混合動力叉車研究現狀與未來前景

李春林，孫 駿

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

隨著節能環保和綠色低碳成為當今社會發展的兩大主旋律，混合動力叉車必將成為未來叉車發展的方向。

在現代物流產業中，倉儲設備和物料搬運是降低供應鏈成本不可或缺的重要工具[1]。而叉車在這供應鏈中，更是扮演著重要的角色。目前，比較常用的叉車，按照耗能方式的不同可分為：內燃叉車、電動叉車和混合動力叉車（Hybrid Electric Forklift）。

內燃叉車以發動機為動力，功率強勁，使用范圍廣泛，但是排氣和噪聲污染環境，有害人類健康；

而電動叉車具有能量轉換效率高、無廢氣排放、噪聲小等突出優點，是室內物流搬運的首選工具，但其受蓄電池容量限制，功率小，作業時間短。就能量密度、壽命、價格等方面而言，電動叉車無法與傳統的內燃叉車相抗衡。

在目前全球石油資源短缺、大氣污染嚴重的情況下，融合了內燃叉車和電動叉車優點的混合動力電動叉車，異軍突起，在世界范圍內成為了新能源叉車開發的熱點[2～4]。

1 HEF基本結構及工作原理

混合動力叉車，是指裝備有不同的動力源的、可根據叉車的行駛工作需要，同時或分別使用不同的動力源而行駛工作的叉車。與傳統內燃叉車的最大區別，是動力傳動系統，一般至少有兩個或者兩個以上動力源。根據其驅動系統的布置及組合方式的不同，目前比較常見的有串聯式與并聯式2種。

1.1 串聯式混合動力驅動系統

串聯式混合動力驅動系統，由發動機、發電機、儲能裝置、電動機、工作裝置（叉車的工作裝置包括門架系統和液壓系統和屬具系統這3個部分）、驅動橋等組成[5]。

其工作原理如圖1所示。行車時，發動機輸出的機械能，通過發電機轉化為電能，轉化后的電能一部分，經由電動機和傳動系統裝置驅動車輪，另一部分則可存儲到蓄電池中，供叉車加速或者在其他工況下使用。起升貨物時，發動機輸出的機械能，通過發電機轉化為電能，轉化后的電能經由電動機和工作裝置舉升貨物，減速或者貨物下降時，則可實現能量的回收，存儲到儲能裝置中。

圖1 串聯式混合動力叉車原理圖

1.2 并聯式混合動力驅動系統

并聯式混合動力驅動系統由發動機、電動機、儲能裝置、工作裝置、驅動橋等組成。與串聯式混合動力驅動系統不同，并聯式采用了發動機和電動機兩套獨立的驅動系統驅動車輪和工作裝置。其工作原理如圖2所示。

圖2 并聯式混合動力叉車原理圖

低速行駛時，由電動機單獨驅動；正常行駛時，使用發動機作為主要動力源，驅動車輪行駛，根據工況的要求，部分動力分配給電動機，轉化為電能存儲到蓄電池中。起升貨物時，根據實際的需要，可用發動機單獨提供舉升所需的動力，也可用發動機和電動機聯合提供舉升所需的動力，減速或者貨物下降時，則可實現能量的回收，存儲到儲能裝置中。

2 國內外的研究現狀

2.1 國外混合動力叉車發展概況

混合動力技術在車輛上的應用，是現在熱門的話題，物流行業也將在這一技術上占有一席之地。在混合動力叉車領域，國外市場已經比較成熟。

2009年12月，豐田HYBRID燃料混合動力叉車在日本開始銷售。該叉車是世界第一臺內燃式混合動力叉車，其應用了豐田自動織機與豐田汽車共同開發的混合動力技術。此款3.5噸HYBRID叉車，是針對叉車在工作時前進與停止頻率過多的特點而開發的，由柴油發動機、電動機、HYBRID專門的電池組成。該叉車的工作效率與同等的3.5噸柴油叉車相同，同時，將柴油發動機、電動機和鎳氫蓄電池組合在一起，CO2的排放量和燃料的消耗量，只有同等柴油叉車的50%左右[6]。

除了豐田公司，小松、林德、三菱重工等國際一流叉車制造廠商，也紛紛投入到了混合動力叉車的研發中，并且都成功開發出了自己的產品，如小松開發了AE50系列混合動力叉車，林德在2008年德國CeMAT展會上推出了Hybrid叉車，三菱重工成功研制了GRENDiA EX系列叉車。

2.2 國內混合動力叉車發展概況

中國對于混合動力叉車的研究起步較晚。

2009年10月26日，在亞洲國際物流技術與運輸系統展覽會（CeMAT）上，中國叉車制造商無錫開普動力機械有限公司，推出了首臺混合動力叉車。該車擁有完全的自主知識產權，其主要部件特別是關鍵零部件（發動機、發電機、電動機與控制系統）都是完全自主開發的。該車油電混合動力系統，是根據發動機的外特性，利用發動機的最佳轉速（最佳節油點）把機械能通過發電機轉化為電能，電能再利用電動機驅動叉車，其油耗降低了30%以上，CO2排放減少了30%以上[7]，達到了節能、環保的目的。

近幾年，國內許多叉車廠商也開始對混合動力叉車進行研究和開發，如安徽叉車、山河智能叉車、杭叉等。不僅如此，目前國內也有多所高校，開始投入到了混合動力叉車的研究中。

隨著國家對新能源車輛的重視，相信，在未來的幾十年里，國內混合動力叉車的研究將會取得一定的成績。

3 混合動力叉車的關鍵技術

3.1 參數匹配技術

對于混合動力系統而言，參數匹配主要是指發動機和電動機的功率匹配。發動機和電動機的不同功率配比，對于整車的節能效果和成本控制影響很大。

目前，汽車混合動力參數匹配研究，已經比較成熟[8]。但國內外對混合動力叉車動力系統的研究，暫無其參數匹配方面的相關研究成果發表。為了降低動力系統的裝機功率和成本，減小系統自身的凈質量，達到較好的節能效果，在混合動力叉車動力參數匹配時，可按以下技術路線進行：

（1）確定參數匹配條件。參數匹配的條件包括叉車混合動力系統的結構、工況和控制策略。

（2）明確參數匹配目標。混合動力叉車參數匹配目標，可歸納為以下幾點：滿足混合動力叉車的動力性要求；在典型工況下使整機的燃油消耗率最佳，降低使用成本；使各動力元件實現功率匹配，以降低動力系統的制造成本。

（3）選擇合適的參數匹配方法。根據匹配條件和目標選擇相應的匹配方法，例如對于并聯式混合動力叉車，可以選擇混合度最優的匹配方法；而對于串聯式混合動力叉車，可以選擇效率最優的匹配方法。

3.2 儲能裝置技術

目前，應用于混合動力叉車上的儲能裝置，大部分還是蓄電池。已經在混合動力叉車上使用的蓄電池，主要是鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。蓄電池是混合動力叉車發展的關鍵技術，也是降低成本和提高整車性能的發展方向[9]。因此在研發和產業化過程中，急需對以下幾方面進行攻關。

（1）叉車工作時，需要頻繁的起升和下降貨物，這就需要蓄電池頻繁地充放電。目前，蓄電池的壽命一般為充放電1 000次左右，壽命相對較短，因此，應該提高蓄電池的壽命。

（2）比能量相對不足，因而成本相對較高；比能量越高，叉車用電能工作時間越長，經濟性也就越好。

（3）蓄電池的熱管理和SOC管理。蓄電池的工作溫度范圍，不可能覆蓋叉車的工作溫度范圍，為保證蓄電池系統的協調統一，減少各單體電池之間的不平衡，需要一個有效的熱管理控制系統。

3.3 電機技術

混合動力叉車一般包含有兩個電機：牽引電機和舉升電機。目前可用于混合動力叉車的電機，有交流感應電機、永磁電機和開關磁阻電機。其中永磁電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量小、損耗小和效率高等優點，在混合動力叉車上的應用具有廣闊的前景[10]。在選用和設計牽引/舉升電機時，應考慮到以下幾點要求：

（1）具有高電壓。在允許的范圍內，盡可能采用高電壓，這樣可減小電動機尺寸，降低成本。

（2）具有較大的啟動轉速和較大的調速范圍，使混合動力叉車有較好的啟動性能和工作性能。

（3）高效率、低損耗。在混合動力叉車減速和貨物下降時，實現能量的回收。

（4）具有良好的環境適應性和溫度適應性，能夠在不同的環境和溫度下正常的工作。

（5）具有高的可控性與穩態精度，維修方便。

3.4 電控技術

電控系統是混合動力叉車的核心，其負責對電池管理系統、電機驅動系統、電機舉升系統、再生制動系統和其他輔助系統進行監測和管理。

電控技術，主要包括各總成部件子系統和整車系統的控制策略和控制方法[11]。

隨著計算機技術和電力電子技術的發展，控制系統越來越趨于數字化和智能化，模糊控制、神經網絡、遺傳算法和專家系統等智能控制技術，也將逐步應用于混合動力叉車電控系統中。

因此，在混合動力叉車開發及產業化過程中，需要對電控系統的設計做以下幾方面的技術研究：

（1）優化混合動力系統的能量分配；

（2）尋找整車最佳的行駛和舉升模式；

（3）準確有效地檢測電池的SOC，制定電池的熱管理和SOC管理；

（4）合理控制及調整再生制動能量；

（5）動力保護系統和整車故障診斷系統。

4 結束語

混合動力叉車集合了內燃叉車和電動叉車的優勢，是叉車動力系統過渡和戰略轉型的關鍵環節。從目前來看，在全球范圍內，混合動力叉車產品和混合動力叉車產業，都已處于成熟期，從國內情況看，混合動力叉車尚處于發展期，仍然需要不斷發展完善。混合動力叉車作為新興的產物，還有很多技術問題需要解決，但是在全世界各大叉車廠商、科研機構和叉車工作者的共同努力下，混合動力叉車必將開拓出自己的一片藍天。

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[5]張育益，李國鋒.圖解叉車構造與拆裝維修[M].北京：化學工業出版社，2011.

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[7]李靖宇.無錫開普放歌低碳環保的叉車—專訪無錫開普機械有限公司叉車銷售部總經理林鵬翊[J].中國儲運，2010，(7)：72-73.

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[11]尹安東，趙 韓，張炳力.燃料電池汽車開發及產業化的關鍵技術研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2006，(7)：801-804.