CN113958544A - 工程机械电液复合储能驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工程机械电液复合储能驱动系统，多个压力传感器、发电机控制器、工作电机控制器反馈控制信号至整机控制器。发电机控制器、工作电机控制器、比例换向阀、电磁换向阀作为信号输出端连接至整机控制器。通过本系统的相关功能，可以使得电驱动工程机械工作在剧变负载工况时，动力电池系统输出电流维持在一个健康、平稳的最优值，避免了工程机械剧变负载引起的动力电池大电流放电导致的电池寿命降低问题，提高了动力电池的使用循环周期，弥补了动力电池驱动系统动力响应慢的不足。本发明还提供了工程机械电液复合储能驱动系统控制方法。

Description

工程机械电液复合储能驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械电液复合储能驱动系统。

背景技术

面对全球性的能源危机、环境污染以及国家提出的“双碳”远景目标等重大问题和需求，量大且面广、能耗高和排放差的工程机械亟需应对节能环保的压力。在此背景下，近年来国内外各大厂商相继提出基于动力电池驱动的新能源工程机械已逐步出现，国外日立、沃尔沃、卡特，国内徐工、三一、柳工、华南重工等企业均有推出相应的样机和产品。

目前新能源工程机械驱动动力电池一般分为能量型和功率型两种，其中能量型动力电池使用寿命长、价格低、瞬时放电能力差，获得了各大厂商的青睐。能量型动力电池寿命短、技术不成熟、价格昂贵，目前使用面较小，仅在混合动力样机上有少量使用。

工程机械负载波动剧烈，负载峰值功率可达到平均功率的2倍以上，因此动力电池在匹配剧烈波动的负载功率需求上存在巨大的压力，易出现整机操控爆发力不足、多执行器联合作业时动作缓慢、瞬时大电流放电造成电池寿命降低等情况。目前搭载动力电池的工程机械解决以上问题一般采用搭载更大容量的动力电池、优化整机控制系统、对多执行器能量需求设置优先级等被动手段。

发明内容

本发明提供了工程机械电液复合储能驱动系统，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了工程机械电液复合储能驱动系统，包括：工作电机、工作泵、先导泵、第一溢流阀、第二溢流阀、第一压力传感器、减压阀、比例换向阀、变量缸、单向阀、液压泵、发电机、第三溢流阀、电磁换向阀、电磁溢流阀，第二压力传感器、液压蓄能器、整机控制器、发电机控制器、动力电池系统、工作电机控制器和工作系统；

所述工作电机、工作泵、先导泵同轴机械相连；先导泵出油口与减压阀A口、第一溢流阀A口、先导系统相连；减压阀B口与比例换向阀P口相连；比例换向阀A、B口分别与变量缸两腔相连；变量缸推杆与液压泵机械相连；先导泵进口、工作泵进口、液压泵A口、单向阀A口、第一溢流阀B口、第二溢流阀B口、第三溢流阀B口、电磁溢流阀B口、比例换向阀T口与油箱相连；工作泵出口与第二溢流阀A口、工作系统、第一压力传感器相连；液压泵与发电机机械连接；液压泵B口与第三溢流阀A口、电磁换向阀P口，单向阀B口相连；电磁换向阀A 口与电磁溢流阀A口、第二压力传感器、液压蓄能器相连；发电机与发电机控制器电气相连；工作电机与工作电机控制器电气相连；发电机控制器、动力电池系统、工作电机控制器电气相连；整机控制器与动力电池系统、发电机控制器、工作电机控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、电磁换向阀电磁铁、比例换向阀电磁铁、液压泵排量检测机构电气相连。

在一较佳实施例中：除机械连接、电信号连接以外的其他连接都为油路连接。

在一较佳实施例中：所述发电机包括电动模式和发电模式。

在一较佳实施例中：所述液压泵包括泵模式和马达模式。

在一较佳实施例中：所述动力电池系统为锂电池、镍氢电池、燃料电池中的。

在一较佳实施例中：所述工作系统用于驱动其他执行器，其进油口连接工作泵的出油口、第二溢流阀的A口。

在一较佳实施例中：还包括用于驱动先导泵的液压系统，其进油口连接先导泵的出油口、第一溢流阀的A口、减压阀A口。

在一较佳实施例中：液压蓄能器为气囊式或活塞式。

本发明还提供了工程机械电液复合储能驱动系统控制方法，基于如上所述所述的工程机械电液复合储能驱动系统；

所述第一压力传感器、第二压力传感器分别实时获得工作泵出口p_i1、液压蓄能器压力p_i2；发电机控制器实时控制并获得泵/马达电机转速n₁，转矩T₁，电压U₁，电流I₁；工作电机控制器实时控制并获得工作电机转速n₂，转矩T₂，电压U₂，电流I₂；动力电池系统管理器实时控制并获得电池系统输出的电压U₃、电流I₃；整机控制器实时控制比例换向阀左右比例电磁铁输入信号，实时调整液压泵排量V。整机控制器通过采集工作电机控制器反馈的工作电机参数实时计算工作系统消耗的瞬时功率Q_i，Q_i＝n₂*T₂/9550，与工作系统平均功率Q_a实时比较；

所述工程机械电液复合储能驱动系统处于不同工作负载功率下的驱动控制方法包括：

当工作系统消耗的瞬时功率等于工作系统平均功率，即Q_i＝Q_a：

步骤11，整机控制器通过采集与计算各电机控制器反馈参数，判断Q_i＝Q_a，比例换向阀左右电磁铁均不得电，液压泵变量缸处于中位状态，液压泵输出排量为V＝0，发电机以n₁的转速带动设定排量为V＝0的泵/马达旋转；液压蓄能器下端电磁换向阀电磁铁得电，液压蓄能器与泵/马达液压回路断开；

步骤12，在此过程中，动力电池系统输出主泵消耗的全部功率，输出的功率等于平均功率，在工作过程中，动力电池系统电压变化极小，因此可以认为动力电池系统输出电流为一恒定值，且优化匹配动力电池系统与整机功率的需求参数，可以使得动力电池系统在输出平均功率时，电池输出电流最优的恒定值；

当工作系统消耗的瞬时功率小于工作系统平均功率，即Q_i＜Q_a：

步骤21，整机控制器通过采集与计算各电机控制器反馈参数，判断Q_i＜Q_a，为了保证动力电池系统实时输出功率等于工作系统平均功率Q_a，以维持动力电池系统输出电流为一最优的恒定值，需要通过液压泵系统消耗的功率 Q₂＝Q_a-Q_i；此时，电磁换向阀电磁铁失电，比例换向阀右电磁铁得电，变量缸右腔通入高压油，液压泵工作在泵模式，发电机工作在电机模式，驱动液压泵，输出高压至液压蓄能器存储。在此工程中，液压泵实时排量控制通过整机控制器实现闭环实时控制，液压泵实时排量大小为：

步骤22，液压泵排量随着液压蓄能器压力P_i2变化而变化，综合考虑工作系统负载周期变化规律、平均负载与峰谷值负载之间的差异等，可以优化液压蓄能器初始充气压力和有效容积等参数，控制液压蓄能器压力P_i2在充油周期内始终小于电磁溢流阀设定的液压蓄能器最高工作安全压力，以实现全部能量的存储；通过综合优化发电机转速以及液压泵排量，可实现液压泵系统对工作系统工作在谷值功率时，系统多余功率的全吸收；

当工作系统消耗的瞬时功率大于工作系统平均功率，即Q_i＞Q_a：

步骤31，整机控制器通过采集与计算各电机控制器反馈参数，判断Q_i＞Q_a，此时为了保证动力电池系统输出功率等于负载平均功率Q_a，以维持动力电池系统输出电流为一最优的恒定值，需要通过液压泵系统补充不足的功率Q₂＝ Q_i-Q_a；此时，电磁换向阀电磁铁失电，比例换向阀左电磁铁得电，变量缸左腔通入高压油，液压泵工作在马达模式，发电机工作在发电机模式，液压蓄能器存储的高压油从液压泵B口进入，A口排出，驱动发电机发电，弥补动力电池不足的输出功率。在此工程中，液压泵实时排量控制通过整机控制器实现闭环实时控制，液压泵实时排量大小为：

步骤32，液压泵排量随着液压蓄能器压力P_i2变化而变化，综合考虑工作系统负载周期变化规律、平均负载与峰谷值负载之间的差异等，可以优化液压蓄能器初始充气压力和有效容积等参数，可实现液压泵系统对工作系统峰值功率的全补充本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1、在工程机械工作系统工作在平均功率时，电动/发电-泵/马达模块工作在0排量工况，依靠动力电池系统即可实现工作负载的驱动。

2、在工程机械工作系统工作在平均功率以上时，电动/发电-泵/马达模块工作在发电-马达模式，所发出的电量与动力电池系统共同驱动工作系统，使得动力电池系统输出电流维持在一个最佳的值，避免了动力电池系统瞬时大电流放电工况，提高了动力电池系统使用寿命和能量转化效率。

3、在工程机械工作系统工作在平均功率以下时，电动/发电-泵/马达模块工作在电动-泵模式，消耗了动力电池系统输出的多余电流，并通过液压蓄能器将此部分能量储存起来，用于补充下一周期出现的能量不足工况。将动力电池系统输出电流始终维持在一个最佳的放电电流，有利于延长电池系统额使用寿命，提高电池效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1绘示了工程机械电液复合储能驱动系统的示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶 /底端”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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，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。

请查阅图1，工程机械电液复合储能驱动系统，它包括包括工作电机1、工作泵2、先导泵3、第一溢流阀4、第二溢流阀5、第一压力传感器6、减压阀7、比例换向阀8、变量缸9、单向阀10、液压泵11、发电机12、第三溢流阀13、电磁换向阀14、电磁溢流阀15，第二压力传感器16、液压蓄能器17、整机控制器18、发电机控制器19、动力电池系统20、工作电机控制器21、工作系统22、先导系统23；

其中：工作电机1、工作泵2、先导泵3同轴机械相连；先导泵3出油口与减压阀A口、第一溢流阀4的A口、先导系统23相连；减压阀7的B口与比例换向阀8的P口相连；比例换向阀8的A、B口分别与变量缸9的两腔两腔；变量缸9的推杆与液压泵11的机械相连；先导泵3的进口、工作泵2的进口、液压泵11的A口、单向阀10的A口、第一溢流阀4的B口、第二溢流阀5的B口、第三溢流阀13的B口、电磁溢流阀15的B口、电液换向阀T口、比例换向阀8的T口与油箱相连；工作泵2的出口与第二溢流阀5的A口、工作系统22、第一压力传感器6相连；液压泵11与发电机12机械连接；液压泵 11的B口与第三溢流阀13的A口、电磁换向阀14的P口，单向阀10的B口相连；电磁换向阀14的A口与电磁溢流阀15的A口、第二压力传感器16、液压蓄能器17相连；发电机12与发电机控制器19电气相连；工作电机1与工作电机控制器21电气相连；发电机控制器19、动力电池系统20、工作电机控制器21电气相连；整机控制器18与动力电池系统20、发电机控制器19、工作电机控制器21、第一压力传感器6、第二压力传感器16、电磁换向阀14的电磁铁、比例换向阀8的电磁铁、液压泵11的排量检测机构电气相连。

所述发电机12包括电动模式和发电模式。

液压泵11包括泵模式和马达模式。

所述动力电池系统20包括锂电池、镍氢电池、燃料电池等类型电池。

还包括用于驱动其他执行器的液压工作系统22，其进油口连接工作泵2的出油口、第二溢流阀5的A口。

还包括用于驱动先导泵3液压先导系统23，其进油口连接先导泵3的出油口、第一溢流阀4的A口、减压阀7的A口，所述先导泵3也可单独通过先导泵驱动电机驱动。

液压蓄能器包括但不限于气囊式、活塞式等类型。

工程机械电液复合储能驱动系统控制方法，基于以上所述的工程机械电液复合储能驱动系统：

所述第一压力传感器6、第二压力传感器16分别实时获得工作泵2的出口压力p_i1、液压蓄能器17压力p_i2；发电机控制器19实时监控与控制发电机电机转速n₁，转矩T₁，电压U₁，电流I₁；工作电机控制器21实时监控与控制工作电机1转速n₂，转矩T₂，电压U₂，电流I₂；动力电池系统20实时控制并获得电池系统输出的电压U₃、电流I₃，电池剩余电量百分比S₁；整机控制器18 实时控制比例换向阀8左右比例电磁铁输入信号，实时调整液压泵11的排量V。整机控制器18通过采集工作电机控制器21反馈的工作电机1参数实时计算工作系统22消耗的瞬时功率Q_i，Q_i＝n₂*T₂/9550，与工作系统平均功率Q_a实时比较。

所述工程机械电液复合储能驱动系统处于不同工作负载功率下的驱动控制方法包括：

当工作系统22消耗的瞬时功率等于工作系统22的平均功率，即Q_i＝Q_a：

步骤11，整机控制器18通过采集与计算各电机控制器反馈参数，判断 Q_i＝Q_a，比例换向阀8左右电磁铁均不得电，液压泵11变量缸处于中位状态，液压泵11工作排量为V＝0，发电机12以n₁的转速带动设定排量为V＝0的液压泵11旋转；液压蓄能器下端电磁换向阀14的电磁铁得电，液压蓄能器17 与液压泵11液压回路断开。

步骤12，在此过程中，动力电池系统20输出主泵消耗的全部功率，输出的功率等于平均功率，在工作过程中，动力电池系统20电压变化极小，因此可以认为动力电池系统20输出电流为一恒定值，且优化匹配动力电池系统20 与整机功率的需求参数，可以使得动力电池系统20在输出平均功率时，电池输出电流最优的恒定值。

当工作系统22消耗的瞬时功率小于工作系统平均功率，即Q_i＜Q_a：

步骤21，整机控制器18通过采集与计算各电机控制器反馈参数，判断Q_i＜Q_a，

为了保证动力电池系统20实时输出功率等于工作系统22平均功率Q_a，以维持动力电池系统20输出电流为一最优的恒定值，需要通过液压泵11系统消耗的功率Q₂＝Q_a-Q_i；此时，电磁换向阀14电磁铁失电，比例换向阀8右电磁铁得电，变量缸9右腔通入高压油，液压泵11工作在泵模式，发电机12工作在电机模式，驱动液压泵11，输出高压至液压蓄能器17存储。在此工程中，液压泵11实时排量控制通过整机控制器实现闭环实时控制，液压泵11实时排量大小为：

步骤22，液压泵11排量随着液压蓄能器17压力P_i2变化而变化，综合考虑工作系统22负载周期变化规律、平均负载与峰谷值负载之间的差异等，可以优化液压蓄能器17初始充气压力和有效容积等参数，控制液压蓄能器17压力P_i2在充油周期内始终小于电磁溢流阀设定的液压蓄能器17最高工作安全压力，以实现全部能量的存储；通过综合优化发电机12转速以及液压泵11排量，可实现液压泵11系统对工作系统22工作在谷值功率时，系统多余功率的全吸收。

当工作系统22消耗的瞬时功率大于工作系统22的平均功率，即Q_i＞Q_a：

步骤31，整机控制器18通过采集与计算各电机控制器反馈参数，判断Q_i＞Q_a，

此时为了保证动力电池系统20输出功率等于负载平均功率Q_a，以维持动力电池系统20输出电流为一最优的恒定值，需要通过液压泵11系统补充不足的功率Q₂＝Q_i-Q_a；此时，电磁换向阀14电磁铁失电，比例换向阀8左电磁铁得电，变量缸9左腔通入高压油，液压泵11工作在马达模式，发电机12工作在发电机模式，液压蓄能器17存储的高压油从液压泵11的B口进入，A口排出，驱动发电机12发电，弥补动力电池系统20不足的输出功率。在此工程中，液压泵11实时排量控制通过整机控制器18实现闭环实时控制，液压泵11实时排量大小为：

步骤32，液压泵11排量随着液压蓄能器17压力P_i2变化而变化，综合考虑工作系统22负载周期变化规律、平均负载与峰谷值负载之间的差异等，可以优化液压蓄能器17初始充气压力和有效容积等参数，可实现液压泵11系统对工作系统22峰值功率的全补充。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.工程机械电液复合储能驱动系统，其特征在于包括：工作电机、工作泵、先导泵、第一溢流阀、第二溢流阀、第一压力传感器、减压阀、比例换向阀、变量缸、单向阀、液压泵、发电机、第三溢流阀、电磁换向阀、电磁溢流阀，第二压力传感器、液压蓄能器、整机控制器、发电机控制器、动力电池系统、工作电机控制器和工作系统；

所述工作电机、工作泵、先导泵同轴机械相连；先导泵出油口与减压阀A口、第一溢流阀A口、先导系统相连；减压阀B口与比例换向阀P口相连；比例换向阀A、B口分别与变量缸两腔相连；变量缸推杆与液压泵机械相连；先导泵进口、工作泵进口、液压泵A口、单向阀A口、第一溢流阀B口、第二溢流阀B口、第三溢流阀B口、电磁溢流阀B口、比例换向阀T口与油箱相连；工作泵出口与第二溢流阀A口、工作系统、第一压力传感器相连；液压泵与发电机机械连接；液压泵B口与第三溢流阀A口、电磁换向阀P口，单向阀B口相连；电磁换向阀A口与电磁溢流阀A口、第二压力传感器、液压蓄能器相连；发电机与发电机控制器电气相连；工作电机与工作电机控制器电气相连；发电机控制器、动力电池系统、工作电机控制器电气相连；整机控制器与动力电池系统、发电机控制器、工作电机控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、电磁换向阀电磁铁、比例换向阀电磁铁、液压泵排量检测机构电气相连。

2.根据权利要求1所述的工程机械电液复合储能驱动系统，其特征在于：除机械连接、电信号连接以外的其他连接都为油路连接。

3.根据权利要求1所述的工程机械电液复合储能驱动系统，其特征在于：所述发电机包括电动模式和发电模式。

4.根据权利要求1所述的工程机械电液复合储能驱动系统，其特征在于：所述液压泵包括泵模式和马达模式。

5.根据权利要求1所述的工程机械电液复合储能驱动系统，其特征在于：所述动力电池系统为锂电池、镍氢电池、燃料电池中的。

6.根据权利要求1所述的工程机械电液复合储能驱动系统，其特征在于：所述工作系统用于驱动其他执行器，其进油口连接工作泵的出油口、第二溢流阀的A口。

7.根据权利要求1所述的工程机械电液复合储能驱动系统，其特征在于：还包括用于驱动先导泵的液压系统，其进油口连接先导泵的出油口、第一溢流阀的A口、减压阀A口。

8.根据权利要求1所述的工程机械电液复合储能驱动系统，其特征在于：液压蓄能器为气囊式或活塞式。

9.工程机械电液复合储能驱动系统控制方法，基于权利要求1-8中任一项所述的工程机械电液复合储能驱动系统，其特征在于：

所述第一压力传感器、第二压力传感器分别实时获得工作泵出口p_i1、液压蓄能器压力p_i2；发电机控制器实时控制并获得泵/马达电机转速n₁，转矩T₁，电压U₁，电流I₁；工作电机控制器实时控制并获得工作电机转速n₂，转矩T₂，电压U₂，电流I₂；动力电池系统管理器实时控制并获得电池系统输出的电压U₃、电流I₃；整机控制器实时控制比例换向阀左右比例电磁铁输入信号，实时调整液压泵排量V。整机控制器通过采集工作电机控制器反馈的工作电机参数实时计算工作系统消耗的瞬时功率Q_i，Q_i＝n₂*T₂/9550，与工作系统平均功率Q_a实时比较；

所述工程机械电液复合储能驱动系统处于不同工作负载功率下的驱动控制方法包括：

当工作系统消耗的瞬时功率等于工作系统平均功率，即Q_i＝Q_a：

步骤11，整机控制器通过采集与计算各电机控制器反馈参数，判断Q_i＝Q_a，比例换向阀左右电磁铁均不得电，液压泵变量缸处于中位状态，液压泵输出排量为V＝0，发电机以n₁的转速带动设定排量为V＝0的泵/马达旋转；液压蓄能器下端电磁换向阀电磁铁得电，液压蓄能器与泵/马达液压回路断开；

步骤12，在此过程中，动力电池系统输出主泵消耗的全部功率，输出的功率等于平均功率，在工作过程中，动力电池系统电压变化极小，因此可以认为动力电池系统输出电流为一恒定值，且优化匹配动力电池系统与整机功率的需求参数，可以使得动力电池系统在输出平均功率时，电池输出电流最优的恒定值；

当工作系统消耗的瞬时功率小于工作系统平均功率，即Q_i＜Q_a：

步骤21，整机控制器通过采集与计算各电机控制器反馈参数，判断Q_i＜Q_a，

为了保证动力电池系统实时输出功率等于工作系统平均功率Q_a，以维持动力电池系统输出电流为一最优的恒定值，需要通过液压泵系统消耗的功率Q₂＝Q_a-Q_i；此时，电磁换向阀电磁铁失电，比例换向阀右电磁铁得电，变量缸右腔通入高压油，液压泵工作在泵模式，发电机工作在电机模式，驱动液压泵，输出高压至液压蓄能器存储。在此工程中，液压泵实时排量控制通过整机控制器实现闭环实时控制，液压泵实时排量大小为：

步骤22，液压泵排量随着液压蓄能器压力P_i2变化而变化，综合考虑工作系统负载周期变化规律、平均负载与峰谷值负载之间的差异等，可以优化液压蓄能器初始充气压力和有效容积等参数，控制液压蓄能器压力P_i2在充油周期内始终小于电磁溢流阀设定的液压蓄能器最高工作安全压力，以实现全部能量的存储；通过综合优化发电机转速以及液压泵排量，可实现液压泵系统对工作系统工作在谷值功率时，系统多余功率的全吸收；

当工作系统消耗的瞬时功率大于工作系统平均功率，即Q_i＞Q_a：

步骤31，整机控制器通过采集与计算各电机控制器反馈参数，判断Q_i＞Q_a，

此时为了保证动力电池系统输出功率等于负载平均功率Q_a，以维持动力电池系统输出电流为一最优的恒定值，需要通过液压泵系统补充不足的功率Q₂＝Q_i-Q_a；此时，电磁换向阀电磁铁失电，比例换向阀左电磁铁得电，变量缸左腔通入高压油，液压泵工作在马达模式，发电机工作在发电机模式，液压蓄能器存储的高压油从液压泵B口进入，A口排出，驱动发电机发电，弥补动力电池不足的输出功率。在此工程中，液压泵实时排量控制通过整机控制器实现闭环实时控制，液压泵实时排量大小为：

步骤32，液压泵排量随着液压蓄能器压力P_i2变化而变化，综合考虑工作系统负载周期变化规律、平均负载与峰谷值负载之间的差异等，可以优化液压蓄能器初始充气压力和有效容积等参数，可实现液压泵系统对工作系统峰值功率的全补充。

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