CN117200404B - 一种应用于钠离子电池的多开关切换电路及基于其的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于钠离子电池的多开关切换电路及基于其的车辆，包括串联的至少两个以上的电池模组，控制单元，与电池模组的电池数据采集单元相连；电池模组的旁路开关，用于获取来自控制单元的控制信号，调整切换电池模组在整体对外供电或者充电时，电流通路上的电池本体的数量。通过控制一个或多个断路开关以及一个或多个旁路开关的开合进行组合，使一个或多个电池本体按需接入电流通路。本发明具有输入输出适配宽范围、实现成本低、安全性好又兼顾充电效率、拓展适配钠离子电池应用场景的优点。

Description

一种应用于钠离子电池的多开关切换电路及基于其的车辆

技术领域

本发明涉及电动车辆供电技术领域，尤其涉及一种应用于钠离子电池的多开关切换电路及基于其的车辆。

背景技术

随着节能减排，环保出行的大力推行，新能源、电动车辆成为了大方向大趋势，全球都在致力于更加清洁环保的汽车研发，锂离子动力电池得到了前所未有的大发展。但，锂离子电池与生俱来的脆弱性给锂离子动力电池汽车带来了隐患，如何能实现更好地保护动力电池成为了长期奋斗的目标。然而时至今日，串联电池或电池组保护进展不多，在成本和保护性能的提升上取折中，没有实质性的突破。现有技术如公告号为WO2022073317A1的国际申请，公开了一种串联电池保护电路，包括：串联于电池组正极和负极之间的若干级电池模组，均包括单节电池、保护开关及单节电池保护模块；单节电池与保护开关串联，单节电池保护模块产生关断信号，并基于关断信号对当前电池模组进行保护；关断信号电平位移模块，将任一级电池模组的关断信号传递给其他各级电池模组；电压瞬变抑制模块，连接于电池组正极和负极之间，用于吸收毛刺电压，并减缓电池组正极和负极之间总电压的变化速度。本发明可靠实现基于较低耐压充放电开关器件保护较高电压串联电池的功能，既保护了串联电池整体，又保护了每节串联电池，安全性能高，成本低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术提供能输入输出适配宽范围、实现成本低、安全性好又兼顾充电效率、拓展适配钠离子电池应用场景的一种应用于钠离子电池的多开关切换电路及基于其的车辆。

一种应用于钠离子电池的多开关切换电路，包括串联的至少两个以上的电池模组，其中：电池模组，具有电池本体，该电池本体并联有旁路开关；上述电池本体连接有电池数据采集单元；上述电池本体串联有断路开关。以8串电池数据采集单元为例，可以获得多个温度数据信息。

控制单元，与上述电池模组的电池数据采集单元相连；

上述电池模组的旁路开关，用于获取来自上述控制单元的控制信号，调整切换上述电池模组在整体对外供电或者充电时，电流通路上的电池本体的数量。通过控制一个或多个断路开关以及一个或多个旁路开关的开合进行组合，使上述一个或多个电池本体按需接入电流通路。当放电状态下，通过上述组合的控制，可以实现每个电池注意接入电流通路进行充电。当进入对外供电的状态下，可以通过单个电池本体依次接入电流通路进行放电端的对外放电。当每个电池本体均不能达到供电所需的电压时，通过控制断路开关和旁路开关的开合，使两个以上的电池本体接入电流通路，使得放电端电压达到一个设定范围之内或设定电压之上对外放电。

串联的电池模组电流通路的旁路上设有电机控制器，通过控制单元对上述旁路开关和断路开关的耦合调节，能使上述电机控制器连通到任意上述电池本体或其组合。通过电机控制器接入不同个数的电池本体，从而达到调节接入电压的作用。

在对外供电状态下，通过检测端电压，动态调整电池模组数量以及相应电池模组接入的时间，维持放电端电压在一个设定范围之内或设定电压之上。所有电池模组串联后，通过检测最外端之间的电压即为端电压。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，采用本发明技术方案是相对具有成本优势的方案。

在整个电池包处于充电状态时，至少有一个电池本体在连续或不连续的时间段不充电并且用于邻接或非邻接电池的散热。电池本体以阵列式排布时，如单层排布。每一个横向行为一组电池模组。当其中一个电池本体，所在的列均停止充电，即该列所有电池本体对应的断路开关断开，旁路开关根据周围其他导通。这种方式控制的是不同组别的电池模组中的特定电池本体断开通路、停止充电。以上实施例协调的是三个不同的组别。通过协调不同电池模组中电池本体的充电与否，管理相应过热电池的热交换，以不充电的电池通过温差传热方式吸收过热电池的热量。

另一种方式，可以是过热电池周围的电池本体均不充电。以单层排布方式为例。上述周围的电池本体都以物理方式对过热的电池本体进行热量分摊。

如果是多层、立体布置，可以通过上述方式，停止整个切面或者停止过热电池本体周边呈立方体排列的26个或者直接邻接的6个电池本体。

本发明还提供一种多开关切换电路的控制方法，其通过控制单元对上述旁路开关和/或断路开关的耦合调节，使动态调整电池模组数量以及相应电池模组接入的时间，维持放电端电压在一个设定范围之内或设定电压之上。通过控制单元对上述旁路开关和/或断路开关的耦合调节，在后时间段的放电端电压下降速率大于或等于前一时间段的放点端电压下降速率。

通过控制单元对上述旁路开关和/或断路开关的耦合调节，使动态调整电池模组数量以及相应电池模组接入的时间，维持任一电池本体的被测温度低于一个设定的温度值。通过耦合、选择被充电的电池模组，通过监测温度，当接近设定的风险温度阈值时，撤去对该电池本体的充电电流，达到防护目的。同时，切换至新的电池本体和/或维持其余温度正常范围电池本体继续充电。

本发明还提供一种车辆，所述车辆包括前述所述应用于钠离子电池的多开关切换电路。

本发明还公开了计算机装置，其包括一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个计算机程序，其中上述一个或多个计算机程序被存储在上述存储器中，上述一个或多个计算机程序包括指令，当上述指令被装置执行时，使得装置执行上述的方法。

计算机存储介质，该计算机存储介质存储一个或多个计算机程序，当指令被执行时，能执行上述的方法。

本发明由于采用了串联的至少两个以上电池模组，控制单元，与上述电池模组的电池数据采集单元相连；上述电池模组的旁路开关，用于获取来自上述控制单元的控制信号，调整切换上述电池模组在整体对外供电或者充电时，电流通路上的电池本体的数量。通过控制一个或多个断路开关以及一个或多个旁路开关的开合进行组合，使上述一个或多个电池本体按需接入电流通路。当放电状态下，通过上述组合的控制，可以实现每个电池注意接入电流通路进行充电。当进入对外供电的状态下，可以通过单个电池本体依次接入电流通路进行放电端的对外放电。当每个电池本体均不能达到供电所需的电压时，通过控制断路开关和旁路开关的开合，使两个以上的电池本体接入电流通路，使得放电端电压达到一个设定范围之内或设定电压之上对外放电。以上设计可以在现有锂离子电池等其他类型电池应用场景电路基础上较好的进行钠离子电池适配，在较低成本的情况下实现电池类型的替换以及钠离子电池应用场景的拓宽。因而，本发明具有输入输出适配宽范围、实现成本低、安全性好又兼顾充电效率、拓展适配钠离子电池应用场景的优点。

附图说明

图1为本发明实施例电池模组电连接结构示意图；

图2为本发明实施例整体电路连接示意图；

图3为本发明图2等效示意图；

图4为本发明实施例放电电压/时间示意图；

图5为本发明实施例充电电压/时间示意图；

图6为本发明实施例充电状态各开关对应时序状态示意图；

图7为本发明实施例放电状态各开关对应时序状态示意图；

图8为本发明实施例过热保护充电状态示意图；

图9为本发明实施例另一优选过热保护方案的充电状态示意图。

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：

参照图1至图9，一种应用于钠离子电池的多开关切换电路，包括串联的至少两个以上的电池模组，其中：以图1为例，电池模组中具有电池本体（M1），该电池本体（M1）并联有旁路开关（Q1）；上述电池本体（M1）连接有电池数据采集单元；上述电池本体（M1）串联有断路开关（Q2）。以8串电池数据采集单元为例，可以获得多个温度、电压等数据信息。

图2至图9中，控制单元（U4），与上述电池模组的电池数据采集单元（U1、U2、U3）相连；

上述电池模组的旁路开关（Q1、Q3、Q5），用于获取来自上述控制单元（U4）的控制信号，调整切换上述电池模组在整体对外供电或者充电时，电流通路上的电池本体（M1、M2、M3）的数量。

旁路开关（Q1、Q3、Q5）、断路开关（Q2、Q4、Q6）均为MOS管。

通过控制一个或多个断路开关（Q2、Q4、Q6）以及一个或多个旁路开关（Q1、Q3、Q5）的开合进行组合，使上述一个或多个电池本体（M1、M2、M3）按需接入电流通路。当放电状态下，通过上述组合的控制，可以实现每个电池注意接入电流通路进行充电。当进入对外供电的状态下，可以通过单个电池本体（M1、M2、M3）依次接入电流通路进行放电端的对外放电。当每个电池本体（M1、M2、M3）均不能达到供电所需的电压时，通过控制断路开关（Q2、Q4、Q6）和旁路开关（Q1、Q3、Q5）的开合，使两个以上的电池本体（M1、M2、M3）接入电流通路，使得放电端电压达到一个设定范围之内或设定电压之上对外放电。

串联的电池模组电流通路的旁路上设有电机控制器（MCU），通过控制单元（U4）对上述旁路开关（Q1、Q3、Q5）和断路开关（Q2、Q4、Q6）的耦合调节，能使上述电机控制器（MCU）连通到任意上述电池本体或其组合。通过电机控制器（MCU）接入不同个数的电池本体，从而达到调节接入电压的作用。

在对外供电状态下，通过检测端电压，动态调整电池模组数量以及相应电池模组接入的时间，维持放电端电压在一个设定范围之内或设定电压之上。所有电池模组串联后，通过检测最外端之间的电压即为端电压。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，采用本发明技术方案是相对具有成本优势的方案。

放电状态：

当满电电池开始放电

①t0-t1时MOS管Q2、Q4、Q5导通工作，Q1、Q3、Q6关闭，电池本体M1、M2通过Q2-Q4-Q5对负载放电；

②t1-t2时MOS管Q2、Q3、Q6导通工作，Q1、Q4、Q5关闭，电池本体M1、M3通过Q2-Q3-Q6对负载放电；

③t2-t3时MOS管Q1、Q4、Q6导通工作，Q2、Q3、Q5关闭，电池本体M2、M3通过Q1-Q4-Q6对负载放电；上述3个过程以一定的周期轮流循环到每个模组电压放完此时进入第四步骤

④当电池总电压<实际要求输出电压42V时，MOS管Q2、Q4、Q6导通电池模组M1、M2、M3串联一起放电。

在整个电池包处于充电状态时，至少有一个电池本体（M1、M2、M3）在连续或不连续的时间段不充电并且用于邻接或非邻接电池的散热。电池本体以阵列式排布时，如单层排布。每一个横向行为一组电池模组。当其中一个电池本体，所在的列均停止充电，即该列所有电池本体对应的断路开关（Q2、Q4、Q6）断开，旁路开关（Q1、Q3、Q5）根据周围其他导通。这种方式控制的是不同组别的电池模组中的特定电池本体断开通路、停止充电。以上实施例协调的是三个不同的组别。通过协调不同电池模组中电池本体的充电与否，管理相应过热电池的热交换，以不充电的电池通过温差传热方式吸收过热电池的热量。

充电状态：

当电池开始充电时

①t1-t2时MOS管Q2、Q4、Q6导通工作，Q1、Q3、Q5关闭，电池模块M1、M2、M3通过Q2-Q4-Q6充电；

②t2-t3时MOS管Q2、Q4、Q5导通工作，Q1、Q3、Q6关闭，电池模块M1、M2通过Q2-Q4-Q5充电；

③t3-t4时MOS管Q2、Q3、Q6导通工作，Q1、Q4、Q5关闭，电池模块M1、M3通过Q2-Q3-Q6充电；

④t4-t5时MOS管Q1、Q4、Q6导通工作，Q2、Q3、Q5关闭，电池模块M2、M3通过Q1-Q4-Q6充电；上述4个过程以一定的周期轮流循环到每个模组电压放完此时进入第四步骤

静置状态：

Q1、Q2、Q3均不工作达到降低待机功耗的目的。

另一种方式，可以是过热电池周围的电池本体均不充电。以单层排布方式为例。上述周围的电池本体都以物理方式对过热的电池本体进行热量分摊。

如果是多层、立体布置，可以通过上述方式，停止整个切面或者停止过热电池本体周边呈立方体排列的26个或者直接邻接的6个电池本体。

本发明还提供一种多开关切换电路的控制方法，其通过控制单元（U4）对上述旁路开关（Q1、Q3、Q5）和/或断路开关（Q2、Q4、Q6）的耦合调节，使动态调整电池模组数量以及相应电池模组接入的时间，维持放电端电压在一个设定范围之内或设定电压之上。通过控制单元（U4）对上述旁路开关（Q1、Q3、Q5）和/或断路开关（Q2、Q4、Q6）的耦合调节，在后时间段的放电端电压下降速率大于或等于前一时间段的放点端电压下降速率。

通过控制单元（U4）对上述旁路开关（Q1、Q3、Q5）和/或断路开关（Q2、Q4、Q6）的耦合调节，使动态调整电池模组数量以及相应电池模组接入的时间，维持任一电池本体的被测温度低于一个设定的温度值。通过耦合、选择被充电的电池模组，通过监测温度，当接近设定的风险温度阈值时，撤去对该电池本体的充电电流，达到防护目的。同时，切换至新的电池本体和/或维持其余温度正常范围电池本体继续充电。

本实施例以3个串联的电池模组进行举例，并不是对技术方案的唯一限定。串联电池模组显然可以不限于3个。

本发明还公开了一种车辆，所述车辆包括前述所述应用于钠离子电池的多开关切换电路。

本发明还公开了计算机装置，其包括一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个计算机程序，其中上述一个或多个计算机程序被存储在上述存储器中，上述一个或多个计算机程序包括指令，当上述指令被装置执行时，使得装置执行上述的方法。

计算机存储介质，该计算机存储介质存储一个或多个计算机程序，当指令被执行时，能执行上述的方法。

本发明采用了新型的电路架构，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。匹配钠离子电池与充电器及负载，增加电池智能充放电功能。

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 (9)

1.一种应用于钠离子电池的多开关切换电路，包括串联的至少两个以上电池模组，所述电池模组具有电池本体，其特征是：

所述的电池本体并联有旁路开关；所述的电池本体连接有电池数据采集单元；所述的电池本体串联有断路开关；

控制单元，与所述的电池模组的电池数据采集单元相连；

所述的电池模组的旁路开关，用于获取来自所述的控制单元的控制信号，调整切换所述的电池模组在整体对外供电或者充电时，电流通路上的电池本体的数量；

通过控制一个或多个断路开关以及一个或多个旁路开关的开合进行组合，使上述一个或多个电池本体按需接入电流通路；

当充电状态下，通过上述组合的控制，实现每个电池单体逐一接入电流通路进行充电；

当进入对外供电的状态下，通过单个电池本体依次接入电流通路进行放电端的对外放电；

充电状态：

当电池开始充电时

① t1-t2时MOS管Q2、Q4、Q6导通工作，Q1、Q3、Q5关闭，电池模块M1、M2、M3通过Q2-Q4-Q6充电；

② t2-t3时MOS管Q2、Q4、Q5导通工作，Q1、Q3、Q6关闭，电池模块M1、M2通过Q2-Q4-Q5充电；

③ t3-t4时MOS管Q2、Q3、Q6导通工作，Q1、Q4、Q5关闭，电池模块M1、M3通过Q2-Q3-Q6充电；

④ t4-t5时MOS管Q1、Q4、Q6导通工作，Q2、Q3、Q5关闭，电池模块M2、M3通过Q1-Q4-Q6充电；上述4个过程以一定的周期轮流循环到每个电池模组电压充完，此时进入静置状态：Q1、Q2、Q3均不工作达到降低待机功耗的目的；

Q1、Q3、Q5是旁路开关，Q2、Q4、Q6是断路开关。

2.根据权利要求1所述的一种应用于钠离子电池的多开关切换电路，其特征是：串联的电池模组电流通路的旁路上设有电机控制器，通过控制单元对所述的旁路开关和断路开关的耦合调节，能使所述的电机控制器连通到任意所述的电池本体或其组合。

3.根据权利要求1所述的一种应用于钠离子电池的多开关切换电路，其特征是：在对外供电状态下，通过检测端电压，动态调整电池模组数量以及相应电池模组接入的时间，维持放电端电压在一个设定范围之内或设定电压之上。

4.根据权利要求1所述的一种应用于钠离子电池的多开关切换电路，其特征是：在整个电池处于充电状态时，至少有一个电池本体在连续或不连续的时间段不充电并且用于邻接或非邻接电池的散热。

5.一种多开关切换电路的控制方法，其特征是：采用如权利要求1至4任一项所述的应用于钠离子电池的多开关切换电路，通过控制单元对所述的旁路开关和/或断路开关的耦合调节，使动态调整电池模组数量以及相应电池模组接入的时间，维持放电端电压在一个设定范围之内或设定电压之上。

6.如权利要求5所述的多开关切换电路的控制方法，其特征是：通过控制单元对所述的旁路开关和/或断路开关的耦合调节，使动态调整电池模组数量以及相应电池模组接入的时间，维持任一电池本体的被测温度低于一个设定的温度值。

7.一种车辆，其特征在是：所述车辆包括权利要求1至4任一项所述应用于钠离子电池的多开关切换电路。

8.计算机装置，其特征是：包括一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，所述一个或多个计算机程序包括指令，当所述指令被所述装置执行时，使得所述装置执行如权利要求5或6任一项所述的方法。

9.计算机存储介质，其特征是：所述计算机存储介质存储一个或多个计算机程序，当所述程序被执行时，能执行如权利要求5至6任一项所述的方法。