文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.033
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.
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，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開關(guān)管Q1、Q2、二極管D1、D2構(gòu)成。相鄰能量轉(zhuǎn)移是通過電感和電容進(jìn)行的。假設(shè)VB1>VB2，通過PWM控制Q1開啟，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Q1，此時(shí)D2正向?qū)姵谺1、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)上述過程，直至B1、B2電池電壓達(dá)到均衡。此過程中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。
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)雜的建模過程；另一方面通過模糊控制原理對(duì)ΔKp、ΔKi、ΔKd在線修改。控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
模糊PID控制器以相鄰電池平均值和相鄰電池電壓差(VE=VB1-VB2)為輸入，修整系數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出，則模糊PID控制器輸出參數(shù)為式(1)、(2)、(3)所示，K為PID控制器初始參數(shù)值。
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、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]，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：
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。
2.3 控制規(guī)則表
根據(jù)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。
將上述的模糊規(guī)則寫成If-then語句模式。可以對(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。
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。
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。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙衛(wèi)，李磊，柳成.基于DC/DC的超級(jí)電容均衡控制電路建模及控制策略研究[J].電源世界，2014，9(6)：21-25.
[2] LEE Y S，WANG J，KUO T Y.Lithium ion battery model and fuzzy neural approach for estimating battery state-of-charge[J].Proc.19th Int.Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symp，2002，52（8）：1879-1890.
[3] 廉潔，陳雨.直接甲醇燃料電池的模糊PID控制研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，5（8）：584-588.
[4] 譚曉軍.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].廣州：中山大學(xué)出版社，2011.
[5] 林思岐.電池均衡電路的研究及應(yīng)用[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.
[6] 王宏偉，鄧爽，肖海清，等.國內(nèi)電動(dòng)車用動(dòng)力鋰離子電池現(xiàn)狀[J].電子元件與材料，2012，31(6)：88-94.
[7] 韓璞.智能控制理論及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2013.
[8] 焦仁雷，宋慧波，任亞寧，等.模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的研究及MATLAB仿真[J].裝備制造技術(shù)，2015（3）：87-89.
[9] 李曉丹.模糊PID控制器的設(shè)計(jì)研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.
[10] 朱曉宏，邵冬明，游道華.參數(shù)自整定PID模糊控制器的設(shè)計(jì)及Simulink仿真[J].汽車科技，2003，10（1）：10-12.