CN212676320U - 一种氢能叉车供电系统及其驱动电路 - Google Patents

一种氢能叉车供电系统及其驱动电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种氢能叉车供电系统，其包括反应水池、氢气纯化单元、燃料电池、燃料电池控制系统、控制器、操作控制单元和钛酸锂电池。本实用新型还提供一种用于如上所述的氢能叉车供电系统的驱动电路，其包括燃料电池系统、DC/DC变换器、控制器、叉车电动液压机、钛酸锂电池、除法器、比较元件、PI调节器、PWM控制器、门级驱动器以及二极管。本文所述的氢能叉车供电系统结构紧凑，占用体积小，且在驱动电路的调节下，可以避免了输入到燃料电池堆的氢气大幅变化。

Description

一种氢能叉车供电系统及其驱动电路
技术领域
本发明涉及新能源和叉车技术领域，具体涉及一种氢能叉车供电系统及其驱动电路。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的一般结构为:燃料(负极)—电解质(液态或固态)—氧化剂(正极)。燃料有气态如氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物,液态如液氢、甲醇、高价碳氢化合物和液态金属,还有固态如碳等。氧化剂为纯氧、空气和卤素。电解质是离子导电而非电子导电的材料,液态电解质分为碱性和酸性电解液,固态电解质有质子交换膜和氧化锆隔膜等。
在氢氧燃料电池中,氢和氧在各自的电极反应。氧电极进行氧化反应,放出电子,氢电极进行还原反应,吸收电子,总反应为:
O2+2H2→2H2O
反应结果是氢和氧发生电化学燃烧,生成水和产生电能。由热力学变量可得到以下理论电动势和理论热效率公式：
Eo＝－(ΔG/2F)＝1.23Vη＝ΔG/ΔH＝83.0％
式中,ΔG和ΔH分别为自由能变化和热焓变化,F是法拉第常数。
从燃料电池的工作原理可以看出，燃料电池工作时的副产物只有水和热量，且噪音小，发电效率高。
现有技术中已有多篇文献报道将燃料电池用于为叉车供电，但大多采取钢瓶来储存氢气。这既占用了叉车有限的空间，又有一定的安全隐患。
为此，本领域持续需要开发一种氢能叉车供电系统及其驱动电路。
发明内容
本申请之目的首先在于提供一种氢能叉车供电系统，从而解决上述现有技术中的技术问题。
本申请之目的还在于提供一种用于上述氢能叉车供电系统的驱动电路。
为了解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种氢能叉车供电系统，其特征在于，所述氢能叉车供电系统包括反应水池、氢气纯化单元、燃料电池、燃料电池控制系统、控制器、操作控制单元和钛酸锂电池，
其中，所述反应水池与所述氢气纯化单元流体连通，用于通过固态储氢材料与水的反应来提供氢气；
其中，所述氢气纯化单元用于纯化来自所述反应水池的氢气，且为所述燃料电池提供纯化后的氢气；
其中，所述燃料电池控制系统与控制器通讯连接，且所述燃料电池控制系统与所述氢气纯化单元通讯连接，与所述燃料电池通讯连接，所述燃料电池控制系统构造成基于所述燃料电池的信号来控制所述氢气纯化单元向所述燃料电池供应的氢气的气压和流速；
其中，所述燃料电池的输出端同时与钛酸锂电池的输入端以及叉车电动液压机的输入端电连接；
其中，所述钛酸锂电池与控制器通讯连接，且所述钛酸锂电池的输出端与所述叉车电动液压机的输入端电连接；
其中，所述操作控制单元与所述控制器连接，用于操作叉车。
在第一方面的一种实施方式中，所述氢能叉车供电系统还包括加料仓，所述加料仓用于向所述反应水池添加固态储氢材料。
在第一方面的一种实施方式中，所述氢能叉车供电系统还包括备用水箱，所述备用水箱与所述反应水池流体连通，用于为所述反应水池补充水。
在第一方面的一种实施方式中，所述固态储氢材料为氢化镁。
在第一方面的一种实施方式中，所述反应水池、氢气纯化单元、燃料电池和燃料电池控制系统通过电气分隔板与所述控制器、操作控制单元、钛酸锂电池和叉车电动液压机分离。
在第二方面中，本申请提供一种用于如第一方面所述的氢能叉车供电系统的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括燃料电池系统、DC/DC变换器、控制器、叉车电动液压机、钛酸锂电池、除法器、比较元件、PI调节器、PWM控制器、门级驱动器以及二极管；
其中，所述燃料电池系统的正极输出端依次与所述二极管的正极、所述DC/DC变换器、所述控制器和所述叉车电动液压机电连接；
其中，所述钛酸锂电池的输出端依次与所述控制器和所述叉车电动液压机电连接；
其中，所述燃料电池系统的输出端与所述除法器的输入端电连接，用于输入参考电压，所述控制器的输出端与所述除法器的输入端电连接，用于输入参考功率；
所述除法器的输出端与所述比较元件的输入端连接，用于输入参考电流；
所述DC/DC变换器的输入端与所述比较元件的输入端电连接，用于输入工作电流；
所述比较元件的输出端与所述PI调节器的输入端电连接，所述PI控制器的输出端与所述PWM控制器的输入端电连接，所述PWM控制器的输出端与所述门级驱动器的输入端电连接，所述门级驱动器的输出端与所述DC/DC变换器的输入端电连接。
在第二方面的一种实施方式中，所述DC/DC变换器的具体型号为：DI1410；
以及，所述控制器的具体型号为：AP-KZQ；以及，所述二极管的具体型号为：1N5408G。
在第二方面的一种实施方式中，所述除法器的具体型号为：CD74HC93M96；
以及，所述比较元件的具体型号为：LM311DR。
在第二方面的一种实施方式中，所述PI调节器的具体型号为：PI5C3125L；
所述PWM控制器的具体型号为：MAX669；
以及，所述门级驱动器的具体型号为：ADuM3220。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本文所述的氢能叉车供电系统结构紧凑，占用体积小，且在驱动电路的调节下，可以避免了输入到燃料电池堆的氢气大幅变化。
附图说明
通过结合附图对于本申请的实施方式进行描述，可以更好地理解本申请。
图1显示根据本发明的一种实施方式的氢能叉车供电系统。
图2显示根据本发明的一种实施方式的氢能叉车供电系统的驱动电路。
图3显示图2中二极管中电流方向。
附图中各附图标记含义如下：
100 加料仓
101 反应水池
102 氢气纯化单元
103 燃料电池
104 钛酸锂电池
105 叉车电动液压机
106 燃料电池控制系统
107 控制器
108 操作控制单元
109 备用水箱
200 燃料电池系统
201 DC/DC变换器
202 控制器
203 叉车电动液压机
204 钛酸锂电池
205 门级驱动器
206 PWM控制器
207 PI调节器
208 除法器
209 二极管
210 比较元件。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。
首先参考图1，本申请提供一种氢能叉车供电系统，其特征在于，所述氢能叉车供电系统包括反应水池101、氢气纯化单元102、燃料电池103、燃料电池控制系统106、控制器107、操作控制单元108和钛酸锂电池104。在该实施方式中，反应水池101与氢气纯化单元102流体连通，用于通过固态储氢材料与水的反应来提供氢气。在一种实施方式中，所述固态储氢材料为氢化镁，氢化镁在反应水池101中与水反应后，释放出氢气。
在该实施方式中，所述氢气纯化单元102用于纯化来自所述反应水池101的氢气，且为所述燃料电池103提供纯化后的氢气。在该实施方式中，所述燃料电池控制系统106与控制器107通讯连接，且所述燃料电池控制系统106与所述氢气纯化单元102通讯连接，与所述燃料电池103通讯连接，所述燃料电池控制系统106构造成基于所述燃料电池的信号来控制所述氢气纯化单元向所述燃料电池供应的氢气的气压和流速。在一种实施方式中，燃料电池控制系统106由流速传感器和压力传感器及其控制的气阀组成，主要用来控制燃料电池中氢气的流速和气压。
在该实施方式中，所述燃料电池103的输出端同时与钛酸锂电池104的输入端以及叉车电动液压机105的输入端电连接。在一种实施方式中，所述钛酸锂电池104与控制器107通讯连接，且所述钛酸锂电池104的输出端与所述叉车电动液压机105的输入端电连接。参考电流与实测电流相比较，差值经比例积分控制器，当参考电流大于实测电流时，蓄电池组通过提高蓄电池组电压为驱动电机供电；当参考电流小于实测电流时，由燃料电池和蓄电池共同为驱动电机供电；当参考电流与实测电流相等时，仅燃料电池就可提供驱动能量。
在一种实施方式中，所述操作控制单元108与所述控制器107连接，用于操作叉车。在一种实施方式中，操作控制单元为叉车操作面板，功能有急停、升降、开关等。根据实际需要可增加功能此单元通过控制器直接操控电机。
在一种实施方式中，所述氢能叉车供电系统还包括加料仓100，所述加料仓用于向所述反应水池添加固态储氢材料。
在一种实施方式中，所述氢能叉车供电系统还包括备用水箱109，所述备用水箱与所述反应水池流体连通，用于为所述反应水池补充水。
在一种实施方式中，所述反应水池101、氢气纯化单元102、燃料电池103和燃料电池控制系统106通过电气分隔板与所述控制器107、操作控制单元108、钛酸锂电池104和叉车电动液压机105隔开。在包括加料仓100或者备用水箱109的实施方式中，加料仓100和备用水箱109也通过电气分隔板与所述控制器107、操作控制单元108、钛酸锂电池104和叉车电动液压机105隔开。
在另一种实施方式中，本申请提供一种用于如上所述的氢能叉车供电系统的驱动电路，所述驱动电路包括燃料电池系统200、DC/DC变换器201、控制器202、叉车电动液压机203、钛酸锂电池204、除法器208、比较元件210、PI调节器207、PWM控制器206、门级驱动器205以及二极管209。
在该实施方式中，参见图3，所述燃料电池系统的正极输出端依次与所述二极管的正极、所述DC/DC变换器、所述控制器和所述叉车电动液压机电连接。在一种实施方式中，所述钛酸锂电池的输出端依次与所述控制器和所述叉车电动液压机电连接，所述燃料电池系统的输出端与所述除法器的输入端电连接，用于输入参考电压Vref，所述控制器的输出端与所述除法器的输入端电连接，用于输入参考功率Pref。
除法器输出端与所述比较元件的输入端连接，用于输入参考电流Iref，且所述DC/DC变换器的输入端与所述比较元件的输入端电连接，用于输入工作电流。在一种实施方式中，所述比较元件的输出端与所述PI调节器的输入端电连接，所述PI控制器的输出端与所述PWM控制器的输入端电连接，所述PWM控制器的输出端与所述门级驱动器的输入端电连接，所述门级驱动器的输出端与所述DC/DC变换器的输入端电连接。参考电流与实测电流相比较，差值经比例积分控制器，当参考电流-实测电流大于0时，蓄电池组通过提高蓄电池组电压为驱动电机供电；当参考电流-实测电流小于0时，由燃料电池和蓄电池共同为驱动电机供电；当参考电流-实测电流等于0时，仅燃料电池就可提供驱动能量。
在一种实施方式中，所述DC/DC变换器的具体型号为：DI1410；以及，所述控制器的具体型号为：AP-KZQ；以及，所述二极管的具体型号为：1N5408G。
在一种实施方式中，所述除法器的具体型号为：CD74HC93M96；以及，所述比较元件的具体型号为：LM311DR。
在一种实施方式中，所述PI调节器的具体型号为：PI5C3125L；所述PWM控制器的具体型号为：MAX669；以及，所述门级驱动器的具体型号为：ADuM3220。
图2显示含有一个钛酸锂电池和一个功率调节器的燃料电池驱动系统。钛酸锂电池和燃料电池为驱动系统提供所需的动力。如果动力装置所需的电压比燃料电池的电压高，那么功率调节器必须把燃料电池堆的电压提高到钛酸锂电池电压。同时，功率调节器也可为钛酸锂电池充电。功率调节器功率的选择是基于燃料电池堆的最大功率容量。在燃料电池堆输出端需要接一个二极管，用来防止负电流进入燃料电池堆。如果让负电流流入，那么会导致电池反相和损坏燃料电池堆。功率调节器内部功率器件的开关作用所造成的燃料电池堆输出电流的纹波要比较低。除法器控制燃料电池堆给负载提供的输出功率。功率命令与所需求的功率成正比，除以蓄电池电压后得到参考电流。参考电流与实测电流相比较，差值经比例积分控制器燃料电池转换器控制系统到控制功率调节器输出功率的占空比。通过控制燃料电池堆的输出电流来控制燃料电池的输出功率。直接控制燃料电池堆的输出电流是因为反应水池产出的氢气量可以较好地控制，在该控制方案中，在给定压力和温度下，燃料电池堆输出的电流恒定，输出电压也是恒定的，从而输出功率保持不变。因此功率调节器的输出功率也是不变的。这种方案避免了输入到燃料电池堆的燃料大幅变化。
叉车液压机启动需较大电流，故采用钛酸锂电池，钛酸理电池放电电流较大，可供给叉车液压机启动。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氢能叉车供电系统，其特征在于，所述氢能叉车供电系统包括反应水池、氢气纯化单元、燃料电池、燃料电池控制系统、控制器、操作控制单元和钛酸锂电池，
其中，所述反应水池与所述氢气纯化单元流体连通，用于通过固态储氢材料与水的反应来提供氢气；
其中，所述氢气纯化单元用于纯化来自所述反应水池的氢气，且为所述燃料电池提供纯化后的氢气；
其中，所述燃料电池控制系统与控制器通讯连接，且所述燃料电池控制系统与所述氢气纯化单元通讯连接，与所述燃料电池通讯连接，所述燃料电池控制系统构造成基于所述燃料电池的信号来控制所述氢气纯化单元向所述燃料电池供应的氢气的气压和流速；
其中，所述燃料电池的输出端同时与钛酸锂电池的输入端以及叉车电动液压机的输入端电连接；
其中，所述钛酸锂电池与控制器通讯连接，且所述钛酸锂电池的输出端与所述叉车电动液压机的输入端电连接；
其中，所述操作控制单元与所述控制器连接，用于操作叉车。
2.如权利要求1所述的氢能叉车供电系统，其特征在于，还包括加料仓，所述加料仓用于向所述反应水池添加固态储氢材料。
3.如权利要求1所述的氢能叉车供电系统，其特征在于，还包括备用水箱，所述备用水箱与所述反应水池流体连通，用于为所述反应水池补充水。
4.如权利要求1-3中任一项所述的氢能叉车供电系统，其特征在于，所述固态储氢材料为氢化镁。
5.如权利要求1所述的氢能叉车供电系统，其特征在于，所述反应水池、氢气纯化单元、燃料电池和燃料电池控制系统通过电气分隔板与所述控制器、操作控制单元、钛酸锂电池和叉车电动液压机隔开。
6.一种用于如权利要求1所述的氢能叉车供电系统的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括燃料电池系统、DC/DC变换器、控制器、叉车电动液压机、钛酸锂电池、除法器、比较元件、PI调节器、PWM控制器、门级驱动器以及二极管；
其中，所述燃料电池系统的正极输出端依次与所述二极管的正极、所述DC/DC变换器、所述控制器和所述叉车电动液压机电连接；
其中，所述钛酸锂电池的输出端依次与所述控制器和所述叉车电动液压机电连接；
其中，所述燃料电池系统的输出端与所述除法器的输入端电连接，用于输入参考电压，所述控制器的输出端与所述除法器的输入端电连接，用于输入参考功率；
所述除法器的输出端与所述比较元件的输入端连接，用于输入参考电流；
所述DC/DC变换器的输入端与所述比较元件的输入端电连接，用于输入工作电流；
所述比较元件的输出端与所述PI调节器的输入端电连接，所述PI控制器的输出端与所述PWM控制器的输入端电连接，所述PWM控制器的输出端与所述门级驱动器的输入端电连接，所述门级驱动器的输出端与所述DC/DC变换器的输入端电连接。
7.如权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述DC/DC变换器的具体型号为：DI1410；
以及，所述控制器的具体型号为：AP-KZQ；以及，所述二极管的具体型号为：1N5408G。
8.如权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述除法器的具体型号为：CD74HC93M96；
以及，所述比较元件的具体型号为：LM311DR。
9.如权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述PI调节器的具体型号为：PI5C3125L；
所述PWM控制器的具体型号为：MAX669；
以及，所述门级驱动器的具体型号为：ADuM3220。
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