“油改電”輪胎吊過轉場節能系統設計及優化

周興奎

1“油改電”輪胎吊過轉場電源切換存在的問題

傳統輪胎式集裝箱門式起重機（以下簡稱輪胎吊）使用柴油發電機組作為供電系統，因此，輪胎吊在堆場內作業不受場地限制，可以自由轉場作業。為確保輪胎吊能夠自由轉場作業，在確定輪胎吊“油改電”改造方案時，綜合分析各方案優缺點后選擇低架式滑觸線改造方案。低架式滑觸線改造方案具有改造成本低、維護便捷等優點；缺點是在堆場與堆場之間不能架設滑觸線，否則會妨礙場內拖車通行。為此，“油改電”輪胎吊在轉場或過場時仍需要使用原有的柴油機發電機組供電，導致其在過轉場時需要進行市電電源與柴油發電機組電源（以下簡稱柴電電源）的切換。

由于三相交流電存在相位角和頻率等問題，無法直接并網切換，必須由2個有機械互鎖功能的接觸器通過硬件連鎖控制來實現市電電源與柴電電源的切換。該電源切換方式存在以下弊端：

（1）在進行電源切換時存在短暫斷電間隙，設備電氣元件在切換電源的過程中會經受電源上電沖擊；

（2）“油改電”輪胎吊過轉場需要進行2次換電操作，對電氣設備的使用壽命影響較大；

（3）系統斷電后需要對小車和起升機構位置清零（即將起升機構上升到上終點，小車行駛到位后停止，對編碼器進行重新置位），而且位置清零過程操作復雜，影響作業效率；

（4）柴油機啟動頻繁，加之柴油機啟動前需要怠速運行，容易形成積碳，影響柴油機使用壽命。

2“油改電”輪胎吊過轉場節能系統設計

2.1鋰電池電源系統工作原理

為解決傳統輪胎吊“油改電”后的過轉場問題，經過多方論證和方案比較，選用鋰電池供電系統作為“油改電”輪胎吊過轉場供電電源系統，并通過選用2組電化學性能迥異的電池組實現不同功能。

（1）電功為的動力鋰電池組(以下簡稱電池組一)主要負責提供“油改電”輪胎吊轉場電源，為控制回路、起升、大車和小車系統供電。鋰電池的直流電源分2路供電：一路經過逆變單元逆變成交流電，為控制回路供應電源；另一路經過起升變壓器的直流輸入側輸入直流電，經由起升變頻器逆變成交流電，為各機構變頻器提供電源。

（2）電功為的動力鋰電池組（以下簡稱電池組二）作為輔助電源系統。當“油改電”輪胎吊在場內用市電作業時：吊裝集裝箱起升或下降的勢能轉換為電能，電池組二快速充電；在起升機構上升時，電池組二快速放電，為起升變頻器提供電源以驅動起升機構。當“油改電”輪胎吊在場外進行轉場因電池組一電量不足而無法行駛大車時，可以將電池組二切入供電，保證“油改電”輪胎吊切換到市電電源。

2.2系統控制原理

“油改電”輪胎吊過轉場節能系統主要由電池管理系統、直流電源轉換器和逆變器構成（見圖1），過街電池和助力電池分別經接觸器KM1和KM2到電池組一和電池組二后并聯輸出。當“油改電”輪胎吊過場時，控制器將KM1吸合，過街電池經雙向電池組一后，輸出直流電和交流電；當起升機構上升時，助力電池經直流電源轉換器后，輸出620 V直流電供給直流母線；當起升機構下降時，重力勢能通過直流電源轉換器給過街電池和助力電池充電。當“油改電”輪胎吊接市電時，直流輸出端通過直流電源轉換器為過街電池和助力電池充電；當起升機構上升時，市電和助力電池同時給輪胎吊供電；當起升機構下降時，勢能轉化成電能，由直流輸出端通過直流電源轉換器給電池充電。

圖1“油改電”輪胎吊過轉場節能系統控制原理

2.3電池管理系統

電池系統由過街電池（三元電池）和助力電池（鈦酸鋰電池）構成。過街電池由144個單體串聯而成，單體最高電壓為，最低電壓為，總電壓432~；助力電池由192個單體串聯而成，單體最高電壓為，最低電壓為，總電壓380~ 。電池管理系統可以采集控制10~31個電池包（每個電池包由12節電池串聯），具有過充保護、過放保護、溫度保護、過流保護、均衡、液晶顯示等功能。均衡電流可以持續恒流，并能將能量高的電池能量轉移到能量低的電池。電池管理系統通過控制器局域網絡與外界通信，其結構如圖2所示。

圖2電池管理系統結構

2.4直流電源轉換器

如圖3所示：直流電源轉換器中由開關B、電感器和場效應管A構成典型的BUCK電路，通過數字信號處理器控制開關B的開啟和關斷，從而實現鋰電池恒流和恒壓充電；由開關A、電感器和場效應管B構成BOOST電路，將電池中的能量提供給母線，并且通過控制開關A的占空比控制直流母線側的輸出電壓并限制輸出電流上限。

圖3直流電源轉換器結構

3“油改電”輪胎吊過轉場節能系統優化

3.1解決電池間放電問題

在“油改電”輪胎吊過轉場節能系統應用過程中，設備運行時電池之間存在微弱的放電現象，影響設備運行的可靠性。經過論證，將單個電池封裝在密閉的電池盒內，并將電池盒內充滿氮氣以達到物理絕緣的目的，從而有效解決電池放電問題。

3.2解決雙向DC-DC變換器控制面板對地擊穿

故障

在“油改電”輪胎吊過轉場節能系統試運行階段出現市電上電時滑觸線上電電源開關保護跳閘。經檢查，發現鋰電池系統雙向DC-DC變換器控制面板設計布局不合理，會因控制面板直接接地而導致電源開關跳閘。對雙向DC-DC變換器控制面板進行重新設計和優化布局，使上述問題得到徹底解決。

3.3優化通信板設計

在過轉場節能系統應用過程中出現因鋰電池系統故障導致“油改電”輪胎吊無法出場的問題。經檢查，發現因電池組間通信板模塊（見圖4）短路燒壞導致系統故障。與廠家聯系后確認控制模塊自身存在缺陷。更換通信板模塊后，在使用中未出現通信板模塊燒壞的問題。

圖4電池均衡板和通信板

3.4提高電池系統可靠性

由于司機在使用設備時未檢查過街電池電量是否充足，致使“油改電”輪胎吊在過場時出現過街電池電量不足的問題，導致輪胎吊無法過場。為提高電池系統可靠性，可采取以下整改方案。

（1）設置過街電池低電量報警和低電量故障報警保護，以提醒司機在電池電量低時不要進行過場操作；如果司機在過街電池低電量時進行過場操作，電池電量觸及電池低電量保護值，電池系統斷開供電電源。

（2）提高過街電池低電量門檻值。經過實際測量，將過街電池低電量值設定為總電量的30%，可以滿足“油改電”輪胎吊就近轉入電場充電。當電池系統因電量低而斷電時，維修人員通過手動開關重新切入過街電池供電，并指揮司機就近轉進電場充電，待過街電池充電后再進行轉場相關操作。

（3）若低電量過街電池重新切入供電后仍不能滿足“油改電”輪胎吊轉進電場的電能需求，可以通過手動開關將助力電池切入供電，以實現“油改電”輪胎吊進場充電的目的。

3.5增加應急供電系統

為避免因鋰電池供電系統電池過放等原因造成電池損壞，在原有供電系統的基礎上增加應急電源柴油機供電系統，作為鋰電池供電系統的補充。

（1）控制工況鋰電池系統為“油改電”輪胎吊轉場主要供電系統。當“油改電”輪胎吊過轉場換電時，將司機室供電選擇旋鈕（見圖5）轉向鋰電池側，實現鋰電池供電系統與市電無縫切換。當鋰電池系統出現故障無法正常過場換電時，將供電選擇旋鈕轉向柴油機側，柴油發電機切入系統，司機遠程啟動柴油機，實現柴電電源與市電電源的切換。

圖5司機室供電選擇旋鈕

（2）控制原理作為轉場供電系統的選擇器，當司機室供電選擇旋鈕轉向鋰電池側時，鋰電池供電電源切入系統，為“油改電”輪胎吊轉場提供電能；當鋰電池系統發生故障時，將供電選擇旋鈕轉向柴油機側，在切斷鋰電池系統供電的同時屏蔽鋰電池系統故障點，并將柴電電源切入系統，啟動柴油機，由柴油發電機組為“油改電”輪胎吊轉場提供電能。

4“油改電”輪胎吊過轉場節能系統應用

效果

應用“油改電”輪胎吊過轉場節能系統前，司機在接到轉場指令后需要啟動柴油機，并在換電區等待柴油機全速以后才能換電，大大限制“油改電”輪胎吊轉場效率。應用“油改電”輪胎吊過轉場節能系統后，依靠電池系統轉場節省了啟動柴油機以及等待柴油機全速的時間，使輪胎吊轉場更加靈活；此外，電池系統無縫切換功能的實現使系統在進行市電電源與鋰電池電源切換時無須斷電，從而對“油改電”輪胎吊的電氣設備起到一定保護作用。在節能環保方面：“油改電”輪胎吊過轉場節能系統的應用實現環境零污染，且噪聲大大降低；輪胎吊轉場時無須啟動柴油發電機，助力電池組可以有效吸收和釋放輪胎吊吊運集裝箱下降時的能量，既節約燃油又節約電力，還節省作業成本。

總之，“油改電”輪胎吊過轉場節能系統開拓了鋰電池的應用領域，為“油改電”輪胎吊系統模式發展指明了方向。通過過轉場節能系統的應用，可以徹底拆除“油改電”輪胎吊原配置的發電機組，杜絕設備閑置，盤活資產。

（編輯：曹莉瓊收稿日期：2014-01-06）