超级电容在移动式港口起重机上的系统设计方法

彭光玉 曹永新

(1.江苏润邦重工股份有限公司，江苏南通 226013;2.南通润邦重机有限公司，江苏南通 226013)

0 引言

移动式港口起重机(简称MHC)通常采用柴油发电机组作为动力源，在装卸作业过程中，需要多个机构同时工作来提高效率，短时需要足够的瞬时功率，此时发动机处于过载状态，导致转速下降，并伴随黑烟产生，电压降低，及降速运行影响了起重机装卸效率，在这种情况下增加超级电容系统能很好解决这个问题，基于超级电容本身具有快速充放电的特点，驱动负载时可以快速提供大电流弥补系统动力不足，在下降及制动过程利用超级电容吸收多余电能，为下一个工作循环提供动力，因此节约了燃油，提升了工作效率。

1 工作原理

图1 超级电容放电

起重机提升重物时电动机工作在第一象限，直流母线电压降低，DC-DC变换器放电模式，超级电容释放电能，能量流向直流母线，如图1。

当重物下放或减速制动时，电动机工作在第四象限，直流母线电压升高，DC-DC变换器处于充电模式，电能由直流母线流向超级电容，如图2。

2 设备及控制系统组成

本移动式港口起重机由起升机构、变幅机构、回转机构和行走机构组成。起升及回转机构采用变频驱动，变幅、行走和转向均采用液压马达驱动，发动机通过分动箱带动发电机给起升变频器及辅助机构提供电源，同时带动液压泵给液压系统提供动力源，如图3。

图2 超级电容充电

本MHC起重机为柴电和岸电双电源供电系统，当切换到岸电时，传动系统为AFE系统，制动能量反馈电网，此时超级电容不工作。当切换到柴油发电机供电系统时，超级电容投入使用，提供辅助动力及制动能量收集，系统配备了制动单元及制动电阻，在超级电容故障时可以使起重机继续工作，制动能量以热能消耗。起重机控制系统如图4。

3 超级电容系统组成

超级电容系统由超级电容模块、DCDC变换器及超级电容管理系统组成，如图5。

3.1 超级电容模块

图3 超级电容布置

超级电容模块由若干个超级电容器模组通过串并联组成。根据直流母线电压等级及补偿功率计算出超级电容模块总容量。

超级电容模块一般由多个超级电容单体组成，每个超级电容单体约为2.85V/3400F，一般由高纯度活性炭定制配方加工成碳膜基片，成为超大电容的双层电极材料，通过密闭封装和高性能的电解液，利用干电极技术生产出免维护的超级电容器。

3.2 超级电容管理系统

图4 控制系统图

超级电容管理系统由控制器模块CMS、数据收集模块DCS及显示器HMI组成，超级电容管理系统主要功能是对超级电容数据分析、监控、DC-DC变换器的导通关断以及与起重机控制系统进行数据交换等。

均压控制[1]，由于超级电容器在制造过程中存在内阻和容量差别，所以在模块和系统制造过程中需考虑电压均衡，超级电容器储能系统中每个模块的内阻和容量匹配，在上述基础上，每个超级电容器单体均包含电压均衡电路，确保单体及模块使用时的一致性。

图5 超级电容系统图

监视及报警，每个模块具有有超压、超温的报警输出，确保超级电容器系统中任何模块出现异常时，能将报警信号传输到控制系统。本地运行状态显示HMI功能，超级电容管理系统能够在本地对超级电容系统的各项运行状态进行显示，如系统状态，模拟量信息，报警和保护信息等。对事件及历史数据记录，并具有高性能、高可靠性、实时性的通讯能力，保证庞大数据量上传及指令下发的准确性和及时性。

通信，具备CAN2.0B通信接口。CAN2.0B通信接口用于连接监控系统通信，实现超级电容器模组、系统运行状态、告警等信息实时上传。超级电容管理系统与DC-DC控制系统及起重机控制系统支持CAN总线通讯。CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps。

图6 控制逻辑图

3.3 DC-DC控制系统

DC-DC控制系统主要是通过DC-DC变换器控制超级电容放电到直流母线及从直流母线吸收电能给超级电容充电，DC-DC控制系统包含DC-DC变换器及逻辑控制器，DC-DC变换器为充电和放电功率器件，控制器为控制逻辑器件，通过编程控制满足在一定条件下控制DC-DC变换器进行升压/放电或降压/充电。

4 功能实现

根据起重机的工作特性，在起重机起升联动或发动机出现短时过载时立即启动超级电容放电，放电过程可通过控制器模拟量值控制DC-DC变换器输出电流，由于启动阶段需要功率较大，DC-DC变换器往直流母线注入电流较大，随着速度的提升，需要功率降低，补偿电流也跟着降低，放电结束后需满足超级电容在允许的电压降内。

图7 人机界面

在起重机单机构动作、下降或空闲阶段给超级电容充电，充电过程控制输出电流使发动机不过载，可以根据起重机重量及高度估算下降吸收电能，满足下降吸收所有制动能量，控制逻辑如图6。

编程软件，利用Codesys编程工具编制逻辑功能图及显示器界面如图7。超级电容可以从画面直观的查看超级电容模块状态、故障、历史趋势、生命周期等信息。

5 超级电容效益估算

起重机工作节约燃油可达20%，效率提升达20%。经统计，超级电容系统每年可减少CO2排放约五万千克，创造价值近百万元。

6 结语

超级电容作为一种清洁能源，可有效减少二氧化碳排放，实现再生能源循环利用，为在移动式港口起重机上大规模应用奠定了基础。