CN110161413A - 一种铝空气电池电力变换器的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝空气电池电力变换器的测试方法，包括在MATLAB中建立由积分分离模糊PID控制的铝空气电池电力变换器的第一仿真模型，第一仿真模型包括铝空气电池模型、模糊控制器模型、积分分离模糊PID控制器模型；将铝空气电池模型的输出量作为第一仿真模型的输入量，经模糊控制器模型和积分分离模糊PID控制器模型对第一仿真模型的调节控制，得到第一仿真模型的输出量，计算第一仿真模型的输出量与基准值的误差。本发明解决了搭建实物样机、通过实物样机进行试验验证带来的不足之处，降低了验证成本、周期，通过示波器工具还能实时直观地观察到第一仿真模型的输出量曲线，方便地计算第一仿真模型的输出量与基准值的误差。
Description
技术领域
本发明涉及电池测试系统领域，尤其是涉及一种铝空气电池电力变换器的 测试方法。
背景技术
随着时代的迅速发展，环境问题和能源问题越来越成为当今世界最受关注 的问题之一。当今世界，各国普遍面临能源短缺的压力，传统能源对环境污染 带来的问题日益加剧，开发新能源电池来代替传统化石燃料成为了目前新能源 领域研究的热点。现如今，对新能源电池的研究，人们主要着重于锂离子电池、 镍氢电池、铅酸蓄电池以及金属燃料电池等。其中，金属燃料电池是其中发展 前景较好的一类电池。金属燃料电池作为新一代新能源电池，因为有着能量密 度高、安全可靠、污染小等特点而被广泛关注，尤其是铝空气电池。铝空气电 池作为新一代新能源电池，有着功率密度大、比能量高、原材料丰富、寿命长 以及成本低等优点，已被示范应用于通信基站备用电源、电动汽车电源以及水 下设施的驱动能源领域。
在一些应用要求较高的场合，为了得到稳定的、高精度的输出电压，铝空 气电池一般和DC/DC变换器联用。铝空气电池的输出受DC/DC变换器的调 节，该DC/DC变换器的性能和效率，将直接影响铝空气电池能量转换系统的 整体性能和效率。因此DC/DC变换器是稳定铝空气电池输出电压，提高铝空 气电池输出电能转换效率的关键。我国针对铝空气电池的研究相对偏少，而且 目前大多集中在改善铝阳极和空气阴极的性能方面，在对电池的实际应用方面 则少有研究。目前很少有针对铝空气电池电力变换器的PID控制算法的相关文 献，而在实际应用中，又无法将一般的电力变换器直接应用于铝空气电池。
对于铝空气电池电力变换器，需要对它进行试验验证，但是搭建实物样机， 通过实物样机进行试验验证，一旦发生设计不满足要求，就需要反复更改设计， 焊接调试，会导致出现开发成本高、周期长等问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种成本低、周期短、实时 直观的铝空气电池电力变换器的测试方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种铝空气电池电力变换器的测试方法，包括在MATLAB中建立由积分分离 模糊PID控制的铝空气电池电力变换器的第一仿真模型，第一仿真模型包括铝 空气电池模型、模糊控制器模型、积分分离模糊PID控制器模型；将铝空气电 池模型的输出量作为第一仿真模型的输入量，经模糊控制器模型和积分分离模 糊PID控制器模型对第一仿真模型的调节控制，得到第一仿真模型的输出量， 计算第一仿真模型的输出量与基准值的误差。以上技术方案中，通过在MATLAB 中建立的第一仿真模型对铝空气电池电力变换器进行验证，解决了搭建实物样 机、通过实物样机进行试验验证带来的不足之处，降低了验证成本、周期，通 过示波器工具还能实时直观地观察到第一仿真模型的输出量曲线，从而能够方 便地计算第一仿真模型的输出量与基准值的误差，本发明的基准值采用广泛应 用与电子电路中的48V电压。
进一步地，铝空气电池电力变换器包括包括主控制器、与主控制器连接的 全桥LLC谐振主电路、与全桥LLC谐振主电路连接的铝空气电池，全桥LLC谐 振主电路包括分别与主控制器和铝空气电池连接的逆变电路、与逆变电路连接 的谐振电路、与谐振电路连接的输出电路，谐振电路和输出电路通过变压器T1 连接，铝空气电池的输出电压依次经过逆变电路、谐振电路、输出电路并变压 为稳定电压，主控制器通过控制方法实现对逆变电路的频率控制，从而使输出 电路输出稳定电压；控制方法包括模糊控制器的控制方法和积分分离模糊PID 控制器的控制方法。因此第一仿真模型还包括逆变电路仿真模型、谐振电路仿 真模型、输出电路仿真模型，电路的仿真模型的创建是简单容易的，因此本发 明的关键在于创建铝空气电池模型、模糊控制器模型、积分分离模糊PID控制 器模型。
进一步地，本发明的铝空气电池电力变换器采用积分分离模糊PID控制器 控制铝空气电池电力变换器内开关管的开关频率，从而根据开关管的开关频率 使得铝空气电池电力变换器的输出更加稳定，积分分离模糊PID控制器的控制 方法包括模糊自适应PID控制算法，模糊自适应PID控制算法包括以下步骤： A1、将铝空气电池电力变换器的输出值与基准值进行比较并计算得到偏差e及 相邻两次的偏差变化量ec；
A2、在模糊控制器内分别对偏差e及偏差变化量ec进行模糊化、模糊推理、解 模糊并得到PID控制算法的参数；
A3、采用S2中已确定参数的PID控制算法推理得到铝空气电池电力变换器中开 关管的开关频率的增量值，并根据开关管的开关频率的增量值调整铝空气电池 电力变换器中主控制器的PFM控制频率，从而调整控制铝空气电池电力变换器 的输出。
作为优选，模糊控制器模型的建立步骤如下：
S1、将铝空气电池电力变换器的输出量与基准值的偏差e及偏差变化量ec作为 模糊控制器的输入量，并得到模糊控制器的输出量u，模糊控制器的输出量u为PID参数，从而确定模糊控制器模型为双入单出控制结构；
S2、根据模糊控制器的实现方法在MATLAB中建立相应的模糊控制器模型，并将 偏差e及偏差变化量ec映射到模糊控制器模型的输入口，将输出量u映射到模 糊控制器模型的输出口。
以上技术方案中，在确定铝空气电池电力变换器的模糊控制器的结构之后， 确定描述模糊控制器输出和输入变量的模糊子集，并根据适当的比例来设置输 入输出变量的论域，然后通过模糊语言变量确定相应的隶属度函数，本发明分 别将输入输出量的区间等分为8个部分，即7个隶属值NB、NM、NS、ZO、PS、 PM、PB。其中，依次表示负中、负小、零、正小、正中的NM、NS、ZO、PS、PM 的模糊子集隶属度函数选择三角函数，采用正态分布的密度函数作为NB、PB的 模糊子集隶属度函数，NB表示负大，PB表示正大。铝空气电池电力变换器开关频率的控制量是一个精确的输出量，需要将模糊控制器的输出量的模糊集合进 行解模糊，通过解模糊得到精准的控制量，本发明采用重心法的解模糊方法， 如以下公式；其中，uc(zi)为zi的隶属度值，zi为模糊控制量论 域内的值，Z0通过模糊控制器输出量解模糊得到的精准值。在MATLAB中建立相 应模糊控制器加载到工作区间，再把偏差e和偏差变化量ec作为输入测试信号， 模糊控制器的输入口的信号由该输入测试信号映射而来，测试的输出变量映射 到模糊控制器输出口，最终完成模糊控制器的模型的建立。
模糊控制器的输出量u作为积分分离模糊PID控制器的输入，积分分离模 糊PID控制器输出开关管的开关频率的增量值，并根据开关管的开关频率的增 量值调整主控制器的PFM控制信号，进一步地调整开关管的开关频率并使得铝 空气电池电力变换器输出稳定量。
作为优选，模糊控制器的实现方法包括：建立隶属度函数并分别求出偏差e 及偏差变化量ec的隶属度，根据偏差e及偏差变化量ec的隶属度求出偏差e 及偏差变化量ec的隶属度值，最后根据模糊规则表得出模糊控制器输出量u的 隶属度，并求出输出量u的值，即PID控制算法的参数。
作为优选，偏差e和模糊控制器的输出量u作为积分分离模糊PID控制器 模型的输入量，积分分离模糊PID控制器模型的输出量为开关管开关频率的控 制量。以上技术方案中，采用PID控制模块模型结合模糊控制模块模型实时调 整PID参数，从而能够更加准确地控制开关管的开关频率并控制铝空气电池电 力变换器输出稳定电压。积分分离模糊PID控制器模型的输出量的表达式如下： Kp＝K′p+ΔKp；Ki＝K′i+ΔKi；Kd＝K′d+ΔKd；式中，Kp、Ki、Kd为积分分离模糊 PID控制器模型的输出量，Kp′、Ki′、Kd′为PID控制模块的输出量，ΔKd、ΔKi、 ΔKd为模糊控制模块的输出量，即u的具体表达式；根据此表达式在MATLAB中 创建积分分离模糊PID控制器模型。
作为优选，铝空气电池模型的建立过程中，先建立铝空气电池等效电路， 然后根据铝空气电池等效电路在MATLAB中搭建铝空气电池模型，铝空气电池等 效电路模型为基于Massimo Ceraolo等效模型的二阶RC电路模型，二阶RC电 路模型包括开路电源E、欧姆内阻R0、两个RC并联电路，欧姆内阻R0一端与开 路电源E串联，欧姆内阻R0另一端与分别与两个RC并联电路串联连接，两个 RC并联电路之间串联连接；两个RC并联电路包括用于模拟电池内部浓差极化的 第一RC并联电路、用于模拟电池内部电化学极化的第二RC并联电路，第一RC 并联电路与第二RC并联电路串联连接；第一RC并联电路包括第一电阻R1、与 第一电阻R1并联的第一电容C1，欧姆内阻R0分别与第一电阻R1、第一电容C1串 联连接；第二RC并联电路包括第二电阻R2、与第二电阻R2并联的第二电容C2， 欧姆内阻R0分别与第二电阻R2、第二电容C2串联连接。铝空气电池等效电路模 型的函数关系式如下：
U1＝I/C1-U1/C1R1；U2＝I/C2-U2/C2R2；U＝Uoc-U1-U2-IR0；
式中，R0为欧姆内阻，U1为第一RC并联电路的电压，U2为第二RC并联电路的 电压，I为放电电流，U为端电压，Uoc为开路电源E产生的开路电压。以上技 术方案中，所述的二阶RC电路模型，将电池内部的电化学极化、浓差极化以及 欧姆极化分开考虑，用R0来表示电池的欧姆极化效应，两个RC并联电路来分别 模拟电池内部浓差极化和电化学极化；电池内部的极化现象在工作状态时分为 极化作用和去极化作用，极化作用表现为电极表面由于电子的不断转移而造成 的电荷累积，去极化作用则主要表现为电极反应消耗掉电极表面的电荷，电极 电位的恢复；两个RC并联电路中的电容元件C1和C2用于表示极化作用，具体表现为电容两端出现电压时电荷的增多；电阻元件R1和R2则可用于表示去极化作 用，具体表现为通过电阻消耗电容内的负荷。所述的二阶RC电路和现有的PNGV 以及更高阶RC电路相比，所述的二阶RC电路参数辨识方法更加简便，和现有 的Thevenin等效电路相比，所述的二阶RC电路只增加了一阶RC电路，两者的 计算量和复杂度相似，但所述的二阶RC电路拥有更高的精度。
作为优选，在MATLAB中建立由常规PID控制的铝空气电池电力变换器的第 二仿真模型，并通过实验一比较第一仿真模型和第二仿真模型在负载发生突变 情况下的性能。以上技术方案中，通过实验一得出在负载发生突变情况下，第 一仿真模型的超调量和调节时间小于第二仿真模型，从而得出铝空气电池电力 变换器的积分分离模糊PID控制比常规PID控制更加精准有效。
作为优选，实验一包括以下步骤：
Q1、分别在第一仿真模型和第二仿真模型的输出端并联一个由开关模块控制的负载电阻R100，通过开关模块控制负载电阻R100的定时接入和切断，分别实现第 一仿真模型和第二仿真模型的输出端负载突变；
Q2、分别在T1时刻通过开关模块控制负载电阻R100并联接入第一仿真模型和第二仿真模型的输出端，分别得到第一仿真模型和第二仿真模型的输出量的变化并 进行比较；
Q3、分别在T2时刻通过开关模块控制切断第一仿真模型和第二仿真模型的输出端的负载电阻R100，分别得到第一仿真模型和第二仿真模型的输出量的变化并进 行比较。
以上技术方案中，在实际实验中，取T1为0.04s、T2为0.06s，即在0.04s、 0.06s时，通过开关模块的脉冲向量，接通、切断负载电阻R100，从而实现铝空 气电池电力变换器的负载突变，利用示波器工具观察负载突变时，第一仿真模 型和第二仿真模型的输出量的变化，从而得出在负载发生突变情况下，采用积 分分离模糊PID控制的铝空气电池电力变换器比常规PID控制的铝空气电池电 力变换器具有更小的超调量、更短的调节时间。
作为优选，通过实验二比较第一仿真模型和第二仿真模型在铝空气电池放 电初始阶段的控制性能。以上技术方案中，铝空气电池在放电初始阶段，铝空 气电池的输出电压变化较快且变化范围较大，因此比较第一仿真模型和第二仿 真模型在铝空气电池放电初始阶段的控制性能是必要的，并根据第一仿真模型 和第二仿真模型的输出量，得出在铝空气电池的放电初始阶段，采用积分分离 模糊PID控制的铝空气电池电力变换器比常规PID控制的铝空气电池电力变换 器具有更小的超调量、更短的调节时间，即具有更佳的稳态和动态性能。
作为优选，实验二包括分别采集第一仿真模型和第二仿真模型在启动阶段 的输出量，得出变化对比曲线并进行比较。以上技术方案中，通过MATLAB仿真， 对采用积分分离模糊PID控制的铝空气电池电力变换器比常规PID控制的铝空 气电池电力变换器在铝空气电池放电初始阶段的性能进行对比分析，采用示波 器工具采集铝空气电池放电初始阶段时，第一仿真模型和第二仿真模型的输出 变化曲线并得到变化对比曲线，根据变化对比曲线得到采用积分分离模糊PID 控制的铝空气电池电力变换器有效地缩短了调节时间，减小了超调量，具有更 好的稳态和动态性能。采用积分分离模糊PID控制的铝空气电池电力变换器的 输出误差小于1％。
本发明具有的有益效果是：
通过在MATLAB中建立的仿真模型对铝空气电池电力变换器进行验证，解决 了搭建实物样机、通过实物样机进行试验验证带来的不足之处，降低了验证成 本、周期，通过示波器工具还能实时直观地观察到第一仿真模型的输出量曲线， 方便地计算第一仿真模型的输出量与基准值的误差。通过第一仿真模型和第二 仿真模型的输出量的对比，更直观有效地得出采用积分分离模糊PID控制的铝 空气电池电力变换器具有更好的稳态和动态性能。
附图说明
图1是本发明的第一仿真模型的结构示意图；
图2是本发明的铝空气电池电力变换器电路示意图；
图3是本发明的模糊控制器模型的结构示意图；
图4是本发明的积分分离模糊PID控制器模型的结构示意图；
图5是本发明的铝空气电池模型的结构示意图；
图6是本发明的第一仿真模型输出电压纹波图；
图7是本发明的第一仿真模型和第二仿真模型在负载突变时的输出曲线对 比示意图；
图8是本发明的第一仿真模型和第二仿真模型在铝空气电池放电初始阶段 输出变化对比曲线的示意图；
图9是本发明的关于偏差e隶属度函数的曲线图；
图10是本发明的铝空气电池等效电路的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1-10所示，本实施例的一种铝空气电池电力变换器的测试方法，包括 在MATLAB中建立由积分分离模糊PID控制的铝空气电池电力变换器的第一仿真 模型，第一仿真模型包括铝空气电池模型、模糊控制器模型、积分分离模糊PID 控制器模型；将铝空气电池模型的输出量作为第一仿真模型的输入量，经模糊 控制器模型和积分分离模糊PID控制器模型对第一仿真模型的调节控制，得到 第一仿真模型的输出量，计算第一仿真模型的输出量与基准值的误差。第一仿 真模型如图1所示，铝空气电池模型根据铝空气电池等效电路构建，如图5和 图10所示，模糊控制器模型如图3所示，积分分离模糊PID控制器模型如图4 所示。
本实施例中，模糊控制器模型的建立步骤如下：
S1、将铝空气电池电力变换器的输出量与基准值的偏差e及偏差变化量ec作为 模糊控制器的输入量，并得到模糊控制器的输出量u，模糊控制器的输出量u为 PID参数，从而确定模糊控制器模型为双入单出控制结构；
S2、根据模糊控制器的实现方法在MATLAB中建立相应的模糊控制器模型，并将 偏差e及偏差变化量ec映射到模糊控制器模型的输入口，将输出量u映射到模 糊控制器模型的输出口。
本实施例中，模糊控制器的实现方法包括：建立隶属度函数并分别求出偏 差e及偏差变化量ec的隶属度，根据偏差e及偏差变化量ec的隶属度求出偏 差e及偏差变化量ec的隶属度值，最后根据模糊规则表得出模糊控制器输出量 u的隶属度，并求出输出量u的值。如图9是关于偏差e的隶属度函数，偏差变 化量ec和输出量u的隶属度函数同理，故不在本文一一列举。
本实施例中，偏差e和模糊控制器的输出量u作为积分分离模糊PID控制 器模型的输入量，积分分离模糊PID控制器模型的输出量为开关管开关频率的 控制量。
本实施例中，在MATLAB中建立由常规PID控制的铝空气电池电力变换器的 第二仿真模型，并通过实验一比较第一仿真模型和第二仿真模型在负载发生突 变情况下的性能。
本实施例中，实验一包括以下步骤：
Q1、分别在第一仿真模型和第二仿真模型的输出端并联一个由开关模块控制的负载电阻R100，通过开关模块控制负载电阻R100的定时接入和切断，分别实现第 一仿真模型和第二仿真模型的输出端负载突变；
Q2、分别在T1时刻通过开关模块控制负载电阻R100并联接入第一仿真模型和第二仿真模型的输出端，分别得到第一仿真模型和第二仿真模型的输出量的变化并 进行比较；
Q3、分别在T2时刻通过开关模块控制切断第一仿真模型和第二仿真模型的输出端的负载电阻R100，分别得到第一仿真模型和第二仿真模型的输出量的变化并进 行比较。
本实施例中，通过实验二比较第一仿真模型和第二仿真模型在铝空气电池 放电初始阶段的控制性能。
本实施例中，实验二包括分别采集第一仿真模型和第二仿真模型在启动阶 段的输出量，得出变化对比曲线并进行比较。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与 其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公 开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这 些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所 定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中 实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本 文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种铝空气电池电力变换器的测试方法，其特征在于：包括在MATLAB中建立由积分分离模糊PID控制的铝空气电池电力变换器的第一仿真模型，第一仿真模型包括铝空气电池模型、模糊控制器模型、积分分离模糊PID控制器模型；将铝空气电池模型的输出量作为第一仿真模型的输入量，经模糊控制器模型和积分分离模糊PID控制器模型对第一仿真模型的调节控制，得到第一仿真模型的输出量，计算第一仿真模型的输出量与基准值的误差。
2.根据权利要求1所述的一种铝空气电池电力变换器的测试方法，其特征在于：模糊控制器模型的建立步骤如下：
S1、将铝空气电池电力变换器的输出量与基准值的偏差e及偏差变化量ec作为模糊控制器的输入量，并得到模糊控制器的输出量u，模糊控制器的输出量u为PID参数，从而确定模糊控制器模型为双入单出控制结构；
S2、根据模糊控制器的实现方法在MATLAB中建立相应的模糊控制器模型，并将偏差e及偏差变化量ec映射到模糊控制器模型的输入口，将输出量u映射到模糊控制器模型的输出口。
3.根据权利要求2所述的一种铝空气电池电力变换器的测试方法，其特征在于：模糊控制器的实现方法包括：建立隶属度函数并分别求出偏差e及偏差变化量ec的隶属度，根据偏差e及偏差变化量ec的隶属度求出偏差e及偏差变化量ec的隶属度值，最后根据模糊规则表得出模糊控制器输出量u的隶属度，并求出输出量u的值。
4.根据权利要求2或3所述的一种铝空气电池电力变换器的测试方法，其特征在于：将偏差e和模糊控制器的输出量u作为积分分离模糊PID控制器模型的输入量，积分分离模糊PID控制器模型的输出量为铝空气电池电力变换器中开关管开关频率的控制量。
5.根据权利要求4所述的一种铝空气电池电力变换器的测试方法，其特征在于：在MATLAB中建立由常规PID控制的铝空气电池电力变换器的第二仿真模型，并通过实验一比较第一仿真模型和第二仿真模型在负载发生突变情况下的性能。
6.根据权利要求5所述的一种铝空气电池电力变换器的测试方法，其特征在于：实验一包括以下步骤：
Q1、分别在第一仿真模型和第二仿真模型的输出端并联一个由开关模块控制的负载电阻R100，通过开关模块控制负载电阻R100的定时接入和切断，分别实现第一仿真模型和第二仿真模型的输出端负载突变；
Q2、分别在T1时刻通过开关模块控制负载电阻R100并联接入第一仿真模型和第二仿真模型的输出端，分别得到第一仿真模型和第二仿真模型的输出量的变化并进行比较；
Q3、分别在T2时刻通过开关模块控制切断第一仿真模型和第二仿真模型的输出端的负载电阻R100，分别得到第一仿真模型和第二仿真模型的输出量的变化并进行比较。
7.根据权利要求5或6所述的一种铝空气电池电力变换器的测试方法，其特征在于：通过实验二比较第一仿真模型和第二仿真模型在铝空气电池放电初始阶段的控制性能。
8.根据权利要求7所述的一种铝空气电池放电特性实验测试方法：实验二包括分别采集第一仿真模型和第二仿真模型在启动阶段的输出量，得出变化对比曲线并进行比较。
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