国内叉车油电混合动力研究

上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062

0 引言

近年，随着机动车排放标准不断提升，道路移动源排放呈逐年下降趋势，但是非道路移动机械的排放占比逐年上升。叉车作为一类量大面广的非道路移动机械，广泛应用于港口、码头、机场、仓库以及物流运输企业等部门，用于实现机械化装卸、堆垛和短距离运输，是物流系统不可缺少的机械设备。据统计，近5 年我国叉车销量增长一直在两位数以上，保有量已位居工程机械首位，总量超过200 万台，其中70%以上为内燃叉车。

叉车在工作周期内重复进行带载举升或带载下放，频繁进行启动、制动和换向，经常需要爬坡和下坡，不同工况所需的功率差别很大，实际工况分布在一个较大的范围。但为了满足叉车作业的功率要求，其动力系统一般按额定工况设计，发动机按最大功率要求选取，而实际工况的大范围波动，动力系统的匹配性不理想，往往使得发动机无法长时间工作在高效区，造成极大的能量损耗，导致油耗高和排放高。据测算，内燃叉车尾气排放可达国Ⅵ汽车的20～40 倍。随着叉车使用量的快速增长，其大气污染物的排放对城市区域空气状况的影响将日益突出，故许多城市划定了高排放非道路移动机械禁止使用区。我国于2018 年发布的《非道路移动机械污染防治技术政策》鼓励混合动力等新能源技术在非道路移动机械上的应用。混合动力系统通过引入辅助动力源，降低负载波动对发动机的影响，改善发动机工作条件，达到节能减排目的。

1 混合动力技术

混合动力系统是指两种或以上类型的动力源装置，通过一定的动力耦合方式，为设备提供动力的系统。当前所讲的混合动力系统多指汽（柴）油发动机和电机（电动机和/或发电机）的油电混合系统。根据动力源的结构特点和复合模式，油电混合动力系统可以分为串联式、并联式和混联式三种类型。

从上世纪末开始，混合动力技术开始应用于汽车领域，最具代表性的当属丰田公司Prius 汽车采用的THS（Toyota Hybrid System）系统。以2003 年日立建机制造世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机为标志，开启了混合动力技术在工程机械上的应用。随后混合动力技术逐渐应用到液压挖掘机、起重机和叉车等领域。国内的浙江大学[1，2]、中南大学[3-5]、合肥工业大学[6-9]等高校，以及中联重科[10-12]、三一重工[13，14]、无锡开普动力[15]、安徽合力[16]等整机厂商也相继开展了叉车等工程机械混合动力相关研究和应用。

2 并联式混合动力系统

并联式混合动力系统（见图1）由发动机和兼具电动和发电功能的电机通过机械耦合作为动力，以发动机为主，电机为辅。当发动机动力不足时，电机为电动机状态，提供辅助驱动；当发动机动力过剩时，电机为发电状态，吸收发动机多余能量。并联式混合动力系统的目的是利用电机以动力耦合方式吸收负载波动，实现削峰填谷功能，改善发动机的工作特性。并联式混合动力系统电动机的功率较小，传动环节少，效率较高。缺点是动力耦合结构复杂，受负载动态影响大，控制复杂。

图1 并联式混合动力系统图

根据结构特点，并联混合动力系统又可分为双轴式和单轴式。双轴式系统中发动机和电动机的传动轴分别设置，且一般是平行布置。单轴式系统中发动机和电动机的传动轴是共用的。

根据动力复合模式，并联混合动力系统又可分为转矩耦合式和转速耦合式。转矩耦合式系统中发动机和电动机转矩相互独立，输出转矩等于两者转矩之和。转速耦合式系统中发动机和电动机转速相互独立，输出转速等于两者转速之和。

中南大学以3 t 内燃叉车为原型，设计了一种并联式混合动力叉车的驱动与能量回收系统[17]，如图2 所示。该系统主要包括额定功率37 kW 柴油发动机、额定功率15 kW 电动/发电机、容量165 F 超级电容和额定功率30 kW 行走电机。其控制策略为：首先根据发动机、电动/发电机、超级电容参数和实际工况确定功率上限值与功率下限值。当所需功率高于功率上限值时，发动机动力不足，电动/发电机工作在电动模式为系统提供动力，超级电容放电；当所需功率低于功率下限值时，发动机动力过剩，电动/发电机工作在发电模式吸收系统多余能量，超级电容充电；当所需功率处于功率上限值与功率下限值之间时，发动机工作在高效区，电动/发电机不工作。仿真与试验结果表明：在叉车标准工况下，混合动力叉车能实现20.8%的综合节能效果。

图2 一种并联式混合动力叉车的驱动与能量回收系统

山东理工大学提出了一种单轴并联式混合动力叉车系统[18]（见图3）。该系统主要包括额定功率26 kW 发动机、额定功率12 kW ISG 电机和功率15 kW、容量250 Ah 镍氢电池，ISG 电机与发动机通过离合器联接。其控制策略为：根据发动机、ISG 电机、镍氢电池参数和实际工况确定发动机最大、最小转矩，镍氢电池荷电状态上、下限值。当所需转矩小于发动机最小转矩，若镍氢电池荷电状态低于上限值，则ISG 电机工作在发电模式，反之ISG 电机不工作；当所需转矩在发动机最小和最大转矩之间，若镍氢电池荷电状态低于下限值，则ISG 电机工作在发电模式，反之ISG 电机不工作；当所需转矩大于发动机最大转矩，若镍氢电池荷电状态高于下限值，则ISG 电机工作在电动模式，反之ISG 电机不工作。仿真研究结果表明：与原内燃叉车相比，混合动力系统牵引能力提升12.45%，燃油消耗降低12.57%。

图3 一种单轴并联式混合动力叉车系统

无锡某公司公开的一种混合动力叉车[15]，其样机系统如图4 所示。该系统主要包括发动机、电动/发电机和蓄电池，电机与发动机通过联接器或直接连接。其控制策略为：当所需压力不大于设定值时，电动/发电机工作在发电模式，吸收发动机的部分能量；反之，电动/发电机工作在电机模式，为发动机提供辅助动力，辅助动力随所需压力的增大而增大。据介绍，该混合动力叉车油耗降低30%以上，CO2排放减少30%以上。

图4 一种混合动力叉车样机系统

3 串联式混合动力系统

如图5 所示，串联式混合动力系统由发动机带动发电机，通过与储电元件的电气耦合后带动电动机作为动力。储电元件起到平衡发动机输出功率和电动机输入功率的作用。当发电机的发电功率大于电动机所需功率时，多余能量由储电元件存储；当发电机的发电功率小于电动机所需功率时，储电元件释放能量弥补发电功率的不足。串联式混合动力系统的目的就是利用电转换代替机械传动环节，避免负载波动对发动机的影响，使得发动机能稳定工作在高效区。串联式混合动力系统结构布置灵活、控制简单。缺点是发电机和电动机的功率和尺寸大，能量转化环节多，系统综合效率不高。

图5 串联式混合动力系统图

太原科技大学设计了一种增程式油电混合动力叉车方案[19]（见图6）。该系统包括发动机、额定功率19 kW 发电机、额定功率10 kW 电动机和额定功率12 kW、容量660 Ah 蓄电池。其运行方式为：1）纯电动方式 蓄电池为电动机供电，发动机不工作，在污染排放要求高的场合使用；2）增程方式 发动机带动发电机发电，为电动机提供能量，同时为蓄电池充电；3）复合驱动方式 发动机带动发电机发电，蓄电池与发电机同时为电动机提供能量，以满足大功率和爬坡工况要求。

图6 一种增程式油电混合动力叉车方案

4 混联式混合动力系统

如图7 所示，混联式混合动力系统兼具串联式与并联式的特点，既可以由发动机和电动机通过机械耦合作为动力，也可以由发动机带动发电机，通过与储电元件的电气耦合后带动电动机作为动力。混联式混合动力系统控制灵活，便于优化匹配，综合性能最佳。缺点是部件多，结构和控制复杂，成本高。

图7 混联式混合动力系统图

合肥工业大学以6 t 内燃叉车为原型，在并联式结构的基础上设计了混联式混合动力叉车动力系统[20]，如图8 所示。该系统主要包括额定功率46.9 kW 发动机、额定功率16.6 kW 发电机、额定功率16.6 kW 电动/发电机和容量100 Ah 锂电池，用电磁离合器将发动机与发电机连接，当发动机有多余能量时，通过带动发电机发电，给锂电池充电或驱动电动机。其控制策略为：当所需功率较低时或锂电池荷电状态较低时，电动/发电机不工作，离合器吸合，发动机带动发电机发电，给锂电池充电；当所需功率较高或锂电池荷电状态较高时，电动/发电机工作在电动模式，和发动机共同提供动力，离合器分离，发电机不工作；当制动或重物下降时，电动/发电机工作在发电模式，将制动动能和下降势能转换为电能，储存在锂电池中，实现能量回收。仿真和样车试验结果表明：相对于传统燃油叉车，混联式混合动力系统可以节油32.66%。

图8 混联式混合动力叉车动力系统

5 结语

油电混动系统利用发动机和电机的动力耦合，很大程度上解决了内燃叉车动力系统匹配不理想的问题，通过并联、串联或混联式混合动力系统，将发动机尽可能地维持在高效区运行，改善了发动机的燃油效率，达到了节能减排的目的。同时依托电机这个中介，将能量以电能的形式回收、储存和再利用。混合动力叉车较好的解决了纯电动叉车动力不足，加速和爬坡能力差，充电时间长的问题，同时也解决了某些对尾气排放和噪声有要求的特殊场合内燃叉车不适用的问题。由于电驱动技术的快速发展，纯电动是小型叉车发展的必然趋势，但同小型叉车相比较，中型及大型内燃叉车能耗更高，负载范围更大，可回收能量更多，改造的空间和价值更大，油电混合动力系统是很好的选择。