AGV小车无线充电装置的设计

金 鑫

（黄冈职业技术学院 机电学院，湖北 黄冈 438002 ）

在工业应用中，Automated Guided Vehicle，简称AGV，是一种具有安全保护以及装载功能的自动运输车，其装备了自动导引装置，能够沿着规定的导引路径行驶；可通过铺设电磁金属导线轨道并采用电磁导航的方式确定AGV小车的自动运行路径及动作。

当蓄电池电能耗尽后，为保证生产连续性，需要更换备用蓄电池，但手动更换备用蓄电池费时费力，因此驻车充电为目前最常用充电方式；驻车充电共有手动和自动两种充电方式，手动充电即手动完成AGV与充电器之间的电器连接，然后实施充电，充电完成后人工去脱离连接电路再恢复工作状态；自动充电则是通过系统总控发出指令，AGV自动运行至充电桩，AGV车载充电器自动连接到充电桩并开始充电，还可根据工业应用需要设置充电百分比，完成充电后自动脱离充电桩。驻车充电耗时较长，所以以上几种方式都会降低AGV的使用率，影响生产进度。又因为目前常用充电方式均采用接触式充电，容易产生接触火花，在工业环境中，安全性较低。

为此，有必要研发一种AGV无线充电装置，使AGV小车可在不停车的前提下快速充电，可保证AGV小车除检修外能够24小时不间断运行，以提高工作效率。

1 AGV小车无线充电装置结构特点及功能

AGV无线充电装置用于 AGV小车的无线充电，如图1所示，它由供电装置、AGV系统、接收装置三部分组成，其结构特点及功能如下：

1.1 供电装置

供电装置相当于普通AGV小车内安装的蓄电池，它能为AGV系统提供一个稳定电压，用以驱动AGV小车；它包括充电端子、电池管理系统、锂离子电容器模组、稳压电源、放电接口、AGV制动板以及制动电阻。

1.2 AGV 系统

AGV系统即一种采用电磁导航的方式确定自动运行路径且具有一定运载能力的AGV小车，该系统不包含蓄电池。

1.3 接收装置

接收装置内置一种磁耦合谐振接收线圈，它能通过磁耦合方式接收电能；与之相对应的是磁耦合谐振发射线圈，其埋置于AGV小车预设轨道下，当AGV小车驶进无线电能传递范围内，发射线圈可将电能通过磁耦合方式无线传递至接收装置。

图1 AGV无线充电装置结构示意图

2 AGV小车无线充电装置工作原理

AGV小车无线充电装置设计有三个功能回路，供电闭合回路、充电闭合回路以及放电闭合回路，其组成及工作原理如下：

2.1 供电闭合回路组成及工作原理

供电闭合回路由电池管理系统、锂离子电容器模组和稳压电源组成；在供电闭合回路中，锂离子电容器模组与稳压电源组成一个蓄电池，该蓄电池通过放电接口为AGV小车供电，并且提供一个24V或者48V的稳定电压以此驱动AGV小车；其中，锂离子电容器模组是由若干个可充电锂离子电容器单体首位串联并矩阵排列组成，当电池管理系统监测到蓄电池电压不足时，则由充电闭合回路对其进行无线充电。

2.2 充电闭合回路组成及工作原理

充电闭合回路由无线充电接收装置、充电端子、电池管理系统及锂离子电容器模组组成；

当电池管理系统监测到锂离子电容器模组两端的电压值低于接收装置电压，则无线充电接收装置将通过充电端子开始对锂离子电容器模组进行充电；其中，接收装置内置一种磁耦合谐振接收线圈，用以接收电能。

在供电、充电闭合回路中，电池管理系统的作用是能够实时监测锂离子电容器模组的电压状态，并与接收装置中的电压进行比较，如低于接收电压，系统将根据电压差值调整充电电流大小，开始快速充电，当电压相等或AGV小车驶离无线电能接收范围，充电结束。

2.3 放电闭合回路组成及工作原理

放电闭合回路由稳压电源、AGV制动板以及制动电阻组成；

当AGV小车因制动而产生多余电能，会造成稳压电源电压过高，为避免烧坏电路器件，可将过剩电能通过制动电阻转换为热能消耗掉。

3 无线供电系统选择及原理分析

无线电能传输技术，其工作原理是利用电场和磁场间的耦合传递电能，即通过非接触式的电磁耦合方式将电能从供电环节传递至用电设备；这类无线电能传输设备体积小巧、制造成本低、操作方便、设备磨损率低、应用范围广。由于这种无线电能传递方式中用电设备与充电器之间是以磁场去传送能量，避免了电气连接，因此各种充电、用电装置中均没有带电接点外露，所以不会产生接触式火花，在工业应用中，这类供电方式自然更为安全可靠。当前工业应用中，无线电能传输技术最常用的三种方式就是电磁感应式、微波辐射式和磁耦合谐振式，将这三种无线电能传输技术简单介绍如下。

（1）电磁感应式无线电能传输技术是利用电磁感应原理，可以通过控制松耦合变压器的交变电流的方式去发射和接收电能，以此实现电能传递。当设备接收到交变电流后再经过直流稳压电源就可以得到设备需要的直流电压，当前电磁感应式无线充电技术主要应用在各类小家电产品中，例如手机、平板电脑、扫地机器人等家用电子产品，电磁感应式电能传输技术更实用与小功率设备的无线充电。

（2）微波辐射式无线电能传输技术主要利用微波的波长短在空气中传递性强的特点进行能量传输，即利用微波替代电流、空气替代导线以此实现能量传输。但这种方式对障碍物的穿透力很弱，并且会产生较强的电磁辐射，对人体产生伤害，主要应用于宇宙空间站、信号卫星与大地之间的电能传输。

（3）磁耦合谐振式电能传输技术是以电磁场为载体，利用磁耦合式谐振电路的固有谐振频率能量传递特性来实现电能的传递，即特定频率的电能信号通过发射线圈和接收线圈后将产生谐振从而进一步产生感应电动势。目前，我国应用最普遍的大功率无线供电均采用磁耦合谐振式，大部分电动汽车充电均采用这种方式，技术成熟，应用范围广。

经过比对，本设计选用磁耦合谐振式无线供电方式，原理图见图2，其优势在于电磁干扰抗性高且辐射小，发射和接受线圈对准精度要求不高，且无线电能传递距离较大，稳定性和安全性高；另外，无线发射线圈铺设在AGV小车轨道中，无线接收线圈装置于AGV小车底部，与充电闭合回路连接，磁耦合谐振式无线电能传输技术可使AGV在不停车的前提下快速充电，提高工作效率。

图2 磁耦合谐振式无线电能传输技术原理图

4 结语

在本设计中，磁耦合谐振发射线圈一端埋置于AGV小车预设轨道下，另一端内置与接收装置内；当AGV小车行驶进入预设轨道，达到磁耦合谐振发射线圈区域内时，由于电池管理系统实时监测锂离子电容器模组的电压状态，如发现其电压低于接收端电压，则根据电压差以及磁耦合谐振线圈的区域范围来调节电流，并对锂离子电容器模组进行快速充电，当两端电压相等时，通过充电端子对锂离子电容器模组进行恒压充电直至充满，当AGV小车驶离发射区域，磁耦合谐振线圈将自动断开连接，充电结束。

实践证明，本设计能够实现AGV小车在不停车的前提下快速充电，小车连续处在生产过程，工作效率得到提升，且系统运行稳定、充电定位准确，无接触式火花，生产过程安全可靠，该系统已成功应用于企业生产且效果良好。