港口用燃油集裝箱卡車電力化改造方案研究

摘 要：從世界范圍來看，以石油為代表的不可再生能源價格必將重拾升態(tài)，不斷增加的能源成本及環(huán)保壓力已成為企業(yè)不可承受之重，特別是對于重點(diǎn)耗能企業(yè)，能源成本更是事關(guān)企業(yè)生存。對港口燃油非道路機(jī)械進(jìn)行電力化改造，有利于節(jié)能減排，提高港口工作效率，對建設(shè)綠色港口具有示范引領(lǐng)作用。本文研究了一種針對港口用典型燃油牽引車電力化改造的方案，通過對原車進(jìn)行升級改造，對現(xiàn)有技術(shù)缺陷進(jìn)行完善，使之更能契合港口工作的需要，提高港口典型燃油牽引車的工作效率。

關(guān)鍵詞：綠色港口建設(shè) 港口燃油牽引車 電力化改造 驅(qū)動控制 車輛底盤 電池系統(tǒng)

Research on the Electrification Scheme of Fuel Container Trucks for Ports

Fan Juhua，Zhang Hao，Zhao Hui，Yin Guotong

Abstract：From the perspective of the world， the price of non-renewable energy represented by oil will rise again， and the increasing energy cost and environmental protection pressure have become unbearable for enterprises. Especially for key energy-consuming enterprises， energy costs are related to the survival of enterprises. The electrification of port fuel non-road machinery is conducive to energy conservation and emission reduction， improves port efficiency， and plays a leading role in building a green port. This paper studies a scheme for the electrification of typical fuel tractors for ports， and improves the existing technical defects by upgrading the original vehicles， so as to make them more suitable for the needs of port work and improve the work efficiency of typical fuel tractors in ports.

Key words：green port construction， port fuel tractor， electrification transformation， drive control， vehicle chassis， battery system

1 引言

天津港是現(xiàn)代化國際大港，共有集裝箱牽引車、港口牽引車500余臺，每年燃油消耗1.26萬噸，年排放二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物分別達(dá)到3.9萬噸、150噸和129噸。十四五以來，天津港集團(tuán)制定了建設(shè)世界一流智慧、綠色、樞紐港口的戰(zhàn)略規(guī)劃，全力推進(jìn)港口綠色低碳可持續(xù)發(fā)展，對傳統(tǒng)燃油集裝箱牽引車進(jìn)行電力化改造，對現(xiàn)有55臺集卡進(jìn)行清潔能源升級改造，充分利用設(shè)備殘值，低成本實(shí)現(xiàn)零排放，預(yù)期可達(dá)成減少二氧化碳排放103.8噸/年，減少二氧化硫排放3.12噸/年，減少碳粉塵排放28.46噸/年，減少氮氧化物排放1.56噸/年，在綠色智能港口建設(shè)上具有先行先試的示范引領(lǐng)作用。

2 改造方案及技術(shù)路線

保持原車整車車架、懸掛系統(tǒng)、車橋和輪胎、駕駛室空間、低壓電器系統(tǒng)，通過替換整車動力系統(tǒng)（動力電池系統(tǒng)、電機(jī)及AMT變速箱）、增加整車配電及控制系統(tǒng)（整車控制器、整車儀表、多合一系統(tǒng)、車載充電機(jī)等）、改造整車動力附件（空調(diào)及暖風(fēng)、冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力、制動系統(tǒng)動力等），實(shí)現(xiàn)包括動力系統(tǒng)升級、線性底盤改造及整車性能提升的電動化改造。改造方案通過對動力電機(jī)、變速箱、整車控制器、五合一控制器、動力電池組等主要零部件進(jìn)行整體更換，實(shí)現(xiàn)了整車驅(qū)動控制的電力化集成。改造方案框架如圖1所示。

其中，對牽引車的進(jìn)行改造，新增部件為：儀表、DC-DC、電池系統(tǒng)、充電口、保鮮盒、多合一系統(tǒng)、空調(diào)、暖風(fēng)、驅(qū)動系統(tǒng)、雙源逆向控制器、轉(zhuǎn)向泵、整車控制器、電機(jī)、AMT變速箱、冷卻系統(tǒng)和油門踏板等。其中蓄電池、牽引車底盤中橋和后橋保持不變，對原車的剎車踏板、鑰匙、制動系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。整車電驅(qū)系統(tǒng)包括：整車控制器、逆變器、電機(jī)控制器、驅(qū)動電機(jī)、傳動/差速機(jī)構(gòu)[2]。電源系統(tǒng)包括：復(fù)合電源管理系統(tǒng)、動力電池組，輔助系統(tǒng)：駕駛室顯示操控臺、動力轉(zhuǎn)向單元、輔助動力源、輔助裝置（照明、空調(diào)）。

3 底盤改造方案

對原車的底盤進(jìn)行改造升級，改造前整車重量由整備質(zhì)量8305kg，經(jīng)改造后變?yōu)?494.9kg，最高車速由40km/h變?yōu)?5km/h，額定功率由235kW/2100rpm變?yōu)?80kW/4000rpm。如圖2所示。

4 電池包方案

目前主流的純電卡車所使用的電池為鋰電池，鋰電池又有不同的種類。三元鋰電池雖然擁有能量密度高的特點(diǎn)，但是其安全性較差，循環(huán)壽命短[3]。磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是安全性較好、使用壽命較長高溫性能較好、質(zhì)量較輕、對環(huán)境無污染等，缺點(diǎn)是能量密度較低?？紤]到港區(qū)應(yīng)用特點(diǎn)，最終選用磷酸鐵鋰電池。

實(shí)際應(yīng)用時，電池的充放電范圍通常在20%-100%；考慮到實(shí)際工況，電池組剩余電量低于30%時，集卡需返回?fù)Q電站進(jìn)行電池組更換，據(jù)測算容量為141kwh的電池組，續(xù)航里程約為40公里，考慮到港內(nèi)單日行駛里程為80-130公里，每天約需更換電池組3次以上，極端情況下，存在影響正常生產(chǎn)作業(yè)的可能。

使用210kwh或282kwh電池組，續(xù)航里程分別為60km、80km，每天換電2次，續(xù)航里程可滿足生產(chǎn)需求。容量為282kwh電池組比210kwh電池組重約950公斤，對前后橋負(fù)荷影響較大，因此在滿足實(shí)際使用情況下，選擇合適的電量既降低了車輛能耗，又減輕了集卡前后橋負(fù)荷。

綜上，結(jié)合港口續(xù)航里程、換電站投資及換電能力，便于實(shí)現(xiàn)快速能量補(bǔ)給，提升設(shè)備的綜合利用率，推薦選用210kWh容量的動力電池。

本著合理性和經(jīng)濟(jì)性原則，避免容量過大導(dǎo)致浪費(fèi)過剩容量，同時也要保證電池容量不得過小，避免頻繁充電換電，影響港口的工作效率。最終電池選擇為：磷酸鐵鋰電池，電量210.56kWh，電芯為173Ah，電壓608.58V，6個C電箱，3串2并；低壓控制盒內(nèi)含BMU（電池管理單元）；充電時BMU需要整車供24V常電。如圖3所示。

5 鎖緊機(jī)構(gòu)方案

為保證電池包在車輛上的穩(wěn)定性，需要一種固定裝置對其進(jìn)行鎖緊，其鎖緊機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)：（1）利用卡車氣源節(jié)約改造成本；（2）機(jī)械同步，實(shí)現(xiàn)自鎖。鎖緊機(jī)構(gòu)與車輛采取電氣連接并為電池包實(shí)現(xiàn)避震的功能，保證電池包免受車輛顛簸帶來的不利影響，避免劇烈撞擊。鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖和電氣連接結(jié)構(gòu)實(shí)物圖分別如圖4和5所示。

6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由低壓和高壓電氣控制系統(tǒng)組成[4]。低壓電氣控制系統(tǒng)主要由整車控制器和常規(guī)控制電路組成；高壓電氣控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動控制電路、電動轉(zhuǎn)向泵控制電路、電動空氣壓縮機(jī)控制電路、24V蓄電池DC-DC變換電路、電動空調(diào)和動力電池管理系統(tǒng)等組成。如圖6所示。

7 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器、傳動軸和驅(qū)動輪等組成，負(fù)責(zé)將動力電池組的電能轉(zhuǎn)化為車輪的動能，是傳統(tǒng)燃油牽引車電力化改造的重要組成部分[5]。驅(qū)動系統(tǒng)的改造方案為參照純電動集裝箱卡車的變速箱進(jìn)行設(shè)計，不使用傳統(tǒng)燃油車自帶的變速箱，需要按照電力化改造的需求選擇其它的變速箱。該方案通過變速箱改變變速比更能為車輛提供合適的動力，節(jié)省電量，輸出的動力更為平穩(wěn)。改造框架和驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

選用的變速箱為4擋AMT自動變速器，駕駛員只需操作加速踏板及制動踏板，即可實(shí)現(xiàn)集卡加減速及升降檔，無需操作離合器，智能化程度明顯提高；且采用變速箱將有效地衰減傳動系扭轉(zhuǎn)振動，防止傳動系過載，改善和提高汽車的動力性。依據(jù)整車性能參數(shù)，綜合經(jīng)濟(jì)性與動力性選擇中德傳動公司自主研發(fā)的4檔自動變速箱，最大輸入扭矩可達(dá)1000N·m：最大輸出扭矩4396N·m。

在驅(qū)動電機(jī)方面，三相交流永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)相比，在功率和扭矩相同情況下，三相交流永磁同步電機(jī)的質(zhì)量和體積都小于交流異步電機(jī)，因此，三相交流永磁同步電機(jī)能為改造節(jié)省出更大的空間。選用的三相交流永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1。

8 總結(jié)

將傳統(tǒng)燃油牽引車進(jìn)行電力化改造，改造完成后進(jìn)行的車輛廠內(nèi)測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表2。

油改電集卡經(jīng)濟(jì)性測算基于車電分離、電池租賃的商業(yè)模式，與換電式集卡產(chǎn)品底盤零部件構(gòu)成差異較小，司機(jī)人員費(fèi)、保險費(fèi)、輪胎使用費(fèi)等使用成本基本一致，因此經(jīng)濟(jì)性測算考慮改造型集卡與新采購集卡（按照充電與換電兩種不同形式對比分析）經(jīng)濟(jì)性對比測算，如表3所示。

可以看出，改造后的換電式集卡優(yōu)于新采購換電式集卡，充電式集卡優(yōu)于換電式集卡，改造集卡具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性。傳統(tǒng)燃油牽引車排放是集裝箱港口大氣污染的主要來源，因此，開展?fàn)恳噺娜加托拖蚬?jié)能環(huán)保型升級換代對綠色港口建設(shè)有著非凡意義[6-7]。若將整個港口的傳統(tǒng)燃油牽引車進(jìn)行電力化改造，對建設(shè)綠色港口具有重要推進(jìn)示范作用，改造后更能節(jié)省能源，減少污染，有利于實(shí)現(xiàn)建設(shè)低碳港口的目標(biāo)，將會取得顯著的社會效益和環(huán)境效益。

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