一种BMS冗余系统的设计与实现

一种BMS冗余系统的设计与实现

罗沐融  米堃

中车株洲电力机车有限公司  湖南株洲  412000

摘要：本文针对牵引蓄电池工程车BMS电池管理系统的冗余需求，设计并实现了一种BMS冗余系统，实现了模拟在工程车运行时，BMS出现故障后BMS冗余系统的切换。

关键词：BMS；牵引蓄电池；轨道交通

1.引言

牵引蓄电池在轨道交通行业的应用日益广泛。作为牵引蓄电池系统的大脑——BMS电池管理系统，它的技术也逐渐成熟，但是仍有许多提升的空间，BMS系统的冗余便是其中一个方向。

目前，行业内已开始对BMS冗余系统进行了少量应用，主要是在船舶行业。该论文主要是设计与实现一种应用于轨道交通行业的BMS冗余系统，当车辆在运行过程中出现BMS相关故障时，切换到备份BMS系统，以保证车辆的正常运行。

2.问题描述与分析

2.1问题描述

现需要设计与实现一种应用于轨道交通行业的BMS冗余系统，当车辆在运行过程中出现BMS相关故障时，切换到冗余BMS系统，以保证车辆的正常运行。

2.2问题分析

要实现BMS冗余系统，需要解决以下几个问题：①BMS冗余系统网络的搭建；②BMS冗余系统的切换；③BMS冗余系统切换后对于SOC的处理。本文由两套独立的BMS系统搭建成冗余BMS系统，在硬件上两套BMS冗余系统完全一致。BMS冗余系统的切换方式可以分为软切换和冷切换。热切换存在以下问题，两套BMS系统同时工作，首先是增加了整个系统的负荷，同时受采样精度的影响，两套BMS系统采集到电芯的电压电流温度等数据存在一定误差，此时就需要在两块冗余BMS主板上再增加一级架构用于判断数据，大大增加了成本，因此本文设计的BMS冗余系统采取冷切换的方式。由于SOC是一个实时估算的值，冷备的BMS系统是无法知道发生故障时的SOC具体值的，备份的BMS系统在出厂时将SOC标定为50%,用于保证车辆在紧急情况下的运行。

3.设计与实现

本节对BMS冗余系统的设计进行了详细介绍，主要包括BMS冗余系统的搭建以及BMS冗余系统的切换逻辑。

3.1BMS冗余系统的搭建

BMS电池管理系统由两套独立的、相同的BMS系统组成，采用冷备的方式进行切换。正常工作时，一套BMS系统正常上电工作，另一套BMS系统不上电。当BMS电池管理系统本身出现严重故障时（例如通信失效、采样数据丢失等），整车显示屏会提示司机切换到备份BMS，由司机只需要启动备份BMS供电，备份BMS便会自主自检然后上高压，实现BMS双系统的自动切换。

BMS电池管理系统采用冗余三级架构，从上至下依次为冗余三级主控板，冗余二级主控板以及冗余从控板。

网络拓扑如下图所示：

图1 BMS网络拓扑图

3.2BMS冗余系统切换逻辑

正常工作时，一套BMS系统正常上电工作，另一套BMS系统不上电，作为备份。当BMS电池管理系统本身发生故障时（例如通信失效，采样数据丢失），断开电池系统接触器，并在司机控制屏上提示：请切换到备份BMS系统。司机旋转BMS电池管理系统电源开关，启动备份BMS电池管理系统供电，备份BMS电池管理系统得电后会主动自检上高压，实现BMS系统自动切换。

图2 BMS冗余系统切换流程图

4.试验验证

在安装了本文所设计的BMS冗余系统的牵引蓄电池工程车上进行模拟试验。首先给BMS主系统供控制电源，观察到电池系统接触器正常闭合，司机显示屏上无BMS故障。此时拔掉主BMS系统与整车网络的通信线，电池系统接触器断开，观察到司机控制屏上弹窗，如下图所示，此时当BMS冗余系统开关打到备份BMS档位，观察到电池系统接触器重新闭合，司机控制屏弹窗消失，车辆能正常起机，BMS冗余系统成功切换。

图3 BMS冗余系统故障弹窗

5. 结语

在本文所设计的BMS冗余系统，成功模拟了牵引蓄电池工程车在发生BMS相关故障时BMS冗余系统的切换。切换BMS系统后，弹窗故障消失，工程车能正常起机，保障了了工程车在主BMS系统出现故障时能正常运行。

作者简介

罗沐融，男，助理工程师，主要从事轨道交通领域牵引蓄电池系统的电气及BMS相关工作。