CN110212620B - 一种基于升压变换器的可再生锂电池/超级电容器电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于升压变换器的可再生锂电池/超级电容器电流控制方法，包括：步骤1)：控制电路拓扑结构设计；步骤2)：开关S1和开关S2的占空比补偿值计算；步骤3)：混合控制方法设计；步骤4)：混合控制方法流程设计；步骤5)：仿真实验设计。本发明的有益效果是：本发明设计了一种适用于电动汽车能量管理系统的并联电流控制方法，电路电流简化为高负载电流。控制电路引入升压变换器，提高超级电容器的两端电压，实现分担负载电流和提高整体功率的目的。本发明提出电流混合控制方法，实现对升压变换器、开关S1和开关S2的协调控制，有效控制锂电池电流值。
Description
技术领域
本发明涉及可再生锂电池领域，尤其是涉及一种基于升压变换器的可再生锂电池/超级电容器电流控制方法。
背景技术
现代电动汽车在综合考虑环境、成本、性能等方面因素后，主要采用可再生锂电池(RLIB)作为主要能量源，并通过削减峰值功率实现能量回收。多数汽车制造商为了有效利用可再生锂电池的剩余可用容量，将废旧锂电池用于传统的火力发电厂或长期使用的低速车辆中。通常，可再生锂电池的循环寿命或健康状况(SOH)取决于放电/充电过程的电流和工作温度，放电电流过大、工作温度过高均会损坏锂电池并缩短其循环寿命。已有文献提出利用超级电容器来进行支路电流分流，以降低锂电池的峰值功率，并在电动汽车能量管理系统(EMS)中实现功率提高、能效增加和电池使用寿命延长等目的。利用超级电容器来进行支路电流分流方法的作用效果主要表现在并联电路结构和串联电路结构两方面：在串联电路结构中，超级电容器被动地将直流支路的电压升高，以降低负载电流。在并联电路结构中，超级电容器的工作模式分为无源和有源：无源模式下，超级电容器(UC)作为吸收直流支路中电流峰值的缓冲器；有源模式下，DC-DC变换器作为管理负载、锂电池和超级电容器间功率流的接口。目前，研究者提出多种控制电路拓扑结构，这些控制电路拓扑结构均通过降低开关元件的电压和电流应力来提高DC-DC变换器的耐久性。DC-DC变换器作为辅助锂电池的接口，实现分流负载电流的功能。但电动汽车能量管理系统中DC-DC变换器的控制方法与传统的电压调节问题不同，完整的电动汽车能量管理系统电路用于功率/电流分配和开关控制。因此，为了有效降低放电深度，锂电池的电流值必须尽可能小。
综上所述，目前拟寻求一种有效控制锂电池电流值的方法就显得十分重要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于升压变换器的可再生锂电池/超级电容器电流控制方法，在可再生锂电池和超级电容器支路上并联升压变换器，设计有效的支路电流控制结构，并提出混合电流控制方法。
这种基于升压变换器的可再生锂电池/超级电容器电流控制方法，包括以下步骤：
步骤1：控制电路拓扑结构设计，设计拓扑结构1与拓扑结构2，调节锂电池电流到特定需求比例，有效地降低可再生锂电池的放电深度；
步骤2：开关S1和开关S2的占空比补偿值计算，引入Lyapunov电压定义：
式中，L和C分别为电路中的电感值和电容值，K为正常数，V1为电感和电容的Lyapunov电压，V2为锂电池的Lyapunov电压，公式(9)表示稳定性方程，公式(10)表示性能方程；
推导V1的时间域方程，得出：
控制过程表示为状态调节过程，假定平衡状态为不变或缓慢变化，满足
和
同时，公式(11)在以下条件下保持稳定：
veeD1-vuc+Rucie＝0(12)
式中，
为锂电池电流计算值ibe，即满足：
将公式(14)代入公式(13)，得出，
步骤3：混合控制方法设计，公式(20)至公式(22)为混合控制方法推导过程：
式中，ξ为小正常数，可避免系统奇异性；η为大正常数，强制eD2归零，禁用开关S2的控制作用；vbat-v＜-ζ表示超级电容向锂电池充电，且ζ为小正常数，以保持开关S2不完全关闭，消除混合控制方法中的颤振问题；
在公式(21)中：如果eD2≥1，则ib下降速度快于ibe，开关S2控制部分电路使ib的下降速度减慢；如果eD2＜0，则ib非常小于ibe，开关S2必须全开，即D2＝1；如果vbat-v＜0，则开关S2阻止电流流入；
步骤4:混合控制方法流程设计，计算公式流程设计：
根据公式(21)和公式(22)，ve只有在激活S2开关时才可调节；
控制算法模块包括占空比D1补偿值模块C_ED1，占空比D2补偿值模块C_ED2，占空比D2模块C_D2和参数计算模块P；输入变量为直流电流值IL，经过微分处理得到交流电流ibe，处理函数表示为δ，C_ED1输入量为i，v-vb，vuc，IL和ibe，输出量为占空比D1的补偿值eD1和电流误差值ie，C_ED2输入量为i，eD1，eD2，i-ie，ibe和
输出量为eD2，C_D2输入量为eD2和i-ie，输出量为占空比D2；
步骤5：仿真实验设计，通过仿真实验验证拓扑1、拓扑2控制电路结构的有效性；参数值定义如下：Rbat＝1Ω、Ruc＝0.1Ω、C＝10μF和L＝10mH，可再生锂电池和超级电容器的电压分别假设为vbat＝200V和vuc＝50V；超级电容器的电压远低于锂电池的电压，设计升压变换器，将电容器电压升高，从锂电池侧传递能量到负载侧。
作为优选，步骤1具体包括如下步骤:
步骤1-1：设计拓扑结构1：所述拓扑结构1中，开关S1连接到二极管支路，超级电容器C连接到直流支路，升压变换器由电感L和二极管组成，S1和电容器C并联，实现减小负载电压波动的作用；为简化电路分析过程，可再生锂电池/超级电容器的电压vbat和vuc分别由内阻Rbat和Ruc进行建模；建立控制电路状态方程：通过控制开关S1的占空比D1来改变超级电容器电压，开关S1打开状态时，控制电路状态方程表示为：
开关S1打开状态时，控制电路状态方程表示为：
结合开关S1的打开和闭合两种状态，控制电路的一阶动态方程表示为：
式中，IL为负载电流，i为通过电感L的电流，v为直流链路或超级电容器的电压，eD1＝1-D1为占空比D1的补偿值，状态变量与未知的控制负载间为耦合关系，控制电路描述公式(5)和公式(6)为非线性公式，电池电流
ib的值直接受电压v瞬态响应的影响，因此在拓扑1的电路结构很难进行电流控制；
步骤1-2：设计拓扑结构2：基于拓扑结构1，设计改进的控制电路结构拓扑结构2；拓扑结构2在直流支路和锂电池之间增加开关S2，公式(6)修改为公式(7)：
式中，D2为开关S2的占空比，在电流循环过程中，D2＝1表示是S2全关，D2＝0表示S2全开；公式(5)和公式(7)表示的控制方程的关系公式为：
ibe＝δIL (8)
式中，0＜δ＜1；电感电流和电容电压分别接近其平衡状态值ie和ve，达到渐近稳定值；误差状态量定义为ei＝ie-i，ev＝ve-v和eb＝ibe-ib，实现控制锂电池电流ib与负载电流IL的特定比例，从而有效地降低可再生锂电池的放电深度。
作为优选，步骤2具体包括如下步骤：
步骤2-1：开关S1的占空比补偿值eD1计算；公式(15)和公式(16)代入公式(12)，eD1的计算公式为：
式中，公式(17)代入公式(16)可以计算ie；
步骤2-2：开关S2的占空比补偿值eD2计算；V2的时间域公式为：
式中，eD2＝1-D2为占空比D2的补偿值，为渐近稳定量，满足条件ibe＞0和vbat＞v；在开关S2打开状态，拓扑2仅在放电情况下工作，公式(18)表示的电流量始终为正；在所有工作条件下，eD2不一定全部满足0≤eD2≤1。
本发明的有益效果是：
本发明设计了一种适用于电动汽车能量管理系统的并联电流控制方法，电路电流简化为高负载电流。控制电路引入升压变换器，提高超级电容器的两端电压，实现分担负载电流和提高整体功率的目的。本发明提出电流混合控制方法，实现对升压变换器、开关S1和开关S2的协调控制。
附图说明
图1是拓扑结构1的电流控制电路图
图2是开关S1打开状态下拓扑结构1的电流控制电路图的等效电路图
图3是开关S1闭合状态下拓扑结构1的电流控制电路图的等效电路图
图4是拓扑结构2的电流控制电路图
图5是混合控制方法流程图
图6是混合控制算法公式流程图
图7是锂电池所需电流、控制电流曲线和非控制电流曲线图
图8是拓扑结构1和拓扑结构2的超级电容器电流曲线图
图9是负载所需电流、拓扑结构1负载电流和拓扑结构2负载电流图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明设计一种适用于电动汽车能量管理系统的并联电流控制方法，电路电流简化为高负载电流。控制电路引入升压变换器，提高超级电容器的两端电压，实现分担负载电流和提高整体功率的目的。本发明提出电流混合控制方法，实现对升压变换器、开关S1和开关S2的协调控制。算法效果如下：
(1)基于电路拓扑结构1，设计改进的电路拓扑结构2如图4所示，增加开关S2和相关控制器，实现负载电流的分流。
(2)在相同负载电流条件下，拓扑结构2中可再生锂电池(RLIB)的电流分布满足较低放电深度(DOD)和有效能量流的要求。同时，拓扑结构1中的电流分布产生过度放电现象，能量损失较大。
(3)与拓扑1结构相比，拓扑结构2为嵌入式混合控制电路和控制方法，其推导公式更为明确，易于仿真验证。
混合控制算法公式流程图如图5所示，混合控制算法公式流程图如图6所示，图5的具体情况如下：
(1)控制算法模块包括占空比D1补偿值模块C_ED1，占空比D2补偿值模块C_ED2，占空比D2模块C_D2和参数计算模块P；
(2)输入变量为直流电流值IL，经过微分处理得到交流电流ibe，处理函数表示为δ；
(3)C_ED1输入量为i，v-vb，vuc，IL和ibe，输出量为占空比D1的补偿值eD1和电流误差值ie；
(4)C_ED2输入量为i，eD1，eD2，i-ie，ibe和
输出量为eD2；
(5)C_D2输入量为eD2和i-ie，输出量为占空比D2。
实验结果：
仿真实验中，锂电池需要在2.6s内以梯形波形向负载提供瞬时大电流，峰值电流为80A，锂电池放电倍率大于2C，单体电池存储能量高达40Ah。通常情况下，锂电池将分流一半的负载电流，即
锂电池的峰值电流不超过40A。图7为锂电池所需电流曲线、控制电流曲线和非控制电流曲线。控制参数设置为：ζ＝1、ξ＝0.05、和η＝1000。如图7所示，当负载电流变化时，拓扑1的支路电流产生不需要的峰值电流。电流尖峰值会增加可再生锂电池的放电深度，其等效内阻值会引起总能量的损失。
拓扑2的支路电流响应曲线在0A到50A的范围内非常接近所需电流曲线。利用升压变换器的控制电路中，S2的占空比控制在100％以下，在电流变化时刻S2完全关闭。超级电容器的电流响应曲线如图8所示。开关S2工作条件下，拓扑2中S1的占空比小于拓扑1中S1的占空比。图8表明，在提供总负载电流和锂电池充电电流需求减小后，拓扑1中超级电容器的电流值比拓扑2中超级电容器的电流值大。
图9为负载所需电流、拓扑1负载电流和拓扑2负载电流曲线。图9表明，拓扑1中的负载电流完全匹配所需要的电流曲线。由于开关S2的控制会对电流控制支路产生滤波作用，因此在整体能量需求上升期间，拓扑2中的负载电流值减少。
Claims (2)
1.一种基于升压变换器的可再生锂电池/超级电容器电流控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：控制电路拓扑结构设计，设计拓扑结构1与拓扑结构2，调节锂电池电流到特定需求比例；
步骤1-1：设计拓扑结构1：所述拓扑结构1中，开关S1连接到二极管支路，超级电容器C连接到直流支路，升压变换器由电感L和二极管组成，S1和电容器C并联，可再生锂电池/超级电容器的电压vbat和vuc分别由内阻Rbat和Ruc进行建模；建立控制电路状态方程：通过控制开关S1的占空比D1来改变超级电容器电压，开关S1打开状态时，控制电路状态方程表示为：
开关S1打开状态时，控制电路状态方程表示为：
结合开关S1的打开和闭合两种状态，控制电路的一阶动态方程表示为：
式中，IL为负载电流，i为通过电感L的电流，v为直流链路或超级电容器的电压，eD1＝1-D1为占空比D1的补偿值，状态变量与未知的控制负载间为耦合关系，控制电路描述公式(5)和公式(6)为非线性公式，电池电流
ib的值直接受电压v瞬态响应的影响；
步骤1-2：设计拓扑结构2：基于拓扑结构1，设计改进的控制电路结构拓扑结构2；拓扑结构2在直流支路和锂电池之间增加开关S2，公式(6)修改为公式(7)：
式中，D2为开关S2的占空比，在电流循环过程中，D2＝1表示是S2全关，D2＝0表示S2全开；公式(5)和公式(7)表示的控制方程的关系公式为：
ibe＝δIL (8)
式中，0＜δ＜1；电感电流和电容电压分别接近其平衡状态值ie和ve，达到渐近稳定值；误差状态量定义为ei＝ie-i，ev＝ve-v和eb＝ibe-ib；
步骤2：开关S1和开关S2的占空比补偿值计算，引入Lyapunov电压定义：
上式中，L和C分别为电路中的电感值和电容值，K为正常数，V1为电感和电容的Lyapunov电压，V2为锂电池的Lyapunov电压，公式(9)表示稳定性方程，公式(10)表示性能方程；误差状态量ei＝ie-i，i为通过电感L的电流，ie为电感电流平衡状态值；误差状态量ev＝ve-v，ve为电容电压平衡状态值，v为电容电压；误差状态量eb＝ibe-ib，IL为直流电流值，IL经过微分处理得到交流电流ibe，微分处理函数表示为δ；ib为电池电流；
推导V1的时间域方程，得出：
上式(11)中，L和C分别为电路中的电感值和电容值；
为电感和电容的Lyapunov电压V1的一阶动态量；误差状态量ei＝ie-i，i为通过电感L的电流，ie为电感电流平衡状态值；误差状态量ev＝ve-v，ve为电容电压平衡状态值，v为电容电压；
和
分别为误差状态量ei和误差状态量ev的一阶动态量；
为通过电感L的电流i的一阶动态量；
为电感电流平衡状态值ie的一阶动态量；
为电容电压平衡状态值ve的一阶动态量；
为电容电压v的一阶动态量；eD1＝1-D1为开关S1的占空比D1的补偿值；Ruc为超级电容器内阻，Rbat为再生锂电池内阻；D2为开关S2的占空比；vbat为可再生锂电池电压；IL为直流电流值；控制过程表示为状态调节过程，假定平衡状态为不变或缓慢变化，满足
和
同时，公式(11)在以下条件下保持稳定：
veeD1-vuc+Rucie＝0 (12)
上式(12)和式(13)中，ve为电容电压平衡状态值；eD1＝1-D1为开关S1的占空比D1的补偿值；vuc为超级电容器电压；Ruc为超级电容器内阻；ie为电感电流平衡状态值；vbat为可再生锂电池电压；Rbat为再生锂电池内阻；D2为开关S2的占空比；IL为直流电流值；
为锂电池电流计算值ibe，即满足：
上式(14)和式(15)中，ibe为直流电流值IL经过微分处理得到的交流电流值；vbat为可再生锂电池电压；ve为电容电压平衡状态值；Rbat为再生锂电池内阻；D2为开关S2的占空比；将公式(14)代入公式(13)，得出，
上式中，ie为电感电流平衡状态值；IL为直流电流值；ibe为直流电流值IL经过微分处理得到的交流电流值；eD1＝1-D1为开关S1的占空比D1的补偿值；
步骤3：混合控制方法设计，公式(20)至公式(22)为混合控制方法推导过程：
上式(20)至式(22)中，ξ为小正常数，η为大正常数，vbat-v＜-ζ表示超级电容向锂电池充电，且ζ为小正常数；
为开关S2的占空比D2补偿值eD2的一阶动态量；D2为开关S2的占空比；ibe为直流电流值IL经过微分处理得到的交流电流值；eD2为开关S2的占空比D2的补偿值；误差状态量ei＝ie-i，i为通过电感L的电流，ie为电感电流平衡状态值；C为电路中的电容值；Rbat为再生锂电池内阻；
为直流电流值IL经过微分处理得到的交流电流值ibe的一阶动态量；vbat为可再生锂电池电压；v为电容电压；eD1＝1-D1为开关S1的占空比D1的补偿值；
在公式(21)中：如果eD2≥1，则ib下降速度快于ibe，开关S2控制部分电路使ib的下降速度减慢；如果eD2＜0，则ib非常小于ibe，开关S2必须全开，即D2＝1；如果vbat-v＜0，则开关S2阻止电流流入；
步骤4:混合控制方法流程设计，计算公式流程设计：
根据公式(21)和公式(22)，ve只有在激活S2开关时才可调节；
控制算法模块包括占空比D1补偿值模块C_ED1，占空比D2补偿值模块C_ED2，占空比D2模块C_D2和参数计算模块P；输入变量为直流电流值IL，经过微分处理得到交流电流ibe，处理函数表示为δ，C_ED1输入量为i，v-vb，vuc，IL和ibe，输出量为占空比D1的补偿值eD1和电流误差值ie，C_ED2输入量为i，eD1，eD2，i-ie，ibe和
输出量为eD2，C_D2输入量为eD2和i-ie，输出量为占空比D2；
步骤5：仿真实验设计，通过仿真实验验证拓扑1、拓扑2控制电路结构的有效性；参数值定义如下：Rbat＝1Ω、Ruc＝0.1Ω、C＝10μF和L＝10mH，可再生锂电池和超级电容器的电压分别假设为vbat＝200V和vuc＝50V；超级电容器的电压远低于锂电池的电压，设计升压变换器，将电容器电压升高，从锂电池侧传递能量到负载侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于升压变换器的可再生锂电池/超级电容器电流控制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：
步骤2-1：开关S1的占空比补偿值eD1计算；公式(15)和公式(16)代入公式(12)，eD1的计算公式为：
上式中，vuc为超级电容器电压；Ruc为超级电容器内阻；IL为直流电流值；ibe为直流电流值IL经过微分处理得到的交流电流值；ve为电容电压平衡状态值；公式(17)代入公式(16)可以计算ie；
步骤2-2：开关S2的占空比补偿值eD2计算；V2的时间域公式为：
上式(18)至式(19)中，eD2＝1-D2为占空比D2的补偿值，为渐近稳定量，满足条件ibe＞0和vbat＞v；
为锂电池的Lyapunov电压V2的一阶动态量；K为正常数；eb＝ibe-ib，IL为直流电流值，IL经过微分处理得到交流电流ibe，微分处理函数表示为δ；
为电感电流平衡状态值ie的一阶动态量；
为电容电压v的一阶动态量；Rbat为再生锂电池内阻；D2为开关S2的占空比；
为开关S2的占空比D2补偿值eD2的一阶动态量；vbat为可再生锂电池电压；C为电路中电容值；误差状态量ei＝ie-i，i为通过电感L的电流，ie为电感电流平衡状态值；eD1＝1-D1为开关S1的占空比D1的补偿值；
为直流电流值IL经过微分处理得到的交流电流值ibe的一阶动态量；
在开关S2打开状态，拓扑2仅在放电情况下工作，公式(18)表示的电流量始终为正；在所有工作条件下，eD2不一定全部满足0≤eD2≤1。
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| CN201910596745.1A CN110212620B (zh) | 2019-07-03 | 2019-07-03 | 一种基于升压变换器的可再生锂电池/超级电容器电流控制方法 |
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