雙支路冗余電池管理系統(tǒng)研究

楊杰君，劉 媛，文健峰，黃 浩

（長(zhǎng)沙中車智馭新能源科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410036）

0 引言

隨著全球氣候變暖和能源危機(jī)的不斷加劇，節(jié)能、減排、環(huán)保已經(jīng)成為時(shí)代主題[1]?；旌蟿?dòng)力機(jī)車是一種油電混合車型，使用傳統(tǒng)的柴油內(nèi)燃機(jī)和鋰離子動(dòng)力電池作為動(dòng)力源。其作為新型環(huán)保節(jié)能機(jī)車，在實(shí)際使用中，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車節(jié)油率高達(dá)41%、排放量降低40%、噪聲時(shí)間降低75%，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性[2]，是全球公認(rèn)的綠色環(huán)保機(jī)車研發(fā)方向[3]。電池管理系統(tǒng)（battery management system, BMS）作為動(dòng)力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一[4]，對(duì)保證機(jī)車安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

目前，我國(guó)對(duì)混合動(dòng)力機(jī)車的研究和運(yùn)用還處于起步階段?；旌蟿?dòng)力機(jī)車一般用于調(diào)車或牽引作業(yè)：調(diào)車多用于鐵路站場(chǎng)以及工礦企業(yè)內(nèi)部，承擔(dān)鐵路運(yùn)輸任務(wù)[5]；牽引作業(yè)多用于工作環(huán)境惡劣且電力無(wú)法覆蓋的偏遠(yuǎn)區(qū)域[6]?？紤]到混合動(dòng)力機(jī)車應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性，動(dòng)力電池或柴油機(jī)若發(fā)生嚴(yán)重故障，將會(huì)嚴(yán)重影響鐵路路段的正常通行及人員安全。為保障動(dòng)力電池系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，本文在雙支路動(dòng)力電池組基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種雙支路冗余BMS方案，其2套BMS相互獨(dú)立且互為冗余，一旦一支路BMS或動(dòng)力電池組出現(xiàn)故障，另一支路系統(tǒng)亦可正常使用，為整車提供能量來(lái)源，提高了整車的安全性及可靠性。

1 雙支路冗余BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 雙支路冗余BMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

BMS是用于實(shí)時(shí)監(jiān)控電池單體電壓、電池溫度及電池系統(tǒng)總電壓/電流等工作參數(shù)，估算電池系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)（如剩余電量、電池系統(tǒng)當(dāng)前最大允許充放電功率等），控制電池系統(tǒng)高壓上下電，上報(bào)電池系統(tǒng)故障的系統(tǒng)。其相當(dāng)于動(dòng)力電池的“大腦”，是動(dòng)力電池與整車微機(jī)、車載儀表、上位機(jī)等進(jìn)行信息交互的紐帶[7]。

雙支路冗余BMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，BMS采用CAN總線通信，BMS主控制器（簡(jiǎn)稱“主控”）至少具備3路CAN總線。其中，一路CAN用于BMS主控和BMS子模塊間信息交互，BMS子模塊上傳采集的電池單體電壓、電池溫度等信息，BMS主控發(fā)送子模塊控制命令等；另一路CAN用于BMS主控與高壓采集模塊通信，高壓采集模塊主要采集電池系統(tǒng)總電壓及絕緣阻值，并通過(guò)CAN通信上報(bào)BMS主控；最后一路CAN用于BMS主控與整車微機(jī)間信息交互，BMS主控發(fā)送當(dāng)前電池系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)至微機(jī)，如剩余電量、電池系統(tǒng)總電壓及電池系統(tǒng)故障信息等，微機(jī)發(fā)送整車當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)至BMS主控，如充電信號(hào)、整車主接觸器狀態(tài)等。

圖1 雙支路冗余BMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 Network topology of dual-branch redundant BMS

1.2 雙支路冗余BMS工作原理

2套BMS都正常工作時(shí)，主控A、主控B分別與整車微機(jī)交互該支路動(dòng)力電池組的信息，如本組最高/最低單體電壓、最高/最低溫度、電池組荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）、當(dāng)前電流、當(dāng)前電壓、單套電池系統(tǒng)允許充電/回饋電流、故障代碼等；并由主控A作為總控制板，通過(guò)內(nèi)部計(jì)算后，與微機(jī)交互總系統(tǒng)信息，如總系統(tǒng)當(dāng)前電流、當(dāng)前最大允許放電電流等。主控A和主控B之間通過(guò)生命信號(hào)來(lái)判斷彼此是否正常工作。

當(dāng)主控A出現(xiàn)故障時(shí)，主控B將會(huì)檢測(cè)到主控A的異常生命信號(hào)，由此判定此時(shí)主控A沒(méi)有正常工作；主控B此時(shí)除正常與整車微機(jī)交互本套動(dòng)力電池組信息外，還作為總控制板負(fù)責(zé)與微機(jī)交互總系統(tǒng)信息，即總電流和當(dāng)前最大允許放電電流信息，以達(dá)到B套電池系統(tǒng)可正常使用目的。若主控B出現(xiàn)故障，則主控A保持功能不變，保證A套電池系統(tǒng)正常使用，以達(dá)到雙支路BMS相互獨(dú)立且互為冗余的目的。

當(dāng)總電池系統(tǒng)某支路出現(xiàn)從控硬件故障、內(nèi)部CAN通信故障或動(dòng)力電池組故障，導(dǎo)致某支路無(wú)法正常使用時(shí)，則支路主控（A或B）獨(dú)立控制本套系統(tǒng)的故障處理，出現(xiàn)一般采用報(bào)警、限功或切斷接觸器等處理方式。若限功處理，則總系統(tǒng)都降功輸出；若切斷接觸器以斷開(kāi)某支路，則另一支路可正常輸出使用，達(dá)到冗余設(shè)計(jì)目的。

2 雙支路冗余BMS高低壓上、下電流程

BMS高低壓上電相當(dāng)于整車高壓?jiǎn)?dòng)，下電相當(dāng)于整車停機(jī)及低壓輔助運(yùn)行，上下電流程的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到動(dòng)力電池組的高壓安全控制，對(duì)于保護(hù)動(dòng)力電池高壓器件及安全合理使用動(dòng)力電池具有重要意義。

2.1 高低壓上電流程

雙支路BMS的高低壓上電由各支路主控（A或B）獨(dú)立控制，上電流程如圖2所示。BMS低壓供電，BMS軟件和硬件初始化并自檢，若自檢發(fā)現(xiàn)BMS主控出現(xiàn)硬件問(wèn)題、高壓接觸器粘連故障、絕緣故障、內(nèi)部通信故障、電池組嚴(yán)重故障，則上報(bào)故障至微機(jī)，并中止高壓上電流程。自檢無(wú)故障后，吸合主負(fù)接觸器，BMS主控等待微機(jī)發(fā)送允許吸合主正接觸器指令，收到吸合指令后閉合主正接觸器，并發(fā)送高壓回路導(dǎo)通狀態(tài)至微機(jī)，高壓上電流程完成。

圖2 高低壓上電流程Fig.2 Chart fl ow of turning on high and low voltages

2.2 高低壓下電流程

雙支路BMS的高低壓下電由各支路主控（A或B）獨(dú)立控制，下電流程如圖3所示，主要包含高壓接觸器斷開(kāi)、人工手動(dòng)斷開(kāi)高壓回路和低壓下電3個(gè)流程。

（1）高壓接觸器斷開(kāi)流程

整車高壓停機(jī)時(shí)，微機(jī)給BMS發(fā)送高壓下電指令，主控（A或B）收到高壓下電指令后斷開(kāi)電池主正接觸器，再斷開(kāi)主負(fù)接觸器。若動(dòng)力電池組發(fā)生嚴(yán)重故障報(bào)警，BMS先發(fā)送斷開(kāi)主正接觸器請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)微機(jī)允許后，方能斷開(kāi)主正接觸器；若微機(jī)不允許或無(wú)響應(yīng)，則在5 s（或其他定義時(shí)間）后BMS先自行斷開(kāi)主正接觸器，然后再斷開(kāi)主負(fù)接觸器。

（2）人工手動(dòng)斷開(kāi)高壓回路流程

在BMS主控（A或B）出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)異常故障，無(wú)法正常斷開(kāi)高壓接觸器（主正或主負(fù)接觸器）時(shí)，BMS需發(fā)送手動(dòng)切斷高壓回路請(qǐng)求至微機(jī)，由微機(jī)反饋至儀表，聲光報(bào)警提醒工作人員，手動(dòng)斷開(kāi)高壓回路，保障高壓安全。

（3）低壓下電流程

由整車微機(jī)判斷系統(tǒng)狀態(tài)，是否允許低壓下電。若允許低壓下電，則發(fā)送低壓下電請(qǐng)求給BMS，BMS將進(jìn)行下電準(zhǔn)備（保存數(shù)據(jù)及狀態(tài)記錄），BMS準(zhǔn)備好后發(fā)送低壓下電準(zhǔn)備狀態(tài)信息至微機(jī)，方可進(jìn)行低壓下電。

3 雙支路冗余BMS充放電控制策略

動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中，需保障最大允許充放電功率始終運(yùn)行在動(dòng)力電池的能力范圍內(nèi)，制定合理的充放電控制策略可避免動(dòng)力電池出現(xiàn)過(guò)充及過(guò)放現(xiàn)象，保障整車運(yùn)行安全，提高動(dòng)力電池使用壽命。

3.1 放電控制策略

雙支路冗余高壓放電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，每一支路BMS管理監(jiān)控各自支路動(dòng)力電池，雙支路動(dòng)力電池的放電回路在外部并聯(lián)組成一套總系統(tǒng)使用，總系統(tǒng)放電輸出需考慮單支路實(shí)際放電能力。分別計(jì)算單支路當(dāng)前狀態(tài)的最大允許放電電流值，取兩者中較小者的2倍值發(fā)送至微機(jī)，作為總系統(tǒng)的最大允許放電電流值。

若某一支路出現(xiàn)故障并已切斷高壓回路接觸器，則輸出另一支路的最大允許放電電流值至微機(jī)，使這一支路能正常使用，從而保證整車功率輸出。

圖4 放電回路高壓拓?fù)銯ig.4 High voltage topology of discharge circuit

3.2 充電（回饋）控制策略

雙支路冗余高壓充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，混合動(dòng)力機(jī)車可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙支路動(dòng)力電池組進(jìn)行獨(dú)立充電控制（即單支路充電獨(dú)立控制），因此充電（回饋）控制主要有以下幾種情況：

（1）由整車判斷電池系統(tǒng)是否需要充電，一般情況下，兩套動(dòng)力電池組應(yīng)同時(shí)開(kāi)始充電，若雙支路SOC不一致（因存在兩支路充放電電流和電池內(nèi)阻不一致，如長(zhǎng)期使用未滿充而不進(jìn)行校準(zhǔn)的情況或單支路出現(xiàn)故障，另一支路繼續(xù)使用情況），則需進(jìn)行一次滿充電以保持SOC平衡；

（2）持續(xù)穩(wěn)定充電過(guò)程中，整車微機(jī)根據(jù)單支路主控輸出的最大允許充電電流值對(duì)車載充電機(jī)（或發(fā)電機(jī)）進(jìn)行控制，以滿足各支路持續(xù)充電需求；

（3）雙支路動(dòng)力電池組充電同時(shí)開(kāi)始，但并不會(huì)同時(shí)結(jié)束。一支路動(dòng)力電池組達(dá)到滿電條件后，需判斷另一支路是否結(jié)束充電（可通過(guò)判斷充電確認(rèn)信號(hào)，當(dāng)整車判斷還有支路在充電時(shí)會(huì)持續(xù)發(fā)送充電確認(rèn)信號(hào)）；若另一支路仍在充電，則已結(jié)束充電支路需保持在充電流程中，并處于充電結(jié)束狀態(tài)（最大允許充電電流值為0），直至另一支路也達(dá)到滿電條件，再同時(shí)退出充電流程（整車取消發(fā)送充電確認(rèn)信號(hào)）。該策略可防止一支路滿電后立即退出充電流程、在外部滿足充電條件工況下進(jìn)行二次再充電情況的發(fā)生，避免了單支路動(dòng)力電池組在充電末端被反復(fù)充電的情況。

圖5 充電回路高壓拓?fù)銯ig.5 High voltage topology of charge circuit

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證雙支路雙主板冗余BMS方案的可行性，在常溫條件下，車輛自檢無(wú)誤，儀表無(wú)系統(tǒng)故障碼，電池動(dòng)力系統(tǒng)充放電功能正常情況下，需對(duì)設(shè)計(jì)完成并裝車的系統(tǒng)進(jìn)行充、放電試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)又包括雙支路正常和雙支路其中1支路異常兩種情況。

4.1 動(dòng)力電池選型

混合動(dòng)力機(jī)車電池系統(tǒng)使用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，由2套結(jié)構(gòu)相同且獨(dú)立的動(dòng)力電池系統(tǒng)組成，即雙支路系統(tǒng)；每套支路系統(tǒng)配備獨(dú)立的高壓盒控制單元，內(nèi)部包含接觸器、高壓采集板及熔斷器等，經(jīng)由高壓盒后，雙支路的正極和負(fù)極分別并聯(lián)，組成總系統(tǒng)后為機(jī)車提供能源。單套電池系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 單套電池系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of single battery system

4.2 放電試驗(yàn)

機(jī)車外部搭載放電負(fù)載進(jìn)行放電試驗(yàn)，雙支路冗余BMS正常放電情況下兩個(gè)支路同時(shí)參與，按照整車需求輸出當(dāng)前所需的放電功率。試驗(yàn)時(shí)，電池系統(tǒng)滿電（SOC接近100%），放電電流為160 A左右，至SOC為20%時(shí)結(jié)束，試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)如圖6所示?？傁到y(tǒng)放電電流（320 A左右）全過(guò)程保持低于總系統(tǒng)最大允許放電電流（648 A），確保了系統(tǒng)的安全性。

圖6 雙支路冗余BMS正常放電數(shù)據(jù)Fig.6 Normal discharging data of dual-branch redundant BMS

在放電過(guò)程中，模擬A支路電池系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障、無(wú)法進(jìn)行放電情況。在A支路BMS斷開(kāi)高壓接觸器后，A支路脫離高壓系統(tǒng)，B支路繼續(xù)正常放電，確保整車的能源供給，試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)如圖7所示?？梢钥闯?，此時(shí)總系統(tǒng)放電電流在160 A左右，大小等于B支路放電電流值，總系統(tǒng)最大允許放電電流為324 A，大小等于B支路最大允許放電電流值。若B支路電池系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，情況類同，A支路可繼續(xù)正常放電，滿足整車設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

圖7 雙支路冗余BMS異常（A支路異常，B支路正常）情況下放電數(shù)據(jù)Fig.7 Abnormal discharging data of BMS dual-branch redundant(branch A is abnormal, branch B is normal)

4.3 充電試驗(yàn)

機(jī)車使用車載柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電試驗(yàn)，雙支路冗余BMS充電為各支路獨(dú)立控制，整車微機(jī)根據(jù)單支路主控輸出的最大允許充電電流值（216 A）進(jìn)行車載發(fā)電機(jī)控制。試驗(yàn)時(shí)，SOC從20%左右升至100%，充電電流為70 A左右，試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 雙支路冗余BMS充電數(shù)據(jù)Fig.8 Charging data of dual-branch redundant BMS

在充電過(guò)程中，雙支路BMS為獨(dú)立控制，因此，模擬B支路電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況。在B支路BMS斷開(kāi)高壓充電接觸器后，B支路脫離高壓系統(tǒng)，A支路繼續(xù)正常充電，試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)如圖9所示?？梢钥闯?，支路充電電流仍在70 A左右，最大允許充電電流值216 A，B支路在斷開(kāi)高壓充電接觸器后，充電電流值和最大允許充電值均為0。

圖9 雙支路冗余BMS異常（A支路正常，B支路異常）情況下充電數(shù)據(jù)Fig.9 Abnormal charging data of dual-branch redundant BMS(branch A is normal, branch B is abnormal)

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

從以上充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在正常情況下，雙支路冗余BMS可正常進(jìn)行充放電，能充分發(fā)揮雙支路的充放電能力，為整車提供充足的能量來(lái)源；同時(shí)，雙支路BMS具備冗余功能，在其中一支路BMS出現(xiàn)故障無(wú)法正常使用時(shí)，另一支路BMS及動(dòng)力電池組可正常使用，保障了整車能源提供。該系統(tǒng)方案的能有效降低機(jī)車動(dòng)力電池系統(tǒng)故障在鐵路道路問(wèn)題中的占比，提高了機(jī)車的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在雙支路動(dòng)力電池組基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種雙支路BMS冗余方案，并詳細(xì)闡述了雙支路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高低壓上、下電流程及充放電控制策略。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了雙支路BMS冗余方案的有效性，及其對(duì)于提高混合動(dòng)力機(jī)車高壓安全及使用可靠性的重大意義。后續(xù)將開(kāi)展混合動(dòng)力機(jī)車多支路BMS研究工作，以滿足市場(chǎng)對(duì)混合動(dòng)力機(jī)車多功能性及高安全性的需求。