CN107026496A - 一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法及装置，其特征在于它包括三相电源模块、AC/DC整流器模块、DC/DC变流器模块、蓄电池、交流侧电压电流检测调理模块、IPM驱动模块I、DSP控制模块I、直流侧电压电流检测调理模块、IPM驱动模块II、DSP控制模块II和充放电侧电压电流检测调理模块；其优越性在于：①结构简单，软件编程易懂；②可靠性高；③提高了运行效率与经济效益。

Description

一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电装置及方法

(一)技术领域：

本发明涉及电动汽车和电力系统控制技术领域，是一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电装置及方法。

(二)背景技术：

随着世界经济与工业的发展，全球的资源需求和环境压力日益增加，能源短缺和环境恶化的问题日渐突出。在能源危机与环境污染的时代背景下，人类迫切需要调整能源结构。一次能源由以传统的化石能源为主体，向低碳清洁的可再生能源过度和转变。电动汽车以电代油作为驱动能源具有能源多样性和环保性等优点，发展电动汽车取代燃油汽车被视为是缓解能源短缺和环境恶化问题的有效手段之一。电动汽车需从电网获取电能以保证其续航能力，随着大规模电动汽车的接入电网，势必会对电网运行产生重大的影响，尤其大量电动汽车无序充电会影响电网的电能质量。合理有序控制电动汽车充放电，成为亟待解决的重要问题。

本发明针对模型不确定的非线性系统，应用自抗扰技术参与电动汽车双向充放电控制，可改善充放电控制器的动态特性，有效提高充电效率，减小大规模电动汽车充电过程对电网的冲击，改善电网电能质量，为该领域的进一步发展提供了一定的参考价值。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电装置及方法，它可以克服传统PI控制的不足，利用自抗扰控制理论实现电动汽车向电网双向充放电，减小大量电动汽车充电过程对电网电能质量的影响，保证电力系统安全可靠运行。

本发明的技术方案：一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法及装置，其特征在于它包括三相电源模块、AC/DC整流器模块、DC/DC变流器模块、蓄电池、交流侧电压电流检测调理模块、IPM(Intelligent Power Module——即智能功率模块)驱动模块I、DSP(Digital Signal Process——即数字信号处理技术)控制模块I、直流侧电压电流检测调理模块、IPM驱动模块II、DSP控制模块II和充放电侧电压电流检测调理模块；其中，所述三相电源模块依次与AC/DC整流器模块、DC/DC变流器模块和蓄电池组相连接，所述交流侧电压电流检测调理模块采集三相交流电源的电压和电流，其输出端与DSP控制模块的输入端连接；所述IPM信号驱动模块I的输入端接收DSP控制模块I的输出信号，其输出端与三相电压型PWM变流器模块的输入端相连接；所述直流侧电压电流检测调理模块采集直流侧电源的电压和电流，其输出端分别与DSP控制模块I和DSP控制模块II的输入端连接；所述IPM信号驱动模块II的输入端与DSP控制模块II的输出端连接，其输出端与DC/DC变流器模块的输入端相连接；所述充放电侧电压电流检测调理模块的输入端采集蓄电池的电量信号，其输出端与DSP控制模块II的输入端连接。

所述DSP控制模块I和DSP控制模块II均采用TMS320F2812芯片；其内置模块包括：事件管理器、A/D数模转换器、过电压保护、过电流保护、扩展RAM、带有锁相环的时钟模块及EVA引脚；所述DSP控制模块I的A/D数模转换器的输入端连接交流侧电压电流检测调理模块的输出端；所述DSP控制模块I的EVA引脚输出SVPWM1信号，将其输入到所述IPM信号驱动模块I的输入端；所述DSP控制模块II的A/D数模转换器的输入端连接直流侧电压电流检测调理模块的输出端；所述DSP控制模块II的EVA引脚输出SVPWM2信号，将其输入到所述IPM信号驱动模块II的输入端。

所述DSP控制模块I发出6路PWM脉冲驱动信号先进行电平转换，再经过光耦隔离后输入IPM功率模块I，IPM功率模块I中IGBT的基极驱动信号低电平有效，与控制电路经过光电隔离器件隔离，光耦模块将DSP输出的0～3.3V的PWM信号转换成0～15V的驱动信号；所述DSP控制模块II发出6路PWM脉冲驱动信号先进行电平转换，再经过光耦隔离后输入IPM功率模块II，IPM功率模块II中IGBT的基极驱动信号低电平有效，与控制电路经过光电隔离器件隔离，光耦模块将DSP输出的0～3.3V的PWM信号转换成0～15V的驱动信号。

所述IPM驱动模块I和IPM驱动模块II采用PM150CLA120模块。

所述直流侧电压电流检测调理模块和交流侧电压电流检测调理模块是使用LEM公司的交直流通用型电压霍尔传感器LV25-P和电流霍尔传感器LA25-P，通过对变流器的交流侧和直流侧电流量和电压量进行检测，以便在DSP内进行计算和控制。

一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法，其特征在于它包括以下步骤：

a.建立充电系统数学模型，忽略变换器自身损耗的情况下，在dq0坐标系下的数学模型为：

其中，v_dc为直流侧电压，i_d，e_d，s_d和i_q，e_q，s_q为d轴、q轴变流器输出电流，交流电网电压，开关函数，ω为交流电网角频率。

b.分别有由交流侧电压电流检测调理模块和直流侧电压电流调理模块检测并采集三相电源侧与直流侧的电压与电流信号，经过坐标变换变成dq0坐标系的输入量，变换之后存在变量之间耦合，需要进行解耦控制；

c.将步骤b采集的三相电源侧的电压信号母线电压作为DSP控制模块的A/D模数转换器的输入信号，对A/D初始化的时候将其设置其为同步采样工作模式；

d.将步骤b的信号在DSP控制模块I进行处理，根据自抗扰控制原理，构建交流侧自抗扰控制器，由跟踪微分器TD和扩张状态观测器ESO构成，自抗扰控制器通过安排过渡过程来解决超调与快速性的矛盾，跟踪微分器用来解决典型微分器带来的噪声污染，扩张状态观测器用来估计补偿误差；

(1)跟踪微分器形式：

其中，r₀，α₀，δ₀为待定可调参数。

(2)扩张状态观测器ESO形式：

其中，β₁，β₂，α₁，δ₁为可调参数。

(3)非线性状态误差反馈形式为：

其中，以误差e₁作为输入，选择非线性函数，ε_i为误差，a为指数，a越小，跟踪越快，但滤波效果越差，δ为区分ε_i大小的界限。然后根据系统经过选择与调试，选择r₂，α₂，δ₂的值，u_d是最终控制量；

e.构建AC/DC整流器电流内环自抗扰控制器模型，实现双向变流作用，构造出微分跟踪器TD，给扩张交流侧状态观测器ESO和NLSEF设置初值，调整ESO的参数，使其尽可能快速而准确地估计参考输入；最后交流侧自抗扰控制器输出控制量经过DSP控制模块I输出PWM信号，再经过通过IPM驱动模块1控制三相电压型PWM变流器模块的输出实现功率双向流动的；

f.由直流侧电压电流检测调理模块检测并采集的电压与电流信号；

g.将步骤f的信号在DSP控制模块II进行处理，根据自抗扰控制原理，构建直流侧DC/DC整流器自抗扰控制器，由跟踪微分器TD、非线性状态误差反馈NLSEF和扩张状态观测器ESO构成(构造形式如同上述AC/DC的步骤)；

h.构造直流侧微分跟踪器TD，给直流侧扩张状态观测器ESO和NLSEF设置初值，调整ESO的参数，使其尽可能快速而准确地估计参考输入；最后直流侧自抗扰控制器输出控制量经过DSP控制模块2输出PWM信号，再经过通过IPM驱动模块2控制DC/DC变流器模块的功率双向流动，最终到达电动汽车双向充放电的目的。

本发明的工作原理：本发明采用自抗扰(ADRC)理论实现对电动汽车充放电装置中AC/DC整流器模块和DC/DC变流器模块的控制，将设定值与实际值的偏差和自抗扰控制器产生的控制信号对比，能够快速准确跟踪参考电压电流，最终实现电动汽车双向充放电。所述三相电压型PWM变流器是采用六个IGBT开关管的控制结构，并且采用IPM智能功率模块取代单管加续流二极管的设计，节约成本和减少体积。

本发明的优越性在于：①采用硬件装置与软件编程相结合的方式，硬件装置设计简单，软件编程通俗易懂；②应用先进的自抗扰控制技术解决传统PI控制快速性和超调之间的矛盾，大大提高了该控制系统的可靠性；③本发明实现电动汽车双向充放电的的特性，结构简单，提高了运行效率与经济效益。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电装置的总体结构示意图。

图2为本发明所涉一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法中的自抗扰控制器结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法中解耦结构示意图。

图4为本发明所涉一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法的充电机拓扑图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法及装置(见图1)，其特征在于它包括三相电源模块、AC/DC整流器模块、DC/DC变流器模块、蓄电池、交流侧电压电流检测调理模块、IPM驱动模块I、DSP控制模块I、直流侧电压电流检测调理模块、IPM驱动模块II、DSP控制模块II和充放电侧电压电流检测调理模块；其中，所述三相电源模块依次与AC/DC整流器模块、DC/DC变流器模块和蓄电池组相连接，所述交流侧电压电流检测调理模块采集三相交流电源的电压和电流，其输出端与DSP控制模块的输入端连接；所述IPM信号驱动模块I的输入端接收DSP控制模块I的输出信号，其输出端与三相电压型PWM变流器模块的输入端相连接；所述直流侧电压电流检测调理模块采集直流侧电源的电压和电流，其输出端分别与DSP控制模块I和DSP控制模块II的输入端连接；所述IPM信号驱动模块II的输入端与DSP控制模块II的输出端连接，其输出端与DC/DC变流器模块的输入端相连接；所述充放电侧电压电流检测调理模块的输入端采集蓄电池的电量信号，其输出端与DSP控制模块II的输入端连接。

所述DSP控制模块I和DSP控制模块II(见图1)均采用TMS320F2812芯片；其内置模块包括：事件管理器、A/D数模转换器、过电压保护、过电流保护、扩展RAM、带有锁相环的时钟模块及EVA引脚；所述DSP控制模块I的A/D数模转换器的输入端连接交流侧电压电流检测调理模块的输出端；所述DSP控制模块I的EVA引脚输出SVPWM1信号，将其输入到所述IPM信号驱动模块I的输入端；所述DSP控制模块II的A/D数模转换器的输入端连接直流侧电压电流检测调理模块的输出端；所述DSP控制模块II的EVA引脚输出SVPWM2信号，将其输入到所述IPM信号驱动模块II的输入端。

所述DSP控制模块I发出6路PWM脉冲驱动信号先进行电平转换，再经过光耦隔离后输入IPM功率模块I，IPM功率模块I中IGBT的基极驱动信号低电平有效，与控制电路经过光电隔离器件隔离，光耦模块将DSP输出的0～3.3V的PWM信号转换成0～15V的驱动信号；所述DSP控制模块II发出6路PWM脉冲驱动信号先进行电平转换，再经过光耦隔离后输入IPM功率模块II，IPM功率模块II中IGBT的基极驱动信号低电平有效，与控制电路经过光电隔离器件隔离，光耦模块将DSP输出的0～3.3V的PWM信号转换成0～15V的驱动信号。

所述IPM驱动模块I和IPM驱动模块II采用PM150CLA120模块。

所述直流侧电压电流检测调理模块和交流侧电压电流检测调理模块是使用LEM公司的交直流通用型电压霍尔传感器LV25-P和电流霍尔传感器LA25-P，通过对变流器的交流侧和直流侧电流量和电压量进行检测，以便在DSP内进行计算和控制。

一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法，其特征在于它包括以下步骤：

b.建立充电系统数学模型，忽略变换器自身损耗的情况下，在dq0坐标系下的数学模型为：

其中，v_dc为直流侧电压，i_d，e_d，s_d和i_q，e_q，s_q为d轴、q轴变流器输出电流，交流电网电压，开关函数，ω为交流电网角频率。

b.分别有由交流侧电压电流检测调理模块和直流侧电压电流调理模块检测并采集三相电源侧与直流侧的电压与电流信号，经过坐标变换变成dq0坐标系的输入量，变换之后存在变量之间耦合，需要进行解耦控制(如图3)；

c.将步骤b采集的三相电源侧的电压信号母线电压作为DSP控制模块的A/D模数转换器的输入信号，对A/D初始化的时候将其设置其为同步采样工作模式；

d.将步骤b的信号在DSP控制模块I进行处理，根据自抗扰控制原理，构建交流侧自抗扰控制器，由跟踪微分器TD和扩张状态观测器ESO构成，自抗扰控制器通过安排过渡过程来解决超调与快速性的矛盾，跟踪微分器用来解决典型微分器带来的噪声污染，扩张状态观测器用来估计补偿误差；

(1)跟踪微分器形式：

其中，r₀，α₀，δ₀为待定可调参数。

(2)扩张状态观测器ESO形式：

其中，β₁，β₂，α₁，δ₁为可调参数。

(3)非线性状态误差反馈形式为：

其中，以误差e₁作为输入，选择非线性函数，ε_i为误差，a为指数，a越小，跟踪越快，但滤波效果越差，δ为区分ε_i大小的界限。然后根据系统经过选择与调试，选择r₂，α₂，δ₂的值，u_d是最终控制量；

e.构建AC/DC整流器电流内环自抗扰控制器模型，实现双向变流作用，构造出微分跟踪器TD，给扩张交流侧状态观测器ESO和NLSEF设置初值，调整ESO的参数，使其尽可能快速而准确地估计参考输入；最后交流侧自抗扰控制器输出控制量经过DSP控制模块I输出PWM信号，再经过通过IPM驱动模块1控制三相电压型PWM变流器模块的输出实现功率双向流动的(见图2)；

f.由直流侧电压电流检测调理模块检测并采集的电压与电流信号；

g.将步骤f的信号在DSP控制模块II进行处理，根据自抗扰控制原理，构建直流侧DC/DC整流器自抗扰控制器，由跟踪微分器TD、非线性状态误差反馈NLSEF和扩张状态观测器ESO构成(构造形式如同上述AC/DC的步骤)；

h.构造直流侧微分跟踪器TD，给直流侧扩张状态观测器ESO和NLSEF设置初值，调整ESO的参数，使其尽可能快速而准确地估计参考输入；最后直流侧自抗扰控制器输出控制量经过DSP控制模块2输出PWM信号，再经过通过IPM驱动模块2控制DC/DC变流器模块的功率双向流动，最终到达电动汽车双向充放电的目的。

Claims (6)

1.一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法及装置，其特征在于它包括三相电源模块、AC/DC整流器模块、DC/DC变流器模块、蓄电池、交流侧电压电流检测调理模块、IPM驱动模块I、DSP控制模块I、直流侧电压电流检测调理模块、IPM驱动模块II、DSP控制模块II和充放电侧电压电流检测调理模块；其中，所述三相电源模块依次与AC/DC整流器模块、DC/DC变流器模块和蓄电池组相连接，所述交流侧电压电流检测调理模块采集三相交流电源的电压和电流，其输出端与DSP控制模块的输入端连接；所述IPM信号驱动模块I的输入端接收DSP控制模块I的输出信号，其输出端与三相电压型PWM变流器模块的输入端相连接；所述直流侧电压电流检测调理模块采集直流侧电源的电压和电流，其输出端分别与DSP控制模块I和DSP控制模块II的输入端连接；所述IPM信号驱动模块II的输入端与DSP控制模块II的输出端连接，其输出端与DC/DC变流器模块的输入端相连接；所述充放电侧电压电流检测调理模块的输入端采集蓄电池的电量信号，其输出端与DSP控制模块II的输入端连接。

2.根据权利要求1所述一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法及装置，其特征在于所述DSP控制模块I和DSP控制模块II均采用TMS320F2812芯片；其内置模块包括：事件管理器、A/D数模转换器、过电压保护、过电流保护、扩展RAM、带有锁相环的时钟模块及EVA引脚；所述DSP控制模块I的A/D数模转换器的输入端连接交流侧电压电流检测调理模块的输出端；所述DSP控制模块I的EVA引脚输出SVPWM1信号，将其输入到所述IPM信号驱动模块I的输入端；所述DSP控制模块II的A/D数模转换器的输入端连接直流侧电压电流检测调理模块的输出端；所述DSP控制模块II的EVA引脚输出SVPWM2信号，将其输入到所述IPM信号驱动模块II的输入端。

3.根据权利要求2所述一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法及装置，其特征在于所述DSP控制模块I发出6路PWM脉冲驱动信号先进行电平转换，再经过光耦隔离后输入IPM功率模块I，IPM功率模块I中IGBT的基极驱动信号低电平有效，与控制电路经过光电隔离器件隔离，光耦模块将DSP输出的0～3.3V的PWM信号转换成0～15V的驱动信号；所述DSP控制模块II发出6路PWM脉冲驱动信号先进行电平转换，再经过光耦隔离后输入IPM功率模块II，IPM功率模块II中IGBT的基极驱动信号低电平有效，与控制电路经过光电隔离器件隔离，光耦模块将DSP输出的0～3.3V的PWM信号转换成0～15V的驱动信号。

4.根据权利要求1所述一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法及装置，其特征在于所述IPM驱动模块I和IPM驱动模块II采用PM150CLA120模块。

5.根据权利要求1所述一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法及装置，其特征在于所述直流侧电压电流检测调理模块和交流侧电压电流检测调理模块是使用LEM公司的交直流通用型电压霍尔传感器LV25-P和电流霍尔传感器LA25-P，通过对变流器的交流侧和直流侧电流量和电压量进行检测，以便在DSP内进行计算和控制。

6.一种基于自抗扰技术的电动汽车双向充放电方法，其特征在于它包括以下步骤：

a.建立充电系统数学模型，忽略变换器自身损耗的情况下，在dq0坐标系下的数学模型为：

其中，v_dc为直流侧电压，i_d，e_d，s_d和i_q，e_q，s_q为d轴、q轴变流器输出电流，交流电网电压，开关函数，ω为交流电网角频率；

b.分别有由交流侧电压电流检测调理模块和直流侧电压电流调理模块检测并采集三相电源侧与直流侧的电压与电流信号，经过坐标变换变成dq0坐标系的输入量，变换之后存在变量之间耦合，需要进行解耦控制；

c.将步骤b采集的三相电源侧的电压信号母线电压作为DSP控制模块的A/D模数转换器的输入信号，对A/D初始化的时候将其设置其为同步采样工作模式；

d.将步骤b的信号在DSP控制模块I进行处理，根据自抗扰控制原理，构建交流侧自抗扰控制器，由跟踪微分器TD和扩张状态观测器ESO构成，自抗扰控制器通过安排过渡过程来解决超调与快速性的矛盾，跟踪微分器用来解决典型微分器带来的噪声污染，扩张状态观测器用来估计补偿误差；

(1)跟踪微分器形式：

其中，r₀，α₀，δ₀为待定可调参数；

(2)扩张状态观测器ESO形式：

其中，β₁，β₂，α₁，δ₁为可调参数；

(3)非线性状态误差反馈形式为：

其中，以误差e₁作为输入，选择非线性函数，1ii222dε_i为误差，a为指数，a越小，跟踪越快，但滤波效果越差，δ为区分ε_i大小的界限。然后根据系统经过选择与调试，选择r₂，α₂，δ₂的值，u_d是最终控制量；

e.构建AC/DC整流器电流内环自抗扰控制器模型，实现双向变流作用，构造出微分跟踪器TD，给扩张交流侧状态观测器ESO和NLSEF设置初值，调整ESO的参数，使其尽可能快速而准确地估计参考输入；最后交流侧自抗扰控制器输出控制量经过DSP控制模块I输出PWM信号，再经过通过IPM驱动模块1控制三相电压型PWM变流器模块的输出实现功率双向流动的；

f.由直流侧电压电流检测调理模块检测并采集的电压与电流信号；

g.将步骤f的信号在DSP控制模块II进行处理，根据自抗扰控制原理，构建直流侧DC/DC整流器自抗扰控制器，由跟踪微分器TD、非线性状态误差反馈NLSEF和扩张状态观测器ESO构成；构造形式如同上述AC/DC的步骤；

h.构造直流侧微分跟踪器TD，给直流侧扩张状态观测器ESO和NLSEF设置初值，调整ESO的参数，使其尽可能快速而准确地估计参考输入；最后直流侧自抗扰控制器输出控制量经过DSP控制模块2输出PWM信号，再经过通过IPM驱动模块2控制DC/DC变流器模块的功率双向流动，最终到达电动汽车双向充放电的目的。