用于混合动力汽车的双向DC/DC变换器控制设计*

0 引言

近年来，随着资源短缺及人们环保意识的增强，世界各国都在环境保护和节约资源上做出巨大努力。在这种形势下，混合动力汽车开发和使用引起了人们的广泛关注。作为混合动力汽车能量管理系统的核心，双向DC-DC变换器可以在超级电容和蓄电池之间搭建双向能量可控的流动通道，是未来电动车发展的重要方向之一。因此，双向DC/DC变换器拓扑结构及其控制策略倍受专家和学者的关注［1-3］。文献［4］提出一种基于现场可编程逻辑器件（FPGA）的双向DC/DC变换器，改善了电流分布不均的问题，减少了损耗；文献［5］提出将比例-前馈（PFF）控制算法应用于推挽全桥双向DC/DC变换器中，有效防止升压启动时电感饱和的问题；文献［6］设计了一种两相并联交互式双向DC/DC变换器，并提出一种基于比例积分（PI）控制的恒频滑模变结构双闭环控制策略，实现了自动跟踪参考电压值的目的，提高了系统的稳定性；文献［7］采用级联式Buck/Boost拓扑结构作为双向DC/DC变换器，采用全数字电流型控制方法，提高了变换器的工作效率。

由以上文献可知，混合动力汽车要求变换器重量轻、体积小、工作效率高，动态性、稳定性和鲁棒性强。基于此，本文设计了一种两相交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构，将模糊PID控制应用于此双向DC/DC变换器的控制系统中，并给出仿真和实验结果。

1 工作原理与主电路拓扑结构

加装超级电容的混合动力汽车的电路系统如图1所示，当混合动力汽车突然启动、加速时，双向DC/DC变换器处于Boost模式，由超级电容提供额外的所需功率；当混合动力汽车刹车制动时，双向DC/DC变换器处于Buck模式，将制动产生的能量迅速存储起来。

其中，ε为数据对象的噪声数据误差，是系统自带误差，与预测模型选择无关，一般认为服从正态分布，即 ε ～ N（0，σ2）。

  

图1 混合动力汽车的电路系统

双向DC/DC变换器最简单的模式是通过两个单向DC/DC变换器并联来实现能量的双向流动，这种控制方法简单、易于实现，但系统的体积和重量庞大，并且两台单向DC/DC变换器实际上只有一台投入工作，工作效率低。

本文提出的两相交错并联双向DC/DC变换器，是将两个双向半桥DC/DC变换器并联后得到的拓扑结构，如图 2 所示。功率开关管 S1、S2开通，S3、S4关断，双向DC/DC变换器工作在Boost模式；功率开关管 S3、S4开通，S1、S2关断，变换器工作在 Buck 模式。采用两相交错并联技术，可以有效减小变换器开关管上的电压应力、加宽输出电压范围，提高变换器的工作效率。

  

图2 两相交错并联双向DC/DC变换器的电路拓扑图

根据本文设计要求，变换器的电路参数设置为：储能电感L1=L2=1 mH、输入、输出电容C1=C2=10 μF、功率开关器件选择IRFB4110型功率MOSFET。

2 系统建模及PI控制器设计

2.1 Boost模式下的模型建立

Boost模式下由超级电容提供额外功率，负载为蓄电池。为了简化计算，可以近似认为输入电压为V1，输出电压为V2，等效负载阻值为R。可求得Boost模式下变换器的小信号数学模型为：

 

由式（1）可建立变换器在Boost模式下的小信号模型，如图3所示。

通讯服务器对于首次登入的运输终端进行监权，识别与数据库中的终端识别码是否匹配，建立连接。而后通过TCP协议以轮巡的方式采集多个终端的数据并上传至控制台，其中采集的数据包括周期数据(温度、地理位置、电压电流等)和报警数据(周期数据超过报警阈值时发送报警信息)。在连接过程中，每隔一分钟接收一次运输监测终端上传的心跳包，根据心跳包的有无判断故障所在。服务器的端口通过控制台进行配置。

  

图3 Boost模式下的小信号模型

求得对的传递函数为：

由于篇幅限制，本文着重介绍在线监测系统的数据传输模块和数据解析处理模块两部分。数据传输模块主要在通讯服务器与手机服务器中得以体现。而数据解析处理模块以控制中心处理数据为例。

 

2.2 Buck模式下的模型建立

Boost模式下由蓄电池供电，负载为超级电容。为了简化计算，可以近似认为输入端电压为V2，输出电压为V1，等效负载阻值为R。可求得Buck模式下变换器的小信号数学模型为：

 

由式（3）可建立变换器在Buck模式下的小信号模型，如图4所示。

  

图4 Buck模式下的小信号模型

求得对的传递函数为：

 

2.3 PI控制器设计

由图6可知，对于未经PI控制器补偿的电压外环原始回路增益函数为：

由于Buck模式和Boost模式下PI控制器设计过程类似，本文就Boost模式下电压外环、电流内环PI控制器参数的计算作详细介绍。设定电流内环的穿越频率fci=1 kHz，转折频率fni=200 Hz。

  

图5 电流环闭环传递函数

3）当时，需要施加小的控制来改变Δe的趋势；

 

设PI控制器传递函数为：

 

列出下面方程组：

 

代入相关数据可得：KP i=0.04，KIi=50。

对电压外环进行PI控制器设计时，可以将电流内环看作一个比例环节，比例系数Kvi=1/Ki（s）。设定电压外环的穿越频率fcv=100Hz，转折频率为fnv=10Hz。

  

图6 电压环闭环传递函数

本文设计的双向DC/DC变换器采用直流母线电压作为外环、电感电流作为内环的双闭环控制结构。考虑到模拟控制器离散化带来的延时会导致系统不稳定，这里采用PI控制器来改善系统性能。

 

电压外环PI控制器的传递函数为：

 

列出下面方程组：

 

代入相关数据可得：KPv=0.4，KIv=25。

式中，B、I、T分别为磁通密度、电流密度、铁芯和绕组温升，下标max和min表示其上下限值。上述参数均根据具体的电力网络需求和产品性能确定。

3 模糊PID控制器的设计

混合动力汽车能量管理系统中的变换器要求具有较快的响应速度和较强的鲁棒性，传统的PI控制器能够满足稳态无静差的要求，但系统的响应速度过慢，不适用于混合动力汽车的储能系统。模糊控制器可以很好地消除系统内部参数变化及外部干扰对控制效果的影响，而且响应速度快、动态性能好。将模糊控制和PID控制两种控制算法结合起来应用于双向DC/DC变换器，可以有效提高变换器的响应速度、稳定性和鲁棒性。

模糊PID控制器由输入和输出变量、模糊控制器和PID控制器组成，系统的结构图如图7所示。模糊控制器是控制系统的核心，主要进行模糊化、模糊推理、解模糊3个过程。

  

图7 模糊PID闭环控制系统框图

本文设计的模糊控制器有两个输入变量，分别是采样电压与参考电压的偏差e和偏差变化率Δe，输出变量是 PID 控制器的 3 个参数：ΔKP、ΔKI、ΔKD。首先采用Mamdani提出的标准化设计方法对控制系统的论域进行模糊化，设定e和Δe的变化范围为 {-3，-2，-1，0，1，2，3}，PID 控制器 3 个参数的变化范围：ΔKP={-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，ΔKI={-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，ΔKD={-3，-2，-1，0，1，2，3}，系统模糊子集为［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，分别与［负大，负中，负小，零，正小，正中，正大］相对应。

绿色创新作为新动力推动工业的进一步生态化升级，从能源利用上讲，旧动能是以煤炭、石油、天然气等矿物能源粗放利用为主导，新动能是以矿物能源的精细化利用或风能、太阳能、核能等物理能源为主导；从资源约束上讲，旧动能是资源匮乏性生产，新动能则由于能源物理化、原材料元素化以及深层循环化生产，所以极大增加了资源约束弹性。

模糊规则库的建立是模糊控制的重点，本文根据电压偏差e和偏差变化率Δe的变化情况，从而确定PID 3个参数的调整规律：

 

表1 PID 控制的 ΔKP、ΔKI、ΔKD模糊控制规则

  

Δe e NB NM NS ZO PS PM PB NB PB/NB/PS PB/NB/PS PM/NB/ZO PM/NM/ZO PS/NM/ZO PS/ZO/PB ZO/ZO/PB NM PB/NB/NS PB/NB/NS PM/NM/NS PM/NM/NS PS/NS/ZO ZO/ZO/PS ZO/ZO/PM NS PM/NM/NB PM/NM/NB PM/NS/NM PS/NS/NS ZO/ZO/ZO NS/PS/PS NM/PS/PM ZO PM/NM/NB PS/NS/NM PS/NS/NM ZO/ZO/NS NS/PS/ZO NM/PS/PS NM/PM/PM PS PS/NS/NB PS/NS/NM ZO/ZO/NS NS/PS/NS NS/PS/ZO NM/PM/PS NM/PM/PM PM ZO/ZO/NM ZO/ZO/NS NS/PS/NS NM/PM/NS NM/PM/ZO NM/PB/PS NB/PB/PS PB ZO/ZO/PS NS/ZO/ZO NS/PS/ZO NM/PM/ZO NM/PB/ZO NB/PB/PB NB/PB/PB

以TMS320F28035为控制核心建立一个小型功率变换器的实验平台，对文中设计的实验样机进行Boost模式时的动态实验。这里通过改变负载的大小来模拟混合动力汽车突然启动或加速时的情况，在2 s时增加负载的值，得到输出电压和输出电流波形如图10所示。

2）当时，需要给PID控制器较大的控制效果使|e|逐渐减小；

由图5可知，未经PI控制器补偿的电流内环原始回路增益函数为：

4）当时，因为e和Δe都比较小，所以e基本保持不变；

5）当时，需要加强PID控制器的积分控制环节来消除静态误差。

PID控制器3个参数的模糊控制规则如表1所示，控制器在运行时不断查询设置好的控制规则，计算出相应的控制输出量 ΔKP、ΔKI、ΔKD。

过了好一会，阿花用纸巾擦了泪，又像蛇一样缠过来，温柔地说，阿坤，你是误会了，我和江锋真的没有什么。我把脸扭过去，茫然地望着窗外，眼神空空的。阿花对着我的背影说，阿坤，其实我从没说过要嫁给你呀，我们只是好朋友，那种可以肝胆相照同床共枕的异性朋友，这难道还不够吗？

根据双向DC/DC变换器在现实生活中的使用情况，系统采用三角形隶属函数形式进行分析，采用重心法对控制输出量解模糊后得到模糊PID控制器的控制参数为：

 

式中：为PID控制器的初始设置值。

4 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK7.1环境中构建双向DC/DC变换器仿真模型，由于Buck模式和Boost模式结果基本一致，本文对Boost模式进行仿真结果分析。电路参数设置为：L1=L2=1 mH，C1=C2=10 μF，U1=12 V，U2=60 V，fs=10 kHz。

我想向她表达我的爱情，但是一个灵魂像活人那样说“我爱你”是荒唐的。于是，我只能用别的办法来暗示。灵魂如风，我钻进她的电脑，在保护屏幕上幻化出一行数字，那行数字像游动的风一样在电脑屏幕上飘忽：5201314（我爱您一生一世）。叶霭玲瞥见了，心有灵犀，轻轻点了一下鼠标，5201314不见了。她的手指把键盘敲得一阵噼啪乱响，屏幕上显示出：(520+1314)×10。哇，是我爱的十倍！我大喜过望。连声说，谢谢，谢谢。她的脸上流露出高傲的冷笑，像钢琴手奏出最强音那样一击回车键，上述公式的计算结果立即出现了：18340。我把这一串数字读出声来，马上就明白了：一巴扇死你！

Boost模式下控制电压外环使用PI控制器、模糊PID控制器的输出电压波形如图8所示，从图中可以看出，相比于传统PI控制器，电压外环使用模糊PID控制器减小了输出电压纹波，加快了系统的响应速度，提高了系统的稳定性。

当双向DC/DC变换器满载启动时，在t=0.005 s时突然增大负载，用来模拟混合动力汽车突然启动、加速的情况，仿真结果如图9所示。

  

图8 Boost模式下的输出电压波形

  

图9 Boost模式下负载增加时输出电压波形

由图9可知，电压外环使用PI控制时，输出电压的幅值变化为15 V，需要0.004 s左右才能再次达到平衡；电压外环使用模糊PID控制时，输出电压幅值变化为7 V，恢复到原来的值只需要0.002 s。仿真结果表明模糊PID控制具有更强的稳定性，控制精度和动态响应速度都有很大提高。

关键词时区视图可以看出某一领域的研究趋势，突发词可以反映某一领域研究的潜在热点和研究前沿。在Citespace软件中选择“TimeZone”，得到网络信息行为关键词的时区视图（图5），并选择”Export”中的”network summary table”得到高频关键词的频次及突发词信息，整理可得表7。

气温方面，除青藏高原、东北地区等地平均气温较常年同期偏低1℃-2℃外，我国西北至华中一带平均气温将由前期偏低逐步转为偏高或接近常年同期。

5 实验验证

1）当时，需要对PID控制器进行大幅度的调整从而快速调整e；

  

图10 Boost模式下负载增加时实验波形

由图10可知，本文设计的变换器在10 ms内再次达到平衡状态，而且负载突然增加时输出电压的幅值变化较小，表明基于模糊PID控制的双向DC/DC变换器具有动态响应快、鲁棒性强的优点。

罗恬站在杜朗的面前，有些微的颤抖。杜朗把一柄闪着寒光的匕首放进她手里，用手指了指自己心脏的位置，示意她用匕首刺过来。罗恬胆怯了，恐慌地摇了摇头。

从代码的长度上讲，军民双方都为6位，但是从编码规则上讲，军民双方的每一位数字代表的意义是不一样的。因此想要从编码规则上达成融合难度较大，但是由于基础地理信息要素的代码并不影响数据实体，因此只要能够建立要素代码间的转换关系，即可实现数据代码的融合。

在实验过程中测出的变换器在Boost工作模式下的电压、电流、功率的数据如表2所示：

 

表2 实验数据

  

V1（V）I1（A）V2（V）I2（A）η（%）12 4.8 59.8 0.93 96.6%12 6.2 60 1.19 96%12 8.5 59.9 1.63 95.7%12 10.7 59.8 2.04 95.1%12 13.5 59.6 2.57 94.6%

从表2中数据可知，本文设计的基于模糊PID控制的双向DC/DC变化器具有较高的工作效率，可以有效减小损耗、节约资源，具有较强的实用价值。

6 结论

根据混合动力汽车对变换器的要求，本文将两个双向半桥DC/DC变换器并联后得到一种两相交错并联双向DC/DC变换器，提出模糊控制与PID控制相结合的复合控制策略。模糊控制增强了系统的动态性能和鲁棒性，PID控制稳定性好、调整方便，两种控制方式结合在一起使系统的控制效果更好。

仿真和实验结果表明，本文设计的基于模糊PID控制的双向DC/DC变换器，具有良好的稳态性和鲁棒性，在混合动力汽车中有较强的实用价值。如何使变换器与混合动力汽车的能量管理系统相兼容，将是下一步研究探讨的方向。

参考文献：

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国外的循证医学研究表明，抗病毒成分“金刚烷胺”对感冒病毒基本无效，感冒病毒对它耐药严重，因此国外不再把这个成分添加到复方感冒药中。中国药监部门已要求含“金刚烷胺”的感冒药修改说明书，对于可用于儿童、也可用于成人的氨酚烷胺胶囊，将“5岁以下儿童应在医师指导下使用”修订为“5岁以下儿童不推荐使用”，在【禁忌】项中增加“因缺乏新生儿和1岁以下婴儿安全性和有效性的数据，新生儿和1岁以下婴儿禁用本品”。

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流感病毒是一种属于正粘蛋白科的RNA病毒，根据核蛋白与基质蛋白分为甲、乙、丙、丁四型。根据血凝素HA和神经氨酸酶NA组合则可组成一百余种亚型［1］。流感病毒曾在全世界引起多次大流行，甲型H1N1、高致病性的H7N9和H5N1都曾引起高度关注。