CN104385915A - 制动能量回收利用系统、回收利用方法及起重机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制动能量回收利用系统、回收利用方法及起重机，其中，制动能量回收利用系统包括发动机，与发动机连接的动力耦合器，与动力耦合器并联连接的离合器和变速箱，其中，离合器连接液压泵/马达，液压泵/马达并联连接蓄能器和液压油箱，变速箱连接传动机构。在制动过程中，将制动机械能经传动机构、变速箱、动力耦合器、离合器及液压泵/马达，将机械能转换成液压能，储存于蓄能器中，实现制动能量回收；在起动和加速、爬坡时，将蓄能器中储存的能量经液压泵/马达转换为机械能经变速箱传动驱动整车行驶及动力需求，实现能量利用；本发明能够有效回收并利用制动过程产生的能量，提升了整机燃油经济性、整机动力性能和制动性能。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种制动能量回收利用系统、回收利用方法及起重机。
背景技术
起重机产品装机功率大，整车质量重，应用广泛，多行驶于市区内及城市之间作业，行驶过程中有着频繁的起动、加速、制动、爬坡过程。
起重机产品在起步、爬坡过程中由于整机质量重，发动机转速一般较低，通常处于发动机非最佳燃油经济区，这必然导致整机燃油经济性差，起步困难、爬坡能力不足。
起重机产品在制动过程中，采用机械摩擦制动器，通过制动部件与运动部件的相互挤压和摩擦，产生热量消耗在空气中；且由于起重机产品整机质量重，行驶速度相对其他工程机械产品较高，在频繁的制动过程中会导致巨大的能量浪费。
并且，起重机的频繁启停使发动机经常处于低效区，并且频繁的制动和启动，也需要消耗大量能量，而现有的起重机产品中未能对制动过程中的能量进行回收及利用，动力性能提升基本通过匹配大功率发动机实现，整机行驶过程中的燃油经济性低。
发明内容
本发明的目的是提出一种制动能量回收利用系统、回收利用方法及起重机，其能够有效回收利用制动过程产生的动能，提高了整机的燃油经济性。
为实现上述目的，本发明提供了一种制动能量回收利用系统，其包括发动机，与所述发动机连接的动力耦合器，与所述动力耦合器并联连接的离合器和变速箱，其中，所述离合器连接液压泵/马达，所述液压泵/马达并联连接蓄能器和液压油箱，所述变速箱连接传动机构。
在一优选或可选实施例中，制动能量回收利用系统还包括控制装置，所述控制装置包括：
用于检测所述发动机的运行状态的发动机检测单元；
用于检测所述动力耦合器的运行状态，且控制所述动力耦合器与所述离合器脱开或啮合的动力耦合器检测控制单元；
用于检测所述离合器的运行状态，且控制所述离合器与所述动力耦合器脱开或啮合的离合器检测控制单元；
用于检测所述变速箱的运行状态的变速箱检测单元；
用于检测所述液压泵/马达的运行状态，且控制所述液压泵/马达在泵工况和马达工况之间切换的液压泵/马达检测控制单元；
用于检测所述蓄能器的储能状态的蓄能器检测单元；
用于检测车速的车速检测单元；
还包括电连接各所述单元的总控制器，所述总控制器接收各所述单元的采集信号，并向各所述单元发送控制信号。
在一优选或可选实施例中，所述控制装置还包括显示器，所述显示器电连接所述总控制器。
在一优选或可选实施例中，所述传动机构包括传动轴和驱动桥。
为实现上述目的，本发明还提供了一种制动能量回收利用方法，其包括制动能量回收过程和制动能量利用过程；
制动能量回收过程，离合器与动力耦合器啮合，制动产生的能量通过传动机构依次经过变速箱、动力耦合器和离合器，传递给液压泵/马达，液压泵/马达处于泵工作状态，将机械能转化为液压能存储在蓄能器中；
制动能量利用过程，离合器与动力耦合器啮合，液压泵/马达处于马达工作状态，将蓄能器储存的液压能转化为机械能，机械能依次通过离合器、动力耦合器、变速箱和传动机构，提供动力。
在一优选或可选实施例中，在有制动需求的情况下，判断发动机状态、动力耦合器状态和变速箱状态是否正常，并判断车速是否在有效范围，如果各状态正常，且车速处于有效范围，启动制动能量回收过程。
在一优选或可选实施例中，在制动能量回收前，根据蓄能器的储能状态、变速箱状态、发动机状态及制动需求，计算制动能力，控制液压泵/马达以泵工况运行，同时对液压泵/马达的需求排量进行控制。
在一优选或可选实施例中，在有起动/加速需求的情况下，判断发动机状态、动力耦合器状态和变速箱状态是否正常，并判断车速是否在有效范围，如果各状态正常，且车速处于有效范围，启动制动能量利用过程。
在一优选或可选实施例中，在制动能量利用前，根据蓄能器的储能状态、变速箱状态、发动机状态及制动需求，计算驱动能力，控制液压泵/马达以马达工况运行，同时对液压泵/马达的需求排量进行控制。
为实现上述目的，本发明还提供了一种起重机，其包括上述的制动能量回收利用系统。
基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
在本发明通过在变速箱前端加装动力耦合器，并通过离合器与液压泵/马达相互作用，在制动过程中，通过制动需求将制动机械能经传动机构、变速箱、动力耦合器带动离合器及液压泵/马达，将机械能转换成液压能，储存于蓄能器中，实现制动能量回收；在起动和加速、爬坡时，将蓄能器中储存的能量经液压泵/马达转换为机械能经变速箱传动驱动整车行驶及动力需求，实现能量利用；本发明能够有效回收并利用制动过程产生的能量，提升了整机燃油经济性、整机动力性能和制动性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的制动能量回收利用系统的结构示意图；
图2为本发明提供的制动能量回收利用系统在单独驱动时动力传递路径框图；
图3为本发明提供的制动能量回收利用系统在制动能量回收时动力传递路径框图；
图4为本发明提供的制动能量回收利用系统在能量利用时动力传递路径框图；
图5为本发明提供的制动能量回收利用系统中控制装置的设置位置示意图；
图6为本发明提供的制动能量回收利用系统中控制装置的控制过程示意图。
附图中：
1-发动机；2-动力耦合器；3-离合器；4-液压泵/马达；5-蓄能器；6-液压油箱；7-变速箱；8-传动机构。
11-发动机检测单元；22-动力耦合器检测控制单元；33-离合器检测控制单元；44-液压泵/马达检测控制单元；55-蓄能器检测单元；66-总控制器；77-变速箱检测单元；88-车速检测单元；99-显示器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
首先对本发明中用到的技术术语进行解释。
起重机：底盘与重卡功能相同，采用轮胎在路面行驶，上车作业时用吊钩或其他取物装置吊挂重物，在空间进行升降与运移等循环性作业的机械。
液压泵/马达：液压泵/马达是实现机械能和液压能相互转换的重要元件。利用液压泵/马达四象限工作特性，通过改变液压泵/马达斜盘的倾角和方向，改变液压泵/马达是作为“泵”工况工作，还是作为“马达”工况工作。
如图1所示，本发明提供的制动能量回收利用系统包括发动机1、动力耦合器2、离合器3、变速箱7、液压泵/马达4、蓄能器5、液压油箱6和传动机构8等。
其中，发动机1连接动力耦合器2，动力耦合器2并联连接离合器3和变速箱7，离合器3连接液压泵/马达4，液压泵/马达4并联连接蓄能器5和液压油箱6，变速箱7连接传动机构8。传动机构8可以包括传动轴和驱动桥。离合器3可以采用液压控制，自带冷却的专用离合器，其能够根据自身系统匹配的转速与扭矩满足使用需求。蓄能器5可以采用气体皮囊式蓄能器。
本发明提供的制动能量回收利用系统的制动能量回收利用方法，其包括制动能量回收过程和制动能量利用过程。
在制动能量回收过程中，离合器3与动力耦合器2啮合，制动产生的能量通过传动机构8依次经过变速箱7、动力耦合器2和离合器3，传递给液压泵/马达4，液压泵/马达4处于泵工作状态，液压泵/马达4将液压油箱6中的液压油压入蓄能器5中，进而将机械能转化为液压能存储在蓄能器5中。
在制动能量利用过程中，离合器3与动力耦合器2啮合，液压泵/马达4处于马达工作状态，蓄能器5中储存的高压油驱动马达工作，液压泵/马达4将液压能转化为机械能，机械能依次通过离合器3、动力耦合器2、变速箱7和传动机构8，提供动力。
如图5所示，本发明提供的制动能量回收利用系统还可以包括控制装置，控制装置可以包括发动机检测单元11、动力耦合器检测控制单元22、离合器检测控制单元33、变速箱检测单元77、液压泵/马达检测控制单元44、蓄能器检测单元55、车速检测单元88和总控制器66。其中，
发动机检测单元11用于检测发动机1的运行状态；发动机1的运行状态包括发动机1的转速、发动机1的扭矩、发动机1的瞬时油耗等状态量。
动力耦合器检测控制单元22用于检测动力耦合器2的运行状态，且控制动力耦合器2与离合器3脱开或耦合；动力耦合器2的运行状态包括输出转速、齿轮箱内温度等状态量。
离合器检测控制单元33用于检测离合器3的运行状态，且控制离合器3与动力耦合器2脱开或啮合；离合器3的运行状态包括离合器3的运行温度等状态量。
变速箱检测单元77用于检测变速箱7的运行状态；变速箱7的运行状态包括变速箱7的档位状态及档位信息等。
液压泵/马达检测控制单元44用于检测液压泵/马达4运行状态，且控制液压泵/马达4在泵工况和马达工况之间切换，及控制提供排量/扭矩大小等。
蓄能器检测单元55用于检测蓄能器5的储能状态。
车速检测单元88用于检测车速。
总控制器66电连接发动机检测单元11、动力耦合器检测控制单元22、离合器检测控制单元33、变速箱检测单元77、液压泵/马达检测控制单元44、蓄能器检测单元55和车速检测单元88，总控制器66接收各单元的采集信号，并向各单元发送控制信号。
上述实施例中，控制装置还包括显示器99，显示器99电连接总控制器66。显示器99用于显示制动能量回收利用系统的运行状态，提供故障诊断查询及故障报警等。
本发明提供的制动能量回收利用系统通过设置控制装置，能够自动实现在发动机单独驱动过程、制动能量回收过程和制动能量利用过程的切换。
发动机单独驱动过程：通过控制装置检测整车运行状态及发动机1的运行状态，当发动机1工作于最佳燃油消耗区时，控制装置控制离合器3脱开，切断动力耦合器2与液压泵/马达4之间的动力传递，本发明提供的制动能量回收利用系统不参与工作，发动机1单独驱动整车行驶。如图2所示，发动机1单独驱动过程中的动力传递路径为：发动机1-动力耦合器2-变速箱7-传动轴-驱动桥。
制动能量回收过程：当控制装置检测起重机处于行驶制动过程且整车运行状态满足能量回收条件时，控制装置控制离合器3与动力耦合器2啮合，并控制液压泵/马达4处于泵工作状态，如图3所以，制动能量回收过程动力传递路径为：依靠驱动桥行驶惯性带动传动轴经变速箱7、动力耦合器2、离合器3和液压泵/马达4，液压泵/马达4以泵形式工作，将机械能转化为液压能存储在蓄能器5中。
制动能量利用过程：当控制装置检测起重机处于行驶/起动过程中，且制动能量回收利用系统中的能量满足使用需求时，控制装置控制离合器3与动力耦合器2啮合，并控制液压泵/马达4处于马达工作状态，如图4所示，能量利用过程中动力传递路径为：蓄能器5中储存的液压能通过液压泵/马达4转化为机械能，然后经离合器3、动力耦合器2、变速箱7、传动轴、作用于驱动桥，此过程与发动机1同时工作驱动整车行驶，液压泵/马达4输出扭矩控制结合发动机1运行状态，保证发动机1处于最佳燃烧效率区。
由于在能量利用过程中，液压泵/马达4输出的动力经过变速箱7降速升扭过程传递至驱动桥，所以在能量利用过程中，驱动扭矩能得到了充分的放大，动力性能更强，可以保证驱动起重机的动力需求，使发动机1非处于超负荷工作过程，保证发动机1处于最佳工作区域，正常所需的不足动力均由制动能量回收利用系统能量释放提供，动力更强，发动机1节油效果更明显。
如图6所示，本发明提供的制动能量回收利用系统中的控制装置的控制过程为：
启动制动能量回收利用系统开关，判断模式开关是否置1：
如果否，系统机械切断，控制装置关闭；
如果是，判断系统自检是否成功：如果否，进行系统故障诊断，如果是，控制装置判断车辆处于制动需求状态或启动/加速需求状态；
如果车辆处于制动需求状态，判断发动机状态、动力耦合器状态和变速箱状态是否正常，并判断车速是否在有效范围，如果各状态正常，且车速处于有效范围，启动制动能量回收过程，在制动能量回收前，根据蓄能器的储能状态、变速箱状态、发动机状态及制动需求(驾驶员制动踏板强度)，计算制动能力(在车轮上的制动力)，控制液压泵/马达以泵工况运行，通过液压泵/马达自带的控制阀对液压泵/马达的需求排量进行控制，并可以通过显示器实时显示系统运行状态；如果各状态非正常，车速处于有效范围外，制动能量回收利用系统不参与控制，车辆正常制动；
如果车辆处于启动/加速需求状态，判断发动机状态、动力耦合器状态和变速箱状态是否正常，并判断车速是否在有效范围，如果各状态正常，且车速处于有效范围，启动制动能量利用过程，在制动能量利用前，根据蓄能器的储能状态、变速箱状态、发动机状态及起动/加速需求(驾驶员油门踏板强度)，计算驱动能力(车轮驱动力)，控制液压泵/马达以马达工况运行，通过液压泵/马达自带的控制阀对液压泵/马达的需求排量进行控制，并可以通过显示器实时显示系统运行状态；如果各状态非正常，车速处于有效范围外，制动能量回收利用系统不参与控制，车辆正常驱动。
通过上述各实施例，可以推导出本发明至少具有以下优点：
1)本发明既兼顾起重机质量重，制动动能足，回收能量充足的特点，又兼顾起重机起步动力不足，燃油消耗大的特点，实现制动能量的合理回收和充分利用，以达到起重机节能减排，提升动力性能和制动性能的效果。
2)本发明结合起重机自身特点，将动力耦合器2布置于发动机1与变速箱7之间，液压泵/马达4转换的动力经过变速箱7降速升扭过程传递至驱动桥，所以在能量利用过程中，驱动扭矩能得到了充分的放大，动力性能更强，可以保证驱动起重机的动力需求。
3)本发明根据现有起重机特点，将动力耦合器2布置于发动机1与变速箱7之间，动力耦合器2并联连接变速箱7和离合器3，且设置有液压泵/马达4、蓄能器5和液压油箱6，能够对起重机制动能量进行回收与充分利用，避免了液压系统匹配元件过大，成本过高，难于实现的问题。
4)本发明在车辆制动时，液压泵/马达4以“泵”的形式工作，车辆行驶的动能或惯性能通过传动轴经动力耦合器2带动泵旋转，将液压油箱6中的液压油压入蓄能器5中，实现动能到液压能的转化；当车辆起动或加速时，液压泵/马达4以“马达”的形式工作，蓄能器5释放高压油以驱动马达工作，动力通过动力耦合器经传动轴传递至车桥，实现液压能到车辆动能的转化。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种制动能量回收利用系统，其特征在于：包括发动机，与所述发动机连接的动力耦合器，与所述动力耦合器并联连接的离合器和变速箱，其中，所述离合器连接液压泵/马达，所述液压泵/马达并联连接蓄能器和液压油箱，所述变速箱连接传动机构。
2.如权利要求1所述的制动能量回收利用系统，其特征在于：还包括控制装置，所述控制装置包括：
用于检测所述发动机的运行状态的发动机检测单元；
用于检测所述动力耦合器的运行状态，且控制所述动力耦合器与所述离合器脱开或啮合的动力耦合器检测控制单元；
用于检测所述离合器的运行状态，且控制所述离合器与所述动力耦合器脱开或啮合的离合器检测控制单元；
用于检测所述变速箱的运行状态的变速箱检测单元；
用于检测所述液压泵/马达的运行状态，且控制所述液压泵/马达在泵工况和马达工况之间切换的液压泵/马达检测控制单元；
用于检测所述蓄能器的储能状态的蓄能器检测单元；
用于检测车速的车速检测单元；
还包括电连接各所述单元的总控制器，所述总控制器接收各所述单元的采集信号，并向各所述单元发送控制信号。
3.如权利要求2所述的制动能量回收利用系统，其特征在于：所述控制装置还包括显示器，所述显示器电连接所述总控制器。
4.如权利要求1所述的制动能量回收利用系统，其特征在于：所述传动机构包括传动轴和驱动桥。
5.一种制动能量回收利用方法，其特征在于：包括制动能量回收过程和制动能量利用过程；
制动能量回收过程，离合器与动力耦合器啮合，制动产生的能量通过传动机构依次经过变速箱、动力耦合器和离合器，传递给液压泵/马达，液压泵/马达处于泵工作状态，将机械能转化为液压能存储在蓄能器中；
制动能量利用过程，离合器与动力耦合器啮合，液压泵/马达处于马达工作状态，将蓄能器储存的液压能转化为机械能，机械能依次通过离合器、动力耦合器、变速箱和传动机构，提供动力。
6.如权利要求5所述的制动能量回收利用方法，其特征在于：在有制动需求的情况下，判断发动机状态、动力耦合器状态和变速箱状态是否正常，并判断车速是否在有效范围，如果各状态正常，且车速处于有效范围，启动制动能量回收过程。
7.如权利要求6所述的制动能量回收利用方法，其特征在于：在制动能量回收前，根据蓄能器的储能状态、变速箱状态、发动机状态及制动需求，计算制动能力，控制液压泵/马达以泵工况运行，同时对液压泵/马达的需求排量进行控制。
8.如权利要求5所述的制动能量回收利用方法，其特征在于：在有起动/加速需求的情况下，判断发动机状态、动力耦合器状态和变速箱状态是否正常，并判断车速是否在有效范围，如果各状态正常，且车速处于有效范围，启动制动能量利用过程。
9.如权利要求8所述的制动能量回收利用方法，其特征在于：在制动能量利用前，根据蓄能器的储能状态、变速箱状态、发动机状态及制动需求，计算驱动能力，控制液压泵/马达以马达工况运行，同时对液压泵/马达的需求排量进行控制。
10.一种起重机，其特征在于：包括如权利要求1-4任一项所述的制动能量回收利用系统。
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