基于模糊PID的車(chē)載充電DC/DC變換器控制策略研究

鄭 征，秦熙東，陶海軍

（河南理工大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，焦作 454000）

0 引言

隨著能源匱乏與環(huán)境污染日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車(chē)（Electric vehicles，EV）因其高效、無(wú)污染優(yōu)勢(shì)，迅速得到推廣[1,2]。DC/DC變換器作為車(chē)載充電機(jī)的關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換部分直接影響其運(yùn)行效率。傳統(tǒng)的零電壓開(kāi)關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS）移相全橋（Phase-Shifted Full-Bridge, PSFB）DC/DC PWM變換器利用諧振電感（包括變壓器漏感）和開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容或并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)[3]。但存在導(dǎo)通損耗大和軟開(kāi)關(guān)范圍受限等問(wèn)題[4,5]。常規(guī)PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但在車(chē)載充電系統(tǒng)參數(shù)變化或負(fù)載擾動(dòng)情況下，控制效果不理想，且超調(diào)量過(guò)高。

單一的恒壓或恒流充電容易產(chǎn)生過(guò)充現(xiàn)象。且當(dāng)恒流充電切換到恒壓充電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)充電電流斷續(xù)現(xiàn)象[6]。文獻(xiàn)[7]提出了五階段充電策略，延長(zhǎng)了電池充電壽命，解決了欠充問(wèn)題。但少有文獻(xiàn)解決階段充電切換過(guò)程中的充電電流斷續(xù)問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]指出該問(wèn)題并提出通過(guò)比較調(diào)節(jié)量來(lái)投切的切換機(jī)制，但其仿真結(jié)果有待改進(jìn)。

為此，設(shè)計(jì)了新型ZVS PWM PSFB DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)寬范圍的軟開(kāi)關(guān)，并提出恒流恒壓切換充電控制策略，當(dāng)切換到恒壓充電模式時(shí)采用模糊PID控制，既確保充電電流連續(xù)，又提高控制體系對(duì)擾動(dòng)和參數(shù)變化的魯棒性。

1 車(chē)載充電電源DC/DC變換器

1.1 車(chē)載充電電源拓?fù)?/h3>

車(chē)載充電電源應(yīng)用最廣泛拓?fù)涞氖蔷哂泄β室驍?shù)校正的DC/DC變換器，如圖1所示。AC/DC變換器為升壓型，能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，提高系統(tǒng)功率密度。高壓直流與低壓電池組之間通過(guò)DC/DC變換器給電池組充電[9,10]。

圖1 車(chē)載充電機(jī)拓?fù)?/p>

1.2 DC/DC變換器主電路拓?fù)?/h3>

根據(jù)車(chē)載充電電源的應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)了一種新型帶箝位二極管的ZVS移相全橋拓?fù)?。如圖2所示，輸入電壓為Vin，采用MOSFET組成全橋開(kāi)關(guān)管Q1～Q4。Lr是諧振電感；為了抑制變壓器副邊的電壓振蕩，加入箝位二極管D5和D6；變壓器副邊引入同步整流（Synchronous Rectifier，SR）技術(shù)，采用MOSFET組成SR管Q5和Q6，降低了整流管的導(dǎo)通損耗；Lf和Cf形成輸出濾波器，變壓器的變比為n。

圖2 新型ZVS PWM全橋變換器拓?fù)?/p>

2 磷酸鐵鋰電池特性分析

2.1 電池模型及其充電方式

磷酸鐵鋰電池Thevenin等效電路模型，如圖3所示，主要包括：開(kāi)路電壓Vcc，電池內(nèi)阻Re、極化電阻Rp和極化電容Cp。此時(shí)，負(fù)載的等效阻抗為：

圖3 Thevenin等效電路

目前有恒流-恒壓（Constant Current-Constant Voltage，CC-CV）充電，多段恒流充電等多種充電方式。其中，CC-CV充電方式應(yīng)用最為廣泛。其充電曲線如圖4所示。該充電方式為先大電流恒流再恒壓充電，這校既避免了電流過(guò)充現(xiàn)象又減小了析氣量[11～13]。因此，采用CC-CV充電法為磷酸鐵鋰電池組充電。

圖4 EV電池組CC-CV充電曲線

2.2 磷酸鐵鋰電池的充電特性

磷酸鐵鋰電池充電電壓上限值為3.65V，放電電壓下限值為2.0V，標(biāo)稱電壓為3.2V。磷酸鐵鋰電池在快達(dá)到3.65V時(shí)，充電電壓會(huì)快速上升，出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，這校很容易達(dá)到過(guò)充保護(hù)電壓。為此，采用CC-CV充電方式，當(dāng)恒流充電模式電池電壓升至3.65V時(shí)，切換到恒壓充電模式。充電電流隨時(shí)間下降，當(dāng)電流下降至一定數(shù)值時(shí)，即可停止充電，即可避免電壓過(guò)充現(xiàn)象。

2.3 主電路小信號(hào)分析

PSFB DC/DC變換器可由Buck電路變換而來(lái)，主要區(qū)別在于諧振電感造成的占空比丟失Dloss。副邊占空比有效值為[14]：

輸出電流對(duì)De的擾動(dòng)為：

其中，Rd=4n2Lrfs。

輸出電流對(duì)De的擾動(dòng)為：

可得全橋變換器小信號(hào)模型如圖5所示。

圖5 全橋變換器小信號(hào)模型

由圖5可得控制對(duì)輸出電壓傳遞函數(shù)為：

控制對(duì)輸出電流傳遞函數(shù)為：

3 恒流恒壓切換充電控制策略分析

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

提出一種恒流恒壓切換充電控制策略，如圖6所示。在恒流階段，采用電流控制，電流參考值為Iref，誤差經(jīng)PI控制器后得到調(diào)制信號(hào)WCC。在恒壓階段，采用模糊PID控制，輸出電壓Vo與輸出電壓參考Vref比較，誤差經(jīng)模糊PID控制器后得到調(diào)制信號(hào)WCV。

圖6 CC-CV切換充電控制策略

切換方式為“取較小值”：充電初期電池等效內(nèi)阻小，充電電流Io較大，此時(shí)WCC＜WCV，進(jìn)入恒流模式充電。當(dāng)電壓上升至電參考值Vref時(shí)，WCV＜WCC，進(jìn)入恒壓模式充電，充電機(jī)的充電電流不斷下降，直至充電結(jié)束。

3.2 恒流充電控制階段

恒流控制階段，采用電流控制，PI控制器校正，其傳遞函數(shù)為：

此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

代入相關(guān)參數(shù)后，根據(jù)控制系統(tǒng)對(duì)開(kāi)環(huán)頻率特性要求，求得PI系數(shù)為Kpi=0.546，Kii=10900。圖7給出電流開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的bode圖。補(bǔ)償前的開(kāi)環(huán)截止頻率遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)頻率，且開(kāi)環(huán)幅頻特性以-40dB/dec穿過(guò)零分貝線，系統(tǒng)非常不穩(wěn)定。經(jīng)補(bǔ)償后，開(kāi)環(huán)幅頻特性以-20dB/dec穿過(guò)零分貝線，截止頻率10.22kHz，在1/5～1/10開(kāi)關(guān)頻率區(qū)間內(nèi)，相角裕度為164°，系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.3 恒壓充電控制階段

完成恒流充電后，切換到恒壓充電，采用模糊PID控制，為負(fù)載提供可變的充電電流，以維持恒定的負(fù)載電壓，確保充電電流連續(xù)。

圖7 電流開(kāi)環(huán)bode圖

圖8給出模糊PID控制框圖，輸出電壓偏差e和偏差變化率Δe輸入到模糊PID控制器中，依次經(jīng)過(guò)模糊化、模糊推理、解模糊和輸出量化等過(guò)程，依據(jù)PID參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗(yàn)和誤差逐級(jí)逼近原則，建立ΔKp、ΔKi、ΔKd的控制規(guī)則對(duì)PID進(jìn)行在線調(diào)整。

圖8 模糊控制框圖

模糊控制器輸入量為電壓誤差e和電壓誤差變化率Δe，輸出控制量為ΔKp、ΔKi、ΔKd，即PID控制器參數(shù)需要調(diào)整的量。設(shè)輸入輸出變量基本論域?yàn)閇-n，n]。依據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的動(dòng)態(tài)范圍[emin，emax]、[Δemin，Δemax]、[Δkmin(m)，kmax(m)]（m=p，i，d），選擇和確定量化因子Ke、KΔe，以及比例因子PK（m）。論域的變換公式為：

誤差e、誤差變化Δe和輸出控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd采用相同的模糊子集，即{負(fù)大NB，負(fù)中NM，負(fù)小NS，零ZR，正小PS，正中PM，正PB}，隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)trimf。

根據(jù)模糊控制規(guī)則的基本思想，并結(jié)合充電過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析、歸納，建立磷酸鐵鋰電池充電的ΔKp、ΔKi、ΔKd的控制規(guī)則，以ΔKp為例，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

PID控制參數(shù)調(diào)整量為Kp=Kp0+ΔKp，Ki=Ki0+ΔKi，Kd=Kd0+ΔKd，其中，Kp0、Ki0、Kd0為PID參數(shù)的初值，Kp、Ki、Kd為整定好的PID參數(shù)。則系統(tǒng)實(shí)際控制輸出為：

模糊推理方法采用Mamdani運(yùn)算，本文采用重心法去模糊并通過(guò)離線計(jì)算制成控制量查詢表，實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線自整定。

4 仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)了一個(gè)車(chē)載電源PSFB DC/DC變換器，其基本的參數(shù)如表2所示。并建立了仿真模型。為了提高系統(tǒng)的控制精度，設(shè)計(jì)誤差大于6V時(shí)為正大，取電壓誤差e論域?yàn)閇-6，6]，量化因子K1=1.644。電壓誤差變化率Δe，論域?yàn)閇-3，3]，量化因子K2=75。輸出控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd論域?yàn)閇-6，6]，比例因子PK（m）分別1，1，0.5。初始PID參數(shù)分別取Kp0=0.03，Ki0=300，Kd0=1.6×10-7，輸出電壓參考值為12V。

表2 DC/DC變換器的設(shè)計(jì)參數(shù)

為驗(yàn)證上述參數(shù)的有效性，圖9給出模糊PID與常規(guī)PID控制的階躍響應(yīng)曲線對(duì)比圖。在模糊PID控制下，系統(tǒng)輸出電壓超調(diào)量低于10%，調(diào)節(jié)時(shí)間低于0.1ms，響應(yīng)速度更快速、更平穩(wěn)，抗干擾能力強(qiáng)，使系統(tǒng)具有很好跟隨性、穩(wěn)定性和魯棒性。

圖9 模糊PID與常規(guī)PID的階躍響應(yīng)曲線

圖1 0為電池恒流恒壓充電波形，負(fù)載采用12V/20Ah的磷酸鐵鋰電池模型，在恒流階段，電流迅速上升，充電進(jìn)入30A恒流充電階段，當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓到達(dá)預(yù)設(shè)值12V后，切換到恒壓充電階段?？梢钥吹剑汉懔?、恒壓兩個(gè)階段控制穩(wěn)定，以及切換過(guò)渡階段平滑，避免了電壓過(guò)充問(wèn)題，保證了電流的連續(xù)性，而電壓電流紋波也滿足要求。

圖10 磷酸鐵鋰電池恒流恒壓充電波形

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)車(chē)載充電DC/DC變換器的設(shè)計(jì)需求和仿真結(jié)果搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并采用了恒流恒壓切換充電控制策略。

圖11(a)～11(b)分別給出滯后臂Q3在額定負(fù)載和1/3額定負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓VGS和漏源極電壓VDS波形，圖中可以看到Q3在額定負(fù)載和1/3額定負(fù)載輸出條件下，均可以實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了寬范圍的軟開(kāi)關(guān)，降低了開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗。

在額定輸入電壓Vin=400V條件下，圖12(a)和圖12(b)分別為負(fù)載電流從0A～40A和40A～0A突變時(shí)輸出電壓Vo和輸出電流Io的波形，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，輸出電壓的反沖值均小于0.4V，且恢復(fù)時(shí)間少于250μs，具有良好的抗干擾能力和動(dòng)態(tài)性能。

圖11 不同負(fù)載時(shí)滯后管Q3的ZVS情況

圖12 負(fù)載突變時(shí)輸出電壓與電流波形

輸入電壓不同情況下效率與負(fù)載的關(guān)系如圖13所示，可以看到，在最大輸入電壓500V、額定電壓400V時(shí)和最低輸入電壓300V，在10%～100%額定負(fù)載范圍內(nèi)，系統(tǒng)效率都在95%以上，可實(shí)現(xiàn)很寬的負(fù)載電流輸出范圍。且車(chē)載充電電源效率受輸入電壓變化影響很小。

6 結(jié)論

圖13 不同輸入電壓下負(fù)載與效率的關(guān)系

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電電源的核心部分DC/DC變換器存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了車(chē)載充電電源PSFB DC/DC變換器。實(shí)現(xiàn)了寬范圍的軟開(kāi)關(guān)，降低了開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗。采用恒流恒壓切換充電控制策略，當(dāng)切換到恒壓充電模式時(shí)采用模糊控制PID控制，保證充電電流的連續(xù)性，避免了過(guò)充現(xiàn)象，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和抗干擾能力。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)表明在10%～100%額定負(fù)載范圍內(nèi)，系統(tǒng)效率都在95%以上，滿足車(chē)載充電電源的應(yīng)用需求。