混合動力叉車研究現(xiàn)狀與未來前景

戴立明　王正

摘 要：本文對混合動力叉車的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了分析，重點(diǎn)闡述了混合動力叉車的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及研究開發(fā)中的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用。通過對混合動力叉車參數(shù)的匹配、儲能裝置、電機(jī)以及控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的分析，對混合動力叉車的整體優(yōu)勢和發(fā)展方向提出了見解?；旌蟿恿Σ孳囋诩夹g(shù)發(fā)展和控制監(jiān)測方面還有較大的發(fā)展空間，混合動力叉車還會繼續(xù)向節(jié)能環(huán)保方向進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：混合動力；叉車；儲能；電機(jī)

中圖分類號：TP71.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0087-02

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

混合動力叉車，是指可以使用多種動力能源，可根據(jù)搬運(yùn)重量和路程的需要以及各種能源余量，來判斷和選擇需要的動力能源的叉車。與傳統(tǒng)的單一動力源叉車相比的最大優(yōu)勢就是配備了多個(gè)動力源，動力源的使用組合方式一般采用并聯(lián)和串聯(lián)兩種模式。

1.1 串聯(lián)動力模式

串聯(lián)動力模式的混合動力叉車的組成結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動橋、發(fā)動機(jī)、起升電機(jī)、牽引電機(jī)、電瓶、發(fā)電機(jī)、主車架等。

工作原理如圖1所示。先由燃油動力驅(qū)動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)工作，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能，其中一部分電能通過逆變器進(jìn)入儲能裝置備用，另一部分用于驅(qū)動牽引電機(jī)帶動傳動系統(tǒng)，用于叉車的行駛；還用一部分電能用于驅(qū)動起升電機(jī)，用于貨物的搬運(yùn)，貨物起升是電能轉(zhuǎn)換為勢能，當(dāng)起升減速或下降過程中勢能轉(zhuǎn)換為電能回收在儲能裝置里。當(dāng)發(fā)動機(jī)熄火，發(fā)電機(jī)停止能量供應(yīng)時(shí)，儲能裝置的電能仍然能為動力系統(tǒng)和舉升系統(tǒng)提供電能。

1.2 并聯(lián)動力模式

并聯(lián)動力模式的混合動力叉車的構(gòu)成結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動橋、儲能裝置、變速器、起升電機(jī)、牽引電機(jī)、工作裝置、液壓系統(tǒng)、車架等。與串聯(lián)模式的不同之處在于，并聯(lián)模式是電動機(jī)和發(fā)動機(jī)的動力系統(tǒng)分別獨(dú)立工作，用來驅(qū)動車輪和工作裝置，工作原理如圖2所示[2]。當(dāng)叉車處于低速行駛狀態(tài)，動力可由電動機(jī)單獨(dú)提供；正常速度行駛狀態(tài)，裝換為發(fā)動機(jī)提供動力，根據(jù)不同的工作情況需求，把剩余能量給牽引電機(jī)和起升電機(jī)，并轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行儲存。貨物舉升也可以由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，也能用電動機(jī)和發(fā)動機(jī)混合驅(qū)動。當(dāng)起升減速或下降過程中勢能轉(zhuǎn)換為電能回收在儲能裝置里。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外混合動力叉車發(fā)展現(xiàn)狀

叉車混合動力應(yīng)用已經(jīng)逐漸形成成熟技術(shù)，在采礦工業(yè)中得到了廣泛使用。在國外市場發(fā)展較早，2009年日本豐田公司研發(fā)的世界第一臺混合動力叉車進(jìn)入銷售市場，是由豐田汽車和豐田自動織機(jī)兩家分公司的技術(shù)結(jié)合進(jìn)行開發(fā)的。這款叉車重3.5噸，是考慮到叉車的高頻率前進(jìn)、停止、后退的特點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)的，由電機(jī)、電池組、發(fā)動機(jī)等結(jié)構(gòu)組成，此叉車的工作輸出功率與一般的3.5噸叉車并無差異，但其通過組合動力輸出后，尾氣排量和燃油量是普通叉車的一半，甚至更低。既豐田公司之后，小松、林德、三菱等先進(jìn)的叉車生產(chǎn)公司也開始了新型混合動力叉車的研發(fā)，也相繼生產(chǎn)出了自己的產(chǎn)品，小松公司研制出了AE50系列，林德研制出了Hybrid叉車，三菱公司也完成了GRENDiA EX系列叉車的開發(fā)[3]。

2.2 國內(nèi)混合動力叉車發(fā)展現(xiàn)狀

我國對混合動力叉車的研制稍晚于國際市場。無錫開普動力機(jī)械有限公司是國內(nèi)第一家生產(chǎn)混合動力叉車的單位，在2009年的亞洲礦山機(jī)械博覽會上展出了國內(nèi)第一臺混合動力叉車。該車完全是由開普動力機(jī)械有限公司自主研發(fā)的，包括發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)、電機(jī)以及控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。該車采用的是油電動力混合工作模式，利用了發(fā)動機(jī)的一些特殊性能，找出發(fā)動機(jī)的最佳節(jié)油點(diǎn)時(shí)的最佳轉(zhuǎn)速下，大大提高了機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能的轉(zhuǎn)換效率，這樣將增加電能的使用比例，其能耗降低了35%以上，相應(yīng)的尾氣排放也降低35%，所以更加的節(jié)能環(huán)保。隨著機(jī)械行業(yè)的不斷進(jìn)步和蓄能行業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)的許多叉車制造公司也研制出了各種混合動力叉車，包括山河智能、諾力叉車、安徽叉車、唯力機(jī)械、杭叉等。隨著國家對能源與環(huán)保的重視，許多高校和科研單位也大力投入了混合動力叉車的進(jìn)一步研發(fā)工作，并取得了可觀的成績。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 參數(shù)的匹配

混合動力叉車的參數(shù)匹配主要表現(xiàn)在各種能源動力功率之間的匹配和使用比例關(guān)系，尤其是電動機(jī)和發(fā)動機(jī)的功率使用比例匹配不同，給車輛的節(jié)能效果和制造成本都有很大的影響?，F(xiàn)在混合動力叉車的功率使用匹配已經(jīng)有成熟的技術(shù)方案，但國內(nèi)外在混合動力叉車匹配的研究中進(jìn)行發(fā)表的相關(guān)成果較少。以降低叉車的額定功率和制造成本、減少叉車自重、節(jié)省更多的燃料和排放為目標(biāo)，本文提出了以下關(guān)于混合動力叉車參數(shù)匹配的技術(shù)方案：

（1）首先確定參數(shù)匹配的基本條件。混合動力叉車的參數(shù)匹配基本條件包括動力的組合模式、控制方式以及使用工況[4]。（2）確定參數(shù)匹配所要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)。其技術(shù)目標(biāo)包括以下幾個(gè)方面：實(shí)現(xiàn)各種動力的性能要求；在一般的使用條件下，使車輛到達(dá)最佳的燃油狀態(tài)，減少燃油消耗；實(shí)現(xiàn)合理的動力匹配結(jié)構(gòu)，提升動力系統(tǒng)的性能，降低動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。

3.2 儲能裝置的研制

目前，世界范圍內(nèi)的儲能裝置一般都在使用蓄電池，混合動力叉車上使用的蓄電池主要是鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池。蓄電池的儲能能力是發(fā)展混合動力叉車的關(guān)鍵性因素，這也是能夠提高車輛環(huán)保性能和降低成本的唯一途徑。本問提出從以下幾個(gè)方面對儲能裝置進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)：

（1）提升蓄電池的壽命。叉車在使用過程中，要提升和下放貨物的頻率很高，所以蓄電池要不停的充電、放電。而蓄電池一般就只能可以充放電一萬次左右，而使用率較高的叉車每天的使用頻率至少也要幾十次，因此蓄電池的充放電壽命，嚴(yán)重影響了混合動力叉車的研發(fā)，急需進(jìn)一步提高[5]。（2）比能量相對不足。因而需要更多的電池組增加儲能量，造成更高的成本；比能量越高，叉車用電能工作時(shí)間越長，環(huán)保性能就會更好。

3.3 電機(jī)技術(shù)

叉車的行駛和貨物的搬運(yùn)，動力都來自電機(jī)，所以叉車需要一個(gè)牽引電機(jī)和一個(gè)舉升電機(jī)。有多種電機(jī)可以應(yīng)用到混合動力叉車上，有步進(jìn)電機(jī)、永磁電機(jī)、變頻電機(jī)等。其中永磁電機(jī)具有體積小、壽命長、功耗小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，適用于在叉車上使用。本文在電機(jī)的選用和設(shè)計(jì)上提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）使用額定電壓較高的電機(jī)。在發(fā)電和蓄電系統(tǒng)能夠滿足的情況下，盡量使用電壓較高的電機(jī)，高電壓的電機(jī)的體積較小，可以節(jié)省空間、降低成本。（2）要有平穩(wěn)的啟動性能和較大的調(diào)速范圍。減少啟動沖擊和工作沖擊，可提高機(jī)械零部件和蓄電池的壽命。（3）能夠反向充電，降損耗、提效率。在叉車減速或降低貨物高度時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)反向充電，更好的利用能量轉(zhuǎn)換，降低油耗，增加電能利用率。

3.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是混合動力叉車的核心，不僅可以對叉車的行駛、裝載貨物進(jìn)行控制，同時(shí)可以管理電池組的通斷、電動機(jī)與發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)換以及其他輔助系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。控制系統(tǒng)包括控制器、被控原件和軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)。隨著電控技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，叉車的控制系統(tǒng)向智能化、數(shù)字化發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)工程、最短路徑、最小成數(shù)等自動控制技術(shù)，在混合叉車控制技術(shù)中得到應(yīng)用和發(fā)展。本文在叉車控制系統(tǒng)技術(shù)研究提出以下幾個(gè)方面：

（1）控制動力系統(tǒng)的能量分配；（2）合理控制行駛和裝載模式；（3）準(zhǔn)確的控制儲能系統(tǒng)的散熱；（4）合理利用電能的反沖。

4 結(jié)語

燃油叉車的污染與耗能，電力叉車的動力不足與使用不便，而設(shè)計(jì)了節(jié)能環(huán)保動力充足的混合動力叉車，混合動力叉車的發(fā)展與成熟，在環(huán)保創(chuàng)新方面與普通叉車相比有著明顯的優(yōu)勢，但其性能匹配、儲能系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方式還存在著較大的拓展空間。通過全世界叉車科研人員的不斷研發(fā)與創(chuàng)新，混合動力叉車還會繼續(xù)向著節(jié)能與環(huán)保的新方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]龔俊，何清華，張大慶，張?jiān)讫垼瑒⒉?，唐中?混合動力叉車節(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），2014，44（01）：29-34.

[2]楊斌.中國叉車后市場的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].叉車技術(shù)，2014，（04）：1-5.

[3]夏光，陳無畏，趙林峰，汪韶杰. 平衡重式叉車底盤小波網(wǎng)絡(luò)動態(tài)逆內(nèi)?？刂芠J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（18）：126-135.