用于在采矿机械中存储能量的系统、方法和设备

本申请是于2016年5月27日提交的、申请号为201680041898.4、发明名称为“用于在采矿机械中存储能量的系统、方法和设备”的中国发明专利申请的分案申请。

本申请要求于2015年5月28日同日提交的、序列号为62/167,808和62/167,814的美国临时专利申请的优先权，所述专利申请通过引用而整体并入本文。

背景技术

本发明的实施例提供包括能量存储装置(诸如飞轮)的采矿机械。尤其是，本发明的某些实施例提供在具有开关磁阻驱动系统的橡胶轮式前端铰接装载机械上的使用飞轮能量存储系统。

发明内容

采矿设备通常在高度循环的应用中工作，其中方向改变和常规的启停活动很频繁。这些循环操作可能被用来挖掘、装载、移动和调运矿物。对于橡胶轮式装载机或卡车，取决于应用，这些循环发生在从约30秒直至超过约3至4分钟的期间。不同应用的循环周期的差异可能是由拖运长度(机械在机械收集物料的点与机械倾倒物料的点之间所经过的距离)导致的。

例如，对于露天矿中的露天前端装载机装载卡车，该拖运长度可以为大约30米。因此，如果该前端装载机所具有的机械速度小于约15公里每小时(kph)时，该前端装载机可以在不到30秒内完成一个循环。然而，对于运行在块状或板状洞穴中的地下装载机，其拖运长度可能超过约300米。因此，如果地下装载机具有约20kph的机械速度，则该地下装载机可以在约4分钟内完成一个循环。

类似地，拖运设备(诸如梭式矿车)重复地完成以下任务：从采矿机械取出物料、拖运物料以解决物料粉碎或搬运(诸如输送机)、然后返回采矿机械以收集另一负载。

大的铲车和索铲也以循环方式运转。例如，铲车和索铲在循环运动中挖掘和倾倒，其中机械摆动方向反转以返回到起始位置，同时加速和减速大的车辆重量。

因此，通过使用能量存储，有机会提高采矿设备的循环运转的效率。一个机会包括获取机械运动中的动能，存储该能量，并将存储的能量用于循环的下一个运动阶段。另一个机会包括通过在低负载时存储来自于电源的能量，以及使用所存储的能量协助电源驱动峰值负载，来使得电池的峰值功率负载更平缓。该功能可以允许电源(其可以是发动机、变压器或者拖曳电缆)的尺寸减小，降低安装和维护成本。对于给定的能量消耗，还存在通过相同的效益增益来改善机械类型的整体性能的机会。

因此，本发明的实施例使用包括飞轮的能量存储设备或者其他形式的动能存储系统(KESS)。KESS可与开关磁阻(SR)技术一起使用以动能形式存储能量以供随后使用。因此，本发明的实施例将一个或多个KESS结合到高功率采矿牵引应用，该应用可被用于结合SR技术的露天机械和地下机械。

在一些实施例中，本文描述的结合KESS的机械可以包括柴油机作为主要动力源。在这个实施例中，KESS使用制动能量和来自于柴油机输出轴的能量来执行功率平均和增压功能。然而，应当理解的是，KESS也可以与其他(非柴油)动力源一起使用。如下文详细描述的，KESS可以在负载峰值期间协助发动机，而在负载下降期间从发动机取出能量。因此，使用适当尺寸的KESS，该KESS可以用于实现完全功率平均，其中发动机以接近恒定的负载(例如，没有变化)连续运转。使用由KESS提供的功率平均可以使发动机小型化。类似地，功率平均可以延长发动机寿命，并且通过以恒定输出状态运行发动机而使燃料节省最大化。

此外，在一些实施例中，柴油发动机可以被不同动力源(例如电池)替代。尤其是，由具有KESS的牵引系统(如用柴油发动机开发)提供的完全功率平均可以优化一些机械的电池解决方案，例如铲运机(LHD)和穿梭车。应当理解的是，诸如燃料电池的其他动力源也可以被用作柴油发动机的替代物(例如，由于在电池上液体燃料存储的功率密度)。

例如，一些实施例提供了包括双向电气总线、电源、电动机、动能存储系统和控制器的牵引车。电源通过第一功率变换器耦接至所述双向电气总线。电动机通过第二功率变换器耦接至所述双向电气总线。电动机由所述双向电气总线上可用的能量供电，并且操作包括在所述牵引车中的驱动机构。动能存储系统通过第三功率变换器耦接至所述双向电气总线，并且包括飞轮和开关磁阻电机。控制器被配置为与所述动能存储系统和所述电源通信。控制器被配置成操作所述动能存储系统作为所述双向电气总线的主电源，并且当所述动能存储系统不能满足所述双向电气总线上的能量需求时，操作所述电源作为所述双向电气总线的辅助电源。

其他实施例提供了一种操作牵引车的方法。该方法包括利用被配置为与包括在牵引车中的动能存储系统和电源通信的控制器，确定包括在牵引车中的双向电气总线上的能量需求，并且通过控制器确定通过动能存储系统可用的能量。该方法还包括当通过动能存储系统可用的能量满足能量需求时，利用所述控制器操作动能存储系统作为双向电气总线的主电源；以及当通过动能存储系统可用的能量不能满足能量需求时，利用所述控制器操作电源作为双向电气总线的辅助电源。

另外的实施例提供一种运输车辆，该运输车辆包括在至少一个方向上的铲斗，用于在至少一个方向上移动该铲斗的驱动器，包括选择机构的操作员控制，以及控制器。控制器被配置为接收表示选择机构的选择的输入。响应于该输入，控制器被配置为确定铲斗的当前位置，从存储器中检索预定的装载位置，比较铲斗的当前位置和装载位置，并且当铲斗的当前位置不同于预定的装载位置时，自动操作驱动器将铲斗移动到预定的装载位置。

进一步的实施例提供了一种自动操作运输车辆的方法。该方法包括利用控制器接收表示选择机构的选择的输入。该方法还包括，响应于接收到的输入，利用控制器确认运输车辆铲斗的当前位置，并且利用控制器从存储器中检索预定的装载位置。所述方法还包括利用控制器比较铲斗的当前位置和预定的装载位置，并且当铲斗的当前位置不同于预定的装置位置时，利用控制器自动控制驱动器将铲斗移动到预定的装载位置。

另外的实施例提供一种采矿机械，所述采矿机械包括：双向电气总线；电源，所述电源耦接至所述双向电气总线；电动机，所述电动机耦接至所述双向电气总线，所述电动机由所述双向电气总线上可用的能量供电；动能存储系统，所述动能存储系统耦接至所述双向电气总线；以及被配置为与所述动能存储系统和所述电源通信的控制器。所述控制器被配置成操作所述动能存储系统作为所述双向电气总线的主电源，并且在所述动能存储系统不能满足所述双向电气总线上的能量需求时，操作所述电源作为所述双向电气总线的辅助电源。

另外的实施例提供一种操作采矿机械的方法，所述方法包括：利用被配置为与包括在所述采矿机械中的动能存储系统和电源通信的控制器，确定包括在所述采矿机械中的双向电气总线上的能量需求；利用所述控制器，确定通过所述动能存储系统可用的能量；当所述通过动能存储系统可用的能量满足所述能量需求时，利用所述控制器操作所述动能存储系统作为所述双向电气总线的主电源；以及当所述通过动能存储系统可用的能量不能满足所述能量需求时，利用所述控制器操作所述电源作为所述双向电气总线的辅助电源。

通过考虑详细描述，附图和附属的附录，本发明的其它方面将变得显而易见。

附图说明

图1示出了机械驱动系统的功率曲线。

图2示出了开关磁阻(SR)驱动系统的功率曲线。

图3示意性地示出了用于柴油-混合动力SR露天装载机的系统架构。

图4是SR机械效率曲线图。

图5和图6示出了具有动能存储系统(KESS)的SR驱动系统的功率曲线。

图7示出了具有KESS和电池或燃料电池的SR驱动系统的功率曲线。

图8示意性地示出了具有KESS的SR驱动系统的系统架构。

图9示出了KESS的控制曲线。

图10是采矿设备，特别是前端装载机的透视图。

图11示意性地示出了图10所示采矿设备的功能元件。

图12示意性地示出了图10所示采矿设备包含的控制器。

图13示意性地示出了图10所示采矿设备内的潜在能量流。

图14示意性地示出了图10所示设备内的用于为动能存储系统充电的能量流。

图15示意性地示出了图10所示设备中的用于使用动能存储系统执行推进的能量流。

图16示意性地示出了图10所示设备中的用于在不使用动能存储系统的情况下执行推进的能量流。

图17示意性地示出了图10所示设备中的用于执行轻制动的能量流。

图18示意性地示出了图10所示设备中的用于执行强制动和给动能存储系统充电的能量流。

图19示意性地示出了图10所示设备中的用于在不对动能存储系统充电的情况下执行强制动的能量流。

图20示意性地示出了包括多个动能存储系统的采矿机械。

图21示出了具有位于倾卸位置的铲斗的铲运机(LHD)。

图22示出了图20所示的LHD，其中铲斗位于挖掘位置。

图23示出了图20所示的LHD，其中铲斗位于装载位置。

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明的应用并不限于在下面的描述中阐述的或者在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施例并且能够以不同方式被执行。而且，应该理解，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应该被认为是限制性的。本文中的“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。除非另外规定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦接”及其变体被宽泛地使用并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和耦接。

此外，应该理解的是，本发明的实施例可以包括硬件、软件和电子组件或模块，为了讨论的目的，示出和描述的大多数组件可能仅仅是硬件。然而，本领域的一般技术人员基于阅读该详细描述将认识到，在至少一个实施例中，本发明的各方面可以通过由一个或多个处理单元(诸如微处理器，专用集成电路(ASIC)或其他电子设备)所执行的软件(例如，存储在非临时性计算机可读介质上的)来实现。如此，应该注意的是，可以利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构部件来实现本发明。例如，说明书中描述的“控制器”可以包括一个或多个电子处理器或处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口以及连接各组件的各种连接(例如，系统总线)。

如上所述，本发明的实施例将一个或多个动能存储系统(KESS)结合到机械牵引传动系(例如，高功率)中，该机械牵引传动系可用于结合SR技术的采矿机械中(例如，露天和地下采矿机械)。因此，本发明的实施例可以将KESS与电力驱动系统一起使用。电力驱动系统可能比机械驱动的等效系统少消耗30％至40％的燃料。这些燃料节省可以通过各个设备传动系的差异和相对效率来实现。具体而言，目前在露天采矿应用中使用的机械驱动系统采用传统的机械传动系，其具有变矩器，半自动或自动变速箱/分动箱以及差速器。然而，由于变矩器的运行，机械驱动系统可能是低效的，并且可能需要大的发动机来提供高功率输出，即使发动机可能并不持续以峰值输出水平运行。例如，图1示出了机械驱动系统的功率曲线。

开关磁阻电力驱动系统与机械驱动传动系统相比具有进一步的效率优势。例如，由于开关磁阻电力驱动系统有将发动机速度保持在峰值输出水平的能力，所以该系统可以允许发动机减小尺寸。例如，图2示出了开关磁阻驱动系统的功率曲线。此外，图3示意性地示出了具有柴油-混合动力SR驱动器的露天装载机。如上所述，露天装载机基本上操作或执行循环操作。例如，露天装载机的操作循环可以包括在一个可以持续约40秒的循环期间的大约四个机械方向的变化。

具体如图3所示，露天装载机包括与电动机/发电机12(例如SR电动机/发电机)结合的发动机10和牵引系统13。图1所示的牵引系统13包括四个SR电动机14。每个SR电动机14可以向装载机的一个车轮供应电力。SR电动机14和电动机/发电机12通过电气总线16(例如，直流(DC)总线)连接。一个或多个变换器18将电动机/发电机12连接到电气总线16。类似地，一个或多个变换器18将SR电动机14连接到电气总线16。变换器18可将由电动机/发电机12供应的能量转换成通过电气总线16供应的电力。类似地，变换器18可将通过电气总线16供应的能量转换为SR电动机14可使用的能量。

在图3所示的系统中，发动机10的每分钟转数(RPM)独立于通过SR电动机14提供的牵引电动机速度。换句话说，每个SR电动机14可以以任何速度对发动机传动系抽取或提供旋转能量，且几乎没有效率损失方面的后果。在一些实施例中，发动机10的速度可以被设定为以可获得最大发动机马力的最低RPM运行。

发动机10的速度设定(在功率曲线的峰值处)有利于将发动机10的速度提高到调速器设定速度(发动机超速)以上，这导致喷油器停止对发动机10供应燃料，并且允许传动系被用作飞轮以存储制动能量。机械传动系统在将能量从发动机驱动轴传递到车轮时效率不高，特别是当速度差异较大时(例如，在高差速状态下由于变矩器的运行)。机械传动机械中的发动机通常在速度处于峰值马力曲线以下时处于高负荷；意味着其在低于最大发动机效率的情况下燃烧燃料。由于机械传动系统通常在非最佳发动机RPM下需要高功率，所以发动机可能相对而言过大，其中发动机的铭牌额定值相似，但需要更大的发动机容积。而更大的发动机所导致的机械设计除了具有更大的摩擦损失外，还具有更高的运行和重建成本。

图4示出了SR机械效率曲线。SR系统可以在停转期间向车轮提供全扭矩，而仅仅消耗大约10％的发动机马力。这可能是由于SR系统的无功损耗较低造成的。例如，唯一明显损失可能是电机线圈的内阻和由通过其中的电流所引起的铜损。因此，SR机械(电动机或发电机)可以在其速度范围内具有几乎平坦的效率曲线，如以上图4所示。

相比之下，机械传动系在停转期间通常以全马力输出。变矩器需要该功率来产生转矩。该马力大部分作为热量损失掉，这是转矩产生过程的副产品。此外，每当输入轴和输出轴之间存在显著的滑动或速度差时，变矩器都是低效的。

实际上，因为固定轴的功率输出为零，所以两个系统在停顿期间效率都为零。在这种情况下，传输效率可以由输出转矩与功耗的函数来测量。然而，在这种情况下，与典型的机械传动系统相比，SR驱动系统在每单位功率消耗所产生转矩方面更有效率。

而且，在机械驱动的机器上使用传统的制动器。这些制动器通常是多片湿式盘式制动器。像所有机械制动器一样，这些装置将动能转化为热能。多盘式制动器上的热量传递给液压油，并通过散热器冷却系统散发。

在诸如露天装载机的SR驱动机械中，制动能量被转移回发动机传动系。在一些实施例中，通过如下所述方式使用该制动能量。特别地，制动能量可能首先补充机械周围的寄生损失。这些寄生损失包括但不限于发动机风扇和其他冷却风扇、空调和电池充电交流发电机。与被转移的制动能量相比，这些系统是低功率的，因此还有大量能量需要处理。

接下来，工作液压系统负载可以被供应能量。这包括起重机，铲斗和转向液压功能。任何剩余能量都可以用来为传动系提供能量。例如，目前用作电动机的SR发电机将动力传递给传动系统，以使发动机的调速器能够减少或切断对喷射器的燃料供应。此时，发动机可能不会消耗任何燃料，发动机的摩擦和风阻损失由SR发电机补偿。在这些实施例中，发动机速度可以增加到发动机的机械极限，此时发动机变成能量存储装置(飞轮)，尽管由于发动机的摩擦和风阻而效率较低。调速器切断点之上的发动机速度(例如约300RPM)的开销可以用在下一个推进阶段，以将牵引系统的可用功率提高到发动机的铭牌额定值以上。当机械的循环速度快时(例如小于50秒)，如上所述使用传动系作为能量存储装置提供了能量存储选择，并且由于存储在传动系上的能量在被发动机的摩擦和风阻损失消耗之前能够被牵引系统重复使用，所以该能量存储容量低。因此，这种能量存储选择可用于在能用于发动机燃烧的整体氧气较少的高海拔地区的露天装载机。例如，在高海拔地区，通常需要较大直径的涡轮增压器来向发动机供应空气。由于惯性质量较大，这些涡轮增压需要很长时间才能达到工作速度。这个时间约束会影响发动机的响应时间。因此，当涡轮增压达到工作速度时，KESS可以补充牵引系统的功率需求。

然而，对于地下采矿来说，作为在发动机传动系上存储能量的替代或结合，可以使用KESS来存储制动能量。KESS提高了燃油效率，从而减少了排放。特别是，与上一段所述的露天装载机上使用的传动系存储解决方案相比，KESS提供了更长持续时间、更高容量和更高效率的存储解决方案。例如，图5示出了包括KESS的开关磁阻驱动系统的功率曲线。如图5所示，KESS可以提供动力提升以补充发动机的输出，因此可以允许发动机或其组合小型化。例如，图6示出了包括比图5所示的KESS大的KESS的开关磁阻驱动系统的功率曲线。如图6所示，较大的KESS可提供发动机的最大功率平均化，同时为牵引系统提供高峰值功率。此外，图7示出了包括KESS以及电池(例如钠离子电池)、燃料电池或两者的开关磁阻驱动系统的功率曲线。如图7所示，对于平均化电源，可以采用替代能源供应技术，例如燃料电池技术和电池技术。

地下采矿机的操作轮廓与露天采矿机(诸如装载机、铲车等)的操作轮廓明显不同。例如，露天操作轮廓通常较短，其中机械在40秒循环周期中遇到四个方向变化，并且花费约8至10秒停转来填满铲斗。相反，地下环境主要有两种操作模式：(1)开发和(2)生产工作。两种操作模式在运输距离和综合循环时间方面均与露天操作不同。例如，一台地下机械在矿山开发中运输材料距离可能高达200米，而在生产中运输材料距离超过350米，这些距离导致循环时间从大约2分钟到大约3分钟不等。

而且在地下采矿环境中，生产环境通常是平坦的。例如，在该操作中看到的最大坡度是大约1:50。如上所述，地下机械可能运输材料350米以上的距离。而且，在生产周期中，机械通常会完成两个前进运送和两个反向运送。另外，在许多矿山中，生产装载机可能在离破碎机的不同距离处访问许多提取点以收集矿石。因此，这个循环的性质可能取决于矿石布局和矿石距离破碎装置加载料斗的距离。

基于这种类型的环境，在生产周期中存储能量的一个机会是在制动事件期间。为了最大限度地提高生产率，地下机械应该能够快速加速和减速。因此，在减速期间，可以获取取自牵引电动机的能量以供KESS随后使用。另外，当发动机处于低需求状态时，其一些可用功率可用于向KESS提供能量。如上所述，以这种方式使用存储的能量，可以通过在循环内平均发动机输出功率，而允许柴油发动机缩小尺寸。除了减小发动机尺寸以降低成本之外，在一些实施例中，尺寸减小的量还可以导致使用更小外壳尺寸的发动机，由于发动机的摩擦损失和风阻损失进一步降低，所以其提供了额外的性能增益。

用于在这些情况下的KESS能够以高功率容量(例如大约500千瓦(KW))存储一个或两个制动事件的能量(例如每个事件大约1.2兆焦耳(MJ))，并允许KESS在几秒钟内被填满或清空。KESS也可配置为提供有效的能量吸收和释放，并以随时间推移损失最小的方式保持存储的能量。

就开发环境而言，开发工作大部分发生在矿井入口道路周围或斜面。这些斜面的斜率通常在1:6.5左右。当在开发环境下工作时，地下机械通过钻孔和爆破技术挖掘出斜面的底部，道路从其中延伸。然后，机械进行大约25到大约200米之间的倾斜运输，在那里机械倾倒物料或将物料装载到卡车中。然后地下机械返回到挖掘面，这涉及沿大约200米的斜坡向下行进，同时通过制动来控制速度。

上坡运输是发动机功率密集型的并且影响传动寿命，而下坡返回通常对制动器施加大的张力。存储在向挖掘面的下坡运行中产生的制动能量的KESS(例如产生高达10MJ)可以在上坡运行中对发动机提供显著的推进。

图8示出了具有KESS 30的SR驱动系统。KESS 30包括SR驱动电动机30a和飞轮30b。在如图8所示的结构中，KESS 30可以被配置成当机械根据操作员命令减速(驱动机构的速度减小)时存储制动能量。能量可以在KESS 30中保持几分钟。当操作员命令机械加速时，KESS 30向牵引系统释放能量，以补充发动机(例如柴油发动机)通过电动机/发电机供应的能量。在一些实施例中，来自KESS 30的这种能量释放允许机械具有的可用峰值马力是单独发动机输出的约两倍。

在发动机没有在全负荷下运转的情况下，在运转周期可能存在多个期间。在这些期间内，发动机功率可以用于“充满”KESS 30。该功能可以确保KESS 30在加速事件之前被充电或充满。

在一些实施例中，KESS 30的速度可以松散地与机械速度相关联。例如，随着机械加速(驱动机构的速度增加)，由于从KESS 30释放能量的功能，KESS 30会减慢(飞轮122的转速可以减小)。相反，当机械减速(驱动机构的速度减小)，KESS 30可以被充电并且相应地加速(飞轮122的转速增加)。KESS 30的这种操作的一个优点是当机械处于高速并且快速移动或与壁接触可能导致明显的轴承或壳体过载时，KESS 30的回转力最小。在一些实施例中，可以从操作员控制装置接收目标机械速度。

例如，在一些实施例中，根据机械速度来控制KESS 30的旋转速度(飞轮30b的旋转速度)以及因此存储在KESS 30内的能量。例如，图9示出了将机械速度与KESS 30的旋转速度进行比较的控制曲线。线90指示给定机械速度下的KESS 30的目标速度，并且围绕线90的区域92指示围绕目标速度允许的变化范围。可以采用图9所示的关系来提供对KESS 30的回转力的管理，当高机械角速度(方向变化率)与KESS 30的高速旋转一致时，KESS 30的回转力可能非常高。曲线的形状也考虑到加速和减速机械所需的能量，并且可以针对特定的设备和应用来定义。

如下面更详细地描述的，在一些实施例中，随着机械速度增加(在加速期间)，从KESS 30获取能量并且通过将能量施加在为牵引电动机供电的双向总线(例如DC母线)上的方式而提供给牵引电动机。这种能量供应降低了KESS 30的旋转速度。当牵引系统需要的动力比KESS 30提供的更多时，柴油机可以提供补充能量。类似地，当KESS 30提供的能量比牵引电动机所需的更多时，多余能量可以通过制动网格消散。

同样，随着机械速度减小(在减速期间)，KESS 30被命令增加速度，从双向总线获取用于增加KESS 30速度所需的能量。该能量由在制动运行模式下运行的牵引电动机提供。在一些实施例中，当KESS 30在制动模式运行期间没有从牵引电动机接收到足够的能量以满足速度曲线要求时，可以经由发电机从柴油发动机接受能量。类似地，当KESS 30接收到过量的能量时，可以通过发电机将能量导向到发动机传动系，以克服任何传动系损失并停止对发动机供油。任何额外的多余能量都可能作为热量通过制动网格消散。

因此，如上所述，KESS30可以如由图9所示的控制曲线所确定的提供或收取来自双向总线的能量。发动机仅在由KESS 30提供的能量相比于牵引电动机所需的能量存在不足时才通过发电机的功能供应能量。供需之间的差异是机械所处于运行条件的函数。例如，当牵引电动机在推进模式和制动模式下操作时，机械正在运行的道路的斜率或坡度和滚动阻力可以改变KESS30和牵引电动机之间的供需平衡，这会改变所需或所供应的能量的量。因此，基本上，KESS 30可以是双向总线的主电源，而发动机可以是双向总线的辅助电源，例如当KESS 30不能满足双向电气总线上的能源需求时。

因此，在地下采矿空间中，KESS 30的一个好处是在于，该环境中运行的机械的最高发动机马力可以降低。这可能是一个重要的因素，原因在于发动机马力可能是地下矿井通风要求的决定性因素，这对客户来说是一笔巨大的资本支出。例如，许多管辖区使用铭牌的发动机马力作为通风气流合规的基础。

对于露天机械，在发动机响应由于更稀薄的空气(可用于发动机燃烧的整体氧气更少)而减弱的高海拔情况下，KESS提供益处。例如，为了克服空气稀薄问题，发动机制造商通常增加涡轮增压器的直径。该增加的直径增加了涡轮增压器的惯性，导致更长的涡轮迟滞(用于涡轮增压器建立速度和增压的等待时间)。当发动机马力输出增加时，KESS可被用于为机械提供补充能源。例如，可以使用KESS来平稳地加载发动机以提供传动系响应并且因此提供更好的操作性能、以及从否则将作为热量消散的制动能量提供额外的功率提升，或者其组合。

应该理解的是，KESS的大小(例如能量容量和额定功率)基于实际应用的需求。例如，根据机械的操作需求，一些应用可以使用的KESS解决方案是低容量和高功率，或者容量和功率的其他组合的解决方案。例如，当机械长时间提供最大功率时，机械可能配备有提供高能量存储能力和高额定功率的KESS。

例如，图10示出了根据本发明的一个实施例的采矿设备100。采矿设备100可以是地下采矿机(例如，连续采矿机，运输系统，长壁采煤机，装载机等)或露天采矿机(例如轮式装载机，混合动力挖掘机，索铲采矿机等)。采矿设备100可以包括底盘101和牵引系统102，例如可旋转地耦接到底盘105的多个车轮。采矿设备100还可以包括其他可移动系统和部件，例如电缆卷轴或摆动系统。在如图10所示的实施例中，采矿设备100是在地下采矿环境中常用的铲运机(LHD)。

如图11所示，采矿设备100包括发电机/发动机103。发电机/发动机103可以包括输出机械能的柴油发动机和将由发动机输出的机械能转换成电能的发电机。在一些实施例中，发电机包括SR发电机。在一些实施例中，发电机可以用作增加发动机速度的电动机(如将发动机用作单独使用或者与下面描述的动能存储系统结合使用的能量存储装置)。应该理解的是，在一些实施例中，采矿设备100包括由一个或多个发动机提供动力的一个或多个发电机。

发电机/发动机103向液压泵104提供机械动力(图11中以虚线示出)，该液压泵104可使用液压能量(在图11中以点划线示出)驱动工作液压缸和冷却风扇以及寄生元件107。具体来说，旋转能量通过发电机，并且通过液压泵104和发电机/发动机103之间的机械连接提供给液压泵104。发电机/发动机103还向双向电气总线106(如电容式直流(DC)总线)提供电力(图11中以实线示出)。双向电气总线106向一个或多个牵引电动机108(如SR电动机)供应电力。例如，如图11所示，采矿设备100包括左前牵引电动机108A，右前牵引电动机108B，左后牵引电动机108C和右后牵引电动机108D。每个牵引电动机108为包括在牵引系统102中的车轮或其他驱动机构供能。具体地，每个牵引电动机108将通过双向电气总线106接收的电力转换为用于驱动驱动机构的旋转能量。在一些实施例中，一个或多个牵引电动机8包括SR电动机。

在一些实施例中，双向电气总线106与一个或多个变换器110通信。变换器110可以被配置为通过双向电气总线106传输能量或者从双向电气总线106接收能量(如将双向电气总线106用作双向总线)。每个变换器110可以被用作DC至DC变换器，DC至AC逆变器，AC至DC整流器或其他类型的功率变换器。替代地或附加地，变换器110可以被用作牵引电动机108的电机控制器。例如，变换器110可以被配置为感测牵引电动机108的特性并且响应感测到的特性。在一些实施例中，一个或多个变换器110使用绝缘栅双极型晶体管(“IGBT”)电开关设备。在一些实施例中，多个(如并联)变换器可以用作耦合到双向电气总线106的组件。例如，KESS 120可以与一个或多个并联变换器相连接，所述变换器控制能量流入或流出KESS120。此外，在一些实施例中，KESS 120可以与一个或多个控制能量流入KESS 120的并联变换器以及控制能量流出KESS 120的并联变换器相连接。多个并联变换器的使用可能影响KESS 120的性能(如更快的充电、更快的放电、增加的充电电位、增加的放电电位或其组合)。

如图11所示，每个牵引电动机108与一个制动网格112相关联。制动网格112在采矿设备100的制动期间将牵引电动机的动能转换为热能(热)。

采矿设备100还包括动能存储系统(“KESS”)120。KESS 120可以包括飞轮122和电动机/发电机124。在一些实施例中，电动机/发电机124包括变速电动机，如变速SR电动机/发电机。例如，从KESS存储和回收能量的行为与加速和减慢旋转质量有关。因此，SR电动机宽广的恒定速度和功率范围非常适合于KESS。飞轮122被机械地耦接到电动机/发电机124。电动机/发电机124被配置为从双向电气总线106接收电能并且向飞轮122输出旋转能量，并且可选地，从飞轮122接收旋转能量并向双向电气总线106输出电能。相应地，在接收电能时，电动机/发电机124旋转飞轮122以存储动能。存储的能量可以通过使用来自飞轮122的旋转能量从KESS 120收集，以旋转包括在电动机/发电机124中的转子，该转子将旋转能量转换为可以供应给双向电气总线106的电能。在一些实施例中，包括在KESS 120中的飞轮122具有从大约0到大约6500RPM的旋转速度，这允许KESS 120提供高达每秒大约4000马力(hp)(大约3MJ)的能量输出。在其他实施例中，飞轮112具有从大约3000RPM到大约10000RPM或从大约5000RPM到大约8000RPM的旋转速度。类似地，在一些实施例中，KESS 120提供从约1MJ至约15MJ或从约2MJ至约7MJ的能量输出。如上所述，KESS 120的能量输出可以取决于将KESS 120耦合到双向电气总线106的一个或多个变换器的配置。

虽然在图11中没有示出，采矿设备100还包括一个或多个管理发电机/发动机103和KESS 120的运行的控制器。具体地，采矿设备100可以包括向KESS 120发出命令的控制器，包括与电动机/发电机124上的扭矩有关的命令，以将能量存储到KESS 120或者从KESS120获取能量。类似地，设备可以包括控制器，其向发电机/发动机103发出与发动机、发电机或两者的输出水平有关的命令。此外，采矿设备100可以包括控制器，其向驱动牵引系统102的牵引电动机108发出命令。应当理解的是，该功能可以由单个控制器或多个控制器执行。而且，在一些实施例中，该功能或功能的一部分可以由远离采矿设备100的一个或多个控制器执行，诸如在采矿设备100的远程控制站中。在一些实施例中，由此处描述的控制器执行的功能可以被包括在另一个组件中。例如，控制器可以被包括在KESS120中(如在共同的外壳内)。

如上文关于图9所述，在一些实施例中，采矿设备100可以包括控制器，该控制器基于采矿设备100的速度向KESS 120和发电机/发动机103发出命令以供应或获取能量。具体地，如下面更详细描述的，控制器可以向KESS 120和发电机/发动机103发出命令以将KESS120作为双向电气总线106的主电源。

图12示出了包括在采矿设备100中的控制器150的一个示例。如图12所示，控制器150包括电子处理器152(如一个或多个微处理器、专用集成电路(ASIC)或其他电子设备)，计算机可读非暂时性存储器154以及输入/输出接口156。应该理解的是，控制器150可以包括比图12所示的更多的附加部件，同时图12中所示组件的配置仅是作为一个示例。存储器154存储可由电子处理器152执行的指令，以发出如上所述的命令(如通过输入/输出接口156)。例如，控制器150可以发出命令来控制下面如图13至19描述的潮流。控制器150还可以使用输入/输出接口158来接收信息(如运行参数，诸如机械速度、转向方向、总线电压、发动机速度传感器、发动机负载、牵引系统负载或命令功能，液压系统负载或命令功能等)，控制器150可以使用该信息来确定何时发布命令以及发布何种类型的命令。例如，在一些实施例中，控制器150基于为采矿设备100测量、接收或计算的一个或多个信号来控制KESS 120。应当理解的是，输入/输出接口156可以与控制器150外部的元件(如KESS 120、发电机/发动机103、发动机控制器等)通过有线或无线连接进行连接，包括局域网和控制器区域网络。

图13示出了采矿设备100内的潜在潮流。具体而言，如图13所示，液压泵104消耗由发电机/发动机103提供的能量。然而，发电机/发动机103也可以从双向电气总线106接收能量(如在制动事件期间)。此外，每个牵引电动机108可以从双向电气总线106接收能量并且向双向电气总线106提供能量。类似地，KESS 120可以从双向电气总线106接收能量并且向双向电气总线106提供能。相反，制动网格112仅消耗来自双向电气总线106的能量。

图14示出了用于给KESS 120充电的采矿设备100内的潮流。具体来说，如图14所述，由发电机/发动机103供应的电力被提供给双向电气总线106，双向电气总线106供应用于给KESS 120充电的电力。在一些实施例中，KESS 120在采矿设备100的启动期间被充电。然而，在其它实施例中，KESS 120可在发电机/发动机103上的低负载期间被充电。

图15示出了用于使用KESS 120执行推进的采矿设备100中的潮流。特别地，在KESS120被充电之后，KESS 120可以向双向电气总线106供电。电力被牵引电动机108消耗。在一些实施例中，KESS 120充当牵引电动机108的首要或主动力源。如果KESS 120不能向牵引电动机108充分供应所需的电力，则牵引电动机108可以从发电机/发动机103接收电力，所述发电机/发动机103，如图15所示，同时向双向电气总线106提供电力。因此，在这种配置中，KESS 120是牵引系统102的主要能量提供者，同时发电机/发动机103提供备用供给。KESS120是比发电机/发动机103更加积极响应的动力源。因此，通过首先使用更积极响应的电源，牵引系统102可以比传统的驱动系统所能允许的更快地提速。此外，使用KESS 120作为能量的主要提供者可以减少对以满负荷运行的发电机/发动机103的需要。具体而言，如上所述，使用KESS 120作为牵引系统102的主电源可允许发电机/发动机103在更稳定的输出下运行，这节省了燃料并降低了发动机输出要求。

因此，在采矿设备100的运行期间，控制器150可以被配置为确定双向电气总线106上的能量需求并且确定通过KESS 120可用的能量。当通过KESS 120可用的能量满足能量需求时，控制器150可以被配置为运行KESS 120作为双向电气总线106的主电源(如控制包括在KESS 120中的飞轮122的旋转速度)。然而，当通过KESS 120可用的能量不能满足能量需求时，控制器150可以运行发电机/发动机103作为双向电气总线106的辅助电源(即同时利用来自KESS 120的任何可用能量)来满足能源需求。

图16示出了在不使用KESS 120执行推进的采矿设备100中的潮流。在这种情况下，牵引电动机108消耗来自双向电气总线106的能量，双向电气总线106仅由发电机/发动机103供电。该情况可在KESS 120未充电、发生故障或不存在时使用。

图17示出了用于执行轻制动的采矿设备100中的潮流。如图17所示，在牵引系统102制动时，牵引电动机108充当发电机并且向双向电气总线106供应电能。如图17所示的情况(轻制动)，由牵引电动机108供应的能量可以被供应到发电机/发动机103中包括的发电机。该发电机可以使用所接收的能量来加速发电机/发动机103和液压泵104之间的传动系(如将发动机加速到一个固定速度点，在该速度点下喷油器被命令停止向发动机输送燃料)。在一些情况下，当传动系由包括在发电机/发动机103中的发电机驱动时，发电机/发动机103降低燃料消耗(如在零燃料水平下运行)。

类似地，图18示出了执行重制动并对KESS 120充电的采矿设备100中的潮流。如图18所示，在这些情况下，牵引电动机108充当发电机并且向双向电气总线106供应电力。在图18所示的情况下(重制动)，牵引电动机108产生并被供应到双向电气总线106的能量可以被供应到包括在发电机/发动机103中的发电机和KESS 120。

图19示出了执行重制动而未对KESS 120充电的采矿设备100中的潮流(如KESS120满电、故障或不在)。如图19所示，在这些情况下，牵引电动机108充当发电机并向双向电气总线106供应电力。一些供应的电力被提供给包括在发电机/发动机103中的发电机。然而，一些供应的电力还将被提供到一个或多个制动网格(braking grid)112，所述制动网格112将能量转换为热。

应该理解的是，其他运行模式可以与KESS 120一起使用。例如，在一些实施例中，发电机/发动机103可以被用作牵引系统102的主电源，同时KESS 120可以提供备用电力供应。在这个配置中，控制器可以被配置为基于牵引系统102的运行速度向KESS 120发出命令。

而且，在一些实施例中，采矿设备100提供了允许操作员配置KESS 120的用户界面。在一些实施例中，用户界面还可以显示(如文本地或图形地)当前存储在KESS 120的能量。

还应当理解的是，取决于机械的能量需求和KESS 120的特性，多于一个的KESS120可以被用于特定的采矿机械。而且，在一些实施例中，可以使用多个KESS 120以减少与KESS(飞轮的旋转)相关的陀螺效应。例如，两个独立的KESS 120(第一KESS 120和第二KESS120)可以包含在单个壳体内，使得飞轮122反向旋转以减少机械上的陀螺效应。例如，第一KESS 120可以包括沿第一方向旋转的第一飞轮122，同时第二KESS 120可以包括沿第二方向旋转的第二飞轮122，所述第二方向与第一方向相反。类似地，可以将四个KESS 120(第一KESS 120、第二KESS 120、第三KESS 120和第四KESS 120)定位在沿着平面的四个主方向上以减少陀螺效应。例如，在图20所示，第一KESS 120可以沿着平面定位在第一主方向上，第二KESS 120可以沿着平面定位在第二主方向上，第三KESS 120可以沿着平面定位在第三主方向上，第四KESS 120可以沿着平面定位在第四主方向上。

如上所述，采矿设备100可以包括运输车，例如地下采矿环境中常用的LHD。如图20所示，LHD200包括由一个或多个臂204支撑的铲斗202，其中铲斗202可沿至少一个方向(如水平高度、水平位置延伸的一个角度或其组合)移动。铲斗202可以使用包括在LHD 200中的一个或多个传动装置(如改变铲斗202、臂204或两者的位置)，诸如一个或多个液压传动装置、夯锤(rams)等等来移动。铲斗202可基于从包括在LHD 200中的操作员控制器接收到的输入而移动，诸如操纵杆、控制杆、按钮、触摸屏等。包括在LHD 200中的控制器，诸如上述的控制器150或独立相似的控制器，可以接收输入并据此控制一个或多个传动装置(如向一个或多个传动装置发送命令)。在一些实施例中，控制器还被配置成提供自动返回挖掘功能。

例如，当LHD 200的铲斗202处于非挖掘位置(如如图21所示的卸料位置)时，操作LHD 200的操作员可以按选择机构(如“返回挖掘”选择机构)，诸如按钮，该按钮位于包括在LHD 200内的操作员控制器上(如LHD 200的右或左手操纵杆、触摸屏等)或位于LHD 200的远程操作站。当操作员选择该选择机构时，控制器150从选择机构接收信号(如直接或通过一个或多个网络)，并且作为响应，自动控制与铲斗202相关联的一个或多个传动装置，以重新定位铲斗202至预定的挖掘位置(如预定高度、预定角度或其组合)(参见图22示例)。如图22所示，返回挖掘位置可以被定义为铲斗202与地面或挖掘材料大致水平。

例如，控制器150可以从存储器(诸如包括在控制器150中的存储器154)获取预定挖掘位置，并将所存储的预定挖掘位置与铲斗202的当前位置进行比较。如下所述，控制器150可使用由一个或多个传感器收集的数据来确定铲斗202的当前位置。当位置不同时，控制器150可控制一个或多个传动装置来改变铲斗202的当前位置，以匹配所存储的预定挖掘位置。例如，当铲斗202的当前高度大于在预定挖掘位置中的高度时，控制器150可以控制一个或多个传动装置来降低铲斗202。类似地，当铲斗202的当前角度大于在预定挖掘位置中的角度时，则控制器150可以控制一个或多个传动装置来减小铲斗202的角度。

在一些实施例中，控制器150可以在移动铲斗202的同时重复比较铲斗202的当前位置与存储的预定挖掘位置，直到位置对齐为止。可选地或附加地，控制器150可以初始地将铲斗202的当前位置与所存储的预定挖掘位置进行比较，并且确定使铲斗202与所存储的预定挖掘位置对齐所需的移动量。然后控制器150可以基于所确定的距离命令铲斗202的移动。相应地，在任一配置中，控制器150将当前位置和存储位置之间的差异转化成传至一个或多个传动装置的一个或一系列命令，模拟从操作员控制器接收到的命令。因此，使用选择机构允许操作员集中精力驾驶LHD 200，而不必执行多个操纵杆运动以将铲斗202返回到挖掘位置。

在一些实施例中，操作员可手动调整预定挖掘位置(如预定高度、预定角度或其组合)以适合操作员的偏好或操作环境。例如，当铲斗202处于期望的挖掘位置时，操作员能够发出信号(如通过选择选择机构或操作操作员控制器)。控制器150接收操作员的输入并保存铲斗202的当前位置(如当前高度、当前角度或其组合)。控制器150可以基于由与控制器150通信的一个或多个传感器(如压力传感器、编码器、倾斜计等)收集的数据来确定当前位置。所存储的位置信息可以在操作员随后选择“返回挖掘”选择机构时被调取和应用。在一些实施例中，修改的预定挖掘位置可以被存储为绝对位置(如高度和角度)。然而，替代地或附加地，修改的预定挖掘位置可以被存储为相对默认的预定挖掘位置的偏移(如高度偏移和角度偏移)。在一些实施例中，在LHD 200关闭并重新启动之后，修改的挖掘位置可以被重置为默认的预定挖掘位置。在其他实施例中，修改的挖掘位置可以设置为默认的预定挖掘位置(如响应于选择“重置为默认”选择机构)。

可选地或附加地，包括在LHD 200中的控制器150可以提供自动返回运输功能。例如，当LHD 200的铲斗202处于非挖掘位置(例如如图21所示的卸料位置)时，操作LHD 200的操作员可以按选择机构(如“返回运输”选择机构)，诸如按钮，该按钮位于包括在LHD 200内的操作员控制器上(比如LHD 200的右或左手操纵杆、触摸屏等)或位于LHD 200的远程操作站。当操作员选择该选择机构时，控制器150从选择机构接收信号(如直接地或通过一个或多个网络)，并且作为响应，自动地控制与铲斗相关联的一个或多个传动装置以将铲斗202重新定位到预定的运输位置(如预定高度、预定角度或其组合)(参见图23示例)。

例如，控制器150可以从存储器(诸如包括在控制器150中的存储器154)获取预定运输位置，并且将存储的预定运输位置与铲斗202的当前位置进行比较。如上所述，控制器150可以使用由一个或多个传感器收集的数据来确定铲斗202的当前位置。当位置不同时，控制器150可以控制一个或多个传动装置来改变铲斗202的当前位置以匹配所存储的预定运输位置。例如，当铲斗202的当前高度小于预定运输位置中的高度时，控制器150可以控制一个或多个传动装置来升高铲斗202。类似地，当铲斗202的当前角度小于预定运输位置中的角度，控制器150可以控制一个或多个传动装置来增加铲斗202的角度。

在一些实施例中，控制器150可以在移动铲斗202的同时重复比较铲斗202的当前位置与存储的预定运输位置，直到位置对准为止。可替换地或附加地，控制器150可以初始地比较铲斗202的当前位置与存储的预定运输位置，并且确定使铲斗202与所存储的预定运输位置对齐所需的移动量。然后控制器150可以基于所确定的距离命令铲斗202的移动。相应地，在任一配置中，控制器150模拟从操作员控制器接收到的命令，将当前位置和存储位置之间的差异转化成一个或一系列至一个或多个传动装置的命令。因此，使用选择机构允许操作员集中精力驾驶LHD 200，而不必控制多个操纵杆运动以将铲斗202返回到运输位置。

在一些实施例中，操作员可手动调整预定运输位置(如预定高度、预定角度或其组合)以适合操作员的偏好或操作环境。例如，当铲斗202处于期望的运输位置时，操作员可以能够发信号(如通过选择机构或操作员控制器)。控制器150接收操作员的输入并保存铲斗202的当前位置(如当前高度、当前角度或其组合)。控制器150可以基于由与控制器150通信的一个或多个传感器(如压力传感器、编码器、倾斜计等)收集的数据来确定当前位置。所存储的位置信息可以在操作员随后选择“返回运输”选择机构时被调取和应用。在一些实施例中，修改的预定运输位置可以被存储为绝对位置(如高度和角度)。然而，替代地或附加地，修改的预定运输位置可以作为默认的预定运输位置的偏移被存储(如高度偏移和角度偏移)。在一些实施例中，在LHD 200关闭并重新启动之后，修改的运输位置可以被重置为默认的预定运输位置。在其他实施例中，修改的运输位置可以设置为默认的预定运输位置(如响应于选择“重置为默认”选择机构)。

如图23所示，运输位置可以被定义为铲斗202被上卷并且臂204在低位(铲斗202在低位并且被塞入以将铲斗202放置在非常稳定的位置，使得机械可以如通常使用LHD时运行的那样被长距离驱动)。具体地，运输位置以及随后的自动返回运输功能可以在以下情况下提供益处，即一旦操作员填充了铲斗202或倾倒了铲斗202，操作员必须驾驶LHD200经过很长的距离(如大于约500英尺)。例如，露天轮式装载机通常在运输卡车和挖掘面之间往返行程小于300英尺。这个距离通常没有必要将铲斗放在运输位置上。而是在行驶该距离时，露天装载机臂可以用来完全升起铲斗或使铲斗降回到挖掘位置。相反，LHD返回距离通常是1000英尺或更大。相应地，自动返回运输功能为远距离驾驶的LHD提供了益处，在这种情况时不希望(如出于稳定性目的)在铲斗202完全升起的情况下驾驶LHD。

因此，除其他以外，本发明的实施例提供了用于采矿机械的动能存储系统。该动能存储系统可以利用在发动机启动期间、低发动机负载期间及制动事件期间存储的能量来为采矿机械的牵引系统供能。

在下面的权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。