雙動力場橋超級電池轉(zhuǎn)場系統(tǒng)的研發(fā)

姜磊 趙君慶

（天津港太平洋國際集裝箱碼頭有限公司 天津 300463）

1 課題背景

近年來，國內(nèi)很多專業(yè)集裝箱碼頭完成了場橋油改電工程，改造后場橋在箱區(qū)內(nèi)的作業(yè)時使用市電，在轉(zhuǎn)場過程中仍使用柴油發(fā)電機(jī)組，即所謂“雙動力場橋”。由于柴電能耗要高于市電，所以油改電工程給各碼頭帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為此，使用新能源設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)場成為油改點(diǎn)工程后各碼頭著手研究發(fā)展的課題之一。

2 項目實(shí)施的客觀條件

因?yàn)檫@是改造項目，所以方案的選擇考慮到了場橋作業(yè)工況和技術(shù)條件的要求，這包括安裝空間是否充足、安裝平臺強(qiáng)度是否滿足、輪壓負(fù)荷是否允許、新系統(tǒng)是否兼容和對老系統(tǒng)是否有電氣危害等因素。根據(jù)公司作業(yè)工況，改造方案拆除柴油發(fā)電機(jī)組，因此方案的實(shí)施考慮了如下幾個條件。

2.1 新系統(tǒng)需安裝在一個獨(dú)立的機(jī)房內(nèi)，為系統(tǒng)提供良好的工作環(huán)境，這個機(jī)房稱作電池機(jī)房。

2.2 電池機(jī)房的安裝位置確定在原柴油發(fā)電機(jī)組的平臺，將柴油發(fā)電機(jī)組拆除后的空間供其安裝。

2.3 設(shè)計平臺新的布局，預(yù)留盡量大的安裝空間、確定電池房的外形尺寸。

2.4 根據(jù)場橋海陸兩側(cè)負(fù)荷情況進(jìn)行輪壓計算，確定電池房的最大重量4噸。

2.5 系統(tǒng)的三個重要電氣指標(biāo)：第一、滿足在電池驅(qū)動、SOC在40%以上，全速給大車跑行2500米、轉(zhuǎn)向次數(shù)20次以及在上述轉(zhuǎn)場過程中的10%速度給卷揚(yáng)和全速給小車。第二、場橋在轉(zhuǎn)場過程中，要實(shí)現(xiàn)所有輔助用電設(shè)備不間斷供電。第三、能夠滿足日常30度電的維修工作。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

綜合考慮上述幾個問題，系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)包括儲能元件、逆變電源和系統(tǒng)安全等三個因素。

3.1 儲存元件的選擇

常用的動力系統(tǒng)儲存元件主要為三種：傳統(tǒng)的VRLA電池、鋰離子電池和超級電池。VRLA電池（閥控鉛酸電池）最大的優(yōu)勢是穩(wěn)定性較好，但其重量比能量較小，安裝空間和自重的適應(yīng)性較差。鋰離子電池具有重量比能量比較大的優(yōu)勢，約為VRLA電池的一倍，是全球比較關(guān)注的新能源材料。但其價格昂貴和穩(wěn)定性差的兩大不足使其在汽車行業(yè)中仍處于試驗(yàn)階段，可靠性不是很令人滿意。超級電池是在原來的VRLA電池或鉛碳電池基礎(chǔ)上升級的新產(chǎn)品，通過改進(jìn)極板材料和工藝，增大了電池充發(fā)電的電流和提高了響應(yīng)時間，使其具有“超級電容”的充放電特性，同時電池的質(zhì)量比能量得到一定降低，從而提高了其可應(yīng)用性。

表1 三種常用電池的比較

如上表1所示的數(shù)據(jù)，綜合考慮使用超級電池作為此系統(tǒng)的儲存元件。超級電池共48節(jié)串聯(lián)，單節(jié)電池電壓12V,容量為120AH，最大放電電流可達(dá)到300A。電池組在10%SOC時端電壓為580V,在100%SOC時端電壓為624V，滿足系統(tǒng)要求。

3.2 逆變電源的選擇

根據(jù)場橋系統(tǒng)的要求，逆變電源的容量60KW、交流輸入電壓380VAC—480VAC、直流輸入電壓450VDC—750VDC、交流輸出電壓380VAC—480VAC，可是實(shí)現(xiàn)交直流輸入在線“零縫隙”切換?？紤]到轉(zhuǎn)向油泵在啟動時會有5倍的電流，所以在直流母線上安裝了一個18.5 KW的變頻器，用于驅(qū)動轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)，從而保護(hù)逆變電源。

3.3 系統(tǒng)安全的考慮

系統(tǒng)安全的考慮要充分考慮到電氣隔離、控制連鎖和系統(tǒng)安全等因素，同時在操作上不要給司機(jī)增加過多的環(huán)節(jié)。設(shè)計思路要從直流主電路接口、交流主電路接口和控制電路接口三個方面著手。直流接口作外接式，即將電池直流母線和場橋變頻器直流母線外接，線路設(shè)置空氣開關(guān)、接觸器、二極管和保險等保護(hù)裝置，使外界系統(tǒng)做到安全隔離。控制接口設(shè)計到兩套系統(tǒng)之間的I/O聯(lián)絡(luò)，逆變電源的控制和保護(hù)，直流母聯(lián)的控制和保護(hù)，電池狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)以及場橋電池用電時的控制和保護(hù)等。

4 系統(tǒng)改造

系統(tǒng)改造包括機(jī)械平臺加固、電池房吊裝、電氣安裝和調(diào)試等諸方面工作。

4.1 機(jī)械平臺加固和元件布置

場橋輪壓計算結(jié)果：發(fā)動機(jī)房自重為8噸，電氣室自重為4噸，而電池機(jī)房自重4噸，因此安裝電池機(jī)房后，電氣室側(cè)輪壓增加1噸，達(dá)到33噸，場橋輪胎輪壓在充氣良好時一般為35噸，滿足要求。

平臺加強(qiáng)改造：在原平臺槽鋼框架的基礎(chǔ)上，可以用相同槽鋼框架疊了一層，對平臺進(jìn)行了加強(qiáng)改造，同時在機(jī)房內(nèi)側(cè)使用方管安裝機(jī)房的防撞護(hù)杠。

平臺布置方案：在滿足元器件散熱空間和維修空間的基礎(chǔ)上，要考慮配重平衡，更重要的是柴油發(fā)電機(jī)組拆除后原有信號電纜及動力電纜的長度，盡量避免出現(xiàn)電纜有接頭的情況。

4.2直流主電路

電池系統(tǒng)的直流連接為外接式，直流母線正極安裝二極管的目的是避免變頻器對電池組進(jìn)行充電，直流母線負(fù)極安裝分流器進(jìn)行電流采集、反饋和控制。

在電池側(cè)的直流母線上安裝了EPS（逆變電源）以供場橋系統(tǒng)控制電源和輔助設(shè)備以及電池系統(tǒng)輔助、控制電源使用。母線正極安裝二極管，作用是除了截止電池不充電外，保證EPS交直流切換時供電的不間斷。

在變頻器側(cè)的直流母線上安裝了轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)變頻器，用于對轉(zhuǎn)向油泵進(jìn)行軟啟動控制，目的是保護(hù)EPS。

4.3 交流主電路

電池系統(tǒng)和場橋系統(tǒng)在交流方面的連接方式為嵌入式，即將EPS嵌入接在輔助電路中。EPS交流進(jìn)線來自3MCB下口（原輔助變壓器一次側(cè)），其經(jīng)過460/510V（機(jī)房內(nèi)）三相升壓變壓器后接入。交流輸出接濾波器和升壓自耦變壓器400/460V（戶外）接到后分成兩路，一路給場橋的變壓器一次側(cè)。另一路給場橋變頻器控制電源和配電柜冷卻風(fēng)機(jī)。變壓器二次側(cè)輸出分為兩路：一路給場橋輔助電路，另一路給電池系統(tǒng)輔助電路?？紤]到故障情況，不影響場橋作業(yè)，EPS交流出線側(cè)安裝了旁路開關(guān)。

4.4 電池系統(tǒng)輔助電路

4.4.1 EPS控制

EPS的運(yùn)行和停止完全依靠外圍硬件來完成。運(yùn)行命令為兩個信號并聯(lián)：一個是發(fā)動機(jī)電瓶搭鐵開關(guān)，當(dāng)搭鐵開關(guān)合上后，電瓶電源主線路上的接觸器會吸合，接觸器上的常開觸點(diǎn)會接通EPS運(yùn)行命令，這樣做的原因是出于不改變司機(jī)原來的操作習(xí)慣；另一個是維修用的上電開關(guān)，直接接入EPS運(yùn)行端子。EPS的停止是通過在停止端子上接入緊停開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。另外，EPS具有自我保護(hù)功能，故障情況能自動關(guān)斷，同時反饋信號接入電池控制器用于切斷直流母聯(lián)。

4.4.2 直流母聯(lián)控制

在使用市電作業(yè)的情況下，母聯(lián)接觸器斷開，電池母線和變頻器直流母線隔離；在使用電池轉(zhuǎn)場作業(yè)時，電池控制器在檢測到市電信號無、控制電源合信號有、電池電量充足信號有以及母聯(lián)空氣開關(guān)、電池狀態(tài)良好等信號有的情況下，控制緩沖接觸器和主接觸器先后吸合，從而完成母聯(lián)連接，上述任何條件的不滿足，母聯(lián)將關(guān)斷。

4.4.3 充電控制

在使用市電作業(yè)的情況下，電池控制器檢測到市電信號有即對電池進(jìn)行充電。充電過程分為恒流充電和涓流充電，同時冷卻風(fēng)機(jī)間斷周期開啟，輔助電池房空調(diào)，為電池提供良好的環(huán)境溫度。

4.4.4 轉(zhuǎn)向變頻器運(yùn)行控制

在轉(zhuǎn)向操作時，轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)接觸器吸合后，其常開觸點(diǎn)信號接入變頻器運(yùn)行端子，變頻器進(jìn)行起動加速，從而完成轉(zhuǎn)向泵電機(jī)的軟啟動。在變頻器故障時，故障信號接入場橋PLC，用于故障維修；場橋PLC的復(fù)位信號接入轉(zhuǎn)向變頻器，用于進(jìn)行故障復(fù)位。如果轉(zhuǎn)向變頻器故障不能解決，變頻器的出線側(cè)安裝了旁路電路，可以進(jìn)行旁路操作，從而不影響場橋正常作業(yè)。

4.4.5 電池電量指示

場橋電量顯示分別安裝在兩個地方。一個是在司機(jī)室安裝數(shù)碼顯示器，實(shí)時顯示電池SOC和續(xù)航情況，其實(shí)現(xiàn)方式是通過控制器進(jìn)行串行通訊實(shí)現(xiàn)的。另外一個是在大車腿部安裝一個四色指示燈，其通過場橋PLC根據(jù)電池系統(tǒng)的電量信號進(jìn)行二次處理實(shí)現(xiàn)的，便于維護(hù)人員檢查電池電量的情況，從而進(jìn)行合理使用和管理。

5 改造過程

系統(tǒng)改造分為如下幾個階段，系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品選型、裝置制作、平臺改造、機(jī)械安裝、電氣安裝、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)測試、試運(yùn)行、驗(yàn)收培訓(xùn)和正式運(yùn)行。

6 結(jié)語

此改造經(jīng)過運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電池運(yùn)行效果較好，基本處于浮充狀態(tài)，使用一天電池消耗不到5%，溫升基本為零。新系統(tǒng)得到了場橋司機(jī)的喜愛，這主要有三點(diǎn)理由：一是省略了發(fā)動機(jī)啟動和熄滅的時間，場橋司機(jī)的操作強(qiáng)度得到降低，使作業(yè)真正實(shí)現(xiàn)了無污染無噪音操作。二是場橋轉(zhuǎn)場（過街）時間由原來的5分鐘，下降到現(xiàn)在的不到3分鐘，轉(zhuǎn)場效率大幅提升，進(jìn)一步提高了設(shè)備的用電率。二是使用了電池和EPS后，輔助用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)了不間斷供電，提高了作業(yè)的安全性和便捷性。此外，電池能夠提供常規(guī)的維修用電，從而基本實(shí)現(xiàn)了油改電場橋的零排放運(yùn)行維護(hù)管理。

這種基于超級電池的轉(zhuǎn)場系統(tǒng)，為場橋使用提供了可靠的動力源，從而可以進(jìn)一步提高場橋的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。