（电工理论与新技术专业论文）基于神经网络动力电池性能评估.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于神经网络动力电池性能评 估，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：速辱墨 日期： 础l 占 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者签名： 铽率 导师签名 日期：坦厶口期 j 3 爪 p 杉f 6 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 面临能源和环境的压力，国外著名的汽车公司十分的重视丌发电动汽车。发达 国家不惜投入重令，进行研究和丌发，并制定了一些相关政策，法舰来引导、鼓励， 并推动电动汽车的发展和研究，电动汽车的研究是从单独妖靠蓄电池供电的纯电动 车丌f 始的。但是由于动力电池的比能量不高，循环寿命低，使得电池技术成为电动 车发展的“瓶颈”y 。 电动汽车是以电池为动力的汽车，通常包括电动汽车、混合动力源电动车、电 动摩托车、电动自行车及一切电动代步的休闲车等。目前全世界汽车厂家纷纷研究 和丌发并推广使用电动车，电动车的蓬勃发展及远大前景，促进了电池技术的发展， 世界各大汽车公司纷纷投巨资并采取结盟的方式研究各种类型的电池。 1 2 动力电池类型 作为电动车动力电池的研究种类很多，有铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、钠 硫电池、锂离子电池、燃料电池等。 1 、铅酸蓄电池性能可靠而价廉、紧凑。平均寿命仅为2 2 j 年，在寒冷气温 下更短。在安全方面，铅酸蓄电池溶液可用胶体来代替。充电时放出的氢气有爆炸 的危险，需用密封装置解决。它是技术最成熟的电池，为大多数的电动汽车选用，但 其过充电、过放电时寿命缩短。 2 、镍镉蓄电池的体积能量密度与铅酸蔷电池相近，但质量能量密度则非常优越 ( 7 0 w h k g ) 。其技术成熟性仅次于铅酸蓄电池，但其成本比铅酸蓄电池高5 0 。很 安全，寿命一般为3 年。 3 、钠硫蓄电池的相关技术尚处于发展阶段，其储备能量是铅酸蓄电池的2 倍。 钠硫蓄电池结构紧凑，能量密度高，并可以缓解封装问题。但要在约3 0 0 3 5 0 。c 的高 温下工作，不使用时要保温防止电池凝固，因为一旦凝固就没有功率可发。钠硫的化 学反应放出大量热量，故需要独特的回收结构。否则如果温度超过4 4 5 硫就会沸腾， 使内压升高，危险性增加。钠硫蓄电池的回收工作很简单。欧洲国家，特别是英国在 生产和使用电动汽车方面，有丰富的实践经验。英国的许多私营公司也f 加速蓄电 池技术的研究，特别是钠硫蓄电池的开发。 4 、锂蓄电池有锂铅二硫化铁蓄电池( l a i s ) 以及锂和某种聚合物的蓄电池。锂 铅二硫化铁蓄电池是一种i f 在研究的蓄电池，有很高的能量密度( 】3 0 华北电力人学顶十学俺论文 1 8 0 w 。h k g ，2 0 0 3 0 0 w 。h l ) 和功率密度( 4 0 0 5 0 0 w k g ) 。锂和某种聚合物的蓄电 池是一种固态系统，仍处于初期开发阶段。温度的变化对锂蓄电池能量释放和可靠 性影响较大。 5 、锌溴蓄电池，是一种电解液循环的特殊蓄电池。因结构上多采用树脂，因而 取得轻量化得到高的能量密度和低的电池价格的可能性大。但是需解决的问题是， 增大能量密度，延长循环寿命。锌空气蓄电池价格低廉，但其寿命很短，只有2 年。 能在室温下工作，能量密度为钠硫蓄电池的2 倍。目前处于初期丌发阶段。 市场上可供使用的各种蓄电池比较成熟，而且价格也是可以接受的，有( 氢化 物) 一镍蓄电池、隔一镍蓄电池和阀控式铅酸蓄电池。在同本实际运行的各种形式的 电动汽车，使用都是氢一镍蓄电池和阀控式密封铅蓄电池，容量较小，容量大约为 6 0 a h ，比能量低于4 0 k w h k g 。 我国对电动汽车用蓄电池的开发阶段，风帆蓄电池有限公司采用富液少维护涂 青极板，研制的电动车用1 2 v - 15 0 a h 蓄电池其比能量达到4 0 k w h k g ，放电深 度7 5 ，寿命达到4 1 0 次，已经通过鉴定，对于国家科委要求的5 5 a h ，放电深 度7 5 ，寿命7 5 0 次，还远远没有达到。研制比能高，寿命长，稳定可靠的动力电 源还有很长的路要走。 小型镍氢电池，锂离子电池开发及主要原材料国产化的基础上，突破了高性能 镍氢电池域罩离子动力电池的关键技术，其性能指标已接近国际先进水平，目前已 装在我国j f 发的摄念汽车上进行测试考核，我国也建立了系统的，适合各种电动汽 车的实验示范区，大到一个省( 海南省) ，小到只有体育馆大小。1 9 9 8 年4 月国家 电动汽车实验示范区讵式丌通；已经有几十种纯电动汽车在此实验考核，玎展了公 务车、公交大巴和出租车营运实验，完成了6 0 多万公罩的运行任务。具有充电、 维修、培训与电池测试，数据收集与储存等功能，培养了一支实验运行队伍形成 了一定的测试条件，为今后的发展创造了物质基础。 1 3 本文研究对象 从价格、安全、可靠以及生产上，技术上的成熟来看，自然是铅酸蓄电池，特 别是阀控式密封铅蓄电池j j “，近年来有很大进步，在循环寿命上由于采用高 p b c a s n a i 合金，克服了早期容量损失( p c l ) ，寿命延长，电池在结构上重量减轻 表1 一l 目前使用的主要动力电源的性能与价格对比 电池类型 比能量w h k g比功率w k g 循环寿命次价格懈 m h - n i7 01 7 05 0 05 o c d n i5 01 6 05 0 03 o 铅酸 3 515 03 0 0】o 华北电力人学硕十学他论文 活性物质利用率又获得提高，从而比能量提高，在快速充电上，也取得很大进步。 根据中国电动车发展计划，希望将公交车、出租车作为电动车使用的首要地位， 因此需要发展价格低廉自电动车电池，1 9 9 1 年国家将电动车铅酸电池的研究玎发列 为重点项目，研究重点为提高比能量、电池的循环寿命和电池性能均一性，目前我 国新设计豹概念车将使用2 4 只1 2 v 5 5 a h 电池组，平均功率为1 8 k w ，峰值功率为 5 lk w ，1 2 v 电池组的尺寸为3 8 6 x l l 6 x 1 7 5 ，目前存在的最大问题是电池均匀一致 性差。 综合上表和下表的数据可以看到，在电动车使用上傻用阀控式密封铅蓄电池的 酊景是乐观的。为此上海市在1 9 9 7 年制定了动力电池的地方标准。包括氢一镍和密 封铅蓄电池。由于现在使用的和研制的都已经大大的超过了该标准的规定，现在已 经被g b t 1 0 2 6 2 2 0 0 1 标准取代。在该国家标准中规定了电动车辆用蓄电池商品化， 起码的应该满足以下条件： 1 、比能量大于5 0 a h k g ! 、寿命在5 小时率条件下达1 5 0 0 一1 8 0 0 次循环 3 、充电后每次可行驶1 6 0 k m 以上。 4 、有足够的功率供电动车在8 s 内从0 加速到4 0 k m s 表卜2 电动汽车用蓄电池近年来的性能变化 价格比功率比能量充电时间成本u s 年代 循环次 ￥，k w h w k gw h k g m i n $ k g 1 0 0 8 1 9 9 22 0 0l5 02 57 51 0 7 h 5 0 5 r a i n 1 9 9 51 5 01 5 03 58 0 一1 5 m i n 5 0 00 1 0 1o o 4 0 m i n 5 0 3 m i n j 1 9 9 81 0 0i5 0 4 8 8 0 1 0 m i n 8 0 00 0 4 lo o 3 0 m i n 达到这一目标面临的困难是，铅蓄电池的能量、功率与循环寿命指标互相冲突， 提高铅蓄电池的比能量和比功率所采的方法有，提高活性物质的利用率，使活性物 质与板栅的比率增高，改进极板和单电池之间的连接。提高蓄电池的放电深度。然 而这些方法的使用却使得蓄电池的其他性能降低，从根本上导致了蓄电池使用寿命 的减少。 拔心日前经济条件还落后，电动汽车的产业化步骤比较慢，资金的投入也相对 困难。选择销酸蓄电池作为动力电池符合我国的国情，因此本文选择铅酸蓄电池作 华北电力人学硕+ 学靠论文 为研究对象。 1 4 课题背景 1 4 1 现状与主要问题 比容量( a h k g ) ，比能量( w v k g ) ，使用寿命( 循环寿命) 是蓄电池性能 重要标志。传统的容量测试多是静态条件下，长时间恒流放电，通过对时f b j 的累积 得到a h 数，其优点是测量准确，但是费时，接线繁琐。同时容量的测量导致蓄 电池寿命减少，这使得电力、通信系统容量测量不能经常进行。 循环寿命测量多是采用破坏性实验，特点是时间长，多到3 4 月，至少也要5 天到7 天，而且测量不准确。主要原因是实际工况复杂多变，与测量时工况出入大， 同批产品品质不同。即使是电池包中卑体也存在差异，而电池的不一致性是导致 蓄电池使用寿命减少的主要原因之一。能够准确掌握蓄电池的健康状况只能在有载 条件下测量，应用程序的灵活方便性，模拟实际运行工况。我国在此方面研究不如 国外，国外的产品得到世界各个国家检测部门的认同，如德国d i g t r o n ( 迪卡龙) 测 试仪，a r b i n ( 阿滨) 大功率测试仪，以软件模拟实际工况，有效使用程序的灵活 性，丌放性，能够编程模拟任何工况。能够满足动力电源的性能测试，其对性能的 评价方法是绘制蓄电池的实时曲线，观察蓄电池对冲击电流下，电压变化是否平滑， 从中可以看出蓄电池对短时大电流的耐受能力。 蓄电池是电动车关键组成部分，制约着电动车的发展，蓄电池的性能直接影响 电动车的使用和电动汽车的整车性能。实际上，电动车的竞争实质上是动力电池技 术的竞争。因此能够迅速，经济地评价出蓄电池的性能极为重要。 在i e c ，g b 标准中蓄电池的技术参数有：在一定的放电率条件下，测试电池的 单体容量，容量特性。电压，容量、内阻的一致性要求。倍率放电特性，以便能够 评价电动车的启动，加速。爬坡运行能力= 循环寿命性能，即在一定的放电条件下， 电池能够运行一定的次数，电池还能保持的性能状况。 其他的还有动力电池的耐滥用能力、比能量大小、安全性能、耐震动性能等。 蓄电池性能指标多，对特定的使用条件下，蓄电池各个指标的重要性也不同。对于 电动汽车来滢，蓄电池的容量，使用寿命指标是最重要的。而蓄电池的荷电状态 ( s o c ) 是体现动力电池性能的重要标志，可以说s o c 决定蓄电池的好与坏。所以 能够准确、快速经济的得出蓄电池的s o c 一直是研究的热点。 电动汽车的使用随机性、工况多样性使得蓄电池的s o c ，使用寿命，难以确定。 本课题的目的就是通过对影响蓄电池s o c 和引起电池失效原因的研究，以及对蓄电 池的研究，采用神经网络仿真工具，实现蓄电池的性能的评估，使用神经网络预测 方法解决蔷电池的s o c 。 华北电力人学硕十学惯论文 1 4 2 动力电池确定容量方法 电池s o c 方法归结起来有： ( 1 ) 电池容量实验方法，他是对蓄巴池充足电情况下，脱离电网系统，以l o 小时率恒流对负载放电，当放电1 0 小时或其中一只电池电压下降到1 8 v 时，停止 放电。此时计算出2 5 。c 度时的容量，结果为蓄电池的实际容量。 电池的容量c = i x t 。其中i 为放电的电流，t 为电池放电时i 日j 。 ( 2 ) 丌路电压法，他是通过检测丌路电压来得到蓄电池的容量大小，原理就是 丌路电压与蓄电池的s o c 基本呈线性关系如1 0 0 对应丌路电压2 1 l v ，8 7 对 应丌路电压2 0 9 v 。在手机上使用这种方法显示电池容量。 表i _ 3s o c 与电池的开路电压关系 荷电状态 1 0 08 77 56 2 。j o3 7 2 j1 2o 丌路电压v 2 1 l2 0 92 0 72 0 52 0 32 o l 1 9 91 9 71 9 5 表格中电池的丌路电压是指：电池静止不对外供电时的电池的端电压。所以该 方法不适合在线监测，而电池只有在实际使用中才能平价电池的性能，使用该方法 并没有实际应用价值。 ( 3 ) 内阻法“4 “：通过汁算电池内阻推算容量，这种方法实现比较困难， 电动车工作条件复杂。导致内阻影响大，同时内阻并不能明确反映电池的容量。 蓄电池的内阻是个重要的参数，能够反映蓄电池的健康状况( s o h ) 。但是内 阻和蓄电池的剩余容量没有严格的数学关系。f - ”。实验结果表明，当电池的内阻急 剧增加时，宅池的剩余容量也接近放完。同时蓄宅池的内阻小，使用的测量仪器，人 工操作的误差都给测量的内阻带来严重的干扰。由于使用的测量仪器工作原理不同 通过内阻来确定剩余容量无可比性。使用单个电池的内阻并不能确定剩余容量。 ( 4 ) 检测电池的溶液密度：原理就是通过利用溶液密度和容量之间的关系。由 于开路电压u = d ( 溶液的密度) + o 8 5 v ，雨丌路电压和容量基本呈线性，所以容量 与密度也近似线性。 荷电状念 l o o8 77 56 25 03 72 51 2o 硫酸浓度g c m l 1 2 61 2 41 2 21 ，2 01 1 81 1 61 141 1 21 1 l ( 5 ) 安时法：即通过测量电池的放电电流，计算放出容量。很容易得到容量， 特点是把电池做为一个独立对象，不考虑电池的内部结构、组成、反应等制约因素。 易于发挥计算机监控，强大数据处理，方便的通信优点。不考虑电池自身特性，如 自放电，温度补偿，电池老化等，计算结果误差大。 与第一种方法相似，区别是这种方法适合变电流放电条件，通过电流对时问积 分计算确定电池的容量。 c ：f l d t l b 华北电力人学颈十学停论文 ( 6 ) 恢复效应法：在电动车测量研究中，恢复效应始终是容量测量的制约因素， 丌路电压法不能在实时监测中使用就是因为电池恢复需要恢复时间。这种方法的原 理是，推算电压和电压恢复的时间关系函数。推算长时间电压恢复的最终稳定值， 从而得到电池对应的开路电压。 ( 7 ) 建立物理化学模型1 。”。分析电池的热学一动力模型，建立蓄电池的确定 系统。如四阶动力模型，尽管四阶动力学模型考虑比较周全，得到的结果也是比较 满意，但是最主要的还是参数多而且大多需要经验确定系数，计算量大等： ( 8 ) 模糊推理和神经网络方法4 。”i = = 1 1 + 。模糊逻辑推理和神经网络技术是人工 智能领域中两个重要分支，他们都能够解决智能问题，模糊推理善于表达模糊语l - - 。 神经网络主要在并行处理计算，分布式存储信息，自组织，自学习能力方面比较强 大。蓄电池的特点是制约因素多，输入输出难以用确定系统建立关系。神经网络能 够对非线性，不确定系统的任意逼近能力，该方法用于电池剩余容量预测效果明显。 1 5 神经网络的概述 人类之所以高于任何一种动物成为万物之灵，就是因为人之具有高度发达的智 慧，拥有发达的大脑，脑是支配着人的行为，是思维活动的中心。长期以来，人们 想方设法了解大脑的结构、组成、工作机理和思维的本质，向往能构造出具有人类 智能的系统，以模仿人脑功能，完成类似于人脑的工作。随着计算机科学、生物神 经科学、医学、系统理论、大规模集成电路的巨大进步。使用电子元器件，数字化 方法，逻辑算法组合实现复杂的人脑模型成为可能。这大大的促进了人工神经网络 的研究和应用。人工神经网络是以模仿人脑而建立的科学，因此其具有极高的智能， 拥有与传统方法完全不同的优势。 7 5 1 神经网络功能特点 人工神经网络是通过对人的大脑知识处理过程的模拟。而使神经网络拥有人的 智能，因而神经网络拥有与人相似的能力。主要表现在以下几个方面： l 、大规模的并行处理，人脑是又多达i 4 1 0 1 1 个大脑皮层神经元组成的，每 个神经元都是一个信息处理单元，可见这个信息处理系统规模之大。神经元之i 日j 信 号的传递，时间是以毫秒计的，与计算机中信息的传递时间相比十分缓慢，但是人 们能在l s 内对外部事做出反映，判断和决策，而不是计算机人为控制下工作，又 如许多计算机速度部快，从单个信号单元的处理速度很慢而大脑信息处理的整体速 度都很快这个现象，我们可以得出结论。大脑的信息处理是并行的而不是串行处理 系统。 2 、记忆和联想能力，人脑的神经细胞时时刻刻处于有生有死的动态过程中。但 6 华北电力人学硕十学位论文 是人的i 己忆并不是随着细胞的死亡而消失。当遇到你熟悉的环境或者事物时，就容 易唤起记忆。在神经网络中称为联想。 3 、学习、自适应能力强，人脑具有从实践中不断汲取知识，总结经验的能力。 人的知识是随着经验的丰富而增长，神经网络使用的训练数据越多，其知识经验 就越丰富，对于解决的实际问题就越精确。 4 、神经网络系统是一个高度复杂的非线形动力学系统。神经元的结构和功能简 单，但由大量神经元构成的网络系统的行为则变得复杂，在人工神经网络中把简单 的人工神经元连接成复杂的，功能强大的系统。 5 、除了以上的基本功能以外，在分类识别，模糊聚类，优化计算，知识处理等。 在工程领域使用传统方法能解决的问题，一般使用神经网络法也能得到解决，而且 神经网络简单，功能强大，往往能起到事半功倍的效果。 1 5 2 神经网络应用 人工神经网络主要是为了实现以下几个方面的功能：模糊聚类，模式识别，分 类、优化计算。 i 、建立理论模型。从生理学、神经科学等学科对生物神经细胞和神经网络的研 究成果出发，建立概念模型、知识模型、物理化学模型，数学模型等。 2 、网络模型与算法研究，在理论模型的基础上构造具体的神经网络模型，以便 实现计算机模拟和硬件模型。 3 、应用研究，在网络模型与算法研究的基础上，利用人工神经网络组成实际的 应用系统。以便实现某种实际功能。 到目前为止，神经网络的类型已多达数十种，已经用于各行各业，神经网络已 在理论上和实际应用上取得了可喜的成果。和专家系统等其他智能系统一样，人工 稀经网络科学耿得了突破性的进展，小规模神经网络的计算机的实现，神经网络计 算的性能表明其有无可比拟的优越性。 1 6 本课题的研究内容 因铅酸蓄电池性价比高，技术成熟，价格便宜，材料来源丰富，在近1 0 年内不 会被其他的电池代替“”。目前在世界范围内，使用的动力电池，主要是阀控式密 封铅酸蓄电池。因此本文选择铅酸蓄电池作为研究对象。 蓄电池是电动汽车的核心组成部分，蓄电池的性能直接关系电动汽车的发展。在 世界范围内使用的动力电池种类繁多，质量参差不齐。蓄电池s o c 是蓄电池性能的 重要标志。通过确定s o c 评价蓄电池的性能已经成为动力电池研究的热点。 汗价暂f u 池的好坏必须在实际应用中得到评价，蓄电池是一个复杂的、非线性 华北电力人学项十学位论文 系统。在使用中，其内部的化学反应复杂多变，其实际工作中工况条件也导致蓄电 池放电的复杂性，难阱使用传统的方法来研究动力电池，蓄电池的数学模型复杂， 使用数值计算方法不能确定蓄电池的模型。因此本文主要论述了使用神经网络方法 解决s o c 问题，为物理化学电源的性能评估提出新的方法。 本文研究的主要内容有： 1 、分析放电特性，研究影响蓄电池s o c 的各方面因素，建立s o c 的数学模型。 由于蓄电池放电过程的不确定性提出使用容量作为反馈，确定了s o c 的数学模型。 2 、内阻是蓄电池性能的重要参数，体现蓄电池的老化程度，但是蓄电池内阻组 成复杂，本文分析内阻组成的各方面特性，提出蓄电池内阻的计算公式。 3 、本文通过分析蓄电池放电特性，分析神经网络应用的局限和不足，提出通过 改进神经网络，采用合适神经网络算法。收集整理大量的蓄电池放电数据，从输入 上优化数据，作为神经网络的训练数据集。 4 、使用m a t l a b 神经网络仿真工具箱，仿真设计出适合本课题的神经网络。最 后确定神经网络结构，并验证该神经网络能准确预测s o c 。 华北电力人学硕十学位论文 第二章蓄电池的工作原理及影响因素 2 1 蓄电池的电池反应 电化学电池是一种把化学能释放出来的装置，蓄电池也称为二次电池，其活性物 质消耗后，通过充电可以使活性物质恢复，电池得以再生，电池内部发生化学反应， 并向用电设备输出电流的过程叫放电，反之，向电池内部输入电能，这时电池内部 发生与放电反应相反的化学作用，这个远程就叫充电。 铅蓄电池也称铅酸蓄电池、酸蓄电池：1 8 5 9 年由普兰特( g p l a n t e ) 发明，2 0 年之后，1 8 8 2 年葛拉斯顿( j h g l a n d s t o n e ) 干d 特瑞比( a t r i b e ) 提出了解释蓄电池 成流反应的“双硫酸盐化理论”，至今仍广为应用。 按照这一理论，铅蓄电池的电极反应和电池反应如下。： 负极反应：p b + h s 0 4 一；竽p b s o 。+ 一+ 2 e ( 2 一i ) f 极反应：p b 0 2 + 3 h + + h s g + 2 p # 羔立尸6 觋+ 2 h 2 0 ( 2 - 2 ) 电池总反应：p 6 + p 6 口+ 2 + + 2 h s o j 尊2 p b s q + 2 h ：o ( 2 - 3 ) 因为放电时，在正、负极上都生成了硫酸铅，所以口q “双硫酸赫化理论”，从上 述反应可以看出，硫酸在电池中不仅传导电流，而且参加了电池的反应，所以硫酸 也是反应物。随着反应的进行，硫酸不断的减少，同时电池中又生成水，这样就使 得电池中硫酸的浓度不断的下降。而在充电时，硫酸不断生成，电解液浓度将不断 增加。 当充电电流大于蓄电池的最大接受能力，蓄电池内部发生电解反应，产生大量的 氧气。极大的消耗电解水，这是由于极化日l 起的，极化是切电化学反应所具有的 共同现象，在电池中，极化使其端电压发生变化，蓄电池的端电压为e + e ，为 蓄电池的电动势，e ，为极化电压降，其方向在充电时与电动势同方向，放电时极化 电压降则与电动势方向相反。因此反映在蓄电池的充放电行为中，放电电压低于电 动势，充电时则相反。 2 2 铅酸蓄电池化学反应特性 浓差极化是由极板表面附近，决定电极电动势数值的离子浓度的变化引起的。当 未接通电路时，电池的电解液的浓度在各处的分布均匀，充电丌始后，由于发生了 宅化学反应，在f 极附近消耗了水，并有硫酸产生，负极附近也有硫酸生成，两极 华北电力人学硕十学位论文 饭附近硫酸的浓度升高，造成与电池槽内电解液浓度差异。而电极的平衡电动势是 根据h 一和h s o 。离子浓度确定的，出于极板表面附近液层中离子浓度的变化，使 得电极电势与平衡电势产生了差距，这种电极电势的偏移称为浓差极化。 电化学极化，溶液中的铅离子需要得到或失去电子进行还原或氧化反应，由于电 子传导速度接近光速，比离子失去或得到电子进行氧化还原的电化学反应速度快， 因此在负极上过剩的电子的堆积积累，而在正极上电子减少，负极上电子过剩，促 使铅离子咀更快的速度失去电子而氧化。最终达到动态平衡，即电子传导的速度与 电化学反应速度相等，这时电极表面上电荷的数目不在继续变化，但与未通电流之 前相比，负极上积累了电子，正极上减少了电子从而引起电极电势与平衡电势的 偏离，正极的电势f 向进一步升高，负极的电势负向进一步降低，这种由于电化学 反应引起的迟缓性所引起电池的电势的偏离，称为电化学极化，偏离的数值称为过 电势或者趣电势。在切断电源后由于电化学反应的迟缓性而产生的平衡电势的过 电压就迅速的下降。 出于极化产生的过电势，不仅阻碍充电电流放慢了电化学反应，而且还产生一 系列的副作用，诸如在充电的未期，电池基本不再接受电能，但是为了保证电池的 满容，仍然要充电一段时间，此时大部分的电能消耗到水的电解上。 2 3 电池的电动势计算 按照电化学热力学的方法，电池反应确定之后，应用n e r n s t 公式即可计算电池 的电动势。 计算电动势有两个途径。 1 、直接由电池发反应计算电池的电动势二： 首先分别汁算两个电极的平衡电极电势，然后根据公式计算电动势。 = 够一口一 ( 2 - 4 ) 式中，妒+ 一一正极的平衡电动势； 驴一一一负极的平衡电动势。 直接计算电池的电动势时，n e r n s t 公式为： 占：e 一一丝j n 生 ( 2 5 ) n f n 式中，e 8 一一标准电动势( v ) ； n 一一电池反应中得失的电子数； 厂一一法拉第常数f = 9 6 4 8 c ： r 一一摩尔气体常数，月= 8 3 1j ( k m 0 1 ) ； 华北电力人学硕十学位论文 n 。一电池生成物的活度： a 。一一电池反应物的活度； 丁一一温度( k ) 。 在2 5 时，t = ( 2 7 3 15 + 2 5 ) k = 2 9 8 15 k 若将式子自然对数换为常用对数，则对数前的系数变为 可2 3 r t ：三( 掣) ( 2 - 6 ) n ，咒， 在2 5 时，则公式就变为 e ：e 。一_ 2 3 r t l g ! 竺 ( 2 7 ) r l r u ” 把常数带入公式，其中 下2 3 r t = 等观0 5 9 ， 所以电动势公式简化为： ：e 9 一0 0 5 9 l , 2 生( 2 8 ) n j “r c 为了算出电池的电动势，则必须知道电池的标准电动势，标准电动势的计算通常 有两个方法。其公式表达和( 2 - 4 ) 类似： 第一种是根据( 2 - 9 ) 计算 占8 = 护“一驴”( 2 - 9 ) 式中，矿+ 一一丁f 极的标准电极电动势； 口“一一负极的标准电极电动势。 第二种是应用热力学数据公式计算： e ：一丝 ( 2 。1 0 ) “ ， a g 9 一一蓄电池反应的标准反应吉布斯自由能的变化，即反应组成分均处于标准 状念时，每单位反应的吉布斯自出能差。 可由下式就算获得： a g 8 = ( q 钟) ，一( q 酽) 。 ( 2 1 1 ) 铅蓄电池中各种物质的畔值一定，可以通过查表确定，u 是每一种物质的计量 系数，对反应物取负值，对生成物取j 下值。铅蓄电池中各种物质的吉布斯自由能 是山陔物质的摩尔浓度( m o l k g ) 决定“1 。 2 、山电极电势计算电池电动势。分别对币、负极用n e r n s t 公式 f o ：妒一一罢i g 生 ( 2 - 1 2 ) 华北电力人学顶十字位论文 式中 矿一一标准电动势； a ，一一电极反应氧化型活度； a 。，一一电极反应还原型活度。 电动势的大小和蓄电浊的设计参数密切相关，特别是酸的浓度。电池的电动势与 酸的浓度呈f 比关系，而酸的浓度与蓄电池的容量基本呈现线性关系。所以电池的 电动势可以作为电池容量的度量之一，如果电池的其他条件相同，电动势越高，则 电池的容量就越大。 2 4 蓄电池的容量及影晌因素 铅蓄电池的容量是对完全处于充电状态的铅蓄电池，按一定的放电条件，放电到 规定的终止条件，所放出的电量，用安时( a h ) 或w h 表示。a h 是电池输 出的电量，w h 是表示其儆功的能力。实际中常使用a h 表示蓄电池的容量。在 个别情况下必须要保证w h 的大小，例如：汽车启动时，规定了启动放电开始5 s 和2 0 s 的电压不能低于一定值。 当放电电流不是恒定而是随时间变化的时候电池输出的电量要用积分求得，即 c = f i d t ( 2 圳 c 一一容量 如果是恒流放电，即电流i = 常数，则c = i x t 。 电池的容量有理论容量和实际容量和额定容量之分。 理论容量是根据活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高值。实际容量是 在使用中实际电池所放出的容量往往比理论容量小的多。额定容量也叫保证容量， 是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定条件下所放出的最小容量。 2 4 。1 放电条件的影响 在活性物质数量一定时，实际容量受其利用率所影响，如何提高活性物质利用率， 一直是从事铅蓄电池工作者的一大课题。影响蓄电池的实际容量的因素很多，有以 下几个方面： 放电条件是指所使用的电流强度，温度，终止电压等各方面。在活性物质总量不 变的条件下，电池容量随放电电流增大而降低，因此，在谈电池容量时，必须指明 放电率，放电率有小时率和电流率两种表示方法。 小时率是以一定的电流放完额定容量所需的时间来表示。对于不同的蓄电池各有 其规定的标准放电率，对于6 q 1 2 0 a h 型号铅蓄电池，即为6 个单体串联1 2 v 的 启动电池，电池容量为2 0 h 率、1 2 0 a h ，意味着该电池以1 2 0 a h 2 0 h 的电流( 6 a ) 放电，能持续放电2 0 小时为合格，达不到者不合格。 华北电力人 顼t 学纯沦文 电流率也称倍率，是指电池放电时的放电电流的数值为额定容量值的倍数，如放 电电流为0 1c 2 0 ，对于1 2 0 a h 的电池即o 1 1 2 0 = 1 2 a 的电流放电，c 下标表 示放电小时率。 2 4 2 温度 蓄电池的容量及活性物质利用率随温度增加面增加，主要出q 解液性能的变化而 引起。其温度的增加而电解液的黏度减小，活性增大，使离子的运动能力增大，扩 散能力也增强，活性的增大，使活性物质利用率提高，实际容量必然增大。反之温 度低，利用率低，所能放出容量减少。在实际测量中，往往需要使用公式修正容量， 以此来检验是否达到标准，公式如下： c ：皇l( 2 一l o ) “1 + x ( t ! 一f 1 ) 式中，c ，一一在温度为r 时的容量： e ，一一在湿度为，时的容量： k 一容量的温度系数； 温度变化1 时，蓄电池容量变化的量称为容量的温度系数不同的蓄电池温度 系数也是不同的，即使同一个蓄电池温度系数也是不同的。特别是在不同的温度范 围内，容量的温度系数是不同的，而且受电池新旧程度的影响。实际上温度系数只 是近似值。 2 4 3 终止电压 放电的截止电压对计算放电时1 1 日j 也有影响，其影响的原理是，在电池的维护，智 能化的u p s ，电池的能量管理系统。即电违控制器，为了防止电池的不过放电，而 损害极板，也为了不同电池之间的比较，奎标准中都明确规定，各种放电率和湿度 下放电时的终止电压。电池的典型充放电盏线如下： i u 把牡p j u 1 r 图2 1 电池的充放电特性 华北电力人学硕十学位论文 电池的电阻、放电率、浓度根本上来说，就是使得端电压提前达到终止电压，而 导致了实际放电容量的减少。在g 点后，电压急剧下降，如果继续放电，实际上能 获得的容量很少，其意义不大，相反还会对电池的使用寿命有不良的影响。 在大电流放电中，电池的终止电压取较高的电压，电池的内阻是由金属性电阻和 电化学电阻组成，大电流造成极化电阻的增加，使得电池的容量减少，而不能达到 电池的额定容量。极板的类型对电池的容量也有影响。 表2 一l 放电率与终止电压 f 放电率( 小时率) i o51 0 10 2 5 l 普兰特式极板 1 8 31 8 0l7 81 7 51 7 01 6 5 涂青式极扳 l7 91 7 61 7 41 6 81 5 91 4 7 2 4 4 设计参数的影响 包括板栅的结构，厚度，材料等，电池的内部布局，极扳的表面积，空隙率等特 别是电池的溶液浓度对蓄电池的容量有巨大的影响。 2 5 蓄电池的内阻 铅酸蓄电池的内阻很小，一般可以忽略不计，当蓄电池大电流放电时 响很大，对于短时冲击电流放电时，对线路上总的电压降有一延的要求 的内阻也起着重要的作用。 内阻的影 这时电池 电池内阻有两个含义，其一是纯的欧姆电阻，由这部分引起的电压降符合欧姆定 律，另一部分是全内阻，包括欧姆电阻和电化学反应中的电极极化相当的电阻，对 于极化，不遵守欧姆定律，由于内阻的存在，电池的工作电压总是小于电动势和行 裔电压。 各种规格和型号的铅酸蓄电池内阻各不相同，一般来晚大型电池内阻更小，启动 毫池和小型动力电池，每个单格电池只有几毫欧。大型的动力电池小于o 0 0 1 m q ， 非常大的动力电池，那么单个的内阻就只有o 0 0 0 1 m q 。 影响内阻的因素是充电程度，放电中形成的硫酸铅是不良导体，增加了极板的电 丑，在铅酸蓄电池放电开始后其内阻缓慢增加，而当接近放电终期时，则急剧增加， 萁值达到放电开始时的2 3 倍。 在开始充电时，内阻是较高的，直到析出气体以前其值缓慢下降，n y f - 始析出气 s 时，有个暂时性的上升，这是出于极化的缘故，当充电停止后，其内阻仍继续下 墨一定时间，这是因为硫酸浓度有个逐渐均匀的阶段，以及活性物质上的气体层有 = 墨渐消散的过程。 华北电力人学硕士学缱论文 表2 4 电池的内阻分布情况 半量擞板u 解波碥板合汁 ( h )，( x 1 0 。0 ) ( )( x 1 0 。q )( ) ( x 1 0 。) ( )( x 1 0 。n 】 8 02 1 l1 7 8 7 3 76 2 22 3 72 01 1 8 5 1 6 02 3 l3 23 7 25 l1 1 91 07 2 4 1 6 ，0 0 0o 0 95 70 0 42 00 0 21 4o 1 4 隔板电阻是隔板性能的重要参数，也是影响电池启动放电和低温性能的主要影 响因素之一，隔板材料是绝缘体，而所谓隔板电阻指的不是隔板本身材料的电阻， 隔板的微孔结构中充满电解液的离子通过孔隙的迁移而导电，那么隔板的电阻实际 上表征着隔板孔隙率，孔径和孔的曲折程度对离子迁移产生的阻力，也就是电流通 过隔板时微孔中电解液的电阻。 f 极板和负极板极化电阻的大小取决于电极的材料，所含添加剂以及放电时电流 大小，温度和电解液的浓度，从极化性质上看，f 极板通常表现为浓度极化，负极 扳极化很小，但在大电流和低温时则易于钝化，严重影响整个电池的放电容量。 极柱、连接条和汇流排的电阻依赖于所使用的金属材料和几何尺寸，为节约会属 材料，提高电池的比能量和减少电压降损失，要尽量设计成短距离传导电流。如采 用新式的工艺结构。 如果能够准确的测量出蓄电池的电阻，无疑能给蓄电池的维护，研发带来极大的 方便，但是由于内阻数值小，测量复杂烦琐。即使使用同一个仪器在不同的条件下 测量数值也不同，可比较性很差，仪器的原理不同，数值差异也大，在实际中应用 比较困难。 2 6 小结 通过以上的分析，我们知道了电池的内部反应复杂，电池的s o c 受到放电电流、 电阻、电压、温度、电解液浓度等因素的影响。蓄电池属于物理化学电源，反应物 质在使用过程中，晶相，晶体结构随着使用而发生变化。容量受到使用历史次数、 放电条件的影响而不同。 蓄电池的s o c 是通过电池端电压反应出来的，则电池的电压v 可以用以下的表 达式表示。州： v = 厂( c ；，；7 1 ；z ；c i ；g p c i ) ( 2 - 1 3 ) 式中v 一一端电压； c 一一电池容量： ，一一电流： 华北l 乜力人学项十学f 节论文 丁一一温度： z 一一内阻： c c ，一：，g 】一一历史放电容量向量。 假定v 是c 、，、丁、z 、 【c 一。tc 一：，g 的单值函数，则可以变形为： c = f ( ；，；7 1 ；z ；c 一：c 一c ) ( 2 1 4 ) 但实际上( 2 - 1 3 ) 并不是单值函数，通过图2 1 可知，电池的电压在放电过程是 并不是一直变化的。v 和c 、，、7 1 、z 、【c c 一：，g ：不是一一对应关系； 我们通过上面的分析，可以知道，电池容量( s o c ) 是端电压，电流，温度，内阻， 历史容量的函数，那么( 2 - 1 4 ) 式是成立的，但是不是单值函数。但使用f 、，、 7 1 、z 、 c c ，一：，c i 并不能确定电池的s o c ，也就是( 2 - 1 4 ) 式是病态 方程。只有在变量中加入其他变量才能形成单值函数。在第四章中，我们介绍使用 预测容量作为反馈信号，作为蓄电池的状态区别信号。则( 2 - 1 4 ) 变行为： c 7 = f ( c “1 ：矿；，：丁：z ：c i ；c 。一g ) ( 2 - 1 5 ) 电池容量的数学模型复杂，确定这样的函数关系。文献”：中使用表格和专家系 统相结合，基本思想是通过实验手段测得( 或分析后取得) 电池电量、电池输出电 压、电池输出电流、环境温度、电池电量等实验数据。编成表格的形式，测量电池 的电压、电流、温度，通过专家系统评估，与表格数据进行匹配，确定容量状态。 使用表格法，缺点是造价高，专家系统必须有丰富的蓄电池知识。对于表格中没有 的数掘，使用近似算法确定容量，精度不高。当系统模型一旦确定，很难扩展，无 开放性。 神经网络具有模式议别，对非线性函数的任意逼近能力。对数据具有较强的容错 和泛化能力，使用神经网络解决蓄电池s o cf o 题有明显优势。使用已有数据作神经 网络的训练集，获得神经网络权值矩阵，确定映射函数，也就是确定了( 2 - 15 ) 。 华北鬯力人学顶十学伊论文 3 1 引言 第三章神经网络 人工神经网络是模拟人类思维而发展起来的，人脑是由大量的细胞组成。人类 对人脑的结构了解太少，无法有效的指导人们对大脑的模拟工作，人们不得不越过 生物神经的实际构造，而寻找有用的人造结构来模拟细胞功能。 大脑细胞具有接收、处理、传递信息的功能，人工神经网终工作者从实现基本 功能丌始，进行对大脑的模拟。接收知识用神经网络的训i 练来模拟，处理使用大量 的连接矩阵，细胞信息的连接强度使用权笪来模拟。总之，人工神经元是对细胞的 模拟，神经网络是对大脑的模拟。 3 2 人工神经元模型 我们从简单的模型上说明神经元的工作原理，典型的模型是处理r o s e n b l a t 的感知器( p e r c e p t i o r ) ，感知器是建立的简单的单一神经元的非线形模型上。即 称为m c u l l o c h p i t t s 的模型，复杂的神经网络都是由此模型的神经元大量的组合 而成的。为了解决大量的非线性问题，而洋本数值是离散的。并不是列出所有映射 的样本所以往往要在有限的数值中找到无限的变化，所以输出加权后，以一定的 函数使之变成连续可微的函数，所以从简单的、卜p 模型推广丌采 _ 一 w ， 一v x “i ，杪入厶 x n ， 图3 1 神经网络元 这个单个神经元的输出，推广到一般则有以下公式 d ( r ) o j ( ，) = 州，r l x a w a x , ( t - r , ，) - t f l ( 3 - 1 ) 在同个时刻，一，( 简化成。，表示t 时刻神经元j 接收的来自神经元i 的信扈 输入，表示l 时刻神经元j 的信息输出，神经冗j 的状态和表示为 o j 【，) = f l ：w q x ，( 1 - - z 。) 卜l t = l ( 3 - 2 ) 华北电力人学硕+ 学位论文 其中r 。一表示时延； r 一神经元j 的阔值； j 一神经元的连接系数或称权重值； f ( ) 神经元的转移函数，也称为激活函数 3 3 神经元的传递函数 在不同的应用中，选择激活函数的不同。在模糊聚类，分类，数字化存储等应用 中，数值为离散的，需要选择二值函数。在工程控制，非线性映射，知识挖掘，摸 式识别等应用中，数值为连续的。一般使用s 型函数。这是两种比较常用的激活函 数。还有其他的函数，比如概率型函数，分段线性的。本文中使用的是l i n e 和s 型 函数。 ) 8。= ，5：1 3：。 0 2： o ：j t c2二 o4c 3 日60 ：-一一 4e0 一一一 。1 1 。46日。2。口2 5c 1 i b 一。止。n4 2 一。川0 6 o 8 图3 2 线性激活函数 3 4 神经网络模型 3 4 1 神经网络分类 图3 3s 型激活函数 单个神经元没有实际意义，只有大量的神经元通过一定的方式相互联系起来 才能实现对信息的处理，并表现出其优越胜。前面已经提到，神经网络模型有几十 种，可以按照不同的方法分类，其中常见的两种分类方法是：按神经连接的拓补结 构分类，按网络内部的信息流向分类。 拓补结构分为：1 ) 层次型结构，包括单纯层次型网络结构，输出层到输入层有 连接的层次型网络结构，层内有互连的层次型网络结构。2 ) 互连型结构，包括全 互连型，局部互连型，稀疏连接型。 按照信息流向分类：从神经网络内部信息传递方向来分，可分为两种类型，前 馈川络耵i 反馈网络。前馈网络主要有b p ，r b f 网络，反馈型网络主要有e l m ，h o p f i e l d 川络。 华北电力人学硕士学傅论文 3 4 2 人工神经元学习 3 4 2 1 通用神经网络学习 人类具有学习能力，人类的知i ： 和指挥是在不断的学习与实践中逐渐形成和反 站起来的，学习可定义为：“根据与环境的相互作用而发生的行为改变，其结果导 致对外界刺激产生的反应的新模式的建立。”学习过程离不丌训练，学习过程是一 种经过训练而使个体在行为上产生较为持久改变过程。 r 本著名神经网络学者a m a r i 教授于1 9 8 0 年提出了神经网络的通用学习规则， 即权向量的增量。肜与输入向量x 和学习信号，的乘积成f 比，学习信号通常是 眵，和信号d ，的函数，对于图所示的网络。 其中， r = r ( ，d ，)( 3 - 3 ) 根据通用学习规则，在t 时刻学习中产生的权向量的增量为： p ? (