一種液壓挖掘機油電液混合驅動系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種液壓挖掘機油電液混合驅動系統，其包括混合驅動系統、動臂電液控制單元、轉臺電液控制單元、液壓蓄能器、單向閥、先導手柄、蓄電池、定量泵/馬達、第二電動/發電機等，本發明采用蓄電池和液壓蓄能器作為復合儲能單元，利用液壓蓄能器提供或吸收瞬時大功率，利用蓄電池保證能量密度。轉臺采用電動/發電機和液壓馬達的混合驅動，利用液壓蓄能器保證轉臺啟動和制動時的瞬時大功率和通過電動/發電機保證了轉臺具有良好的轉速控制特性；通過對液壓蓄能器壓力的主動控制調整驅動油缸無桿腔的壓力控制實現了動臂重力勢能盡可能分布在平衡油缸上，進而提高了能量回收效率，同時通過驅動油缸保證速度控制特性。
【專利說明】一種液壓挖掘機油電液混合驅動系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬驅動系統【技術領域】，具體涉及一種液壓挖掘機油電液混合驅動系統。
【背景技術】
[0002] 液壓挖掘機作為國家基礎建設的最重要的工程機械機種之一，已經廣泛應用于建 筑，交通，水利，礦山以及軍事領域中。液壓挖掘機的節能減排已引起了人們的廣泛關注與 重視。因此混合動力技術和能量回收技術一直是液壓挖掘機的研究重點。
[0003] 液壓挖掘機的工況復雜，負載變化劇烈，混合動力技術是提高動力系統節能效果 的最佳方案之一。混合動力一般分為以電量儲存單元（蓄電池或電容）作為儲能元件的油 電混合技術和以液壓蓄能器作為儲能元件的液壓混合技術。蓄電池的能量密度高，但是它 的功率密度較低，充放電頻率小，不能瞬間提供系統大功率。超級電容具有壽命長、釋放電 流功率大等特點，但目前超級電容的能量密度較低且成本較高；此外，液壓蓄能器具有成 本低、壽命長的特點，但蓄能器的能量密度很低，蓄能器與相同大小的蓄電池相比存儲的能 量有限。因此，當前單一的油電混合與液壓混合兩者之間各有所長，很難同時高功率密度和 高能量密度的要求。
[0004] 目前，常規的動臂勢能回收方案主要基于油電混合動力液壓挖掘機展開。動臂驅 動液壓缸的回油腔與液壓馬達相連，該液壓馬達與發電機同軸相連。驅動油缸回油腔的液 壓油驅動液壓馬達回轉，將液壓能轉化為機械能輸出，并帶動發電機發電，三相交流電能經 變頻器整流為直流電能并儲存在儲能元件當中。當系統需要時，直流電能通過整流器逆變 成目標頻率的三相交流電能驅動電動機，與發動機共同驅動負載工作。該技術方案中所有 動臂勢能回收再利用都經過從勢能-液壓能-機械能-電能-電容-驅動變量泵的機械能 的多次能量轉化，系統中能量轉換環節較多，影響了系統的能量回收效率。基于液壓混合動 力展開的動臂勢能回收技術一般直接通過某個控制閥塊將驅動油缸的無桿腔和液壓蓄能 器相連，動臂下放時，蓄能器的壓力也會逐漸升高，使得動臂下放的速度逐漸減慢，影響了 駕駛員的操作習慣。
[0005] 同理，常規的上車機構回轉制動能量回收方案也主要基于油電混合動力和液壓混 合動力展開。由于蓄電池不能瞬間儲存大功率的可回收能量，所以基于油電混合動力系統 主要采用電動機驅動替代傳統液壓馬達驅動上車機構，利用電動機的二、四象限工作把回 轉制動時釋放出來的大量動能轉化成電能儲存在電容中，但超級電容價格昂貴且技術不成 熟；而基于液壓混合動力技術，一般采用一個二次的變量液壓泵/馬達驅動轉臺，轉臺制動 時主要通過液壓蓄能器回收，由于液壓系統自身為一個強非線性的系統，難以精確控制轉 臺的速度，在轉臺制動和啟動瞬間存在一個較大的沖擊。
[0006] 鑒于此，本案發明人對上述問題進行深入研究，遂有本案產生。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種液壓挖掘機油電液混合驅動系統，其既能提高發動機 工作效率，減低成本、又可回收動臂勢能和轉臺制動動能，同時不影響動臂和轉臺的操作 性。
[0008] 為了達到上述目的，本發明采用這樣的技術方案：
[0009] -種液壓挖掘機油電液混合驅動系統，包括混合驅動系統、動臂電液控制單元、轉 臺電液控制單元、先導手柄、單向閥、液壓蓄能器、兩位兩通電磁換向閥、定量泵/馬達、第 二電動/發電機、蓄電池，第一電機控制器、第二電機控制器、第三電機控制器；
[0010] 所述的混合驅動系統包括同軸機械傳動連接的發動機、第一電動/發電機、先導 泵、變量泵/馬達以及變量泵；
[0011] 所述的動臂電液控制單元包括動臂多路閥、梭閥、第一液控兩位三通換向閥、第二 液控兩位三通換向閥、第三液控兩位三通換向閥、第四液控兩位三通換向閥、液控三位四通 換向閥、驅動油缸以及平衡油缸；
[0012] 所述的轉臺電液控制單元包括三位四通電磁換向閥、定量液壓馬達、第三電動/ 發電機、減速器以及轉臺；
[0013] 先導泵的出油口與先導手柄的進油口相連，先導手柄的動臂控制油口 bcl與動臂 多路閥的控制油口 K1、梭閥的進油口、第三液控兩位三通換向閥的控制油口 Kl以及第四液 控兩位三通換向閥的控制油口 Kl均相連；先導手柄的動臂控制油口 bc2分別與動臂多路閥 的控制油口 K2、梭閥的另一進油口以及第四液控兩位三通換向閥的控制油口 K2均相連；
[0014] 動臂多路閥的A 口分三路：第一路接驅動油缸的無桿腔；第二路接第一液控兩位 三通換向閥的控制油口 K2 ;第三路接第二液控兩位三通換向閥的控制油口 Kl ;動臂多路閥 的B 口分三路：第一路接驅動油缸的有桿腔；第二路接第一液控兩位三通換向閥的控制油 口 Kl ;第三路接第二液控兩位三通換向閥的控制油口 K2 ;動臂多路閥的D 口與油箱相連；
[0015] 梭閥的出油口分三路：第一路接第一液控兩位三通換向閥的P 口，第一液控兩位 三通換向閥的A 口接三位四通換向閥的控制油口 K2,第一液控兩位三通換向閥的T 口接油 箱；第二路接第二液控兩位三通換向閥的P 口，第二液控兩位三通換向閥的T 口接油箱，第 二液控兩位三通換向閥的A 口接第四液控兩位三通換向閥的T 口；第三路接第三液控兩位 三通換向閥的P 口，第三液控兩位三通換向閥的T 口接油箱，第三液控兩位三通換向閥的A 口接第四液控兩位三通換向閥的P 口，第四液控兩位三通換向閥的A 口接液控三位四通換 向閥的控制油口 Kl ;液控三位四通換向閥的T 口接油箱，三位四通換向閥的A 口接平衡油 缸的無桿腔，液控三位四通換向閥的B 口接平衡油缸的有桿腔，驅動油缸的活塞桿、平衡油 缸的活塞桿與動臂剛性相連；
[0016] 三位四通電磁換向閥的A 口和液壓蓄能器相連，三位四通電磁換向閥的B 口和油 箱相連，三位四通電磁換向閥的P 口和T 口分別和定量液壓馬達的兩腔相連，定量液壓馬 達、第三電動/發電機、減速器和轉臺機械相連；
[0017] 變量液壓泵/馬達的出口接單向閥的進油口，單向閥的出油口與動臂多路閥的P 口和Pl 口相連；第一電動/發電機與第一電機控制器電性相連，第二電動/發電機與第二 電機控制器電性相連，第三電動/發電機與第三電機控制器電性相連，第一電機控制器、第 二電機控制器、第三電機控制器與蓄電池電性相連；
[0018] 兩位兩通電磁換向閥（21)的B 口與定量泵/馬達（22)相連，定量泵/馬達（22) 與第二電動/發電機（23)相連，兩位兩通電磁換向閥（21)的A 口與液壓蓄能器（18)、液 控三位四通換向閥（14)的P 口、壓力傳感器（19)、安全閥（20)以及三位四通電磁換向閥 (27)的A 口相連。
[0019] 在上述方案中，還包括其它液壓系統，其他液壓系統包括斗桿驅動系統、鏟斗驅動 系統以及行走驅動系統，所述變量液壓泵的出口與其它液壓系統相連。
[0020] 較佳地，所述的第一電動/發電機、第二電動/發電機以及第三電動/發電機均安 裝有測量轉速的傳感器，所述傳感器為旋轉變壓器或光電編碼器。
[0021] 本發明相比于現有技術具有如下有益效果：
[0022] 1、本發明同時采用了蓄電池和液壓蓄能器，蓄電池發揮能量密度大的優點，主要 負責平衡波動較為平緩的工況，又可為轉臺的驅動電機提供電能，實現轉臺的轉速控制，液 壓蓄能器能提供或吸收瞬時大功率，實現動臂勢能和轉臺制動動能的回收，實現了超級電 容的功能但成本又較超級電容低；
[0023] 2、在動臂勢能回收方面，本發明通過驅動油缸保證了動臂的速度控制特性，通過 平衡油缸和液壓蓄能器將動臂勢能進行回收，遵循了能量轉化環節最小原則，避免了能量 多次轉化造成的能量損耗，同時通過對液壓蓄能器壓力的主動控制來調整驅動油缸無桿腔 的壓力，實現了動臂勢能盡可能多分配在平衡油缸，提高了動臂勢能回收效率；
[0024] 3、在轉臺驅動方面，采用電動/發電機和液壓馬達復合驅動方法，通過液壓蓄能 器保證轉臺啟動和制動瞬間的大功率，通過第三電動/發電機保證轉臺的轉速控制特性。
[0025] 4、在能量的再利用方面，本發明同樣遵循了能量轉化環節最小原則，液壓蓄能器 的能量既可通過平衡油缸直接驅動動臂，又可以釋放到定量液壓馬達兩腔驅動轉臺，同時 在液壓蓄能器的能量較高時，可以通過定量泵/馬達以及第二電動/發電機將能量轉換成 電能儲存在蓄電池中，供第一電動/發電機使用，輔助發動機驅動先導泵。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明之較佳實施例的整體結構框圖；
[0027] 圖2為本發明中第二電動/發電機的控制框圖。
[0028] 圖中：
[0029] 1、發動機 2、第一電動/發電機
[0030] 3、先導泵 4、變量泵/馬達
[0031] 5、變量泵 6、先導手柄
[0032] 7、動臂多路閥 8、單向閥
[0033] 9、梭閥 10、第一液控兩位三通換向閥
[0034] 11、第二液控兩位三通換向閥 12、第三液控兩位三通換向閥
[0035] 13、第四液控兩位三通換向閥 14、液控三位四通換向閥
[0036] 15、驅動油缸 16、平衡油缸
[0037] 17、動臂 18、液壓蓄能器
[0038] 19、壓力傳感器 20、安全閥
[0039] 21、兩位兩通電磁換向閥 22、定量泵/馬達
[0040] 23、第二電動/發電機 24、第二電機控制器
[0041] 25、蓄電池 26、第一電機控制器
[0042] 27、三位四通電磁換向閥 28、定量液壓馬達
[0043] 29、第三電機控制器 30、第三電動/發電機
[0044] 31、減速器 32、轉臺
[0045] 33、其它液壓系統 100、混合驅動系統
[0046] 200、動臂電液控制單元 300、轉臺電液控制單元
【具體實施方式】
[0047] 為了進一步解釋本發明的技術方案，下面結合附圖進行詳細闡述。
[0048] 參照圖1至圖2, 一種液壓挖掘機油電液混合驅動系統，包括混合驅動系統100、動 臂電液控制單元200、轉臺電液控制單元300、先導手柄6、單向閥8、液壓蓄能器18、兩位兩 通電磁換向閥21、定量泵/馬達22、第二電動/發電機23、蓄電池25,第一電機控制器26、 第二電機控制器24、第三電機控制器29 ;
[0049] 所述的混合驅動系統100包括同軸機械傳動連接的發動機1、第一電動/發電機 2、先導泵3、變量泵/馬達4以及變量泵5 ;
[0050] 所述的動臂電液控制單元200包括動臂多路閥7、梭閥9、第一液控兩位三通換向 閥10、第二液控兩位三通換向閥11、第三液控兩位三通換向閥12、第四液控兩位三通換向 閥13、液控三位四通換向閥14、驅動油缸15以及平衡油缸16 ;
[0051] 所述的轉臺電液控制單元300包括三位四通電磁換向閥27、定量液壓馬達28、第 三電動/發電機30、減速器31以及轉臺32 ;
[0052] 先導泵3的出油口與先導手柄6的進油口相連，先導手柄6的動臂控制油口 bcl與 動臂多路閥7的控制油口 K1、梭閥9的進油口、第三液控兩位三通換向閥12的控制油口 Kl 以及第四液控兩位三通換向閥13的控制油口 Kl均相連；先導手柄6的動臂控制油口 bc2 分別與動臂多路閥7的控制油口 K2、梭閥9的另一進油口以及第四液控兩位三通換向閥13 的控制油口 K2均相連；
[0053] 動臂多路閥7的A 口分三路：第一路接驅動油缸15的無桿腔；第二路接第一液控 兩位三通換向閥10的控制油口 K2 ;第三路接第二液控兩位三通換向閥11的控制油口 Kl ; 動臂多路閥7的B 口分三路：第一路接驅動油缸15的有桿腔；第二路接第一液控兩位三通 換向閥10的控制油口 Kl ;第三路接第二液控兩位三通換向閥11的控制油口 K2 ;動臂多路 閥7的D 口與油箱相連；
[0054] 梭閥9的出油口分三路：第一路接第一液控兩位三通換向閥10的P 口，第一液控 兩位三通換向閥10的A 口接三位四通換向閥14的控制油口 K2,第一液控兩位三通換向閥 10的T 口接油箱；第二路接第二液控兩位三通換向閥11的P 口，第二液控兩位三通換向閥 11的T 口接油箱，第二液控兩位三通換向閥11的A 口接第四液控兩位三通換向閥13的T 口；第三路接第三液控兩位三通換向閥12的P 口，第三液控兩位三通換向閥12的T 口接 油箱，第三液控兩位三通換向閥12的A 口接第四液控兩位三通換向閥13的P 口，第四液控 兩位三通換向閥13的A 口接液控三位四通換向閥14的控制油口 Kl ;液控三位四通換向閥 14的T 口接油箱，三位四通換向閥14的A 口接平衡油缸16的無桿腔，液控三位四通換向閥 (14)的B 口接平衡油缸（16)的有桿腔，驅動油缸（15)的活塞桿、平衡油缸16的活塞桿與 動臂17剛性相連；
[0055] 三位四通電磁換向閥27的A 口和液壓蓄能器18相連，三位四通電磁換向閥27的 B 口和油箱相連，三位四通電磁換向閥27的P 口和T 口分別和定量液壓馬達28的兩腔相 連，定量液壓馬達28、第三電動/發電機30、減速器31和轉臺32機械相連；
[0056] 變量液壓泵/馬達4的出口接單向閥8的進油口，單向閥8的出油口與動臂多路閥 7的P 口和Pl 口相連；第一電動/發電機2與第一電機控制器26電性相連，第二電動/發 電機23與第二電機控制器24電性相連，第三電動/發電機30與第三電機控制器29電性 相連，第一電機控制器26、第二電機控制器24、第三電機控制器29與蓄電池25電性相連；
[0057] 兩位兩通電磁換向閥21的B 口與定量泵/馬達22相連，定量泵/馬達22與第二 電動/發電機23相連，兩位兩通電磁換向閥21的A 口與液壓蓄能器18、液控三位四通換向 閥14的P 口、壓力傳感器19、安全閥20和三位四通電磁換向閥27的A 口相連。壓力傳感 器19用以測量液壓蓄能器18的壓力并進行信號傳輸。
[0058] 本發明還包括其它液壓系統33,其他液壓系統33包括斗桿驅動系統、鏟斗驅動系 統以及行走驅動系統，所述變量液壓泵5的出口與其它液壓系統33相連。
[0059] 所述第一電動/發電機2、第二電動/發電機23以及第三電動/發電機30均安裝 有測量轉速的傳感器，所述傳感器為旋轉變壓器或光電編碼器。
[0060] 本發明的先導手柄6是目前工程機械的常規產品，圖1中先導手柄6只是控制動 臂和轉臺，實際還可控制其他執行機構，如斗桿和鏟斗等。
[0061] 本發明的具體工作原理如下：
[0062] 挖掘機的控制器（圖中未示出）通過對先導手柄6輸出的壓力信號進行采集和數 據處理，獲得先導控制壓力，判斷得到動臂17的工作模式處于上升還是處于下放以及轉臺 32的工作模式處于左回轉還是右回轉，同時挖掘機的控制器接受檢測的變量泵/馬達4和 變量泵5的出口壓力信號、壓力傳感器19的電流信號、蓄電池25的管理控制器（圖中未示 出）輸出的表征蓄電池25剩余電量SOC的信號以及變量泵/馬達4和變量泵5的放大板 (圖中未不出）輸出的表征排量的電壓信號，向發動機1、第一電機控制器26、第二電機控 制器24、第三電機控制器29、兩位兩通電磁換向閥21以及三位四通電磁換向閥27等發送 控制指令，從而控制發動機1的油門、兩位兩通電磁換向閥21的工位、三位四通電磁換向閥 27的閥芯位移、第一電機控制器26、第二電機控制器24以及第三電機控制器29,通過接收 挖掘機的控制器傳輸過來的信號，第一電機控制器26、第二電機控制器24以及第三電機控 制器29分別向第一電動/發電機2、第二電動/發電機23、第三電動/發電機30發出控制 指令，以控制第一電動/發電機2、第二電動/發電機23、第三電動/發電機30的工作模式 和目標控制信號。
[0063] 本發明的具體控制過程如下：
[0064](一）第一電動/發電機的控制規則
[0065] 設定蓄電池25的SOC(剩余電量）的各判斷閾值S1, S2，且滿足S1 < S2。設定液 壓蓄能器18的壓力P1各判斷閾值pn，P12，且滿足pn < P12。動力系統工作流程如下：
[0066] (1)駕駛員設定發動機1的油門初始檔位。
[0067] (2)根據發動機1的萬有特性曲線得到該油門檔位對應的發動機油耗率最低對應 的轉速nEt和轉矩TEt，啟動發動機1，開始工作。
[0068] (3)通過檢測變量泵/馬達4和變量泵5的出口壓力和排量，計算負載所需要的轉 矩TL。
【權利要求】
1. 一種液壓挖掘機油電液混合驅動系統，其特征在于：包括混合驅動系統（100)、動 臂電液控制單元（200)、轉臺電液控制單元（300)、先導手柄￠)、單向閥（8)、液壓蓄能器 (18)、兩位兩通電磁換向閥（21)、定量泵/馬達（22)、第二電動/發電機（23)、蓄電池（25)， 第一電機控制器（26)、第二電機控制器（24)、第三電機控制器（29); 所述的混合驅動系統（100)包括同軸機械傳動連接的發動機（1)、第一電動/發電機 (2)、先導泵（3)、變量泵/馬達（4)以及變量泵（5); 所述的動臂電液控制單元（200)包括動臂多路閥（7)、梭閥（9)、第一液控兩位三通換 向閥（10)、第二液控兩位三通換向閥（11)、第三液控兩位三通換向閥（12)、第四液控兩位 三通換向閥（13)、液控三位四通換向閥（14)、驅動油缸（15)以及平衡油缸（16); 所述的轉臺電液控制單元（300)包括三位四通電磁換向閥（27)、定量液壓馬達（28)、 第三電動/發電機（30)、減速器（31)以及轉臺（32); 先導泵（3)的出油口與先導手柄（6)的進油口相連，先導手柄（6)的動臂控制油口 bcl 與動臂多路閥（7)的控制油口 K1、梭閥（9)的進油口、第三液控兩位三通換向閥（12)的控 制油口 K1以及第四液控兩位三通換向閥（13)的控制油口 K1均相連；先導手柄（6)的動臂 控制油口 bc2分別與動臂多路閥（7)的控制油口 K2、梭閥（9)的另一進油口以及第四液控 兩位三通換向閥（13)的控制油口 K2均相連； 動臂多路閥（7)的A 口分三路：第一路接驅動油缸（15)的無桿腔；第二路接第一液控 兩位三通換向閥（10)的控制油口 K2;第三路接第二液控兩位三通換向閥（11)的控制油口 K1 ;動臂多路閥（7)的B 口分三路：第一路接驅動油缸（15)的有桿腔；第二路接第一液控 兩位三通換向閥（10)的控制油口 K1 ;第三路接第二液控兩位三通換向閥（11)的控制油口 K2 ;動臂多路閥（7)的D 口與油箱相連； 梭閥（9)的出油口分三路：第一路接第一液控兩位三通換向閥（10)的P 口，第一液控 兩位三通換向閥（10)的A 口接三位四通換向閥（14)的控制油口 K2,第一液控兩位三通換 向閥（10)的T 口接油箱；第二路接第二液控兩位三通換向閥（11)的P 口，第二液控兩位三 通換向閥（11)的T 口接油箱，第二液控兩位三通換向閥（11)的A 口接第四液控兩位三通 換向閥（13)的T 口；第三路接第三液控兩位三通換向閥（12)的P 口，第三液控兩位三通換 向閥（12)的T 口接油箱，第三液控兩位三通換向閥（12)的A 口接第四液控兩位三通換向 閥（13)的P 口，第四液控兩位三通換向閥（13)的A 口接液控三位四通換向閥（14)的控制 油口 K1 ;液控三位四通換向閥（14)的T 口接油箱，三位四通換向閥（14)的A 口接平衡油 缸（16)的無桿腔，液控三位四通換向閥（14)的B 口接平衡油缸（16)的有桿腔，驅動油缸 (15)的活塞桿、平衡油缸（16)的活塞桿與動臂（17)剛性相連； 三位四通電磁換向閥（27)的A 口和液壓蓄能器（18)相連，三位四通電磁換向閥（27) 的B 口和油箱相連，三位四通電磁換向閥（27)的P 口和T 口分別和定量液壓馬達（28)的兩 腔相連，定量液壓馬達（28)、第三電動/發電機（30)、減速器（31)和轉臺（32)機械相連； 變量液壓泵/馬達（4)的出口接單向閥（8)的進油口，單向閥（8)的出油口與動臂多 路閥（7)的P 口和P1 口相連；第一電動/發電機⑵與第一電機控制器（26)電性相連， 第二電動/發電機（23)與第二電機控制器（24)電性相連，第三電動/發電機（30)與第三 電機控制器（29)電性相連，第一電機控制器（26)、第二電機控制器（24)、第三電機控制器 (29)與蓄電池（25)電性相連； 兩位兩通電磁換向閥（21)的B 口與定量泵/馬達（22)相連，定量泵/馬達（22)與第 二電動/發電機（23)相連，兩位兩通電磁換向閥（21)的A 口與液壓蓄能器（18)、液控三位 四通換向閥（14)的P 口、壓力傳感器（19)、安全閥（20)以及三位四通電磁換向閥（27)的 A 口相連。
2. 根據權利要求1所述的一種液壓挖掘機油電液混合驅動系統，其特征在于：還包括 其它液壓系統（33)，其他液壓系統（33)包括斗桿驅動系統、鏟斗驅動系統以及行走驅動系 統，所述變量液壓泵（5)的出口與其它液壓系統（33)相連。
3. 根據權利要求1所述的一種液壓挖掘機油電液混合驅動系統，其特征在于：所述第 一電動/發電機（2)、第二電動/發電機（23)以及第三電動/發電機（30)均安裝有測量轉 速的傳感器，所述傳感器為旋轉變壓器或光電編碼器。
【文檔編號】E02F9/20GK104358284SQ201410591817
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】林添良, 付勝杰, 任好玲, 楊帆, 李鐘慎, 劉強, 黃偉平 申請人:華僑大學