基于模糊PID的车载充电DC/DC变换器控制策略研究

郑 征，秦熙东，陶海军

（河南理工大学 电气工程及自动化学院，焦作 454000）

0 引言

随着能源匮乏与环境污染日益严重，电动汽车（Electric vehicles，EV）因其高效、无污染优势，迅速得到推广[1,2]。DC/DC变换器作为车载充电机的关键能量转换部分直接影响其运行效率。传统的零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）移相全桥（Phase-Shifted Full-Bridge, PSFB）DC/DC PWM变换器利用谐振电感（包括变压器漏感）和开关管的结电容或并联电容实现零电压开关[3]。但存在导通损耗大和软开关范围受限等问题[4,5]。常规PID控制结构简单、易实现，但在车载充电系统参数变化或负载扰动情况下，控制效果不理想，且超调量过高。

单一的恒压或恒流充电容易产生过充现象。且当恒流充电切换到恒压充电时，会出现充电电流断续现象[6]。文献[7]提出了五阶段充电策略，延长了电池充电寿命，解决了欠充问题。但少有文献解决阶段充电切换过程中的充电电流断续问题。文献[8]指出该问题并提出通过比较调节量来投切的切换机制，但其仿真结果有待改进。

为此，设计了新型ZVS PWM PSFB DC/DC变换器，实现宽范围的软开关，并提出恒流恒压切换充电控制策略，当切换到恒压充电模式时采用模糊PID控制，既确保充电电流连续，又提高控制体系对扰动和参数变化的鲁棒性。

1 车载充电电源DC/DC变换器

1.1 车载充电电源拓扑

车载充电电源应用最广泛拓扑的是具有功率因数校正的DC/DC变换器，如图1所示。AC/DC变换器为升压型，能实现功率因数校正，提高系统功率密度。高压直流与低压电池组之间通过DC/DC变换器给电池组充电[9,10]。

图1 车载充电机拓扑

1.2 DC/DC变换器主电路拓扑

根据车载充电电源的应用需要，设计了一种新型带箝位二极管的ZVS移相全桥拓扑。如图2所示，输入电压为Vin，采用MOSFET组成全桥开关管Q1～Q4。Lr是谐振电感；为了抑制变压器副边的电压振荡，加入箝位二极管D5和D6；变压器副边引入同步整流（Synchronous Rectifier，SR）技术，采用MOSFET组成SR管Q5和Q6，降低了整流管的导通损耗；Lf和Cf形成输出滤波器，变压器的变比为n。

图2 新型ZVS PWM全桥变换器拓扑

2 磷酸铁锂电池特性分析

2.1 电池模型及其充电方式

磷酸铁锂电池Thevenin等效电路模型，如图3所示，主要包括：开路电压Vcc，电池内阻Re、极化电阻Rp和极化电容Cp。此时，负载的等效阻抗为：

图3 Thevenin等效电路

目前有恒流-恒压（Constant Current-Constant Voltage，CC-CV）充电，多段恒流充电等多种充电方式。其中，CC-CV充电方式应用最为广泛。其充电曲线如图4所示。该充电方式为先大电流恒流再恒压充电，这校既避免了电流过充现象又减小了析气量[11～13]。因此，采用CC-CV充电法为磷酸铁锂电池组充电。

图4 EV电池组CC-CV充电曲线

2.2 磷酸铁锂电池的充电特性

磷酸铁锂电池充电电压上限值为3.65V，放电电压下限值为2.0V，标称电压为3.2V。磷酸铁锂电池在快达到3.65V时，充电电压会快速上升，出现上翘现象，这校很容易达到过充保护电压。为此，采用CC-CV充电方式，当恒流充电模式电池电压升至3.65V时，切换到恒压充电模式。充电电流随时间下降，当电流下降至一定数值时，即可停止充电，即可避免电压过充现象。

2.3 主电路小信号分析

PSFB DC/DC变换器可由Buck电路变换而来，主要区别在于谐振电感造成的占空比丢失Dloss。副边占空比有效值为[14]：

输出电流对De的扰动为：

其中，Rd=4n2Lrfs。

输出电流对De的扰动为：

可得全桥变换器小信号模型如图5所示。

图5 全桥变换器小信号模型

由图5可得控制对输出电压传递函数为：

控制对输出电流传递函数为：

3 恒流恒压切换充电控制策略分析

3.1 控制系统结构

提出一种恒流恒压切换充电控制策略，如图6所示。在恒流阶段，采用电流控制，电流参考值为Iref，误差经PI控制器后得到调制信号WCC。在恒压阶段，采用模糊PID控制，输出电压Vo与输出电压参考Vref比较，误差经模糊PID控制器后得到调制信号WCV。

图6 CC-CV切换充电控制策略

切换方式为“取较小值”：充电初期电池等效内阻小，充电电流Io较大，此时WCC＜WCV，进入恒流模式充电。当电压上升至电参考值Vref时，WCV＜WCC，进入恒压模式充电，充电机的充电电流不断下降，直至充电结束。

3.2 恒流充电控制阶段

恒流控制阶段，采用电流控制，PI控制器校正，其传递函数为：

此时整个系统的开环传递函数为：

代入相关参数后，根据控制系统对开环频率特性要求，求得PI系数为Kpi=0.546，Kii=10900。图7给出电流开环传递函数补偿前和补偿后的bode图。补偿前的开环截止频率远大于开关频率，且开环幅频特性以-40dB/dec穿过零分贝线，系统非常不稳定。经补偿后，开环幅频特性以-20dB/dec穿过零分贝线，截止频率10.22kHz，在1/5～1/10开关频率区间内，相角裕度为164°，系统稳定。

3.3 恒压充电控制阶段

完成恒流充电后，切换到恒压充电，采用模糊PID控制，为负载提供可变的充电电流，以维持恒定的负载电压，确保充电电流连续。

图7 电流开环bode图

图8给出模糊PID控制框图，输出电压偏差e和偏差变化率Δe输入到模糊PID控制器中，依次经过模糊化、模糊推理、解模糊和输出量化等过程，依据PID参数调整经验和误差逐级逼近原则，建立ΔKp、ΔKi、ΔKd的控制规则对PID进行在线调整。

图8 模糊控制框图

模糊控制器输入量为电压误差e和电压误差变化率Δe，输出控制量为ΔKp、ΔKi、ΔKd，即PID控制器参数需要调整的量。设输入输出变量基本论域为[-n，n]。依据系统实际运行的动态范围[emin，emax]、[Δemin，Δemax]、[Δkmin(m)，kmax(m)]（m=p，i，d），选择和确定量化因子Ke、KΔe，以及比例因子PK（m）。论域的变换公式为：

误差e、误差变化Δe和输出控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd采用相同的模糊子集，即{负大NB，负中NM，负小NS，零ZR，正小PS，正中PM，正PB}，隶属度函数均采用三角形隶属函数trimf。

根据模糊控制规则的基本思想，并结合充电过程的经验进行分析、归纳，建立磷酸铁锂电池充电的ΔKp、ΔKi、ΔKd的控制规则，以ΔKp为例，如表1所示。

表1 模糊控制规则表

PID控制参数调整量为Kp=Kp0+ΔKp，Ki=Ki0+ΔKi，Kd=Kd0+ΔKd，其中，Kp0、Ki0、Kd0为PID参数的初值，Kp、Ki、Kd为整定好的PID参数。则系统实际控制输出为：

模糊推理方法采用Mamdani运算，本文采用重心法去模糊并通过离线计算制成控制量查询表，实现参数在线自整定。

4 仿真结果

设计了一个车载电源PSFB DC/DC变换器，其基本的参数如表2所示。并建立了仿真模型。为了提高系统的控制精度，设计误差大于6V时为正大，取电压误差e论域为[-6，6]，量化因子K1=1.644。电压误差变化率Δe，论域为[-3，3]，量化因子K2=75。输出控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd论域为[-6，6]，比例因子PK（m）分别1，1，0.5。初始PID参数分别取Kp0=0.03，Ki0=300，Kd0=1.6×10-7，输出电压参考值为12V。

表2 DC/DC变换器的设计参数

为验证上述参数的有效性，图9给出模糊PID与常规PID控制的阶跃响应曲线对比图。在模糊PID控制下，系统输出电压超调量低于10%，调节时间低于0.1ms，响应速度更快速、更平稳，抗干扰能力强，使系统具有很好跟随性、稳定性和鲁棒性。

图9 模糊PID与常规PID的阶跃响应曲线

图1 0为电池恒流恒压充电波形，负载采用12V/20Ah的磷酸铁锂电池模型，在恒流阶段，电流迅速上升，充电进入30A恒流充电阶段，当检测到输出电压到达预设值12V后，切换到恒压充电阶段。可以看到：恒流、恒压两个阶段控制稳定，以及切换过渡阶段平滑，避免了电压过充问题，保证了电流的连续性，而电压电流纹波也满足要求。

图10 磷酸铁锂电池恒流恒压充电波形

5 实验验证

根据车载充电DC/DC变换器的设计需求和仿真结果搭建了实验平台，并采用了恒流恒压切换充电控制策略。

图11(a)～11(b)分别给出滞后臂Q3在额定负载和1/3额定负载时驱动电压VGS和漏源极电压VDS波形，图中可以看到Q3在额定负载和1/3额定负载输出条件下，均可以实现零电压软开关，即实现了宽范围的软开关，降低了开关管的导通损耗。

在额定输入电压Vin=400V条件下，图12(a)和图12(b)分别为负载电流从0A～40A和40A～0A突变时输出电压Vo和输出电流Io的波形，当负载突变时，输出电压的反冲值均小于0.4V，且恢复时间少于250µs，具有良好的抗干扰能力和动态性能。

图11 不同负载时滞后管Q3的ZVS情况

图12 负载突变时输出电压与电流波形

输入电压不同情况下效率与负载的关系如图13所示，可以看到，在最大输入电压500V、额定电压400V时和最低输入电压300V，在10%～100%额定负载范围内，系统效率都在95%以上，可实现很宽的负载电流输出范围。且车载充电电源效率受输入电压变化影响很小。

6 结论

图13 不同输入电压下负载与效率的关系

针对电动汽车车载充电电源的核心部分DC/DC变换器存在的问题，设计了车载充电电源PSFB DC/DC变换器。实现了宽范围的软开关，降低了开关管的导通损耗。采用恒流恒压切换充电控制策略，当切换到恒压充电模式时采用模糊控制PID控制，保证充电电流的连续性，避免了过充现象，并提高了系统的稳定性、鲁棒性和抗干扰能力。经过仿真和实验表明在10%～100%额定负载范围内，系统效率都在95%以上，满足车载充电电源的应用需求。