雙主動全橋變換器控制方法和裝置以及相關方法和產品與流程
2023-04-28 11:15:22 2
本發明涉及車輛充放電技術領域，具體地，涉及一種雙主動全橋變換器控制方法、充電方法、雙主動全橋變換器控制裝置、充電設備、充電車的充電接口及移動充電車。
背景技術：
移動充電車是解決當前電動汽車市場充電網絡稀疏、車輛續航困難這一難題的有效途徑之一。移動充電車用自身配備的電池為電動汽車中的電池充電，故其充電接口需選擇一種帶隔離、高效率的DC-DC電力電子變換器。
雙主動全橋變換器以其功率密度高、自身慣性小、控制靈活著稱(如圖1所示)，其中，US為輸入電壓，uo為輸出電壓，G1～G8為開關管，T為變壓器，Cd為輸出電容，R為等效負載，iT為變壓器電流，uab為變壓器輸入電壓，ucd為變壓器輸出電壓。其中，開關管受驅動電路驅動，驅動電路可以由諸如數位訊號處理器、可編程邏輯控制器等控制器來控制。此類變換器通過高頻變壓器實現輸入輸出埠的電氣隔離，能夠滿足移動充電車充電接口變換器的需要。雙主動全橋變換器包含兩個H橋，8個電力電子開關管，這種結構的控制裕度大，但控制難度也相應較高，控制方法更為複雜。當前此類變換器最常用的PWM調製方式是移相控制，這種方式控制兩個H橋對變壓器輸出50％佔空比的方波電壓，通過調節兩端方波的相位差來實現控制傳輸功率的目的。圖2示例性地示出了移項控制方法中的波形示意圖。其中，TS為一個開關周期；t0、t1、t2、t3、t4表示時刻。對於變換器移相角的計算，當前的控制方法普遍採用PI控制方法，但PI控制參數難於選取，控制效果差、響應速度慢且超調量大。
有鑑於此，特提出本發明。
技術實現要素：
為了解決現有技術中的上述問題，即為了解決如何提高控制的響應速度並降低超調量的技術問題，提供一種雙主動全橋變換器控制方法。
為了實現上述目的，第一方面，提供以下技術方案：
一種雙主動全橋變換器控制方法，該方法包括：
建立雙主動全橋變換器模型；
基於所述雙主動全橋變換器模型，採用李雅普洛夫穩定性控制方法，得到控制律；
利用所述控制律對所述雙主動全橋變換器進行控制。
優選地，所述建立雙主動全橋變換器模型具體包括：
基於移相控制的輸出功率關係，並結合傳輸功率與輸出電壓成正比的關係，得到所述雙主動全橋變換器的電流源電流；
基於所述雙主動全橋變換器的電流源電流，並結合輸出電容電壓的微分表達形式，得到所述雙主動全橋變換器模型。
優選地，所述基於所述雙主動全橋變換器模型，採用李雅普洛夫穩定性控制方法，得到控制律，具體包括：
選擇控制對象，並設定所述控制對象的控制目標，以確定輸出誤差；
基於所述輸出誤差，並根據所述雙主動全橋變換器模型，得到所述輸出誤差的微分形式；
基於李雅普洛夫能量函數，並根據所述輸出誤差的微分形式，得到所述李雅普洛夫能量函數的微分形式；
根據所述李雅普洛夫能量函數的微分形式，並結合李雅普洛夫穩定性判據，得到所述控制律。
為了實現上述目的，第二方面，本發明實施例還提供一種充電方法，該充電方法包括上述控制方法。
為了實現上述目的，第三方面，本發明實施例還提供一種雙主動全橋變換器控制裝置，該裝置包括：
建立模塊，用於建立雙主動全橋變換器模型；
控制律生成模塊，用於基於所述雙主動全橋變換器模型，採用李雅普洛夫穩定性控制方法，得到控制律；
控制模塊，用於利用所述控制律對所述雙主動全橋變換器進行控制。
優選地，所述建立模塊具體包括：
第一計算模塊，用於基於移相控制的輸出功率關係，並結合傳輸功率與輸出電壓成正比的關係，得到所述雙主動全橋變換器的電流源電流；
第二計算模塊，用於基於所述雙主動全橋變換器的電流源電流，並結合輸出電容電壓的微分表達形式，得到所述雙主動全橋變換器模型。
優選地，所述控制律生成模塊具體包括：
第一誤差確定模塊，用於選擇控制對象，並設定所述控制對象的控制目標，以確定輸出誤差；
第二誤差確定模塊，用於基於所述輸出誤差，並根據所述雙主動全橋變換器模型，得到所述輸出誤差的微分形式；
能量函數確定模塊，用於基於李雅普洛夫能量函數，並根據所述輸出誤差的微分形式，得到所述李雅普洛夫能量函數的微分形式；
控制律生成模塊，用於根據所述李雅普洛夫能量函數的微分形式，並結合李雅普洛夫穩定性判據，得到所述控制律。
為了實現上述目的，第四方面，本發明實施例還提供一種充電設備，該充電設備包括上述控制裝置。
為了實現上述目的，第五方面，本發明實施例還提供一種充電車的充電接口，該充電接口作為上述充電設備。
為了實現上述目的，第六方面，本發明實施例還提供一種移動充電車，其包括上述充電車的充電接口。
本發明實施例提供一種雙主動全橋變換器控制方法、充電方法、雙主動全橋變換器控制裝置、充電設備、充電車的充電接口及移動充電車。其中，雙主動全橋變換器控制方法包括建立雙主動全橋變換器模型；基於雙主動全橋變換器模型，採用李雅普洛夫穩定性控制方法，得到控制律；利用控制律對雙主動全橋變換器進行控制。本發明實施例在採用移相控制的PWM調製基礎上，結合了李雅普洛夫穩定性理論，從而解決了如何提高控制的響應速度並降低超調量的技術問題，實現了響應速度快、超調量小的技術效果。
附圖說明
圖1是雙主動全橋變換器的示意圖；
圖2是移項控制方法中的波形示意圖；
圖3是根據本發明實施例的雙主動全橋變換器控制方法的流程示意圖；
圖4是根據本發明實施例的雙主動全橋變換器的電流源簡化電路結構示意圖；
圖5是採用本發明實施例得到的控制律的控制方法的流程示意圖；
圖6是根據本發明實施例提供的方法與現有方法相比的效果對比示意圖；
圖7是根據本發明實施例的雙主動全橋變換器控制裝置的結構示意圖。
具體實施方式
下面參照附圖來描述本發明的優選實施方式。本領域技術人員應當理解的是，這些實施方式僅僅用於解釋本發明的技術原理，並非旨在限制本發明的保護範圍。
本發明實施例提供一種雙主動全橋變換器控制方法。如圖3所示，該方法可以包括：
S100：建立雙主動全橋變換器模型。
根據圖2可以得到移相控制時的輸出功率關係如式(1)所示：
其中，Pd表示輸出功率；uo表示輸出電壓；US表示輸入電壓；d表示移相比；n表示變壓器變比；fs表示開關頻率；Ls表示變壓器等效到副邊的漏感。
具體地，本步驟可以包括：
S101：基於移相控制的輸出功率關係，並結合傳輸功率與輸出電壓成正比的關係，得到雙主動全橋變換器的電流源電流。
作為示例，根據式(1)，可以看出傳輸功率與輸出電壓成正比。由此，可以得到雙主動全橋變換器的電流源簡化電路，如圖4所示。其中，等效電流源電流的計算如式(2)所示：
其中，iL表示等效電流源電流；d表示移相比，n表示變壓器變比，fs表示開關頻率，Ls表示變壓器等效到副邊的漏感。
S102：基於雙主動全橋變換器的電流源電流，並結合輸出電容電壓的微分表達形式，得到雙主動全橋變換器模型。
沿用上例，本步驟考慮如下輸出電容電壓的微分表達式如式(3)所示：
其中，R表示等效負載。
本步驟可以根據雙主動全橋變換器的電流源電流，並結合式(3)，得到如下雙主動全橋變換器模型如式(4)所示：
S110：基於雙主動全橋變換器模型，採用李雅普洛夫穩定性控制方法，得到控制律。
本步驟在採用移相控制的PWM調製的基礎上，並結合李雅普洛夫穩定性控制方法來實現控制。
具體地，本步驟可以包括：
S111：選擇控制對象，並設定該控制對象的控制目標，以確定輸出誤差。
S112：基於輸出誤差，並根據雙主動全橋變換器模型，得到輸出誤差的微分形式。
S113：基於李雅普洛夫能量函數，並根據輸出誤差的微分形式，得到李雅普洛夫能量函數的微分形式。
S114：根據李雅普洛夫能量函數的微分形式，並結合李雅普洛夫穩定性判據，得到控制律。
下面以一優選實施例來詳細說明得到控制律的過程。
需要說明的是，本優選實施例僅為舉例說明，不視為對本發明保護範圍的限定。
步驟A1：選擇控制對象uo，並設定該控制對象uo的控制目標Ur，以確定如式(5)所示的輸出誤差：
ue＝uo-Ur (5)
其中，ue表示輸出誤差。
步驟A2：基於式(5)，並根據式(4)，得到如式(6)所示的輸出誤差的微分形式：
其中，Df＝d(1-d)並且0≤Df≤0.25。
步驟A3：在雙主動全橋變換器中加入一項Re，並使得式(7)為零：
步驟A4：通過式(7)，可以得到式(8)：
步驟A5：確定如式(9)所示的李雅普洛夫能量函數：
其中，V表示李雅普洛夫能量函數；ue表示輸出誤差。
步驟A6：設定滿足式(10)：
Re>0 (10)
步驟A7：根據式(9)和式(10)，可以得到式(11)：
其中，表示李雅普洛夫能量函數微分形式。
步驟A8：根據李雅普洛夫穩定性判據，通過式(12)確定Re：
步驟A9：根據式(11)，並結合式(12)，得到如式(13)所示的控制律：
其中，Df表示控制律。
S120：利用控制律對雙主動全橋變換器進行控制。
圖5示例性地示出了採用本發明實施例得到的控制律的控制方法的流程示意圖。從中可見，與傳統的PI控制器相比，基於李雅普洛夫(Lyapunov)的控制方法中沒有積分項，而是有一個前饋項，這樣，能夠比傳統控制方法取得更好的動態調節性能。
圖6示例性地示出了本發明實施例提供的方法與現有方法相比的效果對比示意圖。現有傳統控制方法一般容易出現兩種情況，當調節速度非常快時，會導致最後輸出電壓的過衝現象。當保證沒有電壓過衝現象時，調節速度又不能一直非常快，造成相應調節時間會比較長。而基於Lyapunov的控制方法能夠在調節速度非常快的同時保證基本沒有電壓過衝現象。
此外，本發明實施例還提供一種充電方法。該充電方法包括上述雙主動全橋變換器控制方法實施例。
優選地，充電車為移動充電車。
基於上述方法實施例，本發明實施例還提供一種雙主動全橋變換器控制裝置。如圖7所示，該控制裝置包括：建立模塊72、控制律生成模塊74和控制模塊76。其中，建立模塊72用於建立雙主動全橋變換器模型。控制律生成模塊74用於基於雙主動全橋變換器模型，採用李雅普洛夫穩定性控制方法，得到控制律。控制模塊76用於利用控制律對雙主動全橋變換器進行控制。
本發明實施例通過採用上述技術方案，解決了如何提高控制的響應速度並降低超調量的技術問題，與現有控制方法相比，改善了控制性能。
在一個優選的實施例中，上述建立模塊具體可以包括第一計算模塊和第二計算模塊。其中，第一計算模塊用於基於移相控制的輸出功率關係，並結合傳輸功率與輸出電壓成正比的關係，得到雙主動全橋變換器的電流源電流。第二計算模塊用於基於雙主動全橋變換器的電流源電流，並結合輸出電容電壓的微分表達形式，得到雙主動全橋變換器模型。
在一個優選的實施例中，上述控制律生成模塊具體可以包括第一誤差確定模塊、第二誤差確定模塊、能量函數確定模塊和控制律生成模塊。其中，第一誤差確定模塊用於選擇控制對象，並設定控制對象的控制目標，以確定輸出誤差。第二誤差確定模塊用於基於輸出誤差，並根據雙主動全橋變換器模型，得到輸出誤差的微分形式。能量函數確定模塊用於基於李雅普洛夫能量函數，並根據輸出誤差的微分形式，得到李雅普洛夫能量函數的微分形式。控制律生成模塊用於根據李雅普洛夫能量函數的微分形式，並結合李雅普洛夫穩定性判據，得到控制律。
另外，本發明實施例還提供一種充電設備。該充電設備包括上述雙主動全橋變換器控制裝置實施例。
此外，本發明實施例還提供一種充電車的充電接口。該充電車的充電接口可以作為上述充電設備實施例。
再者，本發明實施例還提供一種移動充電車。該移動充電車包括上述充電接口實施例。
本發明實施例採用包括雙主動全橋變換器控制裝置的充電設備作為移動充電車的充電接口，實現了輸入、輸出隔離，提高了變換器能量密度，還減小了變換器體積。
以上對本發明的示例實施例的詳細描述是為了說明和描述的目的而提供。不是為了窮盡或將本發明限制為所描述的精確形式。顯然，許多變型和改變對本領域技術人員而言是顯而易見的。實施例的選擇和描述是為了最佳地說明本發明的原理及其實際應用，從而使本領域其他技術人員能夠理解本發明的各種實施例和適於特定使用預期的各種變型。本發明的實施例可以省略上述技術特徵中的一些技術特徵，僅解決現有技術中存在的部分技術問題。而且，所描述的技術特徵可以進行任意組合。本發明的保護範圍由所附權利要求及其等價物來限定，本領域技術其他人員可以對所附權利要求中所描述的技術方案進行各種變型或替換和組合，這些更改或替換之後的技術方案都將落入本發明的保護範圍之內。