軌道交通車輛用電池管理系統(tǒng)的設(shè)計分析獲獎科研報告摘

要：我國經(jīng)濟的快速發(fā)展使得以電池管理系統(tǒng)為核心的軌道交通車輛成為城市交通的一道靚麗風(fēng)景線。電池管理系統(tǒng)在軌道交通車輛中起到的主要作用是控制并檢測電池參數(shù)，確保電池處于正常狀態(tài)，是軌道交通車輛的重要組成部分。本文以軌道交通車輛用電管理系統(tǒng)設(shè)計方案的總概述為入手點，對其設(shè)計方案進行分析。

關(guān)鍵詞：軌道交通車輛;電池管理系統(tǒng);設(shè)計

在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的倡導(dǎo)下我國軌道交通車輛不斷增加，在一定程度上實現(xiàn)了傳統(tǒng)運行車輛的升級換代，但此類車輛主要是通過電池管理系統(tǒng)運行的，相對于單一的電池組來說，該系統(tǒng)的管理難度有所提升，不再局限于對電壓、電量的監(jiān)測，還需要實現(xiàn)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，最大程度上延長電池系統(tǒng)的使用年限。

一、軌道交通車輛用電池管理系統(tǒng)設(shè)計方案總概述

電池管理系統(tǒng)的主要作用是對電池組的重要信息進行采集、對電池組的使用狀態(tài)實時監(jiān)控，確保電池組處于正常狀態(tài)。對于軌道交通車輛來說，電池管理系統(tǒng)是其運行的主要來源。一般來說，軌道交通車輛電池組的構(gòu)成是比較復(fù)雜的，其連接方式以串并聯(lián)為主。如果沒有電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控，將無法及時獲知軌道交通車輛的運行狀態(tài)，在此情況下進行電池操作很容易出現(xiàn)差錯，對整個電池組的使用造成影響，甚至引發(fā)后果十分嚴重的安全事故。用電池管理系統(tǒng)的安裝就能夠很好地解決這一問題，在提高軌道交通車輛運行安全性的基礎(chǔ)上優(yōu)化其電力供應(yīng)系統(tǒng)，從而有效延長電池組的使用年限。

電池管理系統(tǒng)的組成主要由反饋關(guān)鍵信息的監(jiān)測裝置、確保電池正常運行的安全保護裝置及對電池壽命起決定作用的均衡控制裝置組成。

二、電池組設(shè)計方案

1、單節(jié)電池電壓采集方案設(shè)計

單節(jié)電池電壓采集方案設(shè)計主要是提高電壓采集精度與速度，從而確保BMS的準確性及系統(tǒng)報警裝置啟動的及時。因此，單節(jié)電池電壓采集方案設(shè)計的難度系數(shù)相對較高。一般來說，單節(jié)電池電壓采集方案設(shè)計的芯片需要能夠?qū)Χ喙?jié)電池同步測量，測量參數(shù)包括反饋數(shù)據(jù)中的電壓、電流等。事實證明，同步性較強的芯片在采集精度。速度等方面的確具有極大的優(yōu)勢。

2、電池組均衡控制方案設(shè)計

前文提到，電池組均衡裝置能夠?qū)﹄姵氐氖褂媚晗蕻a(chǎn)生直接影響。對于軌道交通車輛運行來說，電池組的組成比較復(fù)雜且比較龐大。Boost-Buck原理在均衡控制方面優(yōu)勢比較突出，它能夠減少電容、電感轉(zhuǎn)移過程中其他客觀因素對能量轉(zhuǎn)移量的影響，可以說在沒有阻性負載的參與下，該原理在軌道交通車輛中的應(yīng)用幾乎不會造成能量損失。這對于車輛行駛里程的提升來說是十分有利的。

三、軌道交通車輛用電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

1、BMS從板設(shè)計

BMS的從板是參數(shù)測量的主要單元，該模塊在軌道交通車輛中的應(yīng)用能夠大大提高單體電壓、溫度測量的準確性，在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)車輛運行過程中的故障判斷。由于該版塊主要強調(diào)參數(shù)測量的準確性，在CPU性能方面并沒有很高的要求。CPU結(jié)構(gòu)的BMS從板設(shè)計可以MC9S12G128單片機為主要部件。在芯片中設(shè)置可以實現(xiàn)脈沖轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時利用單片機的RAM存放全局變量。在設(shè)計過程中需要注意BMU額定功率、峰值功耗及風(fēng)之持續(xù)時間的設(shè)定，提高板塊設(shè)計的穩(wěn)定性。

2、BMS主板設(shè)計

BMS的主板主要由兩部分組成，一部分是控制全局同時對使用過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)信息反饋與電池組監(jiān)督的總控板，另一份是匯總部分從板數(shù)據(jù)，整理并匯報故障信息的主板2。BMS主板在軌道交通車輛運行中主要起到的作用是數(shù)據(jù)收集及系統(tǒng)控制等?；诖?，BMS主板設(shè)計可采用內(nèi)存資源強大的MC9S12XEP100單片機作為核心部件，該單片機芯片在主板的使用為CAN接口提供了多條通路，有助于緩解板間通信的復(fù)雜性。芯片中的AD轉(zhuǎn)換器對于電流、電壓的收集與控制也能夠起到輔助作用。此外，該芯片中ECT定時器模塊是8路16位的，這一結(jié)構(gòu)就為數(shù)據(jù)捕捉、輸出比較等任務(wù)的完成提供了便利。XGATE獨立處理器的加入更是很大程度上提高了主板處理器的運行速度，與此同時，其他任務(wù)的進行并不會受到影響，CPU結(jié)構(gòu)的負擔有所緩解。

3、BMS通信設(shè)計

BMS通信種類較多，對于軌道交通車輛來說，車輛行駛過程中的信息交互是BMS通信設(shè)計的重點。該板塊設(shè)計的主要作用是檢測電池組當前使用狀態(tài)并對不同階段電池組使用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行傳遞，與此同時，整車控制指令的接受并不會受到影響，上下點操作及充放電控制也始終處于安全狀態(tài)。除此以外，BMS通信還需要考慮控制板與檢測板的信息傳遞。若主控板或檢測板一方出現(xiàn)故障，備份主板是否能夠及時啟動，增強主板通信的可靠性?；诖耍珺MS通信設(shè)計可采用數(shù)據(jù)傳輸與匯總功能較強的三路CAN。這樣一來，各主板之間數(shù)據(jù)傳輸將統(tǒng)一為CAN總線。這對于電池管理系統(tǒng)的控制與關(guān)鍵信息的捕捉來說是十分有利的。三路CAN在此板塊中的應(yīng)用還能夠?qū)?shù)據(jù)進行實時備份，確保備份主板在出現(xiàn)故障時