無接觸供電技術在ＡＧＶ中的應用

楊文華　蘇運春　喻　銳　王志德　向曉知　韓圓圓

摘要：將無接觸供電技術應用于AGV使AGV更加環(huán)保、高效，這一優(yōu)勢在當前能源緊缺、對環(huán)境要求越來越高的大背景中顯得更加突出。

關鍵詞：無接觸供電、ACV、電磁導引

無接觸供電技術又稱為無接觸功率傳輸技術(ContactoessPowerTransfer，簡稱CPT)或感應電能傳輸技術(Inductive CoupledPower Transfer，簡稱ICPT)，它是利用現(xiàn)代電力電子能量變換技術和磁場耦合技術，并借助于現(xiàn)代控制理論和微電子控制技術，實現(xiàn)能量從靜止設備向靜止或移動設備傳輸的一種有效方法。

近年來，在一些歐美國家的多個行業(yè)中都有無接觸供電技術的商業(yè)產品問世，其中對移動設備的無接觸供電技術研究開發(fā)已經比較成熟。在國內，比較典型的應用案例有昆船研發(fā)的用于機場行李運輸的DCV系統(tǒng)、用于北京物資學院和天津SEW的昆船直行穿梭車等項目。但總體來說，無接觸供電技術用于AGV的案例還比較少見，在國內尚屬于研究階段。本文就無接觸供電技術在AGV領域的應用進行探討。

無接觸供電技術原理

無接觸供電是指輸電線路和負載方在沒有電氣連接和物理接觸，甚至他們之間還有相對運動的情況下，實現(xiàn)電能的傳輸。無接觸供電系統(tǒng)的理論依據是電磁感應原理。

目前國際上普遍采用的方案是利用氣隙變壓器來實現(xiàn)電能的無接觸傳輸。常規(guī)變壓器的一次、二次線圈繞在共同的閉合鐵心上，雖然磁路耦合系數很高，但一次、二次線圈不能相對運動。而無接觸供電技術就是將這種變壓器模型的一次線圈和二次線圈分開，一次繞組可安裝在輸電軌道或埋設于地面以下，延伸為很長的環(huán)路；二次線圈繞在圍著一次繞組可以移動的開口鐵心上。原理如圖1所不。

因磁路經氣隙而閉合，故可稱之為氣隙變壓器。其一次側、二次側之間通過電磁感應實現(xiàn)電能傳輸。在外加電壓作用下，變壓器一次側的交流電在鐵心中產生交流磁通，磁勢主要降落在變壓器的氣隙兩端。

與常規(guī)變壓器不同，無接觸供電系統(tǒng)中的變壓器由于氣隙的存在，其鐵心中的磁通密度很小。這樣，為了產生足夠的電勢、增加傳輸功率以滿足負載的需要，目前普遍采用的方法是提高一次側交流電的頻率，以增大變壓器鐵芯內交變磁場的頻率，并對一次線圈和二次線圈的漏感進行補償，從而得到較大的二次側感應電勢。

一般的無接觸供電系統(tǒng)中除變壓器以外，靜止和移動部分都有變換器。先將普通50Hz交流電整流成直流，再經DC-AC轉變成25kHz高頻交流電，作為靜止變電部分輸入，經磁路耦合，在移動取電部分感應出高頻交流電，然后根據負載的需要，再將該交流電進行各種處理，也可以有多

個電壓等級輸出。

無接觸供電技術在AGV中的應用

長期以來，AGV供電技術受制于電池，AGV馱著電池運行，不僅增加了自重，也降低了AGV系統(tǒng)的運行效率，造成了AGV使用壽命短、維護成本高、污染環(huán)境、應用領域受限等問題，限制了AGV在一些有很好市場前景的特殊行業(yè)的應用。

無接觸供電技術發(fā)展到今天，讓AGV甩掉電池這個包袱已經成為可能。同時，還可以利用無接觸供電中的供電環(huán)路來進行AGV導引和通訊，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的綜合利用。

1無接觸供電技術在AGV中的應用方案

①AGV的供電

如圖2所示，AGV端取電部分有拾取器和變換器，放置于AGV上，隨車體移動；靜止電路部分則由濾波器、整流器、逆變器、變壓器、補償裝置和埋于AGV行使路徑地面下的電纜等部分組成。AGV上的能量拾取器始終置于地面電纜的正上方，兩者之間留有一定間隙。當靜止電路部分輸入標準的三相380V交流電時，通過濾波、整流、逆變等一系列過程后，以高頻大電流注入輸出環(huán)路轉換為磁場能發(fā)射，AGV通過能量拾取器接受磁場能量，并通過逆變等相應的能量調節(jié)裝置，變換為AGV可以直接使用的動力電源和控制電源，從而實現(xiàn)了AGV的無接觸供電。

由于進行感應耦合的靜止和移動部分之間有很大的漏感存在，耦合系數非常低，要保證有效的功率傳輸，通常在將高頻大電流注入輸出環(huán)路后，對電路的漏感進行補償。

②功率選擇與計算

在使用無接觸供電時，只要有AGV運行的地方，都需要鋪設供電環(huán)路。因此，AGV路徑的復雜程度也決定著供電環(huán)路的復雜程度。

在一個AGV系統(tǒng)中，根據實際情況，把路徑按取電需要分成多個供電環(huán)路，如圖3所示。一般來說，在每個環(huán)路上可能有多臺AGV在上面取電運行。由于每個供電環(huán)路的最大輸出功率是有限的，并且功率越大，相應的器件成本會越高，因此，如何選擇供電環(huán)路的功率對提高系統(tǒng)的運行效率和節(jié)約成本尤為重要。

同一個AGV系統(tǒng)中，不同供電環(huán)路上出現(xiàn)AGV數量的幾率是不同的。可以通過模擬仿真，對不同環(huán)路出現(xiàn)AGV數量的幾率進行統(tǒng)計計算，進而估算出每個環(huán)路所需的功率，最終選擇無接觸供電系統(tǒng)的不同功率的器件。

在運行中，如果一個環(huán)路上的AGV已經達到最大數量，還有AGV要求進入該環(huán)路運行，應如何進行處理?實際上，AGV上位控制系統(tǒng)(AGVS)知道系統(tǒng)中所有AGV的運行狀態(tài)：加速前行、勻速前行、減速行駛以及停車，通過了解各環(huán)路上AGV的運行狀態(tài)，就能夠計算出各個環(huán)路當前的功率消耗。如果功率允許，其他AGV還能駛入，否則，該臺AGV只能停在前一環(huán)路等待，或者選擇其他路徑運行。

③AGV利用供電環(huán)路進行導引

現(xiàn)有的AGV導引方式有很多類型，如電磁導引、激光導引等。其中，電磁導引的原理是在AGV行使的路徑下鋪設電磁導引線，通過在導引線上加載不同頻率的電磁信號來實現(xiàn)AGV的導引。在無接觸供電系統(tǒng)中，可以利用供電環(huán)路替代電磁導引線，在上面加載經過調制的電磁信號，AGV上裝備特制的傳感器件，這樣AGV就可利用無接觸供電環(huán)路實現(xiàn)導引，如圖4所示。

2AGV應用無接觸供電技術的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)供電方式相比，AGV使用無接觸供電技術具有很多優(yōu)勢，包括：

①排除了因電池問題而造成的環(huán)境影響，更加環(huán)保、安全；

②供電系統(tǒng)與AGV無直接接觸，無摩擦，易維護；

③降低了AGV的自重，提高了AGV的負載能力，單位能量的利用率更高；

④AGV可以不間斷工作，提高了AGV系統(tǒng)的整體效率；

⑤AGV控制系統(tǒng)更加簡化，不需要對電池能量部分進行檢測；

⑥一次成本投，后期免維護。

3技術難點

目前，AGV使用無接觸供電技術還存在一些難點，例如：在同一路徑環(huán)路上的允許AGV數量模擬計算比較復雜；AGV上位控制系統(tǒng)不僅要具備普通AGV系統(tǒng)的交通管理功能，還需增加環(huán)路功率計算模塊，以確保AGV的穩(wěn)定高效運行；AGV離開導引路徑后無法運行，需提供另外的電源或人工移動。

盡管如此，無接觸供電技術在AGV上的應用將使AGV更加環(huán)保、高效，這一優(yōu)勢在當前能源緊缺、對環(huán)境要求越來越高的背景中也顯得更加突出。因此，無接觸供電技術的應用必將使AGV受到更多企業(yè)的青睞。