自動導引運輸車（AGV）是具有運輸功能且能夠沿自動導引裝置行駛的移動機器人，大量運用于各種物流系統中。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。為了滿足自動引導運輸車的能量和功率需求，通常采用串并聯方式提高電池組的輸出功率。由于電池生產工藝的影響，導致單體之間的容量、電池荷電狀態(SOC)、內阻等不一致，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又是電池管理系統的主要研究內容之一，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

    目前主流的兩種均衡控制技術為能量耗散型和能量轉移型^[1]。能量耗散型均衡方案實現起來比較簡單，只需要通過均衡選擇控制網絡給容量較高的單體并聯一個耗能元件（通常為電阻），就可以消耗掉該單體上高于其他單體的能量。能量轉移型均衡方案實現起來比較復雜，實現方法也較多，主要思想是利用儲能元件實現能量從較高單體到較低單體的轉化。如圖1所示，通過儲能型元件（電容或者電感）和開關網絡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移給能量較低單體，從而實現能量從較高單體到較低單體的轉換。

    本文提出的均衡方案為能量轉移型，結構如圖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。

2 均衡電路設計

2.1 單端反激變換器設計

    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。其基本結構如圖3所示，在MOSFET Q1導通期間，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均正向導通，對負載提供能量，同時完成對C1的充電^[3]。

    在Q1導通期間存儲在初級繞組中的能量為：

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

其中，T_on為一個周期Q1導通時間。將式(2)帶入式(1)，得到原邊繞組中儲能與開通時間關系：

    設變壓器效率為η，則根據能量守恒原理可得到如下關系：

其中，P_i為變壓器輸入功率，P_o為變壓器輸出功率，則可以得到以下關系：

    由式(5)可以看出，為了保證輸出功率的恒定，只需要調節T_on的導通時間。這就實現了脈寬對輸出的調節。

2.2 DC/DC恒流恒壓變換器設計

    為了實現恒流恒壓均衡充電，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的輸入量，實現對輸出電壓的調整。電流控制不僅需要使用電壓控制外環, 還要取輸出電流為反饋量，增加了一個電流控制內環實現輸出電流的調節^[5]。本系統設計的DC/DC變換具有兩個調節環，實現恒流恒壓充電，其中恒流是為了實現快速充電，恒壓是為了保護單體不出現過充。

    為了提高電源轉換效率，本文設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，該控制器轉換效率可達到94%，可實現電流電壓兩個環路自動調節，達到對輸出的恒流恒壓控制，系統設計輸出恒流為10 A，恒壓為4.2 V。

2.3 均衡控制策略

    單體電池串并聯使用時，單體電池間的不一致導致的問題，需要通過均衡來減小。本系統中將8節單體電池作為一組，則在一組電池中，設單體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：

    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，根據單體外電壓估計出單體電壓不一致^[7]，然后控制均衡網絡對容量較低(也即是電壓較低)單體充電。

    設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u_max-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。

3 均衡實驗及效果分析

    為了驗證均衡策略的性能,將本系統的均衡充電方案運用于100 Ah鋰離子電池管理系統中。測試不同充電電流下，不同單體差異到均衡結束的時間，其中設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。均衡要保證將系統壓差控制在20 mV以內。

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

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

    從實驗結果可以看到，在系統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。

    本文設計的自動導引運輸車動力鋰離子電池均衡充電系統，可以較快實現單體之間不一致的調節，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，經實驗驗證，本系統具有以下優勢：(1)反激式變換器+DC/DC恒流恒壓充電方式，結構簡單，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了電器隔離，所以系統的可靠性高，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

[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).開關電源設計（第三版）[M].王志強，肖文勛，虞龍，等譯.北京：電子工業出版社，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].微電子學與計算機，2011，28(6)：52-56.

[4] 魯照權，凌虎，趙偉，等.串聯蓄電池組均衡充電系統[J].微型機與應用，2012，31(6)：14-17.

[5] 彭宇，朱青，孫猛.基于R5F2L38A的電動汽車直流電能表設計[J].電子技術應用,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.