CN109878507A

CN109878507A - 基于λ因子的车载混合电源能量管理控制方法

Info

Publication number: CN109878507A
Application number: CN201910030523.3A
Authority: CN
Inventors: 王琪; 韩晓新; 诸一琦; 罗印升
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu University of Technology
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2039-01-14
Also published as: CN109878507B

Abstract

本发明公开了一种基于λ因子的车载混合电源能量管理控制方法，包括：建立蓄电池和超级电容器的模型；建立车载混合电源能量管理控制的目标函数，包括根据蓄电池输出电流分布的不规则性建立的第一目标函数及根据超级电容器在驱动周期内充放电能量建立的第二目标函数；设定超级电容器的电压约束条件及直流母线侧超级电容器的电流约束条件，并根据电压约束条件选择超级电容器的容量；引入λ因子建立拉格朗日函数并建立第三目标函数；实时获取直流母线电流，根据第三目标函数得到蓄电池输出的参考电流，完成车载混合电源能量管理控制，确保蓄电池以恒流的方式工作，控制蓄电池满足电动汽车负载的能量需求、超级电容器提供负载的功率需求。

Description

基于λ因子的车载混合电源能量管理控制方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种车载混合电源能量管理控制方法。

背景技术

凭借节能环保和效率高的优势，电动汽车成为了汽车产业向可持续发展战略过渡的有力支持。但是，目前电动汽车中使用的蓄电池仍然无法完全满足驱动工况中频繁变化的高功率需求，导致蓄电池的循环寿命大大降低。如果将支持高峰值功率的储能设备，如超级电容器，单独应用到电动汽车中，由于超级电容器在能量密度方面性能较低，又会导致整车的行驶范围非常有限。基于此，将高能量密度的蓄电池和高功率密度的超级电容器相结合构成混合电源成为了一种可行的解决方案，很大程度上提高了电动汽车储能系统的性能。

在混合电源中，通常配置1个或多个DC/DC(Direct Current，直流电源)功率变换器来主动调度蓄电池和超级电容器的出力与进力，在这一过程中，对 DC/DC功率变换器的控制即对混合电源中蓄电池与超级电容器之间能量管理的控制，因此能量管理控制方法对混合电源优势的发挥至关重要。常用的能量管理控制方法包括启发式方法、预测方法和优化方法，其中，启发式方法过度地利用了超级电容器，造成了混合电源的损耗增大；预测方法通过预测蓄电池的荷电状态和健康状态来控制两种电源的进出力，但预测往往存在误差，因此这类方法控制精度不高；优化方法以混合电源的效率为优化目标、搭配相应的约束条件实现目的，但是这类方法存在计算量较大和响应时间较慢的缺陷。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于λ因子的车载混合电源能量管理控制方法，有效解决了现有混合电源中蓄电池与超级电容器之间的能量不能合理管理控制的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于λ因子的车载混合电源能量管理控制方法，所述混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，且所述蓄电池直接与直流母线连接，超级电容器串联一个DC/DC变换器后与蓄电池并联连接；所述车载混合电源能量管理控制方法包括：

S10建立蓄电池和超级电容器的模型；

S20建立车载混合电源能量管理控制的目标函数，所述目标函数中包括根据蓄电池输出电流分布的不规则性建立的第一目标函数及根据超级电容器在驱动周期内充放电能量建立的第二目标函数；

S30设定超级电容器的电压约束条件及直流母线侧超级电容器的电流约束条件，并根据超级电容器的电压约束条件选择超级电容器的容量；

S40根据建立的第一目标函数和第二目标函数，引入λ因子建立第三目标函数；

S50实时获取直流母线电流，根据直流母线侧超级电容器的电流约束条件求解所述第三目标函数，得到蓄电池输出的参考电流，完成车载混合电源能量管理控制。

在本发明提供的基于λ因子的车载混合电源能量管理控制方法中，在超级电容器的电压约束条件及直流母线侧超级电容器的电流约束条件下，根据建立的第三目标函数最小化蓄电池的电流分布，进而减少其电流分布的不规则性，确保蓄电池以恒流的方式工作，控制蓄电池满足电动汽车负载的能量需求、超级电容器提供负载的功率需求，完成车载混合电源能量管理控制。

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混合电源驱动系统的示意图；

图2为本发明中车载混合电源能量管理控制方法一种实施方式流程示意图。

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。

基于现有技术混合电源中蓄电池与超级电容器之间的能量不能合理管理控制的技术问题，本发明提供了一种基于λ因子的车载混合电源能量管理控制方法。如图1所示为电动汽车混合电源驱动系统的示意图，从图中可以看出，该混合电源中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，且蓄电池直接与直流母线连接，超级电容器串联一个DC/DC变换器后与蓄电池并联连接，负载包括电机的主负载及通过DC/AC(Alternating Current，交流电源)逆变器从直流母线馈送的辅助电气负载。

如图2所示，该车载混合电源能量管理控制方法包括：

S10建立蓄电池和超级电容器的模型；

S20建立车载混合电源能量管理控制的目标函数，目标函数中包括根据蓄电池输出电流分布的不规则性建立的第一目标函数及根据超级电容器在驱动周期内充放电能量建立的第二目标函数；

具体，在步骤S10中，蓄电池等效为开路电压与内阻串联的结构，蓄电池的输出电压v_b如式(1)：

v_b＝v_oc-R_bi_b (1)

其中，v_oc为蓄电池的开路电压，R_b为蓄电池的等效内阻，i_b为蓄电池的输出电流；

超级电容器等效为理想电容器C，且忽略充放电损耗，满足：

其中，v_sc为超级电容器的电压，i_sc为超级电容器的输出电流，为直流母线侧超级电容器的电流，即经过DC/DC变换器后的超级电容器电流，且在该车载混合电源能量管理控制方法中，DC/DC转换器工作在理想状态，即忽略功率损耗。

由于混合电源能量管理控制的过程中要解决的技术问题为在整个驱动周期中蓄电池提供汽车负载的能量需求、超级电容器满足功率需求，即蓄电池保持恒流充放电、超级电容器承担峰值电流，本发明将要解决的技术问题转换为最小化蓄电池电流的方差(方差可反映特定参数的不规则性)变化，达到降低蓄电池峰值电流的目的，进而建立如式(3)的函数Ψ：

其中，T为电动汽车的驱动周期，t为电动汽车在驱动周期内的运行时刻， i_b(t)为t时刻蓄电池的输出电流，E[i_b(t)]为驱动周期内蓄电池输出电流i_b(t)的期望值。

在整个驱动周期中，设定超级电容器的能量贡献为零，并设计蓄电池输出的参考电流为且满足以保持蓄电池电流的恒定，实现混合电源能量管理控制的目的，即能量需求由蓄电池提供、功率需求由超级电容器提供。根据电动汽车混合电源驱动系统，超级电容器瞬时功率积分可间接由蓄电池的参数变量表达，如式(4)和式(5)：

其中，E[i_b(t)]取决于蓄电池开路电压v_oc、蓄电池内阻R_b及驱动周期内直流母线电流i_t(t)的期望值E[i_t(t)]，E[i_t(t)]根据具体的电动汽车而定。

实际上，这种理想的解决方案是不可行的，因为必须考虑与超级电容器电压和电流约束，具体，通过最小化式(6)中的第一目标函数，最小化蓄电池电流分布的不规则性：

进而式(3)的函数Ψ可改写为式(7)：

其中，E[i_b(t)]为驱动周期内蓄电池输出电流i_b(t)的期望值，为一常数。

根据超级电容器在驱动周期内充放电能量，式(7)中函数Ψ的最小化可以通过等周约束来解决，如式(8)的第二目标函数：

其中，T为电动汽车的驱动周期，t为电动汽车在驱动周期内的运行时刻， i_b(t)为t时刻蓄电池的输出电流，i_t(t)为t时刻直流母线的电流。

设定的超级电容器的电压约束条件如式(9)：

v_sc,min≤v_sc(t)≤v_sc,max (9)

其中，v_sc(t)为t时刻超级电容器的电压，v_sc,min为超级电容器电压的最大值，v_sc,max为超级电容器电压的最小值；

设定的直流母线侧超级电容器的电流约束条件如式(10)：

其中，为t时刻直流母线侧超级电容器的电流，为直流母线侧超级电容器电流的最大值。

对于超级电容器的电压约束条件可通过选择适当的超级电容器容量来实现，如选定超级电容器容量最小值来满足超级电容器的电压约束。

由于蓄电池输出的参考电流为满足以此可通过式(11)表示超级电容器电压v_sc(t)：

其中，v_sc(0)为超级电容器电压初始值，C为超级电容器容量。为了便于表述，

令且g(t)存在正负值，如g(t)＝g⁺(t)-g^-(t)，0≤ξ≤t，i_t(ξ)为ξ时刻直流母线的电流，为ξ时刻蓄电池输出的参考电流。

基于公式(9)和(11)，超级电容器电压初始值v_sc(0)的约束条件如不等式(12)：

其中，为g(t)正值的最大值，为g(t)负值的最大值。

以此，得到超级电容器容量最小值C_min，如式(13)：

此时，超级电容器电压初始值v_sc(0)如式(14)：

基于建立的第一目标函数和第二目标函数，引入λ因子的方法解决混合电源能量管理控制的目的，即基于变分理论求解在超级电容器的电压约束条件及直流母线侧超级电容器的电流约束条件下公式(6)中第一目标函数的蓄电池输出的参考电流具体，定义公式(15)中的建立拉格朗日函数L，以可获得最小化问题的最优解：

其中，λ为拉格朗日乘子。

拉格朗日函数L的极值可以通过将被积函数对状态变量i_b(t)的导数设置为零来获得，即使用拉格朗日乘子λ来表示状态变量，并通过顺序求解如式(16)的第三目标函数得到最优解：

在执行过程中，蓄电池电流i_b(t)可表示为关于λ因子的函数i_b(λ)，如式(17)：

以此基于式(16)中的第二个函数进一步建立关于λ因子的函数G(λ)，如式 (18)：

根据式(18)可以看出，其是关于λ因子的二次方程，在获取了直流母线电流 i_t(t)之后，根据蓄电池模型中蓄电池的开路电压v_oc和等效内阻R_b，就能计算得到λ因子的更新值，与此同时，根据如式(10)的直流母线侧超级电容器的电流约束条件确定λ因子的解析解λ^*；之后，基于如式(17)的函数i_b(λ)，根据直流母线电流i_t(t)、解析解λ^*、蓄电池的开路电压v_oc及蓄电池的等效内阻R_b得到蓄电池输出的参考电流之后，根据获取的电动汽车的需求功率，即可得到超级电容器的参考电流，完成车载混合电源能量管理控制。

Claims

1.一种基于λ因子的车载混合电源能量管理控制方法，其特征在于，所述混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，且所述蓄电池直接与直流母线连接，超级电容器串联一个DC/DC变换器后与蓄电池并联连接；所述车载混合电源能量管理控制方法包括：

S10建立蓄电池和超级电容器的模型；

2.如权利要求1所述的车载混合电源能量管理控制方法，其特征在于，在步骤S10中：

蓄电池等效为开路电压与内阻串联的结构，满足：

v_b＝v_oc-R_bi_b

超级电容器等效为理想电容器，且忽略充放电损耗，满足：

其中，v_sc为超级电容器的电压，i_sc为超级电容器的输出电流，为直流母线侧超级电容器的电流。

3.如权利要求2所述的车载混合电源能量管理控制方法，其特征在于，在步骤S20中：

建立的第一目标函数为：

建立的第二目标函数为：

其中，T为电动汽车的驱动周期，t为电动汽车在驱动周期内的运行时刻，i_b(t)为t时刻蓄电池的输出电流，i_t(t)为t时刻直流母线的电流。

4.如权利要求1-3任意一项所述的车载混合电源能量管理控制方法，其特征在于，在步骤S30中：

超级电容器的电压约束条件为：

v_sc,min≤v_sc(t)≤v_sc,max

直流母线侧超级电容器的电流约束条件为：

5.如权利要求4所述的车载混合电源能量管理控制方法，其特征在于，在步骤S30中：

超级电容器容量最小值C_min为：

超级电容器电压初始值v_sc(0)为：

其中，v_oc为蓄电池的开路电压，R_b为蓄电池的等效内阻，i_b为蓄电池的输出电流，E[i_b(t)]为驱动周期内蓄电池输出电流i_b的期望值；为g(t)正值的最大值，为g(t)负值的最大值，为ξ时刻蓄电池输出的参考电流，0≤ξ≤t。

6.如权利要求3或5所述的车载混合电源能量管理控制方法，其特征在于，在步骤S40中，进一步包括：

S41根据建立的第一目标函数和第二目标函数，引入λ因子建立拉格朗日函数L：

S42根据拉格朗日函数L建立第三目标函数：

其中，λ为拉格朗日乘子。

7.如权利要求6所述的车载混合电源能量管理控制方法，其特征在于，在步骤S50中，进一步包括：

S51建立蓄电池电流i_b(t)关于λ因子的函数i_b(λ)：

S52根据函数i_b(λ)建立关于λ因子的函数G(λ)：

S53实时获取直流母线电流i_t(t)，并根据步骤S52中的函数G(λ)及直流母线侧超级电容器的电流约束条件确定λ因子的解析解λ^*；

S54基于步骤S51中的函数i_b(λ)，根据直流母线电流i_t(t)、解析解λ^*、蓄电池的开路电压v_oc及蓄电池的等效内阻R_b得到蓄电池输出的参考电流