一种超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法及系统与流程

1.本发明涉及装载机传动领域，特别涉及一种超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法及系统。


背景技术：

2.传统装载机为了提高整车动力性，降低传动系统的冲击，提高驾驶员的驾驶舒适度，一般配置有液力变矩器。通过液力传动，液力变矩器能起到隔离发动机与传动轴的作用，起到重载时减速增扭、负载波动时降低发动机与传动轴的负载冲击的作用。但是，重载时液力变矩器效率非常低，机械能大部分转化为传动油的热能，导致装载机油耗大、污染物排放严重。
3.尤其是额定容量大于12吨的特大型装载机，又称超大吨位装载机，应用于大型工程和矿山工况，具有广泛的市场需求，然而受制于液力传动方案的传动部件选型困难及其低效慢反馈，国内主机厂没有传动性能较好的大吨位装载机。
4.因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种选型容易、高效节能、反应快速的超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法及系统。其具体方案如下：
6.一种超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法，包括：
7.获取装载机的作业内容与混动系统的状态信息；
8.根据所述作业内容和/或所述状态信息，确定所述混动系统的动力模式；
9.以该动力模式启动所述装载机；
10.其中，所述混动系统包括：
11.联轴安装的柴油发动机、发电机及分动箱；
12.与所述分动箱连接的液压系统；
13.包括蓄能电池、与所述发电机连接的电力牵引系统。
14.优选的，所述动力模式包括：
15.将所述柴油发动机作为动力能源的第一动力模式；
16.将所述柴油发动机和所述蓄能电池作为动力能源的第二动力模式；
17.将所述蓄能电池作为动力能源的第三动力模式；
18.由所述电力牵引系统接收所述装载机的制动能量的第四动力模式。
19.优选的，所述作业内容包括铲装作业和/或行进作业。
20.优选的，所述状态信息具体为所述电力牵引系统的中间直流电压值；
21.相应的，根据所述态信息，确定所述混动系统的动力模式的过程，包括：
22.当所述中间直流电压值超过第一预设值且小于第二预设值，确定所述混动系统的
动力模式为所述第一动力模式；
23.当所述中间直流电压值不大于所述第一预设值，确定所述混动系统的动力模式为所述第二动力模式；
24.当所述中间直流电压值不小于所述第二预设值，确定所述混动系统的动力模式为所述第四动力模式。
25.优选的，所述第四动力模式具体为：
26.当所述蓄能电池的电量未达到预设电量，由所述蓄能电池接收所述制动能量；
27.当所述蓄能电池的电量达到所述预设电量，由所述电力牵引系统中的制动电阻接收所述制动能量。
28.优选的，所述动力模式控制方法还包括：
29.当所述装载机处于特殊工况或紧急状态，确定所述混动系统的动力模式为所述第三动力模式。
30.优选的，所述电力牵引系统包括：
31.输入端与所述发电机连接的变流器；
32.与所述变流器连接的轮毂电机、蓄能电池及制动电阻。
33.优选的，所述变流器包括：三相整流电桥、中间直流电压模块、多个三相逆变模块；
34.所述三相整流电桥的输入端连接所述发电机，输出端连接所述中间直流电压模块的输入端；
35.多个所述三相逆变模块的输入端均与所述中间直流电压模块的输出端连接，每个所述三相逆变模块的输出端均连接一个所述轮毂电机；
36.所述蓄能电池的输入端、所述制动电阻的输入端均通过各自的辅助开关管与所述中间直流电压模块的输出端连接。
37.优选的，所述电力牵引系统包括四个所述轮毂电机。
38.相应的，本发明还公开了一种超大吨位混合动力装载机的动力模式控制系统，包括：
39.获取模块，用于获取装载机的作业内容与混动系统的状态信息；
40.模式确定模块，用于根据所述作业内容和/或所述状态信息，确定所述混动系统的动力模式；
41.动作模块，用于以该动力模式启动所述装载机；
42.其中，所述混动系统包括：
43.联轴安装的柴油发动机、发电机及分动箱；
44.与所述分动箱连接的液压系统；
45.包括蓄能电池、与所述发电机连接的电力牵引系统。
46.优选的，所述动力模式包括：
47.将所述柴油发动机作为动力能源的第一动力模式；
48.将所述柴油发动机和所述蓄能电池作为动力能源的第二动力模式；
49.将所述蓄能电池作为动力能源的第三动力模式；
50.由所述电力牵引系统接收所述装载机的制动能量的第四动力模式。
51.优选的，所述作业内容包括铲装作业和/或行进作业。
52.优选的，所述状态信息具体为所述电力牵引系统的中间直流电压值；
53.相应的，所述模式确定模块根据所述态信息，确定所述混动系统的动力模式的过程，包括：
54.当所述中间直流电压值超过第一预设值且小于第二预设值，确定所述混动系统的动力模式为所述第一动力模式；
55.当所述中间直流电压值不大于所述第一预设值，确定所述混动系统的动力模式为所述第二动力模式；
56.当所述中间直流电压值不小于所述第二预设值，确定所述混动系统的动力模式为所述第四动力模式。
57.优选的，所述第四动力模式具体为：
58.当所述蓄能电池的电量未达到预设电量，由所述蓄能电池接收所述制动能量；
59.当所述蓄能电池的电量达到所述预设电量，由所述电力牵引系统中的制动电阻接收所述制动能量。
60.优选的，所述模式确定模块还用于：
61.当所述装载机处于特殊工况或紧急状态，确定所述混动系统的动力模式为所述第三动力模式。
62.优选的，所述电力牵引系统包括：
63.输入端与所述发电机连接的变流器；
64.与所述变流器连接的轮毂电机、蓄能电池及制动电阻。
65.优选的，所述变流器包括：三相整流电桥、中间直流电压模块、多个三相逆变模块；
66.所述三相整流电桥的输入端连接所述发电机，输出端连接所述中间直流电压模块的输入端；
67.多个所述三相逆变模块的输入端均与所述中间直流电压模块的输出端连接，每个所述三相逆变模块的输出端均连接一个所述轮毂电机；
68.所述蓄能电池的输入端、所述制动电阻的输入端均通过各自的辅助开关管与所述中间直流电压模块的输出端连接。
69.优选的，所述电力牵引系统包括四个所述轮毂电机。
70.本技术公开了一种超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法，包括：获取装载机的作业内容与混动系统的状态信息；根据所述作业内容和/或所述状态信息，确定所述混动系统的动力模式；以该动力模式启动所述装载机；其中，所述混动系统包括：联轴安装的柴油发动机、发电机及分动箱；与所述分动箱连接的液压系统；包括蓄能电池、与所述发电机连接的电力牵引系统。本技术公开的混动系统，不需传统液压传动部件，部件选型较为容易；同时混动系统具有柴油发动机和蓄能电池两种动力源，电力牵引系统具有快速灵活输出功率的优点，整个混动系统可根据实际情况选择最合适的动力模式，从而实现了高效节能、快速反馈的效果。
附图说明
71.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
72.图1为本发明实施例中一种动力模式控制方法的步骤流程图；
73.图2为本发明实施例中一种混动系统的结构分布图；
74.图3为本发明实施例中一种电力牵引系统的结构分布图；
75.图4为本发明实施例中一种动力模式控制系统的结构分布图。
具体实施方式
76.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
77.额定容量大于12吨的特大型装载机，又称超大吨位装载机，应用于大型工程和矿山工况，具有广泛的市场需求，然而受制于液力传动方案的传动部件选型困难及其低效慢反馈，国内主机厂没有传动性能较好的大吨位装载机。本技术公开的混动系统，不需传统液压传动部件，部件选型较为容易；同时混动系统具有柴油发动机和蓄能电池两种动力源，电力牵引系统具有快速灵活输出功率的优点，整个混动系统可根据实际情况选择最合适的动力模式，从而实现了高效节能、快速反馈的效果。
78.本发明实施例公开了一种超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法，参见图1所示，包括：
79.s1：获取装载机的作业内容与混动系统的状态信息；
80.s2：根据作业内容和/或状态信息，确定混动系统的动力模式；
81.s3：以该动力模式启动装载机；
82.其中，参见图2所示，混动系统包括：
83.联轴安装的柴油发动机01、发电机02及分动箱03；
84.与分动箱03连接的液压系统04；
85.包括蓄能电池、与发电机02连接的电力牵引系统05。
86.可以理解的是，本实施例中电传动系统的工作模式与传统电传动系统不同，传统电传动系统中发电机与柴油发动机同轴，柴油发动机输出功率直接通过发电机全部转为牵引系统功率；而本实施例中发电机02的轴端连接柴油发动机01，发电机02的非传动轴端连接分动箱03，发电机01的一部分输出功率通过分动箱03传递给液压系统04，发电机01的另一部分输出功率通过发电机02传递给电力牵引系统05。此外，电力牵引系统05有两套供能系统，一是发电机02，二是内部的蓄能电池，当发电机02无法快速响应载荷需求时，蓄能电池快速响应补充电能；同时，蓄能电池可回收混动系统的制动能量并存储，实现节能和再利用的目的。
87.本技术公开了一种超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法，包括：获取装载机的作业内容与混动系统的状态信息；根据所述作业内容和/或所述状态信息，确定所述混动系统的动力模式；以该动力模式启动所述装载机；其中，所述混动系统包括：联轴安装的柴油发动机、发电机及分动箱；与所述分动箱连接的液压系统；包括蓄能电池、与所述发
电机连接的电力牵引系统。本技术公开的混动系统，不需传统液压传动部件，部件选型较为容易；同时混动系统具有柴油发动机和蓄能电池两种动力源，电力牵引系统具有快速灵活输出功率的优点，整个混动系统可根据实际情况选择最合适的动力模式，从而实现了高效节能、快速反馈的效果。
88.本发明实施例公开了一种具体的超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的，参见图3所示，电力牵引系统05包括：
89.输入端与发电机02连接的变流器1；
90.与变流器1连接的轮毂电机2、蓄能电池3及制动电阻4。
91.进一步的，电力牵引系统05可包括四个轮毂电机2，四个轮毂电机2可各自独立驱动。此外，也可以选择其他数量的轮毂电机2和不同的驱动方式，满足装载机的实际需求即可。
92.具体的，变流器1包括：三相整流电桥11、中间直流电压模块12、多个三相逆变模块13；
93.三相整流电桥11的输入端连接发电机02，输出端连接中间直流电压模块12的输入端；
94.多个三相逆变模块13的输入端均与中间直流电压模块12的输出端连接，每个三相逆变模块13的输出端均连接一个轮毂电机2；
95.蓄能电池3的输入端、制动电阻4的输入端均通过各自的辅助开关管与中间直流电压模块12的输出端连接。
96.具体的，蓄能模块3包括但不限于锂电池、超级电容、氢原料电池，其辅助开关管包括开关柜和dc-dc单元，其中dc-dc单元具备升降压功能，可实现能量双向流动。蓄能模块3和制动电阻4可配合回收整车的制动能量，蓄能模块3可作为紧急情况下的电源补充。此外，蓄能模块3还为整个电力牵引系统05的控制电路提供电源，制式为直流24v，电力牵引系统05能够承受的整车运行引起的电源波动范围在dc 9～36v。
97.可见，变流器1的主电路包括三相整流电桥11、中间直流电压模块12、多个三相逆变模块13，主电路涉及的开关管类型、电阻电容根据实际需求进行选择，本实施例中不作限制；轮毂电机2、蓄能模块3以及制动电阻4均采用共直流母线拓扑方式与变流器1连接，具体是否接入及电能流通由相应的开关管通断决定，开关管的通断依据为控制电路按照本实施例中控制方法输出的控制信号。图3中的电路拓扑图还包括设于主电路上的二次传感器，这些传感器为控制方法提供了有效的采样数据，作为控制方法的实施依据。
98.本发明实施例公开了一种具体的超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的，本实施例中混动系统的动力模式包括：
99.将柴油发动机作为动力能源的第一动力模式；
100.将柴油发动机和蓄能电池作为动力能源的第二动力模式；
101.将蓄能电池作为动力能源的第三动力模式；
102.由电力牵引系统接收装载机的制动能量的第四动力模式。
103.可以理解的是，混动系统的动力模式的选择，需要根据实际工况及其载荷需求进
行设置。
104.具体的，装载机的作业内容包括铲装作业和/或行进作业。
105.其中，第一动力模式下，柴油发动机带动发动机发电，发动机发出三相交流电，通过变流器调整为幅值和频率可变的vfff(variable voltage variable frequency，变压变频)三相交流电驱动轮毂电机，实现轮毂电机的变频控制，该动力模式下，蓄能电池不输出能量；
106.第二动力模式下，由柴油发动机和蓄能电池共同作为动力源迁移驱动整车运行，其中，蓄能电池能够通过dc-dc单元向中间直流电压模块，也即直流侧迅速输出功率，以提升中间直流电压值，从而达到增加电力牵引系统的功率、满足负载波动需求的目的，此外为了保护蓄能电池性能，蓄能电池的电量低于一定值时，一般选择soc为30％，控制dc-dc单元停止蓄能电池向直流侧传输功率；
107.第三动力模式下，整车动力来源为蓄能电池，蓄能电池通过dc-dc单元升高电压与直流侧电压匹配，变流器将直流电逆变成交流电驱动轮毂电机运行，该动力模式一般不作为常用牵引模式，也即，动力模式控制方法还包括：当装载机处于特殊工况或紧急状态，确定混动系统的动力模式为第三动力模式。
108.第四动力模式也即制动模式。整车制动分为电制动和机械制动，电制动作为整车第一制动选择，当驾驶员踩下电制动踏板，轮毂电机运作状态变为发动机，制动产生能量通过变流器回馈至中间直流电压模块，制动能量分为两部分，一部分至蓄能电池实现能量回收，另一部分通过制动电阻消耗，具体协同分配原则包括：在满足整车电制动动态响应时间要求、制动效果的前提下，优先为蓄能电池充电，蓄能电池电量上升至将满时停止充电，制动能量完全由制动电阻消耗，也就是说，第四动力模式具体为：当蓄能电池的电量未达到预设电量，由蓄能电池接收制动能量；当蓄能电池的电量达到预设电量，由电力牵引系统中的制动电阻接收制动能量。具体的，该预设电量常设置为soc为98％电量状态。
109.进一步的，状态信息具体为电力牵引系统的中间直流电压值；
110.相应的，根据状态信息，确定混动系统的动力模式的过程，具体可包括：
111.当中间直流电压值超过第一预设值且小于第二预设值，确定混动系统的动力模式为第一动力模式；
112.当中间直流电压值不大于第一预设值，确定混动系统的动力模式为第二动力模式；
113.当中间直流电压值不小于第二预设值，确定混动系统的动力模式为第四动力模式。
114.可以理解的是，相对于柴油发动机的调速响应速度，装载机的负载波动会直接影响电力牵引系统的功率需求变化，基于电力电子调速的电力牵引系统响应极快；电力牵引系统的轮毂电机功率变化，其直接能量源于中间直流电压模块，直流侧功率出现波动，轮毂电机本身作为阻感负载，电流不会发生突变；同时，电力牵引系统的变流器通常为电压型，通过调控开关管实现输出电压调节。当负载增大，前端柴油发动机响应慢，直流侧能量满足不了负载需求，中间直流电压值降低，降低到第一预设值就可以按照第二动力模式运行，投运蓄能电池增大直流侧功率，中间直流电压值升高。
115.类似的，当负载降低或驾驶员电制动，会直接导致中间直流电压值升高，达到第二
预设值，即可投运第四动力模式，消耗直流侧能量，降低中间直流电压值。
116.具体的，第一预设值和第二预设值的选择，可以预设电压值作为基础，并乘以相应系数，已知第一预设值小于第二预设值，因此第一预设值的系数可设为0.9，第二预设值的系数可设为1.1，这两个系数可根据电力牵引系统设计和调节，具体不作限制。
117.本实施例中针对超大吨位混合动力装载机，提出多种动力模式的运行控制方法，实现柴油发动机、发动机和蓄能电池间的最优功率分配，提高系统能量利用率，能够满足装载机负载剧烈波动的功率需求。
118.相应的，本发明实施例还公开了一种超大吨位混合动力装载机的动力模式控制系统，参见图4所示，包括：
119.获取模块21，用于获取装载机的作业内容与混动系统的状态信息；
120.模式确定模块22，用于根据作业内容和/或状态信息，确定混动系统的动力模式；
121.动作模块23，用于以该动力模式启动装载机；
122.其中，混动系统如图2所示，包括：
123.联轴安装的柴油发动机01、发电机02及分动箱03；
124.与分动箱03连接的液压系统04；
125.包括蓄能电池、与发电机02连接的电力牵引系统05。
126.在一些具体的实施例中，动力模式包括：
127.将柴油发动机01作为动力能源的第一动力模式；
128.将柴油发动机01和蓄能电池作为动力能源的第二动力模式；
129.将蓄能电池作为动力能源的第三动力模式；
130.由电力牵引系统05接收装载机的制动能量的第四动力模式。
131.在一些具体的实施例中，作业内容包括铲装作业和/或行进作业。
132.在一些具体的实施例中，状态信息具体为电力牵引系统05的中间直流电压值；
133.相应的，模式确定模块22根据态信息，确定混动系统的动力模式的过程，包括：
134.当中间直流电压值超过第一预设值且小于第二预设值，确定混动系统的动力模式为第一动力模式；
135.当中间直流电压值不大于第一预设值，确定混动系统的动力模式为第二动力模式；
136.当中间直流电压值不小于第二预设值，确定混动系统的动力模式为第四动力模式。
137.在一些具体的实施例中，第四动力模式具体为：
138.当蓄能电池的电量未达到预设电量，由蓄能电池接收制动能量；
139.当蓄能电池的电量达到预设电量，由电力牵引系统05中的制动电阻接收制动能量。
140.在一些具体的实施例中，模式确定模块22还用于：
141.当装载机处于特殊工况或紧急状态，确定混动系统的动力模式为第三动力模式。
142.在一些具体的实施例中，电力牵引系统05包括：
143.输入端与发电机02连接的变流器；
144.与变流器连接的轮毂电机、蓄能电池及制动电阻。
145.在一些具体的实施例中，变流器包括：三相整流电桥、中间直流电压模块、多个三相逆变模块；
146.三相整流电桥的输入端连接发电机，输出端连接中间直流电压模块的输入端；
147.多个三相逆变模块的输入端均与中间直流电压模块的输出端连接，每个三相逆变模块的输出端均连接一个轮毂电机；
148.蓄能电池的输入端、制动电阻的输入端均通过各自的辅助开关管与中间直流电压模块的输出端连接。
149.在一些具体的实施例中，电力牵引系统05包括四个轮毂电机。本技术公开的混动系统，不需传统液压传动部件，部件选型较为容易；同时混动系统具有柴油发动机和蓄能电池两种动力源，电力牵引系统具有快速灵活输出功率的优点，整个混动系统可根据实际情况选择最合适的动力模式，从而实现了高效节能、快速反馈的效果。
150.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
151.以上对本发明所提供的一种超大吨位混合动力装载机的动力模式控制方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。