基于淺充淺放策略的AGV循環充電裝置研究與設計

孫琦

摘要：本文以自動化碼頭集裝箱自動導引運輸車（AGV）自動充電系統為研究對象，根據淺充淺放的循環充電原則，分析現有充電系統取電裝置存在的問題，在研究國內外各種現存方案的基礎上，設計一套原理簡單、應用可靠、易于維修保養、更適應于自動化碼頭AGV工作環境和作業要求的充電系統及取電裝置。

Abstract： This paper takes the automatic charging system of automatic container guided transport vehicle （AGV） in the automatic terminal as the research object. According to the cycle charging principle of shallow charging and shallow discharge， this paper analyzes the problems existing in the power collection device of the existing charging system. Based on the study of various existing schemes at home and abroad， this paper designs a set of charging system with simple principle， reliable application， easy maintenance The charging system power taking device is more suitable for the working environment and operation requirements of the automatic wharf.

關鍵詞：AGV;循環充電;取電裝置

Key words： AGV;cyclic charging;power taking device

中圖分類號：TP271+.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0229-04

1 ?研究背景

近年來，隨著集裝箱自動化碼頭建設的興起和發展，自動化裝卸和搬運設備得到了越來越廣泛的應用，在碼頭水平運輸系統中，傳統的集卡已經逐漸被集裝箱自動導引運輸車（簡稱AGV，以下都使用此簡稱）取代。目前主流的AGV采用電力驅動，電源的管理和電池的充電技術直接決定著整個系統性能的好壞。

國內外集裝箱自動化碼頭使用的AGV，一般采用電力驅動并以可充電的蓄電池為其動力來源，在續航方面基本采用充電和換電兩種方式。換電需要建立專用換電站采用專用機器更換電池，需專門人員進行操作和維護并需要配備更多電池，增加了投入，所以在建的自動化碼頭基本都選擇采用充電模式。充電模式又有離線充電和在線充電兩種：前者是指充電時需要將AGV駛入固定的充電樁進行充電，此時AGV不能工作，需要專門的充電時間，這種方式使得AGV配比增加，同樣提高了成本;后者是利用AGV往復工作過程中暫時停留再某些工位或者特殊位置的時間反復進行充電，它不需要AGV偏離其工作線路，也不需要專門的時間進行充電，是一種短時循環充電的模式，這樣能夠省去頻繁地更換電池或離線充電的步驟，大大減少AGV數量，并且“淺充淺放”的充放電方式也更有利于延長AGV所使用的電池的壽命，因為AGV是循環往復的在工位上短時充電，這種充電方式又稱為“循環充電”方式。

例如山東港口集團某自動化碼頭目前采用“滑觸式充電”模式，在AGV上設計安裝專門用于充電的電刷機構，稱之為“取電小車”。當AGV進入充電工位（一般處于取箱或放箱的工序），“取電小車”自動伸出，電刷接觸充電銅排線，AGV可以在行進的同時進行充電，這個過程大約會持續幾分鐘到十幾分鐘不等。當AGV離開充電工位后，“取電小車”自動收進車輛內部。這種系統的設計，無需建立大型充電站和換電站，在成本和效率方面具有相當的優勢。但是AGV如果要想可靠運行，其充電系統的對接取電、動態充電、安全可靠成為要解決的三個關鍵問題。

2 ?現有循環充電裝置存在問題

根據對國內港口自動化碼頭AGV充電設備的調查，目前循環充電系統多采用受電器-滑觸式充電模式，雖然能夠滿足短時頻繁充電，淺充淺放和車輛行進中充電裝置的結合與分離要求，但是其充電系統，尤其是取點裝置方面也暴露出一些問題或缺陷，主要集中在：

①采用的是400V級的工頻三相交流電，電壓不高，因此造成短時充電電流較大（電流太小影響效率），均充電流達到200A，頂升時可達400A以上，AGV移動過程中充電，滑觸線與銅質電刷摩擦，接觸面難完全緊固，加上線路電流過大，容易造成銅質電刷與滑觸線之間打火、拉弧和燒蝕，進而影響導電性能，尤其是在初期接觸瞬間和處于頂升（利用液壓系統將集裝箱頂起放至伴侶上）位置段，現象更加明顯;

②取電小車本身設計問題，結構設計較為復雜，采用四連桿機構原理雖然簡單，但是伸出方向垂直于滑動摩擦受力方向，長時間容易造成變形;

③取電小車為保證滑觸線有效接觸，需要相當的彈力壓緊，又由于線路承載電流大，就要求銅質電刷多，刷架的排列整齊度，一致性等方面要求很高，實際應用中卻因為加工精度，受力碰撞及支架、刷架材質等問題，造成刷架變形、位移，電刷位置錯亂，甚至機構損壞的現象;

④取電小車位置沒有保護，如果發生碰撞，不能停車也沒有報警;

⑤取電小車需收回，外側還需配有卷簾門遮擋，增加了機構復雜度，故障點增加，維護工作量增加;

⑥滑觸線裸露易造成氧化生銹，受潮濕、雨天、雪天等影響，尤其冬天室外溫度過低，為融雪融冰和提高導電率，還必須要附加加熱線加溫;

⑦取電小車與充電滑觸線的接觸導引問題，因車輛導航精度和車載重量影響，取電小車位置變動范圍較大，在進入滑觸道之前，需要增加導引裝置，由于取電小車機械結構和自身重量，在導引時不能很好的避免碰撞，導引過程沒有保護，碰撞嚴重造成機構損壞時不能及時停車或報警?；|方式充電，容易造成拉弧打火。

由以上分析可見，AGV充電系統在對接取電、動態充電、安全可靠這三個關鍵問題上還需要進一步改善和優化。

3 ?循環充電系統及裝置設計

3.1 循環充電系統設計

針對上述問題，首先應改變傳統的三相四線制充電方式，減少充電線和充電極的種類和數量，由于AGV本身使用直流電池組作為動力，因此可以先將三相交流電進行整流，直接采用“交-直”充電方式，從而去掉AGV中整流器相關設備。工作原理為：AGV由機載PLC控制，充電小車和充電柜一側由場地PLC控制，機載PLC通過無線通訊方式與充電機柜側場地PLC進行數據傳輸。當AGV進入充電位置后，PLC根據水平測距傳感器和垂直測距傳感器反饋的信號，通過程序運行計算出取電小車（取電裝置）水平和垂直定位應達到的位置，并轉換成步進電機的轉數，控制電機驅動螺紋螺桿機構轉動，從而使充電極達到準確位置。然后AGV繼續前行，AGV車底的受電極與充電極接觸后電磁鐵得電，使充電極和受電極牢牢吸合在一起。系統機構整體設計如圖1，電路原理如圖2所示。

3.2 循環充電裝置設計

循環充電系統中的關鍵是取電裝置和自動對位裝置的設計。系統由AGV（自動導引車）、AGV端、PLC控制系統、傳感器測距系統、取電小車定位裝置、拖鏈與導纜機構機構、充電系統（充電機柜）組成。取電小車裝置由基座、水平自動定位機構和垂直定位機構組成。水平定位機構由螺紋螺桿機構和水平定位步進電機組成，水平定位步進電機受PLC控制，通過步進電機驅動螺桿轉動從而控制充電極水平運動;垂直定位機構由螺紋螺桿機構和垂直定位步進電機組成，垂直定位步進電機受PLC控制，通過步進電機驅動螺桿轉動從而控制充電極垂直運動。AGV受電裝置設計如圖3所示，AGV取電裝置（充電端）如圖4所示。

3.3 保護策略與安全控制

保護機構具有漏電保護、短路保護、過流、過壓、欠壓保護等保護功能，除短路和漏電保護外，其他保護功能通過充電控制器控制接觸器實現，以實現自恢復;短路和漏電保護選用帶漏電保護的微型斷路器實現。充電系統具備急停按鈕，以便在緊急情況時能夠強行終止充電。故障判斷系統能夠判斷對位是否準確、充電是否異常等情況，當檢測到故障時即可發出停機指令，充電系統停止充電，AGV停車。漏電保護斷路器可保證在充電過程中發生漏電等緊急故障情況下停止充電。當發生意外狀況需要緊急停止充電時，可以通過急停按鈕來中斷充電。對于充電時AGV不斷運動的狀態可能帶來的故障或損壞，有針對性的設計了保護電路，保護原理為：當AGV行進時，支撐彈片有一定彈力，能夠支撐充電小車裝置，跟隨AGV運動，當出現卡阻等故障時，觸發安全限位動作，發出信號給PLC1，PLC1控制AGV停車并報警。安全限位與支撐彈片位置見圖4，程序流程見圖5。

4 ?技術創新點

與目前現有技術相比，本設計的創新點主要有以下幾個方面：

4.1 取電裝置與充電裝置的優化設計

在保持AGV“在線-循環”充電的運行模式不變的前提下，改變充電裝置和受電裝置結合的方式，變現有方式的側方向受力為與AGV行進方向一致，受力更加科學合理，同時因為取電裝置在AGV車底部，不需要專門設計防護裝置和伸出-縮回裝置，大大簡化了機構的復雜程度和運行時的步驟，減少了故障的發生幾率，受雨雪冰凍等惡劣天氣的影響度也因此減小;利用技術上已經成熟的拖鏈機構替代滑觸機構，摒棄了滑觸帶來的一系列弊端，提高了系統的可靠性，減少了故障率。

4.2 取電裝置的隨動控制設計

基于PLC控制的激光測距傳感器和步進定位系統使充電裝置和受電裝置對位更加準確，對機械裝置的沖擊大大減小，也保證受電極和充電極接觸面積足夠，非常適合大電流充電要求。

4.3 充電過程的磁吸與釋放設計

設計了對位以后的檢測和磁吸機構，進一步保證對位準確，當有故障時能夠及時報警和停機保護。隨后的磁吸能夠使充電裝置和受電裝置接觸更加緊密牢固，結合和分離方式更加可靠和安全，不會產生大電弧，也降低了發熱量，減少充電極和受電極受熱、氧化變質的幾率。

4.4 全面與可靠的保護

在設計時，充分考慮應對各種異常情況，加入的諸如對位檢測、過流檢測、彈力限位、急停開關等保護元件及相應的措施，使系統整體安全、穩定、故障率降低，減少維護工作量，控制初期建設成本，節省后期使用維修時間和成本，使經濟效益顯著提高。

5 ?應用效果分析

隨著我國經濟社會的發展，用工荒及人工成本上升趨勢不減，AGV在自動化碼頭集裝箱運輸中的作用越來越重要，因此AGV在當代物流運輸等行業中的應用會越來越廣泛，在中大型的制造業企業和服務行業都會應用AGV來進行搬運作業，自動化功能比較普遍的場所運用收益更為顯著。根據某數據研究中心發布的《2021-2027年中國移動機器人（AGV）市場分析與市場全景評估報告》對中國移動機器人（AGV）行業發展趨勢的分析，預測AGV在十四五期間會有高于200%的總增長率。

比較現有碼頭AGV充電系統，本文設計的充電裝置大大降低了機械結構的復雜程度和運動難度，從而使成本降低50%以上;使用拖鏈系統并設計了全面可靠保護，大大提升了系統的可靠性，使維護維修難度降低，故障率降低，因此維護維修的成本也大大降低。

經調查，目前使用的AGV充電系統裝置，僅取電小車一項，造價就高達10萬元左右，而本項研究設計的取電裝置，批量生產成本不足5萬元，可節省成本50%以上。按照目前自動化碼頭1個泊位，配置15～18臺AGV計算，僅此一項就可以節省設備成本75～90萬元。設計的實驗樣機經試驗測試，取得連續運行60天，循環充電1000次無故障的記錄，與原系統相比較，可使AGV循環充電過程整體故障率大幅下降，同時可以節約大量維修和維護工時，從而節約了勞動力，大幅降低維護維修成本。

6 ?問題與展望

本文的設計保持了AGV離線-循環充電的運行模式不變，只是改變充電系統和充電裝置與受電裝置結合方式，便于設計制造，對于現有的系統，亦可以以較低的成本進行改造，因此應用場合廣泛，推廣前景較為可觀，以后在自動化碼頭等類似的場所將會有更大的作用與發展。但是受試驗條件和場地限制，相關設計處于模型設計驗證階段，并只在室內環境下進行試驗和測試，對于是否能夠適應露天情況的氣候變化和惡劣天氣，尚未得到足夠的數據，因此后續的設計工作可以針對復雜的室外環境，例如雨雪天氣、冰凍雷擊、粉塵潮濕等等，圍繞如何在以上環境中正常運行展開更多的研究。

另外隨著無線充電技術的發展，研究用非接觸式充電方式替代接觸式方式，也成為當前的熱門課題，非接觸式充電裝置不要求充電極和受電極緊密接觸，甚至不需要二者有連接，其最大的優勢在于可以在車輛運行路線上直接安裝非接觸式的充電裝置，便可直接對車輛進行充電，應用于港口AGV上，可以大大提升作業效率，非常適合本文涉及的不間斷運行情況下的“淺充淺放、隨用隨充”的循環充電模式。但是，目前的無線充電技術存在電力傳輸的效率低，最大功率受限，建設成本和后期維護成本都較高的缺點，因此應用在碼頭AGV這種大功率設備上還存在一定的局限性，如果后期技術發展能夠解決上述問題，則應用前景十分廣闊。

7 ?結語

本文提出了AGV循環充電裝置設計思路，針對自動化碼頭AGV充電過程中出現的問題，通過科學合理設計，建立了一套自動檢測、自動對位、自動充電的裝置和系統，解決了充電裝置對位困難，容易發生碰撞導致設備損壞的問題;解決了現有AGV滑觸式充電帶來的電刷與滑觸線之間打火、拉弧和燒蝕等問題;將充電線路由原來的4根改成2根，解決了現有AGV三相四線充電線路過多而引起的系統復雜、故障多的問題，通過對現有充電系統的比較，本裝置是一種更加科學和有效的裝置，具有較好的性能和應用前景。

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