蓄电池快速充电模糊控制技术的研究

收稿日期：2005-07-14
第23卷 第10期
计 算 机 仿 真
2006年10月
文章编号：1006-9348（2006）10-0236-03
蓄电池快速充电模糊控制技术的研究
高田1，景占荣1，羊彦1，王琪1，
2
（1.西北工业大学电子信息学院，陕西西安710072）（2.西安工业学院电子信息工程学院，陕西西安710032）
摘要：由于电池充电时充电电流与充电时间的非线性，采用PID 、PI 等传统的控制方法对充电过程进行控制的效果不佳，该文在研究镍镉、镍氢电池充电特性的基础上，提出了利用模糊控制技术对充电过程进行智能控制的方法。

文中详细介绍了充电模糊控制器的设计过程，并以XC164单片机为控制核心，设计了一种针对镍镉、镍氢电池的智能充电系统，实验结果表明，该系统可对电池的复杂充电过程进行最优控制，充电快速、效率高，充电安全，不会损坏电池或缩短电池寿命，实现了充电过程的智能化控制。

关键词：模糊控制；智能充电；快速充电中图分类号：TP273+.4
文献标识码：A
Fuzzy control for Ni /Cd and Ni /MH Battery Fast Charging
GAO Tian 1，JING Zhan -rong 1，YANG Yan 1，WANG Oi 2
（1School of Electronics and Information ，Northwestern Polytechnical University ，Xi ’an Shanxi 710072，China ；2School of Electronics and Information Engineering ，Xi ’an Institute of Technology ，Xi ’an Shanxi 710032，China ）ABSTRACT ：Due to non -linear charging current -charging time relationships of rechargeable battery ，classical control algorithms such as PID ，PI etc.are difficult to control the charging process.This paper introduces the charging character of Ni /Cd and Ni /MH battery ，and proposes a fuzzy control system for intelligent fast charging.The paper presents the charging fuzzy controller ’s realization process in full detail ，and designs a control circuit with microprocessor XC164as its core ，realizes the intelligent charging for Ni /Cd and Ni /MH battery.The experiments demonstrate that the system implements optimal control for complex charging process ，improves the charging efficiency ，reliability and lifetime of the battery and realizes the intelligent control in the charging process.
KEYWORDS ：Fuzzy control ；Intelligent charging ；Fast charging
1 引言
蓄电池作为提供直流电源的常用装置，其应用越来越广
泛，特别是在通信、动力及军用等领域。

蓄电池的充放电是一个复杂的电化学变化过程，诸如电解液的浓度、极板活性物的活度、环境温度等因素都会影响电池的充电。

在充电过程中，充电电流随时间呈指数规律变化，不可能用恒流或恒压的方式得到，此外，由于蓄电池存在个体的离散性，即随着放电状态、使用和保存的历史不同，即使是两块工艺相同的电池，其充电电流、最大容量和最佳充电方式也不会完全相同。

目前国内现有的充电控制技术，大多没有考虑这些，一般采
用恒流快速充电方法［1］。

在使用中发现某些镉镍和镍氢电池
寿命较短，原因是部分电池在某些充电阶段电流大，导致内部阳极板氧气析出率不断增加，部分氧气无法被阴极板吸收，密闭反应效率退化，电池内部温度随之上升，温度的升高加速了蓄电池板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短了电
池寿命［1］。

若采用慢速充电，由于充电电流小，只能通过时间
积累达到充电目的，因而充电时间过长、效率较低。

在实际使用中，也存在电池电压未知而造成充电的盲目性。

这种缺乏智能化的充电控制，直接导致了电池的寿命短、效率低及可维护性差等突出的缺点。

模糊控制法不需要掌握被控对象的数学模型，可处理非精确的信息，适合于非线性控制，对过程参数的变化具有较强的适应性，易于用单片机实现，并且运用中还可以加入一些人为的经验因素，使控制过程更易于按照人的要求来实
—
632—
现。

本文提出利用模糊控制技术对镍镉、镍氢电池组的充电过程进行智能控制，取得令人满意的充电效果。

2 镍镉、镍氢充电电池的充电特性
单节镍镉电池正常工作时电压为1.2V ，
充电时其最高
图1
镍镉、镍氢电池的充电特性
电压可达1.8V ，放完电时，电压可降至1.2V 以下。

由于镍镉电池有记忆效应，因此在充电之前要先将其放电，再进
行充电［1］。

其典型的充
电曲线见图1。

镍镉、镍氢的电池特性基本相同，只是镍氢电池的记忆效应很弱，在充电之前无需放
电，可对其直接充电。

镍氢电池典型的充电曲线见图1，充电曲线与镍镉电池充电曲线相似，只是充电电压到最高点C 后，电池端电压变化较小，比较平坦。

根据充电曲线特性，将GN 和NH 电池的电压曲线分为三段，具体见图1。

由于GN 和NH 电池的最佳充电过程无法用单一量实现，因此应分别采用不同的控制方式。

具体为：进入B —C 段之前，电池电量已基本用完，此时采用恒定的小电流充电。

当进入B —C 段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，所以这一段采用模糊控制方法，根据电压变化情况控制充电电流，使电池电压按理想充电模式变化，以达到最佳充电效果。

3 充电模糊控制器的设计
模糊控制器是智能充电的核心，它的设计需要解决以下
几方面的问题：模糊控制器的结构选取、精确量模糊化、模糊
控制器算法设计和模糊量精确化［2］。

下面以12V /4.5AH 镍
镉电池（10节镍镉单电池串联）为例，介绍充电模糊控制器的设计过程。

1）输入量和输出量的选取
虽然电池存在个体差异，但是电池在充电时，电压的上升斜率趋势大致相同，同时注意到电池电压越接近于饱和时，电池的温度上升越快，电池越容易受损害。

若能够通过控制充电电流，使电池电压按充电特性曲线变化，那么电池充电时就可达到最佳充电效果。

根据以上特点，设定模糊控制器的输入分别为相邻两个电压检测值的变化率!U /!I 和电池理想的最高电压与测量得到实际电压之差!V 。

以一个阶段的充电电流大小作为模糊控制器的输出。

2）模糊语言变量的选取
取（-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，）作为论域，输入量!V
（电池端电压的偏差）的基本论域为［0，18］。

量化因子为：K e =
def
6
18。

相应地，!U /!I （电压的变化率）
计算如下：进入充电的第二阶段（B —C ）（模糊控制阶段），经过多次的测量，得到充电电压的最大变化率值为：
4.3210>10-4V /S 。

因此!U /!I 的基本论域为［0，4.3210］。

其论域段的划分方法与!V 基本一致。

量化因子为：K e'=
def
6
4.321。

输出为充电电流，其论域段的划分方法同上，用I 表示输出控制量。

比例因子为：K u =def
0.05。

为方便起见，用E 、E C 、U 分别表示输入量!V 、!U /!I 和输出控制量I 的语言变量（模糊量）。

语言变量论域上的模糊子集由隶属函数来描述。

对于上面采用的论域（-3，-2，-1，0，+1，+2，+3）来说，在其上定义7个语言变量值：NB （负大）、NM （负中）、NS （负小）、
0（零）、PS （正小）、PM （正中）和PB （正大）。

根据人们对事物的判断往往沿用正态分布的特点，采用正态函数
!A （x ）=e
-（
x -a b
）2
（1）
确定模糊集合A 的隶属函数!A （x ）
（见图2）。

图2
隶属函数!!（"）的曲线
其中参数a ，对于模糊集合PB ，PM ，PS ，0，NS ，NM ，NB 分别取+3，+2，+1，
0，-1，-2，-3。

参数b 的大小影响隶属函数的形状，同时对控制效果影响较大，b 取值小，!A （x ）曲线窄，控制灵敏度较高，稳定性较差。

反之，!A （x ）曲线宽，控制灵敏度低，稳定性较高。

在实际应用中，可根据系统误差，调整该隶属函数的形状，得到合适的控制灵敏度和稳定性。

根据隶属函数，分别建立输入输出语言变量赋值表（表1、表2、表3）。

表1 !V 的语言变量赋值表
"
（x ）变量E
-3-2-10+1+2+3语言值
NB 10.70.20000NM 0.710.70.2000NS
0.10.610.60.1000000.510.500PS 000.10.610.60.1PM 0000.20.710.7PB
0.2
0.7
1
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732—
表2 !U/!t的语言变量赋值表
!（X）
变量E
C
-3-2-l0+l+2+3
语言值NB l0.70.20000 NM0.6l0.60.l000 NS0.l0.6l0.60.l00 0000.5l0.500 PS000.l0.6l0.60.l PM0000.20.6l0.6 PB00000.20.7l
表3 I的语言变量赋值表
!（X）
变量U
-3-2-l0+l+2+3
语言值NB l0.80.30000 NM0.7l0.70.2000 NS0.l0.6l0.60.l00 0000.5l0.500 PS000.l0.6l0.60.l PM0000.20.7l0.7 PB00000.30.8l
3）建立模糊控制器查询表
控制规则利用解析表达式描述。

考虑到虽然是同种类型
的电池，但其具体充电性能不会完全一致。

比如当同种规格的几个电池充满电时，其端电压有一定差异，若将输入量之一的"V作为主要的判别标准，必然会给结果带来较大的偏差。

但注意到电压上升曲线会保持相似的形状，基于此种考虑对算法做了修改，增加了"U/"t在其中的权值。

这种加权思想也同样反映了操作者进行手动控制时的思维特点。

其解析式为：
U=<#E+（l-#）E
C
>（2）其中#E［0，l］称为修正因子。

<·>表示四舍五入取
整。

E和E
C
取自"V和"U/"t的模糊量化。

根据模糊数运算规则，以及模糊数二元四则运算的封闭性，可知式（2）中U仍是一个正态模糊数。

调整修正因子#可得到表征不同特性的模糊数模型，从而达到改善系统响应的目的。

利用该算法设计的模糊控制器可以克服单凭经验确定控制规则的缺陷，避免了控制规则中的空挡和跳变现象。

经过上式运算，再经过最大隶属度判决得到模糊控制查询表，表4为#取0.4时的模糊控制查询表。

当根据查询表查出相应的电流变化时，在上次输出电流的基础上分别加（减）相应的数量级。

0表示维持现在的充电电流，+l表示充电电流增加一个等级，+2表示充电电流增加两个等级，-l表示充电电流减小一个等级，依次类推。

根
据模糊推理得出的电流等级乘以比例因子K
U
，再加上上次输出的电流值即为此次应输出的电流值。

本文中充电的初始电流设为l.5A。

4 系统组成与实现
充电系统的组成如图3所示，图中各部分的功能及特点如下：
表4 模糊控制查询表
U
E C
-3-2-l0+l+2+3 E
-3-3-2-l-l-l0+l
-2-3-2-l-l00+l
-l-2-2-l00+l+l
0-2-l-l0+l+l+2
+l-l-l00+l+2+2
+2-l00+l+l+2+3
+3-l0+l+l+2+2+3 l）微处理机采用infineon公司生产的l6位单片机
图3 系统组成框图
XCl64。

它内部资源丰富，
包括64K的FLASH程序存
储器，6K的片内数据存储
器，l4通道l0位的A/D转
换器。

配以相应的接口电
路，构成系统的控制核心。

2）电压电流检测电
路由XCl64内部的l0位
A/D转换器构成，用来检
测系统的充电电流，电池
端电压，以及温度等参数。

3）变流电路通过
PWM脉宽调制方式把交流市电转换为充电所需的直流电压。

4）充电电路：系统根据检测电路得到充电电压、充电电流，再经模糊控制器计算出最佳充电电流，经PWM输出一定宽度的脉冲，得到所需的充电电流。

5）放电电路：由于镍镉电池具有记忆效应，因此充电前需要给其放电。

放电负载为放电电阻。

6）键盘及显示：通过键盘可以输入系统参数，并可根据运行情况进行人工干预。

显示电路由数码管构成，显示充电时的电压、电流值，在人机交互时显示系统的状态参数。

5 结束语
以l2V/4.5AH镍镉电池为例，根据对电池端电压监测，得到利用模糊控制的充电电压曲线（图4）。

由图可以看出，充电时电压上升平稳，当充电约3小时后电压升至最高点A，此时电池端电压l7.6V，进入充电中止判断阶段，充电过程约为3小时7分，电池最高温度为32.7C，充电过程正常。

经过对采用模糊控制的智能充电系统进行测试，并与采用传统充电方法的充电效果相比较发现其具有以下优点：充电快速，效率高；充电安全，电池温升低，不会损坏电池或缩短电池寿命。

可见，采用基于模糊控制原理的单片机控制技术设计充电系统，可实现充电过程的智能化和快速化。

（下转第243页）
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图6
负载突变时输出的相电压和调制比波形图
（由20KVA 向LKVA 突变再突变回20KVA ）
的要求》（国军标181A ）中对于交流供电设备的要求。

当负载由20KVA 向1KVA 突变时，输出需要30ms 左右能够达到稳定；负载由1KVA 向20KVA 突变时，输出需要40ms 左右达到稳定。

5 结束语
本文采用MATLAB6.1/SIMULINK4.1中提供的基本单
元模块建立了基于数字PI 控制能的三相SPWM 逆变电源模型，并通过仿真试验分析了ki 、kp 参数对于系统性能的影响。

并且通过仿真，得到了负载突变对于系统的影响。

仿真试验结果表明，该模型是可靠的。

参考文献：
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［作者简介］
吴小华
（1969-），女（汉族），江西九江人，博士，副教授，研究方向：故障诊断、电力电子技术。

邹仁炜
（1982-），男（汉族），江西高安人，硕士研究生，研究方向：电力电子技术，计算机测控技术。

叶建峰
（1980-），男（汉族），浙江余姚人，硕士研究生，研究方向：电力电子技术，计算机测控技术。

（上接第238
页）
图4
充电电压变化曲线
参考文献：
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2001.
［作者简介］
高 田
（1974-），男（汉族），陕西人，助教，博士研究生，主要从事电路与系统方面的研究工作。

景占荣
（1946-），男（汉族），陕西人，教授，博导，研究方向为信号与信息处理，电工理论与新技术。

羊
彦
（1970-），女（汉族），四川人，副教授，硕导，研究方向为信号与信息处理，智能控制理论。

王
琪
（1979-），女（汉族），山东人，助教，硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程。

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蓄电池快速充电模糊控制技术的研究
作者：高田， 景占荣， 羊彦， 王琪， GAO Tian， JING Zhan-rong， YANG Yan， WANG Qi
作者单位：高田,景占荣,羊彦,GAO Tian,JING Zhan-rong,YANG Yan(西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710072)， 王琪,WANG Qi(西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710072;西安工业
学院电子信息工程学院,陕西,西安,710032)
刊名：
计算机仿真
英文刊名：COMPUTER SIMULATION
年，卷(期)：2006,23(10)
被引用次数：8次
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