張克軍 陳 劍

合肥工業(yè)大學(xué)噪聲振動工程研究所，合肥，230009

0 引言

電動叉車具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、無廢氣排放、控制方便等優(yōu)點，在食品、制藥、微電子及儀器儀表等對環(huán)境要求較高的場合得到廣泛應(yīng)用，成為室內(nèi)物料搬運的首選工具［1］。對于傳統(tǒng)電動叉車，當(dāng)貨物隨貨叉起升時，起升油缸的液壓能轉(zhuǎn)化為貨物的重力勢能，當(dāng)貨物隨貨叉下降時，貨物的重力勢能轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)的熱能，這樣不僅浪費能源，而且會導(dǎo)致液壓油溫度升高，影響液壓系統(tǒng)的工作性能。因此研究電動叉車負載勢能回收系統(tǒng)，將貨叉下降時的負載勢能回收并利用［2］，具有重要意義。

文獻［3］介紹了基于蓄能器的電動叉車勢能回收液壓系統(tǒng)工作原理，分析了系統(tǒng)的節(jié)能效果。文獻［4］介紹了電動叉車勢能回收系統(tǒng)的一種實驗裝置，研究了勢能回收的效率與負載質(zhì)量及負載下降速度之間的關(guān)系。文獻［5］研究了混合動力液壓挖掘機勢能回收系統(tǒng)的組成、控制策略及主要元件的參數(shù)匹配。

本文研究了基于發(fā)電機和超級電容器的電動叉車負載勢能回收系統(tǒng)，利用AMESim和MATLAB建立了勢能回收系統(tǒng)的仿真模型，并進行性能仿真計算分析。實車試驗結(jié)果表明，勢能回收效果明顯。

1 系統(tǒng)方案

筆者提出的電動叉車勢能回收系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由液壓油缸、手動換向閥、液壓泵/馬達、電動機/發(fā)電機、電機控制器、超級電容器等組成。升降油缸通過一套滑輪機構(gòu)驅(qū)動電動叉車的貨叉（貨物放在貨叉上）起升和下降，傾斜油缸驅(qū)動門架（貨叉安裝在門架上）前傾和后仰。該勢能回收系統(tǒng)能完成貨叉起升、貨叉下降、貨叉前傾和后仰等動作，通過對貨叉下降過程的負載（含門架自重）勢能進行回收，達到節(jié)約能源的目的。

1.1 貨叉起升功能

電動機4驅(qū)動液壓泵3，電動機5驅(qū)動液壓泵6，2個液壓泵輸出的液壓油合流后經(jīng)升降油缸換向閥的右位到升降油缸的無桿腔，推動升降油缸的活塞動作，實現(xiàn)貨叉起升。電動機4及電動機5的轉(zhuǎn)速由控制器1和控制器2分別控制，超級電容器或蓄電池通過逆變器對電動機供電。液壓泵3和液壓泵6的最大出口壓力由溢流閥調(diào)定。

1.2 貨叉下降功能

圖1 電動叉車勢能回收系統(tǒng)原理

在負載重力的作用下，升降油缸的活塞向下運動，升降油缸無桿腔的液壓油經(jīng)升降油缸換向閥的左位到液壓馬達3的進油口，推動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)貨叉下降。液壓馬達驅(qū)動發(fā)電機4工作，發(fā)電機通過逆變器對超級電容器充電，實現(xiàn)能量回收。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由控制器1控制。通過升降油缸換向閥內(nèi)部油道的合理設(shè)計實現(xiàn)液壓泵/馬達的同向旋轉(zhuǎn)。

1.3 貨叉前傾和后仰功能

液壓泵6輸出的液壓油經(jīng)傾斜油缸換向閥的左位到傾斜油缸的無桿腔，推動傾斜油缸活塞動作，實現(xiàn)貨叉前傾。液壓泵6輸出的液壓油經(jīng)傾斜油缸換向閥的右位到傾斜油缸的有桿腔，推動傾斜油缸活塞動作，實現(xiàn)貨叉后傾。此時電動機5的轉(zhuǎn)速不受控制器控制。

2 控制策略

圖2 電動叉車勢能回收控制策略

根據(jù)提出的電動叉車勢能回收系統(tǒng)方案，給出了圖2所示的控制策略，輸入信號 （C0、C1、C2）和輸出信號（C3、C4、C5）如圖1所示。電位器信號C0為電壓信號，其變化范圍是0.05～1V。升降油缸換向閥處于中位時，C0＝0.5V；升降操縱手柄前推時，0.5V＜C0≤1V，并且C0隨著升降操縱手柄前推幅度的增大而增大；升降操縱手柄后拉時，0.05V≤C0＜0.5V，并且C0隨升降操縱手柄后拉的幅度增大而減小。起升信號C1和下降信號C2都為開關(guān)信號，它們?nèi)≈刀紴?或1。C1＝1表示起升開關(guān)動作，向控制器發(fā)出起升請求；C1＝0表示起升開關(guān)不動作。C2＝1表示下降開關(guān)動作，向控制器發(fā)出下降請求；C2＝0表示下降開關(guān)不動作。升降油缸的速度由升降油缸換向閥閥芯節(jié)流口的開度和電動機/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速（與液壓泵/馬達的出口入口流量比成正比）共同決定，升降油缸換向閥閥芯節(jié)流口的開度由駕駛員通過升降操縱手柄手動控制，并與電位器信號C0成比例?？刂撇呗灾饕紤]電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，該策略可以總結(jié)為5個步驟：

（1）判斷駕駛員是否發(fā)出起升指令或下降指令，若2個指令都沒發(fā)出，則返回繼續(xù)判斷。

（2）若駕駛員發(fā)出起升指令，計算電動機4及電動機5的目標轉(zhuǎn)速。

（3）啟動電動機4和電動機5，實時檢測電動機4和電動機5的實際轉(zhuǎn)速，計算實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速間的誤差，PI控制器1和PI控制器2根據(jù)誤差信號產(chǎn)生電壓控制信號，分別調(diào)整電動機4及電動機5的轉(zhuǎn)速。

（4）若駕駛員發(fā)出下降指令，計算發(fā)電機4的目標轉(zhuǎn)速。

（5）啟動發(fā)電機4，實時檢測發(fā)電機4的實際轉(zhuǎn)速，計算實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速間的誤差，PI控制器3根據(jù)誤差信號產(chǎn)生電壓控制信號調(diào)整發(fā)電機4的轉(zhuǎn)速。

3 參數(shù)匹配設(shè)計

電動叉車貨叉升降系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計的結(jié)果直接影響叉車的升降性能、工作效率及能量回收效果。為此需對貨叉升降系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的參數(shù)進行匹配設(shè)計。表1、表2所示分別為升降系統(tǒng)的性能指標與升降系統(tǒng)的主要參數(shù)。

表1 升降系統(tǒng)性能指標 m/s

表2 升降系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 升降油缸參數(shù)

3.1.1升降油缸行程

電動叉車通過升降油缸和滑輪機構(gòu)完成升降動作，升降油缸行程l是升降系統(tǒng)最大起升高度h的1/2，因此有l(wèi)＝1.5m。

3.1.2 升降油缸速度

由定滑輪的原理可知，升降油缸下降速度vc是叉車最大滿載下降速度v4的1/2，因此有vc＝0.175m/s。

3.1.3 升降油缸缸底壓力

升降油缸的缸底壓力pc由液壓系統(tǒng)最大工作壓力p和液壓泵（液壓馬達）到升降油缸之間的壓力損失pf（pf取1.22MPa）決定，因此pc＝15.78MPa。

3.1.4 升降油缸缸筒直徑

電動叉車能量再生系統(tǒng)采用雙油缸結(jié)構(gòu)，按叉車滿載起升工況選擇升降油缸缸筒直徑：

式中，g為重力加速度，g＝9.8m/s2；ηme為電動叉車升降系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的效率，ηme＝0.965。

由式（1）可得升降油缸的初選缸筒直徑為0.08m，考慮缸筒尺寸系列及密封件尺寸系列，缸筒直徑最終選擇0.08m。

3.2 液壓泵/馬達參數(shù)

3.2.1 液壓泵/馬達額定壓力

電動叉車上升過程中，液壓泵/馬達當(dāng)液壓泵使用，液壓泵出口壓力pp為

電動叉車下降過程中，液壓泵/馬達當(dāng)液壓馬達使用，液壓馬達入口壓力pm為

液壓泵/馬達的額定壓力取液壓泵出口壓力和液壓馬達入口壓力中較大者，由式（2）、式（3）可知較大的壓力為17MPa，考慮加上15%的余量，液壓泵/馬達的額定壓力取20MPa。

3.2.2 液壓馬達排量

由圖1可知，電動叉車下降過程中，2個升降油缸中的液壓油經(jīng)液壓馬達回油箱，液壓馬達的排量為

式中，ηcy為升降油缸的效率，ηcy＝0.95；ηhm為液壓馬達的容積效率，ηhm＝0.92；n為液壓馬達的工作轉(zhuǎn)速，n＝1900r/min。

利用式（4）可算出液壓馬達的排量q＝48.6mL/r，根據(jù)液壓泵/馬達的排量系列，最終確定液壓泵/馬達的排量為50mL/r。

3.3 電動機/發(fā)電機參數(shù)

3.3.1 電動機/發(fā)電機功率

由圖1可知，電動叉車上升過程中，電動機4和電動機5共同工作；電動叉車下降過程中，只有發(fā)電機4工作。這里按發(fā)電機工況確定電動機/發(fā)電機的功率，發(fā)電機的輸入功率等于液壓馬達的輸出功率，可由液壓馬達的入口壓力、液壓馬達的工作轉(zhuǎn)速及液壓馬達的總效率ηthm（取0.8）確定。最終確定電動機/發(fā)電機的額定功率Pe為17.6kW，峰值功率為27kW。

3.3.2 電動機/發(fā)電機扭矩

電動叉車滿載起升時，電動機輸出最大扭矩，電動機的輸出扭矩T由液壓泵的出口壓力pp，液壓泵的排量q及液壓泵的總效率ηthp（取0.82）確定。最終確定電動機/發(fā)電機的額定扭矩Te為165N·m。

3.3.3 電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)速

電動機/發(fā)電機與液壓泵/馬達同步工作，液壓泵/馬達的轉(zhuǎn)速范圍是600～2200r/min，為了使電動機/發(fā)電機與液壓泵/馬達更好地匹配，選擇電動機/發(fā)電機的最高轉(zhuǎn)速為3000r/min。

電動機/發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速ne與其額定功率Pe及額定扭矩Te有關(guān)，最終確定電動機/發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速為1020r/min。

3.4 超級電容組參數(shù)

3.4.1 超級電容組電壓

超級電容電壓應(yīng)滿足交流驅(qū)動模塊對直流電源電壓的要求，表3所示為所選交流驅(qū)動模塊對直流電源電壓的要求。

表3 交流驅(qū)動模塊對直流電源電壓的要求 V

本文選Maxwell的BMOD0500B01型超級電容，電容容量C＝500F，額定電壓Uw＝16V。為了達到較大的電壓，采用超級電容組串聯(lián)的形式，采用6組超級電容串聯(lián)，則超級電容組的額定工作電壓Uc為96V。

3.4.2 超級電容組的電容容量

采用超級電容回收叉車下降過程中的能量，為了保證能量回收的效果，要求超級電容組可以存儲的能量略大于叉車勢能再生的能量。叉車滿載下降所再生的能量為

式中，ηtd為叉車下降過程能量轉(zhuǎn)化總效率；ηge為發(fā)動機/電動機效率，ηge＝0.89；ηsc為超級電容組充電效率，ηsc＝0.8；ηpv為液壓泵到升降油缸之間的液壓閥及管路效率，ηpv＝0.93。

忽略內(nèi)阻的影響，超級電容組儲存的能量可表示為

式中，Cg為超級電容組的電容容量。

考慮到特殊工況（超級電容能儲存2次滿載下降所再生的能量），令2ET＝Esc，可得Cg＝73.4F。

6個電容的容量C＝500F的超級電容串聯(lián)成超級電容組，其電容容量Ce為83.3F，滿足Ce＞Cg，確定超級電容組的電容容量為83.3F。

4 系統(tǒng)建模與仿真分析

4.1 系統(tǒng)模型的建立

為了驗證勢能回收系統(tǒng)的控制性能和勢能回收效率，用AMESim建立了傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示，該模型只考慮貨叉下降過程，用比例電磁換向閥模擬升降油缸換向閥（手動換向閥）。用AMESim和MATLAB建立了勢能回收系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示，該模型只考慮貨叉下降過程，用2個比例電磁換向閥模擬升降油缸換向閥，貨叉下降的控制策略（圖2）用MATLAB建模。表4所示為仿真模型參數(shù)。

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 控制性能

圖3 傳統(tǒng)系統(tǒng)的AMESim仿真模型

圖4 勢能回收系統(tǒng)的AMESim仿真模型

表4 仿真模型參數(shù)

對于裝備勢能回收系統(tǒng)的電動叉車來說，控制性能是一個非常重要的指標。用升降油缸下降速度的波動程度來評價傳統(tǒng)系統(tǒng)和勢能回收系統(tǒng)的控制性能。由圖5可以知，傳統(tǒng)系統(tǒng)的速度波動時間為1.1s，油缸下降時間為8.3s，速度波動時間相對油缸下降時間的百分比為13.3%；勢能回收系統(tǒng)的速度波動時間為1.4s，油缸下降時間為8.9s，速度波動時間相對油缸下降時間的百分比為15.7%。兩種系統(tǒng)的速度波動時間相對油缸下降時間的百分比相差較小，認為勢能回收系統(tǒng)具有較好的控制性能。

圖5 不同系統(tǒng)下的升降油缸下降速度

4.2.2 勢能回收效率

勢能回收效率ηtp由負載勢能（含門架自重）Ep和貨叉下降過程中發(fā)電機對超級電容器充電的能量Escc決定。勢能回收效率可由下式計算：

其中，I為貨叉下降過程中發(fā)電機對超級電容器的充電電流，不同負載下的充電電流曲線如圖6所示；U為充電電壓，不同負載下的充電電壓曲線如圖7所示；t為充電時間，不同負載下的充電時間如圖6、圖7所示。

圖6 不同負載下的充電電流

圖7 不同負載下的充電電壓

由式（8）可得，負載為5000kg時的勢能回收效率為46.7%，負載為6000kg時的勢能回收效率為48.6%，負載為7000kg時的勢能回收效率為50.4%。在勢能回收系統(tǒng)相同的情況下，隨著負載的減小，勢能回收效率逐漸降低。

5 試驗分析

根據(jù)提出的勢能回收系統(tǒng)方案制造樣機，樣機的試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 電動叉車勢能回收試驗數(shù)據(jù)

由式（8）和表5可得，負載為5000kg時的勢能回收效率為44.8%，負載為6000kg時的勢能回收效率為46.8%，負載為7000kg時的勢能回收效率為49.3%?？梢钥闯?，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，誤差小于5%。

由表5可以算出升降油缸缸底到液壓馬達入口之間的管路及換向閥的效率ηpv和液壓馬達到超級電容器之間的能量轉(zhuǎn)化效率ηmc，計算結(jié)果如表6所示。由計算結(jié)果可以看出，管路及換向閥的效率和液壓馬達到超級電容器之間的能量轉(zhuǎn)化效率都隨負載的減小而降低。

表6 ηpv及ηmc計算結(jié)果

6 結(jié)論

（1）提出了電動叉車勢能回收系統(tǒng)的方案，并給出了該系統(tǒng)的控制策略。

（2）根據(jù)電動叉車的設(shè)計原則，進行了系統(tǒng)主要零部件的參數(shù)匹配設(shè)計。

（3）在AMESim及 MATLAB環(huán)境下，建立了傳統(tǒng)系統(tǒng)及勢能回收系統(tǒng)的仿真模型，并對勢能回收效率進行仿真計算。

（4）對實車進行了試驗研究，驗證了仿真模型的有效性和仿真結(jié)果的正確性。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的新型電動叉車的勢能回收效率可達49.3%，其經(jīng)濟性較傳統(tǒng)電動叉車有大幅度提高。

［1］ 張克軍.蓄電池叉車技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］.起重運輸機械，2003（1）：7－8.Zhang Kejun.Development Trends in Battery Forklift Technologies［J］.Hoisting and Conveying Machinery，2003（1）：7－8.

［2］ 李云霞，王增才.基于AMESim的電動叉車液壓起升節(jié)能系統(tǒng)的仿真研究［J］.機床與液壓，2009，37（11）：211－213，238.Li Yunxia，Wang Zengcai.Study on the Electronic Forklift Hydraulic Lift Energy－saving System Based on AMESim［J］.Machint Tool ＆ Hydraulics，2009，37（11）：211－213，238.

［3］ 朱建新，劉復(fù)平，朱俊霖，等.電動叉車勢能回收液壓系統(tǒng)工作效率分析與實驗［J］.機械設(shè)計與究，2011，27（6）：101－104.Zhu Jianxin，Liu Fuping，Zhu Junlin，et al.Analysis and Experimental Study on Hydraulic System Work Efficiency for Recovering the Potential Energy of E－lectric Forklift［J］.Machine Design and Research，2011，27（6）：101－104.

［4］ Minav T，Immonev P，Laurila L，et al.Electric Energy Recovery System for a Hydraulic Forklift——Theoretical and Experimental Evaluation［J］.IET E－lectric Power Applications，2011，5（4）：377－385.

［5］ Lin Tianliang，Wang Qingfeng，Hu Baozan，et al.Research on the Energy Regeneration Systems for Hybrid Hydraulic Excavators［J］.Automation in Construction，2010（19）：1016－1026.