AGV 小車無(wú)線充電電路改進(jìn)與仿真

周永寧，謝梓烊，張 昊，包雨欣，周子鴻

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519041）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)電商的迅速發(fā)展，倉(cāng)儲(chǔ)物流的效率將直接影響電商的成本，而自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV）的運(yùn)作效率影響著倉(cāng)儲(chǔ)物流的效率。除了調(diào)度效率等因素，小車較為頻繁更換電、充電時(shí)間較長(zhǎng)以及充電設(shè)備冗雜等痛點(diǎn)一直制約著AGV 小車的搬運(yùn)效率［1-2］。為解決AGV 在供電方面的痛點(diǎn)，利用無(wú)線充電技術(shù)，結(jié)合超級(jí)電容的特性，以減少AGV 小車的充電時(shí)間，并提高其續(xù)航能力。為解決AGV 小車充電時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，將超級(jí)電容應(yīng)用于AGV 小車的無(wú)線充電電路，改進(jìn)傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式的無(wú)線充電電路，大大提高了輸入電流的峰值，并增加了有效電流持續(xù)的時(shí)間。

1 AGV 小車簡(jiǎn)介

自動(dòng)導(dǎo)引車是依靠電磁導(dǎo)軌和二維碼等外部輔助基礎(chǔ)設(shè)施導(dǎo)航的搬運(yùn)小車。由于人力成本越來(lái)越高，勞動(dòng)生產(chǎn)率要求不斷提高，AGV 在現(xiàn)代化的倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)和生產(chǎn)車間的地位愈來(lái)愈重要。AGV小車可以在調(diào)度系統(tǒng)的控制下自主搬運(yùn)和抬升指定的目標(biāo)貨物，將貨物放到指定的倉(cāng)儲(chǔ)位置。相比于傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)方式，它極大地提高了企業(yè)工作效率和企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

然而，AGV 小車的供電系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，使得AGV 小車不得不頻繁更換電池。針對(duì)這個(gè)情況，專家從優(yōu)化調(diào)度策略和充電速度兩方面來(lái)提高AGV 電池的利用率。趙明君［3］針對(duì)AGV 重空載的差異情況和電量續(xù)航能力設(shè)計(jì)了AGV 調(diào)度模型，丁一等人［4］通過(guò)考慮40 英尺箱占比變化情況來(lái)提高電池利用率，張勇等人［5］將蓄電池和超級(jí)電容并聯(lián)混合控制放電電流，胡軍等人［6］采用恒流同步Buck 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容的恒功率充電，從而減少更換電池的次數(shù)和往返充電樁的時(shí)間，進(jìn)而提高AGV 小車的在線工作時(shí)間。本文采用超級(jí)電容為電池供能。超級(jí)電容有較大的電容容量，不僅可以為AGV 小車充電，儲(chǔ)存多余的電荷，還可以將剎車時(shí)產(chǎn)生的過(guò)載電荷轉(zhuǎn)化到超級(jí)電容。

2 理論分析

2.1 無(wú)線充電理論分析

自從1831 年科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象以來(lái)，科學(xué)家們對(duì)電磁感應(yīng)進(jìn)行了不斷探索。2007 年6 月，美國(guó)麻省理工學(xué)院的無(wú)線充電研究團(tuán)隊(duì)第一次向世界展示了利用電磁感應(yīng)原理給1 m 內(nèi)的60 W 燈泡無(wú)線供充電，且電能傳輸效率達(dá)到了75%。目前，電磁感應(yīng)原理已經(jīng)成功應(yīng)用于無(wú)線充電領(lǐng)域。比較成熟的無(wú)線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)、無(wú)線電波、磁場(chǎng)共振及電磁耦合等。這些充電方式的屬性特點(diǎn)如表1 所示。

表1 主流無(wú)線充電方式的屬性特點(diǎn)對(duì)比

電磁感應(yīng)式的無(wú)線充電電路非常簡(jiǎn)捷，使得電磁感應(yīng)無(wú)線充電方式占據(jù)了較大的無(wú)線充電市場(chǎng)，故本文將針對(duì)傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式的無(wú)線充電電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。電磁感應(yīng)無(wú)線充電是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行無(wú)線式充電。在一個(gè)閉環(huán)電路中，導(dǎo)體在磁通量不斷變化的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，閉環(huán)電路形成感生電流，使得具有變化的磁通量的磁場(chǎng)產(chǎn)生電能。同理，當(dāng)導(dǎo)體中電流的大小和方向發(fā)生改變時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體附近的磁場(chǎng)發(fā)生改變。電磁感應(yīng)無(wú)線充電利用這個(gè)原理，通過(guò)交變電流改變初級(jí)線圈中的電磁場(chǎng)，使得電磁場(chǎng)的磁通量發(fā)生改變。若在初級(jí)線圈的上方加上另一個(gè)線圈作為次級(jí)線圈，那么初級(jí)線圈改變的磁通量磁場(chǎng)將會(huì)穿過(guò)次級(jí)線圈，導(dǎo)致次級(jí)線圈內(nèi)的磁通量也發(fā)生改變，并在次級(jí)線圈產(chǎn)生電流并形成電能，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。無(wú)線充電的過(guò)程，如圖1表示。

圖1 電磁感應(yīng)式的無(wú)線充電過(guò)程演示

產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量之間的關(guān)系為：

式中，ε 為瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，Δφ 為磁通變化量，Δt 為磁通變化量時(shí)間，n 為線圈匝數(shù)。磁通量的計(jì)算公式為：

式中，B 為垂直于導(dǎo)體的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度，描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱；S 為垂直于B 的有效面積。

當(dāng)B 和S 其中一個(gè)或兩者都發(fā)生改變時(shí)，將引起磁通量φ 的改變而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，繼而產(chǎn)生感應(yīng)電流產(chǎn)生電能。因此，可以通過(guò)提高磁通量的變化量提高頻率來(lái)提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε。但是，根據(jù)楞次定律，電路頻率較大會(huì)使電路的感抗增大，導(dǎo)致次級(jí)線圈的輸出電流變小。本文將利用超級(jí)電容的特性來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線充電電路，增大輸出電流，減少AGV 小車的充電時(shí)間。

2.2 超級(jí)電容理論分析

超級(jí)電容又稱電化學(xué)電容，按照儲(chǔ)能機(jī)制分為電雙層電容和法拉第準(zhǔn)電容兩種類型，按照電解質(zhì)可分為水性電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)兩種類型。超級(jí)電容就比能量、比功率及充放電次數(shù)與傳統(tǒng)電容和二次電池的比較［7］，如表2 所示。

表2 3 種能量?jī)?chǔ)存裝置性能比較

超級(jí)電容是一種功率密度大、工作壽命長(zhǎng)、放電快以及放電電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新型電容，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)分析超級(jí)電容的工作特性，討論它在AGV 這種續(xù)航能力需求較大的小車中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。圖2 為雙層超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 雙層電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電解液中含有大量的陽(yáng)離子和陰離子。電容的兩個(gè)極板被施加電壓時(shí)會(huì)在正極板和負(fù)極板之間形成電場(chǎng)，其中正極板存在著正電荷吸引電解液里的陰離子，負(fù)極板存在著負(fù)電荷吸引電解液里的陽(yáng)離子。由于固體和液體之間的庫(kù)侖力作用，固體極板中的電荷和電解液里的電荷無(wú)法完全靠近，會(huì)在固體和液體的接觸面形成一層穩(wěn)定但符號(hào)相反的電荷層。每個(gè)極板都會(huì)有這樣的電荷層存在，故一個(gè)超級(jí)電容里有兩層電荷層，具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 超級(jí)電容示意圖

由于液體的流動(dòng)性，在兩極板填充多孔碳性材料會(huì)大大提高雙層電容的面積，有：

式中，C 為電容容量，ε 為電介質(zhì)常數(shù)，s 為極板面積，k 為靜電力常數(shù)，d 為極板間距離。

在雙層超級(jí)電容里，d 是固液界面的距離。這個(gè)值非常小，通常只有nm 級(jí)大小。由于用多孔的碳材料和液體接觸，極板有效面積非常大，因此超級(jí)電容的容量比普通電容大。由于固液臨界之間的距離非常小，超級(jí)電容在充放電時(shí)速度很快。圖4 為初始電壓10 V 的電容放電的時(shí)域仿真結(jié)果圖?？梢钥闯觯跏贾禐?0 V 的電容約6 ms 就完全放完電，放電速度很快。超級(jí)電容能以這樣的放電速度更快地響應(yīng)電流的波動(dòng)，并及時(shí)補(bǔ)充電路的電流。

圖4 超級(jí)電容放電時(shí)間仿真結(jié)果

3 Buck 恒流電路設(shè)計(jì)

對(duì)超級(jí)電容器充電時(shí)，電容兩端的電壓不能突變。電容剛開始充電時(shí)，輸入電流較大，此時(shí)若不控制充入電容的功率，會(huì)導(dǎo)致功率過(guò)大而限制直流電壓源影響整體性能。因此，Buck 電路對(duì)超級(jí)電容器恒流充電時(shí)，使用橋式整流橋，后連接到Buck恒流電路，以相對(duì)穩(wěn)定的電流對(duì)電容充電，如圖5所示。這樣不但解決了早期充電電流太大影響后續(xù)提供穩(wěn)定電力的問(wèn)題，還解決了電容器充電后期可充電功率變小導(dǎo)致能量利用率低的問(wèn)題。

4 改進(jìn)后整體電路設(shè)計(jì)

4.1 無(wú)線充電

AGV 小車的工作效率受到動(dòng)力系統(tǒng)的制約。為了減少AGV 小車的充電時(shí)間、充電次數(shù)及充電步驟，滿足AGV 充電低時(shí)性和長(zhǎng)續(xù)航的工作要求，本文在傳統(tǒng)的無(wú)線充電方式上創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了超級(jí)電容無(wú)線充電的AGV 充電電路，如圖6 所示。

圖5 恒流充電電路

圖6 無(wú)線快充系統(tǒng)框架圖

理論分析可知，電磁感應(yīng)無(wú)線充電可以輸出較大的電壓但電流較小，而超級(jí)電容具有較快的充放電速度且有較大的電荷容量。設(shè)想經(jīng)過(guò)次級(jí)線圈放大電壓在次級(jí)線圈增加整流橋，使得電流的波形在同一個(gè)方向。經(jīng)過(guò)整流的電流流經(jīng)超級(jí)電容，由于其大小是變化的，電流大時(shí)即可為超級(jí)電容充電，電流小時(shí)超級(jí)電容即可為電路補(bǔ)充電流，使得電路輸出較大的電流。電路如圖7 所示。

交變頻率為50 Hz 的220 V 交變電壓，經(jīng)過(guò)線圈組后在次級(jí)線圈產(chǎn)生電流。電流經(jīng)過(guò)由4 個(gè)二極管D2、D3、D4、D5組成的整流電路進(jìn)行整流，使得電流只存在大小變化而沒有方向變化。此時(shí)，電流通過(guò)防倒流二極管和D7二極管給電容充電，同時(shí)給負(fù)載電池充電。R4、R3、電容及電感組成1 F 的超級(jí)電容模型，不僅可在充電時(shí)提高輸出電流的峰值，還可以在充電后為AGV 小車進(jìn)行蓄能，從而為電池持續(xù)補(bǔ)充電量。其中，防倒電流二極管防止電池在充電時(shí)對(duì)電路釋放電荷，保證電流只能向電池流入，確保電路的安全。

4.2 其他電路

單片機(jī)選用STM32F103C8T6。STM32F103C8T6是一款32 位微控制器，滿足使用性能要求，成本較低，功耗較小。CAN 通信電路選用MAX3051 芯片，通過(guò)CAN 總線與上位機(jī)通信。上位機(jī)通過(guò)TCP/IP可從服務(wù)器獲得超級(jí)電容端電壓的實(shí)時(shí)變化情況，并根據(jù)AGV 機(jī)器人行駛狀況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整超級(jí)電容的充電功率。

5 電路仿真結(jié)果

圖8 為未改進(jìn)的電路流進(jìn)負(fù)載的電流仿真結(jié)果，圖9 為改進(jìn)的電路流進(jìn)負(fù)載的電流仿真結(jié)果。可以看出，輸出電流在逐漸靠近100 mA 時(shí)，其峰頭為平的，且每?jī)蓚€(gè)峰值之間的時(shí)間間隔較小。在超級(jí)電容和升壓電阻的作用下，改進(jìn)后的電路和平常的電路相比出現(xiàn)規(guī)律性電流波動(dòng)，但峰值電流卻比未改進(jìn)的電路高出約25%，有助于提高無(wú)線充電的速度。

圖7 改進(jìn)的無(wú)線充電電路圖

圖8 未改進(jìn)的電路流進(jìn)負(fù)載的電流仿真結(jié)果

圖9 改進(jìn)的電路流進(jìn)負(fù)載的電流仿真結(jié)果

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析AGV 小車的傳統(tǒng)電磁感應(yīng)充電電路，針對(duì)AGV 小車需要頻繁充電或換電的缺點(diǎn)，改進(jìn)傳統(tǒng)的無(wú)線充電電路。在次級(jí)線圈添加超級(jí)電容、上拉電阻及單向?qū)ǖ亩O管，使得超級(jí)電容的放電門檻變高，在超級(jí)電容儲(chǔ)蓄到較多電量后再放電，則輸出電流會(huì)有較大的峰值，同時(shí)超級(jí)電容具有較快的反應(yīng)速度，能夠大大減少峰頂和峰頂之間的時(shí)間。通過(guò)PSPICE 軟件進(jìn)行仿真可得，改進(jìn)后的電路輸出電流峰值達(dá)到100 mA，且能在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，具有良好的效果。單片機(jī)控制器搭配超級(jí)電容，既能滿足小型AGV 機(jī)器人啟停時(shí)的大功率需求，又能有效避免AGV 應(yīng)用蓄電池時(shí)的短時(shí)大電流放電。航空航天、大型工業(yè)及汽車輪船運(yùn)輸?shù)葌鹘y(tǒng)行業(yè)需要大量的勞動(dòng)力資源，可以預(yù)計(jì)，未來(lái)各種車間將全面引進(jìn)AGV 小車，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化半圓作業(yè)，自動(dòng)取存貨物，大大縮短物資運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，降低貨物損失，從根本上節(jié)省生產(chǎn)商的投資建設(shè)成本。