混合动力轮胎式集装箱起重机研究现状及展望

港口科技・科研与技革　混合动力轮胎式集装箱起重机　研究现状及展望　黄细霞　王　飞　赵勇铭　王　明　（１．上海海事大学，　上海２０１３０６；　２．上海振华重工（集团）股份有限公司，　上海２００１２５）　摘要：为建设绿色港口，减少污染，对混合动力轮胎式集装箱起重机（ＲＴＧ）进行研　究。比较三种典型混合动力ＲＴＧ的特点，提出了混合动力ＲＴＧ的关键技术，并对混　合动力ＲＴＧ的发展进行了展望。　关键词：港口　混合动力超级电容锂电池橡胶轮胎门式起重机液化天然气　Ｔｈｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｒｕｂｂｅｒ　Ｔｙｒｅ　Ｇａｎｔｒｙ　ＨＵＡＮＧ　Ｘｉｘｉａ　ＷＡＮＧ　Ｆｅｉ　ＺＨＡＯ　Ｙｏｎｇｍｉｎｇ　ＷＡＮＧ　Ｙｕｅ　（１．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｍａｒｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０　１　３０６，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｚｈｅｎｈｕａ　Ｈｅａｖｙ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００１２５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａｎ　ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ｒｕｂｂｅｒ　ｔｙｒｅ　ｇａｎｔｒｙ（ＲＴＧ）．Ｉｔ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｈｙｂｒｉｄ　ＲＴＧ．Ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ＲＴＧ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅ　ｄｒａｗ　ａ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ＲＴＧ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｔ　ｈｙｂｒｉｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｂａｔｔｅｒｙ　ＲＴＧ　ＬＮＧ　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（ＲＴＧ）已　成为我国集装箱港区堆场的主要装卸运输设备。　传统ＲＴＧ普遍以柴油发动机为动力，使用中不可　兴产业的重点发展方向和主要任务。交通部《公　路水路交通中长期科技发展规划纲要（２００６—　２０２０年）》中将绿色交通技术纳入重点研究领域，　指出重点研究开发车辆和船舶节能技术和新一代　运输装备，从技术上保障建立一个与自然和社会　环境友善和谐、污染程度少、能源消耗适度的绿　色公路水路交通体系，缓解我国环境污染和能源　短缺的压力，满足可持续发展需要。　１　研究现状　避免地产生大量氮化物（ＮＯ　）、硫化物（ＳＯ　）、　碳化物（ＣＯ　）等混合废气，成为目前集装箱港　区最主要的污染排放源。　为保护环境，解决能源安全问题，减少对石　油能源的依赖，我国一直大力发展清洁能源运输　装备。《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》　将节能环保产业和新能源产业纳入七大战略性新　由于灵活移动作业的要求，传统ＲＴＧ普遍以　基金项目：上海市科委科技创新行动计划项目（１３ｄｚ１２０２８００，１２ｄｚ１２００７００）　・２・　表１各类燃料尾气排放比较表　尾气排放　项．目　ＣＯ　合物　Ｎ０ｘ　颗粒物　氧　ｇ　无尾气　处理　１０Ｏ％　１００％　１０Ｏ％　１００％　１００％　汽油　有尾气　处理　２５％一３　１　２５％　无　无　柴油　１Ｏ％　１Ｏ％　５Ｏ％～８０％　１００％　无　柴油一天然气　８％～１０％　８％一１Ｏ％　５０％～７０％　２０％一４　无　液－１｛＝石油气　１０％一２　５０％～７０％　无　无　无　天然气　０—１％　１％一３％　无　无　无　近日，由上港集团所属冠东公司、上海振华　重工（集团）股份有限公司和上海海事大学在上　海市科委项目“ＬＮＧ动力的港口装备技术研究及　洋山港示范应用”（项目编号１３ｄｚ１２０２８００）中共　同研发采用液化天然气燃气机组供电的轮胎吊　。ＬＮＧ发电机组一超级电容ＲＴＧ可解决轮胎吊冒　黑烟和Ｓ０　以及Ｎ０）【等污染物的排放问题，可综合　降低污染物排放量８２．２％，其中碳氧化合物可降　低２８％，微粒排放可降低４２％，铅化合物可降低　１００％，硫化物可降低７０％以上，非甲烷烃类可降　低５０％左右，从而实现清洁排放、节能环保的目　的。同时，该项目开创了世界港口集装箱轮胎吊　新能源运用的先例，给贫油富气国家及地区轮胎　吊的新能源运用起到了引领和示范作用。　综上所述，柴电机组一超级电容、锂电池一柴　电机组和ＬＮＧ发电机组一超级电容混合动力ＲＴＧ　各有所长。表２给出了三种典型混合动力ＲＴＧ综　合比较。柴电机组一超级电容混合动力ＲＴＧ技术较　成熟，但由于超级电容能量密度低，节能减排效　果不是最高（约３０％）；锂电池一柴电机组混合动　力ＲＴＧ节能减排效果突出（约６０％），但锂电池成　本昂贵；ＬＮＧ发电机组一超级电容混合动力ＲＴＧ减　排效果明显，但是ＬＮＧ作为动力，特别是ＲＴＧ突　然加载，弱显动力不足，而且，ＬＮＧ供气不是很　方便。综上所述，混合动力ＲＴＧ发展重点在降低　锂电池一柴电机组混合动力ＲＴＧ的成本和提高ＬＮＧ　发电机组一超级电容混合动力ＲＴＧ的动力等。　２关键技术　根据三种典型混合动力ＲＴＧ的比较，锂电池　柴电机组混合动力ＲＴＧ和ＬＮＧ动力混合ＲＴＧ是以　后的发展方向，为降低混合动力ＲＴＧ的生产成本、　港口科技・科研与技革　提高动力性能，宜从以下几方面努力。　表２三种典型混合动力ＲＴＧ综合比较表　＼　ＲＴＧ　柴电机组一超　锂电池一柴　ＬＮＧ发电机组一　类　＼　动力Ｒ级电容混合　电机组混合　超级电容混合　ＴＧ　动力ＲＴＧ　动力ＲＴＧ　柴电机组　（ＬＮＧ发电机　２２５　ｋＷ　５　０　ｋＷ　３００　ｋＷ　组）功率　节能（折算标　节能３Ｏ％　节能６Ｏ％　不节能　准煤）　减排　减排３０％　减排６０％　减排８０％　生产成本　稍高　昂贵　稍高　运营成本　降低　显著降低　降低　优点　成本低　污染物排放　污染物排放　显著少　显著降低　不足　柴油排放　锂电池组　动力弱显不　问题　昂贵　足，供气不便　２．１混合动力ＲＴＧ能源系统集成技术　１）混合动力ＲＴＧ能源系统动力配置技术。储　能单元常态供电的持续性和瞬态响应的快速性问　题，以及储能单元与柴电机组（或ＬＮＧ发电机组）　工作模式转换的平稳性问题，是混合动力ＲＴＧ能　源系统安全运行的主要问题。根据混合动力ＲＴＧ　的储能单元和辅助柴电机组（或ＬＮＧ发电机组）　的混合供电典型工作状况，研究储能单元与辅助　柴电机组（或ＬＮＧ发电机组）混合供电能源系统　的集成结构优化、储能单元与辅助柴电机组（或　ＬＮＧ发电机组）容量配置、电源参数匹配等混合　动力ＲＴＧ能源系统集成技术，实现能量和功率参　数的最优化。　２）混合动力ＲＴＧ动力电池充放电均衡控制技　术。应用于混合动力ＲＴＧ的动力锂电池，由于制　造工艺及运行环境的原因，造成单体锂电池参数　（端电压、容量、内阻等）的分散性或不一致性。　在电池组循环使用中，单体储能差异累积变大，　易产生单体电池过充过放等现象，影响电池组的　使用安全和寿命。研究应用于ＲＴＧ的动力锂电池　特性及电池组等效电路模型，构造控制电路结构，　通过对单体锂电池参数的独立检测，动态调整各　单体电池充放电的电压（或电流）等参数的设定　阀值。研究动力电池充电过程中，对于串联体，　充电能量可从较高压单体转移到较低压单体；对　于并联体，充电能量可从较大电流支路转移到较　小电流支路；对放电过程则反之。通过这种能量　・５‘　港口科技・科研与技革　转移控制方式，进行混合动力ＲＴＧ能源系统的动　力锂电池充放电自动均衡控制，从而提高动力电　池组充放电效率及电池组使用寿命。　３）研究混合动力ＲＴＧ能源系统动态管理技　术。混合动力ＲＴＧ的能源系统应具备动力电池供　电、柴电机组供电（或ＬＮＧ发电机组）、动力电池　与柴电机组（或ＬＮＧ发电机组）联合供电的不同　供电模式，以及港口电网充电、柴电机组（或ＬＮＧ　发电机组）充电、再生能量回馈充电的不同充电　模式。研究ＲＴＧ混合能源系统在不同工作模式下　的电力参数实时检测，解决不同工作模式的状态　监测和安全报警，不同工作模式之间的无扰动自　动切换控制，实现混合动力ＲＴＧ的电能动态管理。　研究动力电池与柴电机组（或ＬＮＧ发电机组）联　合供电模式下的输出功率特性及其功率动态分　配，在ＲＴＧ负载剧烈波动情况下，保证辅助柴电　机组（或ＬＮＧ发电机组）的高负荷平稳运行。研　究ＲＴＧ吊重降落时再生能量回馈充电模式下的动　力电池瞬时充电控制方法，实现动力电池无损快　速蓄放能。　２．２混合动力ＲＴＧ控制技术　１）混合动力ＲＴＧ电力电子驱动控制技术。混　合动力ＲＴＧ的起升机构、小车机构、大车机构等　驱动电机，通过变频实现转速的平滑控制。研究　混合动力ＲＴＧ各运动机构驱动电机的负载转矩特　性与变频调速特性的配合；研究驱动电机高转速　状态下的恒功率变频调速控制，避免功率过载对　ＲＴＧ动力电池混合能源系统的影响；研究驱动电　机低转速状态下的恒转矩变频调速控制，抑制电　力谐波，保持驱动电机低频、低转速状态下的运　行稳定性。根据ＲＴＧ运行操作要求，研究主令控　制器的设定转速与变频器输出频率之问的函数关　系，保证在主令控制器设定转速突加、突减或正　反转工况下，实现不依赖于主令操作快慢的线性　加减速稳定控制。　２）混合动力ＲＴＧ再生能量回馈控制技术。混　合动力ＲＴＧ起升机构的驱动电机满足四象限运行　条件，在集装箱吊重下降时，吊重的重力位能使　起升机构驱动电机处于再生制动状态。研究混合　动力ＲＴＧ再生能量回馈控制技术，当驱动电机再　生制动强度较小，且动力电池的电荷状态值低于　・６・　上限值时，再生能量完全由动力电池进行回收；　当驱动电机再生制动强度较大，动力电池不能瞬　时回收全部再生能量时，通过直流汇流排能耗支　路，将剩余部分再生能量由能耗电阻吸收，防止　因能量回馈不当造成ＲＴＧ动力系统崩溃。研究ＲＴＧ　再生能量回馈与动力电池瞬时充电的同步控制技　术，最大限度回收ＲＴＧ吊重降落时的再生能量。　３）混合动力ＲＴＧ节能运行控制技术。以ＲＴＧ　起升机构和小车机构运动方程为基础，研究ＲＴＧ　装箱／卸箱运行中的待机、空载、半载、满载四种　典型运行工况下，以最小能耗为目标，实现起升／　下降速度最优控制；研究起升机构和小车机构联　合运动，以最短路径为目标，实现装卸路径最优　控制；开发高效节能混合动力ＲＴＧ控制系统。　２－３混合动力ＲＴＧ制造技术　１）混合动力ＲＴＧ整机适配技术。建立混合动　力ＲＴＧ动力学模型，考虑ＲＴＧ结构白重、装备质　量和起重质量等载荷约束因素，以及ＲＴＧ起升速　度、小车速度、大车速度等指标约束因素条件下，　从节能角度，研究ＲＴＧ在混合动力能源系统、运　动机构驱动系统等方面的整机适配问题。混合动　力ＲＴＧ将储能单元、柴电机组（或ＬＮＧ发电机组）、　运动机构驱动电动机组合在一起，他们之间的恰　当、合理配置和优化可进一步降低ＲＴＧ的能耗。　２）混合动力ＲＴＧ的国产化关键设备及其成套　制造技术。在混合动力ＲＴＧ关键技术研究基础上，　研发ＲＴＧ高性能动力电池混合供电系统，研发混　合动力ＲＴＧ电能监控装置及其ＲＴＧ操纵控制装置，　从而形成混合动力ＲＴＧ的国产化关键设备及其成　套制造能力。　３展望　混合动力ＲＴＧ下一步工作重点为研制锂电池　ＬＮＧ混合动力ＲＴＧ，由动力电池作为主动力电源，　匹配小功率ＬＮＧ发电机组，组成新型ＲＴＧ混合动　力供电系统，解决ＬＮＧ动力不足的问题，同时也　解决柴电机组排放问题。电池成本是锂电池混合　动力ＲＴＧ面临的最大挑战，降低动力电池的成本，　特别是电池的电控系统成本，是锂电池混合动力　ＲＴＧ推广应用的重要条件。　（下接第１２页）