摘 要 电池管理系统（battery management system， BMS）是管理及维护电池单元的重要组成，主要功能为防止电池出现过充电和过放电的、延长电池的使用寿命、监控电池状态等。轨道交通车辆用BMS系统的设计主要采用主从一体化设计，BMS系统兼顾主控单元和从控单元的功能，负责对各单体电池电压和温度的采集，整车通过CAN通讯与电池管理系统进行通讯，并对整车数据进行诊断和处理，通过控制主回路的接触器，保护电池组过充、过放和过温，延缓其使用寿命。
关键词 轨道交通；电池管理系统；BMS
电池管理系统主要由中央处理单元和数据采集单元组成。中央处理单元由主控板、漏电检测回路及共性参数采集回路等组成。数据采集单元由M个数据采集母板及N个数据采集子板等组成，采用二级CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯以及与整车控制系统的信息通讯。为了实现轨道交通用电池管理系统既安全又可靠，本文设计了一种新型的适用于轨道交通用BMS软件，其具有以下功能[1]：
①对电池单体电压、单体温度、总电压、总电流等信息的检测；②对电池SOC和SOF等状态分析与估计；③电池数据处理，故障报警及故障分级管理；④电池通过一路RS485，实现与车载充电机的通讯和信息交互，实现电池充放电控制；⑤电池的总正接触器控制，实现对动力电池系统安全的有效管理，避免电池过充、过放、过温。⑥外部信号检测，用于检测继电器辅助触点状态。
1 电池管理系统软件设计流程与说明
BMS软件设计采用C语言编程，开发平台使用Freescale公司为MC9S12系列提供的CodeWarrior IDE，该平台支持对MCU进行编译、链接和在线调试。Code Warrior IDE为流线型系统设计，具有最优的C编译器以保证最少的代码和最快的执行速度，工业强度产品管理去除了复杂的脚本生成，可视化调试快速轻松的解决复杂的问题，指令设置仿真保证了软硬件的联合设计。同时具有背景调试模式（BDM），可以带着仿真器，通过CodeWarrior集成开发界面，监控整个应用程序的运行状态和内部空间分配，可以设置断点和单步运行程序查看程序的走向，对程序进行调试方便快捷[2]。
本系统所有的程序模块都使用底层代码C语言进行编写，它具有以下一些特点：①语言简单，使用方便灵活。标准C语言一共只用32个关键字，9种控制语句。C语言的书写形式比较自由，表示方法简洁，很容易就可以构造出相当复杂的数据类型和程序结构。②可移植性好。汇编语言对于不同的机器，必须采用不同的汇编语言来写。这是因为汇编语言完全依赖于机器硬件，可移植性较差。而C语言是通过编译得到可执行代码的，统计资料表明，不同机器上的C语言编译程序80%的代码是公共的，非常便于移植。一种机器上使用的C语言程序，可以不加修改或稍加修改即可方便地移植到另一种机器上去。③表达能力强。C语言具有丰富的数据结构类型和多种运算符，可根据需要采用整型、实型、字符型、数组、指针、结构体等多种数据类型来实现各种复杂的运算。C语言还有多种运算符，可以灵活进行各种运算。④可进行结构化程序設计。C语言是以函数作为程序设计的基本单位的，C语言程序中的函数相当于其他一些语言中的子程序。许多个函数最终组成整个程序，一个函数即相当于一个程序模块，因此C语言可以很容易进行结构化程序设计。⑤可以直接操作计算机硬件。C语言具有直接访问机器物理地址的能力，Freescale公司的专用编译器可以直接对S12系列单片机的内部特殊功能寄存器和I/O口进行操作，可以直接访问片内或片外存储器，并可以进行位操作。
2 主要设计思路
2.1 主程序设计
BMS的主程序流程图1所示，系统上电后，首先进行系统的初始化，主要用来初始化系统各个模块，设置配置参数，诊断系统状态，以保证系统正常工作[3]。当系统初始化错误时，将相应的故障标志位置位。主程序随后进入主循环，主要完成总电压检测、总电流测量、SOC估算、SOF估算（最大允许充放电电流计算）、故障诊断与安全控制（高压接触器控制）、RS485通信、CAN通信和数据处理等功能。另外主程序有三个中断子程序，包括定时器、CAN、串口中断程序，主要用于系统定时及通信中断服务。
2.2 SOC（荷电状态）估算
如图2所示，BMS系统采用安时积分进行SOC估算，同时综合采用开机修正、充放电修正、自适应修正等算法，以提高SOC估算的精度，电池系统使用过程中，BMS软件自动根据电池所处工况选择修正算法完成修正[4]；开路电压校正可以避免长期搁置电池自放电导致的SOC误差，而充放电过程自适应校正可以减小干扰及采样误差的影响，保证全SOC范围内的精度；SOC变化符合使用习惯，SOC不会跳变、校正过程平滑变化、SOC变化方向与电流方向相符，保证车辆能够稳定工作；SOC估算精度：≤5%。
2.3 SOF（功能状态）估算
BMS依据电池SOC及温度给出电池允许充放电电流，同时依据电压因素及多种故障因素对允许充放电电流进行修正；允许充放电电流估算值稳定、平滑过渡[5]，整个估算过程如图3所示。
2.4 故障报警及故障分级管理
BMS支持电压、电流、温度等多种故障报警功能，故障报警阀值根据动力锂电池的参数确定。BMS根据采集的电池数据和监控的各类输入输出信号，结合一定的逻辑判断准确地识别和给出各类故障信息。电池组故障报警管理的目的是实时监控电池组的故障状态，及时准确给出所有故障信息，使电池组在安全的条件下发挥最大性能[6]。
BMS将故障等级定义为三级，最低等级为一级，最高等级为三级。一级故障比较轻微， 通常不影响车辆正常运行，常见的处理方式为管理系统不做任何处理或将电池当前可用功率减少；二级故障严重程度中等，在一定程度上影响车辆正常运行，电池组需要尽快维护。常见的处理方式为管理系统将电池当前可用功率减少50%或在整车允许的情况下切断电池组高压输出。三级故障最严重，可能影响车辆和用户的安全，电池组需要立刻维护，常见的处理方式为管理系统直接切断电池组高压输出。
BMS在故障报警和故障恢复上采用滞环控制，防止接触器误动作和重复动作。
2.5 上下电控制
正常上电流程：闭合微型断路器，电池管理系统（BMS）得电启动，BMS自检完成后控制闭合总正接触器，此时电池系统上电完成。
BMS故障后上电流程：当BMS故障，无法控制总正接触器闭合时，需要对蓄电池进行强制放电时，断开BMS工作电源用微型断路器，总正接触器线圈断电，主触头恢复常闭状态，可对蓄电池进行强制放电。
3 工作模式设计
BMS工作模式主要分为正常充电模式及通讯故障充电模式二种[7]。
3.1 正常充电流程
充电机首先按照95A恒流充电，蓄电池单体电压达到2.62V后，充电电流降至原来的一半。当充电电流小于10A且持续3S，充电机由恒流转为恒压充电模式，充电电压最高为118V恒压充电，充电电流为小于5A。充电机恒压控制在最小电流（要求小于5A）下充电，如果总电压测量或控制误差造成单体电压还会超过2.7V，则降低恒压点至116V，如图4所示。
3.2 通讯故障充电流程
如图5所示。
4 结束语
本文开发电池管理系统采用了主从一体化设计，具有单体电池电压检测、温度检测、电流检测、均衡控制、数据记录、风机/加热控制、通讯等功能，并考虑到电池组系统对电气隔离安全的需求，电压检测模块、均衡控制模塊与温度检测模块都进行了模块化隔离设计，起到保护电池组过充、过放和过温，延缓其使用寿命的作用。
参考文献
[1] 徐群，李曙生.一种磁浮车辆车载电源系统[J].机械设计与制造工程，2017，（12）：67-70.
[2] 黄学杰.轨道交通领域锂离子动力电池应用初探[J].电力机车与城轨车辆，2012，35（5）：21-25.
[3] 付稳超.混合动力有轨电车列车控制和管理系统[J].城市轨道交通：应用技术，2017，（11）：110-123.
[4] 胡国民，周志景.基于BQ77PL900的多节锂电池充放电管理系统[J].电子科技，2013，29（12）：125-131.
[5] 卢建波.锂电池组在线均衡BMS健康管理方法研究[J].电源技术：研究与设计，2015，39（12）：2590-2593.
[6] 刘明.列车动力电池管理系统的研究[D].成都：西南交通大学，2016.
[7] 胡寿建，钱广民.现代导轨电车牵引电池包技术特点及实际运行故障简析[J].城市轨道交通：技术装备，2016，（1）：12-15.
作者简介
王轶欧（1989-），男，黑龙江省牡丹江人；学历：硕士研究生，现就职单位：中车工业研究院有限公司，研究方向：新能源领域。