基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池soc在線估計方法
【專利摘要】基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC在線估計方法，屬于鋰離子電池荷電狀態(tài)預(yù)測【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有鋰離子電池SOC的在線估計由于受到初值選取的影響，可靠性低的問題。它首先建立被測鋰離子電池一階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式和二階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式；再對被測鋰離子電池進行充放電實驗，建立被測鋰離子電池的卡爾曼濾波初值SOC0的多項式擬合函數(shù)；再獲得被測鋰離子電池的卡爾曼濾波初值SOC0和卡爾曼濾波的初始誤差協(xié)方差P(0)；然后進行基于擴展卡爾曼濾波的電池SOC估計，實現(xiàn)鋰離子電池的SOC在線估計。本發(fā)明用于鋰離子電池SOC在線估計。
【專利說明】基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC在線估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC在線估計方法，屬于鋰離子電池荷電狀態(tài)預(yù)測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在電池管理系統(tǒng)的諸多部分中，電池荷電狀態(tài)SOC (State of Charge)的預(yù)測是最基本和最首要的任務(wù)，其預(yù)測的準確性，會影響到電池管理系統(tǒng)的控制策略，從而影響電池性能的發(fā)揮。同時，SOC也是指導(dǎo)電池充電或放電過程的重要參數(shù)，可以防止電池的過充和過放造成的不可恢復(fù)的損壞，能夠更好地保護電池。對于應(yīng)用于電動汽車的動力電池而言，通過正確地估算電池的S0C，充分利用電池的電能，可以使電動車的續(xù)航距離更長，同時能夠延長電池的使用壽命，從而降低電池的使用成本。因此，準確預(yù)測鋰離子電池SOC是極其重要的。
[0003]擴展卡爾曼濾波法(EKF, Extended Kalman Filter)作為一種高效的線性濾波和預(yù)測方法，近年來廣泛應(yīng)用于電池的SOC估計。EKF實際上是一種遞推線性最小方差估計，通過實時觀測值和上一時刻的估計值來進行實時估計。該方法適用于電池的各種場合，相比于其他方法，EKF能夠動態(tài)跟蹤SOC的真實值，更適用于電流波動劇烈的電動汽車應(yīng)用環(huán)境。然而，擴展卡爾曼濾波雖然在理論上能夠不受SOC初值選取的影響，但是當(dāng)SOC初值遠離SOC的真實值時，EKF的收斂效果和估計精度都無法讓人滿意，尤其是在基于一階和二階RC電池等效電路的擴展卡爾曼SOC估計算法中。通過一階和二階RC等效電路的前期實驗，可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)卡爾曼濾波的SOC初值越接近實際SOC初值時，估計曲線的收斂速度越快，估計的準確度越高，絕對誤差的整體分布越理想。而當(dāng)SOC初值足夠接近SOC的真實初值時，初始誤差協(xié)方差的取值越小，估計曲線的收斂速度通常越快，估計的準確度越高，絕對誤差的分布越集中?？梢?，無論是一階Re模型還是二階RC模型，SOC初值和初始誤差協(xié)方差的設(shè)定都會影響擴展卡爾曼濾波SOC估計算法的收斂性和精度。
[0004]現(xiàn)有的擴展卡爾曼濾波方法，在估計鋰離子電池SOC時，只根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗初步設(shè)定一個SOC初值及其初始誤差協(xié)方差，這導(dǎo)致擴展卡爾曼濾波的收斂性和準確性受到較大影響，進而造成鋰離子電池SOC的在線估計值可靠性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有鋰離子電池SOC的在線估計由于受到初值選取的影響，可靠性低的問題，提供了一種基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC在線估計方法。
[0006]本發(fā)明所述基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC在線估計方法，它包括以下步驟:
[0007]步驟一:采集被測鋰離子電池的電池端電壓隊⑴和極化電壓，建立被測鋰離子電池一階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式和二階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式；
[0008]步驟二:對被測鋰離子電池進行充放電實驗，記錄每次對應(yīng)的電池SOC初值和電池開路電壓初值Utcv(O)，并建立被測鋰離子電池的卡爾曼濾波初值SOCtl的多項式擬合函數(shù)；[0009]步驟三:求解所述多項式擬合函數(shù)，獲得被測鋰離子電池的卡爾曼濾波初值S0C。，再通過梯度仿真實驗，確定卡爾曼濾波的初始誤差協(xié)方差P(O)；
[0010]步驟四:根據(jù)步驟三中獲得的卡爾曼濾波初值SOCtl和初始誤差協(xié)方差P(O)，進行基于擴展卡爾曼濾波的電池SOC估計，實現(xiàn)鋰離子電池的SOC在線估計。
[0011]步驟一中，被測鋰離子電池一階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式為:
[0012]U0 (t) =Uocv (t) -Up (t) -11 (t) Rdl (t)；
[0013]式中t為時間，Uocv (t)為被測鋰離子電池的開路電壓，Up (t)為一階RC等效電路中RC環(huán)節(jié)的極化電壓，I1 (t)為一階RC等效電路的回路電流，Rdl⑴為一階RC等效電路中被測鋰離子電池電阻；
[0014]將上述一階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式離散化后為:
[0015]U0, k-U0CV’ k_Up’ k_i1； kRdl’ k，
[0016]其中，U0,k為k時刻被測鋰離子電池的端電壓Ut)采樣值，Uocv；k為k時刻被測鋰離子電池的開路電壓U.(t)采樣值，Up，k為k時刻一階RC等效電路中RC環(huán)節(jié)的極化電壓Up (t)的采樣值，i1；k為k時刻一階RC等效電路的回路電流I1⑴的采樣值，Rdljk為k時亥IJ一階RC等效電路的被測鋰離子電池內(nèi)阻Rdl⑴的采樣值；
[0017]被測鋰離子電池二階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式為:
[0018]U0 (t) =Uocv (t) -Upl (t) -Up2 (t) -12 (t) Rd2 (t)；
[0019]式中Upl(t)為二階RC等效電路中第一個RC環(huán)節(jié)的極化電壓，Up2(t)為二階RC等效電路中第二個RC環(huán)節(jié)的極化電壓，i2 (t)為二階RC等效電路的回路電流，Rd2 (t)為二階RC等效電路中被測鋰離子電池內(nèi)阻；
[0020]將上述二階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式離散化后為:
[0021 ] U0, k-U0CV’ k_Upl’ k_Up2’ k_i2； k^d2, k，
[0022]式中UpLk為k時刻二階RC等效電路中第一個RC環(huán)節(jié)的極化電壓Upl (t)的采樣值，Up2jk為k時刻二階RC等效電路第二個RC環(huán)節(jié)的極化電壓Up2 (t)的采樣值，i2；k為k時亥Ij二階RC等效電路的回路電流i2 (t)采樣值，Rd2jk為k時刻二階RC等效電路的被測鋰離子電池內(nèi)阻采樣值。
[0023]被測鋰離子電池的卡爾曼濾波初值SOCtl的多項式擬合函數(shù)為:
[0024]SOC0=H(Uocv(O))；
[0025]式中H為根據(jù)卡爾曼濾波初值SOCtl建立的最小二乘擬合函數(shù)。
[0026]步驟四中進行基于擴展卡爾曼濾波的電池SOC估計的具體方法為:
[0027]步驟四一:確定卡爾曼濾波狀態(tài)向量估計值Xa的估計初值A(chǔ)和誤差協(xié)方差矩陣Pk/k的初值PQ/Q:
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC在線估計方法，其特征在于，它包括以下步驟: 步驟一:采集被測鋰離子電池的電池端電壓UJt)和極化電壓，建立被測鋰離子電池一階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式和二階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式； 步驟二:對被測鋰離子電池進行充放電實驗，記錄每次對應(yīng)的電池SOC初值和電池開路電壓初值Uocv(O)，并建立被測鋰離子電池的卡爾曼濾波初值SOCtl的多項式擬合函數(shù)；步驟三:求解所述多項式擬合函數(shù)，獲得被測鋰離子電池的卡爾曼濾波初值SOCtl，再通過梯度仿真實驗，確定卡爾曼濾波的初始誤差協(xié)方差P(O)； 步驟四:根據(jù)步驟三中獲得的卡爾曼濾波初值SOCtl和初始誤差協(xié)方差P(O)，進行基于擴展卡爾曼濾波的電池SOC估計，實現(xiàn)鋰離子電池的SOC在線估計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC在線估計方法，其特征在于， 步驟一中，被測鋰離子電池一階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式為:
U0 (t) =Uocv (t) -Up (t) -11 (t) Rdl (t)； 式中t為時間，Uocv(t)為被測鋰離子電池的開路電壓，Up(t)為一階RC等效電路中RC環(huán)節(jié)的極化電壓，I1W為一階RC等效電路的回路電流，Rdl (t)為一階RC等效電路中被測鋰離子電池電阻； 將上述一階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式離散化后為:
U0, k_U0CV’ k_Up’ k_ i 1’ Al, k? 其中，U。，，為k時刻被測鋰離子電池的端電壓Uocv⑴采樣值，U^k為k時刻被測鋰離子電池的開路電壓Uocv⑴采樣值，Up，k為k時刻一階RC等效電路中RC環(huán)節(jié)的極化電壓Up⑴的采樣值，iu為k時刻一階RC等效電路的回路電流I1⑴的采樣值，Rdl，k為k時刻一階RC等效電路的被測鋰離子電池內(nèi)阻Rdl⑴的采樣值； 被測鋰離子電池二階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式為:
U0 (t) =Uocv (t) -Upl (t) -Up2 (t) -12 (t) Rd2 (t)； 式中Upl (t)為二階RC等效電路中第一個RC環(huán)節(jié)的極化電壓，Up2⑴為二階RC等效電路中第二個RC環(huán)節(jié)的極化電壓，i2(t)為二階RC等效電路的回路電流，Rd2 (t)為二階RC等效電路中被測鋰離子電池內(nèi)阻； 將上述二階RC等效電路的電壓電流關(guān)系式離散化后為:
U。，k_Uocv，k_Upl，k_Up2，k_i2； kRd2，k， 式中Upl，k為k時刻二階RC等效電路中第一個RC環(huán)節(jié)的極化電壓Upl (t)的采樣值，Up2，k為k時刻二階RC等效電路第二個RC環(huán)節(jié)的極化電壓Up2⑴的采樣值，i2，k為k時刻二階RC等效電路的回路電流i2(t)采樣值，Rd2，k為k時刻二階RC等效電路的被測鋰離子電池內(nèi)阻采樣值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC在線估計方法，其特征在于，步驟二中，被測鋰離子電池的卡爾曼濾波初值SOCtl的多項式擬合函數(shù)為:
SOC0=H(Uocv(O))； 式中H為根據(jù)卡爾曼濾波初值SOCtl建立的最小二乘擬合函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于擴展卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC在線估計方法，其特征在于， 步驟四中進行基于擴展卡爾曼濾波的電池SOC估計的具體方法為: 步驟四一:確定卡爾曼濾波狀態(tài)向量估計值X的估計初值文,?和誤差協(xié)方差矩陣Pk/k的初值p_:

【文檔編號】G01R31/36GK103529398SQ201310515760
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】劉丹, 劉昕, 張巖, 王啟松, 孫金瑋, 朱春波 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)