全鋰電池輪胎式龍門起重機技術(shù)應用

樊旭

近年來，為實現(xiàn)節(jié)能減排和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)集裝箱碼頭紛紛實施輪胎式龍門起重機（以下簡稱“輪胎吊”）“油改電”項目。“油改電”輪胎吊以市電為主要動力源，作業(yè)時由市電提供動力，僅在轉(zhuǎn)場時由柴油發(fā)動機提供動力，具有較好的節(jié)能效果，但仍然存在不足之處：（1）“油改電”輪胎吊轉(zhuǎn)場時由柴油發(fā)動機提供動力，未徹底解決高污染和高油耗等問題;（2）輪胎吊“油改電”項目涉及市電設施建設，工期較長且投資較大，對碼頭日常運營產(chǎn)生一定影響。全鋰電池輪胎吊能夠較好地解決上述問題。與傳統(tǒng)的“油改電”輪胎吊相比，全鋰電池輪胎吊以大功率鋰電池組為動力源，主要涉及設備單體改造，而不要求碼頭堆場實現(xiàn)市電設施全覆蓋，具有低能耗、零排放、投資小、對碼頭日常運營影響較小等優(yōu)點。本文介紹全鋰電池輪胎吊技術(shù)應用，以期為集裝箱碼頭實施輪胎吊“油改電”項目提供參考。

1 全鋰電池輪胎吊動力配置及技術(shù)要求

1.1 動力配置

全鋰電池輪胎吊動力配置如下：起升電機額定功率為210 kW;小車電機額定功率為30 kW;大車電機有2臺，每臺額定功率為45 kW;轉(zhuǎn)場電機有2臺，每臺額定功率為15 kW;吊具電機額定功率為7.5 kW。上述電機均采用交流電，額定電壓為380 V。

1.2 技術(shù)要求

（1）每個工作日2個作業(yè)班次，每個作業(yè)班次的作業(yè)時間為，輪胎吊平均作業(yè)效率為15自然箱/h。

（2）輪胎吊大車轉(zhuǎn)場時的最長移動距離為300 m。

（3）斷開市電后，輪胎吊自動切換為鋰電池供電模式;接入市電后，輪胎吊自動斷開鋰電池電源并轉(zhuǎn)為充電模式。

（4）鋰電池系統(tǒng)具有電池監(jiān)測功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測鋰電池組的電壓和內(nèi)阻等數(shù)據(jù)。

（5）輪胎吊司機室設置一鍵啟停按鈕并安裝指示燈，通過指示燈顯示鋰電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并在系統(tǒng)異?；蚬收锨闆r下發(fā)出警示。

（6）交流轉(zhuǎn)直流充電器不受啟停按鈕影響，一旦接入市電，即開始對鋰電池充電;當發(fā)生充電故障時，故障信息自動發(fā)送至電氣房和電池房的可編程邏輯控制器，同時司機室內(nèi)的指示燈發(fā)出警示。

（7）在鋰電池供電模式下，通過恒壓恒頻逆變器為整機輔助設備提供交流電源。

2 全鋰電池輪胎吊電力系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 概述

全鋰電池輪胎吊電力系統(tǒng)（見圖1）由動力鋰電池系統(tǒng)、鋰電池管理系統(tǒng)、鋰電池充電系統(tǒng)和應急供電系統(tǒng)構(gòu)成。鋰電池充電系統(tǒng)采用交流電轉(zhuǎn)直流電的充電形式;恒壓恒頻逆變器為鋰電池充電器和輪胎吊輔助設備提供恒壓恒頻的不間斷電源;應急供電系統(tǒng)由原柴油機供電線路改造而成。

2.2 動力鋰電池系統(tǒng)

動力鋰電池系統(tǒng)由112個電池標準箱按照4組并聯(lián)、每組28個串聯(lián)的形式組成，設計容量400 A h，荷電狀態(tài)25%～95%，直流電壓534～656 V。電池標準箱由額定電壓3.55 V、標稱容量9 A h的多元復合鋰電池以串聯(lián)和并聯(lián)方式組成，并與鋰電池管理系統(tǒng)采樣單元組成電池箱（堆）。電池箱（堆）針對全鋰電池輪胎吊的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求采用模塊化設計，布局合理，便于安裝和維護。動力鋰電池系統(tǒng)采用公共直流母線技術(shù)，能夠?qū)⒃O備下降和制動過程中產(chǎn)生的勢能回饋至鋰電池充電系統(tǒng)，實現(xiàn)能量回收。按照輪胎吊平均作業(yè)效率15自然箱/h、單箱耗電量1 kW h（不含輪胎吊停機和轉(zhuǎn)場時的耗電量）的工況計算，動力鋰電池系統(tǒng)容量達到396 A h且直流電壓達到568 V即可滿足輪胎吊作業(yè)要求，最大充電電流為200 A，充滿電僅需90 min。

2.3 鋰電池管理系統(tǒng)

鋰電池管理系統(tǒng)內(nèi)部及其與整機控制器和鋰電池充電器之間均采用控制器局域網(wǎng)絡總線通信方式，并通過與整機控制器的配合，實現(xiàn)對動力鋰電池系統(tǒng)充放電功能的控制和動力鋰電池系統(tǒng)運行狀況的實時監(jiān)測。當動力鋰電池系統(tǒng)發(fā)生故障時，鋰電池管理系統(tǒng)能夠及時上傳故障信息，并根據(jù)控制策略采取相應措施。鋰電池管理系統(tǒng)主要有以下功能。

（1）監(jiān)測功能 實時監(jiān)測鋰電池單體的電壓和溫度以及鋰電池組的電壓、充電電流、放電電流和絕緣電阻等。

（2）報警功能 對過壓、欠壓、過溫、過流、絕緣故障等情況發(fā)出報警信息，并調(diào)整參數(shù)或停機，以確保動力鋰電池系統(tǒng)運行安全。

（3）保護功能 在過壓、欠壓、過溫、過流、絕緣故障等情況下，若未在規(guī)定時間內(nèi)收到整機控制器或鋰電池充電器的響應信息，則自行控制故障鋰電池組退出運行。

（4）通信功能 以控制器局域網(wǎng)絡總線通信方式或RS485通信方式與其他設備（如整機控制器等）通信，接收和發(fā)送動力鋰電池系統(tǒng)運行信息。

（5）自動診斷功能 自動診斷通信異常情況，上傳故障信息并作相應處理。

（6）荷電狀態(tài)標定功能 預估鋰電池組荷電狀態(tài)，并在荷電狀態(tài)算法中考慮鋰電池組自放電、溫度等外部因素，當滿足條件時標定荷電狀態(tài)。

（7）均衡功能 采用被動均衡方式實現(xiàn)鋰電池組的均衡，根據(jù)鋰電池組的運行狀態(tài)控制相應的均衡通道，從而改善鋰電池組的一致性。

3 全鋰電池輪胎吊的經(jīng)濟和社會效益

（1）經(jīng)濟效益 從單箱能耗成本來看：柴油輪胎吊單箱耗油量為2.1 L，按柴油價格5.8元/L計算，單箱能耗成本為12.18元;全鋰電池輪胎吊單箱耗電量為2.49 kW h（包含輪胎吊停機和轉(zhuǎn)場時的耗電量），按電力價格1.053元/（kW h）計算，單箱能耗成本約2.62元，比柴油輪胎吊的單箱能耗成本下降近80%。

（2）社會效益 柴油輪胎吊由大功率柴油發(fā)動機驅(qū)動，不僅能量轉(zhuǎn)換效率低，而且會排放氮氧化物、硫氧化物、揮發(fā)性有機化合物、顆粒物等污染物并產(chǎn)生噪聲，造成嚴重環(huán)境污染;相比之下，全鋰電池輪胎吊實現(xiàn)污染物零排放，具有能源利用效率高、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點。

（編輯：張敏 收稿日期：2018-11-26）