一种电动车多源系统协同运行控制方法

supercapacitor hybrid energy storage system for electric vehicle application,"ieee trans.power electron.,vol.35,no.1,pp.1014-1021,jan.2020.
8.[3]h.zhou,t.bhattacharya,d.tran,t.s.t.siew,and a.m.khambadkone,“composite energy storage system involving battery and ultracapacitor with dynamic energy management in microgrid applications,”ieee trans.power electron.,vol.26,no.3,pp.923
–
930,mar.2011.
[0009]
[4]w.na,t.park,t.kim and s.kwak,"light fuel-cell hybrid electric vehicles based on predictive controllers,"ieee trans.veh.technol.,vol.60,no.1,pp.89-97,jan.2011.


技术实现要素：

[0010]
针对现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种电动车多源系统协同运行控制方法。该方法利用二阶滤波器特性实现了动态过程前后超级电容soc的自恢复，即每次电动车经过启动、加减速等动态过程后，超级电容荷电状态都能恢复到释放峰值电流前的状态，从而避免了超级电容soc频繁达到上下限。在传统单电流环控制的基础上，通过增加直流母线电压内环来构建“电流外环-电压内环”控制环路，实现了对系统直流母线电压的辅助控制。
[0011]
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种电动车多源系统协同运行控制方法，所述电动车多源系统由能量源、双向dc-dc变换器、直流母线、负载、控制器和传感器组成，所述能量源由动力电池和超级电容共同构成，所述多源系统的结构为超级电容接口双向dc-dc变换器的半主动结构。所述控制方法包括如下步骤：
[0012]
(1)应用二阶高通滤波器将负载功率需求划分为高频部分和低频部分，这两部分功率需求分别转化为电池和超级电容需要响应的给定电流；
[0013]
(2)采用“电流外环”进行超级电容电流实时跟踪给定电流；
[0014]
(3)采用“电压内环”进行系统直流母线电压的辅助调节与控制。
[0015]
进一步，在步骤(1)中，所述的二阶高通滤波器的表达形式为：
[0016][0017]
其中h
2-hpf
(s)是二阶高通滤波器传递函数，t1和t2是滤波时间常数。
[0018]
再进一步，在步骤(1)中，所述的高频部分和低频部分的转化过程如下：
[0019]
(1)负载需求功率p
req
经过二阶高通滤波器，提取出高频分量p
sc-req
；
[0020]
(2)所提取的高频功率分量p
sc-req
与直流母线电压u
bus
相除得到超级电容支路的给定电流i
high-sc-ref
；
[0021]
(3)负载电流i
load
减去超级电容支路给定电流i
high-sc-ref
得到的差值成为电池需要响应的电流。
[0022]
再进一步，在步骤(2)中，“电流外环”的环路形式为：所得给定值i
high-sc-ref
与双向dc-dc变换器高压侧电流反馈量i
high-sc
进行比较，构建电流外环。电流差值δi经控制器生成直流母线电压给定u
bus-ref
。
[0023]
再进一步，在步骤(3)中，“电压内环”的环路形式为：直流母线电压给定u
bus-ref
与直流母线电压u
bus
进行比较，构建电压内环，电压差值δu经控制器生成脉冲宽度调制(pwm)
信号，以驱动双向dc-dc变换器工作。
[0024]
再进一步，在“电流外环
”‑“
电压内环”的控制环路中，均使用比例-积分-微分(pid)控制器分别实施外环电流误差和内环电压误差的控制。
[0025]
再进一步，在“电流外环-电压内环”的控制环路中，两pid控制器的积分器和总输出端均使用限幅环节对输出信号幅值进行限制，若累计值达到积分器或输出端所允许的上下限，则维持积分器的值和输出端的值保持不变。
[0026]
本发明的效果在于：
[0027]
1.超级电容soc可以自主恢复，无需设定特定的充电时间。
[0028]
2.超级电容的soc几乎不会达到下限，运行稳定性更高。
[0029]
3.使用更小容量的超级电容即可满足运行要求。
[0030]
4.连续放电次数大幅提高。
[0031]
5.对直流母线电压进行辅助控制。当直流母线电压u
bus
受负载变动影响而发生较大幅度波动时，可通过电压环的限幅环节来抑制u
bus
使其维持在合理水平。
[0032]
6.若动力电池工作异常或因放电深度增加导致动力电池端电压低于放电截止电压(控制器中设置的最低限幅)时，超级电容接口双向dc-dc变换器支路可作为直流母线电压的支撑并在一段时间内维持电动车正常运行。此时超级电容支路工作在电压源状态。
[0033]
7.u
bus
可表征系统功率的变化。相比于单电流环控制，双向dc-dc变换器高压侧电流外环-母线电压内环同时使用i
high-sc
和u
bus
作为反馈量，能更综合且精确地反映系统的功率变化情况，补偿由于电流采集偏差引起的控制误差。
附图说明
[0034]
图1是超级电容接口双向dc-dc变换器半主动多源系统结构图。
[0035]
图2是所提出的二阶高通滤波器和传统一阶高通滤波器的对数幅频特性对比曲线。
[0036]
图3是传统一阶高通滤波器的电流阶跃响应曲线。
[0037]
图4是所提出的二阶高通滤波器的电流阶跃响应曲线。
[0038]
图5是传统控制策略下超级电容soc变化示意图。
[0039]
图6是所提出的控制策略下，超级电容soc的变化示意图。
[0040]
图7是所提出的基于二阶滤波器的“变换器高压侧电流外环-直流母线电压内环”的控制框图。
[0041]
图8是电动车加载及减载工况下传统一阶高通滤波器的实验波形。
[0042]
图9是电动车加载及减载工况下所提出并设计的二阶高通滤波器的实验波形。
具体实施方式
[0043]
下面将结合附图进一步详细说明本发明的技术方案与实施效果。
[0044]
超级电容接口双向dc-dc变换器(bdc)半主动多源系统结构如图1所示。电动车多源系统由能量源、双向dc-dc变换器、直流母线、负载、控制器和传感器组成。其中，能量源由动力电池和超级电容共同构成。电动车能量源系统的拓扑结构为超级电容接口双向dc-dc变换器的半主动结构。其中，动力电池直接接入直流母线，其作为电压源直接将直流母线电
压钳位。超级电容通过双向dc-dc变换器接入直流母线。逆变器和电动机作为负载接入直流母线。电池和超级电容作为能量源向负载提供能量。系统中需要采集的量包括：直流母线电压u
bus
、超级电容电压u
sc
、电池电流i
bat
、超级电容所接变换器高压侧电流i
high-sc
、负载电流i
load
。
[0045]
若要实现对动力电池和超级电容的功率控制，需要将超级电容支路控制为电流源。此时bdc的控制目标是超级电容的输出电流i
high-sc
，则基于相对稳定的直流母线电压u
bus
，超级电容的输出功率p
sc
成为可控量。由于负载侧的需求功率p
req
是确定的，动力电池的输出功率p
bat
等于负载侧需求功率p
req
减去超级电容输出功率p
sc
，动力电池的输出电流i
bat
等于动力电池的输出功率p
bat
除以直流母线电压。因此，将负载侧需求功率p
req
(或负载电流i
load
)作为bdc的反馈量，可以实现动力电池-超级电容两能量源间的功率分配。
[0046]
所构造的二阶滤波器的表达形式为：
[0047][0048]h2-lpf
(s)是二阶低通滤波器传递函数，h
2-hpf
(s)是二阶高通滤波器传递函数，其中a、b、c分别为滤波器的各项系数。
[0049]
若采用二阶滤波器进行功率分频，系统需求功率p
req
经过高通滤波器后得到的高频功率给定p
sc-ref
对时间积分产生的能量累积w
sc-ref
为：
[0050][0051]
从上述计算可知，若所采用的二阶高通滤波器中分子一次项系数b＝c，即滤波器传递函数表达式分子项只有二次项，系统高频功率p
sc-ref
对时间的积分终值为0。此时，从系统发生功率波动直至系统达到新的稳态这一过程，经过p
sc-ref
控制的超级电容发出的能量和吸收的能量相等，超级电容内部的总能量在功率变动前后未发生变化。又因为：
[0052][0053]
且：
[0054]
soc
sc
∝usc2
[0055]
这意味着超级电容的soc在功率变动前后保持不变，即超级电容soc可在“稳态-动态-稳态”的系统需求功率变动中实现自恢复。
[0056]
当b＝c时，二阶低通/高通滤波器的传递函数如下：
[0057][0058]
所提出的二阶滤波器与一阶滤波器的对数幅频特性曲线对比如图2所示。对比两者可知，二阶高通滤波器在低频段有着更快的衰减速率，对系统的低频需求功率有着更好的滤除作用。
[0059]
当t1＝t2＝t时，二阶高通滤波器只有一个转折频率1/t，低于这一转折频率的频率区间内，对数幅频曲线以-40db的速率衰减，高于这一转折频率的频率区间内，对数幅频特性曲线为水平直线。这意味着低频功率需求在1/t频率处有极快的衰减速度，因此在设计二阶高通滤波器时可将两个转折频率设为等值，使滤波器更具有频率筛选性。
[0060]
此时二阶滤波器的传递函数如下：
[0061][0062]
当t＝1时，传统一阶hpf和所提出的二阶hpf的电流阶跃响应曲线分别如图3和图4所示。一阶滤波器和二阶滤波器都能将负载侧的需求功率划分为低频部分和高频部分。低频部分由电池承担，高频部分由超级电容承担。但二阶滤波器的超级电容电流i
sc
在输出峰值电流之后存在电流过零变负阶段，这一阶段超级电容从电池吸收能量从而使超级电容soc自恢复。
[0063]
传统控制策略和所提出的控制策略下，超级电容soc变化示意图分别如图5和图6所示。传统控制策略下，超级电容只负责在启动和加速阶段响应峰值电流需求，因此超级电容每响应一次启动或加速指令，都意味着超级电容的能量储量的减少。直至超级电容的soc降至规定的下限，超级电容无法再承担峰值电流需求。传统控制策略的应对方式是：在超级电容能量不足时，单独在某一特定时间段为超级电容充电，一次性将超级电容充到满电状态。传统控制方法总是会经历“soc达到下限——检测到下限状态——切换工作模态——充电”这种循环。传统策略的缺点是：
[0064]
(1)超级电容的soc频繁达到下限，对电动自行车的运行稳定性产生不利影响；
[0065]
(2)总是需要在能量耗尽后单独充电，超级电容充电时机具有不确定性；
[0066]
(3)超级电容放电次数十分有限；
[0067]
(4)维持多次放电能力所需的超级电容容量偏大，相应的重量和体积也较大。
[0068]
新的控制方法的核心在于：超级电容每次释放峰值电流后，由蓄电池对超级电容进行能量补充，且补充后的超级电容soc能够恢复到释放峰值电流前的状态。这一补充过程是自动完成的。新策略的优势是：
[0069]
(1)超级电容的soc可以自恢复，无需设定特定的充电时间，也无需繁琐的控制；
[0070]
(2)超级电容的soc几乎不会达到下限，不存在模式切换，运行稳定性更高；
[0071]
(3)连续放电次数大幅提高；
[0072]
(4)由于超级电容soc的自恢复特性，在设计超级电容容量时仅需要考虑单次输出峰值电流时的soc最大跌落，因此使用更小的容量即可满足运行要求。
[0073]
基于二阶滤波、bdc高压侧电流外环-母线电压内环控制策略的结构图如图7所示。具体控制逻辑如下：
[0074]
(1)负载需求功率p
req
经过二阶高通滤波器，提取出高频分量p
sc-req
；
[0075]
(2)所提取的高频功率分量p
sc-req
与直流母线电压u
bus
相除得到超级电容支路的给定电流i
high-sc-ref
；
[0076]
(3)负载电流i
load
减去超级电容支路给定电流i
high-sc-ref
得到的差值成为电池需要响应的电流。
[0077]
(4)“电流外环”的环路形式为：所得给定值i
high-sc-ref
与双向dc-dc变换器高压侧电流反馈量i
high-sc
进行比较，构建电流外环。电流差值δi经控制器生成直流母线电压给定u
bus-ref
。
[0078]
(5)“电压内环”的环路形式为：直流母线电压给定u
bus-ref
与直流母线电压u
bus
进行比较，构建电压内环，电压差值δu经控制器生成脉冲宽度调制(pwm)信号，以驱动双向dc-dc变换器工作。
[0079]
(6)在“电流外环
”‑“
电压内环”的控制环路中，均使用比例-积分-微分(pid)控制器分别实施外环电流误差和内环电压误差的控制。两pid控制器的积分器和总输出端均使用限幅环节对输出信号幅值进行限制，若累计值达到积分器或输出端所允许的上下限，则维持积分器的值和输出端的值保持不变。
[0080]
本发明的一个具体实施例参数如下表1。
[0081]
加减载(模拟上下坡)工况下，一阶和二阶hpf控制的实验结果如图8和图9所示。初始时刻负载电流为1.2a，全部由动力电池提供。在负载加重瞬间，超级电容支路快速响应功率需求而输出瞬态电流，动力电池电流缓慢上升至负载电流，此时负载电流为4.0a。在负载减轻瞬间，超级电容支路同样率先响应功率需求而输入瞬态电流，动力电池电流缓慢下降至负载电流，此时负载电流为1.2a。
[0082]
对于一阶hpf，在加重负载过程中，超级电容端电压由24.5v掉落至23.6v，在减轻负载过程中，超级电容端电压由23.6v升至24.5v。这说明在“稳态-动态-稳态”过程中，一阶hpf控制下后一个稳态的超级电容soc无法恢复到前一个稳态时的状态。对于二阶hpf，在加重负载和减轻负载过程中，超级电容端电压动态波动前后都为27.0v。实验验证了本文所提的方法能使超级电容soc自恢复。
[0083]
表1双向buck/boost变换器参数
[0084][0085]
本发明可以用其它具体形式来实施，而不脱离其精神或本质特征。所描述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而非限制性的，例如：
[0086]
1)多源系统中所使用的双向dc-dc变换器不局限于实施例中的拓扑类型和参数配置；
[0087]
2)多源系统中的电池、超级电容的电压、容量等参数不局限于实施例中所用到的；
[0088]
3)协同控制方法中所使用的滤波时间常数等控制参数不局限于实施例中所用到的。
[0089]
因此，本发明的范围由所附权利要求书而非上述描述来指示。落入权利要求的等效技术方案的意义和范围中的所有变化都包含在其范围之中。