基于超级电容电压范围的多源系统分模式运行控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术的控制技术领域，尤其涉及一种基于超级电容电压范围的多源系统分模式运行控制方法。

背景技术：

随着传统石化能源的枯竭和环境污染的加剧，以及人们日常生活对汽车需求的提高，电动汽车作为新能源产业的标志性产物之一，其发展备受关注。电动汽车的动力系统结构从动力电池直接并联车载直流母线结构，到动力电池通过双向直流变换器接口直流母线，再到动力电池与超级电容构成多源系统接口直流母线。动力电池具有高能量密度，但其功率密度偏低；而超级电容具有高功率密度，但能量密度偏低。多源系统结合了动力电池和超级电容两者的优点，取长补短，具有能量密度和功率密度都较高的特点，响应速度也很快。目前电动汽车的使用年限主要由动力电池的使用寿命决定，而多源系统可以延长动力电池的使用寿命，因为动力电池的冲击电流可以由超级电容吞吐，减少动力电池的输出压力。

电动汽车的动力总成结构包括动力电池直接与直流母线相连的被动式结构、动力电池和超级电容其一通过双向直流变换器与直流母线相连的半主动式结构、动力电池和超级电容均通过双向直流变换器与直流母线相连的主动式结构。被动式结构无需变换器，动力电池直接与直流母线并联，需要多个电池单元串并联成高压动力电池，电压等级与母线电压匹配，而且输出特性完全由负载决定。主动式结构因为具有两个双向直流变换器，因此动力电池和超级电容都可以通过双向直流变换器控制其输出特性，能量源的利用率大大提高。半主动式结构介于被动式与主动式之间，只需一个变换器，常用超级电容通过双向直流变换器接口直流母线，动力电池直接并联母线，但只能对超级电容的充放电特性进行控制，动力电池也缺乏监测保护和能量管理。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于超级电容电压范围的多源系统分模式运行控制方法，本发明采用分模式运行控制策略对电动汽车动力电池—超级电容多源系统进行控制，同时为了保证多源系统能够稳定长期工作，依据超级电容的电压范围和动力电池长期极限功率的工作情况划分了七种运行模式，实现多源系统的能量管理，详见下文描述：

一种基于超级电容电压范围的多源系统分模式运行控制方法，所述方法包括：

1)动力电池所接的双向直流变换器高压侧电压uhigh与母线电压基准比较得到误差电压，误差电压经过pi电压控制器处理得到动力电池的低压侧电流基准将电流基准限制在变换器接受的最大电流，处理后的电流基准与电流传感器采样后得到的电流信号ibat作比较得到误差电流，误差电流经过pi的电流控制器处理得到占空比信号，经过pwm信号发生器产生一系列的驱动信号驱动变换器的功率开关，维持母线电压稳定在基准值

2)超级电容端电压usc和超级电容电流isc由传感器采样后经调理电路处理得到，超级电容基准电流由功率分配后得到的功率指令计算得到，经过电流限幅的超级电容基准电流与超级电容电流isc相减后经pi电流控制器作用送入pwm信号发生器，产生一系列驱动信号控制所接变换器输出功率psc；

3)直流母线电压ubus与母线电流ibus的乘积为直流母线功率pbus，经低通滤波器后得到动力电池功率给定直流母线功率pbus减去处理后的动力电池功率给定得到超级电容功率给定

所述方法还包括：

基于母线功率和超级电容电压参数，将电动汽车动力电池-超级电容多源系统分为七种模式。

所述七种模式分别为：

当直流母线功率pbus>0时，分为以下四种工作模式：

模式1：usc处于[uh,uscmax]，超级电容满电；

模式2：usc处于[ul,uh)，超级电容既能释放能量也能吸收能量，动力电池与超级电容分频输出功率；

模式3：usc处于[0,ul)，超级电容亏电，若pbus>pth，则超级电容不输出功率，动力电池输出全部功率；

模式4：基于模式3，若pbus≤pth，则动力电池在为直流母线提供能量的同时，为超级电容提供能量；

当直流母线功率pbus≤0时，分为以下三种工作模式：

模式5：usc处于[u2,uscmax)，超级电容满电；

模式6：usc处于[ul,uh)，超级电容有容量来吸收回馈的能量，动力电池与超级电容分频吸收能量；

模式7：usc处于[0,ul)，超级电容电量严重不足，制动回馈的能量全部由超级电容吸收，动力电池对超级电容进行充电。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明通过采样超级电容电压和母线功率，将多源系统的工作情况划分七种全工况运行模式，保证超级电容电压一直处于可靠工作电压范围；

2、本发明运用低通函数实现动力电池和超级电容功率的分频控制，从而实现动力电池提供低频功率，超级电容响应高频功率的目标，延长了动力电池的使用寿命，提高了多源系统的长期工作可靠性。

附图说明

图1为动力电池所接变换器双环控制框图；

图2为超级电容所接变换器电流环控制框图；

图3为动力电池和超级电容功率分配原理图；

图4为功率分配运行控制框图；

图5为多源系统分模式运行流程图。

上述附图中主要符号名称：

s是拉普拉斯算子；

kpu、kiu分别为动力电池所接变换器电压环控制的比例系数、积分系数；

kpi、kii分别为动力电池所接变换器电流环控制的比例系数、积分系数；

kp、ki分别为超级电容所接变换器电流环控制的比例系数、积分系数；

ubus、ibus、pbus为直流母线电压、母线电流和母线负载功率；

usc、isc、psc分别为超级电容的输出电压、输出电流和输出功率；

pbat为动力电池的输出功率，pth为动力电池允许的最大长期放电功率，为动力电池功率基准，为超级电容功率基准；

ul为超级电容亏电压阈值，uh为超级电容满电压阈值，uscmax为超级电容的最大电压。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明采用全主动式结构多源系统，完全控制动力电池和超级电容的输出特性，从而充分利用多源系统的容量，提高系统能量的利用率。

其中，多源系统的控制策略，多采用功率分配的控制策略，即将直流母线功率按需分配给各个能量源。当功率突变时，如果不采用特殊的控制策略，动力电池和超级电容均会瞬间吸收或释放功率。对于蓄电池来说，充放电循环次数有限，瞬间大电流会缩短使用寿命，因此为了充分利用超级电容的快速响应和充放电次数多的特点，通常采用功率分频分配原则，即动力电池提供低频功率，超级电容提供高频功率，缓解动力电池的输出压力。

为了保证多源系统能够实现功率分频功能，同时保证母线电压稳定，本发明采用分模式运行控制策略对电动汽车动力电池—超级电容多源系统进行控制。多源系统通过上位机检测母线功率，通过低通滤波器将母线功率信号分为低频功率和高频功率，分别传输到动力电池和超级电容所接双向直流变换器的控制器中，实现功率分频控制。同时为了保证多源系统能够稳定长期工作，依据超级电容的电压范围和动力电池长期极限功率的工作情况划分了七种运行模式，实现多源系统的能量管理。

实施例1

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于超级电容电压范围的多源系统分模式运行控制方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，动力电池所接的双向直流变换器高压侧电压uhigh经过电压传感器采样送给控制芯片，与母线电压基准比较得到误差电压，误差电压经过一个pi电压控制器处理得到动力电池的低压侧电流基准为了保护变换器，防止电流过大对电流基准进行一个电流限幅，若计算的电流基准正向过大或反向过大，则将电流基准限制在变换器接受的最大电流，其他情况不限幅。处理后的电流基准与电流传感器采样后得到的电流信号ibat作比较得到误差电流，误差电流经过pi的电流控制器处理得到占空比信号dboost(正向升压)、dbuck(反向降压)，占空比信号经过pwm信号发生器产生一系列的驱动信号驱动变换器的功率开关，维持母线电压稳定在基准值

2)如图2所示，超级电容端电压usc和超级电容电流isc由传感器采样后经调理电路处理得到，超级电容基准电流由功率分配后得到的功率指令计算得到，经过电流限幅的超级电容基准电流与超级电容电流isc相减后经pi电流控制器作用送入pwm信号发生器，产生一系列驱动信号控制所接变换器输出功率psc。

3)直流母线电压ubus与母线电流ibus的乘积为直流母线所需功率pbus。母线功率pbus经过低通滤波器后得到动力电池功率给定由于母线功率中会含有负载突变、信号干扰等引起的高频功率分量，高频功率分量产生的高频电流会影响动力电池的长期性能和工作寿命，因此低通滤波器用来滤除高频功率分量以平滑动力电池的电流。母线功率pbus减去处理后的动力电池功率给定得到超级电容功率给定由于超级电容使用寿命远大于动力电池，所以高频功率分量全部让超级电容吸收或释放以达到功率平衡。

实施例2

本发明根据图5提出的一种新的控制策略，结合图3和图4所示的功率分频控制，实现电动汽车多源系统分模式运行，划分为七种模式，覆盖电动汽车全工况。

图3中直流母线功率pbus经低通滤波器函数处理后得到缓慢变化的低频功率pbat，由动力电池提供，缓慢变化的功率可以避免电流产生冲击，影响动力电池的使用性能，有效延长动力电池的使用寿命。电动汽车多源系统中，动力电池和超级电容共同为车载直流母线提供功率pbus。根据功率守恒，超级电容用来提供直流母线功率pbus与动力电池输出功率的差值功率psc，即超级电容用来承担剩余的高频功率。

图4为多源系统中动力电池和超级电容的功率分配原理图，当直流母线负载功率突然增大时，由于低通滤波器的作用，动力电池的功率响应较慢，因此动力电池输出功率缓慢增大直到稳态时直流母线功率完全由动力电池提供。在此期间，超级电容快速响应直流母线与动力电池的差值功率psc，当动力电池功率慢慢增大时，超级电容输出功率逐渐减小至零，即稳态时超级电容不提供功率。当直流母线负载功率突然减小时，同样地，在低通滤波器的作用下，动力电池输出功率缓慢减小至直流母线功率，而超级电容快速响应，迅速吸收差值功率psc，直到新的稳态来临，动力电池继续提供直流母线功率，超级电容不工作。

由于实际运行中，蓄电池电压基本稳定，而超级电容电压变化范围较大，因此电动汽车的直流母线功率pbus和超级电容电压usc是电动汽车多源系统运行的重要参数。基于母线功率和超级电容电压参数，提出分模式运行控制策略，将电动汽车动力电池-超级电容多源系统细分为以下七种模式，如图5所示，pbus>0时，母线吸收多源的功率，电动汽车运行在模式1，2，3，4；pbus≤0时，母线回馈功率给多源，电动汽车运行在模式5，6，7。

当直流母线功率pbus>0时，此时母线负载吸收功率，根据超级电容电压范围大小和动力电池允许长期放电功率门限，分为以下四种工作模式。

模式1：usc处于[uh,uscmax]，此时超级电容满电，假定下一时刻电动汽车进行制动，则超级电容可能没有足够的空间存储回馈的能量。为了使得超级电容有足够的容量空间来消纳电动汽车制动产生的回馈能量，在这一阶段让超级电容单独提供负载突增所需能量，动力电池仅用来维持母线电压。

模式2：usc处于[ul,uh)，此时超级电容处于合适电压状态，既能释放能量也能吸收能量，此时动力电池与超级电容分频输出功率，功率稳定时则全由动力电池输出功率。

模式3：usc处于[0,ul)，超级电容亏电，不适合出电，若pbus>pth，则超级电容不输出功率，动力电池输出全部功率。

模式4：基于模式3，若pbus≤pth，则动力电池在为直流母线提供能量的同时，还要为超级电容提供能量，使超级电容电压快速恢复到合适的电压范围。

当直流母线功率pbus≤0时，此时母线负载回馈功率，表示电动汽车的电机此时处于再生制动运行模式，回馈的母线功率用于多源吸收，从而提高能量的利用率。根据超级电容电压范围大小分为以下三种工作模式。

模式5：usc处于[u2,uscmax)，此时超级电容满电，不适合吸收能量，动力电池吸收制动能量。

模式6：usc处于[ul,uh)，此时超级电容有一定的容量来吸收回馈的能量，动力电池与超级电容分频吸收能量。

模式7：usc处于[0,ul)，此时超级电容电量严重不足，制动回馈的能量全部由超级电容吸收，同时动力电池也对超级电容进行充电。

综上所述，本发明提出的基于超级电容电压范围的多源系统分模式运行控制方法，不仅显著减小了动力电池电流冲击，实现动力电池与超级电容功率分频，还根据超级电容电压将多源系统分为七种运行模式，防止出现超级电容过充或过放的情况，有效保证了多源系统长期稳定工作。所提控制策略控制简单，在电动汽车的多源系统能量管理方面具有较好的应用前景。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。