AGV无线充电技术控制方法及控制结构

邹建俊

（广东泰坦智能动力有限公司，广东 珠海 519000）

0 引 言

为AGV提供驱动电压的手推车由电池管理系统、锂离子电容器模块以及电压调节电源组成，通过无线充电装置充电闭合环、充电端子、电池管理系统和锂离子电容器模块组合。AGV制动盘、制动耐用、放电闭合环具有稳压电源，可消耗多余电能。

1 AGV技术的概念

在工业应用中，AGV是一种具有安全保护和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，因此驻车充电成为目前最常用的充电方式。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，所以在工业环境中的安全性较低。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，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。

2 AGV结构特点

AGV无线充电装置用于AGV小车的无线充电，其结构如图1所示。

图1 AGV无线充电装置结构示意图

2.1 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。其组成包括充电端子、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。

2.2 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。

2.3 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。

3 原理分析

目前，国际上人们将无线充电方式主要分为感应耦合式、电磁波辐射式以及磁耦合谐振式3种。无线充电技术的研究与产品化应用最早开始于一些小功率电子产品，如电动牙刷、平板电脑以及手机等。但随着近年来无线充电领域逐渐火热，世界各大相关企业或研究机构对无线充电技术都取得了很大的研究进展，并将逐步完成产品化应用。不同的传输方式在传输功率、传输效率以及传输距离等方面都各有优点，因此在不同的应用场合应选择不同的无线充电方式。

供电闭合回路由电池管理系统、锂离子电容器模组以及稳压电源组成。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24 V或者48 V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尾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。

电磁感应式无线充电如图2所示，利用的是电磁感应原理。虽然根据电磁感应原理知道变化的磁场会产生电流，但这个理论的应用存在很大的局限性，其主要原因是传输距离太短且效率过低，另外磁场的传播方向不可控。

图2 电磁感应式无线充电原理图

电磁感应式无线充电利用电磁感应原理通过控制松耦合变压器的交变电流大小，控制无线电能的发射和接收。发射极线圈在接收到交变电流后，向周围辐射高频交变磁场，接收端线圈便会在交变磁场中产生相应的交变电流，然后再经过整流滤波电路，最终得到所需的直流电压。对于电磁感应式无线充电来说，发射端与接收端线圈之间的气隙宽度即为能量的传输距离，气隙宽度的大小决定了传输效率的高低。因此，电磁感应式无线充电的传输距离必须非常小，常为几毫米到几厘米。

4 无线充电系统的控制设计

市电经过整流、斩波以及逆变之后变为线圈谐振所需的交流电，发射端线圈产生的高频磁场使接收端线圈产生感应电动势并发生谐振，然后经整流滤波后给AGV小车蓄电池充电。充电过程整体采用三段式充电方案，以提升充电速度，并保护蓄电池。此外，为避免涡流效应，还应设置金属检测电路，以保证充电系统的安全性。接收端电路需要对AGV小车蓄电池的充电参数进行实时监测和反馈，主控芯片在接收到信息之后可以对直流斩波电路的输出电压进行调整，从而实现对充电过程的实时闭环控制。AGV小车磁耦合谐振式无线充电系统整体设计方案如图3所示。

图3 AGV小车磁耦合谐振式无线充电系统整体设计方案

控制电路的主控芯片选用ARM系列32位微处理器STM32F103VCT6，用C语言编程，并通过KEIL4软件进行修改和调试操作。该芯片具有5个通信串口，可同时传输16A/D信道，并可对被检测电路发射出来的信号进行A/D转换，再将转换后的信号发送到芯片内部。利用该芯片可以充分实现无线充电系统设计所需的功能。

其中最小系统STM32F103VCT6主要包括功率滤波电路、复位电路以及晶体电路等。经过A/D转换后，采集电路采集的充电参数送入芯片内部，通过PWM脉冲宽度、直流斩波电路、全桥式逆变器电路，调制开关管的开启频率，将逆变器电路的输出电压转换成投影端线圈所需的交流电。通过与STM32F103VCT6芯片比较，发送端接收到蓝牙发送的检测信号后，再利用PWM对DC-DC电路和DC-AC电路的输出电压进行控制，从而实现了系统的闭环控制。磁耦合谐振无线充电系统接收端还采用了STM32芯片作为主芯片，接收电路包括全桥接整流器、滤波器电路以及蓝牙通信电路等。在负荷变化时，接收端主芯片接收参数发生变化，通信电路将信号馈送到发送端，主芯片处理由发送端结束，然后调整发射信号占空比。

AGV小车无线充电系统中共有两个整流电路，首先需要在发射端将交流市电整流为直流电，送入直流斩波电路，另外需要在接收端线圈产生感应电动势之后将其转化为直流电，并送入AGV小车的蓄电池。由于接收端线圈的输出交流电频率很高，电流峰值却相对较低，因此两个整流电路的参数设计并不能完全相同，但拓扑结构一样，都采用单相全桥整流电路，具体如图4所示。

图4 单相全桥整流电路拓扑结构

5 无线充电技术的特殊应用前景

5.1 医用植入设备

医用植入器在疾病治疗中的作用日益重要，胶囊内窥镜、可植入式医用植入器具有祛斑、消炎以及消肿等功能，有助于医生诊断病人。而且进行康复和保养时，心脏起搏器能通过电子信号激活心脏。

5.2 电动汽车

电动汽车可以解决机动车的污染排放和能源短缺问题，因此许多国家和政府都在鼓励电动车的发展，不少汽车制造商也开始研发和生产电动车。无线充电是电动车能量补充的一种方式，又称无触点充电，是一种主要采用无线能量传输的技术。它以感应式无线能量传输和共振无线能量传输为主，具有使用方便、安全可靠、无火花和电击、无接触损耗以及无需维护等特点。

6 结 论

AGV车辆装配过程中，磁耦合谐振传输线圈一端安装在规定区域后，监测锂电容器模块的电压发现此时AGV车辆高于最终电压。基于磁耦和谐振线圈之间的电压差，锂电容器模块停止电流充电，当AGV到达发射区后面，磁耦和谐振线圈继续快速充填，充填定位准确，无火花，生产过程稳定，效果显著。