CN116730253A - 一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，涉及到氢电领域，包括加氢口、储氢瓶、下部框架、上部框架，下部框架通过可拆卸结构安装有上部框架，下部框架上安装有储氢瓶,储氢瓶的一侧安装有加氢口，储氢瓶的另一侧安装有DC‑DC转换器、空气压缩机、二合一膨胀水箱，上部框架的侧面活动安装有多个散热器悬置支架。本发明，利用大功率叉车有限的布置空间，将氢电系统进行高集成度设计，结构布局合理，避免因系统散件过多，给后续系统的保养维护带来便利，通过对氢电系统的功能扩展设计，能扩宽实际应用场景，应用场景不限于此专利的叉车配套，还能适用于氢储能领域，如分布式电站、备用电源、热电联供等场景。
Description
技术领域
本发明涉及氢电技术领域，尤其涉及一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统。
背景技术
叉车作为经济生产中必不可少的运输交通工具，从保有量看目前主要还是以内燃机为动力的叉车，随着全球对绿色生态环境的需求和面临的各类资源短缺问题，需要更多的以环保绿色能量为重点的新能源叉车，如以储能电池为动力的电动叉车、以氢气作为能量的氢电叉车，目前以储能电池为主能量为主的纯电动叉车，因储能电池对环境温度比较敏感，在高温或者低温环境下对电池的性能和安全都会较大的影响，且充电补能时间也较长，使用户的体验变差目前以氢电系统作为动力输出的叉车基本上集中在小功率叉车系统(4.5T以下)，对应的储氢瓶也较小，针对大功率场景的叉车氢电系统资源不足，。
现有技术中，经检索专利文献CN114604802公开了一种自配重的叉车用氢电系统结构，包括上下层结构布局，单独预留体积较大的配重扩展箱，增加设备数量的同时，给其他部件的空间和后续维修都造成一定的限制，专利文献CN114899446A公开了一种叉车燃料电池系统，包含燃料电池系统、电池包、氢瓶等配置，该专利燃料电池系统的辅助BOP零部件如增湿器、低温加热用PTC、节温器等都是单独布置，未将系统关键零部件和电堆进行集成，造成散件零部件数量众多，对后续安装及维护带来不便，因此需要一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统来满足人们的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，以解决上述背景技术中提出的在高温或者低温环境下对电池的性能和安全都会较大的影响，且充电补能时间也较长，使用户的体验变差，以及使用维护不便的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，包括加氢口、储氢瓶、下部框架、上部框架，所述下部框架通过可拆卸结构安装有上部框架，下部框架上安装有储氢瓶,加氢口的一侧安装有加氢口，储氢瓶的底侧安装有DC-DC转换器、空气压缩机、二合一膨胀水箱，所述上部框架的侧面活动安装有多个散热器悬置支架，多个散热器悬置支架之间活动安装有辅助散热器和主路散热器,主路散热器底侧设置有系统排水口，整个氢电系统采用分布式模块设计进行结构布局设计，采用上下、左右分层的方式，将整个氢电系统最重的燃料电池系统本体集成模块布置在叉车偏后位置，即氢电系统的左上区域，高压供氢模块布置在右上区域，供氢模块下部即右下布置储能电池，左下位置布置空气进气和散热模块，集成后的系统重心在整车偏后位置，系统重心偏下稳定性较好，重心在整车偏后位置能更好的作为配重作用。
优选的：所述下部框架的底侧安装有储水箱和储能电池,储水箱和储能电池之间安装有尾排消音器和排水电控阀。所述下部框架的底侧安装有储水箱和储能电池,储水箱出水口尾端安装有排水电磁阀，尾排节气门和储水箱之间安装有消音器。
优选的：所述上部框架上活动安装有电堆封装组件，电堆封装组件的侧面活动安装有三通阀。
优选的：所述电堆封装组件的底侧安装有循环水泵和中冷器,循环水泵和中冷器均位于储水箱和储能电池的顶侧。
优选的：所述中冷器的一侧安装有氢气高压组件和氢气回流泵。
优选的：所述电堆封装组件的侧面安装有FCU控制器，电堆封装组件的底侧安装有PTC加热器和尾排节气门。
优选的：所述循环水泵、中冷器、空气增湿器、氢气高压组件、PTC加热器、尾排节气门均通过系统悬置组件安装在下部框架上，电堆封装组件与下部框架相适配。
优选的：所述氢电系统包括空气进气模块和尾排模块，空气进气模块和尾排模块包括空气滤清器、空气流量计、空气压缩机、中冷器、三通阀、燃料电池系统本体、气液分离器、单向阀、电磁阀、空气抽风设备、氢气高压组件、氢气回流泵、PTC加热器、尾排节气门,第一空气道连接空气滤清器，空气滤清器的输出端连接空气流量计,空气流量计的输出端连接空气压缩机,空气压缩机的输出端连接中冷器,中冷器的输出端连接三通阀,三通阀通道的输出端连接燃料电池系统本体、通道连接尾排出口管路。
优选的：所述氢瓶组件的输出端连接氢气高压组件，气液分离器和氢气回流泵连接在燃料电池系统本体出氢管路上，第二空气道与空气抽风设备连接，空气抽风设备的输出连接电磁阀,电磁阀的输出连接储水箱后端的尾排出气口，储水箱和燃料电池系统本体之间连接尾排节气门,尾排出气口和三通阀通道之间连接单向阀
优选的：所述燃料电池系统本体、DC-DC转换器、储能电池相适配，氢电系统与负载高压端连接电压传感器和电流传感器。
本发明的有益效果是：
本发明中，利用大功率叉车有限的布置空间，将氢电系统进行高集成度设计，结构布局合理，避免因系统散件过多，给后续系统的保养维护带来便利。
本发明中，通过对氢电系统的功能扩展设计，能扩宽实际应用场景，应用场景不限于此专利所述的叉车配套，还能适用于氢储能领域，如分布式电站、备用电源、热电联供等场景。
本发明中，针对交通领域场景的多工况使用要求对燃料电池系统耐久及寿命影响，如怠速工况会导致高电位会导致燃料电池电堆的性能衰减，本专利采用一种可行方式来降低怠速工况的高电位问题。
附图说明
图1为本发明提出的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统的立体结构示意图；
图2为本发明提出的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统的仰视结构示意图；
图3为本发明提出的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统的内部燃料电池本体的结构示意图；
图4为本发明提出的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统的内部燃料电池本体的结构示意图；
图5为本发明提出的降低尾排氢气浓度和降低怠速工况高低位方案示意图；
图6为本发明提出的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统的扩展应用场景示意流程简图。
图中：1、加氢口；2、储氢瓶；3、下部框架；4、上部框架；5、DC-DC转换器；6、空气压缩机；7、二合一膨胀水箱；8、辅助散热器；9、系统排水口；10、散热器悬置支架；11、储水箱；12、储能电池；13、尾排消音器；14、排水电控阀；15、电堆封装组件；16、温控阀；17、循环水泵；18、中冷器；19、空气增湿器；20、氢气高压组件；21、氢气回流泵；22、PTC加热器；23、尾排节气门；24、系统悬置组件；25、FCU控制器；26、空气滤清器；27、空气流量计；28、三通阀；29、燃料电池系统本体；30、气液分离器；31、单向阀；32、电磁阀；33、空气抽风设备；34、电压传感器；35、电流传感器；36、主路散热器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-6，一种新型大功率高集成度氢电系统包含氢燃料发动机系统本体模块、储能模块、高压供氢模块、空气进气模块、尾排模块、电控模块等；整个氢电系统采用分布式模块设计进行结构布局设计，采用上下、左右分层的方式，将整个氢电系统最重的燃料电池系统本体集成模块布置在叉车偏后位置，即氢电系统的左上区域，高压供氢模块布置在右上区域，供氢模块下部即右下布置储能电池，左下位置布置空气进气和散热模块，集成后的系统重心在整车偏后位置，系统重心偏下稳定性较好，重心在整车偏后位置能更好的作为配重作用。
本实施例中，氢电混合系统里面作为主动力输出的燃料电池功率净输出功率为40kw，电堆采用石墨堆系统，所述氢燃料发动机系统本体模块29包含电堆封装子系统、氢气子系统模块、空气子系统模块、水热管理子系统，电控子系统等。其中电堆封装子系统包含电堆、CVM巡检、连接铜排及低压采样及通讯线束，所含零部件通过外部封装壳体进行集成，整个电堆封装子系统能满足IP67标准要求；空气子系统包含空气增湿器19、中冷器18、空气背压阀23；水热子系统包含循环水泵17、温控阀16、PTC加热器22，所述系统本体内部所有零部件都集成为组件，减少散件数量，通过悬置减震组件24与下部框架3进行连接，提升整个氢电系统装配效率；
本实施例中，氢气子系统采用高压组件20调节进堆流量和压力，区别于其他方案使用的引射器进行氢气回流，本方案采用氢气循环泵21进行尾排氢气的回收利用，本专利方案通过联合定制开发采用40KW系统匹配的机械回流泵(电压80v，额定点氢气回流比0.6)，较常规引射器作为氢气回流的方案相比，回流泵能更好的满足全工况的氢气循环比(引射器存在低工况点失效风险)
本实施例中，作为系统混合动力输出的蓄能电池12采用的高倍率的钛锂电池，在现有空间的基础上，将电池的能量密度最大化；蓄能电池还可以采用其他的如三元电池、磷酸铁锂电池等；
本实施例中，大功率氢电系统采用水冷的方式进行冷却，主路散热器36和辅助路散热器8集成在侧边并排布置，通过悬置支架10与框架连接，两组散热器进出风方向相同，互不干涉，避免因两组散热器错开布置导致的出口热风耦合形成旋涡等现象导致出风口背压过大，影响散热性能；因整个系统布局空间较小，内部需要布置的关键零部件较多，且很多零件对温度敏感，温度较高会对零部件性能有影响，基于这个因素，本专利在冷却模块的高温出风口做了结构优化，将高温空气进行导流处理，将热空气部分导出，改善整个系统的热环境，空气抽风设备33为空气道提供足够数量的空气；
本实施例中，针对低温环境，燃电系统采用电堆内部加热和外部PTC加热联合方式来快速升温，减少低温启动的时间，空气压缩机6可以为电堆提供一定流量和压力的空气进行反应；
本实施例中，方案所述膨胀水箱7采用主副水箱二合一集成的方案，避免常规方案采用两个单独水箱进行布局，节省了空间提高了集成度；
优选的方案，下部框架3的底侧安装有储水箱11和储能电池12,储水箱11出水口尾端安装有排水电控阀14。燃电发动机本体正下方集成储水箱11，通过储水箱顶部液位传感器对满水液位进行信号反馈，如液位已到高位值，通过通讯外传排水信息，如还未及时进行排水处理，就做临时停机处理保护电堆。储水箱内部通过设计分离挡板，对系统尾排的湿气进行除湿处理，液态水通过水箱储存定时定点进行排放，尾排消音器13对尾排气体进行消音处理降低噪音，排水电磁阀14通过电磁阀控制储水箱11的排水频率和次数。
本实施例中，下部框架3通过可拆卸结构安装有上部框架4，下部框架3上安装有储氢瓶2,储氢瓶2的一侧安装有加氢口1，储氢瓶2的另一侧安装有DC-DC转换器5、空气压缩机6、二合一膨胀水箱7，所述上部框架4的侧面活动安装有多个散热器悬置支架10，多个散热器悬置支架10之间活动安装有辅助散热器8和主路散热器36,主路散热器36底侧设置有系统排水口9。
其中，高压供氢模块采用100L大容积的储氢瓶2增加续航里程，可以根据加氢的实际情况配置35MPa和70MPa两种规格氢瓶；对外接口如氢电系统加氢口1和氢电系统排水口9都集成框架一侧，提高了整个系统的实操性，气液分离器30对电堆出口氢气进行气液分离处理。
本实施例中，目前氢电系统叉车多数在原纯电动的基础上进行动力替换，未针对燃电叉车进行定制化设计开发，布局空间小，对集成度有更高要求，多数集成布局只考虑能布置的原则，未合理考虑零部件后续维护要求，导致拆卸困难；本方案框架总成采用型材组合而成，上部框架4和下部框架3设计成可拆卸结构，易拆易装，通过分层的思路进行拆卸维护。
在另一实施例中，考虑到叉车的实际应用场合对尾排氢气低浓度要求，如图5所述，本设计提供一种降低尾排氢气浓度的方案，进堆第一空气道内置一个三通阀28，通过对三通阀进行旁通控制，降低尾排氢气浓度；所述方案还预留另一路来降低尾排氢气浓度，具体方案预留第二空气道，控制方式当尾排浓度超过预设阈值，电磁阀32打开，空气抽风设备通电进行进风处理，来进一步降低尾排氢气浓度，电磁阀开度根据当前尾排浓度反馈值进行开度调节，空气滤清器26对反应空气进行过滤净化处理，空气流量计27对反应空气进行流量采集及反馈；
在另一实施例中，针对车辆怠速情况下对功率需求较小，系统电堆会处在一个小载高电位的工况下，怠速时间过长，会对电堆的耐久及寿命有影响，该方案尾排路通过增加一路回流，在回流路上增加单向阀31，当系统怠速的情况下，将尾排稀氧的空气引入到进口降低进口的氧浓度，来降低怠速工况下的高电位，提高系统的耐久性，FCU控制器25根据工况条件对系统进行控制及反馈。
在另一实施例中，本方案可通过方案扩展实现氢电系统的不同应用场景，不止限于本专利所述的叉车用动力系统，还可以扩展到其他场景，如氢储能电站如分布式电站、热电联供、备用电源等领域。具体实现方案如图所示，常规车载领域如整车发出上电指令，通过VCU给系统FCU发功率请求指令，FCU接受功率请求，通过DC对系统进行拉载；本方案电控部分可以通过在高压部分设置电流传感器35、电压传感器34，通过电流和电压传感器采集负载端的功率需求，不需要整车VCU跟系统发功率请求，此种功率响应方式扩宽了氢电系统的应用场景。
本发明工作原理：
整个氢电系统采用分布式模块设计进行结构布局设计，采用上下、左右分层的方式，将整个氢电系统最重的燃料电池系统本体集成模块布置在叉车偏后位置，即氢电系统的左上区域，高压供氢模块布置在右上区域，供氢模块下部即右下布置储能电池，左下位置布置空气进气和散热模块，集成后的系统重心在整车偏后位置，系统重心偏下稳定性较好，重心在整车偏后位置能更好的作为配重作用，氢电混合系统里面作为主动力输出的燃料电池功率净输出功率为40kw，电堆采用石墨堆系统，所述氢燃料发动机系统本体模块29包含电堆封装子系统、氢气子系统模块、空气子系统模块、水热管理子系统，电控子系统等。
其中电堆封装子系统包含电堆、CVM巡检、连接铜排及低压采样及通讯线束，所含零部件通过外部封装壳体进行集成，整个电堆封装子系统能满足IP67标准要求。空气子系统包含空气增湿器19、中冷器18、尾排节气门23。水热子系统包含循环水泵17、温控阀16、PTC加热器22。
具体的方案：上部框架4上活动安装有电堆封装组件15，电堆封装组件15的侧面活动安装有温控阀16。电堆封装组件15的底侧安装有循环水泵17和中冷器18,所述循环水泵17和中冷器18均位于储水箱11的顶侧。中冷器18的一侧安装有氢气高压组件20和氢气回流泵21。电堆封装组件15的侧面安装有FCU控制器25，电堆封装组件15的底侧安装有PTC加热器22和尾排节气门23，尾排节气门23和储水箱11之间安装有尾排消音器13。循环水泵17、中冷器18、空气增湿器19、氢气高压组件20、PTC加热器22、尾排节气门23均通过系统悬置组件24安装在下部框架3上，电堆封装组件15与下部框架3相适配。
系统本体内部所有零部件都集成为组件，减少散件数量，通过悬置减震组件24与下部框架3进行连接，提升整个氢电系统装配效率，氢气子系统采用高压组件20调节进堆流量和压力，区别于其他方案使用的引射器进行氢气回流，本方案采用氢气循环泵21进行尾排氢气的回收利用，本专利方案通过联合定制开发采用40KW系统匹配的机械回流泵，作为系统混合动力输出的蓄能电池12采用的高倍率的钛锂电池，在现有空间的基础上，将电池的能量密度最大化；蓄能电池还可以采用其他的如三元电池、磷酸铁锂电池等，大功率氢电系统采用水冷的方式进行冷却，主路散热器36和辅助路散热器8集成在侧边并排布置，通过悬置支架10与框架连接，两组散热器进出风方向相同，互不干涉，避免因两组散热器错开布置导致的出口热风耦合形成旋涡等现象导致出风口背压过大，影响散热性能；因整个系统布局空间较小，内部需要布置的关键零部件较多，且很多零件对温度敏感，温度较高会对零部件性能有影响，基于这个因素，本专利在冷却模块的高温出风口做了结构优化，将高温空气进行导流处理，将热空气部分导出，改善整个系统的热环境，燃电发动机本体正下方集成储水箱11，通过储水箱顶部液位传感器对满水液位进行信号反馈，如液位已到高位值，通过通讯外传排水信息，如还未及时进行排水处理，就做临时停机处理保护电堆。储水箱内部通过设计分离挡板，对系统尾排的湿气进行除湿处理，液态水通过水箱储存定时定点进行排放，高压供氢模块采用100L大容积的储氢瓶2增加续航里程，可以根据加氢的实际情况配置35MPa和70MPa两种规格氢瓶；对外接口如氢电系统加氢口1和氢电系统排水口9都集成框架一侧，提高了整个系统的实操性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，包括加氢口(1)、储氢瓶(2)、下部框架(3)、上部框架(4)，其特征在于：所述下部框架(3)通过可拆卸结构安装有上部框架(4)，下部框架(3)上安装有储氢瓶(2),储氢瓶(2)的一侧安装有加氢口(1)，储氢瓶(2)的另一侧安装有DC-DC转换器(5)、空气压缩机(6)、二合一膨胀水箱(7)，所述上部框架(4)的侧面活动安装有多个散热器悬置支架(10)，多个散热器悬置支架(10)之间活动安装有辅助散热器(8)和主路散热器(36),主路散热器(36)底侧设置有系统排水口(9)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，其特征在于：所述下部框架(3)的底侧安装有储水箱(11)和储能电池(12),储水箱(11)出水口尾端安装有排水电控阀(14)。
3.根据权利要求1所述的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，其特征在于：所述上部框架(4)上活动安装有电堆封装组件(15)，电堆封装组件(15)的侧面活动安装有温控阀(16)。
4.根据权利要求3所述的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，其特征在于：所述电堆封装组件(15)的底侧安装有循环水泵(17)和中冷器(18),所述循环水泵(17)和中冷器(18)均位于储水箱(11)的顶侧。
5.根据权利要求4所述的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，其特征在于：所述中冷器(18)的一侧安装有氢气高压组件(20)和氢气回流泵(21)。
6.根据权利要求5所述的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，其特征在于：所述电堆封装组件(15)的侧面安装有FCU控制器(25)，电堆封装组件(15)的底侧安装有PTC加热器(22)和尾排节气门(23)，尾排节气门(23)和储水箱(11)之间安装有尾排消音器(13)。
7.根据权利要求6所述的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，其特征在于：所述循环水泵(17)、中冷器(18)、空气增湿器(19)、氢气高压组件(20)、PTC加热器(22)、尾排节气门(23)均通过系统悬置组件(24)安装在下部框架(3)上，电堆封装组件(15)与下部框架(3)相适配。
8.根据权利要求1所述的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，其特征在于：所述氢电系统包括空气进气模块和尾排模块，空气进气模块和尾排模块包括空气滤清器(26)、空气流量计(27)、空气压缩机(6)、中冷器(18)、三通阀(28)、燃料电池系统本体(29)、气液分离器(30)、单向阀(31)、电磁阀(32)、空气抽风设备(33)、氢气高压组件(20)、氢气回流泵(21)、PTC加热器(22)、尾排节气门(23),第一空气道连接空气滤清器(26)，空气滤清器(26)的输出端连接空气流量计(27),空气流量计(27)的输出端连接空气压缩机(6),空气压缩机(6)的输出端连接中冷器(18),中冷器(18)的输出端连接三通阀(28),三通阀(28)的第一通道的输出端连接燃料电池系统本体(29)，三通阀(28)的第二通道连接尾排出口管路。
9.根据权利要求1所述的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，其特征在于：所述氢瓶组件(2)的输出端连接氢气高压组件(20)，气液分离器(30)和氢气回流泵(21)连接在燃料电池系统本体(29)出氢管路上，第二空气道与空气抽风设备(33)连接，空气抽风设备(33)的输出连接电磁阀(32),电磁阀(32)的输出连接储水箱(11)后端的尾排出气口，储水箱(11)和燃料电池系统本体(29)之间连接尾排节气门(23),尾排出气口和三通阀(28)的第一通道之间连接单向阀(31)。
10.根据权利要求8所述的一种适用于叉车的新型大功率高集成度氢电系统，其特征在于：所述燃料电池系统本体(29)、DC-DC转换器(5)、储能电池(12)相适配，氢电系统与负载高压端连接电压传感器(34)和电流传感器(35)。
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