一種混合驅動型電動工程機械的製作方法

2023-05-13 19:49:06 1

本實用新型屬於工程機械設備技術領域，涉及電力傳輸技術，工程機械技術，通信技術，控制技術，具體來說，是一種一種混合驅動型電動工程機械。

背景技術：

中大型的工程機械，如挖掘機、吊車等，重達幾十噸到上百噸，發動機功率在100KW到數千KW, 但實際上這些機械真正有限的工作效率還不到20%，大部分無用功都消耗在發動機和液壓系統上，提高工程機械效率的理想方案是把發動機改為電機。

但是，電動型工程機械如果直接通過電網供電，而這樣大的機械往往耗電量的波動非常大，對電網的容量要求很高，而且因為機械離不開從電網上引來的電纜供電，其活動範圍受到很大的局限，並不是可以普遍採用的方案。

也有通過外接供電車為工程機械供電的移動供電型電動方案，但對於大型工程機械來講，所需要的功率太大，需要巨大的供電車裝載大量的電池才能供電，而且功率大需要用很粗的電纜進行供電，所以也不適合。

還有混合驅動方案，即在工程機械上安裝發動機和電池-電機系統，發動機驅動液壓系統，同時帶動一個發電機-電動機兩用的電機，連接到一個電池組上。當液壓系統要求的能量少時，發動機驅動發電機發電為電池充電，反過來液壓系統負載大時，就用電池內的發過來驅動電機來輔助發動機驅動液壓系統。這樣的混合系統確實能有效的提高工程機械的效率，但在實際上，因為工程機械內的工作條件環境非常苛刻，複雜的電池和電力系統安裝在這樣的環境下，會大幅度提高故障風險，當然對元件性能要求的提高，也意味著成本的提高。更苛刻的條件是這類挖掘機常常需要每天工作20小時以上，對機械的連續性要求非常高，在這樣用途的機械上搭載混合驅動系統的技術難度和成本難度都比較大，因此這樣的方案也不適合。

技術實現要素：

本實用新型要解決現有技術的問題，構思出的一種混合驅動型電動工程機械可以很好地克服上述問題，提供了一種在不影響工程機械工作效率的前提下，縮小發動機和供電車尺寸規格，降低故障的解決方案。

為達到上述目的，本實用新型採用的技術方案如下：

一種混合驅動型電動工程機械，包括可移動供電車和工程機械，所述可移動供電車中設有電池、輸出電力變換裝置、電源控制裝置及充電裝置，所述工程機械中設有電機、第一液壓泵組、發動機、第二液壓泵組、液壓驅動系統及油箱，電機的電力由可移動供電車提供；電機驅動第一液壓泵組，發動機驅動第二液壓泵組，將油箱中的壓力油提供給液壓驅動系統中的油缸或液壓馬達；所述工程機械中還設有由發動機帶動的第一發電機，第一發電機產生的電力通過電力輸出控制裝置傳輸至可移動供電車的充電裝置，變成可為電池充電的電力。工程機械的動力來源以發動機為主，電機為輔，當機械負載小時，工程機械可以單獨工作而不需要供電車提供電力，發動機多餘的功率可以用來帶動第一發電機發電，為可移動供電車的電池充電，當機械負載增大時，通過輸出電力變換裝置將電池的電力傳輸至電機，使電機進入工作狀態，如果工程機械長時間處於高負載工作狀態，車載發動機沒有餘量為供電車的電池充電時，供電車可以通過外接電網充電，電網過遠的話可以解開與工程機械的連接，將供電車移動到有電網的地方去充電，同時更換另換一臺供電車配合工程機械工作。

優選的，所述可移動供電車和所述工程機械中都設有通訊裝置，用於兩者之間信號的傳輸，信號包括可移動供電車上電池的電量信息以及工程機械發出的指令，可移動供電車上的通訊裝置可接收從工程機械上通訊裝置傳來的指令，而通過電源控制裝置控制電力輸出變換裝置是否輸出電池的電力以及根據需要輸出電力的大小。

優選的，在所述工程機械中增設液壓電力變換裝置，把通常液壓系統中通過節流而轉換成熱能的液壓能，轉變為電能，通過電力輸出裝置變換為供電車上的電池充電。

優選的，所述液壓電力變換裝置包括換向閥、液壓馬達、第二發電機及控制裝置，換向閥安裝於具有上下移動的油缸或液壓馬達的壓力油回流管路上，通過控制裝置，換向閥改變回流管路，使壓力油通過液壓馬達再流入油箱，液壓馬達帶動第二發電機發電，產生的電力通過電力輸出控制裝置傳輸至可移動供電車的充電裝置，變成可為電池充電的電力。把位於高處的油缸或液壓馬達中的壓力油的勢能，在壓力油回流下落過程中通過液壓馬達和發電機轉換成電能，並且為可移動供電車的電池充電，從而回收一部分原來損失的能量。

優選的，所述工程機械通過操作手柄實現對電機和發動機的工作狀態和工作強度的控制。當工程機械的操作手柄全部處於中立位置，且發動機所驅動的第二液壓泵組的出口壓力低於指定值，工程機械上的通訊裝置自動通知可移動供電車停止輸出電力變換裝置的輸電，而使電機停止工作；當工程機械的操作手柄中有任意一個手柄離開中立位置並達到一定操作量以上時，通訊裝置通知供電車啟動輸出電力變換裝置的輸電，而讓電機轉動起來，電機的轉動速度隨操作手柄的操作量成正比。

優選的，所述操作手柄上設有加速按鈕。手柄開度達到最大後，電機速度保持一定，當加速按鈕被按住時，輸出電力變換裝置可以把電機轉速繼續提高一定的量，而起到瞬間加速的作用。

一種計算發電機最佳發電量的方法，用於計算第一發電機在發動機最高效率工作時的最佳發電量，所述計算方法包括以下步驟：

S1、控制發動機的轉速與能讓發動機燃燒效率最高時的轉速Ni保持一致，在發動機出廠時，說明書上都註明了發動機的各項參數，其中就包括燃燒效率最高時的轉速功率；

S2、計算第二液壓泵組所消耗的扭矩，即在第二液壓泵組的驅動軸上所施加的扭矩Tp，計算公式為：

Tp=PS2*q/Ka；

其中，PS2為第二液壓泵組的出口壓力；

q為泵排量，根據操作手柄的操作量和泵排量控制邏輯來推算出來；

Ka為第二液壓泵組的機械效率；

S3、計算第一發電機輸入軸所容許的最大扭矩Te，計算公式為：

Te=Ti-Tp= Ti- PS2*q/Ka；

其中，Ti為發動機在最高效率工作下的轉速Ni時的扭矩Ti；

S4、根據第一發電機輸入軸所容許的最大扭矩Te即可計算出第一發電機的最佳發電量。

這樣要保證發電機的最佳發電量只要控制發電機的輸入軸扭矩儘可能的接近容許的最大扭矩Te就可以了。而發動機的工作狀態始終保持在最佳功效的狀態，並且隨著機械負載的大小隨時調節第一發電機發電量的大小，最大限度的減少了能量的損失。

本實用新型的有益效果在於：保證了中大型工程機械採用小型發動機也能保持正常工作。採用混合動力，使整個系統達到最高效率，外接供電車可以積極利用電網電力，減小了發動機的規格和供電車的尺寸，即減小廢氣排放、燃油成本和環境噪聲。同時，把複雜而嬌氣的電池和電力控制系統安放到工作環境較好的供電車上，避免了這些結構安裝在工程機械上的故障隱患，即使供電車的電力系統發生故障，也只需要換一臺供電車，就可以繼續工作，不會影響工程機械的正常工作。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

圖2是本實用新型的動力系統示意圖。

圖中：1、可移動供電車；1.1、電池；1.2、輸出電力變換裝置；1.3、電源控制裝置；1.4、充電裝置；2、工程機械；2.1、電機；2.2、第一液壓泵組；2.3、發動機；2.4、第二液壓泵組；2.5、液壓驅動系統；2.5.1、油缸或液壓馬達；2.6、油箱；2.7、第一發電機；2.8、電力輸出控制裝置；2.9、液壓電力變換裝置；2.9.1、換向閥；2.9.2、液壓馬達；2.9.3、第二發電機；2.9.4、控制裝置；2.10、操作手柄；2.10.1、加速按鈕。

具體實施方式

下面通過具體實施方式和附圖對本實用新型作進一步的說明。

實施方式為：如圖1和圖2所示，一種混合驅動型電動工程機械，包括可移動供電車1和工程機械2，可移動供電車1中設有電池1.1、輸出電力變換裝置1.2、電源控制裝置1.3及充電裝置1.4，工程機械2中設有電機2.1、第一液壓泵組2.2、發動機2.3、第二液壓泵組2.4、液壓驅動系統2.5、油箱2.6及第一發電機2.7，電機2.1的電力由可移動供電車1提供；電機2.1驅動第一液壓泵組2.2，發動機2.3驅動第二液壓泵組2.4，將油箱2.6中的壓力油提供給液壓驅動系統2.5中的油缸或液壓馬達2.5.1；發動機2.3帶動第一發電機2.7，產生的電力通過電力輸出控制裝置2.8傳輸至可移動供電車1的充電裝置1.4，變成可為電池1.1充電的電力。

其中，可移動供電車1和工程機械2中都設有通訊裝置3，用於兩者之間信號的傳輸。

此外，工程機械2中設有液壓電力變換裝置2.9，包括換向閥2.9.1、液壓馬達2.9.2、第二發電機2.9.3及控制裝置2.9.4，換向閥2.9.1安裝於具有上下移動的油缸或液壓馬達2.5.1的壓力油回流管路上，通過控制裝置2.9.4，換向閥2.9.1改變回流管路，使壓力油通過液壓馬達2.9.2再流入油箱2.6，液壓馬達2.9.2帶動第二發電機2.9.3發電，產生的電力通過電力輸出控制裝置2.8傳輸至可移動供電車1的充電裝置1.4，變成可為電池1.1充電的電力。

工程機械2通過操作手柄2.10實現對電機2.1和發動機2.3的工作狀態和工作強度的控制。操作手柄2.10上的加速按鈕2.10.1可加大輸出電力變換裝置輸出的電力，從而增加電機轉速，起到加速功能，用於操作者覺得操作速度不足或力量不足的時候。

根據以上所述的一種混合驅動型電動工程機械，而得出一種計算發電機最佳發電量的方法，用於計算第一發電機2.7在發動機2.3最高效率工作時的最佳發電量，計算方法包括以下步驟：

S1、控制發動機2.3的轉速與能讓發動機2.3燃燒效率最高時的轉速Ni保持一致；

S2、計算第二液壓泵組2.4所消耗的扭矩，即在第二液壓泵組2.4的驅動軸上所施加的扭矩Tp，計算公式為：

Tp=PS2*q/Ka；

其中，PS2為第二液壓泵組2.4的出口壓力；

q為泵排量，根據操作手柄2.10的操作量和泵排量控制邏輯來推算出來；

Ka為第二液壓泵組2.4的機械效率；

S3、計算第一發電機2.7輸入軸所容許的最大扭矩Te，計算公式為：

Te=Ti-Tp= Ti- PS2*q/Ka；

其中，Ti為發動機2.3在最高效率工作下的轉速Ni時的扭矩Ti；

S4、根據第一發電機2.7輸入軸所容許的最大扭矩Te即可計算出第一發電機2.7的最佳發電量。

工作方式為：動力由發動機2.3單獨提供，或由發動機2.3和電機2.1共同提供，原因在於一般發動機2.3不宜進行頻繁的啟動停止，而電機2.1則不在乎，所以根據工程機械2操作量的大小可以隨時啟動或停止電機2.1。另一方面，發動機2.3達到速度上限後，不可能繼續增速，而電機2.1適當的超速運行對電機2.1的性能也沒有影響，利用電,2.1的這種特點，可以在工程機械2負載低的時候，及時停止電機2.1，節省能源，而在工程機械2重負載時，電機2.1能再加一把力，而擴展同等工程機械2的使用範圍。

在工程機械2運輸或轉移時，不好連接可移動供電車1，可以把可移動供電車1的電纜脫開，而只讓發動機2.3驅動第二液壓泵組2.4，而驅動工程機械2。

可移動供電車1的電力不一定非從第一發電機2.7和第二發電機2.9.3上獲得，也可以在電網上充好電後來過來為工程機械2供電，如果以這種方式為主時，可以適當減小發動機2.3的尺寸，或者調低發動機2.3的轉速，減少發動機2.3對可移動供電車1的充電比率。 在這種使用狀態下，可以儘量多使用可移動供電車1方面的電能，但如果從可移動供電車1上提供的電能過多，就需要裝載很大的電池1.1和使用很粗的電纜，可移動供電車1的體積重量等都會大幅度增大，而大幅度提高可移動供電車1的成本，降低可移動供電車1的機動性，同時降低工程機械2的工作方便性。所以，根據工程機械2機型的大小選擇合適合理的發動機2.3和電池1.1的大小比例是非常重要的。

有三個準則可以參考：第一是發動機2.3最大排量準則。在一些有工程機械2排氣限制的地區，當發動機2.3的排氣水平超過一定程度時，將會受到很多使用制約，在這種地區，讓發動機2.3的排氣量低於這些制約值是最重要的。動力不足的部分則用可移動供電車1來提供，按這個準則決定的發動機2.3功率為W1。

第二是最大通用可移動供電車1準則。如果為某一型號的工程機械2專門開發一種可移動供電車1，其成本會大幅度增加，所以，最好能採用最大的通用型可移動供電車1，根據可移動供電車1能提供的最大電力和工程機械2所需要的動力決定發動機2.3的最小功率W2。

第三是最小發動機2.3準則，即發動,2.3單獨驅動工程機械2時，所需要的最小功率W3。

在上述三種準則下得出的最佳發動機功率值作為選擇發動機2.3的準則，選好發動機2.3後，在根據工程機械2所需要的最大功率來決定可移動供電車1的電池1.1容量和供電功率。

以上所述僅為本實用新型的具體實施例，但本實用新型的結構特徵並不局限於此，本實用新型可以用於類似的產品上，任何本領域的技術人員在本實用新型的領域內，所作的變化或修飾皆涵蓋在本實用新型的專利範圍之中。