本發明屬于卷揚驅動，更具體地，涉及一種液電協同驅動及能量再生一體化卷揚系統及控制方法。

背景技術：

1、當前，工程機械領域正面臨嚴峻的能源與環境挑戰。高能耗和高碳排放所引發的氣候變化、日益枯竭的燃油資源、廢棄物處理難題，以及噪音和空氣污染等問題，構成了亟待解決的能源環境危機。為應對這些挑戰，我國政府已發布一系列政策，旨在推動工程機械領域的綠色發展，促進工程機械產品的節能減排，強化環保監管及政策支持，推動行業向綠色低碳轉型。

2、工程機械卷揚系統是一種用于起重和物料搬運的關鍵設備，它通過電機或液壓系統驅動卷筒旋轉，實現繩索或鏈條的卷繞，從而升降重物。該系統以其結構緊湊、操作方便、高通用性、大起重能力、易于轉移和維護簡便等優點，在建筑、水利、港口、工廠等多個領域中得到廣泛應用。現有技術中的工程機械卷揚系統的工作特點包括可回收勢能的多樣性以及對重物升降位置的精準控制，如文獻號為cn115744699a的中國專利申請公開了一種雙動力卷揚系統、控制方法和樁工機械，其中雙動力卷揚系統包括發動機、用于驅動卷揚總成的液壓馬達、控制液壓馬達的控制閥組、向控制閥組供油并由發動機驅動的主泵、由發動機驅動并與動力電池連接發電機、用于制動卷揚總成的制動器、操作手柄、電機等，電機與動力電池連接，用于驅動卷揚總成或被反拖發電；控制器依據操作手柄的收卷信號或放卷信號控制制動器和電機的工作模式、和依據電機負載狀況通過所述控制閥組控制所述液壓馬達的工作狀態。

3、上述專利的卷揚系統通過雙動力，在進行放卷操作時通過電機吸收工作裝置下方時減少的勢能，實現能量回收，減少液壓系統發熱，然而，傳統液壓驅動卷揚系統中的液壓蓄能器存在能量密度低的問題，難以有效回收大量勢能，并且依賴發動機作為能量來源，工作過程中會產生顯著的能源污染；此外，傳統電驅動卷揚系統在近零轉速和大扭矩條件下的可控性較差，能耗高，難以滿足精準控制的需求，同時其功率密度較低，需占用較大裝機空間以滿足工作要求。因此，亟需探索新的技術路線，以提升卷揚系統的性能、效率和操控性，從而應對日益嚴峻的能源環境挑戰。

技術實現思路

1、針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種液電協同驅動及能量再生一體化卷揚系統及控制方法，通過利用電動機的優良控制特性來提升整體系統的動態響應速度，并借助液壓驅動系統所具備的高功率密度輸出來實現低速大扭矩的高效輸出，從而通過對所述電驅單元內電動發電機轉速的主動控制以及對所述液驅單元內變量液壓泵馬達主動輸出轉矩的調節，促成電動發電機與變量液壓泵馬達之間的多象限協調控制，進而使得整個系統具備出色的運動特性和良好的操控性；其次，通過所述電驅單元內高能量密度動力電池的持續充放電能力，以及所述液驅單元內多個高功率密度蓄能器與液壓泵的強瞬時輸入輸出功率，并運用液電復合能量調控的方法，實現卷揚升降過程中的有效驅動與能量再生，并且有效降低系統整體結構復雜程度，顯著提高系統操控性的同時，提升其工作效率，降低能量損耗。

2、為了實現上述目的，本發明一方面提供一種液電協同驅動及能量再生一體化卷揚系統，包括：卷揚減速機、電驅單元、液驅單元及操控單元；其中：

3、所述卷揚減速機通過牽引繩與重物連接，用于傳遞所述電驅單元傳輸的穩定轉矩以通過卷繞或釋放所述牽引繩實現所述重物包括上升、下降及制動運動狀態的控制；

4、所述電驅單元用于穩定驅動所述卷揚減速機，其包括：動力電池、分別與所述動力電池電性連接的第一電動發電機及所述第二電動發電機，且所述第二電動發電機分別與所述卷揚減速機及所述液驅單元機械連接；

5、所述液驅單元用于輔助所述電驅單元輸出轉矩并進行能量回收，其包括：與所述第一電動發電機同軸連接的所述第一變量液壓泵馬達、與所述第二電動發電機及所述卷揚減速機同軸連接的所述第二變量液壓泵馬達；

6、所述操控單元分別與卷揚減速機、所述電驅單元及所述液驅單元通訊連接，通過主動控制所述電驅單元內電動發電機轉速和調節所述液驅單元內變量液壓泵馬達的輸出轉矩，以及液電復合能量調控，實現運行過程中的有效驅動與能量再生，并通過降低整體結構復雜度以提高操控性和降低能量損耗。

7、進一步地，所述電驅單元還包括：第一電機控制器及第二電機控制器；其中：

8、所述動力電池分別與所述第一電機控制器、所述第一電動發電機、所述第二電機控制器及所述第二電動發電機電性連接；所述第一電機控制器與所述第一電動發電機電性連接，并與所述操控單元通訊連接；所述第二電機控制器與所述第二電動發電機電性連接，并與所述操控單元通訊連接。

9、進一步地，所述動力電池為鋰電池且具備充放電功能；

10、所述第一電動發電機及所述第二電動發電機為永磁同步電機且同時具備電動機模式及發電機模式。

11、進一步地，所述液驅單元還包括：高壓蓄能器、低壓蓄能器、第一兩位三通電磁換向閥、第二兩位三通電磁換向閥、第一兩位兩通電磁換向閥、第二兩位兩通電磁換向閥、第一單向閥、液壓油箱、第二單向閥、第一溢流閥、第二溢流閥、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器及第四壓力傳感器；其中，所述第一變量液壓泵馬達與所述第一電動發電機機械連接，其出口與所述第一兩位三通電磁換向閥的a口相連；所述第二變量液壓泵馬達的a口、所述第一兩位兩通電磁換向閥的b口、所述第一單向閥的b口及所述第一溢流閥的進油口兩兩相連；所述第二變量液壓泵馬達的b口、所述第二兩位兩通電磁換向閥的b口、第二單向閥的b口及所述第二溢流閥的進油口兩兩相連；所述高壓蓄能器的出口與所述第一兩位兩通電磁換向閥的t口相連，且其出口設有所述第三壓力傳感器；所述低壓蓄能器的出口與所述第二兩位三通電磁換向閥的a口相連，且其出口設有所述第四壓力傳感器；所述第一兩位三通電磁換向閥的b口和所述第一兩位兩通電磁換向閥的a口相連；所述第二兩位三通電磁換向閥的b口與所述第二兩位兩通電磁換向閥的a口相連；所述液壓油箱分別與所述第一變量液壓泵馬達的進油口、所述第二兩位三通電磁換向閥的t口、所述第一單向閥的a口、所述第二單向閥的a口、所述第一溢流閥的出口及所述第二溢流閥的出口連接；所述第二變量液壓泵馬達的a口、b口分別設有所述第一壓力傳感器和所述第二壓力傳感器；所述第一變量液壓泵馬達、所述第二變量液壓泵馬達、所述第一兩位三通電磁換向閥、所述第二兩位三通電磁換向閥、所述第一兩位兩通電磁換向閥、所述第二兩位兩通電磁換向閥、所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器、所述第三壓力傳感器及所述第四壓力傳感器分別與所述操控單元通訊連接。

12、進一步地，所述第一變量液壓泵馬達及第二變量液壓泵馬達均包括液壓泵模式和馬達模式。

13、進一步地，所述操控單元包括：總成控制器及操控手柄；所述總成控制器分別與所述第一電機控制器、所述第一變量液壓泵馬達、所述第二變量液壓泵馬達、所述第二電機控制器、所述第一兩位三通電磁換向閥、所述第二兩位三通電磁換向閥、所述第一兩位兩通電磁換向閥、所述第二兩位兩通電磁換向閥、所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器、所述第三壓力傳感器及所述第四壓力傳感器及所述操控手柄通訊連接。

14、進一步地，所述卷揚減速機還包括速度傳感器，該速度傳感器可采集牽引繩上升或下降速度，并將采集信號發送至所述總成控制器；

15、所述液壓油箱還包括液位傳感器及第五壓力傳感器，該液位傳感器及該第五壓力傳感器可分別采集所述液壓油箱內的液壓油液位及壓力值，并將采集信號發送至所述總成控制器。

16、本發明的另一方面提供一種液電協同驅動及能量再生一體化卷揚系統的控制方法，應用如上所述的卷揚系統實現，包括如下步驟：

17、s1：總成控制器實時接受操控手柄的主動指令，并解析操作人員目標，確定重物后續運動狀態及速度要求；同時，所述總成控制器實時接收第一電機控制器、第二電機控制器及多個傳感器的采集信號，判別所述重物當前運動狀態及速度；

18、s2：當所述總成控制器接收到所述操控手柄的主動指令，并確定所述重物后續運動狀態為上升時，所述總成控制器向電驅單元及液驅單元發送信號，使得第一變量液壓泵馬達處于液壓泵工況，所述第二變量液壓泵馬達處于液壓馬達工況，第一電動發電機和第二電動發電機處于電動機狀態，之后，向所述第二電機控制器輸出轉速信號值，使第二電動發電機輸出目標轉速值，并帶動第二變量液壓泵馬達輸出同樣轉速；

19、s3：當所述總成控制器接收到所述操控手柄的主動指令，并確定所述重物后續運動狀態為下降時，所述總成控制器向所述電驅單元及所述液驅單元發送信號，使得所述第一變量液壓泵馬達處于液壓馬達工況，所述第二變量液壓泵馬達處于液壓泵工況，所述第一電動發電機和所述第二電動發電機處于發電機狀態，之后，向所述第二電機控制器輸出轉速信號值，使所述第二電動發電機輸出目標轉速值，并帶動第二變量液壓泵馬達輸出同樣轉速；

20、s4：當所述總成控制器未接收到所述操控手柄的主動指令，并確定所述重物后續運動狀態為制動時，所述總成控制器通過所述第二電機控制器控制所述第二電動發電機處于零轉速狀態，同時，控制所述第一兩位兩通電磁換向閥和所述第二兩位兩通電磁換向閥失電均處于右位，使所述液壓單元處于鎖止狀態，之后，使得所述第二電動發電機處于零轉矩模式撤扭，并使卷揚減速機內部制動裝置抱閘制動；

21、s5：根據作業需求和環境，穿插進行步驟s2至步驟s4，完成所述重物的吊裝工作。

22、進一步地，步驟s2中，動力電池作為所述卷揚系統主要能量來源，所述第一變量液壓泵馬達處于液壓泵工況，所述第二變量液壓泵馬達處于液壓馬達工況，所述第一電動發電機和所述第二電動發電機處于電動機狀態；同時，所述第二變量液壓泵馬達在協同所述第二電動發電機進行轉動過程中，所述總成控制器控制第一兩位三通電磁換向閥失電處于右位，所述第二兩位三通電磁換向閥、第一兩位兩通電磁換向閥、第二兩位兩通電磁換向閥得電處于左位，使得高壓蓄能器中液壓油分別經過所述第一兩位三通電磁換向閥、所述第一兩位兩通電磁換向閥到達所述第二變量液壓泵馬達的a口，并在經過減壓后從所述第二變量液壓泵馬達的b口分別流經第二兩位兩通電磁換向閥、第二兩位三通電磁換向閥后回到低壓蓄能器中；其中：

23、當所述高壓蓄能器出口液壓油壓力低于所設定閾值壓力時，所述總成控制器控制所述第一兩位三通電磁換向閥得電處于左位，且所述第一電機控制器控制所述第一電動發電機輸出一定功率以驅動所述第一變量液壓泵馬達及液壓油箱為所述第二變量液壓泵馬達提供液壓能；

24、當所述低壓蓄能器出口液壓油壓力高于所設定閾值壓力時，所述總成控制器控制所述第二兩位三通電磁換向閥失電處于右位，使通路中的液壓油流回所述液壓油箱。

25、進一步地，所述動力電池作為所述卷揚系統主要能量來源，所述第一變量液壓泵馬達處于液壓馬達工況，所述第二變量液壓泵馬達處于液壓泵工況，所述第一電動發電機和所述第二電動發電機處于發電機狀態；同時，所述第二變量液壓泵馬達在協同所述第二電動發電機進行轉動過程中，所述總成控制器控制所述第一兩位三通電磁換向閥失電處于右位，所述第二兩位三通電磁換向閥、所述第一兩位兩通電磁換向閥、所述第二兩位兩通電磁換向閥得電處于左位，使得所述低壓蓄能器中液壓油分別經過所述第二兩位三通電磁換向閥、所述第二兩位兩通電磁換向閥到達所述第二變量液壓泵馬達的b口，并在經過增壓后從所述第二變量液壓泵馬達的a口分別流經所述第一兩位兩通電磁換向閥、所述第一兩位三通電磁換向閥后回到高壓蓄能器中；其中：

26、當所述低壓蓄能器出口液壓油壓力低于所設定閾值壓力時，所述總成控制器控制所述第二兩位三通電磁換向閥得電處于右位，使得所述液壓油箱直接向所述第二變量液壓泵馬達提供液壓能；

27、當所述高壓蓄能器出口液壓油壓力高于所設定閾值壓力時，所述總成控制器控制所述第一兩位三通電磁換向閥得電處于左位，使得通路中的液壓油流經所述第一變量液壓泵馬達后回到所述液壓油箱，從而使得所述第一變量液壓泵馬達帶動所述第一電動發電機轉動以發電回收能量至所述動力電池，并通過控制第一變量液壓泵馬達的排量使其保持一定背壓。

28、總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

29、1.本發明的卷揚系統，通過利用電動機的優良控制特性來提升整體系統的動態響應速度，并借助液壓驅動系統所具備的高功率密度輸出來實現低速大扭矩的高效輸出，從而通過對所述電驅單元內電動發電機轉速的主動控制以及對所述液驅單元內變量液壓泵馬達主動輸出轉矩的調節，促成電動發電機與變量液壓泵馬達之間的多象限協調控制，進而使得整個系統具備出色的運動特性和良好的操控性；其次，通過所述電驅單元內高能量密度動力電池的持續充放電能力，以及所述液驅單元內多個高功率密度蓄能器與液壓泵的強瞬時輸入輸出功率，并運用液電復合能量調控的方法，實現卷揚升降過程中的有效驅動與能量再生，并且有效降低系統整體結構復雜程度，顯著提高系統操控性的同時，提升其工作效率，降低能量損耗。

30、2.本發明的卷揚系統，通過所述動力電池供能以確保所述電驅單元穩定作業；其次，通過所述第一電機控制器及所述第二電機控制器分別控制所述第一電動發電機及所述第二電動發電機的輸出轉矩，同時，所述第一電機控制器及所述第二電機控制器通過與所述操控單元通訊連接，將實時采集的電機轉速、轉矩信號傳輸至所述操控單元，從而充分利用電動機的優良控制特性來提升整體系統的動態響應速度以確保所述卷揚系統作業過程中所述卷揚減速機及所述液驅單元工作穩定。

31、3.本發明的卷揚系統，通過所述第一壓力傳感器和所述第二壓力傳感器監控所述液壓單元中段液壓、以及通過所述第三壓力傳感器和所述第四壓力傳感器分別監控所述液壓單元兩端液壓，以完整獲得所述液驅單元內部工作狀態，并用于所述操控單元對所述卷揚系統工作模式的判別，從而通過所述操控單元調控所述第一兩位三通電磁換向閥、所述第二兩位三通電磁換向閥、所述第一兩位兩通電磁換向閥及所述第二兩位兩通電磁換向閥以調控所述液壓單元內部油路變化，以及調控所述第一變量液壓泵馬達及所述第二變量液壓泵馬達以主動輸出恒定比例轉矩，實現協同所述電驅單元完成所述重物的作業需求以及能量再生，降低能量消耗。

32、4.本發明的卷揚系統，通過將所述第一電機控制器、所述第二電機控制器、所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器、所述第三壓力傳感器和所述第四壓力傳感器的采集信號及所述操控手柄的主動指令作為輸入信號輸入所述總成控制器，并通過所述總成控制器輸出信號至所述第一電機控制器、所述第二電機控制器、所述第一變量液壓泵馬達、所述第二變量液壓泵馬達、所述第一兩位三通電磁換向閥、所述第二兩位三通電磁換向閥、所述第一兩位兩通電磁換向閥及所述第二兩位兩通電磁換向閥以協調所述電驅單元及所述液驅單元完成所述重物的升降作業，并且，根據具體所述采集信號及所述主動指令，所述總成控制器可以以最佳節能性與操控性為導向，在所述電驅單元和所述液驅單元中分別選擇最佳運行模式，且在工作過程中實時切換，達到兼備操控性與節能性的目的。

33、5.本發明的卷揚系統，通過簡化設計與制造所述電驅單元及所述液驅單元，有效降低生產成本，同時，通過減少中間環節，減少能量損失，并且有效提高所述卷揚系統整體響應速度，進而提升所述卷揚系統的操控性。