CN116461330A - 用于下坡工况的控制***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***及高空作业车。所述控制***包括：耗能器；第一开关装置；储能器；第二开关装置；及控制装置，用于：在上电时，控制第二开关装置导通储能器的电路以对储能器进行预充；在直流母线电压等于或者大于第一预设电压时，控制第一开关装置导通耗能器的电路以捕获回馈电流；及在所述电压小于或等于第二预设电压时，控制第二开关装置导通储能器的电路以为驱动器供电。本发明介入控制策略，上电时预充储能器，存在失速风险时捕获回馈电流以降低驱动器的回馈电压，且车速降低时由预充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***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***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***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***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)时通过预充的电能对驱动器进行供电，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***，所述控制***包括：电压检测装置，用于检测驱动器的直流母线电压；耗能器，用于捕获所述驱动器输送的回馈电流；第一开关装置，用于导通所述耗能器所在的第一电路；储能器；第二开关装置，用于导通所述储能器所在的第二电路；以及控制装置，用于执行以下操作：在上电时，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电池对所述储能器进行预充电；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，以由所述耗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，通过控制所述第二开关装置来导通所述第二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，所述第一开关装置为第一高频开关。

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，以控制由所述耗能器捕获所述回馈电流的速度，以及在所述第二开关装置为第二高频开关的情况下，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以由所述电池对所述储能器进行预充电包括：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，以控制由所述电池对所述储能器进行预充电的速度。

优选地，在所述第二开关装置包括第一接触器、电阻及第二接触器的情况下，所述第二电路包括：所述第一接触器与所述电阻串联所在的第一子电路；以及所述第二接触器所在的第二子电路，其中，所述第一接触器与所述电阻两者与所述第二接触器并联连接，相应地，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以由所述电池对所述储能器进行预充电包括：通过控制所述第一接触器闭合与所述第二接触器断开来导通所述第一子电路，以由所述电池对所述储能器进行预充电，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以由所述储能器为所述驱动器供电包括：通过控制所述第一接触器断开与所述第二接触器闭合来导通所述第二子电路，以由所述储能器为所述驱动器供电。

优选地，所述储能器为电容或蓄电池。

优选地，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在上电时，导通储能器所在的电路以由对所述储能器进行预充电，然后在直流母线电压等于或者大于第一预设电压的情况下，导通耗能器所在的电路，以由所述耗能器捕获回馈电流，接着在所述直流母线电压小于或等于第二预设电压的情况下，导通所述储能器所在的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)时通过预充的电能对驱动器进行供电，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***。

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***的行驶驱动***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***的示意图；

图3是本发明一实施例提供的用于下坡工况的控制***的示意图；以及

图4是本发明一实施例提供的用于下坡工况的控制***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***(即安全保护装置)的示意图。如图2所示，所述控制***可包括：电压检测装置10，用于检测驱动器的直流母线电压；耗能器20，用于捕获所述驱动器输送的回馈电流；第一开关装置30，用于导通所述耗能器20所在的第一电路；储能器22；第二开关装置50，用于导通所述储能器所在的第二电路；以及控制装置40。

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***(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***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***(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。

如图3所示，所述第一开关装置30可为第一高频开关31。具体地，所述第一高频开关31可为场效应晶体管(即，MoS管)。

其中，所述电压检测装置10可为电压表11，如图3所示。

其中，所述控制装置40为中央处理器(CPU)41，如图3所示。

所述控制装置40用于执行以下操作：在上电时，通过控制所述第二开关装置50来导通所述第二电路以由所述电池对所述储能器进行预充电；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，以由所述耗能器20捕获所述回馈电流，在所述直流母线电压小于或等于第二预设电压的情况下，通过控制所述第二开关装置来导通所述第二电路，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。具体地，所述第一预设电压小于所述驱动器2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，以控制由所述耗能器捕获所述回馈电流的速度。

在一实施例中，所述耗能器20可为为电阻25(如图4所示)等，以及所述储能器可为电容或蓄电池。

具体地，以所述耗能器20为电阻25(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的占空比来导通电阻25所在的电路，以控制由电阻25消耗回馈制动能量的速度，从而控制电阻所吸收的回馈能量，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，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。本方案设计的耗能器的吸收方式，解决了电池***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***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。

也就是说，在本实施例中，若不存在储能器(例如储能电容)，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，由能耗电阻消耗回馈制动能量，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。

针对上述提到的缺陷，在本实施例中添加储能器及相应的电路，以在上电时对所述储能器进行预充。由此，可在直流母线电压降低(即车速降低)后，采用所述储能器预充的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。

其中，所述储能器22可为电容24或蓄电池等。

在所述第二开关装置为第二高频开关的情况下，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以由所述电池对所述储能器进行预充电包括：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，以控制由所述电池对所述储能器进行预充电的速度。

在一实施例中，所述第二开关装置50可为第二高频开关33或者接触器(如图3所示)。具体地，所述第二高频开关33可为场效应晶体管(即，MoS管)。

具体地，以所述储能器22为电容24为例进行说明，在上电的情况下，CPU 41通过控制第二高频开关33的占空比来导通其所在的电路，以由所述电池对所述电容22进行预充电。然后，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，由能耗电阻消耗回馈制动能量，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。因此，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(即，回馈电压接近驱动器的最小工作电压)的情况下，CPU 41通过控制第二高频开关33(其相当于接触器)来导通其所在的电路，以由所述电容24为所述驱动器2供电(如图3所示)，由此，所述电容22可为驱动器2完成制动过程提供辅助电源(尤其是当动力***失电时)。但若电容吸收的能量不足，在电压降低(即车速降低)后，可能引起驱动器严重欠电压报警，驻车制动器会直接抱闸制动。

也就是说，上电时CPU 41控制第二高频开关33的占空比来完成对储能电容24的预充。预充的作用是为驱动器2提供备用能量，以完成减速过程。存在失速风险时，仍由能耗电阻25吸收回馈制动能量，稳定直流母线电压。而在电压降低后，CPU控制高频开关来控制储能电容24为驱动器供电，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。

在所述第二开关装置可包括第一接触器34、电阻60及第二接触器35的情况下，所述第二电路可包括：所述第一接触器34与所述电阻60串联所在的第一子电路；以及所述第二接触器35所在的第二子电路。其中，所述第一接触器34与所述电阻60两者与所述第二接触器35并联连接。

相应地，所述控制装置40(例如，CPU 41)用于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电池对所述储能器进行预充电包括：通过控制所述第一接触器34闭合与所述第二接触器35断开来导通所述第一子电路，以由所述电池对所述储能器进行预充电，以及所述控制装置40(例如，CPU 41)用于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储能器为所述驱动器供电包括：通过控制所述第一接触器34断开与所述第二接触器35闭合来导通所述第二子电路，以由所述储能器为所述驱动器供电。

具体地，在上电的情况下，通过控制接触器34闭合与接触器35断开来导通其所在的电路，以由所述电池对所述电容24进行预充电。然后，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，由能耗电阻消耗回馈制动能量，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。因此，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(即，回馈电压接近驱动器的最小工作电压)的情况下，CPU 41通过控制接触器34断开与接触器35闭合来导通其所在的电路，以由所述电容24为所述驱动器2供电，如图4所示。由此，所述电容24可为驱动器2完成制动过程提供辅助电源(尤其是当动力***失电时)。由此，预充的作用是为驱动器2提供备用能量，以完成减速过程。

与图3所示的实施例相比，图4所示的本实施例采用接触器34与电阻60组成的预充电路对电容24进行预充电，并采用接触器35导通所述电容24所在的另一电路来利用电容24对驱动器进行供电。由于预充电电路与供电电路分离，故本实施例可实现更为可靠的供电目的；并且，由于本实施例采用更为简单的开关装置(即，接触器)，其可采用更简单的方式来实现控制目的。

在一实施例中，所述控制***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3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在上电时，导通储能器所在的电路以由对所述储能器进行预充电，然后在直流母线电压等于或者大于第一预设电压的情况下，导通耗能器所在的电路，以由所述耗能器捕获回馈电流，接着在所述直流母线电压小于或等于第二预设电压的情况下，导通所述储能器所在的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)时通过预充的电能对驱动器进行供电，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***(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***(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***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***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阻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，通过储能电容预充的电能及时补电，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***，其特征在于，所述控制***包括：

电压检测装置，用于检测驱动器的直流母线电压；

耗能器，用于捕获所述驱动器输送的回馈电流；

第一开关装置，用于导通所述耗能器所在的第一电路；

储能器；

第二开关装置，用于导通所述储能器所在的第二电路；以及

控制装置，用于执行以下操作：

在上电时，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电池对所述储能器进行预充电；

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，以由所述耗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，通过控制所述第二开关装置来导通所述第二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***，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***，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***，其特征在于，所述第一开关装置为第一高频开关。

5.根据权利要求4所述的控制***，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，以控制由所述耗能器捕获所述回馈电流的速度，以及

在所述第二开关装置为第二高频开关的情况下，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以由所述电池对所述储能器进行预充电包括：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，以控制由所述电池对所述储能器进行预充电的速度。

6.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，在所述第二开关装置包括第一接触器、电阻及第二接触器的情况下，所述第二电路包括：所述第一接触器与所述电阻串联所在的第一子电路；以及所述第二接触器所在的第二子电路，其中，所述第一接触器与所述电阻两者与所述第二接触器并联连接，

相应地，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以由所述电池对所述储能器进行预充电包括：通过控制所述第一接触器闭合与所述第二接触器断开来导通所述第一子电路，以由所述电池对所述储能器进行预充电，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以由所述储能器为所述驱动器供电包括：通过控制所述第一接触器断开与所述第二接触器闭合来导通所述第二子电路，以由所述储能器为所述驱动器供电。

7.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述储能器为电容或蓄电池。

8.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，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***。

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。