CN115566815A - 一种面向agv的原边控制型lcc-s无线充电系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种面向AGV的原边控制型LCC‑S无线充电系统及控制方法，无线充电系统包括地面装置和AGV车载装置，地面装置具体包括直流电压源U bus、Buck变换器、全桥逆变器和LCC网络；AGV车载装置具体包括LC网络、桥式整流与滤波电路以及动力电池组；地面装置通过DD型磁耦合机构为AGV车载装置供电；采用的DD型磁耦合机构实现了良好的抗偏移性能，发射端LCC网络保证无线充电系统工作于低功耗模式，并且具备掉载保护和过流保护等功能，提升系统稳定性与可靠性；本发明实现全自动、全天候的无人值守化充电；将大幅度地提升AGV的智能化发展趋势，拓宽AGV的产业化应用前景。

Description

一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统及控制方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体地，涉及一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统及控制方法。
背景技术
目前，AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引运输车）广泛地应用于仓储业、制造业以及特种行业等。受限于AGV所载动力电池组容量和成本，AGV的续航里程和时间较短。
一方面，面向AGV的无线充电系统应该采用基于Buck变换器和移相（或调频）全桥逆变器的原边控制方法，从而实现动力电池组的恒流充电和恒压充电。另一方面，采用串联补偿最大限度地减少接收端补偿电容的用量，上述两种方法均有效地降低了无线充电系统给AGV带来的额外重量、体积和成本。
目前现有技术中，缺点普遍在于占据较大的地面空间、施工和维护难度较大以及系统整体成本较高，或磁耦合机构的抗偏移性能较差，或者无接收端位置的空间磁场泄露程度较高。
发明内容
本发明提出了一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统及控制方法，本发明提出面向AGV的无线充电系统实现非接触且自动化快速充电，从而提升AGV的利用率与充电智能化程度，不仅有效地提升AGV的空间利用率以及降低AGV整体成本，而且具备良好的抗偏移性能以及掉载保护和过流保护等功能。
本发明通过以下技术方案实现：
一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统：
所述无线充电系统包括原边电路和副边电路；
所述原边电路为地面装置，具体包括直流电压源U bus、Buck变换器、全桥逆变器和LCC网络；
所述副边电路为AGV车载装置，具体包括LC网络、桥式整流与滤波电路以及动力电池组；
所述直流电压源U bus连接Buck变换器，Buck变换器连接全桥逆变器，全桥逆变器连接LCC网络；
所述LC网络连接桥式整流与滤波电路，桥式整流与滤波电路连接动力电池组；
所述原边电路通过Buck变换器、全桥逆变器和LCC网络将直流电压输入的直流电转换为交流电；
原边电路通过DD型磁耦合机构为副边电路供电；
副边电路通过LC网络、桥式整流与滤波电路给动力电池组充电。
进一步地，所述Buck变换器由一个电容C bus、一个开关管Q B、一个二极管D B、一个滤波电感L B和一个滤波电容C B组成；
所述全桥逆变器包括四个开关管Q 1、Q 2、Q 3和Q 4；
所述LCC网络由LCC线圈L A、补偿电容C p和C 1组成。
进一步地，所述直流电压源U bus的正极分别与电容C bus的一端和开关管Q B的一端相连接；所述开关管Q B的另一端分别与二极管D B的一端和滤波电感L B的一端相连；滤波电感L B的分别与滤波电容C B的一端、开关管Q 1的一端以及开关管Q 2的一端相连接；
所述直流电压源U bus的负极分别与电容C bus的另一端、二极管D B的另一端、滤波电容C B的另一端、开关管Q 3的一端以及开关管Q 4的一端相连接；
开关管Q 1的另一端分别与开关管Q 4的另一端和LCC线圈L A的一端相连接；开关管Q 2的另一端分别与开关管Q 3的另一端、补偿电容C p的一端以及补偿电容C 1的一端相连接；
LCC线圈L A的另一端分别与补偿电容C p的另一端以及发射线圈L 1的一端相连接，补偿电容C 1的另一端与发射线圈L 1的另一端相连接。
进一步地，LC网络由接收线圈L 2和补偿电容C 2组成；
桥式整流与滤波电路由四个二极管D 1、D 2、D 3、D 4和薄膜电容C o构成；
动力电池组的等效电阻值为R o。
进一步地，接收线圈L 2的一端与二极管D 1的一端、二极管D 2的一端相连接；
接收线圈L 2的另一端与补偿电容C 2的一端相连接，补偿电容C 2的另一端分别与二极管D 3的一端以及二极管D 4的一端相连接；
等效电阻R o的一端分别与二极管D 1的另一端、二极管D 4的另一端以及薄膜电容C o的一端相连接；
等效电阻R o的另一端分别与二极管D 2的另一端、二极管D 3的另一端以及薄膜电容C o的另一端相连接；
M为发射线圈L 1和接收线圈L 2之间的互感。
进一步地，所述DD型磁耦合机构包括发射端和接收端；
发射端包括发射线圈、骨架型铁氧体磁芯和屏蔽铝板；
接收端包括接收线圈、骨架型铁氧体磁芯和屏蔽铝板。
进一步地，所述无线充电系统还包括WiFi模块；
所述原边电路还包括PI控制器、PWM生成电路和PWM驱动电路，
所述副边电路还包括电流电压采集模块和信号调理电路.
一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统的控制方法：
所述控制方法具体包括以下步骤；
步骤1，无线充电系统利用WiFi模块将副边电路的充电电流和充电电压信息传输到发射端；
步骤2，原边电路的PI控制器通过充电电流和充电电压信息，通过PI算法控制PWM电路，调节原边电路Buck变换器的占空比D；
步骤3，通过Buck变换器的占空比D，实现副边电路AGV中电池组的恒流和恒压充电；并且利用锁相环技术实现全桥逆变器的频率跟踪。
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明有益效果
本发明提出基于Buck变换器的原边（即发射端）控制方法实现动力电池组的恒流充电和恒压充电；另一方面，接收端采用面向电容最少化的串联补偿，从而有效地提升AGV的空间利用率以及降低AGV的整体成本。
本发明提出DD型磁耦合机构，通过高效地利用空间磁场实现良好的水平方向抗偏移性能，从而保证无线充电系统具备较高的工作性能；无接收端时，发射端LCC网络保证无线充电系统工作于低功耗模式，并且具备掉载保护和过流保护等功能。
本发明不仅有效地提升AGV的空间利用率以及降低AGV整体成本，而且具备良好的抗偏移性能以及掉载保护和过流保护等功能。
本发明针对AGV停车充电时存在的行进方向偏移导致系统性能降低问题，提出DD型磁耦合机构，实现了良好的抗偏移性能，克服了传统方形磁耦合机构存在的弊端；最后，采用发射端LCC网络保证无线充电系统工作于低功耗模式，并且具备掉载保护和过流保护等功能，简化保护控制算法的基础上提升系统稳定性与可靠性。
附图说明
图1为本发明面向AGV的原边控制型无线充电系统；
图2为本发明的DD型磁耦合机构的结构示意图；
图3为本发明的原边控制方法的原理框图；
图4为本发明的DD型磁耦合机构的物理尺寸；
图5为本发明的DD型磁耦合机构的磁场分布，其中(a)为 yoz坐标系下磁场分布图，(b)为xoz坐标系下磁场分布图；
图6为本发明的DD型磁耦合机构的x轴、y轴方向上偏移与互感值之间关系以及xoz坐标系下磁场分布图，其中(a)为x轴和y轴方向上偏移距离与互感值之间关系图，(b)为xoz坐标系下磁场分布图；
图7为本发明的DD型磁耦合机构的安装方式；
图8为本发明的互感值与占空比以系统效率之间仿真结果，其中(a)为 互感值与占空比，(b)为 互感值与系统效率；
图9为本发明的系统最大输出功率时工作波形；
图10为本发明的闭环充电的工作波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1至图10。
一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统：
如图1，所述无线充电系统包括原边电路和副边电路；
所述原边电路为地面装置，具体包括直流电压源U bus、Buck变换器、全桥逆变器和LCC网络；
所述副边电路为AGV车载装置，具体包括LC网络、桥式整流与滤波电路以及动力电池组；
所述直流电压源U bus连接Buck变换器，Buck变换器连接全桥逆变器，全桥逆变器连接LCC网络；
所述LC网络连接桥式整流与滤波电路，桥式整流与滤波电路连接动力电池组；
所述原边电路通过Buck变换器、全桥逆变器和LCC网络将直流电压输入的直流电转换为交流电；
原边电路通过DD型磁耦合机构为副边电路供电；
副边电路通过LC网络、桥式整流与滤波电路给动力电池组充电。
所述Buck变换器由一个电容C bus、一个开关管Q B、一个二极管D B、一个滤波电感L B和一个滤波电容C B组成；
所述全桥逆变器包括四个开关管Q 1、Q 2、Q 3和Q 4；
所述LCC网络由LCC线圈L A、补偿电容C p和C 1组成。
所述直流电压源U bus的正极分别与电容C bus的一端和开关管Q B的一端相连接；所述开关管Q B的另一端分别与二极管D B的一端和滤波电感L B的一端相连；滤波电感L B的分别与滤波电容C B的一端、开关管Q 1的一端以及开关管Q 2的一端相连接；
所述直流电压源U bus的负极分别与电容C bus的另一端、二极管D B的另一端、滤波电容C B的另一端、开关管Q 3的一端以及开关管Q 4的一端相连接；
开关管Q 1的另一端分别与开关管Q 4的另一端和LCC线圈L A的一端相连接；开关管Q 2的另一端分别与开关管Q 3的另一端、补偿电容C p的一端以及补偿电容C 1的一端相连接；
LCC线圈L A的另一端分别与补偿电容C p的另一端以及发射线圈L 1的一端相连接，补偿电容C 1的另一端与发射线圈L 1的另一端相连接。
LC网络由接收线圈L 2和补偿电容C 2组成；
桥式整流与滤波电路由四个二极管D 1、D 2、D 3、D 4和薄膜电容C o构成；
动力电池组的等效电阻值为R o。
接收线圈L 2的一端与二极管D 1的一端、二极管D 2的一端相连接；
接收线圈L 2的另一端与补偿电容C 2的一端相连接，补偿电容C 2的另一端分别与二极管D 3的一端以及二极管D 4的一端相连接；
等效电阻R o的一端分别与二极管D 1的另一端、二极管D 4的另一端以及薄膜电容C o的一端相连接；
等效电阻R o的另一端分别与二极管D 2的另一端、二极管D 3的另一端以及薄膜电容C o的另一端相连接；
M为发射线圈L 1和接收线圈L 2之间的互感。
如图2，所述DD型磁耦合机构包括发射端和接收端；
发射端包括发射线圈、骨架型铁氧体磁芯和屏蔽铝板；
接收端包括接收线圈、骨架型铁氧体磁芯和屏蔽铝板。
如图3，所述无线充电系统还包括WiFi模块；
所述原边电路还包括PI控制器、PWM生成电路和PWM驱动电路，
所述副边电路还包括电流电压采集模块和信号调理电路.
所述无线充电系统利用WiFi模块将副边电路的充电电流和充电电压信息传输到发射端，以此信息作为原边电路PI控制器的反馈量，采用PI算法调节原边电路Buck变换器的占空比D，实现副边电路AGV中电池组的恒流和恒压充电，并且利用锁相环技术实现全桥逆变器的频率跟踪。
一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统的控制方法：
所述控制方法具体包括以下步骤；
步骤1，无线充电系统利用WiFi模块将副边电路的充电电流和充电电压信息传输到发射端；
步骤2，原边电路的PI控制器通过充电电流和充电电压信息，通过PI算法控制PWM电路，调节原边电路Buck变换器的占空比D；
步骤3，通过Buck变换器的占空比D，实现副边电路AGV中电池组的恒流和恒压充电；并且利用锁相环技术实现全桥逆变器的频率跟踪。
实施例
DD型磁耦合机构的实施例
DD型磁耦合机构的物理尺寸如图4所示。发射线圈参数：16匝，利兹线4 mm，自感值L 1为84 μH；接收线圈参数：5匝，利兹线4 mm，自感值L 2为12 μH，两股并绕（更大的载流量且降低交流内阻）。额定传输距离（70 mm）时，互感值M为8 μH。采用大发射端为小接收端供电方式，最大限度地降低接收端体积和重量。
DD型磁耦合机构的磁场分布如图5所示，采用铁氧体磁芯和铝板实现磁场屏蔽，有效地降低了接收线圈产生的磁场对于AGV内部电子设备以及AGV金属壳体对于接收端的自感值以及DD型磁耦合机构的互感值影响。
DD型磁耦合机构的x轴、y轴以及z轴方向上偏移与互感值之间关系如图6所示。结合前述电路仿真得到的互感值范围（6 μH~8 μH），DD型磁耦合机构抗偏移范围为：x轴方向上-55 mm~55 mm；y轴方向上-40 mm~40 mm；z轴方向上60 mm~80 mm。特别说明：结合AGV的辅助定位装置（定位精度在±10 mm以内），上述x轴、y轴以及z轴方向上偏移范围能够满足需求。
实际应用中，由于AGV停车充电时位置误差主要存在于AGV前进方向。结合上述偏移特性以及不同AGV的结构，可以沿着DD型磁耦合机构的宽度方向（x轴方向）或者长度方向（y轴方向）放置发射端和接收端。进一步而言，沿着y轴方向的DD型磁耦合机构安装位置示意图如图7所示。
原边控制型LCC-S无线充电系统实施例
结合AGV无线充电系统的参数指标，采用PLECS软件优化设计磁耦合机构的核心参数。系统参数设计时，额定充电电压和电压分别设定为48 V和50 A。此外，采用原边充电控制方法还可以实现参数指标中规定的其他充电电流和电压值。考虑到IGBT驱动芯片的调节能力，Buck变换器的占空比D调节区间设定为0.1~0.9。结合前述DD型磁耦合机构的参数并且系统参数如下：直流电压源的输出电压为300 V，系统工作频率为85 kHz，在此基础上展开下述分析。
充电电压为35V和48 V并且充电电流为50 A时，不同互感值M与占空比D以及系统效率η之间仿真结果如图8所示。可知：M变化时，调节D维持了充电电流恒定，并且η维持在85%~90%。
充电电压为64 V，充电电流为50 A，互感值为8 μH时，系统工作波形如下9所示。可知：占空比为0.86，最大输出功率为3.2 kW，系统效率为90.8%。
充电电压由35 V增大到64 V时，闭环充电的工作波形如图10所示。
可知：采用PI控制器调节发射端Buck变换器的占空比，实现了恒流充电。同理，恒压充电的仿真分析与此类似。显然，上述仿真结果验证了基于原边控制的恒流和恒压充电的可行性与合理性。
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasablePROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM 可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronousDRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDRSDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambusRAM，DR RAM）。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，高密度数字视频光盘（digital video disc，DVD））、或者半导体介质（例如，固态硬盘（solid state disc，SSD））等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统及控制方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统，其特征在于：
所述无线充电系统包括原边电路和副边电路；
所述原边电路为地面装置，具体包括直流电压源U bus、Buck变换器、全桥逆变器和LCC网络；
所述副边电路为AGV车载装置，具体包括LC网络、桥式整流与滤波电路以及动力电池组；
所述直流电压源U bus连接Buck变换器，Buck变换器连接全桥逆变器，全桥逆变器连接LCC网络；
所述LC网络连接桥式整流与滤波电路，桥式整流与滤波电路连接动力电池组；
所述原边电路通过Buck变换器、全桥逆变器和LCC网络将直流电压输入的直流电转换为交流电；
原边电路通过DD型磁耦合机构为副边电路供电；
副边电路通过LC网络、桥式整流与滤波电路给动力电池组充电。
2.根据权利要求1所述无线充电系统，其特征在于：
所述Buck变换器由一个电容C bus、一个开关管Q B、一个二极管D B、一个滤波电感L B和一个滤波电容C B组成；
所述全桥逆变器包括四个开关管Q 1、Q 2、Q 3和Q 4；
所述LCC网络由LCC线圈L A、补偿电容C p和C 1组成。
3.根据权利要求2所述无线充电系统，其特征在于：
所述直流电压源U bus的正极分别与电容C bus的一端和开关管Q B的一端相连接；所述开关管Q B的另一端分别与二极管D B的一端和滤波电感L B的一端相连；滤波电感L B的分别与滤波电容C B的一端、开关管Q 1的一端以及开关管Q 2的一端相连接；
所述直流电压源U bus的负极分别与电容C bus的另一端、二极管D B的另一端、滤波电容C B的另一端、开关管Q 3的一端以及开关管Q 4的一端相连接；
开关管Q 1的另一端分别与开关管Q 4的另一端和LCC线圈L A的一端相连接；开关管Q 2的另一端分别与开关管Q 3的另一端、补偿电容C p的一端以及补偿电容C 1的一端相连接；
LCC线圈L A的另一端分别与补偿电容C p的另一端以及发射线圈L 1的一端相连接，补偿电容C 1的另一端与发射线圈L 1的另一端相连接。
4.根据权利要求3所述无线充电系统，其特征在于：
LC网络由接收线圈L 2和补偿电容C 2组成；
桥式整流与滤波电路由四个二极管D 1、D 2、D 3、D 4和薄膜电容C o构成；
动力电池组的等效电阻值为R o。
5.根据权利要求4所述无线充电系统，其特征在于：
接收线圈L 2的一端与二极管D 1的一端、二极管D 2的一端相连接；
接收线圈L 2的另一端与补偿电容C 2的一端相连接，补偿电容C 2的另一端分别与二极管D 3的一端以及二极管D 4的一端相连接；
等效电阻R o的一端分别与二极管D 1的另一端、二极管D 4的另一端以及薄膜电容C o的一端相连接；
等效电阻R o的另一端分别与二极管D 2的另一端、二极管D 3的另一端以及薄膜电容C o的另一端相连接；
M为发射线圈L 1和接收线圈L 2之间的互感。
6.根据权利要求5所述无线充电系统，其特征在于：
所述DD型磁耦合机构包括发射端和接收端；
发射端包括发射线圈、骨架型铁氧体磁芯和屏蔽铝板；
接收端包括接收线圈、骨架型铁氧体磁芯和屏蔽铝板。
7.根据权利要求6所述无线充电系统，其特征在于：
所述无线充电系统还包括WiFi模块；
所述原边电路还包括PI控制器、PWM生成电路和PWM驱动电路，
所述副边电路还包括电流电压采集模块和信号调理电路。
8.一种面向AGV的原边控制型LCC-S无线充电系统的控制方法，其特征在于：
所述控制方法具体包括以下步骤；
步骤1，无线充电系统利用WiFi模块将副边电路的充电电流和充电电压信息传输到发射端；
步骤2，原边电路的PI控制器通过充电电流和充电电压信息，通过PI算法控制PWM电路，调节原边电路Buck变换器的占空比D；
步骤3，通过Buck变换器的占空比D，实现副边电路AGV中电池组的恒流和恒压充电；并且利用锁相环技术实现全桥逆变器的频率跟踪。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8中所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求8中所述方法的步骤。
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