模糊PID自調整控制的鋰電池均衡研究*

張彥會，孟祥虎，肖 婷，張 斌

（1.廣西科技大學 廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學 汽車與交通學院，廣西 柳州545006）

模糊PID自調整控制的鋰電池均衡研究*

張彥會1，孟祥虎1，肖 婷2，張 斌2

（1.廣西科技大學 廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學 汽車與交通學院，廣西 柳州545006）

為了實現對串聯鋰離子電池組進行均衡，研究了常用的均衡電路和電池均衡策略?；谀：刂评碚摵蛡鹘yPID控制理論，設計了一種模糊PID自適應控制的電池均衡器，用于鋰電池組的電壓均衡。通過MATLAB/Simulink仿真出模糊PID自適應策略和平均值法均衡策略下的電壓曲線進行對比分析，結果表明，設計的模糊PID控制器均衡模塊能有效降低鋰電池組電壓均衡的時間，均衡后的電壓曲線擬合分布相對集中。

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和環境污染日益嚴重，電動汽車產業的興起緩解了這些壓力，而串聯鋰電池組作為電動汽車的動力源，其工作的可靠性和壽命對電動汽車是至關重要的。由于電池存在“先天和后天”的因素[1]，內部單體電池工作電壓會不一致[2]，故需要對電池組內進行能量均衡。目前，各國學者對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移式[4]，能量耗散式成本低但發熱量大[5]；能量轉移式能量利用率高，但控制邏輯電路設計復雜[6]。均衡策略[7]主要有最大值法[8]，優點是能量消耗相對較小，缺點是均衡時間較長，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。優點是均衡時間短，但均衡的電池數量多時，能量消耗較大；電池 SOC法[10]，通過建立電池SOC模型，對不同容量電池進行均衡。該方法控制精確，但建模過程比較復雜。本文采用一種能量轉移式的均衡電路，并結合模糊邏輯控制理論[11]，提出一種自適應模糊PID均衡控制的方案。

1　均衡電路

控制策略的實現需要均衡電路為依托，本文采用的均衡電路如圖1所示。虛線框為一個均衡模塊，由電感L1、電容 C1、MOSFET開關管 Q1、Q2、二極管 D1、D2構成。相鄰能量轉移是通過電感和電容進行的。假設 VB1＞VB2，通過PWM控制Q1開啟，此時電池B1、Q1、L1形成環路，給L1充能，同時 C1的能量也通過 Q1、L1、B2、C1負端形成回路給電池B2充電；當VC1與VB1相等時，斷開Q1，此時D2正向導通電池 B1、C1、D2、L1二極管形成環路，同時 L1、B2、D2也形成環路。L1儲存的能量轉移給B1，循環上述過程，直至B1、B2電池電壓達到均衡。此過程中MOSFET導通和關斷時間會直接影響均衡時間，根據不同工況對通斷時間進行控制，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　均衡電路結構

2　自適應模糊PID均衡控制器設計

本文將經典PID控制與模糊邏輯推理系統相結合，根據流入均衡電路電流的大小對MOSFET開關時間進行控制。一方面在實現使被控對象有良好的動態、靜態性能準確控制的同時，避免復雜的建模過程；另一方面通過模糊控制原理對 ΔKp、ΔKi、ΔKd在線修改?？刂破鹘Y構圖如圖2所示。

圖2　自適應模糊PID控制器結構

2.1模糊PID控制器參數計算

設計的模糊控制器為一個兩輸入三輸出結構。VE、為輸入，ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出。其中模糊控制器的參數基本論域為VE∈[0.1，0.7]，∈[2.7，4.2]，ΔKp∈[-30，30]，ΔKi∈[-6，6]，ΔKd∈[-2，2]。模糊等級論域為[-3，3]間的整數，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由經驗公式得式(4)～式(8)。

PID初始參數值可由動態特性法、衰減曲線法、Z-N經驗公式法、穩定邊界法計算。本文選取的是穩定邊界法，可以在不需要建模的情況下，確定 PID初始參數值。計算公式如下：

本文取電池均衡控制對象傳遞函數為：

2.2模糊控制器隸屬函數

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

圖3　隸屬函數曲線圖

2.3控制規則表

根據VB、VE的輸入量關系有以下控制規則，(1)VE、較大時應使控制系統響應迅速，以盡快消除電壓差，但同時要避免產生超調導致系統不穩定的現象，因此選取較大的 ΔKp，較小的 ΔKd，其中ΔKi取 0。(2)VE、中等大小時，在保持響應速度的同時，有著適中的超調。故應選擇中等大小的 ΔKp，較小的 ΔKi和中等的 ΔKd。(3)VE、較小時，為了保持系統工作的穩定性，同時改善系統的動態性能，故取較大的ΔKp、中等大的ΔKi和較小的ΔKd。根據上述規則，建立控制規則如表1、表2、表3所示。

表1　ΔKp的模糊規則表

表2　ΔKi的模糊規則表

表3　ΔKd的模糊規則表

將上述的模糊規則寫成 If-then語句模式?？梢詫?6條模糊規則。設R為總的模糊關系，則R=R1∪R2…R15∪R16對應 ΔKp=(Ve×Vb)·R。然后用最大隸屬度法進行非模糊化處理得到輸出值。同理可求 ΔKi和 ΔKd的模糊關系。

3　仿真分析

用MATLAB/Simulink對兩節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為默認值。其中 PWM封裝系統，可以根據模糊控制器輸出的電流大小進行邏輯運算產生不同占空比的方波對 MOSFET的通斷進行控制，S函數模塊為MOSFET管選擇開關。采用模糊PID控制器進行均衡時，電壓均衡曲線如圖6所示。采用平均值法進行均衡的電壓均衡曲線如圖7所示。對比兩種情況下的仿真曲線。模糊PID控制時電壓達到一致時約為1.4 ms，平均值法控制電壓達到一致時約為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，前者能更適應實際的均衡工作過程；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，而平均值法繼續均衡時電壓曲線擬合度相對較差。

圖4　模糊PID控制的電池均衡電壓仿真圖

圖5　PID封裝系統結構圖

4　結論

電池均衡策略對于電池均衡效果有著重要的作用，本文采用模糊系統與傳統 PID控制相結合的方法，設計了一種模糊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控制的電池均衡時間上優于平均值法均衡控制的時間；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

廣西自然科學基金資助項目（2011GXNSFA018033）；廣西重點實驗室開放課題基金 （2014KFZD02）

（2015-06-04）

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

孟祥虎（1985-），男，碩士研究生，主要研究方向：汽車電子控制技術。

肖婷（1988-），女，碩士研究生，主要研究方向：汽車電子控制技術。

中文引用格式：張彥會，孟祥虎，肖婷，等.模糊PID自調整控制的鋰電池均衡研究[J].電子技術應用，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.