基于PSO算法的蓄電池充電研究

趙漢璞 車軍 王彩蕓

摘要：為改善充電控制系統的性能，引入PSO算法嵌套模型得出優化后PI控制器參數，利用Simulink建立起控制系統與主電路模型，并在該模型中引入傳統PI參數和PSO算法優化后的PI參數，然后充電啟動并進行負載仿真試驗，以此來充分分析充電時的蓄電池各項性能指標。試驗表明：使用PSO算法優化的PI控制器后，蓄電池在啟動過程和負載投入過程中，達到目標電流的時間更短、擾動更小。所以，使用PSO算法優化后的P1控制器，蓄電池充電曲線擾動更小，響應速度更快。

關鍵詞：蓄電池;PT控制器;PSO算法

中圖分類號：TM912文獻標志碼：A

0引言

隨著電池材料的不斷更新，工業領域中涌現出大批具有良好低溫性能、高能量密度、高穩定性蓄電池產品，比如在動車、地鐵中使用較多的鉛酸蓄電池與鎳鎘蓄電池等。隨著蓄電池技術迅速進步，與之對應的充電技術也得到快速發展，不僅使蓄電池充電效率和性能大幅度提升，同時也有效延長了蓄電池使用壽命。蓄電池充電過程極其復雜，因此要想確保蓄電池充電過程的安全效率，就必須選擇科學合理的充電控制方法。PT控制不但算法可靠簡單，同時具有設計便捷、廣適應性等優勢，目前這種控制方法已得到極其廣泛的應用。然而在構建數學模型時，通常需要引入數學手段簡化系統拓撲結構，再結合理論計算最終確定其參數值，該方法所得數據還需要結合實際工程來不斷修改與調試方能使用。為此，本論述提出一種根據PsO算法的參數整定方法，以此來優化由傳統方法得出的PI控制器參數，并將其應用到蓄電池充電系統控制中。實驗表明：使用PSO算法優化后的PI控制器可以使蓄電池充電曲線更加理想。

1充電系統分析

動車組蓄電池充電系統主電路分為五部分，分別是：整流模塊、逆變模塊、高頻變壓模塊、輸出整流器模塊以及濾波模塊。三相不控整流模塊主要用于將380V三相輸入電壓整流為較高電壓等級的直流電;高頻逆變電路是利用單相IGBT全橋逆變器來實現直流電壓高頻斬波，并通過四個IGBT的輪流切換在高頻變壓器原邊形成高頻矩形交變電壓，經變壓處理后輸入一個二次整流模塊，最終產生110V直流電壓，實現蓄電池充電。整個充電過程的控制主要依托PWM脈寬調制來實現對輸出電壓的調節，詳情如圖1所示。

2控制系統數學建模

動車組蓄電池充電系統中包含有二極管、可控器件等非線性時變系統，要對其進行數學建模難度很大，往往會通過小信號模型分析來對其非線性時變系統做近似線性化的處理，獲得變換器的小信號線性動態模型。在本課題中充電系統主電路變流環節屬于全橋變換器拓撲結構，所以其歸根結底屬于Buck變換器中的一類。

根據文獻[7]可以推導出全橋變換器的s域小信號等效電路圖，如圖2所示。

在MATLAB中建立simulink仿真模型，編譯經過PSO優化PT參數程序，運行仿真模型，并通過模型嵌套等其他操作調用PSO優化程序，得到kp、Ki以及系統性能指標變化曲線，由運行結果可知，系統kp=0.13，K=19.86，ITAE=0.055，優化參數與指標函數ITAE的數值呈反相關關系。

4蓄電池充電優化控制仿真分析

結合前文分析可知，充電機采用先恒流后恒壓的方式為蓄電池充電，恒流充電用于第一階段，確保蓄電池在充電過程中維持96A電流，處于陜速充電狀態當蓄電池電壓增至目標電壓值時，蓄電池充電方式更換為恒壓充電，此過程為浮充充電，直到充滿整個電池。控制器在恒流和恒壓階段控制蓄電池的原理是一致的，但相比之下，分析恒流階段更具實踐價值，因此本論述也只對恒流階段的充電予以關注。

4.1運行過程仿真分析

進行啟動過程仿真試驗時，采用兩組試驗進行對比分析。第一組試驗采用傳統方法得到的PT控制器，第二組試驗采用PSO算法優化后的PT控制器。兩組數據分別作用于搭建好的仿真充電系統中如圖1所示，運行主電路給蓄電池充電，查看在不同控制器作用下，蓄電池在啟動過程以及負載投入過程的狀況。

從圖4可以看出，采用傳統PT控制器，蓄電池啟動過程的電流波動較大，電流最大達到110.7A，且波動時間較長，在8.2s時，電流穩定在96A。系統中加入5A負載，充電電流的擾動較大，且擾動時間長，經過3.97s才穩定下來。采用經過PSO算法調節的PT控制器，蓄電池的充電曲線波動小了很多，且電流最大值為105.8A，電流的穩定時間為7.7s。在系統中加入5A負載后，系統的擾動較小，且擾動時間短，經過3.2s就穩定下來，性能明顯提升。

4.2實驗分析

從以上試驗中，可以得出PSO算法優化后的PI控制器具有更好的控制精度、更少的控制時長和更好的抗干擾能力。在粒子群算法優化控制方案下，蓄電池充電系統具有良好的動態響應速度和穩態響應精度。故基于PSO算法優化后的PI控制器整體性能要優于傳統的PT控制器。

5結論

本論述以蓄電池為研究對象，以提高充電速率及穩定性為研究目標，提出了基于PSO算法的PI控制器對蓄電池充電過程進行控制。通過計算機仿真進行了蓄電池啟動試驗和負載投入試驗，對PSO算法優化后的PI控制器和傳統的PT控制器的控制效果進行對比研究。研究結果表明，本論述提出的經過PSO算法優化后的PI控制器具有控制精度好、抗干擾能力強的優點，具有較高的工程應用價值。