趙徐成，王旭昆，朱逸天，孫默圓，凌 軍

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇徐州221000；2.解放軍95968部隊(duì)，北京100089；3.沈陽航空四站廠，遼寧沈陽110000)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的鉛酸蓄電池性能檢測研究

趙徐成1，王旭昆1，朱逸天1，孫默圓2，凌 軍3

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇徐州221000；2.解放軍95968部隊(duì)，北京100089；3.沈陽航空四站廠，遼寧沈陽110000)

提出了蓄電池動態(tài)內(nèi)阻的概念。論證了鉛酸蓄電池內(nèi)阻與剩余容量之間良好的相關(guān)性。以鉛酸蓄電池動態(tài)內(nèi)阻、電解液密度和電解液溫度為判定蓄電池容量和瞬間放電能力的特征矢量。設(shè)計(jì)了動態(tài)電子負(fù)載和蓄電池特征矢量檢測系統(tǒng)，采集蓄電池特征矢量數(shù)據(jù)，經(jīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合推理，以測定蓄電池的剩余容量和瞬間放電能力。最后，對一組10塊2 V600 Ah的鉛酸蓄電池進(jìn)行性能測試。

鉛酸蓄電池；動態(tài)內(nèi)阻；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；剩余容量

鉛酸蓄電池組是一個獨(dú)立于變電站用交流電源的后備直流電源，是電源的最后一道防線，主要擔(dān)負(fù)著為通訊系統(tǒng)中二次系統(tǒng)負(fù)載提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力保障，確保繼電保護(hù)正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的蓄電池性能檢測方法通過對蓄電池進(jìn)行1 h、10 h放電率恒流放電來檢測蓄電池的容量。采用這種方法，檢測時間長，精度低，可靠性差。IEEE在1992年通過了一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化草案，建議固定型免維護(hù)鉛酸蓄電池的測試方法由原來的浮充電壓測試改為導(dǎo)納或阻抗測試。內(nèi)阻測定法是利用電池充放電時內(nèi)阻的改變，來預(yù)測電池的剩余容量[1-3]。

1 航空鉛酸蓄電池的電化學(xué)動力學(xué)特性

鉛酸蓄電池中的成流反應(yīng)是嚴(yán)格地以化學(xué)當(dāng)量進(jìn)行的，在蓄電池負(fù)極進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)為:

正極進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)為：

由Nernst公式可得鉛酸蓄電池平衡電勢公式：

鉛酸蓄電池的電化學(xué)成流反應(yīng)發(fā)生在極板處固相與液相交接面，鉛酸蓄電池的容量由電解液中的硫酸濃度和正負(fù)極板上的可用活性物質(zhì)量綜合決定。新充足的蓄電池的容量主要由電解液中的硫酸濃度確定，而趨于放電結(jié)束或陳舊蓄電池的容量主要由正負(fù)極板上的可用活性物質(zhì)量確定。

因此，可以得出如下結(jié)論：蓄電池電化反應(yīng)的活性物質(zhì)狀態(tài)和硫酸溶液極化濃度的變化可等效成蓄電池內(nèi)阻的變化，即蓄電池內(nèi)阻的變化能夠反映出蓄電池容量和瞬間放電的能力。蓄電池的動態(tài)內(nèi)阻可描述為：在任一時刻，蓄電池放出的最大電流時，對外表現(xiàn)出的蓄電池輸出電壓的急劇下降量。其表達(dá)式為：

2 鉛酸蓄電池動態(tài)內(nèi)阻和容量的關(guān)系

一般，鉛酸蓄電池的老化失效與內(nèi)阻變化的關(guān)系經(jīng)歷了三個階段：(1)投運(yùn)初期到蓄電池進(jìn)入穩(wěn)定的運(yùn)行期，蓄電池的內(nèi)阻有所下降；(2)在蓄電池正常運(yùn)行很長一段時間內(nèi)，內(nèi)阻保持相對穩(wěn)定；(3)在蓄電池壽命終結(jié)前一段時間，內(nèi)阻呈現(xiàn)快速上升趨勢。我們對一組12塊2 V600 Ah的正常運(yùn)行很長時間后的鉛酸蓄電池進(jìn)行內(nèi)阻和容量實(shí)驗(yàn)，其數(shù)據(jù)見表1。

表1 常溫T=25 ℃下正常運(yùn)行的鉛酸蓄電池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對比鉛酸蓄電池內(nèi)阻與容量多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明蓄電池內(nèi)阻與容量具有較好的相關(guān)性。在蓄電池大電流放電過程中，由蓄電池單格電壓的變化可確定其動態(tài)內(nèi)阻的變化，融合電解液密度、溫度的動態(tài)變化及變化時間等信息，可確定蓄電池容量和瞬間放電能力。從而可將蓄電池單格電壓、電解液密度和電解液溫度等看作判定蓄電池容量和瞬間放電能力的特征矢量。

3 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蓄電池性能檢測研究

3.1 動態(tài)電子負(fù)載和蓄電池特征矢量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了測試蓄電池動態(tài)內(nèi)阻、電解液密度、電解液溫度等特征矢量，我們設(shè)計(jì)了如圖1所示的動態(tài)電子負(fù)載和蓄電池特征矢量檢測系統(tǒng)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對電子負(fù)載的控制和特征矢量的檢測。動態(tài)電子負(fù)載包括兩個部分：既放電主回路和放電控制回路。放電主回路是由回路等效耗能電阻RL1、分流電阻RL2和大功率開關(guān)管Q及吸收電路組成。控制回路由電流傳感器T、取樣電阻、遲滯比較器等組成。動態(tài)電阻負(fù)載的工作原理是負(fù)載主回路反饋的電流，經(jīng)遲滯比較器進(jìn)行兩態(tài)調(diào)制后，對大功率開關(guān)管Q的導(dǎo)通時間進(jìn)行PWM控制，從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的電流控制。與負(fù)載主回路中電流相對應(yīng)的遲滯比較器的參考電壓由計(jì)算機(jī)提供。電解液密度變化和溫度的變化通過傳感器用DBUS和TBUS傳送給計(jì)算機(jī)檢測，蓄電池單格電壓變化用VbBUS傳送給計(jì)算機(jī)檢測。

圖1 動態(tài)電子負(fù)載和蓄電池特征矢量檢測系統(tǒng)原理圖

3.2 自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合推理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雖然蓄電池動態(tài)內(nèi)阻與其容量具有較好的相關(guān)性，但是這種關(guān)系是離散、模糊的，且蓄電池檢測工作條件具有很大的隨機(jī)性。因此我們采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合推理，以測定蓄電池的內(nèi)阻和瞬間放電能力，判定蓄電池的容量。

3.2.1 歸一化處理

蓄電池容量檢測受多種因素影響，根據(jù)最主要因素可確定三個輸入量：蓄電池的動態(tài)內(nèi)阻變化量、電解液密度、電解液溫度。為了使模型不受蓄電池具體型號的限制，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

3.2.2 自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在確定了輸入變量后，選擇蓄電池的剩余電量作為輸出，構(gòu)造如圖2所示的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合推理系統(tǒng)。該推理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)層融合、特征層融合與決策層融合構(gòu)成。

圖2 n個輸入1個輸出的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

第一級是數(shù)據(jù)信息融合，通過優(yōu)化選擇狀態(tài)信號和過程參數(shù)，如蓄電池溫度、密度、放電時阻抗等，利用不同的信號處理手段提取出反映出蓄電池性能某一屬性的不同特征信息。其融合的思想主要體現(xiàn)在處理數(shù)據(jù)的方法上，將多種數(shù)據(jù)處理方法相結(jié)合，提取出反映蓄電池特征的信息，以提高不同信息的利用率。

第二級是特征信息融合診斷，在前一級的基礎(chǔ)上，對不同特征信息進(jìn)行融合處理，提出最能反映蓄電池性能的綜合指標(biāo)，這一過程是蓄電池性能檢測的關(guān)鍵。在這一層主要得出，溫度對蓄電池性能影響的特征矢量；密度對蓄電池性能影響的特征矢量和阻抗對蓄電池影響的特征矢量。

第三級是高級的特征信息融合，該過程是在前兩個過程的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的先驗(yàn)知識，對來自不同類型信息源的信息進(jìn)行融合，從而實(shí)施對蓄電池的容量性能正確決策。目前在多源信息融合診斷方面的例子有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷和診斷專家系統(tǒng)等。

Led-acid battery performance testing research based on neural network technology

The concept of dynamic internal resistance of the battery was put forward.Good correlation between lead-acid battery internal resistance and residual capacity was demonstrated.The dynamic resistance of lead-acid battery, electrolyte density and temperature of the electrolyte were regarded as the feature vector to determine battery capacity and discharge capacity.Dynamic electronic load and battery characteristic vector detection system were designed.The battery characteristics of vector data was collected.The data fusion of integrated reasoning of fuzzy neural network was used to determine the residual capacity of the battery,and discharge capacity.Finally,a performance testing was done for the lead-acid battery for a group of 10 to 2 volts 600 Ah.

lead acid battery internal resistance;dynamic;neural network;remaining capacity

TM912

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1002-087X(2016)12-2405-02

2016-05-03

趙徐成(1961—)，男，江蘇省人，教授，主要研究方向?yàn)楹娇盏孛骐娫醇苫O(shè)計(jì)。