—— 从接触式到无线充电的技术演进与展望

一、AGV充电技术概述

自动导引车（Automated Guided Vehicle，AGV）作为现代物流与智能制造领域的核心装备，其能源补给方式直接影响着系统的运行效率、可靠性和经济性。随着工业4.0和智能制造的深入推进，AGV充电技术正经历着从传统接触式向无线充电、从离线充电向在线充电的重大变革。

AGV充电技术的核心目标是在保证充电安全性和可靠性的前提下，最大限度地提高充电效率、延长电池使用寿命、降低运维成本，并实现充电过程的自动化与智能化。本文将从技术架构、功能特性、应用优势等多个维度，系统梳理当前AGV充电技术的发展现状与未来趋势。

二、AGV充电技术的分类与架构

根据充电器与AGV之间的电气连接方式，当前AGV充电技术主要分为三大类：接触式充电、无线充电（非接触式充电）和换电技术。每种技术路线在系统架构、工作原理和关键组件方面各具特色。

2.1 接触式充电技术

2.1.1 系统架构与工作原理

接触式充电是通过金属电极的物理接触实现电能传输的传统充电方式。根据接触方式的不同，可分为滑触式（轨道充电）和插针式（精准对接）两种主要形式。

滑触式充电系统由供电导轨、集电刷块、充电控制器和电池管理系统（BMS）组成。AGV通过安装在车体上的集电刷块与埋设于地面的供电导轨滑动接触，实现持续供电或充电。该方式适用于固定路径的AGV系统，如汽车装配生产线。

插针式充电系统则由充电桩、充电触头、定位机构和充电管理系统组成。当AGV需要充电时，通过导航定位系统行驶至充电站，充电触头在机械或电磁力的作用下完成对接，建立电气连接后开始充电。这种方式充电效率高，但需要精确的对接定位。

2.1.2 关键组件

充电触头/刷块：通常采用铜合金材料，表面镀金或镀银处理，以降低接触电阻、提高耐磨性和抗氧化能力。

充电控制器：负责充电过程的功率转换、电流电压调节、充电策略执行和安全保护。

定位机构：包括机械导向装置、电磁定位系统或视觉定位系统，确保充电触头的精准对接。

2.2 无线充电技术

2.2.1 系统架构与工作原理

无线充电技术基于电磁感应原理或磁共振原理，实现电能从发射端到接收端的非接触传输。系统主要由发射端（地面充电板/充电盒）、接收端（车载线圈）、功率转换单元和通信控制单元组成。

根据电磁耦合方式的不同，AGV无线充电可分为感应耦合式（Inductive Power Transfer，IPT）和磁耦合谐振式（Magnetic Resonance Coupling）两种。感应耦合式工作频率通常在10-100kHz范围，适用于短距离（几毫米至几厘米）、大功率传输场景；磁耦合谐振式工作频率在MHz级别，可实现更远距离（几十厘米）的能量传输。

2.2.2 关键组件

发射/接收线圈：采用利兹线（Litz wire）绕制，配合铁氧体磁芯，以提高耦合系数、降低涡流损耗。

谐振补偿网络：常用拓扑包括SS（Series-Series）、SP（Series-Parallel）、LCC-S等，用于优化功率传输效率。

高频逆变器：将直流电转换为高频交流电，驱动发射线圈产生交变磁场。

整流与稳压电路：将接收线圈感应的交流电转换为适合电池充电的直流电。

2.3 换电技术

换电技术是通过快速更换电池组实现AGV能源补给的方式，可分为人工换电和自动换电两种模式。自动换电系统由换电站、电池存储架、机械臂/换电机构、电池管理系统和调度系统组成。当AGV电量不足时，行驶至换电站，由机械臂或专用换电装置在3-5分钟内完成电池更换，实现"即换即走"的连续作业模式。

三、不同充电技术的核心功能对比

不同充电技术在自动化程度、充电效率、兼容性、安全性等关键性能指标方面存在显著差异。下表从多维度对三种主流充电技术进行综合对比：

表1：AGV充电技术综合对比

3.1 自动化程度

无线充电技术在自动化程度方面具有明显优势。由于无需物理接触，AGV只需行驶至充电区域即可自动启动充电，无需精确对接，支持"即来即充、即走即停"的在线充电模式。相比之下，接触式充电需要精确的机械对接，自动化程度受限于定位精度；换电技术虽然也可实现自动化，但需要复杂的机械换电装置和电池管理系统。

3.2 充电效率

接触式充电的充电效率最高，可达95%以上，这是因为直接的电气连接避免了能量转换过程中的损耗。无线充电由于存在磁耦合损耗、高频转换损耗等因素，效率通常在85%-93%之间。然而，随着谐振补偿技术和功率电子技术的进步，无线充电效率已接近接触式水平。

3.3 安全性与可靠性

无线充电在安全性方面表现突出。由于充电端与AGV储能系统之间实现电气隔离，从根本上消除了接触式充电的火花风险，可在潮湿、粉尘、易燃易爆等特殊环境下安全运行。此外，无线充电系统无机械磨损部件，维护成本低，可靠性高。接触式充电存在触头磨损、氧化、接触不良等问题，需要定期维护更换。

四、无线充电技术的独特优势

无线充电技术作为AGV充电领域的新兴技术路线，相比传统接触式充电展现出多方面的独特优势，正逐渐成为高端智能制造和自动化物流系统的首选方案。

4.1 消除机械磨损，降低维护成本

传统接触式充电依赖金属触头的物理接触，长期使用过程中不可避免地产生机械磨损、氧化和污染问题。据统计，充电触头的平均使用寿命约为1-2年，需要定期清洁、调整或更换，增加了运维成本和停机时间。无线充电完全摒弃了机械接触部件，采用电磁耦合方式传输能量，从根本上消除了磨损问题，实现了真正意义上的"免维护"运行。

4.2 提升操作安全性

无线充电系统的电气隔离特性显著提升了充电过程的安全性。首先，由于无裸露导电部件，彻底消除了充电过程中产生电火花的风险，使AGV能够在石油化工、军工、粉尘环境等特殊场景下安全充电。其次，现代无线充电系统普遍配备异物检测（FOD）和活体检测（LOD）功能，当检测到金属异物或生物体进入充电区域时自动停止能量传输，避免安全隐患。此外，系统仅在检测到有效接收线圈时才激活发射端，进一步提高了安全性。

4.3 优化空间布局与灵活性

无线充电系统的发射端可灵活安装于地面、墙面或货架等多种位置，体积紧凑，无需复杂的机械对接机构。Wiferion的etaLINK 3000充电站仅需标准230V电源插座即可工作，安装简便快捷。AGV可从任意方向接近充电点，位置容差可达40mm，大大降低了对导航精度的要求。这种灵活性使得充电设施可以分布式部署于AGV运行路径的关键节点，实现"机会充电"策略，充分利用作业间隙补充电量。

4.4 支持动态充电与24/7连续运行

动态无线充电（Dynamic Wireless Power Transfer，DWPT）技术使AGV在行驶过程中即可获取能量，无需中断作业进行专门充电。通过在AGV运行路径下方铺设发射线圈导轨，AGV可在经过充电区域时实时补充电量，保持电池电量处于恒定水平。这种"过程中充电"（In-Process Charging）模式使AGV能够实现真正的24/7连续运行，大幅提高设备利用率和生产效率。同时，由于电池无需深度放电，可采用更小容量的电池组，降低整车重量和成本。

4.5 智能化与数据集成

现代无线充电系统集成了CAN通信接口，可与AGV的BMS、车载控制器实时交互，实现充电状态的精确监控和智能管理。系统可获取电池电量（SOC）、健康状态（SOH）、温度等关键参数，根据电池特性自适应调整充电策略，优化充电曲线，延长电池寿命。此外，充电数据可上传至云端平台，支持远程监控、故障诊断和预测性维护，为智能物流系统的数字化运营提供数据支撑。

五、学术研究与技术展望

AGV无线充电技术已成为学术界和工业界的研究热点，近年来在谐振补偿拓扑、抗偏移技术、动态充电系统等方面取得了显著进展。以下引用相关领域的重要学术研究成果：

5.1 谐振补偿拓扑研究

Li等人（2023）针对AGV无线充电系统的恒流/恒压充电需求，提出了一种基于LCC-S谐振补偿拓扑的无线电能传输系统设计方案。该研究通过理论分析和实验验证，证明LCC-S拓扑在保持输出电流稳定性的同时，对气隙变化和负载变化具有良好的适应性，非常适合AGV应用场景。研究表明，在1kW功率等级下，系统效率可达90%以上。

5.2 抗偏移技术研究

Li等人（2023）提出了一种具有自对准能力和可控输出电流的AGV无线充电系统。该系统采用可重构电路设计，可在电感-电容模式间切换，实现接收线圈的自对准功能。实验结果表明，系统在X-Y平面偏移50mm、Z轴气隙变化20%的条件下，仍能保持稳定的功率传输效率，显著提高了AGV充电的位置容错能力。

5.3 动态无线充电系统

Stepins等人（2024）研究了用于多AGV的动态谐振感应式无线充电系统。该研究提出了一种减少位置传感器数量的系统架构，通过优化导轨布局和功率分配策略，实现了多辆AGV在共享充电导轨上的高效能量补给。仿真和实验结果表明，该系统可有效支持AGV车队的连续运行，降低基础设施投资成本。

5.4 双接收器充电系统

Wang和Cheng（2022）提出了一种面向AGV的双接收器感应充电系统。该系统通过在车体上配置两个接收线圈，提高了充电位置的灵活性和容错能力。研究详细分析了双接收器系统的互耦效应和功率分配特性，提出了一种优化的磁路结构设计，使系统在不同对接位置下均能保持高效率能量传输。

5.5 逐级式无线充电应用

蒋金橙等人（2023）针对移动机器人巡检应用场景，提出了一种基于准双向三态协同调度的AGV和无人机逐级式无线充电应用设计方法。该系统构建了导轨-移动AGV-无人机的三级供电结构，实现了导轨静态充电、导轨动态充电、移动AGV任意定点供电等多种充电模式。实验验证了该方法的可行性和有效性，为移动机器人无线充电应用设计提供了新的思路。

5.6 技术发展趋势

展望未来，AGV充电技术将呈现以下发展趋势：（1）无线充电将逐步替代接触式充电成为主流方案，特别是在对安全性和自动化程度要求较高的应用场景；（2）动态无线充电技术将推动AGV向"无感充电"方向发展，实现真正的连续不间断作业；（3）智能化充电管理系统将与AGV调度系统深度融合，实现全局最优的能源管理策略；（4）高功率密度、高效率的功率电子器件和新材料的应用将进一步提升无线充电系统的性能和可靠性。