CN111976448A - 电驱装载机动力系统、动力控制方法和电驱装载机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电驱装载机动力系统、动力控制方法和电驱装载机，涉及电驱装载机技术领域，电驱装载机动力系统包括：主控制器、动力能源子系统和电动机；动力能源子系统和电动机均与主控制器连接；动力能源子系统包括飞轮和动力电池；动力电池用于提供常规需求功率；飞轮用于进行飞轮储能以便提供峰值需求功率；动力能源子系统用于将常规需求功率和/或峰值需求功率传送至电动机，以使电动机为电驱装载机提供动力，本发明在减小了装载机体积的同时，充分利用动力电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，实现了长时间提供电能，提升了能源利用率，并且也可以在较短时间释放大功率抵抗冲击负荷的技术要求，提高了装载机的安全性。

Description

电驱装载机动力系统、动力控制方法和电驱装载机
技术领域
本发明涉及电驱装载机技术领域，尤其是涉及一种电驱装载机动力系统、动力控制方法和电驱装载机。
背景技术
目前装载机大多采用液力机械传动形式，主要部件包括发动机、变矩器，变速箱、前、后驱动桥等。液力机械传动形式的装载机，发动机一般采用柴油发动机，然而柴油发动机存在工作时噪声大，有大量尾气排放且散热困难，同时由于液力机械传动的结构复杂、体积大、传动环节多、传动链长的问题，导致维修困难，能源利用率较低，使用和维护成本都较高。虽然目前使用了电传装载机，然而电传装载机采用发动机结合发电机作为动力源，虽然减少了冲击能量损耗，然而并未完全解决液压传动装载机的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电驱装载机动力系统、动力控制方法和电驱装载机，在减小了装载机体积的同时，充分利用动力电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，实现了长时间提供电能，提升了能源利用率，并且也可以在较短时间释放大功率抵抗冲击负荷的技术要求，提高了装载机的安全性。
第一方面，本发明实施例提供一种电驱装载机动力系统，系统包括：主控制器、动力能源子系统和电动机；动力能源子系统和电动机均与主控制器连接；动力能源子系统包括飞轮和动力电池；动力电池用于提供常规需求功率；飞轮用于进行飞轮储能以便提供峰值需求功率；动力能源子系统用于将常规需求功率和/或峰值需求功率传送至电动机，以使电动机为电驱装载机提供动力。
在可选的实施方式中，飞轮通过第一变换器与主控制器连接；动力电池通过第二变换器与主控制器连接；电动机通过第三变换器与主控制器连接。
在可选的实施方式中，第一变换器包括AC/DC双向变流器；第二变换器包括DC/DC双向变流器；第三变换器包括AC/DC双向变流器。
在可选的实施方式中，系统还包括：充电接口；充电接口通过第四变换器与主控制器连接；第四变换器包括AC/DC单向整流器；充电接口用于通过第四变换器对电驱装载机进行充电。
在可选的实施方式中，电动机还连接分动箱；分动箱与变速器连接，以便为电驱装载机的前驱动桥和后驱动桥提供动力。
第二方面，本发明实施例提供一种电驱装载机动力控制方法，方法由前述实施方式任一项的电驱装载机动力系统执行；方法包括：确定电驱装载机的当前工作状态；当前工作状态包括平稳运行状态和大功率作业状态；确定当前工作状态下电驱装载机动力系统的动力电池提供的常规需求功率和飞轮提供的峰值需求功率；基于常规需求功率和峰值需求功率确定电驱装载机在当前工作状态下的目标工作功率。
在可选的实施方式中，当电驱装载机的工作状态为平稳运行状态时，电驱装载机动力系统的动力电池与飞轮之间的功率分配比例为1:0。
在可选的实施方式中，当电驱装载机的当前工作状态为大功率作业状态时，确定当前工作状态下电驱装载机动力系统的动力电池提供的常规需求功率和飞轮提供的峰值需求功率的步骤，包括：获取动力电池的放电功率阈值和大功率作业状态下的工作功率；将工作功率中小于或等于放电功率阈值的功率确定为动力电池提供的常规需求功率；将工作功率中大于常规需求功率的功率确定为峰值需求功率。
在可选的实施方式中，方法还包括：当电驱装载机进行制动减速时，通过动力电池与飞轮对电动机产生的制动能量进行回收。
第三方面，本发明实施例提供一种电驱装载机，装载机包括前述实施方式任一项的电驱装载机动力系统，还包括与电动机连接的分动箱。
本发明提供的电驱装载机动力系统、动力控制方法和电驱装载机，该电驱装载机动力系统包括：主控制器、动力能源子系统和电动机，其中，动力能源子系统和电动机均与主控制器连接，动力能源子系统包括飞轮和动力电池，动力电池用于提供常规需求功率，飞轮用于进行飞轮储能以便提供峰值需求功率，动力能源子系统用于将常规需求功率和/或峰值需求功率传送至电动机，以使电动机为电驱装载机提供动力。由于电驱装载机动力系统的动力能源子系统包括飞轮和动力电池，飞轮和动力电池的自重可以减少装载机的配重的配置，从而节省了空间，减小了装载机体积；通过动力电池提供常规需求功率，飞轮储能提供峰值需求功率，可以充分利用动力电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，实现了长时间提供电能，提升了能源利用率，同时也可以在较短时间释放大功率抵抗冲击负荷的技术要求，提高了装载机的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电驱装载机动力系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种电驱装载机动力系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种具体的电驱装载机动力系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种具体的电驱装载机动力系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电驱装载机动力控制方法的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种电驱装载机动力控制方法的流程示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电驱装载机的平面结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种具体的电驱装载机的平面结构示意图。
图标：10-主控制器；20-动力能源子系统；201-飞轮；202-动力电池；30-电动机；401-第一变换器；402-第二变换器；403-第三变换器；404-第四变换器；50-充电接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
考虑到目前装载机存在工作时噪声大，有大量尾气排放且散热困难，同时由于液力机械传动的结构复杂、体积大、传动环节多、传动链长的问题，导致维修困难，能源利用率较低，使用和维护成本都较高，虽然目前使用了电传装载机，然而电传装载机采用发动机结合发电机作为动力源，虽然发动机转速恒定，减少了冲击能量损耗，提高了能源利用率，但尾气排放，噪音问题仍存在。基于此，本发明实施例提供了一种电驱装载机动力系统、动力控制方法和电驱装载机，在减小了装载机体积的同时，充分利用动力电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，实现了长时间提供电能，提升了能源利用率，并且也可以在较短时间释放大功率抵抗冲击负荷的技术要求，提高了装载机的安全性。
为便于理解，首先对本实施例提供的电驱装载机动力系统进行详细说明，参见图1所示的一种电驱装载机动力系统的结构示意图，该电驱装载机动力系统包括主控制器10、动力能源子系统20和电动机30，其中，动力能源子系统20和电动机30均与主控制器10连接，动力能源子系统20包括飞轮201和动力电池202。由于飞轮201本身具有较大的转动惯量的特性，因此其作用如同一个能量存储器，通过动力电池202提供常规需求功率，飞轮201进行飞轮储能提供峰值需求功率，动力能源子系统20用于将常规需求功率和/或峰值需求功率传送至电动机30，以使电动机30为电驱装载机提供动力。
本实施例提供的电驱装载机动力系统，由于动力能源子系统包括飞轮和动力电池，解决了装载机工作时发动机的噪声大、尾气排放污染环境以及散热难导致的能耗高的问题，达到了节能减排的目的，也节省了燃油费，并且飞轮和动力电池的自重可以减少装载机的配重的配置，从而节省了空间，减小了装载机体积；通过动力电池提供常规需求功率，飞轮储能提供峰值需求功率，可以充分利用动力电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，实现了长时间提供电能，提升了能源利用率，同时也可以在较短时间释放大功率抵抗冲击负荷的技术要求，提高了装载机的安全性。
在一种实施方式中，飞轮201可以通过第一变换器401与主控制器10连接，动力电池202通过第二变换器402与主控制器10连接，电动机30通过第三变换器403与主控制器10连接，具体可参见图2所示的另一种电驱装载机动力系统的结构示意图。在实际应用中，上述第一变换器401可以包括AC/DC双向变流器，也即交流/直流双向变流器，第二变换器402包括DC/DC双向变流器，也即直流/直流双向变流器，从而实现直流电能的双向流动，第三变换器403可以包括AC/DC双向变流器，也即交流/直流双向变流器。
在一种实施方式中，上述电驱装载机动力系统还包括：充电接口50，参见图3所示的一种具体的电驱装载机动力系统的结构示意图，其中，该充电接口50通过第四变换器404与主控制器10连接，第四变换器404包括AC/DC单向整流器，充电接口50用于通过第四变换器404对电驱装载机进行充电。
此外，本实施例还提供了另一种具体的电驱装载机动力系统，参见图4所示的另一种具体的电驱装载机动力系统的结构示意图，该电驱装载机动力系统包括监控系统、主控制器、电池管理模块、飞轮管理模块、电机控制模块以及设置于电驱装载机的其他模块，其中，主控制器包括依次连接的信号采集模块、通讯管理模块、智能控制模块和能量分配模块，以及用于显示和输出的模块。监控模块通过接收信号采集模块采集的信号，并通过用于显示及输出的模块进行显示和输出。电池管理模块包括电池和DC/DC双向变流器，飞轮管理模块包括飞轮和AC/DC双向变流器，电机控制模块包括驱动电机(也即上述电动机)和AC/DC双向变流器。主控制器中信号采集模块和能量分配模块均与电池管理模块、飞轮管理模块以及电机控制模块连接。
在一种实施方式中，上述电动机30还连接分动箱，分动箱与变速器连接，用于发动机的动力基于变速器进行分配，以便为电驱装载机的前驱动桥和后驱动桥提供动力。另外，分动箱还可以连接电驱装载机的其他工作装置和液压系统，以便将发动机的动力分配至电驱装载机的其他工作装置和液压系统。
综上，本实施例提供的电驱装载机动力系统可以通过飞轮和动力电池的自重可以减少装载机的配重的配置，从而节省了空间，减小了装载机体积；通过动力电池提供常规需求功率，飞轮储能提供峰值需求功率，可以充分利用动力电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，实现了长时间提供电能，提升了能源利用率，同时也可以在较短时间释放大功率抵抗冲击负荷的技术要求，提高了装载机的安全性。
本发明实施例提供了一种电驱装载机动力控制方法，参见图5所示的一种电驱装载机动力控制方法，该方法由前述实施方式任一项的电驱装载机动力系统执行，该方法包括如下步骤S502至步骤S506：
步骤S502，确定电驱装载机的当前工作状态。
在一种实施方式中，当前工作状态包括平稳运行状态和大功率作业状态，平稳运行状态也即电驱装载机平稳运行，没有剧烈负载波动的工作状态，大功率作业状态诸如可以包括启动、加速、爬坡、装载等的工作状态，由于确定了电驱装载机的当前工作状态，因此可以根据不同的工作状态确定上述电驱装载机动力系统的动力电池和飞轮的协同工作方式。
步骤S504，确定当前工作状态下电驱装载机动力系统的动力电池提供的常规需求功率和飞轮提供的峰值需求功率。
在确定上述当前工作状态后，可以针对不同的工作状态对电驱装载机的能量供给比例进行分配，也即动力电池提供的常规需求功率以及飞轮提供的峰值需求功率。常规需求功率也即电驱装载机常规工作所需的功率，在实际应用时，常规需求功率不超过电池管理模块的上限功率。
步骤S506，基于常规需求功率和峰值需求功率确定电驱装载机在当前工作状态下的目标工作功率。
由于不同的工作状态所需的常规需求功率和峰值需求功率不同，诸如，平稳运行状态仅需常规需求功率即可满足电驱装载机的作业需求，而在进行大功率作业时，则需要峰值需求功率与常规需求功率同时为电驱装载机提供工作功率，因此根据当前状态确定的常规需求功率和峰值需求功率确定当前工作状态下的目标工作功率，可以充分利用动力电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，提升了能量的使用效率。
本实施例提供的电驱装载机动力控制方法，通过动力电池提供常规需求功率，飞轮储能提供峰值需求功率，可以充分利用动力电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，实现了长时间提供电能，提升了能源利用率，同时也可以在较短时间释放大功率抵抗冲击负荷的技术要求，提高了装载机的安全性。
在一种实施方式中，当电驱装载机的工作状态为平稳运行状态时，电驱装载机动力系统的动力电池与飞轮之间的功率分配比例为1:0，也即当电驱装载机处于平稳运行状态时，可以采用动力电池单独供电的方式，此时飞轮不提供峰值需求功率。
当电驱装载机的当前工作状态处于大功率作业状态(诸如启动、加速、爬坡、装载等)的工作状态下，在确定当前工作状态下电驱装载机动力系统的动力电池提供的常规需求功率和飞轮提供的峰值需求功率时，首先获取动力电池的放电功率阈值和大功率作业状态下的工作功率，将工作功率中小于或等于放电功率阈值的功率确定为动力电池提供的常规需求功率；将工作功率中大于常规需求功率的功率确定为峰值需求功率。也即，整个电驱装载机作业所需的不超过动力电池的放电功率阈值的部分由动力电池提供，而超出动力电池的放电功率阈值的峰值功率部分则通过飞轮储能提供。
此外，当电驱装载机进行制动减速时，通过动力电池与飞轮对电动机产生的制动能量进行回收，从而提升能量的使用效率，并且可以使得电驱装载机无需安装电阻栅制动装置，节省了成本。
本实施例还提供了一种电驱装载机的动力控制方法，在执行该方法时，首先对该方法中用到的参数进行详细说明，其中，Pb为电池放电功率(为负表示充电)、Pbmax为电池最大放电功率阈值、Pf为飞轮放电功率(为负表示充电)、Pfmax为飞轮最大放电功率阈值、SOCb为电池荷电状态、SOCf为飞轮荷电状态、SOCbmin为电池最小荷电状态、SOCbmax为电池最大荷电状态、SOCfmin为飞轮最小荷电状态、SOCfmax为飞轮最大荷电状态、Preq为负荷需求功率、Pbcf为电池给飞轮充电。在实际应用中，当处于正常工作情况下时，满足Pbmax+Pfmax＞Preq，SOCbmin＜SOCb＜SOCbmax，SOCfmin＜SOCf＜SOCfmax；当满足SOCb＜SOCbmin时，电驱装载机需要充电，此时通过上述充电接口50对电驱装载机进行充电。
当执行电驱装载机的动力控制方法时，参见图6所示的另一种电驱装载机的动力控制方法，首先预测电驱装载机的负荷需求功率，判断负荷需求功率Preq是否不小于0，如果是，则进一步确定电池放电功率Pb和飞轮放电功率Pf，如果否，则进行能量回收。为便于理解，将确定电池放电功率Pb和飞轮放电功率Pf和能量回收的情况分开说明：
1.确定电池放电功率Pb和飞轮放电功率Pf
步骤1.1，判断负荷需求功率Preq是否大于电池最大放电功率阈值Pbmax，如果是，则执行步骤1.2，如果否，则执行1.3。
步骤1.2，判断飞轮荷电状态SOCf是否不大于飞轮最小荷电状态
Figure BDA0002654622330000101
如果是，则执行步骤1.4，如果否，则执行步骤1.5。
步骤1.3，判断飞轮荷电状态SOCf是否不小于飞轮最大荷电状态SOCfmax，如果是，则执行步骤1.4，如果否，则执行步骤1.6。
步骤1.4，Preq＝Pb，Pf＝0。
步骤1.5，Preq＝Pbmax+Pb。
步骤1.6，Pb＝Preq+Pbcf，Pf＝-Pbcf。
2.能量回收
步骤2.1，判断飞轮荷电状态SOCf是否小于飞轮最小荷电状态
Figure BDA0002654622330000111
如果是，则执行步骤2.2，如果否，则执行步骤2.5。
步骤2.2，判断负荷需求功率|Preq|是否大于飞轮最大放电功率阈值Pfmax，如果是，则执行步骤2.3，如果否，则执行步骤2.4。
步骤2.3，Pb＝Preq-Pf，Pf＝-Pfmax。
步骤2.4，Pb＝0，Pf＝Preq。
步骤2.5，Pb＝Preq，Pf＝0。
通过上述的电驱装载机的动力控制方法，充分利用电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，实现了既能长时间提供电能，又能在较短时间释放大功率抵抗冲击负荷的技术要求，提高了装载机的安全性。并且通过电池、飞轮储能可实现制动时的能量回收利用，提升了能量的使用效率，省去了设置电阻栅制动装置，降低了成本。
本发明实施例提供一种电驱装载机，参见图7所示的一种电驱装载机的平面结构示意图，装载机包括前述实施方式任一项的电驱装载机动力系统，以及与电驱装载机系统连接的分动箱，该分动箱连接变速器，用于为电驱装载机的前驱动桥和后驱动桥提供动力。另外，分动箱还可以连接电驱装载机的其他工作装置和液压系统，以便将发动机的动力分配至电驱装载机的其他工作装置和液压系统。
在一种实施方式中，本实施例还提供了一种具体的电驱装载机，参见图8所示的一种具体的电驱装载机的平面结构示意图，分动箱与电动机(图中标注为M)连接，具体结构及连接方式参见上述实施方式，此处不再赘述。
本实施例提供的电驱装载机，通过设置电驱装载机动力系统，解决了装载机工作时发动机的噪声大、尾气排放污染环境以及散热难导致能耗高的问题，达到了节能减排的目的，也节省了燃油费；充分利用电池的高能量密度以及飞轮储能的高功率密度，实现了既能长时间提供电能，又能在较短时间释放大功率抵抗冲击负荷的技术要求，提高了装载机的安全性；飞轮以及动力电池的自重可以减少配重的配置，节省了空间，减小了装载机体积；电池、飞轮储能可实现制动时的能量回收利用，这样不仅提升了能量的使用效率，还省去了电阻栅制动装置。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电驱装载机动力系统，其特征在于，所述系统包括：主控制器、动力能源子系统和电动机；所述动力能源子系统和所述电动机均与所述主控制器连接；所述动力能源子系统包括飞轮和动力电池；
所述动力电池用于提供常规需求功率；所述飞轮用于进行飞轮储能以便提供峰值需求功率；所述动力能源子系统用于将所述常规需求功率和/或峰值需求功率传送至所述电动机，以使所述电动机为电驱装载机提供动力。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞轮通过第一变换器与所述主控制器连接；所述动力电池通过第二变换器与所述主控制器连接；所述电动机通过第三变换器与所述主控制器连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一变换器包括AC/DC双向变流器；所述第二变换器包括DC/DC双向变流器；所述第三变换器包括AC/DC双向变流器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：充电接口；所述充电接口通过第四变换器与所述主控制器连接；所述第四变换器包括AC/DC单向整流器；
所述充电接口用于通过所述第四变换器对电驱装载机进行充电。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电动机还连接分动箱；所述分动箱与变速器连接，以便为所述电驱装载机的前驱动桥和后驱动桥提供动力。
6.一种电驱装载机动力控制方法，其特征在于，所述方法由权利要求1至5任一项的电驱装载机动力系统执行；所述方法包括：
确定电驱装载机的当前工作状态；所述当前工作状态包括平稳运行状态和大功率作业状态；
确定所述当前工作状态下所述电驱装载机动力系统的所述动力电池提供的常规需求功率和所述飞轮提供的峰值需求功率；
基于所述常规需求功率和所述峰值需求功率确定所述电驱装载机在所述当前工作状态下的目标工作功率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述电驱装载机的工作状态为平稳运行状态时，所述电驱装载机动力系统的所述动力电池与所述飞轮之间的功率分配比例为1:0。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述电驱装载机的当前工作状态为大功率作业状态时，所述确定所述当前工作状态下所述电驱装载机动力系统的所述动力电池提供的常规需求功率和所述飞轮提供的峰值需求功率的步骤，包括：
获取所述动力电池的放电功率阈值和所述大功率作业状态下的工作功率；
将所述工作功率中小于或等于所述放电功率阈值的功率确定为所述动力电池提供的常规需求功率；
将所述工作功率中大于所述常规需求功率的功率确定为峰值需求功率。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述电驱装载机进行制动减速时，通过所述动力电池与所述飞轮对电动机产生的制动能量进行回收。
10.一种电驱装载机，其特征在于，所述装载机包括权利要求1至5任一项所述的电驱装载机动力系统，还包括与电动机连接的分动箱。
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