动力电池充电装置的自抗扰控制方法与电池充电系统与流程

本发明属于新能源汽车充电技术领域，具体涉及动力电池充电装置的自抗扰控制方法与电池充电系统。

背景技术：

随着新能源汽车的普及，与之配套的重要设施——充电桩也逐渐成为研究的热点，为了提高新能源汽车的续航能力，汽车需要配备大容量的动力电池。为了满足用户的充电需求，要想在短时间内完成对电池的充电工作，充电桩中的充电模块应满足大功率快速充电的要求。

通常，充电桩都会配备多个充电接口，用为各种型号的动力电池充电，对一个充电接口而言，其所连接的充电负载通常是随机的，也就是上一个使用该接口充电的电池是一种规格，下一个使用该接口充电的电池往往是另一种规格，由于连接充电接口时的充电负载突变，会引起外部扰动，影响充电桩(充电装置)的工作性能。

另一方面，当充电装置工作在正负脉冲充电模式时，需要对电池进行正脉冲充电和负脉冲放电，而负脉冲放电的电流流向与正脉冲充电的电流流向刚好相反，并且两种控制过程中需要多个大功率模块同时参与运行，内部器件参数均产生变化，引起内部较大扰动，再加上其他未知扰动，会严重影响充电桩的工作性能，同时，大功率充电引起的内部扰动还会对电池性能也会造成不利影响，影响使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种动力电池充电装置的自抗扰控制方法，用于解决现有充电装置在充电过程中由于内部或外部扰动影响工作性能的问题；同时，本发明提出一种动力电池充电系统，用于解决现有充电装置在充电过程中由于内部或外部扰动影响工作性能的问题。

基于上述目的，一种动力电池充电装置的自抗扰控制方法的技术方案如下：

所述充电装置包括整流器和直流变换器，整流器的交流侧用于连接电网，整流器的直流侧连接直流母线，直流变换器的输入端连接所述直流母线，直流变换器的输出端用于连接动力电池，所述控制方法包括以下步骤：

以所述整流器为被控对象，获取所述被控对象输出的直流电压，利用线性扩张状态观测器，输出总扰动观测量、直流电压观测量和直流电压微分观测量；

当所述直流电压观测量与设定的直流电压参考值间的误差没有超出设定阈值时，将设定的直流电压参考值、所述直流电压观测量和直流电压微分观测量作为pd控制器的输入，将pd控制器的输出信号送入非线性状态误差反馈模块，将非线性状态误差反馈模块的输出与所述总扰动观测量叠加，用于产生控制量，所述控制量用于输入到被控对象的控制模型中；

当所述直流电压观测量与设定的直流电压参考值间的误差超出设定阈值时，将设定的直流电压参考值、所述直流电压观测量和直流电压微分观测量作为鲁棒控制器的输入，将鲁棒控制器的输出信号送入非线性状态误差反馈模块，将非线性状态误差反馈模块的输出与所述总扰动观测量叠加，用于产生控制量，所述控制量用于输入到被控对象的控制模型中。

上述两个技术方案的有益效果是：

本发明的控制方法，以整流器为被控对象，通过线性扩张状态观测器估计出总扰动观测量，看直流电压观测量与设定的直流电压参考值间的误差是否超出设定阈值，若没有超出设定阈值，利用pd控制器，经过非线性状态误差反馈模块输出，与总扰动观测量进行叠加，作为整流器的控制量，以实现各开关管的控制，稳定充电装置的工作性能；若超出设定阈值，利用鲁棒控制器，经过非线性状态误差反馈模块的输出，与总扰动观测量进行叠加，作为整流器的控制量，以实现各开关管的控制。本发明的控制方法能够根据扰动严重情况，进行相应控制，快速稳定充电装置的工作性能，保证了充电工作的顺利进行。

进一步的，所述pd控制器的输出信号的表达式如下：

uo1＝kp(v0-z1)-kdz2

式中，uo1为所述pd控制器的输出信号，kp是pd控制器中的比例系数，kd是pd控制器中的微分系数，v0为直流电压参考值，z1为直流电压观测量，z2为直流电压微分观测量。

进一步的，所述鲁棒控制器的输出信号的表达式如下：

uo1＝k(s)(v0-z1)+k(s)z2

式中，uo1为所述pd控制器的输出信号，k(s)为设定的传递函数，v0为直流电压参考值，z1为直流电压观测量，z2为直流电压微分观测量。

进一步的，所述线性扩张状态观测器的数学表达式如下：

式中，z1为直流电压观测量，z2为直流电压微分观测量，z3为总扰动观测量，β1、β2和β3为均线性扩张状态观测器中的增益系数，y为被控对象输出的直流电压，b0为扰动标称值，u为所述被控对象的控制量。

基于上述目的，一种动力电池充电系统的技术方案如下：

包括控制器和充电装置，所述充电装置包括整流器和直流变换器，整流器的交流侧用于连接电网，整流器的直流侧连接直流母线，直流变换器的输入端连接所述直流母线，直流变换器的输出端用于连接动力电池，所述控制器控制连接所述整流器，用于执行指令以实现所述的自抗扰控制方法。

上述技术方案的有益效果是：

本发明的充电系统，利用控制器中搭载有上述自抗扰控制方法的控制指令，对充电装置中的整流器进行控制，以稳定充电装置的工作性能，实现电池的顺利充电。

进一步的，所述pd控制器的输出信号的表达式如下：

uo1＝kp(v0-z1)-kdz2

式中，uo1为所述pd控制器的输出信号，kp是pd控制器中的比例系数，kd是pd控制器中的微分系数，v0为直流电压参考值，z1为直流电压观测量，z2为直流电压微分观测量。

进一步的，所述鲁棒控制器的输出信号的表达式如下：

uo1＝k(s)(v0-z1)+k(s)z2

式中，uo1为所述pd控制器的输出信号，k(s)为设定的传递函数，v0为直流电压参考值，z1为直流电压观测量，z2为直流电压微分观测量。

进一步的，所述线性扩张状态观测器的数学表达式如下：

式中，z1为直流电压观测量，z2为直流电压微分观测量，z3为总扰动观测量，β1、β2和β3为均线性扩张状态观测器中的增益系数，y为被控对象输出的直流电压，b0为扰动标称值，u为所述被控对象的控制量。

附图说明

图1是本发明方法实施例中的动力电池充电系统示意图；

图2是本发明方法实施例中的自抗扰控制算法框图；

图3是本发明方法实施例中的鲁棒控制器的k(s)求取框图；

图4是本发明方法实施例中的动力电池充电装置拓扑结构图；

图中的标号说明如下：

1，三相电源；2，三相开关；3，lcl型滤波器；4，t型三电平整流器；5、15-5均为双向直流变换器；501，h桥逆变器；502，多绕组高频耦合变压器；503，h桥整流器；6，lc型滤波器，7，电池；8、11、14均为采样模块；801、11-2、14-2均为电流采样模块；802、11-1、14-1、15-3均为电压采样模块；9、12、15-1均为控制器；10、13、15-2均为驱动模块；15-4，超级电容；16，能量管理控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

方法实施例：

本实施例提出一种动力电池充电装置的自抗扰控制方法，以图1所示的动力电池充电系统为例，来介绍本发明的控制方法：

如图1所示的动力电池充电系统，包括动力电池充电装置及其控制电路，其中，动力电池充电装置包括，依次连接的lcl型滤波器3、t型三电平整流器4、双向直流变换器5、lc型滤波器6，其中，lcl型滤波器3的输入端通过三相开关2(即sw)连接电网的三相电源1，双向直流变换器5由h桥逆变器501、多绕组高频耦合变压器502、h桥整流器503依次连接构成，lc型滤波器6的输出端用于连接待充电的电池7。

该充电系统还设置有储能装置，该储能装置包括超级电容15-4和双向直流变换器15-5，超级电容15-4与双向直流变换器15-5的一端连接，双向直流变换器15-5的另一端分别连接至t型三电平整流器4的输出端和双向直流变换器5输入端。

图1中，控制电路包括四部分，分别为整流器控制电路、变换器控制电路、储能控制电路、能量管理控制电路，其中，整流器控制电路采用到了本发明提出的控制方法，实现t型三电平整流器4的控制，下面对这四部分控制电路分别进行详细说明：

一、整流器控制电路：

该控制电路包括电压采样模块11-1，控制器9和驱动模块10，其中电压采样模块11-1采样连接控制器9，电压采样模块11-1用于采集t型三电平整流器4输出的直流电压uo1，还包括采样模块8，采样模块8包括三相电流采样模块801、三相电压采样模块802，三相电流采样模块801和三相电压采样模块802分别采样连接控制器9，用于获取三相电流采样模块801采集的三相电流ia,ib,ic，以及获取三相电压采样模块802采集的三相电压ea,eb,ec。

控制器9控制连接驱动模块10，向驱动模块10输出驱动信号，驱动模块10控制连接t型三电平整流器4中的各开关管vij，根据驱动信号进行pwm调制，得到pwm波，控制各开关管vij进行相应的导通与关断，实现对电池7的充电。

上述控制器9的主要控制工作为：

1)，根据采集的三相电流ia,ib,ic，三相电压ea,eb,ec，以及整流器输出的直流电压uo1，进行电压环和电流环控制的计算，生成驱动信号；

2)，根据整流器输出的直流电压uo1，估计出系统中的总扰动观测量，主要包括由负载产生(对于整流器而言，整流器的后级部分相当于负载)的扰动，以及外部扰动，根据总扰动观测量的大小采用自抗扰控制算法，实现对整流器的控制。

由于上面的第一项控制工作为现有技术，本实施例不作重点描述，下面，重点针对第二项控制工作，以t型三电平整流器4为被控对象，来详细介绍控制器9对t型三电平整流器4的自抗扰控制方法：

首先，以整流器为被控对象，建立被控对象的状态方程。假设被控对象的表达式为：

在上式中，u和y分别作为整个系统的输入信号(即控制量)和输出信号，we是所有外界干扰的总和，参数a和b是未知的，没有具体的数值。则上述二阶系统可以写成以下表达式：

式(2)中，b0为扰动估计值，为标称值，该值应接近扰动实际值b，一般b0取1，b0/b的取值范围为[0.5，1.5]，是被控对象的总扰动。则式(2)的状态方程可以表示为：

式中，x1、x2为状态变量，x3为扩张状态变量，表征系统的总扰动；h为f(即x3)的一阶导数，y为输出信号(即整流器输出的直流电压)。

该控制方法的控制框图如图2所示，主要包括三部分，分别为线性扩张状态观测器leso、pd(比例微分)控制器、非线性状态误差反馈模块(nlsef，即非线性状态误差反馈控制律，对应为图2中的krobust)。其中，线性扩张状态观测器leso用于根据整流器输出的直流电压uo1，确定状态变量的估计值z1和z2，以及确定系统中总扰动的观测量z3(即对f的观测量)，该线性扩张状态观测器的数学表达式如下：

式中，z1、z2、z3分别为x1、x2、x3的状态观测量，β1、β2和β3为线性扩张状态观测器中的增益系数，上式的特征方程为：

s³+β1s²+β2s+β3＝0(5)

为了使控制系统的调节时间短、稳定性好，可以将式(5)的特征方程变为(s+ω0)³＝0，从而参数βi(i＝1，2，3)就可以等效为β1＝3ω0、。其中，w0的取值可以根据线性扩张状态观测器的带宽进行整定。

本实施例中，通过控制器9根据总扰动观测量z3的大小，输出控制信号s，控制逻辑开关switch进行切换，选通pd控制器和鲁棒控制器。具体选通过程为：

(一)当直流电压观测量z1与设定的直流电压参考值v0间的误差超出设定阈值，即例如λ＝5％，由控制器9输出控制信号s，例如为低电平信号，控制逻辑开关switch进行切换，选通鲁棒控制器krobust，将设定的直流电压参考值、所述直流电压观测量和直流电压微分观测量作为鲁棒控制器的输入，将鲁棒控制器的输出信号的表达式如下：

uo1＝k(s)(v0-z1)+k(s)z2(6)

式中，uo1为所述pd控制器的输出信号，k(s)为设定的传递函数，v0为直流电压参考值，z1为直流电压观测量，z2为直流电压微分观测量。本实施例中，传递函数的表达式如下：

式中，a0、a1、..、an-1，b0、b1、…、bn-1为求解不等式确定的参数，其确定过程如下：

如图3所示，图中的标号及字母与其它图中的标号相互独立w表示参考输入信号，e表示误差信号，u表示控制器产生的控制信号，vc表示系统的输出信号，z1，z2与y均为评价信号，w1,w2均为权重函数，g(s)表示被控对象，p0表示广义被控对象。

鲁棒控制标准方程：

定义灵敏度函数s(s)与补灵敏度函数t(s)：

参考信号w至评价信号z1，z2之间的闭环传递函数矩阵为：

求取k(s)的条件：

进一步将不等式化简为：

解不等式可得k(s)的传递函数。

选通鲁棒控制器后，将鲁棒控制器krobust的输出信号送入非线性状态误差反馈模块，经过非线性状态误差反馈模块输出控制信号u0，表达式如下：

uo＝f(uo1,p)(14)

其中p表示需要根据实际系统调节的常数，f表示一种非线性函数，其表达式如下：

式中，α，δ均为调节控制器性能时可以修改的常数，sgn为方波型符号函数。。

将非线性状态误差反馈模块输出的控制信号u0与总扰动观测量叠加，用于产生控制量u，该控制量u用于输入到整流器的控制模型中。

(二)当直流电压观测量z1与设定的直流电压参考值v0间的误差没有超出设定阈值，即例如λ＝5％，由控制器9输出控制信号s，例如为高电平信号，控制逻辑开关switch进行切换，选通pd控制器。

如图2所示，pd控制器用于将输入信号中的突然变化的部分，用相对平缓的方式进行过渡过程转换，从而减小了信号突变引起的冲击，用来提高系统的控制性能。pd控制器的数学表达式如下：

u01＝kp(v0-z1)-kdz2(16)

上式中，uo1为控制器的输出信号，v0是被控量(即整流器输出的直流电压)的参考值：kp是pd控制器中的比例系数；kd是pd控制器中的微分系数。其中，参数kp、kd的取值与控制系统的闭环传递函数的带宽ωc相关联，即kd＝2ωc。

将pd控制器的输出信号u01输入至非线性状态误差反馈模块，经过非线性状态误差反馈模块输出控制信号u0，将控制信号u0与总扰动观测量叠加，产生控制量u，控制量可表示为：

u＝(u0-z3)/b0(17)

根据上步骤(一)和步骤(二)得到控制量后，控制器9将该控制量(输入信号u)进行派克变换，由三相旋转坐标系转换到两相静止坐标系，经过派克变换的控制量输入到整流器的控制模型(电压环电流环控制模型)中，输出控制信号，并将该控制信号发送给驱动模块10，由驱动模块10将该控制信号与载波信号进行比较，输出驱动信号，实现pwm调制，向t型三电平整流器4中的各开关管输出对应的pwm波。

二、变换器控制电路：

该控制电路包括采样模块14，控制器12和驱动模块13，其中采样模块14包括电压采样模块14-1和电流采样模块14-2，电压采样模块14-1和电流采样模块14-2分别采集连接控制器12，用于采集双向直流变换器5输出端的电压uo2和电流io2。

该控制电路还包括采样模块11，采样模块11包括电压采样模块11-1和电流采样模块11-2，分别用于采集t型三电平整流器4输出的电压uo1和h桥逆变器501输出的电流io1。

控制器12控制连接驱动模块13，驱动模块13控制连接双向直流变换器5中的各开关管，即三电平h桥逆变器501中的开关管q1～q8，h桥整流器503中的开关管q1～q8，根据驱动信号进行pwm调制，得到pwm波，实现对电池7的充放电。

上述控制器12的主要控制工作为：根据上述获取的采样信息(uo2、io2、uo1、io1)进行计算，驱动模块13的驱动信号，以控制h桥逆变器501和h桥整流器503；由于该控制器12的控制工作为现有技术，本实施例不作重点描述。

三、储能控制电路：

该电路主要包括控制器15-1、电压采样模块15-3、驱动模块15-2，控制器15-1采集连接电压采样模块15-3，电压采样模块15-3用于采集双向直流变换器15-5输出端的电压uc；控制器15-1还用于采集连接电压采样模块11-1，以获取t型三电平整流器4输出的电压uo1；控制器15-1用于根据上述获取的采样信息进行计算，生成驱动模块15-2的控制指令。

驱动模块15-2控制连接双向直流变换器15-5中开关管，目的是根据充电装置的工作模式，即正负脉冲充电模式或v2g(车到电网)模式，控制各开关管进行相应的导通与关断。

在正负脉冲充电模式下，当处于负脉冲充电时，控制器15-1控制双向直流变换器15-5，使电流从电池7流向超级电容15-4；当处于正脉冲充电时，控制器15-1控制双向直流变换器15-5闭锁，有控制器9控制t型三电平整流器4，使电流从电网流向电池7。在电网在给电池7充电的时候，当电网能量过剩，时控制器15-1控制双向直流变换器15-5使电流从电网侧流向超级电容15-4；当电网能量不足时，控制器15-1控制双向直流变换器15-5，使电流从超级电容15-4中流向电池7。在v2g模式下，控制器15-1控制双向直流变换器15-5，使电流从超级电容15-4流向电网。

四、能量管理控制电路：

该电路主要包括一个能量管理控制器16，能量管理控制器16通信连接控制器9、控制器12和控制器15-1，该能量管理控制器16用于获取用户指令，根据用户指令进行模式选择正负脉冲充电模式或v2g(车到电网)模式，向各控制器发送不同的控制指令。

在正负脉冲充电模式下，由于采用的是双脉冲充电，充电过程并不是一直在充电，而是先用一定的脉冲电流，依次通过lcl型滤波器3、t型三电平整流器4、双向直流变换器5和lc型滤波器6，对电池7进行充电，接着让电池7停充一定的时间，然后控制双向直流变换器5和双向dc/dc15-5，使电池7进行瞬间大电流放电，放电能量由超级电容15-4吸收，放电一段时间后，再继续对电池7充电，如此循环。在整个工作过程中，当对电池7进行瞬间大电流放电时，电池7所放的电向反方向流动，并且此工作过程有多个大功率模块(例如t型三电平整流器4、双向直流变换器5等)同时参与运行，这将不可避免的导致系统中扰动的产生，因此需要通过整流器控制电路和变换器控制电路中的自抗扰控制算法，稳定整流器输出端的直流电压uo1和直流变换器输出端的uo2。

本实施例中，能够应用至图1的一种动力电池充电装置的具体拓扑结构如图4所示，其中，多绕组高频耦合变压器的副边为三绕组形式，h桥整流器503包括三个结构相同的h桥整流模块503-1、503-2、503-3，作为其他实施方式，图1中的充电装置的拓扑结构还可以采用现有结构，因此，本实施例的控制器9和控制器12采用的控制方法并不局限于图1中充电装置的拓扑结构。

本发明的自抗扰控制方法，考虑对电池充电过程中产生扰动对充电系统产生的不利影响，以及由于充电负载突变产生的外部扰动影响，通过建立线性扩张状态观测器，并根据总扰动观测量的大小选通pd控制器或非线性状态误差反馈模块，确保系统稳定工作，适用于大功率充电情形，解决了不同扰动对充电系统的不利影响。

系统实施例：

本实施例提供了一种动力电池充电系统，包括控制器和充电装置，其中充电装置包括整流器和直流变换器，整流器的交流侧用于连接电网，整流器的直流侧连接直流母线，直流变换器的输入端连接该直流母线，直流变换器的输出端用于连接动力电池。

本实施例中，控制器(相当于图1中的控制器9)控制连接上述的整流器，用于执行计算机程序，以实现方法实施例中的自抗扰控制方法，由于该方法在方法实例中的记载已经足够清楚、完整，本实施例不再赘述。

也就是说，以上方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现充电装置的自抗扰控制方法的流程。可提供这些计算机程序指令到控制器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过控制器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。