起重机混合动力系统和控制方法

技术领域

本申请涉及工程机械相关技术领域，具体涉及一种起重机混合动力系统和控制方法。

背景技术

现有的工程机械多以传统内燃机作为动力源，作业时燃油经济性不高，且排放较大污染严重，同时存在噪音危害，与当下的环保理念背道而驰，对能源的可持续发展形成阻力。

目前逐渐出现电动力的工程机械，但是目前电动力对于如起重机等较大的工程机械，很难满足作业的动力需求，只能不断提高储能装置的容量，存在电池安全隐患而且成本较高，因此急需一种安全可靠同时污染较小的动力系统。

发明内容

有鉴于此，本发明致力于提供起重机混合动力系统和控制方法，以解决工程机械动力污染严重，或安全性行差的问题。

第一方面，本发明提供了一种起重机混合动力系统，包括：燃油动力子系统和电动力子系统；

所述燃油动力子系统输出端与起重机第一作业组件连接，用于在第一作业工况中为所述起重机第一作业组件提供动力；；

所述电动力子系统输入端与外部电源连接，输出端与所述起重机第二作业组件连接，用于在第二作业工况中为所述起重机第二作业组件提供动力。

可选地，所述燃油动力子系统包括发动机、变速箱、取力器、油泵和马达；

所述发动机通过所述变速箱与所述取力器连接，所述取力器与所述油泵连接，所述油泵与所述马达连接，所述马达与所述起重机第一作业组件连接。

可选地，所述电动力子系统包括供电模块、电机控制器和电机；

所述供电模块包括充电接口，所述充电模块通过所述充电接口与外部电源连接，所述供电模块还通过所述电机控制器与所述电机连接；所述电机与所述起重机第二组件连接；

所述供电模块用于接收外部电能，并传递至所述电机控制器中；

所述电机控制器用于控制所述电机为所述起重机第二作业组件提供动力。

可选地，所述供电模块还包括第一供电子模块，所述第一供电子模块包括AC/DC模块、DC/AC模块；

所述AC/DC模块的输入端通过所述充电接口与外部电源连接，所述AC/DC模块的输出端与所述DC/AC模块的第一端连接；

所述DC/AC模块的第二端与所述电机控制器的第一端连接；

所述电机控制器的第二端与所述电机连接。

可选地，所述供电模块还包括第二供电子模块；

所述第二供电子模块包括双向DC/DC模块和储能装置；

所述双向DC/DC模块第一端分别与所述AC/DC模块的输出端和所述DC/AC模块的第一端连接，所述双向DC/DC模块第二端与所述储能装置连接；

所述双向DC/DC模块用于降低所述储能装置输入端的电压，或升高所述储能装置输出端的电压。

可选地，所述DC/AC模块为双向DC/AC模块；

所述双向DC/AC模块还用于将所述电机产生的交流电转换为直流电，并通过所述双向DC/DC模块为所述储能装置充电。

可选地，所述第一作业工况包括起重臂伸缩、起重臂变幅、起重壁回转和起重机卷扬中的一种或多种，所述第二作业工况包括起重机回转和起重机卷扬中的一种或两种。

第二方面，本申请提供一种起重机混合动力系统控制方法，应用于起重机混合动力系统，所述起重机混合动力系统包括燃油动力子系统和电动力子系统，所述燃油动力子系统和电动力子系统并联，所述方法包括：

确定起重机工况；

若所述起重机工况为第一作业工况，控制所述燃油动力子系统为起重机提供动力；

若所述起重机工况为第二作业工况，控制所述电动力子系统为起重机提供动力。

可选地，还包括：

获取所述燃油动力子系统中取力器的取力状态信息；

根据所述取力状态信息确定起重机上车作业模式，所述起重机上车作业模式包括传统模式和电动模式；其中，所述传统模式下所述燃油动力子系统为起重机提供动力，所述电动模式下所述电动力子系统为起重机提供动力；

根据所述起重机上车作业模式为所述电动力子系统中的储能装置充电。

可选地，所述根据所述起重机上车作业模式为所述电动力子系统中的储能装置充电，包括：

当所述起重机上车作业模式为所述传统模式时，确定所述电动力子系统中储能装置的剩余电量是否低于预设值；

若所述剩余电量低于预设值，控制电动力子系统中的电机回收作业能量为所述储能装置充电，和/或控制外部电源为所述储能装置充电；

当所述起重机上车作业模式为所述电动模式时，控制所述电机回收作业能量为所述储能装置充电，和/或控制外部电源为所述储能装置充电。

第三方面，本申请提供一种起重机，其特征在于，包括上述的起重机混合动力系统。

本申请提供一种起重机混合动力系统和控制方法，本申请涉及工程机械相关技术领域，具体涉及一种工起重机混合动力系统和控制方法。该动力系统包括并联的燃油动力子系统和电动力子系统，两套动力子系统均能为起重机作业组件提供动力。燃油动力子系统通过与起重机第一作业组件连接，用于在第一作业工况中为起重机作业组件提供动力，电动力子系统与起重机第二作业组件连接，用于在第二作业工况中为起重机作业组件提供动力。如此，通过减少燃油供能的工况，实现减少燃油消耗，降低排放和污染，而且因为只需要通过电力提供一部分作业工况的动力，所以对电池电容量要求并不高，可以使用小容量的电池，从而保证工程机械用电安全，以及节省成本。

附图说明

通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1为本发明实施例提供的起重机混合动力系统的结构示意图；

图2为本发明另一个实施例提供的起重机混合动力系统的结构示意图的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的起重机混合动力系统中电机和马达的设置位置示意图；

图4为本发明再一个实施例提供的起重机混合动力系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的起重机混合动力系统中电动力子系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的起重机混合动力系统中第一供电模块的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的起重机混合动力系统中第一供电模块和第二供电模块的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的起重机混合动力系统控制方法的流程示意图；

图9是本申请实施例提供的起重机混合动力系统控制方法中的充电原理示意图。

具体实施方式

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。

随着工程机械技术的发展，其完成作业对动力的要求不断提高，传统工程起重机械多以内燃机作为动力源，工作时燃油经济性不高，且排放较大污染严重，同时存在噪音危害。

目前，逐渐出现电动力的工程机械，但对于较大工程机械，如起重机等，其对动力的需求很高，一般储能装置很难满足其作业动力的需求，造成电动力无法较好的应用于起重机等大型工程机械中。现在技术中，通过不断增加储能装置的容量，来尽可能满足工程机械的作业动力需求，但是随着储能装置容量的不断提高，用电安全无法得到保证，而且成本较高。

图1为本发明实施例提供的起重机混合动力系统的结构示意图，如图1所示，本申请提供的起重机混合动力系统包括燃油动力子系统1和电动力子系统2；燃油动力子系统1输出端与起重机作业组件3连接，用于在第一作业工况中为起重机作业组件3提供动力；电动力子系统2输入端与外部电源连接，输出端与起重机作业组件3连接，用于在第二作业工况中为起重机作业组件3提供动力。

具体的，燃油动力子系统1可以是现有技术中的传统燃油动力系统，包括发动机、变速箱、取力器、液压组件以及马达等，液压组件包括油泵等。发动机通过变速箱与取力器连接，取力器与油泵连接，油泵与马达连接，马达与所述起重机第一作业组件连接。通过发动机燃油产生动力，以及上述其他组件将动力传输至起重机作业组件中，从而在第一作业工况中，为起重机作业组件3提供动力，完成第一作业工况。

电动力子系统2与燃油动力子系统1并联，电动力子系统2输入端与外部电源连接，输出端与起重机作业组件3连接，用于接收外部电源的电能，并向起重机作业组件3输出动力，完成第二作业工况。

在一些实施例中，第一作业工况可以包括起重臂伸缩、起重臂变幅、起重机回转和起重机卷扬中的一种或多种，第二作业工况可以包括起重机回转和起重机卷扬中的一种或两种。也就是说，在本申请实施例中，燃油动力子系统1可以为起重机的起重臂伸缩、变幅、起重机回转和卷扬中的一种或多种工况提供动力，而电动力子系统可以为起重机回转和卷扬中的一种或两种工况提供动力。

在本申请中，起重机作业组件包括起重臂伸缩组件、起重臂变幅组件、起重机回转组件如转台，以及起重机卷扬组件如卷筒。每个作业组件作业均可对应一种作业工况，对应上述作业组件的工况分别为起重臂伸缩、起重臂变幅、起重机回转和起重机卷扬。在本申请实施例中，起重机混合动力系统中并联的两个子系统可以分别与起重机多个的作业组件连接，从而实现分别在多个作业工况中提供动力。

在一些实施例中，起重机第一作业组件包括起重臂伸缩组件、起重臂变幅组件、起重机回转组件和起重机卷扬组件，起重机第二组件包括起重机回转组件和起重机卷扬组件。

具体的，如图2所示，燃油动力子系统1与电动力子系统2并联，输出端分别与起重机作业组件连接。燃油动力子系统1中包括依次连接的发动机11、变速箱12、取力器13、油泵14以及马达15，其中马达15可以是液压马达，数量可以是多个，均与油泵14连接，包括卷扬马达151、回转马达152、伸缩马达153和变幅马达154，分别与马达名称对应的起重机作业组件连接，如卷扬马达151与起重机卷扬组件连接，回转马达152与起重机回转组件连接，伸缩马达153与起重臂伸缩组件连接，变幅马达154与起重机变幅组件连接。电动力子系统2包括供电模块21和多个电机22，供电模块21通过卷扬电机221与起重机卷扬组件连接，通过回转电机222与起重机回转组件连接。其中，供电模块也可以设置对应控制器，对各个充电放点过程进行控制。如此，燃油子动力系统1可以为包括伸缩、变幅、回转以及卷扬的起重机第一作业工况提供动力，电动力子系统可以为包括回转和卷扬的起重机第二作业工况提供动力。

需要说明的是，在上述实施例中，虽然燃油动力子系统1可以为全部工况提供动力，但是由于一部分工况如回转和卷扬，电动力子系统2也分担了一部分动力供给，所以也可以达到减少燃油动力子系统1的排放和污染，实现节能减排的目的。

本申请实施例提供了一种起重机混合动力系统包括并联的燃油动力子系统1和电动力子系统2，两套动力子系统均能为起重机作业组件3提供动力。燃油动力子系统1通过与起重机第一作业组件31连接，用于在第一作业工况中为起重机第一作业组件31提供动力，电动力子系统2与起重机第二作业组件32连接，用于在第二作业工况中为起重机第二作业组件32提供动力。如此，通过减少燃油供能的工况，实现减少燃油消耗，降低排放和污染，而且因为只需要通过电力提供一部分作业工况的动力，所以对电池电容量要求并不高，可以使用小容量的电池，从而保证工程机械用电安全，以及节省成本。

另外，在本申请实施例中，用于为起重机回转和卷扬提供动力的回转马达、卷扬马达，与电动力子系统中用于为起重机回转和圈养提供动力的回转电机、卷扬电机可以设置在起重机不同的区域，方便灵活切换以及同时提供部分动力，共同完成作业，例如回转马达152和回转电机222设置在起重机转台相距较近的位置，卷扬马达151和卷扬电机221可以分别设置在起重机卷筒的两侧，具体位置如图3所示。

在另一些实施例中，还可以将燃油动力子系统1和电动力子系统2连接不同的起重机作业组件，实现两个动力子系统分别为不同起重机作业组件提供动力。如图4所示，燃油动力子系统1中的马达只包括伸缩马达153和变幅马达154，伸缩马达153与起重臂伸缩组件连接，变幅马达154与起重臂变幅组件连接。电动力子系统2中，卷扬电机221与起重机卷扬组件连接，回转电机222与起重机回转组件连接。从而实现燃油动力子系统1为起重臂伸缩和变幅提供动力，电动力子系统2为起重机回转和卷扬提供动力。通过将两个动力子系统分别与起重机不同作业组件连接，可以减少两个子动力系统之间动力的影响，使控制逻辑更加简单，提高作业效率。

图5为本发明实施例提供的起重机混合动力系统中电动力子系统的结构示意图，如图5所示，电动力子系统2包括：供电模块21、电机22、充电接口211和电机控制器23。

充电接口211可以与充电插座连接，实现与外部电源如电网端电源连接，供电模块21的第一端通过充电接口211与外部电源连接，接收外部电源的电能，供电模块21的第二端通过电机控制器23与电机22连接。供电模块21用于接收外部电能，并传递至所述电机控制器23中；电机控制器23用于控制电机22为起重机第二作业组件提供动力。

进一步的，本申请提供的供电模块21包括第一供电模块212，图6为本发明实施例提供的起重机混合动力系统中第一供电模块的结构示意图，如图6所示，第一供电模块212包括AC/DC模块2121和DC/AC模块2122；

具体的，AC/DC模块2121的输入端通过充电接口211与外部电源连接，AC/DC模块2121的输出端与DC/AC模块2122的第一端连接；DC/AC模块2122的第二端与电机控制器23的第一端连接；电机控制器23的第二端与所述电机22连接。

在一个具体的实施过程中，AC/DC模块2121将接收到的交流电转换为直流电，并将直流电传递至DC/AC模块2122中；DC/AC模块2122用于将所述直流电转换为交流电，并传递至电机控制器23中，电机控制器23控制电机22工作如带动起重机回转组件回转或起重机卷扬组件进行卷扬，实现为起重机提供动力。

进一步的，为了更好的实现AC/DC模块2121将交流电转换为直流电的功能，可以增加充电控制器2123与AC/DC模块2121连接，对电流转换过程进行控制，当然AC/DC模块2121也可以采用集成准换控制功能的模块，从而简化第一供电模块212的电路结构。

图7为本发明实施例提供的起重机混合动力系统中第一供电模块和第二供电模块的结构示意图，如图7所示，第二供电模块213包括双向DC/DC模块2131和储能装置2132。

具体的，双向DC/DC模块2131分别与所述AC/DC模块2121的输出端、DC/AC模块2122的第一端和储能装置2132连接；双向DC/DC模块2131用于将AC/DC模块2121的输出端的电能传递至储能装置2132中，以及降低储能装置输入端的电压，或升高所述储能装置输出端的电压。

另外，第二供电模块213还包括用于实现为储能装置2132充电和对外供电的基础电路，如与双向DC/DC模块2131和储能装置2132均连接的驱动控制器2133。

在本申请实施例中，储能装置2132可以选择超级电容器或者功率型电池，通过增加双向DC/DC模块2131，使输入储能装置2132中的电压较小，进一步降低储能装置2132容量，提高用电安全。以及升高储能装置2132输出端的电压，保证起重机供能稳定。

需要说明的是，在本申请实施例中，可以只通过第一供电模块212连接外部电源如电网供电，或只通过第二供电模块213中的储能装置2132供电，为起重机提供动力，也可以通过上述两种方案同时为起重机提供动力。另一方面，第一供电模块212为起重机供电的同时，还可以为储能装置2132充电。

进一步的，本申请提供的起重机混合动力系统，还可以在起重机的一些工况中，对能量进行回收。例如卷扬过程，可以通过电机对液压动能既发动机产生的动能，以及被吊起货物下降的重力势能进行回收，利用回收的能量发电，为储能装置充电。

具体的，上述DC/AC模块使用双向DC/AC模块，将电机端传递的电能进行转换，通过双向DC/DC模块为储能装置充电，实现能量回收，节省电网取电量，节省成本。

需要说明的是，上述实施例通过储能装置2132为电机供电时，双向DC/AC模块的第一端为输入端，第二端为输出端，电流从双向DC/AC模块的第一端流入双向DC/AC模块中，从双向DC/AC模块第二端流出至电机控制器23中。当通过电机进行能量回收，为储能装置2132充电时，电流方向与上述过程恰好相反，既电流从双向DC/AC模块的第二端流入，从双向DC/AC模块的第一端流出，通过双向DC/DC模块2131为储能装置2132充电。

本申请还提供一种起重机混合动力系统控制方法，应用于上述实施例提供的起重机混合动力系统中，图8为本申请实施例提供的起重机混合动力系统控制方法的流程示意图，如图8所示，本申请实施例提供的起重机混合动力系统控制方法包括：

S101、确定起重机作业工况；

具体的，起重机作业工况可以是即将要进行的起重机工况，获取起重机工况的方式可以包括：接收操作人员发送的起重机工况信息，其中，起重机工况包括的第一作业工况和第二作业工况。

在实际应用中，操作人员可以通过预设在起重机上的工况输入设备，如工况切换按钮或多个工况选择按钮，通过按触按钮，实现输入起重机工况的目的。

S102、若所述起重机工况为第一作业工况，控制燃油动力子系统为起重机提供动力；

S103、若所述起重机工况为第二作业工况，控制电动力子系统为起重机提供动力。

在接收到起重机工况后，判断起重机工况种类，若起重机工况为第一作业工况时，包括起重臂伸缩和起重臂变幅，控制燃油动力子系统为起重机提供动力；若起重机工况为第二作业工况时，包括起重机回转和起重机卷扬，控制电动力子系统为起重机提供动力。具体实现方式可以如上述系统实施例提供的方法，包括将燃油动力子系统和电动力子系统分别连接起重机第一作业组件和起重机第二作业组件，实现针对不同作业工况，分别通过不同动力子系统提供动力，具体参考上述系统实施例，在此不再赘述。

图9是本申请实施例提供的起重机混合动力系统控制方法中的充电原理示意图，如图9所示，本申请实施例提供的起重机混合动力系统控制方法中的充电过程包括：

S201、获取燃油动力子系统中取力器的取力状态信息。

S202、基于所述取力状态信息确定起重机上车作业模式。

具体的，整车取力信息既为燃油动力子系统中取力器取力状态信息，获取燃油动力子系统中取力器的取力状态信息，判断取力器的取力状态，从而确定起重机上车作业模式。若取力状态为整车取力，则确定上车作业模式为传统模式，若取力信息为整车未取力，则确定上车作业模式为电动模式。

S203、根据所述起重机上车作业模式为所述电动力子系统中的储能装置充电。

具体的，当起重机上车作业模式为传统模式时，再获取起重机电动力子系统中储能装置的剩余电量，判断剩余电量是否低于预设值；若低于预设值，则控制电动力子系统中的电机回收作业能量为储能装置充电，和/或控制外部电源为储能装置充电。

当起重机上车作业模式为电动模式时，直接控制电动力子系统中的电机回收能量为储能装置充电，和/或控制外部电源为储能装置充电。

其中，通过回收能量的方式为储能装置供电的具体方式为，控制电机，将起重机作业过程中的液压动力以及作业过程中的重力势能，转换为电能，从而为储能装置充电。

另外，在充电过程中，还可以包括判断储能装置的剩余电量是否大于某值，例如70％，在储能装置大于70％后，停止对储能装置充电，从而避免储能装置长时间处于过充状态，保护电池。

本申请提供的起重机混合动力系统控制方法，首先通过接收操作人员输入的工况信息，确定起重机作业工况，包括第一作业工况和第二作业工况。当起重机工况为第一作业工况时，控制燃油动力子系统为起重机提供动力，当起重机工况为第二作业工况时，控制电动力子系统为起重机提供动力。如此，通过减少燃油供能的工况，实现减少燃油消耗，降低排放和污染，而且因为只需要通过电力提供一部分作业工况的动力，所以对电池电容量要求并不高，可以使用小容量的电池，从而保证工程机械用电安全，以及节省成本，并且通过在取力信息以及储能装置剩余电量信息，自动开始和停止为储能装置充电，避免出现亏电和过充。

基于同一个发明构思，本申请实施例还提供一种起重机，包括如上述实施例提供的起重机混合动力系统，该起重机混合动力系统，包括燃油动力子系统1和电动力子系统2，在起重机处于第一作业工况时，通过燃油动力子系统为起重机提供动力，在起重机处于第二作业工况时，通过电动力子系统为起重机提供动力。如此，通过电动力子系统2为起重机回转和/或卷扬供能，可以减少燃油动力系统的供能需求，从而减少起重机排放及污染，同时因为电动力子系统2只需要为回转和/或卷扬工况提供动力，所以对其储能组件容量的要求较低，从而减少成本，以及保证用电安全。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。