CN103199587A - 利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡的方法及*** - Google Patents
利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡的方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡和数据指令传输的方法及***，***包括电池管理***、电池包、低压电池，电池包为由单体电池串联组成的高压电池模组，各个单体电池、电池管理***和低压电池都有一个接收和发射无线电能与数据指令的电路，该电路包含一个微处理器、输入输出电路、电池信息采集电路、串联谐振电路等，所有线圈处于同一电场或磁场中。一种廉价、可靠和高效的电池包电池双向主动均衡的能量转换方法，并利用该方法实现单体电池信息向电池管理器传输和电池管理器向各电池单体发送电能转移指令。
Description
技术领域
本发明涉及电池均衡领域，特别涉及一种利用无线充电的方式达到新能源汽车的电池主动均衡目的的方法及***。
背景技术
随着石油资源的日益紧缺，新能源汽车的发展越来越受到各大车厂的重视。新能源汽车指的是除汽油、柴油发动机之外的所有其它能源汽车。包括燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车等。电池对于新能源汽车来说是一个重要的部件。在新能源车上，为了获得较大的电源功率，通常会采用串联电池方法组成电池组（或电池包）。当对一组电池充放电时，考虑到各个单体电池的不一致性，一般会采用均衡措施来确保安全性和稳定性。均衡就是利用电子技术，使电池单体电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常使用时不发生损坏。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。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或其他形式耗掉，被动均衡的实现简单，但是存在一定的不安全因素，且不利于节能和环保；主动均衡是指将高电压的单体电池的一部分电量通过转换装置回送到电池电路或直接转送到低压电瓶中。主动均衡的方案中比较常见的是利用变压器实现高低压电气隔离和电能转换，但由于材料温度敏感、体积大、重量大等原因，变压器并不非常适合用于汽车这样温差大、震动强烈的环境。本发明方法的核心部件是一个线圈，对比传统的变压器无论在价格、体积、重量等方面都有绝对的优势，而且利用线圈除了可以实现无线充电功能还可以发送数据，还可以将单体电池的电压、温度等信息通过无线的方式发送到电池管理***，更可以实现电能的定向和双向传输。由于无线充电的以上几点优势可以预测到无线充电技术的加入将对新能源汽车的电池均衡发展起到巨大的促进作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种廉价、可靠和高效的电池包电池双向主动均衡的能量转换装置，并利用该装置实现单体电池信息向电池管理器（BMS）传输和电池管理器（BMS）向各电池单体发送电能转移指令的方法。
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡的方法，
步骤一：电池管理***通过与电池管理***连接的线圈向无线充电***所在的电场或磁场内的所有与电池连接的线圈发送信号采集的请求信号；
步骤二：电池包内的各电池单体和低压电池各自按照事先规定好的顺序依次向电池管理***发送各自的电池的信号；
步骤三：电池管理***通过接收到的各个信号判断是否需要执行电池均衡动作：
如果不需要执行电池均衡动作，则电池均衡结束；
如果需要执行电池均衡动作，则电池管理***发送电池均衡指令给需要放电的电池及需要充电的电池，需要放电的电池切换到向外无线供电状态，需要充电的电池切换到被充电状态；
步骤四：充电完成后，向电池管理***发送均衡完成信号；并重新开始步骤一。
作为本发明的进一步改进，所述电池包内的各电池单体和低压电池各自按照事先规定好的顺序依次向电池管理***发送各自的电池电压、温度信号。
作为本发明的进一步改进，与电池管理***连接的无线充电线圈电路和与电池连接的无线充电线圈电路的谐振频率相同。
作为本发明的进一步改进，需要放电的电池或需要充电的电池向电池管理***发送均衡完成信号。
作为本发明的进一步改进，当需要放电的电池的电压通过向外无线供电而降到与电池包内的其它电池单体的电压相同时，需要放电的电池的无线控制器将线圈关闭，停止向外供电，而需要充电的电池单体的无线控制器检测到没有充电能量发送过来后也将线圈断开。
作为本发明的进一步改进，还包括低压电池，电池包内的电池单体可以向低压电池进行充电，低压电池也可以向各个电池单体进行充电。
实现上述方法的***，其包括电池管理***、电池包、低压电池，电池包为由单体电池串联组成的高压电池模组，各个单体电池、电池管理***和低压电池都有一个接收和发射无线电能与数据指令的电路，该电路包含一个微处理器、输入输出电路和电池信息采集电路、串联谐振电路，所有线圈处于同一电场或磁场中。
本发明对高低压部分隔离效果更佳。在传统的电池管理***里面高压和低压部分之间的隔离一直是一个大问题，即使使用了各种隔离芯片和隔离变压器都只能达到几千伏的隔离电压，而无线充电的线圈可以在数厘米到数米的距离传递能量和信号，隔离电压可以非常容易达到数万伏到数千万伏。
成本大幅度降低。省去了各种变压器、隔离芯片和各种耐高压信号线带来的是整个***的成本大幅度地降低。
实现了电能的定向传递。利用了线圈的无线供电和信号传输功能使得电能的传输变得非常简单。因为处于同一磁场内的任一个电池的电能都可以向另一个或多个指定电池供电，非常方便就可以实现电能的定向传递。
实现了电池电压、温度等信号的无线传输。
附图说明
图1为本发明的电池均衡***组成的***架构图。
图2为磁共振方式的无线供电原理。
图3为利用无线方式传输数据的方法。
图4为无线传输的数据的读取方法。
图5为电池模组（电池包）的主动均衡的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供了一种利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡和数据指令传输的方法及***，***包括电池管理***、电池包、低压电池，电池包为由单体电池串联组成的高压电池模组，各个单体电池、电池管理***和低压电池都有一个接收和发射无线电能与数据指令的电路，该电路包含一个微处理器、输入输出电路、电池信息采集电路、串联谐振电路等，所有线圈处于同一电场或磁场中。
如图1所示为本发明的***架构图。图1中单体电池上的MCU为电池单体的无线控制器，B部分为新能源汽车的电池管理***（BMS），C部分为由单体电池串联组成的高压电池模组（电池包），12V电池为汽车低压用电器供电的蓄电池。图中各个单体电池、电池管理***和低压电池都有一个由线圈与电容组成的具有同一震荡频率的电路，该电路包含一个微处理器（MCU）、一些输入输出电路和电池信息采集电路，它既可以切换线圈的充电和受电状态，还可以发送和接收数据（如图3）。
如图2所示为无线供电的原理。当一个线圈即电感与一个电容串联，它们所组成的震荡电路的频率关系为
若排列在磁场中的两个线圈，当两个线圈调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。从传统理理论上说，电能可以虽然可以转化为通过无形的介质传播的电磁波，实现电能的无线传输，但是电磁波是向四面八方辐射的，能量会大量散失，所以无线充电效率不高。本方法的突破之处在于利用了“抓住”电磁波的方法，即利用了物理学的“共振”原理——两个振动频率相同的物体能高效传输能量。所以本方法解决了无线充电效率低下的问题，使得电池包利用无线供电实现主动均衡的效率得到保证。
如图3所示为无线传输信号的方法。当一个利用固定频率作为载波的方波信号输入到拥有相同频率的电容电感发射电路，该信号即可通过无线的方式被有同样震荡频率的接收电路接收，这样就可以达到无线通信的目的。
如图3所示为两个具有某一相同固定振荡频率的线圈，当一个线圈利用该频率作为载波将要发送的信号变成调制波发送到线圈，经过电感和电容后该调制信号就变成了具有正弦波特性的信号通过无线发送出去，另一个在该磁场内的线圈就会得到一个相同的具有正弦波特性的信号。通过该方法即可实现在某一磁场内实现信号的传输。利用该无线传输信号方法可以传输单体电池电压信号、电池温度信号、电池管理***的控制信号、低压电池的充电信号等。
如图4所示为无线数据的识别方法。当发送端的方波调制信号为高时，接收端线圈接收到的信号为一段幅值较高的正弦波，当发送端的方波调制信号为低时，接收端线圈接收到的信号为一段幅值较低的正弦波。接收端线圈的信号识别方法为以一个下降沿为开始到下一个下降沿结束作为一位，在一个字节中一个上升沿到下一个下降沿的时间长的为“1”，时间短的为“0”。“0”和“1”的数据段即可组成数据，该数据既可以传递电池单体信息也可以传递BMS充电指令。
无线充电的实现方法:
对于本方法里的电池主动均衡的无线充电方法可以包电场耦合、电磁感应和磁共振等无线充电方式。其中电磁感应方式的根本原理是一个利用电磁感应原理进行充电的设备，类似于电压器。在发送端和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有交流电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给用电设备供电；磁共振的方式的原理与声音的共振原理相同。排列好振动频率相同的音叉，一个发声的话，其它的也会共振发声。同样，排列在磁场中的相同振动频率的线圈，也可以从一个向另一个供电。相对于电磁感应方式，磁共振方式可以延长传输距离。且磁共振方式不同于电磁感应方式，无需使线圈间的位置完全吻合。这样使用磁共振方式的电池主动均衡的线圈布置可以自由得多，可以根据电池包的结构有选择性的排布线圈而不会影响到充电效率和信号传输。
电池主动均衡的实现方法。如图1所示，假设电池包C内的1号单体电池的电压过高需要向外释放部分能量，而2号单体电池电压过低需要补充能量，这时最理想的做法是将1号电池单体的能量传输到2号电池单体上，使得电池包C内各个电池单体的电压均衡，利用本发明的方法既可以简单做到。如图5所示：首先电池管理***B通过线圈向该磁场内的所有线圈发送信号采集的请求信号，电池包C内的各电池单体和低压电池都各自按照事先规定好的顺序依次向电池管理***C发送各自的电池电压、温度等信号。电池管理***通过接收到的各个信号判断出1号电池单体电压过高，而2号电池单体电压过低。接着，电池管理***再次向该磁场发送1号电池单体向2号电池单体充电若干的信号，各个线圈接收到该信号后先判断管不管自己的事，如果与自己有关再执行相关动作。1号电池单体接收到自己需要向外充电的指令，1号的无线控制器随即将线圈切换到供电状态，开始向外发送能量。而2号电池单体收到接受充电的指令，所以2号的无线控制器将线圈切换到接收状态，这时2号电池单体就可以接收到1号电池发送出来的电能。而此时，由于接收到的信号指令不关自己的事，其它电池单体和低压电池都没有将线圈切换到接收状态，所以此时1号电池的能量只被2号电池接收，对同一时间内在该磁场内的其它线圈没有影响。当1号电池的电压通过无线供电而降到与电池包C内的其它电池单体的电压相同时，1号电池的无线控制器将线圈关闭，停止向外供电，而2号电池单体的无线控制器检测到没有充电能量发送过来后也将线圈断开。最后，所有电池的线圈再次依次向电池管理***B发送各自的电池电压、温度等信号，电池管理***B再通过判断决定需不需要执行充电动作或执行怎样的充电动作。同理，电池包内的电池单体可以向12V低压电池进行充电，12V低压电池也可以向各个电池单体进行充电。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡的方法，其特征在于：
步骤一：电池管理***通过与电池管理***连接的线圈向无线充电***所在的电场或磁场内的所有与电池连接的线圈发送信号采集的请求信号；
步骤二：电池包内的各电池单体和低压电池各自按照事先规定好的顺序依次向电池管理***发送各自的电池的信号；
步骤三：电池管理***通过接收到的各个信号判断是否需要执行电池均衡动作：
如果不需要执行电池均衡动作，则电池均衡结束；
如果需要执行电池均衡动作，则电池管理***发送电池均衡指令给需要放电的电池及需要充电的电池，需要放电的电池切换到向外无线供电状态，需要充电的电池切换到被充电状态；
步骤四：充电完成后，向电池管理***发送均衡完成信号；并重新开始步骤一。
2.根据权利要求1所述的利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡的方法，其特征在于：所述电池包内的各电池单体和低压电池各自按照事先规定好的顺序依次向电池管理***发送各自的电池电压、温度信号。
3.根据权利要求1所述的利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡的方法，其特征在于：与电池管理***连接的无线充电线圈电路和与电池连接的无线充电线圈电路的谐振频率相同。
4.根据权利要求1所述的利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡的方法，其特征在于：需要放电的电池或需要充电的电池向电池管理***发送均衡完成信号。
5.根据权利要求1所述的利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡的方法，其特征在于：当需要放电的电池的电压通过向外无线供电而降到与电池包内的其它电池单体的电压相同时，需要放电的电池的无线控制器将线圈关闭，停止向外供电，而需要充电的电池单体的无线控制器检测到没有充电能量发送过来后也将线圈断开。
6.根据权利要求1所述的利用无线充电实现新能源汽车电池主动均衡的方法，其特征在于：还包括低压电池，电池包内的电池单体可以向低压电池进行充电，低压电池也可以向各个电池单体进行充电。
7.实现权利要求1至6任意一项所述方法的***，其特征在于：其包括电池管理***、电池包、低压电池，电池包为由单体电池串联组成的高压电池模组，各个单体电池、电池管理***和低压电池都有一个接收和发射无线电能与数据指令的电路，该电路包含一个微处理器、输入输出电路和电池信息采集电路、串联谐振电路，所有线圈处于同一电场或磁场中。
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