燃料電池叉車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計與參數(shù)匹配

， ， ， ， ， ，

(1. 青島理工大學 汽車與交通學院， 山東 青島 266520； 2. 青島黃海學院 交通與船舶工程學院， 山東 青島 266427)

燃料電池叉車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計與參數(shù)匹配

贠海濤1，徐煜超1，曹愛霞2，謝建新2，蘇俊龍1，趙玉蘭1，林晉召1

(1.青島理工大學汽車與交通學院，山東青島266520； 2.青島黃海學院交通與船舶工程學院，山東青島266427)

為了解決內(nèi)燃機叉車工作效率低、污染環(huán)境以及電動叉車充電時間長、工作時間短的問題，在綜合比較分析各種動力組合與驅(qū)動形式利弊的基礎上，設計一種節(jié)能環(huán)保的燃料電池混合動力叉車結(jié)構(gòu)；對驅(qū)動和起升系統(tǒng)中各主要部件進行選型與參數(shù)匹配，在針對叉車獨有特性設計的循環(huán)工況下，對雙動力源的混合度進行研究。仿真結(jié)果表明，燃料電池與鎳氫電池的功率混合比為51%時，燃油經(jīng)濟性最佳，且匹配參數(shù)滿足叉車的動力性要求。

燃料電池；混合動力叉車；結(jié)構(gòu)布置；參數(shù)匹配

作為工程車輛的叉車的需求量以及保有量的迅速增加導致了能源危機及環(huán)境污染等一系列問題[1]。純電動叉車受到續(xù)使里程的限制且充電時間較長，而采用電機和內(nèi)燃機混合驅(qū)動的混合動力叉車也無法克服內(nèi)燃機的缺陷[2]。為了解決這一問題，更好地服務于社會發(fā)展和人類生產(chǎn)活動，本文中針對叉車日常工況中頻繁的驅(qū)動和升降作業(yè)，提出一種新型混合動力叉車結(jié)構(gòu)，結(jié)合燃料電池混合動力系統(tǒng)中各主要部件的特性與工作原理，進行部件的選型與參數(shù)匹配，研究叉車行駛過程中動力源的合理分配。

1 燃料電池叉車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

當前占據(jù)主要市場的內(nèi)燃機叉車不僅對環(huán)境產(chǎn)生污染， 而且工作效率低， 使其在很多行業(yè)受到限制。 為了解決能源危機和環(huán)境污染等一系列社會問題， 叉車將朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展[3]。 燃料電池叉車作為一種綠色能源叉車， 將氫氣作為燃料， 克服了純電動叉車工作時間短、 充電時間長的缺陷， 具有工作效率高、 無噪聲污染和污染物排放的諸多優(yōu)點。

燃料電池工作性能因負載變化而具有不穩(wěn)定性，這將極大地影響燃料電池的效率和工作壽命，而且其工作時動態(tài)響應慢，輸出性能差。叉車運行過程中需要不斷進行制動和升降操作，要求能夠?qū)⒅苿幽芰亢拖陆祫菽苓M行回收利用[4]。為克服以上不足，完善叉車的使用性能，需要在動力系統(tǒng)中加入具有調(diào)峰作用的蓄電池來配合燃料電池工作?；谝陨戏治?，本文中采用燃料電池與蓄電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其具體布置如圖1所示。

2 動力部件選型與參數(shù)設計

燃料電池混合動力叉車的整車參數(shù)和設計目標如表1所示。

圖1 燃料電池混合動力叉車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空載最大車速v1/(km·h-1)滿載最大車速v2/(km·h-1)滿載最大爬坡度imax/%滿載最大起升速度v3/(m·s-1)空載最大起升速度v4/(m·s-1)最大起升高度H/m整備質(zhì)量m1/kg1817200.380.4138640額定載荷m2/kg主減速比z滾動阻力系數(shù)f載荷滾動半徑R1/m空載滾動半徑R2/m傳動系統(tǒng)效率η1起升系統(tǒng)效率η2600017.730.020.3760.4030.90.85

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)

2.1.1 電機選型

燃料電池混合動力系統(tǒng)中電機的主要功能是進行能量的轉(zhuǎn)換與回收，其中驅(qū)動電機須滿足叉車頻繁加減速的行駛工況和低速大轉(zhuǎn)矩的要求，起升電機要能夠完成頻繁的升降作業(yè)[5]。叉車所用電機種類較多且各有優(yōu)點和缺陷，針對叉車復雜的運行工況，在保證叉車良好工作的基礎上，驅(qū)動電機和起升電機均選用結(jié)構(gòu)簡單、堅實可靠的交流異步電機。

2.1.2 驅(qū)動電機的匹配設計

叉車功率平衡方程式為

(1)

式中：P為叉車行駛需求功率；η1為傳動系統(tǒng)效率；m為整車質(zhì)量；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；f為滾動阻力系數(shù)；i為道路坡度；C為風阻系數(shù)；S為迎風面積；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； dv/dt為加速度；v為車速。

1)確定驅(qū)動電機的功率。

叉車正常行駛時的阻力主要是車輪與地面的滾動阻力[6]，滿載時最大車速行駛所需功率為

(2)

式中：m1為叉車整備質(zhì)量；m2為叉車額定載荷；v2為叉車滿載時最大車速。 考慮到爬坡等額外功率需求， 驅(qū)動電機的額定功率Pe一定要大于P1， 設定Pe=1.6P1， 可得電機的額定功率為24.1 kW， 取整數(shù)值25 kW。 設定過載系數(shù)值為4， 得到驅(qū)動電機的最大功率為100 kW。

叉車滿載、 最大爬坡度時所需功率為

(3)

式中：vα為爬坡時的車速，取值8 km/h；αmax為最大爬坡度。通過公式計算得到叉車在爬坡時功率需求為76.5 kW，小于驅(qū)動電機所能提供的最大功率，驅(qū)動電機的功率可滿足叉車滿載時最大爬坡要求。

2)確定驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩。

叉車的最大轉(zhuǎn)矩由滿載時的最大爬坡度確定為

(4)

式中：Tmax為滿載時最大爬坡對應的最大轉(zhuǎn)矩；R1為滿載車輪半徑；z為初定主減速比。將相關數(shù)據(jù)代入上式，可得電機的最大轉(zhuǎn)矩為729.6 N·m，取整數(shù)值730 N·m。設定過載系數(shù)為4，得到驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩為183 N·m。

3)確定驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。

驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速計算公式為

(5)

式中：ne為額定轉(zhuǎn)速；Te為額定轉(zhuǎn)矩。將相關數(shù)據(jù)代入得ne為1 305 r/min。

叉車空載時驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)速計算公式為

(6)

式中：nmax為最大轉(zhuǎn)速；v1為空載最大車速；R2為空載滾動半徑。將相關數(shù)據(jù)代入得nmax為2 350 r/min，取值3 000 r/min。

2.1.3 確定傳動比

通過設計的最大車速和最大爬坡度確定叉車的傳動比范圍為

(7)

式中：αmax為滿載時最大爬坡度；Tmax為滿載時最大爬坡對應的轉(zhuǎn)矩；nmax為驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)速；vmax為叉車達到的最大車速。

將相關數(shù)據(jù)代入得16.2≤z≤25，初選值為17.73。

2.2 起升系統(tǒng)

2.2.1 起升油缸

1)起升油缸類型。

根據(jù)叉車進行起升作業(yè)的實際工作要求，綜合各種液壓油缸的利弊，選擇密封性能好、結(jié)構(gòu)簡單的單桿式活塞缸[7]。

2)起升油缸的工作壓力。

起升油泵的運轉(zhuǎn)會壓縮起升油缸中的油進而產(chǎn)生作用于活塞桿上的壓力，帶動貨叉的起升、下降[8]。在影響起升油缸工作狀況的諸多因素里，首先對起升油缸的工作壓力進行確定。表2所示為不同液壓部件的工作壓力，結(jié)合一定工作經(jīng)驗，確定油缸的工作壓力Fw為13 MPa。

表2 不同液壓部件的工作壓力

3)起升油缸的內(nèi)徑。

計算起升油缸內(nèi)徑D的公式為

(8)

式中：m3為貨架貨叉質(zhì)量，取值24.7 kg；m4為內(nèi)門架質(zhì)量，取值27.4 kg；a為叉車加速度，根據(jù)公式at=v，設定加速時間2 s的情況下取值為0.19 m/s2。將相關數(shù)據(jù)代入公式并參考GB/T 2348—1993《元件缸內(nèi)徑及活塞桿外徑》，確定起升油缸內(nèi)徑為80 mm。

4)起升油缸活塞桿外徑。

油缸的壓力對其內(nèi)徑與活塞桿外徑d產(chǎn)生一定關系，根據(jù)前面已選定的油缸工作壓力13 MPa 以及如表3所示d/D比值，得到活塞桿外徑為56 mm。參考GB/T 2348—1993《元件缸內(nèi)徑及活塞桿外徑》選定活塞桿外徑為56 mm。

表3 在不同工作壓力下液壓缸內(nèi)徑與活塞桿外徑的比值

2.2.2 起升油泵

1)起升油泵的類型。

對于叉車起升系統(tǒng)中的起升油泵，由于齒輪泵系列中的雙模數(shù)雙壓力角齒輪泵自吸性好，結(jié)構(gòu)緊湊，極大地減小了液壓泵工作時帶來的噪聲[9]，因此選用齒輪泵作為叉車的起升油泵。

2)起升油泵的壓力。

在起升油泵向起升油缸傳遞壓力的管路中會有一定的壓力損失， 綜合具體的壓力損失情況， 設定壓力損失值為0.3 MPa, 根據(jù)公式Fp=Fw+Fs=13.3 MPa，其中Fp為起升油泵的輸出壓力，F(xiàn)s為起升油泵與油缸之間液壓系統(tǒng)的壓力損失。為確保油泵的使用壽命，還要考慮一定的壓力儲備，根據(jù)公式Fp,e≥(1.25-1.6)Fp，其中Fp,e為起升油泵的額定壓力?？紤]到本系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)取系數(shù)1.4，計算得Fp,e=18.62 MPa。參考齒輪泵正常工作時額定壓力等級標準，最后選取起升油泵的額定壓力為20 MPa。

3)起升油泵的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

起升油泵的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計算公式為

(9)

式中：Tp為起升油泵的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；Qp為起升油泵的理論排量；ηp為起升油泵的效率，取值0.95。將相應數(shù)據(jù)代入計算后得Tp=120.5 N·m，參考常用油泵取值125 N·m。

2.2.3 起升電機的匹配設計

1)確定起升電機的功率。

叉車以滿載最大速度起升時，起升電機需要提供的功率為

(10)

式中：Pl為滿載起升時電機所需功率；m2為額定載荷；m3為貨架貨叉質(zhì)量；m4為內(nèi)門架質(zhì)量；v3為叉車滿載時最大起升速度；η2為起升系統(tǒng)效率。將相應數(shù)據(jù)代入公式計算滿載起升時電機的需求功率為26.5 kW，考慮一定的儲備功率，設定系數(shù)K=1.2,計算電機的功率KPl為31.8 kW，最終確定起升電機的額定功率值Pl,e為32 kW。設定過載系數(shù)值為4，得到起升電機的最大功率為128 kW。

2)確定起升電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

最后通過滿載起升時的起升速度公式進行校核，

(11)

式中：vl為滿載起升速度；A為起升油缸面積；nl為滿載時起升時電機轉(zhuǎn)速。將相應數(shù)據(jù)代入計算得起升速度為454 mm/s。比較設計目標值410 mm/s，設計滿足要求。

2.3 燃料電池

2.3.1 燃料電池選型

燃料電池作為叉車電源,必須能夠在各種環(huán)境下穩(wěn)定工作,并能夠?qū)崿F(xiàn)高電流密度下的放電,符合維護成本低、抗振動、抗沖擊的要求，可在各種工作負荷下保持較高的工作效率。質(zhì)子交換膜燃料電池技術因其良好的實用性能，被廣泛應用于新能源車輛，受到各大廠商的極大關注[10]。

2.3.2 燃料電池參數(shù)設計

若燃料電池系統(tǒng)作為叉車驅(qū)動與起升系統(tǒng)的唯一供電源，需要確保叉車的使用性能不受其自身功率的限制，應滿足公式

(12)

式中：PFC為燃料電池功率；ηDC為轉(zhuǎn)換器效率；Pmax為驅(qū)動電機與起升電機中最大功率值；ηm為電機及逆變器效率；Pa為輔助部件消耗功率。

為了降低制造成本，提升系統(tǒng)可靠性，在保證良好使用性能要求下，采用燃料電池與輔助動力源混合結(jié)構(gòu)，燃料電池要能夠提供叉車在滿載最大車速爬坡時的所需功率(77 kW)[11]。

2.4 蓄電池

2.4.1 蓄電池選型

本文中設計的叉車選用蓄電池作為輔助動力， 基于叉車的實際工作狀況， 要求所選蓄電池具有快速充放電的能力， 可在瞬間補充或者回收較大的能量[12]。 在叉車工作有較大功率需求時， 蓄電池要彌補燃料電池的功率不足， 提供額外的功率， 還要克服燃料電池響應較慢的缺點且能夠提供大電流的放電； 在進行制動或勢能回收時， 又能夠瞬時完成大電流的充電， 在這個過程中充放電電流很大， 但持續(xù)時間較短， 電池的荷電狀態(tài)的變化幅度也較小。 綜合分析比較不同電池類型的性能， 最終選用符合使用要求且在新能源車輛廣泛應用的鎳氫電池作為輔助動力源[13]。

2.4.2 蓄電池參數(shù)設計

3 參數(shù)優(yōu)化匹配與仿真

3.1 行駛工況的確定

根據(jù)JB/T 3300—1992《平衡重式叉車整機實驗方法》規(guī)定的叉車能耗測試方法[14]并結(jié)合混合動力叉車的設計目標，設定燃料電池與鎳氫電池混合動力叉車的仿真行駛工況，如圖2所示。

注：X、Y點為叉車裝投降貨物的位置；L1(L2)為叉車裝卸貨物位置的水平距離；1—4為叉車的行駛路線；L′為叉車裝卸貨物的位置到行駛路線的垂直距離；A、B點為叉車行駛過程中的轉(zhuǎn)彎位置。圖2 叉車運行過程

基于JB/T 3300—1992的叉車運行過程如下：

1)叉車在X點裝載試驗載荷Q后沿路線1退轉(zhuǎn)至A點；

2)在A點沿路線2駛轉(zhuǎn)至Y點；

3)在Y點門架由后傾轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)，貨叉起升2 000 mm再下降到離地面300 mm處，然后門架后傾；

4)從Y點沿路線3退轉(zhuǎn)至B點；

5)在B點沿路線4駛轉(zhuǎn)至X點；

6)在X點門架由后傾轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài),卸下載荷Q；

7)叉車空載從X點沿路線1退轉(zhuǎn)至A點，然后沿路線2駛至Y點；

8)在Y點門架由后傾轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)，貨叉起升2 000 mm再下降到離地面300 mm處，然后門架后傾；

9)從Y點沿路線3退轉(zhuǎn)至B點；

10)從B點沿路線4駛轉(zhuǎn)至X點；

歷時112 s的實測循環(huán)工況隨時間變化如圖3所示。

圖3 叉車循環(huán)工況

3.2 參數(shù)優(yōu)化與仿真

在確定需求總功率之后，需要確定燃料電池及蓄電池的最佳功率比值，優(yōu)化動力源結(jié)構(gòu)，確保叉車滿足動力性的前提下，最大程度的提升其經(jīng)濟性。設定目標函數(shù)G為

(13)

式中：β為混合度；ω為叉車行駛工況；QH2為氫氣熱值；PFC燃料電池作為單一電源的凈輸出功率；ηFC為燃料電池的工作效率。

約束條件為

(14)

式中：R為荷電量(state of charge,SOC)；Re為仿真結(jié)束時的荷電量；Rs為仿真開始時的荷電量；ε為工況前后電池荷電變化量的限值，取值0.4。

依據(jù)目標函數(shù)和約束條件在設計的循環(huán)工況下進行相關仿真分析[15]。

當混合度為0時，燃料電池作為唯一動力源，由于燃料電池輸出性能差的自身局限性，因此純?nèi)剂想姵夭孳囕^燃料電池混合動力叉車的經(jīng)濟性差[16]。圖4表示不同混合度下的燃料(氫氣)消耗量。由圖可知，在燃料電池與蓄電池混合動力系統(tǒng)中，特別是混合度在40%～60%時，燃料消耗量處在較低的水平上，波動范圍較??；混合度為45%時，燃料消耗較低。根據(jù)曲線擬合可知，混合度大約在51%時，叉車具有較好的燃油經(jīng)濟性。當混合度大于70%時，產(chǎn)生較大的燃料消耗，這是燃料電池本身的效率特性造成的。燃料電池的的負荷變化會對其自身效率產(chǎn)生一定的影響， 中高負荷運行時會工作在較高的效率區(qū)間，且當混合度過大時，對燃料電池的動態(tài)特性產(chǎn)生負面影響，也加劇了燃料的消耗。

圖4 不同混合度下燃料(氫氣)消耗量

在Simulink軟件中基于叉車的整車仿真模型對叉車的動力性進行校驗，其中駕駛員模型-比例-積分微分(PID)控制器參數(shù)KP和KI設定值是2，荷電狀態(tài)初始值設定0.7。圖5為叉車的車速跟隨圖，由圖可知，車速具有良好的跟隨性，基本符合動力設計要求。圖6為叉車的荷電狀態(tài)變化曲線，由圖可知，在整個循環(huán)工況中蓄電池的荷電狀態(tài)有升有降，既有對系統(tǒng)的能量補充，又有能量的回收利用。

圖5 叉車的車速跟隨圖

圖6 叉車的荷電量變化曲線

4 結(jié)論

1)在綜合比較分析各種動力組合與驅(qū)動形式的基礎上，本文中所設計的燃料電池和鎳氫電池混合動力叉車結(jié)構(gòu)能夠解決內(nèi)燃機叉車所帶來的環(huán)境污染和純電動叉車面臨的充電時間過長的問題。

2)結(jié)合各主要部件的特性與工作原理，針對叉車的工作狀況和混合動力系統(tǒng)的特點，對各部件進行的選型與匹配是有效的。

3)研究表明，當燃料電池與鎳氫電池的混合比為51%時，叉車的燃油經(jīng)濟性最佳，且匹配參數(shù)符合叉車的設計目標。

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DesignofPowerSystemConfigurationandMatchingParameterforFuelCellForklift

YUNHaitao1，XUYuchao1，CAOAixia2，XIEJianxin2，SUJunlong1,ZHAOYulan1，LINJinzhao1

(1.School of Automobile and Traffic, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520, China;2.School of Traffic and Marine Engineering, Qingdao Huanghai University, Qingdao 266427, China)

To solve the problem of the low work efficiency and environment pollution of traditional internal combustion forklift and the long charging time and short working time of electric forklift,on the basis of comparing and analyzing the advantages and disadvantages of various power combination and drive form, a fuel cell hybrid fork structure of energy conservation and environmental protection was designed. Through the selection and parameter matching of the main components in the drive and lift system, as well as in the designed cycle of the unique characteristics of forklift, the mixing degree of double power source was researched. The simulation results show that when the mixing ratio of the fuel cell and nickel hydrogen battery is 51%, the fuel economy is the best, and the matching parameters can meet the dynamic requirements of the forklift.

fuel cell; hybrid forklift; configuration; matching parameter

2017-01-09 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間

時間：2017-12-13 16:48

國家自然科學基金項目(51205215)；山東省高等教育名校建設工程(青島理工大學名校工程教改項目)(MX4-042)

贠海濤(1977—)，男，山東泰安人。教授，博士，碩士生導師，研究方向為汽車電子。電話：13465811386，E-mail：yunht@163.com。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20171212.1637.002.html

1671-3559(2018)01-0001-06

10.13349/j.cnki.jdxbn.2018.01.001

U46

A

(責任編輯:劉建亭)