CN117183751B - 安全高效的再生制动***、控制方法和电动轮式工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种安全高效的再生制动***、控制方法和电动轮式工程机械，包括：液压油源、液压脚制动阀、电比例减压阀、电磁换向阀、液压制动器、驱动桥、换挡变速箱、电驱组件、电池组件、控制器和强制切换开关；***根据整机运行状态在纯电再生制动、混合再生制动、电控液压制动和机械液压制动四个不同制动模式之间切换；旨在解决电动轮式工程机械的制动***无法在有效保证制动安全性的前提下充分发挥电动再生制动节能优势的问题。

Description

安全高效的再生制动***、控制方法和电动轮式工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体而言，涉及一种安全高效的再生制动***、控制方法和电动轮式工程机械。

背景技术

电动化是工程机械节能减排和绿色转型的重要途径，并在以装载机和轮式挖掘机为代表的轮式工程机械上率先取得发展和市场突破。电动轮式工程机械采用电机通过变速箱或者直接驱动前后桥行驶，其整机吨位大，作业环境恶劣，行驶工况复杂，对制动***安全性能要求高。

传统轮式工程机械的制动***一般采用全液压制动，整机行驶制动动能在制动器处转化为热量耗散，制动盘磨损速度快，使用寿命短，需要定期更换。电动化后，制动***可通过行走电机提供制动力矩，进行电气式再生制动，并将制动能量回收存储至动力电池中。理想的技术方案是采用电信号制动踏板，由行走电机提供全部制动力矩，将制动动能最大化回收，以达到最佳节能性，但是当动力电池在SOC（State of Charge，电池中剩余的电量）过高无法回充时，需要配备额外的电阻器进行耗能制动，并且在电池***或电驱***出现故障，无法再生制动时，制动***失效，存在严重安全隐患。

因此，现有电动轮式工程机械大都采用液压制动和电气再生制动相结合的方案，在液压脚制动阀上增加踏板角度传感器，在制动过程中，液压脚制动阀按照固定设定输出相应液压制动力，电机进行辅助再生制动。同时，在液压脚制动阀处通过设置液压输出的空行程，使得在一定的小制动范围内，该空行程过程仅由电机提供制动力。该方案可在电气再生制动失效情况下，进行液压制动，有效保证制动可靠性，但其不足之处在于由液压-电气混合制动转换为液压制动时，制动操控感发生了变化，这将给复杂环境中的紧急制动带来潜在安全隐患，并且液压制动降低了电气再生制动的比例，使得电动再生制动的节能性无法充分发挥。

综上所述，面对复杂恶劣的作业环境，现有电动轮式工程机械的制动***无法在有效保证制动安全性的前提下充分发挥电动再生制动的节能性。有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种安全高效的再生制动***、控制方法和电动轮式工程机械装置，以解决上述问题。

本发明采用了如下方案：

本申请提供了一种安全高效的再生制动***，包括液压油源、驱动桥、电驱组件、电池组件、控制器、液压制动器，所述液压制动器连接至所述驱动桥，还包括：液压脚制动阀、电比例减压阀、电磁换向阀；

所述液压油源的出油口分两路分别连接至所述液压脚制动阀和电比例减压阀的进油口，用以提供恒压压力油；所述液压脚制动阀上安装有踏板角度传感器，所述踏板角度传感器配置为能在工作时将踏板的角度同步按比例转化为液压脚制动阀的出油口制动压力和电信号；

所述电比例减压阀和所述液压脚制动阀的出油口分别连接至所述电磁换向阀的第一进油口和第二进油口，且所述电磁换向阀的出油口连接至所述驱动桥上的液压制动器，以分别形成电控液压制动回路和机械液压制动回路，用于驱动所述液压制动器进行液压制动；

所述电驱组件与驱动桥机械连接，用于驱动车辆行驶和进行电气式再生制动；所述电池组件与所述电驱组件电气连接，用于为电驱组件提供驱动电能和存储制动回馈能量；

所述控制器接收所述踏板角度传感器的踏板角度信号，并能发送控制信号至所述电磁换向阀和电比例减压阀，且与电驱组件和电池组件通讯连接。

进一步地，当所述电磁换向阀线圈失电时，第一进油口关闭，第二进油口与所述液压制动器接通，所述液压制动器的工作油液由液压脚制动阀直接提供，进行机械式液压制动；当线圈得电时，第二进油口关闭，第一进油口与所述液压制动器接通，液压制动器的工作油液由电比例减压阀提供，进行电控式液压制动。

进一步地，所述电驱组件包括电机控制器以及行走电机；所述电机控制器的输出端与行走电机相电性连接，用于发送所述行走电机的状态信息至控制器，同时接收控制器的目标控制信号，驱动所述行走电机工作。

进一步地，所述电池组件包括电池管理单元和动力电池，所述电池管理单元的输入端和输出端分别与动力电池和驱动器相电性连接，用于监测动力电池状态并发送至所述控制器。

进一步地，所述控制器连接有强制切换开关，所述强制切换开关配置为能强制切换成机械液压制动模式。

本发明还提供了一种控制方法，基于上述任意一项所述的安全高效的再生制动***，包括以下步骤：

S1、获取电驱组件状态信息、电池组件状态信息、液压脚制动阀踏板角度信号和电比例减压阀工作状态；

S2、判断液压脚制动阀信号状态和电比例减压阀工作状态：

若液压脚制动阀信号异常或者电比例减压阀工作异常，则进入机械液压制动模式，此时，电磁换向阀失电，机械液压制动回路联通，液压脚制动阀在驾驶员操控下直接输出制动压力进行液压制动，行走电机不输出再生制动力矩；

若液压脚制动阀信号正常且电比例减压阀正常工作，则判断电驱组件和电池组件的工作状态；若电驱组件发生停机故障或电池组件发生禁止回充故障，则进入电控液压制动模式，此时，电磁换向阀得电，电控液压制动回路联通，控制器根据液压脚制动阀的踏板开度信号计算总制动力矩，控制电比例减压阀输出对应的制动压力，以用于提供全部制动力矩，此时行走电机不输出制动力矩；

若电驱组件或电池组件发生再生制动功率受限故障，则进入混合制动模式，此时，电磁换向阀得电，电控液压制动回路联通；控制器根据制动踏板开度信号计算总制动力矩，根据功率限制值计算行走电机所能提供的最大制动力矩，再由总制动力矩减去电制动力矩，得到液压制动力矩，控制电机控制器驱动行走电机，以提供电制动力矩，并控制电比例减压阀输出对应制动压力，以提供液压制动力矩；

若电驱组件和电池组件均正常运行，则进入纯电再生制动模式，此时，电磁换向阀得电，电控液压制动回路联通，电比例减压阀不工作，液压制动回路不工作；根据制动踏板开度信号计算总制动力矩，电机控制器驱动行走电机提供全部制动力矩，进行纯电再生制动。

进一步地，设定所述液压脚制动阀的硬件参数和控制器的软件参数，以使机械液压制动模式、电控液压制动模式、混合制动模式和纯电再生制动模式中的踏板开度与最终制动力矩的对应关系保持一致。

进一步地，所述控制器连接有强制切换开关，操控所述强制切换开关以选择强制进入机械液压制动模式。

本发明还提供了一种电动轮式工程机械，包括上述任意一项所述的安全高效的再生制动***。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

1、本申请的安全高效的再生制动***，在整机正常状态下进入纯电再生制动模式，发挥电动再生制动的最佳节能性；当电驱组件发生过温、过流等故障，或电池组件发生电压过高、电芯温度过高等故障，导致再生制动回充功率受限时，进行电控液压制动和电再生制动的混合再生制动，基于***可提供的最大电制动力矩，动态调整液压制动力矩，最大程度保证***节能性，提升***能量利用率和整机续航。

2、当电驱组件发生停机故障或电池组件发生禁止回充故障，再生制动***故障无法正常工作，进行电控液压制动，维持制动***的正常工作；进一步若液压脚制动阀的踏板角度传感器故障或者电比例减压阀工作异常，则切换回机械液压制动模式，以最简单可靠的方式进行制动，通过多重冗余设置保证了电动轮式工程机械的制动***在面对复杂恶劣的作业环境下的安全性；

3、不同制动模式之间的操控感差异通过软硬件参数设定消除，解决了制动操控感变化造成的安全隐患。在紧急情况下，驾驶员还可通过按钮选择强制进入机械液压制动模式，进一步保证制动***的安全性。

附图说明

图1是本发明实施例一种安全高效的再生制动***的结构示意图；

图2是本发明实施例一种控制方法的步骤图。

附图标记：1-液压油源；2-液压脚制动阀；21-液压脚制动阀本体；22-踏板角度传感器；3-电比例减压阀；4-电磁换向阀；5-液压制动器；6-驱动桥；7-换挡变速箱；8-电驱组件；81-电机控制器；82-行走电机；9-电池组件；91-电池管理单元；92-动力电池；10-控制器；11-强制切换开关。

具体实施方式

实施例1

结合图1，本实施例提供了一种安全高效的再生制动***，包括：液压油源1、液压脚制动阀2、电比例减压阀3、电磁换向阀4、液压制动器5、驱动桥6、换挡变速箱7、电驱组件8、电池组件9、控制器10和强制切换开关11；所述液压油源1的出油口分两路连接至液压脚制动阀2和电比例减压阀3的进油口，用以提供恒压压力油；所述液压脚制动阀2上安装有踏板角度传感器22，所述踏板角度传感器22配置为能在工作时将踏板的角度同步按比例转化为液压脚制动阀2的出油口的制动压力和电信号；

具体地，在本实施例中所述供液压油源1，可由独立的电机驱动液压泵，并配置溢流阀组成，或者由电动轮式工程机械整机上的其他液压源通过减压提供。

需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型结构的液压油源，这里不做具体限定，但这些方案均在本发明的保护范围内。

所述电比例减压阀3和所述液压脚制动阀2的出油口分别连接至电磁换向阀4的第一进油口和第二进油口，所述电磁换向阀4的出油口连接至驱动桥6上的液压制动器5，以分别形成电控液压制动回路和机械液压制动回路，用于驱动制动器进行液压制动。即这里电控液压制动回路从液压油源-电比例减压阀3-第一进油口-电磁换向阀4-液压制动器5；所述机械液压制动回路的油路为：液压油源-液压脚制动阀2-第二进油口-电磁换向阀4-液压制动器5。

所述电驱组件8通过换挡变速箱7或者直接与驱动桥6相机械连接，用于驱动车辆行驶和进行电气式再生制动；所述电池组件9与所述电驱组件8相电气连接，用于为电驱组件8提供驱动电能和存储制动回馈能量。

所述控制器10接收来液压脚制动阀2的踏板角度信号，发送开关控制信号至电磁换向阀4，发送PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制信号）控制信号至电比例减压阀3，与电驱组件8和电池组件9通过CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线进行通讯。

如图1所示，在本实施例中，当所述电磁换向阀4线圈失电时，第一进油口关闭，第二进油口与所述液压制动器5接通，液压制动器5的工作油液由液压脚制动阀2直接提供，进行机械式液压制动；当线圈得电时，第二进油口关闭，第一进油口与所述液压制动器5接通，液压制动器5的工作油液由电比例减压阀3提供，进行电控式液压制动。

如图1所示，在本实施例中，所述电驱组件8包括电机控制器81以及行走电机82；所述电机控制器81的输出端与行走电机82相电性连接，用于发送所述电机状态信息至控制器10，包括电机转速、电机转矩和故障信息等，同时接收控制器10的目标控制信号，驱动所述行走电机82工作。

如图1所示，在本实施例中，所述电池组件9包括电池管理单元91和动力电池92，所述电池管理单元91的输入端和输出端分别与动力电池92和驱动器相电性连接，用于监测动力电池92状态并发送至所述控制器10，包括电池电压、电池电流和故障信息等。

实施例2

结合图2，本实施例提供一种控制方法，基于前述的安全高效的再生制动***。具体包括以下步骤：

S1、获取电驱组件8状态信息、电池组件9状态信息、液压脚制动阀2踏板角度信号和电比例减压阀3工作状态；

S2、判断液压脚制动阀2的信号状态和电比例减压阀3工作状态，若液压脚制动阀2信号异常或者电比例减压阀3工作异常，则进入机械液压制动模式，此时，电磁换向阀4失电，机械液压制动回路联通，液压脚制动阀2在驾驶员操控下直接输出制动压力进行液压制动，行走电机82不输出再生制动力矩，以最简单可靠的方式进行制动；

若液压脚制动阀2信号正常且电比例减压阀3正常工作，则判断电驱组件8和电池组件9的工作状态；若电驱组件8发生停机故障或电池组件9发生禁止回充故障，则进入电控液压制动模式，此时，电磁换向阀4得电，电控液压制动回路联通，控制器10根据液压脚制动阀2的踏板开度信号计算总制动力矩，控制电比例减压阀3输出对应制动压力，以用于提供全部制动力矩，此时，行走电机82不输出制动力矩；

若电驱组件8或电池组件9发生再生制动功率受限故障，则进入混合制动模式，即电控液压制动与电气式再生制动同时作用，此时，电磁换向阀4得电，电控液压制动回路联通；控制器10根据制动踏板开度信号计算总制动力矩，根据功率限制值计算行走电机82所能提供的最大制动力矩，再由总制动力矩减去电制动力矩，得到液压制动力矩，控制电机控制器81驱动行走电机82提供电制动力矩，控制电比例减压阀3输出对应制动压力以提供液压制动力矩，最大程度保证***节能性，提升***能量利用率和整机续航；

若电驱组件8和电池组件9均正常运行，则进入纯电再生制动模式，此时，电磁换向阀4得电，电控液压制动回路联通，但电比例减压阀3不工作，液压制动回路不工作；根据制动踏板开度信号计算总制动力矩，电机控制器81驱动行走电机82以提供全部制动力矩，进行纯电再生制动，发挥电动再生制动的最佳节能性。

具体地，电比例减压阀3的工作状态判断可通过在电磁换向阀4后设置的压力传感器，对比电比例减压阀3的目标压力和电磁换向阀4后的实际制动压力；若压差的绝对值小于误差值，则判断电比例减压阀3工作正常；反之，则判断电比例减压阀3工作异常；液压脚制动阀2的角度传感器的工作状态可通过采集到的信号值的范围和变化速度进行判断。

具体地，电驱组件8的故障状态和电池组件9故障状态可通过读取电机控制器81和电池管理单元91发送的各种故障信息进行分级故障划分得到。

在本实施例中，通过液压脚制动阀2的硬件参数和控制器10的软件参数的整定，使得机械液压制动模式、电控液压制动模式、混合制动模式和纯电再生制动模式的踏板开度与最终制动力矩的对应关系保持一致，进而保证不同制动模式的操控感一致，消除制动操控感变化造成的安全隐患。

在本实施例中，驾驶员还可通过强制切换开关11选择强制进入机械液压制动模式，进一步保证制动***的安全性。

实施例3

本实施例还提供一种电动轮式工程机械，包括前述的安全高效的再生制动***。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种安全高效的再生制动***，包括液压油源、驱动桥、电驱组件、电池组件、控制器、液压制动器，所述液压制动器连接至所述驱动桥，其特征在于，还包括：液压脚制动阀、电比例减压阀、电磁换向阀；

所述液压油源的出油口分两路分别连接至所述液压脚制动阀和电比例减压阀的进油口，用以提供恒压压力油；所述液压脚制动阀上安装有踏板角度传感器，所述踏板角度传感器配置为能在工作时将踏板的角度同步按比例转化为液压脚制动阀的出油口制动压力和电信号；

所述电比例减压阀和所述液压脚制动阀的出油口分别连接至所述电磁换向阀的第一进油口和第二进油口，且所述电磁换向阀的出油口连接至所述驱动桥上的液压制动器，以分别形成电控液压制动回路和机械液压制动回路，用于驱动所述液压制动器进行液压制动；

所述电驱组件与驱动桥机械连接，用于驱动车辆行驶和进行电气式再生制动；所述电池组件与所述电驱组件电气连接，用于为电驱组件提供驱动电能和存储制动回馈能量；

所述控制器接收所述踏板角度传感器的踏板角度信号，并能发送控制信号至所述电磁换向阀和电比例减压阀，且与电驱组件和电池组件通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种安全高效的再生制动***，其特征在于，当所述电磁换向阀线圈失电时，第一进油口关闭，第二进油口与所述液压制动器接通，所述液压制动器的工作油液由液压脚制动阀直接提供，进行机械式液压制动；当线圈得电时，第二进油口关闭，第一进油口与所述液压制动器接通，液压制动器的工作油液由电比例减压阀提供，进行电控式液压制动。

3.根据权利要求1所述的一种安全高效的再生制动***，其特征在于，所述电驱组件包括电机控制器以及行走电机；所述电机控制器的输出端与行走电机相电性连接，用于发送所述行走电机的状态信息至控制器，同时接收控制器的目标控制信号，驱动所述行走电机工作。

4.根据权利要求1所述的一种安全高效的再生制动***，其特征在于，所述电池组件包括电池管理单元和动力电池，所述电池管理单元的输入端和输出端分别与动力电池和驱动器相电性连接，用于监测动力电池状态并发送至所述控制器。

5.根据权利要求1所述的一种安全高效的再生制动***，其特征在于，所述控制器连接有强制切换开关，所述强制切换开关配置为能强制切换成机械液压制动模式。

6.一种控制方法，其特征在于，基于权利要求1至5任意一项所述的安全高效的再生制动***，包括以下步骤：

S1、获取电驱组件状态信息、电池组件状态信息、液压脚制动阀踏板角度信号和电比例减压阀工作状态；

S2、判断液压脚制动阀信号状态和电比例减压阀工作状态：

若液压脚制动阀信号异常或者电比例减压阀工作异常，则进入机械液压制动模式，此时，电磁换向阀失电，机械液压制动回路联通，液压脚制动阀在驾驶员操控下直接输出制动压力进行液压制动，行走电机不输出再生制动力矩；

若液压脚制动阀信号正常且电比例减压阀正常工作，则判断电驱组件和电池组件的工作状态；若电驱组件发生停机故障或电池组件发生禁止回充故障，则进入电控液压制动模式，此时，电磁换向阀得电，电控液压制动回路联通，控制器根据液压脚制动阀的踏板开度信号计算总制动力矩，控制电比例减压阀输出对应的制动压力，以用于提供全部的制动力矩，行走电机不输出制动力矩；

若电驱组件或电池组件发生再生制动功率受限故障，则进入混合制动模式，此时，电磁换向阀得电，电控液压制动回路联通；控制器根据制动踏板开度信号计算总制动力矩，根据功率限制值计算行走电机所能提供的最大制动力矩，再由总制动力矩减去电制动力矩，得到液压制动力矩，控制电机控制器驱动行走电机，以提供电制动力矩，并控制电比例减压阀输出对应制动压力，以提供液压制动力矩；

若电驱组件和电池组件均正常运行，则进入纯电再生制动模式，此时，电磁换向阀得电，电控液压制动回路联通，电比例减压阀不工作，液压制动回路不工作；根据制动踏板开度信号计算总制动力矩，电机控制器驱动行走电机提供全部制动力矩，进行纯电再生制动。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，设定所述液压脚制动阀的硬件参数和控制器的软件参数，以使机械液压制动模式、电控液压制动模式、混合制动模式和纯电再生制动模式中的踏板开度与最终制动力矩的对应关系保持一致。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制器连接有强制切换开关，操控所述强制切换开关以选择强制进入机械液压制动模式。

9.一种电动轮式工程机械，其特征在于，包括如权利要求1-5任意一项所述的安全高效的再生制动***。