CN106956607B - 混合动力型工程机械 - Google Patents

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Abstract

混合动力型工程机械，包括可移动供电车和工程机械，可移动供电车中设有电池、输出电力变换装置、电源控制装置及充电装置，工程机械中设有电机、第一液压泵组、发动机、第二液压泵组、液压驱动系统、油箱及第一发电机，电机的电力由可移动供电车提供。本发明保证了中大型工程机械用小型发动机驱动也能正常工作，采用混合动力，使整个系统达到最高效率，外接供电车可以积极利用电网电力，减小了发动机的规格，即减小废气排放、燃油成本和环境噪声。把复杂而娇气的电池和电力控制系统安放到工作环境较好的供电车上，避免了安装在工程机械上的故障隐患，即使供电车的电力系统发生故障，也只要换一台供电车，不会影响工程机械的正常工作。

Description

混合动力型工程机械
技术领域
本发明属于工程机械设备技术领域，涉及电力传输技术，工程机械技术，通信技术，控制技术，具体来说，是一种混合动力型工程机械。
背景技术
中大型的工程机械，如挖掘机、吊车等，重达几十吨到上百吨，发动机功率在100KW到数千KW, 但实际上这些机械真正有限的工作效率还不到20%，大部分无用功都消耗在发动机和液压系统上，提高工程机械效率的理想方案是把发动机改为电机。
但是，电动型工程机械如果直接通过电网供电，而这样大的机械往往耗电量的波动非常大，对电网的容量要求很高，而且因为机械离不开从电网上引来的电缆供电，其活动范围受到很大的局限，并不是可以普遍采用的方案。
也有通过外接供电车为工程机械供电的移动供电型电动方案，但对于大型工程机械来讲，所需要的功率太大，需要巨大的供电车装载大量的电池才能供电，而且功率大需要用很粗的电缆进行供电，所以也不适合。
还有混合驱动方案，即在工程机械上安装发动机和电池-电机系统，发动机驱动液压系统，同时带动一个发电机-电动机两用的电机，连接到一个电池组上。当液压系统要求的能量少时，发动机驱动发电机发电为电池充电，反过来液压系统负载大时，就用电池内的发过来驱动电机来辅助发动机驱动液压系统。这样的混合系统确实能有效的提高工程机械的效率，但在实际上，因为工程机械内的工作条件环境非常苛刻，复杂的电池和电力系统安装在这样的环境下，会大幅度提高故障风险，当然对元件性能要求的提高，也意味着成本的提高。更苛刻的条件是这类挖掘机常常需要每天工作20小时以上，对机械的连续性要求非常高，在这样用途的机械上搭载混合驱动系统的技术难度和成本难度都比较大，因此这样的方案也不适合。
发明内容
本发明要解决现有技术的问题，构思出的混合动力型工程机械可以很好地克服上述问题，提供了一种在不影响工程机械工作效率的前提下，缩小发动机和供电车尺寸规格，降低故障的解决方案。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
混合动力型工程机械，包括可移动供电车和工程机械，所述可移动供电车中设有电池、输出电力变换装置、电源控制装置及充电装置，所述工程机械中设有电机、第一液压泵组、发动机、第二液压泵组、液压驱动系统及油箱，电机的电力由可移动供电车提供；电机驱动第一液压泵组，发动机驱动第二液压泵组，将油箱中的压力油提供给液压驱动系统中的油缸或液压马达；所述工程机械中还设有由发动机带动的第一发电机，第一发电机产生的电力通过电力输出控制装置传输至可移动供电车的充电装置，变成可为电池充电的电力。工程机械的动力来源以发动机为主，电机为辅，当机械负载小时，工程机械可以单独工作而不需要供电车提供电力，发动机多余的功率可以用来带动第一发电机发电，为可移动供电车的电池充电，当机械负载增大时，通过输出电力变换装置将电池的电力传输至电机，使电机进入工作状态，如果工程机械长时间处于高负载工作状态，车载发动机没有余量为供电车的电池充电时，供电车可以通过外接电网充电，电网过远的话可以解开与工程机械的连接，将供电车移动到有电网的地方去充电，同时更换另换一台供电车配合工程机械工作。
优选的，所述可移动供电车和所述工程机械中都设有通讯装置，用于两者之间信号的传输，信号包括可移动供电车上电池的电量信息以及工程机械发出的指令，可移动供电车上的通讯装置可接收从工程机械上通讯装置传来的指令，而通过电源控制装置控制电力输出变换装置是否输出电池的电力以及根据需要输出电力的大小。
优选的，在所述工程机械中增设液压电力变换装置，把通常液压系统中通过节流而转换成热能的液压能，转变为电能，通过电力输出装置变换为供电车上的电池充电。
优选的，所述液压电力变换装置包括换向阀、液压马达、第二发电机及控制装置，换向阀安装于具有上下移动的油缸或液压马达的压力油回流管路上，通过控制装置，换向阀改变回流管路，使压力油通过液压马达再流入油箱，液压马达带动第二发电机发电，产生的电力通过电力输出控制装置传输至可移动供电车的充电装置，变成可为电池充电的电力。把位于高处的油缸或液压马达中的压力油的势能，在压力油回流下落过程中通过液压马达和发电机转换成电能，并且为可移动供电车的电池充电，从而回收一部分原来损失的能量。
优选的，所述工程机械通过操作手柄实现对电机和发动机的工作状态和工作强度的控制。当工程机械的操作手柄全部处于中立位置，且发动机所驱动的第二液压泵组的出口压力低于指定值，工程机械上的通讯装置自动通知可移动供电车停止输出电力变换装置的输电，而使电机停止工作；当工程机械的操作手柄中有任意一个手柄离开中立位置并达到一定操作量以上时，通讯装置通知供电车启动输出电力变换装置的输电，而让电机转动起来，电机的转动速度随操作手柄的操作量成正比。
优选的，所述操作手柄上设有加速按钮。手柄开度达到最大后，电机速度保持一定，当加速按钮被按住时，输出电力变换装置可以把电机转速继续提高一定的量，而起到瞬间加速的作用。
一种计算发电机最佳发电量的方法，用于计算第一发电机在发动机最高效率工作时的最佳发电量，所述计算方法包括以下步骤：
S1、控制发动机的转速与能让发动机燃烧效率最高时的转速Ni保持一致，在发动机出厂时，说明书上都注明了发动机的各项参数，其中就包括燃烧效率最高时的转速功率；
S2、计算第二液压泵组所消耗的扭矩，即在第二液压泵组的驱动轴上所施加的扭矩Tp，计算公式为：
Tp=PS2*q/Ka；
其中，PS2为第二液压泵组的出口压力；
q为泵排量，根据操作手柄的操作量和泵排量控制逻辑来推算出来；
Ka为第二液压泵组的机械效率；
S3、计算第一发电机输入轴所容许的最大扭矩Te，计算公式为：
Te=Ti-Tp= Ti- PS2*q/Ka；
其中，Ti为发动机在最高效率工作下的转速Ni时的扭矩Ti；
S4、根据第一发电机输入轴所容许的最大扭矩Te即可计算出第一发电机的最佳发电量。
这样要保证发电机的最佳发电量只要控制发电机的输入轴扭矩尽可能的接近容许的最大扭矩Te就可以了。而发动机的工作状态始终保持在最佳功效的状态，并且随着机械负载的大小随时调节第一发电机发电量的大小，最大限度的减少了能量的损失。
本发明的有益效果在于：保证了中大型工程机械采用小型发动机也能保持正常工作。采用混合动力，使整个系统达到最高效率，外接供电车可以积极利用电网电力，减小了发动机的规格和供电车的尺寸，即减小废气排放、燃油成本和环境噪声。同时，把复杂而娇气的电池和电力控制系统安放到工作环境较好的供电车上，避免了这些结构安装在工程机械上的故障隐患，即使供电车的电力系统发生故障，也只需要换一台供电车，就可以继续工作，不会影响工程机械的正常工作。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的动力系统示意图。
图中：1、可移动供电车；1.1、电池；1.2、输出电力变换装置；1.3、电源控制装置；1.4、充电装置；2、工程机械；2.1、电机；2.2、第一液压泵组；2.3、发动机；2.4、第二液压泵组；2.5、液压驱动系统；2.5.1、油缸或液压马达；2.6、油箱；2.7、第一发电机；2.8、电力输出控制装置；2.9、液压电力变换装置；2.9.1、换向阀；2.9.2、液压马达；2.9.3、第二发电机；2.9.4、控制装置；2.10、操作手柄；2.10.1、加速按钮。
具体实施方式
下面通过具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。
实施方式为：如图1和图2所示，混合动力型工程机械，包括可移动供电车1和工程机械2，可移动供电车1中设有电池1.1、输出电力变换装置1.2、电源控制装置1.3及充电装置1.4，工程机械2中设有电机2.1、第一液压泵组2.2、发动机2.3、第二液压泵组2.4、液压驱动系统2.5、油箱2.6及第一发电机2.7，电机2.1的电力由可移动供电车1提供；电机2.1驱动第一液压泵组2.2，发动机2.3驱动第二液压泵组2.4，将油箱2.6中的压力油提供给液压驱动系统2.5中的油缸或液压马达2.5.1；发动机2.3带动第一发电机2.7，产生的电力通过电力输出控制装置2.8传输至可移动供电车1的充电装置1.4，变成可为电池1.1充电的电力。
其中，可移动供电车1和工程机械2中都设有通讯装置3，用于两者之间信号的传输。
此外，工程机械2中设有液压电力变换装置2.9，包括换向阀2.9.1、液压马达2.9.2、第二发电机2.9.3及控制装置2.9.4，换向阀2.9.1安装于具有上下移动的油缸或液压马达2.5.1的压力油回流管路上，通过控制装置2.9.4，换向阀2.9.1改变回流管路，使压力油通过液压马达2.9.2再流入油箱2.6，液压马达2.9.2带动第二发电机2.9.3发电，产生的电力通过电力输出控制装置2.8传输至可移动供电车1的充电装置1.4，变成可为电池1.1充电的电力。
工程机械2通过操作手柄2.10实现对电机2.1和发动机2.3的工作状态和工作强度的控制。操作手柄2.10上的加速按钮2.10.1可加大输出电力变换装置输出的电力，从而增加电机转速，起到加速功能，用于操作者觉得操作速度不足或力量不足的时候。
根据以上所述的混合动力型工程机械，而得出一种计算发电机最佳发电量的方法，用于计算第一发电机2.7在发动机2.3最高效率工作时的最佳发电量，计算方法包括以下步骤：
S1、控制发动机2.3的转速与能让发动机2.3燃烧效率最高时的转速Ni保持一致；
S2、计算第二液压泵组2.4所消耗的扭矩，即在第二液压泵组2.4的驱动轴上所施加的扭矩Tp，计算公式为：
Tp=PS2*q/Ka；
其中，PS2为第二液压泵组2.4的出口压力；
q为泵排量，根据操作手柄2.10的操作量和泵排量控制逻辑来推算出来；
Ka为第二液压泵组2.4的机械效率；
S3、计算第一发电机2.7输入轴所容许的最大扭矩Te，计算公式为：
Te=Ti-Tp= Ti- PS2*q/Ka；
其中，Ti为发动机2.3在最高效率工作下的转速Ni时的扭矩Ti；
S4、根据第一发电机2.7输入轴所容许的最大扭矩Te即可计算出第一发电机2.7的最佳发电量。
工作方式为：动力由发动机2.3单独提供，或由发动机2.3和电机2.1共同提供，原因在于一般发动机2.3不宜进行频繁的启动停止，而电机2.1则不在乎，所以根据工程机械2操作量的大小可以随时启动或停止电机2.1。另一方面，发动机2.3达到速度上限后，不可能继续增速，而电机2.1适当的超速运行对电机2.1的性能也没有影响，利用电,2.1的这种特点，可以在工程机械2负载低的时候，及时停止电机2.1，节省能源，而在工程机械2重负载时，电机2.1能再加一把力，而扩展同等工程机械2的使用范围。
在工程机械2运输或转移时，不好连接可移动供电车1，可以把可移动供电车1的电缆脱开，而只让发动机2.3驱动第二液压泵组2.4，而驱动工程机械2。
可移动供电车1的电力不一定非从第一发电机2.7和第二发电机2.9.3上获得，也可以在电网上充好电后来过来为工程机械2供电，如果以这种方式为主时，可以适当减小发动机2.3的尺寸，或者调低发动机2.3的转速，减少发动机2.3对可移动供电车1的充电比率。在这种使用状态下，可以尽量多使用可移动供电车1方面的电能，但如果从可移动供电车1上提供的电能过多，就需要装载很大的电池1.1和使用很粗的电缆，可移动供电车1的体积重量等都会大幅度增大，而大幅度提高可移动供电车1的成本，降低可移动供电车1的机动性，同时降低工程机械2的工作方便性。所以，根据工程机械2机型的大小选择合适合理的发动机2.3和电池1.1的大小比例是非常重要的。
有三个准则可以参考：第一是发动机2.3最大排量准则。在一些有工程机械2排气限制的地区，当发动机2.3的排气水平超过一定程度时，将会受到很多使用制约，在这种地区，让发动机2.3的排气量低于这些制约值是最重要的。动力不足的部分则用可移动供电车1来提供，按这个准则决定的发动机2.3功率为W1。
第二是最大通用可移动供电车1准则。如果为某一型号的工程机械2专门开发一种可移动供电车1，其成本会大幅度增加，所以，最好能采用最大的通用型可移动供电车1，根据可移动供电车1能提供的最大电力和工程机械2所需要的动力决定发动机2.3的最小功率W2。
第三是最小发动机2.3准则，即发动,2.3单独驱动工程机械2时，所需要的最小功率W3。
在上述三种准则下得出的最佳发动机功率值作为选择发动机2.3的准则，选好发动机2.3后，在根据工程机械2所需要的最大功率来决定可移动供电车1的电池1.1容量和供电功率。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (4)

1.混合动力型工程机械，包括可移动供电车（1）和工程机械（2），其特征在于：所述可移动供电车（1）中设有电池（1.1）、输出电力变换装置（1.2）、电源控制装置（1.3）及充电装置（1.4），所述工程机械（2）中设有电机（2.1）、第一液压泵组（2.2）、发动机（2.3）、第二液压泵组（2.4）、液压驱动系统（2.5）及油箱（2.6），电机（2.1）的电力由可移动供电车（1）提供；
电机（2.1）驱动第一液压泵组（2.2），发动机（2.3）驱动第二液压泵组（2.4），将油箱（2.6）中的压力油提供给液压驱动系统（2.5）中的油缸或液压马达（2.5.1）；
所述工程机械（2）中还设有由发动机（2.3）带动的第一发电机（2.7），第一发电机（2.7）产生的电力通过电力输出控制装置（2.8）传输至可移动供电车（1）的充电装置（1.4），变成可为电池（1.1）充电的电力；
所述可移动供电车（1）和所述工程机械（2）中都设有通讯装置（3），用于两者之间信号的传输；
所述工程机械（2）中设有液压电力变换装置（2.9），由所述液压电力变换装置（2.9）产生的电力通过电力输出控制装置（2.8）传输至可移动供电车（1）的充电装置（1.4），变成可为电池（1.1）充电的电力；
所述液压电力变换装置（2.9）包括换向阀（2.9.1）、液压马达（2.9.2）、第二发电机（2.9.3）及控制装置（2.9.4），换向阀（2.9.1）安装于具有上下移动的油缸或液压马达（2.5.1）的压力油回流管路上，通过控制装置（2.9.4），换向阀（2.9.1）改变回流管路，使压力油通过液压马达（2.9.2）再流入油箱（2.6），液压马达（2.9.2）带动第二发电机（2.9.3）发电，产生的电力通过电力输出控制装置（2.8）传输至可移动供电车（1）的充电装置（1.4），变成可为电池（1.1）充电的电力。
2.根据权利要求1所述的混合动力型工程机械，其特征在于：所述工程机械（2）通过操作手柄（2.10）实现对电机（2.1）和发动机（2.3）的工作状态和工作强度的控制。
3.根据权利要求2所述的混合动力型工程机械，其特征在于：所述操作手柄（2.10）上设有加速按钮（2.10.1）。
4.一种计算发电机最佳发电量的方法，用于计算以上任一项权利要求中所述的混合动力型工程机械的第一发电机（2.7）在发动机（2.3）最高效率工作时的最佳发电量，其特征在于：所述计算发电机最佳发电量的方法包括以下步骤：
S1、控制发动机（2.3）的转速与能让发动机（2.3）燃烧效率最高时的转速Ni保持一致；
S2、计算第二液压泵组（2.4）所消耗的扭矩，即在第二液压泵组（2.4）的驱动轴上所施加的扭矩Tp，计算公式为：
Tp=PS2*q/Ka；
其中，PS2为第二液压泵组（2.4）的出口压力；
q为泵排量，根据操作手柄（2.10）的操作量和泵排量控制逻辑来推算出来；
Ka为第二液压泵组（2.4）的机械效率；
S3、计算第一发电机（2.7）输入轴所容许的最大扭矩Te，计算公式为：
Te=Ti-Tp=Ti-PS2*q/Ka；
其中，Ti为发动机（2.3）在所述能让发动机（2.3）燃烧效率最高时的转速Ni时的扭矩；
S4、根据第一发电机（2.7）输入轴所容许的最大扭矩Te即可计算出第一发电机（2.7）的最佳发电量。
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