物流智能充电保护装置的设计研究

何磊

（山东莱芜烟草有限公司，山东 莱芜 271100）

自动导引运输车(Automated Guided Vehicle，简称AGV)是指小车通过电磁、色带、二维码、光或者2D激光Slam等一些导引方式，沿着规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移动载重功能的搬运车。

电动叉车在节能减排、清洁环保、消防安全等大环境下，在烟草仓储物流中心得到了越来越多的应用。对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染等特殊要求的烟草，AGV的应用受到重视。在国内的许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂和淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。

通过对多家烟草物流中心的电动叉车充电桩安放位置进行调查，大部分都是采用了充电桩放在仓库外面与仓库分开的方式，多采用在电动叉车车棚处安装充电桩。电动叉车车棚多为敞口式，充电桩放置到地面上，在雷雨季节，需做到防雷击、水浸保护和报警。作为消防安全的重点场所，过载、空载、环境温湿度、电池温度和烟感，也需要做到监测和报警。

针对以上问题，需要设计一套智能充电保护装置，有效解决物流电动叉车充电时的安全保护问题。

1 智能充电保护装置设计

1.1 充电保护装置设计思路

电动叉车充电保护装置必须从延长蓄电池的使用寿命和保证AGV连续工作两个角度进行设计。

蓄电池的使用寿命为在浮充状态下为3～5年或3～8年，对处于非浮充状态下工作的蓄电池，其寿命是按照循环放电次数和放电深度两个因素衡量。对于蓄电池的循环放电次数来说，必须是在蓄电池放电后充足电能，要充足电能充电时间至少需要24小时（依据YD/T799-2002的规定）。对于充电不足的情况，其循环放电次数很难确定。放电深度对电池使用寿命的影响也非常大。电池放电深度越深，其循环使用次数就越少，避免蓄电池深度放电。在实际使用时根据不同的负载电流选定不同的放电终止电压。为了保护蓄电池尽量避免其深度放电，放电深度最好≤80%，终止电压在46V左右，放电时间约为8小时（图1）。

图1 150AH/12V蓄电池放电曲线

1.2 AGV电动叉车充电方式

AGV的充电方式主要分为换电池充电、手动充电、自动充电及无线充电四种形式（表1）。

表1 AGV充电方式

蓄电池被选作为AGV电动叉车动力源，铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍锌蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池等可供选用，需要考虑的因素包括功率、安时数、功率重量比、体积等。最关键的因素需考虑充电时间的长短和维护的容易性。快速充电为大电流充电，一般为专业的充电装备，必须有充电限制装置和安全保护装置。充电装置在小车上的布置方式有多种，比如地面电靴式、壁挂式等。在设计过程中，必须结合AGV的运行状况，综合考虑其在运行状态下，可能产生的短路等因素，从而考虑设置AGV的安全保护装置。

1.3 AGV充电解决方案

全球现有的AGV充电技术品牌商针对AGV应用在智能化、标准化、高功率方面研发了不同的充电解决方案（表2），使得应用在多个场景中的充电方式可以进行编程，充电装置可以实现充电曲线定制。

表2 全球AGV充电技术解决方案

在功率配置不足够的电网环境下，采用自带的DPL动态分配功率功能，不仅能保证多台充电机同时工作，而且无需人工操作即可在最快的时间内充满整个车队的电池。在一些极端气温条件下，通过温度补偿的方式也能优化铅酸电池的使用。

2 锂电池电动叉车充电保护装置BMS设计

烟草行智能物流在的充电保护装置设计中本文选择锂电池电动叉车为例。

2.1 充电保护装置硬件设计

充电保护装置电池管理系统BMS（Battery Management System）主要应用电动充电叉车锂电池充电保护装置。根据电动叉车的功能需求，制定了BMS硬件电路的一体式设计方案。BMS硬件系统将传统式的主从模式集成到一块电路板上，将电池监控模块直接与主控板的主芯片通信。

电路板采用模块化设计，电路设计的电路板布局和走线进行抗干扰性设计。硬件电路设计降低成本，提高信号传输的可靠性。依照电动叉车的实际情况，电池采集芯片采用TI（德州仪器）公司的BQ76PL455A-Q1，并结合电动叉车远程监控要求在BMS上增加远程监控模块。

采用BQ76PL455A-Q1芯片能够采集16节串联电池电压，满足电动叉车动力电池15节电池串联的要求：通过远程监控功能实现电动叉车的定位和在线远程升级，实现电动叉车管理服务的智能化。

通过对几种电池荷电状态（State of Charge，SOC）估算方法的比较，并结合电动叉车对电池剩余电量要求的实用性，选用基于戴维南（Thevenin）模型的卡尔曼（Kalman）滤波算法来完成电池SOC的估算。在卡尔曼滤波算法的基础上建立Thevenin模型，并通过实验验证了此算法对电池SOC估算的可行性（图2）。

图2 产品实物图

2.2 BMS产品配置

产品配置：6串-32串任意化学电池，额定放电100～600A（最大持续），充电100～200A（最大持续），同口，有均衡；带电量显示，带UART、485、CAN通讯（默认标配UART），带液晶显示屏（选配）（表3）。

表3 环境配置

2.3 BMS功能实现

（1）通常状态。正确连接BMS并且开始工作后，实时检测电芯的电压、温度、电流数据，及时分析、处理和判断这些数据，快速响应各种管理和保护机制，上位机程序参数和数据管理、电池均衡、SOC估算。

（2）过充电保护和恢复。当任意一个电芯的电压大于过充电保护门限值，持续时间超过检测延迟时间，BMS将进入过充电保护状态，禁止充电机继续给电池充电。将所有电芯的电压小于恢复门限BMS将解除过充保护，打开充电继电器，允许充电机继续给电池组充电。

（3）过放电保护和恢复。当任意一个电芯的电压小于过放保护门限值，且持续时间超过检测延迟时间，BMS将进入过放保护状态，及时关闭放电继电器，禁止电池组继续给负载放电。

（4）充电过流保护和恢复。当充电电流超过保护门限值，且持续的时间大于检测延迟时间，BMS将进入充电过流保护状态，禁止充电机继续给电池充电。延时5秒后，电流小于保护门限值解除。

（5）放电过流保护和恢复。当放电电流超过保护门限值，且持续的时间大于检测延迟时间，BMS将进入放电过流保护状态，禁止电池组继续给负载放电。当延时5秒后，电流小于保护门限值解除。

（6）过温度保护和恢复。提供最多四个温度检测传感器，充放电过程中，任意一个检测点温度大于过温保护门限值，BMS将进入过温度保护状态，禁止充放电动作。

（7）低温保护和恢复。充电和放电过程中任意一个检测点温度小于低温门限保护值，BMS将进入低温保护状态，禁止充电或放电动作。所有检测点温度大于低温保护恢复门限值，BMS将解除低温保护，允许充电或者放电动作（表4）。

表4 BMS实现的功能

3 结语

通过对现有烟草物流中心电动叉车充电方式特点的分析研究，结合电动叉车的使用环境、工况，充电桩的使用环境得到其保护装置需满足防雷击、防漏电、防水浸、防过充、感应电池温度、烟感等安全性、保护性的要求。在AGV电动叉车充电技术上对现有电动叉车充电工况、充电环境的分析研究，得到其充电保护装置的技术要求。基于AGV充电方式和技术解决方案的优缺点，综合设计技术要求，设计了一套适用于烟草物流中心电动叉车的智能充电保护装置BMS。对充电保护装置的电池管理系统BMS的基本原理、工作流程进行分析，并设计出详细方案，为物流车辆充电提供了一种安全的充电保护方式。