基于PSO算法的蓄电池充电研究

赵汉璞 车军 王彩芸

摘要：为改善充电控制系统的性能，引入PSO算法嵌套模型得出优化后PI控制器参数，利用Simulink建立起控制系统与主电路模型，并在该模型中引入传统PI参数和PSO算法优化后的PI参数，然后充电启动并进行负载仿真试验，以此来充分分析充电时的蓄电池各项性能指标。试验表明：使用PSO算法优化的PI控制器后，蓄电池在启动过程和负载投入过程中，达到目标电流的时间更短、扰动更小。所以，使用PSO算法优化后的P1控制器，蓄电池充电曲线扰动更小，响应速度更快。

关键词：蓄电池;PT控制器;PSO算法

中图分类号：TM912文献标志码：A

0引言

随着电池材料的不断更新，工业领域中涌现出大批具有良好低温性能、高能量密度、高稳定性蓄电池产品，比如在动车、地铁中使用较多的铅酸蓄电池与镍镉蓄电池等。随着蓄电池技术迅速进步，与之对应的充电技术也得到快速发展，不仅使蓄电池充电效率和性能大幅度提升，同时也有效延长了蓄电池使用寿命。蓄电池充电过程极其复杂，因此要想确保蓄电池充电过程的安全效率，就必须选择科学合理的充电控制方法。PT控制不但算法可靠简单，同时具有设计便捷、广适应性等优势，目前这种控制方法已得到极其广泛的应用。然而在构建数学模型时，通常需要引入数学手段简化系统拓扑结构，再结合理论计算最终确定其参数值，该方法所得数据还需要结合实际工程来不断修改与调试方能使用。为此，本论述提出一种根据PsO算法的参数整定方法，以此来优化由传统方法得出的PI控制器参数，并将其应用到蓄电池充电系统控制中。实验表明：使用PSO算法优化后的PI控制器可以使蓄电池充电曲线更加理想。

1充电系统分析

动车组蓄电池充电系统主电路分为五部分，分别是：整流模块、逆变模块、高频变压模块、输出整流器模块以及滤波模块。三相不控整流模块主要用于将380V三相输入电压整流为较高电压等级的直流电;高频逆变电路是利用单相IGBT全桥逆变器来实现直流电压高频斩波，并通过四个IGBT的轮流切换在高频变压器原边形成高频矩形交变电压，经变压处理后输入一个二次整流模块，最终产生110V直流电压，实现蓄电池充电。整个充电过程的控制主要依托PWM脉宽调制来实现对输出电压的调节，详情如图1所示。

2控制系统数学建模

动车组蓄电池充电系统中包含有二极管、可控器件等非线性时变系统，要对其进行数学建模难度很大，往往会通过小信号模型分析来对其非线性时变系统做近似线性化的处理，获得变换器的小信号线性动态模型。在本课题中充电系统主电路变流环节属于全桥变换器拓扑结构，所以其歸根结底属于Buck变换器中的一类。

根据文献[7]可以推导出全桥变换器的s域小信号等效电路图，如图2所示。

在MATLAB中建立simulink仿真模型，编译经过PSO优化PT参数程序，运行仿真模型，并通过模型嵌套等其他操作调用PSO优化程序，得到kp、Ki以及系统性能指标变化曲线，由运行结果可知，系统kp=0.13，K=19.86，ITAE=0.055，优化参数与指标函数ITAE的数值呈反相关关系。

4蓄电池充电优化控制仿真分析

结合前文分析可知，充电机采用先恒流后恒压的方式为蓄电池充电，恒流充电用于第一阶段，确保蓄电池在充电过程中维持96A电流，处于陕速充电状态当蓄电池电压增至目标电压值时，蓄电池充电方式更换为恒压充电，此过程为浮充充电，直到充满整个电池。控制器在恒流和恒压阶段控制蓄电池的原理是一致的，但相比之下，分析恒流阶段更具实践价值，因此本论述也只对恒流阶段的充电予以关注。

4.1运行过程仿真分析

进行启动过程仿真试验时，采用两组试验进行对比分析。第一组试验采用传统方法得到的PT控制器，第二组试验采用PSO算法优化后的PT控制器。两组数据分别作用于搭建好的仿真充电系统中如图1所示，运行主电路给蓄电池充电，查看在不同控制器作用下，蓄电池在启动过程以及负载投入过程的状况。

从图4可以看出，采用传统PT控制器，蓄电池启动过程的电流波动较大，电流最大达到110.7A，且波动时间较长，在8.2s时，电流稳定在96A。系统中加入5A负载，充电电流的扰动较大，且扰动时间长，经过3.97s才稳定下来。采用经过PSO算法调节的PT控制器，蓄电池的充电曲线波动小了很多，且电流最大值为105.8A，电流的稳定时间为7.7s。在系统中加入5A负载后，系统的扰动较小，且扰动时间短，经过3.2s就稳定下来，性能明显提升。

4.2实验分析

从以上试验中，可以得出PSO算法优化后的PI控制器具有更好的控制精度、更少的控制时长和更好的抗干扰能力。在粒子群算法优化控制方案下，蓄电池充电系统具有良好的动态响应速度和稳态响应精度。故基于PSO算法优化后的PI控制器整体性能要优于传统的PT控制器。

5结论

本论述以蓄电池为研究对象，以提高充电速率及稳定性为研究目标，提出了基于PSO算法的PI控制器对蓄电池充电过程进行控制。通过计算机仿真进行了蓄电池启动试验和负载投入试验，对PSO算法优化后的PI控制器和传统的PT控制器的控制效果进行对比研究。研究结果表明，本论述提出的经过PSO算法优化后的PI控制器具有控制精度好、抗干扰能力强的优点，具有较高的工程应用价值。