[0001] 本发明涉及新能源动力系统技术领域，更具体地说，它涉及一种多功能混动装载机的动力系统和控制方法。

[0002] 传统装载机的行走及铲装动力输出均来源于发动机，并通过飞轮及变矩器对发动机的动力进行分配，变矩器和液压泵都是从飞轮输出动力，并存在液压优先原则。

[0003] 如图5所示，传统装载机动力系统为柴油机输出动力至飞轮进行动力分配，经过变矩器和变速箱，再经过前后传动轴与前后驱动桥，将动力传给前后驱动轮驱动装载机行驶；经过液压转向泵，再经过换向器到左右转向油缸实现转向功能；经过液压工作泵，再经过多路阀分配后分别将动力传递至转斗油缸和动臂油缸，以实现铲斗翻转和动臂举升功能。

[0004] 然而传统装载机的发动机在输出动力后经过多个传动部件的传递存在动力损失，尤其是装载机的工况复杂多变，发动机负载变换快，导致装载机的动力损失严重，工作效率不高；此外，大吨位装载机在矿山、码头等应用场景下，每天需运行二十小时左右，能耗较大，传统装载机的污染物排放量较大；现有的纯电动装载机又很难满足上述场景的能耗需求，并且存在充换电等基础设施建设困难等问题。

[0005] 因此亟需一种装载机的动力系统和控制方法以解决上述问题。

[0035] 现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。另外，相对一些示例所描述的特征在其他例子中也可以进行组合。

[0036] 需要说明的是，除非另外定义，本发明一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明的一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

[0037] 如图1‑图5所示，一种多功能混动装载机的动力系统，包括：发动机(Engine)、发电机(FISG)、发电机控制器(GCU)、高压配电箱(PDU)、动力电池、动力电池箱、主驱电机(DM)、主驱电机控制器(MCU1)、液压电机控制器(MCU2)和液压电机；

[0038] 发动机的输出端与发电机的输入端连接，发电机的输出端与发电机控制器的输入端连接，高压配电箱分别与发电机控制器、动力电池箱、主驱电机控制器与液压电机控制器通过高压电路连接，动力电池与动力电池箱通过高压电路连接，主驱电机与主驱电机控制器通过高压电路连接，液压电机与液压电机控制器通过高压电路连接；

[0039] 一种多功能混动装载机的动力系统还包括：驱动单元、液压转向单元和液压工作单元。

[0040] 需要说明的是，独立的发电机与独立的发电机控制器通常是通过三相线连接，然而通过三相线连接存在接插件多、连接件多、线束插件密封不严和布置困难等缺点；因此，在本发明的一个实施例中，发电机高度集成在发电机上，取消三相线以及防水塞等连接件。具体的，发电机和发电机控制器可以通过无线通信进行连接，例如蓝牙或者Wi‑Fi等。

[0041] 在本发明的一个实施例中，发动机为柴油发动机用以输出原始动力，发电机用以将原始动力的机械能转化为电能。

[0042] 在本发明的一个实施例中，驱动单元包括：变速箱、前后传动轴、前后驱动桥和前后驱动轮；其中主驱电机的输出端与变速箱的输入端连接，变速箱的输出端与前后传动轴的输入端连接，前后传动轴的输出端与前后驱动桥的输入端连接，前后驱动桥的输出端与前后驱动轮的输入端连接。

[0043] 在本发明的一个实施例中，液压转向单元包括：液压转向泵、换向器和左右转向油缸；其中液压电机的输出端与液压转向泵的输入端连接，液压转向泵与换向器通过液压油管连接，换向器与左右转向油缸通过液压油管连接。

[0044] 在本发明的一个实施例中，液压工作单元包括：液压工作泵、多路阀、转斗油缸和动臂油缸；其中液压电机的输出端与液压工作泵的输入端连接，液压工作泵与多路阀通过液压油管连接，多路阀分别与转斗油缸和动臂油缸通过液压油管连接。

[0045] 在本发明的一个实施例中，高压配电箱将发电机和动力电池的电能分配给主驱电机控制器，主驱电机控制器控制主驱电机产生机械能来驱动变速箱，变速箱将机械能通过前后传动轴、前后驱动桥和前后驱动轮完成行走功能。

[0046] 在本发明的一个实施例中，高压配电箱将发电机和动力电池的电能分配给液压电机控制器，液压电机控制器控制液压电机产生机械能来驱动液压转向泵和液压工作泵，液压转向泵将液压油通过换向器传递至左右转向油缸完成转向功能，并且液压转向泵将液压油通过多路阀传递至转斗油缸和动臂油缸完成翻转举升功能。

[0047] 在本发明的一个实施例中，发电机控制器设置在发电机与高压配电箱之间，发电机控制器用于控制发动机的开机和停机、发动机数据的测量和显示，还提供发电机的电量测量、电量显示以及电量保护功能；动力电池箱与高压配电箱电力数据连接，动力电池箱能够吸收并储存发电机发出的多余电能，还能通过高压配电箱提供电能给主驱电机控制器和液压电机控制器。

[0048] 一种多功能混动装载机的动力系统的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

[0049] 步骤S101，发动机启动带动发电机发电，发电机控制器控制发动机的开机、停机、数据测量、数据显示以及故障保护功能，并提供发电机的电量测量、电量显示以及电量保护功能；

[0050] 步骤S102，动力电池箱吸收并储存发电机发出的多余电能；当发电机的发电量小于等于发电量阈值或者出现故障时，动力电池箱通过高压配电箱提供电能给主驱电机控制器和液压电机控制器；其中发电量阈值为自定义参数，优选的，发电量阈值设置为发电机的额定发电量的20％，额定发电量的单位为千瓦时；

[0051] 步骤S103，主驱电机控制器控制主驱电机通过变速箱驱动装载机完成行走功能；

[0052] 步骤S104，液压电机控制器控制液压电机完成转向功能和翻转举升功能；

[0053] 步骤S105，一种多功能混动装载机的动力系统还包括增压器保护单元，结合增压器保护策略来保护发动机增压器。

[0054] 在本发明的一个实施例中，增压器保护单元包括：发动机转速传感器、机油温度传感器、增压器进气温度传感器、增压器转速传感器和喷油器电控阀。

[0055] 在本发明的一个实施例中，如图3所示，增压器保护策略包括以下步骤：

[0056] 步骤S201，在采集时间段M内，按照时间间隔m采集第一运行参数，并构建第一运行序列；

[0057] 第一运行序列表示为：A＝{a1…aN}，其中N＝M/m，a1…aN分别表示第1个时间点到第N个时间点的第一运行参数； 其中 分别表示第N个时间点的发动机转速、机油温度、增压器进气温度和增压器转速；

[0058] 步骤S202，将第一运行序列输入到第一神经网络模型，输出的值表示下一个时间间隔的发动机喷油量；

[0059] 第一神经网络模型包括N个时间步，其中第i个时间步输入第一运行序列的第i个序列单元，第N个时间步连接一个分类器，分类器的分类空间表示下一个时间间隔的发动机喷油量；

[0060] 步骤S203，根据下一个时间间隔的发动机喷油量生成喷油量调节指令，并发送给喷油器电控阀来调节喷油器电磁阀的开度。

[0061] 在本发明的一个实施例中，M和m均为自定义参数，优选的，M设置为60秒，m设置为10秒，那么N则为6。

[0062] 在本发明的一个实施例中，发动机转速传感器用于采集发动机转速，机油温度传感器用于采集机油温度，增压器进气温度传感器用于采集增压器进气温度，增压器转速传感器用于采集增压器转速，喷油器电控阀用于接收喷油量调节指令来调节喷油器电磁阀的开度。

[0063] 在本发明的一个实施例中，第一神经网络模型的计算公式包括：

[0064] 定义：1≤i≤N，xi表示第i个时间步输入的第一运行序列的第i个序列单元，hi‑1表示第i‑1个时间步输出的隐藏状态，σ表示sigmoid激活函数，x0＝0，h0＝0；

[0065] 重置门ri的计算公式如下：ri＝σ(Wrxi+Urhi‑1+cr)，其中Wr表示第一权重参数，Ur表示第二权重参数，cr表示第一偏置参数；

[0066] 更新门zi的计算公式如下：zi＝σ(Wzxi+Uzhi‑1+cz)，其中Wz表示第三权重参数，Uz表示第四权重参数，cz表示第二偏置参数；

[0067] 候选隐藏状态 的计算公式如下： 其中Wh表示第五权重参数，Uh表示第六权重参数，ch表示第三偏置参数，⊙表示逐点相乘，tanh表示双曲正切函数；

[0068] 隐藏状态hi的计算公式如下： 其中zi表示更新门， 表示候选隐藏状态，⊙表示逐点相乘。

[0069] 需要说明的是，对于装载机频繁启动的工况，由于增压器排温高，出现机油结焦，导致发动机增压器故障率高，传统方式是使用水冷增压器结合电子水泵对增压器进行降温，但是存在成本高和结构复杂等缺点，因此在发动机停机前，通过逐渐降低发动机转速来降低增压器温度，从而起到保护增压器的作用。

[0070] 在本发明的一个实施例中，一种多功能混动装载机的动力系统还包括暖机单元，结合低温快速暖机策略完成发动机的低温快速暖机功能。

[0071] 在本发明的一个实施例中，暖机单元包括：电子节温器、机油温度传感器、发动机转速传感器、外部环境温度传感器、PTC加热管、废气再循环阀、电动水泵和发动机水套。

[0072] 在本发明的一个实施例中，如图4所示，低温快速暖机策略包括以下步骤：

[0073] 步骤S301，在采集时间段M内，按照时间间隔m采集第二运行参数，并构建第二运行序列；

[0074] 第二运行序列表示为：B＝{b1…bN}，其中b1…bN表示第1个时间点到第N个时间点的第二运行参数， 其中 分别表示第N个时间点的冷却液温度、机油温度、发动机转速和外部环境温度；

[0075] 步骤S302，将第二运行序列输入到第二神经网络模型，输出的值表示下一个时间间隔的动力电池的电流调节值和废气再循环阀的开度调节值；

[0076] 第二神经网络模型包括N个时间步，其中第j个时间步输入第二运行序列的第j个序列单元，第N个时间步连接两个分类器，两个分类器的分类空间分别表示下一个时间间隔的动力电池的电流调节值和废气再循环阀的开度调节值；其中1≤j≤N；

[0077] 步骤S303，根据下一个时间间隔的动力电池的电流调节值和废气再循环阀的开度调节值分别生成第一暖机指令和第二暖机指令，第一暖机指令发送给动力电池将输出电流调节至电流调节值，第二指令发送给废气再循环阀将开度调节至开度调节值。

[0078] 在本发明的一个实施例中，第二神经网络模型的计算公式和第一神经网络模型的计算公式相同。

[0079] 在本发明的一个实施例中，电子节温器用于采集冷却液温度，机油温度传感器用于采集机油温度，发动机转速传感器用于采集发动机转速，外部环境温度传感器用于采集外部环境温度，PTC加热管用于加热冷却液，电动水泵用于循环运输加热后的冷却液，发动机水套用于将发动机燃烧室的温度和加热后的冷却液进行热交换，从而实现发动机的快速暖机。

[0080] 需要说明的是，PTC发热管由陶瓷发热元件与铝管组成，当电流通过时，会导致其温度升高并产生大量热量，陶瓷发热元件的电阻随温度升高而迅速增大，因此可以通过控制电流来实现对PTC发热管的温度调节。

[0081] 需要说明的是，废气再循环阀用于将发动机排放的废气重新引入发动机中，降低了发动机燃烧的最高温度和氧含量，帮助发动机更快地达到正常的工作温度，并且减少发动机氮氧化物的排放。

[0082] 进一步地，针对液压油路电控故障高和低温下电池功率受限等问题，本发明提供一种双单向阀的液压油路系统，一路接发动机机械泵，一路接电机油泵，只要其中一路正常均可保证液压系统的正常工作。

[0083] 进一步地，一种多功能混动装载机的动力系统还包括整车控制器，整车控制器能够根据驾驶室油门、操作面板的指令请求，判断对应的功率需求，将功率需求发送给发电机控制器和动力电池箱控制器，发电机和动力电池协同工作；当油门行程减小或者触动刹车时，整车控制器将减小功率请求数值发送给发电机控制器，同时发送发电指令给主驱电机控制器和发送充电指令给动力电池箱控制器，将刹车此段距离的能量转化为电能，对动力电池进行充电；在回转减速制动过程中，整车控制器将减小功率请求数值发送给发电机控制器，同时发送发电指令给回转电机控制器和发送充电指令给动力电池箱控制器，将回转减速制动的能量转化为电能，对动力电池进行充电。

[0084] 进一步地，当车辆驻地作业时，根据动力电池箱的SOC(剩余电量)进行判断，当SOC大于等于SCO上限值时则只发送功率请求给动力电池箱控制器，不启动发电机，以实现更好的能量响应，SCO上限值为自定义参数，优选的，SCO上限值设置为动力电池箱的电量总量的20％。

[0085] 上面对本实施例的实施例进行了描述，但是本实施例并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实施例的启示下，还可做出很多形式，均属于本实施例的保护之内。