自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)及充電方案

唐立輝,張連鋼

(青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司，山東 青島 266000)

在第四代集裝箱港口快速發(fā)展建設(shè)中，我國(guó)已先后建成廈門遠(yuǎn)海、青島新前灣、上海洋山四期共3座自動(dòng)化集裝箱碼頭，其水平運(yùn)輸系統(tǒng)均采用自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(簡(jiǎn)稱AGV)[1-3]。

參考國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化碼頭，集裝箱AGV動(dòng)力以柴油內(nèi)燃發(fā)電機(jī)、鉛酸電池、鋰電池[4-5]為主要形式，深入分析不同動(dòng)力形式在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能上存在的差異，得出當(dāng)前的動(dòng)力方案[6-7]，包括換電池充電、機(jī)會(huì)充電、淺充淺放式循環(huán)充電方案[8]。在目前的實(shí)踐應(yīng)用中，最優(yōu)的動(dòng)力方案尚未達(dá)成一致觀點(diǎn)，還處于探索階段。結(jié)合幾個(gè)新一代自動(dòng)化碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)的整體規(guī)劃[9-10]，通過(guò)深入研究對(duì)比分析其運(yùn)行效果、經(jīng)濟(jì)效益、安全性能及環(huán)境友好情況，為新的自動(dòng)化碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備選型提供參考依據(jù)。

1 水平運(yùn)輸設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)方案

自動(dòng)化集裝箱碼頭從1993年發(fā)展至今，AGV的動(dòng)力形式主要有柴油內(nèi)燃機(jī)、鉛酸電池組和鋰電池組3種類型。

1.1 柴油內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力與電池動(dòng)力

早期的AGV采用柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在鹿特丹Euromax碼頭有所應(yīng)用。柴油發(fā)電機(jī)通過(guò)燃燒柴油為AGV提供動(dòng)力電源，系統(tǒng)平均傳動(dòng)效率低于26%，機(jī)組能耗高、空耗大、污染嚴(yán)重，目前已面臨淘汰。

電池動(dòng)力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均傳動(dòng)效率達(dá)56%，系統(tǒng)安全性遠(yuǎn)大于燃油，具有噪音小、零排放、維護(hù)方便、綠色可持續(xù)等特點(diǎn)，是當(dāng)前新建自動(dòng)化碼頭的首選方案。

1.2 鉛酸電池組與鋰電池組

1)從AGV電池組的循環(huán)性能、能量密度、充電倍率、低溫特性、安全性對(duì)比分析鉛酸電池與幾種鋰電池的實(shí)用性能，見(jiàn)表1。

表1 各種電池比較

從表1可知，鉛酸電池在實(shí)際應(yīng)用性能上不及鋰電池。鉛酸電池在能量密度上不及鋰電池，使用鉛酸電池的AGV電池組質(zhì)量可達(dá)13 t，AGV車胎對(duì)地輪壓較大，間接增加了碼頭土建費(fèi)用；鉛酸電池充放電倍率較低，電池充電時(shí)間長(zhǎng)，只能通過(guò)建設(shè)換電站來(lái)減少充電環(huán)節(jié)對(duì)生產(chǎn)造成的影響，不利于提高碼頭的生產(chǎn)效率；鉛酸電池安全性差，存在重金屬污染與氫氣析出爆炸風(fēng)險(xiǎn)，不利于企業(yè)安全管理。鋰電池充電倍率大、循環(huán)壽命高、安全性能高，長(zhǎng)期投資性能優(yōu)異。

2)進(jìn)一步分析比較3種已在我國(guó)港口實(shí)際應(yīng)用的鋰電池組的性能特點(diǎn)。磷酸鐵鋰電池較三元鋰電池充放電倍率大，利于減輕AGV自質(zhì)量，無(wú)須建設(shè)換電站，降低初期建設(shè)投資，但其低溫特性較差，不利于北方港口應(yīng)用；三元鋰電池能量密度大，但充電倍率低，低溫特性一般，須建設(shè)換電站，不利于港口經(jīng)濟(jì)建設(shè)；鈦酸鋰電池循環(huán)充電性能最優(yōu)，能量密度相比一般，但充電倍率大，通過(guò)提高充電頻率可大大減少電池的使用數(shù)量，降低AGV自質(zhì)量，降低初期投資，其快速充電特性可大大提高AGV作業(yè)效率，其良好的安全性和低溫特性，使其應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用地理范圍較磷酸鐵鋰、三元鋰電池都有較大優(yōu)勢(shì)。

2 水平運(yùn)輸設(shè)備的充電系統(tǒng)方案

2.1 自動(dòng)化碼頭電池動(dòng)力AGV電能補(bǔ)充有換電池式、機(jī)會(huì)充電式及循環(huán)充電式3種方案。

荷蘭鹿特丹RWG碼頭及MVII碼頭均采用鉛酸蓄電池動(dòng)力方案，采用換電池式；上海洋山四期自動(dòng)化碼頭采用三元鋰電池動(dòng)力方案，采用換電池式；廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭采用磷酸鐵鋰電池，采用機(jī)會(huì)充電方式；青島自動(dòng)化碼頭采用鈦酸鋰電池動(dòng)力方案，采用循環(huán)充電方式。

1)換電池式方案。AGV使用能量密度大、充電倍率低的電池時(shí)，需在自動(dòng)化碼頭AGV運(yùn)行區(qū)內(nèi)選址建設(shè)1座用于充電和換電池的換電站，見(jiàn)圖1。

圖1 換電站方案

2)機(jī)會(huì)充電方案。當(dāng)AGV采用充電倍率較高、能量密度較大種類鋰電池時(shí)(如磷酸鐵鋰電池)，在作業(yè)場(chǎng)地一定區(qū)域建設(shè)小型機(jī)會(huì)充電裝置，利用生產(chǎn)間隙為AGV補(bǔ)充電能，見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)會(huì)充電方案

3)循環(huán)充電方案。當(dāng)AGV采用高充電倍率、高循環(huán)壽命電池時(shí)(如鈦酸鋰電池)，在堆場(chǎng)海側(cè)交互區(qū)建設(shè)滑觸線裝置，AGV每個(gè)作業(yè)循環(huán)與堆場(chǎng)交互時(shí)均可充電約1 min。AGV與碼頭堆場(chǎng)系統(tǒng)交互過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 AGV與支架交互過(guò)程

2.2 3種充電系統(tǒng)方案對(duì)比分析

從表2可知：1)換電池方式須建設(shè)換電站，配備等量備用電池，AGV單機(jī)須配備大容量電池組，建設(shè)成本高昂，車輪輪壓較大，間接增加了碼頭土建費(fèi)用。另外，AGV換電池占用生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間，生產(chǎn)不連續(xù)，如換電站故障存在碼頭停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。2)機(jī)會(huì)充電方式與循環(huán)充電方式不建設(shè)大型換電站，無(wú)須備用電池，AGV車載電池質(zhì)量小，建設(shè)成本低且安全可靠。3)機(jī)會(huì)充電方式在作業(yè)高峰期可能出現(xiàn)AGV供應(yīng)不足的情況，循環(huán)充電方式在作業(yè)過(guò)程中補(bǔ)充電能，生產(chǎn)連續(xù)性好，可使鋰電池壽命達(dá)到最大，更具投資價(jià)值。

表2 3種充電方案比較

經(jīng)過(guò)測(cè)算，循環(huán)充電方式與換電池方案相比，電池組容量下降約為75%，不配備備用電池，可節(jié)省初期投資及后期運(yùn)行維保費(fèi)用約1.4億元；電池容量降低使AGV自質(zhì)量降低，單機(jī)能耗下降，每年節(jié)省能源消耗約1 600萬(wàn)元；循環(huán)充電方式采用淺充淺放原則，電池組使用壽命可延長(zhǎng)一倍，節(jié)省后期設(shè)備投入約3 000萬(wàn)元。以10 a為一周期，共計(jì)可節(jié)省各項(xiàng)成本約3.3億元。

2.3 鈦酸鋰電池循環(huán)充電系統(tǒng)應(yīng)用

目前青島港采用鈦酸鋰電池作為AGV動(dòng)力，采用分布式淺充淺放式循環(huán)充電方案。該方案的循環(huán)充電策略是利用AGV與堆場(chǎng)交互的60 s時(shí)間完成電能補(bǔ)充，AGV一個(gè)循環(huán)可補(bǔ)充的電量大于循環(huán)消耗電量，電池電量始終維持在70%～85%的最優(yōu)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)了AGV無(wú)限續(xù)航，24 h不間斷作業(yè)，大大提高了集裝箱碼頭作業(yè)效率。該充電模式的具體充電流程，以卸船為例，AGV從岸橋接卸運(yùn)輸集裝箱到堆場(chǎng)海側(cè)交換區(qū)，當(dāng)AGV到達(dá)直接交互位時(shí)，裝在車身上的集電器伸出，與地面交互支架上的供電滑觸線可靠接觸后開(kāi)始充電，當(dāng)AGV完成送箱從堆場(chǎng)交互區(qū)駛出時(shí)，充電流程結(jié)束，前后約1 min時(shí)間。

經(jīng)青島港自動(dòng)化集裝箱碼頭實(shí)踐，淺充淺放式循環(huán)充電方案投入成本相對(duì)較低，工作運(yùn)行安全可靠，AGV電池充電效率高，充電系統(tǒng)故障率低，AGV作業(yè)效率實(shí)現(xiàn)了最大化，是當(dāng)前較具推廣價(jià)值的充電方式。

3 結(jié)論

1)分析比較國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化集裝箱碼頭AGV動(dòng)力方式得出：新一代電池組動(dòng)力驅(qū)動(dòng)AGV較柴油內(nèi)燃發(fā)電機(jī)動(dòng)力AGV具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、建設(shè)經(jīng)濟(jì)、維護(hù)簡(jiǎn)單、安全性能高且綠色環(huán)保等特點(diǎn)。電池組動(dòng)力形式在新一代自動(dòng)化碼頭建設(shè)過(guò)程中會(huì)得到更多的應(yīng)用。

2)對(duì)比分析鉛酸電池與3種鋰電池的充放電特性，得出：鋰電池在循環(huán)充電次數(shù)、能量密度、環(huán)境保護(hù)方面均具有良好優(yōu)勢(shì)，其中高倍率充放電性能的鈦酸鋰電池循環(huán)充電次數(shù)最大、壽命最長(zhǎng)，其實(shí)際應(yīng)用效果較好。

3)對(duì)比分析了3種充電方式的優(yōu)缺點(diǎn)，深入分析碼頭建設(shè)經(jīng)濟(jì)投入、實(shí)際應(yīng)用收益，以及充電方案的復(fù)雜度和安全性，淺充淺放式循環(huán)充電方案實(shí)現(xiàn)了碼頭作業(yè)的最高效率，在綠色港口、安全港口建設(shè)中都具有突出效果，推廣優(yōu)勢(shì)明顯。