港口電動(dòng)集裝箱牽引車技術(shù)改造方案及應(yīng)用

王照宇

電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展使我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的歷史機(jī)遇。早在2005年，我國(guó)就出臺(tái)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006―2020年）》，明確提出重點(diǎn)研究開發(fā)低能耗和新能源汽車、集成和制造技術(shù)、動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件技術(shù)和新能源汽車試驗(yàn)測(cè)試及基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)。隨后，我國(guó)啟動(dòng)“十城千輛”節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程，先后出臺(tái)《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》、私人購(gòu)買新能源汽車補(bǔ)貼試點(diǎn)等一系列鼓勵(lì)政策，從國(guó)家政策層面鼓勵(lì)和促進(jìn)新能源汽車發(fā)展。

在港口新能源建設(shè)方面，2012年交通運(yùn)輸部發(fā)布的《關(guān)于港口節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》指出：鼓勵(lì)利用清潔能源、可再生能源，提高港口使用清潔能源、可再生能源比例;優(yōu)先采用以電能或其他清潔能源作為動(dòng)力源的工藝技術(shù)和裝卸搬運(yùn)設(shè)備，使碼頭裝卸工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)能力匹配，提高裝卸效率，降低能耗;加快港口技術(shù)改造，加快淘汰高耗能、高排放、低效率的老舊設(shè)備。自2012年以來(lái)，隨著低碳港口建設(shè)項(xiàng)目發(fā)揮示范效應(yīng)，越來(lái)越多的港口開

始關(guān)注綠色低碳發(fā)展，現(xiàn)有連云港港、天津港、蛇口港、青島港、大連港、廣州港、福州港、日照港等8個(gè)港口確定為“低碳港口建設(shè)”主題性管理試點(diǎn)。為了響應(yīng)國(guó)家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，本文提出港口電動(dòng)集裝箱牽引車技術(shù)改造方案，以期為建設(shè)綠色、低碳、環(huán)保港口提供保障。

1 港口電動(dòng)集裝箱牽引車技術(shù)改造方案

對(duì)港口現(xiàn)有集裝箱牽引車進(jìn)行改造，保持車輛底盤及主體結(jié)構(gòu)不變，用鋰電池和電動(dòng)機(jī)取代原有變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)改造傳動(dòng)、電氣、液壓及空調(diào)系統(tǒng)，使車輛動(dòng)力及各項(xiàng)功能滿足正常作業(yè)需求。

1.1 整體方案

拆除集裝箱牽引車發(fā)動(dòng)機(jī)，保留與變速箱相連的變矩器，將電動(dòng)機(jī)布置在原發(fā)動(dòng)機(jī)位置，固定在變矩器上;將2個(gè)容量為200 A h的電池箱分別布置在車輛原油箱位置及其對(duì)面啟動(dòng)電池位置（將啟動(dòng)電池移至駕駛室下方）;在原車液壓管路的基礎(chǔ)上增加電動(dòng)汽車專用電動(dòng)液壓站，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供液壓助力;在原車氣動(dòng)管路的基礎(chǔ)上增加車載電動(dòng)空氣壓縮機(jī)，布置在原發(fā)動(dòng)機(jī)位置上方，為車輛制動(dòng)等提供氣壓;增加車載空調(diào)系統(tǒng)（冷暖），布置在車頭原空調(diào)系統(tǒng)位置;電動(dòng)機(jī)控制器布置在電動(dòng)機(jī)上方;增加水箱，以解決電動(dòng)機(jī)、電池、控制器等的散熱問(wèn)題;增加車載直流轉(zhuǎn)換器，以便為車輛啟動(dòng)電池充電，并為車輛低壓器件（如照明、各輔助系統(tǒng)等）提供電源。

1.2 參數(shù)配置

1.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用與原車發(fā)動(dòng)機(jī)性能相匹配的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、質(zhì)量較輕的大功率三相交流異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)額定功率為130 kW，峰值功率為（最長(zhǎng)維持2 min），額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，最高轉(zhuǎn)速為/min，額定轉(zhuǎn)矩為495 N穖，最大轉(zhuǎn)矩為，足以滿足牽引車的動(dòng)力要求。用電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)沒(méi)有怠速運(yùn)行工況，從而既能節(jié)省油耗，又能消除噪聲。

1.2.2 控制系統(tǒng)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)采用與電動(dòng)機(jī)相匹配的三相交流異步電動(dòng)機(jī)控制器，效率可以達(dá)到97%，控制功率為150 kW，最大功率為300 kW，以確保牽引車啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)高負(fù)載輸出和平穩(wěn)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)控制器具有電動(dòng)機(jī)制動(dòng)反饋功能：當(dāng)牽引車制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)控制器通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)反相來(lái)輔助牽引車制動(dòng)，從而提高車輛制動(dòng)的有效性和安全性。在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)控制器通過(guò)電動(dòng)機(jī)反相制動(dòng)對(duì)電池充電，從而提升電池的續(xù)航能力。電動(dòng)機(jī)控制器具有致命故障保護(hù)功能，能夠避免電動(dòng)機(jī)及其控制器因過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓等而損壞。

1.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

動(dòng)力系統(tǒng)采用目前電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)的磷酸鐵鋰鋰離子電池，具有體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性高、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，質(zhì)保期為4年或15萬(wàn)km。鋰電池標(biāo)稱電壓為576 V，總?cè)萘繛?07 kW穐。電池管理系統(tǒng)具有低溫加熱功能：當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，電池管理系統(tǒng)檢測(cè)電池溫度過(guò)低，充電前先對(duì)電池加熱，待電池達(dá)到最佳溫度后，再對(duì)電池充電，以保證在北方低溫條件下牽引車?yán)m(xù)航能力不受太大影響。按照以上配置方案，牽引車?yán)m(xù)駛里程為：當(dāng)牽引車載運(yùn)2個(gè)20 t集裝箱時(shí)，車輛總質(zhì)量為55 t，重載運(yùn)行速度為20 km/h，重載行駛里程為10 km，空載運(yùn)行速度為40 km/h，空載行駛里程為10 km;牽引車往返20 km的理論用電量為40 kW穐，電池滿充電量（207 kW穐）的巡航里程為103.5 km，若每天增加1次快充，可行駛207 km。

1.2.4 充電系統(tǒng)參數(shù)

充電柜的功率為75 kW，最高輸出電壓為250～ 750 V，額定輸入電壓為380 V，額定輸入電流為115 A，充電時(shí)間為4 h，設(shè)置緊急停止充電按鈕，具有密碼確認(rèn)啟動(dòng)充電、交流輸入過(guò)欠壓保護(hù)、交流輸入過(guò)流保護(hù)、直流輸出過(guò)流保護(hù)、直流輸出短路保護(hù)、直流輸出防止反接、輸出軟啟動(dòng)、防止電流沖擊等功能。

1.2.5 氣動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

氣動(dòng)系統(tǒng)采用原氣動(dòng)管路，由電動(dòng)空氣壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)車輛空氣制動(dòng)。電動(dòng)空氣壓縮機(jī)的參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)額定輸入功率為4 kW;排氣量為0.45 m3/min;工作壓力為1.0 MPa;加油量為2.5 L;采用風(fēng)冷冷卻型式;排氣口連接螺絲外徑為22 mm，螺距為1.5 mm;質(zhì)量為82～95 kg。

2 港口電動(dòng)集裝箱牽引車技術(shù)改造難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 改造難點(diǎn)

（1）電動(dòng)機(jī)和電池的使用適應(yīng)性 港口電動(dòng)集裝箱牽引車技術(shù)改造的最大難點(diǎn)是如何解決純電動(dòng)模式下電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、大功率運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)熱和散熱、效率下降以及噪聲較大等問(wèn)題，這也是目前國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)在純電動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題。此外，動(dòng)力電池需要攻克電池失效預(yù)警、快速拆解維護(hù)等技術(shù)難題，電池管理系統(tǒng)需要解決臨界溫度（高溫或低溫）條件下的電池保護(hù)與運(yùn)行能力維護(hù)問(wèn)題，電池組工藝需要解決電池臨界溫度的保護(hù)性設(shè)計(jì)問(wèn)題。

（2）規(guī)?；\(yùn)營(yíng)機(jī)制與商業(yè)化盈利模式 為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)集裝箱牽引車批量化市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)，需要開發(fā)操作簡(jiǎn)便、功能簡(jiǎn)化的運(yùn)營(yíng)監(jiān)控和故障維護(hù)工具，并建立相應(yīng)的培訓(xùn)制度，將設(shè)備運(yùn)營(yíng)監(jiān)控和故障維護(hù)技術(shù)研發(fā)從整車工廠和關(guān)鍵部件供應(yīng)商轉(zhuǎn)移至運(yùn)營(yíng)單位和維修工廠。為此，需要分析港口電動(dòng)集裝箱牽引車運(yùn)營(yíng)相關(guān)方成本和利潤(rùn)構(gòu)成，努力實(shí)現(xiàn)商用過(guò)程中各方利益均衡的盈利模式，建立電動(dòng)集裝箱牽引車產(chǎn)業(yè)化長(zhǎng)效發(fā)展的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)制。

2.2 改造創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用機(jī)電氣壓復(fù)合制動(dòng)過(guò)程整車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制技術(shù)及最優(yōu)化制動(dòng)能量回饋制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，形成高性能動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、電池低溫充電加熱功能和電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。

（2）基于系統(tǒng)故障診斷和風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)開發(fā)多層次安全保障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高安全性的高低壓電運(yùn)行環(huán)境。

（3）形成港口電動(dòng)集裝箱牽引車批量化生產(chǎn)工藝規(guī)范、檢測(cè)技術(shù)及市場(chǎng)推廣運(yùn)營(yíng)新模式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用。

3 港口電動(dòng)集裝箱牽引車技術(shù)改造預(yù)期

效益

電動(dòng)集裝箱牽引車的應(yīng)用能夠使港口設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本大幅下降（見表1），并且使港口年均二氧化碳排放量減少60 t。如果將傳統(tǒng)燃油集裝箱牽引車全部更換為電動(dòng)集裝箱牽引車，或者進(jìn)一步將電動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于場(chǎng)橋、岸橋等其他港口設(shè)備領(lǐng)域，無(wú)疑將加快實(shí)現(xiàn)綠色低碳港口建設(shè)目標(biāo)，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

港口集裝箱牽引車具有運(yùn)輸距離短、運(yùn)行區(qū)間固定、低速重載、連續(xù)工作等特點(diǎn)。研發(fā)高性能電動(dòng)集裝箱牽引車能夠有力推動(dòng)傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)，帶動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。相信在國(guó)家新能源政策的支持下，港口行業(yè)一定能充分利用上下游關(guān)鍵技術(shù)，打造出集裝箱牽引車電動(dòng)技術(shù)改造品牌，促進(jìn)我國(guó)港口電動(dòng)集裝箱牽引車技術(shù)實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-04-15）