CN108199431A - 电动设备及其快速软启动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种电动设备及其快速软启动控制方法，电动设备包括电池模块、增程器、至少一电动驱动机构、快速软启动控制系统；电池模块通过第一开关连接增程器及电动驱动机构；增程器包括超级电容、第二开关、能量转换器，超级电容通过第二开关连接能量转换器；快速软启动控制系统包括开关控制电路、超级电容放电控制电路、电动驱动机构回馈电路、超级电容电压监测电路、工作模式控制模块。本发明提出的电动设备及其快速软启动控制方法，通过渐进的增加放电电流，减少电池的放电电流，同时又回收全部的电机回馈能量，这样达到快速充电的目的；能平滑的进入正常工作模式；车辆使用者无任何不适的感觉。
Description
技术领域
本发明属于电动叉车技术领域，涉及一种电动叉车的控制系统，尤其涉及一种能快速启动的电动设备；同时，本发明还涉及一种能快速启动的电动设备的快速软启动控制方法。
背景技术
常规电动叉车是将电池包直接和变换器连接，变换器在工作的时候经常有较大的放电电流和充电电流，导致铅酸电池硫化严重，导致电池包发热，加速电池老化。
目前工程中采用增程器的电动叉车，通过增程器的控制，避免铅酸电池包的大电流放电，减少电池包发热，在增加单次充电叉车工作的时间外，还能延长电池的寿命。
在增程器正常工作前需要将增程器内部的超级电容充电到合理的范围。目前的做法是在系统正常工作之前，需要有一个超级电容预充电的环节。在增程器正常工作前先使用恒定电流对超级电容进行充电，当电压达到预设值后进入正常工作模式，如图1、图2所示。
在系统进入正常工作模式前，需要一段比较长的时间与电容进行预充电工作。而这时候车辆不适合进行正常的行走等工作，因为如果行走会在原来的大电流基础上增加更大的电流，与增程器设计目的为降低电池的充放电电流相违背；要是这段时间车辆不行走，又会多出一部分等待的时间。
由此可见，现有方案通过为了恒定电流充电，这时不合适进行车辆的行走等操作，对车辆使用者来说用户体验不好。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种电动叉车控制方式，以便克服现有控制方式存在的上述缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种电动设备，可达到快速充电的目的，能平滑的进入正常工作模式。
此外，本发明还提供一种电动设备的快速软启动控制方法，可达到快速充电的目的，能平滑的进入正常工作模式。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种电动设备，所述电动设备包括：电池模块、增程器、至少一电动驱动机构、快速软启动控制系统；
所述电池模块通过第一开关连接增程器及电动驱动机构；
所述增程器包括超级电容、第二开关、能量转换器，超级电容通过第二开关连接能量转换器；
所述快速软启动控制系统包括第一开关控制电路、第二开关控制电路、超级电容放电控制电路、电动驱动机构回馈电路、超级电容电压监测电路、工作模式控制模块；
所述第一开关控制电路用以控制第一开关的闭合及断开，所述第二开关控制电路用以控制第二开关的闭合及开启；
所述超级电容放电控制电路用以控制超级电容在电动设备启动时便放电，同时控制超级电容的放电电流；
所述电动驱动机构回馈电路用以利用电动驱动机构的能量回馈超级电容快速充电，尽快的完成超级电容的预充电；
所述超级电容电压监测电路用以监测超级电容的电压是否达到预设值，若达到预设值，则电动设备进入正常工作模式；
所述工作模式控制模块用以控制电动设备的工作模式；在超级电容的电压未达到预设值时，工作模式控制模块控制电动设备处于初始启动工作模式，电动设备在初始启动时便正常工作；在超级电容的电压达到预设值时，工作模式控制模块控制电动设备进入正常工作模式。
作为本发明的一种优选方案，超级电容放电控制电路根据超级电容的荷电状态SOC决定超级电容的放电电流；超级电容的放电电流根据超级电容的荷电状态SOC决定放电的大小；I＝K*SOC；其中I为放电电流，K为放电系数，SOC为当前电池的容量；
电池实际功率Pbatreal＝Pload-Puc；达到减小电池电流的目的，减小的效果受当前超级电容的SOC决定；其中，Pbatreal表示经过算法控制调整后的电池实际功率，Pload表示负载功率，Puc表示超级电容的功率。
作为本发明的一种优选方案，当发现电机驱动机构能量回馈时，这变更超级电容由放电变化成充电，这样回馈的能量就被回收到超级电容中。
作为本发明的一种优选方案，所述超级电容放电控制电路用以控制超级电容的充放电电流，在电动设备需要的放电电流大于设定值时由超级电容提供，而在负载电流为回灌时则将这部分能量全部回灌到超级电容中，避免电池模块的较大电流放电和尽可能快的预充电时间。
作为本发明的一种优选方案，所述增程器还包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；
所述能量转换器的第一端连接第二开关，能量转换器的第二端包括至少两个端口，一个端口分别连接第一开关管、第二开关管，另一端口分别连接第三开关管、第四开关管。
作为本发明的一种优选方案，各开关管的作用为功率变换，配合电感组成功率变换装置。
一种上述的电动设备的快速软启动控制方法，所述控制方法包括：
步骤S1、闭合第一开关、第二开关；电动设备正常工作，无需等待超级电容是否预充电完成；
步骤S2、通过控制超级电容放电电流，减小电池模块的峰值电流；同时利用电动驱动机构的能量回馈超级电容快速充电；尽快的完成超级电容的预充电；
步骤S3、判断超级电容的电压是否达到预充电电压，若达到，转向步骤S4，否则转至步骤S2；
步骤S4、平滑的进入正常的工作模式。
作为本发明的一种优选方案，步骤S2中，超级电容放电控制电路根据超级电容的荷电状态SOC决定超级电容的放电电流；超级电容的放电电流根据超级电容的荷电状态SOC决定放电的大小；I＝K*SOC；其中I为放电电流，K为放电系数，SOC为当前电池的容量；
电池实际功率Pbatreal＝Pload-Puc；达到减小电池电流的目的，减小的效果受当前超级电容的SOC决定；其中，Pbatreal表示经过算法控制调整后的电池实际功率，Pload表示负载功率，Puc表示超级电容的功率。
作为本发明的一种优选方案，步骤S2中，当发现电机驱动机构能量回馈时，这变更超级电容由放电变化成充电，这样回馈的能量就被回收到超级电容中。
作为本发明的一种优选方案，步骤S2中，通过控制超级电容的充放电电流，在较大的放电电流时由超级电容提供，而在负载电流为回灌时则将这部分能量全部回灌到超级电容中，避免电池模块的较大电流放电和尽可能快的预充电时间。
作为本发明的一种优选方案，步骤S4中，正常的工作模式为全功能的增程器工作模式。
本发明的有益效果在于：本发明提出的电动设备及其快速软启动控制方法，通过渐进的增加放电电流，减少电池的放电电流，同时又回收全部的电机回馈能量，这样达到快速充电的目的；能平滑的进入正常工作模式；车辆使用者无任何不适的感觉。
附图说明
图1为现有电动叉车预充电电池放电电流示意图。
图2为现有电动叉车超级电容预充电电压示意图。
图3为本发明方法中超级电容放电电流示意图。
图4为本发明与现有方案预充电电池放电电流示意图。
图5为本发明电动设备超级电容预充电电压示意图。
图6为电池放电电流与工作时间的关联示意图。
图7为本发明电动设备的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图7，本发明揭示了一种电动设备，所述电动设备包括：电池模块20、增程器10、至少一电动驱动机构30、快速软启动控制系统。
所述电池模块20通过第一开关21连接增程器10及各电动驱动机构30。电动驱动机构30可以为各类电机(如牵引电机)，也可以为液压马达。
所述增程器10包括超级电容11、第二开关13、能量转换器12，超级电容11通过第二开关13连接能量转换器12。
所述快速软启动控制系统包括第一开关控制电路、第二开关控制电路、超级电容放电控制电路、电动驱动机构回馈电路、超级电容电压监测电路、工作模式控制模块。
所述第一开关控制电路用以控制第一开关K1的闭合及断开，所述第二开关控制电路用以控制第二开关K2的闭合及开启。
所述超级电容放电控制电路用以控制超级电容在电动设备启动时便放电，同时控制超级电容的放电电流。相对于传统的电容预充电方式；由原来的恒定充电电流，变更为受控的充放电电流。具体地，所述超级电容放电控制电路用以控制超级电容的充放电电流，在电动设备需要的放电电流大于设定值时由超级电容提供，而在负载电流为回灌时则将这部分能量全部回灌到超级电容中，避免电池模块的较大电流放电和尽可能快的预充电时间。
请参阅图3，超级电容放电控制电路根据超级电容的荷电状态SOC决定超级电容的放电电流；超级电容的放电电流根据超级电容的荷电状态SOC决定放电的大小；I＝K*SOC；其中I为放电电流，K为放电系数，SOC为当前电池的容量。
电池实际功率Pbatreal＝Pload-Puc；达到减小电池电流的目的，减小的效果受当前超级电容的SOC决定；其中，Pbatreal表示经过算法控制调整后的电池实际功率，Pload表示负载功率，Puc表示超级电容的功率。当然，也可以利用
所述电动驱动机构回馈电路用以利用电动驱动机构的能量回馈超级电容快速充电，尽快的完成超级电容的预充电。当发现电机驱动机构能量回馈时，这变更超级电容由放电变化成充电，这样回馈的能量就被回收到超级电容中。
所述超级电容电压监测电路用以监测超级电容的电压是否达到预设值，若达到预设值，则电动设备进入正常工作模式。
所述工作模式控制模块用以控制电动设备的工作模式；在超级电容的电压未达到预设值时，工作模式控制模块控制电动设备处于初始启动工作模式，电动设备在初始启动时便正常工作；在超级电容的电压达到预设值时，工作模式控制模块控制电动设备进入正常工作模式。
所述增程器10还包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；所述能量转换器12的第一端连接第二开关13，能量转换器12的第二端包括至少两个端口，一个端口分别连接第一开关管、第二开关管，另一端口分别连接第三开关管、第四开关管。各开关管的作用为功率变换，配合电感组成功率变换装置。开关管可以为MOS管，也可以为其他开关管。
以上介绍了本发明电动设备的组成，本发明在揭示上述电动设备的同时，还揭示一种上述的电动设备的快速软启动控制方法，所述控制方法包括：
【步骤S1】闭合第一开关、第二开关；电动设备正常工作，无需等待超级电容是否预充电完成；
【步骤S2】通过控制超级电容放电电流，减小电池模块的峰值电流。具体地，通过控制超级电容的充放电电流，在较大的放电电流时由超级电容提供，而在负载电流为回灌时则将这部分能量全部回灌到超级电容中，避免电池模块的较大电流放电和尽可能快的预充电时间。超级电容放电控制电路根据超级电容的荷电状态SOC决定超级电容的放电电流；超级电容的放电电流根据超级电容的荷电状态SOC决定放电的大小；I＝K*SOC；其中I为放电电流，K为放电系数，SOC为当前电池的容量。
电池实际功率Pbatreal＝Pload-Puc；达到减小电池电流的目的，减小的效果受当前超级电容的SOC决定；其中，Pbatreal表示经过算法控制调整后的电池实际功率，Pload表示负载功率，Puc表示超级电容的功率。
同时利用电动驱动机构的能量回馈超级电容快速充电；尽快的完成超级电容的预充电；当发现电机驱动机构能量回馈时，这变更超级电容由放电变化成充电，这样回馈的能量就被回收到超级电容中。
【步骤S3】判断超级电容的电压是否达到预充电电压，若达到，转向步骤S4，否则转至步骤S2；
【步骤S4】平滑的进入正常的工作模式。
正常的工作模式为全功能的增程器工作模式。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，电池的电流近似的表示成Ibatreal＝Iload-Iuc,达到减小电池电流的目的，减小的效果受当前超级电容的SOC决定。
其中，Ibatreal表示经过算法控制调整后的电池实际电流，Iload表示负载电流，Iuc为超级电容的电流。没有本发明算法控制前，Ibatreal＝Iload即Iuc＝0。
实施例三
本实施例中，本发明快速软启动控制方法包括：
(1)系统上电直接闭合K1，K2；系统既可以正常工作，无需等待超级电容是否预充电完成。
(2)通过受控的超级电容放电电流，可以减小电池的峰值电流，同时利用电机的能量回馈超级电容快速充电。尽快的完成超级电容的预充电。
(3)当电容达到预充电电压后系统可以平滑的进入正常的工作模式。
闭合K1，K2后，电机就可以正常的工作。如线条②对应的是电机正常工作电磁的实际波形(如图4、图5所示)。这时候会发现电池电流有比较大的峰值电流。根据铅酸电池的Peukert公式。(C＝I^n*T)。在电池一定的情况下。通过较小的电流可以工作更多的时间(如图6所示)。而我们的增程器正式利用这样的原理，通过超级电容的自动调节，避免电池组的大电流放电。保护了电池，并延长了电池的单次使用时间。
而在初始状态，由于电容没有足够的能量。不能完全的发挥出其作用。现有的做法是先通过电池以恒定的电流对超级电容进行冲电。当电容达到可以正常工作的状态下时，触发电机工作。由于这样的方案需要等待超级电容正常充电到预设值，影响车辆的操作，用户体验不好。本设计需要解决的就是问题。
在K1，K2，正常闭合后，电机就可以正常工作。这是如果超级电容不工作。电池的实际工作波形就如图4中线条①所示。这时候会有比较大的放电电流，同时也可以看出在电机制动的时候会有较大的回馈电流。这部分能量对电池进行充电。而我们知道电池的充电电流效率比较低。
本设计正是利用这个回馈电流对超级电容进行充电。如图5实线所示，电容电压缓慢上升。而在电池电流比较大时，会主动放一小部分能量，这样又可以减小电池的放电电流。效果如图4中新的电池电流示意(线条②)。会发现较大的峰值电流消失，而电池负向的电流也基本消失。取而代之的是超级电容在这个过程中在原来电池电流比较大的时候主动放电，而在电池回馈电流时超级电容主动吸收这部分的能量。超级电容能以99％以上的效率吸收远大于电池的吸收效率。通过多次这样的循环。可以将超级电容充电到正常的值。
综上所述，本发明提出的电动设备及其快速软启动控制方法，通过渐进的增加放电电流，减少电池的放电电流，同时又回收全部的电机回馈能量，这样达到快速充电的目的；能平滑的进入正常工作模式；车辆使用者无任何不适的感觉。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (10)
1.一种电动设备，其特征在于，所述电动设备包括：电池模块、增程器、至少一电动驱动机构、快速软启动控制系统；
所述电池模块通过第一开关连接增程器及电动驱动机构；
所述增程器包括超级电容、第二开关、能量转换器，超级电容通过第二开关连接能量转换器；
所述快速软启动控制系统包括第一开关控制电路、第二开关控制电路、超级电容放电控制电路、电动驱动机构回馈电路、超级电容电压监测电路、工作模式控制模块；
所述第一开关控制电路用以控制第一开关的闭合及断开，所述第二开关控制电路用以控制第二开关的闭合及开启；
所述超级电容放电控制电路用以控制超级电容在电动设备启动时便放电，同时控制超级电容的放电电流；
所述电动驱动机构回馈电路用以利用电动驱动机构的能量回馈超级电容快速充电，尽快的完成超级电容的预充电；
所述超级电容电压监测电路用以监测超级电容的电压是否达到预设值，若达到预设值，则电动设备进入正常工作模式；
所述工作模式控制模块用以控制电动设备的工作模式；在超级电容的电压未达到预设值时，工作模式控制模块控制电动设备处于初始启动工作模式，电动设备在初始启动时便正常工作；在超级电容的电压达到预设值时，工作模式控制模块控制电动设备进入正常工作模式。
2.根据权利要求1所述的电动设备，其特征在于：
超级电容放电控制电路根据超级电容的荷电状态SOC决定超级电容的放电电流；超级电容的放电电流根据超级电容的荷电状态SOC决定放电的大小；I＝K*SOC；其中I为放电电流，K为放电系数，SOC为当前电池的容量；
电池实际功率Pbatrea l＝Pload-Puc；达到减小电池电流的目的，减小的效果受当前超级电容的SOC决定；其中，Pbatrea l表示经过算法控制调整后的电池实际功率，Pload表示负载功率，Puc表示超级电容的功率。
3.根据权利要求1所述的电动设备，其特征在于：
当发现电机驱动机构能量回馈时，这变更超级电容由放电变化成充电，这样回馈的能量就被回收到超级电容中。
4.根据权利要求1所述的电动设备，其特征在于：
所述超级电容放电控制电路用以控制超级电容的充放电电流，在电动设备需要的放电电流大于设定值时由超级电容提供，而在负载电流为回灌时则将这部分能量全部回灌到超级电容中，避免电池模块的较大电流放电和尽可能快的预充电时间。
5.根据权利要求1所述的电动设备，其特征在于：
所述增程器还包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；
所述能量转换器的第一端连接第二开关，能量转换器的第二端包括至少两个端口，一个端口分别连接第一开关管、第二开关管，另一端口分别连接第三开关管、第四开关管；
各开关管的作用为功率变换，配合电感组成功率变换装置。
6.一种权利要求1至6之一所述的电动设备的快速软启动控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
步骤S1、闭合第一开关、第二开关；电动设备正常工作，无需等待超级电容是否预充电完成；
步骤S2、通过控制超级电容放电电流，减小电池模块的峰值电流；同时利用电动驱动机构的能量回馈超级电容快速充电；尽快的完成超级电容的预充电；
步骤S3、判断超级电容的电压是否达到预充电电压，若达到，转向步骤S4，否则转至步骤S2；
步骤S4、平滑的进入正常的工作模式。
7.根据权利要求7所述的快速软启动控制方法，其特征在于：
步骤S2中，超级电容放电控制电路根据超级电容的荷电状态SOC决定超级电容的放电电流；超级电容的放电电流根据超级电容的荷电状态SOC决定放电的大小；I＝K*SOC；
其中I为放电电流，K为放电系数，SOC为当前电池的容量；
电池实际功率Pbatrea l＝Pload-Puc；达到减小电池电流的目的，减小的效果受当前超级电容的SOC决定；其中，Pbatrea l表示经过算法控制调整后的电池实际功率，Pload表示负载功率，Puc表示超级电容的功率。
8.根据权利要求7所述的快速软启动控制方法，其特征在于：
步骤S2中，当发现电机驱动机构能量回馈时，这变更超级电容由放电变化成充电，这样回馈的能量就被回收到超级电容中。
9.根据权利要求7所述的快速软启动控制方法，其特征在于：
步骤S2中，通过控制超级电容的充放电电流，在较大的放电电流时由超级电容提供，而在负载电流为回灌时则将这部分能量全部回灌到超级电容中，避免电池模块的较大电流放电和尽可能快的预充电时间。
10.根据权利要求7所述的快速软启动控制方法，其特征在于：
步骤S4中，正常的工作模式为全功能的增程器工作模式。
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