张广斌 胡文辉 陈金龙上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200120
摘要：对新型水平运输设备AGV 能源动力系统配置方案展开研究，主要围绕混合动力系统、移动供电系统、动力电池供电系统三种配置方案展开，对应用可行性和投入成本进行详细的比较和论证。分析比较结果表明，移动供电系统方案较其他两种方案在未来发展过程中更具有优势，这一结论对于后续城市物流系统建设过程中运输车辆的能源动力选择具有指导意义。
关键词：集装箱运输；AGV；动力能源系统
0 引言随着经济全球化进程的加快，全球集装箱运输发展迅速，世界各地主要集装箱码头均面临吞吐量急剧增长的压力，而集装箱在各大城市内的集散主要通过集装箱卡车运输，传统的集装箱卡车运输方式导致城市交通拥堵、环境污染，城市货运的通达性和质量受到严重制约。
高度自动化集成的集装箱运输设备将逐渐代替传统集装箱集散普遍采用的集卡运输方式集装箱自动导引车AGV 作为一种比较先进的自动化设备，在效率、自动化水平和统一调度方面都强于传统的集卡运输方式，是解决城市交通拥堵、减少环境污染、提高城市货物运输的通达性和质量的有效途径。AGV 的出现能够满足循环经济的发展模式，符合资源节约型社会的发展要求，是我国城市可持续发展的必要选择。AGV 是20 世纪80 年代发展起来的新技术，具有无人驾驶、自动导航、定位精确、路径优化、安全避障等智能化特征，广泛应用在许多自动化领域。随着替代集装箱卡车的AGV 技术的逐渐成熟，AGV 动力能源系统最优配置方案的选择倍受重视。
采用柴油机- 液压驱动系统的第一代AGV 于20 世纪90 年代投入商业使用，由于技术问题，不仅行驶性能有限，而且存在维护困难、能耗较高、噪声污染和废气排放等严重问题。
近年来，随着新技术的涌现，AGV 已经形成多个换代产品，其驱动形式可分为柴油机驱动和电机驱动，动力能源系统配置方案也历经多种形式的变迁，现有配置方案主要为混合动力系统、移动供电、动力电池供电三种能源系统。对于现阶段的AGV 设备，优化动力能源配置和能源管理系统已成为最有效和最直接的节能减排手段，在减少能源浪费的同时可以大幅度甚至消除噪声和废气污染排放，通过合理的管理策略来优化能源输出和回收，使能源的利用效率最大化。目前市场上投入使用的是多种动力能源配置共存的AGV，本文就上述三种动力能源系统配置在不同工况下的能耗及造价进行比较。
1 AGV 动力能源配置方案1.1 混合动力系统当前，混合动力处于传统柴油动力和电动力的过渡阶段，作为两种动力系统的结合体很好地担了衔接任务。一般混合动力系统多以柴油机组配备锂电池（或超级电容）的组合形式呈现。柴油机组负责低功率运行时的能源供应以及为锂电池（或超级电容）充电，而锂电池（或超级电容）提供短时高倍率放电，辅助柴油机组提供动力能源，并回收存储多余电能，图1 为混合动力系统的配置示意图。
锂电池或超级电容可以进行大功率放电，能满足瞬时或短时间AGV 运行大功率需求（如AGV 加速 时），因此，柴油机选型上时主要参考平均功率输出要求。与全柴油机的动力源相比，混合动力系统中可以选择额定功率和排量较低的柴油机。柴油机的小型化，降低了柴油机的基础能耗，同时减少了排放污染和噪声污染，达到节能减排效果。
图1 混合动力系统示意图锂电池或超级电容不但可以提供高倍率的短时放电，还具备高倍率的短时充电功能，将柴油机满足车辆运行外的电能以及AGV 驱动电动机制动过程中回收的电能储存起来，进一步减少总能量的消耗和排放污染。
1.2 移动供电与动力电池供电能源系统1.2.1 蓄电池类型及性能纯电能源作为目前备受瞩目的多个新型动力能源发展方向之一，已经开始在各大工业领域推广。近年来，蓄电池动力能源也开始在AGV 领域应用，不仅简化了AGV 能源系统，而且在动力输出和能量回收方面具有更好的控制灵活度，同时废气排放和噪声污染得到了改善。图2 为蓄电池动力系统的配置示意图。
目前动力蓄电池的种类主要有铅酸蓄电池和锂电池两种。铅酸蓄电池能量密度较低，约为40 Wh/kg，电池体积大，质量重，使用寿命相对较短（通常充放电次数图2 蓄电池动力系统示意图为300 ～ 500 次），技术相对成熟，采购成本较低。而锂电池具有较高的能量密度，同等蓄电量体积小，质量轻，使用寿命长，但技术复杂，采购成本较高。不同材料的锂电池性能各有差别，在能量密度、充放电倍率、循环寿命、工作温度等方面不尽相同，价格上也有差距。根据AGV 能源补充系统的形式，锂电池类型的选择应更具有针对性：1）以磷酸铁锂为原料的锂电池较适合于电池更换类型的能源补充系统。2）以钛酸锂为原料的锂电池较适合于快速大功率充电类型的能源补充系统。3）以三元材料为原料的锂电池根据配方不同性能存在差别，大致分为功率型和能量型两类。功率型的性能与钛酸锂材料电池接近，而能量型的性能则偏向于磷酸铁锂电池。
1.2.2 移动供电系统移动供电方案多用于铁路运输、轨道交通等领域，本文结合自动化集装箱运输车AGV的特点及运输形式，寻求自动化集装箱运输车上移动供电的能源动力方案。现有的集装箱运输AGV 移动供电方式采用取电装置与滑触线结合的方式，利用AGV 与集装箱支架作业间隙进行补电，实现边工作边充电，几乎不占用额外的时间，每个循环都有机会充电，每个循环充放电电量较少（为全部电量的2％～ 5％），在电池的使用上做到了“浅充浅放”，这有利于延长电池使用寿命。取电装置直接安装在AGV 上，供电设备安装在集装箱交换支架上，不影响自动化码头整体布置。
上述移动充电方式限制了AGV 的运行速度，对于长距离的集装箱城市间运输，将大幅度降低运输效率，未来AGV 的移动供电方式将倾向于受电弓与接触网配合方式，如图3 所示。该移动供电方式在铁路及轨道交通上应用较为成熟，可以取代取电装置与滑触线配合方式，技术上满足集装箱AGV 需求，既满足了车辆用电要求，又可提高运输效率，是未来的发展方向。
1.2.3 动力电池供电能源系统全程蓄电池供电重型集装箱运输AGV，在任何状态下都需要全电模式操作，为保证长距离行驶，需要携带更多的电量，使电池的质量增加，引发能量效率、车辆本身的经济性问题。动力电池能源系统的集装箱AGV 完全依赖电池的电量，电池容量越大，行驶里程越长，但电池的体积、质量也就越大。需根据设计目标、道路情况和行驶工况的选配电池。具体要求如下：1）电池组要有足够的能量和容量，可以保证长时间连续供电；如果车上安装回馈制动，电池组须能接受脉冲电流充电。
图3 受电弓与接触网配合示意图
2）要求电池能够实现深度放电而不影响其寿命,必要时可实现满负荷功率和全放电。3）动力电池组体积和质量大，需认真研究电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题。
2 理论能耗计算分析为进一步验证三种不同形式的能源配置方案的可行性和节能效果，通过模拟计算其功率和能耗，计算对比不同能源配置系统的能耗和节能效果。集装箱AGV 城市间运输循环路径设置如图4 所示。
图4 载重AGV 循环路径示意图
基于图4 的循环路径信息，结合码头的相关数据，计算出循环路径中各段运行功率和能量消耗等数据，其中AGV 自重25 t，预设循环载荷25 t，重载65 t，空载加、减速度为1 m/s2，带载加、减速度0.4 m/s2，计算结果如表1 所示。
参考表1 相关数据，计算得出循环载荷25 t 情况下，AGV 运行平均功率66 kW，单程耗电98.8 kWh；重载65 t 情况下，AGV 运行平均功率118.8 kW，峰值功率451.2 kW，单程耗电量177.8 kWh。一个循环耗电量为276.6 kWh。
3 不同能源系统配置方案性能分析3.1 混合动力能源系统混合动力AGV 与纯电动AGV 相比，对电池的容量要求有所降低，但要能够根据整车要求实时提供更大的瞬时功率，即实现“小电池提供大电流”。由内燃发动机总成与电池组提供电机需要的电能，电池SOC（电池的荷电状态）处于较高水平，对电池的要求与纯电动AGV 相似，但容量较小, 电池组峰值功率较大，能短时大功率放电。
综合图5 发动机油耗特性曲线和计算出的AGV 在不同工况下的平均功率、瞬时功率及耗电量进行分析，选择125 kW 柴油机组+180AH 锂电池组合方式。
图5 125 kW 发动机油耗特性曲线图
一般柴油发电机组整个循环中的油耗
柴油机输出功率为60 kW 时，油耗值f 1 ＝ 102 g/kWh；柴油机输出功率为80 kW 及以上时，油耗值f 2＝ 102 g/kWh。
结合图5 柴油机油耗特性曲线和表1 中理论功率计算值，给出如下供电策略：1）在轻载低速运行时（即功率输出在40 ～ 80 kW时），调整柴油发电机组输出功率在60 ～ 80 kW 之间，如输出功率富余，可为蓄电池充电。
2）在重载运行时（即功率输出在80 kW 以上时），调整柴油发电机组以最大功率输出，功率缺口部分由蓄电池补足。
通过分析实际循环中各段路径的功率输出需求，代入油耗指数计算后得到该循环油耗值F ＝ 28 213.2 g ＝33.56 L，即每小时油耗为27.44 L。
每台AGV 动力能源系统配置为125 kW 柴油机发电机组+ 柴油容器+ 蓄电池（额定电压660 V, 额定电流180 Ah），造价约为100 万元。
若一个整编AGV 车队为150 辆AGV，动力能源系统硬件配置总价约为15 000 万元，运营成本约为2.7 万元/h。
3.2 移动供电系统现有集装箱运输AGV 采用取电装置与滑触线结合的移动供电方式，对于长距离集装箱城市间运输，可大幅度降低运输效率，若进一步将AGV 的移动供电方式改为受电弓与接触网配合方式，既可以满足车辆用电需要，又可以提高运输效率。
通过理论计算得出AGV 运行一个循环耗电量为276.6 kWh，单程需要充电138.3 kWh，按照轨道交通供电标准，供电电压为DC750 V。接触网架设在L5 阶段，里程约为9 km, 包括降压混合变电所、降压变电所在内造价约为7 000 万元。
每台AGV动力能源系统配置为受电弓 + 蓄电池（额定电压660 V, 额定电流240 Ah），造价约为150 万元。150 辆AGV 动力能源系统的硬件配置造价约为29 500 万元, 运行成本约为2.925 万元/h。
3.3 动力电池供电能源系统对于全程需要动力电池能源系统供电的集装箱AGV，电池组要有足够的能量和容量，以保证长时间连续供电，同时电池能够实现深度放电而不影响其寿命，必要时能实现满负荷功率和全放电，致使得动力电池组体积和质量很大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题需进行认真研究。
在满足AGV 运行各项参数的情况下选择额定电压660 V、额定电流660 Ah 的蓄电池, 每辆车电池组造价约为240 万元。
为满足AGV 充电及运转效率，需要配备一定数量的充电机及充电设备，数量40 台，总价约为1 320 万元。150 辆AGV 动力能源系统的硬件配置造价约为37 320 万元，运行成本约为2.925 万元/h。
4 结论城市间集装箱集散使对新型集装箱运输设备的选择及清洁环保动力能源系统的开发迫在眉睫，能源系统方案的选择将直接关系到城市交通、环境污染等问题。对多种能源系统配置方案做了介绍和实例计算比较，仅从造价上可以看出，优先选用混合动力系统方案，但柴油发电机组在工作过程中会排放大量污染气体，后期环境治理成本较高。
新型集装箱运输设备的选择及清洁环保动力能源系统的开发迫在眉睫，对于新建的集装箱运输系统，选择清洁环保动力能源系统尤为重要，综合所述三种动力能源方案：移动供电方案与混合动力方案相比，更符合未来清洁能源发展应用趋势；与动力电池能源方案相比，造价方面更具有优势。这一结论可以作为后期城市间集装箱运输系统建设的重要参考依据。
参考文献[1] 周庆芬，束昱，路姗. 电子商务时代上海地下物流系统发展前景[J]. 地下空间与工程学报，2011（7）.[2] 郭占全，石晓东. 北京市发展地下物流系统的前景[J].地下空间与工程学报，2006（7）.[3] 贵明，王金懿. 电动汽车及性能优化[M]. 北京：机械工业出版社，2010.[4] 官兵. 汽车电子系统中的网络技术应用[J]. 公路与汽运，2005（5）：10-12.[5] 司康. 电动汽车核心技术之动力电池及管理介绍[J]. 技术纵横，2012（10）：38-41.[6] 周崎. 锂电池在集装箱港口装卸设备上的应用[J]. 起重运输机械，2015（8）：9-12.[7] 吴宇平，袁翔云，董超，等. 锂离子电池—应用与实践[M].北京：化学工业出版社，2011.[8] 人宪. 车用柴油机[M]. 北京：中国铁道出版社，2010.
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