一种蓄电池充电的模糊控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种蓄电池充电的模糊控制系统，包括模糊控制器、BOOST升压电路、高频DC‑DC电路、供电电路、驱动电路、采样电路、显示电路及可编程处理器。向模糊控制器输入一个设定值，和传感器采集值，模糊控制器通过模糊控制后，使得被采集控制的对象输出更为精准的输出量，这里的被采集控制对象包括BOOST升压电路及高频DC‑DC电路，即BOOST升压电路及高频DC‑DC电路的输出更为精准，利于蓄电池充电。

说明书

技术领域

本发明涉及蓄电池充电技术，尤其涉及一种蓄电池充电的模糊控制系统及 控制方法。

背景技术

蓄电池是一种广泛应用于各个领域的储能设备，其充电技术的发展直接影 响着蓄电池的工作性能以及其使用寿命，而蓄电池的工作性能又间接影响着各 种需要使用蓄电池的工作系统的正常运行，在如今这个各种电路系统飞速发展 的时代，对蓄电池的充电技术进行研究就显得意义深远。着眼于时下传统的充 电系统不难看出现有的充电系统大多比较落后，不仅充电花费时间长，而且充 电效率也不高，这在无形中不仅降低了整个工作系统的工作效率，由于长期的 不合理的充电使蓄电池需要经常进行更换，就会增加系统的维护成本，造成资 源的浪费。另外现代电源设备的使用要求都越来越高，充电系统的智能化太低， 显然是不能满足条件的。

蓄电池模糊控制系统模仿手工充电操作经验，具有很大的适应性，复合蓄 电池快速充电的规律。模糊控制的充电电流比较接近于厂家所允许的充电电流， 提高了充电效率，延长了蓄电池使用寿命。将模糊控制技术运用到蓄电池的充 电系统中，不仅能简化其控制机理，还能提高其工作性能。又因为蓄电池作为 电动汽车的一个重要组成部分，电动汽车行业想要继续发展，就离不开对蓄电 池工作性能的提升。因此，设计出一套控制机理简单易懂的蓄电池充电的模糊 控制器就具有十分重要的工程实际意义。

发明内容

本发明提供了一种蓄电池充电的模糊控制系统，。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种蓄电池充电的模糊控制系统，包括：模糊控制器，所述模糊控制器用 于模糊控制；BOOST升压电路，所述BOOST升压电路，用于将直流电升压得 到一个高电压，其中，该直流电压为接入的交流市电经过整流滤波得到；高频 DC-DC电路，所述高频DC-DC电路接入BOOST升压电路得到的高电压，将该 高电压经过逆变成高频交流电再整流为高频直流电，从而向蓄电池输入需要的 电压；供电电路，所述供电电路为系统所有芯片进行供电；驱动电路，所述驱 动电路用于驱动BOOST升压电路及高频DC-DC电路；采样电路，所述采样电 路用于采集BOOST升压电路的输出电压和输出电流，以及高频DC-DC电路的 输出电压和输出电流；显示电路，所述显示电路用于实时观测充电输出电压的 数值；可编程处理器，所述可编程主控器分别与供电电路、驱动电路、采样电 路及显示电路电连接，用于逻辑控制供电电路、驱动电路、采样电路及显示电 路；其中，BOOST升压电路、高频DC-DC电路、可编程处理器、供电电路、 驱动电路及采样电路均与模糊控制器相连。

进一步地，供电电路包括交流电接入端，与交流电接入端相连的变压器， 连接在变压器另一侧的整流电路，与整流电路相连的稳压电路。

进一步地，驱动电路为BOOST驱动电路及逆变器驱动电路，BOOST驱动 电路用于驱动BOOST升压电路，逆变器驱动电路用于驱动高频DC-DC电路。

进一步地，BOOST驱动电路包括驱动芯片，连接在驱动芯片1脚的第一电 解电容、2脚的第二电解电容、3脚的第一电阻、5脚的光电耦合器、6脚的第 一二极管，14脚连接PWM控制信号、15脚连接第二电阻，以及端子连接器； 其中，驱动芯片为EXB841；第二电阻的另一端连接12V外接电压；驱动芯片 的1脚连接在端子接线器的3脚，第一电阻的另一端及光电耦合器的三极管的 集电极均连接在端子接线器的2脚，第一二极管的阴极连接端子连接器的1脚。

进一步地，BOOST驱动电路还包括阳极串联的两个肖特基二极管，两个肖 特基二极管的阴极分别连接端子接线器的2脚和3脚。

进一步地，逆变器驱动电路包括四组相同的驱动回路，驱动回路同所述 BOOST驱动电路结构相同。

进一步地，采样电路包括传感器，与传感器相连的滤波放大电路，及与滤 波放大电路的输出端相连的模数转换芯片；其中，所述模数转换芯片为ADC0809。

进一步地，滤波放大电路包括运算放大器LM324，运算放大器的2脚通过 第三电阻连接传感器，3脚连接第四电阻后接地，1脚通过第五电阻连接6脚， 5脚连接第六电阻后接地，7脚连接在模数转换芯片的模拟量输入端；其中，运 算放大器的2脚与1脚之间分别并联第七电阻及第三电容，6脚与7脚之间分别 并联第八电阻及第四电容。

本发明还提供了上述蓄电池充电的模糊控制系统的模糊控制方法，包括以 下步骤：

步骤1、系统初始化；

步骤2、采集电压得到△V，△U/△T；

步骤3、经模糊控制得到△I；

步骤4、计算更新后的充电电流；

步骤5、对蓄电池恒流充电；

步骤6、充电终止判定；若判断充电完成，怎么停止充电；若判断充电未完 成，则回到步骤2继续采集。

进一步地，步骤6所述的充电终止判定方法为：步骤6.1、对蓄电池进行零 增量检测；步骤6.2、若检测到零增量，则对蓄电池端的电压及充电时间进行检 测；步骤6.3、若蓄电池端电压与充足点时的电压值近似，并且充电时间达到预 估的充电时间，则判定蓄电池充满电。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的蓄电池充电的模糊控制系统，包括模糊控制器、BOOST升 压电路、高频DC-DC电路、供电电路、驱动电路、采样电路、显示电路及可编 程处理器。向模糊控制器输入一个设定值，和传感器采集值，模糊控制器通过 模糊控制后，使得被采集控制的对象输出更为精准的输出，从而更加精准的控 制蓄电池充电。

(2)本发明的供电电路通过整流电路实现交流到直流的转换，再通过稳压 电路即可获得稳定的电压输出，整流电路选取的是整流效率较高、应用也比较 广泛的桥式整流电路，其优点是网侧功率因数高、动态响应快、脉动小。稳压 部分选择的是三端可调稳压集成电路LM317，其电路结构较为简单，输出电压 可调节，应用十分广泛。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种蓄电池充电的模糊控制系统的流程图。

图2为本发明实施例提供的模糊控制器的结构图。

图3为本发明实施例提供的BOOST升压电路的电路原理图。

图4为本发明实施例提供的BOOST升压电路充电等效电路图。

图5为本发明实施例提供的BOOST升压电路放电等效电路图。

图6为本发明实施例提供的高频DC-DC电路的电路原理图。

图7为本发明实施例提供的供电电路的电路原理图。

图8为本发明实施例提供的BOOST驱动电路的电路原理图。

图9为本发明实施例提供的采集电路的电路原理图。

图10为本发明实施例提供的一种蓄电池充电的模糊控制方法的控制流程图。

图11为本发明实施例提供的充电终止判定流程图。

图12为本发明实施例提供的第一闭环控制电路仿真图。

图13为本发明实施例提供的第二闭环控制电路仿真图。

图14为图13的仿真波形局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但 不限于下列实施例。

实施例一

一种蓄电池充电的模糊控制系统，包括：

模糊控制器，模糊控制器用于模糊控制。首先模糊控制器要将精确量转化 为模糊量，然后进行下一步模糊推理的处理，最后还要将经过处理的模糊量转 化为精确量输出并作用于控制对象。本实施例中，模糊控制器主要对BOOST升 压电路及高频DC-DC电路的输出进行模糊控制。

BOOST升压电路，该系统接入交流市电后，经过整流滤波得到直流电，BOOST升压电路将接收到的该直流电升压得到一个高电压，并将高电压传输至 高频DC-DC电路。

高频DC-DC电路，接入BOOST升压电路得到的高电压，将该高电压经过 逆变成高频交流电再整流为高频直流电，从而向蓄电池输入需要的电压；

供电电路，供电电路为系统所有芯片进行供电。

驱动电路，驱动电路包括用于驱动BOOST升压电路的BOOST驱动电路， 及用于驱动高频DC-DC电路的逆变器驱动电路。

采样电路，采样电路用于采集BOOST升压电路的输出电压和输出电流，以 及高频DC-DC电路的输出电压和输出电流，并将采集到的电信号数值反馈至模 糊控制器。

显示电路，显示电路用于实时观测充电输出电压的数值，以便及时发现充 电系统是否发生故障，避免对系统电路造成更大的损伤。

可编程处理器，可编程主控器分别与供电电路、驱动电路、采样电路及显 示电路电连接，用于逻辑控制供电电路、驱动电路、采样电路及显示电路。

参见图1，向模糊控制器输入一个设定值，和传感器采集值，模糊控制器通 过模糊控制后，使得被采集控制的对象输出更为精准的输出量，这里的被采集 控制对象包括BOOST升压电路及高频DC-DC电路。

参见图2，模糊控制器通过其输入量和输出量来确定其结构类型，输入量的 选取：电池在充电的时候，不同的蓄电池就算存在一些差异，比如储电量、充 电电压，但是其上升斜率趋势都是大致相同的。在电池电压接近饱和时的电池 电压时，蓄电池的温度会急剧上升，温度过高会导致蓄电池的内部结构受到损 害。要想在电池充电时达到最佳的充电效果，既能保证充电效率，又能保证电 池不受到损害，只需要控制电池的充电电压，使电池的充电电流按照充电特性 曲线变化即可。分别选取电池的理想最高电压与实际测量的充电电压之差ΔV和 相邻两个电压检测值的相对变化率ΔU/ΔT作为模糊控制器的两个输入量。输出 量的选取：这里根据系统所需要的控制量选择一个阶段的电流变化量ΔI作为输出量。根据输入量与输出量的个数，即可确定模糊控制器的具体类型，本实施 例采用双输入单输出的模糊控制器结构。

参见图3，BOOST升压电路(boost converter or step-up converter)是一种常见的开关直流升压电路，它通过开关管导通和关断来控制电感储存和释放能量， 从而使输出电压比输入电压高。

参见图4，充电时，开关闭合(三极管导通)，可以视为一条导线。这时， 输入电流流过电感，二极管防止电容对地放电。因为输入的是直流电，而电感 具有通直阻交的作用，且电感会将电能转换为磁能并储存，所以电感上的电流 会呈现线性增加的趋势，伴随着其流过的电流增加，电感也会慢慢储存电量。

参加图5，放电时，开关断开(三极管截止)。当开关断开的时候，流过电 感的电流会慢慢减小为零，而不是直接变为零，因为电感可以把电能转换为磁 能并储存，当原来的电路断开后，电感会阻碍电流的消失，电感就会通过其他 的电路进行放电，所以电流才呈现慢慢减小的趋势。放电过程中，电感会对电 容进行充电，使其两端电压升高，当电容两端电压高于输入电压时，升压结束。

升压的过程就是电量由电感传到电容的过程。当电路处于充电状态时，电 感储存电量，当充电结束时，电感放出电量并对电容进行充电。当对电容的充 电进行到一定程度时，电容两端电压就会高于输入电压。

参见图6，高频DC-DC电路工作原理:重复通断开关，把直流电压或电流转 换成高频方波电压或电流，再经过整流将交流电压平滑变为直流电压输出。输 入电压为直流电，通过逆变电路，先将直流逆变为交流。逆变过程主要是控制 器输出特定占空比的PWM脉冲信号，用来控制Q1、Q2、Q3、Q4四个开关管 的开断，从而实现逆变。中间连接一个变压器，其主要功能是实现电气隔离， 当然也可以通过变压器T1来调节电压。最后再经过整流部分，将交流电整流为 直流电，再经过滤波处理，即可得到能供给蓄电池的直流电输入。

参见图7，供电电路包括交流电接入端，与交流电接入端相连的变压器TF1， 连接在变压器TF1另一侧的整流电路，与整流电路相连的稳压电路。供电电路 将对本系统的所有芯片进行供电，能够提供5V、12V及20V的电压。将家用220V 的交流电先通过变压器将电压降低，然后通过整流电路实现交流到直流的转换， 再通过稳压电路即可获得稳定的电压输出。在本实施例中，整流电路选取的是 整流效率较高、应用也比较广泛的桥式整流电路，其优点是网侧功率因数高、 动态响应快、脉动小。稳压部分选择的是三端可调稳压集成电路LM317，其电 路结构较为简单，输出电压可调节，应用十分广泛。

参见图8，驱动电路包括用于驱动BOOST升压电路的BOOST驱动电路， 及驱动高频DC-DC电路的逆变器驱动电路。BOOST驱动电路包括驱动芯片， 连接在驱动芯片1脚的第一电解电容C1、2脚的第二电解电容C2、3脚的第一 电阻R1、5脚的光电耦合器、6脚的第一二极管D1，14脚连接PWM控制信号， 15脚连接第二电阻R2，以及端子连接器；其中，驱动芯片为EXB841；第二电 阻的另一端连接12V外接电压；驱动芯片的1脚连接在端子接线器的3脚，第一电阻R1的另一端及光电耦合器的三极管的集电极均连接在端子接线器的2脚， 第一二极管D1的阴极连接端子连接器的1脚，还包括阳极串联的两个肖特基二 极管，两个肖特基二极管的阴极分别连接端子接线器的2脚和3脚。BOOST驱 动电路采用高速光耦合隔离，射极输出。有短路保护和慢速关断功能。光电耦 合器选用的是4N25，具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强的有益效果。 其主要有3个工作过程:(1)正常开通过程。在14脚外加PWM控制信号，在 15脚施加12V正向脉冲电压，这会导致GE两端产生约16V的IGBT开通电压， 完成正常开通；(2)正常关断过程。当停止施加触发脉冲电压时，会在GE两端 产生约-5.1V的IGBT关断电压，完成正常关断过程。(3)过流保护动作过程。 当IGBT开通时，若发生负载短路等产生大电流的故障，Uce会上升很多，Uce 由二极管D1检测得到，会使得二极管D1截止，EXB841的6脚“悬空”，从而 使IGBT的GE间电压Uge下降，实现缓关断，完成对IGBT的保护。

逆变器驱动电路包括四组相同的驱动回路，驱动回路同BOOST驱动电路结 构相同，即四组驱动回路各自控制着高频DC-DC电路中Q1、Q2、Q3、Q4四 个开关管的开断，从而对高频DC-DC电路进行驱动控制。

参见图9，采样电路包括传感器，与传感器相连的滤波放大电路，及与滤波 放大电路的输出端相连的模数转换芯片；模数转换芯片为ADC0809。滤波放大 电路包括运算放大器LM324，运算放大器的2脚通过第三电阻R3连接传感器， 3脚连接第四电阻R4后接地，1脚通过第五电阻R5连接6脚，5脚连接第六电 阻R6后接地，7脚连接在模数转换芯片的模拟量输入端；其中，运算放大器的 2脚与1脚之间分别并联第七电阻R7及第三电容C3，6脚与7脚之间分别并联 第八电阻R8及第四电容C4。

采样电路主要采集的数据有四个，第一个采集的数据为BOOST升压电路的 输出电压U

可编程处理器，本实施例选用的是AT89C51单片机，这是一种带有4K字 节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。这里选 取AT89C51的主要原因是其灵活性高、价格便宜且结构较为简单，其编程难度 相对来说也比较低，便于控制系统的设计与理解。可编程处理器还相应的配套 设置有晶振电路及复位电路。单片机要执行指令，必须要有相应的触发信号， 而触发信号就是由晶振电路产生的，晶振电路是一种高精度和高稳定度的振荡 器，通过连接一定的外接电路，就可以生成频率和峰值都相对稳定的正弦波作 用于单片机。复位电路的主要作用是控制单片机的复位状态，防止单片机执行错误的指令，并且还具有提高电磁兼容性能的作用，CPU复位主要有：上电复 位、看门狗复位、LVR低压复位、外围电路复位等几种形式。

实施例二

参见图10，一种蓄电池充电的模糊控制方,，包括实施例一所述的一种蓄电 池充电的模糊控制系统，该方法包括以下步骤：

步骤1、系统初始化。

步骤2、采集电压得到△V，△U/△T；△V是电池的理想最高电压与实际 测量的充电电压之差，△U/△T为相邻两个电压检测值的相对变化率，△V，△ U/△T作为模糊控制器的两个输入量。

步骤3、经模糊控制得到△I，△I为一个阶段的电流变化量，作为模糊控制 器的作为输出量。

步骤4、计算更新后的充电电流。

步骤5、对蓄电池恒流充电，恒流充电是在模糊控制之后，因为模糊控制器 输出的电流并不是固定的，所以这个所谓的恒流充电并不是一直以一个固定的 电流值进行充电，而是由若干个恒流充电过程组成的。先将模糊控制器输出的 电流与实时采样得到的电流值进行偏差计算，然后将结果进行PID运算，根据 最终的运算结果即可进行恒流输出。

步骤6、充电终止判定；若判断充电完成，怎么停止充电；若判断充电未完 成，则回到步骤2。

参见图11，充电终止判定方法为：

对蓄电池进行零增量检测。

若检测到零增量，则对蓄电池端的电压及充电时间进行检测。

若蓄电池端电压与充足电时的电压值近似，并且充电时间达到预估的充电 时间，则判定蓄电池充满电。

第一个闭环控制是将经过BOOST升压电路之后的输出电压，与理想输出电 压值，这里设置为600V，进行误差分析后送入PID控制器，PID控制是实际工 程中应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制。

参见图12，第一个闭环控制电路输出的理想电压设置为600V，实际的仿真 结果如图12所示。经过一定的时间后，波形逐渐趋于稳定，最终电压值稳定在 600V，说明第一个闭环控制达到了理想的预期效果，接下来就可以继续进行第 二个闭环控制电路的仿真。

参见图13，第二个闭环控制是将最终输出电压的实际值，与输出电压的理 想值，这里设置为500V，进行误差分析后经过PID控制器，得到一个脉宽信号， 再接入移相调制器，经过移相调制后得到一个PWM波，将这个PWM波作用于 逆变器，控制逆变器的输出，就形成了第二个闭环控制，第二个闭环控制电路 输出的理想电压设置为500V。参见图14，仿真显示，在经过一段时间后，仿真 波形逐渐趋于稳定，最终稳定在500V左右，波形经过局部放大之后，可以看到 上下波动不超过2V，满足预期的要求。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但 凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化， 均应属于本发明的保护范围之内。