“油改电”轮胎吊过转场节能系统设计及优化

周兴奎

1“油改电”轮胎吊过转场电源切换存在的问题

传统轮胎式集装箱门式起重机（以下简称轮胎吊）使用柴油发电机组作为供电系统，因此，轮胎吊在堆场内作业不受场地限制，可以自由转场作业。为确保轮胎吊能够自由转场作业，在确定轮胎吊“油改电”改造方案时，综合分析各方案优缺点后选择低架式滑触线改造方案。低架式滑触线改造方案具有改造成本低、维护便捷等优点；缺点是在堆场与堆场之间不能架设滑触线，否则会妨碍场内拖车通行。为此，“油改电”轮胎吊在转场或过场时仍需要使用原有的柴油机发电机组供电，导致其在过转场时需要进行市电电源与柴油发电机组电源（以下简称柴电电源）的切换。

由于三相交流电存在相位角和频率等问题，无法直接并网切换，必须由2个有机械互锁功能的接触器通过硬件连锁控制来实现市电电源与柴电电源的切换。该电源切换方式存在以下弊端：

（1）在进行电源切换时存在短暂断电间隙，设备电气元件在切换电源的过程中会经受电源上电冲击；

（2）“油改电”轮胎吊过转场需要进行2次换电操作，对电气设备的使用寿命影响较大；

（3）系统断电后需要对小车和起升机构位置清零（即将起升机构上升到上终点，小车行驶到位后停止，对编码器进行重新置位），而且位置清零过程操作复杂，影响作业效率；

（4）柴油机启动频繁，加之柴油机启动前需要怠速运行，容易形成积碳，影响柴油机使用寿命。

2“油改电”轮胎吊过转场节能系统设计

2.1锂电池电源系统工作原理

为解决传统轮胎吊“油改电”后的过转场问题，经过多方论证和方案比较，选用锂电池供电系统作为“油改电”轮胎吊过转场供电电源系统，并通过选用2组电化学性能迥异的电池组实现不同功能。

（1）电功为的动力锂电池组(以下简称电池组一)主要负责提供“油改电”轮胎吊转场电源，为控制回路、起升、大车和小车系统供电。锂电池的直流电源分2路供电：一路经过逆变单元逆变成交流电，为控制回路供应电源；另一路经过起升变压器的直流输入侧输入直流电，经由起升变频器逆变成交流电，为各机构变频器提供电源。

（2）电功为的动力锂电池组（以下简称电池组二）作为辅助电源系统。当“油改电”轮胎吊在场内用市电作业时：吊装集装箱起升或下降的势能转换为电能，电池组二快速充电；在起升机构上升时，电池组二快速放电，为起升变频器提供电源以驱动起升机构。当“油改电”轮胎吊在场外进行转场因电池组一电量不足而无法行驶大车时，可以将电池组二切入供电，保证“油改电”轮胎吊切换到市电电源。

2.2系统控制原理

“油改电”轮胎吊过转场节能系统主要由电池管理系统、直流电源转换器和逆变器构成（见图1），过街电池和助力电池分别经接触器KM1和KM2到电池组一和电池组二后并联输出。当“油改电”轮胎吊过场时，控制器将KM1吸合，过街电池经双向电池组一后，输出直流电和交流电；当起升机构上升时，助力电池经直流电源转换器后，输出620 V直流电供给直流母线；当起升机构下降时，重力势能通过直流电源转换器给过街电池和助力电池充电。当“油改电”轮胎吊接市电时，直流输出端通过直流电源转换器为过街电池和助力电池充电；当起升机构上升时，市电和助力电池同时给轮胎吊供电；当起升机构下降时，势能转化成电能，由直流输出端通过直流电源转换器给电池充电。

图1“油改电”轮胎吊过转场节能系统控制原理

2.3电池管理系统

电池系统由过街电池（三元电池）和助力电池（钛酸锂电池）构成。过街电池由144个单体串联而成，单体最高电压为，最低电压为，总电压432~；助力电池由192个单体串联而成，单体最高电压为，最低电压为，总电压380~ 。电池管理系统可以采集控制10~31个电池包（每个电池包由12节电池串联），具有过充保护、过放保护、温度保护、过流保护、均衡、液晶显示等功能。均衡电流可以持续恒流，并能将能量高的电池能量转移到能量低的电池。电池管理系统通过控制器局域网络与外界通信，其结构如图2所示。

图2电池管理系统结构

2.4直流电源转换器

如图3所示：直流电源转换器中由开关B、电感器和场效应管A构成典型的BUCK电路，通过数字信号处理器控制开关B的开启和关断，从而实现锂电池恒流和恒压充电；由开关A、电感器和场效应管B构成BOOST电路，将电池中的能量提供给母线，并且通过控制开关A的占空比控制直流母线侧的输出电压并限制输出电流上限。

图3直流电源转换器结构

3“油改电”轮胎吊过转场节能系统优化

3.1解决电池间放电问题

在“油改电”轮胎吊过转场节能系统应用过程中，设备运行时电池之间存在微弱的放电现象，影响设备运行的可靠性。经过论证，将单个电池封装在密闭的电池盒内，并将电池盒内充满氮气以达到物理绝缘的目的，从而有效解决电池放电问题。

3.2解决双向DC-DC变换器控制面板对地击穿

故障

在“油改电”轮胎吊过转场节能系统试运行阶段出现市电上电时滑触线上电电源开关保护跳闸。经检查，发现锂电池系统双向DC-DC变换器控制面板设计布局不合理，会因控制面板直接接地而导致电源开关跳闸。对双向DC-DC变换器控制面板进行重新设计和优化布局，使上述问题得到彻底解决。

3.3优化通信板设计

在过转场节能系统应用过程中出现因锂电池系统故障导致“油改电”轮胎吊无法出场的问题。经检查，发现因电池组间通信板模块（见图4）短路烧坏导致系统故障。与厂家联系后确认控制模块自身存在缺陷。更换通信板模块后，在使用中未出现通信板模块烧坏的问题。

图4电池均衡板和通信板

3.4提高电池系统可靠性

由于司机在使用设备时未检查过街电池电量是否充足，致使“油改电”轮胎吊在过场时出现过街电池电量不足的问题，导致轮胎吊无法过场。为提高电池系统可靠性，可采取以下整改方案。

（1）设置过街电池低电量报警和低电量故障报警保护，以提醒司机在电池电量低时不要进行过场操作；如果司机在过街电池低电量时进行过场操作，电池电量触及电池低电量保护值，电池系统断开供电电源。

（2）提高过街电池低电量门槛值。经过实际测量，将过街电池低电量值设定为总电量的30%，可以满足“油改电”轮胎吊就近转入电场充电。当电池系统因电量低而断电时，维修人员通过手动开关重新切入过街电池供电，并指挥司机就近转进电场充电，待过街电池充电后再进行转场相关操作。

（3）若低电量过街电池重新切入供电后仍不能满足“油改电”轮胎吊转进电场的电能需求，可以通过手动开关将助力电池切入供电，以实现“油改电”轮胎吊进场充电的目的。

3.5增加应急供电系统

为避免因锂电池供电系统电池过放等原因造成电池损坏，在原有供电系统的基础上增加应急电源柴油机供电系统，作为锂电池供电系统的补充。

（1）控制工况锂电池系统为“油改电”轮胎吊转场主要供电系统。当“油改电”轮胎吊过转场换电时，将司机室供电选择旋钮（见图5）转向锂电池侧，实现锂电池供电系统与市电无缝切换。当锂电池系统出现故障无法正常过场换电时，将供电选择旋钮转向柴油机侧，柴油发电机切入系统，司机远程启动柴油机，实现柴电电源与市电电源的切换。

图5司机室供电选择旋钮

（2）控制原理作为转场供电系统的选择器，当司机室供电选择旋钮转向锂电池侧时，锂电池供电电源切入系统，为“油改电”轮胎吊转场提供电能；当锂电池系统发生故障时，将供电选择旋钮转向柴油机侧，在切断锂电池系统供电的同时屏蔽锂电池系统故障点，并将柴电电源切入系统，启动柴油机，由柴油发电机组为“油改电”轮胎吊转场提供电能。

4“油改电”轮胎吊过转场节能系统应用

效果

应用“油改电”轮胎吊过转场节能系统前，司机在接到转场指令后需要启动柴油机，并在换电区等待柴油机全速以后才能换电，大大限制“油改电”轮胎吊转场效率。应用“油改电”轮胎吊过转场节能系统后，依靠电池系统转场节省了启动柴油机以及等待柴油机全速的时间，使轮胎吊转场更加灵活；此外，电池系统无缝切换功能的实现使系统在进行市电电源与锂电池电源切换时无须断电，从而对“油改电”轮胎吊的电气设备起到一定保护作用。在节能环保方面：“油改电”轮胎吊过转场节能系统的应用实现环境零污染，且噪声大大降低；轮胎吊转场时无须启动柴油发电机，助力电池组可以有效吸收和释放轮胎吊吊运集装箱下降时的能量，既节约燃油又节约电力，还节省作业成本。

总之，“油改电”轮胎吊过转场节能系统开拓了锂电池的应用领域，为“油改电”轮胎吊系统模式发展指明了方向。通过过转场节能系统的应用，可以彻底拆除“油改电”轮胎吊原配置的发电机组，杜绝设备闲置，盘活资产。

（编辑：曹莉琼收稿日期：2014-01-06）