文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)06-0067-03
摘 要： 針對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。基本估算方法有電流積分(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，CN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單體一對多以及單體對蓄電池組多對一的能量轉(zhuǎn)移主動(dòng)平衡策略進(jìn)行單體間能量的平衡決策，針對構(gòu)建的平衡模型，基于實(shí)時(shí)檢測的單體電壓、蓄電池組電壓、溫度等參數(shù)，對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量的端電壓進(jìn)行狀態(tài)判定，蓄電池組端電壓記為VT，各個(gè)單體求和后總電壓記為VS，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VS和VT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，對蓄電池組相對偏差值進(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|qi|>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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