CN114261911B - 混合动力系统、工程机械及混合动力系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程机械技术领域，提供一种混合动力系统、工程机械及混合动力系统的控制方法，其中混合动力系统用于卷扬机构，包括：液压马达、第一离合器、第一电机、第二离合器、电池、第二电机和第三离合器，液压马达、第一离合器、第一电机、第二离合器和卷扬机构依次串联，第一电机和第二电机分别与电池相连；液压马达通过第三离合器与第二电机相连。本发明提供的混合动力系统、工程机械及混合动力系统的控制方法，设置液压马达和第一电机为串联连接模式，设置第一离合器和第二离合器可实现系统多种驱动模式，有利于减轻液压马达的驱动压力，还能实现卷扬机构负载下放时势能的回收利用，有利于减少卷扬机构驱动的能量消耗，提高能量利用率。

Description

混合动力系统、工程机械及混合动力系统的控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种混合动力系统、工程机械及混合动力系统的控制方法。

背景技术

设有卷扬机构的工程机械种类较多，例如，旋挖钻机是一种用于成孔作业的桩工机械，钻头钻满土之后，需利用主卷扬将钻杆和钻头提出至孔外，倒完土之后，紧接着利用主卷扬将钻杆和钻头再次下放至孔内。钻杆重量一般都重达几吨、十几吨，如此往复地在孔内提升、下放，提升消耗的能量和下放释放的能量都非常大。另外，起重设备是将重达几吨、十几吨重物提升、下放，提升消耗的能量和下放释放的能量同样都非常大。

现有卷扬机构大多采用液压系统来驱动，即利用液压泵供油至多路阀，多路阀将压力油供给主卷扬马达，主卷扬马达的回油通过多路阀流回油箱。一般会在主卷扬马达的负载侧油口安装有平衡阀，防止主卷扬在负载的重力作用下失速。在主卷扬下放过程中，平衡阀被打开，主卷扬马达的负载侧压力油通过平衡阀形成一定的背压以平衡负载重量，但是负载的重力势能以平衡阀节流的方式白白损失掉了，同时还带来节流发热，增加了系统的热负荷。现有卷扬机构的动力系统存在能耗较大以及能量损失的问题。

发明内容

本发明提供一种混合动力系统、工程机械及混合动力系统的控制方法，用以解决现有技术中卷扬机构的动力系统存在能耗较大以及能量损失的问题。

本发明提供一种混合动力系统，用于卷扬机构，包括：液压马达、第一离合器、第一电机、第二离合器、电池、第二电机和第三离合器，所述液压马达、所述第一离合器、所述第一电机、所述第二离合器和所述卷扬机构依次串联，所述第一电机与所述电池相连；

所述液压马达通过所述第三离合器与所述第二电机相连，所述第二电机与所述电池相连，所述第三离合器用于选择性闭合以利用所述液压马达多余的能量带动所述第二电机发电并储存在所述电池中。

根据本发明提供的混合动力系统，所述第一电机和所述电池之间以及所述第二电机和所述电池之间分别设有逆变器。

根据本发明提供的混合动力系统，所述第二离合器和所述卷扬机构之间设有减速机。

根据本发明提供的混合动力系统，还包括发动机和液压泵，所述发动机、所述液压泵和所述液压马达依次相连。

本发明还提供一种工程机械，包括上述混合动力系统。

本发明还提供一种混合动力系统的控制方法，混合动力系统为上述混合动力系统，所述控制方法包括：在所述卷扬机构处于提升模式时，获取所述电池的电量信息；若所述电池的电量大于等于第一预设电量值，则以所述第一电机驱动为主、所述液压马达驱动为辅驱动所述卷扬机构提升；若所述电池的电量大于等于第二预设电量值小于所述第一预设电量值，则以所述液压马达驱动为主、所述第一电机驱动为辅驱动所述卷扬机构提升，且控制与所述液压马达相连的发动机处于最佳油耗区工作；若所述电池的电量小于所述第二预设电量值，则控制所述液压马达驱动所述卷扬机构提升或者提示负载超重；其中，所述第一预设电量值大于所述第二预设电量值。

根据本发明提供的混合动力系统的控制方法，若所述电池的电量大于等于第一预设电量值，则以所述第一电机驱动为主、所述液压马达驱动为辅驱动所述卷扬机构提升，具体包括：获取所述第一电机的最大输出力矩和负载提升所需力矩；若所述第一电机的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述第一离合器断开、所述第二离合器闭合，由所述第一电机驱动所述卷扬机构提升；若所述第一电机的最大输出力矩小于所述负载提升所需力矩，则控制所述第一离合器和所述第二离合器同时闭合，由所述液压马达和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提升，且所述液压马达的输出力矩根据所述第一电机的最大输出力矩和负载提升所需力矩确定。

根据本发明提供的混合动力系统的控制方法，若所述电池的电量大于等于第二预设电量值小于所述第一预设电量值，则以所述液压马达驱动为主、所述第一电机驱动为辅驱动所述卷扬机构提升，且控制与所述液压马达相连的发动机处于最佳油耗区工作，具体包括：获取所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩；若所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区，同时控制所述第一离合器、所述第二离合器和所述第三离合器闭合，由所述液压马达驱动所述卷扬机构提升且利用所述液压马达多余的能量驱动所述第二电机发电并储存在所述电池中；若所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩小于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区，同时控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合，由所述液压马达和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提升。

根据本发明提供的混合动力系统的控制方法，若所述电池的电量小于所述第二预设电量值，则控制所述液压马达驱动所述卷扬机构提升或者提示负载超重，具体包括：获取所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩；若所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区或最高负荷区，同时控制所述第一离合器、所述第二离合器和所述第三离合器闭合，由所述液压马达驱动所述卷扬机构提升且利用所述液压马达多余的能量驱动所述第二电机发电并储存在所述电池中；若所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩小于所述负载提升所需力矩，则提示负载超重。

根据本发明提供的混合动力系统的控制方法，所述控制方法还包括：在所述卷扬机构处于下放模式时，获取所述电池的电量；若所述电池的电量小于100％，获取所述第一电机反转时的输出力矩和负载下降所需力矩；若所述第一电机反转时的输出力矩大于等于所述负载下降所需力矩，则控制所述第一离合器断开、所述第二离合器闭合，由所述第一电机为负载下放提供制动力且控制所述第一电机发电并储存在所述电池中；若所述第一电机反转时的输出力矩小于所述负载下降所需力矩，则控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合，由所述液压马达和所述第一电机共同为负载下放提供制动力且控制所述第一电机发电并储存在所述电池中。

根据本发明提供的混合动力系统的控制方法，所述控制方法还包括：在所述发动机怠速时，获取所述电池的电量；若所述电池的电量小于100％，则控制所述第一离合器或所述第三离合器闭合、所述第二离合器断开，利用所述发动机的能量控制所述第一电机或所述第二电机发电并储存在所述电池中。

根据本发明提供的混合动力系统的控制方法，若所述电池的电量小于100％，则控制所述第一离合器或所述第三离合器闭合、所述第二离合器断开，利用所述发动机的能量控制所述第一电机或所述第二电机发电并储存在所述电池中的同时还包括：控制所述发动机的转速提升至预设转速范围。

本发明提供的混合动力系统、工程机械及混合动力系统的控制方法，设置液压马达和第一电机为串联连接模式，通过设置第一离合器和第二离合器可实现系统多种驱动模式，有利于减轻液压马达的驱动压力，还能实现卷扬机构负载下放过程中势能的回收以及发动机怠速时能量的回收利用，有利于减少卷扬机构驱动的能量消耗，提高能量利用率；且该混合动力系统结构紧凑简单，可便于安装布置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，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是本发明提供的混合动力系统的示意图；

图2是本发明提供的混合动力系统的控制方法的第一示意图；

图3是本发明提供的混合动力系统的控制方法的第二示意图；

图4是本发明提供的混合动力系统的控制方法的第三示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。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。

下面结合图1至图4描述本发明的混合动力系统、工程机械及混合动力系统的控制方法。

本实施例提供一种混合动力系统，用于卷扬机构，混合动力系统用于驱动卷扬机构提升或下放负载。参考图1，该混合动力系统包括：液压系统、第一离合器、第一电机、第二离合器和电池，液压系统包括液压马达，所述液压马达、所述第一离合器、所述第一电机、所述第二离合器和所述卷扬机构依次串联，所述第一电机与所述电池相连。本实施例提供的混合动力系统采用串联形式，通过第一离合器可用来控制液压系统和第一电机之间传动的通断，通过第二离合器可用来控制第一电机和卷扬机构之间传动的通断。第一电机既可以作为发电机，也可以作为电动机。电池可用于向第一电机供应电能，也可以用于存储第一电机产生的电能。

进一步地，所述混合动力系统用于在所述卷扬机构处于提升模式时，选择性闭合所述第一离合器和所述第二离合器以利用所述第一电机和/或所述液压马达驱动所述卷扬机构的负载提升。即该混合动力系统可实现第一电机纯电驱动提升、液压马达纯液驱动提升或者第一电机和液压马达混合驱动提升三种驱动模式。具体的，混合动力系统用于断开第一离合器、闭合第二离合器且连通电池和第一电机，以利用第一电机驱动卷扬机构的负载提升；或者，用于闭合第一离合器、闭合第二离合器且断开电池和第一电机，以利用液压马达驱动卷扬机构的负载提升；或者，用于闭合第一离合器、闭合第二离合器且连通电池和第一电机，以利用第一电机和液压马达共同驱动卷扬机构的负载提升。

本实施例通过在动力系统中引入第一电机，增加了卷扬机构的提升驱动模式，且电动驱动具有反应较快，能量利用率较高的特点。另外，当卷扬机构需求较大功率时，液压系统和第一电机可同时工作输出功率，有利于减轻液压系统的驱动压力，使液压系统一直工作在稳定的工况，有利于减少油耗，起到节能的作用。

进一步地，所述混合动力系统还用于在所述卷扬机构处于下放模式时，选择性闭合所述第一离合器和所述第二离合器以利用所述第一电机或所述液压马达对所述卷扬机构的负载下放进行制动，并带动所述第一电机发电储存在所述电池中。具体的，混合动力系统还用于断开第一离合器、闭合第二离合器且连通第一电机和电池，以利用第一电机的反转力矩对负载下放进行制动，并通过第一电机反转发电储存在电池中；或者，闭合第一离合器、闭合第二离合器且连通第一电机和电池，以利用液压马达对负载下放进行制动，并通过第一电机反转发电储存在电池中。该混合动力系统还可通过第一电机实现卷扬机构负载下放过程中势能的回收。

本实施例提供的卷扬机构混合动力系统，设置液压系统和第一电机为串联连接模式，通过设置第一离合器和第二离合器可实现系统多种驱动模式，有利于减轻液压系统的驱动压力，还能实现卷扬机构负载下放过程中势能的回收利用，有利于减少卷扬机构驱动的能量消耗，提高能量利用率；且该混合动力系统结构紧凑简单，可便于安装布置。

进一步地，所述混合动力系统还用于在与所述液压马达相连的发动机怠速时，闭合所述第一离合器、断开所述第二离合器，以利用所述发动机的能量带动所述第一电机发电并储存在所述电池中。具体的，液压系统可包括依次串联连接的发动机、液压泵和液压马达。在工程应用中，经常会出现发动机怠速的情况，本实施例提供的混合动力系统在发动机怠速时，可利用发动机的能量带动第一电机发电以实现对发动机能量的利用，提高能量利用率，减少能量浪费。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，本实施例提供的混合动力系统还包括第二电机和第三离合器，所述液压马达通过所述第三离合器与所述第二电机相连，所述第二电机与所述电池相连。具体的，液压系统的液压马达通过第三离合器与第二电机相连。第二电机可用作发电机。所述第三离合器用于选择性闭合以利用所述液压马达多余的能量带动所述第二电机发电并储存在所述电池中。

即在液压系统输出的能量大于卷扬机构所需能量时，可闭合第三离合器，液压系统可将多余的能量通过第三离合器传递至第二电机，可带动第二电机发电并储存在电池中。具体的，在卷扬机构处于提升模式时，可选择性闭合第三离合器以回收利用液压系统多余的能量。在发动机处于怠速时，也可选择闭合第三离合器，通过第二电机利用发动机怠速时的能量进行发电并储存。设置第二电机可回收利用液压系统多余的能量，有利于减少能量消耗，提高能量利用率。

进一步地，所述第一电机和所述第二电机分别通过逆变器与所述电池相连。所述第二离合器和所述卷扬机构之间设有减速机。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种工程机械，包括上述混合动力系统。工程机械包括卷扬机构，该混合动力系统用于卷扬机构。具体的，工程机械可为旋挖钻机、起重机、强夯机等需要设置卷扬机构的机械，具体不限。

下面对本发明提供的混合动力系统的控制方法进行描述，下文描述的混合动力系统的控制方法与上文描述的混合动力系统可相互对应参照。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种混合动力系统的控制方法，该控制方法基于上述混合动力系统，所述控制方法包括：在所述卷扬机构处于提升模式时，获取所述电池的电量信息；若所述电池的电量大于等于第一预设电量值，则以所述第一电机驱动为主、所述液压马达驱动为辅驱动所述卷扬机构提升；若所述电池的电量大于等于第二预设电量值小于所述第一预设电量值，则以所述液压马达驱动为主、所述第一电机驱动为辅驱动所述卷扬机构提升，且控制与所述液压马达相连的发动机处于最佳油耗区工作；若所述电池的电量小于所述第二预设电量值，则控制所述液压马达驱动所述卷扬机构提升或者提示负载超重；其中，所述第一预设电量值大于所述第二预设电量值。

该控制方法在卷扬机构处于提升模式时，主要根据电池的电量信息来选择驱动模式。具体的，在电池的电量大于等于第一预设电量值时说明电池的电量较多，此时控制以第一电机驱动为主、以液压系统驱动为辅，即优先利用第一电机进行驱动；即可利用第一电机进行驱动，或者利用第一电机和液压系统共同进行驱动，且共同驱动时液压系统主要用于补充第一电机不足的功率。在电池电量较为充足时优先利用第一电机进行驱动，有利于提高驱动的灵敏性和便捷性，且有利于减轻液压系统的驱动压力，有利于降低发动机能耗，减少能量消耗。

在电池的电量大于等于第二预设电量值小于第一预设电量值时，说明电池具有一定的电量但电量不足，此时控制以液压系统驱动为主、以第一电机驱动为辅，即优先利用液压系统进行驱动，且此时第一电机也可对功率起到一定的补充作用，因此液压系统运行时可控制发动机处于最佳油耗区。即可利用液压系统进行驱动，或者利用液压系统和第一电机共同进行驱动；通过第一电机的功率补充使得液压系统的发动机处于最佳油耗区，起到节能作用。

在电池的电量小于第二预设电量值时，说明电池的电量较低，此时不适合启动第一电机，因此利用液压系统进行驱动；在液压系统不足以驱动卷扬机构的负载提升时，可控制提示负载超重。

进一步地，发动机的最佳油耗工况与发动机自身的特性参数有关，可根据发动机自身的特性参数确定发动机的最佳油耗工况区域。控制发动机处于最佳油耗区，即控制发动机的工作工况处于最佳油耗工况区域；在发动机处于最佳油耗区时，发动机的油耗较少且工作稳定，有利于提高发动机的使用寿命。控制发动机处于最佳油耗区具体可包括：根据卷扬机构的负载重量，确定发动机的转速档位，在确定的转速档位下选取发动机处于最佳油耗区的输出力矩点作为发动机运行参数；从而可使发动机在最佳油耗区工作。

进一步地，第一预设电量值可为电池总电量的40％-60％；第二预设电量值可为电池总电量的15％-25％；具体取值不做限定。

在上述实施例的基础上，进一步地，若所述电池的电量大于等于第一预设电量值，则以所述第一电机驱动为主、所述液压马达驱动为辅驱动所述卷扬机构提升，具体包括：获取所述第一电机的最大输出力矩和负载提升所需力矩；若所述第一电机的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述第一离合器断开、所述第二离合器闭合，由所述第一电机驱动所述卷扬机构提升；控制第一电机与电池连通，使得电池能够向第一电机输出电量以驱动第一电机运行。

若所述第一电机的最大输出力矩小于所述负载提升所需力矩，则控制所述第一离合器和所述第二离合器同时闭合，由所述液压马达和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提升，且所述液压马达的输出力矩根据所述第一电机的最大输出力矩和负载提升所需力矩确定。此时，控制第一电机和电池连通；且液压系统用于为第一电机补充力矩。

具体的，可用提力器检测到负载力矩需求，若负载力矩需求大于第一电机输出最大力矩，此时整机控制器可发出力矩补充信号，第一离合器结合，液压马达同轴输出力矩为第一电机补充力矩，可根据第一电机输出最大力矩与负载力矩需求之间的差值，确定液压马达的输出力矩值，使得液压马达输出扭矩能够补充第一电机所缺的力矩。

进一步地，若所述电池的电量大于等于第一预设电量值，则以所述第一电机驱动为主、所述液压马达驱动为辅驱动所述卷扬机构提升，还包括：控制第三离合器闭合；控制液压马达运行带动第二电机发电并储存在电池中，或者，在液压马达运行时，利用液压马达多余的能量驱动第二电机发电并储存在电池中。

具体的，若所述第一电机的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述第一离合器断开、所述第二离合器闭合，由所述第一电机驱动所述卷扬机构提升的同时还包括：控制第三离合器闭合；控制液压马达运行带动第二电机发电并储存在电池中。即可同时利用液压系统带动第二电机发电储存在电池中，以保证电池电量。

若所述第一电机的最大输出力矩小于所述负载提升所需力矩，则控制所述第一离合器和所述第二离合器同时闭合，由所述液压马达和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提升，且所述液压马达的输出力矩根据所述第一电机的最大输出力矩和负载提升所需力矩确定的同时还包括：控制第三离合器闭合；在液压马达运行时，利用液压马达多余的能量驱动第二电机发电并储存在电池中。即可同时闭合第三离合器，在液压马达输出多余的能量时可用来带动第二电机发电并储存在电池中。

进一步地，获取所述第一电机的最大输出力矩和负载提升所需力矩具体包括：可通过试验确定第一电机最大输出力矩下能够提升的最大负载重量；比较第一电机最大输出力矩下能够提升的最大负载重量和负载实际重量，进而判断比较第一电机的最大输出力矩和负载提升所需力矩。

在上述实施例的基础上，进一步地，若所述电池的电量大于等于第二预设电量值小于所述第一预设电量值，则以所述液压马达驱动为主、所述第一电机驱动为辅驱动所述卷扬机构提升，且控制与所述液压马达相连的发动机处于最佳油耗区工作，具体包括：获取所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩；若所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区，同时控制所述第一离合器、所述第二离合器和所述第三离合器闭合，由所述液压马达驱动所述卷扬机构提升且利用所述液压马达多余的能量驱动所述第二电机发电并储存在所述电池中。

即此时液压系统的输出力矩可以提升起负载，可利用液压系统来驱动卷扬机构的负载提升；此时，可控制第一电机和电池断开，以使得第一电机无需额外输出力矩，只起到传递液压系统力矩的作用。同时，第三离合器闭合，在液压系统具有多余能量时可带动第二电机运转发电，起到回收发动机多余能量的作用。

若所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩小于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区，同时控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合，由所述液压马达和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提升。通过第一电机补足液压系统不足的力矩，且使得液压系统的发动机处于最佳油耗区，有利于起到节能作用，且保持发动机的稳定运行。

进一步地，获取所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩具体包括：可通过试验确定发动机处于最佳油耗区的最大输出力矩下能够提升的最大负载重量；比较发动机处于最佳油耗区的最大输出力矩下能够提升的最大负载重量和负载实际重量，进而判断比较发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩。

在上述实施例的基础上，进一步地，若所述电池的电量小于所述第二预设电量值，则控制所述液压马达驱动所述卷扬机构提升或者提示负载超重，具体包括：获取所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩；若所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区或最高负荷区，同时控制所述第一离合器、所述第二离合器和所述第三离合器闭合，由所述液压马达驱动所述卷扬机构提升且利用所述液压马达多余的能量驱动所述第二电机发电并储存在所述电池中；若所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩小于所述负载提升所需力矩，则提示负载超重。发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩即为发动机能输出的最大力矩。

若所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区或最高负荷区，同时控制所述第一离合器、所述第二离合器和所述第三离合器闭合，由所述液压马达驱动所述卷扬机构提升且利用所述液压马达多余的能量驱动所述第二电机发电并储存在所述电池中，具体包括：若发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩大于等于负载提升所需力矩，则控制发动机处于最佳油耗区；若发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩小于负载提升所需力矩，则控制发动机处于最高负荷区。

进一步地，获取所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩具体包括：可通过试验确定发动机处于最高负荷区的最大输出力矩下能够提升的最大负载重量；比较发动机处于最高负荷区的最大输出力矩下能够提升的最大负载重量和负载实际重量，进而判断比较发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述控制方法还包括：在所述卷扬机构处于下放模式时，获取所述电池的电量；若所述电池的电量小于100％，获取所述第一电机反转时的输出力矩和负载下降所需力矩；若所述第一电机反转时的输出力矩大于等于所述负载下降所需力矩，则控制所述第一离合器断开、所述第二离合器闭合，由所述第一电机为负载下放提供制动力且控制所述第一电机发电并储存在所述电池中；若所述第一电机反转时的输出力矩小于所述负载下降所需力矩，则控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合，由所述液压马达和所述第一电机共同为负载下放提供制动力且控制所述第一电机发电并储存在所述电池中。

即在卷扬机构的负载下放时且电池的电量未满时，如果第一电机反转产生的力矩足以克服负载的重力，则可由第一电机为负载下放提供制动力且第一电机反转发电并储存在电池中，实现对负载下放过程中能量的回收利用。如果第一电机反转产生的力矩不足以克服负载的重力，则可由液压系统和第一电机(第一电机反转会存在力矩)共同产生制动力矩，且第一电机通过反转发电并储存在电池中。若电池的电量为充满状态，可控制第一电机和电池断开连接。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述控制方法还包括：在所述发动机怠速时，获取所述电池的电量；若所述电池的电量小于100％，则控制所述第一离合器或所述第三离合器闭合、所述第二离合器断开，利用所述发动机的能量控制所述第一电机或所述第二电机发电并储存在所述电池中。

具体的，在第二离合器断开的情况下，可控制第一离合器闭合、第三离合器断开，通过换向阀使得液压系统带动第一电机反转发电；还可控制第一离合器断开、第三离合器闭合，通过液压系统带动第二电机发电；可实现对发动机怠速时能量的回收利用。

在上述实施例的基础上，进一步地，若所述电池的电量小于100％，则控制所述第一离合器或所述第三离合器闭合、所述第二离合器断开，利用所述发动机的能量控制所述第一电机或所述第二电机发电并储存在所述电池中的同时还包括：控制所述发动机的转速提升至预设转速范围。

本实施例考虑到当低怠速时发动机的排放及油耗较大，而将怠速提高到一定范围时，发动机的油耗、排放相对较好，因此，本实施例提出在回收利用发动机怠速时的能量时，可提高发动机的转速至预设转速范围，以降低发动机的油耗和排放，起到节能作用。具体的，预设转速范围为发动机怠速时油耗最佳的转速范围。预设转速范围可通过试验确定。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种卷扬机构混合动力系统及其控制方法，可用于旋挖钻机或起重机。该混合动力系统由卷扬绳、桅杆、负载、主卷扬即卷扬机构、第一电机、电池、发动机、液压马达、第一离合器、第二离合器、液压泵、减速机、逆变器、第二电机、第三离合器。其中发动机与液压泵串联，主卷扬液压马达通过第一离合器和第三离合器分别与第一电机、第二电机连接。第一电机和第二电机可采用空心轴内外花键和第一离合器、第三离合器连接，即第一电机和第二电机可为集成在一起的同轴电机结构。第一电机通过第二离合器与减速机连接，采用串联模式。

本实施例在发动机怠速时，提高发动机转速，采用发动机高怠速驱动液压泵，第一离合器或第三离合器闭合，液压马达带动第一电机或第二电机进行发电及电能储存；发动机最佳经济油耗区域工作，多余机械能可带动第二电机发电进行电能存储，提升能量回收；第一电机对液压系统进行助力，帮助液压马达提升或下降卷扬机后端起重件。通过重物下降势能带动第一电机反转进行发电储存电能；第一电机可纯电驱动提升或下降重物；第一电机可助力液压马达进行提升或下降重物。

本实施例提供的卷扬机构混合动力系统及其控制方法的具体工作原理为：

当发动机怠速时：当低怠速时发动机排放及油耗较大，例如将怠速提高到1000rpm时发动机油耗、排放相对较好，可相应提高发动机怠速时的转速。整机控制器检测电池电量：当电池电量＜100％，第一离合器或第三离合器闭合并断开第二离合器，液压马达驱动第一电机或第二电机进行发电并通过逆变器将电能储存在蓄电池中；当电池电量＝100％，可控制所有离合器断开。

当桅杆和重物等负载上提时候，整机控制器检测电池电量：

当电池电量≥第一预设电量值可为50％且第一电机力矩可以提升起负载，第二离合器闭合，由第一电机驱动主卷扬提起负载，即为纯电驱动；第三离合器也可闭合，由液压马达驱动第二电机发电。

当电池电量≥50％且第一电机力矩不足以提升起负载，第一离合器、第二离合器闭合，液压马达为第一电机补充力矩和第一电机共同驱动主卷扬提起负载，即为混合驱动。

当50％＞电池电量≥第二预设电量值可为20％时，发动机在最佳油耗区工作，第一离合器、第二离合器和第三离合器闭合，液压马达力矩可以提升起负载，此时液压马达用多余能量驱动第二电机发电，将电能储存在蓄电池中；此时，第一电机与电池可断开，第一电机不额外输出力矩。

当50％＞电池电量≥20％时，发动机在最佳油耗区工作，第三离合器断开，第一离合器、第二离合器结合，液压马达力矩不足以提升起负载，此时液压马达和第一电机共同驱动主卷扬提升起负载，第一电机和电池连通，电池向第一电机输出电能。

当电池电量＜20％时，发动机在最高负荷区或最佳油耗区工作，第三离合器、第一离合器、第二离合器闭合，液压马达力矩可以提升起负载，此时液压马达用多余能量驱动第二电机发电，将电能储存在蓄电池中；第一电机和电池可断开，第一电机不额外输出力矩。

当电池电量＜20％时，发动机在最高负荷区工作，液压马达力矩不足以提升起负载，此时提示负载超载。

当负载下放时候：

当负载下放时，第一电机产生的力矩足以克服负载产生的重力，此时第一离合器断开，第二离合器结合，第一电机反转发电并将产生的电能储存在电池中，同时为重物下降提供制动力；液压马达也可带动第二电机产生电能储存在电池中。

当负载下放时，第一电机产生的力矩不足以克服负载产生的重力，此时第一离合器、第二离合器结合，第一电机和液压马达共同产生制动力矩并将第一电机产生的电能储存到电池中。

本实施例采用油电混合使用；将势能转化为电能长时间储存；将发动机多余能量进行回收转化为电能储存；回收发动机怠速能量；液压马达、电机、减速机、主卷扬采用串联布置模式，布置紧凑。可提升发动机节油率；降低发动机高负荷，发动机大部分时候在最佳经济油耗区工作；回收发动机输出多余能量；将势能充分回收；回收发动机怠速能量，降低无效能耗。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (11)

1.一种混合动力系统，用于卷扬机构，其特征在于，包括：液压马达、第一离合器、第一电机、第二离合器、电池、第二电机和第三离合器，所述液压马达、所述第一离合器、所述第一电机、所述第二离合器和所述卷扬机构依次串联，所述第一电机与所述电池相连；

所述液压马达通过所述第三离合器与所述第二电机相连，所述第二电机与所述电池相连，所述第三离合器用于选择性闭合以利用所述液压马达多余的能量带动所述第二电机发电并储存在所述电池中；

所述混合动力系统还包括整机控制器和提力器，所述整机控制器检测所述电池电量，所述提力器用于检测负载力矩需求，其中，

所述电池的电量大于等于第一预设电量值，所述第一电机力矩大于或等于负载提升所需力矩时，由所述第一电机驱动卷扬机构提起负载；所述第一电机力矩小于所述负载提升所需力矩时，所述液压马达为所述第一电机补充力矩和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提起负载；

所述电池的电量大于等于第二预设电量值且小于所述第一预设电量值且发动机在最佳油耗区工作，所述液压马达驱动所述卷扬机构提起负载；所述液压马达力矩小于所述负载提升所需力矩时，所述液压马达和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提升起负载；

所述电池的电量小于所述第二预设电量值且所述发动机在最高负荷区工作，所述液压马达驱动所述卷扬机构提起负载；所述液压马达力矩小于所述负载提升所需力矩时，所述整机控制器提示负载超载；

且所述第一预设电量值大于所述第二预设电量值。

2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述第一电机和所述电池之间以及所述第二电机和所述电池之间分别设有逆变器。

3.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述第二离合器和所述卷扬机构之间设有减速机。

4.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，还包括液压泵，所述发动机、所述液压泵和所述液压马达依次相连。

5.一种工程机械，其特征在于，包括上述权利要求1至4中任一项所述的混合动力系统。

6.一种混合动力系统的控制方法，其特征在于，混合动力系统为上述权利要求1至4中任一项所述的混合动力系统，所述控制方法包括：

在所述卷扬机构处于提升模式时，获取所述电池的电量信息及负载提升所需力矩；

若所述电池的电量大于等于第一预设电量值，所述第一电机力矩大于或等于负载提升所需力矩时，由所述第一电机驱动卷扬机构提起负载；所述第一电机力矩小于所述负载提升所需力矩时，所述液压马达为所述第一电机补充力矩和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提起负载；

若所述电池的电量大于等于第二预设电量值小于所述第一预设电量值且所述发动机在最佳油耗区工作，所述液压马达驱动所述卷扬机构提起负载；所述液压马达力矩小于所述负载提升所需力矩时，所述液压马达和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提升起负载；

若所述电池的电量小于所述第二预设电量值且所述发动机在最高负荷区工作，所述液压马达驱动所述卷扬机构提起负载；所述液压马达力矩小于所述负载提升所需力矩时，提示负载超载；

其中，所述第一预设电量值大于所述第二预设电量值。

7.根据权利要求6所述的混合动力系统的控制方法，其特征在于，若所述电池的电量大于等于第二预设电量值小于所述第一预设电量值且所述发动机在最佳油耗区工作，所述液压马达驱动所述卷扬机构提起负载；所述液压马达力矩小于所述负载提升所需力矩时，所述液压马达和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提升起负载，具体包括：

获取所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩；

若所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区，同时控制所述第一离合器、所述第二离合器和所述第三离合器闭合，由所述液压马达驱动所述卷扬机构提升且利用所述液压马达多余的能量驱动所述第二电机发电并储存在所述电池中；

若所述发动机处于最佳油耗区时的最大输出力矩小于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区，同时控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合，由所述液压马达和所述第一电机共同驱动所述卷扬机构提升。

8.根据权利要求6所述的混合动力系统的控制方法，其特征在于，若所述电池的电量小于所述第二预设电量值且所述发动机在最高负荷区工作，所述液压马达驱动所述卷扬机构提起负载；所述液压马达力矩小于所述负载提升所需力矩时，提示负载超载，具体包括：

获取所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩和负载提升所需力矩；

若所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩大于等于所述负载提升所需力矩，则控制所述发动机处于最佳油耗区或最高负荷区，同时控制所述第一离合器、所述第二离合器和所述第三离合器闭合，由所述液压马达驱动所述卷扬机构提升且利用所述液压马达多余的能量驱动所述第二电机发电并储存在所述电池中；

若所述发动机处于最高负荷区时的最大输出力矩小于所述负载提升所需力矩，则提示负载超重。

9.根据权利要求6或7所述的混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

在所述卷扬机构处于下放模式时，获取所述电池的电量；

若所述电池的电量小于100％，获取所述第一电机反转时的输出力矩和负载下降所需力矩；

若所述第一电机反转时的输出力矩大于等于所述负载下降所需力矩，则控制所述第一离合器断开、所述第二离合器闭合，由所述第一电机为负载下放提供制动力且控制所述第一电机发电并储存在所述电池中；

若所述第一电机反转时的输出力矩小于所述负载下降所需力矩，则控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合，由所述液压马达和所述第一电机共同为负载下放提供制动力且控制所述第一电机发电并储存在所述电池中。

10.根据权利要求6或7所述的混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

在所述发动机怠速时，获取所述电池的电量；

若所述电池的电量小于100％，则控制所述第一离合器或所述第三离合器闭合、所述第二离合器断开，利用所述发动机的能量控制所述第一电机或所述第二电机发电并储存在所述电池中。

11.根据权利要求10所述的混合动力系统的控制方法，其特征在于，若所述电池的电量小于100％，则控制所述第一离合器或所述第三离合器闭合、所述第二离合器断开，利用所述发动机的能量控制所述第一电机或所述第二电机发电并储存在所述电池中的同时还包括：

控制所述发动机的转速提升至预设转速范围。