去除港口每年数百万吨的CO₂排放- MATLAB和Simulink万博1manbetx

航运和海港基础设施是温室气体(GHG)排放的重要来源。根据国际海事组织的数据，海上运输产生了超过9亿吨的CO₂每年。全球经济依靠航运将产品运送到消费者手中，高达90%的外国商品都是通过集装箱船通过港口运输的，但s manbetx 845这对环境造成的损害是巨大的。而那些生活在繁忙海港附近的人，则暴露在由港口商用车柴油发动机排放的危险水平的空气污染中。

例如，大型工业车辆呼叫容器处理程序从集装箱船上装卸集装箱。每个集装箱处理机最多排放144吨二氧化碳₂每年，一个大型港口可以有数百台这样的机器在现场。将一个集装箱装卸车的柴油发动机换成绿色的替代品，其效果相当于从我们的道路上减少32辆汽油动力乘用车。

从乘用车到长途卡车、机车和重型设备，内燃机(ice)正在被更环保的替代品所取代。随着消费者在车型和充电地点上的选择越来越多，电池驱动的电动汽车已经成为人们关注的焦点。但在港口，内燃机是重型工业车辆上的柴油发动机，如庭院卡车、叉车和集装箱装卸车。电池和所需的充电基础设施并不适用于这些操作。

这就是燃料电池的用武之地。

使电气化

燃料电池非常适合于重型设备的位置，必须长时间运行，停机时间最小。给一个氢燃料电池充满电所花费的时间与给一个类似大小的油箱充满电所花费的时间差不多，而给一个重型电动汽车的电池充满电则需要几个小时。燃料电池提供了车辆通过8小时轮班所需的功率密度和续航里程。一家专注于商用汽车燃料电池技术的公司是Nuvera．

Nuvera Fuel cells公司创始员工兼董事格斯·布罗克(Gus Block)说:“在需要长续航时间或电池充电时间过长的情况下，燃料电池比电池更好，适用于船只、飞机、卡车、公共汽车和应急车辆。”

布洛克说:“当电池太大，无法装在车上，或者电池太重，会影响有效载荷时，也需要它们。”“例如，电动集装箱装卸机所需的电池有一头小象那么大。”

Nuvera的e系列燃料电池发动机之一。图片来源:Nuvera燃料电池。

一种不需要充电的电动替代品

燃料电池只产生热量和水，不产生废气。由于没有活动部件，它的设计原理很简单:在两个电极之间夹上一层膜。当氢燃料遇到阳极时，它被分裂成一个质子和一个电子。质子穿过膜到达阴极，在那里遇到氧气。电子在电极之间要走更长的路线，穿过电路。电子流为电机提供动力。在阴极，质子、电子和氧结合形成水。

通过建模和实时仿真，Nuvera的工程师可以快速迭代他们的设计，并且可以在不危及真实引擎的情况下进行实验。

科学很简单，但完善高性能电源的配方却很困难。燃料电池内部的多重反应是由许多因素决定的，软件控制系统必须考虑到所有这些因素，才能最大限度地提高设备的功率和效率。控制系统根据反馈进行不断修正。

Nuvera的总工程师Pierre-François Quet说:“最大的设计挑战之一是保持细胞的适当水合作用。”“没有足够的水和质子通过;太多的话，细胞就会泛滥。”

他们的系统通过改变冷却剂温度和控制气流来增加或减少蒸发来管理水化作用。为了设计控制燃料电池发动机的软件(通常包括数百个燃料电池堆叠在一起，冷却剂在它们之间流动，加上一个冷却剂泵和一个空气压缩机)，nuvera使用了MATLAB^® 和仿真软万博1manbetx件^®．Quet说，燃料电池发动机的工厂模型——包括控制电气和化学反应的方程，以及水、气体和冷却器的温度和压力——也在Simulink中实现。万博1manbetx有了这个模拟，Nuvera编写算法来改进冷却剂流动等东西，以获得最佳性能。一旦算法最终确定，Simulink就会将其转换成代码，在嵌入在实际万博1manbetx燃料电池发动机中的处理器上运行。

海斯特^®顶部装载容器处理程序。图片来源:海斯特-耶鲁集团。

控制算法也考虑了许多操作条件。在模拟中，Nuvera在低和高环境温度以及低和高湿度环境中测试了系统。

为了在更现实的环境中试验他们的算法，Nuvera进行了硬件在环测试:他们将引擎模型加载到Speedgoat定制的计算机上，该计算机具有与物理引擎相同的输入和输出，并可以实时模拟其运行。运行燃料电池发动机的嵌入式计算机与“快羊”盒子相连，并由Simulink生成的C代码编写程序。万博1manbetx

这种设置增加了严格性，同时使Nuvera的工程师能够快速迭代他们的设计。它还允许在不危及真正引擎的情况下进行试验。

一种不同的混合

几乎所有的燃料电池汽车都是电力混合的，由燃料电池和电池供电。在某些情况下，燃料电池提供涓滴充电以保持电池充电，而在其他配置中，燃料电池和电池都通过电子总线为电机供电。电池也被用来接受车辆的再生电力，例如当叉车刹车或降低负载时。

Quet的团队首先必须在Simulink中建立一个锂离子电池的模型，基于制造商提供的数据和内部收集的数据。万博1manbetx他们还编写了算法，可以根据他们可以测量到的电压和电流来估计电池的充电状态。然后他们使用Simulink对万博1manbetx控制算法进行编程。该系统需要保持理想的电池电量水平，以便始终有足够的能量满足峰值负载，并有足够的容量重新吸收能量。Nuvera团队还通过在一系列模拟叉车和负载场景中测试算法，为各种系统组件设计了最佳尺寸。

两全其美

燃料电池与电池和内燃机有共同的优点。像电池一样，它们可伸缩、安静，而且不会产生有害气体。但燃料电池汽车也提供了汽油和柴油动力内燃机汽车的长距离和快速加油时间。氢气可以在压力下储存在燃油箱中，使其比相同尺寸的电池包含更多的能量，因此无需停下来充电或更换电池，您可以驾驶汽车的时间与电池供电的同等时间一样长或更长，并花几分钟时间将油箱装满。

Nuvera的燃料电池发动机被用于其母公司海斯特-耶鲁集团生产的叉车。Nuvera还将两台E-45燃料电池发动机集成到海斯特上^®将在洛杉矶港使用的集装箱装卸机，类似于照片中显示的模型。通过将柴油发动机替换为燃料电池驱动的电动传动系统，仅在这辆车上，就产生了128公吨的二氧化碳₂每年都可以避免。商用和工业车辆的柴油发动机是碳排放的一个来源，也是降低空气质量的标准污染物。Nuvera与其他制造商合作，使用燃料电池为公共汽车、火车和特种车辆充电，以帮助大幅减少排放。