CN116729197A - 钠离子电池的电压随动控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明主要关于钠离子电池的电压随动控制方法及控制系统，方法包括：控制系统对接入所述控制系统的钠离子电池进行电压采集获得真实电压；电动车控制器根据整车系统的目标车速、电机的运行特性、电动车控制器当前运行电压计算出最佳需求电压和最佳工作电流，并将最佳需求电压和最佳工作电流传输给电压随动控制器；电压随动控制器依据电池真实电压、最佳需求电压和最佳工作电流进行增压比计算，然后自适应调整输出电压，满足整车最佳运行的需求。系统能够根据需求和整车运行效率进行输出电压的自适应改变，还可实现自适应能量回馈，提高了电池放电容量的同时发挥整车系统最大的优势，显著提高了钠离子电池的利用效率。
Description
技术领域
本发明主要关于电动车动力单元的控制，涉及钠离子电池的电压控制技术领域，特别是关于钠离子电池的电压随动控制方法及控制系统。
背景技术
对于电动两轮车而言，目前主流的适配电池就两种，铅酸电池和锂电池。然而，铅及铅合金是普通铅酸电池中极板主要材质，而铅则属于重金属元素。锂离子电池技术已经被用于许多应用中，并且广泛用于便携式装置中；然而遗憾的是锂元素的储量并不丰富，并且在大规模应用中较为昂贵。铅酸电池不能随时充放电，有严重的自放电现象，电池一旦搁置则容易报废，其放电倍率小，不能长时间大电流放电。而锂电池则可以随时充放电，电池自放电低，然而锂电池价格昂贵且安全性差，其正负极材料都需用贵金属，特别是电极材料需要用到锂的化合物，锂是活泼金属，遇氧和充放电不当，都会释放大量热能，产生剧烈氧化反应，因锂电池通常采取刚性容器密封，快速的温升必然导致压力上升，从而有爆炸的危险。
钠离子电池的出现则在很大程度上兼顾了比铅酸电池更高的能量密度和比锂电池更好的安全性，更是补齐了锂电池相较铅酸电池的成本和安全两大短板，在未来将会成为两轮电动车的主要动力电池。
钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似，是利用钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。由于钠的标准电极电势低于锂，使得钠离子电池的电压比锂离子电池要低很多，在现有电动车控制器工作模式下，钠离子电池及电池包放电功率和能量密度比较低。为此，需要针对钠离子电池低电压平台和无过放电特性开发一种智能自适应宽电压的控制系统。
前述背景技术知识的记载旨在帮助本领域普通技术人员理解与本发明较为接近的现有技术，同时便于对本申请发明构思及技术方案的理解，应当明确的是，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请技术方案的新创性。
发明内容
为解决上述背景技术中提及的至少一种技术问题，本发明的目的旨在提供一种钠离子电池的电压随动控制方法及控制系统，能够根据需求和整车运行效率进行输出电压的自适应改变，还可实现自适应能量回馈，提高了电池放电容量的同时发挥整车系统最大的优势，显著提高了钠离子电池的利用效率。
钠离子电池的电压随动控制方法，包括：
控制系统对接入所述控制系统的钠离子电池进行电压采集获得真实电压；
电动车控制器根据整车系统的目标车速、电机的运行特性、电动车控制器当前运行电压计算出最佳需求电压和最佳工作电流，并将最佳需求电压和最佳工作电流传输给电压随动控制器；
电压随动控制器依据电池真实电压、最佳需求电压和最佳工作电流进行增压比计算，然后自适应调整输出电压，满足整车最佳运行的需求。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电动车控制器将最佳需求电压和最佳工作电流传输给电压随动控制器具体包括：电动车控制器通过电动车控制器通讯单元将最佳需求电压和最佳工作电流传输给电压随动控制器通讯单元。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电动车控制器通讯单元、电压随动控制器通讯单元具体是一线通、RS485、RS232、CAN或者无线通讯方式的一种。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器具有电压自适应控制功能，可以根据整车系统的需求输出指定的电压，电压随动控制器可以根据整车系统和电池特性设计成升压型、降压型、升降压型。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器设置有最低欠压保护电压VL，最高电压保护电压VH，降压转换启动电压VD，以及升压转换启动电压VU，所述VD和VU根据匹配电机的特性进行动态调整，根据电机转速或者负载力矩等运行条件计算电机最佳工作电压区间为VG2-VG1，VG2＞VG1。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器包括：电压跟随转换单元、电压采集单元、微控制器单元和电压随动控制器通讯单元。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器根据整车系统的需求输出指定的电压包括：
根据整车系统特性以及电压跟随转换单元的实时效率μ，μ必须高于效率设定值μ0，电压随动控制器增压比P进行智能自适应调整；
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V的区间为VL＜V＜VH，且V＞VG2时，根据当前系统特性和效率，当V≤VD时，电压随动控制器进行降压转换，增压比P＜1，且V越大，P越小，使得电压随动控制器电压输出维持在需求电压范围内，同时实时监控电压跟随转换单元的效率，如果效率低于设定值μ0，则P不再继续减小。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器根据整车系统的需求输出指定的电压包括：
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V的区间为VL＜V＜VH时，且VG1＜V＜VG2，电压随动控制器不启动电压转换，增压比P＝1。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器根据整车系统的需求输出指定的电压包括：
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V的区间为VL＜V＜VH时，且V＜VG1，根据当前系统特性和效率，当V≥VU，电压随动控制器进行升压转换，电压随动控制器增压比为P>1，随着钠离子电池电压降低，P自适应加大，使得电压随动控制器电压输出维持在需求电压范围内，同时实时监控电压跟随转换单元的效率，如果效率低于设定值μ0，则P不再继续增大。
作为对本申请技术方案的进一步优化，根据整车系统特性，系统设定最低工作电压VDL和最高工作电压VUH，当V＜VU，或V＞VD时，电压随动控制器输出VOUT按固定值VDL或VUH进行变压输出。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述整车系统特性可以由电动车控制器通过电动车控制器通讯单元传输给电压随动控制器进行设定。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器根据整车系统的需求输出指定的电压包括：
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V＜VL时，电压随动控制器将发出欠压保护预警，通过电压随动控制器通讯单元传输给钠离子电池及电动车控制器，钠离子电池和电动车控制器将采取设定程序进行欠压保护。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器根据整车系统的需求输出指定的电压包括：
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V＞VH时，电压随动控制器将发出过压保护预警，通过电压随动控制器通讯单元传输给钠离子电池及电动车控制器，钠离子电池和电动车控制器将采取设定程序进行过压保护。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器可在整车刹车、滑行、下坡等运行过程中变换出合适电压电流给钠离子电池进行反向充电，实现输出电源能量的回馈。
钠离子电池的电压随动控制系统，所述系统用以执行前述钠离子电池的电压随动控制方法，所述系统包括：
钠离子电池，用于为电动车提供电动力；
电压随动控制器，用于依据整车系统需求输出指定的电压，当整车系统需能下降时能够给钠离子电池回馈充电；
电动车控制器，用于根据整车系统的目标车速、电机的运行特性、电动车控制器当前运行电压计算出最佳需求电压和最佳工作电流并传输给电压随动控制器；
电动车电机。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压随动控制器可以单独部件也可以集成到整车控制器中。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述系统还包括显示系统，显示系统接收电压随动控制器通讯单元传输的车辆运行信息和电池信息，并将车辆运行信息和电池信息选择性显示，从而为用户提供直观、可操控的信息显示。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述系统还包括钠离子电池充电组件，用于为钠离子电池充电供能。
作为对本申请技术方案的进一步优化，所述电压跟随控制器和钠离子电池、钠离子电池充电组件、电动车控制器、显示系统等信号连接。
本申请的有益效果为：
本发明实施例提供的电动车钠离子电池电压随动控制方法和控制系统，通过对钠离子电池进行电压采集获得真实电压，电动车控制器根据整车系统计算获得最佳需求电压和最佳工作电流，电压随动控制器能够对电池电压进行实时转换，根据真实电压、最佳需求电压和最佳工作电流自动进行增压比计算，根据系统需求和整车运行效率进行输出电压的自适应改变，电压随动控制器的双向电压跟随控制实现了能量的双向传输，并且还可以将刹车、电机反向制动产生的能量根据电池状态进行变换，以产生适合电池状态的反向回馈电压和电流，实现自适应能量回馈功能。或当在整车接入外部电源充电时，电压随动控制器也可以进行最佳电压电流变换，实现钠电池高效充电。系统满足钠离子电池低电压平台输入，通过自适应调节控制，使得控制输出电压落在电机最佳功率区间，提高了电池放电容量的同时发挥整车系统最大的优势，进一步的实现了电池电能的回馈回收，提高了钠离子电池的利用效率。
附图说明
为让本发明的上述和/或其他目的、特征、优点与实例能更明显易懂，下面将对本发明的具体实施方式中所需要使用的附图进行简单的介绍，显然地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请钠离子电池的电压随动控制系统的组件框图；
图2是电压随动控制器的组件框图；
图3是钠离子电池的电压随动控制方法的流程图；
图4是电压随动控制系统正向放电电压随动流程图。
具体实施方式
本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当替换和/或改动工艺参数实现，然而特别需要指出的是，所有类似的替换和/或改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明所述产品和制备方法已经通过较佳实例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的产品和制备方法进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语，具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。本发明使用本文中所描述的方法和材料；但本领域中已知的其他合适的方法和材料也可以被使用。本文中所描述的材料、方法和实例仅是说明性的，并不是用来作为限制。所有出版物、专利申请案、专利案、临时申请案、数据库条目及本文中提及的其它参考文献等，其整体被并入本文中作为参考。若有冲突，以本说明书包括定义为准。
除非具体说明，本文所描述的材料、方法和实例仅是示例性的，而非限制性的。尽管与本文所述的那些方法和材料类似或等同的方法和材料可用于本发明的实施或测试，但本文仍描述了合适的方法和材料。
为了便于理解本发明的实施例，首先对本发明实施例中可能涉及的缩略语和关键术语进行解释说明或定义。
以下详细描述本发明。
本实施例提供的电动车钠离子电池电压随动控制系统，用于电动车钠离子电池的增压比、电压自适应调节，包括根据整车系统的需求输出指定的电压以及实现输出电源能量的回馈并为钠离子电池充电，满足整车最佳运行的需求。
图1示出了控制系统的组件框图，本实施例提供的钠离子电池的电压控制系统包括：
钠离子电池，用于为电动车提供电动力；
电压随动控制器，用于依据整车系统需求输出指定的电压，当整车系统需能下降时能够给钠离子电池回馈充电；
电动车控制器，用于根据整车系统的目标车速、电机的运行特性、电动车控制器当前运行电压计算出最佳需求电压和最佳工作电流并传输给电压随动控制器；
电动车电机，用于驱动电动车运行；
钠离子电池充电器，用于为钠离子电池充电供能；
显示系统，用于显示系统接收电压随动控制器通讯单元传输的车辆运行信息和电池信息。
图2示出了电压随动控制器的组件框图，所述电压随动控制器包括：
电压采集单元，用于获取钠离子电池的实际电压V；
电压跟随转换单元，用于在两个电源之间实现双向功率传递；
微控制器单元，用于控制升降压电路获得所需的输出电压；
电压随动控制器通讯单元，用于将车辆运行信息和电池信息传输给显示系统。
图3示出了控制方法流程图，所述钠离子电池的电压控制系统运行时执行以下控制方法：
S100、控制系统对接入所述控制系统的钠离子电池进行电压采集获得真实电压。
电压随动控制器的电压采集单元获取钠离子电池的实际电压V，所述电压随动控制器设置有最低欠压保护电压VL，最高电压保护电压VH，降压转换启动电压VD，以及升压转换启动电压VU，所述VD和VU根据匹配电机的特性进行动态调整，根据电机转速或者负载力矩等运行条件计算电机最佳工作电压区间为VG2-VG1，VG2＞VG1。
S200、电动车控制器根据整车系统的目标车速、电机的运行特性、电动车控制器当前运行电压计算出最佳需求电压和最佳工作电流，并将最佳需求电压和最佳工作电流传输给电压随动控制器。
电动车控制器通过电动车控制器通讯单元将最佳需求电压和最佳工作电流传输给电压随动控制器通讯单元。
S300、电压随动控制器依据电池真实电压、最佳需求电压和最佳工作电流进行增压比计算，然后自适应调整输出电压，满足整车最佳运行的需求。
电压随动控制器进行增压比计算，自适应调整输出电压，其正向放电电压随动流程图如图4所示，具体包括：
S310、根据整车系统特性以及电压跟随转换单元的实时效率μ，μ必须高于效率设定值μ0，电压随动控制器增压比P进行智能自适应调整；
S320、当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V的区间为VL＜V＜VH，且V＞VG2时，根据当前系统特性和效率，当V≤VD时，电压随动控制器进行降压转换，增压比P＜1，且V越大，P越小，使得电压随动控制器电压输出维持在需求电压范围内，同时实时监控电压跟随转换单元的效率，如果效率低于设定值μ0，则P不再继续减小；
S330、当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V的区间为VL＜V＜VH时，且VG1＜V＜VG2，电压随动控制器不启动电压转换，增压比P＝1；
S340、当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V的区间为VL＜V＜VH时，且V＜VG1，根据当前系统特性和效率，当V≥VU，电压随动控制器进行升压转换，电压随动控制器增压比为P>1，随着钠离子电池电压降低，P自适应加大，使得电压随动控制器电压输出维持在需求电压范围内，同时实时监控电压跟随转换单元的效率，如果效率低于设定值μ0，则P不再继续增大；
S360、当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V＜VL时，电压随动控制器将发出欠压保护预警，通过电压随动控制器通讯单元传输给钠离子电池及电动车控制器，钠离子电池和电动车控制器将采取设定程序进行欠压保护，从而保护动力电池过放电；
S370、当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V＞VH时，电压随动控制器将发出过压保护预警，通过电压随动控制器通讯单元传输给钠离子电池及电动车控制器，钠离子电池和电动车控制器将采取设定程序进行过压保护，从而保护钠离子电池和整车系统过压运行；
S380、根据整车系统特性，系统设定最低工作电压VDL和最高工作电压VUH，当V＜VU，或V＞VD时，电压随动控制器输出VOUT按固定值VDL或VUH进行变压输出；系统设定最低工作电压及最高工作电压有利于充分利用能源，保证系统的安全运行。
电压跟随转换单元能够在两个电源之间实现双向功率传递，从而实现能量的高效利用，其原理是通过控制开关管的导通与截止，实现输入电源能量的转移和输出电源能量的反馈，从而实现双向能量传递。
在正向操作时，输入电源将能量传递到输出电源，电压跟随转换单元利用Buck/Boost电源变换器的原理，也称升降压式变换器原理，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压。升降压电路通常由一个开关管、一个电感和一个电容组成，当开关管关闭时，电感中储存的电能会释放出来，产生一个高电压脉冲。这个高电压脉冲会通过电容，使得输出电压升高，当开关管打开时，电感中的电流会停止流动，电荷会从电容中释放出来，使得输出电压降低。通过微控制器进行开关管的控制，就可以得到所需要的输出电压。
此外，S390、在整车刹车、滑行、下坡等运行过程中，电压随动控制器可变换出合适电压电流给钠离子电池进行反向充电，实现输出电源能量的回馈；而不仅仅是在电池电压低的时候，由外部电源充电时的应用。
在反向操作时，电压随动控制器将能量传递回输入电源，实现输出电源能量的回馈。能量回馈时，控制器使得电机处于反转状态，产生反向制动力矩，从而产生反向电动势和反向电流，控制器通过SVPWM对动力电机驱动的三相功率器件(MOS/IGBT等)上下桥路进行开关控制，通过SVPWM占空比调节实现对功率器件的开度及开通时间控制，进而实现对反向电流及电压的大小的控制，通过控制器回馈电路反充给动力电池，实现能量的回馈。能量回馈时可以根据电池当前状态，对回馈的电压通过电压跟随系统进行变换，以得到更适合的电压回馈给电池充电。
应当理解的是，本领域技术人员可以根据实际钠离子电池的容量和电压来设置相应的参数，例如最低欠压保护电压VL，最高电压保护电压VH，降压转换启动电压VD，以及升压转换启动电压VU、最低工作电压VDL、最高工作电压VUH等等。
上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
虽然上述具体实施方式已经显示、描述并指出应用于各种实施方案的新颖特征，但应理解，在不脱离本公开内容的精神的前提下，可对所说明的装置或方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。另外，上述各种特征和方法可彼此独立地使用，或可以各种方式组合。所有可能的组合和子组合均旨在落在本公开内容的范围内。上述许多实施方案包括类似的组分，并且因此，这些类似的组分在不同的实施方案中可互换。虽然已经在某些实施方案和实施例的上下文中公开了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明可超出具体公开的实施方案延伸至其它的替代实施方案和/或应用以及其明显的修改和等同物。因此，本发明不旨在受本文优选实施方案的具体公开内容限制。
本发明未尽事宜均为公知技术。
Claims (10)
1.钠离子电池的电压随动控制方法，其特征在于包括：
控制系统对接入所述控制系统的钠离子电池进行电压采集获得真实电压；
电动车控制器根据整车系统的目标车速、电机的运行特性、电动车控制器当前运行电压计算出最佳需求电压和最佳工作电流，并将最佳需求电压和最佳工作电流传输给电压随动控制器；
电压随动控制器依据电池真实电压、最佳需求电压和最佳工作电流进行增压比计算，然后自适应调整输出电压，满足整车最佳运行的需求。
2.根据权利要求1所述的钠离子电池的电压随动控制方法，其特征在于：所述电动车控制器将最佳需求电压和最佳工作电流传输给电压随动控制器具体包括：电动车控制器通过电动车控制器通讯单元将最佳需求电压和最佳工作电流传输给电压随动控制器通讯单元。
3.根据权利要求1所述的钠离子电池的电压随动控制方法，其特征在于：所述电压随动控制器具有电压自适应控制功能，可以根据整车系统的需求输出指定的电压，电压随动控制器可以根据整车系统和电池特性设计成升压型、降压型、升降压型。
4.根据权利要求1-3任一项所述的钠离子电池的电压随动控制方法，其特征在于：所述电压随动控制器设置有最低欠压保护电压VL，最高电压保护电压VH，降压转换启动电压VD，以及升压转换启动电压VU，所述VD和VU根据匹配电机的特性进行动态调整，根据电机转速或者负载力矩等运行条件计算电机最佳工作电压区间为VG2-VG1，VG2＞VG1。
5.根据权利要求4所述的钠离子电池的电压随动控制方法，其特征在于：所述电压随动控制器根据整车系统的需求输出指定的电压包括：
根据整车系统特性以及电压跟随转换单元的实时效率μ，μ必须高于效率设定值μ0，电压随动控制器增压比P进行智能自适应调整；
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V的区间为VL＜V＜VH，且V＞VG2时，根据当前系统特性和效率，当V≤VD时，电压随动控制器进行降压转换，增压比P＜1，且V越大，P越小，使得电压随动控制器电压输出维持在需求电压范围内，同时实时监控电压跟随转换单元的效率，如果效率低于设定值μ0，则P不再继续减小。
6.根据权利要求5所述的钠离子电池的电压随动控制方法，其特征在于：所述电压随动控制器根据整车系统的需求输出指定的电压包括：
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V的区间为VL＜V＜VH时，且VG1＜V＜VG2，电压随动控制器不启动电压转换，增压比P＝1。
7.根据权利要求5或6所述的钠离子电池的电压随动控制方法，其特征在于：所述电压随动控制器根据整车系统的需求输出指定的电压包括：
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V的区间为VL＜V＜VH时，且V＜VG1，根据当前系统特性和效率，当V≥VU，电压随动控制器进行升压转换，电压随动控制器增压比为P>1，随着钠离子电池电压降低，P自适应加大，使得电压随动控制器电压输出维持在需求电压范围内，同时实时监控电压跟随转换单元的效率，如果效率低于设定值μ0，则P不再继续增大。
8.根据权利要求5或6所述的钠离子电池的电压随动控制方法，其特征在于：所述电压随动控制器根据整车系统的需求输出指定的电压包括：
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V＜VL时，电压随动控制器将发出欠压保护预警，通过电压随动控制器通讯单元传输给钠离子电池及电动车控制器，钠离子电池和电动车控制器将采取设定程序进行欠压保护；和/或
当电压采集单元获取到钠离子电池的实际电压V＞VH时，电压随动控制器将发出过压保护预警，通过电压随动控制器通讯单元传输给钠离子电池及电动车控制器，钠离子电池和电动车控制器将采取设定程序进行过压保护；和/或
根据整车系统特性，系统设定最低工作电压VDL和最高工作电压VUH，当V＜VU，或V＞VD时，电压随动控制器输出VOUT按固定值VDL或VUH进行变压输出。
9.根据权利要求1-3、5、6任一项所述的钠离子电池的电压随动控制方法，其特征在于：所述电压随动控制器可在整车刹车、滑行、下坡等运行过程中变换出合适电压电流给钠离子电池进行反向充电，实现输出电源能量的回馈。
10.钠离子电池的电压随动控制系统，其特征在于：
所述系统用以执行权利要求1-9任一项所述钠离子电池的电压随动控制方法，
所述系统包括：
钠离子电池，用于为电动车提供电动力；
电压随动控制器，用于依据整车系统需求输出指定的电压，当整车系统需能下降时能够给钠离子电池回馈充电；
电动车控制器，用于根据整车系统的目标车速、电机的运行特性、电动车控制器当前运行电压计算出最佳需求电压和最佳工作电流并传输给电压随动控制器；
电动车电机。
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