CN113580912A - 一种串联式电液混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串联式电液混合动力系统。蓄电池组通过电机控制器与电机电连接，电机的输出轴与第一液压泵马达的输出轴同步机械连接，第一液压泵马达和第二液压泵马达均设置有高压和低压进出油口，第一液压泵马达的高压进出油口、液压蓄能器的进出油口和第二液压泵马达的高压进出油口三者相互连通，第一液压泵马达的低压进出油口、液压油箱和第二液压泵马达的低压进出油口三者相互连通；第二液压泵马达的输出轴与主减速器的输入轴同轴连接。本发明结合能量密度高的电驱动系统和功率密度高的液压驱动系统，由电驱动系统提供平均功率，液压驱动系统提供峰值功率，降低电机的装机功率、避免大电流充放对蓄电池的负面影响，提高工程机械的动力性能。

Description

一种串联式电液混合动力系统
技术领域
本发明涉及一种电液混合动力系统，尤其是涉及一种串联式电液混合动力系统。
背景技术
工程机械作为非道路交通中的主要排放源之一，也有电动化的趋势。纯电动工程机械在能量转化效率、排放、噪声等方面较传统柴油发动机驱动的工程机械有明显优势，但在动力性能上受到电驱动功率密度不高的限制。工程机械工况中常有较剧烈的功率需求波动，对动力系统的功率要求较高，静液压传动由于其功率密度高、结构简单便于布置等优点，在工程机械轮式驱动中已经得到了广泛应用。而在电动化工程机械上，为了满足峰值功率的需求，将需要根据峰值功率大小配置电机，导致大多数时候电机运行在相对低功率区域，造成了设备利用率不高和运行工作点在低效区等问题。另外在急加速等发生峰值功率的工况下，电机的瞬时大电流对蓄电池的实时容量和充放寿命等都有较大的负面影响。
发明内容
针对技术中的上述问题，本发明提出了一种串联式电液混合动力系统，将能量密度高的电驱动系统和功率密度高的液压驱动系统结合到一起，构成电液混合动力系统，充分发挥各自的优势，由电驱动系统提供平均功率，液压驱动系统提供峰值功率，使系统具有较高能量转化效率的同时，又拥有较强的动力性能，提高了工程机械的综合性能。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括蓄电池组、电机控制器、电机、第一液压泵马达、第二液压泵马达、主减速器、液压蓄能器和液压油箱；
蓄电池组通过电机控制器与电机电连接，电机的输出轴与第一液压泵马达的输出轴同步机械连接，第一液压泵马达和第二液压泵马达均设置有高压和低压进出油口，第一液压泵马达的高压进出油口、液压蓄能器的进出油口和第二液压泵马达的高压进出油口三者相互连通，第一液压泵马达的低压进出油口、液压油箱和第二液压泵马达的低压进出油口三者相互连通；第二液压泵马达的输出轴与主减速器的输入轴同轴连接。
所述混合动力系统主要由电驱动系统和液压驱动系统组成，由所述蓄电池组、电机控制器、电机和第一液压泵马达构成混合动力系统的电驱动系统，电驱动系统提供混合动力系统的平均功率；由所述第一液压泵马达、第二液压泵马达、液压蓄能器和液压油箱构成混合动力系统的液压驱动系统，液压驱动系统提供混合动力系统的峰值功率。
所述第一液压泵马达是定排量的液压泵马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；是单个液压泵马达，或是两个以上液压泵马达的组合。
所述蓄电池组是化学电池、燃料电池或超级电容中的一种，或是两种以上的组合。
所述电机是永磁同步电机、异步电机、开关磁阻电机或是直流电机。
液压蓄能器是两个以上液压蓄能器的组合，或是单个的液压蓄能器。
液压蓄能器提供短时间的大功率充放，电机提供长时间的平均功率，二者的功率通过液压回路耦合在一起。电机的机械能通过第一液压泵马达转化为高压液压油，与液压蓄能器输出的高压液压油耦合后共同驱动第二液压泵马达，进而驱动主减速器和车轮。由于增加了液压蓄能器作为辅助动力源，在急加速等大功率需求情况下，利用高功率密度的液压蓄能器提供短时间的大功率辅助，提高了工程机械动力性能，减轻了电机的功率负担，避免大电流对蓄电池造成冲击；在匀速情况下，功率需求不大，通过接近额定功率运行的电机提供所需能量；在减速情况下，制动能量可全部或部分回收转换为高压液压油储存到液压蓄能器中，避免了通过电机制动时产生大电流对蓄电池产生冲击和产生发热。
本发明的有益效果是：
将能量密度高的电驱动系统和功率密度高的液压驱动系统结合到一起，构成电液混合动力系统，由电驱动系统提供平均功率，液压驱动系统提供峰值功率。根据平均功率大小选择电机，降低了电机装机功率，减小了电机体积重量，解决了电机设备利用率不高和运行工作点常在低效区等问题；另外解决了在急加速等工况下，电机的瞬时大电流对蓄电池的实时容量和充放寿命有较大负面影响的问题；由于液压驱动的高功率特性，在起动加速等工况中，可以获得比纯电驱动更好的加速动力性能。使系统具有较高能量转化效率的同时，又拥有较强的动力性能，提高了工程机械的综合性能。
附图说明
图1是本发明用于轮式装载机行走驱动的串联液压混合动力系统原理图。
图2是本发明用于电动矿用卡车轮式驱动时的系统原理图。
图3是本发明用于挖掘机回转驱动时的系统原理图。
图中：1、蓄电池组，2、电机控制器，3、电机，4、第一液压泵马达，5、第二液压泵马达，6、主减速器，7、液压蓄能器，8、液压油箱，9、车轮，10、回转机构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括蓄电池组1、电机控制器2、电机3、第一液压泵马达4、第二液压泵马达5、主减速器6、液压蓄能器7和液压油箱8；
蓄电池组1通过电机控制器2与电机3电连接，电机3的输出轴与第一液压泵马达4的输出轴同步机械连接，第一液压泵马达4和第二液压泵马达5均设置有高压和低压进出油口，第一液压泵马达4的高压进出油口、液压蓄能器7 的进出油口和第二液压泵马达5的高压进出油口三者相互连通，第一液压泵马达的低压进出油口、液压油箱8和第二液压泵马达5的低压进出油口三者相互连通；第二液压泵马达5的输出轴与主减速器6的输入轴同轴连接。
混合动力系统主要由电驱动系统和液压驱动系统组成，由蓄电池组1、电机控制器2、电机3和第一液压泵马达4构成混合动力系统的电驱动系统，电驱动系统提供混合动力系统的平均功率；由第一液压泵马达4、第二液压泵马达5、液压蓄能器7和液压油箱8构成混合动力系统的液压驱动系统，液压驱动系统提供混合动力系统的峰值功率。
第一液压泵马达4是定排量的液压泵马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；是单个液压泵马达中的一种，或是两个以上液压泵马达的组合。
蓄电池组1是化学电池、燃料电池或超级电容，或是两种以上的组合。
电机3是永磁同步电机、异步电机、开关磁阻电机或是直流电机。
液压蓄能器7是两个以上液压蓄能器的组合，或是单个的液压蓄能器。
将能量密度高的电驱动系统和功率密度高的液压驱动系统结合到一起，构成电液混合动力系统，由电驱动系统提供平均功率，液压驱动系统提供峰值功率。选择电机额定功率大小时，根据工程机械适用的工况，估计峰值功率与一个工况周期内的平均功率大小，选择电机时略高于平均功率而远小于峰值功率。在运行中，液压蓄能器的压力范围通过能量管理策略进行规划，一方面要使电机能长时间工作在高效区，另一方面要保证在加速等需要液压辅助动力的工况下蓄能器储存的能量足够，而在减速时储存能量较少，有足够空闲容量回收制动能量。
另外在急加速等工况下，由液压蓄能器提供辅助动力，电机在额定功率以下工作，一方面避免电机的瞬时大电流对蓄电池的实时容量和充放寿命有较大负面影响的问题；另一方面由于液压驱动的高功率特性，在起动加速等工况中，获得比纯电驱动更好的加速动力性能。
本发明的实施例及其实施工作过程如下：
实施例1
图1是本发明用于轮式装载机行走驱动的串联液压混合动力系统原理图。第一液压泵马达4和第二液压泵马达5是变排量式液压泵马达。轮式装载机是一种广泛应用的工程机械，中小型轮式装载机行走驱动常用静液压传动系统，将本发明应用在轮式装载机的轮式驱动上，轮式装载机的车轮9与主减速器6 的输出轴同轴连接。液压蓄能器一方面可以保证静液压传动回路的液压压力处于较稳定的水平，减少压力突变带来的振动，电机和第一液压泵马达的负荷较为稳定，可经常工作在高效工作区；另一方面可以通过能量充放，在急加速等大功率需求情况下，利用高功率密度的液压蓄能器提供短时间的大功率辅助，提高了工程机械动力性能，减轻了电机的功率负担，避免大电流对蓄电池造成冲击；在匀速情况下，功率需求不大，通过接近额定功率运行的电机提供所需能量；在减速情况下，制动能量可全部或部分回收转换为高压液压油储存到液压蓄能器中，避免了通过电机制动时产生大电流对蓄电池产生冲击和产生发热。
系统的具体工作过程是：当进行制动时，第二液压泵马达5排量经过电子比例控制调为负排量的泵工作状态，第二液压泵马达5产生制动转矩，制动转矩大小通过第二液压泵马达4排量大小控制，同时油液从液压油箱8经第二液压泵马达5升压后流入液压蓄能器7；此时第一液压泵马达4通过电子比例控制将排量调为零排量，第一液压泵马达4没有液压油流入流出，电机3转速由电机控制器2控制为零转速，制动能量转换为高压液压油储存到液压蓄能器7中。当进行加速时，电机3工作在不超过额定功率而又低于负载功率的较大功率下，第一液压泵马达4作为泵工作，通过电子比例控制排量控制排量大小，进而控制电机转矩大小使电机平稳工作在高效区；第二液压泵马达5的排量为正排量，通过电子比例控制排量控制排量大小，进而控制第二液压泵马达5的输出转矩大小，同时液压蓄能器7储存的高压油流入并驱动第二液压泵马达5旋转后，压力下降流入液压油箱8。当匀速行驶时，功率需求较为平稳，液压蓄能器7的压力基本保持不变，主要由电机3带动第一液压泵马达4提供动力，第一液压泵马达4的排量根据此时液压蓄能器7的压力选择，以保证使电机3的负载转矩不过大导致电机效率下降，同时第一液压泵马达4不因排量接近零排量而导致容积效率下降。通过电子比例调节第二液压泵马达5的排量可以对车速进行控制。
实施例2
图2是本发明用于电动矿用卡车轮式驱动时的系统原理图。第一液压泵马达4是定排量式液压泵马达，第二液压泵马达5是变排量液压泵马达。电动矿用卡车的车轮9与主减速器6的输出轴同轴连接。由于矿用卡车装载重量较大，在加减速时的转矩较大，在加速或长距离上坡等工况下，由液压蓄能器提供辅助动力，电机在额定功率以下工作，一方面避免电机的瞬时大电流对蓄电池的实时容量和充放寿命有较大负面影响的问题；另一方面由于液压驱动的高功率特性，在起动加速等工况中，获得比纯电驱动更好的加速动力性能。在制动或下坡时，通过液压系统提供刹车转矩，可以避免电机长时间工作在大转矩大电流条件下，产生大量热量且对电机、蓄电池等元件寿命造成负面影响。
系统的具体工作过程是：当进行制动时，第二液压泵马达5排量经过电子比例控制调为负排量的泵工作状态，第二液压泵马达5产生制动转矩，制动转矩大小通过第二液压泵马达4排量大小控制，同时油液从液压油箱8经第二液压泵马达5升压后流入液压蓄能器7；此时电机3转速由电机控制器2控制为零转速，制动能量转换为高压液压油储存到液压蓄能器7中。当进行加速时，电机3工作在不超过额定功率而又低于负载功率的较大功率下，第一液压泵马达4 作为泵工作，第二液压泵马达5的排量为正排量，通过电子比例控制排量控制排量大小，进而控制第二液压泵马达5的输出转矩大小，同时液压蓄能器7储存的高压油流入并驱动第二液压泵马达5旋转后，压力下降流入液压油箱8。当匀速行驶时，功率需求较为平稳，液压蓄能器7的压力基本保持不变，主要由电机3带动第一液压泵马达4提供动力，通过电子比例调节第二液压泵马达8 的排量可以对车速进行控制。
实施例3
图3是本发明用于挖掘机回转驱动时的系统原理图。第一液压泵马达4是定排量式液压泵马达，第二液压泵马达5是变排量液压泵马达。挖掘机的回转机构10与主减速器6的输出轴同轴连接。挖掘机在上车体回转过程要不断的加速和减速制动，由于上车质量较大，要求具有大的启动扭矩和制动转矩。回转运动典型工况是加速-减速，在减速时，制动能量可全部或部分回收转换为高压液压油储存到高压液压蓄能器中，避免了电机制动大电流对蓄电池产生冲击和发热；在加速时，液压蓄能器利用回收的制动能量，通过液压马达提供大转矩，提高了能量利用率和动力性能。
系统的具体工作过程是：当进行制动时，第二液压泵马达5排量经过电子比例控制调为负排量的泵工作状态，第二液压泵马达5产生制动转矩，制动转矩大小通过第二液压泵马达4排量大小控制，同时油液从液压油箱8经第二液压泵马达5升压后流入液压蓄能器7；此时电机3转速由电机控制器2控制为零转速，制动能量转换为高压液压油储存到液压蓄能器7中。当进行加速时，电机3工作在不超过额定功率而又低于负载功率的较大功率下，第一液压泵马达4 作为泵工作，第二液压泵马达5的排量为正排量，通过电子比例控制排量控制排量大小，进而控制第二液压泵马达5的输出转矩大小，同时液压蓄能器7储存的高压油流入并驱动第二液压泵马达5旋转后，压力下降流入液压油箱8。当匀速行驶时，功率需求较为平稳，液压蓄能器7的压力基本保持不变，主要由电机3带动第一液压泵马达4提供动力，通过电子比例调节第二液压泵马达8 的排量可以对车速进行控制。
实施例4
本发明用于电动叉车行走驱动的系统原理图与图2一样。第一液压泵马达4 是定排量式液压泵马达，第二液压泵马达5是变排量液压泵马达。叉车的车轮9 与主减速器6的输出轴同轴连接。叉车是一种广泛应用的工程机械，电动叉车在室内、港口等应用有一定的环保和能耗优势。
系统的具体工作过程是：当进行制动时，第二液压泵马达5排量经过电子比例控制调为负排量的泵工作状态，第二液压泵马达5产生制动转矩，制动转矩大小通过第二液压泵马达4排量大小控制，同时油液从液压油箱8经第二液压泵马达5升压后流入液压蓄能器7；此时电机3转速由电机控制器2控制为零转速，制动能量转换为高压液压油储存到液压蓄能器7中。当进行加速时，电机3工作在不超过额定功率而又低于负载功率的较大功率下，第一液压泵马达4 作为泵工作，第二液压泵马达5的排量为正排量，通过电子比例控制排量控制排量大小，进而控制第二液压泵马达5的输出转矩大小，同时液压蓄能器7储存的高压油流入并驱动第二液压泵马达5旋转后，压力下降流入液压油箱8。当匀速行驶时，功率需求较为平稳，液压蓄能器7的压力基本保持不变，主要由电机3带动第一液压泵马达4提供动力，通过电子比例调节第二液压泵马达8 的排量可以对车速进行控制。

Claims (6)

1.一种串联式电液混合动力系统，其特征在于：包括蓄电池组(1)、电机控制器(2)、电机(3)、第一液压泵马达(4)、第二液压泵马达(5)、主减速器(6)、液压蓄能器(7)和液压油箱(8)；
蓄电池组(1)通过电机控制器(2)与电机(3)电连接，电机(3)的输出轴与第一液压泵马达(4)的输出轴同步机械连接，第一液压泵马达(4)和第二液压泵马达(5)均设置有高压和低压进出油口，第一液压泵马达(4)的高压进出油口、液压蓄能器(7)的进出油口和第二液压泵马达(5)的高压进出油口三者相互连通，第一液压泵马达的低压进出油口、液压油箱(8)和第二液压泵马达(5)的低压进出油口三者相互连通；第二液压泵马达(5)的输出轴与主减速器(6)的输入轴同轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种串联式电液混合动力系统，其特征在于：所述混合动力系统主要由电驱动系统和液压驱动系统组成，由所述蓄电池组(1)、电机控制器(2)、电机(3)和第一液压泵马达(4)构成混合动力系统的电驱动系统，电驱动系统提供混合动力系统的平均功率；由所述第一液压泵马达(4)、第二液压泵马达(5)、液压蓄能器(7)和液压油箱(8)构成混合动力系统的液压驱动系统，液压驱动系统提供混合动力系统的峰值功率。
3.根据权利要求1所述的一种串联式电液混合动力系统，其特征在于：所述第一液压泵马达(4)是定排量的液压泵马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；是单个液压泵马达，或是两个以上液压泵马达的组合。
4.根据权利要求1所述的一种串联式电液混合动力系统，其特征在于：所述蓄电池组(1)是化学电池、燃料电池或超级电容中的一种，或是两种以上的组合。
5.根据权利要求1所述的一种串联式电液混合动力系统，其特征在于：所述电机(3)是永磁同步电机、异步电机、开关磁阻电机或是直流电机。
6.根据权利要求1所述的一种串联式电液混合动力系统，其特征在于：所述液压蓄能器(7)是两个以上液压蓄能器的组合，或是单个的液压蓄能器。
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