CN107332332B - 一种简化升压型电动汽车复合电源结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种简化升压型电动汽车复合电源结构及其控制方法，包括锂电池、超级电容、MOSFET管、限流二极管、电感器及电容器，当电动汽车需求功率为正时，依据锂电池和超级电容的SOC和输出电压，使复合电源构成Boost升压电路结构，调节MOSFET管SW1或SW2的占空比；当电动汽车需求功率为负时，复合电源构成Buck降压电路结构，调节MOSFET管SW3的占空比，实现锂电池和超级电容制动能量回收。本发明可满足电动汽车一般工况下的多模式工作，该复合电源简化了级联DC‑DC变换器的结构，从而减少了复合电源的能耗，提高了能量转换效率，且控制策略更为简单。

Description

一种简化升压型电动汽车复合电源结构及其控制方法
技术领域
本发明属于复合电源技术领域，具体涉及锂电池、超级电容和通过MOS管、二极管、电容、电感组合形成的多工作模式的直流变换装置及其控制方法。
背景技术
复合储能系统又称为复合电源技术，是在已有的动力电池基础上增加高功率密度的辅助储能装置，一般包括超导、飞轮和超级电容器等。其中在电动汽车领域应用的主要是二次锂电池与超级电容器构成的复合储能系统。
将超级电容器与锂电池相结合构成复合储能电源系统，在工作过程中由超级电容器提供电动汽车的高功率密度需求，同时充分快速地回收再生制动能量，锂电池则提供汽车的高能量密度需求。超级电容器和锂电池可优势互补，同时最大程度地限制锂电池或者超级电容器单一电源的不足，这无疑会大大提高电动汽车能量管理系统的性能。
将超级电容与锂电池并联构成复合储能系统应用到电动汽车上，需要建立锂电池与超级电容之间的能量双向转换控制系统，即双向DC-DC变换器。复合储能系统性能的优劣往往体现在级联DC-DC变换器的拓扑结构以及控制策略的性能上，因此研究适合电动汽车的复合电源拓扑结构和高效率、快响应、高功率密度、高可靠性的DC-DC变换器控制策略，在电动汽车的能量管理技术发展中有着十分重要的意义。
传统的复合电源结构一般含有多个DC-DC变换器电路，存在能耗大，控制策略复杂等问题。
在复合电源的控制过程中，需要依据工况选择合适的工作模式，还要保证在每一种工作模式下能够具有快速的动态响应和控制精度。复合电源工作过程中所对应的Boost升压变换器和Buck降压变换器都是典型的非线性系统，一般的非线性控制算法如非线性PID、滑模控制算法等能够对双向DC-DC变换器进行控制，但是在高精度稳定性控制方面性能不佳。
发明内容
本发明的目的在于解决常规复合电源的能耗高和控制精度低等问题，提供一种简化升压型电动汽车复合电源结构及其控制方法。
一种电动汽车复合电源，该复合电源的拓扑结构包括锂电池、超级电容、电容器以及三个MOSFET管、三个限流二极管和两个电感器，超级电容的正极与电感器L1的一端相连，电感器L1的另一端与MOSFET管SW1的漏极、MOSFET管SW2的漏极、MOSFET管SW3的源极及电感器L2的一端相连；电感器L2的另一端与锂电池的正极相连；MOSFET管SW3的漏极与电容器C1的正极及电动汽车电机逆变器的输入端相连；超级电容的负极与MOSFET管SW1的源极、MOSFET管SW2的源极、锂电池的负极、电容器C1的负极及电动汽车电机逆变器的输出端相连；限流二极管D1、D2及D3对应并联在MOSFET管SW1、SW2及SW3的源极和漏极之间。
所述复合电源还包括与MOSFET管SW1、SW2及SW3的栅极相连的多工况功率分配及能量回收策略调节模块；所述多工况功率分配及能量回收策略调节模块包括用于在电动汽车需求功率为正或为负时，在所述复合电源内对应构成Boost升压电路结构或Buck降压电路结构的MOSFET管截止/导通控制模块。
所述多工况功率分配及能量回收策略调节模块还包括用于对处于导通状态的MOSFET管进行占空比调节的终端双闭环滑模控制模块，所述终端双闭环滑模控制模块包括建立Boost升压电路和Buck降压电路的数学模型的子模块A；用于依据相应数学模型建立终端双闭环滑模面的子模块B；用于基于Lyapunov函数的稳定性分析，确定终端双闭环滑模参数的子模块C，以及用于确定终端滑模阶数的子模块D。
所述子模块D基于卡尔曼滤波增益理论，自适应选择终端滑模阶数，从而实现自适应终端双闭环滑模控制策略。
所述自适应选择终端滑模阶数是指，在终端滑模阶数γ的取值范围[0,1]内，系统状态在做趋近运动时等效为系统误差|x1|>1，此时选取较大的终端滑模阶数γ值，使系统具有较快的趋近速度和较好的鲁棒性；在系统状态接近滑模面或做滑模运动时等效为系统误差|x1|<1，此时选取较小的γ值，使系统获得更快的收敛速度；x1表示输出电压误差。
上述电动汽车复合电源的控制方法，包括以下步骤：
当电动汽车需求功率为正时，使MOSFET管SW3截止，依据锂电池和超级电容的SOC和输出电压，使复合电源构成Boost升压电路结构，根据终端双闭环滑模控制算法调节MOSFET管SW1或SW2的占空比，或者使MOSFET管SW1、SW2及SW3均截止，使复合电源构成带有LC滤波单元的被动式结构，实现锂电池和超级电容的输出功率分配；当电动汽车需求功率为负时，使MOSFET管SW1与SW2截止，复合电源构成Buck降压电路结构，根据终端双闭环滑模控制算法调节MOSFET管SW3的占空比，实现锂电池和超级电容制动能量回收。
所述终端双闭环滑模控制算法包括以下步骤：
对于所述复合电源输出功率为正和输出功率为负的情况，对应建立Boost升压电路和Buck降压电路的数学模型；依据相应的数学模型建立终端双闭环滑模面；基于Lyapunov函数的稳定性分析，确定双闭环滑模参数；选择终端滑模阶数(优选的基于卡尔曼滤波增益理论，自适应选择终端滑模阶数，从而实现自适应终端双闭环滑模控制策略)。
所述Boost升压电路的数学模型为：
所述Buck降压电路的数学模型为：
其中，x1表示输出电压误差，x2表示输出电压误差的变换率，和分别为x1和x2的一阶导数，u为MOSFET管开关状态，u＝1表示导通，u＝0表示截止，Vin为输入电压，Vref为参考电压，L为电容器L1或L2的电感，C为电容器C1的电容，R表示负载对应的等效电阻。
所述Boost升压电路对应的终端双闭环滑模面的函数表达式为：
所述Buck降压电路对应的终端双闭环滑模面的函数表达式为：
其中，iL表示电感电流，γ表示终端滑模阶数，取值范围为[0,1]，ka、kb为常值实数，表示对输出电压误差的积分项。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种全新结构的锂电池-超级电容复合电源拓扑结构及其功率分配及能量回收方法，可满足电动汽车一般工况下的多模式工作，该复合电源简化了级联DC-DC变换器的结构，从而减少了复合电源的能耗，提高了能量转换效率，且控制策略更易实现。
进一步的，所述终端双闭环滑模控制模块在Boost升压电路模式和Buck降压电路模式下建立对应的终端双闭环滑模面函数，基于卡尔曼滤波增益理论优化终端滑模阶数取值，实现自适应终端双闭环滑模控制算法，提高了复合电源稳定性控制效果和参数估计效果，有效克服了基准电感电流不易测量和滑模系数难以确定的问题，在稳定输出电压和电感电流的同时，提高了系统控制的动态性能和鲁棒性，有效解决了传统滑模控制方法的动态性能和鲁棒性互相制约的问题。
附图说明
图1是本发明复合电源的拓扑结构示意图。
图2是本发明多模式工作原理图；其中，(a)所示为复合电源输出功率为正时，三个MOSFET管(SW1、SW2、SW3)的占空比示意图，其中SW3截止即在一个周期T内占空比为0，用白色表示，SW1、SW2占空比在0到1之间调节，用灰色表示，且分别构成锂电池和超级电容的Boost升压电路结构；(b)所示为复合电源输出功率为正时电流流向及工作示意图；(c)所示为复合电源输出功率为负时，三个MOSFET管(SW1、SW2、SW3)的占空比示意图，其中SW1、SW2截止，调节SW3的占空比，构成Buck降压电路结构，实现锂电池和超级电容对制动能量的回收；(d)所示为复合电源输出功率为负时电流流向及能量回收工作示意图。
图3是本发明的终端双闭环滑模控制原理图；其中，图3(a)所示为复合电源功率输出为正时，工作在Boost升压电路模式下的终端双闭环滑模控制原理图，D表示D3，SW表示处于占空比控制中的非截止MOSFET管；图3(b)为复合电源功率输出为负时，Buck降压电路模式下的终端双闭环滑模控制原理图，D表示D1或D2，SW表示处于占空比控制中的非截止MOSFET管。
图4是本发明实施例中选取不同终端滑模阶数(固定取值)的终端双闭环滑模控制方法的电压响应对比图。
图5是本发明实施例中自适应终端阶数的终端双闭环滑模控制方法的电压响应对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，所述是对本发明的解释而非限定。
本发明提出一种电动汽车的新型复合电源结构，包括全新的拓扑结构和改进的滑模控制算法。
参见图1，本发明所构建的基于锂电池、超级电容、三个MOSFET管(SW1、SW2、SW3)、三个限流二极管(D1、D2、D3)、两个电感器(L1、L2)及一个电容器(C1)的组合式可变结构(Buck、Boost)复合电源是一种可灵活切换的具有Buck和Boost两种电路结构的电动汽车复合储能系统直流变换器。其拓扑结构中，超级电容正极与L1一端相连，L1的另一端与SW1的漏极、SW2的漏极、SW3的源极及L2一端相连；L2的另一端与锂电池正极相连；SW3的漏极与电容器C1的正极及电机逆变器的输入端相连；超级电容负极与SW1的源极、SW2的源极、锂电池负极、电容器C1负极及电机逆变器输出端相连；另外，D1、D2、D3分别并联在SW1、SW2、SW3的源极和漏极。
通过三个MOSFET管(SW1、SW2、SW3)的占空比的设置，可以实现多个工作模式，从而满足电动汽车的工况需求，如图2所示。
电动汽车正常运行在启动、加速、怠速、爬坡等工作状态时，复合电源的输出功率为正，如图2(a)、(b)所示，其中SW3完全截止(占空比为0)，使复合电源构成锂电池、超级电容双Boost升压电路结构，依据功率分配策略，并对应调节SW1、SW2的占空比可实现锂电池、超级电容的升压输出；此时具体可提供以下三个工作模式。
当超级电容电压高于锂电池电压，且超级电容的荷电状态估计(SOC)较大，例如大于85％时，SW1工作(占空比>0，即占空比可在(0,1]之间调节)，SW2和SW3完全截止(占空比为0)，由超级电容、L1、C1组成Boost升压电路，对超级电容电压进行升压输出；当超级电容SOC较低，例如小于75％时，且电压值小于锂电池电压时，SW2工作(占空比>0，即占空比可在(0,1]之间调节)，SW1和SW3完全截止(占空比为0)，由锂电池、L2、SW2组成Boost升压电路，对锂电池电压进行升压输出并给超级电容充电；当超级电容的SOC在75％到85％之间且电动汽车运行在平稳功率需求状态时，SW1、SW2和SW3都完全截止，由锂电池、超级电容构成带有LC滤波单元的被动式结构，锂电池和超级电容共同输出向负载提供功率。
通过调节MOSFET管的占空比可实现锂电池和超级电容的功率分配，从而提高动力性能和能量使用效率。
电动汽车工作在制动状态时，复合电源的输出功率为负，如图2(c)、(d)所示，SW1和SW2完全截止(占空比为0)，SW3工作(占空比>0，即占空比可在(0,1]之间调节)，由锂电池、超级电容构成带有LC滤波单元的被动式结构且工作在Buck降压模式(就是使复合电源构成锂电池、超级电容双Buck降压电路结构)，可实现锂电池、超级电容的充电，锂电池和超级电容共同实现制动能量回收。
本发明针对上述各工作模式下的MOSFET管的占空比调节控制问题，提供了自适应终端滑模双闭环控制算法，该算法在高精度稳定控制方面具有更好的控制性能，可以保证复合电源工作过程的稳定性和良好的控制精度。本发明提出的自适应终端双闭环滑模控制原理如下：
在复合电源输出功率为正和为负的情况下，分别建立Boost升压电路和Buck降压电路系统的数学模型；依据系统数学模型建立终端双闭环滑模面；基于Lyapunov函数的稳定性分析，确定双闭环滑模参数ka和kb；基于卡尔曼滤波增益理论，自适应选择终端滑模阶数，实现自适应终端双闭环滑模控制策略。
参见图3(a)，对复合电源功率输出为正时，工作在Boost升压电路模式下的终端双闭环滑模控制原理，进一步说明如下。
在功率需求为正时，所对应的Boost升压电路的数学模型为：
其中，Vin为输入电压也就是待升或待降电压，Vref为参考电压也就是目标电压，L为电感(若在超级电容回路则表示L1的电感，若在电池回路则表示L2的电感)，C为电容器C1的电容，R表示为负载对应的等效电阻；x1表示输出电压误差，x2表示输出电压误差的变换率，和分别为x1和x2的一阶导数，u为开关状态，u＝1表示导通，u＝0表示截止；
表示对系统输出电压误差(也叫系统状态误差)的一个积分项，类似PID控制里面的积分项。
基于电感电流和输出电压误差建立终端滑模面为：
iL表示电感电流，ka和kb为双闭环滑模参数，γ表示终端滑模阶数，取值范围为[0,1]。
定义Lyapunov函数为：
依据Boost升压电路模式的数学模型(公式1)可得：
依据Lyapunov稳定原理，若存在稳定的滑模运动，需满足
当u＝1时，S<0，需要满足即：
当u＝0时，S>0，需要满足即：
对ka和kb的取值满足上述不等式方程组(5)(6)，则可满足李亚普诺夫(Lyapunov)稳定条件。
参见图3(b)，对复合电源功率输出为负时，Buck降压电路模式下的终端双闭环滑模控制原理，进一步说明如下。
所述的Buck降压电路数学模型为：
基于电感电流和输出电压误差建立双闭环终端滑模面函数为：
为了满足Lyapunov稳定性，当u＝1时，S<0，需要满足即：
当u＝0时，S>0，需要满足即：
对ka和kb的取值满足上述不等式方程组(9)(10)，则可满足李亚普诺夫稳定条件。
图4(a)所示，为复合电源工作在Buck降压模式下，输出基准电压为10V时，终端双闭环滑模控制策略在启动环节输出电压响应；图4(b)所示，为稳态输出情况下负载从10Ω突变为1Ω时终端双闭环滑模控制策略的输出电压响应。由图4可以看出不同终端滑模阶数下双闭环滑模控制对系统输出电压响应的区别，在启动环节，γ＝1有更快的趋近速度，但接近滑模面时有明显的超调现象且收敛速度慢；γ＝0.2有更快的收敛速度但是具有明显的抖振；当负载电阻由10Ω突变为1Ω时，输出电压存在明显的跌落现象，且电压跌落值随非线性环节的终端滑模阶数γ减小而增加，但动态调节时间随终端滑模阶数γ减小而缩短。由此可见，当γ取定值时，系统启动环节的动态响应和负载突变时的阶跃响应(负载变化的阶跃响应属于鲁棒性)是彼此矛盾的，也就是说对于γ选取任何定值都不能有效改善系统的动态性能和控制精度。
基于不同终端滑模阶数对应的电压响应的不同，本发明提出一种基于最优卡尔曼增益理论的自适应终端滑模阶数的控制方法，即系统状态在做趋近运动时等效为系统误差|x1|>1，此时选取较大的终端滑模阶数γ值，使系统具有较快的趋近速度和较好的鲁棒性；在系统状态接近滑模面或做滑模运动时等效为系统误差|x1|<1，此时选取较小的γ值，使系统获得更快的收敛速度。图5(a)所示，为复合电源工作在Buck降压模式下，输出基准电压为10V时，自适应终端双闭环滑模控制策略在启动环节输出电压响应；图5(b)所示，为稳态输出情况下负载从10Ω突变为1Ω时，自适应终端双闭环滑模控制策略的输出电压响应。参见图5，采用自适应选择终端阶数的自适应终端双闭环滑模控制方法的电压响应，相比于选取常值的终端阶数的动态响应，兼备了在启动环节和负载突变环节的最好的动态响应。
总之，本发明设计了一种简化的复合电源拓扑结构，通过较少的开关器件实现多Boost/Buck电路结构，基本满足电动汽车运行需求，并可有效降低能耗；同时提供了一种自适应终端双闭环滑模控制方法，在系统控制的启动环节和负载突变环节都能够获得更理想的电压响应，克服了一般滑模控制方法在动态性能和鲁棒性上互相制约的问题。

Claims (10)

1.一种电动汽车复合电源，其特征在于：该复合电源的拓扑结构包括锂电池、超级电容、MOSFET管、限流二极管、电感器及电容器，超级电容的正极与电感器L1的一端相连，电感器L1的另一端与MOSFET管SW1的漏极、MOSFET管SW2的漏极、MOSFET管SW3的源极及电感器L2的一端相连；电感器L2的另一端与锂电池的正极相连；MOSFET管SW3的漏极与电容器C1的正极及电动汽车电机逆变器的输入端相连；超级电容的负极与MOSFET管SW1的源极、MOSFET管SW2的源极、锂电池的负极、电容器C1的负极及电动汽车电机逆变器的输出端相连；限流二极管D1、D2及D3对应并联在MOSFET管SW1、SW2及SW3的源极和漏极。
2.根据权利要求1所述一种电动汽车复合电源，其特征在于：所述复合电源还包括与MOSFET管SW1、SW2及SW3的栅极相连的多工况功率分配及能量回收策略调节模块；所述多工况功率分配及能量回收策略调节模块包括用于在电动汽车需求功率为正或为负时，在所述复合电源内对应构成Boost升压电路结构或Buck降压电路结构的MOSFET管截止/导通控制模块。
3.根据权利要求2所述一种电动汽车复合电源，其特征在于：所述多工况功率分配及能量回收策略调节模块还包括用于对处于导通状态的MOSFET管进行占空比调节的终端双闭环滑模控制模块，所述终端双闭环滑模控制模块包括建立Boost升压电路和Buck降压电路的数学模型的子模块A；用于依据相应数学模型建立终端双闭环滑模面的子模块B；用于基于Lyapunov函数的稳定性分析，确定终端双闭环滑模参数的子模块C，以及用于确定终端滑模阶数的子模块D。
4.根据权利要求3所述一种电动汽车复合电源，其特征在于：所述子模块D基于卡尔曼滤波增益理论，自适应选择终端滑模阶数。
5.根据权利要求4所述一种电动汽车复合电源，其特征在于：所述自适应选择终端滑模阶数是指，在终端滑模阶数γ的取值范围[0,1]内，系统状态在做趋近运动时等效为系统误差|x1|>1，此时选取较大的终端滑模阶数γ值，使系统具有较快的趋近速度和较好的鲁棒性；在系统状态接近滑模面或做滑模运动时等效为系统误差|x1|<1，此时选取较小的γ值，使系统获得更快的收敛速度；x1表示输出电压误差。
6.一种如权利要求1所述的电动汽车复合电源的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
当电动汽车需求功率为正时，使MOSFET管SW3截止，依据锂电池和超级电容的SOC和输出电压，使复合电源构成Boost升压电路结构，根据终端双闭环滑模控制算法调节MOSFET管SW1或SW2的占空比，或者使MOSFET管SW1、SW2及SW3均截止，使复合电源构成带有LC滤波单元的被动式结构，实现锂电池和超级电容的输出功率分配；当电动汽车需求功率为负时，使MOSFET管SW1与SW2截止，复合电源构成Buck降压电路结构，根据终端双闭环滑模控制算法调节MOSFET管SW3的占空比，实现锂电池和超级电容制动能量回收。
7.根据权利要求6所述的电动汽车复合电源的控制方法，其特征在于：所述终端双闭环滑模控制算法包括以下步骤：
对于所述复合电源输出功率为正和输出功率为负的情况，对应建立Boost升压电路和Buck降压电路的数学模型；依据相应的数学模型建立终端双闭环滑模面；基于Lyapunov函数的稳定性分析，确定双闭环滑模参数；选择终端滑模阶数。
8.根据权利要求7所述的电动汽车复合电源的控制方法，其特征在于：所述Boost升压电路的数学模型为：
所述Buck降压电路的数学模型为：
其中，x1表示输出电压误差，x2表示输出电压误差的变换率，和分别为x1和x2的一阶导数，u为MOSFET管开关状态，u＝1表示导通，u＝0表示截止，Vin为输入电压，Vref为参考电压，L为电容器L1或L2的电感，C为电容器C1的电容，R表示负载对应的等效电阻。
9.根据权利要求7所述的电动汽车复合电源的控制方法，其特征在于：所述Boost升压电路对应的终端双闭环滑模面的函数表达式为：
所述Buck降压电路对应的终端双闭环滑模面的函数表达式为：
其中，iL表示电感电流，γ表示终端滑模阶数，取值范围为[0,1]，ka、kb为常值实数，表示对输出电压误差的积分项，x1表示输出电压误差。
10.根据权利要求7所述的电动汽车复合电源的控制方法，其特征在于：确定双闭环滑模参数后，基于卡尔曼滤波增益理论，自适应选择终端滑模阶数，所述自适应选择终端滑模阶数是指，在终端滑模阶数γ的取值范围[0,1]内，系统状态在做趋近运动时等效为系统误差|x1|>1，此时选取较大的终端滑模阶数γ值，使系统具有较快的趋近速度和较好的鲁棒性；在系统状态接近滑模面或做滑模运动时等效为系统误差|x1|<1，此时选取较小的γ值，使系统获得更快的收敛速度；x1表示输出电压误差。
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