1 引言
自動化集裝箱碼頭始于 90 年代初，AGV( Automated Guided Vehicle，自動導引運輸車) 是自動化集裝箱碼頭的關鍵組成，承擔水平運輸任務。AGV 發(fā)展過程中經歷了由內燃機到全電動的轉變，當今歐美*先進的自動化碼頭，如荷蘭鹿特丹的 ＲWG、APMT MV2、美國長灘的 LBCT，均采用鉛酸電池換電式 AGV; 國內商業(yè)運行的上海洋山四期自動化碼頭，采用鋰電池換電式 AGV。
換電式 AGV 雖擺脫了早期柴油動力諸多問題，但也存在如下弊端: ①換電過程影響碼頭作業(yè)連續(xù)性，加大碼頭生產組織難度，降低碼頭作業(yè)效率; ②換電式 AGV 需建設換電站并搭配備用電池，單個換電站建設成本約 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，導致其使用壽命縮短，更換周期短; ⑤換電站風險集中，一旦電池換電站出現故障，可能導致整個碼頭停產;⑥存在鉛污染、氫氣析出風險( 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 會在生產過程中完成電能補充，實現 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)設計首要解決傳統(tǒng)換電式 AGV 換電過程占用生產時間的弊端，降低換電環(huán)節(jié)對生產的干擾。充分利用鋰電池淺充淺放特性應用和循環(huán)充電模式**，將傳統(tǒng)換電式 AGV 運行成本高、電池壽命短、風險集中等諸多問題逐一化解，生產與充電并行，達到提高碼頭作業(yè)效率，降低碼頭投資成本的目的。
2．1 AGV 工況分析
傳統(tǒng)自動化碼頭 AGV 運行區(qū)分為橋吊作業(yè)區(qū)( QCTP) 、緩 沖 區(qū) ( PB) 、高 速 車 道、海 側 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) 。
青島港自動化碼頭** AGV 交互流程，采用新型 Lift-AGV。L-AGV 裝有舉升平臺( 見圖 2) ，AGV 行駛至 WSTP 陸側的 WSＲACK 區(qū)域，利用安設的固定支架完成同軌道吊的交互，全程僅需 60 s( 見表 1) ［1］。
2．2 充電區(qū)域及方式選擇
根據循環(huán)充電理念要求，AGV 在作業(yè)中完成電能補充，充電與生產流程相結合。AGV 循環(huán)充電區(qū)域要求設置在 AGV 經停頻率高、不影響 AGV 正常運行的位置。根據 AGV 運行區(qū)功能劃分，結合AGV 工況特點，提供如下 2 個待選區(qū)域:
( 1) 緩沖區(qū)( PB) 。PB 連接 QCTP 與高速車道，AGV 作業(yè)時由此經過，PB 也是 AGV 待機停放區(qū)，因此安裝在 PB 的充電設備可為 AGV 提供大量充電機會。但 PB 位于自動化場地中央，安裝充電裝置需埋設大量線纜橫穿高速車道，PB 車道數量多，充電設備需求量龐大，建設費用高，不符合循環(huán)充電系統(tǒng)降低建設成本初衷。
( 2) 海側支架交互區(qū)( WSＲACK) 。在 WSＲACK安裝充電裝置，可充分發(fā)揮青島港自動化碼頭 LAGV 運行特點，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量，大大降低施工難度。在 AGV 充電方式選擇方面，現階段可供選擇的充電方式較多，現提出如下 3 種方案供論證分析:
( 1) 定點充電裝置。AGV 進入交互區(qū)支架，停車到位后，岸電插座自動連接 AGV 進行充電。定點充電裝置需耗費額外時間充電，會對生產組織產生干擾，與設計理念不符。
( 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-電之間的相互轉換，無需進行物理連接，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、落箱振動等工況適應性強，無物理接觸易維護等優(yōu)點。但無線充電系統(tǒng)造價昂貴，充電功率小，無法在有限時間內將充電量*大化; 無線充電涉及到電磁-電之間的多重轉換，能源轉換效率低。此外，無線充電產生的大量磁場會對 AGV 電氣及導航系統(tǒng)帶來嚴重干擾，不宜采用。
( 3) 滑觸線充電系統(tǒng)。滑觸線充電系統(tǒng)在 ＲTG已得到大量應用，擁有較成熟的使用經驗。滑觸線系統(tǒng)可以在 AGV 移動中完成電能輸送，符合循環(huán)充電系統(tǒng)設計要求。但 AGV 作業(yè)工況與 ＲTG 有較大區(qū)別，AGV 每日對滑觸線產生數百次拔插，因此在AGV 上應用滑觸線供電系統(tǒng)，需有針對性地對其進行設計改進。
2．3 基于滑觸線技術的 AGV 供電系統(tǒng)AGV 滑觸線作業(yè)工況有如下特點:
( 1) AGV 進出滑觸線頻率高。根據測算，AGV年進出滑觸線次數約 6 萬次，遠高于 ＲTG 的 300 次。
( 2) AGV 滑觸線充電系統(tǒng)作業(yè)工況差。AGV在進入滑觸線的過程中，需考慮導航誤差帶來的±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 進入支架區(qū)域交互的時間內，將產生較大的電流( 400 A) ，以盡量多地補充電量。基于上述 AGV 特殊工況要求，全新 AGV 滑觸線充電系統(tǒng)需要具備更強的工況適應性、全天候耐受性、更高的載流量。
2．4 基于四連桿結構的車載集電器
青島港 AGV 采用了可伸縮集電小車設計，小車的四連桿機構和上下調整裝置，可充分適應 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) 。
為驗證不同工況下運行情況，青島港自動化碼頭搭建了全新滑觸線-集電器測試平臺，通過平臺模擬 AGV 存在的工況，進行不間斷測試，對滑觸線和集電器進行優(yōu)化，使集電器滑觸線更加匹配 AGV 生產作業(yè)［3］。
3 循環(huán)充電模式
3．1 設計目標
AGV 在作業(yè)過程中完成電能補充，實現不間斷循環(huán)運行，需達到如下設計目標:
( 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，實現淺充淺放循環(huán)充電。
( 3) 降低單機能耗。優(yōu)化作業(yè)流程和單機結構，降低單機循環(huán)能耗，減小 AGV 因連續(xù)重載導致缺電概率，提高碼頭作業(yè)效率。
3．2 循環(huán)能耗測算
青島港 2013 年進出口集裝箱箱重、箱型數據見表 2、表 3。
根據上述箱重、箱型信息，推算 AGV 實際載荷見表 4。
根據自動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。
綜合考慮地面坡度、風阻系數、輪胎與地面的摩擦阻力、AGV 的傳動效率以及負載等情況，循環(huán)能耗計算結果見表 6
由測算數據可知，循環(huán)充電量高于 3．82 kWh 的循環(huán)耗電量，即可滿足 AGV 設計目標要求。青島港AGV 分布式淺充淺放循環(huán)充電系統(tǒng)在 60 s 時間內，可實現 4．25 kWh 電能補充( 見表 7) 。碼頭投產后，實測 AGV 循環(huán)充電量、耗電量及循環(huán)充電電量走勢。
實測數據符合模型測算預期，滿足循環(huán)充電量＞循環(huán)耗電量要求，AGV 電量在生產運行中達到動態(tài)平衡，可實現無限續(xù)航［3］。
4 鋰電池充放電特性的使用
隨著現代電池技術發(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。鎳鎘電池須深充深放以延長電池壽命，而鋰電池恰恰相反，深充深放不僅不會延長電池使用壽命，反而會加劇電池容量的衰減。
換電式 AGV 為獲得*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 電池應用模式的弊端，極大地提高了電池壽命，延長了電池使用時間［4］。
5 AGV 動力電池系統(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、工況適應性好、免維護等特點。幾種常見電池特性對比見表 8。
由表 8 可見，鈦酸鋰電池擁有極高的循環(huán)性能、較高的充電倍率和優(yōu)良的低溫特性。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青島北方氣候特點。鈦酸鋰電池滿足 AGV 分布式循環(huán)充電系統(tǒng)設計目標要求。
利用鈦酸鋰電池的優(yōu)異特性，設計成組的 AGV新型動力電池系統(tǒng)，容量 140 AH、電池自重 1．5 t，可實現電池模組*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，預計電池使用壽命可達 10 年［5］。
5．2 電池溫控系統(tǒng)
對于鋰電池來說，高溫將加劇電池內部次生反應，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 ℃ *佳使用溫度，可發(fā)揮電池*佳性能同時延長其使用壽命。
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 個等級，即綠色、橙色和紅色。綠色代表電池電量處于*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入預警狀態(tài)，在做完當前任務后，系統(tǒng)會單獨派發(fā) AGV 充電的指令; 紅色代表電池電量進入危險狀態(tài)，系統(tǒng)會立即派發(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)等關鍵數據分析，確定 AGV 動力電池系統(tǒng)架構; 通過對碼頭平面布局的研究，確定循環(huán)充電設備安裝方案; 通過對鋰電池淺充淺放特性的運用，將電池壽命極大延長。分布式淺充淺放循環(huán)充電技術可以有效解決換電式及定點充電式 AGV 存在的諸多弊端，對降低碼頭建設成本、提升運行效率有較大幫助。該系統(tǒng)已在青島港自動化碼頭成功應用，經濟社會效益顯著，具有廣闊的推廣價值。
