應用于AGV無線充電的新型抗偏移磁耦合結構設計

何東林 劉俊江 譚天 于三川 邵澤宇

摘要：當前，無線電能傳輸（Wireless Power Transform，WPT）的應用范圍越來越廣，國際上已經掀起對WPT技術研究與應用的熱潮。將WPT應用于自動引導車（Automated Guided Vehicle，AGV），具有良好的發(fā)展前景。但是，WPT應用于AGV存在充電時線圈位置偏移問題，將導致互感改變，使輸出電壓、功率不穩(wěn)。因此，設計具有強偏移容忍度的耦合機構是保持充電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵之一。針對偏移條件下互感波動問題，提出了一種新型抗偏移的磁耦合機構，相較于傳統(tǒng)的DD-BP磁耦合機構，其Y方向偏移下互感波動減小了26%，輸出電壓波動減小了7.8%，輸出功率波動減小了21.5%。

關鍵詞：無線電能傳輸;AGV;雙接收;抗偏移;耦合機構

0 引言

近年來，自動引導車（AGV）作為工業(yè)移動機器人設備的典型代表，得到了一定的發(fā)展[1]，在立體倉儲系統(tǒng)和柔性化生產線中應用十分廣泛，是現(xiàn)代物流系統(tǒng)的關鍵裝備[2]，被業(yè)界大力推廣。當前AGV的充電方式主要是有線插拔式充電[3]，該方式不但增加人力成本，而且存在易磨損、可靠性低、安全性低等缺陷[4]。而無線電能傳輸（WPT）技術實現(xiàn)了充電系統(tǒng)與AGV之間的電氣與機械隔離，克服了傳統(tǒng)接觸式充電方式存在的不足，從根本上消除了直插式充電方法帶來的弊端，提高了充電系統(tǒng)的美觀性、實用性、安全性[5]，同時也進一步提高了充電過程的自動化程度，節(jié)約了人力成本和資金成本。因此，將WPT技術應用于AGV[6]，具有良好的應用前景。

AGV機器人充電多采用低電壓、大電流的充電方式，而大電流往往導致線路損耗較高，發(fā)熱嚴重，影響系統(tǒng)安全。可通過增加能量通道，采用雙接收WPT系統(tǒng)將電流分散，如圖1（a）所示，以降低損耗，提高安全性;圖1（b）為其等效電路模型。

然而，由于巡線和定位誤差，AGV在充電區(qū)域停靠充電時，線圈會不可避免地產生位置偏移，導致耦合機構互感產生不同程度的波動，造成輸出電壓、功率偏離正常值。因此，具有強偏移容忍度的雙接收耦合機構設計是提高無線充電系統(tǒng)性能的關鍵之一。目前提出的抗偏移耦合線圈結構有DD[7]/DDQ[8]/BP[9]等，但都存在不同程度的缺陷。

雙接收無線充電系統(tǒng)結構等效電路如圖1（b）所示，M12和M13分別為發(fā)射線圈與兩個接收線圈間的互感;M23為兩個接收線圈間的互感。

當線圈產生位置偏移時，可能出現(xiàn)以下問題：

（1）當M23≠0時，接收側存在交叉耦合，嚴重影響系統(tǒng)性能。

（2）當M12≠M13時，且差值較大時，輸出電流不均，嚴重時會發(fā)生整流器二極管鉗位導致其中一路沒有功率輸出，影響系統(tǒng)正常工作。

（3）當M12、M13偏離正常值時，輸出電壓、功率發(fā)生波動。

傳統(tǒng)的DD-BP磁耦合機構如圖2（a）所示，通過調節(jié)重合部分面積使線圈解耦，即M23=0[10]，然而位置偏移時，M12、M13間差值較大，將引發(fā)上述問題（2），嚴重影響系統(tǒng)性能。

針對以上問題，本文提出一種新型抗偏移線圈結構，如圖2（b）所示，其不僅具有較高的偏移容忍度，而且能夠緩解偏移情況下發(fā)射線圈與兩個接收線圈間的互感（M12和M13）不等帶來的電流不均和二極管鉗位問題，降低系統(tǒng)控制程序的復雜性。與此同時，由于兩個DD線圈交叉放置，幾何對稱結構使得接收線圈互感M23很小，可忽略其影響，進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 電路分析

本文采取串-串串（S-SS）型電路拓撲，即發(fā)射、雙接收電路均采用串聯(lián)補償電路結構，其等效電路如上文圖1（b）所示。

UAC為經逆變電路后得到的高頻交流電壓;i1、i2和i3分別為發(fā)射邊、接收邊1和接收邊2的回路電流;R1、R2和R3分別為各線圈電阻;L1、L2和L3分別為各線圈自感;C1、C2和C3分別為各線圈的串聯(lián)補償電容;Req為等效負載;M12和M13分別為發(fā)射線圈與兩個接收線圈間的互感;M23為兩個接收線圈間的互感。設發(fā)射線圈回路的總阻抗為Z1，接收線圈回路的總阻抗分別為Z2與Z3。

由表達式可知，充電系統(tǒng)相關參數(shù)取定后，輸出電壓、功率、充電效率隨M12和M13變化而波動，因此，需要設計抗偏移機構來抑制互感波動。

2 強偏移容忍度的雙接收磁耦合機構

2.1 ? ?DD-DD/DD型雙接收磁耦合機構設計

本文所設計的強偏移容忍度的雙接收磁耦合機構如圖2（b）所示。該結構由兩個DD線圈交叉排列：第一個DD型接收線圈分布于整體的左上方和右下方相連的兩部分，另一個DD型接收線圈則分布于右上方和左下方相連的兩部分，兩個DD線圈呈交叉排列。本系統(tǒng)的能量發(fā)射側為DD線圈。整個耦合機構為DD-DD/DD結構。

2.2 ? ?DD-DD/DD耦合機構與DD-BP耦合機構的仿真分析

為研究DD/DD型雙接收線圈的抗偏移特性，將其與有抗偏移特性的BP型雙接收線圈對比，發(fā)射線圈均采用有抗偏移特性的DD線圈。基于仿真軟件Maxwell建立DD-BP耦合機構和DD-DD/DD耦合機構的物理模型并仿真，其參數(shù)如表1所示。

改變X方向、Y方向偏移量，分別對兩種磁耦合機構的互感進行仿真計算，得到兩種結構的偏移特性曲線。圖3（a）、圖3（b）分別是BP與DD線圈耦合，并在Y方向、X方向上偏移±10 mm、±20 mm得到的偏移特性曲線;圖4（a）、圖4（b）分別是DD/DD與DD線圈耦合，并在Y方向、X方向上偏移±10 mm、±20 mm得到的偏移特性曲線。

由圖3（a）、圖3（b）可知，BP線圈：

（1）在Y方向上偏移時，雙接收線圈中一個線圈與發(fā)射線圈的互感減小，但另一個線圈與發(fā)射線圈的互感增大，以此來彌補減小的互感，從而保證BP線圈在偏移時的整體輸出能力不變，但兩個互感差值較大，不符合雙接收系統(tǒng)的均流要求，互感波動為37%。

（2）在X方向上偏移時，耦合機構互感發(fā)生波動，呈下降趨勢，在偏移范圍內互感降低了5%。

綜上所述，BP型線圈具有較好的抗偏移特性，但在Y方向上不具備良好的均流效果。

由圖4（a）、圖4（b）可知，DD/DD線圈：

（1）在Y方向上偏移時，兩個接收線圈與發(fā)射線圈間的互感發(fā)生波動，但在偏移范圍內兩互感值始終保持一致，避免了電流不均的現(xiàn)象，互感波動僅為11%。

（2）在X方向上偏移時，兩個接收線圈與發(fā)射線圈間的互感發(fā)生波動，但在偏移范圍內兩個互感值始終保持一致，同樣避免了電流不均的現(xiàn)象，且互感波動僅為4.5%。

綜上，DD-DD/DD型耦合機構在水平方向上具有很好的抗偏移特性，且能夠在耦合機構設計上避免電流不均現(xiàn)象，能夠大幅降低硬件電路設計的復雜性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與經濟性。

3 雙接收WPT系統(tǒng)設計

雙接收無線充電系統(tǒng)主要由逆變電路、耦合機構、整流濾波模塊組成。直流電經逆變電路變?yōu)樗璧母哳l交流電，高頻交流電通過發(fā)射線圈產生高頻磁場將電能轉換為磁能;高頻磁場通過接收線圈發(fā)生諧振產生高頻交流電，又將磁能轉換為電能;高頻交流電經整流濾波模塊后轉化成直流電后給AGV蓄電池充電。

3.1 ? ?參數(shù)設計

根據(jù)上文所述工作原理并取定AGV充電系統(tǒng)相關參數(shù)（f、UIN、UL、i、R1、R2、R3），計算得出理論互感M12、M13，數(shù)據(jù)如表2所示，本文搭建了一套WPT系統(tǒng)。

3.2 ? ?Simulink仿真

在Simulink仿真軟件中搭建仿真電路，導入表2的相關參數(shù)（f、UIN、UL、i、R1、R2、R3），先代入無偏移（理想）時的互感數(shù)據(jù)仿真，再分別采用DD-BP、DD-DD/DD耦合機構在X、Y方向上產生相同偏移下的互感數(shù)據(jù)作為耦合機構互感，代入數(shù)據(jù)仿真，得到正對和最大偏移量（20 mm）下輸出電壓、功率、效率，如表3所示。

由表3可知，在Y方向偏移時，兩種結構的輸出電壓、輸出功率波動率如表4所示。

兩種結構偏移下的充電效率相近，X方向偏移時，兩種結構都具有較好的輸出穩(wěn)定性。而在Y方向偏移時，DD-BP的輸出波動很大，且發(fā)生二極管鉗位，使得其中一路無功率輸出，而DD-DD/DD的輸出較為穩(wěn)定，且較DD-BP的電壓波動減小7.8%，功率波動減小21.5%。

4 結語

本文提出了一種新型抗偏移的DD-DD/DD磁耦合結構。通過對比DD-DD/DD型雙接收耦合機構與傳統(tǒng)的DD-BP型耦合機構，DD-DD/DD型具有比DD-BP型更好的水平抗偏移能力，并且能夠自然實現(xiàn)偏移情況下雙接收系統(tǒng)的均流能力，極大地減輕了硬件電路設計和均流控制算法的難度，更加適用于AGV無線充電系統(tǒng)耦合機構的設計。

[參考文獻]

[1] 楊文華.我國倉儲物流機器人發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢[J].物流技術與應用，2017，22（9）：100-102.

[2] 唐文偉.AGV在物流領域中的應用前景分析[J].物流技術，2001（3）：7-8.

[3] 馮華逸，陳科達，田勇，等.自主導航小車無線快速充電系統(tǒng)設計[J].廣東電力，2018，31（11）：129-135.

[4] 李坤.應用于AGV的無線充電技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012.

[5] 王洪博，朱軼智，楊軍，等.無線供電技術的發(fā)展和應用前景[J].電信技術，2010（9）：56-59.

[6] 宋凱，朱春波，李陽，等.基于磁耦合諧振的自主無線充電機器人系統(tǒng)設計[J].電工技術學報，2014，29（9）：38-43.

[7] Auckland Uniservices Limited.Inductive Power Transfer Apparatus：WO2010090539A1[P].2010-08-12.

[8] ZAHEER A，HAO H，COVIC G A，et al.Investigation of Multiple Decoupled Coil Primary Pad Topologies in Lumped IPT Systems for Interoperable Electric Vehicle Charging[J].IEEE Transactions on Power Electronics， 2015，30（4）：1937-1955.

[9] BUDHIA M，BOYS J T，COVIC G A，et al.Development of a Single-Sided Flux Magnetic Coupler for Electric Vehicle IPT Charging Systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（1）：318-328.

[10] 鄭心城，陳為.電動汽車無線充電的磁耦合結構綜述[J].電氣技術，2017（4）：9-15.

[11] 卓康.多諧振器WPT系統(tǒng)中交叉耦合抑制方法以及可控功率分配研究[D].南昌：南昌大學，2020.

收稿日期：2021-04-01

作者簡介：何東林（1998—），男，重慶人，研究方向：電氣工程及其自動化。