CN103924627B - 一种电液混合驱动工程机械的自动怠速***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电液混合驱动工程机械的自动怠速***及方法，步骤如下：1）设定怠速时间、先导压力阈值、液压蓄能器压力判断阈值等；2）检测先导手柄压力信号判断是否进入自动怠速模式；3）当***停止工作时间超过怠速时间时，进入下一步；4）当液压蓄能器的压力和负载最大压力差值小于负的压力判断阈值时进入步骤5），反之则进入步骤6）；5）电动机工作在电动模式，定量泵/马达工作在泵模式；6）电动机工作在电动模式，且定量泵/马达的液压油通过多路阀卸荷；7）进入工作模式，检测定量泵/马达出口压力。本发明能解决自动怠速取消时液压泵出口难以快速建立克服负载所需压力的问题，并通过能量回收的液压能可在自动怠速模式转换成电能。

Description

一种电液混合驱动工程机械的自动怠速***及方法

【技术领域】

本发明涉及一种电液混合驱动工程机械的自动怠速***及方法，适用于具有电液混合驱动配置的工程机械。

【背景技术】

随着世界范围内能源短缺和环境污染问题的日趋严重，节能减排技术是目前研究的热点。液压挖掘机是一种功率比较大的工程机械，但是其能量的总利用率较低。液压挖掘机实现节约能源、降低排放一直是业界努力追求的目标。混合动力驱动技术和电驱动技术是当前的研究热点。

工程机械的自动怠速工况占总运行时间大约为n以液压挖掘机为例，当操作手柄停止动作一段时间后，降低发动机转速至第一自动怠速，操作手柄继续停止工作一段时间后，再降低发动机转速至第二自动怠速，整个自动怠速运行过程中，若操作手柄离开中位，则立刻调整发动机到油门所对应的目标转速。工程机械自动怠速模式可以有效降低发动机的输出功率。但是传统的自动怠速模式也存在以下不足之处：自动怠速时，多路阀处于中位，所有的液压油都通过多路阀的中路回油箱卸荷，导致液压泵的出口压力较低，因此，当操作手柄离开中位时，如果负载所需的压力较大，由于发动机的转速动态特性较差，必然导致液压泵出口难以快速建立起克服负载所需的压力，所以一般自动怠速的转速不能太低，从而由导致自动怠速时液压泵的出口流量仍然较大，***仍然存在大量的中位节流损耗；此外，自动怠速模式下，虽然发动机的转速降低了，负载扭矩也较小，发动机此时工作在低转速和低扭矩区域，此时的燃油经济性较差，如果能在满足工作条件的前提下，适当提供发动机的输出功率，则可以提高发动机效率，则能进一步节省燃油。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种电液混合驱动工程机械的自动怠速***，不仅有效解决自动怠速取消时液压泵出口难以快速建立负载压力的问题，同时由于通过能量回收（转台制动和机械臂下放）的液压能可以在自动怠速模式转换成电能，为下一工作做好准备。

本发明是这样实现上述技术问题之一的：

一种电液混合驱动工程机械的自动怠速***，所述自动怠速***包括先导操作手柄、第一压力传感器、第二压力传感器器、电量储存单元、电机控制器、第一单向阀、第一溢流阀、先导泵、定量泵/马达、电动机、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第二溢流阀、第二单向阀、第五压力传感器、多路阀、能量回收单元、第三溢流阀、液压蓄能器、第三压力传感器、梭阀、驱动油缸、第四压力传感器、第三电磁换向阀、总成控制器；

其中，所述电动机、先导泵和定量泵/马达同轴机械相联；所述定量泵/马达的出口接第二单向阀的进油口；第二溢流阀的进油口、第二电磁换向阀的A口，多路阀的P口和P1口均和第二单向阀的出油口连接，第二溢流阀的出油口接油箱，多路阀的T口接油箱，多路阀的A口连驱动油缸的无杆腔，多路阀的B口连驱动油缸的有杆腔，多路阀的D口接第三电磁换向阀的A口，第三电磁换向阀的B口连接油箱；

第二电磁换向阀的B口、第一电磁换向阀的A口，第三溢流阀的进油口，第三压力传感器以及能量回收单元均连接到液压蓄能器的油口，第三溢流阀的出油口接油箱；

第一电磁换向阀的B口，第一单向阀的出油口连接到定量泵/马达的进油口，第一单向阀的进油口接油箱；驱动油缸的有杆腔和无杆腔分别和梭阀的两个进油口相连，梭阀的出油口接第四压力传感器；

先导操作手柄的P口、第一溢流阀的进油口均连接先导泵的出油口，第一溢流阀的出油口和先导操作手柄的T口连接油箱，所述电动机通过电机控制器与电量储存单元电性相连；

所述先导操作手柄与多路阀相连，所述先导操作手柄分别通过第一压力传感器和第二压力传感器连接至总成控制器，所述液压蓄能器通过第三压力传感器、所述梭阀通过第四压力传感器、所述定量泵/马达通过第五压力传感器与所述总成控制器相连，所述总成控制器还分别与电机控制器、第一电磁换向阀、第一电磁换向阀、第一电磁换向阀相连。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种电液混合驱动工程机械的自动怠速方法，不仅有效解决自动怠速取消时液压泵出口难以快速建立负载压力的问题，同时由于通过能量回收（转台制动和机械臂下放）的液压能可以在自动怠速模式转换成电能，为下一工作做好准备。

本发明是这样实现上述技术问题之二的：

一种电液混合驱动工程机械的自动怠速方法，包括以下步骤：

步骤（1）、设定怠速时间为Tc、先导压力阈值为p_ic、液压蓄能器压力判断阈值△pc，液压蓄能器压力上下限p_1min，p_1max；

步骤（2）、检测先导手柄压力信号p_i1，p_i2判断是否进入自动怠速模式：

当先导压力信号p_i1，p_i2均小于先导压力阈值p_ic时，判定***已经停止动作，进入步骤（3）；否则***进入工作模式，判定自动怠速模式失效并退出自动怠速控制程序，进入步骤（7）；

步骤（3）、当***停止工作时间t超过设定的怠速时间Tc时，进入步骤（4）,否则退出自动怠速控制程序；

步骤（4）、检测液压蓄能器压力值p_i3和负载最大值p_i4：

当液压蓄能器的压力值p_i3和负载最大值p_i4的差值满足：p_i3-p_i4＞△pc时，液压蓄能器的液压油，释放到定量泵/马达的进油口，定量泵/马达工作在马达模式，驱动电动机工作在发电模式，把液压蓄能器的液压能转换成电能储存在电量储存单元中，电动机的目标转速根据电动机在发电模式的效率最高点来设定；反之，当液压蓄能器的压力p_i3和负载最大压力p_i4的差值满足：p_i3-p_i4＜-△pc时进入步骤（5）；当满足：-△pc≤p_i3-p_i4≤△pc时进入步骤（6）；

步骤（5）、当液压蓄能器的压力p_i3和负载最大压力p_i4的差值满足：p_i3-p_i4＜-△pc时，电动机工作在电动模式，定量泵/马达工作在泵模式，所有定量泵/马达的液压油进入液压蓄能器，对液压蓄能器进行充油，电动机的目标转速根据电动模式的效率最高点工作，

步骤（6）、当液压蓄能器的压力p_i3和负载最大压力p_i4的差值满足：-△pc≤p_i3-p_i4≤△pc时，电动机工作在电动模式，电动机的目标转速按最低转速来设定，且定量泵/马达的液压油通过多路阀的中路回油口D回油箱，实现卸荷；

步骤（7）、***进入工作模式，检测定量泵/马达出口压力p_i5：

电动机工作在电动模式，目标转速根据先导压力信号p_i1、p_i2的大小计算获得；当液压蓄能器的压力p_i3大于液压蓄能器压力下限p_1min时，液压蓄能器的液压油释放到定量泵/马达的进油口，提高定量泵/马达的进口压力；当定量泵/马达的出口压力p_i5小于负载最大压力p_i4时，液压蓄能器的压力油通释放到定量泵/马达的出油口，用以快速建立起克服负载所需压力。

本发明具有如下优点：

（1）考虑到在电液混合驱动液压挖掘机中，由于电动机代替发动机驱动液压泵后，电动机相对发动机具有转速范围宽的特点，因此在自动怠速时，定量泵/马达的最低转速可以设定在一个液压泵和电动机的工作范围内的最低转速，实现液压泵压力和流量卸荷，可以降低液压***的中位节流损耗。

（2）怠速工况时，当蓄能器的压力小于负载最大压力时，定量泵/马达工作在泵模式，对液压蓄能器充油，为下一周期建立起负载所需压力做好准备，在***工作时，液压蓄能器的液压油可以释放到定量泵/马达的出口，用来快速建立起克服负载所需压力。该自动怠速方法具有蓄能器压力的自适应负载压力的特点，克服传统挖掘机在自动怠速取消时，如果发动机发动机转速较低时定量泵/马达出口难以快速建立起克服负载所需的压力；

（3）怠速工况时，当蓄能器的压力较高时，定量泵/马达工作在马达模式，液压蓄能器的液压油可以释放出来，驱动定量泵/马达和电动/发电机，把液压蓄能器的能量转换成电能储存在电量储存单元中，为下一周期工作做准备，延长了电量储存单元的工作时间。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种电液混合驱动工程机械的自动怠速***的示意图。

附图标识说明：

1、先导操作手柄2、第一压力传感器

3、第二压力传感器4、电量储存单元

5、电机控制器6、第一单向阀

7、第一溢流阀8、先导泵

9、定量泵/马达10、电动机

11、第一电磁换向阀12、第二电磁换向阀

13、第二溢流阀14、第二单向阀

15、第五压力传感器16、多路阀

17、能量回收单元18、第三溢流阀

19、液压蓄能器20、第三压力传感器

21、梭阀22、驱动油缸

23、第四压力传感器24、第三电磁换向阀

25、总成控制器

【具体实施方式】

请参阅图1所示，对本发明的实施例进行详细的说明。

重点参阅图1，本发明涉及一种电液混合驱动工程机械的自动怠速***，所述自动怠速***包括先导操作手柄1、第一压力传感器2、第二压力传感器器3、电量储存单元4、电机控制器5、第一单向阀6、第一溢流阀7、先导泵8、定量泵/马达9、电动机10、第一电磁换向阀11、第二电磁换向阀12、第二溢流阀13、第二单向阀14、第五压力传感器15、多路阀16、能量回收单元17、第三溢流阀18、液压蓄能器19、第三压力传感器20、梭阀21、驱动油缸22、第四压力传感器23、第三电磁换向阀24、总成控制器25；

其中，所述电动机10、先导泵8和定量泵/马达9同轴机械相联；所述定量泵/马达9的出口接第二单向阀14的进油口；第二溢流阀13的进油口、第二电磁换向阀12的A口，多路阀16的P口和P1口均和第二单向阀14的出油口连接，第二溢流阀13的出油口接油箱，多路阀16的T口接油箱，多路阀16的A口连驱动油缸22的无杆腔，多路阀16的B口连驱动油缸22的有杆腔，多路阀16的D口接第三电磁换向阀24的A口，第三电磁换向阀24的B口连接油箱；

第二电磁换向阀12的B口、第一电磁换向阀11的A口，第三溢流阀18的进油口，第三压力传感器20以及能量回收单元17均连接到液压蓄能器19的油口，第三溢流阀18的出油口接油箱；

第一电磁换向阀11的B口，第一单向阀6的出油口连接到定量泵/马达9的进油口，第一单向阀6的进油口接油箱；驱动油缸22的有杆腔和无杆腔分别和梭阀21的两个进油口相连，梭阀21的出油口接第四压力传感器23；

先导操作手柄1的P口、第一溢流阀7的进油口均连接先导泵8的出油口，第一溢流阀7的出油口和先导操作手柄1的T口连接油箱，所述电动机10通过电机控制器5与电量储存单元4电性相连；

所述先导操作手柄1与多路阀16相连，所述先导操作手柄1分别通过第一压力传感器2和第二压力传感器3连接至总成控制器25，所述液压蓄能器19通过第三压力传感器20、所述梭阀21通过第四压力传感器23、所述定量泵/马达9通过第五压力传感器15与所述总成控制器25相连，所述总成控制器25还分别与电机控制器5、第一电磁换向阀11、第一电磁换向阀12、第一电磁换向阀24相连。

所述多路阀16为可控制动臂、斗杆、铲斗、转台以及左右行走的多路阀；所述先导操作手柄1为可控制动臂、斗杆、铲斗、转台以及左右行走的先导操作手柄。

通过第一压力传感器2、第二压力传感器3，第三压力传感器20、第四压力传感器23和第五压力传感器15分别检测得到先导压力信号p_i1，p_i2、液压蓄能器19的压力p_i3、负载最大压力p_i4以及定量泵/马达9的出口压力p_i5，并作为总成控制器25的输入信号。总成控制器25根据输入信号产生电机控制器5的控制信号C1、第一电磁换向阀11的控制信号C2、第二电磁换向阀12的控制信号C3以及第三电磁换向阀24的控制信号C4。

本发明还涉及一种电液混合驱动工程机械的自动怠速方法，依次进行以下步骤：

步骤（1）、设定怠速时间为Tc、先导压力阈值为p_ic、液压蓄能器压力判断阈值△pc，液压蓄能器压力上下限p_1min，p_1max；

步骤（2）、检测先导手柄压力信号p_i1，p_i2判断是否进入自动怠速模式：

当先导压力信号p_i1，p_i2均小于先导压力阈值p_ic时，判定***已经停止动作，进入步骤（3）；否则***进入工作模式，判定自动怠速模式失效并退出自动怠速控制程序，进入步骤（7）；

步骤（3）、当***停止工作时间t超过设定的怠速时间Tc时，进入步骤（4）,否则退出自动怠速控制程序；

步骤（4）、检测液压蓄能器19压力值p_i3和负载最大值p_i4：

当液压蓄能器19的压力值p_i3和负载最大值p_i4的差值满足：p_i3-p_i4＞△pc时，第一电磁换向阀11得电，第二电磁换向阀12和第三电磁换向阀21失电；液压蓄能器19的液压油，通过第一电磁换向阀11，释放到定量泵/马达9的进油口，定量泵/马达9工作在马达模式，驱动电动机10工作在发电模式，把液压蓄能器19的液压能转换成电能储存在电量储存单元4中，此时液压蓄能器的压力逐渐下降；由于此时定量泵/马达9的出口全部液压油都通过多路阀16的中路回油口D、第三电磁换向阀24后回油箱，电动机10的目标转速无须考虑负载的特性，因此可以根据电动机10在发电模式的效率最高点来设定；反之，当液压蓄能器19的压力p_i3和负载最大压力p_i4的差值满足：p_i3-p_i4＜-△pc时进入步骤（5）和满足：-△pc≤p_i3-p_i4≤△pc时进入步骤（6）；

步骤（5）、当液压蓄能器19的压力p_i3和负载最大压力p_i4的差值满足：p_i3-p_i4＜-△pc时，第一电磁换向阀11失电，第二电磁换向阀12和第三电磁换向阀24得电，电动机10工作在电动模式，定量泵/马达9工作在泵模式，多路阀16的中路回油口D和油箱之间通过第三电磁换向阀24断开，所有定量泵/马达9的液压油通过第二电磁换向阀12进入液压蓄能器19，液压蓄能器19的压力升高；电动机10的目标转速无须考虑负载的特性，因此电动机10的目标转速根据电动模式的效率最高点工作，

步骤（6）、当液压蓄能器19的压力p_i3和负载最大压力p_i4的差值满足：-△pc≤p_i3-p_i4≤△pc时，第一电磁换向阀11、第二电磁换向阀12和第三电磁换向阀24均失电；电动机10工作电动模式，电动机10的目标转速根据电动机10、定量泵/马达9以及先导泵8的最低转速来设定，且定量泵/马达9的液压油通过多路阀16的中路回油口D、第三电磁换向阀24后回油箱，此时定量泵/马达9的流量和压力均较小，实现卸荷，降低了***的中位节流损耗；

步骤（7）、***进入工作模式，检测定量泵/马达出口压力p_i5：

第三电磁换向阀24失电，电动机10工作在电动模式，目标转速根据先导压力信号p_i1、p_i2的大小计算获得：

计算方式如下：

1）根据先导压力信号p_i1、p_i2、先导压力最大值p_imax、先导压力阈值为p_ic以及驱动油缸的设计最大速度v_max计算得到驱动油缸的目标速度v_c:

当p_i1大于p_ic时，假设驱动油缸伸出，v_c=(p_i1-p_ic)/（p_imax-p_ic)*v_max;

当p_i2大于p_ic时，假设驱动油缸缩回，v_c=(p_i2-p_ic)/（p_imax-p_ic)*v_max;

2）根据驱动油缸的无杆腔直径D和活塞杆直径d,计算定量泵/马达的目标流量Q_pc：

当p_i1大于p_ic时，假设驱动油缸伸出，

当p_i2大于p_ic时，假设驱动油缸縮回，

其它时，Q_pc=0；

3）根据定量泵/马达的排量q计算得到电动/发电机的目标转速n_c：

$n_c=\frac{Q_{\mathrm{pc}}}{q};$

第一电磁换向阀11是否得电的判断规则为：当液压蓄能器19的压力p_i3大于液压蓄能器压力下限p_1min时，即p_1min＜p_i3时，第一电磁换向阀11得电，液压蓄能器19的液压油通过第一电磁换向阀11释放到定量泵/马达9的进油口，提高定量泵/马达9的进口压力，不仅可以快速启动电动机10，也可以降低电动机10的工作扭矩；反之，第一电磁换向阀11失电；

第二电磁换向阀12的是否得电的判断规则为：当定量泵/马达的出口压力p_i5小于负载最大压力p_i4时，即p_i5＜p_i4时，第二电磁换向阀12得电，液压蓄能器19的压力油通过第二电磁换向阀12释放到定量泵/马达9的出油口，用以快速建立起克服负载所需压力，反之，当p_i5≥p_i4时，此时定量液压泵/马达9的出油口已经建立起克服负载所需压力，第二电磁换向阀12失电，由定量泵/马达9单独向多路阀16供油，避免了由于液压蓄能器19和定量泵/马达9组成的恒压源在负载较小时，在多路阀16上产生较大的压差损耗。

本发明考虑到在电液混合驱动液压挖掘机中，由于电动机代替发动机驱动液压泵后，电动机相对发动机具有转速范围宽的特点，因此在自动怠速时，定量泵/马达的最低转速可以设定在一个液压泵和电动机的工作范围内的最低转速，实现液压泵压力和流量卸荷，可以降低液压***的中位节流损耗。

怠速工况时，当蓄能器的压力小于负载最大压力时，定量泵/马达工作在泵模式，对液压蓄能器充油，为下一周期建立起负载所需压力做好准备，在***工作时，液压蓄能器的液压油可以释放到定量泵/马达的出口，用来快速建立起克服负载所需压力。该自动怠速方法具有蓄能器压力的自适应负载压力的特点，克服传统挖掘机在自动怠速取消时，如果发动机发动机转速较低时定量泵/马达出口难以快速建立起克服负载所需的压力；

怠速工况时，当蓄能器的压力较高时，定量泵/马达工作在马达模式，液压蓄能器的液压油可以释放出来，驱动定量泵/马达和电动/发电机，把液压蓄能器的能量转换成电能储存在电量储存单元中，为下一周期工作做准备，延长了电量储存单元的工作时间。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种电液混合驱动工程机械的自动怠速***，其特征在于：所述自动怠速***包括先导操作手柄、第一压力传感器、第二压力传感器、电量储存单元、电机控制器、第一单向阀、第一溢流阀、先导泵、定量泵/马达、电动机、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、第二溢流阀、第二单向阀、第五压力传感器、多路阀、能量回收单元、第三溢流阀、液压蓄能器、第三压力传感器、梭阀、驱动油缸、第四压力传感器、第三电磁换向阀、总成控制器；

其中，所述电动机、先导泵和定量泵/马达同轴机械相联；所述定量泵/马达的出口接第二单向阀的进油口；第二溢流阀的进油口、第二电磁换向阀的A口，多路阀的P口和P1口均和第二单向阀的出油口连接，第二溢流阀的出油口接油箱，多路阀的T口接油箱，多路阀的A口连驱动油缸的无杆腔，多路阀的B口连驱动油缸的有杆腔，多路阀的D口接第三电磁换向阀的A口，第三电磁换向阀的B口连接油箱；

第二电磁换向阀的B口、第一电磁换向阀的A口，第三溢流阀的进油口，第三压力传感器以及能量回收单元均连接到液压蓄能器的油口，第三溢流阀的出油口接油箱；

第一电磁换向阀的B口，第一单向阀的出油口连接到定量泵/马达的进油口，第一单向阀的进油口接油箱；驱动油缸的有杆腔和无杆腔分别和梭阀的两个进油口相连，梭阀的出油口接第四压力传感器；

先导操作手柄的P口、第一溢流阀的进油口均连接先导泵的出油口，第一溢流阀的出油口和先导操作手柄的T口连接油箱，所述电动机通过电机控制器与电量储存单元电性相连；

所述先导操作手柄与多路阀相连，所述先导操作手柄分别通过第一压力传感器和第二压力传感器连接至总成控制器，所述液压蓄能器通过第三压力传感器、所述梭阀通过第四压力传感器、所述定量泵/马达通过第五压力传感器与所述总成控制器相连，所述总成控制器还分别与电机控制器、第一电磁换向阀相连。

2.一种电液混合驱动工程机械的自动怠速方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)、设定怠速时间为Tc、先导压力阈值为p_ic、液压蓄能器压力判断阈值△pc，液压蓄能器压力上下限p_1min，p_1max；

步骤(2)、检测先导压力信号p_i1，p_i2判断是否进入自动怠速模式：

当先导压力信号p_i1，p_i2均小于先导压力阈值p_ic时，判定***已经停止动作，进入步骤(3)；否则***进入工作模式，判定自动怠速模式失效并退出自动怠速控制程序，进入步骤(7)；

步骤(3)、当***停止工作时间t超过设定的怠速时间Tc时，进入步骤(4),否则退出自动怠速控制程序；

步骤(4)、检测液压蓄能器压力值p_i3和负载最大值p_i4：

当液压蓄能器的压力值p_i3和负载最大值p_i4的差值满足：p_i3-p_i4＞△pc时，液压蓄能器的液压油，释放到定量泵/马达的进油口，定量泵/马达工作在马达模式，驱动电动机工作在发电模式，把液压蓄能器的液压能转换成电能储存在电量储存单元中，电动机的目标转速根据电动机在发电模式的效率最高点来设定；反之，当液压蓄能器的压力p_i3和负载最大压力p_i4的差值满足：p_i3-p_i4＜-△pc时进入步骤(5)；当满足：-△pc≤p_i3-p_i4≤△pc时进入步骤(6)；

步骤(5)、当液压蓄能器的压力p_i3和负载最大压力p_i4的差值满足：p_i3-p_i4＜-△pc时，电动机工作在电动模式，定量泵/马达工作在泵模式，所有定量泵/马达的液压油进入液压蓄能器，对液压蓄能器进行充油，电动机的目标转速根据电动模式的效率最高点工作，

步骤(6)、当液压蓄能器的压力p_i3和负载最大压力p_i4的差值满足：-△pc≤p_i3-p_i4≤△pc时，电动机工作在电动模式，电动机的目标转速按最低转速来设定，且定量泵/马达的液压油通过多路阀的中路回油口D回油箱，实现卸荷；

步骤(7)、***进入工作模式，检测定量泵/马达出口压力p_i5：

电动机工作在电动模式，目标转速根据先导压力信号p_i1、p_i2计算获得；当液压蓄能器的压力p_i3大于液压蓄能器压力下限p_1min时，液压蓄能器的液压油释放到定量泵/马达的进油口，提高定量泵/马达的进口压力；当定量泵/马达的出口压力p_i5小于负载最大压力p_i4时，液压蓄能器的压力油通释放到定量泵/马达的出油口，用以快速建立起克服负载所需压力。