电动大巴动力电池组的谐振分组式无线充电_宋显锦

1、2013 年电 工 技 术 学 报Vol.28Sup.2第 28 卷增刊 2TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY2013电动大巴动力电池组的谐振分组式无线充电宋显锦 1,2刘国强*1张超 1夏慧 1张瑞华 1徐小宇 3（1. 中国科学院电工研究所北京2. 中国科学院大学北京 3. 中国科学院微电子研究所北京）摘要 电动汽车是国家着力推动的新能源计划的重要组成部分，其车载电池的研究制造及管 理系统的开发占据着重要的位置。目前动力电池的充电以有线整充为主。磁谐振式无线电能传输 技术是基于谐振耦合现象，利用近场磁场进行非辐射性、中距离输电的新技

2、术，据此一些高校和 研究院所也针对电动车提出无线整充的方案。整充方式没有把电池能量管理和电能传输结合起来 考虑，而是两个分离的系统单独运行，电池均衡过程造成充电效率不高。文章结合动力电池的电 池能量管理特点，充分利用无线电能传输的特有传输方式，提出动力电池组的分组式无线充电及 具体实施方案，探讨了技术实现的关键点，为电池管理设计提供新思路，开拓了无线电能传输技 术的新应用。关键词：电动大巴电池组无线电能传输耦合谐振中图分类号：TM723; TM912Resonance Wireless Charging Technology in Separate Groups for the Power B

3、attery Packs of Electric BusesSong Xianjin1,2Liu Guoqiang1Zhang Chao1Xia Hui1ZhangRuihua1Xu Xiaoyu3（1.Institute of Electrical Engineering, CASBeijingChina2. University of Chinese Academy of SciencesBeijingChina3. Institute of Microelectronics of CASBeijingChina）Abstract Electric vehicles are an impo

4、rtant part of the new energy project that our country is promoting. The research and manufacture of their batteries and the development of management systems play an important role. At present, the existing solutions to power batteries charging are mainly wired whole vehicle charging. Magnetic reson

5、ant wireless power transmission technology is a new technology which carries out non-radiative, mid-range power transmission using the near magnetic fields based on coupled resonance phenomena. Many universities and research institutes have put forward some applicable solutions using wireless whole

6、vehicle charging. Wireless whole vehicle charging doesnt combine the battery energy management with power transmission. Two separate systems run separately on this occasion, and the charging efficiency is low due to the battery balancing process. Combining the features of battery power management an

7、d using fully the special ways of wireless power transmission, we proposes the integration of battery energy management and wireless charging systems, put forward some specific implementing plans, and discuss the key points of the application of the technology. This study provides new solutions to b

8、attery management design and develops new applications for wireless energy transmission technology.Keywords：Electric buses, battery packs, wireless power transmission, coupled resonance国家自然科学基金（）和国网甘肃电力科技（2011FW-5）资助项目。*通讯作者。收稿日期 2013-05-23 改稿日期 2013-10-25第 28 卷增刊 2宋显锦等电动大巴动力电池组的谐振分组式无线充电931 引言能源枯竭和

9、环境污染已经成为当前社会急需解 决的问题。电动汽车以其独特的节能环保的优势引 起越来越多的国家的重视。我国对电动车的发展十 分重视，在 863 计划和“十一五”规划中都被列为科技攻关项目。国务院关于新能源汽车 20122020的产业规划中的发展目标明确提出，“到 2020 年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达 200万辆、累计产销量超过 500 万辆。” 在电动汽车的研究和发展上，车载电池是电动车关键技术之一，也是影响汽车成本的关键因素之 一，车载电池及其管理系统的研究与制造占据着重 要的位置。有效地利用电池的能量，延长电池的寿 命是电池管理系统研究的关键部分，从而降低电动 汽车运用成

10、本，提高车辆效率。因此电池能量管理 系统(Battery Management System, BMS) 的研究越 来越受到人们的关注。其中清华大学、哈尔滨工业 大学和北京交通大学等院校以及中科院电工所都对 电动汽车的电池管理系统进行了研究1,2。磁谐振式无线电能传输技术是基于谐振耦合现 象，利用近场磁场进行非辐射性、中距离输电的新 技术。由于其具有无接触，安全方便和交互能力强 等特点，技术一经提出即应用在电动车领域，国内 外的一些高校和研究所也提出了相应的解决方案。 目前电动大巴充电方式为整充方式，此方式简单易 行，但也存在功率提升、绝缘安全等问题。文章结 合电池管理的特点，充分利用无线电能

11、传输的特有 传输方式，提出动力电池分组式无线充电。2 电池管理及无线电能传输现状2.1 电池管理研究现状电动汽车电池管理系统研究的要点是如何掌握 蓄电池组中每个电池单元的状态，并据此对蓄电池 进行管理，合理分配系统进出能量以保持蓄电池的 一致性，提高整个蓄电池组的寿命，从而提高电动 车的整车性能，对电池组和电池单元运行状态进行 动态监控，精确测量电池的剩余容量（ State of Charge，SOC)，同时对电池进行充放电保护，并使 电池工作在最佳状态。对此国内外都做了大量研究。文献3对国内外的一些电池管理做了调查，美 国 Toxed 大学最早提出了 BMS 系统。目前美国比 较成熟电池管理

12、系统有：通用公司电动汽车 EVI 采 用 的电 池管理 系统 ， Aerovironment 公司 开发 的SmartGuard 系统，AC Propulsion 公司开发的高性能 电池管理系统 BatOpt。在欧洲，德国是电动汽车发 展较快的国家，比较成熟的电池管理系统有德国的 BADICHEQ 及 BADICOACH 系统和 BATTMAN 系统。其余还有日本青森工业研究中心、韩国 Ajou 大学和先进工程研究院和加拿大 Zader 研制的电池 管理系统。国内在国家“十一五”规划和 863 计划的推动 下，也取得了很大的进展。北京交通大学、北京理 工大学和北京航空航天大学较早的进行了电池管

13、理 研究，且都有实际的电池管理系统实车运行4-6。哈 尔滨工业大学还对车载超级电容的成组管理做了应 用研究7。重庆大学在锂离子电池组的均衡控制和 损耗估计上做了一些研究工作8。电工所在电池管 理中的热管理方面也有相应的成果9。西安交大的 徐剑鸣等还设计了基于太阳能电池、超级电容和蓄 电池 3 种能量源的电动汽车复合能源系统10。国内 汽车企业比亚迪、奇瑞、长安也都有自己的电池管 理系统。目前电池管理系统大都具有检测电池电压 和温度、均衡管理、热管理、过放电保护等功能。 电动大巴的运行功率较大，它的充电主要由配 套的充电站来完成。根据国内外电动汽车充电站的 实际情况来看，根据技术与充电方式的不同

14、，电动 汽车充电站的运营模式基本上可以分为“整车充电”与“电池更换”两种模式11。其基本思想是把传统 的“加油枪”换成“充电枪”。目前动力电池组的充电方式，是供电源通过有 线电缆，由充电枪对电池包充电。通过导线传送电 能的接触式充电是目前电动汽车普遍使用的充电方 式，然而这种充电方式有许多不便：电池充电时 需要进行插头的插拔操作，易引发安全隐患；遇 到恶劣天气时无法实现露天充电；整个充电过程 需要人工操作，不能实现自动化。无线电能传输是 新型电力传输技术，充电设备和电源端没有直接的 导线连接，避免了复杂的布线，不仅有效节约大部 分成本，而且大大提高了安全性能。还可以一对多 充电，一台无线电能传

15、输设备可以同时满足多组电 池的交互需求。它带来了三个优势，一是更高的交 互频率，二是更长的交互时间，三是更多的交互数 量。应用无线充电方式，无论是小区、商场或停车 场包括车库都可以安装无线电能传输的设备，实现 与电网的交互。考虑规模化接入，通过对电网进行 互动式交互管理之后，是可以达到一定的削峰填谷， 平抑可再生能源波动的能力。94电 工 技 术 学 报2013 年2.2无线电能传输国内外现状无线电能传输技术是支持负载设备以非接触方 式从电源取电的电能输送技术，其构想可追溯到 20 世纪初美国科学家特斯拉所设想的电磁波发射塔， 具有实用意义的技术形态则是近十数年才出现的， 但已初步得到应用并彰

16、显出旺盛的生命力。无线电能传输技术按照实现原理可分为微波方 式、射频方式、磁感应耦合方式及磁谐振耦合方式 等。其中微波方式和射频方式发散程度高，输电效 率、输电能力很低而大受掣肘12，主要用于远距离 和一些特殊场合；磁感应耦合方式利用初次级线圈 的感应耦合来交换电能，传输效率较高，是当前无 线电能传输的主要形式，其输电效率高13，Auckland 大学的 John Boys 教授最早将其应用于国家地热公 园游览车的无线供电；磁谐振耦合方式利用近场电 磁波进行能量交换，是一种非辐射性、高效、中距 离输电的新型技术，由麻省理工学院（MIT）物理 系 Marin Soljai 的研究组于 2006

17、年 11 月在美国物 理学会工业物理论坛上首次提出，其原型实验系统 中距离发射源 2m 多的一个 60W 白炽灯被隔空点 亮14，其实验也表明线圈间有人遮挡时几乎不产生 影响15。在其后谐振式无线电能传输成为研究热 点，应用于电动汽车、移动机器人、无线传感器节 点和人体器官移植等领域16,17。对于最大功率传输， 文献18指出在 0.3m 的距离下，以 3.7MHz 的频率 实现了 95%效率的 220W 功率传输，是可检索到的 谐振式无线电能传输的最大功率传输。目前在无中 继线圈的情况下，能够远距离传输的有，以 6.5MHz 的频率和超过 30%的效率传输 2.7m 远的距离19,20。近年

18、来我国的无线电能传输技术相关理论与应 用研究也陆续开展，应用领域也很广泛。对于电动 车的无线电能传输应用，哈尔滨工业大学对不同电 能传输方式及不同线圈结构在电动汽车上的应用进 行了积极探索，并开发出具有不同结构及多种功率 级别的实验样机21。重庆大学长期致力于感应耦合 大功率电能传输技术的研究与应用，开发了适合大功 率逆变的控制算法并制造出国内载人电动车样机22。 东南大学根据电动汽车的分布式电源的特点，充分 发挥电动汽车对于电网的“削峰填谷”作用，倡导 电动汽车与电网积极互动23。南京航空航天大学对 无线式电动车充电及谐振变换器结构进行了深入研 究24。电工所针对磁浮列车的轨道无接触供电也提

19、 出了相应控制方法25。河北工业大学也在大功率无 线电能传输做出了验证系统应用于城市轨道交通，并在简正模式转换、单多用户及工作频率改变、谐 振器的空间位置变化情况下电压输出特性进行了深 入的研究和分析26。总体来讲，磁谐振式的无线电能传输技术形式 已经得到确证，并在针对不同领域应用展开具体问 题研究，但仍处于起步阶段。对于电动汽车充电， 传统的有线方式有一定的弊端和不便。而磁谐振式 无线电能传输技术具有高效性、中距离传输能力、 无显著方向性、支持较大功率、稳健性、对生物体 等环境物体影响微弱等特征，必将在电动车电池组 充电中产生极大影响。当前无线充电途径主要是整 车充电式，存在功率的提升、线圈

20、间的距离及偏移 问题、对环境的影响等问题亟待解决；谐振式无线 电能传输技术可望在保持较大功率时突破距离限 制，提高输电可靠性与灵活性。3 动力电池组谐振分组式无线充电设计根据电池管理运行效果，对一个实际的电池管 理系统进行具体的设计和改造。3.1 设计方案目前整车有线充电方式已进入应用阶段，各地 都有实际的充电站在运行。同时一些高校和研究院 所对无线充电方式也进行了研究，已有大功率的实 验系统（未见文献报道的有 10kW）在示范运行， 尚未进入实际应用阶段。而且试运行的无线充电系 统是整车有线充电方式转为整车无线充电方式，是 充电接口的简单转化，没有在结构上和电池管理系 统密切结合。这样问题是

21、功率大（3kW、4kW 以上）， 电压高（200400V 以上），带来一系列器件选型 和绝缘安全问题，如图 1a 所示。而且两个系统单独 运行，双方配合不一致导致传输效率不高。对单个 电池包来说，如图 1b 所示，由于电池有不一致性， 当一个电池充满而别的还没充满时，电池管理系统 会先停止外部输电，在内部电池间进行均衡，而后 再开始外部输电，此过程延长了充电时间，同时也 对电池寿命有影响。文献27,28也对均衡的各种方 式进行了研究。（a）整车充电示意图第 28 卷增刊 2宋显锦等电动大巴动力电池组的谐振分组式无线充电95（a）分组充电示意图（b）电池管理示意图图 1Fig.1The sket

22、ch of BMS for EV buses现有电动车的有线或无线充电是整车充电的方 式，实际大巴车的电池包不是一个包，而是根据需 要分成几个小包。电池包本身带有电池管理系统， 来控制电池模块的荷电计算及电池单元的充放电管 理。单个电池包的电压及功率并不太大，需要充放 的单元也不同，模块间的一致性也不一样。对于无 线电能传输，线圈的设置有很大的灵活性和独立性。 这样结合电池包本身的电池管理系统，配合无线电 能传输技术，给电池包及包内电池组外接充电线圈（见图 2），实现直接针对荷电容量低的电池包及 组的无线充电，将传输功率降低，同时避免由于电 池间均衡造成的充电时间长、效率低下，提高了传 输效率

23、，也延长了电池的寿命。实现一个为电动大 巴动力电池量身打造的无线充电系统。好处是功率 小、电压低、安全性提高、电池使用寿命延长、充 放管理水平得到提升。（b）电池包无线充电示意图图 2Fig.2The sketch of BMS using WPT3.2整车电气回路的改造大巴车载电池相对整车是个高压系统，需对外 部隔离。大巴车有相应的电气控制回路确保操作安 全。首先考虑车载电池包的安装方式，按包分组来 充电（见图 2a），这需要改造原车电气回路。每个 电池包外接充电线圈，加控制电路（在电池管理系 统中一起考虑设计）。原有大巴车电气电路系统的 改造，如图 3 所示，将原有有线充电接口及相关接 触

24、器控制部分改造为无线充电接口，并给各电池包 分配充电线圈。图 3电动大巴车 BMS 电气控制示意图Fig.3The sketch of electric control system for EV buses BMS96电 工 技 术 学 报2013 年原有有线充电系统中，主接触器的开断由主控 板统一控制，图 3 中所示正负接触器在有充电请求 时由主控板断开与主回路的连接，采集板主要完成 均衡任务及单元 SOC 估算。改造后原有有线接口可 以保留，作为备用。在电池包间增加外连线圈，补 充相应的接触器控制电路，此接触器控制可以交给 电池管理采集板，由主控板授权管理。3.3 车载电池包模块的改造对

25、于电池包内部来说，也是多个电池单元串并 而成的电池模块。每个电池单元有连线接出以供电 池管理系统测量和均衡使用。原电池的充放电由采 集板控制继电器的开断实现，现需增加外接线圈改 造为无线充电式的电池管理系统（见图 2b）。对原 有电池管理系统的改造，如图 4 所示。图 4电池管理采集板单体放电控制电路图Fig.4The circuit of discharge controller原有系统采用单体电池放电模式。在检测到单 体电池电压过高时，程序控制单体放电达到一致。 控制信号经由光耦（ TLP121）输出控制 MOS 管（AO3400A）导通，电池电流经放电电阻 R366 放 电。改造后，在图

26、中 1,2 端增加外接线圈。线圈的 开闭由继电器来控制，选通信号由 CPLD 选通，采 样检测到需充电时，控制相应的继电器吸合，线圈 的电流经整流后进入充电单元。相应的整流电路设 置在外接线圈模块中。3.4 线圈的设计对于大巴车设置外接的接收线圈，由于车身尺 寸的影响，安装位置和大小有一定限制。而发射线 圈的设置有很大裕度，可以做大功率的发射线圈， 这就需要在发送端和接收端匹配电容，以保证谐振 状态。由于电池包外接多个线圈，考虑重叠放置， 是一种单发多收谐振线圈间能量传输分配的规律。 考虑到电动大巴采取分组供电模式，电池包的充电 过程相对独立，在整个系统中电池包接收线圈数量 和分布情况动态变化

27、，需对能量传输系统进行频率 的实时跟踪调节，以保证能量持续高效稳定供给。4待研究的问题4.1能量和信息双向传输问题无线能量和信息双向传输的可行性探讨。对于 有线式电能传输，电能传送时，双方状态信息的发 送和接收通过汽车通信总线（CAN）实现，而对于 无线电能传输，在电能的传输同时含有信息，能量 和信息的传输可以双向交互，对于无线充电来说， 如何建立发送端和接收端有效的通信，及时调整充 电电流/压，符合充电曲线，是需要解决的关键技术 之一。4.2多频谐振和多端谐振问题多谐振源不同耦合频率的问题。由于动力电池 组为多组分布，线圈布置分散，造成谐振频率的偏 移，发射源也可以有多个存在，可能有不同的谐

28、振 频率，需探讨多谐振源和不同谐振频率共存的无线 传输特性。一个（或多个）发射线圈对应多个接收 线圈即一对多（或多对多）的无线电能发射接收时， 可能收发不同步，也是需要进一步研究的课题。4.3负载问题目前无线电能传输实验中用的大多是阻性负 载，无线电能传输规律特性的研究都基于阻性负载， 实际负载为车用锂离子电池组和超级电容器组，在 无线充放控制上比阻性负载要复杂的多。在输入输 出控制算法上，如何设计充电符合负载特性曲线， 也有很多理论问题需要探讨和很多实际问题亟待解 决。4.4传输稳定性问题针对较复杂环境条件，考察存在多个接收端线 圈时，接收端线圈与发送端线圈相对位置任意以及 传输路径存在遮挡

29、等情况下，对于实际的工程应用， 系统稳定性和方法的可靠性也是必须要考虑的重要 问题。5结论结合电动大巴电池实际工况，针对目前整车充 电方式的不足，本文提出谐振分组式无线充电，克 服现有电池组整体充电时电池均衡造成的不利影 响，充分利用无线电能传输技术在小功率传输的优 势，以及线圈本身绝缘隔离、设置灵活的特点，提 供一种为电动车量身打造的带有无线充电功能的动 力电池能量管理系统。将能量管理和无线充电结合 为一个整体，提高电池的使用寿命和能量管理水平。 新方法的提出，扩展了电池充电方式的种类，提高第 28 卷增刊 2宋显锦等电动大巴动力电池组的谐振分组式无线充电97了电池充电的效率，优化了电池的管

30、理模式。 无线电能传输是新型电力传输方式，由于理论较新，实际有效的工程应用不多见，技术推广存在 一定障碍。谐振分组式电池组无线充电，充分考虑 了分布式电池一致性管理的特点，避免了传统的均 衡过程带来的效率低下。结合多组线圈对电池个体 化充电，充电效率大大提高，电池寿命也得到延长， 无疑可提高电动车的性价比，促进无线电能传输技 术在电动车行业的发展，为电池管理设计提供新思 路，拓展了无线电能传输技术的应用领域。参考文献1 宋永华, 阳岳希, 胡泽春. 电动汽车电池的现状及 发展趋势J. 电网技术, 2011, 35(4): 1-7.Song Yonghua, Yang Yuexi, Hu Zec

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