AGV供電系統(tǒng)綜述*

丁 瑩，王小鐸，趙 瑋，馮作鵬

(機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)與人工智能的快速發(fā)展，機(jī)器人作為最典型的機(jī)電一體化數(shù)字裝備，在人類的生產(chǎn)活動(dòng)中扮演著越來越重要的角色，作為我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中“高端裝備制造業(yè)”的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，AGV被稱做移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人，隸屬于輪式機(jī)器人范疇，是工業(yè)機(jī)器人的重要分支，隨著近年來中國龐大的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，AGV在中國市場(chǎng)上越來越被廣泛應(yīng)用。

AGV作為生產(chǎn)物流自動(dòng)化輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其動(dòng)力單元和充電系統(tǒng)是保障AGV系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

1 蓄電池供電的AGV系統(tǒng)

傳統(tǒng)的AGV系統(tǒng)一般采用在AGV上配備蓄電池構(gòu)筑充電體系，建立充電站，進(jìn)行手動(dòng)接插或在線充電。如圖1所示。

圖1 蓄電池供電AGV系統(tǒng)

在AGV車體上裝有充電靴，充電站地面設(shè)有充電連接器，AGV在運(yùn)行過程中檢測(cè)到電池容量低于一定的設(shè)定值時(shí)，AGV管理系統(tǒng)調(diào)度該AGV完成現(xiàn)有搬運(yùn)任務(wù)，自動(dòng)運(yùn)行到充電站進(jìn)行充電。

AGV上常用的電池一般有鎳鎘電池、鎳氫電池、鉛酸電池、鋰電池。

鉛酸電池不管是富液動(dòng)力鉛酸電池(電池單元一般為2 V，體積較大)還是動(dòng)力循環(huán)閥控密封鉛酸蓄電池或膠體電池(電池單元一般為12 V最大容量200 Ah)，都更適合小電流慢充慢放的工況，需定期維護(hù)(定期加水、長時(shí)間不用需要及時(shí)充電)。由于AGV大多數(shù)情況需中速率放電、大電流充電的特點(diǎn)，普通鉛酸電池在AGV系統(tǒng)中用的較少，多用于小載荷、長時(shí)間工作、長時(shí)間充電的工況，且對(duì)工作環(huán)境及電池維護(hù)都有較高的要求，低溫下放電能力及充電能力差。近兩年，國外電池廠家推出純鉛電池(正極板采用獨(dú)特工藝生產(chǎn)的純鉛板柵，負(fù)極板采用與正極板最佳配比，確保最佳反應(yīng)效率)，單體可做到12 V 190 Ah，體積相對(duì)其它電池要小很多，在國外已有實(shí)際應(yīng)用，純鉛電池可大電流1倍率充放電，遠(yuǎn)高于其他鉛酸電池，雖然低溫性能比其它鉛酸稍好，但也不能實(shí)現(xiàn)低溫下的1倍率充放電，需要有輔助加熱來解決該缺陷。純鉛電池一般不需要做電池的維護(hù)，長時(shí)間不用時(shí)，在使用前需小電流充電來維持電池良好性能。

總之，不管是何種鉛酸電池，如果在使用過程中維護(hù)不當(dāng)，如小電流深度放電、補(bǔ)充電不及時(shí)、充電不充足、電池內(nèi)部缺水、長期擱置等因素，都會(huì)造成蓄電池極板硫化現(xiàn)象，大大縮短蓄電池的使用壽命，維護(hù)繁瑣及容量損失后不易恢復(fù)也是鉛酸電池在AGV系統(tǒng)中不被廣泛應(yīng)用的原因之一。

鎳鎘電池和鎳氫電池，單體是1.2 V，組成24 V系統(tǒng)要20只電池串聯(lián)，兩種電池具有相近的化學(xué)特性，都具有良好的大電流放電特性、耐過充放電能力強(qiáng)、抗惡劣環(huán)境較強(qiáng)，但自放電率較鉛酸電池與鋰電池要大，所以鎳氫鎳鎘電池常時(shí)間不使用，再次重新使用時(shí)，要對(duì)電池進(jìn)行小電流恒流充電。

鎳鎘電池可穩(wěn)定工作的溫度范圍較廣，充電約0～45℃，放電約－20～60℃，保存約－30～45℃，平常最好保存于較冷但不潮濕的地方;鎳氫電池的溫度特性好。

鑒于鎳鎘電池具有良好的大電流充放電特性、耐過充放電能力強(qiáng)，適應(yīng)AGV快速充電和較大電流放電的要求，曾經(jīng)是應(yīng)用最為廣泛的AGV動(dòng)力電源。在大多數(shù)AGV的應(yīng)用場(chǎng)合，要求AGV工作40～50 min，充電8～10 min或者沒有搬運(yùn)任務(wù)時(shí)隨時(shí)到充電站充電，來滿足工廠生產(chǎn)節(jié)拍的要求。鎳鎘、鎳氫電池的價(jià)格要高于鉛酸電池。

鎳鎘電池最致命的缺點(diǎn)是有記憶效應(yīng)，受“鎘鎳電池”記憶效應(yīng)的影響，鎳鎘電池的定期放電充電管理是必不可少的，在使用上和維護(hù)上較麻煩。同時(shí)，隨著國家環(huán)保保護(hù)意識(shí)的提高，鎘污染不再被忽視，生產(chǎn)廠家越來越少，成本也越來越高，近幾年鎳鎘電池逐步有被鎳氫電池及鋰電池代替的趨勢(shì)。

鎳氫電池不再使用有毒的鎘，可消除重金屬元素對(duì)環(huán)境帶來的污染問題。儲(chǔ)存能力極強(qiáng)。鎳氫電池雖然也有記憶效應(yīng)，相對(duì)于鎳鎘電池而言要小得多，這使鎳氫電池可更方便地使用。鎳氫電池的能量密度是鎳鎘電池的1.3～1.4倍，因此在電池容量相等的情況下，比鎳鎘電池的體積更小。同時(shí)鎳氫電池在電化學(xué)特性方面與鎳鎘電池亦基本相似，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)完全可以替代鎳鎘電池，而不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行任何改造。鎳氫電池的缺點(diǎn)是比鎳鎘電池要貴些。

鋰電池最早主要應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)，經(jīng)過多年發(fā)展，逐漸走向成熟，而伴隨著技術(shù)進(jìn)步、成本降低，特別是對(duì)綠色新能源的強(qiáng)烈需求，鋰電池市場(chǎng)正在快速成長，近兩年從安全性能、循環(huán)性能、使用成本等幾個(gè)方面考慮，磷酸鐵鋰及錳酸鋰電池逐步地被嘗試用于AGV系統(tǒng)中，相對(duì)于前面提到的鉛酸電池、鎳鎘鎳氫電池，鋰電池單體3.2(磷酸鐵鋰)或3.7 V (錳酸鋰)，在輸出同等電壓的情況下使用的單個(gè)電池組合數(shù)目減少，而使成型后的電池重量和體積減小。鋰電池的放電率極低，為2%～5%(月)，一個(gè)充滿電的鋰離子電池在常溫下存放半年最少仍舊儲(chǔ)存有70%的電量。鋰電池完全沒有記憶效應(yīng)，在使用上非常方便簡(jiǎn)單，它完全不必理會(huì)殘余電壓多少，直接可進(jìn)行充電，使用維護(hù)方便;磷酸鐵鋰及錳酸鋰電池高能量密度、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長的特性完全能夠滿足AGV的充放電要求，但鋰電池低溫充放電性能較差，在低溫環(huán)境下使用電池系統(tǒng)需加保溫措施來改善鋰電池的充放電性能。

由于鋰電池過充時(shí)過量嵌入的鋰離子會(huì)永久固定于晶格中，無法再釋放，而過放電時(shí)(小于3.0 V電壓時(shí)放電)，電極脫嵌過多鋰離子，可導(dǎo)致晶格坍塌，都大大地縮短了電池的壽命，所以在AGV系統(tǒng)中要加入電池的管理系統(tǒng)(BMS管理系統(tǒng))來避免過充、過放、過載、過熱。

按照充電電池標(biāo)稱的循環(huán)次數(shù)X定義計(jì)算，即電池從滿電狀態(tài)放電20%(80%DOD)，后充滿算1個(gè)循環(huán)，經(jīng)過X次循環(huán)之后，電池的容量不得低于初始容量的80%，理論上每種電池的循環(huán)次數(shù)如表1所列。理論上，鋰電池循環(huán)壽命好于鎳鎘鎳氫電池，鎳氫電池好于鎳鎘電池，鎳鎘電池好于純鉛電池，富液動(dòng)力鉛酸電池好于閥控密封鉛酸蓄電池或膠體鉛酸電池。

表1 各充電電池循環(huán)次數(shù)

總之，電池供電的AGV系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)是比較靈活，前期投入較少，缺點(diǎn)是維護(hù)較麻煩，電池壽命到期后需購買新的電池組(每2～3年)。雖然鎳氫電池和鋰電池在性能上要優(yōu)于鎳鎘電池，近幾年鎳鎘電池逐步有被鎳氫電池及鋰電池代替的趨勢(shì)，但在AGV系統(tǒng)上的實(shí)際應(yīng)用不多，使用情況有待驗(yàn)證，從成本上來看，鎳氫電池價(jià)格要高出鎳鎘電池很多，鋰電成本大約是鎳鎘的1/2，磷酸鐵鋰較貴，錳酸鋰較便宜(低于純鉛價(jià)格)，鉛酸類電池價(jià)格便宜，但是使用壽命短，對(duì)環(huán)境及使用者要求較高。不管是用哪種電池供電，需根據(jù)不同的使用需求選擇不同種類的電池。

2 非接觸供電(CPS)的AGV系統(tǒng)

非接觸供電是一種新型的電能傳輸技術(shù)，通過感應(yīng)電磁耦合關(guān)系向負(fù)載提供電。它的工作原理類似于傳統(tǒng)變壓器電力傳輸原理，也是利用磁場(chǎng)耦合進(jìn)行電能－磁場(chǎng)能－電能的轉(zhuǎn)換和電能的傳輸。

CPS非接觸供電AGV系統(tǒng)主要包括電源控制柜、供電電纜、AGV車載取電板、電容補(bǔ)償(如果AGV的運(yùn)行路線長度超過一定的長度，加電容補(bǔ)償整個(gè)電路的電感)。將CPS的變壓器初級(jí)線圈電纜預(yù)埋在AGV行走線路的混凝土地面下，并與電源控制柜相連。電控柜將常規(guī)的三相、400 V、50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成單相高次諧波電流(20 kHz)，利用高次諧波電流產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)切割次級(jí)線圈，在次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而實(shí)現(xiàn)電能的傳輸［1］。車載取電板(相當(dāng)于次級(jí)線圈)安裝在AGV的底部，經(jīng)調(diào)壓電路調(diào)壓后提供幾百伏的直流驅(qū)動(dòng)電壓和幾十伏的直流控制電壓。

為了保證AGV與系統(tǒng)中其它設(shè)備進(jìn)行通訊，還可在AGV運(yùn)行線路上鋪設(shè)漏波電纜，此外，在AGV上還裝有磁傳感器和通訊接收器。磁軌導(dǎo)向傳感器用于檢測(cè)初級(jí)電纜的電磁區(qū)域，通訊接收器將通訊指令送給AGV控制系統(tǒng)，保證AGV正常、準(zhǔn)確、有序地工作。如圖2所示。

圖2 非接觸供電AGV系統(tǒng)

隨著CPS非接觸供電技術(shù)的發(fā)展，將CPS非接觸供電技術(shù)應(yīng)用于AGV物流運(yùn)輸系統(tǒng)，提供了另外一種AGV動(dòng)力電源解決方案，在某種程度上改善了目前AGV電池供電系統(tǒng)的缺陷。它不但可以為AGV提供動(dòng)力電源和控制電源，也可以為AGV的電池進(jìn)行連續(xù)或定時(shí)充電。

相比較電池供電的AGV系統(tǒng)，CPS非接觸供電系統(tǒng)有自身的優(yōu)勢(shì)。

(1)非接觸供電技術(shù)在項(xiàng)目建設(shè)初始階段一次性施工完成，AGV不用充電，在線工作，省去了購買充電機(jī)和預(yù)埋充電站的工作，在運(yùn)行期間無需再次投入，維護(hù)成本低，無需面對(duì)電池回收與節(jié)能減排等難題。

(2)非接觸供電是以感應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，沒有任何物理磨損，無噪音和粉塵，對(duì)環(huán)境無污染。

(3)非接觸式供電所取能量是直接利用，效率約在70%～75%，蓄電池效率約為60%～65%。

(4)可工作于潮濕、結(jié)冰、多塵等惡劣環(huán)境。

綜合來看，雖然非接觸供電有上述優(yōu)勢(shì)，但由于非接觸供電受地下供電電纜限制，AGV運(yùn)行路線不能柔性變化，也不利于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)線路改造，所以并不是所有的AGV系統(tǒng)都適合用非接觸供電。但是，對(duì)于大型的AGV，如汽車行業(yè)、工程機(jī)械行業(yè)的組裝線，AGV的運(yùn)行路線相對(duì)固定、簡(jiǎn)單，如果用電池進(jìn)行供電，電池加上充電站成本非常高，后期的維護(hù)成本很高，用非接觸供電就能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。

3 超級(jí)電容供電的AGV系統(tǒng)

超級(jí)電容器(Supercapacitor，ultracapacitor)是從20世紀(jì)70、80年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源。19世紀(jì)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明，超級(jí)電容主要作為集成電路、微處理器的備用電源，進(jìn)入90年代后，人們開始考慮利用超級(jí)電容的特性達(dá)到滿足機(jī)動(dòng)車輛引擎的快速反應(yīng)能力，延長蓄電池使用壽命為目的或?qū)⒊?jí)電容與蓄電池組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，蓄電池作為主能源提供最佳的續(xù)駛里程，而超級(jí)電容作為輔助能源在加速和爬坡時(shí)提供短時(shí)的輔助動(dòng)力。

超級(jí)電容有以下特點(diǎn):

①充電速度快，充電10～600 s可達(dá)到其額定容量的95%以上;使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1～50萬次，沒有“記憶效應(yīng)”。

②大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%。

③功率密度高，可達(dá)300～5000 W/kg，相當(dāng)于電池的5～10倍。

④產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。

⑤充放電線路簡(jiǎn)單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護(hù)。

⑥超低溫特性好，溫度范圍寬－40～70℃。

盡管超級(jí)電容器已發(fā)展多年，超級(jí)電容與電池相比有以上若干優(yōu)勢(shì)，但一直以來由于超級(jí)電容器的研發(fā)工作一直籠罩在電池(主要為鎳氫電池、鋰電池)的陰影之下。鎳氫電池和鋰電池的開發(fā)可獲得來自政府和大投資商的巨額資金支持，技術(shù)交流獲得極大推動(dòng)，相比之下，超級(jí)電容器卻很難得到雄厚的資金支持，技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展也就受到很大程度地制約。另外，超級(jí)電容器成本高、能量密度低的現(xiàn)狀也與鋰電池形成鮮明對(duì)比，這使它在很多領(lǐng)域備受冷落，在實(shí)際應(yīng)用上卻總被電池取代。

近年來，隨著新能源行業(yè)尤其是新能源汽車行業(yè)的飛速發(fā)展及超級(jí)電容器在技術(shù)上的不斷突破，作為核心動(dòng)力儲(chǔ)能設(shè)備的超級(jí)電容器也步入高速發(fā)展的階段。TESLA(被稱為”電動(dòng)車中的蘋果”)首席執(zhí)行官Elon Musk早在2011年就表示，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的電池已經(jīng)過時(shí)，未來以超級(jí)電容器為動(dòng)力系統(tǒng)的新型汽車將取而代之。

超級(jí)電容也是近兩年開始嘗試用于AGV自動(dòng)導(dǎo)引車上，如美國IOXUS公司在2012年宣布提供AGV自動(dòng)導(dǎo)引車應(yīng)用的薄膜電池超級(jí)電容模塊(THiNCAPTMIMODTM)并且提供成套的AGV系統(tǒng)解決方案，如圖3所示。

圖3 超級(jí)電容供電AGV系統(tǒng)解決方案

如果用傳統(tǒng)的電池作為AGV的動(dòng)力電源，在系統(tǒng)中需在主路線之外建充電站，當(dāng)電池容量低于一定值時(shí)，AGV去充電站進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)充電，根據(jù)電池消耗的容量多少及能夠接受的充電倍率決定充電所需的時(shí)間，如果改用超級(jí)電容作為動(dòng)力電源，由于AGV的取、卸貨站臺(tái)是固定的，將充電站可設(shè)置在取貨站臺(tái)或卸貨站臺(tái)上，根據(jù)超級(jí)電容特性，通常能夠在很短的時(shí)間內(nèi)完成充電，所以，AGV進(jìn)行取卸貨操作時(shí)同時(shí)可完成充電操作。

超級(jí)電容最大缺點(diǎn)是其較低的能量密度導(dǎo)致同等重量下儲(chǔ)能量較低，如果想要象電池與非接觸供電能夠提供相對(duì)持久的能量，那么高額的成本幾乎是電池供電系統(tǒng)的10倍以上，幾乎是不現(xiàn)實(shí)的，所以，目前超級(jí)電容多用輕載、簡(jiǎn)單、取卸貨站臺(tái)相對(duì)固定的AGV系統(tǒng)中，如上述汽車裝配線，或者也可采用混合動(dòng)力，即超級(jí)電容與電池相結(jié)合的方案，電池提供AGV啟動(dòng)后的平穩(wěn)運(yùn)行的動(dòng)力，超級(jí)電容提供電機(jī)啟動(dòng)或取卸貨時(shí)大電流放電的動(dòng)力。盡管超級(jí)電容器的制作成本每年都在以低于10%的比例減少，但是排除其它原因，高額的前期投入成本也是客戶不得不考慮的因素之一，如果將超級(jí)電容器當(dāng)前的制造成本降低50%同時(shí)在技術(shù)上一旦取得突破，將可對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生極大的推動(dòng)力。

4 結(jié)語

綜上所述如果AGV系統(tǒng)動(dòng)力電源選用電池，鋰電池作為AGV用動(dòng)力電源將是未來發(fā)展的趨勢(shì)。但充電站建設(shè)、電池的維護(hù)、更換都涉及到不斷地成本投入，且電池也不是環(huán)保的產(chǎn)品。CPS非接觸供電和超級(jí)電容是一次性的投資，一次性投入較高，但從長期考慮，這些成本實(shí)際上是可抵消的，長期的生產(chǎn)過程中可節(jié)約相當(dāng)可觀的成本。同時(shí)，相比于蓄電池供電的AGV，CPS非接觸供電和超級(jí)電容可使車體更加緊湊、自重降低，減少能量需求。再有，使用電池在充電過程中也需要時(shí)間，所以，有時(shí)需增加AGV數(shù)量替換充電來滿足工作節(jié)拍，而非接觸供電和超級(jí)電容供電的AGV系統(tǒng)因?yàn)榭梢詫?shí)時(shí)在線充電或在取、卸貨的過程中進(jìn)行充電，使得所需AGV的數(shù)量變少了，價(jià)格也不會(huì)上升很多，這種方式在國內(nèi)正逐步被接受。

總之，在AGV系統(tǒng)中如何選用動(dòng)力電源并不是簡(jiǎn)單的誰替代誰的問題，每種動(dòng)力源都有各自的優(yōu)勢(shì)與缺陷，要結(jié)合項(xiàng)目整體進(jìn)行選擇。

［1］ 法勒移動(dòng)供電貿(mào)易(上海)有限公司.非接觸供電系統(tǒng)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2007(4):100－101.