自动导引运输车（AGV）是具有运输功能且能够沿自动导引装置行驶的移动机器人，大量运用于各种物流系统中。AGV车用动力源一般由电池提供，运用比较成熟的是铅酸蓄电池。由于铅酸蓄电池具有能量密度低，使用寿命短的缺点，目前锂离子电池有取代铅酸电池的趋势：一方面锂离子电池具有高的能量密度和自放电率；另一方面锂离子电池无环境污染，是未来车载动力电池的理想能源之一。为了满足自动引导运输车的能量和功率需求，通常采用串并联方式提高电池组的输出功率。由于电池生产工艺的影响，导致单体之间的容量、电池荷电状态(SOC)、内阻等不一致，使得电池组使用时容量利用率、使用安全性和效率降低。因此电池管理系统是锂离子动力电池组不可缺少的部分。而高效率的电池均衡技术又是电池管理系统的主要研究内容之一，是提高电池使用性能，延长电池使用寿命，降低电池使用和维护成本的重要保障。

1 电池组均衡技术

    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^[1]。能量耗散型均衡方案实现起来比较简单，只需要通过均衡选择控制网络给容量较高的单体并联一个耗能元件（通常为电阻），就可以消耗掉该单体上高于其他单体的能量。能量转移型均衡方案实现起来比较复杂，实现方法也较多，主要思想是利用储能元件实现能量从较高单体到较低单体的转化。如图1所示，通过储能型元件（电容或者电感）和开关网络先将能量较高单体的能量存储到储能元件中，储能元件再将该能量转移给能量较低单体，从而实现能量从较高单体到较低单体的转换。

    本文提出的均衡方案为能量转移型，结构如图2所示，将电池组电压作为输入，通过隔离反激式变换电路和DC/DC恒流恒压电路，对能量较低的单体进行充电。

2 均衡电路设计

2.1 单端反激变换器设计

    单端反激式变换器的输入电压为电池组电压，范围为18~36 V，输出电压为12 V，功率为100 W。其基本结构如图3所示，在MOSFET Q1导通期间，电流通过变压器原边线圈，变压器初级和次级线圈同名端感应电势均为负，二极管D1，D2均反向截止。电池组的能量存储在变压器励磁电感中，此时通过电容C1对负载供电^[2]。在Q1由导通到截止期间，变压器绕组电压反向，此时同名端电势为正，二极管D1、D2均正向导通，对负载提供能量，同时完成对C1的充电^[3]。

    在Q1导通期间存储在初级绕组中的能量为：

其中，E为Q1导通期间存储在初级绕组中的能量，L_P为原边绕组电感， I_P为Q1导通期间原边电流。Q1导通期间原边绕组的电流成线性上升的，假设Q1上的压降为1 V，则原边绕组中最大电流为：

其中，T_on为一个周期Q1导通时间。将式(2)带入式(1)，得到原边绕组中储能与开通时间关系：

    设变压器效率为η，则根据能量守恒原理可得到如下关系：

其中，P_i为变压器输入功率，P_o为变压器输出功率，则可以得到以下关系：

    由式(5)可以看出，为了保证输出功率的恒定，只需要调节T_on的导通时间。这就实现了脉宽对输出的调节。

2.2 DC/DC恒流恒压变换器设计

    为了实现恒流恒压均衡充电，在反激式变换器输出12 V电压的后端进行Buck型DC/DC变换，得到输出为4.2 V，10 A的恒压恒流充电电源。DC/DC控制器的控制模式主要有电压控制和电流控制两种^[4]。其中，电压控制取输出电压为电压反馈控制环的输入量，实现对输出电压的调整。电流控制不仅需要使用电压控制外环, 还要取输出电流为反馈量，增加了一个电流控制内环实现输出电流的调节^[5]。本系统设计的DC/DC变换具有两个调节环，实现恒流恒压充电，其中恒流是为了实现快速充电，恒压是为了保护单体不出现过充。

    为了提高电源转换效率，本文设计的恒流恒压充电模块采用的是凌特公司的专用DC/DC变换控制器LT3741，该控制器转换效率可达到94%，可实现电流电压两个环路自动调节，达到对输出的恒流恒压控制，系统设计输出恒流为10 A，恒压为4.2 V。

2.3 均衡控制策略

    单体电池串并联使用时，单体电池间的不一致导致的问题，需要通过均衡来减小。本系统中将8节单体电池作为一组，则在一组电池中，设单体1～单体8的单体电压为u₁～u₈。在实际使用过程中，通常采用SOC来反映电池容量利用状况，其中SOC定义为：

    在均衡策略上，由于准确估计SOC是很困难的^[6]，在实际中运用比较多的是利用单体外电压作为均衡依据，根据单体外电压估计出单体电压不一致^[7]，然后控制均衡网络对容量较低(也即是电压较低)单体充电。

    设一组单体中最高电压为u_max，最低电压为u_min。最高单体电压与最低单体电压差为u_max-min。则有：

    当u_max-min大于均衡开启阈值δ时开启均衡充电通道对电压最低的单体进行均衡充电。均衡策略软件流程如图4所示。

3 均衡实验及效果分析

    为了验证均衡策略的性能,将本系统的均衡充电方案运用于100 Ah锂离子电池管理系统中。测试不同充电电流下，不同单体差异到均衡结束的时间，其中设单体最高和单体最低电压偏差阈值δ= 20 mV 。将该值作为启动均衡的开启条件。均衡要保证将系统压差控制在20 mV以内。

    系统充电电流为20 A，均衡模块以4.2 V、10 A恒流恒压均衡充电。均衡结果如表1所示。

    系统充电电流为10 A，均衡模块以4.2 V、10 A恒流恒压均衡充电。均衡结果如表2所示。

    从实验结果可以看到，在系统外部充电电流较小时，均衡时间较短；在只有一个单体电池电压低于其他单体时，均衡时间较短。

    本文设计的自动导引运输车动力锂离子电池均衡充电系统，可以较快实现单体之间不一致的调节，对提高锂离子电池的使用寿命和安全性有很大的意义。在均衡充电时，本文采用的是恒流恒压均衡方式，经实验验证，本系统具有以下优势：(1)反激式变换器+DC/DC恒流恒压充电方式，结构简单，运行可靠；(2)充电均衡电流大，均衡时间短；(3)由于控制板和均衡电路均实现了电器隔离，所以系统的可靠性高，特别适用于低压(如24 V、48 V)、大电流需频繁充电的场合。

参考文献

[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).开关电源设计（第三版）[M].王志强，肖文勋，虞龙，等译.北京：电子工业出版社，2010.

[3] 吴了，郭苗苗.一种适用于Buck型DC/DC变换器的高精度片上电流采样电路[J].微电子学与计算机，2011，28(6)：52-56.

[4] 鲁照权，凌虎，赵伟，等.串联蓄电池组均衡充电系统[J].微型机与应用，2012，31(6)：14-17.

[5] 彭宇，朱青，孙猛.基于R5F2L38A的电动汽车直流电能表设计[J].电子技术应用,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.