叉車混合動力驅動和能量回收系統研究

【摘 要】傳統內燃叉車普遍存在效率低、油耗大、排放污染嚴重等問題，而電動叉車存在能量回收效率低、電池續航能力差等問題，為實現節能減排的目的，提出了一種油一點混合式叉車混合動力驅動和能量回收系統結構。以某型3噸叉車為研究實例，分析該系統的能量回收效率及節油性能，并對電機、超級電容、發動機進行參數設計，通過對電機回收力矩所產生的回收效率影響的分析，提供系統的控制策略依據。

【關鍵詞】混合動力驅動；叉車；參數設計；能量回收

0.引言

叉車作為一種搬運機械，是機械制造、化工、集裝箱作業及建筑材料等行業的重要裝卸搬運設備，因傳統內燃叉車具有油耗大、排放污染嚴重，效率低的特點，傳統電動叉車具有能力回收效率低、電池續航能力差等特點，造成叉車的使用具有一定的局限性。隨著節能減排技術的發展，研究叉車的節能減排技術具有非常重要的意義。

1.混合動力叉車動力傳統系統構型分析

混合動力系統分為并聯式、串聯式及混連式三種構型形式。混合動力系統并聯式的特點是：發動機驅動汽車直接通過機械傳動機構，發動機與電機共同驅動，其功率小，能量利用率較高，經濟性較好；不過因為驅動系統與發動機之間機械連接，造成發動機運行時受到車輛運行的影響，整車布置難度稍大。目前的并聯式混合動力系統是混合動力挖掘機和混合動力汽車廣泛應用的一種系統構型。

混合動力系統串聯式的特點是：驅動輪與發動機直接沒有用機械連接，所以轉速不會受到車輛運行工況的影響，發動機工況運行十分理想，但在能量傳遞環節存在效率低的問題，并且電動機、發電機和發動機的功率必須相等，造成動力裝置體積太大，不便于在叉車上布置。

混合動力系統混聯式的特點是：各個動力元件因為質量降低以及尺寸減少造成車輛質量整體降低；不過其性能較完善，經濟性好，且動力性能與傳統車輛的水平相近，但因結構復雜自由度多，控制十分困難，導致不適用于叉車上應用。

2.叉車混合動力驅動及能量回收系統工作原理

本文混合動力叉車采用并聯式構型，儲能元件采用超級電容，超級電容具有放電、充電速度快，電流和功率大的特點，能量的轉化率跟回收效率十分高。并且采用電動機在發動機狀態進行回收勢能，提高了叉車的節油率，而不需要增加叉車能量轉換元件。叉車的混合動力驅及能量回收系統結構如圖4所示。

3.動力元件參數設計及建模

本文實例是3T內燃叉車，傳統的內容叉車的發動機為37KW功率，因發動機功率儲備較大，所以能夠滿足發動機輸出功率既要驅動叉車液壓系統又要驅車叉車行走，而在叉車混合動力驅動及能量回收系統中叉車發動機只需驅動液壓泵。由于叉車需要在發動機驅動的模式下工作，因此發動機的額定功率采用滿載舉升。時要求的最大功率。發動機在舉升過程中輸出功率保持基本恒定，最大功率為27.3KW。為保證發動機工作在工作區選擇30KW的發動機功率，額定轉速2660r/min。

針對在低速和起步狀態下，叉車需要在純電動模式下工作，且在貨叉滿載的下降過程中，要求發電機電動機工作能夠在發電機模式回收全部勢能。由于電機低速啟動時需保證較小功率，選擇電動機跟發動機在回收時功率為發電機/電動機額定功率，貨叉在下降時的可回收勢能的功率為：

如圖所示，在4～15s叉車在勻速行駛過程中的電機輸出功率13.5KW；在20～29s叉車在制動過程能量回收功率4.9KW；在29～40s叉車的加速過程中最大功率21.9KW，在41～50s是制動過程中瞬時最大回收功率30KW，參照數據所定額定功率15KW，選擇峰值功率30KW，額定轉速選擇3500r/min永磁同步電機，使得混合動力叉車具有較高行駛速度以及良好動力性能。

另外，針對電機的參數設計，在低速情況下，在發電機模式下，叉車可以在貨叉滿載下降過程中回收全部勢能，由于其功率較小，因此發電/電動機的額定功率為選擇在發電/電動機在能量回收時的功率。對于超級電容的參數設計，需考慮電機的充放電特性和循環壽命的需求以及輸出的能量需求、最大功率需求。對于電機電壓的選擇，由于超級電容電壓波動范圍較廣，且超級電容具有較大的功率密度，因此需考慮能量的需求。

4.發電力矩對能量回收效率的影響

通過建立混合動力交叉系統模型，可知混合動力交叉的能量策略主要是為穩定發動機工作點擊超級電容SOC值。在超級電容電量充足狀態下，低速時，電機提供全部功率，此時發動機處于怠速狀態；當負載功率較大時，電動機可提供動力；當負載功率較小時，發動機以有效功率單獨工作。然而，在超級電容SOC低速狀態下，發動機需滿足負載需求及電動機發電所需功率。通過仿真結果分析，可知發電機制動過程中，超級電容SOC值明顯增加，且能量回收作用明顯，可以達到節能的目的。除此之外，在一個周期中，若超級電容值穩定，則說明參數選擇合理。

針對發電力矩對能量回收效率的影響，通過同步仿真對比，得出在能量回收初期，當電動機加速至與液壓泵相適應的轉速時，不可避免會產生沖擊溢流損失，為減少此類現象的發生，取不同發電力矩時，應提高電動機的勢能回收效率。在叉車混合動力驅動和能量回收系統設計中，應充分考慮貨叉下降時的工作效率、能量回收效率及安全性，以保證貨叉車下降速度的同時，具有較高的回收效率。

5.結語

綜上所述，在叉車混合動力驅動及能量回收系統設計中，需充分考慮電機回收力矩的影響，選擇合適的回收力矩，提高能量回收效率，以達到節能減排的目的。

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