周永寧，謝梓烊，張 昊，包雨欣，周子鴻

（吉林大學珠海學院，廣東 珠海 519041）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)電商的迅速發(fā)展，倉儲物流的效率將直接影響電商的成本，而自動導引車（Automated Guided Vehicle，AGV）的運作效率影響著倉儲物流的效率。除了調(diào)度效率等因素，小車較為頻繁更換電、充電時間較長以及充電設(shè)備冗雜等痛點一直制約著AGV 小車的搬運效率［1-2］。為解決AGV 在供電方面的痛點，利用無線充電技術(shù)，結(jié)合超級電容的特性，以減少AGV 小車的充電時間，并提高其續(xù)航能力。為解決AGV 小車充電時間較長的問題，將超級電容應(yīng)用于AGV 小車的無線充電電路，改進傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式的無線充電電路，大大提高了輸入電流的峰值，并增加了有效電流持續(xù)的時間。

1 AGV 小車簡介

自動導引車是依靠電磁導軌和二維碼等外部輔助基礎(chǔ)設(shè)施導航的搬運小車。由于人力成本越來越高，勞動生產(chǎn)率要求不斷提高，AGV 在現(xiàn)代化的倉儲物流系統(tǒng)和生產(chǎn)車間的地位愈來愈重要。AGV小車可以在調(diào)度系統(tǒng)的控制下自主搬運和抬升指定的目標貨物，將貨物放到指定的倉儲位置。相比于傳統(tǒng)的人工搬運方式，它極大地提高了企業(yè)工作效率和企業(yè)生產(chǎn)的自動化水平。

然而，AGV 小車的供電系統(tǒng)長時間處于工作狀態(tài)，使得AGV 小車不得不頻繁更換電池。針對這個情況，專家從優(yōu)化調(diào)度策略和充電速度兩方面來提高AGV 電池的利用率。趙明君［3］針對AGV 重空載的差異情況和電量續(xù)航能力設(shè)計了AGV 調(diào)度模型，丁一等人［4］通過考慮40 英尺箱占比變化情況來提高電池利用率，張勇等人［5］將蓄電池和超級電容并聯(lián)混合控制放電電流，胡軍等人［6］采用恒流同步Buck 電路來實現(xiàn)超級電容的恒功率充電，從而減少更換電池的次數(shù)和往返充電樁的時間，進而提高AGV 小車的在線工作時間。本文采用超級電容為電池供能。超級電容有較大的電容容量，不僅可以為AGV 小車充電，儲存多余的電荷，還可以將剎車時產(chǎn)生的過載電荷轉(zhuǎn)化到超級電容。

2 理論分析

2.1 無線充電理論分析

自從1831 年科學家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象以來，科學家們對電磁感應(yīng)進行了不斷探索。2007 年6 月，美國麻省理工學院的無線充電研究團隊第一次向世界展示了利用電磁感應(yīng)原理給1 m 內(nèi)的60 W 燈泡無線供充電，且電能傳輸效率達到了75%。目前，電磁感應(yīng)原理已經(jīng)成功應(yīng)用于無線充電領(lǐng)域。比較成熟的無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)、無線電波、磁場共振及電磁耦合等。這些充電方式的屬性特點如表1 所示。

表1 主流無線充電方式的屬性特點對比

電磁感應(yīng)式的無線充電電路非常簡捷，使得電磁感應(yīng)無線充電方式占據(jù)了較大的無線充電市場，故本文將針對傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式的無線充電電路進行改進設(shè)計。電磁感應(yīng)無線充電是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象進行無線式充電。在一個閉環(huán)電路中，導體在磁通量不斷變化的磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在感應(yīng)電動勢的作用下，閉環(huán)電路形成感生電流，使得具有變化的磁通量的磁場產(chǎn)生電能。同理，當導體中電流的大小和方向發(fā)生改變時，將會導致導體附近的磁場發(fā)生改變。電磁感應(yīng)無線充電利用這個原理，通過交變電流改變初級線圈中的電磁場，使得電磁場的磁通量發(fā)生改變。若在初級線圈的上方加上另一個線圈作為次級線圈，那么初級線圈改變的磁通量磁場將會穿過次級線圈，導致次級線圈內(nèi)的磁通量也發(fā)生改變，并在次級線圈產(chǎn)生電流并形成電能，從而實現(xiàn)無線充電。無線充電的過程，如圖1表示。

圖1 電磁感應(yīng)式的無線充電過程演示

產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與磁通量之間的關(guān)系為：

式中，ε 為瞬時感應(yīng)電動勢，Δφ 為磁通變化量，Δt 為磁通變化量時間，n 為線圈匝數(shù)。磁通量的計算公式為：

式中，B 為垂直于導體的有效磁感應(yīng)強度，描述磁場的強弱；S 為垂直于B 的有效面積。

當B 和S 其中一個或兩者都發(fā)生改變時，將引起磁通量φ 的改變而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，繼而產(chǎn)生感應(yīng)電流產(chǎn)生電能。因此，可以通過提高磁通量的變化量提高頻率來提高感應(yīng)電動勢ε。但是，根據(jù)楞次定律，電路頻率較大會使電路的感抗增大，導致次級線圈的輸出電流變小。本文將利用超級電容的特性來設(shè)計無線充電電路，增大輸出電流，減少AGV 小車的充電時間。

2.2 超級電容理論分析

超級電容又稱電化學電容，按照儲能機制分為電雙層電容和法拉第準電容兩種類型，按照電解質(zhì)可分為水性電解質(zhì)和有機電解質(zhì)兩種類型。超級電容就比能量、比功率及充放電次數(shù)與傳統(tǒng)電容和二次電池的比較［7］，如表2 所示。

表2 3 種能量儲存裝置性能比較

超級電容是一種功率密度大、工作壽命長、放電快以及放電電路結(jié)構(gòu)簡單的新型電容，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。通過分析超級電容的工作特性，討論它在AGV 這種續(xù)航能力需求較大的小車中的應(yīng)用優(yōu)勢。圖2 為雙層超級電容的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 雙層電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電解液中含有大量的陽離子和陰離子。電容的兩個極板被施加電壓時會在正極板和負極板之間形成電場，其中正極板存在著正電荷吸引電解液里的陰離子，負極板存在著負電荷吸引電解液里的陽離子。由于固體和液體之間的庫侖力作用，固體極板中的電荷和電解液里的電荷無法完全靠近，會在固體和液體的接觸面形成一層穩(wěn)定但符號相反的電荷層。每個極板都會有這樣的電荷層存在，故一個超級電容里有兩層電荷層，具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 超級電容示意圖

由于液體的流動性，在兩極板填充多孔碳性材料會大大提高雙層電容的面積，有：

式中，C 為電容容量，ε 為電介質(zhì)常數(shù)，s 為極板面積，k 為靜電力常數(shù)，d 為極板間距離。

在雙層超級電容里，d 是固液界面的距離。這個值非常小，通常只有nm 級大小。由于用多孔的碳材料和液體接觸，極板有效面積非常大，因此超級電容的容量比普通電容大。由于固液臨界之間的距離非常小，超級電容在充放電時速度很快。圖4 為初始電壓10 V 的電容放電的時域仿真結(jié)果圖?？梢钥闯?，初始值為10 V 的電容約6 ms 就完全放完電，放電速度很快。超級電容能以這樣的放電速度更快地響應(yīng)電流的波動，并及時補充電路的電流。

圖4 超級電容放電時間仿真結(jié)果

3 Buck 恒流電路設(shè)計

對超級電容器充電時，電容兩端的電壓不能突變。電容剛開始充電時，輸入電流較大，此時若不控制充入電容的功率，會導致功率過大而限制直流電壓源影響整體性能。因此，Buck 電路對超級電容器恒流充電時，使用橋式整流橋，后連接到Buck恒流電路，以相對穩(wěn)定的電流對電容充電，如圖5所示。這樣不但解決了早期充電電流太大影響后續(xù)提供穩(wěn)定電力的問題，還解決了電容器充電后期可充電功率變小導致能量利用率低的問題。

4 改進后整體電路設(shè)計

4.1 無線充電

AGV 小車的工作效率受到動力系統(tǒng)的制約。為了減少AGV 小車的充電時間、充電次數(shù)及充電步驟，滿足AGV 充電低時性和長續(xù)航的工作要求，本文在傳統(tǒng)的無線充電方式上創(chuàng)新地設(shè)計了超級電容無線充電的AGV 充電電路，如圖6 所示。

圖5 恒流充電電路

圖6 無線快充系統(tǒng)框架圖

理論分析可知，電磁感應(yīng)無線充電可以輸出較大的電壓但電流較小，而超級電容具有較快的充放電速度且有較大的電荷容量。設(shè)想經(jīng)過次級線圈放大電壓在次級線圈增加整流橋，使得電流的波形在同一個方向。經(jīng)過整流的電流流經(jīng)超級電容，由于其大小是變化的，電流大時即可為超級電容充電，電流小時超級電容即可為電路補充電流，使得電路輸出較大的電流。電路如圖7 所示。

交變頻率為50 Hz 的220 V 交變電壓，經(jīng)過線圈組后在次級線圈產(chǎn)生電流。電流經(jīng)過由4 個二極管D2、D3、D4、D5組成的整流電路進行整流，使得電流只存在大小變化而沒有方向變化。此時，電流通過防倒流二極管和D7二極管給電容充電，同時給負載電池充電。R4、R3、電容及電感組成1 F 的超級電容模型，不僅可在充電時提高輸出電流的峰值，還可以在充電后為AGV 小車進行蓄能，從而為電池持續(xù)補充電量。其中，防倒電流二極管防止電池在充電時對電路釋放電荷，保證電流只能向電池流入，確保電路的安全。

4.2 其他電路

單片機選用STM32F103C8T6。STM32F103C8T6是一款32 位微控制器，滿足使用性能要求，成本較低，功耗較小。CAN 通信電路選用MAX3051 芯片，通過CAN 總線與上位機通信。上位機通過TCP/IP可從服務(wù)器獲得超級電容端電壓的實時變化情況，并根據(jù)AGV 機器人行駛狀況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整超級電容的充電功率。

5 電路仿真結(jié)果

圖8 為未改進的電路流進負載的電流仿真結(jié)果，圖9 為改進的電路流進負載的電流仿真結(jié)果。可以看出，輸出電流在逐漸靠近100 mA 時，其峰頭為平的，且每兩個峰值之間的時間間隔較小。在超級電容和升壓電阻的作用下，改進后的電路和平常的電路相比出現(xiàn)規(guī)律性電流波動，但峰值電流卻比未改進的電路高出約25%，有助于提高無線充電的速度。

圖7 改進的無線充電電路圖

圖8 未改進的電路流進負載的電流仿真結(jié)果

圖9 改進的電路流進負載的電流仿真結(jié)果

6 結(jié) 語

通過分析AGV 小車的傳統(tǒng)電磁感應(yīng)充電電路，針對AGV 小車需要頻繁充電或換電的缺點，改進傳統(tǒng)的無線充電電路。在次級線圈添加超級電容、上拉電阻及單向?qū)ǖ亩O管，使得超級電容的放電門檻變高，在超級電容儲蓄到較多電量后再放電，則輸出電流會有較大的峰值，同時超級電容具有較快的反應(yīng)速度，能夠大大減少峰頂和峰頂之間的時間。通過PSPICE 軟件進行仿真可得，改進后的電路輸出電流峰值達到100 mA，且能在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，具有良好的效果。單片機控制器搭配超級電容，既能滿足小型AGV 機器人啟停時的大功率需求，又能有效避免AGV 應(yīng)用蓄電池時的短時大電流放電。航空航天、大型工業(yè)及汽車輪船運輸?shù)葌鹘y(tǒng)行業(yè)需要大量的勞動力資源，可以預(yù)計，未來各種車間將全面引進AGV 小車，實現(xiàn)自動化半圓作業(yè)，自動取存貨物，大大縮短物資運輸?shù)臅r間，降低貨物損失，從根本上節(jié)省生產(chǎn)商的投資建設(shè)成本。