一种多模式液压能和电能双向能量转换装置及方法

1.本发明涉及电气液压能量转换技术，尤其涉及一种多模式液压能和电能双向能量转换装置


背景技术：

2.目前航空飞行器液压作动系统的飞控作动器系统、起落架收放系统以及内埋式武器舱门启闭系统(只针对军机)是几大主要的脉冲负载。民机中的b787，飞控作动器系统功率需求约为120kw，起落架收放系统的功率需求为100kw，军机中的美国先进战机f
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22的飞控作动系统高机动时功率需求峰值约为260kw，内埋式武器舱门瞬时开闭功率需求约为280kw(两门)。而起落架收放、武器舱门系统在飞行任务中都属于瞬时大负载，起落架只在飞机起飞与降落过程中才会收放，军用飞机武器舱门也只在战斗中投放武器的极短时间内启闭。目前大多数的飞行器采用集中液压系统驱动，液压系统的设计功率通常按照最大峰值叠加功率设计，造成液压系统装机功率设计大，在90％的时间里使用功率只占装机功率的25％以下，存在重量大、效率低、发动机提取功率大、波动也大等诸多缺点。我国目前正在研制新型宽体客机和新一代战斗机，在这些飞机的液压系统设计中都面临此问题。


技术实现要素：

3.本发明提出了一种多模式液压能和电能双向能量转换装置及方法，利用电容器和蓄能器的复合蓄能实现脉冲大功率驱动，降低液压主泵装机功率，减小发动机负载以及负载波动。本发明具有重量轻，功率小，运行效率高等优点。
4.本发明的技术方案是这样实现的：
5.一种多模式液压能和电能双向能量转换装置，包括:控制器、电气系统和液压系统；
6.所述电气系统包括：
7.电机，所述电机具有电动机模式和发电机模式两种工作模式；
8.电容器，用于储蓄或释放电能，与所述电机相连；
9.所述液压系统包括：
10.第一液压泵马达，所述第一液压泵马达具有泵模式和马达模式两种工作模式；所述第一液泵压马达的第一油口和第二油口分别对应连接于主液压回路的高压回路和低压回路；
11.蓄能器，用于储蓄或释放液压能，与所述第一液压泵马达的第一油口以及所述高压回路相连；
12.所述第一液压泵马达和所述蓄能器通过电液伺服阀与液压瞬时负载相连；
13.所述控制器，用于控制所述电机、第一液压泵马达和电液伺服阀工作、以及控制主液压回路通断；所述电机与所述第一液压泵马达传动连接。
14.进一步地，所述电容器依次通过dc/dc转换单元和电机控制单元与所述电机相连；
所述dc/dc转换单元与所述控制器相连。
15.进一步地，所述电机和所述电容器分别与电气脉冲负载相连；所述电气脉冲负载通过所述电机控制单元与所述电机相连，所述电气脉冲负载与所述dc/dc转换单元相连。
16.进一步地，所述第一液压泵马达和所述蓄能器通过第一液压控制元件组与所述高压回路相连，同时与所述电液伺服阀的一端口相连；
17.所述第一液压泵马达的第二油口通过第二液压控制元件组与所述低压回路相连，同时与所述电液伺服阀的另一端口相连。
18.进一步地，所述第一液压控制元件组包括：相互并联的第一单向阀和开关阀，所述开关阀的流通方向为主液压回路向第一液压泵马达方向。
19.进一步地，所述第二液压控制元件组包括：相互并联的第二单向阀和比例开关阀，所述第二单向阀的流通方向为主液压回路向第一液压泵马达方向。
20.进一步地，所述液压瞬时负载包括第二液压泵马达和机械瞬时负载，所述电液伺服阀通过第二液压泵马达与所述机械瞬时负载相连。
21.进一步地，所述主液压回路与常规负载相连，所述控制器与常规负载相连。
22.进一步地，所述电机与所述第一液压泵马达通过传动装置耦合。
23.一种多模式液压能和电能双向能力转换方法，包括液压能和电能双向能量转换装置，所述转换装置包括控制器、电气系统和液压系统，所述电气系统包括电机和电容器，所述液压系统包括第一液压泵马达和蓄能器；所述方法包括：
24.控制器根据控制指令使得转换装置处于a、b、c、d中的其中任意一种工作模式：
25.a：液压能逆向脉冲负载驱动模式；
26.b：液压能顺向脉冲负载能力回馈模式；
27.c：电气脉冲负载驱动模式；
28.d：电动液压能量综合管理模式；
29.当转换装置处于模式a时，包括以下步骤：
30.a1、控制器控制第一液压泵马达处于泵模式工作，电机处于电动机模式；
31.a2、主液压回路向蓄能器和第一液压泵马达提供液压流体，电容向电机供电，使得电机驱动所述第一液压泵马达形成局部液压源；
32.a3、当局部液压源的压力超过主液压回路供油压力时，关闭蓄能器、第一液压泵马达与主液压回路的连接通道；
33.a4、当蓄能器达到设定压力后，控制电液伺服阀切换到左位，使得蓄能器和第一液压泵马达同时向液压瞬时负载提供高压流体，实现脉冲瞬时负载驱动；
34.当转换装置处于模式b时，包括以下步骤：
35.b1、控制器控制第一液压泵马达处于马达模式工作，电机处于发电机模式；
36.b2、关断电液伺服阀、第一液压泵马达与主液压回路的连通通道；
37.b3、控制液压瞬时负载内的第二液压泵马达工作在泵模式下，控制电液伺服阀切换到右位，使得第二液压泵马达向第一液压泵马达提供高压流体，驱动第一液压泵马达工作，并带动电机发电，向电容器充电；
38.当转换装置处于模式c时，包括以下步骤：
39.c1、控制器控制第一液压泵工作在马达模式、电机工作在发电机模式；
40.c2、主液压回路与蓄能器、第一液压泵马达的第一油口连通；同时，关闭电液伺服阀；
41.c3、主液压回路向第一液压泵马达提供流体，驱动第一液压泵工作，带动电机发电，进而驱动电气脉冲负载工作；
42.当转换装置处于模式d时，包括以下步骤：
43.当第一液压泵马达的液压能有富余的时，控制器控制第一液压泵工作在马达模式、电机工作在发电机模式，主液压回路向第一液压泵马达提供流体，驱动第一液压泵工作，进而带动电机发电，向电容器和主电源供电；
44.当第一液压泵马达的液压能不足时，控制器控制第一液压泵工作在泵模式，电机工作在电动机模式，电机驱动第一液压泵工作。
附图说明
45.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
46.图1是本公开实施例一的原理框图；
47.图2是本公开实施例二所述转换装置处于液压能逆向脉冲负载驱动模式的原理示意图；
48.图3是本公开实施例二所述转换装置处于液压能顺向脉冲负载能力回馈模式的原理示意图；
49.图4是本公开实施例二所述转换装置处于电气脉冲负载驱动模式的原理示意图；
50.图5是本公开实施例二所述转换装置处于电动液压能量综合管理模式的原理示意图；
具体实施方式
51.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
52.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
53.实施例一：
54.参照图1，一种多模式液压能和电能双向能量转换装置，包括:控制,30、电气系统20和液压系统10；
55.所述电气系统20包括：
56.电机24，所述电机24具有电动机模式和发电机模式两种工作模式；
57.电容器23，用于储蓄或释放电能，与所述电机相连；
58.所述液压系统10包括：
59.第一液压泵马达11，所述第一液压泵马达11具有泵模式和马达模式两种工作模式；所述第一液泵压马达11的第一油口和第二油口分别对应连接于主液压回路的高压回路
和低压回路；
60.蓄能器13，用于储蓄或释放液压能，与所述第一液压泵马达11的第一油口以及所述高压回路相连；
61.所述第一液压泵马达11和所述蓄能器13通过电液伺服阀17与液压瞬时负载18相连；
62.所述控制器30，用于控制所述电机24、第一液压泵马达11和电液伺服阀17工作、以及控制主液压回路通断；所述电机24与所述第一液压泵马达11传动连接。
63.本实施例的技术方案利用电容器23储蓄电能、利用蓄能器13储蓄液压能，实现复合蓄能，利用电容器23储蓄的电能驱动电机24带动第一液压泵马达11实现局部液压供能，联合蓄能器13储蓄的液压能同时驱动液压瞬时负载18，通过切换电机24和第一液压泵马达11处于不同的工作模式，以及液压回路的局部接通、关断等配置，使得转换装置能够工作在多种不同工作状态，通过电容器23和蓄能器13复合蓄能，能够在满足脉冲功率驱动需求的同时，降低液压主泵总装机功率，减小电机负载以及负载波动，提高系统效率。
64.通过电机24和第一液压泵马达11不同工作模式的切换，实现电能/液压能的双向转换，对于飞行器这类同时具有电能和液压能的装备，可以实现两种能量的互补，进一步提高飞行器的效率，降低二次能源系统的总体重量，具有重量轻，功率小，运行效率高的优点。
65.具体的来说，本实施例所述电容器23采用超级电容器，参照图1，所述电容器23依次通过dc/dc转换单元22和电机控制单元21与所述电机24相连；所述dc/dc转换单元22与所述控制器30相连。
66.所述电机24和所述电容器23分别与电气脉冲负载25相连；所述电气脉冲负载25通过所述电机控制单元21与所述电机24相连，所述电气脉冲负载25与所述dc/dc转换单元25相连。
67.参照图1，所述第一液压泵马达11和所述蓄能器13通过第一液压控制元件组与所述高压回路相连，同时与所述电液伺服阀17的一端口相连；
68.所述第一液压泵马达11的第二油口通过第二液压控制元件组与所述低压回路相连，同时与所述电液伺服阀17的另一端口相连。
69.其中，所述第一液压控制元件组和所述第二液压控制元件组用于控制液压回路的连通和切断。所述第一液压控制元件组包括：相互并联的第一单向阀15b和开关阀12，所述开关阀12的流通方向为主液压回路向第一液压泵马达11方向。所述第二液压控制元件组包括：相互并联的第二单向阀和比例开关阀，所述第二单向阀的流通方向为主液压回路向第一液压泵马达11方向。
70.本实施例中，所述液压瞬时负载包括第二液压泵马达和机械瞬时负载，所述电液伺服阀通过第二液压泵马达与所述机械瞬时负载相连。
71.所述主液压回路与常规负载19相连，所述控制器30与常规负载19相连。
72.所述电机24与所述第一液压泵马达11通过传动装置耦合。所述传动装置包括轴承等其他传动组件。
73.实施例二：
74.基于实施例一，本实施例提出了一种多模式液压能和电能双向能力转换方法，包括液压能和电能双向能量转换装置，所述转换装置包括控制器30、电气系统20和液压系统
10，所述电气系统10包括电机24和电容器23，所述液压系统包括第一液压泵马达11和蓄能器13；所述方法包括：
75.控制器根据控制指令使得转换装置处于a、b、c、d中的其中任意一种工作模式：
76.a：液压能逆向脉冲负载驱动模式；
77.b：液压能顺向脉冲负载能力回馈模式；
78.c：电气脉冲负载驱动模式；
79.d：电动液压能量综合管理模式；
80.当转换装置处于模式a时，包括以下步骤：
81.a1、控制器控制第一液压泵马达处于泵模式工作，电机处于电动机模式；
82.a2、主液压回路向蓄能器和第一液压泵马达提供液压流体，电容向电机供电，使得电机驱动所述第一液压泵马达形成局部液压源；
83.a3、当局部液压源的压力超过主液压回路供油压力时，关闭蓄能器、第一液压泵马达与主液压回路的连接通道；
84.a4、当蓄能器达到设定压力后，控制电液伺服阀切换到左位，使得蓄能器和第一液压泵马达同时向液压瞬时负载提供高压流体，实现脉冲瞬时负载驱动；
85.在该模式下，转换装置需要克服巨大的气动负载，处于逆载工况，因此液压系统需要再短时间内大功率运行，此时，参照图2，控制开关阀12关闭，比例开关阀14开启，实现主液压回路向蓄能器和第一液压泵马达提供液压流体，在收到启动指令后，协同控制dc/dc转换单元22、电机控制单元21、第一液压泵马达11，使转换装置处在电容器放电
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电机(电动机模式)
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第一液压泵马达(泵模式)的工况，主液压回路向蓄能器13供油，控制器控制电机24工作在大电流过载模式，当局部液压源的压力超过主液压回路供油压力时，第一单向阀15b关闭，蓄能器13达到设定压力后，控制电液伺服阀17工作在左位，液压瞬时负载内的第二液压泵马达工作在马达模式，蓄能器13和第一液压泵马达11共同为机械瞬时负载18提供高压流体，快速开启驱动液压瞬时负载18内的第二液压泵马达运动，液压系统利用蓄能器13和电容器23的瞬时功率释放，实现脉冲瞬时负载驱动。
86.在该模式下，瞬时负载可以为飞机起落架收起或者飞机舱门打开。
87.当转换装置处于模式b时，包括以下步骤：
88.b1、控制器控制第一液压泵马达处于马达模式工作，电机处于发电机模式；
89.b2、关断电液伺服阀、第一液压泵马达与主液压回路的连通通道；
90.b3、控制液压瞬时负载内的第二液压泵马达工作在泵模式下，控制电液伺服阀切换到右位，使得第二液压泵马达向第一液压泵马达提供高压流体，驱动第一液压泵马达工作，并带动电机发电，向电容器充电；
91.参照图3，在该模式下，液压子系统处于顺载工况。控制器控制开关阀12关闭，通过协同控制比例开关阀14、第一液压泵马达11的斜盘倾角、dc/dc转换单元22、电机控制单元21，使本装置处在第一液压泵马达(马达模式)
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电机(发电机模式)
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电容器充电工况。在该模式下，电液伺服阀17工作在右位，比例开关阀14关闭，液压瞬时负载18内的第二液压泵马达工作在泵模式下，并向第一液压泵马达11提供高压流体，通过第一液压泵马达11和电机24转换为电能，储存在超级电容中，实现能量回馈。
92.本模式中，瞬时负载可以为飞机起落架放下、舱门关闭。
93.当转换装置处于模式c时，包括以下步骤：
94.c1、控制器控制第一液压泵工作在马达模式、电机工作在发电机模式；
95.c2、主液压回路与蓄能器、第一液压泵马达的第一油口连通；同时，关闭电液伺服阀；
96.c3、主液压回路向第一液压泵马达提供流体，驱动第一液压泵工作，带动电机发电，进而驱动电气脉冲负载工作；
97.参照图4，在该模式下时，控制器控制开关阀12开启，打开第一单向阀15a，转换装置工作在第一液压泵马达(马达模式)
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电机(发电机模式)工况，实现液压能向电能的转换。利用转换得来的电能和飞机发电机的电能是实现电气脉冲负载的驱动。
98.该模式下，瞬时负载为战斗机雷达和激光武器等电气脉冲负载。
99.参照图5，当转换装置处于模式d时，包括以下步骤：
100.当第一液压泵马达的液压能有富余的时，控制器控制第一液压泵工作在马达模式、电机工作在发电机模式，主液压回路向第一液压泵马达提供流体，驱动第一液压泵工作，进而带动电机发电，向电容器和主电源供电；在额定负载的高效模式，电机(发电机模式)处于按需补充模式，可以提高整体效率。
101.当第一液压泵马达的液压能不足时，控制器控制第一液压泵工作在泵模式，电机工作在电动机模式，电机驱动第一液压泵工作。
102.在该模式下，无瞬时负载。本发明基于该模式，可以进一步减小主液压系统和主电源系统的装机功率，从而减轻整体系统的重量，可以有效补偿增加本装置带来的额外重量。
103.本发明“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本发明中“左”、“右”扥方位为相对或附图方向。
104.本在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
105.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。