基于模糊PID的車載充電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 電氣工程及自動化學院，焦作 454000）

0 引言

隨著能源匱乏與環境污染日益嚴重，電動汽車（Electric vehicles，EV）因其高效、無污染優勢，迅速得到推廣[1,2]。DC/DC變換器作為車載充電機的關鍵能量轉換部分直接影響其運行效率。傳統的零電壓開關（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）和開關管的結電容或并聯電容實現零電壓開關[3]。但存在導通損耗大和軟開關范圍受限等問題[4,5]。常規PID控制結構簡單、易實現，但在車載充電系統參數變化或負載擾動情況下，控制效果不理想，且超調量過高。

單一的恒壓或恒流充電容易產生過充現象。且當恒流充電切換到恒壓充電時，會出現充電電流斷續現象[6]。文獻[7]提出了五階段充電策略，延長了電池充電壽命，解決了欠充問題。但少有文獻解決階段充電切換過程中的充電電流斷續問題。文獻[8]指出該問題并提出通過比較調節量來投切的切換機制，但其仿真結果有待改進。

為此，設計了新型ZVS PWM PSFB DC/DC變換器，實現寬范圍的軟開關，并提出恒流恒壓切換充電控制策略，當切換到恒壓充電模式時采用模糊PID控制，既確保充電電流連續，又提高控制體系對擾動和參數變化的魯棒性。

1 車載充電電源DC/DC變換器

1.1 車載充電電源拓撲

車載充電電源應用最廣泛拓撲的是具有功率因數校正的DC/DC變換器，如圖1所示。AC/DC變換器為升壓型，能實現功率因數校正，提高系統功率密度。高壓直流與低壓電池組之間通過DC/DC變換器給電池組充電[9,10]。

圖1 車載充電機拓撲

1.2 DC/DC變換器主電路拓撲

根據車載充電電源的應用需要，設計了一種新型帶箝位二極管的ZVS移相全橋拓撲。如圖2所示，輸入電壓為Vin，采用MOSFET組成全橋開關管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，采用MOSFET組成SR管Q5和Q6，降低了整流管的導通損耗；Lf和Cf形成輸出濾波器，變壓器的變比為n。

圖2 新型ZVS PWM全橋變換器拓撲

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：開路電壓Vcc，電池內阻Re、極化電阻Rp和極化電容Cp。此時，負載的等效阻抗為：

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充現象又減小了析氣量[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，標稱電壓為3.2V。磷酸鐵鋰電池在快達到3.65V時，充電電壓會快速上升，出現上翹現象，這校很容易達到過充保護電壓。為此，采用CC-CV充電方式，當恒流充電模式電池電壓升至3.65V時，切換到恒壓充電模式。充電電流隨時間下降，當電流下降至一定數值時，即可停止充電，即可避免電壓過充現象。

2.3 主電路小信號分析

PSFB DC/DC變換器可由Buck電路變換而來，主要區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De的擾動為：

其中，Rd=4n2Lrfs。

輸出電流對De的擾動為：

可得全橋變換器小信號模型如圖5所示。

圖5 全橋變換器小信號模型

由圖5可得控制對輸出電壓傳遞函數為：

控制對輸出電流傳遞函數為：

3 恒流恒壓切換充電控制策略分析

3.1 控制系統結構

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PI控制器后得到調制信號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，誤差經模糊PID控制器后得到調制信號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阻小，充電電流Io較大，此時WCC＜WCV，進入恒流模式充電。當電壓上升至電參考值Vref時，WCV＜WCC，進入恒壓模式充電，充電機的充電電流不斷下降，直至充電結束。

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，其傳遞函數為：

此時整個系統的開環傳遞函數為：

代入相關參數后，根據控制系統對開環頻率特性要求，求得PI系數為Kpi=0.546，Kii=10900。圖7給出電流開環傳遞函數補償前和補償后的bode圖。補償前的開環截止頻率遠大于開關頻率，且開環幅頻特性以-40dB/dec穿過零分貝線，系統非常不穩定。經補償后，開環幅頻特性以-20dB/dec穿過零分貝線，截止頻率10.22kHz，在1/5～1/10開關頻率區間內，相角裕度為164°，系統穩定。

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，為負載提供可變的充電電流，以維持恒定的負載電壓，確保充電電流連續。

圖7 電流開環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，依次經過模糊化、模糊推理、解模糊和輸出量化等過程，依據PID參數調整經驗和誤差逐級逼近原則，建立ΔKp、ΔKi、ΔKd的控制規則對PID進行在線調整。

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控制器參數需要調整的量。設輸入輸出變量基本論域為[-n，n]。依據系統實際運行的動態范圍[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{負大NB，負中NM，負小NS，零ZR，正小PS，正中PM，正PB}，隸屬度函數均采用三角形隸屬函數trimf。

根據模糊控制規則的基本思想，并結合充電過程的經驗進行分析、歸納，建立磷酸鐵鋰電池充電的ΔKp、ΔKi、ΔKd的控制規則，以ΔKp為例，如表1所示。

表1 模糊控制規則表

PID控制參數調整量為Kp=Kp0+ΔKp，Ki=Ki0+ΔKi，Kd=Kd0+ΔKd，其中，Kp0、Ki0、Kd0為PID參數的初值，Kp、Ki、Kd為整定好的PID參數。則系統實際控制輸出為：

模糊推理方法采用Mamdani運算，本文采用重心法去模糊并通過離線計算制成控制量查詢表，實現參數在線自整定。

4 仿真結果

設計了一個車載電源PSFB DC/DC變換器，其基本的參數如表2所示。并建立了仿真模型。為了提高系統的控制精度，設計誤差大于6V時為正大，取電壓誤差e論域為[-6，6]，量化因子K1=1.644。電壓誤差變化率Δe，論域為[-3，3]，量化因子K2=75。輸出控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd論域為[-6，6]，比例因子PK（m）分別1，1，0.5。初始PID參數分別取Kp0=0.03，Ki0=300，Kd0=1.6×10-7，輸出電壓參考值為12V。

表2 DC/DC變換器的設計參數

為驗證上述參數的有效性，圖9給出模糊PID與常規PID控制的階躍響應曲線對比圖。在模糊PID控制下，系統輸出電壓超調量低于10%，調節時間低于0.1ms，響應速度更快速、更平穩，抗干擾能力強，使系統具有很好跟隨性、穩定性和魯棒性。

圖9 模糊PID與常規PID的階躍響應曲線

圖1 0為電池恒流恒壓充電波形，負載采用12V/20Ah的磷酸鐵鋰電池模型，在恒流階段，電流迅速上升，充電進入30A恒流充電階段，當檢測到輸出電壓到達預設值12V后，切換到恒壓充電階段。可以看到：恒流、恒壓兩個階段控制穩定，以及切換過渡階段平滑，避免了電壓過充問題，保證了電流的連續性，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 實驗驗證

根據車載充電DC/DC變換器的設計需求和仿真結果搭建了實驗平臺，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在額定負載和1/3額定負載時驅動電壓VGS和漏源極電壓VDS波形，圖中可以看到Q3在額定負載和1/3額定負載輸出條件下，均可以實現零電壓軟開關，即實現了寬范圍的軟開關，降低了開關管的導通損耗。

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

圖11 不同負載時滯后管Q3的ZVS情況

圖12 負載突變時輸出電壓與電流波形

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

6 結論

圖13 不同輸入電壓下負載與效率的關系

針對電動汽車車載充電電源的核心部分DC/DC變換器存在的問題，設計了車載充電電源PSFB DC/DC變換器。實現了寬范圍的軟開關，降低了開關管的導通損耗。采用恒流恒壓切換充電控制策略，當切換到恒壓充電模式時采用模糊控制PID控制，保證充電電流的連續性，避免了過充現象，并提高了系統的穩定性、魯棒性和抗干擾能力。經過仿真和實驗表明在10%～100%額定負載范圍內，系統效率都在95%以上，滿足車載充電電源的應用需求。