CN112421716A - 一种基于无线充电器的电池组均衡控制电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无线充电器的电池组均衡控制电路及方法，属于无线充电技术领域，目的在于同时解决传统电动车采用传统接触供电方式所产生的安全隐患以及电动车动力电池组电压不均衡导致的电池性能问题，本发明可以实现无通信连接的恒流输出，解决当充电电压较小时电池充电不足的问题；同时，当电池组电压实现均衡后，通过控制开关可以从均衡模式切换到充电模式。本发明适用于基于无线充电器的电池组均衡控制电路及方法。

Description

一种基于无线充电器的电池组均衡控制电路及方法
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种基于无线充电器的电池组均衡控制电路及方法。
背景技术
无线电能传输系统利用高频电磁场近场耦合原理，以高频磁场作为传输介质，通过发射线圈和接收线圈间的磁场耦合实现电能的无线传输。无线电能传输系统主要由两个部分组成，一部分是连接在电源一侧的发射端，另一部分是位于负载侧的接收端，能量通过电磁感应的方式由发射端传输到接收端，是未来电动车充电的发展趋势。然而，由于电动车反复进行无线充电以及正常运行时的反复放电，电池的性能会随着时间的推移而下降，电荷不平衡可能会以电池电压不等的形式出现。电池组的不平衡会导致电池组过充过放，从而使电池组的容量下降，甚至导致爆炸或起火。因此，均衡电路被广泛应用，以确保安全运行和充分利用电池组的能量。基于这种背景，本发明提出了基于无线传输的电动车充电均衡器。以非接触的方式为电动车提供能量，并且实现充电均衡操作，解决电池组电压不平衡问题，从而减缓电池老化，延长续航里程。
发明内容
本发明的目的在于：为同时解决传统电动车采用传统接触供电方式所产生的安全隐患以及电动车动力电池组电压不均衡导致的电池性能问题，提供了一种基于无线充电器的电池组均衡控制电路及方法，本发明可以实现无通信连接的恒流输出，解决当充电电压较小时电池充电不足的问题；同时，当电池组电压实现均衡后，通过控制开关可以从均衡模式切换到充电模式。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于无线充电器的电池组均衡电路，包括由N个单体电池串联组成的电池组B(B1，B2，...，Bn)，还包括：
电压采集模块，每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将单次采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；
开关信号控制模块，用于接收电压数据判断电池组电压是否均衡，若不均衡，则找出具有最小电压的单体电池BX，根据单体电池BX所在位置来控制电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]和整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]的通断；
无线充电器，由DC直流电源Vin、逆变电路开关组S[S1，S2，S3，S4]、发射线圈TP、接收线圈TS与原副边所串联的电容组C[CP，CS]组成，用于为电池组充电均衡模块提供充电均衡能量，其中：
DC直流电源Vin，用于为整个系统提供能量源；
逆变电路开关组S[S1，S2，S3，S4]，用于将直流电变换为交流电；
发射线圈TP与接收线圈TS，用于实现能量无线传输到电压均衡模块；
电容组C[CP，CS]，用于无线传输的线圈配谐；
电池充电均衡模块，由整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]组成，同时控制整流电路开关和电池开关对最低电压电池充电以实现电池组的电压均衡，在电池组电压已均衡时可切换为电池组充电模式。
进一步地，所述基于无线充电器的电池组均衡电路包括电池组充电模式和单体电池充电均衡模式，若电池组电压为平衡状态，则该电路工作于电池组充电模式；若电池组电压为非平衡状态，则该电路工作为单体电池充电均衡模式。
进一步地，若电池组电压为平衡状态，则控制电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，1、SB，n+2闭合，其余开关断开，该电路工作于电池组充电模式，包括整流电路输入电压大于零和小于零两种工作阶段，在整流电路输入电压大于零的电池组充电阶段，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q1、Q4闭合，Q2、Q3断开，无线充电器即可对电池组B(B1，B2，...，Bn)进行充电；在整流电路输入电压小于零的电池组充电阶段，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q2、Q3闭合，Q1、Q4断开，无线充电器即可对电池组B(B1，B2，...，Bn)进行充电。
进一步地，若电池组电压为非平衡状态，且单体电池BX具有最低电压，则控制电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，其余开关断开，该电路工作为单体电池充电均衡模式，包括整流电路输入电压大于零和小于零两种工作阶段，在整流电路输入电压大于零的均衡阶段，若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的奇数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q1、Q4和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电；若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的偶数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q2、Q3和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电；在整流电路输入电压小于零的均衡阶段，若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的奇数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q2、Q3和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电；若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的偶数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q1、Q4和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电。
一种基于无线充电器的电池组均衡控制方法，包括电池组充电和单体电池充电均衡两种模式，包括以下步骤：
(a)电池组充电模式：
步骤1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；
步骤2.控制开关SB，1、SB，n+2闭合，无线充电器对电池组进行充电；
步骤3.当检测到充电模块电压电池阈值电压时，断开开关SB，1、SB，n+2，充电完成；
(b)单体电池充电均衡模式：
步骤1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；
步骤2.开关信号控制模块找出具有最低电压的单体电池BX，控制对应的开关SB，X、SB，X+1闭合，无线充电器对单体电池BX进行充电；
步骤3.通过每隔时间T更新最低电压的电池，使无线充电器对其进行充电，在一定的时间循环后，电池组电压即可实现均衡。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，可以实现无通信连接的恒流输出，解决当充电电压较小时电池充电不足的问题；
2、本发明中，当电池组电压实现均衡后，通过控制开关可以从均衡模式切换到充电模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1为本发明的电池均衡控制电路的拓扑结构图；
图2为本发明中电池组充电模式的结构示意图，分为两个工作阶段，如图2(a)和图2(b)所示；
图3为本发明的电池均衡控制电路第一工作阶段的结构示意图，其中图3(a)为最低电压电池在奇数位时的充电均衡结构示意图，图3(b)为最低电压电池在偶数位时的充电均衡结构示意图；
图4为本发明的电池均衡控制电路第二工作阶段的结构示意图，其中图4(a)为最低电压电池在奇数位时的充电均衡结构示意图，图4(b)为最低电压电池在偶数位时的充电均衡结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于无线充电器的电池组均衡电路，包括由N个单体电池串联组成的电池组B(B1，B2，...，Bn)，还包括：
电压采集模块，每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将单次采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；
开关信号控制模块，用于接收电压数据判断电池组电压是否均衡，若不均衡，则找出具有最小电压的单体电池BX，根据单体电池BX所在位置来控制电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]和整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]的通断；
无线充电器，由DC直流电源Vin、逆变电路开关组S[S1，S2，S3，S4]、发射线圈TP、接收线圈TS与原副边所串联的电容组C[CP，CS]组成，用于为电池组充电均衡模块提供充电均衡能量，其中：
DC直流电源Vin，用于为整个系统提供能量源；
逆变电路开关组S[S1，S2，S3，S4]，用于将直流电变换为交流电；
发射线圈TP与接收线圈TS，用于实现能量无线传输到电压均衡模块；
电容组C[CP，CS]，用于无线传输的线圈配谐；
电池充电均衡模块，由整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]组成，同时控制整流电路开关和电池开关对最低电压电池充电以实现电池组的电压均衡，在电池组电压已均衡时可切换为电池组充电模式。
进一步地，所述基于无线充电器的电池组均衡电路包括电池组充电模式和单体电池充电均衡模式，若电池组电压为平衡状态，则该电路工作于电池组充电模式；若电池组电压为非平衡状态，则该电路工作为单体电池充电均衡模式。
进一步地，若电池组电压为平衡状态，则控制电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，1、SB，n+2闭合，其余开关断开，该电路工作于电池组充电模式，包括整流电路输入电压大于零和小于零两种工作阶段，在整流电路输入电压大于零的电池组充电阶段，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q1、Q4闭合，Q2、Q3断开，无线充电器即可对电池组B(B1，B2，...，Bn)进行充电；在整流电路输入电压小于零的电池组充电阶段，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q2、Q3闭合，Q1、Q4断开，无线充电器即可对电池组B(B1，B2，...，Bn)进行充电。
进一步地，若电池组电压为非平衡状态，且单体电池BX具有最低电压，则控制电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，其余开关断开，该电路工作为单体电池充电均衡模式，包括整流电路输入电压大于零和小于零两种工作阶段，在整流电路输入电压大于零的均衡阶段，若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的奇数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q1、Q4和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电；若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的偶数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q2、Q3和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电；在整流电路输入电压小于零的均衡阶段，若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的奇数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q2、Q3和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电；若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的偶数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q1、Q4和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电。
一种基于无线充电器的电池组均衡控制方法，包括电池组充电和单体电池充电均衡两种模式，包括以下步骤：
(a)电池组充电模式：
步骤1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；
步骤2.控制开关SB，1、SB，n+2闭合，无线充电器对电池组进行充电；
步骤3.当检测到充电模块电压电池阈值电压时，断开开关SB，1、SB，n+2，充电完成；
(b)单体电池充电均衡模式：
步骤1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；
步骤2.开关信号控制模块找出具有最低电压的单体电池BX，控制对应的开关SB，X、SB，X+1闭合，无线充电器对单体电池BX进行充电；
步骤3.通过每隔时间T更新最低电压的电池，使无线充电器对其进行充电，在一定的时间循环后，电池组电压即可实现均衡。
如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于无线充电器的电池组均衡电路，包括由N个单体电池串联组成的电池组B(B1，B2，...，Bn)，其特征在于，还包括：
电压采集模块，每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将单次采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；
开关信号控制模块，用于接收电压数据判断电池组电压是否均衡，若不均衡，则找出具有最小电压的单体电池BX，根据单体电池BX所在位置来控制电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]和整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]的通断；
无线充电器，由DC直流电源Vin、逆变电路开关组S[S1，S2，S3，S4]、发射线圈TP、接收线圈TS与原副边所串联的电容组C[CP，CS]组成，用于为电池组充电均衡模块提供充电均衡能量，其中：
DC直流电源Vin，用于为整个系统提供能量源；
逆变电路开关组S[S1，S2，S3，S4]，用于将直流电变换为交流电；
发射线圈TP与接收线圈TS，用于实现能量无线传输到电压均衡模块；
电容组C[CP，CS]，用于无线传输的线圈配谐；
电池充电均衡模块，由整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]组成，同时控制整流电路开关和电池开关对最低电压电池充电以实现电池组的电压均衡，在电池组电压已均衡时可切换为电池组充电模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线充电器的电池组均衡电路，其特征在于，所述基于无线充电器的电池组均衡电路包括电池组充电模式和单体电池充电均衡模式，若电池组电压为平衡状态，则该电路工作于电池组充电模式；若电池组电压为非平衡状态，则该电路工作为单体电池充电均衡模式。
3.根据权利要求2所述的一种基于无线充电器的电池组均衡电路，其特征在于，若电池组电压为平衡状态，则控制电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，1、SB，n+2闭合，其余开关断开，该电路工作于电池组充电模式，包括整流电路输入电压大于零和小于零两种工作阶段，在整流电路输入电压大于零的电池组充电阶段，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q1、Q4闭合，Q2、Q3断开，无线充电器即可对电池组B(B1，B2，...，Bn)进行充电；在整流电路输入电压小于零的电池组充电阶段，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q2、Q3闭合，Q1、Q4断开，无线充电器即可对电池组B(B1，B2，...，Bn)进行充电。
4.根据权利要求2所述的一种基于无线充电器的电池组均衡电路，其特征在于，若电池组电压为非平衡状态，且单体电池BX具有最低电压，则控制电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，其余开关断开，该电路工作为单体电池充电均衡模式，包括整流电路输入电压大于零和小于零两种工作阶段，在整流电路输入电压大于零的均衡阶段，若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的奇数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q1、Q4和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电；若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的偶数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q2、Q3和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电；在整流电路输入电压小于零的均衡阶段，若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的奇数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q2、Q3和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电；若BX在电池组B(B1，B2，...，Bn)中的偶数位，整流电路开关组Q[Q1，Q2，Q3，Q4]中Q1、Q4和电池开关组SB[SB，1，SB，2，...，SB，n+2]中SB，X、SB，X+1闭合，两个开关组的其他开关断开，无线充电器即可对BX进行充电。
5.一种基于无线充电器的电池组均衡控制方法，其特征在于，包括电池组充电和单体电池充电均衡两种模式，包括以下步骤：
(a)电池组充电模式：
步骤1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；
步骤2.控制开关SB，1、SB，n+2闭合，无线充电器对电池组进行充电；
步骤3.当检测到充电模块电压电池阈值电压时，断开开关SB，1、SB，n+2，充电完成；
(b)单体电池充电均衡模式：
步骤1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；
步骤2.开关信号控制模块找出具有最低电压的单体电池BX，控制对应的开关SB，X、SB，X+1闭合，无线充电器对单体电池BX进行充电；
步骤3.通过每隔时间T更新最低电压的电池，使无线充电器对其进行充电，在一定的时间循环后，电池组电压即可实现均衡。
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