装载机控制系统、装载机以及装载机控制方法与流程

专利2022-05-10  13



1.本发明涉及工程机械领域,具体涉及一种装载机控制系统、装载机以及装载机控制方法。


背景技术:

2.装载机在重载作业时,驾驶员为了提高作业效率,往往大脚踩油门,并提升动臂,即采用联合动作的作业模式:即边行走边举升动臂。这种作业模式下,功率消耗较多。如果发动机的功率选型偏小的话,会导致发动机掉转速太多,即转速下降过快,当发动机的转速下降到一定值时,容易导致发动机熄火;另一方面,发动机的转速下降过多会导致动臂缸举升过慢,也影响行走速度,整机的综合作业效率不高。
3.因此,为了能充分满足重载的联合作业工况,发动机的功率选型一般会有较多的富余,即选择大功率的发动机,以增大发动机的功率。
4.发明发现,相关技术存在以下问题:选择大功率的发动机,会导致发动机自身成本较高,并且与发动机配套的后处理系统、散热系统、以及整机的发动机的减振、护罩等成本均有所增加;另外,还存在整机油耗偏大,噪声偏大等问题,造成了整机综合使用成本增加。


技术实现要素:

5.本发明提出一种装载机控制系统、装载机以及装载机控制方法,用以在不增加装载机发动机的功率的前提下,提高装载机的输出功率。
6.本发明实施例提供一种装载机控制系统,包括:发动机,被构造为提供转动动能;isg电机,与所述发动机驱动连接;所述isg电机包括发电机工作模式和电动机工作模式;发电机,与所述isg电机驱动连接;控制器,与所述发电机、所述isg电机均电连接,所述控制器与所述发动机通信连接,所述控制器被构造为切换所述isg电机的工作模式;储能装置,与所述控制器电连接;其中,当所述isg电机位于发电机工作模式下,经由所述isg电机向所述储能装置充电;当所述isg电机位于电动机工作模式下,所述储能装置经由所述控制器向所述isg电机提供电能;举升系统,包括液压泵以及举升缸;所述液压泵和所述举升缸通过液压油路连接;所述发动机通过所述isg电机、所述发电机与所述液压泵驱动连接;以及,驱动总成,包括牵引电机和减速机,两者驱动连接;所述发电机通过所述控制器与所述牵引电机电连接,以向所述牵引电机输送电能。
7.在一些实施例中,所述控制器包括:中央控制器,与所述发动机通信连接,以控制所述发动机的输出功率;isg控制器,与所述中央控制器通信连接,所述isg控制器还与所述isg电机电连
接,所述isg控制器被构造将所述isg电机的工作模式在发电机工作模式和电动机工作模式之间切换;发电机控制器,与所述中央控制器通信连接,所述发电机控制器还与所述发电机电连接;储能装置控制器,与所述中央控制器通信连接,所述储能装置控制器还与所述储能装置电连接;以及,牵引电机控制器,与所述中央控制器通信连接,所述牵引电机控制器还与所述牵引电机电连接。
8.在一些实施例中,所述举升系统还包括:手柄,被构造为输出举升信号,以控制所述举升缸动作;多路阀,设置于所述液压泵的油路中;液压控制器,与所述手柄通信连接,以调节所述手柄的工作角度信号;所述液压控制器还与所述多路阀通信连接,以控制所述多路阀的阀芯位移;以及,can,所述液压控制器通过所述can与所述中央控制器通信连接。
9.在一些实施例中,装载机控制系统还包括:电子油门踏板,与所述中央控制器电连接,所述控制器被构造为根据所述油门踏板的角度信号控制所述牵引电机的输出功率。
10.在一些实施例中,所述牵引电机包括四个,每个所述牵引电机都单独配置一个所述牵引电机控制器。
11.在一些实施例中,所述中央控制器和所述isg控制器被构造为执行以下操作:所述中央控制器判断所述发动机的额定功率和当前负载所需要的功率的关系;如果所述负载所需要的功率小于所述发动机的额定功率,则所述中央控制器向所述isg控制器发送将所述isg电机工作模式切换为发电机工作模式的信号,所述isg控制器将所述isg电机的工作模式切换为发电机工作模式;如果所述负载所需要的功率大于或者等于所述发动机的额定功率,则所述中央控制器向所述isg控制器发送将所述isg电机工作模式切换为电动机工作模式的信号,所述isg控制器将所述isg电机的工作模式切换为电动机工作模式。
12.在一些实施例中,当所述isg电机处于发电机工作模式下:动力传递路径为:所述发动机驱动所述isg电机、所述发电机均转动;发电路径为:所述发动机驱动所述isg电机转动,所述isg电机将发出的电能经过所述控制器转换后传递至所述储能装置。
13.在一些实施例中,当所述isg电机处于发电机工作模式下:行走动能的传递过程如下:所述发电机转动发电,所述发电机发送的电能经由控制器传递至所述牵引电机。
14.在一些实施例中,当所述isg电机处于电动机工作模式下:动力传递路径为:所述储能装置驱动所述isg电机转动,所述发动机和所述isg电机共同驱动所述液压泵转动;耗电路径为:所述储能装置经过所述控制器将电能传递至所述isg电机,以驱动所述isg电机转动。
15.在一些实施例中,当所述isg电机处于电动机工作模式下:行走动能的传递过程如下:所述发电机转动发电,所述发电机发送的电能经由控制器传递至所述减速机。
16.在一些实施例中,在以下各种情形下,所述负载所需要的功率小于所述发动机的额定功率:所述装载机正常行驶、所述装载机单独举升、所述装载机进行边举升边行走且行走、举升均未达到极限状态的联合工况作业。
17.在一些实施例中,在以下各种情形下,所述负载所需要的功率大于或者等于所述发动机的额定功率:所述装载机进行边举升边行走且行走、举升至少其中之一达到极限状态的联合工况作业。
18.在一些实施例中,装载机控制系统还包括:分动箱,布置于所述发电机和所述液压泵之间,所述分动箱被构造为接收所述发动机和处于电动机工作模式下的所述isg电机输出的转动动力,并传递至所述液压泵。
19.本发明实施例还提供一种装载机,包括本发明任一技术方案所提供的装载机控制系统。
20.本发明实施例又提供一种装载机控制方法,包括以下步骤:判断所述发动机的额定功率和当前负载所需要的功率的关系;如果所述负载所需要的功率大于或者等于所述发动机的额定功率,则将所述isg电机切换至电动机工作模式,由所述isg电机和所述发动机共同驱动所述液压泵、牵引电机动作。
21.在一些实施例中,装载机控制方法还包括以下步骤:如果所述负载所需要的功率小于所述发动机的额定功率,则将所述isg电机切换至发电机工作模式,所述发动机驱动所述液压泵、所述isg电机、所述牵引电机动作,所述isg电机产生的电能输出至所述储能装置存储。
22.上述技术方案提供的装载机控制系统,同时具有发动机、isg电机、发电机、控制器、储能装置、举升系统和驱动总成。isg电机具有两种工作模式:发电机工作模式和电动机工作模式。如果负载所需要的功率小于发动机的额定功率,发动机具有足够的驱动能力,此时发动机驱动isg电机、发电机的驱动轴都同步转动。该转动动力有以下三个用途:第一种,在需要举升时,该转动动力被传递至液压泵,以驱动液压泵工作;第二种,在需要行走时,该转动动力被用于驱动发电机发电,所发的电能经由控制器转换后被传递至牵引电机,以实现装载机的电驱动行走;第三种,发动机会同步带动处于发电机工作模式下的isg电机,isg电机发电,且产生的电能经过控制器转换后被传递至储能装置存储。
23.如果负载所需要的功率大于或者等于发动机的额定功率,发动机没有足够的驱动能力,此时isg电机处于电动机工作模式,发动机和isg电机共同提供转动动力。该转动动力有以下两个用途:第一种,在需要举升时,该转动动力被传递至液压泵,以驱动液压泵工作;第二种,在需要行走时,该转动动力被用于驱动发电机发电,所发的电能经由控制器转换后被传递至牵引电机,以实现装载机的电驱动行走。这种情况下,isg电机转动所需要的能量来自于储能装置,储能装置将存储的电能经过控制器转换后传递至isg电机使用。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本技术的一部分,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。
25.图1为本发明实施例提供的装载机控制系统原理示意图。
26.图2为本发明实施例提供的装载机控制系统的控制器原理示意图。
27.图3a为本发明实施例提供的装载机控制系统中isg电机处于电动机工作模式下的电能传递路径。
28.图3b为本发明实施例提供的装载机控制系统中isg电机处于发电机工作模式下的电能传递路径。
29.图3c为本发明实施例提供的装载机控制系统中发电机向牵引电机输送电能的传递路径。
30.图4为本发明实施例提供的装载机控制方法流程示意图。
具体实施方式
31.下面结合图1~图4对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。
32.本发明实施例提供一种装载机控制系统,包括发动机3、isg电机5、发电机6、控制器4、储能装置2、举升系统以及驱动总成。发动机3被构造为提供转动动能。isg电机5与发动机3驱动连接。isg电机5包括发电机工作模式和电动机工作模式。发电机6与isg电机5驱动连接。控制器4与发电机6、isg电机5均电连接。控制器4被构造为切换isg电机5的工作模式。储能装置2与控制器4电连接。其中,当isg电机5位于发电机工作模式下,经由isg电机5向储能装置2充电。当isg电机5位于电动机工作模式下,储能装置2经由控制器4向isg电机5提供电能。举升系统包括液压泵10以及举升缸13,液压泵10和举升缸13通过液压油路连接;液压泵10通过发电机6、isg电机5与发动机3驱动连接。驱动总成包括牵引电机16和减速机15,两者驱动连接;发电机6通过控制器4与牵引电机16电连接,以向牵引电机16输送电能。
33.此处,发动机3可以采用已有设备。举例来说,如果装载机极限状态下所需要的功率的最大值是450kw,则可以采用额定功率为400kw的发动机3,剩余的50kw的能量由isg电机5提供。所以,采用本发明实施例的技术方案,可以选择更小功率的发动机3,就能实现整个装载机更大功率的需求。且由于发动机3和isg电机5共同提供的功率足够大,这使得装载机的各种动作(正常行驶、动臂举升等)都能够以按照实际情况确定的速度进行,该速度由驾驶员控制,从而降低甚至避免了因为功率不足只能缓慢动作带来的作业效率低下的现象,使得整机的综合作业效率更高。
34.此处,isg(英文全称为integrated starter and generator,简称为isg)电机5是集成式起动机与发电机的简称。
35.isg电机5是电动发电一体机,即可以用作发电机,也可以用作电动机。本文中,isg电机5的两种工作模式的切换与装载机的负载功率相关。
36.如果负载所需要的功率大于或者等于发动机3的额定功率,则isg电机5处于电动机工作模式。在电动机工作模式下,isg电机5和发动机3一起驱动发电机6和液压泵10工作,以实现装载机正常行驶和液压缸的举升操作。
37.如果负载所需要的功率小于发动机3的额定功率,则isg电机5处于发电机工作模
式。在发电机工作模式下,发动机3单独驱动发电机6和液压泵10工作,以实现装载机正常行驶、液压缸的举升操作中的一个,或者非极限状态下的联合工作。并且,在该模式下,发动机3同时还驱动isg电机5发电,isg电机5产生的电能存储于储能装置2中,以在isg电机5需要用作电动机工作模式时,再由储能装置2提供给isg电机5使用。
38.为了便于理解,此处先对后文可能涉及的部件的连接方式作出以下说明:本文中,通信连接是为了实现控制器与控制器之间或者控制器与can之间交换数据。而isg电机5和发电机6作为动力执行元件,均不具备通信连接的功能,因为电机的扭矩、转速等参数,电机自身并不采集,只是按照对应的控制器输出的电压、电流等转换为动力学参数,并通过传感器发送给控制器,即控制器获取了电机的参数,而电机并不需要获取控制器的参数。因此isg电机5和isg控制器4b之间、发电机6和发电机控制器4c之间、牵引电机16和牵引电机控制器4d之间都采用线束连接,即电连接。以及储能装置2同样不具有通信功能,所以储能装置2与后文介绍的储能装置控制器4e之间也采用线束连接,即电连接。
39.vcu和发动机3之间属于通信连接,因为发动机3包括电子控制单元ecu。手柄11与液压控制器9也属于通信连接,因为手柄11有can线。电子油门踏板1没有can线,也是采用线束与vcu连接。所以本文中,采用线束连接的统称为电连接。而具有两个部件均具有通信功能的部件,如果需要连接则采用通信连接。
40.此处,控制器4与发电机6、isg电机5均具体通过线束实现电连接。线束包括控制线(细线)、电器线(较粗)、电缆、光缆、光纤等。控制器4与发动机3之间通信连接,以实现信号交互。
41.储能装置2与控制器4电连接,具体通过线束实现电连接。储能装置2包括:锂电池、电容、超级电容、以及其他可以储存和释放电能的装置等。
42.发电机6为交流发电机,包括现有的交流发电机、永磁发电机、磁阻发电机等,在一些实施例中,采用永磁同步发电机。发电机6发电后,经控制器4,具体是后文介绍的发电机控制器4c、vcu(中央控制器4a)和牵引电机控制器4d转换、调压、逆变后向驱动总成的牵引电机16输出电能,牵引电机16驱动减速机15行走。
43.液压泵10为变量电控液压泵,可以根据输入的电信号来调节泵的排量。多路阀12为电控多路阀,可根据输入的电信号调节阀芯的开度。负载的大小与液压泵10的输出功率正相关,与后文介绍的手柄11的角度关系不大。装载机空载的时候,手柄11的角度可能达到最大,也可能达不到最大,这要取决于驾驶员实际操作的情况。
44.牵引电机16为交流电动机,包括现有的交流电动机、永磁同步电机、磁阻电机等,在一些实施例中,采用永磁磁阻电动机。
45.驱动总成除了包括牵引电机16和减速机15外,还可以包括向控制器4发送转速、扭矩、功率、电流、电压等信号的传感器14。在一些实施例中,装载机具有四组轮子,每组轮子都单独配备有牵引电机16、每个牵引电机16单独配备有减速机15以及单独配备有牵引电机控制器4d。每个牵引电机控制器4d单独配备有传感器14,这样实现了装载机为四轮独立电驱动结构。
46.参见图1,在一些实施例中,装载机控制系统还包括分动箱8,分动箱8布置于发电机6和液压泵10之间。分动箱8被构造为接收发动机3和处于电动机工作模式下的述isg电机5输出的转动动力,并传递至液压泵10。分动箱8可以采用已有的结构。
47.参见图1和图2,控制器4包括中央控制器(vehicle control unit,以下简称为vcu)4a、isg控制器4b、发电机控制器4c、储能装置控制器4e以及牵引电机控制器4d。
48.参见图1和图2,中央控制器4a与发动机3通信连接,以控制发动机3的输出功率。并且,vcu还会自动检测发动机3的输出功率、扭矩和转速。isg控制器4b与中央控制器4a通信连接。isg控制器4b还与isg电机5电连接,具体通过线束连接。isg控制器4b被构造将isg电机5的工作模式在发电机工作模式和电动机工作模式之间切换。发电机控制器4c与中央控制器4a通信连接,发电机控制器4c还与发电机6电连接,具体通过线束连接。储能装置控制器4e与中央控制器4a通信连接,储能装置控制器4e还与储能装置2电连接。牵引电机控制器4d与中央控制器4a通信连接,牵引电机控制器4d还与牵引电机16电连接,具体通过线束连接。
49.参见图1和图2,具体连接方式如下。
50.(1)vcu的输入端子连接关系为:输入端子u0接can7的n1端子,输入端子u1接第一传感器14as的输出端子,输入端子u2接第二传感器14bs的输出端子,输入端子u3接第三传感器14cs的输出端子,输入端子u4接第四传感器14ds的输出端子,输入端子u5接储能装置控制器4e的e2输出端子,输入端子u6接电子油门踏板1的输出端子,输入端子u7接发动机3的输出端子,输入端子u8接isg控制器4b的g2输出端子,输入端子u9接发电机控制器4c的f2输出端子。
51.(2)vcu的输出端子连接关系为:输出端子u0连接can7的n1端子(u0既为输入端子,同时也是输出端子),输出端子r0接发电机控制器4c的f1输入端子,输出端子r1接牵引电机控制器4d的t0输入端子,输出端子r2接储能装置控制器4e的e0输入端子,输出端子r3接发动机3的输入端子,输出端子r4接isg控制器4b的g1输入端子。
52.(3)液压控制器9的输入端子连接关系为:液压控制器9输入端子h0连接手柄11的输出端子,以接收手柄11输出的角度信号。
53.(4)液压控制器9的输出端子连接关系为:液压控制器9输出端子h1接液压泵10的输入端子,液压控制器9输出端子h2接多路阀12的输入端子,液压控制器9输出端子h3接can7的n0输入端子。
54.(5)isg控制器4b的输入端子连接关系为:isg控制器4b输入端子g0接isg电机5的输出端子,isg控制器4b输入端子g1接vcu的r4输出端子。
55.(6)isg控制器4b的输出端子连接关系为:isg控制器4b输出端子g2接vcu的u8输入端子,isg控制器4b输出端子g3接isg电机5的输入端子。
56.(7)发电机控制器4c的输入端子连接关系为:发电机控制器4c输入端子f0接发电机6的输出端子,发电机控制器4c输入端子f1接vcu的r0输出端子。
57.(8)发电机控制器4c的输出端子连接关系为:发电机控制器4c输出端子f2连接中央控制器(vcu)4a的u9输入端子。
58.(9)牵引电机控制器4d的输入端子连接关系为:牵引电机控制器4d输入端子t0接vcu的r1输出端子。
59.(10)牵引电机控制器4d的输出端子连接关系为:牵引电机控制器4d输出端子t1接第一牵引电机16a的输入端子,牵引电机控制器4d输出端子t2接第二牵引电机16b的输入端子,牵引电机控制器4d输出端子t3接第三牵引电机16c的输入端子,牵引电机控制器4d输出
端子t4接第四牵引电机16d的输入端子。
60.(11)储能装置控制器4e的输入端子连接关系为:储能装置控制器4e输入端子e0接vcu的r2输出端子,储能装置控制器4e输入端子e1接储能装置2的输出端子。
61.(12)储能装置控制器4e的输出端子连接关系为:输出端子e2接vcu的u5输入端子,输出端子e3接储能装置2的输入端子。
62.继续参见图1和图2,第一牵引电机16a的输出端子接第一传感器14a的输入端子,第二牵引电机16b的输出端子接第二传感器14b的输入端子,第三牵引电机16c的输出端子接第三传感器14c的输入端子,第四牵引电机16d的输出端子接第四传感器14d的输入端子。
63.继续参见图1和图2,举升系统还包括手柄11、多路阀12、液压控制器9以及can7。手柄11被构造为输出举升信号,以控制举升缸13动作。多路阀12设置于液压泵10的油路中。液压控制器9与手柄11通信连接,以检测手柄11的工作角度信号。液压控制器9还与多路阀12电连接,以控制多路阀12的阀芯位移。液压控制器9通过can7与中央控制器4a通信连接。
64.具体来说,can7的输入端子连接关系为:can7输入端子n0接液压控制器9的h3输出端子,can7输入端子n1接vcu的u0的输出端子。
65.can7的输出端子连接关系为:can7输出端子n1接vcu的u0输入端子(与vcu的连接,n1为输入与输出的同一端子)。
66.液压泵10、多路阀12、手柄11等状态信息通过液压控制器9向can7发送信号,在can7进行显示和监控。在液压控制器9向can7发送信号之后,vcu(中央控制器4a)通过can7读取信号后,检测发动机3的功率、扭矩和转速,当功率大于或者等于额定功率时,启动isg电机5输出额外的功率。
67.发动机3、发电机6、isg电机5、驱动总成的牵引电机16以及整机的运行等状态参数通过vcu(中央控制器4a)向can7发送信号,在can7进行显示和监控。驾驶员通过can7可以方便地读取相关信号。
68.isg电机5输出额外的功率增量(通过储能装置控制器4e、vcu、isg控制器4b实现),即采用isg电机5和发动机3共同向整机输出功率,进而提高或者维持发动机3的转速,保证发动机3可输出接近于或等于额定功率的同时,提高整机的作业效率,降低整机油耗。并且,减小了发动机3的选型功率,降低用户的综合使用成本;又可以在重载作业时,使发动机3的转速保持一定的刚性,使得发动机3的转速基本保持不变或者有一定的提高。此处,发动机3的转速基本保持不变是指转速维持在a
±
3%区间,a为发动机额定功率对应的转速。因为发动机3的转速响应(0.5秒级别响应)要滞后于isg电机的转速响应(50毫秒级别的响应),导致发动机3的转速有波动。发动机3的转速维持在a
±
3%区间,说明发动机3的转速保持了一定的刚性。
69.参见图1,手柄11向后操纵为动臂举升,向前操纵为动臂下降,手柄11的角度信号与液压控制器9向液压泵10和多路阀12发送的信号强弱正相关(或成正比),即与液压泵10和多路阀12阀芯的开度正相关,即与流量正相关,即与动臂举升速度正相关。
70.实际应用中,当动臂举升到顶后,驾驶员松开手柄11,手柄11复位,液压举升动作停止,整机仅仅进行驱动行驶,vcu(中央控制器4a)向储能装置2和isg电机5发送发电信号,由发动机3带动isg电机5向储能装置2充电。驾驶员通过手柄11进行动臂举升动作,液压控制器9检测到举升信号后,向液压泵10和多路阀12同时输出比例信号,液压泵10排量的输
出、多路阀12阀芯的开度与手柄11的角度正相关,液压泵10通过多路阀12向举升缸13进行供油。
71.继续参见图1和图2,装载机控制系统还包括电子油门踏板1,电子油门踏板1与中央控制器4a电连接,控制器4被构造为根据电子油门踏板1的角度信号控制牵引电机16的输出功率。电子油门踏板1的角度和vcu(中央控制器4a)向牵引电机16输出的信号强弱、以及牵引电机16输出的功率大小正相关(或成正比)。
72.下面介绍控制器4所执行的各种操作。
73.在一些实施例中,中央控制器4a和isg控制器4b被构造为执行以下操作:首先,中央控制器4a判断发动机3的额定功率和当前负载所需要的功率的关系;其次,如果负载所需要的功率小于发动机3的额定功率,则中央控制器4a向isg控制器4b发送将isg电机5工作模式切换为发电机工作模式的信号,isg控制器4b将isg电机5的工作模式切换为发电机工作模式;如果负载所需要的功率大于或者等于发动机3的额定功率,则中央控制器4a向isg控制器4b发送将isg电机5工作模式切换为电动机工作模式的信号,isg控制器4b将isg电机5的工作模式切换为电动机工作模式。
74.在一些实施例中,当isg电机5处于发电机工作模式下,动力传递路径为:发动机3驱动isg电机5、发电机6均转动。在该模式下,发电路径为:发动机3驱动isg电机5转动,isg电机5将发出的电能经过控制器4转换后传递至储能装置2。
75.具体来说,上述发电路径是发动机3带动isg电机5向储能装置2充电的过程,其具体如下:发动机3带动isg电机5发电,isg电机5通过isg控制器4b进行转换,将交流电转为直流电,并通过vcu(中央控制器4a)向储能装置控制器4e发送直流电,储能装置控制器4e将直流电输入到储能装置2中进行存储。即此情况下,停止共同的功率输出,而是向储能装置2充电。
76.另一种传递路径为:也可以由isg控制器4b将转换后的直流电直接发送至储能装置控制器4e,而无需经过vcu,vcu仅向isg控制器4b和储能装置控制器4e输出控制信号。
77.在一些实施例中,当isg电机5处于发电机工作模式下,行走动能的传递过程如下:发电机6转动发电,发电机6发送的电能经由控制器4传递至牵引电机16。
78.在一些实施例中,当isg电机5处于电动机工作模式下,动力传递路径为:储能装置2驱动isg电机5转动,发动机3和isg电机5共同驱动液压泵10转动。
79.耗电路径为:储能装置2经过控制器4将转换后的电能传递至isg电机5,以驱动isg电机5转动。
80.在一些实施例中,当isg电机5处于电动机工作模式下,行走动能的传递过程如下:发电机6转动发电,发电机6发送的电能经由控制器4传递至牵引电机16。
81.上文介绍了isg电机5的两种工作模式与负载所需要的功率相关,在以下各种情形下,负载所需要的功率小于发动机3的额定功率:装载机正常行驶、装载机单独举升、装载机进行边举升边行走且行走、举升均未达到极限状态的联合工况作业。
82.在以下各种情形下,负载所需要的功率大于或者等于发动机3的额定功率:装载机进行边举升边行走且行走、举升至少其中之一达到极限状态的联合工况作业。
83.下面介绍一些具体的实施例。
84.参见图1和图2,整体来说,装载机控制系统包括油路连接、电路连接和机械连接三
类连接关系。
85.首先介绍液压系统油路连接的方式。油源经液压泵10、多路阀12分别连接两个举升缸13的大腔和小腔,举升缸13的小腔经多路阀12连回到油箱。
86.电路连接的详细内容请参见上文各个控制器4的连接关系,此处只做大概的描述。电路连接包括电连接和通信连接两类。vcu(中央控制器4a)的输入端口分别通信连接发动机3、isg控制器4b、发电机控制器4c、can7、牵引电机控制器4d、储能装置控制器4e。vcu(中央控制器4a)的输入端口还与驱动总成的传感器14、电子油门踏板1电连接。vcu(中央控制器4a)的输出端口为多个,分别通信连接发动机3、isg控制器4b、发电机控制器4c、can7、牵引电机控制器4d、储能装置控制器4e。
87.isg控制器4b的输入和输出端口同时接isg电机5;发电机控制器4c的输入端口接发电机6。
88.牵引电机控制器4d的输出端口接牵引电机16。
89.储能装置控制器4e的输入和输出端口同时接储能装置2。
90.液压控制器9的输入端口接手柄11、输出端口接can7、液压泵10、多路阀12。
91.下面介绍机械连接的实现方式。发动机3、isg电机5、发电机6、分动箱8通过联轴器连接也可以采用传动轴连接,分动箱8与液压泵10通过花键连接。其中,采用联轴器连接时,发动机3飞轮、isg电机5、发电机6以及分动箱8输入轴的轴心线重合。如果采用传动轴连接,发动机3飞轮、isg电机5、发电机6以及分动箱8输入轴能够实现驱动连接即可,不要求必须同轴。
92.下面介绍各种工况下的工作模式。
93.整机有以下工作模式:单独行走、单独举升(包括重载举升、非重载举升)、同时行走和举升。同时行走和举升时根据承载情况和行走参数,在举升和行走都达到极限状态对应的参数时,可能会出现发动机3功率接近或者等于额定功率的情形。其他情形下,驾驶员单独进行整机重载举升动作、驱动整机行走其中之一时,发动机3功率都能够满足要求。同时行走和举升但行走和举升至少其中之一未达到极限状态的联合工况,发动机3的功率都可以满足要求。
94.两个动作同时进行、且都在极限状态下,发动机3的功率发挥到最大,发动机3的功率接近或等于额定功率,但是装载机整体明显功率不足,导致行走缓慢,举升无力等。此时就需要启动isg电机5进行额外功率输出,即由发动机3和isg电机5共同对负载进行功率输出,且发动机3的功率达到额定功率。即发动机3保持在额定功率值附近,比如正负3%的范围内,而负载所需的超出发动机3功率的部分由isg电机5来满足。
95.根据各个工况下,发动机3的功率是否达到额定功率,将上述的各个工况分为两大类,第一类是所需要的功率小于发动机3的额定功率,此时isg电机5用作发电机,将产生的电能传递至储能装置2存储。第二类是所需要的功率接近或者达到发动机3的额定功率,此处,isg电机5用作电动机,储能装置2将电能提供至isg电机5。
96.第一类情形为:整体正常工作时。此时,对应的工况是:驾驶员单独进行重载举升动作,或者驱动整机负载或者无负载情形下行走。
97.当vcu(中央控制器4a)检测到发动机3的功率小于额定功率时,说明此时的载荷为空载、轻载、或者是非联合作业,或者联合作业模式的程度不大,即油门轻踩、或者举升动臂
的手柄角度很小等,此时发动机3的功率并未发挥到最大,因此isg并不参与功率输出,而是以发电机发电的方式向储能装置2进行充电。
98.具体地:发动机3带动isg电机5发电,isg电机5通过isg控制器4b进行转换,将交流电转为直流电,并通过vcu(中央控制器4a)向储能装置控制器4e发送直流电,储能装置控制器4e将直流电输入到储能装置2中进行存储。另一种可能的方式为:发动机3带动isg电机5发电,isg电机5通过isg控制器4b进行转换,将交流电转为直流电,由isg控制器4b将转换后的直流电直接发送至储能装置控制器4e,储能装置控制器4e将直流电输入到储能装置2中进行存储。该方式不经过vcu(中央控制器4a)。
99.在第一类情形中,下面将其细分为正常行驶、单独进行重载行走运输、单独进行举升操作三种情况加以描述。
100.1、当整机正常行驶时:发动机3带动isg电机5、发电机6、分动箱8以及液压泵10进行运转。isg电机5通过isg控制器4b、vcu(中央控制器4a)、储能装置控制器4e向储能装置2进行充电;发电机6通过发电机控制器4c、vcu(中央控制器4a)、牵引电机控制器4d向驱动总成输送电能,驱动整机行走。
101.具体为:vcu检测到发动机3的功率小于额定功率,通过r4端子、g1端子向isg控制器4b输出指令,isg控制器4b通过端子g3向isg电机5输出发电指令,isg电机5通过输出端子向isg控制器4b的g0端子输出三相交流电,isg控制器4b通过自身转换器将交流电转为直流电后,经isg控制器4b即isg控制器4b输出端子g2,vcu输入端子u8,vcu输出端子r2、储能装置控制器4e输入端子e0、储能装置控制器4e输出端子e3,输入至储能装置2进行能量存储。
102.发电机6通过发电机控制器4c、vcu、牵引电机控制器4d向驱动总成输送电能,驱动整机行走。
103.具体为:vcu通过r0端子、f1端子向发电机控制器4c请求输出电能指令,发电机6通过输出端子向发电机控制器4c的f0端子输出三相交流电,发电机控制器4c通过自身转换器将交流电转为直流电后,经输出端子f2,vcu端子u9,vcu端子r1,牵引电机控制器4d端子t0,输入至牵引电机控制器4d,牵引电机控制器4d将直流电经自身逆变器转为交流电后,经端子t1输出至第一牵引电机16a,经端子t2输出至第二牵引电机16b,经端子t3输出至第三牵引电机16c,经端子t4输出至第四牵引电机16d,四个牵引电机16在交流电作用下,输出转速和扭矩,并通过减速机15驱动整机行走。
104.另一种电能传递方式:由于发电机控制器4c向牵引电机控制器4d输送的直流电压一般较高,因此也可以直接向牵引电机控制器4d输出直流电,并且在发电机6运转的状态下始终保持直流电接通,而不经过vcu。即只要发电机6处于发电状态,那么所发出的电能就可以直接输送至牵引电机控制器4d,而vcu仅仅向发电机控制器4c和牵引电机控制器4d输出控制信号即可。
105.驾驶员踩下电子油门踏板1后,vcu(中央控制器4a)根据电子油门踏板1的角度的增加(减少)信号,同时向发电机控制器4c和牵引电机控制器4d发送信号,要求发电机控制器4c输出功率,并且功率是增加(减少)的;同时要求牵引电机控制器4d向牵引电机16输出功率,并且功率是增加(减少)的。同时进而通过发电机控制器4c转换后,经vcu中央控制器4a、牵引电机控制器4d逆变转为交流电后,向驱动总成的牵引电机16输出电能,牵引电机16通过减速机15驱动整机行走。
106.简而言之,整机行走时,控制信号按照以下路径传递至牵引电机16:电子油门踏板1的角度信号传输至vcu(中央控制器4a),vcu(中央控制器4a)同时向发电机控制器4c、牵引电机控制器4d输出信号,牵引电机控制器4d通过牵引电机16带动驱动总成,驱动总成驱动整机行走(前进或倒退)。
107.结合上文介绍的各个端子,信号传递过程具体为:电子油门踏板1的角度信号经输出端子,vcu的u6端子输入至vcu,vcu根据踏板的角度通过r0端子、f1端子向发电机控制器4c输出与踏板角度对应的电能信号,发电机控制器4c根据vcu的指示,通过f2端子、u9端子向vcu输出对应的电能。vcu经过r1端子,t0端子将于电子油门踏板1角度对应的电能输出给牵引电机控制器4d,由牵引电机控制器4d传输至牵引电机16.牵引电机16按照电子油门踏板1的角度输出转速和扭矩,驱动减速机行走。
108.vcu通过u7端子自动实时检测发动机3的输出功率、扭矩和转速,通过u6端子检测电子油门踏板1的角度信号,通过u1端子、u2端子、u3端子和u4端子检测四个牵引电机16的转速、扭矩等参数。
109.2、当驾驶员不举升动臂,而是进行重载行走运输时:此时,液压控制器9向can7不发送信号,vcu(中央控制器4a)通过can7未检测到液压控制器9的信号,同时检测到发动机3的功率完全满足负载要求,即功率远小于额定功率,则向储能装置2和isg电机5发送发电信号,由发动机3驱动isg电机5向储能装置2进行充电。即发动机3带动isg电机5发电,isg电机5通过isg控制器4b进行转换,将交流电转为直流电,并通过vcu(中央控制器4a)向储能装置控制器4e发送直流电,储能装置控制器4e将直流电输入到储能装置2中进行存储。
110.3、当驾驶员仅仅控制手柄11,向后倾斜一定角度时,同时电子油门踏板1没有输入信号,此时是通过手柄11举升动臂时:即单独进行液压功率消耗,vcu(中央控制器4a)自动检测发动机3的功率值,并与额定功率进行比较,发动机3功率完全满足负载要求,即功率远小于额定功率。增加手柄11向后的倾斜角度,可以缩短举升时间。vcu(中央控制器4a)未检测到行走的输入信号,就不会向牵引电机控制器4d输出信号指令,即发电机6产生的电压并未形成闭合回路,因此发电机6在发动机3的带动下,持续产生交流电,并通过发电机控制器4c进行整流,经vcu输出至牵引电机控制器4d,牵引电机控制器4d接收到直流电,由于没有接收到vcu的指令,因此,不会进行将直流电逆变为交流电的转换,也不会向牵引电机16输出电能,牵引电机16没有接收到来自牵引电机控制器4d的交流电能,保持0转速或者依靠整机的惯性逐渐减速停止。
111.第二类情形为:整机重载进行边举升边行走的联合工况作业。
112.当整机重载进行边举升边行走的联合工况作业时,即电子油门踏板1的角度达到或接近最大,并且,手柄11的举升信号角度达到或接近最大。此时,发动机3为了满足负载功率需求,功率达到或接近最大。所谓重载包括:80%以上的额定载荷,满载及超载。发动机3的额定功率指的是:发动机3对外输出功率的最大值或者标定功率。
113.整机举升时,控制信号按照以下路径传递至液压泵10:手柄11的角度信号

液压控制器9

液压泵10、多路阀12。液压泵10和多路阀12同时开启,向举升缸13进行供油。
114.具体为:手柄11向右(如图1所示)倾斜,手柄11的角度信号通过输出端子经h0输入至液压控制器9,液压控制器9根据手柄的角度信号,通过输出端子h1向液压泵10输出对应的排量信号,通过输出端子h2向多路阀12输出对应的阀芯位移信号,通过输出端子h3、can7
的n0端子向can7发送液压功率输出信号。
115.液压泵10根据液压控制器9的指令,开启对应的排量,而多路阀12根据液压控制器9的指令,阀芯实现对应的位移,液压油经液压泵10、多路阀12d0、d2口,输入至两个举升缸13的大腔,两个举升缸13的小腔经多路阀12的d1、d3口回油箱,实现油缸的举升动作。
116.具体来说,当检测到发动机3的功率接近或等于额定功率时,且牵引电机16的转速(或功率)与电子油门踏板1对应的角度不匹配(转速偏小,或者功率偏小)时,vcu(中央控制器4a)会将isg电机5向储能装置2充电的信号切换为由储能装置2向isg供电信号,即会向储能装置控制器4e和isg控制器4b发送功率输出信号,储能装置控制器4e控制储能装置2并通过vcu向isg控制器4b输入所要求的功率,isg控制器4b驱动isg电机5切换工作模式,isg电机5由发电机工作模式转换为电动机工作模式,即从发电状态转为驱动状态。然后,isg电机5和发动机3一起向发电机6和分动箱8输出具有比发动机3额定功率更大的机械功率。
117.结合上文介绍的各个端子连接关系,信号具体传递过程为:vcu通过r2端子、e0端子向储能装置控制器4e输出功率请求信号,储能装置控制器4e通过e3端子向储能装置2发送电能输出信号,储能装置2通过e1端子向储能装置控制器4e输出直流电信号,储能装置控制器4e通过e2端子、vcu的u5端子、r4端子、g1端子向isg控制器4b输出直流电信号,isg控制器4b将直流电信号通过逆变器,转为交流电信号,并通过g3端子向isg电机5输出交流电信号,此时,isg电机5转为电动机,和发动机3一起向发电机6、分动箱8输出机械功率。
118.联合工况作业时,采用混合动力共同输出功率:vcu(中央控制器4a)会自动检测发动机3的输出功率、扭矩和转速,当检测到发动机3的功率接近或等于额定功率时,vcu(中央控制器4a)会向储能装置控制器4e和isg控制器4b发送功率输出信号,储能装置控制器4e控制储能装置2并通过vcu(中央控制器4a)向isg控制器4b输入所要求功率的直流电,isg控制器4b将直流电逆变为isg电机5所需要的交流电,并向isg电机5输出电能,isg电机5将isg控制器4b输出的电功率转换为转子的机械功率,并和发动机3一起向发电机6和分动箱8输出具有比发动机3额定功率更大的机械功率。此处,isg电机5通过储能装置2向负载提供额外的功率增量,确保:95%额定功率≤发动机3功率≤额定功率,从而满足液压系统和驱动总成的高效作业。
119.采用上述控制方式,具有以下优点:一方面:发电机6的功率有所增加,并通过发电机控制器4c将交流电转换为直流电,发电机控制器4c通过vcu(中央控制器4a)向牵引电机控制器4d输入电能,牵引电机控制器4d将直流电通过自身逆变器转为牵引电机16所需要的交流电,并向牵引电机16输出对应的扭矩和转速,进而牵引电机16通过减速机15驱动轮胎,使整机按照对应的车速行驶。另一方面:分动箱8的功率有所增加,并带动液压泵10,通过液压油推动油缸进行更快的举升。从而满足整机重载举升和行走的联合作业需求。
120.本发明实施例提供的上述技术方案具有以下优点:1.成本低。整个功率输出控制系统可以降低发动机3的功率和扭矩需求,原来需要选择大功率发动机3,尺寸大,排量大,配套的附件成本高、油耗高、噪声大;现在有isg电机5进行功率输出储备,从而综合降低现有发动机3的功率,降低油耗、降低噪声,从而降低购买整机的成本以及整机的综合使用成本,市场竞争力大。
121.2.工作效率较高。由于该功率输出控制系统在重载联合作业时,由发动机3和isg电机5共同对负载进行功率输出,使动臂举升速度加快、整机行走速度更快,使每个工作循
环的作业时间相应减少,从而提高整个作业的工作效率。
122.3.整机的灵活性更好,适应性更加广泛。采用本发明功率输出控制系统的整机,isg既可以在必要时对负载进行功率输出,也可以对储能装置2进行充电,可在需要的时候进行高效协作作业,也可在不需要的时候进行充电节能,因而具有更好的适应性和灵活性。
123.4.容易实现供货。isg电机5、控制器4和举升缸13等相关件的制造技术成熟,加工方便、供应商配套成熟度高。
124.5.油耗更低:传统整机的作业效率小于70%,因为采用变矩器、变速箱以及驱动桥方案,传动系统有30%的燃油基本都不做功,而是发热耗散掉了;本发明采用独立电驱动方案,省略了变矩器、变速箱、驱动桥等大质量的传动件,因而传动系质量更小,系统发热更小,燃油消耗可降低10%以上。
125.本发明实施例还提供一种装载机,包括本发明任一技术方案所提供的装载机控制系统。
126.参见图3a至图4,本发明另一些实施例还提供一种装载机控制方法,具体可以采用上文介绍的装载机控制系统实现,下面详细介绍该方法的各个步骤。
127.步骤s100、判断发动机3的额定功率和当前负载所需要的功率的关系。
128.步骤s200、如果负载所需要的功率大于或者等于发动机3的额定功率,则将isg电机5切换至电动机工作模式,由isg电机5和发动机3共同驱动液压泵10、牵引电机16动作。
129.在一些实施例中,装载机控制方法还包括以下步骤:步骤s300、如果负载所需要的功率小于发动机3的额定功率,则将isg电机5切换至发电机工作模式。发动机3驱动液压泵10、isg电机5、牵引电机16动作。isg电机5在产生的电能输出至储能装置2存储。牵引电机16动作实现装载机的行走。isg电机5则是发电。
130.参见图3a,图3a示意的是isg电机5和发动机3共同输出功率,isg电机5从储能装置2取出电能。具体来说,储能装置2将电能传递给储能装置控制器4e,储能装置控制器4e输出直流电给vcu,vcu将电能输送给isg控制器4b,isg控制器4b将直流电逆变为交流电,然后提供给isg电机5使用。isg电机5和发动机3共同输出功率。
131.参见图3b,图3b示意的是isg电机5向储能装置2反向充电,存储电能。具体来说,isg电机5将交流电输送给isg控制器4b,isg控制器4b将交流电转换为直流电输送至vcu,vcu将电能传递至储能装置控制器4e,储能装置控制器4e将直流电输送至储能装置2存储。
132.参见图3c,图3c示意的是发电机6向牵引电机16输出功率的过程。具体来说,发电机6输入的交流电传递至发电机控制器4c,发电机控制器4c将交流电转换为直流电并传递至vcu,然后vcu将直流电传递至牵引电机控制器4d,牵引电机控制器4d将电流逆变为交流电传递至牵引电机16。
133.在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作,因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
134.最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,但这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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