CN106274444B - 工程机械混联动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工程机械混联动力系统，包括行走机构动力系统和工作装置动力系统两部分，两个系统之间通过分动箱与离合器进行连接。其中，行走机构动力系统为并联式油液混合动力系统；工作装置动力系统为串联式油电液混合动力系统。通过控制发电机离合器、液压行走驱动离合器和发动机离合器的连接与断开，可实现并联动力与串联动力模式的切换，并且能够通过液压蓄能器和动力电池对工作装置制动能量和行走机构制动能量进行回收再利用。该混联动力系统不仅能够充分发挥并联系统与串联系统的优势，而且还通过液压储能和电池储能相结合，提高了工作装置的能量回收效率。有效降低整机燃油消耗。
Description
技术领域
本发明属于工程机械领域，具体涉及一种工程机械混联动力系统。
背景技术
当下石油资源的日益紧缺，电能独立驱动技术的尚未成熟。油液混合动力技术成为最具推广前景的车辆节能技术，特别是在工程机械领域其节能技术愈加显著。传统工程机械通常采用柴油机进行驱动。由于其工况复杂多变，需要在行驶工况和作业工况之间频繁切换，并且具有较高功率要求。因此，发动机难以保证长时间工作在低油耗区。并且对重载下的工程机械频繁地进行启制动操作，存在着严重的能源损耗。近几年来，为了提高能源利用率，混合动力系统逐渐在工程机械领域得到推广。混合动力系统从结构上来分有串联、并联和混联三种形式，从能源类型上来分，有油液混合和油电混合两种。油电混合动力中，由于电池功率密度小，难以实现较大电流的快速充放，且能量回收量不高，电源系统效率较低；而在油液混合动力中，通常采用蓄能器作为储能装置，虽然其功率密度高，但能量密度较小，不适于持续性驱动。
因此，为了进一步提高工程机械节能效率，有必要设计一种工程机械混联动力系统。充分发挥串并联与油电液混合动力系统的优势，有效回收和释放能量，降低发动机油耗，提高工程机械制动装置寿命。
发明内容
本发明提供一种油电液相结合的工程机械混联动力系统，使工程机械在工作状态和行走状态都能实现混合驱动和能量回收，达到较为理想的节能效果。
本发明提出的工程机械混联动力系统，包括行走机构动力系统和工作装置动力系统，其中：
行走机构动力系统由行走驱动低压蓄能器1、行走驱动高压蓄能器2、发动机3、右驱动轮13、主减速器14、左驱动轮15、主分动箱16、液压行走驱动离合器17、行走驱动泵/马达18、发动机离合器19和副分动箱20组成；发动机3通过副分动箱20与发动机离合器19机械连接，发动机离合器19与主分动箱16机械连接，主分动箱16与主减速器14机械连接，主减速器14分别与右驱动轮13和左驱动轮15机械连接，行走驱动泵/马达18的进油口通过液压管道连接行走驱动低压蓄能器1，出油口通过液压管道连接行走驱动高压蓄能器2；行走驱动泵/马达18通过液压行走驱动离合器17与主分动箱16机械连接；
工作装置动力系统由发电机离合器4、发电机5、动力电池6、电机控制器7、电机8、工作装置泵/马达9、工作装置低压蓄能器10、工作装置高压蓄能器11和工作装置12组成，发电机5通过发电机离合器4与副分动箱20机械连接，发电机5、动力电池6、电机8和电机控制器7依次采用电气连接，动力电池6和电机控制器7采用电气连接，使电机控制器7可对动力电池6的开关和电机8的运行状态进行控制（包括转向、转速、运行时间等参数的调节）；电机8与工作装置泵/马达9之间通过机械连接；工作装置泵/马达9的进油口通过液压管道连接工作装置低压蓄能器10一端，出油口连接工作装置高压蓄能器11一端，工作装置两端分别连接工作装置低压蓄能器10另一端和工作装置高压蓄能器11另一端。
本发明中，行走机构动力系统为并联式油液混合动力系统，工作装置动力系统为串联式油电液混合动力系统；
并联式油液混合动力系统的功率流有两条，第一条功率流为：发动机3依次将动力传送给副分动箱20、主分动箱16、主减速器14、右驱动轮13和左驱动轮15，此过程与传统车辆驱动一致，完全依靠燃油供能；第二条功率流为：行走驱动高压蓄能器2的液压能经行走驱动泵/马达18转变为机械能，驱动泵/马达18将机械能依次传送给主分动箱16、主减速器14、右驱动轮13和左驱动轮15，行走驱动高压蓄能器内的液压能经过液压泵/马达转变为机械能，为工程机械行走机构提供驱动力，并且这个过程是可逆的；在制动时，车辆动能经过行走驱动泵/马达18转化为液压能储存在行走驱动高压蓄能器2内；第一条功率流和第二条功率流通过主分动箱16汇合，可根据不同工况需求，协同或单独驱动工程机械运动；
串联式混合动力系统为油电液混合模式，为工程机械的工装置提供驱动力，其功率流为：动力电池6依次将能量提供给电机8、工作装置泵/马达9和工作装置12；当驱动功率不足时，工作装置高压蓄能器11辅助供能；该过程同样可逆向进行；即在工作装置12处于卸载或制动状态时，外负载机械能经过工作装置转化为液压能储存在工作装置高压蓄能器11内，以及转化为电能储存在动力电池6内;当工程机械的发动机功率有富余时，发电机离合器4连接，发动机3带动发电机8转动，为动力电池6进行充电。
本发明中，所述电机控制器7采用ARM单片机。
本发明中，所述工作装置12可根据实际工况选用液压马达或液压缸。
本发明中，所述工作装置泵/马达9、行走驱动泵/马达18均为双作用泵/马达。
本发明中，所述电机8为电动机/发电机双向电机。
相比现有的工程机械混合动力系统，本发明更加具有节能优势，具体体现在以下几个方面：
1）行走机构动力系统与工作装置动力系统均为混合动力系统，能够回收工程机械在工作和行走过程中的制动能量；
2）行走机构动力系统为并联式油液混合动力。高压蓄能器吸收的车辆制动动能可以作为下一次车辆启动和加速的辅助动力，使之快速加速。避免车辆在低速运行时，发动机长期处于高油耗状态；
3）工作装置动力系统为串联式油电液混合动力。具有液压蓄能器和动力电池两个动力源，可以提高输出功率，且两者都可以回收和储存工作装置制动产生的能量，两者结合能够充分发挥液压驱动和电力驱动的优势；
4）车辆高速运行过程中，发动机富余功率可通过分动箱给动力电池充电和蓄能器充液，使发动机功率得到充分利用。
附图说明
图1本发明结构示意图；
图2纯发动机行走驱动功率流；
图3油液混合行走驱动功率流；
图4电液混合工作装置驱动功率流；
图5发动机充液功率流；
图6发动机充电功率流；
图7行走制动能量回收功率流；
图8工作装置制动能量回收功率流；
图中标号：１为行走驱动低压蓄能器、２为行走驱动高压蓄能器、３为发动机、４为发电机离合器、５为发电机、６为动力电池、７为电机控制器、８为电机、９为工作装置泵/马达、10为工作装置低压蓄能器、11为工作装置高压蓄能器、12为工作装置、13为右驱动轮、14为主减速器、15为左驱动轮、16为主分动箱、17为液压行走驱动离合器、18为行走驱动泵/马达、19为发动机离合器、20为副分动箱。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明提供的工程机械混联动力系统的结构示意图进行详细说明。
实施例１：如图1所示，工程机械混联动力系统包括行走机构动力系统和工作装置动力系统，行走机构动力系统由行走驱动低压蓄能器1、行走驱动高压蓄能器2、发动机3、右驱动轮13、主减速器14、左驱动轮15、主分动箱16、液压行走驱动离合器17、行走驱动泵/马达18、发动机离合器19和副分动箱20组成；工作装置动力系统由发电机离合器4、发电机5、动力电池6、电机控制器7、电机8、工作装置泵/马达9、工作装置低压蓄能器10、工作装置高压蓄能器11和工作装置12组成。发动机3一方面通过副分动箱20和发电机离合器4实现与发电机5的机械连接。发电机5、动力电池6、电机8和电机控制器7之间采用电气连接，电机控制器7可对动力电池6的开关和电机8的运行状态进行控制（包括转向、转速、运行时间等参数的调节）。电机8与工作装置泵/马达9之间通过机械连接。工作装置泵/马达9的进出油口通过液压管道分别与工作装置低压蓄能器10和工作装置高压蓄能器11相连，并连接到工作装置两端；发动机3另一方面通过副分动箱20、发动机离合器19、主分动箱16以及液压行走驱动离合器17实现与行走驱动泵/马达18的机械连接。行走驱动泵/马达18进出油口通过液压管道分别与行走驱动低压蓄能器1和行走驱动高压蓄能器2相连。主分动箱16、主减速器14、左驱动轮15和右驱动轮13之间采用机械连接，实现行走驱动力的传输。
所述电机控制器7采用ARM单片机。
所述工作装置12可根据实际工况选用液压马达或液压缸的形式。
所述工作装置泵/马达9、行走驱动泵/马达18均为双作用泵/马达。
所述电机8为电动机/发电机双向电机。
本实施例中所述混联动力系统具有驱动模式、发动机供能模式和能量回收模式，具体如下所示：
一、驱动模式
1）纯发动机行走驱动模式：发动机3工作，通过副分动箱20向外输出动力。发电机离合器4断开。液压行走驱动离合器17断开。发动机离合器19连接，发动机的动力通过主分动箱16、主减速器14传递到左驱动轮15和右驱动轮13。此时，发动机3的功率完全用于工程机械行走驱动，其功率流如图2所示。
2）油液混合行走驱动模式：发动机3工作，通过副分动箱20向外输出动力。发电机离合器4断开。液压行走驱动离合器17、发动机离合器19连接，行走驱动泵/马达18切换为马达模式。此时，高压行走驱动蓄能器2向低压行走驱动蓄能器1释放的液压能和发动机3产生的动力在主分动箱16处实现动力耦合，经过主减速器14传递到左驱动轮15和右驱动轮13。其功率流如图3所示。
3）电液混合工作装置驱动模式：动力电池6向外提供电源，电机8在电机控制器7的控制下带动工作装置泵/马达9在马达模式下工作，同时工作装置高压蓄能器11中的油液流向工作装置低压蓄能器10，向外放能，共同驱动工作装置12执行动作。此时发电机离合器4断开，发电机5不工作。其功率流如图4所示。
二、发动机供能模式
4）发动机充液模式：发动机3工作，发电机离合器4断开。液压行走驱动离合器17、发动机离合器19连接，行走驱动泵/马达18切换为泵模式。此时，发动机3通过副分动箱20向外输出动力，经过发动机离合器19、主分动箱16，一部分传递至主减速器14，驱动左驱动轮15和右驱动轮13转动，一部分通过行走驱动泵/马达18，使油液从低压行走驱动蓄能器1充入高压行走驱动蓄能器2以液压能形式储存，其功率流如图5所示。
5）发动机充电模式：发动机3工作，通过副分动箱20向外输出动力。发电机离合器4连接。发动机3的输出功率带动发电机5运转，电机控制器7控制动力电池6进入充电状态，电机8不工作，能量以电能形式储存在动力电池6中，其功率流如图6所示。
三、能量回收模式
6）行走制动能量回收模式：发动机3不工作，发动机离合器19断开，副分动箱20无动力传递。行走驱动泵/马达18为泵模式，液压行走驱动离合器17连接，。此时，车辆行驶的动能由左驱动轮15和右驱动轮13经过主减速器14、主分动箱16和液压行走驱动离合器17传递至行走驱动泵/马达18，使油液从低压行走驱动蓄能器1向高压行走驱动蓄能器2充液，车辆的行驶动能转化为液压能储存，功率流如图7所示。
7）工作装置制动能量回收模式：发电机离合器4断开，工作装置泵/马达9为马达模式，工作装置低压蓄能器10释放油液，外负载的动能和势能一部分可转化为液压能储存在工作装置高压蓄能器11中，另一部分可通过工作装置泵/马达9驱动电机8转动，将其转化为电能储存在动力电池6中电机控制器此时控制动力电池6处于充电模式，其功率流如图8所示。
Claims (5)
1.工程机械混联动力系统，包括行走机构动力系统和工作装置动力系统，其特征在于：
行走机构动力系统由行走驱动低压蓄能器(1)、行走驱动高压蓄能器(2)、第一发动机(3)、右驱动轮(13)、主减速器(14)、左驱动轮(15)、主分动箱(16)、液压行走驱动离合器(17)、行走驱动泵/马达(18)、发动机离合器(19)和副分动箱(20)组成；第一发动机(3)通过副分动箱(20)与发动机离合器(19)机械连接，发动机离合器(19)与主分动箱(16)机械连接，主分动箱(16)与主减速器(14)机械连接，主减速器(14)分别与右驱动轮(13)和左驱动轮(15)机械连接，行走驱动泵/马达(18)的进油口通过液压管道连接行走驱动低压蓄能器(1)，出油口通过液压管道连接行走驱动高压蓄能器(2)；行走驱动泵/马达(18)通过液压行走驱动离合器(17)与主分动箱(16)机械连接；
工作装置动力系统由发电机离合器(4)、第二发电机(5)、动力电池(6)、电机控制器(7)、电机(8)、工作装置泵/马达(9)、工作装置低压蓄能器(10)、工作装置高压蓄能器(11)和工作装置(12)组成；第二发电机(5)通过发电机离合器(4)与副分动箱(20)机械连接，第二发电机(5)、动力电池(6)、电机(8)和电机控制器(7)依次采用电气连接，动力电池(6)和电机控制器(7)采用电气连接，使电机控制器(7)可对动力电池(6)的开关和电机(8)的运行状态进行控制；电机(8)与工作装置泵/马达(9)之间通过机械连接；工作装置泵/马达(9)的进油口通过液压管道连接工作装置低压蓄能器(10)一端，出油口连接工作装置高压蓄能器(11)一端，工作装置两端分别连接工作装置低压蓄能器(10)另一端和工作装置高压蓄能器(11)另一端；
其中：行走机构动力系统为并联式油液混合动力系统，工作装置动力系统为串联式油电液混合动力系统；
并联式油液混合动力系统的功率流有两条，第一条功率流为：第一发动机(3)依次将动力传送给副分动箱(20)、主分动箱(16)、主减速器(14)、右驱动轮(13)和左驱动轮(15)，第一条功率流完全依靠燃油供能；第二条功率流为：行走驱动高压蓄能器(2)的液压能经行走驱动泵/马达(18)转变为机械能，驱动泵/马达(18)将机械能依次传送给主分动箱(16)、主减速器(14)、右驱动轮(13)和左驱动轮(15)，行走驱动高压蓄能器内的液压能经过液压泵/马达转变为机械能，为工程机械行走机构提供驱动力，并且这个过程是可逆的；在制动时，车辆动能经过行走驱动泵/马达(18)转化为液压能储存在行走驱动高压蓄能器(2)内；第一条功率流和第二条功率流通过主分动箱(16)汇合，可根据不同工况需求，协同或单独驱动工程机械运动；
串联式混合动力系统为油电液混合模式，为工程机械的工装置提供驱动力，其功率流为：动力电池(6)依次将能量提供给电机(8)、工作装置泵/马达(9)和工作装置(12)；当驱动功率不足时，工作装置高压蓄能器(11)辅助供能；在进行能量回收工作时，即在工作装置(12)处于卸载或制动状态时，外负载机械能经过工作装置转化为液压能储存在工作装置高压蓄能器(11)内，以及转化为电能储存在动力电池(6)内；当工程机械的发动机功率有富余时，发电机离合器(4)连接，第一发动机(3)带动发电机(8)转动，为动力电池(6)进行充电。
2.根据权利要求1所述的工程机械混联动力系统，其特征在于：所述电机控制器(7)采用ARM单片机。
3.根据权利要求1所述的工程机械混联动力系统，其特征在于：所述工作装置(12)可根据实际工况选用液压马达或液压缸。
4.根据权利要求1所述的工程机械混联动力系统，其特征在于：所述工作装置泵/马达(9)、行走驱动泵/马达(18)均为双作用泵/马达。
5.根据权利要求1所述的工程机械混联动力系统，其特征在于：所述电机(8)为电动机/发电机双向电机。
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