一种跨运车双宽节能方法及系统与流程

本发明涉及一种跨运车节能系统及方法，更具体地说，涉及一种跨运车双宽节能方法及系统。

背景技术：

跨运车在港口集装箱的水平运输中起着非常重要的作用。传统跨运车动力以柴油机为主动力源，在运行时，起升机构在吊具下降时将吊具和集装箱的重力位能作用于起升电机，使起升电机处于发电运行状态。大车移动需要运行机构刹车制动时，行走电机也会处于发电运行状态。由此产生的位能、动能性再生能量如果回流到柴电机组，将导致机组逆功率而遭严重损坏。为此，传统跨运车通过能耗电阻将此再生能量消耗掉而得不到利用，造成了极大的能源和设备浪费，同时也造成了跨运车运行成本高、故障率高、环境噪声污染和尾气排放污染严重的缺点。

面对化石能源的日益紧张以及环境污染问题的日益恶化，世界各国对节能减排的要求越来越严格，传统的跨运车动力配套模式已经难以满足要求。而随着近年来电池等储能技术、电气控制技术的发展，混合动力跨运车以其显著的节能效果和较高的性价比赢得市场青睐。

如今跨运车在港口集装箱占比越来越重，随着自动化码头兴起，起着不可替代的地位。传统跨运车动力以柴油机为主动力源，一般以恒定速度运行。节能一点的也就二挡速度。但此特性，会造极大的能源和设备浪费。造成运行成本高、故障率高、对环境产生噪声和尾气排放污染严重的缺点。面对化石能源的不可再生，以及日益恶化的环境污染，世界各国对节能减排的指标越来越高，跨运车传统的动力模式已经难以满足要求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种跨运车双宽节能方法及系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种跨运车双宽节能方法，包括以下步骤：步骤一，将柴油机转速－功率曲线中的最大峰值功率减去柴油机最大输出功率，得出所需电池组需要放电的峰值功率；步骤二，从跨运车装卸船的运行循环功率曲线得出运行过程中需要电池组放出的电能大小，用于补充峰值功率的电能消耗量；步骤三，从跨运车装卸船的运行循环功率曲线得出运行过程中可以回收起升下降、行走制动产生的电能；步骤四，将步骤二中电池组放电量减去步骤三中回收的电量，得出整个作业过程中电池组所亏的电量，通过充电补充；步骤五，柴油机在低负载或怠速时，为电池组充电，根据柴油机的转速－功率曲线，结合步骤四中所需充电补充的电量，控制柴油机转速，控制柴油发电机组电量输出。

进一步地，在空载、或怠速时，使柴油机转速设置在1000转，输出电压256v,频率33.34hz。

进一步地，在空载、中速或者轻载、低速运行时，使柴油机转速调整在1000-1600转，同时调整柴油发电机组输出频率和电压，电压256-409v，频率33.4-53.3hz。

进一步地，在重载起升或加速运行时，使柴油机发出的功率在160-180kw，电压409-460v，频率53.3-60hz。

进一步地，柴油发电机组发出的交流电有极少一部分通过变压器被应用于辅助控制电源，其余绝大部分电能通过afe整流逆变器整流成直流电后，一部分经制动单元作用在能耗电阻上，一部分经逆变器转化为交流电后作用在跨运车的起升电机中。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种跨运车双宽节能系统，包括柴油发电机组和电池管理系统，其特征在于：电池管理系统将柴油机转速－功率曲线中的最大峰值功率减去柴油机最大输出功率，得出所需电池组需要放电的峰值功率；从跨运车装卸船的运行循环功率曲线得出运行过程中需要电池组放出的电能大小，用于补充峰值功率的电能消耗量；从跨运车装卸船的运行循环功率曲线得出运行过程中可以回收起升下降、行走制动产生的电能；将电池组放电量减去回收的电量，得出整个作业过程中电池组所亏的电量，通过充电补充。柴油机在低负载或怠速时，为电池组充电，根据柴油机的转速－功率曲线，结合所需充电补充的电量，电池管理系统控制柴油机转速，控制柴油发电机组电量输出。

进一步地，在空载、或怠速时，使柴油机转速设置在1000转，输出电压256v,频率33.34hz。

进一步地，在空载、中速或者轻载、低速运行时，使柴油机转速调整在1000-1600转，同时调整柴油发电机组输出频率和电压，电压256-409v，频率33.4-53.3hz。

进一步地，在重载起升或加速运行时，使柴油机发出的功率在160-180kw，电压409-460v，频率53.3-60hz。

进一步地，还包括变压器、辅助控制电源、afe整流逆变器、制动单元、能耗电阻和逆变器。柴油发电机组发出的交流电有极少一部分通过变压器被应用于辅助控制电源，其余绝大部分电能通过afe整流逆变器整流成直流电后，一部分经制动单元作用在能耗电阻上，一部分经逆变器转化为交流电后作用在跨运车的起升电机中。

在上述技术方案中，本发明可以对跨运车的电池动力系统提供可靠地保护，可根据车辆载荷的情况来判断柴油发电机组的启动和停止，最大限度的节约跨运车能耗，并可根据跨运车的不同工况来调整柴油机的转速，同时改变发出的电压和频率。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是跨运车的装船运行循环功率曲线；

图4是跨运车的卸船运行循环功率曲线；

图5是全变速柴油机油耗特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，本发明首先公开一种跨运车油电混合自适应动力系统，其主要构成包括发电机组1、、电控屏2变压器3、辅助控制电源4、制动单元5、能耗电阻6、整车控制器7、afe整流逆变器8、逆变器9、大车起升电机10、dc/dc能量变换器11、充放电设备等。下面来进一步说明本发明系统的结构。

如图1所示，发电机组1分别连接变压器3和afe整流逆变器8，afe整流逆变器8进一步连接制动单元5、逆变器9和dc/dc能量变换器11。辅助控制电源4连接变压器3，能耗电阻6连接制动单元5，一部分输出至制动单元5的直流电作用于能耗电阻6上。逆变器9进一步连接大车起升电机10，dc/dc能量变换器11进一步连接充放电设备，整车控制器7连接至充放电设备，并控制充放电设备进行充放电。

作为本发明的一种优选实施方式，充放电设备包括锂电池组14和电池管理系统13，锂电池组14连接至dc/dc能量变换器11，电池管理系统13连接至锂电池组14。此外，电控屏2连接发电机组1，变压器3、afe整流逆变器8、逆变器9、制动单元5、大车起升电机10、dc/dc能量变换器11、整车控制器7均可以通过电控屏2来观测其状态。在本发明中，发电机组1优选为柴油发电机。

本发明的系统采用自适应混合动力控制，即控制器根据跨运车当下的实际运行工况(空载、停车或怠速工况、空载中速或者轻载低速工况或者重载起升或加速运行工况)通过控制柴油机的转速来调整柴油发电机的输出功率，同时也对锂电池组14的充放电进行控制，从而使跨运车能以最小的能量消耗完成预定的动作。

因此，本发明系统中的发电机组1的功率输出根据跨运车的工作状态而调整。发电机组1输出交流电，其一部分通过变压器3，另一部分通过afe整流逆变器8整流成直流电，直流电一部分输出至制动单元5，一部分经过逆变器9转化为交流电后作用于大车起升电机10，还有一部分输出至dc/dc能量变换器11。

作为本发明的一种优选实施方式，柴油发电机组1发出的交流电有极少一部分通过变压器3被应用于辅助控制电源4，其余绝大部分电能通过afe整流逆变器8整流成直流电后，一部分经制动单元5作用在能耗电阻6上，一部分经逆变器9转化为交流电后作用在跨运车的起升电机10中，完成预定动作。同时整车控制器7控制电池管理系统13对锂电池组14进行充放电控制。

本发明的系统由小功率全变速柴油机和可高倍率放电的低容量动力锂电池配置组成。当跨运车工作时，控制器根据当下跨运车的实际作业工况调整柴油机的转速进而改变发电机的发电功率，同时控制器根据实际作业工况对锂电池组14进行充放电控制。

继续参照图1，锂电池组14和电池管理系统13构成了本发明的电池动力系统12中。锂电池组14以长寿命大容量的锂电池为主，并采用模块化配置，把单个模块串联成需要的电池组。电池管理系统13可以采集每一个锂电池组14的电压、温度及电流等基本参数，并进行运算得出锂电池组14的健康度等进一步的数据。

参照图2，针对上述系统，本发明还对应地公开一种跨运车双宽节能方法，配置宽频率发电机组+宽电压输入整流器，电压范围可达(256vac—460vac)，频率范围可达(33.4-60hz)超宽范围，其主要包括以下步骤：

如图2所示，在配置柴油机与电池组容量时，首先要保证柴油机和电池组可输出的最大功率要大于整机运行时所需的最大峰值功率，假设先选定柴油机的功率，则柴油机和电池组具体配置方法如下：

s1：将通过曲线中的最大峰值功率减去柴油机最大输出功率(图3和图4中120kw的横线)，得出所需电池组放电能力，即为电池组需要放电的峰值功率。

s2：从功率曲线(柴油机功率横线上方包容的曲线部分)得出运行过程中，需要电池组放出的电能大小，用于补充峰值功率的电能消耗量。

s3：从功率曲线(横坐标以下包容的曲线部分)得出运行过程中，可以回收起升下降、行走制动产生的电能。

s4：将s2中电池组放电量减去s3中回收的电量，得出整个作业过程中电池组所亏的电量，该部分通过充电补充。

s5：柴油机在低负载或怠速时，为电池组充电，根据柴油机的转速－功率曲线，结合s4中所需充电补充的电量，控制柴油机转速，控制柴油发电机组电量输出，满足所需补充的充电量需求，降低燃油消耗，使得整个运行过程能耗最少。

参照图3-图5，结合作业时实际需求功率和变速柴油机油耗特性曲线，本发明设置柴油机和整流器地配合策略如下：

(1)在空载、或怠速时，由整车控制器向柴油发出降低转速信号，使柴油机转速设置在1000转，输出电压256v,频率33.34hz，afe整流器执行锁相功能，来实现超级节能待机状态。柴油发电机组发出的交流电有极少一部分通过变压器被应用于辅助控制电源，其余绝大部分电能通过afe整流逆变器整流成直流电后，一部分经制动单元作用在能耗电阻上，一部分经逆变器转化为交流电后作用在跨运车的起升电机中，完成预定动作。同时整车控制器控制电池管理系统对锂电池组进行充电控制，剩余的直流电通过dc/dc能量变换器后对锂电池组进行充电。

(2)在空载、中速或者轻载、低速运行时，整车控制器向柴油机发出调整转速信号使得柴油机转速调整在1000-1600转，同时调整柴油发电机组输出频率和电压，电压256-409v，频率33.4-53.3hz。

(3)在重载起升或加速运行时，由整车控制器向柴油机发出生高转速信号，使得柴油机发出的功率在160-180kw，电压409-460v，频率53.3-60hz。由柴油发电机组发出的交流电有极少一部分通过变压器被应用于辅助控制电源中，剩余绝大部分电能通过afe整流逆变器进行整流。同时整车控制器控制电池管理系统对锂电池组放电控制，放出的电能通过dc/dc能量变换器后与整流后的直流电一起经逆变器转化为交流电作用在跨运车的起升电机中完成预定动作。

本发明最主要的特点是柴油机发电机发的电可以达到256-460v，整个机器都能工作，根据负载情况，实时调节输出电压和输出频率，即本发明最主要的特征是如何在256v这么低的电压下能让整个系统工作实现节能。

传统的电网为50hz的频率，常规的锁相环只需提取50hz频率段的信号就能够实现准确的锁相。而变速柴油机提供的电源系统是频率和电压幅值都在一定范围波动的电网，频率波动范围在30hz到55hz。因此，常规的锁相环不能满足现场应用的要求。

常规锁相环的工作原理是，使输出相位与输入相位保持一个固有的、微小的相位差，并使输出频率等于输入频率。主要包括鉴频鉴相器(pfd)、低通滤波器(lpf)、压控振荡器(vco)、反馈回路(通常由一个分频器div来实现)。常规50hz的锁相环，输出信号直接反馈至输入。针对宽范围的锁相环可以用于倍频，是将输出信号分频后，再反馈至输入，通过反馈回路上的div实现的。锁相环实际上锁定的是输入与输出经过分频后的信号的相位，频率相同是指输出信号经过分频后与输入信号频率相同。这样，直接输出的信号的频率就是输入信号的倍频。反馈环节是多少分频，输出对应就是多少倍频。

然而，跨运车产品中柴油机宽范围的锁相要求，如果采用常规的锁相技术，输入和反馈的信号频率或者相位差就会超过这个阈值，那么锁相环就无法进行锁定和跟踪。pwm整流器在传统锁相环结构上设计了一种具有快速锁定特性，环路带宽自适应的锁相环系统。锁相环能够快速启动，滤波器采用了动态切换环路带宽的技术，使锁相的捕捉锁定过程加速，并且保证最终的频率锁相精度。

现有技术中采用广义二阶滤波器提取50hz频率范围的基波信号，这种滤波器能够很好的提取固定频率点的信号，但在其他频率点信号衰减的比较快，显然这种方法已经无法满足30hz到55hz这种宽频率范围的要求了，因此本发明重新设计了一种滑动滤波器，将在n个固定的周期内的采样的信号进行滤波，这样滤波信号不受电网周期时间变动的影响。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。