混合動力叉車研究現狀與未來前景

戴立明　王正

摘 要：本文對混合動力叉車的現狀和發展進行了分析，重點闡述了混合動力叉車的基本結構和工作原理、國內外研究現狀以及研究開發中的先進技術應用。通過對混合動力叉車參數的匹配、儲能裝置、電機以及控制系統等關鍵技術的分析，對混合動力叉車的整體優勢和發展方向提出了見解?；旌蟿恿Σ孳囋诩夹g發展和控制監測方面還有較大的發展空間，混合動力叉車還會繼續向節能環保方向進一步發展。

關鍵詞：混合動力；叉車；儲能；電機

中圖分類號：TP71.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0087-02

1 基本結構及工作原理

混合動力叉車，是指可以使用多種動力能源，可根據搬運重量和路程的需要以及各種能源余量，來判斷和選擇需要的動力能源的叉車。與傳統的單一動力源叉車相比的最大優勢就是配備了多個動力源，動力源的使用組合方式一般采用并聯和串聯兩種模式。

1.1 串聯動力模式

串聯動力模式的混合動力叉車的組成結構包括驅動橋、發動機、起升電機、牽引電機、電瓶、發電機、主車架等。

工作原理如圖1所示。先由燃油動力驅動發動機，發動機帶動發電機工作，發電機產生的電能，其中一部分電能通過逆變器進入儲能裝置備用，另一部分用于驅動牽引電機帶動傳動系統，用于叉車的行駛；還用一部分電能用于驅動起升電機，用于貨物的搬運，貨物起升是電能轉換為勢能，當起升減速或下降過程中勢能轉換為電能回收在儲能裝置里。當發動機熄火，發電機停止能量供應時，儲能裝置的電能仍然能為動力系統和舉升系統提供電能。

1.2 并聯動力模式

并聯動力模式的混合動力叉車的構成結構包括驅動橋、儲能裝置、變速器、起升電機、牽引電機、工作裝置、液壓系統、車架等。與串聯模式的不同之處在于，并聯模式是電動機和發動機的動力系統分別獨立工作，用來驅動車輪和工作裝置，工作原理如圖2所示[2]。當叉車處于低速行駛狀態，動力可由電動機單獨提供；正常速度行駛狀態，裝換為發動機提供動力，根據不同的工作情況需求，把剩余能量給牽引電機和起升電機，并轉換為電能進行儲存。貨物舉升也可以由發動機單獨驅動，也能用電動機和發動機混合驅動。當起升減速或下降過程中勢能轉換為電能回收在儲能裝置里。

2 國內外研究現狀

2.1 國外混合動力叉車發展現狀

叉車混合動力應用已經逐漸形成成熟技術，在采礦工業中得到了廣泛使用。在國外市場發展較早，2009年日本豐田公司研發的世界第一臺混合動力叉車進入銷售市場，是由豐田汽車和豐田自動織機兩家分公司的技術結合進行開發的。這款叉車重3.5噸，是考慮到叉車的高頻率前進、停止、后退的特點進行研發的，由電機、電池組、發動機等結構組成，此叉車的工作輸出功率與一般的3.5噸叉車并無差異，但其通過組合動力輸出后，尾氣排量和燃油量是普通叉車的一半，甚至更低。既豐田公司之后，小松、林德、三菱等先進的叉車生產公司也開始了新型混合動力叉車的研發，也相繼生產出了自己的產品，小松公司研制出了AE50系列，林德研制出了Hybrid叉車，三菱公司也完成了GRENDiA EX系列叉車的開發[3]。

2.2 國內混合動力叉車發展現狀

我國對混合動力叉車的研制稍晚于國際市場。無錫開普動力機械有限公司是國內第一家生產混合動力叉車的單位，在2009年的亞洲礦山機械博覽會上展出了國內第一臺混合動力叉車。該車完全是由開普動力機械有限公司自主研發的，包括發電機、發動機、電機以及控制系統和液壓系統。該車采用的是油電動力混合工作模式，利用了發動機的一些特殊性能，找出發動機的最佳節油點時的最佳轉速下，大大提高了機械能轉換電能的轉換效率，這樣將增加電能的使用比例，其能耗降低了35%以上，相應的尾氣排放也降低35%，所以更加的節能環保。隨著機械行業的不斷進步和蓄能行業的快速發展，國內的許多叉車制造公司也研制出了各種混合動力叉車，包括山河智能、諾力叉車、安徽叉車、唯力機械、杭叉等。隨著國家對能源與環保的重視，許多高校和科研單位也大力投入了混合動力叉車的進一步研發工作，并取得了可觀的成績。

3 關鍵技術

3.1 參數的匹配

混合動力叉車的參數匹配主要表現在各種能源動力功率之間的匹配和使用比例關系，尤其是電動機和發動機的功率使用比例匹配不同，給車輛的節能效果和制造成本都有很大的影響。現在混合動力叉車的功率使用匹配已經有成熟的技術方案，但國內外在混合動力叉車匹配的研究中進行發表的相關成果較少。以降低叉車的額定功率和制造成本、減少叉車自重、節省更多的燃料和排放為目標，本文提出了以下關于混合動力叉車參數匹配的技術方案：

（1）首先確定參數匹配的基本條件?；旌蟿恿Σ孳嚨膮灯ヅ浠緱l件包括動力的組合模式、控制方式以及使用工況[4]。（2）確定參數匹配所要實現的技術目標。其技術目標包括以下幾個方面：實現各種動力的性能要求；在一般的使用條件下，使車輛到達最佳的燃油狀態，減少燃油消耗；實現合理的動力匹配結構，提升動力系統的性能，降低動力系統的設計成本。

3.2 儲能裝置的研制

目前，世界范圍內的儲能裝置一般都在使用蓄電池，混合動力叉車上使用的蓄電池主要是鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池。蓄電池的儲能能力是發展混合動力叉車的關鍵性因素，這也是能夠提高車輛環保性能和降低成本的唯一途徑。本問提出從以下幾個方面對儲能裝置進行技術攻關：

（1）提升蓄電池的壽命。叉車在使用過程中，要提升和下放貨物的頻率很高，所以蓄電池要不停的充電、放電。而蓄電池一般就只能可以充放電一萬次左右，而使用率較高的叉車每天的使用頻率至少也要幾十次，因此蓄電池的充放電壽命，嚴重影響了混合動力叉車的研發，急需進一步提高[5]。（2）比能量相對不足。因而需要更多的電池組增加儲能量，造成更高的成本；比能量越高，叉車用電能工作時間越長，環保性能就會更好。

3.3 電機技術

叉車的行駛和貨物的搬運，動力都來自電機，所以叉車需要一個牽引電機和一個舉升電機。有多種電機可以應用到混合動力叉車上，有步進電機、永磁電機、變頻電機等。其中永磁電機具有體積小、壽命長、功耗小、可靠性高的優點，適用于在叉車上使用。本文在電機的選用和設計上提出以下幾點建議：

（1）使用額定電壓較高的電機。在發電和蓄電系統能夠滿足的情況下，盡量使用電壓較高的電機，高電壓的電機的體積較小，可以節省空間、降低成本。（2）要有平穩的啟動性能和較大的調速范圍。減少啟動沖擊和工作沖擊，可提高機械零部件和蓄電池的壽命。（3）能夠反向充電，降損耗、提效率。在叉車減速或降低貨物高度時，能夠實現反向充電，更好的利用能量轉換，降低油耗，增加電能利用率。

3.4 控制系統的設計

控制系統是混合動力叉車的核心，不僅可以對叉車的行駛、裝載貨物進行控制，同時可以管理電池組的通斷、電動機與發動機的輸出轉換以及其他輔助系統的監控和管理?？刂葡到y包括控制器、被控原件和軟件的開發設計。隨著電控技術和信息技術的發展，叉車的控制系統向智能化、數字化發展，神經網絡、人機工程、最短路徑、最小成數等自動控制技術，在混合叉車控制技術中得到應用和發展。本文在叉車控制系統技術研究提出以下幾個方面：

（1）控制動力系統的能量分配；（2）合理控制行駛和裝載模式；（3）準確的控制儲能系統的散熱；（4）合理利用電能的反沖。

4 結語

燃油叉車的污染與耗能，電力叉車的動力不足與使用不便，而設計了節能環保動力充足的混合動力叉車，混合動力叉車的發展與成熟，在環保創新方面與普通叉車相比有著明顯的優勢，但其性能匹配、儲能系統、系統結構和控制方式還存在著較大的拓展空間。通過全世界叉車科研人員的不斷研發與創新，混合動力叉車還會繼續向著節能與環保的新方向發展。

參考文獻

[1]龔俊，何清華，張大慶，張云龍，劉昌盛，唐中勇.混合動力叉車節能效果評價及能量回收系統試驗[J].吉林大學學報（工學版），2014，44（01）：29-34.

[2]楊斌.中國叉車后市場的現狀及發展趨勢[J].叉車技術，2014，（04）：1-5.

[3]夏光，陳無畏，趙林峰，汪韶杰. 平衡重式叉車底盤小波網絡動態逆內?？刂芠J].機械工程學報，2015，51（18）：126-135.