轨道交通车辆电池管理系统设计研究

轨道交通车辆电池管理系统设计研究

刘辰

中车唐山机车车辆有限公司  河北省唐山市 063000

摘要：电池管理系统是对电池单元进行管理与维护的一个重要组成部分，其主要作用是防止电池过充电与过放电，延长电池使用寿命以及对电池状态进行监测。轨道交通车辆BMS系统设计以主从一体化为主，BMS系统综合考虑了主控单元与从控单元并负责采集各个单体电池的电压与温度，整车与电池管理系统之间通过CAN通信实现通信，实现整车数据的诊断及处理同时通过主回路中接触器的控制来保护电池组的过充、过放以及过温等问题，延迟电池组使用寿命。

关键词：轨道交通；车辆电池；管理系统

前言：

经济高速增长与城市化进程不断加快促使我国高铁、动车、地铁等轨道交通车辆迅猛发展。在新能源技术日新月异、车载储能技术日益发展的今天，新型节能环保轨道交通车辆成为构建绿色节约型综合交通系统发展的主要趋势。锂电池作为一种新型的能源储能元件以安全环保，能量大、功率高和寿命长的特点在诸多蓄电池中崭露头角，并作为一种储能装置被越来越多地运用于轨道交通领域。由于锂电池运行时需要实时监测并管理多种状态参数，所以设计与其配套的轨道交通车辆电池管理系统具有重要意义。

一、轨道交通BMS应用特点

相对于普通电动汽车而言，因其电池配置得多少及运行环境等方面存在差异，使得轨道交通车辆电池管理系统有其特殊性。具体区别如下：

（一）在电池系统方面

第一，电池的配置。电池是轨道交通车辆的动力来源，储能装置的电压等级普遍高于电动汽车，电动汽车电池系统的电压通常在300~400V之间，而且轨道交通车辆的电压等级通常在600~1000V之间，功率等级较高，这集中表现为电池系统中需要配置较多量的蓄电池，这就决定了轨道交通BMS必须考虑以电池系统不一致为目标的均衡策略。第二，电池组的放置地点。电动汽车储能电池系统通常集中于汽车尾部电池舱中，轨道交通车辆电池系统通常分散设置于列车两端车下，对BMS拓扑结构选择影响较大。

（二）在运行条件方面

第一，运行环境方面。轨道交通车辆在运营过程中车辆的振动强度和环境温度跨度较大。第二，系统比较复杂。轨道交通储能电池系统通常协助牵引供电网为整车供电或者回收制动能量，对于不同运行工况储能系统具有不同作用。因此，轨道交通BMS需针对不同运行工况，制订不同充放电控制策略。

（三）在安全和可靠性方面

轨道交通行业与汽车行业在安全等级、管理维护等方面分别制定了不同行业标准。轨道交通安全问题历来都是大家关注的焦点问题。第一，高压隔离：普通轨道交通车辆储能电池系统是由变流器连接电气牵引网，电气牵引网电压等级通常较高（DC750V或DCl500V），因此轨道交通BMS需充分考虑高压隔离。第二，多样化通信接口（通信冗余）：一般整车与各部件通信均采用工业以太网或MVB总线，而BMS和显示屏、应急充电机和双向变流器通信一般采用CAN总线或RS485。此外，硬线通信还被广泛应用于轨道交通领域，能够在系统网络崩溃应急情况下完成BMS和整车间的重要信息交互。因此，本文对轨道交通车辆BMS进行设计时充分考虑了引言部分对广义电池管理系统所概括出的各项功能要求后，应根据轨道交通车辆BMS应用的特点来选择适合BMS拓扑。

二、电池管理系统的软件设计流程及说明

BMS软件设计是用C语言编程实现的，其开发平台采用Freescale公司针对MC9S12系列产品提供的Code Warrior IDE。它支持MCU的编译，链接以及在线调试。Code Warrior IDE是流线型系统设计的，它有一个最好的C编译器来确保代码最少、执行速度最快，对工业强度产品的管理去掉了繁杂的脚本生成、可视化调试迅速而又方便地解决地解决了繁杂的难题，并对指令设置进行模拟以确保硬件和软件的共同设计。并具有后台调试模式（BDM），可随身携带仿真器，通过CodeWarrior集成开发界面，监控整个应用程序的运行状态和内部空间分配，可设置断点及单步运行程序以查看程序方向，程序调试方便、快捷。

三、主要设计思路

（一）主程序设计

系统上电之后，先初始化系统，主要是用于初始化系统各模块、设定配置参数、诊断系统状态等，从而保证了系统的正常运行。在系统初始化错误的情况下对对应故障标志进行位置移位。然后主程序进入主循环，主要完成总电压检测、总电流测量、SOC估计、SOF估计（最大容许充放电电流的计算方法）、故障检测与安全控制（高压接触器控制）、RS485通信、CAN通信及数据处理等功能。此外主程序还有定时器，CAN和串口中断程序3个中断子程序，它们主要应用于系统定时和通信中断服务。

（二） SOC估算

MS系统需要使用安时积分来估计SOC并结合开机修正，充放电修正和自适应修正算法来提高SOC估计精度，电池系统在运行时，BMS软件会根据电池所处的工作条件自动选择修正算法来完成校正工作；开路电压校正可避免电池自放电时间过长带来的SOC误差问题，充放电过程自适应校正则可降低干扰和采样误差影响并确保整个SOC范围的准确性；SOC的改变符合人们的使用习惯，SOC不发生跳变，修正过程光滑改变，SOC的改变方向和当前的方向一致，保证了车辆能稳定运行；SOC估算的精度≤5%。

（三）SOF估算

BMS根据电池的SOC和温度给出了电池的容许充放电电流，而容许充放电电流则根据电压因素和诸多故障因素加以校正；使充放电电流估算值平滑，光滑的过渡。

（四）故障报警和故障分级管理

BMS支持电压，电流和温度等各种故障报警，故障报警阀值以动力锂电池参数为依据。BMS以采集到的电池数据为基础，以监测到的各种输入输出信号为依据，并配合一些逻辑判断，精确识别并给出了各种故障信息。电池组故障报警管理旨在对电池组故障状态进行实时监测，并及时、准确地给出全部故障信息，使得电池组能够在保证安全性的前提下充分发挥其性能。

BMS把故障等级界定在3级，其中最低1级和最高3级。一级故障较轻，一般情况下不会对汽车的正常行驶造成影响，一般的处理办法是管理系统不予处理或者降低电池组之前的可用功率；二级故障的严重性为中等水平，对汽车的正常行驶造成了一定的影响，电池组需尽快进行检修。常用的处理方法是管理系统把电池目前可用功率降低50%，或者在整车许可的条件下，切断电池组的高压输出。三级故障是最为严重的故障，有可能会对车辆及用户造成影响，电池组需立即进行检修，常用的处理措施是管理系统对电池组高压输出进行直接截断。

BMS对故障报警及故障恢复采取闭环控制的方式，避免接触器的误动与反复。

（五）上下电控制

正常上电流程：微型断路器关闭，电池管理系统（BMS）通电启动，BMS自检结束后，控制关闭总正接触器，这时电池系统通电。BMS失效后的上电流程：BMS失效、不能控制总正接触器合闸、需强制放电蓄电池的情况下，切断BMS工作电源的微型断路器，总正接触器线圈失电，主触头复常闭合，能强制蓄电池放电。

结语：

本课题研制的电池管理系统主从一体化，具备单体电池的电压检测、温度检测、电流检测、均衡控制和数据记录等功能同时兼顾电池组系统电气隔离安全要求，将电压检测模块，均衡控制模块和温度检测模块均采用模块化隔离设计具有对电池组进行过充、过放、过温等防护，减缓电池组使用寿命等效果。

参考文献：

[1] 徐群,李曙生.一种磁浮车辆车载电源系统[J].机械设计与制 造工程,2017,(12):67-70.

[2] 黄学杰.轨道交通领域锂离子动力电池应用初探[J].电力机 车与城轨车辆,2012,35(5):21-25.