鉛酸蓄電池自放電程度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)

范紅軍 殷合香 鄭衛(wèi)東

（海軍航空工程學(xué)院青島分院）

1 引言

鉛酸蓄電池在存放期間，常會(huì)有容量的損失，就是蓄電池的自放電，它反映了蓄電池在開(kāi)路狀態(tài)下，所儲(chǔ)存的電量在一定條件下的保持能力，因此又稱蓄電池的荷電保持能力[1]。鉛酸蓄電池存放一定時(shí)間后，由于自放電使容量損失較大，需要進(jìn)行補(bǔ)充充電以保持高荷電能力。蓄電池補(bǔ)充充電前，需要首先檢測(cè)鉛酸蓄電池自放電程度，從而預(yù)計(jì)待充的電量，避免過(guò)度充電對(duì)蓄電池造成的損壞。

目前比較常用的鉛酸蓄電池放電程度檢測(cè)方法是通過(guò)測(cè)量各單格電解液密度的高低判斷放電程度，但此方法由于測(cè)試的次數(shù)較多，測(cè)試的累計(jì)誤差較大，而且此法僅適用于有加液孔蓋的鉛酸蓄電池，現(xiàn)今大量使用的密封式鉛酸蓄電池便無(wú)法使用此方法[2]。另一個(gè)方法是通過(guò)測(cè)量蓄電池開(kāi)路端電壓的高低判斷放電程度。但這種方法由于忽略了蓄電池的內(nèi)阻壓降，且在環(huán)境工作溫度較高的情況下，難免帶來(lái)很大的誤差[2]。

針對(duì)蓄電池自放電影響因素復(fù)雜的特點(diǎn)，本文將標(biāo)準(zhǔn)BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與檢測(cè)開(kāi)路端電壓變化方法結(jié)合，進(jìn)行蓄電池自放電程度檢測(cè)。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近任意非線性函數(shù)的能力，它通過(guò)使用樣本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸入層和輸出層之間非線性映射的關(guān)系，只要提供足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，就能達(dá)到令人滿意的檢測(cè)精度。

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般有三層：輸入層、隱含層、輸出層，每層由若干神經(jīng)元組成。各層次之間的神經(jīng)元互相連接, 各層次內(nèi)的神經(jīng)元之間沒(méi)有連接。輸入信號(hào)從輸入節(jié)點(diǎn)依次傳遞到各個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)，后傳遞到輸出節(jié)點(diǎn)，每層的輸入只影響下一層的輸出。典型的三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法實(shí)際是梯度下降的方法，該算法的學(xué)習(xí)過(guò)程由正向傳播過(guò)程和反向傳播過(guò)程兩個(gè)階段組成：第一個(gè)階段根據(jù)輸入學(xué)習(xí)樣本，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸出；第二個(gè)階段是從最后一層向前計(jì)算各權(quán)值和閾值對(duì)總誤差的影響（梯度），據(jù)此對(duì)各權(quán)值和閾值進(jìn)行修改。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法如下[3]：

① 隱含層節(jié)點(diǎn)輸出函數(shù)：

② 輸出層節(jié)點(diǎn)的輸出函數(shù)：

③ 輸出層的權(quán)值變化

η為學(xué)習(xí)率 (0 <η < 1) 。

④ 隱含層的權(quán)值的變化

⑤ 輸出層和隱含層權(quán)值調(diào)整：

重復(fù)①至⑤，直至誤差達(dá)到規(guī)定的要求Ek＜S。

傳統(tǒng)算法存在收斂速度慢的缺點(diǎn)，本文采用自適應(yīng)調(diào)整學(xué)習(xí)率的改進(jìn)BP算法加以改進(jìn) (具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[3])，且初始學(xué)習(xí)率η在0.05～0.09之間選擇。

3 蓄電池自放電程度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立

3.1 影響鉛酸蓄電池自放電的因素

影響鉛酸蓄電池自放電的因素主要有以下4個(gè)方面[4]：① 電解液的濃度和極板材料的純度；② 存放期間，硫酸下沉，使極板上產(chǎn)生電位差；③ 極板活性物質(zhì)脫落，造成下部沉積過(guò)多使極板短路；④ 溫度降低，使容量減小。

綜上，蓄電池自放電程度因素歸納為蓄電池組成材料、端電壓的高低、電池老化程度和環(huán)境溫度等因素，本文中檢測(cè)的鉛酸蓄電池要求型號(hào)一致且生產(chǎn)材料相同，因此只選取蓄電池端電壓變化、環(huán)境溫度、蓄電池老化程度等三個(gè)因素進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立

根據(jù)2.1的分析可知，輸入層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為3，輸出層神經(jīng)元只有1個(gè)，即鉛酸蓄電池的自放電程度。對(duì)于隱含層節(jié)點(diǎn)的選取,應(yīng)遵循節(jié)點(diǎn)數(shù)盡量小，否則會(huì)使訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng),誤差可能達(dá)不到預(yù)期的要求，隱含層節(jié)點(diǎn)的數(shù)要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取，其計(jì)算式為：n1=+a 。其中：n1為隱含層節(jié)點(diǎn)的數(shù)目；n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)；m為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；a為選取 1～10之間的常數(shù)[5]。經(jīng)試驗(yàn)比較,發(fā)現(xiàn)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)取5時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差最小，所以此網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)應(yīng)該為5。

BP網(wǎng)絡(luò)的隱含層和輸出層激活函數(shù)分別使用tansig函數(shù)和logsig函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練使用 trainlm算法 ,訓(xùn)練目標(biāo) E<0.0001。

3.3 訓(xùn)練數(shù)據(jù)獲取

為了使BP網(wǎng)絡(luò)能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)靜置鉛酸蓄電池的放電程度，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為7-HK-182 (保定產(chǎn))的鉛酸蓄電池。

3.3.1 蓄電池老化程度數(shù)據(jù)獲取

在相同環(huán)境溫度及標(biāo)準(zhǔn)充電狀態(tài)下，電池充好電后的初始電量與新蓄電池初始電量的比值，即可得到蓄電池老化程度。

3.3.2 端電壓及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)獲取

將15 塊7-HK-182 (保定產(chǎn))的鉛酸蓄電池充足電后在房間存放，存放期間記錄房間溫度。一定時(shí)間后，測(cè)量某一塊電池的端電壓，并計(jì)算存放期間房間溫度的平均值。之后，利用放電設(shè)備對(duì)蓄電池以18A進(jìn)行恒流放電，并計(jì)時(shí)放電時(shí)間，當(dāng)測(cè)量蓄電池的電壓達(dá)到放電終止電壓時(shí)，計(jì)算蓄電池剩余容量：

則該蓄電池自放電程度：

然后繼續(xù)存放其它蓄電池，存放一定時(shí)間后，測(cè)量其中一塊電池的端電壓，同時(shí)計(jì)算存放期間房間溫度的平均值，然后通過(guò)（2）式和（3）式計(jì)算該塊蓄電池的自放電程度，依此類推，最后得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

3.3.3 數(shù)據(jù)的處理

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要求所有的輸入變量都必須是 0 ～1 或-1～+1 之間的實(shí)數(shù)[5]，因此必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理[2]，本文中采用最大、最小歸一化方法設(shè) xmin和xmax分別為指標(biāo) x 的最小值和最大值，對(duì)于指標(biāo) x中的值 Y 而言，將其映射到0～1區(qū)間的公式為：

表1 鉛酸蓄電池自放電程度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 訓(xùn)練及測(cè)試結(jié)果

采用表1的前十二項(xiàng)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而取后三項(xiàng)數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，用來(lái)評(píng)估所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果和誤差如圖2和表2所示。

圖2 訓(xùn)練誤差與步數(shù)曲線圖

表2 BP預(yù)測(cè)結(jié)果比較

從圖2及表2可看出，隱含層節(jié)點(diǎn)為5網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)的平均誤差結(jié)果不超過(guò)4%。

5 結(jié)論

本文利用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,結(jié)合電池的新舊程度、端電壓以及工作溫度，對(duì)7-HK-182蓄電池（保定產(chǎn)）的自放電程度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)為5時(shí)，檢測(cè)誤差不超過(guò)4%，如果增加BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本容量,可進(jìn)一步降低檢測(cè)的誤差。應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)蓄電池放電程度的方法便捷可行，可有效提高鉛酸蓄電池的使用和維護(hù)質(zhì)量。

[1]胡任,韓贊東,王克爭(zhēng).基于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)靜置電池的剩余電量[J]. 電池,2006.2: 58-59.

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