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新能源汽车双向DC/DC变换器多模型预测控制研究

1.引言

1.1背景及意义

随着全球能源危机和环境问题日益严重，新能源汽车作为替代传统燃油车的重要选择，得到了各国政府的大力支持和广泛关注。新能源汽车的关键技术之一是其能源管理系统，而双向DC/DC变换器作为连接各个能源单元的关键组件，其性能的优劣直接影响到新能源汽车的整体性能。

双向DC/DC变换器具有能量双向流动、高效转换、动态响应快等特点，能有效地提高新能源汽车能源利用率和续航里程。然而，双向DC/DC变换器在工作过程中存在多种非线性、时变性以及不确定性因素，给其控制带来诸多挑战。因此，研究新能源汽车双向DC/DC变换器的先进控制策略具有重大的现实意义。

1.2国内外研究现状

目前，国内外学者对双向DC/DC变换器的控制策略研究主要集中在PID控制、滑模控制、自适应控制、预测控制等方法。其中，预测控制因其具有较强的鲁棒性和适应性，逐渐成为研究的热点。

在国外研究方面，研究人员针对双向DC/DC变换器设计了多种预测控制算法，如模型预测控制（MPC）、无差拍控制（DP）等，并取得了较好的控制效果。同时，多模型预测控制作为一种新兴的控制方法，也在一些领域得到了初步的应用。

国内研究方面，许多高校和研究机构也在双向DC/DC变换器的预测控制方面进行了深入研究，提出了一系列具有我国自主知识产权的控制策略，并在一定程度上提高了变换器的性能。

1.3研究内容及目标

本文以新能源汽车双向DC/DC变换器为研究对象，针对其控制问题，提出一种多模型预测控制策略。主要研究内容包括：

分析双向DC/DC变换器的工作原理及其在新能源汽车中的应用；

研究多模型预测控制理论，探讨其在双向DC/DC变换器控制中的应用可行性；

设计双向DC/DC变换器多模型预测控制策略，并进行仿真和实验验证；

分析控制策略的性能，探讨优化和改进方向。

通过以上研究，旨在实现以下目标：

提高双向DC/DC变换器的控制性能，满足新能源汽车对能源管理系统的要求；

丰富新能源汽车双向DC/DC变换器的控制理论，为实际工程应用提供参考；

为我国新能源汽车产业的发展提供技术支持。

2新能源汽车双向DC/DC变换器概述

2.1双向DC/DC变换器原理

双向DC/DC变换器作为新能源汽车能量管理系统的关键部件，起着能量转换和电压调节的重要作用。其基本原理基于斩波调制技术，通过全控型器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT）的开关动作，实现直流电压的升降变换。双向DC/DC变换器主要由输入滤波器、开关器件、脉冲宽度调制（PWM）控制器、变压器、输出滤波器等部分组成。其工作原理是在开关周期内，通过对开关器件的通断控制，改变变压器原副边的电压比，进而实现电压的转换。

在新能源汽车中，双向DC/DC变换器能够实现电池组与电机之间的高效能量交换，一方面在电池充电时，将电能转换为电池能存储起来；另一方面，在电池放电时，将电池的电能转换为电机驱动所需的电能，以满足车辆的动力需求。

2.2双向DC/DC变换器在新能源汽车中的应用

在新能源汽车中，双向DC/DC变换器的应用尤为重要。首先，它能够连接不同电压等级的电源和负载，如将动力电池的高电压转换为低压电池或电子设备所需的低电压。其次，通过双向DC/DC变换器，可以实现能量的回收利用，即在车辆制动时，将电机产生的电能通过变换器回充至动力电池，提高整车能量利用率。

具体应用场景包括但不限于以下几个方面：

动力电池与电机之间的能量转换：在纯电动汽车和混合动力汽车中，双向DC/DC变换器是连接动力电池和电机驱动系统的重要纽带。

车辆不同电压等级的调节：新能源汽车中存在多种电压等级的需求，双向DC/DC变换器能够实现这些电压等级之间的灵活转换。

能量回收系统：在车辆制动或下坡时，通过双向DC/DC变换器实现能量的回收，提高能源利用效率。

2.3双向DC/DC变换器的关键技术

双向DC/DC变换器的关键技术主要包括以下几个方面：

开关频率的选择：开关频率决定了变换器的转换效率和响应速度，选择合适的开关频率对提高变换器的性能至关重要。

PWM控制策略：脉冲宽度调制（PWM）策略直接影响变换器的输出质量和效率，采用优化的PWM控制策略可以减少开关损耗，提高系统效率。

热管理：由于变换器在工作过程中会产生热量，有效的热管理措施是确保变换器长期稳定工作的关键。

电磁兼容性（EMC）设计：双向DC/DC变换器在工作时会产生电磁干扰，EMC设计的好坏直接影响到整车电子系统的稳定性。

通过对上述关键技术的深入研究，可以进一步提升双向DC/DC变换器的性能，为新能源汽车的广泛应用提供有力支持。

3.多模型预测控制理论

3.1多模型预测控制方法

多模型预测控制（MMPC）是一种先进的控制策略，它基于多个局部模型的预测来