用于测试至少部分地被电动驱动的车辆动力总成系统的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于测试至少部分地被电动驱动的车辆的动力总成系统的方法，在该方法中通过控制器控制供应给动力总成系统的电压，该控制器与用于蓄能器系统的模拟系统以这样的方式耦合，使得电压如同物理的蓄能器系统那样动态地起作用。控制器借助基于模型的控制器设计方法来设计，并且动力总成系统的负载模型被集成到受控系统的模型中。
【专利说明】用于测试至少部分地被电动驱动的车辆动力总成系统的方 法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于测试至少部分地被电动驱动的车辆的动力总成系统的方法， 在此通过控制器控制作用在动力总成系统上的电压，该控制器与用于蓄能器系统的模拟系 统以这样的方式耦合，使得所述电压如在物理蓄能器系统中那样动态地起作用。本发明还 涉及一种用于实施该方法的装置。
【背景技术】
[0002] 混合动力车辆（HEV)和电动车辆（EV)的开发是复杂任务，其包含数量众多的之 前尚未用于汽车工业中的新技术。掌握此任务需要提前测试单个组件，以便及时发现问题 并确保无缝集成。然而，组件间彼此具有相互作用，以致在没有能够模拟这些相互作用的 适合的测试台时无法进行孤立的测试。每个组件需要单独的尽可能相应于未来的使用条 件的环境。包括一个或多个电动马达的动力总成系统不仅需要机械的、而且也需要电气的 测试环境。电气环境的一个重要部分是牵引电池。借助真正电池的测试要求对电池进行 耗时的预调节，以便实现动力总成系统的定义的工作条件。电池老化还阻碍测试运行的确 定性重复。另外常常希望在适合的电池还不可用时尽可能早地测试动力总成系统。这些 挑战可通过使用电池模拟器（BE)得以克服，电池模拟器通过模拟电气特性来代替牵引电 池。通常使用复杂度高或低的电池模型来模拟所述特性。可编程的直流电源在其输出端上 复制模拟电池电压并且为动力总成系统供应所需的电流。测得的充电电流被反馈到模拟模 型中，以便更新虚拟电池的状态。基于几十甚至上百千瓦的功率需求必须用直流_直流变 换器来代替线性电源。电池内部的电化学过程的时间常数与功率电子装置及电气动力总成 系统的时间常数相比通常较慢。但基于双电层效应和欧姆电阻以及电池单元之间的连接的 电感所产生的电容，端电压可基于负载电流瞬变极迅速地变化。例如负载电流的逐步增加 引起端电压的迅速下降。简单地由电池模型复制开放电路的电压是不够的；必须模拟电池 的内部阻抗。因此，需要设计这样的控制器，该控制器能够实现输出电压的快速跟踪控制 (Fiihrungsregelung)并且在负载电流变化时实现有效的干扰抑制，从而抑制电池模拟器输 出级的输出阻抗并且可预规定电池模型的阻抗。
[0003] 模拟超级电容电池需求的增加进一步增加了所需的带宽，因为超级电容电池比电 化学电池具有更快的动态。
[0004] 在运行期间，牵引逆变器调节由电驱动马达产生的速度或扭矩。电池端电压的变 化通过控制器补偿，使得逆变器的功率消耗不改变。在文献中这种负载通常被称为恒功率 负载（ConstantPowerLoad，CPL)。当直流-直流变换器而非电池加载CPL时，该系统基于 CPL的负阻抗是不稳定的。这在紧凑的高性能汽车逆变器中特别成问题。与用于工业应用 的逆变器相比，牵引逆变器通常具有小的链路电容器，该链路电容器降低稳定裕度。所产生 的小的滤波电容导致负载瞬变和纹波电流被传送回直流电源。
[0005] 电源模拟有许多应用领域。电池模拟也有助于测试娱乐电子设备、如在
[P.H.Chou,C.Park,J.Park,K.PhamandJ.Liu,〃B#:abatteryemulatorandpower profilingInstrument(电池模拟器和功率谱仪），〃inISLPED'03:Proceedingsof the2003internationalSymposiumonLowpowerelectronicsanddesign(低功耗 电子和设计国际研讨会）?NewYork,NY,USA:ACM, 2003,pp. 288-293]。燃料电池电源逆 变器的测试可能由于燃料电池原型有限的可用性和昂贵的损坏危险而成问题。因此模拟 燃料电池是有利的[A.GebregergisandP.Pillay,"Thedevelopmentofsolidoxide fuelcell(sofc)emulator(固体氧化物燃料电池（SOFC)模拟器的发展），〃inPower ElectronicsSpecialistsConference, 2007 (2007 年电力电子专家会议）.PESC2007. IEEE, 17-212007,pp. 1232-1238]。在两个文献中使用了线性功率放大器，以便将电源 模型与受测试系统连接。虽然这种放大器具有高的带宽，但其基于其低的效率局限于 小的功率级。另一重要的应用领域是测试光电系统的并网逆变器。在[M.C.DiPiazza andG.Vitale,"Photovoltaicfieldemulationincludingdynamicandpartial shadowconditions(包括动态和局部阴影条件的光伏领域仿真），"AppliedEnergy(应 用能源），vol. 87,no. 3,pp. 814-823, 2010]中，描述了一种基于直流-直流变换器的光 伏模块模拟器。在[T.Baumhfifer,W.WaagandD.Sauer，"Specializedbattery emulatorforautomotiveelectricalSystems(用于汽车电气系统的专用电池模 拟器），〃inVehiclePowerandPropulsionConference(VPPC)(车辆动力与驱动会 议），2010IEEE，Sept. 2010,pp. 1-4]中描述了一种汽车起动器电池模拟器。
[0006] 在多个出版物中研究了与CPL连接的直流-直流变换器。通过[V.GrigOTe，J. Hatonen,J.KyyraandT.Suntio,''DynamicsofabuckConverterwithaconstant powerload(具有恒功率负载的降压型转换器的动态），"inPowerElectronics SpecialistsConference，1998(1998年电力电子专家会议）.PESC98Record. 29thAnnual IEEE，vol.l，17-221998，pp.72-78vol.l]和[B.Choi，B.ChoandS.-S.Hong，"Dynamics andcontrolofdc-to-dcConvertersdrivingotherConvertersdownstream(驱动其 它下游转换器的直流-直流变换器的动态与控制），"CircuitsandSystemsI(电路与系 统I):FundamentalTheoryandApplications(基石出理论与应用），IEEETransactionson ，vol. 46,no. 10,pp. 1240-1248,Oct. 1999]引入了负阻抗不稳定性的方案。
[0007] 所建议的稳定控制方法从反馈线性化[J.CiezkiandR.Ashton，"The applicationoffeedbacklinearizationtechniquestothestabilizationof dc-to-dcConverterswithconstantpowerloads(反馈线性化技术应用于具有恒功 率负载的直流-直流变换器的稳定），〃inCircuitsandSystems，1998 (1998年电路与 系统）.ISCAS'98.Proceedingsofthe1998IEEEInternationalSymposiumon(1998 年IEEE国际研讨会），vol.3，May_3.June1998，pp.526_529vol.3]及[A.Emadiand M.Ehsani，"Negativeimpedancestabilizingcontrolsforpwmdc-dcConverters usingfeedbacklinearizationtechniques(利用反馈线性化技术对PWM直流-直 流变换器的负阻抗稳定控制），〃inEnergyConversionEngineeringConference andExhibit，2000 (2000 年能量转换工程会议和展览）.（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(汽车系统中的恒功率负载和负阻抗不稳定性： 定义、建模、稳定性和电力电子转换器的控制及电机驱动），"VehicularTechnology(车辆 技术），IEEETransactionson，vol. 5,no. 4,pp. 1112-1125,July2006]到基于无源性的 PID设计[A.KwasinskiandP.Krein，''Passivity-basedcontrolofbuckConverters withconstant-powerloads(具有恒功率负载的降压型转换器的基于无源性的控 制），"inPowerElectronicsSpecialistsConference，2007(2007 年电力电子专家会 议）?PESC2007.IEEE，2007,pp. 259-265]再到有源阻尼[A.RahimiandA.Emadi，"Active dampingindc/dcpowerelectronicConverters:Anovelmethodtoovercomethe Problemsofconstantpowerloads(DC/DC电力电子转换器中的有源阻尼：一种克服 恒功率负载问题的新方法，〃IndustrialElectronics(工业电子），IEEETransactions on，vol. 56,no. 5,pp. 1428-1439,May2009]。用于稳定具有CPL的电力网络的模型预测 控制在[M.ZimaandG.Andersson，"Modelpredictivecontrolemployingtrajectory sensitivitiesforpowerSystemsapplications(米用轨迹灵敏度的模型预测控制 在电力系统中的应用），〃inDecisionandControl，2005and2005EuropeanControl Conference(2005年决策与控制会议及2005年欧洲控制会议）.CDC-ECC' 05. 44thIEEE Conferenceon，2005,pp. 4452-4456]被提出。所有这些方法的共同点在于：电源转换器必 须为一个或多个用作CPL的逆变器提供恒定电压。所建议的用于控制器设计的方法确保稳 定的闭合控制回路，但跟踪控制（如考虑）较慢并且具有欠阻尼振荡。在此提出的应用相 反要求快速的跟踪控制。
[0008] 其它的要求快速跟踪控制的电子电源转换器是产生交流电压的不间断电源（UPS/ USV)。可利用交流电压的周期性来改善跟踪控制和干扰抑制[K.Zhang，L.Peng，Y.Kang andJ.Xiong，〃State-feedback-with_integralcontrolplusrepetitivecontrolfor UPSinverters(UPS逆变器的增广状态控制和重复控制），〃inTwentiethAnnualIEEE AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition，2005 (2005 年第二十届IEEE 应用电力电子会议和博览会）.APEC2005.，no. 2.IEEE，2005,pp. 553-559]。在电池模拟器 (BE)中输出电压不是周期性的，而是取决于通过电池模型的负载电流，因此所述方法不能 用于此。
[0009] 由于数字控制器平台的计算能力逐渐提高以及算法改进，模型预测控制（MPC) 不再局限于动态缓慢的系统。现在模型预测控制也可用于要求高采样率的系统、如电 力电子电源转换。采用MPC控制直流-直流变换器在[T.GeyenG.Papafotiouand M.Morari，〃0ntheoptimalcontrolofswitch-modedc-dcConverters(开关模式直 流-直流变换器的最优控制），"HybridSystems:ComputationandControl(混合动力 系统：计算与控制），PP.77-85, 2004]中提出并且在[T.Geyer，G.Papafotiou，R.Frasca andM.Morari，"Constrainedoptimalcontrolofthestep-downdc-dcConverter(降 压型直流-直流变换器的约束优化控制，"PowerElectronic^电力电子技术），IEEE Transactionson，vol. 23,no. 5,pp. 2454-2464,Sept. 2008]中不出实验结果，在此所谓的 显式模型预测控制（eMPC) [A.Bemporad，F.BorrelliandM.Morari，''Modelpredictive controlbasedonlinearprogrammingtheexplicitSolution(基于线性规划显性角军 的模型预测控制），''AutomaticControl(自动控制），IEEETransactionson，vol. 47,no.12,S. 1974-1985,Dez. 2002]是计算可行性的关键。在[A.Wills，D.Bates，A.Fleming，B. NinnessandR.Moheimani，''Applicationofmpctoanactivestructureusing samplingratesupto25khz(MPC应用于米样率直至 25kHz的有源结构中），〃inDecision andControl，2005and2005EuropeanControlConference(2005 年决策与控制会议及 2005 年欧洲控制会议）.CDC-ECC'05. 44thIEEEConferenceon，2005,pp. 3176-3181]中 示出采用采样率限制在5kHz至25kHz的MPC进行有源振荡抑制的实验结果。关于采样 时间为150us的孤立的全桥转换器的非线性MPC的实验结果在[Y.Xie，R.Ghaemi，J.Sim andJ.Freudenberg，''Implicitmodelpredictivecontrolofafullbridgedc-dc Converter(全桥直流-直流变换器的隐式模型预测控制），"PowerElectronics(电力电 子技术），IEEETransactionson，vol.24，no. 12，pp.2704-2713,2009]中给出?升压型 转换器的非线性MPC在[J.Bonilla，R.DeKeyser，M.DiehlandJ.ESPINOZA，''FastNMPC ofaDC-DCConverter:anexactNewtonreal-timeIterationapproach(直流-直 流变换器的快速NMPC:准确实时的牛顿迭代法），〃inProc.ofthe7thIFACSymposium onNonlinearControlSystems(N0LC0S2007) (2007 年第七届IFAC非线性控制系统 研讨会），2007]中被描述，但没有给出实验结果。对于三相并网逆变器的模拟线性在线 MPC-其在[S.Richter，S.MariethozandM.Morari，"High-speedonlinempcbased onafastgradientmethodappliedtopowerConvertercontrol(基于快速梯度法的 高速在线MPC应用于功率转换器控制），〃inAmericanControlConference(ACC)(美国 控制会议），2010, 302010-2.July2010,pp. 4737-4743]中被描述--示出，该在线MPC可 在标准的DSP上在10us…50us中被执行；但也没有给出实验结果。在最后一个文献中 使用的算法基于快速梯度法，该方法在[S.Richter，C.JonesandM.Morari，"Real-time input-constrainedmpcusingfastgradientmethods(使用快速梯度法的实时输入约 束MPC)，"inDecisionandControl，2009heldjointlywiththe200928thChinese ControlConference(2009年决策和控制与2009年第二十八届中国控制会议共同举 办）.CDC/CCC2009.Proceedingsofthe48thIEEEConferenceon，2009,pp. 7387-7393] 中被提出。
[0010] 专用于MPC的快速求解算法在[R.MilmanandE.Davison，〃Afastmpc algorithmusingnonfeasibleactivesetmethods(使用不可行活动集法的快速mpc 算法，〃JournalofOptimizationTheoryandApplications(优化理论与应用杂志），v ol. 139,pp. 591-616, 2008, 10. 1007/sl0957-008-9413-3]、[H.J.Ferreau，H.G.Bockand M.Diehl，〃Anonlineactivesetstrategytoovercomethelimitationsofexplicit mpc(用于克服显式mpc限制的在线活动集策略），〃Int.J.RobustNonlinearControl(鲁 棒非线性控制国际杂志），vol. 18,no. 8,pp. 816-830, 2008]和[Y.WangandS.Boyd，"Fast modelpredictivecontrolusingonlineoptimization(使用在线优化的快速模型预测 控制），"ControlSystemsTechnology(控制系统技术），IEEETransactionson，vol. 18， no. 2,pp. 267-278, 2010]。
[0011] 通常用于直流_直流变换器的控制器被设计用于额定负载，该额定负载在很多情 况下是电阻。在使用基于模型的控制器设计时可构造用于具有任意负载的转换器的控制 器，只要有适合的模型可用。因此无需根据具有额定负载的电阻建立控制方案。本文提出 一种适合用于MPC设计的转换器模型，该模型包括具有附加输入滤波电容的CPL。该模型基 于CPL的线性化负等效阻抗，该等效阻抗与输出电压和负载的功率需求有关。提出两种不 同的线性MPC设计方法，它们考虑工作点变化。第一种方法是包含两个内部模型的简单的 鲁棒MPC设计，所述模型再现大致的负载阻抗的极值。第二种方法是调度控制器设计，该设 计为预期工作范围上的一系列工作点使用不同的控制器参数集。基于估计的负载功率需求 在每个采样步骤中选择最近的参数集用于计算下一控制过程。使用观察器以便在存在未测 量的干扰的情况下实现无偏差（ohnebleibendeRegelabweichung)的控制，另外还可过滤 测量的干扰并且估计负载功率需求。
[0012] 为了实施约束的MPC，提出一种启发式的活动集法，以便在可用于计算的有限 时间内快速找到好的活动集。该方法和鲁棒mpc方法在[aKdnig,S.Jakubekand G.Prochart,''Modelpredictivecontrolofabatteryemulatorfortestingof hybridandelectricpower-trains(用于测试混合动力和电动动力总成系统的电池模 拟器的模型预测控制），"2011，acceptedforPresentationat:2011IEEEVehiclePower andPropulsionConference(VPPC)(车辆动力与驱动会议）]中提出，但没有关于电感电流 的限制。
【发明内容】
[0013] 提出一种用于高性能降压型直流-直流变换器的在线MPC(模型预测控制）途径。 该转换器是在混合动力或纯电动汽车动力总成系统测试台上代替牵引电池的电池模拟器 的一部分。这个应用要求输出电压尽快跟踪模拟电池模型的参考电压，同时对于快速负载 瞬变不敏感。转换器的弱阻尼输出滤波器与快速控制的用作CPL的逆变器的组合导致不稳 定的系统。负载的确切数据在控制器设计阶段是未知的，且功率需求在运行中是波动的。为 了优化效率并且保护硬件，考虑控制变量约束和电感电流约束。所提出的基于活动集法的 MPC可实现快速跟踪控制，尽管存在CPL且维持输入约束和状态约束。
[0014] 控制算法可以以所需的采样率在市售的数字控制器硬件上执行。借助60千瓦的 电池模拟器--其为逆变器馈电--的实验结果证明所建议控制方法的效率。
[0015] 根据本发明，所述控制器借助基于模型的控制器设计方法设计，在受控制系统的 模型中使用动力总成系统的负载模型。
[0016] 一种优选实施方式的特征在于,测量输出电压、估计动力总成系统的功率需求并 且根据输出电压和估计的负载功率需求改变负载模型的参数，并且这种改变优选通过在完 整的参数集之间切换来实现。
[0017] 可选地，借助观察器基于测得的负载电流估计负载功率需求。
[0018] 根据本发明提出一种用于测试至少部分地被电动驱动的车辆的动力总成系统的 装置，包括用于蓄能器系统的模拟系统以及用于控制电压的控制器，该电压以这样的方式 加载动力总成系统，使得该电压如在物理蓄能器系统中那样动态地起作用，控制器与模拟 系统耦合，其特征在于，在控制器中设置模型预测控制回路并且在受控系统中集成负载模 型。
[0019] 该装置的一种优选实施方式的特征在于，集成与负载功率需求相关的模型。
[0020] 可选地，两种所提装置的特征可在于，在控制器中设置模型预测控制。
[0021] 可集成与蓄能器系统的输出电压相关的模型。
[0022] 电池模拟器的模型预测控制允许将负载模型优化集成到受控系统的模型中，使得 负载不再是未知的干扰，而是明确地在控制器中被考虑。负载模型的参数与负载功率需求 相关。当为基于模型的预测控制器使用线性化模型时，模型参数附加地与输出电压有关。因 此采用适合于调度基于模型的预测控制器的控制参数集。根据测得的输出电压和估计的电 流需求来切换或混合参数集。为此目的，借助观察器并且基于测得的负载电流来估计负载 功率需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 下面参考附图详细说明本发明。附图如下：
[0024] 图1为具有电池模拟器的动力总成系统测试台的示意图；
[0025] 图2为电池模拟器输出级的示意图；
[0026] 图3为负载模型的视图：(a)恒功率负载的静态特征线、（b)非线性的负载模型、 (c)工作点周围的线性化小信号模型；
[0027] 图4为电池模拟器模型的框图；
[0028] 图5为所建议的控制器结构的框图；
[0029] 图6为提建议的用于模型预测控制（MPC)的算法的视图，其中上行表示输出电压 的预测轨迹，下行表示控制变量的相应序列，而列表示连续的采样步骤；
[0030] 图7为所建议的算法与使用一般QP求解算法的MPC的比较；
[0031] 图8为鲁棒控制器方案的框图；
[0032] 图9为调度控制器（schedulingcontroller)的框图；
[0033] 图10为在恒功率负载时功率需求从OkW到60kW的阶跃式变化的模拟结果，在此 上方的线表示输出电压、电感电流和负载电流，下方的线表示所使用的占空比；
[0034] 图11为空载时参考电压阶跃式变化的实验结果；
[0035] 图12为参考电压阶跃式变化的图表，其显示电感电流约束的有效性；
[0036] 图13为在具有恒功率负载的运行中参考电压变化序列的实验结果，在此下方的 线表示用于调度控制器的参数集的选择和用于鲁棒控制器的占空比；
[0037] 图14为恒功率负载的功率需求从P=OkW到P= 24kW的阶跃式变化的实验结果。
【具体实施方式】
[0038] 图1示出一种典型的测试台配置的示例。该设备包括HEV或EV动力总成系统的 功率电子装置，其一方面代表负载并且另一方面代表代替物理牵引电池的电池模拟器。在 控制器设计中，电池模拟器和负载分开建模并且随后被组合成一个系统模型。
[0039] 图2示出电池模拟器的示意图。主要组成部分是输出级，该输出级包括三个交错 降压型直流-直流变换器，所述转换器具有一个共同的输出电容器Q，输出级提供输出电压 V2，所述输出电压用于模拟电池端电压。整流器在此不考虑并且Q足够大，以致DC链路电 压可假定为常数。
[0040] 模拟调制器通过其输入端上的单个接通命令d进行脉宽调制（PWM)并 且补偿电感电流。实时MPC的简化模型通过平均开关建模[R.W.Erickson andD.Maksimovic,Fundamentalsofpowerelectronics(电 力电子 技术基 础）.Springer, 2001]以及通过将三个电感器并联为一个等效电感LI获得，如 [S.Mariethoz,A.BeccutiandM.Morari,''Modelpredictivecontrolofmultiphase interleaveddc-dcConverterswithsensorlesscurrentlimitationandpower ba1ance(具有无传感器的电流限制和功率平衡的多相交错的直流-直流变换器的模 型预测控制），，'inPowerElectronicsSpecialistsConference, 2008(2008 年电力 电子专家会议）?PESC2008.IEEE, 2008,pp. 1069-1074]或[H.Bae,J.Lee,J.Yangand B.H.Cho,''Digitalresistivecurrent(drc)controlfortheparallelinterleaved dc-dcConverters(并联交错的直流-直流变换器的数字阻性电流（drc)控制），"Power Electronics(电力电子），IEEETransactionson,vol. 23,no. 5,pp. 2465-2476, 2008]。
[0041] 然后，将所有三个电流之和il=ila+ilb+ilc选为新电感电流。电感器和半导体 开关的欧姆电阻通过RL1近似表示。由负载消耗的电流以i2表示。借助被选为[ilv2] T的转换器状态向量、控制变量u=d?V0和控制变量i2所述系统通过状态空间模型来描 述：
[0042]
【权利要求】
1. 用于测试至少部分地被电动驱动的车辆的动力总成系统的方法，在该方法中借助用 于蓄能器系统的模拟系统和与该模拟系统耦合的控制器以这样的方式控制供应给动力总 成系统的电压，使得电压与真实的蓄能器系统相应地动态地起作用，其特征在于，借助基于 模型的控制器设计方法来建立控制器，动力总成系统的负载模型被集成到受控系统的模型 中。
2. 根据权利要求1的方法，其特征在于，测量输出电压、估计动力总成系统的功率需求 并且根据输出电压和估计的功率需求改变负载模型的参数，该改变优选通过在完整的参数 集之间的切换实现。
3. 根据权利要求2的方法，其特征在于，借助观察器基于测得的负载电流估计功率需 求。
4. 用于测试至少部分地被电动驱动的车辆的动力总成系统的装置，包括用于蓄能器系 统的模拟系统以及与模拟系统耦合的控制器，该控制器用于以这样的方式控制供应给动力 总成系统的电压，使得该电压与真实的蓄能器系统相应地动态地起作用，其特征在于，在控 制器中实现基于模型的控制并且在控制器的受控系统的模型中集成负载模型。
5. 根据权利要求4的装置，其特征在于，集成与负载功率需求相关的模型。
6. 根据权利要求4或5的装置，其特征在于，在控制器中实现基于模型的预测控制。
7. 根据权利要求6的装置，其特征在于，集成与蓄能器系统的输出电压相关的模型。
【文档编号】G05D1/00GK104507739SQ201380038277
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年5月24日 优先权日:2012年5月24日
【发明者】O·柯尼希, S·亚库贝克, G·普罗克阿特, K·格施维特尔, G·格雷戈里契奇 申请人:Avl里斯脱有限公司