具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

针对目前轨道吊充电不合理，影响轨道吊工作效率的问题，本发明提出了一种轨道吊电量管理方法及系统，合理利用时间充电，以提高轨道吊的工作效率。下面结合附图通过具体实施例对轨道吊电量管理方法及系统进行详细说明。

轨道吊上设置有主储能装置和辅储能装置，用于为轨道吊供电。主储能装置可以选择锂电池，当锂电池剩余电量不足时，需要充电；辅储能装置可以选择氢燃料电池，当氢燃料电池的剩余电量/燃料不足时，需要补充燃料。轨道吊的供电为混合动力供电。

本实施例的轨道吊电量管理系统，主要包括主控模块、主储能装置电量管理模块、辅储能装置电量管理模块、运行电量管理模块、余量检测模块、健康检测模块、功耗检测统计模块等，参见图1所示。

主储能装置电量管理模块，用于控制主储能装置的充放电。

辅储能装置电量管理模块，用于控制辅储能装置的放电。

运行电量管理模块，用于控制轨道吊的运行速度。

余量检测模块，用于检测主储能装置、辅储能装置的剩余电量，并传输至主控模块，经主控模块传输至码头生产系统。

健康检测模块，用于检测主储能装置、辅储能装置的健康程度，并传输至主控模块，经主控模块传输至码头生产系统，以便于监控人员可以及时获知主储能装置、辅储能装置的健康状态。反映主储能装置、辅储能装置健康程度的参数包括充电效率、放电效率、最大电量容量等，通过检测这些参数可以判定主储能装置、辅储能装置健康程度。

功耗检测统计模块，用于在轨道吊运行期间，检测轨道吊的各个用电机构及整体的功耗，并保存至数据库，便于后续查看。

主控模块，用于控制主储能装置电量管理模块、辅储能装置电量管理模块、运行电量管理模块、余量检测模块、健康检测模块、功耗检测统计模块以及整个轨道吊的运行，用于执行本实施例的轨道吊电量管理方法。主控模块负责与码头生产系统交互，同时根据不同时间段与作业量制定电池充放电策略。

本实施例的轨道吊电量管理方法，主要包括下述步骤，参见图2所示。

步骤S11：接收指令。

主控模块与码头生产系统交互，接收码头生产系统发出的指令，取得未来一段时间的作业指令以及作业量，进行制定充放电计划。

步骤S12：根据接收到的指令确定轨道吊的充电工作模式，充电工作模式包括卸船工作模式、装船工作模式、待时工作模式。

主控模块根据接收到的码头生产系统发送的指令类型，确定轨道吊的充电工作模式。

当主控模块接收到一条卸船指令时，则设定未来一定时段一直进行卸船工作，主控模块及轨道吊进入卸船工作模式。

当主控模块接收到一条装船指令时，则设定未来一定时段一直进行装船工作，主控模块及轨道吊进入卸船工作模式。

当主控模块在一定时间内（如20分钟内）未接收到生产系统发送的指令，则主控模块及轨道吊进入待时工作模式。待时工作模式是指准备工作都已做好，随时可接收作业指令。

步骤S13：在卸船工作模式下，轨道吊执行卸船指令，在完成卸船指令后，如果在第一设定时间内（如10分钟内）没有接收到后继指令，且轨道吊的主储能装置的剩余电量＜第一设定电量（如第一设定电量为Qmax*50%，Qmax为主储能装置充满电时的电量），则主控模块向轨道吊发送返回充电位充电的指令，控制轨道吊返回充电位充电，等待下一条指令。

因此，当轨道吊完成卸船指令后，如果第一设定时间内没有接收到其他指令，说明此时为空闲时刻，在主储能装置的剩余电量＜第一设定电量时，轨道吊返回充电位充电，及时补充电量；在主储能装置的剩余电量≥第一设定电量时，轨道吊原地等待，不进行充电，以便于及时响应，避免影响作业。

步骤S14：在装船工作模式下，轨道吊执行装船指令，在完成装船指令后，则主控模块向轨道吊发送返回充电位充电的指令，控制轨道吊返回充电位充电，等待下一条指令，即在充电过程中等待下一条指令。

步骤S15：在待时工作模式下，如果轨道吊的主储能装置的剩余电量≥第二设定电量（如第二设定电量为Qmax*50%），说明主储能装置的剩余电量较多，足够完成下一个作业指令，则轨道吊原地等待，以便于及时响应，避免影响作业；如果轨道吊的主储能装置的剩余电量＜第二设定电量，说明主储能装置的剩余电量较少，则主控模块向轨道吊发送回充电位充电的指令，控制轨道吊返回充电位充电，及时补充电量，等待下一条指令。

其中，第一设定电量与第二设定电量，可以相等，也可以不相等。

本实施例的轨道吊电量管理方法，根据接收到的指令确定轨道吊的充电工作模式；在卸船工作模式下，轨道吊执行卸船指令，在完成卸船指令后，如果在第一设定时间内没有接收到后继指令，且轨道吊的主储能装置的剩余电量＜第一设定电量，则轨道吊返回充电位充电；在装船工作模式下，轨道吊执行装船指令，在完成装船指令后，轨道吊返回充电位充电；在待时工作模式下，如果轨道吊的主储能装置的剩余电量≥第二设定电量，则轨道吊原地等待；如果轨道吊的主储能装置的剩余电量＜第二设定电量，则轨道吊返回充电位充电；既能合理利用时间为主储能装置充电，又可以及时响应作业指令，避免因主储能装置电量不足造成轨道吊无法正常作业，提高轨道吊的工作效率，提高了码头的装卸效率。

在轨道吊作业期间，如在卸船工作模式下、装船工作模式下，主控模块根据主储能装置的剩余电量确定轨道吊的放电工作模式，放电工作模式包括性能模式、经济模式、低电量模式；具体来说，在卸船工作模式、装船工作模式等轨道吊作业期间，执行下述步骤，参见图3所示。

步骤S21：检测主储能装置的剩余电量。

步骤S22：根据主储能装置的剩余电量确定轨道吊的放电工作模式。

在主储能装置的剩余电量≥第三设定电量时，说明主储能装置的剩余电量比较充足，启动性能模式，执行S23：在性能模式下，控制轨道吊按顺序以k1*Vmax的运行速度执行每一条作业指令。因此，主储能装置的剩余电量比较充足时，轨道吊的运行速度比较大，以提高作业效率。

在主储能装置的剩余电量＜第三设定电量且≥第四设定电量时，说明主储能装置的剩余电量比较少，启动经济模式，执行S24：在经济模式下，轨道吊以k2*Vmax的运行速度完成作业指令。因此，主储能装置的剩余电量比较少时，轨道吊的运行速度比较小，以保证完成指令。

为了进一步节省电量，在经济模式下，轨道吊将第二设定时间内（如30分钟内）接收到的所有作业指令按照运行路径最优、能耗最低原则重新排序执行，从而达用电量最少的目的。

在主储能装置的剩余电量＜第四设定电量时，说明主储能装置的剩余电量非常少，启动低电量模式，执行S25：在低电量模式下，轨道吊不再接收新的作业指令，轨道吊以k3*Vmax的运行速度完成当前未完成的作业指令后，退出作业，进入充电位充电。因此，主储能装置的剩余电量非常少时，轨道吊的运行速度非常小，完成当前这一条未完成的指令后，就退出作业，以保证顺利返回充电位充电。

其中，Vmax为轨道吊的最大运行速度，1≥k1＞k2＞k3＞0。

因此，根据主储能装置的剩余电量确定轨道吊的运行速度，既保证轨道吊的正常运行，又减少耗电量。

在本实施例中，第三设定电量＞第四设定电量，如第三设定电量=Qmax*60%，第四设定电量=Qmax*20%，k1=1，k2=70%，k3=40%。具体来说：

（11）在主储能装置的剩余电量≥Qmax*60%时，主控模块启动性能模式，在性能模式下，主控模块发送控制指令至运行电量管理模块，运行电量管理模块控制轨道吊按顺序以最大运行速度Vmax执行每一条作业指令。

（12）在主储能装置的剩余电量＜Qmax*60%且≥Qmax*20%时，主控模块启动经济模式，在经济模式下，主控模块发送控制指令至运行电量管理模块，运行电量管理模块向轨道吊发送参数切换运行控制，控制轨道吊以70%*Vmax的运行速度完成作业指令。

（13）在主储能装置的剩余电量＜Qmax*20%时，主控模块启动低电量模式，在低电量模式下，轨道吊不再接收新的作业指令，主控模块发送控制指令至运行电量管理模块，运行电量管理模块向轨道吊发送参数切换运行控制，控制轨道吊以40%*Vmax的运行速度完成当前未完成的作业指令后，退出作业，进入充电位充电。

主储能装置电量管理模块，用于控制主储能装置的充放电，也可以检测主储能装置的剩余电量，控制主储能装置的充电电流和输出功率。主储能装置电量管理模块，依照主控模块选择的充放电模式，结合当前用电时间的峰谷时段和当前主储能装置的剩余电流，按照特定的充、放电策略对主储能装置的充、放电进行管理。

在本实施例中，为了进一步减少耗电量，本实施例的轨道吊电量管理方法还包括下述放电策略：

（21）在性能模式下，主储能装置的剩余电量比较充足，轨道吊的运行速度比较大，主储能装置的输出功率不超过b1*Pmax，以尽量保证轨道吊的供电。

（22）在经济模式下，主储能装置的剩余电量比较少，轨道吊的运行速度比较小，主储能装置的输出功率不超过b2*Pmax，以尽量保证轨道吊的供电

（23）在低电量模式下，主储能装置的剩余电量非常少，轨道吊的运行速度非常小，主储能装置的输出功率不超过b3*Pmax，以尽量保证轨道吊的供电

其中，Pmax为主储能装置的最大输出功率，1≥b1＞b2＞b3＞0。

在本实施例中，b1=1，b2=70%，b3=40%。具体来说：

（31）在性能模式下，主储能装置的剩余电量比较充足，轨道吊的运行速度比较大，主储能装置的输出功率不超过最大输出功率Pmax，以尽量保证轨道吊的供电。

（32）在经济模式下，主储能装置的剩余电量比较少，轨道吊的运行速度比较小，主储能装置的输出功率不超过70%*Pmax，以尽量保证轨道吊的供电

（33）在低电量模式下，主储能装置的剩余电量非常少，轨道吊的运行速度非常小，主储能装置的输出功率不超过40%*Pmax，以尽量保证轨道吊的供电。

为了保证轨道吊的顺利运行，当主储能装置发生故障，剩余电量不足，作业量大的情况下，启动辅储能装置，辅储能装置电量管理模块控制辅储能装置的放电。放电工作模式不同，辅储能装置的启动条件不同。

一、在性能模式下，辅储能装置的启动条件为：

在性能模式下，检测主储能装置的剩余电量、辅储能装置的剩余电量、轨道吊的未执行指令数量。

（41）当检测到主储能装置的剩余电量＜第三设定电量，且轨道吊还有多条指令未执行，且轨道吊的辅储能装置的剩余电量＞设定辅助阈值时，则启动辅储能装置为主储能装置充电，使得主储能装置的剩余电量达到第三设定电量。

轨道吊还有多条指令未执行，说明轨道吊在堆场内频繁装卸，无法及时到充电位补充电能。当辅储能装置为氢燃料电池时，辅储能装置的剩余电量与氢燃料的剩余量对应。当辅储能装置的剩余电量＞设定辅助阈值时，说明辅储能装置的剩余电量（或氢燃料的剩余量）较多，可以用于给主储能装置充电。

因此，在主储能装置的剩余电量＜第三设定电量，且轨道吊还有多条指令未执行时，且辅储能装置的剩余电量＞设定辅助阈值，启动辅储能装置为主储能装置充电，以使得主储能装置的剩余电量保持在性能模式，使得轨道吊全速高效装卸作业，保证轨道吊的作业效率。

（42）当检测到主储能装置的剩余电量＜第三设定电量，且轨道吊还有多条指令未执行，且轨道吊的辅储能装置的剩余电量≤设定辅助阈值时，关闭辅储能装置；若主储能装置的剩余电量≥第四设定电量，则启动经济模式，若主储能装置的剩余电量＜第四设定电量，则启动低电量模式。

当辅储能装置的剩余电量≤设定辅助阈值时，说明辅储能装置的剩余电量（或氢燃料的剩余量）较少，不能继续辅助主储能装置维持在性能模式，这是为了保证在主储能装置出现其他异常情况下，辅储能装置可以给轨道吊供电以退出装卸生产。

因此，在主储能装置的剩余电量＜第三设定电量，且轨道吊还有多条指令未执行，且轨道吊的辅储能装置的剩余电量≤设定辅助阈值时，根据主储能装置的剩余电量进入经济模式或低电量模式。若主储能装置的剩余电量≥第四设定电量，则启动经济模式，若主储能装置的剩余电量＜第四设定电量，则启动低电量模式。

在本实施例中，第三设定电量=Qmax*60%，第四设定电量=Qmax*20%，设定辅助阈值=辅储能装置满电量的20%。

当主储能装置的充电装置/充电位发生故障无法充电时，也执行步骤（41）～（42），以使轨道吊完成装卸作业生产。

二、在低电量模式下，轨道吊不再接收新的作业指令，轨道吊以k3*Vmax的输出功率完成当前未完成的这一条作业指令后，启动辅储能装置为主储能装置充电，轨道吊退出作业，进入充电位充电。辅储能装置的启动是为了保证轨道吊能尽快退出生产进行电能补充，避免影响码头内其他设备的运行。

当主储能装置发生故障，辅储能装置提供整个轨道吊的控制及动力电源，保证轨道吊短时运行能力，以便进入维修区，退出生产区域。

按照不同时段的电价，以“削峰填谷”原则结合堆场作业量适应性调整，保证电量与作业生产的优先级。本实施例的轨道吊电量管理方法，还包括下述充电策略：

轨道吊在充电位充电期间，判断用电时段是电谷时段还是电峰时段。在电谷时段，电价较低；在电峰时段，电价较高。

（51）如果在电谷时段，则在主储能装置的剩余电量＜第一设定充电阈值（如第一设定充电阈值为Qmax*80%）时，以设定大电流对主储能装置进行大电流充电；在主储能装置的电量≥第一设定充电阈值时，以设定小电流对主储能装置进行涓流充电。因此，在电谷时段需要尽快充电，以降低用电成本。

（52）如果在电峰时段，则在主储能装置的剩余电量＜第二设定充电阈值（如第二设定充电阈值为Qmax*50%）时，以设定小电流对主储能装置进行涓流充电；在主储能装置的剩余电量≥第二设定充电阈值（50%）时，停止对主储能装置充电。因此，在电峰时段，在保证轨道吊供电的前提下，尽量少充电，避免增加用电成本。

通过设计（51）～（52）的充电策略，在电谷时段要尽快充电，在电峰时段要尽量少充电，在满足轨道吊用电需求的前提下，降低用电成本。该充电策略最大限度利用谷时低价电量，减少峰时充电电量，并有效延长锂电池寿命。

在本实施例中，第一设定充电阈值＞第二设定充电阈值，如第一设定充电阈值=Qmax*80%，第二设定充电阈值=Qmax*50%。具体来说：

在电谷时段，主储能装置的剩余电量＜Qmax*80%时，大电流充电；剩余电量≥Qmax*80%时，涓流充电。

在电峰时段，主储能装置的剩余电量＜Qmax*50%时，小电流涓流充电；剩余电量≥Qmax*50%时，不充电。

充电位一般设置在自动化码头的堆场内及海陆侧不影响作业的位置，便于轨道吊停靠充电。当然，也可以在交互区设置充电装置，当轨道吊在交互区作业时，充电装置对主储能装置进行充电，实现伴随式充电。所述伴随式充电，通过在交互区安装充电装置，轨道吊在交互区作业的同时，通过充电装置给主储能装置的方式实现。因此，本实施例的充电策略还包括下述步骤：

（61）如果在电谷时段，充电装置以设定大电流对主储能装置进行充电。

（62）如果在电峰时段，充电装置对主储能装置充电的充电电流与主储能装置的剩余电量成反比，剩余电量越大，充电电流越小。

通过在交互区设置充电装置，当轨道吊在交互区作业时，充电装置对主储能装置进行充电，在电谷时段要尽快充电，在电峰时段充电电流与剩余电量成反比，尽量少充电，在满足轨道吊用电需求的前提下，降低用电成本。

本实施例的充电策略结合放电策略，可以在兼顾生产效率的同时，最大限度的利用谷时低电价电能，减少峰时高电价电能的使用量。

在轨道吊运行期间，功耗检测统计模块监测轨道吊在不同箱重、尺寸、时间段、运行路程、运行模式、运行工况下的各个机构和轨道吊整体的功耗情况，同时整合整个自动化码头堆场的各个轨道吊，建立数据库进行分类统计，从而便于进行大数据分析，来进一步的精准优化具体各台轨道吊的具体电量管理计划，并且能够结合码头生产系统的作业效率精准调控各台轨道吊的工作效率，实现经济运行。

本实施例的轨道吊电量管理系统及方法，有效优化轨道吊动力系统，降低了设备能源成本，实现节能减排，并能够依照码头作业工况、自身电量以及不同时间段的电价，智能化制定充放电策略，控制轨道吊正常运行作业，有着经济性高和环保绿色的优势；而且，依照数据库内的统计数据进行分析，能够进一步的优化电量管理系统，以达到提高轨道吊性能以及降低能耗的效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。