曹儀明 周 毅 沈汝超

1．上海滬東集裝箱碼頭有限公司

2．上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司

3．上海國(guó)際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司

0 引言

近年來(lái)，隨著高功率鋰電池相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，一種以小發(fā)動(dòng)機(jī)加大功率鋰電池為動(dòng)力的RTG混合動(dòng)力節(jié)能技術(shù)因節(jié)能效果顯著在港口業(yè)被推廣應(yīng)用。在鋰電池的選擇上，三元鋰電池的單體電壓與SOC容量成正比容易估算，且其具有能量密度高、大功率和大倍率充電等優(yōu)勢(shì)，在RTG混合動(dòng)力節(jié)能改造中被廣泛應(yīng)用。但其生產(chǎn)、工藝和設(shè)備等方面對(duì)技術(shù)要求壁壘高，采購(gòu)成本也相對(duì)較高，長(zhǎng)期由國(guó)外制造商提供。相比之下，磷酸鐵鋰電池具有較高穩(wěn)定性和安全性，且具有耐高溫、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低，和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，如能提高SOC的估算準(zhǔn)確則是三元鋰電池的良好替代品。

1 高功率磷酸鐵鋰電池在RTG上的應(yīng)用設(shè)計(jì)

RTG是集裝箱碼頭堆場(chǎng)作業(yè)主力設(shè)備（圖1），其連續(xù)作業(yè)的特點(diǎn)，可靠性要求高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，一旦發(fā)生故障，要求快速修復(fù)或快速脫離作業(yè)區(qū)域，將裝卸船作業(yè)和進(jìn)提箱作業(yè)影響降到最低。為維護(hù)港口正常的工作運(yùn)營(yíng)，采用電池管理系統(tǒng)多支路并聯(lián)控制技術(shù)，考慮RTG作業(yè)時(shí)實(shí)際輸出電流在400A～500A，電池組設(shè)計(jì)采用了3支路并聯(lián)形式，單支路容量為52Ah，單支路電池最大充電電流瞬時(shí)值為200A，最大放電電流瞬時(shí)值為250A，系統(tǒng)最大充電電流瞬時(shí)值為600A，最大放電電流瞬時(shí)值為750A，能滿足RTG作業(yè)需要?？紤]到RTG實(shí)際運(yùn)行電壓范圍在620V～720V之間，電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致變頻器三相電壓輸出波形失真引起欠壓故障，電壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致變頻器大功率器件耐壓不夠引起過(guò)壓故障。因此，單支路電池選用17個(gè)模塊，每個(gè)模塊串聯(lián)12個(gè)單體，共204串電池，標(biāo)稱電壓652．8V,SOC設(shè)定區(qū)間范圍在55%～76%，進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)。

圖1 實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景圖

充電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，恒壓給電池充電。充電電流約為25A，當(dāng)三個(gè)支路平均SOC為76%時(shí)，充電結(jié)束，發(fā)電機(jī)停止工作，電池開(kāi)始給負(fù)載設(shè)備供電。RTG作業(yè)時(shí)，電池既能獨(dú)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，也可與發(fā)電機(jī)一起混合使用，分配輸出功率，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。當(dāng)下行放集裝箱時(shí)，重力勢(shì)能回饋產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)到鋰電池內(nèi)部，降低柴油機(jī)帶來(lái)的噪音及黑煙污染，達(dá)到節(jié)能減排。當(dāng)放電到三個(gè)支路平均SOC為55%，開(kāi)始轉(zhuǎn)為充電。

RTG動(dòng)力鋰電池組實(shí)際運(yùn)行工況模式，電流數(shù)據(jù)如圖2所示:

圖2 實(shí)際運(yùn)行工況模式電流數(shù)據(jù)圖

電壓數(shù)據(jù)如圖3所示：

圖3 實(shí)際運(yùn)行工況模式電壓數(shù)據(jù)圖

2 高功率磷酸鐵鋰電池SOC估算

由上述應(yīng)用設(shè)計(jì)可知，SOC的準(zhǔn)確估算是整套系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。圖4和圖5描繪的磷酸鐵鋰電池的單體充放電特性表明，當(dāng)SOC在20%～80%的范圍時(shí)，單體電壓變化不大，特別是充放電特性曲線幾乎是一條直線，給準(zhǔn)確估算帶來(lái)較大難度。傳統(tǒng)的解決方法是電流積分法配合電壓矯正法對(duì)SOC進(jìn)行估算，但由于RTG電池組運(yùn)行工況區(qū)間的限制，沒(méi)有上限電壓滿電(3．65V)矯正點(diǎn)，以致傳統(tǒng)的電流積分配合電壓矯正法經(jīng)常出現(xiàn)估算錯(cuò)誤，引起三支路SOC不平衡故障。為解決SOC精確估算問(wèn)題，系統(tǒng)采取了如下優(yōu)化措施：

圖4 單體充電倍率曲線

圖5 單體放電倍率曲線

2.1 優(yōu)化測(cè)算模型

1）擴(kuò)大電池OCV表的測(cè)試數(shù)據(jù)量，細(xì)化單體電壓和SOC的關(guān)系。

2）提高下限電壓閾值矯正點(diǎn)，降低上限電壓閾值矯正點(diǎn)，縮小帶寬。根據(jù)電池模型函數(shù)計(jì)算，在運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，使SOC隨著單體電壓呈現(xiàn)震蕩回滯。電池模型如圖6所示，電池模型函數(shù)如圖7所示：

圖6 電池模型

圖7 電池模型函數(shù)（K0、K1、K2分別為系數(shù)）

3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，分別選取上限電壓3．5V作為SOC值80%參考點(diǎn)，下限電壓3．0V作為SOC值55%參考點(diǎn)。

2.2 引入電池靜置模型

電池管理系統(tǒng)增加了電池控制均衡功能，利用每次RTG保養(yǎng)完成后進(jìn)入下班作業(yè)的待機(jī)時(shí)間，電池內(nèi)部進(jìn)行自平衡。由于電池電壓存在滯回效應(yīng)，電池靜置一段時(shí)間后，電池端電壓等于電池的靜態(tài)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)系統(tǒng)每次喚醒后，根據(jù)時(shí)鐘計(jì)算電池單體電壓參數(shù)，遍歷OCV表，查詢到一個(gè)合適的SOC值，對(duì)比當(dāng)前的SOC進(jìn)行校正，每次校正的最大幅度為5%，如圖8所示。

圖8 OCV矯正模型

2.3 引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)電池組單體電壓、單體溫度、系統(tǒng)電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)將數(shù)據(jù)從云服務(wù)器下載到本地，從而得到大量數(shù)據(jù)，送入電池模型進(jìn)行自學(xué)習(xí)，不停迭代，修正參數(shù)，減少SOC估算誤差，遠(yuǎn)程監(jiān)控如圖9所示，SOC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法簡(jiǎn)化模型如圖10所示。

圖9 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面數(shù)據(jù)

圖10 SOC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法簡(jiǎn)化模型

3 實(shí)際運(yùn)行效果

改進(jìn)前的算法在實(shí)際作業(yè)中，其運(yùn)行結(jié)果如圖11所示。由圖11可見(jiàn)系統(tǒng)在充放電循環(huán)下，三個(gè)支路SOC表現(xiàn)出了明顯差異。

圖11 改進(jìn)前三個(gè)支路的SOC

通過(guò)優(yōu)化電池測(cè)算模型，增強(qiáng)了充放電曲線SOC跟隨單體電壓的魯棒性；維保時(shí)引入電池靜止模型，增加了OCV電壓矯正算法，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下載，帶入大量數(shù)據(jù)到模型，不斷自學(xué)習(xí)和修正參數(shù)，運(yùn)行結(jié)果有了很大改善。如圖12和圖13所示，為高功率磷酸鐵鋰電池在RTG上的應(yīng)用提供了技術(shù)解決方案。

圖12 改進(jìn)后三個(gè)支路的SOC

圖13 改進(jìn)后三個(gè)支路最大、最小單體電壓

4 結(jié)論

在實(shí)際試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)高功率磷酸鐵鋰電池在RTG應(yīng)用中的實(shí)際工況和單體充放電特性進(jìn)行分析，提出對(duì)電流線性積分、端電壓矯正模型的優(yōu)化。通過(guò)引入電池靜置模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率磷酸鐵鋰電池SOC的精確估算。