CN106887954A - 双主动全桥变换器控制方法和装置以及相关方法和产品 - Google Patents

双主动全桥变换器控制方法和装置以及相关方法和产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双主动全桥变换器控制方法、充电方法、双主动全桥变换器控制装置、充电设备、充电车的充电接口及移动充电车。其中,双主动全桥变换器控制方法包括建立双主动全桥变换器模型;基于双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律;利用控制律对双主动全桥变换器进行控制。本发明实施例在采用移相控制的PWM调制基础上,结合了李雅普洛夫稳定性理论,从而解决了如何提高控制的响应速度并降低超调量的技术问题,实现了响应速度快、超调量小的技术效果。

Description

双主动全桥变换器控制方法和装置以及相关方法和产品
技术领域
本发明涉及车辆充放电技术领域,具体地,涉及一种双主动全桥变换器控制方法、充电方法、双主动全桥变换器控制装置、充电设备、充电车的充电接口及移动充电车。
背景技术
移动充电车是解决当前电动汽车市场充电网络稀疏、车辆续航困难这一难题的有效途径之一。移动充电车用自身配备的电池为电动汽车中的电池充电,故其充电接口需选择一种带隔离、高效率的DC-DC电力电子变换器。
双主动全桥变换器以其功率密度高、自身惯性小、控制灵活著称(如图1所示),其中,US为输入电压,uo为输出电压,G1~G8为开关管,T为变压器,Cd为输出电容,R为等效负载,iT为变压器电流,uab为变压器输入电压,ucd为变压器输出电压。其中,开关管受驱动电路驱动,驱动电路可以由诸如数字信号处理器、可编程逻辑控制器等控制器来控制。此类变换器通过高频变压器实现输入输出端口的电气隔离,能够满足移动充电车充电接口变换器的需要。双主动全桥变换器包含两个H桥,8个电力电子开关管,这种结构的控制裕度大,但控制难度也相应较高,控制方法更为复杂。当前此类变换器最常用的PWM调制方式是移相控制,这种方式控制两个H桥对变压器输出50%占空比的方波电压,通过调节两端方波的相位差来实现控制传输功率的目的。图2示例性地示出了移项控制方法中的波形示意图。其中,TS为一个开关周期;t0、t1、t2、t3、t4表示时刻。对于变换器移相角的计算,当前的控制方法普遍采用PI控制方法,但PI控制参数难于选取,控制效果差、响应速度慢且超调量大。
有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题,即为了解决如何提高控制的响应速度并降低超调量的技术问题,提供一种双主动全桥变换器控制方法。
为了实现上述目的,第一方面,提供以下技术方案:
一种双主动全桥变换器控制方法,该方法包括:
建立双主动全桥变换器模型;
基于所述双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律;
利用所述控制律对所述双主动全桥变换器进行控制。
优选地,所述建立双主动全桥变换器模型具体包括:
基于移相控制的输出功率关系,并结合传输功率与输出电压成正比的关系,得到所述双主动全桥变换器的电流源电流;
基于所述双主动全桥变换器的电流源电流,并结合输出电容电压的微分表达形式,得到所述双主动全桥变换器模型。
优选地,所述基于所述双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律,具体包括:
选择控制对象,并设定所述控制对象的控制目标,以确定输出误差;
基于所述输出误差,并根据所述双主动全桥变换器模型,得到所述输出误差的微分形式;
基于李雅普洛夫能量函数,并根据所述输出误差的微分形式,得到所述李雅普洛夫能量函数的微分形式;
根据所述李雅普洛夫能量函数的微分形式,并结合李雅普洛夫稳定性判据,得到所述控制律。
为了实现上述目的,第二方面,本发明实施例还提供一种充电方法,该充电方法包括上述控制方法。
为了实现上述目的,第三方面,本发明实施例还提供一种双主动全桥变换器控制装置,该装置包括:
建立模块,用于建立双主动全桥变换器模型;
控制律生成模块,用于基于所述双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律;
控制模块,用于利用所述控制律对所述双主动全桥变换器进行控制。
优选地,所述建立模块具体包括:
第一计算模块,用于基于移相控制的输出功率关系,并结合传输功率与输出电压成正比的关系,得到所述双主动全桥变换器的电流源电流;
第二计算模块,用于基于所述双主动全桥变换器的电流源电流,并结合输出电容电压的微分表达形式,得到所述双主动全桥变换器模型。
优选地,所述控制律生成模块具体包括:
第一误差确定模块,用于选择控制对象,并设定所述控制对象的控制目标,以确定输出误差;
第二误差确定模块,用于基于所述输出误差,并根据所述双主动全桥变换器模型,得到所述输出误差的微分形式;
能量函数确定模块,用于基于李雅普洛夫能量函数,并根据所述输出误差的微分形式,得到所述李雅普洛夫能量函数的微分形式;
控制律生成模块,用于根据所述李雅普洛夫能量函数的微分形式,并结合李雅普洛夫稳定性判据,得到所述控制律。
为了实现上述目的,第四方面,本发明实施例还提供一种充电设备,该充电设备包括上述控制装置。
为了实现上述目的,第五方面,本发明实施例还提供一种充电车的充电接口,该充电接口作为上述充电设备。
为了实现上述目的,第六方面,本发明实施例还提供一种移动充电车,其包括上述充电车的充电接口。
本发明实施例提供一种双主动全桥变换器控制方法、充电方法、双主动全桥变换器控制装置、充电设备、充电车的充电接口及移动充电车。其中,双主动全桥变换器控制方法包括建立双主动全桥变换器模型;基于双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律;利用控制律对双主动全桥变换器进行控制。本发明实施例在采用移相控制的PWM调制基础上,结合了李雅普洛夫稳定性理论,从而解决了如何提高控制的响应速度并降低超调量的技术问题,实现了响应速度快、超调量小的技术效果。
附图说明
图1是双主动全桥变换器的示意图;
图2是移项控制方法中的波形示意图;
图3是根据本发明实施例的双主动全桥变换器控制方法的流程示意图;
图4是根据本发明实施例的双主动全桥变换器的电流源简化电路结构示意图;
图5是采用本发明实施例得到的控制律的控制方法的流程示意图;
图6是根据本发明实施例提供的方法与现有方法相比的效果对比示意图;
图7是根据本发明实施例的双主动全桥变换器控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是,这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理,并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种双主动全桥变换器控制方法。如图3所示,该方法可以包括:
S100:建立双主动全桥变换器模型。
根据图2可以得到移相控制时的输出功率关系如式(1)所示:
其中,Pd表示输出功率;uo表示输出电压;US表示输入电压;d表示移相比;n表示变压器变比;fs表示开关频率;Ls表示变压器等效到副边的漏感。
具体地,本步骤可以包括:
S101:基于移相控制的输出功率关系,并结合传输功率与输出电压成正比的关系,得到双主动全桥变换器的电流源电流。
作为示例,根据式(1),可以看出传输功率与输出电压成正比。由此,可以得到双主动全桥变换器的电流源简化电路,如图4所示。其中,等效电流源电流的计算如式(2)所示:
其中,iL表示等效电流源电流;d表示移相比,n表示变压器变比,fs表示开关频率,Ls表示变压器等效到副边的漏感。
S102:基于双主动全桥变换器的电流源电流,并结合输出电容电压的微分表达形式,得到双主动全桥变换器模型。
沿用上例,本步骤考虑如下输出电容电压的微分表达式如式(3)所示:
其中,R表示等效负载。
本步骤可以根据双主动全桥变换器的电流源电流,并结合式(3),得到如下双主动全桥变换器模型如式(4)所示:
S110:基于双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律。
本步骤在采用移相控制的PWM调制的基础上,并结合李雅普洛夫稳定性控制方法来实现控制。
具体地,本步骤可以包括:
S111:选择控制对象,并设定该控制对象的控制目标,以确定输出误差。
S112:基于输出误差,并根据双主动全桥变换器模型,得到输出误差的微分形式。
S113:基于李雅普洛夫能量函数,并根据输出误差的微分形式,得到李雅普洛夫能量函数的微分形式。
S114:根据李雅普洛夫能量函数的微分形式,并结合李雅普洛夫稳定性判据,得到控制律。
下面以一优选实施例来详细说明得到控制律的过程。
需要说明的是,本优选实施例仅为举例说明,不视为对本发明保护范围的限定。
步骤A1:选择控制对象uo,并设定该控制对象uo的控制目标Ur,以确定如式(5)所示的输出误差:
ue=uo-Ur (5)
其中,ue表示输出误差。
步骤A2:基于式(5),并根据式(4),得到如式(6)所示的输出误差的微分形式:
其中,Df=d(1-d)并且0≤Df≤0.25。
步骤A3:在双主动全桥变换器中加入一项Re,并使得式(7)为零:
步骤A4:通过式(7),可以得到式(8):
步骤A5:确定如式(9)所示的李雅普洛夫能量函数:
其中,V表示李雅普洛夫能量函数;ue表示输出误差。
步骤A6:设定满足式(10):
Re>0 (10)
步骤A7:根据式(9)和式(10),可以得到式(11):
其中,表示李雅普洛夫能量函数微分形式。
步骤A8:根据李雅普洛夫稳定性判据,通过式(12)确定Re
步骤A9:根据式(11),并结合式(12),得到如式(13)所示的控制律:
其中,Df表示控制律。
S120:利用控制律对双主动全桥变换器进行控制。
图5示例性地示出了采用本发明实施例得到的控制律的控制方法的流程示意图。从中可见,与传统的PI控制器相比,基于李雅普洛夫(Lyapunov)的控制方法中没有积分项,而是有一个前馈项,这样,能够比传统控制方法取得更好的动态调节性能。
图6示例性地示出了本发明实施例提供的方法与现有方法相比的效果对比示意图。现有传统控制方法一般容易出现两种情况,当调节速度非常快时,会导致最后输出电压的过冲现象。当保证没有电压过冲现象时,调节速度又不能一直非常快,造成相应调节时间会比较长。而基于Lyapunov的控制方法能够在调节速度非常快的同时保证基本没有电压过冲现象。
此外,本发明实施例还提供一种充电方法。该充电方法包括上述双主动全桥变换器控制方法实施例。
优选地,充电车为移动充电车。
基于上述方法实施例,本发明实施例还提供一种双主动全桥变换器控制装置。如图7所示,该控制装置包括:建立模块72、控制律生成模块74和控制模块76。其中,建立模块72用于建立双主动全桥变换器模型。控制律生成模块74用于基于双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律。控制模块76用于利用控制律对双主动全桥变换器进行控制。
本发明实施例通过采用上述技术方案,解决了如何提高控制的响应速度并降低超调量的技术问题,与现有控制方法相比,改善了控制性能。
在一个优选的实施例中,上述建立模块具体可以包括第一计算模块和第二计算模块。其中,第一计算模块用于基于移相控制的输出功率关系,并结合传输功率与输出电压成正比的关系,得到双主动全桥变换器的电流源电流。第二计算模块用于基于双主动全桥变换器的电流源电流,并结合输出电容电压的微分表达形式,得到双主动全桥变换器模型。
在一个优选的实施例中,上述控制律生成模块具体可以包括第一误差确定模块、第二误差确定模块、能量函数确定模块和控制律生成模块。其中,第一误差确定模块用于选择控制对象,并设定控制对象的控制目标,以确定输出误差。第二误差确定模块用于基于输出误差,并根据双主动全桥变换器模型,得到输出误差的微分形式。能量函数确定模块用于基于李雅普洛夫能量函数,并根据输出误差的微分形式,得到李雅普洛夫能量函数的微分形式。控制律生成模块用于根据李雅普洛夫能量函数的微分形式,并结合李雅普洛夫稳定性判据,得到控制律。
另外,本发明实施例还提供一种充电设备。该充电设备包括上述双主动全桥变换器控制装置实施例。
此外,本发明实施例还提供一种充电车的充电接口。该充电车的充电接口可以作为上述充电设备实施例。
再者,本发明实施例还提供一种移动充电车。该移动充电车包括上述充电接口实施例。
本发明实施例采用包括双主动全桥变换器控制装置的充电设备作为移动充电车的充电接口,实现了输入、输出隔离,提高了变换器能量密度,还减小了变换器体积。
以上对本发明的示例实施例的详细描述是为了说明和描述的目的而提供。不是为了穷尽或将本发明限制为所描述的精确形式。显然,许多变型和改变对本领域技术人员而言是显而易见的。实施例的选择和描述是为了最佳地说明本发明的原理及其实际应用,从而使本领域其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适于特定使用预期的各种变型。本发明的实施例可以省略上述技术特征中的一些技术特征,仅解决现有技术中存在的部分技术问题。而且,所描述的技术特征可以进行任意组合。本发明的保护范围由所附权利要求及其等价物来限定,本领域技术其他人员可以对所附权利要求中所描述的技术方案进行各种变型或替换和组合,这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双主动全桥变换器控制方法,其特征在于,所述方法包括:
建立双主动全桥变换器模型;
基于所述双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律;
利用所述控制律对所述双主动全桥变换器进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述建立双主动全桥变换器模型具体包括:
基于移相控制的输出功率关系,并结合传输功率与输出电压成正比的关系,得到所述双主动全桥变换器的电流源电流;
基于所述双主动全桥变换器的电流源电流,并结合输出电容电压的微分表达形式,得到所述双主动全桥变换器模型。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于所述双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律,具体包括:
选择控制对象,并设定所述控制对象的控制目标,以确定输出误差;
基于所述输出误差,并根据所述双主动全桥变换器模型,得到所述输出误差的微分形式;
基于李雅普洛夫能量函数,并根据所述输出误差的微分形式,得到所述李雅普洛夫能量函数的微分形式;
根据所述李雅普洛夫能量函数的微分形式,并结合李雅普洛夫稳定性判据,得到所述控制律。
4.一种充电方法,其特征在于,所述充电方法包括权利要求1-3中任一所述的控制方法。
5.一种双主动全桥变换器控制装置,其特征在于,所述装置包括:
建立模块,用于建立双主动全桥变换器模型;
控制律生成模块,用于基于所述双主动全桥变换器模型,采用李雅普洛夫稳定性控制方法,得到控制律;
控制模块,用于利用所述控制律对所述双主动全桥变换器进行控制。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述建立模块具体包括:
第一计算模块,用于基于移相控制的输出功率关系,并结合传输功率与输出电压成正比的关系,得到所述双主动全桥变换器的电流源电流;
第二计算模块,用于基于所述双主动全桥变换器的电流源电流,并结合输出电容电压的微分表达形式,得到所述双主动全桥变换器模型。
7.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述控制律生成模块具体包括:
第一误差确定模块,用于选择控制对象,并设定所述控制对象的控制目标,以确定输出误差;
第二误差确定模块,用于基于所述输出误差,并根据所述双主动全桥变换器模型,得到所述输出误差的微分形式;
能量函数确定模块,用于基于李雅普洛夫能量函数,并根据所述输出误差的微分形式,得到所述李雅普洛夫能量函数的微分形式;
控制律生成模块,用于根据所述李雅普洛夫能量函数的微分形式,并结合李雅普洛夫稳定性判据,得到所述控制律。
8.一种充电设备,其特征在于,所述充电设备包括权利要求5-7中任一所述的控制装置。
9.一种充电车的充电接口,其特征在于,所述充电接口为权利要求8所述的充电设备。
10.一种移动充电车,其特征在于,其包括权利要求9所述的充电车的充电接口。
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