一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术设计一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置及其控制方法，所述装置包括：蓄电池单元、Boost升压变换单元、双有源桥式升压变换器(DAB)、电压/电流传感器、A/D模块、IGBT驱动模块、基于UDE的鲁棒电压控制器；考虑到电动汽车快速充电标准为恒功率有源负载，并且由于外部干扰和系统的不确定性、负载特性所导致的电路跟踪误差，利用恒功率负载对基于UDE的鲁棒控制进行建模，给出了稳定边界，针对不同电路参数的负载电动汽车采取了一种基于UDE的鲁棒电压控制器，以提高系统的鲁棒性，同时实现高精度跟踪。满足不同型号电动汽车的充电需求，为电动汽车的电能互济提供了技术基础。为电动汽车的电能互济提供了技术基础。

【技术实现步骤摘要】
一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置及其控制方法


[0001]本专利技术属于供电、配电的电路装置或系统领域，具体涉及一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置及其控制方法。

技术介绍

[0002]伴随着全球性化石能源危机，生态环境污染问题日益严峻，以电动汽车为代表的新能源汽车成为未来汽车行业的主流。然而，“里程焦虑”是阻碍电动汽车发展的主要问题之一，充电桩数量少大大限制了电动汽车的续航能力。为此，一种电动汽车紧急能量供应方案亟待提出。Wallbox曾发布一款名为Quasar的装置，其可以实现电动汽车向外界供电，但无法应用于两辆电动汽车之间。
[0003]基于国标中相关技术要求，本装置需要实现恒功率输出，而恒功率信号表现出负电阻增量，这严重影响了装置的稳定性。一种方案是在变换器系统中引入无源阻尼网络来提高系统的稳定性，但无源元件会导致额外的功率损耗、降低效率。另一种主动阻尼方案也被提出来改善稳定性和降低功率损耗，但传统的主动阻尼方案模仿无源元件的方式可能与其他控制目标发生冲突。
[0004]此外，为了抑制干扰和不确定性，人们提出了各种类型的抗干扰控制(Disturbance Rejection Control，以下简称DRC)。在频域DRC方法中，扰动观测器(Disturbance Observer，以下简称DOB)在控制系统中得到了广泛的应用，它利用扰动估计滤波器来实现对扰动的补偿，通过选择合适的扰动估计滤波器很容易地实现对扰动的抑制性能。而时域DRC与频域DRC方案相比，前者更适合于多输入多输出系统。
[0005]现有已知的实现电动汽车向外供电的装置有由Wallbox公布的1款Quasar装置，此装置的运行需对现有电动汽车进行大幅改装、价格高昂且应用场景并非车车供电，因此难以普及并推广市场，发挥电动汽车向外供电。为了克服该装置的缺点，实现无需大幅改装车辆条件下的电动汽车车车电量互济，选择合理的电压高增益和高功率密度运行的升压拓扑和适应于车车相互供电过程中的电路参数不确定、外部扰动等条件下保持电压稳定输出的控制策略尤为关键。
[0006]传统的升压变换器难以实现电压高增益和高功率密度运行，相关的新型升压变换器被相继提出，如多电平升压变换器、二极管
‑
电容升压变换器等。然而由于电磁饱和问题，其难以适用于高功率密度的环境。
[0007]对于装置的控制策略的研究，恒功率负载兼具负阻抗和非线性的特性，极易导致系统低频和次同步振荡。供能电动汽车蓄电池输出的特点导致电源短路比数值较低，对电路的稳定性造成不利影响。为实现兼具弱电源、恒功率负载的升压变换器稳定运行。首先，通过增加电容/电阻等无源器件的无源阻尼控制技术被提出以实现系统的稳定运行，然而，增设的物理原件增加了系统的成本和功耗。基于此，通过虚拟阻抗注入的主动阻尼技术被相继提出，该技术可以提高系统的稳定运行裕度和响应速度。然而，上述控制策略难以同时适应于多类型电动汽车，存在通用性差、宽容度低等问题。
[0008]DAB由于具有软开关功能，可以实现隔离式双向电能传输，在工业应用中得到了广泛的应用，包括直流微电网、车载充电器以及电动飞行器等。然而，系统的非线性和外部干扰，如死区效应、功率器件的通态压降、负载变化等都会导致DAB输出电压的跟踪误差。
[0009]在DAB的控制方法中，移相控制为最常用的控制方式之一，采用单移相控制时，该控制方式简单，易于反馈调节，但只能通过调节单一变量控制系统的功率输出，无法调节系统的回流功率、电流应力等特性，不利于提升变换器效率。扩展移相控制方法，在一次侧桥中加入内移相比，增加了控制自由度，并在一定程度上降低了变换器的回流功率。基于双重移相控制，在外移相比的基础上，同时在两侧H桥中引入了相同的内移相比，根据对DAB的软开关特性、回流功率等影响因素的分析，采用分段线性的控制方法来改善回流功率，相比于扩展移相控制，双重移相在变换器轻载时更好的减小回流功率和扩大软开关范围。三重移相控制下DAB的工作模态较多，回流功率数学模型过于复杂，在实际工程应用中难以推广。在数字控制DAB中存在至少一步的计算延迟。这个时间延迟会导致额外的相位滞后，破坏系统的稳定性。

技术实现思路

[0010]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置及其控制方法。
[0011]一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置包括：蓄电池单元、Boost升压变换单元、双有源桥式升压变换单元、电压/电流传感器、A/D模块、IGBT驱动模块、基于UDE的鲁棒电压控制器；
[0012]所述Boost升压变换单元，输入端与供能车蓄电池连接、输出端与双有源桥式升压单元连接；所述双有源桥式升压变换单元，输入端与Boost升压变换单元连接、输出端与负载车连接；所述电压/电流传感器，输入端与双有源桥式升压变换单元连接、输出端与A/D模块连接；所述A/D模块，输入端与电压/电流传感器连接、输出端与基于UDE的鲁棒电压控制器连接；所述基于UDE的鲁棒电压控制器，输入端与A/D模块连接、输出端与IGBT驱动模块连接；所述IGBT驱动模块，输入端与基于UDE的鲁棒电压控制器、输出端与双有源桥式升压变换单元连接；
[0013]所述双有源桥式升压变换单元，分别由原副边两个对称的H桥、通路电感L、输出侧电容C组成以及隔离原副边桥的高频变压器构成，变压器的变比为1：n；所述原副边两个对称的H桥由全控功率器件Q1～Q8组成；所述Q1～Q4与通路电感L并联，通路电感L同时与全控功率器件Q5～Q8以及输出侧电容C并联；它们整体又与隔离原副边桥的高频变压器并联；
[0014]另一方面，一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置的控制方法，具体包括以下步骤：
[0015]步骤1：将供能电动汽车的蓄电池电压通过通电导线和带正负极性的电夹子与Boost升压变换电路相连，将耗能汽车通过充电口直接与双有源桥式升压变换电路的电能输出端口相连；车载蓄电池供电属于弱电源供电，弱电源等效为电源串联电感的戴维南等效电路；其中等效电感L＝1/SCR[p.u.]，SCR称之为最小短路比，常用于表征电网的强度，属于弱电源输入系统，最终boost升压变换单元电压等效为输入电压V
dc
，输入电流为i
u
；
[0016]步骤2：蓄电池单元将其等效后的电压信号传递给Boost升压变换单元，输入电压
V
dc
通过Boost升压变换单元后将进行局部升压，以电压V
in
输出；
[0017]采用戴维南等效阻抗的广义平均模型对Boost升压变换单元建立模型，平均建模如下所示：
[0018][0019][0020]其中，u
u
表示Boost电路中的占空比，ΔL
gu
表示戴维南等效电感值，L
u
表示Boost电路中的通路电感，ΔC
u
表示寄生电容导致的电容不确定值；V
in
为Bo本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置，其特征在于，具体包括：蓄电池单元、Boost升压变换单元、双有源桥式升压变换单元、电压/电流传感器、A/D模块、IGBT驱动模块、基于UDE的鲁棒电压控制器；所述Boost升压变换单元，输入端与供能车蓄电池连接、输出端与双有源桥式升压单元连接；所述双有源桥式升压变换单元，输入端与Boost升压变换单元连接、输出端与负载车连接；所述电压/电流传感器，输入端与双有源桥式升压变换单元连接、输出端与A/D模块连接；所述A/D模块，输入端与电压/电流传感器连接、输出端与基于UDE的鲁棒电压控制器连接；所述基于UDE的鲁棒电压控制器，输入端与A/D模块连接、输出端与IGBT驱动模块连接；所述IGBT驱动模块，输入端与基于UDE的鲁棒电压控制器、输出端与双有源桥式升压变换单元连接。2.根据权利要求1所述的一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置，其特征在于，所述双有源桥式升压变换单元，分别由原副边两个对称的H桥、通路电感L、输出侧电容C组成以及隔离原副边桥的高频变压器构成，变压器的变比为1：n；所述原副边两个对称的H桥由全控功率器件Q1～Q8组成；所述Q1～Q4与通路电感L并联，通路电感L同时与全控功率器件Q5～Q8以及输出侧电容C并联；它们整体又与隔离原副边桥的高频变压器并联。3.权利要求1所述的一种恒功率模式下的电动汽车电量互济装置的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：将供能电动汽车的蓄电池电压通过通电导线和带正负极性的电夹子与Boost升压变换电路相连，将耗能汽车通过充电口直接与双有源桥式升压变换电路的电能输出端口相连；车载蓄电池供电属于弱电源供电，弱电源等效为电源串联电感的戴维南等效电路；其中等效电感L＝1/SCR[p.u.]，SCR称之为最小短路比，常用于表征电网的强度，属于弱电源输入系统，最终boost升压变换单元电压等效为输入电压V
dc
，输入电流为i
u
；步骤2：蓄电池单元将其等效后的电压信号传递给Boost升压变换单元，输入电压V
dc
通过Boost升压变换单元后将进行局部升压，以电压V
in
输出；采用戴维南等效阻抗的广义平均模型对Boost升压变换单元建立模型，平均建模如下所示：所示：其中，u
u
表示Boost电路中的占空比，ΔL
gu
表示戴维南等效电感值，L
u
表示Boost电路中的通路电感，ΔC
u
表示寄生电容导致的电容不确定值；V
in
为Boost电路的输出电压，C
u
为Boost电路的输出电容，V
dc
表示蓄电池单元接入Boost电路的输入电压，i
u
为Boost电路的通路电流，i
in
为Boost电路的输出电流；步骤3：基于步骤2得到的局部升压信号V
in
，通过电量输入端口接入电压高增益的双有源桥式升压变换单元；所述双有源桥式升压变换单元，通过电能输入端口采集经过Boost电路初升压后的电压值，通过改变内部变压器的变比，对输入的电压进行稳定的升压变换；双有源桥式升压变换单元采用单移相SPS对双有源桥式升压变换单元内部变压器进行调制时，若以F
s
为开关频率，以D为移相角，固定占空比为50％，此时双有源桥式升压变换单
元输入端口和输出端口的传递功率为：其中V
in
表示双有源桥式升压变换单元的输入电压，L表示变压器的电感，V
o
表示双有源桥式升压变换单元的输出电压；n表示变压器的变比；通过调制相应的变压器变比，使输入电压V
in
达到电动汽车充电所需的额定电压值V
out
；步骤4：基于步骤3所述移相调制策略和升压过程，综合双有源桥式升压变换单元电路结构对DAB升压变换单元的电路结构和移相调制方式进行集成重构，得到双有源桥式升压变换单元的动态电流模型，为UDE的鲁棒电压控制器提供了一个通用的线性模型；所述通用线性模型通过UDE对输出电压V
o
跟踪的参考电压V
ref
进行采集和计算，得到相应的电流跟踪量m
ref
，该电流跟踪量作为双有源桥式升压变换单元的输入，通过对电流跟踪量进行时间延迟计算和相位转换得到控制量驱动双有源桥式升压变换单元工作，双有源桥式升压变换电路输出动态电流m，该电流为动态变化的电流因此该模型为动态的线性模型，m最终分解为通过双有源桥式升压变换单元输出电容的电流i
c
和双有源桥式升压变换单元的输出端口电流i
o
，i
o
作为闭环输入量又返回到基于UDE的鲁棒电压控制器；步骤5：基于步骤4重构的双有源桥式升压变换单元的动态电流模型，电压/电流传感器将双有源桥式双升压变换单元的输出电流m转换为数字信号，并作为输入传递到基于UDE的鲁棒电压控制器；即基于UDE的鲁棒电压控制器根据双有源桥式升压变换单元的电流模型来设计，此时如果将鲁棒控制器的输出直接设计为相移角，控制器将失去通用性，但由于电流模型相同，所以面向电流的控制器设计概念可简化控制器的设计，此时相移角D导致的电流跟踪误差应考虑到控制器的设计，以补偿系统的不缺定性和电压的跟踪误差，综合考虑系统特性、外部扰动、内部参数变化所带来的不确定性，理想电流模型被设计为传递函数；步骤6：基于步骤4双有源桥式升压变换单元的重构线性模型和步骤5的理想电流模型，得到UDE的鲁棒电压控制策略的线性系统、系统状态的参考值以及跟踪误差收敛；步骤7：基于线性系统的不确定性和扰动量V
d
(t)，在此处引入一个估计值V
de
(t)代替系统的不确定性和外部扰动值，得到扰动估计量在时域中的表示；步骤8：基于步骤7提出的扰动估计量在时域的表示，重新定义状态系统参考值；步骤9：根据UDE的鲁棒电压的线性系统和双有源桥式升压变换单元的动态模型，得到相应控制律；当系统扰动量不消失时，设计扰动估计滤波器；步骤10：基于步骤9得到的控制律以及设计的扰动估计滤波器，当电能输出端口接入恒功率负载时，装置电路中电压电流的关系变化趋势相反，最终得到装置电路保持稳定的条件；步骤11：基于步骤9得到的控制律，根据电动汽车的标准合理地设置闭环带宽α，误差收敛速度k，干扰抑制带宽β，并考虑步骤11在恒功率模式下得到的装置电路稳定性条件，最后控制信号由基于UDE的鲁棒电压控制器发出，传递至IGBT驱动模块，由IGBT模块将基于UDE的鲁棒电压控制器的控制信号转化为IGBT驱动信号，对全控器件进行开关控制，实现了双有源桥式升压变换单元的移相调制，最终实现电压的增益过程，以电压V
out
输出；步骤12：需要充电的耗能汽车与双有源桥式升压变换单元的电能输出端口直接相连，获取由供能电动汽车的蓄电池组经过升压变换后的电压V
out
，并在恒功率充电过程中，因控
制器的设计，电路能够保持稳定的输出，从而使得耗能电动汽车获得稳定的输入充电电压；在恒功率的充电模式下，电动汽车的充电模式为快充模式，实现高...

【专利技术属性】
技术研发人员：王睿，刘嘉伟，吴谦平，孙城晧，孙秋野，王云帆，赵璐歆，汪翔，荣世阳，马文慧，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：