连续非奇异全阶终端滑模控制理论及在电动车电池管理系统中的应用

This project aims at addressing the following two problems hindering the applications of the sliding-mode control (SMC). One is the chattering in both the traditional linear sliding-mode control (LSMC) and nonlinear terminal sliding-mode control (TSMC), and the other is the singularity in TSMC. To obtain continous control signals, rather than the traditional switching ones, the ideal sliding-mode motion is designed to guarantee that the relative degree is equal to zero, instead of equal or greater than one in traditional SMC systems. Based on the analysis of the areas appearing singularity in the state space, the methods for avoiding the singularity are explored. The sliding-mode manifolds are designed to be neither computable nor measurable, based on the analysis of the role of them in the SMC strategies. The structure and parameters of the sliding-mode manifolds are studied. In the ideal sliding-mode motion, the systems are controlled to behave as desirable full-order dynamics, rather than reduced-order dynamics. The sliding-mode control and observation in the project can be applied to intelligent battery management systems for electric vehicles. The objective is to extend the lifetime of the battery packs and enhance the safety. By monitoring the state of charge (SoC) and the state of health (SoH) of the battery packs in real time, and further estimating the remaining driving range (RDR) accurately, the optimal operation of the battery packs can be implemented using the proposed strategies, the driving range can be maximized, and the performances can be enhanced, which is significant important for the development of for electric vehicles.

本项目旨在解决阻碍滑模控制实际应用的两个问题:1)线性滑模和非线性终端滑模控制中存在的抖振现象;2)终端滑模控制的奇异性。本项目将理想滑动模态设计成相对度为0，而不是传统的大于或等于1的形式。获得的控制为连续信号，不同于常规滑模控制的开关信号。在分析奇异点分布区域的基础上，探讨避免终端滑模控制奇异的方法。利用滑模在滑模控制中的应用特点，将滑模设计成既不可测量又不可计算的形式，研究滑模的结构和参数设计方法。在理想滑模运动状态，将系统的特性控制为全阶动态特性，异于常规滑模控制的降阶动态特性。本项目将所研究的方法应用于电动车智能电池管理系统，目标是延长电动车用电池组的使用寿命和提高行车的安全性。对电池组的电荷状态（SoC）和健康状态（SoH）进行实时监测，进而精确估算电动车的剩余可行驶里程(RDR)，以最佳策略优化电池组的使用，最大化电动车的行驶距离，并提高其性能，这对电动车的发展具有重要意义。

本项目解决了阻碍滑模控制应用的两个问题：1)线性和非线性终端滑模控制(TSMC)中的抖振；2)终端滑模控制的奇异性。利用滑模在滑模控制中的应用特点，将滑模设计成既不可测量又不可计算的形式，在理想滑模运动状态，将系统特性控制为全阶动态特性，异于常规滑模控制的降阶动态特性。本项目将理论研究成果应用于电动车智能电池管理系统，对电池组的电荷状态(SoC)和健康状态(SoH)进行实时监测，以延长电池组的使用寿命和提高行车的安全性。.主要研究内容包括：1)连续全阶非奇异TSMC理论；2)用于参数估计和状态观测的连续终端滑模观测器，实现对系统中不可测量参数和状态的实时估计；3)利用连续全阶终端滑模观测器和滑动窗口技术，建立双终端滑模观测器的电池组SoC和SoH实时估计算法。.本项目重要成果为：1)研究出两种MIMO系统的全阶TSMC方法，可消除不匹配不确定性的影响，满足实际应用要求；2)研究出增益自适应全阶TSMC方法，构建了控制增益自适应算法，实现高速高精度的控制；3)开发出带有LCL型滤波器的网侧逆变器的全阶TSMC方法；4)开发了SoC和SoH的估计技术，建立了电动车电池状态的实时估计算法。.本项目提出的连续全阶TSMC方法，完善了TSMC理论，解决了滑模控制存在的抖颤与奇异性问题，为TSMC的实际应用创造了条件。本项目将连续全阶TSMC控制理论应用于构造SoC和SoH双观测器，利用滑动窗口技术，以及全阶滑模观测器无需低通滤波器的优越性能，精确同步估计SoC和SoH，构建电动车智能电池管理系统，实时监测电池组的SoC和SoH，进而精确估算电动车的剩余可行驶里程，以最佳策略优化电池组的使用，最大化电动车的行驶距离。还可识别危险，采取预防措施，防止事故发生。因此，本项目的理论与技术成果将对电动车的发展与应用，以及利用锂离子电池实现可再生能源系统的安全和有效运行，均具有重要意义。