一种混联式电液混合动力系统

1.本发明涉及一种电液混合动力系统，尤其是涉及一种混联式电液混合动力系统。


背景技术：

2.减少化石燃料使用和发展新能源技术是实现我国碳达峰与碳中和战略的主要技术途径。工程机械作为非道路交通中的主要排放源之一，也有电动化的趋势。纯电动工程机械在能量转化效率、排放、噪声等方面较传统柴油发动机驱动的工程机械有明显优势，但在动力性能上受到电驱动功率密度不高的限制。工程机械工况中常有较剧烈的功率需求波动，对动力系统的功率要求较高，静液压传动由于其功率密度高、结构简单便于布置等优点，在工程机械中得到了广泛应用。而在电动化工程机械上，为了满足峰值功率的需求，将需要根据峰值功率大小配置电机，导致大多数时候电机运行在相对低功率区域，造成了设备利用率不高和运行工作点在低效区等问题。另外在急加速等发生峰值功率的工况下，电机的瞬时大电流对蓄电池的实时容量和充放寿命等都有较大的负面影响。


技术实现要素：

3.针对技术中的上述问题，本发明提出了一种混联式电液混合动力系统，将能量密度高的电驱动系统和功率密度高的液压驱动系统结合到一起，构成电液混合动力系统，充分发挥各自的优势，由电驱动系统提供平均功率，液压驱动系统提供峰值功率，使系统具有较高能量转化效率的同时，又拥有较强的动力性能，提高了工程机械的综合性能。
4.本发明采用的技术方案是：
5.本发明包括蓄电池组、电机控制器、电机、功率分流机构、功率汇流机构、主减速器、第一液压泵马达、第二液压泵马达、液压蓄能器和液压油箱；
6.蓄电池组通过电机控制器与电机电连接，功率分流机构设置有一个输入轴和两个输出轴，电机的输出轴与功率分流机构的输入轴同轴连接，功率分流机构的第一输出轴与第一液压泵马达的输入轴同轴连接，功率汇流机构设置有两个输入轴和一个输出轴，第二液压泵马达的输出轴与功率汇流机构的第一输出轴连接，功率分流机构的第二输出轴与功率汇流机构的第二输入轴连接，功率汇流机构的输出轴与主减速器的输入轴连接；第一液压泵马达的高压进出油口、第二液压泵马达的高压进出油口和液压蓄能器三者相互连通，第一液压泵马达的低压进出油口、第二液压泵马达的低压进出油口和液压油箱三者相互连通。
7.所述混合动力系统主要由电驱动系统和液压驱动系统组成，由所述蓄电池组、电机控制器、电机组成混合动力系统的电驱动系统，电驱动系统提供混合动力系统的平均功率，由所述第一液压泵马达、第二液压泵马达、液压蓄能器和液压油箱组成液压驱动系统，液压驱动系统提供混合动力系统的峰值功率；电机输出的动力通过机械传动或液压传动驱动主减速器。
8.所述第一液压泵马达是定排量式液压泵马达或是变排量式液压泵马达；是单个液
压泵马达，或是两个以上液压泵马达的组合。
9.所述蓄电池组是化学电池、燃料电池或超级电容中的一种，或是两种以上的组合。
10.所述电机是永磁同步电机、异步电机、开关磁阻电机或是直流电机。
11.所述液压蓄能器是两个以上液压蓄能器的组合，或是单个的液压蓄能器。
12.所述功率分流机构和功率汇流机构是啮合齿轮对或是行星齿轮组成。
13.所述功率分流机构的第二输出轴与功率汇流机构的第二输入轴之间直接同轴连接或经过齿轮箱减速后同轴连接。
14.当电机输出机械能时，其输出功率经过功率分流机构后，直接经过机械传动进入功率汇流机构后驱动主减速器；或是驱动第一液压泵马达输出高压液压油，高压液压油储存到液压蓄能器中或是驱动第二液压泵马达输出机械能进入功率汇流机构驱动主减速器；
15.或是一部分直接经过机械传动进入功率汇流机构，另一部分驱动第一液压泵马达输出高压液压油，高压液压油储存到液压蓄能器中或是驱动第二液压泵马达输出机械能进入功率汇流机构，功率汇流机构将进入两部分功率重新耦合后驱动主减速器。
16.当液压蓄能器输出高压液压油时，高压液压油驱动第二液压泵马达输出机械能进入功率汇流机构驱动主减速器；或是驱动第一液压泵马达输出机械能，经过功率分流机构后进入功率汇流机构驱动主减速器；或是同时驱动第一液压泵马达和第二液压泵马达分别输出机械能进入功率汇流机构，驱动主减速器。
17.实际工作中，电机和液压蓄能器可以单独或共同驱动主减速器。一种控制方法是：根据负载功率的波动情况，液压蓄能器提供短时间的大功率充放，电机提供长时间的平均功率，共同驱动主减速器和实际负载元件。由于增加了高压液压蓄能器作为辅助动力源，在急加速等大功率需求情况下，利用高功率密度的高压液压蓄能器提供短时间的大功率辅助，提高了工程机械动力性能，减轻了电机的功率负担，避免大电流对蓄电池造成冲击；在匀速情况下，功率需求不大，通过接近额定功率运行的电机提供所需能量；在减速情况下，制动能量可全部或部分回收转换为高压液压油储存到高压液压蓄能器中，避免了通过电机制动时产生大电流对蓄电池产生冲击和产生发热。
18.本发明的有益效果是：
19.将能量密度高的电驱动系统和功率密度高的液压驱动系统结合到一起，构成电液混合动力系统，由电驱动系统提供平均功率，液压驱动系统提供峰值功率，根据平均功率大小选择电机，降低了电机装机功率，减小了电机体积重量，解决了电机设备利用率不高和运行工作点常在低效区等问题；另外解决了在急加速等工况下，电机的瞬时大电流对蓄电池的实时容量和充放寿命有较大负面影响的问题；液压无级变速系统扩大了电机的调速范围，由于液压驱动的高功率特性，在起动加速等工况中，可以获得比纯电驱动更好的加速动力性能。使系统具有较高能量转化效率的同时，又拥有较强的动力性能，提高了工程机械的综合性能。
附图说明
20.图1是混联式电液混合动力系统原理图。
21.图2是本发明用于轮式装载机轮式驱动的系统原理图。
22.图3是本发明用于电动矿用卡车轮式驱动的系统原理图。
23.图4是本发明用于挖掘机回转驱动的系统原理图。
24.图5是本发明用于电动叉车行走驱动的系统原理图。
25.图中：1、蓄电池组，2、电机控制器，3、电机，4、功率分流机构，5、功率汇流机构，6、主减速器，7、第一液压泵马达，8、第二液压泵马达，9、液压蓄能器，10、液压油箱，11、齿轮箱，12、车轮，13、回转机构。
具体实施方式
26.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
27.如图1所示，本发明包括蓄电池组1、电机控制器2、电机3、功率分流机构4、功率汇流机构5、主减速器6、第一液压泵马达7、第二液压泵马达8、液压蓄能器9和液压油箱10；
28.蓄电池组1通过电机控制器2与电机3电连接，功率分流机构4设置有一个输入轴和两个输出轴，电机3的输出轴与功率分流机构4的输入轴同轴连接，功率分流机构4的第一输出轴与第一液压泵马达7的输入轴同轴连接，功率汇流机构5设置有两个输入轴和一个输出轴，第二液压泵马达8的输出轴与功率汇流机构5的第一输出轴连接，功率分流机构4的第二输出轴与功率汇流机构5的第二输入轴连接，功率汇流机构5的输出轴与主减速器6的输入轴连接；第一液压泵马达7的高压进出油口、第二液压泵马达8的高压进出油口和液压蓄能器9三者相互连通，第一液压泵马达7的低压进出油口、第二液压泵马达8的低压进出油口和液压油箱10三者相互连通。
29.混合动力系统主要由电驱动系统和液压驱动系统组成，由蓄电池组1、电机控制器2、电机3组成混合动力系统的电驱动系统，电驱动系统提供混合动力系统的平均功率；由第一液压泵马达7、第二液压泵马达8、液压蓄能器9和液压油箱10组成液压驱动系统，液压驱动系统提供混合动力系统的峰值功率；电机3输出的动力通过机械传动或液压传动驱动主减速器6。
30.第一液压泵马达7是定排量式液压泵马达或是变排量式液压泵马达；是单个液压泵马达，或是两个以上液压泵马达的组合。
31.蓄电池组1是化学电池、燃料电池或超级电容中的一种，或是两种以上的组合。
32.电机3是永磁同步电机、异步电机、开关磁阻电机或是直流电机。
33.液压蓄能器7是两个以上液压蓄能器的组合，或是单个的液压蓄能器。
34.功率分流机构4和功率汇流机构5是啮合齿轮对或是行星齿轮组成。
35.功率分流机构4的第二输出轴与功率汇流机构5的第二输入轴之间直接同轴连接或经过齿轮箱11减速后同轴连接。
36.将能量密度高的电驱动系统和功率密度高的液压驱动系统结合到一起，构成电液混合动力系统，由电驱动系统提供平均功率，液压驱动系统提供峰值功率。选择电机额定功率大小时，根据工程机械适用的工况，估计峰值功率与一个工况周期内的平均功率大小，选择电机时略高于平均功率而远小于峰值功率。在运行中，高压液压蓄能器的压力范围通过能量管理策略进行规划，一方面要使电机能长时间工作在高效区，另一方面要保证在加速等需要液压辅助动力的工况下蓄能器储存的能量足够，而在减速时储存能量较少，有足够空闲容量回收制动能量。
37.本发明的实施例及其实施工作过程如下：
38.实施例1
39.图2是本发明用于轮式装载机行走驱动的系统原理图。第一液压泵马达7和第二液压泵马达8是变排量式液压泵马达；功率分流机构4是行星齿轮组，太阳轮作为第二输出轴，行星轮作为输入轴，齿圈作为第一输出轴；功率汇流机构5是啮合齿轮对；功率分流机构4的第二输入轴和功率汇流机构5的第二输入轴经过齿轮箱减速后连接，主减速器6的输出轴与轮式装载机的车轮12同轴连接。
40.轮式装载机是一种广泛应用的工程机械，将本发明应用在轮式装载机的轮式驱动上。由于轮式装载机惯性较大，在加减速时的转矩较大，高功率密度的液压蓄能器可以通过能量充放，在急加速等大转矩需求情况下，通过液压马达提供大转矩，提高工程机械动力性能，减轻电机的功率负担，避免大电流对蓄电池造成冲击；在匀速情况下，功率需求不大，通过接近额定功率运行的电机提供所需能量；在减速情况下，制动能量可全部或部分回收转换为高压液压油储存到高压液压蓄能器中，避免了通过电机制动时产生大电流对蓄电池产生冲击和产生发热。
41.系统的具体工作过程是：当进行制动时，第二液压泵马达8排量经过控制调为负排量的泵工作状态，第二液压泵马达8产生制动转矩，制动转矩大小通过第二液压泵马达8排量大小控制，同时油液从液压油箱10经第二液压泵马达8升压后流入液压蓄能器9；电机3提供部分制动转矩或不提供制动转矩，制动能量部分或全部转换为高压液压油储存到高压液压蓄能器9中。当进行加速时，电机3工作在不超过额定功率而又低于负载功率的较大功率下，提供部分驱动转矩，第一液压泵马达7的排量为正排量，通过控制排量大小，进而控制第一液压泵马达7的输出转矩大小，电机控制器2通过控制电机3转速控制第一液压泵马达7的输出流量，通过电机控制器2控制电机3转速和控制第二液压泵马达8的排量大小，控制电机功率经过功率分流机构4流入第一液压泵马达7的功率和直接汇入功率汇流机构5的功率大小。同时液压蓄能器9储存的高压油流入并驱动第二液压泵马达8旋转，提供加速所需辅助驱动转矩，液压油压力下降后流入液压油箱10。当匀速行驶时，功率需求较为平稳，液压蓄能器9的压力基本保持不变。主要由电机3提供动力，通过电机控制器2控制电机3转速和控制第二液压泵马达8的排量大小，控制电机功率经过功率分流机构4流入第一液压泵马达7的功率和直接汇入功率汇流机构5的功率大小，对车速进行控制。
42.实施例2
43.图3是本发明用于电动矿用卡车轮式驱动时的系统原理图。第一液压泵马达7和第二液压泵马达8是变排量式液压泵马达；功率分流机构4是啮合齿轮对；功率汇流机构5是行星齿轮组，太阳轮作为输出轴，行星轮作为第二输入轴，齿圈作为第一输入轴；功率分流机构4的第二输入轴和功率汇流机构5的第二输入轴经过齿轮箱减速后连接，主减速器6的输出轴与电动矿用卡车的车轮12同轴连接。
44.由于矿用卡车装载重量较大，在加减速时的转矩较大，在加速或长距离上坡等工况下，由液压蓄能器提供辅助动力，电机在额定功率以下工作，一方面避免电机的瞬时大电流对蓄电池的实时容量和充放寿命有较大负面影响的问题；另一方面由于液压驱动的高功率特性，在起动加速等工况中，获得比纯电驱动更好的加速动力性能。在制动或下坡时，通过液压系统提供刹车转矩，可以避免电机长时间工作在大转矩大电流条件下，产生大量热量且对电机、蓄电池等元件寿命造成负面影响。
45.系统的具体工作过程是：当进行制动时，第二液压泵马达8排量经过控制调为负排量的泵工作状态，第二液压泵马达8产生制动转矩，制动转矩大小通过第二液压泵马达8排量大小控制，同时油液从液压油箱10经第二液压泵马达8升压后流入液压蓄能器9；电机3提供部分制动转矩或不提供制动转矩，制动能量部分或全部转换为高压液压油储存到高压液压蓄能器9中。当进行加速时，电机3工作在不超过额定功率而又低于负载功率的较大功率下，提供部分驱动转矩，第一液压泵马达7的排量为正排量，通过控制排量大小，进而控制第一液压泵马达7的输出转矩大小，电机控制器2通过控制电机3转速控制第一液压泵马达7的输出流量。通过电机控制器2控制电机3转速和控制第二液压泵马达8的排量大小，控制电机功率经过功率分流机构4流入第一液压泵马达7的功率和直接汇入功率汇流机构5的功率大小。同时液压蓄能器9储存的高压油流入并驱动第二液压泵马达8旋转，提供加速所需驱动转矩，液压油压力下降后流入液压油箱10。当匀速行驶时，功率需求较为平稳，液压蓄能器9的压力基本保持不变。主要由电机3提供动力，通过电机控制器2控制电机3转速和控制第二液压泵马达8的排量大小，控制电机功率经过功率分流机构4流入第一液压泵马达7的功率和直接汇入功率汇流机构5的功率大小，对车速进行控制。
46.实施例3
47.图4是本发明用于挖掘机回转驱动时的系统原理图。第一液压泵马达7和第二液压泵马达8是变排量式液压泵马达；功率分流机构4是行星齿轮组，太阳轮作为第二输出轴，行星轮作为输入轴，齿圈作为第一输出轴；功率汇流机构5是行星齿轮组，太阳轮作为输出轴，行星轮作为第二输入轴，齿圈作为第一输入轴；功率分流机构4的第二输入轴和功率汇流机构5的第二输入轴直接同轴连接，主减速器6的输出轴与挖掘机的回转机构13同轴连接。
48.挖掘机在上车体回转过程要不断的加速和减速制动，由于回转距离有限，基本不存在匀速工况，由于上车质量较大，要求具有大的启动扭矩和制动转矩。回转运动典型工况是加速
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减速，在减速时，制动能量可全部或部分回收转换为高压液压油储存到高压液压蓄能器中，避免了电机制动大电流对蓄电池产生冲击和发热；在加速时，液压蓄能器利用回收的制动能量，通过液压马达提供大转矩，提高了能量利用率和动力性能。
49.系统的具体工作过程是：当进行制动时，第二液压泵马达8排量经过控制调为负排量的泵工作状态，第二液压泵马达8产生制动转矩，制动转矩大小通过第二液压泵马达8排量大小控制，同时油液从液压油箱10经第二液压泵马达8升压后流入液压蓄能器9；电机3提供部分制动转矩或不提供制动转矩，制动能量部分或全部转换为高压液压油储存到高压液压蓄能器9中。当进行加速时，电机3工作在不超过额定功率而又低于负载功率的较大功率下，提供部分驱动转矩，第一液压泵马达7的排量为正排量，通过控制排量大小，进而控制第一液压泵马达7的输出转矩大小，电机控制器2通过控制电机3转速控制第一液压泵马达7的输出流量。通过电机控制器2控制电机3转速和控制第二液压泵马达8的排量大小，控制电机功率经过功率分流机构4流入第一液压泵马达7的功率和直接汇入功率汇流机构5的功率大小。同时液压蓄能器9储存的高压油流入并驱动第二液压泵马达8旋转，提供加速所需驱动转矩，液压油压力下降后流入液压油箱10。
50.实施例4
51.图5是本发明用于电动叉车行走驱动的系统原理图。第一液压泵马达7是定排量式液压泵马达，第二液压泵马达8是变排量式液压泵马达；功率分流机构4是行星齿轮组，太阳
轮作为输入轴，行星轮作为第一输出轴，齿圈作为第二输出轴；功率汇流机构5是啮合齿轮对；功率分流机构4的第二输入轴和功率汇流机构5的第二输入轴直接同轴连接，主减速器6的输出轴与电动叉车的车轮9同轴连接。叉车是一种广泛应用的工程机械，电动叉车在室内、港口等应用有一定优势。
52.系统的具体工作过程是：当进行制动时，第二液压泵马达8排量经过控制调为负排量的泵工作状态，第二液压泵马达8产生制动转矩，制动转矩大小通过第二液压泵马达8排量大小控制，同时油液从液压油箱10经第二液压泵马达8升压后流入液压蓄能器9；电机3提供部分制动转矩或不提供制动转矩，制动能量部分或全部转换为高压液压油储存到高压液压蓄能器9中。当进行加速时，电机3工作在不超过额定功率而又低于负载功率的较大功率下，提供部分驱动转矩，第一液压泵马达7的排量为正排量，通过控制排量大小，进而控制第一液压泵马达7的输出转矩大小，电机控制器2通过控制电机3转速控制第一液压泵马达7的输出流量。通过电机控制器2控制电机3转速和控制第二液压泵马达8的排量大小，控制电机功率经过功率分流机构4流入第一液压泵马达7的功率和直接汇入功率汇流机构5的功率大小。同时液压蓄能器9储存的高压油流入并驱动第二液压泵马达8旋转，提供加速所需驱动转矩，液压油压力下降后流入液压油箱10。当匀速行驶时，功率需求较为平稳，液压蓄能器9的压力基本保持不变。主要由电机3提供动力，通过电机控制器2控制电机3转速和控制第二液压泵马达8的排量大小，控制电机功率经过功率分流机构4流入第一液压泵马达7的功率和直接汇入功率汇流机构5的功率大小，对车速进行控制。