电动大巴动力电池组的谐振分组式无线充电_宋显锦

2013年电工技术学报Vol.28Sup.2第28卷增刊2TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY2013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京1001902.中国科学院大学北京1000493.中国科学院微电子研究所北京100029）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;TM912ResonanceWirelessChargingTechnologyinSeparateGroupsforthePowerBatteryPacksofElectricBusesSongXianjin1,2LiuGuoqiang1ZhangChao1XiaHui1ZhangRuihua1XuXiaoyu3（1.InstituteofElectricalEngineering,CASBeijing100190China2.UniversityofChineseAcademyofSciencesBeijing100049China3.InstituteofMicroelectronicsofCASBeijing100029China）AbstractElectricvehiclesareanimportantpartofthenewenergyprojectthatourcountryispromoting.Theresearchandmanufactureoftheirbatteriesandthedevelopmentofmanagementsystemsplayanimportantrole.Atpresent,theexistingsolutionstopowerbatterieschargingaremainlywiredwholevehiclecharging.Magneticresonantwirelesspowertransmissiontechnologyisanewtechnologywhichcarriesoutnon-radiative,mid-rangepowertransmissionusingthenearmagneticfieldsbasedoncoupledresonancephenomena.Manyuniversitiesandresearchinstituteshaveputforwardsomeapplicablesolutionsusingwirelesswholevehiclecharging.Wirelesswholevehiclechargingdoesn’tcombinethebatteryenergymanagementwithpowertransmission.Twoseparatesystemsrunseparatelyonthisoccasion,andthechargingefficiencyislowduetothebatterybalancingprocess.Combiningthefeaturesofbatterypowermanagementandusingfullythespecialwaysofwirelesspowertransmission,weproposestheintegrationofbatteryenergymanagementandwirelesschargingsystems,putforwardsomespecificimplementingplans,anddiscussthekeypointsoftheapplicationofthetechnology.Thisstudyprovidesnewsolutionstobatterymanagementdesignanddevelopsnewapplicationsforwirelessenergytransmissiontechnology.Keywords：Electricbuses,batterypacks,wirelesspowertransmission,coupledresonance国家自然科学基金（51207150）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2012～2020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本，提高车辆效率。因此电池能量管理系统(BatteryManagementSystem,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（StateofCharge，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，ACPropulsion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，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：①电池充电时需要进行插头的插拔操作，易引发安全隐患；②遇到恶劣天气时无法实现露天充电；③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JohnBoys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MarinSoljačić的研究组于2006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