物流智能充電保護裝置的設(shè)計研究

何磊

（山東萊蕪煙草有限公司，山東 萊蕪 271100）

自動導(dǎo)引運輸車(Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)是指小車通過電磁、色帶、二維碼、光或者2D激光Slam等一些導(dǎo)引方式，沿著規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護以及各種移動載重功能的搬運車。

電動叉車在節(jié)能減排、清潔環(huán)保、消防安全等大環(huán)境下，在煙草倉儲物流中心得到了越來越多的應(yīng)用。對于搬運作業(yè)有清潔、安全、無排放污染等特殊要求的煙草，AGV的應(yīng)用受到重視。在國內(nèi)的許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團、玉溪紅塔集團、紅河卷煙廠和淮陰卷煙廠，應(yīng)用激光引導(dǎo)式AGV完成托盤貨物的搬運工作。

通過對多家煙草物流中心的電動叉車充電樁安放位置進行調(diào)查，大部分都是采用了充電樁放在倉庫外面與倉庫分開的方式，多采用在電動叉車車棚處安裝充電樁。電動叉車車棚多為敞口式，充電樁放置到地面上，在雷雨季節(jié)，需做到防雷擊、水浸保護和報警。作為消防安全的重點場所，過載、空載、環(huán)境溫濕度、電池溫度和煙感，也需要做到監(jiān)測和報警。

針對以上問題，需要設(shè)計一套智能充電保護裝置，有效解決物流電動叉車充電時的安全保護問題。

1 智能充電保護裝置設(shè)計

1.1 充電保護裝置設(shè)計思路

電動叉車充電保護裝置必須從延長蓄電池的使用壽命和保證AGV連續(xù)工作兩個角度進行設(shè)計。

蓄電池的使用壽命為在浮充狀態(tài)下為3～5年或3～8年，對處于非浮充狀態(tài)下工作的蓄電池，其壽命是按照循環(huán)放電次數(shù)和放電深度兩個因素衡量。對于蓄電池的循環(huán)放電次數(shù)來說，必須是在蓄電池放電后充足電能，要充足電能充電時間至少需要24小時（依據(jù)YD/T799-2002的規(guī)定）。對于充電不足的情況，其循環(huán)放電次數(shù)很難確定。放電深度對電池使用壽命的影響也非常大。電池放電深度越深，其循環(huán)使用次數(shù)就越少，避免蓄電池深度放電。在實際使用時根據(jù)不同的負(fù)載電流選定不同的放電終止電壓。為了保護蓄電池盡量避免其深度放電，放電深度最好≤80%，終止電壓在46V左右，放電時間約為8小時（圖1）。

圖1 150AH/12V蓄電池放電曲線

1.2 AGV電動叉車充電方式

AGV的充電方式主要分為換電池充電、手動充電、自動充電及無線充電四種形式（表1）。

表1 AGV充電方式

蓄電池被選作為AGV電動叉車動力源，鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鎳鋅蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池等可供選用，需要考慮的因素包括功率、安時數(shù)、功率重量比、體積等。最關(guān)鍵的因素需考慮充電時間的長短和維護的容易性?？焖俪潆姙榇箅娏鞒潆姡话銥閷I(yè)的充電裝備，必須有充電限制裝置和安全保護裝置。充電裝置在小車上的布置方式有多種，比如地面電靴式、壁掛式等。在設(shè)計過程中，必須結(jié)合AGV的運行狀況，綜合考慮其在運行狀態(tài)下，可能產(chǎn)生的短路等因素，從而考慮設(shè)置AGV的安全保護裝置。

1.3 AGV充電解決方案

全球現(xiàn)有的AGV充電技術(shù)品牌商針對AGV應(yīng)用在智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、高功率方面研發(fā)了不同的充電解決方案（表2），使得應(yīng)用在多個場景中的充電方式可以進行編程，充電裝置可以實現(xiàn)充電曲線定制。

表2 全球AGV充電技術(shù)解決方案

在功率配置不足夠的電網(wǎng)環(huán)境下，采用自帶的DPL動態(tài)分配功率功能，不僅能保證多臺充電機同時工作，而且無需人工操作即可在最快的時間內(nèi)充滿整個車隊的電池。在一些極端氣溫條件下，通過溫度補償?shù)姆绞揭材軆?yōu)化鉛酸電池的使用。

2 鋰電池電動叉車充電保護裝置BMS設(shè)計

煙草行智能物流在的充電保護裝置設(shè)計中本文選擇鋰電池電動叉車為例。

2.1 充電保護裝置硬件設(shè)計

充電保護裝置電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）主要應(yīng)用電動充電叉車鋰電池充電保護裝置。根據(jù)電動叉車的功能需求，制定了BMS硬件電路的一體式設(shè)計方案。BMS硬件系統(tǒng)將傳統(tǒng)式的主從模式集成到一塊電路板上，將電池監(jiān)控模塊直接與主控板的主芯片通信。

電路板采用模塊化設(shè)計，電路設(shè)計的電路板布局和走線進行抗干擾性設(shè)計。硬件電路設(shè)計降低成本，提高信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｒ勒针妱硬孳嚨膶嶋H情況，電池采集芯片采用TI（德州儀器）公司的BQ76PL455A-Q1，并結(jié)合電動叉車遠程監(jiān)控要求在BMS上增加遠程監(jiān)控模塊。

采用BQ76PL455A-Q1芯片能夠采集16節(jié)串聯(lián)電池電壓，滿足電動叉車動力電池15節(jié)電池串聯(lián)的要求：通過遠程監(jiān)控功能實現(xiàn)電動叉車的定位和在線遠程升級，實現(xiàn)電動叉車管理服務(wù)的智能化。

通過對幾種電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）估算方法的比較，并結(jié)合電動叉車對電池剩余電量要求的實用性，選用基于戴維南（Thevenin）模型的卡爾曼（Kalman）濾波算法來完成電池SOC的估算。在卡爾曼濾波算法的基礎(chǔ)上建立Thevenin模型，并通過實驗驗證了此算法對電池SOC估算的可行性（圖2）。

圖2 產(chǎn)品實物圖

2.2 BMS產(chǎn)品配置

產(chǎn)品配置：6串-32串任意化學(xué)電池，額定放電100～600A（最大持續(xù)），充電100～200A（最大持續(xù)），同口，有均衡；帶電量顯示，帶UART、485、CAN通訊（默認(rèn)標(biāo)配UART），帶液晶顯示屏（選配）（表3）。

表3 環(huán)境配置

2.3 BMS功能實現(xiàn)

（1）通常狀態(tài)。正確連接BMS并且開始工作后，實時檢測電芯的電壓、溫度、電流數(shù)據(jù)，及時分析、處理和判斷這些數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)各種管理和保護機制，上位機程序參數(shù)和數(shù)據(jù)管理、電池均衡、SOC估算。

（2）過充電保護和恢復(fù)。當(dāng)任意一個電芯的電壓大于過充電保護門限值，持續(xù)時間超過檢測延遲時間，BMS將進入過充電保護狀態(tài)，禁止充電機繼續(xù)給電池充電。將所有電芯的電壓小于恢復(fù)門限BMS將解除過充保護，打開充電繼電器，允許充電機繼續(xù)給電池組充電。

（3）過放電保護和恢復(fù)。當(dāng)任意一個電芯的電壓小于過放保護門限值，且持續(xù)時間超過檢測延遲時間，BMS將進入過放保護狀態(tài)，及時關(guān)閉放電繼電器，禁止電池組繼續(xù)給負(fù)載放電。

（4）充電過流保護和恢復(fù)。當(dāng)充電電流超過保護門限值，且持續(xù)的時間大于檢測延遲時間，BMS將進入充電過流保護狀態(tài)，禁止充電機繼續(xù)給電池充電。延時5秒后，電流小于保護門限值解除。

（5）放電過流保護和恢復(fù)。當(dāng)放電電流超過保護門限值，且持續(xù)的時間大于檢測延遲時間，BMS將進入放電過流保護狀態(tài)，禁止電池組繼續(xù)給負(fù)載放電。當(dāng)延時5秒后，電流小于保護門限值解除。

（6）過溫度保護和恢復(fù)。提供最多四個溫度檢測傳感器，充放電過程中，任意一個檢測點溫度大于過溫保護門限值，BMS將進入過溫度保護狀態(tài)，禁止充放電動作。

（7）低溫保護和恢復(fù)。充電和放電過程中任意一個檢測點溫度小于低溫門限保護值，BMS將進入低溫保護狀態(tài)，禁止充電或放電動作。所有檢測點溫度大于低溫保護恢復(fù)門限值，BMS將解除低溫保護，允許充電或者放電動作（表4）。

表4 BMS實現(xiàn)的功能

3 結(jié)語

通過對現(xiàn)有煙草物流中心電動叉車充電方式特點的分析研究，結(jié)合電動叉車的使用環(huán)境、工況，充電樁的使用環(huán)境得到其保護裝置需滿足防雷擊、防漏電、防水浸、防過充、感應(yīng)電池溫度、煙感等安全性、保護性的要求。在AGV電動叉車充電技術(shù)上對現(xiàn)有電動叉車充電工況、充電環(huán)境的分析研究，得到其充電保護裝置的技術(shù)要求。基于AGV充電方式和技術(shù)解決方案的優(yōu)缺點，綜合設(shè)計技術(shù)要求，設(shè)計了一套適用于煙草物流中心電動叉車的智能充電保護裝置BMS。對充電保護裝置的電池管理系統(tǒng)BMS的基本原理、工作流程進行分析，并設(shè)計出詳細方案，為物流車輛充電提供了一種安全的充電保護方式。