纯电动集卡全自动换电装置在港区内的应用研究

文/秦毅俊 严俊

集卡作为集装箱码头重要水平运输机械，具有数量大，能耗高的特点。虽然，其动力介质从原来的柴油转变成天然气，但还是改变不了其二氧化碳排放的特性，也不断制约着码头向清洁、环保方向发展。伴随着经济全球化的进程和能源需求的不断高涨，锂离子电池正已然成为新储能装置的代表，开始从航空航天、信息技术等高端应用场景向电动自行车、电动汽车等发展，而电动集卡也应运而生。而使用过程中的能源补给就存在技术难题，本文提出的纯电动集卡换电装置，集成了充换电、调度功能的换电装置，从而提高换电可靠性、安全性，提升换电过程的精准性。

一、传统纯电动集卡的充电模式

目前使用的传统集卡，其燃料加注方式非常便捷，可根据现场作业间隙灵活调度。而纯电动集卡则不同，按照现在主流的解决方式主要有充电和换电两种模式，其中各有利弊。

表1 充电、换电模式优劣势对比

相较于目前市场上较为成熟的车辆充电模式，其主要在后场空旷区域内，通过低压或高压电缆传输至充电桩处，利用闲暇时间为车辆充电，一般大型车辆采用一对多充电方式。在实际使用过程中可能存在以下几个问题：1.通过各类传感器等设备，解决和处理司机可能存在的停车偏差问题，解决其精准性；2.通过全自动化操作方式，减少人员操作时可能出现误操作的同时，提高换电过程的安全行性；3.以模块化集成方式，方便安装、施工，场地选择上应满足集卡转弯半径，解决部分港区位置狭小等难题；4.换电过程便于操作，能利用智能化人机交互界面，直观清晰监控换电过程，发生故障时便于检修人员查找故障；5.建立车辆监控和换电装置之间的通讯，能实时跟踪车辆的SOC电量、运行状态等数据；6.解决换电与生产之间的矛盾关系，合理分配车辆有序换电；7.通用性强，能适用于不同型号的锂电池集卡。

二、换电集卡换电装置介绍

由于车辆使用的电池组及车辆技术参数的不同，会直接影响充电时间、车辆调度等使用效果，故本文讨论的充电装置仅适用于本类型车辆，技术参数见下表。针对传统纯电动集卡的充电模式，存在一系列问题，而采用全自动换电模式，利用换电小车和换电机器人完成换电过程。此外，换电装置与每台车都能建立通讯，在确保换电过程中安全的同时，也能保证车辆信息实时回传至平台。并且，加载机还能分别为每组电池包进行固定式充电和外接临时性充电。项目的主要特点是将换电装置、充电模块、电池监控、消防监控系统等辅助及安全系统集成在装置内，减少占地面积，实现快速、便捷、安全换电。该装置具有如下优势：1）换电效率高：每台车的换电过程在5分钟左右，补给效率基本与加油或加气车辆相当；2）投资较小：采用换电模式，将减少车辆采购成本，每一台车都能被合理利用；3）占地率小：集成后的换电装置，将有效利用场地空间，提升土地资源利用率，尤其是规模较小的码头；4）充、换电安全性更高：换电装置的后台监控系统，能对每组电池组和装置进行实时监控，各类传感器等能及时发现安全隐患，并在后台实施干预，实现360°安全管理；5）降低电网压力：集中式充电，能有效降低电网压力；6）延长电池组寿命：每个电池加载机都有智能监控系统，可根据电池容量，分阶段实施充电方式；7）消防安全性、可靠性更高：换电装置消防主机在自动状态下，能在场所内第一时间进行处置。

表2 换电集卡主要技术参数

三、纯电动集卡换电装置研究

3.1换电小车。换电小车借鉴行车的结构，可在X（大车）、Y（小车）轴方向进行移动，为了确保其高速运行和定位精度，采用增量型编码器和激光测距仪双重控制方式。编码器能控制小车分别在X、Y轴上运行速度，而激光测距仪则是起到定位作用，在两者双重控制作用下，X轴精度控制在≤3mm，运行速度最大在20m/m in。

3.2换电机器人。换电机器人负责抓举、起吊动作，在Z轴上下运行。通过预设在编码器内起升、下降高度距离数值，实现提速、降速的功能。在换电机器人抓举电池组时，安装在换电机器人上对角的两个“着箱”传感器会反馈至起升机构，暂停下降动作，四个锁块在接收到下降到位指令后，通过旋转实现抓举功能。换电机器人的控制精度相对较低，一般在≤5mm左右，速度在5m/m in。

3.3车辆监控系统。建立车辆监控系统平台，将车辆的基础信息、车辆运行情况、车辆的SOC电量实时传输到平台上，可根据运行状态及时安排车辆有序换电。并且车辆及站级监控之间也能通过车辆监控系统，对整个换电过程进行通信，一旦发生故障，可判断故障点在车辆还是换电装置本身。

3.4站级监控系统。站级监控系统，配置输入和显示功能，能显示充电电压、充电电流、SOC电量、充电时间、电池单体电压、单体截止电压、电池截止电压、截止电流、电池单体温度、充电电量、故障信息等。站级监控系统能给生产调度人员了解换电装置7个仓位电池组的情况，从而灵活调配换电车辆。

3.5车辆定位系统。车辆定位系统应与伺服定位与激光位移传感器结合，固定在桁架上，当车辆进站之后自动检测车辆位置，并进行语音播报，能提示驾驶员开始正常换电或重新驶入。鉴于都是同一种车型，在司机驾驶位侧面玻璃上，贴上带有三条定位线的透明静电薄膜，当司机快要行驶至换电位时，换电激光定位线照射到三条定位线上，司机只需参照线段区间位置，就能知道停放是否到位，简单、有效提升停车到位率。

3.6换电装置消防监控系统。换电装置消防监控系统内设消防监控主机，主机在自动状态下，能在场所内出现火情时，第一时间联动现场安装的喷淋电磁阀模块，现场喷淋系统进行灭火；同时，启动声光报警器，提醒人员进行疏散工作；并通过主机报警反馈信号，上传至企业内部消防监控中心，组织火灾扑救等工作。根据不同的站内情况，消防方案按照三个等级判定：1）如电池未发生冒烟或明火情况，判定适用一级消防方案。2）如电池发生冒烟但未产生明火时，判定适用二级消防方案。3）如电池发生冒烟并伴随电池附近可燃物出现明火燃烧的情况，判定适用三级消防方案。

四、总结

纯电动集卡换电装置采用集成化设计，其中包含换电装置、充电装置、通讯柜、消防设备等，可有效减少占地面积，并且采用全自动换电装置，完全符合实际作业工况需求，并在实际运行中获得成功应用。通过全自动化一键运行，提高换电过程的准确性、稳定性和安全性，提升换电效率。

引用出处

[1]夏祯捷，集装箱码头绿色新能源内集卡技术应用方案比选和实施.港口科技.2022,(07)：9-14.