模糊PID自調(diào)整控制的鋰電池均衡研究*

張彥會(huì)，孟祥虎，肖 婷，張 斌

（1.廣西科技大學(xué) 廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，廣西 柳州545006）

模糊PID自調(diào)整控制的鋰電池均衡研究*

張彥會(huì)1，孟祥虎1，肖 婷2，張 斌2

（1.廣西科技大學(xué) 廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，廣西 柳州545006）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)鋰離子電池組進(jìn)行均衡，研究了常用的均衡電路和電池均衡策略?；谀：刂评碚摵蛡鹘y(tǒng)PID控制理論，設(shè)計(jì)了一種模糊PID自適應(yīng)控制的電池均衡器，用于鋰電池組的電壓均衡。通過(guò)MATLAB/Simulink仿真出模糊PID自適應(yīng)策略和平均值法均衡策略下的電壓曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的模糊PID控制器均衡模塊能有效降低鋰電池組電壓均衡的時(shí)間，均衡后的電壓曲線擬合分布相對(duì)集中。

鋰離子電池組；均衡策略；模糊 PID；仿真

0　引言

隨著全球性能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的興起緩解了這些壓力，而串聯(lián)鋰電池組作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，其工作的可靠性和壽命對(duì)電動(dòng)汽車是至關(guān)重要的。由于電池存在“先天和后天”的因素[1]，內(nèi)部單體電池工作電壓會(huì)不一致[2]，故需要對(duì)電池組內(nèi)進(jìn)行能量均衡。目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)能量均衡電路和均衡策略作了研究[3]，能量均衡電路包括能量耗散式和能量轉(zhuǎn)移式[4]，能量耗散式成本低但發(fā)熱量大[5]；能量轉(zhuǎn)移式能量利用率高，但控制邏輯電路設(shè)計(jì)復(fù)雜[6]。均衡策略[7]主要有最大值法[8]，優(yōu)點(diǎn)是能量消耗相對(duì)較小，缺點(diǎn)是均衡時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低；平均值法[9]均衡策略適用于一部分單體電池的電壓比平均值稍高，另外一部分電壓比平均值稍低的情況。優(yōu)點(diǎn)是均衡時(shí)間短，但均衡的電池?cái)?shù)量多時(shí)，能量消耗較大；電池 SOC法[10]，通過(guò)建立電池SOC模型，對(duì)不同容量電池進(jìn)行均衡。該方法控制精確，但建模過(guò)程比較復(fù)雜。本文采用一種能量轉(zhuǎn)移式的均衡電路，并結(jié)合模糊邏輯控制理論[11]，提出一種自適應(yīng)模糊PID均衡控制的方案。

1　均衡電路

控制策略的實(shí)現(xiàn)需要均衡電路為依托，本文采用的均衡電路如圖1所示。虛線框?yàn)橐粋€(gè)均衡模塊，由電感L1、電容 C1、MOSFET開(kāi)關(guān)管 Q1、Q2、二極管 D1、D2構(gòu)成。相鄰能量轉(zhuǎn)移是通過(guò)電感和電容進(jìn)行的。假設(shè) VB1＞VB2，通過(guò)PWM控制Q1開(kāi)啟，此時(shí)電池B1、Q1、L1形成環(huán)路，給L1充能，同時(shí) C1的能量也通過(guò) Q1、L1、B2、C1負(fù)端形成回路給電池B2充電；當(dāng)VC1與VB1相等時(shí)，斷開(kāi)Q1，此時(shí)D2正向?qū)姵?B1、C1、D2、L1二極管形成環(huán)路，同時(shí) L1、B2、D2也形成環(huán)路。L1儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移給B1，循環(huán)上述過(guò)程，直至B1、B2電池電壓達(dá)到均衡。此過(guò)程中MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間會(huì)直接影響均衡時(shí)間，根據(jù)不同工況對(duì)通斷時(shí)間進(jìn)行控制，更有利于提高電池均衡的效率，基于此提出一種合理的均衡控制策略。

圖1　均衡電路結(jié)構(gòu)

2　自適應(yīng)模糊PID均衡控制器設(shè)計(jì)

本文將經(jīng)典PID控制與模糊邏輯推理系統(tǒng)相結(jié)合，根據(jù)流入均衡電路電流的大小對(duì)MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制。一方面在實(shí)現(xiàn)使被控對(duì)象有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能準(zhǔn)確控制的同時(shí)，避免復(fù)雜的建模過(guò)程；另一方面通過(guò)模糊控制原理對(duì) ΔKp、ΔKi、ΔKd在線修改?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

2.1模糊PID控制器參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)的模糊控制器為一個(gè)兩輸入三輸出結(jié)構(gòu)。VE、為輸入，ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出。其中模糊控制器的參數(shù)基本論域?yàn)閂E∈[0.1，0.7]，∈[2.7，4.2]，ΔKp∈[-30，30]，ΔKi∈[-6，6]，ΔKd∈[-2，2]。模糊等級(jí)論域?yàn)閇-3，3]間的整數(shù)，各變量模糊詞集均為{零，小，中，大}，記為{0，S，M，B}。模糊控制器的量化因子 Ke，Kb，KΔKp，KΔKi，KΔKd由經(jīng)驗(yàn)公式得式(4)～式(8)。

PID初始參數(shù)值可由動(dòng)態(tài)特性法、衰減曲線法、Z-N經(jīng)驗(yàn)公式法、穩(wěn)定邊界法計(jì)算。本文選取的是穩(wěn)定邊界法，可以在不需要建模的情況下，確定 PID初始參數(shù)值。計(jì)算公式如下：

本文取電池均衡控制對(duì)象傳遞函數(shù)為：

2.2模糊控制器隸屬函數(shù)

根據(jù)電池均衡的特點(diǎn)，選取輸入量隸屬函數(shù)為高斯類型，輸出量隸屬函數(shù)為三角形類型，隸屬函數(shù)曲線圖分別如圖3所示。

圖3　隸屬函數(shù)曲線圖

2.3控制規(guī)則表

根據(jù)VB、VE的輸入量關(guān)系有以下控制規(guī)則，(1)VE、較大時(shí)應(yīng)使控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速，以盡快消除電壓差，但同時(shí)要避免產(chǎn)生超調(diào)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此選取較大的 ΔKp，較小的 ΔKd，其中ΔKi取 0。(2)VE、中等大小時(shí)，在保持響應(yīng)速度的同時(shí)，有著適中的超調(diào)。故應(yīng)選擇中等大小的 ΔKp，較小的 ΔKi和中等的 ΔKd。(3)VE、較小時(shí)，為了保持系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，同時(shí)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，故取較大的ΔKp、中等大的ΔKi和較小的ΔKd。根據(jù)上述規(guī)則，建立控制規(guī)則如表1、表2、表3所示。

表1　ΔKp的模糊規(guī)則表

表2　ΔKi的模糊規(guī)則表

表3　ΔKd的模糊規(guī)則表

將上述的模糊規(guī)則寫成 If-then語(yǔ)句模式?？梢詫?duì)應(yīng)有16條模糊規(guī)則。設(shè)R為總的模糊關(guān)系，則R=R1∪R2…R15∪R16對(duì)應(yīng) ΔKp=(Ve×Vb)·R。然后用最大隸屬度法進(jìn)行非模糊化處理得到輸出值。同理可求 ΔKi和 ΔKd的模糊關(guān)系。

3　仿真分析

用MATLAB/Simulink對(duì)兩節(jié)電池建立均衡的模型，如圖4、圖5所示。電池模型的選取為Simulink庫(kù)中的集成模塊，B1和B2的SOC分別設(shè)為95%和 90%（即V1= 3.9 V，V2=3.6 V），電感 L1=100 μH，電容 C1=500 μF，MOSFET管 Q1、Q2，二極管 D1、D2為默認(rèn)值。其中 PWM封裝系統(tǒng)，可以根據(jù)模糊控制器輸出的電流大小進(jìn)行邏輯運(yùn)算產(chǎn)生不同占空比的方波對(duì) MOSFET的通斷進(jìn)行控制，S函數(shù)模塊為MOSFET管選擇開(kāi)關(guān)。采用模糊PID控制器進(jìn)行均衡時(shí)，電壓均衡曲線如圖6所示。采用平均值法進(jìn)行均衡的電壓均衡曲線如圖7所示。對(duì)比兩種情況下的仿真曲線。模糊PID控制時(shí)電壓達(dá)到一致時(shí)約為1.4 ms，平均值法控制電壓達(dá)到一致時(shí)約為1.7 ms。是由于模糊PID控制采用輸出的MOSFET頻率是可變的，平均值法采用輸出的 MOSFET頻率是不變的，前者能更適應(yīng)實(shí)際的均衡工作過(guò)程；從均衡后電壓曲線效果上模糊PID控制的均衡電壓曲線擬合情況良好，而平均值法繼續(xù)均衡時(shí)電壓曲線擬合度相對(duì)較差。

圖4　模糊PID控制的電池均衡電壓仿真圖

圖5　PID封裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)論

電池均衡策略對(duì)于電池均衡效果有著重要的作用，本文采用模糊系統(tǒng)與傳統(tǒng) PID控制相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種模糊PID控制的電池均衡模塊，MATLAB/Simulink仿真電池均衡電壓曲線對(duì)比得出。

圖6　模糊PID控制電壓均衡曲線

圖7　平均值法控制電壓均衡曲線

模糊PID控制的電池均衡時(shí)間上優(yōu)于平均值法均衡控制的時(shí)間；從均衡后的電壓曲線擬合效果上，模糊PID控制均衡的效果上優(yōu)于平均值法均衡。

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Equilibrium research on fuzzy PID and self－adjusting control for lithium battery

Zhang Yanhui1，Meng Xianghu1，Xiao Ting2，Zhang Bin2
(1.Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006,China；2.Department of Automotive Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

The common used equalization circuits and battery equalization strategies are studied for the balance of serial lithium－ion batteries.Based on the theory of fuzzy control and traditional PID control,a battery equalizerfor lithium battery voltage balancing is designed.Compared voltage curves under the fuzzy PID strategy with the equilibrium strategy by the MATLAB/Simulink，the result shows that equalization module based on fuzzy PID controllercan reduce the time of the lithium－ion batteries voltage equalization.At end of equilibrium,the distribution of the voltage curves is more concentrated.

lithium－ion batteries；equilibrium strategy；fuzzy PID control theory；simulation

TM911

A

10.16157/j.issn.0258－7998.2015.10.033

廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2011GXNSFA018033）；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金 （2014KFZD02）

（2015-06-04）

張彥會(huì)（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向：汽車動(dòng)力學(xué)和汽車電子控制技術(shù)。

孟祥虎（1985-），男，碩士研究生，主要研究方向：汽車電子控制技術(shù)。

肖婷（1988-），女，碩士研究生，主要研究方向：汽車電子控制技術(shù)。

中文引用格式：張彥會(huì)，孟祥虎，肖婷，等.模糊PID自調(diào)整控制的鋰電池均衡研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：123－125，132.

英文引用格式：Zhang Yanhui，Meng Xianghu，Xiao Ting，et al.Equilibrium research on fuzzy PID and self－adjusting control for lithium battery[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：123－125，132.