CN110712520A - 用于车辆诸如非公路车辆的动力架构 - Google Patents

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达朗格瑞特·皮亚邦卡恩
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Abstract

本公开题为“用于车辆诸如非公路车辆的动力架构”。本公开涉及一种用于越野车辆的动力分配架构。所述动力分配架构包括工作回路和推进回路并被构造用于促进在所述工作回路与所述推进回路之间的双向动力交换。

Description

用于车辆诸如非公路车辆的动力架构
技术领域
本公开整体涉及用于车辆的动力架构。更具体地，本公开涉及电动地、液压地和机械地分配动力的动力架构。
背景技术
在典型非公路(即，越野)车辆中，车辆的发动机一般为常规地包括液压或机械变速器的推进回路和常规地液压驱动的工作回路两者提供动力。已开发出电动混合动力越野车辆，但是该领域中需要改进。
发明内容
本公开的各方面涉及适用于车辆诸如越野车辆的动力架构。在某些示例中，该动力架构包括集成混合和电动动力架构。在某些示例中，该动力架构可以被构造成允许车辆诸如越野车辆的工作回路与推进回路之间的双向动力交换优化。在某些示例中，该动力架构可以允许工作回路与推进回路之间的优化的动力交换，从而允许更有效地利用重新捕获到的能量，同时还通过优化对回收能量的实时使用来允许减小用于存储能量的电池的大小。根据本公开的原理的动力架构的某些方面允许通过使用其中液压地(例如，来自共压力轨)和电动地(例如，来自公共电气总线)得到动力的动力架构来减小电动马达的大小。本公开的某些方面涉及混合工作回路和推进回路两者以提高效率从而减少能量消耗并提供燃料节约的架构。
在下面的描述中将阐述各种附加的发明方面。本发明的方面可以涉及各个特征和特征的组合。应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述两者都仅是示例性和解释性的，并且并不限制本文公开的示例所基于的广泛的发明构思。
附图说明
结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的若干方面。附图的简要描述如下：
图1示出了根据本公开的原理的用于为车辆诸如越野车辆的推进回路和工作回路提供动力的第一动力分配架构；
图2示出了根据本公开的原理的用于为车辆诸如越野车辆的推进回路和工作回路提供动力的第二动力分配架构；
图3示出了根据本公开的原理的用于为车辆诸如越野车辆的推进回路和工作回路提供动力的第三动力分配架构；
图4示出了根据本公开的原理的用于为车辆诸如越野车辆的推进回路和工作回路提供动力的第四动力分配架构；并且
图5示出了根据本公开的原理的用于为车辆诸如越野车辆的推进回路和工作回路提供动力的第五动力分配架构。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的原理的用于在车辆诸如越野车辆中分配、管理、优化、交换和混合动力的第一动力分配架构20。动力分配架构20包括推进回路22和工作回路24。推进回路22适于为车辆诸如越野车辆的车辆推进元件诸如履带或车轮提供动力。在某些示例中，推进回路22与将动力传输到推进元件的变速器或传动系交接。工作回路24向车辆的各种工作元件或致动器提供动力。示例致动器可以包括液压缸和液压马达。如图所示，致动器可以包括用于提供倾斜功能性的致动器26、用于提供升降功能性(例如，升降吊杆或臂)的致动器27、用于转向功能性的致动器28和用于辅助功能性的致动器29。在某些示例中，工作回路还可以为其他类型的致动器(诸如可用于提供其他功能性诸如摆动驱动功能性的液压马达/泵)提供动力。将会知道，摆动驱动功能性涉及使作业车辆的驾驶室或操作员站相对于作业车辆的主底盘摆动或旋转的能力。通常，驾驶室或操作员站与工作元件(诸如吊杆、臂、铲斗、升降机、叶片等)一起旋转/摆动。本公开的各方面涉及使液压和电动动力分配架构叠加(例如，合并、集成、组合等)在一个回路中，使得来自液压动力源和电动动力源两者的混合动力可以用于驱动车辆的有源部件(例如，液压缸、液压泵/马达、电动马达/发电机等)。
仍然参考图1，第一动力分配架构20包括原动机34，诸如内燃发动机(例如，火花点火发动机或柴油发动机)、燃料电池等。在图1的示例中，原动机34为发电机36提供动力以向推进电动马达/发电机38提供电动动力。发电机36电连接到推进电动马达/发电机38的牵引逆变器39。牵引逆变器39可以包括双逆变器馈电马达驱动器。在某些示例中，牵引逆变器39可以提供交流(AC)到直流(DC)电气转换。在所描绘的示例中，牵引逆变器39提供AC-DC转换和之后的DC-AC转换以驱动马达/发电机。AC-DC转换使得逆变器能够提供DC电压输出43，并且DC-AC转换允许AC用于驱动推进电动马达/发电机38。推进电动马达/发电机38可以机械地耦接到车辆的推进系统(例如，传动系)。因此，推进电动马达/发电机38可以用于驱动车辆的车轮或履带。将会知道，推进电动马达/发电机38可以在相对高的电压(例如，650伏DC)下操作。
仍然参考图1，推进电动马达/发电机38的DC电压输出43电连接到储电装置诸如电池40并电连接到动力分配单元42。电池40被集成为推进动力回路的一部分，并且优选地是相对高电压电池，其在高于被集成为工作回路24的一部分的对应电池41的电压下工作。在推进回路22处的电池40优选地大于在工作回路24处的电池41。动力分配单元42可以管理在推进回路22与工作回路24之间的双向动力交换。动力分配单元42可以包括一个或多个车载电池充电器，并且可以包括用于提供电压转换(例如，高电压到低电压DC-DC电压转换)的一个或多个电压转换器。动力分配单元42提供在推进回路22与工作回路24之间的接口，并且被配置成使得工作回路24可以在显著地低于推进回路22的电压下操作，同时促进在工作回路24与推进回路22两者之间的双向电动动力交换。推进电动马达/发电机38可以输出电动动力(例如，来自牵引逆变器39)，该电动动力可以存储在推进回路22内的电池40处或可以通过动力分配单元42引导到工作回路24以用于为致动器26至29提供动力或用于存储在电池41处。从推进电动马达/发电机38输出的能量的至少一部分可以包括从推进回路22回收的回收/再生能量(例如，从制动回收的能量)。推进电动马达/发电机38可以从电池40接收电动动力。另外，在工作回路24处产生或存储在电池41处的电动动力可以通过动力分配单元42输送到推进电动马达/发电机38和/或电池40。
如上所述，动力分配单元42可以被构造成实现在推进回路22与工作回路24之间的优化的动力交换。诊断和所预测的优化可以由动力分配单元42实现。在某些示例中，由于由动力分配单元42在工作回路24与推进回路22之间实现的实时动力传输，在系统内的电池的电池大小可以减小。如上面所指示，动力分配单元42可以包括电压转换电路以用于提供工作回路24与推进回路22之间的电压转换(例如，DC-DC电压转换)。通常，电压在工作回路24和推进回路22之间进行双向转换，使得由工作回路24利用的电压显著地低于由推进回路22利用的电压。在所描绘的实施方案中，工作回路24具有电耦接到动力分配单元42的DC电气总线44，以用于向和从工作回路24的各种电气部件传输电动动力、用于在工作回路24的各种电气部件之间交换电动动力、以及用于在工作回路24的各种电气部件与动力分配单元42之间传输电动动力。在一个示例中，DC电气总线44可以任选地具有48伏的电压，并且推进回路22任选地在650伏DC下操作。
DC电气总线44提供电动动力以分离分别液压地耦接到致动器26至29中的每个致动器的双动力电动液压运动控制单元46a至46d。因此，DC电气总线44是用于双动力电动液压运动控制单元46a至46d中的每个双动力电动液压运动控制单元的电动动力源。双动力电动液压运动控制单元46a至46d中的每个双动力电动液压运动控制单元可以包括电耦接到DC电气总线44的电动马达/发电机48。电动马达/发电机48中的每一者可以包括马达驱动器49，该马达驱动器可以包括DC-DC集成马达驱动转换器或AC-DC集成马达驱动转换器。双动力电动液压马达控制单元46a至46d中的每个双动力电动液压马达控制单元还可以包括机械地耦接到电动马达/发电机48(例如，由驱动轴)的液压马达/泵50。双动力电动液压运动控制单元46a至46d可以优选地被配置用于接收电动动力(例如，来自DC电气总线44)和液压动力(例如，来自共压力轨55)两者，并且可以各自被构造成产生从电动动力和液压动力得到的混合动力输出，混合动力输出可以用于为致动器26至29提供动力。
双动力电动液压运动控制单元46a至46d还可以被构造成将在过运行状况期间从致动器26至29回收的动力引导到DC电气总线44和/或共压力轨55。在某些示例中，电动液压运动控制单元46a至46d可以被构造成将来自共压力轨55的液压动力转换成电动动力，该电动动力被引导到DC电气总线44。从电动液压运动控制单元46a至46d传输到DC电气总线44的电动动力可以用于与其他电动液压运动控制单元46a至46d的实时电动动力共享，和/或可以存储在电池41处，和/或可以被引导通过动力分配单元42以在推进回路22处使用。于2018年7月12日提交的美国临时专利申请序列号62/697226公开了关于适于在工作回路24处使用以驱动致动器的示例性双动力电动液压运动控制单元的进一步细节，该申请的代理人案卷号为15720.0545USP1并标题为“Dual Power Electro-Hydraulic Motion ControlSystem”。
仍然参考图1，第一动力分配架构20利用动力输出装置60将机械能从原动机34机械地传输到用于对共压力轨55加压的液压泵62。用于存储所回收的能量和其他能量的蓄能器64也液压地连接到共压力轨55。优选地小于在推进回路22处的电池40的单独的电池41优选地电连接到DC电气总线44并被配置用于存储由双动力电动液压运动控制单元46a至46d回收的电能。共压力轨55用作双动力电动液压运动控制单元46a至46d中的每个双动力电动液压运动控制单元的液压动力源。如图所示，共压力轨55流体地连接到双动力电动液压运动控制单元46a至46d的液压泵/马达50的端口。
图2示出了根据本公开的原理的用于在车辆诸如越野车辆中分配、管理、优化、交换和混合动力的第二动力分配架构120。第二动力分配架构120具有与第一动力分配架构20相同的配置，不同之处在于用于驱动液压泵62的动力输出装置60已经用电动马达/发电机90代替。电动马达/发电机90由来自牵引逆变器39的DC电压输出43供电。在某些示例中，电动马达/发电机90可以包括提供DC-AC转换的马达驱动器92。电气线路94允许电动动力在电动马达/发电机90与推进回路22之间双向传输。电气线路94可以电连接到电池40、动力分配单元42和牵引逆变器39。除了添加电气线路94之外，在工作回路24与推进回路22之间的动力共享和管理可以以关于图1的第一动力分配架构20描述的相同方式操作。在某些示例中，第二动力分配架构120的发电机36大于第一动力分配架构20的发电机36，因为第二动力分配架构120的发电机36为推进回路22和工作回路24两者提供了满额动力。
图3示出了根据本公开的原理的用于在车辆诸如越野车辆中分配、管理、优化、交换和混合动力的第三动力分配架构220。应当理解，第三动力分配架构220具有与第二动力分配架构120相同的配置，不同之处在于已经消除动力分配单元42。作为替代，第三动力分配架构220包括由原动机34提供动力的附加的发电机96。发电机96向对应于工作回路24的DC电气总线44提供电动动力。如图所示，发电机96向电力电子器件98提供电动动力，使得AC-DC转换器将来自发电机96的AC输入转换为提供给DC电气总线44的DC输出。优选地，提供给DC电气总线44的DC输出显著地小于由牵引逆变器39提供的DC输出。在图3的示例性第三动力分配架构220中，DC电气总线44与连接到牵引逆变器39的电气总线102分离或隔离。电气总线102由推进电动马达/发电机38(例如，来自牵引逆变器39)激励并电连接到电池40以及电动马达/发电机90的马达驱动器92。因此，图3的第三动力分配架构220利用单独的电气总线，而图1和图2的动力架构使用其中总线通过动力分配单元42集成或耦接在一起的电动布置。
图4示出了根据本公开的原理的用于在车辆诸如越野车辆中分配、管理、优化和交换动力的第四动力分配架构320。第四动力分配架构320具有与图2的第二动力分配架构120相同的配置，不同之处在于已经消除共压力轨55、液压泵62和电动马达/发电机90。因此，第四动力分配架构320在工作回路24处不利用混合液压和电动动力。将会知道，推进回路22和工作回路24两者都是电气化的。动力分配单元42实现在工作回路24与推进回路22之间的优化的动力交换。在工作回路24和推进回路22之间的动力交换是电动的。在工作回路24处，DC电气总线44为电动马达/发电机48提供动力，电动马达/发电机驱动用于向致动器26至29提供液压动力的液压泵/马达50。因此，在图4的第四动力分配架构320中，电动液压运动控制单元46a至46d不是双动力的，而是仅接收电动动力，该电动动力被转换成在致动器26至29处提供的液压动力。由于共压力轨55不用于辅助进行工作回路24的各种部件之间的动力交换，因此耦接到第四分配架构320的电气总线44的低电压电池41优选地大于图1至图3的动力分配架构20、120、220中使用的低电压电池41。将会知道，通过消除液压泵62，可以从工作回路24消除泵损失和/或计量损失。将会知道，在工作回路24与推进回路22之间的双向动力交换可以以关于图1的第一动力分配架构20的双向电动动力交换描述的相同方式操作。
图5示出了根据本公开的原理的用于在车辆诸如越野车辆中分配、管理、优化、交换和混合动力的第五动力分配架构420。应当理解，第五动力分配架构420具有与图1的第一动力分配架构20相同的基本配置，不同之处在于车辆的推进通过由动力输出装置110从原动机34机械地提取能量的机械变速器106提供。另外，原动机34以与关于图3的第三动力分配架构220描述的相同方式为工作回路24的DC电气总线44提供动力。在第五动力分配架构420中，仅使用一个电气总线(例如，用于激励工作回路24的DC电气总线44)，并且用于驱动车辆的推进和用于驱动液压泵62以用于对共压力轨55加压的动力是机械地提供的(例如，经由皮带、齿轮、变速器、链轮、链条、离合器等)。通过使用电动马达/发电机48来更精确地控制提供给致动器26至29的液压动力，可以减少或消除节流损失。另外，通过如图5所示用共压力轨55和DC电气总线44两者为双动力电动液压马达控制单元46a至46d提供动力，来自致动器26至29的服务动力可以容易地在工作回路24中再生。另外，来自推进回路22的制动能量可以被重新输送到工作回路24。例如，来自制动的机械能可以用于驱动发电机，该发电机将电动动力引导到DC电气总线44。以这种方式，可以实现发动机动力管理。

Claims (15)

1.一种用于越野车辆的动力分配架构，所述动力分配架构包括：
工作回路，所述工作回路包括多个运动控制单元，所述多个运动控制单元被构造成流体地连接到单独的液压致动器，所述运动控制单元各自包括机械地耦接到泵/马达的电动马达/发电机；
电气总线，所述电气总线用于向所述电动马达/发电机中的每一者提供电动动力；和
共压力轨，所述共压力轨用于向所述运动控制单元中的每个运动控制单元提供液压动力。
2.根据权利要求1所述的动力分配架构，还包括液压蓄能器，所述液压蓄能器与所述共压力轨流体连通。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的动力分配架构，还包括对应于所述工作回路的第一电池，所述第一电池电连接到所述电气总线。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的动力分配架构，其中所述电气总线是DC电气总线。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的动力分配架构，还包括原动机，所述原动机驱动发电机以用于向所述车辆的推进回路的电动牵引马达的马达驱动器提供电动动力，其中所述原动机还通过机械动力输出装置耦接到泵以用于对所述共压力轨加压，其中所述马达驱动器被构造成将DC输出沿着DC电力线引导到动力分配单元，其中所述动力分配单元将所述DC电力线电连接到所述电气总线并提供DC-DC电力转换，使得所述DC电气总线具有比所述DC电力线低的DC电压，并且其中所述动力分配单元允许在所述DC电力线与所述DC电气总线之间的双向电动动力传输。
6.根据权利要求5所述的动力分配架构，还包括耦接到所述DC电力线的第二电池，所述第二电池具有比所述第一电池高的电压。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的动力分配架构，还包括原动机，所述原动机驱动发电机以用于向所述车辆的推进回路的电动牵引马达的马达驱动器提供电动动力，其中所述马达驱动器被构造成将DC输出沿着DC电力线引导到动力分配单元，其中所述动力分配单元将所述DC电力线电连接到所述电气总线并提供DC-DC电力转换，使得所述电气总线具有比所述DC电力线低的DC电压，其中所述动力分配单元允许在所述DC电力线与所述DC电气总线之间的双向电动动力传输，并且其中所述DC电力线为电动泵/马达提供动力以用于对所述共压力轨加压。
8.根据权利要求7所述的动力分配架构，还包括耦接到所述DC电力线的第二电池，所述第二电池具有比所述第一电池高的电压。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的动力分配架构，还包括原动机，所述原动机驱动第一发电机以用于向所述车辆的推进回路的电动牵引马达的马达驱动器提供电动动力，其中所述马达驱动器被构造成沿着DC电力线引导DC输出，其中所述DC电力线为电动泵/马达提供动力以用于对所述共压力轨加压，并且其中所述原动机驱动第二发电机，所述第二发电机激励所述电气总线，并且其中所述电气总线具有比所述DC电力线的DC电压低的DC电压。
10.根据权利要求9所述的动力分配架构，还包括耦接到所述DC电力线的第二电池，所述第二电池具有比所述第一电池高的电压。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的动力分配架构，还包括原动机，所述原动机通过动力输出装置将动力引导到机械变速器以用于驱动所述车辆的推进，其中所述原动机还通过机械动力输出装置耦接到泵以用于对所述共压力轨加压，并且其中所述原动机驱动发电机以用于激励所述电气总线。
12.根据权利要求11所述的动力分配架构，其中机械动力输出装置将动力从所述原动机传输到所述发电机，并且其中所述机械动力输出装置和发电机允许制动能量被重新输送到所述工作回路。
13.一种用于越野车辆的动力分配架构，所述动力分配架构包括：
工作回路，所述工作回路包括多个运动控制单元，所述多个运动控制单元被构造成流体地连接到单独的液压致动器，所述运动控制单元各自包括机械地耦接到泵/马达的电动马达/发电机；
电气总线，所述电气总线用于向所述电动马达/发电机中的每一者提供电动动力；
原动机，所述原动机驱动发电机以用于向所述车辆的推进回路的电动牵引马达的马达驱动器提供电动动力，其中所述马达驱动器被构造成将DC输出沿着DC电力线引导到动力分配单元，其中所述动力分配单元将所述DC电力线电连接到所述电气总线并提供DC-DC电力转换，使得所述电气总线具有比所述DC电力线低的DC电压，其中所述动力分配单元允许在所述DC电力线与所述电气总线之间的双向电动动力传输。
14.根据权利要求13所述的动力分配架构，还包括对应于所述工作回路的第一电池，所述第一电池电连接到所述电气总线。
15.根据权利要求14所述的动力分配架构，还包括耦接到所述DC电力线的第二电池，所述第二电池具有比所述第一电池高的电压。
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