基于SOC的AGV車載蓄電池荷電狀態實時平衡方法研究*

尚麗平，王順利，李占鋒，馬有良，夏承成

(1.西南科技大學信息工程學院特殊環境機器人技術四川省重點實驗室，四川綿陽621010；2.西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽621010）

無人搬運車AGV（Automated Guided Vehicle）因其自動化程度高、自動充電、使用方便等優點得到廣泛應用。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、可級聯等優點，是AGV供能的一個較好的選擇。但是，由于AGV工況條件惡劣且工作狀態變化頻繁，鋰離子蓄電池多節單體級聯模式工作過程中，容易出現電量不平衡現象甚至引起燃燒、炸裂等安全問題，已經引起了人們的關注[1-4]。

針對該工況應用核心問題的解決，很多研究人員展開了相關研究，如戴海峰等研制的電動汽車用鋰離子動力電池電感主動平衡系統[5]，SAEED D等人研制了一種新型的單級多輸入的DC/DC升壓轉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，電池的荷電狀態SOC(State Of Charge)作為其重要平衡依據[12]得到了較為廣泛的應用研究和方法探索[13-16]。但是，AGV惡劣工況及頻繁充放電條件下的基于SOC估計實時主動平衡仍缺乏相應的深入理論和應用研究，仍存在不及時、不準確的問題。為了解決這一問題，本文以安時積分法估計結合開路電壓法修正的SOC估計為基礎，基于反激式DC/DC能量轉移的思想進行惡劣工況的主動平衡方法研究，并在研制的電池管理系統BMS(Battery Management System)中得到模擬實驗驗證。

1 荷電狀態實時估算

荷電狀態SOC估算是鋰離子蓄電池組主動平衡的基礎和技術難點，其準確性對平衡的最終效果有直接影響。SOC與很多因素相關，如電流、電壓、溫度等參量的測量精度，負載工作狀態，操作的環境溫度以及電池的自放電和老化等，并且具有很強的非線性。基本估算方法有電流積分(安時積分)、開路電壓法(OCV)、內阻法、擴展卡爾曼濾波(EKF)、無跡粒子濾波(UPF)、模糊推理、偏微分方程(PDE)、神經網絡等。其中以電流積分為主，本研究采用安時積分方法結合電池的開路電壓(OCV)誤差矯正方法進行實現。

1.1 基于OCV的狀態初值估計與矯正

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行修正，得到自檢結束t1時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估計SOC0′，然后采用安時計量法計算后續時刻的電池SOC。

通過HPPC實驗獲得某型號蓄電池開路電壓OCV與SOC之間的關系曲線，如圖1所示，計算SOC的初值OCV0以及SOC的矯正值SOC0′。

圖1 開路電壓和SOC對應曲線

1.2 電量安時積分SOC估計

安時積分因其使用方便、穩定性好等特點成為目前實際應用中使用最多的蓄電池SOC估計方法，主要通過蓄電池在充電和放電時的電量變化來估計電池的SOC。

電量積分計算過程中，放電過程中荷電狀態變化的基本計算過程如式(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，然后基于溫度影響的經驗公式進行溫度校正以提高其估算準確性，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行恒流放電，得到該型電池從滿電狀態到達放電終止電壓總共放出的電荷量以進行電量狀態矯正。實驗結果如圖2所示。

圖2 不同溫度放電倍率放電電荷量變化規律

從實驗中可以看出，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，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。根據本規律曲線進行SOC估計溫度矯正。

2 主動平衡方法研究

2.1 平衡策略

在原有SOC估計值的基礎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移主動平衡策略進行單體間能量的平衡決策，針對構建的平衡模型，基于實時檢測的單體電壓、蓄電池組電壓、溫度等參數，對n=9個單體蓄電池組，基于放電、充電、空置三態決策(3×n)以及反激式boost升壓進行AGV工況下實時單體荷電狀態的平衡調節，基本過程如下:

(1)工作狀態判定

通過比較各個單體求和后的總電壓和直接測量的端電壓進行狀態判定，蓄電池組端電壓記為VT，各個單體求和后總電壓記為VS，計算過程如式(5)所示：蓄電池內阻電壓降的消耗將會產生單體電壓之和與蓄電池組端電壓不相等的現象。比較VS和VT值的大小，根據比較的不同邏輯結果判定AGV機載蓄電池工況狀態，根據判定確定蓄電池組處于充電、放電或擱置狀態以計入SOC估計過程，判決規則如式(6)所示：

計算端電壓VT與單體總電壓VS的相對偏差值，如式(7)所示：

相對偏差值δ表征了內阻上的能量消耗。在充電和放電工況狀態下，對蓄電池組相對偏差值進行判決以確定蓄電池組是否處于正常工作狀態，進而對蓄電池工作狀態進行安全保護。判決規則如式(8)所示：

(2)單體SOC不平衡度計算

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

進而計算蓄電池組SOC值的樣本方差值作為判斷需實時平衡的單體的數量、能量轉移方向和平衡程度，計算方法如式(10)所示：

接著計算所有單體SOC的相對標準偏差qi，如式(11)所示，通過標準偏差值的計算確定達到的不平衡度。

2.2 實驗分析

根據SOC估計分析與平衡策略實現過程中所需參量并遵從車載電池行業標準，設計了AGV車載蓄電池配備的電池管理系統。研制的融入SOC計算以及平衡策略的AGV車載BMS系統功能模塊用于AGV工作過程中的蓄電池組電量調度調節。

(3)平衡調節與決策

設定各個單體SOC需進行平衡的閾值為Q，在|qi|＞Q的情況下，第i個單體需平衡調節，根據qi值大小確定能量轉移的速度，根據值的正負確定能量轉移方向，如式(12)所示：

在AGV工況下蓄電池組實時主動平衡時，BMS實時采集蓄電池的各項參數值，通過所需參數狀態值實時完成周期檢測并在進行A/D轉換后輸入MCU進行SOC估計計算以及實時主動平衡處理，以達到SOC估計以及實時主動平衡的目標。主要參數指標的檢測指標如表1所示。

表1 檢測參數表

通過方法的提出和研究，以及基于本SOC估計值作為參考依據的主動平衡策略的設計與實現，實現了AGV工況下BMS的核電狀態實時主動平衡調節。通過進行實驗規劃，對主動平衡系統進行工況下充電、放電、大電流放電、擱置、循環充放電等工況模擬測試，長時間多次運行結果表明，該方法實現了AGV惡劣工況下的實時主動平衡目標，在不同種工況環境下，不同工況下的平衡均在300 s以內，達到了單體間的電量不平衡度≤5%的AGV工作時實時電池組主動平衡目標。

本文采用SOC估計值作為平衡基準值，基于單體不平衡度的計算，提出了一種AGV工況下的車載蓄電池組實時主動平衡方法。基于該方法和平衡策略研制了車載蓄電池管理系統，用于AGV工作時的蓄電池組SOC主動平衡調節。通過實際模擬運行試驗驗證，該方法能夠取得較好的平衡效果，能夠實現AGV車載蓄電池的主動電量平衡調節，保證其工作狀態下的安全性。

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