CN117087439A - 一种电动轮自卸车动力控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动轮自卸车动力控制***及方法，包括第一转换器的输入端与外部电能转换设备电连接；第二转换器的第一输入端连接于第一转换器的第一输出端，第二输入端连接于第一转换器的第二输出端；第三转换器的第一输入端电连接与外部电源的正极，第一输出端电连接于连接第一转换器第一输出端和第二转换器第一输入端之间的第一母线上，第二输入端电连接于外部电源的负极，第二输出端电连接于连接第一转换器第二输出端和第二转换器第二输入端的第二母线上；制动电阻的一端连接于第一转换器第二输出端和第二转换器第二输入端的连接母线上，另一端连接于第二转换器上，通过上述***能够提高电动轮自卸车的能量回收及利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及矿用车辆技术领域，尤其涉及一种电动轮自卸车动力控制***及方法。
背景技术
矿用电动轮自卸车是应用于大型露天矿的运输装备，典型工况主要有高速行驶(满载)、爬坡(满载)、缓行等，耗能非常大。
传统矿用电动轮自卸车在行驶中进行制动时，优先采用电制动将车速降低至5km/h时，才会投入工作制动。电制动将大量电能传输到了制动电阻以热能形式消耗，一般混动车辆采用磷酸铁锂作为动力补充电池，该种电池充电及放电功率有限，以及制动功率的不确定性导致制动能量的可回收率较低，可利用能量相应也较少，难以满足大型矿用自卸车制动时大功率回收及放电时大功率放电需求。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种电动轮自卸车动力控制***及方法，能够提高电动轮自卸车的能量回收及利用效率。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种电动轮自卸车动力控制***，包括：
第一转换器，所述第一转换器的输入端与外部电能转换设备电连接；
第二转换器，所述第二转换器的第一输入端连接于所述第一转换器的第一输出端，第二输入端连接于所述第一转换器的第二输出端，所述第二转换器的输出端连接于外部动力单元；
第三转换器，所述第三转换器的第一输入端电连接与外部电源的正极，第一输出端电连接于连接所述第一转换器第一输出端和所述第二转换器第一输入端之间的第一母线上，第二输入端电连接于外部电源的负极，第二输出端电连接于连接所述第一转换器第二输出端和所述第二转换器第二输入端的第二母线上；
制动电阻，所述制动电阻的一端连接于所述第一转换器第二输出端和所述第二转换器第二输入端的连接母线上，另一端连接于所述第二转换器上。
进一步地，在所述第一母线和所述第二母线之间设置有电容。
进一步地，所述第一转换器为AC-DC转换器。
进一步地，所述第二转换器为DC-AC转换器。
进一步地，所述第三转换器为DC-DC转换器。
第二方面，本发明还提供了一种电动轮自卸车动力控制方法，包括：
若制动方式为匀速停车制动或恒速下坡制动时，若制动功率大于动力电池充电功率，则将制动能量通过制动电阻的电阻箱进行消耗；
若制动方式为紧急制动，则通过转换单元和电容电池控制外部电能转换设备减少电能输出，减少电能损耗。
进一步地，在采用电容电池控制外部电能转换设备减少电能输出实现制动时，需参考电容电池SOC及SOP特性表。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的一种电动轮自卸车动力控制***，通过第一转换器、第二转换器、第三转换器和制动电阻的结构，能够根据电动轮自卸车的不同制动工况选用不同的制动方式实现制动，进而对电动轮自卸车不同的制动工况进行制动控制，通过制动过程中电能和热能的转换或电动机和发电机之间的状态的转换实现制动过程中动能回收。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明电动轮自卸车动力控制***的结构图；
图2为本发明一实施例提供的电动轮自卸车动力***控制***的结构图；
附图标记说明：
1、第一转换器；2、第二转换器；3、第三转换器；4、制动电阻；5、外部电源；6、电能转换设备；7、牵引电机；8、柴油机；9、发电机；10、电容。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
实施例1
如附图1-2所示，本发明实施例提供了一种电动轮自卸车动力控制***，该***包括：
第一转换器1，第一转换器1的输入端与外部电能转换设备6电连接；
第二转换器2，第二转换器2的第一输入端连接于第一转换器1的第一输出端，第二输入端连接于第一转换器1的第二输出端；
第三转换器3，第三转换器3的第一输入端电连接与外部电源4的正极，第一输出端电连接于连接第一转换器1第一输出端和第二转换器2第一输入端之间的第一母线上，第二输入端电连接于外部电源4的负极，第二输出端电连接于连接第一转换器1第二输出端和第二转换器2第二输入端的第二母线上；
制动电阻4，制动电阻4的一端连接于第一转换器1第二输出端和第二转换器2第二输入端的连接母线上，另一端连接于第二转换器2上。
具体地，在第一母线和第二母线之间设置有电容10。
具体地，第一转换器1为AC-DC转换器。
具体地，第二转换器2为DC-AC转换器。
具体地，第三转换器3为DC-DC转换器。
具体地，外部电源4为电容电池；优选为碳基电容电池，如此设置，一方面，碳基电容电池具有功率密度高且安全性能好的特点，无需热管理机组及散热***，适合在露天矿恶劣环境下长期使用；另一方面，碳基电容电池充放电性能更佳同时储电能力较强，能够更好地匹配高精度充放电控制***，提高电动轮自卸车的能量回收及利用效率。
需要说明的是，本发明中的电容电池为电池模组的结构，在一个中包含有多个电池模组，且在电池模组中设置有与之匹配的电池模组控制单元，用于检测电池的用电数据及参数，以及电池的使用性能。
在本实施例的一些可选的实现方式中，该碳基电容电池结合大倍率充放电特性与大容量储电能力，有效扩大了可回收制动功率范围，根据整车动力匹配及电池本身特性，采用956V电压平台动力电池模组，每10分钟内，可连续充电1分钟的最大电流为1500A。
由此，本发明的一种电动轮自卸车动力控制***在外部电源4方面，采用碳基电容电池，在制动过程中能够更好地匹配高精度充放电控制***，提高电动轮自卸车的能量回收及利用效率，同时能够满足大型矿用自卸车制动时大功率回收及放电时大功率放电需求。
需要说明的是：本发明的电动轮自卸车动力控制***还结合了环境温度对电池充放电的影响，通过电池模块中的控制单元，可以在不同环境温度下改变碳基电容电池充放电截止电压，同时电容电池中还具有过压、过充和过放智能诊断保护***，且智能诊断保护***与电池模组的控制单元电连接，以此实现实时接收电池故障信息，从而控制DC-DC转换器的启停，保护动力电池及***内外部的转换器和变流器等元件。
需要说明的是：在上述AC-DC转换器、DC-AC转换器和DC-DC转换器中均设置有/含有相应的控制单元或控制模块，用于控制直流和交流转换后的能量输出。
具体地，本发明中的电动轮自卸车为用于矿用的电动轮自卸车，以220t混动矿用自卸车为例说明本发明电动轮自卸车动力控制***的原理。
具体地，以柴油机8带动发电机9进行发电，发电机9驱动牵引电机7进行工作，采用本发明的一种电动轮自卸车动力控制***在进行制动过程中时，发电机9输出的交流电经过AC-DC转换器转换为直流后经过直流母线输出至DC-DC转换器转换后将所输出的直流电转换为交流带你输出至牵引电机7进行工作，同时在AC-DC转换器和DC-AC转换器之间设置DC-DC转换器并将DC-DC转换器连接于AC-AC转换器和DC-AC转换器之间的直流母线上，且在DC-DC转换器的另一端连接碳基电容电池，对电动轮自卸车不同的制动工况进行制动控制，通过制动过程中电能和热能的转换或电动机和发电机9之间的状态的转换实现制动过程中动能回收。
需要说明的是，220t矿用电动轮自卸车在制动过程中包括不同的工况，且在不同的工况下制动过程中制动的功率也不同；如有规划停车制动(或匀速制动，采用常规道路上制动方式的制动)、恒速下坡制动和紧急情况避险停车时的制动。
具体地，对于电动轮自卸车在有规划停车制动或恒速下坡制动时，通常需要预留一定的刹车距离，此种制动方式时间较长，制动功率相对确定，且导致制动能量的可回收率较高，可利用能量相应也较多；对于紧急情况避险停车制动时，往往制动功率大且制动所需的时间短，此种制动方式对母线冲击较大，所以制动功率的不确定性导致制动能量的可回收率较低，可利用能量相应也较少。因此，针对上述不同的制动工况，采用本发明的电动轮自卸车动力控制***，可以根据制动功率、电池SOC和安全充放电极限电压等参数控制电池与直流母线的连接通断，实现母线保护的同时，实现制动过程中能量的回收。
具体地，本发明的电动轮自卸车动力控制***，在针对上述不同工况进行制动时，结合了外部电源4的SOC及SOP特性表，限制SOC情况下不同的充放电功率，在刹车时可以尽量多的吸收回馈的能量而不伤害电池，当制动功率大于动力电池充电功率时，将制动能量通过制动电阻4的电阻箱消耗掉；在加速时可以供应更大的功率获得更大的加速度而不伤害电池；同时也可以保证电动轮自卸车在行驶过程中不会因为欠压或者过流保护而失去动力。
需要说明的是，SOC表示动力电池荷电状态，为State of Charge的简称；SOP表示电池的功率状态，为State of Power的简称。在采用本发明的电动轮自卸车动力控制***对电动轮自卸车进行控制时，获取并采用SOC所表示的动力电池荷电状态数据及SOP所表示的电池的功率状态数据。
需要说明的是：本发明的电动轮自卸车动力控制***在对电动轮自卸车进行制动控制时，根据碳基电容电池SOC及SOP特性表，限制不同SOC时不同的充放电功率，在刹车时可以尽量多的吸收回馈的能量而不伤害电池，当制动功率大于动力电池充电功率时，即电制动投入，母线电压大于DC-DC转换器的耐压且充电电流大于电池容量×SOP对应放电倍率时，通过控制DC-DC转换器的通断禁止制动能量进入动力电池，将制动能量通过电阻箱消耗掉。而当制动功率小于动力电池充电功率时，即电制动投入且母线电压小于DC-DC转换器耐压且充电电流小于电池容量×SOP对应放电倍率时，通过控制DC-DC转换器的通断允许制动能量进入动力电池，将制动能量存储进入动力电池。
同时，在加速制动过程时，当电池电压大于590V且放电电流最大不超过750A时，控制DC-DC转换器通断允许动力电池放电；当电池放电电流大于300A且电池电压小于590V时，禁止DC-DC转换器工作从而禁止动力电池继续放电，保证在不伤害电池的情况下供应更大的功率获得更大的加速度，同时也可以保证了矿车在行驶过程中不会因为欠压或者过流保护而失去动力。
需要说明的是，上述在加速过程中电动轮自卸车的电压和电流的大小包括但不限于上述所示出的具体数值，本实施例中的所涉及的电压和电流的大小仅根据实际应用示例性的说明，并不是对本发明的唯一限定，具体的数值范围和大小根据实际使用情况而定。
综上，本发明的电动轮自卸车动力控制***采用交-直-交电路，牵引不同工况时主发电机9发出的三相交流电压首先整流为直流电压，再逆变为VVVF电压，驱动牵引电机7工作，在满功率驱动时，碳基电容电池通过DC-DC转换器释放电能到直流母线；制动工况时牵引电机7发出的三相交流电压整流为直流电压，优先通过DC-DC转换器对动力电池充电，剩余的制动能量通过制动电阻4箱消耗掉。
此外，本发明的电动轮自卸车动力控制***，在制动过程中无需司机任何多余操作，即可有效地将制动能量回收并利用，且利用碳基电容电池有效拓宽了可回收制动功率范围及可利用放电功率范围。
实施例2
本发明还提供了一种电动轮自卸车动力控制方法，包括：
检测电动轮自卸车是否制动；
若制动方式为匀速停车制动或恒速下坡制动时，若制动功率大于动力电池充电功率，则将制动能量通过制动电阻4的电阻箱进行消耗；
若制动方式为紧急制动，则通过转换单元和电容电池控制外部电能转换设备6减少电能输出，减少电能损耗。
具体地，在采用电容电池控制外部电能转换设备6减少电能输出实现制动时，需参考电容电池SOC及SOP特性表。
具体地，检测电动轮自卸车是否制动或其制动状态时，可采用传感器进行检测，并将传感器与电动轮自卸车的控制单元相连接，用于实现检测的目的。
由此，结合本发明的实施例1，在采用上述方法进行电动轮自卸车制动时的动力控制时，可有效地将制动能量回收并利用，减少能量的损耗。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种电动轮自卸车动力控制***，其特征在于，包括：
第一转换器，所述第一转换器的输入端与外部电能转换设备电连接；
第二转换器，所述第二转换器的第一输入端连接于所述第一转换器的第一输出端，第二输入端连接于所述第一转换器的第二输出端，所述第二转换器的输出端连接于外部动力单元；
第三转换器，所述第三转换器的第一输入端电连接与外部电源的正极，第一输出端电连接于连接所述第一转换器第一输出端和所述第二转换器第一输入端之间的第一母线上，第二输入端电连接于外部电源的负极，第二输出端电连接于连接所述第一转换器第二输出端和所述第二转换器第二输入端的第二母线上；
制动电阻，所述制动电阻的一端连接于所述第一转换器第二输出端和所述第二转换器第二输入端的连接母线上，另一端连接于所述第二转换器上。
2.根据权利要求1所述的一种电动轮自卸车动力控制***，其特征在于，在所述第一母线和所述第二母线之间设置有电容。
3.根据权利要求1所述的一种电动轮自卸车动力控制***，其特征在于，所述第一转换器为AC-DC转换器。
4.根据权利要求1所述的一种电动轮自卸车动力控制***，其特征在于，所述第二转换器为DC-AC转换器。
5.根据权利要求1所述的一种电动轮自卸车动力控制***，其特征在于，所述第三转换器为DC-DC转换器。
6.根据权利要求1所述的一种电动轮自卸车动力控制***，其特征在于，所述外部电源为电容电池。
7.一种电动轮自卸车动力控制方法，其特征在于，包括：
检测电动轮自卸车是否制动；
若制动方式为匀速停车制动或恒速下坡制动时，若制动功率大于动力电池充电功率，则将制动能量通过制动电阻的电阻箱进行消耗；
若制动方式为紧急制动，则通过转换单元和电容电池控制外部电能转换设备减少电能输出，减少电能损耗。
8.根据权利要求7所述的一种电动轮自卸车动力控制方法，其特征在于，在采用电容电池控制外部电能转换设备减少电能输出实现制动时，需参考电容电池SOC及SOP特性表。
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