CN113306400B - 一种电动叉车混合能量控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动叉车混合能量控制系统，包括电池能量管理单元、锂电池总成、电机控制器、继电器和电机；所述电池能量管理单元包括第一控制器、第一接触器和超级电容，所述锂电池总成包括第二控制器、DC‑DC低压直流电源、锂电池模组和第二接触器；所述第一控制器通过CAN总线分别与第二控制器、电机控制器通讯。本发明还公开了一种电动叉车混合能量控制系统的控制方法。本发明解决了电动叉车在启动时产生的峰值功率对电池造成的不利影响，同时超级电容迅速放电的能力也可以弥补锂电池功率的不足；在电动叉车制动时，超级电容由于其快速的充电能力，可以迅速的将制动产生的能量回收，提高了能量的回收利用率，同时也可以为锂电池的电量进行补充。
Description
技术领域
本发明涉及电动叉车技术领域，尤其是一种电动叉车混合能量控制系统及控制方法。
背景技术
电动叉车凭借其优越的特性开始慢慢取代内燃叉车，但由于蓄电池的续航能力短和电池能量利用率低的原因阻碍了电动叉车的发展，因此，如何提高电池容量以及提高能源回收率日益显得尤其重要。目前，电动叉车能量回收主要是依靠叉车制动时，电机充当发电机将机械能转化为电能给电池充电，或者门架系统下降时液压驱动发电机将重力势能转化为电能。由于电动叉车的工况较为复杂，需要频繁的启动和制动，因此这对于蓄电池使用寿命和电芯保护是不利的，由于频繁的启动和制动会对蓄电池造成过功率、多电流的损害，这严重影响蓄电池的能量回收和使用寿命。
超级电容是通过对电解质进行极化从而达到储能目的的电化学原件，由于其具有活性炭多孔电极与电解质组成的双电层结构，使其具有大容量储能空间，并且储能过程不发生化学反应且可逆，可反复充放电数十万次，同时具有大电流快速充放电的特性，本身具有电流充放电时间短、比功率高、比能量高、循环寿命长、工作温度宽等特点，因此适合电动叉车大电流、较大峰值功率的特点。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种解决了电动叉车在启动时产生的峰值功率对电池造成的不利影响，同时弥补锂电池功率的不足，在电动叉车制动时，能够迅速地将制动产生的能量回收，提高能量的回收利用率，同时为锂电池的电量进行补充的电动叉车混合能量控制系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种电动叉车混合能量控制系统，包括电池能量管理单元、锂电池总成、电机控制器、继电器和电机；所述电池能量管理单元包括第一控制器、第一接触器和超级电容，所述锂电池总成包括第二控制器、DC-DC低压直流电源、锂电池模组和第二接触器；所述第一控制器通过CAN总线分别与第二控制器、电机控制器通讯。
所述第一控制器的控制端与第一接触器的线圈相连，第一接触器开关的动触点分别与第二接触器开关的动触点、继电器开关的动触点相连，第一接触器开关的静触点与超级电容的正极相连，超级电容的负极与锂电池模组的负极、电机控制器的直流负极端共地；所述第二控制器的控制端与第二接触器的线圈相连，第二接触器开关的静触点与锂电池模组的正极相连，第二控制器的电源端与DC-DC低压直流电源的输出端相连，DC-DC低压直流电源的输入端接在锂电池模组的正负极的两端。
所述电机控制器的直流正极端与继电器开关的静触点相连，电机控制器的三相交流端与电机相连。
所述第一接触器和第二接触器均为直流接触器；所述电机为交流电机。
本发明的另一目的在于提供一种电动叉车混合能量控制系统的控制方法，该方法包括对电动叉车放电和制动能量回收两个过程进行控制，
（1）电动叉车放电过程：
整车启动时，电池能量管理单元实时获取超级电容和锂电池模组两者的SOC值，若超级电容SOC值和锂电池模组SOC值都低于10%，整车报警电量过低，停车充电；
若超级电容和锂电池模组的SOC值均大于10%，电池能量管理单元与锂电池总成、电机控制器实时CAN通信，第一控制器的控制端输出控制电流使第一接触器的线圈上电，闭合第一接触器的开关，同时电机控制器的控制端控制继电器开关闭合，使放电回路导通，由超级电容给电机控制器供电，电机控制器将超级电容的直流电转化为三相交流电驱动电机运转；等待叉车启动之后，第一控制器断开第一接触器的开关，同时第二控制器的控制端输出控制电流使第二接触器的线圈上电，闭合第二接触器的开关，此时由锂电池总成给电机控制器供电；
若超级电容SOC值在10%以下，锂电池模组SOC值高于10%，第一控制器控制第一接触器的开关闭合，同时第二控制器控制第二接触器的开关，先使锂电池模组给超级电容供电，然后再给驱动电机供电；
若超级电容SOC值高于10%，锂电池模组SOC值低于10%，则第一控制器控制第一接触器的开关闭合，第二控制器控制第二接触器的开关闭合，此时超级电容给锂电池模组充电，然后两者一起给整车运行供电；
（2）电动叉车制动能量回收过程：
整车制动时，电池能量管理单元实时获取超级电容和锂电池模组两者的SOC值，若检测到的锂电池模组和超级电容SOC都低于10%，整车直接报警电量过低，停车充电；
若锂电池模组SOC值高于10%，超级电容SOC值低于10%以下，第一控制器控制第一接触器的开关闭合，驱动电机产生的交流电通过电机控制器转化为直流电为超级电容充电，此时若超级电容的电量仍低于10%，则第二控制器控制第二接触器的开关闭合，由锂电池模组继续为超级电容充电直至电量达到正常范围；
若锂电池模组SOC值低于10%，超级电容SOC值高于10%，则第二控制器控制第二接触器的开关闭合，此时驱动电机产生的电能优先为锂电池模组充电，若锂电池模组SOC依然低于10%，第一控制器控制第一接触器的开关闭合，使超级电容为锂电池模组充电直至达到正常范围；
若锂电池模组SOC和超级电容SOC都大于10%，此时电池能量管理单元比较两者的SOC值大小，对SOC值较低的优先给与充电直至充满，若锂电池模组满电时，则第二控制器控制第二接触器的开关断开；若超级电容满电时，则第一控制器控制第一接触器的开关断开。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明在电动叉车具有频繁启动、制动的工况条件下，结合超级电容具有大电流、大峰值功率、快速充放电的优点以及锂电池能量密度大的特点，设计了本系统，一方面解决了电动叉车在启动时产生的峰值功率对电池造成的不利影响，同时超级电容迅速放电的能力也可以弥补锂电池功率的不足，另一方面在电动叉车制动时，超级电容由于其快速的充电能力，可以迅速的将制动产生的能量回收，提高了能量的回收利用率，同时也可以为锂电池的电量进行补充；第二，本发明提供了一种以超级电容为辅助电源的控制方法；第三，本发明结合超级电容和锂电池的特点发明了一种混合能量控制的电气原理，提高能量回收效率；结合超级电容和锂电池同为系统供电，发明了一种能量控制逻辑原理。
附图说明
图1为本发明的控制系统原理图。
图2为本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种电动叉车混合能量控制系统，包括电池能量管理单元1、锂电池总成2、电机控制器、继电器6和电机；所述电池能量管理单元1包括第一控制器、第一接触器4和超级电容C1，所述锂电池总成2包括第二控制器、DC-DC低压直流电源、锂电池模组B1和第二接触器5；所述第一控制器通过CAN总线3分别与第二控制器、电机控制器通讯。
所述第一控制器的控制端与第一接触器4的线圈L1相连，第一接触器4开关K1的动触点分别与第二接触器5开关K2的动触点、继电器6开关K3的动触点相连，第一接触器4开关K1的静触点与超级电容C1的正极相连，超级电容C1的负极与锂电池模组B1的负极、电机控制器的直流负极端共地；所述第二控制器的控制端与第二接触器5的线圈L2相连，第二接触器5开关K2的静触点与锂电池模组B1的正极相连，第二控制器的电源端与DC-DC低压直流电源的输出端相连，DC-DC低压直流电源的输入端接在锂电池模组B1的正负极的两端。
所述电机控制器的直流正极端与继电器6开关K3的静触点相连，电机控制器的三相交流端与电机相连。
所述第一接触器4和第二接触器5均为直流接触器；所述电机为交流电机。
如图2所示，本控制方法包括对电动叉车放电和制动能量回收两个过程进行控制，
（1）电动叉车放电过程：
整车启动时，电池能量管理单元1实时获取超级电容C1和锂电池模组B1两者的SOC值，若超级电容C1的SOC值和锂电池模组B1的SOC值都低于10%，整车报警电量过低，停车充电；
若超级电容C1和锂电池模组B1的SOC值均大于10%，电池能量管理单元1与锂电池总成2、电机控制器实时CAN通信，第一控制器的控制端输出控制电流使第一接触器4的线圈L1上电，闭合第一接触器4的开关K1，同时电机控制器的控制端控制继电器6开关K3闭合，使放电回路导通，由超级电容C1给电机控制器供电，电机控制器将超级电容C1的直流电转化为三相交流电驱动电机运转；等待叉车启动之后，第一控制器断开第一接触器4的开关K1，同时第二控制器的控制端输出控制电流使第二接触器5的线圈L2上电，闭合第二接触器5的开关K2，此时由锂电池总成2给电机控制器供电；
若超级电容C1的SOC值在10%以下，锂电池模组B1的SOC值高于10%，第一控制器控制第一接触器4的开关K1闭合，同时第二控制器控制第二接触器5的开关K2，先使锂电池模组B1给超级电容C1供电，然后再给驱动电机供电；
若超级电容C1的SOC值高于10%，锂电池模组B1的SOC值低于10%，则第一控制器控制第一接触器4的开关K1闭合，第二控制器控制第二接触器5的开关K2闭合，此时超级电容C1给锂电池模组B1充电，然后两者一起给整车运行供电；
（2）电动叉车制动能量回收过程：
整车制动时，电池能量管理单元1实时获取超级电容C1和锂电池模组B1两者的SOC值，若检测到的锂电池模组B1和超级电容C1的SOC都低于10%，整车直接报警电量过低，停车充电；
若锂电池模组B1的SOC值高于10%，超级电容C1的SOC值低于10%以下，第一控制器控制第一接触器4的开关K1闭合，驱动电机产生的交流电通过电机控制器转化为直流电为超级电容C1充电，此时若超级电容C1的电量仍低于10%，则第二控制器控制第二接触器5的开关K2闭合，由锂电池模组B1继续为超级电容C1充电直至电量达到正常范围；
若锂电池模组B1的SOC值低于10%，超级电容C1的SOC值高于10%，则第二控制器控制第二接触器5的开关K2闭合，此时驱动电机产生的电能优先为锂电池模组B1充电，若锂电池模组B1的SOC依然低于10%，第一控制器控制第一接触器4的开关K1闭合，使超级电容C1为锂电池模组B1充电直至达到正常范围；
若锂电池模组B1的SOC和超级电容C1的SOC都大于10%，此时电池能量管理单元1比较两者的SOC值大小，对SOC值较低的优先给与充电直至充满，若锂电池模组B1满电时，则第二控制器控制第二接触器5的开关K2断开，避免电机产生的电量继续给锂电池模组B1充电导致锂电池模组B1过充；若超级电容C1满电时，则第一控制器控制第一接触器4的开关K1断开，此时禁止能量回收，避免超级电容C1过充。
以下结合图1、2对本发明做进一步的说明。
所述第一控制器通过CAN总线3实时与第二控制器、电机控制器进行通讯，获取锂电池总成2和电机控制器的数据，同时第一控制器实时采集超级电容C1的电量，并控制第一接触器4开关K1的通断以控制超级电容C1的充电或者放电过程。所述第一接触器4控制超级电容C1主回路的通断，所述超级电容C1适用于存储和释放电流，可以满足瞬间大电流的充、放需求。所述锂电池总成2通过CAN总线3与电池能量管理单元1以及电机控制器进行通讯，实时获取超级电容C1的电量数据。所述DC-DC低压直流电源是将锂电池的高压电源转化为12V或者24V低压电源给第二控制器供电。所述锂电池模组B1是多个锂电池单体串、并联组成高压、大容量电池模组，可以实现长时间电流的充、放过程。所述第二接触器5是控制锂电池模组B1充放电回路通、断，以实现锂电池模组B1的充电和放电。所述继电器6是用于控制电机控制器放电回路的通断。所述电机控制器是将超级电容C1和锂电池模组B1输出的高压直流电转化为三相交流电，给电机供电。
当电机启动时，此时系统处于放电状态，第一控制器通过6CAN总线3与第二控制器以及电机控制器进行通信，电机控制器将需求电流发送给第一控制器和第二控制器，此时第一控制器先闭合第一接触器4的开关K1，同时电机控制器控制继电器4的开关K3闭合，此时超级电容C1首先输出高压大电流给电机控制器，满足电机启动时大电流的需求，当启动之后，第一控制器会断开第一接触器4的开关K1，同时第二控制器会闭合第二接触器5的开关K2，此时由锂电池为电机持续供电。同时第二控制器会实时通过CAN总线3与第一控制器进行通信，当超级电容C1电量过低时，锂电池总成2会给超级电容C1进行补电。
当整车刹车，电机会充当发电机产生交流电，此时系统处于充电回路，经过电机控制器整流处理会形成直流电，此时第一控制器会闭合第一接触器4的开关K1，第二控制器会断开第二接触器5的开关K2，确保超级电容C1对直流电的回收，一方面超级电容C1充电效率比锂电池高，可以提高电能回收的效率，另一方面，超级电容C1具有更大倍率的充电能力，可以实现短时间对电能的回收。超级电容C1回收的电量可以作为下次放电做准备。
综上所述，本发明解决了电动叉车在启动时产生的峰值功率对电池造成的不利影响，同时超级电容迅速放电的能力也可以弥补锂电池功率的不足；在电动叉车制动时，超级电容由于其快速的充电能力，可以迅速的将制动产生的能量回收，提高了能量的回收利用率，同时也可以为锂电池的电量进行补充。
Claims (3)
1.一种电动叉车混合能量控制系统的控制方法，其特征在于：所述控制系统包括电池能量管理单元、锂电池总成、电机控制器、继电器和电机；所述电池能量管理单元包括第一控制器、第一接触器和超级电容，所述锂电池总成包括第二控制器、DC-DC低压直流电源、锂电池模组和第二接触器；所述第一控制器通过CAN总线分别与第二控制器、电机控制器通讯；
所述第一控制器的控制端与第一接触器的线圈相连，第一接触器开关的动触点分别与第二接触器开关的动触点、继电器开关的动触点相连，第一接触器开关的静触点与超级电容的正极相连，超级电容的负极与锂电池模组的负极、电机控制器的直流负极端共地；所述第二控制器的控制端与第二接触器的线圈相连，第二接触器开关的静触点与锂电池模组的正极相连，第二控制器的电源端与DC-DC低压直流电源的输出端相连，DC-DC低压直流电源的输入端接在锂电池模组的正负极的两端；
所述控制方法包括对电动叉车放电和制动能量回收两个过程进行控制，
（1）电动叉车放电过程：
整车启动时，电池能量管理单元实时获取超级电容和锂电池模组两者的SOC值，若超级电容SOC值和锂电池模组SOC值都低于10%，整车报警电量过低，停车充电；
若超级电容和锂电池模组的SOC值均大于10%，电池能量管理单元与锂电池总成、电机控制器实时CAN通信，第一控制器的控制端输出控制电流使第一接触器的线圈上电，闭合第一接触器的开关，同时电机控制器的控制端控制继电器开关闭合，使放电回路导通，由超级电容给电机控制器供电，电机控制器将超级电容的直流电转化为三相交流电驱动电机运转；等待叉车启动之后，第一控制器断开第一接触器的开关，同时第二控制器的控制端输出控制电流使第二接触器的线圈上电，闭合第二接触器的开关，此时由锂电池总成给电机控制器供电；
若超级电容SOC值在10%以下，锂电池模组SOC值高于10%，第一控制器控制第一接触器的开关闭合，同时第二控制器控制第二接触器的开关，先使锂电池模组给超级电容供电，然后再给驱动电机供电；
若超级电容SOC值高于10%，锂电池模组SOC值低于10%，则第一控制器控制第一接触器的开关闭合，第二控制器控制第二接触器的开关闭合，此时超级电容给锂电池模组充电，然后两者一起给整车运行供电；
（2）电动叉车制动能量回收过程：
整车制动时，电池能量管理单元实时获取超级电容和锂电池模组两者的SOC值，若检测到的锂电池模组和超级电容SOC都低于10%，整车直接报警电量过低，停车充电；
若锂电池模组SOC值高于10%，超级电容SOC值低于10%以下，第一控制器控制第一接触器的开关闭合，驱动电机产生的交流电通过电机控制器转化为直流电为超级电容充电，此时若超级电容的电量仍低于10%，则第二控制器控制第二接触器的开关闭合，由锂电池模组继续为超级电容充电直至电量达到正常范围；
若锂电池模组SOC值低于10%，超级电容SOC值高于10%，则第二控制器控制第二接触器的开关闭合，此时驱动电机产生的电能优先为锂电池模组充电，若锂电池模组SOC依然低于10%，第一控制器控制第一接触器的开关闭合，使超级电容为锂电池模组充电直至达到正常范围；
若锂电池模组SOC和超级电容SOC都大于10%，此时电池能量管理单元比较两者的SOC值大小，对SOC值较低的优先给与充电直至充满，若锂电池模组满电时，则第二控制器控制第二接触器的开关断开；若超级电容满电时，则第一控制器控制第一接触器的开关断开。
2.根据权利要求1所述的电动叉车混合能量控制系统的控制方法，其特征在于：所述电机控制器的直流正极端与继电器开关的静触点相连，电机控制器的三相交流端与电机相连。
3.根据权利要求1所述的电动叉车混合能量控制系统的控制方法，其特征在于：所述第一接触器和第二接触器均为直流接触器；所述电机为交流电机。
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