基于滑模原理的电动汽车混合储能系统快速充电控制方法

摘要

本发明提供基于滑模原理的电动汽车混合储能系统快速充电控制方法，首先将蓄电池电流控制成可调制的周期性的正负交替脉冲电流来实现快速充电，其次利用超级电容器来吸收在蓄电池放电的时候回馈至直流母线的能量，防止直流母线电压泵升，最后在蓄电池充电时，通过调节超级电容器的输出电流来实现对于超级电容器存储能量的控制，以免超级电容器的电压超过装置耐受上限，其中对于超级电容器控制器的控制采用滑模控制方法，减少工作点变化对于系统性能的影响。从仿真结果中可以看到，本发明能够很好地控制蓄电池电流使其形成正负脉冲，并且满足直流母线电压的稳定以及对于超级电容器端电压的控制。

说明书

【技术领域】

本发明涉及新能源（电动汽车）技术领域，特别涉及利用混合储能 装置实现电动汽车蓄电池正负脉冲快速充电的控制方法。

【背景技术】

自上世纪70年代以来，能源与环保逐渐成为世界主流关注的焦点之 一。随着能源消耗的不断增加以及环境污染问题的日益严重，世界各国 对开始实施有针对性的节能减排计划，其中如何限制汽车尾气基本成为 每一个国家所需要面对并有待解决的问题。电动汽车因其低排放，低噪 音的特点而备受瞩目，被认为是传统的燃油汽车的最佳替代品。

然而目前在电动汽车的应用与研究当中，有两个较为明显的瓶颈制 约着电动汽车的广泛普及：一是蓄电池的寿命，除了不断的改进电池所 采用的材料以外，在已有的研究之中，将多种储能装置根据其不同的特 性组合使用的混合储能系统也可以有效的改善蓄电池的工作条件，延长 蓄电池的使用寿命；另一个是蓄电池较长的充电时间，会影响电动汽车 的正常行驶。在当前充电终端普及率低的情况下，影响到了电动汽车的 市场推广。

通过文献检索发现，针对如何缩短蓄电池充电时间的问题，研究人 员通过将蓄电池电流控制成周期性正负脉冲电流实现快速充电。最初的 充电器设计之中，采用附加放电电阻来实现负向脉冲。部分研究方案采 用附加磁性元器件来实现能量回馈，提升效率，但是在大功率场合情况 下，所需磁性元件的体积和重量都会影响电动汽车的整体性能。还有部 分研究方案是采用双向变流器来实现能量回馈，这种方案在大功率场合 下也存在弊端，即回馈至直流母线的能量会引起直流母线电压泵升，影 响控制效果，甚至是影响系统稳定性。

以下给出检索的相关文献：

[1]W.B.BurLen and J.H.Big,U.S.patent No.3597613.

[2]W.B.BdettandR.V.Ladrson,U.S.Patent No.3614583.

[3]C.C.Hua and M.Y.Lin,“A Study of Charging Control of Lead-Acid  Battery for Electric Vehicles,”International Symposium on Industrial  Electmnies,lSlE 2000,pp.135-140.

[4]Hsieh,Y.C.;Moo,C.S.;Wu,C.K.;Cheng,J.C.;,"A non-dissipative  reflex charging circuit,"Telecommunications Energy Conference,2003. INTELEC'03.The 25th International,vol.,no.,pp.679-683,23-23Oct. 2003

[5]Tseng,K.C.;Liang,T.J.;Chen,J.F.;Chang,M.T.,"High frequency  positive/negative pulse charger with power factor correction,"Power  Electronics Specialists Conference,2002.pesc 02.2002IEEE 33rd Annual,vol.2,no.,pp.671-675vol.2,2002

[6]Cheng,P.H.;Chen,C.L.;,"High efficiency and nondissipative fast  charging strategy，"Electric Power Applications,IEE Proceedings-, vol.150,no.5,pp.539-545,9Sept.2003

[7]Wang,J.B.;Chuang,C.Y，"Design considerations of  microprocessor-controlled multiphase battery charger with fast-charging  strategy，"Electric Power Applications,IET,vol.1,no.2,pp.143-152, March 2007

【发明内容】

针对上述现有理论与技术上存在的缺陷或不足，本发明的目的在于 提出一种基于滑模原理的电动汽车混合储能系统快速充电控制方法。该 控制方法可在不附加额外装置的条件下，实现对于蓄电池的正负脉冲充 电，电流脉冲的幅值、频率以及占空比均可以按电池类型调制，另外有 效的维持了直流母线电压，同时可以通过调整超级电容器的电流限幅值 来调整超级电容器的能量，维持系统稳定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于滑模原理的电动汽车混合储能系统快速充电的控制方法，其特 征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据预先设定的蓄电池充电电流波形曲线，控制蓄电池变 流器以周期性正负脉冲电流以及对蓄电池进行充电，其中蓄电池充电脉冲的幅值，充电脉冲的占空比为D_P，为放电脉冲的幅 值，放电脉冲的占空比为D_N；

步骤二，在充电站变流器控制回路，将直流母线电压参考值与直 流母线电压瞬时值v_dc相减，送入电压调节器，得到充电站变流器的电流 指令

步骤三，将充电站变流器电流指令与充电站变流器电流瞬时值 i_station相减，将差值送入电流调节器，得到充电站变流器控制调制波，与 PWM调制器的载波做比较得到充电站变流器驱动信号；

步骤四，在超级电容器变流器控制回路，将直流母线电压参考值与直流母线电压瞬时值v_dc相减，得到差值Δv_dc，乘以比例系数K，得到 超级电容变流器的电流环指令比例系数K的取值大于10；

步骤五，将超级电容器变流器电流环指令送入饱和环节进行限幅， 然后与超级电容器变流器电流瞬时值i_SC相减，得到差值Δi_SC；

步骤六，利用步骤四与步骤五之中得到的Δv_dc和Δi_SC之和送入积分饱 和环节，计算得出超级电容变流器的调制信号M，计算公式如下：

M=K₁Δv_dc+K₂Δi_SC+K₃∫(Δv_dc+Δi_SC)dt    （1）

其中K₁，K₂，K₃的系数取值为正数;

步骤七，测量超级电容器的端电压v_SC进行滞环逻辑判断，根据超 级电容器的端电压v_SC来改变步骤五之中的超级电容变流器电流参考值 的饱和值,当超级电容器的端电压v_SC高于超级电容器的端电压的上限 值v_{SC_HI}，则将步骤五之中的饱和环节下限值设置为-i_SC-set；当超级电 容器的端电压v_SC低于超级电容器的端电压的下限值v_{SC_LO}，则将步骤五 之中的饱和环节下限值设置为0；其中需要满足关系：

$\left|i_{\mathrm{SC}-\mathrm{set}}\right|>\left|\frac{i_{\mathrm{batt}-}\times v_{\mathrm{batt}}\times D_P}{v_{\mathrm{SC}}\times (1-D_P-D_N)}\right|---\left(2\right)$

该公式之中，D_P表示充电脉冲的占空比，表示放电脉冲的幅值， D_N表示放电脉冲的占空比，v_batt是蓄电池端电压，v_SC是超级电容器端电 压。

本发明进一步的改进在于：为方便功率测量以及计费，充电站变流 器为单向变流器，只能将能量从充电站向电动汽车传递，无法向回馈充 电站回馈能量。

本发明进一步的改进在于：步骤六中电压饱和环节上限值为0，即 超级电容器变流器控制回路电压环在直流母线瞬时电压v_dc低于直流母 线电压参考值时输出值恒为0。

本发明进一步的改进在于：步骤六中超级电容变流器的调制信号由 公式（1）生成。

M=K₁Δv_dc+K₂Δi_SC+K₃∫(Δv_dc+Δi_SC)dt    （1）

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供基于滑模 原理的电动汽车混合储能系统快速充电控制方法，首先将蓄电池电流控 制成可调制的周期性的正负交替脉冲电流来实现快速充电，其次利用超 级电容器来吸收在蓄电池放电的时候回馈至直流母线的能量，防止直流 母线电压泵升，最后在蓄电池充电时，通过调节超级电容器的输出电流 来实现对于超级电容器存储能量的控制，以免超级电容器的电压超过装 置耐受上限，其中对于超级电容器控制器的控制采用滑模控制方法，减 少工作点变化对于系统性能的影响。从仿真结果中可以看到，本发明能 够很好地控制蓄电池电流使其形成正负脉冲，并且满足直流母线电压的 稳定以及对于超级电容器端电压的控制。

【附图说明】

图1为基于混合储能系统的电动汽车充电系统结构图；

图2为充电站变流器的控制框图；

图3为蓄电池电流参考波形；

图4为蓄电池变流器的控制框图；

图5为超级电容器控制回路中的滞环逻辑比较图；

图6为超级电容器变流器的控制框图；

图7为A工况下直流母线电压，蓄电池电流，超级电容器电压的仿 真波形图；

图8为B工况下直流母线电压，蓄电池电流，超级电容器电压的仿 真波形图；

图9为C工况下直流母线电压，蓄电池电流，超级电容器电压的仿 真波形图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照图1，基于混合储能系统的电动汽车充电系统包含蓄电池，超 级电容器，充电站变流器，蓄电池变流器和超级电容器变流器。通常情 况下，为了方便功率测量以及计费，充电站变流器是单向变流器，即只 能向电动汽车提供能量而无法向充电站回馈能量，图2表示的是充电站 变流器的控制框图，将直流母线电压参考值与直流母线电压瞬时值 v_dc相减，送入电压调节器，得到充电站变流器的电流指令将充 电站变流器电流指令与充电站变流器电流瞬时值i_station相减，将差值 送入电流调节器，得到充电站变流器控制调制波，与PWM调制器的载 波做比较得到充电站变流器驱动信号。蓄电池所采用的正负脉冲充电电 流如图3，正脉冲为充电脉冲，充电脉冲幅值为充电脉冲的占空 比为D_P，负脉冲为放电脉冲，为放电脉冲的幅值，放电脉冲的占空 比为D_N。蓄电池变流器的控制框图如图4，蓄电池变流器被控制来实现 图3所示的充电电流波形，具体实现步骤是将蓄电池的如图3所示的充 电电流波形参考值与蓄电池的瞬时电流i_batt相减，将差值送入调节器，生 成蓄电池变流器控制调制波，与PWM调制器的载波做比较得到充电站 变流器驱动信号。

然而在充电过程中，蓄电池需要向直流母线回馈部分能量，如果这 部分能量不能被及时吸收，那么直流母线电压就会泵升，影响到系统的 稳定性。为了解决这个问题，超级电容器被控制吸收蓄电池向直流母线 回馈的能量，维持系统稳定性。如此同时，为了限制超级电容器的能量 不超过所能承受的上限值，还需要对于超级电容器的储能状态进行判断， 为避免系统控制结构的频繁变化，采用如图5的滞环逻辑比较，当超级 电容器的端电压v_SC高于超级电容器的端电压的上限值v_{SC_HI}，则将步骤 五之中的饱和环节下限值设置为-i_SC-set；当超级电容器的端电压v_SC低 于超级电容器的端电压的下限值v_{SC_LO}，则将饱和环节下限值设置为0； 改变超级电容器放电电流的限幅值。从而在蓄电池吸收能量的过程之中， 控制超级电容器变流器来释放部分能量，从而达到控制超级电容器电压 的目的，具体控制框图如图6。

图7，图8，图9分别为在三种工况A、B、C下的仿真波形，各工 况参数如下：

1.为1.4C，D_P为0.5，为-1.7C，D_N为0.1，周期为200ms；

2.为1.4C，D_P为0.6，为-2.1C，D_N为0.15，周期为500ms；

3.为0.7C，D_P为0.5，为-1C，D_N为0.15，周期为500ms；

其中蓄电池充电脉冲的幅值，充电脉冲的占空比为D_P，为 放电脉冲的幅值，放电脉冲的占空比为D_N，C是表示蓄电池的容量。

仿真系统的控制参数如下：

K＝50，K₁＝K₂＝K₃=10;

从仿真结果可以看出，无论是在哪一种工况下，蓄电池电流实现了 预先设计的正负脉冲电流充电曲线，验证了本控制方法的波形可调制性， 与此同时直流母线电压维持恒定，超级电容器电压值也被限定在了一定 范围之内，避免了对于系统稳定性的影响。

本发明提出一种基于滑模原理的电动汽车混合储能系统快速充电控 制方法，包括以下步骤：

步骤一，根据预先设定的蓄电池充电电流波形曲线，控制蓄电池变 流器以周期性正负脉冲电流以及对蓄电池进行充电，其中蓄电池充电脉冲的幅值，充电脉冲的占空比为D_P，为放电脉冲的幅 值，放电脉冲的占空比为D_N；

步骤二，在充电站变流器控制回路，将直流母线电压参考值与直 流母线电压瞬时值v_dc相减，送入电压调节器，得到充电站变流器的电流 指令

步骤三，将充电站变流器电流指令与充电站变流器电流瞬时值 i_station相减，将差值送入电流调节器，得到充电站变流器控制调制波，与 PWM调制器的载波做比较得到充电站变流器驱动信号；

步骤四，在超级电容器变流器控制回路，将直流母线电压参考值与直流母线电压瞬时值v_dc相减，得到差值Δv_dc，乘以比例系数K，得到 超级电容变流器的电流环指令比例系数K的取值应该要远大于10；

步骤五，将超级电容器变流器电流环指令送入饱和环节进行限幅， 然后与超级电容器变流器电流瞬时值i_SC相减，得到差值Δi_SC；

步骤六，利用步骤四与步骤五之中得到的Δv_dc和Δi_SC之和送入积分饱 和环节，计算得出超级电容变流器的调制信号M，计算公式如下：

M=K₁Δv_dc+K₂Δi_SC+K₃∫(Δv_dc+Δi_SC)dt    （1）

其中K₁，K₂，K₃的系数取值比例为1：1：1;

步骤七，测量超级电容器的端电压v_SC进行滞环逻辑判断，根据超 级电容器的端电压v_SC来改变步骤五之中的超级电容变流器电流参考值 的饱和值,当超级电容器的端电压v_SC高于超级电容器的端电压的上限 值v_{SC_HI}，则将步骤五之中的饱和环节下限值设置为-i_SC-set；当超级电 容器的端电压v_SC低于超级电容器的端电压的下限值v_{SC_LO}，则将步骤五 之中的饱和环节下限值设置为0；其中需要满足关系：

$\left|i_{\mathrm{SC}-\mathrm{set}}\right|>\left|\frac{i_{\mathrm{batt}-}\times v_{\mathrm{batt}}\times D_P}{v_{\mathrm{SC}}\times (1-D_P-D_N)}\right|---\left(2\right).$

该公式之中，D_P表示充电脉冲的占空比，表示放电脉冲的幅值， D_N表示放电脉冲的占空比，v_batt是蓄电池端电压，v_SC是超级电容器端电 压；

本发明中给出了一种基于滑模原理的电动汽车混合储能系统快速 充电控制方法。并利用MATLAB/Simulink对该控制方法进行了仿真验 证。从仿真的结果中可以看到，该方法能够很好地实现蓄电池正负脉冲 充电，并且维持直流母线电压恒定，同时还能控制超级电容器电压，从 而维持系统稳定性。