新能源動力快速充電電源系統及BMS管理系統的研發設計

李愛蓮

摘要：本文作者依據多年工作經驗，對新能源動力快速充電電源系統及BMS管理系統的研發設計研究分析，以便和同行切磋與交流。

[關鍵詞]新能源動力快速充電電源系統BMS管理系統研發設計

1國內外研究概況、水平、發展趨勢

目前，地鐵及隧道施工的軌道機車所用的動力電源主要以鉛酸電池為主，鉛酸電池因為充電速度慢、使用壽命短、污染嚴重等缺點將慢慢被市場淘汰，東南亞及周邊國家已經嚴禁使用鉛酸電池，這給鋰電池動力電源提供了廣闊的使用空間。經市場調研分析，目前市場上正在使用的軌道機車有2000多輛，并且還在不斷地增加。而鋰電池動力電源剛剛處于起步階段，能完全自主生產鋰電池動力電源BMS及充電系統的廠家幾乎沒有，如果能抓住機遇，盡快推出具有完全自主產權的動力電源BMS及充電系統產品，將極大滿足市場需求并產生較大的經濟效益。

快充動力電源及BMS系統可以很好地兼顧新興產業（新能源）與傳統產業（舊能源）之間的協調發展，保證企業在正常生產的基礎上能有效提高工作效率，降低施工成本，減少環境污染，更加符合企業的發展現實。

動力快充電源系統前景廣闊，既符合國家宏觀經濟發展形勢，也是全球治理污染，新能源發展的必然趨勢。

2項目研究的技術成果

技術路線：本套系統主要用于在線監測動力電源箱單體電壓、溫度、電源箱總電壓，充、放電電流等參數并對電源箱進行智能化控制管理。其主要由四部分構成：監測顯示終端、監測主控制器、現場監測節點及充放電控制。其中監測顯示終端用于顯示電源箱的總電壓、總電流、各單體電池的相關參數等;監測主控制器主要用于收集各監測節點數據、管理各網絡節點;現場監測節點主要監測單體電壓、溫度、充放電電流等相關參數，并對異常電池進行報警警示。本套系統能讓用戶實時掌握電源箱的相關參數，方便維護與管理，確保電源箱安全穩定的運行。

3關鍵技術

本套系統主要用于在線監測電源箱單體電壓、溫度，電池組總電壓，充、放電電流等，并根據采集的參數信息對電源箱充放電進行智能控制。其主要由四部分構成：監測顯示終端、監測主控制器、現場監測節點及控制輸出。其中監測顯示終端用于顯示電源箱的電池總電壓、總電流、各單體電池的電壓、溫度、報警及控制輸出相關參數等;并實現人機對話，以方便對相關參數進行修改。監測主控制器主要用收集各監測節點數據并管理各網絡節點;現場監測節點主要監測單體電壓、溫度充放電電流等相關參數，并對異常電池進行報警警示。本套系統能讓用戶實時掌握電池組的相關參數，方便維護與管理。具體如圖1所示。

3.1監測節點方案

監測節點主要將數據上傳給監測主機，并對電池單體電壓、溫度、充放電電流等信息進行采集。檢測節點采用內嵌64位高速處理器為核心。具體如圖2所示。

3.2單體電壓采集方式

單體電壓參數采集的具體實現方式為：采集模塊下方設計對應于電池正負極柱的接線端子，正常使用電池檢測系統時，采集模塊通過激光焊機配合固定到電池正負極柱上方，一方面通過正負極柱采集電壓值，另一方面起到固定采集模塊的作用。CPU通過巡檢完成對電池電壓的采集處理。如圖3所示。

單體溫度采集方式為采用數字式一線總線式溫度傳感器，該傳感器由于采用特殊的數字化傳輸方式，因此抗干擾性能特別好，可以適用于各種惡劣的環境。

本設計選用的溫度傳感器采用了耐腐蝕的四氟材料封裝，正常使用時利用硅銅導熱膠將溫度傳感器固定于電池極柱附近，通過直接測量的方式，避免了間接測量所帶來的誤差，測量更準確可靠。

4監控主機方案

監控主機（即主控制器）主要完成收集、處理各現場監測節點的數據、管理各監測及輸出網絡、負責與監測顯示終端的數據交互。其主要技術參數如下：

（1）能夠監測總體電壓值，測量范圍0-700V，實際對應測量傳感器輸出值為0-5V或者5-20mA，測量精度<0.3%;

（2）能夠監測電池組充、放電電流值-1000-1000A，實際對應測量傳感器輸出值為0-5V或者5-20mA，測量精度≤0.3%;

（3）能夠監測電池組各單體電池電壓，監測范圍：0～5V;

（4）兩路環境溫度測量輸入，溫度范圍-20C-105°C，測量精度1°C;

（5）一路CAN通信，一路485通信;并通過CAN對整個檢測網絡進行檢測，管理檢測網絡的正常數據交互;

（6）一路報警輸出，一路保護控制輸出

（7）CAN通信波特率為250kbps;

（8）工作電源DC24V。

智能顯示終端，該部件主要實時顯示電池組總電壓、充電電流、帶載電流、各監測節點運行狀態（單體電壓、溫度）等相關參數。其具體顯示要求為：電池組總電壓，電壓范圍0-700V;充、放電電流-1000～1000A;同時該系統還能實現以下功能：

（1）實時監控功能，任何一路電池電壓出現異?；螂姵亟M總電壓、總電流出現異?；蛳到y實時參數出現異常等狀態下都會有相應的聲光報警，可快速記錄各種狀態下的電池數據，直觀反映電池狀態。根據用戶需求記錄浮充狀態整個被監控電池組及單體電池數據，記錄的數據可隨時調閱查看?？呻S時查看目前電池組中各電池最新運行狀態。

（2）系統配有彩色觸摸顯示屏、聲光報敬器

（3）提供人機交互界面，設置報警及保護參數值，聲光提示是否需要，采樣時間可調（1-999秒），數據保存時間可調（1-999分鐘）。

（4）時鐘和掉電保護功能。

（5）通過上位機校準各種測量值。

（6）為了方便接入自動化系統，配備了標準接口。

系統功能框架圖如圖5所示。

因本系統使用在地鐵、隧道等工程工地，現場環境較為惡劣，環境濕度大，干擾因素多。為此我們選擇變壓器隔離、可控硅控制整流輸出的充電模式，使得抗干擾能力更強、性能更穩定，可以有效保證整套系統長期穩定地運行。

4項目研究的主要創新點

動力快充電源系統主要的產品特性是快速充電，具有環保節能，較傳統的鉛酸蓄電池組來講，電池組無電狀態不必要像鉛酸電池那樣從機車上吊裝下來集中充電，可以在機車停留處隨時進行充電，提高了工作效率。動力快充電源系統壽命終結時不存在回收時的污染問題，而傳統的鉛酸蓄電池組壽命終結時回收轉運等均涉及危險化學廢棄物收集轉運的限制。主要創新點：

（1）利用BMS智能管理系統對電池組

進行實時動態監測和管理，解決了因使用不當對電池組帶來的危害，可有效延長電池組的使用壽命;信號檢測精度高，電路控制精確、快捷、抗干擾能力強、運行穩定，確保電池組能安全有效地運行。

（2）自行研發的大功率直流充電機可有效縮短充電時間，提高電池組工作效率。

（3）新開發的車載充電機方便快捷，通過BMS有效控制可實現無人值守充電，解決了以前樁式充電機移動不方便，充電效率低，需要人工值守等諸多缺點。

（4）動力電源箱采用防爆、防雨、模塊化設計，操作更方便，運行更安全。

參考文獻

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