一种充电电流纹波的抑制与充电机控制方法及系统与流程

1.本技术涉及动车组充电机控制技术领域，尤其涉及一种充电电流纹波的抑制与充电机控制方法及系统。


背景技术：

2.根据动车组工况的不同，充电机有三种工作模式：恒压、充电限流和总电流限流。这三种工作模式均采用传统的pi单环控制策略，但是因为pi控制器的频域模型只包括常数模型和阶跃信号模型，所以抑制纹波的效果有限，且不能有效做到无静差跟踪低频信号，特别是在恒压模式下单环控制策略无法有效控制电池充电电流的质量。导致充电机在各种工作模式下蓄电池充电电流中纹波占比较高，易引起蓄电池发热等问题，减少蓄电池使用寿命，在影响充电的质量的同时也会影响充电机内部磁性元件的寿命，因此对充电过程中产生的低频纹波抑制具有重要意义；动车组充电机工况复杂，在给电池充电初始时刻几种模式切换频繁，需要升级切换方式。dcdc电源中抑制充电电流低频纹波的传统方法是增加输入滤波电路或增大输入端滤波电路电感值或电容容值，但所需容值、电感量十分巨大，使得系统体积变大，成本上升，充电机功率密度下降。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种充电电流纹波的抑制与充电机控制方法及系统，以至少通过本发明解决了电池充电初始时刻几种模式切换频繁、电压单闭环控制抗电源扰动和负载扰动能力弱、无法抑制充电机各种工况下输入直流电压包含特定频率的交流分量时的充电电流波动等问题。
4.本发明提供了一种充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，包括：
5.软起判断步骤：充电机预充电，判断所述充电机是否满足软起要求；
6.运行状态判断步骤：所述充电机软起后，判断所述充电机是否满足运行要求，根据第一判断结果判断充电机运行状态；
7.复合控制步骤：根据所述充电机运行状态对所述充电机进行pi控制后，判断复合控制标志位是否为1，根据第二判断结果对所述充电机进行复合控制。
8.上述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，其中，所述运行状态判断步骤包括：
9.采用抢占输出的控制方式平滑切换不同的所述充电机运行状态；
10.所述充电机运行状态包括恒压运行模式、总电流限流运行模式、充电限流运行模式。
11.上述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，其中，所述运行状态判断步骤还包括：
12.所述充电限流运行模式与所述总电流限流运行模式采用单环控制方式，所述恒压运行模式采用双环控制方式。
13.上述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，其中，所述复合控制步骤包括：
14.构建准比例谐振控制器后，将pi控制器、所述准比例谐振控制器并联组成复合控制器。
15.上述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，其中，所述复合控制步骤还包括：
16.通过所述准比例谐振控制器提取充电电流中的周期性脉动后，对所述充电电流中的所述周期性脉动进行补偿处理。
17.上述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，其中，所述复合控制步骤还包括：
18.将所述充电电流中处理后的周期性脉冲输入到所述pi控制器中，对所述pi控制器进行补偿。
19.上述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，其中，所述复合控制步骤还包括：
20.所述准比例谐振控制器的占空比的调节范围为所述pi控制器输出的4％。
21.上述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，其中，所述复合控制步骤还包括：
22.设置多个时间变量，根据多个所述时间变量对所述复合控制标志位进行赋值，实现在所述pi控制和所述复合控制间的平滑切换。
23.上述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，其中，所述复合控制步骤还包括：
24.当所述复合控制标志位为0时，充电机控制模式切换成所述pi控制；
25.当所述复合控制标志位为1时，所述充电机控制模式切换成所述复合控制。
26.本发明还提供充电电流纹波的抑制与充电机控制系统，其中，适用于上述所述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，所述充电电流纹波的抑制与充电机控制系统包括：
27.软起判断单元：充电机预充电，判断所述充电机是否满足软起要求；
28.运行状态判断单元：所述充电机软起后，判断所述充电机是否满足运行要求，根据第一判断结果判断充电机运行状态；
29.复合控制单元：根据所述充电机运行状态对所述充电机进行pi控制后，判断复合控制标志位是否为1，根据第二判断结果对所述充电机进行复合控制。
30.相比于相关技术，本发明提出了一种充电电流纹波的抑制与充电机控制方法及系统，本发明通过在恒压模式下引入充电机输出滤波电感电流量升级为双环控制增强了响应速度，加强了控制系统对电流变化的响应速度，很好地克服了电压单闭环控制抗电源扰动和负载扰动能力弱的缺点；通过在叠加准比例谐振控制及控制方法的升级，实现了充电机在各种工况下对充电电流及输出电压中纹波波动的抑制，提高了充电质量、延长了蓄电池的使用寿命，且充电机输出电压纹波也在降低；恒压运行模式、总电流限流运行模式、充电限流运行模式，在上述三种工作模式下，复合控制器采用三套不同的参数可在各种工况下最大程度上发挥准比例谐振控制器的作用，减小充电机充电电流的波动，减少了系统补偿误差，提高了系统补偿性能；充电机长时间运行稳定无波动，可正常投切负载；本发明选取在移相全桥阶段对充电机进行控制，无需增加大功率电路器件，控制结构简单，节约成本；本发明可削减由直流输入侧电压脉动引起的充电电流波动较大这一问题，对于后续的dcdc充电机产品，可以减小输入滤波器中滤波电感电容的选值，缩小功率模块的体积，做到小型化、轻量化。
31.本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他
特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
32.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
33.图1是根据本技术实施例的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法流程图；
34.图2是根据本技术实施例的基于复合控制的动车组充电机复合控制器框图；
35.图3是根据本技术实施例的基于复合控制的动车组充电机双环控制器框图；
36.图4是根据本技术实施例的原有控制系统框图；
37.图5是根据本技术实施例的升级版控制系统框图；
38.图6是根据本技术实施例的控制算法流程图；
39.图7是根据本技术实施例的充电机pi控制时充电限流模式下的充电电流波动；
40.图8是根据本技术实施例的充电机新型复合控制时充电限流模式下的充电电流波动；
41.图9是根据本技术实施例的充电机pi控制时总电流限流模式下的充电电流波动；
42.图10是根据本技术实施例的充电机新型复合控制时总电流限流模式下的充电电流波动；
43.图11是根据本技术实施例的充电机pi控制时恒压模式(单环控制)下的充电电流波动；
44.图12是根据本技术实施例的充电机新型复合控制时恒压模式(单环控制)下的充电电流波动；
45.图13是根据本技术实施例的充电机pi控制时恒压模式(双环控制)下的充电电流波动；
46.图14是根据本技术实施例的充电机新型复合控制时恒压模式(双环控制)下的充电电流波动；
47.图15为本发明的充电电流纹波的抑制与充电机控制系统的结构示意图。
48.其中，附图标记为：
49.软起判断单元：51；
50.运行状态判断单元：52；
51.复合控制单元：53。
具体实施方式
52.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
53.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并
且冗长的，然而对于与本技术公开内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本技术揭露的技术内容基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本技术公开的内容不充分。
54.在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
55.除非另作定义，本技术所涉及的技术术语或者科学术语应当为本技术所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本技术所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本技术所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本技术所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本技术所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
56.本发明提供了一种充电电流纹波的抑制与充电机控制方法及系统，升级了充电机的控制方法，在恒压模式下引入了双环控制，并且在传统pi控制的基础上，并联了准比例谐振控制器，将电流环内部控制策略升级为复合控制器，来解决现有技术无法能够抑制充电机各种工况下充电电流中的低频交流分量的问题。
57.下面结合具体实施例对本发明进行说明。
58.实施例一
59.本实施例还提供了一种充电电流纹波的抑制与充电机控制方法。请参照图1至14，图1是根据本技术实施例的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法流程图；图2是根据本技术实施例的基于复合控制的动车组充电机复合控制器框图；图3是根据本技术实施例的基于复合控制的动车组充电机双环控制器框图；图4是根据本技术实施例的原有控制系统框图；图5是根据本技术实施例的升级版控制系统框图；
60.图6是根据本技术实施例的控制算法流程图；图7是根据本技术实施例的充电机pi控制时充电限流模式下的充电电流波动；图8是根据本技术实施例的充电机新型复合控制时充电限流模式下的充电电流波动；图9是根据本技术实施例的充电机pi控制时总电流限流模式下的充电电流波动；图10是根据本技术实施例的充电机新型复合控制时总电流限流模式下的充电电流波动；图11是根据本技术实施例的充电机pi控制时恒压模式(单环控制)下的充电电流波动；图12是根据本技术实施例的充电机新型复合控制时恒压模式(单环控制)下的充电电流波动；图13是根据本技术实施例的充电机pi控制时恒压模式(双环控制)下的充电电流波动；图14是根据本技术实施例的充电机新型复合控制时恒压模式(双环控
制)下的充电电流波动。如图1至14所示，充电电流纹波的抑制与充电机控制方法包括：
61.软起判断步骤s1：充电机预充电，判断充电机是否满足软起要求；
62.运行状态判断步骤s2：充电机软起后，判断充电机是否满足运行要求，根据第一判断结果判断充电机运行状态；
63.复合控制步骤s3：根据充电机运行状态对充电机进行pi控制后，判断复合控制标志位是否为1，根据第二判断结果对充电机进行复合控制。
64.在实施例中，软起判断步骤s1包括：
65.充电机预充电，判断充电机是否满足软起要求。
66.在实施例中，运行状态判断步骤s2包括：
67.充电机软起后，判断充电机是否满足运行要求，根据第一判断结果判断充电机运行状态；
68.采用抢占输出的控制方式平滑切换不同的充电机运行状态；
69.充电机运行状态包括恒压运行模式、总电流限流运行模式、充电限流运行模式；
70.充电限流运行模式与总电流限流运行模式采用单环控制方式，恒压运行模式采用双环控制方式。
71.在具体实施中，充电机软起后，通过判断充电机是否满足运行要求获得第一判断结果后，根据第一判断结果判断充电机运行状态。
72.在实施例中，复合控制步骤s3包括：
73.构建准比例谐振控制器后，将pi控制器、准比例谐振控制器并联组成复合控制器；
74.通过准比例谐振控制器提取充电电流中的周期性脉动后，对充电电流中的周期性脉动进行处理；
75.将充电电流中处理后的周期性脉冲输入到pi控制器中，对pi控制器进行补偿；
76.准比例谐振控制器的占空比的调节范围为pi控制器输出的4％；
77.设置多个时间变量，根据多个时间变量对复合控制标志位进行赋值，实现在pi控制和复合控制间的平滑切换；
78.当复合控制标志位为0时，充电机控制模式切换成pi控制；
79.当复合控制标志位为1时，充电机控制模式切换成复合控制。
80.在具体实施中，在pi控制的基础上引入准比例谐振控制器，对充电机采用新型复合控制；其中，准比例谐振控制器的设计详细的为，谐振控制技术是一种基于带通特性传递函数的特定频次谐波控制的方法，根据系统中主要被控频率，选择对应频率的谐振环节进行控制；谐振控制器的传递函数为：
[0081][0082]
准谐振控制器的传递函数为:
[0083][0084]
式中kp为比例系数，因为系统中已存在pi控制器，且pi控制器起主要的调节作用所以此新型复合控制器中kp取0；kr为比例系数，ωc为谐振带宽，ω0为谐振频率；s是传递函数拉普拉斯变换中的复变量，是常规变换；
[0085]
以某型动车组充电机为例，充电电流中纹波频率以100hz的类正弦为主，ω0＝2πf，谐振频率设定为200π，相较于传统的比例谐振控制器,准比例谐振中增加了参数ωc，使得带宽可以调节，传统的比例谐振控制器仅在特定频率信号进行放大，带宽窄抗干扰能力较差，准比例谐振控制器在其基础上进行了改进，让谐振带宽可控，增加了此算法的抗干扰能力，并且可以控制谐振点处的变量增益。
[0086]
此类充电机内部开关频率为15khz,准比列谐振控制器的谐振频率为100hz，二者差距比较大控制环路的延时不会对控制算法产生影响；
[0087]
pi控制器起主要的调节作用，准比例谐振控制器主要针对充电电流、输出电压中的低频纹波，提取充电电流中的周期性脉动，乘上相应的系数对控制系统进行补偿，提高系统补偿性能，将两种控制算法并联组成新型复合控制器，如图2所示；新型复合控制器既可以具备良好的动态特性，也可以提高系统抑制周期性纹波的能力。
[0088]
图2中iref
*
为给定信号(充电电流参考值、总输出电流参考值)，i为电流采集装置采集回来的信号(实际充电电流、实际总输出电流)，g
p
(z)为被控对象，e为偏差信号，两个控制器的输出并联相加后给到被控对象，其中，图2为充电限流和总输出电流限流模式下的控制器结构；
[0089]
恒压模式下充电机控制器结构如图3所示，图3中vref为给定信号(输出电压参考值)，v为电压采集装置采集回来的信号(实际输出电压)，i
l
为输出电感电流，g
p
(z)为被控对象，e为偏差信号，为了有效控制恒压模式下充电机充电电流质量，本文针对这一目标专门采用了电压外环电流内环的双环控制系统，并且将电流内环控制结构升级为新型复合控制器。
[0090]
随着动车组蓄电池状态、低压直流负载等工况的变化，充电机会进入总电流限流、充电限流、恒压模式；如图4所示为充电机三种工作模式下原有选择控制系统框图；
[0091]
三种闭环模式采用抢占输出的模式，为了防止输出模式切换过于频繁，当充电机未达到总电流限流并且电池电压小于给定电压值*0.98时，充电机始终处于恒流充电模式；当充电机处于恒流充电和总电流限流模式下时，充电机采用单闭环控制系统；模式切换至恒压模式下后充电机采用电压外环电流内环的双闭环控制系统；
[0092]
充电机三种工作模式的切换采用抢占输出的控制方式，详细的为；
[0093]
当且时，平滑切换为充电限流运行模式；
[0094]
当且时，平滑切换为总电流限流运行模式；
[0095]
当且时，平滑切换为恒压运行模式；
[0096]
其中，iout：输出总电流；iref：输出总电流参考值；iout_ref：输出总电流参考值；vout：输出电压；vref：输出电压参考值；ibat：充电电流；ibat_ref：充电电流参考值；
[0097]
其中，为减小充电机模式切换的频率，对切换方式进行升级：电池电压《0.98*给定电压并且充电机未达到总电流限流值时，充电机以恒流充电模式运行。
[0098]
本发明要解决充电机在充电限流模式、总电流限流模式以及恒压模式下充电电流
的周期性波动问题，并减小输出电压中的低频纹波含量；针对这一问题对原有控制系统进行升级；升级后控制系统框图如图5所示；升级版控制系统共有充电机输出电压、电感电流、输出电流及充电电流四个检测测量；充电限流模式和总电流限流模式采用单环控制，在原有pi控制的基础上加入准比例谐振控制组成复合控制器，为有效控制充电机恒压模式下充电电流的质量，恒压模式采用电压外环电流内环的双环控制策略，使充电电流在恒压模式下达到可控状态，并将电流内环升级为复合控制器，抑制恒压模式下充电电流的低频波动；在这三种工作模式下，复合控制器采用三套不同的参数可在各种工况下最大程度上发挥准比例谐振控制器的作用，减小充电机充电电流的波动。减少系统补偿误差，提高系统补偿性能。
[0099]
pi控制与复合控制算法之间的切换详细的为，由于pi控制器无法无静差跟踪周期性的低频纹波，导致充电机在各种模式下蓄电池充电电流中均存大量在低频纹波；为了降低充电机充电电流中的纹波，采用基于pi与准比例谐振控制的新型复合控制器；其中，在新型复合控制算法中，pi控制为主，准比例谐振的占空比的调节范围为pi控制输出的4％；
[0100]
为了在这两种算法之间平滑切换，在ccs中设置复合控制的标志位rep_fhkz。开关频率为15khz,一个开关周期的时间为66.67us。设置两个时间变量usj、msj，每进入一次运算，令变量usj从0开始计数，当usj》1500(即1500*66.67us＝100ms)时，令msj加1，当msj》100(即100*100ms＝10s)时，将1赋值给变量reg_fhkz。充电机重启后reg_fhkz置0，当准比例谐振的标志位reg_fhkz为0时，pi控制；当reg_fhkz为1时，切换为新型复合控制。
[0101]
经过上机试验验证，对比图7和图8、图9和图10，发现叠加准比例谐振控制后的复合控制器可以显著降低动车组充电机在充电限流模式和总电流限流模式下存在的充电电流纹波波动问题，从原来的31.2a降为3.2a，减少了89.7％；
[0102]
根据图11、图12可以看出，采用原有电压单环控制时，在恒压模式下叠加准比例谐振控制器对充电电流纹波抑制并不明显，因为恒压模式原有单环控制方法仅采集输出电压量进行闭环运算，导致充电电流效果无法得到有效控制；故将恒压模式下控制系统升级为双环控制，pi控制下充电电流效果如图13所示，升级为双环控制后，输出电压、充电电流波形的质量得到了的改善，但依然存在以100hz波动为主的低频纹波波动；如图14所示，在电压外环电流内环的前提下，在电流内环叠加准比例谐振控制器可有效的降低充电机充电电流中低频纹波波动。从原来的28a降为2.4a，减少了91.4％；
[0103]
在恒压模式下引入充电机输出滤波电感电流量升级为双环控制增强了响应速度，加强了控制系统对电流变化的响应速度，很好地克服了电压单闭环控制抗电源扰动和负载扰动能力弱的缺点；通过在叠加准比例谐振控制及控制方法的升级，使动车组充电机各种工况下的充电电流的波动的问题得到了显著改善，提高了充电质量、延长了蓄电池的使用寿命，且充电机输出电压纹波也在降低；充电机长时间运行稳定无波动，可正常投切负载。
[0104]
实施例二
[0105]
下面结合图6解释说明充电机控制算法流程步骤。图6是根据本技术实施例的控制算法流程图。如图6所示，充电机控制算法流程详细步骤为如下：
[0106]
步骤1，控制系统上电后，等待并预充电，预充电后判断充电机是否满足软起要求，若满足软起要求，则充电机进行软起，若不满足软起要求，则继续等待；
[0107]
步骤2，当充电机软起结束后，判断充电机是否满足运行要求，当满足运行要求时，
根据当前运行工况，判断当前充电机的运行状态，充电机运行状态有三种，详细的为充电限流运行模式、总电流限流运行模式及恒压运行模式；若不满足运行要求，则充电机重新软起；
[0108]
步骤3，根据充电机运行状态对充电机进行pi控制，当reg_fhkz为0，首先采用pi控制，当reg_fhkz为1时充电机输出电压达到额定值，切换为pi控制加准比例谐振器的复合控制；
[0109]
步骤4，充电机复合控制结束后，判断充电机是否停机，若不停机，则充电机继续进行复合控制。
[0110]
实施例三
[0111]
本实施例还提供了一种充电电流纹波的抑制与充电机控制系统。图15为本发明的充电电流纹波的抑制与充电机控制系统的结构示意图。如图15所示，发明的充电电流纹波的抑制与充电机控制系统，适用于上述的充电电流纹波的抑制与充电机控制方法，充电电流纹波的抑制与充电机控制系统包括：
[0112]
软起判断单元51：充电机预充电，判断充电机是否满足软起要求；
[0113]
运行状态判断单元52：充电机软起后，判断充电机是否满足运行要求，根据第一判断结果判断充电机运行状态；
[0114]
复合控制单元53：根据充电机运行状态对所述充电机进行pi控制后，判断复合控制标志位是否为1，根据第二判断结果对充电机进行复合控制。
[0115]
综上所述，本发明提供了一种充电电流纹波的抑制与充电机控制方法及系统，本发明实现了充电机在各种工况下对充电电流及输出电压中纹波波动的抑制。并且本发明选取在移相全桥阶段对充电机进行控制，无需增加大功率电路器件，控制结构简单，节约成本。通过本发明解决了由直流输入侧电压脉动引起的充电电流波动较大这一问题，对于后续的dcdc充电机产品，可以减小输入滤波器中滤波电感电容的选值，缩小功率模块的体积，做到小型化、轻量化。
[0116]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求的保护范围为准。