摘  要： 針對(duì)AGV車載蓄電池單體間容量不平衡問題，基于蓄電池單體與組間反激式充放電原理，以SOC估計(jì)為基礎(chǔ)，提出了一種AGV車載蓄電池實(shí)時(shí)均衡調(diào)節(jié)方法。該方法通過蓄電池組和單體間的能量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)AGV車載蓄電池不同狀態(tài)下的實(shí)時(shí)均衡調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的均衡方法能夠?qū)崿F(xiàn)9節(jié)單體的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，均衡調(diào)節(jié)時(shí)間為300 s，單體間的電量不平衡度≤5%，達(dá)到AGV車載蓄電池實(shí)時(shí)均衡調(diào)節(jié)目標(biāo)，保證了AGV的安全穩(wěn)定工作。

        關(guān)鍵詞： AGV；反激式；SOC；能量轉(zhuǎn)移；不平衡度

        無人搬運(yùn)車AGV（Automated Guided Vehicle）因其自動(dòng)化程度高、自動(dòng)充電、使用方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。鋰離子蓄電池組相對(duì)鉛酸、鎳鎘類型的蓄電池具有體積較小、容量大、可級(jí)聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，是AGV供能的一個(gè)較好的選擇。但是，由于AGV工況條件惡劣且工作狀態(tài)變化頻繁，鋰離子蓄電池多節(jié)單體級(jí)聯(lián)模式工作過程中，容易出現(xiàn)電量不平衡現(xiàn)象甚至引起燃燒、炸裂等安全問題，已經(jīng)引起了人們的關(guān)注^[1-4]。

        針對(duì)該工況應(yīng)用核心問題的解決，很多研究人員展開了相關(guān)研究，如戴海峰等研制的電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池電感主動(dòng)平衡系統(tǒng)^[5]，SAEED D等人研制了一種新型的單級(jí)多輸入的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換電路可用于單體到蓄電池組的反激充電^[6]，還有其他研究人員針對(duì)平衡問題展開探索性研究^[7-11]。同時(shí)，電池的荷電狀態(tài)SOC(State Of Charge)作為其重要平衡依據(jù)^[12]得到了較為廣泛的應(yīng)用研究和方法探索^[13-16]。但是，AGV惡劣工況及頻繁充放電條件下的基于SOC估計(jì)實(shí)時(shí)主動(dòng)平衡仍缺乏相應(yīng)的深入理論和應(yīng)用研究，仍存在不及時(shí)、不準(zhǔn)確的問題。為了解決這一問題，本文以安時(shí)積分法估計(jì)結(jié)合開路電壓法修正的SOC估計(jì)為基礎(chǔ)，基于反激式DC/DC能量轉(zhuǎn)移的思想進(jìn)行惡劣工況的主動(dòng)平衡方法研究，并在研制的電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)中得到模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 荷電狀態(tài)實(shí)時(shí)估算

        荷電狀態(tài)SOC估算是鋰離子蓄電池組主動(dòng)平衡的基礎(chǔ)和技術(shù)難點(diǎn)，其準(zhǔn)確性對(duì)平衡的最終效果有直接影響。SOC與很多因素相關(guān)，如電流、電壓、溫度等參量的測(cè)量精度，負(fù)載工作狀態(tài)，操作的環(huán)境溫度以及電池的自放電和老化等，并且具有很強(qiáng)的非線性?；竟浪惴椒ㄓ须娏鞣e分(安時(shí)積分)、開路電壓法(OCV)、內(nèi)阻法、擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)、無跡粒子濾波(UPF)、模糊推理、偏微分方程(PDE)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。其中以電流積分為主，本研究采用安時(shí)積分方法結(jié)合電池的開路電壓(OCV)誤差矯正方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1.1 基于OCV的狀態(tài)初值估計(jì)與矯正

        測(cè)得電池的初始開路電壓OCV₀，并在BMS自檢階段使用開路電壓法對(duì)其進(jìn)行修正，得到自檢結(jié)束t₁時(shí)刻的修正鋰電池開路電壓OCV₀^′。由于鋰電池的開路電壓與SOC關(guān)系的線性度在電池使用初期比較明顯，因此可以通過OCV₀^′得到相對(duì)精確的電池荷電狀態(tài)估計(jì)SOC₀^′，然后采用安時(shí)計(jì)量法計(jì)算后續(xù)時(shí)刻的電池SOC。

        通過HPPC實(shí)驗(yàn)獲得某型號(hào)蓄電池開路電壓OCV與SOC之間的關(guān)系曲線，如圖1所示，計(jì)算SOC的初值OCV₀以及SOC的矯正值SOC₀^′。

1.2 電量安時(shí)積分SOC估計(jì)

        安時(shí)積分因其使用方便、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)成為目前實(shí)際應(yīng)用中使用最多的蓄電池SOC估計(jì)方法，主要通過蓄電池在充電和放電時(shí)的電量變化來估計(jì)電池的SOC。

        電量積分計(jì)算過程中，放電過程中荷電狀態(tài)變化的基本計(jì)算過程如式(1)所示：

式中，C_N為額定電量，i(t)為電池電流，η(t)為充放電效率。

        充電過程如式(2)所示：

        通過能量積分得到鋰蓄電池單體荷電狀態(tài)，然后基于溫度影響的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行溫度校正以提高其估算準(zhǔn)確性，如式(3)和式(4)所示：

        在不同的溫度(-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、+10 ℃、+20 ℃、+60 ℃)下，以不同的放電倍率進(jìn)行恒流放電，得到該型電池從滿電狀態(tài)到達(dá)放電終止電壓總共放出的電荷量以進(jìn)行電量狀態(tài)矯正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

        從實(shí)驗(yàn)中可以看出，不同放電倍率恒流放電對(duì)電池最終放出的電量大小有不同程度影響，在低溫下表現(xiàn)得相對(duì)明顯。在0 ℃以上，鋰電池電量幾乎不隨放電倍率大小變化；而在溫度小于0 ℃時(shí)，該型鋰電池的電量隨著放電倍率的升高而降低，即在低溫下鋰電池放電倍率越大，放出的電量越少。根據(jù)本規(guī)律曲線進(jìn)行SOC估計(jì)溫度矯正。

2 主動(dòng)平衡方法研究

2.1 平衡策略

        在原有SOC估計(jì)值的基礎(chǔ)之上采用蓄電池組對(duì)單體一對(duì)多以及單體對(duì)蓄電池組多對(duì)一的能量轉(zhuǎn)移主動(dòng)平衡策略進(jìn)行單體間能量的平衡決策，針對(duì)構(gòu)建的平衡模型，基于實(shí)時(shí)檢測(cè)的單體電壓、蓄電池組電壓、溫度等參數(shù)，對(duì)n=9個(gè)單體蓄電池組，基于放電、充電、空置三態(tài)決策(3×n)以及反激式boost升壓進(jìn)行AGV工況下實(shí)時(shí)單體荷電狀態(tài)的平衡調(diào)節(jié)，基本過程如下:

        (1)工作狀態(tài)判定

        通過比較各個(gè)單體求和后的總電壓和直接測(cè)量的端電壓進(jìn)行狀態(tài)判定，蓄電池組端電壓記為V_T，各個(gè)單體求和后總電壓記為V_S，計(jì)算過程如式(5)所示：

        蓄電池內(nèi)阻電壓降的消耗將會(huì)產(chǎn)生單體電壓之和與蓄電池組端電壓不相等的現(xiàn)象。比較V_S和V_T值的大小，根據(jù)比較的不同邏輯結(jié)果判定AGV機(jī)載蓄電池工況狀態(tài)，根據(jù)判定確定蓄電池組處于充電、放電或擱置狀態(tài)以計(jì)入SOC估計(jì)過程，判決規(guī)則如式(6)所示：

        相對(duì)偏差值δ表征了內(nèi)阻上的能量消耗。在充電和放電工況狀態(tài)下，對(duì)蓄電池組相對(duì)偏差值進(jìn)行判決以確定蓄電池組是否處于正常工作狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)蓄電池工作狀態(tài)進(jìn)行安全保護(hù)。判決規(guī)則如式(8)所示：

        (2)單體SOC不平衡度計(jì)算

荷電狀態(tài)SOC不平衡度的計(jì)算是判斷平衡單體以及能量轉(zhuǎn)移方向的主要依據(jù)。通過計(jì)算值與設(shè)定閾值的比較確定是否對(duì)該單體進(jìn)行平衡以及需要平衡的速度和方向，荷電狀態(tài)平均值E(SOC)計(jì)算過程如式(9)所示：

        進(jìn)而計(jì)算蓄電池組SOC值的樣本方差值作為判斷需實(shí)時(shí)平衡的單體的數(shù)量、能量轉(zhuǎn)移方向和平衡程度，計(jì)算方法如式(10)所示：

        接著計(jì)算所有單體SOC的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差qi，如式(11)所示，通過標(biāo)準(zhǔn)偏差值的計(jì)算確定達(dá)到的不平衡度。

        (3)平衡調(diào)節(jié)與決策

        設(shè)定各個(gè)單體SOC需進(jìn)行平衡的閾值為Q，在|q_i|>Q的情況下，第i個(gè)單體需平衡調(diào)節(jié)，根據(jù)qi值大小確定能量轉(zhuǎn)移的速度，根據(jù)值的正負(fù)確定能量轉(zhuǎn)移方向，如式(12)所示：

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

        根據(jù)SOC估計(jì)分析與平衡策略實(shí)現(xiàn)過程中所需參量并遵從車載電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了AGV車載蓄電池配備的電池管理系統(tǒng)。研制的融入SOC計(jì)算以及平衡策略的AGV車載BMS系統(tǒng)功能模塊用于AGV工作過程中的蓄電池組電量調(diào)度調(diào)節(jié)。

        在AGV工況下蓄電池組實(shí)時(shí)主動(dòng)平衡時(shí)，BMS實(shí)時(shí)采集蓄電池的各項(xiàng)參數(shù)值，通過所需參數(shù)狀態(tài)值實(shí)時(shí)完成周期檢測(cè)并在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸入MCU進(jìn)行SOC估計(jì)計(jì)算以及實(shí)時(shí)主動(dòng)平衡處理，以達(dá)到SOC估計(jì)以及實(shí)時(shí)主動(dòng)平衡的目標(biāo)。主要參數(shù)指標(biāo)的檢測(cè)指標(biāo)如表1所示。

        通過方法的提出和研究，以及基于本SOC估計(jì)值作為參考依據(jù)的主動(dòng)平衡策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了AGV工況下BMS的核電狀態(tài)實(shí)時(shí)主動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，對(duì)主動(dòng)平衡系統(tǒng)進(jìn)行工況下充電、放電、大電流放電、擱置、循環(huán)充放電等工況模擬測(cè)試，長時(shí)間多次運(yùn)行結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)了AGV惡劣工況下的實(shí)時(shí)主動(dòng)平衡目標(biāo)，在不同種工況環(huán)境下，不同工況下的平衡均在300 s以內(nèi)，達(dá)到了單體間的電量不平衡度≤5%的AGV工作時(shí)實(shí)時(shí)電池組主動(dòng)平衡目標(biāo)。

        本文采用SOC估計(jì)值作為平衡基準(zhǔn)值，基于單體不平衡度的計(jì)算，提出了一種AGV工況下的車載蓄電池組實(shí)時(shí)主動(dòng)平衡方法。基于該方法和平衡策略研制了車載蓄電池管理系統(tǒng)，用于AGV工作時(shí)的蓄電池組SOC主動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。通過實(shí)際模擬運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能夠取得較好的平衡效果，能夠?qū)崿F(xiàn)AGV車載蓄電池的主動(dòng)電量平衡調(diào)節(jié)，保證其工作狀態(tài)下的安全性。

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