超级电容技术在港口机械中的应用与研究

杜光东

青岛恒华机房设备工程有限公司山东青岛266071

摘要：超级电容器是一种介于传统电容器和蓄电池之间的一种储能装置。因其所具有的充电速度快、比功率高、循环次数多等优势，已获得国内外学者的广泛重视。现如今，超级电容器已在电车电源、电子类电源等领域获得广泛应用，并作为不间断电源在电网断电和电压跌落的瞬间发挥巨大作用，并能实现真正的零维护。本文中，主要介绍超级电容器在港口机械中的应用。

关键词：超级电容；混合动力系统；港口机械

1超级电容器概述

超级电容器作为储能元件能满足人类可持续发展的要求，它的主要优势在于具有高比电容、长循环寿命，以及低加工成本，被广泛应用于多个领域，如汽车工业、航空航天、国防科技、信息技术、电子工业等。由此可见，超级电容器作为一种储能装置发展潜力巨大。

超级电容器的充放电过程属于可逆的物理过程，充电仅需数分钟甚至数秒钟就可达到额定容量的90%以上。因其充电的快速性，广大科研学者正在努力研究将超级电容器应用到手机上，真正实现可移动设备的高速快充。传输线型、频域型等模型都因形式过于复杂而不适用于实际仿真。

为了保证超级电容器工作在稳定状态下，一般应工作在规定电压范围内［Umin，Umax］。荷电状态SOC能准确反映储能装置的储能电量，可定义为：

SOC=（U-Umin）/（Umax-Umin）

由于超级电容器单体电压较低，实际应用中一般采取串并联的形式来增加端电压和总体容量。对于常用的充电均压方式，如开关电阻法、稳压管法、DC/DC变换器法等方法在此不再赘述。本文主要介绍一种利用超级电容器本身损耗低、动态响应快、功率密度低的优势，将各单体电容相互作为均衡元件的均压方式。等效的均衡电路如图1所示。

图1超级电容器并联切换均压

此均衡电路的开关器件S1、S2的通断分别由两组同频率、反相位的门信号交替控制，当S1系开关导通时，此时C1、C2并联，C3、C4并联，C5、C6并联，分别进行能量的转移，直到U1=U2、U3=U4、U5=U6。当S2系开关导通时，C2、C3并联，C4、C5并联，进行能量的转移，直到U2=U3、U4=U5，通过反复交替导通直到U1=U2=U3=U4=U5=U6，达到电压均衡的目的。为了消除开关器件通断瞬间出现短路现象，可设置一定的死区时间。电路各元件参数如下：电源为100A、R=12Ω、f=5kHz、C1=100F（3.0V）、C2=120F（0V）、C3=110F（2.0V）、C4=100F（1.0V）、C5=100F（1.5V）、C6=80F（3.0V）。选取PSIM仿真软件进行仿真，具体电路如图2所示。

图2均衡电路仿真图

图3均衡条件下的各单体电容电压

均衡条件下的各单体电容电压如图3所示。由图3可以看出，此均衡电路仅需0.016s左右就可对各单体容量不同、初始电压不同的超级电容器组实现均压，且原理简单，期间没有附加能量损耗和额外的均衡元件，便可快速达到理想的均衡效果。

2超级电容技术在轮胎式集装箱门式起重机（RTG）上的应用实验

2.1应用实验

理论上，在RTG中可以配置小功率发动机，在具体应用中必须根据RTG的运行特性来计算最小安全值。在安全条件下，发动机和超级电容器在现场桥动力系统中所提供的功率必须大于大轿厢运行机构所需的能量以及轿厢的运行机构和起升机构。在不同的工作条件下，吊具所产生的下降能量不同，并且提供给超级电容器的电荷量也不同。

在实际工作过程中，超级电容器不能储存所有下降的势能，并且每次释放能量时不能释放100%。为了提高能量的存储和释放效率，需要改进电力系统部件的配置。为了确定最小安全值，采用一系列混合动力系统进行了初步试验。该系统主要包括RTG、发动机、发电机、电动机/发电机、超级电容器等主要设备。主要测试RTG在不同工况下的工作情况，在图4和图5所示的4个工作条件下确定所需的电容能量最小值和发动机的燃料消耗量（见表1）。

表1发动机燃料消耗主要测试4种工况，每种工况动作过程如图4和图5。

图4工况1和工况2的动作过程

工况1：如图4，加载-A-B-C-D-卸载-C-B-A。

工况2：如图4，加载-D-C-B-A-卸载-B-C-D。

图5工况3和工况4的工作过程

工况3：如图5，加载-A-B-C-D-等待10s-C-B-A。

工况4：如图5，加载-A-B-C-D-等待10s-C-B-A。

2.2结果分析

RTG接入超级电容后的实验取得了可喜的成果：

（1）当超级电容器并入电气系统中时，当超级电容器并入电气系统时，它可以充当储液器的零。据统计，与传统电力系统相比，混合动力系统节省了约50%的能量，实现了节能RTG。

（2）发动机的能耗和燃料消耗都大大减少，过去的RTG起动瞬时排气管的黑烟消失了，降低了噪声，实现了绿色RTG（环境型RTG）。

（3）RTG不能将能量回馈给电网。由于电容器能够快速释放大电流并将超级电容器并入RTG电气系统中，这将减轻对柴油机的冲击和对电网的干扰。

结语：理论上，由于RTG的每个工作循环中都存在势能反馈，从这点上看，超级电容器技术在RTG上的应用比在汽车中应用节能更为明显。超级电容器技术在港口机械中的应用是目前研究的热点，因为超级电容器不仅可以应用于固定端口机械，而且可以减少重载对内燃机和整个电网的影响。同理，该技术也可大力推广于其他工程机械中。

参考文献：

[1]曹俊华尹忠东甄晓亚.电动汽车中超级电容技术的应用[J].电气时代，2011（08）