用于重型设备的能量系统的制作方法
【专利摘要】用于具有运转工具用的致动器的重型设备的能量系统，包括总线、发动机、发电机、蓄能装置和控制器。总线用于根据工具的运转向致动器提供电力。发动机用于提供输出功率并且发电机联接到发动机且构造成向总线提供电力。蓄能装置构造成接收来自总线的电力以存储能量，并且还构造成向总线提供电力以补充由发电机提供的电力。控制器构造成根据总线上的电力需求而改变发动机的输出功率。响应于电力要求的变化，控制器构造成以小于发动机的最大性能的速率改变发动机的输出功率。
【专利说明】用于重型设备的能量系统
【技术领域】
[0001]本发明总的涉及能量管理和存储系统的领域。更具体地，本发明涉及适用于采矿、挖掘和施工的重型设备的蓄能系统。
【背景技术】
[0002]重型设备如机动铲运机和挖掘机可包括在履带、车轮、浮筒等的上方旋转的甲板或其它平台。从甲板延伸，重型设备还可包括设计成运转铲斗、破碎器、吊钩或另一种形式的工作机具的用于铰接臂或起重机的悬臂。因此，这种重型设备典型地包括被设计成移动履带、旋转甲板及运转铰接臂和工作机具的一个或多个致动器。
[0003]一些类型的重型设备设计成在大致重复的工作循环中运转。举例而言，机动铲运机或挖掘机可典型地在包括挖掘、摆动、倾倒和返回步骤的工作循环中运转，以出于采矿目的而运转铲斗挖掘和装载打碎的岩石、泥土、矿物、表土等。这些步骤基本上被一次又一次地重复，其中微小的变化是铲斗与地面接合的高度。该重型设备可使用液压缸或其它形式的致动器来进行提升、旋转和降低运动。
【发明内容】
[0004]一个实施例涉及一种用于具有用于运转工具的致动器的重型设备的能量系统。该能量系统包括总线、发动机、发电机、蓄能装置和控制器。总线用于根据工具的运转而向致动器提供电力。发动机用于提供输出功率并且发电机联接到发动机且构造成向总线提供电力。蓄能装置构造成接收来自总线的电力以存储能量，并且还构造成向总线提供电力以补充由发电机提供的电力。控制器构造成根据总线上的电力需求而改变发动机的输出功率。响应于电力需求的变化，控制器构造成以小于发动机的最大性能的速率改变发动机的输出功率。
[0005]另一实施例涉及一种用于具有用于运转工具的致动器的重型设备的能量系统。该能量系统包括总线、发动机、发电机、超级电容器和控制器。总线用于根据工具的运转而向致动器提供电力。发动机用于提供输出功率并且发电机联接到发动机且构造成向总线提供电力。超级电容器构造成接收来自总线的电力以存储能量，并且还构造成向总线提供电力以补充由发电机提供的电力。控制器构造成根据总线上的电力需求而改变发动机的输出功率。响应于电力需求的变化，控制器构造成就燃料经济性来优化发动机的输出功率的变化率。
[0006]又一实施例涉及一种控制用于重型设备的能量系统的方法。该方法包括从由发动机驱动的发电机向总线提供电能以给运转重型设备的工具的致动器提供电能。该方法还包括响应于总线上增加的电力需求从蓄能装置向总线提供电能。该方法再还包括以小于发动机的最大性能的速率增加驱动发电机的发动机的输出功率，和对应地减小从蓄能装置向总线提供的电力。
[0007]可供选择的示例性实施例涉及如可在权利要求中总的记载的其它特征及特征的 组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]根据以下结合附图进行的详细描述，将更加充分地理解本发明，附图中同样的附图标记表示同样的元件，其中:
[0009]图1是根据一个示例性实施例的机动铲运机的透视图。
[0010]图2是图1的机动铲运机的平面图。
[0011]图3是图1的机动铲运机的甲板的一部分的透视图。
[0012]图4是与图1的机动铲运机相关的发电机的透视图。
[0013]图5是与图1的机动铲运机相关的液压系统的透视图。
[0014]图6是根据一个示例性实施例的能量管理系统的流程图。
[0015]图7是根据一示例性实施例的第一构型下的能量管理系统的示意图。
[0016]图8是第二构型下的图7的能量管理系统的示意图。
[0017]图9是第三构型下的图8的能量管理系统的示意图。
[0018]图10是由根据一个示例性实施例的模拟所提供的预示数据的图形表示。
[0019]图11是根据一个示例性实施例的响应于负荷变化而运转的假想能量系统的特征的一系列图形表不。
[0020]图12是由根据另一个示例性实施例的模拟所提供的预示数据的图形表示。
[0021]图13是由根据另一个示例性实施例的模拟所提供的预示数据的图形表示。
[0022]图14是比较由图13的模拟和另一个模拟所提供的预示数据的图形表示。
【具体实施方式】
[0023]在转到详细示出示例性实施例的附图前，应理解的是，本申请并不限于在说明书中阐述或在附图中示出的细节或方法。还应理解，术语只是出于描述的目的并且不应该被视为限制性的。
[0024]参照图1，呈机动铲运机110形式的重型设备包括可在履带114上移动的甲板112。甲板112还包括动力室116、电子设备舱118 (例如，“e-house”)、液压系统120、驾驶室122、蓄能元件124和液压冷却系统126、128(参看图2)。各种楼梯井130和过道132可与甲板112结合以穿行机动铲运机110。排气消声器134位于动力室116上方的甲板112上和驾驶室122的后方。从甲板112延伸，机动铲运机110还包括呈铰接臂136形式的工具，所述铰接臂包括可旋转地联接到臂140 (例如，吊杆/柄柱(stick))的悬臂138，臂140可旋转地联接到铲斗142。
[0025]根据一个示例性实施例，呈液压缸——包括悬臂缸144、臂缸146和翻转缸148—形式的致动器(例如，线性致动器)在甲板112与悬臂138之间延伸以控制悬臂138相对于甲板112的移动，在悬臂138与臂140之间延伸以控制臂140相对于悬臂138的移动，并且在悬臂138与铲斗142之间延伸以控制铲斗142相对于臂140的移动。根据一个示例性实施例，液压缸144、146、148是构造成容纳相应活塞的两端上的液压流体的双动缸。可使用另外的致动器(例如，电动机或液压马达)来经由履带114推进机动铲运机110，和/或使甲板112相对于履带114旋转。[0026]参照图2-3，举例而言，甲板112包括位于甲板112的后转角附近的两个蓄能元件124。在一些实施例中，蓄能元件124包括成排的一个或多个超级电容器150。在其它设想的实施例中，使用了蓄能元件的其它形式(例如，二次电池)或蓄能元件的其它布置。另外，在甲板112的后部，可包括一个或多个冷却剂风扇152和/或鼓风机的发动机冷却器系统126位于蓄能元件124之间。
[0027]现参照图2和4，根据这样一个实施例，甲板112包括位于蓄电元件124的前方的动力室116。在一些实施例中，动力室116包括两个柴油发电机组154,每个柴油发电机组都包括驱动交流发电机158 (例如，发电机)的发动机156。可使用整流器(参看例如如图7所示的整流器318)来将由柴油发电机组提供的交流电变换成直流电以经由直流总线(参看例如如图7所示的总线320)传送给机动铲运机110的工作元件。在其它实施例中，使用其它数量或类型的发电机，例如单个汽油机动力的发电机组。在再其它实施例中，电能可从单独的发电设备经电缆供给。
[0028]参照图2和5,根据这样一个实施例,机动?产运机110包括用于将由动力室116提供的电能变换为加压液压流体的能量的液压系统120。加压液压流体然后可用于驱动液压致动器如液压缸144、146、148和液压马达。在一些示例性实施例中，液压系统120包括两组160六套162联接到液压泵166的电动机164。根据一个示例性实施例，泵166是双向的，并且可沿两个方向接收加压的液压流体。[0029]对于每一套162而言,液压泵166的速度和方向由存储在电子设备舱118中并且联接到电气总线(还参看如图7所示的逆变器332、334、336和总线320)的电气驱动系统172 (例如，一个或多个电气驱动装置和支承结构，一个或多个逆变器)控制。电气驱动系统172选择性地供给功率以控制驱动液压泵166的电动机164的速度、方向和/或转矩。在机动铲运机110运转期间，并非全部组件162都可同时运转。在其它实施例中，液压系统可包括其它数量或布置的电动机和液压泵。
[0030]仍参照图2和5,在这样一个实施例中，液压泵166和电动机164的组件162联接到液压阀歧管168。根据一个示例性实施例，液压阀歧管168构造成往来于机动铲运机110的工作元件引导泵和马达组件162的液压流体。在一些实施例中，液压阀歧管168被布置为矩阵，其中每个泵和马达组件162都可选择性地联接到每个工作元件。举例而言，液压阀歧管168可将由两个以上的泵提供的液压流体联接到同一个工作元件如液压缸144、146、148之一。在一些实施例中，液压阀歧管168位于两组160泵和马达组件162之间。
[0031]在一些实施例中，液压系统120还构造成用于与液压流体相关的能量的再生。例如当机动纟产运机Iio的工作元件由重力或动量驱动时,液压流体可提供过剩能量。代替制动或与制动相结合，可保存(例如，重复利用、贮存、利用)液压流体的过剩能量。在这种运转期间，液压泵166用作液压马达，并由加压的液压流体驱动。液压泵166又驱动电动机164，电动机164发电并向总线(参看例如如图7所示的总线320)提供电力。如果随后不为其它工作元件所需，则该电力可经由蓄能元件124存储。
[0032]再参照图2，根据一个示例性实施例，驾驶室122包括控制计算机170，控制计算机170响应于各种输入并与各种输入结合而利用逻辑来运转机动铲运机110，所述输入包括操作人员命令(例如，装满铲斗、提升悬臂的操纵杆指令等)、环境条件(例如，感测到的地形斜率)、内部条件(例如，液压流体温度、可用功率等)和其它因素。控制计算机170运转位于电子设备舱118中的电气驱动系统172，电气驱动系统172控制从发电机组154到马达和泵组件162以及其它元件如用于液压系统120的回转马达174和冷却风扇176的电流(例如，安培数、电压、频率)。在此类实施例中，回转马达174直接控制甲板112相对于履带114的旋转，例如在机动铲运机110的摆动运动期间。
[0033]现参照图6，能量管理和存储系统210包括电能源212、电动机214和液压泵216。电动机214还联接到蓄电元件218。根据这样一个实施例，电动机214构造成接收来自电能源212和蓄电元件218两者的电能。另外，电动机214构造成用作发电机并且向蓄电元件218提供电力。
[0034]在系统210运转期间，电动机214驱动液压泵216，液压泵216进而对液压流体加压。液压流体经由阀220被可控地送到一个或多个工作元件222 (例如，附件)以用于工作元件222的运转。当工作元件222以利用制动阻力的方式运转时，液压流体可经阀220被可控地送回液压泵216。此类情况下，液压泵216可用作液压马达，从而驱动电动机214作为发电机运转。
[0035]根据一个示例性实施例，电能源212包括基于输出性能而选择的发电机组。在系统210运转期间,发电机组以大致恒定、最佳的速度和输出功率运行,其中就单位输出功率的最低燃料消耗、发电机组的单位输出功率最长寿命、系统210的最低维护或停机时间、或其它此类参数或此类参数的组合而针对特定发电机组优化了速度或输出。
[0036]根据一个示例性实施例，以最佳速度运行的发电机组在系统210的工作循环的各部分期间具有小于系统210所需的预期功率的电输出。来自蓄电元件218的另外的功率补充发电机组的功率，从而允许系统210满足瞬时功率需求，而发电机组仍继续以最佳速度和/或输出功率运行。在一些实施例中，蓄电元件提供系统在工作循环的峰值需求部分期间使用的功率的至少20% (如图10所示将电力需求416与发电机输出412比较)。在工作循环的其它部分期间，发电机组可产生过剩电力，该过剩电力可被传送到蓄电元件218。
[0037]在一些实施例中，源212的发电机组被选择成使得在以最佳速度运行的情况下，发电机组(或多个发电机组)提供系统210贯穿每个工作循环使用的全部能量。蓄能元件218在工作循环的较高需求部分期间提供的补充能量被源212在工作循环的较低需求部分期间提供的过剩能量完全抵消。当系统210移动到新位置时、当系统210改变任务时等，发电机组以最佳运行速度稳态运转可以不在用于特定任务的运转的初始循环期间发生。在此类时期，发电机组能以高于或低于最佳速度的速度运行。
[0038]在其它实施例中，发电机组(或多个发电机组)被选择成使得，在发电机组的最佳运行速度下，源212提供小于系统210贯穿每个工作循环使用的全部能量。作为替代，每个工作循环所需的能量的一部分从前面的工作循环再生。在初始循环期间，发电机组可在最佳功率以上运行，直至电容器被充电和/或直至可由再生获得能量。
[0039]现参照图7-9，能量管理和存储系统310包括由联接到交流发电机316的发动机314 (例如，内燃发动机、柴油发动机)形成的发电机组312。当由发动机314驱动时，交流发电机316提供由整流器318从交流电变换为直流电的电输出。该电输出然后被提供给与系统310的工作元件通信的共用电气总线320。
[0040]工作元件包括联接到一个或多个液压泵324的一个或多个电动机322、一个或多个附加电动机326和/或辅助元件328。蓄能元件330 (例如，一个或多个电容器)也联接到电气总线320。在一些实施例中，逆变器332、334、336调整往来于电气总线320与各工作元件之间的电力。充电状态控制器338调整往来于电气总线320与蓄能元件330之间的电力。
[0041]在系统310的运转期间，电能从发电机组312供给到电气总线320，并从电气总线320供给到电动机322、326和辅助元件328。在用于系统310的较低需求时段(例如，工作循环的部分)期间(参看图7)，电气总线320的一部分电力被引导到蓄电元件330。在用于系统310的较高需求时段(例如，工作循环的其它部分)期间(参看图8)，从蓄电元件330汲取功率以补充来自发电机组312的功率，并将该功率提供给电动机322、326和/或辅助元件 328。
[0042]根据一个示例性实施例，发电机组312以大致恒定的速度运行，这以低于电动机322,326和辅助元件328在较高需求时段期间所需的电力的速率发电。在一些此类实施例中，发电机组312确定尺寸和构造成使得发电机组312在没有来自蓄能元件330的支持的情况下将无法满足较高需求时段(例如，预期峰值负荷)的电力需求。使发电机组312这样定制尺寸和构成意在通过减轻系统310的重量(S卩，具有更小、更轻的发动机和交流发电机)和/或借助使发电机组312以效率高的速度运行并减少过剩电力的产生来优化发电机组312的燃料消耗而提高系统310的效率。
[0043]在一些实施例中，系统310还允许从电动机322、326再生电力(参看图9)。在设想的应用中，作用在与系统310相关的工作机具(例如，带铲斗的液压致动式铰接臂)上的重力提供能量，该能量可经由驱动联接到电动机322的泵324的液压流体传送到电动机322。在其它设想的应用中，代替摩擦制动或与摩擦制动相结合，可经由联接到系统310的旋转或平移部分的马达326 (例如，联接到机动铲运机的可旋转甲板的回转电机)来再捕获旋转或平移动量。电力的再生意在提高系统的效率并减小液压系统的吸热量。
[0044]现参照图10，借助从用于重型设备的能量管理和存储系统的模拟产生的预示数据的图形表示410，示出了由发电机组412供给的能量、由一排超级电容器414保持的能量和重型设备的能量需求416之间的关系。根据该模拟，示出了三个工作循环418、420、422，每个工作循环均持续大约30秒(即，每小时约120秒)。
[0045]循环418、420、422示出了基本上重复的振荡能量需求，其中峰值需求424超过由发电机组412产生的电力的大致恒定的速率(例如约50%)。当能量需求416超过发电机组412的发电量时,从超级电容器汲取功率,从而减小超级电容器414的蓄能量。当能量需求416下降到发电机组412的能量产生水平以下时，发电机组产生的一部分功率被供给到超级电容器，从而给超级电容器充电。另外，在各循环期间，能量需求416下降到零426以下，表示可在模拟循环418、420、422的一部分期间再生能量。
[0046]尽管图10中以超级电容器示出，但在其它设想的实施例中，蓄能系统将能量再捕获在一个或多个液压蓄能器中，液压蓄能器然后将可按需用于在峰值需求时段期间对发电机组进行补充。在其它设想的实施例中，机械能蓄能系统将能量存储在具有旋转惯性的旋转装置如飞轮中，或起升重量的势能中。所存储的能量然后将被按需释放以在峰值需求时段期间对主机械驱动装置进行补充。
[0047]在其它设想的实施例中，各种形式的静止和移动两用重型设备包括如上所述的能量管理和存储系统。用于重型设备的工作循环的重复程度可因重型设备的特定形式和要执行的特定操作或任务而异。在一些实施例(例如，液压钻探)中，循环以比图10所示的示例快或慢的速度重复。在一些实施例中，工作循环或模式包括来自蓄能元件的能量对相关的发电机组进行补充的多于一个峰值时段。
[0048]虽然大部分以上公开内容集中在重型设备(例如，机动铲运机、叉车)及其在基本上重复的工作循环期间的运转上，但这种重型设备也可在基本上重复的工作循环以外运转，例如在该重型设备最初开始运转时或者在该重型设备移动到新的工地时。在其它实施例中，受益于本文中公开的教导的重型设备可以未特别地设计成在基本上重复的工作循环中运转(例如，推土机、拖拉机、用于地下采矿的运输车)。
[0049]考虑到以上公开内容总的参照图11，一系列图形表示提供了对负荷的变化响应的重型设备的三个不同能量系统1、I1、III的特征(例如，如图7所示的系统310和如图1-5所示的机动铲运机110的特征)的假想短期响应曲线。每个能量系统都包括发动机(例如，如图7所示的发动机314和如图4所示的发动机156)，该发动机驱动用于向电气总线(例如，如图7所示的总线320和与如图1-2所示的电子设备舱118相关的元件)提供功率的发电机(例如，如图7所示的发动机314和如图4所示的发动机156)。
[0050]根据一个示例性实施例，电气驱动装置(例如，如图7所示的逆变器332、334、336、338和如图2所示的电气驱动系统172)联接到总线以控制向一个或多个致动器如电动机(例如，如图7所示的马达322、326、328、330和如图5所示的马达164)或其它致动器(例如，螺线管)传送电力。
[0051]在能量系统II和III中，总线还构造成向蓄能装置(例如，系统、蓄能元件的群组)如由呈充电状态控制器(例如，如图9所示的逆变器338)形式的驱动装置控制的超级电容器(例如，超级电容器排、如图7所示的蓄能元件330和如图2-3所示的超级电容器150)提供能量和从所述蓄能装置接收能量。
[0052]参照图11中的能量系统I,图形表示I (a)显示了在需求快速增加(例如,实线上的点之间的分散增加)期间总线上的功率需求(实线)和能量系统I的净输出功率(虚线)。图形表示I (b)显示了在对应的时期能量系统I的发动机的输出功率。在能量系统I中，由发动机驱动的发电机是用于总线的电能的唯一来源。
[0053]仍参照图11中的能量系统I，随着电气总线上的需求快速增加并且感测到总线上的电压变化，控制器对发动机节流以增加发动机的功输出。发动机然后通过以速率R1 (输出功相对于时间的二次导数；输出功率相对于时间的导数；焦耳/秒2)增加发动机的输出功率来对增加的需求作出响应，所述速率可对应于发动机增加输出功率的最大性能。
[0054]对于图11中的能量系统I，总线上增加的需求由发动机在时长A之后满足。在假想方案中，发动机的输出功率增加的速率R1对应于为了尽可能快地增加发动机的输出功率以补偿总线上的电压变化而对发动机进行的效率低的快速节流。然而，速率R1引起节流期间燃料经济性降低和烃排放增加。
[0055]参照图11中的能量系统II,图形表示II (a)显示了在与图形表示I (a)的需求的快速增加完全相同的需求的快速增加期间能量系统II的功率需求和净响应。图形表示II (b)显示了在对应的时期发动机的输出功率，其与能量系统I的对应的图形表示I (b)也完全相同。与能量系统I不一样，能量系统II包括蓄能元件，并且图形表示II (c)显示了对应的时期蓄能装置的输出功率。[0056]根据一个示例性实施例，图形表示II (C)所示的蓄能装置对总线上增加的需求的响应速率&能够比发动机(联接到发电机)的速率R1明显更快。因此，随着发动机缓升(rampup)以满足增加的需求，蓄能装置用于供给需求与发动机输出功率之间的功率差。结果，能量系统II的净输出功率对需求作出响应的时间t2小于假想能量系统I所需的时间h。然而，能量系统II的发动机与能量系统I的发动机一样仍以效率低的速率R1对需求变化作出响应。
[0057]在一些实施例中，能量系统II (和能量系统III)的发动机针对系统的平均负荷确定尺寸(例如，针对与系统的平均负荷对应的马力输出设计)，而不是确定尺寸为最佳地满足预期峰值负荷。蓄能装置可用于提供峰值需求时期所需的另外的功率，以使得发动机无需在与发动机的提高的效率对应的范围以外运转(参看例如如图12所示的峰值加载516、524，其中发动机渐变运转到低于功率需求的水平)。在设想的实施例中，发动机在没有来自蓄能装置的支持的情况下可能无法满足系统的预期峰值负荷。
[0058]在一些设想的实施例中，发动机可确定尺寸为低于循环的平均需求(例如，预期负荷)。另外，视重型设备的具体运转而定，发动机可确定尺寸为高于每循环平均负荷，例如在所移动的材料比较轻的情况下。在至少一个设想的实施例中，控制器在工作循环之间的过渡时段期间如在操作人员中途休息或将重型设备移动到新工地期间可利用发动机来对蓄能装置充电。在过渡时段期间存储的能量然后可用于在运转的基本上重复的循环部分期间对发动机进行补充，从而允许发动机被设计用于小于运转的基本上重复的循环部分期间的平均预期需求的最佳输出。在再其它实施例中，重型设备未被设计用于在基本上重复的工作循环中运转。
[0059]参照图11中的能量系统III,图形表示III Ca)显示了在需求快速增加期间能量系统III的功率需求和净响应。需求的快速增加与图形表示I (a)和II Ca)的需求的快速增加完全相同，并且净响应与图形表示II (a)中的响应完全相同。图形表示III (b)显示了在对应的时期发动机的输出功率，并且图形表示III (C)显示了在对应的时期蓄能装置的输出功率。
[0060]根据一个示例性实施例，图形表示III (b)中的发动机被约束(例如，监管、抑制)以全部性能对图形表示111(a)所示的需求变化作出响应。作为替代,发动机的响应速率R2小于与能量系统I和II对应的图形表示I (b)和II (b)中的响应速率札。图形表示III(c)所示的蓄能装置通过在比图形表示II (c)的蓄能装置长的期间(和更大的电能量)提供功率来补偿发动机的较慢渐变运转。由于由蓄能装置提供的更大输出功率，在一些实施例中具有比较大的能量性能和快速响应能力的超级电容器或另一种蓄能装置可比其它装置更适合作为蓄能装置。
[0061]在该假想方案中，能量系统III的净响应与能量系统II的净响应匹配并且两者都是优于能量系统I的响应性的改进，因为时间t2小于时间ti。然而，能量系统III的控制器通过更大量地依赖于蓄能装置的输出功率并允许发动机以较慢的速率R2渐变运转而与能量系统II不同地代表发动机与蓄能装置之间的净响应的个别贡献。能量系统III对图形表示III (a)所示的总线上的需求的变化的净短期动态响应基本上不受图形表示III (b)所示的发动机的输出功率的变化率影响。
[0062]根据一个示例性实施例，尽管能够进行更快、衰减更小的响应，控制器(例如，如图2所示的控制计算机170、用于发动机156的电子控制单元)主动防止发动机低效地作出响应，而不是依赖于蓄能装置作为用于总线的短期功率源(或用于过剩功率的接收器(sink))。在一些实施例中，发动机的节气门可受控制器约束以提供发动机在与有效燃料消耗、降低的元件磨损、减少的排放或其它参数相关的运转速度、转矩、负荷等的功输出。
[0063]在一些实施例中，针对燃料经济性优化较慢的速率R2。当以速率R2运转时，发动机在燃烧期间更有效地且彻底地燃烧燃料。产生更少的烃。在其它实施例中，为了最大限度地减少重型设备的发动机或其它部分(例如，冷却系统)上的磨损、减少污染、减少噪音、最大限度地减小发动机上的工作负荷或其它因素而优化较慢的速率。在再其它实施例中，针对此类因素的组合如燃料经济性和发动机上的最低磨损两者而优化发动机的输出功率的变化速率R2。
[0064]能量系统III在电气总线上的需求快速减少期间能以类似的方式运转。例如，发动机可被控制成以小于发动机缓降的能力的速率逐渐降低其输出功率。可针对燃料效率、最低发动机磨损或其它因素来优化发动机降低输出功率的速率。随着发动机缓降，由发动机提供的来自总线的过剩功率可被蓄能装置接收和存储。
[0065]现参照图12，图形表示包括来自与用于重型设备的能量系统的运转对应的计算机模拟的预示信息。该能量系统包括电气总线、驱动发电机的发动机和超级电容器。根据一个示例性实施例，该能量系统构造成在基本上重复的循环中运转，其中发动机的输出功率在该循环期间改变(与一部分上述实施例相反)。在一些此类实施例中，发动机的输出功率被控制成在蓄能装置对总线上的功率需求的短期变动作出反应的同时平顺地和有效地改变。
[0066]在该模拟中的第一事件510期间，能量系统的功率需求快速增加。从超级电容器输出的功率被用于对总线充电以满足该需求并且发动机的输出功率逐渐增加以满足该需求。输出功率的逐渐增加可对应于针对燃料经济性优化的速率。随着发动机的输出功率增力口，由超级电容器提供的功率相应地降低。
[0067]在该模拟中的第二事件512期间，发动机提供充分的输出功率以满足该需求并且通过由总线传送到超级电容器的电能对超级电容器充电。
[0068]在该模拟中的第三事件514期间，总线上的功率需求以发动机能够有效地满足并且不使用来自超级电容器的功率的速率增加。然而，在第三事件514期间，不再从总线供给功率来对超级电容器充电(或功率量减小)并且优先总线上的可用功率用于满足运转重型设备的工具的致动器的增加的需求。
[0069]在该模拟中的第四事件516期间，总线上发生峰值需求。来自超级电容器的功率被用于补充来自发动机的功率。发动机的输出功率逐渐增加到预定水平。该预定水平可对应于发动机的最大输出、发动机的燃料有效运转范围的上限、发动机以对发动机的磨损最低的运转的上限或另一阈值。然而，在该模拟中，从发动机输出的预定水平的功率小于需求并且剩下的差额由超级电容器满足。在一些此类实施例中，针对重型设备选择的发动机有意确定尺寸为在重型设备的峰值加载期间不提供全部功率，超级电容器将对发动机进行补充以满足峰值需求除外。这种发动机可以比具有更高负荷性能的发动机更轻，更灵敏，使用的材料更少等。
[0070]在该模拟中的第五事件518期间，总线上的功率需求降低至发动机的预定水平左右。显然，超级电容器的输出在发动机的输出功率降低之前降低。在改变发动机的输出功率之前改变超级电容器的输出功率的效率可更高，这是因为发动机可具有比超级电容器更大的与过渡到不同输出功率水平相关的能量损失。此外，来自发动机的过剩功率可被用于对超级电容器再充电。
[0071]在该模拟中的第六事件520期间，总线上的需求再次超过发动机的预定水平的输出功率，并且超级电容器再次被用于补充发动机的输出功率。然而，第六事件不代表在图12所示的循环期间总线上的峰值需求。
[0072]在该模拟中的第七事件522期间，总线上的功率需求降低至发动机的预定水平以下。一部分来自总线的功率被用于对超级电容器充电。如果需求的降低超过发动机有效地降低输出功率的能力，则超级电容器可用于接收由发动机提供的过剩功率，从而允许发动机以效率高的方式缓降到更低的输出功率。在一些实施例中，该循环然后基本上重复，峰值需求524和其它此类事件相似。在其它实施例中，能量系统在未被设计成或计划在基本上重复的工作循环中运转的重型设备中运转。
[0073]参照图13，图形表示包括来自与用于重型设备的能量系统的运转对应的计算机模拟的预示信息。该能量系统包括驱动发电机的发动机和超级电容器。该模拟中的发动机和超级电容器联接到构造成向构造成运转重型设备的工具的致动器供电的电气总线。
[0074]在该模拟中的第一事件610期间，重型设备的模拟负荷曲线快速增加。作为响应，超级电容器和发动机两者的输出功率都增加。然而，超级电容器的输出功率增加得比发动机更快。在第一事件610期间，超级电容器的输出功率完全补偿发动机与负荷曲线之间的输出功率之差。发动机的功率增加速率可对应于针对燃料效率而优化的速率。
[0075]在该模拟中的第二事件612期间，超级电容器的输出功率已达到预定水平，该预定水平可对应于超级电容器的最大输出、对应于重型设备的特定运转的最大输出、或另一阈值。在一些实施例中，超级电容器可以是饱和的并且无法提供另外的输出功率。为了满足第二事件612期间增加的负荷需求，发动机暂时将输出功率的变化率增加到最佳速率以上。
[0076]在该模拟中的第三事件614期间，在发动机和超级电容器的净输出之间满足该需求。发动机回到针对燃料效率而优化的速率。超级电容器的输出功率以与发动机的输出功率的增加对应的速率减少。
[0077]在该模拟中的第四事件期间，发动机达到预定水平。在总线上的需求保持恒定的情况下，发动机和超级电容器的输出功率保持恒定。
[0078]在该模拟中的第五事件618期间，电气总线的负荷曲线降低到发动机的输出功率以下。总线上的过剩功率被用于对超级电容器充电。一旦超级电容器被充电到预定阈值以上，控制器便可将发动机的输出功率降低到平均加载水平或另一水平。
[0079]参照图14，曲线表示呈现了图13所示的系统的发动机与不包括蓄能装置的能量系统(大体参看如图11所示的能量系统I)之间的假想对比。通过该蓄能装置的使用，图13的能量系统使发动机在第三事件614期间以更有效的功率增加速率运转。
[0080]根据一个示例性实施例，图11-14所示的能量系统允许发动机的输出功率的平滑增加和减少。提供发动机上的平滑过渡(例如，输出功率的缓升或缓降)以及对应地防止快速、动态的负荷变化可提高燃料效率并且减少发动机造成的污染，尤其是对于在能量需求快速变化的情况下连续运转的重型设备而言。此外，提供平滑过渡可通过减小发动机上的动态应力来延长发动机的寿命。
[0081]如在各种示例性实施例中所示的用于重型设备的能量系统和的结构和布置只是说明性的。尽管已在本说明书中详细描述仅少数实施例，但许多改型是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等)而不实质地脱离本文描述的主题的新颖教导和优点。一些示出为一体形成的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可以颠倒或者以其它方式改变，并且可修改或改变分散的元件的性质或数量或位置。根据可供选择的实施例，可改变或重新排序任何过程、逻辑算法或方法步骤的次序或顺序。也可在各种示例性实施例的设计、运行条件和布置中做出其它替代、修改、变更和省略而不脱离本发明的范围。
【权利要求】
1.一种用于重型设备的能量系统，所述重型设备具有用于运转工具(316)的致动器(144,146,148),所述能量系统包括: 总线(320)，所述总线用于根据所述工具(136)的运转来向所述致动器(144，146，148)提供电力； 发动机(314)，所述发动机用于提供输出功率； 发电机(316)，所述发电机联接到所述发动机(314)并且构造成向所述总线(320)提供电力； 蓄能装置(330)，所述蓄能装置构造成接收来自所述总线(320)的电力以存储能量，并且还构造成向所述总线(320)提供电力以补充由所述发电机(316)提供的电力；和 控制器(338)，所述控制器构造成根据所述总线(320)上的电力需求而改变所述发动机(314)的输出功率， 其中，响应于电力需求的变化，所述控制器(338)构造成以小于所述发动机(314)的最大性能的速率改变所述发动机(314)的输出功率。
2.根据权利要求1所述的能量系统，其中，所述蓄能装置(330)构造成使得所述能量系统对所述总线(320)上的需求变化的净短期动态响应基本上不受所述发动机(314)的输出功率的变化率影响。
3.如前述权利要求中任一项所述的能量系统，其中，当所述总线(320)上的需求增加时，所述控制器(338)构造 成约束所述发动机(314)的节气门，以使得所述发动机(314)的输出功率以小于所述发动机(314)的最大性能的速率增加。
4.如前述权利要求中任一项所述的能量系统，其中，所述控制器(338)构造成在燃料经济性、最低磨损、减少排放或它们的组合方面优化所述发动机(314)的输出功率的变化率。
5.如前述权利要求中任一项所述的能量系统，其中，所述蓄能装置(330)构造成以比所述发动机(314)能够经由所述发电机(316)向所述总线(320)提供电力的速率快的速率响应于所述总线(320)上的需求的增加而提供增加的电能。
6.如前述权利要求中任一项所述的能量系统，其中，所述蓄能装置(330)包括超级电容器(414)，并且所述发电机(314)和发电机(316)是柴油发电机组(312)的一部分。
7.如前述权利要求中任一项所述的能量系统，其中，所述能量系统被设计成用在以基本上重复的工作循环运转的重型设备中，并且其中，所述发动机(314)被设计成在所述基本上重复的工作循环期间以对应于或小于所述总线(320)上的平均需求的最佳输出功率运转。
8.—种控制用于重型设备的能量系统的方法，包括: 从由发动机(314)驱动的发电机(316)向总线(320)提供电能以驱动用于运转所述重型设备的工具(136)的致动器(144，146，148)； 响应于所述总线(320)上增加的电能需求而从蓄能装置(330)向所述总线(320)提供电能；以及 以小于所述发动机(314)的最大性能的速率增加驱动所述发电机(316)的所述发动机(314)的输出功率，并且对应地降低从所述蓄能装置(330)向所述总线(320)提供的电能。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述蓄能装置(330)向所述总线(320)提供电能，以使得所述能量系统对所述总线(320)上的需求的增加的净短期动态响应基本上不受所述发动机(314)的输出功率的增加速率影响。
10.如权利要求8或9所述的方法，还包括利用由所述总线(320)提供的电能对所述蓄能装置(330)充电。
11.如权利要求8、9或10所述的方法，其中，在燃料经济性、最低磨损、减少排放或它们的组合方面对所述发动机(314)的输出功率的变化率进行优化，并且所述蓄能装置(330)包括超级电容 器(414)，并且所述发动机(314)和所述发电机(316)是柴油发电机组(312)的一部分。
【文档编号】B60W10/24GK103946460SQ201280046786
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年9月24日 优先权日:2011年9月27日
【发明者】O·阿布戴尔-巴克, A·纳斯里, P·米勒, J·黑尔弗里希 申请人:卡特彼勒环球矿业有限责任公司