淺談鋰電池在港口起重機上的節能應用

龔吉

（上海海得控制系統股份有限公司，上海201114）

1 概述

港口起重機平移機構的阻力主要是摩擦阻力、坡道阻力、風阻力和水平阻力以及部分垂直方向阻力。起重機在搬運重物的過程中，通常要完成幾十米高的提升、平移和下降動作。由于起重機的作業特點是短時重復工作，提升時所需負載功率巨大，平移時負載功率相對小很多，而下降的位能變化形成的再生能量非常巨大。因此，起重機的節能降耗，平均負載功率，降低設備供電變壓器容量、移動供電電纜及相應部件容量的潛力巨大[1]。傳統起重機變頻器將下降重物而產生的能量通過能耗制動電阻器以熱的形式消耗掉，造成巨大的浪費。針對此部分能量的回收利用，有專家采用超級電容儲能的方式[2]，但從實際應用的數量上來講并不是很多，其性能表現不理想，有時工作不穩定，而且體積巨大，價格昂貴，維護成本高。也有人采用能量回饋電網技術（AFE）[3]，實現能量的再生利用。能量回饋電網雖然可以節約能量，但節能效率低，會對電網造成很大沖擊，對電網的諧波污染大，經濟可行性相對比較差[2]。隨著近年來電動汽車、電池技術的不斷發展，可充電鋰電池的能量密度、功率密度越來越大、電池壽命越來越長，也越發安全，電池價格越來越低。鋰電池特別是鈦酸鋰動力電池已完全能在起重機上可靠、安全、穩定。

2 動力鋰電池在門座起重機上的運用

港口散貨堆場一般通過門座機等大型起重設備對貨物進線裝卸作業。主要有起升、回轉、變幅和大車四大機構。表1 是某碼頭25T 抓斗門座機MQ2530 的四大機構電機表。下降電機的發電能量占起重機耗電能量超過40%。

表1 MQ2530 主要機構參數表

圖1

由于門座機裝卸作業時大車一般不行走機，因此門座機大車電機與起升電機共用變頻器切換驅動。圖1 是門座機各機構速度功率時間圖。從電機功率時間圖中顯見，起升下降和變幅

傳統門座機變頻驅動系統，各機構變頻器都是二極管不控整流，在起升下降、變幅下降和回轉減速時的電動機處于發電狀態，能量只通過制動電阻器以熱形式消耗。

動力鋰電池能量回收門座機變頻驅動系統采用將2 個相同大小的起升變頻器的直流母線并聯，變幅和回轉機構變頻器的交流進線不接電源，其直流母線并接到起升變頻器的直流母線上，動力鋰電池通過雙向DCDC 亦并接到起升變頻器的直流母線上，形成共直流母線的多傳動回收儲能變頻驅動系統。

當起升下降或俯仰下降時，電機發電，能量通過變頻器回饋到變頻器DC 母線，此時DCDC 對鋰電池充電。當起升上升時，鋰電池儲存的電能放電，與市電整流器共同承擔起升負載所需能量，簡稱“門座機鋰電池混合動力系統”，同時減少了起升加速時門機的峰值電流。

3 對比AFE 回饋裝置分析

3.1 能量回饋效率差別分析

基于三相全橋PWM 技術的能量回饋裝置（AFE）經過多年發展已非常成熟，但其在港口門座機上的實際運用卻很少，原因主要有以下幾方面。

而鋰電池用著能量回收時，同一臺門座機起升電機下降發電量與AFE 裝置一樣為Q0，鋰電池回收能量僅需經過以下路徑：電機電纜→起升逆變器→DCDC 變流器→鋰電池。DCDC 變流器的效率：η6；因此起升下降發電量Q0經DCDC 儲到電池的能量QBAT饋=Q0*η1*η2*η6。而當起升電機上升時耗電路徑為鋰電池→DCDC 變流器→起升逆變器→起升逆變器→電機電纜；實際有效能量為：

由于所有效率η 均小于1，QBAT有效遠大于QAFE有效，因此電池能量回收效率遠大于AFE 能量回饋裝置。

3.2 門座機機構工作電流和尖峰電流差別分析

機械工作電流是選擇、校核開關、電纜的熱計算和網絡正常工作電壓降計算的依據，提供碼頭電網做負載計算，港口機械的同一機械的不同機構工作制不盡相同[4]。

起重機設計規范GB/T3811-2008 第8 章8.8.3.4 節：對于供電給單臺起重機（含多機構）電動機的導線，其負載電流為可能同時工作機構的電動機額定工作電流之和[5]。通常：

IW——總進線電纜、上機卷盤電纜或滑線的額定工作電流，稱為起重機工作電流[5]。

IN1——功率最大機構電動機的額定工作電流[5]。

IN2，IN3——其他兩個可能同時工作的機構電動機的額定工作電流[5]。

IAUX1——輔助電氣設備與控制所需的額定工作電流[5]。

見圖1 門座機速度功率時間圖，AFE 整流回饋裝置是把起升下降時的能量回饋到電網，并不能減少各機構工作電流和峰值電流。因此，AFE 整流回饋的機械總的工作電流與傳統二極管不控整流變頻器系統的工作電流一樣大（IW）。根據起重機設計規范GB/T3811-2008，IW=I起升+I變幅+I回轉+IAUX1；所以AFE 能量回饋裝置不能消減機械的總的工作電流，因此設備供電保護開關、供電電纜和移動供電電纜設備相比傳統變頻器驅動系統不能有任何減小。

而采用鋰電池用著門座機能量回收時，當起升下降時電機發電儲存在鋰電池，而當起升上升時，鋰電池儲存的能量釋放供給起升電機，此時鋰電池與市電共同提供起升電機電能以提升負載，稱為門座機鋰電池混合動力系統。并且在起升機構不動作時，起升變頻器的整流器以小電流對鋰電池充電以補充電池電量，確保鋰電池在起重機提升額定負載額定行程時能持續按照設定的功率輸出，此設定輸出功率即為門座機消峰功率。此消峰功率的設計需要按照所選定鋰電池的類別特點、電池的額定允許的充放電流、門座機下降回饋最大功率和最大能量以及電池成本來綜合選擇。此次暫定設為PBAT，電流標記為IBAT。因此，鋰電池能量回收門座機工作電流IW=I起升-IBAT+I變幅+I回轉+IAUX1；根據表1：MQ2530 門座機主要機構參數表可知，起升電機功率相比于變幅和回轉電機功率，起升電機功率是門座機的主要負載功率，其電機額定工作電流是門座機額定工作電流的60%多。因此，鋰電池只要能提供起升電機電流的50%，則整臺門座機的額定工作電流將減少30%以上。

起重機設計規范GB/T3811-2008 第8 章8.8.4.4 節：單臺電動機的最大工作電流為設計選定的最大起動電流[5]。對于變頻控制的籠型電動機一般取為1.8～2IN，IN為電動機的額定工作電流[5]。

單臺起重機的最大工作電流按功率最大機構的電動機處于起動狀態，其余可能同時工作機構的電動機處于額定工作狀態時的電流進行計算[5]。即：

Imax=KIN1+IN2+IN3。

Imax——起重機最大工作電流[5]。

IN1，IN2，IN3——3 個機構電動機的額定工作電流[5]。

K——最大功率機構電動機的啟動電流倍數[5]。

所以：鋰電池能量回收門座機的最大工作電流Imax=KIN1-IBAT+IN2+IN3。因此門座機最大工作電流也減少20%以上。

△U——電壓降。

S——導線截面。

δ——銅導線電導率。

L——導線的長度。

I——最大工作電流[5]。

所以：鋰電池能量回收門座機的導線截面不變時壓降可減少20%以上。在滿足壓降相同時，導線截面可減少20%以上。

校核機械尖峰電流產生的變壓器電壓降是變壓器選擇的重要條件。使變壓器的額定輸出電流近似的等于機械的尖峰電流，變壓器的輸入、輸出電壓滿足設備要求，即可確定變壓器容量[5]。

因此，鋰電池能量回收門座機的變壓器容量也可減少20%以上。即可減少碼頭門座機供電網絡容量20%以上。

由于移動供電導線截面和機械最大工作電流都減少20%以上，因此，移動供電電纜卷盤或滑觸線設備容量都將降低20%以上容量。

4 門座機鋰電池能量回收電池設計選型

根據表1：MQ2530 主要機構參數表和圖1 門座機機構速度功率時間圖，變幅機構電機相比起升機構小得多，其勢能變化也很小；回轉機構是平移機構，沒有勢能變化只有減速制動能量。

假設起升機構的總的機械效率（含電機效率）為η 機起，變幅機構的總機械效率（含電機效率）為η 機變，則下降時電機發電的最大回饋功率為PFmax=K*PM起*η1*η2機起+PM變*η1*η2機變，一般門座機總機械效率可取0.9，電機線纜效率可取0.98，變頻器效率可取0.97，DCDC 變流器效率取0.97。因此下降時最大饋電到鋰電池的峰值功率PBATmax=0.7*K* PM起+0.7*PM變，其持續時間為起升加速時間約3S。根據起升總行程以及負載重量和效率，總勢能轉換成可用電能儲存到鋰電池的能量為QBAT=Q起*η2機起*η1*η6，（為簡化計算，不考慮變幅勢能和回轉減速動能，在選定電池容量和DOD 時稍作余量即可）。根據鋰電池的特性和壽命確定最佳DOD 范圍，因此鋰電池容量 Q0=QBAT*2/DOD即為門座機鋰電池系統所需電池容量。再依據鋰電池的放電能力確定門機消減起升電機功率的最佳比例。

鋰電池選擇必須滿足以下要求：a. 電池峰值充電功率必須大于機械最大回饋功率；b. 電池必須全部回收機械最大重量最大行程的勢能，c. 電池必須滿足在起升全行程內持續放電起升機構的消減功率。

5 門座機鋰電池能量回收電池

以MQ2530 門座機和東芝鈦酸鋰電池方案分析電池容量、壽命和節電率等。

根據上述：機構的峰值回饋功率：

Pfmax=0.7*K* PM起+0.75*PM變=303KW；

總勢能回收量：Q=Q起*η2機起*η1*η6

機構的連續回饋功率：

Pf=0.7* PM起=184.8KW；

總勢能回收量：Q=Q起*η2機起*η1*η6

提升25 噸負載滿行程下降需要能量為：Q饋=0.7*25*1000*9.8*35=6002.5KJ；

=1.67KWH

提升25 噸負載滿行程上升需要能量為：Q耗=25*1000*9.8*35/0.7=12250KJ;

=3.4KWH

Q0=Q饋*2/DOD=2.15/DOD

東芝SCIB 鈦酸鋰電池參數如下表。

表2

根據東芝鋰電池特性，選擇電池放電深度DOD=50%,則電池容量必須大于：

Q0=3.34/DOD=6.68KWH；由于變頻器二極管整流的母線電壓：

VDC=VIN*1.414=380*1.414=537V；

由于DCDC 升壓降壓，鋰電池的最高電壓必須低于母線電壓。

機械最大回饋功率PBATmax=303KW，因此10AH 鋰電池數量容量必須大于：

303KW/62.5=4.85KW。

由于電芯為10AH，系統電壓小于537V，電池容量大于4.9KWH，因此，電池系統選10AH，210 串2 并，電池系統額定電壓為210*2.4=504V 小于537V。

因此電池組系統為504V ，20AH 滿足最大回饋功率630KW大于303KW 的要求；

電池額定容量為：

QBAT=504*20/1000=10.08KWH，遠大于6.68KW，可以滿足回收能量要求。

根據電池參數表，電池允許連續放電75C 能力，因此能允許10.08*75=756KW 的功率消峰。由于提升25 噸負載滿行程上升需要能量為Q耗=3.4KWH。Q耗大于Q饋，所以上升時只能以重載下降連續回饋功率消減起升負載功率Pf=184.8KW，設計取電池消峰功率為起升電機的60%功率=2*132*0.6=160KW。

電池的充放電深度DOD=3.34/10.08=33%，在DOD=33%，起重機每次都最大負載最大行程作業時可以15 萬次循環。最少可以回收50 萬度電，同時供配電電纜可減少20%截面積，供電變壓器減少20%容量，線路損耗減少20%以上。

結束語

除汽車行業外，電池降越來越多的在起重行業、船舶行業得到廣泛運用，同時隨著電池在起重行業得廣泛運用，起重機設計規范、港口起重機設計手冊中關于機械最大工作電流、額定工作電流、供電變壓器和移動供電設備的計算選型公式都會進行修訂完善。同時，電池在起重機行業得運用安全規范也有必要在起重機設計規范中完善，以規范電池在起重行業得運用，以利電池在起重行業的推廣。