軌道交通車輛用電池管理系統的設計分析

蔣凱剛

摘? 要：我國經濟的快速發展使得以電池管理系統為核心的軌道交通車輛成為城市交通的一道靚麗風景線。電池管理系統在軌道交通車輛中起到的主要作用是控制并檢測電池參數，確保電池處于正常狀態，是軌道交通車輛的重要組成部分。本文以軌道交通車輛用電管理系統設計方案的總概述為入手點，對其設計方案進行分析。

關鍵詞：軌道交通車輛;電池管理系統;設計

在可持續發展戰略的倡導下我國軌道交通車輛不斷增加，在一定程度上實現了傳統運行車輛的升級換代，但此類車輛主要是通過電池管理系統運行的，相對于單一的電池組來說，該系統的管理難度有所提升，不再局限于對電壓、電量的監測，還需要實現系統的不斷優化，最大程度上延長電池系統的使用年限。

一、軌道交通車輛用電池管理系統設計方案總概述

電池管理系統的主要作用是對電池組的重要信息進行采集、對電池組的使用狀態實時監控，確保電池組處于正常狀態。對于軌道交通車輛來說，電池管理系統是其運行的主要來源。一般來說，軌道交通車輛電池組的構成是比較復雜的，其連接方式以串并聯為主。如果沒有電池管理系統的監控，將無法及時獲知軌道交通車輛的運行狀態，在此情況下進行電池操作很容易出現差錯，對整個電池組的使用造成影響，甚至引發后果十分嚴重的安全事故。用電池管理系統的安裝就能夠很好地解決這一問題，在提高軌道交通車輛運行安全性的基礎上優化其電力供應系統，從而有效延長電池組的使用年限。

電池管理系統的組成主要由反饋關鍵信息的監測裝置、確保電池正常運行的安全保護裝置及對電池壽命起決定作用的均衡控制裝置組成。

二、電池組設計方案

1、單節電池電壓采集方案設計

單節電池電壓采集方案設計主要是提高電壓采集精度與速度，從而確保BMS的準確性及系統報警裝置啟動的及時。因此，單節電池電壓采集方案設計的難度系數相對較高。一般來說，單節電池電壓采集方案設計的芯片需要能夠對多節電池同步測量，測量參數包括反饋數據中的電壓、電流等。事實證明，同步性較強的芯片在采集精度。速度等方面的確具有極大的優勢。

2、電池組均衡控制方案設計

前文提到，電池組均衡裝置能夠對電池的使用年限產生直接影響。對于軌道交通車輛運行來說，電池組的組成比較復雜且比較龐大。Boost-Buck原理在均衡控制方面優勢比較突出，它能夠減少電容、電感轉移過程中其他客觀因素對能量轉移量的影響，可以說在沒有阻性負載的參與下，該原理在軌道交通車輛中的應用幾乎不會造成能量損失。這對于車輛行駛里程的提升來說是十分有利的。

三、軌道交通車輛用電池管理系統的設計

1、BMS從板設計

BMS的從板是參數測量的主要單元，該模塊在軌道交通車輛中的應用能夠大大提高單體電壓、溫度測量的準確性，在一定程度上能夠實現車輛運行過程中的故障判斷。由于該版塊主要強調參數測量的準確性，在CPU性能方面并沒有很高的要求。CPU結構的BMS從板設計可以MC9S12G128單片機為主要部件。在芯片中設置可以實現脈沖轉換的模數轉換器，同時利用單片機的RAM存放全局變量。在設計過程中需要注意BMU額定功率、峰值功耗及風之持續時間的設定，提高板塊設計的穩定性。

2、BMS主板設計

BMS的主板主要由兩部分組成，一部分是控制全局同時對使用過程中出現的數據進行處理，實現信息反饋與電池組監督的總控板，另一份是匯總部分從板數據，整理并匯報故障信息的主板2。BMS主板在軌道交通車輛運行中主要起到的作用是數據收集及系統控制等。基于此，BMS主板設計可采用內存資源強大的MC9S12XEP100單片機作為核心部件，該單片機芯片在主板的使用為CAN接口提供了多條通路，有助于緩解板間通信的復雜性。芯片中的AD轉換器對于電流、電壓的收集與控制也能夠起到輔助作用。此外，該芯片中ECT定時器模塊是8路16位的，這一結構就為數據捕捉、輸出比較等任務的完成提供了便利。XGATE獨立處理器的加入更是很大程度上提高了主板處理器的運行速度，與此同時，其他任務的進行并不會受到影響，CPU結構的負擔有所緩解。

3、BMS通信設計

BMS通信種類較多，對于軌道交通車輛來說，車輛行駛過程中的信息交互是BMS通信設計的重點。該板塊設計的主要作用是檢測電池組當前使用狀態并對不同階段電池組使用的關鍵數據進行傳遞，與此同時，整車控制指令的接受并不會受到影響，上下點操作及充放電控制也始終處于安全狀態。除此以外，BMS通信還需要考慮控制板與檢測板的信息傳遞。若主控板或檢測板一方出現故障，備份主板是否能夠及時啟動，增強主板通信的可靠性。基于此，BMS通信設計可采用數據傳輸與匯總功能較強的三路CAN。這樣一來，各主板之間數據傳輸將統一為CAN總線。這對于電池管理系統的控制與關鍵信息的捕捉來說是十分有利的。三路CAN在此板塊中的應用還能夠對數據進行實時備份，確保備份主板在出現故障時的可靠性。

結束語

綜上所述，軌道車輛用電池管理系統的設計結構復雜且需要考慮的因素較多，設計人員在設計過程中要充分考慮單片機的選擇對數據傳輸效率、采集精確度及系統整體運行等方面造成的影響。

參考文獻

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