蓄電池供電的AGV系統(tǒng)

傳統(tǒng)的AGV系統(tǒng)一般采用在AGV上配備蓄電池構(gòu)筑充電體系，建立充電站，進(jìn)行手動(dòng)接插或在線充電。如圖1所示

 

圖1蓄電池供電的AGV系統(tǒng)

蓄電池供電AGV系統(tǒng)在AGV車體上裝有充電靴，充電站地面設(shè)有充電連接器，AGV在運(yùn)行過程中檢測(cè)到電池容量低于一定的設(shè)定值時(shí)，

AGV管理系統(tǒng)調(diào)度該AGV完成現(xiàn)有搬運(yùn)任務(wù)，自動(dòng)運(yùn)行到充電站進(jìn)行充電。AGV上常用的電池一般有鎳鎘電池、鎳氫電池、鉛酸電池、鋰電池。

鉛酸電池不管是富液動(dòng)力鉛酸電池（電池單元一般為24V，體積較大）還是動(dòng)力循環(huán)閥控密封鉛酸 蓄電池或膠體電池（電池單元一般為12V最大容量200Ah），都更適合小電流慢充慢放的工況，需定期維護(hù)（定期加水、長(zhǎng)時(shí)間不用需要及時(shí)充電）。由于AGV大多數(shù)情況需中速率放電、大電流充電的特點(diǎn)，普通鉛酸電池在AGV系統(tǒng)中用的較少，多用于小載荷、長(zhǎng)時(shí)間工作、長(zhǎng)時(shí)間充電的工況，且對(duì)工作環(huán)境及電池維護(hù)都有較高的要求，低溫下放電能力及充電能力差。市場(chǎng)推出純鉛電池（正極板采用獨(dú)特工藝生產(chǎn)的純鉛板柵，負(fù)極板采用與正極板最佳配比，確保最佳反應(yīng)效率），單體可做到12V190Ah，體積相對(duì)其它電池要小很多，在國(guó)外已有實(shí)際應(yīng)用，純鉛電池可大電流1倍率充放電，遠(yuǎn)高于其他鉛酸電池，雖然低溫性能比其它鉛酸稍好，但也不能實(shí)現(xiàn)低溫下的1倍率充放電，需要有輔助加熱來解決該缺陷。純鉛電池一般不需要做電池的維護(hù)，長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，在使用前需小電流充電來維持電池良好性能?？傊还苁呛畏N鉛酸電池，如果在使用過程中維護(hù)不當(dāng)，如小電流深度放電、補(bǔ)充電不及時(shí)、充電不充足、電池內(nèi)部缺水、長(zhǎng)期擱置等因素，都會(huì)造成蓄電池極板硫化現(xiàn)象，大大縮短蓄電池的使用壽命，維護(hù)繁瑣及容量損失后不易恢復(fù)也是鉛酸電池在AGV系統(tǒng)中不被廣泛應(yīng)用的原因之一。鎳鎘電池和鎳氫電池，單體是1．2V，組成24V系統(tǒng)要20只電池串聯(lián)，兩種電池具有相近的化學(xué)特性，都具有良好的大電流放電特性、耐過充放電能力強(qiáng)、抗惡劣環(huán)境較強(qiáng)，但自放電率較鉛酸電池與鋰電池要大，所以鎳氫鎳鎘電池常時(shí)間不使用，再次重新使用時(shí)，要對(duì)電池進(jìn)行小電流恒流充電。鎳鎘電池可穩(wěn)定工作的溫度范圍較廣，充電約0～45℃，放電約－20～60℃，保存約－30～45℃，平常最好保存于較冷但不潮濕的地方；鎳氫電池的溫度特性好。鑒于鎳鎘電池具有良好的大電流充放電特性、耐過充放電能力強(qiáng)，適應(yīng)AGV快速充電和較大電流放電的要求，曾經(jīng)是應(yīng)用最為廣泛的AGV動(dòng)力電源。在大多數(shù)AGV的應(yīng)用場(chǎng)合，要求AGV工作40～50min，充電8～10min或者沒有搬運(yùn)任務(wù)時(shí)隨時(shí)到充電站充電，來滿足工廠生產(chǎn)節(jié)拍的要求。鎳鎘、鎳氫電池的價(jià)格要高于鉛酸電池。鎳鎘電池最致命的缺點(diǎn)是有記憶效應(yīng)，受“鎘鎳電池”記憶效應(yīng)的影響，鎳鎘電池的定期放電充電管理是必不可少的，在使用上和維護(hù)上較麻煩。同時(shí)，隨著國(guó)家環(huán)保保護(hù)意識(shí)的提高，鎘污染不再被忽視，生產(chǎn)廠家越來越少，成本也越來越高，近幾年鎳鎘電池逐步有被鎳氫電池及鋰電池代替的趨勢(shì)。鎳氫電池不再使用有毒的鎘，可消除重金屬元素對(duì)環(huán)境帶來的污染問題。儲(chǔ)存能力極強(qiáng)。鎳氫電池雖然也有記憶效應(yīng)，相對(duì)于鎳鎘電池而言要小得多，這使鎳氫電池可更方便地使用。鎳氫電池的能量密度是鎳鎘電池1．3～1．4倍，因此在電池容量相等的情況下，比鎳鎘電池的體積更小。同時(shí)鎳氫電池在電化學(xué)特性方面與鎳鎘電池亦基本相似，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)完全可以替代鎳鎘電池，而不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行任何改造。鎳氫電池的缺點(diǎn)是比鎳鎘電池要貴些。鋰電池最早主要應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)，經(jīng)過多年發(fā)展，逐漸走向成熟，而伴隨著技術(shù)進(jìn)步、成本降低，特別是對(duì)綠色新能源的強(qiáng)烈需求，鋰電池市場(chǎng)正在快速成長(zhǎng)，近兩年從安全性能、循環(huán)性能、使用成本等幾個(gè)方面考慮，磷酸鐵鋰及錳酸鋰電池逐步地被嘗試用于AGV系統(tǒng)中，相對(duì)于前面提到的鉛酸電池、鎳鎘鎳氫電池，鋰電池單體3．2（磷酸鐵鋰）或3．7V（錳酸鋰），在輸出同等電壓的情況下使用的單個(gè)電池組合數(shù)目減少，而使成型后的電池重量和體積減小。鋰電池的放電率極低，為2%～5%（月），一個(gè)充滿電的鋰離子電池在常溫下存放半年最少仍舊儲(chǔ)存有70%的電量。鋰電池完全沒有記憶效應(yīng)，在使用上非常方便簡(jiǎn)單，它完全不必理會(huì)殘余電壓多少，直接可進(jìn)行充電，使用維護(hù)方便；磷酸鐵鋰及錳酸鋰電池高能量密度、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng)的特性完全能夠滿足AGV的充放電要求，但鋰電池低溫充放電性能較差，在低溫環(huán)境下使用電池系統(tǒng)需加保溫措施來改善鋰電池的充放電性能。由于鋰電池過充時(shí)過量嵌入的鋰離子會(huì)永久固定于晶格中，無法再釋放，而過放電時(shí)（小于3．0V電壓時(shí)放電），電極脫嵌過多鋰離子，可導(dǎo)致晶格坍塌，都大大地縮短了電池的壽命，所以在AGV系統(tǒng)中要加入電池的管理系（BMS管理系統(tǒng)）來避免過充、過放、過載、過熱。按照充電電池標(biāo)稱的循環(huán)次數(shù)X定義計(jì)算，即電池從滿電狀態(tài)放電20%（80%DOD），后充滿算1個(gè)循環(huán)，經(jīng)過X次循環(huán)之后，電池的容量不得低于初始容量的80%，理論上每種電池的循環(huán)次數(shù)如表1所列。理論上，鋰電池循環(huán)壽命好于鎳鎘鎳氫電池，鎳氫電池好于鎳鎘電池，鎳鎘電池好于純鉛電池，富液動(dòng)力鉛酸電池好于閥控密封鉛酸蓄電池或膠體鉛酸電池。表1

各充電電池循環(huán)次數(shù)
電池種類	循環(huán)次數(shù)80%DOD（次）
富液動(dòng)力鉛酸電池	500
膠體鉛酸電池/閥控密封鉛酸電池	200-300
純鉛電池	500
鎳鉻	800-1000
鎳氫	800-1000
鋰電	大于1000

總之，電池供電的AGV系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)是比較靈活，前期投入較少，缺點(diǎn)是維護(hù)較麻煩，電池壽命到期后需購(gòu)買新的電池組（每2～3年）。

雖然鎳氫電池和鋰電池在性能上要優(yōu)于鎳鎘電池，近幾年鎳鎘電池逐步有被鎳氫電池及鋰電池代替的趨勢(shì)，但在AGV系統(tǒng)上的實(shí)際應(yīng)用不多，使用情況有待驗(yàn)證，從成本上來看，鎳氫電池價(jià)格要高出鎳鎘電池很多，鋰電成本大約是鎳鎘的1/2，磷酸鐵鋰較貴，錳酸鋰較便宜（低于純鉛價(jià)格），鉛酸類電池價(jià)格便宜，但是使用壽命短，對(duì)環(huán)境及使用者要求較高。不管是用哪種電池供電，需根據(jù)不同的使用需求選擇不同種類的電池。

非接觸供電CPS的AGV系統(tǒng)非接觸供電是一種新型的電能傳輸技術(shù)，通過感應(yīng)電磁耦合關(guān)系向負(fù)載提供電。它的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AGV系統(tǒng)主要包括電源控制柜、供電電纜、AGV車載取電板、電容補(bǔ)償（如果AGV的運(yùn)行路線長(zhǎng)度超過一定的長(zhǎng)度，加電容補(bǔ)償整個(gè)電路的電感）。將CPS的變壓器初級(jí)線圈電纜預(yù)埋在AGV行走線路的混凝土地面下，并與電源控制柜相連。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（20kHz），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。

車載取電板（相當(dāng)于次級(jí)線圈）安裝在AGV底部，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。為保證AGV與系統(tǒng)中其它設(shè)備進(jìn)行通訊，還可在AGV運(yùn)行線路上鋪設(shè)漏波電纜，此外，在AGV上還裝有磁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、有序工作。如圖2所示。

 

圖2非接觸供電AGV系統(tǒng)

隨著CPS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)，提供了另外一種AGV動(dòng)力電源解決方案，在某種程度上改善了目前AGV電池供電系統(tǒng)的缺陷。它不但可以為AGV提供動(dòng)力電源和控制電源，也可以為AGV的電池進(jìn)行連續(xù)或定時(shí)充電。

相比較電池供電的AGV系統(tǒng)，CPS非接觸供電系統(tǒng)有自身的優(yōu)勢(shì)。

（1）非接觸供電技術(shù)在項(xiàng)目建設(shè)初始階段一次性施工完成，AGV不用充電，在線工作，省去了購(gòu)買充電機(jī)和預(yù)埋充電站的工作，在運(yùn)行期間無需再次投入，維護(hù)成本低，無需面對(duì)電池回收與節(jié)能減排等難題。

（2）非接觸供電是以感應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，沒有任何物理磨損，無噪音和粉塵，對(duì)環(huán)境無污染。（3）非接觸式供電所取能量是直接利用，效率約在70%～75%，蓄電池效率約為60%～65%。

（4）可工作于潮濕、結(jié)冰、多塵等惡劣環(huán)境。

綜合來看，雖然非接觸供電有上述優(yōu)勢(shì)，但由于非接觸供電受地下供電電纜限制，AGV運(yùn)行路線不能柔性變化，

也不利于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)線路改造，所以并不是所有的AGV系統(tǒng)都適合用非接觸供電。但是，對(duì)于大型的AGV，如汽車行業(yè)、工程機(jī)械行業(yè)的組裝線，AGV的運(yùn)行路線相對(duì)固定、簡(jiǎn)單，如果用電池進(jìn)行供電，電池加上充電站成本非常高，后期的維護(hù)成本很高，用非接觸供電就能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。