一种简化升压型电动汽车复合电源结构及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种简化升压型电动汽车复合电源结构及其控制方法，包括锂电池、超级电容、MOSFET管、限流二极管、电感器及电容器，当电动汽车需求功率为正时，依据锂电池和超级电容的SOC和输出电压，使复合电源构成Boost升压电路结构，调节MOSFET管SW1或SW2的占空比；当电动汽车需求功率为负时，复合电源构成Buck降压电路结构，调节MOSFET管SW3的占空比，实现锂电池和超级电容制动能量回收。本发明专利技术可满足电动汽车一般工况下的多模式工作，该复合电源简化了级联DC‑DC变换器的结构，从而减少了复合电源的能耗，提高了能量转换效率，且控制策略更为简单。

A simplified composite power supply structure for boost electric vehicle and its control method

The present invention provides a simplified boost type electric vehicle hybrid power supply system and its control method, including lithium batteries, super capacitors, MOSFET tube, current limiting diodes, inductors and capacitors, when the electric vehicle power demand is positive, on the basis of lithium battery and super capacitor SOC and the output voltage of the composite power supply Boost boost the circuit structure, adjusting the MOSFET tube SW1 or SW2 duty ratio; when the electric vehicle power demand is negative, a composite power Buck circuit structure, adjusting the MOSFET tube of SW3 duty cycle to achieve lithium batteries and super capacitors braking energy recovery. The invention can meet the work mode of electric vehicles under normal conditions, the composite power simplifies the structure of cascaded DC DC converter, so as to reduce the energy consumption of composite power supply, improve the efficiency of energy conversion, and the control strategy is more simple.

【技术实现步骤摘要】
一种简化升压型电动汽车复合电源结构及其控制方法
本专利技术属于复合电源
，具体涉及锂电池、超级电容和通过MOS管、二极管、电容、电感组合形成的多工作模式的直流变换装置及其控制方法。
技术介绍
复合储能系统又称为复合电源技术，是在已有的动力电池基础上增加高功率密度的辅助储能装置，一般包括超导、飞轮和超级电容器等。其中在电动汽车领域应用的主要是二次锂电池与超级电容器构成的复合储能系统。将超级电容器与锂电池相结合构成复合储能电源系统，在工作过程中由超级电容器提供电动汽车的高功率密度需求，同时充分快速地回收再生制动能量，锂电池则提供汽车的高能量密度需求。超级电容器和锂电池可优势互补，同时最大程度地限制锂电池或者超级电容器单一电源的不足，这无疑会大大提高电动汽车能量管理系统的性能。将超级电容与锂电池并联构成复合储能系统应用到电动汽车上，需要建立锂电池与超级电容之间的能量双向转换控制系统，即双向DC-DC变换器。复合储能系统性能的优劣往往体现在级联DC-DC变换器的拓扑结构以及控制策略的性能上，因此研究适合电动汽车的复合电源拓扑结构和高效率、快响应、高功率密度、高可靠性的DC-DC变换器控制策略，在电动汽车的能量管理技术发展中有着十分重要的意义。传统的复合电源结构一般含有多个DC-DC变换器电路，存在能耗大，控制策略复杂等问题。在复合电源的控制过程中，需要依据工况选择合适的工作模式，还要保证在每一种工作模式下能够具有快速的动态响应和控制精度。复合电源工作过程中所对应的Boost升压变换器和Buck降压变换器都是典型的非线性系统，一般的非线性控制算法如非线性PID、滑模控制算法等能够对双向DC-DC变换器进行控制，但是在高精度稳定性控制方面性能不佳。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决常规复合电源的能耗高和控制精度低等问题，提供一种简化升压型电动汽车复合电源结构及其控制方法。一种电动汽车复合电源，该复合电源的拓扑结构包括锂电池、超级电容、电容器以及三个MOSFET管、三个限流二极管和两个电感器，超级电容的正极与电感器L1的一端相连，电感器L1的另一端与MOSFET管SW1的漏极、MOSFET管SW2的漏极、MOSFET管SW3的源极及电感器L2的一端相连；电感器L2的另一端与锂电池的正极相连；MOSFET管SW3的漏极与电容器C1的正极及电动汽车电机逆变器的输入端相连；超级电容的负极与MOSFET管SW1的源极、MOSFET管SW2的源极、锂电池的负极、电容器C1的负极及电动汽车电机逆变器的输出端相连；限流二极管D1、D2及D3对应并联在MOSFET管SW1、SW2及SW3的源极和漏极之间。所述复合电源还包括与MOSFET管SW1、SW2及SW3的栅极相连的多工况功率分配及能量回收策略调节模块；所述多工况功率分配及能量回收策略调节模块包括用于在电动汽车需求功率为正或为负时，在所述复合电源内对应构成Boost升压电路结构或Buck降压电路结构的MOSFET管截止/导通控制模块。所述多工况功率分配及能量回收策略调节模块还包括用于对处于导通状态的MOSFET管进行占空比调节的终端双闭环滑模控制模块，所述终端双闭环滑模控制模块包括建立Boost升压电路和Buck降压电路的数学模型的子模块A；用于依据相应数学模型建立终端双闭环滑模面的子模块B；用于基于Lyapunov函数的稳定性分析，确定终端双闭环滑模参数的子模块C，以及用于确定终端滑模阶数的子模块D。所述子模块D基于卡尔曼滤波增益理论，自适应选择终端滑模阶数，从而实现自适应终端双闭环滑模控制策略。所述自适应选择终端滑模阶数是指，在终端滑模阶数γ的取值范围[0,1]内，系统状态在做趋近运动时等效为系统误差|x1|>1，此时选取较大的终端滑模阶数γ值，使系统具有较快的趋近速度和较好的鲁棒性；在系统状态接近滑模面或做滑模运动时等效为系统误差|x1|<1，此时选取较小的γ值，使系统获得更快的收敛速度；x1表示输出电压误差。上述电动汽车复合电源的控制方法，包括以下步骤：当电动汽车需求功率为正时，使MOSFET管SW3截止，依据锂电池和超级电容的SOC和输出电压，使复合电源构成Boost升压电路结构，根据终端双闭环滑模控制算法调节MOSFET管SW1或SW2的占空比，或者使MOSFET管SW1、SW2及SW3均截止，使复合电源构成带有LC滤波单元的被动式结构，实现锂电池和超级电容的输出功率分配；当电动汽车需求功率为负时，使MOSFET管SW1与SW2截止，复合电源构成Buck降压电路结构，根据终端双闭环滑模控制算法调节MOSFET管SW3的占空比，实现锂电池和超级电容制动能量回收。所述终端双闭环滑模控制算法包括以下步骤：对于所述复合电源输出功率为正和输出功率为负的情况，对应建立Boost升压电路和Buck降压电路的数学模型；依据相应的数学模型建立终端双闭环滑模面；基于Lyapunov函数的稳定性分析，确定双闭环滑模参数；选择终端滑模阶数(优选的基于卡尔曼滤波增益理论，自适应选择终端滑模阶数，从而实现自适应终端双闭环滑模控制策略)。所述Boost升压电路的数学模型为：所述Buck降压电路的数学模型为：其中，x1表示输出电压误差，x2表示输出电压误差的变换率，和分别为x1和x2的一阶导数，u为MOSFET管开关状态，u＝1表示导通，u＝0表示截止，Vin为输入电压，Vref为参考电压，L为电容器L1或L2的电感，C为电容器C1的电容，R表示负载对应的等效电阻。所述Boost升压电路对应的终端双闭环滑模面的函数表达式为：所述Buck降压电路对应的终端双闭环滑模面的函数表达式为：其中，iL表示电感电流，γ表示终端滑模阶数，取值范围为[0,1]，ka、kb为常值实数，表示对输出电压误差的积分项。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供一种全新结构的锂电池-超级电容复合电源拓扑结构及其功率分配及能量回收方法，可满足电动汽车一般工况下的多模式工作，该复合电源简化了级联DC-DC变换器的结构，从而减少了复合电源的能耗，提高了能量转换效率，且控制策略更易实现。进一步的，所述终端双闭环滑模控制模块在Boost升压电路模式和Buck降压电路模式下建立对应的终端双闭环滑模面函数，基于卡尔曼滤波增益理论优化终端滑模阶数取值，实现自适应终端双闭环滑模控制算法，提高了复合电源稳定性控制效果和参数估计效果，有效克服了基准电感电流不易测量和滑模系数难以确定的问题，在稳定输出电压和电感电流的同时，提高了系统控制的动态性能和鲁棒性，有效解决了传统滑模控制方法的动态性能和鲁棒性互相制约的问题。附图说明图1是本专利技术复合电源的拓扑结构示意图。图2是本专利技术多模式工作原理图；其中，(a)所示为复合电源输出功率为正时，三个MOSFET管(SW1、SW2、SW3)的占空比示意图，其中SW3截止即在一个周期T内占空比为0，用白色表示，SW1、SW2占空比在0到1之间调节，用灰色表示，且分别构成锂电池和超级电容的Boost升压电路结构；(b)所示为复合电源输出功率为正时电流流向及工作示意图；(c)所示为复合电源输出功率为负时，三个MOSFET管(SW1、SW2、SW3)的占空比示意图，其中SW1、SW2截止，调节SW3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电动汽车复合电源，其特征在于：该复合电源的拓扑结构包括锂电池、超级电容、MOSFET管、限流二极管、电感器及电容器，超级电容的正极与电感器L1的一端相连，电感器L1的另一端与MOSFET管SW1的漏极、MOSFET管SW2的漏极、MOSFET管SW3的源极及电感器L2的一端相连；电感器L2的另一端与锂电池的正极相连；MOSFET管SW3的漏极与电容器C1的正极及电动汽车电机逆变器的输入端相连；超级电容的负极与MOSFET管SW1的源极、MOSFET管SW2的源极、锂电池的负极、电容器C1的负极及电动汽车电机逆变器的输出端相连；限流二极管D1、D2及D3对应并联在MOSFET管SW1、SW2及SW3的源极和漏极。

【技术特征摘要】
1.一种电动汽车复合电源，其特征在于：该复合电源的拓扑结构包括锂电池、超级电容、MOSFET管、限流二极管、电感器及电容器，超级电容的正极与电感器L1的一端相连，电感器L1的另一端与MOSFET管SW1的漏极、MOSFET管SW2的漏极、MOSFET管SW3的源极及电感器L2的一端相连；电感器L2的另一端与锂电池的正极相连；MOSFET管SW3的漏极与电容器C1的正极及电动汽车电机逆变器的输入端相连；超级电容的负极与MOSFET管SW1的源极、MOSFET管SW2的源极、锂电池的负极、电容器C1的负极及电动汽车电机逆变器的输出端相连；限流二极管D1、D2及D3对应并联在MOSFET管SW1、SW2及SW3的源极和漏极。2.根据权利要求1所述一种电动汽车复合电源，其特征在于：所述复合电源还包括与MOSFET管SW1、SW2及SW3的栅极相连的多工况功率分配及能量回收策略调节模块；所述多工况功率分配及能量回收策略调节模块包括用于在电动汽车需求功率为正或为负时，在所述复合电源内对应构成Boost升压电路结构或Buck降压电路结构的MOSFET管截止/导通控制模块。3.根据权利要求2所述一种电动汽车复合电源，其特征在于：所述多工况功率分配及能量回收策略调节模块还包括用于对处于导通状态的MOSFET管进行占空比调节的终端双闭环滑模控制模块，所述终端双闭环滑模控制模块包括建立Boost升压电路和Buck降压电路的数学模型的子模块A；用于依据相应数学模型建立终端双闭环滑模面的子模块B；用于基于Lyapunov函数的稳定性分析，确定终端双闭环滑模参数的子模块C，以及用于确定终端滑模阶数的子模块D。4.根据权利要求3所述一种电动汽车复合电源，其特征在于：所述子模块D基于卡尔曼滤波增益理论，自适应选择终端滑模阶数。5.根据权利要求4所述一种电动汽车复合电源，其特征在于：所述自适应选择终端滑模阶数是指，在终端滑模阶数γ的取值范围[0,1]内，系统状态在做趋近运动时等效为系统误差|x1|>1，此时选取较大的终端滑模阶数γ值，使系统具有较快的趋近速度和较好的鲁棒性；在系统状态接近滑模面或做滑模运动时等效为系统误差|x1|<1，此时选取较小的γ值，使系统获得更快的收敛速度；x1表示输出电压误差。6.一种如权利要求1所述的电动汽车复合电源的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：当电动汽车需求功率为正时，使MOSFET管SW3截止，依据锂电池和超级电容的SOC和输出电压，使复合电源构成Boost升压电路结构，根据终端双闭环滑模控制算法调节MOSFET管SW1或SW2的占空比，或者使MOSFET管SW1、SW2及SW3均截止，使复合电源构成...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪建林，续丹，周欢，王斌，马光亮，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61