CN209170060U - 物流仓储机器人无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种物流仓储机器人无线充电装置，物流仓储机器人的本体上设有接收线圈，在物流仓储机器人的运行轨道上设有发射线圈；所述发射线圈和所述接收线圈有相同的自谐振频率；所述接收线圈环绕成圆角四方形，位于物流仓储机器人底盘底部；所述发射线圈为多个，沿轨道两侧铺设。本实用新型采用的是无线充电方式对物流仓储机器人进行充电，无需排队等待，可以“边工作边充电”，物流仓储机器人充电时都可随意移动，并且是“一对多”的无线快充，无外接导电点，避免了许多安全事故的发生。
Description
技术领域
本实用新型属于无线电能传输领域，特别涉及应用于物流仓储机器人的一种无线充电装置。
背景技术
在国内仓储领域，数据显示，2016年物流仓储机器人销量接近1500台，占整体物流仓储机器人销量的15％。根据前瞻统计，收益与消费升级和智能制造发展，近年来我国自动化物流装备市场规模快速增长，2016年达到了758亿元，同比增长30.02％，预计2022年将突破2600亿元。物流仓储机器人是实现自动化物流的重要设备之一，未来随着自动化物流的发展，物流仓储机器人的市场潜力巨大，前景将非常光明。
传统物流仓储机器人的充电方式仍然存在缺点和不足：
(1)在现有的传统智能化物流中，物流仓储机器人充电需要根据所编译程序进行排队到指定地点充电或者人为对其充电。
(2)用电安全问题，有线充电存在外接导电点，可能导致接头老化发生漏电、火灾等安全事故。
(3)电池问题，传统智能化物流仓储机器人完全靠电池存储电能，电池体积相对较大，加增了电池对环境的污染，除此之外，电池的使用还会造成火灾，根据数据显示2017年因电池造成的火灾大约占火灾总数的1/3，同样电池也使物流仓储机器人显得更加笨重，工作效率大大降低。
充电自动化和快速化演进契合物流仓储机器人智能化、自动化以及无电池化的发展趋势。随着物流仓储机器人的推广应用，无线充电技术面临着很大的发展需求。
1893年科学家Nikola Tesla在哥伦比亚世博会上首次采用无线电能传输方式，点亮了磷光照明灯，其后，无线电能传输技术在交通领域成为研究热点。1894年M.Hutin获得了一项轨道交通无线充电系统专利。1974年D.V.Otto提出了一种充电电流为2000A，频率为10kHz的电动汽车无线充电系统设计方案。美国劳伦斯伯克利国家实验室在1976年和1992年开展了两项无线充电研究工作，分别测试了功率8kW和60kW的可移动式充电汽车，虽然未能真正商业化应用，但在其后，无线充电技术在汽车行业得到迅速发展。2008年无线充电联盟“Qi”标准的制定，标志着无线充电技术真正进入商业化运营模式
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出一种物流仓储机器人无线充电装置，无需排队等待，无外接导电点，使物流仓储机器人在运输过程中更加轻便灵活。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种物流仓储机器人无线充电装置，物流仓储机器人的本体上设有接收线圈，在物流仓储机器人的运行轨道上设有发射线圈；所述发射线圈和所述接收线圈有相同的自谐振频率；
所述接收线圈环绕成圆角四方形，位于物流仓储机器人底盘底部；所述接收线圈通过整流稳压电路连接至由电池管理电路控制的机器人电池，使电能经整流滤波和稳压调节后再给机器人电池进行充电；
所述发射线圈为多个，沿轨道两侧铺设，所述发射线圈连接电网，所述电网和所述发射线圈之间依次连接有整流滤波电路、高频逆变器、阻抗匹配电路；电网电能经整流滤波和高频逆变后产生高频交流电，再经阻抗匹配送至发射线圈。
进一步的，所述整流稳压电路和所述电池管理电路分别连接至反馈控制电路。
进一步的，所述高频逆变器和所述阻抗匹配电路分别连接至反馈控制电路。
进一步的，所述发射线圈和接收线圈采用平面盘式结构线圈。
进一步的，所述高频逆变器采用E类高频逆变器。
进一步的，所述整流稳压电路采用全桥整流电路，使用LM22626作为稳压模块。
相对于现有技术，本实用新型具有以下优势：
本实用新型采用的是无线充电方式对物流仓储机器人进行充电，无需排队等待，可以“边工作边充电”，物流仓储机器人充电时都可随意移动，并且是“一对多”的无线快充，无外接导电点，避免了许多安全事故的发生。此外，物流仓储机器人采用无线充电可以减小电池体积，用更小的电池就能满足正常工作的需要，减少电池带来的环境污染以及灾害，最终达到“无电池化”的目标；也可以使物流仓储机器人在运输过程中更加轻便灵活，大大提高物流仓储机器人的工作效率，具有很好的基础理论研究意义和实际应用价值。
附图说明
图1是本实用新型的物流仓储机器人无线充电装置原理示意图；
图2是本实用新型的物流仓储机器人无线充电流程示意图；
图3是本实用新型的E类高频逆变器的原理示意图；
图4是本实用新型平面盘式结构线圈的示意图；
图5(a)是整流稳压电路示意图；
图5(b)是整流稳压电路中的稳压电路示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
物流仓储机器人无线充电装置的具体结构如图1所示，主要包括以下几个部分：工频220V交流输入(电网+整流滤波电路)，高频逆变器，发射线圈，接收线圈，高频整流稳压电路，反馈控制电路，设有电池管理电路的物流仓储机器人电池。所述发射线圈为多个，沿物流仓储机器人轨道两侧铺设，所述接收线圈环绕成圆角四方形，位于物流仓储机器人底盘底部。
本实用新型所述物流仓储机器人无线充电装置基本工作原理为磁耦合共振原理，磁耦合共振原理基本过程如图2所示为：系统从电网吸收电能，经整流滤波和高频逆变后产生高频交流电，再经功率放大电路和阻抗匹配电路送至发射线圈，当发射线圈的自谐振频率与系统频率相同时，发射线圈的电流最大，产生的磁场最强；此时接收线圈若有相同的自谐振频率，则会通过磁场产生很强的耦合，从而实现电能的高效传输。接收线圈中的电能经整流滤波和稳压调节电路给负载电池进行充电。同时整个系统通过反馈控制环节来保证系统的稳定性和高效性。
本实用新型中，高频逆变器采用典型的E类高频逆变器，如图3所示，结构简单，理论转换效率为100％，实际可以做到96％左右。开关管T采用MOS管，正常工作时要能工作在软开关状态。L0为大电感，为负载网络提供恒流；C0为包括MOS管的结电容和外加电容，辅助实现谐振，使MOS管零电压开通；C、L和R构成谐振负载网络；
开关管T从关断到开通的过程中，它的漏极电压会随着电容C0和负载网络的瞬变响应而变化。因此定义一个负载阻尼系数QL＝ωL/R，当QL过低时，开关管的漏极电压会在关断时刻还没下降到零，从而会出现大电流和大电压的情况，从而烧坏开关管；当QL过高时，由于负载网络是一个二的系统，会使开关管的漏极电压下摆到负值，从而可能会造成开关管反向击穿。因此QL应取5～10，经过大量实验最终确定最合适的QL值。
无线充电当中最常用的有两种线圈，一种是平面盘式的，一种是空间螺旋式的。其中平面盘式的样例如图4所示，考虑到实际情况，本实用新型采用环绕成圆角四方形的平面盘式结构，主要目的是节省空间，便于安装。
本实用新型设计实验中的线圈与物流仓储小车模型大小相当，尺寸约为20*10(单位：cm)，为了增强发射线圈和接收线圈之间的耦合且便于后面计算，采用两片相同的印刷电路板线圈。
用精密阻抗分析仪测得线圈内阻为1.2Ω，自谐振频率为25MHz，考虑到系统频率为1MHz,因此在线圈一端串联一陶瓷电容，将其谐振频率调到1MHz左右。
由于在动态充电过程中接收线圈的电压波动较大，因此高频整流稳压电路中应选用较宽范围的稳压模块，本装置中采用美国国家半导体公司(NI)生产的稳压器LM22676-5.0，该芯片输入电压范围较大(8V-42V)，输出稳压5.0V，输入电流最大可达3A。
如图5(a)和图5(b)所示，其中接收线圈为RX，采用全桥整流电路，整流二极管型号为1N5819；稳压电路中具体参数为：输入电压Vin为8V-42V，稳压器采用LM22626-5.0，C1＝150uF(电解电容)，C2＝1uF，电压采样电阻R1＝1kΩ，R2＝2.87kΩ，R3＝100kΩ，电感L＝10μH,电容Cb＝10nF，Z为肖特基稳压二极管，稳压值为100V，输出滤波电容Cout＝68μF，负载为物流仓储机器人的驱动电机。
谐振耦合无线电能传输系统存在过耦合、临界耦合和欠耦合三个区域。在过耦合区域，S参数(代表系统传输功率的能力)会出现频率分裂现象，过了临界耦合区域，S参数随着k的减小而指数衰减。
使用S21代表S参数，则：
根据KVL，可得系统的方程：
式中，
解得负载电压VL与电源电压VS比值为：
因此，物流仓储机器人无线供/充电的距离应该设计在临界耦合点处，此时保证物流仓储机器人得到最大的输出功率。或者根据物流仓储机器人底部与地面距离的需要，设计发射和接收线圈的尺寸，同样实现物流仓储机器人最佳的输出功率。
另外，谐振线圈谐振频率的确定目前还没有有效的解析方法来确定，有限元分析则提供了很好的方法。以单个螺旋线圈为例，用HFSS软件仿真得到S参数曲线，根据S参数幅值的最大值可以确定线圈的固有频率。此方法可为本实用新型线圈的设计提供指导，避免通过实验的方法反复测量和设计造成时间的浪费。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种物流仓储机器人无线充电装置，其特征在于，物流仓储机器人的本体上设有接收线圈，在物流仓储机器人的运行轨道上设有发射线圈；所述发射线圈和所述接收线圈有相同的自谐振频率；
所述接收线圈环绕成圆角四方形，位于物流仓储机器人底盘底部；所述接收线圈通过整流稳压电路连接至由电池管理电路控制的机器人电池，使电能经整流滤波和稳压调节后再给机器人电池进行充电；
所述发射线圈为多个，沿轨道两侧铺设，所述发射线圈连接电网，所述电网和所述发射线圈之间依次连接有整流滤波电路、高频逆变器、阻抗匹配电路；电网电能经整流滤波和高频逆变后产生高频交流电，再经阻抗匹配送至发射线圈。
2.根据权利要求1所述的一种物流仓储机器人无线充电装置，其特征在于，所述整流稳压电路和所述电池管理电路分别连接至反馈控制电路。
3.根据权利要求1所述的一种物流仓储机器人无线充电装置，其特征在于，所述高频逆变器和所述阻抗匹配电路分别连接至反馈控制电路。
4.根据权利要求1所述的一种物流仓储机器人无线充电装置，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈采用平面盘式结构线圈。
5.根据权利要求1所述的一种物流仓储机器人无线充电装置，其特征在于，所述高频逆变器采用E类高频逆变器。
6.根据权利要求1所述的一种物流仓储机器人无线充电装置，其特征在于，所述整流稳压电路采用全桥整流电路，使用LM22626作为稳压模块。
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|---|---|---|---|---|
| CN114990954A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-09-02 | 重庆交院和瑞工程检测技术有限公司 | 一种装配式沥青路面 |
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2018
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