應(yīng)用于電動汽車復(fù)合儲能系統(tǒng)的升壓型直流變換器控制策略

聶金泉，吳華偉，鄺 勇，童曉輝，任曄路

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應(yīng)用于電動汽車復(fù)合儲能系統(tǒng)的升壓型直流變換器控制策略

聶金泉1,2，吳華偉1,2，鄺 勇3，童曉輝3，任曄路3

（1湖北文理學(xué)院純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與測試湖北省重點實驗室，湖北 襄陽 441053；2湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；3東風(fēng)襄陽旅行車有限公司，湖北 襄陽 441000）

升壓型直流變換器采用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略存在收斂速度較慢、抖振劇烈等導(dǎo)致的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)差問題。本文提出一種雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略，在電流跟蹤誤差估計值的基礎(chǔ)上定義滑模面以實現(xiàn)電流跟蹤控制，依據(jù)系統(tǒng)的未知擾動和負載變化建立自適應(yīng)狀態(tài)觀測器，結(jié)合李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計自適應(yīng)律，并計算自適應(yīng)占空比。提出一種雙冪次趨近律，根據(jù)系統(tǒng)不同趨近過程的特點制定參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)進行目的性調(diào)節(jié)，并設(shè)計滑模滯環(huán)控制器以削弱由符號函數(shù)項所引起的抖振。對以上方法進行了仿真驗證，結(jié)果顯示可有效改善系統(tǒng)的動態(tài)特性和電流控制魯棒性。

升壓型直流變換器；雙冪次趨近律；滑?？刂?；自適應(yīng)觀測器；滯環(huán)控制器

復(fù)合儲能系統(tǒng)綜合電池和超級電容的高比能、高比功率特性，可有效提升系統(tǒng)中電池的使用壽命，獲得了廣泛的關(guān)注[1]。升壓型直流變換器廣泛應(yīng)用于要求輸出電壓高于輸入電壓的工程中，在復(fù)合儲能系統(tǒng)中也得到了大量的應(yīng)用。然而，開關(guān)特性使升壓型直流變換器具有非線性，實際工作中輸入電壓、負載和系統(tǒng)參數(shù)變化等不確定性擾動隨時可能發(fā)生，對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成威脅。因此，尋找一種針對該非線性系統(tǒng)在任意工況下抗擾動且快速收斂的控制策略尤為重要[2]。

滑模控制具有魯棒性強、快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動不靈敏等特點，已被廣泛應(yīng)用于直流變換器穩(wěn)定性控制和工作模式切換等實際工程問題 中[2-4]。其主要缺點在于系統(tǒng)的不連續(xù)開關(guān)特性引起不可避免的抖振現(xiàn)象，抖振不僅影響控制精確性，增加能量消耗，而且易激發(fā)系統(tǒng)的未建模特性，使其產(chǎn)生振蕩或失穩(wěn)，損壞控制器部件。此外，滑?？刂苾H在滑模運動階段對系統(tǒng)的不確定性和擾動具有不變性，因此，如何在減少滑模趨近時間的同時消除滑模運動階段的抖振仍是目前研究的熱點問題之一[5-6]。

國內(nèi)外學(xué)者采用邊界層法[7]、濾波法[8]以及趨近律法[9-10]等來削弱抖振。邊界層法不能使?fàn)顟B(tài)收斂到滑模；濾波法存在穩(wěn)定性分析的難點；基于趨近律的滑?？刂瓶梢杂行Ц纳期吔\動的動態(tài)品質(zhì)，自提出以來便受到廣泛關(guān)注[7-12]。常用的3種趨近律中，等速趨近律的趨近速度恒定，指數(shù)趨近律雖然加快了系統(tǒng)遠離滑模面時的趨近速度，但這兩種趨近律都不能從理論上消除抖振，單冪次趨近律可以平滑地進入滑動模態(tài)而削弱抖振，但在遠離滑模面時存在趨近速度過小的問題[11]。上述常用趨近律的可調(diào)參數(shù)較少，在控制過程中仍然存在抖振及收斂速度有待提升的問題[12-13]。

外界干擾及不確定項是滑?？刂浦卸墩竦挠忠恢饕獊碓矗瑢χ绷髯儞Q器而言，輸入電壓變化、負載變化以及系統(tǒng)參數(shù)變化等不確定因素均會對系統(tǒng)造成干擾，影響控制效果[14]。文獻[15]設(shè)計了一種自適應(yīng)滑模觀測器對外界干擾和不確定性進行估計并加以補償調(diào)整，達到削弱抖振的目的。直接對控制量進行滯環(huán)控制可以降低系統(tǒng)模式切換頻率而減小抖振[3]，但抖振削弱效果仍有待提升。

綜上，本文提出一種升壓型直流變換器的雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略?？紤]電池內(nèi)阻變化所引起的輸入電壓不穩(wěn)定，以及負載變化所引起的系統(tǒng)擾動，建立自適應(yīng)觀測器，結(jié)合李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計自適應(yīng)律。提出一種雙冪次趨近律，根據(jù)系統(tǒng)不同趨近過程的特點制定參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，從而對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)進行目的性調(diào)節(jié)。設(shè)計滑模滯環(huán)控制器以削弱由符號函數(shù)項所引起的抖振。與指數(shù)趨近律相比，驗證了雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略在系統(tǒng)啟動階段和負載突變情況下，在調(diào)節(jié)時間、抗干擾和電流魯棒性控制等方面的優(yōu)越性。

1 升壓型直流變換器模型

升壓型直流變換器的等效電路如圖1所示。其理想狀態(tài)模型見式(1)～(2)[16]

圖1 升壓型直流變換器等效電路

升壓型直流變換器用于電動汽車復(fù)合電源系統(tǒng)中時，需要考慮電池內(nèi)阻變化、負載變化和系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的電流波動和輸出電壓波動，下文提出一種滑?？刂?，在跟蹤電流誤差的基礎(chǔ)上，克服上述不確定性因素對系統(tǒng)造成的干擾，實現(xiàn)電流控制的魯棒性以保證復(fù)合電源系統(tǒng)中電池組的安全和使用壽命。

2 滑?？刂婆c滑模觀測器

2.1 電流滑模控制

可求得控制量，即占空比為：

（7）

2.2 自適應(yīng)滑模觀測器

與文獻[15]的不同之處在于，基于上述自適應(yīng)觀測器的滑?？刂瓶梢员ＷC電流控制的魯棒性?；？刂埔蜃樱ㄗ赃m應(yīng)占空比）計算為：

3 雙冪次滑模滯環(huán)控制策略

3.1 雙冪次滑模控制

本文提出一種針對系統(tǒng)不同趨近過程特點進行目的性調(diào)節(jié)的雙冪次滑模趨近律，形式如下

3.2 滑模滯環(huán)控制器

圖2 滑模滯環(huán)控制器

4 仿真研究

圖3 雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略框圖

4.1 參數(shù)分析及選擇

圖4 k不同取值對應(yīng)的啟動電流仿真結(jié)果

圖5 冪指數(shù)不同取值對應(yīng)的啟動電流仿真結(jié)果

4.2 仿真驗證

為了驗證所提出的雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略對升壓型直流變換器穩(wěn)定性控制的有效性和優(yōu)越性，首先測試啟動時的響應(yīng)情況，并與常用的指數(shù)趨近律進行對比，啟動后要求電流穩(wěn)定在10A，仿真對比結(jié)果見圖6，詳細仿真數(shù)據(jù)如表1所示。升壓型直流變換器在啟動時采用雙冪次趨近律控制，其啟動電流、輸出電壓、滑模面以及占空比的啟動響應(yīng)時間分別縮短約58.8%、54.3%、50%和66.7%，即在啟動時可以更快進入工作狀態(tài)并達到穩(wěn)定無波動，且曲線抖振幅值更小，保證了電流控制的魯棒性，有利于提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和高效性。

圖6 恒定負載（10Ω）啟動時兩種趨近律對比仿真結(jié)果

表1 雙冪次趨近律與指數(shù)趨近律的啟動響應(yīng)時間

為了模擬負載突變，分別對升壓型直流變換器輸出端進行加載和卸載操作，電流瞬時響應(yīng)對比結(jié)果見圖7。圖7(a)為加載結(jié)果，0.05s時在輸出端突然并入10Ω電阻，使得負載電阻由10Ω突變至5Ω，電感電流瞬間增大；圖7(b)為卸載操作結(jié)果，0.05s時在輸出端突然撤掉10Ω電阻，使得負載電阻由5Ω突變至10Ω，電感電流瞬間減小。詳細仿真數(shù)據(jù)分別如表2和表3所示。升壓型直流變換器在負載突變時采用雙冪次趨近律控制，加載和卸載時瞬時電流響應(yīng)時間分別縮短約45.7%和61%，且電流跳變峰值更小，穩(wěn)定后不波動，即雙冪次趨近律在升壓型直流變換器負載突變情況下的穩(wěn)定性控制更為有效，且瞬時響應(yīng)能力更強。

圖7 負載突變時兩種趨近律對應(yīng)的瞬時電流仿真結(jié)果

表2 加載時兩種趨近律的電流瞬時響應(yīng)時間和峰值

表3 卸載時兩種趨近律的電流瞬時響應(yīng)時間和峰值

5 結(jié) 論

本文提出一種雙冪次滑模趨近滯環(huán)控制策略，通過考慮未知擾動和負載變化，建立了升壓型直流變換器的等效電路和平均狀態(tài)空間模型，設(shè)計了自適應(yīng)狀態(tài)觀測器。提出了一種雙冪次趨近律并進行參數(shù)選擇，設(shè)計了滑模滯環(huán)控制器以削弱由符號函數(shù)項所引起的抖振。

仿真結(jié)果顯示采用雙冪次趨近律控制，啟動時可使電流、輸出電壓、滑模面以及占空比的響應(yīng)時間分別縮短約58.8%、54.3%、50%和66.7%；加載和卸載時可使瞬時電流響應(yīng)時間分別縮短約45.7%和61%，且各項指標(biāo)跳變峰值更小，穩(wěn)定后不波動，驗證了雙冪次趨近律在升壓型直流變換器啟動和負載突變情況下，瞬時響應(yīng)能力更強且電流控制的魯棒性更優(yōu)。

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Study on the control strategy for a boost converter used in hybrid energy storage system of electric vehicles

1,2,1,2,3,3,3

(1Hubei Key Laboratory of Power System Design and Test for Electrical Vehicle, Hubei University of Arits and Science, Xiangyang 441053, Hubei, China;2School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arits and Science, Xiangyang 441053, Hubei, China;3Dongfeng Xiangyang Touring Car Co., Ltd., Xiangyang 441000, Hubei, China)

The boost converter suffers the low convergence speed and chattering phenomenon in the scheme with sliding mode variable structure control. A double power reaching law-based sliding mode hysteresis control strategy is proposed. To achieve the current tracking control, a sliding surface is defined based on the estimated tracking current error. By considering the unmodeled dynamics and the unknown disturbances, the adaptive state observer is established. The adaptation laws are designed based on the Lyapunov function and the adaptive dutyratio is calculated. A double power reaching law is proposed, which can set the parameter selection standard according to the different features of system approaching process and purposefully adjust the dynamic response quality. A sliding mode hysteresis controller is designed, which aims at reducing chattering phenomenon caused by the sign function. Simulation results show that the dynamic response performance and robustness of current control are improved effectively.

double power reaching law; sliding-mode control; adaptive state observer; hysteresis controller; boost converter

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0180

TP 212

A

2095-4239（2019）02-379-07

2018-09-05；

2018-11-16。

湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項重大項目(2017AAA133)；“機電汽車”湖北省優(yōu)勢特色學(xué)科群開放基金（XKQ2018002）。

聶金泉（1987—），男，博士，研究方向為測試與控制技術(shù)，E-mail: niejinquan_hbuas@163.com；

吳華偉，副教授，研究方向為機電系統(tǒng)設(shè)計故障診斷與健康管理，E-mail：whw_xy@163.com。