其他工程机械领域的研究发展

图5-37 电动叉车能量回收系统示意图

丹麦奥尔堡大学Andersen的研究主要针对电动液压叉车下放时释放的大量势能^[34]。如图5-37所示，电动叉车的最大负载为10kN，最大速度为0.3m/s，最大下放距离为3.5m，整个下降过程主要为匀速，下降时间大约为8s。当负载举到最高位置时，其最大可回收势能为44.1kJ，从操作性能和节能效果两方面进行研究分析：由于重物开始下降时，动臂液压缸下腔压力高于泵的出口压力，导致液压缸在开始下降瞬间，会有个快速下降过程，为此提出了四种控制策略，并从试验和仿真结果分析可得，采用常规控制策略，负载的阶跃下降并没有影响到用户的感觉；而压力反馈控制无实际意义；采用电动机转矩反馈控制策略，会引起系统振荡。整个能量回收系统的回收效率约40%，整个能量回收系统对电动叉车的工作效率在低速模式提高18%，高速模式下提高30%。

芬兰拉普兰塔理工大学Minav等对电动叉车的动臂能量回收进行了大量研究，首先从系统原理出发，通过与传统电动叉车的比较，探讨引入能量回收后对系统效率的提高程度，并对各个能量转换环节进行了建模分析^[35～38]；其次，研究了能量回收系统中电动机的类型、大小对回收效率的影响，并采用不同功率等级的感应电动机和永磁同步电动机进行了试验验证^[39～42]；此外还分析比较了采用不同储能元件时的能量回收效率^[43]，为总体方案的制定提供了充分依据，研究表明图5-37所示系统的最高回收效率可达66%。

2009年12月，日本丰田公司研制成功了世界第一台内燃式混合动力叉车（见图5-38），该叉车主要针对叉车工作时频繁前进和停止的工况设计，但对叉车动臂在下放过程中释放出的大量势能并没有进行回收，其能量回收技术主要是针对叉车在行走制动时的大量动能。相应的，日本的小松、三菱重工也先后推出了混合动力叉车，但都没有针对动臂释放的势能采用能量回收系统进行回收。

同济大学江明辉等针对蓄电池交流电动叉车提出了一种电动叉车的能量回收方案^[44，45]。其系统原理如图5-39所示，提升重物时，液压油通过阀组5进入提升液压缸，实现提升动作；下降时，阀组5和电磁阀4动作，液压油通过电磁阀4流回液压泵吸油口，液压泵变成液压马达工况，带动电动机转动，使电动机变为发电机工况，让能量回收到电动叉车电源（图中未表示出）。该系统的主要特点是液压泵与电动机在回收能量时均不反转。

图5-38 丰田公司的内燃式混合动力叉车(www.xing528.com)

图5-39 电动叉车电气式能量回收系统原理图

1—液压泵 2—交流电动机 3—提升液压缸 4—电磁阀 5—阀组

图5-40 基于超级电容的混合动力起重机系统

2002年，振华港机首次将混合动力技术应用于起重机系统，将超级电容作为储能装置并入场桥电路中，其下降距离为数十米，实现节能30%^[46]。此外，武汉大学李汉强教授、董明望教授以及同济大学卢耀祖教授等也对起重机做了相类似的研究^[47，50]。基于超级电容的混合动力起重机系统如图5-40所示，柴油发电机组发出的三相交流电经过交流变频器1的整流装置，转换成450～715V范围内变化的直流电源，直流电源通过交流变频器2、3、4中的变频装置，将直流转换成频率和电压可控的交流电源，用于货物起升、大车和小车运行机构。当工作机构处于再生反馈状态时，机构会将能量反馈到直流总线上。此刻直流总线电压会在变化范围内逐步上升，超级电容进入充电状态，此时其充电电流大小自动根据反馈能量大小决定。随着超级电容不断充电，其端电压会上升，直流总线电压跟着上升。由于超级电容容量很大且能在短时间内大功率储存能量，因此所有机构的反馈能量都将被超级电容吸收。当机构处于驱动状态，由于超级电容的内阻远小于发电机内阻，故超级电容会首先供电给直流总线，以维持总线电压，当驱动机构继续工作时，随着超级电容不断放电，其端电压逐步下降。当监测到此电压低于柴油发电机组的电源整流电压时，机组开始参与供电。