集装箱码头自动导引车（AGV）动力系统及分布式浅充浅放循环充电技术研究

摘要：集装箱码头自动导引车（AGV）动力系统及分布式浅充浅放循环充电技术以我国码头作业方式转型升级和积极打造绿色智慧港口为契机，通过打造安全高效、绿色环保、成本低廉、可靠性高的水平运输系统，促进了集装箱码头向自动化、智能化、绿色环保方向发展。该技术以电池动力系统浅充浅放循环充电技术为工作原理，解决了传统集装箱码头人工集卡及国外自动化集装箱码头换电式AGV存在的在人机交互过程中安全风险集中、可靠性低、氢气析出爆炸等安全隐患，实现了水平运输设备及作业环节的本质安全。通过优化作业流程，促进了我国自动化集装箱码头作业效率的提升。1.技术概况该项目以我国码头作业方式转型升级和积极打造绿色智慧港口为契机，通过打造安全高效、绿色环保、成本低廉、可靠性高的水平运输系统，促进了集装箱码头向自动化、智能化、绿色环保方向发展，通过优化作业流程，提升了我国自动化集装箱码头作业效率，以产品国产化及科技创新推动AGV产品创新能力，降低投资成本，提高国内外产品竞争力。目前，项目研究成果已在青岛港自动化集装箱码头建设工程中得到充分应用，完全满足自动化水平运输系统的作业需求，运营两年来，引起了国内外的高度关注，已累计接待国内外参观者16000多人次，为国内外其他自动化集装箱码头的建设提供了中国方案，对国内外自动化集装箱码头的建设和科学发展做出了开创性的贡献。青岛港自动化码头所有设备采用全电驱动，智能化控制，自动化运行，实现了绿色、智能、零排放。码头水平运输系统采用全电动AGV替代传统码头的柴油集卡车，无CO2、SO2

排放。AGV动力系统采用钛酸锂电池，较铅酸电池的能源利用效率提升25%，可有效消除铅污染风险；AGV充电采用自主首创的分布式浅充浅放循环充电新模式，在AGV生产作业的同时完成电能补充，充电过程不占用作业时间，取消换电环节，提高了装卸效率，降低了投资成本；AGV电池组减重12吨，整车减重14吨，大幅降低单位能耗、运行成本及轮压。2.技术原理和内容2.1技术原理集装箱码头自动导引车（AGV）分布式浅充浅放循环充电技术及系统由AGV电池动力系统、电池管理系统（BMS）、车载集电器、地面供电滑触线、上位管理系统等组成，创新性地利用AGV与支架进行集装箱交互的时间，实现电能的补充，将集装箱交互作业与AGV充电合二为一。该系统采用具有高倍率、大电流充放电能力的钛酸锂电池，通过安装在AGV车身上的集电器和安装在交互支架上的供电滑触线为AGV进行充电。TOS通过ECS与BMS进行通讯，及时掌握电池信息，作业过程中TOS和ECS始终对AGV车队的充电进行实时管理与控制，根据BMS反馈的电池电量信息，遵循ECS控制下的机会充电和TOS单独派发充电指令原则控制AGV充电。该电能补充方式不需要建设换电站，不需要备用车辆和备用电池，可最大程度降低投资；单台AGV电池出现故障，不会影响其他车辆作业；不需要停车补充电能，不占用额外的时间进行充电，最大程度提高AGV作业效率；单车电池容量小，最大程度减轻AGV自重；对电池的利用是浅充浅放模式，最大程度延长电池使用寿命；AGV的电能补充是随时进行，降低对电池的管理复杂度，最大程度降低码头操作系统的复杂性。2.2实施方案（1）针对AGV整体换电存在的弊端，创新性地提出循环充电新模式，研发与之相匹配的电池动力系统，大幅延长电池组寿命，大幅降低AGV的电池容量、整机重量及单位能耗。首次将钛酸锂电池技术应用于AGV动力电池系统，开发安全、高效的电池管理系统（BatteryManagementSystem，简称BMS）和液体循环温度管理系统，电池温度控制于最佳区间，延长电池使用寿命，发挥钛酸锂电池的大电流充放电性能，满足AGV作业工况需求。（2）根据自动化集装箱码头的作业流程，制定合理的AGV充电策略及AGV运行调度策略，在生产作业的同时完成AGV电能补充（不占用额外的时间进行电能补充），实现生产作业与AGV补电的合二为一，实现AGV续航时间无限制。（3）充分考虑AGV轮胎爆胎、跑偏、偏载等作业工况，研发高自适应性基于四连杆伸缩机构车载取电装置和导向装置，确保集电器伸出和收回的平顺性，满足码头24小时全天候作业要求。（4）研发满足码头作业工况的电池管理系统，实现TOS和ECS始终对AGV车组的充电进行实时优化管理与控制，单机电池管理系统（BMS）实时反馈AGV动力电池系统信息（温度、电压、电流、电量等），TOS通过ECS实时对AGV的充电进行优化管理。3.主要创新点（1）首次提出了分布式浅充浅放循环充电新型模式，研发了长寿命、高倍率、大电流充放能力钛酸锂电池的AGV电池动力系统。大幅度降低了自动化集装箱码头AGV电池容量、整机重量、单位能耗，节约了码头建设费用。（2）创新开发了集装箱堆场海侧交互区装卸作业和充电并行的AGV循环充电技术，有效降低了AGV配比值。（3）创新研发了高度自适应AGV车载取电装置，集成研发了基于防雨、防尘、防冰雪滑触线的AGV充电系统。（4）首次开发了与AGV循环充电策略相匹配的循环充电实时管理与控制技术及系统，实现了自动化集装箱码头装卸作业过程中TOS和ECS对AGV车组充电的实时优化管理。（5）研发AGV导航定位技术，采用航位推算和绝对位置校正相结合的方法，使AGV导航定位精度可达±2厘米，满足自动化集装箱码头作业环境复杂、安全可靠性要求高的要求。4.技术应用情况采用该技术的AGV实现了全自动化作业及充电，作业过程中无需人员的参与，彻底实现了人机分离，解决了传统集装箱码头人工集卡及国外自动化集装箱码头换电式AGV存在人机交互的安全隐患，实现了水平运输设备及作业环节的本质安全。该技术已在青岛港自动化集装箱码头建设工程中得到充分应用，码头自正式运行投产以来，截至2019年4月底，共计完成船舶作业1400艘次，完成集装箱吞吐量207万标准箱，保班率100%，码头平均作业效率达到每小时35自然箱每小时，在“桑托斯快航”轮作业中创造了每小时43.23自然箱的码头最高作业效率。经验证，系统稳定高效，可靠率达到了99.99%，完全满足自动化水平运输系统的作业要求，对国内自动化集装箱码头的建设和科学发展做出了开创性的贡献，并为国内外其他自动化集装箱码头的建设提供了借鉴方案。该技术填补了世界自动化集装箱码头领域的多项标准化工作空白，提高了自动化集装箱码头标准化水平，促进和推动了全球自动化码头标准体系的建立和产业的规范发展。青岛自动化集装箱码头是世界先进、亚洲首个真正意义上的全自动化码头，在国内属首次应用，按照2018年全国规模以上港口集装箱总吞吐量21000万TEU计算，该技术在国内行业内占比为0.7%，具有很高的推广应用价值。该技术适用于港口、物流运输，也可推广到机场、高铁等领域。应用该技术需具备的各项条件如下：（1）在作业区域中合理设置充电位，分布于作业区域不同位置，设备在作业循环中等概率通过并快速充电，设备循环充电量应大于循环耗电量。充电系统与设备受电系统应具备高可靠性、高安全性与长寿命的特点。（2）形成一套完整的浅充浅放循环充电策略与管理系统，实现对生产过程的精准控制，对设备充电进行实时管理，确保设备的电量始终维持在一个合理区间。（3）研发可适用于设备工况的电池系统与管理系统，电池系统在满足设备性能要求的情况下，降低电池配置容量，实现车辆轻量化设计要求，降低作业能耗；管理系统应对电池系统进行深度管理，实现电池浅充浅放，并将电池温度控制于最佳区间，延长电池的使用寿命。5.技术效益分析5.1节能低碳效益采用绿色、节能、环保的钛酸锂电池技术及循环充电技术，可实现CO2零排放，自2017年5月11日投产以来，共计完成作业箱量207万TEU，累计节省柴油消耗1592吨，共计节省CO2

排放4959.7吨。青岛港自动化码头规划三期建设，按照年600万标准箱吞吐量计算，年节省柴油

1615吨，年减少CO2

排放

14375吨，节能减排效应明显。5.2经济效益集装箱码头自动导引车（AGV）分布式浅充浅放循环充电技术及系统采用钛酸锂电池技术，以10年为一周期，共计可节省各项成本约

3.3亿元。（1）AGV车载电池装机容量降低75%，无需配备备用电池，可节省初期投资及后期运行维保费用共1.4亿元。（2）电池容量降低导致AGV自重降低30%，单位能耗降低25%，年节省能源消耗约250万元；大幅降低AGV轮压，码头建设成本降低2000万元；轮胎等运行成本大幅下降，年节省消耗100万元。（3）电池利用效率较铅酸电池提升约25%。（4）与整体换电方案所采用的满充满放的电池使用方式相比，循环充电方式采用浅充浅放利用机制，电池组使用寿命可延长5~7倍，节省后期设备投入约6000万元。（5）循环充电技术无需建设换电站，节省换电站建设成本约1亿元。5.3社会效益（1）集装箱全自动化作业，真正意义上做到人机分离，实现了人和设备的本质安全；采用磁钉定位技术和惯性导航技术，停车精度精确控制在2cm以内，通过上位系统的管理