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车辆复合电源功率分配稳定控制策略研究

更新时间:2016-07-05

现在,国内外学者对未来汽车进行了大量的研究,混合动力电动汽车以其绿色环保、节能和动力性能良好等优势被认为是一种最佳的解决方案[1]。目前,大多数混合动力电动汽车配置两种储能装置,一种储能装置具有高能量密度,称为“主电源”,通常采用蓄电池;另一种储能装置具有高功率密度和可逆性,称为“辅助电源”,通常采用超级电容器。主电源主要负责汽车长时间的续航,而辅助电源主要负责汽车瞬时加速和再生制动能量回收[2]。蓄电池与超级电容器相结合构成复合电源,超级电容器和蓄电池优势互补,会大大提高汽车能量存储系统的性能[3]

要实现蓄电池、超级电容器和负载三者之间能量和功率的动态转移,需要利用功率变换器的主动变流技术来实现,通过主动控制功率变换器,实现蓄电池和超级电容之间功率的合理分配,满足负载能量和功率的双重需求[4]

复合电源功率分配控制策略可归纳总结为两类:线性控制策略和非线性控制策略。对于线性控制策略,其工作原理是将汽车需求功率与蓄电池和超级电容器的荷电状态进行线性化分配[5],控制规则简单易实现。但是由于复合电源系统属于非线性系统,采用线性控制策略控制非线性系统其控制稳定性不强[6]。对于非线性控制策略,包括神经网络控制[7]、模糊控制[8]和自适应控制[9]等,其控制效果各有利弊。但目前大多数复合电源功率分配控制策略缺乏对其控制系统稳定性的分析,系统不稳定,控制策略实际应用价值不大。

本文设计了一种基于滑模变结构和李雅普诺夫的复合电源功率分配稳定控制策略,经过仿真和实验验证发现,该控制策略在满足所设计的控制目标的基础之上,控制系统可实现全局渐进稳定。

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1 滑模变结构控制策略设计

复合电源拓扑结构见图1,在文献[10]中对复合电源进行了详细的建模,包括局部模块建模和全局系统建模。基于此,本文设计的滑模变结构控制策略包括两个控制目标:1) 稳定直流母线电压;2) 精确跟踪超级电容器电流参考值。

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图1 复合电源拓扑结构

式中, dcC为直流母线电压的输出滤波电容;oi为复合电源输出电流;s为拉普拉斯算子。

式中,λ≥1,定义为损耗因子,包含电感损耗和开关损耗;vuc- r ef 为超级电容器端电压vuc的参考值。

为实现两个控制目标,采用滑模变结构控制策略,引入滑动面表现为:

其中,有:

x1ibf的平均值;x2iuc的平均值。

因此,控制目标转换为确保系统滑动面S= 0 。当一个控制目标实现后,系统被定义为在一个滑动模式S˙下。在这种情况下,所谓的不变条件可表示为:

所以,全局控制信号 1u23u的等效控制信号函数可改写为:

搭建的小功率复合电源实验平台如图4所示,实验平台由3个部分组成,第一部分为复合电源系统,包括蓄电池、超级电容器和功率变换器;第二部分为负载,包括直流他励电机、涡流制动器和冷却水箱;第三部分为测试平台,包括电压电流传感器和PC机。具体实验参数如表3所示。

图3a所示为直流母线电压,直流母线电压在336 V上下波动,电压波动范围在10 V左右,稳压精度小于3%,第一个控制目标已实现。图3b所示为超级电容器电流参考值和实际值,图3c所示为两者之间的相对误差。超级电容器实际电流精确跟踪其参考值,误差精度控制在3%以内,第二个控制目标已实现。

式中,μ1μ23为占空比;u1u23的平均值;c1>0为设计参数;μ1Nμ23N作为附加输入信号,代表着一些干扰信号;ε3 =x3 -x3d,定义为x3与其设计值x3d之间的误差;c1ε3为控制规则中的阻尼项,其作用是调整输出响应[12]

式中,a1、a2、a3分别是f1、f2、f3的权重;f1、f2、f3分别是产品质量信用意愿、产品质量提供能力和产品质量保障能力的关系函数。

2 控制系统稳定性分析

滑模变结构控制策略的控制目标是使系统状态满足S= 0 ,为此必须确保在任何初始条件下,系统都能到达状态S=˙=0,且保持S=0。此外,控制规则的选取必须在状态向量 (s1, s2,ε3 )下系统达到稳定。可建立二次李亚普洛夫函数:

其导数为:

在使用可穿戴传感设备前,每个用户的手机需要与设备借助轻量级认证协议完成用户与传感器之间的身份认证。其次,再利用区块链技术实现体域网中多方身份认证过程。在传感器端生成数据后,使用证书中心生成的公钥将数据加密,传输给路由器。这期间,为保证新加入的节点身份的正确性和真实性,账本端启用共识算法,用于验证新节点身份。新节点需经过智能合约的判断:当有半数以上的节点通过审核时,系统自动认可该节点被记入帐本,并记录到主链上;否则,本次请求视为无效,该节点不被放入主链中。本系统架构能有效地防止恶意节点的加入,确保了节点的正确性和安全性。新节点加入区块的智能合约流程如图3所示。

HERNWETH等[21]的研究显示,组织内细胞密度和组织内坏死成分都决定着组织ADC值的变化,ADC数值的增大与细胞坏死、组织结构微观改变有直接联系,ADC数值的变化出现在组织内细胞密度和T2WI变化之前。但是对于小细胞肺癌ADC变异态势,需要经过大样本量试验才可以确定。

其中,有:

式中,10α>,20α>,30α>均为设计参数。

式(11)可改写为:

式中,V≤ 0 ,根据李亚普洛夫第二法(直接法)可知,含状态向量 (s1, s2 ,ε3 )的闭环系统全局渐近稳定。

2) 复合电源功能实现角度

x3的设计值x3d定义为:

由于Boost变换器不可逆[11],本文不直接控制直流母线电压vd c 跟踪其参考值vdc- r ef ,而是间接控制方法,即:ibf跟踪其参考值ibf- r ef。当系统达到稳定状态时,存在ib f =ibf-refvd c =vdc- refvd c - refvb。根据功率守恒原则得到:

3 仿真研究

3.1 仿真平台

为验证本文提出的基于滑模变结构和李雅普诺夫的复合电源功率分配稳定控制策略的理论可行性,在ADVISOR仿真环境下进行仿真研究[13]。本文中的研究对象为小型轻混合度混合动力电动汽车,仿真平台的具体参数如表1所示。关于设计参数α1α2α3,根据其数学表现形式和实际作用可以看出,3个设计参数均属于经验值,具体参数选择方法为试凑法,具体参数值设计为:α1 = 1 04α2 = 1 03α3= 1 04c1=2。

表1 仿真平台参数

参数 整车 蓄电池 超级电容器满载质量/kg 1 919 — —迎风面积/m2 2.0 — —空气阻力系数 0.336 — —驱动电机功率/kW 58 — —单体额定电压/V — 12 2.7单体额定容量/Ah — 30 500数目(串联) — 20 110

Boost变换器和Buck-Boost变换器的具体仿真参数如表2所示。

表2 功率变换器仿真参数

名称 数值L1L2/mH 5 R1R2/mΩ 20 Cdc/mF 1.67 Cb/mF 1.67 Cuc/F 500 Ruc/Ω 0.5开关频率fs /kHz 15

3.2 仿真结果与分析

选择CYC-HWFET工况作为测试工况,如图2所示,该工况可测试混合动力电动汽车的各项性能,代表性较强。

在80 mL无水乙醇和20 mL去离子水的混合溶液中加入25%的氨水1.0 mL,搅拌均匀,在40 ℃水浴及不断搅拌下,加入0.2 mL TEOS,保温搅拌反应6 h,得到的颗粒经8 000 r/min 离心,与溶液分离,然后用去离子水和无水乙醇各清洗2次,于烘箱中60 ℃干燥后备用[7]。

图2 CYC-HWFET工况

图3为复合电源的仿真结果,从控制目标实现和复合电源功能实现两个角度对仿真结果进行分析。

1) 控制目标实现角度

本文介绍了客滚船常见的几种空调系统方案,分析比较了这些方案在温度控制、节能水平、噪声控制和初始成本投入等方面的表现,重点选取了变风量系统和目前国内客滚船最常用的再热定风量系统进行比较。结果表明,变风量系统的应用可有效提高舱室温度控制水平和节能水平,在客滚船上拥有广阔的应用前景,有助于空调系统节能减排理念在大型船舶上进一步实践。

图3 复合电源仿真结果

结合式(6)~式(9)以及式(12)~式(14),得到如下控制规则:

图3d和图3e所示为蓄电池和超级电容器的电压和电流波形,蓄电池的电压特性较硬,电压波形基本恒定,变化波动范围较小。超级电容器电压特性较软,电压波动范围较大;蓄电池的电流相对于超级电容器,其变化幅度较小,超级电容器最大限度地发挥了其大电流瞬时充放电的优势,有效及时地对蓄电池进行了功率补偿,功率补偿效果较好。复合电源中蓄电池和超级电容器优势互补的功能得以实现。

4 实验研究

4.1 实验平台

式中,vb为蓄电池等效电压;L1L2为高频电感;x3vdc的平均值;R1为电感L1的等效串联电阻;R2∧∧L2的等效串联电阻;ibf- r efibf- r ef平均值;iuc- refiuc- r ef的平均值。式(6)和式(7)可以分解成一般控制结构:

图4 复合电源实验平台

表3 复合电源实验参数

参数 蓄电池 超级电容器 DC/DC变换器单体额定电压/V 6 3 —单体额定容量/Ah 20 650 —数目(串联) 4 12 —开关频率/kHz — — 20电感量/μH — — 100

4.2 实验结果与分析

实验工况如图5所示,该工况中包含加速、减速和制动等运行状态,与仿真CYC-HWFET工况相对应。

图6a所示为直流母线电压,电压波动范围为1.2 V,稳压精度小于2.5%。图6b为超级电容器电流参考值和实际值,可以看出电容电流的实际值时刻跟踪其参考值,图6c给出了实际值和参考值之间的相对误差,误差在5%以内,跟踪性能较好。两个控制目标均已实现。

1) 控制目标实现角度

实验结果如图6所示,同样从控制目标实现和复合电源功能实现两个角度对实验结果进行剖析。

图5 实验测试工况

图6 复合电源实验结果

2) 复合电源功能实现角度

图6d所示为电池和电容的电压曲线,电压特性较硬的蓄电池,其电压基本为一条水平线。电压特性较软的超级电容器,实验过程中的电压波动较为明显。图6e所示为电池和电容的电流,以电机转速为切入点进行分析。电机启动时刻,负载需求功率较小,不存在峰值功率,此时由蓄电池提供功率。当电机转速提高,负载需求功率增大,同时实验工况中出现了明显的加减速,超级电容器逐步对电池进行功率补偿,呈现出电容大电流充放电的情况。至此,复合电源的功能再次在实验中得以实现。

从控制目标和复合电源功能实现两个角度不难发现,仿真结果和实验结果高度一致。

三十七年转瞬即逝,伤心的往事都风一样刮过去了,但有个人,像血液每天流淌在她的血管里,贯穿于身体与她的生命同在。那人,就是杨琳,她的恩人。十年前,欧阳橘红曾托滨湖公司去部里开会的领导,打听杨琳,他们给她提供了三个叫杨琳的人,但年龄都对不上。她要趁有生之年,回滨湖看看杨琳。

综上所述,质量管理系统是军工企业提高产品质量管控的主要保证,对军工企业前进与发展起着关键性影响,而当前军工产品质量管理系统在诸多方面还存在一定的不足,如部门设置、管理方式等方面,因此,结合当前现状制定合理、科学的军工产品质量管理系统优化策略至关重要,从而更好地发挥质量管理系统作用。

5 结束语

本文针对混合动力电动汽车复合电源功率分配控制问题,提出了一种基于滑模变结构和李雅普诺夫的稳定控制策略。经过仿真和实验验证后,结论如下:

需求情况:氮肥方面,各地基本无农作物用肥需求;工业需求略有提振,胶板厂开工缓慢上升,复合肥企业开工率保持平稳,对尿素的采购需求总体稍有提升。磷肥方面,国内秋季市场新单成交放缓,企业当前销售重心仍以出口为主,大型生产企业9月出口订单已排满。钾肥方面,复合肥企业开工率保持稳定,但因正值秋季肥生产旺季,对钾肥尚有潜在采购需求。复合肥方面,秋季备肥出货略有好转,零售商已开始为秋季销售囤货,秋季以南方果蔬用肥、烟草用肥为主,北方小麦用肥提货缓慢。

1) 本文的控制策略能实现稳定直流母线电压、精确跟踪超级电容器电流参考值两个控制目标;

2) 闭环控制系统能实现全局渐近稳定;

“人民、只有人民,才是创造历史的动力。”人本管理就是要求从尊重人、关心人、爱护人、理解人的角度对人的成长和发展负责,尊重人性,倡导人伦,关注情感。具体来讲,人本管理制度主要包括:

3) 本文的功率分配控制策略其意义在于:蓄电池和超级电容器各自能发挥所长,优势互补,在充分保证汽车能量和功率双重动力需求的同时,提高了汽车的续航能力,大大降低了储能系统的长期成本。

参 考 文 献

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王琪,罗印升,倪福银
《电子科技大学学报》2018年第03期文献

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