CPS非接触供电系统在AGV物流系统中的应用

摘要：CPS非接触供电系统是现代电力传输系统发展的一项重大突破。本文介绍了AGV工作电源的现状，CPS非接触供电系统工作原理和优点，对C... 　　摘要：CPS非接触供电系统是现代电力传输系统发展的一项重大突破。本文介绍了AGV工作电源的现状，CPS非接触供电系统工作原理和优点，对CPS非接触供电系统在AGV现代物流中的具体应用进行了阐述，并对CPS应用前景提出了预测。
一、 AGV工作电源现状
　　随着我国物流业的快速发展，大型物流仓储基地的规模越来越大，其自动化和智能化程度越来越高，采用自动导引小车AGV（Automatic Guided Vehicle）进行物流传输已成为当今自动化仓储系统中物流传输的主要方向。自动导引小车AGV早在20世纪50年代就已经开始在工业领域使用，进入90年代，AGV已经实现了高智能化、数字化、网络化、信息化和柔性化，其实现的主要功能是在计算机和局域网的控制下，经过磁场、激光等导向装置引导并沿程序设定的路径进行运输作业，具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能。它为现代制造业物流提供了一种高度柔性化和自动化的运输方式。

传统的AGV是以电池为动力，装有非接触导向装置和独立寻址系统的无人驾驶自动运输车。由于采用电池供电，因此，传统的AGV的功率和行驶距离受到极大的限制，AGV的利用率也不高。为了提高AGV的利用率，就必须对AGV的电池进行经常性的充电。为了保证AGV 在生产线上不用移出生产过程就可以完成充电，必须在安装整个生产过程系统中，在允许 AGV暂停的地方（比如分段运输区，转向区，装载停止区等）设置并安装电池充电站，定时定点对AGV进行充电。电池充电站由基板和集电器组成，基板安装在板上或者用支架侧装在 AGV 运行轨道的旁边，集电器则安装在AGV上。充电器给基板提供电流，一旦 AGV 行驶到充电位，车辆上的集电器就与充电基板相接触，就会对 AGV 进行充电。随着功能强大的电池的发展，能够允许电池在几秒钟内进行快速充电，这一技术使得 AGV 在生产线上不用移出生产过程就可以完成充电。AGV车动力电源一般配用的是传统的“高倍率开口镉镍电池”，以适应其快速充电和较大电流放电的要求。但受“镉镍电池”记忆效应的影响，使用、维护比较麻烦。同时由于“镉镍电池”中镉的污染，不适应环保的要求。此外，充电站数量的增多，也增加了AGV运输系统的总建设成本。

随着CPS（Contactless Power System）非接触供电技术的发展，将CPS非接触供电技术应用于AGV物流运输系统，将极大改善目前AGV供电系统的缺陷。这种供电系统可以在AGV不带电池的情况下为小车提供驱动电源和控制电源，也可以在不设充电站的情况下为AGV的电池进行连续或定时充电。
二、 CPS非接触供电系统工作原理
　　1.CPS非接触供电系统工作原理
CPS非接触供电系统是一种通过非机械接触的方式进行电力和信号传输的技术。其工作原理类似于传统变压器电力传输原理，也是利用磁场耦合进行电能-磁场能-电能的转换和电能的传输。CPS非接触供电系统的变压器结构和组成原理如图1，与传统的电力变压器结构相比，CPS非接触供电系
图1 CPS非接触供电系统的组成原理图
统的变压器采用一个开放式的铁芯，变压器初级线圈为单圈，并延伸为一个很长的回路，变压器次级线圈则缠绕在一个开放的磁铁上，并围绕着变压器初级线圈。变压器初级线圈和次级线圈之间可以相互移动，构成一种开放式电磁耦合系统。变压器初级线圈为电源输入端，由电源控制柜提供电能，变压器次级线圈为电源输出端，为AGV提供几百伏的驱动电压和几十伏的控制电压，保证AGV的正常工作。二者流通的都是交流电流。
为了保证CPS非接触供电系统传输性能能够达到最优化，实现低损耗传输，为初级线圈提供电能的电控柜将常规的三相、400V、50Hz的交流电转换成单相高次谐波电流，利用高次谐波电流产生的行波磁场切割次级线圈，在次级线圈感应电动势而实现电能的传输。高次谐波电流的幅值和频率要根据实际应用对象来合理选择。
2.CPS非接触供电系统的优点
（1） 几乎100%免维护，无需电池，可以在低成本维护的情况下发挥设备的功能；
（2） 适用于复杂的磁轨布局；
（3） 对设备行走速度和加速度没有限制；
（4） 数据通讯系统集成在初级电缆中，无需另外装设通讯线；
（5） 无噪音和粉尘，对环境无污染；
（6） 可工作于潮湿、结冰、多尘等恶劣环境。
三、 CPS非接触供电系统在AGV中的应用
　　1.CPS对AGV供电的系统结构
CPS非接触供电系统对AGV供电原理如图2所示。系统主要包括电源控制柜、CPS的变压器初级线圈电缆、AGV导轨、AGV小车等环节。将CPS的变压器初级线圈电缆安装在AGV预先设计行走线路的导轨里面，并与电源控制柜相连。AGV导轨一般埋在地下或垂直沿墙敷设。电源控制柜由市网三相、400V、50Hz的交流电源提供输入电压和电流。CPS非接触供电系统的变压器开放式铁芯一般由AGV地面行走导轨构成或者与次级线圈（集电器）结合在一起安装在AGV的底部。AGV的电源由次级线圈（集电器）提供。　　
图2 CPS对AGV供电的系统结构框图
2. CPS对AGV供电的工作原理
CPS非接触供电系统首先是由专门的电控柜为CPS非接触供电系统的变压器初级线圈提供单相高次谐波电流，以保证CPS非接触供电系统电能传输性能能够达到最优化，从而实现低损耗电能传输。变压器初级线圈流过的高次谐波电流将产生的行波磁场，通过磁轨的导磁作用，行波磁场对CPS的变压器次级线圈进行切割，于是在次级线圈中就感应电动势（电压），感应电压再经过AGV中的整流和调压电路的整流调压后，变为直流电源，为AGV提供几百伏的直流驱动电压和几十伏的直流控制电压，从而有效地保证了AGV正常工作所需的电源。

为了给CPS非接触供电系统的初级线圈电缆提供单相高次谐波电流，电控柜必需对市网三相、400V、50Hz的交流输入电压进行过滤、整流、变级、变压以及开关补偿等环节后才能提供。一个电控柜中基本集成了这五个环节的电路。AGV集电器一般采用平板型集电器或紧凑型集电器作为初始电源，经调压电路调压后提供几百伏的直流驱动电压和几十伏的直流控制电压。此外，为了保证AGV行驶的方向性和通讯，在AGV上还必须安装磁轨导向传感器和通讯接收器。磁轨导向传感器用于检测初级电缆的电磁区域，通讯接收器将通讯指令送给AGV控制系统，保证AGV正常、准确、有序地工作。以德国VAHLE公司生产的AGV为例，CPS非接触供电系统的变压器初级线圈电缆中流动的是70A、20KHz的高频谐波电流，集电器经整流调压后提供24-48-560V范围的三种等级输出电压。为了保证AGV行驶方向的正确性，在AGV的底部还安装了一个磁轨导向传感器，用于检测初级电缆的电磁区域，在弯道和轨迹转换处同样适用，从而对车辆行驶能够进行有效地控制。