一种电动工程机械液压系统及节能控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体涉及一种电动工程机械液压系统及节能控制方法。

背景技术

工程机械(主要包含且不限于电动装载机、电动挖掘机、电动推土机等通过液压传动驱动工作装置的工程机械)在铁路货场、港口码头、矿山开采和庄园农场货物装卸或建筑施工场合有着广泛的应用。随着全球化石能源供应的不断趋紧及温室气体排放要求的不断提升，对工程机械的排放、节能和经济性要求也越来越严格，电动工程机械应运而生。

而电动工程机械因为可以实现驱动装置与液压系统的解耦，所以可以实现仅在液压系统需要流量或压力的时候才驱动液压系统工作，大幅降低了工程机械液压系统管路的沿程、阀间和溢流压力损失。现有工程机械中液压控制方法分为两种：

一是在车辆静止状态(未挂起行进档、操作手柄未动作)，给液压电机较低的转速控制，以保证车辆的制动及转向系统随时可以工作；在车辆开始动作后(挂档或操作手柄信号不为零)，给液压电机一个较高的转速控制，以保证车辆对流量和压力的需要。

二是在车辆静止状态，给液压电机较低的转速控制，以保证车辆的制动及转向系统随时可以工作；在车辆开始动作时，根据操作手柄的动作开度大小赋予液压电机不同的转速，以减少液压系统的溢流。

第一种方案较传统工程机械相比大幅降低了高速行驶及工作装置作业过程中的液压系统沿程压力损失及作业过程中的溢流损失。第二种方案在第一个方案基础上减少了工程机械行驶且工作装置未动作工况下的液压系统沿程压力损失，以及液压系统需要大压力而小流量工况下的液压系统溢流损失。两种方案都具有十分重要的意义，但是以上两种方案都无法避免沿程压力损失和溢流损失。

针对以上两种系统损失，有人提出了在液压油路上设置蓄能器和在工作装置前端设置多路换向阀，通过对蓄能器和系统压力逻辑门限值的控制，保证了在无作业工况时，系统没有溢流和沿程压力损失；有作业工况时，根据操作手柄开度、系统压力对电机进行控制，避免了在需要大压力小流量和因工作装置限位引起的溢流和阀间压力损失。但是该方法中对蓄能器的控制仅考虑了通过蓄能器存储的能量保持转向系统的正常工作，对作业工况时系统的压力响应速度并未考虑，会因为蓄能器压力不足在作业工况影响系统的响应速度；同时在该方法中虽然对工作油路设置了多路换向阀，但是对工作装置中各部分执行器的压力需求却没有达成协调统一，致使某些部件动作缓慢或无法执行；另外多路换向阀有中位回油就有沿程压力损失。

发明内容

为了实现上述发明目的，本发明提供一种电动工程机械液压系统及节能控制方法，通过对液压系统中安装的各种阀的控制和系统压力的反馈，分工况对电机和阀等进行控制，以实现系统节能目的。

本发明提供一种电动工程机械液压系统，包括：

一液压电机，驱动连接液压泵；

一蓄能器，接于通往制动系统、转向系统和工作装置的供油主管路上；

一开关阀，接于通往蓄能器的油路上；

一制动优先阀，接于供油主管路通往制动系统和工作装置的交叉口上；

一转向优先阀，接于供油主管路通往转向系统和工作装置的交叉口上；

一闭芯控制压力补偿多路换向阀，接于制动优先阀和转向优先阀与工作装置之间；

一电液比例先导控制阀，接于闭芯控制压力补偿多路换向阀；

一压力传感器，接于供油主管路上；

一电控多路阀操作手柄，信号连接于整车控制器，同时所述开关阀、电液比例先导控制阀、压力传感器、液压电机也信号连接于整车控制器。

在上述系统的基础上：

还包括一单向阀，接于所述液压泵出口处，

还包括一溢流阀，接于供油主管路与油箱之间。

进一步地，所述制动优先阀和转向优先阀为一进二出阀，并联接于供油主管路上。

进一步地，所述整车控制器接收电控多路阀操作手柄的开度信号，接收压力传感器的压力信号；

所述整车控制器控制液压电机的转速和转矩；

所述整车控制器控制电液比例先导控制阀和开关阀的开关。

本发明还提供一种上述电动工程机械液压系统的节能控制方法，其特征在于：分为工作装置有没有工作两种工况，对液压电机、蓄能器的开关阀和电液比例先导控制阀进行控制；

首先经标定得到：

工作装置动作时各液压缸最大流量为Q

液压泵出口溢流压力为P

系统达到溢流压力P

液压泵的额定转速为ω

(1)工作装置不工作时

1)当系统压力P大于等于P

2)当系统压力P小于max(P

2.1)当系统压力P小于min(P

2.2)当系统压力P大于等于min(P

进一步地：

由于液压系统的压力较难实现准确的定值控制，所以为系统设定两个微小的压力调节量a和b，a的取值在(0，P

1)当系统压力P大于等于P

2)当系统压力P小于max(P

2.1)当系统压力P小于min(P

2.2)当系统压力P大于等于min(P

(2)工作装置工作时

1)当系统压力P达到P

2)当系统压力P大于等于P

其中，

ω

K

Q

L为液压泵的排量。

进一步地：

在工作装置不工作时，蓄能器的开关阀处于打开状态；

在工作装置工作时，当工作装置的液压缸动作且电机转速小于液压泵的最低转速时，开关阀打开；当液压电机转速达到液压泵的最低转速后，开关阀关闭。

进一步地：

在工作装置不工作时，电液比例先导控制阀关闭；

在工作装置工作时，当系统只有一个工作装置的液压缸工作时，电液比例先导控制阀全部打开；当系统有两个及以上工作装置的液压缸工作时，按电控多路阀操作手柄的开度信号向电液比例先导控制阀发送相应的开度命令。

本发明的有益效果体现在：本发明通过设置蓄能器的开关阀和工装装置的闭芯控制压力补偿多路换向阀，在没有工作装置使用工况时，通过蓄能器和对液压系统压力逻辑门限值的控制，保证了在工作装置在不动作时，液压泵的效率最高，系统没有溢流和中位回油造成的沿程压力损失，从而提高了整车的效率和电能的有效利用率，延长了电动装载机的工作时间；在有工作装置使用工况时，根据操作手柄开度、系统压力(电机转矩)对电机的控制模式进行切换控制，避免了在大压力小流量和因工作装置限位引起的溢流和阀间压力损失，不仅减少了能量的浪费，对电动装载机的液压系统热管理也起到了重要作用。同时考虑到系统的响应速度，在工作装置启动和停止过程中对蓄能器压力实行动态过程控制，使其发挥最大效用。在工作装置有和没有复合动作时对电液比例先导控制阀实行不同的控制策略，以最大限度的减少阀间压力损失。

附图说明

图1是本发明的液压系统图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，以证明在液压系统不工作时无沿程压力损失，工作时避免溢流损失和阀间压力损失的优越性。

一.液压系统

如图1所示，本发明电动工程机械液压系统包括有：液压电机1、液压泵2、单向阀3、溢流阀4、蓄能器5、开关阀6、制动优先阀7、转向优先阀8、闭芯控制压力补偿多路换向阀9、电液比例先导控制阀10以及用液系统，用液系统包括制动系统11、转向系统12、工作装置13，整个液压系统的控制逻辑依靠整车控制器14的控制和电控多路阀操作手柄15、油路上的压力传感器16响应实现。

液压电机1驱动连接液压泵2，液压电机1根据整车控制器14指令，驱动液压泵2工作。液压泵2出口设置单向阀3，只允许单向泵油。溢流阀4，接于液压泵供油主管路与油箱之间，用于系统高压溢流。

蓄能器5，接于通往制动系统11、转向系统12和工作装置13的前端供油主管路上，用于各执行器的能量回收。开关阀6，接于供油主管路与蓄能器5之间，用于限制液压蓄能。蓄能器5接于开关阀6上，用于保证工作装置不工作，液压泵也不工作时的为转向系统和制动系统提供压力。

制动优先阀7和转向优先阀8并联设置于供油主管路上；制动优先阀7，接于供油主管路通往制动系统11和工作装置13的交叉口上，制动优先阀7为一进二出阀，优先导通制动系统液压回路；转向优先阀8，接于供油主管路通往通往转向系统12和工作装置13的交叉口上，转向优先阀8也为一进二出阀，优先导通转向系统液压回路。

闭芯控制压力补偿多路换向阀9接于制动优先阀7和转向优先阀8与工作装置7之间，用于对不同工作状态的调整；电液比例先导控制阀10(低压阀)用于对闭芯控制压力补偿多路换向阀9(高压阀)的启动，两者可为集成件，电液比例先导控制阀10(低压阀)响应整车控制器14的指令。

电控多路阀操作手柄15，用于工作状态的转换操作，电控多路阀操作手柄15操作信号发送给整车控制器14。整车控制器11根据电控多路阀操作手柄15的信号，对电液比例先导控制阀10进行控制，进而实现闭芯控制压力补偿多路换向阀9控制，用于闭芯控制压力补偿多路换向阀9相应阀位的打开和开度调节。

压力传感器16，接于供油主管路上，以实时检测对蓄能器5和主供油管路的调整压力，压力传感器16信号反馈至整车控制器14。

本发明对液压系统所做的突出改进是：1)在液压泵至两个优先阀间安装开关阀来控制蓄能器，以此控制当工作装置工作时在液压泵未进入正常工作状态时由蓄能器供能以提高响应速度，在液压泵速度进入正常工作区域后切断蓄能器与系统的耦合，以保障当工作装置工作时液压系统的压力不受蓄能器影响；当工作装置不工作时，转向系统和制动系统可由蓄能器内的能量提供动力；2)将现有带中位回油的多路换向阀换改为闭芯控制且有压力补偿的多路换向阀，一是取消中位回油会减少工作装置的建压时间，提升系统的工作效率，二是多路压力补偿实现不同工作装置的同时动作协调性；3)设置压力检测，压力传感器信号和电机扭矩信号反馈至整车控制器，由整车控制器统一协调液压电机和蓄能器工作模式及功率；4)操作控制手柄的信号需经过整车控制器解读再对先导阀进行控制。

相关器件选型：

根据本系统设置，蓄能器5的最大压力，应按液压泵出口溢流阀的溢流压力P

压力传感器16的最大测量值，应按液压泵出口溢流阀的溢流压力P

二.控制方法

液压系统控制的目的是，系统优先保证转向系统和制动系统的动作响应，在此基础上系统再供给工作装置，系统的供油压力大小取决于三方面执行机构的需求量。为避免液压泵沿程压力损失和溢流损失，工作装置不工作时，液压泵仅用于对蓄能器供油，由蓄能器为转向系统和制动系统供能；工作装置工作时，液压泵启动同时为三方面执行机构供能，蓄能器用于辅助。

方法执行前预先做如下系统标定：

标定1：测量工作装置动作时各液压缸活塞移动的最快速度，并根据缸径、活塞杆径和最快速度等计算出各缸在各工作状态下对应的最大流量，记为Q

标定2：系统达到稳定溢流压力P

标定3：液压泵出口溢流压力P

标定4：液压泵的额定转速ω

本发明对液压系统的控制，分为工作装置有没有工作两种工况，包括对液压电机、蓄能器的开关阀和电液比例先导控制阀进行联合控制。

(1)工作装置静止状态(电控多路阀操作手柄信号为0)

工作装置没有工作时，液压系统主要保证转向系统和制动系统的压力需求，此时以液压泵出口溢流压力P

原理上当系统压力大于等于P

当系统压力P小于min(P

当系统压力P大于等于min(P

进一步地，由于液压系统的压力较难实现准确的定值控制，所以为系统设定两个微小的压力调节量a和b，a的取值在(0，P

当系统压力P小于min(P

当系统压力P大于等于min(P

当系统压力P大于等于P

因此，工作装置没有工作时，对液压电机进行转速控制，控制逻辑是：

其中：ω

在工作装置不工作时，蓄能器的开关阀应处于打开的状态，以满足转向系统和制动系统的压力需要。

在工作装置不工作时，也即电控多路阀操作手柄没有开度信号，闭芯控制压力补偿多路换向阀不需要动作，所以不需要对电液比例先导控制阀发出开启指令，电液比例先导控制阀关闭。

2、工作装置工作状态(电控多路阀操作手柄信号不为0)

工作装置工作时，液压泵优先供转向系统和制动系统动力，在满足转向系统和制动系统用油的前提下再供工作装置，但是由于车辆在工作过程中，工作装置在快速工作或大压力工作的时候，车辆几乎不存在同时转向的工况，车辆速度也不会高，因此在工作装置工作状态下，转向系统和制动系统所需流量和压力可以忽略不计。

所以，工作装置工作时，应综合考虑系统压力、电机转矩、电机转速、电控多路阀操作手柄上传来的开度信号，对液压电机进行转速或转矩控制。

当系统压力达到P

直至系统压力大于等于P

该转速为：

其中：

ω

K

Q

L为液压泵的排量。

所以，对电机的控制包括转矩和转速两方面，综合表述如下：

其中，M(ω

电机在转矩控制模式下，T

电机在转速控制模式下，

在工作装置处于工作状态时，对蓄能器的开关阀的控制是，当液压缸动作且电机转速小于液压泵的最低转速ω

在工作装置处于工作状态时，对电液比例先导控制阀的控制是，当系统只有一个工作装置的液压缸工作时，整车控制器接收到电控多路阀操作手柄的信号时，给相应电液比例先导控制阀发送全部打开的命令，以减少阀间压力损失，工作装置的速度完全由液压泵流量控制。

当系统有复合动作(两个及以上工作装置的液压缸工作)时，整车控制器接收到电控多路阀操作手柄的信号时，按电控多路阀操作手柄的开度信号(电压或电流)向电液比例先导控制阀发送相应的开度命令(电压或电流)，总流量由液压泵控制，单个工作装置液压缸的速度由相应的电液比例先导控制阀控制的多路换向阀开度控制。