CN110386004A - 一种跨运车油电混合自适应动力系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨运车油电混合自适应动力系统及其控制方法，该系统包括发电机组、变压器、AFE整流逆变器、逆变器、制动单元、大车起升电机、DC/DC能量变换器、充放电设备。发电机组分别连接变压器和AFE整流逆变器，AFE整流逆变器进一步连接制动单元、逆变器和DC/DC能量变换器，逆变器进一步连接大车起升电机，DC/DC能量变换器进一步连接充放电设备。发电机组输出交流电，其一部分通过变压器，另一部分通过AFE整流逆变器整流成直流电，直流电一部分输出至制动单元，一部分经过逆变器转化为交流电后作用于大车起升电机，还有一部分输出至DC/DC能量变换器。

Description

一种跨运车油电混合自适应动力系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种油电混合系统及其方法，更具体地说，涉及一种跨运车油电混合自适应动力系统及其控制方法。
背景技术
跨运车在港口集装箱的水平运输中起着非常重要的作用。传统跨运车动力以柴油机为主动力源，在运行时，起升机构在吊具下降时将吊具和集装箱的重力位能作用于起升电机，使起升电机处于发电运行状态。大车移动需要运行机构刹车制动时，行走电机也会处于发电运行状态。由此产生的位能、动能性再生能量如果回流到柴电机组，将导致机组逆功率而遭严重损坏。为此，传统跨运车通过能耗电阻将此再生能量消耗掉而得不到利用，造成了极大的能源和设备浪费，同时也造成了跨运车运行成本高、故障率高、环境噪声污染和尾气排放污染严重的缺点。
面对化石能源的日益紧张以及环境污染问题的日益恶化，世界各国对节能减排的要求越来越严格，传统的跨运车动力配套模式已经难以满足要求。而随着近年来电池等储能技术、电气控制技术的发展，混合动力跨运车以其显著的节能效果和较高的性价比赢得市场青睐
根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类：
一是串联式混合动力系统。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。
二是并联式混合动力系统。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。
三是混联式混合动力系统。混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。Prius采用的是混联式联结方式。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种跨运车油电混合自适应动力系统及其控制方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种跨运车油电混合自适应动力系统，包括发电机组、变压器、AFE整流逆变器、逆变器、制动单元、大车起升电机、DC/DC能量变换器、充放电设备。发电机组分别连接变压器和AFE整流逆变器，AFE整流逆变器进一步连接制动单元、逆变器和DC/DC能量变换器，逆变器进一步连接大车起升电机，DC/DC能量变换器进一步连接充放电设备。发电机组输出交流电，其一部分通过变压器，另一部分通过AFE整流逆变器整流成直流电，直流电一部分输出至制动单元，一部分经过逆变器转化为交流电后作用于大车起升电机，还有一部分输出至DC/DC能量变换器。
进一步地，还包括电控屏，电控屏连接发电机组。
进一步地，还包括辅助控制电源，辅助控制电源连接变压器。
进一步地，还包括能耗电阻，能耗电阻连接制动单元，一部分输出至制动单元的直流电作用于能耗电阻上。
进一步地，还包括整车PLC控制器，整车PLC控制器连接至充放电设备，并控制充放电设备进行充放电。
进一步地，充放电设备包括锂电池组和电池管理系统，锂电池组连接至DC/DC能量变换器，电池管理系统连接至锂电池组。
进一步地，还包括锂电池柜，锂电池组和电池管理系统设置于锂电池柜中。
进一步地，发电机组发出的交流电有极少一部分通过变压器，其余绝大部分电能通过AFE整流逆变器整流成直流电。
进一步地，发电机组的功率输出根据跨运车的工作状态而调整。
为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：
一种跨运车油电混合自适应动力控制方法，包括以下步骤：判断跨运车当前的运行状态；调整发电机组的输出功率；将发电机组发出的交流电一部分传输到变压器，另一部分传输到AFE整流逆变器；AFE整流逆变器将交流电整流成直流电，并将直流电传输到制动单元、逆变器和DC/DC能量变换器；逆变器将直流电转换成交流电并作用于大车起升电机；DC/DC能量变换器进一步对充放电设备进行充放电。
进一步地，变压器将交流电传输至辅助控制电源。
进一步地，制动单元将一部分输出至其中的直流电作用于能耗电阻上。
进一步地，充放电设备内设置锂电池组和电池管理系统，并通过整车PLC控制器控制充放电设备的充放电。
进一步地，发电机组发出的交流电有极少一部分通过变压器，其余绝大部分电能通过AFE整流逆变器整流成直流电。
进一步地，发电机组的功率输出根据跨运车的工作状态而调整。
在上述技术方案中，本发明能够根据负载的需求实现柴油机的无极变速，降低油耗，并且和锂电池相互配合，在满足跨运车的使用要求下使性价比最高。
附图说明
图1是本发明的工作原理图。
图2是跨运车的装船运行循环功率曲线；
图3是跨运车的卸船运行循环功率曲线；
图4是全变速柴油机油耗特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
参照图1，本发明首先公开一种跨运车油电混合自适应动力系统，其主要构成包括发电机组1、、电控屏2变压器3、辅助控制电源4、制动单元5、能耗电阻6、整车PLC控制器7、AFE整流逆变器8、逆变器9、大车起升电机10、DC/DC能量变换器11、充放电设备等。下面来进一步说明本发明系统的结构。
如图1所示，发电机组1分别连接变压器3和AFE整流逆变器8，AFE整流逆变器8进一步连接制动单元5、逆变器9和DC/DC能量变换器11。辅助控制电源4连接变压器3，能耗电阻6连接制动单元5，一部分输出至制动单元5的直流电作用于能耗电阻6上。逆变器9进一步连接大车起升电机10，DC/DC能量变换器11进一步连接充放电设备，整车PLC控制器7连接至充放电设备，并控制充放电设备进行充放电。
作为本发明的一种优选实施方式，充放电设备包括锂电池组14和电池管理系统13，锂电池组14连接至DC/DC能量变换器11，电池管理系统13连接至锂电池组14。作为本发明的另一种优选实施方式，锂电池组14和电池管理系统13设置于锂电池柜12中。此外，电控屏2连接发电机组1，变压器3、AFE整流逆变器8、逆变器9、制动单元5、大车起升电机10、DC/DC能量变换器11、整车PLC控制器7均可以通过电控屏2来观测其状态。在本发明中，发电机组1优选为柴油发电机。
本发明的系统采用自适应混合动力控制，即控制器根据跨运车当下的实际运行工况(空载、停车或怠速工况、空载中速或者轻载低速工况或者重载起升或加速运行工况)通过控制柴油机的转速来调整柴油发电机的输出功率，同时也对锂电池组14的充放电进行控制，从而使跨运车能以最小的能量消耗完成预定的动作。
因此，本发明系统中的发电机组1的功率输出根据跨运车的工作状态而调整。发电机组1输出交流电，其一部分通过变压器3，另一部分通过AFE整流逆变器8整流成直流电，直流电一部分输出至制动单元5，一部分经过逆变器9转化为交流电后作用于大车起升电机10，还有一部分输出至DC/DC能量变换器11。
作为本发明的一种优选实施方式，柴油发电机组1发出的交流电有极少一部分通过变压器3被应用于辅助控制电源4，其余绝大部分电能通过AFE整流逆变器8整流成直流电后，一部分经制动单元5作用在能耗电阻6上，一部分经逆变器9转化为交流电后作用在跨运车的起升电机10中，完成预定动作。同时整车PLC控制器7控制电池管理系统13对锂电池组14进行充放电控制。
本发明的系统由小功率全变速柴油机和可高倍率放电的低容量动力锂电池配置组成。当跨运车工作时，控制器根据当下跨运车的实际作业工况调整柴油机的转速进而改变发电机的发电功率，同时控制器根据实际作业工况对锂电池组14进行充放电控制。
通过结合跨运车实际作业工况，本发明模拟出整个作业循环功率曲线图，从而配置电池所需的容量以及所需柴油机的功率大小，如图2和图3所示。在配置柴油机与电池组容量时，首先要保证柴油机和电池组可输出的最大功率要大于整机运行时所需的最大峰值功率，假设先选定柴油机的功率，柴油机和电池组具体配置方法如下：
a.将通过曲线中的最大峰值功率减去柴油机最大输出功率，得出所需电池组放电能力，即为电池组需要放电的峰值功率。
b.从功率曲线(柴油机功率横线上方包容的曲线部分)得出运行过程中，需要电池组放出的电能大小，用于补充峰值功率的电能消耗量。
c.从功率曲线(横坐标以下包容的曲线部分)得出运行过程中，可以回收起升下降、行走制动产生的电能。
d.将b中电池组放电量减去c中回收的电量，得出整个作业过程中电池组所亏的电量，该部分通过充电补充。
e.柴油机在低负载或怠速时，为电池组充电，根据柴油机的转速－功率曲线，结合d中所需充电补充的电量，控制柴油机转速，控制柴油发电机组1电量输出，满足所需补充的充电量需求，降低燃油消耗，使得整个运行过程能耗最少。
具体来说，参照图2，通过结合跨运实际作业工况，本发明模拟出跨运车装船运行时的整个作业循环功率曲线图。在图2中，横坐标以上的曲线表示跨运车工作过程中的输出功率大小，横坐标以下的曲线表示跨运车工作过程中的可回收的功率大小。从功率曲线(柴油机功率横线上方包容的曲线部分)得出运行过程中，需要电池组放出的电能大小，用于补充峰值功率的电能消耗量；从功率曲线(横坐标以下包容的曲线部分)得出运行过程中，可以回收起升下降、行走制动产生的电能。
参照图3，通过结合跨运实际作业工况，本发明模拟出跨运车卸船运行时的整个作业循环功率曲线图。在此图中，横坐标以上的曲线表示跨运车工作过程中的输出功率大小，横坐标以下的曲线表示跨运车工作过程中的可回收的功率大小。从功率曲线(柴油机功率横线上方包容的曲线部分)得出运行过程中，需要电池组放出的电能大小，用于补充峰值功率的电能消耗量；从功率曲线(横坐标以下包容的曲线部分)得出运行过程中，可以回收起升下降、行走制动产生的电能。
如图4所示为160kW全变速柴油机油耗特性曲线图，根据这些曲线可以确定发动机在一定转速、输出一定转矩时的燃油消耗率，设定最经济转速。
进一步参照图2、图3和图4，本发明通过跨运车的实际作业工况，设定三种不同的跨运车工况：
1.空载、停车或怠速工况
2.空载中速或者轻载低速工况
3.重载起升或加速运行
在上述3种跨运车的工况下，本发明模拟出跨运车运行时的整个作业循环功率曲线图，根据模拟出的循环功率曲线图，配置柴油机的大小和锂电池的容量。当跨运车开始作业时，控制器判定跨运车当前状态下所处的工况并结合作业时实际需求功率和变速柴油机油耗特性曲线，设置柴油机运行策略。
1.当跨运车处在空载、停车或怠速工况时，控制器控制柴油机降低转速，并调整柴油发电机功率输出设置在50～60kW左右。由柴油发电机组1发出的交流电有极少一部分通过变压器3被应用于辅助控制电源，其余绝大部分电能通过AFE整流逆变器8整流成直流电后，一部分经制动单元5作用在能耗电阻6上，一部分经逆变器9转化为交流电后作用在跨运车的起升电机10中，完成预定动作。同时整车PLC控制器7控制电池管理系统13对锂电池组14进行充电控制，剩余的直流电通过DC/DC能量变换器11后对锂电池组14进行充电。
2.当跨运车处在空载中速或者轻载低速工况时，控制器控制柴油发电机组1供电运行，并调整柴油发电机组输出功率在60～140kW。由柴油发电机组1发出的交流电有极少一部分通过变压器3被应用于辅助控制电源，其余绝大部分电能通过AFE整流逆变器8整流成直流电后，一部分经制动单元5作用在能耗电阻6上，一部分经逆变器9转化为交流电作用在跨运车的起升电机10中完成预定动作。在有能量剩余时，整车PLC控制器7控制电池管理系统13对锂电池组14进行充电控制，剩余的直流电通过DC/DC能量变换器11后对锂电池组14进行充电。
3.当跨运车处在重载起升或加速运行时，即功率输出在140kW以上时，控制器调整柴油发电机组1以最大功率输出。由柴油发电机组1发出的交流电有极少一部分通过变压器3被应用于辅助控制电源中，剩余绝大部分电能通过AFE整流逆变器8进行整流。同时整车PLC控制器7控制电池管理系统13对锂电池组14放电控制，放出的电能通过DC/DC能量变换器11后与整流后的直流电一起一部分经制动单元5作用在能耗电阻6上，一部分经逆变器9转化为交流电作用在跨运车的起升电机10中完成预定动作。
上述3种策略中，功率参数仅为例举具体实施项目的功率参数，实际可根据模拟出的循环功率曲线图，灵活配备配比柴油机发电机组大小和电池组能力，如减小柴油机的功率选型，可核算出所需增加电池能力，确保两者之间配比最优。
针对上述系统，本发明还公开一种跨运车油电混合自适应动力控制方法，其适用于本发明的系统并对跨运车进行控制。本发明的方法主要包括以下步骤：
判断跨运车当前的运行状态。
调整发电机组的输出功率，其中发电机组的功率输出根据跨运车的工作状态而调整。
将发电机组发出的交流电一部分传输到变压器，另一部分传输到AFE整流逆变器，其中变压器将交流电传输至辅助控制电源。
AFE整流逆变器将交流电整流成直流电，并将直流电传输到制动单元、逆变器和DC/DC能量变换器。其中制动单元将一部分输出至其中的直流电作用于能耗电阻上，DC/DC能量变换器进一步对充放电设备进行充放电，并且充放电设备内设置锂电池组和电池管理系统，并通过整车PLC控制器控制充放电设备的充放电。
逆变器将直流电转换成交流电并作用于大车起升电机；
作为本发明方法的一种优选实施方式，发电机组发出的交流电有极少一部分通过变压器，其余绝大部分电能通过AFE整流逆变器整流成直流电。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (15)

1.一种跨运车油电混合自适应动力系统，其特征在于，包括：
发电机组、变压器、AFE整流逆变器、逆变器、制动单元、大车起升电机、DC/DC能量变换器、充放电设备；
所述发电机组分别连接所述变压器和AFE整流逆变器，所述AFE整流逆变器进一步连接制动单元、逆变器和DC/DC能量变换器，所述逆变器进一步连接所述大车起升电机，所述DC/DC能量变换器进一步连接所述充放电设备；
所述发电机组输出交流电，其一部分通过变压器，另一部分通过所述AFE整流逆变器整流成直流电，所述直流电一部分输出至所述制动单元，一部分经过所述逆变器转化为交流电后作用于所述大车起升电机，还有一部分输出至所述DC/DC能量变换器。
2.如权利要求1所述的跨运车油电混合自适应动力系统，其特征在于，还包括电控屏，所述电控屏连接所述发电机组。
3.如权利要求1所述的跨运车油电混合自适应动力系统，其特征在于，还包括辅助控制电源，所述辅助控制电源连接所述变压器。
4.如权利要求1所述的跨运车油电混合自适应动力系统，其特征在于，还包括能耗电阻，所述能耗电阻连接所述制动单元，一部分输出至制动单元的直流电作用于所述能耗电阻上。
5.如权利要求1所述的跨运车油电混合自适应动力系统，其特征在于，还包括整车PLC控制器，所述整车PLC控制器连接至所述充放电设备，并控制所述充放电设备进行充放电。
6.如权利要求1所述的跨运车油电混合自适应动力系统，其特征在于，所述充放电设备包括锂电池组和电池管理系统，所述锂电池组连接至所述DC/DC能量变换器，所述电池管理系统连接至所述锂电池组。
7.如权利要求6所述的跨运车油电混合自适应动力系统，其特征在于，还包括锂电池柜，所述锂电池组和电池管理系统设置于所述锂电池柜中。
8.如权利要求1所述的跨运车油电混合自适应动力系统，其特征在于，发电机组发出的交流电有极少一部分通过变压器，其余绝大部分电能通过AFE整流逆变器整流成直流电。
9.如权利要求1所述的跨运车油电混合自适应动力系统，其特征在于，发电机组的功率输出根据跨运车的工作状态而调整。
10.一种跨运车油电混合自适应动力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
判断跨运车当前的运行状态；
调整发电机组的输出功率；
将发电机组发出的交流电一部分传输到变压器，另一部分传输到AFE整流逆变器；
AFE整流逆变器将交流电整流成直流电，并将直流电传输到制动单元、逆变器和DC/DC能量变换器；
逆变器将直流电转换成交流电并作用于大车起升电机；
DC/DC能量变换器进一步对充放电设备进行充放电。
11.如权利要求10所述的跨运车油电混合自适应动力控制方法，其特征在于，变压器将交流电传输至辅助控制电源。
12.如权利要求10所述的跨运车油电混合自适应动力控制方法，其特征在于，制动单元将一部分输出至其中的直流电作用于能耗电阻上。
13.如权利要求10所述的跨运车油电混合自适应动力控制方法，其特征在于，充放电设备内设置锂电池组和电池管理系统，并通过整车PLC控制器控制所述充放电设备的充放电。
14.如权利要求10所述的跨运车油电混合自适应动力控制方法，其特征在于，发电机组发出的交流电有极少一部分通过变压器，其余绝大部分电能通过AFE整流逆变器整流成直流电。
15.如权利要求10所述的跨运车油电混合自适应动力控制方法，其特征在于，发电机组的功率输出根据跨运车的工作状态而调整。
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