新能源动力快速充电电源系统及BMS管理系统的研发设计

李爱莲

摘要：本文作者依据多年工作经验，对新能源动力快速充电电源系统及BMS管理系统的研发设计研究分析，以便和同行切磋与交流。

[关键词]新能源动力快速充电电源系统BMS管理系统研发设计

1国内外研究概况、水平、发展趋势

目前，地铁及隧道施工的轨道机车所用的动力电源主要以铅酸电池为主，铅酸电池因为充电速度慢、使用寿命短、污染严重等缺点将慢慢被市场淘汰，东南亚及周边国家已经严禁使用铅酸电池，这给锂电池动力电源提供了广阔的使用空间。经市场调研分析，目前市场上正在使用的轨道机车有2000多辆，并且还在不断地增加。而锂电池动力电源刚刚处于起步阶段，能完全自主生产锂电池动力电源BMS及充电系统的厂家几乎没有，如果能抓住机遇，尽快推出具有完全自主产权的动力电源BMS及充电系统产品，将极大满足市场需求并产生较大的经济效益。

快充动力电源及BMS系统可以很好地兼顾新兴产业（新能源）与传统产业（旧能源）之间的协调发展，保证企业在正常生产的基础上能有效提高工作效率，降低施工成本，减少环境污染，更加符合企业的发展现实。

动力快充电源系统前景广阔，既符合国家宏观经济发展形势，也是全球治理污染，新能源发展的必然趋势。

2项目研究的技术成果

技术路线：本套系统主要用于在线监测动力电源箱单体电压、温度、电源箱总电压，充、放电电流等参数并对电源箱进行智能化控制管理。其主要由四部分构成：监测显示终端、监测主控制器、现场监测节点及充放电控制。其中监测显示终端用于显示电源箱的总电压、总电流、各单体电池的相关参数等;监测主控制器主要用于收集各监测节点数据、管理各网络节点;现场监测节点主要监测单体电压、温度、充放电电流等相关参数，并对异常电池进行报警警示。本套系统能让用户实时掌握电源箱的相关参数，方便维护与管理，确保电源箱安全稳定的运行。

3关键技术

本套系统主要用于在线监测电源箱单体电压、温度，电池组总电压，充、放电电流等，并根据采集的参数信息对电源箱充放电进行智能控制。其主要由四部分构成：监测显示终端、监测主控制器、现场监测节点及控制输出。其中监测显示终端用于显示电源箱的电池总电压、总电流、各单体电池的电压、温度、报警及控制输出相关参数等;并实现人机对话，以方便对相关参数进行修改。监测主控制器主要用收集各监测节点数据并管理各网络节点;现场监测节点主要监测单体电压、温度充放电电流等相关参数，并对异常电池进行报警警示。本套系统能让用户实时掌握电池组的相关参数，方便维护与管理。具体如图1所示。

3.1监测节点方案

监测节点主要将数据上传给监测主机，并对电池单体电压、温度、充放电电流等信息进行采集。检测节点采用内嵌64位高速处理器为核心。具体如图2所示。

3.2单体电压采集方式

单体电压参数采集的具体实现方式为：采集模块下方设计对应于电池正负极柱的接线端子，正常使用电池检测系统时，采集模块通过激光焊机配合固定到电池正负极柱上方，一方面通过正负极柱采集电压值，另一方面起到固定采集模块的作用。CPU通过巡检完成对电池电压的采集处理。如图3所示。

单体温度采集方式为采用数字式一线总线式温度传感器，该传感器由于采用特殊的数字化传输方式，因此抗干扰性能特别好，可以适用于各种恶劣的环境。

本设计选用的温度传感器采用了耐腐蚀的四氟材料封装，正常使用时利用硅铜导热胶将温度传感器固定于电池极柱附近，通过直接测量的方式，避免了间接测量所带来的误差，测量更准确可靠。

4监控主机方案

监控主机（即主控制器）主要完成收集、处理各现场监测节点的数据、管理各监测及输出网络、负责与监测显示终端的数据交互。其主要技术参数如下：

（1）能够监测总体电压值，测量范围0-700V，实际对应测量传感器输出值为0-5V或者5-20mA，测量精度<0.3%;

（2）能够监测电池组充、放电电流值-1000-1000A，实际对应测量传感器输出值为0-5V或者5-20mA，测量精度≤0.3%;

（3）能够监测电池组各单体电池电压，监测范围：0～5V;

（4）两路环境温度测量输入，温度范围-20C-105°C，测量精度1°C;

（5）一路CAN通信，一路485通信;并通过CAN对整个检测网络进行检测，管理检测网络的正常数据交互;

（6）一路报警输出，一路保护控制输出

（7）CAN通信波特率为250kbps;

（8）工作电源DC24V。

智能顯示终端，该部件主要实时显示电池组总电压、充电电流、带载电流、各监测节点运行状态（单体电压、温度）等相关参数。其具体显示要求为：电池组总电压，电压范围0-700V;充、放电电流-1000～1000A;同时该系统还能实现以下功能：

（1）实时监控功能，任何一路电池电压出现异常或电池组总电压、总电流出现异常或系统实时参数出现异常等状态下都会有相应的声光报警，可快速记录各种状态下的电池数据，直观反映电池状态。根据用户需求记录浮充状态整个被监控电池组及单体电池数据，记录的数据可随时调阅查看。可随时查看目前电池组中各电池最新运行状态。

（2）系统配有彩色触摸显示屏、声光报敬器

（3）提供人机交互界面，设置报警及保护参数值，声光提示是否需要，采样时间可调（1-999秒），数据保存时间可调（1-999分钟）。

（4）时钟和掉电保护功能。

（5）通过上位机校准各种测量值。

（6）为了方便接入自动化系统，配备了标准接口。

系统功能框架图如图5所示。

因本系统使用在地铁、隧道等工程工地，现场环境较为恶劣，环境湿度大，干扰因素多。为此我们选择变压器隔离、可控硅控制整流输出的充电模式，使得抗干扰能力更强、性能更稳定，可以有效保证整套系统长期稳定地运行。

4项目研究的主要创新点

动力快充电源系统主要的产品特性是快速充电，具有环保节能，较传统的铅酸蓄电池组来讲，电池组无电状态不必要像铅酸电池那样从机车上吊装下来集中充电，可以在机车停留处随时进行充电，提高了工作效率。动力快充电源系统寿命终结时不存在回收时的污染问题，而传统的铅酸蓄电池组寿命终结时回收转运等均涉及危险化学废弃物收集转运的限制。主要创新点：

（1）利用BMS智能管理系统对电池组

进行实时动态监测和管理，解决了因使用不当对电池组带来的危害，可有效延长电池组的使用寿命;信号检测精度高，电路控制精确、快捷、抗干扰能力强、运行稳定，确保电池组能安全有效地运行。

（2）自行研发的大功率直流充电机可有效缩短充电时间，提高电池组工作效率。

（3）新开发的车载充电机方便快捷，通过BMS有效控制可实现无人值守充电，解决了以前桩式充电机移动不方便，充电效率低，需要人工值守等诸多缺点。

（4）动力电源箱采用防爆、防雨、模块化设计，操作更方便，运行更安全。

参考文献

[1]林枫，王月忠，智能化锂离子电池管理系统的设计与实现[J].微计算机信息（测控自动化），2005.

[2]李慧琪，基于CAN总线的锂离子电池管理系统[J].机电工程技术，2007.

[3]屈莉莉，杨兆华，杨振坤等。一种新型蓄电池充放电专用节能装置[J].电源技术，2003.

[4]朱松然.铅酸蓄电池技术[M].机械工业出版社，2002.

[5]史海涛，钱年书，张丽堤，蓄电池组在线监测技术[J].通信电源技术，2011，28，25-27.

[6]蒋新华，雷娟，冯毅，解晶莹，串联电池组电压测量的新方法[J].电工电气，2010.