1 引言
自動(dòng)化集裝箱碼頭始于 90 年代初，AGV( Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車) 是自動(dòng)化集裝箱碼頭的關(guān)鍵組成，承擔(dān)水平運(yùn)輸任務(wù)。AGV 發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷了由內(nèi)燃機(jī)到全電動(dòng)的轉(zhuǎn)變，當(dāng)今歐美*先進(jìn)的自動(dòng)化碼頭，如荷蘭鹿特丹的 ＲWG、APMT MV2、美國(guó)長(zhǎng)灘的 LBCT，均采用鉛酸電池?fù)Q電式 AGV; 國(guó)內(nèi)商業(yè)運(yùn)行的上海洋山四期自動(dòng)化碼頭，采用鋰電池?fù)Q電式 AGV。
換電式 AGV 雖擺脫了早期柴油動(dòng)力諸多問(wèn)題，但也存在如下弊端: ①換電過(guò)程影響碼頭作業(yè)連續(xù)性，加大碼頭生產(chǎn)組織難度，降低碼頭作業(yè)效率; ②換電式 AGV 需建設(shè)換電站并搭配備用電池，單個(gè)換電站建設(shè)成本約 1 億元人民幣; ③AGV 自重大，能源利用效率低; ④電池采用滿充滿放利用模式，導(dǎo)致其使用壽命縮短，更換周期短; ⑤換電站風(fēng)險(xiǎn)集中，一旦電池?fù)Q電站出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致整個(gè)碼頭停產(chǎn);⑥存在鉛污染、氫氣析出風(fēng)險(xiǎn)( 鉛酸電池) 。為克服上述弊端，提出了全新的 AGV 分布式淺充淺放循環(huán)充電理念，AGV 會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中完成電能補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn) AGV 無(wú)限續(xù)航。
2 分布式淺充淺放循環(huán)充電系統(tǒng)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)首要解決傳統(tǒng)換電式 AGV 換電過(guò)程占用生產(chǎn)時(shí)間的弊端，降低換電環(huán)節(jié)對(duì)生產(chǎn)的干擾。充分利用鋰電池淺充淺放特性應(yīng)用和循環(huán)充電模式**，將傳統(tǒng)換電式 AGV 運(yùn)行成本高、電池壽命短、風(fēng)險(xiǎn)集中等諸多問(wèn)題逐一化解，生產(chǎn)與充電并行，達(dá)到提高碼頭作業(yè)效率，降低碼頭投資成本的目的。
2．1 AGV 工況分析
傳統(tǒng)自動(dòng)化碼頭 AGV 運(yùn)行區(qū)分為橋吊作業(yè)區(qū)( QCTP) 、緩 沖 區(qū) ( PB) 、高 速 車 道、海 側(cè) 交 互 區(qū)( WSTP) ，AGV 在 QCTP 與 WSTP 分別完成同橋吊和軌道吊的交互( 見(jiàn)圖 1) 。
青島港自動(dòng)化碼頭** AGV 交互流程，采用新型 Lift-AGV。L-AGV 裝有舉升平臺(tái)( 見(jiàn)圖 2) ，AGV 行駛至 WSTP 陸側(cè)的 WSＲACK 區(qū)域，利用安設(shè)的固定支架完成同軌道吊的交互，全程僅需 60 s( 見(jiàn)表 1) ［1］。
2．2 充電區(qū)域及方式選擇
根據(jù)循環(huán)充電理念要求，AGV 在作業(yè)中完成電能補(bǔ)充，充電與生產(chǎn)流程相結(jié)合。AGV 循環(huán)充電區(qū)域要求設(shè)置在 AGV 經(jīng)停頻率高、不影響 AGV 正常運(yùn)行的位置。根據(jù) AGV 運(yùn)行區(qū)功能劃分，結(jié)合AGV 工況特點(diǎn)，提供如下 2 個(gè)待選區(qū)域:
( 1) 緩沖區(qū)( PB) 。PB 連接 QCTP 與高速車道，AGV 作業(yè)時(shí)由此經(jīng)過(guò)，PB 也是 AGV 待機(jī)停放區(qū)，因此安裝在 PB 的充電設(shè)備可為 AGV 提供大量充電機(jī)會(huì)。但 PB 位于自動(dòng)化場(chǎng)地中央，安裝充電裝置需埋設(shè)大量線纜橫穿高速車道，PB 車道數(shù)量多，充電設(shè)備需求量龐大，建設(shè)費(fèi)用高，不符合循環(huán)充電系統(tǒng)降低建設(shè)成本初衷。
( 2) 海側(cè)支架交互區(qū)( WSＲACK) 。在 WSＲACK安裝充電裝置，可充分發(fā)揮青島港自動(dòng)化碼頭 LAGV 運(yùn)行特點(diǎn)，可在同支架交互的頂升-行走-下降共 60 s 中完成充電。相比于 PB，WSＲACK 充電可減少充電裝置安裝數(shù)量，大大降低施工難度。在 AGV 充電方式選擇方面，現(xiàn)階段可供選擇的充電方式較多，現(xiàn)提出如下 3 種方案供論證分析:
( 1) 定點(diǎn)充電裝置。AGV 進(jìn)入交互區(qū)支架，停車到位后，岸電插座自動(dòng)連接 AGV 進(jìn)行充電。定點(diǎn)充電裝置需耗費(fèi)額外時(shí)間充電，會(huì)對(duì)生產(chǎn)組織產(chǎn)生干擾，與設(shè)計(jì)理念不符。
( 2) 無(wú)線充電系統(tǒng)。無(wú)線充電是目前世界上較前沿的充電方式之一，利用電-磁-電之間的相互轉(zhuǎn)換，無(wú)需進(jìn)行物理連接，即可完成充電。無(wú)線充電系統(tǒng)具有不受惡劣氣候條件干擾，對(duì) AGV 定位偏差、落箱振動(dòng)等工況適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)物理接觸易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但無(wú)線充電系統(tǒng)造價(jià)昂貴，充電功率小，無(wú)法在有限時(shí)間內(nèi)將充電量*大化; 無(wú)線充電涉及到電磁-電之間的多重轉(zhuǎn)換，能源轉(zhuǎn)換效率低。此外，無(wú)線充電產(chǎn)生的大量磁場(chǎng)會(huì)對(duì) AGV 電氣及導(dǎo)航系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重干擾，不宜采用。
( 3) 滑觸線充電系統(tǒng)。滑觸線充電系統(tǒng)在 ＲTG已得到大量應(yīng)用，擁有較成熟的使用經(jīng)驗(yàn)。滑觸線系統(tǒng)可以在 AGV 移動(dòng)中完成電能輸送，符合循環(huán)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。但 AGV 作業(yè)工況與 ＲTG 有較大區(qū)別，AGV 每日對(duì)滑觸線產(chǎn)生數(shù)百次拔插，因此在AGV 上應(yīng)用滑觸線供電系統(tǒng)，需有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。
2．3 基于滑觸線技術(shù)的 AGV 供電系統(tǒng)AGV 滑觸線作業(yè)工況有如下特點(diǎn):
( 1) AGV 進(jìn)出滑觸線頻率高。根據(jù)測(cè)算，AGV年進(jìn)出滑觸線次數(shù)約 6 萬(wàn)次，遠(yuǎn)高于 ＲTG 的 300 次。
( 2) AGV 滑觸線充電系統(tǒng)作業(yè)工況差。AGV在進(jìn)入滑觸線的過(guò)程中，需考慮導(dǎo)航誤差帶來(lái)的±20 mm 的定位偏差，以及輪胎不均勻磨損、軌道吊落箱沖擊、爆胎引起的 250 mm 的縱向位移。
( 3) AGV 滑觸線電流大。AGV 進(jìn)入支架區(qū)域交互的時(shí)間內(nèi)，將產(chǎn)生較大的電流( 400 A) ，以盡量多地補(bǔ)充電量。基于上述 AGV 特殊工況要求，全新 AGV 滑觸線充電系統(tǒng)需要具備更強(qiáng)的工況適應(yīng)性、全天候耐受性、更高的載流量。
2．4 基于四連桿結(jié)構(gòu)的車載集電器
青島港 AGV 采用了可伸縮集電小車設(shè)計(jì)，小車的四連桿機(jī)構(gòu)和上下調(diào)整裝置，可充分適應(yīng) AGV 輪胎磨損、氣壓不足、輪胎爆胎等工況，保證伸出和收回的平順［2］( 見(jiàn)圖 3) 。
為驗(yàn)證不同工況下運(yùn)行情況，青島港自動(dòng)化碼頭搭建了全新滑觸線-集電器測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)模擬 AGV 存在的工況，進(jìn)行不間斷測(cè)試，對(duì)滑觸線和集電器進(jìn)行優(yōu)化，使集電器滑觸線更加匹配 AGV 生產(chǎn)作業(yè)［3］。
3 循環(huán)充電模式
3．1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
AGV 在作業(yè)過(guò)程中完成電能補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)不間斷循環(huán)運(yùn)行，需達(dá)到如下設(shè)計(jì)目標(biāo):
( 1) 循環(huán)充電量＞循環(huán)耗電量。通過(guò)分析 AGV作業(yè)流程，測(cè)算循環(huán)耗電量，充分發(fā)揮電池性能，提高電池充電量，使 AGV 電量始終維持在合理區(qū)間。
( 2) 降低電池組容量。AGV 采用循環(huán)充電新模式，在滿足電池充放倍率、峰值功率、循環(huán)功率的前提下，無(wú)需配備大容量電池，便可大幅度降低電池和
車輛自重，實(shí)現(xiàn)淺充淺放循環(huán)充電。
( 3) 降低單機(jī)能耗。優(yōu)化作業(yè)流程和單機(jī)結(jié)構(gòu)，降低單機(jī)循環(huán)能耗，減小 AGV 因連續(xù)重載導(dǎo)致缺電概率，提高碼頭作業(yè)效率。
3．2 循環(huán)能耗測(cè)算
青島港 2013 年進(jìn)出口集裝箱箱重、箱型數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2、表 3。
根據(jù)上述箱重、箱型信息，推算 AGV 實(shí)際載荷見(jiàn)表 4。
根據(jù)自動(dòng)化化碼頭的總平面布局及 AGV 的作業(yè)流程，建立 AGV 作業(yè)模型，見(jiàn)圖 4、表 5。
綜合考慮地面坡度、風(fēng)阻系數(shù)、輪胎與地面的摩擦阻力、AGV 的傳動(dòng)效率以及負(fù)載等情況，循環(huán)能耗計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 6
由測(cè)算數(shù)據(jù)可知，循環(huán)充電量高于 3．82 kWh 的循環(huán)耗電量，即可滿足 AGV 設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。青島港AGV 分布式淺充淺放循環(huán)充電系統(tǒng)在 60 s 時(shí)間內(nèi)，可實(shí)現(xiàn) 4．25 kWh 電能補(bǔ)充( 見(jiàn)表 7) 。碼頭投產(chǎn)后，實(shí)測(cè) AGV 循環(huán)充電量、耗電量及循環(huán)充電電量走勢(shì)。
實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合模型測(cè)算預(yù)期，滿足循環(huán)充電量＞循環(huán)耗電量要求，AGV 電量在生產(chǎn)運(yùn)行中達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，可實(shí)現(xiàn)無(wú)限續(xù)航［3］。
4 鋰電池充放電特性的使用
隨著現(xiàn)代電池技術(shù)發(fā)展，鋰離子電池逐步取代了早期的鎳鉻、鎳氫等電池，成為電池發(fā)展的主流。鋰離子電池相比于鎳鎘電池，無(wú)記憶效應(yīng)。鎳鎘電池須深充深放以延長(zhǎng)電池壽命，而鋰電池恰恰相反，深充深放不僅不會(huì)延長(zhǎng)電池使用壽命，反而會(huì)加劇電池容量的衰減。
換電式 AGV 為獲得*大化車輛續(xù)航里程，采用更大的電池容量、更深的電池充放策略。換電式AGV 深充深放的電池利用模式與鋰電池特性相悖，不利于電池壽命延長(zhǎng)。AGV 分布式淺充淺放循環(huán)充電系統(tǒng)基于鋰電池特性，將電池淺充淺放加以利用，化解了換電式 AGV 電池應(yīng)用模式的弊端，極大地提高了電池壽命，延長(zhǎng)了電池使用時(shí)間［4］。
5 AGV 動(dòng)力電池系統(tǒng)
5．1 電池匹配
新模式下 AGV 工況同傳統(tǒng)換電式 AGV 有較大區(qū)別，所需電池動(dòng)力系統(tǒng)也有不同的要求。淺充淺放循環(huán)充電 AGV 電池系統(tǒng)要求電池具有重量低、體積小、可靠性強(qiáng)、工況適應(yīng)性好、免維護(hù)等特點(diǎn)。幾種常見(jiàn)電池特性對(duì)比見(jiàn)表 8。
由表 8 可見(jiàn)，鈦酸鋰電池?fù)碛袠O高的循環(huán)性能、較高的充電倍率和優(yōu)良的低溫特性。高循環(huán)壽命可以延長(zhǎng)電池更換周期; 高充電倍率有助于加快電池充電速率，減小電池所需容量; 好的低溫特性可適應(yīng)青島北方氣候特點(diǎn)。鈦酸鋰電池滿足 AGV 分布式循環(huán)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。
利用鈦酸鋰電池的優(yōu)異特性，設(shè)計(jì)成組的 AGV新型動(dòng)力電池系統(tǒng)，容量 140 AH、電池自重 1．5 t，可實(shí)現(xiàn)電池模組*大充、放電電流 10 C( 10 s) ，持續(xù)充、放電電流 5 C，－20～40 ℃環(huán)境下正常使用，具有極高的循環(huán)壽命，預(yù)計(jì)電池使用壽命可達(dá) 10 年［5］。
5．2 電池溫控系統(tǒng)
對(duì)于鋰電池來(lái)說(shuō)，高溫將加劇電池內(nèi)部次生反應(yīng)，加快電池壽命衰減，低溫將較大程度上影響電池性能。因此，將電池溫度控制在 25 ℃ *佳使用溫度，可發(fā)揮電池*佳性能同時(shí)延長(zhǎng)其使用壽命。
6 循環(huán)充電管理系統(tǒng)
AGV 循環(huán)充電管理由碼頭操作系統(tǒng)( TOS) 和設(shè)備控制系統(tǒng)( ECS) 共同完成。在系統(tǒng)中，AGV 的電量劃分成 3 個(gè)等級(jí)，即綠色、橙色和紅色。綠色代表電池電量處于*佳狀態(tài)，系統(tǒng)不派發(fā) AGV 充電的指令，由 AGV 自行完成循環(huán)充電; 橙色代表電池電量進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，在做完當(dāng)前任務(wù)后，系統(tǒng)會(huì)單獨(dú)派發(fā) AGV 充電的指令; 紅色代表電池電量進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)立即派發(fā) AGV 充電的指令。循環(huán)充電管理系統(tǒng)的核心在于對(duì) AGV 橙色的管理，要充分考慮碼頭作業(yè)的繁忙程度和 AGV 的電量信息，做到統(tǒng)籌兼顧。
7 結(jié)語(yǔ)
闡述了分布式淺充淺放循環(huán)充電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，通過(guò)對(duì)碼頭工況、AGV 作業(yè)循環(huán)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析，確定 AGV 動(dòng)力電池系統(tǒng)架構(gòu); 通過(guò)對(duì)碼頭平面布局的研究，確定循環(huán)充電設(shè)備安裝方案; 通過(guò)對(duì)鋰電池淺充淺放特性的運(yùn)用，將電池壽命極大延長(zhǎng)。分布式淺充淺放循環(huán)充電技術(shù)可以有效解決換電式及定點(diǎn)充電式 AGV 存在的諸多弊端，對(duì)降低碼頭建設(shè)成本、提升運(yùn)行效率有較大幫助。該系統(tǒng)已在青島港自動(dòng)化碼頭成功應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，具有廣闊的推廣價(jià)值。
