CN1767310A - 车载辅助动力蓄电池组剩余电量闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车载辅助动力蓄电池组剩余电量闭环控制方法，涉及蓄电池组剩余电量控制技术领域；所述闭环控制方法主要包括：闭环控制器根据蓄电池开路电压的期望值和观测值的偏差设定指令输出至混合动力总成，以调节混合动力总成的功率；混合动力总成经动力蓄电池组输出蓄电池电流和蓄电池电压测量值至渐进状态观察器；基于动力蓄电池动态数学模型的状态观测器输出蓄电池开路电压观测值至闭环控制器，通过蓄电池开路电压观测值进行闭环控制以实现动力蓄电池剩余电量调节。本发明与现有技术相比有如下有益效果：对SOC估计值的误差不敏感，蓄电池剩余电量的控制误差较小；瞬态控制效果较好。

Description

车载辅助动力蓄电池组剩余电量闭环控制方法

技术领域

本发明涉及一种车载辅助动力蓄电池组剩余电量调节的方法，尤其涉及混合动力电动汽车(包括燃料电池混合动力汽车、内燃机混合动力汽车或其它包含车载辅助动力蓄电池组的具有两种动力源的汽车)的车载辅助动力蓄电池组剩余电量调节的方法。

背景技术

面对日趋严重的能源短缺与环境恶化问题，寻求社会、经济与资源、环境相互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流。在这种背景下，混合动力电动汽车技术成为汽车研究领域的一大热点，一般认为：混合动力电动汽车，是指在同一辆汽车中同时采用了电动机和发动机作为其动力装置，通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车。目前，有两种能源组合形式的混合动力电动汽车倍受关注：内燃机混合动力汽车和燃料电池混合动力汽车。其中，由丰田公司设计开发的内燃机混合动力汽车“Prius”已经批量生产并在北美市场销售，取得了很大的成功；很多世界著名汽车公司开发设计的燃料电池混合动力汽车也进入到了示范运行的阶段。

与电动汽车和燃油汽车相比，混合动力电动汽车具有高性能、低能耗和低污染的特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势。无论何种形式的混合动力电动汽车，动力蓄电池都是其动力系统中不可缺少的一部分。动力蓄电池的主要作用是：提供起动或低速行驶的功率需求(对于内燃机混合动力汽车)；响应负载的快变成分(对于燃料电池混合动力汽车)；提供加速或高速行驶时的峰值功率需求；吸收再生制动的回馈能量。混合动力电动汽车中动力蓄电池不需要外部充电，通过特殊的充放电管理策略实现其剩余电量的调节，这在混合动力电动汽车的动力控制中非常重要，也是难点之一。尤其对于工作在功率跟随模式下的燃料电池混合动力汽车，燃料电池发动机尽量跟随负载功率的变化，动力蓄电池响应负载中的快变成分，并且吸收制动回馈能量。因此针对混合动力电动汽车中辅助动力蓄电池浅充浅放的工作特点，为保证其最佳的动态特性，蓄电池剩余电量需要控制在较小的波动范围内，这在实现中是非常困难的。

基于以上技术特征，目前的车载动力蓄电池管理系统均提供当前SOC值(state ofcharge，蓄电池荷电状态或称剩余电量)的估计值。目前通常采用的方法是基于蓄电池管理系统提供的SOC估计值进行闭环反馈控制，以此实现蓄电池剩余电量的调节。但是，到目前为止，对于车载动力蓄电池的SOC估计问题仍然未被很好的解决，主要是SOC估计易于产生偏差而且对蓄电池剩余电量的瞬态变化反映不足，从而导致实际的剩余电量调节存在如下问题：

a)蓄电池实际剩余电量与期望值易于产生偏差；

b)瞬态控制效果不理想。

因此，目前的技术关键在于，在当前蓄电池SOC估计技术水平下，如何构造一种新的调节方法，从而能够提高车载动力蓄电池剩余电量的控制精度和控制效果。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现车载辅助动力蓄电池组剩余电量的控制调节，对SOC估计误差不敏感而且具有较好的瞬态控制效果的车载辅助动力蓄电池组剩余电量闭环控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种车载辅助动力蓄电池组剩余电量闭环控制方法，其特征在于，闭环控制方法的步骤如下：

1)将蓄电池开路电压期望值和来自渐进状态观察器的蓄电池开路电压观测值分别输入闭环控制器；

2)闭环控制器根据蓄电池开路电压的期望值和观测值的偏差设定指令输出至混合动力总成，以调节混合动力总成的功率；

3)混合动力总成经动力蓄电池组输出蓄电池电流和蓄电池电压测量值至渐进状态观察器；

4)基于动态数学模型构造系统的渐进状态观察器输出蓄电池开路电压观测值分别至闭环控制器和蓄电池管理系统的输出端。

所述动力蓄电池组采用了RC等效电路模型；其中，等效电容存储的电荷量代表了蓄电池组的剩余电量，等效电阻的能量消耗代表了蓄电池组充放电过程中的能量损耗，根据等效电路模型建立动力蓄电池的动态数学模型如下式：

$\frac{1}{C}{\∫}_0^t[-I_b\left(t\right)]\mathrm{dt}+R[-I_b\left(t\right)]=U_{\mathrm{bus}}\left(t\right)---1$

$U_b\left(t\right)=\frac{1}{C}{\∫}_0^t[-I_b\left(t\right)]\mathrm{dt}---2$

式中，I_b为蓄电池电流，放电时为正，充电时为负；R为等效内阻；C为等效电容；积分项为蓄电池开路电压U_b；U_bus为蓄电池输出电压。

从而得到动力蓄电动态数学模型的状态空间表述为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}\\ y=\mathrm{Cx}+\mathrm{Du}\end{array}\right.---3$

式中：状态矢量：x＝[I_b U_b]^T；输入变量：u＝I_b；输出变量：y＝U_bus；系统矩阵分别为：

$A=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ -\frac{1}{C}& 0\end{array}\right]B=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]C=\left[\begin{array}{c}-R\\ 1\end{array}\right]D=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]---4$

在系统∑₀＝(A，B，C)的基础上构造渐进状态观测器

其方程为：

$\stackrel{\·}{\hat{x}}=A\hat{x}+\mathrm{Bu}+G(y-\hat{y})---5$

式中，和

分别为状态变量x和输出变量y的观测值；G为反馈增益阵，通过配置状态观测器的闭环极点位置得到反馈增益阵G，可以调整状态观测值对实际状态的渐进速度，从而得到期望的闭环系统特性。

利用本发明提供的车载辅助动力蓄电池组剩余电量闭环控制方法，由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比有下述优点：

1)对SOC估计值的误差不敏感，从而使蓄电池剩余电量的调节较准确；

2)瞬态控制效果较好。

本发明所提出的方法比传统的方法相比，在SOC估计值出现偏差的情况下，控制偏差减小78％，而且瞬态控制效果明显改善。

附图说明

图1是本发明采用的动力蓄电池的RC等效电路模型的示意图：

图2是本发明建立的蓄电池剩余电量闭环控制算法的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明建立动力蓄电池的动态数学模型，基于此模型构造动力蓄电池开路电压的状态观测器，对蓄电池开路电压的观测值进行闭环控制实现剩余电量的调节。对于车载动力蓄电池因为SOC估计值易于产生偏差，而且对剩余电量的瞬态波动反映不足。如果采用SOC估计值进行闭环控制调节蓄电池剩余电量，则易于产生控制偏差且动态控制效果不好。因此本发明不依靠SOC估计值控制蓄电池剩余电量，而是基于动态数学模型构造系统的渐进状态观测器，状态观测器的输入是蓄电池电流和蓄电池电压测量值，输出为蓄电池开路电压观测值，对蓄电池开路电压观测值进行闭环控制实现蓄电池剩余电量的调节。状态观测器以系统动态数学模型估计蓄电池输出电压和开路电压，然后以蓄电池输出电压的模型估计值和实际测量值的偏差对开路电压的模型估计值进行校正，由于这种校正是实时进行的，因此开路电压观测值能够较好的反应蓄电池实际剩余电量情况，而且能够充分反映蓄电池剩余电量的瞬态变化情况。

如图1所示，本发明的车载辅助动力蓄电池组剩余电量闭环控制方法在实现过程中动力蓄电池采用了RC等效电路模型。其中，等效电容存储的电荷量代表了蓄电池的剩余电量，等效电阻的能量消耗代表了蓄电池充放电过程中的能量损耗。另外，本发明所提出了方法并不局限于采用RC等效电路模型，针对不同的应用场合和类型采用其它等效电路模型时，仍然适用。

根据等效电路模型建立动力蓄电池的动态数学模型如下式：

$\frac{1}{C}{\∫}_0^t[-I_b\left(t\right)\mathrm{dt}+R[-I_b\left(t\right)]=U_{\mathrm{bus}}\left(t\right)---1$

$U_b\left(t\right)=\frac{1}{C}{\∫}_0^t[-I_b\left(t\right)\mathrm{dt}---2$

式中，I_b为蓄电池电流，放电时为正，充电时为负；R为等效内阻；C为等效电容；积分项为蓄电池开路电压U_b；U_bus为蓄电池输出电压。

从而得到动力蓄电动态数学模型的状态空间表述为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}\\ y=\mathrm{Cx}+\mathrm{Du}\end{array}---3\right.$

式中：状态矢量：x＝[I_b U_b]^T；输入变量：u＝I_b；输出变量：y＝U_bus；系统矩阵分别为：

$A=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ -\frac{1}{C}& 0\end{array}\right]B=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]C=\left[\begin{array}{c}-R\\ 1\end{array}\right]D=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]---4$

在系统∑₀＝(A，B，C)的基础上构造渐进状态观测器

其方程为：

$\stackrel{\·}{\hat{x}}=A\hat{x}+\mathrm{Bu}+G(y-\hat{y})$

式中，和

分别为状态变量x和输出变量y的观测值。G为反馈增益阵，通过配置状态观测器的闭环极点位置得到反馈增益阵G，可以调整状态观测值对实际状态的渐进速度，从而得到期望的闭环系统特性。状态观测器的输入为蓄电池电流和输出电压实测值，输出为蓄电池开路电压观测值。

对上述状态观测器输出的蓄电池开路电压观测值进行闭环控制从而可以实现蓄电池剩余电量的控制和调节。

图2是闭环控制算法的原理图，其中闭环控制器是闭环控制算法的核心，其输入为蓄电池开路电压的期望值和观测值，根据蓄电池开路电压的期望值和观测值的偏差调节混合动力总成的功率设定指令，从而实现蓄电池剩余电量的控制调节。闭环控制算法的控制性能指标可以通过调整闭环反馈增益来调节，而闭环反馈增益针对不同的应用场合，通过合适的系统闭环零极点配置和试验匹配的方法确定。

根据上述基本控制方法，针对一燃料电池轿车样车中辅助动力蓄电池的应用场合，通过系统动态建模、控制参数设计、仿真分析、试验匹配等设计过程，实现了蓄电池剩余电量的控制和调节。通过在转鼓实验台上的对比实验结果证明，本发明所提出的方法比传统的方法相比，在SOC估计值出现偏差的情况下，控制偏差减小78％，而且瞬态控制效果明显改善。

Claims (2)

1、一种车载辅助动力蓄电池组剩余电量闭环控制方法，其特征在于，闭环控制方法的步骤如下：

1)将蓄电池开路电压期望值和来自渐进状态观察器的蓄电池开路电压观测值分别输入闭环控制器；

2)闭环控制器根据蓄电池开路电压的期望值和观测值的偏差设定指令输出至混合动力总成，以调节混合动力总成的功率；

3)混合动力总成经动力蓄电池组输出蓄电池电流和蓄电池电压测量值至渐进状态观察器；

4)基于动态数学模型构造系统的渐进状态观察器输出蓄电池开路电压观测值分别至闭环控制器和蓄电池管理系统的输出端。

2、根据权利要求1所述的车载辅助动力蓄电池组剩余电量闭环控制方法，其特征是，所述动力蓄电池组采用RC等效电路模型；其中，等效电容存储的电荷量代表蓄电池组的剩余电量，等效电阻的能量消耗代表蓄电池组充放电过程中的能量损耗，根据等效电路模型建立动力蓄电池的动态数学模型如下式：

$\frac{1}{C}{\∫}_0^t[-I_b\left(t\right)]\mathrm{dt}+R[-I_b\left(t\right)]=U_{\mathrm{bus}}\left(t\right)---\left(1\right)$

$U_b\left(t\right)=\frac{1}{C}{\∫}_0^t[-I_b\left(t\right)]\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中，I_b为蓄电池电流，放电时为正，充电时为负；R为等效内阻；C为等效电容；积分项为蓄电池开路电压U_b；U_bus为蓄电池输出电压。

从而得到动力蓄电动态数学模型的状态空间表述为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}\\ y=\mathrm{Cx}+\mathrm{Du}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：状态矢量：x＝[I_b  U_b]^T；输入变量：u＝I_b；输出变量：y＝U_bus；系统矩阵分别为：

$A=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ -\frac{1}{C}& 0\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{c}-R\\ 1\end{array}\right],D=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]---\left(4\right)$

在系统∑₀＝(A，B，C)的基础上构造渐进状态观测器的

其方程为：

$\stackrel{\·}{\hat{x}}=A\hat{x}+\mathrm{Bu}+G(y-\hat{y})---\left(5\right)$

式中，

和

分别为状态变量x和输出变量y的观测值；G为反馈增益阵，通过配置渐进状态观测器的闭环极点位置得到反馈增益阵G，可以调整状态观测值对实际状态的渐进速度，从而得到期望的闭环系统特性。

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