農用電動動力機械鎳氫電池快速充電控制策略仿真研究

張智慧

包頭輕工職業技術學院,內蒙古包頭014035

農用電動動力機械鎳氫電池快速充電控制策略仿真研究

張智慧

包頭輕工職業技術學院,內蒙古包頭014035

針農用電動動力機械對橫流充電和恒壓充電方式的不足，提出了分段橫流-恒壓快速充電策略。在確定快速充電電流的過程中，綜合考慮最高溫度變化和溫度差的影響，依據馬斯定律對有效電流大小進行了整定，以某車型農用電動動力機械為研究對象，運用Matlab軟件進行模擬仿真。仿真結果表明：分段恒壓-橫流充電方式同時兼顧能量制動回收效率和電池組系統的使用壽命。

農用電動動力機械;橫流充電;恒壓充電;快速充電

1 引言

農用電動動力機械最大的優勢之一是在再生制動模式的過程中可以實現能量回收。當農用電動動力機械運行于再生制動模式時，電機可以在保證制動力的條件下將系統的動能轉化為電能對電池系統進行充電。其中，農用電動動力機械的電池組系統以較長時間中高電流持續放電為主，間或以大電流放電用于保證汽車的起動、加速和爬坡等工況[1-2].因此，為提高農用電動動力機械系統的能量回收率和保證系統電池組的使用壽命，應當對儲能元件——鎳氫電池組系統采用快速充電能量管理策略[3]。

目前國內外在電池能量管理方面的研究取得了一些進展。其中，Panom P等[4]對鎳氫電池快速充電低能耗等方面性能進行了分析；李香龍等[5]對電動乘用車直流快速充電可行性試驗進行了分析與驗證；杜飛龍等[6]利用鉛酸電池的充電理論，對電動汽車電池系統的智能快速充電策略進行了研究。但是上述研究大多基于理想的假設，并且需要在線監測相當的相關變量，因此對農用電動動力機械在復雜工況的適用性有限。

本文立足于解決農用電動動力機械電池組系統的充電效果和使用壽命問題，提出了一種新型快速充電方式，基于馬斯定律建立了電池快速充電控制策略模型，并導入Matlab/Simulink軟件進行仿真分析。

2 電池系統快速充電模型

農用電動動力機械在能量制動回收過程中，電池組溫升過快現象是影響系統安全的主要因素之一。因此，有必要對電池的熱交換過程進行建模分析，使溫升速率控制在合理的范圍內。

忽略快速充電過程中產生的副反應，電池組表面溫度Tsurface與充電初始時刻溫度、電池系統內外部傳遞熱量的關系如下：

式中：T0表示電池系統表面在快速充電初始時刻溫度；Qc為電池快速充電過程中產生的熱量；Qt表示電池組與外界交互傳遞的熱量；mb表示電池組的質量；Cb為電池比熱容系數。

參照熱力學第二定律，電池組快速充電所產生的熱量等于系統內阻所消耗的電能與電池光化學所生成的熱量之和。則：

式中：α是經驗系數，取0.153；Ib表示快速充電過程中的實際電流；rb表示電池系統快速充電過程中的內阻大小。

其中，電池組與外界交互傳遞的熱量Qt與空氣溫度和電池組外殼溫度關系如下：

式中：airT表示大氣溫度；tR表示電池組的有效內阻大小。

電池組的有效內阻由電池組殼體散熱面積、殼體材料和內外空氣對流速率決定。關系式如下：

式中：S表示電池組的有效散熱面積，通過積分得出；a為電池外殼傳熱系數，由材料決定；b是空氣導流系數，為經驗參數，一般取3.89。

由于電池系統的快速充電是一個受制于多個因素的時變、遲滯和非線性過程，因此電池的開路電壓-內阻模型往往是基于大量的實驗數據進行擬合得出?？紤]到電池內阻和電壓受到溫度的影響，以及電池組核電狀態（SOC）與電池系統溫度的關系，可以建立如下等式：

式中：U為等效電路充電電壓；Eb為電池組開路電壓；Rb為由電池表面溫度和電池組核電狀態共同決定的充電內阻；Ib表示充電電流，取負值。

參照相關文獻對SOC的定義，有：

式中：kt表示溫度系數，在大氣溫度是27攝氏度時取為1.1；Ct表示電池容量，取常數。

建立如下圖的農用電動動力機械快速充電模塊：

圖1 鎳氫電池組快速充電模型Fig.1 Quick charging model of Ni-MH battery

3 再生制動過程快速充電控制策略

3.1電池組快速充電方式選擇

目前，市場上普遍使用的是橫流充電技術和恒壓充電技術。其中，恒壓充電技術因自身能夠滿足各種放電深度的電池從而獲得了工業上的廣泛應用，但是長時間的恒壓充電會損害電池極板、加速電池系統的自放電過程，甚至于導致電池組欠充電形成落后電池；橫流充電技術因自身的算法簡便性逐漸得到了充電技術廠家的認可，但同時具備著充電時間長、效率低和易受電池容量干擾的缺點。

本文從農用電動動力機械能量制動回收過程出發，結合電池組因安裝在狹小空間而帶來散熱有限的實際情況，提出一種綜合考慮充電時間和電池組使用壽命的快速充電方式，即分段式恒壓-橫流充電策略。

3.2電池組快速充電電流

理想中的充電模式是指判斷出電池在充電過程中可接受的電流大小，并提供最大的有效充電電流。由馬斯定律可得：

式中：I表示t時刻的最大有效充電電流；Io表示系統初選充電電流，可以參照電池參數和經典結論得出；a表示快速充電電流接受比；Cr為充電初始時刻電池容量；Ct表示電池容量。

由式（8）可知，電池的理想充電曲線為指數函數?？紤]到鎳氫電池的內阻與充電電流的大小呈反函數，而與充電時間呈增函數，因此選取充電內阻相對較小的大電流進行充電以達到快速充電和高校充電的目的。

本文的研究對象為某農用電動動力機械，該系統采用130節容量均為6.5hA·的鎳氫電池，理想開路電壓182 V。不妨設初始SOC值為0.4，對應Io選取85 A。則電池組在10 min內充電至SOC為0.8的曲線如下圖：

圖2 理想充電電流曲線Fig.2 Ideal charging electric current curve

農用電動動力機械有限的安裝空間使得電池組系統被布置在一個狹小的空間內?？焖俪潆娨鸬臒崃可仙沟秒姵叵到y局部材料熱膨脹增大，甚至于破壞內部結構影響電池的使用壽命。因此，在確定快速充電有效電流時，必須考慮溫升的影響。尤其是農用電動動力機械長時間處于滑行工況，很有必要考慮充電熱效應對有效充電電流的限制。

參照實驗者的經典結論：農用電動動力機械回收制動過程中快速充電電流絕大部分（90%）落入區間［40A～65A］；充電過程最大不會超過2 min。選取2 min為衡量區間，在該區域內的最高溫度曲線進行數據擬合。

圖3為不同SOC值（0.3～0.8）在不同電流狀態下充電2 min時的最高溫度變化實驗數據擬合圖。由圖3可知，在相同電流快速充電時，不同的荷電狀態會因為電池系統的內阻相差較小而變化甚微。而靠近SOC=0.8時，因為充電過程終止而導致最高溫度下降速率增大，完全模擬了理論上對充電時間與最高溫度變化之間的關系。

從圖3的電池溫度變化量曲線，可以通過電池組的初始SOC值、電池組最高溫度和預設最高溫度的差值tΔ查表找出相應的初始充電電流I1。由此可得初始充電電流I1為：

同理，考慮到農用電動動力機械電池系統布置的局限性，充電熱效應對電池組均衡性的影響也不容忽視：電池系統自備的風扇不能保證每一節電池都能處于相同的溫度環境。電池組單體電池之間的溫度差會使它們的放電性能存在差異；溫差過大甚至于影響到電池組工作范圍的變化。因此，在確定有效充電電流時，必須考慮溫差因素對電流大小的限制。

選取2 min為衡量區間，在該區域內的溫差實驗數據進行曲線擬合：

圖3 電池溫度變化量曲線Fig.3 Battery temperature variation curve

圖4溫差變化量曲線Fig.4 Temperature variation curve

圖4 為不同SOC值（0.3～0.8）在不同電流狀態下充電2 min時的溫差變化實驗數據擬合圖。由圖4可知，充電電流在60A附近是，最高溫差可達2.0攝氏度。綜合汽車相對惡劣的工作環境，溫差變化量對有效充電電流的確定不容忽視。

從圖4的電池溫差變化曲線，可以通過電池組的初始SOC值、電池組最大溫度差和預設最高溫差的變化值tΔ查表找出相應的初始充電電流I2。由此可得初始充電電流I2為：

綜上所述，有效電流I有效=min(I,I1,I2)。

3.3快速充電控制策略

嚴格參照馬斯定律的充電方式可以實現最大程度地滿足快速充電和改善電池使用期限的目的。但是這種控制電流按照指數曲線下降的充電方式因為其自身的即時監控難度和不穩定性，較難在工程上取得廣泛應用。因此，本文提出分段橫流-恒壓快速充電方式，用以兼顧快速充電和減少負電效應的要求。

將連續的充電過程分割成若干個1 s時間間隔，充電有效電流綜合考慮溫升和最高溫度的限制，并依據馬斯定律的理想充電曲線獲取。當電池系統的荷電量處于較低狀態時，控制系統發出指令控制電路處于恒流充電狀態；當荷電量位于中等狀態時（0.5～0.7），電池管理系統從位于主減速器附近的轉速傳感器獲取信號，并判斷出橫流和恒壓的充電方式：轉速大于系統設定的制動回收闕限值（72 m/s）時，選取橫流充電；轉速小于等于72 m/s時，使用恒壓充電；當電池位于中高荷電量時，選取恒壓充電方式，以減輕過度充電的可能。制訂的控制策略如下圖：

圖5 分段橫流-恒壓充電策略Fig.5 Control strategy of block out-constant voltage

4 快速充電仿真結果分析

將農用電動動力機械的相關數據導入Matlab軟件并運行，預設電池初始SOC為0.5、電池組初始溫度為28℃，分別比較185 V恒壓充電、35 A橫流充電以及本文提出的橫流-恒壓充電控制策略的仿真結果。

圖6 最高溫度變化圖Fig.6 The highest temperature variation

圖7充電電流變化圖Fig.7 Charging current variation

圖6 、7分別為最高溫度變化及充電電流變化圖。由圖6、7可知，在最高溫度仿真圖中，本文提出的分段橫流-恒壓充電策略所產生的熱量只有185 V恒壓充電的53.3%，而在與35 A橫流充電熱量基本持平，同時縮短了充電時間，提高了快速反應能力。充電電流的仿真圖驗證了控制策略的正確性。在分段橫流-恒壓控制策略的作用下，60A的初始充電電流的速率變化明顯。在40 s至120 s的區間內斜率先大后小，在保證充電效率的同時也兼顧了回生制動后期充電系統的安全性，以延長電池組系統的使用壽命。

5 結論

本文立足于解決農用電動動力機械電池組系統的充電效果和使用壽命問題，提出了一種新型快速充電方式，基于馬斯定律建立了電池快速充電控制策略模型，并導入Matlab/Simulink軟件進行仿真分析。仿真結果表明：

（1）建立了電池快速充電模型，結合馬斯定律設計了符合農用電動動力機械回生制動過程快速充電的分段橫流-恒壓控制策略，并導入Matlab/Simulink進行仿真分析。；

（2）提出的快速充電策略可以改善農用電動動力機械能量回收過程中的核心問題——充電方式在過程的分布，在保證動力電池組使用壽命的前提下，通過合理地分配橫流充電和恒壓充電的時刻，縮短了充電時間（約3～4 s），極大極大程度地提高了充電效率。

[1]李季,蘇亦白,徐淑彥.農用電動汽車電力驅動系統節能新設計[J].農業機械,2008,10:68-70

[2]陳震邦,周瑩.農用電動運輸車設計[J].農業機械學報,2005,36(7):153-155

[3]Xiao Wenyong,Wang Feng,Zhuo Bin.Regenerative braking algorithm for an ISG HEV based on regenerative torque optimization[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2008,13(2):1-8

[4]Panom P,Phaophak S,Noppadol K.Low cost RISC implementation of intelligent ultrafast charger for Ni-Cd battery[J]. Energy Conversion and Management,2008,49(2):185-192

[5]付主木,王斌,高愛云.HEV再生制動時電池充電模糊控制策略[J].東南大學學報(自然科學版),2012,42(3):435-440

[6]杜飛龍.電動汽車鉛酸蓄電池智能快速充電方法的研究[J].變流技術與電力牽引,2004,34(4):34-36

Study of Control Strategy and Simulation on Ni-MH Battery Quick Charging ofAgricultural Electric Power Machinery

ZHANG Zhi-hui
Baotou Light Industry Vocational Technical College,Baotou014035,China

To avoid the shortcoming of pure constant factor charging mode of agricultural electric power machinery,a new control strategy of sectional constant current-constant voltage charging mode was approached,in terms of determining the charging current,both the permitted highest temperature and the tolerate heat variation are considered,and the Mascc law has been taken into consideration.The constructed simulation mode has been put into Matlab based on some specific experiment evidence of agricultural electric power machinery.The result showed that not only the regenerative braking efficiency was improved but the maintenance of battery system was ameliorated.

Agricultural electric power machinery;constant-current charging;constant-voltage charging;quickly charging

U464.9

A

1000-2324(2014)05-0706-05

2012-11-02

2012-12-03

張智慧(1980-),男,內蒙古包頭人,碩士,講師,工業自動化.