基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的快速充電方法探究

高金輝， 楊艷茜， 鄭曉彥

(1.河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453007；2.河南廣播電視大學(xué)，河南鄭州450008)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的快速充電方法探究

高金輝1， 楊艷茜1， 鄭曉彥2

(1.河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453007；2.河南廣播電視大學(xué)，河南鄭州450008)

隨著蓄電池的廣泛應(yīng)用，對(duì)其充電方法的研究也不斷深入，并取得了較多的科研成果，但是快速充電技術(shù)仍受到多方面的制約。提出了以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和傳統(tǒng)控制器相結(jié)合的智能充電技術(shù)，以BP網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性，控制過(guò)程不依賴于模型，因此能對(duì)復(fù)雜的非線性、不確知的充電過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，并將此種方法應(yīng)用于階段充電法，通過(guò)仿真對(duì)比，證明了智能充電的有效性。

快速充電；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；PID控制；BP算法；階段充電法

近段時(shí)間以來(lái)環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，全國(guó)各地PM2.5和PM10不斷爆表，空氣質(zhì)量不斷下降。隨著車輛的日漸增多，汽車尾氣排放成為一大污染源，為了我們生活的環(huán)境，使用環(huán)保節(jié)約的電動(dòng)汽車是我們迫切需要的方式。而在中小城市中，電動(dòng)自行車也已基本取代了自行車成為人們出行的主要代步工具，這兩種新的代步工具的動(dòng)力基本來(lái)源于蓄電池?，F(xiàn)在采用的常規(guī)蓄電池充電方法在充電時(shí)間上普遍較長(zhǎng)，不但延長(zhǎng)了檢測(cè)時(shí)間，而且限制了人們的使用，車主便對(duì)充電的快捷性和方便性提出了越來(lái)越高的要求。因此，在國(guó)內(nèi)蓄電池技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用中，隨時(shí)充電和快速充電方法的研究占據(jù)重要的地位。本文論述了現(xiàn)有的充電方法，提出了一種結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的快速智能充電思路。

1 電池快速充電

對(duì)蓄電池而言，要實(shí)現(xiàn)快速、高效、無(wú)損的充電過(guò)程，一要提高充電速度，這是快速充電的先決條件；二要保證充電質(zhì)量，只有合理的充電過(guò)程才不致折損電池的使用壽命。

1.1 理論依據(jù)

美國(guó)科學(xué)家馬斯在大量的實(shí)驗(yàn)與研究的基礎(chǔ)上提出了電池的“最佳充電曲線”，即著名的馬斯三定律。它指出在蓄電池的整個(gè)充電過(guò)程中，若實(shí)際充電電流無(wú)限接近最佳充電曲線上的可接受充電電流，充電速度將明顯加快，析氣率也將控制在相對(duì)較低的范圍內(nèi)，這就是電池快速充電技術(shù)的理論依據(jù)。因此，快速充電過(guò)程要盡量滿足馬斯三定律，也就是充電電流的大小要能動(dòng)態(tài)跟蹤可接受充電電流的變化規(guī)律。

研究表明，蓄電池可接受的充電電流可以用圖1所示的指數(shù)曲線表示，其函數(shù)表達(dá)式為：

圖1 最佳充電電流曲線

1.2 快速充電方法比較

為了有效加快蓄電池的充電速度，縮短充電時(shí)間，并減輕極化現(xiàn)象，從而全面提升能量的使用效率，國(guó)內(nèi)外一直不斷加強(qiáng)對(duì)蓄電池快速充電方法的研究與實(shí)踐。目前，國(guó)內(nèi)蓄電池快速充電方法主要有以下幾種[1]：

(1)常規(guī)充電方法：主要包括恒流充電法、恒壓充電法和階段充電法。其中，恒流充電法和恒壓充電法由于其本身的缺點(diǎn)很少采用，階段充電法比前兩種常規(guī)充電法速度快，且析氣量小，但是不易控制，前后兩端包含恒流充電和恒壓充電的缺點(diǎn)。

(2)脈沖充電方式：首先用脈沖電流對(duì)電池充電，然后停充一段時(shí)間，如此循環(huán)。這種充電法能夠打破蓄電池充電曲線的限制，提高充電接受率，從而大大縮短充電時(shí)間，但是能量轉(zhuǎn)換效率低，易造成極板活性物質(zhì)脫落。

(3)間歇充電方法是建立在恒流充電和脈沖充電的基礎(chǔ)上的一種快速充電方法。這種方法析氣量少，能量效率高，速度快，但是控制硬件復(fù)雜，難以精確控制。

(4)智能充電法將一些智能技術(shù)和充電技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到安全、可靠、省時(shí)、節(jié)能的充電過(guò)程，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。隨著近年來(lái)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)智能化充電成為一種新的方法和趨勢(shì)。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量處理單元經(jīng)廣泛互連而組成的人工網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)自組織、自適應(yīng)的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，具有大規(guī)模并行協(xié)同處理能力，較強(qiáng)的容錯(cuò)能力、學(xué)習(xí)能力和聯(lián)想能力，可以充分逼近任意連續(xù)有界非線性函數(shù)。

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

蓄電池具有非線性和分散性，而且每個(gè)電池的類型、容量、使用狀態(tài)和保養(yǎng)均有差異，充電過(guò)程也不盡相同，因此很難以一種確定的充電方式或者一種精確的模型適用于所有蓄電池的充電，而具有自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過(guò)程中蓄電池的電流、電壓及溫度變化的動(dòng)態(tài)跟蹤和實(shí)時(shí)校正。基于這種情況，本文提出一種新的以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法控制的快速充電方法，對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，動(dòng)態(tài)跟蹤最佳可接受充電電流曲線，以保證安全、快速、高效的充電。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易且能對(duì)很多工業(yè)現(xiàn)象進(jìn)行有效控制，因此成為工業(yè)控制過(guò)程中的一種常用控制方法。但當(dāng)被控對(duì)象具有復(fù)雜的非線性特性時(shí)，常規(guī)PID控制難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，不能達(dá)到滿意的控制效果。針對(duì)上述常規(guī)PID控制的局限性，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的優(yōu)點(diǎn)提出一種控制策略——神經(jīng)PID控制[2]。

神經(jīng)PID控制的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：一個(gè)系統(tǒng)在線辯識(shí)器——NNI；一個(gè)自適應(yīng)PID控制器——NNC。在這個(gè)系統(tǒng)中，由NNI進(jìn)行在線辨識(shí)，通過(guò)對(duì)NNC的權(quán)系實(shí)時(shí)調(diào)整，使系統(tǒng)具有自適應(yīng)性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的有效控制。

2.3 學(xué)習(xí)算法的選取

BP網(wǎng)絡(luò)和RBF網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，他們均可近似任何連續(xù)的非線性函數(shù)，且RBF網(wǎng)絡(luò)的逼近性能高于傳統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)，但是通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在相同的樣本和精度要求下，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度要高于BP網(wǎng)絡(luò)，為了快速充電的目的，NNI選用三層BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，非線性作用函數(shù)選用S型函數(shù)。

圖2 神經(jīng)PID控制框圖

圖3 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

BP網(wǎng)絡(luò)具有一層隱含節(jié)點(diǎn)，由于同層節(jié)點(diǎn)無(wú)任何耦合，所以從輸入到輸出是建立在梯度下降法基礎(chǔ)上的非線性映射。

神經(jīng)PID控制采用PID控制算法，若控制系統(tǒng)輸入、輸出采樣序列為，系統(tǒng)誤差為，則線性神經(jīng)元NNC的輸入為：

控制器輸出為：

本控制器不需要被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，并且可根據(jù)控制中的結(jié)果進(jìn)行自學(xué)習(xí)，不斷提高自身的適應(yīng)性：先以馬斯三定律進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，使控制器對(duì)論域內(nèi)的任意輸入都能以聯(lián)想記憶的方法得到相對(duì)應(yīng)的控制輸出，魯棒性強(qiáng)，能很好地滿足系統(tǒng)的要求。

2.4 充電主電路分析

主電路采用AC-DC-DC變換電路，AC-DC部分通過(guò)變壓器進(jìn)行降壓后整流得到直流電壓U1。圖4為AC-DC降壓整流電路。

經(jīng)過(guò)對(duì)幾種方案的比較[4]，DC-DC部分采用Buck/Boost雙向功率傳輸電路，如圖5所示。當(dāng)對(duì)蓄電池充電時(shí)，全控器件Q2關(guān)斷，直流電壓U1經(jīng)過(guò)Q1、D2和L組成的Buck電路，并通過(guò)控制Q1的通斷來(lái)控制輸出電壓的大小，從而控制蓄電池的充電電流和電壓。當(dāng)蓄電池需要去極化放電時(shí)，Q1關(guān)斷，通過(guò)控制由Q1、L和D1組成的Boost電路對(duì)電容C1充電。當(dāng)蓄電池去極化結(jié)束轉(zhuǎn)入充電時(shí)，由于C1儲(chǔ)存有去極化放電時(shí)的能量，電容兩端電壓很高，因此，C1又通過(guò)Buck電路將所儲(chǔ)存的能量釋放給蓄電池，當(dāng)C1的電壓低于設(shè)定值時(shí)，整流電路工作，由充電裝置向蓄電池充電[5]。

圖4 AC-DC降壓整流電路

圖5 DC-DC可逆電路

2.5 仿真結(jié)果及分析

在綜合考慮現(xiàn)有充電方法和實(shí)驗(yàn)室條件的基礎(chǔ)上，選用階段充電法對(duì)蓄電池充電；以電流、電壓和溫度作為控制系統(tǒng)的三個(gè)輸入；以12 V/3 A的蓄電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象；以1C的起始電流充電；由于電池充電器工作的最佳溫度為25℃，而在0℃以下和45℃以上充電狀況不佳甚至?xí)绊戨姵氐氖褂脡勖?，我們以此設(shè)置系統(tǒng)的限制溫度。運(yùn)用Matlab軟件按照上述設(shè)計(jì)進(jìn)行建模和仿真，可以得到一般定時(shí)器控制的充電電流曲線圖和基于神經(jīng)PID控制的充電電流曲線圖[3]，如圖6、7所示。

由上面兩個(gè)仿真結(jié)果可以得出：定時(shí)器控制的階段充電法雖然較易實(shí)現(xiàn)，但是無(wú)法動(dòng)態(tài)跟蹤電池的實(shí)際充電情況，導(dǎo)致充電過(guò)程中電流電壓同步性較差。而神經(jīng)智能控制下的階段充電法電流分段數(shù)增加，梯度下降幅度減小，實(shí)際充電電流曲線更加接近最佳充電電流曲線。

圖6 階段充電電流曲線

圖7 神經(jīng)PID控制的階段充電電流曲線

3 結(jié)論

采用本文所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，電池的實(shí)際充電電流曲線更加接近于最佳充電電流，實(shí)現(xiàn)了蓄電池的智能化快速充電，加之以溫度控制的保護(hù)策略，保證了充電過(guò)程的安全性，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

[1]王源.電動(dòng)汽車用動(dòng)力鉛酸電池快速充電技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]徐麗娜.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[3]劉華棟，艾德峰，孟德榮.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鉛酸蓄電池快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2010,9(13):24-27.

[4]李敬兆.采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)和變結(jié)構(gòu)模糊控制的鉛酸蓄電池最優(yōu)充電技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

[5]HSIEH G C,CHEN L R,HUANG G S.Fuzzy-controlled Li-ion battery charge system with active state-of-charge controller[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2001,48(3):585-589.

Research of fast-charging method based on neural network control

With the extensive use of storage battery,more and more deeply research of its charging methods were acquired up.Many scientific research achievements were achieved.But fast charging technology was still restricted by many aspects.An intelligent charging technology by combine Neural Network Algorithm with the traditional controller was put forward.Because NNC didn't depends on the mathematical models,it could do the real-time correction in the complicated,nonlinear uncertain charging process,so this new method was put into section of charging.Via compare the simulation results,the efficient,rapid and non-loss battery charging were realized.

fast charging；neural network；PID control；BP algorithm；section of charging method

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0597-03

2015-08-12

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(132102210043)

高金輝(1962—)，男，河南省人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾履茉聪到y(tǒng)控制及電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。