國內(nèi)叉車油電混合動力研究

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200062

0 引言

近年，隨著機動車排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，道路移動源排放呈逐年下降趨勢，但是非道路移動機械的排放占比逐年上升。叉車作為一類量大面廣的非道路移動機械，廣泛應(yīng)用于港口、碼頭、機場、倉庫以及物流運輸企業(yè)等部門，用于實現(xiàn)機械化裝卸、堆垛和短距離運輸，是物流系統(tǒng)不可缺少的機械設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，近5 年我國叉車銷量增長一直在兩位數(shù)以上，保有量已位居工程機械首位，總量超過200 萬臺，其中70%以上為內(nèi)燃叉車。

叉車在工作周期內(nèi)重復(fù)進(jìn)行帶載舉升或帶載下放，頻繁進(jìn)行啟動、制動和換向，經(jīng)常需要爬坡和下坡，不同工況所需的功率差別很大，實際工況分布在一個較大的范圍。但為了滿足叉車作業(yè)的功率要求，其動力系統(tǒng)一般按額定工況設(shè)計，發(fā)動機按最大功率要求選取，而實際工況的大范圍波動，動力系統(tǒng)的匹配性不理想，往往使得發(fā)動機無法長時間工作在高效區(qū)，造成極大的能量損耗，導(dǎo)致油耗高和排放高。據(jù)測算，內(nèi)燃叉車尾氣排放可達(dá)國Ⅵ汽車的20～40 倍。隨著叉車使用量的快速增長，其大氣污染物的排放對城市區(qū)域空氣狀況的影響將日益突出，故許多城市劃定了高排放非道路移動機械禁止使用區(qū)。我國于2018 年發(fā)布的《非道路移動機械污染防治技術(shù)政策》鼓勵混合動力等新能源技術(shù)在非道路移動機械上的應(yīng)用?；旌蟿恿ο到y(tǒng)通過引入輔助動力源，降低負(fù)載波動對發(fā)動機的影響，改善發(fā)動機工作條件，達(dá)到節(jié)能減排目的。

1 混合動力技術(shù)

混合動力系統(tǒng)是指兩種或以上類型的動力源裝置，通過一定的動力耦合方式，為設(shè)備提供動力的系統(tǒng)。當(dāng)前所講的混合動力系統(tǒng)多指汽（柴）油發(fā)動機和電機（電動機和/或發(fā)電機）的油電混合系統(tǒng)。根據(jù)動力源的結(jié)構(gòu)特點和復(fù)合模式，油電混合動力系統(tǒng)可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種類型。

從上世紀(jì)末開始，混合動力技術(shù)開始應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，最具代表性的當(dāng)屬豐田公司Prius 汽車采用的THS（Toyota Hybrid System）系統(tǒng)。以2003 年日立建機制造世界上第一臺混合動力驅(qū)動的輪式裝載機為標(biāo)志，開啟了混合動力技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用。隨后混合動力技術(shù)逐漸應(yīng)用到液壓挖掘機、起重機和叉車等領(lǐng)域。國內(nèi)的浙江大學(xué)[1，2]、中南大學(xué)[3-5]、合肥工業(yè)大學(xué)[6-9]等高校，以及中聯(lián)重科[10-12]、三一重工[13，14]、無錫開普動力[15]、安徽合力[16]等整機廠商也相繼開展了叉車等工程機械混合動力相關(guān)研究和應(yīng)用。

2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)（見圖1）由發(fā)動機和兼具電動和發(fā)電功能的電機通過機械耦合作為動力，以發(fā)動機為主，電機為輔。當(dāng)發(fā)動機動力不足時，電機為電動機狀態(tài)，提供輔助驅(qū)動；當(dāng)發(fā)動機動力過剩時，電機為發(fā)電狀態(tài)，吸收發(fā)動機多余能量。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的目的是利用電機以動力耦合方式吸收負(fù)載波動，實現(xiàn)削峰填谷功能，改善發(fā)動機的工作特性。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)電動機的功率較小，傳動環(huán)節(jié)少，效率較高。缺點是動力耦合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受負(fù)載動態(tài)影響大，控制復(fù)雜。

圖1 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，并聯(lián)混合動力系統(tǒng)又可分為雙軸式和單軸式。雙軸式系統(tǒng)中發(fā)動機和電動機的傳動軸分別設(shè)置，且一般是平行布置。單軸式系統(tǒng)中發(fā)動機和電動機的傳動軸是共用的。

根據(jù)動力復(fù)合模式，并聯(lián)混合動力系統(tǒng)又可分為轉(zhuǎn)矩耦合式和轉(zhuǎn)速耦合式。轉(zhuǎn)矩耦合式系統(tǒng)中發(fā)動機和電動機轉(zhuǎn)矩相互獨立，輸出轉(zhuǎn)矩等于兩者轉(zhuǎn)矩之和。轉(zhuǎn)速耦合式系統(tǒng)中發(fā)動機和電動機轉(zhuǎn)速相互獨立，輸出轉(zhuǎn)速等于兩者轉(zhuǎn)速之和。

中南大學(xué)以3 t 內(nèi)燃叉車為原型，設(shè)計了一種并聯(lián)式混合動力叉車的驅(qū)動與能量回收系統(tǒng)[17]，如圖2 所示。該系統(tǒng)主要包括額定功率37 kW 柴油發(fā)動機、額定功率15 kW 電動/發(fā)電機、容量165 F 超級電容和額定功率30 kW 行走電機。其控制策略為：首先根據(jù)發(fā)動機、電動/發(fā)電機、超級電容參數(shù)和實際工況確定功率上限值與功率下限值。當(dāng)所需功率高于功率上限值時，發(fā)動機動力不足，電動/發(fā)電機工作在電動模式為系統(tǒng)提供動力，超級電容放電；當(dāng)所需功率低于功率下限值時，發(fā)動機動力過剩，電動/發(fā)電機工作在發(fā)電模式吸收系統(tǒng)多余能量，超級電容充電；當(dāng)所需功率處于功率上限值與功率下限值之間時，發(fā)動機工作在高效區(qū)，電動/發(fā)電機不工作。仿真與試驗結(jié)果表明：在叉車標(biāo)準(zhǔn)工況下，混合動力叉車能實現(xiàn)20.8%的綜合節(jié)能效果。

圖2 一種并聯(lián)式混合動力叉車的驅(qū)動與能量回收系統(tǒng)

山東理工大學(xué)提出了一種單軸并聯(lián)式混合動力叉車系統(tǒng)[18]（見圖3）。該系統(tǒng)主要包括額定功率26 kW 發(fā)動機、額定功率12 kW ISG 電機和功率15 kW、容量250 Ah 鎳氫電池，ISG 電機與發(fā)動機通過離合器聯(lián)接。其控制策略為：根據(jù)發(fā)動機、ISG 電機、鎳氫電池參數(shù)和實際工況確定發(fā)動機最大、最小轉(zhuǎn)矩，鎳氫電池荷電狀態(tài)上、下限值。當(dāng)所需轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動機最小轉(zhuǎn)矩，若鎳氫電池荷電狀態(tài)低于上限值，則ISG 電機工作在發(fā)電模式，反之ISG 電機不工作；當(dāng)所需轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機最小和最大轉(zhuǎn)矩之間，若鎳氫電池荷電狀態(tài)低于下限值，則ISG 電機工作在發(fā)電模式，反之ISG 電機不工作；當(dāng)所需轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，若鎳氫電池荷電狀態(tài)高于下限值，則ISG 電機工作在電動模式，反之ISG 電機不工作。仿真研究結(jié)果表明：與原內(nèi)燃叉車相比，混合動力系統(tǒng)牽引能力提升12.45%，燃油消耗降低12.57%。

圖3 一種單軸并聯(lián)式混合動力叉車系統(tǒng)

無錫某公司公開的一種混合動力叉車[15]，其樣機系統(tǒng)如圖4 所示。該系統(tǒng)主要包括發(fā)動機、電動/發(fā)電機和蓄電池，電機與發(fā)動機通過聯(lián)接器或直接連接。其控制策略為：當(dāng)所需壓力不大于設(shè)定值時，電動/發(fā)電機工作在發(fā)電模式，吸收發(fā)動機的部分能量；反之，電動/發(fā)電機工作在電機模式，為發(fā)動機提供輔助動力，輔助動力隨所需壓力的增大而增大。據(jù)介紹，該混合動力叉車油耗降低30%以上，CO2排放減少30%以上。

圖4 一種混合動力叉車樣機系統(tǒng)

3 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

如圖5 所示，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由發(fā)動機帶動發(fā)電機，通過與儲電元件的電氣耦合后帶動電動機作為動力。儲電元件起到平衡發(fā)動機輸出功率和電動機輸入功率的作用。當(dāng)發(fā)電機的發(fā)電功率大于電動機所需功率時，多余能量由儲電元件存儲；當(dāng)發(fā)電機的發(fā)電功率小于電動機所需功率時，儲電元件釋放能量彌補發(fā)電功率的不足。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的目的就是利用電轉(zhuǎn)換代替機械傳動環(huán)節(jié)，避免負(fù)載波動對發(fā)動機的影響，使得發(fā)動機能穩(wěn)定工作在高效區(qū)。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置靈活、控制簡單。缺點是發(fā)電機和電動機的功率和尺寸大，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)綜合效率不高。

圖5 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)圖

太原科技大學(xué)設(shè)計了一種增程式油電混合動力叉車方案[19]（見圖6）。該系統(tǒng)包括發(fā)動機、額定功率19 kW 發(fā)電機、額定功率10 kW 電動機和額定功率12 kW、容量660 Ah 蓄電池。其運行方式為：1）純電動方式 蓄電池為電動機供電，發(fā)動機不工作，在污染排放要求高的場合使用；2）增程方式 發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，為電動機提供能量，同時為蓄電池充電；3）復(fù)合驅(qū)動方式 發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，蓄電池與發(fā)電機同時為電動機提供能量，以滿足大功率和爬坡工況要求。

圖6 一種增程式油電混合動力叉車方案

4 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

如圖7 所示，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)兼具串聯(lián)式與并聯(lián)式的特點，既可以由發(fā)動機和電動機通過機械耦合作為動力，也可以由發(fā)動機帶動發(fā)電機，通過與儲電元件的電氣耦合后帶動電動機作為動力?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)控制靈活，便于優(yōu)化匹配，綜合性能最佳。缺點是部件多，結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，成本高。

圖7 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)圖

合肥工業(yè)大學(xué)以6 t 內(nèi)燃叉車為原型，在并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了混聯(lián)式混合動力叉車動力系統(tǒng)[20]，如圖8 所示。該系統(tǒng)主要包括額定功率46.9 kW 發(fā)動機、額定功率16.6 kW 發(fā)電機、額定功率16.6 kW 電動/發(fā)電機和容量100 Ah 鋰電池，用電磁離合器將發(fā)動機與發(fā)電機連接，當(dāng)發(fā)動機有多余能量時，通過帶動發(fā)電機發(fā)電，給鋰電池充電或驅(qū)動電動機。其控制策略為：當(dāng)所需功率較低時或鋰電池荷電狀態(tài)較低時，電動/發(fā)電機不工作，離合器吸合，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，給鋰電池充電；當(dāng)所需功率較高或鋰電池荷電狀態(tài)較高時，電動/發(fā)電機工作在電動模式，和發(fā)動機共同提供動力，離合器分離，發(fā)電機不工作；當(dāng)制動或重物下降時，電動/發(fā)電機工作在發(fā)電模式，將制動動能和下降勢能轉(zhuǎn)換為電能，儲存在鋰電池中，實現(xiàn)能量回收。仿真和樣車試驗結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)燃油叉車，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)可以節(jié)油32.66%。

圖8 混聯(lián)式混合動力叉車動力系統(tǒng)

5 結(jié)語

油電混動系統(tǒng)利用發(fā)動機和電機的動力耦合，很大程度上解決了內(nèi)燃叉車動力系統(tǒng)匹配不理想的問題，通過并聯(lián)、串聯(lián)或混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，將發(fā)動機盡可能地維持在高效區(qū)運行，改善了發(fā)動機的燃油效率，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。同時依托電機這個中介，將能量以電能的形式回收、儲存和再利用?；旌蟿恿Σ孳囕^好的解決了純電動叉車動力不足，加速和爬坡能力差，充電時間長的問題，同時也解決了某些對尾氣排放和噪聲有要求的特殊場合內(nèi)燃叉車不適用的問題。由于電驅(qū)動技術(shù)的快速發(fā)展，純電動是小型叉車發(fā)展的必然趨勢，但同小型叉車相比較，中型及大型內(nèi)燃叉車能耗更高，負(fù)載范圍更大，可回收能量更多，改造的空間和價值更大，油電混合動力系統(tǒng)是很好的選擇。