混合動(dòng)力叉車研究現(xiàn)狀與未來(lái)前景

李春林，孫 駿

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著節(jié)能環(huán)保和綠色低碳成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的兩大主旋律，混合動(dòng)力叉車必將成為未來(lái)叉車發(fā)展的方向。

在現(xiàn)代物流產(chǎn)業(yè)中，倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備和物料搬運(yùn)是降低供應(yīng)鏈成本不可或缺的重要工具[1]。而叉車在這供應(yīng)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(nèi)燃叉車、電動(dòng)叉車和混合動(dòng)力叉車（Hybrid Electric Forklift）。

內(nèi)燃叉車以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，功率強(qiáng)勁，使用范圍廣泛，但是排氣和噪聲污染環(huán)境，有害人類健康；

而電動(dòng)叉車具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)廢氣排放、噪聲小等突出優(yōu)點(diǎn)，是室內(nèi)物流搬運(yùn)的首選工具，但其受蓄電池容量限制，功率小，作業(yè)時(shí)間短。就能量密度、壽命、價(jià)格等方面而言，電動(dòng)叉車無(wú)法與傳統(tǒng)的內(nèi)燃叉車相抗衡。

在目前全球石油資源短缺、大氣污染嚴(yán)重的情況下，融合了內(nèi)燃叉車和電動(dòng)叉車優(yōu)點(diǎn)的混合動(dòng)力電動(dòng)叉車，異軍突起，在世界范圍內(nèi)成為了新能源叉車開發(fā)的熱點(diǎn)[2～4]。

1 HEF基本結(jié)構(gòu)及工作原理

混合動(dòng)力叉車，是指裝備有不同的動(dòng)力源的、可根據(jù)叉車的行駛工作需要，同時(shí)或分別使用不同的動(dòng)力源而行駛工作的叉車。與傳統(tǒng)內(nèi)燃叉車的最大區(qū)別，是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，一般至少有兩個(gè)或者兩個(gè)以上動(dòng)力源。根據(jù)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置及組合方式的不同，目前比較常見的有串聯(lián)式與并聯(lián)式2種。

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)機(jī)、工作裝置（叉車的工作裝置包括門架系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)和屬具系統(tǒng)這3個(gè)部分）、驅(qū)動(dòng)橋等組成[5]。

其工作原理如圖1所示。行車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能，通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化后的電能一部分，經(jīng)由電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)裝置驅(qū)動(dòng)車輪，另一部分則可存儲(chǔ)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能，通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化后的電能經(jīng)由電動(dòng)機(jī)和工作裝置舉升貨物，減速或者貨物下降時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)能量的回收，存儲(chǔ)到儲(chǔ)能裝置中。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力叉車原理圖

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能裝置、工作裝置、驅(qū)動(dòng)橋等組成。與串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同，并聯(lián)式采用了發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置。其工作原理如圖2所示。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力叉車原理圖

低速行駛時(shí)，由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；正常行駛時(shí)，使用發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ矗?qū)動(dòng)車輪行駛，根據(jù)工況的要求，部分動(dòng)力分配給電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到蓄電池中。起升貨物時(shí)，根據(jù)實(shí)際的需要，可用發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供舉升所需的動(dòng)力，也可用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合提供舉升所需的動(dòng)力，減速或者貨物下降時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)能量的回收，存儲(chǔ)到儲(chǔ)能裝置中。

2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外混合動(dòng)力叉車發(fā)展概況

混合動(dòng)力技術(shù)在車輛上的應(yīng)用，是現(xiàn)在熱門的話題，物流行業(yè)也將在這一技術(shù)上占有一席之地。在混合動(dòng)力叉車領(lǐng)域，國(guó)外市場(chǎng)已經(jīng)比較成熟。

2009年12月，豐田HYBRID燃料混合動(dòng)力叉車在日本開始銷售。該叉車是世界第一臺(tái)內(nèi)燃式混合動(dòng)力叉車，其應(yīng)用了豐田自動(dòng)織機(jī)與豐田汽車共同開發(fā)的混合動(dòng)力技術(shù)。此款3.5噸HYBRID叉車，是針對(duì)叉車在工作時(shí)前進(jìn)與停止頻率過(guò)多的特點(diǎn)而開發(fā)的，由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、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(shí)，將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)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(guó)際一流叉車制造廠商，也紛紛投入到了混合動(dòng)力叉車的研發(fā)中，并且都成功開發(fā)出了自己的產(chǎn)品，如小松開發(fā)了AE50系列混合動(dòng)力叉車，林德在2008年德國(guó)CeMAT展會(huì)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(guó)內(nèi)混合動(dòng)力叉車發(fā)展概況

中國(guó)對(duì)于混合動(dòng)力叉車的研究起步較晚。

2009年10月26日，在亞洲國(guó)際物流技術(shù)與運(yùn)輸系統(tǒng)展覽會(huì)（CeMAT）上，中國(guó)叉車制造商無(wú)錫開普動(dòng)力機(jī)械有限公司，推出了首臺(tái)混合動(dòng)力叉車。該車擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其主要部件特別是關(guān)鍵零部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)與控制系統(tǒng)）都是完全自主開發(fā)的。該車油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速（最佳節(jié)油點(diǎn)）把機(jī)械能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，電能再利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)叉車，其油耗降低了30%以上，CO2排放減少了30%以上[7]，達(dá)到了節(jié)能、環(huán)保的目的。

近幾年，國(guó)內(nèi)許多叉車廠商也開始對(duì)混合動(dòng)力叉車進(jìn)行研究和開發(fā)，如安徽叉車、山河智能叉車、杭叉等。不僅如此，目前國(guó)內(nèi)也有多所高校，開始投入到了混合動(dòng)力叉車的研究中。

隨著國(guó)家對(duì)新能源車輛的重視，相信，在未來(lái)的幾十年里，國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力叉車的研究將會(huì)取得一定的成績(jī)。

3 混合動(dòng)力叉車的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 參數(shù)匹配技術(shù)

對(duì)于混合動(dòng)力系統(tǒng)而言，參數(shù)匹配主要是指發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率匹配。發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的不同功率配比，對(duì)于整車的節(jié)能效果和成本控制影響很大。

目前，汽車混合動(dòng)力參數(shù)匹配研究，已經(jīng)比較成熟[8]。但國(guó)內(nèi)外對(duì)混合動(dòng)力叉車動(dòng)力系統(tǒng)的研究，暫無(wú)其參數(shù)匹配方面的相關(guān)研究成果發(fā)表。為了降低動(dòng)力系統(tǒng)的裝機(jī)功率和成本，減小系統(tǒng)自身的凈質(zhì)量，達(dá)到較好的節(jié)能效果，在混合動(dòng)力叉車動(dòng)力參數(shù)匹配時(shí)，可按以下技術(shù)路線進(jìn)行：

（1）確定參數(shù)匹配條件。參數(shù)匹配的條件包括叉車混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工況和控制策略。

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

（3）選擇合適的參數(shù)匹配方法。根據(jù)匹配條件和目標(biāo)選擇相應(yīng)的匹配方法，例如對(duì)于并聯(lián)式混合動(dòng)力叉車，可以選擇混合度最優(yōu)的匹配方法；而對(duì)于串聯(lián)式混合動(dòng)力叉車，可以選擇效率最優(yōu)的匹配方法。

3.2 儲(chǔ)能裝置技術(shù)

目前，應(yīng)用于混合動(dòng)力叉車上的儲(chǔ)能裝置，大部分還是蓄電池。已經(jīng)在混合動(dòng)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(dòng)力叉車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也是降低成本和提高整車性能的發(fā)展方向[9]。因此在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，急需對(duì)以下幾方面進(jìn)行攻關(guān)。

（1）叉車工作時(shí)，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(duì)較短，因此，應(yīng)該提高蓄電池的壽命。

（2）比能量相對(duì)不足，因而成本相對(duì)較高；比能量越高，叉車用電能工作時(shí)間越長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)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(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，減少各單體電池之間的不平衡，需要一個(gè)有效的熱管理控制系統(tǒng)。

3.3 電機(jī)技術(shù)

混合動(dòng)力叉車一般包含有兩個(gè)電機(jī)：牽引電機(jī)和舉升電機(jī)。目前可用于混合動(dòng)力叉車的電機(jī)，有交流感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。其中永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量小、損耗小和效率高等優(yōu)點(diǎn)，在混合動(dòng)力叉車上的應(yīng)用具有廣闊的前景[10]。在選用和設(shè)計(jì)牽引/舉升電機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮到以下幾點(diǎn)要求：

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

（2）具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速和較大的調(diào)速范圍，使混合動(dòng)力叉車有較好的啟動(dòng)性能和工作性能。

（3）高效率、低損耗。在混合動(dòng)力叉車減速和貨物下降時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量的回收。

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

（5）具有高的可控性與穩(wěn)態(tài)精度，維修方便。

3.4 電控技術(shù)

電控系統(tǒng)是混合動(dòng)力叉車的核心，其負(fù)責(zé)對(duì)電池管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)舉升系統(tǒng)、再生制動(dòng)系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。

電控技術(shù)，主要包括各總成部件子系統(tǒng)和整車系統(tǒng)的控制策略和控制方法[11]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)越來(lái)越趨于數(shù)字化和智能化，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和專家系統(tǒng)等智能控制技術(shù)，也將逐步應(yīng)用于混合動(dòng)力叉車電控系統(tǒng)中。

因此，在混合動(dòng)力叉車開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，需要對(duì)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做以下幾方面的技術(shù)研究：

（1）優(yōu)化混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量分配；

（2）尋找整車最佳的行駛和舉升模式；

（3）準(zhǔn)確有效地檢測(cè)電池的SOC，制定電池的熱管理和SOC管理；

（4）合理控制及調(diào)整再生制動(dòng)能量；

（5）動(dòng)力保護(hù)系統(tǒng)和整車故障診斷系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

混合動(dòng)力叉車集合了內(nèi)燃叉車和電動(dòng)叉車的優(yōu)勢(shì)，是叉車動(dòng)力系統(tǒng)過(guò)渡和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從目前來(lái)看，在全球范圍內(nèi)，混合動(dòng)力叉車產(chǎn)品和混合動(dòng)力叉車產(chǎn)業(yè)，都已處于成熟期，從國(guó)內(nèi)情況看，混合動(dòng)力叉車尚處于發(fā)展期，仍然需要不斷發(fā)展完善。混合動(dòng)力叉車作為新興的產(chǎn)物，還有很多技術(shù)問(wèn)題需要解決，但是在全世界各大叉車廠商、科研機(jī)構(gòu)和叉車工作者的共同努力下，混合動(dòng)力叉車必將開拓出自己的一片藍(lán)天。

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