集裝箱碼頭自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）動(dòng)力系統(tǒng)及分布式淺充淺放循環(huán)充電技術(shù)研究

摘要：集裝箱碼頭自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）動(dòng)力系統(tǒng)及分布式淺充淺放循環(huán)充電技術(shù)以我國(guó)碼頭作業(yè)方式轉(zhuǎn)型升級(jí)和積極打造綠色智慧港口為契機(jī)，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(yùn)輸系統(tǒng)，促進(jìn)了集裝箱碼頭向自動(dòng)化、智能化、綠色環(huán)保方向發(fā)展。該技術(shù)以電池動(dòng)力系統(tǒng)淺充淺放循環(huán)充電技術(shù)為工作原理，解決了傳統(tǒng)集裝箱碼頭人工集卡及國(guó)外自動(dòng)化集裝箱碼頭換電式AGV存在的在人機(jī)交互過程中安全風(fēng)險(xiǎn)集中、可靠性低、氫氣析出爆炸等安全隱患，實(shí)現(xiàn)了水平運(yùn)輸設(shè)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(jìn)了我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)效率的提升。1.技術(shù)概況該項(xiàng)目以我國(guó)碼頭作業(yè)方式轉(zhuǎn)型升級(jí)和積極打造綠色智慧港口為契機(jī)，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(yùn)輸系統(tǒng)，促進(jìn)了集裝箱碼頭向自動(dòng)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(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)效率，以產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化及科技創(chuàng)新推動(dòng)AGV產(chǎn)品創(chuàng)新能力，降低投資成本，提高國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。目前，項(xiàng)目研究成果已在青島港自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)工程中得到充分應(yīng)用，完全滿足自動(dòng)化水平運(yùn)輸系統(tǒng)的作業(yè)需求，運(yùn)營(yíng)兩年來，引起了國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注，已累計(jì)接待國(guó)內(nèi)外參觀者16000多人次，為國(guó)內(nèi)外其他自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)提供了中國(guó)方案，對(duì)國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)和科學(xué)發(fā)展做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。青島港自動(dòng)化碼頭所有設(shè)備采用全電驅(qū)動(dòng)，智能化控制，自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了綠色、智能、零排放。碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)采用全電動(dòng)AGV替代傳統(tǒng)碼頭的柴油集卡車，無CO2、SO2

排放。AGV動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)；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(shí)完成電能補(bǔ)充，充電過程不占用作業(yè)時(shí)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(yùn)行成本及輪壓。2.技術(shù)原理和內(nèi)容2.1技術(shù)原理集裝箱碼頭自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）分布式淺充淺放循環(huán)充電技術(shù)及系統(tǒng)由AGV電池動(dòng)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(jìn)行集裝箱交互的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電能的補(bǔ)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(jìn)行充電。TOS通過ECS與BMS進(jìn)行通訊，及時(shí)掌握電池信息，作業(yè)過程中TOS和ECS始終對(duì)AGV車隊(duì)的充電進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)會(huì)充電和TOS單獨(dú)派發(fā)充電指令原則控制AGV充電。該電能補(bǔ)充方式不需要建設(shè)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(tái)AGV電池出現(xiàn)故障，不會(huì)影響其他車輛作業(yè)；不需要停車補(bǔ)充電能，不占用額外的時(shí)間進(jìn)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(duì)電池的利用是淺充淺放模式，最大程度延長(zhǎng)電池使用壽命；AGV的電能補(bǔ)充是隨時(shí)進(jìn)行，降低對(duì)電池的管理復(fù)雜度，最大程度降低碼頭操作系統(tǒng)的復(fù)雜性。2.2實(shí)施方案（1）針對(duì)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(dòng)力系統(tǒng)，大幅延長(zhǎng)電池組壽命，大幅降低AGV的電池容量、整機(jī)重量及單位能耗。首次將鈦酸鋰電池技術(shù)應(yīng)用于AGV動(dòng)力電池系統(tǒng)，開發(fā)安全、高效的電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，簡(jiǎn)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(zhǎng)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(dòng)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(yùn)行調(diào)度策略，在生產(chǎn)作業(yè)的同時(shí)完成AGV電能補(bǔ)充（不占用額外的時(shí)間進(jìn)行電能補(bǔ)充），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)與AGV補(bǔ)電的合二為一，實(shí)現(xiàn)AGV續(xù)航時(shí)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(yīng)性基于四連桿伸縮機(jī)構(gòu)車載取電裝置和導(dǎo)向裝置，確保集電器伸出和收回的平順性，滿足碼頭24小時(shí)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(shí)現(xiàn)TOS和ECS始終對(duì)AGV車組的充電進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化管理與控制，單機(jī)電池管理系統(tǒng)（BMS）實(shí)時(shí)反饋AGV動(dòng)力電池系統(tǒng)信息（溫度、電壓、電流、電量等），TOS通過ECS實(shí)時(shí)對(duì)AGV的充電進(jìn)行優(yōu)化管理。3.主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)（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(zhǎng)壽命、高倍率、大電流充放能力鈦酸鋰電池的AGV電池動(dòng)力系統(tǒng)。大幅度降低了自動(dòng)化集裝箱碼頭AGV電池容量、整機(jī)重量、單位能耗，節(jié)約了碼頭建設(shè)費(fèi)用。（2）創(chuàng)新開發(fā)了集裝箱堆場(chǎng)海側(cè)交互區(qū)裝卸作業(yè)和充電并行的AGV循環(huán)充電技術(shù)，有效降低了AGV配比值。（3）創(chuàng)新研發(fā)了高度自適應(yīng)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(shí)時(shí)管理與控制技術(shù)及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸作業(yè)過程中TOS和ECS對(duì)AGV車組充電的實(shí)時(shí)優(yōu)化管理。（5）研發(fā)AGV導(dǎo)航定位技術(shù)，采用航位推算和絕對(duì)位置校正相結(jié)合的方法，使AGV導(dǎo)航定位精度可達(dá)±2厘米，滿足自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、安全可靠性要求高的要求。4.技術(shù)應(yīng)用情況采用該技術(shù)的AGV實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化作業(yè)及充電，作業(yè)過程中無需人員的參與，徹底實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離，解決了傳統(tǒng)集裝箱碼頭人工集卡及國(guó)外自動(dòng)化集裝箱碼頭換電式AGV存在人機(jī)交互的安全隱患，實(shí)現(xiàn)了水平運(yùn)輸設(shè)備及作業(yè)環(huán)節(jié)的本質(zhì)安全。該技術(shù)已在青島港自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)工程中得到充分應(yīng)用，碼頭自正式運(yùn)行投產(chǎn)以來，截至2019年4月底，共計(jì)完成船舶作業(yè)1400艘次，完成集裝箱吞吐量207萬標(biāo)準(zhǔn)箱，保班率100%，碼頭平均作業(yè)效率達(dá)到每小時(shí)35自然箱每小時(shí)，在“桑托斯快航”輪作業(yè)中創(chuàng)造了每小時(shí)43.23自然箱的碼頭最高作業(yè)效率。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)穩(wěn)定高效，可靠率達(dá)到了99.99%，完全滿足自動(dòng)化水平運(yùn)輸系統(tǒng)的作業(yè)要求，對(duì)國(guó)內(nèi)自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)和科學(xué)發(fā)展做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，并為國(guó)內(nèi)外其他自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)提供了借鑒方案。該技術(shù)填補(bǔ)了世界自動(dòng)化集裝箱碼頭領(lǐng)域的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化工作空白，提高了自動(dòng)化集裝箱碼頭標(biāo)準(zhǔn)化水平，促進(jìn)和推動(dòng)了全球自動(dòng)化碼頭標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和產(chǎn)業(yè)的規(guī)范發(fā)展。青島自動(dòng)化集裝箱碼頭是世界先進(jìn)、亞洲首個(gè)真正意義上的全自動(dòng)化碼頭，在國(guó)內(nèi)屬首次應(yīng)用，按照2018年全國(guó)規(guī)模以上港口集裝箱總吞吐量21000萬TEU計(jì)算，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)占比為0.7%，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)適用于港口、物流運(yùn)輸，也可推廣到機(jī)場(chǎng)、高鐵等領(lǐng)域。應(yīng)用該技術(shù)需具備的各項(xiàng)條件如下：（1）在作業(yè)區(qū)域中合理設(shè)置充電位，分布于作業(yè)區(qū)域不同位置，設(shè)備在作業(yè)循環(huán)中等概率通過并快速充電，設(shè)備循環(huán)充電量應(yīng)大于循環(huán)耗電量。充電系統(tǒng)與設(shè)備受電系統(tǒng)應(yīng)具備高可靠性、高安全性與長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。（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(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)控制，對(duì)設(shè)備充電進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，確保設(shè)備的電量始終維持在一個(gè)合理區(qū)間。（3）研發(fā)可適用于設(shè)備工況的電池系統(tǒng)與管理系統(tǒng)，電池系統(tǒng)在滿足設(shè)備性能要求的情況下，降低電池配置容量，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化設(shè)計(jì)要求，降低作業(yè)能耗；管理系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行深度管理，實(shí)現(xiàn)電池淺充淺放，并將電池溫度控制于最佳區(qū)間，延長(zhǎng)電池的使用壽命。5.技術(shù)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(shù)及循環(huán)充電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)CO2零排放，自2017年5月11日投產(chǎn)以來，共計(jì)完成作業(yè)箱量207萬TEU，累計(jì)節(jié)省柴油消耗1592噸，共計(jì)節(jié)省CO2

排放4959.7噸。青島港自動(dòng)化碼頭規(guī)劃三期建設(shè)，按照年600萬標(biāo)準(zhǔn)箱吞吐量計(jì)算，年節(jié)省柴油

1615噸，年減少CO2

排放

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

3.3億元。（1）AGV車載電池裝機(jī)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(yùn)行維保費(fèi)用共1.4億元。（2）電池容量降低導(dǎo)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(shè)成本降低2000萬元；輪胎等運(yùn)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(jī)制，電池組使用壽命可延長(zhǎng)5~7倍，節(jié)省后期設(shè)備投入約6000萬元。（5）循環(huán)充電技術(shù)無需建設(shè)換電站，節(jié)省換電站建設(shè)成本約1億元。5.3社會(huì)效益（1）集裝箱全自動(dòng)化作業(yè)，真正意義上做到人機(jī)分離，實(shí)現(xiàn)了人和設(shè)備的本質(zhì)安全；采用磁釘定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)，停車精度精確控制在2cm以內(nèi)，通過上位系統(tǒng)的管理