純電動集卡全自動換電裝置在港區內的應用研究

文/秦毅俊 嚴俊

集卡作為集裝箱碼頭重要水平運輸機械，具有數量大，能耗高的特點。雖然，其動力介質從原來的柴油轉變成天然氣，但還是改變不了其二氧化碳排放的特性，也不斷制約著碼頭向清潔、環保方向發展。伴隨著經濟全球化的進程和能源需求的不斷高漲，鋰離子電池正已然成為新儲能裝置的代表，開始從航空航天、信息技術等高端應用場景向電動自行車、電動汽車等發展，而電動集卡也應運而生。而使用過程中的能源補給就存在技術難題，本文提出的純電動集卡換電裝置，集成了充換電、調度功能的換電裝置，從而提高換電可靠性、安全性，提升換電過程的精準性。

一、傳統純電動集卡的充電模式

目前使用的傳統集卡，其燃料加注方式非常便捷，可根據現場作業間隙靈活調度。而純電動集卡則不同，按照現在主流的解決方式主要有充電和換電兩種模式，其中各有利弊。

表1 充電、換電模式優劣勢對比

相較于目前市場上較為成熟的車輛充電模式，其主要在后場空曠區域內，通過低壓或高壓電纜傳輸至充電樁處，利用閑暇時間為車輛充電，一般大型車輛采用一對多充電方式。在實際使用過程中可能存在以下幾個問題：1.通過各類傳感器等設備，解決和處理司機可能存在的停車偏差問題，解決其精準性；2.通過全自動化操作方式，減少人員操作時可能出現誤操作的同時，提高換電過程的安全行性；3.以模塊化集成方式，方便安裝、施工，場地選擇上應滿足集卡轉彎半徑，解決部分港區位置狹小等難題；4.換電過程便于操作，能利用智能化人機交互界面，直觀清晰監控換電過程，發生故障時便于檢修人員查找故障；5.建立車輛監控和換電裝置之間的通訊，能實時跟蹤車輛的SOC電量、運行狀態等數據；6.解決換電與生產之間的矛盾關系，合理分配車輛有序換電；7.通用性強，能適用于不同型號的鋰電池集卡。

二、換電集卡換電裝置介紹

由于車輛使用的電池組及車輛技術參數的不同，會直接影響充電時間、車輛調度等使用效果，故本文討論的充電裝置僅適用于本類型車輛，技術參數見下表。針對傳統純電動集卡的充電模式，存在一系列問題，而采用全自動換電模式，利用換電小車和換電機器人完成換電過程。此外，換電裝置與每臺車都能建立通訊，在確保換電過程中安全的同時，也能保證車輛信息實時回傳至平臺。并且，加載機還能分別為每組電池包進行固定式充電和外接臨時性充電。項目的主要特點是將換電裝置、充電模塊、電池監控、消防監控系統等輔助及安全系統集成在裝置內，減少占地面積，實現快速、便捷、安全換電。該裝置具有如下優勢：1）換電效率高：每臺車的換電過程在5分鐘左右，補給效率基本與加油或加氣車輛相當；2）投資較小：采用換電模式，將減少車輛采購成本，每一臺車都能被合理利用；3）占地率小：集成后的換電裝置，將有效利用場地空間，提升土地資源利用率，尤其是規模較小的碼頭；4）充、換電安全性更高：換電裝置的后臺監控系統，能對每組電池組和裝置進行實時監控，各類傳感器等能及時發現安全隱患，并在后臺實施干預，實現360°安全管理；5）降低電網壓力：集中式充電，能有效降低電網壓力；6）延長電池組壽命：每個電池加載機都有智能監控系統，可根據電池容量，分階段實施充電方式；7）消防安全性、可靠性更高：換電裝置消防主機在自動狀態下，能在場所內第一時間進行處置。

表2 換電集卡主要技術參數

三、純電動集卡換電裝置研究

3.1換電小車。換電小車借鑒行車的結構，可在X（大車）、Y（小車）軸方向進行移動，為了確保其高速運行和定位精度，采用增量型編碼器和激光測距儀雙重控制方式。編碼器能控制小車分別在X、Y軸上運行速度，而激光測距儀則是起到定位作用，在兩者雙重控制作用下，X軸精度控制在≤3mm，運行速度最大在20m/m in。

3.2換電機器人。換電機器人負責抓舉、起吊動作，在Z軸上下運行。通過預設在編碼器內起升、下降高度距離數值，實現提速、降速的功能。在換電機器人抓舉電池組時，安裝在換電機器人上對角的兩個“著箱”傳感器會反饋至起升機構，暫停下降動作，四個鎖塊在接收到下降到位指令后，通過旋轉實現抓舉功能。換電機器人的控制精度相對較低，一般在≤5mm左右，速度在5m/m in。

3.3車輛監控系統。建立車輛監控系統平臺，將車輛的基礎信息、車輛運行情況、車輛的SOC電量實時傳輸到平臺上，可根據運行狀態及時安排車輛有序換電。并且車輛及站級監控之間也能通過車輛監控系統，對整個換電過程進行通信，一旦發生故障，可判斷故障點在車輛還是換電裝置本身。

3.4站級監控系統。站級監控系統，配置輸入和顯示功能，能顯示充電電壓、充電電流、SOC電量、充電時間、電池單體電壓、單體截止電壓、電池截止電壓、截止電流、電池單體溫度、充電電量、故障信息等。站級監控系統能給生產調度人員了解換電裝置7個倉位電池組的情況，從而靈活調配換電車輛。

3.5車輛定位系統。車輛定位系統應與伺服定位與激光位移傳感器結合，固定在桁架上，當車輛進站之后自動檢測車輛位置，并進行語音播報，能提示駕駛員開始正常換電或重新駛入。鑒于都是同一種車型，在司機駕駛位側面玻璃上，貼上帶有三條定位線的透明靜電薄膜，當司機快要行駛至換電位時，換電激光定位線照射到三條定位線上，司機只需參照線段區間位置，就能知道停放是否到位，簡單、有效提升停車到位率。

3.6換電裝置消防監控系統。換電裝置消防監控系統內設消防監控主機，主機在自動狀態下，能在場所內出現火情時，第一時間聯動現場安裝的噴淋電磁閥模塊，現場噴淋系統進行滅火；同時，啟動聲光報警器，提醒人員進行疏散工作；并通過主機報警反饋信號，上傳至企業內部消防監控中心，組織火災撲救等工作。根據不同的站內情況，消防方案按照三個等級判定：1）如電池未發生冒煙或明火情況，判定適用一級消防方案。2）如電池發生冒煙但未產生明火時，判定適用二級消防方案。3）如電池發生冒煙并伴隨電池附近可燃物出現明火燃燒的情況，判定適用三級消防方案。

四、總結

純電動集卡換電裝置采用集成化設計，其中包含換電裝置、充電裝置、通訊柜、消防設備等，可有效減少占地面積，并且采用全自動換電裝置，完全符合實際作業工況需求，并在實際運行中獲得成功應用。通過全自動化一鍵運行，提高換電過程的準確性、穩定性和安全性，提升換電效率。

引用出處

[1]夏禎捷，集裝箱碼頭綠色新能源內集卡技術應用方案比選和實施.港口科技.2022,(07)：9-14.