CN113757193A - 一种电静液储能单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电静液储能单元。本发明包括液压油箱、蓄电池、电机控制器、电机和液压泵马达；蓄电池通过电机控制器与电机电连接，电机的输出轴与液压泵马达的输出轴同轴连接，液压泵马达设置有两个进出油口，液压泵马达的第一进出油口与液压油箱连通，液压泵马达的第二进出油口作为电静液储能单元的进出油口。电储能具有高能量密度，与传统的液压蓄能器储能相比，本发明可实现高能量密度的液压储能，同时通过对电机速度转矩的控制，可以实现主动的液压压力流量控制。

Description

一种电静液储能单元
技术领域
本发明涉及一种液压储能单元，尤其是涉及一种电静液储能单元。
背景技术
液压储能单元广泛应用于工程机械、车辆、海洋能利用等领域，其中最常用的液压储能单元是液压蓄能器，它的功率密度很高，但具有以下几个缺点：1)能量密度较低，储能容量小，不能长时间放能；2)液压蓄能器的输出液压压力随着储存能量的释放快速降低到系统所需压力以下，影响系统工作稳定性；3)不能主动调控输出输入的油液压力和流量。电储能技术主要指电化学电池、超级电容储能等技术，具有较高的储能能量密度。
发明内容
针对技术中的上述问题，本发明提出了一种基于电池和电机泵的电静液储能单元，由电机驱动的液压泵马达作为电静液泵，可以由电机驱动工作在泵送工况，或者工作在马达工况反拖电机作为发电机运行，将液压能与电能进行相互转换。电储能具有高能量密度，与传统的液压蓄能器储能相比，可实现高能量密度的液压储能。同时通过对电机速度转矩的控制，可以实现主动的液压压力流量控制。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括液压油箱、蓄电池、电机控制器、电机和液压泵马达；
蓄电池通过电机控制器与电机电连接，电机的输出轴与液压泵马达的输出轴同轴连接，液压泵马达设置有两个进出油口，液压泵马达的第一进出油口与液压油箱连通，液压泵马达的第二进出油口作为电静液储能单元的进出油口。
当所述电静液储能单元进行能量输出时，液压油箱中输出的油液经电机驱动的液压泵马达升压后从电静液储能单元的进出油口输出；当所述电静液储能单元进行能量储存时，电静液储能单元的进出油口输入的油液经液压泵马达降压后输入液压油箱。
所述液压泵马达是定排量液压泵马达马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；所述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。
所述蓄电池是电池组或超级电容。
所述的电静液储能单元的流量和电机的转速、液压泵马达的排量满足如下关系：
Q＝ω*D
其中，Q为电静液储能单元的输入输出流量，ω为电机的转速，D为液压泵马达的排量。
所述的电静液储能单元的高低压压力差和电机的转矩、液压泵马达的排量满足如下关系：
T＝Δp*D
其中，Δp为液压泵马达的进出油口的压力差，T为电机的转矩，D为液压泵马达的排量。
所述液压泵马达的液压回路是闭式液压回路，或是开式液压回路。
本发明的有益效果是：
本发明中电静液泵是由电机驱动的液压泵马达，可以由电机驱动工作在泵送工况，或者工作在马达工况反拖电机作为发电机运行，将液压能与电能进行相互转换。电储能具有高能量密度，与传统的液压蓄能器储能相比，本发明可实现高能量密度的液压储能，同时通过对电机速度转矩的控制，可以实现主动的液压压力流量控制。
附图说明
图1为电静液储能单元原理图。
图2是本发明用于轮式装载机轮式驱动的串联液压混合动力系统原理图。
图3是本发明用于轮式装载机轮式驱动的变速箱前并联混动系统原理图。
图4是本发明用于轮式装载机轮式驱动的变速箱后并联混动系统原理图。
图5是本发明用于卡车动力系统时的变速箱前并联混动系统原理图。
图6是本发明用于卡车动力系统时的变速箱后并联混动系统原理图。
图中：1、液压油箱，2、蓄电池，3、电机控制器，4、电机，5、液压泵马达，6、发动机，7、主液压泵，8、液压马达，9、车辆主减速器，10、啮合齿轮对，11、液力变矩器，12、变速箱，13、第一离合器，14、第二离合器。
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，本发明包括液压油箱1、蓄电池2、电机控制器3、电机4和液压泵马达5；
蓄电池2通过电机控制器3与电机4电连接，电机4的输出轴与液压泵马达5的输出轴同轴连接，液压泵马达5设置有两个进出油口，液压泵马达5的第一进出油口与液压油箱1连通，液压泵马达5的第二进出油口作为电静液储能单元的进出油口，具体实施中，电静液储能单元的进出油口与静液压传动回路连通。
当电静液储能单元以高压油液形式进行能量输出时，液压油箱1中输出的油液经电机4驱动的液压泵马达5升压后从电静液储能单元的进出油口输出；当电静液储能单元进行能量储存时，电静液储能单元的进出油口输入的高压油液经液压泵马达5降压后输入液压油箱1。
液压泵马达5是定排量液压泵马达马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；液压泵马达5是单个液压泵马达，或是两个以上液压泵马达的组合。
蓄电池2是电池组或超级电容。
电静液储能单元的流量和电机4的转速、液压泵马达5的排量满足如下关系：
Q＝ω*D
其中，Q为电静液储能单元的输入输出流量，ω为电机4的转速，D为液压泵马达5的排量。
电静液储能单元的高低压压力差和电机4的转矩、液压泵马达5的排量满足如下关系：
T＝Δp*D
其中，Δp为液压泵马达5的进出油口的压力差，T为电机4的转矩，D为液压泵马达5的排量。
电静液储能单元可实现高压油液形式的能量输出和输入储存。当以高压油液形式进行能量输出时，油液可以从液压油箱1经电机4驱动的液压泵马达5升压后输出，蓄电池储存的电能驱动电机旋转并转化为高压液压能，并通过电机转速控制调整输出流量；当进行能量储存时，高压油液经液压泵马达5流入液压油箱1，液压泵马达5带动电机4作为发电机发电，高压液压能量转化为电能储存到蓄电池2中，并通过电机转速控制调整输入流量。
本发明用于不同动力系统的实施例及其实施工作过程如下：
实施例1
图2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。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静液压传动系统中。
静液压传动系统包括发动机6、主液压泵7、液压马达8和车辆主减速器9，发动机6的输出轴与主液压泵7的输出轴同轴连接，主液压泵7的两个进出油口分别与液压马达8的两个进出油口连通，主液压泵7和液压马达8构成静液压传动回路，液压马达8的输出轴与车辆主减速器9之间通过传动轴相连，主液压泵7和液压马达8之间相连的一个油管与电液储能单元的第一进出油口连通。本实施例中电液储能单元的液压泵马达5的液压回路是开式液压回路。
主动力源为发动机6，驱动主液压泵7，经过静液压传动回路驱动液压马达8，液压马达8驱动车辆主减速器9，最后通过车辆主减速器9驱动车辆车轮行驶。电静液储能单元通过控制进出油口的液压压力和进出油流量，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系统振动；另一方面可以通过能量充放，调节发动机与负载的动力匹配，解决负载速度变化过快时二者功率匹配不好，使发动机工况恶化的问题，使主动力源平稳工作。同时，电静液储能单元可以回收制动能量，并提供辅助动力，通过能量存储、再利用的方式使发动机工作在较高效率区间。
实施例2
图3是本发明用于轮式装载机行走驱动的变速箱前并联混动系统原理图。对于中型和大型轮式装载机，常用的动力传动系统为液力传动+换挡齿轮传动。
动力传动系统包括液压马达8、车辆主减速器9、发动机6、液力变矩器11、变速箱12和啮合齿轮对10；
液压马达8的两个进出油口分别与电液混合储能单元的进出油口和液压泵马达5的第一进出油口连通，液压泵马达5的第一进出油口不与液压油箱连通，即液压泵马达5的液压回路是闭式液压回路。液压泵马达5和液压马达8构成静液压传动回路。
啮合齿轮对10的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴与啮合齿轮对10的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对10的另一个齿轮分别与液力变矩器11的输出轴、变速箱12的输入轴同轴连接，液力变矩器11和变速箱12分别设置在啮合齿轮对10的两侧，液力变矩器11的输入轴与发动机6的输出轴同轴连接，变速箱12的输出轴与车辆主减速器9同轴连接，与啮合齿轮对10同轴连接的液力变矩器11的输出轴、变速箱12的输入轴均作为动力传动系统的传动轴。
电静液储能单元的液压能可通过液压马达8转化为机械能汇入传动轴，发动机6输出的多余机械能可转化为液压能储存到电液混合储能单元中。当发动机功率小于车轮驱动所需功率时，蓄电池2为电机4供能，电机控制器3控制电机旋转，带动液压泵马达5作为泵工作，输出的高压液压油驱动液压马达8旋转，驱动车辆主减速器9；当发动机输出功率大于车轮驱动所需功率时，多余的发动机输出功率通过啮合齿轮对10带动液压马达8作为泵工作，输出的高压液压油带动液压泵马达5作为马达旋转，进而带动电机4作为发电机发电，电机控制器3控制电机4转速，进而控制从发动机吸收的功率，得到的电能储存于蓄电池2中。一方面，通过能量的储存和释放，可以将发动机工作点调整到高效率工作区，提高燃油经济性和减少废气排放；另一方面，并联的液压马达8可以作为辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，在启停、加速减速等工况时发挥作用，提高轮式装载机的动力性能和操纵性能。
实施例3
图4是本发明用于轮式装载机行走驱动的变速箱后并联混动系统原理图。与实施例2的主要区别在于液压马达8并联到主传动轴的位置不同，工况也不同。变速箱后并联式的转速相较变速箱前并联式混动，液压马达8的转速更低而转矩要求更大。
动力传动系统包括液压马达8、车辆主减速器9、发动机6、液力变矩器11、变速箱12和啮合齿轮对10；
液压马达8的两个进出油口分别与电液混合储能单元的进出油口和液压泵马达5的第一进出油口连通，液压泵马达5的第一进出油口不与液压油箱连通，即液压泵马达5的液压回路是闭式液压回路。液压泵马达5和液压马达8构成静液压传动回路。
啮合齿轮对10的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴与啮合齿轮对10的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对10的另一个齿轮分别与变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴同轴连接，车辆主减速器9和变速箱12分别设置在啮合齿轮对10的两侧，发动机6通过液力变矩器11与变速箱12的输入轴同轴连接，与啮合齿轮对10同轴连接的变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴均作为动力传动系统的传动轴。
电静液储能单元的液压能可通过液压马达8转化为机械能汇入主动力传动轴，发动机6输出的多余机械能可转化为液压能储存到电液混合储能单元中。类似于实施例2，当发动机功率小于车轮驱动所需功率时，蓄电池2为电机4供能，电机控制器3控制电机旋转，带动液压泵马达5作为泵工作，输出的高压液压油驱动液压马达8旋转，驱动车辆主减速器9；当发动机输出功率大于车轮驱动所需功率时，多余的发动机输出功率通过啮合齿轮对10带动液压马达8作为泵工作，输出的高压液压油带动液压泵马达5作为马达旋转，进而带动电机4作为发电机发电，电机控制器3控制电机4转速，进而控制从发动机吸收的功率，得到的电能储存于蓄电池2中。一方面，通过能量的储存和释放，可以将发动机工作点调整到高效率工作区，提高燃油经济性和减少废气排放；另一方面，并联的液压马达8可以作为辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，在启停、加速减速等工况时发挥作用，提高轮式装载机的动力性能和操纵性能。
实施例4
图5是本发明用于卡车动力系统时的变速箱前并联混动系统原理图。重载卡车对于动力性能要求也较高，特别是在启动、刹车、上坡等工况，动力系统需要同时适应上述低速工况和长距离运输的高速工况，对发动机和变速箱要求都较高。同时卡车在长距离下坡时有大量制动能量被浪费，且需要装配刹车片辅助散热装置。
卡车动力系统包括液压马达8、车辆主减速器9、发动机6、变速箱12、啮合齿轮对10、第一离合器13和第一离合器14；
液压马达8的两个进出油口分别与电液混合储能单元的进出油口和液压泵马达5的第一进出油口连通，液压泵马达5的第一进出油口不与液压油箱连通，即液压泵马达5的液压回路是闭式液压回路。液压泵马达5和液压马达8构成静液压传动回路。
啮合齿轮对10的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴通过第一离合器14与啮合齿轮对10的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对10的另一个齿轮分别与变速箱12的输入轴、第一离合器13的输出轴同轴连接，第一离合器13和变速箱12分别设置在啮合齿轮对10的两侧，发动机6与第一离合器13的输入轴同轴连接，变速箱12的输出轴与车辆主减速器9同轴连接；与啮合齿轮对10同轴连接的变速箱12的输入轴、第一离合器13的输出轴均作为动力传动系统的传动轴。
一方面，在启停、加速减速、上坡等低速工况时，第二离合器14接通，并联的液压马达8提供辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，提高卡车的动力性能和操纵性能，在高速工况下，第二离合器14断开，不影响发动机工作；另一方面，在刹车、长距离下坡等工况下，第二离合器14接通，提供刹车力的同时回收制动能量，将传动轴上的机械能通过液压马达8转化储存到电静液储能单元中，在辅助启动等工况下再释放出来，提高了能量效率的同时减少了刹车产生的热量。
实施例5
图6是本发明用于卡车动力系统时的变速箱后并联混动系统原理图。和实施例4的主要区别在于液压马达8并联到主传动轴的位置不同，工况也不同。变速箱后并联混动的转速相较变速箱前并联混动，液压马达8的转速更低而转矩要求更大。
卡车动力系统包括液压马达8、车辆主减速器9、发动机6、变速箱12、啮合齿轮对10、第一离合器13和第一离合器14；
液压马达8的两个进出油口分别与电液混合储能单元的进出油口和液压泵马达5的第一进出油口连通，液压泵马达5的第一进出油口不与液压油箱连通，即液压泵马达5的液压回路是闭式液压回路。液压泵马达5和液压马达8构成静液压传动回路。
啮合齿轮对10的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴通过第二离合器15与啮合齿轮对10的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对10的另一个齿轮分别与变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴同轴连接，车辆主减速器9和变速箱12分别设置在啮合齿轮对10的两侧，发动机6通过第一离合器14与变速箱12的输入轴同轴连接，与啮合齿轮对10同轴连接的变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴均作为动力传动系统的传动轴。
同样地，一方面，在启停、加速减速、上坡等低速工况时，第二离合器14接通，并联的液压马达8提供辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，提高卡车的动力性能和操纵性能，在高速工况下，第二离合器14断开，不影响发动机工作；另一方面，在刹车、长距离下坡等工况下，第二离合器14接通，提供刹车力的同时回收制动能量，将传动轴上的机械能通过液压马达8转化储存到电静液储能单元中，在辅助启动等工况下再释放出来，提高了能量效率的同时减少了刹车产生的热量。

Claims (7)

1.一种电静液储能单元，其特征在于：包括液压油箱(1)、蓄电池(2)、电机控制器(3)、电机(4)和液压泵马达(5)；
蓄电池(2)通过电机控制器(3)与电机(4)电连接，电机(4)的输出轴与液压泵马达(5)的输出轴同轴连接，液压泵马达(5)的第一进出油口与液压油箱(1)连通，液压泵马达(5)的第二进出油口作为电静液储能单元的进出油口。
2.根据权利要求1所述的一种电静液储能单元，其特征在于：当所述电静液储能单元进行能量输出时，液压油箱(1)中输出的油液经电机(4)驱动的液压泵马达(5)升压后从电静液储能单元的进出油口输出；当所述电静液储能单元进行能量储存时，电静液储能单元的进出油口输入的油液经液压泵马达(5)降压后输入液压油箱(1)。
3.根据权利要求1所述的一种电静液储能单元，其特征在于：所述液压泵马达(5)是定排量液压泵马达马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；所述液压泵马达(5)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所述的一种电静液储能单元，其特征在于：所述蓄电池(2)是电池组或超级电容。
5.根据权利要求1所述的一种电静液储能单元，其特征在于：所述的电静液储能单元的流量和电机(4)的转速、液压泵马达(5)的排量满足如下关系：
Q＝ω*D
其中，Q为电静液储能单元的输入输出流量，ω为电机(4)的转速，D为液压泵马达(5)的排量。
6.根据权利要求1所述的一种电静液储能单元，其特征在于：所述的电静液储能单元的高低压压力差和电机(4)的转矩、液压泵马达(5)的排量满足如下关系：
T＝Δp*D
其中，Δp为液压泵马达(5)的进出油口的压力差，T为电机(4)的转矩，D为液压泵马达(5)的排量。
7.根据权利要求1所述的一种电静液储能单元，其特征在于：所述液压泵马达(5)的液压回路是闭式液压回路，或是开式液压回路。
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