AGV供电系统综述*

丁 莹，王小铎，赵 玮，冯作鹏

(机科发展科技股份有限公司，北京 100044)

0 引言

随着自动化技术与人工智能的快速发展，机器人作为最典型的机电一体化数字装备，在人类的生产活动中扮演着越来越重要的角色，作为我国七大战略性新兴产业中“高端装备制造业”的重点发展方向之一，AGV被称做移动搬运机器人，隶属于轮式机器人范畴，是工业机器人的重要分支，随着近年来中国庞大的制造业转型升级，AGV在中国市场上越来越被广泛应用。

AGV作为生产物流自动化输送系统的关键部件，其动力单元和充电系统是保障AGV系统稳定、可靠、高效运行的关键因素。

1 蓄电池供电的AGV系统

传统的AGV系统一般采用在AGV上配备蓄电池构筑充电体系，建立充电站，进行手动接插或在线充电。如图1所示。

图1 蓄电池供电AGV系统

在AGV车体上装有充电靴，充电站地面设有充电连接器，AGV在运行过程中检测到电池容量低于一定的设定值时，AGV管理系统调度该AGV完成现有搬运任务，自动运行到充电站进行充电。

AGV上常用的电池一般有镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂电池。

铅酸电池不管是富液动力铅酸电池(电池单元一般为2 V，体积较大)还是动力循环阀控密封铅酸蓄电池或胶体电池(电池单元一般为12 V最大容量200 Ah)，都更适合小电流慢充慢放的工况，需定期维护(定期加水、长时间不用需要及时充电)。由于AGV大多数情况需中速率放电、大电流充电的特点，普通铅酸电池在AGV系统中用的较少，多用于小载荷、长时间工作、长时间充电的工况，且对工作环境及电池维护都有较高的要求，低温下放电能力及充电能力差。近两年，国外电池厂家推出纯铅电池(正极板采用独特工艺生产的纯铅板栅，负极板采用与正极板最佳配比，确保最佳反应效率)，单体可做到12 V 190 Ah，体积相对其它电池要小很多，在国外已有实际应用，纯铅电池可大电流1倍率充放电，远高于其他铅酸电池，虽然低温性能比其它铅酸稍好，但也不能实现低温下的1倍率充放电，需要有辅助加热来解决该缺陷。纯铅电池一般不需要做电池的维护，长时间不用时，在使用前需小电流充电来维持电池良好性能。

总之，不管是何种铅酸电池，如果在使用过程中维护不当，如小电流深度放电、补充电不及时、充电不充足、电池内部缺水、长期搁置等因素，都会造成蓄电池极板硫化现象，大大缩短蓄电池的使用寿命，维护繁琐及容量损失后不易恢复也是铅酸电池在AGV系统中不被广泛应用的原因之一。

镍镉电池和镍氢电池，单体是1.2 V，组成24 V系统要20只电池串联，两种电池具有相近的化学特性，都具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、抗恶劣环境较强，但自放电率较铅酸电池与锂电池要大，所以镍氢镍镉电池常时间不使用，再次重新使用时，要对电池进行小电流恒流充电。

镍镉电池可稳定工作的温度范围较广，充电约0～45℃，放电约－20～60℃，保存约－30～45℃，平常最好保存于较冷但不潮湿的地方;镍氢电池的温度特性好。

鉴于镍镉电池具有良好的大电流充放电特性、耐过充放电能力强，适应AGV快速充电和较大电流放电的要求，曾经是应用最为广泛的AGV动力电源。在大多数AGV的应用场合，要求AGV工作40～50 min，充电8～10 min或者没有搬运任务时随时到充电站充电，来满足工厂生产节拍的要求。镍镉、镍氢电池的价格要高于铅酸电池。

镍镉电池最致命的缺点是有记忆效应，受“镉镍电池”记忆效应的影响，镍镉电池的定期放电充电管理是必不可少的，在使用上和维护上较麻烦。同时，随着国家环保保护意识的提高，镉污染不再被忽视，生产厂家越来越少，成本也越来越高，近几年镍镉电池逐步有被镍氢电池及锂电池代替的趋势。

镍氢电池不再使用有毒的镉，可消除重金属元素对环境带来的污染问题。储存能力极强。镍氢电池虽然也有记忆效应，相对于镍镉电池而言要小得多，这使镍氢电池可更方便地使用。镍氢电池的能量密度是镍镉电池的1.3～1.4倍，因此在电池容量相等的情况下，比镍镉电池的体积更小。同时镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池亦基本相似，在实际应用时完全可以替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。镍氢电池的缺点是比镍镉电池要贵些。

锂电池最早主要应用于消费电子产品市场，经过多年发展，逐渐走向成熟，而伴随着技术进步、成本降低，特别是对绿色新能源的强烈需求，锂电池市场正在快速成长，近两年从安全性能、循环性能、使用成本等几个方面考虑，磷酸铁锂及锰酸锂电池逐步地被尝试用于AGV系统中，相对于前面提到的铅酸电池、镍镉镍氢电池，锂电池单体3.2(磷酸铁锂)或3.7 V (锰酸锂)，在输出同等电压的情况下使用的单个电池组合数目减少，而使成型后的电池重量和体积减小。锂电池的放电率极低，为2%～5%(月)，一个充满电的锂离子电池在常温下存放半年最少仍旧储存有70%的电量。锂电池完全没有记忆效应，在使用上非常方便简单，它完全不必理会残余电压多少，直接可进行充电，使用维护方便;磷酸铁锂及锰酸锂电池高能量密度、高放电功率、可快速充电且循环寿命长的特性完全能够满足AGV的充放电要求，但锂电池低温充放电性能较差，在低温环境下使用电池系统需加保温措施来改善锂电池的充放电性能。

由于锂电池过充时过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，而过放电时(小于3.0 V电压时放电)，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，都大大地缩短了电池的寿命，所以在AGV系统中要加入电池的管理系统(BMS管理系统)来避免过充、过放、过载、过热。

按照充电电池标称的循环次数X定义计算，即电池从满电状态放电20%(80%DOD)，后充满算1个循环，经过X次循环之后，电池的容量不得低于初始容量的80%，理论上每种电池的循环次数如表1所列。理论上，锂电池循环寿命好于镍镉镍氢电池，镍氢电池好于镍镉电池，镍镉电池好于纯铅电池，富液动力铅酸电池好于阀控密封铅酸蓄电池或胶体铅酸电池。

表1 各充电电池循环次数

总之，电池供电的AGV系统优势是比较灵活，前期投入较少，缺点是维护较麻烦，电池寿命到期后需购买新的电池组(每2～3年)。虽然镍氢电池和锂电池在性能上要优于镍镉电池，近几年镍镉电池逐步有被镍氢电池及锂电池代替的趋势，但在AGV系统上的实际应用不多，使用情况有待验证，从成本上来看，镍氢电池价格要高出镍镉电池很多，锂电成本大约是镍镉的1/2，磷酸铁锂较贵，锰酸锂较便宜(低于纯铅价格)，铅酸类电池价格便宜，但是使用寿命短，对环境及使用者要求较高。不管是用哪种电池供电，需根据不同的使用需求选择不同种类的电池。

2 非接触供电(CPS)的AGV系统

非接触供电是一种新型的电能传输技术，通过感应电磁耦合关系向负载提供电。它的工作原理类似于传统变压器电力传输原理，也是利用磁场耦合进行电能－磁场能－电能的转换和电能的传输。

CPS非接触供电AGV系统主要包括电源控制柜、供电电缆、AGV车载取电板、电容补偿(如果AGV的运行路线长度超过一定的长度，加电容补偿整个电路的电感)。将CPS的变压器初级线圈电缆预埋在AGV行走线路的混凝土地面下，并与电源控制柜相连。电控柜将常规的三相、400 V、50 Hz的交流电转换成单相高次谐波电流(20 kHz)，利用高次谐波电流产生的行波磁场切割次级线圈，在次级线圈感应电动势而实现电能的传输［1］。车载取电板(相当于次级线圈)安装在AGV的底部，经调压电路调压后提供几百伏的直流驱动电压和几十伏的直流控制电压。

为了保证AGV与系统中其它设备进行通讯，还可在AGV运行线路上铺设漏波电缆，此外，在AGV上还装有磁传感器和通讯接收器。磁轨导向传感器用于检测初级电缆的电磁区域，通讯接收器将通讯指令送给AGV控制系统，保证AGV正常、准确、有序地工作。如图2所示。

图2 非接触供电AGV系统

随着CPS非接触供电技术的发展，将CPS非接触供电技术应用于AGV物流运输系统，提供了另外一种AGV动力电源解决方案，在某种程度上改善了目前AGV电池供电系统的缺陷。它不但可以为AGV提供动力电源和控制电源，也可以为AGV的电池进行连续或定时充电。

相比较电池供电的AGV系统，CPS非接触供电系统有自身的优势。

(1)非接触供电技术在项目建设初始阶段一次性施工完成，AGV不用充电，在线工作，省去了购买充电机和预埋充电站的工作，在运行期间无需再次投入，维护成本低，无需面对电池回收与节能减排等难题。

(2)非接触供电是以感应的方式实现能量转换，没有任何物理磨损，无噪音和粉尘，对环境无污染。

(3)非接触式供电所取能量是直接利用，效率约在70%～75%，蓄电池效率约为60%～65%。

(4)可工作于潮湿、结冰、多尘等恶劣环境。

综合来看，虽然非接触供电有上述优势，但由于非接触供电受地下供电电缆限制，AGV运行路线不能柔性变化，也不利于进行现场线路改造，所以并不是所有的AGV系统都适合用非接触供电。但是，对于大型的AGV，如汽车行业、工程机械行业的组装线，AGV的运行路线相对固定、简单，如果用电池进行供电，电池加上充电站成本非常高，后期的维护成本很高，用非接触供电就能体现出它的优势。

3 超级电容供电的AGV系统

超级电容器(Supercapacitor，ultracapacitor)是从20世纪70、80年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源。19世纪随着计算机的发明，超级电容主要作为集成电路、微处理器的备用电源，进入90年代后，人们开始考虑利用超级电容的特性达到满足机动车辆引擎的快速反应能力，延长蓄电池使用寿命为目的或将超级电容与蓄电池组成混合动力系统，蓄电池作为主能源提供最佳的续驶里程，而超级电容作为辅助能源在加速和爬坡时提供短时的辅助动力。

超级电容有以下特点:

①充电速度快，充电10～600 s可达到其额定容量的95%以上;使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”。

②大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%。

③功率密度高，可达300～5000 W/kg，相当于电池的5～10倍。

④产品原材料构成、生产、使用、储存及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。

⑤充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护。

⑥超低温特性好，温度范围宽－40～70℃。

尽管超级电容器已发展多年，超级电容与电池相比有以上若干优势，但一直以来由于超级电容器的研发工作一直笼罩在电池(主要为镍氢电池、锂电池)的阴影之下。镍氢电池和锂电池的开发可获得来自政府和大投资商的巨额资金支持，技术交流获得极大推动，相比之下，超级电容器却很难得到雄厚的资金支持，技术的进步和发展也就受到很大程度地制约。另外，超级电容器成本高、能量密度低的现状也与锂电池形成鲜明对比，这使它在很多领域备受冷落，在实际应用上却总被电池取代。

近年来，随着新能源行业尤其是新能源汽车行业的飞速发展及超级电容器在技术上的不断突破，作为核心动力储能设备的超级电容器也步入高速发展的阶段。TESLA(被称为”电动车中的苹果”)首席执行官Elon Musk早在2011年就表示，传统电动汽车的电池已经过时，未来以超级电容器为动力系统的新型汽车将取而代之。

超级电容也是近两年开始尝试用于AGV自动导引车上，如美国IOXUS公司在2012年宣布提供AGV自动导引车应用的薄膜电池超级电容模块(THiNCAPTMIMODTM)并且提供成套的AGV系统解决方案，如图3所示。

图3 超级电容供电AGV系统解决方案

如果用传统的电池作为AGV的动力电源，在系统中需在主路线之外建充电站，当电池容量低于一定值时，AGV去充电站进行自动或手动充电，根据电池消耗的容量多少及能够接受的充电倍率决定充电所需的时间，如果改用超级电容作为动力电源，由于AGV的取、卸货站台是固定的，将充电站可设置在取货站台或卸货站台上，根据超级电容特性，通常能够在很短的时间内完成充电，所以，AGV进行取卸货操作时同时可完成充电操作。

超级电容最大缺点是其较低的能量密度导致同等重量下储能量较低，如果想要象电池与非接触供电能够提供相对持久的能量，那么高额的成本几乎是电池供电系统的10倍以上，几乎是不现实的，所以，目前超级电容多用轻载、简单、取卸货站台相对固定的AGV系统中，如上述汽车装配线，或者也可采用混合动力，即超级电容与电池相结合的方案，电池提供AGV启动后的平稳运行的动力，超级电容提供电机启动或取卸货时大电流放电的动力。尽管超级电容器的制作成本每年都在以低于10%的比例减少，但是排除其它原因，高额的前期投入成本也是客户不得不考虑的因素之一，如果将超级电容器当前的制造成本降低50%同时在技术上一旦取得突破，将可对新能源产业的发展产生极大的推动力。

4 结语

综上所述如果AGV系统动力电源选用电池，锂电池作为AGV用动力电源将是未来发展的趋势。但充电站建设、电池的维护、更换都涉及到不断地成本投入，且电池也不是环保的产品。CPS非接触供电和超级电容是一次性的投资，一次性投入较高，但从长期考虑，这些成本实际上是可抵消的，长期的生产过程中可节约相当可观的成本。同时，相比于蓄电池供电的AGV，CPS非接触供电和超级电容可使车体更加紧凑、自重降低，减少能量需求。再有，使用电池在充电过程中也需要时间，所以，有时需增加AGV数量替换充电来满足工作节拍，而非接触供电和超级电容供电的AGV系统因为可以实时在线充电或在取、卸货的过程中进行充电，使得所需AGV的数量变少了，价格也不会上升很多，这种方式在国内正逐步被接受。

总之，在AGV系统中如何选用动力电源并不是简单的谁替代谁的问题，每种动力源都有各自的优势与缺陷，要结合项目整体进行选择。

［1］ 法勒移动供电贸易(上海)有限公司.非接触供电系统在物流领域的应用［J］.物流技术与应用，2007(4):100－101.