基于智能控制的锂电池快速充电方法

基于智能控制的锂电池快速充电方法
摘要：基于当前新能源汽车充电方法存在的充电时间长、供电效率低、续航里程短等问题，本文主要提出一种以模糊自适应PID控制为基础的锂电池快速充电方法。

不仅对该充电方法的压降补偿原理及主电路的结构与控制进行了着重的分析。

而且还通过相应的仿真分析验证了该充电方法的应用优势，以便为进一步提升新能源汽车的应用性能提供可靠的参考依据。

关键词：模糊自适应PID控制；锂电池快速充电方法；压降补偿
在当前低碳经济社会背景下，大力推广和应用清洁环保型新能源汽车已成为一种必然的发展趋势。

尽管新能源汽车对于环境保护方面有着举足轻重的促进作用，但是其在实际应用过程中却存有一定的弊端问题，尤其是充电设计方面的问题，很难充分满足汽车的正常运行。

究其原因，主要是因为新能源汽车充电方法不合理，从而导致蓄电池出现严重的极化现象所致。

因此，要想改善现状，就要加强新能源汽车充电方法的优化设计。

1. 压降补偿原理分析
图一
从理论角度来看，新能源汽车蓄电池的充电状态良坏与否，都要根据对开路电压和内部电动势的测量结果来进行分析。

而蓄电池在充电状态下，很难对这两个参数进行精准测量，所以在设计本文提出的以模糊自适应PID控制为基础的快速充电方法时，就要采用电池端电压来替代电池开路电压，并且为了避免两者电压值出现偏差，还要采用压降补偿方法进行控制。

在图一中，R1和 R2分别代表锂电池的内阻和极化内阻；Δu1和Δu2代表其上电压；Uo代表充电瞬间电池端电压；UJ代表间歇起始瞬间电池端电压；Uk代表蓄电池开路电压。

当蓄电池处于充电状态下时，Uo=Δu1+Uk，若Uo为3.2 V时，实际因为存有Δu1，所以Uk并未达到3.2V，并且还会随着充电电流的增大而超过Δu1，这种情况下就会导致欧姆压降给恒流充电造成较大的影响，进而使得电池端电压值与开路电压值之间存在一定的偏差，因此，要想避免这种偏差的出现，就要合理运用压降补偿进行解决。

即将R1和 R2上所产生的消耗电压补偿到充电截止电压中，并着重控制其上电压Δu1和Δu2。

另外，还要着重考虑影响锂电池内阻的因素，尽量将一定温度下电池电压降看成一个定值[1]。

例如，图一中（a）图所示的Δu1，应通过电池充电前的开路电压Uk减去充电瞬间端电压Uo来获得。

因为在初期充电过程中，电池极化内阻较小，只需避免对欧姆内阻造成影响，但随着电池充电量的不断增加，其内部也会产生一定的极化反应。

而极化内阻上的电压为Δu2，如图一中（b）图所示，其应由充电间歇开始时的端电压减去间歇结束时端电压来获得，并同时将Δu1和Δu2引入到恒流-恒压充电过程中，这样才能达到理想的压降补偿充电效果，延长新能源汽车的续航里程和充电时间。

图二
2.主电路的结构及控制原理分析
对于新能源汽车蓄电池而言，其要想达到高效率充电，还要对充电电路进行精准的控制，尤其是三相PWM整流器和Buck-Boost变换器的有效控制[2]。

2.1三相PWM整流器控制原理
2.1.1三相PWM整流器数学模型设计
图二为三相PWM整流器结构图，其中，交流测各相电压瞬时值与交流测各
相电流瞬时值可分别采用ea 、eb 、 ec、ia、 ib 、ic进行表示；而直流侧电压与
蓄电池充电电流则分别用udc和io进行表示。

电阻中的等效电阻和电感等效电阻
则用Ri、Rc进行表示；电感和电容则用字母L与C进行表示。

为了达到理想的输
出结果，采用变换解耦后的d-q坐标分别对电压、电流进行控制，获得开关函数
如公式（1）所示：
Sk:1上桥臂导通，下桥臂关断
0上桥臂关断，下桥臂导通
其中，k=a、b、c。

在静止坐标系下，三相PWM整流器模型设计如公式（2）所示:
Ldia/dt+Ria=ea-(ua+uno)
Ldib/dt+Rib=eb-(ub+uno)
Ldic/dt+Ric=ec-(uc+uno)
Ldid/dt+Rid=ed-(ud+uno)
但由于在静止坐标系下，传统PI控制器会影响最终的电压输出的稳定性，且
三相交流电为时变量，进而影响电池充电的稳态性。

所以为了避免这种情况的发生，还要对公式（2）的数学模型进行同步旋转坐标变换，以便直接将三相交流
电转变成直流量，这样才能有利于PI控制器作用的最大化发挥。

变换后的坐标系下的数学模型如公式（3）所示.
L=+Rid=ed-ud+Liq
L=+Riq=eq-uq+Lid
c=(idsd+iqsq)-io
1.2以合成矢量为基础的电流内环控制器设计
以PI控制思想和d-q坐标系下PWM整流电路数学模型为依据，
将电流内环控制器设计为公式（4）形式：
u=-(kdp+)(i-id)+ed+Liq
u=-(kqp+)(i-iq)+eq+Lid
但由于电流前馈解耦后，耦合程度与频率呈正比关系，所以这在某种程度上
就会大大降低电流内环控制器的应用性能。

因此，可按照合成矢量的方法，把双
输入双输出网络模型转化成单输入单输出的网络模型来控制。

在实际设计过程中，相关设计人员可按照静止坐标系下三相PWM整流器数学模型设计理念，推导出
坐标系下基于合成矢量的数学模型，如公式（5）所示，这样才能消除电感参数L
的影响，实现系统的完全解藕。

u=ed-(kp+)(i-id)+(i-iq)
u=eq-(kp+)(i-iq)+(i-id)
2.2 Buck-Boost变换器的控制策略
2.2.1 Buck-Boost变换器数学模型设计
图三
图三是Buck-Boost变换器的结构图，如图所示，当电路处于Buck工作状态下时，开关管S1导通、S2关断，可以满足公式（6）：
L=Vh(t)-RLI(t)-Vo(t)
C=i(t)-
Uc(t)=Vo(t)-Rc[i(t)-]
Ih(t)=i(t)
同理，开关管S1关断、S2导通时，电路可以满足简化计算后的公式（7），
并且为了解决实际问题，还要忽略电感电阻和电容电阻的影响。

Gs(s)=▏uin(s)=o=+1
2.2.2模糊自适应PID控制器结构设计
模糊自适应PID控制器在运行过程中，其输入变量会以误差e及误差变化率
ec为基准，并利用模糊规则来推理输出Kp 、Ki和Kd，与此同时，还要在控制基
础上对三个调整值进行在线调整，以便更好的确保新能源蓄电池在充电过程中能
够保持最佳的动态性和静态性。

而解模糊则要依据Min推理规则和Ma合成规则，并采用重心推理方法进行
分析，这样才能获得最终结果如公式（9）所示:
Kp=K+K
Ki=K+K
Kd=K+K
其中输出值K 、K、K为常规PID参数，K、K、K为PID参数调整值。

3. 仿真分析
为了进一步验证以模糊自适应PID控制为基础的锂电池快速充电方法的应用
优势，本文利用Matlab / simulink软件对该充电系统进行了整体的模拟仿真。

并
对基于模糊自适应PID与PID两种控制下Buck-Boost变换器输出的电压、电流波
形进行了精确的对比分析，如图四所示。

图四（电压电流控制效果对比）
图五（引入压降补偿的快速充电与传统充电SOC对比）
从图四对比结果来看，首先，两种控制的输出波形在初始时间内都能达到相
应的稳定值，但在0. 15-0.20 秒区间内，PID控制的电压和电流的波动要高于模糊
自适应PID，尤其是电流的波动反应。

其次，从图四SOC曲线的拐点为恒流充电
与恒压充电的切换点来看，恒流充电阶段的充电效率要高于恒压充电阶段的充电
效率，且与无压降补偿的充电方法相比，引入压降补偿后的充电方法的恒流充电
时间也得到了相应的延长。

由此可见，基于电压降补偿的快速充电系统，可以有效延长大电流恒流充电
的时间，加快整体充电速度。

另外，由于采用模糊自适应PID控制改进后的充电
控制系统兼具模糊控制和PID控制两者的优势，且操作简单，所以能较好处理系
统的非线性、时变性和不确定性造成稳定性干扰的问题，实现了对充电系统的精
准控制，有效提高充电系统稳定性与蓄电池的充电速度。

因此，将以模糊自适应PID控制为基础的锂电池快速充电方法作为新能源汽车蓄电池的主要充电方式，
很有必要。

结束语：
综上所述，通过对以模糊自适应PID控制为基础的锂电池快速充电方法的设
计分析，可以得知，采用该充电方式不仅可以延长新能源汽车蓄电池的充电时间，加快其整体充电速度。

而且还能实现对充电系统的精准控制，有效提高充电系统
稳定性，增强蓄电池的续航里程。

参考文献：
[1]彭潇丽.智能型锂离子电池快速充电控制系统的研究[J].湖北工业大学, 2017.(12)134-135
[2]杨雁勇, 王腾飞, 王慧馨,等. 基于DSP控制的锂电池快充电路研究[J]. 机电工程, 2017(03):76-80.。