“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

周興奎

1“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場電源切換存在的問題

傳統(tǒng)輪胎式集裝箱門式起重機(jī)（以下簡稱輪胎吊）使用柴油發(fā)電機(jī)組作為供電系統(tǒng)，因此，輪胎吊在堆場內(nèi)作業(yè)不受場地限制，可以自由轉(zhuǎn)場作業(yè)。為確保輪胎吊能夠自由轉(zhuǎn)場作業(yè)，在確定輪胎吊“油改電”改造方案時(shí)，綜合分析各方案優(yōu)缺點(diǎn)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(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是在堆場與堆場之間不能架設(shè)滑觸線，否則會(huì)妨礙場內(nèi)拖車通行。為此，“油改電”輪胎吊在轉(zhuǎn)場或過場時(shí)仍需要使用原有的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組供電，導(dǎo)致其在過轉(zhuǎn)場時(shí)需要進(jìn)行市電電源與柴油發(fā)電機(jī)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(wǎng)切換，必須由2個(gè)有機(jī)械互鎖功能的接觸器通過硬件連鎖控制來實(shí)現(xiàn)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(jìn)行電源切換時(shí)存在短暫斷電間隙，設(shè)備電氣元件在切換電源的過程中會(huì)經(jīng)受電源上電沖擊；

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

（3）系統(tǒng)斷電后需要對小車和起升機(jī)構(gòu)位置清零（即將起升機(jī)構(gòu)上升到上終點(diǎn)，小車行駛到位后停止，對編碼器進(jìn)行重新置位），而且位置清零過程操作復(fù)雜，影響作業(yè)效率；

（4）柴油機(jī)啟動(dòng)頻繁，加之柴油機(jī)啟動(dòng)前需要怠速運(yùn)行，容易形成積碳，影響柴油機(jī)使用壽命。

2“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1鋰電池電源系統(tǒng)工作原理

為解決傳統(tǒng)輪胎吊“油改電”后的過轉(zhuǎn)場問題，經(jīng)過多方論證和方案比較，選用鋰電池供電系統(tǒng)作為“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場供電電源系統(tǒng)，并通過選用2組電化學(xué)性能迥異的電池組實(shí)現(xiàn)不同功能。

（1）電功為的動(dòng)力鋰電池組(以下簡稱電池組一)主要負(fù)責(zé)提供“油改電”輪胎吊轉(zhuǎn)場電源，為控制回路、起升、大車和小車系統(tǒng)供電。鋰電池的直流電源分2路供電：一路經(jīng)過逆變單元逆變成交流電，為控制回路供應(yīng)電源；另一路經(jīng)過起升變壓器的直流輸入側(cè)輸入直流電，經(jīng)由起升變頻器逆變成交流電，為各機(jī)構(gòu)變頻器提供電源。

（2）電功為的動(dòng)力鋰電池組（以下簡稱電池組二）作為輔助電源系統(tǒng)。當(dāng)“油改電”輪胎吊在場內(nèi)用市電作業(yè)時(shí)：吊裝集裝箱起升或下降的勢能轉(zhuǎn)換為電能，電池組二快速充電；在起升機(jī)構(gòu)上升時(shí)，電池組二快速放電，為起升變頻器提供電源以驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)。當(dāng)“油改電”輪胎吊在場外進(jìn)行轉(zhuǎn)場因電池組一電量不足而無法行駛大車時(shí)，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(tǒng)控制原理

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

圖1“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)控制原理

2.3電池管理系統(tǒng)

電池系統(tǒng)由過街電池（三元電池）和助力電池（鈦酸鋰電池）構(gòu)成。過街電池由144個(gè)單體串聯(lián)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(gè)單體串聯(lián)而成，單體最高電壓為，最低電壓為，總電壓380~ 。電池管理系統(tǒng)可以采集控制10~31個(gè)電池包（每個(gè)電池包由12節(jié)電池串聯(lián)），具有過充保護(hù)、過放保護(hù)、溫度保護(hù)、過流保護(hù)、均衡、液晶顯示等功能。均衡電流可以持續(xù)恒流，并能將能量高的電池能量轉(zhuǎn)移到能量低的電池。電池管理系統(tǒng)通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)與外界通信，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4直流電源轉(zhuǎn)換器

如圖3所示：直流電源轉(zhuǎn)換器中由開關(guān)B、電感器和場效應(yīng)管A構(gòu)成典型的BUCK電路，通過數(shù)字信號(hào)處理器控制開關(guān)B的開啟和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)鋰電池恒流和恒壓充電；由開關(guān)A、電感器和場效應(yīng)管B構(gòu)成BOOST電路，將電池中的能量提供給母線，并且通過控制開關(guān)A的占空比控制直流母線側(cè)的輸出電壓并限制輸出電流上限。

圖3直流電源轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

3“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)優(yōu)化

3.1解決電池間放電問題

在“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用過程中，設(shè)備運(yùn)行時(shí)電池之間存在微弱的放電現(xiàn)象，影響設(shè)備運(yùn)行的可靠性。經(jīng)過論證，將單個(gè)電池封裝在密閉的電池盒內(nèi)，并將電池盒內(nèi)充滿氮?dú)庖赃_(dá)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?fù)舸?/p>

故障

在“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)試運(yùn)行階段出現(xiàn)市電上電時(shí)滑觸線上電電源開關(guān)保護(hù)跳閘。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)鋰電池系統(tǒng)雙向DC-DC變換器控制面板設(shè)計(jì)布局不合理，會(huì)因控制面板直接接地而導(dǎo)致電源開關(guān)跳閘。對雙向DC-DC變換器控制面板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化布局，使上述問題得到徹底解決。

3.3優(yōu)化通信板設(shè)計(jì)

在過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用過程中出現(xiàn)因鋰電池系統(tǒng)故障導(dǎo)致“油改電”輪胎吊無法出場的問題。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)因電池組間通信板模塊（見圖4）短路燒壞導(dǎo)致系統(tǒng)故障。與廠家聯(lián)系后確認(rèn)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(xiàn)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(tǒng)可靠性

由于司機(jī)在使用設(shè)備時(shí)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(shí)出現(xiàn)過街電池電量不足的問題，導(dǎo)致輪胎吊無法過場。為提高電池系統(tǒng)可靠性，可采取以下整改方案。

（1）設(shè)置過街電池低電量報(bào)警和低電量故障報(bào)警保護(hù)，以提醒司機(jī)在電池電量低時(shí)不要進(jìn)行過場操作；如果司機(jī)在過街電池低電量時(shí)進(jìn)行過場操作，電池電量觸及電池低電量保護(hù)值，電池系統(tǒng)斷開供電電源。

（2）提高過街電池低電量門檻值。經(jīng)過實(shí)際測量，將過街電池低電量值設(shè)定為總電量的30%，可以滿足“油改電”輪胎吊就近轉(zhuǎn)入電場充電。當(dāng)電池系統(tǒng)因電量低而斷電時(shí)，維修人員通過手動(dòng)開關(guān)重新切入過街電池供電，并指揮司機(jī)就近轉(zhuǎn)進(jìn)電場充電，待過街電池充電后再進(jìn)行轉(zhuǎn)場相關(guān)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(zhuǎn)進(jìn)電場的電能需求，可以通過手動(dòng)開關(guān)將助力電池切入供電，以實(shí)現(xiàn)“油改電”輪胎吊進(jìn)場充電的目的。

3.5增加應(yīng)急供電系統(tǒng)

為避免因鋰電池供電系統(tǒng)電池過放等原因造成電池?fù)p壞，在原有供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加應(yīng)急電源柴油機(jī)供電系統(tǒng)，作為鋰電池供電系統(tǒng)的補(bǔ)充。

（1）控制工況鋰電池系統(tǒng)為“油改電”輪胎吊轉(zhuǎn)場主要供電系統(tǒng)。當(dāng)“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場換電時(shí)，將司機(jī)室供電選擇旋鈕（見圖5）轉(zhuǎn)向鋰電池側(cè)，實(shí)現(xiàn)鋰電池供電系統(tǒng)與市電無縫切換。當(dāng)鋰電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法正常過場換電時(shí)，將供電選擇旋鈕轉(zhuǎn)向柴油機(jī)側(cè)，柴油發(fā)電機(jī)切入系統(tǒng)，司機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)柴油機(jī)，實(shí)現(xiàn)柴電電源與市電電源的切換。

圖5司機(jī)室供電選擇旋鈕

（2）控制原理作為轉(zhuǎn)場供電系統(tǒng)的選擇器，當(dāng)司機(jī)室供電選擇旋鈕轉(zhuǎn)向鋰電池側(cè)時(shí)，鋰電池供電電源切入系統(tǒng)，為“油改電”輪胎吊轉(zhuǎn)場提供電能；當(dāng)鋰電池系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，將供電選擇旋鈕轉(zhuǎn)向柴油機(jī)側(cè)，在切斷鋰電池系統(tǒng)供電的同時(shí)屏蔽鋰電池系統(tǒng)故障點(diǎn)，并將柴電電源切入系統(tǒng)，啟動(dòng)柴油機(jī)，由柴油發(fā)電機(jī)組為“油改電”輪胎吊轉(zhuǎn)場提供電能。

4“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用

效果

應(yīng)用“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)前，司機(jī)在接到轉(zhuǎn)場指令后需要啟動(dòng)柴油機(jī)，并在換電區(qū)等待柴油機(jī)全速以后才能換電，大大限制“油改電”輪胎吊轉(zhuǎn)場效率。應(yīng)用“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)后，依靠電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)場節(jié)省了啟動(dòng)柴油機(jī)以及等待柴油機(jī)全速的時(shí)間，使輪胎吊轉(zhuǎn)場更加靈活；此外，電池系統(tǒng)無縫切換功能的實(shí)現(xiàn)使系統(tǒng)在進(jìn)行市電電源與鋰電池電源切換時(shí)無須斷電，從而對“油改電”輪胎吊的電氣設(shè)備起到一定保護(hù)作用。在節(jié)能環(huán)保方面：“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)環(huán)境零污染，且噪聲大大降低；輪胎吊轉(zhuǎn)場時(shí)無須啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，助力電池組可以有效吸收和釋放輪胎吊吊運(yùn)集裝箱下降時(shí)的能量，既節(jié)約燃油又節(jié)約電力，還節(jié)省作業(yè)成本。

總之，“油改電”輪胎吊過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)開拓了鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域，為“油改電”輪胎吊系統(tǒng)模式發(fā)展指明了方向。通過過轉(zhuǎn)場節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用，可以徹底拆除“油改電”輪胎吊原配置的發(fā)電機(jī)組，杜絕設(shè)備閑置，盤活資產(chǎn)。

（編輯：曹莉瓊收稿日期：2014-01-06）