三种典型混合动力RTG的比较分析

黄婷，徐磊，黄细霞，牛王强

(1.上海海事大学，上海201306；2.上海振华重工(集团)股份有限公司，上海200125)

三种典型混合动力RTG的比较分析

黄婷1，徐磊2，黄细霞1，牛王强1

(1.上海海事大学，上海201306；2.上海振华重工(集团)股份有限公司，上海200125)

随着超级电容和锂电池等储能系统的发展，使混合动力RTG节能减排技术成为可能。分析了RTG系统的功率需求。从系统技术原理、动力参数和效益等方面，对超级电容和锂电池作为辅助动力源和以大容量锂电池作为主动力源的三种混合动力RTG方案进行了对比分析。表明了采用大容量锂电池作为RTG的供电电源，能够将回馈的势能充分回收利用，小功率柴油机作为锂电池的充电电源，无需连续工作，使系统综合性能最优，具有一定的新颖性和很好的发展前景。

混合动力RTG；超级电容；锂电池；节能减排

随着全球燃油价格飞涨及对节能减排要求的不断提高，柴油驱动的RTG进行改造势在必行。电力驱动RTG技术的发展解决了在节能和环保方面的问题，但仍存在初期投资较大、堆场要求规则、码头电力要求充裕，且丧失了RTG转场的灵活性的最大优势。

混合动力技术的出现为传统RTG的改造提供了一种新的选择。应用混合动力技术只需对设备本身进行改造，就可达到节能减排的目的，而且最大程度地保留了RTG转场灵活的优点[1]。目前集装箱行业，主要采用以下三种混合动力RTG节能改造方案：(1)超级电容混合动力RTG；(2)小容量锂电池混合动力RTG；(3)大容量锂电池的混合动力RTG。为了方便混合动力系统的分析和设计，本文分析了RTG系统的功率需求。而且，从系统技术原理、动力参数和效益等方面，对超级电容和锂电池作为辅助动力源和以大功率锂电池作为主动力源的三种混合动力RTG方案进行了对比分析。在满足基本需求时，大功率锂电池混合动力RTG，进一步优化了设备的选型，降低了RTG对燃油消耗和依赖，减少了大功率柴油机对环境的污染，使系统综合性能达到最优，对于大量使用RTG的集装箱码头具有重要意义。

1 RTG功率需求分析

对于混合动力RTG系统，如何选择柴油发电机组的容量和储能元件及容量已成为节能降耗和降低成本的关键。而混合动力RTG的功率需求对系统的选型和计算至关重要。选用RTG主要性能参数如表1所示。

(1)RTG最大功率需求计算

起升满载时速度：

起升满载匀速上升时负载：

起升加速时负载：

大车行走所需功率：

小车行走所需功率：

一般来讲，起升和大车不会同时运行。而且，根据电源侧到负载侧的能量传递效率为59%～86%[2]，取其平均值h=73%，得到电源侧最大的供电功率：

(2)回馈能量的计算

吊箱后最大行程：

根据电源侧到负载侧的能量传递效率为63%～74%[2]，取回馈时能量传输的效率为h=70%，得到可回收满箱重力势能：

RTG最大回馈功率需求：

起升变频器典型功率如图1所示，最大输出功率为211 kW，最大回馈功率为140 kW；从图1中可知，实测数据与起升机构的功率需求理论计算基本吻合。

图1 典型起升变频器功率曲线

2 三种典型混合动力RTG比较分析

2.1 超级电容混合动力RTG

2.1.1 超级电容混合动力RTG技术原理

与常规RTG相比，上海港基于超级电容混合动力RTG增加了一套超级电容装置和双向DC/DC控制单元。其结构框图如图2所示。其中，超级电容用于功率补偿和能量储存，减小柴油发电机组的功率到225 kW。双向DC/DC变换器控制能量的双向流动并提高超级电容的有效储能。超级电容的能量与电压差有关，如果它直接并到直流母线上，电压变化范围比较窄，放电深度浅，超级电容的有效储能低。

图2 RTG超级电容混合供电的电路结构图

2.1.2 超级电容混合动力RTG动力系统主要参数

超级电容组主要用于重物下放时的能量的回收，根据其选型的依据[3－6]得到：

(1)根据制动时功率约束，得到Pc=UcIc≥mgv h=151 kW，取超级电容器的功率大小为160 kW。又因为双向DC/DC变换器的额定工作电流Icmax=500 A，所以有Ucmin=320 V。

(2)根据能量平衡约束，得到电容容量C≥2mgh h/(Ucmax2－Ucmin2)。分析上式可看出电容最大电压和电容大小成反比，而且Ucmax越大，电容的利用率越高，成本越低，所以柴油发电机组电压取440 V，母线电压变化范围为590～630 V，此处取Ucmax=600 V，最终得到C=42 F。

因此，超级电容主要参数：160 kW，42 F，600 V(600 V～320 V)；考虑一定的裕量，双向DC/DC变换器功率取为200 kW；根据供电电源的最大功率为363 kW，得到柴油发电机组配置为225 kW，440 V。

2.1.3 超级电容混合动力RTG效益评估

对上海港已投入应用的超级电容混合动力RTG与常规RTG进行能耗对比测试。测试结果表明，超级电容混合动力供电RTG能够节省约30%左右的燃油，取得较好的节能效果。而且随着柴油机的容量的减小，经现场测试柴油发电机工作噪声从95dB减小到72bB，噪声明显下降，同时尾气排放也减少40%[7]。

超容混合动力系统增加的设备为超级电容组、225 kW的柴油发电机组和双向DC/DC变换器。其中超级电容组25万元，225 kW的柴油发电机组13万元，双向DC/DC变换器25万元，考虑电控装置及20%的工本费，工程改造总投资合计85万元。

其节油效果可达30%，按照每台常规RTG一年操作12万集装箱，每箱平均油耗按0.87 L计，一年每台节轮胎吊节省燃油约3.2万升，按每升燃油7.4元计，一年每台节能轮胎吊节省燃油费用约32 000×7.4=24万元，经济效益明显。投资回收期为3.5年，与常规RTG相比，经济收益有所提高。

2.2 小容量锂电的混合动力RTG

2.2.1 小容量锂电混合动力RTG技术原理

相对于超级电容系统，日本住友的小容量锂电混合动力RTG，辅助电源用可提供更大功率的锂电池组代替超级电容组，柴油发电机组降低到130 kW，其他结构不变。相对于超级电容，锂电池具有储存容量大、放电电流稳定、无污染及安全性能好等优点。充电放电控制器(DC/DC变换器)，他控制着能量储蓄单元的充电和放电。它可以根据起升电机所需要能量，自动调节能量储蓄单元的输出功率，柴油发电机组只需负担小部分负载电流，所以即使处于最大负载时，发电机组的输出功率仍可保持一定，这样就可以大幅减小柴油机的功率。其系统结构如图3所示。

2.2.2 小容量锂电混合动力RTG动力系统主要参数

日本住友的混合动力，为了在切断电源装置或电源装置故障时，能将额定负载吊至起升上限并且能够安全回到维修厂，柴油发电机组的最小功率为130 kW。为了满足峰值功率需求，两者之和大于等于最大需求功率，选定锂电池的功率为250 kW左右。采用20个(28.8 V/30 Ah)LIM 30H.8S电池模块串联，得到(480 V/30 Ah，15 kWh)的电池组，如果以20 C放电，电池电流为600 A，能够满足峰值功率需求。考虑一定余量DC/DC变换器功率等级取为300 kW。

图3 日本住友混合动力RTG系统结构

小容量锂电池主要也是吸收负载下放的能量，锂电池储能：E=15 kWh=54×106J可快速吸收一次重物下降所回馈的能量。

2.2.3 小容量锂电混合动力RTG效益评估

同超级电容系统的测试方法，对搭载了锂电池混合动力的RTG进行测试，平均燃料节省率在58%左右。柴油发电机组的进一步减小，系统废气排放量较超级电容系统进一步减少[1]。

小容量锂电池混合动力系统增加的设备为锂电池组、130 kW的柴油发电机组和双向DC/DC变换器。其中锂电池组20万元，130 kW的柴油发电机组9万元，双向DC/DC变换器35万元，考虑电控装置及工本费，工程改造总投资合计90万元。

其节油效果可达60%，按照超级电容混合动力系统的标准进行计算，一年每台节能轮胎吊节省燃油费用约63 000× 7.4=47万元，经济效益明显。投资回收期为1.9年，相对于上海港的超级电容混合动力RTG系统，具有更可观的经济收益。

2.3 大容量锂电的混合动力RTG

2.3.1 大容量锂电混合动力RTG技术原理

相对于住友锂电的混合动力系统，混合电源系统以大容量锂电池组作为主动力源。因为大容量锂电池的电压充放电过程中基本稳定，电压和功率等级完全满足并网的需求，直接给变频驱动系统提供工作电源。进一步将柴油发电机组的功率优化降低到50 kW。其系统组成如图4所示。正常运行状态下，小功率柴电机组不工作，直接由动力电池驱动RTG。当电池电量降低至一定范围(50%)，锂电池的充电电源为50 kW柴油发电机组或外部电源，与此同时势能也可回馈至锂电池组。即满足机构运行的峰值功率需求和稳态运行的功率需求，又能充分吸收设备的势能回馈[8]。

2.3.2 大容量锂电混合动力RTG动力系统主要参数

(1)动力离子锂电池

传统RTG负荷低于20%的运转时间达75%～80%，其平均功率仅有60～80 kW[9]。动力电池作为主电源，其容量能够满足RTG连续运行2 h的用电量，因此锂电池的配置容量约120～160 kWh。

图4 锂电池RTG动力系统组成框图

400 V主动力源驱动器的母线工作电压为510～740 V[10]，为了在母排电压承受范围内，与母线并联的锂电池电压范围510～740 V，额定电压在650 V左右。因此，为了满足RTG锂电池电压以及容量，对额定容量50 Ah，额定电压3.2 V(充放电截止电压3.6 V/2.5 V)的单体电池进行4串4并组成12.8 V/200 Ah的电池模块，50个电池模块串联成为640 V/200 Ah(500～720 V)的电池组。

(2)柴油发电机组

选取50 kW，输出电压440 V，电流90 A的柴油发电机组。辅助柴电机组主要满足对动力电池补充电能的要求，为了进一步优化，选用50 kW柴油发电机组[9]，其可覆盖平均功率，基本能满足使用。柴油发电机组输出电压400 V/440 V，考虑到充电电压应该比电池电压稍高，所以柴电机组额定电压选用440 V。其母线直流电压为：

(3)锂电池实验测试

锂电池的最大充放电电流：

满载情况下，仅起升电机工作，锂电的最大供电功率：

RTG最大放电电流需求：

混合动力阶段，存在柴电机组与回馈能量同时充电的状态，此时RTG最大充电电流：

电池电流典型需求情况如图5所示，最大放电约为430 A，最大充电电流约为300 A，与理论计算基本吻合。RTG最大充电电流需求为314A，锂电池允许恒流充电电流为2C (400 A)，完全满足RTG回收能量需求。RTG最大放电电流需求为464 A，锂电池允许持续放电电流为4 C(800 A)，满足最大功率所需放电电流。

锂电池端电压变化：

电池电压典型需求情况如图6所示。经实验数据得到，在1 C的充电电流内，单体电压稳定在3.2～3.4 V左右，在2C的放电电流内，单体电压稳定在3.1～3.4 V左右，则最大充电电流为314A，最大放电电流为464 A时的电压数据理论值与实验数据基本吻合。

图5 RTG锂电池典型工况电流波形

图6 RTG锂电池典型工况电压波形

2.3.3 大容量锂电混合动力RTG效益评估

同上述两种方案测量方法相同，可计算得到上海港大功率锂电池混合动力RTG系统测试各工况的总油耗为60.81 L，换算后各工况的总耗电量为57.54 kWh。以此得出柴电机组的油电转换率为3.47 kWh/L，本次测试的总电能换算成油耗为16.58 L通过改造前后两次相同典型工况下的油耗和电耗测试数据，可得出平均节油率为72.7%。50 kW的柴油发电机组用的比较少，废气排放量很少，几乎为零。其节能减排效果比上两种方案都要好[11]。

大功率锂电池混合动力系统增加的设备为锂电池组、50 kW的柴油发电机组。其中锂电池组80万元，50 kW的柴油发电机组5万元，电控设备以及20%工本费用，工程改造总投资合计120万元。

其平均节油效果可达73%，按照每台常规RTG一年操作12万集装箱，每箱平均油耗按0.87 L计，一年每台节能轮胎吊节省燃油约7.6万升，按每升燃油7.4元计，一年每台节能轮胎吊能节省燃油费用约76 000×7.4=56万元，相比前两种经济效益更明显。投资回收期为2.2年，而锂电池的寿命为5年，并且随着锂电池技术的成熟，锂电池的成本会下降，具有很好的经济收益和前景[8]。

2.4 方案的选择

三种方案的综合性能的比较见表2所示。方案1和方案2以超级电容和锂电池作为辅助动力源的混合动力RTG，它们并未摆脱传统RTG，以柴油发电机组为动力供给的框架，只是将柴油发电机组从440 kW减小到225 kW或130 kW，并以锂电池或超级电容，作为辅助供电和势能回收装置，节能效果未达最大化。方案2和方案3在投资回报期相近的条件下，方案3在满足系统性能的条件下，与方案2相比较，进一步优化了柴油发电机组和锂电池组选型，使控制策略更加简单，节能减排效果更好，因此大功率锂电池混合动力RTG是最佳的方案选择。而且随着锂电池的发展，锂电池的性能不断提高，成本不断降低，基于锂电池的混合动力RTG存在良好的发展前景。

3 总结与展望

随着新能源及锂电池的开发，混合动力RTG有很大的应用前景。为了进一步优化系统，可以考虑天然气、太阳能等新能源，如锂电池-LNG混合动力RTG；也可以开发锂电池新技术。比如一种新储能设备又称石墨烯表面锂离子交换电池，其功率密度比商业锂电池高100倍，比超级电容高10倍，很短时间充电；储能密度也高，与锂电池相当，比超级电容高10倍，存储能量多。锂离子新技术对混合动力RTG开发也至关重要，基于混合动力RTG有很好的应用前景。

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Comparativeanalysisof three typicalhybrid RTGs

HUANG Ting1，XU Lei2，HUANG Xi-xia1，NIUWang-qiang1
(1.ShanghaiMaritime University，Shanghai201306，China; 2.ShanghaiZhenhua Heavy Industries(group)Co.，Ltd，Shanghai200125，China)

W ith the development of supercapacitors，lithium batteries and other energy storage system s，the hybrid RTG energy saving technology becomes possible.The power demand of conventional RTG system was analyzed. The hybrid RTG schemes using super capacitor and lithium battery as auxiliary power source and high power lithium battery as themain source were compared from technical principle，dynam ic parameters and system efficiency.It shows that the large capacity lithium battery was used as power supply of RTG to feedback the potential energy of fully recycling;the low power diesel engine as lithium battery charging power supply doesn't need to work continuously，making the system have the best com prehensive performance and certain novelty and good prospects.

hybrid RTG;supercapacitor;lithium battery;energy-saving and em ission reduction

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1399-04

2015-12-03

国家自然科学基金(51209134)；上海市科委科技创新行动计划项目(13dz1202800)

黄婷(1990—)，女，河北省人，硕士生，主要研究方向为混合动力轮胎式起重机技术。