基于金属氢化物储氢的氢燃料电池叉车混合动力系统能量管理策略研究

《Energies》：Energy Management Strategies for Forklifts Using Metal-Hydride Hydrogen Storage

　　

氢燃料电池叉车作为传统叉车低噪声、零排放的替代方案正受到越来越多的关注。由于具有较高的体积氢密度和良好的安全特性，金属氢化物（metal hydride, MH）储氢在此类应用中显示出较大潜力。本研究聚焦于采用金属氢化物储氢的氢燃料电池叉车。基于热力学与电化学公式，研究人员建立了包含质子交换膜燃料电池（PEMFC）和蓄电池的混合动力系统模型。模型中考虑了储氢罐内氢解吸行为以及两种动力源的瞬态响应，并评估了三种能量管理策略：基于规则策略、模糊逻辑策略和自适应模糊逻辑策略。在典型运行工况下，每种策略均能在仿真中满足叉车功率需求。与基于规则控制相比，自适应模糊逻辑控制显著抑制了燃料电池功率波动；与基本模糊逻辑控制相比，所提出的自适应策略改善了蓄电池荷电状态（SOC）保持能力和整体能量分配。这些研究结果可为氢燃料电池叉车应用中的动力系统匹配、储氢系统参数选择及能量管理设计提供初步支持。

氢燃料电池叉车具有加氢时间短、运行零排放、作业时间长等优势，是工业车辆低碳化的重要方向。储氢方式直接影响系统性能与运行安全：高压气态储氢受高工作压力和体积氢密度限制；低温液态储氢存在蒸发损失和系统复杂性问题；金属氢化物（metal hydride, MH）储氢则具有较高体积氢密度和良好安全特性，并且可利用燃料电池废热促进氢解吸，因而适合低速、重载、固定区域作业且安全要求高的叉车场景。已有研究多集中于储氢罐模型验证、结构优化和供氢性能分析，对能量管理策略与储氢罐动态响应之间的耦合关系讨论不足；同时，基本模糊逻辑控制的隶属函数和规则库通常固定，当蓄电池荷电状态（SOC）偏离目标范围或负载条件变化时，难以及时调整燃料电池输出，可能造成能量管理性能下降。为此，研究人员建立了燃料电池/蓄电池/MH储氢系统的联合仿真模型，在扩展VDI60叉车工况下比较基于规则控制、基本模糊逻辑控制和自适应模糊逻辑控制，重点考察燃料电池功率波动、SOC保持、实际与等效氢消耗以及储氢罐压力—温度响应。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：基于热力学与电化学公式建立PEMFC模型，并用文献低功率案例验证极化与功率特性；建立MH储氢罐集总参数模型，用小型LaNi₅储氢罐文献数据验证吸放氢动态；采用MATLAB/Simulink（R2023b）中的Simscape Electrical蓄电池模型和动态开关DC/DC变换器模型；在统一扩展VDI60循环（60 s单周期重复60次，总时长3600 s，负载功率范围?2.375 kW至9.5 kW）下开展系统级仿真；提出基于SOC偏差在线移动输出隶属函数的自适应模糊控制，并采用等效总氢消耗指标修正SOC初末差异。该研究无临床样本队列来源；模型参数来自公开文献或按目标功率/储氢容量重新设定。

4.1 基准工况下的仿真
在扩展VDI60工况下，三种策略均能满足叉车功率需求并维持系统功率平衡。基于规则控制结构简单、响应快，但燃料电池功率波动较大，P_fc标准差为0.957 kW，SOC由50.00%降至44.96%；基本模糊逻辑控制使燃料电池输出更平滑，SOC终值为48.47%；自适应模糊逻辑控制通过SOC偏差修正，SOC终值约为49.75%，P_fc标准差降至0.368 kW。实际氢耗方面，基于规则控制为118.40 g，基本模糊逻辑为118.67 g，自适应模糊逻辑为119.13 g；但经SOC修正后，等效氢耗分别为121.46 g、119.60 g和119.28 g，表明基于规则控制的系统级能量经济性较差。储氢罐压力在初始阶段由约1 bar升至4.7–4.8 bar后趋于稳定，温度由约298 K逐渐升至324–325 K后稳定，剩余氢量由约300 g近似线性降至约180 g；估算MH脱氢平均需热约0.5 kW，约占可利用PEMFC废热（约2.7 kW）的20%，说明燃料电池废热足以支持吸热脱氢过程。上述结果说明，在所选储氢罐参数和传热条件下，储氢系统能够持续供氢，但不同能量管理策略会改变燃料电池氢耗率，进而影响储氢罐解吸行为，表明MH储氢系统与能量管理策略之间存在耦合关系。

4.2 参数分析
4.2.1 SOC_ref对叉车动力系统性能的影响
当SOC_ref从0.48增至0.58时，平均燃料电池输出功率逐渐增加，实际氢耗从118.70 g增至120.93 g，终值SOC从48.34%升至55.31%；等效氢消耗则从119.71 g降至117.70 g。过高的SOC_ref会使电池过度依赖燃料电池充电，削弱电池吸收再生制动能量和调节功率的灵活性，同时P_fc标准差先降后升。

4.2.2 燃料电池平滑时间常数τ_fc对叉车动力系统性能的影响
τ_fc从5 s增至15 s时，平滑后燃料电池功率P_{fc_smooth}的标准差显著下降，功率曲线更为平滑，有利于降低电堆动态应力；但过大τ_fc会将更多短时功率波动转移至蓄电池，增加电池充放电频率。

4.2.3 自适应增益系数K_G对叉车动力系统性能的影响
K_G从10增至26时，终值SOC由49.47%升至49.89%，SOC偏差由0.53%降至0.11%，P_fc标准差仅由0.371 kW降至0.366 kW，实际氢耗由119.04 g小幅升至119.18 g。综合考虑SOC保持、功率平滑和实际氢耗，K_G=18被选为自适应模糊逻辑控制的修正系数。

讨论部分指出，本研究主要针对确定性扩展VDI60循环进行短期动态响应和系统级能量管理评估，未包含燃料电池和蓄电池长期衰减模型；P_fc标准差与SOC变化仅作为短期运行应力和能量状态保持的间接指标。研究结论可概括为：所建集成仿真模型可作为燃料电池叉车初步动力匹配和参数优化的系统级工具；在所选工况下，储氢罐含有约21.4 kg储氢合金和约0.3 kg可用氢容量，罐内压力与温度处于合理范围，未出现氢短缺、过压或剧烈热波动，储氢罐参数与整车运行需求匹配；不同能量管理策略会通过改变燃料电池氢耗率影响储氢罐解吸行为，说明MH储氢系统与整车能量管理策略存在耦合关系；自适应模糊逻辑控制在等效氢消耗、燃料电池功率平滑性和SOC保持方面表现均衡，适合用于燃料电池叉车能量管理。需要强调的是，结论仅适用于确定性扩展VDI60循环，尚需通过真实叉车工况和不确定性分析进一步验证；PEMFC和MH储氢罐子模型已分别完成验证，但集成系统尚未进行整机实验验证。