CN112649746A - 一种结合电路等效和递推迭代的荷电状态估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结合电路等效和递推迭代的荷电状态估计方法,其特点是,通过扩展卡尔曼算法将系统中的非线性函数通过泰勒级数展开,得到一个近似的线性化模型;在滤波误差及一步预测误差较小时不需计算标称轨迹,提高估算荷电状态的速度;在系统状态的变化频率和幅度较大时,可以通过增大采样频率和提高运算速度来达到较好的跟踪效果;建立Thevenin等效电路模型弥补了内阻模型无法表征锂电池动态特性的缺点,并加入RC回路表征电池内部的极化效应,对电池具有更好的表征效果;该方法在考虑锂离子电池工作基础上,基于等效模型电路,改进以卡尔曼为基础的迭代计算过程,实现锂离子电池组荷电状态估算模型的建立和荷电状态的数学迭代运算算法的可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种结合电路等效和递推迭代的荷电状态估计方法,该方法针对锂离子电池组荷电状态的快速估算目标,提出了一种扩展卡尔曼滤波方法,其基本原理为结合信号与噪声的状态空间模型,采用上一次的估计量递推预测,采用当前的观测量修正更新,由此估计所关注的状态;通过在卡尔曼滤波算法基础上求取状态方程和观测方程的偏导,得到状态方程和量程方程的泰勒级数展开式,将非线性映射函数进行线性化,以得到对应于卡尔曼滤波迭代计算中所对应的系矩阵;从而将其转化成一个近似的线性化模型,在对于滤波误差及预测误差较小时,对荷电状态实现有效、实时和精确的估算;建立Thevenin等效电路模型在一定程度上弥补了内阻模型无法表征锂离子电池动态特性的缺点,并加入RC回来表征电池内部的极化效应,对电池具有更好的表征效果;在电池等效电路模型基础上运用扩展卡尔曼算法实现锂离子电池组荷电状态估算模型的建立和荷电状态值的数学迭代运算;该方法是一种基于现代控制理论的锂离子电池组状态估算方法,属于新能源测控领域。
背景技术
锂离子电池在新能源领域的应用越来越广泛,其状态检测也越来越受到重视;其中能否准确估计锂离子电池荷电状态,关系到能否充分发挥电池的性能,对锂离子电池实现实时状态检测与安全控制具有重要的意义;然而锂离子电池通常在复杂动力工况下工作,其状态检测容易受到环境噪声的影响;且锂离子电池在使用过程中其内部电化学反应复杂,常伴随有极化效应,欧姆效应等,加之复杂工况下放电电流多变,电池内部温度,电池自放电以及材料多次循环使用老化等因素的干扰,使得传统的估计锂离子电池荷电状态的算法很难得出实时、准确的锂离子电池荷电状态;并且荷电状态的获取很大程度上依赖于针对电池特性而建立的等效模型;但由于锂离子电池内部结构复杂,在复杂工况下使用时常表现出强烈的非线性特性,使得传统的等效模型很难完整正确表征锂离子电池的特性,等效建模与状态估计仍存在许多问题与不足之处;因此,针对如何根据锂离子电池的工作特性建立等效模型,并采用正确合适的算法对电池荷电状态进行估计,对锂离子电池进行实时监测和安全控制,对提高电池使用效率具有重要的意义。近几年来国内外各大高校研究机构针对如何建立能够表征锂离子电池工作特性的等效模型,以及准确估计荷电状态的方法问题,开展了大量的研究工作:麻省理工学院、宾州州立大学、英国利兹大学、美国南卡大学和国家可再生能源室等单位,均针对锂离子电池参数检测、等效建模和状态估计等内容展开了深入研究;我国清华大学、北京理工大学、中国科学技术大学、浙江大学、北京交通大学、重庆大学和哈尔滨工业大学等科研单位也同步展开研究,并取得了丰硕的成果;这些研究为锂离子电池成组等效建模、荷电状态状态估计提供了重要参考依据;在锂离子电池荷电状态荷电状态估计过程中,电池等效模型的构建占有重要的地位;荷电状态的准确估计在很大程度上依赖于等效模型,尤其是其对于电池动态特性的表征程度;在目前的应用中,常见的电池模型有电化学模型、神经网络模型以及等效电路模型等;等效电路模型将电池在使用过程中表现出的复杂动态特性,具体为电路回路中的动态响应,运用电路知识以及微积分原理建立电路方程来对电池特性进行研究;因为其具有极大方便性,该方法在工程领域得到了广泛应用。
目前,在锂离子电池荷电状态估计中常用的方法有开路电压法,安时积分法神经网络法以及卡尔曼滤波法等;开路电压法采用开路电压与荷电状态之间存在的一一对应关系,通过获取电池开路电压值来获取荷电状态值,以达到估计的目的;安时积分法从定义出发,以电流在时间上的积分来计算荷电状态,是一种较传统的方法;神经网络法通过处理大量的电池实时输入输出数据来估计锂离子电池荷电状态;卡尔曼滤波法通过不断的迭代运算,获取最小方差意义上的最优解;由于电池在使用过程中内部复杂的电化学反应使其常表现出强烈的非线性特性,加之传统算法自身存在的一些缺陷,使得以上方法在处理非线性系统时往往不能准确的估计出锂离子电池荷电状态,常存在估计精度不高,误差大的问题;因此近年来研究人员针对这些问题,在传统算法的基础上又提出了一些改进的算法;锂离子电池复杂的内部结构使得其在使用过程中表现出强烈的非线性特性,这对传统的锂离子电池荷电状态估计方法提出了新的要求;同时荷电状态估计对于等效模型的依赖,又使得模型选择与构建十分重要;因此,在多种工况条件下,电池的等效电路建模与荷电状态估计仍需进一步开展。
现有锂离子电池组BMS应用中,基于安时积分和开路电压的荷电状态估算方法,未能准确表征荷电状态估算中存在的累积误差,并且不能结合当前状态进行参数修正;通过现有荷电状态估算方法分析,基于扩展卡尔曼算法研究,将非线性状态空间模型进行线性化;对一般的非线性系统,首先围绕状态值将系统中的非线性函数通过泰勒级数展开并略去二阶及以上的项,得到一个近似的线性化模型,然后应用卡尔曼滤波完成对目标状态的滤波估计等处理;在滤波误差(估计值和真实值的偏差)及一步预测误差(该时刻与上一时刻的状态估计值之差)较小时不必预先计算标称轨迹(过程噪声和观测噪声均为0时非线性方程的解),因此可以快速估算荷电状态;在系统状态的变化频率和幅度较大时,可以通过增大采样频率和提高运算速度来达到较好的跟踪效果;针对锂离子电池组的荷电状态估算问题,结合实际单片机处理方法和迭代计算过程的优势分析,提出改进卡尔曼算法并开展迭代计算方法研究,实现了荷电状态估算模型的构建与实验验证。
发明内容
本发明的目的是克服现有锂离子电池组荷电状态估算方法的不足,提供一种基于扩展卡尔曼的锂离子电池组荷电状态估算方法,解决锂离子电池成组应用中荷电状态值精确、快速估算问题。
本发明主要用于求取锂离子电池组荷电状态估算,通过在卡尔曼滤波算法的基础上进行在线线性处理非线性函数关系即将非线性化的状态空间模型进行线性化,实现了锂离子电池组荷电状态值的有效迭代计算,并提高估算速度和精度。
本发明是基于锂离子电池组动力应用需求和工作特性实验分析,结合现代控制理论研究思想,基于扩展卡尔曼算法的锂离子电池组荷电状态估算方法,具有较强的适用性;针对锂离子电池组荷电状态值精确估算目标,本发明建立Thevenin等效电路模型在一定程度上弥补了内阻模型无法表征锂离子电池动态特性的缺点,并加入RC回来表征电池内部的极化效应,对电池具有更好的表征效果;本发明可为不同应用场景下的锂离子电池组荷电状态估算模型的建立和荷电状态值计算提供方法参考,具有计算简洁、适应性好和精度高的优点。
附图说明
图1是本发明算法流程图。
图2是荷电状态估算迭代流程图。
具体实施方式
以下将对本发明的基于扩展卡尔曼的锂离子电池组荷电状态估算方法结合附图作进一步的详细描述;本发明针对锂离子电池成组应用时的荷电状态估算问题,提出了一种锂离子电池组基于扩展卡尔曼的锂离子电池组荷电状态估算方法;扩展卡尔曼滤波算法(Extended Kalman Filter,EKF)实际上是一个非线性化线性的过程,通过前一个时间估计下一个时刻的值,应用系统输入输出的观测值,来不断更新,从而实现最优估计;采用扩展卡尔曼滤波法估计锂离子电池荷电状态时,要求过程噪声和观测噪声为近似高斯分布的白噪声,这也是所有卡尔曼滤波法的一个局限性,在这种情况下才可以方便对过程噪声和观测噪声的协方差进行控制;在估计的过程中应用泰勒展开算法将锂离子电池的系统模型展开,再去掉高阶项以后剩下一个一阶线性化模型;在得到线性化模型以后再进一步通过卡尔曼滤波器来对锂离子电池荷电状态进行估计,其扩展卡尔曼的算法流程如图1所示。
扩展卡尔曼滤波算法是在普通卡尔曼滤波算法的基础上改进过来的;卡尔曼滤波算法是把非线性空间方程通过泰勒展开,舍去二阶及以上的高阶项,得到近似的线性空间方程,然后对线性空间方程应用卡尔曼滤波算法,从而估计当前空间状态,适用于离散非线性系统;离散非线性系统空间其表达方程和观测方程如式(1)所示。
式(1)第1部分表示状态方程,第二部分表示观测方程;K是离散时间,是n维状态向量,是m维观测向量,和是相互独立的高斯白噪声;为了应用卡尔曼滤波,对非线性函数和围绕进行一阶泰勒展开;展开结果如式(2)所示。
对式(1),令AK、BK、CK、DK的值如式(3)所示。
则式(1)可以线性化为如式(4)所示。
运用Kalman滤波基本方程对线性化后的模型进行递推,便可以得出扩展Kalman滤波算法的递推过程如式(5)所示。
式(5)中,P是均方误差,K是卡尔曼增益;I是n×m单位阵;Q和R分别是和的方差,一般不随系统变化;滤波初值和滤波方差分别为X(0)=E[X(0)],P(0)=var[X(0)];(k+1)周期中滤波步骤如下:先由k时刻的状态和均方误差估计当前时刻的状态和均方误差得到先验状态和先验均方误差,然后计算当前时刻的卡尔曼增益,;最后用修正先验状态得到当前时刻的状态,并且修正先验均方误差得到当前时刻的均方误差。
获得了戴维南模型中的主要参数后,根据电压电流的关系得到状态空间方程如式(6)所示。
将三式联合并离散化可得状态方程如式(7)所示。
观测方程如式(8)所示。
第一步,状态预测,计算k时刻的预测值如式(10)所示。
第三步,计算卡尔曼增益,求取在k时刻的卡尔曼增益如式(12)所示。
第五步,更新噪声协方差,根据卡尔曼增益和上一时刻的噪声协方差来更新噪声协方差如式(14)所示。
对荷电状态基本迭代计算过程如图2所示。
计算时,五个步骤要不断地循环,估计的状态也会不断地更新,从而使更新过程中,估计值更逼近真实值。
锂离子电池的荷电状态估计表述如式(15)第一部分所示;在表达式中,参数为电池的剩余电量,参数为额定容量;在实际测量过程中,电流参数容易被直接检测,因此锂离子电池荷电状态的计算过程,可用式(15)第二部分进行表示,这是现用的荷电状态计算方法,具有计算简单的特点。
上述表达式中,参数荷电状态 I 为电流I条件下的荷电状态值,参数Q t 为剩余的电量,参数Q 0 为额定容量;对于荷电状态估计的连续时间实现过程,可用式第一部分数学表达式进行表示;离散化处理后用于离散时间的电池荷电状态估计的技术实现,可表示成如式(16)所示。
离散化的荷电状态估计模型便于实现数字系统的控制;在实际应用中,都要应用离散化的荷电状态估计模型。
综上所述,针对锂离子电池组荷电状态准确估计目标,考虑到估计精度、计算复杂度和算法稳定性等各方面因素,本发明提出了一种基于扩展卡尔曼的锂离子电池组荷电状态估计方法;在充分考虑锂离子电池组工作的基础上,结合等效电路模型的建立,实现了锂离子电池组荷电状态估算的迭代计算;对锂离子电池荷电状态的快速准确估算和对锂离子电池组工作状态的实时监测提供了准确的数据保障。
本发明仅以锂离子电池荷电状态的估算为例进行了扩展法尔曼算法的快速准确估算锂离子电池荷电状态的算法流程说明;同时在承认本发明精神的前提下,热诚的欢迎本领域相关技术人员对该发明进行扩展补充和改善。
Claims (3)
1.一种结合电路等效和递推迭代的荷电状态估计方法,其特征在于,提出了扩展卡尔曼方法,通过Thevenin等效模型,实现了扩展卡尔曼滤波算法对锂离子电池组荷电状态的有效迭代计算,通过将开路电压与喝点状态的非线性函数展开成泰勒级数,得到近似的线性化模型,有效、实时和精确的实现荷电状态估算。
2.根据权利要求1所述的一种结合电路等效和递推迭代的荷电状态估计方法,其特征在于,围绕荷电状态预测值将开路电压与荷电状态的非线性函数展开成泰勒级数并略去二阶以上的项,从而得到近似的线性化模型,有效、实时和精确的实现荷电状态估算。
3.根据权利要求1所述的一种结合电路等效和递推迭代的荷电状态估计方法,其特征在于,Thevenin等效电路模型在一定程度上弥补了内阻模型无法表征锂离子电池动态特性的缺点,加入RC回来表征电池内部的极化效应,对电池具有更好的表征效果。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210413 |
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