AGV 小车无线充电电路改进与仿真

2021-04-08 09:25:16周永宁谢梓烊包雨欣周子鸿
电视技术 2021年1期
关键词:次级线圈磁通量电磁感应

周永宁,谢梓烊,张 昊,包雨欣,周子鸿

(吉林大学珠海学院,广东 珠海 519041)

0 引 言

随着互联网电商的迅速发展,仓储物流的效率将直接影响电商的成本,而自动导引车(Automated Guided Vehicle,AGV)的运作效率影响着仓储物流的效率。除了调度效率等因素,小车较为频繁更换电、充电时间较长以及充电设备冗杂等痛点一直制约着AGV 小车的搬运效率[1-2]。为解决AGV 在供电方面的痛点,利用无线充电技术,结合超级电容的特性,以减少AGV 小车的充电时间,并提高其续航能力。为解决AGV 小车充电时间较长的问题,将超级电容应用于AGV 小车的无线充电电路,改进传统电磁感应式的无线充电电路,大大提高了输入电流的峰值,并增加了有效电流持续的时间。

1 AGV 小车简介

自动导引车是依靠电磁导轨和二维码等外部辅助基础设施导航的搬运小车。由于人力成本越来越高,劳动生产率要求不断提高,AGV 在现代化的仓储物流系统和生产车间的地位愈来愈重要。AGV小车可以在调度系统的控制下自主搬运和抬升指定的目标货物,将货物放到指定的仓储位置。相比于传统的人工搬运方式,它极大地提高了企业工作效率和企业生产的自动化水平。

然而,AGV 小车的供电系统长时间处于工作状态,使得AGV 小车不得不频繁更换电池。针对这个情况,专家从优化调度策略和充电速度两方面来提高AGV 电池的利用率。赵明君[3]针对AGV 重空载的差异情况和电量续航能力设计了AGV 调度模型,丁一等人[4]通过考虑40 英尺箱占比变化情况来提高电池利用率,张勇等人[5]将蓄电池和超级电容并联混合控制放电电流,胡军等人[6]采用恒流同步Buck 电路来实现超级电容的恒功率充电,从而减少更换电池的次数和往返充电桩的时间,进而提高AGV 小车的在线工作时间。本文采用超级电容为电池供能。超级电容有较大的电容容量,不仅可以为AGV 小车充电,储存多余的电荷,还可以将刹车时产生的过载电荷转化到超级电容。

2 理论分析

2.1 无线充电理论分析

自从1831 年科学家法拉第发现了电磁感应现象以来,科学家们对电磁感应进行了不断探索。2007 年6 月,美国麻省理工学院的无线充电研究团队第一次向世界展示了利用电磁感应原理给1 m 内的60 W 灯泡无线供充电,且电能传输效率达到了75%。目前,电磁感应原理已经成功应用于无线充电领域。比较成熟的无线充电技术主要有电磁感应、无线电波、磁场共振及电磁耦合等。这些充电方式的属性特点如表1 所示。

表1 主流无线充电方式的属性特点对比

电磁感应式的无线充电电路非常简捷,使得电磁感应无线充电方式占据了较大的无线充电市场,故本文将针对传统的电磁感应式的无线充电电路进行改进设计。电磁感应无线充电是利用电磁感应现象进行无线式充电。在一个闭环电路中,导体在磁通量不断变化的磁场中会产生感应电动势。在感应电动势的作用下,闭环电路形成感生电流,使得具有变化的磁通量的磁场产生电能。同理,当导体中电流的大小和方向发生改变时,将会导致导体附近的磁场发生改变。电磁感应无线充电利用这个原理,通过交变电流改变初级线圈中的电磁场,使得电磁场的磁通量发生改变。若在初级线圈的上方加上另一个线圈作为次级线圈,那么初级线圈改变的磁通量磁场将会穿过次级线圈,导致次级线圈内的磁通量也发生改变,并在次级线圈产生电流并形成电能,从而实现无线充电。无线充电的过程,如图1表示。

图1 电磁感应式的无线充电过程演示

产生的感应电动势与磁通量之间的关系为:

式中,ε 为瞬时感应电动势,Δφ 为磁通变化量,Δt 为磁通变化量时间,n 为线圈匝数。磁通量的计算公式为:

式中,B 为垂直于导体的有效磁感应强度,描述磁场的强弱;S 为垂直于B 的有效面积。

当B 和S 其中一个或两者都发生改变时,将引起磁通量φ 的改变而产生感应电动势,继而产生感应电流产生电能。因此,可以通过提高磁通量的变化量提高频率来提高感应电动势ε。但是,根据楞次定律,电路频率较大会使电路的感抗增大,导致次级线圈的输出电流变小。本文将利用超级电容的特性来设计无线充电电路,增大输出电流,减少AGV 小车的充电时间。

2.2 超级电容理论分析

超级电容又称电化学电容,按照储能机制分为电双层电容和法拉第准电容两种类型,按照电解质可分为水性电解质和有机电解质两种类型。超级电容就比能量、比功率及充放电次数与传统电容和二次电池的比较[7],如表2 所示。

表2 3 种能量储存装置性能比较

超级电容是一种功率密度大、工作寿命长、放电快以及放电电路结构简单的新型电容,广泛应用于各个领域。通过分析超级电容的工作特性,讨论它在AGV 这种续航能力需求较大的小车中的应用优势。图2 为双层超级电容的结构图。

图2 双层电容内部结构图

电解液中含有大量的阳离子和阴离子。电容的两个极板被施加电压时会在正极板和负极板之间形成电场,其中正极板存在着正电荷吸引电解液里的阴离子,负极板存在着负电荷吸引电解液里的阳离子。由于固体和液体之间的库仑力作用,固体极板中的电荷和电解液里的电荷无法完全靠近,会在固体和液体的接触面形成一层稳定但符号相反的电荷层。每个极板都会有这样的电荷层存在,故一个超级电容里有两层电荷层,具体结构如图3 所示。

图3 超级电容示意图

由于液体的流动性,在两极板填充多孔碳性材料会大大提高双层电容的面积,有:

式中,C 为电容容量,ε 为电介质常数,s 为极板面积,k 为静电力常数,d 为极板间距离。

在双层超级电容里,d 是固液界面的距离。这个值非常小,通常只有nm 级大小。由于用多孔的碳材料和液体接触,极板有效面积非常大,因此超级电容的容量比普通电容大。由于固液临界之间的距离非常小,超级电容在充放电时速度很快。图4 为初始电压10 V 的电容放电的时域仿真结果图。可以看出,初始值为10 V 的电容约6 ms 就完全放完电,放电速度很快。超级电容能以这样的放电速度更快地响应电流的波动,并及时补充电路的电流。

图4 超级电容放电时间仿真结果

3 Buck 恒流电路设计

对超级电容器充电时,电容两端的电压不能突变。电容刚开始充电时,输入电流较大,此时若不控制充入电容的功率,会导致功率过大而限制直流电压源影响整体性能。因此,Buck 电路对超级电容器恒流充电时,使用桥式整流桥,后连接到Buck恒流电路,以相对稳定的电流对电容充电,如图5所示。这样不但解决了早期充电电流太大影响后续提供稳定电力的问题,还解决了电容器充电后期可充电功率变小导致能量利用率低的问题。

4 改进后整体电路设计

4.1 无线充电

AGV 小车的工作效率受到动力系统的制约。为了减少AGV 小车的充电时间、充电次数及充电步骤,满足AGV 充电低时性和长续航的工作要求,本文在传统的无线充电方式上创新地设计了超级电容无线充电的AGV 充电电路,如图6 所示。

图5 恒流充电电路

图6 无线快充系统框架图

理论分析可知,电磁感应无线充电可以输出较大的电压但电流较小,而超级电容具有较快的充放电速度且有较大的电荷容量。设想经过次级线圈放大电压在次级线圈增加整流桥,使得电流的波形在同一个方向。经过整流的电流流经超级电容,由于其大小是变化的,电流大时即可为超级电容充电,电流小时超级电容即可为电路补充电流,使得电路输出较大的电流。电路如图7 所示。

交变频率为50 Hz 的220 V 交变电压,经过线圈组后在次级线圈产生电流。电流经过由4 个二极管D2、D3、D4、D5组成的整流电路进行整流,使得电流只存在大小变化而没有方向变化。此时,电流通过防倒流二极管和D7二极管给电容充电,同时给负载电池充电。R4、R3、电容及电感组成1 F 的超级电容模型,不仅可在充电时提高输出电流的峰值,还可以在充电后为AGV 小车进行蓄能,从而为电池持续补充电量。其中,防倒电流二极管防止电池在充电时对电路释放电荷,保证电流只能向电池流入,确保电路的安全。

4.2 其他电路

单片机选用STM32F103C8T6。STM32F103C8T6是一款32 位微控制器,满足使用性能要求,成本较低,功耗较小。CAN 通信电路选用MAX3051 芯片,通过CAN 总线与上位机通信。上位机通过TCP/IP可从服务器获得超级电容端电压的实时变化情况,并根据AGV 机器人行驶状况的统计数据,动态调整超级电容的充电功率。

5 电路仿真结果

图8 为未改进的电路流进负载的电流仿真结果,图9 为改进的电路流进负载的电流仿真结果。可以看出,输出电流在逐渐靠近100 mA 时,其峰头为平的,且每两个峰值之间的时间间隔较小。在超级电容和升压电阻的作用下,改进后的电路和平常的电路相比出现规律性电流波动,但峰值电流却比未改进的电路高出约25%,有助于提高无线充电的速度。

图7 改进的无线充电电路图

图8 未改进的电路流进负载的电流仿真结果

图9 改进的电路流进负载的电流仿真结果

6 结 语

通过分析AGV 小车的传统电磁感应充电电路,针对AGV 小车需要频繁充电或换电的缺点,改进传统的无线充电电路。在次级线圈添加超级电容、上拉电阻及单向导通的二极管,使得超级电容的放电门槛变高,在超级电容储蓄到较多电量后再放电,则输出电流会有较大的峰值,同时超级电容具有较快的反应速度,能够大大减少峰顶和峰顶之间的时间。通过PSPICE 软件进行仿真可得,改进后的电路输出电流峰值达到100 mA,且能在一定时间内保持稳定,具有良好的效果。单片机控制器搭配超级电容,既能满足小型AGV 机器人启停时的大功率需求,又能有效避免AGV 应用蓄电池时的短时大电流放电。航空航天、大型工业及汽车轮船运输等传统行业需要大量的劳动力资源,可以预计,未来各种车间将全面引进AGV 小车,实现自动化半圆作业,自动取存货物,大大缩短物资运输的时间,降低货物损失,从根本上节省生产商的投资建设成本。

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