淺議軌道交通車輛電池管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

丁冬

摘 要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，城市進(jìn)程也在不斷加快，促進(jìn)了我國動(dòng)車、高鐵、地鐵各種交通工具的發(fā)展。當(dāng)前，興起了一股興能源趨勢(shì)，同時(shí)也在不斷改進(jìn)車載儲(chǔ)能技術(shù)。構(gòu)建新型環(huán)保交通軌道車輛十分重要，當(dāng)前不斷加快綠色節(jié)約型綜合交通系統(tǒng)。其中一項(xiàng)新型能源便是鋰電池，這需要我們及時(shí)管理和監(jiān)控各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后設(shè)計(jì)與之相關(guān)的軌道交通電池管理系統(tǒng)十分必要。

關(guān)鍵詞：軌道;交通車輛;電池管理;系統(tǒng)研究

1 軌道交通BMS設(shè)計(jì)方案

1.1 軌道交通BMS實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)

不同于一般電動(dòng)汽車，實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和電池配置數(shù)量各不相同，軌道交通車輛電池管理系統(tǒng)有其復(fù)雜、特殊性，其差異主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1.1實(shí)際運(yùn)行情況

從具體角度來說，城市軌道交通的各項(xiàng)性能受其實(shí)際環(huán)境的影響，當(dāng)車輛振動(dòng)次數(shù)較多、力度較大時(shí)，環(huán)境溫度差別也大。整個(gè)設(shè)備操作過程比較復(fù)雜，軌道交通儲(chǔ)能電池系統(tǒng)受回收制動(dòng)能量或電網(wǎng)給整車提供動(dòng)力的影響。面對(duì)當(dāng)前各種運(yùn)行情況，它的儲(chǔ)備功能也不一致。城市交通軌道也應(yīng)根據(jù)各種運(yùn)行工序強(qiáng)化其放充電具體策略。

1.1.2電池實(shí)際構(gòu)造

關(guān)于電池的實(shí)際配置，軌道交通出行工具其動(dòng)力來源于各級(jí)電池，其基本電壓等級(jí)高于一般電動(dòng)汽車?？偟膩碚f，電動(dòng)汽車其電壓系統(tǒng)一般為350-450V左右，實(shí)際軌道交通車輛電業(yè)等級(jí)為700-1100v左右。其電池功率越高，配備電池系統(tǒng)所需的數(shù)量也不斷增加，就城市軌道交通而言，設(shè)計(jì)軌道交通BMS系統(tǒng)，需要考慮電池系統(tǒng)各種不一致的均衡策略。

實(shí)際安放電池組，應(yīng)考慮其具體位置。電動(dòng)汽車的實(shí)際電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一般被放置在車輛尾部電池艙內(nèi)。列車兩端徹底下放置著軌道交通車輛的電池系統(tǒng)，這直接影響到BMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.1.3可靠性和安全性

就安全性能和可靠性來說，為了實(shí)際維護(hù)汽車行業(yè)和軌道交通行業(yè)的等級(jí)安全，可以設(shè)置不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，換句話說，人們關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容便是軌道交通安全。就通信冗余而言，具體各部件和一般整車均可以選用MVB總線或太網(wǎng)，以工業(yè)為基礎(chǔ)。應(yīng)急充電機(jī)、雙向變流器、顯示屏和BMS均可以使用RS485和CAN總線。除此之外，實(shí)際運(yùn)用硬線通信軌道交通也特別廣泛，當(dāng)其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓時(shí)，可以完成整車和BMS之間的信息交互。具體設(shè)計(jì)軌道交通車輛BMS時(shí)，應(yīng)不斷總結(jié)廣義電池管理系統(tǒng)中的各項(xiàng)實(shí)際功能，具體運(yùn)行軌道交通車輛時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵循BMS的實(shí)際特點(diǎn)，從而選擇合適的BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2 分析BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 交通軌道BMS總體設(shè)計(jì)方案

2.1 拓?fù)浜碗姵叵到y(tǒng)參數(shù)

一般來說，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接影響到電池組的連接方法、電池管理系統(tǒng)的實(shí)際環(huán)境、擺放電池組的具體位置。這些因素也會(huì)不斷影響電池管理系統(tǒng)的控制性和可靠性?？偟膩碚f，模塊式、主從式、分布式和集中式共同組成了電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

模塊式電池管理系統(tǒng)里面含有多個(gè)子模塊，子模塊運(yùn)用各種數(shù)據(jù)傳播的方法定期上傳部分?jǐn)?shù)據(jù)信息。一般來說，電池組附近放置了各種子模塊，為了獲取更多的電池，需要不斷增加各種子模塊。這種模塊式BMS的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)是方便管理各種線束，便于不斷擴(kuò)張，它的缺點(diǎn)便是整個(gè)數(shù)據(jù)信息傳遞復(fù)雜、速度較慢，每個(gè)模塊功能比較冗雜，提高了其實(shí)際成本，這種方法使用于部分特殊場(chǎng)合。

集中式電池管理系統(tǒng)中的各種模塊被運(yùn)用于單獨(dú)組件中，同一塊板子包含了檢測(cè)電流、溫度、電壓單體等各種設(shè)備。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電池管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、方便維修、經(jīng)濟(jì)劃算，其缺點(diǎn)是線束復(fù)雜、數(shù)百根電線穿過其高壓部分，強(qiáng)化了短路風(fēng)險(xiǎn)，被廣泛運(yùn)用于電壓低、容量低、電池?cái)?shù)目少的各類場(chǎng)景中。

多個(gè)從控制器或單個(gè)主控制器共同組成了主從式電池管理系統(tǒng)，主控制器負(fù)責(zé)接收或處理控制器內(nèi)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)給控制其發(fā)送各種均衡指令，方便搜集控制器內(nèi)的各種通信數(shù)據(jù)，收集電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。溫度、均衡電路、單體電壓共同組成了從控制器。各控制之間存在各類通信線路，主從式電池管理系統(tǒng)的實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，集合了模塊式電池管理系統(tǒng)的各類優(yōu)點(diǎn)，主控制器包含了控制器的各項(xiàng)功能，這區(qū)別于模塊式電池管理系統(tǒng)，其成本比較廉價(jià)。

2.2 軌道交通BMS控制方法

SOC便是電池荷電狀態(tài)，美國先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)如實(shí)定義了SOC這個(gè)概念，在同等放電倍率的情況下，電池剩余電量和相同條件規(guī)

其中，恒定電流放電時(shí)的限定容量便為Q N，電池的實(shí)際剩余電量便為QC，當(dāng)電池迅速充電，其電壓SOC的實(shí)際值變?yōu)?，不斷放電時(shí)其電壓SOC的實(shí)際值為0。就電池管理系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確估算SOC的實(shí)際值是十分重要的，為了反映出剩余電量的實(shí)際情況可以使用電池SOC值，方便估算車輛的實(shí)際續(xù)航里程。同時(shí)，可以根據(jù)SOC的具體信息反映電池的實(shí)際情況，并判定電池是否放充過電。針對(duì)下代地鐵列車而言，為了控制整個(gè)列車整車控制系統(tǒng)，需要強(qiáng)化SOC各種功能，不斷延長電池的實(shí)際壽命，強(qiáng)化電池安全性能。

就電池管理技術(shù)而言，如何精準(zhǔn)評(píng)估SOC成為一項(xiàng)重要難題，估算電池SOC值受到多種因素的影響。例如：電池溫度、自放電率、充放電倍率、電池壽命等多種因素。不能使用傳感器直接測(cè)量SOC具體數(shù)據(jù)，必須檢測(cè)工作電流、電阻、溫度和電池電壓等多種參數(shù)，并通過一定的數(shù)字模型進(jìn)行估算?，F(xiàn)階段，各種SOC估算方法共同組成了國內(nèi)外實(shí)際電池?？偟膩碚f包括：安時(shí)積分法、內(nèi)阻法、開路電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和觀測(cè)器等各種方法。不同的SOC預(yù)算方法有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

各種新型的SOC估算法是以開路電壓法和安時(shí)積分法為基礎(chǔ)，近幾年興起的SOC估算法難以衡量算法復(fù)雜度和估算精準(zhǔn)度之間的實(shí)際關(guān)系，很難滿足其具體實(shí)際運(yùn)用，大部分仍處于理論研究和試驗(yàn)階段。開路電壓法便是不斷完善電池當(dāng)前的實(shí)際放電狀態(tài)，SOC和OCV仍具有一定的關(guān)聯(lián)性，可以不斷提高電池的實(shí)際放電額能力。依據(jù)OCV-SOC的實(shí)際關(guān)系便能估算出SOC的具體方法，這種方法被稱為開路電壓法。受其極化因素的影響，需要及時(shí)測(cè)量開路電壓，估算出開路電壓SOC的初始值。

總的來說，開路電壓法使用初期放置各類電池和長時(shí)間具體靜置。從而解決安時(shí)積分法估算不準(zhǔn)確的問題，為了合理估算出電池soc值，可以使用開路電壓和安時(shí)積分相結(jié)合的方法。

3 總結(jié)

隨著人們生活水平的提高，當(dāng)前對(duì)我國城市軌道交通要求越來越高。本文主要總結(jié)了軌道交通BMS的實(shí)際硬件電路設(shè)計(jì)。關(guān)于BMS的實(shí)際功能需求，從軌道交通BMS實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)、電池實(shí)際構(gòu)造、可行性和安全性方面進(jìn)行了說明，意在優(yōu)化我們城市軌道交通電池管理系統(tǒng)。

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