双动力场桥超级电池转场系统的研发

姜磊 赵君庆

（天津港太平洋国际集装箱码头有限公司 天津 300463）

1 课题背景

近年来，国内很多专业集装箱码头完成了场桥油改电工程，改造后场桥在箱区内的作业时使用市电，在转场过程中仍使用柴油发电机组，即所谓“双动力场桥”。由于柴电能耗要高于市电，所以油改电工程给各码头带来了可观的经济效益。为此，使用新能源设备进行转场成为油改点工程后各码头着手研究发展的课题之一。

2 项目实施的客观条件

因为这是改造项目，所以方案的选择考虑到了场桥作业工况和技术条件的要求，这包括安装空间是否充足、安装平台强度是否满足、轮压负荷是否允许、新系统是否兼容和对老系统是否有电气危害等因素。根据公司作业工况，改造方案拆除柴油发电机组，因此方案的实施考虑了如下几个条件。

2.1 新系统需安装在一个独立的机房内，为系统提供良好的工作环境，这个机房称作电池机房。

2.2 电池机房的安装位置确定在原柴油发电机组的平台，将柴油发电机组拆除后的空间供其安装。

2.3 设计平台新的布局，预留尽量大的安装空间、确定电池房的外形尺寸。

2.4 根据场桥海陆两侧负荷情况进行轮压计算，确定电池房的最大重量4吨。

2.5 系统的三个重要电气指标：第一、满足在电池驱动、SOC在40%以上，全速给大车跑行2500米、转向次数20次以及在上述转场过程中的10%速度给卷扬和全速给小车。第二、场桥在转场过程中，要实现所有辅助用电设备不间断供电。第三、能够满足日常30度电的维修工作。

3 系统设计方案

综合考虑上述几个问题，系统设计的关键点包括储能元件、逆变电源和系统安全等三个因素。

3.1 储存元件的选择

常用的动力系统储存元件主要为三种：传统的VRLA电池、锂离子电池和超级电池。VRLA电池（阀控铅酸电池）最大的优势是稳定性较好，但其重量比能量较小，安装空间和自重的适应性较差。锂离子电池具有重量比能量比较大的优势，约为VRLA电池的一倍，是全球比较关注的新能源材料。但其价格昂贵和稳定性差的两大不足使其在汽车行业中仍处于试验阶段，可靠性不是很令人满意。超级电池是在原来的VRLA电池或铅碳电池基础上升级的新产品，通过改进极板材料和工艺，增大了电池充发电的电流和提高了响应时间，使其具有“超级电容”的充放电特性，同时电池的质量比能量得到一定降低，从而提高了其可应用性。

表1 三种常用电池的比较

如上表1所示的数据，综合考虑使用超级电池作为此系统的储存元件。超级电池共48节串联，单节电池电压12V,容量为120AH，最大放电电流可达到300A。电池组在10%SOC时端电压为580V,在100%SOC时端电压为624V，满足系统要求。

3.2 逆变电源的选择

根据场桥系统的要求，逆变电源的容量60KW、交流输入电压380VAC—480VAC、直流输入电压450VDC—750VDC、交流输出电压380VAC—480VAC，可是实现交直流输入在线“零缝隙”切换。考虑到转向油泵在启动时会有5倍的电流，所以在直流母线上安装了一个18.5 KW的变频器，用于驱动转向油泵电机，从而保护逆变电源。

3.3 系统安全的考虑

系统安全的考虑要充分考虑到电气隔离、控制连锁和系统安全等因素，同时在操作上不要给司机增加过多的环节。设计思路要从直流主电路接口、交流主电路接口和控制电路接口三个方面着手。直流接口作外接式，即将电池直流母线和场桥变频器直流母线外接，线路设置空气开关、接触器、二极管和保险等保护装置，使外界系统做到安全隔离。控制接口设计到两套系统之间的I/O联络，逆变电源的控制和保护，直流母联的控制和保护，电池状态监测和维护以及场桥电池用电时的控制和保护等。

4 系统改造

系统改造包括机械平台加固、电池房吊装、电气安装和调试等诸方面工作。

4.1 机械平台加固和元件布置

场桥轮压计算结果：发动机房自重为8吨，电气室自重为4吨，而电池机房自重4吨，因此安装电池机房后，电气室侧轮压增加1吨，达到33吨，场桥轮胎轮压在充气良好时一般为35吨，满足要求。

平台加强改造：在原平台槽钢框架的基础上，可以用相同槽钢框架叠了一层，对平台进行了加强改造，同时在机房内侧使用方管安装机房的防撞护杠。

平台布置方案：在满足元器件散热空间和维修空间的基础上，要考虑配重平衡，更重要的是柴油发电机组拆除后原有信号电缆及动力电缆的长度，尽量避免出现电缆有接头的情况。

4.2直流主电路

电池系统的直流连接为外接式，直流母线正极安装二极管的目的是避免变频器对电池组进行充电，直流母线负极安装分流器进行电流采集、反馈和控制。

在电池侧的直流母线上安装了EPS（逆变电源）以供场桥系统控制电源和辅助设备以及电池系统辅助、控制电源使用。母线正极安装二极管，作用是除了截止电池不充电外，保证EPS交直流切换时供电的不间断。

在变频器侧的直流母线上安装了转向油泵电机变频器，用于对转向油泵进行软启动控制，目的是保护EPS。

4.3 交流主电路

电池系统和场桥系统在交流方面的连接方式为嵌入式，即将EPS嵌入接在辅助电路中。EPS交流进线来自3MCB下口（原辅助变压器一次侧），其经过460/510V（机房内）三相升压变压器后接入。交流输出接滤波器和升压自耦变压器400/460V（户外）接到后分成两路，一路给场桥的变压器一次侧。另一路给场桥变频器控制电源和配电柜冷却风机。变压器二次侧输出分为两路：一路给场桥辅助电路，另一路给电池系统辅助电路。考虑到故障情况，不影响场桥作业，EPS交流出线侧安装了旁路开关。

4.4 电池系统辅助电路

4.4.1 EPS控制

EPS的运行和停止完全依靠外围硬件来完成。运行命令为两个信号并联：一个是发动机电瓶搭铁开关，当搭铁开关合上后，电瓶电源主线路上的接触器会吸合，接触器上的常开触点会接通EPS运行命令，这样做的原因是出于不改变司机原来的操作习惯；另一个是维修用的上电开关，直接接入EPS运行端子。EPS的停止是通过在停止端子上接入紧停开关来实现的。另外，EPS具有自我保护功能，故障情况能自动关断，同时反馈信号接入电池控制器用于切断直流母联。

4.4.2 直流母联控制

在使用市电作业的情况下，母联接触器断开，电池母线和变频器直流母线隔离；在使用电池转场作业时，电池控制器在检测到市电信号无、控制电源合信号有、电池电量充足信号有以及母联空气开关、电池状态良好等信号有的情况下，控制缓冲接触器和主接触器先后吸合，从而完成母联连接，上述任何条件的不满足，母联将关断。

4.4.3 充电控制

在使用市电作业的情况下，电池控制器检测到市电信号有即对电池进行充电。充电过程分为恒流充电和涓流充电，同时冷却风机间断周期开启，辅助电池房空调，为电池提供良好的环境温度。

4.4.4 转向变频器运行控制

在转向操作时，转向油泵电机接触器吸合后，其常开触点信号接入变频器运行端子，变频器进行起动加速，从而完成转向泵电机的软启动。在变频器故障时，故障信号接入场桥PLC，用于故障维修；场桥PLC的复位信号接入转向变频器，用于进行故障复位。如果转向变频器故障不能解决，变频器的出线侧安装了旁路电路，可以进行旁路操作，从而不影响场桥正常作业。

4.4.5 电池电量指示

场桥电量显示分别安装在两个地方。一个是在司机室安装数码显示器，实时显示电池SOC和续航情况，其实现方式是通过控制器进行串行通讯实现的。另外一个是在大车腿部安装一个四色指示灯，其通过场桥PLC根据电池系统的电量信号进行二次处理实现的，便于维护人员检查电池电量的情况，从而进行合理使用和管理。

5 改造过程

系统改造分为如下几个阶段，系统设计、产品选型、装置制作、平台改造、机械安装、电气安装、系统调试、系统测试、试运行、验收培训和正式运行。

6 结语

此改造经过运行实验结果显示，电池运行效果较好，基本处于浮充状态，使用一天电池消耗不到5%，温升基本为零。新系统得到了场桥司机的喜爱，这主要有三点理由：一是省略了发动机启动和熄灭的时间，场桥司机的操作强度得到降低，使作业真正实现了无污染无噪音操作。二是场桥转场（过街）时间由原来的5分钟，下降到现在的不到3分钟，转场效率大幅提升，进一步提高了设备的用电率。二是使用了电池和EPS后，辅助用电设备实现了不间断供电，提高了作业的安全性和便捷性。此外，电池能够提供常规的维修用电，从而基本实现了油改电场桥的零排放运行维护管理。

这种基于超级电池的转场系统，为场桥使用提供了可靠的动力源，从而可以进一步提高场桥的可靠性和经济性。