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．

［1］ EHSANI M，GAO Yimin，EMADI A，et al．Modern electric hybrid electric and fuel cell vehicles［M］．2nd ed．USA：CRC Press，2010：52－56．

［2］ 錢良國(guó)，郝永超，肖亞玲．鋰離子等新型動(dòng)力蓄電池成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研究最新進(jìn)展［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（2）：2－11．

［3］ 何洪文，余曉江．電動(dòng)車輛動(dòng)力電池的性能評(píng)價(jià)［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2006，36（5）：659－663．

［4］ SUN Li，JIN Peng，TAN Qiaolin．The simulation of NiMH battery performance for HEV applications［C］／／23rd International Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium and Exposition 2007－Sustainability：The Future of Transportation，EVS 2007．Anaheim，CA，United States：Electric Drive Transportation Association，2007，4：2441－2445．

［5］ VERENA K，MARTEN B，G?RANL L．Li－ion battery performance in electric vehicles［C］／／Advanced Automotive Battery Conference．Orlando，F(xiàn)L，United States：Advanced Automotive Batteries．2010：107－112．

［6］ ZHU Changqing，SHI Youren，YE Xiuxi，et al．An analysis of the load characteristic of the purified regulated power supply［C］／／8th International Conference on Electronic Measurement and Instruments．Xi’an：IEEE，2007：1313－1317．

［7］ WANG Yaqiong，CUI Zongchao．Design of dual DC regulated power supply based on MCU dsPIC30F3011［J］．Adv Mater Res，2013，722：71－74．

［8］ 王一農(nóng)，杜世俊，劉小寧．電容濾波型三相橋式整流電路的電壓分析［J］．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，28（5）：554－557．

［9］ CLARE J C，DAVIS R M．Prediction of supply current waveforms and harmonics for rectifier circuits with capacitive smoothing［C］／／Proceedings of the 5th European Conference on Power Electronics and Applications．Brighton，Engl：IEEE，1993，7：200－205．

［10］ 杜慧聰，劉方軍，張偉，等．150kV 高壓逆變電源倍壓整流電路仿真［J／OL］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，［2013－12－26］．http：／／www．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20131206．1627．002．html

［11］ 王換換．MCGS下的純電動(dòng)汽車智能儀表設(shè)計(jì)［D］．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010：55－60．