基于模糊PID 對(duì)于充電效率的探究

嚴(yán)培波

（鹽城師范學(xué)院，江蘇 鹽城224007）

1 概述

由于人們保護(hù)環(huán)境的意識(shí)增強(qiáng)，越來越多的人希望選擇一種便捷且更加環(huán)保的出行方式，在這種形勢(shì)下發(fā)展電動(dòng)汽車等清潔能源汽車是可行且必要的。而供電系統(tǒng)是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵，因此，想要更好的發(fā)展電動(dòng)汽車就必須重視充電設(shè)備的發(fā)展[1]。

根據(jù)以前的研究發(fā)現(xiàn)，電池的物理性能、環(huán)境以及充放電規(guī)律等都會(huì)影響電池的壽命[2]。充放電的不合理性是蓄電池早期失效的重要原因，因此，如何控制充放電對(duì)提高電池的利用率具有重要作用。

不僅蓄電池對(duì)電動(dòng)汽車有很大的影響，電動(dòng)汽車充電樁也是供電系統(tǒng)的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年上半年，新增部分的公共汽車充電樁（含專用）比去年同期增長90.6%，其中符合2015 版國標(biāo)的公共汽車充電樁占比約90%，公交、出租車用電有所增加。

2 電動(dòng)汽車的快速充電方式

蓄電池的充電方法包括恒壓充電法、恒流充電法和階段式充電法等。這三種充電方法都是以恒壓或者是恒流充電為基礎(chǔ)的，但是它們都存在充電時(shí)間長的缺點(diǎn)，這在當(dāng)今講究高效的社會(huì)生活來說是極不方便的，因此研究快速充電法很有必要。這種方法不但要求縮短充電時(shí)間，而且要保證在充電過程中盡量減少正負(fù)極的極化現(xiàn)象，以此提高充電效率。主要的快速充電方法有：脈沖式充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法。

脈沖式充電法的充電曲線如圖1 所示，原理上運(yùn)用的是恒流充電法，但是與恒流充電法不同的是脈沖式充電法的電流的形式是脈沖形式，因此，該充電過程的特征是間歇性周期循環(huán)。該方法和其它方法不同的地方在于有一個(gè)間歇停充期，在這段時(shí)間內(nèi)，蓄電池再生和吸收由化學(xué)反應(yīng)生成的氫和氧，從而去除歐姆極化與濃差極化以達(dá)到降低內(nèi)壓的效果，使其更好地進(jìn)入下一個(gè)充電循環(huán)周期，讓更多的電量被蓄電池吸收。通過上述一系列的分析可以看出，該充電方法有效地提升了反應(yīng)時(shí)間，有效控制了蓄電池產(chǎn)生的析氣量，使得整個(gè)充電過程的效率得到了更好的提升。

圖1 脈沖式充電法曲線

3 模糊PID 控制的設(shè)計(jì)及仿真測(cè)試

如圖2 所示為模糊PID 控制流程圖。模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括輸入模糊化、模糊規(guī)則的建立、模糊推理、逆模糊化四個(gè)部分。模糊PID 的控制過程如圖3 所示。

首先輸入假設(shè)給定變量是E（誤差）和EC（誤差變化率）。輸出就是Kp、Ki、Kd 三個(gè)參數(shù)，以此通過模糊控制幫我們整定Kp、Ki、Kd 的三個(gè)參數(shù)。離散論域[-12,12]，模糊化后的子集E，EC=｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝。這些子集分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

運(yùn)用MATLAB 軟件設(shè)計(jì)模糊控制器，設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。

4 測(cè)試結(jié)果

從基于模糊PID 的充電系統(tǒng)的曲線圖6 可以看出運(yùn)用此種類型的充電系統(tǒng)能夠提高電動(dòng)汽車的充電效率，并且在35 分鐘左右，兩種電動(dòng)汽車都可以充電到80%的SOC。充電系統(tǒng)采用模糊PID 控制為基礎(chǔ)，它具有很大的潛力，提供最佳的充電率，并且在充電多個(gè)電動(dòng)汽車能夠同時(shí)保持合同電力。此外，關(guān)于環(huán)境溫度的影響，類似于在第三章中，夏季同時(shí)充電的結(jié)果導(dǎo)致充電率高、充電時(shí)間短。數(shù)值計(jì)算表明，采用基于模糊PID 的充電樁控制系統(tǒng)可以完成最優(yōu)的充電。

圖2 模糊PID 控制流程圖

圖3 模糊PID 控制過程

圖4 輸入fuzzy

圖5 確認(rèn)輸入輸出

圖6 隔離型電動(dòng)汽車的充電行為

電動(dòng)汽車由于其電化學(xué)性能穩(wěn)定、能量密度高、壽命長等特點(diǎn)，一般采用鋰離子電池。由于鋰離子電池的特性，在低電壓下，電池的充放電速率越來越低。通過使用直流充電樁進(jìn)行充電測(cè)試，其輸出電壓范圍為50-500V，輸出電流范圍為0-125A，額定功率輸出為50kW。在相對(duì)較長的時(shí)間停車后對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電, 假設(shè)電動(dòng)汽車電池的溫度相對(duì)于環(huán)境溫度，對(duì)三種不同車輛進(jìn)行三次充電試驗(yàn)，并對(duì)其充電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行充電試驗(yàn)。充電前的電池狀態(tài)設(shè)置為約30%，當(dāng)SOC 達(dá)到80%時(shí)停止充電。

5 結(jié)論

從充電樁充電控制系統(tǒng)仿真中我們可以得出，沒有一種控制理論和控制策略能夠適用于車輛的所有情況并取得最優(yōu)的效果。但在某一種情況下，我們有必要研究一種更有效的理論方法和控制策略。根據(jù)當(dāng)前電動(dòng)汽車不可逆的發(fā)展趨勢(shì)，研究最佳充電方式是極有必要的。提高充電效率以及電池的利用率能夠?qū)θ藗兊纳钐峁O大的便利，比如說節(jié)約時(shí)間和成本。所以，本設(shè)計(jì)研究的基于模糊PID 控制的充電樁控制系統(tǒng)就是為了這一目的而展開的。雖然它可能不會(huì)永遠(yuǎn)是最優(yōu)方案，但它可以為之后的優(yōu)化方案提供對(duì)照和思路。除了強(qiáng)調(diào)模糊PID這一算法之外，其他充電方式的選擇還有硬件電路的選擇對(duì)充電效率和電池利用率都有較大的影響。