基于IMPSO-BP鎳氫電池智能充電技術(shù)

程方曉，王 源，王 旭

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

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基于IMPSO-BP鎳氫電池智能充電技術(shù)

程方曉，王 源*，王 旭

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

以充電電壓與額定電壓之差ΔV和臨近兩個(gè)電壓采樣點(diǎn)的變化率Δu/Δt作為輸入變量，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，研究了基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整慣性權(quán)重粒子群算法的BP算法(IMPSO-BP)。利用Matlab仿真得到了理想的快速充電電流。

電動(dòng)汽車；充電；鎳氫電池；粒子群算法；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，越來越多的人選擇了環(huán)境污染小的電動(dòng)汽車[1]。鎳氫電池因其具有比能量和比功率相對(duì)較高、對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，而被用于包括電動(dòng)汽車動(dòng)力電池在內(nèi)的很多領(lǐng)域。但是隨著人們生活節(jié)奏的日益加快，對(duì)于電動(dòng)汽車充電速度的要求越來越高，關(guān)于電動(dòng)汽車快速無損充電的問題是阻礙電動(dòng)汽車發(fā)展的決定性因素。常規(guī)鎳氫電池的充電方式一般是恒流充電，這種方式會(huì)導(dǎo)致在開始充電時(shí)，充電電流達(dá)不到電池可接受的最大值，隨著電池充電過程的進(jìn)行，電流逐漸超過電池的可接受值，將會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)極化現(xiàn)象，并且產(chǎn)生大量熱量。這種充電方式不僅產(chǎn)生了能量的極大浪費(fèi),而且容易導(dǎo)致電池過充，損壞電池。所以，尋找一種新型智能充電方式勢在必行。針對(duì)以上問題進(jìn)行研究，文中將IMPSO-BP算法引入到鎳氫電池充電過程中，通過對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行修正和優(yōu)化，使電池能夠按照理想充電方式進(jìn)行充電。

1 電池可接受電流分析

1976年，美國科學(xué)家J.A.Mas對(duì)蓄電池進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了蓄電池析氣的根本原因與規(guī)律，提出了以最低析氣率為前提的蓄電池能接受的最大充電電流以及可接受的充電電流曲線(簡稱馬斯曲線)，快速充電技術(shù)的理論依據(jù)就是馬斯曲線[2]，如圖1所示。

圖1 蓄電池可接受的充電電流曲線

(1)

式中：I0——t=0時(shí)可接受的最大充電電流；

I——t任意時(shí)刻可接受的最大充電電流；

α——充電接受比，也稱衰減率常數(shù)；

t——充電時(shí)間。

一般電池的充電過程，充電電流在圖1中的接受區(qū)，此時(shí)蓄電池不會(huì)發(fā)生析氣現(xiàn)象，但是充電需要大量的時(shí)間。如果充電電流曲線在馬斯曲線附近徘徊，此時(shí)充電速率提高，且析氣率會(huì)很小，由此可以實(shí)現(xiàn)電池的快速無損充電[3]。

2 IMPSO-BP算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能在未知作用機(jī)理的情況下，從學(xué)習(xí)樣本得到規(guī)律，是一種常用的非線性建模工具[4]。多層前向BP網(wǎng)絡(luò)是目前最廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它能夠完成一個(gè)從輸入到輸出的映射，且通過證明可知，它可以完成所有復(fù)雜非線性的映射，所以，可以非常方便地求解具有復(fù)雜內(nèi)部機(jī)制的問題。但傳統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)由于本身算法的局限性，從而使它優(yōu)化復(fù)雜函數(shù)時(shí)會(huì)十分低效，且效果不理想。從數(shù)學(xué)角度來看，BP算法適合進(jìn)行局部搜索優(yōu)化，當(dāng)需要求解復(fù)雜函數(shù)的全局極值時(shí)，算法可能陷入局部極值[5]。

粒子群優(yōu)化算法(PSO)主要是模擬鳥群捕食行為的一種算法。當(dāng)使用該算法進(jìn)行問題的優(yōu)化時(shí)，問題的解就是搜索空間中鳥的位置,這些鳥即為該算法中的“粒子”。每個(gè)粒子都有適應(yīng)度值和速度值，用來評(píng)價(jià)當(dāng)前的粒子和決定粒子飛行方向和距離。慣性權(quán)重對(duì)于PSO來說十分重要，它決定了算法的開發(fā)和探索能力，它的值可以影響粒子對(duì)當(dāng)前速度的繼承。如果慣性權(quán)重的值較大，則粒子的速度會(huì)比較大，從而粒子的全局搜索能力將會(huì)增強(qiáng)；如果慣性權(quán)重較小，則粒子的開發(fā)能力相對(duì)來說較強(qiáng)，算法的局部搜索能力較強(qiáng)。文中采用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整慣性權(quán)重的粒子群算法，自動(dòng)調(diào)整慣性權(quán)重，使PSO同時(shí)兼顧局部搜索能力和全局搜索能力[6]。

使用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整慣性權(quán)重的PSO算法來調(diào)節(jié)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的權(quán)值和閾值，可以減少BP算法的權(quán)值和閾值的調(diào)整時(shí)間，并且可以同時(shí)具有較好的局部搜索能力和全局搜索能力，進(jìn)而避免了BP算法效率低和易陷入局部極值的缺點(diǎn)。這就是自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整慣性權(quán)重的粒子群算法的BP網(wǎng)絡(luò)算法，也稱IMPSO-BP算法[7]。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，很多因素都可以對(duì)充電電流的大小產(chǎn)生影響，如蓄電池容量、外界溫度、電池荷電狀態(tài)、電池老化程度等[8]。但主要因素有以下兩點(diǎn)：充電電壓和電池額定電壓之差ΔV及充電時(shí)電池的溫度。由于在不同充電條件下電池溫度會(huì)有很大變化，所以文中不考慮溫度對(duì)充電的影響。通過實(shí)驗(yàn)證明，也可用臨近兩個(gè)電壓采樣點(diǎn)的變化率Δu/Δt對(duì)充電電流進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)kolmogorov定理，一個(gè)三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以在任何希望的精度上實(shí)現(xiàn)任何的連續(xù)函數(shù)。故文中以ΔV和Δu/Δt來當(dāng)作人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，當(dāng)前充電電流為輸出量，建立一個(gè)二輸入一輸出的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示[9]。

圖2 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

IMPSO-BP算法的具體步驟如下：

1)設(shè)置當(dāng)前代數(shù)t=1，粒子數(shù)目為30，最小適應(yīng)度值為0.01，最大迭代次數(shù)為3 000。并對(duì)粒子群的初始位置和速度賦初值，將此時(shí)的位置假定為粒子的初始最優(yōu)位置。

2)圖2三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，令xi1～xi9=ω1～ω9，xi10～xi15=θ1～θ6，粒子初始值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和初始閾值。

(2)

(3)

式中：c1,c2——學(xué)習(xí)因子，通常取c1=c2=2；

r1,r2——介于[0,1]的隨機(jī)數(shù)；

ω——慣性因子。

vid∈[-vmax,vmax]，vmax是一個(gè)用戶自定義的常數(shù)。

則輸入層第一個(gè)神經(jīng)元的輸出為：

第二個(gè)神經(jīng)元的輸出為：

以此類推：

(4)

(5)

(6)

則最終輸出I為：

(7)

4)粒子群適應(yīng)度值ft為：

(8)

式中：T——輸出層期望輸出值;

I——計(jì)算輸出值。

5)將每個(gè)粒子的適應(yīng)度值與個(gè)體極值pbest相比較,如果適應(yīng)值優(yōu)于其個(gè)體最優(yōu)位置pbest,則將pbest更新為當(dāng)前適應(yīng)值。用同樣方法可以對(duì)全局最優(yōu)質(zhì)pbest進(jìn)行更新。

6)利用下式計(jì)算慣性權(quán)重：

(9)

式中：α——介于[0,1]的隨機(jī)數(shù)；

ft——第t代的適應(yīng)度值。

7)根據(jù)式(2)、式(3)和式(9)，對(duì)每個(gè)粒子的速度和位置進(jìn)行更新。

8)如果當(dāng)前適應(yīng)度值小于等于最小適應(yīng)度值，或者當(dāng)前代數(shù)大于最大代數(shù)，算法執(zhí)行完畢，否則執(zhí)行9)。

9)當(dāng)前代數(shù)t=t+1，返回3)。

4 仿真結(jié)果

為方便數(shù)據(jù)的采集，簡化實(shí)驗(yàn)過程，本實(shí)驗(yàn)采用10節(jié)鎳氫電池進(jìn)行測試，并利用Matlab進(jìn)行仿真，采用改進(jìn)粒子群算法訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過訓(xùn)練，最終得到在不同的電池狀態(tài)下比較理想的充電速率，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

當(dāng)電壓差值ΔV大而電壓變化率Δu/Δt小時(shí)，表明電池電量較少，此時(shí)可采用1.5C的大電流進(jìn)行充電，從而縮短了充電時(shí)間；而當(dāng)電壓差值ΔV小且電壓變化率Δu/Δt小時(shí)，表明電池即將充滿，此時(shí)采用0.2C的小電流進(jìn)行充電，保證了電池可以充分充電而不發(fā)熱損傷電池。當(dāng)電池的充電電流小于0.1C時(shí)，可視為電池充滿，結(jié)束充電。

5 結(jié) 語

將IMPSO-BP算法引入到鎳氫電池充電過程中，并以充電電壓和額定電壓之差ΔV和臨近兩個(gè)電壓采樣點(diǎn)的變化率Δu/Δt為輸入變量建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。通過對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行修正和優(yōu)化，使電池能夠按照理想的充電方式進(jìn)行充電，Matlab仿真結(jié)果能夠獲得理想的充電電流。

[1] 程方曉，李騰飛，王旭.電動(dòng)汽車建模及放電管理研究[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,37(2):159-164.

[2] 李俊.蓄電池快速充電技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2009.

[3] 王麗,高田,景志林.蓄電池可接受充電電流預(yù)測[J].電源技術(shù),2012(7):962-965.

[4] 王麗,景志林,景占榮.基于ANFIS的鎳氫電池快速充電過程優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,24:197-199.

[5] 鄭衛(wèi)燕.基于遺傳算法的BP網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究及其應(yīng)用[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.

[6] 隨聰慧.粒子群算法的改進(jìn)方法研究[D].成都：西南交通大學(xué),2010.

[7] 張莉.幾類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分析與優(yōu)化及其應(yīng)用研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.

[8] 王曉亮.聚合物動(dòng)力鋰電池組充電策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[9] 張清良,李先明.一種確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的新方法[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2002(1):89-91.

NI-MH batteries intelligence charging based on IWPSO-BP

CHENG Fangxiao,WANG Yuan*,WANG Xu

(School of Electrical & Electronic Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012，China)

The difference between charging voltage and rated voltage ΔVand the change rate between the two near voltage sampling point Δu/Δtare taken as the inputs to build an Artificial Neural Network Model. A BP algorithmbased on adaptive dynamic adjustment inertia weightparticle swarmoptimization (IWPSO-BP) is studied,and the fast changing current is obtained with Matlab simulation.

electric car; charging; NI-MH battery; particle swarm optimization; artificial neural network.

2016-05-19

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20120362)

程方曉(1969-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)副教授，博士,主要從事測控技術(shù)與智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:chengfangxiao@ccut.edu.cn.*通訊作者：王 源(1992-)，男，漢族，山東菏澤人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事測控技術(shù)與智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:644638099@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.5.09

TM 910.06

A

1674-1374(2016)05-0461-04