模糊PID自调整控制的锂电池均衡研究*

张彦会，孟祥虎，肖 婷，张 斌

（1.广西科技大学 广西汽车零部件与整车技术重点实验室，广西 柳州 545006；2.广西科技大学 汽车与交通学院，广西 柳州545006）

模糊PID自调整控制的锂电池均衡研究*

张彦会1，孟祥虎1，肖 婷2，张 斌2

（1.广西科技大学 广西汽车零部件与整车技术重点实验室，广西 柳州 545006；2.广西科技大学 汽车与交通学院，广西 柳州545006）

为了实现对串联锂离子电池组进行均衡，研究了常用的均衡电路和电池均衡策略。基于模糊控制理论和传统PID控制理论，设计了一种模糊PID自适应控制的电池均衡器，用于锂电池组的电压均衡。通过MATLAB/Simulink仿真出模糊PID自适应策略和平均值法均衡策略下的电压曲线进行对比分析，结果表明，设计的模糊PID控制器均衡模块能有效降低锂电池组电压均衡的时间，均衡后的电压曲线拟合分布相对集中。

锂离子电池组；均衡策略；模糊 PID；仿真

0　引言

随着全球性能源危机和环境污染日益严重，电动汽车产业的兴起缓解了这些压力，而串联锂电池组作为电动汽车的动力源，其工作的可靠性和寿命对电动汽车是至关重要的。由于电池存在“先天和后天”的因素[1]，内部单体电池工作电压会不一致[2]，故需要对电池组内进行能量均衡。目前，各国学者对能量均衡电路和均衡策略作了研究[3]，能量均衡电路包括能量耗散式和能量转移式[4]，能量耗散式成本低但发热量大[5]；能量转移式能量利用率高，但控制逻辑电路设计复杂[6]。均衡策略[7]主要有最大值法[8]，优点是能量消耗相对较小，缺点是均衡时间较长，效率较低；平均值法[9]均衡策略适用于一部分单体电池的电压比平均值稍高，另外一部分电压比平均值稍低的情况。优点是均衡时间短，但均衡的电池数量多时，能量消耗较大；电池 SOC法[10]，通过建立电池SOC模型，对不同容量电池进行均衡。该方法控制精确，但建模过程比较复杂。本文采用一种能量转移式的均衡电路，并结合模糊逻辑控制理论[11]，提出一种自适应模糊PID均衡控制的方案。

1　均衡电路

控制策略的实现需要均衡电路为依托，本文采用的均衡电路如图1所示。虚线框为一个均衡模块，由电感L1、电容 C1、MOSFET开关管 Q1、Q2、二极管 D1、D2构成。相邻能量转移是通过电感和电容进行的。假设 VB1＞VB2，通过PWM控制Q1开启，此时电池B1、Q1、L1形成环路，给L1充能，同时 C1的能量也通过 Q1、L1、B2、C1负端形成回路给电池B2充电；当VC1与VB1相等时，断开Q1，此时D2正向导通电池 B1、C1、D2、L1二极管形成环路，同时 L1、B2、D2也形成环路。L1储存的能量转移给B1，循环上述过程，直至B1、B2电池电压达到均衡。此过程中MOSFET导通和关断时间会直接影响均衡时间，根据不同工况对通断时间进行控制，更有利于提高电池均衡的效率，基于此提出一种合理的均衡控制策略。

图1　均衡电路结构

2　自适应模糊PID均衡控制器设计

本文将经典PID控制与模糊逻辑推理系统相结合，根据流入均衡电路电流的大小对MOSFET开关时间进行控制。一方面在实现使被控对象有良好的动态、静态性能准确控制的同时，避免复杂的建模过程；另一方面通过模糊控制原理对 ΔKp、ΔKi、ΔKd在线修改。控制器结构图如图2所示。

图2　自适应模糊PID控制器结构

2.1模糊PID控制器参数计算

设计的模糊控制器为一个两输入三输出结构。VE、为输入，ΔKp、ΔKi、ΔKd为输出。其中模糊控制器的参数基本论域为VE∈[0.1，0.7]，∈[2.7，4.2]，ΔKp∈[-30，30]，ΔKi∈[-6，6]，ΔKd∈[-2，2]。模糊等级论域为[-3，3]间的整数，各变量模糊词集均为{零，小，中，大}，记为{0，S，M，B}。模糊控制器的量化因子 Ke，Kb，KΔKp，KΔKi，KΔKd由经验公式得式(4)～式(8)。

PID初始参数值可由动态特性法、衰减曲线法、Z-N经验公式法、稳定边界法计算。本文选取的是稳定边界法，可以在不需要建模的情况下，确定 PID初始参数值。计算公式如下：

本文取电池均衡控制对象传递函数为：

2.2模糊控制器隶属函数

根据电池均衡的特点，选取输入量隶属函数为高斯类型，输出量隶属函数为三角形类型，隶属函数曲线图分别如图3所示。

图3　隶属函数曲线图

2.3控制规则表

根据VB、VE的输入量关系有以下控制规则，(1)VE、较大时应使控制系统响应迅速，以尽快消除电压差，但同时要避免产生超调导致系统不稳定的现象，因此选取较大的 ΔKp，较小的 ΔKd，其中ΔKi取 0。(2)VE、中等大小时，在保持响应速度的同时，有着适中的超调。故应选择中等大小的 ΔKp，较小的 ΔKi和中等的 ΔKd。(3)VE、较小时，为了保持系统工作的稳定性，同时改善系统的动态性能，故取较大的ΔKp、中等大的ΔKi和较小的ΔKd。根据上述规则，建立控制规则如表1、表2、表3所示。

表1　ΔKp的模糊规则表

表2　ΔKi的模糊规则表

表3　ΔKd的模糊规则表

将上述的模糊规则写成 If-then语句模式。可以对应有16条模糊规则。设R为总的模糊关系，则R=R1∪R2…R15∪R16对应 ΔKp=(Ve×Vb)·R。然后用最大隶属度法进行非模糊化处理得到输出值。同理可求 ΔKi和 ΔKd的模糊关系。

3　仿真分析

用MATLAB/Simulink对两节电池建立均衡的模型，如图4、图5所示。电池模型的选取为Simulink库中的集成模块，B1和B2的SOC分别设为95%和 90%（即V1= 3.9 V，V2=3.6 V），电感 L1=100 μH，电容 C1=500 μF，MOSFET管 Q1、Q2，二极管 D1、D2为默认值。其中 PWM封装系统，可以根据模糊控制器输出的电流大小进行逻辑运算产生不同占空比的方波对 MOSFET的通断进行控制，S函数模块为MOSFET管选择开关。采用模糊PID控制器进行均衡时，电压均衡曲线如图6所示。采用平均值法进行均衡的电压均衡曲线如图7所示。对比两种情况下的仿真曲线。模糊PID控制时电压达到一致时约为1.4 ms，平均值法控制电压达到一致时约为1.7 ms。是由于模糊PID控制采用输出的MOSFET频率是可变的，平均值法采用输出的 MOSFET频率是不变的，前者能更适应实际的均衡工作过程；从均衡后电压曲线效果上模糊PID控制的均衡电压曲线拟合情况良好，而平均值法继续均衡时电压曲线拟合度相对较差。

图4　模糊PID控制的电池均衡电压仿真图

图5　PID封装系统结构图

4　结论

电池均衡策略对于电池均衡效果有着重要的作用，本文采用模糊系统与传统 PID控制相结合的方法，设计了一种模糊PID控制的电池均衡模块，MATLAB/Simulink仿真电池均衡电压曲线对比得出。

图6　模糊PID控制电压均衡曲线

图7　平均值法控制电压均衡曲线

模糊PID控制的电池均衡时间上优于平均值法均衡控制的时间；从均衡后的电压曲线拟合效果上，模糊PID控制均衡的效果上优于平均值法均衡。

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Equilibrium research on fuzzy PID and self－adjusting control for lithium battery

Zhang Yanhui1，Meng Xianghu1，Xiao Ting2，Zhang Bin2
(1.Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006,China；2.Department of Automotive Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

The common used equalization circuits and battery equalization strategies are studied for the balance of serial lithium－ion batteries.Based on the theory of fuzzy control and traditional PID control,a battery equalizerfor lithium battery voltage balancing is designed.Compared voltage curves under the fuzzy PID strategy with the equilibrium strategy by the MATLAB/Simulink，the result shows that equalization module based on fuzzy PID controllercan reduce the time of the lithium－ion batteries voltage equalization.At end of equilibrium,the distribution of the voltage curves is more concentrated.

lithium－ion batteries；equilibrium strategy；fuzzy PID control theory；simulation

TM911

A

10.16157/j.issn.0258－7998.2015.10.033

广西自然科学基金资助项目（2011GXNSFA018033）；广西重点实验室开放课题基金 （2014KFZD02）

（2015-06-04）

张彦会（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向：汽车动力学和汽车电子控制技术。

孟祥虎（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：汽车电子控制技术。

肖婷（1988-），女，硕士研究生，主要研究方向：汽车电子控制技术。

中文引用格式：张彦会，孟祥虎，肖婷，等.模糊PID自调整控制的锂电池均衡研究[J].电子技术应用，2015，41(10)：123－125，132.

英文引用格式：Zhang Yanhui，Meng Xianghu，Xiao Ting，et al.Equilibrium research on fuzzy PID and self－adjusting control for lithium battery[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：123－125，132.