基于PSO算法的蓄電池充電研究

趙漢璞 車軍 王彩蕓

摘要：為改善充電控制系統(tǒng)的性能，引入PSO算法嵌套模型得出優(yōu)化后PI控制器參數(shù)，利用Simulink建立起控制系統(tǒng)與主電路模型，并在該模型中引入傳統(tǒng)PI參數(shù)和PSO算法優(yōu)化后的PI參數(shù)，然后充電啟動并進行負載仿真試驗，以此來充分分析充電時的蓄電池各項性能指標。試驗表明：使用PSO算法優(yōu)化的PI控制器后，蓄電池在啟動過程和負載投入過程中，達到目標電流的時間更短、擾動更小。所以，使用PSO算法優(yōu)化后的P1控制器，蓄電池充電曲線擾動更小，響應(yīng)速度更快。

關(guān)鍵詞：蓄電池;PT控制器;PSO算法

中圖分類號：TM912文獻標志碼：A

0引言

隨著電池材料的不斷更新，工業(yè)領(lǐng)域中涌現(xiàn)出大批具有良好低溫性能、高能量密度、高穩(wěn)定性蓄電池產(chǎn)品，比如在動車、地鐵中使用較多的鉛酸蓄電池與鎳鎘蓄電池等。隨著蓄電池技術(shù)迅速進步，與之對應(yīng)的充電技術(shù)也得到快速發(fā)展，不僅使蓄電池充電效率和性能大幅度提升，同時也有效延長了蓄電池使用壽命。蓄電池充電過程極其復雜，因此要想確保蓄電池充電過程的安全效率，就必須選擇科學合理的充電控制方法。PT控制不但算法可靠簡單，同時具有設(shè)計便捷、廣適應(yīng)性等優(yōu)勢，目前這種控制方法已得到極其廣泛的應(yīng)用。然而在構(gòu)建數(shù)學模型時，通常需要引入數(shù)學手段簡化系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，再結(jié)合理論計算最終確定其參數(shù)值，該方法所得數(shù)據(jù)還需要結(jié)合實際工程來不斷修改與調(diào)試方能使用。為此，本論述提出一種根據(jù)PsO算法的參數(shù)整定方法，以此來優(yōu)化由傳統(tǒng)方法得出的PI控制器參數(shù)，并將其應(yīng)用到蓄電池充電系統(tǒng)控制中。實驗表明：使用PSO算法優(yōu)化后的PI控制器可以使蓄電池充電曲線更加理想。

1充電系統(tǒng)分析

動車組蓄電池充電系統(tǒng)主電路分為五部分，分別是：整流模塊、逆變模塊、高頻變壓模塊、輸出整流器模塊以及濾波模塊。三相不控整流模塊主要用于將380V三相輸入電壓整流為較高電壓等級的直流電;高頻逆變電路是利用單相IGBT全橋逆變器來實現(xiàn)直流電壓高頻斬波，并通過四個IGBT的輪流切換在高頻變壓器原邊形成高頻矩形交變電壓，經(jīng)變壓處理后輸入一個二次整流模塊，最終產(chǎn)生110V直流電壓，實現(xiàn)蓄電池充電。整個充電過程的控制主要依托PWM脈寬調(diào)制來實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)，詳情如圖1所示。

2控制系統(tǒng)數(shù)學建模

動車組蓄電池充電系統(tǒng)中包含有二極管、可控器件等非線性時變系統(tǒng)，要對其進行數(shù)學建模難度很大，往往會通過小信號模型分析來對其非線性時變系統(tǒng)做近似線性化的處理，獲得變換器的小信號線性動態(tài)模型。在本課題中充電系統(tǒng)主電路變流環(huán)節(jié)屬于全橋變換器拓撲結(jié)構(gòu)，所以其歸根結(jié)底屬于Buck變換器中的一類。

根據(jù)文獻[7]可以推導出全橋變換器的s域小信號等效電路圖，如圖2所示。

在MATLAB中建立simulink仿真模型，編譯經(jīng)過PSO優(yōu)化PT參數(shù)程序，運行仿真模型，并通過模型嵌套等其他操作調(diào)用PSO優(yōu)化程序，得到kp、Ki以及系統(tǒng)性能指標變化曲線，由運行結(jié)果可知，系統(tǒng)kp=0.13，K=19.86，ITAE=0.055，優(yōu)化參數(shù)與指標函數(shù)ITAE的數(shù)值呈反相關(guān)關(guān)系。

4蓄電池充電優(yōu)化控制仿真分析

結(jié)合前文分析可知，充電機采用先恒流后恒壓的方式為蓄電池充電，恒流充電用于第一階段，確保蓄電池在充電過程中維持96A電流，處于陜速充電狀態(tài)當蓄電池電壓增至目標電壓值時，蓄電池充電方式更換為恒壓充電，此過程為浮充充電，直到充滿整個電池。控制器在恒流和恒壓階段控制蓄電池的原理是一致的，但相比之下，分析恒流階段更具實踐價值，因此本論述也只對恒流階段的充電予以關(guān)注。

4.1運行過程仿真分析

進行啟動過程仿真試驗時，采用兩組試驗進行對比分析。第一組試驗采用傳統(tǒng)方法得到的PT控制器，第二組試驗采用PSO算法優(yōu)化后的PT控制器。兩組數(shù)據(jù)分別作用于搭建好的仿真充電系統(tǒng)中如圖1所示，運行主電路給蓄電池充電，查看在不同控制器作用下，蓄電池在啟動過程以及負載投入過程的狀況。

從圖4可以看出，采用傳統(tǒng)PT控制器，蓄電池啟動過程的電流波動較大，電流最大達到110.7A，且波動時間較長，在8.2s時，電流穩(wěn)定在96A。系統(tǒng)中加入5A負載，充電電流的擾動較大，且擾動時間長，經(jīng)過3.97s才穩(wěn)定下來。采用經(jīng)過PSO算法調(diào)節(jié)的PT控制器，蓄電池的充電曲線波動小了很多，且電流最大值為105.8A，電流的穩(wěn)定時間為7.7s。在系統(tǒng)中加入5A負載后，系統(tǒng)的擾動較小，且擾動時間短，經(jīng)過3.2s就穩(wěn)定下來，性能明顯提升。

4.2實驗分析

從以上試驗中，可以得出PSO算法優(yōu)化后的PI控制器具有更好的控制精度、更少的控制時長和更好的抗干擾能力。在粒子群算法優(yōu)化控制方案下，蓄電池充電系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)精度。故基于PSO算法優(yōu)化后的PI控制器整體性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的PT控制器。

5結(jié)論

本論述以蓄電池為研究對象，以提高充電速率及穩(wěn)定性為研究目標，提出了基于PSO算法的PI控制器對蓄電池充電過程進行控制。通過計算機仿真進行了蓄電池啟動試驗和負載投入試驗，對PSO算法優(yōu)化后的PI控制器和傳統(tǒng)的PT控制器的控制效果進行對比研究。研究結(jié)果表明，本論述提出的經(jīng)過PSO算法優(yōu)化后的PI控制器具有控制精度好、抗干擾能力強的優(yōu)點，具有較高的工程應(yīng)用價值。