基于模糊控制的铅酸蓄电池智能充电系统设计.pdf

第 4 4卷 第 1 1期 2 01 0年 l 1月 电力 电 子技 术 Po we r El e ct r on ics Vo 1 44，No t 1 No v emb e r 2 0l 0 基于模糊控制的铅酸蓄电池智能充电系统设计 李 匡成 ，范艳 成 ，胡 旭 杰 ，何 作 ( 装 甲兵 工程学 院 ， 控制 工程 系 电气 室 ，北 京 1 0 0 0 7 2 ) 摘 要 ： 根 据蓄 电池快 速充 电理 论 ， 提 出了将模 糊 控制 应用 于 充 电控 制 的 思想 ， 设计 了模 糊控 制器 ， 构 建 了智 能 充 电系统 。它 能定时检测蓄 电池端 电压 ， 温 度等状 态参数 ， 并计算 出蓄 电池 可接 受 的充 电电流 。实验证 明， 采用 新型控制 策略 的充 电方法对 蓄电池充 电 ， 减 少 了充 电时间 ， 提 高了充 电效率 ， 具有 重要 的实 际意义和 推广价值 。 关键词 ： 蓄 电池 ；智 能充 电 ；模糊 控制 中图分类号 ： T M 9 1 2 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 1 0 0 x( 2 0 1 0 ) 1 1 - 0 1 1 9 0 3 De s ig n o f Le a d- a cid Ba t t e r y I nt e l l ig e nt Cha r g e S y s t e m Ba s e d o n Fuz z y Lo g ic Co n t r o l L I K u a n g ch e n g ，F A N Y a n - ch e n g ，HU X u - j ie ，H E Z u o ( T h e A ca d e m y o fA r m o r e d F o r ce s E n g i n e e r i n g ，B e r i n g 1 0 0 0 7 2 ，C h i n a ) Ab s t r a ct： T h is p a p e r b ri n g s f o r w a r d id e o l o g y o f ch a r g e b y f u z z y co n t r o l ， a f u z z y co n t r o l l e r is d e s ig n e d a n d co n ce iv e d in t e l l ig e n t ch a r g e s y s t e m b a s e d o n f a s t ch a r g e t h e o r y is d e s ig n e d I t ca n me a s u r e v o l t a g e a n d t e mp e r a t u r e o f b a t t e r y， a n d ca l cu l a t e ch a r g e cu r r e n t T h e e x p e ri me n t s s h o w t h a t t h e f u z z y co n t r o l a p p r o a ch t o t h e b a t t e ry ch a r g in g， ca n r e d u ce t h e ch a r g in g t ime a n d imp r o v e t h e ch a r g in g e ffi cie n cy， it h a s imp o r t a n t p r a ct ica l s ig n ifi ca n ce a n d a p p l ica t io n v a l u e Ke ywo r ds： s t o r a g e ba t t e ry ；int e l l ig e nt ch a r g e；f uz z y co nt r o l 1 引 言 目前 铅 酸蓄 电池 以其 制造成 本低 ， 容 量大 ， 价格低廉的优 点广泛应用于 国民经济各领域。但 传统充电技术使蓄 电池充电时间长 ， 且具有过充 、 欠充 、 析气等多种缺 点， 远不能适应 现代生产和 生 活 的需要 因此 ， 如何实现快速 、 高效 、 微损的蓄电 池充 电。 一直是蓄电池应用领域最关心的问题 。 传 统控制系统建立在被控对象精确 的数学模 型基础上 若被控对 象的数 学模型很 复杂或较难 建立时， 控制系统就较难实现。 蓄 电池正属 于这种 情况 由于其充 电过程有独特 的物理化 学规律 ， 因 此考虑采用模糊控制进行蓄 电池 的充 电控制l l j 。 2快 速充 电原理分 析 在充 电后期的化学反应 中 ，电池两极 问的 电 位差会高于两极活性物质的平衡 电极 电位 这 种 现象称 为极化 。极化是阻碍 蓄 电池充 电过程 中电 化学反应 正常进行的主要因素 ，也影响着充 电接 受能力 。产生极化的原因有 3种【 ： 定稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 0 9 作者简 介 ： 李匡成 ( 1 9 6 5 一) ， 男 ， 湖 南人 ， 副教 授 ， 研 究 方 向 为蓄 电池充放 电技 术和 教 学。 蓄 电池各导 电部分均有一 定电阻 ，当电流 通过时会产生欧姆压降 ， 即欧姆极化 ， 充 电停止 后 会 自行消失 ： 充 电过程 中， 由于化学反应在极板 孔隙中生成硫 酸 使其 附近 的电解液相对密度较 其他地方略高一些 ，这种 由电解液浓度差异而 引 起的 电极 电位 的变化 ， 即浓差极化 。充电停止后 ， 由于分子的扩散， 浓差极化也会逐渐消失； 充电 时 ， 当极板表 面 的活性物 质大部分 转变为一 氧化 铅 和纯铅 后 ， 此时单格 电池 电压约 为 2 4 V， 若再 继续 充电 ，则水开始分解 ，并在负极板上逸出氢 气 ， 而氢离子在负极板上与 电子 的结合较为缓慢 ， 使负极板附近积 存有多余的氢 离子 ，造成 负极板 电位 降低 ：同时正极板逐渐被氧 离子包 围形成过 氧化 电极 ，使 正极板 电位升高 ，这就是 电化学极 化。 随着充 电的进行和充电电流 的增加 ， 这种 电化 学极化更加显著 。 6 0年代 中期 ， 美 国科 学家 马斯 ( J A MA S ) 提 出了 以最低 出气率为前提 的蓄 电池可接受的充 电 电流 曲线 即任一 时刻蓄 电池能接受的充 电电流 为 ： ， = x t ， 1 0 为初始 充 电 电流 ， 为充 电接受 比， t 为充 电时间。 马斯同时指出当充电电流接近蓄 电池 固有 的 微量析气充 电曲线时 ，适 当地对 电池进行大 电流 瞬时放电 可有效消除极化 ， 提高蓄电池的充电接 1 1 9 第 4 4卷 第 1 1期 2 0 1 0年 1 1月 电 力 电子 技 术 Po we r El e ct r o n ics Vo 1 4 4No 11 No v e mb e r 2 0 1 0 受能力 可使蓄 电池 的充 电曲线不断右移 ， 从而大 大提 高了充 电速度和效率 ， 缩短了充 电时 间。 3 控 制策 略分析 由上述分析可知 要实现蓄 电池智能充 电。 必 须遵循 以下两个原则 ： 蓄电池的充 电电流 曲线 需遵循马斯曲线； 充 电过程中必须有去极化措 施。对于充电电流， 可利用模糊控制器实现， 模糊 控制 器通 过采集 蓄 电池两 端 的 电压及 电压 变化 率 通过模糊推理 ， 计算 出蓄 电池的可接 受充电电 流 。经验证 明 当蓄 电池 的端 电压为 2 3 2 2 3 5 V 时不论充 电电流 多大 。 气体析 出甚微 。 只有 2 3 5 2 4 V时才 逐渐显 著 ， 2 4 V以上 时 ， 气体析 出激 烈 故通过判断蓄 电池端 电压 ， 确定去极化时机 。 4智能 充 电模糊 控 制器 的设计 充 电模糊控 制器 的基本组成 如 图 1所 示 ， 共 有模糊化模块 、 模糊推理模块、 清晰化模块 3个主 要的功能模 块 3 J 。模糊控制器 的核心部分 是包 含 语言规则的规则库和模糊推理。 输入隶属函数 l f 控制规则 I l 输 出隶属函数 图 1 充 电模糊控 制器 组成 4 1 模 糊 化 经验证 明 ， 虽然 电池存在个体差异 ， 但 是蓄 电 池在充电时。 电压的上升斜率趋势大 致相 同 ， 同时 当蓄 电池 电压接近饱和 时 ， 电压的变化率很大。 基 于 以上特 点。选择模糊控制器 的输入 为蓄 电池理 想 电压最大值与实测值 的差 E和相邻 两个 电压检 测值的变化率 E C， 输 出量为充 电电流变化量 。 在充 电过程 中， 端 电压总处于上 升阶段 ， 因此 E的语言变 量选 P S ， P M， P L， P V L， 其量 化论域 为 ( 0， + 1 ， + 2 ， + 3 ， + 4， + 5 ， + 6 ) 的隶属 函数如 图 2 a所 示。误差变化率与输 出变量均选 N B， N S ， Z E， P S ， P B为语言变量 ， 其量化论域为 ( 一 3 ， 一 2， 一 1 ， 0 ， + 1 ， + 2 + 3 ) 的隶属 函数如 图 2 b所 示。输入变量 可通 过 公式 E= 和 E C = 实现实际的连续域到有限整数离散域的转 化。其中 K = 6 ( e h - e 1 ) ， K = 6 ( e ch e c1 ) ， e h ， e ch 为高 限值 ， e ， ， e c 为低 限值 ， 代表取整。 1 2 0 N B NM ZE P M PI 3 2 l 0 l 2 3 f b ) E C 嘞 隶 属 函数 图 2 E， E C， U的隶属 函数 4 2模糊 推理 模糊推理是将固定控制规则的前件 与后件 中 语言变量所对应 的模糊关系集进行模糊运算。控 制规则来源于手控 的操作经验和 已取得的试验数 据 。表 1示出模糊控制规则表【 4 1 。 表 l模 糊 控 制 规 则 表 NB NS ZE PS PB PL PL PL PL PM PM P S ZE NS NM ZE NS NM NL NL NM NL NL NL NL 根据模糊输入和规则库中蕴含的输入输 出关 系 可得到模糊控制器 的输出模糊值 c 为 ： C = ( A ) o月 ( 1 ) 式 中 ： A ， B 为模糊输入 ； 兄代表规则库 中蕴含 的模糊关系。 4 3清 晰化 由模 糊推理 得到 的 C 为输 出论 域上 的模糊 子集 ， 只有将其转化为精确控制量 ， 才能施加 于对 象。清晰化方法有 3 种： 最大隶属度法， 即选取 模糊子集 中隶属度最大 的元素作 为控制 量 ； 加 权平均法 ， 以隶属度为系数求 出加权平均值 ， 以此 作为执行量： 取中位数法， 即选取模糊子集的隶 属函数 曲线和横坐标所 围成区域面积平分 为两部 分 的数。 这里选择加权平均法 ， 它 能较准确地利用 模糊子集提供 的信息量 ， 计算式为 ： ： ( ) u ( M ) ( 2 ) f i 求 出 后再乘 以比例 因子 ， 即可得到被控对 象的实际控制量。通过模糊化 、 模糊推理 、 清晰化 接 口的设计 ， 即可 构建成一个 完整的模糊控制器。 当系统在线运行时 ， 如果对每次采样 ， 都要进行一 次模糊化 、 模糊推理 、 去模糊化 ， 则运算十分繁琐 ， 将 占用大量 的计算机 资源并影 响系统 的实时性。 所 以可 以根据可能 出现 的 E和 E C取值 ，计算出 相应 的输 出量 ， 最后生成模糊查询表 ， 将其固化 到单 片机 中。 基 于模 糊控 制 的铅 酸蓄 电池智 能充 电 系统设 计 5充电主 电路组成 7 试 验结 果分析 要实现快速充 电，主 电路必须具备放 电功能 ， 以便去极化 ， 使蓄 电池 电流接受 曲线不断右移 。此 系统充 电主 电路采用 A C D C D C变换 电路 ， A C D C 部 分是通 过整流 变压 器将 三 相交 流 电源进 行 降 压 、 隔离 、 滤波 后得到不可控直流 电压 U 1 。D C D C 部分采用 B u ck B o o s t 电路【 5 J ， 如图 3所示 。 图 3 B u ck B o o s t D C D C可 逆 电路 当对蓄 电池进行充 电时 ， 全控器件 V Q 关断 ， 经过 全控开关器件 V Q。 、 续流二 极管 V D 和 电 感 ( 兼作 滤波 ) 组成 的 B u ck电路 ， 并 通过 控 制 V Q 通断来控制输 出电压 的大小 ， 从而控制 蓄 电池的充电电流和充 电电压。当蓄 电池需去极化 放 电时 ， V Q 关断 ， 通过控制 由 V Q ： ， L和 VD 。 所组 成 的 B o o s t电路 ， 对 电容 C 进行充 电， 将蓄 电池 去 极化 时 的能量通 过 B o o s t电路 传递 给 C ， 当去极 化结束 ， 转入充 电时。由于 c 储存有蓄 电池去极 化 时放 电的能量 ， 电容两端 电压 很高 ， 因此 C 又 通过 V Q ， V D ： 和 组 成的 B u ck电路将所储 存 的 能量释放给蓄 电池 ，当 C 电压低 于一定值后 ， 三 相不控桥式整流电路工作 ，由电网供 电通过充 电 装置向蓄 电池 组进行充 电。 为与模糊控制模 式充 电方法做 比较 ，同时采 用两阶段控制模式充 电方法进行充 电试验 。试验 用 1 2 V 9 A h V R L A蓄 电池 最大充 电电流 为 3 A。 图 5为两种充电模式下电流变 化曲线。 矗 一 ， | i t I 两 阶段 控 制模 ， j l 、 一 ， t 模 糊控 制模 式、 “ 、 t h 图 5 充电电流变化曲线图 根据 曲线可得 以下结论 ： 两阶段控制模式下 充 电时间为 6 4 h 。 模 糊控制充 电模 式下充 电时间 为 5 5 h 可见模糊控制充电模式下充 电速度更快 ； 蓄电池最大可接受电流为 3 A ， 为安全起见， 两阶 段恒流充 电的最大 充电 电流设定为 2 6 A， 而模糊 充 电控制模式下最大充 电电流将接近 3 A， 说 明模 糊控制 充电模式下具有 自动识别最大 可接 受充 电 电流的能力： 同时充电过程中监测蓄电池温度， 模糊控制充电模式下温升为 1 8 6 o C ，而两阶段恒 流模式下温 升为 2 0 6 o C。说 明模糊控制充 电模 式 下充 电效率更高。 参考 文献 1 洪志 杰 智 能充 电器 模 糊控 制 技 术 的研 究 J 微 计 算 6控 制 电路 设计 【 2 】 控制电路采用 C 0 5 4单片机 ， 通 过对蓄 电池端 电压信号 的采集 ， 分析处理 ， 模糊 推理 ， 模糊决策 【 3 】 等控制主 电路全控器件的通断 ， 来控制充 电电流。 系统总体 结构如 图 4所示。 ： 爿 ： I 等 薯 址 图 4 系 统总体 结构 5 】 机 信息 ， 2 0 0 7， 2 3 ( 8 ) ： 8 1 8 2 张 万 奎 汽 车 铅酸 蓄 电池快 速 充 电方 法 J 湖 南 理工 学 院学报 ( 自然科 学版 ) ， 2 0 0 5 ， 1 8 ( 3 ) ： 7 0 7 1 P a t r icia Me l in， Os ca r C a s t il l o I n t e l l ig e n t C o n t r o l o f C o m p l e x E l e ct r o ch e mica l S y s t e m W it h a Ne u r o -