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(guó)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)足在主電站失電后通過(guò)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?xún)r(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(guò)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(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(méi)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(guò)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(guò)度放電同樣會(huì)導(dǎo)致壽命急劇縮短[6]。此外，在沒(méi)有定期充滿(mǎn)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(lái)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(mǎn)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(xiàn)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(guò)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(wèn)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(guò)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(xiàn)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(lài)大量開(kāi)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(kāi)關(guān)吸合無(wú)法斷開(kāi)時(shí)易造成電池系統(tǒng)短路，進(jìn)而引出安全問(wèn)題?？紤]設(shè)計(jì)初衷是通過(guò)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(guò)微處理器控制開(kāi)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(lái)，通過(guò)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(mǎn)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(guò)計(jì)算估計(jì)獲得。常見(jiàn)的方法有：開(kāi)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(lái)獲得剩余電量。算法流程如圖5所示。

程序開(kāi)始首先進(jìn)行初始化，然后通過(guò)CAN總線(xiàn)接收各從控模塊中各單體電壓，并在開(kāi)機(jī)初始狀態(tài)沒(méi)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(guò)CAN總線(xiàn)和485總線(xiàn)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(kāi)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(mǎn)；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(guò)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(xiàn)如圖9所示。

在恒流63 A放電過(guò)程中，以系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的OCV-SOC曲線(xiàn)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(guò)程中的電池SOC估計(jì)曲線(xiàn)，如圖10所示。

圖a)是放電過(guò)程中每一個(gè)單體的SOC變化曲線(xiàn)，隨著電池的持續(xù)放電，SOC線(xiàn)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(xiàn)

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(chē)用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》，滿(mǎn)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(xiàn)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(guò)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(guò)程中的電壓變化曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 均衡控制電壓曲線(xiàn)

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(guò)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(guò)電量累積的方式，獲取均衡過(guò)程中釋放的電能，并依此來(lái)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?xún)?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(xiàn)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(wú)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(xiàn)為電池單體BAT1的恒流放電曲線(xiàn)。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(guò)程中，可用容量為89.47 Ah。而在圖（b）中經(jīng)過(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(mǎn)足要求。基于電阻能耗型的均衡控制功能可以有效調(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(guò)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