自動(dòng)化集裝箱碼頭AGV分布式淺充淺放循環(huán)充電系統(tǒng)

朱 林 王 偉 唐立輝 張常江 孫秀良

青島港新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司

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)今歐美最先進(jìn)的自動(dòng)化碼頭，如荷蘭鹿特丹的RWG、APMT MV2、美國長灘的LBCT，均采用鉛酸電池?fù)Q電式AGV；國內(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)力諸多問題，但也存在如下弊端：①換電過程影響碼頭作業(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)過程中完成電能補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)AGV無限續(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換電過程占用生產(chǎn)時(shí)間的弊端，降低換電環(huán)節(jié)對生產(chǎn)的干擾。充分利用鋰電池淺充淺放特性應(yīng)用和循環(huán)充電模式創(chuàng)新，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(見圖1)。

圖1 自動(dòng)化集裝箱碼頭AGV運(yùn)行區(qū)

青島港自動(dòng)化碼頭創(chuàng)新AGV交互流程，采用新型Lift-AGV。L-AGV裝有舉升平臺(tái)(見圖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(見表1)[1]。

圖2 L-AGV交互流程

表1 L-AGV交互時(shí)間/s

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，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L-AGV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)對生產(chǎn)組織產(chǎn)生干擾，與設(shè)計(jì)理念不符。

(2)無線充電系統(tǒng)。無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，無需進(jìn)行物理連接，即可完成充電。無線充電系統(tǒng)具有不受惡劣氣候條件干擾，對AGV定位偏差、落箱振動(dòng)等工況適應(yīng)性強(qiáng)，無物理接觸易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但無線充電系統(tǒng)造價(jià)昂貴，充電功率小，無法在有限時(shí)間內(nèi)將充電量最大化；無線充電涉及到電-磁-電之間的多重轉(zhuǎn)換，能源轉(zhuǎn)換效率低。此外，無線充電產(chǎn)生的大量磁場會(huì)對AGV電氣及導(dǎo)航系統(tǒng)帶來嚴(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)?；|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)，需有針對性地對其進(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)測算，AGV年進(jìn)出滑觸線次數(shù)約6萬次，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)入滑觸線的過程中，需考慮導(dǎo)航誤差帶來的±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](見圖3)。

1.滑軸 2.滑套 3.四連桿伸縮機(jī)構(gòu) 4.膜片板簧

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-集電器測試平臺(tái)，通過平臺(tái)模擬AGV存在的工況，進(jìn)行不間斷測試，對滑觸線和集電器進(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。通過分析AGV作業(yè)流程，測算循環(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)能耗測算

青島港2013年進(jìn)出口集裝箱箱重、箱型數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 箱重分布

表3 箱型分布

根據(jù)上述箱重、箱型信息，推算AGV實(shí)際載荷見表4。

表4 平均載荷

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，見圖4、表5。

圖4 AGV循環(huán)路徑模型

表5 AGV循環(huán)路徑模型參數(shù)

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)果見表6。

表6 AGV循環(huán)能耗測算

由測算數(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(見表7)。碼頭投產(chǎn)后，實(shí)測AGV循環(huán)充電量、耗電量及循環(huán)充電電量走勢見圖5。

圖5 AGV307于2017年5月10日實(shí)船作業(yè)數(shù)據(jù)

表7 AGV循環(huán)充、耗電量實(shí)測數(shù)據(jù)

實(shí)測數(shù)據(jù)符合模型測算預(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，無記憶效應(yīng)。鎳鎘電池須深充深放以延長電池壽命，而鋰電池恰恰相反，深充深放不僅不會(huì)延長電池使用壽命，反而會(huì)加劇電池容量的衰減。

換電式AGV為獲得最大化車輛續(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。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)。幾種常見電池特性對比見表8。

表8 電池特性對比

由表8可見，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)秀的低溫特性。高循環(huán)壽命可以延長電池更換周期；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)電池模組最大充、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)

對于鋰電池來說，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 ℃最佳使用溫度，可發(fā)揮電池最佳性能同時(shí)延長其使用壽命。

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，即綠色、橙色和紅色。綠色代表電池電量處于最佳狀態(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AGV橙色區(qū)域的管理，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

闡述了分布式淺充淺放循環(huán)充電系統(tǒng)的開發(fā)過程，通過對碼頭工況、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)；通過對碼頭平面布局的研究，確定循環(huán)充電設(shè)備安裝方案；通過對鋰電池淺充淺放特性的運(yùn)用，將電池壽命極大延長。

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。