CTM电力蓄电池工程车蓄电池管理系统应用分析
CTM电力蓄电池工程车蓄电池管理系统应用分析
随着全国地铁线网大发展，以牵引蓄电池为动力的电力蓄电池工程车将逐步淘汰以柴油发动机为动力的内燃工程车。而牵引蓄电池的状态直接影响整车的运行状态，因此电力蓄电池工程车配置了蓄电池管理系统（简称BMS），用于对牵引蓄电池组相关参数进行监测，为检修和维护保养提供参考。
1 概述
通过蓄电池管理系统对牵引蓄电池容量等参数进行检测及显示。在维护时，提供地面分析软件与通信接口，保证地面便携设备可以读取当前容量管理系统中牵引蓄电组及单体的所有数据，并对读取的数据进行分析与存储。蓄电池管理系统通过硬线（4 路以上，输出DC110V 电压信号）传输BMS系统的相关故障信息如BMS故障、容量报警信息、过温故障、过压故障等给机车控制系统，由机车控制系统设置保护功能，避免蓄电池深度放电。
2 系统原理
蓄电池管理系统由主控单元、数据采集单元、分线盒及显示单元组成。主要功能是：蓄电池剩余电量（SOC）估算，并测量蓄电池的各种参数，包括蓄电池单体电压、蓄电池充放电电流、蓄电池温度等，并对蓄电池故障进行报警，如：蓄电池过压，蓄电池欠压，蓄电池充电过流、温度异常等。显示单元将系统的预警信息予以显示，当剩余电量（SOC）低于20%时，显示单元及蜂鸣器鸣响报警。一个车共有一个主控单元即主板和八个数据采集单元即从板，如下图所示，八个数据采集单元通过传感器检测相关单体数据，通过分线盒汇总收集至主控单元，同时在八个数据采集单元的前部收集384节蓄电池的总体电压和电流值，所有的相关数据皆传送至主控单元进行分析和BMS显示屏进行显示。
总体数据检测
单体数据检测
数据显示
图1 蓄电池管理系统总体框图
2.1主控单元
主控单元作为蓄电池管理系统的控制与管理核心单元，负责对数据采集单元检测的数据进行实时处理，匹配硬件完成信号采集、解析和处理，对内网CAN总线进行管理，同时负责与机车蓄电池系统BMS 显示屏的数据交换与过程控制。通过CAN总线接收数据采集单元采集的单体电池电压、温度信息，同时自身采集到的电池总电压和总电流，采用安时积分和自校正的算法，计算出蓄电池组的剩余电量SOC。同时测量主机通过分析单体电池电压，以及电池组电流，对电池组进行故障诊断，判断是否过充、过放、欠压、过热以及过流，并输出相应的信号给机车控制系统，对电池做出保护。
图2 蓄电池管理系统SOC估算
2.2数据采集单元
数据采集单元负责采集牵引蓄电池单体电压、环境温度及蓄电池温度等参数信息，同时提供CAN 总线通信接口，与测量主机进行通信，接收来自总控制器的指令。
2.3分线盒
整车DC 110V通过分线盒转换成DC24V，分别给测量主机、数据采集单元以及显示单元供电。同时，分线盒实现测量主机与数据采集单元以及显示单元的CAN通讯。
2.4显示单元
显示单元负责对蓄电池组当前状态进行显示。包括：剩余电量（SOC），蓄电池组端电压，蓄电池组充放电电流，蓄电池组最高和最低温度，单体电压。当蓄电池剩余容量低于设定值时，蜂鸣器进行声音报警。
其中故障等级为三级，最低等级为一级，最高等级为三级，当出现三级故障报警时，蓄电池管理系统将切断蓄电池组高压输出，以确保车辆和人身安全。
3 应用情况分析
对于电压、电流、温度等监测技术比较成熟，在实际使用检修过程中通过万用表、测温枪等实际测量对比差异较小，。而蓄电池容量为系统估算，实际运用过程中状态复杂，无法避免存在误差。
实测过程中随机抽取了部分单体蓄电池进行对比，其中单体电压值与温度值系统显示精确度较高。
|
序号 |
位置 |
显示电压值（V） |
实测电压值 （V） |
显示温度值 （℃） |
实测温度值 （℃） |
|
1 |
1箱15节 |
2.39 |
2.39 |
26 |
26.1 |
|
2 |
1箱20节 |
2.40 |
2.39 |
26 |
26.2 |
|
3 |
2箱13节 |
2.38 |
2.38 |
26 |
26.1 |
|
4 |
2箱25节 |
2.38 |
2.38 |
26 |
26.0 |
|
5 |
3箱2节 |
2.39 |
2.39 |
26 |
26.2 |
|
6 |
3箱23节 |
2.39 |
2.39 |
26 |
26.2 |
|
7 |
4箱7节 |
2.40 |
2.39 |
26 |
26.3 |
|
8 |
4箱45节 |
2.39 |
2.39 |
26 |
26.1 |
|
9 |
5箱8节 |
2.39 |
2.39 |
26 |
26.0 |
|
10 |
5箱40节 |
2.42 |
2.40 |
26 |
26.1 |
|
11 |
6箱12节 |
2.40 |
2.40 |
26 |
26.2 |
|
12 |
6箱26节 |
2.40 |
2.40 |
26 |
26.3 |
表2 蓄电池电压、温度实测对比表
为了评估蓄电池管理系统的容量检测能力是否满足设计使用要求，即误差≤8%，在调试过程中采用外接检测设备在多种工况下对蓄电池容量进行测算，并与实际蓄电池管理显示界面容量百分比进行容量对比。
电力蓄电池工程车单机牵引四台工程车试验，试验前牵引蓄电池容量为98%，试验结束时牵引蓄电池容量为38%，实测消耗电量为242.6Ah。按整车容量400Ah计算，400*（98%-38%）=240Ah，检测误差为（242.6-240）/242.6=1.07%。
电力蓄电池工程车双机重联牵引四台工程车试验，试验前主车牵引蓄电池容量为97%，试验结束时牵引蓄电池容量为45%，消耗电量为221.17Ah。按整车容量400Ah计算，400*（97%-45%）=208Ah，检测误差为（221.17-208）/221.17=5.95%。
试验前从车牵引蓄电池容量为89%，试验结束时牵引蓄电池容量为36%，消耗电量为207.41Ah。按整车容量400Ah计算，400*（89%-36%）=212Ah，检测误差为（212-207.41）/207.41=2.21%。
图3 双机重联下两台工程车电量消耗对比表
可以看出，试验过程中蓄电池实际容量消耗与蓄电池管理系统估算误差较小，且双机重联状态下两台车消耗电量匹配度良好，可满足现场使用。
4 实际使用效果
在日常实际应用过程中，蓄电池管理系统对于电压、电流、温度等检测准确度较高，蓄电池管理系统容量显示基本准确，但实际过程中存在充电过程中容量显示偶发突变的情况；但由于电力蓄电池工程车为新产品，蓄电池管理系统受制于技术和设计原因不具备极柱松动监测、内阻检测、绝缘电阻检测功能，在后续新车设计中逐步完善检测功能，以降低检修人员的维护工作量。
5 优化建议
针对目前电力蓄电池工程车的使用情况，对蓄电池管理系统的应用提出以下优化建议：
1）在日常的维护保养中，可使用蓄电池内阻测试仪定期检查蓄电池内阻。
2）针对绝缘电阻测量，可定期通过摇表对蓄电池绝缘性能进行测量。
3）针对无极柱松动检测功能，除了在安装时严格执行15N.m的紧固扭力标准，可通过因接触不良导致的异常电压及温度值，以及紧固螺栓画线有无错位进行综合判断。
4）针对蓄电池容量检测及恢复，日常可多采用均衡充电提升电池性能，定期通过充放试验对蓄电池真实容量进行校核。