新能源動力快速充電電源系統(tǒng)及BMS管理系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)

李愛蓮

摘要：本文作者依據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)，對新能源動力快速充電電源系統(tǒng)及BMS管理系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)研究分析，以便和同行切磋與交流。

[關(guān)鍵詞]新能源動力快速充電電源系統(tǒng)BMS管理系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)

1國內(nèi)外研究概況、水平、發(fā)展趨勢

目前，地鐵及隧道施工的軌道機(jī)車所用的動力電源主要以鉛酸電池為主，鉛酸電池因?yàn)槌潆娝俣嚷⑹褂脡勖?、污染?yán)重等缺點(diǎn)將慢慢被市場淘汰，東南亞及周邊國家已經(jīng)嚴(yán)禁使用鉛酸電池，這給鋰電池動力電源提供了廣闊的使用空間。經(jīng)市場調(diào)研分析，目前市場上正在使用的軌道機(jī)車有2000多輛，并且還在不斷地增加。而鋰電池動力電源剛剛處于起步階段，能完全自主生產(chǎn)鋰電池動力電源BMS及充電系統(tǒng)的廠家?guī)缀鯖]有，如果能抓住機(jī)遇，盡快推出具有完全自主產(chǎn)權(quán)的動力電源BMS及充電系統(tǒng)產(chǎn)品，將極大滿足市場需求并產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

快充動力電源及BMS系統(tǒng)可以很好地兼顧新興產(chǎn)業(yè)（新能源）與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（舊能源）之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，保證企業(yè)在正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)上能有效提高工作效率，降低施工成本，減少環(huán)境污染，更加符合企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)實(shí)。

動力快充電源系統(tǒng)前景廣闊，既符合國家宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢，也是全球治理污染，新能源發(fā)展的必然趨勢。

2項(xiàng)目研究的技術(shù)成果

技術(shù)路線：本套系統(tǒng)主要用于在線監(jiān)測動力電源箱單體電壓、溫度、電源箱總電壓，充、放電電流等參數(shù)并對電源箱進(jìn)行智能化控制管理。其主要由四部分構(gòu)成：監(jiān)測顯示終端、監(jiān)測主控制器、現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及充放電控制。其中監(jiān)測顯示終端用于顯示電源箱的總電壓、總電流、各單體電池的相關(guān)參數(shù)等;監(jiān)測主控制器主要用于收集各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、管理各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要監(jiān)測單體電壓、溫度、充放電電流等相關(guān)參數(shù)，并對異常電池進(jìn)行報警警示。本套系統(tǒng)能讓用戶實(shí)時掌握電源箱的相關(guān)參數(shù)，方便維護(hù)與管理，確保電源箱安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3關(guān)鍵技術(shù)

本套系統(tǒng)主要用于在線監(jiān)測電源箱單體電壓、溫度，電池組總電壓，充、放電電流等，并根據(jù)采集的參數(shù)信息對電源箱充放電進(jìn)行智能控制。其主要由四部分構(gòu)成：監(jiān)測顯示終端、監(jiān)測主控制器、現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及控制輸出。其中監(jiān)測顯示終端用于顯示電源箱的電池總電壓、總電流、各單體電池的電壓、溫度、報警及控制輸出相關(guān)參數(shù)等;并實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，以方便對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。監(jiān)測主控制器主要用收集各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并管理各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要監(jiān)測單體電壓、溫度充放電電流等相關(guān)參數(shù)，并對異常電池進(jìn)行報警警示。本套系統(tǒng)能讓用戶實(shí)時掌握電池組的相關(guān)參數(shù)，方便維護(hù)與管理。具體如圖1所示。

3.1監(jiān)測節(jié)點(diǎn)方案

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要將數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)測主機(jī)，并對電池單體電壓、溫度、充放電電流等信息進(jìn)行采集。檢測節(jié)點(diǎn)采用內(nèi)嵌64位高速處理器為核心。具體如圖2所示。

3.2單體電壓采集方式

單體電壓參數(shù)采集的具體實(shí)現(xiàn)方式為：采集模塊下方設(shè)計(jì)對應(yīng)于電池正負(fù)極柱的接線端子，正常使用電池檢測系統(tǒng)時，采集模塊通過激光焊機(jī)配合固定到電池正負(fù)極柱上方，一方面通過正負(fù)極柱采集電壓值，另一方面起到固定采集模塊的作用。CPU通過巡檢完成對電池電壓的采集處理。如圖3所示。

單體溫度采集方式為采用數(shù)字式一線總線式溫度傳感器，該傳感器由于采用特殊的數(shù)字化傳輸方式，因此抗干擾性能特別好，可以適用于各種惡劣的環(huán)境。

本設(shè)計(jì)選用的溫度傳感器采用了耐腐蝕的四氟材料封裝，正常使用時利用硅銅導(dǎo)熱膠將溫度傳感器固定于電池極柱附近，通過直接測量的方式，避免了間接測量所帶來的誤差，測量更準(zhǔn)確可靠。

4監(jiān)控主機(jī)方案

監(jiān)控主機(jī)（即主控制器）主要完成收集、處理各現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、管理各監(jiān)測及輸出網(wǎng)絡(luò)、負(fù)責(zé)與監(jiān)測顯示終端的數(shù)據(jù)交互。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）能夠監(jiān)測總體電壓值，測量范圍0-700V，實(shí)際對應(yīng)測量傳感器輸出值為0-5V或者5-20mA，測量精度<0.3%;

（2）能夠監(jiān)測電池組充、放電電流值-1000-1000A，實(shí)際對應(yīng)測量傳感器輸出值為0-5V或者5-20mA，測量精度≤0.3%;

（3）能夠監(jiān)測電池組各單體電池電壓，監(jiān)測范圍：0～5V;

（4）兩路環(huán)境溫度測量輸入，溫度范圍-20C-105°C，測量精度1°C;

（5）一路CAN通信，一路485通信;并通過CAN對整個檢測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測，管理檢測網(wǎng)絡(luò)的正常數(shù)據(jù)交互;

（6）一路報警輸出，一路保護(hù)控制輸出

（7）CAN通信波特率為250kbps;

（8）工作電源DC24V。

智能顯示終端，該部件主要實(shí)時顯示電池組總電壓、充電電流、帶載電流、各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)（單體電壓、溫度）等相關(guān)參數(shù)。其具體顯示要求為：電池組總電壓，電壓范圍0-700V;充、放電電流-1000～1000A;同時該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)時監(jiān)控功能，任何一路電池電壓出現(xiàn)異?；螂姵亟M總電壓、總電流出現(xiàn)異常或系統(tǒng)實(shí)時參數(shù)出現(xiàn)異常等狀態(tài)下都會有相應(yīng)的聲光報警，可快速記錄各種狀態(tài)下的電池?cái)?shù)據(jù)，直觀反映電池狀態(tài)。根據(jù)用戶需求記錄浮充狀態(tài)整個被監(jiān)控電池組及單體電池?cái)?shù)據(jù)，記錄的數(shù)據(jù)可隨時調(diào)閱查看?？呻S時查看目前電池組中各電池最新運(yùn)行狀態(tài)。

（2）系統(tǒng)配有彩色觸摸顯示屏、聲光報敬器

（3）提供人機(jī)交互界面，設(shè)置報警及保護(hù)參數(shù)值，聲光提示是否需要，采樣時間可調(diào)（1-999秒），數(shù)據(jù)保存時間可調(diào)（1-999分鐘）。

（4）時鐘和掉電保護(hù)功能。

（5）通過上位機(jī)校準(zhǔn)各種測量值。

（6）為了方便接入自動化系統(tǒng)，配備了標(biāo)準(zhǔn)接口。

系統(tǒng)功能框架圖如圖5所示。

因本系統(tǒng)使用在地鐵、隧道等工程工地，現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，環(huán)境濕度大，干擾因素多。為此我們選擇變壓器隔離、可控硅控制整流輸出的充電模式，使得抗干擾能力更強(qiáng)、性能更穩(wěn)定，可以有效保證整套系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運(yùn)行。

4項(xiàng)目研究的主要創(chuàng)新點(diǎn)

動力快充電源系統(tǒng)主要的產(chǎn)品特性是快速充電，具有環(huán)保節(jié)能，較傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池組來講，電池組無電狀態(tài)不必要像鉛酸電池那樣從機(jī)車上吊裝下來集中充電，可以在機(jī)車停留處隨時進(jìn)行充電，提高了工作效率。動力快充電源系統(tǒng)壽命終結(jié)時不存在回收時的污染問題，而傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池組壽命終結(jié)時回收轉(zhuǎn)運(yùn)等均涉及危險化學(xué)廢棄物收集轉(zhuǎn)運(yùn)的限制。主要創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）利用BMS智能管理系統(tǒng)對電池組

進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測和管理，解決了因使用不當(dāng)對電池組帶來的危害，可有效延長電池組的使用壽命;信號檢測精度高，電路控制精確、快捷、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，確保電池組能安全有效地運(yùn)行。

（2）自行研發(fā)的大功率直流充電機(jī)可有效縮短充電時間，提高電池組工作效率。

（3）新開發(fā)的車載充電機(jī)方便快捷，通過BMS有效控制可實(shí)現(xiàn)無人值守充電，解決了以前樁式充電機(jī)移動不方便，充電效率低，需要人工值守等諸多缺點(diǎn)。

（4）動力電源箱采用防爆、防雨、模塊化設(shè)計(jì)，操作更方便，運(yùn)行更安全。

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