摘要：CPS非接觸供電系統(tǒng)是現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)發(fā)展的一項(xiàng)重大突破。本文介紹了AGV工作電源的現(xiàn)狀，CPS非接觸供電系統(tǒng)工作原理和優(yōu)點(diǎn)，對(duì)CPS非接觸供電系統(tǒng)在AGV現(xiàn)代物流中的具體應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并對(duì)CPS應(yīng)用前景提出了預(yù)測(cè)。
　　一、 AGV工作電源現(xiàn)狀
　　隨著我國(guó)物流業(yè)的快速發(fā)展，大型物流倉(cāng)儲(chǔ)基地的規(guī)模越來越大，其自動(dòng)化和智能化程度越來越高，采用自動(dòng)導(dǎo)引小車AGV（Automatic Guided Vehicle）進(jìn)行物流傳輸已成為當(dāng)今自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中物流傳輸?shù)闹饕较颉Ｗ詣?dòng)導(dǎo)引小車AGV早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始在工業(yè)領(lǐng)域使用，進(jìn)入90年代，AGV已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化和柔性化，其實(shí)現(xiàn)的主要功能是在計(jì)算機(jī)和局域網(wǎng)的控制下，經(jīng)過磁場(chǎng)、激光等導(dǎo)向裝置引導(dǎo)并沿程序設(shè)定的路徑進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，具有小車編程與停車選擇裝置、安全保護(hù)以及各種移載功能。它為現(xiàn)代制造業(yè)物流提供了一種高度柔性化和自動(dòng)化的運(yùn)輸方式。
　　傳統(tǒng)的AGV是以電池為動(dòng)力，裝有非接觸導(dǎo)向裝置和獨(dú)立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動(dòng)運(yùn)輸車。由于采用電池供電，因此，傳統(tǒng)的AGV的功率和行駛距離受到極大的限制，AGV的利用率也不高。為了提高AGV的利用率，就必須對(duì)AGV的電池進(jìn)行經(jīng)常性的充電。為了保證AGV 在生產(chǎn)線上不用移出生產(chǎn)過程就可以完成充電，必須在安裝整個(gè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)中，在允許 AGV暫停的地方（比如分段運(yùn)輸區(qū)，轉(zhuǎn)向區(qū)，裝載停止區(qū)等）設(shè)置并安裝電池充電站，定時(shí)定點(diǎn)對(duì)AGV進(jìn)行充電。電池充電站由基板和集電器組成，基板安裝在板上或者用支架側(cè)裝在 AGV 運(yùn)行軌道的旁邊，集電器則安裝在AGV上。充電器給基板提供電流，一旦 AGV 行駛到充電位，車輛上的集電器就與充電基板相接觸，就會(huì)對(duì) AGV 進(jìn)行充電。隨著功能強(qiáng)大的電池的發(fā)展，能夠允許電池在幾秒鐘內(nèi)進(jìn)行快速充電，這一技術(shù)使得 AGV 在生產(chǎn)線上不用移出生產(chǎn)過程就可以完成充電。AGV車動(dòng)力電源一般配用的是傳統(tǒng)的“高倍率開口鎘鎳電池”，以適應(yīng)其快速充電和較大電流放電的要求。但受“鎘鎳電池”記憶效應(yīng)的影響，使用、維護(hù)比較麻煩。同時(shí)由于“鎘鎳電池”中鎘的污染，不適應(yīng)環(huán)保的要求。此外，充電站數(shù)量的增多，也增加了AGV運(yùn)輸系統(tǒng)的總建設(shè)成本。
　　隨著CPS（Contactless Power System）非接觸供電技術(shù)的發(fā)展，將CPS非接觸供電技術(shù)應(yīng)用于AGV物流運(yùn)輸系統(tǒng)，將極大改善目前AGV供電系統(tǒng)的缺陷。這種供電系統(tǒng)可以在AGV不帶電池的情況下為小車提供驅(qū)動(dòng)電源和控制電源，也可以在不設(shè)充電站的情況下為AGV的電池進(jìn)行連續(xù)或定時(shí)充電。
　　二、 CPS非接觸供電系統(tǒng)工作原理
　　1.CPS非接觸供電系統(tǒng)工作原理
　　CPS非接觸供電系統(tǒng)是一種通過非機(jī)械接觸的方式進(jìn)行電力和信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)。其工作原理類似于傳統(tǒng)變壓器電力傳輸原理，也是利用磁場(chǎng)耦合進(jìn)行電能-磁場(chǎng)能-電能的轉(zhuǎn)換和電能的傳輸。CPS非接觸供電系統(tǒng)的變壓器結(jié)構(gòu)和組成原理如圖1，與傳統(tǒng)的電力變壓器結(jié)構(gòu)相比，CPS非接觸供電系
　　圖1 CPS非接觸供電系統(tǒng)的組成原理圖
　　統(tǒng)的變壓器采用一個(gè)開放式的鐵芯，變壓器初級(jí)線圈為單圈，并延伸為一個(gè)很長(zhǎng)的回路，變壓器次級(jí)線圈則纏繞在一個(gè)開放的磁鐵上，并圍繞著變壓器初級(jí)線圈。變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間可以相互移動(dòng)，構(gòu)成一種開放式電磁耦合系統(tǒng)。變壓器初級(jí)線圈為電源輸入端，由電源控制柜提供電能，變壓器次級(jí)線圈為電源輸出端，為AGV提供幾百伏的驅(qū)動(dòng)電壓和幾十伏的控制電壓，保證AGV的正常工作。二者流通的都是交流電流。
　　為了保證CPS非接觸供電系統(tǒng)傳輸性能能夠達(dá)到最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸，為初級(jí)線圈提供電能的電控柜將常規(guī)的三相、400V、50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成單相高次諧波電流，利用高次諧波電流產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)切割次級(jí)線圈，在次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。高次諧波電流的幅值和頻率要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)象來合理選擇。
2.CPS非接觸供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
　　（1） 幾乎100%免維護(hù)，無需電池，可以在低成本維護(hù)的情況下發(fā)揮設(shè)備的功能；
　　（2） 適用于復(fù)雜的磁軌布局；
　?。?） 對(duì)設(shè)備行走速度和加速度沒有限制；
　?。?） 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)集成在初級(jí)電纜中，無需另外裝設(shè)通訊線；
　?。?） 無噪音和粉塵，對(duì)環(huán)境無污染；
　　（6） 可工作于潮濕、結(jié)冰、多塵等惡劣環(huán)境。
　　三、 CPS非接觸供電系統(tǒng)在AGV中的應(yīng)用
　　1.CPS對(duì)AGV供電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　CPS非接觸供電系統(tǒng)對(duì)AGV供電原理如圖2所示。系統(tǒng)主要包括電源控制柜、CPS的變壓器初級(jí)線圈電纜、AGV導(dǎo)軌、AGV小車等環(huán)節(jié)。將CPS的變壓器初級(jí)線圈電纜安裝在AGV預(yù)先設(shè)計(jì)行走線路的導(dǎo)軌里面，并與電源控制柜相連。AGV導(dǎo)軌一般埋在地下或垂直沿墻敷設(shè)。電源控制柜由市網(wǎng)三相、400V、50Hz的交流電源提供輸入電壓和電流。CPS非接觸供電系統(tǒng)的變壓器開放式鐵芯一般由AGV地面行走導(dǎo)軌構(gòu)成或者與次級(jí)線圈（集電器）結(jié)合在一起安裝在AGV的底部。AGV的電源由次級(jí)線圈（集電器）提供。　　
　　圖2 CPS對(duì)AGV供電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　　2. CPS對(duì)AGV供電的工作原理
　　CPS非接觸供電系統(tǒng)首先是由專門的電控柜為CPS非接觸供電系統(tǒng)的變壓器初級(jí)線圈提供單相高次諧波電流，以保證CPS非接觸供電系統(tǒng)電能傳輸性能能夠達(dá)到最優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)低損耗電能傳輸。變壓器初級(jí)線圈流過的高次諧波電流將產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)，通過磁軌的導(dǎo)磁作用，行波磁場(chǎng)對(duì)CPS的變壓器次級(jí)線圈進(jìn)行切割，于是在次級(jí)線圈中就感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電壓），感應(yīng)電壓再經(jīng)過AGV中的整流和調(diào)壓電路的整流調(diào)壓后，變?yōu)橹绷麟娫?，為AGV提供幾百伏的直流驅(qū)動(dòng)電壓和幾十伏的直流控制電壓，從而有效地保證了AGV正常工作所需的電源。
　　為了給CPS非接觸供電系統(tǒng)的初級(jí)線圈電纜提供單相高次諧波電流，電控柜必需對(duì)市網(wǎng)三相、400V、50Hz的交流輸入電壓進(jìn)行過濾、整流、變級(jí)、變壓以及開關(guān)補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)后才能提供。一個(gè)電控柜中基本集成了這五個(gè)環(huán)節(jié)的電路。AGV集電器一般采用平板型集電器或緊湊型集電器作為初始電源，經(jīng)調(diào)壓電路調(diào)壓后提供幾百伏的直流驅(qū)動(dòng)電壓和幾十伏的直流控制電壓。此外，為了保證AGV行駛的方向性和通訊，在AGV上還必須安裝磁軌導(dǎo)向傳感器和通訊接收器。磁軌導(dǎo)向傳感器用于檢測(cè)初級(jí)電纜的電磁區(qū)域，通訊接收器將通訊指令送給AGV控制系統(tǒng)，保證AGV正常、準(zhǔn)確、有序地工作。以德國(guó)VAHLE公司生產(chǎn)的AGV為例，CPS非接觸供電系統(tǒng)的變壓器初級(jí)線圈電纜中流動(dòng)的是70A、20KHz的高頻諧波電流，集電器經(jīng)整流調(diào)壓后提供24-48-560V范圍的三種等級(jí)輸出電壓。為了保證AGV行駛方向的正確性，在AGV的底部還安裝了一個(gè)磁軌導(dǎo)向傳感器，用于檢測(cè)初級(jí)電纜的電磁區(qū)域，在彎道和軌跡轉(zhuǎn)換處同樣適用，從而對(duì)車輛行駛能夠進(jìn)行有效地控制。
　　四、 結(jié)束語(yǔ)
　　CPS非接觸供電系統(tǒng)是現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)發(fā)展的一項(xiàng)重大突破。隨著CPS非接觸供電技術(shù)的日益發(fā)展和完善，CPS已廣泛應(yīng)用于AGV、起重機(jī)和EMS單軌輸送物流系統(tǒng)中，也可用于空中單軌輸送系統(tǒng)。目前，CPS非接觸供電系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，并取得了較好的效果。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的快速提升，相信在不久的將來，CPS將會(huì)在我國(guó)自動(dòng)化各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
作者單位：張興旺，南昌工程學(xué)院教務(wù)處；劉志明，南昌工程學(xué)院電氣與電子工程系。