CN107500135B - 一种用于起重机的混合动力控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于起重机的混合动力控制系统及其控制方法，包括电池管理系统以及分别与电池管理系统连接的发电机组控制器、整流装置、逆变电源装置、动力电池组数据采集模块、电子油耗计量系统和电量采集模块。本申请的混合动力控制系统通过电池管理系统集成控制各装置的运作状态，提高系统的安全性和稳定性；通过电量积算和电池电压校准，提高电池剩余容量计算准确性；采用智能模糊逻辑控制，根据起重机的作业状态实时调节混合动力控制系统的充电状态，提高系统节油效率；配备电子油耗计量系统，实时分析系统节能情况；配备无线远程监控，实时监控系统运行状况和故障，提高系统可靠性；系统传感器故障自检，提高系统可靠性。

Description

一种用于起重机的混合动力控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及起重机电力系统技术领域，具体地，涉及一种用于起重机的混合动力控制系统及其控制方法。

背景技术

用于港口的轮胎式起重机的混合动力系统一般采用柴油发电机组和动力电池组的组合来为起重机提供动力输出，通过采用混合动力达到节能减排的作用。为了检测电池的物理参数和提高电池的利用率，混合动力系统内设有电池管理系统。然而，现有的用于起重机的电池管理系统原本应用于电动汽车，即该电池管理系统与起重机的作业工况不匹配，无法切合实际的管理动力电池组，从而影响起重机的正常操作，也影响电池组的使用寿命。

与此同时，混合动力系统包括发电机组、动力电池组、整流装置、逆变电源装置以及电池管理系统等装置，然而各装置间的通信很少甚至没有，因此不能根据彼此的作业状态及时进行反应。在实际控制中，该电池管理系统仅采集电池的数据并做出计算，如果发现充放电状态超过电池的正常范围时，发出报警信号，这个信号必须由其他的装置进行接收和响应，然而一旦彼此之间协调步伐不一致时，便各自为政，电池管理系统也就失去了意义，电池将遭受过充或者过放，甚至导致起重机作业中断，产生故障。

综合而言，现有的电池管理系统不能根据起重机的作业状态和工况来调节混合动力系统中发电机组的充电时间和电池组的充电容量，导致无法达到更高的节能效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于起重机的混合动力控制系统。

本发明公开的一种用于起重机的混合动力控制系统，包括电池管理系统以及分别与电池管理系统连接的发电机组控制器、整流装置、逆变电源装置、动力电池组数据采集模块、电子油耗计量系统和电量采集模块，其中：

电池管理系统通讯连接发电机组控制器，采集发电机组的运行数据和故障信息，控制发电机组的启动或停止；

电池管理系统分别通讯连接整流装置和逆变电源装置，采集整流装置和逆变电源装置的运行数据和故障信息，控制整流运行或停止及控制充电功率的输出；

电池管理系统通讯连接动力电池组数据采集模块，采集动力电池组的电压和温度，并与电池保护参数比较；

电池管理系统电连接电量采集模块，采集电池管理系统的输入电量、输出电量和功率，计算动力电池组的充、放电功率和容量；

电池管理系统通讯连接电子油耗计量系统，读取实时燃油消耗。

根据本发明的一实施方式，还包括人机交互界面，人机交互界面通讯连接电池管理系统。

根据本发明的一实施方式，还包括GPRS/4G通讯模块，电池管理系统通讯连接GPRS/4G通讯模块，并将电池管理系统的运行数据和故障信息通过GPRS/4G信号发送至远程服务器。

根据本发明的一实施方式，上述电子油耗计量系统包括电子流量计和流量积算仪。

本发明还揭示了一种用于上述起重机的混合动力控制系统的控制方法，包括以下步骤：

电池管理系统通过电量采集模块计算动力电池组的电池剩余容量,并通过动力电池组的电压实时校准电池剩余容量；

将电池剩余容量与设定参数对比，当电池剩余容量大于设定参数的高容量阈值时，混合动力系统由动力电池组单独供电，发电机组由电池管理系统控制转入怠速待机模式；当电池剩余容量达到设定参数的低容量阈值时，电池管理系统控制发电机组发电，通过整流装置设定的充电功率给动力电池组充电；当电池剩余容量达到设定参数的上限时，停止充电，发电机组由电池管理系统控制转入怠速待机模式，其中电池剩余容量和设定参数的低容量阈值分别根据起重机的操作状态而改变。

根据本发明的一实施方式，上述电量采集模块检测混合动力系统的输出功率来判定起重机的操作状态，进行智能模糊逻辑控制，当起重机繁忙时，电池剩余容量范围被调窄，当起重机空闲或待机时，电池剩余容量被放宽。

根据本发明的一实施方式，上述电池管理系统采集动力电池组的母线的总输入、输出电流和电压，根据时间积分计算电池输入和输出总量。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

本申请的混合动力控制系统通过电池管理系统集成控制各装置的运作状态，提高系统的安全性和稳定性；通过电量积算和电池电压校准，提高电池剩余容量计算准确性；采用智能模糊逻辑控制，根据起重机的作业状态实时调节混合动力控制系统的充电状态，提高系统节油效率；配备电子油耗计量系统，实时分析系统节能情况；配备无线远程监控，实时监控系统运行状况和故障，提高系统可靠性；系统传感器故障自检，提高系统可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为实施例中的混合动力控制系统的结构示意图；

图2为实施例的混合动力控制系统的实体结构图。

图3为实施例的混合动力控制系统的内部结构图。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1，其为本实施例的混合动力控制系统的结构示意图；如图所示，本申请的用于起重机的混合动力控制系统1包括电池管理系统11、发电机组控制器12、整流装置13、逆变电源装置14、动力电池组数据采集模块15、电子油耗计量系统16和电量采集模块17，电池管理系统11通过MODBUS通讯总线与发电机组控制器12、整流装置13、逆变电源装置14及电子油耗计量系统16通讯连接，电池管理系统11通过CANBUS通讯总线与动力电池组数据采集模块15通讯连接，电池管理系统11与电量采集模块17电连接。

其中电池管理系统11与发电机组控制器12实现数据通讯，采集发电机组的运行数据和故障信息，根据起重机的作业工况控制发电机组的启动或停止；电池管理系统11与整流装置13和逆变电源装置14实现数据通讯，根据起重机的作业工况采集整流装置13和逆变电源装置14的运行数据和故障信息，控制整流运行或停止及控制充电功率的输出；电池管理系统11与动力电池组数据采集模块15实现数据通讯，采集动力电池组各电池的电压和温度，并与电池管理系统11内设定的电池保护参数进行比较，保护动力电池组；电池管理系统11通过电量采集模块17采集混合动力控制系统1的输入和输出电量和功率，计算动力电池组的充放电功率和电池剩余容量；电池管理系统11与电子油耗计量系统16实现数据通讯，读取实时燃油消耗。

进一步地，本申请的混合动力控制系统1还包括人机交互界面18，人机交互界面18亦通过MODBUS通讯总线连接电池管理系统11，通过人机交互界面18显示整个系统所有装置的工作状态及运行数据。

详细而言，本申请的混合动力控制系统1包括GPRS/4G通讯模块19，电池管理系统11通过MODBUS通讯总线连接GPRS/4G通讯模块19，并将电池管理系统11的运行数据和故障信息通过GPRS信号发送至远程服务器。

在起重机的实际应用中，混合动力控制系统1控制动力电池组向起重机提供能量并根据实际作业工况控制动力电池组的充、放电。总的来说，起重机的作业工况分为正常作业模式、繁忙作业模式及空闲待机模式。起重机在正常作业时，混合动力控制系统1的电池管理系统11通过电量采集模块17根据电量累积计算动力电池组的电池剩余容量，并通过动力电池组的电压实时校准电池剩余容量。电池管理系统11内设定有电池剩余容量的对比参数，将电池剩余容量与参数对比，当电池剩余容量大于设定参数的高容量阈值时，即动力电池组剩余容量充足时，混合动力控制系统1由动力电池组单独供电，动力电池组输出直流电源并通过逆变电源装置14和变频器转换为交流电源，用于向起重机的动力装置供电，与此同时，起重机在重物下降时所产生的回馈能量会回收到动力电池组中。当动力电池组容量达到设定参数的电池低容量阈值时，电池管理系统11控制发电机组开机启动，通过整流装置13控制发电机组以最节能的功率输出来给动力电池组进行充电，补充能量。当电池容量达到设定的电池高容量阈值时，电池管理系统11控制发电机组停止充电，发电机组进入怠速待机或停机模式。具体地，电池管理系统11采集动力电池组的母线的总输入、输出电流和电压，根据时间积分计算电池输入和输出总量，结合动力电池组的充放电效率计算电池剩余容量。

更进一步地，电池剩余容量和设定参数的低容量阈值分别根据起重机的操作状态而改变。当起重机处于正常作业模式或空闲待机模式时，电池管理系统11将低容量阈值调低，此种作业工况消耗能量较慢，电池剩余容量较多，使发电机组延时充电；当起重机处于繁忙作业模式时，电池管理系统11将低容量阈值调高，此种作业工况消耗能量较快，电池剩余容量较少，使发电机组提前充电以补充能量。

更详细而言，电池管理系统11对发电机组的充电控制采用智能模糊逻辑控制。电池管理系统11通过电量采集装置计算单位时间内混合动力控制系统1的输出能量，用于判断起重机作业工况。同时混合动力控制系统1的电池剩余容量的可用范围会根据起重机的作业工况进行实时调整。当混合动力控制系统1单位时间内输出能量高时，表明起重机处于繁忙作业模式，动力电池组的电池剩余容量的范围被调窄，发电机组的充电时间也变窄，动力电池组的电池剩余容量更充足。当混合动力控制系统1单位时间内输出能量低时，起重机处于正常作业模式，动力电池组的电池剩余容量的范围被放宽，发电机组的充电时间和停歇时间都变长，更节省燃油。当起重机处于空闲待机模式时，混合动力控制系统1的能量需求处于很低水平，发电机组自动停机，避免长时间怠速带来的积碳问题，也使燃油消耗更少。

在上述混合动力控制系统1运行的过程中，为准确计算油耗数据，提高燃油的利用率，电子油耗计量系统16包括电子流量计和流量积算仪。通过采用高精度的电子流量计，测量精度达到达到+0.5％，流量分辨率1.42ml，配套流量积算仪，采用容积式原理，单向测量油耗，通讯输出瞬时流量和累积流量，通过GPRS/4G通讯模块19传输至人机交互界面18，供工作人员随时分析油耗指标。

优选地，通过在混合动力控制系统1内配置GPRS/4G通讯模块19，可将电池管理系统11内的的运行数据和故障信息传送至远程服务器，工作人员可通过PC端或手机客户端连接服务器，从而远程监控系统运行情况。在发生故障时，通过远程查阅相关记录，对问题进行诊断分析，指导现场维修人员快速处理故障。

与此同时，在混合动力控制系统1运行过程中，混合动力系统实时记录各种重要运行参数，对各自传感器的反馈数据进行连续监控计算，各装置间的数据相互核对，自动分析是否为传感器故障，避免因传感器误报警导致系统中断从而影响起重机的操作。混合动力控制系统1也会自动积累运行时间，根据设定的保养周期，提醒用户及时进行维护保养，减少因疏忽保养导致的故障。

请参阅图2和图3，其分别为本实施例的混合动力控制系统的实体结构图和内部结构图；如图所示，本申请的混合动力控制系统2采用一体式机房，其包括房体21及设置于房体21内的发电机组22、动力电池组23、整流装置24、电池管理系统25和逆变电源装置26，房体21包括底座211和可拆卸设置于底座211的外罩212，底座上设有隔板213和减震器214，隔板213的一侧为发电机组房A，隔板213的另一侧为电气元件房B，发电机组22设置于发电机组房A并位于减震器214的上方，动力电池组23、整流装置24、电池管理系统25和逆变电源装置26设置于电气元件房B；外罩212的侧壁设有多个检修门2121、多个进风口2122和排风口2123，外罩的内侧和多个检修门的内侧设有消音板；电气元件房内设有空调装置。通过一体式设计，方便拆装，节省占地空间；所有装置都可以利用叉车从房体内搬离和更换，方便检修。通过隔音降噪设计，有效降低运行时的噪音。采用减震隔震装置，满足电气元件安装震动需求，保证运行时的可靠性。

综上所述，本申请的混合动力控制系统通过电池管理系统集成控制各装置的运作状态，提高系统的安全性和稳定性；通过电量积算和电池电压校准，提高电池剩余容量计算准确性；采用智能模糊逻辑控制，根据起重机的作业状态实时调节混合动力控制系统的充电状态，提高系统节油效率；配备电子油耗计量系统，实时分析系统节能情况；配备无线远程监控，实时监控系统运行状况和故障，提高系统可靠性；系统传感器故障自检，提高系统可靠性。

上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种用于起重机的混合动力控制系统，其特征在于，包括电池管理系统以及分别与所述电池管理系统连接的发电机组控制器、整流装置、逆变电源装置、动力电池组数据采集模块、电子油耗计量系统和电量采集模块，其中：

所述电池管理系统通讯连接所述发电机组控制器，采集发电机组的运行数据和故障信息，控制发电机组的启动或停止；

所述电池管理系统通讯连接所述整流装置和逆变电源装置，采集所述整流装置和逆变电源装置的运行数据和故障信息，控制整流运行或停止及控制充电功率的输出；

所述电池管理系统通讯连接所述动力电池组数据采集模块，采集动力电池组的电压和温度，并与电池保护参数比较；

所述电池管理系统电连接所述电量采集模块，采集电池管理系统的输入电量、输出电量和功率，计算所述动力电池组的充、放电功率和容量，并通过动力电池组的电压实时校准电力电池组的剩余容量；所述电池管理系统通过所述电量采集装置计算单位时间内混合动力控制系统的输出能量，并判断起重机作业工况，同时，根据起重机的作业工况实时调整电力电池组剩余容量的可用范围；所述起重机的作业工况分为正常作业模式、繁忙作业模式及空闲作业模式；当所述混合动力控制系统的输出能量高时，表明起重机处于繁忙作业模式，动力电池组的电池剩余容量的范围被调窄，发电机组的充电时间也变窄；当混合动力控制系统单位时间内输出能量低时，起重机处于正常作业模式，动力电池组的电池剩余容量的范围被放宽，发电机组的充电时间和停歇时间都变长；当起重机处于空闲待机模式时，混合动力控制系统的能量需求处于很低水平，发电机组自动停机；与此同时，起重机在重物下降时所产生的回馈能量会回收到动力电池组中；

所述电池管理系统通讯连接所述电子油耗计量系统，读取实时燃油消耗；所述电子油耗计量系统包括电子流量计和流量积算仪；

人机交互界面，所述人机交互界面通讯连接所述电池管理系统；

GPRS/4G通讯模块，所述电池管理系统通讯连接所述GPRS/4G通讯模块，并将所述电池管理系统的运行数据和故障信息通过GPRS/4G信号发送至远程服务器。

2.一种根据权利要求1所述的用于起重机的混合动力控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述电池管理系统通过所述电量采集模块计算所述动力电池组的电池剩余容量,并通过所述动力电池组的电压实时校准所述电池剩余容量；

将所述电池剩余容量与设定参数对比，当所述电池剩余容量大于设定参数的高容量阈值时，混合动力系统由所述动力电池组单独供电，发电机组由所述电池管理系统控制转入怠速待机模式；当所述电池剩余容量达到设定参数的低容量阈值时，所述电池管理系统控制所述发电机组发电，通过所述整流装置设定的充电功率给所述动力电池组充电；当所述电池剩余容量达到所述设定参数的上限时，停止充电，所述发电机组由所述电池管理系统控制转入怠速待机模式，其中所述电池剩余容量和所述设定参数的低容量阈值分别根据所述起重机的操作状态而改变；所述电量采集模块检测所述混合动力系统的输出功率来判定所述起重机的操作状态，进行智能模糊逻辑控制，当所述起重机繁忙时，所述电池剩余容量范围被调窄，当所述起重机空闲或待机时，所述电池剩余容量被放宽；具体的，所述起重机的作业工况分为正常作业模式、繁忙作业模式及空闲作业模式；当所述混合动力控制系统的输出能量高时，表明起重机处于繁忙作业模式，动力电池组的电池剩余容量的范围被调窄，发电机组的充电时间也变窄；当混合动力控制系统单位时间内输出能量低时，起重机处于正常作业模式，动力电池组的电池剩余容量的范围被放宽，发电机组的充电时间和停歇时间都变长；当起重机处于空闲待机模式时，混合动力控制系统的能量需求处于很低水平，发电机组自动停机；与此同时，起重机在重物下降时所产生的回馈能量会回收到动力电池组中；

所述电池管理系统采集所述动力电池组的母线的总输入、输出电流和电压，根据时间积分计算电池输入和输出总量。

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