電動叉車勢能回收系統(tǒng)研究

張克軍 陳 劍

合肥工業(yè)大學(xué)噪聲振動工程研究所，合肥，230009

0 引言

電動叉車具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、無廢氣排放、控制方便等優(yōu)點，在食品、制藥、微電子及儀器儀表等對環(huán)境要求較高的場合得到廣泛應(yīng)用，成為室內(nèi)物料搬運的首選工具［1］。對于傳統(tǒng)電動叉車，當貨物隨貨叉起升時，起升油缸的液壓能轉(zhuǎn)化為貨物的重力勢能，當貨物隨貨叉下降時，貨物的重力勢能轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)的熱能，這樣不僅浪費能源，而且會導(dǎo)致液壓油溫度升高，影響液壓系統(tǒng)的工作性能。因此研究電動叉車負載勢能回收系統(tǒng)，將貨叉下降時的負載勢能回收并利用［2］，具有重要意義。

文獻［3］介紹了基于蓄能器的電動叉車勢能回收液壓系統(tǒng)工作原理，分析了系統(tǒng)的節(jié)能效果。文獻［4］介紹了電動叉車勢能回收系統(tǒng)的一種實驗裝置，研究了勢能回收的效率與負載質(zhì)量及負載下降速度之間的關(guān)系。文獻［5］研究了混合動力液壓挖掘機勢能回收系統(tǒng)的組成、控制策略及主要元件的參數(shù)匹配。

本文研究了基于發(fā)電機和超級電容器的電動叉車負載勢能回收系統(tǒng)，利用AMESim和MATLAB建立了勢能回收系統(tǒng)的仿真模型，并進行性能仿真計算分析。實車試驗結(jié)果表明，勢能回收效果明顯。

1 系統(tǒng)方案

筆者提出的電動叉車勢能回收系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由液壓油缸、手動換向閥、液壓泵/馬達、電動機/發(fā)電機、電機控制器、超級電容器等組成。升降油缸通過一套滑輪機構(gòu)驅(qū)動電動叉車的貨叉（貨物放在貨叉上）起升和下降，傾斜油缸驅(qū)動門架（貨叉安裝在門架上）前傾和后仰。該勢能回收系統(tǒng)能完成貨叉起升、貨叉下降、貨叉前傾和后仰等動作，通過對貨叉下降過程的負載（含門架自重）勢能進行回收，達到節(jié)約能源的目的。

1.1 貨叉起升功能

電動機4驅(qū)動液壓泵3，電動機5驅(qū)動液壓泵6，2個液壓泵輸出的液壓油合流后經(jīng)升降油缸換向閥的右位到升降油缸的無桿腔，推動升降油缸的活塞動作，實現(xiàn)貨叉起升。電動機4及電動機5的轉(zhuǎn)速由控制器1和控制器2分別控制，超級電容器或蓄電池通過逆變器對電動機供電。液壓泵3和液壓泵6的最大出口壓力由溢流閥調(diào)定。

1.2 貨叉下降功能

圖1 電動叉車勢能回收系統(tǒng)原理

在負載重力的作用下，升降油缸的活塞向下運動，升降油缸無桿腔的液壓油經(jīng)升降油缸換向閥的左位到液壓馬達3的進油口，推動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)貨叉下降。液壓馬達驅(qū)動發(fā)電機4工作，發(fā)電機通過逆變器對超級電容器充電，實現(xiàn)能量回收。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由控制器1控制。通過升降油缸換向閥內(nèi)部油道的合理設(shè)計實現(xiàn)液壓泵/馬達的同向旋轉(zhuǎn)。

1.3 貨叉前傾和后仰功能

液壓泵6輸出的液壓油經(jīng)傾斜油缸換向閥的左位到傾斜油缸的無桿腔，推動傾斜油缸活塞動作，實現(xiàn)貨叉前傾。液壓泵6輸出的液壓油經(jīng)傾斜油缸換向閥的右位到傾斜油缸的有桿腔，推動傾斜油缸活塞動作，實現(xiàn)貨叉后傾。此時電動機5的轉(zhuǎn)速不受控制器控制。

2 控制策略

圖2 電動叉車勢能回收控制策略

根據(jù)提出的電動叉車勢能回收系統(tǒng)方案，給出了圖2所示的控制策略，輸入信號 （C0、C1、C2）和輸出信號（C3、C4、C5）如圖1所示。電位器信號C0為電壓信號，其變化范圍是0.05～1V。升降油缸換向閥處于中位時，C0＝0.5V；升降操縱手柄前推時，0.5V＜C0≤1V，并且C0隨著升降操縱手柄前推幅度的增大而增大；升降操縱手柄后拉時，0.05V≤C0＜0.5V，并且C0隨升降操縱手柄后拉的幅度增大而減小。起升信號C1和下降信號C2都為開關(guān)信號，它們?nèi)≈刀紴?或1。C1＝1表示起升開關(guān)動作，向控制器發(fā)出起升請求；C1＝0表示起升開關(guān)不動作。C2＝1表示下降開關(guān)動作，向控制器發(fā)出下降請求；C2＝0表示下降開關(guān)不動作。升降油缸的速度由升降油缸換向閥閥芯節(jié)流口的開度和電動機/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速（與液壓泵/馬達的出口入口流量比成正比）共同決定，升降油缸換向閥閥芯節(jié)流口的開度由駕駛員通過升降操縱手柄手動控制，并與電位器信號C0成比例?？刂撇呗灾饕紤]電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，該策略可以總結(jié)為5個步驟：

（1）判斷駕駛員是否發(fā)出起升指令或下降指令，若2個指令都沒發(fā)出，則返回繼續(xù)判斷。

（2）若駕駛員發(fā)出起升指令，計算電動機4及電動機5的目標轉(zhuǎn)速。

（3）啟動電動機4和電動機5，實時檢測電動機4和電動機5的實際轉(zhuǎn)速，計算實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速間的誤差，PI控制器1和PI控制器2根據(jù)誤差信號產(chǎn)生電壓控制信號，分別調(diào)整電動機4及電動機5的轉(zhuǎn)速。

（4）若駕駛員發(fā)出下降指令，計算發(fā)電機4的目標轉(zhuǎn)速。

（5）啟動發(fā)電機4，實時檢測發(fā)電機4的實際轉(zhuǎn)速，計算實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速間的誤差，PI控制器3根據(jù)誤差信號產(chǎn)生電壓控制信號調(diào)整發(fā)電機4的轉(zhuǎn)速。

3 參數(shù)匹配設(shè)計

電動叉車貨叉升降系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計的結(jié)果直接影響叉車的升降性能、工作效率及能量回收效果。為此需對貨叉升降系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的參數(shù)進行匹配設(shè)計。表1、表2所示分別為升降系統(tǒng)的性能指標與升降系統(tǒng)的主要參數(shù)。

表1 升降系統(tǒng)性能指標 m/s

表2 升降系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 升降油缸參數(shù)

3.1.1升降油缸行程

電動叉車通過升降油缸和滑輪機構(gòu)完成升降動作，升降油缸行程l是升降系統(tǒng)最大起升高度h的1/2，因此有l(wèi)＝1.5m。

3.1.2 升降油缸速度

由定滑輪的原理可知，升降油缸下降速度vc是叉車最大滿載下降速度v4的1/2，因此有vc＝0.175m/s。

3.1.3 升降油缸缸底壓力

升降油缸的缸底壓力pc由液壓系統(tǒng)最大工作壓力p和液壓泵（液壓馬達）到升降油缸之間的壓力損失pf（pf取1.22MPa）決定，因此pc＝15.78MPa。

3.1.4 升降油缸缸筒直徑

電動叉車能量再生系統(tǒng)采用雙油缸結(jié)構(gòu)，按叉車滿載起升工況選擇升降油缸缸筒直徑：

式中，g為重力加速度，g＝9.8m/s2；ηme為電動叉車升降系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的效率，ηme＝0.965。

由式（1）可得升降油缸的初選缸筒直徑為0.08m，考慮缸筒尺寸系列及密封件尺寸系列，缸筒直徑最終選擇0.08m。

3.2 液壓泵/馬達參數(shù)

3.2.1 液壓泵/馬達額定壓力

電動叉車上升過程中，液壓泵/馬達當液壓泵使用，液壓泵出口壓力pp為

電動叉車下降過程中，液壓泵/馬達當液壓馬達使用，液壓馬達入口壓力pm為

液壓泵/馬達的額定壓力取液壓泵出口壓力和液壓馬達入口壓力中較大者，由式（2）、式（3）可知較大的壓力為17MPa，考慮加上15%的余量，液壓泵/馬達的額定壓力取20MPa。

3.2.2 液壓馬達排量

由圖1可知，電動叉車下降過程中，2個升降油缸中的液壓油經(jīng)液壓馬達回油箱，液壓馬達的排量為

式中，ηcy為升降油缸的效率，ηcy＝0.95；ηhm為液壓馬達的容積效率，ηhm＝0.92；n為液壓馬達的工作轉(zhuǎn)速，n＝1900r/min。

利用式（4）可算出液壓馬達的排量q＝48.6mL/r，根據(jù)液壓泵/馬達的排量系列，最終確定液壓泵/馬達的排量為50mL/r。

3.3 電動機/發(fā)電機參數(shù)

3.3.1 電動機/發(fā)電機功率

由圖1可知，電動叉車上升過程中，電動機4和電動機5共同工作；電動叉車下降過程中，只有發(fā)電機4工作。這里按發(fā)電機工況確定電動機/發(fā)電機的功率，發(fā)電機的輸入功率等于液壓馬達的輸出功率，可由液壓馬達的入口壓力、液壓馬達的工作轉(zhuǎn)速及液壓馬達的總效率ηthm（取0.8）確定。最終確定電動機/發(fā)電機的額定功率Pe為17.6kW，峰值功率為27kW。

3.3.2 電動機/發(fā)電機扭矩

電動叉車滿載起升時，電動機輸出最大扭矩，電動機的輸出扭矩T由液壓泵的出口壓力pp，液壓泵的排量q及液壓泵的總效率ηthp（取0.82）確定。最終確定電動機/發(fā)電機的額定扭矩Te為165N·m。

3.3.3 電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)速

電動機/發(fā)電機與液壓泵/馬達同步工作，液壓泵/馬達的轉(zhuǎn)速范圍是600～2200r/min，為了使電動機/發(fā)電機與液壓泵/馬達更好地匹配，選擇電動機/發(fā)電機的最高轉(zhuǎn)速為3000r/min。

電動機/發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速ne與其額定功率Pe及額定扭矩Te有關(guān)，最終確定電動機/發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速為1020r/min。

3.4 超級電容組參數(shù)

3.4.1 超級電容組電壓

超級電容電壓應(yīng)滿足交流驅(qū)動模塊對直流電源電壓的要求，表3所示為所選交流驅(qū)動模塊對直流電源電壓的要求。

表3 交流驅(qū)動模塊對直流電源電壓的要求 V

本文選Maxwell的BMOD0500B01型超級電容，電容容量C＝500F，額定電壓Uw＝16V。為了達到較大的電壓，采用超級電容組串聯(lián)的形式，采用6組超級電容串聯(lián)，則超級電容組的額定工作電壓Uc為96V。

3.4.2 超級電容組的電容容量

采用超級電容回收叉車下降過程中的能量，為了保證能量回收的效果，要求超級電容組可以存儲的能量略大于叉車勢能再生的能量。叉車滿載下降所再生的能量為

式中，ηtd為叉車下降過程能量轉(zhuǎn)化總效率；ηge為發(fā)動機/電動機效率，ηge＝0.89；ηsc為超級電容組充電效率，ηsc＝0.8；ηpv為液壓泵到升降油缸之間的液壓閥及管路效率，ηpv＝0.93。

忽略內(nèi)阻的影響，超級電容組儲存的能量可表示為

式中，Cg為超級電容組的電容容量。

考慮到特殊工況（超級電容能儲存2次滿載下降所再生的能量），令2ET＝Esc，可得Cg＝73.4F。

6個電容的容量C＝500F的超級電容串聯(lián)成超級電容組，其電容容量Ce為83.3F，滿足Ce＞Cg，確定超級電容組的電容容量為83.3F。

4 系統(tǒng)建模與仿真分析

4.1 系統(tǒng)模型的建立

為了驗證勢能回收系統(tǒng)的控制性能和勢能回收效率，用AMESim建立了傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示，該模型只考慮貨叉下降過程，用比例電磁換向閥模擬升降油缸換向閥（手動換向閥）。用AMESim和MATLAB建立了勢能回收系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示，該模型只考慮貨叉下降過程，用2個比例電磁換向閥模擬升降油缸換向閥，貨叉下降的控制策略（圖2）用MATLAB建模。表4所示為仿真模型參數(shù)。

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 控制性能

圖3 傳統(tǒng)系統(tǒng)的AMESim仿真模型

圖4 勢能回收系統(tǒng)的AMESim仿真模型

表4 仿真模型參數(shù)

對于裝備勢能回收系統(tǒng)的電動叉車來說，控制性能是一個非常重要的指標。用升降油缸下降速度的波動程度來評價傳統(tǒng)系統(tǒng)和勢能回收系統(tǒng)的控制性能。由圖5可以知，傳統(tǒng)系統(tǒng)的速度波動時間為1.1s，油缸下降時間為8.3s，速度波動時間相對油缸下降時間的百分比為13.3%；勢能回收系統(tǒng)的速度波動時間為1.4s，油缸下降時間為8.9s，速度波動時間相對油缸下降時間的百分比為15.7%。兩種系統(tǒng)的速度波動時間相對油缸下降時間的百分比相差較小，認為勢能回收系統(tǒng)具有較好的控制性能。

圖5 不同系統(tǒng)下的升降油缸下降速度

4.2.2 勢能回收效率

勢能回收效率ηtp由負載勢能（含門架自重）Ep和貨叉下降過程中發(fā)電機對超級電容器充電的能量Escc決定。勢能回收效率可由下式計算：

其中，I為貨叉下降過程中發(fā)電機對超級電容器的充電電流，不同負載下的充電電流曲線如圖6所示；U為充電電壓，不同負載下的充電電壓曲線如圖7所示；t為充電時間，不同負載下的充電時間如圖6、圖7所示。

圖6 不同負載下的充電電流

圖7 不同負載下的充電電壓

由式（8）可得，負載為5000kg時的勢能回收效率為46.7%，負載為6000kg時的勢能回收效率為48.6%，負載為7000kg時的勢能回收效率為50.4%。在勢能回收系統(tǒng)相同的情況下，隨著負載的減小，勢能回收效率逐漸降低。

5 試驗分析

根據(jù)提出的勢能回收系統(tǒng)方案制造樣機，樣機的試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 電動叉車勢能回收試驗數(shù)據(jù)

由式（8）和表5可得，負載為5000kg時的勢能回收效率為44.8%，負載為6000kg時的勢能回收效率為46.8%，負載為7000kg時的勢能回收效率為49.3%?？梢钥闯?，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，誤差小于5%。

由表5可以算出升降油缸缸底到液壓馬達入口之間的管路及換向閥的效率ηpv和液壓馬達到超級電容器之間的能量轉(zhuǎn)化效率ηmc，計算結(jié)果如表6所示。由計算結(jié)果可以看出，管路及換向閥的效率和液壓馬達到超級電容器之間的能量轉(zhuǎn)化效率都隨負載的減小而降低。

表6 ηpv及ηmc計算結(jié)果

6 結(jié)論

（1）提出了電動叉車勢能回收系統(tǒng)的方案，并給出了該系統(tǒng)的控制策略。

（2）根據(jù)電動叉車的設(shè)計原則，進行了系統(tǒng)主要零部件的參數(shù)匹配設(shè)計。

（3）在AMESim及 MATLAB環(huán)境下，建立了傳統(tǒng)系統(tǒng)及勢能回收系統(tǒng)的仿真模型，并對勢能回收效率進行仿真計算。

（4）對實車進行了試驗研究，驗證了仿真模型的有效性和仿真結(jié)果的正確性。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的新型電動叉車的勢能回收效率可達49.3%，其經(jīng)濟性較傳統(tǒng)電動叉車有大幅度提高。

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