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原文传递计及电池与电网影响的电动汽车充换电控制

论文题名：	计及电池与电网影响的电动汽车充换电控制
关键词：	电动汽车;电压不平衡;整流电路;稳定性;充换电控制
摘要：	电动汽车采用电能替代石油，具有“零排放”和低噪声等优点，是缓解能源危机与环境污染的有效手段之一，得到了国内外学术界与产业界的广泛关注与研究。在大力发展电动汽车产业时，必然会涉及电动汽车与电池储能系统接入电网并与电网产生交互影响的关键研究问题。国内外学术界从基本能量变换接口入手，采用经典线性控制理论取得了一定的理论研究成果，然而目前的研究工作尚未完整揭示电动汽车和配电网络与能量变换接口之间的相互影响，未见有效综合电动汽车电池、能量变换接口和配电网络三者特性的系统分析设计方法。鉴于此，本文通过分析配电网络、动力电池以及能量变换接口的特性，基于计算机数值仿真技术，采用现代控制理论中的非线性与数字化控制方法，从参数优化与控制器设计两方面，对电动汽车充换电系统中能量变换接口的复合控制技术进行了深入的研究，主要包括以下内容：　　在电动汽车快充系统中，采用大功率整流电路构建直流母线，为电动汽车充电机提供电源。然而由于电池特性的影响，配电网络中电压轻微的不平衡将对整流电路特性产生重大影响。本文建立了电压不平衡条件下整流电路精确的时域模型，揭示了不平衡电压与整流电路之间的相互影响机理，描述了在电网允许的不平衡度条件下（电压不平衡度小于2％），输入电流不平衡度、输入电流3次谐波分量、输出电压大小与波动范围随负载变化的关系曲线，进而提出了考虑电压轻微不平衡影响的整流电路参数设计方法。采用该参数设计方法后，在相同电网环境下，整流电路输入电流不平衡度由12.64%降为6.15%，3次谐波含量由1.83A降为0.59A。　　在电动汽车充电机参数设计方面，动力电池特性会随着电池容量的变化而变化，从而对充电机运行特性产生较大影响。本文详细分析了 LLC谐振变换充电器的工作模态，建立了 LLC谐振变换充电器精确的数学模型与损耗模型，提出了加权平均效率(TWAE)的指标定义。该定义考虑了充电机不同运行状态对充电容量的贡献大小，表征了充电机在整个充电周期中的综合效率特性。进而本文提出了以TWAE最优为目标，采用变步长搜索算法的 LLC谐振变换充电器的参数优化设计方法。设计的交流输入的3kW LLC谐振变换充电机最高效率可达95.4%，TWAE可达95.07%。　　在电动汽车充电机控制设计方面，由于 LLC谐振变换充电器固有的非线性特性影响，经典的线性控制理论难以分析其稳定性。本文基于描述函数法并考虑数字控制延时的影响，建立了 LLC谐振变换充电器在频域下的数学模型。然后，采用李雅普洛夫线性化方法分析电路的小信号稳定性；基于混合势函数理论构建李雅普洛夫能量函数，采用李雅普洛夫直接法，分析电路的大信号稳定性，从而获得了 LLC谐振变换充电器在小信号与大信号扰动下的稳定判据。进而提出了一种带电流极性检测环节的LLC谐振变换充电器非线性控制策略，保证了LLC谐振变换充电器在不同运行工况下的稳定性。　　在电动汽车电池储能系统中，由于开关频率较低，控制器的离散化过程将对储能系统性能产生较大影响。本文建立了电池储能逆变系统的离散模型，采用基于预测反馈的数字控制策略消除数字控制延时的影响，并深入分析了预测控制误差的形成机理和预测误差对储能逆变控制的影响，推导了预测误差与直流电压、负载电流和模型参数误差之间的传递函数，进而提出了一种基于输出误差积分量和状态预测值的全维状态反馈控制策略，其外环采用输出电压误差积分以抑制预测误差，控制器采用后向差分形式的积分环节消除输出电压反馈引入的延时影响。在一台30kW原理样机验证所提控制策略，其输出稳态误差由9%降到1%。
作者：	方支剑
专业：	电气工程
导师：	段善旭;蔡涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文