港口电动集装箱牵引车技术改造方案及应用

王照宇

电动汽车技术发展使我国汽车产业面临转型升级的历史机遇。早在2005年，我国就出台《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006―2020年）》，明确提出重点研究开发低能耗和新能源汽车、集成和制造技术、动力电池和驱动电动机等关键部件技术和新能源汽车试验测试及基础设施技术。随后，我国启动“十城千辆”节能与新能源汽车示范推广应用工程，先后出台《汽车产业调整和振兴规划》、私人购买新能源汽车补贴试点等一系列鼓励政策，从国家政策层面鼓励和促进新能源汽车发展。

在港口新能源建设方面，2012年交通运输部发布的《关于港口节能减排工作的指导意见》指出：鼓励利用清洁能源、可再生能源，提高港口使用清洁能源、可再生能源比例;优先采用以电能或其他清洁能源作为动力源的工艺技术和装卸搬运设备，使码头装卸工艺系统各环节能力匹配，提高装卸效率，降低能耗;加快港口技术改造，加快淘汰高耗能、高排放、低效率的老旧设备。自2012年以来，随着低碳港口建设项目发挥示范效应，越来越多的港口开

始关注绿色低碳发展，现有连云港港、天津港、蛇口港、青岛港、大连港、广州港、福州港、日照港等8个港口确定为“低碳港口建设”主题性管理试点。为了响应国家新能源汽车产业发展战略，顺应市场发展趋势，本文提出港口电动集装箱牵引车技术改造方案，以期为建设绿色、低碳、环保港口提供保障。

1 港口电动集装箱牵引车技术改造方案

对港口现有集装箱牵引车进行改造，保持车辆底盘及主体结构不变，用锂电池和电动机取代原有变速箱和发动机，同时改造传动、电气、液压及空调系统，使车辆动力及各项功能满足正常作业需求。

1.1 整体方案

拆除集装箱牵引车发动机，保留与变速箱相连的变矩器，将电动机布置在原发动机位置，固定在变矩器上;将2个容量为200 A h的电池箱分别布置在车辆原油箱位置及其对面启动电池位置（将启动电池移至驾驶室下方）;在原车液压管路的基础上增加电动汽车专用电动液压站，为转向系统提供液压助力;在原车气动管路的基础上增加车载电动空气压缩机，布置在原发动机位置上方，为车辆制动等提供气压;增加车载空调系统（冷暖），布置在车头原空调系统位置;电动机控制器布置在电动机上方;增加水箱，以解决电动机、电池、控制器等的散热问题;增加车载直流转换器，以便为车辆启动电池充电，并为车辆低压器件（如照明、各辅助系统等）提供电源。

1.2 参数配置

1.2.1 驱动系统参数

驱动系统采用与原车发动机性能相匹配的结构简单、运行可靠、质量较轻的大功率三相交流异步电动机。电动机额定功率为130 kW，峰值功率为（最长维持2 min），额定转速为2 500 r/min，最高转速为/min，额定转矩为495 N穖，最大转矩为，足以满足牵引车的动力要求。用电动机代替发动机的优点是：电动机没有怠速运行工况，从而既能节省油耗，又能消除噪声。

1.2.2 控制系统参数

电动机控制系统采用与电动机相匹配的三相交流异步电动机控制器，效率可以达到97%，控制功率为150 kW，最大功率为300 kW，以确保牵引车启动时的瞬时高负载输出和平稳运行。电动机控制器具有电动机制动反馈功能：当牵引车制动时，电动机控制器通过控制电动机反相来辅助牵引车制动，从而提高车辆制动的有效性和安全性。在电动机制动过程中，电动机控制器通过电动机反相制动对电池充电，从而提升电池的续航能力。电动机控制器具有致命故障保护功能，能够避免电动机及其控制器因过热、过流、过载、过压等而损坏。

1.2.3 动力系统参数

动力系统采用目前电动汽车标准的磷酸铁锂锂离子电池，具有体积小、质量轻、循环寿命长、安全性高、绿色无污染等优点，质保期为4年或15万km。锂电池标称电压为576 V，总容量为207 kW穐。电池管理系统具有低温加热功能：当温度低于0℃时，电池管理系统检测电池温度过低，充电前先对电池加热，待电池达到最佳温度后，再对电池充电，以保证在北方低温条件下牵引车续航能力不受太大影响。按照以上配置方案，牵引车续驶里程为：当牵引车载运2个20 t集装箱时，车辆总质量为55 t，重载运行速度为20 km/h，重载行驶里程为10 km，空载运行速度为40 km/h，空载行驶里程为10 km;牵引车往返20 km的理论用电量为40 kW穐，电池满充电量（207 kW穐）的巡航里程为103.5 km，若每天增加1次快充，可行驶207 km。

1.2.4 充电系统参数

充电柜的功率为75 kW，最高輸出电压为250～ 750 V，额定输入电压为380 V，额定输入电流为115 A，充电时间为4 h，设置紧急停止充电按钮，具有密码确认启动充电、交流输入过欠压保护、交流输入过流保护、直流输出过流保护、直流输出短路保护、直流输出防止反接、输出软启动、防止电流冲击等功能。

1.2.5 气动系统参数

气动系统采用原气动管路，由电动空气压缩机实现车辆空气制动。电动空气压缩机的参数如下：电动机额定输入功率为4 kW;排气量为0.45 m3/min;工作压力为1.0 MPa;加油量为2.5 L;采用风冷冷却型式;排气口连接螺丝外径为22 mm，螺距为1.5 mm;质量为82～95 kg。

2 港口电动集装箱牵引车技术改造难点及创新点

2.1 改造难点

（1）电动机和电池的使用适应性 港口电动集装箱牵引车技术改造的最大难点是如何解决纯电动模式下电动机高转速、大功率运行过程中的发热和散热、效率下降以及噪声较大等问题，这也是目前国产电动机在纯电动应用领域面临的技术难题。此外，动力电池需要攻克电池失效预警、快速拆解维护等技术难题，电池管理系统需要解决临界温度（高温或低温）条件下的电池保护与运行能力维护问题，电池组工艺需要解决电池临界温度的保护性设计问题。

（2）规模化运营机制与商业化盈利模式 为了实现电动集装箱牵引车批量化市场运营，需要开发操作简便、功能简化的运营监控和故障维护工具，并建立相应的培训制度，将设备运营监控和故障维护技术研发从整车工厂和关键部件供应商转移至运营单位和维修工厂。为此，需要分析港口电动集装箱牵引车运营相关方成本和利润构成，努力实现商用过程中各方利益均衡的盈利模式，建立电动集装箱牵引车产业化长效发展的市场运营机制。

2.2 改造创新点

（1）利用机电气压复合制动过程整车动力学稳定性控制技术及最优化制动能量回馈制动的协调控制技术，形成高性能动力电池管理系统、电池低温充电加热功能和电动机控制系统开发技术。

（2）基于系统故障诊断和风险分析技术开发多层次安全保障系统，实现高安全性的高低压电运行环境。

（3）形成港口电动集装箱牵引车批量化生产工艺规范、检测技术及市场推广运营新模式，实现大规模市场应用。

3 港口电动集装箱牵引车技术改造预期

效益

电动集装箱牵引车的应用能够使港口设备运营成本大幅下降（见表1），并且使港口年均二氧化碳排放量减少60 t。如果将传统燃油集装箱牵引车全部更换为电动集装箱牵引车，或者进一步将电动技术应用于场桥、岸桥等其他港口设备领域，无疑将加快实现绿色低碳港口建设目标，产生显著经济和社会效益。

4 结束语

港口集装箱牵引车具有运输距离短、运行区间固定、低速重载、连续工作等特点。研发高性能电动集装箱牵引车能够有力推动传统汽车产业升级，带动行业技术进步，产生显著经济、社会和环境效益。相信在国家新能源政策的支持下，港口行业一定能充分利用上下游关键技术，打造出集装箱牵引车电动技术改造品牌，促进我国港口电动集装箱牵引车技术实现良性循环和可持续发展。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2021-04-15）