CN102324758B

CN102324758B - 一种混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法

Info

Publication number: CN102324758B
Application number: CN 201110170457
Authority: CN
Inventors: 袁爱进; 杨国勋; 单晓宁; 孙琳; 董希文
Original assignee: Sany Heavy Machinery Ltd
Current assignee: Shanghai Huaxing Digital Technology Co Ltd
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: CN102324758A

Abstract

本发明公开了一种混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法，将超级电容的SOC值范围分为四个不同段落，通过超级电容SOC监测模块监测超级电容电压SOC值，根据SOC值不同范围执行不同电机控制指令。本发明混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法直接将超级电容的SOC值作为控制对象，提高了控制精度，避免算法切换带来的系统不稳定性，可靠性高，控制方法适用性广。

Description

一种混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法

技术领域

本发明涉及超级电容充放电控制技术领域，尤其涉及一种混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法。

背景技术

超级电容器又叫双电层电容器，是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。目前，在混合动力建筑机械储能单元选型上会经常使用超级电容且技术相对成熟，在其应用中，为保证整个系统工作的可靠性，根据超级电容本身的特性，需要考虑的最重要的因素是超级电容的荷电状态（SOC，State OfCharge），其定义如下：蓄电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示，即为SOC，其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。

在公知的混合动力建筑机械装置构成中，主要包括以下几个部件：发动机、驱动电机、驱动逆变器、回转电机、回转逆变器、超级电容和DC/DC升压器等，因此SOC控制主要是靠发动机、驱动电机和回转电机相互配合来实现的。中国专利CN101663442A公开了一种混合动力建筑机械的发电控制方法及混合动力建筑机械，能够将电容器的容量抑制到必要的最小限度且将电容器的电压保持在合适的范围，具体实现过程：依次算出与使主体的一部分相对于其他部分回旋的回旋马达的耗电对应的回旋功率，将算出的回旋功率的值变换为更小的值，通过使用该变换后的值依次生成发电电动机的发电指令，并将该发电指令向驱动发电电动机的逆变器输出；中国专利CN101636543A则公开了一种混合动力建筑机械的控制方法及混合动力建筑机械，为了实现上述目的，在电容器放电时分别参照与发电机马达的电容器电压对应的辅助扭矩限制值及与回旋马达的电容器电压对应的回旋牵引扭矩限制值来生成各个实际扭矩指令值，而在电容器充电时生成发电机马达的实际目标输出值。上述方法存在的问题有：（1）由于上述方法控制的均是电容电压，并没有进行电容电压向SOC换算的操作，而超级电容控制的核心是SOC而不是电压，电压只能作为参考值，根据电压控制电容容易对电容状态估计产生偏差，因此控制精度差；（2）以上方法对电容控制依靠功率的估算，难以保证电容控制精度和可靠性；（3）以上方法需要DC/DC升压器参与超级电容的控制；（4）以上方法充电、放电算法分离，采用不同处理方式，比较繁琐；（5）以上方法局限于用转矩控制的方法控制电机。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法，利用SOC作为控制对象，控制精度好，利用反馈原理实现，充电放电算法合并，简化处理流程，不局限于用转矩控制的方法控制电机，且不需要DC/DC升压器对超级电容进行控制。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法，应用于混合动力建筑机械中，所述混合动力建筑机械是液压挖掘机，所述混合动力建筑机械包括发动机、驱动电机、泵、驱动逆变器、回转逆变器、回转电机、超级电容、电压传感器、控制器、回转机构、工作和行走装置；发动机、驱动电机、泵同轴连接，回转电机与回转机构机械连接；泵通过配管分别与各个工作和行走装置连接，为工作和行走装置工作提供液压油；驱动逆变器为驱动电机工作提供控制指令；回转逆变器为回转电机工作提供控制指令，回转电机带动回转机构转动，从而使液压挖掘机上部平台转动；超级电容为驱动逆变器、驱动电机和回转逆变器、回转电机提供驱动力，同时将驱动电机、回转电机发出的电能积蓄起来；控制器接收电压传感器测量的电压信号，所述电压传感器用于测量超级电容两端的电压，根据内部算法生成供驱动电机工作的指令，从而控制驱动电机的正常工作；控制器内部含有存储器，用于存储算法程序和相关数据，其中，首先将超级电容的SOC值范围分为“低”、“中”、“高”和“过高”四段，接着，具体包括下列步骤：

确认液压挖掘机启动，且处于正常状态，启动超级电容的SOC监测模块，监测超级电容电压，并输出SOC值，同时判定SOC值属于哪一个范围，判定为“低”则执行处理模块A，判定为“中”则执行处理模块B，判定为“高”则处理模块C，判定为“过高”则执行处理模块D；

所述每个处理模块处理完毕后均执行控制指令处理模块，并生成驱动电机控制指令，驱动电机接收控制指令，并按照指令工作；之后，执行挖机工作状态判定，如果正常工作则返回到SOC监测模块，进行下一个循环；如果异常则控制结束，并进入异常处理A；其中，当判断的SOC值不属于“低”、不属于“中”、不属于“高”并且不属于“过高”中的任意一种情况（206）时，则执行异常处理B；

所述处理模块A（209）是驱动电机（102）发出电能给超级电容（107）补充，并且SOC值越低，需要驱动电机（102）向超级电容（107）发出的功率越高；

所述处理模块B（210）是控制超级电容（107）的SOC值在30%~60%之间波动；

所述处理模块C（211）是通过限幅的方式，当SOC值越高，则驱动电机（102）为超级电容（107）的充电功率上限越低；

所述处理模块D（212）是通过驱动电机（102）让超级电容（107）放电，减少SOC值，保护超级电容（107）或者是驱动电机（102）对超级电容（107）不充电也不放电，同时采取应急措施，所述应急措施包括报警和停机维护；

所述异常处理A（215）、所述异常处理B（216）的内容包括停机、报警。上述混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法，其中，所述SOC值范围在0%~30%时，属于“低”段，所述SOC值范围在30%~60%时，属于“中”段，所述SOC值范围在60%~90%时，属于“高”段，所述SOC值范围在90%以上时，属于“过高”段。

上述混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法，其中，所述超级电容的SOC监测模块的具体执行流程如下：

开始后，通过电压传感器检测超级电容端压，并输出给控制器；控制器读取存储在存储器中的超级电容的额定电压数据，与当前超级电容端压之间进行运算，计算出超级电容的SOC值；之后，结束SOC监测模块的监测，进入到SOC判断流程。

与已有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）直接将超级电容的SOC值作为控制对象，提高控制精度；

（2）超级电容控制算法中不采用估算功率的方法，而是通过监测模块实时反馈SOC值，控制的可靠性高；

（3）不需要DC/DC参与超级电容的控制，因而提高整机系统的可靠性，且控制装置和控制算法上很大的简化；

（4）控制算法上不管驱动电机为超级电容的充电还是放电，算法在整个过程中统一；即不需要区分超级电容是处于充电状态还是放电状态，控制算法简单，避免算法切换带来的系统不稳定性；

（5）不局限于电机控制算法的不同，即不约束用什么电机控制方式，控制方法适用性广。

附图说明

图1是本发明混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法中的最佳实施例的混合动力建筑机械的内部结构示意图；

图2是本发明混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法的最佳实施例的整体流程示意图；

图3是本发明混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法的最佳实施例的超级电容的SOC监测模块的执行流程示意框图；

图4是本发明混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法的最佳实施例的基于SOC值的电机控制指令实现方式的示意图。

具体实施方式

下面结合原理图和具体操作实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法，应用于混合动力建筑机械中，本实施例中的混合动力建筑机械具备作为驱动源的相互连接的发动机及驱动电机，并具有使主体的一部分相对于其他部分回旋的电动回旋功能，此处为液压挖掘机。具体地，混合动力建筑机械包括发动机101、驱动电机102、泵103、驱动逆变器104、回转逆变器105、回转电机106、超级电容107、电压传感器108、控制器109、回转机构110、工作和行走装置111；发动机101、驱动电机102、泵103同轴连接，回转电机106与回转机构110机械连接；泵103通过配管分别与各个工作和行走装置111连接，为工作和行走装置111工作提供液压油，工作和行走装置111具体包括工作装置（动臂、斗杆、铲斗）和行走装置（左行走、右行走）；驱动逆变器104为驱动电机102工作提供控制指令；回转逆变器105为回转电机106工作提供控制指令，回转电机106带动回转机构110转动，从而使液压挖掘机上部平台转动；超级电容107为驱动逆变器104、驱动电机102和回转逆变器105、回转电机106提供驱动力，同时将驱动电机10、回转电机106发出的电能积蓄起来；控制器109接收电压传感器108测量的电压信号，根据内部算法生成供驱动电机102工作的指令，从而控制驱动电机102）正常工作；控制器109内部含有存储器109a，用于存储算法程序和相关数据。本发明混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法是：首先将超级电容107的SOC值范围分为“低”、“中”、“高”和“过高”四段，接着，具体包括下列步骤，同时参看图2所示：

确认液压挖掘机启动，且处于正常状态，启动超级电容107的SOC监测模块202，监测超级电容107电压，并输出SOC值，同时判定SOC值属于哪一个范围，判定为“低”则执行处理模块A209，判定为“中”则执行处理模块B210，判定为“高”则处理模块C211，判定为“过高”则执行处理模块D212；

每个处理模块处理完毕后均执行控制指令处理模块207，并生成驱动电机102控制指令，驱动电机102接收控制指令，并按照指令工作208；之后，执行挖机工作状态判定213，如果正常工作则返回到SOC监测模块202，进行下一个循环；如果异常则控制结束214，并进入异常处理A215；其中，当判断的SOC值不属于“低”、不属于“中”、不属于“高”并且不属于“过高”中的任意一种情况206时，则执行异常处理B216。

进一步地，SOC值范围在0%~30%时，属于“低”段，SOC值范围在30%~60%时，属于“中”段，SOC值范围在60%~90%时，属于“高”段，SOC值范围在90%以上时，属于“过高”段。

进一步地，超级电容107的SOC监测模块202的具体执行流程如下，同时参看图3所示：开始后，通过电压传感器108检测超级电容107端压，并输出给控制器109；控制器109读取存储在存储器109a中的超级电容107的额定电压数据，与当前超级电容107端压之间进行运算，计算出超级电容107的SOC值，具体计算方式可以根据具体需求设计；之后，结束SOC监测模块202的监测，进入到SOC判断流程。

进一步地，基于SOC值的电机控制指令实现方式的示意如图4所示，具体控制算法可以根据具体需求设计，但是这种分段的总原则是不变的。图4中的二维图的X轴表示SOC值，纵轴表示控制驱动电机102向超级电容107发出功率（超级电容107充电）或者吸收功率（超级电容107放电）的强度。当SOC值为“低”时，控制器109按照图4中的曲线段401生成控制指令，即此时处理模块A209的处理方式是驱动电机102发出电能给超级电容107补充，并且SOC值越低，需要驱动电机102向超级电容107发出的功率越高；但这里并不仅限于如图所示的线性关系控制方式；当SOC值为“中”时，驱动电机102根据负载轻重自动充电或者放电，控制器109按照图4中的曲线段402生成控制指令，处理模块B210的总的原则是控制超级电容107的SOC值在30%~60%之间波动；当SOC值为“高”时，由于超级电容107的自身特性限制，即电压过高对超级电容107寿命有影响，因此当超级电容107有过高的趋势时，控制器109按照图4中的曲线段403生成控制指令，即处理模块C211是通过限幅的方式，当SOC值越高，则驱动电机102为超级电容107的充电功率上限越低；当SOC值为“过高”时，这时超级电容如果继续充电面临很大的过冲危险，控制器109按照图4中的曲线段404或者405生成控制指令，曲线段404算法表示处理模块D212是通过驱动电机102让超级电容107放电，减少SOC值，保护超级电容107；曲线段405算法表示处理模块D212是驱动电机102对超级电容107不充电也不放电，同时采取报警、停机维护等应急措施，具体措施可根据设计需求设计。异常处理A215、异常处理B216也可根据需求定义，例如：停机、报警等。

综上所述，本发明混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法直接将超级电容的SOC值作为控制对象，提高了控制精度，避免算法切换带来的系统不稳定性，可靠性高，控制方法适用性广。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何对该混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法，应用于混合动力建筑机械中，所述混合动力建筑机械是液压挖掘机，所述混合动力建筑机械包括发动机（101）、驱动电机（102）、泵（103）、驱动逆变器（104）、回转逆变器（105）、回转电机（106）、超级电容（107）、电压传感器（108）、控制器（109）、回转机构（110）、工作和行走装置（111）；发动机（101）、驱动电机（102）、泵（103）同轴连接，回转电机（106）与回转机构（110）机械连接；泵（103）通过配管分别与各个工作和行走装置（111）连接，为工作和行走装置（111）工作提供液压油；驱动逆变器（104）为驱动电机（102）工作提供控制指令；回转逆变器（105）为回转电机（106）工作提供控制指令，回转电机（106）带动回转机构（110）转动，从而使液压挖掘机上部平台转动；超级电容（107）为驱动逆变器（104）、驱动电机（102）和回转逆变器（105）、回转电机（106）提供驱动力，同时将驱动电机（102）、回转电机（106）发出的电能积蓄起来；控制器（109）接收电压传感器（108）测量的电压信号，所述电压传感器（108）用于测量超级电容（107）两端的电压，根据内部算法生成供驱动电机（102）工作的指令，从而控制驱动电机（102）的正常工作；控制器（109）内部含有存储器（109a），用于存储算法程序和相关数据，其特征在于，首先将超级电容（107）的SOC值范围分为“低”、“中”、“高”和“过高”四段，接着，具体包括下列步骤：

确认液压挖掘机启动，且处于正常状态，启动超级电容（107）的SOC监测模块（202），监测超级电容（107）电压，并输出SOC值，同时判定SOC值属于哪一个范围，判定为“低”则执行处理模块A（209），判定为“中”则执行处理模块B（210），判定为“高”则执行处理模块C（211），判定为“过高”则执行处理模块D（212）；

所述每个处理模块处理完毕后均执行控制指令处理模块（207），并生成驱动电机（102）控制指令，驱动电机（102）接收控制指令，并按照指令工作（208）；之后，执行挖机工作状态判定（213），如果正常工作则返回到SOC监测模块（202），进行下一个循环；如果异常则控制结束（214），并进入异常处理A（215）；其中，当判断的SOC值不属于“低”、不属于“中”、不属于“高”并且不属于“过高”中的任意一种情况（206）时，则执行异常处理B（216）；

所述异常处理A（215）、所述异常处理B（216）的内容包括停机、报警。

2.根据权利要求1所述的混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法，其特征在于，所述SOC值范围在0%~30%时，属于“低”段，所述SOC值范围在30%~60%时，属于“中”段，所述SOC值范围在60%~90%时，属于“高”段，所述SOC值范围在90%以上时，属于“过高”段。

3.根据权利要求1所述的混合动力建筑机械的超级电容充放电控制方法，其特征在于，所述超级电容（107）的SOC监测模块（202）的具体执行流程如下：

开始后，通过电压传感器（108）检测超级电容（107）端压，并输出给控制器（109）；控制器（109）读取存储在存储器（109a）中的超级电容（107）的额定电压数据，与当前超级电容（107）端压之间进行运算，计算出超级电容（107）的SOC值；之后，结束SOC监测模块（202）的监测，进入到SOC判断流程。