黃炳林 劉政剛

堆場水平布置自動化集裝箱碼頭與堆場垂直布置自動化集裝箱碼頭的作業(yè)方式有所不同：前者采用智能導(dǎo)引車（intelligent guided vehicle，IGV）作為水平運輸設(shè)備，IGV在堆場與道路間穿梭，完成1個作業(yè)循環(huán)所運行的路徑較長，而與岸橋、軌道吊停留交互的時間較短，平均不足1 min，最短不到30 s。鑒于IGV作業(yè)的特殊性，與堆場垂直布置自動化集裝箱碼頭采用的水平運輸設(shè)備自動導(dǎo)引車（automatic guided vehicle，AGV）相比，IGV動力電池選型要求較高，需要根據(jù)IGV使用工況，測算IGV功率需求，據(jù)此確定IGV動力電池充電方式、材料、容量等，以確保IGV動力電池方案滿足碼頭生產(chǎn)作業(yè)要求。廣州南沙聯(lián)合集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱“南沙四期碼頭”）堆場采用水平布置方式。本文以南沙四期碼頭為例，介紹堆場水平布置自動化集裝箱碼頭IGV動力電池方案。

1 IGV動力電池功率需求

1.1 IGV滿載功率測算

滿載工況下，IGV最大載質(zhì)量為85 t，其中：整車自身質(zhì)量約20 t，2個20英尺重箱最大質(zhì)量約65 t。根據(jù)測試，當(dāng)牽引車或半掛車滿載（按整車最大總質(zhì)量85 t計算）時，在27 s內(nèi)從靜止加速至30 km/h需要的最大驅(qū)動功率為200 kW。按車輛（自身質(zhì)量20 t）滿載2個20英尺重箱（最大質(zhì)量約65 t）重出空回或空出重回來回行程平均載質(zhì)量32.5 t計算，車輛滿載重出空回需要的平均功率為34.3 kW;考慮到車輛輔助設(shè)備（如制動系統(tǒng)電機、轉(zhuǎn)向電機、車載設(shè)備、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備等）消耗的平均功率約6.0 kW，車輛滿載工況下重出空回或空出重回的平均功率為。

1.2 IGV正常工況平均功率測算

按車輛載箱（1個40英尺重箱質(zhì)量約，2個20英尺重箱質(zhì)量約45 t）重出空回或空出重回來回行程平均載質(zhì)量17.5 t計算，車輛載箱重出空回需要的平均功率為22.8 kW;考慮到車輛輔助設(shè)備（如制動系統(tǒng)電機、轉(zhuǎn)向電機、車載設(shè)備、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備等）消耗的平均功率約6.0 kW，車輛正常工況下重出空回或空出重回的平均功率為。不過，考慮到IGV空車充電或維保等情況，IGV實際平均功率稍低。

2 自動化集裝箱碼頭AGV動力電池充電方式

調(diào)研自動化集裝箱碼頭AGV動力電池充電方式（見表1）后發(fā)現(xiàn)，機會充電方式難以滿足堆場水平布置自動化集裝箱碼頭IGV作業(yè)要求。固定充電和機會充電要求IGV或AGV在固定地點充電，而南沙四期碼頭IGV在堆場側(cè)面不斷穿梭作業(yè)且停留時間較短，加之其行走時間較長，?？课恢貌还潭?，難以滿足IGV動力電池充電要求。

3 南沙四期碼頭IGV動力電池方案

3.1 選擇充電方式

水平運輸設(shè)備動力電池固定充電與整組換電方式都可以應(yīng)用于堆場水平布置自動化集裝箱碼頭。通過對比自動化集裝箱碼頭水平運輸設(shè)備動力電池充電方式的優(yōu)缺點（見表2），南沙四期碼頭最終選擇固定充電方式。

3.2 布置充電樁

為了解決IGV充電問題，在南沙四期碼頭自動化作業(yè)區(qū)域設(shè)置8個充電樁，具體布置如圖1所示。

3.3 制訂充電方案

通過分析，制訂兩種IGV充電方案：一種為IGV工作2 h后充電方案;另一種為IGV工作后充電方案。計算機仿真分析得出的南沙四期碼頭IGV兩種充電方案下岸橋-門機系統(tǒng)作業(yè)效率分別見表3和表4。

仿真南沙四期碼頭海側(cè)作業(yè)峰值工況：主泊位4個，駁船岸橋泊位6個，駁船門機泊位6個;22臺岸橋和9臺門機同時作業(yè)，IGV滿載運行速度為/s，空載運行速度為6 m/s，轉(zhuǎn)彎運行速度為2 m/s;岸橋作業(yè)箱型比例分別為40英尺和45英尺集裝箱占25%，單20英尺集裝箱占1%，雙20英尺集裝箱占74%。在IGV工作2 h后充電方案下，南沙四期碼頭需要配置217輛IGV且須布置不少于50個充電樁，才能達到碼頭海側(cè)作業(yè)峰值工況下的岸橋-門機系統(tǒng)目標(biāo)作業(yè)效率;而在IGV工作后充電方案下，南沙四期碼頭只要配置194輛IGV并布置不少于34個充電樁，即可達到碼頭海側(cè)作業(yè)峰值工況下的岸橋-門機系統(tǒng)目標(biāo)作業(yè)效率。從成本角度考慮，南沙四期碼頭選擇工作后充電方案，最多配置194輛IGV，布置34個充電樁。

3.4 確定電池容量及材料

3.4.1 電池容量要求及選擇

電池荷電狀態(tài)在30%～95%范圍內(nèi)有助于延長電池使用壽命。電池實際工作荷電狀態(tài)為65%，結(jié)合IGV工作時間，要求電池連續(xù)工作時間為4 h。電池使用一定年限后，其容量會有所衰減。按衰減率為20%計算，為了滿足平均功率需求，需要配備的電池容量約為221.5 kW穐;考慮一定的冗余量以及電池串并聯(lián)關(guān)系，確定電池容量約為238.0 kW穐。

3.4.2 電池材料選擇

磷酸鐵鋰電池的成本較低且安全性較高，但其循環(huán)性能欠佳且能量密度較低。錳酸鋰、三元鋰（多元鋰）電池能量密度較高且循環(huán)性能較好。鈦酸鋰電池作為功率型電池的代表，擁有極好的循環(huán)性能和較長的使用壽命，但其能量密度極低且價格高昂。通過比較各類電池性能（見表5），南沙四期碼頭決定選擇三元鋰和錳酸鋰電池作為IGV動力電池。

3.5 電池充放電次數(shù)要求及選擇

按電池使用壽命8年、日常充滿電使用4 h后充電、電池利用率65%、IGV實際作業(yè)耗電量28.8 kW計算，IGV消耗功率為1 166 131 kW。

若選用錳酸鋰和三元鋰電池，在不考慮電池容量衰減并按電池容量240 kW h、電池荷電狀態(tài)100%折算充放電次數(shù)的條件下，按IGV利用率65%計算，滿足使用要求的電池充放電次數(shù)為4 899次。

3.6 鋰電池使用要求

（1）充電要求 在IGV工作4 h后充電方案下，充電樁功率應(yīng)不小于。考慮充電樁容量冗余，選擇額定功率為300 kW的充電樁。

（2）電池使用壽命要求 電池設(shè)計使用壽命為8年。即使在電池容量衰減的情況下，每次充滿電仍然能夠確保IGV連續(xù)工作至少4 h。

（3）電池散熱要求 由于電池組安裝于箱內(nèi)，須考慮散熱問題，必要時可自行啟動強制液冷或風(fēng)冷裝置散熱，以防電池過熱。

（4）電池充放電倍率要求 充電樁額定充電倍率為1.28 C，放電倍率為0.84 C。

3.7 選定動力電池方案

從碼頭正常生產(chǎn)、IGV運行成本、電池安全性等方面綜合考慮，南沙四期碼頭選擇國產(chǎn)三元鋰電池和少量進口錳酸鋰電池方案，其中：國產(chǎn)三元鋰電池選擇10P170S電池組，電壓為642.0 V，額定容量為370 A穐，總電量為238 kW h;進口錳酸鋰電池電壓為621.6 V，額定容量為360 A穐，總電量為。

4 結(jié)束語

南沙四期碼頭在確定IGV動力電池方案的過程中，根據(jù)堆場布置情況設(shè)置充電樁，根據(jù)IGV實際工況需求選擇電池容量，根據(jù)國內(nèi)外電池技術(shù)發(fā)展情況選擇電池電芯材料和電池方案，為堆場水平布置自動化集裝箱碼頭水平運輸設(shè)備動力電池方案選擇提供有益經(jīng)驗。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，許多傳統(tǒng)的堆場水平布置的集裝箱碼頭逐步改造為自動化或半自動化集裝箱碼頭，南沙四期碼頭IGV動力電池方案也可為此類集裝箱碼頭水平運輸設(shè)備動力電池選型提供參考。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-09-11）