模擬蓄電池特性的直流電源研究

趙 軒，白新龍，謝學(xué)飛，汪貴平

（長(zhǎng)安大學(xué)a．汽車學(xué)院，西安710064；b．電子與控制學(xué)院，西安710032）

電動(dòng)汽車具有高效率、低噪聲和低排放的優(yōu)點(diǎn)，在新能源利用和環(huán)境保護(hù)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)［1］．臺(tái)架試驗(yàn)作為電動(dòng)汽車新技術(shù)開發(fā)過(guò)程中的重要試驗(yàn)手段，具有縮短開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本、與實(shí)際運(yùn)行工況差異小等優(yōu)點(diǎn)．在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，為了真實(shí)地模擬動(dòng)力裝置，一般采用蓄電池作為動(dòng)力源，但蓄電池具有使用壽命短、占地面積大、充電時(shí)間長(zhǎng)、成本高、安全性和可靠性差等缺點(diǎn)［2］．何洪文等人［3］基于電壓下降率、能量下降因子和溫度下降率建立了蓄電池特性評(píng)價(jià)方法；Sun Li［4］、Verena［5］等人對(duì)鎳氫和鋰離子蓄電池充放電特性進(jìn)行研究；Zhu Changqing等人［6］對(duì)直流穩(wěn)壓電源在不同負(fù)載下的穩(wěn)壓特性進(jìn)行研究；Wang Yaqiong等人［7］設(shè)計(jì)了一種可控的直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)．目前對(duì)蓄電池特性和穩(wěn)壓直流電源系統(tǒng)已有學(xué)者進(jìn)行研究，尚未見基于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電源系統(tǒng)的研究，以及在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的前提下模擬蓄電池放電特性，因此本文對(duì)此展開研究．

1 總體設(shè)計(jì)

1．1 功能設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)壓電源應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：①輸出電壓高、電流大、功率大，輸出電壓平滑穩(wěn)定；②輸出電壓與蓄電池放電特性相一致；③具有異常保護(hù)功能；④實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能．

根據(jù)對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的需求，可將其分為3個(gè)部分：①主電路．采用三相全控整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)AC／DC轉(zhuǎn)換，直流輸出端采用阻容濾波方式，以得到較好的紋波系數(shù)［8－10］；②主控制器．采用高性能Freescale9S12系列單片機(jī)，通過(guò)PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出電壓精確可控、模擬蓄電池放電特性的功能，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理功能；③人機(jī)接口．采用嵌入式系統(tǒng)MCGS智能界面．

1．2 電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電源系統(tǒng)主要由蓄電池模塊、模糊PID 控制模塊、三相整流模塊3個(gè)部分構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示．蓄電池模塊根據(jù)輸入期望電壓值和供電時(shí)間，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)庫(kù)輸出蓄電池電壓值．然后將蓄電池電壓值與電源系統(tǒng)實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行比較后的偏差值輸入模糊PID 模塊，PID 模塊將輸入的偏差值經(jīng)計(jì)算后輸出三相整流模塊的控制電壓，控制電壓經(jīng)晶閘管控制模塊控制了晶閘管導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制．

圖1 電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Overall structure of power system

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)如圖2所示．該系統(tǒng)由4個(gè)部分組成：①Freescale S12單片機(jī)最小系統(tǒng)；②輸入信號(hào)調(diào)理電路模塊．實(shí)現(xiàn)將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5V 的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)；③數(shù)據(jù)通信電路模塊．實(shí)現(xiàn)MCGS智能儀表與S12單片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊；④D／A 信號(hào)調(diào)理電路模塊．將S12單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～12V 的電壓信號(hào)，控制MZKS－800晶閘管導(dǎo)通角．

圖2 系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure of system controller

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3 蓄電池端電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig．3 The relation of battery voltage and time

3．1 蓄電池放電特性研究

本文基于蓄電池綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)6V－240AH 型蓄電池進(jìn)行放電試驗(yàn)．考慮到蓄電池使用條件下溫度變化不大，故將試驗(yàn)環(huán)境溫度設(shè)為20～25 ℃，循環(huán)次數(shù)為10～50次．試驗(yàn)獲得的蓄電池端電壓與放電時(shí)間曲線如圖3所示．

3．2 模糊PID控制策略

考慮到電源系統(tǒng)具有運(yùn)行狀況多變、控制對(duì)象非線性、控制精度要求高等特點(diǎn)，因此采用模糊自適應(yīng)整定PID控制策略控制輸出電壓．模糊控制器的輸入變量為蓄電池輸出電壓模擬值與電源系統(tǒng)實(shí)際輸出電壓值的偏差e以及偏差值的變化率ec；模糊控制器的輸出變量為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的修正值ΔKp，ΔKi，ΔKd．模糊控制器由模糊化模塊、模糊規(guī)則模塊和清晰化模塊組成．

1）模糊化模塊．①輸入變量模糊化：偏差值e和偏差值的變化率ec的變化范圍在模糊集上的論域?yàn)椋?，－2，－1，0，1，2，3｝，對(duì)應(yīng)的模糊集為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）．②輸出變量模糊化：ΔKp，ΔKi，ΔKd變化范圍定義為模糊集上的論域分別為｛－0．3，－0．2，－0．1，0，0．1，0．2，0．3｝，｛－0．06，－0．04，－0．02，0，0．02，0．04，0．06｝，｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝，對(duì)應(yīng)的模糊集為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）．輸出變量隸屬度函數(shù)如圖4所示．

圖4 ΔKp，ΔKi，ΔKd 模糊量隸屬度函數(shù)Fig．4 Fuzzy membership functions of parameterΔKp，ΔKiandΔKd

2）模糊規(guī)則模塊．模糊控制器的核心是模糊控制規(guī)則，對(duì)ΔKp，ΔKi，ΔKd設(shè)計(jì)模糊規(guī)則表，如表1～表3所示．其中ΔKp，ΔKi，ΔKd分別為模糊控制器對(duì)PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)Kp，Ki，Kd的修正模糊集合，根據(jù)模糊控制規(guī)則表，將偏差值e和偏差值的變化率ec經(jīng)過(guò)近似推理后輸出ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊集合，模糊集合再經(jīng)清晰化模塊處理后映射出ΔKp，ΔKi，ΔKd的等效數(shù)字值，本文選用最大隸屬度法進(jìn)行清晰化處理．

表1 調(diào)節(jié)ΔKp 的模糊控制規(guī)則Tab．1 Fuzzy control rules ofΔKp

表2 調(diào)節(jié)ΔKi 的模糊控制規(guī)則Tab．2 Fuzzy control rules ofΔKi

表3 調(diào)節(jié)ΔKd 的模糊控制規(guī)則Tab．3 Fuzzy control rules ofΔKd

3．3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的模糊自適應(yīng)整定PID 控制器超調(diào)量、響應(yīng)速度等系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，基于Matlab／simulink對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，在單位階躍信號(hào)的激勵(lì)下，仿真結(jié)果如圖5所示．

由圖5 計(jì)算可知，傳統(tǒng)PID 控制器最大超調(diào)量11．5%，調(diào)節(jié)時(shí)間4．56s；模糊自適應(yīng)整定PID 控制器最大超調(diào)量1．38%，調(diào)節(jié)時(shí)間2．24s．模糊PID 控制器最大超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間明顯小于傳統(tǒng)PID 控制器．因此說(shuō)明模糊自適應(yīng)整定PID 控制器具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、響應(yīng)時(shí)間短、超調(diào)量小、抗干擾能力強(qiáng)、較好的動(dòng)靜態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電源系統(tǒng)對(duì)控制器的要求．

圖5 電源系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig．5 Simulation results of power system

3．4 MCGS智能儀表界面設(shè)計(jì)

MCGS智能儀表界面主要包括主界面和歷史曲線界面．主界面是電源系統(tǒng)智能儀表界面中最重要、使用頻率最高、信息量最大以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的界面［11］，主界面顯示的內(nèi)容主要包括電源系統(tǒng)AC 輸入電壓、電流，DC輸出電壓、電流，電壓給定模塊以及歷史曲線界面顯示控件等．歷史曲線界面主要功能是實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示功能．主界面如圖6所示．

圖6 MCGS主界面Fig．6 Main interface of MCGS

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

圖7 實(shí)際放電與模擬輸出U－t曲線對(duì)比圖Fig．7 The comparison of U－t output curves between the reality and the simulation

為了檢驗(yàn)電源系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期的控制效果和控制精度，對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究．首先通過(guò)MCGS智能儀表對(duì)電源系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，蓄電池選擇6V－240AH 型，放電電流選擇50A 恒流放電，然后將電源系統(tǒng)實(shí)際放電電壓曲線與蓄電池放電特性曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7 所示．試驗(yàn)結(jié)果表明：在50A 恒流放電情況下，模擬電源實(shí)際放電電壓曲線與蓄電池實(shí)際放電曲線變化規(guī)律基本一致，其最大絕對(duì)誤差為0．27V，最大相對(duì)誤差為3．91%．因此說(shuō)明電源系統(tǒng)在模糊自適應(yīng)整定PID 控制器的調(diào)節(jié)下能夠穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓的精確調(diào)節(jié)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地模擬蓄電池放電特性．因此說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)能夠作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)的直流供電電源，該系統(tǒng)的研究在電動(dòng)汽車領(lǐng)域具有廣闊的前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值．

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