自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）是具有運(yùn)輸功能且能夠沿自動(dòng)導(dǎo)引裝置行駛的移動(dòng)機(jī)器人，大量運(yùn)用于各種物流系統(tǒng)中,。AGV車用動(dòng)力源一般由電池提供,，運(yùn)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(diǎn),，目前鋰離子電池有取代鉛酸電池的趨勢(shì)：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?zé)o環(huán)境污染,，是未來(lái)車載動(dòng)力電池的理想能源之一,。為了滿足自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)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(shí)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(dòng)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?jī)?nèi)容之一，是提高電池使用性能,，延長(zhǎng)電池使用壽命,，降低電池使用和維護(hù)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(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，只需要通過(guò)均衡選擇控制網(wǎng)絡(luò)給容量較高的單體并聯(lián)一個(gè)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(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)方法也較多,，主要思想是利用儲(chǔ)能元件實(shí)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(guò)儲(chǔ)能型元件（電容或者電感）和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)先將能量較高單體的能量存儲(chǔ)到儲(chǔ)能元件中,，儲(chǔ)能元件再將該能量轉(zhuǎn)移給能量較低單體,，從而實(shí)現(xiàn)能量從較高單體到較低單體的轉(zhuǎn)換,。

    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(guò)隔離反激式變換電路和DC/DC恒流恒壓電路，對(duì)能量較低的單體進(jìn)行充電,。

2 均衡電路設(shè)計(jì)

2.1 單端反激變換器設(shè)計(jì)

    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(guò)變壓器原邊線圈,，變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈同名端感應(yīng)電勢(shì)均為負(fù)，二極管D1,，D2均反向截止,。電池組的能量存儲(chǔ)在變壓器勵(lì)磁電感中，此時(shí)通過(guò)電容C1對(duì)負(fù)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(shí)同名端電勢(shì)為正,，二極管D1,、D2均正向?qū)ǎ瑢?duì)負(fù)載提供能量,，同時(shí)完成對(duì)C1的充電^[3],。

    在Q1導(dǎo)通期間存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中的能量為：

其中，E為Q1導(dǎo)通期間存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中的能量,，L_P為原邊繞組電感,， I_P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：

其中，T_on為一個(gè)周期Q1導(dǎo)通時(shí)間,。將式(2)帶入式(1),，得到原邊繞組中儲(chǔ)能與開(kāi)通時(shí)間關(guān)系：

    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：

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

    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)T_on的導(dǎo)通時(shí)間,。這就實(shí)現(xiàn)了脈寬對(duì)輸出的調(diào)節(jié)。

2.2 DC/DC恒流恒壓變換器設(shè)計(jì)

    為了實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)電流控制內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出電流的調(diào)節(jié)^[5],。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的DC/DC變換具有兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán),，實(shí)現(xiàn)恒流恒壓充電，其中恒流是為了實(shí)現(xiàn)快速充電,，恒壓是為了保護(hù)單體不出現(xiàn)過(guò)充,。

    為了提高電源轉(zhuǎn)換效率，本文設(shè)計(jì)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(dá)到94%,，可實(shí)現(xiàn)電流電壓兩個(gè)環(huán)路自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到對(duì)輸出的恒流恒壓控制,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí),，單體電池間的不一致導(dǎo)致的問(wèn)題,，需要通過(guò)均衡來(lái)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(shí)際使用過(guò)程中,，通常采用SOC來(lái)反映電池容量利用狀況,，其中SOC定義為：

    在均衡策略上，由于準(zhǔn)確估計(jì)SOC是很困難的^[6],，在實(shí)際中運(yùn)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(jì)出單體電壓不一致^[7]，然后控制均衡網(wǎng)絡(luò)對(duì)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u_max，最低電壓為u_min。最高單體電壓與最低單體電壓差為u_max-min,。則有：

    當(dāng)u_max-min大于均衡開(kāi)啟閾值δ時(shí)開(kāi)啟均衡充電通道對(duì)電壓最低的單體進(jìn)行均衡充電,。均衡策略軟件流程如圖4所示。

3 均衡實(shí)驗(yàn)及效果分析

    為了驗(yàn)證均衡策略的性能,將本系統(tǒng)的均衡充電方案運(yùn)用于100 Ah鋰離子電池管理系統(tǒng)中,。測(cè)試不同充電電流下,，不同單體差異到均衡結(jié)束的時(shí)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(dòng)均衡的開(kāi)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,。

    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,。

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

    本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車動(dòng)力鋰離子電池均衡充電系統(tǒng),，可以較快實(shí)現(xiàn)單體之間不一致的調(diào)節(jié)，對(duì)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(shí),，本文采用的是恒流恒壓均衡方式，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)反激式變換器+DC/DC恒流恒壓充電方式,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠,；(2)充電均衡電流大,，均衡時(shí)間短；(3)由于控制板和均衡電路均實(shí)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(chǎng)合,。

參考文獻(xiàn)

[1] Ye Yuanmao,，CHENG K W E，YEUNG Y P B.Zero-current switching switched capacitor zero voltage gap automatic equalization system for series battery string[J].IEEE Transactions on Power Electronics,，2012,，27(7)：3234-3242.

[2] PRESSMAN A I，BILLINGS K,，MOREY T(著).開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（第三版）[M].王志強(qiáng),，肖文勛，虞龍,，等譯.北京：電子工業(yè)出版社,，2010.

[3] 吳了，郭苗苗.一種適用于Buck型DC/DC變換器的高精度片上電流采樣電路[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),，2011,，28(6)：52-56.

[4] 魯照權(quán)，凌虎,，趙偉,，等.串聯(lián)蓄電池組均衡充電系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012,，31(6)：14-17.

[5] 彭宇,，朱青，孫猛.基于R5F2L38A的電動(dòng)汽車直流電能表設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(5)：84-86.

[6] CHENG K W E,，DIVAKAR B P,，Wu Hongjie，et al.Battery-management system(BMS) and SOC development for electrical vehicles[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,，2011,，60(1)：76-78.

[7] Lee Yuang-Shung，Cheng Mingwang.Intelligent control battery equalization for series connected Lithium-Ion battery strings[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,，2005,，52(5)：1297-1307.