油电混合动力叉车的检验技术研究

王中伟

（天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192)

油电混合动力叉车的检验技术研究

王中伟

（天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192)

介绍了油电混合动力叉车国内外代表性的产品。概述了油电混合动力叉车驱动系统的分类及各自的技术特点、动力电池的安全特性及安全隐患。介绍了油电混合动力叉车及其监督检验适用的标准，针对油电混合动力的特点对其进行监督检验的内容和方法。分析了油电混合动力叉车的安全问题，以及检验面临的新问题，并有针对性地提出建议，为开展相关试验提供参考。

油电混合动力叉车；监督检验；安全问题

CLC NO.:TH137Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-48-03

引言

目前，平衡重式叉车中内燃叉车功率较大，连续作业时间长，但不适用于环境要求较高的场所；蓄电池叉车工作噪音小，节能环保，但不适用于搬运起升重量较大的货物，而且蓄电池充电时间较长。近年来，油电混合动力叉车兼顾了动力和环保，开始逐步推广。油电混合动力叉车作为一种特种设备，对其进行法定的监督检验对于保证设备的安全使用等方面具有重要意义。

1、油电混合动力叉车的发展

世界第一台油电混合动力叉车HYBRID由丰田自动织机与丰田汽车共同研发生产，并于2009年12月在日本开始销售。该款叉车额定载重量为3.5吨，混合动力系统由柴油发动机、电动机和镍氢燃料电池组成，采用了丰田AC交流动力系统及燃料电池混合动力系统等专利技术。CO2的排出量和燃料的消费量宣称只有同等柴油车的50%左右。相比电瓶车的定时充电，氢燃料加入氢燃料电池5min后立即使用。动力强劲，工作效率高。

三菱重工推出了世界首台采用柴油发动机/锂离子电池的混合动力叉车——Grendia EX系列4.0-5.0吨叉车。采用两个异步电机，配置高容量电池，减小了发动机尺寸的同时，发动机的使用缩减到三分之一的水平，宣称比传统的标准设置内燃叉车节约39%的燃料。该叉车采用了排列组合的行驶模式，车轮可由发动机或由蓄电池单独控制，也可由发动机及驱动电机同时控制。在进行提升工作时，发动机可同时为液压泵及提升电机提供动力。

德国STILL额定载重能力为3.0t和3.5t的油电混动叉车RX70（如图1所示）在欧洲取得了不错的销量。该车采用一台30kW小功率柴油发动机，配备了两套储能系统，既能够从柴油油箱获得供能，又能从安装在车身后部的超级电容（高性能双层电容）获得供能。行驶和升降运动采用智能化控制，可在标准驱动条件及液压控制下降低柴油机转数，可电气调节的液压泵降低了升降动作的耗能量。通过再生制动将制动产生的能量储存到超级电容并可以用于后续的车辆加速。超级电容能快速吸收和释放高电流，对频繁加速、停车的叉车来说极为重要，尤其是装卸货物时。此外，司机可以按下按钮激活Blue-Q节能方式，对驱动特性以及耗电设备的切断进行智能控制。此款叉车宣称每小时仅需2.0-2.5升柴油，并且具有较长的维修间隔降低了维护成本。

林德也推出了油电混动叉车，起动发电机将承担发电机和传动机的双重功能，充分发挥发动机功率，提高动力传动系统效率，同时内燃机还附加了自动启停功能，降低能耗。

国内，2008年无锡开普研制成功中国第一辆拥有完全自主知识产权的油电混合动力叉车。其混合动力系统采用镍氢电池作为储能元件，利用发动机的最佳转速（最佳节油点）把机械能通过发电机转化为电能，再利用电动机驱动叉车，宣称油耗和CO2排放均降低30%以上。行走部分采用串联控制，举升部分采用直联方式。搭载功率比同类相同吨位叉车小的2.2L柴油发动机，爬坡能力却得到了增强。

2、油电混合动力叉车的关键技术

叉车工作、前进与停止频繁，其油电混合动力系统大多根据此特征而开发，按动力传动系统布置可分为串联式、并联式和混联式。

串联式混合动力叉车由发动机驱动发电机发电，电能通过控制器送到电动机或电池，由电机通过变速机构驱动叉车。当叉车处在启动、加速、爬坡工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当叉车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。避免了发动机怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。无锡开普的混合动力叉车属于串联式。

并联式混动叉车由发动机和电动机共同驱动，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向传动系统提供扭矩，既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机还可以用作发电机，以平衡发动机所受的载荷，使其在最佳工况点附近工作。由于发动机的机械能可直接输出到叉车驱动桥，中间没有能量的转换，所以系统先率较高，燃油消耗较少，但发动机不一定在最佳工况点附近运行，要受到叉车具体运作工况的影响。林德的混合动力叉车即属于并联式。

混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。丰田和三菱的油电混合动力叉车即为混联式。

油电混合动力叉车通常使用的动力电池有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池等，不同类型动力电池的安全特性和安全隐患如表一所示。

表1 动力电池的安全隐患

3、混动叉车监督检验技术研究

目前叉车法定检验须遵守国家质检总局2002年颁布的国质检锅[2002]16号《厂内机动车辆监督检验规程》规定的检验内容和方法，该规程的指标和要求主要引用的两个标准现已被《工业车辆 安全要求和验证 第1部分:自行式工业车辆（除无人驾驶车辆、伸缩臂式叉车和载运车）》（GB10827.1—2014）和《场（厂）内机动车辆安全检验技术要求》（GB/T16178—2011）替代，应以最新标准为准[1]。

油电混合动力叉车兼有内燃平衡重叉车和蓄电池平衡重叉车的特征。目前所有相关标准中还未明确提出混合动力的概念，仅有《机动工业车辆 术语》（GB /T 6104- 2005）中按动力源分类中给出了“内燃、电动车辆internal combustion, electric truck”的术语[2]，并未给出具体解释。但2014年新修订的《非公路用旅游观光车通用技术条件》（GB/T 21268-2007）将同样属于场（厂）内专用车辆的非公路用旅游观光车的定义由“以电动机或内燃机驱动”改为“以电动机、内燃机或二者交替驱动”并且对型号表示方法增加了动力型式:“混合动力为DQ:等”，原标准中D代表电动式、Q代表汽油[3]。除此之外该标准对很多指标和要求提高了要求，没有针对混合动力的特殊要求。

由于油电混动叉车的电池动力系统主要提供辅助动力，除具有与蓄电池叉车相似的电池及其管理系统、驱动电机及其控制系统等电驱动系统，工作电压较高等特定情况外，叉车其他结构特征及整车特性更接近于内燃平衡重叉车。适用于普通平衡重式叉车和零部件的标准多数都可直接用于油电混合动力叉车。由于有电驱动系统，也有一些技术要求或试验方法需做针对性调整。同时，原有电池、电机及其控制器、电磁兼容等蓄电池叉车标准和机动工业车辆基础性标准（术语、仪表、标志等）同样也适用于油电混合动力叉车。混合动力汽车的相关标准虽然法律上不适用于混合动力叉车，但有助于对相关术语、技术、试验方法的理解和启发。混合动力汽车标准中包括安全要求、动力性能试验方法和定型试验规程3项共用标准，轻型和重型混合动力汽车的能耗、能耗试验方法和排放试验方法的标准，以及2项重型混合动力电动汽车的研究报告[4]。

检验中首先应特别注意其是否有特种设备制造许可证或型式试验合格证，产品质量合格证明，并且核对设备信息与待检车辆是否一致。督促使用单位建立并认真记录使用、维修保养情况。认真阅读产品技术文件，了解产品的结构、性能尤其是传动布置形式、动力电池类型等。同时记录下内燃机与电动机的编号，车身两侧不得有超出车身外廓的突出物（后视镜除外），车身蒙皮应平整。如果车轮安装在车身下，车轮两侧不得超出车身外廓。检查内燃机连接管路、导线是否可靠夹固或锁定。

动力电池安装的检验应达到检规中对蓄电池车辆的要求并且绝缘良好，如果装有超级电容，应同样达到该要求。测量蓄电池带电部分和金属盖板间距离时，尽量使用塑料尺，并用平直的木条等工具辅助。由于混动车有可能采用大功率电池和高压电路，电池单体组各自的输出电压仍可能超过36V的安全电压，不正确的操作或者事故造成车体变形使电池组或其连接导线与车体接触，可能导致电击或漏电，检验时必须注意自身的安全防护。高压电路的线束和连接器一般为橙色，注意高电压电池等高压零件是否贴有“高压”警示，以防人员对高压系统的误接触导致触电。在高压系统检验过程中，必须带绝缘手套、断开电源，注意钢直尺、卡尺或卷尺等金属物体要放到远离电路的地方，防止其掉落引起短路。车辆应设置紧急断电开关并实物核查有效性，过电流保护应核对电气原理图检查。

混动叉车变速器为电子控制，若采用变速杆控制，应检查变速杆是否位置适当，自锁、互锁可靠。传动系应运转平稳，尤其是内燃机、电动机交替工作时，应平滑过渡，无动力丢失现象，且无抖动和异响。混动车型电控变速机构控制内燃机部分原理与内燃自动挡车型相似，也应符合处于空挡位置才能启动的要求。此处也可参考《工业车辆 电气要求》（GB/T 27544-2011）中:“运行控制系统应设计成只有当速度和方向控制被激活时，车辆才能够在水平地面上从静止开始启动。另外，应提供一个方法确保当操作者处于操作位置时，只有通过速度和/或方向控制复位，运行控制电路才能够被激活。”的要求[5]。在制动系的检验中，需要注意驻车制动是否满足必须是机械式的要求。由于混动车型自重较传统叉车有所增加，需要认真测试其制动效能是否达到相关标准要求。制动联锁装置应齐全、可靠，行车或驻车制动有效时，联锁开关必须切断行车电动机的电源。通过查阅电气原理图，查看联锁开关是否与行车电动机的电源联锁，并通过试验制动时电动机运转声音是否立即停止来验证。油电混动叉车的油门为电子油门（相当于滑动变阻器），油门踏板被踩下时，电阻变换而使信号电压输出发生变化，输出电压送到整车控制器处理后，传递给发动机ECU，从而发动机根据油门踏板行程调整喷油量。试验中注意是否出现发动机不受油门踏板控制，即油门踏板未踩下而发动机全速运转的情况。电子油门踏板失效多为电路的软件或者硬件故障造成[6]。

油电混合动力叉车与传统叉车的共同之处，例如灯光电气、转向系、工作装置和专用机械以及液压系统等和内燃平衡重式叉车或蓄电池平衡重式叉车的检验方法和标准是一致的。

此外，电磁辐射及电磁干扰问题，越来越受到人们重视。意大利医学家研究表明，电磁感应强度超过0.2μT的电磁场可能会诱发癌症和儿童白血病[7]。油电混合动力叉车在行驶过程中频繁进行电源变换和能量回馈。研究表明，驱动电机三相工作电流、驱动电机控制器开关器件动作电压和电源变换器内部IGBT的开关电压是整车电磁场辐射的主要干扰源[8]。目前我国尚未出台机动工业车辆（含叉车）电磁场辐射及其测试方法的标准，但为保证驾驶员的健康和设备的正常运行，参考电动汽车等机电产品相关标准对油电混合动力叉车电磁辐射的检测技术开展研究，会越发地受到重视。

叉车检验技术应紧跟叉车技术的发展方向，不但要做到根据经验判断叉车的安全隐患，更应随着科学技术的发展，将新技术引入叉车的检验中，为保障设备安全出力，促进叉车监督检验事业的可持续发展。

[1] 国质检锅[2002]16号，厂内机动车辆监督检验规程.

[2] GB/T 6104-2005机动工业车辆术语.

[3] GB/T 21268-2007 非公路用旅游观光车通用技术条件.

[4] 吴卫. 我国混合动力电动汽车标准的研究和制定[J].. 交通标准化，2005.07:357-361.

[5] GB/T 27544-2011工业车辆电气要求.

[6] 杜建福,徐顺余,肖太清等. 混合动力客车油门踏板安全对策[J].客车技术与研究. 2011,33(2):61-63.

[7] 周绍安.电磁辐射与防护[J].安徽科技. 2006,(6):50-51.

[8] 汪泉弟,刘青松,安宗裕等. 混合动力客车低频电磁辐射机理及抑制方法[N].电工技术学报. 2014,29(1):202-207.

Research of Inspection Technology on Hybrid Electric Forklift

Wang Zhongwei
( Tianjin Special Equipment Inspection Institute, Tianjin 300192 )

Representative products of hybrid electric forklift (HEF) at home and abroad are introduced. The classification and technical features of HEF drive system, safety features and safety hazards of battery are outlined. Standards of HEF inspection, targeted contents and methods of inspection are introduced. Safety issues, as well as new problems on inspection of HEF are analyzed. Some suggestions are put forward to provide reference for carrying out inspection.

Hybrid electric forklift; Inspection; Safety issues

TH137

A

1671-7988(2015)07-48-03

王中伟，就职于天津市特种设备监督检验技术研究院，从事场（厂）内专用机动车辆的检验及科研工作。