基于ANFIS的鎳氫電池快速充電過程優(yōu)化

　　　l 引 言

　　鎳氫電池與鉛酸蓄電池、鎘鎳電池等傳統(tǒng)電池相比，具有能量比大、重量輕、溫度特性好等特點(diǎn)，并且對(duì)環(huán)境污染較小，被稱為綠色電池。常見鎳氫電池充電器一般采用恒流充電，在充電初期，充電電流未能達(dá)到電池的接受能力，而在充電后期，只有一小部分電流轉(zhuǎn)化成電池的電量，大部分的電量用來(lái)電解水，導(dǎo)致電池極化增強(qiáng)，并產(chǎn)生了大量的熱量。這種方法不僅浪費(fèi)了大量的電能，充電效率低，還缺乏自適應(yīng)性，加快了電池容量的衰減，縮短了電池的使用壽命。為了提高電池的使用壽命和電池的充電效率，進(jìn)行快速、無(wú)損智能充電已成為一種趨勢(shì)[1]。近年來(lái)，對(duì)快速充電方法的研究已取得較大的進(jìn)步，但采用大電流對(duì)鎳氫電池進(jìn)行快速充電，對(duì)電池的整體性能的損害大。針對(duì)上述問題，本文將模糊控制引入到鎳氫電池充電過程，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的模糊控制器，通過ANFIS對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行修正和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳氫電池按理想的充電模式進(jìn)行快速充電。

　　2鎳氫電池充電特性

　　2.1鎳氫電池的充電過程

　　對(duì)常見的鎳氫電池的充電電壓特性曲線分為3段(見圖1)。在開始時(shí)采用小電流預(yù)充電，在A～B段可用較大電流快速充電，到達(dá)B點(diǎn)后若再用恒流快速充電，電流過大(超過C/3甚至更高[2])會(huì)損壞電池，過小會(huì)使充電時(shí)間過長(zhǎng)。對(duì)此，有人提出采用前期分級(jí)恒流充電，充電后期實(shí)行脈動(dòng)式充電。充電過程可分為預(yù)充電、快速充電、補(bǔ)足充電和涓流充電4個(gè)階段。在剛開始充電時(shí)采用小電流預(yù)充電，電池的端電壓上升較快，上升到1.2 V時(shí)轉(zhuǎn)入快速充電，快速充電是用大電流充電，一般采用1 C以上，電池的大部分電能在這一階段恢復(fù)。為了保證電池充人100%的電能，還就加入補(bǔ)足充電過程，進(jìn)入涓流浮充階段，對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)，以防止電池自放電，充電速率一般為(1/30)C[1.3]。

　　2.2快速充電結(jié)束判斷

　　快速充電結(jié)束的條件：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量一△U;達(dá)到最長(zhǎng)充電時(shí)間;電池溫度達(dá)到最高值Tco。只要達(dá)其中一項(xiàng)，快速充電終止，轉(zhuǎn)入其他的充電階段。另外，充電器還要能檢測(cè)出電池是否損壞(短路)，以防止充電器因短路而損壞。本文采用第一種電壓負(fù)增量法，在理想情況下，其電壓增量為0△U，但在實(shí)際應(yīng)用中，其端電壓還是有較小的下降。

　　2.3現(xiàn)有鎳氫充電器存在的缺點(diǎn)

　　不管是傳統(tǒng)的恒流充電還是改進(jìn)的分級(jí)恒流充電方法。本質(zhì)上都是一種充電電流無(wú)法隨著鎳氫電池充電狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)的單一模式充電法，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)充電過程的最優(yōu)化[4]。本文引入模糊控制器，在整個(gè)充電過程中，根據(jù)電池的充電狀態(tài)而動(dòng)態(tài)跟蹤其可接受的最大充電電流，使實(shí)際充電電流始終保持在最優(yōu)值附近。 3模糊控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良的模糊控制器，關(guān)鍵是要有一個(gè)便于靈活調(diào)整的模糊控制規(guī)則[5]。模糊控制規(guī)則的取得有各種不同的途徑，2類基本的方法是：根據(jù)人對(duì)被控系統(tǒng)的實(shí)際操作求取控制規(guī)則;根據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)通過數(shù)學(xué)處理求得控制規(guī)則。對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行手工控制產(chǎn)生的規(guī)則較粗糙，有時(shí)還可能出現(xiàn)控制死區(qū)[6]，不能滿足要求。為了取得更滿意的控制效果，可以對(duì)原始的控制規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)。本文應(yīng)用模糊控制對(duì)充電電流進(jìn)行自適應(yīng)控制，系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)電池電壓變化情況，從而控制充電電流，以獲到最佳充電效果。具體設(shè)計(jì)時(shí)以粗糙的控制規(guī)則為基礎(chǔ)，通過ANFIS來(lái)修正優(yōu)化模糊規(guī)則。

　　4 ANFIS模型

　　ANFIS是J.S.R.Jang提出的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)，他是將模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合的新型的模糊推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用反向傳播算法和最小二乘法的混合算法調(diào)整前提參數(shù)和結(jié)論參數(shù)，能自動(dòng)產(chǎn)生If-Then規(guī)則并進(jìn)行優(yōu)化[7]。

　　在充電過程中，影響充電電流大小的因素很多，但主要取決于以下2點(diǎn)：充電電壓和鎳氫電池均充電電壓(或額定電壓)的差;鎳氫電池的溫度。由于電池溫度變化較靈活，對(duì)不同電池和電池的化學(xué)特性以及在不同的充電速率下都有較大變化。故本文不計(jì)溫度變化，選取充電電壓"和鎳氫電池均充電電壓(或額定電壓)"的差△V和相鄰2個(gè)電壓采樣點(diǎn)的變化率△u/△t作為輸入變量，輸出為充電電流，建立一個(gè)2輸入1輸出的二維模糊控制器。通過對(duì)10節(jié)容量為2 Ah的鎳氫電池做大量充電實(shí)驗(yàn)(數(shù)據(jù)見表1)，鎳氫電池的端電壓在很短的時(shí)間內(nèi)立即上升到13.6 V左右，隨后采取大電流快速充電。

　　在實(shí)驗(yàn)過程中，通過多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整，盡量獲得更理想的充電速率，當(dāng)端電壓上升到14.5 V左右，充電電流逐漸減小，這時(shí)端電壓上升較快，直到充滿，電壓不再上升，甚至有略微下降。這時(shí)充電電流降到最小。在此充電過程中，記錄了大量的數(shù)據(jù)，通過分析總結(jié)，得出了在快速充電過程中輸出電壓差△V、電壓變化率△u/△t和輸出電流對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)表。由于電壓變化率較小，為了減少誤差每隔一個(gè)時(shí)間段(12 s)讀取一次數(shù)據(jù)，共得到398對(duì)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，表1列出了部分樣本數(shù)據(jù)。

　　利用ANFIS使用模糊推理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行建模，對(duì)輸入變量△V(范圍：0～1 456 mV)和△u/△t(范圍：O～62.5 mV)分別選用3個(gè)和5個(gè)相關(guān)的鐘形隸屬函數(shù)，共得(3×5)共15條規(guī)則，即把兩維輸人空間劃分為15個(gè)相互重疊的模糊區(qū)域，每條If-Then規(guī)則管理其中的一個(gè)區(qū)域。每條規(guī)則的前提部分定義一個(gè)模糊區(qū)域，而結(jié)論部分確定該區(qū)域內(nèi)的輸出[7]。其ANFIS模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　ANFIS模型的具體算法如下：

　　第一層：將輸入變量△V和△u/△t的模糊化。其中的節(jié)點(diǎn)i的輸出函數(shù)為：σi'=μA(x)其中x是節(jié)點(diǎn)i的輸入。Ai是模糊集。這里選取μA(x)為鐘形函數(shù)，最值為1

　　。這里{ai，bi，ci}為前提參數(shù)。隸屬函數(shù)的形狀隨之而改變。

　　第二層：2個(gè)輸入變量分別取3個(gè)和5個(gè)相關(guān)的隸屬函數(shù)，共得3×5一15條規(guī)則。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出代表一條規(guī)則的可信度。如：w(i)=μA(x)×μB(y)，i=l，2，…，15。

　　第三層：其節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將輸入信號(hào)相乘。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出代表1條規(guī)則的歸一化可信度。如：

　　第四層：其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)學(xué)習(xí)，其參數(shù)學(xué)習(xí)可以采用反向傳播算法和梯度下降法與最小二乘法的混合學(xué)習(xí)算法。第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出：

　　第五層：計(jì)算總的輸出為：

　　給定前提參數(shù)后，ANFIS的輸出可以表示成線性組合：

　　5仿真結(jié)果

　　利用Matlab中的ANFIS進(jìn)行仿真，采用混合學(xué)習(xí)算法(BP反向傳播和最小二乘結(jié)合)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。這種混合算法具有收斂速度快、容易達(dá)到全局最小點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過250代訓(xùn)練，得到在充電過程中不同情況下最理想的充電速率(大小如圖3所示)。在電壓差值較大，而電壓變化率很小時(shí)，可以采用高達(dá)1.5C的大電流進(jìn)行快速充電。而在電壓差值很小，電壓的變化率也較小，也就是電池快充滿時(shí)，用小于O.3C的小電流充電，即結(jié)束快速充電。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)訓(xùn)練的輸出和期望輸出的誤差為O.150 14。如圖4所示。

　　6結(jié) 語(yǔ)

　　在本文設(shè)計(jì)的模糊控制中，對(duì)鎳氫電池的快速充電過程的充電速率大小由ANFIS模糊推理的輸出確定。隨電池的差值和電池電壓的變化率的不同靈活地選擇充電電流，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的恒流充電，在整個(gè)充電過程中電池能按理想的模式進(jìn)行充電，避免在快速充電過程中出現(xiàn)過充，保證了充電的安全，大大提高了充電效率。