AGV無線充電技術控制方法及控制結構

2021-08-26 08:14:04鄒建俊

通信電源技術 2021年8期

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提供驅動電壓的手推車由電池管理系統、鋰離子電容器模塊以及電壓調節電源組成，通過無線充電裝置充電閉合環、充電端子、電池管理系統和鋰離子電容器模塊組合。AGV制動盤、制動耐用、放電閉合環具有穩壓電源，可消耗多余電能。

1 AGV技術的概念

在工業應用中，AGV是一種具有安全保護和裝載功能的自動運輸車，其裝備了自動導引裝置，能夠沿著規定的導引路徑行駛，可通過鋪設電磁金屬導線軌道并采用電磁導航的方式確定AGV小車的自動運行路徑及動作。當蓄電池電能耗盡后，為保證生產連續性，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工作狀態。自動充電則是通過系統總控發出指令，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，還可根據工業應用需要設置充電百分比，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，影響生產進度。又因為目前常用充電方式均采用接觸式充電，容易產生接觸火花，所以在工業環境中的安全性較低。為此，有必要研發一種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結構特點

AGV無線充電裝置用于AGV小車的無線充電，其結構如圖1所示。

圖1 AGV無線充電裝置結構示意圖

2.1 供電裝置

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

2.2 AGV系統

AGV系統即一種采用電磁導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，該系統不包含蓄電池。

2.3 接收裝置

接收裝置內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，與之相對應的是磁耦合諧振發射線圈，其埋置于AGV小車預設軌道下。當AGV小車駛進無線電能傳遞范圍內，發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。無線充電技術的研究與產品化應用最早開始于一些小功率電子產品，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域逐漸火熱，世界各大相關企業或研究機構對無線充電技術都取得了很大的研究進展，并將逐步完成產品化應用。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點，因此在不同的應用場合應選擇不同的無線充電方式。

供電閉合回路由電池管理系統、鋰離子電容器模組以及穩壓電源組成。在供電閉合回路中，鋰離子電容器模組與穩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的穩定電壓以此驅動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并矩陣排列組成。當電池管理系統監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。

電磁感應式無線充電如圖2所示，利用的是電磁感應原理。雖然根據電磁感應原理知道變化的磁場會產生電流，但這個理論的應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 電磁感應式無線充電原理圖

電磁感應式無線充電利用電磁感應原理通過控制松耦合變壓器的交變電流大小，控制無線電能的發射和接收。發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生相應的交變電流，然后再經過整流濾波電路，最終得到所需的直流電壓。對于電磁感應式無線充電來說，發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 無線充電系統的控制設計

市電經過整流、斬波以及逆變之后變為線圈諧振所需的交流電，發射端線圈產生的高頻磁場使接收端線圈產生感應電動勢并發生諧振，然后經整流濾波后給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，還應設置金屬檢測電路，以保證充電系統的安全性。接收端電路需要對AGV小車蓄電池的充電參數進行實時監測和反饋，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整，從而實現對充電過程的實時閉環控制。AGV小車磁耦合諧振式無線充電系統整體設計方案如圖3所示。

圖3 AGV小車磁耦合諧振式無線充電系統整體設計方案

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射出來的信號進行A/D轉換，再將轉換后的信號發送到芯片內部。利用該芯片可以充分實現無線充電系統設計所需的功能。

其中最小系統STM32F103VCT6主要包括功率濾波電路、復位電路以及晶體電路等。經過A/D轉換后，采集電路采集的充電參數送入芯片內部，通過PWM脈沖寬度、直流斬波電路、全橋式逆變器電路，調制開關管的開啟頻率，將逆變器電路的輸出電壓轉換成投影端線圈所需的交流電。通過與STM32F103VCT6芯片比較，發送端接收到藍牙發送的檢測信號后，再利用PWM對DC-DC電路和DC-AC電路的輸出電壓進行控制，從而實現了系統的閉環控制。磁耦合諧振無線充電系統接收端還采用了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發生變化，通信電路將信號饋送到發送端，主芯片處理由發送端結束，然后調整發射信號占空比。

AGV小車無線充電系統中共有兩個整流電路，首先需要在發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生感應電動勢之后將其轉化為直流電，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設計并不能完全相同，但拓撲結構一樣，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構

5 無線充電技術的特殊應用前景

5.1 醫用植入設備

醫用植入器在疾病治療中的作用日益重要，膠囊內窺鏡、可植入式醫用植入器具有祛斑、消炎以及消腫等功能，有助于醫生診斷病人。而且進行康復和保養時，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展，不少汽車制造商也開始研發和生產電動車。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的技術。它以感應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。