ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЕ ГИБРИДНОЕ ПОДЪЕМНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
ELECTROHYDRAULIC HYBRID LIFTING VEHICLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к гибридному промышленному транспортному средству, такому как подъемное транспортное средство с телескопической стрелой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Подъемные транспортные средства с телескопической стрелой имеют низкую энергетическую эффективность движения транспортного средства и имеют достаточно высокий уровень шума, тогда как будущие директивы будут неминуемо требовать большего внимания к производительности с низким потреблением и низким уровнем шума.
В патенте США № 5707202 описано транспортное средство с телескопической стрелой, содержащее гидравлический насос, привод, питаемый гидравлическим насосом для работы телескопической стрелы, и двигатель внутреннего сгорания, расположенный в боковом отсеке между двумя осями транспортного средства. Более точно отсек содержит ряд деталей, компрессор, фильтр и устройство с гидравлическим клапаном; и транспортное средство обычно приводится в движение с помощью гидравлического (гидростатического) двигателя, управляемого двигателем внутреннего сгорания на различных скоростях.
В транспортных средствах этого типа двигатель внутреннего сгорания должен работать непрерывно, и для приведения в движение транспортного средства это передает энергию от двигателя внутреннего сгорания к гидравлическому двигателю. Двигатели этого типа обычно имеют привод на четыре колеса; и, когда гидравлическая подъемная система работает, энергия передается от двигателя внутреннего сгорания к насосу с помощью механического привода, что означает, что двигатель внутреннего сгорания работает непрерывно как для движения транспортного средства назад и вперед, так и для работы стрелы.
Типичными недостатками транспортных средств этого типа являются низкая энергетическая эффективность системы в целом и трудность в поддержании двигателя внутреннего сгорания на наиболее энергоэффективной скорости вследствие того, что его скорость обычно управляется педалью акселератора.
Кроме того, транспортное средство производит загрязняющие выбросы во всех режимах работы и имеет высокий уровень шума при высокой скорости двигателя.
Рабочая система гибридного транспортного средства описана в публикации JP-A-2005133319, согласно которой двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель расположены в задней части, вместе с батареями. Эта конфигурация является особенно громоздкой, поднимает центр тяжести и плохо подходит для стабильности, требуемой для транспортных средств с телескопической стрелой, в которых центр тяжести должен сохраняться как можно ниже для защиты от опрокидывания транспортного средства. Кроме того, не упоминаются проблемы, возникающие при сборке отдельных компонентов для сведения к минимуму влияния на компоновку транспортных средств с телескопической стрелой.
Описанная гибридная рабочая система обеспечивает работу двигателя внутреннего сгорания, соединенного с генератором, который питает электроэнергией аккумулятор, который в свою очередь питает электроэнергией приводной электродвигатель транспортного средства.
Более точно двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель управляются пользователем непосредственно с помощью первой педали для управления как двигателем внутреннего сгорания, так и электродвигателем, и второй педали для управления только электродвигателем. Это означает, что пользователь также может управлять скоростью двигателя внутреннего сгорания исходя из нагрузки, требуемой электродвигателем, за счет энергетической эффективности транспортного средства в целом.
Кроме того, описанное транспортное средство представляет собой экскаватор, который в отличие от транспортного средства с телескопической стрелой нуждается в большей или, по меньшей мере, такой же мощности для работы ковша, что и для приведения в движение транспортного средства.
Это серьезно влияет на размер аккумуляторов гибридного экскаватора. То есть для работы в течение 1 часа с помощью приводного электродвигателя транспортного средства и с полностью питаемым электричеством ковшом, то есть с выключенным двигателем внутреннего сгорания, описанном в JP-A-2005133319, экскаватору потребовались бы аккумуляторы в несколько сотен кВт/ч, которые были бы слишком громоздкими и тяжелыми для экскаватора.
Следовательно, описанный экскаватор не может работать полностью от электричества для одновременного приведения в движение транспортного средства и работы ковша. С другой стороны, двигатель внутреннего сгорания должен работать непрерывно для одновременного приведения в движение транспортного средства и управления гидравлической системой, которая может быть запитана только электрически, когда транспортное средство неподвижно.
Следовательно, система, описанная в JP-A-2005133319, в основном обеспечивает энергосбережение путем выключения двигателя внутреннего сгорания, когда транспортное средство неподвижно; используя энергию батареи и реверсивную электрическую машину для работы гидравлических систем в течение короткого периода, без выбросов, пока транспортное средство неподвижно, до тех пор, пока батареи не разрядятся ниже заданного предела, и затем перезапуская двигатель внутреннего сгорания. Нигде не упоминается проектирование аккумулятора и распределение мощности между приводом транспортного средства и гидравлическими системами для баланса и управления потреблением мощности в различных режимах работы транспортного средства.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенной конфигурации, с помощью которой легко и дешево преобразовать промышленное подъемное транспортное средство с телескопической стрелой, содержащее реверсивную электрическую машину и приводной электродвигатель транспортного средства, в гибридное транспортное средство, в то же время сохраняя стабильность, требуемую для промышленных подъемных транспортных средств.
Другой задачей настоящего изобретения является улучшение привода транспортного средства и подъемной производительности, и обеспечение возможности работы транспортного средства полностью от электричества, например, в замкнутом пространстве, с нулевыми выбросами.
Задачи настоящего изобретения по меньшей мере частично решены подъемным транспортным средством по п.1 формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительный неограничивающий вариант осуществления настоящего изобретения будет описан в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фигура 1 - вид в перспективе примера подъемного транспортного средства в соответствии с настоящим изобретением;
фигура 2 - схема системы привода транспортного средства с фигуры 1; и
фигура 3 - вид в перспективе системы привода транспортного средства с фигуры 2.
НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ссылочной позицией 1 на фигуре 1 обозначено в целом подъемное транспортное средство, содержащее раму, предпочтительно телескопическую стрелу 3, соединенную шарнирно с рамой, механизм 4 с вилочным захватом, присоединенный к свободной конечной части стрелы 3, кабину 5 водителя, колеса 6, насаженные на две оси, и передние и задние стабилизаторы 7 (только передние стабилизаторы показаны на фигуре 1). Более точно передние и задние стабилизаторы 7 управляются соответствующими гидравлическими цилиндрами 8 и подвижны между верхним положением, в котором колеса 6 остаются на земле, позволяя транспортному средству 1 перемещаться, и нижним положением, в котором стабилизаторы 7 опущены гидравлическими цилиндрами 8 и остаются на земле на пластинах 9.
Гидравлические цилиндры 8 спроектированы также для подъема транспортного средства 1 в условиях максимальной загрузки, и, следовательно, остается на усмотрение оператора в кабине 5, оторвать ли колеса 6 от земли; таким образом, стрела 3 может управляться с колесами 6, остающимися на земле, и стабилизаторами 7 в верхнем положении, либо со стабилизаторами 7 в нижнем положении и колесами 6, поднятыми над землей.
Стрела 3 имеет угол подъема относительно плоскости, проходящей через оси колес 6, и может раздвигаться до различных длин. Как стрела 3, так и кабина 5 могут опционально быть установлены на платформу, вращающуюся вокруг оси, перпендикулярной плоскости, содержащей оси колес 6.
Транспортное средство 1 (фигура 2) преимущественно содержит двигатель 10 внутреннего сгорания, реверсивную электрическую машину 11, гидравлический насос 12 и отключаемый привод 13 для соединения двигателя 10 с реверсивной электрической машиной 11 и гидравлическим насосом 12.
Более точно отключаемый привод 13 содержит сцепление 14, которое может иметь силовой привод от гидравлической системы транспортного средства или управляться электрическим приводом, чтобы разрешить работу полностью от электричества даже при запуске, и редуктор 15, имеющий главный вал 16, соединенный с помощью сцепления 14 с коленчатым валом 17 двигателя 10, и вторичный вал, соединенный с гидравлическим насосом 12.
Гидравлический насос 12 соединен со всеми гидравлическими приводами транспортного средства 1, например, с гидравлическими цилиндрами 8, гидравлическим цилиндром для наклона стрелы 3 и приводом, управляющим удлинением стрелы 3, с двигателем, обеспечивающим электроэнергией вращение платформы, поддерживающей кабину 6 и стрелу 3, и с элементами управления, управляющими трансмиссией, электромагнитными клапанами тормоза и механизмом, приводящим в действие цилиндры.
Транспортное средство 1 также содержит электродвигатель 18, соединенный с помощью отключаемого привода 13 с колесами 6, аккумулятор 19, соединенный с реверсивной электрической машиной 11, и силовой привод 20 для соединения аккумулятора 19, реверсивной электрической машины 11 и электродвигателя 18. Центральный блок 21 управления соединен с силовым приводом 20 для управления потоком электрической мощности по меньшей мере между вышеупомянутыми тремя компонентами и для управления различными режимами работы транспортного средства и соответствующих датчиков управления.
После недавних технологических усовершенствований в электродвигателях с постоянным магнитом сейчас стали доступны электрические машины, спроектированные, чтобы удовлетворять требованиям по размеру, мощности, крутящему моменту, угловой скорости и производительности транспортных средств различных модельных рядов с большей энергетической эффективностью по сравнению с традиционными транспортными средствами.
Охлаждающая система транспортного средства 1 содержит механически управляемую часть, часть, электрически управляемую силовым приводом 20, гидравлический контур и соответствующий радиатор для охлаждения двигателя 10 внутреннего сгорания и гидравлический контур для охлаждения компонентов электрической энергии, то есть реверсивной электрической машины 11, электродвигателя 18 и силового привода 20. Более точно гидравлический охлаждающий контур двигателя внутреннего сгорания содержит радиатор 22, охлаждаемый вентилятором 23, соединенным механически, например, непосредственно с коленчатым валом 17 на стороне, противоположной сцеплению 14; и гидравлический охлаждающий контур компонента электрической энергии имеет свой собственный радиатор 24 и ряд электрических вентиляторов 25.
Предпочтительно, два охлаждающих контура являются отдельными, и электрические вентиляторы 25 и радиатор 24 спроектированы для удаления тепла, произведенного в проектных условиях реверсивной электрической машиной 11, электродвигателем 18 и силовым приводом 20. Радиаторы 22 и 24 преимущественно расположены рядом с и обращены к вентилятору 23, который спроектирован для охлаждения охлаждающей жидкости как двигателя 10, так и охлаждающих контуров компонента электрической энергии. В варианте осуществления, показанном в настоящем изобретении, электрические вентиляторы 25 размещены между радиатором 24 и вентилятором 23 для большей компактности.
Охлаждающий контур компонента электрической энергии содержит электронасос 26, соединенный с силовым приводом 20, управляемый центральным блоком 21 управления и питаемый электроэнергией аккумулятором 19. Транспортное средство может содержать шину высокого напряжения для питания электродвигателя 18 и реверсивной электрической машины 11 предпочтительно таким же напряжением, как и батареи; и низковольтный преобразователь 12/24 В для питания электроэнергией вдобавок к электронасосу 26 всей электрической сети датчиков управления гидравлического контура и электромагнитных клапанов.
Транспортное средство 1 также содержит ряд конденсаторов, соединенных, по меньшей мере, с электродвигателем 18 и/или реверсивной электрической машиной 11, чтобы гарантировать необходимую мощность в случае потребления управляемыми устройствами максимальной мощности и чтобы регулировать потребление мощности от батарей.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, двигатель 10, вентилятор 23, электрические вентиляторы 25, радиаторы 22 и 24, отключаемый привод 13, реверсивная электрическая машина 11 и гидравлический насос 12 размещены в одном боковом отсеке транспортного средства 1 между передним и задним колесом 6.
Рама содержит переднюю ось 27 и заднюю ось 28 с соответствующими дифференциалами 29, 30 и двойной карданный привод 31 постоянной скорости, соединяющий дифференциалы 29 и 30. Электродвигатель 18 преимущественно соединен с двойным карданным приводом 31 постоянной скорости с помощью трансмиссии с по меньшей мере двумя передачами, предпочтительно в отделении между стрелой 3 и двойным карданным приводом 31 постоянной скорости. Аккумулятор 19 крепится к раме в другом боковом отсеке между передней и задней осями 27, 28, то есть на стороне, противоположной двойному карданному приводу 31 постоянной скорости по отношению к двигателю 10. И каждая ось содержит редуктор на каждой ступице колеса (не показан) для уменьшения скорости от дифференциала 29, 30 к соответствующей паре колес 6.
Транспортное средство 1 работает следующим образом.
Двигатель 10 соединен с электродвигателем 18 для формирования последовательного гибридного привода, то есть транспортное средство приводится в движение исключительно электродвигателем 18, а двигатель 10 приводит в действие гидравлический насос 12 и/или заражает батареи с помощью реверсивной электрической машины 11 и приводит в движение вентилятор 23, когда он работает. Скорость транспортного средства, следовательно, управляется электрически, и педаль 32 акселератора соединена с потенциометром, который посылает соответствующий сигнал в центральный блок 21 управления. Это запрограммировано для автоматического включения/выключения двигателя 10 на основе ряда рабочих параметров, содержащих, например: заряд аккумулятора 19, и/или крутящий момент, и/или потребление мощности насосом 12, и/или потребление мощности вентиляторами 25, 23, и/или мощность, требуемую электродвигателем 18. Педаль 32 акселератора управляет электродвигателем 18 непосредственно, чтобы управлять скоростью транспортного средства от нулевой до максимальной. Управляя рычагом для изменения направления вращения электродвигателя на противоположное, можно плавно изменить направление движения транспортного средства 1 на противоположное без необходимости в сцеплении или механической трансмиссии, и скорость движения вперед/назад транспортного средства может управляться педалью 32 акселератора без изменения скорости двигателя 10 внутреннего сгорания.
Педаль акселератора 32 управляет скоростью транспортного средства 1 непосредственно и непрерывно в различных режимах работы транспортного средства, тогда как двигатель 10 внутреннего сгорания может работать в дискретном числе режимов работы, то есть в числе фиксированных точек, хранимых и выбираемых центральным блоком 21 управления для подачи максимальной мощности при низкой скорости двигателя и с низким потреблением, даже когда работа пользователя с педалью 32 акселератора требует максимальной скорости движения транспортного средства или крутящего момента. Другими словами, работа пользователя с педалью 32 акселератора не изменяет непосредственно скорость двигателя 10 внутреннего сгорания.
Например, мощность, генерируемая двигателем 10 внутреннего сгорания, течет в реверсивную электрическую машину 11 и прямо по электрической шине к электродвигателю 18, и любое превышение пускового потребления мощности обеспечивается аккумулятором 19.
Система управления подачей мощности обеспечивает оптимизацию производительности скорость/мощность/потребление двигателя 10 внутреннего сгорания в определенных точках кривой характеристики двигателя для достижения необходимой выходной мощности в сочетании с низким потреблением.
Вдобавок к работе в качестве генератора, когда двигатель 10 внутреннего сгорания включен, реверсивная электрическая машина 11 может также работать в качестве двигателя посредством аккумулятора 19 для приведения в действие гидравлического насоса 12, когда двигатель 10 выключен, и сцепление 14 разомкнуто. В этом режиме работы педаль 32 акселератора является единственным органом управления, которым может управлять пользователь для движения транспортного средства 1 назад и вперед посредством рычага, упомянутого выше.
В полностью электрическом режиме аккумулятор 19 также питает электроэнергией вентиляторы 25 для охлаждения реверсивной электрической машины 11 и электродвигателя 18.
Электродвигатель 18 может даже быть реверсивной электрической машиной и таким образом рекуперировать энергию при торможении, даже когда транспортное средство 1 находится в полностью электрическом режиме, например, с разомкнутым сцеплением 14 и реверсивной электрической машиной 11, обязательно работающей в качестве двигателя для приведения в действие гидравлического насоса 12.
Для того чтобы транспортное средство 1 работало должным образом в полностью электрическом режиме, проектирование с точки зрения мощности аккумулятора 19, электродвигателя 18, насоса 12 и реверсивной электрической машины 11 является особенно важным, чтобы позволить транспортному средству 1 работать полностью электрически с выключенным двигателем 10 внутреннего сгорания и таким образом электрически приводить в движение транспортное средство и подъемные системы одновременно, чтобы работать в течение достаточного периода времени, например, в замкнутых пространствах с нулевыми выбросами.
Силовой привод 20 содержит электрический выход для соединения с внешним источником электроэнергии, с помощью которого можно как перезарядить аккумулятор 19, так и питать электроэнергией электродвигатель 18. Кроме того, из-за того что аккумулятор 19 имеет напряжение, например, 700 В или больше, посредством конвертера напряжения предусмотрен ряд бортовых 220 В и/или 400 В электрических выходов пользовательских устройств. Телескопическая стрела, таким образом, может быть оборудована платформой, оснащенной 12 В, и/или 24 В, и/или 220 В, и/или 400 В выходом для питания электроэнергией рабочих инструментов на платформе.
Транспортное средство 1 обладает следующими преимуществами.
Транспортное средство, согласно настоящему изобретению, является одним из категории транспортных средств с телескопической стрелой, требующих, скажем, 60 кВт мощности для приведения в движение транспортного средства и 40 кВт для запуска насоса 12, чтобы поднять телескопическую стрелу 3. Принимая во внимание тип работы и средние рабочие циклы транспортного средства, в полностью электрическом режиме может быть обеспечено достаточно энергии для приведения в движение транспортного средства и также телескопической стрелы 3. Кроме того, составные части гибридного преобразования транспортного средства размещены в инновационной компоновке трех противоположных отсеков, которая эффективно группирует компоненты по обе стороны от двойного карданного привода 31 постоянной скорости и упрощает соединение электродвигателя 18 с приводом 31. Электродвигатель 18, будучи компактным и питающимся электроэнергией с помощью электрических кабелей, в целом меньше, чем механический привод, при этом описанная компоновка идеально подходит для большинства подъемных транспортных средств с телескопической стрелой без необходимости изменений рамы.
Кроме того, центр тяжести транспортного средства сохраняется низким в силу более тяжелых дополнительных компонентов, то есть электродвигателя 18, реверсивной электрической машины 11 и аккумулятора 19, расположенных на более или менее той же высоте, что и оси колес.
Электродвигатель 18 и, следовательно, транспортное средство 1 приводятся в движение исключительно управляемой пользователем педалью 32 акселератора, в то время как реверсивная электрическая машина 11 заряжает аккумулятор 19 и/или приводит в действие гидравлический насос 12 посредством центрального блока 21 управления.
Компоненты электрической энергии (по меньшей мере, электродвигатель 18, реверсивная электрическая машина 11, аккумулятор 19 и конденсаторы) и компоненты механической энергии (по меньшей мере, насос 12 и двигатель 10 внутреннего сгорания) спроектированы с возможностью разрешения одновременной работы телескопической стрелы 3 и электродвигателя 18, так что транспортное средство 1 может работать чисто в закрытых средах, например, в сельскохозяйственной и пищевой промышленности, промышленных или сельскохозяйственных складах или тоннелях.
Когда транспортное средство работает в гибридном режиме с работающим или запускаемым двигателем 10 внутреннего сгорания, центральный блок 21 управления запрограммирован для управления сцеплением 14 и включения/выключения двигателя 10 внутреннего сгорания полностью автоматически в конце запрограммированной операции без помощи от пользователя. Пользователь управляет стрелой посредством джойстика, соединенного с центральным блоком 21 управления, и управляет скоростью транспортного средства исключительно посредством педали 32 акселератора, то есть просто и интуитивно без необходимости в других ручных регулировках. Центральный блок 21 управления автоматически включает двигатель 10 внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора 19 и/или приведения в действие насоса 12 вместо реверсивной электрической машины 11. Входной сигнал от педали 32 акселератора, то есть мощность, требуемая от электродвигателя 18, является одним из множества возможных параметров, обрабатываемых центральным блоком 21 управления для осуществления стратегии включения/выключения двигателя 10 внутреннего сгорания.
Центральный блок 21 управления управляет двигателем 10 внутреннего сгорания таким образом, чтобы он работал в дискретном количестве фиксированных высокоэнергоэффективных точек для минимизирования переходных состояний и уменьшения потребления.
Последовательная гибридная конфигурация требует двигатель 10, гидравлический насос 12 и реверсивную электрическую машину 11, размещенные в боковом отсеке рамы между осями 27 и 28. Более точно с использованием электрической схемы и двигателя 10 и бесщеточного электродвигателя 18 с постоянным магнитом, оба с номиналом 55 или 60 кВт, возможно достичь той же производительности, что и у транспортного средства, оборудованного двигателем внутреннего сгорания мощностью более, скажем, 75 кВт, и соединенного с блоком гидравлического насоса с электроприводом для приведения в действие двойного карданного привода 31 постоянной скорости. Более точно электродвигатель 18, особенно бесщеточного типа с постоянным магнитом, может работать в максимальных условиях с крутящими моментами, превышающими более чем на 50% максимальное значение крутящего момента, в течение ограниченных периодов времени, даже нескольких минут. В описанном примере мощность реверсивной электрической машины составляет по меньшей мере 60 кВт.
Что касается батарей, для любой заданной мощности литиевые и литий-полимерные батареи являются компактными и легкими и были улучшены в эффективности и производительности зарядки/разрядки, поэтому они могут быть установлены на промышленные транспортные средства в размерах, подходящих к различным применениям, без увеличения общего веса транспортного средства.
Ясно, что могут быть сделаны изменения в транспортном средстве 1, описанном и проиллюстрированном в материалах настоящей заявки, не выходя, однако, из объема, определенного прилагаемой формулой изобретения.
Например, может быть предоставлен комплект оборудования для модернизации для существующих подъемных транспортных средств, содержащий новый маломощный двигатель 10 внутреннего сгорания, реверсивную электрическую машину 11, привод 13, электродвигатель 18, аккумулятор 19, силовой привод 20, центральный блок 21 управления и потенциометр педали акселератора.
Узел 3/4/5 стрелы/инструмента/кабины может быть сделан вращающимся посредством отсоединения нижней части рамы со штифтом для вращения кабины 5 и стрелы 3 относительно части рамы, содержащей двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель и привод. Штифт может приводиться в движение как обычно гидравлической системой, параллельной схеме, питаемой насосом 12, или отдельным электродвигателем.
Транспортное средство согласно настоящему изобретению может использоваться для значительного преимущества с двигателями внутреннего сгорания различных номинальных мощностей, например, 50 или 100 кВт, типичными для большинства наиболее распространенных применений транспортных средств с телескопической стрелой.
Батареи 19 могут быть либо высокопроизводительными, то есть литиевого или литий-полимерного типов, либо традиционного свинцового типа или типа свинцового геля.