CN113131540A - 一种基于磁共振无线传电技术的电池主动均衡电路及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明专利申请提供了一种基于磁共振无线传电技术的电池主动均衡电路及其控制方法，包括：多个磁共振线圈及电容，用于各串联电池谐振回路的电能传输；多个由开关及二极管组成的交直流双向变换电路，用于电池直流电与谐振回路的交流电之间的相互转化；多个开关组合驱动逻辑，用于电池管理系统MCU驱动上述开关的动作。每节电池拥有独立的谐振电路，交直流变换电路以及开关驱动逻辑，控制器通过控制开关驱动逻辑来控制每节电池在均衡过程中的无线充电及放电状态。本方案创新的采用了磁共振无线传电方式进行电池均衡，与传统的有线方案相比更便捷；相比同类无线方案，本方案电路结构及控制方法简单，实用性强。

Description

一种基于磁共振无线传电技术的电池主动均衡电路及其控制 系统
技术领域
本专利申请涉及无线充电及电池管理领域，主要涉及基于磁共振的无线充放电技术，电池管理及主动均衡技术，尤其是一种基于磁共振电路的电池主动均衡及管理技术。
背景技术
随着以石油为代表的化石能源的短缺以及其对环境负面影响的加剧，以电能为主导的新能源技术发展越来越迫切。当今社会以电动汽车为代表的大功率移动电源的应用技术是新能源领域的热门技术。新能源汽车主要依靠动力电池来存储电能并作为移动电源使用，现在动力电池的移动应用技术上面临的最大两个问题分别是：续航偏低和充电不便。其中续航低主要是电池能量密度低(比汽油低一个数量级)的原因，需要从电化学的层面去解决；而充电问题由诸如电池容量、充电方式、充电功率限制等多方面原因决定。为了在现有电池能量密度下尽量提高续航里程，业界都是通过做电池的均衡技术来提高电池单体间的一致性从而减少续航损失。而为了提高充电的便捷性，无线充电已经成为了新能源汽车充电问题的热门解决方案，并且随着该技术的成熟将越来越得到普及。
一般动力电池组通常是通过多个单体电池串并联组合来组成的(并联主要是为了提高容量，串联主要是为了提高电压)。当对电池组总成进行充放电时，各串联电池之间的电流是一样的。由于各个单体电池的不一致性，很容易造成电池组容量的不均衡，也就是说有的单体电池容量高，有的电池容量低，而每个单体电池容量都是有上下限(一般用电池电压来衡量)，如果超过则会对电池造成损害，甚至触发安全事故。充电的时候容量高的电池先充满，此时为了保护电池需要切断充电，这样导致容量低的电池没被充满，从而整个电池组容量充不满；类似的，放电的时候容量低的先被放空，此时停止放电，会导致电量高的电池能量没有被利用。所以，当单体电池间不均衡时会导致整个电池组的能量利用率降低，这变相降低了电池组的容量，在电动汽车上会导致续航里程的减少。
均衡就是通过电控手段使串联电池组中的单体之间电压偏差保持在预期的范围内的一种技术。电池均衡又可以分为被动均衡和主动均衡两种，其中被动均衡是指将电压高的单体电池的多余电量通过电阻放电以热量的形式耗掉。被动均衡实现起来相对简单，但是存在一定的不安全因素，且不利于节能环保；主动均衡是指将高电压的单体电池的一部分电量通过一定的电能转换装置补充到低压电池上去，这样就能从根本上来提高电池组的等效容量。一般的主动均衡方案中都会有使用电感或者电容来作为储能元件来转移电能。已有技术方案一般都是有线的方式进行电气连接并实现均衡，而已有无线方式均衡的专利 CN201310115905.9，电路构造及充电方案非常复杂。本方案基于已有的磁共振无线充电系统稍作改动就可以实现，电路及控制方法都比较简单，实用性通用性更强。
磁共振无线充电系统的核心是基于电感电容组成的二次谐振原理，通过电感线圈来实现电能的双向传输，也可以实现双向无线通信。本发明方法的核心部件是一组同心共圆柱体的无线充放电的线圈，这些线圈几何参数(外形尺寸)和电气参数(电感电阻)都相同，而且相互之间全耦合(拥有公共的沿圆柱体轴线的磁路，理想状态下无漏磁)，而且这些线圈通过电路匹配可以作为电池组整体对外进行无线充放电的主线圈。再通过匹配上一定的电路及控制方法，在能够支持待机及充放电过程中的多种主动均衡模式。随着无线充电的普及，无线充电很大可能会集成到电池包总成(包含电池及其管理系统)中，这样可以实现整个电池包对外的无线传电和通信，从而大大提高移动应用的便捷性。所以，集成无线充放电功能的电池管理系统是趋势所在，本方案有着广泛的应用前景。
发明内容
针对目前无线充电模块独立于电池管理系统的现状，本发明提出了一种集成无线充电功能的电池管理系统，通过对充放电线圈电气连接的改造，构造了一种基于LC谐振原理，支持单体电池及多个电池的充放电及均衡的电路，然后通过对充放电控制策略的定制，能够支持电池组在充放电及静止过程中的主动均衡。通过该方案可以在电池组充电过程中提高充电效率，减少充电时间；在放电过程中可以节省能量，从而增加巡航里程。
附图说明
图1是基于普通无线充电系统(图左)构建本专利方案框(图右)示意图。
图2是本专利单节电池均衡电路示意图
图3是电池发射电能原理示意图
图4是电池接收电能原理示意图
图5是电池间歇式脉冲充电电压及电流示意图
图6是电池充放电电路状态与控制信号对应关系示意图
图7是相邻两节串联电池充放电控制连接关系示意图
图8是相邻两节串联电池充放电控制逻辑关系真值表示意图
具体实施方式
如图1左所示，其主要由LC磁共振回路(L为主线圈电感值，C为谐振匹配电容值)，交直流变换及开关电路和电池组(由多节单体电池通过串并联的方式组成)组成。其中AC+和AC-表示交直流变换器的输入连接端口，DC+和DC-表示输出连接端口。保留主回路交直流变换器及其连接端口，根据电池串联数(假设由n节串联)将无线充放电主线圈平均分成n个小电感，使每个小电感值相等记为Lx，并且共磁路(全耦合，无漏磁)，将每个Lx 匹配串联上一个电容Cx并与每节串联电池形成各自的谐振回路。如图1右所示，为改造之后的电路，根据电路定理Lx＝L/n2，为了使每个LxCx回路的谐振频率与原LC电路的谐振频率一致，Cx＝n2C，Cy＝C*n/(n-1)，其中C为原谐振匹配电容值。下面虚线框内为每节电池的双向充放电控制电路，其由电池管理系统控制。其详细结构如图2所示：第i串电池 Bi两端并联一个电容Cb和一个稳压管Zb，DK+为正极组合开关(由两个二极管和两个可控开关构成)，DK-为负极组合开关，Rb为电池回路等效电阻，D1和D2为二极管，K为谐振回路可控开关，Rx为谐振回路等效电阻。该电路通过适当的开关控制可以工作在两种不同的状态模式：谐振发射和谐振接收。
当第i串电池电量过高需要给其他低电量电池补电时，该电路工作在谐振发射状态，按照如下2个流程操作：
1，控制导通DK+的右开关和DK-的左开关(其他开关都断开)，给谐振回路电容充电。电容充满电后电压为Ub-2*Vd，其中Ub为电池电压，Vd为二极管正向压降。如图3左所示，充电电流方向为从电池正通过DK+到谐振电容和电感再经过DK-到电池负极。
2，谐振电容充满电后，断开DK+和DK-的两个开关，导通谐振回路开关K，使谐振回路进入谐振状态(因有电阻R2存在，实际是阻尼谐振)，对外发射电磁能量，谐振电压初始电压幅值Ux0＝Ucx0*Qx，其中Ucx0为谐振电容初始电压，Qx为谐振电路品质因数。如图 3右所示，为谐振回路在K闭合后进入阻尼谐振状态的电流方向示意图。
当第i串电池电量过低需要接收其他高电量电池补电时，该电路工作在谐振接收状态，按照如下流程操作：
1，控制导通DK+的左开关和DK-的右开关(其他开关都断开)，这时如图4所示，LC谐振回路与电池正负极之间正好形成一个由D1，D2和DK+右、DK-左四个二极管组成的整流桥。由于各电感之间是全耦合的，所以接收电路LC两端电压就等于电容初始电压Uc0叠加上发射电路谐振电压Ux。在整个谐振周期中，根据电路原理，只要满足|Uc0+Ux|>Ub+2*Vd, 电池就可以充电，否则谐振回路处于开路状态，电容和电感会暂时存储部分电能。所以，整个谐振接收过程中电池是间歇式脉冲充电，如图5所示。
只要调整好谐振电路Qx值就可以控制谐振电压的幅值，从而控制电池平均充电电流大小。根据电路原理，
Figure RE-GDA0002426539590000031
在Lx确定的情况下，只要适当设置Cx和Rx两个参数就可以了。由上面描述同一串电池的充放电电路工作时一共有三种受控状态，再加上默认的非工作状态(全部开关断开状态)，正好有四种控制状态，可以用两个二进制信号进行组合控制。所以，每串电池充放电回路需要有两根控制信号：一个是通道使能信号记为CHN，另一个是模式选择记为MOD，电路状态与控制信号对应关系如图6表格所示。整个电池组及电路系统包含n串电池，n个谐振开关K，n+1个DK和2n个独立控制信号，除了最高节的DK+和最低节的DK-外，其他的DK都是上下两个串联电路公用的。如图7所示，电池Bi和Bj中间的DK是公用的，其对Bi来说就是DKi-，而对Bj来说是DKj+，所以其控制条件由Bi和Bj两个回路的状态模式同时决定。那么对于中间公用的DK来说其由 CHNi，CHNj，MODi和MODj四个信号综合控制，其左右两个开关控制状态对应的真值表如图8所示，电池管理系统软件只要根据电池状态按照图6和图8的逻辑关系进行控制就可以了。
本方案完全兼容已有的磁共振无线充电系统，其原有充电控制电路无需修改。再增加本专利方案电路及控制方法后，能够支持单个电池的之间的无线充放电均衡。也可以利用原有充电电路在接收外部无线充电时根据各单体电池状态进行选择性的精准补电，这充分提高了充电效率。

Claims (7)

1.电池组无线充放电均衡系统，包括：多个磁共振线圈及电容组成的电池LC谐振回路的电能发射和接收；多个由开关及二极管组成的交直流双向变换电路，用于将电池直流电与谐振回路的交流电之间的相互转化；多个开关组合驱动电路，用于连接MCU控制器的数字信号并驱动上述开关的动作。
2.根据权利要求1所述电池均衡系统，其特征在于每个串联电池独立组成无线充放电回路，包括谐振回路，交直流变换电路和开关驱动电路。
3.根据权利要求1所述谐振回路，其特征在于每个串联电池的LC谐振回路串联起来形成整个电池组的等效LC谐振回路。
4.根据权利要求1所述交直流双向变换电路，其特征在于能够将电池放电的直流电压转换成LC谐振回路交流电压。
5.根据权利要求1所述交直流双向变换电路，其特征在于能够将谐振回路交流电压转换成直流电压给电池充电。
6.根据权利要求2所述电池充放电回路，其特征在于每节电池的开关驱动电路都可以通过控制器的两根数字信号线CHN和MOD来编码实现控制。
7.根据权利要求5所述控制，其特征在于通过控制器通过图9所示开关控制真值表进行控制对应开关驱动的控制。
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