鋰電池管理系統的研究與設計分析

童浩 浙江大麥嶼港務有限公司

1.項目闡述

輪胎吊油電混合系統是一種以輪胎吊設計的節能系統，在滿足輪胎吊正常運作的基礎上，最大限度上減小柴油發動機損耗。通過在輪胎吊動力系統中增設鋰電池組作為能量存儲單元和控制單元，將原有的大型柴油發電機組更換為小型發電機組。這樣在輪胎吊運行時，輪胎吊驅動裝置由鋰電池組提供能量，在下降動作中，起升電機借助鋰電池組控制單元，將集裝箱下降時釋放能量給鋰電池組充電。整個設計系統中，小型柴油發電機僅負責為鋰電池組充電，在鋰電池組滿電之后，小型柴油發動機自動停止運行，從而減少輪胎吊柴油消耗量。可見，鋰電池組作為輪胎吊的主要能量供應裝置，必須要保證鋰電池組容量滿足驅動運行標準以及電池組使用安全，這就需要做好鋰電池管理系統設計工作。

2.鋰電池管理系統設計功能要求

為了能夠實現輪胎吊節能減排的設計目標，鋰電池管理系統必須要能夠滿足以下幾點要求：

（1）管理系統要能夠實時監控鋰電池的運行狀態，通過采集數據、分析數據、處理數據，實現SOC估算、故障定位分析、充放電控制、數據存儲等功能，所采集的數據信息可以直接在觸摸液晶管理器中呈現。

（2）管理系統可以精準估算鋰電池組負荷狀態，確保電池余量在允許范圍內，防止鋰電池組過量充電、過量放電損害電池。顯示界面可以直接呈現出可視化電池電量、荷電狀態。

（3）管理系統可以對電池各類負荷條件充電狀態進行計算、對比、記憶、報告，充電狀態SOC 控制誤差在±1.5%以內。

（4）管理系統實時監控電池組運行狀態，電池組在充放電當中，可以實時采集單體電池的運行溫度與電壓、電池組總電壓、充放電流，避免電池組或單體電池過充、放電等問題。

（5）管理系統時刻呈現出電池的使用情況，找出存在故障的電池，并自動平衡、修復電池組，確保電池組運行效率與可靠性。如果電池組或單體電池產生

（6）嚴重故障情況，系統會自動切斷電池模塊并發出警報。

（7）管理系統系顯示界面時刻呈現電池電壓、作業溫度、環境溫度、環境濕度，工作人員可以在操作界面數據庫模塊中查找歷史數據。

（8）電池管理系統自帶平衡功能，實現模板中單體電池平衡，保證充電的均衡性，確保每個單體電池都處于均勻一致狀態。

輪胎吊油電混合系統構成

（9）如果系統檢查出電池存在虛沖情況，系統會自動判定、排除，保證鋰電池能夠正常充電。

（10）系統會自動建立每個單體電池的運行檔案，離線對采集數據進行分析。

3.鋰電池管理系統設計

3.1 鋰電池性能特性

整個電池組采用日本東芝原裝進口電池，電池組設計使用壽命為10年左右。電池的放電深度（DOD）控制通常不高于電池組總容量的50%范圍內，電池壽命要求可滿足年均8萬TEU。電池具有強大的充、放電能力，在低溫狀態下性能穩定，放電能力良好；有快速充電性能，在6分鐘內充電至80%。

3.2 管理系統整體設計

快速充電性能良好

整個電池管理系統中，主要的功能包括：電池信息實時監控、SOC估算、故障分析、數據處理、數據傳輸、溫度監控、充放電控制、數據存儲等，同時帶有觸摸液晶管理器。本改造項目采用東芝的管理系統，該系統可以估算電池組荷電狀態，根據剩余電量控制電池組SOC保持在合理范圍內，避免過充、放電等問題降低電池壽命，實時預報整個混合動力輪胎吊剩余電能、電池負荷。系統可以采集單體電池運行參數，實現單獨控制和管理，對可能出現故障的單體電池進行自平衡、自我修復，提高整個系統運行的可靠性。

RTG 鋰電池混合動力系統可以保持混動系統正常運行，對故障進行判斷和分析，系統中融合了監控程序軟件，實現實時監控、實時預報功能。在顯示界面直接呈現出電池供電系統狀態信號、故障信號。記錄電池充電、放電、異常情況，控制SOC、SOH。

3.3 電池組控制單元

本改造工程均選用日本安川進口品牌的電器元器件，每個設備中都配有中文標識。該公司的電池組整流、逆變單元在港口起重機領域應用十分廣泛，技術也非常成熟。在電池組控制單元控制柜設計當中，要重點考慮隔熱層設計、散熱空間設計，滿足輪胎吊的使用要求。電池房、電器房要做好接地工作，設計中采用了35平方接地線連接。系統所有電纜均采用防護敷設、管道敷設形式，不會直接暴露在露天環境中，電氣房、電池房中的電池柜與內控柜連接，箱梁內部采用先綁固定，鞍梁外使用線槽固定，鞍梁外出現口預留出充足防磨損、割傷措施，還可以避免陽光長期暴曬、雨水侵蝕。所有線纜都采用統一標號，按照規范標準進行排布，扎線帶固定電纜的情況，鋼扎帶占據35%，線路中有不低于10%比例的備用線，連接好接線端子并設置備用標識。數據通訊數據線中要有屏蔽線，并進行接地設計，同一設備中采用同型號通訊線纜，還備用一條線纜，線路設計要與動力線纜保持一定間隔。

3.4 鋰電池房設計

在鋰電池房內集成電池組、管理系統、控制單元、整流逆變單元等。電池房設計當中要考慮有充足散熱空間、冷卻風道、隔熱層，根據電池房實際運行情況安裝足夠容量的空調設施，冷卻設計性能要求在夏季高溫直射條件下依然維持在25℃以內，如果電池房溫度超出了預定標準時，會自動啟動警報系統提醒司機。在電氣房側專門加裝平臺上設置電池房，根據國家提出的電池房制作標準，電池房的防護等級不低于IP55級。電池房材料選擇防塵、防風雨、阻燃保溫材料，并配別隔振措施。采用密封門，有完善的門鎖和堅固的把手，材料為304不銹鋼。電池房照度為200-300LUX，采用飛利浦LED照明燈具，為了保持電池房環境安裝，在電池房內設置了溫感器、煙感器，如果發現高溫、濃煙系統會自動報警。

電池房內采用開放式單排布置控制柜，電池接線柱側裝有絕緣隔離板，通道在600mm以上。設計中為了確保后期運維便捷性，預留出了足夠保養、檢修的空間。電池房內至少設置3個供測試儀器或者照明單相、三相電源國標插座，為了保證室內濕度達到標準，還設置了防冷凝、防潮加熱器，同時配備應急燈具。電池房內的故障顯示器，可供工作人員快速查看電池故障情況和歷史數據，實時呈現電池組、單體電池的電壓、電流等狀態。

4.結束語

綜上所述，本文通過實際項目案例對鋰電池管理系統展開了研究，提出了實時監控、主動均衡的BMS設計方案，管理系統可以同時兼顧電池均勻性、使用便捷性，同時實現了電池組監控、故障均衡、系統控制多個功能。在電池房內集成電池組、管理系統、控制單元等，預留充足空間保證管理工作更加方便。電池管理系統可以更好的發揮鋰電池組性能，減少柴油使用量、電能損耗量以及提升資源利用率，更加符合國家提出的節能環保要求，對實現可持續發展目標有著重要意義。