CN104963903B - 基于储能速率最大的液压飞轮蓄能器系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于储能速率最大的液压飞轮蓄能器系统及其控制方法，蓄能器系统将飞轮和液压蓄能器的功能合为一体，构成一个新的复合能量存储单元，即液压飞轮蓄能器。其构成的液压飞轮蓄能器系统包括液压飞轮蓄能器、双向定量泵/马达、高速开关阀、溢流阀、油箱、传感器以及控制器。适用于任何需要进行能量存储的液压系统。针对该能量存储系统存在的多种工作模式，本发明提出了一种使其充能和放能速率最优的控制方法。该方法是在保证系统转速范围和压力范围的条件下，通过控制离合器的通断以及三个高速开关阀的工作与否，选择使系统充能或放能功率最大的模式，来实现系统高效的充放能特性，满足系统的瞬时大功率需求。

Description

基于储能速率最大的液压飞轮蓄能器系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及蓄能系统的控制方法领域，特别涉及一种基于储能速率最大的液压飞轮蓄能器系统及其控制方法。

背景技术

液压系统中，传统蓄能器能量密度较低，难以满足大型系统的蓄能需求，且蓄能器出口压力依赖于蓄能器的能量存储量，当蓄能器压力较低时无法满足系统的瞬时大功率需求。

已有的机液联合能量存储装置(如中国发明专利申请，申请公布号：CN102897012A，公布日：2013.01.30)是将相互独立的飞轮和蓄能器同时用在一个系统中，是两种能量存储装置的简单叠加。虽然提高了蓄能装置的能量存储量，但系统的质量和体积也较大，导致液压系统质量大大增加，不利于零部件的布置；蓄能元件的个数增多，系统控制困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于储能速率最大的液压飞轮蓄能器系统及其控制方法。

本发明采用一个可旋转的筒形压力容器，将飞轮和液压蓄能器的功能合为一体，构成一个新的复合能量存储单元，即液压飞轮蓄能器。其构成的液压飞轮蓄能器系统包括液压飞轮蓄能器、双向定量泵/马达、高速开关阀、溢流阀、油箱、传感器以及控制器。适用于任何需要进行能量存储的液压系统。针对该能量存储系统存在的多种工作模式，本发明提出了一种使其充能和放能速率最优的控制方法。该方法是在保证系统转速范围和压力范围的条件下，通过控制离合器的通断以及三个高速开关阀的工作与否，选择使系统充能或放能功率最大的模式，来实现系统高效的充放能特性，满足系统的瞬时大功率需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.壳体内油液由于离心力作用形成的抛物面形压力分布，使液压飞轮蓄能器存储的液压能相对于同体积的传统蓄能器增加；

2.通过油液及壳体的转动将液压能转换为大量动能存储，能量存储量比同条件下传统蓄能器的能量存储量大大增加；

3.同一元件的双能量存储方式，提高了储能元件的能量密度，减小了储能元件的体积；

4.由于两种能量的相互作用关系，使液压飞轮蓄能器的出口压力与能量存储量解耦，将其出口压力维持在所设定的范围内，为液压系统提供相对稳定的压力源；

5.通过多种工作模式的切换，使系统在满足转速要求和压力要求的前提下，实现储能速率最大。

附图说明

图1是本发明的结构组成与工作原理示意图。

图2是本发明的蓄能器充能模式图。

图3是本发明的飞轮充能模式图。

图4是本发明的联合充能模式图。

图5是本发明的稳态模式图。

图6是本发明的自循环模式图。

图7是本发明的控制方法总流程图。

图8是本发明能量维持时的模式选择流程图。

图9是本发明充能时的模式选择流程图。

图10是本发明选择对应状态下使压力增大的模式流程图。

图11是本发明选择对应状态下使压力减小的模式流程图。

图12是本发明选择对应状态下使功率最大的模式流程图。

图13是本发明选择对应状态下使转速增大的模式流程图。

图中：1.液压系统，2.液压系统总控制器3.液压飞轮蓄能器系统，4.第一压力传感器，5.流量传感器，6.第一高速开关阀，7.第三高速开关阀，8.溢流阀，9.油箱，10.第二压力传感器，11.高速旋转接头，12.液压飞轮蓄能器，13.转速传感器，14.离合器信号放大电路，15.离合器，16.双向定量泵/马达，17.液压飞轮蓄能器系统控制器，18.第二高速开关阀，19.壳体，20.活塞。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的实施例，该实施例由液压系统1和液压飞轮蓄能器系统3组成。液压飞轮蓄能器系统3主要包括双向定量泵/马达16、离合器15、液压飞轮蓄能器12、高速旋转接头11、高速开关阀、溢流阀8、油箱9、控制器以及传感器；所述高速开关阀包括第一高速开关阀6、第二高速开关阀18以及第三高速开关阀7，所述的传感器包括第一压力传感器4、第二压力传感器10、流量传感器5以及转速传感器13。

所述双向定量泵/马达16的轴端与离合器15一端连接，离合器15的另一端与液压飞轮蓄能器12连接。

所述高速旋转接头11的一端与液压飞轮蓄能器12连接，另一端通过液压管路与第三高速开关阀7液压连接；所述第一高速开关阀6的一端通过液压管路与第三高速开关阀7液压连接，另一端与双向定量泵/马达16的高压油口液压连接；所述双向定量泵/马达16的低压油口与油箱9液压连接；所述溢流阀8的高压端连接在高速旋转接头11与第三高速开关阀7之间液压管路上，低压端与油箱9液压连接；所述的第二高速开关阀18的一端与液压系统1液压连接，另一端连接在第一高速开关阀6与第三高速开关阀7之间液压管路上。

所述第一压力传感器4和流量传感器5依次安装在液压系统1与第二高速开关阀18之间的液压管路上，转速传感器13安装在离合器15和液压飞轮蓄能器12之间的高速轴上，第二压力传感器10安装在高速旋转接头11与溢流阀8相连的液压管路上；

所述的液压飞轮蓄能器系统控制器17包括九个端口，五个输入端口通过信号线自左至右分别与流量传感器5、第一压力传感器4、液压系统总控制器2(控制整个液压系统的工作，包括协调动力装置、储能装置及各工作装置等的状态)、转速传感器13以及第二压力传感器10连接，分别接收来自液压系统1的流量信号、液压系统1的压力信号、液压系统1的总控制信号、液压飞轮蓄能器12的转速信号以及液压飞轮蓄能器12的出口压力信号；液压飞轮蓄能器系统控制器17的四个输出端口通过信号线分别与第一高速开关阀6、第二高速开关阀18、第三高速开关阀7以及离合器信号放大电路14连接，以发出相应的控制信号，控制三个高速开关阀的工作与否以及离合器的通断。

所述的液压系统总控制器2根据液压系统1的需求，向液压飞轮蓄能器系统控制器17发出控制信号，控制液压飞轮蓄能器系统3的状态(充能、放能或能量维持)；所述的第一压力传感器4和流量传感器5分别测出进入液压飞轮蓄能器系统3的蓄能器出口压力P_s和流量q,并将其转化为电信号，经信号线传递给控制器17，由控制器17计算出输入液压飞轮蓄能器系统3的功率(P_w＝P_s*q)。

所述液压飞轮蓄能器12由壳体19和活塞20组成；活塞20左侧为气体腔，预充有氮气或其它惰性气体；活塞20右侧为液体腔，通过高速旋转接头11与液压油路连通。

本发明的工作过程和原理如下：

根据液压系统1的需求，本液压飞轮蓄能器系统3的状态分为三种：充能、放能以及能量维持。充能与放能都有三种模式：蓄能器充能或放能模式、飞轮充能或放能模式以及联合充能或放能模式；能量维持包括两种模式：稳态模式、自循环模式。由于本发明的目的是在保证液压飞轮蓄能器转速ω维持在最低转速ω_min和最高转速ω_max之间(ω_min≤ω≤ω_max),并使蓄能器出口压力P_s维持一个设定的范围之内(此处设为P₁≤P_s≤P₂，P₁为所设定的压力范围的下限，P₂为所设定的压力范围的上限)的条件下使系统的充能和放能速率最高。这里为了便于描述，引入稳态的概念。本专利中将液压飞轮蓄能器的转速ω在最小转速和最大转速之间的状态视为“转速稳态”，蓄能器出口压力P_s在所设定的压力下限与压力上限之间的状态视为“压力稳态”，当两者都在稳态之内时视为“稳态”。由于充能与放能是互逆的过程，原理类似，因此本发明仅以充能为例，分别说明充能时的三种模式以及能量维持时的两种模式的工作过程和原理，并将这五种模式分别记为模式1、模式2、模式3、模式4、模式5。

1)蓄能器充能模式(模式1)

该模式下，第一高速开关阀6工作，第二高速开关阀18不工作，第三高速开关阀7工作，离合器15断开，双向定量泵/马达16不工作。油液由液压系统经高速阀6和高速阀7进入液压飞轮蓄能器12的液体腔，推动活塞20压缩气体腔内的气体，系统仅处于蓄能器充能状态，如图2所示。由于该模式下液压飞轮蓄能器的转动惯量增加以及受到空气阻力、轴承阻力等，液压飞轮蓄能器的转速ω会不断地减小；该模式下蓄能器出口压力P_s满足

P_charge为液压飞轮蓄能器12的气体预充压力，l为液压飞轮蓄能器12的总长度，l_g为气体腔21的气体长度。由于该模式下l_g是不断减小，而P_charge与l为常量，因此该模式下，系统的转速ω不断减小，蓄能器出口压力P_s不断增大。

2)飞轮充能模式(模式2)

该模式下，第一高速开关阀6工作，第二高速开关阀18工作，第三高速开关阀7不工作，离合器15接通，双向定量泵/马达16作为马达工作。双向定量泵/马达16的输出转矩通过离合器15驱动液压飞轮蓄能器12旋转，系统转速ω不断增大，系统处于飞轮充能模式，如图3所示。另外该模式下的蓄能器出口压力P_s为

气体长度l_g不变，而ω不断增大，因此蓄能器出口压力不断减小。

3)联合充能模式(模式3)

该模式下，第一高速开关阀6、第二高速开关阀18以及第三高速开关阀7都工作，离合器15接通，双向定量泵/马达16作为马达工作。来自液压系统的油液经过高速阀6后分为两条支路，一条通过高速阀18进入双向定量泵/马达16，使马达的输出转矩经离合器15后驱动液压飞轮蓄能器12旋转，使液压飞轮蓄能器12的转速ω不断增大，另一条通过高速阀7进入液压飞轮蓄能器12的液体腔，推动活塞20压缩气体腔内的气体，使气体长度l_g发生变化，系统处于联合充能模式，如图4所示。该模式下的蓄能器出口压力P_s的公式与模式2相同，但ω不断增大，气体长度l_g总体减小，但由于两者初始值以及变化速率的不同会引起蓄能器出口压力P_s的复杂变化，可能增大也可能减小。

4)稳态模式(模式4)

该模式下，第一高速开关阀6、第二高速开关阀18以及第三高速开关阀7都不工作，离合器15断开，双向定量泵/马达16不工作。此时仅液压飞轮蓄能器12本身在阻力的作用下旋转，系统处于稳态模式(ω_min≤ω≤ω_max且P₁≤P_s≤P₂)，如图5所示。该模式下，液压飞轮蓄能器系统3不与液压系统1相连，仅在阻力的作用下维持自身的稳态，因此转速ω会不断减小，气体长度l_g不变，另外其压力公式与模式2相同，此模式下，蓄能器出口压力P_s不断增大。

5)自循环模式(模式5)

该模式下，第一高速开关阀6不工作，第二高速开关阀18以及第三高速开关阀7工作，离合器15接通，双向定量泵/马达16作为马达工作。液压飞轮蓄能器12液体端的油液经高速阀7和高速阀18进入双向定量泵/马达16，使马达的输出转矩经离合器15后驱动液压飞轮蓄能器12旋转，液压飞轮蓄能器系统自身的液压能转化为动能，以维持液压飞轮蓄能器12的最低转速，此时系统处于自循环模式，如图6所示。此模式下的系统状态变化与模式4的系统状态变化相反。

以上所述的五种模式是本发明的液压飞轮蓄能器系统的所有模式，其各自对系统状态的影响不同，为了更直观地说明不同模式对系统状态的影响，下表列出了单时间步长(具体数值视具体液压系统的需求而定)后执行各模式可能引起的系统状态的变化。

表1单时间步长后执行各模式引起的系统状态的变化

注：上升箭头“↑”表示执行该模式后值增大，下降箭头“↓”表示表示执行该模式后值减小，水平线“——”表示执行该模式后值不变

通过上述可知，本发明提供的液压飞轮蓄能器系统，结构看似简单，但工作过程十分复杂，因此，为了很好地控制该系统，使其在保证转速稳态和压力稳态的条件下，实现充能和放能功率的最大化，即储能速率最大。本发明为该系统设计了基于储能速率最大的控制方法。

本发明的控制方法如下：

本发明是根据液压飞轮蓄能器系统中液压能和动能两种能量的相互作用关系，通过控制离合器的通断及三个高速开关阀的工作与否，即工作模式的选择，来实现对整个系统工作状态的控制，使液压飞轮蓄能器系统在保证转速范围和压力范围的条件下，充能和放能的速率最优。

由于转速范围是系统正常工作的先决条件，而压力范围是为了使系统维持最佳工作状态，因此本发明采用转速优先、压力次之、速率最大的顺序控制原则进行控制(压力指蓄能器出口压力，此处以单时间步长后的充放能功率来度量各模式的充放能速率，充放能功率越大，充能速率越大)。依据上一时刻的系统状态值(转速和压力)，分别用可行的模式预测出系统下一时刻的系统状态值，比较单步长后各可行模式引起的系统状态的变化，进而选择功率较大的模式。当可行模式不能使转速或压力进入稳态时，用“与稳态的偏离程度”(当转速或压力低于其稳态下限时，“与稳态的偏离程度”为下一时刻的转速或压力与其下限值的差值的绝对值，即|ω－ω_min|或|P_s-P₁|；当转速或压力高于其稳态上限时同理)来比较各可行模式的预测结果，作为模式选择的依据。当下一时刻的转速和液压能同时进入稳态时，则比较可行模式的充放能功率，选择功率较大的模式。当下一时刻的转速和压力不能同时满足要求时，应优先考虑转速稳态的维持，比较各模式可能引起的转速变化，选择使转速进入稳态的模式；若各可行模式都不能使转速进入稳态，则选择使转速偏离稳态较小的，若偏离稳态程度相同，再比较压力，选择能使压力进入稳态的模式，若各可行模式也都不能使压力进入稳态，再比较压力与稳态的偏离程度，选择偏离程度较小的模式，若压力的偏离程度相同，再比较功率，选择功率较大的模式。

下面根据上述控制方法详述本发明的控制过程。

本发明的总体控制流程如图7所示。液压系统总控制器2对液压系统1此时刻的需求(充能、放能、能量维持)进行判断，在液压系统这三种需求的任意一种下，系统将分别进入其对应的模式选择模块：能量维持时的模式选择31，充能时的模式选择32，放能时的模式选择33。由于充能与放能是互逆过程，原理完全类似，这里仅以充能时的模式选择和能量维持时的模式选择为例，来说明系统的具体控制过程。

1.能量维持时的模式选择31

如图8所示，首先判断该时刻的系统状态，若转速处于稳态(ω_min≤ω≤ω_max)，则判断压力是否过大，压力过大(P_s>P₂)，需要降压，选择模式5，压力不过大(P_s≤P₂)，选择模式4；若转速过大(ω≥ω_max)，需要降速，选择模式4；若转速过小(ω<ω_min),再比较压力，若压力不过小(P_s≥P₁)，需要使转速增大，选择模式5，若压力过小(P_s<P₁)，则此时系统能量全部耗散完，在没有新的能量充入之前，系统将不能继续维持稳态。

2.充能时的模式选择32

如图9所示，先判断该时刻的系统状态，按照转速优先的控制策略，先判断是否满足转速稳态(ω_min≤ω≤ω_max)。若转速不满足，进一步判断转速是否过大(ω>ω_max)；转速不过大时，应选择对应状态下使转速增大的模式，即执行44。转速过大时，此时液压飞轮蓄能器系统2已充满，进入下一循环。若满足转速稳态再判断是否满足压力稳态(P₁≤P_s≤P₂)，若满足，此时选择充能功率最大的模式，即执行43；若不满足，再判断压力是否过大(P_s>P₂)，是则选择对应状态下使压力减小的模式，执行42，若压力不过大(P_s<P₁)，则选择对应状态下使压力增大的模式，执行41。下面对充能时的四个控制子模块41、42、43、44分别详述其控制过程。

1)选择对应状态下使压力增大的模式41

如图10所示，此状态下该时刻满足转速稳态但压力过小(ω_min≤ω≤ω_max且P_s<P₁)，此时应选择使压力增大的模式，可选择模式1或模式3。由于执行模式3可能使压力增大，也可能使压力减小。首先用模式3预测下一时刻的压力情况，若压力减小，则模式3不可行，直接选择模式1；若模式3使压力增大，则进一步比较模式1和模式3，选择最优模式。表2是用模式1和模式3分别预测下一时刻可能的系统状态变化及相应的模式选择表，由两种模式的预测结果对比决定最终的模式选择，例如当模式3仅使转速进入稳态而模式1使转速和压力都进入稳态时，由转速优先、压力次之的控制原则，此时应选择模式1。表2对应的详细控制过程见图10。

表2模式1和模式3的预测结果对比及相应的模式选择

2)选择对应状态下使压力减小的模式42

如图11所示，此状态下该时刻满足转速稳态但压力过大(ω_min≤ω≤ω_max且P_s>P₂)，此时应选择使压力减小的模式，可选择模式2或模式3。由于执行模式3可能使压力增大，也可能使压力减小。首先用模式3预测下一时刻的压力情况，若压力增大，则模式3不可行，直接选择模式2；若模式3使压力减小，则进一步比较模式2和模式3，选择最优模式。表3是用模式2和模式3分别预测下一时刻可能的系统状态变化及相应的模式选择表，由两种模式的预测结果对比决定最终的模式选择，例如当模式3仅使转速进入稳态而模式2使转速和压力都进入稳态时，由转速优先、压力次之原则，此时应选择模式2。表3对应的详细选择过程见图12。

表3模式2和模式3的预测结果对比及相应的模式选择

3)选择对应状态下使功率最大的模式43

如图12所示，此状态下该时刻的转速和压力都满足要求(ω_min≤ω≤ω_max且P₁≤P_s≤P₂)，三种充能模式都是可行的，此时应比较三种模式的充能功率，选择功率最大的模式。

4)选择对应状态下使转速增大的模式44

如图13所示，此状态下该时刻转速过小(ω≤ω_min)，要增大转速，可选择模式2或模式3，直接比较模式2和模式3，选择能使转速增大的模式,比较方法同表3，具体过程如图13。

Claims (4)

1.一种基于储能速率最大的液压飞轮蓄能器系统，其特征在于：包括液压飞轮蓄能器(12)、双向定量泵/马达(16)、离合器(15)、高速旋转接头(11)、三个高速开关阀、溢流阀(8)、油箱(9)、控制器以及传感器；所述的传感器包括两个压力传感器、流量传感器(5)以及转速传感器(13)，分别用来测液压系统(1)和液压飞轮蓄能器出口的压力信号、液压系统流量信号及液压飞轮蓄能器转速信号；所述双向定量泵/马达(16)的轴端、离合器(15)及液压飞轮蓄能器(12)依次机械连接；所述双向定量泵/马达(16)的高压油口与三个高速开关阀及高速旋转接头(11)依次液压连接，构成液压飞轮蓄能器系统(3)的液压回路；所述的液压飞轮蓄能器系统控制器(17)接收来自液压系统及各个传感器的信号并发出控制信号，控制离合器(15)的通断以及三个高速开关阀的工作与否。

2.根据权利要求1所述的一种基于储能速率最大的液压飞轮蓄能器系统，其特征在于：包括五种工作模式，分别是：液压飞轮蓄能器充能或放能模式、飞轮充能或放能模式、联合充能或放能模式、稳态模式、自循环模式。

3.一种实现如权利要求1或2所述的基于储能速率最大的液压飞轮蓄能器系统的控制方法，其特征在于：该方法基于“转速优先、压力次之、速率最大”的顺序控制原则，在保证设定的转速范围的条件下，通过控制高速开关阀的工作与否、离合器的通断实现各工作模式的切换，将压力维持在一个范围内，同时实现系统储能速率最大。

4.一种如权利要求2所述的基于储能速率最大的液压飞轮蓄能器系统的五种工作模式的设置方法，其特征在于：分别是第一、三高速开关阀工作、第二高速开关阀不工作且离合器断开时为液压飞轮蓄能器充能或放能模式，第一、第二高速开关阀工作、第三高速开关阀不工作且离合器接通时为飞轮充能或放能模式，第一、第二、第三高速开关阀都工作且离合器接通时为联合充能或放能模式，第一、第二、第三高速开关阀都不工作且离合器断开时为稳态模式，第一高速开关阀不工作、第二、第三高速开关阀都工作且离合器接通时为自循环模式。