一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法。针对主能源系统动态响应慢的特性以及快速突变的实际动态工况，对混合动力系统的关键特征参数采用自适应更新律进行在线估计，基于关键特征参数估计值构建虚拟负载电流的在线更新律，对能量源进行实时功率分配。本发明可实现对动态功率需求的在线跟踪，同时充分考虑了系统的动态约束，有益于保证混合动力系统的安全和使用寿命的延长。
【专利说明】
一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于车辆的智能控制领域，尤其是涉及了一种车载混合动力系统的实时功 率分配控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技的进步与发展，一些新兴的能源系统，如燃料电池系统、电池动力系统以 及超级电容系统，以其能量转化率高、零排放的优点，正在越来越广泛的被应用于新能源车 辆动力系统中。针对不同能源系统的特定优势，实际应用中常常将两种不同能源系统分别 作为主能源和辅助能源系统进行混合构成车载动力系统(如燃料电池-电池混合动力系统， 电池-超级电容混合动力系统），进而提升系统的对频繁突变的负载功率需求的动态响应性 能以及其能量转化效率。在混合动力系统中，作为主能源的能源系统一般具有能量密度高， 但功率密度低（功率输出响应速度慢）的特点，这意味着主能源的动态响应速度较慢。作为 互补，辅助能源系统具有能量密度低，功率密度高(功率输出响应速度快)的特点。
[0003] 图1所示是本发明所研究的混合动力系统的结构示意图，其中主能源与辅助能源 以并联的方式进行耦合，然后连接到系统总线上，为负载提供能量。这一混合动力系统以其 对高频负载功率需求响应快以及成本低的特点，广泛地被车载混合动力系统开发者所采 用。
[0004] 在辅助能源为电池动力系统的情况下，由于电池的荷电状态(SOC)不可测，目前的 控制方法不能保证对电池 SOC较为精确的调节控制。然而SOC是反映电池是否过充或过放的 一个重要指标，因此对SOC的调节控制具有重要意义，同时SOC的精确控制可以为车载混合 动力系统的上层管理方案提供更多地自由度。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种车载混合动力系统的实时功率分配 控制方法，针对主能量源系统动态响应慢的特性以及快速突变的实际动态工况，基于自适 应控制理论进行实时功率分配控制，对主能源输出电流进行设计，进而实现实时功率分配 控制，从而解决了车载混合动力系统对负载功率需求的实时动态估计和跟踪问题以及对混 合系统的安全保护问题。
[0006] 本发明采用的技术方案是采用以下步骤：
[0007] 1)对混合动力系统的关键特征参数采用自适应更新律进行在线估计；
[0008] 2)基于关键特征参数估计值构建虚拟负载电流的在线更新律，对能源系统进行实 时功率分配。
[0009] 本发明的混合动力系统指的是两个能源系统以并联的方式进行耦合共同为负载 提供能量的动力系统，具体实施中可以是车载双能源(主能源+辅助能源）电力混合动力系 统，如燃料电池-电池混合动力系统，电池-超级电容混合动力系统。在这一类型混合动力系 统中，只有主能源的输出电流可以被直接控制，所以称为电流型主能源。
[0010] 所述的关键特征参数包括辅助能源等效内阻和负载等效电阻。
[0011] 所述步骤1)具体是对辅助能源等效内阻采用以下公式（1)表示的自适应更新律进 行估计-
[0012]
[0013] (1)
[0014] 其中，&表示辅助能源自适应因子，C1表示辅助能源中间变量，Ro表示辅助能源等 效内阻实际值，Ro表示辅助能源等效内阻估计值；γ :是辅助能源自适应增益正常数，需要在 实际应用中根据经验人为选取;Ro,_与麵^你:分别表示辅助能源等效内阻Ro的上界和下 界，都是正值；V为总线电压为辅助能源开路电压设定值，对应于辅助能荷电状态 (SOC); if为辅助能量源电流，&表示实际负载电流^与所设计的虚拟负载电流?I的偏差，即 'k k 5
[0015] 从而使得辅助能源等效内阻估计值Ro在辅助能源等效内阻实际值Ro的上下界范围 之内，即为
[0016] CO,min^;R〇^;R〇,max (2)
[0017] 其中，上界Rq,max大于辅助能源等效内阻实际值Rq的上确界，下界Rq, mln大于辅助能 源等效内阻实际值Ro的下确界。
[0018] 在实际应用中，Ro,max与Ro,min的选取在满足条件Ro, min彡Ro彡Ro,max的情况下，同时要 综合考虑控制方法的实际控制效果，这也意味着Ro, max的选择要适当大于辅助能源等效内阻 Ro的上确界，相应的，Rtwn的选取要适当小于辅助能源等效内阻Ro的下确界。
[0019] 所述步骤1)具体是：
[0020] 1.1)对负载等效电阻通过估计负载等效电导的方法来获得，负载等效电导采用以 下公式(3)表示的自适应更新律进行估计：
[0021]
[0022] (3)
[0023]其中，q2表示负载自适应因子，c2表示负载中间变量，&为负载等效电导实际值，满 足Ri为负载等效电阻实际值，(?:为负载等效电导估计值；γ 2是负载自适应增益正 常数，需要在实际应用中根据经验人为选取；^表示虚拟负载电流;(?.、胃是分别 是负载等效电导实际值&的上界和下界，都是正值^表示实际负载电流^与所设计的虚拟 负载电流的偏差，即、A = ^ ?|；
[0024] 从而使得负载等效电导估计值(?在负载等效电导实际值&的上下界范围之内，即 为：
[0025] ⑷
[0026] 其中，上界G1,max与下界G1,*是由负载等效电阻实际值R 1的上下界确定，满足：
[0027]
(5)
[0028] 其中，後._.,:_与/1._分别表示负载等效电阻实际值以的上界和下界，与 与实际的负载电流i 1有关；
[0029]根据混合动力车在实际运行中的总线电流情况，可以根据上式对R1的上下界做出 确定。
[0030] 1.2)在获得等效电导估计值(?后，利用公另十算得到负载等效电阻估计 值爲。
[0031] 所述步骤2)具体是：
[0032] 2.1)采用以下公式(7)表示的在线更新律计算获得虚拟负载电流
[0033]
(7)
[0034]其中，Ct1表示负载跟踪增益常数，α2表示辅助能源SOC调节积分增益常数，都是根据 经验设定的正常数。相应的，叫(KhK)称为负载跟踪项，
〈为辅助 能源SOC调节积分项。
[0035] 公式得到的虚拟负载电流是负载电流的低频成分，将用于设计主能源的输出电 流参考值。
[0036] 2.2)采用以下公式(8)计算获得主能源输出电流设计值：
[0037]
(8)
[0038] 其中，β表示辅助能源SOC调节比例增益常数，是根据经验设定的正常数。 一/叩/ 一 1?;)称为辅助能源SOC调节比例项。
[0039]针对车辆混合动力系统实时控制的两个主要目标：
[0040] 1)实现对负载功率需求的动态跟踪；
[0041] 这一方面主要体现在对负载等效电阻办进行估计得到负载等效电阻的估计值..1?, 然后利用1?在公式⑴中构建负载跟踪项目 ：街（!$.: iiiflo：
[0042] 2)满足混合动力系统中各子系统安全性指标，从而保护系统安全延长其使用寿 命。
[0043] 针对要满足的系统安全性指标主要有两个方面：
[0044] 1)保证主能量源功率输出响应速度低于其上限限制，进而保护其系统安全，延长 其使用寿命。
[0045]这一指标的满足是通过对实际负载等效电阻办的估计实现的，因为在根据经验适 当地选择好增益常数γ β后，利用本发明所得到负载等效电阻的估计值.1$可对实 际负载等效电阻Ri进行光滑，这可以从图2中看出。因此，基于得到的$也具有光滑的性 质，进而可以保证基于訏得到的主能源输出电流设计值g的响应速度低于其上限限制。 [0046] 2)防止辅助能源出现过度充电和过度放电的现象，即要控制辅助能源SOC在一定 范围内，或将其保持在一个设定值的附近。
[0047] 这一指标通过以下方式实现:辅助能源的SOC与其开路电压存在着一一对应的函 数关系，在得到辅助能源SOC与辅助能源开路电压的对应函数关系后，就可以通过对辅助能 源开路电压的控制来等效地实现对辅助能源SOC的控制。鉴于实际中辅助能源开路电压不 可测，本发明中利用对辅助能源等效内阻的估计以及总线电压V来构建辅助能源SOC调节积 分项与辅助能源SOC调节比例项来实现对辅助能源SOC的控制。
[0048] 本发明的有益效果是：
[0049] 本发明方法在实际车载应用中不需要对系统的模型参数进行精确辨识，从而大大 降低了对其的实现难度，有助于提升系统的鲁棒性。
[0050] 本发明可对不可测的辅助能源SOC进行较为精确的调节控制，对混合动力系统中 能量源的功率需求进行合理分配，进而满足其功率输出的动态响应限制。
[0051] 本发明可以实现对动态功率需求的在线跟踪，同时充分考虑了系统的动态约束， 有益于保证混合动力系统的安全和使用寿命的延长。
【附图说明】
[0052] 图1是本发明所针对的车用混合动力系统结构图。
[0053] 图2是在Matlab/Simulink仿真中对负载阻值的估计效果图。
[0054] 图3是在Matlab/Simulink仿真中对辅助能源SOC的控制效果图，目标SOC是0.6。
[0055] 图4是测试实验中两个能量源的电流响应曲线。
【具体实施方式】
[0056] 以下结合【具体实施方式】并对照附图对本发明加以详细说明。
[0057]以下两个实施例均采用本发明方法进行实施，其具体实施过程如下：
[0058] 实施例1
[0059]由于实际中的负载等效电阻和辅助能源SOC都不可测，所以通过在Matlab/ Simulink中搭建燃料电池-锂电池混合动力系统仿真模型，对本发明的控制效果进行了验 证。
[0060] 从图2可以看出，本发明所提的负载等效电阻估计值/?'可以对突变的实际负载等 效电阻进行光滑，从而有利于得到满足响应速度约束的主能源输出电流设计值。在稳态时， 负载等效电阻估计值/?趋近于实际负载等效电阻，表明了所提自使用更新律的有效性。
[0061] 图3是本发明对辅助能源SOC的控制效果。辅助能源SOC的设定值是0.6,依据辅助 能源SOC与辅助能源开路电压的对应关系，辅助能源开路电压设定值〖9::>设为50.06V。图3 显示当负载突变使得辅助能源SOC偏离设定值0.6后，本发明可以将辅助能源SOC重新调节 到设定值0.6附近。
[0062] 实施例2
[0063]本发明也在实际的燃料电池-锂电池混合动力高尔夫车上进行了应用和验证。图4 中是作为主能源的燃料电池与作为辅助能源的锂电池的输出电流响应曲线，可以看出主能 源电流的响应速度比较缓慢，满足了其变化率不高于l〇A/s的响应速度上限限制。辅助能源 则提供负载能量需求中的高频成分。
[0064]由此实施例可见，本发明方法在实际车载应用中不需要对系统的模型参数进行精 确辨识，可对不可测的辅助能源SOC进行较为精确的调节控制和功率的合理分配，满足了其 功率输出的动态响应限制，降低了实现难度，提升了系统的鲁棒性。
【主权项】
1. 一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法，其特征在于： 1) 对混合动力系统的关键特征参数采用自适应更新律进行在线估计； 2) 基于关键特征参数估计值构建虚拟负载电流的在线更新律，对能源系统进行实时功 率分配。2. 根据权利要求1所述的一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法，其特征在 于:所述的关键特征参数包括辅助能源等效内阻和负载等效电阻。3. 根据权利要求2所述的一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法，其特征在 于:所述步骤1)具体是对辅助能源等效内阻采用自适应更新律进行估计，从而使得辅助能 源等效内阻估计值孩在辅助能源等效内阻实际值Ru的上下界范围之内，即为：其中，上界Ro,max大于辅助能源等效内阻实际值Ru的上确界，下界Ro,min大于辅助能源等 效内阻实际值Ru的下确界。4. 根据权利要求3所述的一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法，其特征在 于:所述的自适应更新律采用以下公式：其中，表示辅助能源自适应因子，C1表示辅助能源中间变量，Ru表示辅助能源等效内 阻实际值，％表示辅助能源等效内阻估计值；丫：是辅助能源自适应增益正常数;R〇,max与 R〇,_分别表示辅助能源等效内阻Ru的上界和下界;V为总线电压，、为辅助能源开路电 压设定值；if为辅助能量源电流，^表示实际负载电流ii与所设计的虚拟负载电流^的偏 差。5. 据权利要求2所述的一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法，其特征在于： 所述步骤1)具体是： 1.1) 对负载等效电阻通过估计负载等效电导的方法来获得，负载等效电导采用自适应 更新律进行估计，从而使得负载等效电导估计值在负载等效电导实际值^的上下界范围 之内，即为： 其中，上界Gl,max与下界Gl,min是由负载等效电阻实际值Rl的上下界确定，丨两足：其中，Ri,max与Ri,min分别表示负载等效电阻实际值Ri的上确界和下确界； 1.2) 在获得等效电导估计值(％后，计算得到负载等效电阻估计值 /C|〇6. 根据权利要求5所述的一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法，其特征在 于:所述的自适应更新律采用以下公式：其中，q2表不负载自适应因子，C2表不负载中间变量，Gi为负载等效电导实际值，Ri为负 载等效电阻实际值，为负载等效电导估计值；y2是负载自适应增益正常数;^表示虚拟 负载电流与Gl.是分别是负载等效电导实际值6 1的上界和下界表示实际负载电 v 流^与所设计的虚拟负载电流€的偏差。7. 据权利要求2所述的一种车载混合动力系统的实时功率分配控制方法，其特征在于： 所述步骤2)具体是： 2.1) 采用以下公式表示的在线更新律计算获得虚拟负载电流其中，ai表示负载跟踪增益常数，<!2表示辅助能源荷电状态(SOC)调节积分增益常数； 2.2) 采用以下公式计算获得主能源输出电流设计值i：；:其中，0表示辅助能源SOC调节比例增益常数。
【文档编号】B60R16/03GK106043173SQ201610524057
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】陈剑, 武成帅, 徐陈锋
【申请人】浙江大学