【摘 要】傳統(tǒng)內(nèi)燃叉車普遍存在效率低、油耗大、排放污染嚴(yán)重等問題，而電動(dòng)叉車存在能量回收效率低、電池續(xù)航能力差等問題，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，提出了一種油一點(diǎn)混合式叉車混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以某型3噸叉車為研究實(shí)例，分析該系統(tǒng)的能量回收效率及節(jié)油性能，并對電機(jī)、超級電容、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，通過對電機(jī)回收力矩所產(chǎn)生的回收效率影響的分析，提供系統(tǒng)的控制策略依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)；叉車；參數(shù)設(shè)計(jì)；能量回收

0.引言

叉車作為一種搬運(yùn)機(jī)械，是機(jī)械制造、化工、集裝箱作業(yè)及建筑材料等行業(yè)的重要裝卸搬運(yùn)設(shè)備，因傳統(tǒng)內(nèi)燃叉車具有油耗大、排放污染嚴(yán)重，效率低的特點(diǎn)，傳統(tǒng)電動(dòng)叉車具有能力回收效率低、電池續(xù)航能力差等特點(diǎn)，造成叉車的使用具有一定的局限性。隨著節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展，研究叉車的節(jié)能減排技術(shù)具有非常重要的意義。

1.混合動(dòng)力叉車動(dòng)力傳統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)型分析

混合動(dòng)力系統(tǒng)分為并聯(lián)式、串聯(lián)式及混連式三種構(gòu)型形式。混合動(dòng)力系統(tǒng)并聯(lián)式的特點(diǎn)是：發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車直接通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，其功率小，能量利用率較高，經(jīng)濟(jì)性較好；不過因?yàn)轵?qū)動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間機(jī)械連接，造成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)受到車輛運(yùn)行的影響，整車布置難度稍大。目前的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是混合動(dòng)力挖掘機(jī)和混合動(dòng)力汽車廣泛應(yīng)用的一種系統(tǒng)構(gòu)型。

混合動(dòng)力系統(tǒng)串聯(lián)式的特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)輪與發(fā)動(dòng)機(jī)直接沒有用機(jī)械連接，所以轉(zhuǎn)速不會(huì)受到車輛運(yùn)行工況的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)工況運(yùn)行十分理想，但在能量傳遞環(huán)節(jié)存在效率低的問題，并且電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率必須相等，造成動(dòng)力裝置體積太大，不便于在叉車上布置。

混合動(dòng)力系統(tǒng)混聯(lián)式的特點(diǎn)是：各個(gè)動(dòng)力元件因?yàn)橘|(zhì)量降低以及尺寸減少造成車輛質(zhì)量整體降低；不過其性能較完善，經(jīng)濟(jì)性好，且動(dòng)力性能與傳統(tǒng)車輛的水平相近，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜自由度多，控制十分困難，導(dǎo)致不適用于叉車上應(yīng)用。

2.叉車混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及能量回收系統(tǒng)工作原理

本文混合動(dòng)力叉車采用并聯(lián)式構(gòu)型，儲(chǔ)能元件采用超級電容，超級電容具有放電、充電速度快，電流和功率大的特點(diǎn)，能量的轉(zhuǎn)化率跟回收效率十分高。并且采用電動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行回收勢能，提高了叉車的節(jié)油率，而不需要增加叉車能量轉(zhuǎn)換元件。叉車的混合動(dòng)力驅(qū)及能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.動(dòng)力元件參數(shù)設(shè)計(jì)及建模

本文實(shí)例是3T內(nèi)燃叉車，傳統(tǒng)的內(nèi)容叉車的發(fā)動(dòng)機(jī)為37KW功率，因發(fā)動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備較大，所以能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率既要驅(qū)動(dòng)叉車液壓系統(tǒng)又要驅(qū)車叉車行走，而在叉車混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及能量回收系統(tǒng)中叉車發(fā)動(dòng)機(jī)只需驅(qū)動(dòng)液壓泵。由于叉車需要在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的模式下工作，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率采用滿載舉升。時(shí)要求的最大功率。發(fā)動(dòng)機(jī)在舉升過程中輸出功率保持基本恒定，最大功率為27.3KW。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在工作區(qū)選擇30KW的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，額定轉(zhuǎn)速2660r/min。

針對在低速和起步狀態(tài)下，叉車需要在純電動(dòng)模式下工作，且在貨叉滿載的下降過程中，要求發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)工作能夠在發(fā)電機(jī)模式回收全部勢能。由于電機(jī)低速啟動(dòng)時(shí)需保證較小功率，選擇電動(dòng)機(jī)跟發(fā)動(dòng)機(jī)在回收時(shí)功率為發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)額定功率，貨叉在下降時(shí)的可回收勢能的功率為：

如圖所示，在4～15s叉車在勻速行駛過程中的電機(jī)輸出功率13.5KW；在20～29s叉車在制動(dòng)過程能量回收功率4.9KW；在29～40s叉車的加速過程中最大功率21.9KW，在41～50s是制動(dòng)過程中瞬時(shí)最大回收功率30KW，參照數(shù)據(jù)所定額定功率15KW，選擇峰值功率30KW，額定轉(zhuǎn)速選擇3500r/min永磁同步電機(jī)，使得混合動(dòng)力叉車具有較高行駛速度以及良好動(dòng)力性能。

另外，針對電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)，在低速情況下，在發(fā)電機(jī)模式下，叉車可以在貨叉滿載下降過程中回收全部勢能，由于其功率較小，因此發(fā)電/電動(dòng)機(jī)的額定功率為選擇在發(fā)電/電動(dòng)機(jī)在能量回收時(shí)的功率。對于超級電容的參數(shù)設(shè)計(jì)，需考慮電機(jī)的充放電特性和循環(huán)壽命的需求以及輸出的能量需求、最大功率需求。對于電機(jī)電壓的選擇，由于超級電容電壓波動(dòng)范圍較廣，且超級電容具有較大的功率密度，因此需考慮能量的需求。

4.發(fā)電力矩對能量回收效率的影響

通過建立混合動(dòng)力交叉系統(tǒng)模型，可知混合動(dòng)力交叉的能量策略主要是為穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)擊超級電容SOC值。在超級電容電量充足狀態(tài)下，低速時(shí)，電機(jī)提供全部功率，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)；當(dāng)負(fù)載功率較大時(shí)，電動(dòng)機(jī)可提供動(dòng)力；當(dāng)負(fù)載功率較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以有效功率單獨(dú)工作。然而，在超級電容SOC低速狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)需滿足負(fù)載需求及電動(dòng)機(jī)發(fā)電所需功率。通過仿真結(jié)果分析，可知發(fā)電機(jī)制動(dòng)過程中，超級電容SOC值明顯增加，且能量回收作用明顯，可以達(dá)到節(jié)能的目的。除此之外，在一個(gè)周期中，若超級電容值穩(wěn)定，則說明參數(shù)選擇合理。

針對發(fā)電力矩對能量回收效率的影響，通過同步仿真對比，得出在能量回收初期，當(dāng)電動(dòng)機(jī)加速至與液壓泵相適應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，不可避免會(huì)產(chǎn)生沖擊溢流損失，為減少此類現(xiàn)象的發(fā)生，取不同發(fā)電力矩時(shí)，應(yīng)提高電動(dòng)機(jī)的勢能回收效率。在叉車混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮貨叉下降時(shí)的工作效率、能量回收效率及安全性，以保證貨叉車下降速度的同時(shí)，具有較高的回收效率。

5.結(jié)語

綜上所述，在叉車混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需充分考慮電機(jī)回收力矩的影響，選擇合適的回收力矩，提高能量回收效率，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]強(qiáng)維博，趙宏強(qiáng)，龔俊，張龍凱.叉車混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和能量回收系統(tǒng)研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，05：1059-1066.

[2]龔俊，何清華，張大慶，張?jiān)讫垼瑒⒉?，唐中?混合動(dòng)力叉車節(jié)能效果評價(jià)及能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2014，01：29-34.

[3]劉慧燕.工程機(jī)械混合動(dòng)力能量回收系統(tǒng)研究現(xiàn)狀[J].科技信息，2011，03：525-526.

[4]代鑫，張承寧，梁新成.混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)能量回收系統(tǒng)仿真研究[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，01：43-47.