用于測(cè)試至少部分地被電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛動(dòng)力總成系統(tǒng)的方法和裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于測(cè)試至少部分地被電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)的方法，在該方法中通過(guò)控制器控制供應(yīng)給動(dòng)力總成系統(tǒng)的電壓，該控制器與用于蓄能器系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)以這樣的方式耦合，使得電壓如同物理的蓄能器系統(tǒng)那樣動(dòng)態(tài)地起作用?？刂破鹘柚谀Ｐ偷目刂破髟O(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)，并且動(dòng)力總成系統(tǒng)的負(fù)載模型被集成到受控系統(tǒng)的模型中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于測(cè)試至少部分地被電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛動(dòng)力總成系統(tǒng)的方 法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于測(cè)試至少部分地被電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)的方法， 在此通過(guò)控制器控制作用在動(dòng)力總成系統(tǒng)上的電壓，該控制器與用于蓄能器系統(tǒng)的模擬系 統(tǒng)以這樣的方式耦合，使得所述電壓如在物理蓄能器系統(tǒng)中那樣動(dòng)態(tài)地起作用。本發(fā)明還 涉及一種用于實(shí)施該方法的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 混合動(dòng)力車(chē)輛（HEV)和電動(dòng)車(chē)輛（EV)的開(kāi)發(fā)是復(fù)雜任務(wù)，其包含數(shù)量眾多的之 前尚未用于汽車(chē)工業(yè)中的新技術(shù)。掌握此任務(wù)需要提前測(cè)試單個(gè)組件，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 并確保無(wú)縫集成。然而，組件間彼此具有相互作用，以致在沒(méi)有能夠模擬這些相互作用的 適合的測(cè)試臺(tái)時(shí)無(wú)法進(jìn)行孤立的測(cè)試。每個(gè)組件需要單獨(dú)的盡可能相應(yīng)于未來(lái)的使用條 件的環(huán)境。包括一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)馬達(dá)的動(dòng)力總成系統(tǒng)不僅需要機(jī)械的、而且也需要電氣的 測(cè)試環(huán)境。電氣環(huán)境的一個(gè)重要部分是牽引電池。借助真正電池的測(cè)試要求對(duì)電池進(jìn)行 耗時(shí)的預(yù)調(diào)節(jié)，以便實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成系統(tǒng)的定義的工作條件。電池老化還阻礙測(cè)試運(yùn)行的確 定性重復(fù)。另外常常希望在適合的電池還不可用時(shí)盡可能早地測(cè)試動(dòng)力總成系統(tǒng)。這些 挑戰(zhàn)可通過(guò)使用電池模擬器（BE)得以克服，電池模擬器通過(guò)模擬電氣特性來(lái)代替牽引電 池。通常使用復(fù)雜度高或低的電池模型來(lái)模擬所述特性?？删幊痰闹绷麟娫丛谄漭敵龆松?復(fù)制模擬電池電壓并且為動(dòng)力總成系統(tǒng)供應(yīng)所需的電流。測(cè)得的充電電流被反饋到模擬模 型中，以便更新虛擬電池的狀態(tài)。基于幾十甚至上百千瓦的功率需求必須用直流_直流變 換器來(lái)代替線性電源。電池內(nèi)部的電化學(xué)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)與功率電子裝置及電氣動(dòng)力總成 系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)相比通常較慢。但基于雙電層效應(yīng)和歐姆電阻以及電池單元之間的連接的 電感所產(chǎn)生的電容，端電壓可基于負(fù)載電流瞬變極迅速地變化。例如負(fù)載電流的逐步增加 引起端電壓的迅速下降。簡(jiǎn)單地由電池模型復(fù)制開(kāi)放電路的電壓是不夠的；必須模擬電池 的內(nèi)部阻抗。因此，需要設(shè)計(jì)這樣的控制器，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓的快速跟蹤控制 (Fiihrungsregelung)并且在負(fù)載電流變化時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的干擾抑制，從而抑制電池模擬器輸 出級(jí)的輸出阻抗并且可預(yù)規(guī)定電池模型的阻抗。
[0003] 模擬超級(jí)電容電池需求的增加進(jìn)一步增加了所需的帶寬，因?yàn)槌?jí)電容電池比電 化學(xué)電池具有更快的動(dòng)態(tài)。
[0004] 在運(yùn)行期間，牽引逆變器調(diào)節(jié)由電驅(qū)動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生的速度或扭矩。電池端電壓的變 化通過(guò)控制器補(bǔ)償，使得逆變器的功率消耗不改變。在文獻(xiàn)中這種負(fù)載通常被稱(chēng)為恒功率 負(fù)載（ConstantPowerLoad，CPL)。當(dāng)直流-直流變換器而非電池加載CPL時(shí)，該系統(tǒng)基于 CPL的負(fù)阻抗是不穩(wěn)定的。這在緊湊的高性能汽車(chē)逆變器中特別成問(wèn)題。與用于工業(yè)應(yīng)用 的逆變器相比，牽引逆變器通常具有小的鏈路電容器，該鏈路電容器降低穩(wěn)定裕度。所產(chǎn)生 的小的濾波電容導(dǎo)致負(fù)載瞬變和紋波電流被傳送回直流電源。
[0005] 電源模擬有許多應(yīng)用領(lǐng)域。電池模擬也有助于測(cè)試娛樂(lè)電子設(shè)備、如在
[P.H.Chou,C.Park,J.Park,K.PhamandJ.Liu,〃B#:abatteryemulatorandpower profilingInstrument(電池模擬器和功率譜儀），〃inISLPED'03:Proceedingsof the2003internationalSymposiumonLowpowerelectronicsanddesign(低功耗 電子和設(shè)計(jì)國(guó)際研討會(huì)）?NewYork,NY,USA:ACM, 2003,pp. 288-293]。燃料電池電源逆 變器的測(cè)試可能由于燃料電池原型有限的可用性和昂貴的損壞危險(xiǎn)而成問(wèn)題。因此模擬 燃料電池是有利的[A.GebregergisandP.Pillay,"Thedevelopmentofsolidoxide fuelcell(sofc)emulator(固體氧化物燃料電池（SOFC)模擬器的發(fā)展），〃inPower ElectronicsSpecialistsConference, 2007 (2007 年電力電子專(zhuān)家會(huì)議）.PESC2007. IEEE, 17-212007,pp. 1232-1238]。在兩個(gè)文獻(xiàn)中使用了線性功率放大器，以便將電源 模型與受測(cè)試系統(tǒng)連接。雖然這種放大器具有高的帶寬，但其基于其低的效率局限于 小的功率級(jí)。另一重要的應(yīng)用領(lǐng)域是測(cè)試光電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器。在[M.C.DiPiazza andG.Vitale,"Photovoltaicfieldemulationincludingdynamicandpartial shadowconditions(包括動(dòng)態(tài)和局部陰影條件的光伏領(lǐng)域仿真），"AppliedEnergy(應(yīng) 用能源），vol. 87,no. 3,pp. 814-823, 2010]中，描述了一種基于直流-直流變換器的光 伏模塊模擬器。在[T.Baumhfifer,W.WaagandD.Sauer，"Specializedbattery emulatorforautomotiveelectricalSystems(用于汽車(chē)電氣系統(tǒng)的專(zhuān)用電池模 擬器），〃inVehiclePowerandPropulsionConference(VPPC)(車(chē)輛動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)會(huì) 議），2010IEEE，Sept. 2010,pp. 1-4]中描述了一種汽車(chē)起動(dòng)器電池模擬器。
[0006] 在多個(gè)出版物中研究了與CPL連接的直流-直流變換器。通過(guò)[V.GrigOTe，J. Hatonen,J.KyyraandT.Suntio,''DynamicsofabuckConverterwithaconstant powerload(具有恒功率負(fù)載的降壓型轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)），"inPowerElectronics SpecialistsConference，1998(1998年電力電子專(zhuān)家會(huì)議）.PESC98Record. 29thAnnual IEEE，vol.l，17-221998，pp.72-78vol.l]和[B.Choi，B.ChoandS.-S.Hong，"Dynamics andcontrolofdc-to-dcConvertersdrivingotherConvertersdownstream(驅(qū)動(dòng)其 它下游轉(zhuǎn)換器的直流-直流變換器的動(dòng)態(tài)與控制），"CircuitsandSystemsI(電路與系 統(tǒng)I):FundamentalTheoryandApplications(基石出理論與應(yīng)用），IEEETransactionson ，vol. 46,no. 10,pp. 1240-1248,Oct. 1999]引入了負(fù)阻抗不穩(wěn)定性的方案。
[0007] 所建議的穩(wěn)定控制方法從反饋線性化[J.CiezkiandR.Ashton，"The applicationoffeedbacklinearizationtechniquestothestabilizationof dc-to-dcConverterswithconstantpowerloads(反饋線性化技術(shù)應(yīng)用于具有恒功 率負(fù)載的直流-直流變換器的穩(wěn)定），〃inCircuitsandSystems，1998 (1998年電路與 系統(tǒng)）.ISCAS'98.Proceedingsofthe1998IEEEInternationalSymposiumon(1998 年IEEE國(guó)際研討會(huì)），vol.3，May_3.June1998，pp.526_529vol.3]及[A.Emadiand M.Ehsani，"Negativeimpedancestabilizingcontrolsforpwmdc-dcConverters usingfeedbacklinearizationtechniques(利用反饋線性化技術(shù)對(duì)PWM直流-直 流變換器的負(fù)阻抗穩(wěn)定控制），〃inEnergyConversionEngineeringConference andExhibit，2000 (2000 年能量轉(zhuǎn)換工程會(huì)議和展覽）.（IECEC) 35thIntersociet y，vol.l，2000，pp.613_620vol.l]到滑模控制[A.Emadi，A.Khaligh，C.Rivettaand G.Williamson，"Constantpowerloadsandnegativeimpedanceinstabilityin automotiveSystems:definition,modeling,stability,andcontrolofpower electronicConvertersandmotordrives(汽車(chē)系統(tǒng)中的恒功率負(fù)載和負(fù)阻抗不穩(wěn)定性： 定義、建模、穩(wěn)定性和電力電子轉(zhuǎn)換器的控制及電機(jī)驅(qū)動(dòng)），"VehicularTechnology(車(chē)輛 技術(shù)），IEEETransactionson，vol. 5,no. 4,pp. 1112-1125,July2006]到基于無(wú)源性的 PID設(shè)計(jì)[A.KwasinskiandP.Krein，''Passivity-basedcontrolofbuckConverters withconstant-powerloads(具有恒功率負(fù)載的降壓型轉(zhuǎn)換器的基于無(wú)源性的控 制），"inPowerElectronicsSpecialistsConference，2007(2007 年電力電子專(zhuān)家會(huì) 議）?PESC2007.IEEE，2007,pp. 259-265]再到有源阻尼[A.RahimiandA.Emadi，"Active dampingindc/dcpowerelectronicConverters:Anovelmethodtoovercomethe Problemsofconstantpowerloads(DC/DC電力電子轉(zhuǎn)換器中的有源阻尼：一種克服 恒功率負(fù)載問(wèn)題的新方法，〃IndustrialElectronics(工業(yè)電子），IEEETransactions on，vol. 56,no. 5,pp. 1428-1439,May2009]。用于穩(wěn)定具有CPL的電力網(wǎng)絡(luò)的模型預(yù)測(cè) 控制在[M.ZimaandG.Andersson，"Modelpredictivecontrolemployingtrajectory sensitivitiesforpowerSystemsapplications(米用軌跡靈敏度的模型預(yù)測(cè)控制 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用），〃inDecisionandControl，2005and2005EuropeanControl Conference(2005年決策與控制會(huì)議及2005年歐洲控制會(huì)議）.CDC-ECC' 05. 44thIEEE Conferenceon，2005,pp. 4452-4456]被提出。所有這些方法的共同點(diǎn)在于：電源轉(zhuǎn)換器必 須為一個(gè)或多個(gè)用作CPL的逆變器提供恒定電壓。所建議的用于控制器設(shè)計(jì)的方法確保穩(wěn) 定的閉合控制回路，但跟蹤控制（如考慮）較慢并且具有欠阻尼振蕩。在此提出的應(yīng)用相 反要求快速的跟蹤控制。
[0008] 其它的要求快速跟蹤控制的電子電源轉(zhuǎn)換器是產(chǎn)生交流電壓的不間斷電源（UPS/ USV)。可利用交流電壓的周期性來(lái)改善跟蹤控制和干擾抑制[K.Zhang，L.Peng，Y.Kang andJ.Xiong，〃State-feedback-with_integralcontrolplusrepetitivecontrolfor UPSinverters(UPS逆變器的增廣狀態(tài)控制和重復(fù)控制），〃inTwentiethAnnualIEEE AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition，2005 (2005 年第二十屆IEEE 應(yīng)用電力電子會(huì)議和博覽會(huì)）.APEC2005.，no. 2.IEEE，2005,pp. 553-559]。在電池模擬器 (BE)中輸出電壓不是周期性的，而是取決于通過(guò)電池模型的負(fù)載電流，因此所述方法不能 用于此。
[0009] 由于數(shù)字控制器平臺(tái)的計(jì)算能力逐漸提高以及算法改進(jìn)，模型預(yù)測(cè)控制（MPC) 不再局限于動(dòng)態(tài)緩慢的系統(tǒng)?，F(xiàn)在模型預(yù)測(cè)控制也可用于要求高采樣率的系統(tǒng)、如電 力電子電源轉(zhuǎn)換。采用MPC控制直流-直流變換器在[T.GeyenG.Papafotiouand M.Morari，〃0ntheoptimalcontrolofswitch-modedc-dcConverters(開(kāi)關(guān)模式直 流-直流變換器的最優(yōu)控制），"HybridSystems:ComputationandControl(混合動(dòng)力 系統(tǒng)：計(jì)算與控制），PP.77-85, 2004]中提出并且在[T.Geyer，G.Papafotiou，R.Frasca andM.Morari，"Constrainedoptimalcontrolofthestep-downdc-dcConverter(降 壓型直流-直流變換器的約束優(yōu)化控制，"PowerElectronic^電力電子技術(shù)），IEEE Transactionson，vol. 23,no. 5,pp. 2454-2464,Sept. 2008]中不出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此所謂的 顯式模型預(yù)測(cè)控制（eMPC) [A.Bemporad，F(xiàn).BorrelliandM.Morari，''Modelpredictive controlbasedonlinearprogrammingtheexplicitSolution(基于線性規(guī)劃顯性角軍 的模型預(yù)測(cè)控制），''AutomaticControl(自動(dòng)控制），IEEETransactionson，vol. 47,no.12,S. 1974-1985,Dez. 2002]是計(jì)算可行性的關(guān)鍵。在[A.Wills，D.Bates，A.Fleming，B. NinnessandR.Moheimani，''Applicationofmpctoanactivestructureusing samplingratesupto25khz(MPC應(yīng)用于米樣率直至 25kHz的有源結(jié)構(gòu)中），〃inDecision andControl，2005and2005EuropeanControlConference(2005 年決策與控制會(huì)議及 2005 年歐洲控制會(huì)議）.CDC-ECC'05. 44thIEEEConferenceon，2005,pp. 3176-3181]中 示出采用采樣率限制在5kHz至25kHz的MPC進(jìn)行有源振蕩抑制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)于采樣 時(shí)間為150us的孤立的全橋轉(zhuǎn)換器的非線性MPC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在[Y.Xie，R.Ghaemi，J.Sim andJ.Freudenberg，''Implicitmodelpredictivecontrolofafullbridgedc-dc Converter(全橋直流-直流變換器的隱式模型預(yù)測(cè)控制），"PowerElectronics(電力電 子技術(shù)），IEEETransactionson，vol.24，no. 12，pp.2704-2713,2009]中給出?升壓型 轉(zhuǎn)換器的非線性MPC在[J.Bonilla，R.DeKeyser，M.DiehlandJ.ESPINOZA，''FastNMPC ofaDC-DCConverter:anexactNewtonreal-timeIterationapproach(直流-直 流變換器的快速NMPC:準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的牛頓迭代法），〃inProc.ofthe7thIFACSymposium onNonlinearControlSystems(N0LC0S2007) (2007 年第七屆IFAC非線性控制系統(tǒng) 研討會(huì)），2007]中被描述，但沒(méi)有給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于三相并網(wǎng)逆變器的模擬線性在線 MPC-其在[S.Richter，S.MariethozandM.Morari，"High-speedonlinempcbased onafastgradientmethodappliedtopowerConvertercontrol(基于快速梯度法的 高速在線MPC應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換器控制），〃inAmericanControlConference(ACC)(美國(guó) 控制會(huì)議），2010, 302010-2.July2010,pp. 4737-4743]中被描述--示出，該在線MPC可 在標(biāo)準(zhǔn)的DSP上在10us…50us中被執(zhí)行；但也沒(méi)有給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在最后一個(gè)文獻(xiàn)中 使用的算法基于快速梯度法，該方法在[S.Richter，C.JonesandM.Morari，"Real-time input-constrainedmpcusingfastgradientmethods(使用快速梯度法的實(shí)時(shí)輸入約 束MPC)，"inDecisionandControl，2009heldjointlywiththe200928thChinese ControlConference(2009年決策和控制與2009年第二十八屆中國(guó)控制會(huì)議共同舉 辦）.CDC/CCC2009.Proceedingsofthe48thIEEEConferenceon，2009,pp. 7387-7393] 中被提出。
[0010] 專(zhuān)用于MPC的快速求解算法在[R.MilmanandE.Davison，〃Afastmpc algorithmusingnonfeasibleactivesetmethods(使用不可行活動(dòng)集法的快速mpc 算法，〃JournalofOptimizationTheoryandApplications(優(yōu)化理論與應(yīng)用雜志），v ol. 139,pp. 591-616, 2008, 10. 1007/sl0957-008-9413-3]、[H.J.Ferreau，H.G.Bockand M.Diehl，〃Anonlineactivesetstrategytoovercomethelimitationsofexplicit mpc(用于克服顯式mpc限制的在線活動(dòng)集策略），〃Int.J.RobustNonlinearControl(魯 棒非線性控制國(guó)際雜志），vol. 18,no. 8,pp. 816-830, 2008]和[Y.WangandS.Boyd，"Fast modelpredictivecontrolusingonlineoptimization(使用在線優(yōu)化的快速模型預(yù)測(cè) 控制），"ControlSystemsTechnology(控制系統(tǒng)技術(shù)），IEEETransactionson，vol. 18， no. 2,pp. 267-278, 2010]。
[0011] 通常用于直流_直流變換器的控制器被設(shè)計(jì)用于額定負(fù)載，該額定負(fù)載在很多情 況下是電阻。在使用基于模型的控制器設(shè)計(jì)時(shí)可構(gòu)造用于具有任意負(fù)載的轉(zhuǎn)換器的控制 器，只要有適合的模型可用。因此無(wú)需根據(jù)具有額定負(fù)載的電阻建立控制方案。本文提出 一種適合用于MPC設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器模型，該模型包括具有附加輸入濾波電容的CPL。該模型基 于CPL的線性化負(fù)等效阻抗，該等效阻抗與輸出電壓和負(fù)載的功率需求有關(guān)。提出兩種不 同的線性MPC設(shè)計(jì)方法，它們考慮工作點(diǎn)變化。第一種方法是包含兩個(gè)內(nèi)部模型的簡(jiǎn)單的 魯棒MPC設(shè)計(jì)，所述模型再現(xiàn)大致的負(fù)載阻抗的極值。第二種方法是調(diào)度控制器設(shè)計(jì)，該設(shè) 計(jì)為預(yù)期工作范圍上的一系列工作點(diǎn)使用不同的控制器參數(shù)集?；诠烙?jì)的負(fù)載功率需求 在每個(gè)采樣步驟中選擇最近的參數(shù)集用于計(jì)算下一控制過(guò)程。使用觀察器以便在存在未測(cè) 量的干擾的情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)偏差（ohnebleibendeRegelabweichung)的控制，另外還可過(guò)濾 測(cè)量的干擾并且估計(jì)負(fù)載功率需求。
[0012] 為了實(shí)施約束的MPC，提出一種啟發(fā)式的活動(dòng)集法，以便在可用于計(jì)算的有限 時(shí)間內(nèi)快速找到好的活動(dòng)集。該方法和魯棒mpc方法在[aKdnig,S.Jakubekand G.Prochart,''Modelpredictivecontrolofabatteryemulatorfortestingof hybridandelectricpower-trains(用于測(cè)試混合動(dòng)力和電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)的電池模 擬器的模型預(yù)測(cè)控制），"2011，acceptedforPresentationat:2011IEEEVehiclePower andPropulsionConference(VPPC)(車(chē)輛動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)會(huì)議）]中提出，但沒(méi)有關(guān)于電感電流 的限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 提出一種用于高性能降壓型直流-直流變換器的在線MPC(模型預(yù)測(cè)控制）途徑。 該轉(zhuǎn)換器是在混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)上代替牽引電池的電池模擬器 的一部分。這個(gè)應(yīng)用要求輸出電壓盡快跟蹤模擬電池模型的參考電壓，同時(shí)對(duì)于快速負(fù)載 瞬變不敏感。轉(zhuǎn)換器的弱阻尼輸出濾波器與快速控制的用作CPL的逆變器的組合導(dǎo)致不穩(wěn) 定的系統(tǒng)。負(fù)載的確切數(shù)據(jù)在控制器設(shè)計(jì)階段是未知的，且功率需求在運(yùn)行中是波動(dòng)的。為 了優(yōu)化效率并且保護(hù)硬件，考慮控制變量約束和電感電流約束。所提出的基于活動(dòng)集法的 MPC可實(shí)現(xiàn)快速跟蹤控制，盡管存在CPL且維持輸入約束和狀態(tài)約束。
[0014] 控制算法可以以所需的采樣率在市售的數(shù)字控制器硬件上執(zhí)行。借助60千瓦的 電池模擬器--其為逆變器饋電--的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所建議控制方法的效率。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，所述控制器借助基于模型的控制器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，在受控制系統(tǒng)的 模型中使用動(dòng)力總成系統(tǒng)的負(fù)載模型。
[0016] 一種優(yōu)選實(shí)施方式的特征在于,測(cè)量輸出電壓、估計(jì)動(dòng)力總成系統(tǒng)的功率需求并 且根據(jù)輸出電壓和估計(jì)的負(fù)載功率需求改變負(fù)載模型的參數(shù)，并且這種改變優(yōu)選通過(guò)在完 整的參數(shù)集之間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0017] 可選地，借助觀察器基于測(cè)得的負(fù)載電流估計(jì)負(fù)載功率需求。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明提出一種用于測(cè)試至少部分地被電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)的 裝置，包括用于蓄能器系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)以及用于控制電壓的控制器，該電壓以這樣的方式 加載動(dòng)力總成系統(tǒng)，使得該電壓如在物理蓄能器系統(tǒng)中那樣動(dòng)態(tài)地起作用，控制器與模擬 系統(tǒng)耦合，其特征在于，在控制器中設(shè)置模型預(yù)測(cè)控制回路并且在受控系統(tǒng)中集成負(fù)載模 型。
[0019] 該裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方式的特征在于，集成與負(fù)載功率需求相關(guān)的模型。
[0020] 可選地，兩種所提裝置的特征可在于，在控制器中設(shè)置模型預(yù)測(cè)控制。
[0021] 可集成與蓄能器系統(tǒng)的輸出電壓相關(guān)的模型。
[0022] 電池模擬器的模型預(yù)測(cè)控制允許將負(fù)載模型優(yōu)化集成到受控系統(tǒng)的模型中，使得 負(fù)載不再是未知的干擾，而是明確地在控制器中被考慮。負(fù)載模型的參數(shù)與負(fù)載功率需求 相關(guān)。當(dāng)為基于模型的預(yù)測(cè)控制器使用線性化模型時(shí)，模型參數(shù)附加地與輸出電壓有關(guān)。因 此采用適合于調(diào)度基于模型的預(yù)測(cè)控制器的控制參數(shù)集。根據(jù)測(cè)得的輸出電壓和估計(jì)的電 流需求來(lái)切換或混合參數(shù)集。為此目的，借助觀察器并且基于測(cè)得的負(fù)載電流來(lái)估計(jì)負(fù)載 功率需求。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 下面參考附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。附圖如下：
[0024] 圖1為具有電池模擬器的動(dòng)力總成系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)的示意圖；
[0025] 圖2為電池模擬器輸出級(jí)的示意圖；
[0026] 圖3為負(fù)載模型的視圖：(a)恒功率負(fù)載的靜態(tài)特征線、（b)非線性的負(fù)載模型、 (c)工作點(diǎn)周?chē)木€性化小信號(hào)模型；
[0027] 圖4為電池模擬器模型的框圖；
[0028] 圖5為所建議的控制器結(jié)構(gòu)的框圖；
[0029] 圖6為提建議的用于模型預(yù)測(cè)控制（MPC)的算法的視圖，其中上行表示輸出電壓 的預(yù)測(cè)軌跡，下行表示控制變量的相應(yīng)序列，而列表示連續(xù)的采樣步驟；
[0030] 圖7為所建議的算法與使用一般QP求解算法的MPC的比較；
[0031] 圖8為魯棒控制器方案的框圖；
[0032] 圖9為調(diào)度控制器（schedulingcontroller)的框圖；
[0033] 圖10為在恒功率負(fù)載時(shí)功率需求從OkW到60kW的階躍式變化的模擬結(jié)果，在此 上方的線表示輸出電壓、電感電流和負(fù)載電流，下方的線表示所使用的占空比；
[0034] 圖11為空載時(shí)參考電壓階躍式變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
[0035] 圖12為參考電壓階躍式變化的圖表，其顯示電感電流約束的有效性；
[0036] 圖13為在具有恒功率負(fù)載的運(yùn)行中參考電壓變化序列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此下方的 線表示用于調(diào)度控制器的參數(shù)集的選擇和用于魯棒控制器的占空比；
[0037] 圖14為恒功率負(fù)載的功率需求從P=OkW到P= 24kW的階躍式變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0038] 圖1示出一種典型的測(cè)試臺(tái)配置的示例。該設(shè)備包括HEV或EV動(dòng)力總成系統(tǒng)的 功率電子裝置，其一方面代表負(fù)載并且另一方面代表代替物理牽引電池的電池模擬器。在 控制器設(shè)計(jì)中，電池模擬器和負(fù)載分開(kāi)建模并且隨后被組合成一個(gè)系統(tǒng)模型。
[0039] 圖2示出電池模擬器的示意圖。主要組成部分是輸出級(jí)，該輸出級(jí)包括三個(gè)交錯(cuò) 降壓型直流-直流變換器，所述轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)共同的輸出電容器Q，輸出級(jí)提供輸出電壓 V2，所述輸出電壓用于模擬電池端電壓。整流器在此不考慮并且Q足夠大，以致DC鏈路電 壓可假定為常數(shù)。
[0040] 模擬調(diào)制器通過(guò)其輸入端上的單個(gè)接通命令d進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM)并 且補(bǔ)償電感電流。實(shí)時(shí)MPC的簡(jiǎn)化模型通過(guò)平均開(kāi)關(guān)建模[R.W.Erickson andD.Maksimovic,Fundamentalsofpowerelectronics(電 力電子 技術(shù)基 礎(chǔ)）.Springer, 2001]以及通過(guò)將三個(gè)電感器并聯(lián)為一個(gè)等效電感LI獲得，如 [S.Mariethoz,A.BeccutiandM.Morari,''Modelpredictivecontrolofmultiphase interleaveddc-dcConverterswithsensorlesscurrentlimitationandpower ba1ance(具有無(wú)傳感器的電流限制和功率平衡的多相交錯(cuò)的直流-直流變換器的模 型預(yù)測(cè)控制），，'inPowerElectronicsSpecialistsConference, 2008(2008 年電力 電子專(zhuān)家會(huì)議）?PESC2008.IEEE, 2008,pp. 1069-1074]或[H.Bae,J.Lee,J.Yangand B.H.Cho,''Digitalresistivecurrent(drc)controlfortheparallelinterleaved dc-dcConverters(并聯(lián)交錯(cuò)的直流-直流變換器的數(shù)字阻性電流（drc)控制），"Power Electronics(電力電子），IEEETransactionson,vol. 23,no. 5,pp. 2465-2476, 2008]。
[0041] 然后，將所有三個(gè)電流之和il=ila+ilb+ilc選為新電感電流。電感器和半導(dǎo)體 開(kāi)關(guān)的歐姆電阻通過(guò)RL1近似表示。由負(fù)載消耗的電流以i2表示。借助被選為[ilv2] T的轉(zhuǎn)換器狀態(tài)向量、控制變量u=d?V0和控制變量i2所述系統(tǒng)通過(guò)狀態(tài)空間模型來(lái)描 述：
[0042]

【權(quán)利要求】
1. 用于測(cè)試至少部分地被電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)的方法，在該方法中借助用 于蓄能器系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)和與該模擬系統(tǒng)耦合的控制器以這樣的方式控制供應(yīng)給動(dòng)力總 成系統(tǒng)的電壓，使得電壓與真實(shí)的蓄能器系統(tǒng)相應(yīng)地動(dòng)態(tài)地起作用，其特征在于，借助基于 模型的控制器設(shè)計(jì)方法來(lái)建立控制器，動(dòng)力總成系統(tǒng)的負(fù)載模型被集成到受控系統(tǒng)的模型 中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，測(cè)量輸出電壓、估計(jì)動(dòng)力總成系統(tǒng)的功率需求 并且根據(jù)輸出電壓和估計(jì)的功率需求改變負(fù)載模型的參數(shù)，該改變優(yōu)選通過(guò)在完整的參數(shù) 集之間的切換實(shí)現(xiàn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，借助觀察器基于測(cè)得的負(fù)載電流估計(jì)功率需 求。
4. 用于測(cè)試至少部分地被電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)的裝置，包括用于蓄能器系 統(tǒng)的模擬系統(tǒng)以及與模擬系統(tǒng)耦合的控制器，該控制器用于以這樣的方式控制供應(yīng)給動(dòng)力 總成系統(tǒng)的電壓，使得該電壓與真實(shí)的蓄能器系統(tǒng)相應(yīng)地動(dòng)態(tài)地起作用，其特征在于，在控 制器中實(shí)現(xiàn)基于模型的控制并且在控制器的受控系統(tǒng)的模型中集成負(fù)載模型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其特征在于，集成與負(fù)載功率需求相關(guān)的模型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5的裝置，其特征在于，在控制器中實(shí)現(xiàn)基于模型的預(yù)測(cè)控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其特征在于，集成與蓄能器系統(tǒng)的輸出電壓相關(guān)的模型。
【文檔編號(hào)】G05D1/00GK104507739SQ201380038277
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2013年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月24日
【發(fā)明者】O·柯尼希, S·亞庫(kù)貝克, G·普羅克阿特, K·格施維特爾, G·格雷戈里契奇 申請(qǐng)人:Avl里斯脫有限公司