雙動力場橋超級電池轉場系統的研發

姜磊 趙君慶

（天津港太平洋國際集裝箱碼頭有限公司 天津 300463）

1 課題背景

近年來，國內很多專業集裝箱碼頭完成了場橋油改電工程，改造后場橋在箱區內的作業時使用市電，在轉場過程中仍使用柴油發電機組，即所謂“雙動力場橋”。由于柴電能耗要高于市電，所以油改電工程給各碼頭帶來了可觀的經濟效益。為此，使用新能源設備進行轉場成為油改點工程后各碼頭著手研究發展的課題之一。

2 項目實施的客觀條件

因為這是改造項目，所以方案的選擇考慮到了場橋作業工況和技術條件的要求，這包括安裝空間是否充足、安裝平臺強度是否滿足、輪壓負荷是否允許、新系統是否兼容和對老系統是否有電氣危害等因素。根據公司作業工況，改造方案拆除柴油發電機組，因此方案的實施考慮了如下幾個條件。

2.1 新系統需安裝在一個獨立的機房內，為系統提供良好的工作環境，這個機房稱作電池機房。

2.2 電池機房的安裝位置確定在原柴油發電機組的平臺，將柴油發電機組拆除后的空間供其安裝。

2.3 設計平臺新的布局，預留盡量大的安裝空間、確定電池房的外形尺寸。

2.4 根據場橋海陸兩側負荷情況進行輪壓計算，確定電池房的最大重量4噸。

2.5 系統的三個重要電氣指標：第一、滿足在電池驅動、SOC在40%以上，全速給大車跑行2500米、轉向次數20次以及在上述轉場過程中的10%速度給卷揚和全速給小車。第二、場橋在轉場過程中，要實現所有輔助用電設備不間斷供電。第三、能夠滿足日常30度電的維修工作。

3 系統設計方案

綜合考慮上述幾個問題，系統設計的關鍵點包括儲能元件、逆變電源和系統安全等三個因素。

3.1 儲存元件的選擇

常用的動力系統儲存元件主要為三種：傳統的VRLA電池、鋰離子電池和超級電池。VRLA電池（閥控鉛酸電池）最大的優勢是穩定性較好，但其重量比能量較小，安裝空間和自重的適應性較差。鋰離子電池具有重量比能量比較大的優勢，約為VRLA電池的一倍，是全球比較關注的新能源材料。但其價格昂貴和穩定性差的兩大不足使其在汽車行業中仍處于試驗階段，可靠性不是很令人滿意。超級電池是在原來的VRLA電池或鉛碳電池基礎上升級的新產品，通過改進極板材料和工藝，增大了電池充發電的電流和提高了響應時間，使其具有“超級電容”的充放電特性，同時電池的質量比能量得到一定降低，從而提高了其可應用性。

表1 三種常用電池的比較

如上表1所示的數據，綜合考慮使用超級電池作為此系統的儲存元件。超級電池共48節串聯，單節電池電壓12V,容量為120AH，最大放電電流可達到300A。電池組在10%SOC時端電壓為580V,在100%SOC時端電壓為624V，滿足系統要求。

3.2 逆變電源的選擇

根據場橋系統的要求，逆變電源的容量60KW、交流輸入電壓380VAC—480VAC、直流輸入電壓450VDC—750VDC、交流輸出電壓380VAC—480VAC，可是實現交直流輸入在線“零縫隙”切換。考慮到轉向油泵在啟動時會有5倍的電流，所以在直流母線上安裝了一個18.5 KW的變頻器，用于驅動轉向油泵電機，從而保護逆變電源。

3.3 系統安全的考慮

系統安全的考慮要充分考慮到電氣隔離、控制連鎖和系統安全等因素，同時在操作上不要給司機增加過多的環節。設計思路要從直流主電路接口、交流主電路接口和控制電路接口三個方面著手。直流接口作外接式，即將電池直流母線和場橋變頻器直流母線外接，線路設置空氣開關、接觸器、二極管和保險等保護裝置，使外界系統做到安全隔離。控制接口設計到兩套系統之間的I/O聯絡，逆變電源的控制和保護，直流母聯的控制和保護，電池狀態監測和維護以及場橋電池用電時的控制和保護等。

4 系統改造

系統改造包括機械平臺加固、電池房吊裝、電氣安裝和調試等諸方面工作。

4.1 機械平臺加固和元件布置

場橋輪壓計算結果：發動機房自重為8噸，電氣室自重為4噸，而電池機房自重4噸，因此安裝電池機房后，電氣室側輪壓增加1噸，達到33噸，場橋輪胎輪壓在充氣良好時一般為35噸，滿足要求。

平臺加強改造：在原平臺槽鋼框架的基礎上，可以用相同槽鋼框架疊了一層，對平臺進行了加強改造，同時在機房內側使用方管安裝機房的防撞護杠。

平臺布置方案：在滿足元器件散熱空間和維修空間的基礎上，要考慮配重平衡，更重要的是柴油發電機組拆除后原有信號電纜及動力電纜的長度，盡量避免出現電纜有接頭的情況。

4.2直流主電路

電池系統的直流連接為外接式，直流母線正極安裝二極管的目的是避免變頻器對電池組進行充電，直流母線負極安裝分流器進行電流采集、反饋和控制。

在電池側的直流母線上安裝了EPS（逆變電源）以供場橋系統控制電源和輔助設備以及電池系統輔助、控制電源使用。母線正極安裝二極管，作用是除了截止電池不充電外，保證EPS交直流切換時供電的不間斷。

在變頻器側的直流母線上安裝了轉向油泵電機變頻器，用于對轉向油泵進行軟啟動控制，目的是保護EPS。

4.3 交流主電路

電池系統和場橋系統在交流方面的連接方式為嵌入式，即將EPS嵌入接在輔助電路中。EPS交流進線來自3MCB下口（原輔助變壓器一次側），其經過460/510V（機房內）三相升壓變壓器后接入。交流輸出接濾波器和升壓自耦變壓器400/460V（戶外）接到后分成兩路，一路給場橋的變壓器一次側。另一路給場橋變頻器控制電源和配電柜冷卻風機。變壓器二次側輸出分為兩路：一路給場橋輔助電路，另一路給電池系統輔助電路。考慮到故障情況，不影響場橋作業，EPS交流出線側安裝了旁路開關。

4.4 電池系統輔助電路

4.4.1 EPS控制

EPS的運行和停止完全依靠外圍硬件來完成。運行命令為兩個信號并聯：一個是發動機電瓶搭鐵開關，當搭鐵開關合上后，電瓶電源主線路上的接觸器會吸合，接觸器上的常開觸點會接通EPS運行命令，這樣做的原因是出于不改變司機原來的操作習慣；另一個是維修用的上電開關，直接接入EPS運行端子。EPS的停止是通過在停止端子上接入緊停開關來實現的。另外，EPS具有自我保護功能，故障情況能自動關斷，同時反饋信號接入電池控制器用于切斷直流母聯。

4.4.2 直流母聯控制

在使用市電作業的情況下，母聯接觸器斷開，電池母線和變頻器直流母線隔離；在使用電池轉場作業時，電池控制器在檢測到市電信號無、控制電源合信號有、電池電量充足信號有以及母聯空氣開關、電池狀態良好等信號有的情況下，控制緩沖接觸器和主接觸器先后吸合，從而完成母聯連接，上述任何條件的不滿足，母聯將關斷。

4.4.3 充電控制

在使用市電作業的情況下，電池控制器檢測到市電信號有即對電池進行充電。充電過程分為恒流充電和涓流充電，同時冷卻風機間斷周期開啟，輔助電池房空調，為電池提供良好的環境溫度。

4.4.4 轉向變頻器運行控制

在轉向操作時，轉向油泵電機接觸器吸合后，其常開觸點信號接入變頻器運行端子，變頻器進行起動加速，從而完成轉向泵電機的軟啟動。在變頻器故障時，故障信號接入場橋PLC，用于故障維修；場橋PLC的復位信號接入轉向變頻器，用于進行故障復位。如果轉向變頻器故障不能解決，變頻器的出線側安裝了旁路電路，可以進行旁路操作，從而不影響場橋正常作業。

4.4.5 電池電量指示

場橋電量顯示分別安裝在兩個地方。一個是在司機室安裝數碼顯示器，實時顯示電池SOC和續航情況，其實現方式是通過控制器進行串行通訊實現的。另外一個是在大車腿部安裝一個四色指示燈，其通過場橋PLC根據電池系統的電量信號進行二次處理實現的，便于維護人員檢查電池電量的情況，從而進行合理使用和管理。

5 改造過程

系統改造分為如下幾個階段，系統設計、產品選型、裝置制作、平臺改造、機械安裝、電氣安裝、系統調試、系統測試、試運行、驗收培訓和正式運行。

6 結語

此改造經過運行實驗結果顯示，電池運行效果較好，基本處于浮充狀態，使用一天電池消耗不到5%，溫升基本為零。新系統得到了場橋司機的喜愛，這主要有三點理由：一是省略了發動機啟動和熄滅的時間，場橋司機的操作強度得到降低，使作業真正實現了無污染無噪音操作。二是場橋轉場（過街）時間由原來的5分鐘，下降到現在的不到3分鐘，轉場效率大幅提升，進一步提高了設備的用電率。二是使用了電池和EPS后，輔助用電設備實現了不間斷供電，提高了作業的安全性和便捷性。此外，電池能夠提供常規的維修用電，從而基本實現了油改電場橋的零排放運行維護管理。

這種基于超級電池的轉場系統，為場橋使用提供了可靠的動力源，從而可以進一步提高場橋的可靠性和經濟性。