CN201297307Y - 一种混合动力工程机械蓄能器-液压马达能量回收系统 - Google Patents

一种混合动力工程机械蓄能器-液压马达能量回收系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种混合动力工程机械蓄能器－液压马达能量回收系统。它包括发动机、变量泵、变频电机、变量马达、信号控制单元、蓄能器和液压执行元件等。系统中变量马达和变频电机M2同轴相连，和蓄能器组成复合能量回收系统，回收执行机构下放过程中的重力势能及制动能。变量泵、发动机、变频电机M1同轴相联，发动机、变频电机M1组成的混合动力系统和蓄能器共同驱动液压执行机构上升举起重物。本实用新型克服了变量马达－发电机能量回收系统响应慢以及蓄能器比能量低的缺陷，提高了能量回收系统的动态响应性能，改善了发电机的发电工况，同时可以由蓄能器直接回收部分势能，提高了系统的能量回收效率。

Description

一种混合动力工程机械蓄能器-液压马达能量回收系统
技术领域
本实用新型涉及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其是涉及一种混 合动力工程机械蓄能器-液压马达能量回收系统。 背景技术
面对全球性的能源、环境污染等重大问题，工程机械用量大、能耗高、排 放差，研究工程机械的节能问题具有重要的现实意义，混合动力技术在工程机 械中的应用是国际上公认的最佳解决方案之一。工程机械中的执行机构要反复 举升和下放重物，而工程机械各机械臂惯性较大，在机械臂下降或制动时，会 释放出大量的能量，在传统工程机械中，这部分能量难以进行回收、存储和再 利用，不仅造成了能源的浪费，还会引起发热、噪声、振动和降低寿命等危害。 若能将这部分能量回收并加以再利用，可提高工程机械的能量利用率，从而降 低其能耗。
在工程机械中引入混合动力系统，由于动力系统中具备电池或电容等储能 装置，能量的回收和存储都易于实现。利用执行机构驱动液压缸的回油腔与一 液压马达相连，该液压马达与发电机同轴相联，液压执行元件回油腔的液压油 驱动液压马达回转，将液压能转化为机械能输出，并带动发电机发电，三相交 流电能经整流/逆变器整流为直流电能并储存在储能元件中。当系统需要时，直 流电可以逆变成三相交流电能驱动电动机，与发动机共同驱动负载。但是当工 程机械执行元件的下降时间较短时，以挖掘机动臂为例，其动臂下降时间只有
2〜3秒，如果只采用液压马达和发电机的能量回收系统，对机械臂的速度控制 是传统的节流控制变成容积调速，能量回收系统很难保证工程机械执行元件的 快速下降的要求，从而影响系统的操作性能。 发明内容
为了降低液压控制阀的节流损失，提高能量回收系统的效率，同时不影响 工程机械执行机构的操作性能，本实用新型的目的在于提供一种混合动力工程 机械蓄能器-液压马达能量回收系统，利用液压马达-发电机和蓄能器组成的能量 回收系统对油缸下降释放的能量进行回收。
为达到上述目的，本实用新型采用的的技术方案如下：
一种混合动力工程机械蓄能器-液压马达能量回收系统，包括两个变频电机、两个整流/逆变器、发动机、变量泵、变量马达、蓄能器、两个单向阀、比例节 流阀，比例溢流阀、安全阀、两个压力传感器、控制手柄、信号控制单元、电 池和油；其相互连接关系如下：
发动机、变量泵和第一变频电机同轴相连，第一变频电机接第一整流/逆变 器；变量马达和第二变频电机同轴相连，第二变频电机接第二整流/逆变器；第 一、第二整流/逆变器接电池；
变量泵的出口接第一单向阀的进油口，第一单向阀的出油口分六路，第一 路接比例溢流阀的进油口，第二路接安全阀的P 口，第三路接第一压力传感器 的输入端，第四路接比例节流阀的B 口，第五路接变量马达的出油口，第六路 接蓄能器；
油缸无杆腔接三路，第一路接第二单向阀进油口，第二路接比例节流阀的A 口，第三路接第二压力传感器的输入端；第二单向阀的出油口接变量马达的进 油口；
信号控制单元从控制手柄获得控制信号，从第一、第二压力传感器获得检 测信号，向发动机、变量泵、变量马达、第一、第二整流/逆变器、比例节流阀 和比例溢流阀发出控制指令控制发动机的油门位置信号、变量泵的排量、变量 马达的排量、第一、第二变频电机的转速、比例节流阀的阀心位移和比例溢流 阀的阀心位移，从而控制油缸的动作。
本实用新型与背景技术相比，具有的有益效果是：
1、 蓄能器的比功率较高，能够满足能量存储和释放的快速性要求，在工程 机械执行机构下降时，可以在短时间里快速的吸收执行机构释放的能量，解决 了采用液压马达和发电机组成的能量回收系统动态响应较低的问题；
2、 系统采用蓄能器后，在工程机械执行机构下降时，利用蓄能器可以快速 吸收工程机械释放的能量，在执行机构上升时释放出来驱动执行机构上升，避 免了执行机构下降时释放的部分能量采取液压马达-发电机能量回收系统由于能 量的多次转换而造成的能量损失，提高了能量回收系统的回收效率。
3、 由于蓄能器的比能量较低，若全部采用蓄能器回收执行机构下放时释放 的能量，则蓄能器体积庞大，这对空间有限的工程机械是不适合的，本实用新 型采用了蓄能器和液压马达-发电机复合的能量回收系统，在工程机械执行机构 下降时释放的能量，蓄能器和液压马达-发电机可以同时回收能量，蓄能器只吸 收部分机械臂下降过程中释放的能量，降低了蓄能器的容量。
4、 系统采用蓄能器缓冲负载的波动，改善发电机的发电工况，提高了能量附图是本实用新型的结构原理示意图。
图中：1、发动机，2、变量泵，3、变频电机，4、整流/逆变器，5、电池， 6、整流/逆变器，7、比例溢流阀，8、变频电机，9、变量马达，10、单向阀， 11、比例节流阔，12、油缸，13、压力传感器，14、蓄能器，15、控制手柄， 16、信号控制单元，17、压力传感器，18、安全阀，19、单向阀。 具体实施方式
下面结合附图，通过对实施例的描述给出本实用新型的细节。
如附图所示，本实用新型包括两个变频电机3， 8、两个整流/逆变器4， 6、 发动机l、变量泵2、变量马达9、蓄能器14、两个单向阀IO， 19、比例节流阀 11，比例溢流阀7、安全阀18、两个压力传感器13， 17、控制手柄15、信号控 制单元16、电池5和油缸12;其相互连接关系如下：
发动机1、变量泵2和第一变频电机3同轴相连，第一变频电机3接第一整 流/逆变器4;变量马达9和第二变频电机8同轴相连，第二变频电机8接第二 整流/逆变器6;第一、第二整流/逆变器4， 6接电池5;
变量泵2的出口接第一单向阀19的进油口，第一单向阀19的出油口分六 路，第一路接比例溢流阀7的进油口，第二路接安全阀18的P 口，第三路接第 一压力传感器17的输入端，第四路接比例节流阀11的B 口，第五路接变量马 达9的出油口，第六路接蓄能器14;
油缸12无杆腔接三路，第一路接第二单向阀IO进油口，第二路接比例节 流阀11的A口，第三路接第二压力传感器13的输入端；第二单向阀10的出油 口接变量马达9的进油口；
信号控制单元16从控制手柄15获得控制信号，从第一、第二压力传感器 17， 13获得检测信号，向发动机1、变量泵2、变量马达9、第一、第二整流/ 逆变器4， 6、比例节流阀11和比例溢流阀7发出控制指令控制发动机1的油门 位置信号、变量泵2的排量、变量马达9的排量、第一、第二变频电机3， 8的 转速、比例节流阀11的阀心位移和比例溢流阀7的阀心位移，从而控制油缸12 的动作。
本实用新型的工作原理如下：
信号控制单元16对通过第一，第二压力传感器17和13输出信号进行数据 处理，获得比例节流阀11的A口， B口的端口压力差信号，同时通过对控制手
5柄15控制信号进行数据处理，获得油缸12的目标速度；向发动机l、比例节流 阀ll、变量泵2、变量马达9、整流/逆变器4和6、比例溢流阀7发出控制指令 从而控制油缸12的动作。
当控制信号为负，具体如下：
1) 发动机l、变频电机3和变量泵2处于停止状态；油缸12无杆腔的液压 油经比例节流阀11和变量马达9后接蓄能器；油箱低压油进入油缸12有杆腔; 此时油缸12处于下降过程，系统信号控制单元16根据操作手柄15的输入信号 获得油缸12的下降目标速度，根据油缸12的无杆腔面积，求出油缸12的无杆 腔的流量大小，根据一定的控制策略（可根据实际制订控制策略）把油缸12的 无杆腔的流量分配到变量马达9和比例节流阀11，利用压力传感器13和17的 输入信号获得比例节流阀11的A、 B端口的压力差，根据通用压力流量方程计 算比例节流阀11的通流面积，进而比例节流阀11阀芯位移信号，利用变量马 达的流量方程和一定的控制策略（可根据实际制订控制策略）计算变量马达9 的排量信号、变频电机8的转速信号；
2) 油缸12下降的速度通过变频电机8的转速、变量马达9的排量和比例 节流阀11的阀心位移来控制；
2)油缸12下降过程由于重力的作用释放大量的势能，通过油缸12转化成 液压能；部分液压能驱动变量马达9转化成机械能，并带动与变量马达9同轴 的变频电机9发电，经整流/逆变器6整流为直流电能储存在电池5中；部分液 压能直接由蓄能器17吸收；
当控制信号为正，具体如下-
1) 变量泵2高压油通过单向阀19和蓄能器14释放的压力油共同经比例节 流阀11进入油缸12无杆腔，推动油缸12上升举起重物；油缸15有杆腔的液 压油接油箱。此时变量泵2的压力油和蓄能器14释放的压力油共同驱动油缸12; 系统通过调节比例节流阀11的阀芯位移来控制油缸15上升速度；
2) 变量泵2由发动机1和变频电机3组成的混合动力系统共同驱动。发动 机1提供负载（变量泵2)的平均功率，当负载功率大于发动机1的输出功率时， 变频电机3工作在电动状态，变量泵2由发动机1和变频电机3共同驱动，电 池5处于放电状态；当负载功率小于发动机1的输出功率时，变频电机3工作 在发电状态，发动机1驱动变量泵2，同时驱动变频电机3把发动机输出的多余 的能量转化成电能储存在电池5中，电池5处于充电状态。
以上，本实用新型涉及的两个整流/逆变器4和6，电池5可根据需要可以在市场选购，信号控制单元16可采用PLC可编程逻辑控制器，负载（变量泵） 的输出功率，可以根据第二压力传感器17检测的输入信号和信号控制单元16 输出的变量泵2的排量信号估算，信号控制单元16采取的具体控制策略可以根 据实际需要进行编写。

Claims (1)

1、一种混合动力工程机械蓄能器-液压马达能量回收系统，其特征在于：包括两个变频电机(3，8)、两个整流/逆变器(4，6)、发动机(1)、变量泵(2)、变量马达(9)、蓄能器(14)、两个单向阀(10，19)、比例节流阀(11)，比例溢流阀(7)、安全阀(18)、两个压力传感器(13，17)、控制手柄(15)、信号控制单元(16)、电池(5)和油缸(12)；其相互连接关系如下：发动机(1)、变量泵(2)和第一变频电机(3)同轴相连，第一变频电机(3)接第一整流/逆变器(4)；变量马达(9)和第二变频电机(8)同轴相连，第二变频电机(8)接第二整流/逆变器(6)；第一、第二整流/逆变器(4，6)接电池(5)；变量泵(2)的出口接第一单向阀(19)的进油口，第一单向阀(19)的出油口分六路，第一路接比例溢流阀(7)的进油口，第二路接安全阀(18)的P口，第三路接第一压力传感器(17)的输入端，第四路接比例节流阀(11)的B口，第五路接变量马达(9)的出油口，第六路接蓄能器(14)；油缸(12)无杆腔接三路，第一路接第二单向阀(10)进油口，第二路接比例节流阀(11)的A口，第三路接第二压力传感器(13)的输入端；第二单向阀(10)的出油口接变量马达(9)的进油口；信号控制单元(16)从控制手柄(15)获得控制信号，从第一、第二压力传感器(17，13)获得检测信号，向发动机(1)、变量泵(2)、变量马达(9)、第一、第二整流/逆变器(4，6)、比例节流阀(11)和比例溢流阀(7)发出控制指令控制发动机(1)的油门位置信号、变量泵(2)的排量、变量马达(9)的排量、第一、第二变频电机(3，8)的转速、比例节流阀(11)的阀心位移和比例溢流阀(7)的阀心位移，从而控制油缸(12)的动作。
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