用于起重机的动力系统及起重机的制作方法

1.本实用新型涉及工程机械技术领域，具体地涉及一种用于起重机的动力系统及起重机。


背景技术：

2.起重机是指在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。以汽车起重机进行示例，汽车起重机主要由起升、变幅、回转、起重臂和汽车底盘组成。汽车起重机是装在普通汽车底盘或特制汽车底盘上的一种起重机，其行驶驾驶室与起重操纵室一般分开设置。这种起重机机动性好，转移迅速；工作时须支腿，不能负荷行驶，也不适合在松软或泥泞的场地上工作。汽车起重机作为工程机械领域的工程设备，其作业工况极为恶劣，起重机可能用于连续作业的场景，也可能需行驶较长距离到达目的地后进行短暂地起重作业。对于燃油汽车起重机而言，难以满足节能减排的目标，对环境的污染较大。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术存在的不足，本实用新型实施例提供了一种用于起重机的动力系统及起重机。
4.为了实现上述目的，本实用新型第一方面提供了一种用于起重机的动力系统，包括：
5.动力耦合装置，分别与燃油发动机以及主驱电机连接，且在充电机的功率和/或储能装置的功率能满足需求功率的情况下断开燃油发动机；
6.燃油发动机，在充电机的功率以及储能装置的功率均不能满足需求功率的情况下与动力耦合装置连接并启动，以提供能量并经过动力耦合装置带动主驱电机进行发电，且主驱电机发电后的剩余电量用于储能装置充电；
7.储能装置，与主驱电机以及充电机连接，用于存储主驱电机发电后的剩余电量和充电机的剩余电量；
8.主驱电机，还与充电机连接，用于从充电机和/或储能装置获取电能以驱动起重机整车运行；
9.充电机，与外电源连接；
10.控制器，分别与动力耦合装置、充电机以及储能装置连接，用于将给起重机整车供能的优先级依次设置为：充电机、储能装置和燃油发动机。
11.在本实用新型实施例中，起重机包括底盘部分和上装部分，动力系统还包括：
12.变速箱，分别与动力耦合装置以及取力装置连接，
13.取力装置，与底盘驱动装置连接，底盘驱动装置用于驱动起重机整车行驶。
14.在本实用新型实施例中，取力装置还与主油泵连接，主油泵通过液压管路将动力传输至上装部分的执行机构。
15.在本实用新型实施例中，外电源包括市电，在起重机为底盘行驶工况的情况下，市
电与充电机为断开状态。
16.在本实用新型实施例中，执行机构包括变幅机构、伸缩机构和阀件。
17.在本实用新型实施例中，主驱电机的工作状态包括发电机状态和电动机状态；
18.在充电机的功率以及储能装置的功率均不能满足需求功率的情况下，主驱电机作为发电机；
19.在充电机的功率和/或储能装置的功率能满足需求功率的情况下，主驱电机作为电动机。
20.在本实用新型实施例中，动力系统还包括：
21.母线，分别与主驱电机、储能装置以及充电机连接，用于从主驱电机、储能装置以及充电机中获取电能；
22.卷扬电机控制器，分别与母线以及卷扬电机连接，用于从母线取电从而驱动卷扬作业。
23.在本实用新型实施例中，动力系统还包括：
24.回转电机控制器，分别与母线以及回转电机连接，用于从母线取电从而驱动回转作业。
25.在本实用新型实施例中，动力系统还包括：
26.主电机控制器，分别与主驱电机以及母线连接，用于在主驱电机发电后进行整流并向母线馈电。
27.本实用新型第二方面提供一种起重机，包括上述的用于起重机的动力系统。
28.相比目前混合动力汽车起重机采用“发动机+发电机+电动机”的模式，以及相比目前纯电动汽车起重机采用“动力电池+电机+液压系统”的模式，在本实用新型实施例中，主驱电机既可以作为发电机使用，也可以作为电动机使用。在充电机的功率以及储能装置的功率均不能满足需求功率的情况下，主驱电机可以作为发电机使用，由燃油发动机供能。在充电机的功率和/或储能装置的功率能满足需求功率的情况下，主驱电机可以作为电动机使用。这样，简化了动力系统的结构。
29.另外，在起重机的动力系统中，可以通过燃油发动机来提供能量并经过动力耦合装置拖动主驱电机发电，也可以选择由储能装置或者充电机外接市电来供能。可以根据起重机的工况、需求功率、储能装置的荷电状态、充电机与外电源的连接状态来确定给起重机供能的动力源，来进行动力分配和设备控制，这样既可以避免纯燃油汽车起重机对环境污染较大的缺点，也可以避免纯电动汽车起重机的续航能力较差的缺点，且能够较好地满足起重机底盘行驶工况、上车作业工况、插电作业工况等多种工况的功率需求。
附图说明
30.附图是用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型实施例，但并不构成对本实用新型实施例的限制。在附图中：
31.图1示意性示出了根据本实用新型实施例的起重机的动力系统的示意框图之一；
32.图2示意性示出了根据本实用新型实施例的的起重机的动力系统的示意框图之二。
33.附图标记说明
34.10-动力耦合装置；
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11-燃油发动机；
35.12-主驱电机；
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13-储能装置；
36.14-充电机；
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15-外电源；
37.16-变速箱；
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17-取力装置；
38.18-底盘驱动装置；
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19-主油泵；
39.20-执行机构；
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21-整机控制器；
40.22-主电机控制器；
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23-主卷扬电机控制器；
41.24-副卷扬电机控制器；
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25-回转电机控制器；
42.26-主卷扬电机；
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27-副卷扬电机；
43.28-回转电机。
具体实施方式
44.以下结合附图对本实用新型实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型实施例，并不用于限制本实用新型实施例。
45.需要说明，若本技术实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
46.另外，若本技术实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
47.图1示意性示出了根据本实用新型实施例的起重机的动力系统的示意框图之一，如图1所示，在本实用新型一实施例中，提供了一种用于起重机的动力系统，包括：
48.动力耦合装置10，分别与燃油发动机11以及主驱电机12连接，且在充电机14的功率和/或储能装置13的功率能满足需求功率的情况下断开燃油发动机11；
49.燃油发动机11，在充电机14的功率以及储能装置13的功率均不能满足需求功率的情况下与动力耦合装置10连接并启动，以提供能量并经过动力耦合装置10带动主驱电机12进行发电，且主驱电机12发电后的剩余电量用于储能装置13充电；
50.储能装置13，与主驱电机12以及充电机14连接，用于存储主驱电机12发电后的剩余电量和充电机14的剩余电量；
51.主驱电机12，还与充电机14连接，用于从充电机14和/或储能装置13获取电能以驱动起重机整车运行；
52.充电机14，与外电源15连接；
53.控制器21，分别与动力耦合装置10、充电机14以及储能装置13连接，用于将给起重机整车供能的优先级依次设置为：充电机14、储能装置13和燃油发动机11。
54.相比目前混合动力汽车起重机采用“发动机+发电机+电动机”的模式，以及相比目前纯电动汽车起重机采用“动力电池+电机+液压系统”的模式，在本实用新型实施例中，主驱电机12既可以作为发电机使用，也可以作为电动机使用。在充电机14的功率以及储能装置13的功率均不能满足需求功率的情况下，主驱电机12可以作为发电机，由燃油发动机11供能。在充电机14的功率和/或储能装置13的功率能满足需求功率的情况下，主驱电机12可以作为电动机使用。这样，简化了动力系统的结构。
55.另外，在起重机的动力系统中，可以通过燃油发动机11来提供能量并经过动力耦合装置10拖动主驱电机12发电，也可以选择由储能装置13或者充电机14外接市电15来供能。可以根据起重机的工况、需求功率、储能装置的荷电状态、充电机与外电源的连接状态来确定给起重机供能的动力源，来进行动力分配和设备控制，这样既可以避免纯燃油汽车起重机对环境污染较大的缺点，也可以避免纯电动汽车起重机的续航能力较差的缺点，且能够较好地满足起重机底盘行驶、上车作业工况、插电作业工况等多种工况的功率需求。
56.图2示意性示出了根据本实用新型实施例的的起重机的动力系统的示意框图之二，可参见图2，在一实施例中，起重机包括底盘部分和上装部分，动力系统还包括：
57.变速箱16，分别与动力耦合装置10以及取力装置17连接，
58.取力装置17，与底盘驱动装置18连接，底盘驱动装置18用于驱动起重机整车行驶。
59.在一实施例中，取力装置17还与主油泵19连接，主油泵19通过液压管路将动力传输至上装部分的执行机构20。执行机构20也可以理解是液压机构20。
60.在一实施例中，外电源16包括市电，在起重机为底盘行驶工况的情况下，市电15与充电机14为断开状态。
61.在一实施例中，执行机构20包括变幅机构、伸缩机构和阀件。
62.在一实施例中，主驱电机12的工作状态包括发电机状态和电动机状态；
63.在充电机14的功率以及储能装置13的功率均不能满足需求功率的情况下，主驱电机12作为发电机；
64.在充电机14的功率和/或储能装置13的功率能满足需求功率的情况下，主驱电机12作为电动机。
65.在一实施例中，动力系统还包括：
66.母线，分别与主驱电机12、储能装置13以及充电机14连接，用于从主驱电机12、储能装置13以及充电机14中获取电能；
67.卷扬电机控制器，分别与母线以及卷扬电机连接，用于从母线取电从而驱动卷扬作业。卷扬电机控制器可以包括主卷扬电机控制器23和副卷扬电机控制器24，卷扬电机可以包括主卷扬电机26和副卷扬电机27。
68.在一实施例中，动力系统还包括：
69.回转电机控制器25，分别与母线以及回转电机28连接，用于从母线取电从而驱动回转作业。
70.在一实施例中，动力系统还包括：
71.主电机控制器22，分别与主驱电机12以及母线连接，用于在主驱电机12发电后进行整流并向母线馈电。
72.可参见图1以及图2，对于增程式混合动力汽车起重机，起重机分为底盘部分、上装
部分和电源部分。底盘部分由燃油发动机11、主驱电机12、主电机控制器22、动力耦合装置10、变速箱16、取力装置17、底盘驱动装置18、主油泵19和液压管路等组成。上装部分由主卷扬电机控制器23、副卷扬电机控制器24、回转电机控制器25、主卷扬电机26、副卷扬电机27、回转电机28、液压管路和液压机构20等组成。电源部分由储能装置13、交流充电机14和市电连接件等组成。
73.底盘动力来源于燃油发动机11和储能装置13，由动力耦合装置10来选择动力来源，并通过硬连接输出给变速箱16，变速箱16转换后输出给取力装置17。当取力装置17选择通道1，动力输出给底盘驱动装置18，驱动底盘行驶；当取力装置17选择通道2，动力输出给主油泵19，主油泵19通过液压管路给液压机构20，为起重机上装的变幅机构、伸缩机构及阀件提供动力。当燃油发动机11作为动力源时，燃油发动机11拖动主驱电机12发电，此时主驱电机12是作为发电机，实时发电功率记为p2(发电)。当储能装置作为动力源时，主驱电机12作为电动机使用，实时耗电功率记为p2(耗电)。
74.动力耦合装置10：该装置可以实现底盘动力源的自由切换。底盘行驶时，燃油发动机11和主驱电机12都可以作为动力源。当储能装置13的储能足够或充电机14外接电源时，燃油发动机11停止工作，主驱电机12作为电动机使用。当储能装置13的储能较低、起重机处于上装作业工况、充电机14与外部电源断开时，燃油发动机11工作，燃油发动机11拖动主驱电机12发电，同时可以给储能装置13充电，此时主驱电机12作为发电机使用。
75.车载交流充电机14：将三相交流市电输入整流为高压直流，为起重机的储能装置13充电或者直接给起重机的高压用电设备供电，充电机14的实时充电功率记为p-充电。
76.储能装置13：能满足起重机整车一定时间的作业或行驶，储能装置13的实时充电功率为pc(充电)，储能装置13的实时放电功率为pc(放电)。电机系统：主要由电机控制器和电机组成。
77.整机控制器21：通过can线收集整车的状态信息，并根据整车的状态信息以及当前各设备的作业效率，采用模糊控制策略；可以通过动力耦合装置10来选定底盘的动力来源，可以控制上装电机。
78.在增程式混合动力汽车起重机的控制策略中，以储能装置的荷电状态(state of charge，soc)、工况、外接电源的充电功率(p-充电)等为输入变量，以底盘燃油发动机11的功率p1、主驱电机12的功率p2(主驱电机12作为电动机使用时，耗电功率记为p2(耗电)；主驱电机12作为发电机使用时，发电功率记为p2(发电))、主卷扬电机26的功率p3、副卷扬电机27的功率p4及回转电机的功率p5为输出变量，采用模糊控制策略进行控制，从而实现各设备单元的能量和功率管理。
79.为了更好地理解本实用新型实施例中动力系统的优势，为了更好地理解本实用新型实施例中动力系统是如何较好地满足起重机底盘行驶工况、上车作业工况、插电作业工况等多种工况的功率需求，下面对底盘行驶工况、上车作业工况和插电作业工况的动力分配与设备控制进行具体说明。
80.在本实用新型实施例中，可以将底盘行驶工况分为以下四种情况：
81.(1)如果储能装置13的soc大于预设阀值，且整车需求功率pn大于主驱电机12的额定输出功率，此时，储能装置13和燃油发动机11共同输出，并通过动力耦合装置10输出至变速箱16，经过通道1驱动底盘驱动装置18，从而驱动底盘行驶。此时整车需求功率pn＝p2(耗
电)+p1，储能装置13的放电功率pc(放电)＝p2(耗电)，主驱电机12的输出功率＝p2(额定)。
82.(2)如果储能装置13的soc大于预设阀值，且整车需求功率pn不大于主驱电机12的额定输出功率，此时，动力耦合装置10断开燃油发动机11，燃油发动机11停止。储能装置13提供电能，主电机控制器22驱动主驱电机12运转，并通过动力耦合装置10输出至变速箱16，并经通道1驱动底盘驱动装置18，从而驱动底盘行驶。此时整车需求功率pn＝p2(耗电)，燃油发动机11的输出功率p1＝0，此时是由储能装置13作为动力源。
83.(3)如果储能装置13的soc不大于预设阀值，此时，燃油发动机11的输出功率应大于整车需求功率，燃油发动机11的输出功率大部分通过动力耦合装置10输出至变速箱16，并经通道1驱动底盘驱动装置18，从而驱动底盘行驶。燃油发动机11的剩余功率通过动力耦合装置10拖动主驱电机12反转发电，并通过主电机控制器22整流，给储能装置13充电，燃油发动机11的实时功率p1＝pc(充电)+pn。主驱电机12处于发电机状态。
84.(4)当车辆制动时，通过动力耦合装置10进行调节，拖动主驱电机12发电，从而实现制动能量回收。
85.在本实用新型实施例中，可以将上车作业(非插电)工况分为以下两种情况：
86.(1)如果储能装置13的soc大于预设阀值、取力且市电未连接，此时，上车作业由储能装置13来提供能量，燃油发动机11处于停止状态。整车控制器21读取总线手柄开度信息，如读取到变幅及伸缩信号，则主驱电机12运行，经变速箱16、取力装置17和通道2，带动主油泵19转动，并经液压管路，在压力作用下驱动液压机构20进行变幅和伸缩动作。如读取到回转及卷扬信号，则回转电机28、卷扬电机动作正反转，从而实现回转动作和卷扬动作。该情况下由储能装置13提供整车用电电能，储能装置13的放电功率pc(放电)＝pn＝p2(耗电)+p3+p4+p5，燃油发动机11的输出功率p1＝0。
87.(2)如果储能装置13的soc不大于预设阀值、取力且市电未连接，此时，上车作业由燃油发动机11来提供能量，并经动力耦合装置10拖动主驱电机12发电。主驱电机12发电后，经主电机控制器22整流并向高压母线馈电。整车控制器21读取总线手柄卷扬及回转开度信息后，控制卷扬电机控制器(包括主卷扬电机控制器23和副卷扬电机控制器24)及回转电机控制器25从母线取电，从而驱动卷扬和回转作业。主驱电机12发电的剩余能量可以用于储能装置13充电。当整车控制器21读取总线手柄的变幅及伸缩开度信号后，燃油发动机11产生动能，经变速箱16、取力装置17及通道2，带动主油泵19转动，并经液压管路，在压力作用下驱动液压机构20进行变幅和伸缩动作。该情况下由燃油发动机11提供整车能量，即燃油发动机11的输出功率p1＝pn+pc(充电)。
88.在本实用新型实施例中，可以将上车插电作业工况分为以下三种情况：
89.(1)如果取力且市电连接，且充电机14的充电功率p-充电不小于整车需求功率pn；此时，燃油发动机11停止，在纯电动模式下进行上车作业。整车控制器21读取总线手柄信息，如需变幅及伸缩动作，则主驱电机12启动，经变速箱16、取力装置17及通道2，带动主油泵19转动，并经液压管路，在压力作用下驱动液压机构20进行变幅及伸缩动作。如需卷扬及回转动作，控制主卷扬电机控制器23、副卷扬电机控制器24和回转电机控制器25从母线取电，从而驱动卷扬作业及回转作业。交流充电机14的剩余功率可以用于储能装置13充电。整车的需求功率pn＝p2+p3+p4+p5，储能装置13的充电功率＝p-充电-pn。
90.(2)如果取力且市电连接，且充电机14的充电功率p-充电小于整车需求功率pn，且
储能装置13的soc大于预设阀值；此时，燃油发动机11停止，在纯电动模式进行上车作业，由交流充电机14和储能装置13共同给整车供电。整车控制器21读取总线手柄信息，如需变幅及伸缩动作，主驱电机12启动，经变速箱16、取力装置17及通道2，带动主油泵19转动，并经液压管路，在压力作用下驱动液压机构20进行变幅及伸缩动作。如需卷扬及回转动作，控制主卷扬电机控制器23、副卷扬电机控制器24和回转电机控制器25从母线取电，从而驱动卷扬作业及回转作业。整车的需求功率pn＝充电机的充电功率p-充电+储能装置13的放电功率pc(放电)。整车的需求功率pn＝p2+p3+p4+p5。
91.(3)如果取力且市电连接，且充电机14的充电功率p-充电小于整车需求功率pn，且储能装置13的soc不大于预设阀值；该状态下，需启动燃油发动机11。燃油发动机11启动之前，pn＝p2(耗电)+p3+p4+p5，在燃油发动机11启动之后，主驱电机12作为发电机，此时pn＝p3+p4+p5；由于pn发生了变化，所以需要重新判断p-充电与pn的关系。
92.当p-充电不小于整车电功率需求pn(电)，pn(电)＝p3+p4+p5，整车控制器21读取总线手柄信息，如需变幅及伸缩动作，燃油发动机11启动，经变速箱16、取力装置17及通道2，带动主油泵19转动，并经液压管路，在压力作用下驱动液压机构20进行变幅及伸缩动作。如需卷扬及回转动作，由交流充电机14提供电能，主卷扬电机控制器23、副卷扬电机控制器24和回转电机控制器25从母线取电，从而驱动卷扬及回转作业；充电机14的剩余电能用于储能装置13充电。储能装置13的充电功率pc(充电)＝p-充电-整车电功率需求pn(电)，燃油发动机11的输出功率＝pn-pn(电)。
93.当p-充电小于整车电功率需求pn(电)，pn(电)＝p3+p4+p5，整车控制器21读取总线手柄信息，如需变幅及伸缩动作，燃油发动机11启动，经变速箱16、取力装置17及通道2，带动主油泵19转动，并经液压管路，在压力作用下驱动液压机构20进行变幅动作及伸缩动作。如需卷扬及回转动作，燃油发动机11经动力耦合装置10带动主驱电机12发电，并经主驱电机控制器22整流向母线供电，此时交流充电机14工作向母线配电，主卷扬电机控制器23、副卷扬电机控制器24和回转电机控制器25从母线取电，从而驱动卷扬作业及回转作业；充电机14和/或燃油发动机11的剩余功率用于储能装置13充电。储能装置13充电功率pc(充电)＝p2(发电)+p-充电-整车电功率需求pn(电)。
94.在本实用新型实施例中，与纯电动汽车起重插电作业相比，解决了储能装置的soc小于阀值而不能放电，且市电电源容量过小，不能满足插电作业的全部需求的问题。本发明实施例中，通过电动机和燃油机来共同完成整车作业需求。
95.相比目前混合动力汽车起重机采用“发动机+发电机+电动机”的模式，以及相比目前纯电动汽车起重机采用“动力电池+电机+液压系统”的模式，在本实用新型实施例中，主驱电机12既可以作为发电机使用，也可以作为电动机使用。在充电机14的功率以及储能装置13的功率均不能满足需求功率的情况下，主驱电机12可以作为发电机，由燃油发动机11供能。在充电机14的功率和/或储能装置13的功率能满足需求功率的情况下，主驱电机12可以作为电动机使用。这样，简化了动力系统的结构。
96.另外，在起重机的动力系统中，可以通过燃油发动机11来提供能量并经过动力耦合装置10拖动主驱电机12发电，也可以选择由储能装置13或者充电机14外接市电15来供能。可以根据起重机的工况、需求功率、储能装置的荷电状态、充电机与外电源的连接状态来确定给起重机供能的动力源，来进行动力分配和设备控制，这样既可以避免纯燃油汽车
起重机对环境污染较大的缺点，也可以避免纯电动汽车起重机的续航能力较差的缺点，且能够较好地满足起重机底盘行驶、上车作业工况、插电作业工况等多种工况的功率需求。
97.本实用新型还提供了一种起重机，包括上述任一项实施例的用于起重机的动力系统。
98.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
99.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。