自動化集裝箱碼頭水平運輸系統(tǒng)動力系統(tǒng)及充電方案

唐立輝,張連鋼

(青島新前灣集裝箱碼頭有限責任公司，山東 青島 266000)

在第四代集裝箱港口快速發(fā)展建設(shè)中，我國已先后建成廈門遠海、青島新前灣、上海洋山四期共3座自動化集裝箱碼頭，其水平運輸系統(tǒng)均采用自動導(dǎo)引運輸車(簡稱AGV)[1-3]。

參考國內(nèi)外自動化碼頭，集裝箱AGV動力以柴油內(nèi)燃發(fā)電機、鉛酸電池、鋰電池[4-5]為主要形式，深入分析不同動力形式在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能上存在的差異，得出當前的動力方案[6-7]，包括換電池充電、機會充電、淺充淺放式循環(huán)充電方案[8]。在目前的實踐應(yīng)用中，最優(yōu)的動力方案尚未達成一致觀點，還處于探索階段。結(jié)合幾個新一代自動化碼頭水平運輸系統(tǒng)的整體規(guī)劃[9-10]，通過深入研究對比分析其運行效果、經(jīng)濟效益、安全性能及環(huán)境友好情況，為新的自動化碼頭水平運輸系統(tǒng)設(shè)備選型提供參考依據(jù)。

1 水平運輸設(shè)備的動力系統(tǒng)方案

自動化集裝箱碼頭從1993年發(fā)展至今，AGV的動力形式主要有柴油內(nèi)燃機、鉛酸電池組和鋰電池組3種類型。

1.1 柴油內(nèi)燃機動力與電池動力

早期的AGV采用柴油發(fā)電機驅(qū)動，在鹿特丹Euromax碼頭有所應(yīng)用。柴油發(fā)電機通過燃燒柴油為AGV提供動力電源，系統(tǒng)平均傳動效率低于26%，機組能耗高、空耗大、污染嚴重，目前已面臨淘汰。

電池動力結(jié)構(gòu)簡單，平均傳動效率達56%，系統(tǒng)安全性遠大于燃油，具有噪音小、零排放、維護方便、綠色可持續(xù)等特點，是當前新建自動化碼頭的首選方案。

1.2 鉛酸電池組與鋰電池組

1)從AGV電池組的循環(huán)性能、能量密度、充電倍率、低溫特性、安全性對比分析鉛酸電池與幾種鋰電池的實用性能，見表1。

表1 各種電池比較

從表1可知，鉛酸電池在實際應(yīng)用性能上不及鋰電池。鉛酸電池在能量密度上不及鋰電池，使用鉛酸電池的AGV電池組質(zhì)量可達13 t，AGV車胎對地輪壓較大，間接增加了碼頭土建費用；鉛酸電池充放電倍率較低，電池充電時間長，只能通過建設(shè)換電站來減少充電環(huán)節(jié)對生產(chǎn)造成的影響，不利于提高碼頭的生產(chǎn)效率；鉛酸電池安全性差，存在重金屬污染與氫氣析出爆炸風險，不利于企業(yè)安全管理。鋰電池充電倍率大、循環(huán)壽命高、安全性能高，長期投資性能優(yōu)異。

2)進一步分析比較3種已在我國港口實際應(yīng)用的鋰電池組的性能特點。磷酸鐵鋰電池較三元鋰電池充放電倍率大，利于減輕AGV自質(zhì)量，無須建設(shè)換電站，降低初期建設(shè)投資，但其低溫特性較差，不利于北方港口應(yīng)用；三元鋰電池能量密度大，但充電倍率低，低溫特性一般，須建設(shè)換電站，不利于港口經(jīng)濟建設(shè)；鈦酸鋰電池循環(huán)充電性能最優(yōu)，能量密度相比一般，但充電倍率大，通過提高充電頻率可大大減少電池的使用數(shù)量，降低AGV自質(zhì)量，降低初期投資，其快速充電特性可大大提高AGV作業(yè)效率，其良好的安全性和低溫特性，使其應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用地理范圍較磷酸鐵鋰、三元鋰電池都有較大優(yōu)勢。

2 水平運輸設(shè)備的充電系統(tǒng)方案

2.1 自動化碼頭電池動力AGV電能補充有換電池式、機會充電式及循環(huán)充電式3種方案。

荷蘭鹿特丹RWG碼頭及MVII碼頭均采用鉛酸蓄電池動力方案，采用換電池式；上海洋山四期自動化碼頭采用三元鋰電池動力方案，采用換電池式；廈門遠海自動化碼頭采用磷酸鐵鋰電池，采用機會充電方式；青島自動化碼頭采用鈦酸鋰電池動力方案，采用循環(huán)充電方式。

1)換電池式方案。AGV使用能量密度大、充電倍率低的電池時，需在自動化碼頭AGV運行區(qū)內(nèi)選址建設(shè)1座用于充電和換電池的換電站，見圖1。

圖1 換電站方案

2)機會充電方案。當AGV采用充電倍率較高、能量密度較大種類鋰電池時(如磷酸鐵鋰電池)，在作業(yè)場地一定區(qū)域建設(shè)小型機會充電裝置，利用生產(chǎn)間隙為AGV補充電能，見圖2。

圖2 機會充電方案

3)循環(huán)充電方案。當AGV采用高充電倍率、高循環(huán)壽命電池時(如鈦酸鋰電池)，在堆場海側(cè)交互區(qū)建設(shè)滑觸線裝置，AGV每個作業(yè)循環(huán)與堆場交互時均可充電約1 min。AGV與碼頭堆場系統(tǒng)交互過程見圖3。

圖3 AGV與支架交互過程

2.2 3種充電系統(tǒng)方案對比分析

從表2可知：1)換電池方式須建設(shè)換電站，配備等量備用電池，AGV單機須配備大容量電池組，建設(shè)成本高昂，車輪輪壓較大，間接增加了碼頭土建費用。另外，AGV換電池占用生產(chǎn)作業(yè)時間，生產(chǎn)不連續(xù)，如換電站故障存在碼頭停產(chǎn)的風險。2)機會充電方式與循環(huán)充電方式不建設(shè)大型換電站，無須備用電池，AGV車載電池質(zhì)量小，建設(shè)成本低且安全可靠。3)機會充電方式在作業(yè)高峰期可能出現(xiàn)AGV供應(yīng)不足的情況，循環(huán)充電方式在作業(yè)過程中補充電能，生產(chǎn)連續(xù)性好，可使鋰電池壽命達到最大，更具投資價值。

表2 3種充電方案比較

經(jīng)過測算，循環(huán)充電方式與換電池方案相比，電池組容量下降約為75%，不配備備用電池，可節(jié)省初期投資及后期運行維保費用約1.4億元；電池容量降低使AGV自質(zhì)量降低，單機能耗下降，每年節(jié)省能源消耗約1 600萬元；循環(huán)充電方式采用淺充淺放原則，電池組使用壽命可延長一倍，節(jié)省后期設(shè)備投入約3 000萬元。以10 a為一周期，共計可節(jié)省各項成本約3.3億元。

2.3 鈦酸鋰電池循環(huán)充電系統(tǒng)應(yīng)用

目前青島港采用鈦酸鋰電池作為AGV動力，采用分布式淺充淺放式循環(huán)充電方案。該方案的循環(huán)充電策略是利用AGV與堆場交互的60 s時間完成電能補充，AGV一個循環(huán)可補充的電量大于循環(huán)消耗電量，電池電量始終維持在70%～85%的最優(yōu)區(qū)間，實現(xiàn)了AGV無限續(xù)航，24 h不間斷作業(yè)，大大提高了集裝箱碼頭作業(yè)效率。該充電模式的具體充電流程，以卸船為例，AGV從岸橋接卸運輸集裝箱到堆場海側(cè)交換區(qū)，當AGV到達直接交互位時，裝在車身上的集電器伸出，與地面交互支架上的供電滑觸線可靠接觸后開始充電，當AGV完成送箱從堆場交互區(qū)駛出時，充電流程結(jié)束，前后約1 min時間。

經(jīng)青島港自動化集裝箱碼頭實踐，淺充淺放式循環(huán)充電方案投入成本相對較低，工作運行安全可靠，AGV電池充電效率高，充電系統(tǒng)故障率低，AGV作業(yè)效率實現(xiàn)了最大化，是當前較具推廣價值的充電方式。

3 結(jié)論

1)分析比較國內(nèi)外自動化集裝箱碼頭AGV動力方式得出：新一代電池組動力驅(qū)動AGV較柴油內(nèi)燃發(fā)電機動力AGV具有傳動結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、建設(shè)經(jīng)濟、維護簡單、安全性能高且綠色環(huán)保等特點。電池組動力形式在新一代自動化碼頭建設(shè)過程中會得到更多的應(yīng)用。

2)對比分析鉛酸電池與3種鋰電池的充放電特性，得出：鋰電池在循環(huán)充電次數(shù)、能量密度、環(huán)境保護方面均具有良好優(yōu)勢，其中高倍率充放電性能的鈦酸鋰電池循環(huán)充電次數(shù)最大、壽命最長，其實際應(yīng)用效果較好。

3)對比分析了3種充電方式的優(yōu)缺點，深入分析碼頭建設(shè)經(jīng)濟投入、實際應(yīng)用收益，以及充電方案的復(fù)雜度和安全性，淺充淺放式循環(huán)充電方案實現(xiàn)了碼頭作業(yè)的最高效率，在綠色港口、安全港口建設(shè)中都具有突出效果，推廣優(yōu)勢明顯。