电动叉车用燃料电池系统研究_沐鸣平台登录地址

电动叉车日常清洁的误区，错误的方法会毁了你的叉车！

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　　电动叉车主要用于工业厂房内部的货物举升作业，具有环保经济、操作简单等优点。氢燃料电池是一个发电装置，通过加注氢气方式补给能量，加氢过程只需几分钟，可大大提升燃料电池叉车的利用率。

　　采用氢燃料电池作为叉车的动力源，是一个值得研究的新方向该研究旨在通过将氢燃料电池与动力电池结合，形成氢电混合，使得叉车动力系统在满足高功率需求特性的同时，又具备更久的使用时间提供了一种电动叉车用氢燃料电池系统的控制方法和能量管理策略，并通过实际的应用，验证系统设计的合理性，解决电动叉车持续工作时间短的问题。

　　一、混合动力系统设计

　　为了达到上述研究目的，将适合长时间稳定输出的氢燃料电池与能适应短时大功率输出的动力电池并联，搭建一套"氢电混合”的电动叉车用氢燃料电池动力系统。此系统的主要结构，包括了供氢系统、燃料电池、可控DC/DC变换器、燃料电池控制系统、能量管理系统和动力电池模块等气。

　　燃料电池系统和动力电池模块以并联的结构与行走电机和举升电机负载连接。在叉车以低功率运行时，可以由燃料电池单独供电给电机，同时多余的电力可以为动力电池进行充电;遇到叉车以大功率运行时，燃料电池和动力电池一起为电机供电。动力系统的主要控制结构由燃料电池控制系统和能量管理系统组成。

　　燃料电池控制系统是燃料电池正常运行的控制中心，通过气压传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器等多个传感器采集必要的电池堆状态信息，通过控制算法维持氢燃料电池始终安全稳定运行。燃料电池控制系统根据采集到的燃料电池运行环境的温度、湿度数据和燃料电池的输出电压和电流数据，通过调节散热风扇的转速实现对燃料电池温度的控制，并根据燃料电池输出电流的时间积分来控制氢气吹扫的频率。在燃料电池运行状态异常时，提供故障处理功能。

　　能量管理系统通过采集叉车运行数据、动力电池的状态信息和储氢罐的气压数据，对燃料电池的启停条件进行判断，通过CAN总线广播对燃料电池系统的启动和停止控制信号。同时，能量管理系统在燃料电池启停过程中，采集动力电池的荷电状态(SOC)信息，控制DC/DC变换器按既定加载和减载曲线对燃料电池的输出功率进行控制。可控DC/DC变换器根据能量管理策略实现对燃料电池输出功率的控制。能量管理系统则是氢燃料电池与动力电池之间的“协调员”，通过能量管理策略实现对氢燃料电池输出功率和动力电池输出功率的控制，使氢燃料电池始终能够以较为稳定的状态工作。

　　供氢系统包括了加氢口、储氢罐、减压阀和管路等为氢燃料电池提供低压反应氢气的部件。加氢口用于氢气快速加注。储氢罐的压力传感器与能量管理器连接，用于采集储氢罐内剩余氢气压力信号，能量管理器根据剩余氢气量判断燃料电池系统是否启动和关闭。减压阀将储氢罐的高压氢气直接减压至燃料电池的工作压力。排空口在供氢系统出现紧急情况时，将储氢罐和管路内的剩余氢气向大气快速排放，防止危险发生。

　　二、运行流程

　　燃料电池叉车的电气拓扑架构运行流程如下：

　　1、整车动力系统通电叉车钥匙启动，能量管理器首先检测动力电池的SOC。如果动力电池SOC值大于50%，则先只让动力电池对外输出，使动力电池SOC值降低至49%以下。

　　2、燃料电池待机动力电池SOC降至79%的情况下，能量管理器检测储氢罐压力，如果压力能满足燃料电池系统正常运行，则进入燃料电池待机状态。

　　3、燃料电池启动能量管理器检测叉车的油门信号，确定叉车处于运行状态，则向燃料电池控制器发出启动信号，燃料电池控制器首先打开进气电磁阀对燃料电池进行氢气吹扫，对供氢系统的氢气低压压力和燃料电池的开路电压进行检测。如果氢气低压压力和燃料电池的开路电压正常，则燃料电池执行正常开机流程，如果检测结果不正常，则进入故障报警状态：关闭氢气进气电磁阀，燃料电池接通放电回路，并将故障代码上报液晶显示模块。

　　4、能量管理燃料电池正常启动后，能量管理器根据动力电池SOC，通过DC/DC变换器控制燃料电池输出功率由零逐渐加载至合适功率;当动力电池SOC达到91%时，燃料电池进入待机模式，关闭进气电磁阀，接通放电回路;当动力电池SOC降至49%以下时，燃料电池再次启动，重复燃料电池系统的启动步骤。

　　5、燃料电池关机叉车钥匙关闭或能量管理器发出关机信号，燃料电池进入关机模式，向能量管理器发出关机执行信号，能量管理器控制DC/DC变换器逐渐降低燃料电池输出功率至零，燃料电池断开输出继电器，关闭进气电磁阀，接通放电回路吼燃料电池电动叉车在实际使用时，主要会有3种工作模式：

　　当叉车用电功率较低时，若燃料电池的输出功率高于叉车用电功率，可以在为叉车电机供电的同时为动力电池充电。当动力电池充电到一定程度后，燃料电池关机;

　　当叉车用电功率高于燃料电池额定输出功率时，燃料电池以额定功率输出，功率差额由动力电池补足;

　　当燃料电池处于关机状态时，动力电池提供叉车所需要的全部电力。叉车在正常待续工作时，整个行走电机和举升电机一般处于交替工作的状态，系统处于第二种工作模式，即由燃料电池以额定功率输出，功率差额部分由动力电池补足。故叉车实际工作时，首先消耗完的是氢气部分的能量，即燃料电池工作到氢气耗尽。当氢气反应消耗尽时，叉车处于第三种工作模式。

　　三、实际测试

　　实际测试前对实施方案的技术参数确定如下：燃料电池的冷却方式为风冷，额定功率为3kW,额定电压为60V;供氢系统的储氢压力为35MPa,容积为30L;动力电池的标称电压为48V，电池容量为22kWh;叉车的电机总功率为20kW，半载总重为4500kg。

　　为了与燃料电池叉车方案有明显对比，在叉车进行改装前，按照国家标准对叉车的性能进行测试，确定叉车的功率分布，并对叉车的充电情况进行了数据采集测试。叉车半载循环20次试验功率占比分布情况(平均功率3.36kW，载重935.5kg)，叉车铅酸电池充电电压、电流曲线。

　　可以看出叉车在大部分运行过程中处于低功率状态，整车的正常运行平均功率为3.36kW的水平。若以此平均功率计算，叉车充满电正常运行时间为6.5h，充电时长却长达10h以上。而一般工业厂房工作时长大于8h,因此以纯电动叉车的状态完全无法满足工厂日常的运行，可通过电-电并联耦合方式来解决叉车工作时长的问题。

　　将整个燃料电池系统集成到叉车上进行实际运行测试，其中Pg为气瓶压力，R为叉车功率，PFC为FC功率，U为叉车电压。叉车持续运行过程中，燃料电池一直以稳定功率进行输出，供给负载用电或者给电池充电，总体续航能力提升50%以上。

　　燃料电池系统作为电动叉车的动力源，具备加氢速度快的优点。同时，通过采用氢燃料电池电-电混合的方案，将动力电池和燃料电池在直流母线处并联耦合使用，使得叉车续航能力增加，同时仍然具备良好的功率动态响应能力和瞬间过载能力，满足了叉车加速和举升等大功率输出的需求。