專利名稱：車載輔助動力蓄電池組剩余電量閉環(huán)控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種車載輔助動力蓄電池組剩余電量調(diào)節(jié)的方法，尤其涉及混合動力電動汽車(包括燃料電池混合動力汽車、內(nèi)燃機混合動力汽車或其它包含車載輔助動力蓄電池組的具有兩種動力源的汽車)的車載輔助動力蓄電池組剩余電量調(diào)節(jié)的方法。
背景技術：
面對日趨嚴重的能源短缺與環(huán)境惡化問題，尋求社會、經(jīng)濟與資源、環(huán)境相互促進與協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展模式正在成為世界性潮流。在這種背景下，混合動力電動汽車技術成為汽車研究領域的一大熱點，一般認為混合動力電動汽車，是指在同一輛汽車中同時采用了電動機和發(fā)動機作為其動力裝置，通過先進的控制系統(tǒng)使兩種動力裝置有機協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)最佳能量分配，達到低能耗、低污染和高度自動化的新型汽車。目前，有兩種能源組合形式的混合動力電動汽車倍受關注內(nèi)燃機混合動力汽車和燃料電池混合動力汽車。其中，由豐田公司設計開發(fā)的內(nèi)燃機混合動力汽車“Prius”已經(jīng)批量生產(chǎn)并在北美市場銷售，取得了很大的成功；很多世界著名汽車公司開發(fā)設計的燃料電池混合動力汽車也進入到了示范運行的階段。
與電動汽車和燃油汽車相比，混合動力電動汽車具有高性能、低能耗和低污染的特點以及技術、經(jīng)濟和環(huán)境等方面的綜合優(yōu)勢。無論何種形式的混合動力電動汽車，動力蓄電池都是其動力系統(tǒng)中不可缺少的一部分。動力蓄電池的主要作用是提供起動或低速行駛的功率需求(對于內(nèi)燃機混合動力汽車)；響應負載的快變成分(對于燃料電池混合動力汽車)；提供加速或高速行駛時的峰值功率需求；吸收再生制動的回饋能量?；旌蟿恿﹄妱悠囍袆恿π铍姵夭恍枰獠砍潆?，通過特殊的充放電管理策略實現(xiàn)其剩余電量的調(diào)節(jié)，這在混合動力電動汽車的動力控制中非常重要，也是難點之一。尤其對于工作在功率跟隨模式下的燃料電池混合動力汽車，燃料電池發(fā)動機盡量跟隨負載功率的變化，動力蓄電池響應負載中的快變成分，并且吸收制動回饋能量。因此針對混合動力電動汽車中輔助動力蓄電池淺充淺放的工作特點，為保證其最佳的動態(tài)特性，蓄電池剩余電量需要控制在較小的波動范圍內(nèi)，這在實現(xiàn)中是非常困難的。
基于以上技術特征，目前的車載動力蓄電池管理系統(tǒng)均提供當前SOC值(state ofcharge，蓄電池荷電狀態(tài)或稱剩余電量)的估計值。目前通常采用的方法是基于蓄電池管理系統(tǒng)提供的SOC估計值進行閉環(huán)反饋控制，以此實現(xiàn)蓄電池剩余電量的調(diào)節(jié)。但是，到目前為止，對于車載動力蓄電池的SOC估計問題仍然未被很好的解決，主要是SOC估計易于產(chǎn)生偏差而且對蓄電池剩余電量的瞬態(tài)變化反映不足，從而導致實際的剩余電量調(diào)節(jié)存在如下問題a)蓄電池實際剩余電量與期望值易于產(chǎn)生偏差；b)瞬態(tài)控制效果不理想。
因此，目前的技術關鍵在于，在當前蓄電池SOC估計技術水平下，如何構造一種新的調(diào)節(jié)方法，從而能夠提高車載動力蓄電池剩余電量的控制精度和控制效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)車載輔助動力蓄電池組剩余電量的控制調(diào)節(jié)，對SOC估計誤差不敏感而且具有較好的瞬態(tài)控制效果的車載輔助動力蓄電池組剩余電量閉環(huán)控制方法。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明所提供的一種車載輔助動力蓄電池組剩余電量閉環(huán)控制方法，其特征在于，閉環(huán)控制方法的步驟如下
1)將蓄電池開路電壓期望值和來自漸進狀態(tài)觀察器的蓄電池開路電壓觀測值分別輸入閉環(huán)控制器；2)閉環(huán)控制器根據(jù)蓄電池開路電壓的期望值和觀測值的偏差設定指令輸出至混合動力總成，以調(diào)節(jié)混合動力總成的功率；3)混合動力總成經(jīng)動力蓄電池組輸出蓄電池電流和蓄電池電壓測量值至漸進狀態(tài)觀察器；4)基于動態(tài)數(shù)學模型構造系統(tǒng)的漸進狀態(tài)觀察器輸出蓄電池開路電壓觀測值分別至閉環(huán)控制器和蓄電池管理系統(tǒng)的輸出端。
所述動力蓄電池組采用了RC等效電路模型；其中，等效電容存儲的電荷量代表了蓄電池組的剩余電量，等效電阻的能量消耗代表了蓄電池組充放電過程中的能量損耗，根據(jù)等效電路模型建立動力蓄電池的動態(tài)數(shù)學模型如下式1C∫0t[-Ib(t)]dt+R[-Ib(t)]=Ubus(t)---1]]>Ub(t)=1C∫0t[-Ib(t)]dt---2]]>式中，Ib為蓄電池電流，放電時為正，充電時為負；R為等效內(nèi)阻；C為等效電容；積分項為蓄電池開路電壓Ub；Ubus為蓄電池輸出電壓。
從而得到動力蓄電動態(tài)數(shù)學模型的狀態(tài)空間表述為x·=Ax+Buy=Cx+Du---3]]>式中狀態(tài)矢量x＝[IbUb]T；輸入變量u＝Ib；輸出變量y＝Ubus；系統(tǒng)矩陣分別為A=00-1C0B=00C=-R1D=0000---4]]>在系統(tǒng)∑0＝(A，B，C)的基礎上構造漸進狀態(tài)觀測器 其方程為x^·=Ax^+Bu+G(y-y^)---5]]>
式中，和 分別為狀態(tài)變量x和輸出變量y的觀測值；G為反饋增益陣，通過配置狀態(tài)觀測器的閉環(huán)極點位置得到反饋增益陣G，可以調(diào)整狀態(tài)觀測值對實際狀態(tài)的漸進速度，從而得到期望的閉環(huán)系統(tǒng)特性。
利用本發(fā)明提供的車載輔助動力蓄電池組剩余電量閉環(huán)控制方法，由于采用了上述技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有下述優(yōu)點1)對SOC估計值的誤差不敏感，從而使蓄電池剩余電量的調(diào)節(jié)較準確；2)瞬態(tài)控制效果較好。
本發(fā)明所提出的方法比傳統(tǒng)的方法相比，在SOC估計值出現(xiàn)偏差的情況下，控制偏差減小78％，而且瞬態(tài)控制效果明顯改善。


圖1是本發(fā)明采用的動力蓄電池的RC等效電路模型的示意圖圖2是本發(fā)明建立的蓄電池剩余電量閉環(huán)控制算法的原理框圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合

對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似方法及其相似變化，均應列入本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明建立動力蓄電池的動態(tài)數(shù)學模型，基于此模型構造動力蓄電池開路電壓的狀態(tài)觀測器，對蓄電池開路電壓的觀測值進行閉環(huán)控制實現(xiàn)剩余電量的調(diào)節(jié)。對于車載動力蓄電池因為SOC估計值易于產(chǎn)生偏差，而且對剩余電量的瞬態(tài)波動反映不足。如果采用SOC估計值進行閉環(huán)控制調(diào)節(jié)蓄電池剩余電量，則易于產(chǎn)生控制偏差且動態(tài)控制效果不好。因此本發(fā)明不依靠SOC估計值控制蓄電池剩余電量，而是基于動態(tài)數(shù)學模型構造系統(tǒng)的漸進狀態(tài)觀測器，狀態(tài)觀測器的輸入是蓄電池電流和蓄電池電壓測量值，輸出為蓄電池開路電壓觀測值，對蓄電池開路電壓觀測值進行閉環(huán)控制實現(xiàn)蓄電池剩余電量的調(diào)節(jié)。狀態(tài)觀測器以系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型估計蓄電池輸出電壓和開路電壓，然后以蓄電池輸出電壓的模型估計值和實際測量值的偏差對開路電壓的模型估計值進行校正，由于這種校正是實時進行的，因此開路電壓觀測值能夠較好的反應蓄電池實際剩余電量情況，而且能夠充分反映蓄電池剩余電量的瞬態(tài)變化情況。
如圖1所示，本發(fā)明的車載輔助動力蓄電池組剩余電量閉環(huán)控制方法在實現(xiàn)過程中動力蓄電池采用了RC等效電路模型。其中，等效電容存儲的電荷量代表了蓄電池的剩余電量，等效電阻的能量消耗代表了蓄電池充放電過程中的能量損耗。另外，本發(fā)明所提出了方法并不局限于采用RC等效電路模型，針對不同的應用場合和類型采用其它等效電路模型時，仍然適用。
根據(jù)等效電路模型建立動力蓄電池的動態(tài)數(shù)學模型如下式1C∫0t[-Ib(t)dt+R[-Ib(t)]=Ubus(t)---1]]>Ub(t)=1C∫0t[-Ib(t)dt---2]]>式中，Ib為蓄電池電流，放電時為正，充電時為負；R為等效內(nèi)阻；C為等效電容；積分項為蓄電池開路電壓Ub；Ubus為蓄電池輸出電壓。
從而得到動力蓄電動態(tài)數(shù)學模型的狀態(tài)空間表述為x·=Ax+Buy=Cx+Du---3]]>式中狀態(tài)矢量x＝[IbUb]T；輸入變量u＝Ib；輸出變量y＝Ubus；系統(tǒng)矩陣分別為A=00-1C0B=00C=-R1D=0000---4]]>在系統(tǒng)∑0＝(A，B，C)的基礎上構造漸進狀態(tài)觀測器 其方程為
x^·=Ax^+Bu+G(y-y^)]]>式中，和 分別為狀態(tài)變量x和輸出變量y的觀測值。G為反饋增益陣，通過配置狀態(tài)觀測器的閉環(huán)極點位置得到反饋增益陣G，可以調(diào)整狀態(tài)觀測值對實際狀態(tài)的漸進速度，從而得到期望的閉環(huán)系統(tǒng)特性。狀態(tài)觀測器的輸入為蓄電池電流和輸出電壓實測值，輸出為蓄電池開路電壓觀測值。
對上述狀態(tài)觀測器輸出的蓄電池開路電壓觀測值進行閉環(huán)控制從而可以實現(xiàn)蓄電池剩余電量的控制和調(diào)節(jié)。
圖2是閉環(huán)控制算法的原理圖，其中閉環(huán)控制器是閉環(huán)控制算法的核心，其輸入為蓄電池開路電壓的期望值和觀測值，根據(jù)蓄電池開路電壓的期望值和觀測值的偏差調(diào)節(jié)混合動力總成的功率設定指令，從而實現(xiàn)蓄電池剩余電量的控制調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制算法的控制性能指標可以通過調(diào)整閉環(huán)反饋增益來調(diào)節(jié)，而閉環(huán)反饋增益針對不同的應用場合，通過合適的系統(tǒng)閉環(huán)零極點配置和試驗匹配的方法確定。
根據(jù)上述基本控制方法，針對一燃料電池轎車樣車中輔助動力蓄電池的應用場合，通過系統(tǒng)動態(tài)建模、控制參數(shù)設計、仿真分析、試驗匹配等設計過程，實現(xiàn)了蓄電池剩余電量的控制和調(diào)節(jié)。通過在轉(zhuǎn)鼓實驗臺上的對比實驗結(jié)果證明，本發(fā)明所提出的方法比傳統(tǒng)的方法相比，在SOC估計值出現(xiàn)偏差的情況下，控制偏差減小78％，而且瞬態(tài)控制效果明顯改善。
權利要求
1.一種車載輔助動力蓄電池組剩余電量閉環(huán)控制方法，其特征在于，閉環(huán)控制方法的步驟如下1)將蓄電池開路電壓期望值和來自漸進狀態(tài)觀察器的蓄電池開路電壓觀測值分別輸入閉環(huán)控制器；2)閉環(huán)控制器根據(jù)蓄電池開路電壓的期望值和觀測值的偏差設定指令輸出至混合動力總成，以調(diào)節(jié)混合動力總成的功率；3)混合動力總成經(jīng)動力蓄電池組輸出蓄電池電流和蓄電池電壓測量值至漸進狀態(tài)觀察器；4)基于動態(tài)數(shù)學模型構造系統(tǒng)的漸進狀態(tài)觀察器輸出蓄電池開路電壓觀測值分別至閉環(huán)控制器和蓄電池管理系統(tǒng)的輸出端。
2.根據(jù)權利要求1所述的車載輔助動力蓄電池組剩余電量閉環(huán)控制方法，其特征是，所述動力蓄電池組采用RC等效電路模型；其中，等效電容存儲的電荷量代表蓄電池組的剩余電量，等效電阻的能量消耗代表蓄電池組充放電過程中的能量損耗，根據(jù)等效電路模型建立動力蓄電池的動態(tài)數(shù)學模型如下式1C∫0t[-Ib(t)]dt+R[-Ib(t)]=Ubus(t)---(1)]]>Ub(t)=1C∫0t[-Ib(t)]dt---(2)]]>式中，Ib為蓄電池電流，放電時為正，充電時為負；R為等效內(nèi)阻；C為等效電容；積分項為蓄電池開路電壓Ub；Ubus為蓄電池輸出電壓。從而得到動力蓄電動態(tài)數(shù)學模型的狀態(tài)空間表述為x·=Ax+Buy=Cx+Du---(3)]]>式中狀態(tài)矢量x＝[IbUb]T；輸入變量u＝Ib；輸出變量y＝Ubus；系統(tǒng)矩陣分別為A=00-1C0,B=00,C=-R1,D=0000---(4)]]>在系統(tǒng)∑0＝(A，B，C)的基礎上構造漸進狀態(tài)觀測器的 其方程為x^·=Ax^+Bu+G(y-y^)---(5)]]>式中， 和 分別為狀態(tài)變量x和輸出變量y的觀測值；G為反饋增益陣，通過配置漸進狀態(tài)觀測器的閉環(huán)極點位置得到反饋增益陣G，可以調(diào)整狀態(tài)觀測值對實際狀態(tài)的漸進速度，從而得到期望的閉環(huán)系統(tǒng)特性。
全文摘要
本發(fā)明公開一種車載輔助動力蓄電池組剩余電量閉環(huán)控制方法，涉及蓄電池組剩余電量控制技術領域；所述閉環(huán)控制方法主要包括閉環(huán)控制器根據(jù)蓄電池開路電壓的期望值和觀測值的偏差設定指令輸出至混合動力總成，以調(diào)節(jié)混合動力總成的功率；混合動力總成經(jīng)動力蓄電池組輸出蓄電池電流和蓄電池電壓測量值至漸進狀態(tài)觀察器；基于動力蓄電池動態(tài)數(shù)學模型的狀態(tài)觀測器輸出蓄電池開路電壓觀測值至閉環(huán)控制器，通過蓄電池開路電壓觀測值進行閉環(huán)控制以實現(xiàn)動力蓄電池剩余電量調(diào)節(jié)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下有益效果對SOC估計值的誤差不敏感，蓄電池剩余電量的控制誤差較?。凰矐B(tài)控制效果較好。
文檔編號H01M10/44GK1767310SQ20051011050
公開日2006年5月3日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權日2005年11月18日
發(fā)明者萬鋼, 鐘再敏, 贠海濤, 孫澤昌 申請人:上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司, 萬鋼