鋰電池在集裝箱輪胎吊上的節能研究

摘要：目前以柴油機為動力的集裝箱輪胎吊，由于碼頭的作業環境的特殊性，空閑待作業時間長，柴油機空載比例大，而由于重物下降產生的勢能也未能得到利用，節能空間十分巨大。利用鋰電池的大容量，及大電流充放電的特性，可以避免柴油機的長時間空載或頻繁啟動，還可以回收能量并進行存儲和釋放，從而節約能源，減少了污染。通過多次的試驗驗證鋰電池應用到起重機上節能減排的巨大作用。

關鍵詞：集裝箱輪胎吊、鋰電池、混合動力系統、節能

1、設計理念

集裝箱輪胎吊又稱集裝箱輪胎吊。主要由四部分組成：大車行走機構、小車機構、起升機構及動力裝置。動力裝置是集裝箱輪胎吊的心臟部分。傳統的集裝箱輪胎吊采用柴油機組 作為主動力，并且不能儲存電能，因此在集裝箱下降及制動時反饋的電能由安裝在起重機上的電阻箱進行消耗。通過分析，可知起升下降時候浪費的能量最多。因此可以考慮通過增加儲能單元以及減小發動機功率來達到節能的目的。

1.1 設計思路

針對目前主流的電能和機械能的組合，集裝箱輪胎吊采用串聯式混合驅動方案。在傳統起重機的動力系統中增加了合適的儲能元件，用來回收起重機因勢能變化產生的能量，再將回收的能量作為動力補給，非常節約能源，因此具有重要的社會和經濟意義。相比傳統集裝箱輪胎吊，我們選用80KW，400V小型柴油發電機組，在儲能單元故障時候，可以切換至柴油機組直接進行供電，柴油機組直接供電可以滿足大車機構、小車機構及起升機構慢速運行以及空調、照明、通訊供電等的正常要求。

傳統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，現在改為可控整流單元模塊。具有整流、限流、升壓和穩壓的作用，它把柴油發電機組輸出的400V交流電整流成所需的直流電，升壓并穩定到所需的電壓，同時可以防止在起升重載上升發電機組過載熄火。限制電流可使發電機組始終工作在最佳效率點。提高柴油發電機組發電效率。基于80KW柴油機組的功率，可控整流單元模塊選擇110KW，400V。

在此混合動力系統中，采用DC/AC逆變器將直流電變成三相交流電。為了提升供電質量，本系統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，提高輔助供電質量，消除諧波電壓對控制電子設備的影響。

1.2儲能單元的選擇

集裝箱輪胎吊起升下降時候，由于集裝箱一般都是20-40T的箱重，因此下降時釋放很大的能量，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 混合動力系統電池組構成

此電池組系統由兩組儲能系統單元組成，由主電池管理模塊進行控制。兩組儲能單元可以同時工作也可分開單獨運行。

1.2.2 能量控制器的設計

在混合動力系統中，電池儲能單元由508V，30AH標準電池組并聯組成，總容量達到150AH。利用雙向DC/DC變換器來控制電池組的充、放電，保護電池壽命。混合動力系統的控制電源取自集裝箱輪胎吊的控制系統電源，在混合動力系統中配備和合適容量的UPS，由UPS給混合動力系統的PLC電源、智能電池管理系統（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 進行供電。

2.測試與分析

為了驗證混合動力系統應用在集裝箱輪胎吊上的可行性，為此制作了一臺以鋰電池組作為主動力來源，小型柴油機組給鋰電池組進行充電的樣機。其中起升馬達的功率最大，達到了200KW。一般情況下起升機構可以和小車機構進行聯動，此時最大總功率為230KW。小車機構和打車機構可以聯動，此時最大總功率為150KW。此次實驗起升機構上升所需要的電流最大，起升機構下降產生的電流也是最大，目的是測試電池的充放電能力是否滿足實際工況要求。一般標準集裝箱重量為20噸左右，最大重量不超過41噸，此項目制作了兩組配重塊，一個20T，一個41T，并使用示波器進行電流監控。

2.1起吊能力測試

通過對負載41T，單動起升機構所得到的的實驗數據分析，電池電量從96%到45%，共計起升上升下降循環15次，用時25.5分鐘.通過對負載20T，單動起升機構，所得到的的實驗數據分析，單動起升工況下，電池電量從95%到45%，共計起升上升下降循環31次，用時45分鐘。

2.2電池續航能力測試

通過實驗，起吊41T標準集裝箱時，只使用電池組，當電池SOC從95%降到45%時共計能吊15個集裝箱；起吊41T集裝箱時，起動柴油機充電，鋰電池組同時工作，電池SOC從45%升到95%時共計能吊13個集裝箱。電池SOC從45%充電到95%。起吊20T集裝箱，假如只使用電池組，當電池SOC從95%降到45%時共計能吊20個集裝箱；電池SOC從45%升到95%時共計能吊19個集裝箱。

2.3 電池待機測試

由于碼頭作業環境的特殊性，等待作業時間長，因此需要測試鋰電池組無負載時候的充放電情況。待機充電測試，電池電量從45%～95%，柴油發電機充電電流基本恒定在141A，充電完成時間約30分鐘。待機放電測試，電池電量從95%～75%，放電電流8A-10A，用時2.5小時。

2.5混合動力系統油耗測試

配備鋰電池組的集裝箱輪胎吊，可以完全回收起升機構吊集裝箱下降時候產生的能量，以及大車機構、小車機構制動時候產生的能量回饋。下面將模擬實際工況來進行油耗測試。通過測試可知，在模擬正常作業工況下，每11.5個工作周期消耗柴油15.1L。作業兩個集裝箱為一個工作周期，按作業單個集裝箱計算，每個41T集裝箱油耗0.66升。每個20T集裝箱油耗0.46升。根據集裝箱港口油耗數據，傳統純柴油機型集裝箱輪胎吊作業一個41T集裝箱，一般油耗為1.4L/箱；作業一個20T集裝箱，一般油耗為1L/箱。由上述實驗數據可以可知，混合動力集裝箱輪胎吊的節能效率可達到50%左右，充分體現了混合動力系統巨大的節能潛力。

3.結論與展望

3.1 結論

本章以配備鋰電池組帶混合動力系統的集裝箱輪胎吊為研究對象，通過對鋰電池組的充放電能力測試、續航能力測試、待機測試，得出以下結論

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

2）本文中所提出的配備鋰電池組的集裝箱輪胎吊能夠節約50%以上的能量

3.2 展望

后續還需要做更多的耐久實驗來論證該系統的穩定性。目前初步的研究結果表明，鋰電池混合動力系統應用到集裝箱輪胎吊上的巨大的節能前景，在該研究領域還存在以下幾方面值得進一步擴充和深入：

1）通過多次的耐久實驗來驗證該混合動力系統的穩定性

2）進行混合動力系統在其他起重機械上的應用研究

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

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