CN113479066A - 一种叉车用高集成度多功能高压配电箱 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种叉车用高集成度多功能高压配电箱，包括锂电池接口，所述锂电池接口与整车接口之间通过母线连接，所述母线的前端设有锂电主接触器，所述母线上设有连接燃料电池接口的燃料电池支路和若干个用于连接功率器件的功率器件支路，所述功率器件支路的末端设有高压连接器，所述母线上设有用于检测电压电流的功率采集模块。设计了锂电池接口和燃料电池接口，在系统启动阶段，锂电池作为整个叉车系统的主要能量来源，燃料电池的启动电源由锂电池提供；随着燃料电池的输出功率逐渐增加，主要能量来源为燃料电池，燃料电池既可以提供整车运行的动力，也可以给锂电池充电，从而解决了双源混动系统匹配难题，系统集成度更高，灵活性更强。

Description

一种叉车用高集成度多功能高压配电箱
技术领域
本发明涉及高压配电箱设计技术领域，特别涉及一种叉车用高集成度多功能高压配电箱。
背景技术
高压配电箱通过母线及线束将高压元器件电连接，为高压系统提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能等，保护和监控高压系统的运行的一种装置。
传统的燃料电池发动机使用的高压配电箱原理图如图1所示，一般包含保险丝、接触器以及高压连接器三部分。主要功能主要包含过流、过载保护、电流分配、电源开关控制以及空压机预充控制等。一般控制的功率器件有空压机、降压DC、循环泵以及加热器。空压机主要为燃料电池阴极回路提供源源不断的空气；降压DC是燃料电池发动机低压辅助电源的主要来源；循环泵主要为燃料电池阳极循环提供主要动力；加热器主要是让燃料电池发动机更快的进入额定工作状态以及解决低温冷启动的问题。
现有的技术方案功能单一，无法匹配双源系统、无法充分的利用加热器的功能以及无法监控各回路的电压以及电流功能。随着燃料电池发动机更新换代，该原理已不能满足日常使用，尤其是在燃料电池叉车上，比较之后就更显得相形见绌。
由于目前市场大部分的燃料电池叉车均使用纯电叉车或者原始的铅酸电池叉车改制而来，整车与电池系统均无通讯功能，电源系统无法及时有效的知道整车的运行状态及功率需求；电源系统与整车无通讯，电源系统无法监测到整车驾驶员的驾驶意图。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叉车用高集成度多功能高压配电箱，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种叉车用高集成度多功能高压配电箱，包括锂电池接口、燃料电池接口、整车接口、高压连接器和功率采集模块，所述锂电池接口与整车接口之间通过母线连接，所述母线的前端设有锂电主接触器，所述母线上设有连接燃料电池接口的燃料电池支路和若干个用于连接功率器件的功率器件支路，所述功率器件支路的末端设有高压连接器，所述燃料电池支路和功率器件支路上均设有保险丝，所述母线上设有用于检测电压电流的功率采集模块。
作为优选，所述功率器件支路包括空压机支路、降压DC支路、循环泵支路和加热器支路，所述空压机支路上包括空压机输出支路和空压机预充控制支路，所述空压机输出支路与空压机预充控制支路并联，所述空压机输出支路和空压机预充控制支路上均设有开关接触器，所述循环泵支路上设有开关接触器，所述加热器支路上设有开关接触器。
作为优选，所述加热器支路上设有电堆输出支路，所述电堆输出支路的末端设有用于连接电堆输出的高压连接器，所述加热器支路与电堆输出支路上设有二极管，所述电堆输出支路上设有开关接触器，加热器支路上的开关接触器与电堆输出支路上的开关接触器之间采用单刀双掷继电器相连接。
作为优选，所述功率采集模块与叉车急停开关、叉车钥匙开关相连接，所述功率采集模块上设有通讯线和电源接口。
作为优选，还包括叉车旋钮开关，所述叉车旋钮开关与锂电池接口相连接，所述叉车旋钮开关处设有电源保持电路，所述电源保持电路与燃料电池接口相连接，所述电源保持电路上设有二极管和开关接触器，所述电源保持电路与功率采集模块相连接。
本发明的有益效果：
1、设计了锂电池接口和燃料电池接口，在系统启动阶段，锂电池作为整个叉车系统的主要能量来源，在燃料电池在启动初期，燃料电池的启动电源由锂电池提供；随着燃料电池的输出功率逐渐增加，叉车系统的主要能量来源为燃料电池，此时燃料电池既可以提供整车运行的动力，也可以给锂电池充电。遇到整车急剧加载时，燃料电池和锂电池可以同时对外输出，从而解决了双源混动系统匹配难题，系统集成度更高，灵活性更强；
2、设计了加热器支路和电堆输出支路，实现了加热器的双重功能：一是作为加热器在燃料电池的发动机开机升温过程中加快升温速率，让燃料电池的发动机尽快进入额定工作状态；二是作为功率电阻来使用达到降低电堆输出电压的作用，燃料电池在开、关机过程中过高的电压会导致电堆寿命下降；同时加热器作为功率电阻使用可以快速的消耗电堆内部残余电量，加快关机速度；
3、加热器支路上的开关接触器与电堆输出支路上的开关接触器之间采用单刀双掷继电器相连接，同时在加热器支路与电堆输出支路上设有二极管用于防反，避免控制出错时出现加热器接触器与降压电阻同时闭合，出现反向电压损坏电堆的情况；
4、在母线上增加了功率采集模块，实时检测电压电流即可实时反馈整车的需求功率及运行状态，燃料电池的发动机即可根据以上状态量，实时的控制燃料电池输出功率的目的，从而满足叉车所有运行工况；
5、功率采集模块通过监测急停开关的状态、监测钥匙开关的状态，当两者开关均闭合时，监测到的电压与母线电压一致，若开关断开，电压瞬间降到0V。通过以上机制，电池控制系统可以明确知道驾驶员的驾驶意图，对驾驶员的操作需求及时做出反馈；
6、设计了电源保持电路，燃料电池的控制器可根据功率模块采集的电压U3，实时判断旋钮开关状态，若检测到电压丢失，燃料电池的控制系统立即执行关机流程，待燃料电池关机完成以及整车需求功率变为零之后在断开电源保持继电器，从而提升了安全性能和电池系统寿命。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是传统的燃料电池发动机使用的高压配电箱原理图；
图2是本发明一种叉车用高集成度多功能高压配电箱原理图；
图中：1-锂电主接触器、2-叉车旋钮开关、3-功率采集模块、4-叉车钥匙开关、5-叉车急停开关、6-单刀双掷继电器、7-通讯线、8-电源接口、9-电源保持电路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图2，本发明实施例提供一种叉车用高集成度多功能高压配电箱，包括锂电池接口、燃料电池接口、整车接口、高压连接器和功率采集模块3，所述锂电池接口与整车接口之间通过母线连接，所述母线的前端设有锂电主接触器1，所述母线上设有连接燃料电池接口的燃料电池支路和若干个用于连接功率器件的功率器件支路，所述功率器件支路的末端设有高压连接器，所述燃料电池支路和功率器件支路上均设有保险丝，所述母线上设有用于检测电压电流的功率采集模块3。所述功率器件支路包括空压机支路、降压DC支路、循环泵支路和加热器支路，所述空压机支路上包括空压机输出支路和空压机预充控制支路，所述空压机输出支路与空压机预充控制支路并联，所述空压机输出支路和空压机预充控制支路上均设有开关接触器，所述循环泵支路上设有开关接触器，所述加热器支路上设有开关接触器。所述加热器支路上设有电堆输出支路，所述电堆输出支路的末端设有用于连接电堆输出的高压连接器，所述加热器支路与电堆输出支路上设有二极管，所述电堆输出支路上设有开关接触器，加热器支路上的开关接触器与电堆输出支路上的开关接触器之间采用单刀双掷继电器6相连接。所述功率采集模块3与叉车急停开关5、叉车钥匙开关4相连接，所述功率采集模块3上设有通讯线7和电源接口8。还包括叉车旋钮开关2，所述叉车旋钮开关2与锂电池接口相连接，所述叉车旋钮开关2处设有电源保持电路9，所述电源保持电路9与燃料电池接口相连接，所述电源保持电路9上设有二极管和开关接触器，所述电源保持电路9与功率采集模块3相连接。增加了高压互锁功能，所有连接器均带有互锁线，当其中一个连接器断开，系统会立即发现异常，切断高压电源，避免漏电，触电的事故发生。
1、新增的电-电混动方案，可实现双源以及多源的技术方案。系统集成度更高，灵活性更强。
2、加热器的双重功能及双重互锁功能的实现。可以节省分别使用降压电阻以及加热器的成本以及布置空间，互锁功能的实现可以作为安全功能的冗余设计，避免软件以及人为的误操作，导致电堆的损坏。
3、对整车消耗功率的监测，可以统计叉车的平均功耗以及瞬时最大功耗，对调整燃料电池发动机输出功率及统计叉车的平均功耗有很大帮助。
4、总电源的电源保持功能，对燃料电池的低温冷启动延时关机具有很大的帮助。在低温环境下，燃料电池的关机时长约10分钟，需要完成低温吹扫功能。燃料电池控制器可根据低温吹扫完成的情况，自行断开电源保持继电器（延时继电器）。
在上述方案中，也可以设计升压DC小电流拉载，来替代降压电阻的功能；
增加整车与锂电BMS以及燃料电池之间通讯的方式来实时监测整车功率请求以及驾驶员操作意图。
本发明工作过程：
开机流程：叉车旋钮开关2闭合→锂电池BMS上电→锂电主接触器1闭合（锂电输出+和-上电）→降压DC上电→燃料电池的控制器上电→燃料电池的控制器判断叉车急停开关5、叉车钥匙开关4状态选择是否开机→燃料电池的控制器根据整车功率采集模块3的功率以及锂电池状态选择输出功率。
燃料电池关机流程：叉车钥匙开关4断开→整车下电并且功率采集模块3检测到叉车钥匙开关4处电压丢失→燃料电池控制器立即执行关机流程。
电源系统下电流程；叉车钥匙开关4下电→燃料电池的发动机关机完成→断开叉车旋钮开关2→功率采集模块监测到电源保持电路9下电→燃料电池的控制器电源保持电路9上的开关接触器断开→锂电池的内置DC断电→下电完成。
叉车急停流程：整车按下叉车急停开关5→叉车急停→功率采集模块3检测到叉车急停开关5处电压丢失→燃料电池发动机急停。
直接断开叉车旋钮开关2下电流程：断开叉车旋钮开关2→电源保持电路9处电压数据丢失→燃料电池的控制器执行关机流程→关机完成后断开电源保持电路9上的开关接触器→整车下电。
总电源保持及延时下电功能：
一是从安全角度考虑：若没有断电保持功能，直接断开旋钮开关，此时锂电断开，整车立即停止，电池发动机急停。若在道路上行驶时，突然丢失动力，存在很大的安全隐患；二是从电池系统寿命考虑：直接断开旋钮开关会导致锂电主接触器瞬间断开，总所周知，接触器在带载切断时会严重影响使用寿命；同时，燃料电池在正常运行时，突然丢失主供电及辅助供电，会导致发动机立刻急停，电堆内部的热量无法散发，电堆残余电压无法消耗，电堆输出电压会保持在一个很高的电压平台，长期如此会导致电堆寿命衰减严重以至于无法使用。在增加电源保持功能之后，燃料电池的控制器可根据功率采集模块3采集的电源保持电路9处的电压，实时判断叉车旋钮开关2状态，若检测到电压丢失，燃料电池的控制系统立即执行关机流程，待燃料电池关机完成以及整车需求功率变为零之后在断开电源保持电路9的开关接触器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种叉车用高集成度多功能高压配电箱，其特征在于：包括锂电池接口、燃料电池接口、整车接口、高压连接器和功率采集模块，所述锂电池接口与整车接口之间通过母线连接，所述母线的前端设有锂电主接触器，所述母线上设有连接燃料电池接口的燃料电池支路和若干个用于连接功率器件的功率器件支路，所述功率器件支路的末端设有高压连接器，所述燃料电池支路和功率器件支路上均设有保险丝，所述母线上设有用于检测电压电流的功率采集模块。
2.如权利要求1所述的一种叉车用高集成度多功能高压配电箱，其特征在于：所述功率器件支路包括空压机支路、降压DC支路、循环泵支路和加热器支路，所述空压机支路上包括空压机输出支路和空压机预充控制支路，所述空压机输出支路与空压机预充控制支路并联，所述空压机输出支路和空压机预充控制支路上均设有开关接触器，所述循环泵支路上设有开关接触器，所述加热器支路上设有开关接触器。
3.如权利要求2所述的一种叉车用高集成度多功能高压配电箱，其特征在于：所述加热器支路上设有电堆输出支路，所述电堆输出支路的末端设有用于连接电堆输出的高压连接器，所述加热器支路与电堆输出支路上设有二极管，所述电堆输出支路上设有开关接触器，加热器支路上的开关接触器与电堆输出支路上的开关接触器之间采用单刀双掷继电器相连接。
4.如权利要求1所述的一种叉车用高集成度多功能高压配电箱，其特征在于：所述功率采集模块与叉车急停开关、叉车钥匙开关相连接，所述功率采集模块上设有通讯线和电源接口。
5.如权利要求1所述的一种叉车用高集成度多功能高压配电箱，其特征在于：还包括叉车旋钮开关，所述叉车旋钮开关与锂电池接口相连接，所述叉车旋钮开关处设有电源保持电路，所述电源保持电路与燃料电池接口相连接，所述电源保持电路上设有二极管和开关接触器，所述电源保持电路与功率采集模块相连接。
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