一种工程车辆用直流发电与电源管理系统的制作方法

本发明涉及一种车辆发电与电源管理系统，特别涉及一种工程车辆用直流发电与电源管理系统。

背景技术：

工程用钻机等工程机械多数采用液压动力系统，并多数依靠液压马达执行动作或行驶。液压马达的动力来源于液压泵，并由一个柴油发动机驱动液压泵，向所有液压马达提供压力。液压马达和液压泵的效率较低(平均效率低于30％)，因此这类工程车辆油耗较大，车辆运营成本高。为了降低钻机的运营费用，国外公司已经将包括钻机、挖掘机在内的工程车辆改造成电驱动系统。考虑到工程车辆主要再野外操作，电能的来源一般无法采取在线电网供电或采用充电电池方案，这些电驱动的工程车辆一般都带有发电系统或增程发电系统。

目前，工程上的发电系统大多采取了恒转速发电机系统，体积重，成本高；此外由于工程机械的负载既变化频繁，幅值又大，发电机系统的效率和用电系统效率不匹配，需要进一步降低油耗的要求。

因此，特别需要一种工程车辆用直流发电与电源管理系统，以解决上述现有存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种工程车辆用直流发电与电源管理系统，针对现有技术的不足，方便借助公共母排连接各条绕组支路。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种工程车辆用直流发电与电源管理系统，它包括发动机控制器ecu、发电机、发电机控制器gcu、动力电机、电机控制器mcu、动力分配单元pdu和动力控制单元pcu，发动机ecu集成在发动机上，发电机控制器gcu与发电机的三相绕组互相电气连接，发电机与发动机之间同轴机械联接；发电机控制器gcu的直流高压母线接入动力分配单元pdu并接入可被动力控制单元pcu控制的继电器，动力控制单元pcu通过一路can总线与车辆控制器vcu互相通讯连接，动力控制单元pcu通过另一路can总线分别与发动机控制器ecu、发电机控制器gcu和电机控制器mcu互相通讯连接，电机控制器mcu与动力电机电气连接。

在本发明的一个实施例中，还包括一低压蓄电池，所述低压蓄电池与发动机的发电机直流端相连接，所述低压蓄电池的正极接入动力分配单元pdu将低压直流电分配到用电器或电机控制器的低压侧，并接入可被动力控制单元pcu控制的继电器。

在本发明的一个实施例中，所述动力分配单元pdu内部设置有用于电压补偿和安全保护的大容量电容。

在本发明的一个实施例中，所述动力分配单元pdu内设置有用电器的高压上电开关、用电器的低压上电开关、用电器的供电开关、发电机控制器gcu的低压上电开关和发电机控制器gcu的供电开关。

在本发明的一个实施例中，所述动力分配单元pdu和所述动力控制单元pcu集成于同一物理控制盒内。

本发明的工程车辆用直流发电与电源管理系统，与现有技术相比，动力控制单元pcu负责根据车辆控制器vcu的要求，通过can通讯和动力分配单元pdu对发动机、发电机、用电系统(各电动机以及电机控制器mcu)的能量协调与管理，并确保车辆电网的稳定高效运行；发电机控制器gcu控制发电机电流参数，维持母线电压稳定；通过对用电系统的科学用电和发电管理，以及发电系统的快速稳定响应，即可实现系统的串联供电工作，在3秒之内实现用电负荷的快速相应，实现本发明的目的。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的工程车辆用直流发电与电源管理系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例

如图1所示，本发明的工程车辆用直流发电与电源管理系统，它包括发动机控制器ecu、发电机hv、发电机控制器gcu、动力电机motor、电机控制器mcu、动力分配单元pdu和动力控制单元pcu。

发动机控制器ecu集成在发动机上，且发动机自带低压启动电机和发电机；发电机控制器gcu与发电机hvgenerator的三相绕组互相电气连接，发电机发电机hvgenerator与发动机之间同轴机械联接；发电机控制器gcu的直流高压母线接入动力分配单元pdu，动力分配单元pdu将发电机控制器gcu引入的高压母线电压，分配到各用电支路并在各支路接入可被动力控制单元pcu控制的继电器。

低压蓄电池battery与发动机的发电机hvgenerator直流端直接连接，并将低压蓄电池battery的正极接入动力分配单元pdu，动力分配单元pdu将引进的低压直流电分配到各用电器或电机控制器的低压侧，并接入可被动力控制单元pcu控制的继电器。

动力分配单元pdu的内部设置有大容量电容，负责电压补偿、安全保护，用电时序的执行，用电器(例如各mcu)的高、低压上电和供电开关、gcu的低压上电和供电开关位于动力分配单元pdu内，动力分配单元pdu和动力控制单元pcu继承于同一物理控制盒内。

动力控制单元pcu的设置有2路can总线，动力控制单元pcu通过一路can总线与车辆控制器vcu互相通讯连接，动力控制单元pcu通过另一路can总线分别与发动机控制器ecu、发电机控制器gcu和电机控制器mcu互相通讯连接，电机控制器mcu与动力电机电气连接。

电机控制器mcu或其他用电器需采用can通讯，can总线数量可根据实际使用需求增加或减少。

动力控制单元pcu负责根据车辆控制器vcu的要求，通过can通讯和动力分配单元pdu对发动机、发电机、用电系统(各电动机以及电机控制器mcu)的能量协调与管理，并确保车辆电网的稳定高效运行。发电机控制器gcu控制发电机的电流参数，维持母线电压稳定。

本发明的工程车辆用直流发电与电源管理系统通过对用电系统的科学用电和发电管理，以及发电系统的快速稳定响应，不需要高压电池及电池管理系统bms即可实现了系统的串联供电工作，在3秒之内实现用电负荷的快速相应。

本发明的工程车辆用直流发电与电源管理系统的工作原理如下：

a.待机情况：车辆控制器vcu没有任何工作指令输入时，低压蓄电池battery(24v蓄电池)仅直接给动力控制单元pcu和车辆控制器vcu供电，系统处于待机低损耗工作中。

b.系统唤醒：

车辆控制器vcu的收到车俩启动信号后，通过can通讯将指令传递给动力控制单元pcu，动力控制单元pcu得到can唤醒信号后恢复内部各子模块的供电并正常工作并完成自检功能，并逐个对发电机控制器gcu、发动机控制器ecu、和电机控制器mcu等上低压控制电再下低压电，确保可以和发电机控制器gcu，电机控制器mcu的正常通讯并无故障后再次对发动机控制器ecu和发电机控制器gcu上电。通过发动机控制器ecu正常启动发动机维持低速怠速运行，发电机和发动机同步旋转，通过发电机控制器gcu确保高压侧产生稳定高压输出后，通过can总线告知动力控制单元pcu。动力控制单元pcu再次确认无任何故障报警后通过can回复车辆控制器vcu可正常工作，系统进入等待负载工作状态。

c.启动用电：

工程机械操作员做出任何让工程机械动作的指令后，车辆控制器vcu将人工指令转换为机器负载指令并通过can总线将指令(具体某一个用电器或电机的转速扭矩需求)传递给动力控制单元pcu，动力控制单元pcu得到指令后一方面使对应的电机控制器mcu或其他用电器控制器进行低压上电，并进行功率系统用电功率需求计算，并根据功率需求计算出发动机的经济转速，然后将指令传递给发动机控制器ecu。发动机控制器ecu得到动力控制单元pcu的要求后以最快速度增加发动机转速至要求值，同时发电机控制器gcu通过控制发电机的电流矢量做到高压母线电压的稳定，发动机运行至指定转速后回复动力控制单元pcu，动力控制单元pcu得到发动机控制器ecu确认后，将扭矩转速目标值和允许电流上升速率要求发给电机控制器mcu，电机控制器mcu按照动力控制单元pcu的要求启动电动机并进入负载工作状态。系统从得到车辆控制器vcu指令至使电动机运行至任何稳定工作状况的时间需满足工程车辆的需求，该时间一般小于3s。

为了提高系统相应速度，动力控制单元pcu还可根据发动机控制器ecu实施反馈的转速分布步执行：将目标功率设定为多个值，有小到达逐步执行。实时调整用电功率的目标值或功率上升曲线，既保证发电能力大于用电需求，又不需要等待发动机的转速达到稳定速度再启动用电负荷，最大程度减少发动机转速调整引起的时间延迟。

d.用电调整：

工程机械操作员的动作需要增加用电器时或各单机需增加用电负荷时，同样需要由车辆控制器vcu向动力控制单元pcu发出指令，动力控制单元pcu得到指令后计算出系统总用电功率需求，然后发指令给发动机控制器ecu调整发动机转速，动力控制单元pcu确保调整后的功率需求与发动机转速是高效匹配的，且同时确保系统发电能力大于用电能力下以最快速度调整发电机、发动机、电动机(用电器)之间的工作状态。

e.停止用电并消除残余高压：

工程机械操作员的动作需要较少用电器时或停止某些单机电负荷时，同样需要由车辆控制器vcu向动力控制单元pcu发出指令，动力控制单元pcu得到指令后计算出系统总用电功率需求，然后发指令给发动机控制器ecu调整发动机转速。

具体实施时，动力控制单元pcu发指令给电机控制器mcu降低功率工作扭矩或转速，随着驱动电机的扭矩或转速下降时，用电负荷下降，一方面，发电机控制器gcu应实施调整发电机控制策略，维持目前电压稳定(不超过运行限定值)，另一方面，动力控制单元pcu发指令给发动机控制器ecu适当降低发动机转速，确保较高的系统发电和用电效率，但仍需保证发电能力(包括用电动机和发电机减速功能带来的发电功率增加)大于用电功率。

遇到紧急情况或需要确保电动机快速制动时，由于系统动能的快速释放，可能导致短时发电功率高于用电功率。这种情况导致目前电压上升，并超过限定值，动力控制单元pcu通知发动机控制器ecu停止供油，并利用发动机的摩擦损耗吸收系统动能，直至发电机控制器gcu检测到母线电压下降至限定值后再通知发动机控制器ecu恢复供油工作。限定值的大小取决于各电机控制器mcu、发电机控制器gcu、动力分配单元pdu中的高压器件耐压能力和系统特性，某个电动机(用电器)停止工作后，动力控制单元pcu控制动力分配单元pdu先关断高压电源，后关断低压电电源。

当车辆控制器vcu发出最后一个用电器(电动机)的停车指令或动力控制单元pcu接收到系统紧急停车指令后，动力控制单元pcu先通知发动机控制器ecu将发动机停止供油至发电机控制器gcu检查到母线电压低于最低极限值电时，发动机才回复供油并将转速调整至最低怠速状态。动力控制单元pcu发出发动机停止供油指令的同时通知电机控制器mcu降低扭矩和转速直至停止工作。电动机停止工作后动力控制单元pcu控制动力分配单元pdu先切断电动机高压电源后切断低压蓄电池；然后动力控制单元pcu发出发动机停转指令，让发动机和发电机停止工作，在这发动机停止旋转过程中，控制发电机控制器gcu对母线残余电压进行系统主动放电，并同时控制动力分配单元pdu吸合被动放电开关。待发动机停止旋转后，动力控制单元pcu控制动力分配单元pdu切断发电机控制器gcu的低压供电电源，最后切断发动机控制器ecu的通讯电源，动力控制单元pcu进入待机模式。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。