自动化集装箱码头AGV分布式浅充浅放循环充电系统

2020-12-30唐立辉张常江孙秀良

港口装卸 2020年6期

朱林王伟唐立辉张常江孙秀良

青岛港新前湾集装箱码头有限责任公司

1 引言

自动化集装箱码头始于90年代初，AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引运输车)是自动化集装箱码头的关键组成，承担水平运输任务。AGV发展过程中经历了由内燃机到全电动的转变，当今欧美最先进的自动化码头，如荷兰鹿特丹的RWG、APMT MV2、美国长滩的LBCT，均采用铅酸电池换电式AGV；国内商业运行的上海洋山四期自动化码头，采用锂电池换电式AGV。

换电式AGV虽摆脱了早期柴油动力诸多问题，但也存在如下弊端：①换电过程影响码头作业连续性，加大码头生产组织难度，降低码头作业效率；②换电式AGV需建设换电站并搭配备用电池，单个换电站建设成本约1亿元人民币；③AGV自重大，能源利用效率低；④电池采用满充满放利用模式，导致其使用寿命缩短，更换周期短；⑤换电站风险集中，一旦电池换电站出现故障，可能导致整个码头停产；⑥存在铅污染、氢气析出风险(铅酸电池)。

为克服上述弊端，提出了全新的AGV分布式浅充浅放循环充电理念，AGV会在生产过程中完成电能补充，实现AGV无限续航。

2 分布式浅充浅放循环充电系统

该系统设计首要解决传统换电式AGV换电过程占用生产时间的弊端，降低换电环节对生产的干扰。充分利用锂电池浅充浅放特性应用和循环充电模式创新，将传统换电式AGV运行成本高、电池寿命短、风险集中等诸多问题逐一化解，生产与充电并行，达到提高码头作业效率，降低码头投资成本的目的。

2.1 AGV工况分析

传统自动化码头AGV运行区分为桥吊作业区(QCTP)、缓冲区(PB)、高速车道、海侧交互区(WSTP)，AGV在QCTP与WSTP分别完成同桥吊和轨道吊的交互(见图1)。

图1 自动化集装箱码头AGV运行区

青岛港自动化码头创新AGV交互流程，采用新型Lift-AGV。L-AGV装有举升平台(见图2)，AGV行驶至WSTP陆侧的WSRACK区域，利用安设的固定支架完成同轨道吊的交互，全程仅需60 s(见表1)[1]。

图2 L-AGV交互流程

表1 L-AGV交互时间/s

2.2 充电区域及方式选择

根据循环充电理念要求，AGV在作业中完成电能补充，充电与生产流程相结合。AGV循环充电区域要求设置在AGV经停频率高、不影响AGV正常运行的位置。根据AGV运行区功能划分，结合AGV工况特点，提供如下2个待选区域：

(1)缓冲区(PB)。PB连接QCTP与高速车道，AGV作业时由此经过，PB也是AGV待机停放区，因此安装在PB的充电设备可为AGV提供大量充电机会。但PB位于自动化场地中央，安装充电装置需埋设大量线缆横穿高速车道，PB车道数量多，充电设备需求量庞大，建设费用高，不符合循环充电系统降低建设成本初衷。

(2)海侧支架交互区(WSRACK)。在WSRACK安装充电装置，可充分发挥青岛港自动化码头L-AGV运行特点，可在同支架交互的顶升-行走-下降共60 s中完成充电。相比于PB，WSRACK充电可减少充电装置安装数量，大大降低施工难度。

在AGV充电方式选择方面，现阶段可供选择的充电方式较多，现提出如下3种方案供论证分析：

(1)定点充电装置。AGV进入交互区支架，停车到位后，岸电插座自动连接AGV进行充电。定点充电装置需耗费额外时间充电，会对生产组织产生干扰，与设计理念不符。

(2)无线充电系统。无线充电是目前世界上较前沿的充电方式之一，利用电-磁-电之间的相互转换，无需进行物理连接，即可完成充电。无线充电系统具有不受恶劣气候条件干扰，对AGV定位偏差、落箱振动等工况适应性强，无物理接触易维护等优点。但无线充电系统造价昂贵，充电功率小，无法在有限时间内将充电量最大化；无线充电涉及到电-磁-电之间的多重转换，能源转换效率低。此外，无线充电产生的大量磁场会对AGV电气及导航系统带来严重干扰，不宜采用。

(3)滑触线充电系统。滑触线充电系统在RTG已得到大量应用，拥有较成熟的使用经验。滑触线系统可以在AGV移动中完成电能输送，符合循环充电系统设计要求。但AGV作业工况与RTG有较大区别，AGV每日对滑触线产生数百次拔插，因此在AGV上应用滑触线供电系统，需有针对性地对其进行设计改进。

2.3 基于滑触线技术的AGV供电系统

AGV滑触线作业工况有如下特点：

(1)AGV进出滑触线频率高。根据测算，AGV年进出滑触线次数约6万次，远高于RTG的300次。

(2)AGV滑触线充电系统作业工况差。AGV在进入滑触线的过程中，需考虑导航误差带来的±20 mm的定位偏差，以及轮胎不均匀磨损、轨道吊落箱冲击、爆胎引起的250 mm的纵向位移。

(3)AGV滑触线电流大。AGV进入支架区域交互的时间内，将产生较大的电流(400 A)，以尽量多地补充电量。

基于上述AGV特殊工况要求，全新AGV滑触线充电系统需要具备更强的工况适应性、全天候耐受性、更高的载流量。

2.4 基于四连杆结构的车载集电器

青岛港AGV采用了可伸缩集电小车设计，小车的四连杆机构和上下调整装置，可充分适应AGV轮胎磨损、气压不足、轮胎爆胎等工况，保证伸出和收回的平顺[2](见图3)。

1.滑轴 2.滑套 3.四连杆伸缩机构 4.膜片板簧

为验证不同工况下运行情况，青岛港自动化码头搭建了全新滑触线-集电器测试平台，通过平台模拟AGV存在的工况，进行不间断测试，对滑触线和集电器进行优化，使集电器滑触线更加匹配AGV生产作业[3]。

3 循环充电模式

3.1 设计目标

AGV在作业过程中完成电能补充，实现不间断循环运行，需达到如下设计目标：

(1)循环充电量>循环耗电量。通过分析AGV作业流程，测算循环耗电量，充分发挥电池性能，提高电池充电量，使AGV电量始终维持在合理区间。

(2)降低电池组容量。AGV采用循环充电新模式，在满足电池充放倍率、峰值功率、循环功率的前提下，无需配备大容量电池，便可大幅度降低电池和车辆自重，实现浅充浅放循环充电。

(3)降低单机能耗。优化作业流程和单机结构，降低单机循环能耗，减小AGV因连续重载导致缺电概率，提高码头作业效率。

3.2 循环能耗测算

青岛港2013年进出口集装箱箱重、箱型数据见表2、表3。

表2 箱重分布

表3 箱型分布

根据上述箱重、箱型信息，推算AGV实际载荷见表4。

表4 平均载荷

根据自动化化码头的总平面布局及AGV的作业流程，建立AGV作业模型，见图4、表5。

图4 AGV循环路径模型

表5 AGV循环路径模型参数

综合考虑地面坡度、风阻系数、轮胎与地面的摩擦阻力、AGV的传动效率以及负载等情况，循环能耗计算结果见表6。

表6 AGV循环能耗测算

由测算数据可知，循环充电量高于3.82 kWh的循环耗电量，即可满足AGV设计目标要求。青岛港AGV分布式浅充浅放循环充电系统在60 s时间内，可实现4.25 kWh电能补充(见表7)。码头投产后，实测AGV循环充电量、耗电量及循环充电电量走势见图5。

图5 AGV307于2017年5月10日实船作业数据

表7 AGV循环充、耗电量实测数据

实测数据符合模型测算预期，满足循环充电量>循环耗电量要求，AGV电量在生产运行中达到动态平衡，可实现无限续航[3]。

4 锂电池充放电特性的使用

随着现代电池技术发展，锂离子电池逐步取代了早期的镍铬、镍氢等电池，成为电池发展的主流。锂离子电池相比于镍镉电池，无记忆效应。镍镉电池须深充深放以延长电池寿命，而锂电池恰恰相反，深充深放不仅不会延长电池使用寿命，反而会加剧电池容量的衰减。

换电式AGV为获得最大化车辆续航里程，采用更大的电池容量、更深的电池充放策略。换电式AGV深充深放的电池利用模式与锂电池特性相悖，不利于电池寿命延长。AGV分布式浅充浅放循环充电系统基于锂电池特性，将电池浅充浅放加以利用，化解了换电式AGV电池应用模式的弊端，极大地提高了电池寿命，延长了电池使用时间[4]。

5 AGV动力电池系统

5.1 电池匹配

新模式下AGV工况同传统换电式AGV有较大区别，所需电池动力系统也有不同的要求。浅充浅放循环充电AGV电池系统要求电池具有重量低、体积小、可靠性强、工况适应性好、免维护等特点。几种常见电池特性对比见表8。

表8 电池特性对比

由表8可见，钛酸锂电池拥有极高的循环性能、较高的充电倍率和优秀的低温特性。高循环寿命可以延长电池更换周期；高充电倍率有助于加快电池充电速率，减小电池所需容量；好的低温特性可适应青岛北方气候特点。钛酸锂电池满足AGV分布式循环充电系统设计目标要求。

利用钛酸锂电池的优异特性，设计成组的AGV新型动力电池系统，容量140 AH、电池自重1.5 t，可实现电池模组最大充、放电电流10 C(10 s)，持续充、放电电流5 C，-20～40 ℃环境下正常使用，具有极高的循环寿命，预计电池使用寿命可达10年[5]。

5.2 电池温控系统

对于锂电池来说，高温将加剧电池内部次生反应，加快电池寿命衰减，低温将较大程度上影响电池性能。因此，将电池温度控制在25 ℃最佳使用温度，可发挥电池最佳性能同时延长其使用寿命。

6 循环充电管理系统

AGV循环充电管理由码头操作系统(TOS)和设备控制系统(ECS)共同完成。在系统中，AGV的电量划分成3个等级，即绿色、橙色和红色。绿色代表电池电量处于最佳状态，系统不派发AGV充电的指令，由AGV自行完成循环充电；橙色代表电池电量进入预警状态，在做完当前任务后，系统会单独派发AGV充电的指令；红色代表电池电量进入危险状态，系统会立即派发AGV充电的指令。循环充电管理系统的核心在于对AGV橙色区域的管理，要充分考虑码头作业的繁忙程度和AGV的电量信息，做到统筹兼顾。