CN116979659B - 一种钠离子电池及电动车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钠离子电池及电动车辆,包括电感，具有与电池正极端电连接的第一端和第二端；上述电感的第二端经第一开关电连接外部正极端；上述电感的第二端经第二开关电连接外部负极端；上述外部负极端电连接有电池负极端；上述电池正极端与电池负极端之间设有第一电容；上述外部正极端与外部负极端之间设有第二电容。针对现有技术提供电路简化、提升能量利用效率、提高钠离子电池容量利用率、降低电池成本、可双向流动且具备电池原有充放电特性、改善离子电池固有的输出特性差异的应用于电池的电压提升及保护组合电路、钠离子电池和电动车辆。
Description
技术领域
本发明涉及一种钠离子电池组技术领域，尤其涉及一种钠离子电池及电动车辆。
背景技术
目前钠电池充放电电压与传统48V铅酸及锂电***差异较大，不符合统配性，电池的充放电特性与传统的48V电池输出差异较大，放电截止电压低，需要有专用的充电器和控制器匹配使用，专用性强，成本高，电池充放电电压电流不可控，多组并联使用存在环流等问题。现有技术如公告号为申请公布号CN116169881A的中国发明专利，公开了一种BUCK_BOOST电路和逆变器电路，其通过控制器控制第一开关器件、第二开关器件互补开通或关断，从而控制各开关器件软开通和软关断，从而在提高开关频率的基础上，降低电路开关损耗。又如公告号为CN103501036B的中国发明专利，公开了一种锂电池充放电控制电路，解决锂电池与负载或充电装置之间的电压平台不匹配的技术问题，属电池控制电路技术领域。其特征在于：储能电感的一端分别与电池的正极连接和与负极端子连接；储能电感的另一端分别通过第二开关与电池的负极连接，通过第一开关与正极端子连接；控制模块通过控制信号分别控制第一开关和第二开关的导通与断开；电池放电时，正极端子连接负载正极、负极端子连接负载负极；电池充电时，正极端子连接充电装置的正极、负极端子连接充电装置的负极。实现锂电池对负载的升压放电、降压放电，充电装置对锂电池的升压充电、降压充电四种工作模式，电压控制更为灵活。开关数量少，结构简单转换效率高、工作可靠成本低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术提供电路简化、提升能量利用效率、提高钠离子电池容量利用率、降低电池成本、可双向流动且具备电池原有充放电特性、改善离子电池固有的输出特性差异的应用于电池的电压提升及保护组合电路、钠离子电池和电动车辆。
应用于电池的电压提升及保护组合电路，其包括：电感，具有与电池正极端电连接的第一端和第二端；上述电感的第二端经第一开关电连接外部正极端；上述电感的第二端经第二开关电连接外部负极端；上述外部负极端电连接有电池负极端；上述电池正极端与电池负极端之间设有第一电容；上述外部正极端与外部负极端之间设有第二电容；
为了优化技术方案所采取的措施还包括，还具有能控制上述第一开关和第二开关的控制机构。
上述外部正极端与外部负极端之间与上述第二电容并联设有串联的第一电阻和第二电阻；上述第一电阻和第二电阻之间的电流路径上具有一条与上述控制机构相连的电流信号通路；上述BMS采集单元与上述控制机构电连接。
上述电池负极端与上述外部负极端之间电流路径上或者上述电池正极端与上述外部正极端之间电流路径上设有第三电阻。
上述电池正极端与电池负极端之间设有含BMS采集单元。
上述电池负极端与上述第一电容之间的充放电电流路径上设有受上述控制机构控制的第三开关。第三开关还可以设置在上述电池正极端与上述第一电容之间的充放电电流路径上，或者设置在上述外部正极端与上述第二电容之间的充放电电流路径上，或者设置在上述外部负极端与上述第二电容之间的充放电电流路径上。
上述控制机构含有，用于采集第三电阻电流的电流采集模块；用于驱动上述第一开关、第二开关、第三开关的第一驱动电路和/或第二驱动电路。
本发明还公开了一种钠离子电池，其具有电池组，且该电池组上设有上述应用于电池的电压提升及保护组合电路。
本发明还公开了一种电动车辆，其安装有上述的钠离子电池。
本发明由于采用了将双向DC/DC电路与电池保护电路结合，基于***BMS充放电指示信号，控制电路通过电池电压、输出电压的检测，控制相应开关的动作，实现充放电控制，在简化电路结构的同时提升能量的利用效率。因而，本发明具有电路简化、提升能量利用效率、提高钠离子电池容量利用率、降低电池成本、可双向流动且具备电池原有充放电特性、改善离子电池固有的输出特性差异的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1电路结构示意图；
图2为本发明实施例1放电状态示意图；
图3为本发明实施例1充电状态示意图；
图4为本发明实施例2电路结构示意图；
图5为本发明实施例2放电状态示意图；
图6为本发明实施例2充电状态示意图；
图7为本发明实施例3电路结构示意图；
图8为本发明实施例3放电状态示意图；
图9为本发明实施例3充电状态示意图；
图10为本发明实施例4电路结构示意图；
图11为本发明实施例4放电状态示意图；
图12为本发明实施例4充电状态示意图；
图13为本发明放电电压-时间曲线示意图；
图14为本发明旁路充电电压-时间曲线示意图；
图15为本发明升流充电电压-时间曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1至图3、图13至图15所示，应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是，包括：
电感L1，具有与电池正极端B+电连接的第一端和第二端；
电感L1的第二端经第一开关Q1电连接外部正极端P+；
电感L1的第二端经第二开关Q2电连接外部负极端P-；
外部负极端P-电连接有电池负极端B-；
电池正极端B+与电池负极端B-之间设有第一电容C1；
外部正极端P+与外部负极端P-之间设有第二电容C2；
还具有，能控制第一开关Q1和第二开关Q2的控制机构1。将双向DC/DC电路与电池保护电路结合，基于***BMS充放电指示信号，控制电路通过电池电压、输出电压的检测，控制相应开关的动作，实现充放电控制，在简化电路结构的同时提升能量的利用效率。
外部正极端P+与外部负极端P-之间与第二电容C2并联设有串联的第一电阻R1和第二电阻R2；第一电阻R1和第二电阻R2之间的电流路径上具有一条与控制机构1相连的电流信号通路；BMS采集单元U1与控制机构1电连接。第一电阻R1和第二电阻R2之间的电信号和BMS采集单元U1的信号均输入控制机构1的控制单元U2，用于充放电的控制决策。
电池负极端B-与外部负极端P-之间电流路径上设有第三电阻Rs1。用于向控制机构1的电流采样模块U5反馈电流采样信号。
电池正极端B+与外部正极端P+之间电流路径上设有第三电阻Rs1。作为另一种技术方案，用于向控制机构1的电流采样模块U5反馈电流采样信号。上述两种Rs1的布设方式可以是择一进行选择的，其电学物理量的采样应在控制机构1上适应性调整设置，不在此赘述。
电池负极端B-与第一电容C1之间的充放电电流路径上设有受控制机构1控制的第三开关Q3。
控制机构1含有，
用于采集第三电阻Rs1电流的电流采集模块U5；
用于驱动第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3的第一驱动电路U3和/或第二驱动电路U4。
电池正极端B+与电池负极端B-之间设有含BMS采集单元U1。
电池负极端B-与第一电容C1之间的充放电电流路径上设有受控制机构1控制的第三开关Q3。
为了提高钠电池在的适用性，本发明将双向DC/DC电路与电池保护电路结合，基于***BMS充放电指示信号，控制电路通过电池电压、输出电压的检测，控制相应开关的动作，实现充放电控制，在简化电路结构的同时提升能量的利用效率。
第三开关Q3为放电开关，第一开关Q1/第二开关Q2为Buck/Boost电路的开关，同时，第一开关Q1用作充电控制开关。控制机构1接收一个来自于BMS采集单元U1的信号，指示充电和放电，并根据这个信号，对开关管进行控制。控制电路采样电池电压和输出电压。
放电状态时，当电池电压>实际***要求的最小输出电压值时，第一开关Q1、第三开关Q3导通，第二开关Q2关闭，电流通过Q3-L1-Q1到达负载；第三开关Q3作为放电保护管控制电池放电，达到防止电池过放的目的。
当电池电压<***要求的最小输出电压，且高于电池放电截至电压，第三开关Q3维持导通，第一开关Q1、第二开关Q2互补高频工作，第二电容C2上电压为目标输出电压，输出电压可以是一个高于电池电压以的恒定值设定值；电流通过Q3-L1-Q2/Q1高频切换升压，达到目标电压输出到达负载；第三开关Q3作为放电保护管控制电池放电，达到防止电池过放的目的。此时，控制电路通过反馈第二电容C2上的输出电压，调节第二开关Q2的占空比，维持第二电容C2上的输出电压接近恒定。反馈环节可以是一个比例环节，也可以是一个比例积分环节。在这个模式下，当电池电压高于***要求的最小输出电压两者需要有一定回差，第二开关Q2停止工作，第一开关Q1恒导通。
当电池电压达到电池放电的截至电压时，第三开关Q3关闭，第一开关Q1/第二开关Q2关闭，电路不工作，电池停止放电。
充电时，在旁路充电、升流充电的方式工作。
旁路充电:第一开关Q1、第三开关Q3导通，第二开关Q2关闭，电流通过Q1-L1-Q3形成回路到达电池对电池充电，第一开关Q1作为充电保护管控制电池充电，达到防止电池过充的目的。
升流充电:第一开关Q1、第二开关Q2高频工作，第三开关Q3导通，电流通过第一开关Q1/第二开关Q2高频切换工作Q1-L1-Q3形成充电回路对电池充电。Q1作为充电保护管控制电池充电，达到防止电池过充的目的。
较现有技术，本发明的技术方案单方向升降压，结合保护电路，是一种新的技术方案。钠离子低成本及安全性比较适合当前电动两轮车和低速电动车，电动车的核心动力来源为动力电池，一般采用单体电池串并联的方式来满足输出电压和输出容量的需求。但是，由于钠离子电池组的充放电电压范围与电动车实际工作时所需达到的电压范围存在较大的差异，所以在实际运用中，为了能够让电池完全充放电需要一个适配宽范围输入输出的DC-DC变换器。通过集成电池保护电路和双向DC/DC电路，解决了上述技术问题，提高了钠离子电池容量的利用率，同时，电路结构简单，减少功率器件数量，提高效率，降低成本,能量可以双向流动具备电池原有充放电特性。
一种实施方式：当电池电压较低时低于一个设定值，第一开关Q1和第二开关Q2高频工作，控制电路控制第一开关Q1的占空比，第二开关Q2与第一开关Q1互补导通，通过电池充电电流的反馈，控制第一开关Q1的占空比，使得充电电流达到预设值。当电池电压达到设定值及以上时，第一开关Q1恒导通，第二开关Q2关闭，由外部电源直接给电池充电。这种实施方式可以提升电池电压较低时的充电电流，并且提高外部充电电源的适用性降低外部充电电源的输出电压适应范围要求。
另一种实施方式：在充电模式下，持续导通第一开关Q1和第三开关Q3，第二开关Q2关闭，由外部电源通过Q1-L1-Q3给电池充电。
另一种实施方式：是否考虑在电池正极端B+和外部正极端P+之间增设一个开关，Q4，在充电状态下漏极接到P+，源极接到B+，充电时候，Q4导通，外部电源直接通过Q4给电池充电，降低充电回路损耗。
静置状态：
Q1、Q2、Q3均不工作达到降低待机功耗的目的。
实施例2：如图4至图6所示，本实施例与实施例1的区别是第三开关位置，即电池正极端B+与第一电容C1之间的充放电电流路径上设有受控制机构1控制的第三开关Q3。
实施例3：如图7至图9所示，本实施例与实施例1的区别是第三开关位置，即外部正极端P+与第二电容C2之间的充放电电流路径上设有受控制机构1控制的第三开关Q3。
实施例4：如图10至图12所示，本实施例与实施例1的区别是第三开关位置，外部负极端P-与第二电容C2之间的充放电电流路径上设有受控制机构1控制的第三开关Q3。
实施例5: 本实施例在上述实施例的基础上，进一步揭示了本发明进一步的变化及技术方案实例。当采用每个电池单独连接到管理电路时，这种方式通常用于需要对每个电池进行单独监测和管理的应用，例如电池组中的每个单体电池。在选择连接方式时，需要根据具体的应用需求和电池类型权衡这些问题。对于需要高性能和长寿命的电池组，还可以进一步优选均衡连接的方式以确保电池之间的电压差异最小化。即通过均衡电路监测和调整各个电池单体之间的电压差异。这些均衡电路通过连接到每个电池单体来执行其功能。对于一些低成本或低要求的应用，单独连接可能是可行的选择。无论哪种方式，都需要合适的电池管理***来确保电池的安全性和性能。以下揭示一些优选技术方案及设计改进思路。
电压匹配：确保所选的钠离子电池的额定电压与电路的电压需求匹配。锂离子电池的标准电压通常较高，而钠离子电池的标准电压通常较低，这意味着在相同能量存储下，锂离子电池通常具有较高的电压，可提供较高的功率。采用钠离子电芯，通过本发明技术方案适当对电压调整，进而达到相应的匹配电压。电流匹配：确定电池的额定电流和电路的电流需求，确保它们匹配。过大的电流可能导致电池过热或损坏，而过小的电流可能导致电路性能下降。温度控制：钠离子电池的性能和寿命受温度影响较大。必须在安全的温度范围内使用和充电，通常可以优选采用温度传感器和温度监控***来确保温度不超出安全范围。电池保护策略：钠离子电池还可以通过保护控制方式防止过充和过放。过充可能导致电池损坏或火灾风险，而过放可能损害电池性能并缩短寿命。保护控制可以优选包括过充保护、过放保护、短路保护等控制功能。均衡管理：如果电池组由多个单体电池组成，确保使用均衡管理***来监测和均衡各个单体电池之间的电压差异，以防止某些电池充电过度或放电过度。充电管理：使用适当的充电控制器和充电算法来确保电池充电效率高且安全，同时避免过度充电。放电管理：确保电路具备适当的放电控制，以防止电池放电过度，从而延长电池寿命。循环寿命：钠离子电池的循环寿命通常比一次性电池更长，但仍需考虑寿命管理。避免深度充电和深度放电，以延长电池的寿命。监测和维护：定期监测电池的状态和性能，确保维护电池组的健康状态，及时更换受损或老化的电池。安全标准和法规：遵守适用的安全标准和法规，确保电池的使用和处理符合法规要求。电池管理：可以适应性配置监测、保护和管理电池组的各个方面的控制逻辑，包括电压、电流、温度等。充电和放电控制：使用合适的充电控制和放电控制器来确保电池在各种操作条件下的安全性和性能。在选择和实施这些技术方案时，应当确保电池***符合特定应用的要求和标准。不正确的电池连接和管理可能会导致电池事故，因此可以优选的采取适当的预防措施或者冗余设计。
尽管已结合优选的实施例描述了本发明，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对在这里列出的主题实施各种改变、同等物的置换和修改，因此本发明的保护范围当视所提出的权利要求限定的范围为准。
Claims (12)
1.应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是，包括：
电感，具有与电池正极端电连接的第一端和第二端；
所述的电感的第二端经第一开关电连接外部正极端；
所述的电感的第二端经第二开关电连接外部负极端；
所述的外部负极端电连接有电池负极端；
所述的电池正极端与电池负极端之间设有第一电容；
所述的外部正极端与外部负极端之间设有第二电容；
还具有，
能控制所述的第一开关和第二开关的控制机构。
2.根据权利要求1所述的应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是：
所述的外部正极端与外部负极端之间与所述的第二电容并联设有串联的第一电阻和第二电阻；
所述的第一电阻和第二电阻之间的电流路径上具有一条与所述的控制机构相连的电流信号通路；
所述的电池正极端与电池负极端之间设有含BMS采集单元；
所述的BMS采集单元与所述的控制机构电连接。
3.根据权利要求1所述的应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是：
所述的电池负极端与所述的外部负极端之间电流路径上设有第三电阻。
4.根据权利要求1所述的应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是：
所述的电池正极端与所述的外部正极端之间电流路径上设有第三电阻。
5.根据权利要求1所述的应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是：所述的电池负极端与所述的第一电容之间的充放电电流路径上设有受所述的控制机构控制的第三开关。
6.根据权利要求1所述的应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是：所述的电池正极端与所述的第一电容之间的充放电电流路径上设有受所述的控制机构控制的第三开关。
7.根据权利要求1所述的应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是：所述的外部正极端与所述的第二电容之间的充放电电流路径上设有受所述的控制机构控制的第三开关。
8.根据权利要求1所述的应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是：所述的外部负极端与所述的第二电容之间的充放电电流路径上设有受所述的控制机构控制的第三开关。
9.根据权利要求1所述的应用于电池的电压提升及保护组合电路，其特征是：所述的控制机构含有，
用于采集第三电阻电流的电流采集模块；
用于驱动所述的第一开关、第二开关、第三开关的第一驱动电路和/或第二驱动电路。
10.一种钠离子电池，其特征是：具有电池组，且该电池组上设有如权利要求1至9任一项所述的应用于电池的电压提升及保护组合电路。
11.根据权利要求10所述的钠离子电池，其特征是：所述的电池组与所述的组合电路之间，采用单独连接或非单独连接方式。
12.一种电动车辆，其特征是：安装有如权利要求10所述的钠离子电池。
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