油電混合動(dòng)力叉車的檢驗(yàn)技術(shù)研究

王中偉

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300192)

油電混合動(dòng)力叉車的檢驗(yàn)技術(shù)研究

王中偉

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300192)

介紹了油電混合動(dòng)力叉車國(guó)內(nèi)外代表性的產(chǎn)品。概述了油電混合動(dòng)力叉車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類及各自的技術(shù)特點(diǎn)、動(dòng)力電池的安全特性及安全隱患。介紹了油電混合動(dòng)力叉車及其監(jiān)督檢驗(yàn)適用的標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)油電混合動(dòng)力的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)的內(nèi)容和方法。分析了油電混合動(dòng)力叉車的安全問題，以及檢驗(yàn)面臨的新問題，并有針對(duì)性地提出建議，為開展相關(guān)試驗(yàn)提供參考。

油電混合動(dòng)力叉車；監(jiān)督檢驗(yàn)；安全問題

CLC NO.:TH137Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-48-03

引言

目前，平衡重式叉車中內(nèi)燃叉車功率較大，連續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，但不適用于環(huán)境要求較高的場(chǎng)所；蓄電池叉車工作噪音小，節(jié)能環(huán)保，但不適用于搬運(yùn)起升重量較大的貨物，而且蓄電池充電時(shí)間較長(zhǎng)。近年來，油電混合動(dòng)力叉車兼顧了動(dòng)力和環(huán)保，開始逐步推廣。油電混合動(dòng)力叉車作為一種特種設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行法定的監(jiān)督檢驗(yàn)對(duì)于保證設(shè)備的安全使用等方面具有重要意義。

1、油電混合動(dòng)力叉車的發(fā)展

世界第一臺(tái)油電混合動(dòng)力叉車HYBRID由豐田自動(dòng)織機(jī)與豐田汽車共同研發(fā)生產(chǎn)，并于2009年12月在日本開始銷售。該款叉車額定載重量為3.5噸，混合動(dòng)力系統(tǒng)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和鎳氫燃料電池組成，采用了豐田AC交流動(dòng)力系統(tǒng)及燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)等專利技術(shù)。CO2的排出量和燃料的消費(fèi)量宣稱只有同等柴油車的50%左右。相比電瓶車的定時(shí)充電，氫燃料加入氫燃料電池5min后立即使用。動(dòng)力強(qiáng)勁，工作效率高。

三菱重工推出了世界首臺(tái)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)/鋰離子電池的混合動(dòng)力叉車——Grendia EX系列4.0-5.0噸叉車。采用兩個(gè)異步電機(jī)，配置高容量電池，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的使用縮減到三分之一的水平，宣稱比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置內(nèi)燃叉車節(jié)約39%的燃料。該叉車采用了排列組合的行駛模式，車輪可由發(fā)動(dòng)機(jī)或由蓄電池單獨(dú)控制，也可由發(fā)動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)控制。在進(jìn)行提升工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可同時(shí)為液壓泵及提升電機(jī)提供動(dòng)力。

德國(guó)STILL額定載重能力為3.0t和3.5t的油電混動(dòng)叉車RX70（如圖1所示）在歐洲取得了不錯(cuò)的銷量。該車采用一臺(tái)30kW小功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，配備了兩套儲(chǔ)能系統(tǒng)，既能夠從柴油油箱獲得供能，又能從安裝在車身后部的超級(jí)電容（高性能雙層電容）獲得供能。行駛和升降運(yùn)動(dòng)采用智能化控制，可在標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)條件及液壓控制下降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，可電氣調(diào)節(jié)的液壓泵降低了升降動(dòng)作的耗能量。通過再生制動(dòng)將制動(dòng)產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存到超級(jí)電容并可以用于后續(xù)的車輛加速。超級(jí)電容能快速吸收和釋放高電流，對(duì)頻繁加速、停車的叉車來說極為重要，尤其是裝卸貨物時(shí)。此外，司機(jī)可以按下按鈕激活Blue-Q節(jié)能方式，對(duì)驅(qū)動(dòng)特性以及耗電設(shè)備的切斷進(jìn)行智能控制。此款叉車宣稱每小時(shí)僅需2.0-2.5升柴油，并且具有較長(zhǎng)的維修間隔降低了維護(hù)成本。

林德也推出了油電混動(dòng)叉車，起動(dòng)發(fā)電機(jī)將承擔(dān)發(fā)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)的雙重功能，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)功率，提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)效率，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)還附加了自動(dòng)啟停功能，降低能耗。

國(guó)內(nèi)，2008年無錫開普研制成功中國(guó)第一輛擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的油電混合動(dòng)力叉車。其混合動(dòng)力系統(tǒng)采用鎳氫電池作為儲(chǔ)能元件，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速（最佳節(jié)油點(diǎn)）把機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，再利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)叉車，宣稱油耗和CO2排放均降低30%以上。行走部分采用串聯(lián)控制，舉升部分采用直聯(lián)方式。搭載功率比同類相同噸位叉車小的2.2L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，爬坡能力卻得到了增強(qiáng)。

2、油電混合動(dòng)力叉車的關(guān)鍵技術(shù)

叉車工作、前進(jìn)與停止頻繁，其油電混合動(dòng)力系統(tǒng)大多根據(jù)此特征而開發(fā)，按動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

串聯(lián)式混合動(dòng)力叉車由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器送到電動(dòng)機(jī)或電池，由電機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)叉車。當(dāng)叉車處在啟動(dòng)、加速、爬坡工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)組和電池組共同向電動(dòng)機(jī)提供電能；當(dāng)叉車處于低速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由電池組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電池組缺電時(shí)則由發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組向電池組充電。避免了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，減少了廢氣排放。它的缺點(diǎn)是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機(jī)械效率較低。無錫開普的混合動(dòng)力叉車屬于串聯(lián)式。

并聯(lián)式混動(dòng)叉車由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向傳動(dòng)系統(tǒng)提供扭矩，既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)還可以用作發(fā)電機(jī)，以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)所受的載荷，使其在最佳工況點(diǎn)附近工作。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能可直接輸出到叉車驅(qū)動(dòng)橋，中間沒有能量的轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)先率較高，燃油消耗較少，但發(fā)動(dòng)機(jī)不一定在最佳工況點(diǎn)附近運(yùn)行，要受到叉車具體運(yùn)作工況的影響。林德的混合動(dòng)力叉車即屬于并聯(lián)式。

混聯(lián)式裝置包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，根據(jù)助力裝置不同，它又分為發(fā)動(dòng)機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。豐田和三菱的油電混合動(dòng)力叉車即為混聯(lián)式。

油電混合動(dòng)力叉車通常使用的動(dòng)力電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及燃料電池等，不同類型動(dòng)力電池的安全特性和安全隱患如表一所示。

表1 動(dòng)力電池的安全隱患

3、混動(dòng)叉車監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究

目前叉車法定檢驗(yàn)須遵守國(guó)家質(zhì)檢總局2002年頒布的國(guó)質(zhì)檢鍋[2002]16號(hào)《廠內(nèi)機(jī)動(dòng)車輛監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的檢驗(yàn)內(nèi)容和方法，該規(guī)程的指標(biāo)和要求主要引用的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已被《工業(yè)車輛 安全要求和驗(yàn)證 第1部分:自行式工業(yè)車輛（除無人駕駛車輛、伸縮臂式叉車和載運(yùn)車）》（GB10827.1—2014）和《場(chǎng)（廠）內(nèi)機(jī)動(dòng)車輛安全檢驗(yàn)技術(shù)要求》（GB/T16178—2011）替代，應(yīng)以最新標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)[1]。

油電混合動(dòng)力叉車兼有內(nèi)燃平衡重叉車和蓄電池平衡重叉車的特征。目前所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還未明確提出混合動(dòng)力的概念，僅有《機(jī)動(dòng)工業(yè)車輛 術(shù)語》（GB /T 6104- 2005）中按動(dòng)力源分類中給出了“內(nèi)燃、電動(dòng)車輛internal combustion, electric truck”的術(shù)語[2]，并未給出具體解釋。但2014年新修訂的《非公路用旅游觀光車通用技術(shù)條件》（GB/T 21268-2007）將同樣屬于場(chǎng)（廠）內(nèi)專用車輛的非公路用旅游觀光車的定義由“以電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)”改為“以電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)或二者交替驅(qū)動(dòng)”并且對(duì)型號(hào)表示方法增加了動(dòng)力型式:“混合動(dòng)力為DQ:等”，原標(biāo)準(zhǔn)中D代表電動(dòng)式、Q代表汽油[3]。除此之外該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)很多指標(biāo)和要求提高了要求，沒有針對(duì)混合動(dòng)力的特殊要求。

由于油電混動(dòng)叉車的電池動(dòng)力系統(tǒng)主要提供輔助動(dòng)力，除具有與蓄電池叉車相似的電池及其管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)等電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工作電壓較高等特定情況外，叉車其他結(jié)構(gòu)特征及整車特性更接近于內(nèi)燃平衡重叉車。適用于普通平衡重式叉車和零部件的標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)都可直接用于油電混合動(dòng)力叉車。由于有電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也有一些技術(shù)要求或試驗(yàn)方法需做針對(duì)性調(diào)整。同時(shí)，原有電池、電機(jī)及其控制器、電磁兼容等蓄電池叉車標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)動(dòng)工業(yè)車輛基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)（術(shù)語、儀表、標(biāo)志等）同樣也適用于油電混合動(dòng)力叉車?；旌蟿?dòng)力汽車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)雖然法律上不適用于混合動(dòng)力叉車，但有助于對(duì)相關(guān)術(shù)語、技術(shù)、試驗(yàn)方法的理解和啟發(fā)?；旌蟿?dòng)力汽車標(biāo)準(zhǔn)中包括安全要求、動(dòng)力性能試驗(yàn)方法和定型試驗(yàn)規(guī)程3項(xiàng)共用標(biāo)準(zhǔn)，輕型和重型混合動(dòng)力汽車的能耗、能耗試驗(yàn)方法和排放試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)，以及2項(xiàng)重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研究報(bào)告[4]。

檢驗(yàn)中首先應(yīng)特別注意其是否有特種設(shè)備制造許可證或型式試驗(yàn)合格證，產(chǎn)品質(zhì)量合格證明，并且核對(duì)設(shè)備信息與待檢車輛是否一致。督促使用單位建立并認(rèn)真記錄使用、維修保養(yǎng)情況。認(rèn)真閱讀產(chǎn)品技術(shù)文件，了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能尤其是傳動(dòng)布置形式、動(dòng)力電池類型等。同時(shí)記錄下內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)的編號(hào)，車身兩側(cè)不得有超出車身外廓的突出物（后視鏡除外），車身蒙皮應(yīng)平整。如果車輪安裝在車身下，車輪兩側(cè)不得超出車身外廓。檢查內(nèi)燃機(jī)連接管路、導(dǎo)線是否可靠夾固或鎖定。

動(dòng)力電池安裝的檢驗(yàn)應(yīng)達(dá)到檢規(guī)中對(duì)蓄電池車輛的要求并且絕緣良好，如果裝有超級(jí)電容，應(yīng)同樣達(dá)到該要求。測(cè)量蓄電池帶電部分和金屬蓋板間距離時(shí)，盡量使用塑料尺，并用平直的木條等工具輔助。由于混動(dòng)車有可能采用大功率電池和高壓電路，電池單體組各自的輸出電壓仍可能超過36V的安全電壓，不正確的操作或者事故造成車體變形使電池組或其連接導(dǎo)線與車體接觸，可能導(dǎo)致電擊或漏電，檢驗(yàn)時(shí)必須注意自身的安全防護(hù)。高壓電路的線束和連接器一般為橙色，注意高電壓電池等高壓零件是否貼有“高壓”警示，以防人員對(duì)高壓系統(tǒng)的誤接觸導(dǎo)致觸電。在高壓系統(tǒng)檢驗(yàn)過程中，必須帶絕緣手套、斷開電源，注意鋼直尺、卡尺或卷尺等金屬物體要放到遠(yuǎn)離電路的地方，防止其掉落引起短路。車輛應(yīng)設(shè)置緊急斷電開關(guān)并實(shí)物核查有效性，過電流保護(hù)應(yīng)核對(duì)電氣原理圖檢查。

混動(dòng)叉車變速器為電子控制，若采用變速桿控制，應(yīng)檢查變速桿是否位置適當(dāng)，自鎖、互鎖可靠。傳動(dòng)系應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，尤其是內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)交替工作時(shí)，應(yīng)平滑過渡，無動(dòng)力丟失現(xiàn)象，且無抖動(dòng)和異響?；靹?dòng)車型電控變速機(jī)構(gòu)控制內(nèi)燃機(jī)部分原理與內(nèi)燃自動(dòng)擋車型相似，也應(yīng)符合處于空擋位置才能啟動(dòng)的要求。此處也可參考《工業(yè)車輛 電氣要求》（GB/T 27544-2011）中:“運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成只有當(dāng)速度和方向控制被激活時(shí)，車輛才能夠在水平地面上從靜止開始啟動(dòng)。另外，應(yīng)提供一個(gè)方法確保當(dāng)操作者處于操作位置時(shí)，只有通過速度和/或方向控制復(fù)位，運(yùn)行控制電路才能夠被激活。”的要求[5]。在制動(dòng)系的檢驗(yàn)中，需要注意駐車制動(dòng)是否滿足必須是機(jī)械式的要求。由于混動(dòng)車型自重較傳統(tǒng)叉車有所增加，需要認(rèn)真測(cè)試其制動(dòng)效能是否達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。制動(dòng)聯(lián)鎖裝置應(yīng)齊全、可靠，行車或駐車制動(dòng)有效時(shí)，聯(lián)鎖開關(guān)必須切斷行車電動(dòng)機(jī)的電源。通過查閱電氣原理圖，查看聯(lián)鎖開關(guān)是否與行車電動(dòng)機(jī)的電源聯(lián)鎖，并通過試驗(yàn)制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)聲音是否立即停止來驗(yàn)證。油電混動(dòng)叉車的油門為電子油門（相當(dāng)于滑動(dòng)變阻器），油門踏板被踩下時(shí)，電阻變換而使信號(hào)電壓輸出發(fā)生變化，輸出電壓送到整車控制器處理后，傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，從而發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)油門踏板行程調(diào)整噴油量。試驗(yàn)中注意是否出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不受油門踏板控制，即油門踏板未踩下而發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。電子油門踏板失效多為電路的軟件或者硬件故障造成[6]。

油電混合動(dòng)力叉車與傳統(tǒng)叉車的共同之處，例如燈光電氣、轉(zhuǎn)向系、工作裝置和專用機(jī)械以及液壓系統(tǒng)等和內(nèi)燃平衡重式叉車或蓄電池平衡重式叉車的檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)是一致的。

此外，電磁輻射及電磁干擾問題，越來越受到人們重視。意大利醫(yī)學(xué)家研究表明，電磁感應(yīng)強(qiáng)度超過0.2μT的電磁場(chǎng)可能會(huì)誘發(fā)癌癥和兒童白血病[7]。油電混合動(dòng)力叉車在行駛過程中頻繁進(jìn)行電源變換和能量回饋。研究表明，驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相工作電流、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器開關(guān)器件動(dòng)作電壓和電源變換器內(nèi)部IGBT的開關(guān)電壓是整車電磁場(chǎng)輻射的主要干擾源[8]。目前我國(guó)尚未出臺(tái)機(jī)動(dòng)工業(yè)車輛（含叉車）電磁場(chǎng)輻射及其測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)，但為保證駕駛員的健康和設(shè)備的正常運(yùn)行，參考電動(dòng)汽車等機(jī)電產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油電混合動(dòng)力叉車電磁輻射的檢測(cè)技術(shù)開展研究，會(huì)越發(fā)地受到重視。

叉車檢驗(yàn)技術(shù)應(yīng)緊跟叉車技術(shù)的發(fā)展方向，不但要做到根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷叉車的安全隱患，更應(yīng)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將新技術(shù)引入叉車的檢驗(yàn)中，為保障設(shè)備安全出力，促進(jìn)叉車監(jiān)督檢驗(yàn)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 國(guó)質(zhì)檢鍋[2002]16號(hào)，廠內(nèi)機(jī)動(dòng)車輛監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程.

[2] GB/T 6104-2005機(jī)動(dòng)工業(yè)車輛術(shù)語.

[3] GB/T 21268-2007 非公路用旅游觀光車通用技術(shù)條件.

[4] 吳衛(wèi). 我國(guó)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定[J].. 交通標(biāo)準(zhǔn)化，2005.07:357-361.

[5] GB/T 27544-2011工業(yè)車輛電氣要求.

[6] 杜建福,徐順余,肖太清等. 混合動(dòng)力客車油門踏板安全對(duì)策[J].客車技術(shù)與研究. 2011,33(2):61-63.

[7] 周紹安.電磁輻射與防護(hù)[J].安徽科技. 2006,(6):50-51.

[8] 汪泉弟,劉青松,安宗裕等. 混合動(dòng)力客車低頻電磁輻射機(jī)理及抑制方法[N].電工技術(shù)學(xué)報(bào). 2014,29(1):202-207.

Research of Inspection Technology on Hybrid Electric Forklift

Wang Zhongwei
( Tianjin Special Equipment Inspection Institute, Tianjin 300192 )

Representative products of hybrid electric forklift (HEF) at home and abroad are introduced. The classification and technical features of HEF drive system, safety features and safety hazards of battery are outlined. Standards of HEF inspection, targeted contents and methods of inspection are introduced. Safety issues, as well as new problems on inspection of HEF are analyzed. Some suggestions are put forward to provide reference for carrying out inspection.

Hybrid electric forklift; Inspection; Safety issues

TH137

A

1671-7988(2015)07-48-03

王中偉，就職于天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，從事場(chǎng)（廠）內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛的檢驗(yàn)及科研工作。