叉車混合動力驅動和能量回收系統(tǒng)研究

【摘 要】傳統(tǒng)內燃叉車普遍存在效率低、油耗大、排放污染嚴重等問題，而電動叉車存在能量回收效率低、電池續(xù)航能力差等問題，為實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，提出了一種油一點混合式叉車混合動力驅動和能量回收系統(tǒng)結構。以某型3噸叉車為研究實例，分析該系統(tǒng)的能量回收效率及節(jié)油性能，并對電機、超級電容、發(fā)動機進行參數(shù)設計，通過對電機回收力矩所產生的回收效率影響的分析，提供系統(tǒng)的控制策略依據(jù)。

【關鍵詞】混合動力驅動；叉車；參數(shù)設計；能量回收

0.引言

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

1.混合動力叉車動力傳統(tǒng)系統(tǒng)構型分析

混合動力系統(tǒng)分為并聯(lián)式、串聯(lián)式及混連式三種構型形式?；旌蟿恿ο到y(tǒng)并聯(lián)式的特點是：發(fā)動機驅動汽車直接通過機械傳動機構，發(fā)動機與電機共同驅動，其功率小，能量利用率較高，經濟性較好；不過因為驅動系統(tǒng)與發(fā)動機之間機械連接，造成發(fā)動機運行時受到車輛運行的影響，整車布置難度稍大。目前的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)是混合動力挖掘機和混合動力汽車廣泛應用的一種系統(tǒng)構型。

混合動力系統(tǒng)串聯(lián)式的特點是：驅動輪與發(fā)動機直接沒有用機械連接，所以轉速不會受到車輛運行工況的影響，發(fā)動機工況運行十分理想，但在能量傳遞環(huán)節(jié)存在效率低的問題，并且電動機、發(fā)電機和發(fā)動機的功率必須相等，造成動力裝置體積太大，不便于在叉車上布置。

混合動力系統(tǒng)混聯(lián)式的特點是：各個動力元件因為質量降低以及尺寸減少造成車輛質量整體降低；不過其性能較完善，經濟性好，且動力性能與傳統(tǒng)車輛的水平相近，但因結構復雜自由度多，控制十分困難，導致不適用于叉車上應用。

2.叉車混合動力驅動及能量回收系統(tǒng)工作原理

本文混合動力叉車采用并聯(lián)式構型，儲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，能量的轉化率跟回收效率十分高。并且采用電動機在發(fā)動機狀態(tài)進行回收勢能，提高了叉車的節(jié)油率，而不需要增加叉車能量轉換元件。叉車的混合動力驅及能量回收系統(tǒng)結構如圖4所示。

3.動力元件參數(shù)設計及建模

本文實例是3T內燃叉車，傳統(tǒng)的內容叉車的發(fā)動機為37KW功率，因發(fā)動機功率儲備較大，所以能夠滿足發(fā)動機輸出功率既要驅動叉車液壓系統(tǒng)又要驅車叉車行走，而在叉車混合動力驅動及能量回收系統(tǒng)中叉車發(fā)動機只需驅動液壓泵。由于叉車需要在發(fā)動機驅動的模式下工作，因此發(fā)動機的額定功率采用滿載舉升。時要求的最大功率。發(fā)動機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)動機工作在工作區(qū)選擇30KW的發(fā)動機功率，額定轉速2660r/min。

針對在低速和起步狀態(tài)下，叉車需要在純電動模式下工作，且在貨叉滿載的下降過程中，要求發(fā)電機電動機工作能夠在發(fā)電機模式回收全部勢能。由于電機低速啟動時需保證較小功率，選擇電動機跟發(fā)動機在回收時功率為發(fā)電機/電動機額定功率，貨叉在下降時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輸出功率13.5KW；在20～29s叉車在制動過程能量回收功率4.9KW；在29～40s叉車的加速過程中最大功率21.9KW，在41～50s是制動過程中瞬時最大回收功率30KW，參照數(shù)據(jù)所定額定功率15KW，選擇峰值功率30KW，額定轉速選擇3500r/min永磁同步電機，使得混合動力叉車具有較高行駛速度以及良好動力性能。

另外，針對電機的參數(shù)設計，在低速情況下，在發(fā)電機模式下，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/電動機的額定功率為選擇在發(fā)電/電動機在能量回收時的功率。對于超級電容的參數(shù)設計，需考慮電機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。對于電機電壓的選擇，由于超級電容電壓波動范圍較廣，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

通過建立混合動力交叉系統(tǒng)模型，可知混合動力交叉的能量策略主要是為穩(wěn)定發(fā)動機工作點擊超級電容SOC值。在超級電容電量充足狀態(tài)下，低速時，電機提供全部功率，此時發(fā)動機處于怠速狀態(tài)；當負載功率較大時，電動機可提供動力；當負載功率較小時，發(fā)動機以有效功率單獨工作。然而，在超級電容SOC低速狀態(tài)下，發(fā)動機需滿足負載需求及電動機發(fā)電所需功率。通過仿真結果分析，可知發(fā)電機制動過程中，超級電容SOC值明顯增加，且能量回收作用明顯，可以達到節(jié)能的目的。除此之外，在一個周期中，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，當電動機加速至與液壓泵相適應的轉速時，不可避免會產生沖擊溢流損失，為減少此類現(xiàn)象的發(fā)生，取不同發(fā)電力矩時，應提高電動機的勢能回收效率。在叉車混合動力驅動和能量回收系統(tǒng)設計中，應充分考慮貨叉下降時的工作效率、能量回收效率及安全性，以保證貨叉車下降速度的同時，具有較高的回收效率。

5.結語

綜上所述，在叉車混合動力驅動及能量回收系統(tǒng)設計中，需充分考慮電機回收力矩的影響，選擇合適的回收力矩，提高能量回收效率，以達到節(jié)能減排的目的。

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