淺談鋰電池在港口起重機(jī)上的節(jié)能應(yīng)用

龔吉

（上海海得控制系統(tǒng)股份有限公司，上海201114）

1 概述

港口起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)的阻力主要是摩擦阻力、坡道阻力、風(fēng)阻力和水平阻力以及部分垂直方向阻力。起重機(jī)在搬運(yùn)重物的過(guò)程中，通常要完成幾十米高的提升、平移和下降動(dòng)作。由于起重機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)是短時(shí)重復(fù)工作，提升時(shí)所需負(fù)載功率巨大，平移時(shí)負(fù)載功率相對(duì)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(jī)的節(jié)能降耗，平均負(fù)載功率，降低設(shè)備供電變壓器容量、移動(dòng)供電電纜及相應(yīng)部件容量的潛力巨大[1]。傳統(tǒng)起重機(jī)變頻器將下降重物而產(chǎn)生的能量通過(guò)能耗制動(dòng)電阻器以熱的形式消耗掉，造成巨大的浪費(fèi)。針對(duì)此部分能量的回收利用，有專(zhuān)家采用超級(jí)電容儲(chǔ)能的方式[2]，但從實(shí)際應(yīng)用的數(shù)量上來(lái)講并不是很多，其性能表現(xiàn)不理想，有時(shí)工作不穩(wěn)定，而且體積巨大，價(jià)格昂貴，維護(hù)成本高。也有人采用能量回饋電網(wǎng)技術(shù)（AFE）[3]，實(shí)現(xiàn)能量的再生利用。能量回饋電網(wǎng)雖然可以節(jié)約能量，但節(jié)能效率低，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染大，經(jīng)濟(jì)可行性相對(duì)比較差[2]。隨著近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)、電池技術(shù)的不斷發(fā)展，可充電鋰電池的能量密度、功率密度越來(lái)越大、電池壽命越來(lái)越長(zhǎng)，也越發(fā)安全，電池價(jià)格越來(lái)越低。鋰電池特別是鈦酸鋰動(dòng)力電池已完全能在起重機(jī)上可靠、安全、穩(wěn)定。

2 動(dòng)力鋰電池在門(mén)座起重機(jī)上的運(yùn)用

港口散貨堆場(chǎng)一般通過(guò)門(mén)座機(jī)等大型起重設(shè)備對(duì)貨物進(jìn)線(xiàn)裝卸作業(yè)。主要有起升、回轉(zhuǎn)、變幅和大車(chē)四大機(jī)構(gòu)。表1 是某碼頭25T 抓斗門(mén)座機(jī)MQ2530 的四大機(jī)構(gòu)電機(jī)表。下降電機(jī)的發(fā)電能量占起重機(jī)耗電能量超過(guò)40%。

表1 MQ2530 主要機(jī)構(gòu)參數(shù)表

圖1

由于門(mén)座機(jī)裝卸作業(yè)時(shí)大車(chē)一般不行走機(jī)，因此門(mén)座機(jī)大車(chē)電機(jī)與起升電機(jī)共用變頻器切換驅(qū)動(dòng)。圖1 是門(mén)座機(jī)各機(jī)構(gòu)速度功率時(shí)間圖。從電機(jī)功率時(shí)間圖中顯見(jiàn)，起升下降和變幅

傳統(tǒng)門(mén)座機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，各機(jī)構(gòu)變頻器都是二極管不控整流，在起升下降、變幅下降和回轉(zhuǎn)減速時(shí)的電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，能量只通過(guò)制動(dòng)電阻器以熱形式消耗。

動(dòng)力鋰電池能量回收門(mén)座機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用將2 個(gè)相同大小的起升變頻器的直流母線(xiàn)并聯(lián)，變幅和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻器的交流進(jìn)線(xiàn)不接電源，其直流母線(xiàn)并接到起升變頻器的直流母線(xiàn)上，動(dòng)力鋰電池通過(guò)雙向DCDC 亦并接到起升變頻器的直流母線(xiàn)上，形成共直流母線(xiàn)的多傳動(dòng)回收儲(chǔ)能變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

當(dāng)起升下降或俯仰下降時(shí)，電機(jī)發(fā)電，能量通過(guò)變頻器回饋到變頻器DC 母線(xiàn)，此時(shí)DCDC 對(duì)鋰電池充電。當(dāng)起升上升時(shí)，鋰電池儲(chǔ)存的電能放電，與市電整流器共同承擔(dān)起升負(fù)載所需能量，簡(jiǎn)稱(chēng)“門(mén)座機(jī)鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)”，同時(shí)減少了起升加速時(shí)門(mén)機(jī)的峰值電流。

3 對(duì)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(shù)的能量回饋裝置（AFE）經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已非常成熟，但其在港口門(mén)座機(jī)上的實(shí)際運(yùn)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(shí)，同一臺(tái)門(mén)座機(jī)起升電機(jī)下降發(fā)電量與AFE 裝置一樣為Q0，鋰電池回收能量?jī)H需經(jīng)過(guò)以下路徑：電機(jī)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(fā)電量Q0經(jīng)DCDC 儲(chǔ)到電池的能量QBAT饋=Q0*η1*η2*η6。而當(dāng)起升電機(jī)上升時(shí)耗電路徑為鋰電池→DCDC 變流器→起升逆變器→起升逆變器→電機(jī)電纜；實(shí)際有效能量為：

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

3.2 門(mén)座機(jī)機(jī)構(gòu)工作電流和尖峰電流差別分析

機(jī)械工作電流是選擇、校核開(kāi)關(guān)、電纜的熱計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)正常工作電壓降計(jì)算的依據(jù)，提供碼頭電網(wǎng)做負(fù)載計(jì)算，港口機(jī)械的同一機(jī)械的不同機(jī)構(gòu)工作制不盡相同[4]。

起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008 第8 章8.8.3.4 節(jié)：對(duì)于供電給單臺(tái)起重機(jī)（含多機(jī)構(gòu)）電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)線(xiàn)，其負(fù)載電流為可能同時(shí)工作機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)額定工作電流之和[5]。通常：

IW——總進(jìn)線(xiàn)電纜、上機(jī)卷盤(pán)電纜或滑線(xiàn)的額定工作電流，稱(chēng)為起重機(jī)工作電流[5]。

IN1——功率最大機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的額定工作電流[5]。

IN2，IN3——其他兩個(gè)可能同時(shí)工作的機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的額定工作電流[5]。

IAUX1——輔助電氣設(shè)備與控制所需的額定工作電流[5]。

見(jiàn)圖1 門(mén)座機(jī)速度功率時(shí)間圖，AFE 整流回饋裝置是把起升下降時(shí)的能量回饋到電網(wǎng)，并不能減少各機(jī)構(gòu)工作電流和峰值電流。因此，AFE 整流回饋的機(jī)械總的工作電流與傳統(tǒng)二極管不控整流變頻器系統(tǒng)的工作電流一樣大（IW）。根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008，IW=I起升+I變幅+I回轉(zhuǎn)+IAUX1；所以AFE 能量回饋裝置不能消減機(jī)械的總的工作電流，因此設(shè)備供電保護(hù)開(kāi)關(guān)、供電電纜和移動(dòng)供電電纜設(shè)備相比傳統(tǒng)變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能有任何減小。

而采用鋰電池用著門(mén)座機(jī)能量回收時(shí)，當(dāng)起升下降時(shí)電機(jī)發(fā)電儲(chǔ)存在鋰電池，而當(dāng)起升上升時(shí)，鋰電池儲(chǔ)存的能量釋放供給起升電機(jī)，此時(shí)鋰電池與市電共同提供起升電機(jī)電能以提升負(fù)載，稱(chēng)為門(mén)座機(jī)鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。并且在起升機(jī)構(gòu)不動(dòng)作時(shí)，起升變頻器的整流器以小電流對(duì)鋰電池充電以補(bǔ)充電池電量，確保鋰電池在起重機(jī)提升額定負(fù)載額定行程時(shí)能持續(xù)按照設(shè)定的功率輸出，此設(shè)定輸出功率即為門(mén)座機(jī)消峰功率。此消峰功率的設(shè)計(jì)需要按照所選定鋰電池的類(lèi)別特點(diǎn)、電池的額定允許的充放電流、門(mén)座機(jī)下降回饋?zhàn)畲蠊β屎妥畲竽芰恳约半姵爻杀緛?lái)綜合選擇。此次暫定設(shè)為PBAT，電流標(biāo)記為IBAT。因此，鋰電池能量回收門(mén)座機(jī)工作電流IW=I起升-IBAT+I變幅+I回轉(zhuǎn)+IAUX1；根據(jù)表1：MQ2530 門(mén)座機(jī)主要機(jī)構(gòu)參數(shù)表可知，起升電機(jī)功率相比于變幅和回轉(zhuǎn)電機(jī)功率，起升電機(jī)功率是門(mén)座機(jī)的主要負(fù)載功率，其電機(jī)額定工作電流是門(mén)座機(jī)額定工作電流的60%多。因此，鋰電池只要能提供起升電機(jī)電流的50%，則整臺(tái)門(mén)座機(jī)的額定工作電流將減少30%以上。

起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008 第8 章8.8.4.4 節(jié)：?jiǎn)闻_(tái)電動(dòng)機(jī)的最大工作電流為設(shè)計(jì)選定的最大起動(dòng)電流[5]。對(duì)于變頻控制的籠型電動(dòng)機(jī)一般取為1.8～2IN，IN為電動(dòng)機(jī)的額定工作電流[5]。

單臺(tái)起重機(jī)的最大工作電流按功率最大機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)狀態(tài)，其余可能同時(shí)工作機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)處于額定工作狀態(tài)時(shí)的電流進(jìn)行計(jì)算[5]。即：

Imax=KIN1+IN2+IN3。

Imax——起重機(jī)最大工作電流[5]。

IN1，IN2，IN3——3 個(gè)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的額定工作電流[5]。

K——最大功率機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流倍數(shù)[5]。

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

△U——電壓降。

S——導(dǎo)線(xiàn)截面。

δ——銅導(dǎo)線(xiàn)電導(dǎo)率。

L——導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度。

I——最大工作電流[5]。

所以：鋰電池能量回收門(mén)座機(jī)的導(dǎo)線(xiàn)截面不變時(shí)壓降可減少20%以上。在滿(mǎn)足壓降相同時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)截面可減少20%以上。

校核機(jī)械尖峰電流產(chǎn)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(jī)械的尖峰電流，變壓器的輸入、輸出電壓滿(mǎn)足設(shè)備要求，即可確定變壓器容量[5]。

因此，鋰電池能量回收門(mén)座機(jī)的變壓器容量也可減少20%以上。即可減少碼頭門(mén)座機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)容量20%以上。

由于移動(dòng)供電導(dǎo)線(xiàn)截面和機(jī)械最大工作電流都減少20%以上，因此，移動(dòng)供電電纜卷盤(pán)或滑觸線(xiàn)設(shè)備容量都將降低20%以上容量。

4 門(mén)座機(jī)鋰電池能量回收電池設(shè)計(jì)選型

根據(jù)表1：MQ2530 主要機(jī)構(gòu)參數(shù)表和圖1 門(mén)座機(jī)機(jī)構(gòu)速度功率時(shí)間圖，變幅機(jī)構(gòu)電機(jī)相比起升機(jī)構(gòu)小得多，其勢(shì)能變化也很小；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是平移機(jī)構(gòu)，沒(méi)有勢(shì)能變化只有減速制動(dòng)能量。

假設(shè)起升機(jī)構(gòu)的總的機(jī)械效率（含電機(jī)效率）為η 機(jī)起，變幅機(jī)構(gòu)的總機(jī)械效率（含電機(jī)效率）為η 機(jī)變，則下降時(shí)電機(jī)發(fā)電的最大回饋功率為PFmax=K*PM起*η1*η2機(jī)起+PM變*η1*η2機(jī)變，一般門(mén)座機(jī)總機(jī)械效率可取0.9，電機(jī)線(xiàn)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(shí)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(xù)時(shí)間為起升加速時(shí)間約3S。根據(jù)起升總行程以及負(fù)載重量和效率，總勢(shì)能轉(zhuǎn)換成可用電能儲(chǔ)存到鋰電池的能量為QBAT=Q起*η2機(jī)起*η1*η6，（為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮變幅勢(shì)能和回轉(zhuǎn)減速動(dòng)能，在選定電池容量和DOD 時(shí)稍作余量即可）。根據(jù)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(mén)座機(jī)鋰電池系統(tǒng)所需電池容量。再依據(jù)鋰電池的放電能力確定門(mén)機(jī)消減起升電機(jī)功率的最佳比例。

鋰電池選擇必須滿(mǎn)足以下要求：a. 電池峰值充電功率必須大于機(jī)械最大回饋功率；b. 電池必須全部回收機(jī)械最大重量最大行程的勢(shì)能，c. 電池必須滿(mǎn)足在起升全行程內(nèi)持續(xù)放電起升機(jī)構(gòu)的消減功率。

5 門(mén)座機(jī)鋰電池能量回收電池

以MQ2530 門(mén)座機(jī)和東芝鈦酸鋰電池方案分析電池容量、壽命和節(jié)電率等。

根據(jù)上述：機(jī)構(gòu)的峰值回饋功率：

Pfmax=0.7*K* PM起+0.75*PM變=303KW；

總勢(shì)能回收量：Q=Q起*η2機(jī)起*η1*η6

機(jī)構(gòu)的連續(xù)回饋功率：

Pf=0.7* PM起=184.8KW；

總勢(shì)能回收量：Q=Q起*η2機(jī)起*η1*η6

提升25 噸負(fù)載滿(mǎn)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(fù)載滿(mǎn)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(shù)如下表。

表2

根據(jù)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(xiàn)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(xiàn)電壓。

機(jī)械最大回饋功率PBATmax=303KW，因此10AH 鋰電池?cái)?shù)量容量必須大于：

303KW/62.5=4.85KW。

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

因此電池組系統(tǒng)為504V ，20AH 滿(mǎn)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(yuǎn)大于6.68KW，可以滿(mǎn)足回收能量要求。

根據(jù)電池參數(shù)表，電池允許連續(xù)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(fù)載滿(mǎn)行程上升需要能量為Q耗=3.4KWH。Q耗大于Q饋，所以上升時(shí)只能以重載下降連續(xù)回饋功率消減起升負(fù)載功率Pf=184.8KW，設(shè)計(jì)取電池消峰功率為起升電機(jī)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(jī)每次都最大負(fù)載最大行程作業(yè)時(shí)可以15 萬(wàn)次循環(huán)。最少可以回收50 萬(wàn)度電，同時(shí)供配電電纜可減少20%截面積，供電變壓器減少20%容量，線(xiàn)路損耗減少20%以上。

結(jié)束語(yǔ)

除汽車(chē)行業(yè)外，電池降越來(lái)越多的在起重行業(yè)、船舶行業(yè)得到廣泛運(yùn)用，同時(shí)隨著電池在起重行業(yè)得廣泛運(yùn)用，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范、港口起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中關(guān)于機(jī)械最大工作電流、額定工作電流、供電變壓器和移動(dòng)供電設(shè)備的計(jì)算選型公式都會(huì)進(jìn)行修訂完善。同時(shí)，電池在起重機(jī)行業(yè)得運(yùn)用安全規(guī)范也有必要在起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中完善，以規(guī)范電池在起重行業(yè)得運(yùn)用，以利電池在起重行業(yè)的推廣。