鄒建俊

（廣東泰坦智能動力有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

為AGV提供驅(qū)動電壓的手推車由電池管理系統(tǒng)、鋰離子電容器模塊以及電壓調(diào)節(jié)電源組成，通過無線充電裝置充電閉合環(huán)、充電端子、電池管理系統(tǒng)和鋰離子電容器模塊組合。AGV制動盤、制動耐用、放電閉合環(huán)具有穩(wěn)壓電源，可消耗多余電能。

1 AGV技術(shù)的概念

在工業(yè)應(yīng)用中，AGV是一種具有安全保護和裝載功能的自動運輸車，其裝備了自動導(dǎo)引裝置，能夠沿著規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，可通過鋪設(shè)電磁金屬導(dǎo)線軌道并采用電磁導(dǎo)航的方式確定AGV小車的自動運行路徑及動作。當蓄電池電能耗盡后，為保證生產(chǎn)連續(xù)性，需要更換備用蓄電池，但手動更換備用蓄電池費時費力，因此駐車充電成為目前最常用的充電方式。駐車充電共有手動和自動兩種充電方式，手動充電即手動完成AGV與充電器之間的電器連接，然后實施充電，充電完成后人工去脫離連接電路再恢復(fù)工作狀態(tài)。自動充電則是通過系統(tǒng)總控發(fā)出指令，AGV自動運行至充電樁，AGV車載充電器自動連接到充電樁并開始充電，還可根據(jù)工業(yè)應(yīng)用需要設(shè)置充電百分比，完成充電后自動脫離充電樁。駐車充電耗時較長，所以以上方式都會降低AGV的使用率，影響生產(chǎn)進度。又因為目前常用充電方式均采用接觸式充電，容易產(chǎn)生接觸火花，所以在工業(yè)環(huán)境中的安全性較低。為此，有必要研發(fā)一種AGV無線充電裝置，使AGV小車可在不停車的前提下快速充電，保證AGV小車除檢修外能夠24小時不間斷運行，以提高工作效率。

2 AGV結(jié)構(gòu)特點

AGV無線充電裝置用于AGV小車的無線充電，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AGV無線充電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 供電裝置

供電裝置相當于普通AGV小車內(nèi)安裝的蓄電池，它能為AGV系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定電壓，用以驅(qū)動AGV小車。其組成包括充電端子、電池管理系統(tǒng)、鋰離子電容器模組、穩(wěn)壓電源、放電接口、AGV制動板以及制動電阻。

2.2 AGV系統(tǒng)

AGV系統(tǒng)即一種采用電磁導(dǎo)航的方式確定自動運行路徑且具有一定運載能力的AGV小車，該系統(tǒng)不包含蓄電池。

2.3 接收裝置

接收裝置內(nèi)置一種磁耦合諧振接收線圈，它能通過磁耦合方式接收電能，與之相對應(yīng)的是磁耦合諧振發(fā)射線圈，其埋置于AGV小車預(yù)設(shè)軌道下。當AGV小車駛進無線電能傳遞范圍內(nèi)，發(fā)射線圈可將電能通過磁耦合方式無線傳遞至接收裝置。

3 原理分析

目前，國際上人們將無線充電方式主要分為感應(yīng)耦合式、電磁波輻射式以及磁耦合諧振式3種。無線充電技術(shù)的研究與產(chǎn)品化應(yīng)用最早開始于一些小功率電子產(chǎn)品，如電動牙刷、平板電腦以及手機等。但隨著近年來無線充電領(lǐng)域逐漸火熱，世界各大相關(guān)企業(yè)或研究機構(gòu)對無線充電技術(shù)都取得了很大的研究進展，并將逐步完成產(chǎn)品化應(yīng)用。不同的傳輸方式在傳輸功率、傳輸效率以及傳輸距離等方面都各有優(yōu)點，因此在不同的應(yīng)用場合應(yīng)選擇不同的無線充電方式。

供電閉合回路由電池管理系統(tǒng)、鋰離子電容器模組以及穩(wěn)壓電源組成。在供電閉合回路中，鋰離子電容器模組與穩(wěn)壓電源組成一個蓄電池，該蓄電池通過放電接口為AGV小車供電，并且提供一個24 V或者48 V的穩(wěn)定電壓以此驅(qū)動AGV小車。其中，鋰離子電容器模組是由若干個可充電鋰離子電容器單體首尾串聯(lián)并矩陣排列組成。當電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到蓄電池電壓不足時，則由充電閉合回路對其進行無線充電。

電磁感應(yīng)式無線充電如圖2所示，利用的是電磁感應(yīng)原理。雖然根據(jù)電磁感應(yīng)原理知道變化的磁場會產(chǎn)生電流，但這個理論的應(yīng)用存在很大的局限性，其主要原因是傳輸距離太短且效率過低，另外磁場的傳播方向不可控。

圖2 電磁感應(yīng)式無線充電原理圖

電磁感應(yīng)式無線充電利用電磁感應(yīng)原理通過控制松耦合變壓器的交變電流大小，控制無線電能的發(fā)射和接收。發(fā)射極線圈在接收到交變電流后，向周圍輻射高頻交變磁場，接收端線圈便會在交變磁場中產(chǎn)生相應(yīng)的交變電流，然后再經(jīng)過整流濾波電路，最終得到所需的直流電壓。對于電磁感應(yīng)式無線充電來說，發(fā)射端與接收端線圈之間的氣隙寬度即為能量的傳輸距離，氣隙寬度的大小決定了傳輸效率的高低。因此，電磁感應(yīng)式無線充電的傳輸距離必須非常小，常為幾毫米到幾厘米。

4 無線充電系統(tǒng)的控制設(shè)計

市電經(jīng)過整流、斬波以及逆變之后變?yōu)榫€圈諧振所需的交流電，發(fā)射端線圈產(chǎn)生的高頻磁場使接收端線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并發(fā)生諧振，然后經(jīng)整流濾波后給AGV小車蓄電池充電。充電過程整體采用三段式充電方案，以提升充電速度，并保護蓄電池。此外，為避免渦流效應(yīng)，還應(yīng)設(shè)置金屬檢測電路，以保證充電系統(tǒng)的安全性。接收端電路需要對AGV小車蓄電池的充電參數(shù)進行實時監(jiān)測和反饋，主控芯片在接收到信息之后可以對直流斬波電路的輸出電壓進行調(diào)整，從而實現(xiàn)對充電過程的實時閉環(huán)控制。AGV小車磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 AGV小車磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)整體設(shè)計方案

控制電路的主控芯片選用ARM系列32位微處理器STM32F103VCT6，用C語言編程，并通過KEIL4軟件進行修改和調(diào)試操作。該芯片具有5個通信串口，可同時傳輸16A/D信道，并可對被檢測電路發(fā)射出來的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送到芯片內(nèi)部。利用該芯片可以充分實現(xiàn)無線充電系統(tǒng)設(shè)計所需的功能。

其中最小系統(tǒng)STM32F103VCT6主要包括功率濾波電路、復(fù)位電路以及晶體電路等。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，采集電路采集的充電參數(shù)送入芯片內(nèi)部，通過PWM脈沖寬度、直流斬波電路、全橋式逆變器電路，調(diào)制開關(guān)管的開啟頻率，將逆變器電路的輸出電壓轉(zhuǎn)換成投影端線圈所需的交流電。通過與STM32F103VCT6芯片比較，發(fā)送端接收到藍牙發(fā)送的檢測信號后，再利用PWM對DC-DC電路和DC-AC電路的輸出電壓進行控制，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制。磁耦合諧振無線充電系統(tǒng)接收端還采用了STM32芯片作為主芯片，接收電路包括全橋接整流器、濾波器電路以及藍牙通信電路等。在負荷變化時，接收端主芯片接收參數(shù)發(fā)生變化，通信電路將信號饋送到發(fā)送端，主芯片處理由發(fā)送端結(jié)束，然后調(diào)整發(fā)射信號占空比。

AGV小車無線充電系統(tǒng)中共有兩個整流電路，首先需要在發(fā)射端將交流市電整流為直流電，送入直流斬波電路，另外需要在接收端線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢之后將其轉(zhuǎn)化為直流電，并送入AGV小車的蓄電池。由于接收端線圈的輸出交流電頻率很高，電流峰值卻相對較低，因此兩個整流電路的參數(shù)設(shè)計并不能完全相同，但拓撲結(jié)構(gòu)一樣，都采用單相全橋整流電路，具體如圖4所示。

圖4 單相全橋整流電路拓撲結(jié)構(gòu)

5 無線充電技術(shù)的特殊應(yīng)用前景

5.1 醫(yī)用植入設(shè)備

醫(yī)用植入器在疾病治療中的作用日益重要，膠囊內(nèi)窺鏡、可植入式醫(yī)用植入器具有祛斑、消炎以及消腫等功能，有助于醫(yī)生診斷病人。而且進行康復(fù)和保養(yǎng)時，心臟起搏器能通過電子信號激活心臟。

5.2 電動汽車

電動汽車可以解決機動車的污染排放和能源短缺問題，因此許多國家和政府都在鼓勵電動車的發(fā)展，不少汽車制造商也開始研發(fā)和生產(chǎn)電動車。無線充電是電動車能量補充的一種方式，又稱無觸點充電，是一種主要采用無線能量傳輸?shù)募夹g(shù)。它以感應(yīng)式無線能量傳輸和共振無線能量傳輸為主，具有使用方便、安全可靠、無火花和電擊、無接觸損耗以及無需維護等特點。

6 結(jié) 論

AGV車輛裝配過程中，磁耦合諧振傳輸線圈一端安裝在規(guī)定區(qū)域后，監(jiān)測鋰電容器模塊的電壓發(fā)現(xiàn)此時AGV車輛高于最終電壓。基于磁耦和諧振線圈之間的電壓差，鋰電容器模塊停止電流充電，當AGV到達發(fā)射區(qū)后面，磁耦和諧振線圈繼續(xù)快速充填，充填定位準確，無火花，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，效果顯著。