戴立明　王正

摘 要：本文对混合动力叉车的现状和发展进行了分析，重点阐述了混合动力叉车的基本结构和工作原理、国内外研究现状以及研究开发中的先进技术应用。通过对混合动力叉车参数的匹配、储能装置、电机以及控制系统等关键技术的分析，对混合动力叉车的整体优势和发展方向提出了见解。混合动力叉车在技术发展和控制监测方面还有较大的发展空间，混合动力叉车还会继续向节能环保方向进一步发展。

关键词：混合动力；叉车；储能；电机

中图分类号：TP71.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）23-0087-02

1 基本结构及工作原理

混合动力叉车，是指可以使用多种动力能源，可根据搬运重量和路程的需要以及各种能源余量，来判断和选择需要的动力能源的叉车。与传统的单一动力源叉车相比的最大优势就是配备了多个动力源，动力源的使用组合方式一般采用并联和串联两种模式。

1.1 串联动力模式

串联动力模式的混合动力叉车的组成结构包括驱动桥、发动机、起升电机、牵引电机、电瓶、发电机、主车架等。

工作原理如图1所示。先由燃油动力驱动发动机，发动机带动发电机工作，发电机产生的电能，其中一部分电能通过逆变器进入储能装置备用，另一部分用于驱动牵引电机带动传动系统，用于叉车的行驶；还用一部分电能用于驱动起升电机，用于货物的搬运，货物起升是电能转换为势能，当起升减速或下降过程中势能转换为电能回收在储能装置里。当发动机熄火，发电机停止能量供应时，储能装置的电能仍然能为动力系统和举升系统提供电能。

1.2 并联动力模式

并联动力模式的混合动力叉车的构成结构包括驱动桥、储能装置、变速器、起升电机、牵引电机、工作装置、液压系统、车架等。与串联模式的不同之处在于，并联模式是电动机和发动机的动力系统分别独立工作，用来驱动车轮和工作装置，工作原理如图2所示[2]。当叉车处于低速行驶状态，动力可由电动机单独提供；正常速度行驶状态，装换为发动机提供动力，根据不同的工作情况需求，把剩余能量给牵引电机和起升电机，并转换为电能进行储存。货物举升也可以由发动机单独驱动，也能用电动机和发动机混合驱动。当起升减速或下降过程中势能转换为电能回收在储能装置里。

2 国内外研究现状

2.1 国外混合动力叉车发展现状

叉车混合动力应用已经逐渐形成成熟技术，在采矿工业中得到了广泛使用。在国外市场发展较早，2009年日本丰田公司研发的世界第一台混合动力叉车进入销售市场，是由丰田汽车和丰田自动织机两家分公司的技术结合进行开发的。这款叉车重3.5吨，是考虑到叉车的高频率前进、停止、后退的特点进行研发的，由电机、电池组、发动机等结构组成，此叉车的工作输出功率与一般的3.5吨叉车并无差异，但其通过组合动力输出后，尾气排量和燃油量是普通叉车的一半，甚至更低。既丰田公司之后，小松、林德、三菱等先进的叉车生产公司也开始了新型混合动力叉车的研发，也相继生产出了自己的产品，小松公司研制出了AE50系列，林德研制出了Hybrid叉车，三菱公司也完成了GRENDiA EX系列叉车的开发[3]。

2.2 国内混合动力叉车发展现状

我国对混合动力叉车的研制稍晚于国际市场。无锡开普动力机械有限公司是国内第一家生产混合动力叉车的单位，在2009年的亚洲矿山机械博览会上展出了国内第一台混合动力叉车。该车完全是由开普动力机械有限公司自主研发的，包括发电机、发动机、电机以及控制系统和液压系统。该车采用的是油电动力混合工作模式，利用了发动机的一些特殊性能，找出发动机的最佳节油点时的最佳转速下，大大提高了机械能转换电能的转换效率，这样将增加电能的使用比例，其能耗降低了35%以上，相应的尾气排放也降低35%，所以更加的节能环保。随着機械行业的不断进步和蓄能行业的快速发展，国内的许多叉车制造公司也研制出了各种混合动力叉车，包括山河智能、诺力叉车、安徽叉车、唯力机械、杭叉等。随着国家对能源与环保的重视，许多高校和科研单位也大力投入了混合动力叉车的进一步研发工作，并取得了可观的成绩。

3 关键技术

3.1 参数的匹配

混合动力叉车的参数匹配主要表现在各种能源动力功率之间的匹配和使用比例关系，尤其是电动机和发动机的功率使用比例匹配不同，给车辆的节能效果和制造成本都有很大的影响。现在混合动力叉车的功率使用匹配已经有成熟的技术方案，但国内外在混合动力叉车匹配的研究中进行发表的相关成果较少。以降低叉车的额定功率和制造成本、减少叉车自重、节省更多的燃料和排放为目标，本文提出了以下关于混合动力叉车参数匹配的技术方案：

（1）首先确定参数匹配的基本条件。混合动力叉车的参数匹配基本条件包括动力的组合模式、控制方式以及使用工况[4]。（2）确定参数匹配所要实现的技术目标。其技术目标包括以下几个方面：实现各种动力的性能要求；在一般的使用条件下，使车辆到达最佳的燃油状态，减少燃油消耗；实现合理的动力匹配结构，提升动力系统的性能，降低动力系统的设计成本。

3.2 储能装置的研制

目前，世界范围内的储能装置一般都在使用蓄电池，混合动力叉车上使用的蓄电池主要是锂电池、铅酸电池和镍氢电池。蓄电池的储能能力是发展混合动力叉车的关键性因素，这也是能够提高车辆环保性能和降低成本的唯一途径。本问提出从以下几个方面对储能装置进行技术攻关：

（1）提升蓄电池的寿命。叉车在使用过程中，要提升和下放货物的频率很高，所以蓄电池要不停的充电、放电。而蓄电池一般就只能可以充放电一万次左右，而使用率较高的叉车每天的使用频率至少也要几十次，因此蓄电池的充放电寿命，严重影响了混合动力叉车的研发，急需进一步提高[5]。（2）比能量相对不足。因而需要更多的电池组增加储能量，造成更高的成本；比能量越高，叉车用电能工作时间越长，环保性能就会更好。

3.3 电机技术

叉车的行驶和货物的搬运，动力都来自电机，所以叉车需要一个牵引电机和一个举升电机。有多种电机可以应用到混合动力叉车上，有步进电机、永磁电机、变频电机等。其中永磁电机具有体积小、寿命长、功耗小、可靠性高的优点，适用于在叉车上使用。本文在电机的选用和设计上提出以下几点建议：

（1）使用额定电压较高的电机。在发电和蓄电系统能够满足的情况下，尽量使用电压较高的电机，高电压的电机的体积较小，可以节省空间、降低成本。（2）要有平稳的启动性能和较大的调速范围。减少启动冲击和工作冲击，可提高机械零部件和蓄电池的寿命。（3）能够反向充电，降损耗、提效率。在叉车减速或降低货物高度时，能够实现反向充电，更好的利用能量转换，降低油耗，增加电能利用率。

3.4 控制系统的设计

控制系统是混合动力叉车的核心，不仅可以对叉车的行驶、装载货物进行控制，同时可以管理电池组的通断、电动机与发动机的输出转换以及其他辅助系统的监控和管理。控制系统包括控制器、被控原件和软件的开发设计。随着电控技术和信息技术的发展，叉车的控制系统向智能化、数字化发展，神经网络、人机工程、最短路径、最小成数等自动控制技术，在混合叉车控制技术中得到应用和发展。本文在叉车控制系统技术研究提出以下几个方面：

（1）控制动力系统的能量分配；（2）合理控制行驶和装载模式；（3）准确的控制储能系统的散热；（4）合理利用电能的反冲。

4 结语

燃油叉车的污染与耗能，电力叉车的动力不足与使用不便，而設计了节能环保动力充足的混合动力叉车，混合动力叉车的发展与成熟，在环保创新方面与普通叉车相比有着明显的优势，但其性能匹配、储能系统、系统结构和控制方式还存在着较大的拓展空间。通过全世界叉车科研人员的不断研发与创新，混合动力叉车还会继续向着节能与环保的新方向发展。

参考文献

[1]龚俊，何清华，张大庆，张云龙，刘昌盛，唐中勇.混合动力叉车节能效果评价及能量回收系统试验[J].吉林大学学报（工学版），2014，44（01）：29-34.

[2]杨斌.中国叉车后市场的现状及发展趋势[J].叉车技术，2014，（04）：1-5.

[3]夏光，陈无畏，赵林峰，汪韶杰. 平衡重式叉车底盘小波网络动态逆内模控制[J].机械工程学报，2015，51（18）：126-135.