船用鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)應(yīng)用研究

王朝紅，曹 穆，王 鵬

應(yīng)用研究

船用鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)應(yīng)用研究

王朝紅，曹 穆，王 鵬

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

蓄電池管理系統(tǒng)可以有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。文章對(duì)蓄電池管理系統(tǒng)在船舶直流應(yīng)急電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進(jìn)行分析，對(duì)SOC估計(jì)、電池均衡控制等關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，提出了一套滿足船用條件的蓄電池管理系統(tǒng)軟硬件方案，并搭建小規(guī)模驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的船用蓄電池管理系統(tǒng)方案可有效實(shí)現(xiàn)SOC評(píng)估，精度滿足要求。

蓄電池管理 SOC 均衡控制

0 引言

大型船舶通常設(shè)置由蓄電池組作為電源設(shè)備的直流應(yīng)急電網(wǎng)，以滿足在主電站失電后通過充放電裝置實(shí)現(xiàn)低壓直流應(yīng)急負(fù)載不間斷供電的需求[1]。鉛酸蓄電池由于其技術(shù)成熟、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在船舶應(yīng)急電源領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通常鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)壽命為15年，但在實(shí)船使用中發(fā)現(xiàn)，蓄電池組在3～4年內(nèi)容量下降嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)預(yù)期[2]。蓄電池的使用壽命受到船上環(huán)境溫度、充放電控制方式、個(gè)體特性差異、日常維護(hù)保養(yǎng)等多種因素的影響。目前大部分船舶對(duì)于蓄電池的管理是通過定期對(duì)蓄電池組放電維護(hù)以維持蓄電池的性能，蓄電池監(jiān)測(cè)管理手段較少，往往只有蓄電池組電壓電流測(cè)量、充放電的溫度補(bǔ)償?shù)扔邢奘侄?，尚未形成?duì)船舶蓄電池組的有效管理方案[3-4]。

近年來，隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，蓄電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)已成為電動(dòng)汽車不可或缺的核心部件之一[5]。而船用鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用還處于起步階段，目前沒有實(shí)船應(yīng)用案例。但是鉛酸蓄電池組對(duì)于充放電方式有著嚴(yán)格要求，長(zhǎng)期過充電產(chǎn)生的氣體會(huì)導(dǎo)致極板的活性物質(zhì)脫落，反復(fù)過度放電同樣會(huì)導(dǎo)致壽命急劇縮短[6]。此外，在沒有定期充滿的情況下會(huì)有硫酸鹽晶體析出，硫酸鹽晶體會(huì)使電池的孔隙度降低，限制活性物質(zhì)的進(jìn)入，導(dǎo)致電池的容量減小[7]。綜上所述，對(duì)于船用鉛酸蓄電池組的監(jiān)測(cè)與管理有著迫切的需求，從使用安全、運(yùn)行維護(hù)、有效延長(zhǎng)使用壽命的角度來看，研究船用鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要意義。

本文以船用鉛酸蓄電池組為研究對(duì)象，分析了蓄電池管理系統(tǒng)在船舶直流應(yīng)急電網(wǎng)中應(yīng)用現(xiàn)狀及前景；研究了SOC（State of Charge）估計(jì)、電池均衡控制等關(guān)鍵管理功能設(shè)計(jì)方法，提出了一套滿足船用條件的蓄電池管理系統(tǒng)軟硬件方案，并搭建小規(guī)模驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 蓄電池管理系統(tǒng)技術(shù)分析

1.1 蓄電池管理系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

蓄電池管理系統(tǒng)是對(duì)蓄電池組進(jìn)行安全監(jiān)控、有效管理、提高蓄電池使用效率的裝置[8]。BMS的功能通常包括：蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)、荷電狀態(tài)評(píng)估（SOC）、充放電優(yōu)化控制功能、均衡控制功能、熱管理功能和總線通訊功能等。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 BMS功能結(jié)構(gòu)示意圖

以上功能為傳統(tǒng)蓄電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用所需。隨著電子信息技術(shù)與大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，BMS實(shí)現(xiàn)了與云端平臺(tái)實(shí)時(shí)交互，電池狀態(tài)深度分析，為蓄電池管理提供了更加智能、科學(xué)的控制管理策略[9]。通過更加精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)蓄電池?cái)?shù)據(jù)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等更高級(jí)的算法提升了SOC評(píng)估能力[10]。

但與此同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，荷電狀態(tài)SOC是監(jiān)測(cè)與管理蓄電池的重要基礎(chǔ)參數(shù)，其值關(guān)系到蓄電池管理系統(tǒng)的充放電控制與均衡控制。而其中的均衡控制功能則是BMS解決電池單體電量不均衡引起的電池組整體容量和壽命衰退問題的主要手段。因此本文對(duì)SOC狀態(tài)估計(jì)、電池均衡控制等關(guān)鍵功能的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)更加符合船舶BMS功能需求的應(yīng)用方案。

1.2 船用蓄電池管理系統(tǒng)方案分析

本文研究對(duì)象以某船220 V直流應(yīng)急電網(wǎng)為例，蓄電池組由108節(jié)電池單體經(jīng)過串聯(lián)構(gòu)成。由于串聯(lián)電池單體數(shù)量大，集中式的管理在響應(yīng)速度、系統(tǒng)構(gòu)建和管理靈活度方面都很難達(dá)到理想的效果，而分布式的管理成本高、抗干擾能力較差。因此，本文采用主從式電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，將蓄電池系統(tǒng)分為5個(gè)從控模塊和1個(gè)主控模塊，每個(gè)從控模塊最多可以實(shí)現(xiàn)22個(gè)串聯(lián)電池單體的電壓采集和均衡控制，同時(shí)每個(gè)從控模塊具備CAN總線傳輸能力，將采集到的電池狀態(tài)信息發(fā)送給主控模塊。主控模塊負(fù)責(zé)總體的信息收集和與上一級(jí)系統(tǒng)之間的信息傳輸，并根據(jù)收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)警。

根據(jù)船級(jí)社的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為了保證電池系統(tǒng)安全，蓄電池模組單獨(dú)放置在蓄電池艙室，設(shè)置防爆溫度傳感器測(cè)量艙室溫度，充放電控制裝置及蓄電池管理模塊放置在充放電室。船用蓄電池管理系統(tǒng)總體方案示意圖如圖2所示。

2 船用蓄電池管理系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案開展硬件電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)，本文主要介紹以下幾個(gè)方面：

1）電流采集

電流采集利用霍爾傳感器，測(cè)量范圍－600 A～+600 A，經(jīng)過16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將電流信息傳輸給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2）電壓采集

電壓采集電路主要由儀表運(yùn)放INA128所構(gòu)成的射隨電路與16位AD采集芯片和數(shù)字隔離芯片所構(gòu)成，16位AD采集芯片選用ADS8689，可測(cè)量電壓范圍-12 V～+12 V。數(shù)字隔離芯片選用AduM1401，數(shù)據(jù)傳輸速率90 Mbps，實(shí)現(xiàn)AD采集模塊與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3）均衡控制

電池均衡控制的方式有能耗型和非能耗型，能耗型主要通過并聯(lián)電阻等電氣元件消耗掉電池上多余的能量，非能耗型主要通過儲(chǔ)能元件將能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。非能耗型均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要依賴大量開關(guān)元件和電力電子隔離驅(qū)動(dòng)器件，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性，一旦開關(guān)吸合無法斷開時(shí)易造成電池系統(tǒng)短路，進(jìn)而引出安全問題?？紤]設(shè)計(jì)初衷是通過充電均衡控制延長(zhǎng)電池系統(tǒng)使用壽命和保證電池系統(tǒng)性能，本文設(shè)計(jì)方案采用的是電阻放電式能耗均衡，每個(gè)單體并聯(lián)放電電阻，通過微處理器控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)放電。

圖2 蓄電池管理系統(tǒng)總體方案示意圖

圖3 電壓采集電路

硬件模塊利用光耦繼電器AQY210S將單體電池與功率電阻連接起來，通過單片機(jī)控制兩者之間的通斷，其中部分結(jié)構(gòu)如圖4所示，一共由22組光耦繼電器電路組成，連接到各節(jié)電池。根據(jù)各個(gè)單體電池的電壓，進(jìn)行電池均衡控制。

圖4 電池均衡部分電路圖

2.2 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

根據(jù)本文蓄電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能需求，軟件設(shè)計(jì)需嚴(yán)格滿足硬件驅(qū)動(dòng)控制邏輯，并完成SOC估算和均衡控制指令。按照系統(tǒng)架構(gòu)，軟件功能設(shè)計(jì)如下：

1）荷電狀態(tài)評(píng)估SOC

SOC狀態(tài)估計(jì)根據(jù)測(cè)量得到的電壓和電流等參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算估計(jì)獲得。常見的方法有：開路電壓法、安時(shí)積分法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法。在實(shí)際應(yīng)用中以安時(shí)積分法為主，估算方法是將電池在不同電流下的放電電量累加起來獲得剩余電量。算法流程如圖5所示。

程序開始首先進(jìn)行初始化，然后通過CAN總線接收各從控模塊中各單體電壓，并在開機(jī)初始狀態(tài)沒有電流的前提下，根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間靜置單體電壓獲得初始SOC，當(dāng)達(dá)到采樣時(shí)間1 s時(shí)，進(jìn)行電流采集和艙室溫度采集，然后每一秒更新一次電池的SOC。最終將單體的電壓、SOC和溫度等信息通過CAN總線和485總線發(fā)送。

2）均衡控制流程

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的均衡控制功能以電壓參數(shù)作為均衡判定目標(biāo)。程序首先讀取當(dāng)前電池的電壓，當(dāng)電壓值大于平均參考電壓時(shí)，觸發(fā)均衡啟動(dòng)指令，當(dāng)達(dá)到均衡電壓閾值后均衡結(jié)束；當(dāng)電壓值小于平均參考電壓時(shí)，讀取當(dāng)前電池組電流，若此時(shí)電池電流值為負(fù)，則電池組處于充電狀態(tài)，判斷此時(shí)的電池電壓是否大于最低電壓，若是則出發(fā)均衡啟動(dòng)指令。反之則返回，繼續(xù)判定。其軟件控制流程如圖6所示。

圖5 SOC估算程序流程圖

圖6 電池均衡流程圖

3 船用蓄電池管理系統(tǒng)試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的蓄電池管理系統(tǒng)的可行性，搭建了蓄電池管理試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，用于電池電壓采集、SOC估計(jì)功能和均衡功能的驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)由6個(gè)單體100 Ah的JCM-100閥控鉛酸蓄電池組成，額定電壓2 V，放電截止電壓1.75 V，充電截止電壓2.4 V，電池樣品如圖7所示。

圖7 JCM-100閥控鉛酸蓄電池

搭建的電池測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

電池測(cè)試機(jī)Arbin BT-ML60 V50 A 能夠?qū)Υ?lián)電池組進(jìn)行充電、放電操作，該設(shè)備電壓、電流范圍分別為2～60 V以及0～50 A，精度為±0.2‰。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

利用該測(cè)試平臺(tái)，分別對(duì)SOC估計(jì)和均衡進(jìn)行驗(yàn)證。

1）SOC估計(jì)功能驗(yàn)證

在電池初始SOC估計(jì)時(shí)，采用開路電壓OCV-SOC的方法進(jìn)行估計(jì)。具體步驟如下：首先，采用恒流-恒壓的方式充滿；然后靜置2小時(shí)后記錄電池端電壓，并放電額定容量的10%；繼續(xù)靜置2小時(shí)后記錄電池端電壓。循環(huán)這個(gè)過程直到電池達(dá)到截止電壓結(jié)束。獲得的OCV-SOC關(guān)系曲線如圖9所示。

在恒流63 A放電過程中，以系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的OCV-SOC曲線作為初始值，根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的SOC估算程序分別對(duì)6節(jié)電池進(jìn)行估計(jì)，得到放電過程中的電池SOC估計(jì)曲線，如圖10所示。

圖a)是放電過程中每一個(gè)單體的SOC變化曲線，隨著電池的持續(xù)放電，SOC線性下降。當(dāng)任意單體達(dá)到下限截止電壓時(shí)放電停止。但此時(shí)的電量并不為0，主要原因是電池內(nèi)阻產(chǎn)生的壓降使電池達(dá)到截止電壓，放電停止。

圖9 鉛酸蓄電池OCV-SOC關(guān)系曲線

圖10 鉛酸電池恒流放電SOC估計(jì)結(jié)果

圖b)中以電池單體2為例，蓄電池管理系統(tǒng)估計(jì)的結(jié)果與Arbin（標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備）采集得到的結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出二者之間的最大偏差為2.3%。參考GB/T 38661-2020 《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》，滿足對(duì)SOC估算的累積誤差應(yīng)不大于5%的精度要求。兩者之間存在偏差的原因是BMS測(cè)得的放電電流與實(shí)際放電電流之間存在偏差，但是可以證明本文設(shè)計(jì)的蓄電池管理系統(tǒng)SOC狀態(tài)估計(jì)方案可行有效。

2）均衡功能驗(yàn)證

根據(jù)圖9蓄電池OCV-SOC曲線可以看出，當(dāng)單體電壓相差10 mV時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電量差將接近5%；而當(dāng)單體電量差達(dá)到20%時(shí)，電池組可用容量就將接近需要更換的閾值。因此選取5 mV電壓差作為均衡的啟動(dòng)判別條件。當(dāng)單體最大壓差達(dá)到2 mV時(shí)停止均衡。為了模擬電池電量不均衡的情況，分別設(shè)定6節(jié)電池單體的初始端電壓，如表1所示，電池單體BAT1與其他5個(gè)電池端電壓相差均超過5 mV。

表1 電池初始狀態(tài)

均衡電流的確定取決于所選取放電電阻的阻值，分別選取20 Ω、10 Ω、4 Ω進(jìn)行驗(yàn)證，上述兩種阻值分別對(duì)應(yīng)最大100 mA，200 mA和最大500 mA的均衡電流。其均衡過程中的電壓變化曲線如圖11所示。

圖11 均衡控制電壓曲線

從圖11可以發(fā)現(xiàn)，由于電池初始電量存在不均衡，故啟動(dòng)電池放電均衡，被均衡的單體端電壓迅速下降，其主要原因是電池內(nèi)阻的作用。當(dāng)均衡電流建立后，電池端電壓緩慢下降，此時(shí)電池端電壓由于均衡電流累加過電勢(shì)的作用，其端電壓遠(yuǎn)低于其他未均衡單體，但隨著均衡的持續(xù)進(jìn)行，通過電量累積的方式，獲取均衡過程中釋放的電能，并依此來計(jì)算均衡時(shí)間，當(dāng)均衡結(jié)束時(shí)，電池端電壓迅速恢復(fù)，此時(shí)電池端電壓最大差異在2 mV以內(nèi)，達(dá)到了均衡的目標(biāo)。

此外，對(duì)比（a）、（b）、（c）三組均衡曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著放電電阻的阻值減小，其均衡電流增大，可以有效縮短均衡時(shí)間，從而在保證均衡充電的前提下，將蓄電池充電時(shí)間和效率進(jìn)一步提升。

為進(jìn)一步驗(yàn)證均衡控制功能對(duì)蓄電池容量的影響，以均衡電阻20 Ω、放電電流30 A為試驗(yàn)條件，對(duì)比有無均衡控制的蓄電池放電情況，結(jié)果如圖12所示。

圖12中黑色曲線為電池單體BAT1的恒流放電曲線。圖（a）中，由于電池單體BAT1與其余5節(jié)電池的端電壓存在差異，導(dǎo)致蓄電池組可充入的容量降低，在未進(jìn)行均衡控制的放電過程中，可用容量為89.47 Ah。而在圖（b）中經(jīng)過均衡控制后，在相同放電電流的情況下，放電時(shí)間有效延長(zhǎng)，可用容量提升了2.32 Ah。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)蓄電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及在船舶直流應(yīng)急電網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行分析，明確了以SOC狀態(tài)估計(jì)、電池均衡控制為主的船用蓄電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵功能，提出了一套基于船用鉛酸蓄電池的管理系統(tǒng)軟硬件方案。系統(tǒng)涵蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、SOC評(píng)估、均衡控制、時(shí)序管理和總線通訊與顯示等功能，并以6節(jié)單體蓄電池串聯(lián)模組作為測(cè)試單元搭建了試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。

通過試驗(yàn)結(jié)果可以得出，本文所設(shè)計(jì)的船用蓄電池管理系統(tǒng)方案可有效實(shí)現(xiàn)SOC評(píng)估，精度滿足要求?；陔娮枘芎男偷木饪刂乒δ芸梢杂行д{(diào)整電池組端電壓一致性，有利于提高整體蓄電池組的容量。并且通過調(diào)整放電電阻的阻值，有效的提升了均衡效率。

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Application of marine lead-acid battery management system

Wang Zhaohong, Cao Mu, Wang Peng

(Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

U667

A

1003-4862（2022）07-0034-6

2022-01-12

王朝紅（1972-）, 女, 碩士, 高級(jí)工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail：1113066449@qq.com