CN110091727A - 一种用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法，包括步骤：1)搭建电动汽车混合动力系统；2)分别为电动汽车混合动力系统的主供电单元和辅助储能单元设计外环控制，控制脉动负载功率动态优化分配；3)为电动汽车混合动力系统的主供电单元和辅助储能单元设计内环控制，其又包括以下步骤：i)建立电动汽车混合动力系统的数学模型；ii)设计内环控制的控制目标；iii)设计控制器，通过控制器控制主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流精确跟踪期望的电流基准。本发明实现了脉动负载功率在不同供电单元间的动态优化分配，及制动能量的回收，保证了电动汽车混合动力系统在行驶过程中的全局稳定性。

Description

一种用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法

技术领域

本发明涉及混合储能系统、混合供电系统等技术领域，特别涉及一种电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法。

背景技术

近年来，由于私家车数量激增，交通运输行业的石油消耗量增长迅速。此外，温室效应、空气污染等环境问题也与汽车尾气的排放息息相关。因此，国际组织和各国政府都制定了更加严苛的能耗和排放标准。在此背景下，新能源汽车产业得到了快速发展。

一般地，由于地形和行驶速度的波动，特别是在城市中使用，汽车的动力需求具有强脉动、宽频域变化特性(时间尺度跨越毫秒—秒—分钟范围)，而单一的动力单元难以满足汽车的动力需求。不仅如此，当汽车处于制动、下坡或怠速状态时，电驱系统可产生大量再生能量向动力源回馈。然而，由于部分的动力源不具有回馈能量存储能力，必须安装额外的卸荷电阻对其进行耗散，势必将增大汽车的体积重量，难以实现轻量化设计。为此，集成多个动力单元的混合电动汽车得到了工业界和学术界重视，成为了一种具有较强竞争力的解决方案。

高效的能量管理技术是混合电动汽车大规模推广应用的关键，对于满足不断严苛的法规要求和提高电动汽车的续航里程，缓解“里程焦虑”都具有重要的意义。电动汽车混合动力系统的能量管理目标可归结为：

1)实现脉动负载功率在不同动力源间的动态优化分配，提升电动汽车混合动力系统的性能。

2)延长电动汽车混合动力系统的使用寿命，以提升电动汽车的耐用性。

3)提高电动汽车混合动力系统的燃油经济性。

4)确保动力系统运行时的稳定性，提升系统的可靠性和安全性。

当前，现有的混合动力系统能源管理策略可分为集中控制策略和分散控制策略。集中控制策略主要采用负载功率分频方法、模糊逻辑控制方法、模型预测控制方法、多目标优化方法、基于李亚普诺夫的非线性控制方法等。这些方法通常使用中央控制器来检测负载功率，利用集成的能量管理策略分别计算出每个动力源的功率基准，并通过通信网络将它们发送给相应的本地控制器。然后，每个动力源的控制器根据获得的功率基准控制其自身，以实现能源管理的目标。尽管这些能量管理策略是有效的，但也存在一些固有的缺点，例如单点故障、通信延迟导致的动态响应慢、系统灵活性差、可扩展性差等。

因分散式能量管理策略不需要通信网络，所以分散式能量管理策略可有效地克服上述缺点。目前，国内外已有相关文献研究分散式能量管理策略。在题为“Energymanagement strategy of multiple supercapacitors in a dc microgrid usingadaptive virtual impedance”和题为“Energy management strategy forsupercapacitor in droop-controlled dc microgrid using virtual impedance”的文献中提出了一种虚拟电容下垂控制策略，通过一种分散的控制方式，使超级电容提供负载所需的全部瞬时功率。为延长超级电容的使用寿命，通过超级电容荷电状态调节回路，可使超级电容的荷电状态恢复至预设的范围，但是荷电状态恢复过程，超级电容无法继续向负载提供瞬态功率。在题为“A decentralized dynamic power sharing strategy forhybrid energy storage system in autonomous dc microgrid”和题为“Adecentralized power management strategy for hybrid energy storage system withautonomous bus voltage restoration and state-of-charge recovery”的文章中针对蓄电池-超级电容混合储能系统提出了一种混合下垂控制策略。蓄电池和超级电容变换器分别采用虚拟电阻和虚拟电容下垂控制器，成功地实现了脉动负载功率动态优化分配的目标，使超级电容单元缓冲所有的脉冲功率，而蓄电池只提供平均功率。但是该方法应用于混合动力系统时，其脉动负载功率动态优化分配的性能较差甚至可能失效。这是因为该方法没有考虑超级电容荷电状态运行范围的限制及其对系统使用寿命的影响，而且不能实现制动能量(平滑部分)的回收。在题为“A decentralized dynamic load power allocationstrategy for fuel cell/supercapacitor-based APU of large more electricvehicles”的文献中提出了一种改进的混合下垂控制策略来解决燃料电池-超级电容混合动力系统的能量管理问题。尽管该方法解决了超级电容荷电状态的恢复问题，但制动能量的无损消纳问题仍没有得到有效解决。为解决制动能量的无损消纳问题，在题为“Adecentralized energy management strategy for a fuel cell/supercapacitor-basedauxiliary power unit of a more electric aircraft”的文献中进一步提出了一种改进的混合下垂控制策略，有效的解决了脉动负载功率的动态优化分配、制动能量的回收、系统使用寿命的延长等问题。然而，由于燃料电池和超级电容变换器电压、电流内环采用传统的PI控制器，燃料电池-超级电容混合动力系统的全局稳定性无法得到保证，这会影响电动汽车使用时的安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是一种用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法，以解决负载功率在不同供电单元间的动态优化分配问题，以及解决如何实现延长系统的使用寿命，提升电动汽车的燃油经济性，并保证电动汽车混合动力系统在行驶过程中全局稳定等问题。

本发明用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法，包括以下步骤：

1)搭建电动汽车混合动力系统，其又包括以下步骤：

i)根据电动汽车的负载特性，为电动汽车混合动力系统选取主供电单元和辅助储能单元；

ii)将主供电单元及其变换器与辅助储能单元及其变换器的输出端并联构成直流母线；

iii)将电动汽车的负载通过相应的变换器或逆变器接在直流母线上；

2)分别为电动汽车混合动力系统的主供电单元和辅助储能单元设计外环控制，控制脉动负载功率动态优化分配，其又包括以下步骤：

i)分别设计电动汽车混合动力系统主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流基准为：

式中，V_nom为直流母线的标称电压；V_ref为辅助储能单元变换器的输出电压基准；i₁ ^*和i₂ ^*分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流基准；i₁ ^*(0)为主供电单元的变换器输入电流基准的初始值；v₁和v₂分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电压；v_o1和v_o2分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输出电压；m和n分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的下垂系数，且m>0，n>0；

ii)设计辅助储能单元变换器的输出电压基准为：

式中，ΔV为辅助储能单元的变换器的基准电压增量；SOC为辅助储能单元的荷电状态；SOC_min和SOC_max分别为辅助储能单元荷电状态的下限和上限；

3)为电动汽车混合动力系统的主供电单元和辅助储能单元设计内环控制，其又包括以下步骤：

i)建立电动汽车混合动力系统的数学模型；

ii)将电动汽车混合动力系统主供电单元和辅助储能单元已确立的输入电流基准作为设计内环控制的控制目标；

iii)设计控制器，通过控制器控制主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流i₁和i₂精确跟踪期望的电流基准i₁ ^*和i₂ ^*。

进一步，所述步骤i)建立电动汽车混合动力系统的数学模型，具体如下：

主供电单元和辅助储能单元的状态空间平均模型为：

式中，L_x和C_x分别为源变换器的滤波电感和滤波电容；v_ox和i_ox分别为源变换器的输出电压和输出电流；v_x和i_x分别为源变换器的输入电压和输入电流；u_x为源变换器的占空比。上式中下标x＝1表示主供电单元，x＝2表示辅助储能单元。

令x＝[i₁,v_o1,i₂,v_o2]^T,根据欧拉-拉格朗日方程形式将等式整理为：

式中

所述步骤iii)设计控制器，具体如下：

令跟踪误差向量为e＝x–x_d，其中x_d＝[i₁ ^*,v_o1 ^*,i₂ ^*,v_o2 ^*]^T；根据无源控制理论，利用反馈控制向动态误差方程注入耗散阻尼矩阵R_d以加速误差能量的耗散，在注入耗散阻尼后，动态跟踪误差方程变为：

式中，R_d＝diag(R_d1,G_d1,R_d2,G_d2)为正定矩阵，其中耗散阻尼参数R_d1,G_d1,R_d2,G_d2为由设计者确定的控制参数。

根据无源控制理论，系统的期望能量函数选为：

因此，系统期望能量函数的导数为：

令即

由上式得到主供电单元和辅助储能单元变换器的无源控制率为

进一步，所述的主供电单元为燃料电池，所述的辅助储能单元为超级电容。

本发明的有益效果：

本发明用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法，实现了脉动负载功率在不同供电单元间的动态优化分配，即高频脉动功率由动态响应较快的辅助储能单元提供，低频缓变功率由动态响应较慢的主供电单元提供；实现了制动能量的回收，间接地提升了电动汽车的燃油经济性；延长了电动汽车混合动力系统的使用寿命；保证了电动汽车混合动力系统在行驶过程中的全局稳定性，从而确保了电动汽车的安全性；此外，相较于传统的能量管理方法，本发明还具有较高的可靠性和灵活性。

附图说明

图1为燃料电池-超级电容混合动力系统的系统结构与控制框图；

图2为正常模式下燃料电池-超级电容混合动力系统带恒功率负载的仿真结果图。

图3为正常模式下燃料电池-超级电容混合动力系统带脉动功率负载的仿真结果图。

图4为充电模式下燃料电池-超级电容混合动力系统带脉动功率负载的仿真结果图。

图5为放电模式下燃料电池-超级电容混合动力系统带脉动功率负载的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本实施例中用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法，包括以下步骤：

1)搭建电动汽车混合动力系统，其又包括以下步骤：

i)根据电动汽车的负载特性，为电动汽车混合动力系统选取主供电单元和辅助储能单元；

ii)将主供电单元及其变换器与辅助储能单元及其变换器的输出端并联构成直流母线；

iii)将电动汽车的负载通过相应的变换器或逆变器接在直流母线上。

在本实施例中，电动汽车混合动力系统的结构和控制框图如图1所示，其中主供电单元选用燃料电池，辅助储能单元选用超级电容，主供电单元的变换器为单向Boost变换器，辅助储能单元的变换器为双向Boost-buck变换器；当然在不同实施例中，主供电单元和辅助储能单元还可为蓄电池和超级电容等其它形式。本实施例中，燃料电池的额定输出功率为3kW，额定输出电压为100V；超级电容的额定电压为125V，额定电容为63F；直流母线的标称电压为270V；燃料电池的DC/DC变换器和超级电容的DC/DC变换器的开关频率为20kHz，其电感L₁和L₂均为1mH，电容C₁和C₂均为1410μF。

2)分别为电动汽车混合动力系统的主供电单元和辅助储能单元设计外环控制，控制脉动负载功率动态优化分配，其又包括以下步骤：

i)分别设计电动汽车混合动力系统主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流基准为：

式中，V_nom为直流母线的标称电压；V_ref为辅助储能单元变换器的输出电压基准；i₁ ^*和i₂ ^*分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流基准；i₁ ^*(0)为主供电单元的变换器输入电流基准的初始值，本实施例中设定i₁ ^*(0)＝0；v₁和v₂分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电压；v_o1和v_o2分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输出电压；m和n分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的下垂系数，且m>0，n>0。

在图1中，忽略线路阻抗的存在和变换器的功率损耗，根据变换器的输出电压关系和系统的功率守恒关系可得：

v_o1＝v_o2＝v_bus (3)

P₁+P₂＝P_L (4)

式中，v_bus为直流母线电压；P₁，P₂和P_L分别为燃料电池，超级电容和负载的功率。

运用复频域(s域)分析方法，由式(1)—(4)可得负载功率在燃料电池单元和超级电容单元间的分配关系为：

根据(5)易知，负载功率分配到燃料电池支路时自动加入低通滤波器G₁(s)，分配到超级电容支路时自动加入高通滤波器G₂(s)，那么超级电容单元提供负载所需的全部高频脉动功率，而燃料电池单元只需提供负载所需的低频功率以延长其使用寿命。此外，通过调节超级电容变换器的电压基准V_ref即可调节超级电容单元的功率，从而调节超级电容的荷电状态以延长其使用寿命。显然地，当电动汽车处于制动状态，在超级电容单元变换器的控制下，制动能量能够以无损的方式存储到超级电容单元中，从而实现制动能量的回收，间接地提高了系统的燃油经济性。因此，燃料电池和超级电容单元能够以分散的控制方式实现负载功率的动态优化分配和制动能量的回收，同时还能延长它们的使用寿命。

ii)设计辅助储能单元变换器的输出电压基准为：

式中，ΔV为辅助储能单元的变换器的基准电压增量；SOC为辅助储能单元的荷电状态；SOC_min和SOC_max分别为辅助储能单元荷电状态的下限和上限；本步骤所设计的输出电压基准优化了超级电容单元运行的荷电状态，从而延长其使用寿命。

3)为电动汽车混合动力系统的主供电单元和辅助储能单元设计内环控制，其又包括以下步骤：

i)建立电动汽车混合动力系统的数学模型；

根据图1所示的变换器拓扑，燃料电池和超级电容的变换器的状态空间平均模型为：

式中，L_x和C_x分别为源变换器的滤波电感和滤波电容；v_ox和i_ox分别为源变换器的输出电压和输出电流；v_x和i_x分别为源变换器的输入电压和输入电流；u_x为源变换器的占空比。上式中下标x＝1表示燃料电池单元，x＝2表示超级电容单元。

令x＝[i₁,v_o1,i₂,v_o2]^T,根据欧拉-拉格朗日方程形式将等式(7)整理为：

式中

ii)将电动汽车混合动力系统主供电单元和辅助储能单元已确立的输入电流基准作为设计内环控制的控制目标。

iii)设计控制器控制主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流i₁和i₂精确跟踪期望的电流基准i₁ ^*和i₂ ^*，具体如下：

令跟踪误差向量为e＝x–x_d，其中x_d＝[i₁ ^*,v_o1 ^*,i₂ ^*,v_o2 ^*]^T。根据无源控制理论，通常利用反馈控制向动态误差方程注入耗散阻尼矩阵R_d以加速误差能量的耗散，从而改善闭环系统的动态跟踪性能。在注入耗散阻尼后，动态跟踪误差方程变为：

式中，R_d＝diag(R_d1,G_d1,R_d2,G_d2)为正定矩阵，其中耗散阻尼参数R_d1,G_d1,R_d2,G_d2为由设计者确定的控制参数，具体实施中可根据主供电单元和辅助储能单元的内环响应速度进行设计。

根据无源控制理论，系统的期望能量函数(Lyapunov函数)选为：

因此，系统期望能量函数的导数为：

令即

由(12)得到，燃料电池和超级电容变换器的无源控制率为

由(11)可知，当燃料电池和超级电容变换器的控制率同时满足(13)和(14)，即ψ≡0时，系统期望能量函数的导数是负定的。根据Lyapunov稳定性理论可知系统是全局稳定的。此外，从(13)和(14)可知，燃料电池和超级电容变换器的无源控制器是相互独立的，即燃料电池和超级电容变换器的控制无需任何通信。因此，本实施例分散式能力管理方法实现了燃料电池和超级电容变换器的内环控制目标，同时还保证了系统的全局稳定性。

下面对本实施例中燃料电池-超级电容混合动力系统分散式能量管理方法的有效性和可行性进行仿真验证。仿真参数如下所示：

从仿真结果图2可明显看出，当恒功率负载阶跃变化时，燃料电池功率P₁缓慢变化最终趋于负载功率P_L，而超级电容迅速响应恒功率负载的阶跃变化并提供恒功率负载阶跃变化时的瞬时功率，并且系统在整个运行过程中都是稳定的。

从仿真结果图3、4和5可明显看出，当负载功率随机脉动变化时，无论系统处于何种模式，燃料电池只需提供负载所需的低频功率，而超级电容提供负载所需的全部高频脉动功率，并且超级电容还能以无损的方式实现制动能量的回收。此外，当系统处于充电模式或放电模式时，超级电容单元除了提供负载所需的脉动功率，还能以一定大小的功率进行充电或放电，使系统的工作模式恢复到正常模式。上述所有的仿真结果均验证了本实施例中分散式能量管理方法的有效性和可行性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建电动汽车混合动力系统，其又包括以下步骤：

i)根据电动汽车的负载特性，为电动汽车混合动力系统选取主供电单元和辅助储能单元；

ii)将主供电单元及其变换器与辅助储能单元及其变换器的输出端并联构成直流母线；

iii)将电动汽车的负载通过相应的变换器或逆变器接在直流母线上；

2)分别为电动汽车混合动力系统的主供电单元和辅助储能单元设计外环控制，控制脉动负载功率动态优化分配，其又包括以下步骤：

i)分别设计电动汽车混合动力系统主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流基准为：

式中，V_nom为直流母线的标称电压；V_ref为辅助储能单元变换器的输出电压基准；i₁ ^*和i₂ ^*分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流基准；i₁ ^*(0)为主供电单元的变换器的输入电流基准的初始值；v₁和v₂分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电压；v_o1和v_o2分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输出电压；m和n分别为主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的下垂系数，且m>0，n>0；

ii)设计辅助储能单元变换器的输出电压基准为：

式中，ΔV为辅助储能单元的变换器的基准电压增量；SOC为辅助储能单元的荷电状态；SOC_min和SOC_max分别为辅助储能单元荷电状态的下限和上限。

3)为电动汽车混合动力系统的主供电单元和辅助储能单元设计内环控制，其又包括以下步骤：

i)建立电动汽车混合动力系统的数学模型；

ii)将电动汽车混合动力系统主供电单元和辅助储能单元已确立的输入电流基准作为设计内环控制的控制目标；

iii)设计控制器，通过控制器控制主供电单元的变换器和辅助储能单元的变换器的输入电流i₁和i₂精确跟踪期望的电流基准i₁ ^*和i₂ ^*。

2.根据权利要求1所述的用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法，其特征在于：所述步骤i)建立电动汽车混合动力系统的数学模型，具体如下：

主供电单元和辅助储能单元的状态空间平均模型为：

式中，L_x和C_x分别为源变换器的滤波电感和滤波电容；v_ox和i_ox分别为源变换器的输出电压和输出电流；v_x和i_x分别为源变换器的输入电压和输入电流；u_x为源变换器的占空比；上式中下标x＝1表示主供电单元，x＝2表示辅助储能单元；

令x＝[i₁,v_o1,i₂,v_o2]^T,根据欧拉-拉格朗日方程形式将等式整理为：

式中

所述步骤iii)设计控制器，具体如下：

令跟踪误差向量为e＝x–x_d，其中x_d＝[i₁ ^*,v_o1 ^*,i₂ ^*,v_o2 ^*]^T；根据无源控制理论，利用反馈控制向动态误差方程注入耗散阻尼矩阵R_d以加速误差能量的耗散，在注入耗散阻尼后，动态跟踪误差方程变为：

式中，R_d＝diag(R_d1,G_d1,R_d2,G_d2)为正定矩阵，其中耗散阻尼参数R_d1,G_d1,R_d2,G_d2为由设计者确定的控制参数；

根据无源控制理论，系统的期望能量函数选为：

因此，系统期望能量函数的导数为：

令即

由上式得到主供电单元和辅助储能单元变换器的无源控制率为

3.根据权利要求1所述的用于电动汽车混合动力系统的分散式能量管理方法，其特征在于：所述的主供电单元为燃料电池，所述的辅助储能单元为超级电容。