1 引言
自动化集装箱码头始于 90 年代初，AGV( Automated Guided Vehicle，自动导引运输车) 是自动化集装箱码头的关键组成，承担水平运输任务。AGV 发展过程中经历了由内燃机到全电动的转变，当今欧美*先进的自动化码头，如荷兰鹿特丹的 ＲWG、APMT MV2、美国长滩的 LBCT，均采用铅酸电池换电式 AGV; 国内商业运行的上海洋山四期自动化码头，采用锂电池换电式 AGV。
换电式 AGV 虽摆脱了早期柴油动力诸多问题，但也存在如下弊端: ①换电过程影响码头作业连续性，加大码头生产组织难度，降低码头作业效率; ②换电式 AGV 需建设换电站并搭配备用电池，单个换电站建设成本约 1 亿元人民币; ③AGV 自重大，能源利用效率低; ④电池采用满充满放利用模式，导致其使用寿命缩短，更换周期短; ⑤换电站风险集中，一旦电池换电站出现故障，可能导致整个码头停产;⑥存在铅污染、氢气析出风险( 铅酸电池) 。为克服上述弊端，提出了全新的 AGV 分布式浅充浅放循环充电理念，AGV 会在生产过程中完成电能补充，实现 AGV 无限续航。
2 分布式浅充浅放循环充电系统
该系统设计首要解决传统换电式 AGV 换电过程占用生产时间的弊端，降低换电环节对生产的干扰。充分利用锂电池浅充浅放特性应用和循环充电模式**，将传统换电式 AGV 运行成本高、电池寿命短、风险集中等诸多问题逐一化解，生产与充电并行，达到提高码头作业效率，降低码头投资成本的目的。
2．1 AGV 工况分析
传统自动化码头 AGV 运行区分为桥吊作业区( QCTP) 、缓 冲 区 ( PB) 、高 速 车 道、海 侧 交 互 区( WSTP) ，AGV 在 QCTP 与 WSTP 分别完成同桥吊和轨道吊的交互( 见图 1) 。
青岛港自动化码头** AGV 交互流程，采用新型 Lift-AGV。L-AGV 装有举升平台( 见图 2) ，AGV 行驶至 WSTP 陆侧的 WSＲACK 区域，利用安设的固定支架完成同轨道吊的交互，全程仅需 60 s( 见表 1) ［1］。
2．2 充电区域及方式选择
根据循环充电理念要求，AGV 在作业中完成电能补充，充电与生产流程相结合。AGV 循环充电区域要求设置在 AGV 经停频率高、不影响 AGV 正常运行的位置。根据 AGV 运行区功能划分，结合AGV 工况特点，提供如下 2 个待选区域:
( 1) 缓冲区( PB) 。PB 连接 QCTP 与高速车道，AGV 作业时由此经过，PB 也是 AGV 待机停放区，因此安装在 PB 的充电设备可为 AGV 提供大量充电机会。但 PB 位于自动化场地中央，安装充电装置需埋设大量线缆横穿高速车道，PB 车道数量多，充电设备需求量庞大，建设费用高，不符合循环充电系统降低建设成本初衷。
( 2) 海侧支架交互区( WSＲACK) 。在 WSＲACK安装充电装置，可充分发挥青岛港自动化码头 LAGV 运行特点，可在同支架交互的顶升-行走-下降共 60 s 中完成充电。相比于 PB，WSＲACK 充电可减少充电装置安装数量，大大降低施工难度。在 AGV 充电方式选择方面，现阶段可供选择的充电方式较多，现提出如下 3 种方案供论证分析:
( 1) 定点充电装置。AGV 进入交互区支架，停车到位后，岸电插座自动连接 AGV 进行充电。定点充电装置需耗费额外时间充电，会对生产组织产生干扰，与设计理念不符。
( 2) 无线充电系统。无线充电是目前世界上较前沿的充电方式之一，利用电-磁-电之间的相互转换，无需进行物理连接，即可完成充电。无线充电系统具有不受恶劣气候条件干扰，对 AGV 定位偏差、落箱振动等工况适应性强，无物理接触易维护等优点。但无线充电系统造价昂贵，充电功率小，无法在有限时间内将充电量*大化; 无线充电涉及到电磁-电之间的多重转换，能源转换效率低。此外，无线充电产生的大量磁场会对 AGV 电气及导航系统带来严重干扰，不宜采用。
( 3) 滑触线充电系统。滑触线充电系统在 ＲTG已得到大量应用，拥有较成熟的使用经验。滑触线系统可以在 AGV 移动中完成电能输送，符合循环充电系统设计要求。但 AGV 作业工况与 ＲTG 有较大区别，AGV 每日对滑触线产生数百次拔插，因此在AGV 上应用滑触线供电系统，需有针对性地对其进行设计改进。
2．3 基于滑触线技术的 AGV 供电系统AGV 滑触线作业工况有如下特点:
( 1) AGV 进出滑触线频率高。根据测算，AGV年进出滑触线次数约 6 万次，远高于 ＲTG 的 300 次。
( 2) AGV 滑触线充电系统作业工况差。AGV在进入滑触线的过程中，需考虑导航误差带来的±20 mm 的定位偏差，以及轮胎不均匀磨损、轨道吊落箱冲击、爆胎引起的 250 mm 的纵向位移。
( 3) AGV 滑触线电流大。AGV 进入支架区域交互的时间内，将产生较大的电流( 400 A) ，以尽量多地补充电量。基于上述 AGV 特殊工况要求，全新 AGV 滑触线充电系统需要具备更强的工况适应性、全天候耐受性、更高的载流量。
2．4 基于四连杆结构的车载集电器
青岛港 AGV 采用了可伸缩集电小车设计，小车的四连杆机构和上下调整装置，可充分适应 AGV 轮胎磨损、气压不足、轮胎爆胎等工况，保证伸出和收回的平顺［2］( 见图 3) 。
为验证不同工况下运行情况，青岛港自动化码头搭建了全新滑触线-集电器测试平台，通过平台模拟 AGV 存在的工况，进行不间断测试，对滑触线和集电器进行优化，使集电器滑触线更加匹配 AGV 生产作业［3］。
3 循环充电模式
3．1 设计目标
AGV 在作业过程中完成电能补充，实现不间断循环运行，需达到如下设计目标:
( 1) 循环充电量＞循环耗电量。通过分析 AGV作业流程，测算循环耗电量，充分发挥电池性能，提高电池充电量，使 AGV 电量始终维持在合理区间。
( 2) 降低电池组容量。AGV 采用循环充电新模式，在满足电池充放倍率、峰值功率、循环功率的前提下，无需配备大容量电池，便可大幅度降低电池和
车辆自重，实现浅充浅放循环充电。
( 3) 降低单机能耗。优化作业流程和单机结构，降低单机循环能耗，减小 AGV 因连续重载导致缺电概率，提高码头作业效率。
3．2 循环能耗测算
青岛港 2013 年进出口集装箱箱重、箱型数据见表 2、表 3。
根据上述箱重、箱型信息，推算 AGV 实际载荷见表 4。
根据自动化化码头的总平面布局及 AGV 的作业流程，建立 AGV 作业模型，见图 4、表 5。
综合考虑地面坡度、风阻系数、轮胎与地面的摩擦阻力、AGV 的传动效率以及负载等情况，循环能耗计算结果见表 6
由测算数据可知，循环充电量高于 3．82 kWh 的循环耗电量，即可满足 AGV 设计目标要求。青岛港AGV 分布式浅充浅放循环充电系统在 60 s 时间内，可实现 4．25 kWh 电能补充( 见表 7) 。码头投产后，实测 AGV 循环充电量、耗电量及循环充电电量走势。
实测数据符合模型测算预期，满足循环充电量＞循环耗电量要求，AGV 电量在生产运行中达到动态平衡，可实现无限续航［3］。
4 锂电池充放电特性的使用
随着现代电池技术发展，锂离子电池逐步取代了早期的镍铬、镍氢等电池，成为电池发展的主流。锂离子电池相比于镍镉电池，无记忆效应。镍镉电池须深充深放以延长电池寿命，而锂电池恰恰相反，深充深放不仅不会延长电池使用寿命，反而会加剧电池容量的衰减。
换电式 AGV 为获得*大化车辆续航里程，采用更大的电池容量、更深的电池充放策略。换电式AGV 深充深放的电池利用模式与锂电池特性相悖，不利于电池寿命延长。AGV 分布式浅充浅放循环充电系统基于锂电池特性，将电池浅充浅放加以利用，化解了换电式 AGV 电池应用模式的弊端，极大地提高了电池寿命，延长了电池使用时间［4］。
5 AGV 动力电池系统
5．1 电池匹配
新模式下 AGV 工况同传统换电式 AGV 有较大区别，所需电池动力系统也有不同的要求。浅充浅放循环充电 AGV 电池系统要求电池具有重量低、体积小、可靠性强、工况适应性好、免维护等特点。几种常见电池特性对比见表 8。
由表 8 可见，钛酸锂电池拥有极高的循环性能、较高的充电倍率和优良的低温特性。高循环寿命可以延长电池更换周期; 高充电倍率有助于加快电池充电速率，减小电池所需容量; 好的低温特性可适应青岛北方气候特点。钛酸锂电池满足 AGV 分布式循环充电系统设计目标要求。
利用钛酸锂电池的优异特性，设计成组的 AGV新型动力电池系统，容量 140 AH、电池自重 1．5 t，可实现电池模组*大充、放电电流 10 C( 10 s) ，持续充、放电电流 5 C，－20～40 ℃环境下正常使用，具有极高的循环寿命，预计电池使用寿命可达 10 年［5］。
5．2 电池温控系统
对于锂电池来说，高温将加剧电池内部次生反应，加快电池寿命衰减，低温将较大程度上影响电池性能。因此，将电池温度控制在 25 ℃ *佳使用温度，可发挥电池*佳性能同时延长其使用寿命。
6 循环充电管理系统
AGV 循环充电管理由码头操作系统( TOS) 和设备控制系统( ECS) 共同完成。在系统中，AGV 的电量划分成 3 个等级，即绿色、橙色和红色。绿色代表电池电量处于*佳状态，系统不派发 AGV 充电的指令，由 AGV 自行完成循环充电; 橙色代表电池电量进入预警状态，在做完当前任务后，系统会单独派发 AGV 充电的指令; 红色代表电池电量进入危险状态，系统会立即派发 AGV 充电的指令。循环充电管理系统的核心在于对 AGV 橙色的管理，要充分考虑码头作业的繁忙程度和 AGV 的电量信息，做到统筹兼顾。
7 结语
阐述了分布式浅充浅放循环充电系统的开发过程，通过对码头工况、AGV 作业循环等关键数据分析，确定 AGV 动力电池系统架构; 通过对码头平面布局的研究，确定循环充电设备安装方案; 通过对锂电池浅充浅放特性的运用，将电池寿命极大延长。分布式浅充浅放循环充电技术可以有效解决换电式及定点充电式 AGV 存在的诸多弊端，对降低码头建设成本、提升运行效率有较大帮助。该系统已在青岛港自动化码头成功应用，经济社会效益显著，具有广阔的推广价值。
