关于叉车的混合推进系统的研究外文翻译资料

Part1.

EVS27

Barcelona, Spain, November 17-20, 2013

关于叉车的混合推进系统的研究

SeongcheolKim¹, SekyungChoi¹, JongchanLee¹,SungmoHong²,JaehakYoon¹

¹Construction Equipment Research Deprsquo;t, ²Industrial Vehicle Development Deprsquo;t

Hyundai Heavy Industry Co., Ltd, Republic of Korea sckim84@hhi.co.kr,csk@hhi.co.kr,ljclee@hhi.co.kr,hsm5636@hhi.co.kr,greg@hhi.co.kr

摘要

本文讨论了用于为叉车提供动力的混合动力系统，并提出了一种有效的混合动力推进系统。将混合动力推进系统用于发动机叉车有许多优点：动态操作模式、速度和扭矩。发动机叉车被测试以研究在VDI循环中的所需扭矩和速度模式，并通过与曼哈顿总线周期和FTP72周期的比较来说明叉车的这种速度模式。这种混合动力推进系统期望改善燃料经济性并保持发动机叉车的驱动能力和爬坡能力。最后，展示了该混合构造的仿真结果，并简要地说明了燃料经济性的改善因素。

关键词：混合动力叉车；混合推进系统；混合适应性；发动机和电池混合

1简介

叉车包含动力系统以供给驱动和处理功能，例如起升。叉车动力源通常是柴油发电机、汽油发电机，LPG发动机（液化石油气发动机）和具有电动马达的蓄电池。电动叉车通常限于在外面工作，因为它们受能源能力和政府道路交通规定的限制。然而，发动机叉车可用于道路上，并且广泛被应用于叉车行业。

传统上，叉车行业的研究和开发集中于驾驶性能、起升性能、耐用性、可靠性和成本。然而，发动机叉车的燃料经济性近来已经成为其性能的重要方面，因此是一个主要的销售点。此外，发达国家的高油价和排放法规加速了节能叉车的发展。在燃油经济性方面，由于每辆叉车特定的工作循环，混合动力推进系统使用发动机和电池的组合适合为叉车提供动力。

以往的研究表明，丰田和三菱重工业（MHI）已经开发了集中混合动力叉车（Still等，2009）。在PRIUS系列的混合动力汽车中，丰田开发了3.5〜4.5吨混合动力叉车，名为Geneo-Hybrid，配备发动机和电池（锂离子）[1]。Komatsu and Still (2011)也使用自己的混合动力理念开发了混合动力叉车。

本文演示了混合动力系统对混合动力叉车的适用性，并提出了一种有效的混合动力推进系统。发动机叉车被测试以分析在VDI循环中的所需功率和速度模式，并且该速度模式将与公共汽车和客车的速度模式进行比较。然后基于分析的结果设计叉车上的混合动力系统。我们认为该混合动力推进系统能提高燃料经济性，同时保持驱动和坡度能力。该混合构造的仿真结果展示如下，并简要说明了燃料经济性的改善因素。

2混合动力系统对叉车的适用性

2.1发动机叉车的测试环境

为了研究混合动力系统对动力叉车的适用性，对发动机叉车进行了测试。发动机叉车的测试模型是现代重工业（HHI）生产的50DE-7柴油发动机叉车，如图1所示。图1还显示了数据采集设备（DAQ）和压力传感器。变速器控制单元（TCU）通过控制器局域网（CAN）通信将档位，发动机速度，涡轮速度和车辆速度传送到DAQ。压力传感器测量泵的提升，转向和制动部分的压力。

发动机叉车中的动力传递系统如图2所示，图2表明发动机的动力系统分为液压部分和驱动部分。所需功率由柴油发动机产生，并且被分配到50DE-7中的液压泵和变速器。 液压动力是施加到负载，制动和转向操作的请求功率。 因为固定体积泵应用于该发动机叉车，所以泵的排出量取决于发动机速度。例如，发动机以高速操作以快速提升货叉。

在驱动部分中，传动功率负责驱动叉车。变矩器连接到变速器以减少对变速杆的冲击，这对于操作者而言是方便的。然而，在流体动力的传递中会发生大量的功率损耗。输出功率从变速器传递到驱动轴，然后驱动车轮。当操纵者独立操纵液压部件时，操纵者控制用于断开发动机和变速器之间的动力流的微动踏板。

图1：发动机叉车和测试设备

图2：发动机叉车的动力传递系统

2.2叉车的油耗测试过程（VDI循环）

图3显示了用于测量燃料消耗的VDI循环测试环境，单位为升/小时（l / h）。试验条件示于表1。

VDI循环描述了叉车的通常使用模式。当到达VDI循环时，叉车通过反向行驶从A位置移动到C位置，然后通过正向行驶到达B位置。在B位置，驾驶员根据表1所示的测试条件操纵负载处理装置，例如提升和倾斜。驾驶员将满载重量提升2m，然后降低。然后叉车返回到A位置，并重复该过程。这定义了执行时间为60秒的VDI的一个周期。VDI循环在测试循环中被用来测量叉车的油耗。然而，结果根据工作装置的操作时间和驾驶员的加速和减速而不同。因此，我们在VDI循环中重复测试叉车以计算燃料消耗的平均值（升/小时（l / h））。

图3：VDI循环测试过程

表1：VDI循环测试条件

2.3测试结果及分析

图4和图5分别显示了VDI循环中发动机叉车的速度和功率的测试结果。叉车从A到B（图3）驱动第一个20秒。叉车被从A反向驱动到C（如图4中的数字1所示），然后从C向B前进（数字2）。在该驱动测试中，叉车的最大速度约为15km / h，最大加速度为1.6m / s2。在B处进行负载处理操作。尽管液压功率大部分消耗在负载处理操作中，但是由于制动和转向操作，它在驾驶中也被消耗。因为最大驱动功率大于最大液压功率，所以用于驱动的能量占能量消耗的最大部分。

图4：发动机叉车的速度（VDI循环） 图5：发动机叉车的功率（VDI循环）

图6示出了在0至300秒的范围内的叉车，公共汽车和客车之间的速度的比较。这些分别由VDI周期，曼哈顿总线周期和FTP72周期描述，FPT72显示了城市中客车的速度。相比之下，在其他曲线中，VDI周期重复某些速度模式。此外，由于叉车以小于20km / h的速度行驶，其速度曲线是加速和减速的组合。

图7显示了加速和减速的比例。众所周知，混合系统在城市周期中比在公路周期中更有效，因为加速和减速的比例很大[2,3]。加速率（超过0.5m / s2或-0.5m / s2）的比例在VDI周期中超过50％，这与曼哈顿总线周期相似。当叉车以低转速和高扭矩加速时，电机比发动机效率更高。此外，在减速期间通过再生制动，再生能量将被存储在电池中。

图6：速度比较

图7：加速与减速比例

当叉车使用液压设备时，发动机加速到高速，这增加了燃料消耗。但是，辅助马达将提高发动机效率。

对于发动机叉车的测试结果，将混合系统对叉车的影响总结为三点：1）叉车以低转速高转矩驱动，并具有高惯性; 2）叉车具有由加速和减速组成的重复速度模式; 3）发动机在工作过程中损失很多动力。叉车的这些独特特性降低了发动机的燃料经济性，这可以使用混合动力系统来为叉车提供动力来改进。

3叉车的混合动力推进系统

3.1叉车的混合推进系统

本实验中使用的叉车混合动力推进系统如图8所示。已提出用于车辆的各种混合动力构造[4,5]。叉车推荐使用图8所示的混合构造。串联混合型应用于驱动部，并联混合型应用于液压部。从力学的角度来看，这种混合构造相对简单。虽然这种混合系统类似于丰田的混合理念，但这种配置升级了混合水平，通过增加电池容量，以提高驾驶性能。当混合构造相同时，燃料经济性取决于混合水平[6]。

在这种混合构造中，发动机，发电机之间设置离合器，变速器也设置在驱动部分。离合器使得能够使用发动机的开关功能，变速器提高叉车的驱动和坡度能力。因此，这种混合构造被设计以提高燃料效率和延续发动机叉车的优点。

图8：叉车的混合动力推进系统

该混合动力推进装置的动力流在图9和图10中示出。

当叉车被驱动时，驱动电机驱动叉车并通过制动再生电力。由发动机—发电机组产生的功率和来自电池的电功率用于驱动电动机。发动机为发电机提供机械功率，然后发电机将机械功率转换为电功率。由于发动机与驱动电动机断开连接，所以根据电池中的充电状态（SOC），发动机可以以最佳效率运行。

当叉车处理负载时，泵将机械功率转换为液压功率。由于发动机，发电机和泵是机械连接的，发动机为泵主要提供机械动力，发电机为发动机提供可选的辅助。因此，该液压动力系统可以被称为“并联混合构造”。

图9：功率流（驱动箱）

图10：功率流（负载处理）

如上所述，该混合动力叉车是一个组合系列并且使用并联混合动力构造。

3.2燃油经济性改进分析

在几种条件下对混合动力叉车进行了建模和模拟。在[7]中，模拟和分析了混合动力叉车中的动力系统，与发动机叉车相比，混合动力叉车预期燃料经济性的改善为35％。该模拟假设电动机和电池的效率在85％和90％之间。使用ADVISOR程序中的缩放柴油机图[8]。发动机和电池之间的最佳功率分配策略尚未被采用。在本模拟中，尽可能地使用再生制动，并且不考虑发动机小型化的效果。模拟结果示于图11和图12。

图11：功率分配结果

图11示出了应用简单的功率分布策略。发动机设置在20秒和50秒，大约10秒由发电机产生电力，并为泵提供机械功率。此时间用于负载处理操作。因为最有效的发动机功率高于液压要求功率，所以发动机同时执行发电功能和负载处理功能。当叉车被驱动时，如果SOC足够，则使用电池电力。因为这种操作模式是电动的，所以它适合在室内场所短时间工作。图12示出了发动机叉车和混合动力叉车之间的燃料消耗的比较。如图所述，当发电时燃料消耗急剧增加。

图12：燃油消耗比较

燃料消耗的改善归因于几个点。改进的第一个主要原因是工作发动机有效小型化。图13示出了发动机叉车在发动机效率图中的操作点。在发动机叉车的情况下，发动机的最大功率被设计成覆盖驱动和负载处理功能。因此，在一些发动机操作中，例如低速低扭矩和高速低扭矩时，发动机变得低效。

图13：发动机工作区（发动机叉车）

与混合动力叉车中的现有发动机相比，发动机的最大功率减小了70％，这意味着电池补偿了降低的发动机功率。因此，小型化的发动机比现有的发动机更有效。

此外，存在发动机工作点可以移动到高效率区的可能性。

图14：发动机工作区（混合动力叉车）

图14示出了混合动力叉车的发动机操作区。 虽然由于发动机动力学和泵速约束引起了低效率操作点，但是许多操作点被移动到高效率区。如果将可变容量泵应用于叉车，燃料经济性将进一步提高。

改进的第二个原因是功率通过制动再生。图15显示了VDI循环中牵引电机的功率曲线。 当混合动力叉车减速时，功率由牵引电动机再生。能量再生达到驱动能量消耗的34.9％。这是可能的，因为叉车具有高惯性矩和大部分的减速。例如，当叉车从反向转换为正向时，许多操作者在切换齿轮方向的同时推动加速器踏板。

图15：功率曲线（牵引电机）

在这种情况下，在变矩器中损失了大量的能量。在混合动力系统中，这些损失可以是可再生能源的来源。这种再生的功能对燃料效率具有显著影响。

改进的第三个原因是为了叉车速度低并且要求扭矩高时的高效驱动。图16示出了牵引电动机的特性。实线和虚线分别表示连续转矩和瞬时转矩。色点表示每个测试循环中工作点的均方根（RMS）。最大扭矩曲线从0rpm开始，这意味着牵引电机利用了叉车的初始启动。 这是叉车重复运行和停止的一个关键原因。此外，运行和停止操作是降低燃料经济性的主要因素。电机在这种动态操作中相对有效。VDI循环的RMS操作点和用于测试叉车的另一个循环的珀金斯循环（P）位于牵引电动机的高效率区中。通过应用牵引电机，叉车的能量效率得已提高。

图16：牵引

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