CN105839689B - 多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统及控制方法。该系统包括动力电池、超级电容、能量管理单元、动力电机、电机控制器、先导操作手柄、液压蓄能器、油箱、液压泵/马达、多个电磁换向阀、多个压力传感器、溢流阀、开中心六通比例方向阀和动臂油缸等。本发明采用动力电池、超级电容和液压蓄能器作为复合能源，利用动力电池保证能量密度，利用超级电容提供或吸收电驱动系统的瞬时大功率，利用液压蓄能器提供或吸收液压驱动系统的瞬时大功率；动力系统采用动力电机、液压泵和液压泵/马达协同混合驱动，充分利用动力电机、液压泵/马达的无级调速特性，实现多种动力复合模式，满足液压挖掘机各种复杂工况对动力的需求。

Description

多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统及控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械节能减排领域技术，尤其是指一种多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统及控制方法。

背景技术

节能减排对工程机械具有重要意义，其中液压挖掘机是一种功率大、工况复杂的工程机械，其能量的总利用率较低。因此，液压挖掘机实现节能减排一直是业界努力追求的目标。其中混合动力驱动技术和纯电驱动技术是当前的研究热点。

混合动力驱动技术在工程机械的节能减排方面取得了一定的效果，但其也存在成本较高、控制复杂、难以实现零排放的特点，具体有以下不足：1)与车辆不同，工程机械大都为单泵多执行器的系统，发动机功率并不能轻易的降低；2)由于液压回路较长，负载的波动并不能真正实时的传递到液压泵，同时由于蓄电池充放电速度、液压泵/马达或电动/发电机等混合动力单元难以精确控制转矩转速、超级电容成本较高等因素，因此动力系统的混合动力单元难以实时动态补偿负载的波动。3)油电混合动力系统中的能量转换环节较多，而且对于负载波动剧烈的工程机械来说，油电混合动力系统的电量储存单元更适合采用超级电容，但目前超级电容的价格昂贵；4)液压混合动力系统采用液压泵/马达-液压蓄能器作为平衡单元，虽然液压蓄能器功率密度大，全充全放能力强，但是液压蓄能器的能量密度小，在吸收发动机富余功率和长时间提供能量方面不如混合动力汽车；目前液压泵/马达的噪声问题也会对其应用领域产生制约；5)目前液压系统大都没有结合混合动力的特点单独设计。

与单独发动机驱动和混合动力驱动相比，纯电驱动是一种真正意义上的零排放、低噪声系统，但目前的纯电驱动技术仅用于工况比较平缓的小型工程机械和车辆领域，仅采用电动机模拟传统发动机的功能，并没有充分发挥出电动机相对发动机具有良好的转速控制特性的优点，同时对整机的电液平衡控制也没有专门设计，难以应用于工况复杂的液压挖掘机中。

为了保证电量储存单元充满电后能够保证液压挖掘机的作业时间，纯电驱动的液压挖掘机对电量储存单元的能量密度的要求比较高，所以纯电驱动的液压挖掘机的电量储存单元一般采用动力电池。但由于动力电池的比功率较小，难以短时间储存大量的能量，而各种负值负载回收时间较短，大约只有1-3秒，采用单一能源动力电池难以直接对负值负载进行回收再利用。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统及控制方法，其能有效解决现有之混合动力驱动工程机械存在成本较高、控制复杂、难以实现零排放的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统，包括有动力电池、超级电容、能量管理单元、第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器、第一动力电机、第二动力电机、先导泵、定量泵、第一离合器、定量泵/马达、第二离合器、第三动力电机、单向阀、先导操作手柄、液压蓄能器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第七压力传感器、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、第一溢流阀、第二溢流阀、第三溢流阀、开中心六通比例方向阀和动臂油缸；

其中：该动力锂电池和超级电容作为输入能源连接到能量管理单元；第一电机控制器、第二电机控制器和第三电机控制器连接到能量管理单元作为负载输出端，第一电机控制器、第二电机控制器和第三电机控制器分别控制第一动力电机、第二动力电机和第三动力电机，第一动力电机、第二动力电机、先导泵和定量泵同轴转动连接；定量泵通过第一离合器同轴转动连接定量泵/马达，定量泵/马达和第三动力电机通过第二离合器同轴转动连接，定量泵的进油口连接油箱，定量泵的出油口连接第一压力传感器和单向阀的进油口A，单向阀的出油口B连接第一溢流阀的进油口、第一电磁换向阀的A口、开中心六通比例方向阀的P口和P1口，第一溢流阀的出油口连接油箱；开中心六通比例方向阀的T口连接油箱，开中心六通比例方向阀的A口连接第六压力传感器和动臂油缸的无杆腔，开中心六通比例方向阀的B口连接第七压力传感器和动臂油缸的有杆腔，开中心六通比例方向阀的D口连接第四电磁换向阀的A口和第三溢流阀的进油口；第四电磁换向阀的B口和第三溢流阀的出油口共同连接到油箱；定量泵/马达的进油口连接油箱，定量泵/马达的出油口连接第二压力传感器和第二电磁换向阀的A口；第二电磁换向阀的B口连接第一电磁换向阀的B口、第三电磁换向阀的A口、第二溢流阀的进油口和液压蓄能器，第二溢流阀的出油口连接油箱；先导泵的进油口连接油箱，其出油口连接先导操作手柄；先导操作手柄的出油口K1和K2分别连接开中心六通比例方向阀的两端控制油口并分别连接第四压力传感器和第五压力传感器；第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器和第七压力传感器均电信号输入连接总成控制器；总成控制器信号输出连接第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器、第一离合器、第二离合器、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀和能量管理单元。

作为一种优选方案，所述第一动力电机、第二动力电机和第三动力电机均包括电动模式和发电模式。

作为一种优选方案，所述定量泵/马达包括泵模式或马达模式。

作为一种优选方案，所述动力电池包括磷酸铁锂高功率动力锂电池。

作为一种优选方案，进一步包括有其他执行器液压回路，第三电磁换向阀的B口连接其他执行器液压回路。

一种多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统的控制方法，

该第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第七压力传感器和能量管理单元分别实时获得定量泵出口压力、定量泵/马达出口压力、液压蓄能器的压力、先导操作手柄K1口的输出压力、先导操作手柄K2口的输出压力、动臂油缸无杆腔的最大压力、动臂油缸有杆腔的最大压力和动力电池SOC值，设定先导压力阈值为较小正值、定量泵安全压力下限阈值、定量泵安全压力上限阈值、液压蓄能器工作压力下限阈值、动力电池SOC上限值、动力电池SOC下限值和怠速时间，其中：怠速工况的压力加载由第三溢流阀和第四电磁换向阀组成的压力加载单元来完成；

该多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统处于不同工况下的驱动控制方法包括：

液压挖掘机处于起动工况，包括：

步骤11，液压挖掘机在起动过程中，总成控制器根据实时检测的定量泵出口压力判定系统处于起动过程；此时，开中心六通比例方向阀处于中位，定量泵的全部液压油通过该开中心六通比例方向阀的油路P1-D、第四电磁换向阀回油箱；

步骤12，若该总成控制器判断该液压蓄能器的压力大于设定值，则由总成控制器发出指令控制对应的电磁换向阀得电和失电，并使第一离合器接合，液压蓄能器的高压液压油释放到定量泵/马达的出油口，定量泵/马达工作在马达模式，采用定量泵/马达驱动定量泵旋转起动，实现液压挖掘机负值能量的再利用，并且第一电机控制器和第二电机控制器还根据总成控制器指令控制第一动力电机和第二动力电机处于同一空转状态，该过程持续到液压蓄能器压力下降到其工作压力下限以下才结束；

步骤13，若该总成控制器检测到该液压蓄能器的压力小于设定值，则总成控制器发出指令控制对应的电磁换向阀得电和失电，并使第一离合器断开，第一电机控制器和第二电机控制器还根据总成控制器指令分别控制第一动力电机作为主电机输出合适的功率、第二动力电机作为辅助电机保持与第一动力电机相同的转速处于空转状态，完成液压挖掘机的起动过程；

液压挖掘机处于怠速工况，包括：

步骤21，若总成控制器检测到先导操作手柄的输出压力满足，其中，则判定系统处于怠速工况，总成控制器发出指令降低同时第一动力电机和第二动力电机转速；

步骤22，若该总成控制器检测到该液压蓄能器的压力小于设定值，则总成控制器控制对应的电磁换向阀得电和失电，开中心六通比例方向阀的D口连接的压力加载单元起作用，定量泵对该液压蓄能器进行充油，使液压蓄能器的压力与负载最大压力相适应，取消自动怠速时用以辅助定量泵快速建立起克服负载所需压力，当液压蓄能器的压力达到时，相应电磁换向阀失电，停止充油；

步骤23，若该总成控制器判断该液压蓄能器的压力大于设定值，则由总成控制器控制对应的电磁换向阀得电和失电，并使第二离合器闭合，开中心六通比例方向阀的D口连接的压力加载单元起作用，定量泵输出的液压油经第一电磁换向阀和第二电磁换向阀传到定量泵/马达的出油口，定量泵/马达工作在马达模式，定量泵/马达驱动第三动力电机发电以将怠速工况下该定量泵的液压能转换成电能并储存在动力电池中；

步骤24，若能量管理单元检测到动力电池SOC大于设定值，则由总成控制器控制对应的电磁换向阀失电，第二离合器断开，开中心六通比例方向阀的D口连接的压力加载单元失效，定量泵与油箱连通直接卸荷；

液压挖掘机处于正常作业工况，包括：

步骤31，该总成控制器根据先导操作手柄的输出压力信号和计算得到定量泵的目标转速，再根据定量泵排量及其出口压力计算出定量泵的目标功率，总成控制器发出指令控制第一动力电机输出额定功率；

步骤32，若第一动力电机输出额定功率大于定量泵的目标功率，则由总成控制器发出指令控制第二动力电机工作在发电模式，回收第一动力电机多余的输出功率；

步骤33，若第一动力电机输出额定功率小于定量泵的目标功率，则由总成控制器发出指令控制第二动力电机工作在电动模式，补偿第一动力电机不足的输出功率；

步骤34，若第一动力电机和第二动力电机的输出额定功率之和仍小于定量泵的目标功率，则由总成控制器发出指令控制对应的电磁换向阀得电或失电，第一离合器接合，液压蓄能器回收的高压液压油释放到定量泵/马达的出油口，定量泵/马达工作在马达模式提供辅助驱动功率，与第一动力电机、第二动力电机共同驱动定量泵；

液压挖掘机处于极限工况，包括：

步骤41，若总成控制器检测到定量泵出口压力小于设定值，且先导操作手柄两端压力差较大，则判定动臂油缸需要快速运动，系统处于低压大流量状态；由总成控制器发出指令控制对应的电磁换向阀得电或失电，并使第二离合器接合，总成控制器控制第一动力电机、第二动力电机和第三动力电机均工作在电动状态，定量泵/马达工作在泵模式，与定量泵实现双泵合流满足动臂油缸大流量的需求；

步骤42，若总成控制器检测到定量泵出口压力大于设定值，则可判定动臂油缸遇到刚性负载，系统处于高压小流量状态；由总成控制器发出指令控制第二动力电机停机，第一动力电机按相应比例降低转速，仅由第一动力电机驱动定量泵工作在低速状态输出小流量。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

一、通过采用动力锂电池、超级电容和液压蓄能器的复合能源组合，综合了相对能量密度较高的电量储存单元和相对功率密度较高的液压蓄能器储能单元的优点，利用动力电池保证能量密度，利用超级电容提供或吸收电驱动系统的瞬时大功率，利用液压蓄能器提供或吸收液压驱动系统的瞬时大功率，保证了液压挖掘机复杂工况的功率需求。

二、考虑到电动机相对发动机具有良好的调速性能的特点，系统采用了一个定量泵代替传统驱动系统中的变量泵，采用动力电机代替发动机驱动定量泵，该动力电机同轴转动连接该定量泵并辅以先进的液压驱动系统，根据先导操作信号通过调整电动机转速来调整液压泵输出所需流量，到达全功率匹配，不仅降低了成本，同时由于动力电机的变转速相对变量泵的变排量具有更快的动态响应，进而可以快速、动态地实现液压泵流量和负载所需流量的匹配，而且能够充分发挥挖掘机效能并实现零排放的节能环保效果，对于节约能源和减少整机的污染物排放具有重要意义。

三、考虑到定量泵/马达的无级调速特性，使其通过离合器分别与定量泵、动力电机同轴转动连接，根据液压挖掘机动态工况需求，通过切换离合器，定量泵/马达既可以与液压泵同轴连接工作在马达工况直接为液压泵提供辅助驱动功率，也可以与动力电机同轴连接使动力电机工作在发电状态，充分回收和再利用液压挖掘机的各种负值能量，还可以由动力电机驱动定量泵/马达工作在泵工况与定量泵实现双泵合流为系统提供大流量，满足各种工况需求。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：

附图说明

图1是本发明之较佳实施例的结构示意图。

附图标识说明：

1、动力电池 2、超级电容

3、能量管理单元 4、第一电机控制器

5、第二电机控制器 6、第三电机控制器

7、第一动力电机 8、第二动力电机

9、先导泵 10、定量泵

11、第一离合器 12、定量泵/马达

13、第二离合器 14、第三动力电机

15、第一压力传感器 16、第二压力传感器

17、单向阀 18、先导操作手柄

19、第一溢流阀 20、第一电磁换向阀

21、第二电磁换向阀 22、第三电磁换向阀

23、第二溢流阀 24、第三压力传感器

25、第四压力传感器 26、第五压力传感器

27、液压蓄能器 28、开中心六通比例方向阀

29、第三溢流阀 30、第四电磁换向阀

31、第六压力传感器 32、第七压力传感器

33、动臂油缸 34、其他执行器液压回路

35、外部充电接口

具体实施方式

请参照图1所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有动力电池1、超级电容2、能量管理单元3、第一电机控制器4、第二电机控制器5、第三电机控制器6、第一动力电机7、第二动力电机8、先导泵9、定量泵10、第一离合器11、定量泵/马达12、第二离合器13、第三动力电机14、单向阀17、先导操作手柄18、液压蓄能器27、第一压力传感器15、第二压力传感器16、第三压力传感器24、第四压力传感器25、第五压力传感器26、第六压力传感器31、第七压力传感器32、第一电磁换向阀20、第二电磁换向阀21、第三电磁换向阀22、第四电磁换向阀30、第一溢流阀19、第二溢流阀23、第三溢流阀29、开中心六通比例方向阀28和动臂油缸33。

其中：该动力锂电池1和超级电容2作为输入能源连接到能量管理单元3；第一电机控制器4、第二电机控制器5和第三电机控制器6连接到能量管理单元3作为负载输出端，该能量管理单元3连接外部充电接口35；该第一电机控制器4、第二电机控制器5和第三电机控制器6分别控制第一动力电机7、第二动力电机8和第三动力电机14；第一动力电机7、第二动力电机8、先导泵9和定量泵10同轴转动连接；定量泵10和定量泵/马达12通过第一离合器11同轴转动连接；定量泵/马达12和第三动力电机14通过第二离合器13同轴转动连接；定量泵10的进油口连接油箱，其出油口连接第一压力传感器15和单向阀17的A口；单向阀17的出油口B连接第一溢流阀19的进油口、第一电磁换向阀20的A口、开中心六通比例方向阀28的P口和P1口，第一溢流阀的出油口连接油箱；开中心六通比例方向阀28的T口连接油箱，开中心六通比例方向阀28的A口连接第六压力传感器31和动臂油缸33的无杆腔，开中心六通比例方向阀28的B口连接第七压力传感器32和动臂油缸33的有杆腔，开中心六通比例方向阀28的D口连接第四电磁换向阀30的A口和第三溢流阀29的进油口；第四电磁换向阀30的B口和第三溢流阀29的出油口共同连接到油箱；定量泵/马达12的进油口连接油箱，其出油口连接第二压力传感器16和第二电磁换向阀21的A口；第二电磁换向阀21的B口连接第一电磁换向阀20的B口、第三电磁换向阀22的A口、第二溢流阀23的进油口和液压蓄能器27；第二溢流阀23的出油口连接油箱；先导泵9的进油口连接油箱，其出油口连接先导操作手柄18；先导操作手柄18的出油口K1和K2分别连接开中心六通比例方向阀28的两端控制油口并分别连接第四压力传感器25和第五压力传感器26；第一压力传感器15信号g、第二压力传感器16信号h、第三压力传感器24信号n、第四压力传感器25信号i、第五压力传感器26信号j、第六压力传感器31信号p、第七压力传感器32信号q和能量管理单元电量信号r均电信号输入连接总成控制器(图中未示)；总成控制器(图中未示)输出第一电机控制器4控制信号a、第二电机控制器5控制信号b、第三电机控制器6控制信号d、第一离合器11控制信号e、第二离合器13控制信号f、第一电磁换向阀20控制信号k、第二电磁换向阀21控制信号1、第三电磁换向阀22控制信号m、第四电磁换向阀30控制信号o和能量管理单元3控制信号c。

该第一动力电机7、第二动力电机8和第三动力电机14能够工作在电动模式和发电模式。

本实施例中，该动力电池1采用磷酸铁锂高功率动力锂电池，利用动力电池1保证能量密度，利用超级电容2提供或吸收电驱动系统的瞬时大功率，利用液压蓄能器27提供或吸收液压驱动系统的瞬时大功率。

进一步包括有其他执行器液压回路34，第三电磁换向阀22的B口连接其他执行器液压回路34；在本实施例中，其他执行器液压回路34包括斗杆驱动系统、铲斗驱动系统和行走驱动系统。

本实施例中多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动控制方法，基于以上多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统：

该第一压力传感器15、第二压力传感器16、第三压力传感器24、第四压力传感器25、第五压力传感器26、第六压力传感器31、第七压力传感器32和能量管理单元3分别实时获得定量泵10出口压力p_i1、定量泵/马达12出口压力p_i2、液压蓄能器27的压力p_i3、先导操作手柄18之K1口的输出压力p_i4、先导操作手柄18之K2口的输出压力p_i5、动臂油缸33之无杆腔和有杆腔的最大压力p_bmax＝max{p_i6，p_i7}和动力电池SOC值，设定先导压力阈值为较小正值、定量泵10安全压力下限阈值p_p0、定量泵10安全压力上限阈值p_pc、液压蓄能器27工作压力下限阈值p_amin、动力电池1的SOC上限值SOC_min、动力电池1的SOC下限值SOC_min和怠速时间T_C，其中：怠速工况的压力加载由第三溢流阀29和第四电磁换向阀30组成的压力加载单元来完成。

该多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统处于不同工况下的驱动控制方法包括：

(1)液压挖掘机处于起动工况时，当定量泵10出口压力p_i1小于某个压力阈值(为一个大于零的较小正值)时，液压挖掘机处于起动模式。

此时，开中心六通比例方向阀28处于中位，定量泵10的全部液压油通过该开中心六通比例方向阀28的油路P1-D、第四电磁换向阀30回油箱。

若总成控制器判断该液压蓄能器27的压力p_i3大于设定值p_amin，则由总成控制器控制第二电磁换向阀21得电，第一电磁换向阀20、第三电磁换向阀22和第四电磁换向阀30失电，并且第一离合器11接合，液压蓄能器27的高压液压油释放到定量泵/马达12的进油口，此时定量泵/马达12工作在马达模式，定量泵/马达12驱动定量泵10旋转起动，并且第一电机控制器4和第二电机控制器5还根据总成控制器指令控制第一动力电机7和第二动力电机8处于同一空转状态，该过程持续到液压蓄能器压力p_i3下降到其工作压力下限p_amin以下才结束；此时，第一动力电机7和第二动力电机8的转速无需考虑负载特性，因此，第一动力电机7和第二动力电机8的目标空转转速可以根据两动力电机各自的传动效率设定在某个电动模式下的高效工作点处。

若总成控制器判断该液压蓄能器27的压力p_i3小于设定值p_amin，则由总成控制器控制第一电磁换向阀20、第二电磁换向阀21、第三电磁换向阀22和第四电磁换向阀30全部失电，并且第一离合器11接合，第一电机控制器4和第二电机控制器5还根据总成控制器指令分别控制第一动力电机7作为主电机输出额定功率、第二动力电机8作为辅助电机保持与第一动力电机7相同的转速处于空转状态，完成液压挖掘机的起动过程。

(2)液压挖掘机处于怠速工况时，当先导操作手柄18的输出压力满足|Δp_c|≤δ且t≥T_c(为一个大于零的较小正值)时，其中Δp_c＝p_i4-p_i5，液压挖掘机处于怠速模式。总成控制器根据动力电机效率特性和维持定量泵10自吸性能的要求发出控制指令，将第一动力电机7和第二动力电机8的转速降到整体能耗最低工作点。

若该总成控制器判断该液压蓄能器27的压力p_i3小于负载最大压力p_bmax＝max{p_i6，p_i7}，则总成控制器控制第一电磁换向阀20得电，第二电磁换向阀21、第三电磁换向阀22和第四电磁换向阀30失电，开中心六通比例方向阀28的D口连接的第三溢流阀29起作用产生压力加载，定量泵10对液压蓄能器27进行充油，使液压蓄能器27的压力与负载最大压力相适应，用以取消自动怠速时辅助定量泵10快速建立起克服负载所需压力，当液压蓄能器27的压力达到时，第一电磁换向阀20、第二电磁换向阀21、第三电磁换向阀22和第四电磁换向阀30均失电，定量泵10停止对液压蓄能器27充油。

若该总成控制器判断该液压蓄能器的压力p_i3大于负载最大压力p_bmax＝max{p_i6，p_i7}，则总成控制器控制第一电磁换向阀20、第二电磁换向阀21得电，第三电磁换向阀22和第四电磁换向阀30失电，并使第二离合器13接合，开中心六通比例方向阀28的D口连接的第三溢流阀29起作用产生压力加载，定量泵10的液压油经第一电磁换向阀20和第二电磁换向阀21传到定量泵/马达12的出油口，定量泵/马达12工作在马达模式，定量泵/马达12驱动第三动力电机14发电以将怠速工况下该定量泵10的液压能转换成电能并储存在动力电池1中。

若能量管理单元3检测到动力电池1的SOC大于设定值SOC_max，则总成控制器控制第一电磁换向阀20、第二电磁换向阀21、第三电磁换向阀22和第四电磁换向阀30均失电，第二离合器13断开，开中心六通比例方向阀28的D口连接的第三溢流阀29失效，定量泵通过第四电磁换向阀30与油箱连通直接卸荷。

(3)液压挖掘机处于正常作业工况时，多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统包括对第一动力电机7、第二动力电机8的转速控制和对各电磁换向阀的控制，包括以下步骤：

①该总成控制器根据先导操作手柄18的输出压力信号p_i4和p_i5，计算得到定量泵10的目标转速n_mt：

当p_i4＞p_i5，n_mt＝k₁*(p_i4-δ)；否则，n_mt＝k₁*(p_i5-δ)；其中，K₁为一比例系数。

②该总成控制器根据：定量泵10的排量q_p及其出口压力p_i1计算出定量泵的目标功率P_pt：

P_pt＝q_p·n_mt·p_i1

③当第一动力电机7输出额定功率P_e1＞P_pt＞，则由总成控制器发出指令控制第二动力电机8的同步转速点下移，使其工作在发电模式，回收第一动力电机7多余的输出功率，产生的发电功率P_g2满足：P_e1+P_g2＝P_pt；

④当第一动力电机7输出额定功率P_e1＜P_pt，则由总成控制器(未标出)发出指令控制第二动力电机8的同步转速点上移，使其工作在电动模式，补偿第一动力电机7不足的输出功率，产生的电动功率P_m2满足：P_e1+P_m2＝P_pt。

⑤当第一动力电机7和第二动力电机8均工作在电动状态，且两者均输出的额定功率之和仍小于定量泵的目标功率P_pt，即P_e1+P_e2＜P_pt，则由总成控制器(未标出)发出指令控制第二电磁换向阀21得电，第一电磁换向阀20、第三电磁换向阀22和第四电磁换向阀30均失电，第一离合器11接合，液压蓄能器27回收的高压液压油释放到定量泵/马达12的出油口，定量泵/马达12工作在马达模式提供辅助驱动功率，与第一动力电机7、第二动力电机8共同驱动定量泵；提供的辅助功率P_a满足：P_a+P_e1+P_e2＝P_pt。

(3)液压挖掘机处于极限工况时，当先导操作手柄18的压力差较大且定量泵出口压力波动超出所设定的压力变化范围：[p_p0，p_pc](p_p0为定量泵10的出口压力下限阈值，p_pc为定量泵10的出口压力上限阈值)时，液压挖掘机处于极限工况模式。

若总成控制器判断定量泵10出口压力p_i1小于设定值p_p0，且先导操作压力差Δp_c较大，则判定动臂油缸33需要快速运动，系统处于低压大流量状态；由总成控制器发出指令控制第一电磁换向阀20和第二电磁换向阀21得电，第三电磁换向阀22和第四电磁换向阀30失电，第二离合器13接合，能量管理单元3根据总成控制器控制信号c切换至由超级电容2来提供瞬时大功率，第一电机控制器4、第二电机控制器5和第三电机控制器6分别根据总成控制器的控制信号a、b和d控制第一动力电机7、第二动力电机8和第三动力电机14均工作在电动模式，定量泵/马达12工作在泵工况，与定量泵10实现双泵合流满足动臂油缸33大流量的需求。

若总成控制器判断定量泵10出口压力p_i2大于p_pc设定值，且先导操作压力差Δp_c较大，则可判定动臂油缸33遇到刚性负载，系统处于高压小流量状态；第二电机控制器5根据总成控制器发出的控制信号b控制第二动力电机8停机，第一电机控制器4根据总成控制器发出的控制信号a控制第一动力电机7按相应比例降低转速，仅由第一动力电机7驱动定量泵10工作在低速状态输出小流量。第一动力电机7转速可表示为：

n_m＝n_mt·k_m

其中，为刚性负载比例系数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统，其特征在于：包括有动力电池、超级电容、能量管理单元、第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器、第一动力电机、第二动力电机、先导泵、定量泵、第一离合器、定量泵/马达、第二离合器、第三动力电机、单向阀、先导操作手柄、液压蓄能器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第七压力传感器、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀、第一溢流阀、第二溢流阀、第三溢流阀、开中心六通比例方向阀和动臂油缸；

其中：该动力锂电池和超级电容作为输入能源连接到能量管理单元；第一电机控制器、第二电机控制器和第三电机控制器连接到能量管理单元作为负载输出端，第一电机控制器、第二电机控制器和第三电机控制器分别控制第一动力电机、第二动力电机和第三动力电机，第一动力电机、第二动力电机、先导泵和定量泵同轴转动连接；定量泵通过第一离合器同轴转动连接定量泵/马达，定量泵/马达和第三动力电机通过第二离合器同轴转动连接，定量泵的进油口连接油箱，定量泵的出油口连接第一压力传感器和单向阀的进油口A，单向阀的出油口B连接第一溢流阀的进油口、第一电磁换向阀的A口、开中心六通比例方向阀的P口和P1口，第一溢流阀的出油口连接油箱；开中心六通比例方向阀的T口连接油箱，开中心六通比例方向阀的A口连接第六压力传感器和动臂油缸的无杆腔，开中心六通比例方向阀的B口连接第七压力传感器和动臂油缸的有杆腔，开中心六通比例方向阀的D口连接第四电磁换向阀的A口和第三溢流阀的进油口；第四电磁换向阀的B口和第三溢流阀的出油口共同连接到油箱；定量泵/马达的进油口连接油箱，定量泵/马达的出油口连接第二压力传感器和第二电磁换向阀的A口；第二电磁换向阀的B口连接第一电磁换向阀的B口、第三电磁换向阀的A口、第二溢流阀的进油口和液压蓄能器，第二溢流阀的出油口连接油箱；先导泵的进油口连接油箱，其出油口连接先导操作手柄；先导操作手柄的出油口K1和K2分别连接开中心六通比例方向阀的两端控制油口并分别连接第四压力传感器和第五压力传感器；第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器和第七压力传感器均电信号输入连接总成控制器；总成控制器信号输出连接第一电机控制器、第二电机控制器、第三电机控制器、第一离合器、第二离合器、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第三电磁换向阀、第四电磁换向阀和能量管理单元。

2.根据权利要求1所述的多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统，其特征在于：所述第一动力电机、第二动力电机和第三动力电机均包括电动模式和发电模式。

3.根据权利要求1所述的多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统，其特征在于：所述定量泵/马达包括泵模式或马达模式。

4.根据权利要求1所述的多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统，其特征在于：所述动力电池包括磷酸铁锂高功率动力锂电池。

5.根据权利要求1所述的多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统，其特征在于：进一步包括有其他执行器液压回路，第三电磁换向阀的B口连接其他执行器液压回路。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统的控制方法，其特征在于：

该第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第七压力传感器和能量管理单元分别实时获得定量泵出口压力、定量泵/马达出口压力、液压蓄能器的压力、先导操作手柄K1口的输出压力、先导操作手柄K2口的输出压力、动臂油缸无杆腔的最大压力、动臂油缸有杆腔的最大压力和动力电池SOC值，设定先导压力阈值为较小正值、定量泵安全压力下限阈值、定量泵安全压力上限阈值、液压蓄能器工作压力下限阈值、动力电池SOC上限值、动力电池SOC下限值和怠速时间，其中：怠速工况的压力加载由第三溢流阀和第四电磁换向阀组成的压力加载单元来完成；

该多能源多电机液压挖掘机电液混合驱动系统处于不同工况下的驱动控制方法包括：

液压挖掘机处于起动工况，包括：

步骤11，液压挖掘机在起动过程中，总成控制器根据实时检测的定量泵出口压力判定系统处于起动过程；此时，开中心六通比例方向阀处于中位，定量泵的全部液压油通过该开中心六通比例方向阀的油路P1-D、第四电磁换向阀回油箱；

步骤12，若该总成控制器判断该液压蓄能器的压力大于设定值，则由总成控制器发出指令控制对应的电磁换向阀得电和失电，并使第一离合器接合，液压蓄能器的高压液压油释放到定量泵/马达的出油口，定量泵/马达工作在马达模式，采用定量泵/马达驱动定量泵旋转起动，实现液压挖掘机负值能量的再利用，并且第一电机控制器和第二电机控制器还根据总成控制器指令控制第一动力电机和第二动力电机处于同一空转状态，该过程持续到液压蓄能器压力下降到其工作压力下限以下才结束；

步骤13，若该总成控制器检测到该液压蓄能器的压力小于设定值，则总成控制器发出指令控制对应的电磁换向阀得电和失电，并使第一离合器断开，第一电机控制器和第二电机控制器还根据总成控制器指令分别控制第一动力电机作为主电机输出合适的功率、第二动力电机作为辅助电机保持与第一动力电机相同的转速处于空转状态，完成液压挖掘机的起动过程；

液压挖掘机处于怠速工况，包括：

步骤21，若总成控制器检测到先导操作手柄的输出压力满足，其中，则判定系统处于怠速工况，总成控制器发出指令降低同时第一动力电机和第二动力电机转速；

步骤22，若该总成控制器检测到该液压蓄能器的压力小于设定值，则总成控制器控制对应的电磁换向阀得电和失电，开中心六通比例方向阀的D口连接的压力加载单元起作用，定量泵对该液压蓄能器进行充油，使液压蓄能器的压力与负载最大压力相适应，取消自动怠速时用以辅助定量泵快速建立起克服负载所需压力，当液压蓄能器的压力达到时，相应电磁换向阀失电，停止充油；

步骤23，若该总成控制器判断该液压蓄能器的压力大于设定值，则由总成控制器控制对应的电磁换向阀得电和失电，并使第二离合器闭合，开中心六通比例方向阀的D口连接的压力加载单元起作用，定量泵输出的液压油经第一电磁换向阀和第二电磁换向阀传到定量泵/马达的出油口，定量泵/马达工作在马达模式，定量泵/马达驱动第三动力电机发电以将怠速工况下该定量泵的液压能转换成电能并储存在动力电池中；

步骤24，若能量管理单元检测到动力电池SOC大于设定值，则由总成控制器控制对应的电磁换向阀失电，第二离合器断开，开中心六通比例方向阀的D口连接的压力加载单元失效，定量泵与油箱连通直接卸荷；

液压挖掘机处于正常作业工况，包括：

步骤31，该总成控制器根据先导操作手柄的输出压力信号和计算得到定量泵的目标转速，再根据定量泵排量及其出口压力计算出定量泵的目标功率，总成控制器发出指令控制第一动力电机输出额定功率；

步骤32，若第一动力电机输出额定功率大于定量泵的目标功率，则由总成控制器发出指令控制第二动力电机工作在发电模式，回收第一动力电机多余的输出功率；

步骤33，若第一动力电机输出额定功率小于定量泵的目标功率，则由总成控制器发出指令控制第二动力电机工作在电动模式，补偿第一动力电机不足的输出功率；

步骤34，若第一动力电机和第二动力电机的输出额定功率之和仍小于定量泵的目标功率，则由总成控制器发出指令控制对应的电磁换向阀得电或失电，第一离合器接合，液压蓄能器回收的高压液压油释放到定量泵/马达的出油口，定量泵/马达工作在马达模式提供辅助驱动功率，与第一动力电机、第二动力电机共同驱动定量泵；

液压挖掘机处于极限工况，包括：

步骤41，若总成控制器检测到定量泵出口压力小于设定值，且先导操作手柄两端压力差较大，则判定动臂油缸需要快速运动，系统处于低压大流量状态；由总成控制器发出指令控制对应的电磁换向阀得电或失电，并使第二离合器接合，总成控制器控制第一动力电机、第二动力电机和第三动力电机均工作在电动状态，定量泵/马达工作在泵模式，与定量泵实现双泵合流满足动臂油缸大流量的需求；

步骤42，若总成控制器检测到定量泵出口压力大于设定值，则可判定动臂油缸遇到刚性负载，系统处于高压小流量状态；由总成控制器发出指令控制第二动力电机停机，第一动力电机按相应比例降低转速，仅由第一动力电机驱动定量泵工作在低速状态输出小流量。