船用铅酸蓄电池管理系统应用研究

2022-08-12王朝红

船电技术 2022年7期

关键词：船用充放电单体

王朝红，曹穆，王鹏

应用研究

船用铅酸蓄电池管理系统应用研究

王朝红，曹穆，王鹏

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

蓄电池管理系统可以有效延长蓄电池的使用寿命。文章对蓄电池管理系统在船舶直流应急电网中的应用现状及前景进行分析，对SOC估计、电池均衡控制等关键功能设计方法进行研究，提出了一套满足船用条件的蓄电池管理系统软硬件方案，并搭建小规模验证系统进行试验验证，试验结果表明所设计的船用蓄电池管理系统方案可有效实现SOC评估，精度满足要求。

蓄电池管理 SOC 均衡控制

0 引言

大型船舶通常设置由蓄电池组作为电源设备的直流应急电网，以满足在主电站失电后通过充放电装置实现低压直流应急负载不间断供电的需求[1]。铅酸蓄电池由于其技术成熟、性价比高等特点，在船舶应急电源领域有着广泛的应用。通常铅酸蓄电池的设计寿命为15年，但在实船使用中发现，蓄电池组在3～4年内容量下降严重，远远低于设计预期[2]。蓄电池的使用寿命受到船上环境温度、充放电控制方式、个体特性差异、日常维护保养等多种因素的影响。目前大部分船舶对于蓄电池的管理是通过定期对蓄电池组放电维护以维持蓄电池的性能，蓄电池监测管理手段较少，往往只有蓄电池组电压电流测量、充放电的温度补偿等有限手段，尚未形成对船舶蓄电池组的有效管理方案[3-4]。

近年来，随着电动汽车产业不断发展，蓄电池管理系统(Battery Management System，BMS)已成为电动汽车不可或缺的核心部件之一[5]。而船用铅酸蓄电池管理系统的应用还处于起步阶段，目前没有实船应用案例。但是铅酸蓄电池组对于充放电方式有着严格要求，长期过充电产生的气体会导致极板的活性物质脱落，反复过度放电同样会导致寿命急剧缩短[6]。此外，在没有定期充满的情况下会有硫酸盐晶体析出，硫酸盐晶体会使电池的孔隙度降低，限制活性物质的进入，导致电池的容量减小[7]。综上所述，对于船用铅酸蓄电池组的监测与管理有着迫切的需求，从使用安全、运行维护、有效延长使用寿命的角度来看，研究船用铅酸蓄电池管理系统的应用具有重要意义。

本文以船用铅酸蓄电池组为研究对象，分析了蓄电池管理系统在船舶直流应急电网中应用现状及前景；研究了SOC（State of Charge）估计、电池均衡控制等关键管理功能设计方法，提出了一套满足船用条件的蓄电池管理系统软硬件方案，并搭建小规模验证系统进行试验验证。

1 蓄电池管理系统技术分析

1.1 蓄电池管理系统技术现状

蓄电池管理系统是对蓄电池组进行安全监控、有效管理、提高蓄电池使用效率的装置[8]。BMS的功能通常包括：蓄电池数据采集与监测、荷电状态评估（SOC）、充放电优化控制功能、均衡控制功能、热管理功能和总线通讯功能等。系统功能结构示意图如图1所示。

图1 BMS功能结构示意图

以上功能为传统蓄电池管理系统的应用所需。随着电子信息技术与大数据的快速发展，BMS实现了与云端平台实时交互，电池状态深度分析，为蓄电池管理提供了更加智能、科学的控制管理策略[9]。通过更加精准的监测蓄电池数据，使用神经网络等更高级的算法提升了SOC评估能力[10]。

但与此同时也可发现，荷电状态SOC是监测与管理蓄电池的重要基础参数，其值关系到蓄电池管理系统的充放电控制与均衡控制。而其中的均衡控制功能则是BMS解决电池单体电量不均衡引起的电池组整体容量和寿命衰退问题的主要手段。因此本文对SOC状态估计、电池均衡控制等关键功能的设计方法进行研究，设计更加符合船舶BMS功能需求的应用方案。

1.2 船用蓄电池管理系统方案分析

本文研究对象以某船220 V直流应急电网为例，蓄电池组由108节电池单体经过串联构成。由于串联电池单体数量大，集中式的管理在响应速度、系统构建和管理灵活度方面都很难达到理想的效果，而分布式的管理成本高、抗干扰能力较差。因此，本文采用主从式电池管理系统设计思路，将蓄电池系统分为5个从控模块和1个主控模块，每个从控模块最多可以实现22个串联电池单体的电压采集和均衡控制，同时每个从控模块具备CAN总线传输能力，将采集到的电池状态信息发送给主控模块。主控模块负责总体的信息收集和与上一级系统之间的信息传输，并根据收集到的相关数据进行故障预警。

根据船级社的有关标准，为了保证电池系统安全，蓄电池模组单独放置在蓄电池舱室，设置防爆温度传感器测量舱室温度，充放电控制装置及蓄电池管理模块放置在充放电室。船用蓄电池管理系统总体方案示意图如图2所示。

2 船用蓄电池管理系统应用设计

2.1 系统硬件方案设计

按照系统总体设计方案开展硬件电路的应用设计，本文主要介绍以下几个方面：

1）电流采集

电流采集利用霍尔传感器，测量范围－600 A～+600 A，经过16位模数转换芯片进行模数转换后，将电流信息传输给单片机，从而实现对电池组电流的实时监测。

2）电压采集

电压采集电路主要由仪表运放INA128所构成的射随电路与16位AD采集芯片和数字隔离芯片所构成，16位AD采集芯片选用ADS8689，可测量电压范围-12 V～+12 V。数字隔离芯片选用AduM1401，数据传输速率90 Mbps，实现AD采集模块与单片机之间的数据转换。

3）均衡控制

电池均衡控制的方式有能耗型和非能耗型，能耗型主要通过并联电阻等电气元件消耗掉电池上多余的能量，非能耗型主要通过储能元件将能量进行转移。非能耗型均衡拓扑结构需要依赖大量开关元件和电力电子隔离驱动器件，这在一定程度上降低了系统的可靠性，一旦开关吸合无法断开时易造成电池系统短路，进而引出安全问题。考虑设计初衷是通过充电均衡控制延长电池系统使用寿命和保证电池系统性能，本文设计方案采用的是电阻放电式能耗均衡，每个单体并联放电电阻，通过微处理器控制开关实现放电。

图2 蓄电池管理系统总体方案示意图

图3 电压采集电路

硬件模块利用光耦继电器AQY210S将单体电池与功率电阻连接起来，通过单片机控制两者之间的通断，其中部分结构如图4所示，一共由22组光耦继电器电路组成，连接到各节电池。根据各个单体电池的电压，进行电池均衡控制。

图4 电池均衡部分电路图

2.2 系统软件方案设计

根据本文蓄电池管理系统设计的功能需求，软件设计需严格满足硬件驱动控制逻辑，并完成SOC估算和均衡控制指令。按照系统架构，软件功能设计如下：

1）荷电状态评估SOC

SOC状态估计根据测量得到的电压和电流等参数，经过计算估计获得。常见的方法有：开路电压法、安时积分法、神经网络法、卡尔曼滤波法。在实际应用中以安时积分法为主，估算方法是将电池在不同电流下的放电电量累加起来获得剩余电量。算法流程如图5所示。

程序开始首先进行初始化，然后通过CAN总线接收各从控模块中各单体电压，并在开机初始状态没有电流的前提下，根据长时间静置单体电压获得初始SOC，当达到采样时间1 s时，进行电流采集和舱室温度采集，然后每一秒更新一次电池的SOC。最终将单体的电压、SOC和温度等信息通过CAN总线和485总线发送。

2）均衡控制流程

本文系统设计的均衡控制功能以电压参数作为均衡判定目标。程序首先读取当前电池的电压，当电压值大于平均参考电压时，触发均衡启动指令，当达到均衡电压阈值后均衡结束；当电压值小于平均参考电压时，读取当前电池组电流，若此时电池电流值为负，则电池组处于充电状态，判断此时的电池电压是否大于最低电压，若是则出发均衡启动指令。反之则返回，继续判定。其软件控制流程如图6所示。

图5 SOC估算程序流程图

图6 电池均衡流程图

3 船用蓄电池管理系统试验分析

3.1 试验测试系统设计

为验证本文所设计的蓄电池管理系统的可行性，搭建了蓄电池管理试验测试平台，用于电池电压采集、SOC估计功能和均衡功能的验证。试验系统由6个单体100 Ah的JCM-100阀控铅酸蓄电池组成，额定电压2 V，放电截止电压1.75 V，充电截止电压2.4 V，电池样品如图7所示。

图7 JCM-100阀控铅酸蓄电池

搭建的电池测试系统如图8所示。

图8 试验测试系统实物图

电池测试机Arbin BT-ML60 V50 A 能够对串联电池组进行充电、放电操作，该设备电压、电流范围分别为2～60 V以及0～50 A，精度为±0.2‰。

3.2 试验测试结果分析

利用该测试平台，分别对SOC估计和均衡进行验证。

1）SOC估计功能验证

在电池初始SOC估计时，采用开路电压OCV-SOC的方法进行估计。具体步骤如下：首先，采用恒流-恒压的方式充满；然后静置2小时后记录电池端电压，并放电额定容量的10%；继续静置2小时后记录电池端电压。循环这个过程直到电池达到截止电压结束。获得的OCV-SOC关系曲线如图9所示。

在恒流63 A放电过程中，以系统启动时的OCV-SOC曲线作为初始值，根据本文所设计的SOC估算程序分别对6节电池进行估计，得到放电过程中的电池SOC估计曲线，如图10所示。

图a)是放电过程中每一个单体的SOC变化曲线，随着电池的持续放电，SOC线性下降。当任意单体达到下限截止电压时放电停止。但此时的电量并不为0，主要原因是电池内阻产生的压降使电池达到截止电压，放电停止。

图9 铅酸蓄电池OCV-SOC关系曲线

图10 铅酸电池恒流放电SOC估计结果

图b)中以电池单体2为例，蓄电池管理系统估计的结果与Arbin（标准测试设备）采集得到的结果进行比较，可以看出二者之间的最大偏差为2.3%。参考GB/T 38661-2020 《电动汽车用电池管理系统技术条件》，满足对SOC估算的累积误差应不大于5%的精度要求。两者之间存在偏差的原因是BMS测得的放电电流与实际放电电流之间存在偏差，但是可以证明本文设计的蓄电池管理系统SOC状态估计方案可行有效。

2）均衡功能验证

根据图9蓄电池OCV-SOC曲线可以看出，当单体电压相差10 mV时，其对应的电量差将接近5%；而当单体电量差达到20%时，电池组可用容量就将接近需要更换的阈值。因此选取5 mV电压差作为均衡的启动判别条件。当单体最大压差达到2 mV时停止均衡。为了模拟电池电量不均衡的情况，分别设定6节电池单体的初始端电压，如表1所示，电池单体BAT1与其他5个电池端电压相差均超过5 mV。

表1 电池初始状态

均衡电流的确定取决于所选取放电电阻的阻值，分别选取20 Ω、10 Ω、4 Ω进行验证，上述两种阻值分别对应最大100 mA，200 mA和最大500 mA的均衡电流。其均衡过程中的电压变化曲线如图11所示。

图11 均衡控制电压曲线

从图11可以发现，由于电池初始电量存在不均衡，故启动电池放电均衡，被均衡的单体端电压迅速下降，其主要原因是电池内阻的作用。当均衡电流建立后，电池端电压缓慢下降，此时电池端电压由于均衡电流累加过电势的作用，其端电压远低于其他未均衡单体，但随着均衡的持续进行，通过电量累积的方式，获取均衡过程中释放的电能，并依此来计算均衡时间，当均衡结束时，电池端电压迅速恢复，此时电池端电压最大差异在2 mV以内，达到了均衡的目标。

此外，对比（a）、（b）、（c）三组均衡曲线可以发现，随着放电电阻的阻值减小，其均衡电流增大，可以有效缩短均衡时间，从而在保证均衡充电的前提下，将蓄电池充电时间和效率进一步提升。

为进一步验证均衡控制功能对蓄电池容量的影响，以均衡电阻20 Ω、放电电流30 A为试验条件，对比有无均衡控制的蓄电池放电情况，结果如图12所示。

图12中黑色曲线为电池单体BAT1的恒流放电曲线。图（a）中，由于电池单体BAT1与其余5节电池的端电压存在差异，导致蓄电池组可充入的容量降低，在未进行均衡控制的放电过程中，可用容量为89.47 Ah。而在图（b）中经过均衡控制后，在相同放电电流的情况下，放电时间有效延长，可用容量提升了2.32 Ah。

4 结论

本文通过对蓄电池管理系统的应用现状，以及在船舶直流应急电网中的应用前景进行分析，明确了以SOC状态估计、电池均衡控制为主的船用蓄电池管理系统关键功能，提出了一套基于船用铅酸蓄电池的管理系统软硬件方案。系统涵盖数据采集、数据存储、SOC评估、均衡控制、时序管理和总线通讯与显示等功能，并以6节单体蓄电池串联模组作为测试单元搭建了试验验证系统。

通过试验结果可以得出，本文所设计的船用蓄电池管理系统方案可有效实现SOC评估，精度满足要求。基于电阻能耗型的均衡控制功能可以有效调整电池组端电压一致性，有利于提高整体蓄电池组的容量。并且通过调整放电电阻的阻值，有效的提升了均衡效率。

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Application of marine lead-acid battery management system