浅议轨道交通车辆电池管理系统研究与设计

丁冬

摘 要：随着我国科学技术的飞速发展，城市进程也在不断加快，促进了我国动车、高铁、地铁各种交通工具的发展。当前，兴起了一股兴能源趋势，同时也在不断改进车载储能技术。构建新型环保交通轨道车辆十分重要，当前不断加快绿色节约型综合交通系统。其中一项新型能源便是锂电池，这需要我们及时管理和监控各种状态数据，然后设计与之相关的轨道交通电池管理系统十分必要。

关键词：轨道;交通车辆;电池管理;系统研究

1 轨道交通BMS设计方案

1.1 轨道交通BMS实际应用特点

不同于一般电动汽车，实际运行环境和电池配置数量各不相同，轨道交通车辆电池管理系统有其复杂、特殊性，其差异主要表现在以下几个方面：

1.1.1实际运行情况

从具体角度来说，城市轨道交通的各项性能受其实际环境的影响，当车辆振动次数较多、力度较大時，环境温度差别也大。整个设备操作过程比较复杂，轨道交通储能电池系统受回收制动能量或电网给整车提供动力的影响。面对当前各种运行情况，它的储备功能也不一致。城市交通轨道也应根据各种运行工序强化其放充电具体策略。

1.1.2电池实际构造

关于电池的实际配置，轨道交通出行工具其动力来源于各级电池，其基本电压等级高于一般电动汽车。总的来说，电动汽车其电压系统一般为350-450V左右，实际轨道交通车辆电业等级为700-1100v左右。其电池功率越高，配备电池系统所需的数量也不断增加，就城市轨道交通而言，设计轨道交通BMS系统，需要考虑电池系统各种不一致的均衡策略。

实际安放电池组，应考虑其具体位置。电动汽车的实际电池储能系统一般被放置在车辆尾部电池舱内。列车两端彻底下放置着轨道交通车辆的电池系统，这直接影响到BMS的拓扑结构。

1.1.3可靠性和安全性

就安全性能和可靠性来说，为了实际维护汽车行业和轨道交通行业的等级安全，可以设置不同的行业标准，换句话说，人们关注的重点内容便是轨道交通安全。就通信冗余而言，具体各部件和一般整车均可以选用MVB总线或太网，以工业为基础。应急充电机、双向变流器、显示屏和BMS均可以使用RS485和CAN总线。除此之外，实际运用硬线通信轨道交通也特别广泛，当其网络系统瘫痪时，可以完成整车和BMS之间的信息交互。具体设计轨道交通车辆BMS时，应不断总结广义电池管理系统中的各项实际功能，具体运行轨道交通车辆时，应严格遵循BMS的实际特点，从而选择合适的BMS拓扑结构。

1.2 分析BMS拓扑结构

2 交通轨道BMS总体设计方案

2.1 拓扑和电池系统参数

一般来说，拓扑结构直接影响到电池组的连接方法、电池管理系统的实际环境、摆放电池组的具体位置。这些因素也会不断影响电池管理系统的控制性和可靠性。总的来说，模块式、主从式、分布式和集中式共同组成了电池管理系统的拓扑结构。

模块式电池管理系统里面含有多个子模块，子模块运用各种数据传播的方法定期上传部分数据信息。一般来说，电池组附近放置了各种子模块，为了获取更多的电池，需要不断增加各种子模块。这种模块式BMS的实际优点是方便管理各种线束，便于不断扩张，它的缺点便是整个数据信息传递复杂、速度较慢，每个模块功能比较冗杂，提高了其实际成本，这种方法使用于部分特殊场合。

集中式电池管理系统中的各种模块被运用于单独组件中，同一块板子包含了检测电流、温度、电压单体等各种设备。这种拓扑结构电池管理系统的优点是结构紧凑、方便维修、经济划算，其缺点是线束复杂、数百根电线穿过其高压部分，强化了短路风险，被广泛运用于电压低、容量低、电池数目少的各类场景中。

多个从控制器或单个主控制器共同组成了主从式电池管理系统，主控制器负责接收或处理控制器内的部分数据，同时给控制其发送各种均衡指令，方便搜集控制器内的各种通信数据，收集电池的各项数据信息。温度、均衡电路、单体电压共同组成了从控制器。各控制之间存在各类通信线路，主从式电池管理系统的实际拓扑结构如图所示，集合了模块式电池管理系统的各类优点，主控制器包含了控制器的各项功能，这区别于模块式电池管理系统，其成本比较廉价。

2.2 轨道交通BMS控制方法

SOC便是电池荷电状态，美国先进电池联合会如实定义了SOC这个概念，在同等放电倍率的情况下，电池剩余电量和相同条件规

其中，恒定电流放电时的限定容量便为Q N，电池的实际剩余电量便为QC，当电池迅速充电，其电压SOC的实际值变为1，不断放电时其电压SOC的实际值为0。就电池管理系统而言，如何准确估算SOC的实际值是十分重要的，为了反映出剩余电量的实际情况可以使用电池SOC值，方便估算车辆的实际续航里程。同时，可以根据SOC的具体信息反映电池的实际情况，并判定电池是否放充过电。针对下代地铁列车而言，为了控制整个列车整车控制系统，需要强化SOC各种功能，不断延长电池的实际寿命，强化电池安全性能。

就电池管理技术而言，如何精准评估SOC成为一项重要难题，估算电池SOC值受到多种因素的影响。例如：电池温度、自放电率、充放电倍率、电池寿命等多种因素。不能使用传感器直接测量SOC具体数据，必须检测工作电流、电阻、温度和电池电压等多种参数，并通过一定的数字模型进行估算。现阶段，各种SOC估算方法共同组成了国内外实际电池。总的来说包括：安时积分法、内阻法、开路电压法、神经网络法和观测器等各种方法。不同的SOC预算方法有着不同的优缺点。

各种新型的SOC估算法是以开路电压法和安时积分法为基础，近几年兴起的SOC估算法难以衡量算法复杂度和估算精准度之间的实际关系，很难满足其具体实际运用，大部分仍处于理论研究和试验阶段。开路电压法便是不断完善电池当前的实际放电状态，SOC和OCV仍具有一定的关联性，可以不断提高电池的实际放电额能力。依据OCV-SOC的实际关系便能估算出SOC的具体方法，这种方法被称为开路电压法。受其极化因素的影响，需要及时测量开路电压，估算出开路电压SOC的初始值。

总的来说，开路电压法使用初期放置各类电池和长时间具体静置。从而解决安时积分法估算不准确的问题，为了合理估算出电池soc值，可以使用开路电压和安时积分相结合的方法。

3 总结

随着人们生活水平的提高，当前对我国城市轨道交通要求越来越高。本文主要总结了轨道交通BMS的实际硬件电路设计。关于BMS的实际功能需求，从轨道交通BMS实际应用特点、电池实际构造、可行性和安全性方面进行了说明，意在优化我们城市轨道交通电池管理系统。

参考文献

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