鋰電池在集裝箱輪胎吊上的節(jié)能研究

摘要：目前以柴油機(jī)為動(dòng)力的集裝箱輪胎吊，由于碼頭的作業(yè)環(huán)境的特殊性，空閑待作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，柴油機(jī)空載比例大，而由于重物下降產(chǎn)生的勢(shì)能也未能得到利用，節(jié)能空間十分巨大。利用鋰電池的大容量，及大電流充放電的特性，可以避免柴油機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間空載或頻繁啟動(dòng)，還可以回收能量并進(jìn)行存儲(chǔ)和釋放，從而節(jié)約能源，減少了污染。通過(guò)多次的試驗(yàn)驗(yàn)證鋰電池應(yīng)用到起重機(jī)上節(jié)能減排的巨大作用。

關(guān)鍵詞：集裝箱輪胎吊、鋰電池、混合動(dòng)力系統(tǒng)、節(jié)能

1、設(shè)計(jì)理念

集裝箱輪胎吊又稱集裝箱輪胎吊。主要由四部分組成：大車行走機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)及動(dòng)力裝置。動(dòng)力裝置是集裝箱輪胎吊的心臟部分。傳統(tǒng)的集裝箱輪胎吊采用柴油機(jī)組 作為主動(dòng)力，并且不能儲(chǔ)存電能，因此在集裝箱下降及制動(dòng)時(shí)反饋的電能由安裝在起重機(jī)上的電阻箱進(jìn)行消耗。通過(guò)分析，可知起升下降時(shí)候浪費(fèi)的能量最多。因此可以考慮通過(guò)增加儲(chǔ)能單元以及減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)目前主流的電能和機(jī)械能的組合，集裝箱輪胎吊采用串聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)方案。在傳統(tǒng)起重機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)中增加了合適的儲(chǔ)能元件，用來(lái)回收起重機(jī)因勢(shì)能變化產(chǎn)生的能量，再將回收的能量作為動(dòng)力補(bǔ)給，非常節(jié)約能源，因此具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。相比傳統(tǒng)集裝箱輪胎吊，我們選用80KW，400V小型柴油發(fā)電機(jī)組，在儲(chǔ)能單元故障時(shí)候，可以切換至柴油機(jī)組直接進(jìn)行供電，柴油機(jī)組直接供電可以滿足大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)及起升機(jī)構(gòu)慢速運(yùn)行以及空調(diào)、照明、通訊供電等的正常要求。

傳統(tǒng)集裝箱輪胎吊的整流單元模塊使用的是起升變頻器的二極管整流單元，現(xiàn)在改為可控整流單元模塊。具有整流、限流、升壓和穩(wěn)壓的作用，它把柴油發(fā)電機(jī)組輸出的400V交流電整流成所需的直流電，升壓并穩(wěn)定到所需的電壓，同時(shí)可以防止在起升重載上升發(fā)電機(jī)組過(guò)載熄火。限制電流可使發(fā)電機(jī)組始終工作在最佳效率點(diǎn)。提高柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率。基于80KW柴油機(jī)組的功率，可控整流單元模塊選擇110KW，400V。

在此混合動(dòng)力系統(tǒng)中，采用DC/AC逆變器將直流電變成三相交流電。為了提升供電質(zhì)量，本系統(tǒng)中采用了正弦波濾波器，濾去逆變器輸出三相電的諧波，平滑的三相電更接近三相正弦波交流電，提高輔助供電質(zhì)量，消除諧波電壓對(duì)控制電子設(shè)備的影響。

1.2儲(chǔ)能單元的選擇

集裝箱輪胎吊起升下降時(shí)候，由于集裝箱一般都是20-40T的箱重，因此下降時(shí)釋放很大的能量，這樣就需要能夠選擇具有高功率承受力的儲(chǔ)能單元。而目前被廣泛使用的鋰離子電池符合這些特性要求。在電池材料的選擇方面，我們選擇了安全性更高的磷酸鐵鋰電池。

1.2.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)電池組構(gòu)成

此電池組系統(tǒng)由兩組儲(chǔ)能系統(tǒng)單元組成，由主電池管理模塊進(jìn)行控制。兩組儲(chǔ)能單元可以同時(shí)工作也可分開(kāi)單獨(dú)運(yùn)行。

1.2.2 能量控制器的設(shè)計(jì)

在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電池儲(chǔ)能單元由508V，30AH標(biāo)準(zhǔn)電池組并聯(lián)組成，總?cè)萘窟_(dá)到150AH。利用雙向DC/DC變換器來(lái)控制電池組的充、放電，保護(hù)電池壽命?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的控制電源取自集裝箱輪胎吊的控制系統(tǒng)電源，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中配備和合適容量的UPS，由UPS給混合動(dòng)力系統(tǒng)的PLC電源、智能電池管理系統(tǒng)（BMS）電源、AC/DC整流器控制電源、DC/DC變換器控制電源和輔助電源逆變器 進(jìn)行供電。

2.測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用在集裝箱輪胎吊上的可行性，為此制作了一臺(tái)以鋰電池組作為主動(dòng)力來(lái)源，小型柴油機(jī)組給鋰電池組進(jìn)行充電的樣機(jī)。其中起升馬達(dá)的功率最大，達(dá)到了200KW。一般情況下起升機(jī)構(gòu)可以和小車機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，此時(shí)最大總功率為230KW。小車機(jī)構(gòu)和打車機(jī)構(gòu)可以聯(lián)動(dòng)，此時(shí)最大總功率為150KW。此次實(shí)驗(yàn)起升機(jī)構(gòu)上升所需要的電流最大，起升機(jī)構(gòu)下降產(chǎn)生的電流也是最大，目的是測(cè)試電池的充放電能力是否滿足實(shí)際工況要求。一般標(biāo)準(zhǔn)集裝箱重量為20噸左右，最大重量不超過(guò)41噸，此項(xiàng)目制作了兩組配重塊，一個(gè)20T，一個(gè)41T，并使用示波器進(jìn)行電流監(jiān)控。

2.1起吊能力測(cè)試

通過(guò)對(duì)負(fù)載41T，單動(dòng)起升機(jī)構(gòu)所得到的的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，電池電量從96%到45%，共計(jì)起升上升下降循環(huán)15次，用時(shí)25.5分鐘.通過(guò)對(duì)負(fù)載20T，單動(dòng)起升機(jī)構(gòu)，所得到的的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，單動(dòng)起升工況下，電池電量從95%到45%，共計(jì)起升上升下降循環(huán)31次，用時(shí)45分鐘。

2.2電池續(xù)航能力測(cè)試

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，起吊41T標(biāo)準(zhǔn)集裝箱時(shí)，只使用電池組，當(dāng)電池SOC從95%降到45%時(shí)共計(jì)能吊15個(gè)集裝箱；起吊41T集裝箱時(shí)，起動(dòng)柴油機(jī)充電，鋰電池組同時(shí)工作，電池SOC從45%升到95%時(shí)共計(jì)能吊13個(gè)集裝箱。電池SOC從45%充電到95%。起吊20T集裝箱，假如只使用電池組，當(dāng)電池SOC從95%降到45%時(shí)共計(jì)能吊20個(gè)集裝箱；電池SOC從45%升到95%時(shí)共計(jì)能吊19個(gè)集裝箱。

2.3 電池待機(jī)測(cè)試

由于碼頭作業(yè)環(huán)境的特殊性，等待作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，因此需要測(cè)試鋰電池組無(wú)負(fù)載時(shí)候的充放電情況。待機(jī)充電測(cè)試，電池電量從45%～95%，柴油發(fā)電機(jī)充電電流基本恒定在141A，充電完成時(shí)間約30分鐘。待機(jī)放電測(cè)試，電池電量從95%～75%，放電電流8A-10A，用時(shí)2.5小時(shí)。

2.5混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗測(cè)試

配備鋰電池組的集裝箱輪胎吊，可以完全回收起升機(jī)構(gòu)吊集裝箱下降時(shí)候產(chǎn)生的能量，以及大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)候產(chǎn)生的能量回饋。下面將模擬實(shí)際工況來(lái)進(jìn)行油耗測(cè)試。通過(guò)測(cè)試可知，在模擬正常作業(yè)工況下，每11.5個(gè)工作周期消耗柴油15.1L。作業(yè)兩個(gè)集裝箱為一個(gè)工作周期，按作業(yè)單個(gè)集裝箱計(jì)算，每個(gè)41T集裝箱油耗0.66升。每個(gè)20T集裝箱油耗0.46升。根據(jù)集裝箱港口油耗數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)純柴油機(jī)型集裝箱輪胎吊作業(yè)一個(gè)41T集裝箱，一般油耗為1.4L/箱；作業(yè)一個(gè)20T集裝箱，一般油耗為1L/箱。由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以可知，混合動(dòng)力集裝箱輪胎吊的節(jié)能效率可達(dá)到50%左右，充分體現(xiàn)了混合動(dòng)力系統(tǒng)巨大的節(jié)能潛力。

3.結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本章以配備鋰電池組帶混合動(dòng)力系統(tǒng)的集裝箱輪胎吊為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)鋰電池組的充放電能力測(cè)試、續(xù)航能力測(cè)試、待機(jī)測(cè)試，得出以下結(jié)論

1）本文所提出的集裝箱輪胎吊混合動(dòng)力儲(chǔ)能單元的選擇，混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略是合理的。

2）本文中所提出的配備鋰電池組的集裝箱輪胎吊能夠節(jié)約50%以上的能量

3.2 展望

后續(xù)還需要做更多的耐久實(shí)驗(yàn)來(lái)論證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前初步的研究結(jié)果表明，鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用到集裝箱輪胎吊上的巨大的節(jié)能前景，在該研究領(lǐng)域還存在以下幾方面值得進(jìn)一步擴(kuò)充和深入：

1）通過(guò)多次的耐久實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該混合動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

2）進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)在其他起重機(jī)械上的應(yīng)用研究

作者簡(jiǎn)介：劉宗仁（1983年1月30日），男，山東泰安，本科，研究方向：電氣工程及自動(dòng)化.

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