本發(fā)明涉及電動汽車的燃料電池-超級電容器復合電源的功率分配控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種車載復合電源功率分配滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法。

背景技術(shù)：

燃料電池-超級電容器復合電源在電動汽車等領(lǐng)域已獲得廣泛研究，但是復合電源中燃料電池和超級電容器兩種電源之間的功率分配控制仍是當前重點和難點問題，成為制約復合電源技術(shù)推廣應用的主要瓶頸。為了確保燃料電池、超級電容器和負載三者之間能量和功率的雙向動態(tài)流動，通常會將燃料電池和超級電容器各自串聯(lián)一個功率變換器后再并聯(lián)，通過主動控制功率變換器，使得燃料電池和超級電容器及時出力，隨時滿足負載的能量和功率需求。

如圖1所示為當前燃料電池-超級電容器復合電源的電路結(jié)構(gòu)圖，包括燃料電池和超級電容器，其中，燃料電池作為主電源，燃料電池通過不可逆的Boost變換器連接至直流母線，超級電容器作為輔助電源，超級電容器通過可逆的Buck-Boost變換器連接至直流母線，直流母線通過功率逆變器將直流電變換成交流電，從而驅(qū)動牽引電機，牽引電機帶動電動汽車的車輪轉(zhuǎn)動。

如圖2所示，不可逆的Boost變換器包括第一高頻電感L₁、輸出濾波電容C_dc、二極管D₁和第一全控型開關(guān)器件S₁，第一高頻電感L₁的一端連接燃料電池的正極，第一高頻電感L₁的另一端連接二極管D₁的正極，二極管D₁的負極與輸出濾波電容C_dc的正極連接，輸出濾波電容C_dc的負極與燃料電池的負極相連，第一全控型開關(guān)器件S₁的集電極與第一高頻電感L₁的另一端連接，第一全控型開關(guān)器件S₁的發(fā)射極與燃料電池的負極相連。

可逆的Buck-Boost變換器包括第二高頻電感L₂、第二全控型開關(guān)器件S₂和第三全控型開關(guān)器件S₃，第二高頻電感L₂的一端與超級電容器的正極連接，第二高頻電感L₂的另一端分別與第二全控型開關(guān)器件S₂的集電極和第三全控型開關(guān)器件S₃的發(fā)射極連接，第二全控型開關(guān)器件S₂的發(fā)射極與超級電容器的負極連接，第三全控型開關(guān)器件S₃的集電極與功率逆變器連接。

當前燃料電池-超級電容器復合電源功率分配控制策略即控制功率變換器，傳統(tǒng)方法采用了線性控制技術(shù)對復合電源進行了控制，但是無論是功率變換器還是超級電容器都屬于非線性器件，所以采用線性控制策略，系統(tǒng)穩(wěn)定性有待提高。對于非線性控制，包括邏輯門限控制和模糊邏輯控制和濾波控制等等。邏輯門限控制和模糊邏輯控制都是基于規(guī)則的控制策略，只是模糊邏輯控制策略中的門限值被模糊化了，這兩種控制策略的控制思想大致相同，規(guī)則也基本類似，控制規(guī)則比較固定，不能及時在線調(diào)整。而對于濾波控制基本上都是以控制超級電容器的電壓來對燃料電池和超級電容器進行功率分配，不能很好地適應電動汽車工況的變化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種車載復合電源功率分配滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法，其中，車載復合電源中燃料電池作為主電源，通過不可逆的Boost變換器連接至直流母線；超級電容器作為輔助電源，通過可逆的Buck-Boost變換器連接至直流母線；功率分配滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法充分發(fā)揮車載復合電源中燃料電池比能量大和超級電容器比功率大的優(yōu)點，使得兩種電源能優(yōu)勢互補，滿足電動汽車的電源對能量和功率的雙重要求。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采用的技術(shù)方案是：一種車載復合電源功率分配滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法，包括如下步驟：

A、穩(wěn)定直流母線的電壓v_dc，使得直流母線的電壓v_dc跟蹤恒定的參考值v_dc-ref，不可逆的Boost變換器輸入信號μ₁需滿足：

其中：L₁為第一高頻電感L₁的電感值；x₃為v_dc的平均值；v_b為燃料電池(1)的等效直流電源電壓值；R₁為第一高頻電感L₁的等效串聯(lián)電阻值；i_bf為第一高頻電感L₁的輸入電流值；x₁為i_bf的平均值；α₁定義為設計參數(shù)；i_bf-ref為第一高頻電感L₁的參考電流值；s₁＝x₁-i_bf-ref；c₁＞0定義為設計參數(shù)；x_3d為直流母線電壓v_dc的設計值；ε₃＝x₃-x_3d；為i_bf-ref的平均值；

B、使得超級電容器(2)的電流實際值i_uc時刻跟蹤參考值i_uc-ref，通過主動控制i_uc時刻跟蹤參考值i_uc-ref，使得超級電容器(2)及時對燃料電池(1)進行功率補償，可逆的Buck-Boost變換器輸入信號μ₂₃需滿足：

其中：L₂為第二高頻電感L₂的電感值；x₂為i_uc的平均值；v_uc為超級電容器(2)兩端的電壓值；R₂為第二高頻電感L₂的等效串聯(lián)電阻值；α₂為設計參數(shù)；s₂＝x₂-i_uc-ref；為i_uc-ref的平均值。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，車載復合電源功率分配滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法還包括如下步驟：

C、通過建立二次李亞普洛夫函數(shù)，使得車載復合電源功率分配滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法實現(xiàn)全局漸進穩(wěn)定，

其中，α₃為設計參數(shù)，V為建立的二次李亞普洛夫函數(shù)，為V的導數(shù)。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，直流母線電壓v_dc的設計值x_3d需滿足：

其中，s為拉普拉斯算子，C_dc為輸出濾波電容C_dc的電容值，i₀為車載復合電源的負載電流。

本發(fā)明具有積極的效果：本發(fā)明充分發(fā)揮了燃料電池比能量大和超級電容器比功率大的優(yōu)點，使得超級電容器主要承擔負載功率中的峰值功率，燃料電池主要承擔平均功率，兩種電源能優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了超級電容器對燃料電池的功率補償，滿足電動汽車對能量和功率的雙重需求，最大限度地回收了再生制動能量，大大地節(jié)約了能源。同時，該滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法既能實現(xiàn)較高的控制精度，還能保證車載復合電源具有較高的穩(wěn)定性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1為當前燃料電池-超級電容器復合電源的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖2為當前燃料電池-超級電容器復合電源的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖；

圖3為車載復合電源的功率分配控制方法模型圖；

圖4為輸入信號u₂和u₃變換系統(tǒng)的框圖。

其中：1、燃料電池，2、超級電容器，3、功率逆變器，4、牽引電機。

具體實施方式

如圖1-4所示，本發(fā)明公開了一種車載復合電源功率分配滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法，對圖1中的車載電源進行功率分配控制，其中，不可逆的Boost變換器采用經(jīng)典的直流母線電壓反饋閉環(huán)控制，對于可逆的Buck-Boost變換器，則采用超級電容器2電流跟蹤控制，即電流實際值i_uc時刻跟蹤其參考值i_uc-ref，i_uc-ref是一個根據(jù)實際工況時時變化的值。

(1)能源模型

燃料電池1在建模過程中將其等效為直流電壓源v_b，輸出電流為i_b，如圖2所示。超級電容器2等效為理想電容器C_uc與其在充放電時的等效串聯(lián)電阻R_uc串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，超級電容器2兩端電壓為v_uc，輸出電流為i_uc。

(2)不可逆的Boost變換器模型

從圖2中可以得到不可逆的Boost變換器的功率級雙線性方程，如公式(1)和(2)所示，并考慮一些非理想情況，如電感L₁的等效串聯(lián)電阻R₁，第一全控型開關(guān)器件S₁的門級驅(qū)動信號u₁為PWM信號，數(shù)值在(0，1)之間。

其中，i_bf和i₁分別為電感L₁的輸入電流和Boost變換器的輸出電流，v_dc為直流母線電壓。

(3)可逆的Buck-Boost變換器模型

可逆的Buck-Boost變換器模型包含一個Buck變換器和一個Boost變換器，因此，超級電容器2在放電模式下可逆的Buck-Boost變換器表現(xiàn)為Boost變換器，在充電模式下可逆的Buck-Boost變換器表現(xiàn)為Buck變換器。由于可逆的Buck-Boost變換器的控制目標是保證i_uc時刻跟蹤其參考值i_uc-ref，可以定義一個二進制變量k如公式(3)所示：

當k＝1時，S₃門級驅(qū)動信號u₃設為0，S₂門級驅(qū)動信號u₂為PWM信號，考慮到u₂為二進制(0，1)之間變化的數(shù)值，可得到如下雙線性開關(guān)模型：

i₂＝(1-u₂)i_uc 公式(5)

當k＝0時，S₂門級驅(qū)動信號u₂設為0，S₃門級驅(qū)動信號u₃為PWM信號，同樣考慮到u₃為二進制(0，1)之間變化的數(shù)值，則雙線性開關(guān)模型變?yōu)椋?/p>

i₂＝u₃i_uc 公式(7)

在局部模塊建模的基礎(chǔ)之上，有必要建立全局系統(tǒng)模型以獲得控制目標的最優(yōu)控制。從公式(4)-(7)可以得到可逆的Buck-Boost變換器的全局模型：

i₂＝[k(1-u₂)+(1-k)u₃]i_uc 公式(9)

另一方面，從圖2以及公式(9)可得：

i₁＝i_o-i₂＝i_o-[k(1-u₂)+(1-k)u₃]i_uc 公式(10)

其中，i₀為負載電流。

最后，從公式(1)、(8)和(10)可以建立雙線性開關(guān)的全局模型：

其中，u₂₃為可逆的Buck-Boost變換器唯一輸入控制變量，定義如式(14)所示：

u₂₃＝k(1-u₂)+(1-k)u₃ 公式(14)

為了更加容易實現(xiàn)控制目標，建立了公式(11)-(13)在開關(guān)周期內(nèi)的平均全局模型：

其中，x₁為i_bf的平均值，x₂為i_uc的平均值，x₃為v_dc的平均值，μ₁和μ₂₃為占空比，同樣也為u₁和u₂₃的平均值。

控制策略的好與壞，往往由控制目標來評價?？刂撇呗云淇刂颇繕嗽O計如下：

(1)在負載不斷變化的情況下，穩(wěn)定直流母線電壓v_dc，直流母線電壓越穩(wěn)定，復合電源能量以及功率轉(zhuǎn)換效率越高；

(2)i_uc時刻跟蹤其參考值i_uc-ref。超級電容器主要承擔負載功率中的瞬時功率需求，通過主動控制i_uc時刻跟蹤其參考值i_uc-ref，保證了超級電容器及時對蓄電池進行功率補償，i_uc-ref具體表現(xiàn)為負載電流的變化情況；

(3)控制系統(tǒng)實現(xiàn)全局漸近穩(wěn)定。

第一個控制目標是確保直流母線電壓v_dc跟蹤其恒定的參考值v_dc-ref，然而總所周知，不可逆的Boost變換器存在非最小相位特征。針對這一問題，不對v_dc和v_dc-ref進行直接控制，而是采用控制第一高頻電感L₁的輸入電流i_bf這一間接控制方法來解決。確切表現(xiàn)為：第一高頻電感L₁的輸入電流i_bf跟蹤其參考電流值i_bf-ref，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時有i_bf＝i_bf-ref，v_dc＝v_dc-ref，v_dc-ref＞v_b。從能量守恒角度考慮，輸入功率等于輸出功率，因此i_bf-ref與v_dc-ref的關(guān)系如下：

其中，λ≥1，為損耗因子，包括開關(guān)損耗以及電感損耗。

為了實現(xiàn)第一個和第二個控制目標，采用模糊變結(jié)構(gòu)控制策略，引入滑動面表現(xiàn)為：

S＝[s₁，s₂]^T 公式(19)

其中，

S₁＝x₁-i_bf-ref 公式(20)

S₂＝x₂-i_uc-ref 公式(21)

從而控制目標轉(zhuǎn)換為確保系統(tǒng)滑動面S＝0。當一個控制目標實現(xiàn)后，被定義為在一個滑動模式下。在這種情況下，所謂的不變條件可表示為：

因此等效控制信號函數(shù)可改寫為：

從公式(23)和(24)中，我們可以分解的一般控制結(jié)構(gòu)如下：

其中，c₁＞0為設計參數(shù)，和作為附加輸入信號，ε₃＝x₃-x_3d為直流母線電壓v_dc的平均值x₃與其設計值x_3d之間的誤差，x_3d的表達式后文會具體給出。另外，公式(25)中，c₁ε₃為阻尼項，其作用是調(diào)整輸出響應。

滑膜變結(jié)構(gòu)控制策略的控制目標是使得系統(tǒng)狀態(tài)滿足S＝0，為此必須確保在任何初始條件下，系統(tǒng)能到達到狀態(tài)且保持S＝0。此外，控制規(guī)則的選擇必須在狀態(tài)向量(s₁，s₂，ε₃)下系統(tǒng)達到穩(wěn)定。可建立二次李亞普洛夫函數(shù)：

其導數(shù)為：

目的即使得負定。公式(28)中：

其中，α₁＞0，α₂＞0，α₃＞0均為設計參數(shù)

公式(28)可改寫為：

從公式(28)中可以看出含狀態(tài)向量(s₁，s₂，ε₃)的閉環(huán)系統(tǒng)全局漸近穩(wěn)定。

結(jié)合公式(23)、公式(24)、公式(25)、公式(26)以及公式(29)、公式(30)、公式(31)，得到如下控制規(guī)則：

最后，直流母線電壓v_dc的平均值x₃與其設計值x_3d定義為：

其中，s為拉普拉斯算子。

圖4是輸入信號u₂和u₃框圖，承接著附圖3，形成完成的車載復合電源功率分配滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。