戴立明　王正

摘 要：本文對混合動力叉車的現(xiàn)狀和發(fā)展進行了分析，重點闡述了混合動力叉車的基本結構和工作原理、國內外研究現(xiàn)狀以及研究開發(fā)中的先進技術應用。通過對混合動力叉車參數(shù)的匹配、儲能裝置、電機以及控制系統(tǒng)等關鍵技術的分析，對混合動力叉車的整體優(yōu)勢和發(fā)展方向提出了見解。混合動力叉車在技術發(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)保方向進一步發(fā)展。

關鍵詞：混合動力；叉車；儲能；電機

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

1 基本結構及工作原理

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構包括驅動橋、發(fā)動機、起升電機、牽引電機、電瓶、發(fā)電機、主車架等。

工作原理如圖1所示。先由燃油動力驅動發(fā)動機，發(fā)動機帶動發(fā)電機工作，發(fā)電機產生的電能，其中一部分電能通過逆變器進入儲能裝置備用，另一部分用于驅動牽引電機帶動傳動系統(tǒng)，用于叉車的行駛；還用一部分電能用于驅動起升電機，用于貨物的搬運，貨物起升是電能轉換為勢能，當起升減速或下降過程中勢能轉換為電能回收在儲能裝置里。當發(fā)動機熄火，發(fā)電機停止能量供應時，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成結構包括驅動橋、儲能裝置、變速器、起升電機、牽引電機、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)模式是電動機和發(fā)動機的動力系統(tǒng)分別獨立工作，用來驅動車輪和工作裝置，工作原理如圖2所示[2]。當叉車處于低速行駛狀態(tài)，動力可由電動機單獨提供；正常速度行駛狀態(tài)，裝換為發(fā)動機提供動力，根據(jù)不同的工作情況需求，把剩余能量給牽引電機和起升電機，并轉換為電能進行儲存。貨物舉升也可以由發(fā)動機單獨驅動，也能用電動機和發(fā)動機混合驅動。當起升減速或下降過程中勢能轉換為電能回收在儲能裝置里。

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 國外混合動力叉車發(fā)展現(xiàn)狀

叉車混合動力應用已經逐漸形成成熟技術，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入銷售市場，是由豐田汽車和豐田自動織機兩家分公司的技術結合進行開發(fā)的。這款叉車重3.5噸，是考慮到叉車的高頻率前進、停止、后退的特點進行研發(fā)的，由電機、電池組、發(fā)動機等結構組成，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、三菱等先進的叉車生產公司也開始了新型混合動力叉車的研發(fā)，也相繼生產出了自己的產品，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。無錫開普動力機械有限公司是國內第一家生產混合動力叉車的單位，在2009年的亞洲礦山機械博覽會上展出了國內第一臺混合動力叉車。該車完全是由開普動力機械有限公司自主研發(fā)的，包括發(fā)電機、發(fā)動機、電機以及控制系統(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)動機的一些特殊性能，找出發(fā)動機的最佳節(jié)油點時的最佳轉速下，大大提高了機械能轉換電能的轉換效率，這樣將增加電能的使用比例，其能耗降低了35%以上，相應的尾氣排放也降低35%，所以更加的節(jié)能環(huán)保。隨著機械行業(yè)的不斷進步和蓄能行業(yè)的快速發(fā)展，國內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一步研發(fā)工作，并取得了可觀的成績。

3 關鍵技術

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系，尤其是電動機和發(fā)動機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有成熟的技術方案，但國內外在混合動力叉車匹配的研究中進行發(fā)表的相關成果較少。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，本文提出了以下關于混合動力叉車參數(shù)匹配的技術方案：

（1）首先確定參數(shù)匹配的基本條件?；旌蟿恿Σ孳嚨膮?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)匹配所要實現(xiàn)的技術目標。其技術目標包括以下幾個方面：實現(xiàn)各種動力的性能要求；在一般的使用條件下，使車輛到達最佳的燃油狀態(tài)，減少燃油消耗；實現(xiàn)合理的動力匹配結構，提升動力系統(tǒng)的性能，降低動力系統(tǒng)的設計成本。

3.2 儲能裝置的研制

目前，世界范圍內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方面對儲能裝置進行技術攻關：

（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，嚴重影響了混合動力叉車的研發(fā)，急需進一步提高[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，叉車用電能工作時間越長，環(huán)保性能就會更好。

3.3 電機技術

叉車的行駛和貨物的搬運，動力都來自電機，所以叉車需要一個牽引電機和一個舉升電機。有多種電機可以應用到混合動力叉車上，有步進電機、永磁電機、變頻電機等。其中永磁電機具有體積小、壽命長、功耗小、可靠性高的優(yōu)點，適用于在叉車上使用。本文在電機的選用和設計上提出以下幾點建議：

（1）使用額定電壓較高的電機。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，高電壓的電機的體積較小，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速范圍。減少啟動沖擊和工作沖擊，可提高機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，能夠實現(xiàn)反向充電，更好的利用能量轉換，降低油耗，增加電能利用率。

3.4 控制系統(tǒng)的設計

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、裝載貨物進行控制，同時可以管理電池組的通斷、電動機與發(fā)動機的輸出轉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)設計。隨著電控技術和信息技術的發(fā)展，叉車的控制系統(tǒng)向智能化、數(shù)字化發(fā)展，神經網絡、人機工程、最短路徑、最小成數(shù)等自動控制技術，在混合叉車控制技術中得到應用和發(fā)展。本文在叉車控制系統(tǒng)技術研究提出以下幾個方面：

（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）準確的控制儲能系統(tǒng)的散熱；（4）合理利用電能的反沖。

4 結語

燃油叉車的污染與耗能，電力叉車的動力不足與使用不便，而設計了節(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)結構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

[1]龔俊，何清華，張大慶，張云龍，劉昌盛，唐中勇.混合動力叉車節(jié)能效果評價及能量回收系統(tǒng)試驗[J].吉林大學學報（工學版），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，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絡動態(tài)逆內模控制[J].機械工程學報，2015，51（18）：126-135.