CN106515497A - 一种燃料电池叉车的混合动力系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池与镍氢电池混合动力叉车的混合动力系统及其控制方法。其结构组成包括整车控制器、燃料电池、燃料电池控制器、镍氢电池、电池管理器、充电控制器、DC/DC转换器、逆变器、电机控制器、牵引电机、起升电机、电机控制器、液压泵、耦合器。其中包含了叉车驱动系统、起升系统和能量回收系统。本发明对燃料电池与镍氢电池混合动力叉车的混合动力系统进行了设计，提出了一种针对燃料电池与镍氢电池混合动力叉车的燃料电池与镍氢电池混合动力系统能量管理策略。采用双牵引电机在叉车驱动时保证了其动力性，制动时提高了制动能量回收效率。采用双起升电机保证叉车的起升性能以及势能回收时提高了势能回收效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池与镍氢电池混合动力叉车的混合动力系统及控制方法，具体地说，通过燃料电池与镍氢电池的混联工作来实现混合动力叉车的驱动和升降。
背景技术
随着我国物流业的快速发展，叉车的需求量和保有量迅速增加。作为工程机械的叉车在推动经济发展的同时，也面临着能源危机及环境污染等一系列问题。近年来，我国原油消费增长速度远不及国内原油生产供应增长速度，导致我国的石油进口数量逐年增加，石油生产国的石油产量与供应，石油运输通道的安全，我国与石油主要生产国之间的关系等严重影响着我国的能源安全。石油燃烧排放废气中的二氧化碳会造成温室效应，使得全球变暖。许多城市的空气污染已经超过健康许可标准，直接危害了人们的健康和生活环境。为了解决这些问题，更好的服务于社会发展和人类生产活动，叉车的发展将朝着可持续发展的方向前进。
目前内燃机叉车占据了国内的主要市场，其工作效率低，对环境产生污染，工作产生噪声等使其在很多行业受到限制。发展蓄电池和燃料电池驱动的新能源叉车成为叉车未来发展的方向。燃料电池混合动力叉车作为一种绿色叉车，使用氢气为燃料，克服了电动叉车连续工作时间短，充电时间长等缺陷，具有工作效率高，没有噪声污染和污染物排放等优点。
燃料电池输出性能随负载的变化波动大，严重影响电池的效率和寿命。叉车运行工况比较固定，需要进行频繁的制动和升降等操作，这要求能够对制动能量和下降势能进行回收利用。燃料电池系统工作时动态响应速度慢，输出性能差。这些都需要系统中加入了镍氢电池，使其与燃料电池配合工作，以此来完善叉车的使用性能要求。
发明内容
本发明是一种绿色叉车，通过燃料电池与镍氢电池的混合来完成叉车日常工况中频繁的驱动和升降作业。镍氢电池作为动力和能量储存元件，可以存储叉车进行制动减速过程中回收的动能和进行下降作业时回收的势能，达到了节能减排的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明为燃料电池和镍氢电池混合动力系统及其控制方法，燃料电池和镍氢电池混合动力系统装置包括：整车控制器、燃料电池、燃料电池控制器、镍氢电池、电池管理器、充电控制器、DC/DC转换器、逆变器、电机控制器、牵引电机、起升电机、电机控制器、液压泵、耦合器和差速/减速机构。其中整车控制器通过CAN总线网络接收驾驶员的指令及叉车的其他反馈信号，转化为各种执行信号，用以确保动力系统的各个部件都工作在限制范围内。燃料电池为系统提供电能。DC/DC转换器用于匹配电池组的电压和变频器的直流母线，可以对燃料电池的输出电压、最大输出电流以及功率进行控制，对燃料电池系统是一个很好的保护，可以保证其安全运行。逆变器负责控制流入或者流出电机的功率流方向和大小。电池管理器实时监测镍氢电池的荷电状态，并控制其充放电行为。充电控制器负责在镍氢电池电量低时燃料电池给镍氢电池充电，制动能量回收时牵引电机2运行在发电状态将动能转化为电能储存在镍氢电池中，势能回收时起升电机2运行在发电状态将势能转化为电能储存在镍氢电池中。
镍氢电池作为动力和能量储存元件。当叉车启动、加速、爬坡或者举升货物时，需求功率急剧增加，镍氢电池会提供燃料电池以外的功率。叉车在进行减速或制动时，牵引电机运行在发电状态将动能转化为电能储存在镍氢电池中。叉车在进行下降作业时，起升电机运行在发电状态将势能转化为电能储存在镍氢电池中进行回收再利用。
燃料电池、镍氢电池以及牵引电机、起升电机的输出功率和输出转矩能够保证叉车在以最高车速行驶、最大爬坡速度爬坡以及最大举升货物时的最大功率需求和转矩需求。
所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
所述电机为永磁同步电机。
所述电池为镍氢电池。
本发明的控制方法是针对不同的工况和条件对系统输入不同的控制操作，本发明的工作模式包括(1)轻载驱动；(2)负载驱动；(3)怠速；(4)轻载起升；(5)负载起升；(6)轻载下降；(7)负载下降。其中叉车制动减速时能够进行制动能量回收，下降作业时能够进行势能回收。所述控制方法步骤如下；
步骤a1、确定燃料电池工作时最大效率点的功率以及镍氢电池的SOC范围；
步骤a2、整车控制器依据驾驶员的指令信号，负载信号与镍氢电池的SOC值等对动力系统的工作模式进行判定，叉车工作模式的切换判定如图3所示。
步骤a3、整车控制器通过CAN总线网络接收驾驶员的指令计算需求转矩以及接收来自子系统控制模块的反馈信号并加以分析后，通过控制燃料电池控制器，电池管理器，电机控制器，充电控制器等在燃料电池和镍氢电池之间进行输出功率的合理分配，以保证满足叉车的动力性要求。
在整个叉车系统中，能量管理策略对叉车的控制是经由驾驶员的操作开始的。在实际运行工况中，为更好的保护燃料电池，在怠速的控制策略中燃料电池不运行。在进行燃料电池与镍氢电池之间的功率分配时，通过镍氢电池充放电的调节，尽量保证燃料电池在最大效率点附近工作，当功率不足时由镍氢电池补充。
步骤b1、叉车处于驱动模式，ν＞0,a＞0时，镍氢电池soc＞socmin叉车由燃料电池与镍氢电池联合进行加速，镍氢电池soc＜socmin单独由燃料电池进行加速。当叉车加速到一定程度，开始以ν＞0,a＝0的状态平稳运行，此时当叉车轻载时，燃料电池单独驱动，镍氢电池电量低时，并由燃料电池进行充电；负载时，燃料电池与镍氢电池联合进行驱动，镍氢电池soc＜socmin单独由燃料电池驱动。当Treq＜0，ν≠0时，叉车进行制动。其中，当时soc＜socmax，叉车进行再生制动，两个牵引电机运行在发电状态将动能转化为电能储存在镍氢电池中；当soc＞socmax时，叉车由机械摩擦制动力和再生制动力进行联合制动。
步骤b2、当叉车处于联合驱动模式时，能量管理策略对叉车的控制是由驾驶员对踏板的操作开始的。驾驶员根据工作环境操作加速踏板，车轮便会有一个需求转矩，经过能量管理控制模块的分析对燃料电池和镍氢电池进行功率的合理分配，为尽量保证燃料电池在最大效率点附近工作，燃料电池会得到一个功率设定值，在燃料电池模块中有一个燃料电池输出功率上限值，燃料电池的功率设定值要根据燃料电池输出功率的上限值进行调整，并将调整后的燃料电池的功率设定值反馈回能量控制模块。根据调整的燃料电池的功率设定值得到相对应的牵引电机的转矩设定值，通过电机控制模块，最终得到其所对应的牵引电机实际输出转矩值。在驾驶员对加速踏板或制动踏板进行操作时，会对车轮产生一个需求转矩，结合牵引电机2实际的转矩输出得到叉车对牵引电机1的一个需求转矩。
步骤c1、当叉车处于起升模式，空载时燃料电池通过两个起升电机带动两个液压泵进行起升作业，soc＜socmax时燃料电池给镍氢电池组充电；负载时燃料电池和镍氢电池通过两个起升电机各自带动一个液压泵联合进行起升作业，燃料电池不给镍氢电池组充电当。当叉车处于下降模式，进行势能回收，势能回收阀打开，两个起升电机运行在发电状态将下降势能转化为电能存储在镍氢电池中。
步骤c2、当叉车处于联合起升模式时，能量管理策略对叉车的控制是由驾驶员对升降操纵杆的操作开始的。驾驶员根据工作环境操作升降操纵杆，液压泵便会有一个需求转矩，经过能量管理控制模块的分析对燃料电池和镍氢电池进行功率的合理分配，为尽量保证燃料电池在最大效率点附近工作，燃料电池会得到一个功率设定值，在燃料电池模块中有一个燃料电池输出功率上限值，燃料电池的功率设定值要根据燃料电池输出功率的上限值进行调整，并将调整后的燃料电池的功率设定值反馈回能量控制模块。根据调整的燃料电池的功率设定值得到相对应的起升电机的转矩设定值，通过电机控制模块，最终得到其所对应的起升电机实际输出转矩值。
附图说明
图1是本发明叉车整车结构图。
图2是本发明叉车控制策略结构图。
图3是本发明叉车工作模式图。
图4是本发明叉车驱动作业时能量管理策略示意图。
图5是本发明叉车起升作业时能量管理策略示意图。
图6是本发明叉车驱动及能量回收控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图1、2、3、4、5、6进一步说明本发明的具体结构、工作过程与能量管理策略。
一种燃料电池叉车的混合动力系统及控制方法，如图1所示，其结构组成包括整车控制器、燃料电池、燃料电池控制器、镍氢电池、电池管理器、充电控制器、DC/DC转换器、逆变器、电机控制器、牵引电机、起升电机、电机控制器、液压泵、耦合器。其中包含了叉车驱动系统、起升系统和能量回收系统。
根据附图2所示，整车控制器通过CAN总线网络接收驾驶员的指令及叉车的其他反馈信号，先确定叉车的工作模式，然后确定每一工作模式下的各种执行信号，用以确保动力系统的各个部件都工作在限制范围内，其中要对燃料电池和镍氢电池进行功率的合理分配且尽量保证燃料电池在最大效率点附近工作。
根据附图3所示，本发明的工作模式包括轻载驱动、负载驱动、怠速、轻载下降、负载下降、轻载起升、负载起升。
根据附图4所示，当叉车处于驱动模式时，能量管理策略对叉车的控制是由驾驶员对踏板的操作开始的。驾驶员根据工作环境操作加速踏板，车轮便会有一个需求转矩，经过能量管理控制模块的分析对燃料电池和镍氢电池进行功率的合理分配，为尽量保证燃料电池在最大效率点附近工作，燃料电池会得到一个功率设定值，在燃料电池模块中有一个燃料电池输出功率上限值，燃料电池的功率设定值要根据燃料电池输出功率的上限值进行调整，并将调整后的燃料电池的功率设定值反馈回能量控制模块。根据调整的燃料电池的功率设定值得到相对应的牵引电机的转矩设定值，通过电机控制模块，最终得到其所对应的牵引电机实际输出转矩值。在驾驶员对加速踏板或制动踏板进行操作时，会对车轮产生一个需求转矩，结合牵引电机2实际的转矩输出得到叉车对牵引电机1的一个需求转矩。
根据附图5所示，当叉车处于起升模式时，能量管理策略对叉车的控制是由驾驶员对升降操纵杆的操作开始的。驾驶员根据工作环境操作升降操纵杆，液压泵便会有一个需求转矩，经过能量管理控制模块的分析对燃料电池和镍氢电池进行功率的合理分配，为尽量保证 燃料电池在最大效率点附近工作，燃料电池会得到一个功率设定值，在燃料电池模块中有一个燃料电池输出功率上限值，燃料电池的功率设定值要根据燃料电池输出功率的上限值进行调整，并将调整后的燃料电池的功率设定值反馈回能量控制模块。根据调整的燃料电池的功率设定值得到相对应的起升电机的转矩设定值，通过电机控制模块，最终得到其所对应的起升电机实际输出转矩值。在驾驶员对升降操纵杆进行操作时，液压泵会产生需求转矩，结合起升电机2实际的转矩输出得到叉车对起升电机1的一个需求转矩。
根据附图6所示，在车辆的能量管理策略中，通过叉车的加速踏板信号、制动踏板信号和车速的信号等计算当前状态下叉车的需求转矩Treq，判断需求转矩的正负来进一步确定动力系统的工作状态。
根据附图6所示，当Treq＜0，ν≠0时，叉车进行制动。其中，当soc＜socmax时，叉车进行再生制动；当soc＞socmax时，叉车由机械摩擦制动力和再生制动力进行联合制动。当Treq＜0，ν＝0时，进行势能回收，势能回收阀打开，电机发电镍氢电池储能。
根据附图6所示，当叉车处于驱动模式Treq＞0。其中，当ν＝0,a＝0时，燃料电池给镍氢电池充电，使soc提高到接近socmax。当ν＝0,a＞0时，叉车开始起步加速，由于燃料电池系统在启动时可提供的能量过低，所以由燃料电池和镍氢电池联合进行启动。此时叉车处于ν＞0,a＞0的状态，根据镍氢电池soc状态叉车由燃料电池与镍氢电池联合进行加速或单独由燃料电池进行加速。当叉车加速到一定程度，开始以ν＞0,a＝0的状态平稳运行，此时当叉车轻载时，燃料电池驱动，镍氢电池电量低时，并由燃料电池进行充电；负载时，燃料电池与镍氢电池联合进行驱动。
Claims (8)
1.本专利为燃料电池和镍氢电池混合动力系统及其控制方法，燃料电池和镍氢电池混合动力系统装置包括：整车控制器、燃料电池、燃料电池控制器、镍氢电池、电池管理器、充电控制器、DC/DC转换器、逆变器、电机控制器、牵引电机、起升电机、电机控制器、液压泵、耦合器和差速/减速机构，其中包含了叉车驱动系统、起升系统和能量回收系统，以燃料电池作为主动力源，使用氢气为燃料，克服了电动叉车连续工作时间短，充电时间长等缺陷，具有工作效率高，没有噪声污染和污染物排放等优点；采用双牵引电机在叉车驱动时保证了其动力性，制动时提高了制动能量回收效率，采用双起升电机保证叉车的起升性能以及势能回收时提高了势能回收效率。
2.如权利要求1所述的燃料电池和镍氢电池混合动力系统及其控制方法，叉车起步时由燃料电池与镍氢电池共同启动，在启动之前停车模式下要确定镍氢电池的soc值，当镍氢电池的soc值较低时，燃料电池会提前给镍氢电池充电，联合启动避免了燃料电池系统动态响应速度慢，输出性能差的问题。
3.如权利要求1所述的燃料电池液压混合动力系统及其控制方法，叉车在驱动模式下，匀速行驶时叉车的加速踏板的开度保持不变，此时当叉车轻载时，燃料电池单独驱动，镍氢电池电量低时，并由燃料电池通过充电控制器给镍氢电池进行充电；负载时，燃料电池与镍氢电池联合进行驱动，镍氢电池soc＜socmin单独由燃料电池驱动。
4.如权利要求1所述的燃料电池和镍氢电池混合动力系统及其控制方法，爬坡模式下当叉车在行驶过程中需要进行爬坡时，叉车的驱动系统需要快速提供一个足够大的扭矩驱动叉车进行爬坡，考虑到燃料电池动态响应速度慢这一特点，需要燃料电池和镍氢电池在叉车发出爬坡信号后能够提供足够的功率，来满足叉车的爬坡性能，这需要保证镍氢电池自身储存的能量维持在能够保证叉车正常工作的范围内。
5.如权利要求1所述的燃料电池和镍氢电池混合动力系统及其控制方法，叉车在驱动模式下，加速行驶加速踏板的行程增大时，镍氢电池soc＞socmin叉车由燃料电池与镍氢电池联合进行加速，镍氢电池soc＜socmin单独由燃料电池进行加速；根据加速踏板的行程和车速计算出所需转矩，通过已制定的转矩分配策略，向两个牵引电机发出控制信号，牵引电机分别输出对应的转矩，在燃料电池和镍氢电池之间进行输出功率的合理分配，以保证满足叉车的动力性要求，并尽量保证燃料电池在最大效率点附近工作。
6.如权利要求1所述的燃料电池和镍氢电池混合动力系统及其控制方法，减速制动模式通常包括：一般制动模式、紧急制动模式以及纯再生制动模式，制动模式不同要求叉车执行不同的制动控制策略决定的制动力分配命令，制动时主要是进行传统机械摩擦制动力和再生制动力两者之间的分配；叉车进行再生制动时，两个牵引电机相当于发电机运行在发电状态将动能转化为电能储存在镍氢电池中，采用双牵引电机提高了制动时的能量回收效率。
7.如权利要求1所述的燃料电池和镍氢电池混合动力系统及其控制方法，叉车在起升模式下，空载时燃料电池通过两个起升电机带动两个液压泵进行起升作业，soc＜socmax时燃料电池给镍氢电池组充电；负载时燃料电池和镍氢电池通过两个起升电机各自带动一个液压泵联合进行起升作业，燃料电池不给镍氢电池组充电；根据加速踏板的行程和起升速度速计算出所需转矩，通过已制定的转矩分配策略，向两个起升电机发出控制信号，起升电机分别输出对应的转矩，在燃料电池和镍氢电池之间进行输出功率的合理分配，以保证满足叉车的起升性要求，并尽量保证燃料电池在最大效率点附近工作。
8.如权利要求1所述的燃料电池和镍氢电池混合动力系统及其控制方法，叉车在下降模式下，进行势能回收，势能回收阀打开，两个起升电机运行在发电状态将下降势能转化为电能存储在镍氢电池中；采用双起升电机在势能回收时提高了势能回收效率。
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