用于重型設(shè)備的能量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】用于具有運轉(zhuǎn)工具用的致動器的重型設(shè)備的能量系統(tǒng)，包括總線、發(fā)動機、發(fā)電機、蓄能裝置和控制器?？偩€用于根據(jù)工具的運轉(zhuǎn)向致動器提供電力。發(fā)動機用于提供輸出功率并且發(fā)電機聯(lián)接到發(fā)動機且構(gòu)造成向總線提供電力。蓄能裝置構(gòu)造成接收來自總線的電力以存儲能量，并且還構(gòu)造成向總線提供電力以補充由發(fā)電機提供的電力?？刂破鳂?gòu)造成根據(jù)總線上的電力需求而改變發(fā)動機的輸出功率。響應(yīng)于電力要求的變化，控制器構(gòu)造成以小于發(fā)動機的最大性能的速率改變發(fā)動機的輸出功率。
【專利說明】用于重型設(shè)備的能量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總的涉及能量管理和存儲系統(tǒng)的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及適用于采礦、挖掘和施工的重型設(shè)備的蓄能系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]重型設(shè)備如機動鏟運機和挖掘機可包括在履帶、車輪、浮筒等的上方旋轉(zhuǎn)的甲板或其它平臺。從甲板延伸，重型設(shè)備還可包括設(shè)計成運轉(zhuǎn)鏟斗、破碎器、吊鉤或另一種形式的工作機具的用于鉸接臂或起重機的懸臂。因此，這種重型設(shè)備典型地包括被設(shè)計成移動履帶、旋轉(zhuǎn)甲板及運轉(zhuǎn)鉸接臂和工作機具的一個或多個致動器。
[0003]一些類型的重型設(shè)備設(shè)計成在大致重復(fù)的工作循環(huán)中運轉(zhuǎn)。舉例而言，機動鏟運機或挖掘機可典型地在包括挖掘、擺動、傾倒和返回步驟的工作循環(huán)中運轉(zhuǎn)，以出于采礦目的而運轉(zhuǎn)鏟斗挖掘和裝載打碎的巖石、泥土、礦物、表土等。這些步驟基本上被一次又一次地重復(fù)，其中微小的變化是鏟斗與地面接合的高度。該重型設(shè)備可使用液壓缸或其它形式的致動器來進行提升、旋轉(zhuǎn)和降低運動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一個實施例涉及一種用于具有用于運轉(zhuǎn)工具的致動器的重型設(shè)備的能量系統(tǒng)。該能量系統(tǒng)包括總線、發(fā)動機、發(fā)電機、蓄能裝置和控制器。總線用于根據(jù)工具的運轉(zhuǎn)而向致動器提供電力。發(fā)動機用于提供輸出功率并且發(fā)電機聯(lián)接到發(fā)動機且構(gòu)造成向總線提供電力。蓄能裝置構(gòu)造成接收來自總線的電力以存儲能量，并且還構(gòu)造成向總線提供電力以補充由發(fā)電機提供的電力。控制器構(gòu)造成根據(jù)總線上的電力需求而改變發(fā)動機的輸出功率。響應(yīng)于電力需求的變化，控制器構(gòu)造成以小于發(fā)動機的最大性能的速率改變發(fā)動機的輸出功率。
[0005]另一實施例涉及一種用于具有用于運轉(zhuǎn)工具的致動器的重型設(shè)備的能量系統(tǒng)。該能量系統(tǒng)包括總線、發(fā)動機、發(fā)電機、超級電容器和控制器?？偩€用于根據(jù)工具的運轉(zhuǎn)而向致動器提供電力。發(fā)動機用于提供輸出功率并且發(fā)電機聯(lián)接到發(fā)動機且構(gòu)造成向總線提供電力。超級電容器構(gòu)造成接收來自總線的電力以存儲能量，并且還構(gòu)造成向總線提供電力以補充由發(fā)電機提供的電力。控制器構(gòu)造成根據(jù)總線上的電力需求而改變發(fā)動機的輸出功率。響應(yīng)于電力需求的變化，控制器構(gòu)造成就燃料經(jīng)濟性來優(yōu)化發(fā)動機的輸出功率的變化率。
[0006]又一實施例涉及一種控制用于重型設(shè)備的能量系統(tǒng)的方法。該方法包括從由發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機向總線提供電能以給運轉(zhuǎn)重型設(shè)備的工具的致動器提供電能。該方法還包括響應(yīng)于總線上增加的電力需求從蓄能裝置向總線提供電能。該方法再還包括以小于發(fā)動機的最大性能的速率增加驅(qū)動發(fā)電機的發(fā)動機的輸出功率，和對應(yīng)地減小從蓄能裝置向總線提供的電力。
[0007]可供選擇的示例性實施例涉及如可在權(quán)利要求中總的記載的其它特征及特征的 組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]根據(jù)以下結(jié)合附圖進行的詳細描述，將更加充分地理解本發(fā)明，附圖中同樣的附圖標記表示同樣的元件，其中:
[0009]圖1是根據(jù)一個示例性實施例的機動鏟運機的透視圖。
[0010]圖2是圖1的機動鏟運機的平面圖。
[0011]圖3是圖1的機動鏟運機的甲板的一部分的透視圖。
[0012]圖4是與圖1的機動鏟運機相關(guān)的發(fā)電機的透視圖。
[0013]圖5是與圖1的機動鏟運機相關(guān)的液壓系統(tǒng)的透視圖。
[0014]圖6是根據(jù)一個示例性實施例的能量管理系統(tǒng)的流程圖。
[0015]圖7是根據(jù)一示例性實施例的第一構(gòu)型下的能量管理系統(tǒng)的示意圖。
[0016]圖8是第二構(gòu)型下的圖7的能量管理系統(tǒng)的示意圖。
[0017]圖9是第三構(gòu)型下的圖8的能量管理系統(tǒng)的示意圖。
[0018]圖10是由根據(jù)一個示例性實施例的模擬所提供的預(yù)示數(shù)據(jù)的圖形表示。
[0019]圖11是根據(jù)一個示例性實施例的響應(yīng)于負荷變化而運轉(zhuǎn)的假想能量系統(tǒng)的特征的一系列圖形表不。
[0020]圖12是由根據(jù)另一個示例性實施例的模擬所提供的預(yù)示數(shù)據(jù)的圖形表示。
[0021]圖13是由根據(jù)另一個示例性實施例的模擬所提供的預(yù)示數(shù)據(jù)的圖形表示。
[0022]圖14是比較由圖13的模擬和另一個模擬所提供的預(yù)示數(shù)據(jù)的圖形表示。
【具體實施方式】
[0023]在轉(zhuǎn)到詳細示出示例性實施例的附圖前，應(yīng)理解的是，本申請并不限于在說明書中闡述或在附圖中示出的細節(jié)或方法。還應(yīng)理解，術(shù)語只是出于描述的目的并且不應(yīng)該被視為限制性的。
[0024]參照圖1，呈機動鏟運機110形式的重型設(shè)備包括可在履帶114上移動的甲板112。甲板112還包括動力室116、電子設(shè)備艙118 (例如，“e-house”)、液壓系統(tǒng)120、駕駛室122、蓄能元件124和液壓冷卻系統(tǒng)126、128(參看圖2)。各種樓梯井130和過道132可與甲板112結(jié)合以穿行機動鏟運機110。排氣消聲器134位于動力室116上方的甲板112上和駕駛室122的后方。從甲板112延伸，機動鏟運機110還包括呈鉸接臂136形式的工具，所述鉸接臂包括可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到臂140 (例如，吊桿/柄柱(stick))的懸臂138，臂140可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到鏟斗142。
[0025]根據(jù)一個示例性實施例，呈液壓缸——包括懸臂缸144、臂缸146和翻轉(zhuǎn)缸148—形式的致動器(例如，線性致動器)在甲板112與懸臂138之間延伸以控制懸臂138相對于甲板112的移動，在懸臂138與臂140之間延伸以控制臂140相對于懸臂138的移動，并且在懸臂138與鏟斗142之間延伸以控制鏟斗142相對于臂140的移動。根據(jù)一個示例性實施例，液壓缸144、146、148是構(gòu)造成容納相應(yīng)活塞的兩端上的液壓流體的雙動缸?？墒褂昧硗獾闹聞悠?例如，電動機或液壓馬達)來經(jīng)由履帶114推進機動鏟運機110，和/或使甲板112相對于履帶114旋轉(zhuǎn)。[0026]參照圖2-3，舉例而言，甲板112包括位于甲板112的后轉(zhuǎn)角附近的兩個蓄能元件124。在一些實施例中，蓄能元件124包括成排的一個或多個超級電容器150。在其它設(shè)想的實施例中，使用了蓄能元件的其它形式(例如，二次電池)或蓄能元件的其它布置。另外，在甲板112的后部，可包括一個或多個冷卻劑風扇152和/或鼓風機的發(fā)動機冷卻器系統(tǒng)126位于蓄能元件124之間。
[0027]現(xiàn)參照圖2和4，根據(jù)這樣一個實施例，甲板112包括位于蓄電元件124的前方的動力室116。在一些實施例中，動力室116包括兩個柴油發(fā)電機組154,每個柴油發(fā)電機組都包括驅(qū)動交流發(fā)電機158 (例如，發(fā)電機)的發(fā)動機156。可使用整流器(參看例如如圖7所示的整流器318)來將由柴油發(fā)電機組提供的交流電變換成直流電以經(jīng)由直流總線(參看例如如圖7所示的總線320)傳送給機動鏟運機110的工作元件。在其它實施例中，使用其它數(shù)量或類型的發(fā)電機，例如單個汽油機動力的發(fā)電機組。在再其它實施例中，電能可從單獨的發(fā)電設(shè)備經(jīng)電纜供給。
[0028]參照圖2和5,根據(jù)這樣一個實施例,機動?產(chǎn)運機110包括用于將由動力室116提供的電能變換為加壓液壓流體的能量的液壓系統(tǒng)120。加壓液壓流體然后可用于驅(qū)動液壓致動器如液壓缸144、146、148和液壓馬達。在一些示例性實施例中，液壓系統(tǒng)120包括兩組160六套162聯(lián)接到液壓泵166的電動機164。根據(jù)一個示例性實施例，泵166是雙向的，并且可沿兩個方向接收加壓的液壓流體。[0029]對于每一套162而言,液壓泵166的速度和方向由存儲在電子設(shè)備艙118中并且聯(lián)接到電氣總線(還參看如圖7所示的逆變器332、334、336和總線320)的電氣驅(qū)動系統(tǒng)172 (例如，一個或多個電氣驅(qū)動裝置和支承結(jié)構(gòu)，一個或多個逆變器)控制。電氣驅(qū)動系統(tǒng)172選擇性地供給功率以控制驅(qū)動液壓泵166的電動機164的速度、方向和/或轉(zhuǎn)矩。在機動鏟運機110運轉(zhuǎn)期間，并非全部組件162都可同時運轉(zhuǎn)。在其它實施例中，液壓系統(tǒng)可包括其它數(shù)量或布置的電動機和液壓泵。
[0030]仍參照圖2和5,在這樣一個實施例中，液壓泵166和電動機164的組件162聯(lián)接到液壓閥歧管168。根據(jù)一個示例性實施例，液壓閥歧管168構(gòu)造成往來于機動鏟運機110的工作元件引導泵和馬達組件162的液壓流體。在一些實施例中，液壓閥歧管168被布置為矩陣，其中每個泵和馬達組件162都可選擇性地聯(lián)接到每個工作元件。舉例而言，液壓閥歧管168可將由兩個以上的泵提供的液壓流體聯(lián)接到同一個工作元件如液壓缸144、146、148之一。在一些實施例中，液壓閥歧管168位于兩組160泵和馬達組件162之間。
[0031]在一些實施例中，液壓系統(tǒng)120還構(gòu)造成用于與液壓流體相關(guān)的能量的再生。例如當機動纟產(chǎn)運機Iio的工作元件由重力或動量驅(qū)動時,液壓流體可提供過剩能量。代替制動或與制動相結(jié)合，可保存(例如，重復(fù)利用、貯存、利用)液壓流體的過剩能量。在這種運轉(zhuǎn)期間，液壓泵166用作液壓馬達，并由加壓的液壓流體驅(qū)動。液壓泵166又驅(qū)動電動機164，電動機164發(fā)電并向總線(參看例如如圖7所示的總線320)提供電力。如果隨后不為其它工作元件所需，則該電力可經(jīng)由蓄能元件124存儲。
[0032]再參照圖2，根據(jù)一個示例性實施例，駕駛室122包括控制計算機170，控制計算機170響應(yīng)于各種輸入并與各種輸入結(jié)合而利用邏輯來運轉(zhuǎn)機動鏟運機110，所述輸入包括操作人員命令(例如，裝滿鏟斗、提升懸臂的操縱桿指令等)、環(huán)境條件(例如，感測到的地形斜率)、內(nèi)部條件(例如，液壓流體溫度、可用功率等)和其它因素?？刂朴嬎銠C170運轉(zhuǎn)位于電子設(shè)備艙118中的電氣驅(qū)動系統(tǒng)172，電氣驅(qū)動系統(tǒng)172控制從發(fā)電機組154到馬達和泵組件162以及其它元件如用于液壓系統(tǒng)120的回轉(zhuǎn)馬達174和冷卻風扇176的電流(例如，安培數(shù)、電壓、頻率)。在此類實施例中，回轉(zhuǎn)馬達174直接控制甲板112相對于履帶114的旋轉(zhuǎn)，例如在機動鏟運機110的擺動運動期間。
[0033]現(xiàn)參照圖6，能量管理和存儲系統(tǒng)210包括電能源212、電動機214和液壓泵216。電動機214還聯(lián)接到蓄電元件218。根據(jù)這樣一個實施例，電動機214構(gòu)造成接收來自電能源212和蓄電元件218兩者的電能。另外，電動機214構(gòu)造成用作發(fā)電機并且向蓄電元件218提供電力。
[0034]在系統(tǒng)210運轉(zhuǎn)期間，電動機214驅(qū)動液壓泵216，液壓泵216進而對液壓流體加壓。液壓流體經(jīng)由閥220被可控地送到一個或多個工作元件222 (例如，附件)以用于工作元件222的運轉(zhuǎn)。當工作元件222以利用制動阻力的方式運轉(zhuǎn)時，液壓流體可經(jīng)閥220被可控地送回液壓泵216。此類情況下，液壓泵216可用作液壓馬達，從而驅(qū)動電動機214作為發(fā)電機運轉(zhuǎn)。
[0035]根據(jù)一個示例性實施例，電能源212包括基于輸出性能而選擇的發(fā)電機組。在系統(tǒng)210運轉(zhuǎn)期間,發(fā)電機組以大致恒定、最佳的速度和輸出功率運行,其中就單位輸出功率的最低燃料消耗、發(fā)電機組的單位輸出功率最長壽命、系統(tǒng)210的最低維護或停機時間、或其它此類參數(shù)或此類參數(shù)的組合而針對特定發(fā)電機組優(yōu)化了速度或輸出。
[0036]根據(jù)一個示例性實施例，以最佳速度運行的發(fā)電機組在系統(tǒng)210的工作循環(huán)的各部分期間具有小于系統(tǒng)210所需的預(yù)期功率的電輸出。來自蓄電元件218的另外的功率補充發(fā)電機組的功率，從而允許系統(tǒng)210滿足瞬時功率需求，而發(fā)電機組仍繼續(xù)以最佳速度和/或輸出功率運行。在一些實施例中，蓄電元件提供系統(tǒng)在工作循環(huán)的峰值需求部分期間使用的功率的至少20% (如圖10所示將電力需求416與發(fā)電機輸出412比較)。在工作循環(huán)的其它部分期間，發(fā)電機組可產(chǎn)生過剩電力，該過剩電力可被傳送到蓄電元件218。
[0037]在一些實施例中，源212的發(fā)電機組被選擇成使得在以最佳速度運行的情況下，發(fā)電機組(或多個發(fā)電機組)提供系統(tǒng)210貫穿每個工作循環(huán)使用的全部能量。蓄能元件218在工作循環(huán)的較高需求部分期間提供的補充能量被源212在工作循環(huán)的較低需求部分期間提供的過剩能量完全抵消。當系統(tǒng)210移動到新位置時、當系統(tǒng)210改變?nèi)蝿?wù)時等，發(fā)電機組以最佳運行速度穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)可以不在用于特定任務(wù)的運轉(zhuǎn)的初始循環(huán)期間發(fā)生。在此類時期，發(fā)電機組能以高于或低于最佳速度的速度運行。
[0038]在其它實施例中，發(fā)電機組(或多個發(fā)電機組)被選擇成使得，在發(fā)電機組的最佳運行速度下，源212提供小于系統(tǒng)210貫穿每個工作循環(huán)使用的全部能量。作為替代，每個工作循環(huán)所需的能量的一部分從前面的工作循環(huán)再生。在初始循環(huán)期間，發(fā)電機組可在最佳功率以上運行，直至電容器被充電和/或直至可由再生獲得能量。
[0039]現(xiàn)參照圖7-9，能量管理和存儲系統(tǒng)310包括由聯(lián)接到交流發(fā)電機316的發(fā)動機314 (例如，內(nèi)燃發(fā)動機、柴油發(fā)動機)形成的發(fā)電機組312。當由發(fā)動機314驅(qū)動時，交流發(fā)電機316提供由整流器318從交流電變換為直流電的電輸出。該電輸出然后被提供給與系統(tǒng)310的工作元件通信的共用電氣總線320。
[0040]工作元件包括聯(lián)接到一個或多個液壓泵324的一個或多個電動機322、一個或多個附加電動機326和/或輔助元件328。蓄能元件330 (例如，一個或多個電容器)也聯(lián)接到電氣總線320。在一些實施例中，逆變器332、334、336調(diào)整往來于電氣總線320與各工作元件之間的電力。充電狀態(tài)控制器338調(diào)整往來于電氣總線320與蓄能元件330之間的電力。
[0041]在系統(tǒng)310的運轉(zhuǎn)期間，電能從發(fā)電機組312供給到電氣總線320，并從電氣總線320供給到電動機322、326和輔助元件328。在用于系統(tǒng)310的較低需求時段(例如，工作循環(huán)的部分)期間(參看圖7)，電氣總線320的一部分電力被引導到蓄電元件330。在用于系統(tǒng)310的較高需求時段(例如，工作循環(huán)的其它部分)期間(參看圖8)，從蓄電元件330汲取功率以補充來自發(fā)電機組312的功率，并將該功率提供給電動機322、326和/或輔助元件 328。
[0042]根據(jù)一個示例性實施例，發(fā)電機組312以大致恒定的速度運行，這以低于電動機322,326和輔助元件328在較高需求時段期間所需的電力的速率發(fā)電。在一些此類實施例中，發(fā)電機組312確定尺寸和構(gòu)造成使得發(fā)電機組312在沒有來自蓄能元件330的支持的情況下將無法滿足較高需求時段(例如，預(yù)期峰值負荷)的電力需求。使發(fā)電機組312這樣定制尺寸和構(gòu)成意在通過減輕系統(tǒng)310的重量(S卩，具有更小、更輕的發(fā)動機和交流發(fā)電機)和/或借助使發(fā)電機組312以效率高的速度運行并減少過剩電力的產(chǎn)生來優(yōu)化發(fā)電機組312的燃料消耗而提高系統(tǒng)310的效率。
[0043]在一些實施例中，系統(tǒng)310還允許從電動機322、326再生電力(參看圖9)。在設(shè)想的應(yīng)用中，作用在與系統(tǒng)310相關(guān)的工作機具(例如，帶鏟斗的液壓致動式鉸接臂)上的重力提供能量，該能量可經(jīng)由驅(qū)動聯(lián)接到電動機322的泵324的液壓流體傳送到電動機322。在其它設(shè)想的應(yīng)用中，代替摩擦制動或與摩擦制動相結(jié)合，可經(jīng)由聯(lián)接到系統(tǒng)310的旋轉(zhuǎn)或平移部分的馬達326 (例如，聯(lián)接到機動鏟運機的可旋轉(zhuǎn)甲板的回轉(zhuǎn)電機)來再捕獲旋轉(zhuǎn)或平移動量。電力的再生意在提高系統(tǒng)的效率并減小液壓系統(tǒng)的吸熱量。
[0044]現(xiàn)參照圖10，借助從用于重型設(shè)備的能量管理和存儲系統(tǒng)的模擬產(chǎn)生的預(yù)示數(shù)據(jù)的圖形表示410，示出了由發(fā)電機組412供給的能量、由一排超級電容器414保持的能量和重型設(shè)備的能量需求416之間的關(guān)系。根據(jù)該模擬，示出了三個工作循環(huán)418、420、422，每個工作循環(huán)均持續(xù)大約30秒(即，每小時約120秒)。
[0045]循環(huán)418、420、422示出了基本上重復(fù)的振蕩能量需求，其中峰值需求424超過由發(fā)電機組412產(chǎn)生的電力的大致恒定的速率(例如約50%)。當能量需求416超過發(fā)電機組412的發(fā)電量時,從超級電容器汲取功率,從而減小超級電容器414的蓄能量。當能量需求416下降到發(fā)電機組412的能量產(chǎn)生水平以下時，發(fā)電機組產(chǎn)生的一部分功率被供給到超級電容器，從而給超級電容器充電。另外，在各循環(huán)期間，能量需求416下降到零426以下，表示可在模擬循環(huán)418、420、422的一部分期間再生能量。
[0046]盡管圖10中以超級電容器示出，但在其它設(shè)想的實施例中，蓄能系統(tǒng)將能量再捕獲在一個或多個液壓蓄能器中，液壓蓄能器然后將可按需用于在峰值需求時段期間對發(fā)電機組進行補充。在其它設(shè)想的實施例中，機械能蓄能系統(tǒng)將能量存儲在具有旋轉(zhuǎn)慣性的旋轉(zhuǎn)裝置如飛輪中，或起升重量的勢能中。所存儲的能量然后將被按需釋放以在峰值需求時段期間對主機械驅(qū)動裝置進行補充。
[0047]在其它設(shè)想的實施例中，各種形式的靜止和移動兩用重型設(shè)備包括如上所述的能量管理和存儲系統(tǒng)。用于重型設(shè)備的工作循環(huán)的重復(fù)程度可因重型設(shè)備的特定形式和要執(zhí)行的特定操作或任務(wù)而異。在一些實施例(例如，液壓鉆探)中，循環(huán)以比圖10所示的示例快或慢的速度重復(fù)。在一些實施例中，工作循環(huán)或模式包括來自蓄能元件的能量對相關(guān)的發(fā)電機組進行補充的多于一個峰值時段。
[0048]雖然大部分以上公開內(nèi)容集中在重型設(shè)備(例如，機動鏟運機、叉車)及其在基本上重復(fù)的工作循環(huán)期間的運轉(zhuǎn)上，但這種重型設(shè)備也可在基本上重復(fù)的工作循環(huán)以外運轉(zhuǎn)，例如在該重型設(shè)備最初開始運轉(zhuǎn)時或者在該重型設(shè)備移動到新的工地時。在其它實施例中，受益于本文中公開的教導的重型設(shè)備可以未特別地設(shè)計成在基本上重復(fù)的工作循環(huán)中運轉(zhuǎn)(例如，推土機、拖拉機、用于地下采礦的運輸車)。
[0049]考慮到以上公開內(nèi)容總的參照圖11，一系列圖形表示提供了對負荷的變化響應(yīng)的重型設(shè)備的三個不同能量系統(tǒng)1、I1、III的特征(例如，如圖7所示的系統(tǒng)310和如圖1-5所示的機動鏟運機110的特征)的假想短期響應(yīng)曲線。每個能量系統(tǒng)都包括發(fā)動機(例如，如圖7所示的發(fā)動機314和如圖4所示的發(fā)動機156)，該發(fā)動機驅(qū)動用于向電氣總線(例如，如圖7所示的總線320和與如圖1-2所示的電子設(shè)備艙118相關(guān)的元件)提供功率的發(fā)電機(例如，如圖7所示的發(fā)動機314和如圖4所示的發(fā)動機156)。
[0050]根據(jù)一個示例性實施例，電氣驅(qū)動裝置(例如，如圖7所示的逆變器332、334、336、338和如圖2所示的電氣驅(qū)動系統(tǒng)172)聯(lián)接到總線以控制向一個或多個致動器如電動機(例如，如圖7所示的馬達322、326、328、330和如圖5所示的馬達164)或其它致動器(例如，螺線管)傳送電力。
[0051]在能量系統(tǒng)II和III中，總線還構(gòu)造成向蓄能裝置(例如，系統(tǒng)、蓄能元件的群組)如由呈充電狀態(tài)控制器(例如，如圖9所示的逆變器338)形式的驅(qū)動裝置控制的超級電容器(例如，超級電容器排、如圖7所示的蓄能元件330和如圖2-3所示的超級電容器150)提供能量和從所述蓄能裝置接收能量。
[0052]參照圖11中的能量系統(tǒng)I,圖形表示I (a)顯示了在需求快速增加(例如,實線上的點之間的分散增加)期間總線上的功率需求(實線)和能量系統(tǒng)I的凈輸出功率(虛線)。圖形表示I (b)顯示了在對應(yīng)的時期能量系統(tǒng)I的發(fā)動機的輸出功率。在能量系統(tǒng)I中，由發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機是用于總線的電能的唯一來源。
[0053]仍參照圖11中的能量系統(tǒng)I，隨著電氣總線上的需求快速增加并且感測到總線上的電壓變化，控制器對發(fā)動機節(jié)流以增加發(fā)動機的功輸出。發(fā)動機然后通過以速率R1 (輸出功相對于時間的二次導數(shù)；輸出功率相對于時間的導數(shù)；焦耳/秒2)增加發(fā)動機的輸出功率來對增加的需求作出響應(yīng)，所述速率可對應(yīng)于發(fā)動機增加輸出功率的最大性能。
[0054]對于圖11中的能量系統(tǒng)I，總線上增加的需求由發(fā)動機在時長A之后滿足。在假想方案中，發(fā)動機的輸出功率增加的速率R1對應(yīng)于為了盡可能快地增加發(fā)動機的輸出功率以補償總線上的電壓變化而對發(fā)動機進行的效率低的快速節(jié)流。然而，速率R1引起節(jié)流期間燃料經(jīng)濟性降低和烴排放增加。
[0055]參照圖11中的能量系統(tǒng)II,圖形表示II (a)顯示了在與圖形表示I (a)的需求的快速增加完全相同的需求的快速增加期間能量系統(tǒng)II的功率需求和凈響應(yīng)。圖形表示II (b)顯示了在對應(yīng)的時期發(fā)動機的輸出功率，其與能量系統(tǒng)I的對應(yīng)的圖形表示I (b)也完全相同。與能量系統(tǒng)I不一樣，能量系統(tǒng)II包括蓄能元件，并且圖形表示II (c)顯示了對應(yīng)的時期蓄能裝置的輸出功率。[0056]根據(jù)一個示例性實施例，圖形表示II (C)所示的蓄能裝置對總線上增加的需求的響應(yīng)速率&能夠比發(fā)動機(聯(lián)接到發(fā)電機)的速率R1明顯更快。因此，隨著發(fā)動機緩升(rampup)以滿足增加的需求，蓄能裝置用于供給需求與發(fā)動機輸出功率之間的功率差。結(jié)果，能量系統(tǒng)II的凈輸出功率對需求作出響應(yīng)的時間t2小于假想能量系統(tǒng)I所需的時間h。然而，能量系統(tǒng)II的發(fā)動機與能量系統(tǒng)I的發(fā)動機一樣仍以效率低的速率R1對需求變化作出響應(yīng)。
[0057]在一些實施例中，能量系統(tǒng)II (和能量系統(tǒng)III)的發(fā)動機針對系統(tǒng)的平均負荷確定尺寸(例如，針對與系統(tǒng)的平均負荷對應(yīng)的馬力輸出設(shè)計)，而不是確定尺寸為最佳地滿足預(yù)期峰值負荷。蓄能裝置可用于提供峰值需求時期所需的另外的功率，以使得發(fā)動機無需在與發(fā)動機的提高的效率對應(yīng)的范圍以外運轉(zhuǎn)(參看例如如圖12所示的峰值加載516、524，其中發(fā)動機漸變運轉(zhuǎn)到低于功率需求的水平)。在設(shè)想的實施例中，發(fā)動機在沒有來自蓄能裝置的支持的情況下可能無法滿足系統(tǒng)的預(yù)期峰值負荷。
[0058]在一些設(shè)想的實施例中，發(fā)動機可確定尺寸為低于循環(huán)的平均需求(例如，預(yù)期負荷)。另外，視重型設(shè)備的具體運轉(zhuǎn)而定，發(fā)動機可確定尺寸為高于每循環(huán)平均負荷，例如在所移動的材料比較輕的情況下。在至少一個設(shè)想的實施例中，控制器在工作循環(huán)之間的過渡時段期間如在操作人員中途休息或?qū)⒅匦驮O(shè)備移動到新工地期間可利用發(fā)動機來對蓄能裝置充電。在過渡時段期間存儲的能量然后可用于在運轉(zhuǎn)的基本上重復(fù)的循環(huán)部分期間對發(fā)動機進行補充，從而允許發(fā)動機被設(shè)計用于小于運轉(zhuǎn)的基本上重復(fù)的循環(huán)部分期間的平均預(yù)期需求的最佳輸出。在再其它實施例中，重型設(shè)備未被設(shè)計用于在基本上重復(fù)的工作循環(huán)中運轉(zhuǎn)。
[0059]參照圖11中的能量系統(tǒng)III,圖形表示III Ca)顯示了在需求快速增加期間能量系統(tǒng)III的功率需求和凈響應(yīng)。需求的快速增加與圖形表示I (a)和II Ca)的需求的快速增加完全相同，并且凈響應(yīng)與圖形表示II (a)中的響應(yīng)完全相同。圖形表示III (b)顯示了在對應(yīng)的時期發(fā)動機的輸出功率，并且圖形表示III (C)顯示了在對應(yīng)的時期蓄能裝置的輸出功率。
[0060]根據(jù)一個示例性實施例，圖形表示III (b)中的發(fā)動機被約束(例如，監(jiān)管、抑制)以全部性能對圖形表示111(a)所示的需求變化作出響應(yīng)。作為替代,發(fā)動機的響應(yīng)速率R2小于與能量系統(tǒng)I和II對應(yīng)的圖形表示I (b)和II (b)中的響應(yīng)速率札。圖形表示III(c)所示的蓄能裝置通過在比圖形表示II (c)的蓄能裝置長的期間(和更大的電能量)提供功率來補償發(fā)動機的較慢漸變運轉(zhuǎn)。由于由蓄能裝置提供的更大輸出功率，在一些實施例中具有比較大的能量性能和快速響應(yīng)能力的超級電容器或另一種蓄能裝置可比其它裝置更適合作為蓄能裝置。
[0061]在該假想方案中，能量系統(tǒng)III的凈響應(yīng)與能量系統(tǒng)II的凈響應(yīng)匹配并且兩者都是優(yōu)于能量系統(tǒng)I的響應(yīng)性的改進，因為時間t2小于時間ti。然而，能量系統(tǒng)III的控制器通過更大量地依賴于蓄能裝置的輸出功率并允許發(fā)動機以較慢的速率R2漸變運轉(zhuǎn)而與能量系統(tǒng)II不同地代表發(fā)動機與蓄能裝置之間的凈響應(yīng)的個別貢獻。能量系統(tǒng)III對圖形表示III (a)所示的總線上的需求的變化的凈短期動態(tài)響應(yīng)基本上不受圖形表示III (b)所示的發(fā)動機的輸出功率的變化率影響。
[0062]根據(jù)一個示例性實施例，盡管能夠進行更快、衰減更小的響應(yīng)，控制器(例如，如圖2所示的控制計算機170、用于發(fā)動機156的電子控制單元)主動防止發(fā)動機低效地作出響應(yīng)，而不是依賴于蓄能裝置作為用于總線的短期功率源(或用于過剩功率的接收器(sink))。在一些實施例中，發(fā)動機的節(jié)氣門可受控制器約束以提供發(fā)動機在與有效燃料消耗、降低的元件磨損、減少的排放或其它參數(shù)相關(guān)的運轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)矩、負荷等的功輸出。
[0063]在一些實施例中，針對燃料經(jīng)濟性優(yōu)化較慢的速率R2。當以速率R2運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機在燃燒期間更有效地且徹底地燃燒燃料。產(chǎn)生更少的烴。在其它實施例中，為了最大限度地減少重型設(shè)備的發(fā)動機或其它部分(例如，冷卻系統(tǒng))上的磨損、減少污染、減少噪音、最大限度地減小發(fā)動機上的工作負荷或其它因素而優(yōu)化較慢的速率。在再其它實施例中，針對此類因素的組合如燃料經(jīng)濟性和發(fā)動機上的最低磨損兩者而優(yōu)化發(fā)動機的輸出功率的變化速率R2。
[0064]能量系統(tǒng)III在電氣總線上的需求快速減少期間能以類似的方式運轉(zhuǎn)。例如，發(fā)動機可被控制成以小于發(fā)動機緩降的能力的速率逐漸降低其輸出功率?？舍槍θ剂闲?、最低發(fā)動機磨損或其它因素來優(yōu)化發(fā)動機降低輸出功率的速率。隨著發(fā)動機緩降，由發(fā)動機提供的來自總線的過剩功率可被蓄能裝置接收和存儲。
[0065]現(xiàn)參照圖12，圖形表示包括來自與用于重型設(shè)備的能量系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)對應(yīng)的計算機模擬的預(yù)示信息。該能量系統(tǒng)包括電氣總線、驅(qū)動發(fā)電機的發(fā)動機和超級電容器。根據(jù)一個示例性實施例，該能量系統(tǒng)構(gòu)造成在基本上重復(fù)的循環(huán)中運轉(zhuǎn)，其中發(fā)動機的輸出功率在該循環(huán)期間改變(與一部分上述實施例相反)。在一些此類實施例中，發(fā)動機的輸出功率被控制成在蓄能裝置對總線上的功率需求的短期變動作出反應(yīng)的同時平順地和有效地改變。
[0066]在該模擬中的第一事件510期間，能量系統(tǒng)的功率需求快速增加。從超級電容器輸出的功率被用于對總線充電以滿足該需求并且發(fā)動機的輸出功率逐漸增加以滿足該需求。輸出功率的逐漸增加可對應(yīng)于針對燃料經(jīng)濟性優(yōu)化的速率。隨著發(fā)動機的輸出功率增力口，由超級電容器提供的功率相應(yīng)地降低。
[0067]在該模擬中的第二事件512期間，發(fā)動機提供充分的輸出功率以滿足該需求并且通過由總線傳送到超級電容器的電能對超級電容器充電。
[0068]在該模擬中的第三事件514期間，總線上的功率需求以發(fā)動機能夠有效地滿足并且不使用來自超級電容器的功率的速率增加。然而，在第三事件514期間，不再從總線供給功率來對超級電容器充電(或功率量減小)并且優(yōu)先總線上的可用功率用于滿足運轉(zhuǎn)重型設(shè)備的工具的致動器的增加的需求。
[0069]在該模擬中的第四事件516期間，總線上發(fā)生峰值需求。來自超級電容器的功率被用于補充來自發(fā)動機的功率。發(fā)動機的輸出功率逐漸增加到預(yù)定水平。該預(yù)定水平可對應(yīng)于發(fā)動機的最大輸出、發(fā)動機的燃料有效運轉(zhuǎn)范圍的上限、發(fā)動機以對發(fā)動機的磨損最低的運轉(zhuǎn)的上限或另一閾值。然而，在該模擬中，從發(fā)動機輸出的預(yù)定水平的功率小于需求并且剩下的差額由超級電容器滿足。在一些此類實施例中，針對重型設(shè)備選擇的發(fā)動機有意確定尺寸為在重型設(shè)備的峰值加載期間不提供全部功率，超級電容器將對發(fā)動機進行補充以滿足峰值需求除外。這種發(fā)動機可以比具有更高負荷性能的發(fā)動機更輕，更靈敏，使用的材料更少等。
[0070]在該模擬中的第五事件518期間，總線上的功率需求降低至發(fā)動機的預(yù)定水平左右。顯然，超級電容器的輸出在發(fā)動機的輸出功率降低之前降低。在改變發(fā)動機的輸出功率之前改變超級電容器的輸出功率的效率可更高，這是因為發(fā)動機可具有比超級電容器更大的與過渡到不同輸出功率水平相關(guān)的能量損失。此外，來自發(fā)動機的過剩功率可被用于對超級電容器再充電。
[0071]在該模擬中的第六事件520期間，總線上的需求再次超過發(fā)動機的預(yù)定水平的輸出功率，并且超級電容器再次被用于補充發(fā)動機的輸出功率。然而，第六事件不代表在圖12所示的循環(huán)期間總線上的峰值需求。
[0072]在該模擬中的第七事件522期間，總線上的功率需求降低至發(fā)動機的預(yù)定水平以下。一部分來自總線的功率被用于對超級電容器充電。如果需求的降低超過發(fā)動機有效地降低輸出功率的能力，則超級電容器可用于接收由發(fā)動機提供的過剩功率，從而允許發(fā)動機以效率高的方式緩降到更低的輸出功率。在一些實施例中，該循環(huán)然后基本上重復(fù)，峰值需求524和其它此類事件相似。在其它實施例中，能量系統(tǒng)在未被設(shè)計成或計劃在基本上重復(fù)的工作循環(huán)中運轉(zhuǎn)的重型設(shè)備中運轉(zhuǎn)。
[0073]參照圖13，圖形表示包括來自與用于重型設(shè)備的能量系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)對應(yīng)的計算機模擬的預(yù)示信息。該能量系統(tǒng)包括驅(qū)動發(fā)電機的發(fā)動機和超級電容器。該模擬中的發(fā)動機和超級電容器聯(lián)接到構(gòu)造成向構(gòu)造成運轉(zhuǎn)重型設(shè)備的工具的致動器供電的電氣總線。
[0074]在該模擬中的第一事件610期間，重型設(shè)備的模擬負荷曲線快速增加。作為響應(yīng)，超級電容器和發(fā)動機兩者的輸出功率都增加。然而，超級電容器的輸出功率增加得比發(fā)動機更快。在第一事件610期間，超級電容器的輸出功率完全補償發(fā)動機與負荷曲線之間的輸出功率之差。發(fā)動機的功率增加速率可對應(yīng)于針對燃料效率而優(yōu)化的速率。
[0075]在該模擬中的第二事件612期間，超級電容器的輸出功率已達到預(yù)定水平，該預(yù)定水平可對應(yīng)于超級電容器的最大輸出、對應(yīng)于重型設(shè)備的特定運轉(zhuǎn)的最大輸出、或另一閾值。在一些實施例中，超級電容器可以是飽和的并且無法提供另外的輸出功率。為了滿足第二事件612期間增加的負荷需求，發(fā)動機暫時將輸出功率的變化率增加到最佳速率以上。
[0076]在該模擬中的第三事件614期間，在發(fā)動機和超級電容器的凈輸出之間滿足該需求。發(fā)動機回到針對燃料效率而優(yōu)化的速率。超級電容器的輸出功率以與發(fā)動機的輸出功率的增加對應(yīng)的速率減少。
[0077]在該模擬中的第四事件期間，發(fā)動機達到預(yù)定水平。在總線上的需求保持恒定的情況下，發(fā)動機和超級電容器的輸出功率保持恒定。
[0078]在該模擬中的第五事件618期間，電氣總線的負荷曲線降低到發(fā)動機的輸出功率以下?？偩€上的過剩功率被用于對超級電容器充電。一旦超級電容器被充電到預(yù)定閾值以上，控制器便可將發(fā)動機的輸出功率降低到平均加載水平或另一水平。
[0079]參照圖14，曲線表示呈現(xiàn)了圖13所示的系統(tǒng)的發(fā)動機與不包括蓄能裝置的能量系統(tǒng)(大體參看如圖11所示的能量系統(tǒng)I)之間的假想對比。通過該蓄能裝置的使用，圖13的能量系統(tǒng)使發(fā)動機在第三事件614期間以更有效的功率增加速率運轉(zhuǎn)。
[0080]根據(jù)一個示例性實施例，圖11-14所示的能量系統(tǒng)允許發(fā)動機的輸出功率的平滑增加和減少。提供發(fā)動機上的平滑過渡(例如，輸出功率的緩升或緩降)以及對應(yīng)地防止快速、動態(tài)的負荷變化可提高燃料效率并且減少發(fā)動機造成的污染，尤其是對于在能量需求快速變化的情況下連續(xù)運轉(zhuǎn)的重型設(shè)備而言。此外，提供平滑過渡可通過減小發(fā)動機上的動態(tài)應(yīng)力來延長發(fā)動機的壽命。
[0081]如在各種示例性實施例中所示的用于重型設(shè)備的能量系統(tǒng)和的結(jié)構(gòu)和布置只是說明性的。盡管已在本說明書中詳細描述僅少數(shù)實施例，但許多改型是可能的(例如，各種元件的大小、尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀和比例、參數(shù)的值、安裝布置、材料的使用、顏色、定向等)而不實質(zhì)地脫離本文描述的主題的新穎教導和優(yōu)點。一些示出為一體形成的元件可以由多個部分或元件構(gòu)成，元件的位置可以顛倒或者以其它方式改變，并且可修改或改變分散的元件的性質(zhì)或數(shù)量或位置。根據(jù)可供選擇的實施例，可改變或重新排序任何過程、邏輯算法或方法步驟的次序或順序。也可在各種示例性實施例的設(shè)計、運行條件和布置中做出其它替代、修改、變更和省略而不脫離本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于重型設(shè)備的能量系統(tǒng)，所述重型設(shè)備具有用于運轉(zhuǎn)工具(316)的致動器(144,146,148),所述能量系統(tǒng)包括: 總線(320)，所述總線用于根據(jù)所述工具(136)的運轉(zhuǎn)來向所述致動器(144，146，148)提供電力； 發(fā)動機(314)，所述發(fā)動機用于提供輸出功率； 發(fā)電機(316)，所述發(fā)電機聯(lián)接到所述發(fā)動機(314)并且構(gòu)造成向所述總線(320)提供電力； 蓄能裝置(330)，所述蓄能裝置構(gòu)造成接收來自所述總線(320)的電力以存儲能量，并且還構(gòu)造成向所述總線(320)提供電力以補充由所述發(fā)電機(316)提供的電力；和 控制器(338)，所述控制器構(gòu)造成根據(jù)所述總線(320)上的電力需求而改變所述發(fā)動機(314)的輸出功率， 其中，響應(yīng)于電力需求的變化，所述控制器(338)構(gòu)造成以小于所述發(fā)動機(314)的最大性能的速率改變所述發(fā)動機(314)的輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量系統(tǒng)，其中，所述蓄能裝置(330)構(gòu)造成使得所述能量系統(tǒng)對所述總線(320)上的需求變化的凈短期動態(tài)響應(yīng)基本上不受所述發(fā)動機(314)的輸出功率的變化率影響。
3.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量系統(tǒng)，其中，當所述總線(320)上的需求增加時，所述控制器(338)構(gòu)造 成約束所述發(fā)動機(314)的節(jié)氣門，以使得所述發(fā)動機(314)的輸出功率以小于所述發(fā)動機(314)的最大性能的速率增加。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量系統(tǒng)，其中，所述控制器(338)構(gòu)造成在燃料經(jīng)濟性、最低磨損、減少排放或它們的組合方面優(yōu)化所述發(fā)動機(314)的輸出功率的變化率。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量系統(tǒng)，其中，所述蓄能裝置(330)構(gòu)造成以比所述發(fā)動機(314)能夠經(jīng)由所述發(fā)電機(316)向所述總線(320)提供電力的速率快的速率響應(yīng)于所述總線(320)上的需求的增加而提供增加的電能。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量系統(tǒng)，其中，所述蓄能裝置(330)包括超級電容器(414)，并且所述發(fā)電機(314)和發(fā)電機(316)是柴油發(fā)電機組(312)的一部分。
7.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量系統(tǒng)，其中，所述能量系統(tǒng)被設(shè)計成用在以基本上重復(fù)的工作循環(huán)運轉(zhuǎn)的重型設(shè)備中，并且其中，所述發(fā)動機(314)被設(shè)計成在所述基本上重復(fù)的工作循環(huán)期間以對應(yīng)于或小于所述總線(320)上的平均需求的最佳輸出功率運轉(zhuǎn)。
8.—種控制用于重型設(shè)備的能量系統(tǒng)的方法，包括: 從由發(fā)動機(314)驅(qū)動的發(fā)電機(316)向總線(320)提供電能以驅(qū)動用于運轉(zhuǎn)所述重型設(shè)備的工具(136)的致動器(144，146，148)； 響應(yīng)于所述總線(320)上增加的電能需求而從蓄能裝置(330)向所述總線(320)提供電能；以及 以小于所述發(fā)動機(314)的最大性能的速率增加驅(qū)動所述發(fā)電機(316)的所述發(fā)動機(314)的輸出功率，并且對應(yīng)地降低從所述蓄能裝置(330)向所述總線(320)提供的電能。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述蓄能裝置(330)向所述總線(320)提供電能，以使得所述能量系統(tǒng)對所述總線(320)上的需求的增加的凈短期動態(tài)響應(yīng)基本上不受所述發(fā)動機(314)的輸出功率的增加速率影響。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，還包括利用由所述總線(320)提供的電能對所述蓄能裝置(330)充電。
11.如權(quán)利要求8、9或10所述的方法，其中，在燃料經(jīng)濟性、最低磨損、減少排放或它們的組合方面對所述發(fā)動機(314)的輸出功率的變化率進行優(yōu)化，并且所述蓄能裝置(330)包括超級電容 器(414)，并且所述發(fā)動機(314)和所述發(fā)電機(316)是柴油發(fā)電機組(312)的一部分。
【文檔編號】B60W10/24GK103946460SQ201280046786
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月27日
【發(fā)明者】O·阿布戴爾-巴克, A·納斯里, P·米勒, J·黑爾弗里希 申請人:卡特彼勒環(huán)球礦業(yè)有限責任公司