农用电动动力机械镍氢电池快速充电控制策略仿真研究

张智慧

包头轻工职业技术学院,内蒙古包头014035

农用电动动力机械镍氢电池快速充电控制策略仿真研究

张智慧

包头轻工职业技术学院,内蒙古包头014035

针农用电动动力机械对横流充电和恒压充电方式的不足，提出了分段横流-恒压快速充电策略。在确定快速充电电流的过程中，综合考虑最高温度变化和温度差的影响，依据马斯定律对有效电流大小进行了整定，以某车型农用电动动力机械为研究对象，运用Matlab软件进行模拟仿真。仿真结果表明：分段恒压-横流充电方式同时兼顾能量制动回收效率和电池组系统的使用寿命。

农用电动动力机械;横流充电;恒压充电;快速充电

1 引言

农用电动动力机械最大的优势之一是在再生制动模式的过程中可以实现能量回收。当农用电动动力机械运行于再生制动模式时，电机可以在保证制动力的条件下将系统的动能转化为电能对电池系统进行充电。其中，农用电动动力机械的电池组系统以较长时间中高电流持续放电为主，间或以大电流放电用于保证汽车的起动、加速和爬坡等工况[1-2].因此，为提高农用电动动力机械系统的能量回收率和保证系统电池组的使用寿命，应当对储能元件——镍氢电池组系统采用快速充电能量管理策略[3]。

目前国内外在电池能量管理方面的研究取得了一些进展。其中，Panom P等[4]对镍氢电池快速充电低能耗等方面性能进行了分析；李香龙等[5]对电动乘用车直流快速充电可行性试验进行了分析与验证；杜飞龙等[6]利用铅酸电池的充电理论，对电动汽车电池系统的智能快速充电策略进行了研究。但是上述研究大多基于理想的假设，并且需要在线监测相当的相关变量，因此对农用电动动力机械在复杂工况的适用性有限。

本文立足于解决农用电动动力机械电池组系统的充电效果和使用寿命问题，提出了一种新型快速充电方式，基于马斯定律建立了电池快速充电控制策略模型，并导入Matlab/Simulink软件进行仿真分析。

2 电池系统快速充电模型

农用电动动力机械在能量制动回收过程中，电池组温升过快现象是影响系统安全的主要因素之一。因此，有必要对电池的热交换过程进行建模分析，使温升速率控制在合理的范围内。

忽略快速充电过程中产生的副反应，电池组表面温度Tsurface与充电初始时刻温度、电池系统内外部传递热量的关系如下：

式中：T0表示电池系统表面在快速充电初始时刻温度；Qc为电池快速充电过程中产生的热量；Qt表示电池组与外界交互传递的热量；mb表示电池组的质量；Cb为电池比热容系数。

参照热力学第二定律，电池组快速充电所产生的热量等于系统内阻所消耗的电能与电池光化学所生成的热量之和。则：

式中：α是经验系数，取0.153；Ib表示快速充电过程中的实际电流；rb表示电池系统快速充电过程中的内阻大小。

其中，电池组与外界交互传递的热量Qt与空气温度和电池组外壳温度关系如下：

式中：airT表示大气温度；tR表示电池组的有效内阻大小。

电池组的有效内阻由电池组壳体散热面积、壳体材料和内外空气对流速率决定。关系式如下：

式中：S表示电池组的有效散热面积，通过积分得出；a为电池外壳传热系数，由材料决定；b是空气导流系数，为经验参数，一般取3.89。

由于电池系统的快速充电是一个受制于多个因素的时变、迟滞和非线性过程，因此电池的开路电压-内阻模型往往是基于大量的实验数据进行拟合得出。考虑到电池内阻和电压受到温度的影响，以及电池组核电状态（SOC）与电池系统温度的关系，可以建立如下等式：

式中：U为等效电路充电电压；Eb为电池组开路电压；Rb为由电池表面温度和电池组核电状态共同决定的充电内阻；Ib表示充电电流，取负值。

参照相关文献对SOC的定义，有：

式中：kt表示温度系数，在大气温度是27摄氏度时取为1.1；Ct表示电池容量，取常数。

建立如下图的农用电动动力机械快速充电模块：

图1 镍氢电池组快速充电模型Fig.1 Quick charging model of Ni-MH battery

3 再生制动过程快速充电控制策略

3.1电池组快速充电方式选择

目前，市场上普遍使用的是横流充电技术和恒压充电技术。其中，恒压充电技术因自身能够满足各种放电深度的电池从而获得了工业上的广泛应用，但是长时间的恒压充电会损害电池极板、加速电池系统的自放电过程，甚至于导致电池组欠充电形成落后电池；横流充电技术因自身的算法简便性逐渐得到了充电技术厂家的认可，但同时具备着充电时间长、效率低和易受电池容量干扰的缺点。

本文从农用电动动力机械能量制动回收过程出发，结合电池组因安装在狭小空间而带来散热有限的实际情况，提出一种综合考虑充电时间和电池组使用寿命的快速充电方式，即分段式恒压-横流充电策略。

3.2电池组快速充电电流

理想中的充电模式是指判断出电池在充电过程中可接受的电流大小，并提供最大的有效充电电流。由马斯定律可得：

式中：I表示t时刻的最大有效充电电流；Io表示系统初选充电电流，可以参照电池参数和经典结论得出；a表示快速充电电流接受比；Cr为充电初始时刻电池容量；Ct表示电池容量。

由式（8）可知，电池的理想充电曲线为指数函数。考虑到镍氢电池的内阻与充电电流的大小呈反函数，而与充电时间呈增函数，因此选取充电内阻相对较小的大电流进行充电以达到快速充电和高校充电的目的。

本文的研究对象为某农用电动动力机械，该系统采用130节容量均为6.5hA·的镍氢电池，理想开路电压182 V。不妨设初始SOC值为0.4，对应Io选取85 A。则电池组在10 min内充电至SOC为0.8的曲线如下图：

图2 理想充电电流曲线Fig.2 Ideal charging electric current curve

农用电动动力机械有限的安装空间使得电池组系统被布置在一个狭小的空间内。快速充电引起的热量上升使得电池系统局部材料热膨胀增大，甚至于破坏内部结构影响电池的使用寿命。因此，在确定快速充电有效电流时，必须考虑温升的影响。尤其是农用电动动力机械长时间处于滑行工况，很有必要考虑充电热效应对有效充电电流的限制。

参照实验者的经典结论：农用电动动力机械回收制动过程中快速充电电流绝大部分（90%）落入区间［40A～65A］；充电过程最大不会超过2 min。选取2 min为衡量区间，在该区域内的最高温度曲线进行数据拟合。

图3为不同SOC值（0.3～0.8）在不同电流状态下充电2 min时的最高温度变化实验数据拟合图。由图3可知，在相同电流快速充电时，不同的荷电状态会因为电池系统的内阻相差较小而变化甚微。而靠近SOC=0.8时，因为充电过程终止而导致最高温度下降速率增大，完全模拟了理论上对充电时间与最高温度变化之间的关系。

从图3的电池温度变化量曲线，可以通过电池组的初始SOC值、电池组最高温度和预设最高温度的差值tΔ查表找出相应的初始充电电流I1。由此可得初始充电电流I1为：

同理，考虑到农用电动动力机械电池系统布置的局限性，充电热效应对电池组均衡性的影响也不容忽视：电池系统自备的风扇不能保证每一节电池都能处于相同的温度环境。电池组单体电池之间的温度差会使它们的放电性能存在差异；温差过大甚至于影响到电池组工作范围的变化。因此，在确定有效充电电流时，必须考虑温差因素对电流大小的限制。

选取2 min为衡量区间，在该区域内的温差实验数据进行曲线拟合：

图3 电池温度变化量曲线Fig.3 Battery temperature variation curve

图4温差变化量曲线Fig.4 Temperature variation curve

图4 为不同SOC值（0.3～0.8）在不同电流状态下充电2 min时的温差变化实验数据拟合图。由图4可知，充电电流在60A附近是，最高温差可达2.0摄氏度。综合汽车相对恶劣的工作环境，温差变化量对有效充电电流的确定不容忽视。

从图4的电池温差变化曲线，可以通过电池组的初始SOC值、电池组最大温度差和预设最高温差的变化值tΔ查表找出相应的初始充电电流I2。由此可得初始充电电流I2为：

综上所述，有效电流I有效=min(I,I1,I2)。

3.3快速充电控制策略

严格参照马斯定律的充电方式可以实现最大程度地满足快速充电和改善电池使用期限的目的。但是这种控制电流按照指数曲线下降的充电方式因为其自身的即时监控难度和不稳定性，较难在工程上取得广泛应用。因此，本文提出分段横流-恒压快速充电方式，用以兼顾快速充电和减少负电效应的要求。

将连续的充电过程分割成若干个1 s时间间隔，充电有效电流综合考虑温升和最高温度的限制，并依据马斯定律的理想充电曲线获取。当电池系统的荷电量处于较低状态时，控制系统发出指令控制电路处于恒流充电状态；当荷电量位于中等状态时（0.5～0.7），电池管理系统从位于主减速器附近的转速传感器获取信号，并判断出横流和恒压的充电方式：转速大于系统设定的制动回收闕限值（72 m/s）时，选取横流充电；转速小于等于72 m/s时，使用恒压充电；当电池位于中高荷电量时，选取恒压充电方式，以减轻过度充电的可能。制订的控制策略如下图：

图5 分段横流-恒压充电策略Fig.5 Control strategy of block out-constant voltage

4 快速充电仿真结果分析

将农用电动动力机械的相关数据导入Matlab软件并运行，预设电池初始SOC为0.5、电池组初始温度为28℃，分别比较185 V恒压充电、35 A横流充电以及本文提出的横流-恒压充电控制策略的仿真结果。

图6 最高温度变化图Fig.6 The highest temperature variation

图7充电电流变化图Fig.7 Charging current variation

图6 、7分别为最高温度变化及充电电流变化图。由图6、7可知，在最高温度仿真图中，本文提出的分段横流-恒压充电策略所产生的热量只有185 V恒压充电的53.3%，而在与35 A横流充电热量基本持平，同时缩短了充电时间，提高了快速反应能力。充电电流的仿真图验证了控制策略的正确性。在分段横流-恒压控制策略的作用下，60A的初始充电电流的速率变化明显。在40 s至120 s的区间内斜率先大后小，在保证充电效率的同时也兼顾了回生制动后期充电系统的安全性，以延长电池组系统的使用寿命。

5 结论

本文立足于解决农用电动动力机械电池组系统的充电效果和使用寿命问题，提出了一种新型快速充电方式，基于马斯定律建立了电池快速充电控制策略模型，并导入Matlab/Simulink软件进行仿真分析。仿真结果表明：

（1）建立了电池快速充电模型，结合马斯定律设计了符合农用电动动力机械回生制动过程快速充电的分段横流-恒压控制策略，并导入Matlab/Simulink进行仿真分析。；

（2）提出的快速充电策略可以改善农用电动动力机械能量回收过程中的核心问题——充电方式在过程的分布，在保证动力电池组使用寿命的前提下，通过合理地分配横流充电和恒压充电的时刻，缩短了充电时间（约3～4 s），极大极大程度地提高了充电效率。

[1]李季,苏亦白,徐淑彦.农用电动汽车电力驱动系统节能新设计[J].农业机械,2008,10:68-70

[2]陈震邦,周莹.农用电动运输车设计[J].农业机械学报,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,高爱云.HEV再生制动时电池充电模糊控制策略[J].东南大学学报(自然科学版),2012,42(3):435-440

[6]杜飞龙.电动汽车铅酸蓄电池智能快速充电方法的研究[J].变流技术与电力牵引,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

张智慧(1980-),男,内蒙古包头人,硕士,讲师,工业自动化.