唐立辉,张连钢

(青岛新前湾集装箱码头有限责任公司，山东 青岛 266000)

在第四代集装箱港口快速发展建设中，我国已先后建成厦门远海、青岛新前湾、上海洋山四期共3座自动化集装箱码头，其水平运输系统均采用自动导引运输车(简称AGV)[1-3]。

参考国内外自动化码头，集装箱AGV动力以柴油内燃发电机、铅酸电池、锂电池[4-5]为主要形式，深入分析不同动力形式在系统结构和性能上存在的差异，得出当前的动力方案[6-7]，包括换电池充电、机会充电、浅充浅放式循环充电方案[8]。在目前的实践应用中，最优的动力方案尚未达成一致观点，还处于探索阶段。结合几个新一代自动化码头水平运输系统的整体规划[9-10]，通过深入研究对比分析其运行效果、经济效益、安全性能及环境友好情况，为新的自动化码头水平运输系统设备选型提供参考依据。

1 水平运输设备的动力系统方案

自动化集装箱码头从1993年发展至今，AGV的动力形式主要有柴油内燃机、铅酸电池组和锂电池组3种类型。

1.1 柴油内燃机动力与电池动力

早期的AGV采用柴油发电机驱动，在鹿特丹Euromax码头有所应用。柴油发电机通过燃烧柴油为AGV提供动力电源，系统平均传动效率低于26%，机组能耗高、空耗大、污染严重，目前已面临淘汰。

电池动力结构简单，平均传动效率达56%，系统安全性远大于燃油，具有噪音小、零排放、维护方便、绿色可持续等特点，是当前新建自动化码头的首选方案。

1.2 铅酸电池组与锂电池组

1)从AGV电池组的循环性能、能量密度、充电倍率、低温特性、安全性对比分析铅酸电池与几种锂电池的实用性能，见表1。

表1 各种电池比较

从表1可知，铅酸电池在实际应用性能上不及锂电池。铅酸电池在能量密度上不及锂电池，使用铅酸电池的AGV电池组质量可达13 t，AGV车胎对地轮压较大，间接增加了码头土建费用；铅酸电池充放电倍率较低，电池充电时间长，只能通过建设换电站来减少充电环节对生产造成的影响，不利于提高码头的生产效率；铅酸电池安全性差，存在重金属污染与氢气析出爆炸风险，不利于企业安全管理。锂电池充电倍率大、循环寿命高、安全性能高，长期投资性能优异。

2)进一步分析比较3种已在我国港口实际应用的锂电池组的性能特点。磷酸铁锂电池较三元锂电池充放电倍率大，利于减轻AGV自质量，无须建设换电站，降低初期建设投资，但其低温特性较差，不利于北方港口应用；三元锂电池能量密度大，但充电倍率低，低温特性一般，须建设换电站，不利于港口经济建设；钛酸锂电池循环充电性能最优，能量密度相比一般，但充电倍率大，通过提高充电频率可大大减少电池的使用数量，降低AGV自质量，降低初期投资，其快速充电特性可大大提高AGV作业效率，其良好的安全性和低温特性，使其应用环境和应用地理范围较磷酸铁锂、三元锂电池都有较大优势。

2 水平运输设备的充电系统方案

2.1 自动化码头电池动力AGV电能补充有换电池式、机会充电式及循环充电式3种方案。

荷兰鹿特丹RWG码头及MVII码头均采用铅酸蓄电池动力方案，采用换电池式；上海洋山四期自动化码头采用三元锂电池动力方案，采用换电池式；厦门远海自动化码头采用磷酸铁锂电池，采用机会充电方式；青岛自动化码头采用钛酸锂电池动力方案，采用循环充电方式。

1)换电池式方案。AGV使用能量密度大、充电倍率低的电池时，需在自动化码头AGV运行区内选址建设1座用于充电和换电池的换电站，见图1。

图1 换电站方案

2)机会充电方案。当AGV采用充电倍率较高、能量密度较大种类锂电池时(如磷酸铁锂电池)，在作业场地一定区域建设小型机会充电装置，利用生产间隙为AGV补充电能，见图2。

图2 机会充电方案

3)循环充电方案。当AGV采用高充电倍率、高循环寿命电池时(如钛酸锂电池)，在堆场海侧交互区建设滑触线装置，AGV每个作业循环与堆场交互时均可充电约1 min。AGV与码头堆场系统交互过程见图3。

图3 AGV与支架交互过程

2.2 3种充电系统方案对比分析

从表2可知：1)换电池方式须建设换电站，配备等量备用电池，AGV单机须配备大容量电池组，建设成本高昂，车轮轮压较大，间接增加了码头土建费用。另外，AGV换电池占用生产作业时间，生产不连续，如换电站故障存在码头停产的风险。2)机会充电方式与循环充电方式不建设大型换电站，无须备用电池，AGV车载电池质量小，建设成本低且安全可靠。3)机会充电方式在作业高峰期可能出现AGV供应不足的情况，循环充电方式在作业过程中补充电能，生产连续性好，可使锂电池寿命达到最大，更具投资价值。

表2 3种充电方案比较

经过测算，循环充电方式与换电池方案相比，电池组容量下降约为75%，不配备备用电池，可节省初期投资及后期运行维保费用约1.4亿元；电池容量降低使AGV自质量降低，单机能耗下降，每年节省能源消耗约1 600万元；循环充电方式采用浅充浅放原则，电池组使用寿命可延长一倍，节省后期设备投入约3 000万元。以10 a为一周期，共计可节省各项成本约3.3亿元。

2.3 钛酸锂电池循环充电系统应用

目前青岛港采用钛酸锂电池作为AGV动力，采用分布式浅充浅放式循环充电方案。该方案的循环充电策略是利用AGV与堆场交互的60 s时间完成电能补充，AGV一个循环可补充的电量大于循环消耗电量，电池电量始终维持在70%～85%的最优区间，实现了AGV无限续航，24 h不间断作业，大大提高了集装箱码头作业效率。该充电模式的具体充电流程，以卸船为例，AGV从岸桥接卸运输集装箱到堆场海侧交换区，当AGV到达直接交互位时，装在车身上的集电器伸出，与地面交互支架上的供电滑触线可靠接触后开始充电，当AGV完成送箱从堆场交互区驶出时，充电流程结束，前后约1 min时间。

经青岛港自动化集装箱码头实践，浅充浅放式循环充电方案投入成本相对较低，工作运行安全可靠，AGV电池充电效率高，充电系统故障率低，AGV作业效率实现了最大化，是当前较具推广价值的充电方式。

3 结论

1)分析比较国内外自动化集装箱码头AGV动力方式得出：新一代电池组动力驱动AGV较柴油内燃发电机动力AGV具有传动结构简单、传动效率高、建设经济、维护简单、安全性能高且绿色环保等特点。电池组动力形式在新一代自动化码头建设过程中会得到更多的应用。

2)对比分析铅酸电池与3种锂电池的充放电特性，得出：锂电池在循环充电次数、能量密度、环境保护方面均具有良好优势，其中高倍率充放电性能的钛酸锂电池循环充电次数最大、寿命最长，其实际应用效果较好。

3)对比分析了3种充电方式的优缺点，深入分析码头建设经济投入、实际应用收益，以及充电方案的复杂度和安全性，浅充浅放式循环充电方案实现了码头作业的最高效率，在绿色港口、安全港口建设中都具有突出效果，推广优势明显。