CN105705393B - 用于混合动力操作机械的传感控制的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合动力操作机械，所述混合动力操作机械的电动马达通过由发动机驱动的发电机和用于储存再生能量的储能系统中的至少一个驱动，并且所述混合动力操作机械包括：马达驱动器，用于驱动电动马达；加速传感器，用于感测加速踏板命令；以及控制单元，用于在低速行驶操作期间将加速踏板命令映射到速度命令，并通过马达驱动器控制行驶单元，其中，控制单元根据所映射的速度命令控制电动马达的加速和减速，并根据电动马达的减速产生再生能量。

Description

用于混合动力操作机械的传感控制的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制混合动力工程机械的方法以及由该方法控制的混合动力工程机械。更具体地讲，本发明涉及一种用于精确控制混合动力工程机械的作业以及行驶的加速和减速的灵敏度控制方法，并涉及一种使用该方法有效地产生再生能量的混合动力工程机械。
背景技术
第10-2008-0054531号韩国专利公开公开了一种用于轮式装载机的行驶装置。所述行驶装置包括：加速踏板，设置有第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器被设置在加速踏板的下部并产生用于使轮式装载机向前或向后移动的信号；装载机控制器，接收由加速踏板的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器产生的信号，并考虑到装载机的状态和当前速度产生适于每种情况的信号；发动机燃料喷射控制器，接收来自装载机控制器的信号并控制燃料喷射量以控制速度；以及向前和向后行驶控制器，接收来自装载机控制器的信号并响应于所接收的信号的值选择装载机的向前行驶或向后行驶。此外，在行驶方向突然改变时，装载机控制器可以根据装载机的速度和时间来控制装载机的车辆速度。
第10-2008-0054531号韩国专利公开公开了仅使用加速踏板来选择装载机的向前或向后行驶以执行行驶操作，但未公开在加速踏板和实际行驶操作之间存在精确控制。
传统的工程机械，例如，轮式装载机包括多种作业模式。所有作业模式都包括行驶操作。具体地讲，在装载机的行驶操作期间，加速踏板踩踏量确定装载机的速度。例如，自动倾卸卡车的装载作业和搬运作业需要在其低速行驶期间进行精细的加速操作。然而，存在的缺点在于在其低速行驶期间执行的精细的操作仅取决于有经验的操作者的感觉。因此，在反复执行精细的行驶操作的情况下，操作者需要高度注意，因此，他或她容易感到疲劳，从而引发安全事故。此外，传统的工程装载机必然牵涉的缺点在于在其减速时使用的传统的机械制动器将装载机的动能作为制动盘的热而消耗掉，从而导致能量消耗效率的恶化。
采用发动机的传统的工程机械遇到上述问题，但是近来，混合动力系统开始被应用到机械领域，并且提高燃料效率的开发正在进行中。混合动力系统被配置为通过发电机控制在混合动力系统的驱动中使用的电动马达，使得所述机械的动能转化为电能，所述电能进而被储存在储能系统(Energy Storage System,ESS)中。储存在储能系统(ESS)中的电能被重新用于后续作业或行驶操作。因此，混合动力系统可提高燃料效率。然而，由于电动马达的驱动特性不同于发动机的驱动特性，因此可以降低在精细作业期间的复杂性。此外，传统的混合动力系统的问题在于：由于传统的混合动力系统在制动操作中使用预先设置和固定的制动力来产生再生能量，因此通过工程机械的减速产生的再生能量的量存在限制。
发明内容
技术问题
因此，做出本发明以解决在现有技术中出现的上述问题，并且本发明的目的是提供对用于混合动力工程机械的灵敏度控制系统的改进，其中，不同于传统的液压工程机械，将电动马达应用于混合动力工程机械的驱动系统，从而可以使用电动马达来控制每个轴。根据本发明，可以通过加速踏板命令到电动马达的速度命令的映射来使在电动马达的加速/减速期间的灵敏度增加，使得操作者感觉到细微的踩踏板感觉，从而提高操作者在精细作业期间的稳定性和便利性。此外，在电动马达的加速/减速期间调节速度梯度，从而可以增加灵敏度，同时可以调节减速器的制动力，从而使再生能量的量最大化。这可以进一步增强混合动力效果，从而使能量效率最大化。
技术方案
本发明致力于一种用于混合动力工程机械的灵敏度控制系统。在使用电动马达和马达驱动器来构成行驶系统的混合动力工程机械的情况下，加速踏板命令与速度命令相同。换句话说，可以根据踏板踩踏量(在下文中，称为“加速命令”)来确定机械速度的大小，该踏板踩踏量作为机械的加速和减速的灵敏度的重要因素。因此，本发明提出一种混合动力工程机械，其中，电动马达由发电机和储能系统中的至少一个驱动，所述发电机由发动机驱动，所述储能系统储存再生能量，并且所述混合动力工程机械包括：马达驱动器，被配置为驱动电动马达；加速传感器，被配置为感测加速踏板命令；以及控制器，被配置为在工程机械的低速行驶操作期间将加速踏板命令映射到速度命令，并通过马达驱动器控制行驶单元，其中，控制器基于所映射的速度命令控制电动马达的加速/减速，并响应于电动马达的减速产生再生能量。
有益效果
如上文所构造的本发明可以给消费者提供这样一种混合动力工程机械，该混合动力工程机械通过控制在混合动力工程机械的驱动系统中使用的电动马达的加速/减速来提高低速操作期间的精细作业的便利性和安全性，同时使在混合动力系统中的电动马达减速时产生的再生能量最大化从而提高能量效率。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的混合动力工程机械系统的构思的框图；
图2是示出根据本发明的实施例的混合动力工程机械的示意性构造的框图；
图3是示出根据本发明的实施例的将由加速传感器感测的加速踏板的操作量映射到加速踏板命令的曲线图；
图4是示出根据本发明的实施例的将加速踏板命令映射到速度命令的曲线图；
图5是示出根据本发明的实施例的实施命令的框图。
最佳实施方式
在本发明的说明书和权利要求书中所使用的术语或词语不应该被理解为具有通常含义或字典含义，而应该被理解为基于发明人为了以最佳的方式描述他或她的发明而能够合适地限定术语的概念的原则与本发明的技术精神相符的含义和概念。
在下文中，将参考附图对本发明的优选实施例进行详细描述。
图2是示出根据本发明的实施例的混合动力工程机械的示意性构造的框图。
本发明的工程机械使用混合动力系统作为动力源。所述混合动力系统的驱动机构如下：发动机10被驱动以使发电机20产生电能。所产生的电能驱动电动马达以执行工程机械的作业或行驶操作。在这种情况下，在工程机械的作业或行驶操作期间，当电动马达减速时，通过电动马达的再生制动产生再生能量。所产生的再生能量被储存在储能系统(ESS)中，并被用于工程机械的后续作业或行驶操作。根据子系统的状况，混合动力系统的能量流可以改变。例如，由发电机产生的电能可被直接传输到电动马达，或者可被储存在储能系统中并在必要时被传输到电动马达。
具体实施方式
再生能量是指车辆在其行驶期间当电动马达减速时使用再生制动器从车辆具有的动能转化的以其它类型的能量形式临时积累并在机械的振动或加速时被重新使用的能量。
作为再生能量积累的能量形式的示例包括飞轮的动能或蓄能器的累积能量。通常，使用用于车辆或工程机械的行驶的驱动马达。在工程机械的行驶操作或作业期间，当电动马达减速时，发电机操作用于行驶的驱动马达，使得在操作驱动马达时产生的电力储存在储能系统中。
将参考在车辆中使用的混合动力系统的示例描述再生能量。车辆的电动马达还被用作发电机，并产生功率输出以协助发动机。在制动操作期间，使电动马达旋转以协同驱动轴产生电力。在这种情况下，车辆的制动操作通过马达的旋转阻力来实现。然而，由于现有的混合动力技术在通过马达的旋转而使在突然踩制动踏板时产生的瞬时动能大量减少方面具有限制，因此在突然踩制动踏板时通过车辆的盘式制动器的干预而提供更强的制动力。此时，发生相当大的能量损耗。结果，能量损耗的程度根据制动操作的平顺性的程度而变化。由于这个原理，几乎所有现有的混合动力车辆可仅通过缓慢的制动操作来使用车辆的动能给电池再充电。如果车辆操作者使用液压制动器(即，盘式制动器)执行突然的制动操作，则大部分的制动能量将通过盘式制动器作为热损失掉，并且储存在电动马达中的再生能量将极其有限。
如上所述，在车辆减速时产生再生能量，因此用于车辆减速的制动踏板主要用作再生制动器。在车辆的制动踏板用作再生制动器的情况下，车辆制动需要最大1G左右的减速率。因此，由于再生制动器具有马达、逆变器或二次电池的容量上的限制，因此还与再生制动器一起辅助使用液压制动器，以产生强大的制动力。即使在制动操作和下坡行驶操作期间也可以执行对储能系统中电能的充填。充填的能量在上坡行驶操作期间作为电力被重新使用以驱动电动马达，从而可以节省能量。因此，通过再生制动产生再生能量可以提高车辆的总体燃料效率并延长制动组件的使用寿命。
本发明提出一种混合动力工程机械，其中，操作者使用加速踏板来执行车辆的再生制动操作以产生再生能量，所述再生能量将被用于后续作业。在车辆行驶期间，加速踏板用于控制行驶扭矩，但必须注意的事实是，类似于再生制动器，操作者可以将加速踏板操作为处于松散地或完全踩下加速踏板的状态。这与在内燃发动机车辆的发动机制动中产生减速力的原理相同。现有的内燃发动机车辆将发动机制动作为再生制动器的使用不单独需要传感器或致动器来调节液压制动器以便操作再生制动器。因此，可以保持简单的结构，但不能将大的制动力(即，再生制动)施加在电动马达上，因此不可能增加在制动操作期间产生的能量的回收率。
可以预期，车辆的加速根据操作者踩加速踏板的程度而变化，并且基于加速梯度控制车辆的加速。如果与上述预期相反地预期，则可以根据操作者松开加速踏板的程度来控制车辆的减速。这意味着制动力根据减速梯度(即，加速踏板操作量)而变化。
根据本发明的工程机械或车辆提出这样一种装置和方法：在低速行驶操作或低速作业操作期间，可以调节加速踏板的灵敏度以提高车辆操作的精度，并且可与再生制动器类似地使用加速踏板以增加产生的再生能量的量。
图1是示出根据本发明的实施例的混合动力工程机械系统的构思的框图。
如图1所示，混合动力工程机械系统包括发动机10、发电机20、马达驱动器30a和30b、电动马达40a和40b、储能系统50、行驶单元80、泵90、液压回路91和提升油缸92。单个工程机械包括多个液压回路91、多个泵90、多个电动马达40a和多个马达驱动器30a以操作多个提升油缸92，并包括多个电动马达40b和多个马达驱动器30b以驱动多个行驶单元80。
行驶单元80用来执行工程机械的移动、停止和方向改变。行驶单元的示例可包括车辆的车轮或履带等。行驶单元80可由电动马达驱动，电动马达40b由马达驱动器30b控制。马达驱动器(或马达驱动装置)是这样一种组成部件，其包括用于控制用于驱动电动马达的功率转换功能以及马达的转速和扭矩的控制器，并用来精确地控制马达的转速等。马达驱动器是这样一种模块，其接收与马达的动作相关联的各种类型的传感器值用以控制马达，并且还用来控制马达的诸如正向旋转、反向旋转、加速、减速和停止的驱动操作。
通过提升油缸92的运动来执行作业，并且通过操作液压回路91来驱动提升油缸92。通过致动泵90而供应的液压流体来操作液压回路91，并且通过马达驱动器30a来驱动电动马达40a。
图3是示出根据本发明的实施例的将由加速传感器感测的加速踏板的操作量映射到加速踏板命令的曲线图。
加速传感器70用来感测通过操作者传递到加速踏板的加速踏板命令。如图3所示，事实上，不使用输入到加速传感器的值而是将所述值转化(映射)成加速踏板命令的原因是加速传感器的值的最小值和最大值包含取决于传感器的误差。此外，根据传感器的种类，加速传感器的所有线性区段会有所不同。为此，如果不补偿这样的不同，则需要根据每个传感器校正所有程序，导致所述机械的多功能性降低。为了解决这个问题，如图3所示，设置最小加速值和最大加速值(这确保传感器的线性度)，并基于所设置的最小加速值和最大加速值将加速踏板命令设置为0到100％。这仅是说明性示例，并且可以通过诸如工程机械的仪表板或笔记本电脑的外部装置将最小加速值和最大加速值设置为适合行驶状况和作业环境。
图3示出了加速传感器如何检测加速踏板命令的示例。如果由加速传感器70检测的操作者的命令低于最小加速值的点，则将加速踏板命令设置为“0”，如果由加速传感器70检测的操作者的命令高于最小加速值的点并低于最大加速值的点，则将加速踏板命令设置为具有恒定的梯度。相反，如果由加速传感器70检测的操作者的命令高于最大加速值的点，则将加速踏板命令设置为具有恒定的值。这是感测加速踏板命令的示例，并且可以根据行驶状况和作业环境以各种方式设置输入到加速传感器的最小加速值和最大加速值。此外，尽管在图3中已经描述了加速踏板命令的梯度被线性地设置，但是该梯度可以被非线性地设置。
图4是示出根据本发明的实施例的将加速踏板命令映射到速度命令的曲线图。
控制器60是在工程机械的低速行驶操作期间将加速踏板命令映射到速度命令并通过马达驱动器30来控制行驶单元80的组成部件。控制器60可被实现为微型计算机、ECU、电子控制器、集成电路(IC)等。控制器60从加速传感器70接收加速踏板命令并将接收到的加速踏板命令映射到速度命令。
速度命令的大小被确定为与加速踏板命令的大小成比例。将加速踏板命令映射到速度命令的方法作为用于确定踩踏板感觉的重要因素，并影响行驶质量和操作者的作业精度。
当加速踏板命令瞬间增加时，速度命令不需要相应地瞬间增加，而是以恒定的梯度增加或减小。这作为用于车辆的加速和减速的灵敏度的重要因素。
第一，可以线性地执行加速踏板命令和速度命令之间的映射。这意味着加速踏板命令和速度命令以1:1的比例映射到彼此，并且速度命令的增加与加速踏板命令的增加成比例。
第二，可以非线性地执行加速踏板命令和速度命令之间的映射。例如，如图4所示，加速踏板命令和速度命令可以以二段式曲线的形式映射到彼此。如上所述，由于在低速作业期间操作者需要细微的踩踏板感觉，因此使速度命令的增加量略小于加速踏板命令的增加量，以在低速精细的作业期间增加便利性。为此，可以非线性地执行加速踏板命令和速度命令之间的映射，同时在最大加速值和最小加速值之间形成至少一个拐点。在图4中，在映射上形成一个拐点(即，坐标：(TH_X,TH_Y))，使得加速踏板命令和速度命令之间的映射以二段式结构的形式配置。在拐点(TH_X,TH_Y)下方，加速踏板命令被映射到速度命令。该映射可以在低速行驶操作和低速作业期间提高工程机械的精度。此外，可以更有效地执行电动马达的再生制动操作，并由此可以产生再生能量。
此外，本发明的混合动力工程机械在基于所映射的速度命令控制电动马达的加速/减速期间，可以使用预设的速度梯度调节在电动马达减速期间产生的再生能量。换言之，使用根据本发明的电制动操作可以根据制动模式改变速度命令的减小梯度，使得各个模式的制动力可以被不同地设置。因此，这意味着在将制动力代入加速度定律时，可以控制产生的再生能量的量。产生的再生能量被储存在储能系统中，并且储存的再生能量可以被用于后续作业或行驶操作。
在图4中，爬行速度是指在识别出加速踏板命令的时间点(TH_0)处电动马达的最低转速。借此，可以控制电动马达的最低转速。相应地，当最大地输入加速踏板命令时，还可以将速度命令设置为最大速度。在这种情况下，根据行驶状况和作业环境，可以以各种方式设置识别出加速踏板命令的时间点(TH_0)、爬行速度和最大速度。
图5是示出根据本发明实施例的实施命令的框图。
图5示出了如何通过加速踏板命令改变工程机械的速度的示例。可以通过命令的实施来控制工程机械的加速和减速。在用户操纵工程机械的加速踏板时，加速命令通过加速传感器被输入，并且通过控制器被映射到速度命令。此时，控制器比较(或确定)所映射的速度命令和当前速度之间的符号(S10)。
如果在步骤S10确定所映射的速度命令的符号与当前速度的符号不同，则程序进行到步骤S50，在步骤S50，控制器执行减速，使得工程机械的速度减慢。另一方面，如果在步骤S10确定所映射的速度命令的符号与当前速度的符号相同，则程序进行到步骤S20，在步骤S20，控制器确定是使工程机械的速度加快还是使工程机械的速度减慢。
如果在步骤S20处确定速度命令小于“0”，则程序进行到步骤S30，在步骤S30，控制器计算加速命令。在这种情况下，按照如下方式计算加速命令：
“加速命令＝│速度命令│+当前速度”。
相反，如果在步骤S20处确定速度命令大于或等于“0”，则程序进行到步骤S31，在步骤S31，控制器按照如下方式计算加速命令：
“加速命令＝速度命令-当前速度”。
随后，如果在步骤S40处确定加速命令等于“0”，则程序进行到步骤S51，在步骤S51，控制器控制工程机械的速度以使其被保持。相反，如果在步骤S40处确定加速命令不等于“0”，则程序进行到步骤S52，在步骤S52中，控制器执行加速，使得工程机械的速度加快。
通过上述流程图，根据本发明的工程机械使行驶操作或作业能够加速或减速。如果速度命令使工程机械的速度增加，则使所述速度以预设梯度增加。相反，如果速度命令使工程机械的速度降低，则使所述速度以预设梯度降低。因此，加速踏板的操作与再生制动器的操作类似。为此，如果在工程机械的行驶操作或作业期间操作者松开加速踏板，则使工程机械的速度以预设梯度降低。换言之，发生制动器被锁止的现象，并且从电动马达产生再生能量。凭借这个机构，本发明便于在低速行驶操作或低速作业期间对工程机械进行速度控制，并且使电动马达的再生制动能够更有效地执行，并因此可更有效地产生再生能量。
可以通过下面的对应于所述装置的方法来驱动这样的混合动力工程机械。在用于控制混合动力工程机械的方法中，电动马达通过发动机驱动的发电机和储存再生能量的储能系统中的至少一个来操作，并且所述方法包括下列步骤：允许加速传感器感测加速踏板命令；在工程机械的低速行驶操作期间，允许控制器将加速踏板命令映射到速度命令；允许控制器基于所映射的速度命令控制电动马达的加速/减速；并且允许控制器响应于电动马达的减速产生再生能量。
产业上的可利用性
如上文构造的本发明可以提供这样一种混合动力工程机械，该混合动力工程机械通过控制在混合动力工程机械的驱动系统中使用的电动马达的加速/减速来提高低速操作期间的精细作业的便利性和安全性，同时使在混合动力系统中的电动马达减速时产生的再生能量最大化从而提高能量效率。

Claims (7)

1.一种混合动力工程机械，其中，电动马达由发电机和储能系统中的至少一个操作，所述发电机由发动机驱动，所述储能系统储存再生能量，所述混合动力工程机械包括：
马达驱动器，被配置为驱动所述电动马达；
加速传感器，被配置为感测加速踏板命令；以及
控制器，被配置为：在所述机械的低速行驶操作期间，将加速踏板命令映射到速度命令，并通过所述马达驱动器控制行驶单元，
其中，所述控制器基于所映射的速度命令控制所述电动马达的加速/减速，并响应于所述电动马达的减速产生再生能量；
其中，如果在工程机械的低速行驶操作期间需要对所述电动马达执行精确的加速/减速控制，则所述控制器设置由所述加速传感器感测的最小加速值和最大加速值，在所述最小加速值和所述最大加速值之间执行加速踏板命令到速度命令的线性映射，并基于所映射的速度命令控制所述电动马达的加速/减速。
2.根据权利要求1所述的混合动力工程机械，其中，如果在工程机械的低速行驶操作期间需要对所述电动马达执行精确的加速/减速控制，则所述控制器设置由所述加速传感器感测的最小加速值和最大加速值，如果加速踏板命令低于阈值，则所述控制器将速度命令映射到“0”，如果加速踏板命令等于阈值，则所述控制器将速度命令映射到预定的爬行速度，如果加速踏板命令超过阈值，则所述控制器将速度命令映射到加速踏板命令的最大值，并且所述控制器基于所映射的速度命令控制电动马达的加速/减速。
3.根据权利要求2所述的混合动力工程机械，其中，如果加速踏板命令超过阈值并且速度命令被映射到加速踏板命令的最大值，则所述控制器将速度命令映射到加速踏板命令同时形成至少一个拐点，并基于所映射的速度命令控制所述电动马达的加速/减速。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的混合动力工程机械，其中，当控制器基于所映射的速度命令控制所述电动马达的加速/减速时，所述控制器使用预设的速度梯度调节在减速期间产生的再生能量。
5.一种用于控制混合动力工程机械的方法，在所述混合动力工程机械中，电动马达由发电机和储能系统中的至少一个操作，所述发电机由发动机驱动，所述储能系统储存再生能量，所述方法包括下述步骤：
允许加速传感器感测加速踏板命令；
在工程机械的低速行驶操作期间，允许控制器将加速踏板命令映射到速度命令；
允许所述控制器基于所映射的速度命令控制所述电动马达的加速/减速；
允许所述控制器响应于所述电动马达的减速产生再生能量；
允许所述控制器设置由所述加速传感器感测的最小加速值和最大加速值；以及
允许所述控制器在所述最小加速值和所述最大加速值之间将加速踏板命令线性地映射到速度命令，并基于所映射的速度命令控制所述电动马达的加速/减速。
6.根据权利要求5所述的用于控制混合动力工程机械的方法，进一步包括下述步骤：
允许所述控制器设置由加速传感器感测的最小加速值和最大加速值，如果加速踏板命令低于阈值则将速度命令映射到“0”，如果加速踏板命令等于阈值则将速度命令映射到预定的爬行速度，如果加速踏板命令超过阈值则将速度命令映射到加速踏板命令的最大值，并基于所映射的速度命令控制所述电动马达的加速/减速。
7.根据权利要求6所述的用于控制混合动力工程机械的方法，进一步包括下述步骤：
如果加速踏板命令超过阈值并且速度命令被映射到加速踏板命令的最大值，则允许控制器将速度命令映射到加速踏板命令同时形成至少一个拐点，并基于所映射的速度命令控制所述电动马达的加速/减速。
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