集裝箱碼頭自動導引車（AGV）動力系統(tǒng)及分布式淺充淺放循環(huán)充電技術研究

摘要：集裝箱碼頭自動導引車（AGV）動力系統(tǒng)及分布式淺充淺放循環(huán)充電技術以我國碼頭作業(yè)方式轉型升級和積極打造綠色智慧港口為契機，通過打造安全高效、綠色環(huán)保、成本低廉、可靠性高的水平運輸系統(tǒng)，促進了集裝箱碼頭向自動化、智能化、綠色環(huán)保方向發(fā)展。該技術以電池動力系統(tǒng)淺充淺放循環(huán)充電技術為工作原理，解決了傳統(tǒng)集裝箱碼頭人工集卡及國外自動化集裝箱碼頭換電式AGV存在的在人機交互過程中安全風險集中、可靠性低、氫氣析出爆炸等安全隱患，實現(xiàn)了水平運輸設備及作業(yè)環(huán)節(jié)的本質(zhì)安全。通過優(yōu)化作業(yè)流程，促進了我國自動化集裝箱碼頭作業(yè)效率的提升。1.技術概況該項目以我國碼頭作業(yè)方式轉型升級和積極打造綠色智慧港口為契機，通過打造安全高效、綠色環(huán)保、成本低廉、可靠性高的水平運輸系統(tǒng)，促進了集裝箱碼頭向自動化、智能化、綠色環(huán)保方向發(fā)展，通過優(yōu)化作業(yè)流程，提升了我國自動化集裝箱碼頭作業(yè)效率，以產(chǎn)品國產(chǎn)化及科技創(chuàng)新推動AGV產(chǎn)品創(chuàng)新能力，降低投資成本，提高國內(nèi)外產(chǎn)品競爭力。目前，項目研究成果已在青島港自動化集裝箱碼頭建設工程中得到充分應用，完全滿足自動化水平運輸系統(tǒng)的作業(yè)需求，運營兩年來，引起了國內(nèi)外的高度關注，已累計接待國內(nèi)外參觀者16000多人次，為國內(nèi)外其他自動化集裝箱碼頭的建設提供了中國方案，對國內(nèi)外自動化集裝箱碼頭的建設和科學發(fā)展做出了開創(chuàng)性的貢獻。青島港自動化碼頭所有設備采用全電驅動，智能化控制，自動化運行，實現(xiàn)了綠色、智能、零排放。碼頭水平運輸系統(tǒng)采用全電動AGV替代傳統(tǒng)碼頭的柴油集卡車，無CO2、SO2

排放。AGV動力系統(tǒng)采用鈦酸鋰電池，較鉛酸電池的能源利用效率提升25%，可有效消除鉛污染風險；AGV充電采用自主首創(chuàng)的分布式淺充淺放循環(huán)充電新模式，在AGV生產(chǎn)作業(yè)的同時完成電能補充，充電過程不占用作業(yè)時間，取消換電環(huán)節(jié)，提高了裝卸效率，降低了投資成本；AGV電池組減重12噸，整車減重14噸，大幅降低單位能耗、運行成本及輪壓。2.技術原理和內(nèi)容2.1技術原理集裝箱碼頭自動導引車（AGV）分布式淺充淺放循環(huán)充電技術及系統(tǒng)由AGV電池動力系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、車載集電器、地面供電滑觸線、上位管理系統(tǒng)等組成，創(chuàng)新性地利用AGV與支架進行集裝箱交互的時間，實現(xiàn)電能的補充，將集裝箱交互作業(yè)與AGV充電合二為一。該系統(tǒng)采用具有高倍率、大電流充放電能力的鈦酸鋰電池，通過安裝在AGV車身上的集電器和安裝在交互支架上的供電滑觸線為AGV進行充電。TOS通過ECS與BMS進行通訊，及時掌握電池信息，作業(yè)過程中TOS和ECS始終對AGV車隊的充電進行實時管理與控制，根據(jù)BMS反饋的電池電量信息，遵循ECS控制下的機會充電和TOS單獨派發(fā)充電指令原則控制AGV充電。該電能補充方式不需要建設換電站，不需要備用車輛和備用電池，可最大程度降低投資；單臺AGV電池出現(xiàn)故障，不會影響其他車輛作業(yè)；不需要停車補充電能，不占用額外的時間進行充電，最大程度提高AGV作業(yè)效率；單車電池容量小，最大程度減輕AGV自重；對電池的利用是淺充淺放模式，最大程度延長電池使用壽命；AGV的電能補充是隨時進行，降低對電池的管理復雜度，最大程度降低碼頭操作系統(tǒng)的復雜性。2.2實施方案（1）針對AGV整體換電存在的弊端，創(chuàng)新性地提出循環(huán)充電新模式，研發(fā)與之相匹配的電池動力系統(tǒng)，大幅延長電池組壽命，大幅降低AGV的電池容量、整機重量及單位能耗。首次將鈦酸鋰電池技術應用于AGV動力電池系統(tǒng)，開發(fā)安全、高效的電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，簡稱BMS）和液體循環(huán)溫度管理系統(tǒng)，電池溫度控制于最佳區(qū)間，延長電池使用壽命，發(fā)揮鈦酸鋰電池的大電流充放電性能，滿足AGV作業(yè)工況需求。（2）根據(jù)自動化集裝箱碼頭的作業(yè)流程，制定合理的AGV充電策略及AGV運行調(diào)度策略，在生產(chǎn)作業(yè)的同時完成AGV電能補充（不占用額外的時間進行電能補充），實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)與AGV補電的合二為一，實現(xiàn)AGV續(xù)航時間無限制。（3）充分考慮AGV輪胎爆胎、跑偏、偏載等作業(yè)工況，研發(fā)高自適應性基于四連桿伸縮機構車載取電裝置和導向裝置，確保集電器伸出和收回的平順性，滿足碼頭24小時全天候作業(yè)要求。（4）研發(fā)滿足碼頭作業(yè)工況的電池管理系統(tǒng)，實現(xiàn)TOS和ECS始終對AGV車組的充電進行實時優(yōu)化管理與控制，單機電池管理系統(tǒng)（BMS）實時反饋AGV動力電池系統(tǒng)信息（溫度、電壓、電流、電量等），TOS通過ECS實時對AGV的充電進行優(yōu)化管理。3.主要創(chuàng)新點（1）首次提出了分布式淺充淺放循環(huán)充電新型模式，研發(fā)了長壽命、高倍率、大電流充放能力鈦酸鋰電池的AGV電池動力系統(tǒng)。大幅度降低了自動化集裝箱碼頭AGV電池容量、整機重量、單位能耗，節(jié)約了碼頭建設費用。（2）創(chuàng)新開發(fā)了集裝箱堆場海側交互區(qū)裝卸作業(yè)和充電并行的AGV循環(huán)充電技術，有效降低了AGV配比值。（3）創(chuàng)新研發(fā)了高度自適應AGV車載取電裝置，集成研發(fā)了基于防雨、防塵、防冰雪滑觸線的AGV充電系統(tǒng)。（4）首次開發(fā)了與AGV循環(huán)充電策略相匹配的循環(huán)充電實時管理與控制技術及系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化集裝箱碼頭裝卸作業(yè)過程中TOS和ECS對AGV車組充電的實時優(yōu)化管理。（5）研發(fā)AGV導航定位技術，采用航位推算和絕對位置校正相結合的方法，使AGV導航定位精度可達±2厘米，滿足自動化集裝箱碼頭作業(yè)環(huán)境復雜、安全可靠性要求高的要求。4.技術應用情況采用該技術的AGV實現(xiàn)了全自動化作業(yè)及充電，作業(yè)過程中無需人員的參與，徹底實現(xiàn)了人機分離，解決了傳統(tǒng)集裝箱碼頭人工集卡及國外自動化集裝箱碼頭換電式AGV存在人機交互的安全隱患，實現(xiàn)了水平運輸設備及作業(yè)環(huán)節(jié)的本質(zhì)安全。該技術已在青島港自動化集裝箱碼頭建設工程中得到充分應用，碼頭自正式運行投產(chǎn)以來，截至2019年4月底，共計完成船舶作業(yè)1400艘次，完成集裝箱吞吐量207萬標準箱，保班率100%，碼頭平均作業(yè)效率達到每小時35自然箱每小時，在“桑托斯快航”輪作業(yè)中創(chuàng)造了每小時43.23自然箱的碼頭最高作業(yè)效率。經(jīng)驗證，系統(tǒng)穩(wěn)定高效，可靠率達到了99.99%，完全滿足自動化水平運輸系統(tǒng)的作業(yè)要求，對國內(nèi)自動化集裝箱碼頭的建設和科學發(fā)展做出了開創(chuàng)性的貢獻，并為國內(nèi)外其他自動化集裝箱碼頭的建設提供了借鑒方案。該技術填補了世界自動化集裝箱碼頭領域的多項標準化工作空白，提高了自動化集裝箱碼頭標準化水平，促進和推動了全球自動化碼頭標準體系的建立和產(chǎn)業(yè)的規(guī)范發(fā)展。青島自動化集裝箱碼頭是世界先進、亞洲首個真正意義上的全自動化碼頭，在國內(nèi)屬首次應用，按照2018年全國規(guī)模以上港口集裝箱總吞吐量21000萬TEU計算，該技術在國內(nèi)行業(yè)內(nèi)占比為0.7%，具有很高的推廣應用價值。該技術適用于港口、物流運輸，也可推廣到機場、高鐵等領域。應用該技術需具備的各項條件如下：（1）在作業(yè)區(qū)域中合理設置充電位，分布于作業(yè)區(qū)域不同位置，設備在作業(yè)循環(huán)中等概率通過并快速充電，設備循環(huán)充電量應大于循環(huán)耗電量。充電系統(tǒng)與設備受電系統(tǒng)應具備高可靠性、高安全性與長壽命的特點。（2）形成一套完整的淺充淺放循環(huán)充電策略與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精準控制，對設備充電進行實時管理，確保設備的電量始終維持在一個合理區(qū)間。（3）研發(fā)可適用于設備工況的電池系統(tǒng)與管理系統(tǒng)，電池系統(tǒng)在滿足設備性能要求的情況下，降低電池配置容量，實現(xiàn)車輛輕量化設計要求，降低作業(yè)能耗；管理系統(tǒng)應對電池系統(tǒng)進行深度管理，實現(xiàn)電池淺充淺放，并將電池溫度控制于最佳區(qū)間，延長電池的使用壽命。5.技術效益分析5.1節(jié)能低碳效益采用綠色、節(jié)能、環(huán)保的鈦酸鋰電池技術及循環(huán)充電技術，可實現(xiàn)CO2零排放，自2017年5月11日投產(chǎn)以來，共計完成作業(yè)箱量207萬TEU，累計節(jié)省柴油消耗1592噸，共計節(jié)省CO2

排放4959.7噸。青島港自動化碼頭規(guī)劃三期建設，按照年600萬標準箱吞吐量計算，年節(jié)省柴油

1615噸，年減少CO2

排放

14375噸，節(jié)能減排效應明顯。5.2經(jīng)濟效益集裝箱碼頭自動導引車（AGV）分布式淺充淺放循環(huán)充電技術及系統(tǒng)采用鈦酸鋰電池技術，以10年為一周期，共計可節(jié)省各項成本約

3.3億元。（1）AGV車載電池裝機容量降低75%，無需配備備用電池，可節(jié)省初期投資及后期運行維保費用共1.4億元。（2）電池容量降低導致AGV自重降低30%，單位能耗降低25%，年節(jié)省能源消耗約250萬元；大幅降低AGV輪壓，碼頭建設成本降低2000萬元；輪胎等運行成本大幅下降，年節(jié)省消耗100萬元。（3）電池利用效率較鉛酸電池提升約25%。（4）與整體換電方案所采用的滿充滿放的電池使用方式相比，循環(huán)充電方式采用淺充淺放利用機制，電池組使用壽命可延長5~7倍，節(jié)省后期設備投入約6000萬元。（5）循環(huán)充電技術無需建設換電站，節(jié)省換電站建設成本約1億元。5.3社會效益（1）集裝箱全自動化作業(yè)，真正意義上做到人機分離，實現(xiàn)了人和設備的本質(zhì)安全；采用磁釘定位技術和慣性導航技術，停車精度精確控制在2cm以內(nèi)，通過上位系統(tǒng)的管理