葛 笑 寒

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,河南 三門峽 472000)

0 引言

電動汽車是以電能作為系統(tǒng)動力源，從蓄電池電源獲得能量，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，屬于能夠遵守城市道路法規(guī)安全行駛的車輛，系統(tǒng)以電能為動力，可以實(shí)現(xiàn)行駛中廢氣“零排放”[1].目前電動汽車大部分都使用鉛蓄電池和鋰電池，采用恒壓或恒流的充電方法，在充電過程中會出現(xiàn)過充、欠充等問題.

充電控制如果實(shí)行修正PID(Proportion，Integral，Differential)控制，則能基本滿足充電過程控制[2],但是沒有考慮充電過程電池組電壓、電阻和相關(guān)參數(shù)的變化因素.充電過程的矢量控制雖然能夠較好地實(shí)現(xiàn)充電流程控制，但是控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜[3].電動汽車充電過程的復(fù)雜性和蓄電池的非線性和多參量特征，常規(guī)PID控制策略已不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)充電曲線.模糊自適應(yīng)控制能夠適應(yīng)控制對象的非線性和遲滯性，且具有高魯棒性.電動汽車在充電過程中應(yīng)以常規(guī)PID為基礎(chǔ)，增加模糊控制器，把系統(tǒng)最優(yōu)響應(yīng)和實(shí)際響應(yīng)的偏差作為控制目標(biāo)，把充電電壓或者電流的誤差和誤差率作為輸入，用模糊推理對PID的參數(shù)進(jìn)行修正，保證電動汽車在充電過程中具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能[4].本文采用模糊PID控制算法對電動汽車充電控制流程進(jìn)行設(shè)計分析，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn).

1 充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

充電系統(tǒng)的控制量主要為充電電流和電壓，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是人機(jī)交互設(shè)備、計量設(shè)備等.系統(tǒng)應(yīng)對充電過程的電流和電壓進(jìn)行調(diào)控，幫助電動汽車實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)充電，防止出現(xiàn)過充、欠充或者損壞電池的現(xiàn)象.

充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，U、V、W為三相交流電源；PWM為脈沖寬度調(diào)制電路，用來產(chǎn)生脈沖信號，驅(qū)動電子開關(guān)運(yùn)行.系統(tǒng)工作原理如下：三相交流電經(jīng)過三相不可控整流器或者三相全橋整流濾波后得到恒定的直流電壓，再經(jīng)過直流變換器后，平滑濾波，最終將直流電能傳送給電動汽車的動力電池.在功率轉(zhuǎn)換過程中，根據(jù)輸出電流、電壓、電池管理系統(tǒng)傳送的電池參數(shù)來控制電路輸入，經(jīng)過前端電路和集成芯片的處理，結(jié)合控制策略產(chǎn)生直流功率變換控制信號.

圖1 充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 電壓電流模型構(gòu)建

三相電壓的變化量很大，難以進(jìn)行有效調(diào)整，因此通常將功率電路和蓄電池一起作為被控對象.蓄電池的變化非常復(fù)雜，是一個非線性系統(tǒng).建立電壓電流理想化模型，相當(dāng)于大電容與小電阻串聯(lián)，功率變換電路等效為電感.考慮延遲環(huán)節(jié)的影響，系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以看做有延遲函數(shù)e-TS存在，其中，e為常數(shù)；S為復(fù)變量；T為滯后時間.

系統(tǒng)電壓和電流的開環(huán)傳遞函數(shù)分別為[5]：

(1)

(2)

其中，R為系統(tǒng)等值電阻；Ui(S)為功率電路理想輸出電壓；L為功率電路輸出電感；I(S)為電池充電電流；C為電容；Uo(S)為電池充電電壓.

3 模糊PID設(shè)計

充電控制需要對蓄電池的充電電壓和電流進(jìn)行控制也需要對充電中斷和完成情況進(jìn)行判斷，并進(jìn)行充電模式的轉(zhuǎn)換.系統(tǒng)能夠通過電壓和電流的誤差信號，適時調(diào)整PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速運(yùn)行.為此，考慮將模糊控制算法和傳統(tǒng)PID算法相結(jié)合，采用模糊PID控制算法設(shè)計模糊控制器.

3.1 模糊控制器的建立

充電模糊控制器的輸入是電壓或者電流的誤差a和誤差變化率da/dt，誤差變化率用ac表示，輸出量為PID的比例(Kp)、積分(Ki)和微分(Kd)控參數(shù)，建立一個二維模糊控制器，其結(jié)構(gòu)原理見圖2.Ka,Kac為量化因子，Ku為決策因子.量化因子將輸入量的精確值轉(zhuǎn)換到模糊子集的論域，決策因子將解模糊后的控制量轉(zhuǎn)換到基本論域中.模糊控制器的控制效果受Ka,Kac,Ku的制約.量化因子Ka等同于PID中的比例系數(shù)，Kac的作用等同于積分環(huán)節(jié).實(shí)際控制過程中，需要通過調(diào)試或者仿真的方法確定決策因子和量化因子.

圖2 二維模糊控制器原理示意圖

3.2 模糊化計算

在電流控制環(huán)節(jié)，輸入量為電流的誤差a和誤差變化率ac，輸出量為PID控制器的控參數(shù).模糊化的電流誤差和誤差變化率的計算如下：

a(n)=it(n)-i(n).

(3)

ac(n)=a(n)-a(n-1).

(4)

其中，it(n)為給定電流參考值；i(n)為實(shí)測電流值.

設(shè)誤差a和誤差變化率ac的輸出變量的論域都為{-6,6}，相應(yīng)的模糊語言集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}.在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，選擇簡單高效的三角函數(shù)作為輸出變量，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng).

3.3 建立模糊規(guī)則

要想得到快速響應(yīng)和穩(wěn)定精度，需要制定合理的模糊規(guī)則表.其目的是根據(jù)誤差和誤差變化率的變化，找到實(shí)際響應(yīng)和最優(yōu)控制間的差距.通過PID控制器的控參數(shù)進(jìn)行修正，以達(dá)到控制要求[6].自整定規(guī)則如下：

(1)比例控制用來減小誤差，Kp越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快；但是超調(diào)量也會隨之增大.因此，在控制后期，比例值不宜過大.

(2)積分控制雖然能消除靜差，但存在滯后性.開始時Ki小些，后期慢慢增大，以減少靜態(tài)誤差.

(3)微分控制能加速系統(tǒng)響應(yīng)速度，但過大容易產(chǎn)生振蕩，因此后期應(yīng)逐漸減小，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.

3.4 解模糊

從模糊集合轉(zhuǎn)換到實(shí)際輸出的過程稱為解模糊.該過程中，需要根據(jù)某時刻a和ac的函數(shù)隸屬度曲線，經(jīng)過模糊化得到精確的PID控制器的校正量隸屬度[7].在模糊推理中選擇模糊推理(Mamdani)型算法，解模糊采用重心法.推理和合成規(guī)則分別為Min法和Max法，輸出即為PID參數(shù)的修正值.模糊后的PID參數(shù)計算公式為：

(5)

(6)

(7)

4 直流充電流程設(shè)計與仿真

4.1 模糊化的充電控制流程設(shè)計

模糊化的充電控制流程如圖3所示.系統(tǒng)首先采集蓄電池的電流、電壓信號，并與電池本身的參數(shù)進(jìn)行比較，以判斷蓄電池的充電階段，并根據(jù)電池電流的大小，確定采用恒定電流控制還是恒壓控制.恒流或恒壓控制以實(shí)際電流或者電壓值與參考值的誤差和誤差變化率為輸入量，恒流充電時，采集恒流充電電流值;恒壓充電時，采集恒壓充電電壓值.采用電壓環(huán)和電流環(huán)的模糊PID控制，計算系統(tǒng)輸出占空比.

圖3 模糊化的充電控制流程示意圖

4.2 模糊PID流程設(shè)計

以電壓控制環(huán)節(jié)為例，進(jìn)行模糊PID程序設(shè)計.在工業(yè)應(yīng)用中，模糊自適應(yīng)整定PID的參數(shù)能夠進(jìn)行在線調(diào)整.用C語言編程將會很復(fù)雜，根據(jù)模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以把模糊控制器的仿真程序存入控制器存儲器.運(yùn)行時把誤差和誤差變化率作為輸入量，實(shí)現(xiàn)對Kp,Ki,Kd的修正.系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)如圖4所示.根據(jù)模糊自適應(yīng)系統(tǒng)輸出的參量，可以得到輸出控制量的計算公式為：

△u(n)=Kp*[a(n)-a(n-1)]+Ki*a(n)+Kd*[a(n)-2a(n-1)+a(n-2)].

(8)

圖4 模糊PID控制流程結(jié)構(gòu)圖

4.3 系統(tǒng)仿真

設(shè)系統(tǒng)的電容為1000 F，電阻為0.015 Ω，電感為0.1 H.取時間常數(shù)0.01 s；量化因子Ka=Kac=0.01，比例、微分和積分環(huán)節(jié)的決策因子Ku分別為0.15，0.001，0.1；PID初始值Kp0=0.01，Ki0=0.00001，Kd0=1；設(shè)置采樣周期為0.1 s.以電流環(huán)為例，最終的PID控制器模型為：

(9)

仿真中給定電流值12 A，在小信號的干擾下，仿真波形如圖5所示，從波形圖中看出，模糊PID穩(wěn)定性能和動態(tài)性能大大提高，系統(tǒng)超調(diào)量也較小，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能.

圖5 電流環(huán)波形仿真

5 結(jié)語

分析了電動汽車充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定了電壓電流是主要的控制對象.建立了電動汽車直流充電的數(shù)學(xué)模型，分析得出了該系統(tǒng)的控制量電壓和電流是帶時滯擾動的二階系統(tǒng)，采用模糊PID控制算法，設(shè)計了充電的電壓和電流的模糊自適應(yīng)PID控制器.對充電過程進(jìn)行了流程設(shè)計.結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，對電動汽車智能充電能起到良好的控制效果.