摘 要

无线能量传输技术可大大减少AGV在电源方面所受的制约，研究无线能量传输技术对AGV的发展大有意义。本文针对一种自动导航小车（Automatic Guidance Vehicle，AGV）的需求，研究并设计给AGV供电的感应电能传输（Inductive Coupled Power Transfer, ICPT）系统。通过论证松耦合变压器原、副边所需采用的补偿方式，选取原边并联、副边串联（Parallel-Series, P-S）电容的补偿拓扑；利用松耦合变压器的互感模型，对P-S补偿方式的电压传输特性进行分析，得出在输入电压恒定的情况下，输出具有恒压特性。

随后，本文对用于驱动P-S补偿拓扑的双电流源型并联谐振逆变电路（Double Current Source Parallel Resonant Inverter, DCSPRI）进行了介绍。分析了DCSPRI的主电路结构，给出了其存在的多个特殊频率点，并且指出了当Q值足够高时，这些特殊频率点趋近于同一个固定的谐振频率的结论。接下来，本文对驱动频率偏离谐振频率（失谐）的状况下的DCSPRI的各个模态进行了分析，指出在失谐状况下开关器件将会承受较大的电流应力。为解决这一问题，本文基于驱动波形与谐振电容电压波形之间的关系，提出了一种基于锁相环的自动频率跟踪控制方法，该方法可以自动调整驱动频率，使得驱动频率等于谐振频率，从而降低开关器件的电流应力，同时实现零电压开通。随后，基于伏秒平衡，对工作于谐振频率、处于稳态情况下DCSPRI的谐振电容两端电压幅值与直流侧电压值之间的关系进行了推导，得出了DCSPRI在直流侧电压恒定的情况下，具有恒定输出电压的特性。

为验证理论的正确性，本文设计并搭建了用于AGV无线供电的实验台架，给出了实验的设计参数和整体的结构框图，并进行实验验证。实验结果表明，系统在恒定电压输入时能够实现恒压输出，实现了能量的无线传输，从而验证了理论与设计方案的正确性与可行性。

关键词：感应电能传输；并联谐振；电流源逆变电路；P-S补偿；无线电能传输

Abstract

This paper presents a design for an ICPT (Inductive Coupled Power Transfer) system for powering the AGV (Automatic Guidance Vehicle). In the beginning, different compensation topologies are discussed. The primary-parallel-secondary-series (P-S) compensation topology is chosen. Next, the P-S compensation topology is analyzed with the mutual inductance model of transformer and is found to have a constant voltage output characteristic under constant input voltage.

Then, the DCSPRI (Double Current Source Parallel Resonant Inverter), which is used for driving the ICPT circuit, is introduced. The main circuit of the DCSPRI is analyzed and the multiple special frequency points of the DCSPRI are given. It is pointed out that as the Q value is high enough, all the special frequency points converge to a fixed resonant frequency. Afterwards, by analyzing serval states of an out-of-resonance DCSPRI, it is found that the current stress of the switching components is high when out-of-resonance. To solve this problem, the relation between the waveform of the driving signal of the switches and the resonant voltage on the primary-side resonant capacitor is obtained. And a PLL-based automatic frequency adjusting circuit that can automatically adjust the driving frequency to the resonant frequency of primary-side parallel resonant tank is proposed, which can reduce the current stress of the switching components and achieve zero voltage switching. Later on, based on the voltage-second balance, the relation between the resonant capacitor voltage and DC side voltage of the DCSPRI is analyzed and it is found that the amplitude of the output voltage is constant under constant DC side voltage.

To verify the correctness of the design, an ICPT system for AGV is designed and constructed. The design parameters and the block diagram of the design are given. An experiment to the prototype is performed, which has verified the correctness of the design.

Key Words：Inductive coupled power transfer; Parallel resonant; Current source inverter; P-S compensation; Wireless power transfer

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 AGV供电系统的研究现状 2

1.2.2无线能量传输的种类的研究现状 2

1.2.3感应耦合电能传输的补偿拓扑的研究现状 3

1.3 本文的研究内容 6

第2章 感应电能传输的补偿拓扑选取与分析 7

2.1 感应电能传输的基本原理 7

2.2 补偿拓扑的选取 7

2.3 原边并联副边串联补偿结构的ICPT特性分析 8

2.4 本章小结 11

第3章 双电流源型并联谐振逆变电路 12

3.1 引言 12

3.2 DCSPRI的主电路结构 12

3.3 DCSPRI的数个特殊频率点 13

3.3.1无阻尼自由振荡频率 13

3.3.2有阻尼自由振荡频率 13

3.3.3最大电感电流频率 14

3.3.4零输入相角频率 14

3.3.5 ZVS频率 14

3.3.6 各特殊频率的共性 14

3.4工作于失谐状态的DCSPRI 15

3.4.1驱动频率低于谐振频率 15

3.4.2驱动频率高于谐振频率 18

3.5 基于锁相环的DCSPRI自动频率跟踪原理 18

3.6 工作于稳态的DCSPRI的谐振电压 22

3.7 本章小结 23

第4章 用于AGV的ICPT无线供电系统的设计 24

4.1 技术要求和系统参数 24

4.2 系统的整体结构设计 24

4.2.1双电流源型并联谐振逆变电路设计 25

4.2.2松耦合变压器结构的设计 25

4.2.3 P-S补偿参数的设计 27

4.2.4输出稳压闭环控制 29

4.3 本章小结 29

第5章 实验与效率分析 30

5.1 实验条件 30

5.2 实验结果 30

5.3 效率分析 32

5.4 本章小结 33

第6章 总结与展望 34

6.1 总结 34

6.2 展望 34

参考文献 35

附录 A 37

附录 B 38

致 谢 39

第1章 绪论

1.1 引言

自动导航小车（Automatic Guidance Vehicle, AGV）是一种能识别并安装规定的路线自动行驶，且具有运载能力、能按照要求识别并运送货物的智能运输车。在仓库管理中，与传统的人工操作的方式相比，AGV的工作效率更高，而且方便通过计算机进行管理和控制，并且不像人工操作那样容易出现错误，AGV的应用大大提高了仓库的自动化程度。因此，AGV被广泛运用于各类中、大型仓库中。

传统的AGV的动力一般来自于可充电的蓄电池，受蓄电池容量及功率的限制，AGV的续航能力不高，其服务范围受到了制约；其功率也不能太高，使其运送货物的能力有所限制；由于AGV的蓄电池处在频繁的充放电中，且蓄电池的循环寿命有限，容易出现老化、容量下降等问题，导致每隔一段时间就需要对蓄电池进行维护或更换，增加了AGV系统的维护成本^[1],[2]；传统的AGV采用接触式充电方式给蓄电池充电，需要通过充电触头与供电系统相连接，经过多次的接触与断开，充电触头容易出现磨损的问题，且由于充电触头需要通过较大的充电电流，其加速了充电触头的老化，因此，充电触头需要经常更换，增加了维护工作的成本^[1],[2]。充电触头与供电系统接触的过程中，可能产生火花，若仓库中存储了易燃易爆物质，则该火花可能会带来安全隐患。以上的种种问题都对AGV的应用产生了制约。

为了解决以上所述的问题，可采用无线能量传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术，其不需要电源与负载之间的导线连接，即可实现将电能从电源侧传输到负载侧，该项技术已在电动汽车的无线充电与无线供电中有了广泛的应用。无线能量传输技术的发展，使得AGV不需要与供电系统存在物理性的接触即可完成对蓄电池的充电，解决了接触式充电方式中存在的种种问题。此外，若使用无线能量传输技术，铺设无线能量传输所需的轨道，对AGV直接进行供电，可以不需要为AGV配备电池，或只配备用于应急情况的较小容量的备用电池。若不配备电池，则从根本上避免了使用蓄电池可能带来的一切问题；若只配备较小容量的备用电池，由于备用电池只在应急情况（即无线能量传输系统故障，不能为AGV供电）下为AGV供电，因此蓄电池不需要频繁的充放电，其容量也不需要很高，因此蓄电池的使用寿命较长，且不需要经常的维护，减少了在蓄电池上的各类开销。综上所述，无线能量传输技术可大大减少AGV在电源方面所受的制约，研究无线能量传输技术对AGV的发展大有意义。