電動汽車車載充電系統(tǒng)集成設(shè)計及模糊控制

鄧元望，文 濱，周 帥，尹 亮

(湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，湖南長沙410082)

電動汽車車載充電系統(tǒng)集成設(shè)計及模糊控制

鄧元望，文 濱，周 帥，尹 亮

(湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，湖南長沙410082)

為了滿足車載充電系統(tǒng)小型、快速、智能化的要求，用Matlab模糊控制工具箱設(shè)計了基于模糊邏輯的電動汽車車載充電系統(tǒng)，提出了一種帶模糊控制的脈沖充電法，電流可以很好地逼近蓄電池可接受充電電流曲線，減弱了蓄電池充電極化的影響。主電路采用隔離型DC/DC全橋高頻變換器，減少了車載充電系統(tǒng)的體積；控制部分采用雙輸入單輸出的模糊控制器，在充電過程中實時動態(tài)跟蹤蓄電池可接受充電電流曲線，有效防止蓄電池過充和過熱等問題，極大地提高充電效率。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的電動汽車車載充電系統(tǒng)能對整個充電過程進行最優(yōu)控制，充電快速、效率高，完全滿足充電系統(tǒng)的性能要求。

電動汽車；車載充電系統(tǒng)；模糊控制；脈沖充電

電動汽車車載充電系統(tǒng)設(shè)計是電動汽車大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的組成部分，如何實現(xiàn)對車用蓄電池快速智能無損充電是電動汽車投入市場前必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。傳統(tǒng)充電技術(shù)沒有采取動態(tài)跟蹤電池的實際可接受充電電流，造成欠充、過充等問題，對蓄電池壽命影響很大。同時由于蓄電池的充電過程是一個十分復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，因此，對于這樣一個多變量、非線性、強耦合的控制對象，很難從它的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，設(shè)計一個穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能合乎要求的控制器[3-4]。

本文采用模糊控制技術(shù)，拋開對電池模型的具體研究，通過對電池充電過程的電壓、電流、溫度反饋值來判斷蓄電池最大可接受充電電流的大小，并運用脈沖充電法[5-7]，實現(xiàn)高效智能無損的充電。

1 車載充電系統(tǒng)集成總體機構(gòu)設(shè)計

圖1 車載充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)電動汽車電能供給的典型方式以及充電系統(tǒng)的要求，本文設(shè)計的車載充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路采用交流-直流-交流-直流的設(shè)計結(jié)構(gòu)，首先220 V交流電經(jīng)過輸入整流濾波模塊后變?yōu)?80 V的直流電，然后經(jīng)過DC/DC全橋變換器得到交流的方波電壓，最后通過變壓器變比以及輸出整流濾波模塊得到滿足蓄電池充電要求的直流電。控制部分通過對蓄電池端電壓、電流信號的采集，由模糊控制器輸出下一時刻最大允許充電電流，將此值傳送給DSP控制器，由DSP控制PWM波的占空比來調(diào)節(jié)下一脈沖值的大小。考慮到車載充電系統(tǒng)的安全性，整個控制部分還包括了對電流、電壓、溫度的實時顯示。

2 車載充電系統(tǒng)主電路設(shè)計

DC/DC變換部分是車載充電系統(tǒng)主電路的關(guān)鍵部分，同時也是難點所在。整機充電性能的好壞很大程度上取決于該變換部分。該部分如圖2所示，主要包括變換器拓撲結(jié)構(gòu)的選擇、功率管的選擇、高頻變壓器的設(shè)計以及整流濾波回路的設(shè)計。

(1)逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)的選擇

開關(guān)電源的主要拓撲結(jié)構(gòu)有正激、反激、全橋、半橋、推挽五種拓撲結(jié)構(gòu)。其中正激、反激、推挽適應(yīng)于各種中、小功率電源；而半橋雖可以應(yīng)用于大功率電源，但相對于全橋變換效率較低；全橋變換電路容易實現(xiàn)零電壓移相控制，是目前應(yīng)用最廣的軟開關(guān)電路，僅僅增加幾個諧振器件，就能使電路中的開關(guān)管在零電壓的條件下開通關(guān)斷。

(2)功率管的選擇

目前智能充電系統(tǒng)中基本都選擇IGBT管作為開關(guān)元件，因此，根據(jù)本文所設(shè)計的車載充電系統(tǒng)的要求，選擇IGBT管作為開關(guān)器件構(gòu)成系統(tǒng)的逆變電路，實現(xiàn)對智能快速充電的控制。經(jīng)過對目前市場上主要使用的幾款I(lǐng)GBT參數(shù)的綜合分析，選擇三菱公司的CT60AM-20快速型IGBT模塊，它非常適合高速開關(guān)電路，耐高壓1 000 V，允許最大電流60 A。

(3)高頻變壓器的設(shè)計

變壓器作為開關(guān)電源不可缺少的磁性元件，對整個車載充電系統(tǒng)的正常工作有很重要的影響。本文設(shè)計的變壓器輸入原邊電壓Uin為240 V，輸出副邊電壓Uout為168 V。具體計算如下：

初級繞組匝數(shù)：

式中：D為變壓器最大占空比；fs為開關(guān)頻率；N1為初級繞組匝數(shù)；Bm為磁芯工作磁感應(yīng)強度；Ae為磁芯有效截面積。在實際選擇中確定初級繞組匝數(shù)為8匝。

次級繞組匝數(shù)：

式中：n為初級繞組與次級繞組的匝數(shù)比；N2為次級繞組匝數(shù)，實際設(shè)計中選取6匝。

3 充電方法選擇

傳統(tǒng)的恒流、恒壓充電技術(shù)無法動態(tài)跟蹤電池的實際可接受充電電流的大小，難以滿足車載蓄電池組的充電要求。本文選擇快速脈沖充電法，如圖3所示，它可以使電池充電電流始終處于電池可接受最大充電電流值附近，使電池幾乎在無氣體析出的條件下充電延長電池使用壽命。目前，脈沖式快速充電方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

圖3 脈沖式充電曲線

脈沖充電法的原理是利用電池暫停充電的休息時間使電解液進行平衡，以增加反應(yīng)的完整性。脈沖充電法在充電期間的一段停止充電時間內(nèi)，電池內(nèi)的電解液可以獲得均勻的擴散，電池得到的電能充分轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而不是大部分以熱能的形式散發(fā)出去，故其充電效率比傳統(tǒng)的充電方法更高。帶有放電脈沖的充電法，在停充期間進行一次放電脈沖可以消除極板的氣泡，降低內(nèi)阻，提高電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率。

4 充電模糊控制器的設(shè)計

模糊控制器是智能車載充電系統(tǒng)的控制核心，而模糊控制規(guī)則表的制定又是整個模糊控制器的核心。一般來說，每個模糊控制器有3個主要的功能模塊：模糊化模塊、清晰化模塊(反模糊化模塊)、模糊推理模塊。針對本文的車載蓄電池參數(shù)，設(shè)計的充電模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 充電模糊控制器結(jié)構(gòu)

4.1 模糊輸入和輸出量的選取

鋰離子電池組中的單個電池由于使用條件的不同會存在個體差異，但是單個電池在充電過程中電壓的上升快慢趨勢是相差不大的，同時當電池電壓越接近最大額定電壓時，電池的溫度上升速度越快，這樣對電池的傷害也非常大。因此如果使電池電流按照最大可接受充電電流特性曲線變化，那么充電就可以達到最佳，最大程度地減少對電池的傷害，同時縮短充電時間。根據(jù)這一特點，設(shè)定模糊控制器的輸入分別為連續(xù)兩次電壓檢測值的變化率du/dt和電池理想的最高額定電壓與測量得到實際電壓值之差dv，而輸出值為脈沖充電電流的變化量di。

4.2 模糊語言變量及隸屬函數(shù)的選取

因為在充電時蓄電池電壓隨著充電的進行呈逐漸上升的趨勢，所以蓄電池實測電壓值與電池理想的最高額定電壓之差dv的模糊語言變量選為dv={ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)，PVB(正非常大)}。根據(jù)鋰離子電池充電曲線和本文車載蓄電池組參數(shù)技術(shù)資料，充足電時單個電壓一般在3.9～4.2 V，鋰離子電池放電后電壓到2.5 V左右時，認為電池已經(jīng)放完電，而需要進行充電。因此確定dv基本論域為[0，60]。量化論域選擇(0,1,2,3,4,5,6)，量化因子Kdv=7/60。

同樣，根據(jù)鋰電池組充電電壓的變化情況，分析它的最大變化率為6.09×10－4V/s，因此電壓變化率du/dt的基本論域為[0，6.09]，它的模糊語言變量選為{ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}。量化論域也選擇為(0,1,2,3,4,5,6)，量化因子Kdu/dt=7/6.09。

輸出電流變化量基本論域定為[0.01C，0.1C](C為蓄電池額定容量)，量化論域選擇(－3，－2，－1，0，1，2，3)，輸出電流變化量的語言變量選擇di={NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，比例因子Kdi=7/0.09C。在這里選擇輸入、輸出都采用三角形隸屬函數(shù)trimf：

式中：a、c分別為對應(yīng)三角形下部左右的兩個頂點，b為對應(yīng)三角形上部的頂點。

其隸屬函數(shù)圖形如圖5所示。

圖5 隸屬函數(shù)

語言變量賦值分別如表1、表2、表3所示。

4.3 反模糊化及模糊控制查詢表的建立

通過對鋰離子蓄電池充電曲線的分析可知，當電壓測量值與理想電壓最大值相差較大時，蓄電池電壓上升不大，因此可以制定規(guī)則為：當兩者差值較大時，可以適當增大充電電流；兩者差值較小時，應(yīng)適當減少充電電流。如果電壓變化率過大，表明蓄電池析氣量增大，就應(yīng)該減少充電電流。采用重心法進行反模糊化：

表1d/d的語言變量賦值變量0 1 2 3 4 5 6 P S 0 0 . 3 0 . 7 1 0 . 3 0 0 P B 0 0 0 0 0 0 . 3 1 Z E 1 0 . 7 0 . 3 0 0 0 0 P M 0 0 0 0 0 . 7 0 . 7 0

變量 0 1 2 3 4 5 6表2d的語言變量賦值P S 0 0 . 2 0 . 8 0 0 0 0 Z E 1 0 . 8 0 0 0 0 0 P M 0 0 0 . 2 1 0 . 2 0 0 P B 0 0 0 0 0 . 8 0 . 8 0 P V B 0 0 0 0 0 0 . 2 1

表3d的語言變量賦值變量 －3 －2 －1 0 1 2 3 N M 0 . 8 1 0 . 7 0 .3 0 0 0 P M 0 0 0 0 0 . 7 1 0 . 7 N B 1 0 . 7 0 . 3 0 0 0 0 N S 0 . 2 0 . 6 1 0 .7 0 . 2 0 0 Z E 0 0 0 . 5 1 0 . 5 0 0 P S 0 0 0 0 .5 1 0 . 7 0 . 3 P B 0 0 0 0 0 . 3 0 . 8 1

得到的充電模糊控制查詢表如表4所示。只需將模糊控制規(guī)則固化到程序存儲器里，通過DSP查表的方法，在充電過程中進行微調(diào)，即可控制充電脈沖電流值的大小。

表4 充電模糊控制查詢

5 車載充電系統(tǒng)的建模與仿真

使用Matlab/Simulink軟件對整個充電過程建立了系統(tǒng)仿真模型，并對結(jié)果進行分析。

5.1 主電路仿真模型的建立

根據(jù)前文對車載充電系統(tǒng)的主電路設(shè)計，具體仿真參數(shù)如下：輸入電壓為220 V交流單相市電；電池模型采用Matlab自帶模型，選擇鋰離子電池，額定電壓48 V、容量10 Ah；開關(guān)器件頻率80 kHz；交流側(cè)、直流側(cè)電感都為1 mH。整個主電路仿真模型如圖6所示。

5.2 模糊控制仿真模型

利用Matlab/Simulink仿真軟件中的Fuzzy Logic Toolbox模糊控制模塊，建立模糊控制仿真模型如圖7所示。

5.3 仿真結(jié)果波形分析

圖8為前級整流輸出電壓波形圖，由圖8可以看出此電壓波形脈動值非常小，在整個充電過程中電壓可以保持在380 V左右。

圖6 主電路仿真模型

圖7 模糊控制仿真模型

圖8 前級整流輸出電壓波形

圖9為變壓器原變電壓波形圖，也就是經(jīng)逆變器逆變后的交流方波電壓，此波形與前文變壓器實際設(shè)計的波形相當吻合。

圖9 變壓器原變電壓波形

圖10和圖11為4個IGBT管的驅(qū)動脈沖波形圖，仿真采取的是PWM雙極性控制方式，四個開關(guān)管中前橋臂Q1與Q3為互補導(dǎo)通，后橋臂Q2和Q4也為互補導(dǎo)通，斜對角開關(guān)管同時導(dǎo)通與關(guān)斷。

圖10 Q1和Q3管驅(qū)動脈沖

圖11 Q2和Q4管驅(qū)動脈沖

圖12和圖13分別為蓄電池充電電流和電壓波形。充電電流為脈沖電流，隨著充電的進行，脈沖電流值有所減少，可以很好地與蓄電池最大可接受充電電流曲線相吻合。充電電壓維持在50 V且紋波很小，可以很好地滿足蓄電池的充電要求。

圖12 蓄電池充電電流波形

圖13 蓄電池充電電壓波形

6 結(jié)論

(1)根據(jù)蓄電池充電特性，本文采用基于模糊控制的脈沖式充電法，拋開了對蓄電池具體數(shù)學(xué)模型的分析，在該充電模式下，充電電流可以根據(jù)蓄電池的充電狀態(tài)實時調(diào)整，實現(xiàn)智能化、快速化充電。

(2)根據(jù)系統(tǒng)主電路和控制電路的設(shè)計，以48 V/10 Ah鋰電池為充電對象搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明設(shè)計的車載充電系統(tǒng)是合理可行的。

[1]胡驊,宋慧.電動汽車[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2]聶昕,毛永志.電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè), 2006(10):37-42.

[3]NING L.An economical single stage battery charger with power factor correction[J].IEEE,2003(2):760-763.

[4]高田,景占榮,王琪.蓄電池快速充電模糊控制技術(shù)的研究[J].計算機仿真,2006(10):58-6l.

[5]杜娟娟,裴云慶,王兆安.電動車鉛酸蓄電池的脈沖快速充電設(shè)計[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2005,8(3):28-31.

[6]CHIU H J.A rapid charger of lead-acid batteries with energy recovery[J].IEEE,2003(2):756-759.

[7]汪根華.大功率智能型充電機的研究與應(yīng)用[D].鄭州：河南大學(xué),2004.

Integration design and fuzzy control of vehicular charging system for electric vehicle

DENG Yuan-wang,WEN Bin,ZHOU Shuai,YIN Liang
(College of Mechanical and Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

In order to meet the small,fast,intelligent requirements for vehicle charging system,the charging system of electric vehicle based on fuzzy logic was designed by using Matlab fuzzy control toolbox.A pulse charging method with fuzzy control was put forward,the current can well approach acceptable charging current curve,weakening the influence of battery charging polarization.The isolated DC/DC full bridge high-frequency converter was adopted in main circuit, reducing the charging system volume; the fuzzy controller with double inputs and one output was adopted in control part,so that the acceptable charging current curve could be real-time and dynamically tracked during the charging, effectively preventing the overcharging and overheating and greatly improving the charging efficiency.The simulation results show that designed electric vehicle charging system with fast charging and high efficiency can realize the optimal control for the whole charging process,fully meeting the performance requirements for the charging system.

electric vehicle;vehicular charging system;fuzzy control;pulse charging

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1722-04

2015-01-15

鄧元望(1968—)，男，湖南省人，工學(xué)博士，主要研究方向為電動汽車充電系統(tǒng)。