電動重型叉車工況自識別勢能回收控制系統

黃素德，陳海斌，任好玲，林添良

(1.廈門城市職業學院 機械與自動化工程系，福建 廈門 361008；2.華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021)

引言

重型叉車是港口、碼頭、車站等物流運輸中心的重要作業工具，頻繁處于舉升、下降、起動和制動等工況。目前，由于能源危機和環境保護，這些場所逐漸取消燃油車，開始推廣使用純電驅動型叉車。與小型叉車相比，重型叉車負載大，具有的可回收勢能多，對這部分能量加以回收和再利用有利于提高整機的能量利用率。傳統的工程機械基本上是基于發動機功率匹配節能技術以降低燃油消耗，但發動機的功率匹配是以額定負載為基準進行的，在小負載下的匹配性很差，因此存在一定的局限性[1-4]。在新能源節能技術方面，混合動力節能技術雖然能夠節省30%～50%的燃油和降低15%～30%的污染物排放，但無法根本上實現零排放，發展受到一定限制[5-6]。與傳統的內燃機相比，電機除具有高達85%以上的工作效率外，還具有較好的調速性能，因此，電動工程機械的流量匹配一般通過定排量變轉速的方式來獲得較低的能耗。且純電驅動工程機械具有零排放、智能化程度高、噪聲低和使用成本低等優點，逐漸成為工程機械行業的發展趨勢[7-8]。

目前，對叉車勢能回收的典型代表是芬蘭的MINAV T A等[9-14]將工業用電機及其驅動控制器應用在叉車液壓系統進行勢能回收，使大型機械的能量利用率提高了10%；采用永磁同步電機的泵控系統而不是閥控系統，系統效率最高提升達20%，勢能回收效率達66%；另外，也分析了不同的電機類型和儲能元件對能量回收效率的影響。ANDERSEN T O等[15]提出了一種采用蓄電池的電動叉車動力系統，實測該系統的勢能回收效率在40%左右，高速模式下的回收效率遠高于低速模式；江明輝等[16]將電氣式能量回收方案應用于叉車舉升系統，實測該系統的回收效率約為20%；武葉等[17]分別以超級電容、蓄能器為儲能單元，通過仿真分析了滿載、半載和空載3種工況下的節能率分別為34.2%，22.6%和13.2%，該方案能較好地實現能量回收；單玉爽[18]實測發現，從2.7 m高處下放1 t負載可獲得30%以上的回收效率。

目前，常用的勢能回收方式有液壓式和電氣式。液壓式一般采用液壓蓄能器[19]，但由于液壓蓄能器的壓力隨回收過程逐漸升高，易影響系統的操控性；電氣式回收方式，一般采用單個液壓馬達+發電機的組合來實現勢能回收，適應于負載變化范圍較小的場合[20]；而重型叉車的負載變化范圍大，單個液壓馬達+發電機難以兼顧輕載和重載時均具有較高的效率，尤其是重載時的回收效率極低。

為解決重型叉車難以兼顧大范圍變動負載均具有較高效率的問題，本研究根據負載工況自動選擇采用單一液壓馬達發電機或雙液壓馬達發電機來進行勢能回收的系統，分析了能量回收系統處于不同工作模式的決策規則和控制策略，并通過仿真和試驗對其可行性、節能性進行研究。

1 勢能回收系統工作原理

1.1 工作原理

圖1為所提出的勢能回收系統工作原理，包括2套小排量的液壓馬達發電機。當系統檢測到手柄給出舉升信號時，電磁鐵b1通電，電機控制器MCU按照整機運行指令控制電動機驅動液壓泵為舉升油缸供油使其上升；當系統檢測到操作手柄發出下降信號時，系統根據手柄信號、電池當前剩余電量(SOC)及無桿腔壓力做出工作模式判斷，在節流、單液壓馬達發電機勢能回收和雙液壓馬達發電機勢能回收等3種模式中進行選擇。該系統具有以下特點：

(1) 當舉升油缸下降速度較慢時，此時目標流量較小，可回收的功率也較小，與大排量液壓馬達系統相比，該系統采用單個小排量液壓馬達發電機(單電機)，可以使液壓馬達獲得較高的轉速，使勢能回收單元工作于高效區以提高回收效率；

1、2.發電機 3.電動機 a1、b1、c1.電磁鐵圖1 勢能回收系統工作原理

(2) 當舉升油缸下降速度較快時，此時目標流量較大，采用雙液壓馬達發電機(雙電機)模式回收，通過一定的控制策略和優化算法，保證回收效率處于最優以提高回收效率。

1.2 控制策略

圖2為所提出的勢能回收控制流程。其中，p3為下降過程中舉升油缸無桿腔工作壓力；pmin為進行勢能回收時無桿腔最小壓力；Smax為進行勢能回收時的SOC最大值；Yp為手柄開度；Ymin為最小手柄開度；Ys為從單電機切換至雙電機時的手柄開度；Ymax為最大手柄開度。

圖2 勢能回收控制流程圖

節流模式，與內燃式叉車的下降過程相似，通過控制操作手柄來對下降的速度進行控制。

勢能回收模式，通過控制勢能回收單元的轉速對下降的速度進行控制。當手柄開度較小時，目標下降速度較小，流量較小，系統處于單電機模式，整機控制器根據手柄信號來控制發電機1轉速和電磁鐵a1的通電狀態，對下降速度進行控制；手柄的開度越大要求下降速度越快，此時單電機模式不能滿足要求，應切換至雙電機模式，即通過控制2個發電機的轉速和電磁鐵a1，b1和c1狀態，對下降速度進行控制；隨著貨叉接近地面，下降速度應減小為停止做準備，此時應切換至單電機模式；當手柄回到中位，停止工作，過程中電機轉速n與手柄信號Yp如圖 3所示。

圖3 電機轉速與手柄信號的變化關系

根據上述控制流程，其控制策略如下：

(1) 當舉升油缸無桿腔壓力滿足p3

(2) 當舉升油缸無桿腔壓力滿足p3≥pmin且電池SOC滿足SOC

(3) 當舉升油缸無桿腔壓力滿足p3≥pmin且電池SOC滿足SOC

2 仿真研究

為進一步驗證所提出的勢能回收方案及工作模式切換規則的可行性，搭建了如圖4所示的AMESim勢能回收仿真模型。

圖4 勢能回收仿真模型

2.1 模式切換特性

貨叉速度v與無桿腔壓力p3變化曲線如圖5所示，0～15 s，處于舉升階段，壓力和速度曲線較為平穩，表明叉車整體工作穩定；15～30 s，處于下降階段，無桿腔壓力出現小范圍波動，主要是由于控制閥的閥芯突然打開。整個下降過程中，貨叉下降速度的波動率為4.27%，無桿腔壓力的平均波動率為1.25%，均在可接受范圍內。

圖5 下降速度與壓力變化曲線

增加了勢能回收單元后對操控性的影響可以通過勢能回收單元的轉速n和壓力p進行綜合判斷，僅考慮15～30 s時的下降階段，如圖6所示。2個液壓馬達發電機按照所提出的控制策略分階段起動運行，其中，1號液壓馬達的入口壓力在下降階段比舉升階段略低，2號液壓馬達發電機起動；1號和2號馬達的入口壓力變化趨勢相同，但2號馬達的入口壓力略低，這是由于2號液壓馬達前的電磁換向閥所帶來的壓力損耗引起的，與實際情況相符。第15秒和第27秒分別是系統單電機模式與雙電機模式的切換點，切換點的壓力、速度均無明顯波動，證明所提出的模式判別及控制策略是可行的。

圖6 2個液壓馬達入口壓力與轉速對比曲線

2.2 不同控制模式對比

建立了節流、單電機和雙電機等不同控制模式時的仿真模型，對比三者對叉車操控性能的影響。為便于比較，使叉車在3種模式下的運動曲線基本保持一致，如圖7所示的油缸位移s曲線。

圖7 不同模式下貨叉位移對比曲線

圖8和圖 9分別是節流、單電機和雙電機情況下的貨叉下降速度和舉升油缸無桿腔壓力的對比曲線。在下降過程中，3種模式下貨叉速度的波動幅度均在3.7%以內，雙電機模式下的波動幅度最大，為8.96 mm/s；無桿腔壓力的波動率均在0.9%以內，雙電機模式下的波動幅值最大，為0.175 MPa，但波動對操控性的影響較小，可忽略。

圖8 貨叉速度在不同模式下的對比曲線

圖9 無桿腔壓力在不同模式下的對比曲線

3 試驗研究

3.1 試驗方案

為了驗證和分析所提出的勢能回收系統的實際應用效果，按照圖10所示的測試原理圖對重型叉車整機系統進行了搭建。試驗所采用的動力電池為磷酸鐵鋰電池，油缸下降速度由電機控制器驅動液壓馬達-發電機單元進行控制。

1、2.發電機 3.電動機 a1、b1、c1.電磁鐵圖10 測試原理圖

3.2 試驗分析

所提出的勢能回收系統在整機上的上機試驗主要用于驗證勢能的回收效果，試驗現場及試驗整機如圖11所示。

圖11 試驗現場照片

1) 試驗工作模式研究

圖12是SOC和無桿腔壓力的實測曲線，實測結果顯示電池的SOC保持為70.0%，無桿腔壓力在14.2 MPa上下波動，根據上述工作模式判斷規則，應處于勢能回收模式。

圖12 SOC和無桿腔壓力測試曲線

在舉升油缸下降過程中，2個電機的轉速和手柄信號如圖13所示。根據勢能回收控制策略，系統依次進行停機、單電機、雙電機、單電機和停機過程，電機的轉速也隨手柄信號相應增加，這說明測試系統能夠按照所預定的工作模式進行工作，即所提出的工作模式判別規則和控制策略是可行的。

圖13 電機轉速與手柄信號關系

2) 能量回收效率

為深入討論重型叉車勢能回收的影響因素，主要包括負載質量和下降速度2個參數。

當負載分別為3, 5, 9, 16, 25 t時，發電機輸出的發電電流I與負載的關系曲線如圖14所示?？梢钥闯?，隨著負載從3 t增加到25 t，母線上的電流從7.2 A 增加到39.2 A，說明回收的勢能逐漸增多。

圖14 發電電流與負載關系曲線

圖15是回收效率η與負載m關系曲線，當負載較小，在9 t以下時，回收效率增加較快；當負載大于9 t后，回收效率增加幅度略有減緩，與負載基本呈線性；當負載為3 t時，系統回收效率為50%左右；而當負載為25 t時，系統回收效率接近74%；這也說明勢能回收系統適合重載工況，小負載工況不是最佳回收工況。

圖15 回收效率與負載關系曲線

為研究貨叉下降速度對勢能回收效率的影響，使16 t負載從距離地面2000～200 mm 的運動范圍內以不同的速度下降，測試結果如圖16所示。從圖看出，當速度小于83.6 mm/s時，此時是單液壓馬達發電機勢能回收的工作區間；系統的回收效率隨下降速度的增大而提高，主要是因為此時單液壓馬達發電機在較高轉速下具有較高的效率，系統整體的損耗減小，系統的回收效率可達74.38%；當速度大于83.6 mm/s時，系統從單液壓馬達發電機模式進入雙液壓馬達發電機模式，電機的轉速和效率均隨著下降速度增大而增大，但液壓馬達容積效率隨著下降速度增大而減小，且影響較大，故勢能回收系統的總損耗增大，勢能回收效率開始逐步減小，但整體回收效率維持在60%以上。

圖16 貨叉下降速度對回收效率的影響

4 結論

(1) 針對重型叉車存在較多重力勢能且負載變化范圍大等特點，提出一種基于雙液壓馬達發電機的勢能回收系統，可根據工況判斷處于單液壓馬達發電機或雙液壓馬達發電機勢能回收工作模式；

(2) 試驗和仿真結果均證明，所提出的工作模式決策規則和控制策略是可行的，系統能很好地在兩種勢能回收模式之間切換；

(3) 所提出的勢能回收在大負載工況下具有較高的回收效率，滿載情況下可達74%，在不同貨叉下降速度下，均可保持60%以上的回收效率。