CN112456391A - 一种电动叉车节能驾驶辅助系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动叉车节能驾驶辅助系统及其控制方法，属于电动叉车节能技术领域，包括电子控制单元、用于控制叉车前进后退的电机、用于提供电源的蓄电池和用于控制电机旋转速度的电机控制器、用于检测电机转速的转速传感器和用于检测叉车车速的车速传感器，电子控制单元输出端与电机控制器输入端相连，电机控制器输出端与电机输入端相连，蓄电池电能输出端与电机控制器、电子控制单元相连；转速传感器输出端、车速传感器输出端与电子控制单元输入端相连；电机输出端与叉车车轮输入端相连。本发明的有益效果是：通过传感器识别电动叉车的作业工况，对电动叉车的制动能量和势能进行回收，将其转化为电能存储在蓄电池中，提高能量的利用率。

Description

一种电动叉车节能驾驶辅助系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电动叉车节能技术领域，具体而言，涉及一种电动叉车节能驾驶辅助系统及其控制方法。

背景技术

叉车作为一种搬运货物的车辆，在多个行业中都发挥着重要作用。随着环保法规对内燃叉车排放要求的不断提高，电动叉车赢得了市场的青睐。电动叉车与内燃叉车相比，噪声小，排放更少，节能环保。电动叉车进行作业时，蓄电池对驱动电机和液压电机供电，保证叉车前进、后退、货物举升、货物下降工况能够顺利完成，其中货物举升和货物下降工况消耗电能占比超过75％，前进和后退工况消耗电能占比低于25％。

电动叉车通过变频调速技术克服传统的液压速度控制技术的不足以及通过交流电机取代直流电机，提高了叉车工作效率，降低了能耗。负载敏感技术是一种根据负载的需求实时调节系统所需压力和流量的技术，电动叉车通过负载敏感技术调节液压油压力和流量的大小，降低电能消耗。

现有技术中部分电动叉车通过液压系统举升机构势能回收技术和制动能量回收技术来提升叉车的电能利用率，但缺乏合理高效的电机控制方案和能量管理系统；此外，电动叉车仅对电机特性与叉车工作时的实际功率要求进行了匹配，而在驾驶员进行前进、后退、货物举升、货物下降等基本驾驶操作时，没有根据叉车工况来控制电机的扭矩和功率输出，因此大大降低了能量的使用效率。

发明内容

针对现有技术中在驾驶员进行前进、后退、货物举升、货物下降等基本驾驶操作时，没有根据叉车工况来控制电机的扭矩和功率输出导致大大降低了能量使用效率及缺乏合理高效的电机控制方案和能量管理系统的问题，本发明提供了一种电动叉车节能驾驶辅助系统包括电子控制单元、用于控制叉车前进后退的电机、用于提供电源的蓄电池和用于控制所述电机旋转速度的电机控制器、用于检测所述电机转速的转速传感器和用于检测所述叉车车速的车速传感器，所述电子控制单元输出端与所述电机控制器输入端相连，所述电机控制器输出端与所述电机输入端相连，所述蓄电池电能输出端与所述电机控制器、所述电子控制单元相连；所述转速传感器输出端、所述车速传感器输出端与所述电子控制单元输入端相连；叉车车轮、传动轴和电机上形成有用于将其动能势能转化为电能的电能回收单元，所述电能回收单元电能输出端与所述蓄电池电能输入端相连，所述电机输出端与所述叉车车轮输入端相连。

优选的，还包括用于控制叉车货物升降的液压举升机构和用于检测叉车受到货物压力的压力传感器，所述液压举升机构输入端与所述电机输出端相连，所述压力传感器输出端与所述电子控制单元输入端相连。

当电动叉车作业时，通过压力传感器、车速传感器、转速传感器采集电信号，并传递到电子控制单元，电子控制单元依据电信号的强弱判断当前的作业工况。根据电动叉车工况和负载的不同，通过电子控制单元对电机扭矩和功率输出进行控制。以工作载荷、叉车行驶速度、电机转速、操作开关信号的信息作为信号输入，电子控制单元计算输出电机的扭矩和输出功率，并以闭环反馈方式不断地改变电机的扭矩和输出功率，以满足当前工况需求。将根据电子控制单元计算得到的电机扭矩和输出功率通过电信号传递给电机控制器，从而电机控制器控制电机转速，并根据所需扭矩控制蓄电池输入电机的电流大小，保证电机可以输出符合不同工况下所需的扭矩和功率。因此，在不同工况下，电机都处于节能的工作区间。

优选的，还包括用于控制电机转速及电能回收组件的能量管理系统，所述能量管理系统输出端与所述电能回收组件输入端、蓄电池输入端相连；所述能量管理系统与所述电子控制单元双向连接；所述蓄电池电能输出端与所述能量管理系统电能输入端相连。

优选的，所述电能回收组件包括势能回收单元，所述势能回收单元输入端与所述液压举升机构输出端相连。

优选的，所述电能回收组件还包括制动回收单元，所述制动回收单元输入端与所述电机输出端、所述叉车车轮及传动轴相连。

优选的，当叉车在货物下降工况时，所述能量管理系统控制所述叉车液压举升机构中的变量液压泵转速v_m：

变量液压泵流量：

式中:q_hm为变量马达流量，单位：L/min；D为升降油缸缸筒直径，单位：m；v_c为升降油缸柱塞运动速度，单位：m/s；η_c为升油缸工作效率；η_hm为变量马达容积效率；Q_hm为变量马达排量，单位：m³。

变量液压泵输出扭矩T_hm为：

式中：P_hm变量马达入口压力，单位：Pa；η变量马达总效率。

优选的，变压液压泵的变量液压泵模型：

式中：w_hm变量马达角速度，单位：s^-1；T_g发电机的电磁阻力，单位：N·m；T_f为液压马达与发电机相连等效到变量马达上的摩擦力矩，单位：N·m；J_hm为变量马达与发电机相连等效到液压马达上的转动惯量，单位：kg/m³；T_g为发电机电磁阻力，单位：N·m。

优选的，货物下降工况时，其动力学方程：

v＝v₀+at

m＝m₀+m₂+0.5m₁+0.5m₃

式中:m₀为负载质量单位：kg；m₁为内门架质量，单位：kg；m₂为货叉架及货叉质量，单位：kg；m₃为升降油缸运动部分质量，单位：kg；g为重力加速度，单位：m/s²；F_c为升降油缸活塞杆受力，单位：N；F_f门架运动的摩擦阻力，单位：N；a为货叉下降加速度，单位：m/s²；σ为门架旋转质量系数；v为门架下降速度，单位：m/s；v₀为门架初速度，单位：m/s；t为下降时间，单位：s；

升降油缸的力平衡方程：

F_c-p_cA_c＝m₃a_c+b_cv_c+f_fc

式中:p_c为升降油缸缸筒内压力，单位：Pa；A_c为升降油缸柱塞面积，单位：m²；b_c为升降油缸运动部件及负载的粘性阻尼，单位：Ns/m；v_c为升降油缸柱塞运动速度，单位：m/s；a_c为柱塞加速度，单位：m/s²。

本发明还提供了一种电动叉车节能驾驶辅助系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一，电子控制单元通过电机控制器控制电机旋转，完成电动叉车的前进、后退、货物举升、货物下降；

步骤二，转速传感器、压力传感器和车速传感器识别电动叉车的工况环境，并将信息经电子控制单元，传递给能量管理系统；

步骤三，能量管理系统根据电动叉车所处工况环境制定能量回收及电机控制方案，并将电机控制方案传递给电子控制单元，由电子控制单元经电机控制器控制电机的扭矩和功率；将能量回收方案传递给电能回收组件，由电能回收组件将动能和势能转化为电能后存储到蓄电池中。

优选的，当叉车在货物下降工况时，所述能量管理系统控制所述叉车液压举升机构中的变量液压泵转速v_m：

变量液压泵流量：

式中：q_hm为变量马达流量，单位：L/min；D为升降油缸缸筒直径，单位：m；v_c为升降油缸柱塞运动速度，单位：m/s；η_c为升油缸工作效率；η_hm为变量马达容积效率；Q_hm为变量马达排量，单位：m³。

变量液压泵输出扭矩T_hm为:

式中：P_hm变量马达入口压力，单位：Pa；η变量马达总效率。

故电动叉车通过设置本发明的电动叉车节能驾驶辅助系统可实现：当车速传感器识别到电动叉车在前进或后退工况下制动时，通过制动回收单元将动能转化为电能存储在蓄电池中；当压力传感器识别到电动叉车处于货物下降工况时，通过势能回收单元将势能转化为电能存储在蓄电池中，即通过传感器识别电动叉车的作业工况，对电动叉车的制动能量和势能进行回收，将其转化为电能存储在蓄电池中，提高能量的利用率。

有益效果：

采用本发明技术方案产生的有益效果如下：

(1)将根据电子控制单元计算得到的电机扭矩和输出功率通过电信号传递给电机控制器，从而电机控制器控制电机转速，并根据所需扭矩控制蓄电池输入电机的电流大小，保证电机可以输出符合不同工况下所需的扭矩和功率。因此，在不同工况下，电机都处于节能的工作区间。

(2)电动叉车通过设置本发明的电动叉车节能驾驶辅助系统可实现，当车速传感器识别到电动叉车在前进或后退工况下制动时，通过制动回收单元将动能转化为电能存储在蓄电池中；当压力传感器识别到电动叉车处于货物下降工况时，通过势能回收单元将势能转化为电能存储在蓄电池中，即通过传感器识别电动叉车的作业工况，对电动叉车的制动能量和势能进行回收，将其转化为电能存储在蓄电池中，提高能量的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的电动叉车节能驾驶辅助系统中控制流程示意图；

图2是本发明的电动叉车节能驾驶辅助系统中能量转换关系流程示意图。

图中：

1-电子控制单元；2-电机；3-蓄电池；4-电机控制器；5-转速传感器；6-车速传感器；7-叉车车轮；8-液压举升机构；9-压力传感器；10-电能回收组件；11-能量管理系统；12-势能回收单元；13-制动回收单元。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1至2所示，本发明提供了一种电动叉车节能驾驶辅助系统包括电子控制单元1、用于控制叉车前进后退的电机2、用于提供电源的蓄电池3和用于控制所述电机2旋转速度的电机控制器4、用于检测所述电机2转速的转速传感器5和用于检测所述叉车车速的车速传感器6，所述电子控制单元1输出端与所述电机控制器4输入端相连，所述电机控制器4输出端与所述电机2输入端相连，所述蓄电池3电能输出端与所述电机控制器4、所述电子控制单元1相连；所述转速传感器5输出端、所述车速传感器6输出端与所述电子控制单元1输入端相连；叉车车轮7、传动轴和电机2上形成有用于将其动能势能转化为电能的电能回收单元，所述电能回收单元电能输出端与所述蓄电池3电能输入端相连，所述电机2输出端与所述叉车车轮7输入端相连。

作为一种优选的实施方式，还包括用于控制叉车货物升降的液压举升机构8和用于检测叉车受到货物压力的压力传感器9，所述液压举升机构8输入端与所述电机2输出端相连，所述压力传感器9输出端与所述电子控制单元1输入端相连。

当电动叉车作业时，通过压力传感器9、车速传感器6、转速传感器5采集电信号，并传递到电子控制单元1，电子控制单元1依据电信号的强弱判断当前的作业工况。根据电动叉车工况和负载的不同，通过电子控制单元1对电机2扭矩和功率输出进行控制。以工作载荷、叉车行驶速度、电机2转速、操作开关信号的信息作为信号输入，电子控制单元1计算输出电机2的扭矩和输出功率，并以闭环反馈方式不断地改变电机2的扭矩和输出功率，以满足当前工况需求。将根据电子控制单元1计算得到的电机2扭矩和输出功率通过电信号传递给电机控制器4，从而电机控制器4控制电机2转速，并根据所需扭矩控制蓄电池3输入电机2的电流大小，保证电机2可以输出符合不同工况下所需的扭矩和功率。因此，在不同工况下，电机2都处于节能的工作区间。

作为一种优选的实施方式，还包括用于控制电机2转速及电能回收组件10的能量管理系统11，所述能量管理系统11输出端与所述电能回收组件10输入端、蓄电池3输入端相连；所述能量管理系统11与所述电子控制单元1双向连接；所述蓄电池3电能输出端与所述能量管理系统11电能输入端相连。

作为一种优选的实施方式，所述电能回收组件10包括势能回收单元12，所述势能回收单元12输入端与所述液压举升机构8输出端相连。

作为一种优选的实施方式，所述电能回收组件10还包括制动回收单元13，所述制动回收单元13输入端与所述电机2输出端、所述叉车车轮7及传动轴相连。

作为一种优选的实施方式，当叉车在货物下降工况时，所述能量管理系统11控制所述叉车液压举升机构8中的变量液压泵转速v_m：

变量液压泵流量：

式中:q_hm为变量马达流量，单位：L/min；D为升降油缸缸筒直径，单位：m；v_c为升降油缸柱塞运动速度，单位：m/s；η_c为升油缸工作效率；η_hm为变量马达容积效率；Q_hm为变量马达排量，单位：m³。

变量液压泵输出扭矩T_hm为：

式中：P_hm变量马达入口压力，单位：Pa；η变量马达总效率。

作为一种优选的实施方式，变压液压泵的变量液压泵模型：

式中：w_hm变量马达角速度，单位：s^-1；T_g发电机的电磁阻力，单位：N·m；T_f为液压马达与发电机相连等效到变量马达上的摩擦力矩，单位：N·m；J_hm为变量马达与发电机相连等效到液压马达上的转动惯量，单位：kg/m³；T_g为发电机电磁阻力，单位：N·m。

作为一种优选的实施方式，货物下降工况时，其动力学方程：

v＝v₀+at

m＝m₀+m₂+0.5m₁+0.5m₃

式中:m₀为负载质量单位：kg；m₁为内门架质量，单位：kg；m₂为货叉架及货叉质量，单位：kg；m₃为升降油缸运动部分质量，单位：kg；g为重力加速度，单位：m/s²；F_c为升降油缸活塞杆受力，单位：N；F_f门架运动的摩擦阻力，单位：N；a为货叉下降加速度，单位：m/s²；σ为门架旋转质量系数；v为门架下降速度，单位：m/s；v₀为门架初速度，单位：m/s；t为下降时间，单位：s；

升降油缸的力平衡方程：

F_c-p_cA_c＝m₃a_c+b_cv_c+f_fc

式中:p_c为升降油缸缸筒内压力，单位：Pa；A_c为升降油缸柱塞面积，单位：m²；b_c为升降油缸运动部件及负载的粘性阻尼，单位：Ns/m；v_c为升降油缸柱塞运动速度，单位：m/s；a_c为柱塞加速度，单位：m/s²。

本实施方式还提供了一种电动叉车节能驾驶辅助系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一，电子控制单元1通过电机控制器4控制电机2旋转，完成电动叉车的前进、后退、货物举升、货物下降；

步骤二，转速传感器5、压力传感器9和车速传感器6识别电动叉车的工况环境，并将信息经电子控制单元1，传递给能量管理系统11；

步骤三，能量管理系统11根据电动叉车所处工况环境制定能量回收及电机控制方案，并将电机控制方案传递给电子控制单元1，由电子控制单元1经电机控制器4控制电机2的扭矩和功率；将能量回收方案传递给电能回收组件10，由电能回收组件10将动能和势能转化为电能后存储到蓄电池3中。

作为一种优选的实施方式，当叉车在货物下降工况时，所述能量管理系统11控制所述叉车液压举升机构8中的变量液压泵转速v_m：

变量液压泵流量：

式中：q_hm为变量马达流量，单位：L/min；D为升降油缸缸筒直径，单位：m；v_c为升降油缸柱塞运动速度，单位：m/s；η_c为升油缸工作效率；η_hm为变量马达容积效率；Q_hm为变量马达排量，单位：m³。

变量液压泵输出扭矩T_hm为:

式中：P_hm变量马达入口压力，单位：Pa；η变量马达总效率。

故电动叉车通过设置本发明的电动叉车节能驾驶辅助系统可实现，当车速传感器6识别到电动叉车在前进或后退工况下制动时，通过制动回收单元13将动能转化为电能存储在蓄电池3中；当压力传感器9识别到电动叉车处于货物下降工况时，通过势能回收单元12将势能转化为电能存储在蓄电池3中，即通过传感器识别电动叉车的作业工况，对电动叉车的制动能量和势能进行回收，将其转化为电能存储在蓄电池3中，提高能量的利用率。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动叉车节能驾驶辅助系统，其特征在于，包括电子控制单元、用于控制叉车前进后退的电机、用于提供电源的蓄电池和用于控制所述电机旋转速度的电机控制器、用于检测所述电机转速的转速传感器和用于检测所述叉车车速的车速传感器，所述电子控制单元输出端与所述电机控制器输入端相连，所述电机控制器输出端与所述电机输入端相连，所述蓄电池电能输出端与所述电机控制器、所述电子控制单元相连；所述转速传感器输出端、所述车速传感器输出端与所述电子控制单元输入端相连；叉车车轮、传动轴和电机上形成有用于将其动能势能转化为电能的电能回收单元，所述电能回收单元电能输出端与所述蓄电池电能输入端相连，所述电机输出端与所述叉车车轮输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种电动叉车节能驾驶辅助系统，其特征在于，还包括用于控制叉车货物升降的液压举升机构和用于检测叉车受到货物压力的压力传感器，所述液压举升机构输入端与所述电机输出端相连，所述压力传感器输出端与所述电子控制单元输入端相连。

3.根据权利要求2所述的一种电动叉车节能驾驶辅助系统，其特征在于，还包括用于控制电机转速及电能回收组件的能量管理系统，所述能量管理系统输出端与所述电能回收组件输入端、蓄电池输入端相连；所述能量管理系统与所述电子控制单元双向连接；所述蓄电池电能输出端与所述能量管理系统电能输入端相连。

4.根据权利要求3所述的一种电动叉车节能驾驶辅助系统，其特征在于，所述电能回收组件包括势能回收单元，所述势能回收单元输入端与所述液压举升机构输出端相连。

5.根据权利要求4所述的一种电动叉车节能驾驶辅助系统，其特征在于，所述电能回收组件还包括制动回收单元，所述制动回收单元输入端与所述电机输出端、所述叉车车轮及传动轴相连。

6.根据权利要求5所述的一种电动叉车节能驾驶辅助系统，其特征在于，当叉车在货物下降工况时，所述能量管理系统控制所述叉车液压举升机构中的变量液压泵转速v_m：

变量液压泵流量：

式中:q_hm为变量马达流量，单位：L/min；D为升降油缸缸筒直径，单位：m；v_c为升降油缸柱塞运动速度，单位：m/s；η_c为升油缸工作效率；η_hm为变量马达容积效率；Q_hm为变量马达排量，单位：m³。

变量液压泵输出扭矩T_hm为：

式中：P_hm变量马达入口压力，单位：Pa；η变量马达总效率。

7.根据权利要求6所述的一种电动叉车节能驾驶辅助系统，其特征在于，变压液压泵的变量液压泵模型：

式中：w_hm变量马达角速度，单位：s^-1；T_g发电机的电磁阻力，单位：N·m；T_f为液压马达与发电机相连等效到变量马达上的摩擦力矩，单位：N·m；J_hm为变量马达与发电机相连等效到液压马达上的转动惯量，单位：kg/m³；T_g为发电机电磁阻力，单位：N·m。

8.根据权利要求7所述的一种电动叉车节能驾驶辅助系统，其特征在于，货物下降工况时，其动力学方程：

v＝v₀+at

m＝m₀+m₂+0.5m₁+0.5m₃

式中:m₀为负载质量单位：kg；m₁为内门架质量，单位：kg；m₂为货叉架及货叉质量，单位：kg；m₃为升降油缸运动部分质量，单位：kg；g为重力加速度，单位：m/s²；F_c为升降油缸活塞杆受力，单位：N；F_f门架运动的摩擦阻力，单位：N；a为货叉下降加速度，单位：m/s²；σ为门架旋转质量系数；v为门架下降速度，单位：m/s；v₀为门架初速度，单位：m/s；t为下降时间，单位：s；

升降油缸的力平衡方程：

F_c-p_cA_c＝m₃a_c+b_cv_c+f_fc

式中:p_c为升降油缸缸筒内压力，单位：Pa；A_c为升降油缸柱塞面积，单位：m²；b_c为升降油缸运动部件及负载的粘性阻尼，单位：Ns/m；v_c为升降油缸柱塞运动速度，单位：m/s；a_c为柱塞加速度，单位：m/s²。

9.一种电动叉车节能驾驶辅助系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，电子控制单元通过电机控制器控制电机旋转，完成电动叉车的前进、后退、货物举升、货物下降；

步骤二，转速传感器、压力传感器和车速传感器识别电动叉车的工况环境，并将信息经电子控制单元，传递给能量管理系统；

步骤三，能量管理系统根据电动叉车所处工况环境制定能量回收及电机控制方案，并将电机控制方案传递给电子控制单元，由电子控制单元经电机控制器控制电机的扭矩和功率；将能量回收方案传递给电能回收组件，由电能回收组件将动能和势能转化为电能后存储到蓄电池中。

10.根据权利要求9所述的一种电动叉车节能驾驶辅助系统的控制方法，其特征在于，当叉车在货物下降工况时，所述能量管理系统控制所述叉车液压举升机构中的变量液压泵转速v_m：

变量液压泵流量：

式中：q_hm为变量马达流量，单位：L/min；D为升降油缸缸筒直径，单位：m；v_c为升降油缸柱塞运动速度，单位：m/s；η_c为升油缸工作效率；η_hm为变量马达容积效率；Q_hm为变量马达排量，单位：m³。

变量液压泵输出扭矩T_hm为:

式中：P_hm变量马达入口压力，单位：Pa；η变量马达总效率。

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