一种用于举升机构的液电混合节能系统

摘要

本发明公开了一种用于举升机构的液电混合节能系统，该系统通过增加电动缸、电机转速控制器、双向DC/DC变换器、超级电容组和压力传感器，结合相应的控制方法，实现了动臂下降时，将其重力势能直接转化为电能为超级电容组充电；当动臂提升时，超级电容组为电动缸的驱动电机提供电能以辅助驱动。本发明公开的一种用于举升机构的液电混合节能系统具有动臂势能的存储利用效率高、输出平稳，装机功率小等优点。

权利要求

1.一种用于举升机构的液电混合节能系统，包括动力源(1)、液压泵(2)、油箱(3)、溢流阀(4)、液压回路(5)、至少一个动臂液压缸(11)、动臂(7)、控制单元(13)，其特征在于：还包括至少一个电动缸(8)、电机转速控制器(12)、双向DC/DC变换器(10)、超级电容组(9)和压力传感器(6)；动力源输出轴与液压泵连接，液压泵的出油口与液压回路的进油口P和溢流阀进油口连接，溢流阀的出油口与油箱连接；液压回路的回油口T与油箱连接；动臂液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过管路与液压回路的工作油口A和工作油口B连接，压力传感器安装在与动臂液压缸无杆腔连接的管路上，用于检测动臂液压缸无杆腔的压力PA；电动缸的驱动电机与电机转速控制器相连；双向DC/DC变换器的输入端和输出端分别与电机转速控制器连接的直流母线和超级电容组连接；压力传感器、电控阀、电机转速控制器以及双向DC/DC变换器与控制单元连接并交互信号；

动臂液压缸与电动缸前后布置在举升机构的中心线上，其缸体端分别通过第二液压缸销轴和第二电动缸销轴铰接至上车架上，其活塞杆端分别通过第一液压缸销轴和第一电动缸销轴铰接至动臂上；

在举升机构开始工作时，控制单元根据压力传感器输出信号u与其预设值的比对结果控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器的工作状态：动臂下降时，压力传感器的输出信号u低于其预设值，此时电动缸的驱动电机处于发电状态，控制单元控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器工作，使电动缸的驱动电机发出的电能通过双向DC/DC变换器为超级电容组充电，这样，动臂的重力势能直接转化为电能被部分回收；当动臂提升时，压力传感器的输出信号u高于其预设值，此时电动缸的驱动电机应处于电动状态，控制单元控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器工作，使得超级电容组为电动缸的驱动电机提供电能，电动缸与动臂液压缸一起驱动动臂上升。

2.根据权利要求1所述的一种用于举升机构的液电混合节能系统，其特征在于：当系统中包括一个动臂液压缸与一个电动缸时，动臂液压缸与电动缸前后平行布置于举升机构的中心线上；当系统中包括两个动臂液压缸与一个电动缸时，电动缸布置于举升机构中心线上，两个动臂液压缸对称布置在电动缸两侧，动臂液压缸与电动缸左右平行布置。

3.根据权利要求1所述的一种用于举升机构的液电混合节能系统，其特征在于：所述电动缸的驱动电机由电网或蓄电池组供电。

4.根据权利要求1所述的一种用于举升机构的液电混合节能系统，其特征在于：所述电动缸的驱动电机是交流异步电机、开关磁阻电动机、直流电机或伺服电机中的一种。

说明书

一种用于举升机构的液电混合节能系统

技术领域

[0001] 本发明属于举升机构能量回收领域，具体涉及一种用于举升机构的液电混合节能系统。

背景技术

[0002] 目前，广泛使用的挖掘机，装载机等作业机械因为工作环境恶劣、作业状态复杂、载荷变化剧烈，使得发动机工作范围变化大，造成整机能源利用率较低，排放特性差。同时这些装备的举升机构主要采用液压系统驱动，在工作过程中需要动臂频繁升降，由于动臂自重较大，液压系统驱动其上升时需要克服重力做功，部分液压能转换为工作机构的势能，但在其下降时，动臂的势能通常转化为液压能，再经过控制阀转化为热量耗散掉，这使得液压系统温度升高，可靠性下降，同时造成了大量的能源浪费。

[0003] 为解决上述技术问题，常采用液气储能方式或电气储能方式来回收利用能量。专利(CN 202391827 U)和专利(CN 103993625 A)使用了液气储能方式来回收动臂的下降势能。然而使用液气储能方式需要考虑气体的泄漏问题、所需机械体积的问题、动态响应慢的问题及蓄能器压力波动较大影响可控性的问题。专利(CN 101435451 A)利用电气储能方式来回收能量，在动臂下放时，首先将油液储存到蓄能器中，在利用蓄能器中的油液驱动液压马达，液压马达再驱动电动/发电机，最终将动臂重力势能转换为电能，存储到超级电容或电池中。这种能量回收方式能量经过多次转换，效率较低，不适合于小型机械。

发明内容

[0004] 本发明针对现有能量回收技术的不足，提供一种用于举升机构的液电混合节能系统，以实现动臂势能的高效回收和再利用。

[0005] 一种用于举升机构的液电混合节能系统，包括动力源(1)、液压泵(2)、油箱(3)、溢流阀(4)、液压回路(5)、至少一个动臂液压缸(11)、动臂(7)、控制单元(13)、至少一个电动缸(8)、电机转速控制器(12)、双向DC/DC变换器(10)、超级电容组(9)和压力传感器(6)；动力源输出轴与液压泵连接，液压泵的出油口与液压回路的进油口P和溢流阀进油口连接，溢流阀的出油口与油箱连接；液压回路的回油口T与油箱连接；动臂液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过管路与液压回路的工作油口A和工作油口B连接，压力传感器安装在与动臂液压缸无杆腔连接的管路上，用于检测动臂液压缸无杆腔的压力PA；电动缸的驱动电机与电机转速控制器相连；双向DC/DC变换器的输入端和输出端分别与电机转速控制器连接的直流母线和超级电容组连接；压力传感器、电控阀、电机转速控制器以及双向DC/DC变换器与控制单元连接并交互信号；

[0006] 动臂液压缸与电动缸前后布置在举升机构的中心线上，其缸体端分别通过第二液压缸销轴和第二电动缸销轴铰接至上车架上，其活塞杆端分别通过第一液压缸销轴和第一电动缸销轴铰接至动臂上。

[0007] 在举升机构开始工作时，控制单元根据压力传感器输出信号u与其预设值的比对结果控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器的工作状态：动臂下降时，压力传感器的输出信号u低于其预设值，此时电动缸的驱动电机处于发电状态，控制单元控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器工作，使电动缸的驱动电机发出的电能通过双向DC/DC变换器为超级电容组充电，这样，动臂的重力势能直接转化为电能被部分回收；当动臂提升时，压力传感器的输出信号u高于其预设值，此时电动缸的驱动电机应处于电动状态，控制单元控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器工作，使得超级电容组为电动缸的驱动电机提供电能，电动缸与动臂液压缸一起驱动动臂上升。

[0008] 当系统中包括两个动臂液压缸或两个电动缸时，单个的动臂液压缸或电动缸布置在举升机构的中心线上，动臂液压缸与电动缸平行布置，其缸体端通过第二液压缸销轴同轴铰接至上车架上，其活塞杆端分别通过第一液压缸销轴和第一电动缸销轴铰接至动臂上。

[0009] 所述电动缸的驱动电机由电网或蓄电池组供电。

[0010] 所述电动缸的驱动电机是交流异步电机、开关磁阻电动机、直流电机或伺服电机中的一种。

[0011] 与现有技术相比，本发明提供的一种用于举升机构的液电混合节能系统，具有以下优点：

[0012] 1.本发明采用动臂重力势能-电能直接转换存储利用的方法：动臂下降时，电动缸的驱动电机处于发电状态，发出的电能通过双向DC/DC变换器为超级电容组充电，动臂重力势能直接转化为电能。当动臂提升时，电动缸的驱动电机应处于电动状态，超级电容组为电动缸的驱动电机提供电能，电能直接转化为动臂重力势能。因此，本发明避免了现有技术存在节流损失、能量多次转换的损失，可显著提升动臂势能的存储利用效率。

[0013] 2.本发明可以使液压系统驱动条件下，复杂状态的出现而导致动力源工作环境波动的问题得到缓解，使动力源的输出平稳，减小装机功率。

[0014] 3.本发明适用于多种举升机构，特别适合于混合动力或者全电驱动的工程机械的动臂举升机构，并且可运用于固定式举升机械。

附图说明

[0015] 图1为本发明系统组成示意图；

[0016] 图2为本发明实施例1系统组成示意图；

[0017] 图3为本发明实施例2系统组成示意图。

[0018] 图中：1：动力源；2：液压泵；3：油箱；4：溢流阀；5：液压回路；6：压力传感器；7：动臂；8：电动缸；9：超级电容组；10：双向DC/DC变换器；11：动臂液压缸；12：电机转速控制器；13：控制单元；14：第一液压缸销轴；15：动臂销轴；16：上车架；17：第二液压缸销轴；18：第一电动缸销轴；19：第二电动缸销轴。

具体实施方式

[0019] 以下结合附图介绍本发明的详细技术方案：

[0020] 如图1所示，一种用于举升机构的液电混合节能系统，包括动力源1、液压泵2、油箱3、溢流阀4、液压回路5、至少一个动臂液压缸11、动臂7、控制单元13、至少一个电动缸8、电机转速控制器12、双向DC/DC变换器10、超级电容组9、压力传感器6动力源输出轴与液压泵连接，液压泵的出油口与液压回路的进油口P和溢流阀进油口连接，溢流阀的出油口与油箱连接；液压回路的回油口T与油箱连接；动臂液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过管路与液压回路的工作油口A和工作油口B连接，压力传感器安装在与动臂液压缸无杆腔连接的管路上，用于检测动臂液压缸无杆腔的压力PA；电动缸的驱动电机与电机转速控制器相连；双向DC/DC变换器的输入端和输出端分别与电机转速控制器连接的直流母线和超级电容组连接；压力传感器、电控阀、电机转速控制器以及双向DC/DC变换器与控制单元连接并交互信号。

[0021] 动臂液压缸与电动缸前后布置在举升机构的中心线上，其缸体端分别通过第二液压缸销轴和第二电动缸销轴铰接至上车架上，其活塞杆端分别通过第一液压缸销轴和第一电动缸销轴铰接至动臂上。

[0022] 当系统中包括两个动臂液压缸或两个电动缸时，单个的动臂液压缸或电动缸布置在举升机构的中心线上，动臂液压缸与电动缸平行布置，其缸体端通过第二液压缸销轴同轴铰接至上车架上，其活塞杆端分别通过第一液压缸销轴和第一电动缸销轴铰接至动臂上。

[0023] 在举升机构开始工作时，控制单元根据压力传感器输出信号u与其预设值的比对结果控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器的工作状态：动臂下降时，压力传感器的输出信号u低于其预设值，此时电动缸的驱动电机处于发电状态，控制单元控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器工作，使电动缸的驱动电机发出的电能通过双向DC/DC变换器为超级电容组充电，这样，动臂的重力势能直接转化为电能被部分回收；当动臂提升时，压力传感器的输出信号u高于其预设值，此时电动缸的驱动电机应处于电动状态，控制单元控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器工作，使得超级电容组为电动缸的驱动电机提供电能，电动缸与动臂液压缸一起驱动动臂上升。

[0024] 所述电动缸的驱动电机由电网或蓄电池组供电。

[0025] 所述电动缸的驱动电机是交流异步电机、开关磁阻电动机、直流电机或伺服电机中的一种。

[0026] 实施例1

[0027] 如图2所示，一种用于举升机构的液电混合节能系统，包括动力源1、液压泵2、油箱3、溢流阀4、液压回路5、两个动臂液压缸11、动臂7、控制单元13、一个电动缸8、电机转速控制器12、双向DC/DC变换器10、超级电容组9、压力传感器6动力源输出轴与液压泵连接，液压泵的出油口与液压回路的进油口P和溢流阀进油口连接，溢流阀的出油口与油箱连接；液压回路的回油口T与油箱连接；动臂液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过管路与液压回路的工作油口A和工作油口B连接，压力传感器安装在与动臂液压缸无杆腔连接的管路上，用于检测动臂液压缸无杆腔的压力PA；电动缸的驱动电机与电机转速控制器相连；双向DC/DC变换器的输入端和输出端分别与电机转速控制器连接的直流母线和超级电容组连接；压力传感器、电控阀、电机转速控制器以及双向DC/DC变换器与控制单元连接并交互信号。

[0028] 电动缸布置在举升机构的中心线上，两个动臂液压缸与电动缸平行布置，两个动臂液压缸对称式分布于电动缸的两侧，其缸体端通过第二液压缸销轴同轴铰接至上车架上，其活塞杆端分别通过第一液压缸销轴和第一电动缸销轴铰接至动臂上。动臂通过动臂销轴铰接在上车架上。

[0029] 实施例2

[0030] 如图3所示，一种用于举升机构的液电混合节能系统，包括动力源1、液压泵2、油箱3、溢流阀4、液压回路5、一个动臂液压缸11、动臂7、控制单元13、两个电动缸8、两个电机转速控制器12、双向DC/DC变换器10、超级电容组9、压力传感器6动力源输出轴与液压泵连接，液压泵的出油口与液压回路的进油口P和溢流阀进油口连接，溢流阀的出油口与油箱连接；
液压回路的回油口T与油箱连接；动臂液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过管路与液压回路的工作油口A和工作油口B连接，压力传感器安装在与动臂液压缸无杆腔连接的管路上，用于检测动臂液压缸无杆腔的压力PA；电动缸的驱动电机与电机转速控制器相连；双向DC/DC变换器的输入端和输出端分别与电机转速控制器连接的直流母线和超级电容组连接；压力传感器、电控阀、电机转速控制器以及双向DC/DC变换器与控制单元连接并交互信号。

[0031] 动臂液压缸布置在举升机构的中心线上，动臂液压缸与两个电动缸平行布置，两个电动缸对称式分布于动臂液压缸的两侧，其缸体端通过第二液压缸销轴同轴铰接至上车架上，其活塞杆端分别通过第一液压缸销轴和第一电动缸销轴铰接至动臂上。动臂通过动臂销轴铰接在上车架上。

[0032] 实施例1和实施例2均采用以下控制方法：

[0033] 在举升机构开始工作时，控制单元根据压力传感器输出信号u与其预设值的比对结果控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器的工作状态：动臂下降时，压力传感器的输出信号u低于其预设值，此时电动缸的驱动电机处于发电状态，控制单元控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器工作，使电动缸的驱动电机发出的电能通过双向DC/DC变换器为超级电容组充电，这样，动臂的重力势能直接转化为电能被部分回收；当动臂提升时，压力传感器的输出信号u高于其预设值，此时电动缸的驱动电机应处于电动状态，控制单元控制电机转速控制器与双向DC/DC变换器工作，使得超级电容组为电动缸的驱动电机提供电能，电动缸与动臂液压缸一起驱动动臂上升。

[0034] 以上所述仅标明了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并非是对本发明的保护范围的限制。本发明并不限于挖掘机，也可以适用于装载机，起重机等其他工程机械中。

[0035] 本发明使用电动缸与液压缸共同驱动动臂，电动缸和液压缸的布置可按不同情况灵活变化：本发明用于轻型机械时，电动缸主要驱动动臂工作，液压缸可减少数目；用于重型机械时，电动缸辅助液压缸驱动动臂工作，电动缸用于回收动臂下放时势能。