一种应用于机械外骨骼的混合动力系统及最优控制方法，该系统为并联式动力系统，包括机械动力传输系统，电力传输系统和液压油传输系统；机械动力传输系统包括汽油机和电动机，汽油机和电动机分别与混合动力变速器相连，汽油机和电动机既能单独向混合动力变速器提供动力又能共同向混合动力变速器提供动力；电力传输系统包括发电机和转换系统，发电机与混合动力变速器相连，发电机通过转换系统向电动机提供电源；液压油传输系统包括油泵和传动系统，油泵与混合动力变速器相连，油泵通过传动系统向机械外骨骼提供动力。本发明专利技术能够根据工况实时进行动力补偿模式和动力储能模式切换，实现能量在汽油机、电动机之间能合理地分配，使整体效率达到最高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及一种混合动力系统，尤其设及一种应用于机械外骨骼的混合动力系统 及最优控制方法，属于动力系统领域。
技术介绍
基于煤矿工作环境的恶劣条件，个体环境控制系统的核屯、难点是人体承重能力与 环控系统重量之间的矛盾，而机械外骨骼是突破运一矛盾的有效途径。 利用机械外骨骼的功用，解决煤矿深部开采的热害防护，粉尘和瓦斯防护，同时外 骨骼具有救生氧气呼吸系统，很大程度上可W减轻人员劳动负荷，对于建设安全、高效的煤 矿开采环境具有十分重要意义，同时也为我国能源产业的稳步推进提供有力支持。 机械外骨骼的研究难点又在于其动力系统的研究。目前国内外机械外骨骼的动力 系统主要W蓄电池供电，在同样的质量和尺寸下，与液体燃料汽油相比，蓄电池的能量密度 较低，动力性明显不足，使得外骨骼移动范围和负重重量受到蓄电池的容量和效率的限制。 然而，如果单纯用液体燃料替换蓄电池供电，由于煤矿井下作业环境的较为复杂性，易使得 发动机常在低速或是怠速情况下运转，难W满足煤矿井下作业多种工况下的能量需求，并 且发动机的燃油经济性较差，尾气排放量大。因此，如何配备持久高效且能满足煤矿井下作 业多种工况下的能量需求的机械外骨骼动力系统是急需解决的问题。
技术实现思路
根据现有技术的不足，提供一种应用于机械外骨骼的混合动力系统及最优控制方 法，该系统实现了能源的长期高效供给，同时也满足了机械外骨骼应对各种作业工况的供 會K需求。 本专利技术按W下技术方案实现： 一种应用于机械外骨骼的混合动力系统，该系统为并联式动力系统，所述并联式动力 系统包括机械动力传输系统，电力传输系统和液压油传输系统;所述机械动力传输系统包 括汽油机和电动机，所述汽油机和电动机分别与混合动力变速器相连，汽油机和电动机既 能单独向混合动力变速器提供动力又能共同向混合动力变速器提供动力;所述电力传输系 统包括发电机和转换系统，所述发电机与混合动力变速器相连，发电机通过转换系统向电 动机提供电源;所述液压油传输系统包括油累和传动系统，所述油累与混合动力变速器相 连，油累通过传动系统向机械外骨骼提供动力。 所述转换系统包括逆变器和蓄电池，所述逆变器与发电机相连后又与蓄电池相 连，所述蓄电池与电动机相连。[000引所述蓄电池采用裡电池。 所述传动系统包括伺服阀和油缸，所述伺服阀与油累连接后又与油缸相连，所述 油缸与机械外骨骼相连。 还包括油箱和蓄能器，所述油箱与油累相连，所述蓄能器与油累相连后又与伺服 阀相连。 所述汽油机通过离合器Π 与混合动力变速器相连;所述电动机通过离合器I与混 合动力变速器相连。 所述混合动力变速器包括两块侧板，所述两块侧板之间通过套筒间隔安装有轴承 I，轴承Π 和轴承m，所述轴承I上安装有齿轮I，所述轴承Π 上安装有同轴的齿轮Π 和齿轮 虹，所述轴承虹上安装有齿轮IV，所述齿轮I通过皮带I与齿轮Π 相连接传输构成一级减速， 所述齿轮虹通过皮带Π 与齿轮IV相连接传输构成二级减速。 所述一级减速的减速比为3,所述二级减速的减速比为4,所述轴承I上还安装有飞 轮，起到储存部分能量，稳定转速的作用。 一种机械外骨骼的混合动力系统的最优控制方法，将汽油机作为混合动力系统的 主驱动源，电力驱动系统作为混合动力系统的辅助驱动源，根据电动机电流的变化，通过电 动机电流的反馈作用，即将反馈电流值作为开启与关闭汽油机的开关信号，运样电动机对 汽油机的输出转矩能够起到削峰填谷的作用;然后利用最小二乘法拟合实验数据，通过多 组实验数据得到拟合公式，最后利用拟合的函数多项式求极值得到混合度，通过多组实验 数据得到的拟合公式为： 当混合度为0.33时，电动机的峰值功率与汽油机的峰值功率比为1:3，混合动力系 统效率最高，节油率最大。 本专利技术原理： 该混合动力系统需背负在人的背部，并随人体一起移动，动力系统整体采用并联式，运 使得汽油机与电动机运两个动力源的的功率可W叠加，从而可W采用小功率的汽油机和电 动机，使得整个动力系统质量，尺寸都较小，W满足人体背部空间的要求。由于煤矿井下等 作业环境的复杂性，易使得汽油机常在低速或是怠速情况下运转，汽油机的燃油经济性较 差，且排放大，而在并联系统中，一方面，汽油机此时可W关闭掉并且只用电动机来驱动系 统，另一方面，也可W增加汽油机的负荷，带动发电机发电，给蓄电池充电W备后用。为了达 到每个工况下的能量需求，起到节能减排的效果，整个动力系统根据设计的混合动力变速 器可满足Ξ种工作模式，根据能量需求选用。 若外骨骼作业需求的驱动功率小于汽油机工作的最小功率，则由蓄电池供电，在 电动机单独工作模式下启动，该模式下，控制系统发出信号至电动机的离合器I使其关闭， 通过电动机的齿轮将功率传递给输出轴，从而带动油累工作。此时其他的齿轮组均为空转， 随着节流阀阀口开度的逐渐关小，输出的压力随之不断升高，W满足机械外骨骼启动和行 走的能量需求，运动过程中阀口开度变大，则输出压力随之降低。系统的流量也随着阀口开 度的减小而减小，多余的流量经溢流阀后流回油箱。 若外骨骼需求的驱动功率超过该限值，此时汽油机的离合器闭合，由汽油机取代 电动机驱动系统运行。电动机轴空转，随着汽油机转速的升高，两级减速齿轮均投入工作， 将汽油机的扭矩传递到输出轴，汽油机的扭矩、累出口压力、系统流量都随之升高，可满足 机械外骨骼负重及快速行走运动的能量需求。系统输出压力增大到最高值后保持一段时间 后再降低，溢流阀的流量先变大后变小。运是因为经阀口节流后，累出口多余的流量经溢流 阀流回油箱。 当系统遇到需要奔跑急行、跳跃等大工况运行时，此时，汽油机与电动机的离合器 均闭合，共同作为动力源驱动液压油累。电动机启动较快，首先带动负载工作，汽油机需要 启动一段时间后再投入工作。故混合动力系统可W缩短单独汽油机系统的启动时间，同时 提高系统的加速性能。此时W混合度来数量化汽油机和电动机的功率比例，随着混合度的 提高，汽油机逐渐减小和电机逐渐增大，原则上能更充分发挥整体的节能效果。但由于电机 重量的增加会导致整个系统重量的大幅度增加，因此系统的混合度取值在0到0.5之间，测 量驱动负载时所耗得液压油油量来设计总功率的动力性，W此为约束条件确立了电机功率 与发动机功率的最佳混合度为1:3。此时系统的节油率最大，效率最高。 本专利技术有益效果： 本专利技术在满足系统的动力性和其他基本技术性能W及成本等要求的前提下，能够根据 工况实时进行动力补偿模式和动力储能模式切换，同时通过采用离合控制方式能够顺利实 现各种模式间的无缝切换并能消除切换过程中带来的动力冲击;控制策略能实现能量在汽 油机、电动机之间能有效而合理地分配，使整体效率达到最高，获得整体最大的燃油经济 性、最低的排放W及平稳的运行特性。【附图说明】 图1为混合动力系统并联布置示意图； 图2为动力系统示意图； 图3为混合动力变速器结构示意图； 图4为为机械外骨骼主视图（加入了人体设计）； 图5为机械外骨骼左视图； 1-侧板，2-轴承1,3-轴承Π ,4-轴承虹，5-齿轮1,6-齿轮Π ，7-齿轮虹，8-齿轮IV ,9-皮 带I，10-皮带Π ，11-飞轮，12-套筒，100-踩关节部件，101-小腿支杆，102-踩关节压力传感 器本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种应用于机械外骨骼的混合动力系统，其特征在于：该系统为并联式动力系统，所述并联式动力系统包括机械动力传输系统，电力传输系统和液压油传输系统；所述机械动力传输系统包括汽油机和电动机，所述汽油机和电动机分别与混合动力变速器相连，汽油机和电动机既能单独向混合动力变速器提供动力又能共同向混合动力变速器提供动力；所述电力传输系统包括发电机和转换系统，所述发电机与混合动力变速器相连，发电机通过转换系统向电动机提供电源；所述液压油传输系统包括油泵和传动系统，所述油泵与混合动力变速器相连，油泵通过传动系统向机械外骨骼提供动力。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈宁，刘爽，彭伟，马云龙，谭亚敏，王琨，何磊，徐东旭，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。