CN113738710A - 一种并联式电液混合储能单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并联式电液混合储能单元。包括蓄电池、电机控制器、电机、液压泵马达、液压蓄能器和液压油箱。蓄电池通过电机控制器与电机电连接，电机的输出轴与液压泵马达的输出轴的同步机械连接，液压泵马达与液压蓄能器之间通过三通油管相连通。蓄电池储能具有高能量密度，液压蓄能器储能具有高功率密度但能量密度较低，本发明将液压蓄能器和电静液泵并联，通过电静液泵提供小功率长时间的液压能充放，通过液压蓄能器提供短时间的大功率液压能充放。与传统的液压蓄能器储能相比，可实现高功率密度和高能量密度的混合储能。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压储能单元，尤其是涉及一种并联式电液混合储能单元。
背景技术
液压储能单元广泛应用于工程机械、车辆、海洋能利用等领域，其中最常用的液压储能单元是液压蓄能器，它的功率密度很高，但具有以下几个缺点：1)能量密度较低，储能容量小，不能长时间放能；2)液压蓄能器的输出液压压力随着储存能量的释放快速降低到***所需压力以下，影响***工作稳定性；3)其充能依赖于主动力源，蓄能状态较低时需分配一部分动力为蓄能器充能，会影响到负载端的动力输出。电静液泵可以由电机驱动工作在泵送工况，或者工作在马达工况反拖电机作为发电机运行，将液压能与电能进行相互转换。电储能方法能量密度较高，但功率密度较低，不能提供大功率能量充放。
发明内容
针对技术中的上述问题，本发明提出了一种并联式电液混合储能单元，可实现液压能的存储和释放，通过对电静液泵和液压蓄能器的能量分配，将具有高功率密度的液压蓄能器储能与具有高能量密度的蓄电池储能结合起来，并集成为一个储能单元使用，实现具有高能量密度和高功率密度的电液混合储能单元。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括液压蓄能器、蓄电池、电机控制器、电机、液压泵马达和液压油箱；
蓄电池通过电机控制器与电机电连接，电机的输出轴与液压泵马达的输出轴同步机械连接，液压泵马达与液压蓄能器之间通过三通油管相连通，液压泵马达设置有两个进出油口，液压泵马达的第一进出油口通过油管与液压油箱连通，液压泵马达的第二进出油口与液压蓄能器的进出油口分别与三通油管的第一连接口和第二连接口相连通，三通油管的第三连接口作为电液混合储能单元的第一进出油口。
当所述电液混合储能单元进行能量输出时，液压油箱中输出的油液经电机驱动的液压泵马达升压后再从电液混合储能单元的进出油口输出，或者液压蓄能器中输出的油液从电液混合储能单元的进出油口输出，或者由液压油箱和液压蓄能器输出的油液通过三通油管合流后再从电液混合储能单元的进出油口输出；
当所述电液混合储能单元进行能量储存时，油液从电液混合储能单元的进出油口直接输入液压蓄能器中储存，或者油液从电液混合储能单元的进出油口中输入后经液压泵马达输入液压油箱，液压泵马达带动电机发电，能量储存到蓄电池中，或油液经电液混合储能单元的进出油口后分为两部分，分别输入液压油箱和液压蓄能器。
所述的电液混合储能单元的输入输出流量和液压泵马达的输入输出流量、液压蓄能器的输入输出能量满足以下关系：
Q＝Qa+Qp
其中，Q为电液混合储能单元的进出油口流量，Qa为液压蓄能器的流量，Qp为液压泵马达的流量。
所述的液压泵马达作为电静液泵，电液混合储能单元功率和液压蓄能器功率、电静液泵功率满足如下关系：
P＝Pa+Pp
其中，P为电液混合储能单元的功率，Pa为液压蓄能器的功率，Pp为电静液泵的功率。
所述液压泵马达是定排量液压泵马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；所述液压泵马达是单个液压泵马达，或是两个以上液压泵马达的组合。
所述液压泵马达的液压回路是闭式液压回路，或是开式液压回路。
所述液压蓄能器是两个以上液压蓄能器的组合，或是单个的液压蓄能器。
所述蓄电池是电池组或超级电容。
液压蓄能器提供短时间的大功率的能量充放，电静液泵提供长时间小功率的能量充放，以适应不同的工况下对储能***的要求。当液压蓄能器蓄能状态较低时，电静液泵可以为液压蓄能器充能，当***需要大功率放能时一次性释放出来。另外，在蓄能器放能的过程中，电静液泵可以辅助工作，提高储能单元的充放功率上限，同时减缓蓄能器压力下降的速度。
本发明的有益效果是：
电储能具有高能量密度，液压蓄能器具有高功率密度但能量密度较低，本发明将液压蓄能器和电静液泵并联，通过电静液泵提供小功率长时间的液压能充放，通过液压蓄能器提供短时间的大功率液压能充放。电静液泵可以为液压蓄能器充能，当***需要大功率放能时一次性释放出来。
本发明的集成化设计可以减小储能单元体积，并且方便集成到液压***的设计中。与传统的液压蓄能器储能相比，可实现高功率密度和高能量密度的混合储能。
另外，在液压蓄能器放能的过程中，电静液泵可以辅助工作，提高储能单元的充放功率上限，同时减缓液压蓄能器压力下降的速度，使储能单元的能量输出更高适应压力需求，提高工作稳定性。
附图说明
图1为本发明的并联式电液混合储能单元原理图。
图2是本发明用于轮式装载机轮式驱动的串联液压混合动力***原理图。
图3是本发明用于轮式装载机轮式驱动的变速箱前并联混动***原理图。
图4是本发明用于轮式装载机轮式驱动的变速箱后并联混动***原理图。
图5是本发明用于卡车动力***时的变速箱前并联混动***原理图。
图6是本发明用于卡车动力***时的变速箱后并联混动***原理图。
图中：1、液压蓄能器，2、蓄电池，3、电机控制器，4、电机，5、液压泵马达，6、液压油箱，7、主液压泵，8、液压马达，9、车辆主减速器，10、发动机，11、液力变矩器，12、变速箱，13、啮合齿轮对，14、第一离合器，15、第二离合器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括液压蓄能器1、蓄电池2、电机控制器3、电机4、液压泵马达5和液压油箱6；
蓄电池2通过电机控制器3与电机4电连接，电机4的输出轴与液压泵马达5的输出轴的同步机械连接，液压泵马达5与液压蓄能器1之间通过三通油管相连通，液压泵马达5设置有两个进出油口，液压泵马达5的第一进出油口通过油管与液压油箱6连通，液压泵马达5的第二进出油口与液压蓄能器1的进出油口分别与三通油管的第一连接口和第二连接口相连通，三通油管的第三连接口作为电液混合储能单元的第一进出油口，其中，液压泵马达5由电机驱动，液压泵马达5作为电静液泵。具体实施中，液压泵马达5的第一进出油口作为或者不作为电液混合储能单元的第二进出油口。电液混合储能单元的进出油口与静液压传动回路连通或直接与液压缸、液压马达等液压执行器的进出油口连通。
电液混合储能单元可实现高压油液形式的能量输出和输入储存。当电液混合储能单元以高压油液形式进行能量输出时，液压油箱6中输出的油液经电机4驱动的液压泵马达5升压后再从电液混合储能单元的进出油口输出，或者液压蓄能器1储存的高压油液中输出的油液从电液混合储能单元的进出油口输出，或者由液压油箱6和液压蓄能器1输出的高压油液通过三通油管合流后再从电液混合储能单元的进出油口输出；
当电液混合储能单元进行能量储存时，高压油液从电液混合储能单元的进出油口直接输入液压蓄能器1中储存，或者油液从电液混合储能单元的进出油口中输入后经液压泵马达5输入液压油箱6，液压泵马达5带动电机4发电，能量储存到蓄电池2中，或油液经电液混合储能单元的进出油口后分为两部分，分别输入液压油箱6和液压蓄能器1。
电液混合储能单元的输入输出流量和液压泵马达5的输入输出流量、液压蓄能器1的输入输出能量满足以下关系：
Q＝Qa+Qp
其中，Q为电液混合储能单元的进出油口流量，Qa为液压蓄能器1的流量，Qp为液压泵马达5即电静液泵的流量。
的电液混合储能单元功率和液压蓄能器功率、电静液泵功率满足如下关系：
P＝Pa+Pp
其中，P为电液混合储能单元的功率，Pa为液压蓄能器的功率，Pp为液压泵马达5即电静液泵的功率。
液压泵马达5是定排量液压泵马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；液压泵马达5是单个液压泵马达，或是两个以上液压泵马达的组合。
液压蓄能器1是两个以上液压蓄能器的组合，或是单个的液压蓄能器。
蓄电池2是电池组或超级电容。
液压蓄能器提供短时间的大功率的能量充放，电静液泵提供长时间小功率的能量充放，以适应不同的工况下对储能***的要求。当液压蓄能器蓄能状态较低时，电静液泵可以为液压蓄能器充能，当***需要大功率放能时一次性释放出来。另外，在蓄能器放能的过程中，电静液泵可以辅助工作，提高储能单元的充放功率上限，同时减缓蓄能器压力下降的速度。
本发明用于不同动力***的实施例及其实施工作过程如下：
实施例1
图2是本发明用于轮式装载机行走驱动的串联液压混合动力***原理图。轮式装载机是一种广泛应用的工程机械，中小型轮式装载机行走驱动常用静液压传动***。静液压传动***包括主液压泵7、液压马达8、车辆主减速器9和发动机10，发动机10的输出轴与主液压泵7的输出轴同轴连接，主液压泵7的两个进出油口分别与液压马达8的两个进出油口连通，主液压泵7和液压马达8及与其连通的油路构成静液压传动回路，液压马达8的输出轴与车辆主减速器9之间通过传动轴相连，主液压泵7和液压马达8之间相连的一个油管与电液混合储能单元的第一进出油口连通。本实施例中电液混合储能单元的液压泵马达5的液压回路是开式液压回路。
主动力源为发动机10，驱动主液压泵7，经过静液压传动回路驱动液压马达8，液压马达8驱动车辆主减速器9，从而车辆主减速器9驱动车辆车轮行驶。并联式电液混合储能单元通过控制进出油口的液压压力和进出油流量，一方面可以保证静液压传动回路的液压压力处于较稳定的水平，减少压力突变带来的***振动；另一方面可以通过能量充放，调节发动机与负载的动力匹配，解决负载速度变化过快时二者功率匹配不好，使发动机工况恶化的问题，使主动力源平稳工作。同时混合储能单元可以回收制动能量，并提供辅助动力，通过能量存储、再利用的方式使发动机工作在较高效率区间。
实施例2
图3是本发明用于轮式装载机行走驱动的变速箱前并联混动***原理图。对于中型和大型轮式装载机，常用的动力传动***为液力传动+换挡齿轮传动。
动力传动***包括液压马达8、车辆主减速器9、发动机10、液力变矩器11、变速箱12和啮合齿轮对13；
液压马达8的两个进出油口分别与电液混合储能单元的第一进出油口和第二进出油口连通，电液混合储能单元的第二进出油口不与液压油箱连通，即液压泵马达5的液压回路是闭式液压回路。液压泵马达5和液压马达8与其连通的油路构成静液压传动回路。啮合齿轮对13的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴与啮合齿轮对13的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对13的另一个齿轮分别与液力变矩器11的输出轴、变速箱12的输入轴同轴连接，液力变矩器11和变速箱12分别设置在啮合齿轮对13的两侧，液力变矩器11的输入轴与发动机10的输出轴同轴连接，变速箱12的输出轴与车辆主减速器9同轴连接，与啮合齿轮对13同轴连接的液力变矩器11的输出轴、变速箱12的输入轴均作为动力传动***的传动轴。
并联式电液混合储能单元的液压能可通过液压马达8转化为机械能汇入传动轴，发动机10输出的多余机械能可转化为液压能储存到电液混合储能单元中。一方面，通过能量的储存和释放，可以将发动机工作点调整到高效率工作区，提高燃油经济性和减少废气排放；另一方面，并联的液压马达8可以作为辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，在启停、加速减速等工况时发挥作用，提高轮式装载机的动力性能和操纵性能。
实施例3
图4是本发明用于轮式装载机行走驱动的变速箱后并联混动***原理图。与实施例2的主要区别在于液压马达8并联到主传动轴的位置不同，工况也不同。变速箱后并联式的转速相较变速箱前并联式混动，液压马达8的转速更低而转矩要求更大。
动力传动***包括液压马达8、车辆主减速器9、发动机10、液力变矩器11、变速箱12和啮合齿轮对13；
液压马达8的两个进出油口分别与电液混合储能单元的第一进出油口和第二进出油口连通，电液混合储能单元的第二进出油口不与液压油箱连通，即液压泵马达5的液压回路是闭式液压回路。液压泵马达5和液压马达8与其连通的油路构成静液压传动回路。
啮合齿轮对13的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴与啮合齿轮对13的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对13的另一个齿轮分别与变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴同轴连接，车辆主减速器9和变速箱12分别设置在啮合齿轮对13的两侧，发动机10通过液力变矩器11与变速箱12的输入轴同轴连接，与啮合齿轮对13同轴连接的变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴均作为动力传动***的传动轴。
并联式电液混合储能单元的液压能可通过液压马达8转化为机械能汇入传动轴，发动机10输出的多余机械能可转化为液压能储存到电液混合储能单元中。同样地，一方面，通过能量的储存和释放，可以将发动机工作点调整到高效率工作区，提高燃油经济性和减少废气排放；另一方面，并联的液压马达8可以作为辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，在启停、加速减速等工况时发挥作用，提高轮式装载机的动力性能和操纵性能。
实施例4
图5是本发明用于卡车动力***时的变速箱前并联混动***原理图。重载卡车对于动力性能要求也较高，特别是在启动、刹车、上坡等工况，动力***需要同时适应上述低速工况和长距离运输的高速工况，对发动机和变速箱要求都较高。同时卡车在长距离下坡时有大量制动能量被浪费，且需要装配刹车片辅助散热装置。
卡车动力***包括液压马达8、车辆主减速器9、发动机10、变速箱12、啮合齿轮对13、第一离合器14和第二离合器15；
液压马达8的两个进出油口分别与电液混合储能单元的第一进出油口和第二进出油口连通，电液混合储能单元的第二进出油口不与液压油箱连通，即液压泵马达5的液压回路是闭式液压回路。液压泵马达5和液压马达8与其连通的油路构成静液压传动回路。
啮合齿轮对13的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴通过第二离合器15与啮合齿轮对13的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对13的另一个齿轮分别与变速箱12的输入轴、第一离合器14的输出轴同轴连接，第一离合器14和变速箱12分别设置在啮合齿轮对13的两侧，发动机10与第一离合器14的输入轴同轴连接，变速箱12的输出轴与车辆主减速器9同轴连接；与啮合齿轮对13同轴连接的变速箱12的输入轴、第一离合器14的输出轴均作为动力传动***的传动轴。
一方面，在启停、加速减速、上坡等低速工况时，第二离合器15接通，并联的液压马达8提供辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，提高卡车的动力性能和操纵性能，在高速工况下，第二离合器15断开，不影响发动机工作；另一方面，在刹车、长距离下坡等工况下，第二离合器15接通，提供刹车力的同时回收制动能量，将传动轴上的机械能通过液压马达8转化储存到并联式电液混合储能单元中，在辅助启动等工况下再释放出来，提高了能量效率的同时减少了刹车产生的热量。
实施例5
图6是本发明用于卡车动力***时的变速箱后并联混动***原理图。和实施例4的主要区别在于液压马达8并联到主传动轴的位置不同，工况也不同。变速箱后并联混动的转速相较变速箱前并联混动，液压马达8的转速更低而转矩要求更大。
卡车动力***包括液压马达8、车辆主减速器9、发动机10、变速箱12、啮合齿轮对13、第一离合器14和第二离合器15；
液压马达8的两个进出油口分别与电液混合储能单元的第一进出油口和第二进出油口连通，电液混合储能单元的第二进出油口不与液压油箱连通，即液压泵马达5的液压回路是闭式液压回路。液压泵马达5和液压马达8与其连通的油路构成静液压传动回路。
啮合齿轮对13的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴通过第二离合器15与啮合齿轮对13的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对13的另一个齿轮分别与变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴同轴连接，车辆主减速器9和变速箱12分别设置在啮合齿轮对13的两侧，发动机10通过第一离合器14与变速箱12的输入轴同轴连接，与啮合齿轮对13同轴连接的变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴均作为动力传动***的传动轴。
同样地，一方面，在启停、加速减速、上坡等低速工况时，第二离合器15接通，并联的液压马达8提供辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，提高卡车的动力性能和操纵性能，在高速工况下，第二离合器15断开，不影响发动机工作；另一方面，在刹车、长距离下坡等工况下，第二离合器15接通，提供刹车力的同时回收制动能量，将传动轴上的机械能通过液压马达8转化储存到并联式电液混合储能单元中，在辅助启动等工况下再释放出来，提高了能量效率的同时减少了刹车产生的热量。
Claims (8)
1.一种并联式电液混合储能单元，其特征在于：包括液压蓄能器(1)、蓄电池(2)、电机控制器(3)、电机(4)、液压泵马达(5)和液压油箱(6)；
蓄电池(2)通过电机控制器(3)与电机(4)电连接，电机(4)的输出轴与液压泵马达(5)的输出轴同步机械连接，液压泵马达(5)与液压蓄能器(1)之间通过三通油管相连通，液压泵马达(5)的第一进出油口与液压油箱(6)连通，液压泵马达(5)的第二进出油口与液压蓄能器(1)的进出油口分别与三通油管的第一连接口和第二连接口相连通，三通油管的第三连接口作为电液混合储能单元的进出油口。
2.根据权利要求1所述的一种并联式电液混合储能单元，其特征在于：当所述电液混合储能单元进行能量输出时，液压油箱(6)中输出的油液经电机(4)驱动的液压泵马达(5)升压后再从电液混合储能单元的进出油口输出，或者液压蓄能器(1)中输出的油液从电液混合储能单元的进出油口输出，或者由液压油箱(6)和液压蓄能器(1)输出的油液合流后再从电液混合储能单元的进出油口输出；
当所述电液混合储能单元进行能量储存时，油液从电液混合储能单元的进出油口直接输入液压蓄能器(1)中储存，或者油液从电液混合储能单元的进出油口中输入后经液压泵马达(5)输入液压油箱(6)，液压泵马达(5)带动电机(4)发电，能量储存到蓄电池(2)中，或油液经电液混合储能单元的进出油口后分为两部分，分别输入液压油箱(6)和液压蓄能器(1)。
3.根据权利要求1所述的一种并联式电液混合储能单元，其特征在于：所述的电液混合储能单元的输入输出流量和液压泵马达(5)的输入输出流量、液压蓄能器(1)的输入输出能量满足以下关系：
Q＝Qa+Qp
其中，Q为电液混合储能单元的进出油口流量，Qa为液压蓄能器(1)的流量，Qp为液压泵马达(5)的流量。
4.根据权利要求1所述的一种并联式电液混合储能单元，其特征在于：所述的液压泵马达(5)作为电静液泵，电液混合储能单元功率和液压蓄能器(1)功率、电静液泵功率满足如下关系：
P＝Pa+Pp
其中，P为电液混合储能单元的功率，Pa为液压蓄能器的功率，Pp为电静液泵的功率。
5.根据权利要求1所述的一种并联式电液混合储能单元，其特征在于：所述液压泵马达(5)是定排量液压泵马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；所述液压泵马达(5)是单个液压泵马达，或是两个以上液压泵马达的组合。
6.根据权利要求1所述的一种并联式电液混合储能单元，其特征在于：所述液压泵马达(5)的液压回路是闭式液压回路，或是开式液压回路。
7.根据权利要求1所述的一种并联式电液混合储能单元，其特征在于：所述液压蓄能器(1)是两个以上液压蓄能器的组合，或是单个的液压蓄能器。
8.根据权利要求1所述的一种并联式电液混合储能单元，其特征在于：所述蓄电池(2)是电池组或超级电容。
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