本发明提供了一种基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统及控制方法。该基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统包括超级电容、DC/DC直流变换模块、直流电机、电机转矩传感器、减速器A、起升卷筒、负载泵、三位四通换向阀、平衡阀、马达、马达转矩传感器、马达转速传感器、减速器B和控制器；通过引入DC/DC直流变换模块对超级电容进行充、放电电流管理并控制直流电机输出转矩，从而实现负载势能的回收与利用，并完成液压系统与直流电机在负载起升和下降过程中的协调控制。
1.一种基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统，其特征在于，所述的液压汽车起重机能量回收系统位于液压汽车起重机的配重位置，包括超级电容(1)、DC/DC直流变换模块、直流电机(2)、电机转矩传感器(3)、减速器A(4)、起升卷筒(5)、负载泵(6)、三位四通换向阀(7)、平衡阀(8)、马达(9)、马达转矩传感器(10)、马达转速传感器(11)、减速器B(12)和控制器；
所述超级电容(1)包括均压模块和监管模块，其一端连接DC/DC直流变换模块，用于对超级电容(1)进行充、放电；所述DC/DC直流变换模块另一端通过两条直流母线与直流电机(2)连接，以控制直流电机(2)转矩；DC/DC直流变换模块与直流电机(2)连接的两条直流母线之间并联一个电容；直流电机(2)另一端连接电机转矩传感器(3)的一端，电机转矩传感器(3)用于监测直流电机(2)转矩；电机转矩传感器(3)的另一端连接减速器A(4)，减速器A(4)和减速器B(12)之间连接起升卷筒(5)；减速器B(12)另一端连接马达转矩传感器(10)和马达转速传感器(11)；所述马达转矩传感器(10)和马达转速传感器(11)的另一端均与马达(9)连接，分别用于检测马达(9)的转矩和转速；所述马达(9)与平衡阀(8)连接；平衡阀(8)通过三位四通换向阀(7)与负载泵(6)连接；
所述超级电容(1)、DC/DC直流变换模块、电机转矩传感器(3)、马达转矩传感器(10)和马达转速传感器(11)均通过导线与控制器连接，控制器根据输入信号判断并控制信号的输出。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统，其特征在于，所述的液压汽车起重机能量回收系统取代配重，液压汽车起重机能量回收系统的总质量不超过配重质量。
3.一种利用权利要求1或2所述的基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统进行负载势能回收与利用的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
1)马达转矩传感器(10)和马达转速传感器(11)检测到负载匀速下降
开始时，马达(9)工作、直流电机(2)未运行；马达转速传感器(11)和马达转矩传感器(10)检测到马达(9)稳定运行的转矩T和转速n，设定n＞0时负载处于匀速下降状态，n＜0时负载处于匀速起升状态；
超级电容(1)的额定电压为Uc，额定电压Uc与直流电机(2)相匹配；超级电容(1)的监管模块检测到超级电容(1)的电压Uc1；超级电容(1)的最大充电电压为(Uc-ΔU)，ΔU为电压安全余量，荷电量为SOC；
当检测到超级电容(1)的电压Uc1等于或大于(Uc-ΔU)，则控制器发出关闭DC/DC直流变换模块的指令，马达(9)继续独立工作，直流电机(2)不运行；当超级电容(1)的电压Uc1小于(Uc-ΔU)，则回收能量，控制器发出打开DC/DC直流变换模块的指令，对超级电容(1)进行充电；
直流电机(2)额定功率Pe小于额定工况的负载所需功率；超级电容(1)进行充电时，通过控制器比较负载功率Pfz和直流电机(2)额定功率Pe；其中，负载功率为Pfz＝T·π/(30·n)；
当Pfz＜Pe时，则控制器输出控制信号使直流电机(2)输出90％的负载转矩，液压系统输出剩余10％负载转矩；当Pfz＞Pe时，则控制器输出控制信号使直流电机(2)输出额定转矩，液压系统输出剩余转矩；
根据直流电机(2)转矩与电流的关系计算所需电流大小，通过DC/DC直流变换模块控制直流电机(2)输出所需转矩；并根据电机转矩传感器(3)的反馈控制DC/DC直流变换模块以保证直流电机(2)转矩不变；
与负载下降过程的控制模式相同，同样遵循“马达控制负载速度，电机控制输出转矩，两者相互协调”的总体控制模式；马达转速传感器(11)检测到马达(9)转速n＜0，则负载匀速起升；若超级电容(1)的监管模块检测超级电容(1)的电压Uc1等于或大于(Uc-ΔU)，则满足放电条件，控制器发出开启DC/DC直流变换模块的指令，超级电容(1)放电；若超级电容(1)的电压Uc1小于不满足放电条件的电压，则控制器发出关闭DC/DC直流变换模块的指令，不予超级电容(1)放电。
基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种起升机构能量回收系统，具体是一种适用于液压汽车起重机起升机构能量回收系统及液电混合控制方法。
背景技术
[0002] 能源和环境问题一直是全球各国关注的焦点问题，处在发展动力转型期的我国更是注重节能减排效果，并制定了一系列方针政策以改善能源消耗和环境污染问题。作为一种流动式的起重设备，液压汽车起重机凭借行走快速、操作简单灵活、机动性能好、适应性较强以及效率高等诸多优点在基础设施建设和物流行业迅速发展。在世界范围内，起重机中汽车起重机保有量最大。液压汽车起重机是汽车起重机的主力军。然而，液压汽车起重机在满足性能和可靠性的同时，其耗油量和污染也相当严重，有必要对液压汽车起重机进行节能减排的研究。液压汽车起重机的各个机构中起升机构动作最频繁，能量浪费最严重；负载在起升过程中，发动机通过液压系统带动卷扬使负载提升，在此过程中化石燃料的能量通过起升系统转变为负载的势能；在负载下降过程中，重物的势能通过平衡阀转变为热能白白消耗掉并对液压系统产生不利影响。因此，如果把这部分能量及时存储起来并在下次重物起升时释放出来利用，将极大地达到节能减排的目的。
发明内容
[0003] 为解决上述问题，实现负载势能的回收和利用，对储能系统进行能量管理并使能量回收系统更好地和液压系统协同工作，从而实现液压汽车起重机的节能减排，本发明提出一种基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统及利用该系统进行负载势能回收与利用的控制方法。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] 一种基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统，该系统位于液压汽车起重机的配重位置并取代配重，液压汽车起重机能量回收系统的总质量不超过配重质量；该系统包括超级电容1、DC/DC直流变换模块、直流电机2、电机转矩传感器3、减速器A4、起升卷筒5、负载泵6、三位四通换向阀7、平衡阀8、马达9、马达转矩传感器10、马达转速传感器11、减速器B12和控制器；
[0006] 所述超级电容1包括均压模块和监管模块，其一端连接DC/DC直流变换模块，用于对超级电容1进行充、放电；所述DC/DC直流变换模块另一端通过两条直流母线与直流电机2连接，以控制直流电机2转矩；DC/DC直流变换模块与直流电机2连接的两条直流母线之间并联一个电容；直流电机2另一端连接电机转矩传感器3的一端，电机转矩传感器3用于监测直流电机2转矩；电机转矩传感器3的另一端连接减速器A4，减速器A4和减速器B12之间连接起升卷筒5；减速器B12另一端连接马达转矩传感器10和马达转速传感器11；所述马达转矩传感器10和马达转速传感器11的另一端均与马达9连接，分别用于检测马达9的转矩和转速；所述马达9与平衡阀8连接；平衡阀8通过三位四通换向阀7与负载泵6连接；
[0007] 所述超级电容1、DC/DC直流变换模块、电机转矩传感器3、马达转矩传感器10和马达转速传感器11均通过导线与控制器连接，控制器根据输入信号判断并控制信号的输出。
[0008] 一种利用基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统进行负载势能回收与利用的控制方法，包括以下步骤：
[0009] 1)马达转矩传感器10和马达转速传感器11检测到负载匀速下降
[0010] 开始时，马达9工作、直流电机2未运行；马达转速传感器11和马达转矩传感器10检测到马达9稳定运行的转速n和转矩T，设定n>0时负载处于匀速下降状态，n<0时负载处于匀速起升状态；
[0011] 2)监测超级电容1的电压
[0012] 超级电容1的额定电压为Uc，额定电压Uc与直流电机2相匹配；超级电容1的监管模块检测到超级电容1的电压Uc1；超级电容1的最大充电电压为(Uc-ΔU)，ΔU为电压安全余量，荷电量为SOC；
[0013] 当检测到超级电容1的电压Uc1等于或大于(Uc-ΔU)，则控制器发出关闭DC/DC直流变换模块的指令，马达9继续独立工作，直流电机2不运行；当超级电容1的电压Uc1小于(Uc-ΔU)，则回收能量，控制器发出打开DC/DC直流变换模块的指令，对超级电容1进行充电；
[0014] 3)根据功率需求判断直流电机2的输出转矩
[0015] 直流电机2额定功率Pe小于额定工况的负载所需功率；超级电容1进行充电时，通过控制器比较负载功率Pfz和直流电机2额定功率Pe；其中，负载功率为Pfz＝T·π/(30·n)；
[0016] 当Pfz
Pe时，则控制器输出控制信号使直流电机2输出额定转矩，液压系统输出剩余转矩；[0017] 4)反馈控制电流大小
[0018] 根据直流电机2转矩与电流的关系计算所需电流大小，通过DC/DC直流变换模块控制直流电机2输出所需转矩；并根据电机转矩传感器3的反馈控制DC/DC直流变换模块以保证直流电机2转矩不变；
[0019] 5)负载起升时能量再利用
[0020] 与负载下降过程的控制模式相同，同样遵循“马达控制负载速度，电机控制输出转矩，两者相互协调”的总体控制模式；马达转速传感器11检测到马达9转速n<0，则负载匀速起升；若超级电容1的监管模块检测超级电容1的电压Uc1等于或大于(Uc-ΔU)，则满足放电条件，控制器发出开启DC/DC直流变换模块的指令，超级电容1放电；若超级电容1的电压Uc1小于不满足放电条件的电压，则控制器发出关闭DC/DC直流变换模块的指令，不予超级电容1放电。
[0021] 本发明的有益效果：本发明设计一种基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统，通过引入DC/DC直流变换模块对超级电容进行充、放电电流管理并控制直流电机输出转矩，从而实现负载势能的回收与利用，并使液压系统与直流电机在负载起升和下降过程中协调控制。
附图说明
[0022] 图1是本发明的整体结构图。
[0023] 图2是本发明马达和直流电机的控制模式示意图。
[0024] 图3是利用能量回收系统进行负载势能回收与利用的流程图。
[0025] 图4是负载稳定下降回收能量时直流电机的转矩变化图。
[0026] 图5是负载稳定下降回收能量时马达转速变化图。
[0027] 图6是负载稳定下降回收能量时超级电容电压变化图。
[0028] 图7是负载稳定下降回收能量时电量消耗变化图。
[0029] 图8是负载稳定起升释放能量时直流电机转矩变化图。
[0030] 图9是负载稳定起升释放能量时马达转速变化图。
[0031] 图10是负载稳定起升释放能量时超级电容电压变化图。
[0032] 图11是负载稳定起升释放能量时电量消耗变化图。
[0033] 图1中：1.超级电容；2.直流电机；3.电机转矩传感器；4.减速器A；5.起升卷筒；6.负载泵；7.三位四通换向阀；8.平衡阀；9.马达；10.马达转矩传感器；11.马达转速传感器；12.减速器B。
具体实施方式
[0034] 以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0035] 液压汽车起重机的起升系统包括发动机、液压传动系统、减速器、卷扬等机构。本发明基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统包括超级电容1、DC/DC直流变换模块、直流电机2、电机转矩传感器3、减速器A4、起升卷筒5、负载泵6、三位四通换向阀7、平衡阀8、马达9、马达转矩传感器10、马达转速传感器11、减速器B12和控制器。超级电容1自带均压模块和监管模块等电容管理装置；其一端连接DC/DC直流变换模块，用于对超级电容1进行充、放电；所述DC/DC直流变换模块另一端通过两条直流母线与直流电机2连接，以控制直流电机2转矩；DC/DC直流变换模块与直流电机2连接的两条直流母线之间并联一个电容；直流电机2另一端连接电机转矩传感器3的一端，电机转矩传感器3用于监测直流电机2转矩；电机转矩传感器3的另一端连接减速器A4，减速器A4和减速器B12之间连接起升卷筒5；减速器B12另一端连接马达转矩传感器10和马达转速传感器11；所述马达转矩传感器10和马达转速传感器11的另一端均与马达9连接，分别用于检测马达9的转矩和转速；所述马达9与平衡阀8连接；平衡阀8通过三位四通换向阀7与负载泵6连接；超级电容1、DC/DC直流变换模块、电机转矩传感器3、马达转矩传感器10和马达转速传感器11均通过导线与控制器连接，控制器根据输入信号判断并控制信号的输出。
[0036] 本发明还提供了一种利用基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统进行负载势能回收与利用的控制方法，以完成对超级电容1的充、放电和液压系统与直流电机2在负载起升、下降过程中的协调控制。考虑到本发明的目的是在不影响液压汽车起重机原来操作控制方法的基础上尽可能多地完成负载势能的回收和优先释放，所以在负载起升和下降过程中以液压系统为主，直流电机为辅。马达9控制负载速度，直流电机2控制输出转矩，直流电机2转速自动适应马达9转速，马达9转矩自动补充剩余转矩以平衡负载。马达9输出转矩的多少依据工况中负载所需功率和超级电容1剩余电量而定；并且考虑到工作过程的安全性和控制模式的简化，不管负载是起升还是下降工况，直流电机2都遵循“迟到早退”的介入模式，以免在开始启动时发生负载失控情况，如附图2所示。直流电机2的转矩控制或者功率控制就是超级电容1的充、放电控制，不论负载是下降过程还是上升过程都需要载荷匀速或尽量匀速运行，所以直流电机2电动势恒定。直流电机2等效为恒电动势加直流电机2内阻、电感，超级电容1在这样的负载下充电和放电特性都成指数型变化，随着电量的增加电压增大，电量的减少电压减小；这就导致超级电容1在充电、放电过程中直流电机2与超级电容1的压差逐渐减小、电流逐渐减小，电流的减小导致直流电机2输出的转矩减小，这样一方面导致电能回收或利用降低，另一方面导致液压系统输出转矩不稳定，造成波动或冲击。而且，为了兼顾超级电容1充电时间和性能保护两个方面，最好的充电方式是在不超过最大允许充电电流前提下对超级电容1进行恒功率充电，而非恒流充电或者恒压充电。综合直流电机2所需恒流控制方法和超级电容1恒功率充电的策略，利用DC/DC直流变换模块控制直流母线电流使直流电机2输出所需转矩，再加上负载速度基本恒定，这样既满足直流电机2转矩控制又满足超级电容1恒功率充电策略。控制电流的大小由负载大小、提升速度、超级电容1剩余电量等判断和控制器计算决定输入到DC/DC直流变换模块的信号。
[0037] 本发明遵循“液压系统为主，回收系统为辅”的原则，开始工作时为马达9独立工作，通过控制器判断，直流电机2随后介入，实现能量的回收和释放。利用马达转矩传感器10和马达转速传感器11自动获取负载在起升和下降时所需的转矩T和转速n，计算所需功率Pfz，通过监测超级电容1电压或者荷电量判断是否能够回收或者释放能量，再比较负载所需功率Pfz与直流电机2额定功率Pe决定直流电机2输出多少转矩。通过控制DC/DC直流变换模块输入或输出电流的大小来控制直流电机2转矩的大小；同时直流电机2转矩变化时通过电机转矩传感器3反馈自动调节电流使其稳定在参考值。此时，基于超级电容的液压汽车起重机能量回收系统在不影响负载起升、下降工况的前提下实现负载势能的回收和再利用。上述负载势能回收与利用的控制方法具体包括以下步骤：
[0038] 1)获取液压汽车起重机具体工作状况
[0039] 通过马达转矩传感器10和马达转速传感器11检测马达9稳定运行的转矩Tmd和转速nmd，间接测量负载重量和速度。设：
[0040] 转矩Tmd＝115N.m，
[0041] 转速nmd＝1787r/min，
[0042] 则此工况下负载所需功率为：
[0043]
[0044] 约定：n>0，负载处于下降状态；n<0，负载处于起升状态；因此本实施例中负载处于下降状态。
[0045] 2)监测超级电容1的电压或剩余电量
[0046] 通过超级电容1的监管模块实时监测超级电容1的电压以判断剩余电量。选择超级电容1时，超级电容1的电压与直流电机2相匹配，容量据可回收能量而定。本实施例中超级电容1的最大可回收电量为：
[0047] Qneed＝Qmax-Qinital＝3763.5C，
[0048] Qmax＝13513.5C，Qinital＝9750C
[0049] 所对应的电压：
[0050] Umax＝418.5V,Uinitial＝300V
[0051] 其特性满足电机充放电功率。
[0052] 为了超级电容1的安全和正常工作，规定超级电容1的电压Uc1高于400V(ΔU＝18.5V)不再回收能量；超级电容1的电压Uc1低于300V时不再释放能量。假设监测到超级电容
1的电压Uc1为300V，则剩余电量Soc
[0053] 3)根据功率需求判断直流电机2的输出转矩
[0054] 为了不改变原有液压汽车起重机的质量分布，本发明把所述能量回收系统放置在现有配重(一般1—2吨)的位置并取代配重，所选配件总质量不超过配重质量。由于能量回收系统的重量限制，直流电机2的额定功率Pe小于额定工况的负载所需功率。本实施例所选直流电机2的额定功率Pe＝55kW，额定电压Ue＝400V。通过控制器比较Pfz与Pe的大小，在保证马达9至少输出10％负载转矩也就是功率的情况下，直流电机2输出部分或者全部转矩(额定转矩)。所以，本实施例中直流电机2功率Pe大于负载功率Pfz，只需输出直流电机2额定功率的部分功率：
[0055] Pe＝90％Pfz＝0.9×21.52＝19.37kW
[0056] 直流电机2输出的转矩折算到马达9端为：
[0057] Te_z＝90％Tfz＝90％Tmd＝0.9×115＝103.5N.m
[0058] 直流电机减速器速比：λ1＝28，马达减速器速比：λ2＝49.6，故直流电机2需要输出的转矩：
[0059]
[0060] 马达9输出剩余转矩：
[0061] Tmd_sy＝Tmd-Te_z＝115-103.5＝11.5N.m
[0062] 4)反馈控制电流大小，使转矩保持不变
[0063] 根据直流电机2转矩与电流的关系计算所需电流大小，通过DC/DC直流变换模块控制直流电机2输出所需转矩。为了避免马达9调速时直流电机2转矩变化引起电流变化，通过电机转矩传感器3的反馈，控制DC/DC直流变换模块以保证直流电机2转矩不变。同时，考虑到直流电机2工作在第四象限，电压应为负，与负载起升状态相比电源正负极相反，直流电机2做负功，电流向超级电容1充电。若超级电容1的电压达到400V，则DC/DC直流变换模块断开，直流电机2空转，不予发电，马达9承担所有负载。本实例负载稳定下降回收能量时直流电机2转矩变化见附图4、马达转速变化见附图5、超级电容电压变化见附图6、电量消耗变化见附图7。
[0064] 5)负载起升时能量再利用
[0065] 当马达转矩传感器10和马达转速传感器11检测到：
[0066] 转速nmd＝-1787r/min
[0067] 转矩Tmd＝115N.m
[0068] 则负载处于起升状态。设此时监测到超级电容1的电压Uc1为400V，满足放电条件；控制器发出指令使DC/DC直流变换模块打开，对超级电容1放电；若监测到超级电容1的电压Uc1低于300V，不满足放电条件，则DC/DC直流变换模块关闭，不予超级电容1放电。负载功率Pfz＝21.52kW，直流电机2所需输出功率仍为19.37kW，所需输出转矩仍为：
[0069]
[0070] 马达9输出转矩为11.5N.m。直流电机2工作在第一象限，直流电机2电压为正，电流为正，超级电容1为直流电机2提供能量输出转矩做正功。本实施例负载稳定起升释放能量时直流电机的转矩变化见附图8、马达转速变化见附图9、超级电容电压变化见附图10、电量消耗变化见附图11。
