張克軍　陳　劍

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009　　2.安徽合力股份有限公司,合肥,230601

電動叉車勢能回收系統(tǒng)控制策略研究

張克軍1,2陳劍1

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,2300092.安徽合力股份有限公司,合肥,230601

提出了一種基于雙能量源、變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速的電動叉車勢能回收系統(tǒng)方案，建立了勢能回收系統(tǒng)和勢能回收效率的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了電機轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)，給出了勢能回收系統(tǒng)的控制策略。利用AMESim和MATLAB軟件進行了勢能回收系統(tǒng)仿真分析，最后通過實車實驗研究來檢驗仿真模型的有效性和仿真結(jié)果的正確性。研究結(jié)果表明，模糊PI控制系統(tǒng)的控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器的控制效果，該控制策略能實現(xiàn)勢能的高效率回收，達到控制目的。

電動叉車;勢能回收系統(tǒng);控制策略;模糊PI控制

0　引言

叉車的工作裝置采用液壓驅(qū)動，其運動形式為頻繁的往復(fù)運動和回轉(zhuǎn)運動。由于各運動部件的慣性都比較大，所以減速制動時會釋放出大量的能量。這部分能量通常消耗在控制閥的閥口上，不僅浪費了能量，還會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱和元件壽命降低[1]。叉車勢能回收系統(tǒng)可以很好地解決上述問題。移動機械能量回收系統(tǒng)的基本思想是把動能和勢能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。在移動機械領(lǐng)域有三種能量回收方式:一種是基于蓄能器的能量回收系統(tǒng);一種是基于蓄電池或超級電容器的能量回收系統(tǒng);還有一種是基于飛輪的能量回收系統(tǒng)[2]。無論采用哪種能量回收方式，能量回收的效率都是關(guān)注的熱點。采用合適的控制策略是提高勢能回收效率的關(guān)鍵。

文獻[3]設(shè)計了液壓挖掘機勢能回收系統(tǒng)，提出了閉環(huán)PID調(diào)節(jié)液壓馬達排量的控制策略。文獻[4]分析了液壓挖掘機的結(jié)構(gòu)，研究了液壓挖掘機能量回收的方法，對比分析了帶節(jié)流調(diào)速和不帶節(jié)流調(diào)速的能量回收策略,提出了基于液壓蓄能器-電動機-發(fā)電機的能量回收控制策略。文獻[5]以提高串聯(lián)式混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性為目標，基于模糊控制理論，設(shè)計了一種發(fā)電機組的動態(tài)控制策略。

本文提出了基于雙能量源(鉛酸蓄電池組和超級電容器組)、變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速的勢能回收系統(tǒng)方案,建立了勢能回收系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)了勢能回收效率的表達式,設(shè)計了電機轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng),給出了勢能回收系統(tǒng)的控制策略。

1　勢能回收系統(tǒng)方案及工作原理

1.1勢能回收系統(tǒng)方案

電動叉車勢能回收系統(tǒng)方案如圖1所示,主要由門架裝置、升降油缸、傾斜油缸、升降油缸換向閥、傾斜油缸換向閥、升降操縱手柄、傾斜操縱手柄、溢流閥、單向閥、回油過濾器、液壓油泵A、液壓油泵/液壓馬達、電動機A、電動機/發(fā)電機、起升電位器、控制器1、控制器2、逆變器、接觸器、鉛酸蓄電池組、超級電容器組、起升開關(guān)、下降開關(guān)及傾斜開關(guān)等組成。門架裝置主要由外門架、內(nèi)門架、貨叉架(含貨叉)、起重鏈條及定滑輪組成。起升開關(guān)與升降操縱手柄相連，傾斜開關(guān)與傾斜操縱手柄相連。升降油缸的缸筒固定在外門架上，升降油缸的活塞桿安裝在內(nèi)門架上，定滑輪安裝在內(nèi)門架上,鏈條跨過定滑輪,一端固定在外門架上，另一端與貨叉架相連。外門架通過驅(qū)動橋固定在叉車的車架上；內(nèi)門架通過門架滾輪安裝在外門架上，并且可以在外門架上往復(fù)運動；貨叉架通過門架滾輪安裝在內(nèi)門架上，并且可以在內(nèi)門架上往復(fù)運動。升降油缸通過一套滑輪機構(gòu)驅(qū)動電動叉車的貨叉(貨物放在貨叉上)起升和下降,傾斜油缸驅(qū)動門架(貨叉安裝在門架上)的前傾和后仰。

1.液壓油箱　2.單向閥　3.液壓油泵/液壓馬達　4.電動機/發(fā)電機　5.電動機A　6.液壓油泵A　7.回油過濾器　8.溢流閥　9.升降操縱手柄　10.升降油缸換向閥　11.起升電位器　12.傾斜操縱手柄　13.傾斜油缸換向閥　14.升降油缸　15.傾斜油缸　16.門架裝置　16-1.貨叉架(貨叉)　16-2.起重鏈條　16-3.定滑輪　16-4.內(nèi)門架　16-5.外門架圖1　電動叉車勢能回收系統(tǒng)方案

貨叉下降過程可回收的能量遠大于貨叉傾斜過程可回收的能量,故本文不考慮貨叉傾斜過程的能量回收。本文提出的勢能回收系統(tǒng)可以回收和利用貨叉(含負載)下降時的勢能，達到節(jié)約能源的目的；采用雙能量源方案解決了勢能回收系統(tǒng)對高功率密度和高能量密度能量源的需求；在貨叉起升和貨叉下降過程中，采用變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速方案，實現(xiàn)了系統(tǒng)輸入功率和負載所需功率的完全匹配，無節(jié)流損失和溢流損失，提高了系統(tǒng)效率，降低了因系統(tǒng)發(fā)熱造成的能量損失。

1.2勢能回收系統(tǒng)工作原理

勢能回收系統(tǒng)可以實現(xiàn)貨叉起升功能、貨叉下降功能、貨叉前傾功能及貨叉后仰功能，本文主要分析貨叉起升功能及貨叉下降功能。

(1)貨叉起升功能。電動機/發(fā)電機4驅(qū)動液壓油泵/液壓馬達3,電動機A5驅(qū)動液壓油泵A6，兩個液壓油泵輸出的液壓油合流后經(jīng)升降油缸換向閥10的右位到升降油缸14的無桿腔,推動升降油缸的活塞桿動作；升降油缸的活塞桿推動內(nèi)門架上升,同時通過起重鏈條及定滑輪帶動貨叉架(貨叉)向上運動,實現(xiàn)貨叉起升功能。液壓油泵/液壓馬達3和液壓泵A6的最大出口壓力由溢流閥8調(diào)定。超級電容器組或鉛酸蓄電池組(由控制策略確定)通過逆變器給電動機/發(fā)電機4供電，鉛酸蓄電池組通過逆變器給電動機A5供電；貨叉起升過程為電動機-液壓油泵調(diào)速，貨叉起升速度由控制器1和控制器2控制。

(2)貨叉下降功能。在負載及門架裝置重力的作用下,貨叉架(貨叉)向下運動,同時通過起重鏈條及定滑輪帶動內(nèi)門架向下運動；內(nèi)門架帶動升降油缸14的活塞桿向下運動，升降油缸無桿腔的液壓油經(jīng)升降油缸換向閥10的左位回到液壓油泵/液壓馬達3(此時作為液壓馬達使用)的進油口，推動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)貨叉下降功能。液壓油泵/液壓馬達3驅(qū)動電動機/發(fā)電機4(此時用于發(fā)電機模式)工作，發(fā)電機通過逆變器對超級電容器組或鉛酸蓄電池組(由控制策略確定)充電，實現(xiàn)勢能回收。通過升降油缸換向閥10內(nèi)部油道的合理設(shè)計實現(xiàn)液壓油泵/液壓馬達的同向旋轉(zhuǎn)。貨叉下降過程為發(fā)電機-液壓馬達調(diào)速，貨叉下降速度由控制器1控制。

2　勢能回收系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1叉車門架動力學(xué)模型

叉車門架下降過程的動力學(xué)方程為

(1)

m=m0+m2+0.5m1+0.5m3

式中,m0為負載質(zhì)量,kg;m1為內(nèi)門架質(zhì)量,kg;m2為貨叉架及貨叉質(zhì)量,kg;m3為升降油缸運動部件質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2;Ff為門架運動的摩擦阻力,N;Fc為升降油缸活塞桿受力,N;a為貨叉下降加速度,m/s2;δ為門架旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)[6]。

δ主要與門架滾輪的轉(zhuǎn)動慣量及門架滾輪的半徑有關(guān),其數(shù)值可按下式計算：

(2)

式中,Jw為門架滾輪的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2；r為門架滾輪的半徑,m。

2.2升降油缸的力平衡方程

升降油缸的力平衡方程為

Fc-p1A1=m3ac+bcvc+Ff c

(3)

式中,p1為升降油缸無桿腔壓力,Pa;A1為升降油缸活塞面積,m2;Ff c為升降油缸活塞運動的摩擦阻力,N;bc為升降油缸運動部件及負載的黏性阻尼，N·s/m;vc為升降油缸活塞的運動速度,m/s;ac為升降油缸活塞的加速度,m/s2。

由圖1及定滑輪的原理可知:

vc=0.5v

(4)

ac=0.5a

(5)

式中,v為貨叉下降速度,m/s。

2.3液壓馬達的力矩平衡方程

液壓馬達的力矩平衡方程為

(6)

式中,Dm為液壓馬達的弧度排量,m3/rad;Jm為液壓馬達及發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;ω為液壓馬達的角速度,rad/s;Tf為液壓馬達的摩擦轉(zhuǎn)矩,N·m；Tg為發(fā)電機的再生制動轉(zhuǎn)矩，N·m;p2為液壓馬達的入口壓力,Pa;bm為液壓馬達回轉(zhuǎn)的黏性阻尼，N·m/s。

p2與p1間的關(guān)系由下式確定：

p2=p1-pf

(7)

式中,pf為換向閥及液壓管路的壓力損失,Pa。

2.4電機模型

電機是影響電動叉車勢能回收的主要因素之一，門架勢能回收時，電機用作發(fā)電機，電機的制動轉(zhuǎn)矩越大，回收的制動能量也越多。典型電機具有中低速恒轉(zhuǎn)矩、中高速恒功率的轉(zhuǎn)矩特性,即[7]

(8)

式中,TN為電機額定扭矩，N·m；PN為電機額定功率,kW；nN為電機額定轉(zhuǎn)速,r/min;n為電機的實際轉(zhuǎn)速,r/min。

電機的發(fā)電功率為

Pm=Tgωgηg

(9)

式中,ηg為電機的發(fā)電效率;ωg為電機的角速度,rad/s。

電機的角速度與液壓馬達的角速度相等，即有ωg=ω。

電機的發(fā)電能量為

Eg=∫Pmdt

(10)

式中,t為電機發(fā)電時間,s。

2.5勢能回收效率數(shù)學(xué)模型

勢能回收效率由負載(含門架自重)勢能和貨叉下降過程中發(fā)電機對超級電容器組充電的能量Esc決定。勢能回收效率計算式為

ηt=Esc/Ep=Egηsc/Ep

(11)

式中,Ep為負載(含門架自重)勢能,J;ηsc為發(fā)電機到超級電容器組的能量轉(zhuǎn)換效率。

負載(含門架自重)勢能計算公式為

(12)

式中,h為門架起升高度，m。

貨叉下降過程中電機的發(fā)電能量計算公式為

Eg=∫UIdt

(13)

式中,I為電流,A；U為電壓,V。

假設(shè)忽略門架運動摩擦阻力Ff、升降油缸活塞運動的摩擦阻力Ff c、液壓馬達的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf、換向閥及液壓管路的壓力損失pf及發(fā)電機到超級電容器的能量轉(zhuǎn)換效率ηsc對勢能回收效率的影響，則由式(1)～式(13)可得勢能回收效率的表達式：

ηt=

(14)

B=A1/Dm

(15)

式中,A1為升降油缸活塞面積,m2。

在門架下降勢能回收過程中,液壓馬達的角速度與貨叉下降速度之間的關(guān)系由下式確定：

ω=Bvηcyηhm=Cv

(16)

式中,ηcy為升降油缸的容積效率;ηhm為液壓馬達的容積效率。

把式(16)代入式(14)可得

ηt=

(17)

ηt=

(18)

3　控制策略

3.1電機轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)設(shè)計

由式(18)可以看出,電動叉車勢能回收效率與貨叉下降加速度有關(guān),貨叉下降加速度越小(速度越平穩(wěn))，勢能回收效率越高。為此采用模糊PI控制系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速進行控制，以提高勢能回收效率。電機轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)就是將電機轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率作為模糊控制的輸入，對PI控制器的這2個參數(shù)進行模糊在線自整定,從而使PI控制器具有較強的自適應(yīng)能力。

模糊控制是以模糊結(jié)合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機控制方法。從控制器智能性來看，模糊控制屬于智能控制的范疇，它利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，而這些經(jīng)驗多是用語言表達的具有模糊性的控制規(guī)則。

電機轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)由模糊控制器和參數(shù)自整定PI控制器組成，其基本原理如圖2所示。其中，Kec和Ke分別表示ec及e的量化因子。

圖2　電機轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)原理圖

圖2中,給定值ro為電機的目標轉(zhuǎn)速,輸出量c為電機的實際轉(zhuǎn)速,PI控制器輸出量u為電壓信號。模糊PI控制系統(tǒng)引入了模糊推理判斷思想，可以根據(jù)不同的誤差e及誤差變化率ec對PI控制器的兩個參數(shù)Kp、Ki進行在線自整定。

3.2模糊控制器設(shè)計

設(shè)計模糊控制器為兩輸入兩輸出模糊控制器，輸入變量為電機轉(zhuǎn)速誤差e及電機轉(zhuǎn)速誤差變化率ec，輸出變量為PI參數(shù)的增量ΔKp、ΔKi。模糊控制器首先把輸入量轉(zhuǎn)化成模糊變量,然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的模糊控制規(guī)則給出此時合適的PI參數(shù)的增量,再將這些參數(shù)進行反模糊化,得到的精確量送給參數(shù)可調(diào)的PI控制器,進而修正PI控制器的參數(shù)Kp、Ki,以滿足不同E和EC對控制器參數(shù)的不同要求。

電機轉(zhuǎn)速誤差e、轉(zhuǎn)速誤差變化率ec、輸出變量ΔKp、ΔKi的變化范圍定義為模糊集上的論域,其論域為{-6,-5，-4,-3，-2，-1,0, 1, 2, 3，4，5，6}，模糊子集為{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大}，簡記為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},隸屬度函數(shù)均采用三角形分布隸屬度函數(shù)。模糊推理采用Mamdani推理法，解模糊采用重心法。

采用測得的電機實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值比較來求得e和ec。設(shè)e和ec的實際變化范圍分別為[-Ne,Ne]和[-Nec,Nec],對其進行模糊化處理，通過量化因子Ke和Kec將其從基本論域映射到相應(yīng)的模糊集論域中。選取e的量化因子Ke=6/Ne,ec的量化因子Kec=6/Nec,這樣便將e和ec轉(zhuǎn)化成在[-6,6]之間的量值。

PI參數(shù)調(diào)整采用增量式算法：

Kp(k)=Kp(k-1)+ΔKp(k)

(19)

Ki(k)=Ki(k-1)+ΔKi(k)

(20)

式中,Kp(k)和Ki(k)為第k次PI參數(shù);ΔKp(k)和ΔKi(k)為PI參數(shù)的增量。

模糊控制器的核心是建立合理的模糊控制規(guī)則,輸出變量ΔKp、ΔKi的控制規(guī)則如表1及表2所示。

表1　ΔKp的模糊規(guī)則表

表2　ΔKi的模糊規(guī)則表

3.3勢能回收系統(tǒng)控制策略

電動叉車勢能回收系統(tǒng)主要回收負載下降過程中的能量。本文提出的勢能回收系統(tǒng)控制策略如圖3所示。電位器信號為電壓信號，其變化范圍是0.05～1 V,當升降油缸換向閥10處于中位時,C0=0.5 V;并且C0的取值隨著升降操縱手柄前推幅度的增大而增大；當升降操縱手柄9后拉時，0.05 V≤C0<0.5 V,并且C0的取值隨升降操縱手柄后拉的幅度增大而減小。起升開關(guān)信號C1和下降開關(guān)信號C2都為開關(guān)信號,它們?nèi)≈刀紴?或1,當取1時,表示開關(guān)動作，向控制器發(fā)出請求信號，當0時,表示開關(guān)不動作。SOC_SC和SOC_BA分別為超級電容器組和鉛酸蓄電池組的荷電狀態(tài)，其取值范圍都為0.2～0.9。升降油缸的速度由電動機/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速(與液壓泵/馬達的出口/入口流量成正比)決定，電動機/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與電位器信號控制器1和控制器2為模糊PI控制器，該控制策略可以總結(jié)為7個步驟。

圖3　電動叉車勢能回收系統(tǒng)控制策略

(1)判斷駕駛員是否發(fā)出起升指令或下降指令,若兩個指令都沒發(fā)出,則返回繼續(xù)判斷。

(2)若駕駛員發(fā)出起升指令，計算并判斷鉛酸蓄電池組及超級電容器組的荷電狀態(tài)。

(3)若鉛酸蓄電池組的荷電狀態(tài)SOC_BA<0.2,則系統(tǒng)不執(zhí)行起升動作，返回繼續(xù)判斷。

(4)若鉛酸蓄電池組的荷電狀態(tài)SOC_BA>0.2,且超級電容器組的荷電狀態(tài)SOC_SC>0.2，則計算電動機4和電動機5的目標轉(zhuǎn)速；啟動電動機4和電動機5，且由超級電容器組和鉛酸蓄電池組共同給電動機4供電，鉛酸蓄電池組給電動機5供電，實時檢測電動機4和電動機5的實際轉(zhuǎn)速，計算實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速間的誤差及誤差變化率，控制器1和控制器2通過模糊推理產(chǎn)生電壓信號分別調(diào)整電動機4及電動機5的轉(zhuǎn)速。

(5)若鉛酸蓄電池組的荷電狀態(tài)SOC_BA>0.2,且超級電容器組的荷電狀態(tài)SOC_SC<0.2，則計算電動機4和電動機5的目標轉(zhuǎn)速；啟動電動機4和電動機5，且由鉛酸蓄電池組給電動機4和電動機5供電，實時檢測電動機4和電動機5的實際轉(zhuǎn)速，計算實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速間的誤差及誤差變化率，控制器1和控制器2通過模糊推理產(chǎn)生電壓信號分別調(diào)整電動機4及電動機5的轉(zhuǎn)速。

(6)若駕駛員發(fā)出下降指令, 判斷超級電容器組的荷電狀態(tài)。

(7)若超級電容器組的荷電狀態(tài)SOC_SC<0.9,則計算發(fā)電機4的目標轉(zhuǎn)速；啟動發(fā)電機4,實時檢測發(fā)電機4的實際轉(zhuǎn)速，計算實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速間的誤差及誤差變化率，控制器1通過模糊推理產(chǎn)生電壓控制信號調(diào)整發(fā)電機4的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機發(fā)出的電流給超級電容器組充電。若SOC_SC>0.9，則發(fā)電機發(fā)出的電流給鉛酸蓄電池組充電。

4　系統(tǒng)建模與仿真分析

4.1系統(tǒng)建模

為了驗證電動叉車勢能回收系統(tǒng)的控制策略，建立了基于AMESim和MATLAB/Simulink的電動叉車勢能回收系統(tǒng)模型。仿真模型如圖4所示,該模型用兩個電磁閥模擬升降油缸換向閥(手動換向閥)，用力信號模擬工作裝置系統(tǒng)的負載，勢能回收系統(tǒng)的控制策略(圖3)用MATLAB/Simulink建模,仿真模型主要模擬貨叉下降過程，貨叉上升過程只考慮單電動機供油情況，勢能回收系統(tǒng)的能量源只考慮超級電容器組。仿真模型參數(shù)如表3所示。

圖4　電動叉車勢能回收系統(tǒng)仿真模型

工作裝置系統(tǒng)負載(N)148000升降油缸行程(m)1.5升降油缸缸筒直徑(mm)80液壓油泵/液壓馬達排量(mL/r)50液壓油泵/液壓馬達容積效率0.92電動機/發(fā)電機最大功率(kW)27電動機/發(fā)電機額定扭矩(N·m)165電動機/發(fā)電機效率0.89安全閥壓力(MPa)20超級電容器組容量(F)83.3超級電容器組最低工作電壓(V)65液壓馬達轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)0.5

4.2仿真結(jié)果分析

4.2.1控制效果對比

利用圖4所示的仿真模型,分別采用傳統(tǒng)PI控制器和模糊PI控制系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速進行控制，電機轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。

圖5　電機轉(zhuǎn)速曲線

由于模擬貨叉下降過程，電機工作在發(fā)電機模式，故電機轉(zhuǎn)速為負值。仿真結(jié)果表明，采用模糊PI控制，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間短，動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都達到顯著改善，模糊PI控制系統(tǒng)的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器的控制效果。

4.2.2勢能回收效率

勢能回收效率ηtp由負載勢能(含門架自重)Ep和貨叉下降過程中發(fā)電機發(fā)電的能量Eg決定。

由式(11)、式(12)及式(13)，電機的發(fā)電電流I按圖6取值,電機的發(fā)電電壓U按圖7取值,電機的發(fā)電時間t按圖6取值。門架裝置主要參數(shù)按表4取值，經(jīng)計算可得負載質(zhì)量為7000 kg時的勢能回收效率為50.4%。仿真結(jié)果表明，提出的控制策略可以實現(xiàn)勢能的高效率回收，達到了控制目的。

圖6　電機發(fā)電電流

圖7　電機發(fā)電電壓

升降系統(tǒng)最大起升高度hmax(m)3額定負載質(zhì)量m0(kg)7000內(nèi)門架質(zhì)量m1(kg)438貨叉及貨叉架質(zhì)量m2(kg)533升降油缸運動部件質(zhì)量m3(kg)117

5　實車試驗

根據(jù)提出的控制策略調(diào)試樣機，樣機外觀如圖8所示,為了驗證勢能回收效果，本文不考慮制動能量回收。對傳統(tǒng)電動叉車和帶勢能回收系統(tǒng)的電動叉車進行能量消耗試驗，叉車試驗路線如圖9所示。

圖8　樣機外觀圖

圖9　電動叉車能量消耗試驗運行路線

能量消耗試驗中叉車循環(huán)運行順序如下:①電動叉車在A處裝載標準試驗負荷(本文為7000 kg)，以標準試驗載荷狀態(tài)沿路徑1退行并轉(zhuǎn)至X處；②由X處沿路徑2前行并轉(zhuǎn)至B處；③在B處門架起升2000 mm后再下降至距地面300 mm處；④由B處沿路徑3退行并轉(zhuǎn)至Y處；⑤由Y處沿路徑4前行并轉(zhuǎn)至A處；⑥在A處門架起升2000 mm后再下降至距地面300 mm 處[8]。

兩種試驗電動叉車的基本參數(shù)如表5所示，帶勢能回收系統(tǒng)電動叉車能量消耗試驗結(jié)果如表6所示，傳統(tǒng)電動叉車能量消耗試驗結(jié)果如表7所示。

表5　試驗電動叉車的基本參數(shù)

表6　帶勢能回收系統(tǒng)的電動叉車能量消耗試驗數(shù)據(jù)

由表5可以看出兩種電動叉車的整車質(zhì)量基本一致(傳統(tǒng)電動叉車的整車質(zhì)量小50kg)，兩種叉車的負載完全一致(均為7000 kg)，這樣，在相同的試驗條件下，兩種電動叉車的能量消耗應(yīng)基本一致。傳統(tǒng)電動叉車由單一能量源(鉛酸蓄電池組)供電，帶勢能回收系統(tǒng)的電動叉車由雙能量源(鉛酸蓄電池組和超級電容器組)供電。

表7　傳統(tǒng)電動叉車能量消耗試驗數(shù)據(jù)

由表6可以看出超級電容器組充放電的電量相等,表明回收的能量得到充分利用。超級電容器組充放電的電量相等的原因是:為了保證回收能量充分利用,整車能量管理策略規(guī)定在叉車行駛和起升過程中優(yōu)先使用回收的能量(超級電容器組儲存的能量)。能耗試驗的測量點選擇在圖9的B處(門架起升前記錄超級電容器組充放電的電量)，此時回收的能量完全被消耗，超級電容器組的放電量等于充電量。由表6可得電動叉車勢能回收系統(tǒng)對超級電容器組的充電量曲線及鉛酸蓄電池組的放電量曲線,如圖10所示。

圖10　能量源的充/放電量曲線

由圖10可以看出,在能耗試驗工作循環(huán)過程中,鉛酸蓄電池組的放電量隨時間呈線性增加,循環(huán)結(jié)束時，放電量為639.9A·h。勢能回收系統(tǒng)對超級電容器組的充電量隨時間呈線性增加，循環(huán)結(jié)束時,充電量為64.92A·h。由表6可以看出,勢能回收系統(tǒng)對超級電容器組的充電量占能量源(鉛酸蓄電池組和超級電容器組)總放電量的9.2%,勢能回收效果明顯。

由表6及表7可得兩種電動叉車鉛酸蓄電池組的放電量曲線，如圖11所示。

圖11　鉛酸蓄電池組放電量曲線

由圖11可以看出,在能耗試驗工作循環(huán)過程中，在相同的試驗時間中，傳統(tǒng)電動叉車鉛酸蓄電池組的放電量大于帶勢能回收系統(tǒng)的電動叉車鉛酸蓄電池組的放電量。原因是：在能耗試驗過程中，傳統(tǒng)電動叉車僅由鉛酸蓄電池組供電，帶勢能回收系統(tǒng)電動叉車由雙能量源供電(超級電容器組回收負載勢能并供電動叉車起升和行走過程使用)。試驗結(jié)果表明：帶勢能回收系統(tǒng)電動叉車不僅可以回收負載的勢能，而且回收的能量也得到充分應(yīng)用。

由表6及表7可以看出,帶能量回收系統(tǒng)電動叉車能耗試驗的工作循環(huán)時間為222 min；傳統(tǒng)電動叉車能耗試驗的工作循環(huán)時間為199 min。帶能量回收系統(tǒng)的電動叉車相對傳統(tǒng)電動叉車可以延長工作時間11.6%。

6　結(jié)論

(1)提出了基于雙能量源(蓄電池組和超級電容器組)、變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速的電動叉車勢能回收系統(tǒng)方案，建立了勢能回收系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了勢能回收效率的表達式。

(2)設(shè)計了電機轉(zhuǎn)速模糊PI控制系統(tǒng)和模糊控制器，給出了電動叉車勢能回收系統(tǒng)控制策略。

(3)在AMESim及MATLAB環(huán)境下,建立了勢能回收系統(tǒng)的仿真模型，并對勢能回收系統(tǒng)進行仿真分析。仿真結(jié)果表明,模糊PI控制系統(tǒng)的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器的控制效果；在給出的控制策略下，勢能回收效率為50.4%。

(4)對實車進行試驗研究，驗證了仿真模型的有效性和仿真結(jié)果的正確性。試驗結(jié)果表明，帶能量回收系統(tǒng)的電動叉車相對傳統(tǒng)電動叉車可以延長工作時間11.6%,勢能回收效果明顯。

[1]張彥廷,王慶豐,肖清.液壓驅(qū)動慣性系統(tǒng)能量回收的節(jié)能試驗研究[J].機床與液壓,2007，35(7):91-92.

Zhang Yanting,Wang Qingfeng,Xiao Qing.Experimental Research on Energy-Saving with Energy Regeneration for Hydraulic Powered Inertial System[J].Machine Tool& Hydraulics, 2007，35(7):91-92.

[2]Minav T,Immonev P,Laurila L,et al.Electric Energy Recovery System for a Hydraulic Forklift—Theoretical and Experimental Evaluation[J].IET Electric Power Applications,2011,5(4):377-385.

[3]裴磊.混合動力挖掘機勢能回收系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2008.

[4]Lin Tianliang,Wang Qingfeng,Hu Baozan,et al.Research on the Energy Regeneration Systems for Hybrid Hydraulic Excavators[J].Automation in Construction,2010,19:1016-1026.

[5]林巨廣,顧杰,余向東.基于模糊理論的SHEV發(fā)電機組控制策略研究[J].中國機械工程,2013，24(14):1983-1987.

Lin Juguang,Gu Jie,Yu Xiangdong. Study on SHEV Generator Group Control Strategy Based on Fuzzy Theory[J]. China Mechanical Engineering,2013,24(14):1983-1987.

[6]汪貴平.純電動汽車驅(qū)動與制動能量回收控制策略研究[D].西安：長安大學(xué),2009.

[7]郭金剛,王軍平,曹秉剛.電動車最大化能量回收制動力分配策略研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2008,42(5):607-611.

Guo Jinggang,Wang Junping,Cao Binggang.Brake Force Distribution Strategy for Electric Vehicle Based on Maximum Energy Recovery[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2008,42(5):607-611.

[8]中國機械工業(yè)聯(lián)合會．GB/T 3300-2010,平衡重式叉車,整機試驗方法[S].北京：機械工業(yè)出版社，2010．

(編輯袁興玲)

Research on Potential Energy Recovery System Control Strategy for Electric Forklifts

Zhang Kejun1,2Chen Jian1

1.Hefei University of Technology,Hefei,2300092.Anhui Heli Co., Ltd., Hefei,230601

A potential energy recovery system for electric forklift was proposed based on dual-source energy storage system and volumetric speed control,the mathematical model of energy recovery system and the mathematical model of potential energy recovery efficiency were given,fuzzy PI control system for motor speed control was designed,control strategy of potential energy recovery system was given.AMESim and MATLAB were used to analyse potential energy recovery system,then through experimental study the effectiveness of simulation model and the accuracy of simulation results were tested. The results show that control effect of fuzzy PI control system is superior to that of traditional PI controller and the control strategy can realize the potential energy efficient recycling,so the control purpose is achieved.

electric forklift;potential energy recovery system;control strategy;fuzzy PI control

2014-02-11

國家火炬計劃資助項目(2012GH041261);安徽省科技計劃資助項目(11010202181)

TH137.7DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.06.026

張克軍,男,1971年生。合肥工業(yè)大學(xué)噪聲振動工程研究所博士研究生，安徽合力股份有限公司高級工程師。主要研究方向為機械系統(tǒng)動態(tài)性能及低噪聲設(shè)計。陳劍，男,1962年生。合肥工業(yè)大學(xué)噪聲振動工程研究所教授、博士研究生導(dǎo)師。