轨道交通车辆用电池管理系统的设计分析

蒋凯刚

摘  要：我国经济的快速发展使得以电池管理系统为核心的轨道交通车辆成为城市交通的一道靓丽风景线。电池管理系统在轨道交通车辆中起到的主要作用是控制并检测电池参数，确保电池处于正常状态，是轨道交通车辆的重要组成部分。本文以轨道交通车辆用电管理系统设计方案的总概述为入手点，对其设计方案进行分析。

关键词：轨道交通车辆;电池管理系统;设计

在可持续发展战略的倡导下我国轨道交通车辆不断增加，在一定程度上实现了传统运行车辆的升级换代，但此类车辆主要是通过电池管理系统运行的，相对于单一的电池组来说，该系统的管理难度有所提升，不再局限于对电压、电量的监测，还需要实现系统的不断优化，最大程度上延长电池系统的使用年限。

一、轨道交通车辆用电池管理系统设计方案总概述

电池管理系统的主要作用是对电池组的重要信息进行采集、对电池组的使用状态实时监控，确保电池组处于正常状态。对于轨道交通车辆来说，电池管理系统是其运行的主要来源。一般来说，轨道交通车辆电池组的构成是比较复杂的，其连接方式以串并联为主。如果没有电池管理系统的监控，将无法及时获知轨道交通车辆的运行状态，在此情况下进行电池操作很容易出现差错，对整个电池组的使用造成影响，甚至引发后果十分严重的安全事故。用电池管理系统的安装就能够很好地解决这一问题，在提高轨道交通车辆运行安全性的基础上优化其电力供应系统，从而有效延长电池组的使用年限。

电池管理系统的组成主要由反馈关键信息的监测装置、确保电池正常运行的安全保护装置及对电池寿命起决定作用的均衡控制装置组成。

二、电池组设计方案

1、单节电池电压采集方案设计

单节电池电压采集方案设计主要是提高电压采集精度与速度，从而确保BMS的准确性及系统报警装置启动的及时。因此，单节电池电压采集方案设计的难度系数相对较高。一般来说，单节电池电压采集方案设计的芯片需要能够对多节电池同步测量，测量参数包括反馈数据中的电压、电流等。事实证明，同步性较强的芯片在采集精度。速度等方面的确具有极大的优势。

2、电池组均衡控制方案设计

前文提到，电池组均衡装置能够对电池的使用年限产生直接影响。对于轨道交通车辆运行来说，电池组的组成比较复杂且比较庞大。Boost-Buck原理在均衡控制方面优势比较突出，它能够减少电容、电感转移过程中其他客观因素对能量转移量的影响，可以说在没有阻性负载的参与下，该原理在轨道交通车辆中的应用几乎不会造成能量损失。这对于车辆行驶里程的提升来说是十分有利的。

三、軌道交通车辆用电池管理系统的设计

1、BMS从板设计

BMS的从板是参数测量的主要单元，该模块在轨道交通车辆中的应用能够大大提高单体电压、温度测量的准确性，在一定程度上能够实现车辆运行过程中的故障判断。由于该版块主要强调参数测量的准确性，在CPU性能方面并没有很高的要求。CPU结构的BMS从板设计可以MC9S12G128单片机为主要部件。在芯片中设置可以实现脉冲转换的模数转换器，同时利用单片机的RAM存放全局变量。在设计过程中需要注意BMU额定功率、峰值功耗及风之持续时间的设定，提高板块设计的稳定性。

2、BMS主板设计

BMS的主板主要由两部分组成，一部分是控制全局同时对使用过程中出现的数据进行处理，实现信息反馈与电池组监督的总控板，另一份是汇总部分从板数据，整理并汇报故障信息的主板2。BMS主板在轨道交通车辆运行中主要起到的作用是数据收集及系统控制等。基于此，BMS主板设计可采用内存资源强大的MC9S12XEP100单片机作为核心部件，该单片机芯片在主板的使用为CAN接口提供了多条通路，有助于缓解板间通信的复杂性。芯片中的AD转换器对于电流、电压的收集与控制也能够起到辅助作用。此外，该芯片中ECT定时器模块是8路16位的，这一结构就为数据捕捉、输出比较等任务的完成提供了便利。XGATE独立处理器的加入更是很大程度上提高了主板处理器的运行速度，与此同时，其他任务的进行并不会受到影响，CPU结构的负担有所缓解。

3、BMS通信设计

BMS通信种类较多，对于轨道交通车辆来说，车辆行驶过程中的信息交互是BMS通信设计的重点。该板块设计的主要作用是检测电池组当前使用状态并对不同阶段电池组使用的关键数据进行传递，与此同时，整车控制指令的接受并不会受到影响，上下点操作及充放电控制也始终处于安全状态。除此以外，BMS通信还需要考虑控制板与检测板的信息传递。若主控板或检测板一方出现故障，备份主板是否能够及时启动，增强主板通信的可靠性。基于此，BMS通信设计可采用数据传输与汇总功能较强的三路CAN。这样一来，各主板之间数据传输将统一为CAN总线。这对于电池管理系统的控制与关键信息的捕捉来说是十分有利的。三路CAN在此板块中的应用还能够对数据进行实时备份，确保备份主板在出现故障时的可靠性。

结束语

综上所述，轨道车辆用电池管理系统的设计结构复杂且需要考虑的因素较多，设计人员在设计过程中要充分考虑单片机的选择对数据传输效率、采集精确度及系统整体运行等方面造成的影响。

参考文献

[1]  谭泽富，孙荣利，杨芮，何德伍.电池管理系统发展综述[J].重庆理工大学学报（自然科学），2019，33（09）：40-45.

[2]  林泓涛. 轨道交通车载储能系统优化配置与能量管理策略研究[D].北京交通大学，2019.

[3]  郭甜. 轨道交通车辆电池管理系统研究与设计[D].北京交通大学，2018.