鋰電池組儲能的混合動力RTG系統設計

常奇　王玥　牛王強

摘 要： 鋰電池組與柴油機構成的混合動力起重機系統是港口節能減排的一項重要技術。針對起重機再生制動能量的回收，設計了雙向DC?DC變換器來實現鋰電池組儲能系統的兩種工作模式（再生制動模式和鋰電池組放電模式）；對雙向DC?DC變流器升壓工作方式設計了雙閉環控制器，降壓工作方式設計了電流環和電壓環兩種控制器，并進行了對比，從而實現了對鋰電池組儲能系統充、放電過程和不同運行模式間切換過程的控制。運用PLECS搭建了系統仿真模型，仿真結果表明，在制動能量回收過程中，采用電壓環控制器可以實現較高效率的制動能量回收。

關鍵詞： 混合動力輪胎式起重機； 鋰電池組； 雙向DC?DC變換器； 再生能源存儲； PLECS

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0132?05

Abstract： The hybrid power system of rubber tyred gantry crane （RTGC）， which consists of a lithium battery pack and a diesel engine， is important for energy conservation and emission reduction in the port. To solve the problem of energy storage in the backing mode of RTGC， a bidirectional DC?DC converter was designed to achieve two operating modes （regenerative braking mode and lithium battery pack discharge mode） of lithium battery pack storage device. A double closed?loop controller was designed for the boost operating mode of bidirectional DC?DC converter. Two controllers with a current loop and voltage loop was designed for the buck operating mode of the bidirectional DC?DC converter. With the controllers， the control of lithium battery pack storage system was realized in the charging， discharging and switching process of the different modes. The PLECS is used to build a simulation model of the system. The simulation results show that the voltage loop controller can efficiently implement the braking energy recovery in the braking process.

Keywords： hybrid power RTGC； lithium battery pack； bidirectional DC?DC converter； regenerative energy storage； PLECS

0 引 言

輪胎式集裝箱起重機（RTG）是從20世紀70年代初逐漸發展起來的一種集裝箱堆場作業的專用裝卸設備。常規RTG的能量源為柴油發電機組，其能量轉換效率低且能耗大。在能源日趨緊張的今天，如何減少能量消耗及合理回收其制動階段產生的能量成為目前研究的必然趨勢。混合動力RTG就是將起重機下放集裝箱時釋放的能量收集起來，轉化為電能，然后在需要時重新提供給起重機。這種RTG不僅節能環保，而且可以保證常規RTG操作靈活的優勢。

近年來，雙向DC?DC變換器以其優良的特性在數控機床、地鐵、電力機車、電動汽車等領域得到了廣泛的應用。文中混合動力RTG再生制動能量采用鋰電池組進行存儲，出于對串聯電池數量與高電壓電機的矛盾及對制動能量回收的考慮，促使雙向DC?DC變換器在混合動力RTG上的使用，而雙向DC?DC變換器是影響混合動力RTG性能的重要因素之一。

對混合動力RTG的研究早已成為國內外關注的重點，尤其是雙向DC?DC變換器的建模與控制在混合動力RTG方面的應用。文獻[1]主要從基于超級電容器的混合動力RTG的能量管理和控制策略方面進行研究；文獻[2?3]利用狀態空間平均法建立三電平雙向DC?DC變換器的小信號模型，使用二項式準則和巴特沃斯準則對DC?DC變換器的控制器進行設計，實現了基于超級電容器的混合動力RTG的制動能量回收和不間斷運行狀態。

為了更好地模擬混合動力起重機系統的運行過程，文中根據混合動力RTG運行的各個工作模式的特點，針對鋰電池儲能系統充放電方式的不同設計了不同的控制策略，按時間節點進行切換，并進行了建模仿真，來實現控制策略。

1 混合動力RTG結構及工作模式

混合動力系統（Hybrid Power System）發明于19世紀末，已經被成功地應用于電動汽車領域。鑒于其在汽車上的成功應用，近年來混合動力系統已成為工程機械節能降耗、降低廢氣排放的重要研究課題之一，而混合動力RTG正是其工程應用的一種具體體現。混合動力RTG通過柴油發動機和鋰電池組系統協同工作，將再生制動時產生的能量轉換為電能，存儲在鋰電池組中，需要時可以利用，從而減少柴油消耗和廢氣排放。

對常規RTG的改造主要是混合動力RTG系統的應用，混合動力系統主要由小功率柴油發電機組、鋰電池組和雙向DC?DC變換器組成，其工作原理及能量流動如圖1所示。

混合動力RTG系統中，實現能量傳遞的核心單元是雙向DC?DC變換器，其功能是監測機組運行狀態，并實現對鋰電池組的充放電，控制能量流動的傳輸方向。

該混合動力系統在運行過程中主要有3種工作模式：柴油發電機模式、再生發電模式和鋰電池組放電模式。圖2（a）為柴油發電機模式，當RTG起重機處于加速提升集裝箱或平移狀態，電動機負載從柴油發電機組獲得能量。圖2（b）為再生發電模式，當RTG起重機處于提升集裝箱減速運行和下放集裝箱時，負載電動機處于發電模式，并通過雙向DC?DC變換器給鋰電池組進行充電。圖2（c）為鋰電池組放電模式，當RTG起重機處于再次加速提升集裝箱狀態，且鋰電池組儲能充足時，電動機負載從鋰電池組獲得能量，鋰電池組通過雙向DC?DC變換器放電。

2 混合動力RTG的關鍵技術

混合動力RTG起重機的關鍵性技術是對鋰電池組和雙向DC?DC變換器的研究，鋰電池組作為儲能元件，雙向DC?DC變換器用來控制鋰電池組的充放電。接下來將分別對其進行介紹。

2.1 鋰電池組

目前用于混合動力RTG能量儲蓄單元的主要有超級電容器和鋰電池2種。

超級電容器具有功率密度高、充電時間極短和使用壽命特別長等優點；但是，超級電容器的漏流自放電現象比較嚴重，長時間的擱置會內耗掉能量，易受充放電流和溫度等因素的影響，作為動力電源難以控制。

鋰電池具有儲存容量大、放電電流穩定、無污染及安全性能好等優點，是RTG上理想的能量儲蓄單元。目前將鋰電池作為能量儲蓄單元并且使用得較好的，是日本住友重工研發的混合動力電源系統（Hybrid Power System）。整個鋰電池系統由許多小的供電單元組成，對每個小供電單元進行電池溫度和充電量的監測，監測其充、放電是否過量，并且在整個操作過程中保持電池的輸出功率處于穩定狀態，從而提高電池的使用壽命。住友重工的實測數據表明，該電池系統的使用壽命可達7.5年，較好地改善了鋰電池壽命較短的缺點[4]。

現以提升機構為例進行說明。當吊具提升集裝箱時，能量流向是由柴油發電機組供給到電動機負載；當吊具下放集裝箱時，能量流向是將電動機再生制動能量回送到鋰電池組（經過DC?DC變換器控制），多余部分消耗在制動電阻上；當吊具提升集裝箱且鋰電池組儲能充足時，能量流向是由鋰電池組供給到電動機負載（經過DC?DC變換器控制），直到鋰電池組放電結束，柴油發電機開始供能。由此可見，雙向DC?DC變換器是控制能量流向的關鍵設備。

3 混合動力系統控制策略

根據前述混合動力RTG系統工作模式的不同，雙向DC?DC變換器分別工作在Boost模式和Buck模式。當起重機負載處于再生制動狀態，且由鋰電池組供電時，雙向DC?DC變換器工作于Boost模式，保證起重機的正常運行；當起重機負載處于發電狀態時，雙向DC?DC變換器工作于Buck模式，從而實現對再生能量的回收。混合動力RTG系統需要保證雙向DC?DC變換器的輸出電壓、電流保持在一個穩定的范圍內，在升壓過程中，能有效地減少逆變系統輸入的直流電壓紋波，保證驅動性能；在降壓過程中，使變換器電壓輸出平穩，減少電流波動對電池充電性能所造成的影響。下文將對雙向DC?DC變換器兩種工作模式控制器進行設計，并完成仿真實驗。

5 結 語

本文分析了混合動力RTG系統各個工作模式的特點，并對再生制動能量回收過程分別設計了混合動力系統電流環和電壓環控制策略。通過PLECS仿真，有效地完成了混合動力RTG系統提升和下放集裝箱過程的仿真實驗。仿真結果表明，采用電壓環控制器可以實現再生制動能量較高效率的回收，從而使整個系統可以采用小功率的柴油機發電組，并達到節能減排的目的。

參考文獻

[1] KIM Sang?Min， SUL Seung?Ki. Control of rubber tyred gantry crane with energy storage based on supercapacitor bank [J]. IEEE Transactions on Power Electron， 2006， 21（5）： 1420?1427.

[2] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. Mode?ling and control of the ultracapacitor?based regenerative controlled electric drives [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58（8）： 3471?3484.

[3] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. A bidirectional three?level DC?DC converter for the ultracapacitor applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010， 57（10）： 2415?2430.

[4] 陳光.基于鋰電池的混合動力RTG[J].港口裝卸，2011（6）：35?36.

[5] Dubarry M， Vuillaume N， Liaw B Y. From Li?ion single cell model to battery pack simulation [C]// Proceeding of 2008 IEEE International Conference on Control Applications. [S.l.]： IEEE， 2008： 708?713.

[6] CHEN Min， RINCON?MORA G A. Accurate electrical battery model capable of predicting runtime and I?V performance [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006， 21（2）： 504?511.

[7] 馬奎安，陳敏.超級電容器儲能系統充電模式控制設計[J].機電工程，2010，27（7）：85?88.

[8] 丁惜瀛，于華，李健，等.基于模糊PI控制的電動汽車雙向DC/DC變換器[J].大功率變流技術，2012（1）：13?16.

[9] 徐德鴻.電力電子系統建模及控制[M].北京：機械工業出版社，2005.

[10] 陳旭，谷盛，梁克，等.基于Simulink的輪胎門式起重機柴電混合動力系統仿真[J].中國水運（下半月），2011，11（4）：87?90.

對常規RTG的改造主要是混合動力RTG系統的應用，混合動力系統主要由小功率柴油發電機組、鋰電池組和雙向DC?DC變換器組成，其工作原理及能量流動如圖1所示。

混合動力RTG系統中，實現能量傳遞的核心單元是雙向DC?DC變換器，其功能是監測機組運行狀態，并實現對鋰電池組的充放電，控制能量流動的傳輸方向。

該混合動力系統在運行過程中主要有3種工作模式：柴油發電機模式、再生發電模式和鋰電池組放電模式。圖2（a）為柴油發電機模式，當RTG起重機處于加速提升集裝箱或平移狀態，電動機負載從柴油發電機組獲得能量。圖2（b）為再生發電模式，當RTG起重機處于提升集裝箱減速運行和下放集裝箱時，負載電動機處于發電模式，并通過雙向DC?DC變換器給鋰電池組進行充電。圖2（c）為鋰電池組放電模式，當RTG起重機處于再次加速提升集裝箱狀態，且鋰電池組儲能充足時，電動機負載從鋰電池組獲得能量，鋰電池組通過雙向DC?DC變換器放電。

2 混合動力RTG的關鍵技術

混合動力RTG起重機的關鍵性技術是對鋰電池組和雙向DC?DC變換器的研究，鋰電池組作為儲能元件，雙向DC?DC變換器用來控制鋰電池組的充放電。接下來將分別對其進行介紹。

2.1 鋰電池組

目前用于混合動力RTG能量儲蓄單元的主要有超級電容器和鋰電池2種。

超級電容器具有功率密度高、充電時間極短和使用壽命特別長等優點；但是，超級電容器的漏流自放電現象比較嚴重，長時間的擱置會內耗掉能量，易受充放電流和溫度等因素的影響，作為動力電源難以控制。

鋰電池具有儲存容量大、放電電流穩定、無污染及安全性能好等優點，是RTG上理想的能量儲蓄單元。目前將鋰電池作為能量儲蓄單元并且使用得較好的，是日本住友重工研發的混合動力電源系統（Hybrid Power System）。整個鋰電池系統由許多小的供電單元組成，對每個小供電單元進行電池溫度和充電量的監測，監測其充、放電是否過量，并且在整個操作過程中保持電池的輸出功率處于穩定狀態，從而提高電池的使用壽命。住友重工的實測數據表明，該電池系統的使用壽命可達7.5年，較好地改善了鋰電池壽命較短的缺點[4]。

現以提升機構為例進行說明。當吊具提升集裝箱時，能量流向是由柴油發電機組供給到電動機負載；當吊具下放集裝箱時，能量流向是將電動機再生制動能量回送到鋰電池組（經過DC?DC變換器控制），多余部分消耗在制動電阻上；當吊具提升集裝箱且鋰電池組儲能充足時，能量流向是由鋰電池組供給到電動機負載（經過DC?DC變換器控制），直到鋰電池組放電結束，柴油發電機開始供能。由此可見，雙向DC?DC變換器是控制能量流向的關鍵設備。

3 混合動力系統控制策略

根據前述混合動力RTG系統工作模式的不同，雙向DC?DC變換器分別工作在Boost模式和Buck模式。當起重機負載處于再生制動狀態，且由鋰電池組供電時，雙向DC?DC變換器工作于Boost模式，保證起重機的正常運行；當起重機負載處于發電狀態時，雙向DC?DC變換器工作于Buck模式，從而實現對再生能量的回收。混合動力RTG系統需要保證雙向DC?DC變換器的輸出電壓、電流保持在一個穩定的范圍內，在升壓過程中，能有效地減少逆變系統輸入的直流電壓紋波，保證驅動性能；在降壓過程中，使變換器電壓輸出平穩，減少電流波動對電池充電性能所造成的影響。下文將對雙向DC?DC變換器兩種工作模式控制器進行設計，并完成仿真實驗。

5 結 語

本文分析了混合動力RTG系統各個工作模式的特點，并對再生制動能量回收過程分別設計了混合動力系統電流環和電壓環控制策略。通過PLECS仿真，有效地完成了混合動力RTG系統提升和下放集裝箱過程的仿真實驗。仿真結果表明，采用電壓環控制器可以實現再生制動能量較高效率的回收，從而使整個系統可以采用小功率的柴油機發電組，并達到節能減排的目的。

參考文獻

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[2] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. Mode?ling and control of the ultracapacitor?based regenerative controlled electric drives [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58（8）： 3471?3484.

[3] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. A bidirectional three?level DC?DC converter for the ultracapacitor applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010， 57（10）： 2415?2430.

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對常規RTG的改造主要是混合動力RTG系統的應用，混合動力系統主要由小功率柴油發電機組、鋰電池組和雙向DC?DC變換器組成，其工作原理及能量流動如圖1所示。

混合動力RTG系統中，實現能量傳遞的核心單元是雙向DC?DC變換器，其功能是監測機組運行狀態，并實現對鋰電池組的充放電，控制能量流動的傳輸方向。

該混合動力系統在運行過程中主要有3種工作模式：柴油發電機模式、再生發電模式和鋰電池組放電模式。圖2（a）為柴油發電機模式，當RTG起重機處于加速提升集裝箱或平移狀態，電動機負載從柴油發電機組獲得能量。圖2（b）為再生發電模式，當RTG起重機處于提升集裝箱減速運行和下放集裝箱時，負載電動機處于發電模式，并通過雙向DC?DC變換器給鋰電池組進行充電。圖2（c）為鋰電池組放電模式，當RTG起重機處于再次加速提升集裝箱狀態，且鋰電池組儲能充足時，電動機負載從鋰電池組獲得能量，鋰電池組通過雙向DC?DC變換器放電。

2 混合動力RTG的關鍵技術

混合動力RTG起重機的關鍵性技術是對鋰電池組和雙向DC?DC變換器的研究，鋰電池組作為儲能元件，雙向DC?DC變換器用來控制鋰電池組的充放電。接下來將分別對其進行介紹。

2.1 鋰電池組

目前用于混合動力RTG能量儲蓄單元的主要有超級電容器和鋰電池2種。

超級電容器具有功率密度高、充電時間極短和使用壽命特別長等優點；但是，超級電容器的漏流自放電現象比較嚴重，長時間的擱置會內耗掉能量，易受充放電流和溫度等因素的影響，作為動力電源難以控制。

鋰電池具有儲存容量大、放電電流穩定、無污染及安全性能好等優點，是RTG上理想的能量儲蓄單元。目前將鋰電池作為能量儲蓄單元并且使用得較好的，是日本住友重工研發的混合動力電源系統（Hybrid Power System）。整個鋰電池系統由許多小的供電單元組成，對每個小供電單元進行電池溫度和充電量的監測，監測其充、放電是否過量，并且在整個操作過程中保持電池的輸出功率處于穩定狀態，從而提高電池的使用壽命。住友重工的實測數據表明，該電池系統的使用壽命可達7.5年，較好地改善了鋰電池壽命較短的缺點[4]。

現以提升機構為例進行說明。當吊具提升集裝箱時，能量流向是由柴油發電機組供給到電動機負載；當吊具下放集裝箱時，能量流向是將電動機再生制動能量回送到鋰電池組（經過DC?DC變換器控制），多余部分消耗在制動電阻上；當吊具提升集裝箱且鋰電池組儲能充足時，能量流向是由鋰電池組供給到電動機負載（經過DC?DC變換器控制），直到鋰電池組放電結束，柴油發電機開始供能。由此可見，雙向DC?DC變換器是控制能量流向的關鍵設備。

3 混合動力系統控制策略

根據前述混合動力RTG系統工作模式的不同，雙向DC?DC變換器分別工作在Boost模式和Buck模式。當起重機負載處于再生制動狀態，且由鋰電池組供電時，雙向DC?DC變換器工作于Boost模式，保證起重機的正常運行；當起重機負載處于發電狀態時，雙向DC?DC變換器工作于Buck模式，從而實現對再生能量的回收。混合動力RTG系統需要保證雙向DC?DC變換器的輸出電壓、電流保持在一個穩定的范圍內，在升壓過程中，能有效地減少逆變系統輸入的直流電壓紋波，保證驅動性能；在降壓過程中，使變換器電壓輸出平穩，減少電流波動對電池充電性能所造成的影響。下文將對雙向DC?DC變換器兩種工作模式控制器進行設計，并完成仿真實驗。

5 結 語

本文分析了混合動力RTG系統各個工作模式的特點，并對再生制動能量回收過程分別設計了混合動力系統電流環和電壓環控制策略。通過PLECS仿真，有效地完成了混合動力RTG系統提升和下放集裝箱過程的仿真實驗。仿真結果表明，采用電壓環控制器可以實現再生制動能量較高效率的回收，從而使整個系統可以采用小功率的柴油機發電組，并達到節能減排的目的。

參考文獻

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[3] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. A bidirectional three?level DC?DC converter for the ultracapacitor applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010， 57（10）： 2415?2430.

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[9] 徐德鴻.電力電子系統建模及控制[M].北京：機械工業出版社，2005.

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