AGV车用锉离子电池管理系统设计

    自动导引运输车(后文简称AGV)是指能够沿自动导引装置行驶，具有运输功能的移动机器人，主要应用于柔性加工系统、柔性装配系统、自动化立体仓库以及其他危险场所和特种行业AGV车用动力主要采用清洁高效的直流电提供动力，一般使用的电池电压为24和48 V目前采用较多的是铅酸电池和锅镍电池其中铅酸电池性能稳定、价格低廉，其缺点是单位能量密度小，寿命短福镍电池存在一定的环境污染因素(福污染)而钾离子电池作为第叹代动力电池的代表，与前两者相比，具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命长、开路电压高、自放电率低等优点因此锉离子电池是未来AGV车用动力电池的理想能源之一本文以AGV车用锉离子电池管理系统为研究对象，对单体电池电压检测、单体过充/过放、单体温度、SOC估计、SOH估计、热管理、充放电管理、均衡策略及数据通信等方面进行研究，针对动力锉离子电池充、放电电流大的使用场合，提出了一种高效率的恒流/恒压均衡方案

 

    1 电池管理系统的必要性分析

    

    尽管动力铿离子电池技术取得了巨大进步，为钾离户电池在混合动力汽车和纯电动汽车上的应用提供了可靠性和安全性的保证二但是电池技术和材料的优化不可能解决钾离子电池使用过程中的所有问题，特别是针对锋离子电池作为车载动力源使用的情况，其安个性和效率是其应用研究的重点阴因此电池管理系统也是AGV车辆管理的一项关键技术，原因如下所述：

    

    (1)基于安全性方面的要求AGV车用动力锉离子电池与手机、笔记本用锋电池相比，运用环境更为复杂恶劣lal作为动力电池！{寸，电池充/放电流通常较大，而电池自身热量的形成与电流和电池内阻相关：

                   

 

    式中：Q为电池工作时自身产生的热量;1为电池的卜作电流;R为单体电池内阻。如果充放电电流过大，或者由于使川过程中造成的电池单体短路，都可能短时间集聚大量热量造成钾离子电池的损坏，严重的可能导致爆炸，造成安全事故

    

    (2)基于工作效率方面的要求钾离子电池单体通过串井联方式连接形成能量存储矩阵以满足电动汽车的能量和功率需求通常由于制造L艺和使用不当等原因，会造成铿离子电池单体之间的不一致，通常是性能最差的单体决定了整组电池的容量利用率。这不仅使铿离子电池的使用存在风险，而且降低了锉离子电池的容量利用率。

    

    (3)基于使用成本方面的要求。尽管随着电池技术的不断进步，锉离子电池本身的成本在逐渐降低，但是相较于铅酸电池其成本还是很高，提高其使用寿命是降低其使用成本的重要手段。预测电池的健康状况，同时通过有效的均衡策略，可以缓解电池的不一致性，提高电池的使用效率和寿命，降低其使用成本。

 

    2 AGV车用电池管理系统

 

    2.1 AGV车用电池管理系统功能分析

    

    一个完整的电池管理系统需要包含以下几个功能，如图1所示，通常单体状态监测包括单体电压、电流和温度，荷电状态估计((SOC)，电池安全和保护等。这些功能是保证电池安全、高效工作的基础功能。目前许多公司推出的电池管理集成IC都包含电池管理的基本功能，如美信公司的MAX 11068，凌特公司的LTC6804等，单片可实现多达12个单体的管理，并可级联构成更高功率的电池串管理系统。
 

 

   图1 AGV车用电池管理系统功能框图

 

    2.2 AGV车用电池管理系统结构

    

    根据2.1节分析，在电池管理系统设计时，硬件上包含数据采集模块、控制保护模块、通信模块、存储模块、均衡模块等。软件上完成SOC估计、均衡策略等。硬件设计包括单体电池电压检测单元、单体温度检测单元、系统充/放电电流检测单元、恒流/恒压充电均衡单元、CAN通信接口、RS485通信接口、RS232通信接口以及TF存储器模块等。结构如图2所示，控制器采用PIC30F6014A微控制器。

 

    2.3 AGV车用电池管理系统硬件设计

 

    2.3.1 数据采集模块

    

    数据采集主要完成对电池运行状态的参量进行测量。数据采集主要包括单体电压、单体温度、充/放电电流。图3(a)为单体电压差分转化电路，8个单体组成的电池串通过由AQW214光隔组成的开关网络，在一次测量中，依次选通每个单体正、负端的AQW214，该信号通过INA333差分放大器后可得到该单体的电压;电流采集采用FS200E2霍尔电流传感器，该传感器最大可测量t 400 A电流。原边额定电流为200A，输出电压为为土4V。因此需要进行信号变换，将输出信号的14V转化为A/D采样的0-4 V，信号转化电路如图3(b)所示;单体温度采集采用NTC温度传感器，为了节省微处理器A/D口资源，温度测量信号通过多路模拟开关ADG706进行选择输人A/D转化使用处理器内部！2位A/D转换器
 

 

图2 AGV车用锉离子电池管理系统框图

    2.3.2 均衡电路

    

    针对动力电池串并联使用时存在的不一致问题，目前主流的两种均衡控制技术为能量耗散型和能量转移型(s)。本设计采用的是能量转移方案。均衡电路结构如图4所示。均衡电路

 

    主要有单端反激式变换器、DC/DC恒流恒压模块m和开关均衡网络3部分构成，其中反激式变换器输人为电池组电压，输入范围为1836 V，其输出作为DC/DC恒流恒压模块的输人，实现4.2 V/10 A的恒流恒压输出，该输出通过均衡网络对电池串中能量较低单体进行充电，达到均衡的目的。
 

 

图4 均衡电路结构拓扑

 

    反激式变化器通过直流斩波方式将输人的直流电变换成脉动的直流电，通过变压器传到次级线圈，在次级通过整流得到另一个等级的直流电压。DC/DC恒流恒压模块采用Buck降压拓扑，为实现恒流、恒压输出能力，需要设计电压和电流两个反馈环路，电压环路完成输出电压的自动调整，电流环路完成对输出电流的自动调整。系统采用凌特公司的集成控制器LT3741实现，效率最高可达94%。详细电路图如图5所示。均衡网络主要是为了配合均衡算法，实现对能量较低单体进行充电均衡，开关选用欧姆龙继电器。