CN106470883A - 用于工作机器的功率效率控制机构 - Google Patents

Abstract

一种用于包括功率消耗者(14)的工作机器的控制系统，所述控制系统包括：原动机(12)；用于储存能量的能量储存单元(24)；用于产生功率或消耗功率的辅助功率单元(20)，所述辅助功率单元具有联接至所述原动机(12)的第一连接部(20a)和可联接至所述能量储存单元(24)的第二连接部。可操作地联接至所述原动机(12)并且可操作地联接至所述功率消耗者(14)的控制器(18)被配置成：估算所述功率消耗者(14)所需功率；并且命令所述原动机(14)在产生所估算的所需功率的最佳操作点处操作。基于所述原动机的功率输出能力和所述功率消耗者的功率消耗之间的关系，所述控制器(18)被配置成以下命令中的至少一个命令：将来自所述原动机的过剩功率容量提供给所述辅助功率单元以储存在所述能量储存单元中，或将储存在所述能量储存单元中的能量提供至所述辅助功率单元以驱动所述功率消耗者。

Description

用于工作机器的功率效率控制机构

相关申请数据

本申请要求2014年6月20日递交的美国临时申请No.62/014,749的优先权，其通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于控制工作机器的发动机的功率输出的方法和设备以提高工作机器的效率。

背景技术

工作机器(例如施工机器等)通常具有多种不同液压驱动功能，该功能被闭合的中心液压系统控制。该液压系统通常以多于一个发动机驱动的、可变排量液压泵为特征，泵的排量响应于该系统的需求。

在移动应用方面，内燃机(ICE)通常驱动电动或机械控制的液压泵，其用于给液压部件上电。通常，发动机速度被操作者或控制器程序员手动设定，并且该扭矩根据液压系统的功率需求由泵的排量来调节。随着发动机功率输出沿着恒定速度的竖直线运动，发动机的效率显著改变，这由于通常发动机的低扭矩区域相当于低效率，而高扭矩区域相当于高效率。

已知根据工作负载用于改变发动机的功率输出的技术。根据该技术，工作机器可以包括其中可以获得高的(例如，最大)功率输出的“重工作模式”和其中可以获得达到预定(低)水平的“轻工作模式”。

在操作时，驾驶者经由转换开关而在这些模式之间手动选择。换句话说，如果操作者确定今后将执行的工作是重工作，则他选择重工作模式，而如果他确定该工作为轻工作，则他选择轻工作模式。

基于所选择的模式，用于控制发动机的控制器控制发动机的功率输出容量。对于轻工作模式，例如，通过限制供给到发动机的燃料的量，控制器将发动机的功率输出限制到小于或等于预定值(该预定值小于发动机额定功率输出)。在重工作模式中，控制器不对燃料施加限制，因此，可以使发动机的功率输出达到额定功率。

如将可以理解的，通常，工作机器不会连续地仅仅执行重工作或仅仅执行轻工作，而是在一系列工作过程期间在重工作和轻工作之间交替。例如，挖掘机在通常的挖掘和装载期间，接连执行多个过程，例如：接近地点(其为轻工作)、在该地点处挖掘并且将挖掘的材料装载到铲斗中(其为重工作)，并且倾倒主题材料以对运输车辆(例如自动倾卸卡车等)进行操作(其为轻工作)。

通过该工作过程，为了最大程度上享受到现有技术的益处，驾驶员必须操作转换开关，同时在重工作和轻工作之间改变。然而，对于每一工作过程，执行该切换操作可能很麻烦。因此，通常发生这样的事，通过保持在重工作模式中的转换开关来执行工作，由此不利用由轻工作模式提供的燃料节约的优势。另一方面，如果在轻工作模式时强调燃料消耗和执行工作，则在重工作期间不可能获得足够的功率输出，并且这可能导致了效率的损失。

发明内容

根据本发明，确定了工作机器的动力需求，从而使用了最佳原动机速度和扭矩并因此提高了能量效率。在由原动机输出的功率超过其它系统的功率需求的情况下，过剩功率可以用于驱动辅助功率装置以用于将功率转换成可以储存在能量储存装置中的形式。相反，如果由原动机输出的功率小于其它系统的功率需求，则储存在能量储存装置中的能量可被用于驱动辅助装置以增加由原动机提供的功率。

此外，由工作机器执行的运动轨迹可被存储在控制器的存储器中。然后，所存储的运动轨迹可被用于以节能的方式再现所需运动。同样，系统参数可被监控并且与基线参数比较。系统参数和基线参数之间的任何偏差可以表示明显的部件故障。

根据本发明的一个方面,一种用于包括功率消耗者的工作机器的控制系统包括：原动机；用于储存能量的能量储存单元；用于产生功率或消耗功率的辅助功率单元，所述辅助功率单元具有联接至所述原动机的第一连接部和可联接至所述能量储存单元的第二连接部；以及控制器，所述控制器可操作地联接至所述原动机并且可操作地联接至所述功率消耗者，所述控制器被配置成：估算所述功率消耗者的所需功率；命令所述原动机在产生所估算的所需功率的最佳操作点处操作；以及基于所述原动机的功率输出能力和所述功率消耗者的功率消耗之间的关系，所述控制器被配置成以下命令中的至少一个命令：将来自所述原动机的过剩功率容量提供给所述辅助功率单元以储存在所述能量储存单元中，或将储存在所述能量储存单元中的能量提供至所述辅助功率单元以驱动所述功率消耗者。

根据本发明的一个方面，所述系统包括具有第一离合器输入端和第一离合器输出端的第一离合器，所述第一离合器可操作成使所述第一离合器输入端与所述第一离合器输出端选择性地联接或断开联接，其中，所述第一离合器输入端联接至所述原动机并且所述第一离合器输出端联接至所述功率消耗者；以及所述控制器可操作成联接至所述第一离合器，并且被配置成当所估算的所需功率小于第一规定值并且储存在所述能量储存单元中的能量大于第二规定值时，命令所述第一离合器将所述原动机与所述功率消耗者断开联接。

根据本发明的一个方面，所述控制器还被配置成当所估算的所需功率小于第一规定值并且储存在所述能量储存单元中的能量大于所述第二规定阀值时，禁用所述原动机。

根据本发明的一个方面，所述控制器还被配置成当所述原动机处于禁用状态中并且储存在所述能量储存单元中的能量大于所述第二规定值时，命令所述辅助功率单元在马达模式中操作。

根据本发明的一个方面，所述系统包括具有第二离合器输入端和第二离合器输出端的第二离合器，所述第二离合器可操作成使所述第二离合器输入端与所述第二离合器输出端选择性地联接或断开联接，其中，所述第二离合器输入端联接至所述辅助功率单元并且所述第二离合器输出端联接至所述功率消耗者；以及所述控制器可操作地联接至所述第二离合器，并且被配置成当由所述原动机输出的功率和由所述功率消耗者消耗的功率之差为非负并且小于第三规定值时，命令所述第二离合器使所述辅助功率单元与所述功率消耗者断开联接。

根据本发明的一个方面，估算所述功率消耗者的所需功率包括测量置于所述功率消耗者上的负载，并且基于所测量的负载估算所需功率。

根据本发明的一个方面，所述系统包括功率消耗者，其中，所述功率消耗者联接至所述原动机和所述辅助功率单元。

根据本发明的一个方面，所述原动机包括内燃机、液压发动机、或电动机中的一者。

根据本发明的一个方面，所述辅助功率单元包括液压泵，所述液压泵可在用于产生液压功率的第一模式和用于消耗液压功率的第二模式中操作。

根据本发明的一个方面，所述辅助功率单元包括液压机器或电力机器中的至少一者。

根据本发明的一个方面，所述能量储存单元包括用于储存液压能量的蓄能器和用于储存电能的电池中的至少一者。

根据本发明的一个方面，所述工作机器包括挖掘机。

根据本发明的一个方面，所述控制器被配置成基于所述原动机的恒定功率线特征来确定所述原动机的最佳操作状态。

根据本发明的一个方面，所述控制器被配置成通过寻找产生用于所述功率消耗者的所估算的所需功率的最低原动机速度和最高原动机扭矩来确定最佳操作状态。

根据本发明的一个方面，所述控制器被配置成存储运动轨迹并且自动地执行所存储的运动轨迹。

根据本发明的一个方面，所述控制器被配置成将系统操作参数与基线参数比较，并且根据所述系统操作参数偏离所述基线参数达规定阀值，推断部件提供了可能的部件故障的指示。

根据本发明的一个方面，所述系统参数包括原动机功率输出、原动机速度、功率消耗者功率输入、液压单元功率和液压单元压力中的至少一者。

根据本发明的一个方面，所述工作机器包括功率消耗者、原动机、用于储存功率的能量储存单元、用于产生功率或消耗功率的辅助功率单元，用于所述工作机器的控制器包括：处理器和存储器；存储在所述存储器中并且可被所述处理器处理的逻辑电路，所述逻辑电路包括：配置成估算所述功率消耗者所需功率的逻辑电路；配置成命令所述原动机在产生所估算的所需功率的最佳操作点处操作的逻辑电路；以及配置成执行以下命令中的至少一个命令的逻辑电路：将能够由所述原动机产生的过剩功率提供给所述辅助功率单元以储存在所述能量储存单元中，或将储存在所述能量储存单元中的能量提供至所述辅助功率单元以驱动所述功率消耗者，其中，将所述过剩功率提供给所述辅助功率单元的命令或将储存在所述能量储存单元中的能量提供至所述辅助功率单元的命令是基于所述原动机的功率输出容量和所述功率消耗者的功率消耗之间的关系。

根据本发明的一个方面，所述控制器还包括这样的逻辑电路，其被配置成当所估算的所需功率小于第一规定值并且储存在所述能量储存单元中的能量大于所述第二规定阀值时，禁用所述原动机。

根据本发明的一个方面，所述控制器还包括这样的逻辑电路，其被配置成当所述原动机处于禁用状态中并且储存在所述能量储存单元中的能量高于所述第二规定值时，命令所述辅助功率单元在马达模式中操作。

为了完成前述和相关目标，然后，本发明包括在下文中充分描述的和在权利要求书中特别指出的特征。以下说明和所附附图在本发明的某些详细的示例性实施方式中提出。然而，这些实施方式表示了其中可以采用本发明的原理的各种方式中的几种方式。当接合附图考虑时，从对本发明的以下详尽的说明，本发明的其它目的、优点和新颖性特征将变得明显。

附图说明

现在将参照附图更详尽地描述本发明的实施方式，附图中：

图1为示出用于高效地操作根据本发明的工作机器的示例性系统的框图；

图2为显示发动机的速度对比扭矩的图表，其中对于各种发动机速度具有恒定功率线；

图3为示出用于高效地操作根据本发明的工作机器的示例性步骤的流程图；

图4为示出根据本发明用于限定规定的运动和自动地执行该运动的示例性步骤的流程图；

图5为示出用于确定根据本发明的系统性能下降和/或故障的示例性步骤的流程图。

具体实施方式

根据本发明的系统和方法提高了工作机器的效率。更具体地，通过智能控制泵排量而主动地控制原动机速度和扭矩，可以提高能量消耗。原动机速度和扭矩(经由泵排量)的每一者可以根据效率分布图可被调节以在最有效点(最佳操作区域)运行，在该有效点处，单位能量消耗具有最低可能的值。而且，可以实现自动开始/停止功能以进一步节能。当工作机器空转或需要非常小的功率消耗时，该特征是特别有益的。

现在参照图1，图1示出了根据本发明的示例性控制系统10的框图，其可以与工作机器一起使用，工作机器例如挖掘机或其它重型设备。系统10包括原动机12，例如内燃机、电动机、液压发动机等。原动机12包括动力输出轴12a以提供功率来驱动系统10的各个部件，如在下文中将更详尽描述。原动机控制器13(例如，计算机控制器)控制原动机12的速度和功力输出。

取决于在系统10中采用的原动机12的类型，原动机控制器13可以采取多种形式。例如，如果原动机12体现为内燃机(ICE)，则原动机控制器13可以为发动机管理计算机。类似地，如果原动机12体现为交流或直流电动机，则原动机控制器可以为交流或直流功率模块和相关的计算机控制器。原动机控制器13包括输入/输出通道，用于与原动机12连接并且接收关于原动机12的操作状态的数据。原动机控制器13还可以包括处理装置和相关的存储器，以及用于与其它控制器(例如主控器)通信的通信接口。

功率消耗者14(例如，液压系统、电气系统等)经由第一离合器16而联接至原动机12。通常功率消耗者14可以为任何利用功率的装置，例如，斗式装料机的液压系统。在这点上，液压系统可以包括与一个或多个液压致动器流体连通的可变排量的液压泵。基于用户输入指令，原动机12可以将功率提供给液压泵，功率转换成液压动力并且提供给一个或多个液压致动器。可替选地或此外，功率消耗者14可以为电功率消耗者，例如发电机等，其可以用于执行各种操作，例如提供电功率供工作机器等使用。

第一离合器16包括第一离合器输入端16a和第一离合器输出16b，第一离合器输入端16a联接至原动机动力输出轴12a，而第一离合器输出16b联接至功率消耗者动力输入轴14a。基于例如来自控制器18的指令，可以操作第一离合器16以选择性地使第一离合器输入端与第一离合器输出端联接/断开联接。

辅助功率单元20的第一电源连接20a经由第二离合器22机械联接至原动机12和功率消耗者14。第二离合器22包括第二离合器输入端22a和第二离合器输出端22b，第二离合器输入端联接至辅助功率单元20的功率输入端20a，而第二离合器输出端联接至功率消耗者输入端14a和第一离合器输出端16b。类似于第一离合器16，基于来自另一装置(例如，控制器18)的指令，可以操作第二离合器22以选择性地使第二离合器输入端与第二离合器输出端联接/断开联接。

辅助功率单元控制器21可操作地联接至辅助功率单元20。辅助功率单元控制器21配置成调节功率流入(制动方式)和流出(马达模式)辅助功率单元20。控制器21的形式取决于在系统10中采用的辅助功率单元20的类型。无论辅助功率单元20的具体形式，辅助功率单元控制器21可以包括用于与辅助功率单元20连接的输入/输出装置、处理装置和相关的存储器、以及用于与其它装置(例如，控制器18)通信的通信接口。

辅助功率单元20包括联接至能量储存单元24的第二电源连接20b。如将在下文中更详尽地描述，辅助功率单元20可操作以将由原动机12和/或功率消耗者14提供的过剩功率储存在能量储存单元24中，并且使用储存在能量储存单元24中的能量以给原动机12和/或功率消耗者14提供动力。安全装置26监控能量储存单元24的状况以防止能量水平超过预定限制。

当功率需求低时，能量储存单元24储存能量以备以后使用，当功率需求高时，提供能量。这允许原动机12缩小尺寸，只要原动机平均功率输出至少与功率消耗者14的操作循环所需的平均功率一样高。

在优选的实施方式中，辅助功率单元20实现为液压功率单元，所述液压功率单元具有可操作为液压泵和液压发动机的流体机器，所述液压泵产生液压动力，而所述液压发动机消耗液压动力，而能量储存单元24实现为蓄能器，并且安全装置26实现为压力释放阀。蓄能器可以装备有可压缩体积，从而压力介质可以在可压缩体积的压缩下运输至蓄能器。

在另一实施方式中，辅助功率单元20可以为电功率单元，所述电功率单元包括可在发电模式和马达模式中操作的电动机，而能量储存单元24实现为用于储存电能的一个或多个电池，而安全装置26实现为过电压保护电路。

为了监控和控制系统10，各个反馈装置被用于原动机12、功率消耗者14、辅助功率单元20和能量储存单元24。更具体地，一个或多个功率消耗者反馈装置28可以可操作地联接至功率消耗者，以监控各个系统参数。这些反馈装置可以包括联接至功率消耗者或机器的利用功率消耗者的工作部分的测压元件(或其它负载感测装置)，所述测压元件可操作成提供表示置于工作机器上(由此，在功率消耗者上)的负载的信号。其它功率消耗者反馈装置可以包括液压传感器，液压传感器用于感测液压致动器和/或液压线上的液压、来自电机的电流，或提供由功率消耗者所消耗的负载的指示的其它传感器。

类似地，一个或多个辅助功率单元反馈装置(FB)30、32可以可操作地联接至辅助功率单元20和/或能量储存单元24。例如，反馈装置30、32可以实现为压力传感器、电压传感器、流量传感器、电流传感器、速度传感器、扭矩传感器或任何其它用于测量辅助功率单元和能量储存单元的特征的传感器。该传感器可以提供表示以下几者的数据：提供给能量储存单元24的功率、储存在能量储存单元24中的能量、由辅助功率单元20产生的功率和/或由辅助功率单元20消耗的功率等。同样，一个或多个原动机反馈装置34可以可操作地联接至原动机12。该原动机反馈装置可以提供表示以下几者的数据：原动机12的速度(例如，速度传感器)、原动机12的输出功率(例如，电流传感器)，以及该数据可被提供至原动机控制器13。

由功率消耗者反馈装置28、辅助功率单元和能量储存单元反馈装置30、32以及原动机反馈装置34提供的数据被提供至控制器18并且被用于控制如下文所描述的工作机器的操作。

通过额外参照图2，图2示出为扭矩对比速度的曲线图50，该曲线图50显示了用于实现为发动机的原动机的恒定功率线52。更具体地，曲线图的x轴对应于发动机速度(以RPM表示)，而曲线图的y轴对应于发动机的扭矩(以ft-lbs表示)。恒定功率线52示出了速度和扭矩之间的关系，同时产生了相同的功率输出。在常规的工作机器中，原动机的速度通常固定，而扭矩基于功率消耗者14的需求如需要地改变。通过发动机操作点的竖直布置54可以看到该操作。

尽管该操作产生了足够的功率，但是其不在最佳操作点处操作原动机12。根据本发明的一个方面，原动机速度和扭矩(经由置于在原动机上的负载)被转移以产生满足功率消耗者14的需求的功率输出，同时还提供了原动机12的节能操作。通过原动机操作点沿着图2中所示的恒定功率线的运动56可以看到该转移。

发动机(例如，内燃机)可以各种效率和功率输出水平来操作。通常，当扭矩输出高并且发动机速度低时出现高效率。为了获得系统的高效率，例如可以通过控制器18管理发动机速度和扭矩，以提供用于功率消耗者14的所需功率，同时，在功率消耗最低的区域中操作。关于此，例如，基于由功率消耗者反馈装置28提供的数据，控制器18可以估算功率消耗者14的所需功率，并且命令原动机控制器13沿着一条恒定功率线52以特定速度操作原动机12。控制器18还可以命令功率消耗者14改变原动机12上的负载(因此，控制原动机12的扭矩输出)，从而扭矩围绕恒定功率线52移动。原动机12的该操作产生了在原动机12的最佳操作点处的功率，并且因此使能量使用最小化。

例如，在斗式装料机的情况下，反馈装置28可以为负载感测装置(例如，测压元件)，其提供了表示置于功率消耗者14上的负载的信号。控制器18可以分析数据并且估算升起或降低负载将需要的液压功率的量。所估算的功率连同一个或多个可变排量的液压泵的知识(例如，排量对比倾斜盘角度)和在功率消耗者14中所利用的相关的部件可被用于计算原动机12的各个可操作的速度的所需的泵排量。利用如图2中所示的恒定功率线52，控制器18可以选择在高效区域(高扭矩，低速度)中操作的同时原动机12的产生所需扭矩的速度，并且将该操作点传送到原动机控制器13。

优选地，原动机12的功率输出能力至少等于功率消耗者14的功率消耗。在这些情况中，辅助功率单元20可以与原动机12断开联接，以使能量消耗最小化。例如，当原动机12的功率输出能力和功率消耗者14的功率消耗之间的差为非负，并且小于规定值时(即，原动机12的功率输出能力不小于功率消耗者14的功率消耗，在本文中还被称为第三规定值)，控制器18可以命令第二离合器22脱离以使辅助功率单元20与功率消耗者14断开联接。这样，与辅助功率单元20相关的阻力从该系统移除并且因此提高了能量效率。

尽管理想地，原动机12的功率输出能力将匹配或略微大于功率消耗者14的功率消耗，但是在一些情况中，原动机12的功率输出能力可以大于或小于功率消耗者14的功率消耗。在原动机12的功率输出能力超过功率消耗者14的功率消耗的情况下，过剩功率可被储存在能量储存单元24中。例如，控制器18可以命令离合器22联接，由此使辅助功率单元20联接至原动机12和功率消耗者14，并且命令辅助功率单元控制器21以将辅助功率单元20置于发电模式中(即，辅助功率单元20使用由原动机12和/或功率消耗者14提供的功率以产生用于储存在能量储存单元24中的功率)。可以由原动机12产生的过剩功率可被用于驱动辅助功率单元20，辅助功率单元20可以为液压泵或电动机，并且由辅助功率单元20产生的功率可被储存在能量储存单元24(其可以为蓄能器或电池)中，以备以后使用。

相反地，如果原动机12的功率输出能力小于由功率消耗者14所需功率，则储存在能量储存单元24中的能量可被用于协助原动机12。例如，控制器18可以命令离合器22接合，由此，使辅助功率单元20联接至原动机12和功率消耗者24，并且命令辅助功率单元控制器21将辅助功率单元20置于马达模式中(即，辅助功率单元20消耗储存在能量储存单元24中的能量，以产生用于驱动原动机12和/或功率消耗者14的功率)。储存在能量储存单元24中的能量然后可被用于驱动辅助功率单元20(马达模式)，其可以为液压泵或电动机。由辅助功率单元20产生的功率然后可被提供至原动机12和/或功率消耗者14以补偿原动机12的任何短期功率不足。

此外，可能有这样的情况，其中，工作机器处于轻负载或甚至空转中，并且因此需要少量功率。在这些情况下，可能有利的是，禁用原动机12以使功率消耗最小化。例如，当功率使用低于第一值(被称为第一规定值)，并且储存在能量储存单元24中的能量高于第二值(被称为第二规定值)时，控制器18可以命令第一离合器16脱离，由此，使原动机12与功率消耗者14断开联接。此外，控制器18可以指示原动机控制器13关闭原动机12。同时或几乎同时，控制器18可以命令第二离合器22接合，由此使辅助功率单元20联接至功率消耗者14，并且指示辅助功率单元控制器21使辅助功率单元20在马达模式中操作，其中储存在能量储存装置24中的能量用于驱动辅助功率单元20。由辅助功率单元20产生的功率然后被提供至功率消耗者14以启用工作机器的操作而无需原动机12。在储存在能量储存单元24中的能量下降到第三值(被称为第三规定值)以下时，控制器18可以命令第一离合器16接合，由此使原动机12联接至第二离合器22，并且辅助功率单元20可被用于启动原动机12。这样，该系统可以根据需要启用和禁用原动机12，从而使能量消耗最小化。

此外，根据本发明的控制系统可以包括自动位置模式和系统监控模式。自动位置模式使得工作机器的重复运动(例如，运动轨迹)被控制器18存储，所述轨迹以节能的方式自动地执行。例如，当开始或结束挖掘机执行的摇摆运动时，传感器可以记录该执行的开始角或结束角。随着该摇摆接近该角度，驱动摇摆运动的摇摆电机的排量可被减小(例如，经由倾斜盘角度)以维持小的扭矩/速度(并因此预测该执行将何时停止)直到实现所需位置。该小的扭矩/速度可以基于部件的与摇摆运动相关的已知惯性和损失。换句话说，通过考虑所需的位置和已知的系统损失和惯性，控制器18可以智能地命令原动机12、辅助功率单元20和功率消耗者14来使用可以产生所需运动的最小量的能量。该操作不仅提供了用于工作机器的操作中的提高的平滑度，而且还使操作者错误最小化，并且可以缓解疲劳。

关于系统监控模式，该模式启用控制器18来确定系统部件是否处于性能下降状态和/或处于明显故障。关于此，控制器18可以经由用于工作机器的各个系统的传感器数据来监控系统操作参数，各个系统包括原动机12、辅助功率单元20、能量储存单元24和功率消耗者14。示例性操作参数包括但不限于原动机功率输出、原动机速度、功率消耗者功率输入、液压单元功率、液压单元压力和液压泵排量。所收集的操作参数然后可以与基线数据比较，所述操作参数可以在校准模式中获得并且存储在控制器18的存储器中。如果在所收集的操作参数和基线数据之间的偏差超过相应的规定值，则控制器18可以提供表示如下情况的信号：工作机器的系统性能下降和/或限制操作速度和/或功率输出。

现在，参照图3至图5，提供了多个流程图，流程图示出了用于控制根据本发明的多个实施方式的工作机器的示例性方法。该流程图包括以特定顺序布置的多个过程框。如应当理解的是，可以存在所示出步骤的很多替选方式和等同物并且该替选方式和等同物意在落入所附的权利要求的范围内。替选方式可以包括执行不专门提到和/或显示的额外的步骤或动作、以与所提到和/或显示的顺序不同的顺序执行步骤或动作、和/或省略所提到和/或显示的步骤。替选方式还可以包括同时或部分同时执行步骤或动作。

图3示出了用于控制根据本发明的工作机器中的功率流的流程图100。开始于框102，控制器18估算功率消耗者14所需功率。如本文中所描述的，该估算可以基于表示功率消耗者承受的负载的反馈数据。在框104处，控制器18确定原动机12和功率消耗者14的最佳可操作特征(例如，泵排量)，其将所估算的功率传输至功率消耗者14。在确定最佳可操作特征时，控制器18利用原动机12的恒定功率线。更具体地，功率消耗者14的所需功率可与原动机12的沿着图2的恒定功率线52的速度和扭矩输出比较以确定哪个恒定功率线52提供了用于原动机12的最大节能的操作点(通常，最低速度和最大扭矩产生了最大节能操作)。接着，在框106处，控制器18命令原动机控制器13以沿着可以产生所需扭矩的所选择的恒定功率线52的速度驱动原动机12，并且命令功率消耗者14设定原动机上的负载(例如，设定泵排量)，这导致了原动机以设定速度输出所需扭矩。该命令可以例如经由网络或控制器18和原动机控制器13之间的其它通信连接而传送。

在框108处，控制器18确定原动机12的功率能力几乎等于、大于或小于功率消耗者14所需功率。如果控制器18确定原动机12的功率能力基本上等于功率消耗者14所需功率(例如，原动机12的功率能力和功率消耗者14所需功率之间的差为非负并且在规定值(称为第四规定值)内)，则该方法移动到框110，在框110处，控制器18确定第二离合器22是联接还是断开联接。如果第二离合器22接合，则在框112处，控制器18命令第二离合器22脱离，从而使辅助功率单元20与功率消耗者14断开联接。通过使辅助功率单元20断开联接，与驱动辅助功率单元20相关的任何损失可被消除并且因此能量消耗可以最小化。该方法然后可以前进到框114，然而，如果第二离合器22已经脱离，则该方法可以直接地移动到框114。

回到框108，如果控制器18确定原动机12的功率能力基本上大于功率消耗者14所需功率，则方法移动到框116，在框116处，控制器18确定第二离合器22是接合还是脱离。如果第二离合器22脱离，则方法移动到框118，在框118处，控制器18命令第二离合器22接合，由此使辅助功率单元20联接至功率消耗者14，然后方法移动到框120。回到框116，如果第二离合器22已经接合，则方法直接移动到框120，在框120处，控制器18命令辅助功率控制器21以马达模式操作辅助功率单元20，并且在框122处，由辅助功率单元20产生的过剩功率(例如，以电功率或液压功率形式的过剩功率)存储在能量存储单元24中。从框122，该方法可以前进到框114。

再次回到框108，如果控制器18确定原动机12的功率能力小于功率消耗者14所需功率，则方法移动到框124，在框124处，控制器18确定第二离合器22是接合还是脱离。如果第二离合器22脱离，则方法移动到框126，在框126处，控制器18命令第二离合器22接合，由此使辅助功率单元20联接至功率消耗者14，并且然后该方法移动到框128。移动回到框124，如果第二离合器22已经接合，则方法直接移动到框128，在框128处，控制器18命令辅助功率单元控制器21以马达模式操作辅助功率单元20。储存在能量储存单元24中的能量(例如，电功率或液压功率)然后被用于驱动辅助功率单元20。在框130处，由辅助功率单元20产生的功率然后被提供给功率消耗者14。

从框130，方法移动到框132，在框132处，控制器确定原动机12是启动还是未启动(接通还是断开)。如果原动机12启动/接通，则方法移动到框114，在框114处，控制器18确定由功率消耗者14所需功率是否低于规定值(称为第一规定值)。如果由功率消耗者14所需的功率不低于第一规定值，则方法移动回到框102并且重复。然而，如果由功率消耗者所需的功率小于第一规定值，则方法移动到框134，在框134处，控制器18例如利用反馈装置32确定储存在能量储存装置24中的能量的量。如果储存在能量储存单元24中的能量的量低于规定值(称为第二规定值)，则这表示不借助于原动机12，在能量储存单元24中储存的能量不足以给功率消耗者14提供动力。因此，方法移动到框136，在框136处，控制器18确定原动机12是启动还是未启动(接通还是断开)。如果原动机12启用，则方法移动回到框102并且重复。然而，如果原动机12未启用，则方法移动到框138，在框138处，原动机12启用(启动)。关于此，储存在能量储存单元24中的能量可被用于驱动辅助功率单元20，该能量接着可以驱动原动机12，从而启动原动机(假定原动机实现为发动机)。为了实施该功能，控制器18可以命令辅助功率单元控制器21以马达模式操作辅助功率单元20，命令第一离合器16和第二离合器22接合(如果尚未接合)并且命令原动机控制器13启用原动机12。一旦原动机12启用，则方法移动回到框102并且重复。

回到框134，如果储存在能量储存单元124中的能量的量大于第二规定值，则这表示辅助功率单元20可被用于驱动功率消耗者14并且原动机12可不被启用从而节能。因此，方法移动到框140，在框140处，控制器18确定功率消耗者14所需功率是否已经有改变。如果功率消耗者14所需功率已经有改变，则工作机器可不再处于怠速或低功率状态中，并且该方法移动到框136，并且执行如前面所述的步骤。然而，如果由功率消耗者14所需功率没有改变(即，工作机器处于怠速或低功率状态中)，则方法移动到框142，在框142处，控制器18确定原动机12是否禁用/断开。如果原动机12禁用/断开，则方法移动到框124，并且执行如前面所述的步骤。然而，如果原动机12启用/接通，则方法移动到框144，在框144处，控制器18命令原动机控制器13禁用原动机12，并且方法移动回到框124。

现在移到图4，图4示出了用于自动操作根据本发明的工作机器的流程图200。开始于框202，控制器18确定工作机器是否处于自动位置模式中。如常规的，该确定例如可以基于选择器开关位置或其它操作器输入装置。如果自动位置模式不启用，则方法在框202处循环。然而，如果自动位置模式被启用，则在框204处，控制器18确定第一位置是否被读取并且存储在存储器中，第一位置例如是工作机器的初始位置，例如，摇摆运动的启动位置。该确定可以基于按钮输入或用于发出信号通知当前位置应当被存储为初始位置的其它装置。

如果第一位置不被读取，则方法移动到框210，这将在下文中描述。如果第一位置被读取，则在框206处，控制器18确定感兴趣的功能的当前位置(例如，摇摆位置)。当前位置可以基于由功率消耗者14的反馈装置28获得的数据(例如，致动器位置)。接着，在框208处，控制器18将当前位置作为初始位置而存储在存储器中以备在自动操作期间使用，并且方法前进到框210。

在框210处，控制器确定是否读取第二位置。第二位置例如可以为工作机器的最后位置，例如摇摆运动的结束位置。再次，该确定可以基于按钮输入或用于发出信号通知当前位置应当被存储为第二位置的其它装置。如果第二位置未被读取，则方法移动到框216，这在下文中描述。如果第二位置被读取，则在框212处，控制器18确定感兴趣的功能的当前位置(例如，摇摆位置)。再次，当前位置可以基于由功率消耗者14的反馈装置28获得的数据(例如，致动器位置)。接着，在框214处，控制器18将当前位置作为第二位置存储在存储器中以备在自动操作期间使用，并且方法前进到框216处。

在框216处，控制器确定有效的第一位置和第二位置是否已经被读取并且被存储在存储器中。如果两个位置尚未被读取并且存储，则方法移动回到框202并且重复。然而，如果有效位置已经被读取，则控制器18可以产生用于感兴趣的特定功能的运动轨迹，并且自动地命令原动机控制器13在恒定功率曲线上的点处操作(该曲线提供了由功率消耗者14消耗的功率)，并且命令功率消耗者14执行运动轨迹，并且命令辅助功率单元控制器21储存来自原动机12和/或功率消耗者14的过剩功率，将储存的功率提供至功率消耗者14和/或原动机12，和/或命令第一离合器16和第二离合器22使原动机12和/或辅助功率单元20与功率消耗者14联接或断开联接，这基于如由反馈装置28、反馈装置30、反馈装置32和反馈装置34确定的特定系统状况。

图4的方法提供了用于工作机器的在操作中改进的平滑度。例如，随着摇摆运动返回到初始位置，与摇摆运动相关的发动机的排量可被减小以维持小的扭矩/速度，因此预测该实施将何时停止。这是自动位置和结束冲程/旋转阻尼和自动校准特征，这将帮助操作者减少错误和缓解疲劳。而且，基于所记录的用于所需运动的启动点和结束点连同恒定功率线52和工作机器的已知特征(例如，惯性、损耗等)，控制器18可以计算运动轨迹，该运动轨迹从能量消耗角度看最高效，因此使操作成本最小化。

现在移动到图5，图5示出了根据本发明的用于自动探测系统性能下降和/或明显系统故障的流程图300。开始于框302，控制器18确定工作机器是否处于操作状态中。关于此，基于由反馈装置28、反馈装置30、反馈装置32和反馈装置34提供的数据和/或基于操作者输入(例如，游戏杆输入)、选择器开关位置等，控制器18可以确定操作状态。如果工作机器不处于操作状态中，则方法在框302处循环。如果工作机器处于操作状态中，则控制器18经由反馈装置28、反馈装置30、反馈装置32和反馈装置34收集来自工作机器的各种数据，并且将数据存储在存储器中。所收集的数据可以包括但不限于原动机功率输出、原动机速度、原动机扭矩输出、原动机燃料消耗、原动机空气流量、原动机电流、原动机电压、功率消耗者功率输入、一个或多个功率消耗者液压、功率消耗者速度(例如，致动器速度)、功率消耗者排量(例如，泵排量)、用于马达模式和制动模式的辅助单元液压或电流、能量储存单元液压、电压等。

在框306处，一个或多个系统操作参数与对应的基线参数比较。该基线参数可在工作机器的校准模式中获得并且存储在控制器18的存储器中。如果在框308处，在操作参数和基线参数之间的偏差大于规定值，例如10％或更大的偏差，则在框312处，控制器18可以向操作者标示：已经发生系统性能下降和/或该系统故障是明显的。而且，控制器可以限制各个部件的操作速度以使进一步损害最小化和/或以减小速度启用操作。如果在框308处系统操作参数和基线参数在彼此的规定值范围内，则控制器18可以推断该系统操作正常，并且该方法移动回到框302并且重复。

虽然关于某个实施例或多个实施例已经示出和描述了本发明，但是在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域技术人员可以想到等效替代和变型。特别是关于由上述元件(部件、组件、装置、组分等)执行的各种功能，除非另有说明，用于所描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于所描述元件的特定功能(即，功能上等效)的任何元件，即使未在结构上等同于执行本文中本发明的一个或多个示例性实施方式的功能的所公开的结构。另外，虽然仅针对几个实施例中的一者或多者在上文已经描述了本发明的特定特征，但是如对于任何给定或特定应用可能需要和有利的，这些特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征组合。

Claims (20)

1.一种用于包括功率消耗者的工作机器的控制系统，所述控制系统包括：

原动机；

用于储存能量的能量储存单元；

用于产生功率或消耗功率的辅助功率单元，所述辅助功率单元具有联接至所述原动机的第一连接部和能够联接至所述能量储存单元的第二连接部；以及

控制器，所述控制器可操作地联接至所述原动机并且能够可操作地联接至所述功率消耗者，所述控制器被配置成：

估算所述功率消耗者的所需功率；

命令所述原动机在产生所估算的所需功率的最佳操作点处操作；以及

基于所述原动机的功率输出能力和所述功率消耗者的功率消耗之间的关系，所述控制器被配置成以下命令中的至少一个命令：将来自所述原动机的过剩功率容量提供给所述辅助功率单元以储存在所述能量储存单元中，或将储存在所述能量储存单元中的能量提供至所述辅助功率单元以驱动所述功率消耗者。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括具有第一离合器输入端和第一离合器输出端的第一离合器，所述第一离合器可操作成使所述第一离合器输入端与所述第一离合器输出端选择性地联接或断开联接，其中，所述第一离合器输入端联接至所述原动机并且所述第一离合器输出端联接至所述功率消耗者；

并且，所述控制器可操作地联接至所述第一离合器，并且被配置成当所估算的所需功率小于第一规定值并且储存在所述能量储存单元中的能量大于第二规定值时，命令所述第一离合器将所述原动机与所述功率消耗者断开联接。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的系统，其中，所述控制器还被配置成当所估算的所需功率小于第一规定值并且储存在所述能量储存单元中的能量大于第二规定阀值时，禁用所述原动机。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制器还被配置成当所述原动机处于禁用状态中并且储存在所述能量储存单元中的能量大于所述第二规定值时，命令所述辅助功率单元在马达模式中操作。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括具有第二离合器输入端和第二离合器输出端的第二离合器，所述第二离合器可操作成使所述第二离合器输入端与所述第二离合器输出端选择性地联接或断开联接，其中，所述第二离合器输入端联接至所述辅助功率单元并且所述第二离合器输出端联接至所述功率消耗者；

并且，所述控制器可操作地联接至所述第二离合器，并且被配置成当由所述原动机输出的功率和由所述功率消耗者消耗的功率之差为非负并且小于第三规定值时，命令所述第二离合器使所述辅助功率单元与所述功率消耗者断开联接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，估算所述功率消耗者的所需功率包括测量置于所述功率消耗者上的负载，并且基于所测量的负载估算所需功率。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，还包括功率消耗者，其中，所述功率消耗者联接至所述原动机和所述辅助功率单元。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述原动机包括内燃机、液压发动机、或电动机中的一者。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述辅助功率单元包括液压泵，所述液压泵能够在用于产生液压功率的第一模式和用于消耗液压功率的第二模式中操作。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述辅助功率单元包括液压机或电机中的至少一者。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述能量储存单元包括用于储存液压能量的蓄能器和用于储存电能的电池中的至少一者。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中，所述工作机器包括挖掘机。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其中，所述控制器被配置成基于所述原动机的恒定功率线特征来确定最佳操作状态。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，其中，所述控制器被配置成通过寻找最低原动机速度和最高原动机扭矩来确定最佳操作状态，所述最佳操作状态产生用于所述功率消耗者的所估算的所需功率。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的系统，其中，所述控制器被配置成存储运动轨迹并且自动地执行所存储的所述运动轨迹。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的系统，其中，所述控制器被配置成将系统操作参数与基线参数比较，并且当所述系统操作参数偏离所述基线参数达规定阀值时，所述控制器推断部件提供了可能的部件故障的指示。

17.根据权利要求16所述的系统，所述系统参数包括原动机功率输出、原动机速度、功率消耗者功率输入、液压单元功率和液压单元压力中的至少一者。

18.一种用于工作机器的控制器，所述工作机器包括功率消耗者、原动机、用于储存功率的能量储存单元、用于产生功率或消耗功率的辅助功率单元，所述控制器包括：

处理器和存储器；

存储在所述存储器中并且能够被所述处理器执行的逻辑电路，所述逻辑电路包括：

配置成估算所述功率消耗者所需功率的逻辑电路；

配置成命令所述原动机在产生所估算的所需功率的最佳操作点处操作的逻辑电路；以及

配置成以下命令中的至少一个命令的逻辑电路：将能够由所述原动机产生的过剩功率提供给所述辅助功率单元以储存在所述能量储存单元中，或将储存在所述能量储存单元中的能量提供至所述辅助功率单元以驱动所述功率消耗者，其中，将所述过剩功率提供给所述辅助功率单元的命令或将储存在所述能量储存单元中的能量提供至所述辅助功率单元的命令是基于所述原动机的功率输出容量和所述功率消耗者的功率消耗之间的关系。

19.根据权利要求18所述的控制器，其中，所述控制器还包括这样的逻辑电路，其被配置成当所估算的所需功率小于第一规定值并且储存在所述能量储存单元中的能量大于第二规定阀值时，禁用所述原动机。

20.根据权利要求18至19中任一项所述的系统，其中，所述控制器还包括这样的逻辑电路，其被配置成当所述原动机处于禁用状态中并且储存在所述能量储存单元中的能量高于第二规定值时，命令所述辅助功率单元在马达模式中操作。