CN110380520A - 一种用于移动机器人的静态无线充电方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于移动机器人的静态无线充电方法及装置，包括地面发射端和车载接收端；地面发射端安装在移动机器人静态充电区域内，车载接收端安装在移动机器人上；地面发射端用于将电能转换为高频电流通过发射线圈在线圈周围产生高频电磁场，处于高频电磁场中的接收线圈与接收系统中的电容以磁耦合谐振方式感应出高频电流，经接收系统内部电路完成整流、滤波、调压生成车载接收端所需的电压类型供充电管理系统使用并向储能设备充电，储能设备再向用电设备供电。本发明还公开了所述用于移动机器人的无线充电装置的电能传输方法。本发明通过采用两个串联连接的发射线圈的技术方案，保证接收线圈在预设位置及一定偏差范围内能够保持恒定的功率和效率输出，以磁耦合谐振方式实现了电能安全、稳定、可靠与高效无线传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种用于移动机器人的静态无线充电方法及装置。
背景技术
随着经济社会发展、人工智能技术进步，移动机器人的自我控制能力越来越强、智能化水平越来越高，然而移动机器人所需电能主要通过自身搭载的电池提供，电池续航能力有限，当电池电量不足时，需要机器人移动到固定充电区域利用有线充电桩充电，由于有线充电桩占地面积较大，拔插充电接头易产生火花，易发生漏电事故，且人工拔插充电接头降低了机器人的智能化水平，现已成为提高移动机器人智能化水平的薄弱环节。
目前移动机器人的充电方式主要分为有线充电和无线充电两种方式。有线充电方式存在接触机构复杂、易磨损、易产生接触火花、可靠性差以及使用寿命有限等，同时人工拔插充电接头降低了机器人的智能化水平。而无线充电实现了电源与负载间的无接触连接，彻底摆脱了导线直接接触供电的束缚，传输过程具有灵活、安全与可靠等优点，同时便于提高机器人在充电这一过程中的智能化水平。
无线充电可分为静态无线充电和动态无线充电两种方式。在指定区域给静止中的移动机器人充电应用的技术被称作静态无线电能传输技术，即静态充电技术。如果采用无线充电的方式为移动机器人静态充电，现有的无线充电技术仍然存在一些问题：比如，专利号为 201410300222.5的专利，公开了一种磁耦合谐振无线充电平台，能够通过均匀磁场特性实现磁耦合谐振无线充电，但是仍然不能克服线圈位置变化导致的传输效率下降问题。专利号为 201811642358.9的专利，公开了一种电动汽车无线充电系统及其控制方法，该方法需调整无线充电发射板使其位置和间距均与无线充电接收板较佳匹配才能使得充电效果较佳，也就意味着存在抗偏移能力差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全、可靠、抗偏移能力强与高效率的用于移动机器人的静态无线充电装置和电能传输方法。
一种用于移动机器人的静态无线充电装置，其特征在于包括地面发射端和车载接收端；地面发射端安装于移动机器人静态充电区域内，车载接收端安装在移动机器人上；地面发射端包括电源模块、发射系统和若干个发射线圈，车载接收端包括接收线圈、接收系统、充电管理系统、储能设备和用电设备；电源模块将地面发射端接入电网、并将工业电源整流、滤波与变压生成各种电压供发射系统使用，并保护地面发射端用电安全；发射系统用于产生高频电流，并通过串联的若干发射线圈产生高频电磁场；处于高频电磁场中的接收线圈与接收系统中的电容以磁耦合谐振方式感应出高频电流，经接收系统内部电路完成整流、滤波、调压生成车载接收端所需的电压类型供充电管理系统使用；充电管理系统按照充电规程负责给储能设备充电，保护充电过程的安全与可靠充电；储能设备向用电设备供电。
所述的串联的若干发射线圈，其典型用例为两个串联发射线圈；两个串联发射线圈的绕制方向相同，且线圈轴线重合，线圈结构为空心线圈，便于接收线圈从轴线方向放置在两个串联发射线圈之间的中点位置。
所述的移动机器人静态充电区域，即地面发射端安装的区域，需要充电时，移动机器人移动到静态充电区域内，调整机器人姿态，将车载接收线圈从轴线方向移动到两个串联发射线圈之间的中点位置，做好充电准备。
所述的电源模块是将地面发射端接入电网、并将工业电源整流、滤波和变压生成各种电压供发射系统使用，并保护地面发射端用电安全。
所述的发射系统含电能逆变电路(或电能放大电路)以及电容，与发射线圈构成回路用于产生高频电流，并通过若干发射线圈产生高频电磁场。
所述的接收系统内部含整流、滤波和调压电路，用于将高频电流整流、滤波、调压生成车载接收端所需的电压类型供充电管理系统使用。
所述的充电管理系统按照充电规程负责给储能设备充电，保护充电过程的安全和可靠充电。
所述的储能设备为锂电池、蓄电池或超级电容，储能设备向用电设备供电。
本发明提供的这种用于移动机器人的静态无线充电方法及装置，采用两串联发射线圈的技术方案，很好地解决了单发射线圈条件下，发射线圈和接收线圈之间距离和角度发生变化时对输出功率和传输效率的影响，能够保证接收线圈在预设位置及一定范围内变化时能够保持恒定的功率和效率输出，提高了充电装置的抗偏移能力，保证了移动机器人的可靠、安全、稳定与高效充电，避免了有线充电带来的弊端，同时提高了机器人充电这一过程的智能化水平。
附图说明
图1为本发明装置的静态无线充电示意图。
图2为本发明装置的功能模块图。
图3为本发明装置的系统拓扑结构图。
图4为本发明装置的等效电路原理图。
图5为本发明装置的主副线圈在接收线圈处产生的磁场强度示意图。
图6为本发明装置的归一化输出功率-耦合距离响应曲线示意图。
图7为本发明装置的传输效率-耦合距离响应曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明装置的静态无线充电示意图：本发明提供的这种用于移动机器人的静态无线充电装置，包括地面发射端和车载接收端；地面发射端安装于移动机器人静态充电区域内，车载接收端安装在移动机器人6上；地面发射端包括电源模块、发射系统1、发射线圈(图中以两个串联发射线圈为例，标示为2和4)，车载接收端包括接收线圈3、接收系统5、充电管理系统、储能设备和用电设备；电源模块、发射系统和发射线圈依次串接，同时接收线圈、接收系统、充电管理系统、储能设备和用电设备也依次串接；两个串联的发射线圈用于产生高频电磁场，处于高频电磁场的接收线圈用于以磁耦合谐振方式感应出高频电流，并通过接收系统实现电能的稳定输出并由充电管理系统给储能设备储能，最后向用电设备输出电能。
其中，地面发射端中，电源模块将地面发射端接入电网、并将工业电源整流、滤波和变压生成各种电压供发射系统使用，并保护地面发射端用电安全；发射系统含电能逆变电路 (或电能放大电路)以及电容，与发射线圈构成回路用于产生高频电流，并通过发射线圈产生高频电磁场；在车载接收端中，接收线圈与接收系统中的电容并联，用于以磁耦合谐振方式感应出高频电流；接收系统除了包含电容之外，内部还含整流、滤波和调压电路，用于将高频电流整流、滤波、调压生成车载接收端所需的电压类型供充电管理系统使用；充电管理系统按照充电规程负责给储能设备充电，保护充电过程的安全和可靠充电；储能设备向用电设备供电。
在具体实施时，发射线圈为两个串联发射线圈；两个串联发射线圈的绕制方向相同，且两个串联发射线圈的轴线重合，半径为16厘米，接收线圈的半径为12厘米，线圈结构为空心线圈，以便接收线圈从发射线圈的轴线方向移动到两个串联发射线圈之间，理想状态下，发射线圈和接收线圈的中轴线应该位于同一直线上，且接收线圈与两个发射线圈的距离相同。
如图2所示为本发明装置的功能模块图：从图中可以看出，地面发射端包括电源模块、发射系统与发射线圈；电源模块将地面发射端接入电网、并将工业电源整流、滤波和变压生成各种电压供发射系统使用，并保护地面发射端用电安全；发射系统含电能逆变电路(或电能放大电路)以及电容，与发射线圈构成回路用于产生高频电流，并通过发射线圈向线圈周围产生高频电磁场。
车载接收端包括接收线圈、接收系统、充电管理系统、储能设备和用电设备；接收线圈与接收系统中的电容并联，用于以磁耦合谐振方式感应出高频电流；接收系统内部含整流、滤波和调压电路，用于将高频电流整流、滤波、调压生成车载接收端所需的电压类型供充电管理系统使用；充电管理系统按照充电规程负责给储能设备充电，保护充电过程的安全和可靠充电；储能设备向用电设备供电。
地面发射端与车载接收端通过发射线圈和接收线圈发生能量耦合，以磁耦合谐振方式进行电能传输。
在具体实施时，使用220V交流电作为电源模块的接入电源，并将工业电源整流、滤波和变压生成各种电压供发射系统使用，并保护地面发射端用电安全。发射系统含电能逆变电路(或电能放大电路)以及电容，与发射线圈构成回路用于产生频率为500kHz的高频交流电，接入发射线圈后会在线圈周围产生相应的高频电磁场。当接收线圈进入发射线圈磁场范围内，接收线圈以磁耦合谐振方式感应出相应的高频电流。由于地面发射端与车载接收端的谐振频率一致，收发端工作在磁耦合谐振状态。其中车载接收端包含接收线圈、接收系统、充电管理系统、储能设备和用电设备；接收线圈与接收系统中的电容并联，用于以磁耦合谐振方式感应出高频电流；接收系统内部含整流、滤波和调压电路，用于将高频电流整流、滤波、调压生成车载接收端所需的电压类型供充电管理系统使用；充电管理系统按照充电规程负责给储能设备充电，保护充电过程的安全和可靠充电，储能设备可为锂电池、蓄电池和超级电容；储能设备向用电设备供电。
如图3所示为本发明装置的系统拓扑结构图：该图包含主发射线圈L1与副发射线圈 L3，主副发射线圈L1与L3、高频电压源US、补偿电容C1依次串接构成了发射回路；接收线圈L2、补偿电容C1和负载依次串接构成了接收回路；d1为主发射线圈与接收线圈的耦合距离；d2为副发射线圈与接收线圈的耦合距离；d3＝d1+d2为主发射线圈与副发射线圈的耦合距离；两个发射线圈的绕制方向相同，且线圈轴线重合，线圈结构为空心线圈；接收线圈L2与主副发射线圈L1、L3存在耦合关系，由此得到了如图4所示的等效电路模型。图4中：US为高频电压源；I1与I2分别为发射回路与接收回路的高频电流；R1和R2分别为发射线圈和接收线圈的损耗电阻和辐射电阻之和；L1、L2和L3分别为主发射线圈、接收线圈和副发射线圈的等效电感；C1和C2分别为发射回路和接收回路的补偿电容；RL为负载电阻。M1为主发射线圈与接收线圈之间的互感；M2为副发射线圈与接收线圈之间的互感。
在具体实施时，若C1＝C2＝C,L2＝2L1＝2L3＝L,R2+RL＝R,R1＝σR(σ>0),RL＝βR(β>0)，系统谐振角频率为ω0＝1/(LC)0.5，系统谐振频率为f0＝ω0/2π，系统品质因数为Q0＝ω0L/R＝1/(ω0CR)，系统频率失谐因子为ξ＝Q0(ω/ω0-ω0/ω)。则发射回路的品质因数为Q1＝ω0L/R1＝1/(ω0CR1)＝Q0/σ；接收回路的品质因数为Q2＝ω0L/(R2+RL)＝1/(ω0C(R2+RL))＝Q0；若传输系统工作角频率为ω，根据基尔霍夫电压定律，可得到如式(1)所示的方程。
其中，发射回路自阻抗Z1和接收回路自阻抗Z2如式(2)所示。
定义阻抗耦合因子如式(3)所示。
由式(1)、(2)、(3)和以上定义，可得到发射回路和接收回路的电流如式(4)所示。
可得到归一化的输出功率表达式如式(5)所示。
可得到传输效率表达式如式(6)所示。
如图5所示为本发明装置的主副发射线圈在接收线圈处产生的磁场强度示意图，根据毕奥-萨伐尔定律，线圈L1在线圈L2位置处所产生的磁感应强度为B1＝μ0(n1n2)0.5r1 2I1/(2(r1 2+d1 2)3/2)，线圈L3在线圈L2位置处所产生的磁感应强度为B2＝μ0(n2n3)0.5r3 2I3/ (2(r3 2+d2 2)3/2)，其中，μ0＝4π×10-7H/m为真空磁导率；r1、r2和r3分别为线圈L1、L2和L3的半径；n1、n2和n3分别为线圈L1、L2和L3匝数；O为线圈L1和L3的位置中点；O1、O2和 O3分别为线圈L1、L2和L3的几何中心；x为线圈L2与点O的距离。由B1、B2可得到线圈L1和L2之间的互感M1、线圈L3和L2之间的互感M2如式(7)所示。
其中Ф1表示为线圈L1激发的磁场通过线圈L2的磁通匝链数；Ф2表示为线圈L3激发的磁场通过线圈L2的磁通匝链数。
将式(7)代入式(3)，则式(3)的阻抗耦合因子可改写为如式(8)所示。
具体实施时，将式(8)代入式(5)和(6)，当f0＝140kHz，C1＝22.09nF，C2＝44.18nF，L1＝L2＝L3＝29.25μH，r1＝r2＝r3＝23mm，n1＝n2＝n3＝20，σ＝1，ξ＝0，RL＝0.5，且d3＝24mm时，接收线圈L2从主发射线圈L1移动到副发射线圈L3时，d1为变量，则d2＝d3-d1也为变量。因此，可得到如图6所示的归一化输出功率-耦合距离响应曲线和图7所示的传输效率-耦合距离响应曲线。当接收线圈在两发射线圈间移动时，输出功率和传输效率保持稳定值。
根据实验测定，本发明的最大输出功率可达为500瓦，传输效率大于90％。当d3＝20 厘米时，能在接收线圈左右移动8厘米范围内保持稳定的功率和效率输出，接收线圈相对于发射线圈的位置和角度变化对输出功率和传输效率影响不超过5％。
所述的用于移动机器人的静态无线充电装置的无线充电方法，其工作原理如下：
用于移动机器人的静态无线充电装置包括地面发射端和车载接收端；地面发射端安装在移动机器人静态充电区域内，车载接收端安装在移动机器人上；地面发射端包括电源模块、发射系统和若干个发射线圈，车载接收端包括接收线圈、接收系统、充电管理系统、储能设备和用电设备；电源模块将地面发射端接入电网、并将工业电源整流、滤波与变压生成各种电压供发射系统使用，并保护地面发射端用电安全；发射系统用于产生高频电流，并通过串联的若干发射线圈产生高频电磁场；处于高频电磁场中的接收线圈与接收系统中的电容以磁耦合谐振方式感应出高频电流，经接收系统内部电路完成整流、滤波、调压生成车载接收端所需的电压类型供充电管理系统使用；充电管理系统按照充电规程负责给储能设备充电，保护充电过程的安全与可靠充电；储能设备向用电设备供电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于移动机器人的静态无线充电装置，其特征在于包括地面发射端和车载接收端；地面发射端安装在移动机器人静态充电区域内，车载接收端安装在移动机器人上；地面发射端包括电源模块、发射系统和若干个发射线圈，车载接收端包括接收线圈、接收系统、充电管理系统、储能设备和用电设备；电源模块将地面发射端接入电网、并将工业电源整流、滤波与变压生成各种电压供发射系统使用，并保护地面发射端用电安全；发射系统用于产生高频电流，并通过串联的若干发射线圈产生高频电磁场；处于高频电磁场中的接收线圈与接收系统中的电容以磁耦合谐振方式感应出高频电流，经接收系统内部电路完成整流、滤波、调压生成车载接收端所需的电压类型供充电管理系统使用；充电管理系统按照充电规程负责给储能设备充电，保护充电过程的安全与可靠充电；储能设备向用电设备供电。
2.根据权利要求1所述的用于移动机器人的静态无线充电装置，其特征在于所述的串联的若干发射线圈，其典型用例为两个串联发射线圈；两个串联发射线圈的绕制方向相同，且线圈轴线重合，接收线圈放置在两个串联发射线圈之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20191025 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |