孟 佳， 李 慧

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

車載蓄電池是汽車重要的輔助設(shè)備，但是往往存在過(guò)充或過(guò)放的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致蓄電池壽命縮短。而其中車載鉛酸蓄電池通常使用常規(guī)的充電方法，這種充電法的耗時(shí)較長(zhǎng)且存在一定弊端。針對(duì)上述問(wèn)題,文中提出一種基于電池剩余電量(SOC)檢測(cè)的快速智能充電方法，通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)電池電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再通過(guò)將電池的SOC的估算算法與模糊控制充電相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)當(dāng)SOC低于某個(gè)下限值時(shí)進(jìn)行自動(dòng)充電；當(dāng)SOC高于某個(gè)上限值時(shí)，則停止充電，從根本上保證了電池不被過(guò)放電[1-2]。

1 SOC定義

美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(United States Advanced Battery Consortium)將SOC定義為在特定放電倍率下，電池剩余電量占相同條件下額定容量的百分比[3]：

(1)

式中:QC----電池剩余電量;

QI----以電流I放電一段時(shí)間后電池的容量[4]。

從式(1)中可以看出，當(dāng)SOC=1,代表電池充滿電，SOC=0,代表電池理論上完全放電，剩余電量為0；在實(shí)際使用過(guò)程中，為了盡量延長(zhǎng)電池的使用壽命,一般不會(huì)對(duì)電池進(jìn)行完全放電，因此實(shí)際SOC值也不可能為0。

文中采取電動(dòng)勢(shì)法對(duì)電池SOC進(jìn)行估算，選擇電動(dòng)勢(shì)法的原因主要有兩方面：一是鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)和SOC之間設(shè)有某種必然的聯(lián)系，依靠實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)勢(shì)的方式可以很好地預(yù)測(cè)電池SOC；二是電動(dòng)勢(shì)法相對(duì)于安時(shí)計(jì)量法等傳統(tǒng)算法可降低SOC估算的初值誤差和累積誤差。

確定了SOC的估算方法后，需要進(jìn)一步選取合適的電池電路拓?fù)洌Ｓ玫碾姵氐刃щ娐吠負(fù)淠Ｐ腿鐖D1所示[5-6]。

圖1 蓄電池等效電路

圖中,E為電動(dòng)勢(shì)，R0為歐姆電阻，R1和R2為極化電阻，C1和C2為極化電容。

分別給電池施加電流和電壓激勵(lì)，通過(guò)檢測(cè)不同激勵(lì)下的響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)圖1中電池等效電路模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。首先對(duì)電池進(jìn)行充電，按照一定的電流倍率，充電一段時(shí)間后將電池靜置大約1 h，再按照一定的電流倍率進(jìn)行放電，記錄這段時(shí)間電池端電壓的變化,并且分析充電和放電過(guò)程中電壓、電流波形和參數(shù)的變化，整個(gè)參數(shù)辨識(shí)過(guò)程如圖2所示[7]。

圖2 參數(shù)辨識(shí)過(guò)程

在整個(gè)參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中，由于阻容環(huán)節(jié)的電壓無(wú)法突變，因此電壓的突變與電阻R0有關(guān)，在靜置過(guò)程中電壓的變化主要與兩個(gè)阻容環(huán)節(jié)電容的放電有關(guān)。

(2)

由于放電過(guò)程是在電池完全靜置的前提下進(jìn)行的，因此兩個(gè)極化電容相當(dāng)于零狀態(tài)響應(yīng):

(3)

式中:UOC----二階電路的開路電壓;

UC1、UC2----分別是電容C1和C2兩端的電壓;

T1、T2----兩個(gè)阻容環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，T1=R1C1,T2=R2C2;

I----端電流。

由于電容C0值一般很大，因此在放電過(guò)程中，可以認(rèn)為C0兩端電壓的變化很小，可以認(rèn)為隨時(shí)間線性變化，用f(ΔE,Δt)表示:

u(t)=Uoc-f(ΔE,Δt)-IR0-

(4)

2 智能充電器控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)著名的馬斯定律可知，蓄電池充電過(guò)程中伴隨著溫升、析氣、極化等限制充電速度的系列問(wèn)題。過(guò)高的充電電流并不增長(zhǎng)充電率，只增長(zhǎng)析氣；相反，過(guò)低的充電電流則會(huì)增加充電時(shí)刻。因此快速、高效的充電電流應(yīng)該滿足馬斯曲線，如圖3所示。

圖3 馬斯充電曲線

然而，理論上充電電流完全跟蹤馬斯曲線是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此各種“非理想”的近似充電方法應(yīng)運(yùn)而生，目前效果最好的是智能充電法[8]。

基于蓄電池SOC檢測(cè)充電并采用智能充電方法，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行采集，根據(jù)采集完后通過(guò)處理器估算出蓄電池當(dāng)前的SOC值，進(jìn)而采取相適應(yīng)的電流。文中所涉及充電系統(tǒng)要求電池SOC值保持在70%以上，因此當(dāng)SOC低于70%時(shí)立即開始充電，當(dāng)電池的SOC值達(dá)到90%時(shí)停止充電。

要實(shí)現(xiàn)蓄電池智能充電，充電電流曲線需遵循馬斯曲線。對(duì)于充電電流，可利用模糊控制器實(shí)現(xiàn)，模糊控制器通過(guò)采集蓄電池兩端的電壓及電壓變化率，通過(guò)模糊推理計(jì)算出蓄電池的可接受充電電流。蓄電池智能充電模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖[9]如圖4所示。

圖4 充電模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖

模糊控制器的輸入為蓄電池端電壓與參考電壓的偏差E以及相鄰兩次電壓檢測(cè)值的變化率EC，模糊控制器的輸出為充電電流變化量U。由于充電過(guò)程中端電壓一直處于上升階段，因此偏差E的模糊語(yǔ)言集設(shè)為{PS，PM，PB，PVB}，其量化論域?yàn)?0，1，2，3，4，5，6)。誤差變化率EC的模糊語(yǔ)言集設(shè)為{NB，NS，ZE，PS，PB}，其量化論域?yàn)?-3，-2，-1，0，1，2，3)。輸入和輸出的隸屬度函數(shù)如圖5所示。

(a)E的隸屬度函數(shù) (b)EC，U的隸屬度函數(shù)

圖5E,EC,U的隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則見表1。

表1 模糊控制規(guī)則表

3 充電電路拓?fù)?/h2>

使用Buck電路作為智能充電器的主電路，Buck電路可以依靠改變MOS管的導(dǎo)通占空比實(shí)現(xiàn)控制負(fù)載輸出電壓的大小，Buck電路原理圖如圖6所示。

圖6 Buck電路原理圖

Buck型電路拓?fù)涫怯呻娫碫in、可控器件V1、續(xù)流二極管VD1、電感L、電容C等元件構(gòu)成。其工作過(guò)程如圖7所示。

在t0-t1期間，V1導(dǎo)通，此時(shí)電源Vin給負(fù)載供電，電感電流呈線性上升，電容C會(huì)同時(shí)充電，由于此時(shí)二極管承受反壓，因此處于關(guān)斷狀態(tài)；在t1-t2期間，V1關(guān)斷，此時(shí)電感電流不會(huì)突變，二極管承受正壓導(dǎo)通電流，并與電感L和負(fù)載R構(gòu)成閉環(huán)電路，VD1導(dǎo)通后即將電感左端電壓嵌位相比于地點(diǎn)位拉低一個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降。此時(shí)，電感電流通過(guò)續(xù)流二極管VD1續(xù)流，電感電流線性下降。

圖7 Buck電路工作過(guò)程

其輸出電壓UR滿足下式:

(5)

式中:Vout----輸出電壓；

Vin----輸入電壓;

Ton----V1管導(dǎo)通時(shí)間；

T----觸發(fā)脈沖的周期。

若Buck電路不加輸出濾波器，則輸出為脈動(dòng)直流，無(wú)法滿足蓄電池的充電需求，因此Buck電路后級(jí)采用LC濾波器對(duì)輸出脈沖直流進(jìn)行濾波，紋波電流的大小與輸出電感存在直接關(guān)聯(lián)：

(6)

輸出紋波電壓大小主要由輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)造成，一般補(bǔ)償電容的大小根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算為:

(7)

式中:Vripple----根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)選取;

Vripple/Iripple----選取的電容ESR值。

主電路開環(huán)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足電池的動(dòng)態(tài)充電要求，因此需對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣，對(duì)電池SOC進(jìn)行估算如圖8所示。

圖8 蓄電池充電拓?fù)?/p>

當(dāng)SOC值低于70%作為啟動(dòng)充電器的使能信號(hào)，大于90%作為關(guān)斷充電器的使能信號(hào)，模糊控制器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大作為MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)控輸出占空比[10]。

4 電路仿真

依據(jù)圖8所示電路，采用Matlab搭建鉛酸蓄電池智能充電仿真模型如圖9所示。

圖9 智能充電器仿真模型

選用12 V/100 AH的鉛酸蓄電池作為充電對(duì)象，基于Fuzzy工具箱建立的輸入、輸出函數(shù)隸屬度函數(shù)如圖10所示。

圖10 輸入、輸出隸屬度函數(shù)

分別仿真了當(dāng)蓄電池SOC為70%和90%時(shí)的充電狀態(tài)，充電電壓、電流曲線如圖11所示。

圖11(a)SOC為70%時(shí)，電池的充電電流、電壓，此時(shí)電流約為21 A，電壓約為11.2 V。圖11(b)SOC為90%時(shí)，電池的充電電流、電壓，此時(shí)電流約為8 A,電壓約為12.8 V。

從上述仿真結(jié)果來(lái)看，圖8所示的基于模糊控制的Buck充電電路基本能滿足鉛酸蓄電池的充電需求。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖8搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，Buck電路的觸發(fā)脈沖由DSP28335發(fā)出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)模糊控制后，SOC分別為70%和90%時(shí)，充電電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。

為了將模糊控制算法智能充電方式與普通二階段充電的方式進(jìn)行比較，對(duì)兩種控制算法下整個(gè)電池充電過(guò)程中的電池電壓、電流進(jìn)行采樣并且繪制成曲線，如圖13所示。

(a) SOC為70%時(shí) (b) SOC為90%時(shí)

圖12 充電電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形

圖13 蓄電池充電電流、電壓趨勢(shì)圖

從圖中可以看出，模糊控制算法的充電電流走勢(shì)基本與電池的最佳充電曲線趨勢(shì)相同，這樣說(shuō)明采用模糊充電方式是一個(gè)有效的充電方式，模糊控制相比普通的控制算法具有更快的充電速度，同時(shí)充電電流平滑更加接近馬斯特性曲線，可以達(dá)到快速充電的目的，并減少充電過(guò)程對(duì)于電池的損害，有利于電池的使用。

6 結(jié) 語(yǔ)

以Buck型DCDC變換器為基礎(chǔ)的充電拓?fù)潆娐?設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制算法的SOC預(yù)測(cè)的鉛酸蓄電池智能充電方法。將對(duì)鉛酸蓄電池的SOC進(jìn)行估計(jì)的電動(dòng)勢(shì)法和DCDC充電拓?fù)涞哪：刂葡嘟Y(jié)合，并且采用鉛酸蓄電池智能充電的斬波電路，搭建Matlab仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

[1] 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華．充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，2005.

[2] 廖金華,李建黎.鉛酸蓄電池充電技術(shù)綜述[J].蓄電池，2010(3):132-135.

[3] 王源，程方曉，王旭.基于電池剩余電量估計(jì)的快速充電策略[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 37(6)：555-560.

[4] 李文江，張志高，莊益詩(shī)．電動(dòng)汽車用鉛酸電池管理系統(tǒng)SOC算法研究[J].電源技術(shù)，2010，34(12)：1266-1268，1286.

[5] 吳敬民．電動(dòng)汽車用蓄電池的充電方式對(duì)電池性能的影響[J].蓄電池，2002，2(3)：62-64.

[6] 李慧，肖偉，駱萬(wàn)博.電池剩余電量SOC估計(jì)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,38(1)：73-78.

[7] 王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[8] Tomohiko I. Charging operation with high energy efficiency for electric vehicle valve-regulated lead-acid battery system[J]. J Paver Sources，2000，91(1)：130-136.

[9] 徐成勝，邱東，王宏志.AOD爐濺渣護(hù)爐氮?dú)饬髁磕：赃m應(yīng)PID控制[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016,37(3)：256-260.

[10] 梁文瀚，賈文超.太陽(yáng)能路燈模糊控制器. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,33(2)：146-150.