面向标准动车组辅助供电替代的锂电池管理系统研究

管理系统研究

摘要：城市在城市化进程中，由中心城市向周围区域扩展。随着城市的扩张，人口的激增对交通造成了很大的压力。为减轻运输压力，推动经济发展，铁道部在2004年与国外公司西门子，庞巴迪，川崎重工，阿尔斯通等进行了联合研制。然而，由于不同国家设计规范的差异，导致了其配套设施的兼容问题，使其后期维修工作变得十分棘手。2013年，由中国铁路集团领导的各大院校、研究机构开展了中国标准动车组的研制工作。中国自主研制的标准动车组在两年后正式投产，中国标准动车组的研制成功，标志着中国已迈入世界铁路大国之列。在中国自行研制的标准化动车组中，不但实现了配套装备的兼容，还实现了集成系统、转向架、车身、网络控制、牵引传动、制动、辅助供电系统等模块的自主性。

关键词：面向标准动车组；辅助供电；锂电池管理系统

标准动车组的辅助电力系统是由空压机、冷却风机、油泵/水泵电机、空调系统、供暖系统、照明系统、乘客信息系统等组成。该直流供电系统包括充电器、电池以及对应的负荷。电池组是直流供电的核心能源，其主要作用有：一是向直流供电；第二种是在动车组发生接触网故障或电力供应不足时，由电池组为标准动车组的升降受电弓提供控制能量；目前的标准动车组所采用的辅助供电方式是以镍镉碱性电池为基础的。

1标准动车组辅助供电替代的锂电池管理系统不同的应用 1.1集中式

在 BMS发展的初期，集中式设计应运而生。锂电池包括一小部分的单体，以及一小部分的总的电池压力。该系统能够实现基于单片机的数据采集、运算等各种功能的综合。该方案为 BMS信号的同步管理提供了方便。但是，该方案也有一些不足之处：由于高速发展的大容量锂电池，对 BMS的性能有了更高的需求，而

集中式设计则会造成电路板太大；不利于系统的扩充与更新；系统前端的数据采集是以线为中心的，集线型的设计会使采集线的接口过于密集，从而增大了短路的危险性；集中式设计会增加系统的维修费用。

1.2主从式

主从式 BMS解决了集中式 BMS的不足，它包括两个模块：主控模块负责数据的处理与运算，从控模块负责电池电压、温度等信息的收集，以及从主控制器接受电池电压平衡的命令。采用独立的从动控制器，减少了蓄电池与蓄电池的间距，降低了采集线的电阻对采集精度的影响，提高了锂电池的采集精度，保证了高压和低压的安全间距。根据主从式 BMS的通信方式，可以将其划分为基于 CAN总线通信的主从式 BMS、基于无线通信的主从式 BMS和基于菊花链式的 BMS。采用 CAN总线进行主从式通信，要求在主机上设置 CAN控制器和接收机，从而使 CAN网络的结点数目和功率电路的设计变得更加复杂，从而提高了 CAN系统的设计费用，降低了 CAN的通讯速度。

2面向标准动车组辅助供电替代的锂电池管理系统研究

针对标准动车组的辅助供电方案，探讨了采用锂电池管理系统作为标准动车组辅助供电的替代方案。该系统在对常规电动车组电池进行实时监测与管理的基础上，对 SOC、 SOH进行了估算。图1中显示了总的配置图。

图1面向标准动车组辅助供电替代的锂电池管理系统功能结构图

锂电池管理系统是一种新型的电力机车备用电源，其功能包括：数据采集、运行状态分析与预测、能量管理、通讯功能、安全保护与报警。

该系统的数据采集主要用于采集、储存电池的电流、电压、电池电压、电池温度等参数，为电池 SOC和 SOH的估算提供依据。BMS系统的正常工作是数据采集的重要保障。

BMS的主要功能是对电池的运行状况进行分析和预测，其中包含了电池 SOC和 SOH的估算。为了让使用者更好地了解和把握电池的充电状况，对电池 SOC的实时性有较高的要求。SOH算法对实时性的要求很高，但是它的运算能力很强。为此，本文提出了一种用于向云端传输数据的无线通讯模块。在 PC端，用户可以登陆云服务器进行电池数据的下载和估算， PC端的大量计算资源可以保证 SOH的正确性。

BMS的通讯功能包括人机交互、数据存储、数据传送等。通过与人的互动，我们可以对电池的充电状态、电流、电池温度等进行实时的了解。研究了电池 SOH值的计算方法，并对其进行了分析。估算锂电池的 SOH值，包括电压，温度和总电流等。PC可以从 BMS中获取历史数据，并利用无线传输模块对电池进行 SOH估算。

根据电池的资料，电池安全保护，预警和能量管理。BMS主控制器对采集到的数据进行分析，判断电池是否在不正常的情况下。若有异常情况发生，则会自动保护并发出警报，或根据需要对蓄电池进行平衡管理。

3标准动车组辅助供电替代的锂电池管理系统存在的不足

(1)对系统的抗干扰性进行了软硬件设计。但是，由于试验是在有限的实验室条件下进行的，所以不能充分地模拟列车在正常运转时的电磁环境。BMS的检测没有包含抗干扰性的检测，也没有对 BMS的抗干扰性进行界定。

(2)采用单电池被动平衡电路实现了对锂电池进行能量平衡。这种方法具有能量损耗的缺陷，可以根据有源平衡理论的发展趋势加以完善。

(3)在标准动车组的实际操作中，由于其工作时间短，且该系统没有经过长时间的实际操作条件的检验。没有对该系统进行长时间的实际操作试验，也无法对普通电动机组的锂电池进行全寿命检验。

(4)将 SOH估计为标准电动机组在 PC侧的锂电池包。该方法不仅需要大量的计算资源，而且能够根据精确度对其进行优化。

4标准动车组辅助供电替代的锂电池管理系统改进措施

(1)将镍镉电池、磷酸铁锂、三元锂电池进行了对比，并以磷酸铁锂为主要电池。利用 aukf算法对锂电池 SOC、 SOH进行了估算，并用 MATLAB软件进行了模拟试验。

(2)在主从结构的基础上，对 BMS进行了软硬件的设计，并根据高效、可靠的原则进行了硬件的选取。前端电池的数据采集采用LT-6811芯片，其综合能力强，性能优良。本芯片具有高效、快速的特点，工作时不会产生严重的热量。采用 isospi菊链结构，通讯可靠性高，不需要扩展 can接收机，从而节约了费用。在此基础上，利用eC20r2.1微型晶闸管芯片，在 PC端完成了对锂电池 SOH的估算，从而有效地减少了 BMS主控制芯片的工作压力，提高了系统的稳定性和可靠性。软件采用模块化工艺，增强了 BMS系统的抗干扰性和可靠性。

(3)建立试验平台、上位机的设计、 BMS功能的校验和可视化的展示。并与实测结果进行对比，得出了总电压、电流、电压、温度、 SOC等参数的估算误差。根据采集到的资料，估算出电池的 SOH值，并将其与真实的 SOH值进行对比。结果表明，采用常规的列车辅助供电取代传统的锂电池管理系统能够满足使用的需要。

5结语

总之，虽然锂电池在性能上优于电池，但是它对温度的敏感度较高。此前的研究显示，锂电池的非正常温度不但会造成可利用的容量不断下降，还会加快锂电池正电极中的金属锂离子与电解液的副反应，从而引起热失控，引发诸如燃烧和爆炸之类的安全事件。所以，在采用大容量锂电池时，为了避免电池热失控，

必须采用 BMS对电池进行在线控制。研制以常规动车组辅助供电取代传统的锂电池管理系统，能保证标准动车组的安全、稳定运行。

参考文献：

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[2]李叔恒.中国标准动车组辅助供电系统负荷能耗测试与分析[D].西南交通大学,2017.

[3]陈燕虹,吴伟静,刘宏伟,等.电动汽车锂离子动力电池分选方法研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2016,43(10):23-31.