一种基于超级电容的混动装载机能量回收系统及控制方法与流程 专利技术说明

车辆装置的制造及其改造技术1.本发明涉及一种控制系统及控制方法，具体涉及一种基于超级电容的混动装载机能量回收技术，属于工程机械技术领域。背景技术：2.目前，传动燃油装载机，多数采用液压制动方式，在大吨位及超大吨位装载机上，由于整机重量太高，在刹车时，机械制动方式对摩擦片产生大量磨损，导致刹车盘寿命很短，且在制动时产生的能量无法回收。3.随着电传动技术的发展，使得刹车时可以通过电机、电池进行能量回收，通过电制动方式，减少机械制动时带来的损耗，但是在大吨位电传动装载机中，由于采用四个大功率驱动电机，在制动时，瞬间产生电量过大，电池无法进行有效回收，因此大多数采用制动电阻将这部分能量进行消耗。利用超级电容可以瞬时大功率充放电特性，可以有效地对瞬时大电流进行回收，从而提高能量回收的效率。技术实现要素：4.本发明针对目前大吨位电传动装载机中节能控制策略，提供了一种基于超级电容的混动装载机节能控制系统及方法，有效的解决了对于瞬时大功率回充的能量利用，提高了整车的续航能力。5.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：6.本发明第一方面公开了一种基于超级电容的混动装载机能量回收系统，包括发动机、发电机、超级电容、整车控制器、轮边电机、轮边电机控制器、油门踏板、电制动踏板；所述发动机与发电机采用机械连接方式，四个轮边电机驱动整车行走，所述轮边电机控制器与轮边电机相连；所述发电机、超级电容及四个轮边电机控制器并联，超级电容及发电机能够同时作为轮边电机的动力源；整车控制器一方面分别与发电机控制器、四个轮边电机控制器相连，同时整车控制器另一方面又与电制动踏板、油门踏板相连。7.在一些实施例中，所述四个轮边电机的主轴上装有制动器，所述整车控制器与电磁阀相连，通过电磁阀开度控制液压动力驱动制动器夹紧制动盘实现摩擦制动，实现紧急制动。8.在一些实施例中，所述超级电容与发电机控制器及轮边电机控制器之间存在继电器，能够通过断开继电器实现对超级电容的保护。9.在一些实施例中，所述整车控制器还与转向角度传感器相连，用于检测整车转向状态，根据转向角度调节转向时四个轮边电机的制动扭矩，协调转向。10.在一些实施例中，所述四个轮边电机控制器还与制动电阻相连，当整车处于长下坡工况下，超级电容电量充满后，制动电阻能够消耗轮边电机产生的电量，降低制动盘的磨损。11.本发明第二方面公开了一种基于超级电容的混动装载机能量回收方法：12.发电机、超级电容及四个轮边电机控制器并联在同一高压回路，当整机正常驱动时，由发电机作为动力源，驱动四个轮边电机工作，此时整车控制器根据四个轮边电机的驱动功率，控制发电机的发电功率，使系统电压维持稳定在工作电压范围内；13.当司机踩下电制动踏板时，整机进入能量回收状态；14.整车控制器对电制动踏板的行程进行区分，正常状态下，前半行程，仅控制轮边电机，依靠轮边电机的制动力矩，实现刹车的目的；15.刹车时，四个轮边电机作为发电机，经过轮边电机控制器后，将产生的电量回充到超级电容内，此时发电机不在工作，超级电容将回充的电量存储后，在下次驱动时，依靠超级电容存储的电量，作为驱动轮边电机的动力源，从而驱动整机行走；16.当存储的电量释放完后，系统电压回归到工作电压后，整车控制器控制发电机发电，作为动力源持续输出；17.在后半行程，整车控制器即控制轮边电机输出制动力矩，同时控制电磁阀的开度，机械制动介入以加强制动效果，以应对特殊情况下的紧急制动。18.在一些实施例中，整车控制器还与转向角度传感器相连，用于检测整车转向状态，根据转向角度调节转向时四个轮边电机的制动扭矩，协调转向。19.在一些实施例中，当转向角度传感器数值低于设定阈值时，此时认为整机处于直线行驶状态，这种情况下整车控制器控制四个轮边电机的扭矩输出一致，按照分段的方式对制动扭矩进行控制；第一阶段，这一阶段不切断油门踏板的作用，整车控制器请求扭矩为当前油门踏板对应的驱动扭矩减去当前转速及制动踏板开度下对应的制动扭矩，若前者大于后者，则轮边电机处于驱动状态，若后者大于前者，则轮边电机处于发电状态；第二阶段，此时切断油门踏板输出，整车控制器只根据当前电机转速及制动踏板开度，请求制动扭矩，不开启电磁阀，仅有电制动；第三阶段，此时制动踏板接近最大开度，整车控制器请求制动扭矩的同时，控制电磁阀的开度，机械制动接入，以提高刹车效果，减小制动距离。20.在一些实施例中，当转向角度传感器数值高于设定阈值时，此时整机处于转向行驶状态，左右两侧的轮边电机输出扭矩则会根据转向角度不同存在差异，根据左右电机输出扭矩的比值k，来对制动扭矩进行调整；根据在转向角度传感器数值低于设定阈值时得到制动扭矩为a，在转向时，外侧两轮的制动扭矩为：t外＝a+k*θ，内测两轮的制动扭矩为：t内＝a-k*θ。21.在一些实施例中，在持续下坡踩下制动踏板情况下，整车控制器控制轮边电机发电，持续回充到超级电容内，当超级电容电压超过设定阈值，此时为了维持系统电压不超过安全值，整车控制器控制制动电阻的控制器开始工作，以消耗电制动产生的电量，持续电制动的同时对系统进行保护。22.本发明有益效果：23.本发明结构简单，利用超级电容能够实现瞬间大电流充放电的特性，对四个轮边电机在制动时产生的大电量进行回收，提高了能量回收的能力，然后在车辆起步时再作为动力源进行供电，实现了瞬时大电量的回收利用，从而节约能耗。附图说明24.附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。25.在附图中：26.图1为本发明实施的结构示意图；27.图2为控制方法流程图。28.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。具体实施方式29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。30.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。32.如图1所示，一种基于超级电容的混动装载机节能控制系统，包括发动机、发电机及电机控制器、超级电容、整车控制器、四个轮边电机及电机控制器、油门踏板、电制动踏板、电磁阀、制动电阻及控制器、转向角度传感器。33.发动机与发电机采用机械连接方式，四个轮边电机驱动整车行走，发电机、超级电容及四个轮边电机控制器并联在同一高压回路，发电机、超级电容均可以作为轮边电机的动力源，当装载机需要瞬时大功率工况时，发电机功率不足，此时超级电容可以短时间大功率放电进行补充。整车控制器通过总线分别与发电机控制器、四个轮边电机控制器相连，同时整车控制器通过硬线与电制动踏板、电磁阀及油门踏板相连。本发明结构简单，利用超级电容能够实现瞬间大电流充放电的特性，对四个电机在制动时产生的大电量进行回收，提高了能量回收的能力，然后在车辆起步时再作为动力源进行供电，实现了瞬时大电量的回收利用，从而节约能耗。34.进一步的方案：四个轮边电机的主轴上装有制动器，通过电磁阀开度控制液压动力驱动制动器夹紧制动盘实现摩擦制动，实现紧急制动。35.进一步的方案：超级电容与发电机电机控制器及驱动电机控制器之间存在继电器，可以通过断开继电器实现对超级电容的保护。36.进一步的方案：整车控制器还与转向角度传感器相连，转向角度传感器可以检测整车转向状态，根据转向角度调节转向时四个轮边电机的制动扭矩，协调转向，保证舒适性的前提下提高能量回收的能量。37.进一步的方案：四个轮边电机控制器还与制动电阻相连，当整车处于长下坡工况下，超级电容电量充满后，制动电阻能够消耗轮边电机产生的电量，降低制动盘的磨损。38.如图2所示，发电机、超级电容及四个轮边电机控制器并联在同一高压回路，当整机正常驱动时，由发电机作为动力源，驱动四个轮边电机工作，此时整车控制器根据四个轮边电机的驱动功率，控制发电机的发电功率，使系统电压维持稳定在工作电压范围内。由于装载机工况的特殊性，在正常作业时，会频繁出现短时间大功率放电的情况，此时发电机峰值功率的放电量无法满足四个轮边电机需求的大功率，若是提高发电机功率，则发电机体积增大，成本提升，因为利用超级电容瞬时放电特性，可以满足短时间大功率放电需求，适合装载机工况，同时还可以将轮边电机的制动电量进行回收，达到成本、能耗双节约的效果。39.当司机踩下电制动踏板时，整机进入能量回收状态。整车控制器对电制动踏板的行程进行区分，正常状态下，前半行程，仅控制轮边电机，依靠轮边电机的制动力矩，实现刹车的目的，电制动可以有效降低刹车盘的磨损，并提高整车续航能力。刹车时，四个轮边电机作为发电机，经过轮边电机控制器后，将产生的电量回充到超级电容内，此时发电机不在工作，超级电容将回充的电量存储后，在下次驱动时，依靠超级电容存储的电量，作为驱动电机的动力源，驱动整机行走，当时存储的电量释放完后，系统电压回归到工作电压后，整车控制器控制发电机发电，作为动力源持续输出。在后半行程，整车控制器即控制轮边电机输出制动力矩，同时控制电磁阀的开度，机械制动介入以加强制动效果，以应对特殊情况下的紧急制动。40.由于大吨位混动装载机，在整机结构上采用轮边电机的驱动方式，为了更好的对四个轮边电机的制动扭矩进行控制，提高整车制动舒适性，在上述过程中，整车控制器需要实时监控转向角度传感器的状态。41.第一种情况，转向角度传感器数值低于设定阈值。42.此时认为整机处于直线行驶状态，这种情况下整车控制器控制四个轮边电机的扭矩输出一致，可以按照分段的方式对制动扭矩进行控制，制动效果类比同平台燃油车。43.第一阶段，为了适应装载机特殊工况需求，这一阶段不切断油门踏板的作用，控制器请求扭矩为当前油门踏板对应的驱动扭矩减去当前转速及制动踏板开度下对应的制动扭矩，若前者大于后者，则轮边电机处于驱动状态，若后者大于前者，则轮边电机处于发电状态。44.第二阶段，此时切断油门踏板输出，控制器只根据当前电机转速及制动踏板开度，请求制动扭矩，不开启电磁阀，仅有电制动。45.第三阶段，此时制动踏板接近最大开度，整车控制器请求制动扭矩的同时，控制电磁阀的开度，机械制动接入，以提高刹车效果，减小制动距离。46.第二种情况，转向角度传感器数值高于设定阈值。47.此时整机处于转向行驶状态，左右两侧的轮边电机输出扭矩则会根据转向角度不同存在差异，这种情况下按照第一种情况，则会影响整车在转向制动时的舒适性。此时可以根据左右电机输出扭矩的比值k，来对制动扭矩进行调整。根据第一种情况得到制动扭矩为a，在转向时，外侧两轮的制动扭矩为：t外＝a+k*θ，内测两轮的制动扭矩为：t内＝a-k*θ。48.可选的方案，同样可以采用bp神经网络算法，对转向时的制动扭矩进行计算。在调试时，设置不同的制动扭矩，并结合驾驶舒适性，获得大量数据，作为训练样本，分别以四个电机的转向角度、电机转速、计算得到的制动减速度、制动踏板开度作为输入，以制动扭矩作为输出，对网络连接的权值进行训练，可以通过matlab进行编程实现算法。49.在持续下坡情况下，此时司机长时间持续踩下制动踏板，整车控制器控制驱动电机发电，持续回充到超级电容内，当超级电容电压超过设定阈值，此时为了维持系统电压不超过安全值，整车控制器控制制动电阻的控制器开始工作，以消耗电制动产生的电量，持续电制动的同时对系统进行保护，避免了长时间下坡导致刹车盘过热等问题的出现。当下次再启动时，则通过超级电容存储的电量作为动力源，当时系统电压稳定后，则控制发电机开始工作。50.综上，本发明可以将制动时驱动电机产生的电量存储到超级电容内，当下次再启动时，依靠超级电容回收的电量，作为动力源，驱动整车前进或后退，这种方式不仅可以减少机械制动对刹车盘的磨损，还可以将制动时产生的瞬间大电量进行回收，用于下次起步，因此在节能和增加刹车盘寿命方面有明显效果。同时超级电容的使用，可以在发电机功率不足的情况下，短时间进行功率补充，满足装载机需要瞬时大功率的工况需求。51.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。52.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本技术所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。53.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。









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