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CN114572018B - 一种挖掘机的混合动力系统及控制方法 - Google Patents

一种挖掘机的混合动力系统及控制方法 Download PDF

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CN114572018B CN202210175958.9A CN202210175958A CN114572018B CN 114572018 B CN114572018 B CN 114572018B CN 202210175958 A CN202210175958 A CN 202210175958A CN 114572018 B CN114572018 B CN 114572018B
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Abstract

本发明公开了一种挖掘机的混合动力系统及控制方法，包括动力总成、工作系统、行走系统、操控系统和整车控制器，操控系统通过整车控制器控制动力总成分别给工作系统和行走系统提供动力，动力总成包括燃料电池总成、蓄电池总成、超级电容总成、DC/DC转换器、变频器、行走系统驱动电机、工作系统驱动电机和发电机，整车控制器控制燃料电池总成、蓄电池总成和超级电容总成输出功率的分配方案和回收能量的分配方案。有益效果：本发明可以满足挖掘机工况的频繁变化，燃料电池总成保持在高效率工作区间工作，达到保护燃料电池总成效果，减少排放；可以提高能量利用效率，延长蓄电池总成使用寿命；实现挖掘机动能的合理配置，提高了整体运行效率。

Description

一种挖掘机的混合动力系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种工程车辆的动力系统及控制方法，特别提供了一种挖掘机的混合动力系统及控制方法，属于工程机械技术领域。
背景技术
工程机械作为我国装备工业的重要组成部分，被广泛应用于矿山挖掘、交通运输、道路建设等机械化施工中。在国家一系列基建政策的刺激下，工程机械产销量处于稳步上升的趋势。
随着社会对环境保护问题的重视，国家环保政策、法规日益增加，种类繁多、应用广泛的工程机械也面对着节能减排的压力。挖掘机就是工程机械中最主要设备之一，传统挖掘机作业时，工况会随时发生变化，低中高负荷甚至过载负荷频繁交替转换，发动机转速时常偏离经济油耗区，处于低效率区，且在能量传递过程中损耗大，导致挖掘机整机油耗上升，能效降低，排放增加等问题。
为了缓解节能减排政策与行业发展的矛盾，混合动力挖掘机快速发展。传统柴油机加储能装置的油电混动虽然能在一定程度上减排节能，但是由于其动力源依旧使用内燃机，对环境还是会产生一定的污染，不能从根源上解决问题。伴随着近些年新能源行业的快速发展，以电机作为主动源的纯电驱液压挖掘机因其高效率与零排放的特点逐渐成为研究的热点，并且发展迅猛。氢燃料电池供能时反应生成物只有水，具有清洁、噪声低、积木性强等优点。
由于挖掘机运行工况复杂多变，短时间内在低、中、高负荷进行转换工作，甚至处于过载负荷，而氢燃料电池具有动态响应慢、稳定性差等缺点，目前燃料电池技术无法解决这个问题，因此氢燃料电池无法单独为挖掘机动力系统供电。目前，氢燃料电池混合动力挖掘机动力源组合一般为氢燃料电池和蓄电池或者氢燃料电池和超级电容以及氢燃料电池、蓄电池和超级电容三者组合使用。三者组合使用刚好弥补了两两组合使用的缺点，性能会更加优越，但是动力系统的动力分配和能量管理策略更为复杂，是制约其发展的难点。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的动力分配和能量管理问题，本发明提供了一种挖掘机的混合动力系统及控制方法。
技术方案：一种挖掘机的混合动力系统，包括动力总成、工作系统、行走系统、操控系统和整车控制器，操控系统通过整车控制器控制动力总成分别给工作系统和行走系统提供动力，所述动力总成包括燃料电池总成、蓄电池总成、超级电容总成、DC/DC转换器、变频器、行走系统驱动电机、工作系统驱动电机和发电机，所述燃料电池总成、蓄电池总成和超级电容总成相互并联后通过变频器分别与行走系统驱动电机和工作系统驱动电机连接，所述燃料电池总成通过DC/DC转换器分别与蓄电池总成和超级电容总成连接，所述发电机通过变频器分别与蓄电池总成和超级电容总成连接；所述整车控制器根据操控系统输入的操控信号分别控制行走系统驱动电机、工作系统驱动电机和发电机，所述整车控制器分别采集工作系统和行走系统的运行参数以及燃料电池总成、蓄电池总成和超级电容总成状态参数，所述整车控制器控制燃料电池总成、蓄电池总成和超级电容总成输出功率的分配方案和回收能量的分配方案。
本发明以燃料电池总成作为主要动力源，蓄电池总成以及超级电容总成起到补充挖掘机所需功率的作用，以满足挖掘机工况频繁变化的实际情况，使得燃料电池总成工作在高效率工作区间，并且工作在较稳定的输出功率状态，达到保护燃料电池总成效果，也从根本上减少排放；通过超级电容总成回收能量，提高能量利用效率，避免蓄电池总成高频充放电，延长蓄电池使用寿命。
优选项，为了实现工作系统的能量回收，所述工作系统包括变量泵、单向马达、液压油箱、多路阀、双向马达、回转机构和执行机构；所述变量泵由工作系统驱动电机驱动，所述单向马达驱动发电机，所述变量泵通过多路阀分别将高压油液输送至双向马达和执行机构，双向马达驱动回转机构运动；回转机构制动时，双向马达通过多路阀与单向马达连接；所述执行机构回收时，执行机构通过多路阀与单向马达连接。
当挖掘机只进行能量回收不进行作业时，回转机构制动时的能量通过多路阀、单向马达、发电机回收至超级电容总成；执行机构的势能通过多路阀、单向马达、发电机回收至超级电容总成；
当挖掘机同时进行能量回收和进行作业时，蓄电池总成或超级电容总成协同燃料电池总成给工作系统驱动电机供电，经过多路阀使回转机构或者执行机构工作。需要进行能量回收的部件通过多路阀，经发电机回收至超级电容总成或者蓄电池总成。
本发明从根源上减少有害排放，同时能量的回收进一步减少了能源损耗，提高能量利用效率，避免蓄电池总成高频充放电，延长蓄电池总成使用寿命。
优选的，为了保障挖掘机行走系统动力充足及稳定运行，所述行走系统包括左右对称的行走液压传动机构、减速机构和履带装置，所述行走系统驱动电机驱动行走液压传动机构，所述行走液压传动机构通过减速机构驱动履带装置运动。
优选的，为了进一步确保挖掘机行走系统动力充足及稳定运行，所述行走液压传动机构包括两路结构相同相互并联的液压油路，所述液压油路包括行走液压泵、行走马达、换向阀和溢流阀，所述行走液压泵由行走系统驱动电机驱动，所述行走液压泵通过换向阀与行走马达连接，所述溢流阀设置在行走液压泵与行走马达之间的油路上。
优选的，为了减小油路中压力波动对液压系统的影响，所述液压油路上设有蓄能器。蓄能器用于回收行走制动能量以及通过吸收或者释放势能以减小油路液压的波动。
本发明的行走系统采用双侧对称单侧双电机输入，保证挖掘机运行动力充足及运行的稳定性，能适应更加复杂的工况环境，扩大挖掘机作业范围，同时为整个执行机构提供安全稳定的作业平台，提高挖掘机工作效率。
一种挖掘机的混合动力系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、燃料电池参数录入，录入燃料电池高效工作区域的参数；
步骤二、启动检测，操控系统向整车控制器发出启动信号，启动前整车控制器检测超级电容总成和蓄电池总成的电量；
当超级电容总成的电量值高于启动阈值/>时，由超级电容总成启动整机；当超级电容总成的电量/>值达到或者低于启动阈值/>时，超级电容总成不供电，进一步检测蓄电池总成的电量；
当蓄电池总成的电量值高于启动阈值/>时，由蓄电池总成启动整机；
当超级电容总成和蓄电池总成的电量均低于启动阈值时，启动燃料电池总成同时给蓄电池总成和超级电容总成充电，待超级电容总成电量高于启动阈值时，由超级电容总成启动整机；
步骤三、获取实际功率,检测超级电容总成和蓄电池总成的电量，计算当前工况下实际需求功率,获取当前超级电容总成的电量值/>和当蓄电池总成的电量值/>；
步骤四、功率匹配，将整机实际需求功率以及燃料电池总成高效工作区域能够提供的功率进行比较，并结合蓄电池总成和超级电容总成电量进行功率分配；
步骤五、停机检测，操控系统向整车控制器发出启动信号，整车控制器检测蓄电池总成和超级电容总成的电量，若蓄电池总成和超级电容总成的电量有其一或者均低于设定的安全电量时，则燃料电池总成通过DC/DC转换器给低于设定安全电量的蓄电池总成和超级电容总成充电，直至蓄电池总成和超级电容总成电量大于设定的安全电量时，燃料电池总成停止工作；
步骤六、停机，当蓄电池总成和超级电容总成电量均大于设定的安全电量时，动力总成停止工作。
本发明通过对燃料电池总成、超级电容总成、蓄电池总成三者组合使用。三者组合使用刚好弥补了两两组合使用的缺点，性能会更加优越。通过蓄电池总成或者超级电容总成进行启动总机，达到保护燃料电池总成的目的，同时采用的动力系统的动力分配和能量管理策略从根本上减少排放，实现挖掘机动能的合理配置，减少了能源损耗，提高了运行效率。
优选的，所述步骤二中超级电容总成电量的启动阈值为0.5，蓄电池总成电量的启动阈值/>为0.5。
优选的，为了实现多动力源的协同控制，所述步骤四中功率分配的方法如下：
当实际需求功率>0时，进入驱动模式，否则进入能量回收模式；
驱动模式：检测当前超级电容总成的电量值和当蓄电池总成的电量值/>；
当超级电容总成的电量值大于启动阈值/>，且蓄电池总成的电量值大于启动阈值/>时，超级电容总成协同燃料电池总成供电；
当超级电容总成的电量值小于启动阈值/>，且蓄电池总成的电量值大于启动阈值/>时，蓄电池总成协同燃料电池总成供电，燃料电池总成给超级电容总成充电，同时超级电容总成回收能量；
当超级电容总成的电量值大于启动阈值/>，且蓄电池总成的电量值小于启动阈值/>时，超级电容总成协同燃料电池总成供电，燃料电池总成给蓄电池总成充电，同时蓄电池总成回收能量；
实时检测超级电容总成的电量值和蓄电池总成的电量值/>，超级电容总成和蓄电池总成交替协同燃料电池总成供电，燃料电池总成交替给蓄电池总成和超级电容总成充电，同时蓄电池总成和超级电容总成交替进行能量回收；
能量回收模式：实际需求功率≤0时，超级电容总成的电量值/>小于最大阈值/>时，超级电容总成回收能量。
本发明从根源上减少有害排放，蓄电池总成或超级电容总成与燃料电池总成协同供电，避免燃料电池总成输出功率的波动，进而保护燃料电池总成。
优选的，为了获得更节能的功率配置方案，所述的驱动模式的功率匹配方法如下：
当超级电容总成的电量值大于启动阈值/>，且蓄电池总成的电量值大于启动阈值/>时，超级电容总成协同燃料电池总成供电；
燃料电池总成工作在恒定输出功率点，超级电容总成所提供的输出功率为挖掘机实际需求功率/>与燃料电池总成提供的恒定输出功率/>之差；待超级电容总成的电量/>值达到最低阈值0.2，超级电容总成停止供电，由蓄电池总成接替超级电容总成协同燃料电池总成提供动力，同时燃料电池总成工作在高效率区域的最大输出功率点/>，用其余功率/>给超级电容总成充电；
当超级电容总成的电量值小于启动阈值/>，且蓄电池总成的电量值大于启动阈值/>时，则燃料电池总成工作在高效率区域的最大输出功率点/>，燃料电池总成为挖掘机输出恒定功率/>，挖掘机实际需求功率/>与燃料电池总成输出的恒定功率/>之差即为蓄电池总成的输出功率/>，燃料电池总成其余功率/>用于超级电容总成充电，待超级电容总成的电量/>值达到最大阈值0.8，燃料电池总成不再为超级电容总成充电，燃料电池总成工作在恒定输出功率点/>；
当超级电容总成的电量值大于启动阈值/>，且蓄电池总成的电量值小于启动阈值/>时，燃料电池总成工作在高效率区域的最大输出功率点/>，燃料电池总成为挖掘机输出恒定功率/>，挖掘机实际需求功率/>与燃料电池总成输出的恒定功率/>之差即为超级电容总成的输出功率/>，燃料电池总成其余功率/>用于给蓄电池总成充电，待蓄电池总成电量/>值达到最大阈值0.8，燃料电池总成不再为蓄电池总成充电，燃料电池总成工作在恒定输出功率点/>。
本发明通过驱动模式的功率匹配策略优化了燃料电池总成、超级电容总成、蓄电池总成三者的作用关系。实现挖掘机动能的合理配置，减少了能源损耗，提高了运行效率，保护了燃料电池总成。
优选的，为了保障停机时超级电容总成和蓄电池总成的电量处于合理阈值，所述步骤五中停机检测的方法如下：
检测超级电容总成及蓄电池总成的电量，若超级电容总成的电量值及蓄电池总成的电量/>值小于0.5，则燃料电池总成工作在高效率区域的最小充电功率点为超级电容总成及蓄电池总成进行充电，待超级电容总成及蓄电池总成的电量都达到0.5，燃料电池总成停止工作。
有益效果：本发明以燃料电池总成作为主要动力源，蓄电池总成以及超级电容总成起到补充挖掘机所需功率的作用，以满足挖掘机工况频繁变化的实际情况，使得燃料电池总成工作在高效率工作区间，并且处于较稳定的输出功率状态，达到保护燃料电池总成效果，也从根本上减少排放；通过蓄电池总成以及超级电容总回收能量，提高能量利用效率，避免蓄电池总成高频充放电，延长蓄电池总成使用寿命；通过对燃料电池总成、超级电容总成、蓄电池总成三者组合使用。三者组合使用刚好弥补了两两组合使用的缺点，性能会更加优越，实现挖掘机动能的合理配置，减少了能源损耗，提高了整体运行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；
图1为本发明整体结构原理图；
图2为本发明行走系统原理图；
图3为本发明混合动力系统的控制方法的流程图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，一种挖掘机的混合动力系统，包括动力总成1、工作系统2、行走系统3、操控系统4和整车控制器5，操控系统4通过整车控制器5控制动力总成1分别给工作系统2和行走系统3提供动力，所述动力总成1包括燃料电池总成11、蓄电池总成12、超级电容总成13、DC/DC转换器14、变频器15、行走系统驱动电机16、工作系统驱动电机17和发电机18，所述燃料电池总成11、蓄电池总成12和超级电容总成13相互并联后通过变频器15分别与行走系统驱动电机16和工作系统驱动电机17连接，所述燃料电池总成11通过DC/DC转换器14分别与蓄电池总成12和超级电容总成连接13，所述发电机18通过变频器15分别与蓄电池总成12和超级电容总成13连接；所述整车控制器5根据操控系统4输入的操控信号分别控制行走系统驱动电机16、工作系统驱动电机17和发电机18，所述整车控制器5分别采集工作系统2和行走系统3的运行参数以及燃料电池总成11、蓄电池总成12和超级电容总成13状态参数，所述整车控制器5控制燃料电池总成11、蓄电池总成12和超级电容总成13输出功率的分配方案和回收能量的分配方案。
本发明以燃料电池总成作为主要动力源，蓄电池总成以及超级电容总成起到补充挖掘机所需功率的作用，以满足挖掘机工况频繁变化的实际情况，使得燃料电池总成工作在高效率工作区间，并且工作在较稳定的输出功率状态，达到保护燃料电池总成效果，也从根本上减少排放；通过超级电容总成回收能量，提高能量利用效率，避免蓄电池总成高频充放电，延长蓄电池使用寿命。
为了实现工作系统的能量回收，所述工作系统包括变量泵21、单向马达22、液压油箱23、多路阀24、双向马达25、回转机构26和执行机构27；所述变量泵21由工作系统驱动电机17驱动，所述单向马达22驱动发电机18，所述变量泵21通过多路阀24分别将高压油液输送至双向马达25和执行机构27，双向马达25驱动回转机构26运动；回转机构26制动时，双向马达25通过多路阀24与单向马达22连接；所述执行机构27回收时，执行机构27通过多路阀24与单向马达22连接。
当挖掘机只进行能量回收不进行作业时，回转机构26制动时的能量通过多路阀24、单向马达22、发电机18回收至超级电容总成13；执行机构27的势能通过多路阀24、单向马达22、发电机18回收至超级电容总成13；
当挖掘机同时进行能量回收和进行作业时，蓄电池总成12或超级电容总成13协同燃料电池总成11给工作系统驱动电机供电17，经过多路阀24使回转机构26或者执行机构27工作。需要进行能量回收的部件通过多路阀24，经发电机18回收至超级电容总成13或者蓄电池总成12。
本发明从根源上减少有害排放，同时能量的回收进一步减少了能源损耗，提高能量利用效率，避免蓄电池总成高频充放电，延长蓄电池总成使用寿命。
如图2所示，为了保障挖掘机行走系统动力充足及稳定运行，所述行走系统2包括左右对称的行走液压传动机构31、减速机构32和履带装置33，所述行走系统驱动电机16驱动行走液压传动机构31，所述行走液压传动机构31通过减速机构32驱动履带装置33运动。
所述行走液压传动机构31包括两路结构相同相互并联的液压油路，所述液压油路包括行走液压泵311、行走马达312、换向阀313和溢流阀314，所述行走液压泵311由行走系统驱动电机16驱动，所述行走液压泵311通过换向阀313与行走马达312连接，所述溢流阀314设置在行走液压泵311与行走马达312之间的油路上。
为了减小油路中压力波动对液压系统的影响，所述液压油路上设有蓄能器315。蓄能器315用于回收行走制动能量以及通过吸收或者释放势能以减小油路液压的波动。
本发明的行走系统采用双侧对称单侧双电机输入，保证挖掘机运行动力充足及运行的稳定性，能适应更加复杂的工况环境，扩大挖掘机作业范围，同时为整个执行机构提供安全稳定的作业平台，提高挖掘机工作效率。
如图3所示，一种挖掘机的混合动力系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、燃料电池参数录入，录入燃料电池高效工作区域的参数；
步骤二、启动检测，操控系统4向整车控制器5发出启动信号，启动前整车控制器5检测超级电容总成13和蓄电池总成12的电量；
当超级电容总成13的电量值高于启动阈值/>时，由超级电容总成13启动整机；当超级电容总成13的电量/>值达到或者低于启动阈值/>时，超级电容总成13不供电，进一步检测蓄电池总成12的电量；
当蓄电池总成12的电量值高于启动阈值/>时，由蓄电池总成12启动整机；
当超级电容总成13和蓄电池总成12的电量均低于启动阈值时，启动燃料电池总成11同时给蓄电池总成12和超级电容总成13充电，待超级电容总成13电量高于启动阈值时，由超级电容总成13启动整机；
步骤三、获取实际功率,检测超级电容总成13和蓄电池总成12的电量，计算当前工况下实际需求功率,获取当前超级电容总成13的电量值/>和当蓄电池总成12的电量值/>；
步骤四、功率匹配，将整机实际需求功率以及燃料电池总成11高效工作区域能够提供的功率进行比较，并结合蓄电池总成12和超级电容总成13电量进行功率分配；
步骤五、停机检测，操控系统4向整车控制器5发出启动信号，整车控制器5检测蓄电池总成12和超级电容总成13的电量，若蓄电池总成12和超级电容总成13的电量有其一或者均低于设定的安全电量时，则燃料电池总成11通过DC/DC转换器14给低于设定安全电量的蓄电池总成12和超级电容总成13充电，直至蓄电池总成12和超级电容总成13电量大于设定的安全电量时，燃料电池总成11停止工作；
步骤六、停机，当蓄电池总成12和超级电容总成13电量均大于设定的安全电量时，动力总成1停止工作。
本发明通过对燃料电池总成、超级电容总成、蓄电池总成三者组合使用。三者组合使用刚好弥补了两两组合使用的缺点，性能会更加优越。通过蓄电池总成或者超级电容总成进行启动总机，达到保护燃料电池总成的目的，同时采用的动力系统的动力分配和能量管理策略从根本上减少排放，实现挖掘机动能的合理配置，减少了能源损耗，提高了运行效率。
所述步骤二中超级电容总成13电量的启动阈值为0.5，蓄电池总成12电量的启动阈值/>为0.5。
优选的，为了实现多动力源的协同控制，所述步骤四中功率分配的方法如下：
当实际需求功率>0时，进入驱动模式，否则进入能量回收模式；
驱动模式：检测当前超级电容总成13的电量值和当蓄电池总成12的电量值；
当超级电容总成13的电量值大于启动阈值/>，且蓄电池总成12的电量值/>大于启动阈值/>时，超级电容总成13协同燃料电池总成11供电；
当超级电容总成13的电量值小于启动阈值/>，且蓄电池总成12的电量值/>大于启动阈值/>时，蓄电池总成12协同燃料电池总成11供电，燃料电池总成11给超级电容总成13充电，同时超级电容总成13回收能量；
当超级电容总成13的电量值大于启动阈值/>，且蓄电池总成12的电量值/>小于启动阈值/>时，超级电容总成13协同燃料电池总成11供电，燃料电池总成11给蓄电池总成12充电，同时蓄电池总成12回收能量；
实时检测超级电容总成13的电量值和蓄电池总成12的电量值/>，超级电容总成13和蓄电池总成12交替协同燃料电池总成11供电，燃料电池总成11交替给蓄电池总成12和超级电容总成13充电，同时蓄电池总成12和超级电容总成13交替进行能量回收；
能量回收模式：实际需求功率≤0时，超级电容总成13的电量值/>小于最大阈值/>时，超级电容总成13回收能量。
本发明从根源上减少有害排放，蓄电池总成或超级电容总成与燃料电池总成协同供电，避免燃料电池总成输出功率的波动，进而保护燃料电池总成。
为了获得更节能的功率配置方案，所述的驱动模式的功率匹配方法如下：
当超级电容总成13的电量值大于启动阈值/>，且蓄电池总成12的电量值/>大于启动阈值/>时，超级电容总成13协同燃料电池总成11供电；
燃料电池总成11工作在恒定输出功率点，超级电容总成13所提供的输出功率/>为挖掘机实际需求功率/>与燃料电池总成11提供的恒定输出功率/>之差；待超级电容总成13的电量/>值达到最低阈值0.2，超级电容总13成停止供电，由蓄电池总成12接替超级电容总成13协同燃料电池总成11提供动力，同时燃料电池总成11工作在高效率区域的最大输出功率点/>，用其余功率/>给超级电容总成13充电；
当超级电容总成13的电量值小于启动阈值/>，且蓄电池总成12的电量值/>大于启动阈值/>时，则燃料电池总成11工作在高效率区域的最大输出功率点，燃料电池总成11为挖掘机输出恒定功率/>，挖掘机实际需求功率/>与燃料电池总成11输出的恒定功率/>之差即为蓄电池总成12的输出功率/>，燃料电池总成11其余功率/>用于超级电容总成13充电，待超级电容总成13的电量/>值达到最大阈值0.8，燃料电池总成11不再为超级电容总成13充电，燃料电池总成11工作在恒定输出功率点；
当超级电容总成13的电量值大于启动阈值/>，且蓄电池总成12的电量值/>小于启动阈值/>时，燃料电池总成11工作在高效率区域的最大输出功率点，燃料电池总成11为挖掘机输出恒定功率/>，挖掘机实际需求功率/>与燃料电池总成11输出的恒定功率/>之差即为超级电容总成13的输出功率/>，燃料电池总成11其余功率/>用于给蓄电池总成12充电，待蓄电池总成12电量/>值达到最大阈值0.8，燃料电池总成11不再为蓄电池总成12充电，燃料电池总成11工作在恒定输出功率点/>。
本发明通过驱动模式的功率匹配策略优化了燃料电池总成、超级电容总成、蓄电池总成三者的作用关系。实现挖掘机动能的合理配置，减少了能源损耗，提高了运行效率，保护了燃料电池总成。
优选的，为了保障停机时超级电容总成和蓄电池总成的电量处于合理阈值，所述步骤五中停机检测的方法如下：
检测超级电容总成13及蓄电池总成12的电量，若超级电容总成13的电量值及蓄电池总成12的电量/>值小于0.5，则燃料电池总成11工作在高效率区域的最小充电功率点/>为超级电容总成13及蓄电池总成12进行充电，待超级电容总成13及蓄电池总成12的电量都达到0.5，燃料电池总11成停止工作。
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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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。

Claims (4)

1.一种挖掘机的混合动力系统，包括动力总成(1)、工作系统(2)、行走系统(3)、操控系统(4)和整车控制器(5)，操控系统(4)通过整车控制器(5)控制动力总成(1)分别给工作系统(2)和行走系统(3)提供动力，其特征在于：所述动力总成(1)包括燃料电池总成(11)、蓄电池总成(12)、超级电容总成(13)、DC/DC转换器(14)、变频器(15)、行走系统驱动电机(16)、工作系统驱动电机(17)和发电机(18)，所述燃料电池总成(11)、蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)相互并联后通过变频器(15)分别与行走系统驱动电机(16)和工作系统驱动电机(17)连接，所述燃料电池总成(11)通过DC/DC转换器(14)分别与蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)连接，所述发电机(18)通过变频器(15)分别与蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)连接；所述整车控制器(5)根据操控系统(4)输入的操控信号分别控制行走系统驱动电机(16)、工作系统驱动电机(17)和发电机(18)，所述整车控制器(5)分别采集工作系统(2)和行走系统(3)的运行参数以及燃料电池总成(11)、蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)状态参数，所述整车控制器(5)控制燃料电池总成(11)、蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)输出功率的分配方案和回收能量的分配方案；
所述行走系统(3)包括左右对称的行走液压传动机构(31)、减速机构(32)和履带装置(33)，所述行走系统驱动电机(16)驱动行走液压传动机构(31)，所述行走液压传动机构(31)通过减速机构(32)驱动履带装置(33)运动；
所述的挖掘机的混合动力系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、燃料电池参数录入，录入燃料电池高效工作区域的参数；
步骤二、启动检测，操控系统(4)向整车控制器(5)发出启动信号，启动前整车控制器(5)检测超级电容总成(13)和蓄电池总成(12)的电量；
当超级电容总成(13)的电量值SOCs高于启动阈值SOCsmid时，由超级电容总成(13)启动整机；当超级电容总成(13)的电量SOCs值达到或者低于启动阈值SOCsmid时，超级电容总成(13)不供电，进一步检测蓄电池总成(12)的电量；
当蓄电池总成(12)的电量值SOCb高于启动阈值SOCbmid时，由蓄电池总成(12)启动整机；
当超级电容总成(13)和蓄电池总成(12)的电量均低于启动阈值时，启动燃料电池总成(11)同时给蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)充电，待超级电容总成(13)电量高于启动阈值SOCsmid时，由超级电容总成(13)启动整机；
步骤三、获取实际功率,检测超级电容总成(13)和蓄电池总成(12)的电量，计算当前工况下实际需求功率Preq,获取当前超级电容总成(13)的电量值SOCs和当蓄电池总成(12)的电量值SOCb；
步骤四、功率匹配，将整机实际需求功率以及燃料电池总成(11)高效工作区域能够提供的功率进行比较，并结合蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)电量进行功率分配；
步骤五、停机检测，操控系统(4)向整车控制器(5)发出启动信号，整车控制器(5)检测蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)的电量，若蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)的电量有其一或者均低于设定的安全电量时，则燃料电池总成(11)通过DC/DC转换器(14)给低于设定安全电量的蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)充电，直至蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)电量大于设定的安全电量时，燃料电池总成(11)停止工作；
步骤六、停机，当蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)电量均大于设定的安全电量时，动力总成(1)停止工作；
所述步骤二中超级电容总成(13)电量的启动阈值SOCsmid为0.5，蓄电池总成(12)电量的启动阈值SOCbmid为0.5；
所述步骤四中功率分配的方法如下：
当实际需求功率Preq>0时，进入驱动模式，否则进入能量回收模式；
驱动模式：检测当前超级电容总成(13)的电量值SOCs和当蓄电池总成(12)的电量值SOCb；
当超级电容总成(13)的电量值SOCs大于启动阈值SOCsmid，且蓄电池总成(12)的电量值SOCb大于启动阈值SOCbmid时，超级电容总成(13)协同燃料电池总成(11)供电；
当超级电容总成(13)的电量值SOCs小于启动阈值SOCsmid，且蓄电池总成(12)的电量值SOCb大于启动阈值SOCbmid时，蓄电池总成(12)协同燃料电池总成(11)供电，燃料电池总成(11)给超级电容总成(13)充电，同时超级电容总成(13)回收能量；
当超级电容总成(13)的电量值SOCs大于启动阈值SOCsmid，且蓄电池总成(12)的电量值SOCb小于启动阈值SOCbmid时，超级电容总成(13)协同燃料电池总成(11)供电，燃料电池总成(11)给蓄电池总成(12)充电，同时蓄电池总成(12)回收能量；
实时检测超级电容总成(13)的电量值SOCs和蓄电池总成(12)的电量值SOCb，超级电容总成(13)和蓄电池总成(12)交替协同燃料电池总成(11)供电，燃料电池总成(11)交替给蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)充电，同时蓄电池总成(12)和超级电容总成(13)交替进行能量回收；
能量回收模式：实际需求功率Preq≤0时，超级电容总成(13)的电量值SOCs小于最大阈值SOCsmax时，超级电容总成(13)回收能量；
所述驱动模式的功率匹配方法如下：
当超级电容总成(13)的电量值SOCs大于启动阈值SOCsmid，且蓄电池总成(12)的电量值SOCb大于启动阈值SOCbmid时，超级电容总成(13)协同燃料电池总成(11)供电；
燃料电池总成(11)工作在恒定输出功率点Pfout，超级电容总成(13)所提供的输出功率Psout为挖掘机实际需求功率Preq与燃料电池总成(11)提供的恒定输出功率Pfout之差；待超级电容总成(13)的电量SOCs值达到最低阈值0.2，超级电容总成(13)停止供电，由蓄电池总成(12)接替超级电容总成(13)协同燃料电池总成(11)提供动力，同时燃料电池总成(11)工作在高效率区域的最大输出功率点Pmax，用其余功率Pfin给超级电容总成(13)充电；
当超级电容总成(13)的电量值SOCs小于启动阈值SOCsmid，且蓄电池总成(12)的电量值SOCb大于启动阈值SOCbmid时，则燃料电池总成(11)工作在高效率区域的最大输出功率点Pmax，燃料电池总成(11)为挖掘机输出恒定功率Pfout，挖掘机实际需求功率Preq与燃料电池总成(11)输出的恒定功率Pfout之差即为蓄电池总成(12)的输出功率Pbout，燃料电池总成(11)其余功率Pfin用于超级电容总成(13)充电，待超级电容总成(13)的电量SOCs值达到最大阈值0.8，燃料电池总成(11)不再为超级电容总成(13)充电，燃料电池总成(11)工作在恒定输出功率点Pfout；
当超级电容总成(13)的电量值SOCs大于启动阈值SOCsmid，且蓄电池总成(12)的电量值SOCb小于启动阈值SOCbmid时，燃料电池总成(11)工作在高效率区域的最大输出功率点Pfmax，燃料电池总成(11)为挖掘机输出恒定功率Pfout，挖掘机实际需求功率Preq与燃料电池总成(11)输出的恒定功率Pfout之差即为超级电容总成(13)的输出功率Psout，燃料电池总成(11)其余功率Pfin用于给蓄电池总成(12)充电，待蓄电池总成(12)电量SOCb值达到最大阈值0.8，燃料电池总成(11)不再为蓄电池总成(12)充电，燃料电池总成(11)工作在恒定输出功率点Pfout；
所述步骤五中停机检测的方法如下：
检测超级电容总成(13)及蓄电池总成(12)的电量，若超级电容总成(13)的电量SOCs值及蓄电池总成(12)的电量SOCb值小于0.5，则燃料电池总成(11)工作在高效率区域的最小充电功率点Pfminin为超级电容总成(13)及蓄电池总成(12)进行充电，待超级电容总成(13)及蓄电池总成(12)的电量都达到0.5，燃料电池总成(11)停止工作。
2.根据权利要求1所述的挖掘机的混合动力系统，其特征在于：所述工作系统(2)包括变量泵(21)、单向马达(22)、液压油箱(23)、多路阀(24)、双向马达(25)、回转机构(26)和执行机构(27)；所述变量泵(21)由工作系统驱动电机(17)驱动，所述单向马达(22)驱动发电机(18)，所述变量泵(21)通过多路阀(24)分别将高压油液输送至双向马达(25)和执行机构(27)，双向马达(25)驱动回转机构(26)运动；回转机构(26)制动时，双向马达(25)通过多路阀(24)与单向马达(22)连接；所述执行机构(27)回收时，执行机构(27)通过多路阀(24)与单向马达(22)连接。
3.根据权利要求1或2所述的挖掘机的混合动力系统，其特征在于：所述行走液压传动机构(31)包括两路结构相同相互并联的液压油路，所述液压油路包括行走液压泵(311)、行走马达(312)、换向阀(313)和溢流阀(314)，所述行走液压泵(311)由行走系统驱动电机(16)驱动，所述行走液压泵(311)通过换向阀(313)与行走马达(312)连接，所述溢流阀(314)设置在行走液压泵(311)与行走马达(312)之间的油路上。
4.根据权利要求3所述的挖掘机的混合动力系统，其特征在于：所述液压油路上设有蓄能器(315)。
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