基于反饋控制的插電式混合動力汽車電池模塊控制系統部件互換模塊化的研究*

林 程，周逢軍，曹萬科，王 剛，2，南金瑞

(1.北京理工大學，電動車輛國家工程實驗室，北京 100081; 2.山東交通學院，濟南 250023)

前言

隨著汽車控制系統中電控單元組件的增多，控制系統的設計、制造、維護過程的標準化要求也隨之提高。汽車控制系統中的組件發生改變時，系統控制器和組件控制器均須重新設計，包括標定的更新。控制系統中采用組件互換模塊化(component swapping modularity，CSM)進行設計時，當控制系統組件發生改變時，系統控制器無須重新設計，控制器的再標定工作只需在組件控制器中進行［1－2］，因此對汽車控制系統進行CSM設計可以增加組件之間的互換性，縮短開發時間和降低開發成本［3］。

目前用來處理控制系統組件發生改變的方法主要有魯棒控制、自適應控制和增益系數調度控制，但這些方法在一定程度上不大適用于大組件的變動［3］。傳統方法中的魯棒控制器能適應由制造公差、工況變化和組件自身老化所帶來的參數變化，但不適用于交換組件時所造成的參數變化［4］。自適應控制器需要在線調整和復雜的實施步驟來保證對噪聲抑制的穩定性、魯棒性和激勵的持續性，并且在工業應用中不允許出現自適應階段遞降的暫態特性［5］。增益系數調度控制要求微控制器有較大的內存空間和較強的計算能力，這將大大增加開發成本。因此本文中提出采用極點配置法對PHEV電池模塊控制系統進行設計研究。

1 預備知識

1.1 狀態反饋控制與極點配置

把系統狀態變量按一定的比例關系，反饋到系統輸入端的形式稱為狀態反饋，設線性系統［6］為

而反饋規律為

式中:A、B、C、D、K 分別為 n×n、n×m、p×n和 m ×n矩陣，v為參考輸入。令v=0，則狀態反饋的閉環系統的狀態空間表達式為

狀態反饋系統框圖如圖1所示。閉環系統極點的分布情況決定了系統的穩定性和動態品質，比較式(1)和式(3)可知，狀態反饋前后的系統矩陣分別為A和(A+BK)，特征方程分別為det(λI－A)=0和det［λI－(A+BK)］=0，因此狀態反饋系統的極點不僅與系統本身的結構參數有關，而且與狀態反饋K有關，據此可對控制系統極點進行配置，并使系統的極點保持在左半平面，以保證系統的穩定性。

1.2 PHEV控制系統簡介

PHEV儲能電池主要在兩種模式下工作［7］:耗電模式(charge deleting，CD)和電量保持模式(charge sustaining，CS)。PHEV在電池充滿電時，工作在CD模式，即純電動模式，儲能電池向驅動電機提供電能，電機作為唯一的動力源驅動車輛。儲能電池SOC整體上趨于下降的趨勢，在制動能量回收時，會有波動出現。當電池SOC降到參考值時，控制系統進入CS模式工作，類似于傳統混合動力電動汽車的工作模式，儲能電池SOC會波動，但整體平均值維持在同一水平。因此文中在PHEV電池控制系統設計中，將SOC作為電池唯一的狀態變量。

2 PHEV電池控制系統建模

如前所述，由于電池工作在CD模式時，PHEV處在純電動模式，發動機不參與工作，因此本文中主要對CS模式下的電池控制系統建模，PHEV電池模塊CS模式控制系統示意圖如圖2所示。整車控制器根據工況計算得到實際功率需求Prw，控制系統根據電池狀態反饋信息x，在發動機和電池模塊之間進行功率分配，并分別向發動機和電動機發送功率需求命令Pre和Prb。電動機和發動機根據分配的功率需求命令驅動車輛前進。

根據上述控制系統的邏輯分析，建立數學模型:

式中:K1、K2為狀態反饋增益向量，K1=［k1，k2，k3］T，K2= ［k4，k5，k6］T;q1、q2為前饋增益;ce、cb為組件控制器增益，表示控制器之間信息的相互傳遞。狀態空間變量 x= ［x1，x2，x3］T，具體表達式為

電池SOC變化率與電池放電功率的關系［8］為

式中:bh是和電池硬件系統相關的參數。根據式(5)和式(6)可知 x3和 x1、x2線性相關，可用 x1、x2線性表達。

設式(4)閉環控制系統極點為 p1、p2、p3，系統中電池的效率為ηb，電機的效率為ηm，發電機的效率為ηg，則由反饋控制系統極點配置可得控制器反饋增益［9］為

從以上公式可知，k4可用k1表示，k5可用k2表示，而k6=0。因此需要優化的參數為k1、k2和k3。以功率跟隨累計誤差、發動機燃油消耗和電池等效燃油消耗建立目標函數如下:

其中:

3 仿真分析

以BFC6110HEV旅游客車為設計參考對象，根據式(4)～式(7)，基于BUSRTE工況(圖3)進行仿真，分別對4種不同容量的電池組件控制器參數進行優化。表1和表2分別列出了整車和電池基本參數。SOC參考值選取時，須考慮［9］:(1)為了盡可能使用CD模式，SOCk的取值應盡可能小;(2)為了滿足CS模式下電池能量的使用需求，SOCk應足夠大。因此，SOCk可根據CS模式下的能量需求進行選取，較小容量的電池模塊，要取較大值，較大容量的電池模塊SOCk可取較小值。4種電池模塊的設計參數取值見表3。整個工況循環中，4種電池SOC變化曲線如圖4所示。

表1 整車基本參數

表2 電池基本參數

表3 電池設計參數

以設計參考車型電池2模塊參數為基準參數，根據式(7)和式(8)，應用Matlab中fmincon函數，進行非線性約束優化求解，得到電池2的控制器增益參數k1=305.868，k2=0.458 575，k3=6.881 817。電池2 的工況循環功率曲線見圖5(a)，功率跟隨誤差曲線見圖5(b)。將電池2的控制器增益參數分別用于電池1、電池3、電池4控制系統，得到發動機功率變化曲線和功率跟隨誤差曲線分別如圖6～圖8所示。

從圖5～圖8可以看出，電池模塊提供的功率變化幅度大，在盡可能提高電池模塊功率的同時，SOC變化偏移量能始終保持在容許范圍內，發動機功率變化較為平緩，可滿足循環工況使用需求。雖然高能量的電池模塊能夠提高大的需求功率，但是其質量大造成其需求功率也大，等效燃油消耗也相對較高，但整體上表現出良好的燃油經濟性，如表4所示。電池2的控制系統增益值用于電池1、電池3、電池4系統仍能表現出良好的特性，證明各電池模塊之間具有互換性，對電池2的控制系統具有兼容性，能滿足CSM的要求。

表4 車輛性能優化結果

4 結論

本文中采用反饋控制法進行極點配置的PHEV電池模塊控制系統，通過多約束非線性優化得到的控制器反饋增益，并用于不同容量的電池模塊控制系統設計中，提高了不同電池模塊之間的互換性和兼容性。通過工況循環仿真的結果表明，整車具有良好的經濟性和電量保持性，因此采用反饋控制極點配置法設計的控制器能夠滿足電池模塊CSM需求，這對電動汽車整車控制系統模塊的開發設計具有指導意義。

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