《電子技術(shù)應(yīng)用》
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AGV車用鋰離子電池組均衡系統(tǒng)設(shè)計
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
朱玉玉1,,劉福兵1,,李朋飛2
1.西南科技大學 信息工程學院,四川 綿陽621010,; 2.四川長虹電源有限責任公司,,四川 綿陽621000
摘要: 針對AGV車用電池運行環(huán)境惡劣,,容易導(dǎo)致電池不一致的問題,提出了一種單端反激式變換器和DC/DC恒流恒壓均衡充電方案,,詳細介紹了均衡電路的設(shè)計和均衡策略的實現(xiàn),。實驗結(jié)果表明,該均衡電路可實現(xiàn)最大10 A的恒流恒壓充電,,均衡電路能量轉(zhuǎn)換效率達到85%以上,。可在最大充電電流300 A和放電電流150 A條件下較快的實現(xiàn)電池組不一致的調(diào)節(jié),,滿足AGV車用動力電池組頻繁大電流充放電的均衡需要,。
中圖分類號: TM912
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)09-0055-03
Design of equalization circuit for Lithium-ion batteries in AGV applications
Zhu Yuyu1,Liu Fubing1,,Li Pengfei2
1.Information Engineering College, Southwest University of Science and Technology,,Mianyang 621010,China,;2.Sichuan Changhong Battery Co.,,Ltd.,Mianyang 621000,,China
Abstract: The inconsistency of battery was easily caused by harsh operating environment in automated guided vehicle applications. In order to solve the problem, a kind of equalization charging scheme based on isolate single-ended flyback converter and DC/DC constant current & constant voltage circuit is proposed in this paper. The design of equalization circuit and the balanced strategy also were introduced. Experimental results showed that the charge current of the equalization circuit was up to 10 A which could regulate the inconsistency of battery quickly. This could meet the requirements of the battery in AGV applications which usually need charge and discharge with high current frequently.
Key words : AGV,;BMS;dynamic equalization,;SOC

    自動導(dǎo)引運輸車(AGV)是具有運輸功能且能夠沿自動導(dǎo)引裝置行駛的移動機器人,,大量運用于各種物流系統(tǒng)中,。AGV車用動力源一般由電池提供,運用比較成熟的是鉛酸蓄電池,。由于鉛酸蓄電池具有能量密度低,,使用壽命短的缺點,目前鋰離子電池有取代鉛酸電池的趨勢:一方面鋰離子電池具有高的能量密度和自放電率,;另一方面鋰離子電池無環(huán)境污染,,是未來車載動力電池的理想能源之一。為了滿足自動引導(dǎo)運輸車的能量和功率需求,,通常采用串并聯(lián)方式提高電池組的輸出功率,。由于電池生產(chǎn)工藝的影響,導(dǎo)致單體之間的容量,、電池荷電狀態(tài)(SOC),、內(nèi)阻等不一致,使得電池組使用時容量利用率,、使用安全性和效率降低,。因此電池管理系統(tǒng)是鋰離子動力電池組不可缺少的部分。而高效率的電池均衡技術(shù)又是電池管理系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容之一,,是提高電池使用性能,,延長電池使用壽命,降低電池使用和維護成本的重要保障,。

1 電池組均衡技術(shù)

    目前主流的兩種均衡控制技術(shù)為能量耗散型和能量轉(zhuǎn)移型[1],。能量耗散型均衡方案實現(xiàn)起來比較簡單,只需要通過均衡選擇控制網(wǎng)絡(luò)給容量較高的單體并聯(lián)一個耗能元件(通常為電阻),,就可以消耗掉該單體上高于其他單體的能量,。能量轉(zhuǎn)移型均衡方案實現(xiàn)起來比較復(fù)雜,實現(xiàn)方法也較多,,主要思想是利用儲能元件實現(xiàn)能量從較高單體到較低單體的轉(zhuǎn)化,。如圖1所示,通過儲能型元件(電容或者電感)和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)先將能量較高單體的能量存儲到儲能元件中,,儲能元件再將該能量轉(zhuǎn)移給能量較低單體,,從而實現(xiàn)能量從較高單體到較低單體的轉(zhuǎn)換。

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    本文提出的均衡方案為能量轉(zhuǎn)移型,,結(jié)構(gòu)如圖2所示,,將電池組電壓作為輸入,通過隔離反激式變換電路和DC/DC恒流恒壓電路,,對能量較低的單體進行充電,。

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2 均衡電路設(shè)計

2.1 單端反激變換器設(shè)計

    單端反激式變換器的輸入電壓為電池組電壓,范圍為18~36 V,輸出電壓為12 V,,功率為100 W,。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示,在MOSFET Q1導(dǎo)通期間,,電流通過變壓器原邊線圈,,變壓器初級和次級線圈同名端感應(yīng)電勢均為負,二極管D1,,D2均反向截止,。電池組的能量存儲在變壓器勵磁電感中,此時通過電容C1對負載供電[2],。在Q1由導(dǎo)通到截止期間,變壓器繞組電壓反向,,此時同名端電勢為正,,二極管D1、D2均正向?qū)?,對負載提供能量,,同時完成對C1的充電[3]

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    在Q1導(dǎo)通期間存儲在初級繞組中的能量為:

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其中,,E為Q1導(dǎo)通期間存儲在初級繞組中的能量,,LP為原邊繞組電感, IP為Q1導(dǎo)通期間原邊電流,。Q1導(dǎo)通期間原邊繞組的電流成線性上升的,,假設(shè)Q1上的壓降為1 V,則原邊繞組中最大電流為:

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其中,,Ton為一個周期Q1導(dǎo)通時間,。將式(2)帶入式(1),得到原邊繞組中儲能與開通時間關(guān)系:

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    設(shè)變壓器效率為η,,則根據(jù)能量守恒原理可得到如下關(guān)系:

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其中,,Pi為變壓器輸入功率,Po為變壓器輸出功率,,則可以得到以下關(guān)系:

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    由式(5)可以看出,,為了保證輸出功率的恒定,只需要調(diào)節(jié)Ton的導(dǎo)通時間,。這就實現(xiàn)了脈寬對輸出的調(diào)節(jié),。

2.2 DC/DC恒流恒壓變換器設(shè)計

    為了實現(xiàn)恒流恒壓均衡充電,在反激式變換器輸出12 V電壓的后端進行Buck型DC/DC變換,,得到輸出為4.2 V,,10 A的恒壓恒流充電電源。DC/DC控制器的控制模式主要有電壓控制和電流控制兩種[4]。其中,,電壓控制取輸出電壓為電壓反饋控制環(huán)的輸入量,,實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整。電流控制不僅需要使用電壓控制外環(huán), 還要取輸出電流為反饋量,,增加了一個電流控制內(nèi)環(huán)實現(xiàn)輸出電流的調(diào)節(jié)[5],。本系統(tǒng)設(shè)計的DC/DC變換具有兩個調(diào)節(jié)環(huán),實現(xiàn)恒流恒壓充電,,其中恒流是為了實現(xiàn)快速充電,,恒壓是為了保護單體不出現(xiàn)過充。

    為了提高電源轉(zhuǎn)換效率,,本文設(shè)計的恒流恒壓充電模塊采用的是凌特公司的專用DC/DC變換控制器LT3741,,該控制器轉(zhuǎn)換效率可達到94%,可實現(xiàn)電流電壓兩個環(huán)路自動調(diào)節(jié),,達到對輸出的恒流恒壓控制,,系統(tǒng)設(shè)計輸出恒流為10 A,恒壓為4.2 V,。

2.3 均衡控制策略

    單體電池串并聯(lián)使用時,,單體電池間的不一致導(dǎo)致的問題,需要通過均衡來減小,。本系統(tǒng)中將8節(jié)單體電池作為一組,,則在一組電池中,設(shè)單體1~單體8的單體電壓為u1~u8,。在實際使用過程中,,通常采用SOC來反映電池容量利用狀況,其中SOC定義為:

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    在均衡策略上,,由于準確估計SOC是很困難的[6],,在實際中運用比較多的是利用單體外電壓作為均衡依據(jù),根據(jù)單體外電壓估計出單體電壓不一致[7],,然后控制均衡網(wǎng)絡(luò)對容量較低(也即是電壓較低)單體充電,。

    設(shè)一組單體中最高電壓為umax,最低電壓為umin,。最高單體電壓與最低單體電壓差為umax-min,。則有:

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    當umax-min大于均衡開啟閾值δ時開啟均衡充電通道對電壓最低的單體進行均衡充電。均衡策略軟件流程如圖4所示,。

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3 均衡實驗及效果分析

    為了驗證均衡策略的性能,將本系統(tǒng)的均衡充電方案運用于100 Ah鋰離子電池管理系統(tǒng)中,。測試不同充電電流下,不同單體差異到均衡結(jié)束的時間,,其中設(shè)單體最高和單體最低電壓偏差閾值δ= 20 mV ,。將該值作為啟動均衡的開啟條件。均衡要保證將系統(tǒng)壓差控制在20 mV以內(nèi)。

    系統(tǒng)充電電流為20 A,,均衡模塊以4.2 V,、10 A恒流恒壓均衡充電。均衡結(jié)果如表1所示,。

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    系統(tǒng)充電電流為10 A,,均衡模塊以4.2 V、10 A恒流恒壓均衡充電,。均衡結(jié)果如表2所示,。

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    從實驗結(jié)果可以看到,在系統(tǒng)外部充電電流較小時,,均衡時間較短,;在只有一個單體電池電壓低于其他單體時,均衡時間較短,。

    本文設(shè)計的自動導(dǎo)引運輸車動力鋰離子電池均衡充電系統(tǒng),,可以較快實現(xiàn)單體之間不一致的調(diào)節(jié),對提高鋰離子電池的使用壽命和安全性有很大的意義,。在均衡充電時,,本文采用的是恒流恒壓均衡方式,,經(jīng)實驗驗證,,本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:(1)反激式變換器+DC/DC恒流恒壓充電方式,結(jié)構(gòu)簡單,,運行可靠,;(2)充電均衡電流大,均衡時間短,;(3)由于控制板和均衡電路均實現(xiàn)了電器隔離,,所以系統(tǒng)的可靠性高,特別適用于低壓(如24 V,、48 V),、大電流需頻繁充電的場合。

參考文獻

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