混合動(dòng)力叉車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)匹配

摘"要：鑒于傳統(tǒng)叉車排放高、污染嚴(yán)重以及能源利用率低等問題，研究一種節(jié)能環(huán)保的混合動(dòng)力叉車具有重大現(xiàn)實(shí)意義。在分析叉車運(yùn)行工況基礎(chǔ)上，本文提出了一種混合動(dòng)力叉車方案。該方案基于動(dòng)力傳動(dòng)裝置的管理控制策略，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容等系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，包括確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩需求、電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的功率匹配，以及超級(jí)電容的容量計(jì)算，仿真表明該方案能顯著提高整車系統(tǒng)效率，降低油耗和排放，為混合動(dòng)力叉車的開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：叉車；混合動(dòng)力；動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；參數(shù)匹配

叉車作為物流領(lǐng)域的關(guān)鍵搬運(yùn)設(shè)備，對(duì)于減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提升作業(yè)效率具有不可替代的作用，我國(guó)已成為世界第一大叉車產(chǎn)銷國(guó)［1］。以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)叉車普遍存在能耗高、排放污染大的問題，純電動(dòng)叉車又面臨充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)航時(shí)間短等問題，研發(fā)混合動(dòng)力叉車十分必要［2］。針對(duì)叉車的特定運(yùn)行特性，優(yōu)化混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型和動(dòng)力傳動(dòng)裝置參數(shù)，旨在從本質(zhì)上減少能源消耗和排放。該研究不僅關(guān)注混合動(dòng)力叉車的構(gòu)型選擇，還深入探討了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，以提高整體效率，確保各部件參數(shù)與工況相匹配，達(dá)到系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行的目的。這不僅有助于能耗和排放的顯著降低，對(duì)減少叉車成本、降低系統(tǒng)重量也具有重要意義。

1"混合動(dòng)力叉車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型通常分為串聯(lián)型、并聯(lián)型及混聯(lián)型三種形式，本文主要研究串聯(lián)型結(jié)構(gòu)。串聯(lián)型混合動(dòng)力叉車是以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，以超級(jí)電容為備用動(dòng)力，其傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)流程如圖1所示。

由圖1所示的混合動(dòng)力叉車中，電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)力的直接來源，由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量不僅用于傳動(dòng)系統(tǒng)，還要為液壓系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的作業(yè)工作。

2"串聯(lián)式混合動(dòng)力叉車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略選取

混合動(dòng)力叉車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略是整車控制的核心，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高和排放的降低起著舉足輕重的作用。控制策略的選擇主要基于功率需求和電池充電狀態(tài)，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)域。一般有恒溫器控制模式和功率跟隨控制模式兩種基本控制模式。在實(shí)際工況中，叉車根據(jù)輕載、經(jīng)濟(jì)載和重載的不同需求，采取相應(yīng)的工作模式，輕載時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)存盈余電能，經(jīng)濟(jì)載時(shí)能源利用率最高，而重載時(shí)則需要有效管理能量以避免發(fā)動(dòng)機(jī)積碳和故障，實(shí)現(xiàn)整車系統(tǒng)效率的最大化。

3"串聯(lián)式混合動(dòng)力叉車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力叉車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、超級(jí)電容、電動(dòng)機(jī)等部件，各個(gè)部件的參數(shù)在相互配合、相互約束中進(jìn)行能量傳遞。在對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各元件進(jìn)行參數(shù)匹配時(shí)，要以動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能要求為參考，設(shè)定混合動(dòng)力叉車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，并進(jìn)行合理的參數(shù)匹配［3］。下文將以某3噸叉車原參數(shù)為基礎(chǔ)（見表1）對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的主要部件進(jìn)行參數(shù)匹配。

3.1"發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

叉車的主要工況包括空載行駛、起升叉貨、載貨起升、滿載下降、滿載行駛等。混合動(dòng)力叉車所選取的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提供的動(dòng)力不僅要滿足動(dòng)力性需求，更要滿足其在各種復(fù)雜和極端工況下的作業(yè)需要。

3.1.1"系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

叉車驅(qū)動(dòng)力F1：

F1=Tmi1i2i3η1η2η3η4r（1）

式（1）中，Tm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；r為車輪半徑；η1為傳動(dòng)軸傳動(dòng)效率；η2為變速器擋位傳動(dòng)效率；η3為差速器傳動(dòng)效率；η4為主減速器傳動(dòng)效率；i1為變速器傳動(dòng)比；i2為主減速器傳動(dòng)比；i3為差速器傳動(dòng)比。

滾動(dòng)阻力為叉車滿載的情況下，車輪與地面摩擦產(chǎn)生的阻力F2：

F2=mgfcosα（2）

式（2）中，m為叉車質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為道路坡度。

坡道阻力為叉車在作業(yè)或行駛時(shí)，產(chǎn)生的沿坡度斜向下的摩擦力F3：

F3=mgsinα（3）

空氣阻力F4的計(jì)算方式為：

F4=12CDAρσu2a（4）

式（4）中，CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ρσ為空氣密度；ua為車速。

加速阻力F5計(jì)算方式如下：

F5=δmdudt（5）

式（5）中，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性系數(shù)，通常在1.1～1.4。

根據(jù)叉車行駛動(dòng)力學(xué)平衡方程得到：

F1=F2+F3+F4+F5（6）

將式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）代入式（6），可得：

Tmi1i2i3η1η2η3η4r=mg（fcosα+sinα）+12CDAρσu2a+δmdudt（7）

3.1.2"發(fā)動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算

以所選用的叉車對(duì)其重載上坡時(shí)功率進(jìn)行分析，得到：

Vmin=60πDn1000i1i2（8）

Pe=G+Q（fcosα+sinα）Vmin270ηm（9）

式（8）和式（9）中：Vmin為上坡速度；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；G為重量；Q為額定起重重量；ηm為總傳動(dòng)效率，取0.86；傳動(dòng)比i1i2取42.226，滾動(dòng)阻力系數(shù)f取0.025。把式（8）代入式（9）得到：

Pe=（G+Q）（fcosα+sinα）60πDn270ηm·1000i1i2=30.26kW（10）

3.2"電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配

在實(shí)際應(yīng)用中，直流電機(jī)在混合動(dòng)力系統(tǒng)上的應(yīng)用遠(yuǎn)不及交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普遍［4］。永磁同步電機(jī)因具有高性能、控制精度高等特點(diǎn)，相較于其他類型電機(jī)更為突出，本文將采用永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)主要用來驅(qū)動(dòng)行駛系統(tǒng)，因此只需根據(jù)行走系統(tǒng)所需功率進(jìn)行計(jì)算。

Pm=f0（G+Q）Vmax270ηm（11）

式（11）中，Vmax是最大行駛速度；f0取0.03，Pm=1376kW。

結(jié)合市場(chǎng)上同類型混合動(dòng)力車輛，Pm取值范圍一般在15～25kW。經(jīng)市場(chǎng)比選，這里選用功率20kW的電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)所需功率：

Pg=Pmηg=∫T0F1v13600η1ηmηgdtT（12）

查閱資料ηg取0.9，Pg=15.28kW。

電動(dòng)機(jī)在滿足裝載機(jī)動(dòng)力性能的前提下，盡可能地選擇功率較小的電動(dòng)機(jī)。根據(jù)上文的參數(shù)匹配方法對(duì)其部分參數(shù)進(jìn)行一定的修改，設(shè)定額定功率20kW，使之具有很強(qiáng)的過載能力，并將電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一定的改動(dòng)之后，得到額定轉(zhuǎn)矩500N·m、額定電壓340V、額定轉(zhuǎn)速2400prm。同時(shí)，發(fā)電機(jī)可選擇功率為20kW、額定電壓為400V。

3.3"超級(jí)電容參數(shù)匹配

作為混合動(dòng)力系統(tǒng)的被動(dòng)元件，超級(jí)電容經(jīng)過其電極間的電解質(zhì)極化實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)備［5］。超級(jí)電容電能來源于發(fā)電機(jī)組，并放電輔助發(fā)動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其容量計(jì)算為：

C=2EmaxU2max-U2min（13）

由于發(fā)電機(jī)額定電壓為400V，發(fā)電機(jī)在發(fā)電過程中存在電壓波動(dòng)。因此，超級(jí)電容能量變化最大約為270kJ，C=18.12F，超級(jí)電容單體電壓一般不超過3V，根據(jù)一般電容模塊規(guī)格，初選電壓為400V。根據(jù)參數(shù)匹配結(jié)果，可選用由9個(gè)電容模塊單體串聯(lián)而成的超級(jí)電容，每個(gè)模塊電壓為48V，串聯(lián)之后電壓為432V，電容量18.3F。查閱相關(guān)數(shù)據(jù)可知，等效內(nèi)阻Rs為46.8mΩ，直流狀態(tài)下為56.7mΩ。

根據(jù)電容的定義得到：

C=Idtdv（14）

一般采用標(biāo)定公式：

C=Q0Umax=Q1Umax（15）

Emax=12CU2max－12CU2min（16）

式（15）和式（16）中：Umax為超級(jí)電容工作電壓的上限值；Q0、Q1分別為超級(jí)電容充滿電時(shí)的電量和放完電釋放的電量；Emax為超級(jí)電容最大能量；Umin為超級(jí)電容工作電壓的下限值；U為實(shí)際工作電壓。另外，SOC主要定義了超級(jí)電容的重要控制參數(shù)——充放電深度，其定義為：

SOC=U－UminUmax－Umin（17）

3.4"變速器參數(shù)匹配

變速器是使混合動(dòng)力系統(tǒng)滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的重要元件，其參數(shù)匹配設(shè)計(jì)的原則是［6］：（1）滿足最高車速要求；（2）盡量使電動(dòng)機(jī)位于高效率區(qū)工作。

根據(jù)實(shí)際需求，選取參數(shù)如下：最高車速20km/h，總傳動(dòng)比為21.38，額定轉(zhuǎn)速為1700r/min，車輪直徑為0.65m。據(jù)此計(jì)算其變速器變速比為：

ig=2πn60i0vr（18）

ig1=Qi0Tmr（19）

式（18）和式（19）中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；r為車輪半徑；i0為總傳動(dòng)比；v為車速；Tm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。經(jīng)計(jì)算，變速器設(shè)置應(yīng)該根據(jù)其工作狀態(tài)進(jìn)行擋位設(shè)定，其中工作擋位傳動(dòng)比為4.8，行駛擋位傳動(dòng)比為1.58。

4"傳統(tǒng)叉車與混合動(dòng)力叉車仿真結(jié)果對(duì)比

本文研究的混合動(dòng)力叉車無外接電源，因此其超級(jí)電容內(nèi)的電能來源于發(fā)動(dòng)機(jī)在叉車低功耗時(shí)產(chǎn)生的盈余能源，故有必要對(duì)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下進(jìn)行能量消耗對(duì)比分析，以驗(yàn)證混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是否具有經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)上文已有數(shù)據(jù)，當(dāng)傳統(tǒng)叉車和混合動(dòng)力叉車進(jìn)行作業(yè)工況時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行MATLAB仿真分析，分別如圖2和圖3所示。同時(shí)，對(duì)比分析傳統(tǒng)動(dòng)力叉車和混合動(dòng)力叉車滿載時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗情況，分別如圖4和圖5所示。

對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力叉車和混合動(dòng)力叉車作業(yè)下發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行對(duì)比分析，可以明顯發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)動(dòng)力叉車業(yè)下發(fā)動(dòng)機(jī)的功率波動(dòng)比較大，混合動(dòng)力叉車作業(yè)下發(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，故其功率變化較為穩(wěn)定。同時(shí)，根據(jù)圖4和圖5可以看出混合動(dòng)力叉車在不同工況下，相比于傳統(tǒng)動(dòng)力叉車具有更低的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和更穩(wěn)定的功率輸出，并在重載、啟動(dòng)、爬坡等高能耗工況下補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，從而降低了油耗并提高了能源綜合利用率，驗(yàn)證了所提出的混合動(dòng)力叉車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案的有效性。

結(jié)論

本文通過對(duì)叉車運(yùn)行環(huán)境的分析，對(duì)串聯(lián)型混合動(dòng)力叉車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、超級(jí)電容等核心部件的選型與參數(shù)匹配，仿真表明混合動(dòng)力叉車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案相比傳統(tǒng)叉車在功率利用和能耗方面均有較好表現(xiàn)。

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基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科研計(jì)劃青年人才項(xiàng)目（Q20162601）

作者簡(jiǎn)介：劉靜（1981—"），男，漢族，湖北鐘祥人，博士研究生，副教授，研究方向：數(shù)智物流技術(shù)與裝備。