CN112158104A - 一种电动化汽车起重机的电能管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车起重机技术领域，具体涉及一种电动化汽车起重机的电能管理系统。包括电力管理模块HCM、电力保护分电模块PDM、上装驱动系统、动力电池管理系统BMS、底盘电机PE0和底盘发动机ECU；动力电池管理系统BMS的SOC信号输出端与电力管理模块HCM的SOC信号输入端连接，电力管理模块HCM的控制信号输出端分别与上装驱动系统、电力保护分电模块PDM、底盘电机PE0和底盘发动机ECU连接，电力保护分电模块PDM的电力传输端分别与上装驱动系统、动力电池管理系统BMS、底盘电机PE0的电力传输端连接。为上装的作业系统持续工作提供电力保障同时达到最低的燃油消耗，并在行驶工况下改变发动机工况，提高在经济区域的工况占比。

Description

一种电动化汽车起重机的电能管理系统

技术领域

本发明涉及汽车起重机技术领域，具体涉及一种电动化汽车起重机的电能管理系统。

背景技术

在汽车起重机行业，存在两种系统架构。

主流的是发动机飞轮端集成带机械分离系统的取力器的传统燃油轮式车辆，优点是适合起重机在各种工地作业，缺陷是作业时需发动机持续驱动液压系统工作且底盘发动机的功率富裕量大，结合其间歇性作业的特点，在作业时需要消耗的燃油产生有用功占比低，即燃油利用率低。

另一种是行业在研发的纯电动化结构，该结构取消了发动机，采用容量大的动力电池做能量源。优点是电力能源价格低，使用费用便宜，且整车结构简洁。缺陷：成本高且对作业环境要求。原因是1、需要起重机持续作业1天时电池的成本决定其中机价格昂贵；2、纯电起重机使用时需外界提供可充电的电源补给，工程机械常用的野外如桥隧架设、风力发电建设等环境适用性受限；3、起重机自重大，纯电驱动的起重机转适合<20km范围转场，恶劣环境行驶范围更小。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种电动化汽车起重机的电能管理系统的方案，它能够在为上装的作业系统持续工作提供电力保障的同时达到最低的燃油消耗。

本发明的其技术方案为：一种电动化汽车起重机的电能管理系统，它包括电力管理模块HCM、电力保护分电模块PDM、上装驱动系统、动力电池管理系统BMS、底盘电机PE0和底盘发动机ECU；

所述动力电池管理系统BMS的SOC信号输出端与电力管理模块HCM的SOC信号输入端连接，所述电力管理模块HCM的控制信号输出端分别与上装驱动系统、电力保护分电模块PDM、底盘电机PE0和底盘发动机ECU连接，所述电力保护分电模块PDM的电力传输端分别与上装驱动系统、动力电池管理系统BMS、底盘电机PE0的电力传输端连接。

较为优选的，还包括放电制动电阻，所述放电制动电阻与电力保护分电模块PDM连接。

较为优选的，所述电力管理模块HCM通过CAN1总线与底盘电机PE0和底盘发动机ECU连接，所述电力管理模块HCM通过CAN2总线与上装驱动系统连接。

较为优选的，当起重机处于作业工况时，若电力管理模块HCM监测到动力电池的电量低于设定的第一电量阈值，则控制底盘电机PE0发电，并通过电力保护分电模块PDM同时为动力电池管理系统BMS和上装驱动系统供电，直至动力电池的电量不小于设定的第二电量阈值；

所述第一电量阈值小于第二电量阈值。

较为优选的，所述控制底盘电机PE0发电包括：

电力管理模块HCM控制电力保护分电模块PDM将底盘电机PE0的电力信号输入端接入至动力电池管理系统BMS；

电力管理模块HCM向底盘电机PE0输入发动机怠速转速信号；

底盘电机PE0根据接收到的发动机怠速转速信号拖启底盘发动机ECU进入怠速状态。

较为优选的，所述控制底盘电机PE0发电包括：

当底盘发动机ECU怠速运转达到设定时长后，电力管理模块HCM控制底盘发动机ECU运行在预先标定的经济转速区；

电力管理模块HCM根据所述经济转速区的转速范围，对底盘发动机ECU的输出扭矩进行预置，并控制底盘电机PE0在预置的所述输出扭矩下运行。

较为优选的，当起重机处于作业工况时，若电力管理模块HCM监测到动力电池的电量大于设定的第二电量阈值，则控制电力保护分电模块PDM接入放电制动电阻进行放电。

较为优选的，所述上装驱动系统包括卷扬机PE3；

当起重机处于作业工况时，若卷扬机PE3处于工作状态，且电力管理模块HCM监测到动力电池的电量大于等于设定的第一电量阈值，小于等于设定的第二电量阈值时，卷扬机PE3回收能量并通过电力保护分电模块PDM存储至动力电池中。

较为优选的，当起重机处于行车工况时；

若车速小于等于设定的车速阈值，且底盘发动机ECU的输出扭矩大于等于设定的扭矩阈值，且动力电池的电量大于等于第一电量阈值时，电力管理模块HCM控制底盘电机PE0输出扭矩值T0，所述扭矩值T0＝(1800-n)*a0；

其中，当扭矩值T0为正值时，底盘电机PE0输出扭矩为T0，当扭矩值T0为负值时，底盘电机PE0输出扭矩为0；

其中，a0为在0-0.5范围的系数，n为发动机转速。

较为优选的，当起重机处于行车工况时；

若车速大于设定的车速阈值，且底盘发动机ECU的输出扭矩小于设定的扭矩阈值，且动力电池的电量小于等于设定的第二电量阈值时，电力管理模块HCM控制底盘电机PE0输出扭矩值T1，所述扭矩值T1＝(1800-n)*a1；

其中，当扭矩值T1为负值时，底盘电机PE0输出扭矩为T1，当扭矩值T1为正值时，底盘电机PE0输出扭矩为0；

其中，a1为在0-0.3范围的系数，n为发动机转速。

本发明的有益效果：

1、在汽车起重机上设置电力管理模块HCM、电力保护分电模块PDM、动力电池BMS，配合底盘发电机组，能够实现储能与供电，为上装的作业系统持续工作提供电力保障同时达到最低的燃油消耗。

2、根据起重机的工况对底盘发电机组进行启停控制和对动力电池进行充放电控制，在作业工况下可实现动力电池充电与上装驱动系统的供电，保证作业工况顺利进行，在行车工况可实现行车助力和行车储能，保障起重机的续航。

3、在作业工况下，自动拖启并调速底盘发动机，结合作业工况调速并控制发电机经济区发电，行驶中发动机在经济区的运行比例，实现“运行充电10分钟，上装工作2小时”的节能模式和车辆低速行驶助力、高速行驶发电储能的节油模式。

4、设置放电制动电阻RS，电量过高时，能够自动放电，富裕的电量通过发热释放能量，起到保护动力电池BMS的过充功能。

5、作业工况下，在电量低于90％时，卷扬机工作中回收能量并存储至动力电池，能有效利用能源，进一步节约燃油。

附图说明

图1为本发明一种电动化汽车起重机的电能管理系统连接原理示意图；

图2为本发明作业工况的流程示意图；

图3为本发明作业工况下具体控制逻辑示意图；

图4为本发明行车工况的流程示意图；

图5为本发明行车工况下具体控制逻辑示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，一种电动化汽车起重机的电能管理系统，它包括电力管理模块HCM、电力保护分电模块PDM、上装系统SZS、动力电池管理系统BMS(包括动力电池)、底盘、放电制动电阻RS。

其中，上装系统SZS包括上装管理模块DCM、上装仪表DS和上装驱动系统，上装驱动系统又包括液压电机PE1系统、转台电机PE2系统、卷扬机PE3、高压空调HAC等部件。

底盘包括变速箱TM、底盘电机PE0和底盘发动机ECU，车辆行走模式同传统车辆-发动机飞联接发电机，电机输出轴安装离合器驱动变速箱，经传动轴、车桥、驱动车轮行驶。

电力管理模块HCM通过CAN1总线与底盘电机PE0和底盘发动机ECU连接，所述电力管理模块HCM通过CAN2总线与上装驱动系统连接。电力管理模块HCM支持双路输入，目的是实现网络隔离同时降低网络负载。

动力电池管理系统BMS的SOC信号输出端与电力管理模块HCM的SOC信号输入端连接，电力管理模块HCM的控制信号输出端分别与上装驱动系统、电力保护分电模块PDM、底盘电机PE0和底盘发动机ECU连接，所述电力保护分电模块PDM的电力传输端分别与上装驱动系统、动力电池管理系统BMS、底盘电机PE0、放电制动电阻RS的电力传输端连接。

电力保护分电模块PDM还具备主动电力保护和配电功能，其中的保护机制是实时监测直流母线对地、母线间的绝缘电阻。绝缘电阻的监测原理是母线间、母线对地间注入标准的5V@1KHZ的正旋波源信号，通过带通滤波电路检测出该1KHZ的正旋波反馈的信号波形及幅值，结合内部电路的分压结构，通过实时监测的幅值的大小实时计算绝缘电阻。系统上电前HCM监测PDM状态，当故障后并报警，起到防止损坏电路和人员安全的保护。

一种电动化汽车起重机的电能管理系统的工况分为作业工况和行车工况，其中，作业工况的电能控制流程如图2所示：

电力管理模块HCM从电力CAN2总线监测动力电池管理系统BMS广播的SOC报文，实时监测电量；当电量低时，电力管理模块HCM发送给电力保护分电模块PDM信号，闭合底盘电机PE0和直流母线的主电路，为底盘电机PE0启动发电和对动力电池管理系统BMS充电及上装驱动系统的控制电做系统准备；同时电力管理模块HCM控制附件为底盘发动机ECU和底盘电机PE0的控制系统上电并进行自检，再给底盘电机PE0发送转速报文，拖启底盘发动机；当完成启动后，电力管理模块HCM发动给底盘电机PE0扭矩报文，进行发电，发出的动力电电流经电力保护分电模块PDM母线，同时为动力电池管理系统BMS和上装电力系统供电；最后当监测的动力电池SOC达到满电时，电力管理模块HCM发动给电力保护分电模块PDM信号，断开PE0和直流母线的主电路和辅助的控制电。

作业工况具体控制逻辑如图3所示：

当起重机处于作业工况时；

若电力管理模块HCM监测到动力电池BMS的电量低于设定的第一电量阈值，则控制底盘电机PE0发电，并通过电力保护分电模块PDM同时为动力电池管理系统BMS和上装驱动系统供电，直至动力电池的电量不小于设定的第二电量阈值；第一电量阈值小于第二电量阈值。本实施例中，第一电量阈值为30％，第二电量阈值为90％。

控制底盘电机PE0发电流程如下：

电力管理模块HCM为底盘发动机ECU和PE0上电，控制电力保护分电模块PDM将底盘电机PE0的电力信号输入端接入至动力电池管理系统BMS；

电力管理模块HCM向底盘电机PE0输入发动机怠速转速信号，如700RPM；

底盘电机PE0根据接收到的发动机怠速转速信号拖启底盘发动机ECU进入怠速状态；

当底盘发动机ECU怠速运转达到设定时长(如3S内发动机转速>500RPM)，则发动机启动成功，否则拖启发动机失败，报出启动失败故障；发动机启动成功后，电力管理模块HCM控制底盘发动机ECU运行在预先标定的经济转速区，如1200RPM～1600RPM，为发电准备；

电力管理模块HCM根据经济转速区的转速范围，对底盘发动机ECU的输出扭矩进行预置，并控制底盘电机PE0在预置的所述输出扭矩下运行。其中，若系统需要电量较大时，可适当提高发动机的转速即可提高发电的输出，同时实现在发动机的经济区发电、持续为上装系统供电并同步为电池BMS充电。

当电力管理模块HCM监测到动力电池的电量大于设定的第二电量阈值(即大于90％)，则判断为电池充满，需停止充电。控制电力保护分电模块PDM接入放电制动电阻进行放电。电力管理模块HCM在10S内逐步降低扭矩并传送给PE0，使扭矩值为0后，再停止广播TSC1，此时发动机会回到怠速700RPM运行；当发动机在怠速下运行10S后，电力管理模块HCM再通过CAN1向ECU广播CAN-J1939中Shutdown中的SPN970报文，实现总线停机；最后当读取的发动机转速为0RPM时，电力管理模块HCM再断开底盘电机ECU和底盘电机PE 0的控制电源。

当起重机处于作业工况时，只要动力电池的电量小于等于90％，则还需要判断卷扬机PE3是否处于工作状态，若其处于工作状态，卷扬机PE3回收重物下降回馈的电量并通过电力保护分电模块PDM存储至动力电池中。若此工况下SOC数值在增长说明处于卸货工况其回收电量大于消耗电量。

当起重机处于作业工况时，若电力管理模块HCM监测到动力电池的电量大于设定的第二电量阈值(90％)，则控制电力保护分电模块PDM接入放电制动电阻进行放电。

行车工况的流程如图4所示：

当司机按下行驶助力和发电开关后，电力管理模块HCM发动给电力保护分电模块PDM信号，闭合底盘电机PE0和BMS的动力电路，此状态上装动力系统动力电路和控制电路均为断开状态；然后电力管理模块HCM通过动力CAN实时监测读取汽车仪表广播的车速信号、发动机ECU的转速和扭矩信号、动力电池BMS的SOC报文，经过工况分析处理，最后由电力管理模块HCM发动给底盘电机PE0需求的扭矩报文。

行车工况下具体控制逻辑如图5所示：

在司机按下行车助力和充电开关后，电力管理模块HCM控制先给电力保护分电模块PDM和动力电池BMS上电，再闭合电力保护分电模块PDM中动力电池BMS和底盘电机PE0的动力电路。

车辆起步助力节油方法：在0≤车速≤20km/h、发动机扭矩≥80％、动力电池SOC≥30％时，判断为起步或低速需助力行驶工况，此时电力管理模块HCM控制PE0对车辆助力，助力算法如下：电力管理模块HCM控制底盘电机PE0输出正扭矩(行驶助力)值T0＝(1800-n)*a0，其中：a0为系数并可进行标定，如0-0.5，n为发动机转速，当T0为负值则T0＝0。通过此算法，且发动机转速越低助力越大，使发动机在行驶中尽可能运行在经济区域。

车辆行驶发电储能方法：当车数≥20km/h、发动机扭矩＜80％、SOC≤90％时，判断为车辆正常行驶且发动机具备富裕的能量用于发电，发电算法如下：电力管理模块HCM控制底盘电机PE0输出负扭矩(行驶充电)值T1＝(1000-n)*a1，其中：a1为系数并可进行标定，如0-0.3，n为发动机转速，当T1为正值则T1＝0。通过此算法，实现发动机在低于1000RPM时不发电，保障车辆动力性；高于1000RPM时，随转速上升逐步多取电力，通过改变扭矩改变工况，使发动机在行驶中尽可能多的运行在经济区域。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：包括电力管理模块HCM、电力保护分电模块PDM、上装驱动系统、动力电池管理系统BMS、底盘电机PE0和底盘发动机ECU；

所述动力电池管理系统BMS的SOC信号输出端与电力管理模块HCM的SOC信号输入端连接，所述电力管理模块HCM的控制信号输出端分别与上装驱动系统、电力保护分电模块PDM、底盘电机PE0和底盘发动机ECU连接，所述电力保护分电模块PDM的电力传输端分别与上装驱动系统、动力电池管理系统BMS、底盘电机PE0的电力传输端连接。

2.根据权利要求1所述的电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：还包括放电制动电阻，所述放电制动电阻与电力保护分电模块PDM连接。

3.根据权利要求1所述的电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：所述电力管理模块HCM通过CAN1总线与底盘电机PE0和底盘发动机ECU连接，所述电力管理模块HCM通过CAN2总线与上装驱动系统连接。

4.根据权利要求1所述的电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：当起重机处于作业工况时，若电力管理模块HCM监测到动力电池的电量低于设定的第一电量阈值，则控制底盘电机PE0发电，并通过电力保护分电模块PDM同时为动力电池管理系统BMS和上装驱动系统供电，直至动力电池的电量不小于设定的第二电量阈值；

所述第一电量阈值小于第二电量阈值。

5.根据权利要求4所述的电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：所述控制底盘电机PE0发电包括：

电力管理模块HCM控制电力保护分电模块PDM将底盘电机PE0的电力信号输入端接入至动力电池管理系统BMS；

电力管理模块HCM向底盘电机PE0输入发动机怠速转速信号；

底盘电机PE0根据接收到的发动机怠速转速信号拖启底盘发动机ECU进入怠速状态。

6.根据权利要求4所述的电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：所述控制底盘电机PE0发电包括：

当底盘发动机ECU怠速运转达到设定时长后，电力管理模块HCM控制底盘发动机ECU运行在预先标定的经济转速区；

电力管理模块HCM根据所述经济转速区的转速范围，对底盘发动机ECU的输出扭矩进行预置，并控制底盘电机PE0在预置的所述输出扭矩下运行。

7.根据权利要求2所述的电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：当起重机处于作业工况时，若电力管理模块HCM监测到动力电池的电量大于设定的第二电量阈值，则控制电力保护分电模块PDM接入放电制动电阻进行放电。

8.根据权利要求1所述的电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：所述上装驱动系统包括卷扬机PE3；

当起重机处于作业工况时，若卷扬机PE3处于工作状态，且电力管理模块HCM监测到动力电池的电量大于等于设定的第一电量阈值，小于等于设定的第二电量阈值时，卷扬机PE3回收能量并通过电力保护分电模块PDM存储至动力电池中。

9.根据权利要求1所述的电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：当起重机处于行车工况时；

若车速小于等于设定的车速阈值，且底盘发动机ECU的输出扭矩大于等于设定的扭矩阈值，且动力电池的电量大于等于第一电量阈值时，电力管理模块HCM控制底盘电机PE0输出扭矩值T0，所述扭矩值T0＝(1800-n)*a0；

其中，当扭矩值T0为正值时，底盘电机PE0输出扭矩为T0，当扭矩值T0为负值时，底盘电机PE0输出扭矩为0；

其中，a0为在0-0.5范围的系数，n为发动机转速。

10.根据权利要求4所述的电动化汽车起重机的电能管理系统，其特征在于：当起重机处于行车工况时；

若车速大于设定的车速阈值，且底盘发动机ECU的输出扭矩小于设定的扭矩阈值，且动力电池的电量小于等于设定的第二电量阈值时，电力管理模块HCM控制底盘电机PE0输出扭矩值T1，所述扭矩值T1＝(1800-n)*a1；

其中，当扭矩值T1为负值时，底盘电机PE0输出扭矩为T1，当扭矩值T1为正值时，底盘电机PE0输出扭矩为0；

其中，a1为在0-0.3范围的系数，n为发动机转速。

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