本發(fā)明涉及燃料電池與鎳氫電池混合動(dòng)力叉車(chē)的混合動(dòng)力系統(tǒng)及控制方法，具體地說(shuō)，通過(guò)燃料電池與鎳氫電池的混聯(lián)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力叉車(chē)的驅(qū)動(dòng)和升降。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)物流業(yè)的快速發(fā)展，叉車(chē)的需求量和保有量迅速增加。作為工程機(jī)械的叉車(chē)在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也面臨著能源危機(jī)及環(huán)境污染等一系列問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)原油消費(fèi)增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)不及國(guó)內(nèi)原油生產(chǎn)供應(yīng)增長(zhǎng)速度，導(dǎo)致我國(guó)的石油進(jìn)口數(shù)量逐年增加，石油生產(chǎn)國(guó)的石油產(chǎn)量與供應(yīng)，石油運(yùn)輸通道的安全，我國(guó)與石油主要生產(chǎn)國(guó)之間的關(guān)系等嚴(yán)重影響著我國(guó)的能源安全。石油燃燒排放廢氣中的二氧化碳會(huì)造成溫室效應(yīng)，使得全球變暖。許多城市的空氣污染已經(jīng)超過(guò)健康許可標(biāo)準(zhǔn)，直接危害了人們的健康和生活環(huán)境。為了解決這些問(wèn)題，更好的服務(wù)于社會(huì)發(fā)展和人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)，叉車(chē)的發(fā)展將朝著可持續(xù)發(fā)展的方向前進(jìn)。

目前內(nèi)燃機(jī)叉車(chē)占據(jù)了國(guó)內(nèi)的主要市場(chǎng)，其工作效率低，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作產(chǎn)生噪聲等使其在很多行業(yè)受到限制。發(fā)展蓄電池和燃料電池驅(qū)動(dòng)的新能源叉車(chē)成為叉車(chē)未來(lái)發(fā)展的方向。燃料電池混合動(dòng)力叉車(chē)作為一種綠色叉車(chē)，使用氫氣為燃料，克服了電動(dòng)叉車(chē)連續(xù)工作時(shí)間短，充電時(shí)間長(zhǎng)等缺陷，具有工作效率高，沒(méi)有噪聲污染和污染物排放等優(yōu)點(diǎn)。

燃料電池輸出性能隨負(fù)載的變化波動(dòng)大，嚴(yán)重影響電池的效率和壽命。叉車(chē)運(yùn)行工況比較固定，需要進(jìn)行頻繁的制動(dòng)和升降等操作，這要求能夠?qū)χ苿?dòng)能量和下降勢(shì)能進(jìn)行回收利用。燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，輸出性能差。這些都需要系統(tǒng)中加入了鎳氫電池，使其與燃料電池配合工作，以此來(lái)完善叉車(chē)的使用性能要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是一種綠色叉車(chē)，通過(guò)燃料電池與鎳氫電池的混合來(lái)完成叉車(chē)日常工況中頻繁的驅(qū)動(dòng)和升降作業(yè)。鎳氫電池作為動(dòng)力和能量?jī)?chǔ)存元件，可以存儲(chǔ)叉車(chē)進(jìn)行制動(dòng)減速過(guò)程中回收的動(dòng)能和進(jìn)行下降作業(yè)時(shí)回收的勢(shì)能，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明為燃料電池和鎳氫電池混合動(dòng)力系統(tǒng)及其控制方法，燃料電池和鎳氫電池混合動(dòng)力系統(tǒng)裝置包括：整車(chē)控制器、燃料電池、燃料電池控制器、鎳氫電池、電池管理器、充電控制器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器、電機(jī)控制器、牽引電機(jī)、起升電機(jī)、電機(jī)控制器、液壓泵、耦合器和差速/減速機(jī)構(gòu)。其中整車(chē)控制器通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)接收駕駛員的指令及叉車(chē)的其他反饋信號(hào)，轉(zhuǎn)化為各種執(zhí)行信號(hào)，用以確保動(dòng)力系統(tǒng)的各個(gè)部件都工作在限制范圍內(nèi)。 燃料電池為系統(tǒng)提供電能。DC/DC轉(zhuǎn)換器用于匹配電池組的電壓和變頻器的直流母線，可以對(duì)燃料電池的輸出電壓、最大輸出電流以及功率進(jìn)行控制，對(duì)燃料電池系統(tǒng)是一個(gè)很好的保護(hù)，可以保證其安全運(yùn)行。逆變器負(fù)責(zé)控制流入或者流出電機(jī)的功率流方向和大小。電池管理器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鎳氫電池的荷電狀態(tài)，并控制其充放電行為。充電控制器負(fù)責(zé)在鎳氫電池電量低時(shí)燃料電池給鎳氫電池充電，制動(dòng)能量回收時(shí)牽引電機(jī)2運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在鎳氫電池中，勢(shì)能回收時(shí)起升電機(jī)2運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在鎳氫電池中。

鎳氫電池作為動(dòng)力和能量?jī)?chǔ)存元件。當(dāng)叉車(chē)啟動(dòng)、加速、爬坡或者舉升貨物時(shí)，需求功率急劇增加，鎳氫電池會(huì)提供燃料電池以外的功率。叉車(chē)在進(jìn)行減速或制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在鎳氫電池中。叉車(chē)在進(jìn)行下降作業(yè)時(shí)，起升電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在鎳氫電池中進(jìn)行回收再利用。

燃料電池、鎳氫電池以及牽引電機(jī)、起升電機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩能夠保證叉車(chē)在以最高車(chē)速行駛、最大爬坡速度爬坡以及最大舉升貨物時(shí)的最大功率需求和轉(zhuǎn)矩需求。

所述燃料電池為質(zhì)子交換膜燃料電池。

所述電機(jī)為永磁同步電機(jī)。

所述電池為鎳氫電池。

本發(fā)明的控制方法是針對(duì)不同的工況和條件對(duì)系統(tǒng)輸入不同的控制操作，本發(fā)明的工作模式包括(1)輕載驅(qū)動(dòng)；(2)負(fù)載驅(qū)動(dòng)；(3)怠速；(4)輕載起升；(5)負(fù)載起升；(6)輕載下降；(7)負(fù)載下降。其中叉車(chē)制動(dòng)減速時(shí)能夠進(jìn)行制動(dòng)能量回收，下降作業(yè)時(shí)能夠進(jìn)行勢(shì)能回收。所述控制方法步驟如下；

步驟a1、確定燃料電池工作時(shí)最大效率點(diǎn)的功率以及鎳氫電池的SOC范圍；

步驟a2、整車(chē)控制器依據(jù)駕駛員的指令信號(hào)，負(fù)載信號(hào)與鎳氫電池的SOC值等對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行判定，叉車(chē)工作模式的切換判定如圖3所示。

步驟a3、整車(chē)控制器通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)接收駕駛員的指令計(jì)算需求轉(zhuǎn)矩以及接收來(lái)自子系統(tǒng)控制模塊的反饋信號(hào)并加以分析后，通過(guò)控制燃料電池控制器，電池管理器，電機(jī)控制器，充電控制器等在燃料電池和鎳氫電池之間進(jìn)行輸出功率的合理分配，以保證滿足叉車(chē)的動(dòng)力性要求。

在整個(gè)叉車(chē)系統(tǒng)中，能量管理策略對(duì)叉車(chē)的控制是經(jīng)由駕駛員的操作開(kāi)始的。在實(shí)際運(yùn)行工況中，為更好的保護(hù)燃料電池，在怠速的控制策略中燃料電池不運(yùn)行。在進(jìn)行燃料電池與鎳氫電池之間的功率分配時(shí)，通過(guò)鎳氫電池充放電的調(diào)節(jié)，盡量保證燃料電池在最大效率點(diǎn)附近工作，當(dāng)功率不足時(shí)由鎳氫電池補(bǔ)充。

步驟b1、叉車(chē)處于驅(qū)動(dòng)模式，ν＞0,a＞0時(shí)，鎳氫電池soc＞soc_min叉車(chē)由燃料電池與鎳氫電池聯(lián)合進(jìn)行加速，鎳氫電池soc＜soc_min單獨(dú)由燃料電池進(jìn)行加速。當(dāng)叉車(chē)加速到一定程度，開(kāi)始以ν＞0,a＝0的狀態(tài)平穩(wěn)運(yùn)行，此時(shí)當(dāng)叉車(chē)輕載時(shí)，燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，鎳氫電池電量低時(shí)，并由燃料電池進(jìn)行充電；負(fù)載時(shí)，燃料電池與鎳氫電池聯(lián)合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，鎳氫電池soc＜soc_min單獨(dú)由燃料電池驅(qū)動(dòng)。當(dāng)T_req＜0，ν≠0時(shí)，叉車(chē)進(jìn)行制動(dòng)。其中，當(dāng)時(shí)soc＜soc_max，叉車(chē)進(jìn)行再生制動(dòng)，兩個(gè)牽引電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在鎳氫電池中；當(dāng)soc＞soc_max時(shí)，叉車(chē)由機(jī)械摩擦制動(dòng)力和再生制動(dòng)力進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng)。

步驟b2、當(dāng)叉車(chē)處于聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，能量管理策略對(duì)叉車(chē)的控制是由駕駛員對(duì)踏板的操作開(kāi)始的。駕駛員根據(jù)工作環(huán)境操作加速踏板，車(chē)輪便會(huì)有一個(gè)需求轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)能量管理控制模塊的分析對(duì)燃料電池和鎳氫電池進(jìn)行功率的合理分配，為盡量保證燃料電池在最大效率點(diǎn)附近工作，燃料電池會(huì)得到一個(gè)功率設(shè)定值，在燃料電池模塊中有一個(gè)燃料電池輸出功率上限值，燃料電池的功率設(shè)定值要根據(jù)燃料電池輸出功率的上限值進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的燃料電池的功率設(shè)定值反饋回能量控制模塊。根據(jù)調(diào)整的燃料電池的功率設(shè)定值得到相對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，通過(guò)電機(jī)控制模塊，最終得到其所對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩值。在駕駛員對(duì)加速踏板或制動(dòng)踏板進(jìn)行操作時(shí)，會(huì)對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生一個(gè)需求轉(zhuǎn)矩，結(jié)合牽引電機(jī)2實(shí)際的轉(zhuǎn)矩輸出得到叉車(chē)對(duì)牽引電機(jī)1的一個(gè)需求轉(zhuǎn)矩。

步驟c1、當(dāng)叉車(chē)處于起升模式，空載時(shí)燃料電池通過(guò)兩個(gè)起升電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)液壓泵進(jìn)行起升作業(yè)，soc＜soc_max時(shí)燃料電池給鎳氫電池組充電；負(fù)載時(shí)燃料電池和鎳氫電池通過(guò)兩個(gè)起升電機(jī)各自帶動(dòng)一個(gè)液壓泵聯(lián)合進(jìn)行起升作業(yè)，燃料電池不給鎳氫電池組充電當(dāng)。當(dāng)叉車(chē)處于下降模式，進(jìn)行勢(shì)能回收，勢(shì)能回收閥打開(kāi)，兩個(gè)起升電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)將下降勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在鎳氫電池中。

步驟c2、當(dāng)叉車(chē)處于聯(lián)合起升模式時(shí)，能量管理策略對(duì)叉車(chē)的控制是由駕駛員對(duì)升降操縱桿的操作開(kāi)始的。駕駛員根據(jù)工作環(huán)境操作升降操縱桿，液壓泵便會(huì)有一個(gè)需求轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)能量管理控制模塊的分析對(duì)燃料電池和鎳氫電池進(jìn)行功率的合理分配，為盡量保證燃料電池在最大效率點(diǎn)附近工作，燃料電池會(huì)得到一個(gè)功率設(shè)定值，在燃料電池模塊中有一個(gè)燃料電池輸出功率上限值，燃料電池的功率設(shè)定值要根據(jù)燃料電池輸出功率的上限值進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的燃料電池的功率設(shè)定值反饋回能量控制模塊。根據(jù)調(diào)整的燃料電池的功率設(shè)定值得到相對(duì)應(yīng)的起升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，通過(guò)電機(jī)控制模塊，最終得到其所對(duì)應(yīng)的起升電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明叉車(chē)整車(chē)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明叉車(chē)控制策略結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明叉車(chē)工作模式圖。

圖4是本發(fā)明叉車(chē)驅(qū)動(dòng)作業(yè)時(shí)能量管理策略示意圖。

圖5是本發(fā)明叉車(chē)起升作業(yè)時(shí)能量管理策略示意圖。

圖6是本發(fā)明叉車(chē)驅(qū)動(dòng)及能量回收控制流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1、2、3、4、5、6進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程與能量管理策略。

一種燃料電池叉車(chē)的混合動(dòng)力系統(tǒng)及控制方法，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)組成包括整車(chē)控制器、燃料電池、燃料電池控制器、鎳氫電池、電池管理器、充電控制器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器、電機(jī)控制器、牽引電機(jī)、起升電機(jī)、電機(jī)控制器、液壓泵、耦合器。其中包含了叉車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、起升系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)。

根據(jù)附圖2所示，整車(chē)控制器通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)接收駕駛員的指令及叉車(chē)的其他反饋信號(hào)，先確定叉車(chē)的工作模式，然后確定每一工作模式下的各種執(zhí)行信號(hào)，用以確保動(dòng)力系統(tǒng)的各個(gè)部件都工作在限制范圍內(nèi)，其中要對(duì)燃料電池和鎳氫電池進(jìn)行功率的合理分配且盡量保證燃料電池在最大效率點(diǎn)附近工作。

根據(jù)附圖3所示，本發(fā)明的工作模式包括輕載驅(qū)動(dòng)、負(fù)載驅(qū)動(dòng)、怠速、輕載下降、負(fù)載下降、輕載起升、負(fù)載起升。

根據(jù)附圖4所示，當(dāng)叉車(chē)處于驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，能量管理策略對(duì)叉車(chē)的控制是由駕駛員對(duì)踏板的操作開(kāi)始的。駕駛員根據(jù)工作環(huán)境操作加速踏板，車(chē)輪便會(huì)有一個(gè)需求轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)能量管理控制模塊的分析對(duì)燃料電池和鎳氫電池進(jìn)行功率的合理分配，為盡量保證燃料電池在最大效率點(diǎn)附近工作，燃料電池會(huì)得到一個(gè)功率設(shè)定值，在燃料電池模塊中有一個(gè)燃料電池輸出功率上限值，燃料電池的功率設(shè)定值要根據(jù)燃料電池輸出功率的上限值進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的燃料電池的功率設(shè)定值反饋回能量控制模塊。根據(jù)調(diào)整的燃料電池的功率設(shè)定值得到相對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，通過(guò)電機(jī)控制模塊，最終得到其所對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩值。在駕駛員對(duì)加速踏板或制動(dòng)踏板進(jìn)行操作時(shí)，會(huì)對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生一個(gè)需求轉(zhuǎn)矩，結(jié)合牽引電機(jī)2實(shí)際的轉(zhuǎn)矩輸出得到叉車(chē)對(duì)牽引電機(jī)1的一個(gè)需求轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)附圖5所示，當(dāng)叉車(chē)處于起升模式時(shí)，能量管理策略對(duì)叉車(chē)的控制是由駕駛員對(duì)升降操縱桿的操作開(kāi)始的。駕駛員根據(jù)工作環(huán)境操作升降操縱桿，液壓泵便會(huì)有一個(gè)需求轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)能量管理控制模塊的分析對(duì)燃料電池和鎳氫電池進(jìn)行功率的合理分配，為盡量保證 燃料電池在最大效率點(diǎn)附近工作，燃料電池會(huì)得到一個(gè)功率設(shè)定值，在燃料電池模塊中有一個(gè)燃料電池輸出功率上限值，燃料電池的功率設(shè)定值要根據(jù)燃料電池輸出功率的上限值進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的燃料電池的功率設(shè)定值反饋回能量控制模塊。根據(jù)調(diào)整的燃料電池的功率設(shè)定值得到相對(duì)應(yīng)的起升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，通過(guò)電機(jī)控制模塊，最終得到其所對(duì)應(yīng)的起升電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩值。在駕駛員對(duì)升降操縱桿進(jìn)行操作時(shí)，液壓泵會(huì)產(chǎn)生需求轉(zhuǎn)矩，結(jié)合起升電機(jī)2實(shí)際的轉(zhuǎn)矩輸出得到叉車(chē)對(duì)起升電機(jī)1的一個(gè)需求轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)附圖6所示，在車(chē)輛的能量管理策略中，通過(guò)叉車(chē)的加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)和車(chē)速的信號(hào)等計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下叉車(chē)的需求轉(zhuǎn)矩T_req，判斷需求轉(zhuǎn)矩的正負(fù)來(lái)進(jìn)一步確定動(dòng)力系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

根據(jù)附圖6所示，當(dāng)T_req＜0，ν≠0時(shí)，叉車(chē)進(jìn)行制動(dòng)。其中，當(dāng)soc＜soc_max時(shí)，叉車(chē)進(jìn)行再生制動(dòng)；當(dāng)soc＞soc_max時(shí)，叉車(chē)由機(jī)械摩擦制動(dòng)力和再生制動(dòng)力進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng)。當(dāng)T_req＜0，ν＝0時(shí)，進(jìn)行勢(shì)能回收，勢(shì)能回收閥打開(kāi)，電機(jī)發(fā)電鎳氫電池儲(chǔ)能。

根據(jù)附圖6所示，當(dāng)叉車(chē)處于驅(qū)動(dòng)模式T_req＞0。其中，當(dāng)ν＝0,a＝0時(shí)，燃料電池給鎳氫電池充電，使soc提高到接近soc_max。當(dāng)ν＝0,a＞0時(shí)，叉車(chē)開(kāi)始起步加速，由于燃料電池系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)可提供的能量過(guò)低，所以由燃料電池和鎳氫電池聯(lián)合進(jìn)行啟動(dòng)。此時(shí)叉車(chē)處于ν＞0,a＞0的狀態(tài)，根據(jù)鎳氫電池soc狀態(tài)叉車(chē)由燃料電池與鎳氫電池聯(lián)合進(jìn)行加速或單獨(dú)由燃料電池進(jìn)行加速。當(dāng)叉車(chē)加速到一定程度，開(kāi)始以ν＞0,a＝0的狀態(tài)平穩(wěn)運(yùn)行，此時(shí)當(dāng)叉車(chē)輕載時(shí)，燃料電池驅(qū)動(dòng)，鎳氫電池電量低時(shí)，并由燃料電池進(jìn)行充電；負(fù)載時(shí)，燃料電池與鎳氫電池聯(lián)合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。