一种串联式电液混合储能单元的制作方法

1.本发明涉及一种液压储能单元，尤其是涉及一种串联式电液混合储能单元。


背景技术：

2.液压储能单元广泛应用于工程机械、车辆、海洋能利用等领域，其中最常用的液压储能单元是液压蓄能器，它的功率密度很高，但具有以下几个缺点：1)能量密度较低，储能容量小，放能时间有限；2)液压蓄能器的输出液压压力与蓄能状态有关，其储能放能行为取决于外部压力与蓄能器压力大小，不能主动调节；3)为了保证系统正常工作，液压蓄能器压力变化范围需限制在一定范围内，设计时不能充分利用其最大容量。


技术实现要素：

3.针对技术中的上述问题，本发明提出了一种串联式电液混合储能单元，可实现主动式控制的液压能存储和释放，通过电机转速控制及转向控制，可以控制混合储能单元的输出流量和压力，集成为一个储能单元使用，实现能进行主动压力流量控制的电液混合储能单元。
4.本发明采用的技术方案是：
5.本发明包括液压蓄能器、蓄电池、电机控制器、电机和液压泵马达；
6.蓄电池通过电机控制器与电机电连接，电机的输出轴与液压泵马达的输出轴同步机械连接，液压泵马达设置有两个进出油口，液压泵马达的第一进出油口与液压蓄能器的进出油口连通，液压泵马达的第二进出油口作为电液混合储能单元的进出油口。电液混合储能单元的进出油口与静液压传动回路连通或直接与液压缸、液压马达等液压执行器的进出油口连接。
7.当所述电液混合储能单元进行能量输出时，液压蓄能器输出的油液经电机驱动的液压泵马达升压或降压后从电液混合储能单元的进出油口输出；
8.当电液混合储能单元进行能量储存时，电液混合储能单元的进出油口输入的油液经液压泵马达降压或升压后输入液压蓄能器。
9.所述的电液混合储能单元的输入输出流量和液压泵马达的输入输出流量、液压蓄能器的输入输出能量满足以下关系：
10.q＝q
a
＝q
p
11.其中，q为电液混合储能单元的进出油口流量，q
a
为液压蓄能器的流量，q
p
为液压泵马达的流量。
12.所述液压泵马达是定排量液压泵马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；所述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。
13.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。
14.所述蓄电池是电池组或超级电容。
15.所述的液压泵马达作为电静液泵，电液混合储能单元的功率和液压蓄能器、电静
液泵的功率具有如下关系：
16.p＝p
a
p
p
17.其中p为电液混合储能单元的功率，p
a
为液压蓄能器的功率，p
p
为电静液泵的功率。
18.一方面，蓄能器的油液经液压泵马达调节压力流量后输出，实现了主动的液压能量充放，能更好适应各种工况；另一方面，电静液泵的调压功能使得储能单元在蓄能器压力较低时也可以继续以高压输出或储存能量，增大了蓄能器的可用压力范围，从而提高了蓄能器可用容量，从而增加了储能单元的能量密度。
19.当液压蓄能器蓄能状态较低时，压力较低，电静液泵可以通过蓄电池提供的能量，将液压蓄能器的输出流量升压至混合储能单元所需输出压力，并通过电机转速控制调整输出流量；当液压蓄能器蓄能状态较高时，压力较高，电静液泵可以将液压蓄能器的输出流量降压至混合储能单元所需输出压力，多余的能量以电能储存到蓄电池中，并通过电机转速控制调整输出流量。
20.同样的，在存储高压液压油时，当液压蓄能器蓄能状态较低时，压力较低，电静液泵将混合储能单元输入油液压力降压至液压蓄能器的压力，多余能量以电能存储到蓄电池中，并通过电机转速控制调整输出流量；当液压蓄能器蓄能状态较高时，压力较高，电静液泵利用蓄电池提供的电能，将混合储能单元输入油液压力升压至液压蓄能器的压力，并通过电机转速控制调整输出流量。从而实现了混合储能单元主动的流量压力控制。
21.通过主动的流量压力调节，可以扩大液压蓄能器的压力范围，降低预充压力，从而可以扩大蓄能器的可用容量。提高了液压蓄能器的能量密度。
22.本发明的有益效果是：
23.液压蓄能器的充放不能实现主动调控，且能量密度较低。电静液泵可以由电机驱动工作在泵送工况，或者工作在马达工况反拖电机作为发电机运行，将液压能与电能进行相互转换。本发明将电静液泵与液压蓄能器串联起来使用，一方面，液压蓄能器的油液经液压泵马达调节压力流量后输出，实现了主动的液压能量充放，能更好适应各种工况；另一方面，电静液泵的升压功能使得储能单元在蓄能器压力较低时也可以继续输出能量，增大了蓄能器的可用容积，从而增加了储能单元的能量密度。
附图说明
24.图1为串联式电液混合储能单元原理图。
25.图2是本发明用于轮式装载机轮式驱动的串联液压混合动力系统原理图。
26.图3是本发明用于轮式装载机轮式驱动的变速箱前并联混动系统原理图。
27.图4是本发明用于轮式装载机轮式驱动的变速箱后并联混动系统原理图。
28.图5是本发明用于卡车动力系统时的变速箱前并联混动系统原理图。
29.图6是本发明用于卡车动力系统时的变速箱后并联混动系统原理图。
30.图中：1、液压蓄能器，2、蓄电池，3、电机控制器，4、电机，5、液压泵马达，6、液压油箱，7、主液压泵，8、液压马达，9、车辆主减速器，10、发动机，11、液力变矩器，12、变速箱，13、啮合齿轮对，14、第一离合器，15第二离合器。
具体实施方式
31.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
32.如图1所示，本发明包括液压蓄能器1、蓄电池2、电机控制器3、电机4和液压泵马达5；
33.蓄电池2通过电机控制器3与电机4电连接，电机4的输出轴与液压泵马达5的输出轴同步机械连接，液压泵马达5设置有两个进出油口，液压泵马达5的第一进出油口与液压蓄能器1的进出油口连通，液压泵马达5的第二进出油口作为电液混合储能单元的进出油口，液压泵马达5由电机驱动，液压泵马达5作为电静液泵。具体实施中，电液混合储能单元的进出油口与静液压传动回路连通或直接与液压缸、液压马达等液压执行器的进出油口连接。
34.当电液混合储能单元以高压油液形式进行能量输出时，液压蓄能器1输出的油液经电机4驱动的液压泵马达5升压或降压后从电液混合储能单元的进出油口输出；
35.当电液混合储能单元进行能量储存时，电液混合储能单元的进出油口输入的油液经液压泵马达5降压或升压后输入液压蓄能器1。
36.电液混合储能单元的输入输出流量和液压泵马达5的输入输出流量、液压蓄能器1的输入输出能量满足以下关系：
37.q＝q
a
＝q
p
38.其中，q为电液混合储能单元的进出油口流量，q
a
为液压蓄能器1的流量，q
p
为液压泵马达5即电静液泵的流量。
39.液压泵马达5是定排量液压泵马达，或是电子比例控制的变排量液压泵马达；液压泵马达5是单个液压泵马达，或是两个以上液压泵马达的组合。
40.液压蓄能器1是两个以上液压蓄能器的组合，或是单个的液压蓄能器。
41.蓄电池2是电池组或超级电容。
42.电液混合储能单元的功率和液压蓄能器、电静液泵的功率具有如下关系：
43.p＝p
a
p
p
44.其中p为电液混合储能单元的功率，p
a
为液压蓄能器的功率，p
p
为电静液泵的功率。
45.当液压蓄能器蓄能状态较低时，压力较低，电静液泵可以通过蓄电池提供的电能驱动电机，电机驱动液压泵马达以泵状态工作，将液压蓄能器的输出油液升压至混合储能单元所需输出压力，并通过电机转速控制调整输出流量；当液压蓄能器蓄能状态较高时，压力较高，电静液泵可以将液压蓄能器的输出流量降压至混合储能单元所需输出压力，液压泵马达以马达状态工作，反过来带动电机作为发电机发电，多余的能量以电能储存到蓄电池中，并通过电机转速控制调整输出流量。
46.同样的，在存储高压液压油时，当液压蓄能器蓄能状态较低时，压力较低，电静液泵将混合储能单元输入油液压力降压至液压蓄能器的压力，液压泵马达以马达状态工作，反过来带动电机作为发电机发电，多余能量以电能存储到蓄电池中，并通过电机转速控制调整输出流量；当液压蓄能器蓄能状态较高时，压力较高，电静液泵利用蓄电池提供的电能驱动电机，电机驱动液压泵马达以泵状态工作，将混合储能单元输入油液压力升压至液压蓄能器的压力，并通过电机转速控制调整输出流量。从而实现了混合储能单元主动的流量压力控制。
47.通过主动的流量压力调节，可以扩大液压蓄能器的压力范围，降低液压蓄能器工作压力和充气压力，从而可以扩大蓄能器的可用容量。提高了液压蓄能器的能量密度。
48.本发明用于不同动力系统的实施例及其实施工作过程如下：
49.实施例1
50.图2是本发明用于轮式装载机行走驱动的串联液压混合动力系统原理图。轮式装载机是一种广泛应用的工程机械，中小型轮式装载机行走驱动常用静液压传动系统，将本发明应用在轮式装载机的静液压传动系统中。静液压传动系统包括主液压泵7、液压马达8、车辆主减速器9和发动机10；
51.发动机10的输出轴与主液压泵7的输出轴同轴连接，主液压泵7的两个进出油口分别与液压马达8的两个进出油口连通，主液压泵7和液压马达8及与其连通的油路构成静液压传动回路，液压马达8的输出轴与车辆主减速器9同轴连接，主液压泵7和液压马达8之间相连的一个油管与电液混合储能单元的进出油口连通。
52.静液压传动系统的主动力源为发动机10，驱动主液压泵7，经过静液压传动回路驱动液压马达8，经过车辆主减速器9驱动车辆车轮行驶。串联式电液混合储能单元通过控制进出油口的液压压力和进出油流量，一方面可以保证静液压传动回路的液压压力处于较稳定的水平，减少压力突变带来的系统振动；另一方面可以通过能量充放，调节发动机与负载的动力匹配，解决负载速度变化过快时二者功率匹配不好，使发动机工况恶化的问题，使主动力源平稳工作。同时混合储能单元可以回收制动能量，并提供辅助动力，通过能量存储、再利用的方式使发动机工作在较高效率区间。
53.实施例2
54.图3是本发明用于轮式装载机行走驱动的变速箱前并联混动系统原理图。对于中型和大型轮式装载机，常用的动力传动系统为液力传动 换挡齿轮传动。
55.动力传动系统包括液压油箱6、液压马达8、车辆主减速器9、发动机10、液力变矩器11、变速箱12和啮合齿轮对13；
56.液压马达8的一个进出油口与电液混合储能单元的进出油口连通，液压马达8的另一个进出油口与液压油箱6连通，蓄能器1、液压泵马达5、液压马达8与液压油箱6构成静液压传动回路。啮合齿轮对13的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴与啮合齿轮对13的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对13的另一个齿轮分别与液力变矩器11的输出轴、变速箱12的输入轴同轴连接，液力变矩器11和变速箱12分别设置在啮合齿轮对13的两侧，液力变矩器11的输入轴与发动机10的输出轴同轴连接，变速箱12的输出轴与车辆主减速器9同轴连接，与啮合齿轮对13同轴连接的液力变矩器11的输出轴、变速箱12的输入轴均作为动力传动系统的传动轴。
57.串联式电液混合储能单元的液压能可通过液压马达8转化为机械能汇入传动轴，发动机10输出的多余机械能可转化为液压能储存到电液混合储能单元中。一方面，通过能量的储存和释放，可以将发动机工作点调整到高效率工作区，提高燃油经济性和减少废气排放；另一方面，并联的液压马达8可以作为辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，在启停、加速减速等工况时发挥作用，提高轮式装载机的动力性能和操纵性能。
58.实施例3
59.图4是本发明用于轮式装载机行走驱动的变速箱后并联混动系统原理图。与实施
例2的主要区别在于液压马达8并联到主传动轴的位置不同，工况也不同。变速箱后并联式的转速相较变速箱前并联式混动，液压马达8的转速更低而转矩要求更大。
60.动力传动系统包括液压油箱6、液压马达8、车辆主减速器9、发动机10、液力变矩器11、变速箱12和啮合齿轮对13；
61.液压马达8的一个进出油口与电液混合储能单元的进出油口连通，液压马达8的另一个进出油口与液压油箱6连通，蓄能器1、液压泵马达5、液压马达8与液压油箱6构成静液压传动回路。
62.啮合齿轮对13的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴与啮合齿轮对13的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对13的另一个齿轮分别与变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴同轴连接，车辆主减速器9和变速箱12分别设置在啮合齿轮对13的两侧，发动机10通过液力变矩器11与变速箱12的输入轴同轴连接，与啮合齿轮对13同轴连接的变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴均作为动力传动系统的传动轴。
63.串联式电液混合储能单元的液压能可通过液压马达8转化为机械能汇入传动轴，发动机10输出的多余机械能可转化为液压能储存到电液混合储能单元中。同样地，一方面，通过能量的储存和释放，可以将发动机工作点调整到高效率工作区，提高燃油经济性和减少废气排放；另一方面，并联的液压马达8可以作为辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，在启停、加速减速等工况时发挥作用，提高轮式装载机的动力性能和操纵性能。
64.实施例4
65.图5是本发明用于卡车动力系统时的变速箱前并联混动系统原理图。重载卡车对于动力性能要求也较高，特别是在启动、刹车、上坡等工况，动力系统需要同时适应上述低速工况和长距离运输的高速工况，对发动机和变速箱要求都较高。同时卡车在长距离下坡时有大量制动能量被浪费，且需要装配刹车片辅助散热装置。
66.卡车动力系统包括液压油箱6、液压马达8、车辆主减速器9、发动机10、变速箱12、啮合齿轮对13、第一离合器14和第二离合器15；
67.液压马达8的一个进出油口与电液混合储能单元的进出油口连通，液压马达8的另一个进出油口与液压油箱6连通，蓄能器1、液压泵马达5、液压马达8与液压油箱6构成静液压传动回路。
68.啮合齿轮对13的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴通过第二离合器15与啮合齿轮对13的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对13的另一个齿轮分别与变速箱12的输入轴、第一离合器14的输出轴同轴连接，第一离合器14和变速箱12分别设置在啮合齿轮对13的两侧，发动机10与第一离合器14的输入轴同轴连接，变速箱12的输出轴与车辆主减速器9同轴连接；与啮合齿轮对13同轴连接的变速箱12的输入轴、第一离合器14的输出轴均作为动力传动系统的传动轴。
69.一方面，在启停、加速减速、上坡等低速工况时，第二离合器15接通，并联的液压马达8提供辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，提高卡车的动力性能和操纵性能，在高速工况下，第二离合器15断开，不影响发动机工作；另一方面，在刹车、长距离下坡等工况下，第二离合器15接通，提供刹车力的同时回收制动能量，将传动轴上的机械能通过液压马达8转化储存到串联式电液混合储能单元中，在辅助启动等工况下再释放出来，
提高了能量效率的同时减少了刹车产生的热量。
70.实施例5
71.图6是本发明用于卡车动力系统时的变速箱后并联混动系统原理图。和实施例4的主要区别在于液压马达8并联到主传动轴的位置不同，工况也不同。变速箱后并联混动的转速相较变速箱前并联混动，液压马达8的转速更低而转矩要求更大。
72.卡车动力系统包括液压油箱6、液压马达8、车辆主减速器9、发动机10、变速箱12、啮合齿轮对13、第一离合器14和第二离合器15；
73.液压马达8的一个进出油口与电液混合储能单元的进出油口连通，液压马达8的另一个进出油口与液压油箱6连通，蓄能器1、液压泵马达5、液压马达8与液压油箱6构成静液压传动回路。
74.啮合齿轮对13的两个齿轮啮合形成齿轮副，液压马达8的输出轴通过第二离合器15与啮合齿轮对13的一个齿轮同轴连接，啮合齿轮对13的另一个齿轮分别与变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴同轴连接，车辆主减速器9和变速箱12分别设置在啮合齿轮对13的两侧，发动机10通过第一离合器14与变速箱12的输入轴同轴连接，与啮合齿轮对13同轴连接的变速箱12的输出轴、车辆主减速器9的连接轴均作为动力传动系统的传动轴。
75.同样地，一方面，在启停、加速减速、上坡等低速工况时，第二离合器15接通，并联的液压马达8提供辅助动力，利用液压动力的快速响应和高功率密度特性，提高卡车的动力性能和操纵性能，在高速工况下，第二离合器15断开，不影响发动机工作；另一方面，在刹车、长距离下坡等工况下，第二离合器15接通，提供刹车力的同时回收制动能量，将传动轴上的机械能通过液压马达8转化储存到串联式电液混合储能单元中，在辅助启动等工况下再释放出来，提高了能量效率的同时减少了刹车产生的热量。