监测模块采集的状态信号，结合控制器5内部程序处理所采集到的状态信号并产生控制指令，通过控制指令使液压辅助驱动模块、制动模块6、行驶机构9以及其它模块执行相应动作；液压驱动模块为装载机行走制动能量回收辅助驱动装置的核心组成部分，液压驱动模块通过离合器10与装载机行驶机构9连接。

液压辅助驱动模块包括泵/马达11、三通流量阀12、小蓄能器1、大蓄能器3、溢流阀2-1、溢流阀2-2，其中，泵/马达11通过离合器10与装载机的行驶机构9连接，泵/马达11带有泵马达电磁铁用于控制泵马达的工作方式，泵/马达11入口安装有油箱，出口安装有三通流量阀12；其中，三通流量阀12有两个压力油出口，一个出口连接有小型蓄能器1和溢流阀2-1，小型蓄能器1与溢流阀2-1并联连接；另外一个出口连接有大型蓄能器3和溢流阀2-2，大型蓄能器3与溢流阀2-2并联连接，并且三通流量阀12工作状态由三通流量阀12中的电磁铁A、电磁铁B控制。

制动模块6产生的制动信号通过通讯电缆发送至控制器5。

本方案所述的系统是在装载机原车系统的基础上增加的一个系统,原系统与新增系统之间通过离合器连接或断开. 当装载机制动时,控制器首先控制离合器闭合,连接传统系统与新增系统. 此时,车辆惯性通过离合器(闭合状态)带动液压泵马达工作,此时液压泵马达处于泵工况,新增系统按照前述过程进行工作; 控制器会在车速降低到某一个速度时断开离合器, 离合器断开后,泵马达不再工作,与蓄能器连接的电磁阀也对应断开.当车辆再次启动时,控制器再次控制离合器闭合,此时,蓄能器中的液压油通过电磁阀(打开状态)驱动泵马达,此时泵马达处于马达工况, 泵马达通过离合器(闭合状态)驱动车轮进行行走驱动.当车速到某一速度时控制器再断开离合器. 也就是说,只要新增系统是工作的,那么离合器一定处于闭合状态. 只有当离合器处于分离状态时, 新增系统与原系统断开而不工作. 在离合器闭合时,新增系统工作时的能量流动链条是:

制动工况的能量流:

车辆惯性—车轮—元件9—离合器10—泵马达11—电磁阀12—蓄能器1或3

驱动工况的能量流:

蓄能器1或3—电磁阀12—泵马达11—离合器10—元件9—车轮—车辆加速。

信号监测模块包括油门踏板角度传感器、制动踏板角度传感器、发动机转速传感器、蓄能器压力传感器，其中，油门踏板角度传感器用于监测油门踏板角度；制动踏板角度传感器用于监测制动踏板的角度；发动机转速传感器用于监测发动机的转速，蓄能器压力传感器用于蓄能器的压力。

进一步地，溢流阀2-1与小型蓄能器1并联连接，溢流阀2-2与大型蓄能器3并联连接，且溢流阀有两个，溢流阀中安装有压力传感器用于向控制器5传送压力反馈信号。

如图2，如图3所示，装载机制动时，控制器5接收到制动脚踏板角度信号、油门脚踏板信号、发动机转速信号以及蓄能器压力信号，控制器5按照如下算法计算:

泵马达控制电流=(a*油门踏板角度+b*制动踏板角度+c*发动机转速+d*蓄能器压力)*e

其中，a、b、c、d、e均为经验系数;

电磁铁A控制电流=(f*油门踏板角度+g*制动踏板角度+h*发动机转速+i*蓄能器压力)*j

其中，f、g、h、i、j均为经验系数;

电磁铁B控制电流=(k*油门踏板角度+l*制动踏板角度+m*发动机转速+n*蓄能器压力)*o

其中，k、l、m、n、o均为经验系数;

控制器5按如下方式判断：

a.泵/马达控制电流大于设定值，离合器10断开，泵/马达11工作在“泵”工况；泵/马达11提供液压能用于装载机制动，同时控制器5计算电磁铁A以及电磁铁B控制电流值：

电磁铁A控制电流大于设定值，电磁铁A得电，三通流量阀12动作，小型蓄能器1与泵/马达11连通，储存液压能;

电磁铁B控制电流大于设定值，电磁铁B得电，三通流量阀12动作，大型蓄能器3与泵/马达11连通，储存液压能；

b. 泵/马达11控制电流小于设定值，离合器10闭合，泵/马达11工作在“马达”工况；泵/马达11连通离合器，提供辅助功率，同时控制器5计算电磁铁A以及电磁铁B控制电流值：

电磁铁A控制电流大于设定值，电磁铁A得电，三通流量阀12动作，小型蓄能器1与泵/马达11连通，释放液压能;

电磁铁B控制电流大于设定值，电磁铁B得电，三通流量阀12动作，大型蓄能器3与泵/马达11连通，释放液压能；

c.在步骤a、步骤b中，电磁铁A得电，三通流量阀12动作，小型蓄能器1与泵/马达11连通的情况下，控制器5判断溢流阀2-1的压力反馈信号，如果溢流阀2-1因压力过大打开，电磁铁B得电，电磁铁A失电，大型蓄能器3与泵/马达11连通，否则，保持原状态不变。

以上是对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置，其特征在于，包括控制器，信号监测模块，液压辅助驱动模块，制动模块；所述控制器通过通讯电缆与所述信号监测模块、液压辅助驱动模块、制动模块连接，用于接收来自信号监测模块采集的状态信号，结合控制器内部程序处理所采集到的状态信号并产生控制指令，通过控制指令使液压辅助驱动模块、制动模块、行走系统执行相应动作；所述液压辅助驱动模块通过离合器与装载机行驶机构连接；

所述液压辅助驱动模块包括泵/马达、三通流量阀、小型蓄能器、大型蓄能器、溢流阀一，溢流阀二，其中，泵/马达通过离合器与装载车的行驶机构连接，泵/马达带有泵/马达电磁铁用于控制泵/马达的工作方式，泵/马达入口安装有油箱，出口安装有三通流量阀；其中，三通流量阀有两个压力油出口，一个出口连接有小型蓄能器和溢流阀一，小型蓄能器与溢流阀一并联连接；另外一个出口连接有大型蓄能器和溢流阀二，大型蓄能器与溢流阀二并联连接，并且三通流量阀工作状态由电磁铁A、电磁铁B控制；

所述信号监测模块包括油门踏板角度传感器、制动踏板角度传感器、发动机转速传感器、蓄能器压力传感器，其中，油门踏板角度传感器用于监测油门踏板角度；制动踏板角度传感器用于监测制动踏板的角度；发动机转速传感器用于监测发动机的转速，蓄能器压力传感器用于蓄能器的压力；

所述溢流阀一、二中安装有压力传感器用于向控制器传送压力反馈信号。

2.根据权利要求1所述的一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置，其特征在于，装载机制动时，控制器接收到制动脚踏板角度信号，控制器控制离合器断开，同时，控制器发送泵/马达控制指令，泵/马达工作于“泵”工况，向制动模块提供再生制动转矩，控制制动过程中装载车的平稳性，同时吸收制动能，并存储于蓄能器中，制动模式有两种：

a、小型蓄能器工作，适应小的制动能量工况，同时吸收制动能并存储于小型蓄能器；

b、大型蓄能器工作，适应中等制动能量工况，同时吸收制动能并存储在大型蓄能器中；

当装载机启动时，泵/马达则工作于“马达”工况，释放液压能为装载机提供辅助功率，实现余能的再次利用；

当装载机铲掘时，泵/马达工作于“马达”工况，提供辅助牵引功率，避免发动机掉转现象，使其工作于最佳燃油经济区。

3.一种装载机行走制动能量回收辅助驱动装置控制方法，包括泵马达控制步骤、三通流量阀控制步骤；

所述泵马达控制步骤包括：

装载机启动时，控制器接收到来自装载机动力单元发出的启动信号，控制器通过处理、运算产生离合器控制电流、泵/马达控制电流、电磁铁控制电流，离合器闭合，泵/马达工作在“马达”工况，电磁铁A或电磁铁B得电，小型蓄能器或大型蓄能器与马达连通，并释放液压能，液压能使液压马达转动，通过离合器，为行驶机构提供辅助功率，为装载机行走提供辅助动力；

装载机制动时，控制器接收到来自装载机制动模块发出的制动信号，控制器通过处理、运算产生离合器控制电流、泵马达控制电流、电磁铁控制电流，离合器断开，泵/马达工作在“泵”工况，“泵”一方面产生的液压能用于装载机制动；另外一方面，电磁铁A或电磁铁B得电，三通流量阀动作，小型蓄能器或大型蓄能器与泵连通，将多余的液压能存储在小型蓄能器或大型蓄能器中；

装载机铲掘时，控制器接收到来自装载机传动系统发出的信号，控制器通过处理、运算产生离合器控制电流、泵/马达控制电流、电磁铁控制电流，离合器闭合，泵/马达工作在“马达”工况，通过离合器提供辅助牵引功率，避免发动机掉转现象，使发动机工作于最佳燃油经济区；

所述三通流量阀控制步骤包括：

控制器通过采集到油门踏板角度、制动踏板角度、发动机转速、蓄能器压力信号，按照控制算法，计算出泵马达控制电流、电磁铁A、电磁铁B控制电流值：

a.如果泵/马达控制电流大于设定值，离合器断开，泵/马达工作在“泵”工况；

同时，电磁铁A控制电流大于设定值，电磁铁A得电，三通流量阀动作，小型蓄能器与泵/马达连通，储存液压能，否则，电磁铁不得电，三通流量阀不动作；或，电磁铁B控制电流大于设定值，电磁铁B得电，三通流量阀动作，大型蓄能器与泵连通，储存液压能，否则，电磁铁不得电，三通流量阀不动作；

b. 如果泵/马达控制电流小于设定值，离合器闭合，泵/马达工作在“马达”工况；

同时，电磁铁A控制电流大于设定值，电磁铁A得电，三通流量阀动作，蓄能器与泵/马达连通，释放液压能，否则，电磁铁不得电，三通流量阀不动作；或，电磁铁B控制电流大于设定值，电磁铁B得电，三通流量阀动作，大型蓄能器与泵/马达连通，储存液压能，否则，电磁铁不得电，三通流量阀不动作;

c.在步骤a、步骤b中，电磁铁A得电，三通流量阀动作，小型蓄能器与泵/马达连通的情况下，控制器判断溢流阀的压力反馈信号，如果溢流阀因压力过大打开，电磁铁B得电，电磁铁A失电，大型蓄能器与泵马达连通，否则，保持原状态不变。