一种混合动力装载机的能量回收与再利用系统及其控制策略的制作方法

本发明涉及液压混合动力领域，尤其涉及一种混合动力装载机的能量回收与再利用系统及其控制策略。

背景技术：

装载机是进行现代工程建设和军事工程建设的主要机械设备，在国民经济和现代化建设中占有重要地位。其工作环境比较恶劣，载荷变化大，发动机功率得不到充分发挥，这样一来，提高其燃油利用率、综合工作性能，使其在工作中变得更加的高效、节能、耐用和舒适显得更加重要。

液力机械装载机由于其具有优秀的自动适应性、通过性、使用寿命和操作舒适性，在目前装载机市场占据绝对统治地位。但是液力机械式装载机的液力传动系统的效率低，经济性差，结构复杂，制造成本高。

为此，设计一种解决装载机能耗严重，功率需求较大、启停频繁、工况变化剧烈问题，完成回收制动能量和势能并再利用于作业和起步等工况的系统是亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种混合动力装载机的能量回收与再利用系统。本发明可实现制动、动臂下降、低负载行车和怠速时回收能量，起步、铲掘加速作业和动臂举升时释放能量，优化发动机工作区间、提高系统效率的同时，保证了制动的安全性。本发明采用的技术手段如下：

一种混合动力装载机的能量回收与再利用系统，包括：

发动机；

控制器，其用于判断装载机所处工况，控制能量控制阀组内各阀转变状态；

能量控制阀组，其由若干阀组合而成，其用于基于控制器传递的指令，控制液压油的进、出方向以及高压蓄能器的储能或放能状态；

高压蓄能器，其用于储存预设工况下余出的能量并在另一预设工况下输出存储的能量；

变量液压泵/马达，其用于在制动工况中作为泵使用并充当制动元件，为装载机提供液压制动力，在驱动工况中作为马达使用，并能够单独为驱动装载机起步、作业提供附加动力；

所述发动机的输出端通过常啮合齿轮与转向油泵、工作油泵相连，还通过该常啮合齿轮与第一离合器与分动器相连，所述分动器通过转矩耦合器第一输出端与前传动轴、前驱动桥相连，通过转矩耦合器第二输出端与第二离合器、变量液压泵/马达相连，所述变量液压泵/马达一端连接低压油箱，另一端依次连接能量控制阀组、高压蓄能器；转向油泵、工作油泵一端与低压油箱相连，另一端与能量控制阀组相连。

进一步地，所述能量控制阀组包括二位二通阀、电磁三位四通先导阀、第一液动开关阀、第二液动开关阀、溢流阀和二位三通电液阀，所述二位二通阀的一端与动臂缸相连，另一端与所述高压蓄能器相连，所述二位二通阀与高压蓄能器相连的管路上设置第一液动开关阀和第二液动开关阀，二者均与所述电磁三位四通先导阀相连，所述第一液动开关阀与二位三通电液阀相连，所述第二液动开关阀与溢流阀相连，所述二位三通电液阀还与工作阀组相连、与工作油泵相通，所述第二液动开关阀与溢流阀之间的管路与所述变量液压泵/马达相连。

进一步地，所述分动器还通过后传动轴与后驱动桥相连，后传动轴通过后驱动桥与后轮相连，前传动轴通过前驱动桥与前轮相连，使得液压制动力作用于前轮。

进一步地，所述溢流阀与低压油箱相连，转向油泵、工作油泵均与低压油箱相连，所述低压油箱为密闭式，其具有一定压力，用于改善变量液压泵/马达自吸能力不足的缺点、还用于冷却液压油，降低油温，所述溢流阀具有保压作用，其用于维持系统制动力所需压力。

进一步地，所述控制器基于各传感器传递的参数综合判断该时刻下装载机所处工况，参数包括车速、发动机转速、油门开度、蓄能器压力、制动踏板形成和工作装置操纵杆位置信息。

本发明还提供一种上述混合动力装载机能量回收系统的控制策略，

所述控制器判断装载机的所处工况包括：

a、主动充能模式：装载机低负载行车或停车怠速且高压蓄能器压力处于预设的中等压力及以下时，通过发动机带动常啮合齿轮、第一离合器和转向油泵、工作油泵，通过能量控制阀组给高压蓄能器充能，具体地，转向油泵、工作油泵通过优先阀合流后，二位三通电液阀、电磁三位四通先导阀、第一液动开关阀之间能够形成通路，主动为高压蓄能器充能，通过调节转向油泵、工作油泵的排量从而控制充能负载大小。

b、回收制动能量模式：处于制动过程中，以制动踏板行程确定制动强度，计算所需目标制动转矩，通过前驱动桥带动转矩耦合器、第二离合器和变量液压泵/马达给高压蓄能器充能，直至泵马达制动转矩达到所需目标制动转矩。

c、回收势能模式：装载机动臂下落时，蓄能器压力小于动臂缸压力，动臂缸下部高压油通过二位二通阀与高压蓄能器相连，将动臂缸的液压油通往高压蓄能器，直至蓄能器压力不小于动臂缸压力。

进一步地，所述回收制动能量模式中，以制动踏板行程确定制动强度具体包括：判断计算的制动强度与第一预设强度z1和第二预设强度z2的关系，

若装载机制动强度z＜z1，则选用纯液压制动，变量液压泵/马达通过第二液动开关阀、电磁三位四通先导阀与高压液压蓄能器接通，根据制动强度和泵马达两端压力差，调节泵马达的排量，产生需求制动力矩；

若装载机制动强度z1＜z＜z2，则选用液压制动与机械制动结合的联合制动，此时，第一液动开关阀、第二液动开关阀均开启，转向油泵和工作油泵合流后与变量泵/马达共同为高压蓄能器充能；在达到所需高压蓄能器压力前，不足的制动力由机械制动补充；

若装载机制动强度z2＜z，则判断为紧急制动，第一液动开关阀、第二液动开关阀均关闭，不进行制动能量回收。

一种混合动力装载机能量再利用系统的控制策略，

所述控制器判断装载机的所处工况包括：

d、起步利用能量模式：装载机起步时，高压液压蓄能器通过电磁三位四通先导阀、第二液动开关阀与变量液压泵/马达接通，变量液压泵/马达产生力矩通过第二离合器、转矩耦合器和前驱动桥启动装载机到达一定车速，再由发动机、第一离合器、液力变矩器、变速箱和分动器带动装载机继续工作，通过改变变量液压泵/马达的排量可以控制扭矩输出大小；

e、铲掘、加速工作模式：铲掘、加速工作时，通过高压蓄能器将高压油通过能量控制阀组和变量液压泵/马达流入低压油箱，变量液压泵/马达产生力矩通过第二离合器、转矩耦合器和前驱动桥克服铲掘、加速阻力，通过改变变量液压泵/马达的排量可以控制扭矩输出大小；

f、动臂上升利用能量模式：在装载机动臂举升时，判断蓄能器压力是否大于动臂缸压力，若是，则打开二位二通阀，高压蓄能器与动臂缸下部相连，将液压能转变为势能，提高能量利用率。

本发明具有以下优点：

1、通过设计能量控制阀组系统，可以实现对动臂势能和制动能量的回收，转向和工作泵在装载机低负载行车、发动机怠速工作时主动充能；可以在装载机起步、铲掘工作、加速和动臂举升时利用能量。通过转向和工作泵主动充能，同样工作循环内，高压蓄能器可以释放更多的能量，一定程度上提高了其能量密度。通过能量回收与再利用系统及其控制策略可以调节发动机工作点，提高经济性。

2、本发明引入纯液压制动，联合制动和紧急制动来保证制动安全性；纯液压制动中，由于能量控制阀组的介入，可以实现转向、工作和变量泵马达同时为高压蓄能器充能，实现了制动力和泵马达排量的解耦；在联合制动时，通过转向、工作泵的主动充能提高建压速度，减少了机械制动的参与程度，使机械制动摩擦能量损耗降低，提高制动能量回收率。

3、转矩耦合器直接与前桥相连，产生的液压制动力直接作用于前桥，提高制动安全性，减少了能量损失环节，提高能量回收与利用率。

4、本发明的能量控制阀组系统采用电磁阀作为伺服阀，液控阀作为主阀的形式，在保证响应灵敏度的同时，可以提高油液流量和压力对阀组的限制。

5、本发明一方面通过降低转矩耦合器的传动比和提高高压蓄能器的最低工作压力，可以提高变量泵/马达的工作效率；另一方面引入低压油箱代替低压蓄能器，改善了柱塞泵自吸能力不足的缺点，同时降低流入变量泵/马达的液压油油温，提高工作效率和寿命。

基于上述理由本发明可在液压混合动力领域领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明混合动力装载机能量回收与再利用系统示意图。

图2是本发明能量控制阀组示意图。

图3是本发明能量回收与利用控制策略总体流程图。

图4是本发明能量回收控制策略流程图。

图5是本发明能量利用控制策略流程图。

图中：1、前轮；2、优先阀；3、转向阀组；4、转向油缸；5、工作阀组；6、铲斗缸；7、动臂缸；8、能量控制阀组；9、第二离合器；10、高压蓄能器；11、变量液压泵/马达；12、后传动轴；13、后驱动桥；14、后桥半轴；15、后轮；16、分动器；17、转矩耦合器；18、变速箱；19、液力变矩器；20、工作油泵；21、第一离合器；22、常啮合齿轮；23、发动机；24、低压油箱；25、转向油泵；26、前桥半轴；27、前驱动桥；28、前传动轴；29、二位二通阀；30、电磁三位四通先导阀；31、第二液动开关阀；32、溢流阀；33、二位三通电液阀；34、第一液动开关阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种混合动力装载机的能量回收与再利用系统及如图3所示的控制策略，所述系统包括：发动机23、液力变矩器19、变速箱18、转矩耦合器17、分动器16、变量液压泵/马达11、能量控制阀组8、低压油箱24、高压蓄能器10、优先阀2、转向阀组3、转向油缸4、工作阀组5、铲斗缸6、动臂缸7、转向油泵25、工作油20、第一离合器21、第二离合器9、常啮合齿轮22、前驱动27、后驱动桥13、二位二通阀29、电磁三位四通先导阀30、第一液动开关阀34、第二液动开关阀31、溢流阀32、二位三通电液阀33、后传动轴12、后桥半轴14、后轮15、前传动轴28、前桥半轴26和前轮1。

控制器，其用于判断装载机所处工况，控制能量控制阀组8内各阀转变状态；所述控制器基于各传感器传递的参数综合判断该时刻下装载机所处工况，参数包括车速、发动机23转速、油门开度、蓄能器压力、制动踏板形成和工作装置操纵杆位置信息。

能量控制阀组8，其由若干阀组合而成，其用于基于控制器传递的指令，控制液压油的进、出方向以及高压蓄能器10的储能或放能状态；

高压蓄能器10，其用于储存预设工况下余出的能量并在另一预设工况下输出存储的能量；

变量液压泵/马达11，本实施例中，其可在四象限工作，在制动过程中作为泵使用并充当制动元件，为装载机提供液压制动力，泵两端压差和排量决定制动力的大小。在泵排量不变的条件下，装载机的液压制动力矩，即液压泵给系统提供的制动力矩，满足随着泵两端的压差的增大而增大；在驱动过程中作为马达使用，可单独为驱动装载机起步、作业提供附加动力。

所述发动机23的输出端通过常啮合齿轮22与转向油泵25、工作油泵20相连，还通过该常啮合齿轮22与第一离合器21、液力变矩器19、变速箱18与分动器16相连，所述分动器16通过转矩耦合器17第一输出端与前传动轴28、前驱动桥27相连，通过转矩耦合器17第二输出端与第二离合器9、变量液压泵/马达11相连，所述变量液压泵/马达11一端连接低压油箱24，另一端依次连接能量控制阀组8、高压蓄能器10；转向油泵25、工作油泵20一端与低压油箱24相连，另一端与能量控制阀组8相连。所述分动器16还通过后传动轴12与后驱动桥13相连，后传动轴12通过后驱动桥13、后桥半轴14与后轮15相连，前传动轴28通过前驱动桥27、前桥半轴26与前轮1相连，本实施例中，转矩耦合器17直接与前驱动桥27相连，减少了制动能量回收损失环节，同时将液压制动力作用于前轮1，相对于后轮15液压制动来说提高了制动安全性，所述转向油泵25与转向阀组3和转向油缸4相连，所述工作油泵20与工作阀组5和铲斗缸6、动臂缸7相连。

本实施例中，所述的转矩耦合器17，制动时将前驱动桥27制动扭矩传递给变量液压泵/马达11；驱动时将发动机23扭矩传递给前驱动桥27或将发动机23扭矩和变量液压泵/马达11扭矩耦合后传递给前驱动桥27。

如图2所示，所述能量控制阀组8包括二位二通阀29、电磁三位四通先导阀30、第一液动开关阀34、第二液动开关阀31、溢流阀32和二位三通电液阀33，所述二位二通阀29的一端与动臂缸7相连，另一端与所述高压蓄能器10相连，所述二位二通阀29与高压蓄能器10相连的管路上设置第一液动开关阀34和第二液动开关阀31，二者均与所述电磁三位四通先导阀30相连，所述第一液动开关阀34与二位三通电液阀33相连，所述第二液动开关阀31与溢流阀32相连，所述二位三通电液阀33还与工作阀组5相连、与工作油泵20相通，所述第二液动开关阀31与溢流阀32之间的管路与所述变量液压泵/马达11相连。

所述电磁三位四通先导阀30，不通电时，第一液动开关阀34、第二液动开关阀31在弹簧力作用下处于闭锁状态；左端通电时，转向油泵25和工作油泵20可以合流通过第一液动开关阀34为高压蓄能器10充能；右端通电时，变量液压泵/马达11通过第二液动开关阀31与高压蓄能器10接通，进行能量的利用和制动能量的回收；转向油泵25、工作油泵20为第一液动开关阀34和第二液动开关阀31提供控制油路所需压力。采用伺服电控阀保证换向动作响应灵敏的同时，液动开关阀的阀芯比较大保证大流量、高压力液压油通过阀组。

所述溢流阀32与低压油箱24相连，转向油泵25、工作油泵20均与低压油箱24相连，所述低压油箱24为密闭式，其具有一定压力，用于改善变量液压泵/马达11自吸能力不足的缺点、还用于冷却液压油，降低油温，一定程度上提高液压元件效率和工作寿命。所述溢流阀32在系统压力超过系统元件的极限压力时，为保护系统元器件，开启溢流阀32，将部分油液排回低压油箱24。同时，溢流阀32还具有保压作用，维持系统制动力所需压力。

变量液压泵/马达11、转向油泵25和工作油泵20在制动时通过能量控制阀组8同时为高压蓄能器10充能，提高了建压速度，减少机械制动的参与，提高能量回收率。

制动过程中的液压制动力矩来自于液压泵/马达两端压力差的阻碍作用，高压蓄能器10初始压力ph与低压油箱24初始压力pl的压差，即变量液压泵/马达11两端的压差，为车辆提供液压制动力。其工作原理如下公式所示：

车轮的制动扭矩tv为：

tv＝fr(1)

f＝ma(2)

式中：f—车轮制动力(n)；

m—车辆的质量(kg)；

a—制动加速度(m/s²)；

r—车轮半径(m)。

传递到变量液压泵/马达11(11)的需求制动扭矩tp为：

式中：io—主减速器与轮边减速器传动比乘积；

im—扭矩耦合器传动比。

变量液压泵/马达11(11)扭矩与其两端压差的关系为：

δp＝ph-pl⑴(5)

式中：δp—任意时刻液压泵两端的压力差(mpa)；

vg—变量液压泵/马达11的排量(ml/r)；

ph—高压蓄能器10压力(mpa)；

pl—低压油箱24的压力(mpa)。

本发明中，转向油泵25、工作油泵20和变量液压泵/马达11的容积效率效率和机械效率的半经验公式为：

式中：cs—层流泄漏系数；

δp—进出口压差,pa；

μ—油液动力黏度，pa·s；

n—泵转速，r/mm；

β—排量比，v/vmax；

cv—层流阻力系数；

cf—机械阻力系数；

tc—与进出口压差和转速无关的一定的转矩损失，n·m；

vmax—泵全排量，m³/r。

上述表达式中，容积损失主要为从运动副间隙里泄漏了流量，由cs项表示。机械损失有三方面因素：一部分为油液黏性产生的摩擦损失，与n和μ成正比，由cv项表示；一部分为与高低压移动界面前后的压差成正比的摩擦损失，由cf项表示；一部分为与工作压力和转速无关的定量的转矩损失，由tc项表示。

转向油泵25(25)、工作油泵20(20)和变量液压泵/马达11(11)的容积效率效率和机械效率的经验公式：

综上所述调节转向油泵25、工作油泵20和变量液压泵/马达11工作于中高速和中等负荷可以提高其效率。

如图4所示，本发明实施例还提供一种上述混合动力装载机能量回收系统的控制策略，

所述控制器判断装载机的所处工况包括：

a、主动充能模式：在装载机发动机23计算转矩小于经济转矩时，判断为低负荷行驶或怠速停车工况，同时，判断高压蓄能器10压力处于预设的中等压力及以下后，通过发动机23带动常啮合齿轮22、第一离合器21和转向油泵25、工作油泵20，通过能量控制阀组8给高压蓄能器10充能，具体地，转向油泵25、工作油泵20通过优先阀2合流后，二位三通电液阀33、电磁三位四通先导阀30、第一液动开关阀34之间能够形成通路，主动为高压蓄能器10充能，通过调节转向油泵25、工作油泵20的排量从而控制充能负载大小，进而调节发动机23工作点。

b、回收制动能量模式：制动信号发出后，以制动踏板行程确定制动强度，计算所需目标制动转矩，通过前驱动桥27带动转矩耦合器17、第二离合器9和变量液压泵/马达11给高压蓄能器10充能，直至泵马达制动转矩达到所需目标制动转矩。通过选择较小转矩耦合器17传动比、调高高压蓄能器10最低工作压力和低压油箱24散热，使变量液压泵/马达11转速工作在中高速、工作载荷处于中等负荷和液压油温降低，使其工作效率和寿命提高

其中，确定制动强度具体包括：判断计算的制动强度与第一预设强度z1和第二预设强度z2的关系，

若装载机制动强度z＜z1，则选用纯液压制动，变量液压泵/马达11通过第二液动开关阀31、电磁三位四通先导阀30与高压液压蓄能器接通，根据制动强度和泵马达两端压力差，调节泵马达的排量，产生需求制动力矩；

若装载机制动强度z1＜z＜z2，则选用液压制动与机械制动结合的联合制动，此时，第一液动开关阀34、第二液动开关阀31均开启，转向油泵25和工作油泵20合流后与变量泵/马达共同为高压蓄能器10充能；在达到所需高压蓄能器10压力前，不足的制动力由机械制动补充，可以满足驾驶员对制动响应速度的需求和安全制动的需求；

若装载机制动强度z2＜z，则判断为紧急制动，第一液动开关阀34、第二液动开关阀31均关闭，不进行制动能量回收。

c、回收势能模式：在装载机工作装置操纵杆处于动臂下落位置时，判断为动臂下降模式，蓄能器压力小于动臂缸7压力，动臂缸7下部高压油通过二位二通阀29与高压蓄能器10相连，将动臂缸7的液压油通往高压蓄能器10，直至蓄能器压力不小于动臂缸7压力。

如图5所示，本发明实施例还提供一种混合动力装载机能量再利用系统的控制策略，

所述控制器判断装载机的所处工况包括：

d、起步利用能量模式：在车速为零且工作装置操纵杆处于空挡时，判断为起步工况，高压液压蓄能器通过电磁三位四通先导阀30、第二液动开关阀31与变量液压泵/马达11接通，将高压油流入低压油箱24，变量液压泵/马达11产生力矩通过第二离合器9、转矩耦合器17和前驱动桥27启动装载机到达一定车速，再由发动机23、第一离合器21、液力变矩器19、变速箱18和分动器16带动装载机继续工作，通过改变变量液压泵/马达11的排量可以控制扭矩输出大小，满足起步目标转矩的需求，可以有效提高经济性和系统工作效率；

e、铲掘、加速工作模式：在车速不为零且油门开度增加时，判断为铲掘或加速工况，通过高压蓄能器10将高压油通过能量控制阀组8和变量液压泵/马达11流入低压油箱24，变量液压泵/马达11产生力矩通过第二离合器9、转矩耦合器17和前驱动桥27克服铲掘、加速阻力，通过改变变量液压泵/马达11的排量可以控制扭矩输出大小，将发动机23的计算扭矩调到经济扭矩，可以调节发动机23工作点；

f、动臂上升利用能量模式：在装载机工作装置操纵杆处于动臂上升位置时，判断为动臂上升工况，判断蓄能器压力是否大于动臂缸7压力，若是，则打开二位二通阀29，高压蓄能器10与动臂缸7下部相连，高压油通过二位二通阀29与动臂缸7下部相连，将液压能转变为势能，提高能量利用率。在高压蓄能器10压力小于动臂缸7下端压压力时，关闭二位二通阀29，有工作油缸继续为动臂缸7泵油。

通过转向油泵25、工作油泵20主动为高压蓄能器10充能，一定程度弥补了蓄能器能量密度不足的缺点；通过增加装载机能量回收和利用的环节，可以有效减小蓄能器保压过程的压力损失，提高高压蓄能器10的效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。