電動(dòng)重型叉車(chē)工況自識(shí)別勢(shì)能回收控制系統(tǒng)

黃素德，陳海斌，任好玲，林添良

(1.廈門(mén)城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與自動(dòng)化工程系，福建 廈門(mén) 361008；2.華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

引言

重型叉車(chē)是港口、碼頭、車(chē)站等物流運(yùn)輸中心的重要作業(yè)工具，頻繁處于舉升、下降、起動(dòng)和制動(dòng)等工況。目前，由于能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)，這些場(chǎng)所逐漸取消燃油車(chē)，開(kāi)始推廣使用純電驅(qū)動(dòng)型叉車(chē)。與小型叉車(chē)相比，重型叉車(chē)負(fù)載大，具有的可回收勢(shì)能多，對(duì)這部分能量加以回收和再利用有利于提高整機(jī)的能量利用率。傳統(tǒng)的工程機(jī)械基本上是基于發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配節(jié)能技術(shù)以降低燃油消耗，但發(fā)動(dòng)機(jī)的功率匹配是以額定負(fù)載為基準(zhǔn)進(jìn)行的，在小負(fù)載下的匹配性很差，因此存在一定的局限性[1-4]。在新能源節(jié)能技術(shù)方面，混合動(dòng)力節(jié)能技術(shù)雖然能夠節(jié)省30%～50%的燃油和降低15%～30%的污染物排放，但無(wú)法根本上實(shí)現(xiàn)零排放，發(fā)展受到一定限制[5-6]。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，電機(jī)除具有高達(dá)85%以上的工作效率外，還具有較好的調(diào)速性能，因此，電動(dòng)工程機(jī)械的流量匹配一般通過(guò)定排量變轉(zhuǎn)速的方式來(lái)獲得較低的能耗。且純電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械具有零排放、智能化程度高、噪聲低和使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[7-8]。

目前，對(duì)叉車(chē)勢(shì)能回收的典型代表是芬蘭的MINAV T A等[9-14]將工業(yè)用電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器應(yīng)用在叉車(chē)液壓系統(tǒng)進(jìn)行勢(shì)能回收，使大型機(jī)械的能量利用率提高了10%；采用永磁同步電機(jī)的泵控系統(tǒng)而不是閥控系統(tǒng)，系統(tǒng)效率最高提升達(dá)20%，勢(shì)能回收效率達(dá)66%；另外，也分析了不同的電機(jī)類(lèi)型和儲(chǔ)能元件對(duì)能量回收效率的影響。ANDERSEN T O等[15]提出了一種采用蓄電池的電動(dòng)叉車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)測(cè)該系統(tǒng)的勢(shì)能回收效率在40%左右，高速模式下的回收效率遠(yuǎn)高于低速模式；江明輝等[16]將電氣式能量回收方案應(yīng)用于叉車(chē)舉升系統(tǒng)，實(shí)測(cè)該系統(tǒng)的回收效率約為20%；武葉等[17]分別以超級(jí)電容、蓄能器為儲(chǔ)能單元，通過(guò)仿真分析了滿(mǎn)載、半載和空載3種工況下的節(jié)能率分別為34.2%，22.6%和13.2%，該方案能較好地實(shí)現(xiàn)能量回收；單玉爽[18]實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，從2.7 m高處下放1 t負(fù)載可獲得30%以上的回收效率。

目前，常用的勢(shì)能回收方式有液壓式和電氣式。液壓式一般采用液壓蓄能器[19]，但由于液壓蓄能器的壓力隨回收過(guò)程逐漸升高，易影響系統(tǒng)的操控性；電氣式回收方式，一般采用單個(gè)液壓馬達(dá)+發(fā)電機(jī)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)勢(shì)能回收，適應(yīng)于負(fù)載變化范圍較小的場(chǎng)合[20]；而重型叉車(chē)的負(fù)載變化范圍大，單個(gè)液壓馬達(dá)+發(fā)電機(jī)難以兼顧輕載和重載時(shí)均具有較高的效率，尤其是重載時(shí)的回收效率極低。

為解決重型叉車(chē)難以兼顧大范圍變動(dòng)負(fù)載均具有較高效率的問(wèn)題，本研究根據(jù)負(fù)載工況自動(dòng)選擇采用單一液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)或雙液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)來(lái)進(jìn)行勢(shì)能回收的系統(tǒng)，分析了能量回收系統(tǒng)處于不同工作模式的決策規(guī)則和控制策略，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)對(duì)其可行性、節(jié)能性進(jìn)行研究。

1 勢(shì)能回收系統(tǒng)工作原理

1.1 工作原理

圖1為所提出的勢(shì)能回收系統(tǒng)工作原理，包括2套小排量的液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到手柄給出舉升信號(hào)時(shí)，電磁鐵b1通電，電機(jī)控制器MCU按照整機(jī)運(yùn)行指令控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵為舉升油缸供油使其上升；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到操作手柄發(fā)出下降信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)手柄信號(hào)、電池當(dāng)前剩余電量(SOC)及無(wú)桿腔壓力做出工作模式判斷，在節(jié)流、單液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)勢(shì)能回收和雙液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)勢(shì)能回收等3種模式中進(jìn)行選擇。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1) 當(dāng)舉升油缸下降速度較慢時(shí)，此時(shí)目標(biāo)流量較小，可回收的功率也較小，與大排量液壓馬達(dá)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)采用單個(gè)小排量液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)(單電機(jī))，可以使液壓馬達(dá)獲得較高的轉(zhuǎn)速，使勢(shì)能回收單元工作于高效區(qū)以提高回收效率；

1、2.發(fā)電機(jī) 3.電動(dòng)機(jī) a1、b1、c1.電磁鐵圖1 勢(shì)能回收系統(tǒng)工作原理

(2) 當(dāng)舉升油缸下降速度較快時(shí)，此時(shí)目標(biāo)流量較大，采用雙液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)(雙電機(jī))模式回收，通過(guò)一定的控制策略和優(yōu)化算法，保證回收效率處于最優(yōu)以提高回收效率。

1.2 控制策略

圖2為所提出的勢(shì)能回收控制流程。其中，p3為下降過(guò)程中舉升油缸無(wú)桿腔工作壓力；pmin為進(jìn)行勢(shì)能回收時(shí)無(wú)桿腔最小壓力；Smax為進(jìn)行勢(shì)能回收時(shí)的SOC最大值；Yp為手柄開(kāi)度；Ymin為最小手柄開(kāi)度；Ys為從單電機(jī)切換至雙電機(jī)時(shí)的手柄開(kāi)度；Ymax為最大手柄開(kāi)度。

圖2 勢(shì)能回收控制流程圖

節(jié)流模式，與內(nèi)燃式叉車(chē)的下降過(guò)程相似，通過(guò)控制操作手柄來(lái)對(duì)下降的速度進(jìn)行控制。

勢(shì)能回收模式，通過(guò)控制勢(shì)能回收單元的轉(zhuǎn)速對(duì)下降的速度進(jìn)行控制。當(dāng)手柄開(kāi)度較小時(shí)，目標(biāo)下降速度較小，流量較小，系統(tǒng)處于單電機(jī)模式，整機(jī)控制器根據(jù)手柄信號(hào)來(lái)控制發(fā)電機(jī)1轉(zhuǎn)速和電磁鐵a1的通電狀態(tài)，對(duì)下降速度進(jìn)行控制；手柄的開(kāi)度越大要求下降速度越快，此時(shí)單電機(jī)模式不能滿(mǎn)足要求，應(yīng)切換至雙電機(jī)模式，即通過(guò)控制2個(gè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁鐵a1，b1和c1狀態(tài)，對(duì)下降速度進(jìn)行控制；隨著貨叉接近地面，下降速度應(yīng)減小為停止做準(zhǔn)備，此時(shí)應(yīng)切換至單電機(jī)模式；當(dāng)手柄回到中位，停止工作，過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速n與手柄信號(hào)Yp如圖 3所示。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速與手柄信號(hào)的變化關(guān)系

根據(jù)上述控制流程，其控制策略如下：

(1) 當(dāng)舉升油缸無(wú)桿腔壓力滿(mǎn)足p3

(2) 當(dāng)舉升油缸無(wú)桿腔壓力滿(mǎn)足p3≥pmin且電池SOC滿(mǎn)足SOC

(3) 當(dāng)舉升油缸無(wú)桿腔壓力滿(mǎn)足p3≥pmin且電池SOC滿(mǎn)足SOC

2 仿真研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的勢(shì)能回收方案及工作模式切換規(guī)則的可行性，搭建了如圖4所示的AMESim勢(shì)能回收仿真模型。

圖4 勢(shì)能回收仿真模型

2.1 模式切換特性

貨叉速度v與無(wú)桿腔壓力p3變化曲線如圖5所示，0～15 s，處于舉升階段，壓力和速度曲線較為平穩(wěn)，表明叉車(chē)整體工作穩(wěn)定；15～30 s，處于下降階段，無(wú)桿腔壓力出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，主要是由于控制閥的閥芯突然打開(kāi)。整個(gè)下降過(guò)程中，貨叉下降速度的波動(dòng)率為4.27%，無(wú)桿腔壓力的平均波動(dòng)率為1.25%，均在可接受范圍內(nèi)。

圖5 下降速度與壓力變化曲線

增加了勢(shì)能回收單元后對(duì)操控性的影響可以通過(guò)勢(shì)能回收單元的轉(zhuǎn)速n和壓力p進(jìn)行綜合判斷，僅考慮15～30 s時(shí)的下降階段，如圖6所示。2個(gè)液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)按照所提出的控制策略分階段起動(dòng)運(yùn)行，其中，1號(hào)液壓馬達(dá)的入口壓力在下降階段比舉升階段略低，2號(hào)液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)起動(dòng)；1號(hào)和2號(hào)馬達(dá)的入口壓力變化趨勢(shì)相同，但2號(hào)馬達(dá)的入口壓力略低，這是由于2號(hào)液壓馬達(dá)前的電磁換向閥所帶來(lái)的壓力損耗引起的，與實(shí)際情況相符。第15秒和第27秒分別是系統(tǒng)單電機(jī)模式與雙電機(jī)模式的切換點(diǎn)，切換點(diǎn)的壓力、速度均無(wú)明顯波動(dòng)，證明所提出的模式判別及控制策略是可行的。

圖6 2個(gè)液壓馬達(dá)入口壓力與轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線

2.2 不同控制模式對(duì)比

建立了節(jié)流、單電機(jī)和雙電機(jī)等不同控制模式時(shí)的仿真模型，對(duì)比三者對(duì)叉車(chē)操控性能的影響。為便于比較，使叉車(chē)在3種模式下的運(yùn)動(dòng)曲線基本保持一致，如圖7所示的油缸位移s曲線。

圖7 不同模式下貨叉位移對(duì)比曲線

圖8和圖 9分別是節(jié)流、單電機(jī)和雙電機(jī)情況下的貨叉下降速度和舉升油缸無(wú)桿腔壓力的對(duì)比曲線。在下降過(guò)程中，3種模式下貨叉速度的波動(dòng)幅度均在3.7%以?xún)?nèi)，雙電機(jī)模式下的波動(dòng)幅度最大，為8.96 mm/s；無(wú)桿腔壓力的波動(dòng)率均在0.9%以?xún)?nèi)，雙電機(jī)模式下的波動(dòng)幅值最大，為0.175 MPa，但波動(dòng)對(duì)操控性的影響較小，可忽略。

圖8 貨叉速度在不同模式下的對(duì)比曲線

圖9 無(wú)桿腔壓力在不同模式下的對(duì)比曲線

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證和分析所提出的勢(shì)能回收系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，按照?qǐng)D10所示的測(cè)試原理圖對(duì)重型叉車(chē)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了搭建。試驗(yàn)所采用的動(dòng)力電池為磷酸鐵鋰電池，油缸下降速度由電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)單元進(jìn)行控制。

1、2.發(fā)電機(jī) 3.電動(dòng)機(jī) a1、b1、c1.電磁鐵圖10 測(cè)試原理圖

3.2 試驗(yàn)分析

所提出的勢(shì)能回收系統(tǒng)在整機(jī)上的上機(jī)試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證勢(shì)能的回收效果，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及試驗(yàn)整機(jī)如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

1) 試驗(yàn)工作模式研究

圖12是SOC和無(wú)桿腔壓力的實(shí)測(cè)曲線，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示電池的SOC保持為70.0%，無(wú)桿腔壓力在14.2 MPa上下波動(dòng)，根據(jù)上述工作模式判斷規(guī)則，應(yīng)處于勢(shì)能回收模式。

圖12 SOC和無(wú)桿腔壓力測(cè)試曲線

在舉升油缸下降過(guò)程中，2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和手柄信號(hào)如圖13所示。根據(jù)勢(shì)能回收控制策略，系統(tǒng)依次進(jìn)行停機(jī)、單電機(jī)、雙電機(jī)、單電機(jī)和停機(jī)過(guò)程，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨手柄信號(hào)相應(yīng)增加，這說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)能夠按照所預(yù)定的工作模式進(jìn)行工作，即所提出的工作模式判別規(guī)則和控制策略是可行的。

圖13 電機(jī)轉(zhuǎn)速與手柄信號(hào)關(guān)系

2) 能量回收效率

為深入討論重型叉車(chē)勢(shì)能回收的影響因素，主要包括負(fù)載質(zhì)量和下降速度2個(gè)參數(shù)。

當(dāng)負(fù)載分別為3, 5, 9, 16, 25 t時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的發(fā)電電流I與負(fù)載的關(guān)系曲線如圖14所示?？梢钥闯?，隨著負(fù)載從3 t增加到25 t，母線上的電流從7.2 A 增加到39.2 A，說(shuō)明回收的勢(shì)能逐漸增多。

圖14 發(fā)電電流與負(fù)載關(guān)系曲線

圖15是回收效率η與負(fù)載m關(guān)系曲線，當(dāng)負(fù)載較小，在9 t以下時(shí)，回收效率增加較快；當(dāng)負(fù)載大于9 t后，回收效率增加幅度略有減緩，與負(fù)載基本呈線性；當(dāng)負(fù)載為3 t時(shí)，系統(tǒng)回收效率為50%左右；而當(dāng)負(fù)載為25 t時(shí)，系統(tǒng)回收效率接近74%；這也說(shuō)明勢(shì)能回收系統(tǒng)適合重載工況，小負(fù)載工況不是最佳回收工況。

圖15 回收效率與負(fù)載關(guān)系曲線

為研究貨叉下降速度對(duì)勢(shì)能回收效率的影響，使16 t負(fù)載從距離地面2000～200 mm 的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)以不同的速度下降，測(cè)試結(jié)果如圖16所示。從圖看出，當(dāng)速度小于83.6 mm/s時(shí)，此時(shí)是單液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)勢(shì)能回收的工作區(qū)間；系統(tǒng)的回收效率隨下降速度的增大而提高，主要是因?yàn)榇藭r(shí)單液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)在較高轉(zhuǎn)速下具有較高的效率，系統(tǒng)整體的損耗減小，系統(tǒng)的回收效率可達(dá)74.38%；當(dāng)速度大于83.6 mm/s時(shí)，系統(tǒng)從單液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)模式進(jìn)入雙液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)模式，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和效率均隨著下降速度增大而增大，但液壓馬達(dá)容積效率隨著下降速度增大而減小，且影響較大，故勢(shì)能回收系統(tǒng)的總損耗增大，勢(shì)能回收效率開(kāi)始逐步減小，但整體回收效率維持在60%以上。

圖16 貨叉下降速度對(duì)回收效率的影響

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)重型叉車(chē)存在較多重力勢(shì)能且負(fù)載變化范圍大等特點(diǎn)，提出一種基于雙液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)的勢(shì)能回收系統(tǒng)，可根據(jù)工況判斷處于單液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)或雙液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)勢(shì)能回收工作模式；

(2) 試驗(yàn)和仿真結(jié)果均證明，所提出的工作模式?jīng)Q策規(guī)則和控制策略是可行的，系統(tǒng)能很好地在兩種勢(shì)能回收模式之間切換；

(3) 所提出的勢(shì)能回收在大負(fù)載工況下具有較高的回收效率，滿(mǎn)載情況下可達(dá)74%，在不同貨叉下降速度下，均可保持60%以上的回收效率。