CN116461331A - 用于下坡工况的控制系统及高空作业车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程机械技术领域，公开一种用于下坡工况的控制系统及高空作业车。所述控制系统包括：电压检测装置；储能器；第一开关装置；以及控制装置，用于：在直流母线电压等于或者大于第一预设电压时，控制第一开关装置来导通储能器的电路以捕获回馈电流，并在直流母线电压小于或等于第二预设电压时，控制第一开关装置来导通储能器的电路，以为驱动器供电。本发明可介入控制策略，存在失速风险时捕获回馈电流以降低驱动器的回馈电压，且车速降低时由吸收的回馈能量对驱动器进行供电，由此可避免制动力矩变小，从而有效抑制下坡失速风险的出现，实现平稳停车。

Description

用于下坡工况的控制系统及高空作业车

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体地涉及一种用于下坡工况的控制系统及高空作业车。

背景技术

电驱动的高空作业车(自行走式)的行驶系统通常没有行车制动器，其行驶减速和停车均依赖于能量回馈型再生制动技术，驻车依靠电磁制动或者液压制动。这种制动方式存在一个风险：下坡时，如再生制动电压超过驱动器的保护电压，则会限制制动力矩(即减弱再生制动的强度)，从而使高空作业车存在失速的风险。此时，如果通过急停开关停车，驻车制动器会直接抱闸，迫使高空作业车滑行。高速抱闸一方面对制动器伤害较大，另一方面制动距离可能变长。并且，即使在车速降低后，驱动器的直流母线电压可能低于驱动器的最小工作电压，从而导致驻车制动器直接抱闸，这对驻车制动器有很大程度的伤害。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于下坡工况的控制系统及高空作业车，其可在直流母线电压超过第一预设电压(例如，小于驱动器的保护电压的某电压)时(即，出现下坡超速前)介入控制策略，通过捕获回馈电流来降低驱动器的直流母线电压，由此可避免制动力矩变小，从而有效抑制下坡失速风险的出现，并且，可在直流母线电压低于第二预设电压(例如大于驱动器的最小工作电压的某电压)时通过捕获的回馈能量对驱动器进行供电，以实现平稳停车。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于下坡工况的控制系统，所述控制系统包括：电压检测装置，用于检测驱动器的直流母线电压；储能器，用于捕获所述驱动器输送的回馈电流；第一开关装置，用于导通所述储能器所在的第一电路；以及控制装置，用于执行以下操作：在所述直流母线电压等于或者大于第一预设电压的情况下，通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路，以由所述储能器捕获所述回馈电流，其中，所述第一预设电压小于所述驱动器的保护电压；以及在所述直流母线电压小于或等于第二预设电压的情况下，通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路，以由所述储能器为所述驱动器供电，其中，所述第一预设电压大于所述第二预设电压。

优选地，所述第一预设电压小于所述驱动器的保护电压。

优选地，所述第二预设电压大于所述驱动器的最小工作电压。

优选地，所述控制系统还包括：耗能器；以及第二开关装置，用于导通所述耗能器所在的第二电路，相应地，所述控制装置还用于，在所述第一储能器处于饱和状态的情况下，通过控制所述第一开关装置来截止所述第一电路，以及通过控制所述第二开关装置来导通所述第二电路，以由所述耗能器捕获所述回馈电流。

优选地，所述第一开关装置为第一高频开关，以及所述第二开关装置为第二高频开关。

优选地，所述控制装置用于通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路包括：通过控制所述第一高频开关的占空比来导通所述第一电路，以控制由所述储能器捕获所述回馈电流的速度，以及所述控制装置用于通过控制所述第二开关装置来导通所述第二电路包括：通过控制所述第二高频开关的占空比来导通所述第二电路，以控制由所述耗能器捕获所述回馈电流的速度。

优选地，所述第一高频开关与所述第二高频开关为场效应晶体管。优选地，所述储能器为电容或蓄电池，以及所述耗能器为电阻。

通过上述技术方案，本发明创造性地首先通过电压检测装置检测驱动器的直流母线电压；然后通过储能器捕获所述驱动器输送的回馈电流；接着通过第一开关装置，用于导通所述储能器所在的第一电路；最后通过控制装置在所述直流母线电压等于或者大于第一预设电压的情况下，通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路，以由所述储能器捕获所述回馈电流。由此，本发明可在直流母线电压超过第一预设电压(例如，小于驱动器的保护电压的某电压)时(即，出现下坡超速前)介入控制策略，通过捕获回馈电流来降低驱动器的直流母线电压，由此可避免制动力矩变小，从而有效抑制下坡失速风险的出现，并且，可在直流母线电压低于第二预设电压(例如大于驱动器的最小工作电压的某电压)时通过捕获的回馈能量对驱动器进行供电，以实现平稳停车。

本发明第二方面提供一种高空作业车，所述高空作业车包括：所述的用于下坡工况的控制系统。

优选地，所述高空作业车还包括：驻车制动器；以及驱动器，用于在电动机的转速小于预设转速的情况下，控制所述驻车制动器进行刹车。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的包括控制系统的行驶驱动系统的示意图；

图2是本发明一实施例提供的用于下坡工况的控制系统的示意图；以及

图3是本发明一实施例提供的用于下坡工况的控制系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在介绍本发明的具体实施例之前，先对两个概念进行简单的说明。

再生制动：电动车制动时，(行走)电动机可被控制作为发电机运行，从而将车辆的动能或势能变换为电能，并储存在能量储存模块中。

回馈电流：再生制动过程中，驱动器将(行走)电动机产生的电能转化成可供储能模块或者其他耗能元件使用的电流，此电流被称之为回馈电流。

图2是本发明一实施例提供的用于下坡工况的控制系统(即安全保护装置)的示意图。如图2所示，所述控制系统可包括：电压检测装置10，用于检测驱动器的直流母线电压；储能器20，用于捕获所述驱动器输送的回馈电流；第一开关装置30，用于导通所述储能器20所在的第一电路；以及控制装置40，用于在所述直流母线电压等于或者大于第一预设电压的情况下，通过控制所述第一开关装置30来导通所述第一电路，以由所述储能器20捕获所述回馈电流；以及在所述直流母线电压小于或等于第二预设电压的情况下，通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路，以由所述储能器20为所述驱动器供电。

高空作业车下坡时，电动机工作在发电机状态以保持车速不变，此时驱动器会产生比较高的回馈电动势。正常情况下，驱动器会给电池充电，回馈电动势不会超过驱动器保护电压。

发明人研究发现，在高空作业车运行过程中，若电池无法充电(电池已充满、电池功率图谱(Map)限制、线路故障、电池管理系统(BMS)故障等)，则回馈电动势会迅速达到驱动器保护电压。为了避免电力电子器件被高压击毁，驱动器降低回馈制动强度，导致制动力矩不够，车速可能越来越快，设备存在失控的风险。如果此时操作手通过速度控制手柄降速，由于驱动器的回馈制动强度受到限制不能达到降速效果，驱动器会在一定时间后(通常为5S)控制驻车制动器直接抱闸制动。如果此时操作手通过急停开关停车，驻车制动器会直接抱闸，迫使设备滑行。两种情况都迫使驻车制动器高速抱闸制动。这种高速抱闸制动方式，一方面对制动器伤害较大，导致高空作业车存在无法坡道停车的风险；另一方面滑行导致制动距离可能变长，侧向稳定性变差，高空作业车存在碰撞和侧滑的风险。

例如，若下坡时，电池系统出现了既不能为驱动器2和电动机100供电也不能进行充电的情况。此时，如图1所示，由蓄电池110供电的整车控制器(VCU)90和电池管理系统(BMS)仍能正常工作，VCU 90在接收到BMS提供的状态信息并且进行故障判断后，发出停车指令和警告信息，进而控制驱动器2使能的继电器K1仍处于闭合状态，由此，电动机100由电动状态进入回馈制动状态，因回馈制动产生的电能可维持驱动器2正常工作，且远大于驱动器2正常工作需要的能耗。由于不能对电池充电，驱动器2的直流母线电压会快速上升(即车辆下坡会失速)。

因此，在高空作业车运行过程中，无论是电池满电，还是电池功率图谱(Map)的限制，亦或是电池故障等原因，均可能引起驱动器的直流母线电压升高，从而导致车辆下坡失速。

其中，所述第一预设电压大于所述第二预设电压。

具体地，所述第一预设电压小于所述驱动器的保护电压。如驱动器的保护电压为100V，可设置所述第一预设电压小于100V(例如，所述第一预设电压为95V)。

所述第二预设电压大于所述驱动器2的最小工作电压。在实际应用中，可根据具体情况对所述第二预设电压进行合理设置，其可略大于所述最小工作电压(即驱动器正常工作时的最低电压)。

其中，所述电压检测装置10可为电压表11，如图3所示。

其中，所述第一开关装置30可为第一高频开关31。进一步地，所述第一高频开关31可为场效应晶体管(即，MoS管)。具体地，所述控制装置40用于通过控制所述第一开关装置30来导通所述第一电路包括：通过控制所述第一高频开关31的占空比来导通所述第一电路，以控制由所述储能器20捕获所述回馈电流的速度。

其中，所述控制装置40为中央处理器(CPU)41，如图3所示。

其中，所述储能器20可为电容21(如图3所示)或蓄电池等。

具体地，以所述储能器20为电容21(如图3所示)为例进行说明，在电压表11显示的直流母线电压等于或者大于第一预设电压(例如，95V)时，即存在失速风险，CPU 41控制第一高频开关31的占空比来导通电容21所在的电路，以控制由电容吸收回馈制动能量的速度，从而控制电容所吸收的回馈能量，进而稳定直流母线电压(即回馈电压)以防止其超过所述保护电压。此时，由于驱动器不会限制回馈制动的强度(即，能提供足够的制动力矩)，故相应的车速越来越慢，从而避免出现失速的风险。

电动汽车下坡失速时，通常通过机械制动器来吸收下坡的重力势能变化，但高空作业车没有机械制动器，只能依赖电池充电进行吸收。本实施例设计的储能器的吸收方式，解决了电池系统出现故障等原因无法吸收的问题。通过稳定直流母线电压的方式，既解决了电池系统故障等原因导致驱动器失去电源的问题，又防止回馈制动电动势过高引起驱动器过压报警。

在本实施例中，在电压表11显示的直流母线电压等于或者大于第一预设电压(即，存在失速风险)时，由电容吸收回馈制动能量，从而可控制驱动器的直流母线电压(即回馈电压)低于驱动器的保护电压。此时，由于驱动器不会限制回馈制动的强度，故可将高空作业车的车速控制的越来越慢。然而，在直流母线电压降低(即车速降低)后，直流母线电压可能低于驱动器的最小工作电压，从而导致驻车制动器直接抱闸，这对驻车制动器有一定程度的伤害。

针对上述缺陷，在本实施例中，在直流母线电压降低(即车速降低)后，还可通过储能器(例如电容21)吸收的回馈制动能量对驱动器进行供电，从而避免驱动器所控制的驻车制动器直接抱闸。

具体地，在上述实施例中，CPU 41控制第一高频开关31的占空比来导通电容21所在的电路，以控制由电容吸收回馈制动能量的速度，从而控制电容所吸收的回馈能量。而在直流母线电压减小(即，车速降低)的过程中，在电压表11显示的所述直流母线电压小于或等于第二预设电压时，通过控制第一高频开关31(其相当于接触器)来导通电容21所在的电路，以由电容21为所述驱动器2供电，从而可平稳地降低相应的车速。当电动机100转速低于一定值时(比如30rpm)，驻车制动器抱闸。

在上述实施例的基础上，所述控制系统还可包括：耗能器；以及第二开关装置，用于导通所述耗能器所在的第二电路。

相应地，所述控制装置还用于，在所述储能器处于饱和状态的情况下，通过控制所述第一开关装置来截止所述第一电路，以及通过控制所述第二开关装置来导通所述第二电路，以由所述耗能器捕获所述回馈电流。

其中，所述耗能器可为电阻50，如图3所述。

其中，所述第二开关装置可为第二高频开关32(其可为场效应晶体管，即，MoS管)，如图3所示。具体地，所述控制装置40用于通过控制所述第二开关装置来导通所述第二电路包括：通过控制所述第二高频开关的占空比来导通所述第二电路，以控制由所述耗能器捕获所述回馈电流的速度

具体地，在所述电容21处于饱和状态的情况下，通过控制所述第一高频开关31来截止所述第一电路，并通过控制所述第二高频开关32的占空比来导通其所在的电路，以控制由所述电阻50捕获所述回馈电流的速度，从而控制电阻所吸收的回馈能量，如图3所示。由此，电阻50仅在储能电容饱和后才开始启用，用于消耗多余的回馈制动能量。

在一实施例中，所述控制系统还包括：数模转换器70，用于将所述电压检测装置10检测的直流母线电压的模拟信号转换为数字信号，并将转换后的直流母线电压的数字信号输出至所述控制装置40，如图2所示。

上述各个实施例基于直流母线电压的超速控制方式可实现对车辆的下坡控制。上述控制方式具有失速保护功能，其无需检测车辆的速度，也不参与速度控制，而是通过稳定直流母线电压的方式来保证驱动器能最大限度发挥电机的制动能力，从而预防车辆出现超速的情况。由于车辆不会超速，故其更不可能失速。因此，在高空作业车运行过程中，无论是电池满电，还是电池功率图谱(Map)的限制，亦或是电池故障等原因引起的驱动器的直流母线电压较高(或下坡失速)，基于直流母线电压的超速控制都从源头进行了抑制，从而有效防范了下坡失速风险的产生。

综上所述，本发明创造性地首先通过电压检测装置检测驱动器的直流母线电压；然后通过储能器捕获所述驱动器输送的回馈电流；接着通过第一开关装置，用于导通所述储能器所在的第一电路；最后通过控制装置执行以下操作：在所述直流母线电压等于或者大于第一预设电压的情况下，通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路，以由所述储能器捕获所述回馈电流，并在所述直流母线电压小于或等于第二预设电压的情况下，通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路，以由所述储能器为所述驱动器供电。由此，本发明可在直流母线电压超过第一预设电压(例如，小于驱动器的保护电压的某电压)时(即，出现下坡超速前)介入控制策略，通过捕获回馈电流来降低驱动器的直流母线电压，由此可避免制动力矩变小，从而有效抑制下坡失速风险的出现，并且，可在直流母线电压低于第二预设电压(例如大于驱动器的最小工作电压的某电压)时通过捕获的回馈能量对驱动器进行供电，以实现平稳停车。

本发明一实施例还提供一种高空作业车，所述高空作业车可包括：所述的用于下坡工况的控制系统(即安全保护装置)。

所述高空作业车还可包括：驻车制动器120；以及驱动器2，用于在电动机的转速小于预设转速的情况下，控制所述驻车制动器120进行刹车。

在一实施例中，所述高空作业车还可包括：电池80、整车控制器(VCU)90、电动机100、减速机130、车轮140及DC/DC转换器150等，如图2所示。其中，所述电池80被配置有电池管理系统(BMS)，整车控制器(VCU)90通过CAN总线与BMS进行信息交互。VCU 90可根据BMS发送的电池状态和故障信息调整电动机100的目标转速。

具体地，通过所述的用于下坡工况的控制系统来捕获再生制动产生的回馈电流，由于驱动器2不会限制回馈制动的强度，故所述电动机100可通过减速机130实现对车轮140的减速控制，由此车速越来越低。并且，在电动机100的转速小于预设转速的情况下，通过控制驻车制动器进行刹车来实现平稳停车。因此，本实施例在驱动系统出现故障时，可采取先降速后抱闸的方式，尽可能地降低对驻车制动器的伤害，从而有利于延长其寿命。

上述实施例可通过电容吸收回馈制动产生的能量，及时控制车速降低。在回馈能量不足时，通过储能电容吸收的回馈电能及时补电，以维持驱动器的正常工作，直至完全停车。由此，可保证驻车制动器不受动态冲击能量的伤害，能大大减小高速抱闸的概率，有利于延长驻车制动器寿命，降低坡道停车溜坡的风险，从而可实现更安全且更可靠的下坡。

有关本发明实施例提供的高空作业车的具体细节及益处可参阅上述针对回馈电流控制装置的描述，于此不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于下坡工况的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

电压检测装置，用于检测驱动器的直流母线电压；

储能器，用于捕获所述驱动器输送的回馈电流；

第一开关装置，用于导通所述储能器所在的第一电路；控制装置，用于执行以下操作：

在所述直流母线电压等于或者大于第一预设电压的情况下，通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路，以由所述储能器捕获所述回馈电流；以及

在所述直流母线电压小于或等于第二预设电压的情况下，通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路，以由所述储能器为所述驱动器供电，

其中，所述第一预设电压大于所述第二预设电压。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一预设电压小于所述驱动器的保护电压。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第二预设电压大于所述驱动器的最小工作电压。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：

耗能器；以及

第二开关装置，用于导通所述耗能器所在的第二电路，

相应地，所述控制装置还用于，在所述第一储能器处于饱和状态的情况下，通过控制所述第一开关装置来截止所述第一电路，以及通过控制所述第二开关装置来导通所述第二电路，以由所述耗能器捕获所述回馈电流。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述第一开关装置为第一高频开关，以及所述第二开关装置为第二高频开关。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述控制装置用于通过控制所述第一开关装置来导通所述第一电路包括：通过控制所述第一高频开关的占空比来导通所述第一电路，以控制由所述储能器捕获所述回馈电流的速度，以及所述控制装置用于通过控制所述第二开关装置来导通所述第二电路包括：通过控制所述第二高频开关的占空比来导通所述第二电路，以控制由所述耗能器捕获所述回馈电流的速度。

7.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述第一高频开关与所述第二高频开关为场效应晶体管。

8.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述储能器为电容或蓄电池，以及所述耗能器为电阻。

9.一种高空作业车，其特征在于，所述高空作业车包括：根据权利要求1-8中的任一项权利要求所述的用于下坡工况的控制系统。

10.根据权利要求9所述的高空作业车，其特征在于，所述高空作业车还包括：

驻车制动器；以及

驱动器，用于在电动机的转速小于预设转速的情况下，控制所述驻车制动器进行刹车。