港口電動集裝箱牽引車技術改造方案及應用

王照宇

電動汽車技術發展使我國汽車產業面臨轉型升級的歷史機遇。早在2005年，我國就出臺《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006―2020年）》，明確提出重點研究開發低能耗和新能源汽車、集成和制造技術、動力電池和驅動電動機等關鍵部件技術和新能源汽車試驗測試及基礎設施技術。隨后，我國啟動“十城千輛”節能與新能源汽車示范推廣應用工程，先后出臺《汽車產業調整和振興規劃》、私人購買新能源汽車補貼試點等一系列鼓勵政策，從國家政策層面鼓勵和促進新能源汽車發展。

在港口新能源建設方面，2012年交通運輸部發布的《關于港口節能減排工作的指導意見》指出：鼓勵利用清潔能源、可再生能源，提高港口使用清潔能源、可再生能源比例;優先采用以電能或其他清潔能源作為動力源的工藝技術和裝卸搬運設備，使碼頭裝卸工藝系統各環節能力匹配，提高裝卸效率，降低能耗;加快港口技術改造，加快淘汰高耗能、高排放、低效率的老舊設備。自2012年以來，隨著低碳港口建設項目發揮示范效應，越來越多的港口開

始關注綠色低碳發展，現有連云港港、天津港、蛇口港、青島港、大連港、廣州港、福州港、日照港等8個港口確定為“低碳港口建設”主題性管理試點。為了響應國家新能源汽車產業發展戰略，順應市場發展趨勢，本文提出港口電動集裝箱牽引車技術改造方案，以期為建設綠色、低碳、環保港口提供保障。

1 港口電動集裝箱牽引車技術改造方案

對港口現有集裝箱牽引車進行改造，保持車輛底盤及主體結構不變，用鋰電池和電動機取代原有變速箱和發動機，同時改造傳動、電氣、液壓及空調系統，使車輛動力及各項功能滿足正常作業需求。

1.1 整體方案

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

1.2 參數配置

1.2.1 驅動系統參數

驅動系統采用與原車發動機性能相匹配的結構簡單、運行可靠、質量較輕的大功率三相交流異步電動機。電動機額定功率為130 kW，峰值功率為（最長維持2 min），額定轉速為2 500 r/min，最高轉速為/min，額定轉矩為495 N穖，最大轉矩為，足以滿足牽引車的動力要求。用電動機代替發動機的優點是：電動機沒有怠速運行工況，從而既能節省油耗，又能消除噪聲。

1.2.2 控制系統參數

電動機控制系統采用與電動機相匹配的三相交流異步電動機控制器，效率可以達到97%，控制功率為150 kW，最大功率為300 kW，以確保牽引車啟動時的瞬時高負載輸出和平穩運行。電動機控制器具有電動機制動反饋功能：當牽引車制動時，電動機控制器通過控制電動機反相來輔助牽引車制動，從而提高車輛制動的有效性和安全性。在電動機制動過程中，電動機控制器通過電動機反相制動對電池充電，從而提升電池的續航能力。電動機控制器具有致命故障保護功能，能夠避免電動機及其控制器因過熱、過流、過載、過壓等而損壞。

1.2.3 動力系統參數

動力系統采用目前電動汽車標準的磷酸鐵鋰鋰離子電池，具有體積小、質量輕、循環壽命長、安全性高、綠色無污染等優點，質保期為4年或15萬km。鋰電池標稱電壓為576 V，總容量為207 kW穐。電池管理系統具有低溫加熱功能：當溫度低于0℃時，電池管理系統檢測電池溫度過低，充電前先對電池加熱，待電池達到最佳溫度后，再對電池充電，以保證在北方低溫條件下牽引車續航能力不受太大影響。按照以上配置方案，牽引車續駛里程為：當牽引車載運2個20 t集裝箱時，車輛總質量為55 t，重載運行速度為20 km/h，重載行駛里程為10 km，空載運行速度為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 充電系統參數

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，充電時間為4 h，設置緊急停止充電按鈕，具有密碼確認啟動充電、交流輸入過欠壓保護、交流輸入過流保護、直流輸出過流保護、直流輸出短路保護、直流輸出防止反接、輸出軟啟動、防止電流沖擊等功能。

1.2.5 氣動系統參數

氣動系統采用原氣動管路，由電動空氣壓縮機實現車輛空氣制動。電動空氣壓縮機的參數如下：電動機額定輸入功率為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;采用風冷冷卻型式;排氣口連接螺絲外徑為22 mm，螺距為1.5 mm;質量為82～95 kg。

2 港口電動集裝箱牽引車技術改造難點及創新點

2.1 改造難點

（1）電動機和電池的使用適應性 港口電動集裝箱牽引車技術改造的最大難點是如何解決純電動模式下電動機高轉速、大功率運行過程中的發熱和散熱、效率下降以及噪聲較大等問題，這也是目前國產電動機在純電動應用領域面臨的技術難題。此外，動力電池需要攻克電池失效預警、快速拆解維護等技術難題，電池管理系統需要解決臨界溫度（高溫或低溫）條件下的電池保護與運行能力維護問題，電池組工藝需要解決電池臨界溫度的保護性設計問題。

（2）規模化運營機制與商業化盈利模式 為了實現電動集裝箱牽引車批量化市場運營，需要開發操作簡便、功能簡化的運營監控和故障維護工具，并建立相應的培訓制度，將設備運營監控和故障維護技術研發從整車工廠和關鍵部件供應商轉移至運營單位和維修工廠。為此，需要分析港口電動集裝箱牽引車運營相關方成本和利潤構成，努力實現商用過程中各方利益均衡的盈利模式，建立電動集裝箱牽引車產業化長效發展的市場運營機制。

2.2 改造創新點

（1）利用機電氣壓復合制動過程整車動力學穩定性控制技術及最優化制動能量回饋制動的協調控制技術，形成高性能動力電池管理系統、電池低溫充電加熱功能和電動機控制系統開發技術。

（2）基于系統故障診斷和風險分析技術開發多層次安全保障系統，實現高安全性的高低壓電運行環境。

（3）形成港口電動集裝箱牽引車批量化生產工藝規范、檢測技術及市場推廣運營新模式，實現大規模市場應用。

3 港口電動集裝箱牽引車技術改造預期

效益

電動集裝箱牽引車的應用能夠使港口設備運營成本大幅下降（見表1），并且使港口年均二氧化碳排放量減少60 t。如果將傳統燃油集裝箱牽引車全部更換為電動集裝箱牽引車，或者進一步將電動技術應用于場橋、岸橋等其他港口設備領域，無疑將加快實現綠色低碳港口建設目標，產生顯著經濟和社會效益。

4 結束語

港口集裝箱牽引車具有運輸距離短、運行區間固定、低速重載、連續工作等特點。研發高性能電動集裝箱牽引車能夠有力推動傳統汽車產業升級，帶動行業技術進步，產生顯著經濟、社會和環境效益。相信在國家新能源政策的支持下，港口行業一定能充分利用上下游關鍵技術，打造出集裝箱牽引車電動技術改造品牌，促進我國港口電動集裝箱牽引車技術實現良性循環和可持續發展。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-04-15）