CN115848177A - 一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁耦合无线电能传输技术领域，具体公开了一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，该系统通过将LCC型的副边补偿网络中的副边补偿电感Lf2设计为与接收线圈LS贴合的Q线圈，并在副边串联补偿电容CS所在串联支路上设计开关S，以及设计发射线圈LP采用DD线圈，从而在自动引导车即将到达充电位置时，高频逆变器以输出低电压，副边控制器断开开关S，由于DD线圈与Q线圈在中心对称时会自然解耦，接收端拾取到的电压为零，从而通过检测输出电压即可判断线圈是否对齐。本系统通过实时检测流过负载RL的电流，以参考电流ILref为参照，通过PI控制调节作用于高频逆变器的相移角，使得负载RL的电流恒定在参考电流ILref，实现输出电流恒定。
Description
技术领域
本发明涉及磁耦合无线电能传输技术领域，尤其涉及一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统。
背景技术
工业4.0揭示了工业自动化正在朝着智能制造的方向发生巨大的转变。工业界和学术界都表达了对智能制造的担忧，因为它有潜力实现定制生产，减少能源消耗，并降低劳动力成本。在不同的无人设备中，自动导向车辆(Automatic guided vehicles,AGV)由于其突出的优势，在无人制造业的货物处理和分配中发挥着重要的作用。例如，强适应性、高工作效率、易于导航设置、高智能、方便的调度，使AGV成为无人物流管理系统的理想选择。当配备了引导装置和电机控制系统时，AGVs可以遵循引导路线，没有任何人员参与，并且其工作路径设置简单灵活，相较于履带式的传送带可以满足更多样、更复杂的运输需求。AGV因其具有可靠性高、智能化程度高、导航路径设置方便、操作便捷、工作效率高等优势，被广泛应用于工业智能化物流系统中。
为了进一步实现自动化，传统的充电系统似乎不是一个明智的选择。无线功率传输(WPT)作为一种智能的替代方案，更适合于AGVs。与传统的充电系统相比，无线充电是一种简洁而实用的电源。如今，它已获得全球的关注，并成功地配备了家用电器和手机等众多工业应用。
然而，这种方案也面临这另外一个问题，AGV在充电区域的停放位置极易出现错位问题，从而导致充电效率低，功率传输不稳定的问题。虽然现有部分无线电能传输耦合机构具有抗偏移能力，但极大提升了系统的复杂度，因此增强适用于AGV的耦合机构的偏移容忍度十分必要。
发明内容
本发明提供一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，解决的技术问题在于：如何以一种较为简单的方式提升自动引导车无线充电系统的抗偏移能力，并使得系统输出电流恒定。
为解决以上技术问题，本发明提供一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流电源、高频逆变器、原边谐振网络和发射线圈LP，所述接收端包括顺序连接的接收线圈LS、副边谐振网络、整流滤波电路和负载RL，其关键在于：
所述副边谐振网络包括副边补偿电感Lf2、副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容Cf2，以及连接在所述副边串联补偿电容CS所在串联支路上的开关S；
所述发射线圈LP采用第一DD线圈，所述接收线圈LS采用第二DD线圈，所述副边补偿电感Lf2采用Q线圈，所述第一DD线圈、所述Q线圈、所述第二DD线圈层叠放置，所述第一DD线圈与所述第二DD线圈同向放置；
所述开关S断开时，所述高频逆变器输出低电压，所述副边谐振网络切换至所述副边补偿电感Lf2与所述副边并联补偿电容Cf2工作的S型补偿网络，此时通过检测所述负载RL的电压，调整所述接收端的位置直至所述负载RL的电压为零后闭合所述开关S，此时所述副边谐振网络切换至副边补偿电感Lf2、副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容Cf2工作的LCC型补偿网络，所述高频逆变器输出充电电压。
优选的，所述发射端还包括连接所述高频逆变器的原边控制器，所述原边控制器用于在所述开关S断开时，以恒定相移角δ0控制所述高频逆变器以使得所述高频逆变器输出所述低电压；
所述接收端还包括连接所述开关S的副边控制器，所述副边控制器用于在正式充电前的车辆对位引导阶段断开所述开关S，并同时实时检测所述负载RL的电压，在所述负载RL的电压为0时闭合所述开关S；
所述原边控制器还用于在所述开关S闭合时，在恒流充电阶段，通过实时获取所述负载RL的电流，以维持所述负载RL的电流恒定为参考电流ILref为目标，闭环控制所述高频逆变器的相移角。
优选的，在恒流充电阶段，所述原边控制器最初控制所述高频逆变器的相移角为初始相移角δC0，然后通过无线通讯模块获取所述副边控制器检测的所述负载RL的电流，并将该电流与参考电流ILref作差，将所得电流差值输入PI控制器，由所述PI控制器根据所述电流差值计算新的相移角作用于所述高频逆变器，如此闭环控制所述高频逆变器的相移角，使得所述负载RL的电流恒定在所述参考电流ILref。
优选的，所述接收线圈LS与所述副边补偿电感Lf2竖直安置于自动引导车的侧面，所述副边补偿电感Lf2位于所述接收线圈LS的中心位置，使得所述接收线圈LS与所述副边补偿电感Lf2整体为横轴纵轴对称结构。
优选的，所述发射线圈LP中的两个D线圈绕向相反，所述接收线圈LS中的两个D线圈绕向相反。
优选的，所述原边谐振网络采用LCC型补偿网络，包括原边补偿电感Lf1、原边并联补偿电容Cf1与原边串联补偿电容CP；
所述高频逆变器采用由4个MOS管组成的全桥逆变器；
所述整流滤波电路包括整流器和滤波电容Cd，所述整流器采用由四个二极管组成的全桥整流器。
优选的，所述发射端还包括贴合所述发射线圈LP的发射端磁芯，所述接收端还包括贴合所述接收线圈LS的接收端磁芯以及贴合所述接收端磁芯的磁屏蔽板。
优选的，所述发射线圈LP的尺寸大于所述接收线圈LS的尺寸大于所述副边补偿电感Lf2的尺寸。
优选的，所述发射线圈LP由直径3.4mm 600股的LITZ线绕制有6匝，所述副边补偿电感Lf2、所述接收线圈LS由直径6.5mm 2000股的LITZ线绕制分别绕制有4匝和6匝。
优选的，所述发射端磁芯和所述接收端磁芯采用厚度为4mm的铁氧体磁芯，所述磁屏蔽板采用厚度为2mm的铝板。
本发明提供的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，通过将LCC型的副边补偿网络中的副边补偿电感Lf2设计为与接收线圈LS贴合的Q线圈，并在副边串联补偿电容CS所在串联支路上设计开关S，以及设计发射线圈LP采用第一DD线圈，从而在自动引导车即将到达充电位置时，原边控制器以固定相移角作用于高频逆变器以输出低电压，副边控制器断开开关S，由于DD线圈(指发射线圈LP)与Q线圈(副边补偿电感Lf2)在中心对称(不存在偏移)时会自然解耦，接收端拾取到的电压为零，从而通过检测输出电压即可判断线圈是否对齐。本系统还通过设计原边控制器和副边控制器，进一步在线圈对齐后，通过实时检测流过负载RL的电流，以参考电流ILref为参照，通过PI控制调节作用于高频逆变器的相移角，如此闭环控制高频逆变器的相移角，使得负载RL的电流恒定在所述参考电流ILref，实现输出电流恒定。在对准引导方面，本系统所有的无源组件都有助于能量传输，这意味着没有额外的组件，如相机、传感器或冗余的传感线圈。对位引导确保了充电的稳定性，有助于高传输效率。另外，耦合机构中的Q线圈Lf2不仅具有对位引导的功能，还是系统的补偿电感，从而高效利用了车辆的空间，降低了成本。实验平台实现了输出电压48V，输出电流30A并且效率达89.1％。与负载无关的恒流输出和抗干扰试验进一步验证了系统具有较强的鲁棒性。整体而言，本系统采用较为简单的设计，实现了对位引导和恒流输出功能，且系统鲁棒性强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统的原理图；
图2是本发明实施例提供的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统的充电流程图；
图3是本发明实施例提供的耦合机构的结构图；
图4是本发明实施例提供的耦合机构的安装示意图；
图5是本发明实施例提供的互感变化与偏移关系图；
图6是本发明实施例提供的M2变化与偏移距离关系图；
图7是本发明实施例提供的拓扑切换波形图；
图8是本发明实施例提供的系统输出与负载变化关系图；
图9是本发明实施例提供的系统输出与互感变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
本发明实施例提供的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，如图1、图2所示，包括发射端和接收端，发射端包括顺序连接的直流电源、高频逆变器、原边谐振网络和发射线圈LP，接收端包括顺序连接的接收线圈LS、副边谐振网络、整流滤波电路和负载RL，原边谐振网络采用LCC型补偿网络，包括原边补偿电感Lf1、原边并联补偿电容Cf1与原边串联补偿电容CP；高频逆变器采用由4个MOS管组成的全桥逆变器；整流滤波电路包括整流器和滤波电容Cd，整流器采用由四个二极管组成的全桥整流器。副边谐振网络包括副边补偿电感Lf2、副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容Cf2，以及连接在副边串联补偿电容CS所在串联支路上的开关S。借助开关S可以实现两个补偿网络，即电感-电容的电容系列(LCC-S)和正常充电操作的LCC-LCC补偿拓扑。为了简化分析，忽略了线圈的寄生阻力。
开关S断开时，高频逆变器输出低电压，副边谐振网络切换至副边补偿电感Lf2与副边并联补偿电容Cf2工作的S型补偿网络，此时通过检测负载RL的电压，调整接收端的位置直至负载RL的电压为零后闭合开关S，此时副边谐振网络切换至副边补偿电感Lf2、副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容Cf2工作的LCC型补偿网络，高频逆变器输出充电电压。
图3(a)为磁耦合结构的爆炸图，图3(b)为磁耦合结构的立体图(包含尺寸)。如图3所示，发射线圈LP采用第一DD线圈，接收线圈LS采用第二DD线圈，副边补偿电感Lf2采用Q线圈，第一DD线圈、Q线圈、第二DD线圈层叠放置，第一DD线圈与第二DD线圈同向放置。
如图4所示，接收线圈LS与副边补偿电感Lf2竖直安置于自动引导车的侧面，副边补偿电感Lf2位于接收线圈LS的中心位置，使得接收线圈LS与副边补偿电感Lf2整体为横轴纵轴对称结构。发射线圈LP的尺寸大于接收线圈LS的尺寸大于副边补偿电感Lf2的尺寸。发射端还包括贴合发射线圈LP的发射端磁芯，接收端还包括贴合接收线圈LS的接收端磁芯以及贴合接收端磁芯的磁屏蔽板。两侧采用铁氧体磁芯，增强从发射到接收侧的耦合强度。车辆侧采用铝板作为磁屏蔽板，以减少漏磁。本系统所提出的磁耦合结构消除了重叠的DD线圈和Q线圈之间的解耦现象，消除了补偿线圈和发射/接收线圈之间的交叉耦合。
另外，在实际工业应用过程中，底盘的高度通常会随着货物和乘客的总重量而变化。因此，竖直方向的抗偏移设计也是有必要的。将DD线圈竖直安装，利用DD线圈中轴线方向上磁场均匀分布，具有良好的抗偏移能力，实现了y方向的抗偏移设计，如图4所示。
本文采用直径3.4mm的600股的LITZ线制作发射线圈(LP)，采用6.5mm2000股的LITZ线制作接收线圈(LS)和补偿电感器(Lf2)。LP、Lf2、LS的匝数分别为6、4和6。铝板和铁氧体磁芯的厚度分别为2mm和4mm。通过COMSOL仿真软件进行建模，能量线圈在中轴线方向互感变化如图5(a)所示，发射线圈与副边补偿线圈互感变化如图5(b)所示。
图5(a)表示M1的变化(即LP和LS之间的互感)从6.6μH到8.0μH，即-8≤y≤8cm。该区域的最大互感差为1.4μH。图5(b)描述了在充电区域内测量的M2(即LP和Lf2之间的互感)，即(-10cm,0cm)≤(x,y)≤(10cm,8cm)。结果表明，当x＝0时，M2变为0，这也意味着耦合机构对齐。
如图1、图2所示，发射端还包括连接高频逆变器的原边控制器，原边控制器用于在开关S断开时，以恒定相移角δ0控制高频逆变器以使得高频逆变器输出低电压；
接收端还包括连接开关S的副边控制器，副边控制器用于在正式充电前的车辆对位引导阶段断开开关S，并同时实时检测负载RL的电压，在负载RL的电压为0时闭合开关S；
原边控制器还用于在开关S闭合时，在恒流充电阶段，通过实时获取负载RL的电流，以维持负载RL的电流恒定为参考电流ILref为目标，闭环控制高频逆变器的相移角。
在恒流充电阶段，原边控制器最初控制高频逆变器的相移角为初始相移角δC0，然后通过无线通讯模块获取副边控制器检测的负载RL的电流，并将该电流与参考电流ILref作差，将所得电流差值输入PI控制器，由PI控制器根据电流差值计算新的相移角作用于高频逆变器，如此闭环控制高频逆变器的相移角，使得负载RL的电流恒定在参考电流ILref。
当AGV需要充电时，相移角δ首先固定为δ0，通过低密度磁场将少量能量转移到接收机上进行对准引导，从而使线圈对齐，为充电做准备。
为了准确地检测该位置，由副边控制器对输出电压UL进行采样。在UL＝0之前，AGV不会停止调整其位置。换句话说，如果UL＝0，这意味着AGV到达线圈对齐的位置，因为DDQ线圈只有在中心对称是解耦。
然后，副边控制器向原边控制器进行握手。然后，从相移角δC0开始进行CC(恒流)充电。原边控制器通过通讯模块获取IL的信息。通过反馈电流IL与参考ILref之间的误差发送到比例积分(PI)控制器，然后将处理后的结果发送到PSM控制器进行导通角δ计算，以调节输出电流。
本发明提供的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，通过将LCC型的副边补偿网络中的副边补偿电感Lf2设计为与接收线圈LS贴合的Q线圈，并在副边串联补偿电容CS所在串联支路上设计开关S，以及设计发射线圈LP采用第一DD线圈，从而在自动引导车即将到达充电位置时，原边控制器以固定相移角作用于高频逆变器以输出低电压，副边控制器断开开关S，由于DD线圈(指发射线圈LP)与Q线圈(副边补偿电感Lf2)在中心对称(不存在偏移)时会自然解耦，接收端拾取到的电压为零，从而通过检测输出电压即可判断线圈是否对齐。本系统还通过设计原边控制器和副边控制器，进一步在线圈对齐后，通过实时检测流过负载RL的电流，以参考电流ILref为参照，通过PI控制调节作用于高频逆变器的相移角，如此闭环控制高频逆变器的相移角，使得负载RL的电流恒定在参考电流ILref，实现输出电流恒定。在对准引导方面，本系统所有的无源组件都有助于能量传输，这意味着没有额外的组件，如相机、传感器或冗余的传感线圈。对位引导确保了充电的稳定性，有助于高传输效率。另外，耦合机构中的Q线圈Lf2不仅具有对位引导的功能，还是系统的补偿电感，从而高效利用了车辆的空间，降低了成本。整体而言，本系统采用较为简单的设计，实现了对位引导和恒流输出功能，且系统鲁棒性强。
为验证上述效果，本例还对照图1搭建了实验平台，开关频率f＝100kHz。系统参数见下表1。
表1系统参数
当AGV需要充电时，会自动返回充电区域，并且在即将到达充电位置时，原边控制器会以固定导通角输出，由于DD线圈与Q型线圈在中心对称时会自然解耦，所以副边控制器只需要检测输出电压即可判断线圈是否对齐。图6表示了耦合机构偏移距离与输出电压的关系。当x＝0时，则表示耦合机构已对其可进行充电；由于AGV存在载货充电的情况，故考虑了耦合机构纵向偏移与输出电压的关系。由图中可以看出，y方向不同位置的UL变化趋势非常相似，这表明在DD线圈的中轴线上DD线圈和Q型线圈均能自然解耦，进而体现了所提出的线圈对位方法在y方向存在偏移的情况下依然能够适用。
当系统完成线圈对位之后，即此时输出电压为0，原边线圈与副边补偿线圈解耦；下一步进行拓扑切换，图7为拓扑切换过程的系统输出波形。图中1通道波形为逆变输出电压，2通道为逆变输出电流，3通道为输出电压，4通道为输出电流。可以清晰看出，从LCC-S到LCC-LCC补偿拓扑的动态响应。耦合机构对齐时，此时逆变输出恒定，输出电压很小趋近于0；当得到充电指令后，原边开始进行通过输出电压电流进行PID调节，逆变输出逐渐增大，输出电压和电流也逐渐趋近于设定值，直到稳定输出。
图8显示了负载从1.6Ω切换为1.2Ω，再回到1.6Ω时的动态响应。从放大的视图中可以看出，UL从48V变为36V，然后再变为48V。然而，输出电流IL在这期间保持相对稳定，可以视为恒流充电。
图9描述了该系统抗干扰能力的动态响应。可以看出，纵向偏移从0到8，再回到0cm时，即互感M1由8降到6.6，然后回到8μH，输出电压UL和电流IL分别很快被调节到48V和30A，验证了该方法的抗干扰能力。
综上，本文提出了一种适用于AGV的具有对位引导和CC输出能力的强鲁棒性无线充电系统。对位引导确保了充电的稳定性，有助于高传输效率。实验平台实现了输出电压为48V，输出电流为30A并且效率达89.1％。另外，耦合机构中的Q线圈Lf2不仅具有对位引导的功能，还是系统的补偿电感，从而高效利用了车辆的空间，降低了成本。最后，本文进行了负载无关的CC输出和抗干扰试验，验证了系统具有较强的鲁棒性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流电源、高频逆变器、原边谐振网络和发射线圈LP，所述接收端包括顺序连接的接收线圈LS、副边谐振网络、整流滤波电路和负载RL，其特征在于：
所述副边谐振网络包括副边补偿电感Lf2、副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容Cf2，以及连接在所述副边串联补偿电容CS所在串联支路上的开关S；
所述发射线圈LP采用第一DD线圈，所述接收线圈LS采用第二DD线圈，所述副边补偿电感Lf2采用Q线圈，所述第一DD线圈、所述Q线圈、所述第二DD线圈层叠放置，所述第一DD线圈与所述第二DD线圈同向放置；
所述开关S断开时，所述高频逆变器输出低电压，所述副边谐振网络切换至所述副边补偿电感Lf2与所述副边并联补偿电容Cf2工作的S型补偿网络，此时通过检测所述负载RL的电压，调整所述接收端的位置直至所述负载RL的电压为零后闭合所述开关S，此时所述副边谐振网络切换至副边补偿电感Lf2、副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容Cf2工作的LCC型补偿网络，所述高频逆变器输出充电电压。
2.根据权利要求1所述的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，其特征在于：
所述发射端还包括连接所述高频逆变器的原边控制器，所述原边控制器用于在所述开关S断开时，以恒定相移角δ0控制所述高频逆变器以使得所述高频逆变器输出所述低电压；
所述接收端还包括连接所述开关S的副边控制器，所述副边控制器用于在正式充电前的车辆对位引导阶段断开所述开关S，并同时实时检测所述负载RL的电压，在所述负载RL的电压为0时闭合所述开关S；
所述原边控制器还用于在所述开关S闭合时，在恒流充电阶段，通过实时获取所述负载RL的电流，以维持所述负载RL的电流恒定为参考电流ILref为目标，闭环控制所述高频逆变器的相移角。
3.根据权利要求2所述的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，其特征在于：在恒流充电阶段，所述原边控制器最初控制所述高频逆变器的相移角为初始相移角δC0，然后通过无线通讯模块获取所述副边控制器检测的所述负载RL的电流，并将该电流与参考电流ILref作差，将所得电流差值输入PI控制器，由所述PI控制器根据所述电流差值计算新的相移角作用于所述高频逆变器，如此闭环控制所述高频逆变器的相移角，使得所述负载RL的电流恒定在所述参考电流ILref。
4.根据权利要求3所述的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，其特征在于：所述接收线圈LS与所述副边补偿电感Lf2竖直安置于自动引导车的侧面，所述副边补偿电感Lf2位于所述接收线圈LS的中心位置，使得所述接收线圈LS与所述副边补偿电感Lf2整体为横轴纵轴对称结构。
5.根据权利要求2所述的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，其特征在于：所述发射线圈LP中的两个D线圈绕向相反，所述接收线圈LS中的两个D线圈绕向相反。
6.根据权利要求1所述的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，其特征在于：
所述原边谐振网络采用LCC型补偿网络，包括原边补偿电感Lf1、原边并联补偿电容Cf1与原边串联补偿电容CP；
所述高频逆变器采用由4个MOS管组成的全桥逆变器；
所述整流滤波电路包括整流器和滤波电容Cd，所述整流器采用由四个二极管组成的全桥整流器。
7.根据权利要求1所述的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，其特征在于，所述发射端还包括贴合所述发射线圈LP的发射端磁芯，所述接收端还包括贴合所述接收线圈LS的接收端磁芯以及贴合所述接收端磁芯的磁屏蔽板。
8.根据权利要求7所述的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，其特征在于：所述发射线圈LP的尺寸大于所述接收线圈LS的尺寸大于所述副边补偿电感Lf2的尺寸。
9.根据权利要求8所述的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，其特征在于：所述发射线圈LP由直径3.4mm 600股的LITZ线绕制有6匝，所述副边补偿电感Lf2、所述接收线圈LS由直径6.5mm 2000股的LITZ线绕制分别绕制有4匝和6匝。
10.根据权利要求7所述的一种用于自动引导车的抗偏移恒流输出无线充电系统，其特征在于：所述发射端磁芯和所述接收端磁芯采用厚度为4mm的铁氧体磁芯，所述磁屏蔽板采用厚度为2mm的铝板。
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