一种基于串级PID控制的车辆双电池调压系统及方法与流程
背景技术：
：：1、随着智能汽车快速发展，越来越多的用电器集成在车辆中，提高了用户体验，但随着负载增多造成了车辆功能安全所需的低压电池供电稳定性不足甚至馈电，如自动驾驶就需要低压电池稳定供电，电池电量低会造成自动驾驶功能异常，l3高阶智能驾驶安全等级高，相关传感器雷达数量增加，低压电池放电功率急需提升；另外功能复杂度增加，网段负载率过高，难免出现通讯丢失，如上下高压电瞬间，低压电池一旦失效，相关传感器供电不及时，也会影响自动驾驶相关功能造成安全隐患。2、现有技术解决低压电池馈电多采取增加电池容量，一定程度上降低了馈电风险，但不能避免电池失效问题；针对低压电池失效当前方案多是通过dcdc备用给智驾低压部件供电，但这里是间接通过软件控制供电，远不如电池物理供电稳定，且会影响智驾相关功能瞬时响应速度；为满足高阶智能驾驶等应用场景低压供电，也推出了双电池供电方案，但由于供电电路变得复杂，双电池电压失衡问题频发，导致供电更难稳定；因此，如何根据整车工况及双电池状态来精细化调节二者电压平衡，具有重要的研究意义。技术实现思路1、本发明旨在克服现有技术的不足，提出了一种基于串级pid控制的车辆双电池调压系统及方法，以达到以下目的：通过本发明的系统和方法实现电动汽车双电池的电压平衡，从而提高系统供电稳定性，提高自动驾驶等功能的可靠性。2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于串级pid控制的车辆双电池调压系统，所述系统包括主低压锂电池、辅低压锂电池、高压锂电池、高压锂电池管理系统、主低压锂电池管理系统、辅低压锂电池管理系统、左域控制器、右域控制器、整车计算中心、整车控制器、充放电配电单元、驱动控制器、电池隔离模块，其中：3、所述主低压锂电池和辅低压锂电池均用于给低压负载供电；4、所述高压锂电池用于给所述充放电配电单元供电，同时通过所述驱动控制器的控制给高压负载供电；5、所述主低压锂电池管理系统用于监测所述主低压锂电池的状态；6、所述辅低压锂电池管理系统用于监测所述辅低压锂电池的状态；7、所述高压锂电池管理系统用于监测所述高压锂电池的状态，同时根据整车的高压上电状态控制所述高压锂电池对所述充放电配电单元的供电输出；8、所述左域控制器用于将车辆电源状态以及所述辅低压锂电池管理系统监测到的辅低压锂电池状态发送给所述整车计算中心；9、所述右域控制器用于将所述主低压锂电池管理系统监测到的主低压锂电池状态发送给所述整车计算中心；10、所述整车计算中心用于根据所述主低压锂电池状态、辅低压锂电池状态、电池隔离模块状态通过双闭环串级pid控制动态调整所述充放电配电单元的目标充放电电压并发送给所述整车控制器；11、所述整车控制器用于在收到所述目标充放电电压且检测到整车满足上高压条件时通过对所述高压锂电池管理系统和充放电配电单元的控制实现高压上电，其中，所述充放电配电单元按照所述目标充放电电压工作；12、所述充放电配电单元用于采集整车的高压上电状态，并结合所述整车控制器的控制命令，从而按照所述目标充放电电压对所述主低压锂电池、辅低压锂电池和低压负载进行供电输出；13、所述电池隔离模块用于控制所述充放电配电单元与所述辅低压锂电池之间的通断。14、优选的，所述系统设置有高压预充回路，所述高压预充回路包括包括主正继电器、主负继电器、预充继电器、预充电阻、预充电容，其中，所述预充继电器与所述预充电阻串联后再与所述主正继电器并联，并联后的整体串联在所述高压锂电池的正极输出端与所述预充电容的一端之间；所述预充电容的另一端与所述高压锂电池的负极输出端之间串联有所述主负继电器；所述预充电容内置在所述驱动控制器中；所述主正继电器、主负继电器、预充继电器的通断由所述高压锂电池管理系统控制。15、优选的，所述系统在高压上电时设置有预充管理机制：在整车高压上电时，整车控制器下发上高压指令给所述高压锂电池管理系统，所述高压锂电池管理系统控制所述主正继电器断开、所述预充继电器闭合，此时所述充放电配电单元将主低压电池和辅低压电池的输出电压进行升压后向所述驱动控制器所在回路供电，进而为所述预充电容充电，预充结束后，所述高压锂电池管理系统控制所述主正继电器闭合、所述预充继电器断开，完成高压上电。16、优选的，所述充放电配电单元包括控制单元和dcdc变换器，所述控制单元用于采集整车的高压上电状态，并结合所述整车控制器的控制命令对所述dcdc变换器进行控制，所述控制单元与与所述dcdc变换器、整车控制器连接；所述dcdc变换器与所述高压锂电池、主低压锂电池、辅低压锂电池、低压负载连接，用于实现电压转换。17、同时，本发明还提出了一种基于串级pid控制的车辆双电池调压方法，所述方法应用于上述一种基于串级pid控制的车辆双电池调压系统，所述方法包括以下步骤：18、s1、将所述主低压锂电池管理系统和辅低压锂电池管理系统监测到的电池状态信息通过rc滤波器进行处理；19、s2、根据车辆电源状态设定电池目标soc，若车辆电源状态为off或comfortable，采用静态目标soc，否则采用动态目标soc；20、s3、根据所述主低压锂电池状态、辅低压锂电池状态、电池隔离模块状态，通过双闭环串级pid控制调节所述充放电配电单元的目标充放电电压以实现主辅低压锂电池充放电电压平衡；所述双闭环串级pid控制包括串联的两个pid控制器，即前级pi环和次级pi环，同时，引入目标充放电电流作为中间控制变量；其中，以当前电池的实际soc与目标soc的差值作为前级pi环的输入，即通过前级pi环作为soc闭环补偿器计算目标充放电电流；以当前电池的实际电流与所述目标充放电电流的差值作为次级pi环的输入，即通过前级pi环作为电流闭环补偿器计算目标充放电电压；21、s4、在高压上电时，所述充放电配电单元按照所述目标充放电电压工作，其中，所述目标充放电电压小于低压锂电池自身电压时，低压锂电池对外放电；所述目标充放电电压大于等于低压锂电池自身电压时，低压锂电池充电。22、优选的，在所述步骤s1中，所述rc滤波器采用一阶滤波算法，其公式如下：23、y(n)＝α*x(n)+(1-α)y(n-1)；24、其中，α为滤波系数，x(n)为本次采样值，y(n-1)为上次滤波输出值，y(n)为本次滤波输出值，n用于标识输入输出序列中的项；25、所述滤波系数α的整定如下：首先由u＝ir，q＝it，对c＝q/u求导，得差分方程：26、27、从而得到滤波系数其中u为电压，i为电流，t表示流过电荷量q所用的时间，r为阻抗，t为滤波计算周期，c为电容，q为电荷量。28、优选的，所述步骤s3具体包括以下子步骤：29、s31、根据当前主低压锂电池soc与目标soc的差值，或者辅低压锂电池soc与目标soc的差值，进行pi闭环控制即soc补偿器，得到目标充放电电流，并对所述目标充放电电流进行限值处理；30、s32、根据当前主低压锂电池电流与所述目标充放电电流的差值，或者辅低压锂电池电流与所述目标充放电电流的差值，进行pid闭环控制即电流补偿器，得到目标充放电电压，并对所述目标充放电电压进行限值处理。31、优选的，对所述目标充放电电流和电压的限值处理，即保证目标充放电电流和电压在内部电流电压限值以内，所述内部电流电压限值通过预先标定的二维map表实现，其中，所述二维map表的自变量分别为低压锂电池的温度和soc，并根据温度和soc计算当前电池充放电时的内部电流限值和内部电压限值；同时在计算内部电流限值和电压限值时，还要参考低压锂电池管理系统设置的电流上下限和电压上下限；在电池隔离模块闭合时，最终内部电压限值应当取主低压锂电池和辅低压锂电池内部电压限值中的最小值，在电池隔离模块断开时，最终内部电压限值等于主低压锂电池的内部电压限值。32、优选的，根据所述主低压锂电池状态、辅低压锂电池状态、电池隔离模块状态，所述步骤s3包括以下应用情况：33、情况1：当电池隔离模块断开且有电压平衡请求且主低压锂电池电压高于辅低压锂电池时，通过主低压锂电池放电至二者电压平衡，其中，当主低压锂电池状态和辅低压锂电池之间的电压差超过预设值时视为发出电压平衡请求；34、情况2：当电池隔离模块断开且有电压平衡请求且主低压锂电池电压低于辅低压锂电池时，通过主低压锂电池充电至二者电压平衡；35、情况3：当电池隔离模块断开且无电压平衡请求时，则忽略辅低压锂电池，通过soc补偿器和电流补偿器计算得出主低压锂电池的目标充放电电压作为最终充电配电单元的目标充放电电压；36、情况4：当电池隔离模块闭合时，分别通过soc补偿器和电流补偿器计算得出主低压锂电池和辅低压锂电池的目标充放电电压，取两个电压中的最小值作为最终充电配电单元的目标充放电电压。37、优选的，在所述步骤s3中，所述闭环补偿采用pid控制算法，其公式如下：38、39、式中，kp为比例系数，为积分系数，为微分系数，u(k)指第k个采样时刻的控制，e(k)指第k个采样时刻的偏差，t是采样周期，ti是积分时间，td是微分时间；40、采用衰减曲线法对参数kp、ki和kd进行整定整定，步骤如下：41、a)先把积分时间放至最大，微分时间放至零，使控制系统运行；将衰减比例度kpr放大，再逐渐减少衰减比例度kpr，观察调节器的输出及控制过程的波动情况，直到找出衰减比例度kpr为4:1的衰减过程为止；42、b)测量衰减周期，测量第一个波峰的上升时间tr，其操作步骤同所述步骤a)；43、c)根据衰减比例度kpr和衰减周期tr，再根据控制器类型选择pid参数，其中pi控制对应kp＝1.2kpr；ti＝0.5tr，pid控制对应kp＝0.8kpr；ti＝0.3tpr，td＝0.1tpr，再通过公式计算得到ki积分系数和kd微分系数。44、本发明的技术效果为：45、1、通过双电池回路低压供电，为高阶自动驾驶等场景提供电源冗余保证，避免电池失效问题；46、2、根据电池隔离模块及双电池状态来精细化调节双电池电压平衡，使得供电更加稳定，基于双闭环串级pid控制，目标充电电压能随电池soc、电流动态变化，提高充电效率；47、3、低压电池通过充放电配电单元反向升压向高压回路电容放电替代传统的高压预充回路，降低成本。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
1.一种基于串级pid控制的车辆双电池调压系统，其特征在于：所述系统包括主低压锂电池、辅低压锂电池、高压锂电池、高压锂电池管理系统、主低压锂电池管理系统、辅低压锂电池管理系统、左域控制器、右域控制器、整车计算中心、整车控制器、充放电配电单元、驱动控制器、电池隔离模块，其中：
2.根据权利要求1所述的一种基于串级pid控制的车辆双电池调压系统，其特征在于：所述系统设置有高压预充回路，所述高压预充回路包括包括主正继电器、主负继电器、预充继电器、预充电阻、预充电容，其中，所述预充继电器与所述预充电阻串联后再与所述主正继电器并联，并联后的整体串联在所述高压锂电池的正极输出端与所述预充电容的一端之间；所述预充电容的另一端与所述高压锂电池的负极输出端之间串联有所述主负继电器；所述预充电容内置在所述驱动控制器中；所述主正继电器、主负继电器、预充继电器的通断由所述高压锂电池管理系统控制。
3.根据权利要求2所述的一种基于串级pid控制的车辆双电池调压系统，其特征在于：所述系统在高压上电时设置有预充管理机制：在整车高压上电时，整车控制器下发上高压指令给所述高压锂电池管理系统，所述高压锂电池管理系统控制所述主正继电器断开、所述预充继电器闭合，此时所述充放电配电单元将主低压电池和辅低压电池的输出电压进行升压后向所述驱动控制器所在回路供电，进而为所述预充电容充电，预充结束后，所述高压锂电池管理系统控制所述主正继电器闭合、所述预充继电器断开，完成高压上电。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于串级pid控制的车辆双电池调压系统，其特征在于：所述充放电配电单元包括控制单元和dcdc变换器，所述控制单元用于采集整车的高压上电状态，并结合所述整车控制器的控制命令对所述dcdc变换器进行控制，所述控制单元与与所述dcdc变换器、整车控制器连接；所述dcdc变换器与所述高压锂电池、主低压锂电池、辅低压锂电池、低压负载连接，用于实现电压转换。
5.一种基于串级pid控制的车辆双电池调压方法，其特征在于：所述方法应用于根据权利要求1-4任一项所述的一种基于串级pid控制的车辆双电池调压系统，所述方法包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种基于串级pid控制的车辆双电池调压方法，其特征在于：在所述步骤s1中，所述rc滤波器采用一阶滤波算法，其公式如下：
7.根据权利要求5所述的一种基于串级pid控制的车辆双电池调压方法，其特征在于：所述步骤s3具体包括以下子步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于串级pid控制的车辆双电池调压方法，其特征在于：对所述目标充放电电流和电压的限值处理，即保证目标充放电电流和电压在内部电流电压限值以内，所述内部电流电压限值通过预先标定的二维map表实现，其中，所述二维map表的自变量分别为低压锂电池的温度和soc，并根据温度和soc计算当前电池充放电时的内部电流限值和内部电压限值；同时在计算内部电流限值和电压限值时，还要参考低压锂电池管理系统设置的电流上下限和电压上下限；在电池隔离模块闭合时，最终内部电压限值应当取主低压锂电池和辅低压锂电池内部电压限值中的最小值，在电池隔离模块断开时，最终内部电压限值等于主低压锂电池的内部电压限值。
9.根据权利要求8所述的一种基于串级pid控制的车辆双电池调压方法，其特征在于：根据所述主低压锂电池状态、辅低压锂电池状态、车辆电源状态、电池隔离模块状态，所述步骤s3包括以下应用情况：
10.根据权利要求5-9任一项所述的一种基于串级pid控制的车辆双电池调压方法，其特征在于：在所述步骤s3中，所述闭环补偿采用pid控制算法，其公式如下：
技术总结
本发明公开了一种基于串级PI D控制的车辆双电池调压系统及方法，属于新能源汽车领域。所述系统包括主低压锂电池、辅低压锂电池、高压锂电池、高压锂电池管理系统、主低压锂电池管理系统、辅低压锂电池管理系统、左域控制器、右域控制器、整车计算中心、整车控制器、充放电配电单元、驱动控制器、电池隔离模块。所述方法根据电池隔离模块状态、主低压锂电池状态、辅低压锂电池状态，通过双闭环串级PID控制调节充放电配电单元的目标充放电电压，实现了主辅低压锂电池电压平衡。本发明保证了双电池电量稳定，实现了电源冗余备份，提高自动驾驶等功能和整车电源的可靠性。
技术研发人员：唐飞,叶章胜,郑青矾,刘要迪
受保护的技术使用者：奇瑞智能汽车科技（合肥）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5