用于混合动力施工机械的控制系统和方法

专利名称：用于混合动力施工机械的控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于混合动力施工机械的控制系统和方法。更特别地，本发明涉及用 于混合动力施工机械的控制系统和方法，其能优化由电动发电机和典型燃料发动机所组成 的混合动力施工机械系统的燃料效率。
背景技术：
一般而言，现有技术中诸如挖掘机的施工机械具有液压驱动系统，液压驱动系统 通过燃料发动机驱动液压泵，并借助于液压驱动致动器。现有技术中诸如挖掘机的施工机 械不仅执行要求最大输出的工作，而且也执行要求低于最大输出例如最大输出的约80%或 50%的输出的工作。在执行具有此种低输出的工作的情况下，发动机效率和燃料效率降低。图1是现有技术中的挖掘机系统的必需扭矩输出关系图。如图1所示，在现有技 术中的液压挖掘机中，主控制阀(MCV) 7的打开面积通过使用者操纵杆5根据先导阀6的输 出进行调整。从液压泵13排出的液压流体输送到相应的液压系统，其流量已根据MCV 7的 打开面积调整过。由于对液压泵13的驱动由燃料发动机10执行，因此其效率相对较低。图4是图示现有技术中的液压挖掘机的发动机燃料效率映射图的视图。参见图 4，现有技术中的典型发动机系统设计成使得具有最高使用频率的区域的效率得到优化。因 此，在具有低使用频率的低输出区域22或高输出区域20内，效率变低。在现有技术的诸如液压挖掘机的施工机械中，有时需要执行例如极大地改变发动 机输出以应对大负载变化的工作，并且需要寻求通过有效利用发动机输出而提高发动机燃 料效率。因此，已经计划将混合动力汽车中采用的电动发电机的混合动力技术应用于挖掘 机。也就是说，已经提出了诸如混合动力挖掘机的混合动力施工机械，其中发动机连接到电 动发电机。根据混合动力挖掘机，在执行轻载操作时，操作电动发电机发电以利用发动机输 出的一部分给电池充电，而当执行重载操作时，从电池提供电能以补充发动机。然而，诸如挖掘机的施工机械具有与混合动力汽车的那些特性相当不同的发动机 输出、扭矩/速度操作区域、以及动力传递装置的特性，因此将混合动力技术应用于施工机 械不太容易。根据现有技术中提出的混合动力施工机械控制系统，其中在执行轻载操作情 况下电动发电机发电以利用多余发动机输出扭矩给电池充电，而在执行重载操作情况下， 电池内充的电能供应到电动发电机以将电动发电机作为电动机操作，使得发动机被补充发 动机输出扭矩短缺值，因此寻求通过有效利用诸如挖掘机的施工机械的发动机输出而提高 燃料效率较为困难，其中该施工机械具有与混合动力汽车的那些特性相当不同的各种负载 的工作区域、发动机输出、扭矩/速度操作区域、以及动力传递装置的特性。特别地，由于挖 掘机执行各种工作，诸如挖掘、挖出、水准测量、重击等，在这些工作中工作负载彼此不同，因此用于混合动力汽车的变速传动技术在现有技术中的混合动力挖掘机中并未采用，因此 非常难于优化燃料效率。此外，在诸如挖掘机的施工机械中，如果未考虑工作的种类(或模式)与发动机输 出或电池充电状态之间的关系，则可能出现诸如能量浪费、工作效率降低等问题。

发明内容
因此，本发明致力于解决现有技术中存在的上述问题，同时完整保留现有技术获 得的优点。本发明提出混合动力技术，其能应用于诸如现有挖掘机的施工机械，这些施工机 械没有变速传动，并且其输出频繁和突然地变化，且混合动力施工机械控制技术能够优化 燃料效率。本发明也提出具有上基线和下基线控制算法的控制技术，其设定每个工作区域具 有高发动机输出效率的发动机输出扭矩范围的上基线和下基线，以优化诸如挖掘机的施工 机械的不同工作区域内的燃料效率，甚至在负载变化严重的条件下也是如此。本发明也提出通过安装回转电动发电机以用于上回转结构的回转操作来进一步 优化燃料效率的技术，回转电动发电机借助于电能操作以加速回转操作，并发电以在回转 操作减速期间充电。本发明也提出修改和应用每种工作模式下发动机输出的上基线和下基线，其可通 过测定预定时间内液压致动器所需功率而进一步提高燃料效率。在本发明的一个方面，提供一种用于混合动力施工机械的控制系统，包括发动机； 液压泵，液压泵由发动机驱动，以用排出的液压流体驱动液压致动器；电动发电机，电动发 电机由发动机驱动以发电，并作为补充发动机的电动机而驱动液压泵；以及储能装置，储能 装置由电动发电机产生的电能充电，并为电动发电机的电动机操作供应电能，所述控制系 统还包括模式检测装置，用于检测发动机的工作模式；扭矩检测装置，用于检测驱动液压 致动器所需的液压泵的输出扭矩；存储装置，用于存储发动机的每种工作模式下所设定的 发动机扭矩的上基线和下基线；以及混合动力控制装置，比较由扭矩检测装置检测到的液 压泵的输出扭矩与根据由模式检测装置检测到的工作模式所设定的上基线和下基线；控制 电动发电机的发电，使得如果输出扭矩小于下基线则发动机被加载短缺值；以及控制电动 发电机的电动机操作，使得如果输出扭矩超过上基线则发动机输出被补充超出值。根据本发明优选实施方式的控制系统还包括用于检测储能装置的电荷量的电荷 量检测装置；其中，在输出扭矩小于下基线的情况下，如果由电荷量检测装置检测到的电荷 量等于或大于上限值，则混合动力控制装置控制电动发电机不发电，如果电荷量小于上限 值，则混合动力控制装置控制电动发电机发电；在输出扭矩超过上基线的情况下，如果电荷 量检测装置检测到的电荷量等于或小于下限值，则混合动力控制装置控制电动发电机不作 为电动机操作，如果电荷量超过下限值，则混合动力控制装置控制电动发电机作为电动机 操作；以及在输出扭矩介于从下基线到上基线的范围内的情况下，如果电荷量检测装置检 测到的电荷量等于或小于下限值，则混合动力控制装置控制电动发电机发电。在根据本发明优选实施方式的控制系统中，模式检测装置检测发动机的起动区 域、作为输出备用状态的怠速模式、或者发动机的每种工作模式下的低扭矩怠速区域；存储装置存储具有当电动发电机在怠速状态下发电时提高了燃料效率的预定发动机转速和发 动机扭矩的操作点；以及如果模式检测装置检测到怠速模式或者低扭矩怠速区域，则混合 动力控制装置通过根据操作点的发动机转速和发动机扭矩来驱动发动机而控制电动发电 机发电。根据本发明优选实施方式的控制系统还包括用于检测储能装置的电荷量的电荷 量检测装置；其中，在检测到怠速模式或低扭矩怠速区域的情况下，如果由电荷量检测装置 检测到的电荷量等于或小于上限值，混合动力控制装置控制电动发电机发电，从而进行充 电直到上限值，如果由电荷量检测装置检测到的电荷量等于或大于上限值，混合动力控制 装置控制发动机停机，以及如果由电荷量检测装置检测到的电荷量介于下限值和上限值之 间，混合动力控制装置控制电动发电机发电，从而进行充电直到上限值。根据本发明优选实施方式的控制系统还包括回转电动发电机，回转电动发电机作 为借助于从储能装置供应的能量加速上回转结构的回转操作的电动机操作，并且作为在上 回转结构的回转操作减速期间通过惯性力矩发电的发电机操作；其中，在上回转结构的回 转操作减速时，混合动力控制装置控制回转电动发电机作为发电机操作，从而利用已产生 的电能给储能装置充电，并且为了回转电动发电机的电动机操作，混合动力控制装置控制 从储能装置的电能供应。根据本发明优选实施方式的控制系统还包括用于计算发动机输出的发动机输出 计算装置；其中，混合动力控制装置检查由发动机输出计算装置在预定工作模式下计算得 到的一段预定时间的发动机输出；根据提高了燃料效率的发动机输出来设定发动机扭矩的 上基线和下基线以在存储装置中存储上基线和下基线；以及通过应用所存储的发动机扭矩 的上基线和下基线来控制电动发电机的发电或电动机操作。根据本发明优选实施方式的控制系统还包括用于计算发动机输出的发动机输出 计算装置；其中，混合动力控制装置检查由发动机输出计算装置在预定工作模式下计算得 到的一段预定时间的发动机输出；根据提高了燃料效率的发动机输出来设定操作点处的发 动机转速和发动机扭矩以将发动机转速和发动机扭矩存储在存储装置内；以及通过应用所 存储的操作点处的发动机转速和发动机扭矩来控制电动发电机的发电。在本发明的另一方面，提供一种用于混合动力施工机械的控制系统中的控制方 法，所述控制系统包括发动机；液压泵，液压泵由发动机驱动，以用排出的液压流体驱动 液压致动器；电动发电机，电动发电机由发动机驱动以发电，并作为补充发动机的电动机而 驱动液压泵；以及储能装置，储能装置由电动发电机产生的电能充电，并为电动发电机的电 动机操作供应电能，控制方法包括模式检测步骤检测发动机的工作模式；扭矩检测步骤 检测驱动液压致动器所需的液压泵的输出扭矩；以及混合动力控制步骤比较在扭矩检测 步骤中检测到的液压泵的输出扭矩以及根据在模式检测步骤中检测到的工作模式的预定 发动机扭矩的上基线和下基线；如果输出扭矩小于下基线，则控制电动发电机的发电，使得 发动机被加载短缺值；以及如果输出扭矩超过上基线，则控制电动发电机的电动机操作，使 得发动机的输出被补充超出值。在根据本发明的优选实施方式的控制方法中，模式检测步骤检测发动机的起动区 域、作为输出备用状态的怠速模式、或者发动机的每种工作模式下的低扭矩怠速区域；并且 如果在模式检测步骤中检测到怠速模式或低扭矩怠速区域，则混合动力控制步骤通过根据具有在电动发电机在怠速状态下的发电操作过程中提高了燃料效率的预定发动机转速和 发动机扭矩的操作点处的发动机转速和发动机扭矩来驱动发动机而控制电动发电机发电。在根据本发明的优选实施方式的控制方法中，混合动力控制步骤还包括发动机输 出计算步骤计算发动机输出；已校正扭矩基线设定步骤检查在发动机输出计算步骤中、 在模式检测步骤中检测到的预定工作模式下计算得到的一段预定时间的发动机输出，并根 据提高了燃料效率的发动机输出，设定并存储发动机扭矩的上基线和下基线；以及已校正 操作控制步骤通过应用已设定的发动机扭矩的上基线和下基线，控制电动发电机的发电 或电动机操作。在根据本发明的优选实施方式的控制方法中，混合动力控制步骤还包括发动机输 出计算步骤计算发动机输出；已校正的操作点设定步骤检查在发动机输出计算步骤中、 在模式检测步骤中检测到的工作模式下计算得到的一段预定时间的发动机输出，并且根据 提高了燃料效率的发动机输出，设定和存储操作点处的发动机转速和发动机扭矩；以及已 校正的发电控制步骤通过应用已设定的操作点处的发动机转速和发动机扭矩，控制电动 发电机的发电。作为本发明的优选实施方式，可包括根据上述技术特征的各种可能结合的实施方 式。与现有技术中的技术相对比，在现有技术中，由于不存在变速传动和输出扭矩的 突然和频繁变化，难于将通过现有混合动力汽车发展的混合动力技术应用于施工机械，而 借助于上述构造，可通过改进和应用基线控制技术而预料到较高的燃料效率提高效果，其 设定用于不同工作区域的具有高发动机输出效率的发动机输出扭矩范围的上基线和下基 线，并基于上基线和下基线执行对施工机械的控制。并且，可通过安装回转电动发电机以供上回转结构进行回转操作，预料到另一提 高的发动机效率和燃料效率，回转电动发电机借助于电能操作以加速回转操作，并发电以 在回转操作的减速期间充电。并且，可通过一段时间内测定液压致动器所需的功率而修改和应用每种工作模式 下的发动机输出的上基线和下基线，进一步提高燃料效率。


从结合附图的以下详述中将更清楚本发明的上述以及其它目的、特征和优点，其 中图1是现有技术中的挖掘机系统的必需扭矩输出关系图；图2是根据本发明实施方式的用于混合动力施工机械的控制系统的构造的示意 性框图；图3是根据本发明实施方式的用于混合动力施工机械的控制系统的必需扭矩输 出关系图；图4是现有技术中液压挖掘机的发动机燃料效率映射图的视图；图5是现有技术中的液压挖掘机的能量燃料消耗以及根据本发明实施方式的每 种发动机模式下标准工作数据及上基线和下基线的示例的视图；图6是本发明实施方式中采用的怠速操作点的运动示例的视图7是根据本发明实施方式的用于混合动力施工机械的控制系统中的基线控制 算法图；图8A是重复工作和等待的挖掘机操作所需的发动机输出的曲线图；图8B是重复工作而无等待的挖掘机操作所需的发动机输出的曲线图；图9是根据本发明另一实施方式的混合动力挖掘机的构造的示意图；图10是根据本发明另一实施方式的用于混合动力施工机械的控制方法的流程 图；以及图11是根据本发明又一实施方式的用于混合动力施工机械的控制方法的流程 图。
具体实施例方式下文，将参照附图描述本发明的优选实施方式。在该描述中所限定的对象，例如详 细构造和元件，只是提供用来帮助本领域技术人员全面理解本发明的具体细节，因此本发 明并不局限于此。首先将描述根据本发明实施方式的用于混合动力施工机械的控制系统。图2是图示根据本发明实施方式的用于混合动力施工机械的控制系统的构造的 示意性框图；以及图3是根据本发明实施方式的用于混合动力施工机械的控制系统的必需 扭矩输出关系图。参见图2和3，用于混合动力施工机械的控制系统包括发动机10 ；液压泵13，其 由发动机10驱动，以用排出的液压流体驱动液压致动器15 ；电动发电机17，其由发动机10 驱动以发电，并作为补充发动机10的电动机而驱动液压泵13 ；以及储能装置，例如电池19， 其由电动发电机17产生的电能充电，并为电动发电机17的电动机操作供应电能。参见图3，将描述发动机10的驱动过程。如果由模式选择开关1选定诸如P模 式、H模式、G模式或F模式的工作模式，则发动机转速，即每分钟发动机转数(RPM)，设定到 1900RPM、1800RPM、1700RPM、1400RPM等，且这些发动机转速成为基准发动机转速。如果存储 于燃料箱4内的燃料通过燃料喷射系统3喷射入发动机10，则驱动发动机10。在本发明的 实施方式中，在混合动力控制装置50中根据每种工作模式下具有高燃料效率的发动机输 出扭矩的上基线和下基线通过基线控制算法来确定根据液压致动器15所需的液压泵13的 输出扭矩的发动机输出。混合动力控制装置50接收系统必需扭矩的反馈——即由液压泵13提供的对应于 必需扭矩的输出扭矩——并通过基线控制算法控制电动发电机17的发电或电动机操作。根 据电动发电机17的发电或电动机操作，确定用于提供液压致动器15必需的液压泵13的输 出扭矩的现有发动机10的必需输出。电动发电机17由电动发电机驱动器18根据混合动 力控制装置50的控制进行驱动。为了使现有发动机10提供必需输出，发动机10的输出转 速以及必需输出或发动机输出扭矩均反馈回电子控制单元(E-ECU)2。为了提供发动机10 的必需输出，电子控制单元(E-ECU) 2根据发动机10的反馈回的输出转度和基准发动机转 速，控制燃料喷射系统3以改变发动机10的输出或输出扭矩，例如在每种工作模式下维持 发动机的转速大致恒定。通过改变由电子控制单元(E-ECU) 2控制的从燃料箱4通过燃料 喷射系统3喷射的燃料喷射量，改变发动机10的输出扭矩。
参见图2，根据本发明实施方式的用于混合动力施工机械的控制系统还包括模式 检测装置60、扭矩检测装置70、存储装置40、以及混合动力控制装置50。将描述它们的详 细构造。模式检测装置60检测发动机10的工作模式。挖掘机的发动机10的工作模式示 例可为P模式、H模式、G模式、F模式等。图4示出现有技术中的液压挖掘机的发动机燃 料效率映射图。参见图4，现有技术中的发动机10的工作模式标示为P模式、H模式、Gl模 式、G2模式、Fl模式等。这些工作模式意在固定挖掘机的发动机转速。例如，如果工作模式 设定到P模式，则发动机设定到1900RPM，而如果工作模式设定到H模式，则发动机设定到 1800RPM。发动机的工作模式由图3的模式选择开关1选择和确定。扭矩检测装置70检测驱动液压致动器15所需的液压泵13的输出扭矩。驱动液 压致动器15所需的扭矩与由液压泵13提供的输出对应。优选地，扭矩检测装置70检测通 过调整斜盘14而从液压泵13输出的输出扭矩。并且，系统所必需的扭矩可通过检测主控 制阀(MCV) 7的打开面积或输出而确定。参见图3，主控制阀(MCV) 7的打开面积通过使用 者操作杆5根据先导阀6的输出进行调整。并且，可通过使用者操作杆5根据先导阀6的 输出，借助于通过阀电子控制单元(未图示)调整液压泵13的斜盘14，直接控制液压泵13 的输出。从液压泵13排出的流量根据MCV 7的打开面积进行调整以输送到各液压系统，或 由阀电子控制单元(未图示)控制的斜盘14调整以输出诸如挖掘机等施工机械所需的扭 矩。由液压泵13产生最后输出扭矩的相同方法用于现有技术以及根据本发明实施方式的 混合动力挖掘机系统中的挖掘机系统中。在本发明的实施方式中，系统的必需或需要扭矩、 或液压致动器15的必需或需要扭矩与液压泵13的输出扭矩对应，并且优选的是通过检测 液压泵13的输出扭矩，执行对系统的必需或需要扭矩、或液压致动器15的必需或需要扭矩 的检测。存储装置40存储发动机10的每种工作模式下设定的发动机扭矩的上基线和下基 线。根据本发明实施方式，发动机10的每种工作模式下设定的发动机扭矩的上基线和下基 线成为控制算法的参数。获得成为基线控制算法的参数的每种工作模式下的发动机输出扭 矩的上基线值和下基线值，并将上述上基线值和下基线值应用于发动机的每种工作模式。 优选地，在本发明实施方式中，获得优化燃料效率的怠速操作点的发动机转速和发动机输 出扭矩，并将该发动机转速和发动机输出扭矩应用为控制参数。以下将详细解释根据本发 明实施方式的控制算法。混合动力控制装置50通过控制算法51接收和控制由模式检测装置60检测到的 工作模式、以及由扭矩检测装置70检测到的液压泵13的输出扭矩。具体而言，根据由模式 检测装置60检测到的工作模式，将根据由模式检测装置60检测到的工作模式所设定的发 动机10的输出扭矩的上基线和下基线与由扭矩检测装置70检测到的输出扭矩比较。如果 液压泵13的输出扭矩小于下基线，则控制电动发电机17的发电，使得发动机10被加载短 缺值，而如果液压泵13的输出扭矩超过上基线，则控制电动发电机17的电动机操作，使得 发动机10的输出被补充超出值。参见图3和5，在需要高输出的操作20的情况下，通过除发动机10外还增加具有 高效率的电动发电机(M/G) 17作为动力源，发动机10在效率与增益相对应所在的临界点 1(上基线23)处操作，而其余输出由电动发电机(M/G) 17的电动机操作负责。对比而言，在需要低输出的操作22的情况下，电动发电机(M/G) 17作为发电机操作。借助于通过电动发 电机(M/G) 17发电而使发动机10被加载，发动机10在效率即为增益的临界点2(下基线24) 处操作，且由电动发电机(M/G) 17产生的电能存储在储能装置内，也就是储能系统(ESS)19 内。在这种情况下，产生的电能用于电动发电机17的电动机操作。优选地，如果液压泵13的输出扭矩，更优选地为液压泵13的输出扭矩和储能系统 (ESS) 19的荷电状态S0C，传递到混合动力控制装置(混合动力ECU) 50，例如在需要高输出 的操作20的情况下，电动发电机17的扭矩输出指令通过基线控制算法51施加，且电动发 电机17作为电动机由电动发电机(M/G)驱动器18操作，以输出输出扭矩。在需要低输出的 操作22的情况下，电动发电机17的发电指令通过基线控制算法51施加，且电动发电机17 作为发电机由电动发电机驱动器18操作，以作为发动机10的负载消耗发动机10的输出。液压系统的必需扭矩，即液压致动器15操作所需的液压泵13的输出扭矩，借助于 通过调整液压泵13的斜盘14而排出的流量来确定，以及混合动力发动机系统的输出11也 就是液压泵13的驱动输入，由发动机10和电动发电机17的输出总和产生。具体而言，在 电动发电机17作为电动机通过基线控制算法51操作的情况下，混合动力发动机系统的输 出11也就是液压泵13的驱动输入，由发动机10和电动发电机17的输出总和产生，而在电 动发电机作为发电机通过基线控制算法51操作的情况下，混合动力发动机系统的输出11 也就是液压泵13的驱动输入，由通过从发动机10的输出减去电动发电机17消耗的负载而 获得的值产生。由于发动机10的输出扭矩是从混合动力发动机系统的输出减去电动发电 机17的输出扭矩而获得的值，因此发动机10的操作区域借助于通过混合动力控制而调整 电动发电机17的输出来确定，因此可通过使发动机在具有高燃料效率的区域内操作，获得 燃料效率提高效果。在本发明的实施方式中，混合动力施工机械的控制算法(基线控制算法)的控 制参数包括发动机输出扭矩的上基线23和下基线24，优选地还包括怠速发电(idling generation)点30的发动机转速和发动机输出扭矩，使得一组四个值组成遗传算法中的染 色体，并且通过遗传算法获得最优参数。在本发明的实施方式中，基线也就是基线控制算法的参数，从如图4所示的现有 挖掘机的燃料发动机的燃料效率映射图以及如图5所示的发动机燃料消耗映射图中获得。 在图5中，图5的曲线图中的X轴向值标示作为发动机10转速的每分钟转数(RPM)，且Y轴 向值标示发动机10的输出扭矩。并且，图5中以等值线形式绘出的数据标示发动机10的 燃料消耗总量，且位于右侧的值标示发动机10的功率。参见图5，设定效率与增益相对应所 在的临界点、也就是上基线23和下基线24。在图5中，参考标号23和24指示在工作模式 为H模式的情况下设定的发动机10的输出扭矩的上基线和下基线。也就是说，通过将当电 动发电机执行发电时——在低于下基线操作的情况下施加扭矩负载直到下基线时——多 消耗的燃料量，与当在高于上基线操作的情况下电动发动机执行电动机操作时少消耗的燃 料量，进行比较，将燃料增加与增益相对应所在的临界点设定为基线。优选地，可由将挖掘 机的实际标准工作循环应用于采用遗传算法的模拟中所得的结果，确定上基线23和下基 线24，且每种发动机模式下燃料增加最佳的点设定为具有不同值。参见图2，在本发明的另一实施方式中，混合动力施工机械控制系统还包括用于检 测储能装置19的电荷量SOC的电荷量检测装置80。优选地，预先确定储能装置也就是电池19的荷电状态SOC的下限值和上限值。在本发明的这种实施方式中，混合动力控制装置50将根据工作模式设定的发动机10的输出扭矩的上基线和下基线以及液压泵13的输出扭矩进行比较，并且还通过利用 储能装置19的电荷量SOC执行混合动力控制。参见图7，其示出根据本发明实施方式的混 合动力施工机械控制系统中的基线控制算法的流程图，如果液压泵13的输出扭矩小于发 动机10的输出扭矩的下基线，举例而言，如果输出扭矩介于图5中以参考标号“22”标示的 区域内，则在电荷量检测装置80检测到的电荷量SOC等于或大于上限值的情况下，电动发 电机17受控从而不发电。并且，在电荷量SOC小于上限值的情况下，电动发电机17受控从 而发电。在图7中，如果液压泵13的输出扭矩超过上基线，举例而言，如果输出扭矩介于图 5中以参考标号“20”标示的区域内，在电荷量检测装置80检测到的电荷量SOC小于下限值 的情况下，电动发电机17受控从而不执行电动机操作，而在电荷量SOC超过下限值的情况 下，电动发电机17受控从而执行电动机操作。并且，如图5所示，如果液压泵13的输出扭矩介于从下基线到上基线的范围21 内，并且由电荷量检测装置80检测到的电荷量SOC等于或小于下限值，则电动发电机17受 控从而发电。在本发明的优选实施方式中，混合动力施工机械控制算法依照图7所示的控制流 程图。确定发动机10的操作模式S100，并且在工作模式的情况下，当液压系统的输出扭矩 小于发动机10的输出扭矩的下基线时，电动发电机17作为发电机操作，而当液压系统的必 需扭矩、优选地为液压泵13的输出扭矩，高于发动机10的输出扭矩的上基线时，电动发电 机17作为电动机操作以补充发动机10。当液压泵13的输出扭矩介于下基线和上基线之间 时，仅发动机10独立地操作。然而，如果电荷量SOC在电动发电机17的发电区域内是足够 的，则电动发电机17不发电，而如果在发动机10独立地操作时电荷量SOC短缺，则电动发 电机17发电。如果电荷量SOC在电动发电机17的电动机操作区域内短缺，则电动机不操 作。将参照图6描述本发明的优选实施方式。图6是图示本发明实施方式中采用的怠 速操作点的运动示例的视图。在本发明的实施方式中，模式检测装置60检测发动机10的起动区域26、对应于 输出备用状态25的怠速模式、或发动机10的每种工作模式下的低扭矩怠速区域27、28以 及29。存储装置40存储电动发电机17在怠速状态25、26、27、28和29下的发电操作过程 中提高了燃料效率的预定发动机转速和发动机扭矩以及作为怠速操作点(怠速发电点)30 的操作点(发电点)。如果模式检测装置60检测到怠速模式25和26、或者低扭矩怠速区 域27、28以及29，则混合动力控制装置50通过根据操作点30的发动机转速和发动机扭矩 来驱动发动机而控制电动发电机17发电。参见图6，存在每种工作模式下的低扭矩怠速区域27、28以及29、作为发动机起动 区域25的怠速模式1、以及对应于输出备用状态26的怠速模式2。由于相应的怠速区域是 燃料效率非常低的区域，因此将发动机10的操作区域移动到点30，在点30处，在发电操作 情况下燃料效率提高被最大化了，通过执行怠速发电，电能存储于储能装置19内，其中发 动机10的输出的全部或几乎全部用于电动发电机17的发电。
此外，参见图6和7，根据本发明的优选实施方式，用于混合动力施工机械的控制 系统还包括用于检测储能装置19的电荷量SOC的电荷量检测装置80。在本发明的这种实 施方式中，如果模式检测装置60检测到怠速模式25和26、或低扭矩怠速区域27、28以及 29，在由电荷量检测装置80检测到的电荷量小于上限值时，则混合动力控制装置50控制电 动发电机17发电，从而将储能装置充电到上限值。并且，如果由电荷量检测装置80检测到 的电荷量等于或大于上限值，则混合动力控制装置50控制发动机10停机。如果由电荷量 检测装置80检测到的电荷量介于下限值和上限值之间，则混合动力控制装置控制电动发 电机17发电，以将储能装置充电到上限值。参见图7，在怠速模式的情况下，根据荷电状态确定是否执行怠速发电。如果电荷 量SOC短缺，则执行发电，直到储能装置(ESS) 19被充分充电为止，例如直到上限值为止，而 如果电荷量SOC足够，例如储能装置被充电到上限值，则发动机10停机以减少不必要的燃 料消耗。如果在充电过程中电荷量SOC介于下限值和上限值之间，则储能装置被充电到上 限值。根据情况，如果储能装置被放电，例如如果能量被供应到电动发电机17，则发动机10 停机，直到电荷量SOC达到下限值为止。参见图9，将描述根据本发明另一实施方式的混合动力挖掘机。图9是图示根据本 发明另一实施方式的混合动力挖掘机的构造的示意图。参见图9，根据本发明另一实施方 式的用于混合动力施工机械的控制系统还包括用于上回转结构的回转电动发电机117。回 转电动发电机117作为借助于从储能装置19供应的能量加速上回转结构的回转操作的电 动机而操作，并且作为在上回转结构的回转操作的减速期间通过惯性力矩发电的发电机而 操作。回转电动发电机117作为电动机由回转电动机驱动器118而操作。回转电动发电机 117用作替换现有技术中的回转液压马达的回转电动机，并在回转操作的减速期间通过惯 性力矩发电。在本发明的这种实施方式中，混合动力控制装置50在上回转结构的回转操作减 速时，控制回转电动发电机117作为发电机操作，从而用已产生的电能给储能装置19充电， 并且控制储能装置19的电能供应，以供回转电动发电机117进行电动机操作。在本发明的另一优选实施方式中，用于混合动力施工机械的控制系统还包括用于 计算发动机输出的发动机输出计算装置(未图示)。在本发明的这种实施方式中，混合动力 控制装置50检查由发动机输出计算装置在预定工作模式下计算得到的一段预定时间的发 动机输出，根据提高了燃料效率的发动机输出来设定发动机扭矩的上基线和下基线以在存 储装置40中存储上基线和下基线，以及通过应用存储的发动机扭矩的上基线和下基线而 控制电动发电机117的发电或电动机操作。在本发明的另一优选实施方式中，混合动力控制装置50检查由发动机输出计算 装置在预定工作模式下计算得到的一段预定时间的发动机输出，根据提高了燃料效率的发 动机输出来设定操作点处的发动机转速和发动机扭矩以在存储装置40中存储发动机转速 和发动机扭矩，以及通过应用所存储的操作点处的发动机转速和发动机扭矩而控制电动发 电机17的发电。挖掘机掘起泥土，将泥土装载到自动倾卸卡车上，等待直到另一卡车准备好，然后 再次执行挖掘和装载操作。用于挖掘机的此类工作所需的发动机功率在图8A中图示出。在 挖掘机在大的施工现场掘起泥土的情况下，无需休息就能执行工作，因此需要如图8B所示的发动机功率。相对于如图8A和8B所示工作的特性，最优发动机扭矩的上基线23和下基线24 之间存在差异。并且，怠速操作点30可根据情况而不同。因此，通过检查发动机10的输出 一段预定时间并应用上基线和下基线，优选地适于发动机输出的上基线、下基线和操作点， 改善了混合动力挖掘机的效率。接下来，将参照附图详述根据本发明另一实施方式的混合动力施工机械的控制方 法。与上述根据本发明实施方式的用于混合动力施工机械的控制系统的已解释部分重复的 部分的解释将略去。用于混合动力施工机械的控制方法应用于用于混合动力施工机械的控 制系统，其中该控制系统包括发动机10 ；液压泵13，其由发动机10驱动，以用排出的液压 流体驱动液压致动器15 ；电动发电机17，其由发动机10驱动以发电，并作为补充发动机10 的电动机而驱动液压泵13 ；以及储能装置19，其由电动发电机17产生的电能充电，并为电 动发电机17的电动机操作供应电能。图10是图示根据本发明另一实施方式的用于混合动力施工机械的控制方法的流 程图。参见图7和10，根据本发明另一实施方式的用于混合动力施工机械的控制方法包 括检测发动机10的工作模式的模式检测步骤SlOO ；检测驱动诸如液压致动器15的液压 系统所需的液压泵13的输出扭矩的扭矩检测步骤S200 ；以及混合动力控制步骤S300。混合动力控制步骤S300首先比较在扭矩检测步骤S200中检测到的液压泵13的 输出扭矩以及根据在模式检测步骤SlOO中检测到的工作模式的预定发动机扭矩的上基线 和下基线(步骤S310)。如果液压泵13的输出扭矩小于下基线，则混合动力控制步骤控制 电动发电机17的发电，使得发动机10被加载短缺值(步骤S320)。对比而言，如果液压泵 13的输出扭矩超过上基线，则混合动力控制步骤控制电动发电机17的电动机操作，使得发 动机输出被补充超出值(步骤S330)。在根据本发明优选实施方式的控制方法中，参见图7，模式检测步骤SlOO检测发 动机的起动区域25、对应于输出备用状态26的怠速模式、或者发动机的每种工作模式下的 低扭矩怠速区域27、28以及29。如果在模式检测步骤SlOO中检测到怠速模式或低扭矩怠 速区域，则混合动力控制步骤S300通过根据操作点30处的发动机转速和发动机扭矩来驱 动发动机10而控制电动发电机17发电，其中操作点30具有在电动发电机17在怠速状态 25、26、27、28以及29下的发电操作过程中提高了燃料效率的预定发动机转速和发动机扭 矩。在图8A和8B所示的工作的特定方面，优化发动机扭矩的上基线23和下基线24 之间存在差异。并且，怠速操作点30可根据情况而不同。因此，优化基线控制参数可被重 设和控制。图11是图示根据本发明又一实施方式的用于混合动力施工机械的控制方法的流 程图。参见图11，用于混合动力施工机械的控制方法包括重设和控制优化基线控制参数的 步骤。具体而言，本发明的这种实施方式中的混合动力控制步骤S1300还包括以下过程。在发动机输出计算步骤S1310中，计算发动机输出。在已校正扭矩基线设定步骤 S1320中，检查在发动机输出计算步骤中、在模式检测步骤SlOO中检测到的预定工作模式 下计算得到的一段预定时间的发动机输出，并且根据提高了燃料效率的发动机输出设定和存储发动机扭矩的上基线23和下基线24。在已校正操作控制步骤S1330中，通过应用发动 机扭矩的已设定的上基线和下基线，控制电动发电机17的发电或电动机操作。将参照图11描述根据本发明又一优选实施方式的控制方法。在已校正的操作点 设定步骤S1321中，检查在发动机输出计算步骤中、在模式检测步骤SlOO中检测到的工作 模式下计算得到的一段预定时间的发动机输出，并且根据提高了燃料效率的发动机输出设 定和存储操作点30处的发动机转速和发动机扭矩。并且，在已校正的操作控制步骤S1331 中，通过应用操作点30处的所设定的发动机转速和发动机扭矩，控制电动发电机17的发电 或电动机操作。如上所述，已经参照附图详述了本发明的优选实施方式。通过参阅参照了附图的 上述实施方式，将清楚本发明的各方面和各特征以及用于实现各方面和各特征的方法。然 而，本发明并不局限于上述实施方式，而可以不同形式实施。虽然为了示例性目的已描述了 本发明的优选实施方式，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中公开的本发 明的范围和主旨的情况下，可以进行多种修改、添加以及替代。
权利要求
一种用于混合动力施工机械的控制系统，包括发动机；液压泵，液压泵由所述发动机驱动，以用排出的液压流体驱动液压致动器；电动发电机，电动发电机由所述发动机驱动以发电，并作为补充所述发动机的电动机而驱动所述液压泵；以及储能装置，储能装置由所述电动发电机产生的电能充电，并为所述电动发电机的电动机操作供应电能，所述控制系统包括模式检测装置，用于检测所述发动机的工作模式；扭矩检测装置，用于检测驱动所述液压致动器所需的液压泵的输出扭矩；存储装置，用于存储所述发动机的每种工作模式下所设定的发动机扭矩的上基线和下基线；以及混合动力控制装置，比较由所述扭矩检测装置检测到的所述液压泵的输出扭矩与根据由所述模式检测装置检测到的工作模式所设定的上基线和下基线；控制所述电动发电机的发电，使得如果所述输出扭矩小于所述下基线则所述发动机被加载短缺值；以及控制所述电动发电机的电动机操作，使得如果所述输出扭矩超过所述上基线则所述发动机输出被补充超出值。
2.如权利要求1所述的控制系统，还包括用于检测所述储能装置的电荷量的电荷量检 测装置；其中，在所述输出扭矩小于所述下基线的情况下，如果由所述电荷量检测装置检测到 的电荷量等于或大于上限值，则所述混合动力控制装置控制所述电动发电机不发电，如果 所述电荷量小于所述上限值，则所述混合动力控制装置控制所述电动发电机发电；在所述输出扭矩超过所述上基线的情况下，如果所述电荷量检测装置检测到的电荷量 等于或小于下限值，则所述混合动力控制装置控制所述电动发电机不作为电动机操作，如 果所述电荷量超过所述下限值，则所述混合动力控制装置控制所述电动发电机作为电动机 操作；以及在所述输出扭矩介于从所述下基线到所述上基线的范围内的情况下，如果所述电荷量 检测装置检测到的电荷量等于或小于下限值，则所述混合动力控制装置控制所述电动发电 机发电。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述模式检测装置检测所述发动机的起动 区域、作为输出备用状态的怠速模式、或者所述发动机的每种工作模式下的低扭矩怠速区 域；所述存储装置存储具有当所述电动发电机在怠速状态下发电时提高了燃料效率的预 定发动机转速和发动机扭矩的操作点；以及如果所述模式检测装置检测到所述怠速模式或者所述低扭矩怠速区域，则所述混合动 力控制装置通过根据所述操作点的发动机转速和发动机扭矩来驱动发动机而控制所述电 动发电机发电。
4.如权利要求3所述的控制系统，还包括用于检测所述储能装置的电荷量的电荷量检 测装置；其中，在检测到所述怠速模式或所述低扭矩怠速区域的情况下，如果由所述电荷量检 测装置检测到的电荷量等于或小于上限值，所述混合动力控制装置控制所述电动发电机发 电，从而进行充电直到所述上限值，如果由所述电荷量检测装置检测到的电荷量等于或大于所述上限值，所述混合动力控制装置控制所述发动机停机，以及如果由所述电荷量检测 装置检测到的电荷量介于下限值和上限值之间，所述混合动力控制装置控制所述电动发电 机发电，从而进行充电直到所述上限值。
5.如权利要求1至4中任一项所述的控制系统，还包括回转电动发电机，所述回转电动 发电机作为借助于从所述储能装置供应的能量加速上回转结构的回转操作的电动机操作， 并且作为在所述上回转结构的回转操作减速期间通过惯性力矩发电的发电机操作；其中，在所述上回转结构的回转操作减速时，所述混合动力控制装置控制所述回转电 动发电机作为发电机操作，从而利用已产生的电能给所述储能装置充电，并且为了所述回 转电动发电机的电动机操作，所述混合动力控制装置控制从所述储能装置的电能供应。
6.如权利要求1至4中任一项所述的控制系统，还包括用于计算发动机输出的发动机 输出计算装置；其中，所述混合动力控制装置检查由所述发动机输出计算装置在预定工作模式下计算 得到的一段预定时间的发动机输出；根据提高了燃料效率的发动机输出来设定所述发动机 扭矩的上基线和下基线以在所述存储装置中存储所述上基线和下基线；以及通过应用所存 储的发动机扭矩的上基线和下基线来控制所述电动发电机的发电或电动机操作。
7.如权利要求3或4所述的控制系统，还包括用于计算发动机输出的发动机输出计算 装置；其中，所述混合动力控制装置检查由所述发动机输出计算装置在预定工作模式下计算 得到的一段预定时间的发动机输出；根据提高了燃料效率的发动机输出来设定所述操作点 处的发动机转速和发动机扭矩以将所述发动机转速和所述发动机扭矩存储在所述存储装 置内；以及通过应用所存储的操作点处的发动机转速和发动机扭矩来控制所述电动发电机 的发电。
8.一种用于混合动力施工机械的控制系统中的控制方法，所述控制系统包括发动 机；液压泵，液压泵由所述发动机驱动，以用排出的液压流体驱动液压致动器；电动发电 机，电动发电机由所述发动机驱动以发电，并作为补充所述发动机的电动机而驱动所述液 压泵；以及储能装置，储能装置由所述电动发电机产生的电能充电，并为所述电动发电机的 电动机操作供应电能，所述控制方法包括模式检测步骤检测所述发动机的工作模式；扭矩检测步骤检测驱动所述液压致动器所需的液压泵的输出扭矩；以及混合动力控制步骤比较在所述扭矩检测步骤中检测到的所述液压泵的输出扭矩以及 根据在所述模式检测步骤中检测到的工作模式的预定发动机扭矩的上基线和下基线；如果 所述输出扭矩小于所述下基线，则控制所述电动发电机的发电，使得所述发动机被加载短 缺值；以及如果所述输出扭矩超过所述上基线，则控制所述电动发电机的电动机操作，使得 所述发动机的输出被补充超出值。
9.如权利要求8所述的控制方法，其中，所述模式检测步骤检测所述发动机的起动区 域、作为输出备用状态的怠速模式、或者所述发动机的每种工作模式下的低扭矩怠速区域； 并且如果在所述模式检测步骤中检测到所述怠速模式或所述低扭矩怠速区域，则所述混合 动力控制步骤通过根据具有在所述电动发电机在怠速状态下的发电操作过程中提高了燃 料效率的预定发动机转速和发动机扭矩的操作点处的发动机转速和发动机扭矩来驱动所述发动机而控制所述电动发电机发电。
10.如权利要求8或9所述的控制方法，其中，所述混合动力控制步骤还包括 发动机输出计算步骤计算发动机输出；已校正扭矩基线设定步骤检查在所述发动机输出计算步骤中、在所述模式检测步骤 中检测到的预定工作模式下计算得到的一段预定时间的发动机输出，并根据提高了燃料效 率的发动机输出，设定并存储所述发动机扭矩的上基线和下基线；以及已校正操作控制步骤通过应用已设定的所述发动机扭矩的上基线和下基线，控制所 述电动发电机的发电或电动机操作。
11.如权利要求9所述的控制方法，其中，所述混合动力控制步骤还包括 发动机输出计算步骤计算发动机输出；已校正的操作点设定步骤检查在所述发动机输出计算步骤中、在所述模式检测步骤 中检测到的工作模式下计算得到的一段预定时间的发动机输出，并且根据提高了燃料效率 的发动机输出，设定和存储操作点处的发动机转速和发动机扭矩；以及已校正的发电控制步骤通过应用已设定的操作点处的发动机转速和发动机扭矩，控 制所述电动发电机的发电。
全文摘要
一种用于混合动力施工机械的控制系统和方法，该系统包括发动机；由发动机驱动以驱动液压致动器的液压泵；由发动机驱动以发电并作为补充发动机的电动机而驱动液压泵的电动发电机；由电动发电机产生的电能充电并为电动发电机的电动机操作供电的储能装置；检测发动机工作模式的模式检测装置；检测液压泵的输出扭矩的扭矩检测装置；存储发动机每种工作模式下所设定的发动机扭矩的上基线和下基线的存储装置；和混合动力控制装置，比较液压泵的输出扭矩与上基线和下基线、控制电动发电机的发电使得如果输出扭矩小于下基线则发动机被加载短缺值、以及控制电动发电机的电动机操作使得如果输出扭矩超过上基线则发动机输出被补充超出值。
文档编号B60W10/04GK101987620SQ201010221350
公开日2011年3月23日 申请日期2010年7月8日 优先权日2009年7月29日
发明者丁安匀, 具成完, 姜锺敏, 李春昇, 赵中善, 金成滚, 金才弘, 金義哲 申请人:沃尔沃建造设备控股(瑞典)有限公司