一种叉车用节能装置及节能控制方法与流程

本发明涉及一种叉车控制技术领域，尤其涉及叉车的节能装置及其使用方法。

背景技术：

近年，人们对节能环保的要求越来越高，电动叉车因低噪音、零排放、不依赖原油越来越受用户的认可和欢迎，具有未做未来主流叉车的潜力，但是目前典型电动叉车常常因蓄电池连续工作时间短而停机，并且蓄电池的循环使用寿命因叉车工况条件的影响比正常使用寿命低。在电动叉车启动举升大质量物体的瞬间，蓄电池瞬间输出大功率电流对蓄电池本身造成永久性不可修复的损伤，极大程度上减少蓄电池使用寿命。频繁更换蓄电池不仅加剧成本，而且一定程度上对环境造成污染。

目前铅酸蓄电池和锂电池等蓄电池不能同时提供足够高的比能量和比功率。很难满足电动叉车在加速举升、加速启动、爬坡能力和势能、制动能量回收等方面的使用要求，严重制约电动叉车的性能。

近几年推出的各类超级电容容量可达上千法拉，已有部分装置和场所将超级电容当做电源使用，其优点是超级电容的寿命可达10万次充放电，瞬间比功率极大，但是存储容量极小，比能量极低，一般无法满足长时间运转。

目前对于叉车势能回收和蓄电池保护方面，现有技术有以下：

以中国专利cn201310014646.0为例的专利在蓄电池充电阶段进行蓄电池保护，这也是目前应用比较广泛的蓄电池保护手段，但是没有在蓄电池工作状态时对蓄电池进行有效的保护。

以中国权利cn200910179744.3、中国专利cn201410153416.7为例的专利在蓄电池受损或即将受损的工作状态下直接切断工作电路来保护蓄电池，致使设备当机。

以中国专利cn201110132119.0为例的专利利用蓄能器进行势能回收。此类专利将液压油储存在蓄能器中，在下次循环过程中加以利用，结构复杂、能量利用率低，而且存在潜在风险，可替换性小，大部分机械设备无法使用此类设备。

技术实现要素：

本发明首先要解决的技术问题是提供一种叉车用节能装置，能够延长叉车的续航能力，延长蓄电池使用寿命。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种叉车用节能装置，包括多个能单独实现其功能的功能模块，所述功能模块均连接至控制芯片的输出端，并接受控制芯片所发出的控制信号从而实现相应的功能，所述功能模块并联在节能控制电路上，所述节能控制电路包括超级电容、蓄电池/蓄电池组、双作用交流电机及双向逆变器，所述蓄电池/蓄电池组的输出端连接有第一电压传感器，所述超级电容的输出端连接有第二电压传感器，分别用于实时监测所述蓄电池/蓄电池组和所述超级电容的输出电压，所述功能模块的输出端通过双向逆变器连接至双作用交流电机，所述蓄电池/蓄电池组的输出端连接至所述超级电容的输入端。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述双作用交流电机正转时为发动机，反转时为发电机。

所述蓄电池/蓄电池组的输出端串联有保护电阻；所述超级电容的输出端串联有电感。

所述功能模块包括蓄电池单独供电模块、大功率电流模块、蓄电池供电模块以及能量回收模块，所述蓄电池单独供电模块包括用于接收控制芯片的相应控制信号的第一igbt，所述第一igbt上并联有第一续流二极管，所述大功率电流模块包括用于接收控制芯片的相应控制信号的第二igbt，所述第二igbt上并联有第二续流二极管，所述蓄电池供电模块包括用于接收控制芯片的相应控制信号的第三igbt，所述第三igbt上并联有第三续流二极管，所述能量回收模块包括用于接收控制芯片的相应控制信号的第四igbt，所述第四igbt上并联有第四续流二极管。

所述控制芯片的两个输入端分别连接至第一电压传感器和第二电压传感器用于接收蓄电池/蓄电池组和超级电容的实时电压信息，所述控制芯片的4个信号输出端分别经过igbt驱动电路后连接至蓄电池单独供电模块、大功率电流模块、蓄电池供电模块以及能量回收模块。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种叉车用节能控制方法，也即上述叉车用节能装置的运行方法，该方法包括以下四个工作状态：

1)蓄电池/蓄电池组单独供电：电动叉车匀速举升或者行驶中，当电机所需驱动电流等于或小于额定工作电流或超级电容的soc低于50％时，由蓄电池/蓄电池组单独为电动叉车供电；

2)超级电容供电：在电动叉车举升启动、举升加速、加速启动且超级电容soc高于50％时，超级电容为电动叉车提供运行初始的瞬时大功率电流，该瞬时大功率电流可高于200a；

3)蓄电池/蓄电池组充电：当超级电容的soc低于50％时，在叉车运行或者停止工况下均可由蓄电池/蓄电池组向超级电容充电；

4)能量回收：电动叉车回落时，双作用电机反转，通过双向逆变器向电路充电，先向超级电容充电，等超级电容充满之后再为蓄电池/蓄电池组充电。

进一步地，所述四个工作状态由第一信号、第二信号、第三信号和第四信号交叉控制，第一信号、第二信号、第三信号和第四信号均由控制芯片产生初始脉冲宽度调制信号经过igbt驱动电路后得到，所述的控制芯片根据第一电压传感器和第二电压传感器的实时监测数据以及电动叉车驾驶员的操作输入信号实时调节输出上述控制信号。

进一步地，当处于第1)工作状态时，蓄电池/蓄电池组单独供电，第三信号控制第三igbt的通断，第一igbt、第三igbt、第四igbt处于关断状态。

当处于第2)工作状态时，第二信号和第三信号分别控制第二igbt和第三igbt的通断，第一igbt和第四igbt均处于关断状态；当第二信号控制第二igbt导通时，超级电容向电感储能，此时第三信号控制第三igbt关断；当第二信号控制第二igbt关断时，第三信号控制第三igbt导通，存储在电感的能量输出大功率电流向双作用交流电机供电。

当处于第3)工作状态时，第一信号控制第一igbt的通断，第二igbt、第三igbt和第四igbt均关断，此时，第一igbt、电感和第二续流二极管构成一个buck降压电路，蓄电池/蓄电池组向超级电容充电。

当处于第4)工作状态时，第四信号和第一信号控制第四igbt和第一igbt的通断，第三igbt和第二igbt处于关断状态，在电动叉车货物下降的过程中，双作用交流电机反转成为发电机，通过第四信号和第一信号调节第四igbt和第一igbt的通断给超级电容充电。

本发明的有益效果是：1.本发明通过超级电容代替蓄电池来提供电动叉车在举升启动、举升加速、加速启动时的瞬时大功率电流，避免了蓄电池瞬间输出大功率电流对蓄电池造成永久性不可修复的损伤，以此延长了蓄电池的使用寿命；2.本发明能够回收叉车在货叉下降时所产生的的重力势能和叉车制动能，延长了叉车的续航能力，节约能源；3.本发明通过设计igbt驱动电路与控制芯片的控制电路，减轻了泵电机的功率负担，降低油温，提高系统效率。

附图说明

图1是本发明的叉车用节能装置的设计原理图。

图2是本发明的igbt驱动电路示意图，图中a1是电容，a2是电阻，a3是三极管，a4是蓄电池，a5是光耦芯片a3120。

图3是第二信号的占空比为0.66是boost电路的输出电流示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，更具体地阐述本发明的技术方案，本发明的实施并不限于下面的实施例，应当理解的是，对本发明所做的任何形式上的变通或改变都应在本发明的保护范围内。

图1为本发明的叉车用节能装置的设计原理图，其中电压传感器实时监测蓄电池1、超级电容11的电压，并反馈给控制芯片17，控制芯片17在根据电动叉车的工作状态结合上述反馈信息实时调节第一信号至第四信号的占空比，其中第一信号至第四信号均为脉冲宽度调制信号。

在超级电容11提供叉车在举升启动、举升加速、加速启动的瞬时大功率电流这种工况下，超级电容11的输出电路由非隔离boost升压电路、受第二信号控制的第二igbt4和续流二极管8、双向逆变器16以及双作用交流电机13组成，非隔离boost升压电路由电感12、第一续流二极管7和受第二信号控制的第二igbt4组成，如图1所示。

图2为本发明的igbt驱动电路示意图，保证驱动信号有18v的驱动电压及最大2a的驱动电流来驱动igbt，并且通过光电耦合将一次电路和elv电路绝缘，此外，可有效预防零点漂移现象的发生。igbt驱动电路是每个功能模块的主要功能元件，能够实现对控制芯片17中输出信号的调理、调幅，使其达到驱动igbt的要求。

第二信号和第三信号由控制芯片17发出初始脉冲宽度调制信号经igbt驱动电路(如图2)后生成，控制芯片17通过第一电压传感器14和第二电压传感器15的实时监测电压实时调节第二信号和第三信号的占空比，以此来匹配超级电容的输出电压与蓄电池电压。

图3为第二信号的占空比为0.66时boost电路的输出电流示意图。在第二信号处于ton(上升沿触发)时，第三信号处于toff(下降沿触发)，第二igbt4导通，第三igbt5关断，超级电容11给电感12充电，电感12储能，电感上的电流增加量(电感线圈未饱和时)为：

其中：d为信号占空比，t为开关周期，l为电感电量，vin为电感输入电压。

当第二信号处于toff时，第三信号处于ton，第二igbt4关断，第三igbt5导通，电感12放电，电感12的能量通过第一续流二极管7传递给负载，当电感12上的电流不断减少，忽略第一续流二极管7的压降，则电流变化为：

其中：vo为电感输出电压。

并且在第三igbt5导通，第二igbt4关断时，续流二极管10进行续流。

电感电流连续模式时，在稳态条件下，电感12上的电流增加等于其电流减少，即于是整理可得：

因为占空比为0-1，所以boost电路的输出电压必定大于超级电容的输出电压，调节第二信号的占空比可使boost电路的输出电压与蓄电池1的输出电压想匹配，并且由于超级电容11的放电特性，在超级电容11储能足够(soc不低于50％)的情况下经boost升压电路后的输出电流可以完全满足叉车在举升启动、举升加速、加速启动时所需的瞬时高达200a的大功率电流，瞬时大功率电流是指电动叉车在举升启动、举升加速、加速启动这些动作刚开始的一瞬间所需要的功率较大的高达200a的启动电流。

在超级电容11电量过低时，soc小于50％，由蓄电池1向超级电容11充电，电流的流向依次是：蓄电池1、保护电阻2、受第一信号控制的第一igbt3、第三续流二极管9、电感12以及超级电容11。

为防止充电电流过大对蓄电池产生损伤，由控制芯片17控制第一igbt3的通断，电感12起稳流作用，保证整个充电过程充电电流平稳。

在能量回收时优先选择向超级电容11充电，其次为蓄电池1充电，充电时，电能流向的顺序是：双作用交流电机13、双向逆变器16、第四igbt6、第三续流二极管9、第一igbt3、第二续流二极管8、电感12、超级电容11、保护电阻2及蓄电池1。

在双作用交流电机13反转成为发电机时，电机内的电感线圈、第四igbt6和第三续流二极管9构成一个boost升压电路，原理与上述一样。在第四信号和第一信号的控制下，调节第四igbt6和第一igbt3的通断情况以及保护电阻2和电感12来保证充电效益最大化并保护超级电容11和蓄电池1。

本发明的叉车用节能装置的运行方法可分为四个工作状态，具体如下：

1)蓄电池1单独供电。电动叉车匀速举升或者行驶中，当电机所需驱动电流小于额定电流或者超级电容11的soc低于50％时，由蓄电池1单独供电；此时，第三信号控制第三igbt5的通断，第一igbt3、第二igbt4和第四igbt6均处于关断状态。第三igbt5关断瞬间电流通过第四续流二极管10进行续流，在下一个导通瞬间前维持电流稳定。

2)超级电容11提供叉车在举升启动、举升加速、加速启动时的大功率电流。此时，第二信号和第三信号分别控制第二igbt4和第三igbt5的通断，第一igbt3和第四igbt6均处于关断状态；当第二信号控制第二igbt4导通时，超级电容11向电感12储能，此时第三信号控制第三igbt5关断；当第二信号控制第二igbt4关断时，第三信号控制第三igbt5导通，存储在电感12的能量输出高达200a的大功率电流向双作用交流电机13供电。

3)在超级电容11电量过低时，由蓄电池1向超级电容11充电。此时，第一信号控制第一igbt3的通断，第二igbt4、第三igbt5和第四igbt6均关断，在这种情况下，第一igbt3、第二续流二极管8和电感12构成一个buck降压电路，防止瞬间充电电流过大并降低充电电压，使得蓄电池1平稳地向超级电容11充电。

4)在能量回收时优先选择向超级电容11充电，其次为蓄电池1充电。此时，第四信号和第一信号控制第四igbt6和第一igbt3的通断，第三igbt5和第二igbt4处于关断状态，在电动叉车货物下降的过程中，双作用交流电机13反转成为发电机，通过第四信号和第一信号调节第四igbt6和第一igbt3的开断给超级电容11充电。

第一信号、第二信号、第三信号和第四信号均由控制芯片17产生初始调制脉冲宽度调制信号经过如图2的igbt驱动电路调理、增幅后得到，第一信号、第二信号、第三信号和第四信号均受控制芯片，控制芯片17在接受第一电压传感器14和第二电压传感器15的实时监测数据后实时调节输出信号的占空比来控制整个装置的工作状态。