锂电池在集装箱轮胎吊上的节能研究

摘要：目前以柴油机为动力的集装箱轮胎吊，由于码头的作业环境的特殊性，空闲待作业时间长，柴油机空载比例大，而由于重物下降产生的势能也未能得到利用，节能空间十分巨大。利用锂电池的大容量，及大电流充放电的特性，可以避免柴油机的长时间空载或频繁启动，还可以回收能量并进行存储和释放，从而节约能源，减少了污染。通过多次的试验验证锂电池应用到起重机上节能减排的巨大作用。

关键词：集装箱轮胎吊、锂电池、混合动力系统、节能

1、设计理念

集装箱轮胎吊又称集装箱轮胎吊。主要由四部分组成：大车行走机构、小车机构、起升机构及动力装置。动力装置是集装箱轮胎吊的心脏部分。传统的集装箱轮胎吊采用柴油机组 作为主动力，并且不能储存电能，因此在集装箱下降及制动时反馈的电能由安装在起重机上的电阻箱进行消耗。通过分析，可知起升下降时候浪费的能量最多。因此可以考虑通过增加储能单元以及减小发动机功率来达到节能的目的。

1.1 设计思路

针对目前主流的电能和机械能的组合，集装箱轮胎吊采用串联式混合驱动方案。在传统起重机的动力系统中增加了合适的储能元件，用来回收起重机因势能变化产生的能量，再将回收的能量作为动力补给，非常节约能源，因此具有重要的社会和经济意义。相比传统集装箱轮胎吊，我们选用80KW，400V小型柴油发电机组，在储能单元故障时候，可以切换至柴油机组直接进行供电，柴油机组直接供电可以满足大车机构、小车机构及起升机构慢速运行以及空调、照明、通讯供电等的正常要求。

传统集装箱轮胎吊的整流单元模块使用的是起升变频器的二极管整流单元，现在改为可控整流单元模块。具有整流、限流、升压和稳压的作用，它把柴油发电机组输出的400V交流电整流成所需的直流电，升压并稳定到所需的电压，同时可以防止在起升重载上升发电机组过载熄火。限制电流可使发电机组始终工作在最佳效率点。提高柴油发电机组发电效率。基于80KW柴油机组的功率，可控整流单元模块选择110KW，400V。

在此混合动力系统中，采用DC/AC逆变器将直流电变成三相交流电。为了提升供电质量，本系统中采用了正弦波滤波器，滤去逆变器输出三相电的谐波，平滑的三相电更接近三相正弦波交流电，提高辅助供电质量，消除谐波电压对控制电子设备的影响。

1.2储能单元的选择

集装箱轮胎吊起升下降时候，由于集装箱一般都是20-40T的箱重，因此下降时释放很大的能量，这样就需要能够选择具有高功率承受力的储能单元。而目前被广泛使用的锂离子电池符合这些特性要求。在电池材料的选择方面，我们选择了安全性更高的磷酸铁锂电池。

1.2.1 混合动力系统电池组构成

此电池组系统由两组储能系统单元组成，由主电池管理模块进行控制。两组储能单元可以同时工作也可分开单独运行。

1.2.2 能量控制器的设计

在混合动力系统中，电池储能单元由508V，30AH标准电池组并联组成，总容量达到150AH。利用双向DC/DC变换器来控制电池组的充、放电，保护电池寿命。混合动力系统的控制电源取自集装箱轮胎吊的控制系统电源，在混合动力系统中配备和合适容量的UPS，由UPS给混合动力系统的PLC电源、智能电池管理系统（BMS）电源、AC/DC整流器控制电源、DC/DC变换器控制电源和辅助电源逆变器 进行供电。

2.测试与分析

为了验证混合动力系统应用在集装箱轮胎吊上的可行性，为此制作了一台以锂电池组作为主动力来源，小型柴油机组给锂电池组进行充电的样机。其中起升马达的功率最大，达到了200KW。一般情况下起升机构可以和小车机构进行联动，此时最大总功率为230KW。小车机构和打车机构可以联动，此时最大总功率为150KW。此次实验起升机构上升所需要的电流最大，起升机构下降产生的电流也是最大，目的是测试电池的充放电能力是否满足实际工况要求。一般标准集装箱重量为20吨左右，最大重量不超过41吨，此项目制作了两组配重块，一个20T，一个41T，并使用示波器进行电流监控。

2.1起吊能力测试

通过对负载41T，单动起升机构所得到的的实验数据分析，电池电量从96%到45%，共计起升上升下降循环15次，用时25.5分钟.通过对负载20T，单动起升机构，所得到的的实验数据分析，单动起升工况下，电池电量从95%到45%，共计起升上升下降循环31次，用时45分钟。

2.2电池续航能力测试

通过实验，起吊41T标准集装箱时，只使用电池组，当电池SOC从95%降到45%时共计能吊15个集装箱；起吊41T集装箱时，起动柴油机充电，锂电池组同时工作，电池SOC从45%升到95%时共计能吊13个集装箱。电池SOC从45%充电到95%。起吊20T集装箱，假如只使用电池组，当电池SOC从95%降到45%时共计能吊20个集装箱；电池SOC从45%升到95%时共计能吊19个集装箱。

2.3 电池待机测试

由于码头作业环境的特殊性，等待作业时间长，因此需要测试锂电池组无負载时候的充放电情况。待机充电测试，电池电量从45%～95%，柴油发电机充电电流基本恒定在141A，充电完成时间约30分钟。待机放电测试，电池电量从95%～75%，放电电流8A-10A，用时2.5小时。

2.5混合动力系统油耗测试

配备锂电池组的集装箱轮胎吊，可以完全回收起升机构吊集装箱下降时候产生的能量，以及大车机构、小车机构制动时候产生的能量回馈。下面将模拟实际工况来进行油耗测试。通过测试可知，在模拟正常作业工况下，每11.5个工作周期消耗柴油15.1L。作业两个集装箱为一个工作周期，按作业单个集装箱计算，每个41T集装箱油耗0.66升。每个20T集装箱油耗0.46升。根据集装箱港口油耗数据，传统纯柴油机型集装箱轮胎吊作业一个41T集装箱，一般油耗为1.4L/箱；作业一个20T集装箱，一般油耗为1L/箱。由上述实验数据可以可知，混合动力集装箱轮胎吊的节能效率可达到50%左右，充分体现了混合动力系统巨大的节能潜力。

3.结论与展望

3.1 结论

本章以配备锂电池组带混合动力系统的集装箱轮胎吊为研究对象，通过对锂电池组的充放电能力测试、续航能力测试、待机测试，得出以下结论

1）本文所提出的集装箱轮胎吊混合动力储能单元的选择，混合动力系统控制策略是合理的。

2）本文中所提出的配备锂电池组的集装箱轮胎吊能够节约50%以上的能量

3.2 展望

后续还需要做更多的耐久实验来论证该系统的稳定性。目前初步的研究结果表明，锂电池混合动力系统应用到集装箱轮胎吊上的巨大的节能前景，在该研究领域还存在以下几方面值得进一步扩充和深入：

1）通过多次的耐久实验来验证该混合动力系统的稳定性

2）进行混合动力系统在其他起重机械上的应用研究

作者简介：刘宗仁（1983年1月30日），男，山东泰安，本科，研究方向：电气工程及自动化.

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