本發(fā)明涉及一種叉車控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及叉車的節(jié)能裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

近年，人們對節(jié)能環(huán)保的要求越來越高，電動叉車因低噪音、零排放、不依賴原油越來越受用戶的認(rèn)可和歡迎，具有未做未來主流叉車的潛力，但是目前典型電動叉車常常因蓄電池連續(xù)工作時間短而停機，并且蓄電池的循環(huán)使用壽命因叉車工況條件的影響比正常使用壽命低。在電動叉車啟動舉升大質(zhì)量物體的瞬間，蓄電池瞬間輸出大功率電流對蓄電池本身造成永久性不可修復(fù)的損傷，極大程度上減少蓄電池使用壽命。頻繁更換蓄電池不僅加劇成本，而且一定程度上對環(huán)境造成污染。

目前鉛酸蓄電池和鋰電池等蓄電池不能同時提供足夠高的比能量和比功率。很難滿足電動叉車在加速舉升、加速啟動、爬坡能力和勢能、制動能量回收等方面的使用要求，嚴(yán)重制約電動叉車的性能。

近幾年推出的各類超級電容容量可達(dá)上千法拉，已有部分裝置和場所將超級電容當(dāng)做電源使用，其優(yōu)點是超級電容的壽命可達(dá)10萬次充放電，瞬間比功率極大，但是存儲容量極小，比能量極低，一般無法滿足長時間運轉(zhuǎn)。

目前對于叉車勢能回收和蓄電池保護方面，現(xiàn)有技術(shù)有以下：

以中國專利cn201310014646.0為例的專利在蓄電池充電階段進行蓄電池保護，這也是目前應(yīng)用比較廣泛的蓄電池保護手段，但是沒有在蓄電池工作狀態(tài)時對蓄電池進行有效的保護。

以中國權(quán)利cn200910179744.3、中國專利cn201410153416.7為例的專利在蓄電池受損或即將受損的工作狀態(tài)下直接切斷工作電路來保護蓄電池，致使設(shè)備當(dāng)機。

以中國專利cn201110132119.0為例的專利利用蓄能器進行勢能回收。此類專利將液壓油儲存在蓄能器中，在下次循環(huán)過程中加以利用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量利用率低，而且存在潛在風(fēng)險，可替換性小，大部分機械設(shè)備無法使用此類設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明首先要解決的技術(shù)問題是提供一種叉車用節(jié)能裝置，能夠延長叉車的續(xù)航能力，延長蓄電池使用壽命。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種叉車用節(jié)能裝置，包括多個能單獨實現(xiàn)其功能的功能模塊，所述功能模塊均連接至控制芯片的輸出端，并接受控制芯片所發(fā)出的控制信號從而實現(xiàn)相應(yīng)的功能，所述功能模塊并聯(lián)在節(jié)能控制電路上，所述節(jié)能控制電路包括超級電容、蓄電池/蓄電池組、雙作用交流電機及雙向逆變器，所述蓄電池/蓄電池組的輸出端連接有第一電壓傳感器，所述超級電容的輸出端連接有第二電壓傳感器，分別用于實時監(jiān)測所述蓄電池/蓄電池組和所述超級電容的輸出電壓，所述功能模塊的輸出端通過雙向逆變器連接至雙作用交流電機，所述蓄電池/蓄電池組的輸出端連接至所述超級電容的輸入端。

在采用上述技術(shù)方案的同時，本發(fā)明還可以采用或者組合采用以下進一步的技術(shù)方案：

所述雙作用交流電機正轉(zhuǎn)時為發(fā)動機，反轉(zhuǎn)時為發(fā)電機。

所述蓄電池/蓄電池組的輸出端串聯(lián)有保護電阻；所述超級電容的輸出端串聯(lián)有電感。

所述功能模塊包括蓄電池單獨供電模塊、大功率電流模塊、蓄電池供電模塊以及能量回收模塊，所述蓄電池單獨供電模塊包括用于接收控制芯片的相應(yīng)控制信號的第一igbt，所述第一igbt上并聯(lián)有第一續(xù)流二極管，所述大功率電流模塊包括用于接收控制芯片的相應(yīng)控制信號的第二igbt，所述第二igbt上并聯(lián)有第二續(xù)流二極管，所述蓄電池供電模塊包括用于接收控制芯片的相應(yīng)控制信號的第三igbt，所述第三igbt上并聯(lián)有第三續(xù)流二極管，所述能量回收模塊包括用于接收控制芯片的相應(yīng)控制信號的第四igbt，所述第四igbt上并聯(lián)有第四續(xù)流二極管。

所述控制芯片的兩個輸入端分別連接至第一電壓傳感器和第二電壓傳感器用于接收蓄電池/蓄電池組和超級電容的實時電壓信息，所述控制芯片的4個信號輸出端分別經(jīng)過igbt驅(qū)動電路后連接至蓄電池單獨供電模塊、大功率電流模塊、蓄電池供電模塊以及能量回收模塊。

本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種叉車用節(jié)能控制方法，也即上述叉車用節(jié)能裝置的運行方法，該方法包括以下四個工作狀態(tài)：

1)蓄電池/蓄電池組單獨供電：電動叉車勻速舉升或者行駛中，當(dāng)電機所需驅(qū)動電流等于或小于額定工作電流或超級電容的soc低于50％時，由蓄電池/蓄電池組單獨為電動叉車供電；

2)超級電容供電：在電動叉車舉升啟動、舉升加速、加速啟動且超級電容soc高于50％時，超級電容為電動叉車提供運行初始的瞬時大功率電流，該瞬時大功率電流可高于200a；

3)蓄電池/蓄電池組充電：當(dāng)超級電容的soc低于50％時，在叉車運行或者停止工況下均可由蓄電池/蓄電池組向超級電容充電；

4)能量回收：電動叉車回落時，雙作用電機反轉(zhuǎn)，通過雙向逆變器向電路充電，先向超級電容充電，等超級電容充滿之后再為蓄電池/蓄電池組充電。

進一步地，所述四個工作狀態(tài)由第一信號、第二信號、第三信號和第四信號交叉控制，第一信號、第二信號、第三信號和第四信號均由控制芯片產(chǎn)生初始脈沖寬度調(diào)制信號經(jīng)過igbt驅(qū)動電路后得到，所述的控制芯片根據(jù)第一電壓傳感器和第二電壓傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及電動叉車駕駛員的操作輸入信號實時調(diào)節(jié)輸出上述控制信號。

進一步地，當(dāng)處于第1)工作狀態(tài)時，蓄電池/蓄電池組單獨供電，第三信號控制第三igbt的通斷，第一igbt、第三igbt、第四igbt處于關(guān)斷狀態(tài)。

當(dāng)處于第2)工作狀態(tài)時，第二信號和第三信號分別控制第二igbt和第三igbt的通斷，第一igbt和第四igbt均處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)?shù)诙盘柨刂频诙gbt導(dǎo)通時，超級電容向電感儲能，此時第三信號控制第三igbt關(guān)斷；當(dāng)?shù)诙盘柨刂频诙gbt關(guān)斷時，第三信號控制第三igbt導(dǎo)通，存儲在電感的能量輸出大功率電流向雙作用交流電機供電。

當(dāng)處于第3)工作狀態(tài)時，第一信號控制第一igbt的通斷，第二igbt、第三igbt和第四igbt均關(guān)斷，此時，第一igbt、電感和第二續(xù)流二極管構(gòu)成一個buck降壓電路，蓄電池/蓄電池組向超級電容充電。

當(dāng)處于第4)工作狀態(tài)時，第四信號和第一信號控制第四igbt和第一igbt的通斷，第三igbt和第二igbt處于關(guān)斷狀態(tài)，在電動叉車貨物下降的過程中，雙作用交流電機反轉(zhuǎn)成為發(fā)電機，通過第四信號和第一信號調(diào)節(jié)第四igbt和第一igbt的通斷給超級電容充電。

本發(fā)明的有益效果是：1.本發(fā)明通過超級電容代替蓄電池來提供電動叉車在舉升啟動、舉升加速、加速啟動時的瞬時大功率電流，避免了蓄電池瞬間輸出大功率電流對蓄電池造成永久性不可修復(fù)的損傷，以此延長了蓄電池的使用壽命；2.本發(fā)明能夠回收叉車在貨叉下降時所產(chǎn)生的的重力勢能和叉車制動能，延長了叉車的續(xù)航能力，節(jié)約能源；3.本發(fā)明通過設(shè)計igbt驅(qū)動電路與控制芯片的控制電路，減輕了泵電機的功率負(fù)擔(dān)，降低油溫，提高系統(tǒng)效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的叉車用節(jié)能裝置的設(shè)計原理圖。

圖2是本發(fā)明的igbt驅(qū)動電路示意圖，圖中a1是電容，a2是電阻，a3是三極管，a4是蓄電池，a5是光耦芯片a3120。

圖3是第二信號的占空比為0.66是boost電路的輸出電流示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例，更具體地闡述本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的實施并不限于下面的實施例，應(yīng)當(dāng)理解的是，對本發(fā)明所做的任何形式上的變通或改變都應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

圖1為本發(fā)明的叉車用節(jié)能裝置的設(shè)計原理圖，其中電壓傳感器實時監(jiān)測蓄電池1、超級電容11的電壓，并反饋給控制芯片17，控制芯片17在根據(jù)電動叉車的工作狀態(tài)結(jié)合上述反饋信息實時調(diào)節(jié)第一信號至第四信號的占空比，其中第一信號至第四信號均為脈沖寬度調(diào)制信號。

在超級電容11提供叉車在舉升啟動、舉升加速、加速啟動的瞬時大功率電流這種工況下，超級電容11的輸出電路由非隔離boost升壓電路、受第二信號控制的第二igbt4和續(xù)流二極管8、雙向逆變器16以及雙作用交流電機13組成，非隔離boost升壓電路由電感12、第一續(xù)流二極管7和受第二信號控制的第二igbt4組成，如圖1所示。

圖2為本發(fā)明的igbt驅(qū)動電路示意圖，保證驅(qū)動信號有18v的驅(qū)動電壓及最大2a的驅(qū)動電流來驅(qū)動igbt，并且通過光電耦合將一次電路和elv電路絕緣，此外，可有效預(yù)防零點漂移現(xiàn)象的發(fā)生。igbt驅(qū)動電路是每個功能模塊的主要功能元件，能夠?qū)崿F(xiàn)對控制芯片17中輸出信號的調(diào)理、調(diào)幅，使其達(dá)到驅(qū)動igbt的要求。

第二信號和第三信號由控制芯片17發(fā)出初始脈沖寬度調(diào)制信號經(jīng)igbt驅(qū)動電路(如圖2)后生成，控制芯片17通過第一電壓傳感器14和第二電壓傳感器15的實時監(jiān)測電壓實時調(diào)節(jié)第二信號和第三信號的占空比，以此來匹配超級電容的輸出電壓與蓄電池電壓。

圖3為第二信號的占空比為0.66時boost電路的輸出電流示意圖。在第二信號處于ton(上升沿觸發(fā))時，第三信號處于toff(下降沿觸發(fā))，第二igbt4導(dǎo)通，第三igbt5關(guān)斷，超級電容11給電感12充電，電感12儲能，電感上的電流增加量(電感線圈未飽和時)為：

其中：d為信號占空比，t為開關(guān)周期，l為電感電量，vin為電感輸入電壓。

當(dāng)?shù)诙盘柼幱趖off時，第三信號處于ton，第二igbt4關(guān)斷，第三igbt5導(dǎo)通，電感12放電，電感12的能量通過第一續(xù)流二極管7傳遞給負(fù)載，當(dāng)電感12上的電流不斷減少，忽略第一續(xù)流二極管7的壓降，則電流變化為：

其中：vo為電感輸出電壓。

并且在第三igbt5導(dǎo)通，第二igbt4關(guān)斷時，續(xù)流二極管10進行續(xù)流。

電感電流連續(xù)模式時，在穩(wěn)態(tài)條件下，電感12上的電流增加等于其電流減少，即于是整理可得：

因為占空比為0-1，所以boost電路的輸出電壓必定大于超級電容的輸出電壓，調(diào)節(jié)第二信號的占空比可使boost電路的輸出電壓與蓄電池1的輸出電壓想匹配，并且由于超級電容11的放電特性，在超級電容11儲能足夠(soc不低于50％)的情況下經(jīng)boost升壓電路后的輸出電流可以完全滿足叉車在舉升啟動、舉升加速、加速啟動時所需的瞬時高達(dá)200a的大功率電流，瞬時大功率電流是指電動叉車在舉升啟動、舉升加速、加速啟動這些動作剛開始的一瞬間所需要的功率較大的高達(dá)200a的啟動電流。

在超級電容11電量過低時，soc小于50％，由蓄電池1向超級電容11充電，電流的流向依次是：蓄電池1、保護電阻2、受第一信號控制的第一igbt3、第三續(xù)流二極管9、電感12以及超級電容11。

為防止充電電流過大對蓄電池產(chǎn)生損傷，由控制芯片17控制第一igbt3的通斷，電感12起穩(wěn)流作用，保證整個充電過程充電電流平穩(wěn)。

在能量回收時優(yōu)先選擇向超級電容11充電，其次為蓄電池1充電，充電時，電能流向的順序是：雙作用交流電機13、雙向逆變器16、第四igbt6、第三續(xù)流二極管9、第一igbt3、第二續(xù)流二極管8、電感12、超級電容11、保護電阻2及蓄電池1。

在雙作用交流電機13反轉(zhuǎn)成為發(fā)電機時，電機內(nèi)的電感線圈、第四igbt6和第三續(xù)流二極管9構(gòu)成一個boost升壓電路，原理與上述一樣。在第四信號和第一信號的控制下，調(diào)節(jié)第四igbt6和第一igbt3的通斷情況以及保護電阻2和電感12來保證充電效益最大化并保護超級電容11和蓄電池1。

本發(fā)明的叉車用節(jié)能裝置的運行方法可分為四個工作狀態(tài)，具體如下：

1)蓄電池1單獨供電。電動叉車勻速舉升或者行駛中，當(dāng)電機所需驅(qū)動電流小于額定電流或者超級電容11的soc低于50％時，由蓄電池1單獨供電；此時，第三信號控制第三igbt5的通斷，第一igbt3、第二igbt4和第四igbt6均處于關(guān)斷狀態(tài)。第三igbt5關(guān)斷瞬間電流通過第四續(xù)流二極管10進行續(xù)流，在下一個導(dǎo)通瞬間前維持電流穩(wěn)定。

2)超級電容11提供叉車在舉升啟動、舉升加速、加速啟動時的大功率電流。此時，第二信號和第三信號分別控制第二igbt4和第三igbt5的通斷，第一igbt3和第四igbt6均處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)?shù)诙盘柨刂频诙gbt4導(dǎo)通時，超級電容11向電感12儲能，此時第三信號控制第三igbt5關(guān)斷；當(dāng)?shù)诙盘柨刂频诙gbt4關(guān)斷時，第三信號控制第三igbt5導(dǎo)通，存儲在電感12的能量輸出高達(dá)200a的大功率電流向雙作用交流電機13供電。

3)在超級電容11電量過低時，由蓄電池1向超級電容11充電。此時，第一信號控制第一igbt3的通斷，第二igbt4、第三igbt5和第四igbt6均關(guān)斷，在這種情況下，第一igbt3、第二續(xù)流二極管8和電感12構(gòu)成一個buck降壓電路，防止瞬間充電電流過大并降低充電電壓，使得蓄電池1平穩(wěn)地向超級電容11充電。

4)在能量回收時優(yōu)先選擇向超級電容11充電，其次為蓄電池1充電。此時，第四信號和第一信號控制第四igbt6和第一igbt3的通斷，第三igbt5和第二igbt4處于關(guān)斷狀態(tài)，在電動叉車貨物下降的過程中，雙作用交流電機13反轉(zhuǎn)成為發(fā)電機，通過第四信號和第一信號調(diào)節(jié)第四igbt6和第一igbt3的開斷給超級電容11充電。

第一信號、第二信號、第三信號和第四信號均由控制芯片17產(chǎn)生初始調(diào)制脈沖寬度調(diào)制信號經(jīng)過如圖2的igbt驅(qū)動電路調(diào)理、增幅后得到，第一信號、第二信號、第三信號和第四信號均受控制芯片，控制芯片17在接受第一電壓傳感器14和第二電壓傳感器15的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)后實時調(diào)節(jié)輸出信號的占空比來控制整個裝置的工作狀態(tài)。