船用鉛酸蓄電池管理系統應用研究

王朝紅，曹 穆，王 鵬

應用研究

船用鉛酸蓄電池管理系統應用研究

王朝紅，曹 穆，王 鵬

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

蓄電池管理系統可以有效延長蓄電池的使用壽命。文章對蓄電池管理系統在船舶直流應急電網中的應用現狀及前景進行分析，對SOC估計、電池均衡控制等關鍵功能設計方法進行研究，提出了一套滿足船用條件的蓄電池管理系統軟硬件方案，并搭建小規模驗證系統進行試驗驗證，試驗結果表明所設計的船用蓄電池管理系統方案可有效實現SOC評估，精度滿足要求。

蓄電池管理 SOC 均衡控制

0 引言

大型船舶通常設置由蓄電池組作為電源設備的直流應急電網，以滿足在主電站失電后通過充放電裝置實現低壓直流應急負載不間斷供電的需求[1]。鉛酸蓄電池由于其技術成熟、性價比高等特點，在船舶應急電源領域有著廣泛的應用。通常鉛酸蓄電池的設計壽命為15年，但在實船使用中發現，蓄電池組在3～4年內容量下降嚴重，遠遠低于設計預期[2]。蓄電池的使用壽命受到船上環境溫度、充放電控制方式、個體特性差異、日常維護保養等多種因素的影響。目前大部分船舶對于蓄電池的管理是通過定期對蓄電池組放電維護以維持蓄電池的性能，蓄電池監測管理手段較少，往往只有蓄電池組電壓電流測量、充放電的溫度補償等有限手段，尚未形成對船舶蓄電池組的有效管理方案[3-4]。

近年來，隨著電動汽車產業不斷發展，蓄電池管理系統(Battery Management System，BMS)已成為電動汽車不可或缺的核心部件之一[5]。而船用鉛酸蓄電池管理系統的應用還處于起步階段，目前沒有實船應用案例。但是鉛酸蓄電池組對于充放電方式有著嚴格要求，長期過充電產生的氣體會導致極板的活性物質脫落，反復過度放電同樣會導致壽命急劇縮短[6]。此外，在沒有定期充滿的情況下會有硫酸鹽晶體析出，硫酸鹽晶體會使電池的孔隙度降低，限制活性物質的進入，導致電池的容量減小[7]。綜上所述，對于船用鉛酸蓄電池組的監測與管理有著迫切的需求，從使用安全、運行維護、有效延長使用壽命的角度來看，研究船用鉛酸蓄電池管理系統的應用具有重要意義。

本文以船用鉛酸蓄電池組為研究對象，分析了蓄電池管理系統在船舶直流應急電網中應用現狀及前景；研究了SOC（State of Charge）估計、電池均衡控制等關鍵管理功能設計方法，提出了一套滿足船用條件的蓄電池管理系統軟硬件方案，并搭建小規模驗證系統進行試驗驗證。

1 蓄電池管理系統技術分析

1.1 蓄電池管理系統技術現狀

蓄電池管理系統是對蓄電池組進行安全監控、有效管理、提高蓄電池使用效率的裝置[8]。BMS的功能通常包括：蓄電池數據采集與監測、荷電狀態評估（SOC）、充放電優化控制功能、均衡控制功能、熱管理功能和總線通訊功能等。系統功能結構示意圖如圖1所示。

圖1 BMS功能結構示意圖

以上功能為傳統蓄電池管理系統的應用所需。隨著電子信息技術與大數據的快速發展，BMS實現了與云端平臺實時交互，電池狀態深度分析，為蓄電池管理提供了更加智能、科學的控制管理策略[9]。通過更加精準的監測蓄電池數據，使用神經網絡等更高級的算法提升了SOC評估能力[10]。

但與此同時也可發現，荷電狀態SOC是監測與管理蓄電池的重要基礎參數，其值關系到蓄電池管理系統的充放電控制與均衡控制。而其中的均衡控制功能則是BMS解決電池單體電量不均衡引起的電池組整體容量和壽命衰退問題的主要手段。因此本文對SOC狀態估計、電池均衡控制等關鍵功能的設計方法進行研究，設計更加符合船舶BMS功能需求的應用方案。

1.2 船用蓄電池管理系統方案分析

本文研究對象以某船220 V直流應急電網為例，蓄電池組由108節電池單體經過串聯構成。由于串聯電池單體數量大，集中式的管理在響應速度、系統構建和管理靈活度方面都很難達到理想的效果，而分布式的管理成本高、抗干擾能力較差。因此，本文采用主從式電池管理系統設計思路，將蓄電池系統分為5個從控模塊和1個主控模塊，每個從控模塊最多可以實現22個串聯電池單體的電壓采集和均衡控制，同時每個從控模塊具備CAN總線傳輸能力，將采集到的電池狀態信息發送給主控模塊。主控模塊負責總體的信息收集和與上一級系統之間的信息傳輸，并根據收集到的相關數據進行故障預警。

根據船級社的有關標準，為了保證電池系統安全，蓄電池模組單獨放置在蓄電池艙室，設置防爆溫度傳感器測量艙室溫度，充放電控制裝置及蓄電池管理模塊放置在充放電室。船用蓄電池管理系統總體方案示意圖如圖2所示。

2 船用蓄電池管理系統應用設計

2.1 系統硬件方案設計

按照系統總體設計方案開展硬件電路的應用設計，本文主要介紹以下幾個方面：

1）電流采集

電流采集利用霍爾傳感器，測量范圍－600 A～+600 A，經過16位模數轉換芯片進行模數轉換后，將電流信息傳輸給單片機，從而實現對電池組電流的實時監測。

2）電壓采集

電壓采集電路主要由儀表運放INA128所構成的射隨電路與16位AD采集芯片和數字隔離芯片所構成，16位AD采集芯片選用ADS8689，可測量電壓范圍-12 V～+12 V。數字隔離芯片選用AduM1401，數據傳輸速率90 Mbps，實現AD采集模塊與單片機之間的數據轉換。

3）均衡控制

電池均衡控制的方式有能耗型和非能耗型，能耗型主要通過并聯電阻等電氣元件消耗掉電池上多余的能量，非能耗型主要通過儲能元件將能量進行轉移。非能耗型均衡拓撲結構需要依賴大量開關元件和電力電子隔離驅動器件，這在一定程度上降低了系統的可靠性，一旦開關吸合無法斷開時易造成電池系統短路，進而引出安全問題。考慮設計初衷是通過充電均衡控制延長電池系統使用壽命和保證電池系統性能，本文設計方案采用的是電阻放電式能耗均衡，每個單體并聯放電電阻，通過微處理器控制開關實現放電。

圖2 蓄電池管理系統總體方案示意圖

圖3 電壓采集電路

硬件模塊利用光耦繼電器AQY210S將單體電池與功率電阻連接起來，通過單片機控制兩者之間的通斷，其中部分結構如圖4所示，一共由22組光耦繼電器電路組成，連接到各節電池。根據各個單體電池的電壓，進行電池均衡控制。

圖4 電池均衡部分電路圖

2.2 系統軟件方案設計

根據本文蓄電池管理系統設計的功能需求，軟件設計需嚴格滿足硬件驅動控制邏輯，并完成SOC估算和均衡控制指令。按照系統架構，軟件功能設計如下：

1）荷電狀態評估SOC

SOC狀態估計根據測量得到的電壓和電流等參數，經過計算估計獲得。常見的方法有：開路電壓法、安時積分法、神經網絡法、卡爾曼濾波法。在實際應用中以安時積分法為主，估算方法是將電池在不同電流下的放電電量累加起來獲得剩余電量。算法流程如圖5所示。

程序開始首先進行初始化，然后通過CAN總線接收各從控模塊中各單體電壓，并在開機初始狀態沒有電流的前提下，根據長時間靜置單體電壓獲得初始SOC，當達到采樣時間1 s時，進行電流采集和艙室溫度采集，然后每一秒更新一次電池的SOC。最終將單體的電壓、SOC和溫度等信息通過CAN總線和485總線發送。

2）均衡控制流程

本文系統設計的均衡控制功能以電壓參數作為均衡判定目標。程序首先讀取當前電池的電壓，當電壓值大于平均參考電壓時，觸發均衡啟動指令，當達到均衡電壓閾值后均衡結束；當電壓值小于平均參考電壓時，讀取當前電池組電流，若此時電池電流值為負，則電池組處于充電狀態，判斷此時的電池電壓是否大于最低電壓，若是則出發均衡啟動指令。反之則返回，繼續判定。其軟件控制流程如圖6所示。

圖5 SOC估算程序流程圖

圖6 電池均衡流程圖

3 船用蓄電池管理系統試驗分析

3.1 試驗測試系統設計

為驗證本文所設計的蓄電池管理系統的可行性，搭建了蓄電池管理試驗測試平臺，用于電池電壓采集、SOC估計功能和均衡功能的驗證。試驗系統由6個單體100 Ah的JCM-100閥控鉛酸蓄電池組成，額定電壓2 V，放電截止電壓1.75 V，充電截止電壓2.4 V，電池樣品如圖7所示。

圖7 JCM-100閥控鉛酸蓄電池

搭建的電池測試系統如圖8所示。

圖8 試驗測試系統實物圖

電池測試機Arbin BT-ML60 V50 A 能夠對串聯電池組進行充電、放電操作，該設備電壓、電流范圍分別為2～60 V以及0～50 A，精度為±0.2‰。

3.2 試驗測試結果分析

利用該測試平臺，分別對SOC估計和均衡進行驗證。

1）SOC估計功能驗證

在電池初始SOC估計時，采用開路電壓OCV-SOC的方法進行估計。具體步驟如下：首先，采用恒流-恒壓的方式充滿；然后靜置2小時后記錄電池端電壓，并放電額定容量的10%；繼續靜置2小時后記錄電池端電壓。循環這個過程直到電池達到截止電壓結束。獲得的OCV-SOC關系曲線如圖9所示。

在恒流63 A放電過程中，以系統啟動時的OCV-SOC曲線作為初始值，根據本文所設計的SOC估算程序分別對6節電池進行估計，得到放電過程中的電池SOC估計曲線，如圖10所示。

圖a)是放電過程中每一個單體的SOC變化曲線，隨著電池的持續放電，SOC線性下降。當任意單體達到下限截止電壓時放電停止。但此時的電量并不為0，主要原因是電池內阻產生的壓降使電池達到截止電壓，放電停止。

圖9 鉛酸蓄電池OCV-SOC關系曲線

圖10 鉛酸電池恒流放電SOC估計結果

圖b)中以電池單體2為例，蓄電池管理系統估計的結果與Arbin（標準測試設備）采集得到的結果進行比較，可以看出二者之間的最大偏差為2.3%。參考GB/T 38661-2020 《電動汽車用電池管理系統技術條件》，滿足對SOC估算的累積誤差應不大于5%的精度要求。兩者之間存在偏差的原因是BMS測得的放電電流與實際放電電流之間存在偏差，但是可以證明本文設計的蓄電池管理系統SOC狀態估計方案可行有效。

2）均衡功能驗證

根據圖9蓄電池OCV-SOC曲線可以看出，當單體電壓相差10 mV時，其對應的電量差將接近5%；而當單體電量差達到20%時，電池組可用容量就將接近需要更換的閾值。因此選取5 mV電壓差作為均衡的啟動判別條件。當單體最大壓差達到2 mV時停止均衡。為了模擬電池電量不均衡的情況，分別設定6節電池單體的初始端電壓，如表1所示，電池單體BAT1與其他5個電池端電壓相差均超過5 mV。

表1 電池初始狀態

均衡電流的確定取決于所選取放電電阻的阻值，分別選取20 Ω、10 Ω、4 Ω進行驗證，上述兩種阻值分別對應最大100 mA，200 mA和最大500 mA的均衡電流。其均衡過程中的電壓變化曲線如圖11所示。

圖11 均衡控制電壓曲線

從圖11可以發現，由于電池初始電量存在不均衡，故啟動電池放電均衡，被均衡的單體端電壓迅速下降，其主要原因是電池內阻的作用。當均衡電流建立后，電池端電壓緩慢下降，此時電池端電壓由于均衡電流累加過電勢的作用，其端電壓遠低于其他未均衡單體，但隨著均衡的持續進行，通過電量累積的方式，獲取均衡過程中釋放的電能，并依此來計算均衡時間，當均衡結束時，電池端電壓迅速恢復，此時電池端電壓最大差異在2 mV以內，達到了均衡的目標。

此外，對比（a）、（b）、（c）三組均衡曲線可以發現，隨著放電電阻的阻值減小，其均衡電流增大，可以有效縮短均衡時間，從而在保證均衡充電的前提下，將蓄電池充電時間和效率進一步提升。

為進一步驗證均衡控制功能對蓄電池容量的影響，以均衡電阻20 Ω、放電電流30 A為試驗條件，對比有無均衡控制的蓄電池放電情況，結果如圖12所示。

圖12中黑色曲線為電池單體BAT1的恒流放電曲線。圖（a）中，由于電池單體BAT1與其余5節電池的端電壓存在差異，導致蓄電池組可充入的容量降低，在未進行均衡控制的放電過程中，可用容量為89.47 Ah。而在圖（b）中經過均衡控制后，在相同放電電流的情況下，放電時間有效延長，可用容量提升了2.32 Ah。

4 結論

本文通過對蓄電池管理系統的應用現狀，以及在船舶直流應急電網中的應用前景進行分析，明確了以SOC狀態估計、電池均衡控制為主的船用蓄電池管理系統關鍵功能，提出了一套基于船用鉛酸蓄電池的管理系統軟硬件方案。系統涵蓋數據采集、數據存儲、SOC評估、均衡控制、時序管理和總線通訊與顯示等功能，并以6節單體蓄電池串聯模組作為測試單元搭建了試驗驗證系統。

通過試驗結果可以得出，本文所設計的船用蓄電池管理系統方案可有效實現SOC評估，精度滿足要求。基于電阻能耗型的均衡控制功能可以有效調整電池組端電壓一致性，有利于提高整體蓄電池組的容量。并且通過調整放電電阻的阻值，有效的提升了均衡效率。

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Application of marine lead-acid battery management system

Wang Zhaohong, Cao Mu, Wang Peng

(Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

U667

A

1003-4862（2022）07-0034-6

2022-01-12

王朝紅（1972-）, 女, 碩士, 高級工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail：1113066449@qq.com