【本期聚焦·科研与技革】轮胎式集装箱起重机锂电池节能改造技术

新闻动态 | 2018-11-29 02:07

轮胎式集装箱起重机锂电池节能改造技术

夏祯捷, 杨 慧, 戴文建, 陈伟明, 严亦慈, 张 卿, 孙 晶

摘要: 分析目前市场上主流的3种基于锂电池节能改造技术的原理以及方法的优缺点。研究表明大功率水冷型锂电池RTG节能效果高,锂电池运行过程中参数更加平稳,锂电池的安全性和使用寿命得到提高,降低改造和维护成本,推动锂电池节能改造技术的应用和推广,产生重要的经济效益和环境效益。

关键词:  港口;RTG;锂电池;大功率;水冷

0 引 言

近年来,我国港口集装箱吞吐量已连续多年保持世界第一。轮胎式集装箱起重机(以下简称“RTG”)已成为我国集装箱港区堆场的主要装卸设备之一。[1] 传统RTG较多以柴油发动机为动力,能耗大、用油成本高、烟气排放大,使用中会产生大量氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)等混合废气,成为目前集装箱港区主要的污染排放源。[2] 为降低能耗,减少废气排放,混合动力RTG采用柴电机组或LNG发电机组与储放能单元(如超级电容器或锂电池)组成混合动力,储放能单元通过再生能量,实现RTG的节能减排,其已成为近年来研究的热点。[1,3-7] 超级电动混合动力原理图见图1。根据动力组成不同分成“柴电机组-超级电容”“锂电池-柴电机组”和“LNG发电机组-超级电容”等3种混合动力形式。“柴电机组-超级电容”混合动力RTG技术较成熟,但由于超级电容能量密度低,节能减排效果较差。“锂电池-柴电机组”混合动力RTG节能减排效果突出,但锂电池成本较高。“LNG发电机组-超级电容”混合动力RTG减排效果明显,但是LNG作为动力,在RTG突然加速时动力不足,LNG供气也不方便。锂电池具有储存容量大、放电电流稳定、无污染、安全性能好等优点,是RTG理想的能量储蓄单元,基于锂电池的RTG节能改造技术是当前研究的热点。为方便混合动力系统的分析和设计,在此系统分析以小容量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混合动力RTG方案,分析其优点与缺点,有利于RTG锂电池节能改造技术的完善和应用。

图1超级电动混合动力原理图

1 小容量锂电混合动力RTG

1.1 小容量锂电混合动力RTG原理

相对于超级电容系统,小容量锂电池混合动力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,柴油发电机组比电容式混合系统低,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/放电控制器(DC/DC变换器),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的能量,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,发电机组的输出功率仍可保持稳定,可以大幅减小柴油机的功率。小容量锂电混合动力RTG系统示意图见图2。

图2 小功率锂电混合动力RTG系统

1.2 小容量锂电混合动力RTG技术评估

小容量锂电混合动力RTG技术并没有摆脱传统RTG以柴油发电机组为主动力供给的框架,其以小容量锂电池作为辅助供电和能量回收装置,同时需要2个大容量的DC/DC变换器控制能量流动,增加改造和维护成本。相较于传统的柴油RTG,锂电池可以回收再利用部分能量,节能效果可以提高50%。尽管通过调速和变频可以降低柴油发动机的能耗,但由于柴油发动机作为主动力源必须在整个工作过程中持续运转,因此,无法从根本上解决待机过程中的能耗。

2 大容量锂电混合动力RTG

2.1 大容量锂电混合动力RTG技术原理

大容量锂电混合动力RTG采用动力电池作为主电源,小柴油发动机作为辅助电源。相对于小功率锂电的混合动力系统,该类型混合电源系统以大容量锂电池组作为主动力源。由于大容量锂电池的电压充放电过程基本稳定,电压和功率等级完全能够满足并网的需求,可以直接给变频驱动系统提供工作电源。该类型混合电源系统进一步将柴油发电机组的功率优化降低,柴油发动机仅作为充电辅助动力源。大容量锂电的混合动力RTG系统示意图见图3。在正常运行状态下,小功率柴电机组不工作,直接用动力电池驱动RTG。当电池电量降低至一定范围(通常为50%)时,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,势能也回馈至锂电池组,既能够满足机构运行的峰值功率需求和稳态运行的功率需求,又能够充分吸收设备的回馈势能。

图3 大容量锂电的混合动力RTG

2.2 大容量自冷锂电混合动力RTG技术评估

据统计,传统RTG负荷低于20%的运转时间达75%~80%,其平均功率仅为60~80 kW。锂电池作为主动力源既可以回收势能,又可以在RTG停机期间停止输出功率,节能效果明显。但自冷锂电池技术充电电流无法太高,锂电池寿命受温度影响,只能降低充电电流,需要采用大容量电池才能够满足RTG持续运行2 h的用电量。与此同时,采用自冷锂电池技术无法精准调节不同电芯的温度,电池整体温度相对较高且电芯温差较大,各电芯的使用寿命不统一,造成整个锂电池使用寿命下降。此外,电芯若出现异常,会引起局部温度快速升高,自冷系统很难及时将热量排出,导致电池较大可能引起事故。若采用大容量锂电池进行改造,改造及后续更换成本也较大。

3 大功率水冷锂电池混合动力RTG

3.1 大功率水冷锂电池混合动力RTG技术原理

水冷锂电池通过在电池组内部安装水冷管路,与外部水冷循环系统相连。水冷系统具有恒温功能,既可以制热也可以制冷,能够适应不同地区的环境。水冷系统通过通信协议读取各电池组的温度状态,自主调节液体温度,通过液体循环让电池组始终保持在最佳的工作温度,一般为25~30 ℃。大功率水冷锂电池混合动力RTG由高功率低容量水冷锂电池组和1台小功率柴油发电机组取代传统RTG上的大功率柴油机组,由电池组直接给整机变频器上的直流母排提供工作电源。辅助设备通过1个DC/AC逆变器供电,其工作电压范围可供选择。在常规运行状态下,小功率柴油发电机组不工作,设备直接由水冷锂电池组驱动。智能电池管理系统实时监控每组电池的状态(如电压、温度等),由PLC采集数据后控制小柴油机启停,对电池进行适当电量补偿。在起升、下降和制动等动作时,所产生的电能都将回馈锂电池组,达到节能降耗的效果。大功率水冷锂电池混合动力RTG系统示意图见图4。

图4 大功率水冷锂电池混合动力RTG系统

3.2 大功率水冷锂电池混合动力RTG技术评估

大功率水冷锂电池混合动力RTG与大容量自冷锂电池混合动力RTG相近,都采用锂电池作为主要动力来源,柴油发动机作为辅助充电动力,其具有大容量锂电池RTG的优点,可以回收势能和降低非工作期间的能量损耗,节能效果明显。由于水冷锂电池技术散热效果明显,夏天高温连续作业时,水冷系统可以使电芯的最高温度控制在35 ℃以下,比自冷系统低10 ℃,水冷电池系统工作时电芯温差可以控制在2~3 ℃,解决自冷电芯温差大、电芯使用寿命不统一等问题。此外,电芯出现异常而产生的热量可以由水冷系统带走,并对异常电芯的温度进行控制,避免热失控,从而提高系统的安全性。由于其温度控制良好,即使在大电流工况下,温度也能控制在30 ℃左右,延长电池使用寿命,采用小容量的锂电池也可以满足RTG实际工作,大幅降低改造和后期维护成本。

4 结 论

系统研究3种RTG锂电池改造技术表明,大功率水冷锂电池技术是目前RTG节能改造的较优选择,其具有大容量自冷锂电池RTG的优点,同时其锂电池组容量更小,运行时间长,安全性高。因此,大功率水冷锂电池RTG将成为今后RTG全锂电池改造的主流技术方案。

参考文献

[1]黄细霞,王飞,赵勇铭,等.混合动力轮胎式集装箱起重机研究现状及展望[J].港口科技,2014(5):2-6.

[2]顾明观.轮胎吊的节能减排技术与应用[J].节能与环保,2012(10):61-63.

[3]何平.轮胎式集装箱门式起重机的节能技术研究[J].装备制造技术,2017(3):157-159.

[4]刘曼,牛王强,吴杰.基于遗传算法的超级电容RTG能量管理研究[J].计算机测量与控制,2017,25(9):182-185.

[5]吴杰,牛王强,刘曼.锂电池混合动力轮胎吊AFE变换器控制策略研究[J].计算机测量与控制,2017,25(9):79-82.

[6]徐旭丽,张辉,吴立飞.轮胎式集装箱龙门起重机能量回馈技术改造[J].集装箱化,2016,27(6):19-24.

[7]朱兴业,曾祥民.浅析港口混合动力轮胎式集装箱起重机[J].起重运输机械,2015(12):4-5.