CN110374941B - 一种根据负载重量自适应的叉车势能回收系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根据负载重量自适应的叉车势能回收系统，包括由举升油缸、泵‑马达和油箱构成的液压油路系统，还包括蓄能器、第二电磁比例节流阀、第一电磁比例节流阀、压力传感器、流量传感器、双作用电机、逆变器、蓄能‑放能部件和总控装置；本发明在叉车势能回收过程中，优先选用蓄能器回收，提高了势能回收效率；在叉车货叉提升过程中优先选用蓄能器放能，能够短时间内提供强大的能量供应；当选用以电能形式回收过程中，优先选用超级电容进行电能回收，能够保证短时间大功率的电能回收和释放，保护蓄电池、延长蓄电池寿命。

Description

一种根据负载重量自适应的叉车势能回收系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种根据负载重量自适应的叉车势能回收系统及控制方法。

背景技术

叉车在举升重物时，主要是将发动机燃烧产生的化学能转化为重物提升的势能，当下放重物的时候，重物的势能就白白浪费了。目前，最为普遍的叉车势能回收方式有两种，利用蓄能器回收和发电机回收。

中国专利CN 105236317 A是利用蓄能器将货物下降过程中的势能转化为液压能进行回收，用于下一个起升作业中，提高能源利用率，减少能源浪费。并且，同时减轻泵电机或者液压泵的负担，有助于避免油温过高。因为该发明仅仅使用蓄能器回收，所以要求蓄能器能够存储较大的回收势能，那么就存在着蓄能器体积大压力大，有一定安全隐患，并且当半载或者较轻负载的时候，随着货叉的下降，进入蓄能器的液压油增多压力增大，货叉有可能无法正常下降到指定位置，就会严重影响生产效率。

中国专利CN 106006484 A是利用电机将势能转化为电能进行回收，举升缸在下降过程中，液压驱动泵-马达反转，泵-马达带动电机反转进行发电，再通过蓄电池进行电能的存储。因为货叉上的重物下降是一个非常短暂的过程，如果不对下落速度进行控制，那么电机发电是一个大电流、大功率的短暂过程，会对电池造成不可逆的损伤甚至出现安全隐患；如果对下落速度根据蓄电池能量回收的过程进行控制，就会严重影响叉车正常工作的效率。

中国专利CN 108302074 A是利用蓄能器加锂电池的复合回收方式，该方式能够通过蓄能器、发电机进行复合的回收方式，该发明首先选用蓄能器进行能量的回收，然后在下一个举升工作周期推动泵- 马达，从而实现节能的目的。该发明的复合回收方式一定程度上提高了能量回收效率，但是蓄能器的能量回收是依靠经验进行人工调节比例节流阀，对蓄能器的能量回收程度无法实时精准把控，而且利用发电机发电锂电池进行回收的时候仍然会出现重载造成大功率短时间放电造成的安全隐患，此外，蓄能器进行放能过程中没有液压流量的控制，如果放油过快就会让举升缸过快提升，或者依靠泵-马达改变转矩进行控制，又造成一定的能源浪费，装置作为一个封闭回路，只能泄油不能补油，无法及时补充油路内的液压油损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种根据负载重量自适应的叉车势能回收系统及控制方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种根据负载重量自适应的叉车势能回收系统，包括由举升油缸、泵-马达和油箱构成的液压油路系统，还包括蓄能器、第二电磁比例节流阀、第一电磁比例节流阀、压力传感器、流量传感器、双作用电机、逆变器、蓄能-放能部件和总控装置；

蓄能器的油口分别与举升油缸和泵-马达相连，在举升油缸与蓄能器之间设有第二电磁比例节流阀；举升油缸与货叉相连，货叉上连接有压力传感器，压力传感器与总控装置相连；总控装置是由PLC 控制系统组成；总控装置与逆变器通过电路相连，控制逆变器内的三极管导通，总控装置与蓄能-放能部件通过电路相连，控制蓄能-放能部件内继电器的开关；举升油缸液压油出口管道上连接有流量传感器，流量传感器与总控装置相连；第一电磁比例节流阀一端与举升油缸相连，另一端与泵-马达相连，泵-马达与双作用电机直接相连，双作用电机与逆变器相连，逆变器连接蓄能放能部件；

第一电磁比例节流阀用于控制经过泵-马达的液压油流量；流量传感器能够实时检测流经举升油缸的液压油流量大小，并且转化为电信号传递给总控装置；压力传感器能够检测货叉上重物重量，并且转化为电信号传送到总控装置；第二电磁比例节流阀用于控制进出蓄能器的液压油的进出以及流量大小；逆变器为三相桥式逆变器，主要负责交直流的电流形式转变。

进一步地，还包括泄压阀，所述泄压阀入口处与举升油缸出口相连接，泄压阀出口与油箱相连接。

进一步地，泵-马达与油箱之间还连接有过滤器。

进一步地，蓄能器的油口处还有液压油压力传感器。

进一步地，所述蓄能-放能部件包括蓄电池、超级电容，蓄电池和超级电容之间并联；蓄电池支路上还串联有第一电压传感器和第二电磁开关，超级电容支路上还串联有第二电压传感器和第一电磁开关。

一种根据负载重量自适应的叉车势能回收控制方法，采用以上所述的系统，包括以下步骤：

1)预置与举升油缸相连接的泵-马达和蓄能器；

2)货叉下降时，货叉或者货叉上的负载将液压油优先压入蓄能器中，当监测的液压油流量减小到流量最低参考阈值时，蓄能器此时压力已经增大，返回蓄能器的液压油速度减慢，为了保证货叉下降速度，液压油不再进入蓄能器存储，液压油开始带动与泵-马达相连的双作用电机开始发电，并且将产生的大功率电能优先储存在超级电容中，当监测的超级电容电压达到电容最高参考阈值时，为了保护超级电容不被击穿，开始将电能储存在蓄电池中；

3)当货叉上升时，因为蓄能器的功率密度较大，优先使用存储在蓄能器中的液压能推动货叉举升，当监测的液压油流量减小到流量最低参考阈值时，为了保证货叉举升的速度，再选用超级电容放电驱动双作用电机进行旋转，带动泵-马达对举升油缸进行供油，当监测的超级电容电压减小到电容最低参考阈值时，说明超级电容的电量也不能继续保证液压油速度，从而影响举升速度，此时再选用蓄电池进行放电供能。

进一步地，举升油缸分别与蓄能器和泵-马达之间的油路联通是通过控制第一、第二电磁比例节流阀来实现的，蓄能-放能部件在超级电容和蓄电池之间的选择是通过第一、第二电磁开关来实现的。

进一步地，总控装置控制第一电磁比例节流阀处于第一工况位置，也就是断开状态，控制第二电磁比例节流阀处于第二工况位置，使从举升油缸中的液压油流进蓄能器。

进一步地，总控装置关闭第二电磁比例节流阀，打开第一电磁比例节流阀，使液压油流经双作用马达-泵。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以在蓄能器回收过程中实时监控举升油缸的出油量，随着蓄能器压力增大，货物下降速率受到影响之后，就会及时切换成双作用泵-马达带动双作用电机进行发电，保证叉车货叉下降过程中的速率可控，能够保证货叉下降到指定位置；

(2)本发明优先选用蓄能器进行重物下落势能的回收，其下落速度的最大平均值完全可以满足现有的实际工况需求，切换到泵-马达带动电机发电工况时，超级电容仍然可以回收大功率、瞬时的电能。

(3)本发明的蓄能器回收过程是依靠货叉上的压力传感器、举升油缸的液压油油量流速进行精确控制，而且控制方法简单；当利用双作用电机进行电能回收时，优先选用超级电容进行储能，可以应对大功率、短时间的放电工况；蓄能器对举升油缸进行放能过程中，其放油过程是通过总控装置进行监控和控制的，稳定可靠；双作用泵- 马达与油箱直接相连，因此不存在油路内液压油损失大的问题。

(4)本发明能够根据负载重量选用合适的势能回收方式或者势能回收方式的组合，充分发挥蓄能器比功率高、超级电容循环次数高、蓄电池储能持久的优点。

(5)本发明在叉车势能回收过程中，优先选用蓄能器回收，提高了势能回收效率；在叉车货叉提升过程中优先选用蓄能器放能，能够短时间内提供强大的能量供应；当选用以电能形式回收过程中，优先选用超级电容进行电能回收，能够保证短时间大功率的电能回收和释放，保护蓄电池、延长蓄电池寿命。

(6)本发明能够实现自动化选择、切换、调整复合回收方式，且控制简单可实现性强；油路简单可靠，安全高效；电路简单清晰。

附图说明

图1为本发明的系统液压原理图。

图2为本发明的蓄能-放能部件电路原理图。

图3为本发明的控制策略结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当指出的是，具体实施方式只是对本发明的详细说明，不应视为对本发明的限定。

本发明的一种根据负载重量自适应的叉车势能回收系统，如图1 所示，包括由举升油缸8、泵-马达3和油箱1构成的液压油路系统，还包括蓄能器10、第二电磁比例节流阀12、第一电磁比例节流阀4、压力传感器9、流量传感器7、双作用电机6、逆变器25、蓄能-放能部件和总控装置。

作为一种优选的方式，举升油缸8与货叉相连，用于举升重物，货叉上连接有压力传感器9，所述压力传感器9与总控装置相连，用于监测货叉重物的重量。举升油缸8的进出油口既与蓄能器10连接，又与双向泵-马达3相连接。

作为一种优选的方式，双向泵-马达3与双作用电机6直接相连，双作用电机6与蓄能-放能部件之间连接有逆变器25，逆变器25为三相桥式逆变器，主要负责交直流的电流形式转变。

作为一种优选的方式，在双向泵-马达3和举升油缸8之间设置有第一电磁比例节流阀4，用于控制双向泵-马达3与举升油缸8之间的液压油流量大小。在举升油缸8与蓄能器10之间设有第二电磁比例节流阀12，用于控制举升油缸8与蓄能器10之间的液压油流量大小。

作为一种优选的方式，在举升油缸8进出油口处，设置有流量传感器7，所述流量传感器7与总控装置相连。

作为一种优选的方式，还设置有泄压阀5，可以对油路液压进行保护，避免举升油缸油压过大产生安全隐患。

作为一种优选的方式，蓄能器10还连接有一个液压油压力传感器11，用于显示蓄能器10内的液压油压力大小，方便操作、维修等人员了解蓄能器10内的蓄能情况，防止发生意外情况。

作为一种优选的方式，在双向泵-马达3和油箱1之间还设有过滤器2，用于液压油的过滤净化。

如图2所示，双作用电机6与逆变器25、蓄能-放能部件之间依靠电路连接。超级电容15与逆变器25相并联，超级电容的支路上还串联有第二电压传感器16和第一电磁开关23，第二电压传感器16 用于测量超级电容15的实时电压，并传送到总控装置，所述总控装置由PLC控制系统进行控制，第一电磁开关23、第二电磁开关24 也由总控装置进行控制。

作为一种优选的方式，蓄电池13与超级电容15并联，所述蓄电池13选用镍氢电池，因为镍氢电池相对于铅酸电池、锂电池等有明显的循环次数优势，镍氢电池相对于铅酸电池有较高的比能量和比功率，相对于锂电池有较高的寿命。在蓄电池13的支路上还串联有第一电压传感器14和第二电磁开关24，所述第一电压传感器14用于测量蓄电池13的电压，并且将电信号传送到总控装置，第二电磁开关24也由总控装置进行控制。

本发明的控制策略结构图如图3所示，其中，操纵信号指的是驾驶人员向液压系统中输入的信号，比如货叉提升或者货叉下降。操纵信号决定货叉的上升和下降两种工况，如果需要举升货叉，那么总控装置会根据蓄电池电压、超级电容电压、负载压力、液压油的流量等输入信号来判断利用何种方式来供能，同时总控装置输出到继电器和逆变器的信号来具体控制相应的部件，达到具体的控制目的。控制策略具体如下所述：

(1)当货叉进行下降作业时，压力传感器9检测货叉上的重物压力，并且将负载压力信号传送到总控装置，总控装置将传递的负载压力信号与存储在总控装置的压力阈值进行比较，如果负载压力信号大于预置的压力阈值，那么总控装置就会控制第一电磁比例节流阀4 处于第一工况位置，也就是断开状态，控制第二电磁比例节流阀12 处于第二工况位置，也就是导通状态，使举升油缸8中的液压油流进蓄能器10。当总控装置检测到液压油流量低于流量最低参考阈值时，此时蓄能器压力已经增大，返回蓄能器的液压油速度减慢，为了保证货叉下降速度，总控装置关闭第二电磁阀12，打开第一电磁比例节流阀4，使液压油流经双作用马达-泵3，双作用马达-泵3带动双作用电机6反向旋转，从而产生交流电。流量最低参考阈值是根据货叉下降速度来设定的；总控装置控制逆变器信号的输出，使双作用电机 6产生的交流电变换为直流电。总控装置通过监测第二电压传感器16 的信号，如果超级电容15电压小于电容最高参考阈值，说明超级电容15还没有饱和，超级电容15比蓄电池功率密度大，优先使超级电容充电，那么总控装置控制第一电磁开关23闭合，第二电磁开关24 断开，而蓄电池13不充电。电容最高参考阈值是根据超级电容15本身型号决定的，不同型号的电容有不同的最高击穿电压，充电不能超过这个电压，不然会击穿损坏电容。

双作用电机6产生的循环、短暂的电流不会直接流经蓄电池13，从而延长蓄电池13的使用寿命。当超级电容15的电压信号达到电容最高参考阈值，为了防止超级电容被击穿，那么总控装置就会断开第一电磁开关23，闭合第二电磁开关24对蓄电池13进行充电。

(2)当货叉进行举升作业时，总控装置首先控制第二电磁比例节流阀12处于第二工况位置，也就是导通状态，第一电磁比例节流阀4处于第一工况位置，也就是断开状态，使蓄能器10中的液压对举升油缸8进行供油，当总控装置检测到流量传感器7中的液压油流量减少到流量最低参考阈值，蓄能器的压力减小，液压油流出的速度减慢，为了保证货叉举升速度，总控装置控制第一电磁比例节流阀4 处于第二工况位置、第二电磁比例节流阀12处于第一工况位置，也就是断开状态，让双作用泵-马达3进行供油。总控装置检测超级电容15的电压，当电压信号高于电容最低参考阈值，说明超级电容仍然有放电的能力，那么优先选用超级电容15对双作用电机6进行供能，具体控制实现方式是，总控装置控制第一电磁开关23闭合、第二电磁开关24断开，从而使超级电容15对双作用电机进行供能。当总控装置检测到流量传感器7中的液压油流量减少到流量最低参考阈值，说明超级电容的电量降低，供能不足，液压油流出的速度减慢，为了保证货叉举升速度，此时开始选用蓄电池13对双作用电机6进行供能，具体控制实现方式是，总控装置控制第一电磁开光23断开、第二电磁开关24闭合，从而使蓄电池13对双作用电机6进行供能。

作为一种优选的方式，逆变器25的控制通过总控装置发出逆变器控制信号，总控装置对逆变器25内部的三极管17-22进行导通和断开的相应控制。附图2中的标号17-22代表逆变器25内的三极管，用来控制电路的导通，达到控制电路的目的。

Claims (1)

1.一种根据负载重量自适应的叉车势能回收控制方法，其特征在于，

该控制方法采用以下叉车势能回收系统，所述叉车势能回收系统包括由举升油缸（8）、泵-马达（3）和油箱（1）构成的液压油路系统，所述叉车势能回收系统还包括蓄能器（10）、第二电磁比例节流阀（12）、第一电磁比例节流阀（4）、压力传感器（9）、流量传感器（7）、双作用电机（6）、逆变器（25）、蓄能-放能部件和总控装置；

蓄能器（10）的油口分别与举升油缸（8）和泵-马达（3）相连，

在举升油缸（8）与蓄能器（10）之间设有第二电磁比例节流阀（12）；

举升油缸（8）与货叉相连，货叉上连接有压力传感器（9），压力传感器（9）与总控装置相连；举升油缸（8）液压油出口管道上连接有流量传感器（7），流量传感器（7）与总控装置相连；第一电磁比例节流阀（4）一端与举升油缸（8）相连，另一端与泵-马达（3）相连，泵-马达（3）与双作用电机（6）直接相连，双作用电机（6）与逆变器（25）相连，逆变器（25）连接蓄能-放能部件；总控装置与逆变器（25）通过电路相连，总控装置与蓄能-放能部件通过电路相连；

第一电磁比例节流阀（4）用于控制经过泵-马达（3）的液压油流量；流量传感器（7）能够实时检测流经举升油缸（8）的液压油流量大小，并且转化为电信号传递给总控装置；压力传感器（9）能够检测货叉上重物重量，并且转化为电信号传送到总控装置；第二电磁比例节流阀（12）用于控制进出蓄能器的液压油的进出以及流量大小；

逆变器（25）为三相桥式逆变器，主要负责交直流的电流形式转变；总控装置控制逆变器（25）内的三极管（17，18，19，20，21，22）闭合与断开，总控装置控制蓄能-放能部件内继电器的开关；

所述叉车势能回收系统还包括泄压阀（5），所述泄压阀（5）入口处与举升油缸（8）出口相连接，泄压阀（5）出口与油箱（1）相连接；泵-马达（3）与油箱（1）之间还连接有过滤器（2）；蓄能器（10）的油口处还有液压油压力传感器（11）；所述蓄能-放能部件包括蓄电池（13）、超级电容（15），蓄电池（13）和超级电容（15）之间并联；蓄电池（13）支路上还串联有第一电压传感器（14）和第二电磁开关（24），超级电容（15）支路上还串联有第二电压传感器（16）和第一电磁开关（23）；

该控制方法包括以下步骤：

1）预置与举升油缸（8）相连接的泵-马达（3）和蓄能器（10）；

2）货叉下降时，货叉或者货叉上的负载将液压油优先压入蓄能器（10）中，当监测的液压油流量减小到流量最低参考阈值时，开始带动与泵-马达（3）相连的双作用电机（6）开始发电，并且将产生的大功率电能优先储存在超级电容（15）中，当监测的超级电容（15）电压达到电容最高参考阈值时，开始将电能储存在蓄电池（13）中；

3）当货叉上升时，优先使用存储在蓄能器（10）中的液压能推动货叉举升，当监测的液压油流量减小到流量最低参考阈值时，再选用超级电容（15）放电驱动双作用电机（6）进行旋转供油，带动泵-马达（3）对举升油缸（8）进行供油，当监测的超级电容（15）电压减小到电容最低参考阈值时，此时选用蓄电池（13）进行放电供能；

举升油缸（8）分别与蓄能器（10）和泵-马达（3）之间的油路连通是通过控制第一、第二电磁比例节流阀（4、12）来实现的，蓄能-放能部件在超级电容（15）和蓄电池（13）之间的选择是通过第一、第二电磁开关（23、24）来实现的；

总控装置控制第一电磁比例节流阀（4）处于第一工况位置，也就是断开状态，控制第二电磁比例节流阀（12）处于第二工况位置，也就是导通状态，使举升油缸（8）中的液压油流进蓄能器（10）；

总控装置关闭第二电磁比例节流阀（12），打开第一电磁比例节流阀（4），使液压油流经泵-马达（3）。

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