CN110546330A

CN110546330A - 能量存储系统

Info

Publication number: CN110546330A
Application number: CN201880026264.0A
Authority: CN
Inventors: P·J·米勒; A·闵可夫斯基
Original assignee: Bucyrus International Inc
Current assignee: Caterpillar Global Mining LLC
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2019-12-06
Also published as: AU2018257609A1; AU2018257609B2; CA3061126A1; DE112018001591T5; ZA201907501B; US10240322B2; WO2018200107A1; US20180313060A1

Abstract

一种与具有作业工具(120)和一个或多个辅助负载(212)的机器(100)相关联的能量存储系统(200)包括产生机械动力的动力源(202)。能量存储装置(206)将动力供应到一个或多个辅助负载(212)。发电机(204)可操作地联接到动力源(202)且将机械动力的至少一部分转换成电力。发电机(204)将电力供应到能量存储装置(206)。控制器(210)可通信地联接到动力源(202)、作业工具(120)、能量存储装置(206)和发电机(204)。控制器(210)确定作业工具(120)的动力需求。然后，控制器(210)比较所确定的动力需求是否超过预定阈值动力。如果动力需求超过预定阈值动力，则控制器(210)停用发电机(204)将电力供应到能量存储装置(206)。

Description

能量存储系统

技术领域

本公开大体上涉及能量管理和存储系统。更确切地说，本公开涉及与用于采矿、挖掘和建筑等的重型设备一起操作的能量存储系统。

背景技术

诸如动力铲和挖掘机之类的机器可能包括在连续履带、车轮、浮筒等上方旋转的甲板或其它平台。从甲板延伸，该机器可进一步包括用于铰接臂或起重机的动臂，该动臂设计成操作铲斗、破碎机、吊钩或任何其它此类作业工具。因此，此类机器通常包括一个或多个致动器，该致动器被设计为移动履带，旋转甲板以及操作铰接臂和作业工具。

上面的机器设计为在实质上重复的工作循环中操作。举例来说，动力铲或挖掘机通常可以以工作循环进行操作，该工作循环可包括挖掘、提升、摆动、倾倒和返回步骤，以操作铲斗来挖掘和装载破碎的岩石、泥土、矿物、覆盖层等用于采矿目的。为这些操作提供动力的是机械动力系统或机电动力系统，其设计用于针对作业工具和一些辅助负载(包括机器的冷却负载等)的组合最大动力需求提供动力。大多数情况下，由于基于工作循环的重复性的峰值动力需求不均，故机器无法充分利用可用动力。因此，该机器结合对于其动力需求分布的大部分过大的发动机操作。过大发动机会影响初始采购成本、操作和维修成本，以及机器的整体寿命。

美国专利号8,606,451(下文称作’451参考文献)描述了用于重型设备的能量系统，其中能量系统基于电需求的变化而改变发动机的功率输出。’451参考文献包括一种方法，所述方法用于向母线提供电力以用于为致动器供电，响应于母线上的增加的电气需求从能量存储装置向母线提供电力，以及以小于发动机的最大能力的速率增大发动机的功率输出。然而，’451参考文献并未公开关于发动机尺寸减少的任何解决方案的详细信息。

因此，需要用于机器的改进的能量存储系统。

发明内容

在本公开的一个方面，提供了一种与机器相关联的能量存储系统。机器包括作业工具和一个或多个辅助负载。能量存储系统包括产生机械动力的动力源，能量存储装置，可操作地联接到动力源的发电机，以及可通信地联接到动力源、作业工具、能量存储装置和发电机的控制器。发电机将机械动力的至少一部分转换成电力并将电力供应到能量存储装置。能量存储装置将电力供应到一个或多个辅助负载。控制器确定作业工具的动力需求。然后，控制器比较所确定的动力需求是否超过预定阈值动力。如果动力需求超过预定阈值动力，则控制器停用发电机向能量存储装置供应电力。

在本公开的另一方面，提供了一种与机器相关联的能量存储系统。机器包括作业工具和一个或多个辅助负载。能量存储系统包括产生机械动力的动力源，可操作地联接到动力源的发电机，电联接到发电机的能量存储装置，以及可通信地联接到动力源、作业工具、能量存储装置和发电机的控制器。发电机将机械动力的至少一部分转换成电力。能量存储装置接收来自发电机的电力。能量存储装置进一步将电力供应到一个或多个辅助负载。控制器确定作业工具的动力需求。控制器进一步确定所确定的动力需求是否超过预定阈值动力。如果所确定的动力需求超过预定阈值动力，则控制器然后基于辅助负载的特征性质调节电力到辅助负载的供应，以延长存储能量的使用。

在本公开的又一方面，提供了一种与机器相关联的能量存储系统。机器包括作业工具和一个或多个辅助负载。能量存储系统包括产生机械动力的动力源，将电力供应到一个或多个辅助负载的能量存储装置，可操作地联接到动力源的发电机，以及可通信地联接到动力源、作业工具、能量存储装置和发电机的控制器。发电机将机械动力的至少一部分转换成电力并将电力供应到能量存储装置。控制器确定作业工具的动力需求。控制器进一步确定所确定的动力需求是否超过预定阈值动力。如果动力需求超过预定阈值动力，则控制器停用发电机向能量存储装置供应电力。控制器然后基于辅助负载的特征性质调节对辅助负载的电力供应，以延长存储能量的使用。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的示例性机器的透视图；

图2是根据本公开的实施例的机器的能量存储系统的示意图；

图3是根据本公开的实施例的机器的工作循环内的动力需求的图示；以及

图4是描绘根据本公开的实施例的用于机器的控制方法的流程图。

具体实施方式

只要可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。图1示出了示例性机器100。机器100示出为液压挖掘机，其可例如用于矿业和其它相关工业。虽然以下详细描述描述了与液压挖掘机相关的示例性方面，应当理解，该描述同样适用于本公开在其它机器中的使用。

机器100包括支承在地面接合元件104上的上回转本体102。尽管地面接合元件104示出为连续履带，但应当想到，地面接合元件104也可为任何其它类型的地面接合元件，例如，轮等。上回转本体102包括动力隔室106、存储隔室108、液压隔室110、驾驶舱112和冷却隔室114。各种楼梯井116和走道118可与上回转本体102结合在一起，以使操作员在整个机器100中移动以根据应用要求进入各种部件。

机器100包括具有可操作地联接到臂124以操作铲斗126的动臂122的作业工具120。根据示例性实施例，一对动臂缸体128在上回转本体102与动臂122之间延伸，以控制动臂122相对于上回转本体102的移动。类似地，一对臂缸体130在动臂122与臂124之间延伸以控制臂124相对于动臂122的移动。此外，一对卷曲缸体132在动臂122与铲斗126之间延伸以控制铲斗126相对于臂124的移动。根据示例性实施例，液压缸体128、130、132可为双作用缸体，其构造成在相应活塞的两端上接收液压流体。附加致动器(例如，电动或液压马达)可用于经由地面接合元件104推进机器100，和/或使上回转本体102相对于地面接合元件104旋转。

参看图2，示出了能量存储系统200。能量存储系统200包括作业工具120。作业工具120可为能够按照操作员的命令执行任务的任何器具。在实施例中，作业工具120由放置在动力隔室106内的动力源202供能。在一些实施例中，动力源202可包括基于燃料效率或峰值功率需求等而生成机械动力的一个或多个内燃机(未示出)。在一些实施例中，一个或多个内燃机可基于机器100的各种工作循环期间的动力需求一次操作一个或同时操作。

能量存储系统200进一步包括可操作地连接到动力源202的发电机204。发电机204将所产生的机械动力的至少一部分转换成电力。在实施例中，发电机204可为单相或多相发电机、基于交流电或直流电的发电机、或可根据本公开的需要而适合的任何其它类型的发电机。发电机204将电力供应到放置在存储隔室108内的能量存储装置206。在实施例中，能量存储装置206可包括一个或多个超电容器(未示出)组。在其它设想的实施例中，可使用其它形式的能量存储装置(例如，次级电池)或能量存储装置的其它布置。

能量存储装置206可电联接到发电机204以用于接收电力。有时可停用发电机204与能量存储装置206之间的电联接，以停止从发电机204到能量存储装置206的电力供应。应当设想，各种启用或停用电力供应的方式可能不影响本公开的范围。

液压系统208放置在液压隔室110内以用于为作业工具120供能。在实施例中，液压系统208可从动力源202接收机械动力以驱动液压泵(未示出)。在另一个实施例中，液压泵可由电驱动器(未示出)驱动，电驱动器由来自能量存储装置206的电力供电。在一些实施例中，液压系统208可提供为机械和电驱动的液压系统的组合。

能量存储装置206将电力供应到一个或多个辅助负载212。在示例性实施例中，一个或多个辅助负载212可包括机器100的电动配件(EPA)。在一些实施例中，EPA可包括任何器具或致动器或鼓风机，或者由储存在能量存储装置206中的电力供电的类似配件。由带驱动器驱动的传统动力配件或此类其它常规驱动装置也可通过使用电驱动器替换带驱动器来转换为EPA。

一个或多个辅助负载212包括发动机冷却负载214、驾驶舱冷却负载216、液压先导泵负载218和液压油冷却负载220中的至少一个。在实施例中，发动机冷却负载214、驾驶舱冷却负载216和液压油冷却负载220可放置在冷却隔室114内。在所示实施例中，发动机冷却负载214、驾驶舱冷却负载216和液压油冷却负载220包括以矩阵布置来布置的一个或多个电风扇EF，以向冷却剂(未示出)提供冷却。一个或多个电风扇EF可操作地联接到控制器210，且可以以可变速度操作。

继续参看图2，能量存储系统进一步包括控制器210。控制器210可通信地联接到动力源202、作业工具120、发电机204、能量存储装置206和一个或多个辅助负载212。控制器210可为一起工作以执行各种任务的单个控制器或多个控制器。控制器210可体现为单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等，其包括用于响应于操作员请求、内置约束、感测到的操作参数、和/或来自非机载控制器(未示出)的传输指令调节对能量存储装置206的电力供应的装置。许多市售微处理器可配置为执行控制器210的功能。各种已知电路可与控制器210相关联，包括电源电路、信号调节电路、致动器驱动器电路(即，为螺线管、马达或压电致动器供电的电路)以及通信电路。

如图3所示，描绘了用于机器100的各种工作循环的动力需求曲线。动力需求值A到T表示在机器100的重复工作循环的节段期间的动力需求。从A到T的每一动力需求值限定来自作业工具120和一个或多个辅助负载212的组合动力需求。机器100从动力需求值A开始操作。节段BC、FG、LM和PQ代表较高动力需求值，而节段DE、HI、NO和RS代表较低动力需求值。作业工具120通过挖掘、提升、摆动、倾倒并返回挖掘坑进行操作。作业工具120通过摆动、倾倒和返回而操作的周期可能属于较低动力需求LPD值节段，而挖掘和提升操作可能属于较高动力需求HPD值节段。线XX和X’X’分别表示根据本公开的机器100的峰值动力需求值和当为一个或多个辅助负载212供电时的机器100的峰值动力需求值。

组合参考图1-3，动力源202产生机械动力。动力源202驱动发电机204并将机械动力转换成电力。能量存储装置206从发电机204接收并存储电力。能量存储装置206按控制器210指示将存储的电力供应到一个或多个辅助负载212。控制器210确定作业工具120的动力需求，并且比较所确定的动力需求是否超过预定的动力阈值。预定动力阈值可对应于来自动力源202的支持作业工具120的操作的最大动力需求。预定动力需求可基于应用要求以及机器100而变化。

如果所确定的动力需求超过预定阈值动力，则控制器210可基于辅助负载212的特征性质调节对辅助负载212的电力供应，以延长所存储的电力的使用。在实施例中，辅助负载212的特征性质可为与发动机冷却负载214、驾驶舱冷却负载216和液压油冷却负载220中的至少一个相关联的热时间常数。这里，热时间常数将具有如现有技术已知且由本领域的一般技术人员设想的含义。在另一个实施例中，热时间常数与在机器100中使用的冷却剂相关联。

如果动力需求超过预定阈值动力，则控制器210停用发电机204将电力供应到能量存储装置206。在其它实施例中，控制器210可基于辅助负载212的特征性质而停用发电机204并调节对辅助负载212的电力供应，以延长所存储的电力的使用。

工业适用性

本公开提供一种操作与机器100相关联的能量存储系统200的方法。借助于图4示出了用于控制能量存储系统200的方法400。在实施例中，机器100接通并操作来挖掘。

方法400在步骤402处包括确定作业工具120的动力需求。控制器210可通过分析存储的机器数据、用于机器动力使用的统计模型等来确定动力需求。动力需求可由任何其它合适的装置根据本发明的需要确定。在一些实施例中，可机外确定动力需求，且动力需求然后传送到控制器210。方法400在步骤404处包括比较所确定的动力需求是否超过预定阈值动力。控制器210可使用任何常规方法来比较所确定的动力需求和预定阈值动力。在实施例中，预定阈值动力可存储到控制器210的存储器(未示出)中，并然后按照应用要求检索。如果动力需求超过预定阈值动力，方法400在步骤406处包括停用发电机204将电力供应到能量存储装置206。选择性地停用对能量存储装置206的电力供应使得机器100能够利用动力源202的所有可用动力来仅用于挖掘功能，由此减少所产生的最大可能动力需求。这进一步降低了为作业工具120和一个或多个辅助负载212两者供能所需的整体发动机尺寸或容量，使得机器100以动力室202上的更恒定的负载运行并且利用了动力室202，动力室的动力输出更好地与所需动力匹配。进一步，选择性停用还意味着能量存储装置206仅在低功率需求节段期间充电，从而通过在柴油动力曲线或任何其它适用的燃料曲线的燃料效率更高的区域中操作来进一步提高机器100的效率。

方法400在步骤408处包括基于辅助负载212的特征性质调节对辅助负载212的电力供应。选择性调节通过使用热时间常数作为一个或多个辅助负载212的特征性质而延长所存储的电力的使用。在辅助负载212构成发动机冷却负载214、驾驶舱冷却负载216和液压油冷却负载220的一些实施例中，特征性质可为一个或多个电风扇EF的速度。这改善了燃料效率，因为通常速度可能会降低到仅为原始速度的一半，而能量节能可能高达70％。在实施例中，其它特征性质，如冷却剂的体积、比热、冷却剂温度，以及冷却的流体的性质还可用于延长所存储的电力的使用。由于在相同的工作量下燃烧较少的燃料，这进一步使机器100高效，从而进一步延长了动力源202的整体使用寿命。

尽管参考以上实施例已经特别地示出并描述了本公开的各方面，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离所公开的内容的精神和范围的情况下，可通过对所公开的机器、系统和方法的修改而设想到各个附加实施例。这样的实施例应当被理解为落入如根据权利要求书及其任何等同物所确定的本公开的范围之内。

Claims

1.一种与机器(100)相关联的能量存储系统(200)，所述机器(100)具有作业工具(120)和一个或多个辅助负载(212)，所述能量存储系统(200)包括：

动力源(202)，所述动力源配置成产生机械动力；

能量存储装置(206)，所述能量存储装置配置成将电力供应到所述一个或多个辅助负载(212)；

可操作地联接到所述动力源(202)的发电机(204)，所述发电机(204)配置成：

将所述机械动力的至少一部分转换成电力；

将所述电力供应至所述能量存储装置(206)；以及

控制器(210)，所述控制器可通信地联接到所述动力源(202)、所述作业工具(120)、所述能量存储装置(206)和所述发电机(204)，其中所述控制器(210)配置成：

确定所述作业工具(120)的动力需求；以及

比较所确定的动力需求是否超过预定阈值动力；以及

如果所述动力需求超过所述预定阈值动力，则停用所述发电机(204)将所述电力供应到所述能量存储装置(206)。

2.根据权利要求1所述的能量存储系统(200)，其中所述作业工具(120)的所述动力需求是工作循环节段内的估计动力需求。

3.根据权利要求1所述的能量存储系统(200)，其中所述辅助负载(212)包括发动机冷却负载(214)、驾驶舱冷却负载(216)、液压先导泵负载(218)和液压油冷却负载(220)中的至少一个。

4.根据权利要求3所述的能量存储系统(200)，其中所述发动机冷却负载(214)包括以矩阵布置来布置的一个或多个电风扇。

5.根据权利要求3所述的能量存储系统(200)，其中所述液压油冷却负载(220)包括以矩阵布置来布置的一个或多个电风扇。

6.根据权利要求1所述的能量存储系统(200)，其中所述辅助负载(212)包括所述机器(100)的电动配件。

7.根据权利要求1所述的能量存储系统(200)，其中所述预定阈值动力对应于来自所述动力源(202)的支持所述作业工具(120)的操作的最大动力需求。

8.一种与机器(100)相关联的能量存储系统(200)，所述机器(100)具有作业工具(120)和一个或多个辅助负载(212)，所述能量存储系统(200)包括：

动力源(202)，所述动力源配置成产生机械动力；

可操作地联接到所述动力源(202)的发电机(204)，所述发电机(204)配置成将所述机械动力的至少一部分转换成电力：

能量存储装置(206)，所述能量存储装置电联接到所述发电机(204)；所述能量存储装置(206)配置成：

从所述发电机(204)接收所述电力；以及

将所述电力供应到所述一个或多个辅助负载(212)；以及

控制器(210)，所述控制器可通信地联接到所述动力源(202)、所述作业工具(120)、所述发电机(204)和所述能量存储装置(206)，其中所述控制器(210)配置成：

确定所述作业工具(120)的动力需求；

确定所确定的动力需求是否超过预定阈值动力；以及

如果所确定的动力需求超过所述预定阈值动力，则基于所述辅助负载(212)的特征性质，调节对所述辅助负载(212)的电力供应以延长存储能量的使用。

9.根据权利要求8所述的能量存储系统(200)，其中所述作业工具(120)的所述动力需求是工作循环节段内的估计动力需求。

10.根据权利要求8所述的能量存储系统(200)，其中所述辅助负载(212)包括发动机冷却负载(214)、驾驶舱冷却负载(216)、液压先导泵负载(218)和液压油冷却负载(220)中的至少一个。