無接觸供電技術(shù)在ＡＧＶ中的應(yīng)用

楊文華　蘇運(yùn)春　喻　銳　王志德　向曉知　韓圓圓

摘要：將無接觸供電技術(shù)應(yīng)用于AGV使AGV更加環(huán)保、高效，這一優(yōu)勢在當(dāng)前能源緊缺、對環(huán)境要求越來越高的大背景中顯得更加突出。

關(guān)鍵詞：無接觸供電、ACV、電磁導(dǎo)引

無接觸供電技術(shù)又稱為無接觸功率傳輸技術(shù)(ContactoessPowerTransfer，簡稱CPT)或感應(yīng)電能傳輸技術(shù)(Inductive CoupledPower Transfer，簡稱ICPT)，它是利用現(xiàn)代電力電子能量變換技術(shù)和磁場耦合技術(shù)，并借助于現(xiàn)代控制理論和微電子控制技術(shù)，實現(xiàn)能量從靜止設(shè)備向靜止或移動設(shè)備傳輸?shù)囊环N有效方法。

近年來，在一些歐美國家的多個行業(yè)中都有無接觸供電技術(shù)的商業(yè)產(chǎn)品問世，其中對移動設(shè)備的無接觸供電技術(shù)研究開發(fā)已經(jīng)比較成熟。在國內(nèi)，比較典型的應(yīng)用案例有昆船研發(fā)的用于機(jī)場行李運(yùn)輸?shù)腄CV系統(tǒng)、用于北京物資學(xué)院和天津SEW的昆船直行穿梭車等項目。但總體來說，無接觸供電技術(shù)用于AGV的案例還比較少見，在國內(nèi)尚屬于研究階段。本文就無接觸供電技術(shù)在AGV領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行探討。

無接觸供電技術(shù)原理

無接觸供電是指輸電線路和負(fù)載方在沒有電氣連接和物理接觸，甚至他們之間還有相對運(yùn)動的情況下，實現(xiàn)電能的傳輸。無接觸供電系統(tǒng)的理論依據(jù)是電磁感應(yīng)原理。

目前國際上普遍采用的方案是利用氣隙變壓器來實現(xiàn)電能的無接觸傳輸。常規(guī)變壓器的一次、二次線圈繞在共同的閉合鐵心上，雖然磁路耦合系數(shù)很高，但一次、二次線圈不能相對運(yùn)動。而無接觸供電技術(shù)就是將這種變壓器模型的一次線圈和二次線圈分開，一次繞組可安裝在輸電軌道或埋設(shè)于地面以下，延伸為很長的環(huán)路；二次線圈繞在圍著一次繞組可以移動的開口鐵心上。原理如圖1所不。

因磁路經(jīng)氣隙而閉合，故可稱之為氣隙變壓器。其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)電能傳輸。在外加電壓作用下，變壓器一次側(cè)的交流電在鐵心中產(chǎn)生交流磁通，磁勢主要降落在變壓器的氣隙兩端。

與常規(guī)變壓器不同，無接觸供電系統(tǒng)中的變壓器由于氣隙的存在，其鐵心中的磁通密度很小。這樣，為了產(chǎn)生足夠的電勢、增加傳輸功率以滿足負(fù)載的需要，目前普遍采用的方法是提高一次側(cè)交流電的頻率，以增大變壓器鐵芯內(nèi)交變磁場的頻率，并對一次線圈和二次線圈的漏感進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到較大的二次側(cè)感應(yīng)電勢。

一般的無接觸供電系統(tǒng)中除變壓器以外，靜止和移動部分都有變換器。先將普通50Hz交流電整流成直流，再經(jīng)DC-AC轉(zhuǎn)變成25kHz高頻交流電，作為靜止變電部分輸入，經(jīng)磁路耦合，在移動取電部分感應(yīng)出高頻交流電，然后根據(jù)負(fù)載的需要，再將該交流電進(jìn)行各種處理，也可以有多

個電壓等級輸出。

無接觸供電技術(shù)在AGV中的應(yīng)用

長期以來，AGV供電技術(shù)受制于電池，AGV馱著電池運(yùn)行，不僅增加了自重，也降低了AGV系統(tǒng)的運(yùn)行效率，造成了AGV使用壽命短、維護(hù)成本高、污染環(huán)境、應(yīng)用領(lǐng)域受限等問題，限制了AGV在一些有很好市場前景的特殊行業(yè)的應(yīng)用。

無接觸供電技術(shù)發(fā)展到今天，讓AGV甩掉電池這個包袱已經(jīng)成為可能。同時，還可以利用無接觸供電中的供電環(huán)路來進(jìn)行AGV導(dǎo)引和通訊，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的綜合利用。

1無接觸供電技術(shù)在AGV中的應(yīng)用方案

①AGV的供電

如圖2所示，AGV端取電部分有拾取器和變換器，放置于AGV上，隨車體移動；靜止電路部分則由濾波器、整流器、逆變器、變壓器、補(bǔ)償裝置和埋于AGV行使路徑地面下的電纜等部分組成。AGV上的能量拾取器始終置于地面電纜的正上方，兩者之間留有一定間隙。當(dāng)靜止電路部分輸入標(biāo)準(zhǔn)的三相380V交流電時，通過濾波、整流、逆變等一系列過程后，以高頻大電流注入輸出環(huán)路轉(zhuǎn)換為磁場能發(fā)射，AGV通過能量拾取器接受磁場能量，并通過逆變等相應(yīng)的能量調(diào)節(jié)裝置，變換為AGV可以直接使用的動力電源和控制電源，從而實現(xiàn)了AGV的無接觸供電。

由于進(jìn)行感應(yīng)耦合的靜止和移動部分之間有很大的漏感存在，耦合系數(shù)非常低，要保證有效的功率傳輸，通常在將高頻大電流注入輸出環(huán)路后，對電路的漏感進(jìn)行補(bǔ)償。

②功率選擇與計算

在使用無接觸供電時，只要有AGV運(yùn)行的地方，都需要鋪設(shè)供電環(huán)路。因此，AGV路徑的復(fù)雜程度也決定著供電環(huán)路的復(fù)雜程度。

在一個AGV系統(tǒng)中，根據(jù)實際情況，把路徑按取電需要分成多個供電環(huán)路，如圖3所示。一般來說，在每個環(huán)路上可能有多臺AGV在上面取電運(yùn)行。由于每個供電環(huán)路的最大輸出功率是有限的，并且功率越大，相應(yīng)的器件成本會越高，因此，如何選擇供電環(huán)路的功率對提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和節(jié)約成本尤為重要。

同一個AGV系統(tǒng)中，不同供電環(huán)路上出現(xiàn)AGV數(shù)量的幾率是不同的?？梢酝ㄟ^模擬仿真，對不同環(huán)路出現(xiàn)AGV數(shù)量的幾率進(jìn)行統(tǒng)計計算，進(jìn)而估算出每個環(huán)路所需的功率，最終選擇無接觸供電系統(tǒng)的不同功率的器件。

在運(yùn)行中，如果一個環(huán)路上的AGV已經(jīng)達(dá)到最大數(shù)量，還有AGV要求進(jìn)入該環(huán)路運(yùn)行，應(yīng)如何進(jìn)行處理?實際上，AGV上位控制系統(tǒng)(AGVS)知道系統(tǒng)中所有AGV的運(yùn)行狀態(tài)：加速前行、勻速前行、減速行駛以及停車，通過了解各環(huán)路上AGV的運(yùn)行狀態(tài)，就能夠計算出各個環(huán)路當(dāng)前的功率消耗。如果功率允許，其他AGV還能駛?cè)耄駝t，該臺AGV只能停在前一環(huán)路等待，或者選擇其他路徑運(yùn)行。

③AGV利用供電環(huán)路進(jìn)行導(dǎo)引

現(xiàn)有的AGV導(dǎo)引方式有很多類型，如電磁導(dǎo)引、激光導(dǎo)引等。其中，電磁導(dǎo)引的原理是在AGV行使的路徑下鋪設(shè)電磁導(dǎo)引線，通過在導(dǎo)引線上加載不同頻率的電磁信號來實現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。在無接觸供電系統(tǒng)中，可以利用供電環(huán)路替代電磁導(dǎo)引線，在上面加載經(jīng)過調(diào)制的電磁信號，AGV上裝備特制的傳感器件，這樣AGV就可利用無接觸供電環(huán)路實現(xiàn)導(dǎo)引，如圖4所示。

2AGV應(yīng)用無接觸供電技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)供電方式相比，AGV使用無接觸供電技術(shù)具有很多優(yōu)勢，包括：

①排除了因電池問題而造成的環(huán)境影響，更加環(huán)保、安全；

②供電系統(tǒng)與AGV無直接接觸，無摩擦，易維護(hù)；

③降低了AGV的自重，提高了AGV的負(fù)載能力，單位能量的利用率更高；

④AGV可以不間斷工作，提高了AGV系統(tǒng)的整體效率；

⑤AGV控制系統(tǒng)更加簡化，不需要對電池能量部分進(jìn)行檢測；

⑥一次成本投，后期免維護(hù)。

3技術(shù)難點

目前，AGV使用無接觸供電技術(shù)還存在一些難點，例如：在同一路徑環(huán)路上的允許AGV數(shù)量模擬計算比較復(fù)雜；AGV上位控制系統(tǒng)不僅要具備普通AGV系統(tǒng)的交通管理功能，還需增加環(huán)路功率計算模塊，以確保AGV的穩(wěn)定高效運(yùn)行；AGV離開導(dǎo)引路徑后無法運(yùn)行，需提供另外的電源或人工移動。

盡管如此，無接觸供電技術(shù)在AGV上的應(yīng)用將使AGV更加環(huán)保、高效，這一優(yōu)勢在當(dāng)前能源緊缺、對環(huán)境要求越來越高的背景中也顯得更加突出。因此，無接觸供電技術(shù)的應(yīng)用必將使AGV受到更多企業(yè)的青睞。