張智慧

包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭014035

農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)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(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭014035

針農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)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(jù)馬斯定律對有效電流大小進(jìn)行了整定，以某車型農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械為研究對象，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行模擬仿真。仿真結(jié)果表明：分段恒壓-橫流充電方式同時(shí)兼顧能量制動(dòng)回收效率和電池組系統(tǒng)的使用壽命。

農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械;橫流充電;恒壓充電;快速充電

1 引言

農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械最大的優(yōu)勢之一是在再生制動(dòng)模式的過程中可以實(shí)現(xiàn)能量回收。當(dāng)農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械運(yùn)行于再生制動(dòng)模式時(shí)，電機(jī)可以在保證制動(dòng)力的條件下將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能對電池系統(tǒng)進(jìn)行充電。其中，農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械的電池組系統(tǒng)以較長時(shí)間中高電流持續(xù)放電為主，間或以大電流放電用于保證汽車的起動(dòng)、加速和爬坡等工況[1-2].因此，為提高農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)的能量回收率和保證系統(tǒng)電池組的使用壽命，應(yīng)當(dāng)對儲能元件——鎳氫電池組系統(tǒng)采用快速充電能量管理策略[3]。

目前國內(nèi)外在電池能量管理方面的研究取得了一些進(jìn)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(jìn)行了分析；李香龍等[5]對電動(dòng)乘用車直流快速充電可行性試驗(yàn)進(jìn)行了分析與驗(yàn)證；杜飛龍等[6]利用鉛酸電池的充電理論，對電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的智能快速充電策略進(jìn)行了研究。但是上述研究大多基于理想的假設(shè)，并且需要在線監(jiān)測相當(dāng)?shù)南嚓P(guān)變量，因此對農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械在復(fù)雜工況的適用性有限。

本文立足于解決農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械電池組系統(tǒng)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(dǎo)入Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真分析。

2 電池系統(tǒng)快速充電模型

農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械在能量制動(dòng)回收過程中，電池組溫升過快現(xiàn)象是影響系統(tǒng)安全的主要因素之一。因此，有必要對電池的熱交換過程進(jìn)行建模分析，使溫升速率控制在合理的范圍內(nèi)。

忽略快速充電過程中產(chǎn)生的副反應(yīng)，電池組表面溫度Tsurface與充電初始時(shí)刻溫度、電池系統(tǒng)內(nèi)外部傳遞熱量的關(guān)系如下：

式中：T0表示電池系統(tǒng)表面在快速充電初始時(shí)刻溫度；Qc為電池快速充電過程中產(chǎn)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(zhì)量；Cb為電池比熱容系數(shù)。

參照熱力學(xué)第二定律，電池組快速充電所產(chǎn)生的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)阻所消耗的電能與電池光化學(xué)所生成的熱量之和。則：

式中：α是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.153；Ib表示快速充電過程中的實(shí)際電流；rb表示電池系統(tǒng)快速充電過程中的內(nèi)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(guān)系如下：

式中：airT表示大氣溫度；tR表示電池組的有效內(nèi)阻大小。

電池組的有效內(nèi)阻由電池組殼體散熱面積、殼體材料和內(nèi)外空氣對流速率決定。關(guān)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(shù)，由材料決定；b是空氣導(dǎo)流系數(shù)，為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，一般取3.89。

由于電池系統(tǒng)的快速充電是一個(gè)受制于多個(gè)因素的時(shí)變、遲滯和非線性過程，因此電池的開路電壓-內(nèi)阻模型往往是基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出?？紤]到電池內(nèi)阻和電壓受到溫度的影響，以及電池組核電狀態(tài)（SOC）與電池系統(tǒng)溫度的關(guān)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(tài)共同決定的充電內(nèi)阻；Ib表示充電電流，取負(fù)值。

參照相關(guān)文獻(xiàn)對SOC的定義，有：

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

建立如下圖的農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)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(dòng)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(shù)和恒壓充電技術(shù)。其中，恒壓充電技術(shù)因自身能夠滿足各種放電深度的電池從而獲得了工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，但是長時(shí)間的恒壓充電會損害電池極板、加速電池系統(tǒng)的自放電過程，甚至于導(dǎo)致電池組欠充電形成落后電池；橫流充電技術(shù)因自身的算法簡便性逐漸得到了充電技術(shù)廠家的認(rèn)可，但同時(shí)具備著充電時(shí)間長、效率低和易受電池容量干擾的缺點(diǎn)。

本文從農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械能量制動(dòng)回收過程出發(fā)，結(jié)合電池組因安裝在狹小空間而帶來散熱有限的實(shí)際情況，提出一種綜合考慮充電時(shí)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(shí)刻的最大有效充電電流；Io表示系統(tǒng)初選充電電流，可以參照電池參數(shù)和經(jīng)典結(jié)論得出；a表示快速充電電流接受比；Cr為充電初始時(shí)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(shù)函數(shù)?？紤]到鎳氫電池的內(nèi)阻與充電電流的大小呈反函數(shù)，而與充電時(shí)間呈增函數(shù)，因此選取充電內(nèi)阻相對較小的大電流進(jìn)行充電以達(dá)到快速充電和高校充電的目的。

本文的研究對象為某農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械，該系統(tǒng)采用130節(jié)容量均為6.5hA·的鎳氫電池，理想開路電壓182 V。不妨設(shè)初始SOC值為0.4，對應(yīng)Io選取85 A。則電池組在10 min內(nèi)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(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械有限的安裝空間使得電池組系統(tǒng)被布置在一個(gè)狹小的空間內(nèi)?？焖俪潆娨鸬臒崃可仙沟秒姵叵到y(tǒng)局部材料熱膨脹增大，甚至于破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響電池的使用壽命。因此，在確定快速充電有效電流時(shí)，必須考慮溫升的影響。尤其是農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械長時(shí)間處于滑行工況，很有必要考慮充電熱效應(yīng)對有效充電電流的限制。

參照實(shí)驗(yàn)者的經(jīng)典結(jié)論：農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械回收制動(dòng)過程中快速充電電流絕大部分（90%）落入?yún)^(qū)間［40A～65A］；充電過程最大不會超過2 min。選取2 min為衡量區(qū)間，在該區(qū)域內(nèi)的最高溫度曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

圖3為不同SOC值（0.3～0.8）在不同電流狀態(tài)下充電2 min時(shí)的最高溫度變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖。由圖3可知，在相同電流快速充電時(shí)，不同的荷電狀態(tài)會因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)的內(nèi)阻相差較小而變化甚微。而靠近SOC=0.8時(shí)，因?yàn)槌潆娺^程終止而導(dǎo)致最高溫度下降速率增大，完全模擬了理論上對充電時(shí)間與最高溫度變化之間的關(guān)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(yù)設(shè)最高溫度的差值tΔ查表找出相應(yīng)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(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械電池系統(tǒng)布置的局限性，充電熱效應(yīng)對電池組均衡性的影響也不容忽視：電池系統(tǒng)自備的風(fēng)扇不能保證每一節(jié)電池都能處于相同的溫度環(huán)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(shí)，必須考慮溫差因素對電流大小的限制。

選取2 min為衡量區(qū)間，在該區(qū)域內(nèi)的溫差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(tài)下充電2 min時(shí)的溫差變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖。由圖4可知，充電電流在60A附近是，最高溫差可達(dá)2.0攝氏度。綜合汽車相對惡劣的工作環(huán)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(yù)設(shè)最高溫差的變化值tΔ查表找出相應(yīng)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(yán)格參照馬斯定律的充電方式可以實(shí)現(xiàn)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(shù)曲線下降的充電方式因?yàn)槠渥陨淼募磿r(shí)監(jiān)控難度和不穩(wěn)定性，較難在工程上取得廣泛應(yīng)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(fù)電效應(yīng)的要求。

將連續(xù)的充電過程分割成若干個(gè)1 s時(shí)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(jù)馬斯定律的理想充電曲線獲取。當(dāng)電池系統(tǒng)的荷電量處于較低狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制電路處于恒流充電狀態(tài)；當(dāng)荷電量位于中等狀態(tài)時(shí)（0.5～0.7），電池管理系統(tǒng)從位于主減速器附近的轉(zhuǎn)速傳感器獲取信號，并判斷出橫流和恒壓的充電方式：轉(zhuǎn)速大于系統(tǒng)設(shè)定的制動(dòng)回收闕限值（72 m/s）時(shí)，選取橫流充電；轉(zhuǎn)速小于等于72 m/s時(shí)，使用恒壓充電；當(dāng)電池位于中高荷電量時(shí)，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(jié)果分析

將農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件并運(yùn)行，預(yù)設(shè)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(jié)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(chǎn)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(shí)縮短了充電時(shí)間，提高了快速反應(yīng)能力。充電電流的仿真圖驗(yàn)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(qū)間內(nèi)斜率先大后小，在保證充電效率的同時(shí)也兼顧了回生制動(dòng)后期充電系統(tǒng)的安全性，以延長電池組系統(tǒng)的使用壽命。

5 結(jié)論

本文立足于解決農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械電池組系統(tǒng)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(dǎo)入Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：

（1）建立了電池快速充電模型，結(jié)合馬斯定律設(shè)計(jì)了符合農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械回生制動(dòng)過程快速充電的分段橫流-恒壓控制策略，并導(dǎo)入Matlab/Simulink進(jìn)行仿真分析。；

（2）提出的快速充電策略可以改善農(nóng)用電動(dòng)動(dòng)力機(jī)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(dòng)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(shí)刻，縮短了充電時(shí)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(nóng)用電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能新設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2008,10:68-70

[2]陳震邦,周瑩.農(nóng)用電動(dòng)運(yùn)輸車設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(7):153-155

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[5]付主木,王斌,高愛云.HEV再生制動(dòng)時(shí)電池充電模糊控制策略[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,42(3):435-440

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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(nèi)蒙古包頭人,碩士,講師,工業(yè)自動(dòng)化.