堆場(chǎng)水平布置自動(dòng)化集裝箱碼頭智能導(dǎo)引車動(dòng)力電池方案

黃炳林 劉政剛

堆場(chǎng)水平布置自動(dòng)化集裝箱碼頭與堆場(chǎng)垂直布置自動(dòng)化集裝箱碼頭的作業(yè)方式有所不同：前者采用智能導(dǎo)引車（intelligent guided vehicle，IGV）作為水平運(yùn)輸設(shè)備，IGV在堆場(chǎng)與道路間穿梭，完成1個(gè)作業(yè)循環(huán)所運(yùn)行的路徑較長(zhǎng)，而與岸橋、軌道吊停留交互的時(shí)間較短，平均不足1 min，最短不到30 s。鑒于IGV作業(yè)的特殊性，與堆場(chǎng)垂直布置自動(dòng)化集裝箱碼頭采用的水平運(yùn)輸設(shè)備自動(dòng)導(dǎo)引車（automatic guided vehicle，AGV）相比，IGV動(dòng)力電池選型要求較高，需要根據(jù)IGV使用工況，測(cè)算IGV功率需求，據(jù)此確定IGV動(dòng)力電池充電方式、材料、容量等，以確保IGV動(dòng)力電池方案滿足碼頭生產(chǎn)作業(yè)要求。廣州南沙聯(lián)合集裝箱碼頭有限公司（以下簡(jiǎn)稱“南沙四期碼頭”）堆場(chǎng)采用水平布置方式。本文以南沙四期碼頭為例，介紹堆場(chǎng)水平布置自動(dòng)化集裝箱碼頭IGV動(dòng)力電池方案。

1 IGV動(dòng)力電池功率需求

1.1 IGV滿載功率測(cè)算

滿載工況下，IGV最大載質(zhì)量為85 t，其中：整車自身質(zhì)量約20 t，2個(gè)20英尺重箱最大質(zhì)量約65 t。根據(jù)測(cè)試，當(dāng)牽引車或半掛車滿載（按整車最大總質(zhì)量85 t計(jì)算）時(shí)，在27 s內(nèi)從靜止加速至30 km/h需要的最大驅(qū)動(dòng)功率為200 kW。按車輛（自身質(zhì)量20 t）滿載2個(gè)20英尺重箱（最大質(zhì)量約65 t）重出空回或空出重回來回行程平均載質(zhì)量32.5 t計(jì)算，車輛滿載重出空回需要的平均功率為34.3 kW;考慮到車輛輔助設(shè)備（如制動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、車載設(shè)備、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備等）消耗的平均功率約6.0 kW，車輛滿載工況下重出空回或空出重回的平均功率為。

1.2 IGV正常工況平均功率測(cè)算

按車輛載箱（1個(gè)40英尺重箱質(zhì)量約，2個(gè)20英尺重箱質(zhì)量約45 t）重出空回或空出重回來回行程平均載質(zhì)量17.5 t計(jì)算，車輛載箱重出空回需要的平均功率為22.8 kW;考慮到車輛輔助設(shè)備（如制動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、車載設(shè)備、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備等）消耗的平均功率約6.0 kW，車輛正常工況下重出空回或空出重回的平均功率為。不過，考慮到IGV空車充電或維保等情況，IGV實(shí)際平均功率稍低。

2 自動(dòng)化集裝箱碼頭AGV動(dòng)力電池充電方式

調(diào)研自動(dòng)化集裝箱碼頭AGV動(dòng)力電池充電方式（見表1）后發(fā)現(xiàn)，機(jī)會(huì)充電方式難以滿足堆場(chǎng)水平布置自動(dòng)化集裝箱碼頭IGV作業(yè)要求。固定充電和機(jī)會(huì)充電要求IGV或AGV在固定地點(diǎn)充電，而南沙四期碼頭IGV在堆場(chǎng)側(cè)面不斷穿梭作業(yè)且停留時(shí)間較短，加之其行走時(shí)間較長(zhǎng)，停靠位置不固定，難以滿足IGV動(dòng)力電池充電要求。

3 南沙四期碼頭IGV動(dòng)力電池方案

3.1 選擇充電方式

水平運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力電池固定充電與整組換電方式都可以應(yīng)用于堆場(chǎng)水平布置自動(dòng)化集裝箱碼頭。通過對(duì)比自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力電池充電方式的優(yōu)缺點(diǎn)（見表2），南沙四期碼頭最終選擇固定充電方式。

3.2 布置充電樁

為了解決IGV充電問題，在南沙四期碼頭自動(dòng)化作業(yè)區(qū)域設(shè)置8個(gè)充電樁，具體布置如圖1所示。

3.3 制訂充電方案

通過分析，制訂兩種IGV充電方案：一種為IGV工作2 h后充電方案;另一種為IGV工作后充電方案。計(jì)算機(jī)仿真分析得出的南沙四期碼頭IGV兩種充電方案下岸橋-門機(jī)系統(tǒng)作業(yè)效率分別見表3和表4。

仿真南沙四期碼頭海側(cè)作業(yè)峰值工況：主泊位4個(gè)，駁船岸橋泊位6個(gè)，駁船門機(jī)泊位6個(gè);22臺(tái)岸橋和9臺(tái)門機(jī)同時(shí)作業(yè)，IGV滿載運(yùn)行速度為/s，空載運(yùn)行速度為6 m/s，轉(zhuǎn)彎運(yùn)行速度為2 m/s;岸橋作業(yè)箱型比例分別為40英尺和45英尺集裝箱占25%，單20英尺集裝箱占1%，雙20英尺集裝箱占74%。在IGV工作2 h后充電方案下，南沙四期碼頭需要配置217輛IGV且須布置不少于50個(gè)充電樁，才能達(dá)到碼頭海側(cè)作業(yè)峰值工況下的岸橋-門機(jī)系統(tǒng)目標(biāo)作業(yè)效率;而在IGV工作后充電方案下，南沙四期碼頭只要配置194輛IGV并布置不少于34個(gè)充電樁，即可達(dá)到碼頭海側(cè)作業(yè)峰值工況下的岸橋-門機(jī)系統(tǒng)目標(biāo)作業(yè)效率。從成本角度考慮，南沙四期碼頭選擇工作后充電方案，最多配置194輛IGV，布置34個(gè)充電樁。

3.4 確定電池容量及材料

3.4.1 電池容量要求及選擇

電池荷電狀態(tài)在30%～95%范圍內(nèi)有助于延長(zhǎng)電池使用壽命。電池實(shí)際工作荷電狀態(tài)為65%，結(jié)合IGV工作時(shí)間，要求電池連續(xù)工作時(shí)間為4 h。電池使用一定年限后，其容量會(huì)有所衰減。按衰減率為20%計(jì)算，為了滿足平均功率需求，需要配備的電池容量約為221.5 kW穐;考慮一定的冗余量以及電池串并聯(lián)關(guān)系，確定電池容量約為238.0 kW穐。

3.4.2 電池材料選擇

磷酸鐵鋰電池的成本較低且安全性較高，但其循環(huán)性能欠佳且能量密度較低。錳酸鋰、三元鋰（多元鋰）電池能量密度較高且循環(huán)性能較好。鈦酸鋰電池作為功率型電池的代表，擁有極好的循環(huán)性能和較長(zhǎng)的使用壽命，但其能量密度極低且價(jià)格高昂。通過比較各類電池性能（見表5），南沙四期碼頭決定選擇三元鋰和錳酸鋰電池作為IGV動(dòng)力電池。

3.5 電池充放電次數(shù)要求及選擇

按電池使用壽命8年、日常充滿電使用4 h后充電、電池利用率65%、IGV實(shí)際作業(yè)耗電量28.8 kW計(jì)算，IGV消耗功率為1 166 131 kW。

若選用錳酸鋰和三元鋰電池，在不考慮電池容量衰減并按電池容量240 kW h、電池荷電狀態(tài)100%折算充放電次數(shù)的條件下，按IGV利用率65%計(jì)算，滿足使用要求的電池充放電次數(shù)為4 899次。

3.6 鋰電池使用要求

（1）充電要求 在IGV工作4 h后充電方案下，充電樁功率應(yīng)不小于?？紤]充電樁容量冗余，選擇額定功率為300 kW的充電樁。

（2）電池使用壽命要求 電池設(shè)計(jì)使用壽命為8年。即使在電池容量衰減的情況下，每次充滿電仍然能夠確保IGV連續(xù)工作至少4 h。

（3）電池散熱要求 由于電池組安裝于箱內(nèi)，須考慮散熱問題，必要時(shí)可自行啟動(dòng)強(qiáng)制液冷或風(fēng)冷裝置散熱，以防電池過熱。

（4）電池充放電倍率要求 充電樁額定充電倍率為1.28 C，放電倍率為0.84 C。

3.7 選定動(dòng)力電池方案

從碼頭正常生產(chǎn)、IGV運(yùn)行成本、電池安全性等方面綜合考慮，南沙四期碼頭選擇國(guó)產(chǎn)三元鋰電池和少量進(jìn)口錳酸鋰電池方案，其中：國(guó)產(chǎn)三元鋰電池選擇10P170S電池組，電壓為642.0 V，額定容量為370 A穐，總電量為238 kW h;進(jìn)口錳酸鋰電池電壓為621.6 V，額定容量為360 A穐，總電量為。

4 結(jié)束語

南沙四期碼頭在確定IGV動(dòng)力電池方案的過程中，根據(jù)堆場(chǎng)布置情況設(shè)置充電樁，根據(jù)IGV實(shí)際工況需求選擇電池容量，根據(jù)國(guó)內(nèi)外電池技術(shù)發(fā)展情況選擇電池電芯材料和電池方案，為堆場(chǎng)水平布置自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力電池方案選擇提供有益經(jīng)驗(yàn)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，許多傳統(tǒng)的堆場(chǎng)水平布置的集裝箱碼頭逐步改造為自動(dòng)化或半自動(dòng)化集裝箱碼頭，南沙四期碼頭IGV動(dòng)力電池方案也可為此類集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力電池選型提供參考。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-09-11）