純電動集卡全自動換電裝置在港區(qū)內(nèi)的應(yīng)用研究

文/秦毅俊 嚴(yán)俊

集卡作為集裝箱碼頭重要水平運(yùn)輸機(jī)械，具有數(shù)量大，能耗高的特點(diǎn)。雖然，其動力介質(zhì)從原來的柴油轉(zhuǎn)變成天然氣，但還是改變不了其二氧化碳排放的特性，也不斷制約著碼頭向清潔、環(huán)保方向發(fā)展。伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化的進(jìn)程和能源需求的不斷高漲，鋰離子電池正已然成為新儲能裝置的代表，開始從航空航天、信息技術(shù)等高端應(yīng)用場景向電動自行車、電動汽車等發(fā)展，而電動集卡也應(yīng)運(yùn)而生。而使用過程中的能源補(bǔ)給就存在技術(shù)難題，本文提出的純電動集卡換電裝置，集成了充換電、調(diào)度功能的換電裝置，從而提高換電可靠性、安全性，提升換電過程的精準(zhǔn)性。

一、傳統(tǒng)純電動集卡的充電模式

目前使用的傳統(tǒng)集卡，其燃料加注方式非常便捷，可根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)間隙靈活調(diào)度。而純電動集卡則不同，按照現(xiàn)在主流的解決方式主要有充電和換電兩種模式，其中各有利弊。

表1 充電、換電模式優(yōu)劣勢對比

相較于目前市場上較為成熟的車輛充電模式，其主要在后場空曠區(qū)域內(nèi)，通過低壓或高壓電纜傳輸至充電樁處，利用閑暇時(shí)間為車輛充電，一般大型車輛采用一對多充電方式。在實(shí)際使用過程中可能存在以下幾個問題：1.通過各類傳感器等設(shè)備，解決和處理司機(jī)可能存在的停車偏差問題，解決其精準(zhǔn)性；2.通過全自動化操作方式，減少人員操作時(shí)可能出現(xiàn)誤操作的同時(shí)，提高換電過程的安全行性；3.以模塊化集成方式，方便安裝、施工，場地選擇上應(yīng)滿足集卡轉(zhuǎn)彎半徑，解決部分港區(qū)位置狹小等難題；4.換電過程便于操作，能利用智能化人機(jī)交互界面，直觀清晰監(jiān)控?fù)Q電過程，發(fā)生故障時(shí)便于檢修人員查找故障；5.建立車輛監(jiān)控和換電裝置之間的通訊，能實(shí)時(shí)跟蹤車輛的SOC電量、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)；6.解決換電與生產(chǎn)之間的矛盾關(guān)系，合理分配車輛有序換電；7.通用性強(qiáng)，能適用于不同型號的鋰電池集卡。

二、換電集卡換電裝置介紹

由于車輛使用的電池組及車輛技術(shù)參數(shù)的不同，會直接影響充電時(shí)間、車輛調(diào)度等使用效果，故本文討論的充電裝置僅適用于本類型車輛，技術(shù)參數(shù)見下表。針對傳統(tǒng)純電動集卡的充電模式，存在一系列問題，而采用全自動換電模式，利用換電小車和換電機(jī)器人完成換電過程。此外，換電裝置與每臺車都能建立通訊，在確保換電過程中安全的同時(shí)，也能保證車輛信息實(shí)時(shí)回傳至平臺。并且，加載機(jī)還能分別為每組電池包進(jìn)行固定式充電和外接臨時(shí)性充電。項(xiàng)目的主要特點(diǎn)是將換電裝置、充電模塊、電池監(jiān)控、消防監(jiān)控系統(tǒng)等輔助及安全系統(tǒng)集成在裝置內(nèi)，減少占地面積，實(shí)現(xiàn)快速、便捷、安全換電。該裝置具有如下優(yōu)勢：1）換電效率高：每臺車的換電過程在5分鐘左右，補(bǔ)給效率基本與加油或加氣車輛相當(dāng)；2）投資較?。翰捎脫Q電模式，將減少車輛采購成本，每一臺車都能被合理利用；3）占地率?。杭珊蟮膿Q電裝置，將有效利用場地空間，提升土地資源利用率，尤其是規(guī)模較小的碼頭；4）充、換電安全性更高：換電裝置的后臺監(jiān)控系統(tǒng)，能對每組電池組和裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，各類傳感器等能及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，并在后臺實(shí)施干預(yù)，實(shí)現(xiàn)360°安全管理；5）降低電網(wǎng)壓力：集中式充電，能有效降低電網(wǎng)壓力；6）延長電池組壽命：每個電池加載機(jī)都有智能監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)電池容量，分階段實(shí)施充電方式；7）消防安全性、可靠性更高：換電裝置消防主機(jī)在自動狀態(tài)下，能在場所內(nèi)第一時(shí)間進(jìn)行處置。

表2 換電集卡主要技術(shù)參數(shù)

三、純電動集卡換電裝置研究

3.1換電小車。換電小車借鑒行車的結(jié)構(gòu)，可在X（大車）、Y（小車）軸方向進(jìn)行移動，為了確保其高速運(yùn)行和定位精度，采用增量型編碼器和激光測距儀雙重控制方式。編碼器能控制小車分別在X、Y軸上運(yùn)行速度，而激光測距儀則是起到定位作用，在兩者雙重控制作用下，X軸精度控制在≤3mm，運(yùn)行速度最大在20m/m in。

3.2換電機(jī)器人。換電機(jī)器人負(fù)責(zé)抓舉、起吊動作，在Z軸上下運(yùn)行。通過預(yù)設(shè)在編碼器內(nèi)起升、下降高度距離數(shù)值，實(shí)現(xiàn)提速、降速的功能。在換電機(jī)器人抓舉電池組時(shí)，安裝在換電機(jī)器人上對角的兩個“著箱”傳感器會反饋至起升機(jī)構(gòu)，暫停下降動作，四個鎖塊在接收到下降到位指令后，通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)抓舉功能。換電機(jī)器人的控制精度相對較低，一般在≤5mm左右，速度在5m/m in。

3.3車輛監(jiān)控系統(tǒng)。建立車輛監(jiān)控系統(tǒng)平臺，將車輛的基礎(chǔ)信息、車輛運(yùn)行情況、車輛的SOC電量實(shí)時(shí)傳輸?shù)狡脚_上，可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)安排車輛有序換電。并且車輛及站級監(jiān)控之間也能通過車輛監(jiān)控系統(tǒng)，對整個換電過程進(jìn)行通信，一旦發(fā)生故障，可判斷故障點(diǎn)在車輛還是換電裝置本身。

3.4站級監(jiān)控系統(tǒng)。站級監(jiān)控系統(tǒng)，配置輸入和顯示功能，能顯示充電電壓、充電電流、SOC電量、充電時(shí)間、電池單體電壓、單體截止電壓、電池截止電壓、截止電流、電池單體溫度、充電電量、故障信息等。站級監(jiān)控系統(tǒng)能給生產(chǎn)調(diào)度人員了解換電裝置7個倉位電池組的情況，從而靈活調(diào)配換電車輛。

3.5車輛定位系統(tǒng)。車輛定位系統(tǒng)應(yīng)與伺服定位與激光位移傳感器結(jié)合，固定在桁架上，當(dāng)車輛進(jìn)站之后自動檢測車輛位置，并進(jìn)行語音播報(bào)，能提示駕駛員開始正常換電或重新駛?cè)?。鑒于都是同一種車型，在司機(jī)駕駛位側(cè)面玻璃上，貼上帶有三條定位線的透明靜電薄膜，當(dāng)司機(jī)快要行駛至換電位時(shí)，換電激光定位線照射到三條定位線上，司機(jī)只需參照線段區(qū)間位置，就能知道停放是否到位，簡單、有效提升停車到位率。

3.6換電裝置消防監(jiān)控系統(tǒng)。換電裝置消防監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)消防監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)在自動狀態(tài)下，能在場所內(nèi)出現(xiàn)火情時(shí)，第一時(shí)間聯(lián)動現(xiàn)場安裝的噴淋電磁閥模塊，現(xiàn)場噴淋系統(tǒng)進(jìn)行滅火；同時(shí)，啟動聲光報(bào)警器，提醒人員進(jìn)行疏散工作；并通過主機(jī)報(bào)警反饋信號，上傳至企業(yè)內(nèi)部消防監(jiān)控中心，組織火災(zāi)撲救等工作。根據(jù)不同的站內(nèi)情況，消防方案按照三個等級判定：1）如電池未發(fā)生冒煙或明火情況，判定適用一級消防方案。2）如電池發(fā)生冒煙但未產(chǎn)生明火時(shí)，判定適用二級消防方案。3）如電池發(fā)生冒煙并伴隨電池附近可燃物出現(xiàn)明火燃燒的情況，判定適用三級消防方案。

四、總結(jié)

純電動集卡換電裝置采用集成化設(shè)計(jì)，其中包含換電裝置、充電裝置、通訊柜、消防設(shè)備等，可有效減少占地面積，并且采用全自動換電裝置，完全符合實(shí)際作業(yè)工況需求，并在實(shí)際運(yùn)行中獲得成功應(yīng)用。通過全自動化一鍵運(yùn)行，提高換電過程的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和安全性，提升換電效率。

引用出處

[1]夏禎捷，集裝箱碼頭綠色新能源內(nèi)集卡技術(shù)應(yīng)用方案比選和實(shí)施.港口科技.2022,(07)：9-14.