王建軍，馬樹才，張春梅

(1.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口075000；2.河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北張家口075000)

為了應(yīng)對能源危機，世界各國紛紛研究綠色能源汽車，電動汽車就是其中的重點。電動汽車的能量全部或部分來自于蓄電池，而蓄電池的功率密度和儲電容量決定著電動汽車的行駛速度和行駛里程，成為電動汽車能否真正走向市場的關(guān)鍵因素。因此開發(fā)高性能、低成本、壽命長的動力電池是發(fā)展電動汽車事業(yè)所必須解決的問題。

目前，應(yīng)用于電動汽車的電池種類很多，主要有鉛酸電池、鎘鎳電池、氫鎳電池和鋰電池，其中鋰離子電池由于其高體積比、高質(zhì)量比、無記憶效應(yīng)、壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點成為研究的熱點。據(jù)研究，未來將有2/3的電動汽車將使用鋰電池。

本文首先從鋰離子電池的電池性能參數(shù)入手，分析了各種參數(shù)對鋰離子電池狀態(tài)的影響，并選取SOC作為研究的重點，以憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建了相應(yīng)的SOC估值體系。

1 鋰離子性能指標(biāo)分析

鋰電池的工作性能受諸多因素的影響，如電壓、溫度、老化程度等，因此，對電池進(jìn)行有效的管理是電動汽車可靠運行的前提。電動汽車的電池管理是對電池組的電壓、電流、溫度和繼電器狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，實現(xiàn)對電池有效的充放電控制、均衡監(jiān)測、故障診斷、熱管理等功能，保障電池能夠工作在合理的參數(shù)范圍內(nèi)，同時通過電池組的荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)進(jìn)行評估。最終達(dá)到提高電池組使用效率、增加續(xù)駛能力、延長使用壽命、降低運行成本，提高電池可靠性的目的。

為了實現(xiàn)電池的有效管理，電池管理的主要技術(shù)有SOC估算、SOH估算和熱管理。其中SOC是電動汽車運行過程中非常重要的參數(shù)，SOC參數(shù)可以為駕駛者提供電池能量供給狀況，進(jìn)行充放電管理，防止電池的過充與過放，從而保證車輛的可靠行駛、延長電池的使用壽命。因此，準(zhǔn)確地檢測SOC值是提高電動汽車?yán)眯实谋匾侄?。但是由于電動汽車在使用過程中具有高度的非線性，而目前所使用的開路電壓法、內(nèi)阻法、放電實驗法、Ah計量法、線性模型法、卡爾曼濾波法等[1]。均或多或少存在著缺陷。因此，研發(fā)精確度高、實時性強的SOC估算辦法至關(guān)重要。

鋰離子電池的電化學(xué)特性受到電壓、電流、溫度的影響很大，加之電動汽車的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，所以SOC值的估算是一個非線性數(shù)據(jù)計算過程，涉及到的參數(shù)很多，主要有電池的電壓特性、內(nèi)阻特性、效率特性、循環(huán)特性。

鋰離子電池的電壓特性主要是指開路電壓(OCV)，由于鋰離子電池的開路電壓與SOC存在著一定的非線性關(guān)系，因此，利用這種特定的關(guān)系而形成的SOC估算方法是應(yīng)用較為廣泛的方法之一，但是，由于開路電壓只有在電池靜置一段時間后才可得到準(zhǔn)確的數(shù)值，所以，這種方法并不適用于電池SOC值的實時估算。

鋰離子電池的內(nèi)阻分為直流內(nèi)阻和交流內(nèi)阻，而電池的直流內(nèi)阻與SOC的關(guān)系在一定范圍內(nèi)呈線性，而且這種線性關(guān)系不隨著溫度的變化而變化，所以可依靠內(nèi)阻法進(jìn)行SOC值的測算，但是，由于電池內(nèi)阻隨著電池老化程度和循環(huán)次數(shù)的不同而有較明顯的差別，所以參數(shù)狀態(tài)復(fù)雜，已很少應(yīng)用在SOC值的估算中。

鋰離子的效率特性在SOC的估算中主要是指充放電效率，主要包括安時效率和瓦時效率兩種，而較為常用的是安時效率。所謂的安時效率是指在規(guī)定的條件下，蓄電池放電期間給出的電量與恢復(fù)至初始充電狀態(tài)所需電量的比值。這個定義在本質(zhì)上與SOC的定義具有相同性，因此，利用安時效率來估算SOC也是常用的方法之一。在檢測過程中需要取得SOC的初值并利用開環(huán)控制進(jìn)行結(jié)果的調(diào)整。這種方法的缺陷是SOC的初值不易準(zhǔn)確掌握且開環(huán)控制易積累出較多的誤差。

SOC的其它估算方法，例如卡爾曼濾波法存在著硬件要求高的缺點；而線性模型法不適用于電流變化較大的場合，所以目前對SOC值估算方法的研究大多集中在人工智能的方向上，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SOC估算方法就是其中之一。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的SOC技術(shù)分析

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能的一個分支，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由許多相互連接的節(jié)點組成，每個節(jié)點有許多輸入量，對于每一個輸入量都對應(yīng)一個相應(yīng)的權(quán)重，將這些輸入量經(jīng)加權(quán)求和后，再通過傳遞函數(shù)計算就會得到輸出值，再傳給下一層神經(jīng)元。對于每一個節(jié)點存在著一個閾值b，用來對輸入變量進(jìn)行有效值規(guī)范。同時，整個網(wǎng)絡(luò)還需要定義一個傳遞函數(shù)，該函數(shù)對輸入變量的和值進(jìn)行相應(yīng)的計算，并將計算值作為輸出值輸出。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最廣的一種，具有簡單、易行、計算量小、并行性強等優(yōu)點。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有三層結(jié)構(gòu)[2]，分別為輸入層、隱含層、輸出層組成(如圖1所示)，輸入層接受來自于實際情況中的采集數(shù)據(jù)，隱含層利用權(quán)值對輸入值進(jìn)行求和后，利用傳遞函數(shù)進(jìn)行再次計算，直至得出輸出值，將輸出值與實際測量值進(jìn)行對比后，得出相應(yīng)的誤差值，利用誤差對前向傳導(dǎo)過程進(jìn)行分析，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，再繼續(xù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程訓(xùn)練，直至誤差縮小在規(guī)定的范圍內(nèi)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)必須處處可導(dǎo)，一般都使用雙曲正切函數(shù)tagsig或?qū)?shù)雙曲線函數(shù)logsig來完成。結(jié)合實際SOC值估算具體的計算過程如圖2所示。

圖1 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOC值計算流程

3 利用憶阻器對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOC算法的改進(jìn)及仿真

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反復(fù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程而造成的時間延遲一直是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對SOC值進(jìn)行估算的缺陷，所以加快神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程，利用特殊元件來減少權(quán)值的逐步靠近過程是解決問題的關(guān)鍵。而憶阻器就是具有這種功能的特殊元件。

憶阻器是一種具有記憶功能的非線性電阻，具有電不易失性、存儲精度無限的基本特點，同時由于憶阻器內(nèi)部變量設(shè)置合理，對采集數(shù)據(jù)可兼容數(shù)字和模擬兩種模式。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SOC估值算法可采取三種方式來實現(xiàn)權(quán)值的存儲和調(diào)整，分別為模擬、數(shù)字和混合式。模擬方式采用電容來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的存儲，精度高，但是具有電容電易失性，需要增加刷新的設(shè)備；數(shù)字方式精度低，對于電動汽車的SOC值的估算很難達(dá)到要求；混合方式可克服模擬式與數(shù)字式的兩種弊端，但是需要進(jìn)行多次的A/D與D/A的轉(zhuǎn)換，帶來了額外的設(shè)備支出及產(chǎn)生了時間的延遲[2]。所以結(jié)合憶阻器的基本特點，利用憶阻器來存儲權(quán)值可以使整個系統(tǒng)即具有高的精度，又可減少A/D與D/A轉(zhuǎn)換過程，從而節(jié)省了權(quán)值的調(diào)整和傳輸時間，可以有效地提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算效率。

本例結(jié)合實際情況，選取1.5C倍率下的數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)，設(shè)定誤差指數(shù)為0.0001，輸入Matlab程序進(jìn)行仿真計算，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練250步，用時5 s，結(jié)果如圖3所示，從圖3中可見基于憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SOC的預(yù)測值相比于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SOC的預(yù)測值與實驗值吻合更好，精度更高。

圖3 SOC的預(yù)測值與實驗值對比圖

4 總結(jié)

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行電動汽車的SOC值的估算是目前的研究熱點，而將憶阻器應(yīng)用至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)一步使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件體系結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)的計算過程提供有效地支持。本文將憶阻器引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元設(shè)計，可有效地改善傳統(tǒng)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)，具有速度更快、功耗更低、體積更小、功能更強的基本特點，從而可以極大地促進(jìn)以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的電動汽車電池管理技術(shù)的發(fā)展。

[1]劉浩．KF的電動汽車用鋰離子電池SOC估算方法研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2010：11-12.

[2]康洪波，劉瑞梅．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)光伏發(fā)電預(yù)測模型的研究[J]．電源技術(shù)，2013，37(3)：447-449.