CN109617205B - 电动汽车复合电源功率分配的协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车复合电源功率分配的协同控制方法，包括：实时采集直流母线电压；根据实时采集的直流母线电压及直流母线参考电压制定协同控制策略，并计算得到滞环电流控制器的参考电流；实时采集双向升降压变换器中的滤波电感电流，根据采集的滤波电感电流和参考电流生成开关控制信号；根据开关控制信号生成脉冲信号控制第一控制开关和第二控制开关的通断，实现对复合电源功率分配的协同控制。在给定的误差带内，控制滤波电感电流i_L跟随参考电流I_r，控制超级电容器充放电，保持输出直流母线电压v₀恒定；根据协同控制策略得到滤波电感的参考电流I_r，优化直流母线电压v₀，改善了超级电容器的动态响应，使蓄电池和超级电容器之间保持了最佳功率平衡。

Description

电动汽车复合电源功率分配的协同控制方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电动汽车复合电源功率分配的协同控制方法。

背景技术

汽车工业的快速发展带动了电动汽车各项技术的发展，在这过程中，燃油利用率得到了显著的提高之外，排放也明显减少了。然而，电动汽车技术仍然面临着诸多的挑战，例如，长行驶里程时，为了能尽可能多地回收车辆的再生制动能量，按需求提供高峰值能量，需要长电池工作寿命和高充放电循环率。电动汽车在运行过程中，预测特定行程下电池能量的需求较为关键。但是，随机的驱动周期和不可预测的功率需求要求电池快速充放电，导致在完成给定行程的前提下，电池能量往往会出现严重的短缺。因此，需要备用储能单元为电动汽车提供稳定而可靠的动力，以改善不同运行条件下的稳态和动态性能。

超级电容器是当今公认的具有优良功率特性的辅助电源，目前已成功地与能量存储系统进行集成，并应用于电动汽车中，超级电容器的引入可增强蓄电池的功率输出性能。在电动汽车中，主电源通常是蓄电池，超级电容器作为辅助电源通过双向DC-DC变换器连接到直流母线。这种配置可获得较好的充/放电性能，在负载瞬变的情况下，平滑功率波动并稳定直流母线电压。在过往的研究中，学者提出了诸多控制策略来控制DC-DC变换器，如自适应控制、滑模控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等等，目的在于为DC-DC变换器提供控制支持，以改善其在大工作范围内的可控性。但是，这些非线性控制策略难以实现多目标控制，而且难以在硬件上进行数字化实现。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种电动汽车复合电源功率分配的协同控制方法，有效解决了现有技术中非线性控制策略难以实现多目标控制的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种电动汽车复合电源功率分配的协同控制方法，应用于协同控制系统，复合电源包括用于提供能量的蓄电池及用于提供功率的超级电容器，且超级电容器通过一双向升降压变换器连接至直流母线，双向升降压变换器中包括用于控制工作模式的第一控制开关和第二控制开关，工作模式包括升压模式和降压模式，其中，当能量从超级电容器转移至蓄电池为升压模式，当能量从蓄电池转移至超级电容器为降压模式；协同控制系统中包括与直流母线连接用于制定协同控制策略的处理器、与处理器连接的滞环电流控制器及与滞环电流控制器连接的PWM信号发生器；协同控制方法包括：

S10处理器实时采集直流母线电压；

S20处理器根据实时采集的直流母线电压及直流母线参考电压制定协同控制策略，并计算得到滞环电流控制器的参考电流；

S30滞环电流控制器实时采集双向升降压变换器中的滤波电感电流，

S40滞环电流控制器根据采集的滤波电感电流和参考电流生成开关控制信号；

S50PWM信号发生器根据开关控制信号生成脉冲信号控制第一控制开关和第二控制开关的通断，实现对复合电源功率分配的协同控制。

在本发明中，超级电容器用作辅助电源通过双向升降压变换器(双向DC-DC变换器)连接至直流母线，负载包括交流驱动电机的主负载及通过DC-AC逆变器从直流母线馈送的辅助电气负载，协同控制系统中包括与直流母线连接用于制定协同控制策略的处理器、与处理器连接的滞环电流控制器及与滞环电流控制器连接的PWM信号发生器。在协同控制的过程中，分别建立了蓄电池、超级电容器及双向升降压变换器的等效电路模型之后，进一步建立复合电源系统的状态方程；之后基于滑模算法设计电流滑模控制的级联控制方案，具体表现为在给定的误差带内，控制滤波电感电流i_L跟随其参考电流I_r，以控制超级电容器充电或放电，保持输出直流母线电压v₀恒定，即便系统外部存在干扰和负载发生变化也能保持输出电压v₀为其期望值；此外，根据协同控制策略得到滤波电感的参考电流I_r，进而优化直流母线电压v₀，改善了超级电容器的动态响应，使得超级电容器吸收负载的突变，同时限制蓄电池功率需求，使蓄电池和超级电容器之间保持了最佳功率平衡，复合电源在外部负载扰动和超级电容器电压变化的情况下具备较强的鲁棒性。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1为本发明中电动汽车复合电源功率分配的协同控制方法一种实施方式流程示意图；

图2为本发明中电动汽车复合电源的拓扑结构；

图3为本发明中协同控制方法总体控制方案示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

如图1所示为本发明提供的电动汽车复合电源功率分配的协同控制方法一种实施方式流程示意图，从图中可以看出，在该协同控制方法中包括：

S10处理器实时采集直流母线电压；

S20处理器根据实时采集的直流母线电压及直流母线参考电压制定协同控制策略，并计算得到滞环电流控制器的参考电流；

S30滞环电流控制器实时采集双向升降压变换器中的滤波电感电流，

S40滞环电流控制器根据采集的滤波电感电流和参考电流生成开关控制信号；

S50PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号发生器根据开关控制信号生成脉冲信号控制第一控制开关和第二控制开关的通断，实现对复合电源功率分配的协同控制。

在本实施方式中，电动汽车复合电源(具备高效率和再生制动能量回收能力)的拓扑结构如图2所示，该结构为直流耦合结构，蓄电池是构成直流母线的主要电源，超级电容器用作辅助电源通过双向DC-DC变换器连接至直流母线。负载包括交流驱动电机的主负载和通过DC-AC逆变器从直流母线馈送的辅助电气负载。超级电容器通过双向DC-DC变换器与直流母线连接，以控制蓄电池和超级电容器之间的能量传递。协同控制系统中包括与直流母线连接用于制定协同控制策略的处理器、与处理器连接的滞环电流控制器及与滞环电流控制器连接的PWM信号发生器。

如图3所示，双向升降压变换器中包括滤波电感L、第一控制开关Q₁、第二控制开关Q₂、第一二极管D₁和第二二极管D₂，其中，滤波电感L的第一端与超级电容器的正极连接、第二端与第一控制开关Q₁的集电极连接；第二控制开关Q₂的基极为通断控制端，集电极为双向升降压变换器的输出端、与直流母线的正极连接，发射极与滤波电感L的第二端连接；第一控制开关Q₁的发射极分别与超级电容器的负极及直流母线的负极连接，基极为通断控制端；第一二极管D₁并接于第一控制开关Q₁的两端，且正极与第一控制开关Q₁的发射极连接、负极与第一控制开关Q₁的集电极连接；第二二极管D₂并接于第二控制开关Q₂的两端，且正极与第二控制开关Q₂的发射极连接、负极与第二控制开关Q₂的集电极连接，PWM信号发生器分别与第一控制开关Q₁和第二控制开关Q₂的基极连接。双向升降压变换器中包括用于控制工作模式的第一控制开关和第二控制开关，工作模式包括升压模式和降压模式，其中，当能量从超级电容器转移至蓄电池为升压模式，当能量从蓄电池转移至超级电容器为降压模式(再生制动状态)。

在协同控制的过程中，首先建立蓄电池、超级电容器及双向DC-DC变换器的等效模型，其中，

蓄电池由具有串并联分支的等效RC电路模型进行建模，如式(1)：

其中，v₀为直流母线电压(输出电压)，v_b为蓄电池电压，i_b为蓄电池电流，R_b为蓄电池内部串联电阻，R_d为蓄电池内部并联电阻(用于模拟电池的长期存储性能)，C_b为蓄电池的电荷存储容量。

超级电容器等效为理想电容器与其等效内阻串联的结构，如式(2)：

其中，v_s为超级电容器两端的实测电压，v_c为超级电容器电压，R_s为超级电容器的内阻，i_L为双向升降压变换器中滤波电感电流，i_sc为超级电容器电流，i_sc≥0表示超级电容器工作在充电状态，i_sc＜0表示超级电容器工作在放电状态。

假定双向升降压变换器工作在连续导通的PWM模式下，根据第一控制开关Q₁和第二控制开关Q₂的状态在两种模式之间进行切换，其中，在第一PWM状态下，第一控制开关Q₁导通、第二控制开关Q₂关断，双向升降压变换器工作在降压模式；在第二PWM状态下，第一控制开关Q₁关断、第二控制开关Q₂导通，双向升降压变换器工作在升压模式。

以下以升压模式为例，对协同控制方法进行详细阐述，降压模式与升压模式对应，只需将第二控制开关Q₂的开关控制信号u替换为第一控制开关Q₁的开关控制信号u^*＝1-u即可。

在升压模式下，双向DC-DC变换器模型可如式(3)～(5)表示：

其中，u为一个周期内第二控制开关Q₂的开关控制信号，L为滤波电感的容量，C_s为超级电容器的容量，C_f为连接于蓄电池输出端间的滤波电容的容量，R_L为滤波电感L的内部电阻，i₀为负载电流。

基于此，复合电源系统的状态方程可通过将i_L、v₀、v_c和v_b作为状态变量来获得，将负载电流i₀作为系统输入，得到升压模式下复合电源系统的状态方程如式(6)：

建立了复合电源系统的状态方程之后，采用基于滑模控制的快速电流内环和基于协同控制的电压外环的级联控制结构对直流母线电压进行调节。

在滞环电流控制器中，利用滑模算法实现电流控制环路，以实现系统的快速响应和鲁棒性能，具体表现为在给定的误差带内，控制滤波电感电流i_L跟随其参考电流I_r，以便对超级电容器的充放电进行控制，并保持调节后的输出直流母线电压v₀恒定。具体，在该滑模算法中：

首先，定义滤波电感电流的滑模开关线S(x)，如式(7)：

S(x)＝I_r-i_L＝0 (7)

其中，x为滑模开关线的运动曲线，为关于时间t的函数，I_r>0为参考电流。由于滑模运动存在于v_s＜v₀的区域，通过式(3)得到满足

的前提条件，如式(8)：

其中，v_s为超级电容器两端的实测电压，v₀为直流母线电压，u为一个周期内第二控制开关Q₂的开关控制信号。

等效控制信号u_eq如式(9)：

由滞环电流控制器允许测量的滤波电感电流i_L以高精度精确地跟踪参考电流I_r，因此，如果误差带非常小，双向DC-DC变换器的控制方法可化简为i_L≈I_r和u＝u_eq。

在电动汽车的应用中，突然加速或者减速等同于阶跃负载的转矩变化，故可以使用可变负载电流来表示非线性DC-AC逆变器特性和交流电机特性。将复合电源系统的模型修改为包含可变电阻R₀的负载，负载电流为

此时，系统的状态方程如式(10)：

可以看出，双向DC-DC变换器的输出电压v₀方面是非线性。

基于此，在处理器中，根据具有电流滑模控制的协同控制系统制定协同控制策略，协同控制策略包括：

将如式(10)的非线性系统改写成式(11)：

x′＝f(x,w,t) (11)

其中，x＝[v₀ v_s]^t为状态变量，v₀为系统的输出(直流母线电压)，w＝I_r为系统的输入(参考电流)。

基于I_r＝f(v₀,v_s)的控制策略来优化在不同工作条件下的需求电压调节，令L(t,σ,σ')为关于其所有变量的连续一阶和二阶导数的函数，在t₀≤t≤t_f区间上连续可微的函数为σ(x)，其中，x为关于t的函数，即σ(x)＝σ(x(t))，且满足函数最小的边界条件σ(x(t₀))＝σ(t₀)＝σ₀和σ(x(t_f))＝σ(t_f)＝σ_f。定义函数J如式(12)：

其中，T＝T^T＞0为对称正参数。若σ(t)满足公式(13)中线性微分方程的一个解，则σ(t)即为函数J的极小值。

Tσ'+σ＝0 (13)

其中，T用于将收敛速度设置为所需的流形。

对流形σ(x)进行定义，如式(14)：

当超级电容器处于充电状态时，输出电压v₀的参考电压v_0r可定义为空载下的直流母线电压，超级电容器两端的实测电压v_s的参考电压v_sr可取超级电容器的额定电压。

利用微分链法则得到流形σ(x)的导数如式(15)：

根据公式(12)-(15)求解，得到滤波电感的参考电流I_r，如式(16)：

其中，k₁和k₂为设计参数，协同控制策略迫使复合电源系统在流形σ(x)＝0上工作。

计算得到滤波电感的参考电流I_r后，滞环电流控制器随即生成开关控制信号发送至PWM信号发生器，PWM信号发生器接收到开关控制信号之后，生成脉冲信号控制第一控制开关Q₁和第二控制开关Q₂的通断，控制电感电流i_L跟随参考电流I_r，保持直流母线电压v₀恒定，实现对复合电源功率分配的协同控制。

在另一实施方式中，在PWM信号发生器根据开关控制信号生成脉冲信号控制第一控制开关和第二控制开关的通断之后，还包括对协同控制系统的稳定性进行分析的步骤，具体：

正定李亚普洛夫函数V(x)如式(17)：

沿着σ(x)的运行轨迹正定李亚普洛夫函数V(x)的总时间导数如式(18)：

由于总时间导数V'(x)<0，协同控制系统实现了全局渐近稳定。

在上述实施方式中，协同控制策略采用级联控制结构，其中输出电压v₀为外环，并通过滤波电感电流i_L内环进行调节，具有良好的瞬时动态性能。然而，在该协同控制策略中对超级电容器的电压v_s非常敏感，原因在于超级电容器的电压v_s会根据超级电容器的充电和放电状态不断变化。以此，在另一实施方式中，在PWM信号发生器根据开关控制信号生成脉冲信号控制第一控制开关和第二控制开关的通断之后，还包括对协同控制策略进行优化的步骤，具体，基于超级电容器两端的实测电压v_s滤波的优化算法，以检测并利用低频变化代替实际电压。

具体，使用一阶低通滤波器对超级电容器两端的实测电压v_s进行滤波，滤波器的传递函数G_f(s)如式(19)：

其中，s为拉普拉斯算子，w_f为滤波器的截止频率；

滤波后更新的流形ψ(x)如式(20)：

其中，v_sf为超级电容器滤波后的电压。

Claims (3)

1.一种电动汽车复合电源功率分配的协同控制方法，其特征在于，应用于协同控制系统，所述复合电源包括用于提供能量的蓄电池及用于提供功率的超级电容器，且超级电容器通过一双向升降压变换器连接至直流母线，所述双向升降压变换器中包括用于控制工作模式的第一控制开关和第二控制开关，工作模式包括升压模式和降压模式，其中，当能量从超级电容器转移至蓄电池为升压模式，当能量从蓄电池转移至超级电容器为降压模式；协同控制系统中包括与直流母线连接用于制定协同控制策略的处理器、与处理器连接的滞环电流控制器及与滞环电流控制器连接的PWM信号发生器；所述协同控制方法包括：

S10处理器实时采集直流母线电压；

S20处理器根据实时采集的直流母线电压及直流母线参考电压制定协同控制策略，并计算得到滞环电流控制器的参考电流；

S30滞环电流控制器实时采集双向升降压变换器中的滤波电感电流，

S40滞环电流控制器根据采集的滤波电感电流和参考电流生成开关控制信号；

S50 PWM信号发生器根据开关控制信号生成脉冲信号控制第一控制开关和第二控制开关的通断，实现对复合电源功率分配的协同控制；

在复合电源中：

蓄电池等效为具有串并联分支的RC电路，满足：

v₀＝v_b-R_bi_b

其中，v₀为直流母线电压，v_b为蓄电池电压，i_b为蓄电池电流，R_b为蓄电池内部串联电阻，R_d为蓄电池内部并联电阻，C_b为蓄电池的电荷存储容量；

超级电容器等效为理想电容器与其等效内阻串联的电路，满足：

v_s＝v_c+R_si_sc

i_sc＝-i_L

其中，v_s为超级电容器两端的实测电压，v_c为超级电容器电压，R_s为超级电容器的内阻，i_sc为超级电容器电流，i_L为双向升降压变换器中滤波电感电流；

双向升降压变换器中包括滤波电感L、第一控制开关Q₁、第二控制开关Q₂、第一二极管D₁和第二二极管D₂，其中，滤波电感L的第一端与超级电容器的正极连接、第二端与第一控制开关Q₁的集电极连接；第二控制开关Q₂的基极为通断控制端，集电极为双向升降压变换器的输出端、与直流母线的正极连接，发射极与滤波电感L的第二端连接；第一控制开关Q₁的发射极分别与超级电容器的负极及直流母线的负极连接，基极为通断控制端；第一二极管D₁并接于第一控制开关Q₁的两端，且正极与第一控制开关Q₁的发射极连接、负极与第一控制开关Q₁的集电极连接；第二二极管D₂并接于第二控制开关Q₂的两端，且正极与第二控制开关Q₂的发射极连接、负极与第二控制开关Q₂的集电极连接，PWM信号发生器分别与第一控制开关Q₁和第二控制开关Q₂的基极连接；

双向升降压变换器工作在连续导通的PWM模式下，其中，在第一PWM状态下，第一控制开关Q₁导通、第二控制开关Q₂关断，双向升降压变换器工作在降压模式；在第二PWM状态下，第一控制开关Q₁关断、第二控制开关Q₂导通，双向升降压变换器工作在升压模式；

在升压模式下，系统的状态方程为：

其中，R_L为滤波电感L的内部电阻，L为滤波电感的容量，u为一个周期内第二控制开关Q₂的开关控制信号，C_f为连接于蓄电池输出端间的滤波电容的容量，C_s为超级电容器的容量，i₀为负载电流；

在滞环电流控制器中采用滑模算法实现电流的控制：

定义滤波电感电流的滑模开关线S(x)：

S(x)＝I_r-i_L＝0

其中，x为滑模开关线的运动曲线，为关于时间t的函数，I_r>0为参考电流；

由于滑模运动存在于v_s<v₀的区域，满足

的条件为：

其中，v_s为超级电容器两端的实测电压，v₀为直流母线电压，u为一个周期内第二控制开关Q₂的开关控制信号；

等效控制信号u_eq为：

在电流的控制过程中，双向升降压变换器的控制方法为：i_L≈I_r及u＝u_eq；

电动汽车的负载为可变电阻R₀，则系统的状态方程为：

其中，负载电流

处理器根据具有电流滑模控制的协同控制系统制定协同控制策略，所述协同控制策略包括：

σ(x)＝0

其中，k₁和k₂为设计参数，i_b为蓄电池电流，T＝T^T>0为设定的对称正参数，v_0r为超级电容处于充电状态且系统处于空载状态时的直流母线参考电压，v_sr为超级电容器的额定电压；x为滑模开关线的运动曲线，为关于时间t的函数，满足

且流形

Tσ′+σ＝0。

2.如权利要求1所述的协同控制方法，其特征在于，在步骤S50，PWM信号发生器根据开关控制信号生成脉冲信号控制第一控制开关和第二控制开关的通断之后，还包括对协同控制系统的稳定性进行分析的步骤，具体：

正定李亚普洛夫函数V(x)为：

沿着σ(x)的运行轨迹正定李亚普洛夫函数V(x)的总时间导数为：

由总时间导数V'(x)<0，协同控制系统实现了全局渐近稳定。

3.如权利要求1所述的协同控制方法，其特征在于，在步骤S50，PWM信号发生器根据开关控制信号生成脉冲信号控制第一控制开关和第二控制开关的通断之后，还包括对协同控制策略进行优化的步骤，具体：

使用滤波器对超级电容器两端的实测电压v_s进行滤波，滤波器的传递函数G_f(s)为：

其中，s为拉普拉斯算子，w_f为滤波器的截止频率；

滤波后更新的流形ψ(x)为：

其中，v_sf为超级电容器滤波后的电压。

Images