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摘要：傳統機器人充電采用插拔式的充電方式，但由于多次的插拔導致接觸的磨損而接觸不良，造成機器人無法正常充電。本文針對機器人充電的特性研究一種基于單管耦合式的無線充電系統，利用單個開關管實現逆變，再經過耦合變壓器將能量傳輸至副邊再整流輸出為機器人充電。本文對機器人無線充電系統進行了設計，分析了單管逆變器的工作模態，對單管逆變補償網絡進行了設計。

關鍵詞：智能高鐵；巡檢機器人；無線充電；單管逆變

1無線充電技術概況

目前的常用無線傳能技術有感應耦合式、磁共振耦合式、電磁共振式等[1]。感應耦合電能傳輸技術（InductivelyCoupledPowerTransmission，ICPT）是一種基于松耦合變壓器結構的無線傳能技術，其工作頻率為10kHz-50kHz，具有電磁輻射小的特點，在距離較短時可實現高效率大功率能量傳輸，當距離增加時，其傳輸功率和傳輸效率迅速降低[2]。因此，應用感應耦合傳能技術傳輸距離一般不超過10cm。磁共振耦合無線傳能技術利用電磁共振，通過兩個線圈的共振從而實現能量傳輸，其功率一般為幾千瓦，工作頻率（100kHz-50MHz）高于感應式無線傳能，傳輸距離在10米以內。電磁共振式無線傳能具有方向性，適用于中等距離的無線傳輸。作為目前的研究熱點，感應式無線充電常用的電路拓撲包括全橋逆變，半橋逆變，推挽逆變，而傳統的單管電路拓撲只在充電或放電過程中傳能，如單端正激電路、單端反激電路，效率較低[3]。國內高校研究的無線充電拓撲主要包括推挽型、半橋型及全橋型，2013年青島大學率先開始單管拓撲的無線充電研究，目前已成功完成1000W大功率傳輸實驗[4]。西南交通大學何正友團隊研究出500kW大功率無線靜止供電平臺，可實現10—30cm可調距離的能量傳輸，最大傳輸效率達85%，并實現動態供電管理。

2機器人無線充電技術概況

隨著機器人的智能化，機器人被應用到更為廣泛的場合中，其續航工作能力也越來越被關注，由于受電池容量的限制，一旦電量不足需人工干預充電，這便與機器人的智能化相矛盾。20世紀中期，GreyWalter首先提出機器人自主式接觸充電，當機器人電量不足時，自主行至插座前以充電臂與插座對接的方式進行充電[5]。雖然機器人對接充電不斷成熟，但避免不了因頻繁插拔造成充電插頭的松動和磨損，導致接觸不良、電能無法高效傳輸[6]。20世紀末，AlbertEsser通過松耦合變壓器將能量傳送至機器人，使得機器人的靈活性大大提高。Hayes.JG等人采用不同的控制方法，利用ICPT技術對電動汽車進行充電，通過串并聯負載諧振變換的等效分析、漏感的研究和軟開關的實現等措施，提高了電動汽車用電池的充電效率[7]。針對智能巡檢機器人的無線充電系統的特征，本文通過設計單管電路實現全部工作時間傳能，具有結構簡單，控制方便，成本低，原副邊實現隔離等優點。

3機器人無線充電電路設計

本文設計一種適用于智能巡檢機器人的無線充電裝置，為蓄電池充電。其采用單管逆變電路拓撲利用感應式無線傳能方式，實現對蓄電池安全穩定充電。單管逆變ICPT充電系統主電路如圖1所示。將220V工頻電經過不控整流單元轉化為直流電進行L1、C1濾波，再由單管高頻逆變后施加到初級線圈LP上，由LP將能量傳遞給次級線圈LS，再經全橋整流和L2、C2濾波后輸出12V電壓U1為機器人充電。在電能傳輸過程中，開關管Q實現零電壓開關，降低開關損耗提，高系統的傳輸效率。3.1工作原理分析。為了便于分析單管逆變的工作原理，將開關管一個周期內的工作狀態分為四個階段。輸入交流電壓經全橋整流濾波后視為理想電壓源Vd，Lp*是副邊電感反射到原邊并與原邊電感疊加后的等效電感，Zeq為副邊等效到原邊的負載。t0~t1階段：如圖2(a)所示，在t0時刻，開關管關斷，反并聯二極管導通，電感Lp*放電，且iLp*為負值，此時開關管所承受的電壓為零，t1時刻電流iLp*上升為零；t1~t2階段：如圖2(b)所示，在t1時刻，開關管導通，VCp=Vd，電感Lp*充電，開關管電流和電流iLp*相同，當到達t2時刻，開關管關斷；t2~t3階段：如圖2(c)所示，開關管關斷狀態下，電流iLp*方向不發生改變，電感Lp*與電容Cp諧振，電流iLp*正向增大，電容電壓下降為零時，電流iLp*達到最大值。設此時為t2*，此時iLp*反相向電容充電，t3時電流iLp*降低為零，此時電容為反相電壓最大值，開關管承受電壓達到最大值；t3~t4階段：如圖2(d)所示，由于開關管關斷，電感Lp*與電容Cp發生諧振，電容反向放電，電流iLp*反向增加，當電容為零時，電流為最大值。隨后電感Lp*向電容Cp進行充電，在t4時刻，電流iLp*通過Vd和反并聯二極管進行續流。根據上述分析可知，t2時刻電容電壓等于Vd，開關管承受電壓為零，實現零電壓關斷，反并聯二極管導通時開關管耐壓為零，當反并聯二極管電流減小至零時實現零電壓開通，此設計讓開關管損耗變小，提高傳輸效率。3.2單管逆變補償網絡的設計。ICPT系統采用松耦合變壓器傳遞能量，效率較低，為了增大傳輸功率，采用諧振電路對漏感進行補償。常用的補償方式分為原副邊串電容補償（SS）、原邊串聯電容，副邊并聯電容補償（SP）、原邊并聯電容，副邊串聯電容補償（PS）、原邊并聯電容，副邊并聯電容補償（PP）。在小功率場合PS、SS采用較多，大功率場合PP、SP采用較多。針對巡檢機器人所需功率特征，因此采用PP補償，原邊并聯補償可保證諧振電流僅在電感與電容之間流動，極大的減小了開關管的應力而副邊并聯補償可減小電壓紋波。

4無線充電技術發展思考

無線充電技術是供電技術領域的一個重大發展，不僅實現了電磁場研究領域的突破，還改變著人們的生活方式。目前，無線充電技術主要應用于電子產品，同時，隨著能源結構的不斷調整，無線充電也將在汽車領域逐漸壯大。據市場數據分析表明，從現在開始到2020年期間，無線充電技術將會迅速發展，其使用率將會增加到一半以上。無線充電技術實現了物理隔離狀態下物體間能量的傳輸，打破了空間和距離的隔閡。無線充電技術在日常生活用品中的應用，大大提高了人們的生活水平。但在發展過程中無線充電技術一直被充電距離、充電效率、安全性以及不同運營商之間的標準無法達成一致，管理不規范等問題所困擾，導致其推廣和應用的范圍受到限制。具體表現為效率低：遠距離充電的效率低，導致充電時間長且電能損失大；安全性：大功率無線充電設備在能量傳輸過程中將會產生大量的電磁輻射，對身體健康造成不利的影響；實用性：無線充電設備需固定在特定位置才能對設備進行充電，導致實用性較低。目前無線充電技術仍然處于一個初步探索發展的階段，但是隨著市場需求的不斷擴大，以及技術的不斷發展，無線充電技術將會迎來新一輪的發展與進步，期待未來無線充電技術給我們生活帶來驚喜與樂趣。

參考文獻

[1]楊慶新,陳海燕,徐桂芝,孫民貴,傅為農.無接觸電能傳輸技術的研究進展[J].電工技術學報,2010,25(07):6-13.

[2]古麗萍.令人期待的無線電力傳輸及其發展[J].中國無線電,2012(01):27-30.

[3]陳江.磁感應式無線能量傳輸控制技術研究[D].哈爾濱工程大學,2014.

[4]胡瀚.機器人用單管逆變無線充電控制系統[D].青島大學,2017.

[5]蘇玉剛,周川,閭琳,唐春森.基于電場耦合方式的無線電能傳輸技術綜述[J].世界科技研究與發展,2013,35(02):177-180.

[6]陳碩翼,張麗,唐明生,李建福.無線電能傳輸技術發展現狀與趨勢[J].科技中國,2018(07):7-10.

[7]白亮宇,唐厚君,徐陽.經表皮能量傳輸系統電氣參數優化設計[J].電機與控制學報,2011,15(09):12-17.

作者:趙天舒 單位:成都市第七中學