鋰電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)分析

童浩 浙江大麥嶼港務(wù)有限公司

1.項(xiàng)目闡述

輪胎吊油電混合系統(tǒng)是一種以輪胎吊設(shè)計(jì)的節(jié)能系統(tǒng)，在滿足輪胎吊正常運(yùn)作的基礎(chǔ)上，最大限度上減小柴油發(fā)動(dòng)機(jī)損耗。通過在輪胎吊動(dòng)力系統(tǒng)中增設(shè)鋰電池組作為能量存儲(chǔ)單元和控制單元，將原有的大型柴油發(fā)電機(jī)組更換為小型發(fā)電機(jī)組。這樣在輪胎吊運(yùn)行時(shí)，輪胎吊驅(qū)動(dòng)裝置由鋰電池組提供能量，在下降動(dòng)作中，起升電機(jī)借助鋰電池組控制單元，將集裝箱下降時(shí)釋放能量給鋰電池組充電。整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，小型柴油發(fā)電機(jī)僅負(fù)責(zé)為鋰電池組充電，在鋰電池組滿電之后，小型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行，從而減少輪胎吊柴油消耗量?？梢?，鋰電池組作為輪胎吊的主要能量供應(yīng)裝置，必須要保證鋰電池組容量滿足驅(qū)動(dòng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)以及電池組使用安全，這就需要做好鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

2.鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能要求

為了能夠?qū)崿F(xiàn)輪胎吊節(jié)能減排的設(shè)計(jì)目標(biāo)，鋰電池管理系統(tǒng)必須要能夠滿足以下幾點(diǎn)要求：

（1）管理系統(tǒng)要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控鋰電池的運(yùn)行狀態(tài)，通過采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SOC估算、故障定位分析、充放電控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，所采集的數(shù)據(jù)信息可以直接在觸摸液晶管理器中呈現(xiàn)。

（2）管理系統(tǒng)可以精準(zhǔn)估算鋰電池組負(fù)荷狀態(tài)，確保電池余量在允許范圍內(nèi)，防止鋰電池組過量充電、過量放電損害電池。顯示界面可以直接呈現(xiàn)出可視化電池電量、荷電狀態(tài)。

（3）管理系統(tǒng)可以對(duì)電池各類負(fù)荷條件充電狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算、對(duì)比、記憶、報(bào)告，充電狀態(tài)SOC 控制誤差在±1.5%以內(nèi)。

（4）管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組運(yùn)行狀態(tài)，電池組在充放電當(dāng)中，可以實(shí)時(shí)采集單體電池的運(yùn)行溫度與電壓、電池組總電壓、充放電流，避免電池組或單體電池過充、放電等問題。

（5）管理系統(tǒng)時(shí)刻呈現(xiàn)出電池的使用情況，找出存在故障的電池，并自動(dòng)平衡、修復(fù)電池組，確保電池組運(yùn)行效率與可靠性。如果電池組或單體電池產(chǎn)生

（6）嚴(yán)重故障情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷電池模塊并發(fā)出警報(bào)。

（7）管理系統(tǒng)系顯示界面時(shí)刻呈現(xiàn)電池電壓、作業(yè)溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度，工作人員可以在操作界面數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中查找歷史數(shù)據(jù)。

（8）電池管理系統(tǒng)自帶平衡功能，實(shí)現(xiàn)模板中單體電池平衡，保證充電的均衡性，確保每個(gè)單體電池都處于均勻一致狀態(tài)。

輪胎吊油電混合系統(tǒng)構(gòu)成

（9）如果系統(tǒng)檢查出電池存在虛沖情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定、排除，保證鋰電池能夠正常充電。

（10）系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立每個(gè)單體電池的運(yùn)行檔案，離線對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 鋰電池性能特性

整個(gè)電池組采用日本東芝原裝進(jìn)口電池，電池組設(shè)計(jì)使用壽命為10年左右。電池的放電深度（DOD）控制通常不高于電池組總?cè)萘康?0%范圍內(nèi)，電池壽命要求可滿足年均8萬(wàn)TEU。電池具有強(qiáng)大的充、放電能力，在低溫狀態(tài)下性能穩(wěn)定，放電能力良好；有快速充電性能，在6分鐘內(nèi)充電至80%。

3.2 管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

快速充電性能良好

整個(gè)電池管理系統(tǒng)中，主要的功能包括：電池信息實(shí)時(shí)監(jiān)控、SOC估算、故障分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、溫度監(jiān)控、充放電控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，同時(shí)帶有觸摸液晶管理器。本改造項(xiàng)目采用東芝的管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以估算電池組荷電狀態(tài)，根據(jù)剩余電量控制電池組SOC保持在合理范圍內(nèi)，避免過充、放電等問題降低電池壽命，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)整個(gè)混合動(dòng)力輪胎吊剩余電能、電池負(fù)荷。系統(tǒng)可以采集單體電池運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制和管理，對(duì)可能出現(xiàn)故障的單體電池進(jìn)行自平衡、自我修復(fù)，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

RTG 鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)可以保持混動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，對(duì)故障進(jìn)行判斷和分析，系統(tǒng)中融合了監(jiān)控程序軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)功能。在顯示界面直接呈現(xiàn)出電池供電系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)、故障信號(hào)。記錄電池充電、放電、異常情況，控制SOC、SOH。

3.3 電池組控制單元

本改造工程均選用日本安川進(jìn)口品牌的電器元器件，每個(gè)設(shè)備中都配有中文標(biāo)識(shí)。該公司的電池組整流、逆變單元在港口起重機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)也非常成熟。在電池組控制單元控制柜設(shè)計(jì)當(dāng)中，要重點(diǎn)考慮隔熱層設(shè)計(jì)、散熱空間設(shè)計(jì)，滿足輪胎吊的使用要求。電池房、電器房要做好接地工作，設(shè)計(jì)中采用了35平方接地線連接。系統(tǒng)所有電纜均采用防護(hù)敷設(shè)、管道敷設(shè)形式，不會(huì)直接暴露在露天環(huán)境中，電氣房、電池房中的電池柜與內(nèi)控柜連接，箱梁內(nèi)部采用先綁固定，鞍梁外使用線槽固定，鞍梁外出現(xiàn)口預(yù)留出充足防磨損、割傷措施，還可以避免陽(yáng)光長(zhǎng)期暴曬、雨水侵蝕。所有線纜都采用統(tǒng)一標(biāo)號(hào)，按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排布，扎線帶固定電纜的情況，鋼扎帶占據(jù)35%，線路中有不低于10%比例的備用線，連接好接線端子并設(shè)置備用標(biāo)識(shí)。數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)線中要有屏蔽線，并進(jìn)行接地設(shè)計(jì)，同一設(shè)備中采用同型號(hào)通訊線纜，還備用一條線纜，線路設(shè)計(jì)要與動(dòng)力線纜保持一定間隔。

3.4 鋰電池房設(shè)計(jì)

在鋰電池房?jī)?nèi)集成電池組、管理系統(tǒng)、控制單元、整流逆變單元等。電池房設(shè)計(jì)當(dāng)中要考慮有充足散熱空間、冷卻風(fēng)道、隔熱層，根據(jù)電池房實(shí)際運(yùn)行情況安裝足夠容量的空調(diào)設(shè)施，冷卻設(shè)計(jì)性能要求在夏季高溫直射條件下依然維持在25℃以內(nèi)，如果電池房溫度超出了預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)提醒司機(jī)。在電氣房側(cè)專門加裝平臺(tái)上設(shè)置電池房，根據(jù)國(guó)家提出的電池房制作標(biāo)準(zhǔn)，電池房的防護(hù)等級(jí)不低于IP55級(jí)。電池房材料選擇防塵、防風(fēng)雨、阻燃保溫材料，并配別隔振措施。采用密封門，有完善的門鎖和堅(jiān)固的把手，材料為304不銹鋼。電池房照度為200-300LUX，采用飛利浦LED照明燈具，為了保持電池房環(huán)境安裝，在電池房?jī)?nèi)設(shè)置了溫感器、煙感器，如果發(fā)現(xiàn)高溫、濃煙系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

電池房?jī)?nèi)采用開放式單排布置控制柜，電池接線柱側(cè)裝有絕緣隔離板，通道在600mm以上。設(shè)計(jì)中為了確保后期運(yùn)維便捷性，預(yù)留出了足夠保養(yǎng)、檢修的空間。電池房?jī)?nèi)至少設(shè)置3個(gè)供測(cè)試儀器或者照明單相、三相電源國(guó)標(biāo)插座，為了保證室內(nèi)濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，還設(shè)置了防冷凝、防潮加熱器，同時(shí)配備應(yīng)急燈具。電池房?jī)?nèi)的故障顯示器，可供工作人員快速查看電池故障情況和歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)電池組、單體電池的電壓、電流等狀態(tài)。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過實(shí)際項(xiàng)目案例對(duì)鋰電池管理系統(tǒng)展開了研究，提出了實(shí)時(shí)監(jiān)控、主動(dòng)均衡的BMS設(shè)計(jì)方案，管理系統(tǒng)可以同時(shí)兼顧電池均勻性、使用便捷性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電池組監(jiān)控、故障均衡、系統(tǒng)控制多個(gè)功能。在電池房?jī)?nèi)集成電池組、管理系統(tǒng)、控制單元等，預(yù)留充足空間保證管理工作更加方便。電池管理系統(tǒng)可以更好的發(fā)揮鋰電池組性能，減少柴油使用量、電能損耗量以及提升資源利用率，更加符合國(guó)家提出的節(jié)能環(huán)保要求，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)有著重要意義。