CN104578309B - 一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法；该方法通过比较电池单体电压与电池组平均电压的大小来确定能量流动方向，当前单体合格标志位，根据单体电压与电池组单体平均电压的大小，确定Buck‑Boost变换模块的输出电压和工作模式；每次比较通过电压比较器实现，不需要电池单体电压传感器，节省了系统搭建成本；并且设置单体电压与平均电压之间的允许电压差范围，当单体电压在范围内时不对电池单体进行均衡而直接跳跃到下一节电池单体，极大地缩短了系统控制时间和均衡时间，减少了均衡次数，有效地提高了均衡效率，并克服了过均衡的发生。

Description

一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法。

背景技术

全球正面临着前所未有的能源和环境危机，世界范围内的能源短缺和环境恶化备受各国关注。电动汽车具有节能环保的特点，是解决这一重大危机的关键途径，已成为未来汽车工业发展的必然趋势。作为世界能源技术革命和国家新能源战略的重要组成部分，电动汽车是国家七大战略新兴产业之一。锂离子电池相对于镍氢、铅酸等电池具有尺寸小、重量轻、充电速度快、抗记忆效应好等优势，作为动力源被广泛应用于电动汽车和混合电动汽车中。受到电池制造技术的制约，动力锂电池使用过程中需要大量单体多级串并联才能够提供足够的供电电压和驱动功率。然而，由于单体锂电池在生产过程中的不一致性，使得单体电池在串并联成组使用后，随着充放电次数的增加，电池单体之间的差异会逐渐增大，往往导致单体电池的过充或过放，极大地减小了电池组的可用容量和循环寿命，甚至会发生爆炸、起火等安全事故。事实上，解决这一问题的可行方法并不仅仅是提高电池的化学性能，而是设计一个均衡电路对电池组均衡管理。

目前，均衡主要有耗散均衡、非耗散均衡和电池选择三大类。

耗散均衡(也称为电池旁路法均衡)通过给电池组中每个电池单体并联一个耗散器件进行放电分流，从而实现电池单体能量的均衡。耗散均衡进一步又被分为两类：被动均衡和主动均衡。耗散均衡具有结构和控制简单、成本低等优点，但是存在能量浪费和热管理的问题。

非耗散均衡采用电容、电感等作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的均衡方案。根据能量流，非耗散均衡能够分为以下五种：(1)Cell to Cell；(2)Cell to Pack；(3)Pack to Cell；(4)Pack to Cell to Pack；(5)Any Cells to Any Cells。对于Cell to Cell的均衡方法，能量能够直接从电压最高的电池单体转移到电压最低的电池单体，具有较高的均衡效率，并且适宜于高电压应用，但是电池单体之间的电压差较小再加之电力电子器件存在导通压降使得均衡电流很小，因此Cell to Cell均衡方法不适合于大容量的动力电池。对于Pack to Cell to Pack的均衡方法，既能够实现电池组对电池单体的均衡，又能够实现电池单体对电池组的均衡，均衡方式比较灵活，具有较高的均衡效率，适合于大容量的动力电池。非耗散均衡电路虽然克服了耗散均衡的缺点，但存在电路结构复杂、体积大、成本高、均衡时间长、高开关损耗等问题。

电池选择均衡是指通过实验选择性能一致的电池单体构建电池组，筛选过程一般分两步。第一步，在不同的放电电流下，选择电池平均容量相近的电池单体；第二步，在第一步筛选的电池单体中，通过脉冲充、放电实验在不同SOC下选择具有相近电池电压变化量的电池单体。由于电池单体的自放电率不尽相同，电池选择均衡在电池整个生命周期内不足以保持电池均衡。它只能作为其他均衡方法的一种补充均衡方法。

中国发明专利(专利号ZL201420264864.X和申请号201410218975.1)公开了一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路及实现方法，其能够实时判断电池组中电压最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，每次均衡都是针对电池组中电压最低的电池单体进行，提高了均衡效率，有效减少了电池单体之间的不一致性。但是，在该均衡电路中，当某一节电池单体电压较低，而其他节电池单体电压处于平衡状态时，这时需要一次切换就可以完成均衡；当某一节电池单体电压较高，而其他节电池单体电压处于平衡状态时，需要n-1次切换循环才能完成均衡。因此，Pack to Cell型均衡电路平均需要n/2次切换循环，均衡速度较慢，效率较低，只适合于电池组中某一或若干节电池单体电压较低而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况，不适合于某一或若干节电池单体电压较高而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。

而对于Cell to Pack型均衡电路，当某一节电池单体电压较高，而其他节电池单体电压处于平衡状态时，需要一次切换就可以完成均衡；当某一节电池单体电压较低，而其他节电池单体电压处于平衡状态时，这时需要n-1次切换循环才能完成均衡，因此，Cell to Pack型均衡电路平均需要n/2次切换循环，均衡速度慢，效率较低，只适合于电池组某一或若干节电池单体电压较高而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况，不适合于某一或若干节电池单体电压较低而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。

在传统的均衡电路中，需要电压传感器将单体电池电压采集到微控制器中，然后由微控制器对电压信号进行比较，输出控制信号，这个过程需要占用较长时间和较多资源，使得控制周期较长，效率较低，不能实现单体与电池组之间的自动均衡。在对每一节单体电池进行均衡时，无论单体电压是否在规定范围，都会对单体进行规定时间的均衡，这样在当前单体本身已经均衡时就造成了不必要的时间浪费和能量浪费，极大地降低了均衡效率，延长了均衡总时间。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，本方法通过比较电池单体电压与电池组平均电压的大小来确定能量流动方向，每次比较通过电压比较器实现，不需要电池单体电压传感器(A/D转换模块)，节省了系统搭建成本；并且设置单体电压与平均电压之间的允许电压差范围，当单体电压在范围内时不对电池单体进行均衡而直接跳跃到下一节电池单体，极大地缩短了系统控制时间和均衡时间，减少了均衡次数，有效地提高了均衡效率，并克服了过均衡的发生。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，包括控制器、Buck-Boost变换模块、双向LC谐振变换模块、选择开关模块、均衡母线和动力电池组，动力电池组通过选择开关模块连接均衡母线，均衡母线连接、Buck-Boost变换模块、双向LC谐振变换模块，控制器控制选择开关模块和动力电池组的检测电路，电路通过Buck-Boost变换和双向LC谐振变换，实现电池组对电池单体或电池单体对电池组的软开关均衡，具体包括以下步骤：

(1)检测控制器是否接收到开始均衡信号，若是则开始均衡过程，并将当前单体计数变量设置为1，否则再次检测；

(2)采集电池组总电压，通过总电压除以串联电池节数得到电池组平均电压，比较电池组平均电压与每节电池单体电压；

(3)若单体电压在允许的范围内则置位本节电池单体的合格标志位，并转至步骤(5)，否则继续执行步骤(4)；

(4)清零当前单体合格标志位，根据单体电压与电池组单体平均电压的大小，确定Buck-Boost变换模块的输出电压和工作模式，将电池静置一段规定时间后检测单体电压是否在允许范围内，若是则将当前单体合格标志位置位，并执行步骤(5)；否则保持当前单体合格标志位为零，不进行动作，直接执行步骤(5)；

(5)将当前单体计数变量值加1，并判断是否是最后一个单体，若是最后一个电池单体则继续执行步骤(6)，否则进行下一单体的检测与均衡，重复步骤(2)-(5)；

(6)检查每个单体的合格标志位，确定是否每个电池单体都已合格，若是则均衡结束，否则当前单体计数变量的值被置为1，进行下一次循环。

所述步骤(1)的具体方法为：控制器通过I/O口接受均衡开始信号，没有开始信号时I/O口接收的电平是高电平，当均衡开始信号产生时，I/O口接收到一个低电平，此时微控制器中当前单体计数变量i的值被置为1。

所述步骤(2)的具体方法为：将电池组的总电压加在串联电阻的两端，通过电阻分压，得到电池单体的平均电压U_a；

电池单体平均电压U_a的公式为：

$U_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i}{N}---\left(1\right)$

式中U_i为第i节电池单体的电压，i＝1,2,…,N。

所述步骤(3)中，单体电压允许范围为平均电压U_a±0.01V。

所述步骤(4)中的具体方法为：清零当前单体合格标志位Flag[i]，根据单体电压与电池组单体平均电压的大小，确定Buck-Boost变换模块的输出电压U_ref和Buck-Boost变换模块的工作模式。若当前单体电压高于允许范围，则控制Buck-Boost变换模块输出电压U_ref<U_a，启动Buck-Boost变换模块并使Buck-Boost变换模块工作于Boost模式，若当前单体电压低于允许范围，则控制Buck-Boost变换模块输出电压U_ref>U_a，启动Buck-Boost变换模块并使Buck-Boost变换模块工作于Buck模式，启动LC谐振变换模块实现电池组与电池单体之间的能量流动。

所述步骤(4)中，单体电压允许范围为平均电压U_a±0.01V。

所述步骤(4)中，将被均衡过的电池单体静置，采集电池组单体当前时刻平均电压，通过硬件电路与当前单体电压进行比较，若当前单体电压在允许范围内，则置位当前单体合格标志Flag[i]，并进行步骤(5)，否则保持当前单体合格标志位为零，不进行动作，直接进行步骤(5)。

所述步骤(6)中，在控制器中设置标志检测变量m，用以检测每一个单体的合格标志位，m从1开始累加，每次加1，从而利用变量m可以检验每个单体的合格标志Flag[m](m＝1,2,…,N)，若每个单体的合格标志的值都为1，则m在累加到N+1时整个均衡过程结束并返回到步骤(1)等待下一次均衡开始信号的到来，否则将当前均衡单体计数变量i的值重新置为1并返回步骤(2)进行新一次循环。

本发明的有益效果为：

(1)由于不使用电池单体电压传感器，减小了系统体积，节约了系统成本；

(2)使用硬件比较器，比较速度快，节约了控制时间；

(3)采用合格单体跳过机制，有效减少了均衡次数，提高了均衡效率；

(4)本发明的自动均衡方法能有效克服过均衡的发生，有效减少了能量的浪费。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路原理图；

图2为本发明的一个实施例的Buck-Boost变换器工作在Buck模式下的波形原理图；

图3(a)-(f)为本发明的一个实施例的Buck-Boost变换器工作在Buck模式下的六种工作模式；

图4为本发明的一个实施例的Buck-Boost变换器工作在Boost模式下的波形原理图；

图5(a)-(f)为本发明的一个实施例的Buck-Boost变换器工作在Boost模式下的六种工作模式；

图6(a)为本发明的一个实施例的Pack to Cell模式下双向LC谐振变换工作在充电状态的工作原理图；

图6(b)为本发明的一个实施例的Pack to Cell模式下双向LC谐振变换工作在放电状态的工作原理图；

图7为本发明的一个实施例的双向LC谐振变换处于谐振状态下的充放电电流i和电容电压V_C的原理波形图；

图8(a)为本发明的一个实施例的Cell to Pack模式下双向LC谐振变换工作在充电状态的工作原理图；

图8(b)为本发明的一个实施例的Cell to Pack模式下双向LC谐振变换工作在放电状态的工作原理图；

图9(a)为本发明的一个实施例的电压比较器的放电偏差电压产生电路原理图；

图9(b)为本发明的一个实施例的电压比较器的充电偏差电压产生电路原理图；

图9(c)为本发明的一个实施例的Buck-Boost模块输出电压给定值生成电路原理图；

图10为本发明的一个实施例的Buck-Boost模块输出电压给定值U_ref变化示意图；

图11(a)为本发明的一个实施例在不使用合格单体跳过策略时均衡电流和电池单体之间的关系图；

图11(b)为本发明的一个实施例在使用合格单体跳过策略时均衡电流和电池单体之间的关系图；

图12为本发明的一个实施例的无单体电压传感器的自动Pack to Cell to Pack均衡控制方法流程图；

图13(a)为本发明的一个实施例的4节电池单体电压在均衡过程中的变化波形图，其Buck-Boost模块输出电压为单体平均电压U_a；

图13(b)为本发明的一个实施例的4节电池单体电压在均衡过程中的变化波形图，其Buck-Boost模块输出电压为U_a+k(U_a-U_i)，其中k为比例系数，是一个常数；。

图13(c)为本发明的一个实施例在执行合格单体跳过策略时4节电池单体电压随均衡过程的变化波形图，其Buck-Boost模块输出电压为单体平均电压U_a加上或减去一个固定的电压值；

图13(d)为本发明的一个实施例在执行合格单体跳过策略时4节电池单体电压随均衡过程的变化波形图，其Buck-Boost模块输出电压为外加的电压源提供的一个电压值。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，包括微控制器、均衡母线、Buck-Boost变换电路、双向LC谐振变换电路、选择开关模块、动力电池组和滤波电容。电路通过Buck-Boost变换和双向LC谐振变换，实现电池组对电池单体(Pack to Cell)或电池单体对电池组(Cell to Pack)的软开关均衡。本电路的工作原理为：微控制器根据采集的电池组电压求得单体平均电压，通过比较单体平均电压与当前均衡单体电压确定均衡工作模式，并相应地控制Buck-Boost变换和选择开关模块，同时发送一对状态互补的PWM信号控制双向LC谐振变换不断切换，LC谐振变换的能量流总是从电压高的一端流向电压低的一端。Buck-Boost变换工作在零电压开关模式，双向LC谐振变换工作在零电流开关模式，整个均衡过程无开关损耗，极大地提高了均衡效率。

如图2所示为Buck-Boost变换器工作在Buck模式下的波形原理图。如图3所示为Buck-Boost变换器工作在Buck模式下的六种工作模式。

模式1(t₀-t₁)，如图3(a)所示，在t＝t₀时Q_b1零电压导通，Q_b2关断，电池组通过Q_b1，L₁和C₁放电，同时电感L₁存储能量；

模式2(t₁-t₂)，如图3(b)所示，为死区模式，电感L₁给C_b1充电直到其电压等于V_bat，同时给C_b2放电直到电压为0；

模式3(t₂-t₄)，如图3(c)所示，为死区模式，电感电流i_L1通过二极管D_b2续流，为Q_b2的零电压导通提供条件；

模式4(t₄-t₅)，如图3(d)所示，Q_b2在t＝t₄时零电压导通，电感电流i_L1由正变负，C₁同时给L₁、Q_b2和R_e两条支路放电；

模式5(t₅-t₆)，如图3(e)所示，为死区模式，Q_b2在t＝t₅时零电压关断，电感电流i_L1给C_b1放电直到电压为0，给C_b2充电直到电压等于V_bat；

模式6(t₆-t₈)，如图3(f)所示，为死区模式，电感电流i_L1通过二极管D_b1续流，为Q_b1的零电压导通提供条件。

如图4所示为Buck-Boost变换器工作在Boost模式下的波形原理图。如图5所示为Buck-Boost变换器工作在Boost模式下的六种工作模式。

模式1(t₀-t₁)，如图5(a)所示，Q_b2导通，Q_b1关断，C₁通过L₁和Q_b2放电，同时电感L₁存储能量；

模式2(t₁-t₂)，如图5(b)所示，为死区模式，电感L₁给C_b1放电直到其电压为0，同时给C_b2充电直到电压等于V_bat；

模式3(t₂-t₄)，如图5(c)所示，也为死区模式，电感电流i_L1通过二极管D_b1续流，为Q_b1的零电压导通提供条件；

模式4(t₄-t₅)，如图5(d)所示，Q_b1零电压导通，电池组通过Q_b1，L₁和C₁放电，同时电感L₁存储能量；

模式5(t₅-t₆)，如图5(e)所示，为死区模式，电感L₁给C_b1充电直到其电压等于V_bat，同时给C_b2放电直到电压为0；

模式6(t₆-t₈)，如图5(f)所示，也为死区模式，电感电流i_L1通过二极管D_b2续流，为Q_b2的零电压导通提供条件。

如图6(a)所示，为Pack to Cell均衡模式下，双向LC谐振电路的工作原理。

当Q₁和Q₃导通时，LC谐振电路与Buck-Boost变换器的C₁并联。C₁、L和电容C形成一个谐振回路，此时对电容C充电，谐振电流i为正，电容C两端的电压V_c开始上升直至谐振电流i变为负值，由图10可以看出，V_c滞后谐振电流i四分之一个周期，且波形均为正弦波。该时刻，由于Q₅-Q₈处于关断状态，电池单体B₃开路，所以流入B₃的电流i_B3为零；因为滤波电容C₀并联在Buck-Boost变换器两端无其他放电回路，所以流入LC的谐振电流i即为流出电池组的电流i_bat，并且规定电流流出电池单体/电池组时为正，因此可得到如图7所示工作状态Ⅰ的电池组电流i_Bat和B₃电流i_B3的波形。

如图6(b)所示，当Q₅和Q₇导通时，LC谐振电路通过选择开关模块(S₄₁、S₄₁)与电压最低的电池单体B₃并联。B₃、L和C形成一个谐振回路，此时电容C放电，谐振电流i为负，电容C两端的电压V_c开始下降直至谐振电流i变为正值。因为电池组处于开路状态，因此流出电池组的电流i_Bat为零；同时该时刻谐振电流i就是B₃的充电电流，因此可得到如图7状态Ⅱ所示的电池组电流i_Bat和B₃电流i_B3的波形。

如图8所示，为Cell to Pack均衡模式下，双向LC谐振电路的工作原理，类似于图6所示的Pack to Cell均衡模式下工作原理，在此不再赘述。

如图9(a)所示，为允许电压范围上限比较器电路原理图，用于产生Cell to Pack均衡模式信号和单体放电偏差电压U_dis。电路由稳压二极管、分压电阻、限流电阻、滤波电容、运算放大器和上拉电阻组成。

电池组平均电压通过U_a输入口输入电路模块，稳压二极管接在电源V_cc1和单体平均电压U_a之间用于产生一个基准电压，这个基准电压经过电阻R₁和R₂分压后在电阻R₂的两端产生一个0.01V的电压差，这个电压差叠加在输入的单体平均电压U_a上，生成单体电压允许范围的上限阈值。这个阈值输入到运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端输入当前均衡单体的电压，运放通过比较当前单体的电压和允许电压范围的上限阈值，得到输出信号，若当前单体的电压高于允许上限阈值，则运放的输出端经由上拉电阻驱动输出高电平，若单体电压低于允许的上限阈值，则运放的输出端输出低电平。运放的输出作为单体放电的偏差电压，接到图9(c)的U_dis输入端。

如图9(b)所示，为允许电压范围下限比较器电路原理图，用于产生Pack to Cell均衡模式信号和单体充电偏差电压U_cha。当输入单体电压U_i低于允许范围的下限值时，输出电压U_cha为高电平，否则输出电压U_cha为低电平。电路工作原理类似于图9(a)，在此不再赘述。

如图9(c)所示，为Buck-Boost模块输出电压给定值生成电路原理图。电路由运算放大器和电阻搭建的运算电路组成，输出电压U_ref由下列公式计算得到：

$U_{\mathrm{ref}1}=-\frac{R_{13}}{R_9}{U}_{\mathrm{dis}}---\left(2\right)$

$U_{\mathrm{ref}2}=(1+\frac{R_{13}}{R_9})\left(\frac{R_{12}}{R_{11}+R_{12}}\right)U_a-\frac{R_{13}}{R_9}\left(\frac{R_{11}}{R_{11}+R_{12}}\right)U_a---\left(3\right)$

$U_{\mathrm{ref}3}=\frac{R_{11}}{R_{11}+R_{12}}(1+\frac{R_{13}}{R_9//R_{10}})U_{\mathrm{cha}}---\left(4\right)$

U_ref＝U_ref1+U_ref2+U_ref3 (5)

将式(2)，(3)，(4)代入式(5)并选取电阻的阻值R₉＝R₁₀＝R₁₃，R₁₂＝2R₁₁，得到输出电压U_ref为：

U_ref＝U_a-U_dis+U_cha (6)

当图9(c)输入电压U_dis为高电平，U_cha为低电平时，输出电压U_ref为平均电压U_a减去U_dis，当输入电压U_dis为低电平，U_cha为高电平时，输出电压U_ref为平均电压U_a加上U_cha，当输入电压U_dis和U_cha都为低电平时，输出电压U_ref为平均电压U_a。U_ref和U_a、U_dis、U_cha、U_a-U_i之间的关系如图10所示。

如图11(a)所示，为不使用合格单体跳过策略时均衡电流与单体电压之间的关系图。对于单体1和单体4，单体电压偏离平均电压较多，均衡电流较大，可以得到较好的均衡效果。但对于单体2和单体3，单体电压偏离平均电压很小，使得均衡电流很小，几乎没有均衡效果，却要花费和单体1同样的均衡时间，造成了能量和时间的浪费，均衡效率低。

如图11(b)所示，为使用合格单体跳过策略时均衡电流与单体电压之间的关系图。对于单体1和单体4，单体电压超出允许范围，对其进行规定时间的均衡，而对于单体2和单体3，单体电压在允许电压范围内，不需要对其进行均衡，故直接跳过。单体1均衡结束后直接跳到对单体4的均衡，大大节省了均衡时间，节约了能量，极大地提高了均衡效率。

一种无单体电压传感器的自动均衡控制方法，包括以下步骤：

S1.判断是否收到均衡开始信号：检测控制器是否接收到开始均衡信号，若接收到开始信号则开始均衡过程，并将当前单体计数变量i的值设置为1，否则再次检测。

S2.获取单体平均电压：采集电池组总电压，通过总电压除以串联电池节数得到电池单体平均电压。

S3.判断单体电压：通过硬件电路比较电池组平均电压与每节电池单体电压。

S4.执行跳过策略：根据步骤S3得到的比较结果确定处理策略，若单体电压在允许的范围内则置位本节单体的合格标志位，并转S7，否则继续执行S5。

S5.执行均衡策略：根据S3步的判断结果执行均衡策略。

S6.均衡效果检测：将电池静置一段规定时间后检测单体电压是否在允许范围内，若是则将当前单体合格标志位Flag[i]置位，并执行S7，否则直接执行S7。

S7.均衡下一电池单体：当前单体计数变量i的值加1，并判断是否是最后一个单体，若是最后一个单体则继续执行S8，否则进行下一单体的检测，并转步骤S2。

S8.检验是否所有单体都已合格：通过检查每个单体的合格标志位Flag[i]，确定是否每个单体都已合格，若是则均衡结束，否则当前单体计数变量i的值被置为1并转步骤S2进行下一次循环。

所述步骤S1的具体方法为：微控制器通过I/O口接受平衡开始信号，没有开始信号时I/O口接收的电平是高电平，当平衡开始信号产生时，I/O口接收到一个低电平，此时微控制器中当前单体计数变量i的值被置为1。

所述步骤S2的具体方法为：微控制器借助模数转换模块，在电池静置状态下获取电池组总电压，并根据串联电池单体的个数N计算出单体的平均电压U_a。

所述步骤S2的电池单体平均电压U_a的公式为：

$U_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_i}{N}---\left(1\right)$

式中U_i为第i节电池单体的电压，i＝1,2,…,N。

所述步骤S3的具体步骤为：将电池组平均电压与当前检测的单体电压分别作为比较器的两个输入，通过由硬件电路搭建的比较器比较两电压的大小。

所述步骤S4的单体电压允许范围为平均电压U_a±0.01V。

所述步骤S5的具体方法为：清零当前单体合格标志位Flag[i]。根据单体电压与电池组单体平均电压的大小，确定Buck-Boost模块的输出电压U_ref和Buck-Boost模块的工作模式。若当前单体电压高于允许范围，则控制Buck-Boost模块输出电压U_ref<U_a，启动Buck-Boost模块并使Buck-Boost模块工作于Boost模式，若当前单体电压低于允许范围，则控制Buck-Boost模块输出电压U_ref>U_a，启动Buck-Boost模块并使Buck-Boost模块工作于Buck模式。启动LC谐振变换模块实现电池组与电池单体之间的能量流动。

所述步骤S5的规定均衡时间设置为100s，若均衡工作持续时间达到了100s，则进行步骤S6，否则继续均衡工作。

所述步骤S6中规定的静置时间设为20s。

所述步骤S6的单体电压允许范围为平均电压U_a±0.01V。

所述步骤S6的具体方法为：将被均衡过的电池单体静置20s后，按照步骤S2采集电池组单体当前时刻平均电压，通过硬件电路与当前单体电压进行比较，若当前单体电压在允许范围内，则置位当前单体合格标志Flag[i]，并进行步骤S7，否则直接进行步骤S7。

所述步骤S7的具体方法为：将微控制器中当前单体计数变量i的值加1，通过软件程序判断i的值是否等于N+1，若是则执行步骤S8，否则返回步骤S2。

所述步骤S8的具体方法为：在微控制器中设置标志检测变量m，用以检测每一个单体的合格标志位，m从1开始累加，每次加1，从而利用变量m可以检验每个单体的合格标志Flag[m](m＝1,2,…,N)，若每个单体的合格标志的值都为1，则m在累加到N+1时整个均衡过程结束并返回到步骤S1等待下一次均衡开始信号的到来，否则将当前均衡单体计数变量i的值重新置为1并返回步骤S2进行新一次循环。

如图13(a)所示，为Buck-Boost模块输出电压为单体平均电压时，四节电池单体电压随均衡过程的变化，从图中可以看出电池单体的电压变化很小，几乎起不到均衡的作用。

如图13(b)所示，将单体平均电压与当前单体电压的差值按比例放大一定倍数后，加到单体平均电压上，作为Buck-Boost模块输出电压，由于单体平均电压与当前单体电压的差值可正可负，所以Buck-Boost模块输出电压可能高于单体平均电压也可能低于单体平均电压。从图中可以看出前期均衡效果较理想，但后期均衡效果较差。前期当平均电压与单体电压差值较大时，均衡速度较快，单体电压变化较大，均衡效果较好，但随着差值的降低，均衡电流减小，单体电压变化变慢，均衡效果降低。

如图13(c)所示，为加入合格单体跳过策略后，Buck-Boost模块输出电压为单体平均电压加上一个固定电压值时，四节电池单体电压随均衡过程的变化。当单体电压高于平均电压时，这个固定电压值为负值，当单体电压低于平均电压时，这个固定电压值为正值。从图中可以看出，整个均衡过程中单体电压的变化都较大，可以在整个过程中起到较好的均衡效果，同时由于加入了合格单体跳过策略，使得整个均衡过程的时间大大缩短，对比图12(b)和图12(c)可以看出加入跳过策略后由于大大减少了单体均衡次数，从而使整个均衡时间缩短了大约一倍。

如图13(d)所示，为加入合格单体跳过策略后，Buck-Boost模块输出电压为外加的一个电源电压时，四节电池单体电压随均衡过程的变化。从图中可以看出，均衡效果与图12(c)类似，但由于加入了外接的电源，对电量过低的单体的充电力度更强，电量低的单体比电量高的单体更早达到平衡状态，均衡过程结束后单体电压值与图12(c)相比较高，从时间上看由于采用了跳过策略，使得均衡时间大大缩短，与图12(c)相似。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，包括控制器、Buck-Boost变换模块、双向LC谐振变换模块、选择开关模块、均衡母线和动力电池组，动力电池组通过选择开关模块连接均衡母线，均衡母线连接Buck-Boost变换模块、双向LC谐振变换模块，控制器控制选择开关模块和动力电池组的检测电路，电路通过Buck-Boost变换和双向LC谐振变换，实现电池组对电池单体或电池单体对电池组的软开关均衡，其特征是：具体包括以下步骤：

(1)检测控制器是否接收到开始均衡信号，若是则开始均衡过程，并将当前单体计数变量设置为1，否则再次检测；

(2)采集电池组总电压，通过总电压除以串联电池节数得到电池组平均电压，比较电池组平均电压与每节电池单体电压；

(3)若单体电压在允许的范围内则置位本节电池单体的合格标志位，并转至步骤(5)，否则继续执行步骤(4)；

(4)清零当前单体合格标志位，根据单体电压与电池组单体平均电压的大小，确定Buck-Boost变换模块的输出电压和工作模式，将电池静置一段规定时间后检测单体电压是否在允许范围内，若是则将当前单体合格标志位置位，并执行步骤(5)；否则保持当前单体合格标志位为零，不进行动作，直接执行步骤(5)；

(5)将当前单体计数变量值加1，并判断是否是最后一个单体，若是最后一个电池单体则继续执行步骤(6)，否则进行下一单体的检测与均衡，重复步骤(2)-(5)；

(6)检查每个单体的合格标志位，确定是否每个电池单体都已合格，若是则均衡结束，否则当前单体计数变量的值被置为1，进行下一次循环。

2.如权利要求1所述的一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，其特征是：所述步骤(1)的具体方法为：控制器通过I/O口接受均衡开始信号，没有开始信号时I/O口接收的电平是高电平，当均衡开始信号产生时，I/O口接收到一个低电平，此时控制器中当前单体计数变量i的值被置为1。

3.如权利要求1所述的一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，其特征是：所述步骤(2)的具体方法为：将电池组的总电压加在串联电阻的两端，通过电阻分压，得到电池单体的平均电压U_a；

电池单体平均电压U_a的公式为：

$U_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_i}{N}---\left(1\right)$

式中U_i为第i节电池单体的电压，i＝1,2,…,N。

4.如权利要求1所述的一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，其特征是：所述步骤(3)中，单体电压允许范围为平均电压U_a±0.01V。

5.如权利要求1所述的一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，其特征是：所述步骤(4)中的具体方法为：清零当前单体合格标志位Flag[i]，根据单体电压与电池组单体平均电压的大小，确定Buck-Boost变换模块的输出电压U_ref和Buck-Boost变换模块的工作模式；若当前单体电压高于允许范围，则控制Buck-Boost变换模块输出电压U_ref＜U_a，启动Buck-Boost变换模块并使Buck-Boost变换模块工作于Boost模式，启动LC谐振变换模块实现电池单体与电池组之间的能量流动。

6.如权利要求5所述的一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，其特征是：若当前单体电压低于允许范围，则控制Buck-Boost变换模块输出电压U_ref>U_a，启动Buck-Boost变换模块并使Buck-Boost变换模块工作于Buck模式，启动LC谐振变换模块实现电池组与电池单体之间的能量流动。

7.如权利要求5所述的一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，单体电压允许范围为平均电压U_a±0.01V。

8.如权利要求5所述的一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，将被均衡过的电池单体静置，采集静置后电池组单体当前时刻平均电压，通过硬件电路比较平均电压与当前单体电压，若当前单体电压在允许范围内，则置位当前单体合格标志Flag[i]，并进行步骤(5)，否则保持当前单体合格标志位为零，不进行动作，直接进行步骤(5)。

9.如权利要求1所述的一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，其特征是：所述步骤(6)中，在控制器中设置标志检测变量m，用以检测每一个单体的合格标志位，m从1开始累加，每次加1，从而利用变量m可以检验每个单体的合格标志Flag[m](m＝1,2,…,N)，若每个单体的合格标志的值都为1，则m在累加到N+1时整个均衡过程结束并返回到步骤(1)等待下一次均衡开始信号的到来，否则将当前均衡单体计数变量i的值重新置为1并返回步骤(2)进行新一次循环。

10.如权利要求1所述的一种无电池单体电压传感器的自动均衡控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，静置时间大于20s。