淺議軌道交通車輛電池管理系統研究與設計

丁冬

摘 要：隨著我國科學技術的飛速發展，城市進程也在不斷加快，促進了我國動車、高鐵、地鐵各種交通工具的發展。當前，興起了一股興能源趨勢，同時也在不斷改進車載儲能技術。構建新型環保交通軌道車輛十分重要，當前不斷加快綠色節約型綜合交通系統。其中一項新型能源便是鋰電池，這需要我們及時管理和監控各種狀態數據，然后設計與之相關的軌道交通電池管理系統十分必要。

關鍵詞：軌道;交通車輛;電池管理;系統研究

1 軌道交通BMS設計方案

1.1 軌道交通BMS實際應用特點

不同于一般電動汽車，實際運行環境和電池配置數量各不相同，軌道交通車輛電池管理系統有其復雜、特殊性，其差異主要表現在以下幾個方面：

1.1.1實際運行情況

從具體角度來說，城市軌道交通的各項性能受其實際環境的影響，當車輛振動次數較多、力度較大時，環境溫度差別也大。整個設備操作過程比較復雜，軌道交通儲能電池系統受回收制動能量或電網給整車提供動力的影響。面對當前各種運行情況，它的儲備功能也不一致。城市交通軌道也應根據各種運行工序強化其放充電具體策略。

1.1.2電池實際構造

關于電池的實際配置，軌道交通出行工具其動力來源于各級電池，其基本電壓等級高于一般電動汽車。總的來說，電動汽車其電壓系統一般為350-450V左右，實際軌道交通車輛電業等級為700-1100v左右。其電池功率越高，配備電池系統所需的數量也不斷增加，就城市軌道交通而言，設計軌道交通BMS系統，需要考慮電池系統各種不一致的均衡策略。

實際安放電池組，應考慮其具體位置。電動汽車的實際電池儲能系統一般被放置在車輛尾部電池艙內。列車兩端徹底下放置著軌道交通車輛的電池系統，這直接影響到BMS的拓撲結構。

1.1.3可靠性和安全性

就安全性能和可靠性來說，為了實際維護汽車行業和軌道交通行業的等級安全，可以設置不同的行業標準，換句話說，人們關注的重點內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，以工業為基礎。應急充電機、雙向變流器、顯示屏和BMS均可以使用RS485和CAN總線。除此之外，實際運用硬線通信軌道交通也特別廣泛，當其網絡系統癱瘓時，可以完成整車和BMS之間的信息交互。具體設計軌道交通車輛BMS時，應不斷總結廣義電池管理系統中的各項實際功能，具體運行軌道交通車輛時，應嚴格遵循BMS的實際特點，從而選擇合適的BMS拓撲結構。

1.2 分析BMS拓撲結構

2 交通軌道BMS總體設計方案

2.1 拓撲和電池系統參數

一般來說，拓撲結構直接影響到電池組的連接方法、電池管理系統的實際環境、擺放電池組的具體位置。這些因素也會不斷影響電池管理系統的控制性和可靠性。總的來說，模塊式、主從式、分布式和集中式共同組成了電池管理系統的拓撲結構。

模塊式電池管理系統里面含有多個子模塊，子模塊運用各種數據傳播的方法定期上傳部分數據信息。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的實際優點是方便管理各種線束，便于不斷擴張，它的缺點便是整個數據信息傳遞復雜、速度較慢，每個模塊功能比較冗雜，提高了其實際成本，這種方法使用于部分特殊場合。

集中式電池管理系統中的各種模塊被運用于單獨組件中，同一塊板子包含了檢測電流、溫度、電壓單體等各種設備。這種拓撲結構電池管理系統的優點是結構緊湊、方便維修、經濟劃算，其缺點是線束復雜、數百根電線穿過其高壓部分，強化了短路風險，被廣泛運用于電壓低、容量低、電池數目少的各類場景中。

多個從控制器或單個主控制器共同組成了主從式電池管理系統，主控制器負責接收或處理控制器內的部分數據，同時給控制其發送各種均衡指令，方便搜集控制器內的各種通信數據，收集電池的各項數據信息。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的實際拓撲結構如圖所示，集合了模塊式電池管理系統的各類優點，主控制器包含了控制器的各項功能，這區別于模塊式電池管理系統，其成本比較廉價。

2.2 軌道交通BMS控制方法

SOC便是電池荷電狀態，美國先進電池聯合會如實定義了SOC這個概念，在同等放電倍率的情況下，電池剩余電量和相同條件規

其中，恒定電流放電時的限定容量便為Q N，電池的實際剩余電量便為QC，當電池迅速充電，其電壓SOC的實際值變為1，不斷放電時其電壓SOC的實際值為0。就電池管理系統而言，如何準確估算SOC的實際值是十分重要的，為了反映出剩余電量的實際情況可以使用電池SOC值，方便估算車輛的實際續航里程。同時，可以根據SOC的具體信息反映電池的實際情況，并判定電池是否放充過電。針對下代地鐵列車而言，為了控制整個列車整車控制系統，需要強化SOC各種功能，不斷延長電池的實際壽命，強化電池安全性能。

就電池管理技術而言，如何精準評估SOC成為一項重要難題，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量SOC具體數據，必須檢測工作電流、電阻、溫度和電池電壓等多種參數，并通過一定的數字模型進行估算。現階段，各種SOC估算方法共同組成了國內外實際電池。總的來說包括：安時積分法、內阻法、開路電壓法、神經網絡法和觀測器等各種方法。不同的SOC預算方法有著不同的優缺點。

各種新型的SOC估算法是以開路電壓法和安時積分法為基礎，近幾年興起的SOC估算法難以衡量算法復雜度和估算精準度之間的實際關系，很難滿足其具體實際運用，大部分仍處于理論研究和試驗階段。開路電壓法便是不斷完善電池當前的實際放電狀態，SOC和OCV仍具有一定的關聯性，可以不斷提高電池的實際放電額能力。依據OCV-SOC的實際關系便能估算出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，需要及時測量開路電壓，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間具體靜置。從而解決安時積分法估算不準確的問題，為了合理估算出電池soc值，可以使用開路電壓和安時積分相結合的方法。

3 總結

隨著人們生活水平的提高，當前對我國城市軌道交通要求越來越高。本文主要總結了軌道交通BMS的實際硬件電路設計。關于BMS的實際功能需求，從軌道交通BMS實際應用特點、電池實際構造、可行性和安全性方面進行了說明，意在優化我們城市軌道交通電池管理系統。

參考文獻

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