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基于无线 电能传输技术的 电池组均衡装置

阅读：113发布：2020-05-11

专利汇可以提供基于无线电能传输技术的电池组均衡装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，包括电能发射装置、电能接收装置、均衡控制装置；电能发射装置通过在发射线圈中流过交变电流，进而产生交变磁场，交变磁场穿过电能接收装置中的接收线圈，在接收线圈上产生感应电动势，使电能接收装置接收到来自电能发射装置发射的能量；均衡控制装置根据单体电池开路电压和SOC的曲线，估计每节电池的电量，制定均衡策略；均衡控制装置将均衡策略发送给电能接收装置，并控制开关选通电路，依次对电池组中需要均衡的单体电池进行均衡。本发明基于无线电能传输技术，避免了繁琐的接线操作，提高了电池组均衡的安全性和可靠性，便于对电池组中的电池进行均衡处理。，下面是基于无线电能传输技术的电池组均衡装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，包括电能发射装置、电能接收装置和均衡控制装置；
电能发射装置包括12V直流电源、发射线圈、逆变器、第一无线通讯模块和第一控制器；
逆变器用于将12V直流电源提供的直流电逆变为交流电；第一无线通讯模块用于和均衡控制装置进行通讯；第一控制器用于控制逆变器中桥臂的通断；
均衡控制装置通过检测电池组中每个单体电池的开路电压，根据单体电池开路电压与SOC曲线，估计每个单体电池的电量，制定均衡策略，并通过第二无线通讯模块，将均衡策略发送给电能发射装置，均衡策略由均衡时间和均衡电流两部分组成；电能发射装置中的第一控制器根据收到的均衡策略中均衡电流的大小，控制逆变器中桥臂的开关频率，进而改变电能发射装置发出的功率大小；
电能接收装置包括接收线圈、整流器和恒流调制器，接收线圈用于接收电能发射装置发出的能量；整流器用于将接收线圈接收到的交流电变为直流电；电池组均衡方法是以电池组中所有单体电池的电量相等为目标，恒流调制器发出的均衡电流大小，由电能发射装置发出的功率大小决定。
2.根据权利要求1所述的基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，均衡控制装置包括电压测量电路、开关选通电路、第二无线通讯模块和第二控制器；
电压测量电路用于测量电池组中每节单体电池的开路电压；
开关选通电路用于连通电能接收装置和需要进行均衡的电池；
第二控制器用于接收电压测量电路测出的每节单体电池的开路电压数值，制定均衡策略，控制第二无线通讯模块将均衡策略发送给电能发射装置。
3.根据权利要求2所述的基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，电压测量电路采用集成电压采集芯片AD7280A，AD7280A具有6个差分模拟输入通道，12位AD转换功能，可测量6节单体电池的开路电压；AD7280A内置片内寄存器，第二控制器可对其通道测量的时序进行编程；第二控制器与AD7280A之间使用SPI通讯协议通讯，AD7280A将测量的每节单体电池的开路电压发送给第二控制器。
4.根据权利要求2所述的基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，开关选通电路使用EMB1428Q开关矩阵栅极驱动器，该驱动器提供12个浮栅驱动器，用于控制开关选通电路中的FET开关矩阵，从而使电能接收装置与被均衡电池相连；该驱动器与均衡控制装置的第二控制器之间使用SPI通讯协议通讯，由第二控制器向EMB1428Q开关矩阵栅极驱动器发送指令，选通电能接收装置与被均衡电池之间的开关。
5.根据权利要求4所述的基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，均衡控制装置的第二控制器向开关选通电路中的EMB1428Q开关矩阵栅极驱动器发送指令，连通电能接收装置和某一节需要被均衡的电池；在电能接收装置和此电池连通后，第二控制器开始计时；当计时时间达到此电池的均衡时间后，第二控制器再次向开关选通电路中的EMB1428Q开关矩阵栅极驱动器发送指令，切断电能接收装置与此电池之间的回路，结束该电池的均衡；之后第二控制器按上述步骤依次完成其他电池的均衡。
6.根据权利要求5所述的基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，均衡目标是使电池组中每一节电池的电量都相等，即对电量较低的电池进行恒流充电，使所有电池的电量都等于均衡前，电池组中电量最高的电池的电量；
均衡控制装置中的第二控制器对每一节电池的电量进行估计后，确定需要均衡的电池的编号和均衡电量大小；
均衡电流的大小与需要均衡的电量之间的关系为：若需要均衡的电量，高于当前被均衡电池电量的10％，采用4A的均衡电流；需要均衡的电量，在当前被均衡电池电量的5％～
10％之间，采用2A的均衡电流；需要均衡的电量，低于当前被均衡电池电量的5％，采用1A的均衡电流；
某一节需要均衡的单体电池，其需要均衡的电量和均衡电流确定后，便可计算出均衡时间；均衡控制装置的第二控制器通过第二无线通讯模块，将均衡策略发送给电能发射装置，由电能发射装置来改变均衡电流的大小。
7.根据权利要求6所述的基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，第二控制器优先控制开关选通电路，使电能接收装置与电池组中电量最低的电池相连，优先对此电池进行均衡；在对此电池的均衡结束后，对电量第二低的电池进行均衡，以此类推，完成所有电池的均衡；
在均衡的过程中，均衡控制装置中的第二控制器，实时接收电压测量电路中的AD7280A发送来的所测被均衡电池两端的电压，若某一节被均衡电池的电压，在均衡过程中超过了设定的单体电池上限截至电压，均衡控制装置通过第二无线通讯模块，告知电能发射装置结束均衡。
8.根据权利要求1所述的基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，所述逆变器采用单向全桥逆变电路，逆变电路中的4个桥臂由电力电子开关器件构成，并由第一控制器控制其通断。
9.根据权利要求1所述的基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，所述整流器采用单向全桥整流电路，用于将接收线圈接收到的交流电变为直流电。
10.根据权利要求1所述的基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈均采用圆环形线圈。

说明书全文

基于无线电能传输技术的 电池组均衡装置

技术领域

[0001] 本发明涉及电池均衡技术，特别是一种基于无线电能传输技术的电池组均衡装置。

背景技术

[0002] 电池组通常由多个单体电池串并联构成，以达到某种使用要求。而同一生产批次的同一型号单体电池，在生产制造的过程中也会具有一定的差异，这种差异使单体电池的性能不可避免的存在着不一致性。电池组在充放电的过程中，会加剧单体电池的不一致性，而这种不一致性会影响电池组的工作性能，为电池组带来安全隐患。因此，需要一种对电池组中的单体电池均衡的方法和装置。

[0003] 现有的均衡拓扑主要分为被动式均衡和主动式均衡。被动式均衡拓扑多采用能耗电阻的形式。这种结构是对电池组中的单体电池通过开关并联一个电阻，将电压较高或电量较高的单体电池所具有的多余的能量以热量的形式散失掉。这种方式结构简单，但是存在均衡时间较长，单体电池多余的能量浪费的缺点。

[0004] 主动式均衡拓扑不存在能量耗散的缺点，它是将电压较高或电量较高的单体电池所具有的多余的能量反馈到其他单体电池或者整个电池组。通常采用电感电容作为能量的载体实现能量转移，或者使用变压器或DC/DC变换器作为均衡拓扑。主动式均衡拓扑结构复杂，成本较高。

[0005] 被动式均衡拓扑和主动式均衡拓扑都存在以下缺点：

[0006] (1)电池组与均衡电路之间若采用接插件的形式连接，频繁的接插电池组与均衡电路，可能会带来接插件损坏、接插不牢固的问题。

[0007] (2)接插件存在接触电阻，随着使用次数的增加，接触电阻会变大。接触电阻使得能量白白耗散，也带来了安全隐患。

[0008] (3)由于电池组需要留出接插口与均衡电路连接，因此电池组不能做密封处理，不利于对电池组做防水处理。

[0009] (4)需要工作人员连接电池组与均衡电路之间的线路。

发明内容

[0010] 本发明提出一种基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，避免了繁琐的接线操作，提高了电池组均衡的安全性和可靠性，便于对电池组中的电池进行均衡处理。

[0011] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，包括电能发射装置、电能接收装置和均衡控制装置；

[0012] 电能发射装置包括12V直流电源、发射线圈、逆变器、第一无线通讯模块和第一控制器；逆变器用于将12V直流电源提供的直流电逆变为交流电；第一无线通讯模块用于和均衡控制装置进行通讯；第一控制器用于控制逆变器中桥臂的通断；

[0013] 均衡控制装置通过检测电池组中每个单体电池的开路电压，根据单体电池开路电压与SOC曲线，估计每个单体电池的电量，制定均衡策略，并通过第二无线通讯模块，将均衡策略发送给电能发射装置；均衡策略由均衡时间和均衡电流两部分组成；电能发射装置中的第一控制器根据收到的均衡策略中均衡电流的大小，控制逆变器中桥臂的开关频率，进而改变电能发射装置发出的功率大小；

[0014] 电能接收装置包括接收线圈、整流器和恒流调制器，接收线圈用于接收电能发射装置发出的能量；整流器用于将接收线圈接收到的交流电变为直流电；电池组均衡方法是以电池组中所有单体电池的电量相等为目标，恒流调制器发出的均衡电流大小，由电能发射装置发出的功率大小决定。

[0015] 与现有的技术相比，本发明的显著优点为：

[0016] (1)电池组与均衡电路之间利用无线电能传输技术传输均衡所需的能量，两者之间不需要接插件和导线连接，避免了由接插件带来的接插件容易损坏、接插不牢固的问题；

[0017] (2)采用该均衡方式，避免了电池组与均衡电路之间相连接而存在接触电阻，也解决了由接触电阻所带来的能量耗散问题；

[0018] (3)由于电池组不需要留出与均衡电路连接的接插口，电池组容易做密封防水处理；

[0019] (4)采用该均衡方式，使工作人员不再需要连接电池组与均衡电路，工作人员的操作更加简单方便，均衡过程也更为安全可靠。附图说明

[0020] 图1为电能发射装置中的逆变器所采用的单向全桥逆变电路示意图。

[0021] 图2为电能接收装置中的整流器所采用的单向全桥整流电路示意图。

[0022] 图3为均衡控制装置中的开关选通电路示意图。

[0023] 图4为均衡控制装置中的电压测量电路示意图。

[0024] 图5为基于无线电能传输技术的电池组均衡装置的电能发射装置结构示意图。

[0025] 图6为基于无线电能传输技术的电池组均衡装置的电能接收装置结构示意图。

[0026] 图7为基于无线电能传输技术的电池组均衡装置的均衡控制装置结构示意图。

具体实施方式

[0027] 一种基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，该装置利用无线电能传输技术传输均衡所需要的能量；通过检测单体电池的开路电压并根据开路电压和SOC曲线估计单体电池电量；根据估计得出的电池电量分别对需要均衡的单体电池进行均衡。该装置包含三个组成部分：电能发射装置、电能接收装置、均衡控制装置。

[0028] 电能发射装置包括12V直流电源、发射线圈、逆变器、第一无线通讯模块和第一控制器；逆变器用于将12V直流电源提供的直流电逆变为交流电；第一无线通讯模块用于和均衡控制装置进行通讯；第一控制器用于控制逆变器中桥臂的通断；

[0029] 均衡控制装置通过检测电池组中每个单体电池的开路电压，根据单体电池开路电压与SOC曲线，估计每个单体电池的电量，制定均衡策略，并通过第二无线通讯模块，将均衡策略发送给电能发射装置；均衡策略由均衡时间和均衡电流两部分组成；电能发射装置中的第一控制器根据收到的均衡策略中均衡电流的大小，控制逆变器中桥臂的开关频率，进而改变电能发射装置发出的功率大小；

[0030] 电能接收装置包括接收线圈、整流器和恒流调制器，接收线圈用于接收电能发射装置发出的能量；整流器用于将接收线圈接收到的交流电变为直流电；电池组均衡方法是以电池组中所有单体电池的电量相等为目标，恒流调制器发出的均衡电流大小，由电能发射装置发出的功率大小决定。

[0031] 进一步的，所述逆变器采用单向全桥逆变电路，逆变电路中的4个桥臂由电力电子开关器件构成，并由第一控制器控制其通断。

[0032] 进一步的，所述整流器采用单向全桥整流电路，用来将接收线圈接收到的交流电变为直流电。

[0033] 进一步的，所述发射线圈和接收线圈均采用圆环形线圈。

[0034] 进一步的，均衡控制装置包括电压测量电路、开关选通电路、第二无线通讯模块和第二控制器；

[0035] 电压测量电路用来测量电池组中每节单体电池的开路电压；

[0036] 开关选通电路用于连通电能接收装置和需要进行均衡的电池；

[0037] 第二控制器负责接收电压测量电路测出的每节单体电池的开路电压数值，制定均衡策略，负责操控第二无线通讯模块将均衡策略发送给电能发射装置。

[0038] 进一步的，电压测量电路采用集成电压采集芯片AD7280A，AD7280A具有6个差分模拟输入通道，12位AD转换功能，可以测量6节单体电池的开路电压；AD7280A内置片内寄存器，第二控制器可对其通道测量的时序进行编程；第二控制器与AD7280A之间使用SPI通讯协议通讯，AD7280A将测量的每节单体电池的开路电压发送给第二控制器。

[0039] 进一步的，开关选通电路使用EMB1428Q开关矩阵栅极驱动器，该驱动器提供12个浮栅驱动器，用于控制开关选通电路中的FET开关矩阵，从而使电能接收装置与被均衡电池相连；该驱动器与均衡控制装置的第二控制器之间使用SPI通讯协议通讯，由第二控制器向EMB1428Q开关矩阵栅极驱动器发送指令，选通电能接收装置与被均衡电池之间的开关。

[0040] 进一步的，均衡目标是使电池组中每一节电池的电量都相等，即对电量较低的电池进行恒流充电，使所有电池的电量都等于均衡前，电池组中电量最高的电池的电量；

[0041] 均衡控制装置中的第二控制器对每一节电池的电量进行估计后，确定需要均衡的电池的编号和均衡电量大小。

[0042] 均衡电流的大小由被均衡电池需要均衡的电量所决定。为了使均衡的速度较快，希望均衡电流越大越好。但是当均衡电流过大，而某一节被均衡电池需要均衡的电量较小时，会导致均衡时间较短，不利于控制。考虑上述因素，均衡电流的大小与需要均衡的电量之间的关系为：若需要均衡的电量，高于当前被均衡电池电量的10％，采用4A的均衡电流；需要均衡的电量，在当前被均衡电池电量的5％～10％之间，采用2A的均衡电流；需要均衡的电量，低于当前被均衡电池电量的5％，采用1A的均衡电流；

[0043] 某一节需要均衡的单体电池，其需要均衡的电量和均衡电流确定后，便可计算出均衡时间；均衡控制装置的第二控制器通过第二无线通讯模块，将均衡策略发送给电能发射装置，电能发射装置中的第一控制器，通过控制逆变器中单向全桥逆变电路桥臂的开关频率，来改变均衡电流的大小。

[0044] 进一步的，均衡控制装置的第二控制器向开关选通电路中的EMB1428Q开关矩阵栅极驱动器发送指令，连通电能接收装置和某一节需要被均衡的电；在电能接收装置和此电池连通后，第二控制器开始计时；当计时时间达到此电池的均衡时间后，第二控制器再次向开关选通电路中的EMB1428Q开关矩阵栅极驱动器发送指令，切断电能接收装置与此电池之间的回路，结束该电池的均衡。之后控制器按上述步骤依次完成其他电池的均衡。

[0045] 第二控制器优先控制开关选通电路，使电能接收装置与电池组中电量最低的电池相连，优先对此电池进行均衡；在对此电池的均衡结束后，对电量第二低的电池进行均衡，以此类推，完成所有电池的均衡；

[0046] 在均衡的过程中，均衡控制装置中的第二控制器，实时接收电压测量电路中的AD7280A发送来的所测被均衡电池两端的电压，若某一节被均衡电池的电压，在均衡过程中超过了设定的单体电池上限截至电压，均衡控制装置通过第二无线通讯模块，告知电能发射装置结束均衡。

[0047] 下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

[0048] 实施例

[0049] 一种基于无线电能传输技术的电池组均衡装置，包括电能发射装置、电能接收装置、均衡控制装置；电能发射装置通过在发射线圈中流过交变电流，进而产生交变磁场，以此起到传输电能的作用；交变的磁场穿过电能接收装置中的接收线圈，在接收线圈上产生感应电动势，进而使电能接收装置接收到来自电能发射装置发射的能量；均衡控制装置检测电池组中每节单体电池的开路电压；根据单体电池开路电压和SOC的曲线，估计每节电池的电量，从而判断电池组中哪些电池需要均衡，制定相应的均衡策略；均衡控制装置将均衡策略发送给电能接收装置，并控制开关选通电路，依次对电池组中需要均衡的单体电池进行均衡。

[0050] 均衡控制装置如图7所示。均衡控制装置的电压测量电路测量每节单体电池的开路电压，并将开路电压的数值发送给均衡控制装置中的第二控制器。第二控制器收到每节单体电池的开路电压后，根据单体电池的开路电压和SOC曲线估计电池组中每节电池的电量。均衡目标是使每一节电池的电量都相等，即对电量较低的电池充电，使所有电池的电量都等于均衡前电池组中电量最高的电池的电量。第二控制器根据此均衡目标制定均衡策略，均衡策略包括均衡电流和均衡时间。均衡控制装置的电压测量电路采用集成电压采集芯片AD7280A。AD7280A具有6个差分模拟输入通道，12位AD转换功能，可以测量6节单体电池的开路电压。电压测量电路如图4所示。

[0051] 均衡控制装置中的第二控制器对每一节电池的电量进行估计后，便可确定需要均衡的电池的编号和均衡电量大小。均衡电流的大小由被均衡电池需要均衡的电量所决定。为了使均衡的速度较快，希望均衡电流越大越好。但是当均衡电流过大，而某一节被均衡电池需要均衡的电量较小时，会导致均衡时间较短，不利于控制。考虑上述因素，均衡电流的大小与需要均衡的电量之间的关系，规定为：若需要均衡的电量，大于等于当前被均衡电池电量的10％，采用4A的均衡电流；需要均衡的电量，大于等于当前被均衡电池电量的5％，小于当前被均衡电池电量的10％，采用2A的均衡电流；需要均衡的电量，小于当前被均衡电池电量的5％，采用1A的均衡电流。

[0052] 均衡控制装置的第二控制器根据被均衡电池需要均衡的电量和均衡电流的大小，便可计算出均衡时间，并通过第二无线通讯模块，将均衡策略发送给电能发射装置。均衡控制装置的第二控制器，优先控制开关选通电路，使电能接收装置与电池组中电量最低的电池相连，优先对此电池进行均衡。在对此电池的均衡结束后，对电量第二低的电池进行均衡，以此类推，完成所有电池的均衡。

[0053] 均衡控制装置的开关选通电路，使用EMB1428Q开关矩阵栅极驱动器。该驱动器提供12个浮栅驱动器，用于控制开关选通电路中的FET开关矩阵，从而使电能接收装置与被均衡电池相连。开关选通电路如图3所示。

[0054] 电能发射装置如图5所示。电能发射装置的电源为12V直流电源，由圆环形发射线圈向电能接收装置发射能量。为了在发射线圈中通过交流的电流，需要逆变器将12V直流电源提供的直流电逆变为交流电。电能发射装置具有第一控制器，第一控制器通过控制逆变器，从而改变电能发射装置发出能量的功率。电能发射装置具有第一无线通讯模块，用来和均衡控制装置通讯。

[0055] 电能发射装置的逆变器采用单向全桥逆变电路，如图1所示。逆变电路中的4个桥臂由电力电子开关器件构成，并由第一控制器控制其通断。电能发射装置的第一控制器接收到均衡控制装置发出的均衡策略后，根据收到的均衡策略中均衡电流的大小，来控制逆变器中桥臂的开关频率，进而改变电能发射装置发出的功率大小，改变均衡电流的大小。

[0056] 电能接收装置如图6所示。电能接收装置具有圆环形接收线圈，用来接收电能发射装置发出的能量。为了将接收线圈接收到的交流电变为直流电，电能接收装置应具有整流器。电池组均衡，是以电池组中所有单体电池的电量相等为目标，采用恒定电流对电量较低的单体电池充电的方法实现，因此电能接收装置还应具有恒流调制器。恒流调制器发出的均衡电流大小，由电能发射装置发出的功率大小决定。

[0057] 电能接收装置的整流器，采用单向全桥整流电路，如图2所示。整流器用来将电能接收装置的接收线圈接收到的交流电整流为直流电，该直流电通过恒流调制器调制后，即可变为恒定电流，以用来对电池组中需要均衡的电池均衡。

[0058] 均衡的过程中，均衡控制装置中的第二控制器，时刻接收电压测量电路中的AD7280A发送来的所测被均衡电池两端的电压。若某一节被均衡电池的电压，在均衡过程中超过了设定的单体电池上限截至电压，均衡控制装置立刻通过第二无线通讯模块，告知电能发射装置结束均衡。

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