机器人无线充电电路设计研究

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摘要：传统机器人充电采用插拔式的充电方式，但由于多次的插拔导致接触的磨损而接触不良，造成机器人无法正常充电。本文针对机器人充电的特性研究一种基于单管耦合式的无线充电系统，利用单个开关管实现逆变，再经过耦合变压器将能量传输至副边再整流输出为机器人充电。本文对机器人无线充电系统进行了设计，分析了单管逆变器的工作模态，对单管逆变补偿网络进行了设计。

关键词：智能高铁；巡检机器人；无线充电；单管逆变

1无线充电技术概况

目前的常用无线传能技术有感应耦合式、磁共振耦合式、电磁共振式等[1]。感应耦合电能传输技术（InductivelyCoupledPowerTransmission，ICPT）是一种基于松耦合变压器结构的无线传能技术，其工作频率为10kHz-50kHz，具有电磁辐射小的特点，在距离较短时可实现高效率大功率能量传输，当距离增加时，其传输功率和传输效率迅速降低[2]。因此，应用感应耦合传能技术传输距离一般不超过10cm。磁共振耦合无线传能技术利用电磁共振，通过两个线圈的共振从而实现能量传输，其功率一般为几千瓦，工作频率（100kHz-50MHz）高于感应式无线传能，传输距离在10米以内。电磁共振式无线传能具有方向性，适用于中等距离的无线传输。作为目前的研究热点，感应式无线充电常用的电路拓扑包括全桥逆变，半桥逆变，推挽逆变，而传统的单管电路拓扑只在充电或放电过程中传能，如单端正激电路、单端反激电路，效率较低[3]。国内高校研究的无线充电拓扑主要包括推挽型、半桥型及全桥型，2013年青岛大学率先开始单管拓扑的无线充电研究，目前已成功完成1000W大功率传输实验[4]。西南交通大学何正友团队研究出500kW大功率无线静止供电平台，可实现10—30cm可调距离的能量传输，最大传输效率达85%，并实现动态供电管理。

2机器人无线充电技术概况

随着机器人的智能化，机器人被应用到更为广泛的场合中，其续航工作能力也越来越被关注，由于受电池容量的限制，一旦电量不足需人工干预充电，这便与机器人的智能化相矛盾。20世纪中期，GreyWalter首先提出机器人自主式接触充电，当机器人电量不足时，自主行至插座前以充电臂与插座对接的方式进行充电[5]。虽然机器人对接充电不断成熟，但避免不了因频繁插拔造成充电插头的松动和磨损，导致接触不良、电能无法高效传输[6]。20世纪末，AlbertEsser通过松耦合变压器将能量传送至机器人，使得机器人的灵活性大大提高。Hayes.JG等人采用不同的控制方法，利用ICPT技术对电动汽车进行充电，通过串并联负载谐振变换的等效分析、漏感的研究和软开关的实现等措施，提高了电动汽车用电池的充电效率[7]。针对智能巡检机器人的无线充电系统的特征，本文通过设计单管电路实现全部工作时间传能，具有结构简单，控制方便，成本低，原副边实现隔离等优点。

3机器人无线充电电路设计

本文设计一种适用于智能巡检机器人的无线充电装置，为蓄电池充电。其采用单管逆变电路拓扑利用感应式无线传能方式，实现对蓄电池安全稳定充电。单管逆变ICPT充电系统主电路如图1所示。将220V工频电经过不控整流单元转化为直流电进行L1、C1滤波，再由单管高频逆变后施加到初级线圈LP上，由LP将能量传递给次级线圈LS，再经全桥整流和L2、C2滤波后输出12V电压U1为机器人充电。在电能传输过程中，开关管Q实现零电压开关，降低开关损耗提，高系统的传输效率。3.1工作原理分析。为了便于分析单管逆变的工作原理，将开关管一个周期内的工作状态分为四个阶段。输入交流电压经全桥整流滤波后视为理想电压源Vd，Lp*是副边电感反射到原边并与原边电感叠加后的等效电感，Zeq为副边等效到原边的负载。t0~t1阶段：如图2(a)所示，在t0时刻，开关管关断，反并联二极管导通，电感Lp*放电，且iLp*为负值，此时开关管所承受的电压为零，t1时刻电流iLp*上升为零；t1~t2阶段：如图2(b)所示，在t1时刻，开关管导通，VCp=Vd，电感Lp*充电，开关管电流和电流iLp*相同，当到达t2时刻，开关管关断；t2~t3阶段：如图2(c)所示，开关管关断状态下，电流iLp*方向不发生改变，电感Lp*与电容Cp谐振，电流iLp*正向增大，电容电压下降为零时，电流iLp*达到最大值。设此时为t2*，此时iLp*反相向电容充电，t3时电流iLp*降低为零，此时电容为反相电压最大值，开关管承受电压达到最大值；t3~t4阶段：如图2(d)所示，由于开关管关断，电感Lp*与电容Cp发生谐振，电容反向放电，电流iLp*反向增加，当电容为零时，电流为最大值。随后电感Lp*向电容Cp进行充电，在t4时刻，电流iLp*通过Vd和反并联二极管进行续流。根据上述分析可知，t2时刻电容电压等于Vd，开关管承受电压为零，实现零电压关断，反并联二极管导通时开关管耐压为零，当反并联二极管电流减小至零时实现零电压开通，此设计让开关管损耗变小，提高传输效率。3.2单管逆变补偿网络的设计。ICPT系统采用松耦合变压器传递能量，效率较低，为了增大传输功率，采用谐振电路对漏感进行补偿。常用的补偿方式分为原副边串电容补偿（SS）、原边串联电容，副边并联电容补偿（SP）、原边并联电容，副边串联电容补偿（PS）、原边并联电容，副边并联电容补偿（PP）。在小功率场合PS、SS采用较多，大功率场合PP、SP采用较多。针对巡检机器人所需功率特征，因此采用PP补偿，原边并联补偿可保证谐振电流仅在电感与电容之间流动，极大的减小了开关管的应力而副边并联补偿可减小电压纹波。

4无线充电技术发展思考

无线充电技术是供电技术领域的一个重大发展，不仅实现了电磁场研究领域的突破，还改变着人们的生活方式。目前，无线充电技术主要应用于电子产品，同时，随着能源结构的不断调整，无线充电也将在汽车领域逐渐壮大。据市场数据分析表明，从现在开始到2020年期间，无线充电技术将会迅速发展，其使用率将会增加到一半以上。无线充电技术实现了物理隔离状态下物体间能量的传输，打破了空间和距离的隔阂。无线充电技术在日常生活用品中的应用，大大提高了人们的生活水平。但在发展过程中无线充电技术一直被充电距离、充电效率、安全性以及不同运营商之间的标准无法达成一致，管理不规范等问题所困扰，导致其推广和应用的范围受到限制。具体表现为效率低：远距离充电的效率低，导致充电时间长且电能损失大；安全性：大功率无线充电设备在能量传输过程中将会产生大量的电磁辐射，对身体健康造成不利的影响；实用性：无线充电设备需固定在特定位置才能对设备进行充电，导致实用性较低。目前无线充电技术仍然处于一个初步探索发展的阶段，但是随着市场需求的不断扩大，以及技术的不断发展，无线充电技术将会迎来新一轮的发展与进步，期待未来无线充电技术给我们生活带来惊喜与乐趣。

参考文献

[1]杨庆新,陈海燕,徐桂芝,孙民贵,傅为农.无接触电能传输技术的研究进展[J].电工技术学报,2010,25(07):6-13.

[2]古丽萍.令人期待的无线电力传输及其发展[J].中国无线电,2012(01):27-30.

[3]陈江.磁感应式无线能量传输控制技术研究[D].哈尔滨工程大学,2014.

[4]胡瀚.机器人用单管逆变无线充电控制系统[D].青岛大学,2017.

[5]苏玉刚,周川,闾琳,唐春森.基于电场耦合方式的无线电能传输技术综述[J].世界科技研究与发展,2013,35(02):177-180.

[6]陈硕翼,张丽,唐明生,李建福.无线电能传输技术发展现状与趋势[J].科技中国,2018(07):7-10.

[7]白亮宇,唐厚君,徐阳.经表皮能量传输系统电气参数优化设计[J].电机与控制学报,2011,15(09):12-17.

作者:赵天舒 单位:成都市第七中学