堆场水平布置自动化集装箱码头智能导引车动力电池方案

黄炳林 刘政刚

堆场水平布置自动化集装箱码头与堆场垂直布置自动化集装箱码头的作业方式有所不同：前者采用智能导引车（intelligent guided vehicle，IGV）作为水平运输设备，IGV在堆场与道路间穿梭，完成1个作业循环所运行的路径较长，而与岸桥、轨道吊停留交互的时间较短，平均不足1 min，最短不到30 s。鉴于IGV作业的特殊性，与堆场垂直布置自动化集装箱码头采用的水平运输设备自动导引车（automatic guided vehicle，AGV）相比，IGV动力电池选型要求较高，需要根据IGV使用工况，测算IGV功率需求，据此确定IGV动力电池充电方式、材料、容量等，以确保IGV动力电池方案满足码头生产作业要求。广州南沙联合集装箱码头有限公司（以下简称“南沙四期码头”）堆场采用水平布置方式。本文以南沙四期码头为例，介绍堆场水平布置自动化集装箱码头IGV动力电池方案。

1 IGV动力电池功率需求

1.1 IGV满载功率测算

满载工况下，IGV最大载质量为85 t，其中：整车自身质量约20 t，2个20英尺重箱最大质量约65 t。根据测试，当牵引车或半挂车满载（按整车最大总质量85 t计算）时，在27 s内从静止加速至30 km/h需要的最大驱动功率为200 kW。按车辆（自身质量20 t）满载2个20英尺重箱（最大质量约65 t）重出空回或空出重回来回行程平均载质量32.5 t计算，车辆满载重出空回需要的平均功率为34.3 kW;考虑到车辆辅助设备（如制动系统电机、转向电机、车载设备、控制系统、导航设备等）消耗的平均功率约6.0 kW，车辆满载工况下重出空回或空出重回的平均功率为。

1.2 IGV正常工况平均功率测算

按车辆载箱（1个40英尺重箱质量约，2个20英尺重箱质量约45 t）重出空回或空出重回来回行程平均载质量17.5 t计算，车辆载箱重出空回需要的平均功率为22.8 kW;考虑到车辆辅助设备（如制动系统电机、转向电机、车载设备、控制系统、导航设备等）消耗的平均功率约6.0 kW，车辆正常工况下重出空回或空出重回的平均功率为。不过，考虑到IGV空车充电或维保等情况，IGV实际平均功率稍低。

2 自动化集装箱码头AGV动力电池充电方式

调研自动化集装箱码头AGV动力电池充电方式（见表1）后发现，机会充电方式难以满足堆场水平布置自动化集装箱码头IGV作业要求。固定充电和机会充电要求IGV或AGV在固定地点充电，而南沙四期码头IGV在堆场侧面不断穿梭作业且停留时间较短，加之其行走时间较长，停靠位置不固定，难以满足IGV动力电池充电要求。

3 南沙四期码头IGV动力电池方案

3.1 选择充电方式

水平运输设备动力电池固定充电与整组换电方式都可以应用于堆场水平布置自动化集装箱码头。通过对比自动化集装箱码头水平运输设备动力电池充电方式的优缺点（见表2），南沙四期码头最终选择固定充电方式。

3.2 布置充电桩

为了解决IGV充电问题，在南沙四期码头自动化作业区域设置8个充电桩，具体布置如图1所示。

3.3 制订充电方案

通过分析，制订两种IGV充电方案：一种为IGV工作2 h后充电方案;另一种为IGV工作后充电方案。计算机仿真分析得出的南沙四期码头IGV两种充电方案下岸桥-门机系统作业效率分别见表3和表4。

仿真南沙四期碼头海侧作业峰值工况：主泊位4个，驳船岸桥泊位6个，驳船门机泊位6个;22台岸桥和9台门机同时作业，IGV满载运行速度为/s，空载运行速度为6 m/s，转弯运行速度为2 m/s;岸桥作业箱型比例分别为40英尺和45英尺集装箱占25%，单20英尺集装箱占1%，双20英尺集装箱占74%。在IGV工作2 h后充电方案下，南沙四期码头需要配置217辆IGV且须布置不少于50个充电桩，才能达到码头海侧作业峰值工况下的岸桥-门机系统目标作业效率;而在IGV工作后充电方案下，南沙四期码头只要配置194辆IGV并布置不少于34个充电桩，即可达到码头海侧作业峰值工况下的岸桥-门机系统目标作业效率。从成本角度考虑，南沙四期码头选择工作后充电方案，最多配置194辆IGV，布置34个充电桩。

3.4 确定电池容量及材料

3.4.1 电池容量要求及选择

电池荷电状态在30%～95%范围内有助于延长电池使用寿命。电池实际工作荷电状态为65%，结合IGV工作时间，要求电池连续工作时间为4 h。电池使用一定年限后，其容量会有所衰减。按衰减率为20%计算，为了满足平均功率需求，需要配备的电池容量约为221.5 kW穐;考虑一定的冗余量以及电池串并联关系，确定电池容量约为238.0 kW穐。

3.4.2 电池材料选择

磷酸铁锂电池的成本较低且安全性较高，但其循环性能欠佳且能量密度较低。锰酸锂、三元锂（多元锂）电池能量密度较高且循环性能较好。钛酸锂电池作为功率型电池的代表，拥有极好的循环性能和较长的使用寿命，但其能量密度极低且价格高昂。通过比较各类电池性能（见表5），南沙四期码头决定选择三元锂和锰酸锂电池作为IGV动力电池。

3.5 电池充放电次数要求及选择

按电池使用寿命8年、日常充满电使用4 h后充电、电池利用率65%、IGV实际作业耗电量28.8 kW计算，IGV消耗功率为1 166 131 kW。

若选用锰酸锂和三元锂电池，在不考虑电池容量衰减并按电池容量240 kW h、电池荷电状态100%折算充放电次数的条件下，按IGV利用率65%计算，满足使用要求的电池充放电次数为4 899次。

3.6 锂电池使用要求

（1）充电要求 在IGV工作4 h后充电方案下，充电桩功率应不小于。考虑充电桩容量冗余，选择额定功率为300 kW的充电桩。

（2）电池使用寿命要求 电池设计使用寿命为8年。即使在电池容量衰减的情况下，每次充满电仍然能够确保IGV连续工作至少4 h。

（3）电池散热要求 由于电池组安装于箱内，须考虑散热问题，必要时可自行启动强制液冷或风冷装置散热，以防电池过热。

（4）电池充放电倍率要求 充电桩额定充电倍率为1.28 C，放电倍率为0.84 C。

3.7 选定动力电池方案

从码头正常生产、IGV运行成本、电池安全性等方面综合考虑，南沙四期码头选择国产三元锂电池和少量进口锰酸锂电池方案，其中：国产三元锂电池选择10P170S电池组，电压为642.0 V，额定容量为370 A穐，总电量为238 kW h;进口锰酸锂电池电压为621.6 V，额定容量为360 A穐，总电量为。

4 结束语

南沙四期码头在确定IGV动力电池方案的过程中，根据堆场布置情况设置充电桩，根据IGV实际工况需求选择电池容量，根据国内外电池技术发展情况选择电池电芯材料和电池方案，为堆场水平布置自动化集装箱码头水平运输设备动力电池方案选择提供有益经验。随着自动化技术的发展，许多传统的堆场水平布置的集装箱码头逐步改造为自动化或半自动化集装箱码头，南沙四期码头IGV动力电池方案也可为此类集装箱码头水平运输设备动力电池选型提供参考。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2020-09-11）